JP6667968B2 - 高いｑ値のコイルを含む電磁信号の測定のための測定デバイス - Google Patents

Description

本発明は、コイルに関する。コイルは、少なくとも１回巻きの電気導体によって形成されている。電気導体は、コイル本体部に巻き付けられ得、コイル本体部は、コイルの特性には影響を与えず、したがって、たとえば、プラスチックから構成されている。コイルは、コアを含むことが可能であり、電気導体が、コアに１回または数回巻かれている。コアは、コイルの特性、すなわち、とりわけ、インダクタンスおよびＱ値を変化させる。電気導体の両方の端部は、コイルの両方の端子を形成している。

たとえば、ワイヤーまたは編組が、電気導体として使用されている。編組は、多様な、たとえば、平行に走る単線のワイヤーから構成されている。単線のワイヤーは、スパイラル状に、すなわち、らせんの形状に走ることが可能である。

電磁信号を測定することを可能にするために、そのように適切な測定デバイスは、電気発振回路（共振回路）を含む。発振回路は、コイルおよびキャパシタンスを含む。低いダンピングを有する発振回路を得るために、なかでも、高いＱ値を有するコイルが必要とされる。コイルのＱ値は、測定周波数と、抵抗に対するインダクタンスの比との積である。

巻かれた電気導体を備えるコイルが、米国特許第５１２，３４０号から知られており、電気導体の端部は、コイルの両方の電気端子を形成している。

電気導体および２つの電気端子を備えるコイルの他に、複数の電気端子を備える一緒に巻かれた複数の電気導体を備える、電源の分野のコンポーネントおよび変圧器が存在している（米国特許第５，６４０，３１４号）。少なくとも４つの電気端子を備えるそのようなコンポーネントの電気導体は捩じられ得る（ＲＦ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ， ２^ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｂｏｗｉｃｋ，ＩＳＢＮ ９７８−０７５０６８５１８４）。

本発明の目的は、発振回路のための、とりわけ、電磁信号に関する測定デバイスのための、有利な特性を有するコイルを提供することである。

本発明の課題は、請求項１の特徴を有するコイルによって解決される。有利な実施形態が、従属請求項から結果として生じる。

コイルは、電気導体を含み、電気導体の端部は、コイルの両方の端子を形成している。電気導体の巻かれたセクションは、一緒に捩じられており、すなわち、互いにスパイラル状に（らせん状に）巻かれている。電気導体は、たとえばプラスチックまたはワニスから作製されている絶縁体によって、基本的に取り囲まれている。

捩じることによって、巻線の中の隣接する導体セクション同士の間のスペーシングの増加が実現される。これは、コイルの改善されたＱ値を結果として生じさせる。

発振回路において、改善されたＱ値を有するそのようなコイルは、発振回路の全体的なＱ値を改善することに貢献する。

電磁信号の測定のための測定デバイスがそのような発振回路を含むとき、電磁信号の改善された測定を可能にする測定デバイスが得られる。とりわけ、そのような測定デバイスの信号対雑音比（ＳＮ比）が改善され得る。

電気導体は、ワイヤーまたは編組であることが可能である。編組は、発振回路の中での使用に関して有利である。電気導体は、多様なワイヤーまたは編組から製造され得、それらは、コイルの１つの電気導体に一緒に接続されている。

本発明の１つの実施形態では、初期に互いから電気的に分離している２つの電気導体が、互いに巻かれている。すなわち、たとえば、２つのワイヤー、または、２つの編組、または、１つの編組および１つのワイヤーが、一緒に捩じられている。一方の電気導体の一方の端部が、他方の電気導体の一方の端部に、すなわち、とりわけ、反対側端部に電気的に接続されている。電気的な接続は、たとえば、はんだ接合または圧着接続であることが可能である。両方の残りの端部は、コイルの両方の端子を形成している。一緒に捩じられているセクションが、コイルになるように巻かれ、すなわち、たとえば、コイル本体部に巻き上げられている。このように製造されたコイルは、技術的な困難性がほとんどなしに、高いＱ値のコイルを製造することを可能にする。

コイルのワイヤーまたは編組は、有利には、銅、銀、または金から構成されている。これは、低い抵抗につながり、したがって、コイルの高いＱ値につながり、したがって、そのようなコイルを含む発振回路の高いＱ値につながる。これは、そのような発振回路を備えるそのような測定デバイスの中の上述の信号対雑音比をさらに改善することに貢献する。

好ましくは、コイルは、少なくとも１つの編組によって形成されており、少なくとも１つの編組の細いワイヤーは、互いから電気的に絶縁されており、すなわち、とりわけ、絶縁用のワニス層によって互いから電気的に絶縁されており、それによって、電磁信号の測定のための測定デバイスのさらに改善された上述の信号対雑音比を得るようになっている。したがって、単線のワイヤーは、電気絶縁層によって巻線の中で互いから分離されている。

等しい長さの２つの織り合わされたまたは捩じられた電気導体、たとえば、銅製ワイヤーまたは銅製編組などが、１つの実施形態では、コア、好ましくは、フェライトコアに、２、３回巻きで巻かれている。巻き数は、選ばれた検出周波数（レート）に依存する。最大で１５０回巻きが、最大２０ｋＨｚの低い周波数に適切であるということが判明した。低い周波数に関して、コイルは、少なくとも５回巻き、有利には、少なくとも１０回巻きを含む。一緒に捩じられている電気導体が、たとえば、コイル本体部に、または、コイルコアに１回巻かれた場合には、巻き付けは存在している。マルチワイヤーの銅または編組ワイヤーの絡み合わされた巻線の対は、有利には、表皮および近接効果を最小化し、また、それに接続されているＡＣ抵抗を著しく最小化する。

１つの実施形態では、コイルは、複数の巻き付けの電気導体、および、センタータッピングを有している。センタータッピングは、追加的な電気端子であり、それは、電気的な観点から、電気導体の両方の端子の間に配置されている。

センタータッピングによって、本発明によるコイルを含む発振回路の振動傾向は、センタータッピングを接地させることによって抑制され得る。実際に、センタータッピングが、電気的な観点から、おおよそ中心に置かれて、好ましくは、正確に中心に置かれて配置されている場合に、それは、とりわけ良好である。これは、発振回路が電磁信号の測定に関して使用されるときに、信号対雑音比に好影響を与える。センタータッピングを備えるそのようなコイルは、独立した発明を表しており、それは、単独で、または、さまざまな組み合わせで、上記に述べられている特徴と組み合わせられ得る。

コイルが電磁信号のための測定デバイスの中の発振回路の一部であるとき、および、測定信号が高抵抗の差動増幅器によって増幅されるときに、センタータッピングを備えるコイルは、とりわけ有利なものである。とりわけ、この組み合わせによって、とりわけ良好な信号対雑音比が実現される。

センタータッピングを備えるコイルを製造するために（それは、独立した発明を表している）、たとえば２つのワイヤーまたは編組（それぞれ、第１および第２のワイヤー、または、第１および第２の編組）が、一緒に捩じられるか、または、単に、互いに対して平行な直線状に配置される。その後に、一緒に捩じられているか、または、平行に直線状に走っている、両方のワイヤーが、たとえばコアに巻かれる。第１の電気導体の端子、および、第２の電気導体の反対側端子が、一緒に電気的に接続され、第３の端子として提供され、第３の端子は、次いで、センタータッピングを形成し、センタータッピングは、発振回路の中での使用のために接地させられる。次いで、両方の他の残りの端子が、コイルの両方の端子を形成する。このように、捩じることから独立して、利点が実現され得る。その利点は、電磁信号のための測定デバイスにおいて、改善された信号対雑音比を結果として生じさせる。とりわけ、上記に説明されているように、センタータッピングの端子を提供するために電気的に接続された２つの導体の巻かれた導体経路セクションが、等しい長さになっている場合には、センタータッピングは、それによって、正確に中心に置かれて配置され得る。好ましくは、巻かれた導体経路セクション同士の間の長さの差は、センタータッピングを適当に配置させるために、１０％以下、好ましくは、１％以下、とりわけ、好適には、１／１０００未満になる。それによって、電磁信号の測定のための測定デバイスにおける信号対雑音比が、かなり改善され得る。

両方の導体経路セクションは、一緒に捩じられているか、または、一緒に巻かれるために、互いに対して平行に走っており、両方の導体経路セクションは、たとえば、接着によって、または、樹脂の中に鋳造することによって、繊維材料でグルグル巻きにする（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ａｒｏｕｎｄ）こと、または、チューブ（ホース）の中への挿入によって、互いに機械的に接続され得る。両方の導体経路セクションの交流電流抵抗、および／または、両方の導体経路セクションのインダクタンスは、好ましくは、等しくなっており、電磁信号のための測定デバイスを用いた測定を行うことを可能にするようになっており、すなわち、とりわけ、計装増幅器の場合のように高抵抗の差動増幅器を有するときに、そうなっている。

本発明によるコイルは、基本的に、独立したコンポーネントであり、それは、センタータッピングのケースでは、基本的に、３つの電気端子を備える１つだけの電気導体を含む。センタータッピングが存在しない場合には、その物体は、基本的に、正確に２つの電気端子を備える１つだけの電気導体を含む。

良好な信号対雑音比を有する測定デバイスは、ピックアップコイルと、好ましくは可変の（調節可能な）キャパシタンスと、およびフィルターコイルとを備える電磁発振回路を含む。センタータッピングを備える特許請求の範囲によるコイルが、フィルターコイルとしての役割を果たす。ピックアップコイルによって、検出されることとなる電磁信号が記録される。フィルターコイルおよびキャパシタンスは、有利には、少なくとも１００、好ましくは、少なくとも２００、とりわけ好適には、少なくとも５００の高いＱ値を示している。次いで、測定信号は、良好な信号対雑音比を有するフィルターコイルの両方の端子において利用可能である。

比較的に狭域のバンドを備えるバンドパスフィルターとして作用する測定デバイスが得られる。適当に調整することによって、所望の信号が通過させられる。隣接する周波数エリアの中の騒音信号がフィルターを通され、すでに述べたこの理由のために、良好な信号対雑音比が実現されるようになっている。しかし、何よりも、適当な電圧増幅が成功し、それは、良好な信号対雑音比に決定的に貢献する。

それは、実際に使用される間に、非常にフレキシブルにかつ確実に測定され得る。全体の必要なハードウェアは、小型化を可能にし、また、超伝導磁石の使用なしのマイクロコイルによって、１ｋＨｚ〜４０ＭＨｚの周波数範囲において、移動型のＥＳＲまたはＮＭＲ分光法を行うことを可能にする。とりわけ、ＥＳＲまたはＮＭＲ分光法は、１０ＭＨｚより低い周波数において、また、なかでも、１ＭＨｚよりも低い周波数において、装置の困難性を最小限にすることを可能にするために行われ得る。用途の分野は、化学的な分析、センサー技術、および、医療科学である。

コイルが、コイルのための２つの端子の他に、センタータッピングのための第３の端子も含む場合には、端子同士の間の交流電流抵抗および／またはインダクタンスは、好ましくは、すでに述べられた理由のために、等しくなっており、すなわち、一方では、一方のコイル端子とセンタータッピングの端子との間のセクション、および、他方では、他方のコイル端子とセンタータッピングのための端子との間のセクションにおいて等しくなっている。したがって、両方のセクションは、上述の電気的な特性に関して等しい。

センタータッピングを備えるコイルを有する測定デバイスの構成の図である。 センタータッピングを備えるコイルのための、一緒に捩じられている電気導体の図である。 コイルになるように巻かれた導体経路の図である。 センタータッピングを備えるコイルの図である。 センタータッピングおよびコイルコアを備えるコイルの図である。

図１は、サンプル１に巻かれた任意の構造的形態のピックアップコイル２を示している。ピックアップコイル２は、低損失伝送ライン３および高いＱ値（Ｑ_ｃ約１００００）の可変キャパシタンス（キャパシター）４を通して、フェライトコア５を備えた高いＱ値の外部フィルターコイル６に接続されている。伝送ラインは、２つの電気導体を含み、２つの電気導体は、フッ素樹脂絶縁体に起因して大きい断面（＞１ｍｍ^２）および最小容量の誘電損失を有するマルチワイヤーの銅ラインか、または、無視できる程に小さい表皮、および、１ＭＨｚよりも低い周波数における近接効果を有する太い低抵抗のストランド構造のワイヤー（１０００ｘ０．０５ｍｍ）のいずれかからそれぞれ構成されている。両方の導体は、示されているように互いに巻かれており、したがって、それぞれ、一緒に巻き回されまたは捩じられている。フッ素樹脂絶縁体のケースでは、それぞれの導体は、フッ素樹脂によって包み込まれている。追加的に、一緒に捩じられている伝送ライン３の両方の導体は、フッ素樹脂ケーシングの中に位置付けされている。

たとえば、ピックアップコイル（いわゆる、自由誘導減衰ＦＩＤ）によって記録されている振動するＮＭＲ信号が、伝送ライン３を介して低損失でフィルターコイル６に伝導される。フィルターコイル６の高いＱ値Ｑ_Ｅに起因して、ＮＭＲ信号は、Ｒ_Ｉ＝ピックアップコイルの交流電流抵抗、および、Ｒ_Ｅ＝フィルターコイルの交流電流抵抗によって増大された低減ファクターＱ_ｒｅｄ＝Ｑ_Ｅ／（１＋Ｒ_Ｉ／Ｒ_Ｅ）＞＞１００によって、ノイズと比較される。フィルターコイルにおける交流電圧は、２つの導電接続を通して、差動増幅器９の反転および非反転エントランスへ伝導され、そこでさらに増幅される。差動増幅器９と連動した非常に感度の高い共振回路の振動する傾向を抑制するために、フィルターコイル６において接地されたセンタータッピング８が設けられている。そのうえ、センタータッピング８は、技術的に避けることのできない差動増幅器９のバイアス電流の排出を提供している。

フィルターコイル６は、遮蔽体７によって別々に磁気的に遮蔽されている。

図２では、一緒に捩じられている２つの電気導体１５および１６が、フィルターコイル６に関して使用されるものとして示されている。両方の電気導体１５および１６は、等しいまたは少なくとも非常に類似した抵抗値、および、略等しいインダクタンスを有している。電気導体１５および１６は、互いから電気的に絶縁されている。そのうえ、両方の電気導体１５および１６は、略等しい長さになっている。捩じられたワイヤー１５および１６は、コア５に一緒に巻かれている。たとえば、図２において左に示されている端部１９などのような、一方の電気導体１５の一方の端部、および、他方の導体１６の反対側端部（したがって、次いで、右に示されている端部１８）は、一緒に電気的に接続されており、それによって、センタータッピング８（図４を参照）を形成しており、センタータッピング８は接地されている。次いで、電気導体１５および１６の残りの端部１７および２０は、一方では、好ましくは可変キャパシタンス４に接続され、他方では、伝送ライン３の電気導体に接続されている。したがって、端部１７および２０は、コイル６に関して両方の端子を形成している。一緒に電気的に接続されている端部１８および１９は、センタータッピング８を形成している。

図３は、たとえば、コイル本体部の周りでの、両方の電気導体１５および１６の巻き付けを図示している。

図４は、巻かれた電気導体の可能な形状を図示しており、それは、一緒に電気的に接続されている導体１５、１６、ならびに、それから生じる端子１７、１８、１９、および２０から構成されている。端子１８および１９は、１つのワーキングステップで電気的に接続されており、センタータッピングを形成している。端子１７および２０は、コイルのための端子を表している。また、電気導体１５および１６は、初期に平行に走ることが可能であり、したがって、センタータッピングに起因する有利な特性を伴うそのコイルを巻くために、一緒に捩じられておらず、それは、主請求項から独立した独立発明を表している。

図５は、このようにコイル本体部２１およびコイルコア５とともに製造されたコイルを示している。

フェライトコア５を備えるフィルターコイル６は、小さくすることが可能であり、また、技術的な困難性なく製造され得、したがって、低価格となることが可能である。最大約５００までのＱ値が実現可能である。

Claims (8)

1. 電磁信号を検出するピックアップコイル（２）に電気的に接続され、巻かれた電気導体を備えるフィルターコイル（６）と、前記フィルターコイル（６）を含む電気発振回路と、前記フィルターコイル（６）に電気的に接続され、測定信号を増幅させる差動増幅器（９）と、を含む電磁信号の測定のための測定デバイスであって、
   前記電気導体の端部（１７、２０）は、前記フィルターコイル（６）の両方の端子を形成しており、
   前記電気導体の巻かれたセクションは、一緒に捩じられており、
   前記捩じられているセクションは、少なくとも２つの電気導体（１５、１６）から形成されており、
   両方の前記電気導体（１５、１６）の反対側端部（１８、１９）を電気的に接続して、センタータッピング（８）を形成し、
   前記フィルターコイル（６）は、両方の前記電気導体（１５、１６）が、略等しい長さになっており、および／または、両方の前記電気導体（１５、１６）の交流電流抵抗が、略等しくなっており、および／または、両方の前記電気導体（１５、１６）のインダクタンスが、略等しくなっていることを特徴とする、測定デバイス。
2. 一緒に捩じられている、前記フィルターコイル（６）の前記巻かれた電気導体（１５、１６）の前記セクションが、コアに巻かれており、前記コアは、フェライトから構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定デバイス。
3. 前記フィルターコイル（６）の前記巻かれた電気導体（１５、１６）は、編組であることを特徴とする、請求項１または２に記載の測定デバイス。
4. 前記編組（１５、１６）のワイヤーは、互いから電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項３に記載の測定デバイス。
5. 前記フィルターコイル（６）の前記巻かれた電気導体は、銅、銀、または金から構成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定デバイス。
6. 前記フィルターコイル（６）は、少なくとも５回巻きであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定デバイス。
7. 前記フィルターコイル（６）のＱ値は、１００よりも大きいことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の測定デバイス。
8. 前記電気導体の端部（１７、２０）及び前記センタータッピング（８）からなる３つの電気端子（８、１７、２０）があり、前記電気導体の一方の端子（１７）とセンタータッピング（８）との間及び前記電気導体の他方の端子（２０）とセンタータッピング（８）との間の交流電流抵抗および／またはインダクタンスが略等しくなっていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の測定デバイス。

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