BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen eines flussarmen Magnetfeldes gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Anordnung wird z. B. verwendet in Geldautomaten zur Feststellung des Wertes von Geldscheinen, die alle gleichgross und alle gleichfarbig sind, jedoch mit magnetischer Tinte beschriftet sind, wie dies z. B. bei US Banknoten der Fall ist. In Geldautomaten werden solche Banknoten, bevor sie an der eingangs genannten Anordnung vorbei transportiert werden, einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt, welches die magnetische Tinte in einer vorgegebenen Richtung magnetisiert. Sobald die betreffende magnetisierte Stelle das Magnetfeld verlässt, behält die magnetische Tinte ihre Remanenzinduktion bei, so dass die betreffenden Schriftzeichen sich so verhalten, als ob sie aus einer Vielzahl kleinster Permanentmagneten beständen, die alle die gleiche räumliche Richtung aufweisen.
Da die Remanenzinduktion schwach und diese Permanentmagneten sehr klein sind, ist auch der von ihnen erzeugte Magnetfluss äusserst schwach, in der Grössenordnung von zirka 2,5 Wb pro Quadratmillimeter. Zur anschliessenden Ermittlung des Wertes der Banknote wird diese mit ihren vielen Permanentmagneten an der eingangs genannten Anordnung vorbeitransportiert, die den sehr schwachen Magnetfluss der Permanentmagneten misst.
Da die Banknoten teilweise unterschiedlich beschriftet sind, entstehen unterschiedliche Messkennlinien, die es gestatten, den Wert der Banknote zu ermitteln. Die Anordnung muss die Banknote berührungslos abtasten mit einem minimalen Abstand zwischen der Anordnung und dem Wertpapier in der Grössenordnung von einem Millimeter. Dieser minimale Abstand ist dadurch bedingt, dass die Banknote zerknittert sein kann und die Beschriftung auf der Banknote bei ihrem Transport entlang der Anordnung auch nicht durch Reibung verschlissen oder beschädigt werden darf.
Es gibt noch andere Anwendungsbeispiele, da die eingangs genannte Anordnung jedesmal dann verwendet werden kann, wenn ein schwacher Magnetfluss zu messen ist. Die Anordnung kann z. B. auch in Elektrizitätszählern oder in Leistungsmessgeräten verwendet werden zum Messen eines elektrischen Stromes über das proportionale, von diesem Strom erzeugte Magnetfeld.
Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist für die Ermittlung von USA-Banknotenwerten aus den Figuren 8 und 9 der US-PS 3 280 974 bekannt. Sie besteht im Prinzip aus einer gebogenen Förstersonde, die im englischsprachigen Raum auch fluxgate genannt wird und die auf dem bekannten Prinzip der Saturationskernsonde beruht. Eine herkömmliche stabförmige Förstersonde ist wegen der durch die grosse Windungszahl bedingten hohen Empfindlichkeit und ihrer hohen Auflösung zwar sehr gut geeignet, schwache Magnetfelder zu messen, wegen ihrer Gestalt und Dimension ist sie jedoch weniger gut geeignet, kleine und flussarme Magnetfeldquellen auszuwerten. Im Stand der Technik ist eine derartige Förstersonde beschrieben, wobei der Magnetkern aus einem Blech aus Mu-Metall besteht.
Die Herstellung von zwei identischen Förstersonden zur Kompensation des Erdmagnetfeldes durch Verwendung einer mit zwei Sonden aufgebauten Kompensationsschaltung ist mit der verwendeten Herstellungstechnologie nur schwer zu realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu realisieren, mit der zwei identische Sonden zur Kompensation des Erdmagnetfeldes in einer Kompensationsschaltung leicht zu verwirklichen sind und die ohne nennenswerte Reduktion des Nutzsignals einen noch grösseren Störabstand aufweist sowie in planarer Mikrotechnologie hergestellt werden kann.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Um Abstandsschwankungen und das Erdfeld zu kompensieren, können zwei Anordnungen, je eine auf beiden Seiten der Wertschrift, in einer Differentialschaltung angeordnet werden. Wegen der aufwendigen Abstimmung der beiden Anordnungen müssen sie jedoch im hohen Grade identisch sein, was ohne grosse Schwierigkeiten praktisch nur durch Verwendung einer modernen Planartechnologie möglich ist.
Die Verwendung einer derartigen Planartechnologie hat ausserdem den Vorteil, dass in einem einzigen Prozess eine grosse Stückzahl billig, mit hoher Genauigkeit und guter Reproduzierbarkeit miniaturisiert hergestellt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Variante der relativen räumlichen Position der erfindungsgemässen Anordnung zu einer Banknote,
Fig. 2 eine zweite Variante dieser räumlichen Position,
Fig. 3 eine dritte Variante dieser räumlichen Position,
Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild einer Auswerteeinrichtung,
Fig. 5 eine Darstellung eines möglichen zeitlichen Verlaufs des Ausgangssignals der erfindungsgemässen Anordnung,
Fig. 6 Hysteresekennlinien und zeitlicher Verlauf eines Vormagnetisierungssignals,
Fig. 7 eine Darstellung der kennlinienmässigen Erzeugung des Ausgangssignals der Anordnung,
Fig. 8 eine erste Variante eines bewickelten Magnetkerns,
Fig. 9 eine zweite Variante eines bewickelten Magnetkerns,
Fig.
10a eine Vorderansicht einer dritten Variante eines bewickelten Magnetkerns,
Fig. 1 Ob eine Seitenansicht der dritten Variante eines bewickelten Magnetkerns,
Fig. 11 eine Draufsicht der erfindungsgemässen Anordnung gemäss der Fig. 8,
Fig. 12 eine Draufsicht der erfindungsgemässen Anordnung gemäss der Fig. 9,
Fig. 13 einen Längsschnitt des räumlichen Aufbaus einer ersten Variante der erfindungsgemässen Anordnung,
Fig. 14 einen Querschnitt des räumlichen Aufbaus der ersten Variante der erfindungsgemässen Anordnung,
Fig. 15 einen Längsschnitt des räumlichen Aufbaus einer zweiten Variante der erfindungsgemässen Anordnung und
Fig. 16 einen Querschnitt des räumlichen Aufbaus der zweiten Variante der erfindungsgemässen Anordnung.
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.
In der Zeichnung ist eine ausgewertete Stelle magnetisierter Tinte jeweils durch einen Vektor dargestellt, der das zu messende Magnetfeld M des zugehörigen Permanentmagneten symbolisiert.
In den Figuren 1 bis 3 sind eine Banknote 1 und eine Anordnung 2 zum Messen des Magnetfeldes M schematisch dargestellt. Die Banknote 1 liegt z. B. in einer horizontalen Ebene und bewegt sich in der Darstellung der Figuren 1 bis 3 mit einer Geschwindigkeit v von links nach rechts. Es gilt die Annahme, dass die magnetische Tinte in der Bewegungsrichtung der Banknote 1 magnetisiert wurde, d. h. dass der das Magnetfeld M der magnetisierten Tinte darstellende Vektor parallel ist zur Fortbewegungsrichtung der Banknote 1. Die Anordnung 2 besteht aus einem Kern 3 aus ferromagnetischem Material, der einen möglicherweise über einen Luftspalt 10 geschlossenen Magnetkreis bildet. In der Darstellung der Figuren 1 und 2 besitzt der Magnetkreis einen solchen Luftspalt 10, während in der Fig. 3 ein Magnetkreis ohne Luftspalt dargestellt ist.
Dies sind jedoch nur Beispiele, da jede der beiden Arten Anordnungen in jede der drei in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Positionen räumlich angeordnet werden kann. In allen drei Figuren 1 bis 3 sind um den Kern 3 jeweils mindestens zwei Spulen 4 und 5 gewickelt, wobei die erste Spule 4 von einem zeitvariablen elektrischen Strom gespeist ist, der stark genug ist, um den Kern 3 zeitweise in die magnetische Sättigung zu treiben, während die zweite Spule 5 als Ausgangsspule der Anordnung 2 dient und somit die Funktion einer Sensorspule ausübt. Die an der Spule 5 anstehende Ausgangsspannung ist mit u bezeichnet.
Der Kern 3 besteht aus einem dünnen Film, der im Fall der Fig. 1 derart parallel zur Banknote 1 angeordnet ist. dass die Länge des Luftspalts parallel und seine Breite b senkrecht quer zum Magnetfeld M und zur Geschwindigkeit v verlaufen. Die Breite der Lesespur der Anordnung 2 ist dann gleich b.
Im Fall der Fig. 2 ist der Film des Kerns 3 senkrecht zur Banknote 1 und parallel zum Magnetfeld M und zur Geschwindigkeit v angeordnet. Die Lesespur der Anordnung ist in diesem Fall äusserst schmal, so dass in der Praxis mehrere Anordnungen 2 parallel nebeneinander anzuordnen sind.
Im Fall der Fig. 3 ist der Film des Kerns 3 ebenfalls senkrecht zur Banknote, jedoch senkrecht quer zur Richtung des Magnetfeldes M und der Geschwindigkeit v angeordnet. Die Breite der Lesespur ist dann gleich der Breite f des Kerns 3.
Auf den Kern 3 ist zusätzlich eine dritte Spule 12 angeordnet.
Die beiden Spulen 5 und 12 sind annähernd gleich gross, elektrisch in Reihe geschaltet und im unteren Teil auf je einen der beiden in der Darstellung der Fig. 3 senkrechten Stege des Kerns 3 angeordnet. Die Ausgangsspannung der Reihenschaltung 5; 12 entspricht diesmal der Ausgangsspannung u der Anordnung 2. Die Spule 4 ist auf einem oberen horizontalen Steg des Kerns 3 angeordnet.
Die in der Fig. 4 dargestellte Auswerteeinrichtung besteht aus den beiden über den Kern 3 gekoppelten Spulen 4 und 5, einem Generator 6, einem Vorwiderstand 7, einem Voltmeter 8 und einem zusätzlichen Permanentmagnet 9. Der Generator 6 speist über den Vorwiderstand 7 die erste Spule 4 mit dem zeitvariablen elektrischen Strom i. Der zeitvariable Strom i hat in Funktion der Zeit t vorzugsweise die Gestalt eines mittels eines Einweggleichrichters gleichgerichteten Sägezahnstromes, d. h. er hat die Gestalt eines Sägezahnes.
dessen negativen Halbwellen gleich Null sind. Die sägezahnförmige Gestalt des Stromes i und damit der Erregung des Kerns 3 erzeugt weniger Verluste als die Sinusform bei gleicher Aussteuerung. Das Voltmeter 8 ist ein Wechselspannungsvoltmeter, das zweipolig mit der zweiten Spule 5 verbunden ist und den Effektivwert von deren Ausgangsspannung u misst. Der Permanentmagnet 9 besteht vorzugsweise aus SmCoS und ist in der Nähe des Kerns 3 räumlich so angeordnet, dass sein konstantes Magnetfeld Hv den Kern 3 in negativer Richtung vormagnetisiert (siehe auch Fig. 6).
Dadurch wird der Remanenzpunkt und damit auch der periodische Startpunkt der Hystereseschleifen in den magnetfeldempfindlichsten Teil der Magnetisierungskennlinie verschoben.
Wenn die Banknote 1 in der angegebenen Richtung unter der Anordnung 2 mit konstanter Geschwindigkeit v fortbewegt wird, hat der Effektivwert Ueff der Ausgangsspannung u der Anordnung 2 einen ähnlichen zeitlichen Verlauf wie eine der beiden Kennlinien, die in der Fig. 5 dargestellt sind.
Die gestrichelt dargestellte Kennlinie gehört zu einer der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anordnungen, während die ausgezogene Kennlinie der Anornung nach Fig. 3 entspricht. Die beiden Kennlinien setzen sich zusammen aus einer Vielzahl unregelmässiger Perioden (in der Fig. 5 sind nur zwei Perioden dargestellt), die jeweils einen Konstantwert-Bereich besitzen.
In der Fig. 8 ist für den Kern 3 unter anderem die Kennlinie der Induktion B in Funktion eines Magnetfeldes H dargestellt, die den bekannten Hystereseverlauf aufweist. Beim Nullwert des Magnetfeldes H besitzt die Induktion B den Wert der Remanenzinduktion Br. Die Sättigungsinduktion des Kerns 3 ist gleich Bs. Das in negativer Richtung wirksame Magnetfeld Hv des Permanentmagnetes 9 verschiebt, bei Abwesenheit eines zu messenden Magnetfeldes M, den Arbeitspunkt auf der dargestellten Kennlinie nach unten von Br nach Bv hin, wobei Bv der zu -Hv gehörende Induktionswert von B ist. Beim Vorhandensein eines zu messenden, z. B.
positiven Magnetfeldes M verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Kennlinie diesmal nach oben von Bv nach Ba hin, wobei Ba der Wert der Induktion B beim Magnetfeld -(Hv - M) ist.
Wird nun die Spule 4 vom Generator 6 mit einem gleichgerichteten Sägezahnstrom i gespeist, so erzeugt dieser Strom i ein proportionales Magnetfeld Hi, dessen zeitlicher Verlauf im unteren Teil der Fig. 8 dargestellt ist. Das Magnetfeld Hi hat die Periode T des Stromes i und eine Amplitude Hw, die gross genug gewählt ist, damit der Kern 3 bei angenommener positiver Richtung des Magnetfeldes Hi durch das Magnetfeld Hi jeweils von der Anfangsinduktion Ba ausgehend periodisch in die positive Sättigung getrieben wird, um anschliessend jeweils wieder zur Anfangsinduktion Ba zurückzukehren. Bei jeder Periode T des Magnetfeldes Hi durchläuft die Induktion B im Kern 3 somit eine Hystereseschleife, die für ein gegebenes Magnetfeld M immer bei Ba beginnt.
Die Induktion B durchläuft dabei zuerst, von Ba ausgehend, nach oben hin den rechten Ast der Hystereseschleife, um den Wert der Sättigungsinduktion Bs zu erreichen. Der Arbeitspunkt durchläuft anschliessend den positiven Sättigungsast der Kennlinie bis zum Wert Hs = Hw - (Hv - M) des Magnetfeldes H, um anschliessend umzukehren und den Sättigungsbereich über den linken Ast der Hystereseschleife zu verlassen, bis er wieder die Anfangsinduktion Ba erreicht.
Die Auswertung dieser Hysteresekennlinie wird nun an Hand einer in der Fig. 7 idealisiert dargestellten Kennlinie näher erläutert. Der in der Darstellung der Fig. 7 linke Teil der Abbildung entspricht in idealisierter Form der Fig. 6. Es sind in jeder Teilabbildung der Fig. 7 jeweils eine für M = 0 geltende gestrichelte und eine für M > 0 geltende nichtgestrichelte Kennlinie dargestellt.
Die nichtgestrichelte Kennlinie oben links in der Fig. 7 beginnt, wie bereits anlässlich der Beschreibung der Fig. 6 erwähnt, mit der Anfangsinduktion Ba, die gleich dem Wert der Induktion B für H = - (Hv - M) ist. Die entsprechende gestrichelte Kennlinie beginnt dagegen mit der Anfangsinduktion Bv, die gleich dem Wert der Induktion B für H = - Hv ist, da für diese Kennlinie ja M = 0 gilt.
Oben rechts in der Fig. 7 ist der zeitliche Verlauf der Induktion B dargestellt, wenn das Magnetfeld Hi wirksam ist. Dieser Verlauf besteht bei idealisierter geradliniger Hysteresekennlinie aus positiven, trapezförmigen Impulsen, die durch Konstantwertbereiche zeitlich voneinander getrennt sind. Wie ein Vergleich der gestrichelten mit der nichtgestrichelten trapezförmigen Kennlinie zeigt, vergrössert ein vorhandenes positives Magnetfeld M die Impulsbreite der trapezförmigen Impulse. Die Amplituden der trapezförmigen Impulse sind gleich Bs - Ba bzw. gleich Bs - Bv, d. h. sie entsprechen den in der Fig. 6 dargestellten Werten von P und L. Die Sättigungsinduktion Bs ist dabei der Referenzwert und die beiden Induktionen Ba und Bv sind so niedrig als möglich zu wählen, damit die Amplituden der trapezförmigen Impulse möglichst gross sind.
Die trapezförmige Induktion B im Kern 3 induziert in der zweiten Spule 5 als Ausgangsspannung u rechteckförmige bipolare Impulse, deren zeitlicher Verlauf in der Fig. 7 unten rechts dargestellt ist. Da die Ausgangsspannung u bekanntlich proportional dF/dt ist, wenn F den durch die Spule 5 fliessenden Magnetfluss bezeichnet, sind die rechteckförmigen Impulse nur anwesend während des Vorhandenseins von Flanken der trapezförmigen Impulse der Induktion B. Während des Restes der Zeit, d. h. zwischen den rechteckförmigen Impulsen, ist der Wert von u gleich Null, da der Wert der trapezförmigen Impulse von B während dieser Zeiten konstant ist.
Die Impulsbreiten-Veränderungen der trapezförmigen Impulse von B durch das Vorhandensein des zu messenden Magnetfeldes M führen zu einer Verkleinerung der Impulsbreiten der rechteckförmigen Impulse von u. Eine Fourier Analyse dieser rechteckförmigen Impulse von u ergibt, dass die Amplitude der zweiten Oberwelle proportional dem Wert von M ist oder, allgemeiner ausgedrückt, dass die Messinformation in den Amplituden der geradzahligen Oberwellen enthalten ist. Die ungeradzahligen Oberwellen, darunter vor allem die sehr starke erste Oberwelle, spielen nur die Rolle von Störern. Bei einer Förstersonde wird die zweite Oberwelle mit einem in der Regel sehr teuren Filter herausgefiltert und durch fortlaufende Messung von deren Amplitude der zeitliche Verlauf des gesuchten Messwertes ermittelt.
Die in der Fig. 4 dargestellte Auswerteeinrichtung benötigt dagegen kein solches teures Filter zur Messung des von der magnetisierten Tinte erzeugten Magnetfeldes M. Das Voltmeter 8 in der Anordnung der Fig. 4 misst den Effektivwert der rechteckförmigen Impulse von u, d. h. den Mittelwert des Quadratwertes dieser rechteckförmigen Impulse. Auch hier spielen die ungeradzahligen Oberwellen nur die Rolle von Störern, da der ihnen zugehörige Messwert als eine Art Offsetspannung dauernd, also auch bei einem Messwert Null vorhanden ist. Während bei einer üblichen zylindrischen Förstersonde das Störverhältnis der ersten zur nützlichen zweiten Oberwelle in der Grössenordnung von 1000/liegt, beträgt dieses Verhältnis bei der erfindungsgemässen Anordnung wegen der extremen Querschnittreduktion durch Verwendung eines Flachkerns jedoch nur mehr 30/1.
Die Dicke des dünnen Kerns 3 wird nämlich durch nachträgliches chemisches Ätzen weit unterhalb der üblichen minimalen Schichtdicke von 0.025 mm bis annähernd auf einen hunderttausendstel Meter reduziert. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Skineffekt beim Betrieb mit einem hochfrequenten Strom i unterdrückt und gleichzeitig eine leichte Magnetisierbarkeit erreicht wird.
Der in der Fig. 8 unter anderem dargestellte Kern 3 besteht in der Draufsicht aus einem rechteckförmigen Ring, der mit einem Luftspalt 10 der Länge d versehen ist. Der Steg des Kerns 3, der mit dem Luftspalt 10 versehen ist, ist bedeutend breiter als die andern Stege des Kerns 3 und besitzt eine Breite b. Dies ist bei einem erforderlichen Kernquerschnitt notwendig, weil der Kern 3 nur aus einem dünnen Film besteht. Die untere Kante des Kerns 3 ist parallel zur Banknote 1 und zu dem Vektor angeordnet, der das zu messende Magnetfeld M darstellt. Der Abstand zwischen der unteren Kante des Kerns 3 und der Banknote list gleich g, dessen Wert, wie bereits erwähnt, mindestens einen Millimeter beträgt.
Die schwachen Magnetflusslinien des Magnetfeldes M dringen, abgesehen von einem kleineren Teil, der sich in der Luft zwischen dem Kern 3 und der Banknote 1 schliesst, in der Darstellung der Fig. 8 von rechts unten in den Kern 3 ein. wobei ein Teil von ihnen den Kern 3 als nützlicher Magnetfluss Fm durchfliesst, während der Rest nutzlos als Streufluss Fs über den Luftspalt 10 abfliesst. Die beiden Spulen 4 und 5 sind auf einem Steg des Kerns 3 angeordnet, der keinen Luftspalt 10 aufweist.
Die in der Fig. 9 dargestellte Anordnung ähnelt derjenigen, die in der Fig. 8 dargestellt ist. Der Kern 3 besteht allerdings aus zwei Magnetkreisen, die einen gemeinsamen Steg 11 besitzen. Der erste der beiden Magnetkreise weist einen Luftspalt der Länge d und der zweite Magnetkreis keinen Luftspalt auf. Der erste Magnetkreis ist, relativ zur Banknote 1, genau so angeordnet, wie der Kern 3 in der Fig. 8. Die beiden Spulen 4 und 5 sind ausschliesslich auf den zweiten Magnetkreis angeordnet. Ausserdem ist eine dritte, auf dem gemeinsamen Steg 11 der beiden Magnetkreise angeordnete Spule 12 vorhanden, die die gleichen Abmessungen besitzt wie die zweite Spule 5, mit der sie elektrisch derart in Reihe geschaltet ist, dass am Ausgang der Reihenschaltung die arithmetische Summe der beiden Spulensignale entsteht.
Der nützliche Magnetfluss Fm teilt sich diesmal in zwei annähernd gleiche Hälften Fm/2, wovon die eine über den Zwischensteg 11 und die andere über den verbleibenden Teil des zweiten Magnetkreises fliesst. Am Ausgang der Reihenschaltung 5; 12 entsteht die Summe der durch die beiden gleichgrossen Hälften erzeugten Ausgangsspannungen und somit wieder eine Ausgangsspannung u, die dem Magnetfluss Fm entspricht. Da in dieser Anordnung jedoch im Gegensatz zu der in der Fig. 8 dargestellten Anordnung der magnetische Widerstand des Luftspaltes 10 um Grössenordnungen grösser sein kann, da der mit dem Luftspalt 10 versehene Magnetkreis durch den Strom i diesmal nicht erregt werden muss, beträgt der Streufluss Fs nur mehr einige Prozent statt 50%.
Der Streufluss Fs im Luftspalt 10 ist hier somit bedeutend unkritischer als derjenige der Anordnung, die in der Fig. 8 dargestellt ist. Dieser Vorteil und die Tatsache, dass die ungeradzahligen Oberwellen der rechteckförmigen Ausgangsimpulse (siehe Fig. 7) sich bei diesem Aufbau eliminieren, wiegen bei weitem den Nachteil auf, dass eine dritte Spule 12 verwendet werden muss. Ausserdem erfolgt keine Entmagnetisierung der Banknote, da kein Luftspalt im Erregerkreis vorhanden ist und dieser mit seinen hohen Induktionswerten räumlich relativ weit von der Banknote entfernt ist.
Die in der Fig. 10a dargestellte Anordnung entspricht annähernd der in der Fig. 8 dargestellten Anordnung mit dem Unterschied, dass der Kern 3 und damit auch der Magnetkreis diesmal keinen Luftspalt 10 besitzt. Ausserdem ist eine dritte Spule 12 vorhanden. Alle drei Spulen 4, 5 und 12 sind so angeordnet und so verdrahtet, wie es anlässlich der Beschreibung der Fig. 3 angegeben wurde. Aus den Figuren 10a und 10b ist ersichtlich, dass die obere Hälfte Fm der von der Magnetisierung der Banknote 1 herrührenden Magnetfeldlinien je zur Hälfte durch einen der beiden senkrechten Stege des Kerns 3 verlaufen, um den vertikalen Steg auf unterschiedlicher Höhe zu verlassen und um anschliessend zur Banknote 1 zurückzukehren.
Die Spulen 5 und 12 sind möglichst unten, in der Nähe der Banknote 1 auf den ihnen zugehörigen vertikalen Steg angeordnet, damit sie möglichst viele dieser Magnetfeldlinien umgeben und damit in ihnen somit ein Maximum an Spannung induziert wird.
Es ist darauf hinzuweisen, dass bei allen Varianten die von der magnetisierten Banknote 1 erzeugten Magnetfeldlinien sich immer teilweise durch Luft schliessen, so dass für sie immer eine gescherte Permeabilität vorliegt.
Damit die Ausgangsspannung u der Anordnung 2 möglicht gross ist, ist für den Strom i eine hohe Frequenz, z. B.
100 kHz, zu wählen.
Die in der Fig. 11 dargestellte Draufsicht einer erfindungs gemässen Anordnung gemäss der Fig. 8 zeigt die Draufsicht eines Substrats 13, welches vorzugsweise aus Silizium oder Glas besteht. Der Kern 3 hat die in der Fig. 8 dargestellte Form und weist einen als Strich gezeichneten Luftspalt 10 auf, der nicht geradlinig, sondern meanderförmig ist. Der Kern 3 ist als ein dünner Oberflächenfilm auf dem Substrat 13 aufgetragen. Die extreme Reduktion des Kernquerschnittes und damit des Entmagnetisierungsfaktors N macht die Verwendung eines hochpermeablen Materials für den Kern 3 sinnvoll, da die gescherte Permeabilität bekanntlich gleich 1/(N + l/pr) ist und somit nur bei extrem kleinen Werten des Entmagnetisierungsfaktors N die Verwendung grosser Werte von llr sinnvoll ist.
Das ferromagnetische Material des Kerns 3 besitzt daher eine relative Permeabilität ur, dessen Wert mindestens in der Grössenordnung von einhunderttausend liegt. Es besteht daher vorzugsweise aus Magnetglas. Die Leiter der Spulen 4 und 5 sind, vom Kern 3 elektrisch isoliert, mindestens teilweise ebenfalls in mindestens einer weiteren Oberflächenschicht angeordnet. In der Fig. 11 sind schraffiert nur z. B. die unteren Leiter der Spulen 4 und 5 dargestellt, wobei keine Trennungslinie zwischen diesen beiden Spulen 4 und 5 angegeben ist. Die in der Darstellung der Fig. 11 linken Leiter gehören z. B. zur Spule 4 und die rechten zur Spule 5.
Die dargestellten Leiter der Spulen 4 und 5 sind vorzugsweise in mindestens einer weiteren auf dem Substrat 13 aufgetragenen Oberflächenschicht angeordnet und mindestens innerhalb ihrer eigenen Oberflächenschicht grösstenteils annähernd parallel zueinander.
Aus den Figuren 13 bis 16 sind die relativen Lagen der verschiedenen Oberflächenschichten ersichtlich. Die in der Fig. 11 dargestellten unteren Leiter der Spulen 4 und 5 befinden sich demnach in einer Oberflächenschicht, die sich unterhalb des den Kern 3 enthaltenden Oberflächenfilms befindet. Sie ist demnach unsichtbar und wurde nur aus Gründen der zeichnerischen Klarheit nicht gestrichelt dargestellt.
Da die Kantenlänge des Substrats 13 in der Grössenordnung von einigen Millimetern liegt, ist die Länge der beiden rechteckig zylinderförmigen Spulen sehr kurz, d. h. sie sind Flachspulen. Da obendrein Flachspulen einen schlechten Wicklungsfüllfaktor aufweisen, zwingt die begrenzte Anzahl Windungen zur Verwendung einer höheren Frequenz, vorzugsweise in der Grössenordnung von 100 kHz für den Strom i. Wegen der damit verbundenen Verbreiterung der Hystereseschleife muss die Erregerspule 4 für einen minimalen Amperewindungsbedarf ausgelegt werden. Ein Magnetisieren bis in die Sättigung ist in einem gescherten Magnetkreis, d. h. in einem Magnetkreis, der einen Luftspalt 10 auf weist, immer mit einem entsprechenden Aufwand an Erregung verbunden.
Da diese Erregung wegen der niedrigen Windungszahl der als Flachspule ausgeführten Spule 4 klein zu halten ist, muss der magnetische Widerstand R des Luftspaltes 10 R = 8/o.b.t möglichst klein gewählt werden, wobei 8 die Luftspaltlänge, b die Luftspaltbreite, t die Dicke des dünnen Kerns 3 und lto die Permeabilität der Luft darstellt. Bei gegebenen anderen Parameterwerten und vor allem bei der gegebenen dünnen Dicke t des Kerns 3 muss somit die Breite b des Luftspaltes 10 besonders gross gewählt werden. Dies geschieht durch die Wahl eines meanderförmigen Luftspaltes 10.
Wegen der hohen Permeabilität des Kerns 3 durchqueren die nicht dargestellten Magnetflusslinien den meanderförmigen Luftspalt an allen Stellen senkrecht zur Oberfläche des ferromagnetischen Materials des Kerns 3, da bekanntlich tg a gleich ltr/1 = 100 000/1 und damit annähernd gleich unendlich ist, wenn a den Austrittswinkel der Magnetflusslinien aus dem Kern 3 in den Luftspalt 10 darstellt. Somit ist a gleich 90 . Die meanderförmige Gestalt des Luftspaltes 10 vergrössert somit die Breite des Luftspaltes 10 künstlich von b auf z. B. 4(a + c), so dass senkrecht quer zu den Magnetflusslinien ein sehr breiter Luftspalt entsteht, trotz der begrenzten Breite b des zugehörigen Stegs des Kerns 3. Dabei besitzt die meanderförmige Gestalt des Luftspalts 10 vier Perioden.
Der Buchstabe a bezeichnet die Länge des Teils des Meanders, der parallel, und der Buchstabe c die Länge des Teils des Meanders, der senkrecht quer zum zugehörigen Steg des Kerns 3 verläuft.
Die in der Fig. 12 dargestellte Draufsicht einer erfindungsgemässen Anordnung gemäss der Fig. 9 ist der in der Fig. 11 dargestellten Draufsicht ähnlich, mit dem Unterschied, dass der Kern wie in der Fig. 9 aus zwei Magnetkreisen besteht und dass der Luftspalt 10 wieder geradlinig und nicht meanderförmig ist. Dies ist möglich, da der Magnetfluss, der durch die Erregerspule 4 erzeugt wird, ausschliesslich in den Magnetkreis fliesst, der keinen Luftspalt besitzt. Wegen des fehlenden Luftspaltes ist somit die für die Sättigung benötigte Erregung minimal. In der Fig. 12 sind ausserdem die unteren Leiter der dritten Spule 12 dargestellt, die z. B. in der gleichen Oberflächenschicht angeordnet sind wie die unteren Leiter der beiden anderen Spulen 4 und 5.
Mindestens die in einer gleichen Oberflächenschicht liegenden Leiter der Spule 12 sind annähernd parallel zueinander angeordnet. Die dritte Spule 12 ist ebenfalls eine Flachspule.
Sowohl in der Fig. 11 als auch in der Fig. 12 sind die in einer Oberflächenschicht befindlichen Leiter einer jeden Spule 4, 5 und 12 in ihrer Oberflächenschicht jeweils annähernd senkrecht quer zum zugehörigen, in einer andern parallelen Oberflächenschicht befindlichen Steg des Kerns 3 angeordnet.
Die Draufsicht der in den Figuren 10a und 10b dargestellten Variante sieht ähnlich aus wie die in der Fig. 11 dargestellte Draufsicht, mit dem Unterschied, dass der Luftspalt 10 nicht vorhanden ist.
Die in den Figuren 11 und 12 als Draufsicht dargestellten Anordnungen können beide entweder wie in den Figuren 13 und 14 oder wie in den Figuren 15 und 16 dargestellt aufgebaut sein.
Die in den Figuren 13 und 14 dargestellte Anordnung besteht aus dem Substrat 13, einer SiO2-Schicht 14, einer erste Oberflächenschicht, die die Leiter der unteren Windungshälften der Spulen 4, 5 und gegebenenfalls 12 enthält, einer Isolierschicht 15 und einer zweiten Oberflächenschicht, die den Kern 3 enthält. Die erste Oberflächenschicht ist, durch die SiO2-Schicbt 14 getrennt, an der Oberfläche des Substrats 13 angeordnet und selber mit der Isolierschicht 15 bedeckt. Die zweite Oberflächenschicht mit dem Kern 3 ist ihrerseits auf die Isolierschicht 15 angeordnet.
Die einzelnen Windungen der Spulen 4, 5 und gegebenenfalls 12 sind durch Bonddrähte 16 vervollständigt, die jeweils von der unteren Windungshälfte ausgehend, durch die Isolierschicht 15 und anschliessend über den Kern 3 gehend die Isolierschicht 15 wieder durchquerend zu den unteren Windungshälften zurückkehren.
Die in den Figuren 15 und 16 dargestellte Anordnung besteht aus dem Substrat 13, der SiO2-Schicht 14, der ersten Oberflächenschicht mit den Leitern der unteren Windungshälften der Spulen 4, 5 und gegebenenfalls 12, der ersten Isolierschicht 15, der zweiten Oberflächenschicht mit dem Kern 3, einer zweiten Isolierschicht 17 und einer dritten Oberflächenschicht mit den Leitern der oberen Windungshälften der Spulen 4, 5 und gegebenenfalls 12. Die unteren und die oberen Windungshälften der Spulen 4, 5 und 12 sind somit je in einer getrennten parallelen Oberflächenschicht angeordnet, wobei die erste, untere Oberflächenschicht, wieder durch die SiO2-Schicht 14 getrennt, an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 13 angeordnet und selber mit der ersten Isolierschicht 15 bedeckt ist.
Die zweite Oberflächenschicht mit dem Kern 3 ist an der Oberfläche auf die Isolierschicht 15 angeordnet und selber mit der zweiten Isolierschicht 17 bedeckt, an deren Oberfläche ihrerseits die dritte Oberflächenschicht angeordnet ist, die die oberen Windungshälften der Spulen 4, 5 und gegebenenfalls 12 enthält. Die einzelnen Windungen dieser Spulen werden durch Stege 18 aus elektrisch leitendem Material vervollständigt, die, von einer Windungshälfte ausgehend, beide Isolierschichten 15 und 17 durchquerend Leiter der anderen Windungshälften erreichen.
Der Kern wird aus einem aufgeklebten Stück hanÅaelsüb- lichen Metallglases photolithographisch herausgeätzt. Die Leiter der Flachspulen bestehen z. B. aus Aluminium und die Isolierschichten 15 und 17 aus Polyimid oder photographischem Lack. Die Verwendung von Polyimid hat den Vorteil, dass die Oberflächen der Isolierschichten 15 und 17 plan abgeschliffen werden können, bevor auf ihnen eine weitere Oberflächenschicht aufgetragen wird. Das bestückte Substrat hat z. B. eine Dicke von annähernd einem Millimeter und eine Kantenlänge von je 4 bis 8 Millimeter.
Die Anordnung kann sowohl in monolithischer Planartechnologie als auch in Hybridtechnik hergestellt werden.
Letztere eignet sich vorallem für grössere Dimensionen.
DESCRIPTION
The invention relates to an arrangement for measuring a low-flux magnetic field according to the preamble of claim 1.
Such an arrangement is e.g. B. used in ATMs to determine the value of banknotes, which are all the same size and all the same color, but are labeled with magnetic ink, as z. B. is the case with US banknotes. In ATMs, such banknotes are exposed to a constant magnetic field before they are transported past the arrangement mentioned at the outset, which magnetizes the magnetic ink in a predetermined direction. As soon as the magnetized point in question leaves the magnetic field, the magnetic ink maintains its remanent induction, so that the characters concerned behave as if they consist of a large number of smallest permanent magnets, all of which have the same spatial direction.
Since the residual induction is weak and these permanent magnets are very small, the magnetic flux they generate is also extremely weak, in the order of approximately 2.5 Wb per square millimeter. For the subsequent determination of the value of the banknote, it is transported with its many permanent magnets past the arrangement mentioned at the beginning, which measures the very weak magnetic flux of the permanent magnets.
Since the banknotes are labeled differently in some cases, different measurement characteristics are created, which make it possible to determine the value of the banknote. The arrangement must touch the bank note without contact, with a minimum distance of one millimeter between the arrangement and the security. This minimum distance is due to the fact that the banknote can be crumpled and that the inscription on the banknote must not be worn or damaged by friction when it is transported along the arrangement.
There are other application examples, since the arrangement mentioned at the beginning can be used whenever a weak magnetic flux is to be measured. The arrangement can e.g. B. can also be used in electricity meters or in power meters to measure an electrical current via the proportional magnetic field generated by this current.
An arrangement of the type mentioned at the outset is known for the determination of USA banknote values from FIGS. 8 and 9 of US Pat. No. 3,280,974. In principle, it consists of a curved forester probe, which is also called fluxgate in English-speaking countries and which is based on the well-known principle of the saturation core probe. A conventional rod-shaped ranger probe is very well suited to measure weak magnetic fields due to the high number of turns and its high resolution, but due to its shape and size it is less suitable for evaluating small and low-flux magnetic field sources. Such a forester probe is described in the prior art, the magnetic core consisting of a sheet metal made of mu-metal.
The manufacture of two identical forester probes to compensate for the earth's magnetic field by using a compensation circuit constructed with two probes is difficult to achieve with the manufacturing technology used.
The invention is based on the object of realizing an arrangement of the type mentioned at the beginning, with which two identical probes for compensating for the earth's magnetic field can be easily implemented in a compensation circuit and which have an even greater signal-to-noise ratio without any appreciable reduction in the useful signal, and which are produced in planar microtechnology can.
According to the invention, this object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.
In order to compensate for distance fluctuations and the earth field, two arrangements, one on each side of the security, can be arranged in a differential circuit. Because of the complex coordination of the two arrangements, however, they must be identical to a high degree, which is practically only possible with great difficulty using modern planar technology.
The use of such a planar technology also has the advantage that a large number of items can be produced cheaply, with high accuracy and good reproducibility in a single process.
Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it:
1 shows a first variant of the relative spatial position of the arrangement according to the invention in relation to a banknote,
2 shows a second variant of this spatial position,
3 shows a third variant of this spatial position,
4 shows an electrical circuit diagram of an evaluation device,
5 shows a representation of a possible time course of the output signal of the arrangement according to the invention,
6 shows hysteresis characteristics and the time profile of a bias signal,
7 is a representation of the characteristic generation of the output signal of the arrangement,
8 shows a first variant of a wound magnetic core,
9 shows a second variant of a wound magnetic core,
Fig.
10a shows a front view of a third variant of a wound magnetic core,
1 whether a side view of the third variant of a wound magnetic core,
11 is a plan view of the arrangement according to the invention according to FIG. 8,
12 is a plan view of the arrangement according to the invention according to FIG. 9,
13 shows a longitudinal section of the spatial structure of a first variant of the arrangement according to the invention,
14 shows a cross section of the spatial structure of the first variant of the arrangement according to the invention,
15 shows a longitudinal section of the spatial structure of a second variant of the arrangement according to the invention and
16 shows a cross section of the spatial structure of the second variant of the arrangement according to the invention.
The same reference numerals designate the same parts in all figures of the drawing.
In the drawing, an evaluated point of magnetized ink is represented by a vector, which symbolizes the magnetic field M to be measured of the associated permanent magnet.
A bank note 1 and an arrangement 2 for measuring the magnetic field M are shown schematically in FIGS. 1 to 3. The banknote 1 is z. B. in a horizontal plane and moves in the representation of Figures 1 to 3 at a speed v from left to right. It is assumed that the magnetic ink has been magnetized in the direction of movement of the banknote 1, i. H. that the vector representing the magnetic field M of the magnetized ink is parallel to the direction of travel of the banknote 1. The arrangement 2 consists of a core 3 made of ferromagnetic material, which forms a magnetic circuit possibly closed by an air gap 10. In the illustration of FIGS. 1 and 2, the magnetic circuit has such an air gap 10, while in FIG. 3 a magnetic circuit without an air gap is shown.
However, these are only examples since each of the two types of arrangements can be spatially arranged in each of the three positions shown in FIGS. 1 to 3. In all three FIGS. 1 to 3, at least two coils 4 and 5 are wound around the core 3, the first coil 4 being fed by a time-variable electrical current which is strong enough to temporarily drive the core 3 into magnetic saturation , while the second coil 5 serves as the output coil of the arrangement 2 and thus performs the function of a sensor coil. The output voltage applied to the coil 5 is denoted by u.
The core 3 consists of a thin film, which is arranged parallel to the bank note 1 in the case of FIG. 1. that the length of the air gap is parallel and its width b is perpendicular to the magnetic field M and to the speed v. The width of the reading track of the arrangement 2 is then equal to b.
In the case of FIG. 2, the film of the core 3 is arranged perpendicular to the bank note 1 and parallel to the magnetic field M and to the speed v. In this case, the reading track of the arrangement is extremely narrow, so that in practice several arrangements 2 are to be arranged parallel to one another.
In the case of FIG. 3, the film of the core 3 is also arranged perpendicular to the bank note, but perpendicular to the direction of the magnetic field M and the speed v. The width of the reading track is then equal to the width f of the core 3.
A third coil 12 is additionally arranged on the core 3.
The two coils 5 and 12 are approximately the same size, electrically connected in series and arranged in the lower part on one of the two vertical webs of the core 3 in the illustration in FIG. 3. The output voltage of the series circuit 5; This time, the output voltage u corresponds to the arrangement 2. The coil 4 is arranged on an upper horizontal web of the core 3.
The evaluation device shown in FIG. 4 consists of the two coils 4 and 5 coupled via the core 3, a generator 6, a series resistor 7, a voltmeter 8 and an additional permanent magnet 9. The generator 6 feeds the first coil via the series resistor 7 4 with the time-variable electrical current i. The time-variable current i preferably has the form of a sawtooth current rectified by means of a one-way rectifier, ie. H. it has the shape of a sawtooth.
whose negative half-waves are zero. The sawtooth shape of the current i and thus the excitation of the core 3 generates less losses than the sinusoidal shape with the same modulation. The voltmeter 8 is an alternating voltage voltmeter which is connected to the second coil 5 in a two-pole manner and measures the effective value of its output voltage u. The permanent magnet 9 preferably consists of SmCoS and is spatially arranged in the vicinity of the core 3 such that its constant magnetic field Hv biases the core 3 in the negative direction (see also FIG. 6).
As a result, the remanence point and thus also the periodic starting point of the hysteresis loops are shifted into the part of the magnetization characteristic that is most sensitive to the magnetic field.
If the bank note 1 is moved in the indicated direction under the arrangement 2 at a constant speed v, the effective value Ueff of the output voltage u of the arrangement 2 has a similar time profile as one of the two characteristic curves which are shown in FIG. 5.
The characteristic curve shown in broken lines belongs to one of the arrangements shown in FIGS. 1 and 2, while the solid characteristic curve corresponds to the arrangement shown in FIG. 3. The two characteristic curves are composed of a large number of irregular periods (only two periods are shown in FIG. 5), each of which has a constant value range.
8 shows, for the core 3, among other things, the characteristic curve of induction B as a function of a magnetic field H, which has the known hysteresis profile. At the zero value of the magnetic field H, the induction B has the value of the remanent induction Br. The saturation induction of the core 3 is equal to Bs. The magnetic field Hv of the permanent magnet 9 acting in the negative direction shifts the working point on the characteristic curve shown in the absence of a magnetic field M to be measured downwards from Br to Bv, where Bv is the induction value of B belonging to -Hv. In the presence of one to be measured, e.g. B.
positive magnetic field M, the operating point on the characteristic curve is shifted upwards from Bv to Ba this time, where Ba is the value of induction B in the magnetic field - (Hv - M).
If the coil 4 is now fed by the generator 6 with a rectified sawtooth current i, this current i generates a proportional magnetic field Hi, the course of which is shown in the lower part of FIG. 8. The magnetic field Hi has the period T of the current i and an amplitude Hw which is chosen large enough so that the core 3 is periodically driven into the positive saturation starting from the initial induction Ba when the magnetic field Hi is assumed to be positive, to then return to the initial induction Ba. At each period T of the magnetic field Hi, the induction B in the core 3 thus runs through a hysteresis loop, which for a given magnetic field M always starts at Ba.
The induction B first passes through the right branch of the hysteresis loop, starting from Ba, in order to reach the value of the saturation induction Bs. The operating point then runs through the positive saturation branch of the characteristic curve up to the value Hs = Hw - (Hv - M) of the magnetic field H, in order to then reverse and leave the saturation region via the left branch of the hysteresis loop until it again reaches the initial induction Ba.
The evaluation of this hysteresis characteristic is now explained in more detail with the aid of a characteristic idealized in FIG. 7. The part of the figure on the left in the illustration in FIG. 7 corresponds in an idealized form to FIG. 6. In each partial illustration in FIG. 7, a dashed characteristic curve that applies to M = 0 and a non-dashed curve curve that applies to M> 0 are shown.
The non-dashed curve at the top left in FIG. 7 begins, as already mentioned in connection with the description of FIG. 6, with the initial induction Ba, which is equal to the value of the induction B for H = - (Hv - M). The corresponding dashed curve, on the other hand, begins with the initial induction Bv, which is equal to the value of the induction B for H = - Hv, since M = 0 applies to this curve.
The time course of induction B is shown at the top right in FIG. 7 when the magnetic field Hi is active. In the case of an idealized straight-line hysteresis characteristic, this curve consists of positive, trapezoidal pulses which are separated from one another in time by constant value ranges. As a comparison of the dashed with the non-dashed trapezoidal characteristic curve shows, an existing positive magnetic field M increases the pulse width of the trapezoidal pulses. The amplitudes of the trapezoidal pulses are equal to Bs - Ba and Bs - Bv, respectively. H. they correspond to the values of P and L shown in FIG. 6. The saturation induction Bs is the reference value and the two induction Ba and Bv are to be chosen as low as possible so that the amplitudes of the trapezoidal pulses are as large as possible.
The trapezoidal induction B in the core 3 induces in the second coil 5 as an output voltage u rectangular bipolar pulses, the temporal course of which is shown at the bottom right in FIG. 7. Since the output voltage u is known to be proportional to dF / dt when F denotes the magnetic flux flowing through the coil 5, the rectangular pulses are only present during the presence of edges of the trapezoidal pulses of induction B. During the rest of the time, i. H. between the rectangular pulses, the value of u is zero since the value of the trapezoidal pulses of B is constant during these times.
The pulse width changes of the trapezoidal pulses of B due to the presence of the magnetic field M to be measured lead to a reduction in the pulse widths of the rectangular pulses of u. A Fourier analysis of these rectangular pulses of u reveals that the amplitude of the second harmonic is proportional to the value of M or, more generally, that the measurement information is contained in the amplitudes of the even harmonics. The odd harmonics, especially the very strong first harmonic, only play the role of interferers. In the case of a forester probe, the second harmonic is filtered out using a filter, which is generally very expensive, and the course of the amplitude of the sought-after measured value is determined by continuous measurement of its amplitude.
The evaluation device shown in FIG. 4, on the other hand, does not require such an expensive filter for measuring the magnetic field M generated by the magnetized ink. The voltmeter 8 in the arrangement of FIG. 4 measures the effective value of the rectangular pulses of u, d. H. the mean of the square value of these rectangular pulses. Here, too, the odd-numbered harmonics only play the role of interferers, since the measured value associated with them is permanent as a type of offset voltage, i.e. even with a measured value of zero. While the interference ratio of the first to the useful second harmonic is in the order of 1000 / in a conventional cylindrical forester probe, this ratio in the arrangement according to the invention is only 30/1 due to the extreme reduction in cross-section due to the use of a flat core.
The thickness of the thin core 3 is namely reduced by subsequent chemical etching far below the usual minimum layer thickness of 0.025 mm to approximately one hundred thousandth of a meter. This has the further advantage that the skin effect is suppressed when operating with a high-frequency current i and at the same time easy magnetization is achieved.
The core 3 shown in FIG. 8, among other things, consists in plan view of a rectangular ring which is provided with an air gap 10 of length d. The web of the core 3, which is provided with the air gap 10, is significantly wider than the other webs of the core 3 and has a width b. This is necessary if the core cross section is required, because the core 3 consists only of a thin film. The lower edge of the core 3 is arranged parallel to the bank note 1 and to the vector which represents the magnetic field M to be measured. The distance between the lower edge of the core 3 and the banknote list is equal to g, the value of which, as already mentioned, is at least one millimeter.
The weak magnetic flux lines of the magnetic field M penetrate into the core 3 from the bottom right in the illustration of FIG. 8, apart from a smaller part which closes in the air between the core 3 and the bank note 1. a part of them flows through the core 3 as a useful magnetic flux Fm, while the rest flows uselessly as a stray flux Fs over the air gap 10. The two coils 4 and 5 are arranged on a web of the core 3 which has no air gap 10.
The arrangement shown in FIG. 9 is similar to that shown in FIG. 8. However, the core 3 consists of two magnetic circuits, which have a common web 11. The first of the two magnetic circuits has an air gap of length d and the second magnetic circuit has no air gap. The first magnetic circuit, relative to the bank note 1, is arranged exactly like the core 3 in FIG. 8. The two coils 4 and 5 are arranged exclusively on the second magnetic circuit. In addition, there is a third coil 12 arranged on the common web 11 of the two magnetic circuits, which has the same dimensions as the second coil 5, with which it is electrically connected in series in such a way that the arithmetic sum of the two coil signals at the output of the series connection arises.
This time, the useful magnetic flux Fm is divided into two approximately equal halves Fm / 2, one of which flows over the intermediate web 11 and the other over the remaining part of the second magnetic circuit. At the output of the series circuit 5; 12 is the sum of the output voltages generated by the two halves of the same size and thus again an output voltage u which corresponds to the magnetic flux Fm. However, since in this arrangement, in contrast to the arrangement shown in FIG. 8, the magnetic resistance of the air gap 10 can be orders of magnitude larger, since the magnetic circuit provided with the air gap 10 does not have to be excited by the current i this time, the leakage flux is Fs only a few percent instead of 50%.
The stray flux Fs in the air gap 10 is thus significantly less critical than that of the arrangement shown in FIG. 8. This advantage and the fact that the odd-numbered harmonics of the rectangular output pulses (see FIG. 7) are eliminated in this construction far outweigh the disadvantage that a third coil 12 must be used. In addition, there is no demagnetization of the banknote, since there is no air gap in the excitation circuit and this is spatially relatively far away from the banknote with its high induction values.
The arrangement shown in FIG. 10a corresponds approximately to the arrangement shown in FIG. 8 with the difference that the core 3 and thus also the magnetic circuit does not have an air gap 10 this time. There is also a third coil 12. All three coils 4, 5 and 12 are arranged and wired in the manner specified in the description of FIG. 3. It can be seen from FIGS. 10a and 10b that the upper half Fm of the magnetic field lines originating from the magnetization of the banknote 1 each run half through one of the two vertical webs of the core 3 in order to leave the vertical web at different heights and then to Return banknote 1.
The coils 5 and 12 are arranged at the bottom, in the vicinity of the bank note 1, on the vertical web associated with them, so that they surround as many of these magnetic field lines as possible and thus a maximum of voltage is induced in them.
It should be noted that in all variants the magnetic field lines generated by the magnetized bank note 1 are always partially closed by air, so that there is always a sheared permeability for them.
So that the output voltage u of the arrangement 2 is as large as possible, a high frequency, for. B.
100 kHz to choose.
The top view shown in FIG. 11 of an arrangement according to the invention according to FIG. 8 shows the top view of a substrate 13, which preferably consists of silicon or glass. The core 3 has the shape shown in FIG. 8 and has an air gap 10 drawn as a line, which is not straight, but meandering. The core 3 is applied as a thin surface film on the substrate 13. The extreme reduction in the core cross-section and thus the demagnetization factor N makes it useful to use a highly permeable material for the core 3, since the sheared permeability is known to be equal to 1 / (N + l / pr) and therefore only for extremely small values of the demagnetization factor N large values of llr makes sense.
The ferromagnetic material of the core 3 therefore has a relative permeability ur, the value of which is at least on the order of one hundred thousand. It is therefore preferably made of magnetic glass. The conductors of the coils 4 and 5, at least partially also electrically insulated from the core 3, are also arranged in at least one further surface layer. 11 are hatched only z. B. the lower conductor of the coils 4 and 5, with no dividing line between these two coils 4 and 5 is indicated. The left in the illustration of FIG. 11 include z. B. to coil 4 and the right to coil 5.
The illustrated conductors of the coils 4 and 5 are preferably arranged in at least one further surface layer applied to the substrate 13 and for the most part at least within their own surface layer approximately parallel to one another.
The relative positions of the various surface layers can be seen from FIGS. The lower conductors of the coils 4 and 5 shown in FIG. 11 are accordingly located in a surface layer which is located below the surface film containing the core 3. It is therefore invisible and was only shown in broken lines for the sake of clarity.
Since the edge length of the substrate 13 is on the order of a few millimeters, the length of the two rectangular cylindrical coils is very short, i. H. they are flat coils. Since on top of that flat coils have a bad winding fill factor, the limited number of turns forces the use of a higher frequency, preferably in the order of 100 kHz for the current i. Because of the associated widening of the hysteresis loop, the excitation coil 4 must be designed for a minimum ampere winding requirement. Magnetization to saturation is in a sheared magnetic circuit, i. H. in a magnetic circuit, which has an air gap 10, always associated with a corresponding amount of excitation.
Since this excitation is to be kept small because of the low number of turns of the coil 4 designed as a flat coil, the magnetic resistance R of the air gap 10 R = 8 / obt must be chosen as small as possible, 8 the air gap length, b the air gap width, t the thickness of the thin one Core 3 and lto represents the permeability of the air. Given other parameter values and especially given the thin thickness t of the core 3, the width b of the air gap 10 must therefore be chosen to be particularly large. This is done by choosing a meandering air gap 10.
Because of the high permeability of the core 3, the magnetic flux lines, not shown, cross the meandering air gap at all points perpendicular to the surface of the ferromagnetic material of the core 3, since it is known that tg a is equal to ltr / 1 = 100,000/1 and is therefore approximately equal to infinity if a represents the exit angle of the magnetic flux lines from the core 3 into the air gap 10. Thus a is 90. The meandering shape of the air gap 10 thus artificially increases the width of the air gap 10 from b to z. B. 4 (a + c), so that a very wide air gap is created perpendicular to the magnetic flux lines, despite the limited width b of the associated web of the core 3. The meandering shape of the air gap 10 has four periods.
The letter a denotes the length of the part of the meander that is parallel, and the letter c the length of the part of the meander that is perpendicular to the associated web of the core 3.
The top view shown in FIG. 12 of an arrangement according to the invention according to FIG. 9 is similar to the top view shown in FIG. 11, with the difference that the core, as in FIG. 9, consists of two magnetic circuits and that the air gap 10 again is straight and not meandering. This is possible because the magnetic flux which is generated by the excitation coil 4 flows exclusively into the magnetic circuit which has no air gap. Because of the lack of an air gap, the excitation required for saturation is minimal. In Fig. 12, the lower conductor of the third coil 12 are also shown, the z. B. are arranged in the same surface layer as the lower conductor of the other two coils 4 and 5.
At least the conductors of the coil 12 lying in the same surface layer are arranged approximately parallel to one another. The third coil 12 is also a flat coil.
Both in FIG. 11 and in FIG. 12, the conductors of each coil 4, 5 and 12 located in a surface layer are each arranged in their surface layer approximately perpendicular to the associated web of the core 3 located in another parallel surface layer.
The top view of the variant shown in FIGS. 10a and 10b looks similar to the top view shown in FIG. 11, with the difference that the air gap 10 is not present.
The arrangements shown as a top view in FIGS. 11 and 12 can both be constructed either as in FIGS. 13 and 14 or as shown in FIGS. 15 and 16.
The arrangement shown in FIGS. 13 and 14 consists of the substrate 13, an SiO2 layer 14, a first surface layer which contains the conductors of the lower winding halves of the coils 4, 5 and optionally 12, an insulating layer 15 and a second surface layer which contains the core 3. The first surface layer, separated by the SiO2 layer 14, is arranged on the surface of the substrate 13 and itself covered with the insulating layer 15. The second surface layer with the core 3 is in turn arranged on the insulating layer 15.
The individual turns of the coils 4, 5 and optionally 12 are completed by bonding wires 16, each of which, starting from the lower half of the turn, through the insulating layer 15 and then going back over the core 3, again crossing the insulating layer 15 to the lower half of the turns.
The arrangement shown in Figures 15 and 16 consists of the substrate 13, the SiO2 layer 14, the first surface layer with the conductors of the lower winding halves of the coils 4, 5 and optionally 12, the first insulating layer 15, the second surface layer with the core 3, a second insulating layer 17 and a third surface layer with the conductors of the upper winding halves of the coils 4, 5 and optionally 12. The lower and the upper winding halves of the coils 4, 5 and 12 are thus each arranged in a separate parallel surface layer, the first, lower surface layer, again separated by the SiO2 layer 14, arranged on the surface of the semiconductor substrate 13 and itself covered with the first insulating layer 15.
The second surface layer with the core 3 is arranged on the surface on the insulating layer 15 and itself covered with the second insulating layer 17, on the surface of which in turn the third surface layer is arranged, which contains the upper winding halves of the coils 4, 5 and optionally 12. The individual turns of these coils are completed by webs 18 made of electrically conductive material, which, starting from one half of the turn, reach both insulating layers 15 and 17, crossing conductors of the other half of the turn.
The core is photolithographically etched out of a piece of standard metal glass glued on. The conductors of the flat coils consist, for. B. made of aluminum and the insulating layers 15 and 17 made of polyimide or photographic lacquer. The use of polyimide has the advantage that the surfaces of the insulating layers 15 and 17 can be ground flat before a further surface layer is applied to them. The loaded substrate has e.g. B. a thickness of approximately one millimeter and an edge length of 4 to 8 millimeters.
The arrangement can be produced both in monolithic planar technology and in hybrid technology.
The latter is particularly suitable for larger dimensions.