JP4095964B2 - 電磁検知システムの伝送アンテナ励振装置 - Google Patents

Description

本発明は、総体的な意味で、電磁検知システムに関するものであり、そのようなシステムは物体、例えば盗難品の検知のために備えている。また特に、この発明は、そのような電磁検知システムにおいて伝送アンテナを励振する装置にも関連している。

特定の磁性材料の特別な特徴を利用した検知システムは、各タイプのシステムに関して特有の空間的なボリュームで、そのような材料の存在をユーザーに知らせるため、様々な部門に使用されている。

そのようなシステムを優先的に使用する部門は、例えば店舗及び倉庫の盗難防止、情報媒体及び製品の立証、手術後に患者の体内に忘れられた外科用具の検知、強力な電磁界内での小さな変化を測定しようとする何か別の部門である。

現行の既知の電磁検知システムは、以下の要点を利用している。；
第一アンテナまたは通常、幾つかの基本アンテナから成るセットが、アンテナに選択的に電流を循環させる、電力増幅器（electronic power amplifier）から給電される。この電流が、アンテナの形状の空間的な特徴のボリュームと、電流の値に比例する強度で、選択的な電磁界を発生させる。このアンテナを伝送アンテナと称する。

第二アンテナは、受信アンテナまたは一般的にはいくつかの基本アンテナのセットと称し、このアンテナの形状と、それを通過する電磁磁束の変化に依存した誘導電流のシートである。

補償、平衡及びフィルタリングシステムは、様々なシステムにより異なっており、受信アンテナとそれに関連する増幅回路を特定の磁性材料の要素の存在に対して、それらの要素が伝送領域によって励磁されると、敏感にできる。そのように様々なタイプの磁性材料に組み込まれた“マーカー”の大きな相違点を利用する。

通常は電子の計算ユニットが、伝送電流を励振し、受信信号を生成し、“マーカー”が存在するかしないかの識別を評価し；それによってシステムと外部装置との間を結合もする。

最新の電磁検知システムは特に全て、調整伝送回路を使用しており、すなわち伝送アンテナが、容量性、誘電性及び抵抗性の構成要素に関連しており、それらの構成要素が、各システムの特徴周波数または複数の特徴周波数に関して、過電圧を発生させる。調整伝送回路は、サイズが過剰に大きな電力増幅器を何も使用しないで、伝送アンテナにおける電流を増加させるのに有利である。

他方で、大きな過電圧の要因を生じるいずれかの調整回路のように、アンテナをまわって循環する別の電流の位相または振幅を変えるためには、ここで比較的長時間が必要である。更にもし伝送周波数を変えようすると、調整回路の調整を変更する必要がある。それには、それには大きな電流が流れ、高価で大規模な構成要素を使用する電力回路を取り扱うからである。；この機能は、それらの装置を同一の環境に配置した時、互いに妨害しないように、数個の装置を正確に同じ周波数に同期させることが可能なので、多くのシステムにおいて絶対に不可欠である。電流の位相の変更は部分的に、発生する電磁界の優先方向を変更して、“マーカー”を検知することを可能にし、最高感度の方向は可変である。

本発明は、それらの欠点を全て取り除くことを目的としており、従ってその終着点はここで関連する種類の電磁検知システムについて、“伝送”部分をかなり単純化して、コストをかなり節約し、高価な従属装置なしで、数個のアンテナをまわって循環する電流の周波数、振幅及び位相を、瞬間的に励振できる機能を、非常に簡単に実行可能にし、それは伝送アンテナに直接励振を行うことによって、電力増幅器とアンテナとの間に調整要素なしで実行できる。

従って、本発明は本質的に、連続伝送検知システムに、少なくとも一本の伝送アンテナと少なくとも一本の受信アンテナとを備え、特定または各伝送アンテナが電力増幅器によって給電され、特定または各受信アンテナが補償回路に結合される、電磁検知システムの伝送アンテナを励振する装置であって、
非周波数調整型の少なくとも一つの伝送アンテナ素子と、
“onまたはoff”モードで動作し、“Ｈブリッジ”または“ハーフＨブリッジ”或いは“クォーターＨブリッジ”増幅器である、少なくとも一つの単純化電力増幅器と、
更に少なくとも一つの電源回路と、
を組み合わせて構成され、
特定または各伝送アンテナ素子が、その電力増幅器に直接結合され、
電源回路の出力が、電力増幅器に接続される。

ゆえに、本発明の基とした概念は、変換器、誘導子、コンデンサーのようなマッチング構成要素なしで、伝送アンテナをその電力増幅器に直接結合することを含み、好ましくは増幅器が“Ｈブリッジ”タイプであるが、“ハーフＨブリッジ”、または“クォーターＨブリッジ”トポロジーと称するものでも使用可能で、それらは以下で説明する。全ての場合で、一つは“onまたは off”モードで動作する単純化増幅器を扱っており、それはデジタルタイプ、すなわち“０”レベルまたは“１”レベルを有する信号によって、直接制御される。

伝送アンテナと増幅器との間の直接結合は、アンテナによって発せられる電磁界の周波数を直ぐに変えることができ、このアンテナによって発せられる電磁界の位相に関しても、直ぐに変えることができる。

伝送アンテナと増幅器が、“力率補償”タイプの電源回路によって電子供給される限り、アンテナによって発生される電磁界の振幅に関して、そのような電源回路によって電力増幅器に送られる電圧を変えることによって、直ぐに変えることも可能である。

ここで、それらの機能はアンテナが調整されないので、全て効力があり、それらの機能が検知の信頼性と感度をかなり改善する。

本発明の好ましい実施形態において、特定または各伝送増幅器が“Ｈブリッジ”型の増幅器であり、四個の平衡器を具備し、その各々が並行に取り付けられた能動スイッチング素子と受動リカバリー素子を備え、四個の平衡器が給電部（power feeds）に接続され、それらのスイッチング素子も制御ステージによって、制御信号を生成させる電子ステージに接続される。

本発明の別の有利な実施例において、特定または各伝送増幅器は“ハーフＨブリッジ”型の増幅器であって、四本の岐路を備え、そのうちの二本が平衡に取り付けられた能動スイッチング素子と受動リカバリー素子とを具備し、他の二本の岐路が少なくとも一つのコンデンサー及び／または少なくとも一つの給電部よって形成されており、二本の第一岐路のスイッチング素子が、少なくとも一つの制御ステージによって、制御信号を生成させる電子ステージへ接続される。

第三の実施例において、特定または各伝送増幅器が“クォーターＨブリッジ”型の増幅器であって、四本の岐路を備え、そのうちの一本だけが並行に取り付けられた能動スイッチング素子と受動リカバリー素子を具備し、別の岐路が少なくとも一つのコンデンサー及び／または少なくとも一つの給電部によって形成されており、第一岐路のスイッチング素子が、制御ステージによって、制御信号を生成させる電子ステージに接続される。しかし、この最後の実施形態では、信号能動素子が伝送アンテナにおけいて電流を一方向にだけ流せるので、増幅器の動作が低下している。

“ハーフＨブリッジ”または“クォーターＨブリッジ”の実施形態に関して、Ｈブリッジの受動岐路に使用されているコンデンサーが、伝送アンテナの電流の帰線のポイントにマッチした電圧を与える役目をしていることは明らかであり、それらのコンデンサーは、一般的に大きな値の静電容量を有するが、それらはここでは、関連するアンテナ素子の誘導子と共に形成される、回路を調整するため使用されない。

本発明の別の概念によると、特定または各電力増幅器が、この増幅器に直接結合された伝送アンテナ素子において、本質的に“三角”形の電流を循環させるように備えられ、同じ伝送アンテナ素子における電圧が、“方形”信号の形を有する。関連して、伝送増幅器はそれ自体、有利には最大振幅の“方形”入力信号によって励振され、それによって、それらの設計を最高に単純化でき、構成要素の数を減らし、且つ末端の散逸を減らし、発生した熱を取り除くために使用される末端散逸部の表面領域も減らすことが可能である。

増幅器を励振するため“方形”信号の変化を関数として、特定または各伝送アンテナ素子において電流が循環して、アンテナ要素によって発せられる電磁界が、周波数変調及び位相変調及び／または振幅変調されており、それらは様々な任意の法則によるもので、例えばシヌソイド、三角、四角、ランダムの法則のいずれかに関連する。給電部によって増幅器に送られる電圧を減らそうとしないか、またはそれが不可能な時でも、伝送周波数の増加が、発せられた電磁界の振幅を減らすことが可能なことは明らかである。

本発明の別の特徴によると、受信アンテナ素子から出た信号を受信する特定または各補償回路が、マッチング及び増幅回路、コンデンサー、誘導子、とスイッチを備え、それらは特に増幅器を切り換える時の電圧反転中に、受信アンテナ素子で発生する過度な信号を弱めるために、またアンテナにおける電流の反転中に、増幅器における電流の流れの効果に関して補償するために、設計されており、その効果は選択的に能動スイッチング素子または複数の能動スイッチング素子と、受動リカバリー素子または服すの受動リカバリー素子において生じる。補償機能を実行させるために使用する構成要素も、数個の受信アンテナ素子の間を平衡化する機能も実行させ、送電アンテナと磁性材料が接近することによって、受信アンテナに発生する信号を減衰するようにしている。受信経路に介在する補償回路の解決手段は、例えば能動スイッチング素子を増やすか、または能動スイッチング素子と受動リカバリー素子に補足的なバイアス給電部を使用することによって、伝送増幅器に作られるマッチングスタブよりも安価で、より効果的である。

本発明は、以下の説明と、一例として電磁検知システムの伝送アンテナの励振用の装置を作成した幾つかの形式を示す、添付図面を参照することで、詳しく理解されるであろう。

図１は、盗難品を電磁検知するためのシステムの典型的なアンテナを示しており、参照符号２によって全体的示されたアンテナが、伝送及び受信アンテナのコイルを支持する機械組立体３を備えている。ここで伝送アンテナは、二本の伝送アンテナ４から成って、受信アンテナが二本の受信アンテナ素子５から成っている。二本の伝送アンテナ素子４は、二本の受信アンテナ素子５のように、例えば三角形の二つの平衡岐路を形成し、それらは互いに補償する。

二本の伝送アンテナ素子４の各々に関して、増幅器、すなわち実施例に図示された二つの増幅器６を備えている。各増幅器６の出力が、対応する伝送アンテナ素子４に対し電気的に接続されている。

システムは、AC電力分配ネットワークから、またはセル、電池またはソーラーパネルのような別の電源からの通常の電源装置７を有している。通常の電源装置７が、個々に二つの伝送増幅器６に関連した二つの特別な電源装置８に供給する。各特別な電源装置８の出力が、対応する伝送増幅器６に接続されている。

補償回路９が、各受信アンテナ素子５に関連しいている。

更にシステムは、電子処理ユニット１０を備えており、それは（別の構成要素と関連して）以下の機能を実行する。：
ユニット１０が、制御信号を増幅器６に発信する。増幅後に、それらの信号が伝送アンテナ素子４によって送られる信号の時間による形を画定する。

ユニット１０が、励振信号を電源装置８に発信して、増幅器６に給電し伝送アンテナ要素４を巡って循環する電流の振幅、すなわちそれらのアンテナ素子４によって伝送される電磁界の強度を画定する。

ユニット１０が、受信アンテナ素子５に接続された補償回路９を励振して、それらの回路１０から出た補償信号を受信し、その信号で、アンテナ２の電磁界における“マーカー”の存在の検知に関する決定を公式化するのが可能なプロセッシングを実行する。

最後に、ユニット１０が（図１の右側に矢印で表わしたように）、周辺システムからの情報を伝送または受信するためにインターフェースを有する。

図２は、伝送アンテナ素子４に関連した増幅器６を詳細に示しており、増幅器６は“Ｈブリッジ”型である。

そのような“Ｈブリッジ”の四つの岐路の各々が、並行に取り付けられた能動スイッチング素子１１と受動リカバリー素子１２を備えて、矢印がそれらの要素１１及び１２における電流の流れの方向を示している。能動スイッチング素子１１は、例えば二極式または電界効果トランジスタ、サイリスタ、またはIGBTトランジスタである。受動リカバリー素子１２は例えばダイオードである。

供給装置１３が、適切な電圧のために必要な電力を能動スイッチング素子１１に与える。それらの供給装置１２は、受動リカバリー素子１２に従って経由する電流も吸収する。

電子制御ステージ１４が、能動スイッチング素子１１の制御のために備えられ、各ステージ１４が一対のスイッチング素子１１に関連している。制御ステージ１４が関連する対のスイッチング素子１１を起動させ、同時にそれが別のスイッチング素子１１を絶縁し、（頂部に位置するような）一方の素子１１と（底部に位置するような）他方の素子１１に関して交互に行う。この制御ステージ１４は、独立した電子構成要素または特殊な一体型回路が組み込まれ得る。

最後に、“Ｈブリッジ”型の増幅器６が制御信号を生成する電子ステージ１５を備えている。ステージ１５は、プロセッシングユニット１０（図１）から発生した信号を受信し、適切にはそれらは制御ステージ１４によって使用できる。

“Ｈブリッジ”型の増幅器６は、上記のように形成され、関連した伝送アンテナ素子４に直接結合されている。

図３は、図２に対応したそれらの素子が、同じ参照符号によって示されており、伝送アンテナ素子４に関連した増幅器６の別の実施例を示している。ここでは、“ハーフブリッジ”型の増幅器を扱っており、また伝送アンテナ素子４に直接接続されている。前記した図２のＨブリッジの岐路が、ここでは一つかそれ以上のコンデンサー１６に取り替えられており、それらは単独でまたは参照符号１７で示したように、一つかそれ以上の補助的な供給装置に関連して使用可能である。

アンテナの動作中に、この場合は伝送増幅器６を構成する完全な“Ｈブリッジ”または“ハーフブリッジ”の動作モードに関して、伝送アンテナ素子４における電流Ｉが、時間ｔを関数として、図４の下部に図示された形を有している。ここで電流Ｉは、基本的に“三角”型である。同じアンテナ素子４における電圧Ｖに関連して、この電圧は図４の上部で図示されているように、“方形”信号の形を有しており、これは同様な“方形”信号によって伝送増幅器６がその入力で励振される。図４で図示されているように、この“方形”信号を周波数変調できる。

伝送増幅器６の完全な“Ｈブリッジ”形式（図２）が、例えば110ボルトACネットワークによって給電される装置に適切であること、“ハーフブリッジ”バージョン（図３）が220ボルトACネットワークの場合に有利であること；特に“ハーフブリッジ”が伝送アンテナ素子４に、完全な“Ｈブリッジ”によって与えられる半分の値のAC電圧を供給すること、も明らかである。

最後に、図５は受信アンテナ素子５に関連した補償回路９を示している。補償回路９が、インピーダンスマッチング及び増幅回路１８、コンデンサー１９、２０及び２１、誘導子２２、２３、２４及び２５、スイッチ２６及び２７を備え、それらは電子プロセッシングユニット１０（図１）によって、伝送アンテナ素子の電圧Ｖと電流Ｉ（図４）と同期して、制御される。そのように形成された補償回路９が、受信信号Ｒの生成のため、特に電流の方向が逆転した瞬間に、小さな電圧ステップによって全体的に“三角”形の電流Ｉの妨害現象を減らすために備え、そして“Ｈブリッジ”がスイッチング素子１１によって励振される動作からリカバリー素子１２によって励振される動作に移る（図２及び図３）。ゆえに補償回路９が、受信信号に現れる過度現象を取り除くフィルタリングを、主に電流Ｉの方向の逆転中に確実に行う。また補償回路９が、電流Ｉの方向の逆転中、すなわち“三角”の最大部分と最小部分を介して交差する時に（図４）、干渉する。最終的に補償回路９が、受信信号Ｒにおける誤差の不平衡を補償するため、正と負の半波の間で平衡化を行い；それらの不平衡は、システム構造の交差に関連した内的要因と、例えばアンテナ２の物理的環境の電磁インピーダンスの非対称性に関連した外的要因を有している。

上記の電磁検知システムが、当何品の検知だけでなく、別の物品の検出にも応用可能であり、より一般的には強い電磁界内の小さな変化を基に、どの検知にも応用可能である。

本発明の特別な応用例は、システムによって放射される電磁界を受ける時、多少のノイズ振動し得る材料の存在、この場合は例えば磁歪材料の存在を検知することである。そして送電周波数を増加させて、周波数を非可聴帯域、典型的に20 kHZよりも上に配置して、聴取して不快なることをできるだけ制限するために使われる。ゆえに振動し得る材料の存在が、例えば問題となる材料によって生じる可聴ノイズに敏感なマイクロフォンによって、自動的に検知され；検知の場合、その時システムが高周波数の伝送モードに自動的に変わる。他のものに関して、システムは盗品の検知に関するマーカーを検知するために使用されるものと同じであるが、電磁処理ユニットはこの付加的な機能に関して特別なソフトウェアを使用している。

従属の請求項で定義されるように：
変形例において、能動スイッチング素子と受動リカバリー素子だけを岐路に使った“クォーターブリッジ”型と称する伝送増幅器を使用し、ブリッジの別の岐路全てがコンデンサーまたは給電部から成ること；
電子回路の細部を変更すること；
伝送アンテナ素子と地震アンテナ素子の形状と数と配置を変更すること；
何れかの任意のモードにより装置を励振すること、特にアンテナ素子によって放射された電磁界の周波数または位相或いは振幅を変更すること、それをいずれかの変化のいずれかの法則により行うこと、一つまたは複数の伝送アンテナ素子を通過する電流の三角形状を変更または調節すること；
二つかそれ以上の伝送アンテナ素子から成るシステムの場合、その各々が増幅器に直接接続されて、各伝送増幅器を他からの別の信号によって励振し、それによりその組立体が放射される電磁界の特別な空間的形態を発生させ、この空間的形態を直ぐに変化させるのを可能にすること；
は本発明の範囲内である。

関連する電子回路を備えた検知アンテナのシステムの普通概略図。 伝送アンテナ素子に接続された“Ｈブリッジ”型の増幅器を備えた本発明の第一実施例。 伝送アンテナ素子に接続された“ハーフブリッジ”型の増幅器を備えた本発明の第二実施例。 伝送アンテナ素子における電流と電圧の形の一例を示したチャート。 補償回路の一実施例を示した詳細図。

Claims (7)

1. 連続伝送検知システムに、少なくとも一本の伝送アンテナと少なくとも一本の受信アンテナとを備え、特定または各伝送アンテナが電力増幅器によって給電され、特定または各受信アンテナが補償回路に結合される、電磁検知システムの伝送アンテナを励振する装置において、
   非周波数調整型の少なくとも一つの伝送アンテナ素子（４）と、
   “onまたはoff”モードで動作し、“Ｈブリッジ”または“ハーフＨブリッジ”或いは“クォーターＨブリッジ”増幅器である、少なくとも一つの単純化電力増幅器（６）と、
   更に少なくとも一つの電源回路（８）と、
   を組み合わせて構成され、
   特定または各伝送アンテナ素子（４）が、その電力増幅器（６）に直接結合され、
   電源回路の出力が、電力増幅器（６）に接続される、
   ことを特徴とする装置。
2. 特定または各伝送増幅器（６）が“Ｈブリッジ”増幅器であり、四個の平衡器を具備し、その各々が並行に取り付けられた能動スイッチング素子（１１）と受動リカバリー素子（１２）を備え、四個の平衡器が複数の給電部（１３）に接続され、それらの複数のスイッチング素子（１１）も複数の制御ステージ（１４）によって、制御信号を生成させる電子ステージ（１５）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 特定または各伝送増幅器（６）が“ハーフＨブリッジ”増幅器であって、四本の岐路を備え、そのうちの二本が平衡に取り付けられた能動スイッチング素子（１１）と受動リカバリー素子（１２）とを具備し、他の二本の岐路が少なくとも一つのコンデンサー（１６）及び／または少なくとも一つの給電部（１３、１７）よって形成されており、二本の第一岐路の複数のスイッチング素子（１１）が、少なくとも一つの制御ステージ（１４）によって、制御信号を生成させる電子ステージ（１５）へ接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 特定または各伝送増幅器が“クォーターＨブリッジ”増幅器であって、四本の岐路を備え、そのうちの一本だけが並行に取り付けられた能動スイッチング素子（１１）と受動リカバリー素子（１２）を具備し、別の岐路が少なくとも一つのコンデンサー及び／または少なくとも一つの給電部によって形成されており、第一岐路のスイッチング素子（１１）が、制御ステージによって、制御信号を生成させる電子ステージに接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 特定または各電力増幅器（６）が、この増幅器（６）に直接結合された伝送アンテナ素子（４）において、本質的に“三角”形の電流（Ｉ）を循環させるように備えられ、同じ伝送アンテナ素子（４）における電圧（Ｖ）が、“方形”信号の形を有す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装置。
6. 特定または各伝送アンテナ素子（４）において電流（Ｉ）が循環して、アンテナ素子（４）によって発せられる電磁界が、周波数変調及び位相変調及び／または振幅変調されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 受信アンテナ素子から出た信号（Ｒ）を受信する特定または各補償回路（９）が、マッチング及び増幅回路（１８）、複数のコンデンサー（１９，２０，２１）、複数の誘導子（２２，２３，２４，２５）、と複数のスイッチ（２６，２７）を備え、それらは受信アンテナ素子（５）で発生した過度な信号を弱めるために設計されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。

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