EP1856669A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen magnetischer eigenschaften von dokumenten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum messen magnetischer eigenschaften von dokumenten

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Publication number
EP1856669A1
EP1856669A1 EP06707245A EP06707245A EP1856669A1 EP 1856669 A1 EP1856669 A1 EP 1856669A1 EP 06707245 A EP06707245 A EP 06707245A EP 06707245 A EP06707245 A EP 06707245A EP 1856669 A1 EP1856669 A1 EP 1856669A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
signal
field
measuring element
alternating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06707245A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Thierauf
Helmut Pradel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Giesecke+Devrient GmbH
Original Assignee
Giesecke+Devrient GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Giesecke+Devrient GmbH filed Critical Giesecke+Devrient GmbH
Publication of EP1856669A1 publication Critical patent/EP1856669A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07D—HANDLING OF COINS OR VALUABLE PAPERS, e.g. TESTING, SORTING BY DENOMINATIONS, COUNTING, DISPENSING, CHANGING OR DEPOSITING
    • G07D7/00—Testing specially adapted to determine the identity or genuineness of valuable papers or for segregating those which are unacceptable, e.g. banknotes that are alien to a currency
    • G07D7/04—Testing magnetic properties of the materials thereof, e.g. by detection of magnetic imprint

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for measuring magnetic properties of documents, in particular banknotes, as well as a suitable measuring head for measuring magnetic field changes.
  • DE 40 22 739 A1 describes a device with a magnetic circuit consisting of soft and permanent magnetic material, wherein the static magnetic field generated by the permanent magnetic material passes through the magnetic circuit.
  • the magnetic circuit generates a stray field which undergoes changes when a sample with magnetic particles is moved into the stray field region.
  • These changes are detected by means of a coil by inducing a voltage due to the changes in the coil.
  • DE 39 31 828 A1 describes a method and an apparatus for reading a bar code, which consists of a plurality of juxtaposed strips of ferromagnetic material. Above the bar code, a high-frequency electromagnetic alternating field is generated so that a change of the electromagnetic alternating field is caused by the ferromagnetic strip.
  • sensor coils which induce a changing electrical voltage according to the changes, is an inductive detection of the
  • the measured signal is additionally supplied to a synchronous demodulator and a low-pass filter.
  • the measured signal is multiplied in the synchronous demodulator with a reference signal of the same frequency and possibly the same phase.
  • high-frequency components are filtered out in the low-pass filter in order to obtain a corrected signal which essentially contains only the measured changes.
  • This type of signal processing is sometimes referred to as a lock-in principle.
  • a disadvantage of the aforementioned inductive method is that small changes in the electromagnetic alternating field, for example, when only a very low concentration of ferromagnetic material is provided in the strip or the exciting magnetic field is weak, are very difficult or not recognizable.
  • the reason for this is above all that interference fields are frequently present in the measurement environment, which superimpose the measurement in such a way that an additional slight change in the electromagnetic alternating field due to a document to be measured can no longer be reliably detected by conventional means.
  • the object of the invention is now to provide a solution to be able to classify documents with small amounts of magnetic particles reliably.
  • a document to be tested in which magnetic particles are contained, is introduced into an electromagnetic alternating field, wherein for measuring the change of the alternating field, a measuring element is used, which converts an electrical input signal of the measuring element into an electrical output signal depending on the voltage applied to the measuring element alternating electromagnetic field.
  • the measurement with such a measuring element has the advantage that it is time-independent, since the change in the electrical resistance in a given test document only and directly depends on the strength of the applied magnetic field.
  • purely inductive methods are (also) time-dependent, since a voltage is only induced in the coil when the magnetic flux passing through the coil is subject to a temporal or spatial change. The invention therefore enables a static measurement or a slow document feed, making the measurement more accurate.
  • a measuring element is used in which the electrical resistance of the measuring element changes as a function of the changes in the electromagnetic alternating field.
  • the measuring element can be supplied, for example, with a current, so that an alternating voltage drops across the measuring element. Now changes due to the change of the measuring element
  • the electrical resistance of the measuring element also changes the amplitude of the applied AC voltage. This detected amplitude change can then be further processed accordingly.
  • a magnetoresistive element is used as the measuring element.
  • This is preferably a Giant Magneto Resistance (GMR) element.
  • GMR Giant Magneto Resistance
  • the GMR element is capable of converting magnetically encoded information into an electrical signal by adjusting the amplitude of the Output signal of the GMR element changes depending on the resistance value of the GMR element.
  • a particular advantage of such a measuring element is that even small changes in the alternating electromagnetic field can be detected, since GMR elements have the property of changing their electrical resistance comparatively strongly even with small magnetic field changes. As a result, GMR elements have an increased sensitivity compared to other measuring elements or sensors.
  • the device according to the invention can be used variably and affects adjacent systems only slightly, since the GMR sensor can operate due to its high sensitivity even with correspondingly low field strengths.
  • the signal generator generates a high-frequency signal
  • another advantage of the GMR element can be used.
  • the disturbing 1 / f noise of the GMR element occurs in a GMR element only in the low-frequency range and disappears above a certain frequency, leaving only a lower, white noise remains. In this way you achieve a much higher signal to noise ratio.
  • High frequency in this context means a frequency of more than 1 kHz, preferably more than 10 kHz.
  • GMR Device can be detected at a reference frequency of 7 kHz. Due to the properties of the GMR element, an improvement of the measurement results is to be expected with a reference frequency between 10 kHz and 50 kHz.
  • the construction of GMR elements and their Functioning is described in detail, for example, in EP 0 793 808 Bl.
  • the output signal of the measuring element is processed by means of a lock-in amplifier.
  • a GMR element is used as the measuring element, even very small changes in the electromagnetic alternating field can be detected by the GMR element. Since these changes result in comparatively small changes in the output signal of the GMR element, the output signal in the lock-in amplifier can be amplified for further processing.
  • the GMR signal after it has possibly been amplified before multiplied in a synchronous demodulator with a normalized reference signal of the same frequency.
  • the signal generator with which the electrical input signal for the GMR element is generated also serves to generate the reference signal.
  • phase-locked loop PLL
  • the output signal of the synchronous demodulator passes through a low pass.
  • the low pass with a certain cutoff frequency removes the interfering high frequency components.
  • the result is a corrected signal which is proportional to the amplitude of the GMR output signal. Since the electrical output signal of the measuring element is multiplied by a system-immanent reference signal of the same frequency and phase, the reference signal preferably being the input signal for the measuring element, even small changes of the alternating electromagnetic field which can be detected and detected by the measuring element can be performed with high accuracy are processed. Additional evaluation electronics can be used to evaluate the measurements accordingly.
  • the measured signal processed by the lock-in amplifier must be compared and evaluated with a predetermined signal and / or other measured signals. This comparison and the evaluation are then carried out in the transmitter, the transmitter can already include, for example, the lock-in amplifier.
  • the device according to the invention can be used particularly advantageously for measuring or detecting soft magnetic particles in documents.
  • the soft magnetic particles are constantly being magnetized by the alternating electromagnetic field.
  • the particles concentrate the magnetic field lines, thereby amplifying the magnetic field.
  • An advantage of soft magnetic materials is that they are easily magnetizable and therefore can also amplify weak magnetic fields.
  • soft magnetic materials change the alternating electromagnetic field only slightly, thus providing only a weak signal to be measured. Therefore, they are not always reliably detectable with conventional measuring devices.
  • the alternating electromagnetic field is generated by high-frequency bursts of a burst generator.
  • a burst excitation is the intermittent / burst transmission of a signal.
  • the burst excitation allows a particularly high current load of the field-generating coil due to the lower average power dissipation.
  • the average power dissipation is lower in the burst, as there is no power dissipation in the burst breaks.
  • the electrical output variable of the measuring element that is, in the case of a GMR element whose electrical resistance, correspondingly more strongly changed, whereby the measurement of the magnetic properties of the document is more accurate.
  • Hard magnetic materials have a much "wider" hysteresis loop than soft magnetic materials. That is, hard magnetic materials have a higher remanence, which, compared to soft magnetic materials, requires a much higher coercive force to make this remanence disappear. Consequently, hard magnetic materials in the absence of an external magnetic field, ie in the absence of energization of the exciter coil, a higher remanence, which is noticeable in the measurement with the measuring element by a larger change in the electrical resistance of the measuring element. Due to these different properties of the hard and soft magnetic materials can be determined by comparison of different measurements, which type of Material is.
  • the particles may be biased in a biasing path. Then measurements can be taken at times when the coil does not generate an alternating electromagnetic field. Burst excitation is particularly preferably used as the excitation for the excitation coil, since in the pulse pauses between the repeating pulse packets in which the excitation coil carries no current, the materials to be measured are premagnetized and can be measured.
  • the integration of the coil and the GMR element on a printed circuit board is inexpensive and is therefore advantageous over known measuring heads.
  • a suitable for evaluating changes in the magnetic evaluation electronics can be cost-effectively arranged on the circuit board. This evaluation electronics can include the lock-in amplifier.
  • the printed circuit board is preferably arranged between two elements, for example of ferrite material, which concentrate the flux of the magnetic field generated by the at least one exciter coil. Furthermore, the arrangement of the excitation coil on the circuit board is inexpensively designed as a multilayer printed coil.
  • Another advantage of the measuring head according to the invention is the space-saving design. This makes it possible, for example, a plurality of measuring heads in the device according to the invention described above can be arranged next to one another in order to be able to carry out the measurements over the entire width of a document to be examined along a multiplicity of measuring tracks simultaneously.
  • magnetoresistive elements can be used instead of GMR elements so-called “spin-dependent tunneling” (SDT) elements .
  • SDT spin-dependent tunneling
  • FIG. 1 shows a measuring head
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a measuring head in FIG.
  • FIG. 1 shows a measuring head 1 for use in a device according to the invention.
  • a coil 3 is arranged in each case. If the coils 3 are supplied with power, they generate a magnetic field. In this case, an alternating current is used so that an electromagnetic alternating field is formed on the measuring head 1.
  • the coil cores 2 are interconnected only at one end, so that an air gap 4 is formed between the free ends of the coil cores 2. In the process, a stray magnetic field is formed at the free ends of the coil cores 2.
  • a document 5 with soft magnetic particles for example a banknote whose color of a print image is provided with soft magnetic particles, is moved past the air gap 4 of the device according to the invention such that the stray field of the alternating electromagnetic field acts on the soft magnetic particles.
  • the soft magnetic particles in Document 5 increase the flux density in the stray field region.
  • the measuring element 6 is provided, which detects a corresponding change of the electromagnetic alternating field.
  • the measuring element 6 may be, for example, a GMR element, which changes its electrical properties when a magnetic field is applied.
  • At the GMR element is a signal whose amplitude changes according to the change of the magnetic field.
  • the further processing of the amplitude-modulated GMR output signal is described below with reference to FIG.
  • the GMR element is preferably arranged such that the magnetic field, which is generated for example by burst excitation of the two coils 3, is arranged perpendicular to the sensitive axis of the GMR element. This avoids overriding the GMR element.
  • the GMR element is insensitive to magnetic fields perpendicular to its main axis of sensitivity.
  • a "spin-dependent tunneling" (SDT) element can be used due to the higher measurement sensitivity.
  • the magnetic field must be correspondingly strongly dimensioned because of the large air gap.
  • an exciting burst of high current can be conducted through the coils. But it is also possible to arrange several small measuring heads next to each other.
  • FIG. 2 shows schematically an embodiment of the device according to the invention.
  • a lock-in amplifier 7 with at least some of its elements is shown.
  • the output signal of the GMR element is first pre-amplified in the illustrated embodiment of the lock-in amplifier 7 by means of an amplifier 8. Subsequently, the preamplified signal is fed to a synchronous demodulator 9 whose operation has already been described above.
  • the synchronous demodulator 9 is also supplied with a reference signal which must be equal in frequency to the preamplified signal, so that the lock-in amplifier 7 provides the desired result.
  • This reference signal is generated in a reference generator 10 and also serves in the illustrated embodiment for the electrical supply of the measuring head 1, in particular of the GMR element 6 with an input signal and the two coils 3 with an exciter signal.
  • the reference signal may be an AC signal. Due to the changes of the electromagnetic Alternating elds, which change the electrical resistance of the GMR element 6, the amplitude of the voltage drop across the GMR element 6 changes. This alternating voltage signal with changing amplitude is provided as an output signal of the GMR element to the lock-in amplifier 7. After the preamplified GMR output signal has been multiplied by the same frequency reference signal in the synchronous demodulator 9, a low pass filter 11 filters out high frequency noise components of the signal so that a signal proportional to the signal amplitude of the GMR output signal is obtained.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a preferred measuring head 12 in cross-section.
  • a printed circuit board 13 multi-layer printed coils 14 for generating an alternating electromagnetic field and a Giant MagnetoResistance element 6 for measuring changes in the alternating field are arranged.
  • the circuit board 13 itself is between two
  • Elements 15 are arranged, which concentrate the flow of the magnetic field generated by the coils in the plane of the GMR element 6. These two elements 15 consist for example of a ferrite material, which is also suitable for use in conventional coil cores. As shown in FIG. 3, the document is moved transversely to the vertically arranged measuring head 12.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung magnetischer Eigenschaften eines Dokuments (5), sowie einen dafür geeigneten Messkopf (12) zur Messung von Magnetfeldänderungen. Die Vorrichtung umf asst eine Einrichtung (2, 3) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfelds, ein Messelement (6) und einen Lock-In- Verstärker (7). Das Messelement (6) ist so eingerichtet, dass es abhängig von Änderungen des Magnetfelds, wenn das Dokument (5) mit magnetischen Eigenschaften in das Magnetfeld gebracht wird, ein elektrisches Eingangssignal des Messelements (6) in ein elektrisches Ausgangssignal wandelt. Vorzugsweise wird als Messelement (6) ein GMR- oder SDT- Element verwendet, welches bereits bei geringen Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds seinen elektrischen Widerstand vergleichsweise stark ändert. Der Messkopf (12) zur Verwendung in der Vorrichtung umfasst eine Leiterplatte (13) mit darauf angeordneten Spulen (14) und einem GMR-oder SDT-Element (6).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen magnetischer Eigenschaften von Dokumenten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung magnetischer Eigenschaften von Dokumenten, insbesondere Banknoten, sowie einen dafür geeigneten Messkopf zur Messung von Magnetfeldänderungen.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur Messung magnetischer Eigenschaften von Dokumenten bekannt, bei denen ein Magnetfeld mittels eines Permanentmagneten erzeugt wird. Diesbezüglich beschreibt die DE 40 22 739 Al eine Vorrichtung mit einem magnetischen Kreis, bestehend aus weich- und permanentmagnetischem Material, wobei das durch das permanentmagnetische Material erzeugte statische Magnetfeld den magnetischen Kreis durchsetzt. Der magnetische Kreis erzeugt ein Streufeld, welches Änderungen erfährt, wenn ein Messgut mit magnetischen Partikeln in den Streufeldbereich bewegt wird. Diese Änderungen werden mittels einer Spule detektiert, indem aufgrund der Änderungen in der Spule eine Spannung induziert wird. Bei diesem Messprinzip kann die zu messende Änderung bereits durch geringfügige äußere Einflüsse merklich beeinflusst werden, so dass die Detektion der Änderung zusätzlich erschwert wird.
Die DE 39 31 828 Al beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lesen eines Streifencodes, der aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Streifen aus ferromagnetischem Material besteht. Über dem Streifencode wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, so dass durch die ferromagnetischen Streifen eine Änderung des elektromagnetischen Wechselfelds hervorgerufen wird. Mittels Sensorspulen, welche entsprechend der Änderungen eine sich ändernde elektrische Spannung induzieren, ist ein induktives Erkennen des
Streifencodes möglich. Die induzierte Spannung kann jedoch durch äußere Einflüsse gestört werden, so dass die gemessenen Änderungen verfälscht sind. Um solche Störungen aus dem gemessenen Signal zu eliminieren, wird das gemessene Signal zusätzlich einem Synchron-Demodulator und einem Tiefpass zugeführt. Dabei wird das gemessene Signal im Synchron- Demodulator mit einem Referenzsignal der selben Frequenz und möglichst der gleichen Phase multipliziert. Anschließend werden im Tiefpass hochfrequente Anteile herausgefiltert, um ein bereinigtes Signal zu erhalten, welches im wesentlichen nur noch die gemessenen Änderungen enthält. Diese Art der Signalverarbeitung wird bisweilen auch als Lock-In-Prinzip bezeichnet.
Nachteilig bei den vorgenannten induktiven Verfahren ist, dass geringe Änderungen des elektromagnetischen Wechselfeldes, beispielsweise wenn lediglich eine sehr geringe Konzentration ferromagnetischen Materials in den Streifen vorgesehen ist oder das anregende Magnetfeld schwach ist, nur sehr schwierig oder gar nicht erkennbar sind. Grund dafür ist vor allem, dass in der Messumgebung häufig Störfelder vorhanden sind, welche die Messung so überlagern, dass eine zusätzliche geringfügige Änderung des elektromagnetischen Wechselfelds durch ein zu messendes Dokument mit herkömmlichen Mitteln nicht mehr zuverlässig detektierbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Lösung anzugeben, um auch Dokumente mit geringen Mengen magnetischer Partikel zuverlässig klassifizieren zu können.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein zu prüfendes Dokument, in dem magnetische Partikel enthalten sind, in ein elektromagnetisches Wechselfeld eingebracht, wobei zur Messung der Änderung des Wechselfelds ein Messelement eingesetzt wird, welches abhängig von dem am Messelement anliegenden elektromagnetischen Wechselfeld ein elektrisches Eingangssignal des Messelements in ein elektrisches Ausgangssignal wandelt. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten rein induktiven Messverfahren hat die Messung mit einem solchen Messelement den Vorteil, dass sie zeitunabhängig ist, da die Änderung des elektrischen Widerstands bei einem gegebenen Prüf dokument nur und direkt von der Stärke des angelegten Magnetfelds abhängt. Dagegen sind rein induktive Verfahren (auch) zeitabhängig, da in der Spule nur dann eine Spannung induziert wird, wenn der die Spule durchsetzende magnetische Fluss einer zeitlichen oder räumlichen Änderung unterliegt. Die Erfindung ermöglicht daher eine statische Messung oder eine Messung bei langsamem Dokumentenvorschub, wodurch die Messung exakter wird.
Bevorzugt wird ein Messelement verwendet, bei dem sich abhängig von den Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds der elektrische Widerstand des Messelements ändert. Das Messelement kann beispielsweise mit einem Strom versorgt werden, so dass am Messelement eine Wechselspannung abfällt. Ändert sich nun aufgrund der Änderung des
Wechselfelds der elektrische Widerstand des Messelements, ändert sich auch die Amplitude der anliegenden Wechselspannung. Diese erfasste Amplitudenänderung kann dann entsprechend weiterverarbeitet werden.
Besonders bevorzugt wird als Messelement ein magnetoresitiven Element verwendet. Bevorzugt ist dieses ein Giant-MagnetoResistance (GMR- )Element. Bei GMR-Elementen ändert sich durch die Änderung eines am Element anliegenden, externen Magnetfelds dessen elektrischer Widerstand. Dadurch ist das GMR-Element in der Lage, magnetisch codierte Information in ein elektrisches Signal umzuwandeln, indem sich die Amplitude des Ausgangssignals des GMR-Elements abhängig vom Widerstandswert des GMR-Elements ändert. Besonderer Vorteil eines solchen Messelements ist, dass bereits geringe Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds festgestellt werden können, da GMR-Elemente die Eigenschaft haben, ihren elektrischen Widerstand bereits bei geringen Magnetfeldänderungen vergleichsweise stark zu ändern. Dadurch besitzen GMR-Elemente gegenüber anderen Messelementen bzw. Sensoren eine erhöhte Empfindlichkeit. Es ist daher möglich, auch schwach dotierte Dokumente zu detektieren, die nur eine geringe Feldänderung hervorrufen. Aufgrund der erhöhten Empfindlichkeit können außerdem echte Banknoten besser von Fälschungen unterschieden werden, deren Magnetpartikelanteil sich von dem echter Banknoten nur geringfügig unterscheidet. Des weiteren ist die erfindungsgemäße Vorrichtung variabel einsetzbar und beeinflusst benachbarte Systeme nur wenig, da der GMR-Sensor aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit auch bei entsprechend geringen Feldstärken arbeiten kann.
Erzeugt der Signalgenerator ein hochfrequentes Signal, kann ein weiterer Vorteil des GMR-Elements genutzt werden. Das störende 1/f Rauschen des GMR-Elements tritt nämlich bei einem GMR-Element nur im niederfrequenten Bereich auf und verschwindet oberhalb einer bestimmten Frequenz, wodurch nur noch ein niedrigerer, weißer Rauschanteil übrig bleibt. Auf diese Weise erzielt man einen wesentlich höheren Signal- zu Störabstand. Hochfrequent bedeutet in diesem Zusammenhang eine Frequenz von mehr als 1 kHz, vorzugsweise über 10 kHz. In Tests konnten weich- und hartmagnetische Partikel mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei einer Referenzfrequenz von 7 kHz nachgewiesen werden. Aufgrund der Eigenschaften des GMR-Elements ist bei einer Referenzfrequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz eine Verbesserung der Messergebnisse zu erwarten. Der Aufbau von GMR-Elementen und deren Funktionsweise werden im Detail beispielsweise in der EP 0 793 808 Bl beschrieben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Ausgangssignal des Messelements mittels eines Lock-In- Verstärkers zu verarbeiten. Wird als Messelement nun beispielsweise ein GMR-Element eingesetzt, können bereits sehr geringe Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds durch das GMR- Element detektiert werden. Da diese Änderungen vergleichsweise geringe Änderungen des Ausgangssignals des GMR-Elements zur Folge haben, kann das Ausgangssignal im Lock-In-Verstärker zur Weiterverarbeitung verstärkt werden. Dazu wird das GMR-Signal, nachdem es zuvor gegebenenfalls verstärkt wurde, in einem Synchron-Demodulator mit einem normierten Referenzsignal der selben Frequenz multipliziert. Vorzugsweise dient der Signalgenerator, mit dem das elektrische Eingangssignal für das GMR- Element erzeugt wird, auch zum Generieren des Referenzsignals. Da die Frequenz des GMR- Ausgangssignals unabhängig von jeglicher Magnetfeldeinwirkung immer der des GMR-Eingangssignals entspricht, lassen sich mit dem gemeinsamen Signalgenerator frequenzgleiche Signale für die Lock-In- Verstärkung erzeugen. Um sicherzustellen, dass das Referenzsignal phasenrichtig mit dem GMR- Ausgangssignal multipliziert wird, kann beispielsweise eine Phasenregelschleife (PLL) zur phasenstarren Regeneration des Referenzsignals eingesetzt werden.
Anschließend durchläuft das Ausgangssignal des Synchron-Demodulators einen Tiefpass. Der Tiefpass mit einer bestimmten Grenzfrequenz entfernt die störenden hochfrequenten Komponenten. Nachdem durch den Tiefpass die hochfrequenten Anteile herausgefiltert sind, erhält man als Ergebnis ein bereinigtes Signal, welches proportional zur Amplitude des GMR- Ausgangssignals ist. Da das elektrische Ausgangssignal des Messelements mit einem systemimmanenten Referenzsignal der selben Frequenz und Phase multipliziert wird, wobei als Referenzsignal vorzugsweise das Eingangssignal für das Messelement verwendet wird, können selbst geringe Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds, welche vom Messelement detektiert und nachgewiesen werden können, mit hoher Genauigkeit verarbeitet werden. Eine zusätzliche Auswerteelektronik kann eingesetzt werden, um die Messungen entsprechend auszuwerten. Insbesondere bei Vergleichsmessungen muss das gemessene und vom Lock- In- Verstärker verarbeitet Signal mit einem vorgegebenen Signal und /oder anderen gemessenen Signalen verglichen und ausgewertet werden. Dieser Vergleich und die Auswertung erfolgen dann in der Auswerteelektronik, wobei die Auswerteelektronik beispielsweise den Lock-In-Verstärker bereits umfassen kann.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung bzw. Erkennung weichmagnetischer Partikel in Dokumenten eingesetzt werden. Die weichmagnetischen Partikel werden durch das elektromagnetische Wechselfeld ständig ummagnetisiert. Die Partikel bündeln die magnetischen Feldlinien, wodurch sie das Magnetfeld verstärken. Ein Vorteil weichmagnetischer Materialien besteht darin, dass sie leicht magnetisierbar sind und daher auch schwache Magnetfelder verstärken können. Andererseits ändern weichmagnetische Materialien im Gegensatz zu hartmagnetischen Materialien das elektromagnetische Wechselfeld nur geringfügig und liefern somit lediglich ein schwaches zu messendes Signal. Mit herkömmlichen Messeinrichtungen sind sie daher nicht immer zuverlässig detektierbar. Durch die Erfindung lassen sich auch solche Materialien in Dokumenten zuverlässig detektieren, insbesondere wenn ein GMR-Element und/ oder ein Lock-In-Verstärker zum Einsatz kommen. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das elektromagnetische Wechselfeld durch hochfrequente Bursts eines Burstgenerators erzeugt. Unter einer Burst- Anregung versteht man die intermittierende/ stoßweise Übertragung eines Signals. Die Burst- Anregung ermöglicht eine besonders hohe Strombelastung der felderzeugenden Spule aufgrund der geringeren durchschnittlichen Verlustleistung. Die durchschnittliche Verlustleistung ist beim Burst geringer, da in den Burstpausen keine Verlustleistung entsteht. Werden Bursts mit hoher Stromstärke eingesetzt, so werden die magnetischen Partikel des Dokuments entsprechend stärker magnetisiert und rufen folglich eine stärkere Änderung des Wechselfelds hervor. Dadurch wird die elektrische Ausgangsgröße des Messelements, also im Falle eines GMR-Elements dessen elektrischer Widerstand, entsprechend stärker verändert, wodurch die Messung der magnetischen Eigenschaften des Dokuments exakter wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch die Unterscheidung von hart- und weichmagnetischen Partikeln möglich. Hartmagnetische Materialien besitzen eine wesentlich "breitere" Hysteresisschleife als weichmagnetische Materialien. D.h., hartmagnetische Materialien besitzen eine höhere Remanenz, wodurch im Vergleich zu weichmagnetischen Materialien eine wesentlich höhere Koerzitivfeldstärke aufzuwenden ist, um diese Remanenz zum Verschwinden zu bringen. Folglich weisen hartmagnetische Materialien bei nicht vorhandenem äußeren Magnetfeld, also bei Stromlosigkeit der Erregerspule, eine höhere Remanenz auf, welche sich bei der Messung mit dem Messelement durch eine größere Änderung des elektrischen Widerstands des Messelements bemerkbar macht. Aufgrund dieser unterschiedlichen Eigenschaften der hart- und weichmagnetischen Materialien kann anhand eines Vergleichs unterschiedlicher Messungen festgestellt werden, um welche Art von Material es sich handelt. Beispielsweise können die Partikel in einer Vormagnetisierungsstrecke vormagnetisiert werden. Dann können zu Zeitpunkten, in denen die Spule kein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, Messungen durchgeführt werden. Besonders bevorzugt wird als Anregung für die Erregerspule eine Burst- Anregung eingesetzt, da in den Pulspausen zwischen den sich wiederholenden Pulspaketen, in denen die Erregerspule keinen Strom führt, die zu messenden Materialien vormagnetisiert sind und gemessen werden können.
Ein Messkopf zum Messen von Änderungen eines Magnetfelds, der vorteilhaft mit der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist, umfasst mindestens eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein Giant-MagnetoResistance (GMR-)Element zur Messung von Änderungen des Magnetfelds, wobei die mindestens eine Erregerspule und das GMR- Element auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Integration der Spule und des GMR-Elements auf einer Leiterplatte ist preisgünstig und ist daher gegenüber bekannten Messköpfen von Vorteil. Auch eine zum Auswerten von Änderungen des Magnetfelds geeignete Auswerteelektronik kann kostengünstig auf der Leiterplatte angeordnet sein. Dabei kann Auswerteelektronik den Lock-In- Verstärker umfassen.
Bevorzugt wird die Leiterplatte zwischen zwei Elementen, beispielsweise aus Ferrit-Material, angeordnet, die den Fluss des von der mindestens einen Erregerspule erzeugten Magnetfelds konzentrieren. Des weiteren ist die Anordnung der Erregerspule auf der Leiterplatte preisgünstig als mehrlagig gedruckte Spule ausgeführt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Messkopfs ist der platzsparende Aufbau. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine Vielzahl von Messköpfen in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung nebeneinander anzuordnen, um die Messungen über die ganze Breite eines zu untersuchenden Dokuments entlang einer Vielzahl von Messspuren gleichzeitig durchführen zu können.
Nach einer weiteren Idee der vorliegenden Erfindung sind als magnetoresistive Elemente anstelle von GMR-Elementen alternativ auch sogenannte „Spin-dependent Tunneling-" (SDT-) Elemente verwendbar. Diese SDT-Elemente haben einen um einen Faktor 10-20 höhere Empfindlichkeit als GMR-Elemente und sind deshalb besonders bevorzugt.
Es sei betont, daß die Merkmale der abhängigen Ansprüche und der in der nachstehenden Beschreibung genannten Ausführungsbeispiele in Kombination oder auch unabhängig voneinander und insbesondere vom Gegenstand der Hauptansprüche, d.h. z.B. bei Magnetmessverfahren ohne Verwendung von Lock-In- Verstärkern, weitere Grundgedanken beschreiben und vorteilhaft verwendet werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung verschiedener, erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele und Ausführungsalternativen im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen. Darin zeigen:
Figur 1 einen Messkopf;
■ Figur 2 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem
Messkopf aus Figur 1; und
Figur 3 eine bevorzugte Ausgestaltung eines Messkopfs im
Querschnitt. Figur 1 zeigt einen Messkopf 1 zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auf zwei parallelen Spulenkernen 2, welche an einem Ende miteinander verbunden sind, ist jeweils eine Spule 3 angeordnet. Werden die Spulen 3 mit Strom versorgt, erzeugen sie ein Magnetfeld. Dabei wird ein Wechselstrom verwendet, so dass sich am Messkopf 1 ein elektromagnetisches Wechselfeld ausbildet. Die Spulenkerne 2 sind lediglich an einem Ende miteinander verbunden, so dass sich zwischen den freien Enden der Spulenkerne 2 ein Luftspalt 4 bildet. Dabei bildet sich an den freien Enden der Spulenkerne 2 ein magnetisches Streufeld aus. Ein Dokument 5 mit weichmagnetischen Partikeln, beispielsweise eine Banknote, deren Farbe eines Druckbilds mit weichmagnetischen Partikeln versehen ist, wird derart am Luftspalt 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbeibewegt, dass das Streufeld des elektromagnetischen Wechselfelds auf die weichmagnetischen Partikel einwirkt. So wird durch die weichmagnetischen Partikel im Dokument 5 die Flussdichte im Streufeldbereich erhöht.
Zwischen den Spulen 3 ist ein Messelement 6 vorgesehen, welches eine entsprechende Änderung des elektromagnetischen Wechselfelds detektiert. Das Messelement 6 kann beispielsweise ein GMR-Element sein, welches bei Anlegen eines Magnetfelds seine elektrischen Eigenschaften ändert. Am GMR-Element liegt ein Signal an, dessen Amplitude sich entsprechend der Änderung des Magnetfelds ändert. Die Weiterverarbeitung des amplitudenmodulierten GMR-Augangssignals wird nachfolgend in Bezug auf Figur 2 beschrieben. Das GMR-Element wird vorzugsweise derart angeordnet, dass das Magnetfeld, welches beispielsweise durch Burst- Anregung der zwei Spulen 3 erzeugt wird, senkrecht zur empfindlichen Achse des GMR-Elements angeordnet ist. Dadurch wird eine Übersteuerung des GMR-Elements vermieden. Das GMR-Element ist für Magnetfelder senkrecht zu seiner Hauptempfindlichkeitsachse unempfindlich. Wie bereits erwähnt kann zusätzlich oder alternativ zu den GMR-Elementen bei dieser und allen anderen Ausführungsformen vorzugsweise aufgrund der höheren Messempfindlichkeit auch ein „Spin-dependent Tunneling-" (SDT-) Element verwendet werden.
Wenn mit einem solchen Messkopf 1 die gesamte Breite des Messobjekts erfasst werden soll, ist wegen des großen Luftspalts das Magnetfeld entsprechend stark zu dimensionieren. Beispielsweise kann dazu ein Anregungsburst hoher Stromstärke durch die Spulen geleitet werden. Es ist aber auch möglich, mehrere kleine Messköpfe nebeneinander anzuordnen.
Figur 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zusätzlich zum Messkopf 1 aus Figur 1 ist ein Lock-In- Verstärker 7 mit zumindest einigen seiner Elemente gezeigt. Das Ausgangssignal des GMR-Elements wird im dargestellten Ausführungsbeispiel des Lock-In- Verstärkers 7 zunächst mittels eines Verstärkers 8 vorverstärkt. Anschließend wird das vorverstärkte Signal einem Synchron-Demodulator 9 zugeführt, dessen Funktionsweise bereits zuvor beschrieben wurde. Dem Synchron-Demodulator 9 wird außerdem ein Referenzsignal zugeführt, das frequenzgleich mit dem vorverstärkten Signal sein muss, damit der Lock-In- Verstärker 7 das gewünschte Ergebnis liefert. Dieses Referenzsignal wird in einem Referenzgenerator 10 generiert und dient im dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem zur elektrischen Versorgung des Messkopfs 1, insbesondere des GMR-Elements 6 mit einem Eingangssignal und der beiden Spulen 3 mit einem Erregersignal.
Da herkömmliche Lock-In-Verstärker nur zur Verarbeitung von Analogsignalen geeignet sind, kann das Referenzsignal beispielsweise ein Wechselstromsignal sein. Durch die Änderungen des elektromagnetischen Wechself elds, welche den elektrischen Widerstand des GMR-Elements 6 ändern, ändert sich die Amplitude der am GMR-Element 6 abfallenden Spannung. Dieses Wechselspannungssignal mit sich ändernder Amplitude wird als Aussgangssignal des GMR-Elements dem Lock-In- Verstärker 7 zur Verfügung gestellt. Nachdem das vorverstärkte GMR- Ausgangssignal mit dem frequenzgleichen Referenzsignal im Synchron-Demodulator 9 multipliziert wurde, filtert ein Tiefpassfilter 11 hochfrequente Störkomponenten des Signals heraus, so dass ein Signal erhalten wird, welches proportional zur Signalamplitude des GMR- Ausgangssignals ist.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines bevorzugten Messkopfs 12 im Querschnitt. Auf einer Leiterplatte 13 sind mehrlagig gedruckte Spulen 14 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfelds und ein Giant- MagnetoResistance-Element 6 zum Messen von Änderungen des Wechselfelds angeordnet. Die Leiterplatte 13 selbst ist zwischen zwei
Elementen 15 angeordnet, welche den Fluss des durch die Spulen erzeugten Magnetfelds in der Ebene des GMR-Elements 6 konzentrieren. Diese beiden Elemente 15 bestehen beispielsweise aus einem Ferrit-Material, welches sich auch zur Verwendung in herkömmlichen Spulenkernen eignet. Wie in Figur 3 dargestellt, wird das Dokument quer zum senkrecht angeordneten Messkopf 12 bewegt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Messen magnetischer Eigenschaften eines Dokuments (5), umfassend die folgenden Schritte:
Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfelds,
Einbringen des Dokuments (5) in das elektromagnetische Wechselfeld,
Erfassen von Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds, während sich das Dokument (5) in dem elektrischen Wechselfeld befindet, mittels eines Messelements (6), welches abhängig von dem elektromagnetischen Wechselfeld ein elektrisches Eingangssignal in ein elektrisches Ausgangssignal wandelt, und
Verarbeiten des Ausgangssignals mittels eines Lock-In- Verstärkers (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messelement (6) verwendet wird, bei dem sich abhängig von den Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds der elektrische Widerstand des Messelements (6) ändert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messelement (6) ein Giant-MagnetoResistance (GMR-) Element und/oder ein Spin-dependent Tunneling (SDT-) Element verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal des Messelements (6) als Referenzsignal für den Lock-In-Verstärker (7) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal des Messelements (6) als Anregungssignal für das elektromagnetische Wechselfeld verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochfrequentes Signal als Eingangssignal des Messelements (6) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als hochfrequentes Signal ein Signal mit einer Frequenz von mehr als 1 kHz, insbesondere mehr als 10 kHz verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Burst-Signal als Eingangssignal des Messelements (6) verwendet wird.
9. Vorrichtung zum Messen magnetischer Eigenschaften eines Dokuments (5), umfassend eine Einrichtung (2, 3) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfelds, ein in dem elektromagnetischen Wechselfeld angeordnetes Messelement (6) zum Messen von Änderungen des elektromagnetischen Wechselfelds und einen Lock-In-Verstärker (7) zum Verarbeiten eines Ausgangssignals des Messelements (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (6) eingerichtet ist, abhängig von dem elektromagnetischen Wechselfeld ein elektrisches Eingangssignal des Messelements (6) in das elektrisches Ausgangssignal zu wandeln.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die i Einrichtung (2, 3) zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfelds und das Messelement (6) in einem Messkopf (1) integriert sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalgenerator (10) eingerichtet ist, dem Messelement (6) das Eingangssignal und dem Lock-In- Verstärker (7) ein Referenzsignal zur Verfügung zu stellen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) eingerichtet ist, ein Signal zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfelds zur Verfügung zu stellen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal und das Signal zum Erzeugen des elektromagnetischen
Wechselfelds identisch sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) eingerichtet ist, ein hochfrequentes Signal zu erzeugen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) eingerichtet ist, ein Signal mit einer Frequenz von mehr als 1 kHz, insbesondere mehr als 10 kHz zu erzeugen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) ein Burstgenerator ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) im Lock-In- Verstärker (7) integriert ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (6) ein Giant-MagnetoResistance (GMR-)Element oder ein Spin-dependent Tunneling (SDT-) Element ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2, 3) zum Erzeugen des elektromagnetischen Wechselfelds zwei parallele Spulenkerne (2) umfasst, die an einem Ende miteinander verbunden sind, wobei auf jedem der zwei parallelen Spulenkerne (2) mindestens eine Spule (3) angeordnet ist.
20. Messkopf (12) zum Messen von Änderungen eines Magnetfelds, insbesondere für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, umfassend:
mindestens eine Erregerspule (14) zum Erzeugen eines Magnetfelds, und
ein Giant-MagnetoResistance (GMR-) Element oder ein Spin- dependent Tunneling (SDT-) Element (6) zum Messen von Änderungen des Magnetfelds,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erregerspule (14) und das Giant-MagnetoResistance (GMR-) oder Spin-dependent Tunneling (SDT-) Element (6) auf einer Leiterplatte (13) angeordnet sind.
21. Messkopf (12) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (13) zwischen zwei Elementen (15) angeordnet ist, die den Fluss des Magnetfelds konzentrieren.
22. Messkopf (12) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erregerspule (14) in Form einer mehrlagig gedruckten Spule auf der Leiterplatte (13) angeordnet ist.
23. Messkopf (12) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (13) eine Auswerteelektronik zum Auswerten von Ausgangssignalen des GMR- oder SDT-Elements (6) angeordnet ist.
24. Messkopf (12) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik einen Lock-In-Verstärker (7) umfasst.
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