专利名称：硬币鉴别装置和方法及含这种装置和方法的硬币处理机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于硬币鉴别或验证的装置和方法。更具体地讲，本发明涉及这种硬币鉴别或验证利用硬币和传感器装置之间的电容耦合，确定硬币的厚度。本发明还涉及硬币处理机，该处理机使用所述装置和方法。
背景技术：
硬币鉴别器用于测量硬币的不同物理特性，以便确定其类型(例如，其面额、币型或真实性)。为此目的，测量各种尺寸、电磁特性，例如硬币的厚度和直径、其电导率及其磁导率。硬币鉴别器通常用于硬币处理机，例如硬币计数机、硬币分类机、零售机、博弈机等。以前就公知的硬币处理机示例公开于例如WO97/07485和WO87/07742。
EP-B-300781和EP-B-0119000从硬币的电特性开始描述以前就公知的测量硬币电导率的各种方法。发射线圈用脉冲电源电压驱动，以便产生磁脉冲，磁脉冲是在硬币中感应产生的，它沿着硬币通道或轨道通过发射线圈，硬币中这样产生的涡流反过来产生由接收线圈监视或检测的磁场。接收线圈可以是单独的线圈，也可以由具有两种工作模式的发射线圈本身构成。通过监视硬币中感应产生的涡流的衰减，可以获得表示硬币电导率的值，因为衰减率是电导率函数。WO99/39311公开了一种类似的硬币鉴别器，不过它特别适用于双金属硬币。
关于硬币的磁特性例如其磁导率，US-A-4483431涉及一种硬币鉴别器，其中利用永久磁铁和霍尔效应器件，以在硬币通过霍尔效应器件时检查硬币的磁属性。而且，US-A-5119916公开了一种用于验证地铁代币的传感器。该传感器具有两对永久磁铁和霍尔效应传感器，它们确定相应代币的磁特性(以及相应的磁导率)。
已知硬币鉴别器中各种用于确定硬币直径的方法。根据PCTGB88/00592，将硬币暴露于一对线圈的高频磁脉冲。当硬币通过线圈时，使磁场屏蔽，为对此瞬时屏蔽作出响应，采用拾取线圈确定硬币直径。或者，可以通过使用位于光源对面的一行光检测器用光学方法确定硬币直径。当硬币通过光检测器和光源之间时，正在通过的硬币瞬时屏蔽一定数量的光检测器或使其切断。立即可以根据所屏蔽的光检测器数量得出硬币的直径。
硬币厚度也可通过类似于以上所述的用于测量硬币直径的光学装置加以确定。或者，如EP-B-300782所公开的那样，可将超声波检测器用于确定硬币的厚度。而且，EP-A-343871公开了一种电容性的硬币验证方法，该方法涉及位于硬币路径任何一边的一对电极装置。更具体地说，EP-A-343871中所述的电极组件对包括置于硬币路径任何一边的传感器电极和保护环电极。传感器电极用来自双谐振电路的振荡信号驱动，以便在验证硬币期间硬币通过电极时，改变电极间的电容。因此，实际上，传感器电极充当形成电容器的第一和第二电容器板极，该电容器的电容由硬币的存在来加以改变。从而，还改变谐振电路的共振信号。在EP-A-343871中，必须使硬币与电极组件电隔离，从而要求硬币路径中的电隔离。
因此，EP-A-343871中所述的装置要求电隔离的硬币路径，而且，将第一和第二电容器极板(电极组件)放置于硬币路径的任何一边。
发明概述本发明的目的在于提供一种改进的硬币鉴别装置和方法，以便用电容方法确定硬币厚度。具体说，本发明试图通过电容式硬币厚度确定法实现这种硬币鉴别，同时，与现有技术相比，所用元件较少且可靠性有所改进。
本发明的目的是通过所附独立专利权利要求书所述的硬币鉴别装置、硬币鉴别方法和硬币处理机而取得的。
根据以下对最佳实施例的详细公开、附图以及所附子权利要求，本发明的其它目的、特征和优点将变得显然。
附图简述现在将参照附图对本发明的最佳实施例作一详述，附图中，
图1是根据本发明的硬币鉴别装置和部分硬币传送机构的示意性的顶视图，图2是图1所示装置和机构的一部分的放大了的剖视图，图3是硬币鉴别装置的一个最佳实施例的示意框图，图4是说明根据最佳实施例的硬币鉴别方法的流程图，图5是根据本发明的硬币处理机的示意框图。
最佳实施例的详细公开图1说明一种硬币鉴别器3，它具有硬币鉴别装置4、5，以在每个硬币传送通过传感器电极5时，通过电容耦合确定每个硬币1的厚度。图1还显示硬币传送机构的一些部件，该硬币传送机构适于使每个硬币1顺着圆形路径沿旋转方向A传送，以通过硬币鉴别器3，特别是传感器电极5。图2更详细说明硬币鉴别器3和硬币传送机构。关于硬币传送机构，所公开的PCT申请PCT/SE98/02406和PCT/SE00/00189中充分描述了一种有利的实现，这两个申请均通过引用完全结合到本文中。然而，本发明不限于这种硬币传送机构。
简洁地说，硬币传送机构的工作方式如下。将要鉴别的硬币放置在基本上是平的旋转盘11的中心区域上。在紧靠旋转盘11的上方设置静止环，使二者之间的间隙最小但彼此又无实际的接触。旋转环2安装在静止环的外侧。在旋转环2的下边设置一个弹性垫圈10。旋转环2朝旋转盘11偏置，以便弹性垫圈10与旋转盘11的上表面摩擦式地接合，从而当通过例如电动机和驱动带驱动旋转环2时，迫使旋转盘11的外围以同旋转环2一样的速度旋转。
由于旋转盘11沿方向A旋转，故朝静止环的径向方向上的离心力使该盘上设置的硬币加速。接着，硬币被驱动通过静止环中的一个开口，强制与旋转环2上的弹性垫圈10的内侧接触。在静止环的下边设置静止薄边或刀刃，并使其与旋转盘11上表面的间隙最小。静止薄边或刀刃的目的是剥去结合在弹性垫圈10和旋转盘11之间的硬币的一层，如图2中硬币1所示。因此，如图1所示，硬币在其外围处结合于弹性垫圈10和旋转盘11之间，顺着其圆形分类路径基本上没有什么摩擦或其它能量损失地精确地传送。
如前所述，硬币鉴别器3包括电容类型的厚度检测器，它在图1中用标号4和5表示，而在图2中用标号4、5、6、7、8、9和12表示。此外，硬币鉴别器3还可以有利地包括其它传感器，以便检测除硬币厚度以外的其它特性，例如电导率、磁导率和直径。不过，本文对这些附加的传感器不作进一步描述。
如图2所示，电容类型的硬币鉴别装置(硬币厚度检测器)基于其上装有电子电路12的双层电路板9。图3将对该电子电路作更详细的图示。电路板9安放在硬玻璃纤维层压板4上，它又附着到底部插座上，以便牢固地安装到硬币鉴别器3上。在玻璃纤维层压板层4的下表面上设置传感器电极5，它充当一个电容器极板(下面将对此作更详细的叙述)，于标号7处电耦合到电路板9顶部的电子电路12。传感器电极5的表面用薄的绝缘层6覆盖。如图2所示，硬币鉴别器3和其上安装的电容式硬币厚度检测器形成中间间隙，该间隙足够大，以致当旋转环2和旋转盘11使硬币沿圆形路径传送时，允许硬币1没有物理接触地安全地通过前述两者之间。
根据本发明的硬币鉴别装置的一般原理是，在硬币1的上表面的位置和硬币1的厚度之间存在某种关系。为此目的，由传感器电极5以距离x的形式测量硬币上表面的位置，这是通过硬币1的上表面和传感器电极5之间产生的电容Cm得以实现的。因此，传感器电极5充当第一电容器极板，而硬币1的上表面充当第二电容器极板。由于硬币1的下表面总是相对于传感器电极5处于同一位置(因为硬币传送机构2、10、11的固定配置)，故有可能确定硬币的厚度。参照图3，传感器电极5和硬币1的上表面之间的电容Cm由电子电路12以下述方式确定。
压控振荡器(VCO)13用作第一信号产生单元。为了预置VCO 13的频率工作范围，采用了电压可变电抗，例如PhilipsSemiconductors，Marketing & Sales Communications(BuildingBE-p，P.O.Box，5600 MD Eindhoven，The Netherlands)出品的BB804VHF可变电容双二极管。然而，可以使用任何合适的调谐二极管。当调谐二极管用于VCO 13的谐振电路中时，二极管的电容以及谐振电路中其余元件将共同形成一个总电抗，该电抗与所需VCO 13输出信号的频率相匹配。接着通过在VCO控制端14处施加控制电压Vvco-ctrl，从而调整VCO 13的频率工作范围。
然而，VCO 13的频率不仅仅由调谐二极管和控制电压决定。由传感器电极5和硬币1形成的电容Cm连接到VCO 13的谐振电路，因此影响其输出频率。众所周知，电容器的电容值是电容器极板之间距离的函数。因此，该电容将随极板之间的距离减少而增加。结果，由于硬币1的下表面与传感器电极5的距离固定，故硬币1的上边与传感器5之间的距离x将根据硬币厚度d变化。这将导致VCO 13的输出频率作为所检测硬币厚度的函数而变化。
然后，将VCO 13的输出频率fvco与固定参考振荡器15，例如EPSONElectronics America Inc.(150 River Oaks Parkway，San Jose，CA 951 34)出品的SG8002CA可编程高频晶体振荡器的频率fref作比较。上述振荡器绝不是唯一适合本发明的振荡器。因为参考振荡器15的频率稳定非常重要，最好将晶体振荡器用作参考振荡器15。由于半导体技术发展迅速，许多半导体制造商都以合理的价格提供高质量的振荡器。
VCO 13的输出频率fvco与参考振荡器15的输出频率fref的比较由混频器16，例如Philips Semiconductors出品的SA602A来执行，由它产生这两个频率的差及和值fvco+/-fref。混频器的工作理论对本领域的那些技术人员而言是公知的，在文献例如Paul H.Young的“电子通信技术”(Macmillan Publishing Company，113 SylvanAvenue，Englewood Cliffs，New Jersey 07632，ISBN 0-02-431201-0)的第7-2章节中有详细的介绍。
为了能够将作为混频运算结果的各种频率分量分开，让混频器的输出信号通过低通滤波器17，其输出端将会提供频率为Δf＝fvco-fref的信号18。
该信号18接着由放大器19放大，它可由分立元件构成。最近实施例采用熟知的基于一个晶体管例如Philips Semiconductors出品的BC8 17的发射极(CE)放大器结构。然而，许多不同的放大器结构可用于这种放大器，例如差分放大器结构或自举放大器结构，它们均是本领域技术人员所熟知的。或者，只要运算放大器可以处理的最大频率大于低通滤波器17的输出信号的带宽，则可以采用运算放大器。
由于放大器19是线性部件，故放大器19的输出信号20具有同输入信号18一样的频率Δf，但振幅较大。信号20接着由过零检测器21变换成具有同放大器输出信号20一样的基频的方波22。过零检测器21可由施密特触发电路，例如Philips Semiconductors出品的74HC14等构成，或者，也可由普通比较电路构成，所述的普通比较电路在例如William D.Stanley的“使用线性集成电路的运算放大器”(Prentice Hall，Inc，Englewood Cliffs，New Jersey 07632，ISBN 0-02-415556-X)的第6章中详细描述。过零检测器21的主要任务是充当放大器和CPU 23之间的接口电路。
本发明最佳实施例所用的CPU是Infineon Technologies Corp.(1730 North First St.，USA-San Jose，CA 95112)出品的C166系列的一部分。然而，也可以采用其它合适的处理器。CPU 23具有相关联的存储器24，它最好是非易失性存储器，例如PROM、EPROM、EEPROM或闪式存储器。存储器24存储各种校准、归一化及硬币参考数据，它们是根据VCO 13的中心频率fvco偏移Δf来确定硬币1的厚度所需要的。如已作解释所述，频率偏移Δf是电容Cm的函数，而电容Cm又取决于传感器电极5和硬币1的上表面之间的距离x，这样也就取决于硬币1的厚度。为此，存储器24保存硬币参考数据，由其提供频率偏移Δf和以例如毫米为单位的硬币厚度之间的映射。
前述图中所描述的硬币厚度检测器的操作步骤的概要在图4中以硬币厚度检测程序100的形式给出。在第一步骤101中，硬币厚度检测器可以通过利用存储器24中预先保存的校准数据来校准，以便补偿温差等。步骤102表示由硬币传送机构2、10、11将硬币传送到与传感器电极5对齐的测量位置。在步骤103a生成参考振荡器15的参考信号fref，与此同时，在步骤103b生成VCO 13的输出信号fvco。在步骤104由混频器16将这两个信号混频，并分别在步骤105和106由部件17和19对其结果进行滤波和放大。接着，施密特触发器21将放大器19的输出信号变换成仍旧具有基频Δf的方波信号22。在步骤108-110，CPU 23将信号22归一化，并将归一化信号与存储器24中预先保存的参考数据作比较，以便在步骤110中最终确定硬币1的厚度。将所确定的厚度值报告给硬币鉴别器3，它可利用所确定的厚度值并结合其它硬币参数，以确定硬币1的类型。众所周知，在这方面硬币类型可涉及面额、币型、真实性等等。
现在参照图5，它显示根据本发明一个方面的硬币处理机200。从某种示范而非限制意义上说，假定硬币处理机200是硬币分类机。然而，硬币处理机200同样可以是硬币计数机、零售机、博弈机以及自动提款机(ATM)、用于测定硬币质量或识别假硬币的机器、等等。
把将由机器200分类的大量硬币放入硬币入口210。这些硬币由例如输送架和/或环带的硬币馈送器220馈送给硬币鉴别器230，在以上的描述中，硬币鉴别器230在图1-4中用标号3-9和12标识。硬币鉴别器230可在工作时连接到采取CPU等形式的逻辑控制装置232，而它在工作时又连接到存储器234，例如RAM、ROM、EEPROM和/或闪式存储器。CPU 232和存储器234负责硬币处理机200的总的运转，但也可能实现硬币鉴别器3-9、12的某些功能。
硬币处理机200还包括退币装置240，它通过机器200中的外部开口弹出硬币，以便由该机器的用户收集这些硬币。如上所述，所弹出的硬币通过硬币鉴别器来确定。一旦硬币1的类型、面额、币型、标识、真实性等均已由硬币鉴别器加以确定，则将硬币1传送给硬币分类机250，由其利用所标识的硬币类型将硬币1分拣到硬币存储器260中的一个特定硬币接受器中。硬币存储器260的硬币接受器最好可由机器200的用户从外部存取。
在另一实施例中，还可为硬币鉴别器3有利地配备第二传感器电极，将其安装在硬币表面1的相反侧，即附图中硬币1的下面。此外，将该第二传感器电极6连接到其本身的实例化电子电路12，以便传感器电极5和6彼此独立，结合它们各自的电子电路12可产生第一传感器电极和硬币上表面之间的距离x的值，以及第二传感器电极和硬币1的下表面之间的相应距离值。从而即使在硬币未与第一和第二传感器电极完全水平对齐的情况下，也允许精确地确定硬币厚度。
在另一备选实施例中，硬币鉴别器3、230可以结合另一检测到的硬币参数，例如硬币电导率或磁导率来使用电容类型硬币厚度检测器，以便检测由例如塑料制成的非硬币物体的存在。本发明的发明者已经注意到，甚至非金属的物体也会引起可检测的频率偏移Δf，该频率偏移Δf可用作硬币鉴别器3前存在非硬币物体的指示，这是因为在这种情况下，如果这种物体是非金属的，则其它硬币参数(例如电导率或磁导率)完全不会指示物体的存在。一旦已经检测到这种非硬币物体的存在，则可通过退币装置240弹出该物体。
以上已经参照几个实施例示例对本发明作了描述。但是，在由所附独立专利权利要求书限定的本发明的范围内，不同于以上所述的其它实施例也是可能的。
特别地，要强调的是，图1-4所示的硬币鉴别器的不同的示范性部件以及图5所示硬币处理机200的部件只能视为示例，其可由其它部件所替代，所述其它部件可由硬币鉴别和处理技术领域的技术人员容易地加以实现。
最后，术语“硬币”要解释为具有最宽的可能的意义。因此，类似于监控币(monitary coin)的物体也认为属于本专利申请中所用的术语“硬币”。其它这类物体包括例如代币、标记(marker)等。
权利要求
1.一种硬币鉴别装置，包括传感器电极(5)，连接到所述传感器电极的振荡器(13)，所述振荡器能够产生具有以电容方式可控的频率fvco的输出信号，频率检测器(15-20)，其适于接收所述振荡器(13)的输出信号以及参考振荡器(15)的参考信号，以提供包括上述信号之差(Δf)的输出，以便检测所述振荡器输出信号中的频率偏移(Δf)，所述频率偏移(Δf)是当硬币(1)位于所述传感器电极附近时，由所述传感器电极处电容(Cm)的变化引起的，以及处理装置(23)，其适于根据所述频率偏移(Δf)来确定所述硬币的厚度(d)，其特征在于，设置所述硬币鉴别装置，以使电容(Cm)的所述变化发生在所述传感器电极(5)和所述硬币(1)的表面之间的间隙(x)中，其中，所述间隙(x)的大小取决于所述硬币的厚度(d)。
2.如权利要求1所述的硬币鉴别装置，其特征在于，所述振荡器(13)包括压控振荡器。
3.一种通过检测并计算电容(Cm)的变化来确定硬币(1)的厚度的方法，其特征在于，检测传感器电极(5)和所述硬币(1)的表面之间电容(Cm)的所述变化的步骤，其中，电容(Cm)的所述变化发生在所述传感器电极(5)和所述硬币(1)的表面之间的间隙(x)中，以及其中所述间隙(x)的大小取决于所述硬币的厚度(d)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于包括如下步骤产生具有取决于电容(Cm)的所述变化的频率(fvco)的第一信号，产生具有固定参考频率(fref)的第二信号，生成表示所述第一和第二信号之间频率差的值(Δf)，以及根据所述频率差，确定所述硬币(1)的厚度。
5.一种硬币处理机(200)，其包括硬币入口(210)、硬币馈送器(220)、硬币鉴别器(230)以及处理装置(250)，其中，所述硬币鉴别器连接到所述处理装置，并适于确定从所述硬币馈送器接收的相应硬币(1)的类型、标识或面额，其特征在于，所述硬币鉴别器(230)包括传感器装置(12)，其能够测量传感器电极(5)和单个硬币(1)的表面之间电容(Cm)的变化，其中电容(Cm)的所述变化发生在所述传感器电极(5)和所述硬币(1)的表面之间的间隙(x)中，且所述间隙(x)的大小取决于所述硬币(1)的厚度(d)，信号产生装置(15-20)，其能够产生表示电容的所述变化的信号，以及处理装置(23)，其能够根据所述信号确定所述硬币(1)的厚度。
全文摘要
一种硬币鉴别装置具有传感器电极(5)和振荡器(13)。振荡器连接到传感器电极。振荡器产生输出信号，该信号的频率(f
文档编号G07D5/02GK1498392SQ02806988
公开日2004年5月19日 申请日期2002年3月20日 优先权日2001年3月22日
发明者M·约恩松, M 约恩松 申请人:审视硬币工业公司