纸张质量确定传感器和报废钞票分类装置 本发明涉及一种用来确定诸如作为纸币存储到例如自动出纳机(ATM)中或从中取出的钞票之类的纸张的质量的纸张质量确定传感器，更具体地说，涉及一种用来准确检测纸张质量和状态而不受其厚度影响的纸张质量确定传感器及一种报废钞票分类装置。
作为上述种类的纸张，把是纸币的钞票作为用于解释的例子。钞票在他们流通很长时间时往往会断开和变脏，或者钞票往往会逐渐变软，即使他们外部没有损坏也是如此。在柔软(不坚挺)、变形或断开钞票用在自动出纳机或这样的钞票辨别为不适于流通的情况下，钞票可能卡(或堵塞)在机器中。
为了处理这种问题，已知一种可以说是用来通过光学检测如此存储的钞票的失去部分或污秽程度、或分析在存储钞票时产生的进给噪声的频率，间接确定存储到自动出纳机中的钞票是适于还是不适于使用或流通的纸张质量确定装置；或一种带有这种纸张质量确定装置的不正常或报废钞票分类装置。
然而，就上述的间接检测系统而论，由于系统建造成检测钞票的报废程度而不接触他们，所以间接检测系统不能确定引起卡住的流通中钞票的挺度，而这增加检测误差，并因此使系统的可靠性变坏。
另外，间接检测系统不能检测经受检查地纸张的变形和断开。
为了处理这种问题，已经提出了用来直接检测流通钞票的挺度的所谓直接式确定装置。例如，JP-A-09-040216、JP-A-10-111968及JP-A-10-213581是已知的。
对照图9和10将描述在这些出版物中公开的直接式检测装置的一个例子。
这些先有技术装置包括一个用于提供的初始进给以便面对从一个堆积箱92进给的钞票93的进给表面的拾取辊94、一个进给辊95、一个门辊96、及一个进给检测传感器97，进给辊95、门辊96及进给检测传感器97布置在装置的进给部分处，并由此操作以便进给包含在堆积箱92中的钞票93。
在这种构造中，一根倾斜杠杆98与门辊96成为一体，并且适于响应进给钞票93的挺度可变地倾斜，从而使其通过借助于一个应变仪检测传感器99检测，由此确定如此进给的钞票93的挺度，借此把他们确定为适于流通或报废。
然而，就上述的直接式检测装置而论，由于构造是这样的，从而应变仪检测传感器与相对于其转动调节的门辊相组合，所以钞票的吸进阻力和进给阻力增大，并且装置的检测值由钞票的厚度大大地改变，这引起这样一个问题：对于特定国家的钞票，这种钞票对于其厚度是柔软的，难以确定钞票是正常还是不正常。
鉴于这些情形形成本发明，并且其一个目的通过注意在纸张中固有的纸张质量的反作用力、由一种用来准确检测纸张的挺度(坚挺性)和另外的厚度及变形以及其不受纸张的厚度和/或变形影响的断开的纸张质量确定传感器、及一种报废钞票分类装置/纸张质量测量装置实现。
本发明提供有一种偏置装置，该偏置装置用来把偏置力施加到是要检测的物体的纸张上，以便检测当阻碍偏置装置时纸张产生的反作用力。
偏置装置例如是用来支撑一个传感器辊的传感器杠杆，并且把传感器辊设计成借助于传感器杠杆本身中固有的弹性把偏置力施加到纸张上。通过在传感器杠杆上提供一个用来检测传感器杠杆移动量的检测传感器，能测量由纸张产生的反作用力。由反作用力的数值、其中随时间的变化、和其振幅等，能容易地确定纸张的状态。
图1是前视图，表示根据本发明的纸张质量确定传感器的主要部分。
图2是沿按照本发明的图1的线A-A得到的侧视图。
图3是沿按照本发明的图1的线B-B得到的侧视图。
图4是示意图，表示在本发明的ATM中钞票分类的结构。
图5是用于根据本发明的纸张质量确定传感器的控制电路的方块图。
图6是曲线图，表示用根据本发明的应变仪测量的波形。
图7是曲线图，借助于有效值和最大值表示报废钞票的级。
图8是流程图，根据本发明的纸张质量确定传感器的确定处理操作。
图9是侧视图，表示用来直接检测钞票挺度的先有技术直接式检测装置的主要部分。
图10是前视图，表示用来直接检测钞票挺度的先有技术直接式检测装置的主要部分。
图11是曲线图，表示来自应变仪的(正常钞票的)输出电压波形。
图12是曲线图，表示来自应变仪的(柔软钞票的)输出电压波形。
图13是曲线图，表示来自应变仪的变形钞票的输出电压波形。
图14是曲线图，表示来自应变仪的损坏钞票的输出电压波形。
图15是曲线图，表示来自应变仪的具有失去部分的钞票的输出电压波形。
图16是曲线图，表示来自应变仪的输出电压的有效值h。
图17是曲线图，表示来自应变仪的输出电压超过一个阈值的时间数值t。
图18是曲线图，表示来自应变仪的输出电压的振幅值a。
图19是流程图，表示使用特征值h、t、a的异常性确定过程。
图20是根据本发明第二实施例的纸张质量确定单元的前视图。
图21是根据本发明第三实施例的纸张质量确定单元的前视图。
图22表示根据第三实施例的报废钞票分类装置的方块图。
图23是根据第三实施例的报废钞票分类装置的过程流程图。
(第一实施例)
下面参照附图将描述本发明的第一实施例。
图1至3表示用于钞票的纸张质量确定单元11。该单元11带有：基准辊14，布置在用于作为纸张的钞票12的保持输送路径13的一侧(图中看到的下侧)；及输送辊15和一个传感器辊16，他们以这样一种方式布置在输送路径13的另一侧(上侧)，以便面对着基准辊14。
基准辊14作为一对左和右辊以这样一种方式固定到水平支撑在一个单元支架17上的固定轴18上，从而调节其转动，并且在基准辊14之间形成从前面看到的凹下部分14a。另外，橡胶辊19提供在相应基准辊14的轴向外侧。
输送辊15可转动地支撑在一个输送辊保持器20上，并且布置成分别面对着基准辊对14。
然后，输送辊保持器20以这样一种方式安装在单元支架17内，以便借助于一根压缩弹簧21向基准辊14偏置。
因而，输送辊保持器20和输送辊15压紧偏置到基准辊14侧，以单元支架17作为固定基准，从而在保持的同时能输送要在其之间引入的钞票12。
传感器辊16可转动地支撑在一根传感器杠杆22的一端上，传感器杠杆22固定到输送辊保持器20上在其邻近端处。因此，作为结果，类似于输送辊15，传感器辊16也借助于压缩弹簧21向基准辊14偏置。
然而，在把输送辊15的转动轴固定到输送辊保持器20上的同时，传感器辊16以这样一种方式固定，以便比输送辊15向基准辊14突出的远，并因此，其上固定传感器辊16的传感器杠杆22，如图2中所示，借助于传感器杠杆22本身的弹性向基准辊14偏置。换句话说，输送辊15借助于压缩弹簧21的压缩力向基准辊14偏置，并且借助于该偏置力，钞票12以保持在其上的一定张力保持在其之间。
另一方面，传感器辊16这样建造，从而在传感器辊16贴紧借助于传感器杠杆22的弹性正在对其施加一定张力的钞票12的表面偏置。
一个应变仪23安装在传感器杠杆22上，并且当传感器辊16接收对抗通过保持输送路径13的钞票12的张力的反作用力时，在传感器杠杆22中产生一定的应变，由此由应变仪23检测如此产生的应变。因而，通过检测如下产生的应变量能测量钞票的坚挺性。
该应变仪23设计成利用电阻由于物体应变而变化的特性，并且在电阻值之间的差通过配置一个桥电路能转换成电压差。在该实施例的构造中，由于传感器辊16经传感器杠杆22固定到输送辊保持器20上，所以传感器杠杆22通过传感器辊16的弯曲量能以钞票12的表面作为基准检测，并因此即使纸张的厚度有差别，也能得到响应钞票12的坚挺性的输出。
图4表示一个例子，其中纸张质量确定单元11包括在自动出纳机或ATM41中。
纸张质量确定单元11和一个辨别单元44沿一条与存储端口42连通的存储通道43布置。一个正常钞票堆积箱47和一个报废钞票箱49以这样一种方式布置在存储通道43的下游，从而正常钞票堆积箱47经一条用来输送由用于输送的分类部分45分类的正常钞票的正常钞票输送路径46连接到存储通道43上。报废钞票箱49经用来输送报废钞票的报废钞票输送路径48连接到存储通道43上。正常钞票输送路径46和报废钞票输送路径48通过分类部分45从存储通道43分支。
通过存储端口42存储的钞票12关于挺度由纸张质量确定单元11确定，并且然后由辨别单元44辨别关于钞票12的种类和其污秽程度。当钞票12确定为正常钞票时，把钞票12引入到为相应种类钞票准备的堆积箱之类的正常钞票堆积箱47中，并且接收在其中以便处理。
与此相反，在如此存储的钞票由纸张质量确定单元确定为不适于流通的柔软钞票或者由辨别单元辨别为缺陷钞票的情况下，钞票然后接收在诸如废弃箱之类的报废钞票箱49中，作为用来分类和处理的报废钞票。
图5是方块图，表示根据本实施例的纸张质量确定单元11的控制电路，并且一个CPU51是包括存储器(ROM 52、RAM53)和接口(未表示)的小型计算机系统。CPU51这样建造，以便根据存储在ROM52中、与存储在RAM53中的阈值相比较的程序，从辨别单元44内的钞票检测传感器S(在图4中未表示)和应变仪23读出由检测信号A/D转换的值，以确定讨论的钞票是正常钞票还是报废钞票。
另外，CPU51控制一个输送电机M以便驱动基准辊14，由此在输送通道13上在特定方向移动钞票。
图6表示利用应变仪的测量结果的一个例子。在得到正常钞票的检测波形A的情况下，由于钞票12的变形反作用力较大，传感器杠杆22的变形量与反作用力成比例的较大，并且作为结果，来自与传感器杠杆22成为整体的应变仪23的输出电压变高。
相反，在报废钞票的检测波形B的情况下，由于钞票12的挺度较低，其变形反作用力较小，并且与这种情形一起，传感器杠杆22的变形量输出得较小，由此来自与传感器杠杆22成为整体的应变仪23的输出电压输出得一样低。因此，由于正常钞票的测量结果和报废钞票的明显不同，所以对于检测清楚地彼此区分正常钞票和报废钞票。
图11至15比较从应变仪23输出的正常钞票和在流通期间分别变形、断开和部分失去的报废钞票的波形。
图11表示从应变仪23输出的正常钞票的波形，其中纵坐标轴表示输出电压，而横坐标轴表示时间。与此相反，就柔软钞票而论，得到的反作用力较小，并且来自应变仪23的输出电压值也较小，导致平的波形(图12)。
另外，在其中形成折叠线(在图中钞票相对于传感器辊16倾斜地折叠)的变形钞票的情况下，由于在变形部分处的挺度比钞票其他部分的强，并因此，如图13中所示，得到的波形的特征在于其与折叠部分相对应的一部分明显竖起。通过检测电压波形的最大波峰部分，有可能检测诸如其中在变形钞票12中形成折叠线的那种之类的变形。
图14表示其中钞票断开的波形特性。由于在钞票断开部分处不引起或引起非常小的反作用力，所以输出电压急剧下降。另外，在其表面部分失去的钞票的情况下，导致其中与失去部分相对应的输出电压下降的波形特性。因而，通过确定象这种的随时间的电压变化，也有可能检测断开或部分失去的钞票12。
其次，参照图16至19具体描述的是用来确定钞票是正常还是报废的算法。
表示在图16上部处的波形是从应变仪23输出的波形，而表示在同一图下部处的波形是在钞票通过时取出的波形(用于确定的处理所需的波形)。该图表示特征量h的检测结果，这些基本上在通过输送路径13的钞票12的中央部分处执行，由此对于按此顺序进给的新钞票、流通中的钞票及新钞票12分别得到有效值h1、h2、h3。
图17表示超过预先存储在RAM53中的阈值电压的时间数值的检测结果，这些检测在诸如按类似于特征量的以上检测的顺序进给的新钞票、流通中钞票和新钞票之类的钞票12上进行。因而，得到超过阈值的时间数值t1、t2、t3。
图18表示在诸如按如下顺序进给的新钞票、流通中钞票和新钞票之类的钞票12上进行的电压振幅变化检测的结果，并且得到振幅值a1、a2、a3。
图19是使用特征值h、t、a的异常确定过程的流程图。
在该流程图中，首先按如下顺序检测有效值h、超过阈值的时间数值t及振幅a(步骤1901至1903)，并且由检测值h、t和a通过计算过程分别计算扭曲、断开及皱纹/折叠的程度。
按如下进行相应程度的计算。
首先，由步骤1901至1903中得到的特征值计算相应特性程度的异常性。
这里，进行如下计算以得到相应特性程度的异常性。
把相应特征值设置为c(h、t、a)，把用于相应特征值的上限值设置为CH，及把其下限值设置为CL。
这里，假定用于相应程度的输出值在从0至R的范围，异常性程度值能由如下算术表达式得到：
D=(c-CL)·R/(CH-CL)
通过把如此得到的异常性程度值与由用户设置的阈值G相比较，执行异常性的确定。换句话说，在确定扭曲的程度时，当Dh＜Gh时，把钞票确定为异常的。即，如图16中所示，当有效值h较小时，把钞票确定为异常的。
在确定断开的程度时，当Dt＜Gt时，把钞票确定为异常的。即，如从图17看到的那样，当超过阈值的时间数值t较小(较短)时，把钞票确定为异常的。
在确定皱纹/折叠程度时，当Da＞Ga时，把钞票确定为异常的。换句话说，如从图18看到的那样，当振幅a较大时，把钞票确定为异常的。
通过确定如图7中所示的坐标值能进行钞票是否异常的具体确定。即，在其中所示的曲线中，是特征值之一的有效值h沿纵坐标轴表示，而是特征值另一个的、超过阈值的时间数值t沿横坐标轴表示。通过以基于在其区域中在步骤1904至1906计算的相应程度降低的阶梯样式应用流通程度(这里，L1至L7)，进行钞票是正常钞票还是报废钞票的确定。对于不同种类的钞票或其中发行讨论钞票12的国家，能设置用于报废钞票程度的边界线。
注意在如上所述的异常程度的确定中，可以使用模糊逻辑和遗传工程算法。
在对于上述所有相应特征值(h、t、a)把流通程度确定为等于或小于一定值的情况下，CPU 51确定讨论的钞票是正常的，并且致动分类部分45，以便使讨论的钞票接收在正常钞票堆积箱47中。
另一方面，在CPU51在确定步骤(1907至1909)的任何一个中确定钞票是异常的情况下，CPU51使讨论的钞票接收在报废钞票箱49中。
图18表示使用根据本发明的纸张质量确定单元11的钞票整个过程的流程图。
首先，钞票12沿保持输送路径13输送，并且然后引导到其中纸张质量确定单元11布置的位置(步骤n1)。
纸张质量确定单元11的传感器辊16面对着并且接触钞票12，钞票12在其中传感器辊16轻轻地压紧在钞票12的平表面的中央部分上的状态下伸长地保持输送。
当这种情况发生时，传感器辊16接收在钞票本身中固有的反作用力，钞票由输送辊15和基准辊14(橡胶辊19)放置在一定张力下，并且然后移动以便向单元支架17(向图1的上部)推回。在这时传感器辊16的位移量由应变仪23测量(步骤n2)。
在这时，从由应变仪23得到的测量值上除去噪声，并且如图11至18中所描述的那样，然后相对于输出波形分析没有噪声的测量值，由此得到钞票12的流通程度(参照图7)(步骤n3至n5)。
CPU51由得到的流通程度确定讨论的钞票12是正常钞票还是报废钞票。这里，在钞票12确定为正常钞票的情况下，由于钞票仍然能在市场上使用，所以允许钞票输送到正常钞票堆积箱47中(步骤n6至n7)，而相反，在钞票确定为报废钞票的情况下，由于它不适于流通，所以把钞票输送到报废钞票接收箱49(步骤n8)。
如在以上已经描述的那样，在确定钞票12的纸张质量时，传感器辊16带到与沿保持输送路径13正在输送的钞票12的输送表面压力接触，并且应变仪23根据借助于反作用力移动的传感器辊16的移动量，测量钞票12的变形反作用力，由此确定钞票12的纸张质量。另外，输送辊15本身借助于压缩弹簧21保持在与钞票12的厚度相对应的基准位置处。
因此，根据该实施例，通过准确检测在钞票本身中固有的纸张质量反作用力能得到钞票12的挺度，而与钞票12的厚度无关。
由于该原因，有可能以连续方式与其他钞票一起检查对于其厚度具有低挺度的钞票。
另外，在纸张质量确定传感器包括在报废钞票分类装置中的情况下，由该纸张质量确定传感器能清楚地分类正常钞票和报废钞票，由此能提供高度可靠的分类能力。因此，该传感器能应用于诸如ATM之类的钞票处理装置，在这种情况下，仅高效地收集适于重新流通的钞票，由此防止堵塞的发生。
(第二实施例)
图20的上部表示根据本发明另一个实施例的纸张质量确定的平面视图，而下部表示实施例的前视图。
根据本发明第二实施例的纸张质量确定单元211除其中布置输送辊15外在构造上基本上类似于在图1中第一实施例中描述的那种。即，如图20中所示，一对输送辊15以这样一种方式联接到在其轴向位置处的输送辊保持器20处，从而诸辊在进给钞票12的方向的前面延伸得较宽。诸如传感器辊16、传感器杠杆22、及基准辊14之类的其他元件在构造上与在第一实施例中描述的那些相同(图1)，并因此将省略其描述。
在第二实施例中，由于输送辊对15以这样一种方式可转动地支撑，从而输送辊15在进给钞票方向的前面彼此延伸。当钞票12沿保持携带路径13输送以通过输送辊15时，一定的张力相对于钞票12的输送方向垂直地施加到钞票12的表面上，作为其结果钞票12恒定地保持张紧。
由于该原因，即使在存储具有V形折叠的钞票12的情况下，由于相对于其中输送钞票的方向在宽度方向上把张力施加到钞票12的平面上，所以校正由形成折叠造成的变形，由此能高度精确地检测在钞票12本身中固有的反作用力。
另外，根据第二实施例，由于在钞票12的表面上由按上述布置的输送辊15产生张力，所以不需要诸如压缩弹簧之类的偏置装置，或者仅需要具有小偏置力的偏置装置。
(第三实施例)
图21表示前视图，表示根据本发明另外实施例的纸张质量确定单元311。
在根据本发明第三实施例的纸张质量确定单元311中，分别在单元支架17和传感器辊16下面提供位移传感器313和312。一种已知的非接触式光学激光位移传感器可以用作位移传感器312，并且借助于该传感器，使用来自讨论物体的反射光的波长能测量距离。
就第三实施例而论，借助于光学位移传感器312，比借助于对其包括物理噪声分量的应变仪23能以更高的精度测量钞票12的位移量。另外，象这样的位移传感器312可以与在第一实施例中描述的应变仪23一起使用，以便进行较高精度测量。
此外，通过检测由输送辊15和基准辊14(橡胶辊19)保持的钞票12的位移量，能检测诸如在其中形成折叠的钞票12的变形量。
另一方面，通过也把光学位移传感器313固定到支架单元17上，能测量输送辊保持器20的竖直位移量。因此，能检测钞票12的厚度。
图22是方块图，表示装配有根据本实施例的纸张质量确定单元311的报废钞票分类装置221。另外，图23表示流程图，表示利用图23的实施例的报废钞票分类装置221的过程。下面将描述该过程。
首先，当钞票12从存储口42存储时，沿输送路径223输送钞票12，并且钞票12的存储由触发传感器222检测(步骤2301)。通过使用未表示的光学传感器的钞票辨别部分44，相对于钞票种类；其外形；及变形、脏部分和失去部分的存在检测钞票(2302)。
其次，借助于也未表示的纸张质量确定传感器，测量钞票12的反作用力、厚度及位移量(2303)。借助于图21中描述的位移传感器313和312，可以进行要在该步骤2303中执行的检测。
其次，从输出于应变仪23的电压波形除去噪声分量(2304)，并且然后把结果A/D转换以便读入到CPU51中。由如此数字化的信号计算在第一实施例中描述的特征值(h、t、a)(2306)。然后，执行也在第一实施例中描述的与基准值的比较(2307)，并且此外，执行包括位移传感器312、313等的检测结果的一般确定，由此确定钞票是正常的还是报废的(2309)。
这里，通过不仅反馈到从应变仪23输出的电压变化的纸张质量确定结果，而且反馈到钞票种类及其外形、变形和失去部分的辨别结果，利用位移传感器312、313等的光传感器能进一步改进纸张质量确定性能。例如，如相对于图15描述的那样，对于在其部分处有一个孔开口的钞票12，有其中来自应变仪23的输出电压急剧下降的部分，并且导致其中把坚挺度确定为低的危险，但通过根据关于来自光学传感器的孔位置的信息校正输出的坚挺度结果能进行更准确的坚挺度检测。
尽管在本发明的实施例中把钞票12用作纸张，但要检查的物体可以是除钞票之外的纸张，和膜、带、磁卡、票、布、及金属片和任一种。
注意由于借助于其坚挺度不随温度和/或湿度等变化的基本介质能校准应变仪的输出，所以绝对值比较是可能的。因此，本发明不仅可以用作报废钞票分类装置，而且也可以用作用于基本介质的弯曲弹性模量测量装置。换句话说，基本介质的弯曲弹性模量能由当前存在的测量方法测量，并因此根据它能把来自应变仪的输出转换成弯曲弹性模量。
这里，假定从光学传感器得到的介质的宽度是b，从纸张质量确定传感器得到的介质厚度是a，及反作用力是F。由如下线性表达式使用比例性因子K能得到弯曲弹性模量：
E=KF/I，其中I=ba3/12(表达式1)
由于弯曲弹性模量一般能用作独立于外形的特性，所以它能用作介质坚挺度的特性值、在钞票生产过程期间的检查值、及在钞票处理设备制造厂处使用的指示检查钞票状态的值。
尽管这里没有描述，本发明可以用来确定纸张是否能用在彩色复印机或彩色打印机等上，因为对于在OA设备上的使用有多种类型的纸张，他们对于相同厚度具有不同的坚挺度。
此外，纸张的坚挺度是在造纸厂处用于纸张的检查项目之一，并且如果本发明的纸张质量确定用于其检查，则在线测量是可能的，由此有可能改进质量控制精度和减少工时。
注意“纸张质量”用作指与本发明中纸张坚挺度有关的特性的术语。即，该术语是指诸如与沿输送路径的堵塞的概率问题有关的那些之类的特性，这种堵塞是由流通程度导致的挺度减小，和扭曲、形成折叠、断开及失去部分等的存在引起的。
此外，尽管钞票用于纸张的描述作为例子，但如在以上描述的那样，纸张质量包括膜、带及薄板状卡的概念。
本发明可以用于具有纸张质量确定功能的ATM，处理装置或用于膜、带、磁卡等的收集装置，需要检查纸张质量的复印机，打印机，及用于纸张的弯曲弹性模量测量装置。