安全元件及用于制造安全元件的方法和设备的制造方法
【专利说明】安全元件及用于制造安全元件的方法和设备
[00011 本申请是申请日为2011年1月28日、申请号为201180016445.3、名称为"安全元件 及用于制造安全元件的方法和设备"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 本发明涉及用于物品（诸如有价票证，包括钞票等）的安全元件，以及用于制造所 述安全元件的方法和设备。
[0003] 有价票证(诸如钞票、护照、许可证、证书、支票和身份证)往往是伪造者的目标，因 此能够测试它们的真实性是重要的。为此，这样的票证设置有被设计为非常难以伪造的安 全特征(security feature)。尤其，所述安全特征应是不能例如使用复印机来复制的。用于 此目的的众所周知的特征包括安全印花(诸如凹雕）、安全插件(诸如磁性线）、水印等。众所 周知的安全元件还有光学可变装置(诸如全息图像、色移油墨、液晶材料）以及浮雕的衍射 或反射结构，其可以作为印刷器件、浮雕、补丁(patch)、条带(stripe)、线来施加，且近期作 为宽的嵌入式或贴敷式带子(tape)来施加。光学可变装置根据观察条件(例如观察角度)而 表现出不同的外观，因此十分适合用于鉴定。
[0004] 作为成功的安全装置，所述装置显示的可变光学效果必须对于观察者而言能被清 楚且无疑地检测到，且对于伪造者而言不能或至少难于通过常规方式复制或生产近似物。 如果所述光学效果不明确或对于观察者而言不特别明显，那么所述装置将是无效的，因为 用户将难于区分真实的元件与被设计为具有相似的总体外观却没有真品效果(例如高品质 彩色复印）的可变特征的伪造品。
[0005] 文献中描述的一类光学可变装置利用了定向的（oriented)磁性颜料来产生动态 的和三维状的图像。描述这样的特征的相关技术的实例包括EP-A-1674282、W0-A-02/ 090002、US-A-20040051297、US-A-20050106367、TO-A-2004007095、W0-A-2006069218、EP-A-1745940、EP-A-1710756、W0-A-2008/046702 和 W0-A-2009/033601。通常，当所述磁性颜料 被施加到一个表面之后与一个磁场配准。散布在液体有机介质中的磁性肩自身定向为平行 于磁场线，而偏斜于原始的平面取向。此偏斜从垂直于基底的表面到原始取向不一而足，包 括本质上平行于产品表面的肩。平面定向的肩将入射光反射回观察者，而重新定向的肩却 不将入射光反射回观察者，从而在覆层中提供了三维图案。
[0006] W0-A-2004007095描述了已知为"滚动条(rolling-bar)"特征的动态光学可变效 果的建立。所述"滚动条"特征为由磁性配准的颜料肩构成的图像提供了运动的光学幻象。 所述肩相对于所述基底的表面以弓形图案配准，从而在出现于第一邻场(adjacent field) 与第二邻场之间的图像上建立了对比条(contrasting bar)，当所述图像相对于观察角度 倾斜时，所述对比条显现移动。这样的动态图像的运用在EP-A-1674282中进一步拓展，其中 所述肩以第一弓形图案或第二弓形图案配准，从而建立了第一对比条和第二对比条，当所 述图像相对于观察角度倾斜时，所述第一对比条和所述第二对比条显现同时以不同方向移 动。EP-A-1674282也描述了其他滚动对象(诸如滚动半球)的建立。
[0007] TO-A-2005/002866和W0-A-2008/046702都公开了用于在一个层中定向磁性颗粒 以显示标记（indicia)的设备和方法。在这两个文献中，待显示的标记是通过提供一层表面 具有铭刻(engraving)的永磁材料来配置的。所述铭刻使得所述材料发出的场产生扰动，且 当含有磁性颗粒的层被放置在该场内时，所述颗粒采取相应的取向（orientation)。在实践 中，只有某些磁性材料适于加工以生产必要的铭刻，且通常使用柔性的聚合物联结合成物 (polymer-bonded composite)，其含有永磁粉，诸如Max Baermann GmbH的Tromaflex?。这 样的材料与常规的脆的铁磁体相比具有相对低的磁强度。因此，由这样的布置实现的颗粒 重新定向的程度低，且所产生的光学效果在如下两方面都弱:所述磁性标记显现不明确，以 及所述图像的三维性质（这导致运动幻象）对于观察者而言不特别明显。在W0-A-2008/ 046702中，通过将一个或多个附加的永磁体设置在铭刻的磁性层后方(这增加了磁性颗粒 层经受的磁场），某一程度上改善了所述光学效果。这些附加的永磁体可以采取例如一系列 条形磁体的形式。然而，所述附加的磁体必须处在与所述铭刻的磁性层隔开的位置，以免损 害所述铭刻的层的固有磁性。因此，对磁场强度的整体改进不大，且所产生的光学效果仍不 明确。当将所述安全元件与已知的全息装置和透镜装置实现的效果相比时，情况尤其如此。
[0008] EP-A-1710756也公开了一种包括磁性肩的安全元件，所述磁性肩被定向为产生诸 如漏斗、穹顶和锥体图像的光学效果，使用永磁体的多种配置来产生磁场。然而，所实现的 视觉效果不特别明确，且所实现的图像的形状有限。
[0009] 因此，需要这样一种安全元件，其具有更明确从而对于观察者更易辨识的光学效 果，以提高鉴定所述安全元件的能力。
[0010] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于将标记磁性地压印到物品上的一个层中 的设备，所述层包括悬浮有磁性或可磁化颗粒的成分，所述设备包括:软的可磁化片材，其 具有外表面和对立的内表面，所述外表面被布置为在使用中面向所述物品；以及永磁体，其 被塑造为使得其磁场包含产生标记的扰动，所述永磁体被布置为与所述软的可磁化片材的 内表面相邻，借此，所述软的可磁化片材增强了所述永磁体的磁场的扰动，以使得当待被压 印的层与所述软的可磁化片材的外表面位置相邻时，所述磁性或可磁化颗粒被所述磁场定 向以显示所述标记。
[0011] "软的"可磁化材料是非永磁体，且通常，至少与永磁体相比，具有低的矫顽力 (coercivity)。例如，在没有施加磁场的情况下，软的可磁化材料通常自身(至少在外部)不 产生任何显著的磁场。
[0012] 通过在所述永磁体与待被压印的层之间提供软的（在磁性意义上，而不是在物理 意义上）可磁化层，可以实现若干优点。首先，由于所述永磁体可以被布置为在使用中靠近 或接触所述软的可磁化片材而不造成损害，所述永磁体可以更紧密地接近待被压印的层， 优选地仅隔着所述可磁化片材自身。由于磁场强度随着距磁源的径向距离依照r 3而减小， 这确保了被压印的层在实用的程度上尽量经受所述磁体的全部磁场强度。另外，所述软的 可磁化层借助于其固有的高导磁率(与周围的空气相比）强化了所述场中的扰动。于是，穿 过所述片材的厚度，磁场线被"加速"，导致所述场在紧邻所述永磁体之处变得聚焦或集中。 在与所述片材的外表面相邻的区域内（在使用中所述磁性颗粒层将被放置在这里），所述扰 动的曲率增强，局部磁通密度(从而磁场强度)也增强。最后，所述设备有助于使用常规的、 高磁通密度的永磁材料，因为不需要加工。结果是，非常高程度的颗粒重新排列 (realignment)被集中到所述永磁体附近。这导致了由所述层显示的标记具有非常鲜明和 良好界定的视觉外观，其对于观察者非常醒目和可辨识，从而提高了区分该元件的能力，并 且增强了该标记作为鉴别器的功能。
[0013] 根据想要的标记，所述永磁体可以以多种形状被提供。由于由所述磁体产生的场 被所述可磁化片材所局限，所以所述磁体的构造将对所得到的标记具有直接和显著的效果 (尽管可以不是精确匹配）。已发现特别优选的磁体布置会在所压印的图像中产生强的三维 效果，同时所述标记清晰地显现为具有"深度"且当该层倾斜时相对于该层移动。为了得到 特别强的三维外观，优选地所述永磁体应具有上表面(面向所述软的可磁化片材），所述上 表面的形态(profi 1 e)不与所述片材的形态共形（conform)。例如，所述永磁体的上表面的 至少一部分可以是弯曲的或相对于所述片材倾斜的。球形或半球形的永磁体是特别优选的 实施例。已发现，这样的弯曲或"有锥度"的磁体，与上文描述的软的可磁化片材结合使用， 在待被压印的层中在横向距离上产生了颗粒角度的逐渐(而不是突发)改变。所述磁体优选 地与所述片材在至少一点处接触(且由于有锥度的形态而在其他点处与所述片材隔开），以 使所述磁体与所述颗粒之间的间隔最小化。
[0014] 然而，也已发现，使用"扁平的（flat)"永磁体（其上表面与所述片材的内表面共 形），在该扁平的磁体与所述片材有少许间隔的情况下，能够实现逐渐的颗粒角度改变，从 而实现三维效果。所述间隔可以例如通过如下方式实现:在所述磁体与所述片材之间设置 非磁性间隔材料(诸如塑料），或者使用被设计为保持所述磁体与所述片材处于间隔关系的 壳体。在所述磁体与所述片材之间不应存在磁性或可磁化材料。因此，在其他优选实施方案 中，所述永磁体具有面向所述软的可磁化片材的上表面，所述上表面的形态与所述片材的 形态基本共形，且其中所述永磁体的上表面与所述片材的内表面的间距在0.5mm与10mm之 间，优选地在1mm与5mm之间。
[0015] 为了实现最大的磁场聚焦，优选的是，在垂直于所述片材的法线的一个平面内，所 述永磁体的横向周缘（1 at era 1 p er i phery)在所述片材的横向周缘内。在特别优选的例子 中，所述片材的（最小)横向尺度（lateral dimens ion)是所述永磁体的至少1.5倍，优选地 至少2倍。有利地，所述永磁体被塑造为使得其横向周缘具有标记的形式，所述标记优选地 是几何形状、符号、文字数字混编码或数字。通常，集中的磁场将使具有最大曲率的区域与 所述磁体的周缘极限（extreme)近似对准(在它们距所述可磁化片材不太远的情况下），从 而这可以导致在最终显示的标记中形成相同的形状。在特别优选的实施例中，所述永磁体 基本是球形、穹顶形或金字塔形的。有利地，所述永磁体被布置为使得限定在其南磁极与北 磁极之间的轴线基本垂直于所述片材。一般，优选的是，所述永磁体被塑造为，使得在所述 片材附近，所述磁场的方向在所述永磁体的中心与横向周缘之间改变。所述永磁体的横向 尺度可以根据想要的标记来选择，但在有利的实施方案中在5mm与50mm之间，优选地为5_ 到20mm，更优选地为5mm到10mm，再优选地为8mm到9mm。也可以提供多于一个的永磁体来产 生所述标记。
[0016] 如上所述，优选的是，所述永磁体在至少一个点处接触所述片材，尤其是在所述磁 体具有弯曲或有锥度的上部形态的情况下。这导致在压印期间所述磁体与所述颗粒层之间 的间距最小。然而，如果想要，则可以包括窄的间隔层，例如以将所述磁体固定就位，尽管优 选地它由非磁性材料形成。
[0017] 为了实现高水平的颗粒排列，非常想要强磁场。于是，在优选的实施方案中，所述 永磁体的剩磁(magnetic remanence)为至少3000高斯，优选地为至少8000高斯，更优选地 为至少10000高斯，最优选地为至少12000高斯。可以使用展现出这样属性的任何永磁材料， 但在优选的实施例中，所述永磁体包括硬的铁氧体(ferrite)、钐钴（samarium cobalt)、 AlNiCo或钕(neodymium)，优选地是N33到N52中任何等级的钕。
[0018] 为了减小所述磁体与所述层之间的间距，且为了防止将磁场完全屏蔽在所述磁性 颗粒层之外，所述软的可磁化片材优选地被配置为尽量薄(在平行于所述片材的法线的方 向上）。有利地，所述软的可磁化片材的厚度小于5_，优选地小于2mm，更优选地小于或等于 1mm，再优选地小于或等于0.5mm，最优选地小于或等于0.25mm。在实践中，大约为0.01mm更 优选地为0.05mm的最小厚度可以是合适的。所述软的可磁化片材优选地至少在所述永磁体 的区域内具有基本均匀的厚度。在优选的实施方式中，所述软的可磁化片材在至少一个方 向上是弯曲的，它的内表面面向该曲面的内部。这使得所述片材能够与安装有所述设备的 辊的表面齐平。
[0019] 所述软的可磁化片材优选地具有尽可能低、理想地为零的矫顽力（且相应地具有 尽可能低的剩磁），以使它线性地响应所述永磁体的磁场，且不施加任何冲突磁场。所述软 的可磁化片材的矫顽力优选地低于所述永磁体的矫顽力。有利地，所述片材的矫顽力小于 或等于250e，优选地小于或等于120e，更优选地小于或等于10e，再优选地小于或等于 0 · l〇e，最优选地在0 · 010e与0 · 020e之间（lA/m = 0 · 0125663710e)。
[0020] 为了实现高等级的场浓度，所述片材优选地也应具有高导磁率。在优选的实施例 中，所述软的可磁化片材在0.002特斯拉的磁通密度下的相对导磁率为大于或等于100,优 选地大于或等于500，更优选地大于或等于1000，再优选地大于或等于4000，最优选地大于 或等于8000。可以将任何合适的软磁材料用于所述软的可磁化片材，优选地是坡莫合金 (permalloy)、铁氧体、镍、钢、电炉钢(electrical steel)、铁、钼金属(Mu-metal)或超透磁 ^^(supermalloy)。
[0021] 优选地，所述软的可磁化片材的磁性质在整个所述片材上，至少在所述永磁体的 区域内，是基本均匀的。
[0022] 可以用任何方便的方式来安装所述设备。然而，在一个优选的实施方式中，所述设 备还包括壳体，所述壳体被配置为以彼此固定的关系支承所述永磁体和所述软的可磁化片 材，所述壳体具有上表面，所述上表面被布置为在使用中面向所述物品，所述上表面内设置 有一个或多个凹陷，所述永磁体被容纳在所述一个或多个凹陷内，所述软的可磁化片材被 安装在所述壳体的上表面上且覆盖所述一个或多个凹陷。此布置确保所述永磁体保持与该 组件的最外表面紧密贴近，从而在使用期间接近待被压印的层。优选地，所述凹陷或每个凹 陷完全容纳所述永磁体，以使得所述软的可磁化片材与所述一个或多个凹陷齐平。有利地， 所述软的可磁化片材经由粘合层，或经由布置在所述软的可磁化片材上且与所述壳体毗邻 的胶带，安装到所述壳体的上表面。优选地，所述壳体的上表面在至少一个方向上是弯曲 的，以用在辊组件中。
[0023] 还提供了一种压印组件，其包括设备阵列，每个设备如上所述。它可以采取平板的 形式，但优选地所述组件被形成在辊的表面中。
[0024] 本发明的第二方面提供了一种制造安全元件的方法，包括:提供一个层，所述层包 括悬浮有磁性或可磁化颗粒的成分;使所述层与根据本发明第一方面的设备的软的可磁化 片材的外表面贴近，从而定向所述磁性或可磁化颗粒以显示标记；以及使所述层硬化，从而 固定所述磁性或可磁化颗粒的取向，以使得所述标记被永久显示。
[0025] 出于前述所有原因，此制造技术形成了一种显示非常醒目和可辨识的光学效果的 安全元件。
[0026] 含有磁性颗粒的层可以在先前的、分立的进程中形成，且被供应为即可用于磁性 压印。在优选的例子中，所述层是通过将所述成分印刷或涂覆到基底上而提供的，优选地通 过筛网印刷（screen printing)、转动丝网印刷（rotary silkscreen printing)、凹版印刷 (gravure)或反转凹版印刷(reverse gravure)。这可以是片材供给(sheet-fed)或腹板供 给(web-fed)技术。
[0027] 为了使所产生的光学效果可以被完整地看到，优选的是所述层的至少一个横向尺 度大于所述永磁体的相应横向尺度，以使得所显示的标记在所述层的周缘内。然而，已经发 现，为了实现最佳的效果，所述标记不应表现为距所述层的周缘太远，以使得所述标记的表 观运动被固定的周缘强化。因此，优选地，所述层被放置在与所述软的可磁化片材的外表面 相邻的一个位置，由此所述层的周缘从所述永磁体的最近横向周缘的横向偏移在〇.5cm与 2cm之间，优选地在0.5cm与1.5cm之间，更优选地在0.5cm与lcm之间。为了使所述标记表现 为合理地贴近所述周缘的每一侧，在优选的例子中，所述层的横向尺度在所述永磁体的横 向尺度的1.25倍与5倍之间，优选地在所述永磁体的横向尺度的1.25倍与3倍之间，更优选 地在所述永磁体的横向尺度的1.25倍与2倍之间。
[0028] 为了进一步增强三维运动的外观，在优选的实施方案中，所述层设置有一个或多 个配准特征(registration feature)(或"基准（datum)"特征），对照所述配准特征可判断 由所述层显示的标记的位置，所述配准特征优选地包括所述层中的间隙和/或所述层的周 缘中的构造。通过设置基准特征还可以实现一个附加效果：由定向的磁性颜料限定的图像 可以增强所述基准特征。例如，所述图像的运动可以被布置为使得表现为出现在所述基准 特征下方，从而强调所述特征。这尤其可用在多个所述基准特征布置成一个序列的情况下， 当所述元件被倾斜时，所述磁性层展现出的效果被适配为在对应于想要阅读方向的方向上 "移动"经过所述基准特征。
[0029] 在间隙的情形下，优选地所述磁性层被印刷或涂