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 Anregungsfrequenz 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 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 Anwendung 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. Bei dem Spinresonanz-Merkmal handelt es sich bevorzugt um ein ESR-Merkmal.

Die Resonatoreinrichtung enthält dabei zumindest zwei Streifenleitungs-Resonatoren, die auf einen Betrieb bei verschiedenen Anregungsfrequenzen ausgelegt und eingerichtet sind. Beispielsweise unterscheiden sich die Anregungsfrequenzen der zumindest zwei Streifenleitungsresonatoren um zumindest 1%, bevorzugt um zumindest 2% .

Wie nachfolgend genauer erläutert, ermöglicht die Anordnung von mehreren Streifenleitungs-Resonatoren, die bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen betrieben werden, die gleichzeitige Messung der Spinresonanz bei mehreren verschiedenen Frequenzen 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. In einer Prüfvorrichtung ist das eindimensionale Array dabei insbesondere parallel zu einem Transportpfad der Datenträger, so dass die Streifenleitungs-Resonatoren von dem bewegten Datenträger nacheinander überstrichen werden.

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.

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.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung alle unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Die Resonanzfrequenzen können insbesondere äquidistant verteilt sein, so dass die Resonanzfrequenz bei einer Anzahl von N Resonatoren für den i-ten Resonator durch die Beziehung fi = fo + (i-l)*Af, mit i = 1, ..., N, mit einer Minimalfrequenz fo und einem konstanten Frequenzabstand Af gegeben ist. Der Resonator mit der höchsten Frequenz weist eine Resonanzfrequenz von fN = fo + (N-l)*Af auf. Beispielsweise unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen von je zwei Streifenleitungs-Resonatoren um zumindest 1%, bevorzugt um zumindest 2% . Zur Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses können auch jeweils mehrere Streifenleitungs-Resonatoren bei jeder der Frequenzen ß vorgesehen sein.

Die Streifenleitungs-Resonatoren sind vorteilhaft geometrisch ähnlich ausgebildet, weisen also gleiche Form aber unterschiedliche Größe auf. Insbesondere können die Streifenleitungs-Resonatoren unterschiedliche Kantenlängen aufweisen, beispielsweise können quadratische Streifenleitungs-Resonatoren unterschiedlicher Kantenlänge 1 vorgesehen sein oder rechteckige Streifenleitungs-Resonatoren mit unterschiedlichen Kantenlängen 1 _X/ ly, aber gleichem Seitenverhältnis l _x /ly, oder rechteckige Streifenleitungs-Resonatoren mit unterschiedlicher Fänge aber gleicher Breite. Der genannte Luftspalt ist vorteilhaft durch zwei planparallele Polflächen des Magnetkerns begrenzt. An den Polflächen besteht der Magnetkern dabei bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material mit einer magnetischen Permeabilität g _r »1, also insbesondere |i i größer 1 ^X IO ² , die Polflächen können aber auch von einem paramagnetischen Material mit gr « 1, also insbesondere g _r höchstens 1+10 ² , gebildet werden. Die Polarisationseinrichtung erzeugt mit Vorteil einen statischen magnetischen Fluss in dem Luftspalt, der am Ort jedes der Streifenleitungs-Resonatoren im Wesentlichen gleich stark ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der statische magnetische Fluss am Ort der Streifenleitungs-Resonatoren eine maximale Abweichung von 2% aufweist.

Mit Vorteil sind die Streifenleitungs-Resonatoren flächig mit einer Haupterstreckungsebene ausgebildet, die planparallel zu zumindest einer der den Luftspalt begrenzenden Polflächen des Magnetkerns ist. Die Haupterstreckungsebene steht weiter mit Vorteil senkrecht auf der Richtung des von der Polarisationseinrichtung erzeugten statischen magnetischen Flusses. 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.

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.

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, auf Betrieb bei verschiedenen Resonanzfrequenzen eingerichteten und ausgelegten 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. Darüber hinaus enthält die Prüfvorrichtung entweder eine Mehrzahl von Signalquellen mit verschiedenen Anregungsfrequenzen, aus denen die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung gespeist sind, oder eine einzige Signalquelle mit einem Anregungssignal mit mehreren verschiedenen Frequenzkomponenten, aus der die Streifenleitungs-Resonatoren gespeist sind. Im letztgenannten Fall weist die Resonatoreinrichtung zweckmäßig Streifenleitungs-Resonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf, die jeweils einer der Frequenzkomponenten des Anregungssignals entsprechen, so dass jeder der Streifenleitungs-Resonatoren von dem Anregungssignal durch die passende Frequenzkomponente bei seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Dies ist im Zusammenhang mit Fig. 5 anhand eines Ausführungsbeispiels genauer erläutert.

Vorteilhaft enthält die Prüfvorrichtung weiter eine Transporteinrichtung, die die zu prüfenden flächigen Datenträger entlang eines Transportpfades durch den Luftspalt des Magnetkerns führt. Die Transporteinrichtung ist insbesondere auf einen schnelllaufenden 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 ein statischer magnetischer Fluss und vorzugsweise mit einer Modulationseinrichtung ein zeitlich variierendes magnetisches Modulationsfeld in dem Luftspalt erzeugt wird, und 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 statischen magnetischen Fluss ein räumlich homogenes Rampfeld überlagert wird, so dass der gesamte statische magnetische Fluss im Luftspalt 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. 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.

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 homogenen Polarisationsfelds,

Fig. 3 das vereinfachte Spektrum einer Spinresonanz-Einie als Funktion der Anregefrequenz bei festem Wert des Polarisationsfelds,

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 eine Schaltung für die Anbindung der Resonatoreinrichtung eines erfindungsgemäßen Sensorelements mit nur einem einzigen Signalzweig,

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

Fig. 7 Signalkurven bei der Messung des Spinresonanz-Merkmals 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, der einen durch zwei Polflächen 38 begrenzten Luftspalt 32 aufweist, 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 homogener, statischer magnetischer Fluss parallel zur z- Achse im Messbereich erzeugt. Um ein starkes Polarisationsfeld zu erzeugen, beträgt die Höhe des Luftspalts in z-Richtung vorteilhaft weniger als 10 mm, insbesondere sogar weniger als 5 mm.

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 Streifenleitungs-Resonatoren, die bei verschiedenen Anregungsfrequenzen betrieben werden.

Die Prüfvorrichtung 20 enthält hierzu eine oder mehrere Signalquellen 22, deren Anregungssignale beispielsweise über einen Duplexer 24 der Resonatoreinrichtung 40 zugeführt werden und dort magnetische Wechselfelder mit zwei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen für die gleichzeitige Messung des Spinresonanz-Merkmals 12 bei verschiedenen Frequenzen erzeugen. Die Prüfvorrichtung 20 kann hierzu mehrere Signalquellen mit verschiedenen Anregungsfrequenzen enthalten oder auch nur eine einzige Signalquelle 22 mit einem Anregungssignal mit mehreren verschiedenen Frequenzkomponenten, das aufgrund der besonderen Ausbildung der Streifenleitungs-Resonatoren dort magnetische Wechselfelder mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt. Die Anregefeld hat typischerweise Frequenzen oberhalb von 1 GHz und ist senkrecht zur z-Richtung polarisiert.

Neben den genannten Elementen enthält die Prüfvorrichtung 20 eine Detektor-Diode 26 zur Messung der von der Resonatoreinrichtung 40 reflektierten Hochfrequenz-Leistung und eine Auswerteeinheit 28 zur Auswertung und gegebenenfalls Anzeige des Messergebnisses. Ist das Spinresonanz-Merkmal 12 bei einer eingekoppelten Frequenz in Resonanz, so ändert sich die Resonatorgüte und damit die von den Streifenleitungs-Resonatoren reflektierte Leistung. 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, mit einem auf dem Träger angeordneten ersten Streifenleitungs-Resonator 44 mit einer Resonanzfrequenz fA und einem auf dem Träger angeordneten zweiten Streifenleitungs-Resonator 46 mit einer Resonanzfrequenz fß.

Wie im unteren Teil der Fig. 2 angedeutet, erzeugt die Polarisationseinrichtung 34 ein homogenes Polarisationsfeld Bo im Luftspalt 32, so dass die Feldstärke des Polarisationsfelds an den Positionen XA bzw. XB der beiden Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46 im Wesentlichen gleich hoch ist. Konkret sind im Ausführungsbeispiel die beiden Polflächen 38 des Magnetkerns 35 planparallel zueinander und zur Ebene der Resonatoreinrichtung 40 ausgebildet und die Feldstärke des Polarisationsfelds an den Orten XA bzw. XB unterscheidet sich um höchstens 2% .

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 haben beide quadratische Form, weisen aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Kantenlängen unterschiedliche Resonanzfrequenzen fA, h auf.

Zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung zeigt das Diagramm 50 der Fig. 3 das vereinfachte Spektrum 52 einer Spinresonanz-Einie, vorliegend beispielsweise der Spinresonanz-Linie des Spinresonanz-Merkmals 12 der Banknote 10 als Funktion der Anregefrequenz f bei festem Wert des Polarisationsfelds Bo. In den Kurvenverlauf 52 sind zwei charakteristische Spektralkomponenten 54A, 54B bei den oben angegebenen Resonanzfrequenzen fA bzw. fß der beiden Resonatoren 44 bzw. 46 eingezeichnet.

Wird Resonatoreinrichtung 40 der Fig. 2 bei der Polarisationsfeldstärke Bo von der Banknote 10 mit dem Spinresonanz-Merkmal 12 überstrichen, so detektiert jeder der beiden Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46 die zu seiner Resonanzfrequenz fA bzw. fß gehörige Spektralkomponente 54A bzw. 54B des Spinresonanz-Merkmals 12. Konkret misst der Streifenleitungs-Resonator 44 an der Position XA die spektrale Intensität Int(fA) der Spektralkomponente 54A und der Streifenleitungs-Resonator 46 an der Position XB die spektrale Intensität Jnt(fß) der 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 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-Linie 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 mit einer Resonanzfrequenz 64 von fo = 8,41 GHz eingesetzt, so ist bei einer Polarisationsfeldstärke Bo = 300 ml für eine vollständige Erfassung der spektralen Signatur bei dieser Linienbreite eine Feldrampe 66 über einem Bereich von etwa 40 ml erforderlich, wie in Fig. 4(a) illustriert. Die Feldrampe 66 kann in die Diagramme 60, 70 eingezeichnet werden, da aufgrund der Proportionalität der Larmorfrequenz des Spinresonanz-Merkmals zur Stärke des Polarisationsfelds Bo das Frequenzspektrum der Diagramme 60, 70 zugleich einem Spektrum im Raum der Polarisationsfeldstärke entspricht. Da die Larmorfrequenz proportional zur Polarisationsfeldstärke ist, ist bei einer hohen Feldstärke die feste Anregefrequenz kleiner als die Larmorfrequenz und bei einer niedrigen Feldstärke ist die die feste Anregefrequenz größer als die Larmorfrequenz. hn Ausführungsbeispiel der Fig. 4 entspricht beispielsweise bei einer Polarisationsfeldstärke von Bo = 300 mT die Anregefrequenz von 8,41 GHz gerade der Larmorfrequenz des zu prüfenden Spinresonanz-Merkmals 12. Wie aus Fig. 4(a) ersichtlich, muss um die Resonanzfeldstärke herum eine Feldrampe 66 mit einer Amplitude von -20 mT bis +20 mT durchfahren werden, um bei fester Anregefrequenz die Spinresonanz-Linie 62 mit ihrer Linienbreite von 10 mT vollständig vermessen zu können. Mit einer solchen Feldrampe sind lange Messzeiten und ein hoher Strombedarf verbunden. Wird dagegen zur Aufzeichnung des Spektrums eine Resonatoreinrichtung mit mehreren Streifenleitungs-Resonatoren unterschiedlicher Resonanzfrequenz 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 eines erfindungsgemäßen Sensorelements beispielsweise fünf in Transportrichtung beabstandet hintereinander angeordnete Streifenleitungs-Resonatoren mit den Resonanzfrequenzen fA = 7,96 GHz, fr = 8,18 GHz, fr = 8,41 GHz, fr> = 8,63 GHz und fr = 8,85 GHz. Die Resonanzfrequenz fr des mittleren Streifenleitungs-Resonators entspricht dabei der Resonanzfrequenz fr des Einzelresonators der Fig. 4(a) und gerade der zentralen Frequenz der Spinresonanz-Einie 62 bei der Polarisationsfeldstärke Bo = 300 mT.

Mit der Resonatoreinrichtung 40 kann somit bei einem festen Wert der Polarisationsfeldstärke Bo gleichzeitig die Intensität bei fünf verschiedenen Frequenzen fA bis fr gemessen werden. Die Frequenzen fA bis fr sind in Fig. 4(b) mit gestrichelten Linien eingezeichnet.

Um die Spinresonanz-Linie 62 mit ihrer Linienbreite von 10 mT vollständig vermessen zu können, ist auch hier eine zusätzliche Feldrampe 78 erforderlich. Allerdings genügt, wie aus Fig. 4(b) weiter ersichtlich, hier zur vollständigen Erfassung der spektralen Signatur der Spinresonanz-Linie 62 eine wesentlich kleinere Feldrampe 78 mit einer Amplitude von nur etwa -3,5 mT bis 3,5 mT, einsprechend etwa einem Fünftel der Amplitude der herkömmlich benötigten Feldrampe 66 der Fig. 4(a).

Da das Polarisationsfeld im Luftspalt homogen und die Polarisationsfeldstärke Bo daher für alle fünf Streifenleitungs-Resonatoren gleich ist, ist auf der oberen Achse des Diagramms 70 bei den Resonanzfrequenzen fA bis fr jeweils die Polarisationsfeldstärke Bo = 300 mT angegeben. Die Pfeile der Feldrampe 78 zeigen die Abtastung der Form der Spektrallinie 62 durch die Feldrampe 78 mit einer Gesamtamplitude von etwa 7 mT an. Durch die gleichzeitige Vermessung bei fünf Frequenzen kann die Spektrallinie 62 bei gleicher spektraler Auflösung mit deutlich verkürzter Messzeit und damit einem wesentlich geringeren Strombedarf vermessen werden.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Resonatoreinrichtung zur Illustration lediglich zwei Streifenleitungs-Resonatoren, es versteht sich aber, dass auch eine größere Anzahl an Streifenleitungs-Resonatoren verwendet werden können, um insbesondere eine bessere spektrale Auflösung zu erreichen, wie beispielsweise im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen dienen die Streifenleitungs-Resonatoren der Erfassung der spektralen Komponenten einer einzigen Spinresonanz-Linie. Ist die Banknote 10 bzw. allgemein ein zu prüfender Datenträger mit einem Spinresonanz-Merkmal ausgestattet, das mehrere spektrale Linien zeigt, kann die Resonatoreinrichtung ohne Weiteres mit zusätzlichen Streifenleitungs-Resonatoren versehen werden, die spektrale Komponenten der zusätzlichen Linien erfassen.

Die einzelnen Streifenleitungs-Resonatoren einer erfindungsgemäßen Resonatoreinrichtung können mit Hilfe unabhängiger Signalquellen betrieben werden. Dies erfordert allerdings auch, dass die Resonatoren an unabhängige Signalzweige angebunden sind, wofür, insbesondere bei einer großen Anzahl an Resonatoren, viel Bauraum zur Schaltungsimplementierung benötigt wird.

Figur 5 zeigt eine alternative Schaltung 80 für die Anbindung einer Resonatoreinrichtung 40 eines erfindungsgemäßen Sensorelements 30 mit nur einem einzigen Signalzweig. Alle Streifenleitungs-Resonatoren 44, 46 der Resonatoreinrichtung 40 sind mit diesem Signalzweig verbunden, so dass der benötige Bauraum gering ist. Der Einfachheit halber sind in der Schaltung 80 der Fig. 5 nur zwei Resonatoren 44, 46 gezeigt. Durch eine Parallelisierung weiterer Anregequellen und Empfangsmischer kann die Resonator-Anzahl aber ohne Weiteres nach Wunsch erhöht werden.

Die Schaltung 80 der Fig. 5 untergliedert sich in eine Anregeschaltung 82 und eine Empfangs Schaltung 84. Weiterhin untergliedert sich die Schaltung in einen digitalen Teil und in einen analogen Teil. Die Trennung erfolgt hier bei den gezeigten Digital- Analog (D/ A) bzw. Analog-Digital (A/D) Wandlern. Der Digitalteil der Schaltung kann vorteilhaft mit Hilfe eines FPGAs implementiert werden. So können auf einfache Art und Weise zusätzliche Signalquellen und Empfangsmischer hinzugefügt werden. hn analogen Teil der Schaltung befindet sich eine Hochfrequenz-Quelle 86, die ein Signal bei einer Trägerfrequenz liefert, die näherungsweise den Resonanzfrequenzen der mehreren Resonatoren entspricht. Beispielsweise kann sie dem Mittelwert der Resonanzfrequenzen entsprechen, oder sie kann etwas niedriger als die niedrigste Resonanzfrequenz sein. Insbesondere liegt die Trägerfrequenz im GHz-Bereich. hn FPGA befinden sich mehrere Signalquellen 22, die im Basisband der Schaltung 80, also bei niedrigen Frequenzen, beispielsweise im Bereich von einigen kHz bis 1 GHz, betrieben werden. Bevorzugt hat die Frequenz einer Signalquelle 22 einen festen Frequenzabstand zur Resonanzfrequenz des dazugehörigen Resonators. Dieser Frequenzabstand ist bevorzugt für alle Paare von Signalquellen und Resonatoren gleich und durch die Trägerfrequenz definiert.

Die Signalquellen 22 werden addiert, einer D/A Wandlung unterzogen und anschließend mit dem Hochfrequenzträger 86 aufwärtsgemischt. Zur besseren Anschaulichkeit sind in der Figur keine Filterbänke eingezeichnet. Nach einer Signalverstärkung wird das so erhaltene Bandpass-Signal einem Zirkulator 88 zugeführt. Sind die Frequenzen der einzelnen Signalquellen 22 mit der Trägerfrequenz und den jeweiligen Resonanzfrequenzen fA, fß abgestimmt, teilen sich die einzelnen Spektralkomponenten des Bandpass-Signals auf die jeweiligen Resonatoren 44, 46 auf, da jeder Resonator nur bei seiner Resonanzfrequenz effektiv angeregt werden kann.

Beispielsweise können die zwei im FPGA befindlichen Signalquellen 22 mit 100 MHz bzw. 700 MHz betrieben werden. Eine anschließende Mischung mit einem Hochfrequenzträger 86 der Frequenz 9,0 GHz erlaubt die Ankopplung eines 9,1-GHz- und eines 9,7-GHz-Resonators.

Das von den Resonatoren 44, 46 reflektierte Signal wird über den Zirkulator 88 einem Empfangsverstärker zugeführt, abwärtsgemischt (Phasenschieber sind der Einfachheit halber nicht gezeigt) und einer A/D-Wandlung unterzogen. Nachfolgend kann im FPGA eine weiterführende Signalverarbeitung, bspw. eine Lock-In Detektion der Feld- Modulation, erfolgen. Die Figur zeigt hierzu beispielhaft zwei Auswerteinheiten 90 für die Auswertung der bei den Anregefrequenzen fA, fß erhaltenen Antwortsignale des geprüften Spinresonanz-Merkmals.

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 Eeiterplatte 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 des ersten Resonators 44 beträgt 8,1 mm, entsprechend einer Resonanzfrequenz von fA = 8,8 GHz, die Kantenlänge des zweiten Resonators beträgt 7,1 mm, entsprechend einer Resonanzfrequenz von fß = 9,8 GHz.

Die beiden Resonatoren 44, 46 werden über Zirkulatoren mit unabhängigen 50 Q-Sig- nalquellen betrieben, die mit gleicher Eeistung im Dauerstrich (CW)-Modus auf der jeweiligen Resonanzfrequenz laufen. Zur Ankopplung an die Signalquelle wird die Impedanz der Resonatoren mit Hilfe eines X/ 4-Transformators auf 50 Q transformiert.

Die so aufgebaute Resona toreinrichtung 40 wird in den Luftspalt eines magnetischen Kreises eingebaut, in dem ein homogenes Polarisationsfeld einer Stärke von 300 mT erzeugt wird.

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 Resonanzfrequenzen fA und fß der beiden Resonatoren 44, 46 und die zugehörigen relativen Signalintensitäten Int(fA) und Int(fß) 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 122B (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/-0,85, was sehr gut mit dem aus dem Resonanzspektrum der Fig. 6 erwarteten Verhältnis Int(fA)/Int(fß) übereinstimmt.

Bei den bisher beschriebenen Anordnungen sind die Streifenleitungs-Resonatoren der Resonatoreinrichtung so ausgelegt, dass ihre Resonanzfrequenz im Wesentlichen innerhalb der Linienbreite der zu messenden Spinresonanz-Linie liegt. Es ist aber auch möglich, einen Streifenleitungs-Resonator in der Resonatoreinrichtung vorzusehen, dessen Resonanzfrequenz mit keiner der erwarteten Larmorfrequenzen übereinstimmt. 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

Polflächen

Resonatoreinrichtung

Träger , 46 Streifenleitungs-Resonatoren

Diagramm

Spektrum einer Spinresonanz-LinieA, 54B Spektralkomponenten

Diagramm

Spinresonanz-Linie

Resonanzfrequenz

Feldrampe

Diagramm

Feldrampe

Schaltung

Anregeschaltung 84 Empfangsschaltung

86 Hochfrequenzträger

88 Zirkulator

HO Diagramm 112 Spektrum des Spinresonanz-Merkmals

120 Diagramm

122A, 122B Signalkurven