DE19926010C2

DE19926010C2 - Wert- und Sicherheitsdokument mit Sicherheitsmerkmal mit Piezo-Effekt-basierten Eigenschaften und dazugehöriges Nachweisverfahren

Info

Publication number: DE19926010C2
Application number: DE19926010A
Authority: DE
Inventors: Anett Bailleu; Frank Kappe; Roland Gutmann; Benedikt Ahlers; Arnim Franz Burgholz
Original assignee: Bundesdruckerei GmbH
Current assignee: Bundesdruckerei GmbH
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: EP1059620A1; DE19926010A1; EP1059620B1; US6659351B1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Wert- und Sicherheitsdokument mit Sicherheitsmerkmal mit auf dem Piezo-Effekt beruhenden Eigenschaften und ein entsprechendes Nachweisverfahren.

Es ist es bekannt, Sicherheitsmerkmale an Wert- und Sicherheitsdokumenten in Form von Partikeln anzubringen oder aufzubringen, wobei diese Partikel als Elektrolumineszenzelemente ausgebildet sind. Derartige Elektrolumeneszenzelemente reagieren in einem elektromagnetischen Wechselfeld, indem sie ein bestimmtes Licht emittieren. Voraussetzung für dieses Sicherheitsmerkmal ist allerdings die Aufbringung eines externen elektromagnetischen Feldes, was mit relativ hohen Aufwendungen verbunden ist. Außerdem ist der Anwendungsbereich dieser mit EL-Partikeln versehenen Sicherheits- und Wertdokumente darauf beschränkt, daß eben ein Licht in einer bestimmten Wellenlänge emittiert wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Wert- und Sicherheitsdokument der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ein Sicherheitsmerkmal besser und fälschungssicherer als bisher mit diesem verbunden ist. Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Verfahren zur Detektion dieses Sicherheitsmerkmales beschrieben wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgaben ist die Erfindung durch die technischen Lehren der Ansprüche 1 und 6 gekennzeichnet.

Die Lösung der ersten Aufgabe erfolgt im wesentlichen dadurch, daß das Wert- und Sicherheitsdokument mit piezoelektrischen Eigenschaften ausgerüstet ist.

Die Lösung der zweiten Aufgabe erfolgt im wesentlichen dadurch, daß das Wert- und Sicherheitsdokument den Signalen ausgesetzt wird, wobei die piezoelektrischen Eigenschaften ausgenutzt werden. Die von den Piezoelementen abgegebenen Signale werden dann anschließend erfaßt und ausgewertet.

Werden Wert- und Sicherheitsdokumente mit piezoelektrischen Sicherheitsmerkmalen ausgestattet, so lassen sich diese mechanisch (z. B. durch Anschlagen oder akustisch) oder wahlweise elektrisch anregen und deren Antworten detektieren und auswerten. Aus der Systemantwort des Wert- und Sicherheitsdokumentes läßt sich auf die verwendeten Materialien und auf deren geometrische Abmessungen schließen. Ein Vergleich von Prüfling und Referenzmuster läßt eine Unterscheidung von echten und gefälschten Wertpapieren bzw. Produkten zu.

Die Ausstattung relevanter Produkte mit piezoelektrischen Sicherheitsmerkmalen kann erfolgen, indem:

- piezoelektrische µm-Partikel dem Grundwerkstoff des Sicherheitsproduktes (z. B. Papier, Folien, Glas) während der Herstellung beigemengt werden.

Als µm-Partikel werden Elemente bezeichnet deren geometrische Abmessungen im Bereich von µm liegen.

Angeregt mit Impulsen reagieren die Piezos mit Schwingungen, welche wiederum elektrisch oder mechanisch (akustisch) übertragen werden und geeignet auswerten können. Insbesondere die Eigenfrequenzen dieser Schwingungen sind dabei sehr signifikante Charakteristika für verwendete Materialarten und deren geometrische Abmessungen. Als zusätzlicher Informationsparameter kann die Signaldämpfung (FFT) eines übertragenen Signales ausgewertet werden. In der Erfindung wird also sowohl der Piezo-Effekt als auch der reziproke Piezo- Effekt zur Auswertung herangezogen.

So erhält man mit dem Frequenzspektrum nach Empfangssignalabtastung und FFT eine Art "Fingerprint" des Wertpapiers bzw. Produkts.

Es ist vorgesehen, daß in einem derartigen Wert- und Sicherheitsdokument piezoelektrisch wirksame Partikel eingebettet sind. Hierbei kommt es auf die Korngröße und die Art und der Anordnung dieser Partikel im einzelnen nicht an. Sie können entweder gleichmässig in das gesamte Material des Wert- und Sicherheitsdokuments oder gleichmäßig nur in bestimmte Bereiche eingebettet werden.

Statt der Verwendung von einzelnen Piezo-Partikeln, ist es in einer anderen Ausgestaltung möglich, derartige Elemente, insbesondere in Kristallstruktur, zu sintern, um hieraus größere Piezo-Elemente zu schaffen. Auch derartige, größere Piezo-Elemente können eingebettet werden.

Wichtig bei der Erfindung ist, daß nun dem ansich bekannten erstgenannten Sicherheitsmerkmal, d. h. die Emittierung eines bestimmten Lichtspektrums, nun ein weiteres Sicherheitsmerkmal zugeordnet wird, welches in Alleinstellung oder in Verbindung mit anderen Sicherheitsmerkmalen wirken kann. Bei der entsprechenden Anregung des genannten Piezo-Materials wird also eine Schwingungsantwort auf eine entsprechende mechanische oder akustische Anregung des Piezo-Materials erzeugt.

Bei mechanischer Belastung gewisser Kristalle, wie z. B. Quarz, Turmalin, Seignette- Salz in bestimmten Richtungen zu den Kristallachsen treten nämlich elektrische Verschiebungen, mithin freie Oberflächen-Ladungen auf, die der erzeugenden Kraft proportional sind. Dieser piezoelektrische Effekt eignet sich als Basis für das hier beschriebene Sicherheitsmerkmal. Der vorzugsweise verwendete Quarz kristallisiert in 6-eckigen Prismen. Entsprechend seinem atomaren Aufbau besitzt er 3 polare elektrische Achsen, 3 mechanische neutrale Achsen und eine auf diesen senkrecht stehende optische Achse. Aus dem Kristall werden dann parallele Platten herausgeschnitten, die als Fühler geeignet sind.

Werden diese in X- oder Y-Richtung gedrückt, so entsteht auf den X-Z-Flächen die Ladung des Piezo-Moduls.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von einkristallinen Kristallen beschränkt, sondern es können - wie vorhin angegeben - Kristall-Konglomorate verwendet werden oder auch gesinterte Kristalle.

Anstatt derartiger Kristalle können auch Keramikkörper verwendet werden, von denen ebenfalls bekannt ist, daß sie einen piezoelektrischen Effekt besitzen.

Die Anregung eines derartigen Piezomaterials erfolgt bevorzugt mit einem akustischen oder elektrischen Impuls.

In der Impulsantwort finden sich die Eigenfrequenzen des mit Piezomaterial behafteten Wert- und Sicherheitsdokumentes einschließlich der Eigenfrequenzen des Piezomaterials. Die Impulsantwort kann außerhalb des Sicherheits- und Wertdokumentes mit geeigneten Meßwertaufnehmern erfasst und ausgewertet werden.

Es wird also bevorzugt zur Schwingungsanregung ein einzelner Impulserzeuger verwendet, der also mechanisch einen einzigen Impuls auf das zu prüfende Wert- und Sicherheitsdokument abgibt und mit entsprechender Meßwertaufnehmer- Technik wird dann die Schwingungsantwort erfasst und ausgewertet.

Hierbei ist wichtig, daß stets das Gesamtsystem des Wert- und Sicherheitsdokuments geprüft wird. Wenn also beispielsweise Klebstoffzusätze, Materialabtragungen oder sonstige (auch lokale) Eingriffe am Dokument vorgenommen wurden, verschieben sich damit (auch lokal begrenzt) die Eigenfrequenzen des Gesamtsystems, jedoch bleibt die Signifikanz der Eigenfrequenzen des applizierten Piezomaterials erhalten.

In einer anderen Ausgestaltung kann eine Daueranregung mittels eines weißen Rauschens erfolgen, welches über einen entsprechenden Schwingungserzeuger auf das Wert- und Sicherheitsdokument aufgegeben wird. In der Systemantwort lassen sich wiederum die Eigenfrequenzen detektieren.

Ebenso können die Resonanzfrequenzen und die Frequenzen selbsterregter Eigenschwingungen eingeregelt und detektiert werden.

In Abhängigkeit von der Anregungsform sind Eigenfrequenzen, Resonanzfrequenzen und die Frequenzen selbsterregter Eigenschwingungen dann ein Abbild der Schwingungseigenschaften des mit Piezomaterial behafteten Wert- und Sicherheitsdokumentes und damit charakteristisch (als Fingerabdruck) einerseits für das Gesamtsystem und andererseits für das Sicherheitsmerkmal, welches in dem Sicherheitsdokument untergebracht ist. Als zusätzlicher Informationsparameter kann die Signaldämpfung bewertet werden. Es wird nicht eine einzige charakertistische Frequenz erzeugt und ausgewertet, sondern ein Peak-Muster in einem Frequenzband (Amplituden-Frequenz-Spektrum bzw. Leistungsdichtespektrum).

Die charakteristischen Frequenzen der piezoelektrischen sicherheitsmerkmale sind von den Geometrie- und Materialparametern der verwendeten Piezomaterialien (Piezokristalle, Piezokeramiken, Piezopartikel, zerkleinerte Piezopolymerfolie) abhängig.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert einen Schnitt durch ein Wertdokument in einer ersten Ausführungsform mit Darstellung der Auswerteeinheit,

Fig. 2 die Erläuterung der mechanischen Wirkungsweise des Piezo- Materials bei dessen Anregung,

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform, bei der das Piezo-Material mittels eines Impulses angeregt wird,

Fig. 4 der vergrößerte Schnitt durch ein Piezo-Element mit einzelnen Piezo-Kristallen.

In Fig. 1 ist allgemein ein Wertdokument 1 dargestellt, in welches ein Piezo- Material 2 eingebettet ist. Die Einbettung kann hierbei bei der Papierherstellung erfolgen, so daß das Piezo-Material 2 in Form von einzelnen Granulaten, Körnern, Kristallstrukturen und dergleichen mehr in das Material des Papiers eingebettet wird.

Selbstverständlich muß das Wertdokument 1 nicht aus einem Papiermaterial bestehen; es kann auch ein Kunststoff sein, ein mehrfach laminierter Kunststoff oder jedes beliebige andere Material, in welches das Piezo-Material eingebettet ist.

Es ist dargestellt, daß mittels einer Anregung 3 das Piezo-Material 2 beaufschlagt wird, welches dann mit einer entsprechenden Schwingungsantwort 4 antwortet, die von einem Schwingungsaufnehmer 5 aufgenommen wird.

Der Schwingungsaufnehmer 5 kann hierbei als Mikrofon ausgebildet sein, d. h. die Schwingungsantwort ist eine akustische Welle, die von dem Schwingungsaufnehmer 5 aufgenommen wird. Demzufolge kann der Schwingungsaufnehmer 5 selbst auch als Kristall oder Piezo-Kristall-Mikrofon ausgebildet sein.

Es kann selbstverständlich auch unmittelbar auf das Dokument aufgesetzt werden, so daß also auf das Wertdokument unmittelbar selbst berührend ein weiterer Piezo- Schwingungsaufnehmer aufgesetzt wird, die die Schwingungsantwort 4 aus dem Piezomaterial 2 aufnimmt und entsprechend auswertet.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schwingungsaufnehmer 5 mit einem Verstärker 6 verbunden, der seinerseits an seinem Ausgang mit einem Frequenz- Analysierer 7 verbunden ist, der die Schwingungsantwort 4 spektral auswertet. Der Frequenzanalysierer 7 ist dann mit einer Anzeigevorrichtung verbunden, welche dann eine Echt/Falsch-Aussage erzeugt.

In Fig. 2 ist das allgemeine Prinzip des Piezo-Kristalls dargestellt. Es ist erkennbar, daß im mechanischen Äquivalent zwei Druckplatten 10, 11 von beiden Seiten her auf das Piezo-Material 2 einwirken und hierbei eine Druckkraft 12, 13 auf jeweils eine Druckplatte 10, 11 einwirkt. Selbstverständlich ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt; es kann die Druckplatte 11 und die dazugehörende Druckkraft 13 völlig entfallen, weil ja das Aufbringen einer Kraft von oben über einen entsprechenden Schwingungserzeuger vollkommen ausreicht, nachdem ja das Piezomaterial 2 in einem festen Substrat eingebettet ist.

In diesem äquivalenten Schaltbild nach Fig. 2 soll dargestellt werden, daß aufgrund der Schwingungseinbringung das Piezomaterial 2 in den Pfeilrichtungen 14 anfängt zu schwingen und es hierbei zu einer entsprechenden Oberflächenladung 15, 16 kommt, die stets umgepolt wird, so daß - gemäss Fig. 3 - dann aufgrund der sich umpolenden Oberflächenladungen 15, 16 es zu einer Schwingungsaussendung, d. h. also zu einer Schwingungsantwort 4, kommt.

Dies ist besser in Fig. 3 dargestellt, wo erkennbar ist, daß die Anregung 3 entweder als einziger Impuls, als Anregung mittels einer bestimmten Anregungsfrequenz (also Daueranregung) oder als weißes Rauschen aufgebracht wird und hierbei aufgrund der Umpolung in den Pfeilrichtungen 14 die Schwingungsantwort 4 erzeugt wird.

Eine derartige Wertkarte kann eine Passkarte, ein Personalausweis, ein Führerschein oder eine sonstige Sicherheits- oder Kreditkarte sein.

Neben der Auswertung nach einer Auswerteeinheit nach Fig. 1 kann aber auch die Auswertung durch zwei Kondensatorplatten erfolgen, die zwischen sich die Wertkarte aufnehmen. Nachdem die Schwingungsantwort 4, das Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten verändert, kann eine entsprechende Meßanordnung, welche die Impedanz zwischen den Kondensatorplatten mißt, herangezogen werden, die Schwingungsantwort auszuwerten.

Die Fig. 4 zeigt, daß auch größere Piezo-Elemente 21 geschaffen werden können, die aus einer Ansammlung von Piezokristallen 23 bestehen, die z. B. durch ein Sinterverfahren miteinander gesintert sind.

Ebenso können die einzelnen Piezo-Kristalle 23 in einer Trägersubstanz 22 gebunden sein, die z. B. ein Kunststoff ist.

Neben der Anregung durch eine Impuls- oder Schallquelle 3 können auch noch andere Anregungs- oder Auswertemechanismen verwendet werden. Es wurde vorhin angegeben, daß die Schwingungsantwort 4 durch entsprechende Aufnehmer ausgewertet wird. Es kann statt der Auswertung der Frequenz der Schwingungsantwort aber auch die Laufzeit und/oder die Dämpfung erfasst werden. Wenn nämlich der Zeitpunkt der Schwingungsanregung und/oder Anregungsamplitude bekannt ist, braucht nur noch gemessen zu werden, zu welchem Zeitpunkt und/oder mit welcher Amplitude die Schwingungsanwort 4 am Meßwertaufnehmer 5 meßbar ist, um so eine Laufzeitmessung zu ermöglichen. Neben der Frequenzauswertung kann also statt dessen eine Laufzeitmessung oder auch eine Dämpfungsmessung durchgeführt werden. Mit dieser Laufzeitmessung und/oder Dämpfungsmessung ist es im übrigen noch möglich, die genaue Lage (Tiefe der Piezo-Materialien) in dem zu überprüfenden Wertdokument auszusagen, weil ja die Laufzeit der Schwingungsantwort ein Maß dafür ist, in welcher Tiefe das Piezo-Material 2 in dem Dokument eingebettet ist.

Nachdem die Schwingungsantwort 4 auch durch die darüber- und darunterliegenden Schichten im Wertdokument verändert wird, kann man auch durch die Auswertung der Dämpfung der Schwingungsantwort auf die darunter- und darüberliegenden Materialien schließen.

Zeichnungs-Legende

1

Wertdokument

2

Piezo-Material

3

Anregung

3

a

4

Schwingungsantwort

5

Schwingungsaufnehmer

6

Verstärker

7

Frequenzanalysierer

8

Anzeigevorrichtung

10

Druckplatte

11

Druckplatte

12

Druckplatte

13

Druckkraft

13

Druckkraft

14

Pfeilrichtung

15

Oberflächen-Ladung

16

Oberflächen-Ladung

21

Piezoelement

22

Trägersubstanz

23

Piezokristalle

Claims

1. Wert- und Sicherheitsdokument, in dessen Material Partikel (2) mit piezoelektrischen Eigenschaften gleichmäßig verteilt eingebettet sind.

2. Wert- und Sicherheitsdokument, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (2) in Kristallstruktur in einem Verbund von mehreren Partikeln (21) ausgebildet sind.

3. Wert- und Sicherheitsdokument, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (2) in gemischter Anordnung sowohl als einzelne Partikel als auch in Kristallstruktur in einem Verbund von mehreren Elementen (21) ausgebildet sind.

4. Wert- und Sicherheitsdokument, nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (2) als Piezokeramik ausgebildet sind.

5. Wert- und Sicherheitsdokument, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (2, 21) in Kombination mit wenigstens einem weiteren auf einem anderen physikalischen Prinzip beruhendem Sicherheitsmerkmal vorliegen.

6. Verfahren zur Überprüfung der Echtheit von Wert- und Sicherheitsdokumenten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wert- und Sicherheitsdokumente (1) mit wenigstens einem Signal beaufschlagt und die Schwingungsantworten der Partikel(2, 21) erfaßt und ausgewertet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Resonanzfrequenzen als Abbild der Schwingungseigenschaft der Partikel als Echtheitsnachweis überprüft wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Daueranregung mittels eines weißen Rauschens erfolgt, welches über einen entsprechenden Schwingungserzeugers auf das Wert- und Sicherheitsdokument (1) aufgegeben wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Partikel (2, 21) durch Rückkopplungsverfahren erfolgt.