JP2012527603A - 金属探知機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単で且つ効果的なセンサ及び該センサに付随する方法を提供する。
【解決手段】金属物体の位置を測定するためのセンサ及び該センサに付随する方法は、複数の送信コイル(2.1, 2.2)と少なくとも１つの受信コイル(1.9)を含んで構成され、該送信コイルと該受信コイルは、誘導的に互いに連結されており且つ相互作用解除のために部分的に重なり合って配置されていると共に、相互作用の最適消去の所在点が到達可能である。センサ電子装置により通電される前記送信コイル(2.1, 2.2)は、同じ通電により前記少なくとも１つの受信コイル(1.9)に対し、最適消去の所在点が発生するよう作用を及ぼすこと、第１送信コイル(2.1)の通電により前記最適消去の所在点は第１方向へ動き、それに対し、別の送信コイル(2.2)の通電により前記最適消去の所在点は別の方向へ動くことにより、並びに、前記送信コイルの電流を制御するための制御回路が設けられており、該制御回路は、前記受信コイルの受信信号の消去をもたらす、前記最適消去の所在点の運動を導くことにより、簡単で且つ効果的なセンサが提供される。
【選択図】図３

Description

（関連の出願）
本出願は、2009年05月18日付けドイツ特許出願第 10 2009 021 804.1 号、並びに2009年06月19日付けドイツ特許出願第 10 2009 029 928.9 号の優先権を主張するものであり、当該出願の全開示内容は本出願の対象として本明細書に組み込み記載されているものとする。

（発明の分野）
本発明は、請求項１の前置概念に記載した、金属物体の位置を測定するためのセンサ、特にＰＩモードで稼動される金属探知機、並びに請求項１５の前置概念に記載した、前記センサに付随する方法に関する。

パルスインダクション法(Pulsinduktionsverfahren: PI)のモードで稼動されるこの種の金属探知機は、特許文献１から公知である。１次コイルと２次コイルの相互作用が、共面（コプレーナ）のコイルシステムの部分的な重なり合いにより解除される(entkoppelt)。この解除の調節は、重なり合いの領域において機械的に移動可能な物体(Massen)を用いて、又は例えば発信器から受信回路内への補助的な補償信号の形式をもつ電気的な補償補助手段により行われる。前記補償信号は、受信コイルへの送信エネルギーの非完全解除部分を補償する。探知された受信コイルの信号と補償作用との間の「フィードバック(Rueckkoppelung)」即ち閉制御系(geschlossene Regelung)は存在しない。

特許文献２から、上記特許文献１のものと比肩可能な装置が公知であり、該装置では、複数のコイルがこれらのコイルの磁気的な交番磁界に関し、重なり合うよう隣接して互いにずらされて配置されている。最大のコイル、好ましくは受信コイルが、コイル装置の外縁を決定する。

特許文献３から、上記の原理とは逆の原理のものが公知であり、即ち「８の字」のように配列されている２つの受信コイルを囲んで送信コイルが設けられており、前記受信コイル内では送出された磁界が相互に打消（消去）される。

特許文献４から、１つの送信コイルと１つの受信コイルとを有する金属探知機が公知であり、これらの送信コイルと受信コイルは、相互誘導係数が最小であるように部分的に重なり合っている。またこれらの送信コイルと受信コイルは、送信コイル及び受信コイルとして代わる代わる稼動される。

送信コイルと受信コイルが極めて近傍に並んで位置する場合において、所謂プリントコイルの場合がそうであるが、送信コイルから受信コイルへの容量的な誘導干渉(kapazitives Uebersprechen)を減少させるために、特許文献５では、送信コイルと受信コイルとの間の遮蔽電極の形式の遮蔽措置が提案される。また微調節のために補助巻線が設けられている。

特許文献６から、振幅制御装置がそれ自体公知であり、該振幅制御装置では、光信号が、外部の光の影響や温度の影響や老化の影響のような外部影響を補償しながら光送信器と光受信器との間で検知される。光送信器は、クロック発信器を介して時間（期間）毎に且つ交互に稼動される。少なくとも１つの光区間の振幅について制御された光は、場合により、例えば補償光源のような別の光送信器の光と共に光受信器に対し、受信信号がクロック同期した信号成分を伴わずに現れるように作用する。光受信器の受信信号は、同期復調器へ供給され、該同期復調器は該受信信号を再び、両方の光源に対応する信号成分へと分解する。これらの信号成分は比較器において互いに比較され、この際、ゼロ状態に対応する制御値の状態が存在する。比較器の出力にこのゼロ状態に対応する信号がない場合には、この制御値が使用され、光源へ供給される光線出力がこの状態に達するに至るまで制御される。

DE 103 01 951 A9 DE 103 18 350 B3 DE 36 19 308 C1 DE 43 39 419 C2 DE 10 2004 047 189 A1 EP 706 648 B1

上記の背景技術から出発し、本発明の基礎となる課題は、簡単で且つ効果的なセンサ及び該センサに付随する方法を提供することである。

前記の課題は、請求項１の特徴を有するセンサ、並びに請求項１５の特徴を有する方法により解決される。

本発明によるセンサは、少なくとも１つの受信コイルと、複数の送信コイルないし部分送信コイルとを有し、これらの送信コイルないし部分送信コイルは、１つの送信コイルを所定の方式により好ましくは左右対称（鏡面対称）の半部分として分割する。複数の送信コイルが少なくとも１つの受信コイルに対して部分的に重なり合って（オーバーラップして）配置されており、これらの複数の送信コイルと少なくとも１つの受信コイルとの相互作用により、受信コイルにおける送信コイルから送信された磁界（フィールド）について最適消去の所在点（空間的位置）が得られる。この際、これらのコイルは次のように配置されている。即ち、複数の部分送信コイルの通電が同じ場合に、受信コイルにおける送信磁界の最適消去の所在点が発生するようこれらの部分送信コイルが少なくとも１つの受信コイルに対して作用を及ぼすようにである。しかし当該所在点は、第１送信コイル又は送信コイルの第１部分を単独に至るまで主に通電することにより第１方向へ移動され、ないし動かされ、それに対し、別の送信コイル又は送信コイルの別の部分を単独に至るまで主に通電することにより好ましくは第１方向とは反対の別の方向へ移動され、ないし動かされる。最適消去のこの所在点は、金属の接近により影響を及ぼされる。部分送信コイルの電流を制御(Regelung, 閉ループ制御)するための制御回路は、制御時には最適消去の所在点の移動を導き、該移動は受信信号の消去をもたらす。そのために必要な制御値ないし該制御値の変化が、好ましくは金属の接近のための尺度として使用される。

この解決策を用い、送信系と受信系との間の連結解除の簡単な追従制御(Nachfuehrung)が、例えば、金属の接近や、コイルボビンの機械的な変化や、地面効果の存在又は変化等のような絶え間なく変わる環境条件のもとでも達成される。

複数の受信コイルと複数の送信コイルが設けられる場合には、各々につき少なくとも１つの送信コイルと少なくとも１つの受信コイルを異なる平面上に配置することができる。１つの平面上のコイルは、少なくとも１つの別の平面上のコイルに対し、その都度の使用形式に依存する所定の中心角度においてコイルの相互作用が消去されるに至るまで回転される。制御値が同時に測定値であるという制御介入を可能とするために、コイルは、好ましくは例えばコイル直径の0.1〜2パーセントの間隔分で少なくとも僅かに互いに平行に移動される又はそれに対応して互いに回転される。従って送信コイルと受信コイルはそれらの周（Umfang, 円周）で見てほぼ一致して上下に位置し、それにより極めてコンパクトな構造が得られる。実際には、好ましくはプリント基板の両方の側面において所謂プリントコイルとして形成することのできるコイルのこの種の配置構成は、既述の電子装置を用いて高探知感度をもたらしてくれる。25mmというコイル装置の全直径では、実際に500mmを超える検出限界を達成することができた。

送信コイルから送信された磁界（電磁界）により受信コイルにおいて誘導された信号は、増幅器へ供給される。例えば２つの受信コイルを使用する場合には、これらの受信コイルを平行に又は直列的に接続することができる。この際、本質的なことは、受信コイルにおいて誘導された信号が消去されるということである。好ましくは、対称入力部を有する増幅器を選択することができる。増幅器に後置された同期復調器は、該同期復調器に後置された比較器と共に、制御値を検出するために、送信コイルに割り当てられた電圧信号を比較するために設けられている。比較器の出力部は制御値を提供する。少なくとも１つの制御式電流源において、この制御値を用い、送信コイルへ供給される電流の振幅が、比較器の入力部における電圧信号の振幅が実質的に同じ大きさであるように連続的に制御される。それによりこのことには、１つの受信コイル又は複数の受信コイルにおいて受信された信号の消去に対応する。更にこの消去は、送信コイルと受信コイルとの間の完全な連結解除(Entkopplung)に対応する。

受信コイルの信号の同期復調と、クロックフェーズ（クロック位相）に割り当て可能な出力信号を比較器を用いて比較することにより、複数の送信コイルの少なくとも１つの送信コイルの電流をコントロールするために使用可能である情報（制御値）が取得される。それによりこのことは閉制御回路に対応する。１つの又は複数の受信コイルに対して複数の送信コイルを機械的に正確に配置することにより、これらの送信コイルには当該制御機能により同じ大きさの電流が分配され、即ちこの場合には、両方の受信コイル又は一方の受信コイルにおける受信信号は消去されている。その際、制御値は例えば中央の制御範囲内に位置するであろう。例えば金属の接近時にこの制御値は金属の接近に対応して変化し、それに対し、１つの又は複数の受信コイルにおける受信信号は消去されたままである。それに対し、可能な製造誤差が原因で送信コイルと受信コイルが互いに完全に正確には位置付けられていないことは、制御値の理想状態から該制御値のコンスタントなオフセットをもたらす。

基本的に、正にプリント回路基板上の所謂プリントコイルにおいては、２つの平面だけに限らずそれ以上の平面内にコイルを配置することもできる。

更なる長所は、下位請求項及び以下の説明から明らかである。

以下において、添付の図面に図示した本発明の具体的な実施例について説明するが、当該図面の簡単な説明は、以下のとおりである。

従来技術によるＰＩ法によるセンサシステム、並びに該センサシステムに基づく受信コイルにおける振幅経過態様を示す図である。 本発明の具体的な第１実施例における左右対称の２つの半部分コイルの配置構成を示す図である。 図２による両半部分コイルの機械的な配置構成を受信コイルと共に示す図である。 受信コイルにおける最適消去の所在点を安定化するための閉制御系を備えたセンサ電子装置を示す図である。 送信コイル装置の一例の通電時における最適消去の所在点を示す図であり、図６における最適消去の所在点の移動が示されている。 送信コイル装置の一例の通電時における最適消去の所在点を示す図であり、図５における最適消去の所在点の移動が示されている。 時間に関してセンサ電子装置の制御値のグラフを示す図である。 本発明の別の具体的な一実施例における第１送信半部分コイルと第１受信半部分コイルの配置構成を示す図である。 センサ電子装置への接続端子を備えた図８によるコイルの配置構成を示す図である。 プリント形式（プリントソリューション）としての図８によるコイル装置を示す断面図である。 受信コイルにおける最適消去の所在点を安定化するための閉制御系を備えた図１０によるセンサ電子装置を示す図である。

本発明においては、下位請求項に記載のごとく各形態が可能である。

本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

本発明の具体的な実施例を添付の図面に関連して詳細に説明する。しかしながら、これらの具体的な実施例は、あくまでも例示であり、本発明のコンセプトを所定の装置に限定するものではない。本発明を詳細に説明する前に、本発明が装置の各々の構成部材並びに各々の方法ステップに限定されているものではないことを指摘しておくが、それはそれらの構成部材並びに方法が変更可能なためである。またここで使われている用語は、特別な実施形態を説明するためだけに定められていて、制限として使われるものではない。それに加え、本明細書又は本特許請求の範囲で単数形又は不定冠詞が使われる場合には、それらの要素が複数形であってもよいものとするが、勿論、全体の関連で明らかに単数形又は不定冠詞でなくてはならない場合は別である。

本明細書において使われる用語「消去の所在点(oertlicher Punkt der Ausloeschung)」とは、固定幾何学的形状の配置構成をもち且つ磁界を送信する少なくとも２つのコイルが重なり合う際に発生する点であって、該点は、両方の送信コイルの中心を結ぶ仮想線上にあり、該点においては、両方のコイルに電流が流されることによりこの場合に引き起こされる磁界が１つの又は複数の受信コイルにおいて消去されるという点である。

図１は、従来技術におけるＰＩ法（パルスインダクション法 Pulsinduktionsverfahren）に基づくセンサシステムにおいて、送信コイル1.10ないし受信コイル1.9を互いに移動させた場合の受信コイル1.9における振幅の経過態様を示している。受信コイル1.9の振幅1.7が、図１の下側のグラフにおいて移動量に関して記載されている。移動量は1.1において開始し、1.5において終了し、この際、グラフにおいて経過した移動量の行程は、最適消去の点1.3から例えば+/-5mmである。

例えば受信コイル1.9が送信コイル1.10に対して相対的に双方向矢印1.6の方向において右側へ移動される場合には、先ずは受信される信号1.2が減少する。この信号は、送信コイル1.10へ供給された信号に対してクロック同期した位相位置（この実施例では０°）を有する。最適消去の所在点への到達時、即ち連結解除点1.3(Entkopplungspunkt)の到達時には受信される信号はゼロであり、それに対し、更なる移動時において受信される信号1.4は、１８０°回転された位相をもって再び上昇する。最適消去の所在点は、ラボ稼動においてのみ比較的安定している。製造誤差、温度の影響、コイル装置の機械的な変形、又は、例えば金属含有の地面内で金属を探す場合における地面効果(Bodeneinfluesse)の存在は、最適消去の所在点をずらすことになる。更に該所在点は、近傍にもたらされた金属対象物によってもずらされる。最適消去の所在点の幾何学的位置の可能性は、上記全ての影響のもと、例えば双方向矢印1.6に沿った範囲内で位置確認されなくてはならない。

上記全ての影響があるとしても、最適消去の所在点は、簡単な手段並びに閉制御系を用い、正確に同じ所在箇所に常に留まるべきである。このことは、以下の処置により達成される：

従来技術による送信コイル1.10が、分割され、好ましくは、実質的に同一であり且つ左右対称（鏡面対称）の２つの半部分コイルが形成されるように半分化される。勿論、別の分割方式も可能であるが、その際には適切な通電により、消去の所在点について継続的な或いは連続的な、従って急激ではない移動が達成可能な場合である。

図２は、第１の上側の半部分コイル2.1用の端子2.3と、第２の下側の半部分コイル2.2用の端子2.4とを有する送信コイルとして、部分コイルないし半部分コイル2.1及び2.2の配置構成を示している。両方の半部分コイルの残りの２つの端子は、本実施例では端子2.5としてまとめられている。端子2.3及び2.4において一電圧へと補い合う相補的な電圧2.6及び2.7は、両方の半部分コイルにおいて同極性の磁界を生じさせる。この場合、両方の半部分コイルは実質的に従来技術の唯一のコイルのような特性を有する。両方の半部分コイルないし部分コイルは、以下、送信コイル2.1及び2.2と称するものとする。

図３は、受信コイル1.9を備えた、第１の上側の送信コイル2.1と第２の下側の送信コイル2.2の機械的な配置構成を示している。コイルの区別を明確にするために受信コイル1.9が鎖線で示されている。本実施例において円形状の受信コイル1.9の直径は、半円形状の部分送信コイルからなる直径にほぼ対応している。

両方の送信コイル2.1及び2.2を含んで構成される送信コイル装置の水平軸線（対称軸線）3.2は、受信コイル1.9の水平軸線（対称軸線）3.1に対して角度Ｗ分だけ傾けられている。それにより第２の下側の送信コイル2.2は、第１の上側の送信コイル2.1よりも所定値分だけ多く受信コイル1.9を覆っている。角度Ｗは、実際には例えば１〜１０°の範囲内にある。予期すべき誤差、例えば温度影響や製造誤差等が大きければ大きいほど、角度Ｗはより大きく選択されるべきである。送信コイル2.1及び2.2の送信コイル装置と受信コイル1.9との間には、本実施例において各々の中心点から測定し、間隔Ａが存在し、該間隔Ａは、送信コイル2.1及び2.2に同じ大きさであるが相補的な電圧がある場合に、連結解除の所在点1.3が位置することになる範囲をほぼ決定する。上記のような角度回転に代わり、例えば両方の送信コイルの相対的な移動（スライド）のような他の配置構成も考えることができ、それにより受信コイル1.9の様々な覆い（カバー）態様が得られる。従って受信コイル1.9は、好ましくは２つの送信コイル2.1及び2.2により様々な面積割合(Flaechenmasse)でカバーされる。部分送信コイルの適切な通電により消去の所在点の移動が達成可能であるという目的が達成されるのであれば、受信コイルに対して送信コイルのどの幾何学的配置構成によりこのことを達成するか又は容易化するかは然程重要なことではない。

感度の高い金属探知機を製作するためには、冒頭で挙げた特許文献６に従う振幅制御を用いた方法が、上述の本発明の実現化にとって理想的であると判明している。しかし、送信コイルの第１部分だけの通電時には最適消去の所在点が第１方向へ（例えば図５において右の方へ点5.1へ）移動され、それに対し、送信コイルの第２部分の通電時には最適消去の所在点が好ましくは第１方向とは反対方向の別の第２方向へ（例えば図６において左の方へ点6.1へ（図６））移動されるのであれば、他の方法を考えることもできる。その際、閉ループ制御法(Regelungsverfahren)は、最適消去の所在点の移動が安定制御(ausregeln)され、従って受信信号1.11（図１）の連続的な消去が行われることをもたらす。

図４は、送信コイル2.1及び2.2において発生された磁界を受信コイル1.9において最適消去する所在点を安定化するための閉制御系を備えたセンサ電子装置の一実施例を示している。クロック発振器4.8は、第１クロック信号4.13を第１制御式電流源4.10へ提供し、反転された第２クロック信号4.12を第２制御式電流源4.9へ提供する。クロック発振器4.8の周波数は、コイルのインダクタンスに応じて選択することができ、本実施例ではほぼ120kHzである。当該クロック信号は例えば矩形信号又は正弦波信号とすることができる。第１制御式電流源4.10は下側の送信コイル2.2の端子2.4を給電する。それに対応し、第２制御式電流源4.9は上側の送信コイル2.1の端子2.3を給電する。受信コイル1.9に印加する信号は交流電圧増幅器4.5（以下では単に増幅器という）を用いて増幅される。

増幅器4.5の出力信号は同期復調器4.6へ供給される。この同期復調器4.6は、復調のために必要な第１クロック信号4.18並びに第２クロック信号4.19をクロック発振器4.8から取得する。最も簡単な場合では、同期復調器4.6は増幅器4.5の出力信号を、クロックフェーズ（クロック位相）の全部分（全区間）の間中（両信号の）統合を行う（インテグレートする）比較器4.7の呼応する入力部へ同期して供給する。この場合、クロック信号4.18及び4.19は送信クロックフェーズと同じ長さである。

従って、統合を行う比較器4.7の第１入力信号4.15の電圧と第２入力信号4.17の電圧が同じ場合には、受信コイル1.9にはクロック同期した信号成分は発生しない。この際、例えば外部から金属の影響がある場合には、受信コイル1.9における第１クロック信号の平均値が第２クロック信号の平均値と比較される。安定制御された状態(ausgeregelter Zustand)では、既に、増幅器4.5の入力部にある受信信号が互いに対応し、従って増幅器4.5の出力部におけるゼロ状態に対応し、それにより増幅器4.5は入力部においてノイズだけを見ることになる。従って増幅器4.5は極めて高く増幅することができ、ないし高増幅の制限増幅器として実施することができる。安定制御された状態において同じことが第１入力信号4.15及び第２入力信号4.17のためにも当てはまる。比較器4.7の出力部にこのゼロ状態に対応する信号が印加していない場合には、制御値4.16が、このゼロ状態が達成されるに至るまで、自動調整ないしフォローアップないし追従制御(nachfuehren)され、それにより送信コイル2.1及び2.2における電流が制御される。

クロック部分（クロック区間 Taktabschnitt）の長さの間、受信コイル1.9の出力信号は、金属種類により決定される僅かな振幅経過態様を有する。それ故、金属特性のよりよい分析のために同期復調器4.6のスキャン範囲はクロックサイクル内で部分的（区間的 abschnittsweise）にだけ選択することもできる。そのために、復調のために必要とされる第１クロック信号4.18と第２クロック信号4.19は適切に短縮され、金属分析のために必要とされるクロックフェーズ（クロック位相）の部分（区間）内へ置かれる。この際、スキャン時点は自由に選択可能である。受信信号から所定の情報を獲得するために、スキャン時点は、例えば数十ナノ秒ずつの小さいステップで選ぶことができ、クロック部分ないしクロック信号において予め設定された又は予め設定可能な箇所に設定することができる。

同期復調器4.6により両方のクロック信号4.12及び4.13に割り当て可能な該同期復調器4.6の出力信号は、統合を行う比較器4.7により振幅差に関して調査される。比較器4.7は、高増幅の比較回路として設けることができる。入力電圧ないし入力信号4.15及び4.17のまだ極めて小さい各々のずれが、現在値からの制御値4.16の呼応するずれをもたらすことになる。実際に240dBに至るまでの「オープンループ open loop」増幅が実証された。これは、例えば、２つの演算増幅器であって、相前後して位置し、交流電圧的に弱められており、全制御回路にわたった即ち送信コイルと受信コイルとの間の連結（カップリング）を含んだＤＣ負帰還を有する２つの演算増幅器により構成することができる。制御式（制御可能）電流源4.9及び4.10は、反転ステージ4.11を用い、互いに制御値4.16をもって反転して駆動制御されるので、比較器4.7における入力信号の振幅が同じ大きさである状態、即ち両方の信号経過態様からは比較器4.7の入力部において差が発生しない状態を再び作り出すことができる。制御式電流源4.9及び4.10の一方の電流が増加すると、他方の制御式電流源の電流はそれに呼応して減少する。

両方の半部分コイル内ないし送信コイル内の電流をずらすこと(Verschiebung)により、最適消去の所在点が広い範囲内で無段階で移動される。この範囲の大きさは、使用されるコイルの大きさに依存する。例えばコイル直径が50mmの場合には例えば+/-5mmの値をとることができる。図５は、送信コイル装置の下側の送信コイル2.2が上側の送信コイル2.1よりも高い電流を得る場合に、最適消去の所在点5.1が右の方へ移動することを示している。送信電流がその逆の場合には、図６において最適消去の所在点6.1が左の方へ移動する。当該制御回路は、同期復調器4.6において差信号が生じないように、最適消去の所在点のために検知された値を常に追制御(nachregeln)する。このことは、例えば金属の接近のような金属探知機の周辺における、時間で変わる変化ないし動的変化が、制御値4.16の変化として認識されることをもたらしてくれる。

従って、センサがアクティブな範囲内で金属の影響がない場合には、受信コイル1.9にはクロック同期成分が発生せず、従って最適消去の所在点が常に保たれるという形式で送信電流の平衡が行われる。従って、図４に図示の制御回路の制御出力部における制御値4.16は、図７に図示したように、最適消去の場所の所在位置に対応する所定の電気的な値を有する。金属の接近7.4は、最適消去の場所を変化させる。従って受信コイル1.9には、クロック同期成分を有する信号であって、同期整流(Synchrongleichrichtung)により検知され且つ直ぐに制御式電流源4.9及び4.10における送信電流の連続的な追制御により追制御されるクロック同期成分を有する信号が、該クロック同期成分が受信コイル1.9において消去されるに至るまで存在する。図７は、制御値4.16の静止状態と、金属の接近7.4の範囲内の変化とを示している。金属の接近を検知するためには、例えば静止状態4.16と、変化された制御値7.3との間の差を評価することができる。

つまり、閉制御系のこのシステムでは、従来技術におけるように、金属の接近時において受信コイルに発生する信号の大きさが測定され、適切な表示装置において利用者に視覚可能とされるのではなく、金属の接近時において最適消去の所在点の場所的な移動によって生じる制御値又はよりよくは該制御値の変化が測定され、適切な表示装置において利用者に視覚可能とされる。

前記追制御はμｓの範囲内で行われ、それにより素早く金属の上方を走査した場合にも、受信コイルの出力信号は、同期復調器においてクロック同期成分を伴わない状態に常に維持される。この際、原理的には、１つの送信コイルないし送信半部分コイルだけの電流が制御されることで十分であるが、この場合にはダイナミックレンジは制限される。

製造誤差、温度の影響、又は地面の影響がある場合には、制御値4.6が確かに変化するが（オフセット）、受信コイル1.9における受信信号1.11の最適消去はどの場合にも維持されたままである。

分割された送信コイル装置の機能について。

理想的な場合には両方の送信コイル2.1及び2.2が同じに通電され（電流が流され）ないし同じ電圧が供給され、１つのコイルであるかのように動作する。図１におけるように最適消去の所在点が中央にあると仮定しよう。

送信コイル2.1と比べて送信コイル2.2「だけ」が通電されると最適消去の所在点5.1は変化し、図５に示したように「右の方へ」動いていく。つまり、送信コイル装置は受信コイルに対し、最適消去の所在点に到達するために右の方へずらされなくてはならないだろう。またその逆で、送信コイル2.1「だけ」が通電されると最適消去の所在点6.1が図６で示したように「左の方へ」動かされる。従って送信コイル装置は受信コイルに対し、最適消去の所在点に到達するために左の方へずらされなくてはならないだろう。しかしながら可能な全ての電流値関係（ないし比率）が図４に図示の閉制御系により可能であるので、つまりは、定置の送信コイル装置において最適消去の所在点を常に確実にとらえることができる。このことは、コイルの比較的大きな製造誤差が甘受されなくてはならない場合に特に重要である。上記特許文献５におけるような補助巻線の「スイッチオン」又は機械的に移動可能な物体(Massen)は必要ではない。

更なる長所は、所定の間隔を下回るときにおいて、金属部分が大きな場合には測定値データ(Messwertangaben)の多くの場合は通常である「制限付け(Begrenzung)」を伴うことのない、高いダイナミックレンジにある。

図２において送信コイルは円形で図示されているが、勿論他の形状も可能であり、例えば、従来技術から公知である「ダブルＤ」配置構成や、受信コイルの上側と下側において両方の送信コイルがずらされて配置された非対称の配置構成も可能である。またこの配置構成は、上述の作用方式に対応し、例えば送信コイルの内側に２つの受信コイルを使用する（上記特許文献３）ような差分測定方式(differentielle Messmethoden)においても使用される。

本質的なことは、送信コイル又は該送信コイルの少なくとも１つの本質部分（ないし実質部分）が分割され、これらの両方の部分コイルの同じ通電により１つの受信コイル又は複数の受信コイルに対し、最適消去の所在点1.3が発生するよう作用が及ぼされ、そして、送信コイルの第１半部分又は第１部分だけの通電により最適消去の所在点が第１方向へ、例えば右の方へ（図５の）点5.1へと移動され、それに対し、送信コイルの第２半部分又は第２部分だけの通電により最適消去の所在点が第１方向とは反対方向の第２方向へ、例えば左の方へ（図６の）点6.1へと移動されるということである。更に両方の送信コイルの電流の連続的な制御が行われ、該制御は最適消去の所在点の移動を導き、従って受信信号1.11の連続的な消去をもたらしてくれる。金属存在の評価のためには、両方の半部分送信コイルの差分電流制御(differentielle Stromregelung)の制御値が援用される。

図８〜図１１は、本発明の別の第２実施例を示している。上記第１実施例におけるように最適消去の所在点は、簡単な手段と閉制御系により正確に同じ所在箇所に常にとどまることになる。このことは、図８及び図９に従って複数の送信コイル2.1及び8.3、好ましくは実質的に同一であり且つ左右対称（鏡面対称）の２つの半部分コイルが使用されることによって達成される。同様に受信コイルとして複数の受信コイル8.1及び8.2が使用され、これらの受信コイル8.1及び8.2は、本実施例において同様に実質的に同一であり且つ左右対称の２つの半部分コイルにより形成されている。勿論、別の分割方式も可能であるが、その際には適切な通電により、消去の所在点について継続的な或いは連続的な、従って急激でない移動が達成可能な場合である。

既に説明した図３は、第１実施例において受信コイルと２つの半部分送信コイルとの重なり合いを示している。その装置に必要なスペース要求を明らかに減少させるために、図８〜図１１に図示の第２実施例では、複数の送信コイル2.1及び8.3と、複数の受信コイル8.1及び8.2が使用される。図８は、理解の容易化のために、第１の半部分送信コイル2.1と、鎖線で図示された第１の半部分受信コイル8.1とだけを示している。補完する別の半部分は、各々半円形状のコイルを補って円形状とし、それにより図９に図示した構成が得られる。

送信コイル2.1及び8.3と受信コイル8.1及び8.2は、第１実施例におけるように誘導的に互いに連結（結合ないしカップル）されており、相互作用解除のために重なり合って（オーバーラップして）配置されている。最適消去の所在点は（コイルの）回転及び／又は移動により基本的に到達可能であり、そのことについて以下詳細に説明する。図１１に図示されたセンサ電子装置を介し、送信コイル2.1及び8.3の通電並びに受信コイル8.1及び8.2の受信信号（図９の4.20）の評価が行われる。送信コイル2.1及び8.3は、同じ通電時には受信コイル8.1及び8.2に対し、最適消去の所在点1.3（図１）が発生するよう作用を及ぼす。つまり最適消去の所在点では、固定幾何学的形状の配置構成のコイルの重なり合いが、両方の送信コイルの間の仮想線上の点であって、該点においては、両方の送信コイルに電流が流されることによりこの場合に引き起こされる磁界が受信コイル内において消去されるという点をもたらす。第１の送信コイル2.1の通電時には最適消去の所在点は第１方向において動き、それに対して該所在点は、他方の第２の送信コイル8.3の通電時により、好ましくは第１方向とは反対方向の第２方向において動く。第１実施例において最適消去の所在点は、両方の送信コイルの同じ通電時には間隔Ａによって決定されていたが、第２実施例において最適消去の所在点は、少なくとも各々１つの送信コイル及び受信コイルから成る上側の半部分コイルを、同様に少なくとも各々１つの送信コイル及び受信コイルから成る下側の半部分コイルに対して回転（捩る）ことにより決定される。

送信コイルの電流の振幅を制御するための制御回路により、最適消去の所在点を、受信信号の消去が成されるように移動させることが可能である。最適消去の所在点は磁界に対する外部からの影響に依存するので、例えば金属の接近は、適切な追制御が行われることにより検知することができる。この際に検出された制御値4.16は、同時に測定値である。

図８〜図１０に従い、少なくとも１つの送信コイル2.1;8.3と少なくとも１つの受信コイル8.2;8.1は、各々、第１平面10.2内及び少なくとも１つの別の平面10.3内に配置されている。第１平面10.2内に配置されたコイルは、少なくとも１つの別の平面10.3内に配置されたコイルに対し、１つの中心角度分だけ、特に図８から見てとれるように、仮定された共通の中心軸線M1, M2に関して回転されている。コイルが実際に周（円周）に関して一致して上下に位置する場合には、使用形式に応じ、消去が行われる少なくとも１つの中心角度が得られる。制御回路が制御を行い、従って制御値を作り出すことのできる状態に再びなるためには、この「消去された状態」から出発し、コイルが配置されている平面が互いに平行に移動される。言い換えると、それらの中心軸線M1, M2が図８ないし図１０における間隔Ｂ分だけ互いに移動される。この間隔Ｂは極めて小さくすることができ、通常ではコイル直径の0.1〜2パーセントで十分である。

図１０は、平面10.3内の送信コイル2.1に対して左右対称とされたコイルが受信コイル8.2であり、それに対し、第１受信コイル8.1は第２送信コイル8.3により補完されることを示している。送信コイル2.1と受信コイル8.2は別の平面10.3内に位置し、送信コイル8.3と受信コイル8.1は第１平面10.2内に位置している。

図１０は、プリント形式（プリントソリューション）としてのコイル装置を断面図として示しており、ここでは２つの平面10.2及び10.3だけが図示されている。正にプリント形式では、別のコイルを備えた別の平面も想定可能であることは自ずと理解できる。支持材料10.1、即ちプリント基板は、上側及び下側に位置する平面コイル（プレーナコイル）を支持（担持）している。送信コイル8.3及び受信コイル8.1は、図１０では共通して上側に位置し、それに対し、送信コイル2.1及び受信コイル8.2は下側に位置している。下側のコイルに対して上側のコイルを適切に位置付けることで、送信コイルから送信された信号は受信コイル8.1, 8.2において完全に消去される。第１実施例では傾動角度（傾斜角度）がコイル装置の中心点の移動をもたらしたのに対し、第２実施例では、例えば0.5mmの値でありえる間隔Ｂ分の移動が行われる。しかし基本的には傾動と移動を必要に応じて互いに組み合わせることもできる。本質的なことは、最適消去の所在点が、図１１に図示したような閉制御系に基づき、制御値が測定値として使用可能であるためにできるだけ正確に同じ所在箇所に常に維持され得るということである。受信コイルは、消去が可能である限りは直列的に又は並列的に接続することができる。

送信コイル2.1, 8.3及び受信コイル8.1, 8.2は複数の部分コイルにより形成され、これらの部分コイルは、互いに連関して(zusammenhaengend)、好ましくは円形状配置構成の形状を形成する。好ましくは送信コイル及び受信コイルは、第１及び第２実施例におけるように、実質的に同じ大きさの半部分コイルにより形成される。

図１１は、第２実施例において、送信コイル2.1及び8.3において発生された磁界を受信コイル8.1及び8.2において最適消去する所在点を安定化するための閉制御系を備えたセンサ電子装置を示している。クロック発振器4.8は、第１クロック信号4.13を第１制御式電流源4.10へ提供し、反転された第２クロック信号4.12を第２制御式電流源4.9へ提供する。クロック発振器4.8の周波数は、コイルのインダクタンスに応じて選択することができ、本実施例ではほぼ120kHzである。当該クロック信号は例えば矩形信号又は正弦波信号とすることができる。第１制御式電流源4.10は送信コイルの一方の端子を給電する。それに対応し、第２制御式電流源4.10は送信コイルの他方の端子を給電する。受信コイルに印加する信号は交流電圧増幅器4.5（以下では単に増幅器という）を用いて増幅される。

増幅器4.5の出力信号は同期復調器4.6に供給される。この同期復調器4.6は、復調のために必要な第１クロック信号4.18並びに第２クロック信号4.19をクロック発振器4.8から取得する。最も簡単な場合では、同期復調器4.6は増幅器4.5の出力信号を、クロックフェーズ（クロック位相）の全部分（全区間）の間（両信号の）統合を行う（インテグレートする）比較器4.7の呼応する入力部へ同期して供給する。この場合、クロック信号4.18及び4.19は送信クロックフェーズと同じ長さである。

従って、統合を行う比較器4.7の第１入力信号4.15の電圧と第２入力信号4.17の電圧が同じ場合には、受信コイル8.1,及び8.2にはクロック同期した信号成分は発生しない。この際、例えば外部から金属の影響がある場合には、受信コイル8.1,及び8.2における第１クロック信号の平均値が第２クロック信号の平均値と比較される。安定制御された状態(ausgeregelter Zustand)では、既に、増幅器4.5の入力部にある受信信号がゼロ状態に対応し、それにより増幅器4.5は入力部においてノイズだけを見ることになる。従って増幅器4.5は極めて高く増幅することができ、ないし高増幅の制限増幅器として実施することができる。安定制御された状態において同じことが第１入力信号4.15及び第２入力信号4.17のためにも当てはまる。比較器4.7の出力部にこのゼロ状態に対応する信号が印加していない場合には、制御値4.16が、このゼロ状態が達成されるに至るまで、自動調整ないしフォローアップないし追従制御(nachfuehren)され、それにより送信コイル2.1及び8.3内の電流が制御される。

当該制御回路は、同期復調器4.6において信号差が生じないように、最適消去の所在点のために検知された値を常に追制御(nachregeln)する。このことは、例えば金属の接近のような金属探知機の周辺における、時間で変わる変化ないし動的変化が、制御値4.16の変化として認識されることをもたらしてくれる。

勿論、本説明には極めて様々な修正形や変更形や適合形が含まれるが、これらは添付の請求項に対する等価の範囲内で展開するものである。

1.1 移動の開始点
1.2 位相位置０°を有する信号
1.3 連結解除点（コイルの相互作用の解除点）
1.4 位相位置１８０°を有する信号
1.5 移動の終了点
1.6 双方向矢印：送信コイルに対する受信コイルの移動
1.7 受信コイルの振幅
1.9 受信コイル
1.10 送信コイル（従来技術）
1.11, 4.20 受信信号
2.1 第１の上側の半部分コイル
2.2 第２の下側の半部分コイル
2.3 第１の上側の半部分コイルの端子
2.4 第２の下側の半部分コイルの端子
2.5 第１と第２の半部分コイルのまとめられた（共通）端子
2.6 電圧2.7に対して相補的な電圧
2.7 電圧2.6に対して相補的な電圧
3.1 受信コイルの水平軸線（対称軸線）
3.2 送信コイル装置の水平軸線（対称軸線）
W 傾動の角度
A, B 間隔
4.5 交流電圧増幅器
4.6 同期復調器
4.7 統合を行う比較器
4.8 クロック発振器
4.9 第２制御式電流源
4.10 第１制御式電流源
4.11 反転ステージ（反転段）
4.12 第２クロック信号
4.13 第１クロック信号
4.15 統合を行う比較器の第１入力信号
4.16 制御値
4.17 統合を行う比較器の第２入力信号
4.18 復調に必要な第１クロック信号
4.19 復調に必要な第２クロック信号
5.1 右の方へ移動された最適消去の所在点
6.1 左の方へ移動された最適消去の所在点
7.3 金属の接近時の制御値
7.4 金属の接近の範囲
8.1 第１の半部分受信コイル
8.2 第２の半部分受信コイル
8.3 第２の半部分送信コイル
10.1 支持材料（プリント基板）
10.2 第１平面
10.3 別の平面
M1, M2 中心軸線

Claims (21)

1. 少なくとも１つの送信コイル(2.1, 2.2)と少なくとも１つの受信コイル(1.9)を有し、該送信コイルと該受信コイルは、誘導的に互いに連結されており且つ相互作用解除のために部分的に重なり合って配置されていると共に、相互作用の最適消去の所在点(1.3)が到達可能であり、
   更に、前記送信コイルを通電するため及び前記受信コイルの受信信号(1.11)を評価するためのセンサ電子装置を有する、
   金属物体の位置を測定するためのセンサ、特にＰＩモードで稼動される金属探知機であって、
   − 前記センサ電子装置により通電される複数の送信コイル(2.1, 2.2)が設けられていること、
   − 前記送信コイル(2.1, 2.2)は、同じ通電により前記少なくとも１つの受信コイル(1.9)に対し、最適消去の所在点(1.3)が発生するよう作用を及ぼすこと、
   − 第１送信コイル(2.1)の通電により前記最適消去の所在点は第１方向へ動き、それに対し、別の送信コイル(2.2)の通電により前記最適消去の所在点は別の方向へ動くこと、
   − 部分送信コイルの電流を制御するための制御回路が設けられており、該制御回路は、前記受信信号(1.11)の消去をもたらす、前記最適消去の所在点の運動を導くこと、
   を特徴とするセンサ。
2. 前記送信コイル(2.1, 2.2)と前記少なくとも１つの受信コイル(1.9)は、共面(co-planar)に配置されていること
   を特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記送信コイルは、複数の部分送信コイルにより構成されており、該複数の部分送信コイルはまとめて、ほぼ、好ましくは前記少なくとも１つの受信コイル(1.9)に対応する、１つの送信コイルの形状を有すること
   を特徴とする、請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 好ましくは２つの送信コイル(2.1, 2.2)が、異なる面積割合で前記受信コイル(1.9)をカバーすること
   を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
5. 複数の受信コイル(8.1, 8.2)と複数の送信コイル(2.1, 8.3)が設けられており、
   少なくとも１つの送信コイル(2.1;8.3)と少なくとも１つの受信コイル(8.2;8.1)は、それぞれ、第１平面(10.2)内及び少なくとも１つの別の平面(10.3)内に配置されており、
   前記第１平面内に配置されたコイルは、前記少なくとも１つの別の平面内に配置されたコイルに対し、これらのコイルの相互作用の消去のために、所定の中心角度分だけ、これらのコイルの仮定された共通の中心軸線(M1, M2)に関して回転されており、これらの中心軸線(M1, M2)は互いにずらされている又は移動されていること
   を特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
6. 前記送信コイル(2.1, 8.3)の外周が、前記受信コイル(8.1, 8.2)の外周にほぼ一致すること
   を特徴とする、請求項５に記載のセンサ。
7. 前記送信コイル(2.1, 8.3)及び／又は前記受信コイル(8.1, 8.2)は、複数の部分コイルにより構成されていること
   を特徴とする、請求項５又は６に記載のセンサ。
8. 前記送信コイル(2.1, 8.3)ないし前記受信コイル(8.1, 8.2)は、実質的に同じ大きさの２つの半部分コイルにより構成されていること
   を特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサ。
9. 前記送信コイル(2.1, 2.2)を含んで構成される送信コイル装置の１つの軸線(3.2)、好ましくは対称軸線が、前記受信コイル(1.9)の１つの軸線(3.1)、好ましくは対称軸線に対して所定の角度(W)分だけ傾けられていること
   を特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサ。
10. 前記送信コイル(2.1, 2.2)と前記受信コイル(1.9)の配置構成においてそれらの中心点が所定の間隔(A)分だけ互いに離間されており、該間隔は、前記送信コイルにおける電流が同じ大きさ場合に、前記最適消去の所在点(1.3)が位置することになるおおよその範囲を決定すること
    を特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサ。
11. 前記送信コイル(2.1, 2.2)に割り当てられた電圧信号を比較するための比較器(4.7)が、制御値を検出するために設けられており、
    少なくとも１つの制御式電流源(4.9, 4.10)が設けられており、該制御式電流源において、前記送信コイルへ供給される電流の振幅を制御するための前記制御値は、該振幅を好ましくは連続的に次のように制御すること、即ち前記比較器(4.7)の入力部における電圧信号の振幅が実質的に同じ大きさであるか又はクロックサイクルの両方のクロック部分から前記比較器(4.7)の入力部における電圧信号に差が存在しないように制御すること
    を特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセンサ。
12. 金属の接近時に前記最適消去の所在点(1.3)の場所的な移動をもたらす制御値の変化が、測定値であること
    を特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサ。
13. 少なくとも１つの送信コイル(2.1, 2.2)と少なくとも１つの受信コイル(1.9)を有し、該送信コイルと該受信コイルは、誘導的に互いに連結されており且つ相互作用解除のために部分的に重なり合って配置されていると共に、受信信号(1.11)の消去がもたらされる最適消去の点(1.3)が到達可能であり、
    センサ電子装置を用い、前記少なくとも１つの送信コイルが通電され、前記受信コイルの受信信号(1.11)が評価される、
    センサを用いて、特にＰＩモードで稼動される金属探知機を用いて金属物体の位置を測定するための方法であって、
    − 複数の送信コイル(2.1, 2.2)が前記センサ電子装置により通電されること、
    − 前記送信コイルは、同じ通電により前記少なくとも１つの受信コイル(1.9)に対し、最適消去の所在点(1.3)が発生するよう作用を及ぼすこと、
    − １つの送信コイル(2.1)の通電により前記最適消去の所在点は第１方向へ動き、それに対し、別の送信コイル(2.2)の通電により前記最適消去の所在点は別の方向へ動くこと、
    − 前記受信信号(1.11)の消去をもたらす、前記最適消去の所在点の移動が得られるように、前記送信コイルの電流が制御されること、
    を特徴とする方法。
14. 送信コイルとして、複数の部分送信コイルが使用され、該複数の部分送信コイルはまとめて、ほぼ、好ましくは前記受信コイル(1.9)に対応する、１つの送信コイルの形状を有すること
    を特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 送信コイル又は部分送信コイルとして、実質的に同じ大きさの２つの半部分送信コイルが使用されること
    を特徴とする、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 前記送信コイル(2.1, 2.2)を含んで構成される送信コイル装置の１つの軸線(3.2)、好ましくは対称軸線が、前記受信コイル(1.9)の１つの軸線(3.1)、好ましくは対称軸線に対して所定の角度(W)分だけ傾けられて配置されること
    を特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記受信コイルは、好ましくは２つの送信コイル(2.1, 2.2)により、異なる面積割合でカバーされること
    を特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記センサを構成するために、複数の受信コイル(8.1, 8.2)と複数の送信コイル(2.1, 8.3)が設けられており、これらのコイルのうち、少なくとも１つの送信コイル(2.1;8.3)と少なくとも１つの受信コイル(8.2;8.1)は、それぞれ、第１平面(10.2)内及び少なくとも１つの別の平面(10.3)内に配置されており、前記第１平面内に配置されたコイルは、前記少なくとも１つの別の平面内に配置されたコイルに対し、これらのコイルの相互作用が消去されるに至るまで、所定の中心角度分だけ、これらのコイルの仮定された共通の中心軸線(M1, M2)に関して回転され、その後、これらの中心軸線(M1, M2)は所定の間隔(B)分だけ互いに移動されること
    を特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記送信コイル(2.1, 2.2)の各部分に割り当てられた電圧信号が、制御値を検出するために好ましくは連続的に比較されること、
    該制御値が、少なくとも１つの制御式電流源(4.9, 4.10)を用い、前記送信コイルの各部分へ供給される電流の振幅を次のように制御すること、即ち前記比較器(4.7)の入力部における電圧信号の振幅が実質的に同じ大きさであるように制御すること
    を特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 例えば金属の接近時に前記最適消去の所在点(1.3)の場所的な移動をもたらす制御値の変化が、例えば金属の接近のための測定値として使用されること
    を特徴とする、請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記送信コイル(2.1, 2.2)は、クロック発振器(4.8)のサイクルにあわせて制御されること、
    前記受信コイル(1.9)の受信信号は、前記サイクルにあわせてスキャンされ、この際、スキャン時点は自由に選択可能であり、前記受信信号から所定の情報を獲得するために、好ましくは数十ナノ秒ずつの小さいステップで制御され、クロック部分において予め設定された又は予め設定可能な任意の箇所に位置すること
    を特徴とする、請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の方法。

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