CN104169734B - 磁检测装置以及纸币识别装置 - Google Patents
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Abstract
本发明构成能够得到高放大率，并且能够在不受到失调电压的影响的情况下，进行磁检测的磁检测装置以及具备该磁检测装置的纸币识别装置。磁检测装置(101)具备：磁传感器(1)，其具备包含磁阻元件(R1)的电阻分压电路；交流放大电路(20)，其对磁传感器(1)的输出信号进行交流放大；积分电路(30)，其对交流放大电路(20)的输出信号进行积分；和差动放大电路(40)，其对交流放大电路(20)的输出信号与积分电路(30)的输出信号进行差动放大。
Description
技术领域
本发明涉及对例如纸币等介质所具备的磁性图案进行检测的磁检测装置以及基于磁检测结果来进行纸币的识别的纸币识别装置。
背景技术
现有的一般的磁检测装置具备：电阻分压电路，其是磁阻元件与固定电阻元件的串联电路；和放大电路，其对该电阻分压电路的输出电压进行放大。在这种磁检测装置中，如何减小放大电路的失调(offset)电压的影响是课题。
专利文献1中表示了一种磁检测装置，具备：积分电路，其通过对作为磁阻元件与固定电阻元件的串联电路的电阻分压电路的输出电压进行积分处理，来输出失调成分信号；和差动放大电路，其对电阻分压电路的输出电压与失调成分信号进行差动放大处理。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-223862号公报
发明内容
-发明要解决的课题-
在专利文献1所示的磁检测装置中，虽然通过利用失调成分信号来取消放大电路的失调电压，从而减小放大电路的失调电压的影响，但电路结构上，不能得到高放大率。因此，在处理微弱的磁检测信号的情况下，需要增加放大电路的级数，存在整体的电路结构复杂化的问题。
本发明鉴于上述的问题，其目的在于，提供一种能够得到高放大率，并且能够在不受失调电压的影响的情况下进行磁检测的磁检测装置以及具备该磁检测装置的纸币识别装置。
-解决课题的手段-
本发明的磁检测装置具备：磁传感器，其具备包含磁阻元件的电阻分压电路；和放大电路，其对磁传感器的输出信号进行放大，放大电路具备：交流放大电路，该交流放大电路对磁传感器的输出信号进行交流放大；积分电路，该积分电路对交流放大电路的输出信号进行积分；和差动放大电路，该差动放大电路对交流放大电路的输出信号与积分电路的输出信号进行差动放大。
另外，优选所述交流放大电路具备：
第1运算放大器；
被连接于所述第1运算放大器的输出端子与反相输入端子之间的电阻(R23)；以及
与所述反相输入端子串联连接的由电容器(C21)和电阻(R21)构成的第1串联电路，
所述低频侧的转角频率由所述第1串联电路的时间常数来决定，
所述积分电路具备：
第2运算放大器；和
由被连接于所述第2运算放大器的输出端子与反相输入端子之间的电容器(C33)、及与所述第2运算放大器的反相输入端子串联连接的电阻(R31)构成的第2串联电路，
所述积分电路的转角频率由所述第2串联电路的时间常数来决定，
所述第1串联电路的时间常数等于所述第2串联电路的时间常数。
根据该结构，能够在不受到放大电路的失调电压的影响的情况下，检测微弱的磁场变化。此外，因此能够更确切地探测设置于识别对象物的磁性图案等。
优选所述第1串联电路被串联连接在所述磁传感器的输出上。根据该构成，由于叠加到磁传感器的输出电压上的直流电压被第1串联电路的电容器(C21)切断，所以偏置电压不会被输入到交流放大电路，可以使积分电路及差动放大电路在不超过动态范围的范围内进行动作，能够得到高增益。
本发明的纸币识别装置具备上述磁检测装置，并具备信号处理部，该信号处理部基于磁检测装置的磁检测结果，进行设置于介质的磁性图案的信息的识别。
根据该结构，能够更确切地识别设置于纸币的磁性图案。
-发明效果-
根据本发明，能够在不受放大电路的失调电压的影响的情况下，检测微弱的磁场变化，并能够更确切地探测设置于识别对象物的磁性图案。此外，能够更确切地识别设置于纸币的磁性图案。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式所涉及的磁检测装置101的电路图。
图2(A)是表示图1所示的磁检测装置101的增益的频率特性的图。图2(B)是表示在改变了图1所示的磁检测装置101中的电容器C21的电容值时的增益的频率特性的图。
图3(A)是向图1所示的磁检测装置101中的交流放大电路20的输入信号的波形图。图3(B)是图1所示的磁检测装置101中的交流放大电路20以及积分电路30各自的输出信号的波形图。图3(C)是图1所示的磁检测装置101中的差动放大电路40的输出信号的波形图。
图4是本发明的第2实施方式所涉及的纸币识别装置201的电路结构图。
图5是本发明的第3实施方式所涉及的磁检测装置102的电路图。
图6(A)是表示介质所具备的磁性图案的例子的俯视图，磁性越强越表现高浓度。图6(B)是在使具备图6(A)所示的磁性图案的介质移动时的磁检测装置102的输出电压波形图。
图7是比较例所涉及的磁检测装置的电路图。
图8是比较例所涉及的磁检测装置的输出电压波形图。
具体实施方式
《第1实施方式》
图1是本发明的第1实施方式所涉及的磁检测装置101的电路图。磁检测装置101具备：磁传感器1、交流放大电路20、积分电路30以及差动放大电路40。磁传感器1具备磁阻元件R1和固定电阻元件R2。磁阻元件R1以及固定电阻元件R2构成电阻分压电路。在磁传感器1中，电源电压Vcc被输入到由磁阻元件R1以及固定电阻元件R2构成的电阻分压电路，分压电压作为磁传感器1的输出信号而被输出到交流放大电路20。交流放大电路20以规定的增益对磁传感器1的输出信号进行交流放大，并输出到积分电路30以及差动放大电路40。积分电路30以规定时间常数对交流放大电路20的输出信号进行积分，并输出到差动放大电路40的一个输入部。差动放大电路40以规定增益对交流放大电路20的输出信号与积分电路30的输出信号进行差动放大。差动放大电路40的输出是磁检测装置101的输出信号。
交流放大电路20具备运算放大器OP21(第1运算放大器)。磁传感器1的输出信号经由电容器C21以及电阻R21而被输入到运算放大器OP21的反相输入端子。在运算放大器OP21的输出端子与反相输入端子之间，连接电容器C23以及电阻R23的并联电路。基准电压源5输出的基准电压Vr经由电阻R22而被输入到运算放大器OP21的正相输入端子。另外，在运算放大器OP21的电源电压Vcc的连接线与地线之间，电容器C24作为旁路电容器而连接。
积分电路30具备运算放大器OP31(第2运算放大器)。交流放大电路20的输出信号经由电阻R31而被输入到运算放大器OP31的反相输入端子。在运算放大器OP31的输出端子与反相输入端子之间，连接电容器C33以及电阻R33的并联电路。基准电压源5输出的基准电压Vr被输入到运算放大器OP31的正相输入端子。电阻R33为反馈电阻。
另外，理论上的积分电路是没有图1所示的电阻R33的电路。也就是说在低频带增益是无限的。但是，由于实用上运算放大器OP31的低频带中的增益是有界限的，因此电阻R33作为反馈电阻是必要的。电阻R33的电阻值可视适当地设定，但也具有由运算放大器OP31的失调电压导致的影响，若增大电阻R33的电阻值，则超过运算放大器OP31的动态范围(dynamic range)，输出信号饱和。因此，考虑由电容器C33和电阻R33构成的高通滤波器(high-pass filter)的截止(cutoff)频率、上述的运算放大器OP31的失调电压，来设定电阻R33的电阻值。
差动放大电路40具备运算放大器OP41。交流放大电路20的输出信号经由电阻R41而被输入到运算放大器OP41的反相输入端子。在运算放大器OP41的输出端子与反相输入端子之间，连接电容器C43以及电阻R43的并联电路。在运算放大器OP41的正相输入端子与基准电压源5之间，连接电阻R42。此外，在运算放大器OP41的正相输入端子与积分电路30的输出部之间连接电阻R44。
图1所示的电路的各个元件的值以及各个电压例如如下。
[交流放大电路20]
电阻R21：10kΩ
电阻R22：10kΩ
电阻R23：1MΩ
电容器C21：22μF
电容器C23：10pF
电容器C24：1μF
[积分电路30]
电阻R31：10kΩ
电阻R33：100kΩ
电容器C33：22μF
[差动放大电路40]
电阻R41：10kΩ
电阻R42：10kΩ
电阻R43：10kΩ
电阻R44：10kΩ
电容器C43：1nF
[电源电压]
电源电压Vcc：5V
基准电压Vr：2V
图2(A)是表示图1所示的磁检测装置101的增益的频率特性的图。图2(B)如后面所述，是表示在改变了图1所示的磁检测装置101中的电容器C21的电容值时的增益的频率特性的图。特性曲线A表示交流放大电路20的输入输出之间的频率特性。特性曲线I表示交流放大电路20的输入部(磁传感器1的输出部)与积分电路30的输出部之间的频率特性，即交流放大电路20与积分电路30的合成频率特性。特性曲线D表示交流放大电路20的输入部(磁传感器1的输出部)与差动放大电路40的输出部之间的频率特性，即交流放大电路20、积分电路30以及差动放大电路40的合成频率特性。
交流放大电路20的增益由电阻R23的电阻值相对于电阻R21的电阻值的比决定。如图2(A)所示，交流放大电路20的增益是100倍(40dB)。交流放大电路20具有带通特性，低频侧的转角频率(高通滤波器的截止频率)由电容器C21的电容值以及电阻R21的电阻值的积(时间常数)决定。高频侧的转角频率(低通滤波器的截止频率)由电容器C23的电容值以及电阻R23的电阻值的积(时间常数)决定。
积分电路30的增益由电阻R33的电阻值相对于电阻R31的电阻值的比决定。如图2(A)所示，积分电路30的增益是10倍(20dB)。积分电路30表示低通特性，转角频率(截止频率)由电容器C33的电容值以及电阻R31的电容值的积(时间常数)决定。
差动放大电路40对交流放大电路20的输出信号和积分电路30的输出信号进行差动放大，而其增益由电阻R43的电阻值相对于电阻R41的电阻值的比决定。另外，电容器C43被设置为用于高频噪声去除。
在图2(A)所示的例子中，由于电阻R21的电阻值＝电阻R31的电阻值＝10kΩ，电容器C21的电容值＝电容器C33的电容值＝22μF，因此对交流放大电路20的低频侧的转角频率进行决定的时间常数与对积分电路30的转角频率进行决定的时间常数一致。因此，磁检测装置101整体的频率特性如特性曲线D所示，在0.1Hz～10kHz的宽带得到平坦的特性。
在图2(B)所示的例子中，电阻R21的电阻值＝电阻R31的电阻值＝10kΩ，电容器C21的电容值＝2.2μF，电容器C23的电容值＝22μF。因此，使交流放大电路20的低频侧的转角频率与积分电路30的转角频率不一致，磁检测装置101整体的频率特性如特性曲线D所示，产生弯曲。如后面所述，由于交流放大电路20的低频侧的转角频率与积分电路30的转角频率一致，因此积分电路30的输出电压与交流放大电路20中产生的失调电压一致。因此，通过利用差动放大电路40来对交流放大电路20的输出电压与积分电路30的输出电压的差电压进行放大，从而得到没有失调电压的磁检测信号。
图3(A)是向图1所示的磁检测装置101中的交流放大电路20的输入信号的波形图。图3(B)是图1所示的磁检测装置101中的交流放大电路20以及积分电路30各自的输出信号的波形图。图3(C)是图1所示的磁检测装置101中的差动放大电路40的输出信号的波形图。
在图3(A)的例子中，向交流放大电路20的输入信号是2V-2.002V的矩形波。在图3(B)中，波形A是交流放大电路20的输出电压波形，波形I是积分电路30的输出电压波形。作为交流放大电路20的输出电压波形的波形A在初期为2V-1.8V的矩形波(中心电压是1.9V)，而由于设置在输入部的电容器C21的影响，中心电压逐渐变高。也就是说，电容器C21的充电电压从0V开始，逐渐被充电。因此，作为交流放大电路20的输出电压波形的波形A的中心电压随着电容器C21的充电而变高，运算放大器OP21的反相输入端子的电压逐渐接近基准电压Vr(2V)。也就是说，重叠在交流放大电路20的输出电压的失调电压从0.1V逐渐变为0V。
另一方面，作为积分电路30的输出电压波形的波形I是以基准电压Vr(2V)为中心来对交流放大电路20的输出电压进行积分而成的。因此，积分电路30的输出电压波形I是表示相当于重叠在交流放大电路20的输出电压的失调电压的电压的波形。也就是说，从2V开始，逐渐接近2.1V。
由于差动放大电路40以规定增益来对交流放大电路20的输出信号与积分电路30的输出信号进行差动放大，因此差动放大电路40的输出信号的波形如图3(C)所示，是2V-2.2V的矩形波。也就是说，由于电容器C21的充电电压的变化而产生的失调电压被抵消，得到始终稳定的磁检测信号。
假设除去图1所示的交流放大电路20的输入部的电容器C21来构成直流放大电路，仅由该直流放大电路来构成磁检测装置的放大电路，则虽然不产生由于电容器而导致的失调电压，但由于磁传感器1的输出电压受到直流电压的偏置(bias)，因此在不超过基于运算放大器的放大电路的动态范围的范围内进行动作的情况下，不能得到高增益。此外，由于这样一直放大到温度漂移(drift)为止，因此不能得到良好的温度特性。
《第2实施方式》
图4是本发明的第2实施方式所涉及的纸币识别装置201的电路结构图。纸币识别装置201具备：磁检测装置101A、AD转换器31以及信号处理部32。磁检测装置101A具备排列为列状的多个磁传感器(未图示)，纸币识别装置201对各磁传感器的输出进行放大并输出磁检测结果。磁检测装置101A具备多组第1实施方式所示的磁检测装置101。AD转换器31将磁检测装置101A的输出信号转换为数字数据，信号处理部32按时间顺序依次读取该数字数据，并进行设置于介质的磁性图案的信息的识别。
另外，为了在多个磁检测装置中共用AD转换器，则在一个AD转换器的输入部设置多路复用器(multiplexer)，也可以将各个磁检测装置的输出通过多路复用器来时间分割，并输入到AD转换器。
通过这种信号处理，对设置有基于磁性墨水等的磁性图案的介质被传送时产生的检测信号的特有的变化图案进行检测，来进行纸币的种类的判定以及真伪鉴别。
《第3实施方式》
图5是本发明的第3实施方式所涉及的磁检测装置102的电路图。磁检测装置102具备：磁传感器1、交流放大电路20A、20B、积分电路30A、30B以及差动放大电路40A、40B。磁检测装置102是连接了2段第1实施方式的磁检测装置101的电路结构的装置。其中，第2段的交流放大电路20B的电阻R23的电阻值为330kΩ，使交流放大电路20B的增益为33倍。此外，第2段的差动放大电路40B的电阻R43的电阻值为22kΩ，使差动放大电路40B的增益为2.2倍。另外，在第2段的差动放大电路40B中，电阻R42的电阻值为22kΩ，电阻R44的电阻值为33kΩ，电容器C43的电容值为470pF。此外，在第2段的差动放大电路40B中，构成为中间电压Vo(2.5V)通过电阻R45而被施加到运算放大器OP41的反相输入端子。
图6(A)是表示介质所具备的磁性图案的例子的俯视图，磁性越强越高浓度表示。图6(B)是在使具备图6(A)所示的磁性图案的介质移动时的磁检测装置102的输出电压波形图。在图6(B)中，在时间30ms、50～60ms、80ms产生的脉冲对应于位于磁性图案的前端、中央以及后端的磁性墨水的浓度变化陡峭的部分。
这样，能够作为根据磁性图案的磁性(磁量)的电压信号来进行输出。
这里，作为比较例，准备了基于现有技术的磁检测装置。表示其电路图与波形图。图7是比较例所涉及的磁检测装置的电路图。如图7所示，比较例所涉及的磁检测装置仅由第1实施方式所涉及的磁检测装置101具备的磁传感器1与交流放大电路20构成。图8是比较例所涉及的磁检测装置的输出电压波形图。具体来讲，图8是在使具备与图6(A)所示的磁性图案的例子相同的磁性图案的介质移动时的比较例所涉及的磁检测装置的输出电压波形图。
这样，在仅由磁传感器1和交流放大电路20来构成磁检测装置的情况下，如图8中朝右上方的箭头所示，产生伴随着电容器C21的充电的失调电压的变动。与此相对地，根据本发明，如图6(B)所示，能够得到没有失调电压的影响的一直稳定的磁检测信号。
另外，虽然在图1等所示的例子中，在磁传感器1的高端(high side)设置磁阻元件R1，在低端(low side)设置固定电阻元件R2，但也可以相反地，在高端设置固定电阻元件，在低端设置磁阻元件。此外，虽然固定电阻元件也可以仅仅是电阻体，但若将电阻值相对于磁变化的变化小的磁阻元件作为固定电阻元件来使用，则能够几乎去除磁传感器的温度依赖性。
-符号说明-
OP21、OP31、OP41…运算放大器
R1…磁阻元件
R2…固定电阻元件
1…磁传感器
5…基准电压源
20、20A、20B…交流放大电路
30、30A、30B…积分电路
31…AD转换器
32…信号处理部
40、40A、40B…差动放大电路
101、101A、102…磁检测装置
201…纸币识别装置
Claims (4)
1.一种磁检测装置，具备：
磁传感器，其具备包含磁阻元件的电阻分压电路；和放大电路，其对所述磁传感器的输出信号进行放大，
所述磁检测装置的特征在于，
所述放大电路具备：
交流放大电路，该交流放大电路对所述磁传感器的输出信号进行交流放大且表现带通特性；
积分电路，该积分电路对所述交流放大电路的输出信号进行积分且表现低通特性；和
差动放大电路，该差动放大电路对所述交流放大电路的输出信号与所述积分电路的输出信号进行差动放大，
所述交流放大电路的低频侧的转角频率等于所述积分电路的转角频率。
2.根据权利要求1所述的磁检测装置，其中，
所述交流放大电路具备：
第1运算放大器；
被连接于所述第1运算放大器的输出端子与反相输入端子之间的电阻(R23)；以及
与所述反相输入端子串联连接的由电容器(C21)和电阻(R21)构成的第1串联电路，
所述低频侧的转角频率由所述第1串联电路的时间常数来决定，
所述积分电路具备：
第2运算放大器；和
由被连接于所述第2运算放大器的输出端子与反相输入端子之间的电容器(C33)、及与所述第2运算放大器的反相输入端子串联连接的电阻(R31)构成的第2串联电路，
所述积分电路的转角频率由所述第2串联电路的时间常数来决定，
所述第1串联电路的时间常数等于所述第2串联电路的时间常数。
3.根据权利要求2所述的磁检测装置，其中，
所述第1串联电路被串联连接在所述磁传感器的输出上。
4.一种纸币识别装置，其具备权利要求1～3中任一项所述的磁检测装置，其特征在于具备：
信号处理部，该信号处理部基于所述磁检测装置的磁检测结果，进行设置于介质的磁性图案的信息的识别。
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