Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für die Echtheitsprüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal. Die Erfindung betrifft auch eine Prüfvorrichtung mit einem solchen Sensorelement und ein Verfahren zur Echtheitsprüfung mit einem solchen Sensorelement oder einer solchen Prüfvorrichtung.

Datenträger, wie Wert- oder Ausweisdokumente, aber auch andere Wertgegenstände, wie etwa Markenartikel, werden zur Absicherung oft mit Sicherheitselementen versehen, die eine Überprüfung der Echtheit der Datenträger gestatten und die zugleich als Schutz vor unerlaubter Reproduktion dienen. Es ist bekannt, bei der maschinellen Echtheitsprüfung Sicherheitselemente mit Spinresonanz-Merkmalen zur Absicherung von Dokumenten und anderen Datenträgern einzusetzen. Die Sicherheitselemente sind dazu mit Substanzen versehen, die eine Spinresonanz-Signatur aufweisen. Zu den für die Echtheitsprüfung einsetzbaren Spinresonanz-Signaturen gehören insbesondere Kernspin-Resonanz-Effekte (Nuclear Magnetic Resonance, NMR), Elektronspin-Resonanz-Effekte (ESR) und ferromagnetische Resonanz-Effekte (FMR).

Bei der Prüfung von Banknoten werden zur Detektion der Spinresonanz-Signaturen meist drei verschiedene Magnetfelder im Messbereich beispielsweise einer Banknotenbearbeitungsmaschine erzeugt. Dabei handelt es sich konkret um ein quasistatisches Polarisationsfeld Bo, das parallel zur Axialrichtung (z-Richtung) des Luftspalts eines magnetischen Kreises verläuft. Ein zweites Magnetfeld ist durch ein Modulationsfeld Bmod gebildet, welches ebenfalls parallel zur z- Achse verläuft und typischerweise eine Frequenz f _mo d im kHz-Bereich hat. Zur Anregung von Übergängen zwischen den aufge- spaltenen Spin-Energieniveaus der Spinresonanz-Signatur-Substanzen ist ein Anregefeld Bi vorgesehen, das senkrecht zur Bo-Richtung polarisiert ist. Das Anregefeld schwingt dabei mit der Resonanzfrequenz des Materials, die auch als Larmorfrequenz bezeichnet wird, und die proportional zum Polarisationsfeld Bo ist. Zur Erzeugung des Polarisationsfeldes Bo kommt häufig ein magnetischer Kreis zum Einsatz, der den magnetischen Fluss von Permanentmagneten und/ oder Spulen zu einem Luftspalt leitet, in dem die Prüfung der flächigen Datenträger stattfindet.

Für die Erzeugung des Anregefelds Bi wird ein Hochfrequenz-Resonator, beispielsweise ein Streifenleitungs-Resonator, verwendet. Dabei handelt es sich um eine leitende Struktur mit einer charakteristischen Länge 1, die auf einem Träger angeordnet ist. Passt bei der Echtheitsprüfung die Wellenlänge X des eingekoppelten Hochfrequenzsignals zu der Abmessung 1 der leitenden Struktur, so kann sich im Resonator eine stehende Welle ausbilden und der Streifenleitungs-Resonator ist zu der zur Wellenlänge X gehörenden Anregefrequenz in Resonanz. Da die Ausdehnung eines Streifenleitungs-Resonators in der Ebene des Trägers deutlich größer ist als senkrecht dazu, spricht man auch von der Ebene des Streifenleitungs-Resonators, die der Ebene des Trägers entspricht.

Bei der Prüfung eines Datenträgers, etwa im Rahmen einer Echtheitsprüfung, wird oft ein Spinresonanz-Spektrum des Spinresonanz-Merkmals bestimmt und anhand charakteristischer Kennzeichen mit einem erwarteten Spektrum verglichen. Typischerweise werden Spinresonanz-Spektren in einem zeitintensiven Bo-Ramp-Verfahren (auch Bo- Sweep-Verfahren genannt) auf gezeichnet. Dabei wird das statische Polarisationsfeld Bo bei fester Frequenz des Anregefelds Bi um die Resonanzfeldstärke herum langsam variiert und damit die Feldstärke des Polarisationsfelds Bo durchfahren. Da die Larmorfre- quenz eines zu prüfenden Spinresonanz-Merkmals proportional zur Polarisationsfeldstärke Bo ist, wird dadurch effektiv die Anregefrequenz gegen die Larmorfrequenz verschoben, was die Aufnahme eines Frequenzspektrums des Spinresonanz-Merkmals erlaubt. Da die zeitliche Änderung der Feldstärke des Polarisationsfelds Bo beim Bo- Ramp-Verfahren sehr viel langsamer ist als die zeitliche Änderung des Modulationsfelds Bmod und des Anregefelds Bi, wird Bo im Rahmen dieser Anmeldung vorzugsweise auch bei Vorliegen eines Rampfeldes als statisches Magnetfeld bzw. statischer magnetischer Fluss bezeichnet. Insbesondere in schnell-laufenden Banknoten-Bearbeitungsmaschinen erfordert der Sensorbetrieb allerdings kurze Messzeiten, die nicht ausreichen, um mit einer Rampe (oft auch: sweep) das vollständige Spektrum eines Spinresonanz-Merkmals messen zu können. Frequenzspektren können dann nur mit wenigen Messpunkten, also mit geringer Auflösung oder über ein schmales Frequenzband, aufgenommen werden. Für viele Anwendungen ist aber eine spektral hoch aufgelöste, breitbandige Messung wünschenswert, beispielsweise um Merkmalsstoffe mit verschiedenen Larmorfrequenzen unterscheiden zu können. Auch können bei hoher Spektralauflösung Spinresonanz- Merkmale mit spektralem Code, beispielsweise für verschiedene Währungen oder verschiedene Denominationen, verwendet werden.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung für die Prüfung von Datenträgern mit Spinresonanz-Merkmalen anzugeben, und insbesondere ein Sensorelement bereitzustellen, das in kurzer Zeit eine spektral hoch aufgelöste und/ oder breitbandige Messung der Spinresonanz eines zu prüfenden Datenträgers erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung stellt ein Sensorelement für die Prüfung, insbesondere Echtheitsprüfung, eines flächigen Datenträgers mit einem Spinresonanz-Merkmal bereit. Bei dem flächigen Datenträger kann es sich beispielsweise um eine Banknote handeln. Das Sensorelement enthält einen Magnetkern mit einem Luftspalt, in den der flächige Datenträger zur Prüfung einbringbar ist, eine Polarisationseinrichtung zu Erzeugung eines statischen magnetischen Flusses in dem Luftspalt, sowie eine Resonatoreinrichtung zur Anregung des Spinresonanz-Merkmals des zu prüfenden Datenträgers in dem Luftspalt. Die Resonatoreinrichtung enthält zumindest zwei, an verschiedenen Positionen im Luftspalt angeordnete Streifenleitungs-Resonatoren. Weiter erzeugt die Polarisationseinrichtung in dem Luftspalt des Magnetkerns einen inhomogenen magnetischen Fluss, so dass der statische magnetische Fluss an der Position eines ersten Streifenleitungs-Resonators eine erste Feldstärke aufweist und an der Position eines zweiten Streifenleitungs-Resonators eine zweite, unterschiedliche Feldstärke aufweist. Bei dem Spinresonanz-Merkmal handelt es sich bevorzugt um ein ESR-Merkmal.

Wie nachfolgend genauer erläutert, ermöglicht die Anordnung von mehreren Streifenleitungs-Resonatoren an verschiedenen Positionen eines inhomogenen Polarisationsfelds die gleichzeitige Messung der Spinresonanz bei verschiedenen Polarisationsfeldstärken und erlaubt damit eine höhere Spektralauflösung und/ oder kürzere Messzeiten. Auch die Anforderungen an eine Feldrampe zur Vermessung einer Spektrallinie werden deutlich verringert.

Die eingesetzten Streifenleitungs-Resonatoren zeichnen sich grundsätzlich insbesondere dadurch aus, dass ihr sensitiver Bereich sehr gut zugänglich ist, und sie für flächige Proben, wie sie die zu prüfenden Banknoten darstellen, einen sehr hohen Füllfaktor aufweisen. Die Streifenleitungs-Resonatoren werden nachfolgend teilweise auch nur kurz als Resonatoren bezeichnet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung in Form eines eindimensionalen Arrays angeordnet. Vorzugsweise ist das eindimensionale Array dabei parallel zu einem Gradienten des magnetischen Flusses im Luftspalt angeordnet.

In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung bilden die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung eine Mehrspur-Anordnung mit mehreren parallelen Spuren, bei der jede Spur durch ein eindimensionales Array von Streifenleitungs- Resonatoren gebildet ist. Vorzugsweise ist das eindimensionale Array jeder Spur parallel zu einem Gradienten des magnetischen Flusses im Luftspalt angeordnet.

Die Resonatoreinrichtung kann insbesondere zwei, drei, vier, fünf oder sechs Streifenleitungs-Resonatoren enthalten, wobei auch eine größere Anzahl an Streifenleitungs- Resonatoren, beispielsweise eine Mehrspur- Anordnung mit zwei oder drei Spuren mit je fünf Streifenleitungs-Resonatoren, vorteilhaft sein kann. Eine Vergrößerung der Anzahl an Streifenleitungs-Resonatoren hat den Vorteil einer besseren spektralen Auflösung oder einer kürzeren erforderlichen Messzeit.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die an verschiedenen Positionen im Luftspalt angeordneten Streifenleitungs-Resonatoren jeweils von einer anderen Signalquelle gespeist sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Luftspalt durch zwei Polflächen des Magnetkerns begrenzt, wobei eine oder beide Polflächen abgeschrägt und/ oder gestuft ausgebildet sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die beiden Polflächen einen Winkel zueinander bilden, der vorzugsweise zwischen 1° und 10° liegt. Da die Feldstärke des Polarisationsfelds im Luftspalt umgekehrt proportional zum lokalen Abstand der beiden Polflächen ist, kann durch eine abgeschrägte bzw. gestufte Ausbildung der Polflächen ein gewünschtes inhomogenes Polarisationsfeld im Luftspalt erzeugt werden. An den Polflächen besteht der Magnetkern dabei bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material mit einer magnetischen Permeabilität gr »1, also insbesondere gr größer als IxlO ² .

In einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung ist der magnetische Leiter des Magnetkerns mit einem Flussleitstück versehen, dessen magnetischer Widerstand sich von dem magnetischen Widerstand des magnetischen Leiters unterscheidet. Durch die Formgebung des Flussleitstücks kann die Stärke des Polarisationsfelds im Luftspalt eingestellt und ein gewünschtes inhomogenes Polarisationsfeld erzeugt werden. Das Flussleitstück kann insbesondere keilförmig oder stufenförmig ausgebildet sein, um eine linear bzw. stufenförmig zunehmende oder linear bzw. stufenförmig abnehmende Feldstärke im Luftspalt zu erzeugen. Wird ein Flussleitstück zur Erzeugung des inhomogenen magnetischen Flusses eingesetzt, so sind die den Luftspalt begrenzenden Polflächen vorteilhaft planparallel zueinander. Dies erleichtert den ungestörten Transport der Datenträger durch den Luftspalt. In diesem Fall können die Polflächen auch von einem paramagnetischen Material mit gr « 1 gebildet werden, also insbesondere gr höchstens 1+10 ² .

Die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung haben vorteilhaft die gleiche Resonanzfrequenz, beispielsweise weichen die Resonanzfrequenzen der Streifenleitungs-Resonatoren um weniger als 1%, bevorzugt um weniger als 0.1% voneinander ab. Vorzugsweise sind die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung sogar auf Betrieb in der gleichen räumlichen Mode ausgelegt und eingerichtet. Weiter ist alternativ oder zusätzlich mit Vorteil vorgesehen, dass die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung eine gleiche geometrische Form, beispielsweise eine quadratische, eine rechteckige oder eine Ring-Form aufweisen.

Die genannte erste Feldstärke unterscheidet sich von der genannten zweiten Feldstärke vorteilhaft um mindestens 2%, vorzugsweise um mindestens 5%, insbesondere um mindestens 10%.

Die Polarisationseinrichtung kann insbesondere einen über die Ausdehnung des Luftspalts linear zunehmenden oder abnehmenden Fluss, oder einen stufenweise zunehmenden oder abnehmenden Fluss erzeugen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorelement weiter eine Modulationseinrichtung zur Erzeugung eines zeitlich variierenden magnetischen Modulationsfelds in dem Luftspalt auf, wobei bevorzugt die Modulationsfrequenz bei allen Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gleich hoch ist. Beispielsweise weicht die Modulationsfrequenz am Ort von je zwei Streifenleitungs-Resonatoren um höchstens 2% voneinander ab. Die Modulationseinrichtung ist vorteilhaft durch eine im Luftspalt angeordnete Einzel-Modulationsspule, insbesondere eine Einzel-Planarspule, gebildet.

Mit Vorteil sind die Streifenleitungs-Resonatoren flächig mit einer Haupterstreckungsebene ausgebildet, welche senkrecht auf der Richtung des von der Polarisationseinrichtung erzeugten statischen magnetischen Flusses steht. Im Rahmen dieser Beschreibung wird die Richtung des statischen magnetischen Flusses auch als z-Richtung bezeichnet. Die Haupterstreckungsebene der Streifenleitungs-Resonatoren erstreckt sich dann in der zur z-Richtung senkrechten x-y-Ebene.

Der Luftspalt weist vorteilhaft eine Höhe, also eine Abmessung in z-Richtung, von weniger als 10 mm, vorzugsweise von weniger als 5 mm auf. Dadurch lässt sich ein besonders starkes Polarisationsfeld, also ein starker statischer magnetischer Fluss im Luftspalt erzeugen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Erhöhung des Signal-zu- Rausch-Verhältnisses zumindest ein Teil der genannten, an verschiedenen Positionen bei verschiedenen Feldstärken des magnetischen Flusses angeordneten Streifenleitungs- Resonatoren jeweils durch ein NxM-Array von Streifenleitungs-Resonatoren ersetzt, wobei N und M natürliche Zahlen sind und zumindest einer der Werte von N und M größer als 1 ist, wobei die Streifenleitungs-Resonatoren des NxM-Arrays jeweils alle von derselben Signalquelle gespeist sind und elektrisch parallel und/ oder in Reihe geschaltet sind.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorelement weiter eine Rampspule zur Erzeugung einer Rampenfunktion des statischen magnetischen Flusses auf. Die Resonatoreinrichtung ist mit Vorteil auf die Anregung von Spinresonanz-Signalen mit einer Frequenz oberhalb von 1 GHz, insbesondere zwischen 1 GHz und 10 GHz, ausgelegt. Gegenüber niedrigeren Frequenzen ermöglicht dies eine höhere spektrale Auflösung und ein stärkeres Messsignal.

Die Resonatoreinrichtung ist insbesondere auch zur Erfassung von Spinresonanz-Signalen des Spinresonanz-Merkmals ausgebildet. Die Resonatoreinrichtung kann insbesondere ein Antwortsignal des Spinresonanz-Merkmals aufnehmen und an einen Detektor ausgeben. Die Spinresonanzen können beispielsweise mit einem Dauerstrich (CW)- Verfahren, einem gepulsten Verfahren oder einem Rapid-Scan-Verfahren bestimmt werden.

Die Streifenleitungs-Resonatoren können bei der Prüfung des Datenträgers sowohl in Reflexion als auch in Transmission betrieben werden. Letzteres hat den Vorteil, dass im Signalzweig kein Element wie etwa ein Zirkulator benötigt wird, das die zum Resonator vor- und rücklaufenden Signale auftrennt.

Mit Vorteil umfasst die Resonatoreinrichtung einen flächigen Träger, auf dem die Streifenleitungs-Resonatoren aufgebracht sind. Der Träger ist zweckmäßig durch eine Leiterplatte gebildet, was eine reproduzierbare und kostengünstige Herstellung erlaubt. Es ist allerdings auch vorteilhaft, insbesondere zur Verringerung dielektrischer Verluste im Trägermaterial, Träger auf Basis von Keramik, Teflon oder Kohlenwasserstoffen einzusetzen.

Die Erfindung enthält auch eine Prüfvorrichtung für die Prüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal mit einem Sensorelement der oben beschriebenen Art und mit einer oder mehreren Signalquelle(n), aus denen die an verschiedenen Positionen im Luftspalt angeordneten Streifenleitungs- Resonatoren der Resonatoreinrichtung gespeist sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind dabei mehrere Signalquellen vorgesehen, aus denen jeweils einer der an verschiedenen Positionen im Luftspalt angeordneten Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gespeist ist. Das Betreiben der Resonatoren mit Hilfe von unabhängigen Signalquellen erfordert allerdings auch, dass die Resonatoren an unabhängige Signalzweige angebunden werden. Insbesondere bei einer hohen Anzahl an Resonatoren wird dafür viel Bauraum zur Schaltungsimplementierung benötigt. Bevorzugt werden die mehreren Signalquellen dabei bei derselben Anregefrequenz betrieben, beispielsweise mit einer Frequenzabweichung von weniger als 1%, bevorzugt von weniger als 0,1 % .

Es ist daher mit Vorteil ebenfalls möglich, dass die an verschiedenen Positionen im Luftspalt angeordneten Streifenleitungs-Resonatoren über einen Multiplexer von nur einer einzigen Signalquelle gespeist sind. In diesem Fall liegt nur ein einziger Signalzweig vor und alle Resonatoren sind mit diesem Signalzweig verbunden. Der benötigte Bauraum ist bei dieser Ausführung somit deutlich geringer, und es ist ohne Weiteres sichergestellt, dass alle Resonatoren bei derselben Anregefrequenz betrieben werden. Da bei diesem Verfahren gleichzeitig nur mit einem einzigen Resonator gemessen werden kann, ist die Schaltzeit T des Multiplexers vorzugsweise so auf den Abstand d hintereinander liegender Resonatoren abgestimmt, dass bei einem mit der Geschwindigkeit v bewegten Datenträger die spektralen Einzelkomponenten immer am gleichen Ort auf dem Datenträger gemessen werden, dass also T = d/v gilt. In Transportrichtung betrachtet entstehen bei diesem Verfahren Lücken zwischen den Orten auf dem Datenträger, an denen die Spinresonanz gemessen wird, es gibt also auch Orte, an denen keine Messung vorgenommen wird.

Alternativ kann die Schaltzeit des Multiplexers auf Werte T « d/v verringert werden. Dies führt auf Grund der kleineren Messzeit je Resonator zwar zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis, dafür kann die spektrale Signatur der Banknote über größere Bereiche und im Wesentlichen ohne Lücken erfasst werden. Vorteilhaft enthält die Prüfvorrichtung weiter eine Transporteinrichtung, die die zu prüfenden flächigen Datenträger entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns führt, wobei der Transportpfad vorteilhaft parallel zu einem Gradienten des magnetischen Flusses im Luftspalt ist. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass entweder die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung in der oben beschriebenen Art in Form eines eindimensionalen Arrays parallel zu dem Transportpfad angeordnet sind, oder die Streifenleitungs-Resonatoren eine Mehrspur- Anordnung in der oben beschriebenen Art bilden, bei der jede der Spuren parallel zu dem Transportpfad ist.

Die Transporteinrichtung ist insbesondere auf einen schnell-laufenden Transport, beispielsweise zwischen 1 m/s und 12 m/s, der zu prüfenden flächigen Datenträger entlang des Transportpfades ausgelegt und eingerichtet.

Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zur Prüfung eines flächigen Datenträgers, insbesondere einer Banknote, mit einem Spinresonanz-Merkmal mittels eines Sensorelements der beschriebenen Art oder einer Prüfvorrichtung der beschriebenen Art, wobei bei dem Verfahren ein zu prüfender flächiger Datenträger entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns des genannten Sensorelements geführt wird, wobei eine Mehrzahl von Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung parallel zu dem Transportpfad hintereinander liegen, mit der Polarisationseinrichtung in dem Luftspalt des Magnetkerns ein inhomogener magnetischer Fluss und vorzugsweise mit einer Modulationseinrichtung ein zeitlich variierendes magnetisches Modulationsfeld in dem Luftspalt erzeugt wird, und - li mit der Resonatoreinrichtung das Spinresonanz-Merkmal des zu prüfenden Datenträgers angeregt wird.

Bei einer vorteilhaften Verfahrensführung ist vorgesehen, dass der zu prüfende Datenträger an den hintereinander liegenden Streifenleitungs- Resonatoren vorbeigeführt wird, und von den Streifenleitungs-Resonatoren jeweils eine zeitliche Messreihe des nach Anregung erzeugten Antwortsignals des Spinresonanz-Merkmals aufgenommen wird, aus den zeitlichen Messreihen der Streifenleitungs-Resonatoren jeweils zum selben Messfleck gehörende Messdaten identifiziert werden, aus den identifizierten Messdaten eine spektrale Information über das Spinresonanz-Merkmal abgeleitet wird, und der Datenträger anhand der abgeleiteten spektralen Information bewertet wird, insbesondere auf Echtheit und/ oder Zugehörigkeit zu einer Datenträgerklasse.

Die Messdaten werden dabei vorteilhaft räumlich aufgelöst oder räumlich gemittelt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass dem inhomogenen statischen magnetischen Fluss ein räumlich homogenes Rampfeld überlagert wird, so dass der gesamte statische magnetische Fluss im Euftspalt zeitlich zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert variiert, die spektrale Information aus den identifizierten Messdaten unter Berücksichtigung der Feldstärke des statischen magnetischen Flusses zum jeweiligen Messzeitpunkt abgeleitet wird, und anhand der abgeleiteten spektralen Information die Echtheit des geprüften Datenträgers und/ oder die Zugehörigkeit des geprüften Datenträgers zu einer von mehreren Datenträgerklassen mit unterschiedlichen Spektralsignaturen bestimmt wird.

Wie beschrieben, sind die Streifenleitungs-Resonatoren in einer bevorzugten Ausführung entlang einer Transportrichtung des Datenträgers hintereinander angeordnet und der Gradient des Polarisationsfelds ist parallel zur Transportrichtung. Dies hat den Vorteil, dass alle Resonatoren dieselbe Spur auf dem Datenträger messen, also mit einem gewissen Zeitversatz dieselben Messpunkte. Dies erleichtert die Auswertung und die Prüfung des Datenträgers.

Auch ein Mehrspur-Aufbau zur Erzeugung einer Ortsauflösung quer zur Transportrichtung ist vorteilhaft. Dazu werden mehrere Spuren mit jeweils einem eindimensionalen Array von Resonatoren für die Spektralauflösung aufgebaut.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Gradient des Polarisationsfelds quer oder schräg zur Transportrichtung des Datenträgers zeigt. Die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung können aus der Transportrichtung betrachtet auch nebeneinander angeordnet sein. Bevorzugt sind allerdings bei allen Gestaltungen die Resonatoren zumindest teilweise auf einer Linie angeordnet, die parallel zum Gradienten des Polarisationsfelds liegt, da so die größten Unterschiede in der Feldstärke Bo erzielt werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Anordnungen möglich, es muss lediglich sichergestellt sein, dass zumindest zwei Resonatoren der Resonatoreinrichtung an Positionen mit unterschiedlicher Polarisationsfeldstärke angeordnet sind.

Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Prüfvorrichtung eines Banknotenbearbeitungssystems für die Messung von Spin-Resonanzen eines Banknotenprüflings,

Fig. 2 im oberen Teil schematisch in Aufsicht die Resonatoreinrichtung der Prüfvorrichtung der Fig. 1 und den zugeführten Banknotenprüfling und im unteren Teil schematisch den Verlauf des inhomogenen Polarisationsfelds,

Fig. 3 das vereinfachte Spektrum einer Spinresonanz-Einie als Funktion des Polarisationsfelds Bo bei fester Anregefrequenz,

Fig. 4 Diagramme zur Illustration der Aufzeichnung des Spinresonanz-Spektrums der Spinresonanz-Linie der Fig. 3, in (a) mit einem herkömmlichen Sensorelement und in (b) mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement,

Fig. 5 in (a) eine herkömmliche Polarisationseinrichtung und in (b) bis (d) Polarisationseinrichtungen zur Erzeugung eines inhomogenen magnetischen Flusses im Luftspalt eines Magnetkreises,

Fig. 6 das Spektrum des Spinresonanz-Merkmals einer Papierprobe, und

Fig. 7 Signalkurven bei der Messung des Spinresonanz-Merkmals der Papierprobe der Fig. 6 mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement.

Die Erfindung wird nun am Beispiel der Echtheitsprüfung von Banknoten erläutert. Figur 1 zeigt dazu schematisch eine Prüfvorrichtung 20 eines Banknotenbearbeitungssystems für die Messung von Spin-Resonanzen eines Banknotenprüflings 10. Der Banknotenprüfling 10 weist ein Spinresonanz-Merkmal 12 auf, dessen charakteristische Eigenschaften zum Nachweis der Echtheit der Banknote dienen. Das Spinresonanz-Merkmal kann nur in einem Teilbereich der Banknote vorliegen oder kann sich, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, auch über die gesamte Fläche des Banknotenprüflings erstrecken.

Die Prüfvorrichtung 20 enthält ein Sensorelement 30 mit einem Magnetkern 35 mit einem Luftspalt 32, durch den der Banknotenprüfling 10 bei der Echtheitsprüfung entlang eines Transportpfads 14 geführt wird. Zur Detektion von Spinresonanz-Signaturen des Spinresonanz-Merkmals 12 erzeugt das Sensorelement 30 in einem Messbereich des Luftspalts 32 drei verschiedene Magnetfelder.

Zum einen wird durch eine Polarisationseinrichtung 34 ein statischer magnetischer Fluss parallel zur z- Achse im Messbereich erzeugt. Wie nachfolgend genauer beschrieben, erzeugt die Polarisationseinrichtung 34 einen inhomogenen magnetischen Fluss im Luftspalt 32, so dass die Feldstärke des Polarisationsfelds Bo an verschiedenen Stellen entlang des Transportpfads 14 unterschiedlich groß ist.

Zum zweiten erzeugt eine Modulationseinrichtung 36 ein zeitlich variierendes magnetisches Modulationsfeld in dem Luftspalt, das ebenfalls parallel zur z- Achse verläuft und eine Modulationsfrequenz fMod im Bereich zwischen 1 kHz bis 1 MHz aufweist. Schließlich erzeugt eine im Luftspalt 32 angeordnete Resonatoreinrichtung 40 ein Anregefeld Bi, das Energieübergänge zwischen den Spin-Energieniveaus im Spinresonanz-Merkmal 12 induziert. Die Resonatoreinrichtung 40 enthält dabei zumindest zwei an verschiedenen Positionen im Luftspalt angeordnete Streifenleitungs-Resonatoren, die aufgrund der Inhomogenität des magnetischen Flusses unterschiedliche Feldstärken erfahren.

Die Frequenz des Anregefelds liegt typischerweise oberhalb von 1 GHz und ist auf die Larmor-Frequenz des nachzuweisenden Spinresonanz-Merkmals 12 abgestimmt, um dessen Spinresonanz-Signatur messen und für die Echtheitsprüfung verwenden zu können. Die Prüfvorrichtung 20 enthält hierzu eine Signalquelle 22, deren Anregefrequenz fMw der erwarteten Larmor-Frequenz des Spinresonanz-Merkmals 12 entspricht. Das Anregesignal der Signalquelle 22 wird über einen Duplexer 24 einer Resonatoreinrichtung 40 zugeführt und erzeugt dort ein magnetisches Wechselfeld der Frequenz fMW.

Neben den genannten Elementen enthält die Prüfvorrichtung 20 eine Detektor-Diode 26 zur Messung der von der Resonatoreinrichtung 40 reflektierten Hochfrequenz-Eeistung und eine Auswerteeinheit 28 zur Auswertung und gegebenenfalls Anzeige des Messergebnisses. Ist das Spinresonanz-Merkmal 12 bei einer eingekoppelten Frequenz IMW in Resonanz, so ändert sich die Resonatorgüte und damit die von den Streifenleitungs-Resonatoren reflektierte Eeistung. Aufgrund der Modulation des statischen Polarisationsfelds durch die Modulationseinrichtung 36 oszilliert der genaue Wert der Larmor-Frequenz der Probe, so dass das erhaltene Messsignal mit der Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert ist.

Zur näheren Erläuterung der Besonderheiten der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 2 im oberen Teil der Figur in Aufsicht schematisch eine Resonatoreinrichtung 40 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Träger 42 und den auf dem Träger angeordneten ersten und zweiten Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46. Die beiden Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46 sind in der Transportrichtung 14 hintereinander angeordnet und werden daher von dem Spinresonanz-Merkmal 12 der Banknote 10 mit einem Zeitversatz nacheinander überstrichen. Die beiden Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46 sind unabhängig voneinander beschältet, haben aber eine identische geometrische Form und identische Resonanzfrequenzen f.

Der untere Teil der Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf 48 des inhomogenen Polarisationsfelds Bo entlang der x-Richtung und insbesondere am Ort der Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46. Im Ausführungsbeispiel hat die Feldstärke des Polarisationsfelds Bo entlang der Transportrichtung 14 einen linearen Verlauf. Ein erster Streifenleitungs-Resonator 44 befindet sich an einer Position XA mit der Polarisationsfeldstärke BO,A, während sich der von der Banknote 10 zuerst überstrichene zweite Streifenleitungs-Resonator 46 an einer Position XB mit der kleineren Polarisationsfeldstärke BO,B befindet.

Zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung zeigt das Diagramm 50 der Fig. 3 das vereinfachte Spektrum 52 einer Spinresonanz-Linie, vorliegend beispielsweise der Spinresonanz-Linie des Spinresonanz-Merkmals 12 der Banknote 10 als Funktion des Polarisationsfelds Bo bei fester Anregefrequenz f. Dabei kann, abhängig von den Details der elektronischen Detektionsschaltung, das Maximum links oder rechts der Mitte liegen.

Da die Larmorfrequenz des Spinresonanz-Merkmals 12 proportional zum Polarisationsfeld Bo ist, entspricht der in Fig. 3 dargestellte Kurvenverlauf 52 zugleich einem Frequenzspektrum der Spinresonanz-Linie, hn Kurvenverlauf 52 sind zwei charakteristische Spektralkomponenten 54A, 54B bei den oben angegebenen Polarisationsfeldstärken BO,A bzw. BO,B am Ort der Resonatoren 44 bzw. 46 eingezeichnet.

Wird Resonatoreinrichtung 40 der Fig. 2 bei einer bestimmten Feldstärke des von der Polarisationseinrichtung 34 erzeugten Polarisationsfelds von der Banknote 10 mit dem Spinresonanz-Merkmal 12 überstrichen, so detektiert jeder der beiden Streifenleitungs- Resonatoren 44, 46 die zu seiner Resonanzfrequenz gehörige Spektralkomponente 54A bzw. 54B des Spinresonanz-Merkmals 12.

Konkret misst der Streifenleitungs-Resonator 44 an der Position XA die spektrale Intensität Int(Bo,A) der zur Feldstärke BO,A gehörenden Spektralkomponente 54A und der Streifenleitungs-Resonator 46 an der Position XB die spektrale Intensität Int(Bo,B) der zur Feldstärke BO,B gehörenden Spektralkomponente 54B. Wie oben bereits grundsätzlich erläutert, wird bei einer realen Echtheitsprüfung das statische magnetische Feld Bo der Polarisationseinrichtung 34 mit Hilfe einer Ramp- spule zusätzlich um die Resonanzfeldstärke herum variiert und damit die Feldstärke des Polarisationsfelds Bo bei fester Frequenz f des Anregefelds durchfahren, um die Aufnahme eines Frequenzspektrums der Resonanz des Merkmals 12 zu erlauben.

Der Vorteil erfindungsgemäßer Gestaltungen wird mit Bezug auf die

Diagramme 60, 70 der Fig. 4 am Beispiel eines Spinresonanz-Merkmals 12 mit nur einer Spinresonanz-Einie näher erläutert. Die in den Figuren vereinfacht dargestellte Spinresonanz-Linie 62 des Merkmals 12 weist im Raum der Polarisationsfeldstärke beispielsweise eine Linienbreite - entsprechend dem Abstand von Minimum zu Maximum - von 10 ml auf.

Wird zur Aufzeichnung des Spinresonanz-Spektrums ein herkömmlicher Einzelresonator eingesetzt, so ist für eine vollständige Erfassung der spektralen Signatur bei einer Linienbreite von 10 ml eine Feldrampe 66 über einen Bereich von etwa 40 ml erforderlich, wie in Fig. 4(a) illustriert. hn dargestellten Vergleichsbeispiel wird das Spektrum in einem homogenen Polarisationsfeld mit einem Einzelresonator mit einer Resonanzfrequenz von f = 8,41 GHz aufgezeichnet. Bei der Resonanzfeldstärke 64, hier beispielsweise 300 ml, entspricht diese Frequenz gerade der Larmorfrequenz des Spinresonanz-Merkmals 12. Wie in Fig. 4(a) gezeigt, muss um die Resonanzfeldstärke 64 herum eine Feldrampe 66 mit einer Amplitude von -20 ml bis +20 ml durchfahren werden, um die Spinresonanz-Linie 62 mit ihrer Linienbreite von 10 ml vollständig vermessen zu können. Mit einer solch großen Feldrampe sind lange Messzeiten und ein hoher Strombedarf verbunden.

Wird dagegen zur Aufzeichnung des Spektrums ein inhomogenes Polarisationsfeld und eine Resonatoreinrichtung 40 mit mehreren beabstandet angeordneten Streifenleitungs-Resonatoren nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt, so kann eine wesentlich kürzere Messzeit und ein wesentlich geringerer Strombedarf erreicht werden.

Mit Bezug auf Fig. 4(b) enthält die Resonatoreinrichtung 40 eines erfindungsgemäßen Sensorelements 30 beispielsweise drei, in Transportrichtung beabstandet hintereinander angeordnete Streifenleitungs-Resonatoren, die alle eine Resonanzfrequenz von f = 8,41 GHz aufweisen. Die Streifenleitungs-Resonatoren sind im Ausführungsbeispiel so im Luftspalt angeordnet und auf den von der Polarisationseinrichtung 34 erzeugten inhomogenen magnetischen Fluss abgestimmt, dass an der Position des ersten Streifenleitungs-Resonators eine Feldstärke 72 von 287 mT, an der Position des zweiten Streifenleitungs-Resonators eine Feldstärke 74 von 300 mT, und an der Position des dritten Streifenleitungs-Resonators eine Feldstärke 76 von 313 mT herrscht.

Das Spinresonanzsignal des Merkmals 12 kann daher bei der festen Anregefrequenz von beispielsweise f = 8,41 GHz bei drei verschiedenen Polarisationsfeldstärken 72, 74, 76 gleichzeitig gemessen werden. Wie aus Fig. 4(b) ersichtlich, genügt zur vollständigen Erfassung der spektralen Signatur der Spinresonanz-Linie 62 dann eine wesentlich kleinere Feldrampe 78 mit einer Amplitude von nur etwa -6,5 mT bis 6,5 mT, einsprechend im Wesentlichen einem Drittel der Amplitude der herkömmlich benötigten Feldrampe 66 der Fig. 4(a).

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, einen inhomogenen magnetischen Fluss im Luftspalt des Magnetkreises zu erzeugen, wie mit Bezug auf die Fig. 5 anhand einiger vorteilhafter Ausgestaltungen illustriert. Bei einem herkömmlichen Magnetkern 80 sind die den Luftspalt 32 des homogenen Magnetkerns bildenden Polflächen 82 planparallel angeordnet, wie in Fig. 5(a) gezeigt. Bei einem solchen homogenen Magnetkern 80 erzeugt die Polarisationseinrichtung ein homogenes Magnetfeld Bo im Luftspalt 32, das für die vorliegende Erfindung nicht geeignet ist. Bei einem Magnetkern 84 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine der Polflächen 86 des Magnetkerns 84 in einem definierten Winkel abgeschrägt, wie in Fig. 5(b) dargestellt. Es können auch beide Polflächen 86, 88 des Magnetkerns 84 abgeschrägt sein, wie in Fig. 5(b) ebenfalls angedeutet. Der von den beiden Polflächen gebildete Winkel liegt insbesondere zwischen 1° und 10°, beispielsweise bei 5°. Ein Magnetkern 84 mit abgeschrägten Polflächen 86 bzw. 86, 88 ist mechanisch einfach zu realisieren. Die Feldstärke Bo im Luftspalt 32 variiert dabei umgekehrt proportional zum lokalen Abstand zwischen den Polflächen, beispielsweise nimmt die Feldstärke des Polarisationsfelds Bo in der Orientierung der Fig. 5(b) von links nach rechts linear ab.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können eine oder beide Polflächen des Magnetkerns 90 auch stufig ausgebildet sein, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 5(c) gezeigt, bei dem beide Polflächen 92, 94 stufenförmig ausgebildet sind. Die Feldstärke Bo im Luftspalt 32 hat dabei einen stufenförmigen Verlauf und nimmt beispielsweise bei der Orientierung der Fig. 5(c) von links nach rechts stufenförmig ab. Ein stufenförmiger Verlauf des Polarisationsfelds Bo hat den Vorteil, dass die Streifenleitungs-Resonatoren jeweils in einem Bereich mit lokal konstanter Feldstärke angeordnet sein können, so dass die Streifenleitungs-Resonatoren ein unterschiedliches, aber jeweils über ihre Flächenausdehnung konstantes Polarisationsfeld BO,A, BO,B etc. erfahren.

Ein Magnetkern 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5(d) gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der magnetische Leiter 102 des Magnetkerns 100 mit einem keilförmigen Flussleitstück 104 versehen, dessen magnetischer Widerstand größer ist als der magnetische Widerstand des Leiters 102 selbst. Das Flussleitstück 104 führt durch seine Keilform zu einer ortsabhängigen Variation des im Luftspalt 32 erzeugten Magnetfelds und damit zu einem inhomogenen Polarisationsfeld.

Durch die Formgebung des Flussleitstücks 104 kann ein gewünschter Verlauf des inhomogenen Polarisationsfelds eingestellt werden. Beispielsweise führt die in Fig. 5(d) gezeigte Keilform zu einer linearen Zu- bzw. Annahme des Polarisationsfelds im Luftspalt. Durch ein stufenförmiges Flussleitstück kann auch ein stufenförmiger Verlauf des Polarisationsfelds Bo erzeugt werden. Ein Vorteil der Ausgestaltung mit einem Flussleitstück 104 besteht darin, dass die Polflächen 106 des Magnetkerns 100 selbst planparallel sein können, was einen ungestörten Transport der Banknotenprüflinge durch den Luftspalt 32 erleichtert. Das Flussleitstück 104 kann direkt am Luftspalt 32 liegen, oder, wie in Fig. 5(d) gezeigt, nahe des Luftspalts, wobei die Polfläche 106 jedoch von einem weiteren Element gebildet wird, das beispielsweise aus demselben Material wie der Magnetkern 100 bestehen kann.

Um die Funktionsweise der Erfindung zu demonstrieren, wurde das Verhalten eines Sensorelements mit einer Resonatoreinrichtung mit zwei quadratischen X/ 2-Streifenlei- tungs-Resonatoren nach Fig. 2 simuliert.

Die Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46 sind dabei auf einer Leiterplatte 42 der Stärke 1,5 mm aufgebaut, deren Dielektrizitätskonstante 3,66 beträgt. Die Resonatoren 44, 46 haben einen Abstand von 15 mm entlang der Banknoten-Transportrichtung 14. Die Kantenlänge der Resonatoren beträgt 7,1 mm, entsprechend einer Resonanzfrequenz von 9,8 GHz.

Die beiden Resonatoren 44, 46 werden über Zirkulatoren mit unabhängigen 50 Q-Sig- nalquellen betrieben, die mit gleicher Leistung im Dauerstrich (CW)-Modus auf der Resonanzfrequenz laufen. Zur Ankopplung an die Signalquelle sind die Resonatoren durch eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte 42 angebunden. Die Durchkontaktierung hat dabei einen Abstand von 2,2 mm zur Resonatorkante. An diesem Punkt beträgt die Resonator-Impedanz 50 Q.

Die so aufgebaute Resona toreinrichtung 40 wird in den Luftspalt eines magnetischen Kreises eingebaut. Der Luftspalt ist durch zwei Polflächen eines Magnetkerns 84 begrenzt, wobei wie in Fig. 5(b) eine der beiden Polflächen planparallel zur Ebene der zu prüfenden Banknoten ist, währen die zweite Polfläche 86 abgeschrägt ist und in einem Winkel von 5° zur Banknotenebene verläuft. Durch diese Gestaltung wird im Luftspalt ein Polarisationsfeld Bo mit inhomogener magnetischer Flussdichte erzeugt.

Konkret entsteht durch die Abschrägung ein in Transportrichtung linear zunehmendes Polarisationsfeld Bo mit einem Gradienten von 3 mT/mm. Die Feldstärke des Polarisationsfelds Bo an der Position des zweiten Streifenleitungs-Resonators 46 beträgt im Ausführungsbeispiel BO,B = 300 mT, und die Feldstärke an der Position des ersten Streifenleitungs-Resonators 44 beträgt BO,A = 345 mT. Das inhomogene Polarisationsfeld ist von einem räumlich konstanten Modulationsfeld B _mo d überlagert.

Anschließend wurde eine Papierprobe der Länge 100 mm über ihre Fläche homogen mit einem Spinresonanz-Merkmal beladen, dessen Spektrum 112 im Diagramm 110 der Fig. 6 dargestellt ist. Die Polarisationsfeldstärken BO,A und BO,B am Ort der Resonatoren 44, 46 und die zugehörigen relativen Signalintensitäten Int(Bo,A) und Int(Bo,B) sind ebenfalls eingezeichnet.

Die Papierprobe mit diesem Spinresonanz-Merkmal wird über die Resonatoreinrichtung 40 transportiert und mit den beiden Resonatoren 44, 46 die Signalintensität des Spinresonanz-Merkmals aufgezeichnet. Die erhaltenen Signalkurven 122A (Resonator 44) und 112B (Resonator 46) sind im Diagramm 120 der Fig. 7 dargestellt, das die gemessenen Signalintensitäten in Abhängigkeit vom Ort x zeigt. Die Signalkurven wurden dabei auf die mittlere Signalintensität der Signalkurve 122A normiert.

Durch Mittelung der Signalintensität im Plateaubereich jeder Signalkurve 122A, 122B erhält man ein Verhältnis der Signalintensität des ersten Resonators 44 zu der Signalintensität des zweiten Resonators 46 von l,0/-0,55, was sehr gut mit dem aus dem Resonanzspektrum der Fig. 6 erwarteten Verhältnis Int(Bo,A)/Int(Bo _/ B) übereinstimmt.

Bei den bisher beschriebenen Anordnungen sind die Streifenleitungs-Resonatoren der

Resonatoreinrichtung so platziert und dimensioniert, dass die Feldstärke des Polarisationsfelds Bo an der Position der Resonatoren in Verbindung mit der Resonatorfrequenz im Wesentlichen innerhalb der Linienbreite der zu messenden Larmo- rfrequenz liegt. Es ist aber auch möglich, einen Streifenleitungs-Resonator so zu platzieren, dass die dort herrschende Feldstärke keiner der erwarteten Larmorfrequenzen ent- spricht.

Mit einem solchen Resonator kann dann ein Negativnachweis durchgeführt werden, das heißt, für eine echte Banknote wird für diesen Resonator kein Spinresonanz-Signal erwartet.

Bezugszeichenliste

Banknotenprüfling

Spinresonanz-Merkmal

Transportpfad

Prüfvorrichtung

Signalquelle

Duplexer

Detektor-Diode

Auswerteeinheit

Sensorelement

Luftspalt

Polarisationseinrichtung

Magnetkern

Modulationseinrichtung

Resonatoreinrichtung

Träger , 46 Streifenleitungs-Resonatoren

Verlauf des inhomogenen Polarisationsfelds

Diagramm

Spektrum einer Spinresonanz-LinieA, 54B Spektralkomponenten

Diagramm

Spinresonanz-Linie

Resonanzfeldstärke

Feldrampe

Diagramm , 74, 76 Polarisationsfeldstärken

Feldrampe

Polarisationseinrichtung 82 planparallele Polflächen

84 Polarisationseinrichtung

86, 88 abgeschrägte Polflächen

90 Polarisationseinrichtung 92, 94 stufenförmige Polflächen

100 Polarisationseinrichtung

102 magnetischer Leiter

104 Flussleitstück

106 planparallele Polflächen 110 Diagramm

112 Spektrum des Spinresonanz-Merkmals

120 Diagramm

122A, 122B Signalkurven