EP0694888B1 - Einrichtung zur Prüfung von Münzen oder flachen Gegenständen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Prüfung der Echtheit von Münzen oder anderen flachen Gegenständen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
• Solche Münzprüfer eignen sich beispielsweise für die Identifizierung von Münzen bei Telefonapparaten, Verkaufsautomaten, Zählern zur Messung von Energie etc.
• Ein Münzprüfer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist bekannt aus der US 4 509 633. Die Sehnenlänge einer Münze wird mittels zweier Lichtschranken bestimmt, indem aus den Zeitdauern, während denen die Münze die erste bzw. die zweite Lichtschranke passiert, eine Durchschnittsgeschwindigkeit der Münze ermittelt und mit dieser Durchschnittsgeschwindigkeit und der Zeitdauer, während der die Münze beide Lichtschranken abdeckt, ein Näherungswert für die Sehnenlänge der Münze berechnet wird. Dieser Näherungswert ist abhängig von der Anfangsgeschwindigkeit der Münze wie auch von der Beschleunigung der Münze.
• Aus der US 4 474 281 ist ein Münzprüfer bekannt, bei dem die Münze im freien Fall durch zwei Lichtschranken fällt. Die Wegstrecke vor den Lichtschranken muss wenigstens 2,54 cm (1 Zoll) betragen, da sonst Korrekturfaktoren zur Minimierung des Einflusses der Beschleunigung eingeführt werden müssten.
• Aus der CA 1 206 618 ist ein Münzprüfer bekannt, bei dem mindestens drei Lichtschranken zur Messung der Sehnenlänge der Münze vorgesehen sind. Zur Korrektur der durch die Beschleunigung verursachten Geschwindigkeitsänderung ist ein Beschleunigungsfaktor vorgesehen, der eine Funktion der gemessenen Zeitintervalle ist. Bei einer Veränderung der Schiefe des Münzkanals muss dieser Faktor experimentell neu bestimmt werden.
• Aus der FR 1'605'182 ist ein weiterer Münzprüfer bekannt. Entlang eines Münzkanals sind zwei Lichtschranken vorgesehen, wobei die Zeitspanne, welche eine Münze benötigt, um von der ersten Lichtschranke zur zweiten Lichtschranke zu gelangen, und die Zeitspanne, während der die Münze die zweite Lichtschranke abdeckt, mit vorgegebenen Referenzwerten verglichen werden. Eine solche Messung stellt implizit eine Ermittlung einer Sehnenlänge der Münze dar. Zur Vermeidung unterschiedlicher Anfangsgeschwindigkeiten ist eine von einem Relais betätigbare Klinke nötig, welche die eingeworfene Münze stoppt und anschliessend den Münzkanal für die Münze freigibt.
• Aus der DE 2'015'058 C2 ist ein Münzprüfer bekannt, bei der eine Klinke zur Freigabe des Münzkanals, ein die Münze je nach ihren spezifischen Eigenschaften abbremsender Magnet sowie zwei Lichtschranken zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Münze nach dem Passieren des Magneten vorhanden sind. Eine Berücksichtigung der Beschleunigung der Münze auf dem Weg von der ersten zur zweiten Lichtschranke ist nicht vorgesehen. Zur weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit der Münzendetektion sind zwei weitere Lichtschranken vor dem Bremsmagneten vorgesehen, mit welchen die Geschwindigkeit der Münze vor dem Eintritt ins Magnetfeld des Magneten bestimmbar ist.
• Aus der EP 119'936 A1 ist ein Münzprüfer bekannt zur Bestimmung des Durchmessers einer Münze mittels zweier Lichtschranken. Die Münze rollt entlang eines Münzkanals und unterliegt dabei einer konstanten Beschleunigung. Aus den Zeitspannen, während derer die Münze die beiden Lichtschranken bedeckt, wird eine mittlere Geschwindigkeit berechnet und zur Korrektur des Einflusses der Beschleunigung auf die Bestimmung des Durchmessers verwendet.
• Aus der EP 483 451 A1 ist es bekannt, das arithmetische Mittel der Zeiten, während denen eine entlang eines Münzkanals rollende Münze zwei Lichtschranken bedeckt, zur Bestimmung der Sehnenlänge der Münze heranzuziehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Münzprüfer vorzuschlagen, bei dem die Sehnenlänge einer zu prüfenden Münze unabhängig von Anfangsbedingungen auf einfache und genaue Weise bestimmbar ist.
• Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Einrichtung zur Prüfung der Echtheit von Münzen oder Jetons oder anderen flachen Gegenständen. Die Einrichtung weist in an sich bekannter Weise einen Münzkanal K, zwei Lichtschranken L1 und L2 sowie elektronische Mittel E zur Erfassung und Auswertung der von den Lichtschranken L1 und L2 abgegebenen elektrischen Signale auf. Im Bereich vom Münzeinlass bis zur ersten Lichtschranke L1 ist der Münzkanal K so ausgebildet und mit energieabsorbierenden Elementen versehen, dass ein Hüpfen oder Springen der Münze M zwischen den beiden Lichtschranken L1 und L2 im Normalfall ausgeschlossen ist. Im Bereich zwischen den beiden Lichtschranken L1 und L2 ist der Münzkanal K als schiefe Ebene SE ausgebildet, die gegenüber der Horizontalen H um den Winkel Θ geneigt ist. Auf der schiefen Ebene SE zwischen den beiden Lichtschranken L1 und L2 bewegt sich die Münze M nun bei konstanter Beschleunigung hinab, die sich als Folge der Gravitationskraft und von Reibungskräften einstellt. Die Bewegung kann ein Rollen ohne Gleiten, ein Gleiten ohne Rollen oder eine Kombination von Rollen und Gleiten sein. Die Lichtschranken L1 und L2 sind oberhalb der schiefen Ebene SE auf einer vorbestimmten, gleichen Höhe h und in einem gegenseitig vorbestimmten Abstand L angeordnet. Die von der Münze M auf der Ebene SE zur Zeit t zurückgelegte Wegstrecke ist mit der Koordinate x(t) bezeichnet. Die Nullpunkte x₀ und t₀ der Koordinatenachse x und der Zeit t sind so gewählt, dass x₀ = 0 bzw. t₀ = 0 ist, wenn die Münze M beginnt, die erste Lichtschranke L1 abzudecken.
• Die Münze M weist eine Masse m, einen Radius R und ein Trägheitsmoment I auf. Das Trägheitsmoment I ist bezogen auf die durch den Schwerpunkt der Münze M führende Drehachse. Für eine homogene Münze gilt bekanntlich I=½mR². Die Länge der parallel zur schiefen Ebene SE verlaufenden Sehne der Münze M auf der Höhe h ist mit B bezeichnet. Der Schwerpunkt der Münze M bewegt sich mit der Geschwindigkeit v(t). Die Drehung der Münze M um ihren Schwerpunkt erfolgt mit der Winkelgeschwindigkeit ω(t). Die Energie E der Münze M setzt sich zusammen aus potentieller Energie E_pot, kinetischer Energie E_kin des Schwerpunktes und Rotationsenergie E_rot bezüglich ihres Schwerpunktes: $${\text{E = E}}_{\text{pot}}{\text{+ E}}_{\text{kin}}{\text{+ E}}_{\text{rot}}{\text{= mg sinΘ(L + B - x) + ½mv}}^{\text{2}}{\text{+ ½Iω}}^{\text{2}}$$

  

  wobei g die Erdbeschleunigung bezeichnet.
• Zum Zeitpunkt t₀ = 0 hat die Geschwindigkeit v der Münze M den Wert v₀, ihre Winkelgeschwindigkeit ω den Wert ω₀, so dass gilt $${\text{E(x}}_{\text{0}}{\text{= 0) = mg sinΘ(L + B) + ½m v}}_{\text{0}}^{\text{2}}{\text{+ ½Iω}}_{\text{0}}^{\text{2}}$$

  
• Aus dem Gesetz der Energieerhaltung ergibt sich die Gleichung $${\text{-xmg sinΘ + ½mv}}^{\text{2}}{\text{+ ½Iω}}^{\text{2}}{\text{= ½m v}}_{\text{0}}^{\text{2}}{\text{+ ½I ω}}_{\text{0}}^{\text{2}}$$

  
• Für den Fall, dass die Münze rollt, ohne zu gleiten, gilt v = Rω. Durch Differentiation der Gleichung (3) nach der Zeit t erhält man somit eine konstante Beschleunigung a₁ $${\text{a}}_{\text{1}}\text{=}\frac{\text{dv}}{\text{dt}}\text{=}\frac{\text{mg sinΘ}}{{\text{m + R}}^{\text{-2}}\text{I}}$$

  
• Durch Integration ergibt sich $${\text{x(t) = ½a}}_{\text{1}}{\text{t}}^{\text{2}}{\text{+ v}}_{\text{0}}\text{t =}\frac{\text{mg sinΘ}}{{\text{2(m + R}}^{\text{-2}}\text{I)}}{\text{t}}^{\text{2}}{\text{+ v}}_{\text{0}}\text{t,}$$

  
• Beim Rollen entlang des Münzkanals deckt die Münze M nacheinander die beiden Lichtschranken L1 und L2 ab. Es bezeichnen die Zeitpunkte t₁ das Ende des Abdeckens der ersten Lichtschranke L1, t₂ den Beginn des Abdeckens der zweiten Lichtschranke L2 und t₃ das Ende des Abdeckens der zweiten Lichtschranke L2, so dass sich folgende Gleichungen (6), (7), (8) ergeben $${\text{B = ½a}}_{\text{1}}{\text{t}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{+ v}}_{\text{0}}{\text{t}}_{\text{1}}$$

  

  $${\text{L = ½a}}_{\text{1}}{\text{t}}_{\text{2}}^{\text{2}}{\text{+ v}}_{\text{0}}{\text{t}}_{\text{2}}$$

  

  $${\text{L + B = ½a}}_{\text{1}}{\text{t}}_{\text{3}}^{\text{2}}{\text{+ v}}_{\text{0}}{\text{t}}_{\text{3}}$$

  
• Durch Auflösung dieses Gleichungssystems (6), (7), (8) erhält man $$\text{B = L}\frac{{\text{(t}}_{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{3}}{\text{)t}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{+ (t}}_{\text{3}}^{\text{2}}{\text{-t}}_{\text{2}}^{\text{2}}{\text{)t}}_{\text{1}}}{{\text{(t}}_{\text{3}}^{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{)t}}_{\text{2}}{\text{- (t}}_{\text{3}}{\text{- t}}_{\text{1}}{\text{)t}}_{\text{2}}^{\text{2}}}$$

  

  und $${\text{a}}_{\text{1}}\text{= 2L}\frac{{\text{t}}_{\text{1}}{\text{+ t}}_{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{3}}}{{\text{(t}}_{\text{3}}^{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{)t}}_{\text{2}}{\text{- (t}}_{\text{3}}{\text{- t}}_{\text{1}}{\text{)t}}_{\text{2}}^{\text{2}}}$$

  
• Die Formel (9) zur Bestimmung der Sehnenlänge B der Münze M enthält keinerlei Terme, die von ihrer Anfangsgeschwindigkeit v₀, ihrer anfänglichen Winkelgeschwindigkeit ω₀ oder von irgendwelchen physikalischen Konstanten abhängen. Die Sehnenlänge B ergibt sich allein aus dem vorbestimmten Abstand L der beiden Lichtschranken L1 und L2 und den zu messenden Zeitpunkten t₁, t₂ und t₃, wobei die Zeitachse so zu wählen ist, dass t₀ = 0 gilt. Die Zeitpunkte t₁, t₂ und t₃ entsprechen somit eigentlich Zeitdifferenzen. Der Radius R der Münze M ist aus der Sehnenlänge B und der Höhe h berechenbar zu $$\text{R =}\frac{{\text{B}}^{\text{2}}{\text{+ 4h}}^{\text{2}}}{\text{8h}}$$

  
• Mit der Formel (10) lässt sich die Beschleunigung der Münze M ebenfalls aus den Zeitpunkten t₁, t₂ und t₃ berechnen. Unter der Voraussetzung, dass die Münze M rollt ohne zu gleiten, ist mittels der Formeln (4), (10) und (11) das Verhältnis von Trägheitsmoment I zu Masse m der Münze M bestimmbar: $$\frac{\text{I}}{\text{m}}\text{=}\frac{{\text{gR}}^{\text{2}}\text{sinΘ}}{{\text{a}}_{\text{1}}}{\text{- R}}^{\text{2}}$$

  
• Für den Fall, dass die Münze M gleitet ohne zu rollen, verschwindet ihre Rotationsenergie und es ergibt sich ebenfalls eine konstante Beschleunigung a₂ $${\text{a}}_{\text{2}}\text{=}\frac{\text{dv}}{\text{dt}}\text{= g sinΘ}$$

  

  mit der Lösung $${\text{x(t) = ½a}}_{\text{2}}{\text{t}}^{\text{2}}{\text{+ v}}_{\text{0}}{\text{t = ½g sinΘt}}^{\text{2}}{\text{+ v}}_{\text{0}}\text{t}$$

  
• Wie leicht zu sehen ist, ist die Bestimmung der Sehnenlänge B nach wie vor mittels der Formel (9) aus den Zeitpunkten t₁, t₂ und t₃ bestimmbar. Die Formel (9) zur Bestimmung der Sehnenlänge B ist weiter auch gültig für den Fall, dass die Münze M rollt und gleitet, unter der Voraussetzung, dass die Beschleunigung a ihres Schwerpunktes vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₃ annähernd konstant ist, das ist auf der Strecke zwischen den beiden Lichtschranken L1 und L2.
• Die Messung der Zeitpunkte t₀, t₁, t₂ und t₃ kann mit an sich bekannten Methoden mit hoher Genauigkeit erfolgen. Bei einer ersten Ausführung der Einrichtung zur Prüfung von Münzen sind die von den Lichtschranken L1 und L2 abgegebenen Signale auf getrennten Leitungen auf zwei Eingänge eines Mikroprozessors zugeführt, so dass der Abstand L der beiden Lichtschranken L1 und L2 beliebig festlegbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausführung ist der Abstand L grösser als die Sehne B der grössten zu messenden Münze gewählt. Dann sind die beiden Lichtschranken L1 und L2 nie gleichzeitig abgedeckt, so dass die Ausgangssignale beider Lichtschranken L1 und L2 einem gemeinsamen Eingang des Mikroprozessors zuführbar sind. Bei der Passage einer Münze M an den Lichtschranken L1 und L2 vorbei treffen beim Mikroprozessor bei beiden Ausführungen nacheinander zwei Impulse ein. Die Anstiegsflanke des ersten Impulses startet beim Mikroprozessor eine Zeitmessung, setzt also t₀ = 0. Die anderen drei Flanken der beiden Impulse bestimmen dann die drei Zeitpunkte t₁, t₂ und t₃. Mittels der Formel (9) berechnet der Mikroprozessor anschliessend die Sehnenlänge B der Münze M, welche als wenigstens ein Entscheidungskriterium über die Annahme oder Zurückweisung der Münze M dient.
• Die angegebenen Formeln können natürlich umgeformt werden oder allenfalls sogar durch eine Näherungsformel ersetzt werden, so dass bei der Durchführung der Berechnung mittels eines Mikroprozessors Rundungsfehler möglichst vermeidbar sind.
• Der Vorteil der beschriebenen Einrichtung ist darin zu sehen, dass weder die Anfangsgeschwindigkeit v₀ noch die anfängliche Winkelgeschwindigkeit

  

  noch die effektive Beschleunigung a der Münze M auf ihrem Weg von der ersten zur zweiten Lichtschranke in die Bestimmung der Sehnenlänge B eingehen. Eine mittels beispielsweise eines Magneten betätigbare Stoppvorrichtung im Münzkanal vor der ersten Lichtschranke Ll ist nicht erforderlich. Die Sehnenlänge B einer Münze M ist mit der Formel (9) mit einer Genauigkeit bestimmbar, die im Promillebereich liegt. Der vorgeschlagene Münzprüfer eignet sich deshalb vorzüglich zur Verwendung in einem Gerät, das Münzen unterschiedlicher Grösse und verschiedener Währungen annehmen soll.
• Das Trägheitsmoment I der Münze M hängt ab von Art und Anzahl der Legierungen, aus denen die Münze M gebildet ist. Falls die Münze M aus mehreren Legierungen besteht, hängt das Trägheitsmoment I auch von der geometrischen Anordnung der verschiedenen Legierungen innerhalb der Münze M ab. Das Verhältnis von Trägheitsmoment und Masse I/m ist deshalb eine weitere, die Münze M charakterisierende Grösse. Falls die Münze M im Münzkanal rollt ohne zu gleiten, ist das Verhältnis I/m als Entscheidungskriterium über die Annahme oder Zurückweisung der Münze M verwendbar, wodurch sich der Einbau eines induktiven Sensors zur Bestimmung der Legierungszusammensetzung in den Münzprüfer erübrigt.
• Die Einrichtung kann auch weitere Sensoren aufweisen zur Messung anderer Eigenschaften wie z.B. der Dicke der zu prüfenden Münzen, welche dann ebenfalls als Entscheidungskriterium über die Annahme oder Zurückweisung der Münze M dienen.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Prüfung der Echtheit von Münzen (M), Jetons oder anderen flachen Gegenständen, mit einem Münzkanal (K) und mit elektronischen Mitteln (E), bei der die zu prüfende Münze (M) auf einer gegenüber der Horizontalen (H) um einen Winkel Θ geneigten Bahn zwei Lichtschranken (L1, L2) passiert, welche bezüglich der Bahn auf der gleichen Höhe h angeordnet sind und einen gegenseitigen Abstand L aufweisen, wobei die elektronischen Mittel (E) die von den Lichtschranken (L1, L2) beim Passieren der Münze (M) abgegebenen Signale erfassen und daraus die Sehnenlänge B bestimmen, welche als Entscheidungskriterium für die Annahme oder Zurückweisung der Münze (M) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Mittel (E) den Zeitpunkt t₀ des Beginns des Abdeckens der ersten Lichtschranke (L1), den Zeitpunkt t₁ des Endes des Abdeckens der ersten Lichtschranke (L1), den Zeitpunkt t₂ des Beginns des Abdeckens der zweiten Lichtschranke (L2) und den Zeitpunkt t₃ des Endes des Abdeckens der zweiten Lichtschranke (L2) erfassen und die Sehnenlänge B der Münze (M) aus diesen vier Zeitpunkten t₀, t₁, t₂, t₃ gemäss den für die geneigte Bahn geltenden physikalischen Bewegungsgesetzen berechnen, wobei für die Bewegungsgesetze vorausgesetzt ist, dass die Münze (M) vom Zeitpunkt t₀ des Beginns des Abdeckens der ersten Lichtschranke (L1) bis zum Zeitpunkt t₃ des Endes des Abdeckens der zweiten Lichtschranke (L2) einer annähernd konstanten Beschleunigung a unterliegt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehnenlänge B berechnet wird mit der Formel $$\text{B = L}\frac{{\text{(t}}_{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{3}}{\text{)t}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{+ (t}}_{\text{3}}^{\text{2}}{\text{-t}}_{\text{2}}^{\text{2}}{\text{)t}}_{\text{1}}}{{\text{(t}}_{\text{3}}^{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{)t}}_{\text{2}}{\text{- (t}}_{\text{3}}{\text{- t}}_{\text{1}}{\text{)t}}_{\text{2}}^{\text{2}}}\text{,}$$

   

   wobei der Nullpunkt der Zeitmessung als t₀ = 0 festgelegt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung a bestimmt wird und als Entscheidungskriterium für die Annahme oder Zurückweisung der Münze (M) dient.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung a der Münze (M) bestimmt wird zu $$\text{a = 2L}\frac{{\text{t}}_{\text{1}}{\text{+ t}}_{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{3}}}{{\text{(t}}_{\text{3}}^{\text{2}}{\text{- t}}_{\text{1}}^{\text{2}}{\text{)t}}_{\text{2}}{\text{- (t}}_{\text{3}}{\text{- t}}_{\text{1}}{\text{)t}}_{\text{2}}^{\text{2}}}\text{.}$$

   
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Trägheitsmoment I und Masse m der Münze (M) bestimmt wird und als Entscheidungskriterium für die Annahme oder Zurückweisung der Münze (M) dient.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Trägheitsmoment I und Masse m der Münze (M) bestimmt wird mittels der Beziehung $$\frac{\text{I}}{\text{m}}\text{=}\frac{{\text{gR}}^{\text{2}}\text{sinΘ}}{\text{a}}{\text{- R}}^{\text{2}}$$

   

   wobei $$\text{R =}\frac{{\text{B}}^{\text{2}}{\text{+ 4h}}^{\text{2}}}{\text{8h}}$$

   

   ist, g die Erdbeschleunigung bezeichnet und die Beschleunigung a nach Anspruch 4 zu berechnen ist.
7. Einrichtung zur Prüfung von Münzen (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Münzen (M) verschiedener Währungen akzeptiert.

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