(57)【要約】      （修正有）【課題】金属検出器を動作させるための改良された方法、およびこの方法に従って動作する改良された金属検出器を提供すること。【解決手段】金属検出器（１）を動作させるための方法は、グラウンドを基準にして異なる大きさで第１の電圧電位（ＶＤ）と第２の電圧電位（ＶＳ）を提供するステップと、第１の矩形波信号（ｄ１）と第２の矩形波信号（ｄ２）が同時にアクティブになることがないように、第１の矩形波信号（ｄ１）に可変の第１のデューティ比を与え、第２の矩形波信号（ｄ２）に可変の第２のデューティ比を与えるステップと、駆動コイル（Ｌ６１）のコイル電流（ｉＬ６１）を、金属検出器の動作および汚染物質の測定に適した値に設定するために、第１のデューティ比および第２のデューティ比を調整するステップと、を含む。【選択図】図１
2020190548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属検出器（１）を動作させるための方法であって、
前記金属検出器（１）は、平衡コイルシステム（６）を含み、前記平衡コイルシステム（６）は、受信機ユニット（１１）に接続され駆動コイル（Ｌ６１）に誘導結合された２つの検出コイル（Ｌ６２、Ｌ６３）を有し、前記駆動コイル（Ｌ６１）は、少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と共に直列共振回路を形成し、前記直列共振回路は、送信機ユニット（１０）に接続され、前記送信機ユニット（１０）は、第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）および第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）を有するコンバータ（４）を含み、前記第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）および前記第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）は、ハーフブリッジ回路を形成し、第１の矩形波信号（ｄ１）および第２の矩形波信号（ｄ２）に従って駆動コントローラ（２）によって駆動され、
＞  前記第１の矩形波信号（ｄ１）は、固定または選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）に設定され、一方の側が第１の電圧電位（ＶＤ）に接続され、他方の側が前記ハーフブリッジ回路のセンタータップに接続された前記第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）に印加され、
＞  前記第２の矩形波信号（ｄ２）は、前記固定または選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）に設定され、一方の側が第２の電圧電位（ＶＳ）に接続され、他方の側が前記駆動コイル（Ｌ６１）に駆動電流（ｉＤ）を供給する前記ハーフブリッジ回路の同じセンタータップに接続された前記第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）に印加される、前記方法は、
＞  グラウンドを基準にして異なる大きさで前記第１の電圧電位（ＶＤ）と前記第２の電圧電位（ＶＳ）を提供するステップと、
＞  前記第１の矩形波信号（ｄ１）と前記第２の矩形波信号（ｄ２）が同時にアクティブになることがないように、前記第１の矩形波信号（ｄ１）に可変の第１のデューティ比を与え、前記第２の矩形波信号（ｄ２）に可変の第２のデューティ比を与えるステップと、
＞  前記駆動コイル（Ｌ６１）のコイル電流（ｉＬ６１）を、前記金属検出器の動作および汚染物質の測定に適した値に設定するために、前記第１のデューティ比および前記第２のデューティ比を調整するステップと、
を含む、金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項２】
前記第１の電圧電位（ＶＤ）または前記第２の電圧電位（ＶＳ）は、グラウンドおよび／または前記直列共振回路に設定される、
請求項１に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項３】
現行の前記第１のデューティ比と現行の前記第２のデューティ比の和が１にほぼ等しくなるように少なくともほぼ互いに補完する波形を有する前記第１の矩形波信号（ｄ１）および前記第２の矩形波信号（ｄ２）を生成するステップを含む、
請求項１または２に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項４】
前記駆動コイル（Ｌ６１）の前記コイル電流（ｉＬ６１）を、前記直列共振回路で発生する電圧が所定の最大値を下回り続けるような値に設定するために、前記第１のデューティ比および前記第２のデューティ比を調整するステップを含む、
請求項１、２または３に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項５】
前記駆動電流（ｉＤ）を前記ハーフブリッジ回路の前記センタータップから前記直列共振回路を介してグラウンドへ駆動するステップを含む、
請求項１から４のいずれか１項に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項６】
前記駆動コイル（Ｌ６１）の一方の側に少なくとも第１のコンデンサ（Ｃ１）を配置し、前記駆動コイル（Ｌ６１）の他方の側に少なくとも第２のコンデンサ（Ｃ２）を配置するステップを含み、前記第１のコンデンサ（Ｃ１）および前記第２のコンデンサ（Ｃ２）が好ましくは同一である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項７】
第１のスイッチ（ｕ１）によって前記第１のコンデンサ（Ｃ１）に接続可能な少なくとも第３のコンデンサ（Ｃ３）を提供し、および／または第２のスイッチ（ｕ２）によって前記第２のコンデンサ（Ｃ２）に接続可能な少なくとも第４のコンデンサ（Ｃ４）を提供するステップと、前記直列共振回路の共振周波数を変更するために前記第１のスイッチ（ｕ１）および／または前記第２のスイッチ（ｕ２）を開閉させるステップと、を含む、
請求項１から６のいずれか１項に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項８】
前記駆動コイル（Ｌ６１）の前記コイル電流（ｉＬ６１）が、前記駆動コイル（Ｌ６１）の前記コイル電流（ｉＬ６１）および／または前記直列共振回路で発生する電圧が所定の最大値を下回り続ける電流範囲内で調整可能なように、前記固定または選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）を前記直列共振回路の前記共振周波数からオフセットして設定するステップを含む、
請求項１から７のいずれか１項に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項９】
前記直列共振回路のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）における電圧を測定するステップと、前記測定された電圧を基準値と比較するステップと、前記測定された電圧と前記駆動コイル（Ｌ６１）の前記コイル電流（ｉＬ６１）の所定の値に対応する前記基準値との差に応じて、前記第１の矩形波信号（ｄ１）の前記第１のデューティ比および前記第２の矩形波信号（ｄ２）の前記第２のデューティ比を調整するステップと、を含む、
請求項１から８のいずれか１項に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項１０】
前記駆動コイル（Ｌ６１）の前記コイル電流（ｉＬ６１）を選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）のそれぞれに適した値に設定するために前記第１のデューティ比および前記第２のデューティ比の動作値を決定するステップと、前記第１のデューティ比および前記第２のデューティ比の関連する動作値と共に前記動作周波数（ｆＴＸ）のうちの１つを選択するステップと、を含む、
請求項９に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項１１】
＞  前記駆動コイル（Ｌ６１）が、少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と共に直列共振回路を形成し、前記ハーフブリッジ回路に接続される同調モードで前記コイルシステム（６）を動作させるステップ、または、
＞  前記駆動コイル（Ｌ６１）が直列共振回路の一部ではなく、好ましくは前記ハーフブリッジ回路と変換可能なフルブリッジ回路に接続される非同調モードで前記コイルシステム（６）を動作させるステップ、を含む、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の金属検出器（１）を動作させるための方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法に従って動作する金属検出器（１）。
【請求項１３】
平衡コイルシステム（６）を含み、前記平衡コイルシステム（６）は、受信機ユニット（１１）に接続され駆動コイル（Ｌ６１）に誘導結合された２つの検出コイル（Ｌ６２、Ｌ６３）を有し、前記駆動コイル（Ｌ６１）は、少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と共に直列共振回路を形成し、前記直列共振回路は、送信機ユニット（１０）に接続され、前記送信機ユニット（１０）は、第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）および第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）を有する第１のコンバータ（４）を含み、前記第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）および前記第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）は、ハーフブリッジ回路を形成し、第１の矩形波信号（ｄ１）および第２の矩形波信号（ｄ２）に従って駆動コントローラ（２）によって駆動され、
＞  前記第１の矩形波信号（ｄ１）は、固定または選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）に設定され、一方の側が第１の電圧電位（ＶＤ）に接続され、他方の側が前記ハーフブリッジ回路のセンタータップに接続された前記第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）に印加され、
＞  前記第２の矩形波信号（ｄ２）は、前記固定または選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）に設定され、一方の側が第２の電圧電位（ＶＳ）に接続され、他方の側が前記駆動コイル（Ｌ６１）に駆動電流（ｉＤ）を供給する前記ハーフブリッジ回路の前記センタータップに接続された前記第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）に印加され、
＞  前記第１の電圧電位（ＶＤ）と前記第２の電圧電位（ＶＳ）は、グラウンドを基準にして異なる大きさで提供され、
＞  前記第１の矩形波信号（ｄ１）と前記第２の矩形波信号（ｄ２）が同時にアクティブになることがないように、前記第１の矩形波信号（ｄ１）は可変の第１のデューティ比で提供され、前記第２の矩形波信号（ｄ２）は可変の第２のデューティ比で提供され、
＞  前記第１のデューティ比および前記第２のデューティ比は、前記駆動コイル（Ｌ６１）のコイル電流（ｉＬ６１）を、前記金属検出器の動作および汚染物質の測定に適した値に設定するために調整可能である、
請求項１２に記載の金属検出器（１）。
【請求項１４】
前記第１の電圧電位（ＶＤ）または前記第２の電圧電位（ＶＳ）は、グラウンドに設定される、
請求項１２に記載の金属検出器（１）。
【請求項１５】
前記コンバータ（４）は、第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）および第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）を含むハーフブリッジ回路から、前記第１の駆動スイッチ（Ｓ４１）および前記第２の駆動スイッチ（Ｓ４２）を有する第１のハーフブリッジ回路と、第３の駆動スイッチ（Ｓ４３）および第４の駆動スイッチ（Ｓ４４）を有する第２のハーフブリッジ回路とを含むフルブリッジ回路に変換可能である、
請求項１２、１３または１４に記載の金属検出器（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、１つまたは複数の動作周波数（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を使用する金属検出器（ｍｅｔａｌ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を動作させるための方法、およびこの方法に従って動作する金属検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]例えば米国特許第８５８７３０１Ｂ２号に記載されているような工業用金属検出システムは、製品中の金属汚染物質を検出するために使用される。金属検出システムは、適切に設置され、動作すると、金属汚染物質を低減し、食品の安全性を向上させるのに役立つ。ほとんどの最新の金属検出器は、「平衡コイルシステム（ｂａｌａｎｃｅｄ  ｃｏｉｌ  ｓｙｓｔｅｍ）」を含むサーチヘッドを利用している。この設計の検出器は、生鮮品や冷凍品などの多種多様な製品における鉄、非鉄、ステンレス鋼を含むあらゆる種類の金属汚染物質を検出することが可能である。
【０００３】
[0003]「平衡コイル」の原理に基づいて動作する金属検出器は、典型的には３つのコイル、すなわち駆動コイル（ｄｒｉｖｅ  ｃｏｉｌ）、および非金属フレームに巻かれ典型的にはそれぞれが互いに平行な２つの同一の検出コイル（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｃｏｉｌｓ）を含む。典型的には駆動コイルを中心に囲む検出コイルは同一であるので、同一の電圧が検出コイルのそれぞれに誘導される。システムが平衡状態にあるときにゼロである出力信号を受信するために、第１の検出コイルは、巻線の方向が逆である第２の検出コイルと直列に接続されている。したがって、システムが平衡状態にあり、観察された製品に汚染物質が存在しない場合には、同一の振幅と逆極性の検出コイルに誘起された電圧が互いに打ち消し合うことになる。
【０００４】
[0004]しかしながら、金属の粒子がコイル配置を通過するとすぐに、電磁場は、最初に一方の検出コイルの近くで、次に他方の検出コイルの近くで乱される。金属の粒子が検出コイルを通って搬送される間、各検出コイルに誘起される電圧は（典型的にはナノボルトによって）変化する。このバランスの変化は、検出コイルの出力での信号につながり、この信号は受信機ユニットで処理され、増幅され、その後、観察された製品中の金属汚染物質の存在を検出するために使用される。
【０００５】
[0005]受信機ユニットでは、入力信号は通常、同相成分と直交成分に分割される。これらの成分で構成されるベクトルは、コイルシステムを介して搬送される製品および汚染物質に典型的な振幅と位相角を有する。金属汚染物質を識別するためには、「製品の影響」を除去または低減する必要がある。製品の位相が分かっている場合は、金属汚染物質に由来する信号を検出するための感度を高めるように、対応する信号ベクトルを小さくすることができる。
【０００６】
[0006]信号スペクトルから不要な信号を除去するために適用される方法は、金属汚染物質、製品、および他の妨害が、検出された信号の位相が異なるように磁場に異なる影響を与えるという事実を利用する。高い導電性を有する材料は、負の反応性信号成分が高く、抵抗性信号成分が小さい信号を発生させる。透磁率の高い材料は、抵抗性信号成分が小さく、正の反応性信号成分が高い信号を発生させる。フェライトに起因する信号は主に反応性であり、ステンレス鋼に起因する信号は主に抵抗性である。導電性のある製品は、通常、強い負の反応性成分を有する信号を発生させる。製品または汚染物質が金属検出器を介して搬送されるとき、抵抗性信号成分と反応性信号成分との間の信号ベクトルの位相角は、通常一定のままである。
【０００７】
[0007]米国特許公開第２０１５０２３４０７５Ａ１号は、所定の周波数で出力信号を生成するようにコイルシステム内に交流磁場を確立するためのドライバ回路を有する金属検出器を開示している。ドライバ回路は、中央処理装置、電子的にプログラム可能な論理装置（ＥＰＬＤ）、および選択された電位差を挟んで全波ブリッジ回路を形成する４つの電界効果トランジスタに接続されたドライバを含み、駆動コイルはブリッジ回路の出力を挟んで接続されている。この電位差、例えば２４ボルトは、駆動コイルを横切る駆動電流を確立する。米国特許公開第２０１５０２３４０７５Ａ１号はさらに、２つのＦＥＴのみを有する半波ブリッジを記載している。駆動コイルが両端を横切って接続された状態で、スイッチングは、駆動電流が一方の半サイクルでは駆動コイルを介して一方のＦＥＴを通過し、他方の半サイクルでは他方のＦＥＴを通過するように配置されている。
【０００８】
[0008]金属検出器は、周波数の広い帯域で動作するコイルシステムを含み得る。代替的に、特定の動作周波数にチューニングされたコイルシステムが使用されてもよい。コイルシステム内の交流電流の振幅は、キャパシタンスおよび動作周波数を適宜選択することによって制御される。インダクタンスは、駆動コイルのシングルターンを加算または減算するという機械的な制約のため、大きなステップでしか変更できない。コンデンサは比較的高価で取り付けが難しく、メーカーが定義したサイズでしか入手できない。送信機の周波数も共振周波数に関して調整することができるが、必要な電流の変化を生み出すためには大きな変動が必要である。したがって、所望の範囲にある動作周波数およびコイル電流に到達するために、その構成要素を有する同調コイルシステムを最適化するための手順は煩雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第８５８７３０１Ｂ２号
【特許文献２】米国特許公開第２０１５０２３４０７５Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
[0009]したがって、本発明は、金属検出器を動作させるための改良された方法、およびこの方法に従って動作する改良された金属検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
[0010]本発明の方法は、金属検出器を所望の動作周波数にチューニングすること、およびこれらの周波数のそれぞれに対して適切な最大コイル電流をわずかな労力で設定することを可能にする。
【００１２】
[0011]特に、金属検出器を所望の動作周波数にチューニングし、非標準部品を必要とせずに適切なコイル電流を設定することが可能である。したがって、本発明の金属検出器は、低コストでありながら、最適な性能を備えて生産することが可能である。
【００１３】
[0012]本発明の方法および金属検出器は、金属検出器に高感度を提供する駆動コイルに高いコイル電流を発生させることを可能にし、一方で、送信機ユニットの電流は比較的低いままであるので、送信回路を適宜、例えば電力性能およびコストを低減するように寸法を決定することができる。
【００１４】
[0013]さらに、それぞれのコイル電流が容易に調整できる特定の周波数専用の同調モードと、コイルシステムをチューニングすることなく動作周波数を自由に選択できる非同調モードで、金属検出器を動作させることが可能である。
【００１５】
[0014]異なる動作モード間の変換は、追加の部品を必要とすることなく、実用的に容易に達成されなければならない。
[0015]本発明の第１の広い態様において、金属検出器を動作させるための方法が提供される。金属検出器は、平衡コイルシステムを含み、平衡コイルシステムは、受信機ユニットに接続され駆動コイルに誘導結合された２つの検出コイルを有し、駆動コイルは、少なくとも１つのコンデンサと共に直列共振回路（ｓｅｒｉｅｓ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を形成し、直列共振回路は、送信機ユニットに接続され、送信機ユニットは、第１の駆動スイッチおよび第２の駆動スイッチを有するコンバータを含み、第１の駆動スイッチおよび第２の駆動スイッチは、ハーフブリッジ回路（ｈａｌｆ−ｂｒｉｄｇｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を形成し、第１の矩形波信号（ｓｑｕａｒｅ  ｗａｖｅ  ｓｉｇｎａｌ）および第２の矩形波信号に従って駆動コントローラによって駆動され、
＞  第１の矩形波信号は、固定または選択可能な動作周波数に設定され、一方の側が第１の電圧電位に接続され、他方の側がハーフブリッジ回路のセンタータップ（ｃｅｎｔｒｅ  ｔａｐ）に接続された第１の駆動スイッチに印加され、
＞  第２の矩形波信号は、固定または選択可能な動作周波数に設定され、一方の側が第２の電圧電位に接続され、他方の側が駆動コイルに駆動電流を供給するハーフブリッジ回路のセンタータップに接続された第２の駆動スイッチに印加される。
【００１６】
[0002]この方法は、
＞  グラウンドを基準にして異なる大きさで第１の電圧電位と第２の電圧電位を提供するステップと、
＞  第１の矩形波信号と第２の矩形波信号が同時にアクティブになることがないように、第１の矩形波信号に可変の第１のデューティ比（ｄｕｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）を与え、第２の矩形波信号に可変の第２のデューティ比を与えるステップと、
＞  駆動コイルのコイル電流を、金属検出器の動作および汚染物質の測定に適した値に設定するために、第１のデューティ比および第２のデューティ比を調整するステップと、を含む。
【００１７】
[0016]好ましい実施形態では、第１の電圧電位または第２の電圧電位は、それぞれグラウンドまたはグラウンド電位に設定される。したがって、コンバータに１つの電源電圧のみを供給することは、駆動コイルにコイル電流を発生させるのに十分であり、このコイル電流は、第１のデューティ比および第２のデューティ比に対応する値を選択することによって適切な値に調整可能である。
【００１８】
[0017]ハーフブリッジ回路のセンタータップが駆動スイッチの１つによってグラウンド電位とは異なる電圧電位に接続されている場合、駆動電流は直列共振回路を介して好ましくはグラウンドに駆動される。
【００１９】
[0018]本発明の方法によれば、第１の電圧電位および第２の電圧電位は、第１のデューティ比および第２のデューティ比によって決定される個々の持続時間の間、直列共振回路に印加される。駆動コイルにおけるコイル電流は、動作信号の各期間内に高い振幅を有する電圧電位が駆動コイルに印加されるデューティ比または持続時間を増加することによって、および、動作信号の各期間内に低い振幅を有する電圧電位またはグラウンド電位を有する電圧電位が駆動コイルに印加されるデューティ比または持続時間を減少させることによって、増加させることができる。
【００２０】
[0019]コンバータに適用することができる適切な第１および第２のデューティ比は、駆動コントローラにおいて計算されるか、またはプログラムされてもよい。コンバータに異なる電圧電位を提供すると、コイル電流も影響を受け、かなりの労力を必要とし、これを回避するのが有利である。
【００２１】
[0020]第１の矩形波信号および第２の矩形波信号は、好ましくは、現行の第１のデューティ比と現行の第２のデューティ比の和が１にほぼ等しくなるように少なくともほぼ互いに補完する波形で生成される。したがって、直列共振回路の一端または一方の端子は、好ましくは常に第１の電圧電位または第２の電圧電位に接続され、一方、直列共振回路の他端または他方の端子は常に固定電位、好ましくはグラウンド電位に接続される。
【００２２】
[0021]デューティ比は、信号がアクティブである動作信号の１周期のフラクションである。アクティブ信号はまた、動作信号の１周期の対応する持続時間またはフラクションを有するパルスとして定義することができる。したがって、周期的な信号のデューティ比は、「デューティサイクル」という用語に使用されるように、１００％ではなく、１にスケーリングされたアクティブな持続時間と非アクティブな持続時間との間の比を表す。
【００２３】
[0022]動作信号の１期間の対応するアクティブ時間内に、直列共振回路の一端は、対応する駆動スイッチを閉じることによってグラウンドに設定される。直列共振回路の他端が固定的にグラウンドに設定されている場合、直列共振回路はこのアクティブ時間内に両端がグラウンドに設定され、したがって閉ループを形成する。このアクティブ時間内では、閉ループまたは直列共振回路にはエネルギーは誘導されず、一方、熱損失および検出コイルへのエネルギーの誘導によりエネルギーは失われる。このアクティブ時間または関連するデューティ比を増加させることにより、駆動コイルのコイル電流を減少させることができる。このアクティブ時間または関連するデューティ比を減少させることにより、また大きな振幅の電圧電位が直列共振回路に印加されるアクティブ時間または関連するデューティ比を増加させることにより、コイル電流をそれに応じて増加させることができる。
【００２４】
[0023]好ましくは、第１のデューティ比および第２のデューティ比は、駆動コイルのコイル電流が、直列共振回路で発生する電圧が所定の最大値を下回り続けるような値に設定されるように調整される。これにより、コイルシステムの許容電圧に達しているがそれを超えない値までコイル電流を最大にすることができる。この手段によって、金属検出器の感度も最適化される。
【００２５】
[0024]好ましい実施形態では、直列共振回路またはコイルシステムで発生する電圧は、測定され、基準値、例えば最大許容コイル電圧と比較される。第１の矩形波信号の第１のデューティ比および第２の矩形波信号の第２のデューティ比を調整することにより、測定された電圧と基準値との間の差を最小に保つことができる。このようにして、コイルシステム内の最大コイル電流および最大電圧を一定に保つ閉制御ループを有利に形成することができる。
【００２６】
[0025]直列共振回路で発生する電圧を低減するため、または共振回路で発生する最大電圧が低いままでコイル電流を増加させるために、少なくとも第１のコンデンサが駆動コイルの一方の側に配置され、少なくとも第２のコンデンサが駆動コイルの他方の側に配置される。第１のコンデンサおよび第２のコンデンサは、直列共振回路で発生する電圧がコイルのいずれかの側で等しく、反対で、かつ、グラウンド電位を基準にして最小になるように、同一であることが好ましい。したがって、直列共振回路は、グラウンドを基準にしてバランスがとれている。
【００２７】
[0026]好ましい実施形態では、キャパシタンスまたはインダクタンス、したがって直列共振回路の共振周波数は調整可能である。キャパシタンスは、コンデンサを接続または切断することによって変更されてもよく、インダクタンスは、駆動コイルからのコイル巻線を接続または切断することによって変更されてもよい。好ましくは、第１のスイッチによって少なくとも１つまたは第１のコンデンサに接続可能な少なくとも第３のコンデンサが提供され、および／または第２のスイッチによって第２のコンデンサに接続可能な少なくとも第４のコンデンサが提供される。第１のスイッチおよび／または第２のスイッチは、直列共振回路の共振周波数を、典型的には金属検出器の動作周波数に近い所望の値に変更するために、選択的に開閉される。
【００２８】
[0027]駆動コイルのコイル電流が、駆動コイルのコイル電流および／または直列共振回路で発生する電圧が所定の最大値を下回り続ける電流範囲内で調整可能なように、固定または選択可能な動作周波数は、好ましくは、直列共振回路の共振周波数からオフセットされて設定される。あるいは、直列共振回路の共振周波数は、金属検出器の固定または選択された動作周波数の動作周波数に対して相対的にオフセットされる。この手段により、過剰なコイル電流は回避され、コイル電圧は、閉ループによって制御される範囲内に維持される。
【００２９】
[0028]本発明の金属検出器は、コイルシステムが同調モードにチューニングされている１つまたは複数の動作周波数で動作することができる。選択可能な動作周波数ごとに駆動コイルのコイル電流を適切な値に設定することができる第１のデューティ比および第２のデューティ比の動作値は、好ましくは、予め定められており、オンラインで記憶または計算される。選択された動作周波数ごとに、所望の最大コイル電流および／または最大コイル電圧が現れるように、予め設定された動作周波数のうちの１つを、第１のデューティ比および第２のデューティ比の関連する動作値と共に選択することができる。
【００３０】
[0029]さらに、金属検出器は、上述のように同調モードで動作させるか、または駆動コイルが共振回路の一部ではない非同調モードで動作させるかを選択することができる。同調モードでは、駆動コイルは、少なくとも１つのコンデンサと共に直列共振回路を形成し、コンバータに設けられたハーフブリッジ回路に接続される。非同調モードでは、駆動コイルは、直列共振回路の一部ではなく、コンバータに設けられたフルブリッジ回路に接続される。
【００３１】
[0030]好ましい実施形態では、フルブリッジ回路はハーフブリッジ回路に変換可能であり、またその逆も同様である。同調モードでは、フルブリッジ回路の第１のハーフブリッジ回路のみがスイッチされ、第２のハーフブリッジ回路はコイルのスイッチされていない側をグラウンドに接続する。このようにして、追加の部品を使用せずに簡単に変換を行うことができる。非同調モードでは、フルブリッジ回路の第１および第２のハーフブリッジ回路のセンタータップは、好ましくは、駆動コイルの端部または端子に直接接続される。同調モードでは、フルブリッジ回路の第１のハーフブリッジ回路のセンタータップは、駆動コイルの一方の端子に直接または間接的に接続され、駆動コイルの他方の端子は、好ましくは、直接または間接的にグラウンドに設定される。このようにして、コンバータは、同調モードでの動作から非同調モードでの動作に容易に変更することができる。
【００３２】
[0031]本発明の詳細な態様および例は、図面を参照して以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の金属検出器１を示す図であり、金属検出器１は、２つの駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２を有するコンバータ４を含み、駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２は、ハーフブリッジを形成し、駆動コントローラ２によって提供される駆動信号ｄ１，ｄ２によって制御され、金属検出器１のコイルシステム６の駆動コイルＬ６１に駆動電流ｉＤを供給し、駆動コイルＬ６１は、コンデンサＣ１，Ｃ２に加えて任意にコンデンサＣ３，Ｃ４と共に直列共振回路を形成する。
【図２】図１のコンバータ４の駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２に印加される駆動信号ｄ１，ｄ２の例を示す図である。
【図３】コンバータ４を有する図１の金属検出器１を示す図であり、コンバータ４は、第１のハーフブリッジ回路を形成する駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２および第２のハーフブリッジ回路を形成する駆動スイッチＳ４３，Ｓ４４を有するフルブリッジ回路を含み、フルブリッジ回路は、非同調モードでアクティブになり、図１を参照して説明したように第１のハーフブリッジ回路が動作する同調モードで非アクティブになる。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
[0032]図１は、送信機ユニット１０と、受信機ユニット１１と、送信機ユニット１０の出力に接続された駆動コイルＬ６１、および一端が接地電位に接続され他端が受信機ユニット１１の入力ステージ７に接続された２つの検出コイルＬ６２，Ｌ６３を有する平衡コイルシステム６と、を含む本発明の金属検出器１の好ましい実施形態を示している。入力ステージ７では、入力信号は、典型的には増幅され、フィルタリングされた後、典型的には２つの位相検出器ユニットを含む位相検出器モジュール８に転送される。位相検出器モジュール８は、周波数発生器またはシンセサイザ２９から同相参照信号ＩＲＥＦおよび直交参照信号ＱＲＥＦを受け取り、製品および汚染物質のベースバンド信号の同相成分および直交成分を提供する。同相参照信号ＩＲＥＦおよび直交参照信号ＱＲＥＦによる復調は、位相情報を提供し、異なる起源の信号の位相を区別し、観察された製品および汚染物質が存在する場合には、観察された製品および汚染物質に関する情報を得ることを可能にする。位相検出器モジュール８は、好ましくは、信号処理装置、入力出力装置、キーボードおよびディスプレイを備えた制御ユニット９に、同相信号および直交信号を供給する。制御ユニット９によって、金属検出器１の動作を制御することができる。特に、金属検出器１の動作条件、特に駆動電流ＩＤおよび動作周波数を任意に選択することができる。
【００３５】
[0033]送信ユニット１０は、駆動コントローラ２と、駆動ユニット３と、コンバータ４とを含む。駆動コントローラ２は、主制御ユニット９によって制御されて、所望の動作周波数ｆＴＸと、位相検出器モジュール８に印加される対応する同相参照信号ＩＲＥＦおよび直交参照信号ＱＲＥＦとを生成する周波数発生器またはシンセサイザ２９を含む。動作周波数は、所望の最大コイル電流ｉＬ６１を生成するために設定された動作周波数とデューティ比を示すパルス幅変調信号などの駆動信号ｄ１，ｄ２を供給する駆動制御ユニット２３に印加される。駆動ユニット３では、駆動信号ｄ１，ｄ２は、増幅器３１，３２によって増幅され、コンバータ４に転送される。
【００３６】
[0034]コンバータ４は、ハーフブリッジを形成し、駆動信号ｄ１，ｄ２によって制御される２つの駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２を含む。駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２は、コイルシステム６の駆動コイルＬ６１に駆動電流ｉＤを供給する。駆動コイルＬ６１は、コンデンサＣ１，Ｃ２と共に直列共振回路を形成する。直列共振回路の共振周波数と金属検出器１の動作周波数とは、好ましくは互いにオフセットしている。コンデンサＣ１，Ｃ２および駆動コイルＬ６１からなる共振回路は、一端がグラウンドに、他端がコンバータ４のハーフブリッジ回路Ｓ４１，Ｓ４２のセンタータップに接続されている。
【００３７】
[0035]第１のコンデンサＣ１は駆動コイルＬ６１の一方の端子に接続され、第２のコンデンサＣ２は駆動コイルＬ６１の他方の端子に接続される。したがって、得られる直列共振回路は、駆動コイルＬ６１の端子に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２から見てバランスが取れている。スイッチｕ１を用いて第３のコンデンサＣ３を第１のコンデンサＣ１に並列に接続し、スイッチｕ２を用いて第４のコンデンサＣ４を第２のコンデンサＣ２に並列に接続することで、直列共振回路の共振周波数を対応する値に設定することができる。コンデンサまたはコイル巻線を追加または減算することにより、共振周波数を任意の所望の値に設定することができる。
【００３８】
[0036]ハーフブリッジ回路の第１の駆動スイッチＳ４１は、上端が電圧電位ＶＤに、下端がハーフブリッジ回路のセンタータップに接続されている。第２の駆動スイッチＳ４２は、上端がハーフブリッジ回路のセンタータップに接続され、下端がグラウンドに接続されている。第１の駆動信号ｄ１のアクティブ期間において、第１の駆動スイッチＳ４１は、コンデンサＣ２または直列共振回路の関連端子を電圧電位ＶＤに接続する。動作周波数の関連期間のこのフラクションでは、第２の駆動スイッチＳ４２は開状態である。動作周波数の関連期間の次のフラクションでは、第２の駆動スイッチＳ４２は閉じている。このフラクションでは、コンデンサＣ２または直列共振回路の関連端子がグラウンドに接続される。したがって、動作周波数の関連期間のこのフラクションでは、共振回路は、コンデンサＣ１を介してグラウンドに接続され、コンデンサＣ２および第２の駆動スイッチＳ４２を介してグラウンドに接続され、したがって、閉ループを形成する。動作周波数の各期間の第１のフラクションでは、エネルギーは直列共振回路に注入され、動作周波数の各期間の第２のフラクションでは、エネルギーは追加されないが、エネルギーは、電気抵抗のために、および検出コイルＬ６２，Ｌ６３の磁場の誘導のために失われる可能性がある。第１の駆動信号ｄ１および第２の駆動信号ｄ２の第１および第２のフラクションの比または関連するデューティ比を調整することにより、共振回路に存在するエネルギー、その結果として最大コイル電流ｉＬ６１およびコンデンサＣ１およびＣ２に現れる電圧を所望の値に設定することができる。
【００３９】
[0037]駆動制御ユニット２３では、駆動信号ｄ１，ｄ２のデューティ比は、制御プログラム２３１によって計算されるか、または選択可能な動作周波数ごとのデューティ比と動作周波数ごとのコイル電流ｉＬ６１のデータが格納されているメモリモジュールから取得される。アドレス情報「ａｄ」を駆動制御ユニット２３に送達するアドレスカウンタ２２によってアドレスされ、デューティ比のためのデータをメモリから再帰的に読み出すことができる。あるいは、各駆動信号ｄ１，ｄ２のための動作信号の期間内のアクティブ期間の長さを示すようにタイマーを設定することができ、デューティ比は連続的に計算され、必要に応じて適応される。
【００４０】
[0038]この好ましい実施形態では、直列共振回路に現れる電圧が測定され、Ａ／Ｄ変換器２１でデジタル値に変換されて、駆動制御ユニット２３に供給される。測定された電圧は、基準値と比較されて、駆動信号ｄ１，ｄ２のデューティ比を適宜変更することによって最小化される差を決定することができる。駆動制御ユニット２３は、測定された差に基づいて、比例項、積分項、および微分項に基づく補正を適用するＰＩＤコントローラとして機能し得る。
【００４１】
[0039]図２は、図１のコンバータ４の駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２に印加される駆動信号ｄ１，ｄ２の例を示している。時刻ｔ１からｔ２まで、第１の駆動信号ｄ１は０．２５またはπ／２のデューティ比を有し、第２の駆動信号ｄ２は０．７５または３π／２のデューティ比を有する。第１の駆動信号ｄ１は、駆動信号ｄ１の期間の第１のフラクションでアクティブである。第２の駆動信号は、駆動信号ｄ２の期間の第２のフラクションでアクティブである。第１の駆動信号の第１のフラクションの長さと第２の駆動信号の第２のフラクションの長さは、駆動信号ｄ１，ｄ２の全期間２πの長さの合計に相当する。第１の駆動信号ｄ１のアクティブフラクションは比較的短く、直列共振回路は短時間だけ駆動電圧ＶＤに接続されるので、コイル電流ｉＬ６１は比較的小さい。
【００４２】
[0040]時刻ｔ３からｔ４までは、第１および第２の駆動信号ｄ１，ｄ２のデューティ比が０．５またはπに設定されている。このため、期間２πの一方の半分の間は直列共振回路が駆動電圧ＶＤに接続され、期間２πの残りの半分の間は直列共振回路がグラウンドに接続される。この時間間隔では、直列共振回路のエネルギーと発生する最大コイル電流ｉＬ６１は増加する。
【００４３】
[0041]図３は、駆動ユニット３から駆動信号ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４をそれぞれ受信する４つの駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４を有するフルブリッジ回路を含むコンバータ４を備えた図１の金属検出器１を示している。フルブリッジ回路は、駆動スイッチＳ４１，Ｓ４２を有する第１のハーフブリッジ回路と、駆動スイッチＳ４３，Ｓ４４を有する第２のハーフブリッジ回路とを含む。非同調モードでは、第１のハーフブリッジ回路と第２のハーフブリッジ回路を有する完全なフルブリッジ回路がアクティブである。同調モードでは、フルブリッジ回路の第１のハーフブリッジ回路のみがアクティブになり、第２のハーフブリッジ回路の駆動スイッチＳ４３は開いたままで、Ｓ４４は閉じたままになる。
【００４４】
[0042]非同調モードでは、コンデンサＣ１、Ｃ２はスイッチｕ３、ｕ４によって短絡される。駆動コイルＬ６１の一方の端子は第１のハーフブリッジ回路のセンタータップに接続され、駆動コイルＬ６１の他方の端子は第２のハーフブリッジ回路のセンタータップに接続される。この構成では、駆動信号ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４でフルブリッジ回路を動作させて、任意の周波数を一度に発生させたり、複数の周波数を一度に発生させたりすることができる。
【００４５】
[0043]スイッチｕ３，ｕ４のスイッチ設定を変更し、第２のハーフブリッジ回路の駆動スイッチＳ４３を開き、第２のハーフブリッジ回路の駆動スイッチＳ４４を閉じることにより、図１に示すようにコンバータ４を再構成することができる。この状態では、駆動スイッチＳ４１、Ｓ４２を有する第１のハーフブリッジ回路のみがアクティブになる。駆動コイルＬ６１の一方の端子は第１のハーフブリッジ回路のセンタータップに接続され、駆動コイルＬ６１の他方の端子はＳ４４を介してグラウンドに接続される。この構成では、図１を参照して説明したようにハーフブリッジ回路が動作する。
【符号の説明】
【００４６】
[0044]
１  金属検出器
１０  送信機ユニット
１１  受信機ユニット
２  駆動コントローラ
２１  Ａ／Ｄコンバータ
２２  アドレスカウンタ
２３  駆動制御ユニット
２３１  制御プログラム
２９  周波数発生器
３  駆動ユニット
３１、３２、３３、３４  増幅器
４  コンバータ
Ｓ４１、Ｓ４２、Ｓ４３、Ｓ４４  駆動スイッチ
６  （平衡）コイルシステム
Ｌ６１  駆動コイル
Ｌ６２、Ｌ６３  検出コイル
７  入力ステージ
８  位相検出器ユニット
９  制御ユニット／コンピュータシステム
ａｄ  アドレス信号
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４  駆動コイルに接続された／接続可能なコンデンサ
ｕ１、ｕ２  共振周波数を変更するためのスイッチ
ｕ３、ｕ４  動作モードを変更するためのスイッチ
ｄ１、ｄ２  駆動信号
ｆＴＸ  動作周波数
ｆＤ１、ｆＤ２  周波数成分
ｉＤ  駆動電流
ｉＬ６１  コイル電流
ＶＤ  第１の電圧電位、第１の駆動電圧
ＶＳ  第２の電圧電位、第２電圧またはグラウンド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2020190548000001.pdf