(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信機ユニット（１）を有する金属検出装置であって、前記送信機ユニット（１）は、選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）を有する入力信号（ｓＩＮ）を増幅器段（１２）の入力に提供する周波数生成器（１１）を備えており、前記増幅器段（１２）の出力は、結合変圧器（１３）を経由して、第１および第２の受信機コイル（３；３１、３２）に結合された送信機コイル（２１）に接続され、前記第１および第２の受信機コイルは、信号プロセッサ（４２）に接続された受信機ユニット（４１）を備えた信号処理ユニット（４）に接続されている、金属検出装置において、
前記結合変圧器（１３）は、前記増幅器段（１２）の前記出力に接続された第１の巻線（１３Ａ）および第２の巻線（１３Ｂ）と、前記送信機コイル（２１）に接続された第３の巻線（１３Ｃ）とを備えており、
前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）は、電源電圧（＋Ｕｂ）への第１の端部に接続され、前記第１の端部からカウントして同じ巻数において、少なくとも１つのタッピング（１４１、１４２、１４３、１４４；１４１’、１４２’、１４３’、１４４’）をそれぞれが有しており、
前記増幅器段（１２）は、前記第１の巻線（１３Ａ）の前記少なくとも１つのタッピング（１４１、１４２、１４３、１４４）に接続された第１のパワートランジスタ（Ｔ）を有する第１の増幅ウィング（１２Ａ）と、前記第２の巻線（１３Ｂ）の前記少なくとも１つのタッピング（１４１’、１４２’、１４３’、１４４’）に接続された第２のパワートランジスタ（Ｔ’）を有する第２の増幅ウィング（１２Ｂ）とを備えており、前記第１の増幅ウィング（１２Ａ）は、前記入力信号（ｓＩＮ）の第１の半波を増幅し、前記第２の増幅ウィング（１２Ｂ）は、前記入力信号（ｓＩＮ）の第２の半波を増幅する、ことを特徴とする金属検出装置。
【請求項２】
前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）は、同一の巻数を備えており、前記それぞれの第１および第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）は、同一の巻数の前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）に接続されており、前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）は、関係する第１または第２のスイッチ（１４Ａ、１４Ｂ）を経由して、それぞれの第１または第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）に接続可能である、請求項１に記載の金属検出装置。
【請求項３】
前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）のコレクタは、前記第１または第２のスイッチ（１４Ａ、１４Ｂ）を経由して、前記それぞれの第１または第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）に接続可能であり、前記第１の巻線（１３Ａ）の前記第１の端部と前記第２の巻線（１３Ｂ）の前記第１の端部とは、第１の電源電圧（＋Ｕｂ）に接続され、前記第１の巻線（１３Ａ）と前記第２の巻線（１３Ｂ）とは、逆の向きの巻線を有する、請求項２に記載の金属検出装置。
【請求項４】
前記増幅器段（１２）は第１のハウジングに配設され、前記結合変圧器（１３）は第２のハウジングに配設され、前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）のコレクタならびに第１および第２のスイッチ（１４Ａ、１４Ｂ）は、それぞれが、送信機ケーブル（ＴＣ）を経由して接続されている、請求項１、２、または３に記載の金属検出装置。
【請求項５】
前記第１のパワートランジスタ（Ｔ）のコレクタは、前記第１の巻線（１３Ａ）を経由して、第１の電源電圧（＋Ｕｂ）に接続され、前記第１のパワートランジスタ（Ｔ）のエミッタは、第１のエミッタ抵抗（Ｒ７）を経由して、第２の電源電圧（−Ｕｂ）
に接続され、前記第２のパワートランジスタ（Ｔ’）のコレクタは、前記第２の巻線（１３Ｂ）を経由して、前記第１の電源電圧（＋Ｕｂ）に接続され、前記第２のパワートランジスタ（Ｔ’）のエミッタは、第２のエミッタ抵抗（Ｒ７’）を経由して、前記第２の電源電圧（−Ｕｂ）に接続され、前記第１および第２のパワートランジスタのベースには、同一のバイアス電圧を用いて、対応する抵抗ネットワーク（Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７；Ｒ５’、Ｒ６’、Ｒ７’）が提供されている、請求項３または４に記載の金属検出装置。
【請求項６】
前記第１の増幅ウィング（１２Ａ）は、反転入力と、非反転入力と、前記第１のパワートランジスタ（Ｔ）のベースに接続された出力とを有する第１の増幅ユニット（ＯＡ）を備えており、前記第２の増幅ウィング（１２Ｂ）は、反転入力と、非反転入力と、前記第２のパワートランジスタ（Ｔ’）のベースに接続された出力とを有する第２の増幅ユニット（ＯＡ’）を備えており、前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）の前記非反転入力と前記第２の増幅ユニット（ＯＡ’）の前記反転入力とは、相互に接続され、前記入力信号（ｓＩＮ）は、前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）の前記反転入力と前記第２の増幅ユニット（ＯＡ’）の前記非反転入力とに、前記入力信号（ｓＩＮ）が前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）において反転されるように、印加される、請求項３、４、または５に記載の金属検出装置。
【請求項７】
前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）の前記非反転入力は、第１の抵抗（Ｒ２）を経由して、前記第２の増幅ユニット（ＯＡ’）の前記反転入力は、第２の抵抗（Ｒ１’）を経由して、第２の電源電圧（−Ｕｂ）の半分に相当する電圧電位に接続されている、請求項６に記載の金属検出装置。
【請求項８】
前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）のコレクタ、または、前記選択された第１および第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）は、信号処理ユニット（４）の基準入力に接続されている、請求項３から７のうちの一項に記載の金属検出装置。
【請求項９】
前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）は前記結合変圧器（１３）の一次巻線であり、前記第３の巻線（１３Ｃ）は前記結合変圧器（１３）の二次巻線である、請求項１から８のうちの一項に記載の金属検出装置。
【請求項１０】
前記結合変圧器（１３）の前記第３の巻線（１３Ｃ）は複数のタッピング（１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）を備え、前記送信機コイル（２１）の第１の端部は、前記第３の巻線（１３Ｃ）の前記タッピング（１５０）の１つに接続され、前記送信機コイル（２１）の第２の端部は、第３のスイッチ（１５）を経由して、前記第３の巻線（１３Ｃ）の他のタッピング（１５１、１５２、１５３、１５４）のうちの１つに選択的に接続可能である、請求項１から９のうちの一項に記載の金属検出装置。
【請求項１１】
１つまたは複数の同調コンデンサ（２２１、２２２、２２３）が提供されており、前記送信機コイル（２１）の第１の端部は、第４のスイッチ（２３）を経由して、前記同調コンデンサ（２２１、２２２、２２３）のうちの１つの一方の側に選択的に接続可能であり、前記送信機コイル（２１）の第２の端部は、直接的に、または、前記第３の巻線（１３Ｃ）の一部を経由して、前記同調コンデンサ（２２１、２２２、２２３）のうちの１つの他方の側に接続されている、請求項１から１０のうちの一項に記載の金属検出装置。
【請求項１２】
前記周波数生成器（１１）は、好ましくは２５ｋＨｚから８５０ｋＨｚの範囲において２つまたはそれより多くの動作周波数（ｆＴＸ）の選択を許容する、請求項１から１１のうちの一項に記載の金属検出装置。
【請求項１３】
前記結合変圧器（１３）の前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）の反射されたインダクタンスの比率は、増幅器（１２）と前記送信機コイル（２１）との間の最適なインピーダンス整合を提供するために、最低の動作周波数における少なくとも５０通りのタップ組合せで選択可能である、請求項１から１２のうちの一項に記載の金属検出装置。
【請求項１４】
前記パワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）はＮＰＮトランジスタである、請求項１から１３のうちの一項に記載の金属検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つまたは複数の動作周波数を用いる金属検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属検出装置は、食品およびそれ以外の製品における金属による汚染を検出するのに用いられる。今日の金属検出装置は、典型的には非金属フレーム上に巻かれた３つのコイルを有する「平衡コイルシステム」を備えたサーチヘッドを用いる。中心に配置された送信機コイルが、高周波電流を用いて付勢され、磁場を生成する。送信機コイルのそれぞれの側の２つのコイルが、受信機コイルとして機能する。２つの受信機コイルは同一であり、送信機コイルから同じ距離に設置されているので、受信機コイルのそれぞれに、同一の電圧が誘導される。システムが平衡状態にあるときにゼロになる出力信号を受信するために、第１の受信機コイルは、逆向きの巻線を有する第２の受信機コイルと直列に接続される。よって、システムに金属汚染が存在せず平衡状態にある場合には、受信機コイルに誘導され、振幅が同じで極性が逆である電圧は、相互に打ち消し合う。
【０００３】
金属粒子がコイル構成を通過すると、高周波数の磁場が、最初は一方の受信機コイルの近傍で、次には他方の受信機コイルの近傍で、乱される。金属粒子が受信機コイルを通過して運ばれる間、各受信機コイルに誘導される電圧は、典型的にはナノボルトの範囲で変更される。この平衡の変化の結果として、受信機コイルの出力に信号が生じ、この信号は、処理および増幅することが可能であり、その後に、製品における金属汚染の存在を検出するために用いられ得る。
【０００４】
信号処理チャネルが、通常、受信された信号を、相互に９０度離れた２つの別個の成分に分離する。結果的に得られるベクトルは、振幅および位相角を有するが、これは、コイルを通過して運ばれる製品および汚染物に対して典型的である。金属汚染物を識別するためには、「製品効果」を除去または減少させることが必要である。製品の位相が知られている場合には、対応する信号ベクトルを減少させることが可能である。不所望の信号を信号スペクトルから削除すると、汚染物から生じる信号に対する感度がより高くなる。
【０００５】
したがって、不所望の信号を信号スペクトルから削除するために適用される方法は、汚染物、製品、および他の外乱が磁場に対して異なる影響を有し、そのため、結果として生じる信号の位相が異なるという事実を利用する。
【０００６】
出自が異なる信号成分の位相を位相検出器によって区別することにより、製品および汚染物に関する情報を取得することが可能になる。たとえば周波数混合器またはアナログ乗算器回路である位相検出器は、受信機コイルからの信号などの信号入力と送信機ユニットによって受信機ユニットに提供された基準信号との間の位相差を表す電圧信号を生成する。よって、製品の信号成分の位相と一致するように基準信号の位相を選択することにより、位相差とそれに対応する製品信号とが、ゼロである位相検出器の出力において得られる。汚染物から生じる信号成分の位相が製品の信号成分の位相と異なる場合には、汚染物の信号成分が検出され得る。しかし、汚染物の信号成分の位相が製品の信号成分の位相と近接する場合には、汚染物の検出は失敗するが、その理由は、汚染物の信号成分が、製品の信号成分と共に抑制されているからである。したがって、既知のシステムでは、送信機の周波数は、金属汚染物の信号成分が製品の信号成分と位相がずれるように選択可能である。
【０００７】
米国特許第８，８４１，９０３Ｂ２号は、図１に示された金属検出装置を開示している
が、この金属検出装置は送信機ユニット１を備えており、送信機ユニット１は、信号処理ユニット４の入力に接続されている第１のおよび第２の受信機コイル３、３１、３２に誘導結合される送信機コイル２１に送信機信号を提供し、信号処理ユニット４は、信号プロセッサ４２に接続された受信機ユニット４１を備えている。送信機ユニット１は、動作周波数ｆＴＸを増幅器段１２の入力に提供する周波数生成器１１を備えており、増幅器段１２の出力は、結合変圧器１３を経由して、送信機コイル２１に接続される。増幅器段１２の出力は、第１のスイッチバンク１４を経由して、第１のタッピング１４１、１４２、１４３に接続され、送信機コイル２１は、第２のスイッチバンクを経由して、変圧器１３の同じ変圧器巻線１３１の第２のタッピング１５１、１５２、１５３、１５４に接続される。変圧器巻線１３１は、第１のタッピング１４１、１４２、１４３と共通電位との間のｎ個の巻線コイルと、第２のタッピング１５１、１５２、１５３、１５４と共通電位との間のｎ＋ｍ個の巻線コイルとを有する。送信機コイル２１は、ｑ個の巻線コイルを有し、第４のスイッチバンク２３を経由して、同調コンデンサ２２１、２２２、２２３またはそれらの組合せに接続され、よって、動作周波数ｆＴＸに同調される共振回路を形成する。変圧器巻線１３１の巻線コイルと送信機コイル２１の巻線コイルとの比率（ｎ＋ｍ）／ｑは、変圧器巻線１３１のインダクタンスが送信機コイル２１のインダクタンスよりも少なくとも１０倍高くなるように、選択される。
【０００８】
この構成では、送信機コイル２１と選択可能なコンデンサ２２１、２２２、２２３とから構成される共振回路は、最適に、そして、送信機ユニットの他の部分とは独立に、同調させることが可能である。インダクタンスの差のために、送信機１３が共振回路から切り離されることで、送信機の異なる部分の個別的な最適化が可能になる。
【０００９】
増幅器段は、たとえば２０Ｖｐｐなど、最適な電圧範囲にある出力信号を提供するように選択可能なＡ級またはＢ級増幅器で構成される。
応答信号の位相検出のために、送信機１３は、さらに、第１および第２のタッピング１３２１、１３２３とそれらの間に配置された中心タッピング１３２２とを有する、さらなる変圧器巻線１３２を備えている。第２の巻線１３２の両端に生じる電圧は、基準信号ｓＲＥＦとして信号プロセッサ４２に与えられるが、この電圧は、製品Ｐおよび／または汚染物Ｃが平衡コイルシステム２１、３を通過しないときに受信コイル３の両端に生じる信号に厳密に対応する。よって、基準信号ｓＲＥＦを用いると、製品Ｐまたは汚染物Ｃによって誘導され受信された信号の変化を、厳密に検出することが可能である。基準信号ｓＲＥＦは電力増幅器１２の出力における送信機信号ｓＴＸに位相ロックされているので、応答信号における変化が、正確に検出され得る。
【００１０】
図１は、さらに、記号的にコンベア８を示しており、このコンベア８で、汚染物Ｃを含む可能性がある製品Ｐが、送信機コイル２１と受信機コイル３１、３２とを通過して転送される。
【００１１】
この効果的な回路構成は、依然として短所を有する。Ａ級回路は、最小の歪みで信号を増幅するが、静止状態においてもパワートランジスタが連続的に電流を消費するため、効率が低い。増幅器の効率は、負荷に入力されるＡＣ電力を、回路が消費するＤＣ電力によって除算した比率で定義される。典型的には、最大出力電力では、典型的なＡ級増幅器の効率は、わずかに４０％であり、これは、その理論的な５０％の最大値よりも約１０％低い。出力電力が低下すると、効率もそれに従って低下する。
【００１２】
ＡＢ級回路は、クロスオーバ歪みを大幅に回避して、より少ない損失で動作するが、その理由は、静止状態では、トランジスタの相補的な対に加えられたバイアスによって、ほんのわずかなコレクタ電流だけが存在するからである。この回路は、典型的にはエミッタフォロワとして配設されたＰＮＰおよびＮＰＮパワートランジスタを有する、相補的な増幅ウィングを必要とする。異なるしかし相補的な増幅ウィングを提供するには、各増幅ウィングに対して、異なる電子素子と異なる設計とが必要となり、したがって、相当な製造上の労力が要求される。さらに、「プッシュプル」回路を有するＡＢ級の増幅器段は、典型的には、相補的なパワートランジスタのエミッタにおいて、負荷に印加される出力電圧を生じる。補償されない電圧降下を回避するために、出力電圧が負荷に直接的に加えられ、それにより接続用のケーブルを回避する。
【００１３】
さらに、ＡＢ級回路は、位相検出のための基準信号を生じないが、前記追加的巻線１３２が変圧器１３において必要とされ、その結果として追加的な製造コストが発生する。
さらにまた、送信機コイルと同調コンデンサとで構成される共振回路を入力信号の周波数に同調させ適合させるオプションが制限される。よって、金属検出装置は、限定された範囲の動作周波数で動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第８，８４１，９０３Ｂ２号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｔｉｅｔｚｅ／Ｓｃｈｅｎｋ、「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ（半導体回路技術）」第１１版、ハイデルベルク、１９９９年、第４．１章、第３０１頁〜第３０７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明は、改良された金属検出装置を提供するという目的に基づく。
特に、縮小された歪みと向上された効率性と共に動作する金属検出装置が、作製されなければならない。
【００１７】
電源電圧のレベルを上昇させることなく、より高い駆動電圧を送信機コイルに印加することが望ましい。
さらに、検出器ヘッドから離れて配置することが可能で、より長い接続ケーブルを経由して検出器ヘッドに接続可能な増幅器段を、提供することが望ましい。
【００１８】
したがって、様々な応用例、特に、１つまたは複数の検出器ヘッドを、装置全体を配置することが不可能な露出された位置に配置することが望ましいような応用例に、柔軟に適合させることが可能な１つまたは複数の検出器ヘッドを有する、改良されたモジュール型の金属検出装置を作製することが望まれる。
【００１９】
さらに、品質の高い基準電圧を、より少ない労力によって獲得することが望ましい。
さらに、回路の他の部分とより高精度で同調させ適合させることが可能な少なくとも１つ検出器ヘッドを有する金属検出装置を作製することが望ましい。
【００２０】
さらにまた、設計がより単純であり、より小さなコストおよび労力と改善された仕様での製造が可能な増幅器を作製することも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
以上で述べられた本発明の目的および他の目的は、請求項１で定義される金属検出装置によって達成される。
金属検出装置は、周波数生成器を有する送信機ユニットを備えており、この周波数生成器は、選択可能な動作周波数を有する入力信号を増幅器段の入力に提供し、増幅器段の出力は、結合変圧器を経由して、第１および第２の受信機コイルに結合された送信機コイルに接続され、第１および第２の受信機コイルは、信号プロセッサに接続された受信機ユニットを含む信号処理ユニットに接続されている。
【００２２】
本発明によると、結合変圧器は、増幅器段の出力に接続された第１および第２の巻線と、送信機コイルに接続された第３の巻線とを備える。第１および第２の巻線は、電源電圧への第１の端部に接続されており、前記第１の端部からカウントして同じ巻数において、少なくとも１つのタッピングをそれぞれが有する。増幅器段は、第１の巻線の少なくとも１つのタッピングに接続された第１のパワートランジスタを少なくとも有する第１の増幅ウィングと、第２の巻線の少なくとも１つのタッピングに接続された第２のパワートランジスタを少なくとも有する第２の増幅ウィングとを備えており、第１の増幅ウィングは、入力信号の第１の半波を増幅し、第２の増幅ウィングは、入力信号の第２の半波を増幅する。
【００２３】
本発明による金属検出装置の送信機ユニットは、増幅器段と結合変圧器とを含むが、いくつかの効果を生じるほぼ対称的な構造を備える。
増幅器段は、２つのウィングを用いて設定され得るのであるが、これら２つのウィングは、同一に動作し、駆動信号を、高い効率性と低い歪みで、第１および第２の巻線という形態を有するほぼ同一の負荷に届けることができる。対称性のために、より低コストでありながら改善された仕様を有するトランジスタおよび抵抗などの同一の電子素子を選択することができる。増幅器段において生じる歪みは、Ａ級増幅器で生じる歪みと同等であるが、他方で、効率は、少なくともＡＢ級増幅器の範囲にある。
【００２４】
結合変圧器の第１および第２の巻線は、好ましくは、同じ巻数の第１および第２の巻線と接続されたそれぞれの第１および第２のタッピングと、同一の巻数を有する。よって、最適な実施形態では、結合変圧器の第１および第２の巻線は、完全な対称性を示す。
【００２５】
第１および第２のパワートランジスタは、関係する第１または第２のスイッチを経由して、それぞれの第１または第２のタッピングと接続可能である。第１および第２のスイッチは、対応するタッピングにパワートランジスタが常に接続されているように制御ユニットによって制御されることにより、十分な対称性が維持される。
【００２６】
好適な実施形態では、増幅器ウィングは、第１および第２のパワートランジスタのコレクタが、第１または第２のスイッチを経由して、結合変圧器のそれぞれの第１または第２のタッピングに、したがって同一の負荷に接続可能であるように、設計される。
【００２７】
第１の巻線の第１の端部と第２の巻線の第１の端部とは、第１の電源電圧に接続されている。第１の巻線と第２の巻線とは、好ましくは、相互に逆向きの巻線を有する。これにより、同じ極性を有する入力信号の半波を増幅する同一のパワートランジスタを備えた同一の高電力段を用いることが可能になる。この目的のために、入力信号の半波は、反転されて増幅器段に印加されるか、または、増幅器段の内部で反転され、その後、全波信号を送信機コイル２１に印加するために、第１または第２の巻線が逆向きの巻線であることにより、結合変圧器によって再び反転される。
【００２８】
同一のパワートランジスタを用いること、特に同一のＮＰＮパワートランジスタを用いることは、著しい効果を提供する。Ｔｉｅｔｚｅ／Ｓｃｈｅｎｋによる「Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ（半導体回路技術）」第１１版、ハイデルベルク、１９９９年の第４．１章、第３０１頁から第３０７頁には、ＰＮＰトランジスタとＮＰＮトランジスタとの特性は異なっており、ＰＮＰトランジスタの方が劣る、という記載がある。さらに、バイポーラ技術では、ＮＰＮトランジスタとＰＮＰトランジスタとは別個のプロセスで製造される、との記載もある。結果的に、相補的な電力段を有する従来型のＢ級またはＡＢ級増幅器は、トランジスタが注意深く選択され整合が取られていない場合には、望ましくない非線形性を示す。
【００２９】
相補的な増幅器ウィングが、好ましくはＮＰＮトランジスタである同一のトランジスタとパワートランジスタが埋め込まれている同一の回路とを用いて動作する本発明による増幅器段では、この問題は、回避される。Ｔｉｅｔｚｅ／Ｓｃｈｅｎｋによる書籍には、プロセスステップにおける製造公差は、すべてのＮＰＮトランジスタに同じ態様で影響する、との記載がある。よって、同じ製造サイクルのＮＰＮトランジスタが選択されることが好ましいが、それは、単純な管理上の業務である。さらに、電力段の追加的な素子を、特にエミッタ抵抗を、容易に選択することが可能であり、それにより、完全な対称性が達成され、歪みが回避される。
【００３０】
従来型のトランジスタすなわちＭＯＳＦＥＴの実施形態では、パワートランジスタが、可変入力電圧を有する電圧フォロアまたは電流源として実装されるのが好ましい。各パワートランジスタのコレクタは、負荷に、すなわち、電源電圧に接続された結合変圧器のそれぞれの第１または第２の巻線に、接続されている。両方のパワートランジスタが、電流センス抵抗として機能するエミッタ抵抗の両端の電圧が入力電圧に従うように、機能する。その結果として、それぞれの第１または第２の巻線を流れる電流が、入力信号に従う。入力電圧が変動すると、この構成は、電圧電流変換器（電圧制御された電流源ＶＣＣＳ）として機能する。
【００３１】
好適実施形態では、結合変圧器の一次巻線の中央タッピング、すなわち、結合変圧器の第１および第２の巻線の第１の端部は、第１の電源電圧に接続され、エミッタ抵抗は、逆の電圧電位を有する第２の電源電圧に接続される。その結果、第１の電源電圧と第２の電源電圧との電位差を、各増幅器ウィングに個別的に印加することが可能である。電源が＋１５Ｖおよび−１５Ｖを電力増幅器に届ける場合には、各増幅器ウィングには、それぞれの半波を増幅するために３０Ｖが印加され得、他方で、従来型のＡ級、Ｂ級またはＡＢ級の増幅器においては、これらの電圧は、両方の半波の増幅のために用いられ得る。よって、本発明による金属検出装置は、２倍の効率で動作する。
【００３２】
効率が２倍である電圧制御された電流源の本発明による使用により、減損なしに、コレクタ電流を、より長い距離に渡るケーブルを経由して結合変圧器まで導通させることが可能になる。接続ケーブルを用いることに起因する負荷の変化は、電流を変化させないが、その理由は、電流が、負荷ではなく、入力信号に従うからである。結果的に、本発明による送信機段によると、金属検出システムをモジュールとして設定することが可能になる。第１のハウジングを送信機段のために提供することが可能であり、この送信機段は、結合変圧器を含む１つまたは複数の検出器ヘッドに、ケーブルを経由して、接続され得る。
【００３３】
さらにまた、埋込型のパワートランジスタを有する電子回路は、高い入力信号の増幅を可能にするバイアシングを用いる。
さらに、選択された第１および第２のタッピングに送られる第１および第２のパワートランジスタのコレクタにおける信号は、信号処理ユニットにおいて、高精度の基準信号として効果的に用いられ得る。したがって、結合変圧器における追加的な巻線が回避される。
【００３４】
パワートランジスタは、好ましくは演算増幅器である増幅ユニットによって駆動される。増幅器ウィングの一方における１８０度の位相変化は、第１の増幅器ウィングにおける入力信号を演算増幅器の反転入力に、そして、第２の増幅器ウィングにおける入力信号を演算増幅器の非反転入力に印加することによって、効果的に達成され得る。
【００３５】
好適実施形態では、第１および第２の巻線は、結合変圧器の一次巻線であり、第３の巻線は、結合変圧器の二次巻線である。結合変圧器の第３の巻線は、好ましくは、複数のタッピングを備えている。送信機コイルの第１の端部は、これらのタッピングのうちの１つに接続され、送信機コイルの第２の端部は、他のタッピングのうちの１つに第３のスイッチを経由して選択的に接続可能である。増幅器段に接続された２つの一次巻線と送信機コイルに接続された１つの二次巻線とを有する結合変圧器のこの構成によると、送信機コイルを、より広い範囲で、増幅器段に適合させることが可能である。変圧器の第１および第２の巻線のインダクタンスと送信機コイルのインダクタンスとの比率は、たとえば、５０：１から２０００：１までの範囲で、選択可能である。
【００３６】
さらに、送信機コイルは、同調コンデンサと共に、最適に同調させることが可能な共振回路を形成する。送信機コイルの第１の端部は、第３のスイッチを経由して、同調コンデンサのうちの１つの一方の側に選択的に接続可能であり、送信機コイルの第２の端部は、同調コンデンサのうちの１つの他方の側に、直接的に、または、第３の巻線の複数の巻数を経由して、接続される。同調コンデンサのうちの少なくとも１つを結合変圧器の第３の巻数を経由して送信機コイルに接続することにより、結果的な共振回路を、はるかにより低い周波数に同調させることが可能である。結果的に、金属検出装置は、動作周波数のより広い範囲での動作が可能である。
【００３７】
本発明の目的および効果のいくつかが以上で述べられてきたが、以下の説明を、次の添付の図面と共に考察すると、他の目的および効果が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】米国特許第８，８４１，９０３Ｂ２号に開示されている金属検出装置のブロック図である。
【図２】本発明による金属検出装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、米国特許第８，８４１，９０３Ｂ２号に開示されている金属検出装置のブロック図を示しており、この米国特許については上記で説明した。本発明は、この装置の改良であるが、制約されることなく、他のシステムにも適用可能である。
【００４０】
図２は、本発明による金属検出装置の好適実施形態のブロック図を示しており、この金属検出装置は、送信機ユニット１と、送信機コイル２１を有する平衡コイルシステムと、第１および第２の受信機コイル３１、３２と、受信機ユニット４１および信号プロセッサ４２を有する信号処理ユニット４と、標準インターフェースおよび入力デバイスおよび出力デバイスを備えた制御ユニット５とを備えており、制御ユニット５の入力デバイスおよび出力デバイスは、好ましくは、キーボードとモニタとである。図２は、さらに、コンベア８を記号的に示しているが、このコンベアの上を、汚染物Ｃを含み得る製品Ｐが、送信機コイル２１と受信機コイル３１、３２とを通過するように転送される。
【００４１】
送信機ユニット１は、周波数生成器１１を備えており、この周波数生成器１１は、選択可能な動作周波数ｆＴＸを有する入力信号ｓＩＮを、増幅器段１２に設けられている上側および下側増幅器ウィング１２Ａ、１２Ｂに提供する。各増幅器ウィング１２Ａ、１２Ｂは、第１または第２の演算増幅器ＯＡ、ＯＡ’の実施形態における前置増幅器をそれぞれ備えており、この前置増幅器は、抵抗Ｒ１を経由して第１の演算増幅器ＯＡの反転入力に、抵抗Ｒ２’を経由して第２の演算増幅器ＯＡ’の非反転入力に印加される入力信号ｓＩＮの半波を増幅する。第１の演算増幅器ＯＡの非反転入力と、第２の演算増幅器ＯＡ’の反転入力とは、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１’とを経由して、相互に、そして、第１の電源電圧−Ｕｂの半分に相当する電圧電位に、接続される。第１および第２の演算増幅器ＯＡ、ＯＡ’の出力は、抵抗Ｒ３、Ｒ３’を経由して、それらの反転入力に接続され、また、抵抗Ｒ４、Ｒ４’を経由して、それぞれの第１または第２のパワートランジスタＴ、Ｔ’のベースに接続される。
【００４２】
入力信号ｓＩＮは第１の演算増幅器ＯＡの反転入力に印加されるので、入力信号ｓＩＮの正の半波は反転され、次いで、第１の増幅器ウィング１２Ａにおいて増幅される。すなわち、第１および第２の演算増幅器ＯＡおよびＯＡ’の両方が、負の半波を、それぞれの第１または第２のパワートランジスタＴ、Ｔ’のベースに届けるのであるが、第１または第２のパワートランジスタＴ、Ｔ’のベースは、抵抗Ｒ５、Ｒ５’を経由してゼロ電位０Ｖに、抵抗Ｒ６、Ｒ６’を介してそれらのエミッタに接続され、それらのエミッタは、抵抗Ｒ７、Ｒ７’を介して、それぞれ、第１の電源電圧−Ｕｂに接続されている。第１のパワートランジスタＴのコレクタは、第１のスイッチ１４Ａを経由して、結合変圧器１３の第１の巻線１３Ａの複数のタッピング１４１、１４２、１４３、１４４のうちの１つに接続される。第２のパワートランジスタＴ’のコレクタは、第２のスイッチ１４Ｂを経由して、結合変圧器１３の第２の巻線１３Ｂの複数のタッピング１４１’、１４２’、１４３’、１４４’のうちの１つに接続される。第１および第２の巻線１３Ａ、１３Ｂは、同一に設計されているが逆方向に巻かれており、第１の端部が、共通のタッピング１４０において相互に、そして、第２の電源電圧＋Ｕｂに接続されている。タッピング１４１、１４２、１４３、１４４および１４１’、１４２’、１４３’、１４４’は、前記共通のタッピングからカウントして同じ巻数に配置されている。第１および第２のスイッチすなわちスイッチバンク１４Ａ、１４Ｂは、相互に対応するタッピング１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’が常に選択されることにより、同一の負荷がパワートランジスタＴ、Ｔ’に加えられ、対称性が維持されるように、制御される。スイッチ１４Ａおよび１４Ｂのこの設定を用いると、タッピング１４０とタッピング１４４との間のコイル巻線が、第１のパワートランジスタＴのための負荷を形成し、タッピング１４０とタッピング１４４’との間のコイル巻線が、第２のパワートランジスタＴ’のための負荷を形成して、これら両方が第２の電源電圧＋Ｕｂに接続される。
【００４３】
よって、この好適実施形態では、増幅器ウィング１２Ａ、１２ＢにおいてパワートランジスタＴ、Ｔ’を有する電力段が完全に同一である。同一のＮＰＮパワートランジスタと、高精度のエミッタ抵抗Ｒ７、Ｒ７’とが、同じ製造シリーズから選択され得る。結果として、増幅器ウィング１２Ａ、１２Ｂにおける完全な対称性が、スイッチ１４Ａ、１４Ｂのそれぞれの設定によって得られ、維持される。
【００４４】
第２の電源電圧＋Ｕｂが、負荷、タップされた巻線１３Ａまたは１３Ｂを経由してコレクタに印加され、第１の電源電圧−Ｕｂが、エミッタ抵抗Ｒ７またはＲ７’を経由して第１または第２のパワートランジスタＴ、Ｔ’のエミッタに印加されるので、第１の電源電圧−Ｕｂと第２の電源電圧＋Ｕｂとの間の電位差が、各増幅器ウィング１２Ａ、１２Ｂに印加される。増幅器段１２は、したがって、従来型のＡＢ級電力増幅器の半分の電源電圧で動作することが可能であり、すなわち、同じ電源電圧を用いて、２倍の出力電圧を提供することが可能である。
【００４５】
パワートランジスタＴ、Ｔ’は、電流感知抵抗として機能するエミッタ抵抗Ｒ７、Ｒ７’の両端の電圧が入力電圧に従うように構成されている。その結果、結合変圧器１３の第１または第２のそれぞれの巻線１３Ａ、１３Ｂを流れる電流は、入力信号に従う。入力電圧が変動する場合には、この構成は、電圧電流変換器（電圧制御された電流源ＶＣＣＳ）として機能することになる。
【００４６】
電流が、負荷とは実質的に独立に維持され、したがって、パワートランジスタＴ、Ｔ’のコレクタと結合変圧器１３との間の接続線の長さとは独立に維持されるため、増幅器段１２と結合変圧器１３とを、異なるハウジングの中に配置し、たとえば数メートルの長さを有する送信機ケーブルＴＣによって接続することが可能であり、それにより、金属検出装置の複数のモジュールを、製造プロセスによって要求される異なる場所に配置することが可能になる。
【００４７】
図２は、基準信号Ｒ、Ｒ’がパワートランジスタＴ、Ｔ’のコレクタから取られ、信号処理ユニット４、特に信号プロセッサ４２の基準入力までルーティングされることをさらに示している。信号処理ユニット４すなわち信号プロセッサ４２において実装される位相検出器を用いて、汚染物または製品と個別に関係する信号を検出するために、応答信号が復調され得る。図１のシステムで用いられていた結合変圧器１３における二次巻線が、回避されている。
【００４８】
本発明のこの好適実施形態では、第１および第２の巻線１３Ａ、１３Ｂが、結合変圧器１３の一次巻線であり、第３の巻線が結合変圧器１３の二次巻線である。
結合変圧器１３の第３の巻線１３Ｃは、複数のタッピング１５０、１５１、１５２、１５３、１５４を備えている。送信機コイル２１の第１の端部は、タッピング１５０に固定的に接続され、送信機コイル２１の第２の端部は、結合変圧器１３の第３の巻線１３Ｃの他のタッピング１５１、１５２、１５３、１５４のうちの１つに、第３のスイッチ１５を経由して、選択的に接続可能である。一次巻線１３Ａ、１３Ｂと二次巻線１３Ｃとを用いることにより、変圧器１３の第１および第２の巻線１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃのインダクタンスと送信機コイル２１の反射インダクタンスとの比率を、図１のシステムと比較するとより広い範囲のタップ組合せで、精細に選択可能であり、増幅器と送信機コイル２１との間の最適なインピーダンス整合が提供される。
【００４９】
図２に示されている実施形態では、送信機コイル２１の第１の端部が、第４のスイッチ２３を経由して、３つの同調コンデンサ２２１、２２２、２２３のうちの１つに接続可能であるが、これらの同調コンデンサは、直接的に、または、結合変圧器１３の第３の巻線１３Ｃのたとえば複数の巻数などである一部と第３のスイッチ１５とを経由して、送信機コイル２１の第２の端部に接続されている。
【００５０】
よって、送信機コイル２１と接続されている同調コンデンサ２２１、２２２、２２３とが、最適な同調が可能な共振回路を形成する。同調コンデンサ２２３のうちの少なくとも１つを、結合変圧器１３の第３の巻線１３Ｃの巻数を経由して、送信機コイル２１に接続することによって、結果的に得られる共振回路を、この共振回路が２５ｋＨｚから８５０ｋＨｚの範囲の周波数で共振することが可能なように、より低い周波数に同調させることができる。
【００５１】
たとえばプロセッサまたはパーソナルコンピュータである制御ユニット５は、バスシステム６０を経由して、信号処理ユニット４と通信する。よって、制御ユニット５は、信号処理ユニット４、特に信号プロセッサ４２に動作パラメータを提供し、制御ユニット５に中に一体化することも可能である信号処理ユニット４で得られる測定データを収集することができる。さらに、制御ユニット５は、制御ラインすなわち制御バス５１、５２Ａ、５２Ｂ、５３および５４を経由して、動作周波数を選択するために周波数生成器１１に、増幅器段１２を変圧器１３の一次巻線１３Ａ、１３Ｂに選択的に接続するために第１および第２のスイッチすなわちスイッチバンク１４Ａ、１４Ｂに、送信機コイル２１を変圧器１３の二次巻線１３Ｃに選択的に接続するために第３のスイッチすなわちスイッチバンク１５に、同調コンデンサ２２１、２２２、２２３のうちの１つまたは複数を送信機コイル２１に選択的に接続するために第４のスイッチすなわちスイッチバンク２３に、制御信号を提供する。
本願発明の実施例には、以下の各発明が含まれるが、これに限定されない：
［発明１］
送信機ユニット（１）を有する金属検出装置であって、前記送信機ユニット（１）は、選択可能な動作周波数（ｆＴＸ）を有する入力信号（ｓＩＮ）を増幅器段（１２）の入力に提供する周波数生成器（１１）を備えており、前記増幅器段（１２）の出力は、結合変圧器（１３）を経由して、第１および第２の受信機コイル（３；３１、３２）に結合された送信機コイル（２１）に接続され、前記第１および第２の受信機コイルは、信号プロセッサ（４２）に接続された受信機ユニット（４１）を備えた信号処理ユニット（４）に接続されている、金属検出装置において、
前記結合変圧器（１３）は、前記増幅器段（１２）の前記出力に接続された第１の巻線（１３Ａ）および第２の巻線（１３Ｂ）と、前記送信機コイル（２１）に接続された第３の巻線（１３Ｃ）とを備えており、
前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）は、電源電圧（＋Ｕｂ）への第１の端部に接続され、前記第１の端部からカウントして同じ巻数において、少なくとも１つのタッピング（１４１、１４２、１４３、１４４；１４１’、１４２’、１４３’、１４４’）をそれぞれが有しており、
前記増幅器段（１２）は、前記第１の巻線（１３Ａ）の前記少なくとも１つのタッピング（１４１、１４２、１４３、１４４）に接続された第１のパワートランジスタ（Ｔ）を有する第１の増幅ウィング（１２Ａ）と、前記第２の巻線（１３Ｂ）の前記少なくとも１つのタッピング（１４１’、１４２’、１４３’、１４４’）に接続された第２のパワートランジスタ（Ｔ’）を有する第２の増幅ウィング（１２Ｂ）とを備えており、前記第１の増幅ウィング（１２Ａ）は、前記入力信号（ｓＩＮ）の第１の半波を増幅し、前記第２の増幅ウィング（１２Ｂ）は、前記入力信号（ｓＩＮ）の第２の半波を増幅する、ことを特徴とする金属検出装置。
［発明２］
前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）は、同一の巻数を備えており、前記それぞれの第１および第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）は、同一の巻数の前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）に接続されており、前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）は、関係する第１または第２のスイッチ（１４Ａ、１４Ｂ）を経由して、それぞれの第１または第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）に接続可能である、発明１に記載の金属検出装置。
［発明３］
前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）のコレクタは、前記第１または第２のスイッチ（１４Ａ、１４Ｂ）を経由して、前記それぞれの第１または第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）に接続可能であり、前記第１の巻線（１３Ａ）の前記第１の端部と前記第２の巻線（１３Ｂ）の前記第１の端部とは、第１の電源電圧（＋Ｕｂ）に接続され、前記第１の巻線（１３Ａ）と前記第２の巻線（１３Ｂ）とは、逆の向きの巻線を有する、発明２に記載の金属検出装置。
［発明４］
前記増幅器段（１２）は第１のハウジングに配設され、前記結合変圧器（１３）は第２のハウジングに配設され、前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）の前記コレクタならびに前記第１および第２のスイッチ（１４Ａ、１４Ｂ）は、それぞれが、送信機ケーブル（ＴＣ）を経由して接続されている、発明１、２、または３に記載の金属検出装置。
［発明５］
前記第１のパワートランジスタ（Ｔ）の前記コレクタは、前記第１の巻線（１３Ａ）を経由して、前記第１の電源電圧（＋Ｕｂ）に接続され、前記第１のパワートランジスタ（Ｔ）のエミッタは、第１のエミッタ抵抗（Ｒ７）を経由して、第２の電源電圧（−Ｕｂ）
に接続され、前記第２のパワートランジスタ（Ｔ’）の前記コレクタは、前記第２の巻線（１３Ｂ）を経由して、前記第１の電源電圧（＋Ｕｂ）に接続され、前記第２のパワートランジスタ（Ｔ’）のエミッタは、第２のエミッタ抵抗（Ｒ７’）を経由して、前記第２の電源電圧（−Ｕｂ）に接続され、前記第１および第２のパワートランジスタのベースには、同一のバイアス電圧を用いて、対応する抵抗ネットワーク（Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７；Ｒ５’、Ｒ６’、Ｒ７’）が提供されている、発明３または４に記載の金属検出装置。
［発明６］
前記第１の増幅ウィング（１２Ａ）は、反転入力と、非反転入力と、前記第１のパワートランジスタ（Ｔ）のベースに接続された出力とを有する第１の増幅ユニット（ＯＡ）を備えており、前記第２の増幅ウィング（１２Ｂ）は、反転入力と、非反転入力と、前記第２のパワートランジスタ（Ｔ’）のベースに接続された出力とを有する第２の増幅ユニット（ＯＡ’）を備えており、前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）の前記非反転入力と前記第２の増幅ユニット（ＯＡ’）の前記反転入力とは、相互に接続され、前記入力信号（ｓＩＮ）は、前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）の前記反転入力と前記第２の増幅ユニット（ＯＡ’）の前記非反転入力とに、前記入力信号（ｓＩＮ）が前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）において反転されるように、印加される、発明３、４、または５に記載の金属検出装置。
［発明７］
前記第１の増幅ユニット（ＯＡ）の前記非反転入力は、第１の抵抗（Ｒ２）を経由して、前記第２の増幅ユニット（ＯＡ’）の前記反転入力は、第２の抵抗（Ｒ１’）を経由して、前記第２の電源電圧（−Ｕｂ）の半分に相当する電圧電位に接続されている、発明３から６のうちの一項に記載の金属検出装置。
［発明８］
前記第１および第２のパワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）の前記コレクタ、または、前記選択された第１および第２のタッピング（１４１、１４１’；１４２、１４２’；１４３、１４３’；１４４、１４４’）は、信号処理ユニット（４）の基準入力に接続されている、発明３から７のうちの一項に記載の金属検出装置。
［発明９］
前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）は前記結合変圧器（１３）の一次巻線であり、前記第３の巻線（１３Ｃ）は前記結合変圧器（１３）の二次巻線である、発明１から８のうちの一項に記載の金属検出装置。
［発明１０］
前記結合変圧器（１３）の前記第３の巻線（１３Ｃ）は複数のタッピング（１５０、１５１、１５２、１５３、１５４）を備え、前記送信機コイル（２１）の前記第１の端部は、前記第３の巻線（１３Ｃ）の前記タッピング（１５０）の１つに接続され、前記送信機コイル（２１）の前記第２の端部は、第３のスイッチ（１５）を経由して、前記第３の巻線（１３Ｃ）の他のタッピング（１５１、１５２、１５３、１５４）のうちの１つに選択的に接続可能である、発明１から９のうちの一項に記載の金属検出装置。
［発明１１］
１つまたは複数の同調コンデンサ（２２１、２２２、２２３）が提供されており、前記送信機コイル（２１）の前記第１の端部は、第３のスイッチを経由して、前記同調コンデンサ（２２１、２２２、２２３）のうちの１つの一方の側に選択的に接続可能であり、前記送信機コイル（２１）の前記第２の端部は、直接的に、または、前記第３の巻線（１３Ｃ）の一部を経由して、前記同調コンデンサ（２２１、２２２、２２３）のうちの１つの他方の側に接続されている、発明１から１０のうちの一項に記載の金属検出装置。
［発明１２］
前記周波数生成器（１１）は、好ましくは２５ｋＨｚから８５０ｋＨｚの範囲において２つまたはそれより多くの動作周波数（ｆＴＸ）の選択を許容する、発明１から１１のうちの一項に記載の金属検出装置。
［発明１３］
前記結合変圧器（１３）の前記第１および第２の巻線（１３Ａ、１３Ｂ）の反射されたインダクタンスの比率は、増幅器（１２）と前記送信機コイル（２１）との間の最適なインピーダンス整合を提供するために、最低の動作周波数における少なくとも５０通りのタップ組合せで選択可能である、発明１から１２のうちの一項に記載の金属検出装置。
［発明１４］
前記パワートランジスタ（Ｔ、Ｔ’）はＮＰＮトランジスタである、発明１から１３のうちの一項に記載の金属検出装置。
【符号の説明】
【００５２】
１  送信機ユニット
３、３１、３２  受信機コイル
４  信号処理ユニット
５  制御ユニット
８  コンベア
１１  周波数生成器
１２  増幅器段
１２Ａ  第１の増幅ウィング
１２Ｂ  第２の増幅ウィング
１３  結合変圧器
１３Ａ  第１の巻線
１３Ｂ  第２の巻線
１３Ｃ  第３の巻線
１４、１５、２３  スイッチ、スイッチバンク
１４Ａ  第１のスイッチ
１４Ｂ  第２のスイッチ
２１  送信機コイル
４１  受信機ユニット
４２  信号プロセッサ
５１、５２Ａ、５２Ｂ、５３、５４  制御ライン、制御バス
１３１、１３２  変圧器巻線
１４０、１４１、１４２、１４３、１４４  タッピング
１４１’、１４２’、１４３’、１４４’  タッピング
１５０、１５１、１５２、１５３、１５４  タッピング
２２１、２２２、２２３  同調コンデンサ
ｆＴＸ  動作周波数
ｓＩＮ  入力信号
Ｔ、Ｔ’  パワートランジスタ
ＴＣ  送信機ケーブル
ＯＡ、ＯＡ’  増幅ユニット
Ｒ１〜Ｒ７、Ｒ１’〜Ｒ７’  抵抗
【図１】
0006752131.tif 000002
【図２】
0006752131.tif 000003