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Bereich der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Induktionskopf zur Verwendung beim Abtasten einer
magnetischen Schicht oder eines leitenden Elements, die bzw. das
in engem Abstand vom Induktionskopf vorbeigeführt wird. Der Induktionskopf
findet insbesondere Anwendung bei Prüfeinrichtungen und Sicherheitseinrichtungen,
bei denen ein Träger
unter dem Kopf vorbeigeführt
wird, welcher Träger
elektromagnetisch leitende Elemente aufweist, die erfaßt werden
sollen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bestimmte Dokumente wie beispielsweise Banknoten
werden mit Sicherheitsfäden
hergestellt, die eine leitende Metallbeschichtung haben, die erfaßbar und
schwer nachzuahmen ist. Es gibt verschiedene Sicherheitseinrichtungen,
die dazu in der Lage sind, das Vorhandensein dieser Sicherheitsfäden zu erfassen,
wenn diese unter einem Magnetkopf vorbeibewegt werden. Die Induktion
des Magnetkopfes verändert
sich, wenn ein Material, das sich durch hohe magnetische Permeabilität auszeichnet, wie
beispielsweise ein Sicherheitsfaden, in das Magnetfeld des Magnetkopfes
gebracht wird und dabei in enger räumlicher Nähe zu dem Magnetkopf ist. Der Induktionskopf
ist Teil der elektrischen Schaltung, so daß jedwede Veränderungen
in seiner Induktion entsprechende Veränderungen in den Betriebskennwerten
des Schaltkreises bewirken. Die meisten Magnetköpfe, die zum Abtasten von Sicherheitsfäden verwendet
werden, enthalten einen ferromagnetischen Kern, der dazu verwendet
wird, das Magnetfeld in unmittelbarer Nähe zu dem Banknoten-Durchgangsweg
zu vergrößern.
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Obwohl das ferromagnetische Magnetmaterial
das Magnetfeld verstärkt
und eine Konzentration des Magnetfeldes erlaubt, verändert sich
diese Verstärkung
als Funktion der Umgebungstemperatur, des atmosphärischen
Druckes und der Luftfeuchtigkeit. Diese Faktoren haben einen Einfluß auf die
magnetische Permeabilität
der ferromagnetischen Kerne und somit kann es zu Veränderungen
im Schaltkreissignal aufgrund von Veränderungen bei diesen Faktoren
kommen im Gegensatz zu dem Vorhandensein von einem Material mit
großer
magnetischer Permeabilität.
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Das US-Patent 5 640 754 offenbart
eine hohle Bündelungseinrichtung
für einen
magnetischen Lesekopf mit einem Spalt in einer Stirnwandung der Bündelungseinrichtung.
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Die vorliegende Erfindung weicht
von der üblichen
Vorgehensweise der Verwendung eines ferromagnetischen Materials
ab, um das Magnetfeld zu verstärken,
wie dies im Stand der Technik üblich
ist. Die vorliegende Einrichtung verwendet eine Kombination von
Komponenten und einen einzigartigen Konzentrator zum Erzeugen eines
Sekundär-Magnetfeldes,
das in großer
Nähe zu
einer Banknote erzeugt werden kann, um Sicherheitsfäden oder
andere magnetisch permeable Sicherheitsstrukturen festzustellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein Induktionskopf zum Erfassen eines
magnetischen Streifens oder anderer magnetisch permeabler Strukturen
nach der vorliegenden Erfindung weist eine im Inneren eines elektrisch
leitenden Konzentrators angeordnete Erregerspule auf. Die Erregerspule
erzeugt ein primäres
Feld, das in dem Konzentrator einen Sekundärstrom als Antwort induziert. Der
Konzentrator hat rohrförmige
Seitenwände,
die eine hohle, zentrale, an ei nem Ende von einer Stirnwand geschlossene Öffnung bilden.
Die Stirnwand weist einen engen Meßspalt auf, der die Stirnwand
in zwei einander gegenüberliegende
Abschnitte unterteilt. Die Seitenwände sind ebenfalls unterteilt
von einem Schlitz, der sich in der Nähe des Meßspaltes befindet, um eine
Konzentration des Sekundärstromes zu
bewirken, der über
den Spalt fließt,
die hinsichtlich einer Induktionsänderung infolge des Vorhandenseins
eines länglichen
Magnetstreifens oder einer anderen magnetisch permeablen Sicherheitsstruktur
festgestellt werden kann, der bzw. die entlang des Meßspaltes
bewegt wird.
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Nach einem Merkmal der Erfindung
sind die Seitenwände
zylindrisch und weisen einen vertikalen Schlitz an einem Ende des
Meßspaltes
auf, der die Unterbrechung in den Seitenwänden bildet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bilden
der Meßspalt
und der Schlitz in den Seitenwänden
eine Unterbrechung durch den Großteil des Konzentrators und
bewirken eine wünschenswerte Neuausrichtung
und Konzentration des Sekundärstroms
entlang des Meßspaltes.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
besteht der Konzentrator aus Aluminiummaterial.
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In einer bevorzugten Weiterbildung
der Erfindung wird der Induktionskopf von einem Hochfrequenzsignal
erregt, das den Sekundärstrom
in einer äußeren Schicht
des Konzentrators erzeugt.
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Nach einem Aspekt der Erfindung besteht der
Konzentrator aus Aluminium, Kupfer oder einem Material auf Silberbasis.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt, worin:
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1 den
Induktionskopf und verschiedene seiner Bestandteile in einer perspektivischen,
teilweise aufgebrochenen Darstellung zeigt;
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2 eine
perspektivische Darstellung ähnlich
zu 1 ist, wobei die
Erregerspule weggelassen und der Sekundärstrom an der Oberfläche des Konzentrators
dargestellt ist;
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3 den
Konzentrator in einer Draufsicht zeigt;
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4 einen
Teilschnitt durch den Induktionskopf darstellt;
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5 eine
Unteransicht des Induktionskopfes ist;
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6 ein
Blockdiagramm zur Darstellung einer Anwendung des Induktionskopfes
zeigt; und
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7 ein
Schaltdiagramm ist, das die Verwendung des Induktionskopfes zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Der in 1 gezeigte
Induktionskopf 2 weist einen Konzentrator 4 aus
einem Material mit großer magnetischer
Permeabilität
wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Silber auf. Der Konzentrator
hat Seitenwände 6 und
eine Stirnwand 8, die einen Meßspalt 10 aufweist,
der in Form einer Unterbrechung in der Stirnwand 8 ausgebildet
ist. Das gegenüberliegende
Ende des Konzentrators ist offen, wie dies bei 12 gezeigt
ist, wodurch eine zentrale Öffnung 11 gebildet
wird. Die Seitenwände
sind unterbrochen oder nicht durchgängig, wie dies bei der Unterbrechung 14 dargestellt
ist, die mit dem Meßspalt 10 fluchtet.
Die Unterbrechungen 12 und 14 bewirken eine wünschenswerte
Stromkonzentration des sekundären Magnetfeldes.
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Eine aus isoliertem Draht gewickelte
Spule 18 ist im Inneren des Konzentrators angeordnet und liegt
an den Seitenwänden 6 des
Konzentrators an. Die einzelnen Windungen der Spule sind isoliert.
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Ein bei 20 angedeuteter
Erregerstrom, bei dem es sich vorzugsweise um ein Hochfrequenzsignal
handelt, wird dazu verwendet, die gewickelte Spule zu erregen und
erzeugt dabei ein Primärfeld, das
direkt mit der gewickelten Spule 18 assoziiert ist. Dieses
Primärfeld
erzeugt einen Sekundärstrom,
wie dies in 2 angedeutet
ist. Die Dicke der Seitenwände 6 des
Konzentrators 4 und die Frequenz des Erregersignals 20 erzeugt
die Sekundärströme 30 an der
Innenfläche
des Konzentrators 4. Diese Sekundärströme finden sich in der Oberfläche des
Konzentrators in einer dünnen äußeren Schicht
des Konzentrators. Der Konzentrator ist um ein Vielfaches dicker als
diese äußere Schicht.
Wie aus 2 entnehmbar ist,
werden die Sekundärströme an der
Oberfläche des
Konzentrators umgelenkt, wie dies bei 32 unmittelbar neben
der Unterbrechung 14 angedeutet ist, die sich in den Seitenwänden 6 befinden.
Diese Umlenkung der Sekundärströme bewirkt
eine Konzentration der Sekundärströme auf beiden
Seiten des Meßspaltes 10 wie
bei 34 angedeutet. Dies führt dazu, daß der Strom
den Konzentrator durchquert und dann entlang der gegenüberliegenden
Seite des Meßspaltes 10 zurückfließt. Wenn
er die andere Seite des Meßspaltes
erreicht, werden die Sekundärströme dann
entlang der inneren Oberfläche
des Konzentrators wieder verteilt, um den Kreis zu schließen. Durch
diese Anordnung bewirkt der Konzentrator eine Umlenkung der Sekundärströme aufgrund der
Unterbrechung in den Seitenwänden
und eine Aufkonzentration der Ströme an den beiden Seiten des
Meßspaltes.
Es ist erkennbar, daß der
Strom nun um 90° gedreht
hat und eine Achse rechtwinklig zur Achse des Primärfeldes
aufweist. Der Strom auf den beiden Seiten des Meßspaltes hat gegenläufige Richtung
und somit werden zwei Magnetfelder am Meßspalt ausgebildet. Wenn ein
leitender Streifen am Meßspalt
vorbeibewegt wird und im wesentlichen mit diesem fluchtet, unterbricht
und verändert
er zuerst das erste Feld und dann das zweite Feld. Dies bewirkt
einen unmittelbaren Sprung, der leicht erfaßt werden kann.
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Die 3, 4 und 5 zeigen weitere Einzelheiten des Induktionskopfes.
Hiernach ist der Konzentrator 4 von einem Rahmen 40 aus
elektrisch isolierendem Material gehaltert. Dies erlaubt es, daß der Konzentrator
elektrisch isoliert von anderen Tragstrukturen ist. Die gewickelte
Spule 18 ist weiterhin Bestandteil des Konzentrators und
wird durch einige Windungen um die Anschlußfahnen 7 und 8 gesichert.
Der Konzentrator hat auch noch einen elektrischen Anschluß 9,
der dazu verwendet wird, den Konzentrator als elektrostatische Abschirmung
zu verwenden.
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Die Spule 18 ist ein aktives
Bauteil der Schaltung für
den Induktionskopf. Sie ist in üblicher
Weise hergestellt, vorzugsweise mit einem isolierten Kupferdraht.
Bei der Auswahl der Drahtdicke ist es erforderlich, von der Überlegung
auszugehen, daß für vorgegebene
Gesamtabmessungen und eine Betriebsfrequenz des Induktionskopfes
eine optimale Dicke des Drahtes existiert. Wenn der Draht zu dünn gewählt wird,
verringert sich hierdurch die Wirksamkeit des Induktionskopfes und
die Möglichkeit,
kleine Veränderungen
in der Induktion festzustel len, wird negativ beeinflußt. Wenn
der Draht zu dick gewählt
wird, kann dies ein uneffektives Zusammenspiel zwischen der Spule
und dem Konzentrator oder unannehmbare Kopfinduktion zur Folge haben.
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Der Konzentrator wird aus einem Material
mit einer sehr großen
spezifischen Konduktivität
hergestellt. Beispielsweise könnte
er aus Aluminium, Kupfer, Silber usw. gefertigt werden. Seine Wände sind vergleichsweise
dick, so daß die
Sekundärströme in einer
dünnen
Schicht bei der Beriebsfrequenz sind. Um die axiale Dichte des Stroms
in dem Meßspalt
zu vergrößern, wird
die Höhe
des Spaltes, d. h. die Dicke des Bodens des Konzentrators nahe des
Spaltes soweit verringert, wie dies praktikabel ist. Dies kann erreicht
werden, indem man die passende Dicke des Bodens im Spaltbereich
auswählt.
Die Dicke des Bodens ist immer noch wesentlich größer als
die Dicke der dünnen
Schicht bei der Betriebsfrequenz.
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Das Oberflächenfinnisch im Meßspalt ist
von hoher Qualität,
um die gewünschte
Aufkonzentrierung im Meßspalt
zu erreichen. Es sollte erwähnt werden,
daß die
tatsächliche
Form des Meßspaltes und
die Länge
und Breite auf der Grundlage von Anordnungen der Parameter und der
Konfiguration des Arbeitsbereiches des Induktionskopfes ausgewählt sind.
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Der Hauptzweck des Konzentrators
wurde bereits beschrieben und bestimmt die Konfiguration des Magnetfeldes
des Induktionskopfes. Zusätzlich erlaubt
es dieses Bauteil auch, eine elektrostatische Abschirmung für den Kopf
vorzusehen. Dies ist wichtig, da in dem Kopf ein Hochfrequenzsignal
als Teil des Erregersignals verwendet wird. Dieses Hochfrequenzsignal
stellt das erforderliche Verhältnis
zwischen der Dicke der dünnen
Schicht und dem Boden des Konzentrators sicher. Es beeinflußt auch
die Abtastempfindlichkeit des Induktionskopfes bei Betriebsfrequenz.
Die Kapazität
des Induktionskopfes und seiner elektronischen Schaltkreiskomponenten ist
klein und darüber
hinaus kann es sein, daß eine Partialkapazität zwischen
der Spule und einer unterhalb des Kopfes bewegten Banknote die Impedanz des
Induktionskopfes während
der Messung verändert,
wobei diese Veränderung
nicht auf einen Sicherheitsfaden zurückzuführen ist, was es schwieriger
macht, Veränderungen
festzustellen. Auf der anderen Seite wird die Spule von einer beachtlichen Spannung
beaufschlagt und ihre Kapazitätskopplung mit
anderen Komponenten der Vorrichtung bei hoher Frequenz kann den
Betrieb dieser Komponenten beeinflussen und eine Emission in die
Umgebung bewirken, was zu einer Verringerung der elektromagnetischen
Kompatibilität
führt.
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6 zeigt
die elektronische Schaltung, die mit dem Induktionskopf verwendet
wird. Der Induktionskopfstrom (?) wird in dieser Schaltung in die
Frequenz des selbst-erregten Oszillators umgewandelt, dessen Resonanzschaltkreise
diejenigen sind, an die der Induktionskopf angeschlossen ist. Diese
Ausführungsform
ist von geringerer Qualität
infolge der Transformation des Stromes und der Abwesenheit von ferromagnetischen
Kernen. Als solcher ist der selbst-erregte Oszillator empfindlich
in Bezug auf impedanzfreie frequenzdestabilisierende Faktoren. Darüber hinaus
fordert die spezielle Schaltung, daß der Kopplungskoeffizient
(k) zwischen dem Kopf und den aktiven Komponenten des selbst-erregten
Oszillators vergrößert werden
sollte, wodurch die Impedanzen des Schaltkreises in einem Maß vergrößert werden,
bei dem die aktiven Komponenten des Schaltkreises die Frequenzantwort
beeinflussen. Bei dieser Schaltung sollen Isolationsmaßnahmen
gestrichen werden, um Störungen
des selbst-erregten Oszillatorschaltkreises von der Schaltung fernzuhalten: Beispielsweise
durch Stabilisierung der Spannung der Stromversorgung, Abschirmen
der aktiven Komponenten des selbst-erregten Oszillators usw. Durch Anwendung
verschiede ner Standardtechniken kann ferner frequenzabhängige Datenverarbeitung
erfolgen: Mit dem Digitalfrequenzmeter, dem frequenzmodulierten
Signaldetektor usw.
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Da die Induktionskopfschaltung bei
einer vergleichsweise hohen Betriebsfrequenz arbeitet, muß das von
dieser Frequenz erzeugte elektrische Feld vom Arbeitsbereich des
Induktionskopfes abgeschirmt sein. Darüber hinaus hat eine Banknote,
die durch den Arbeitsbereich sich bewegt, veränderliche dielektrische Eigenschaften
(infolge der Veränderungen
in der elektrischen Dielektrizitätskonstante,
dem dielektrischen Verlustkoeffizienten, der Dicke und der Lage
im Durchzugskanal). Diese Veränderungen
bei der Präsenz
eines elektrischen Feldes im Arbeitsbereich können Frequenzmodulationen des
Oszillators verursachen (was zu Störungen beim Sensorbetrieb führen kann).
Um den Einfluß der
hohen Frequenz und der dielektrischen Veränderungen zu unterdrücken, sollte
die Breite des Spaltes im Konzentratorboden auf ein Minimum beschränkt sein.
Die Verwendung des Konzentrators als elektrostatische Abschirmung
hilft auch dabei, den Arbeitsbereich von Einflüssen von außen zu isolieren. Um richtig
zu arbeiten, muß der
elektrische Anschluß des
Konzentrators an einer Stelle im Schaltkreis angeschlossen werden,
die eine konstante Spannung im Verhältnis zu anderen Spannungen
hat. Es ist gleichfalls wünschenswert,
die Spule an die Verarbeitungsschaltkreise anzuschließen, was
es erlaubt, daß das
Spulenende näher
an den Boden des Konzentrators herangezogen werden kann (dies ist
der Anschluß 7), um
ein konstantes Potential im Verhältnis
zu allen anderen Potentialen zu haben. Bei der in 3 gezeigten Abwandlung besteht der Konzentrator
aus Aluminium. Sein Außendurchmesser
ist 8 mm, seine Höhe beträgt 5 mm,
die Spaltbreite ist 0,4 mm, während
die Dicke der Seitenwände
0,5 mm und die Dicke des Bodens 0,2 mm beträgt. Um den Verschleißwiderstand
und eine zuverlässige
Isolation zu verbessern, ist der Arbeitsbereich des Konzentrators
oxidiert.
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Die Spule weist eine Lage auf und
hat 20 Windungen eines Kupferdrahts mit 0,15 1 mm Durchmesser mit
einer Lackisolierung. Die Spulenenden sind an den im Rahmen eingepreßten Anschlüssen angeschlossen.
Der Konzentrator ist an die im Rahmen eingepreßten Anschlüsse angeschlossen. Der Konzentrator
ist an einen ähnlichen
Anschluß angeschlossen.
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Bei einer anderen möglichen
Modifikation besteht der Konzentrator aus zwei Hälften, was bedeutet, daß der Spalt
entlang beider Seiten der zylindrischen Fläche verläuft. In diesem Fall ist die
Richtung der Foucault-Ströme
ein wenig anders als die in 2 gezeigten,
aber sie erzielen ebenfalls die erwünschte Konzentration des magnetischen
Feldes.
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Der Induktionskopf wird in dem als
Colpitts-Oszillator ausgebildeten Schwingungserreger verwendet.
Die Induktionskopfspule ist an den Oszillator in einer Weise angeschlossen,
die es erlaubt, daß das
Ende der Spule sich näher
am Boden des Konzentrators befindet, um am gemeinsamen Anschluß der Stromversorgung
angeschlossen zu werden.
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Grundsätzlich haben Colpitts-Oszillatoren geringere
Ausgangsabweichungskennwerte. Die Schaltung 50 zeigt einen
Colpitts-Oszillator,
der von einer Stromversorgung 54 beaufschlagt wird. Der
Induktionskopf 2 ist an die Schaltung an den Anschlüssen 7 und 9 an
Masse 62 und am Anschluß 8 am Koppelkondensator 66 angeschlossen.
Ein Transistor 52 treibt die Schaltung an. Abstimmkapazitäten 58 und 68 helfen,
die Resonanzfrequenz der Schaltung zu bestimmen. Das Ausgangssignal
wird an der Klemme 56 abgegriffen. Widerstände 64 und 70 und Kapazitäten 60 helfen
ebenfalls beim Einstellen des Schaltkreises.