CN102017343B - 平面内rfid天线 - Google Patents

Abstract

公开了一种装置和方法，提供用于集成到轮胎中的RFID装置。提供一种印刷电路板(PCB)，在该PCB的相对端设置有凹槽，所述凹槽设置有引导部作为凹槽的一部分以用作引线，来将匹配的单螺距螺旋天线的端部引导到PCB上适当放置的通孔。通过使用具有天线引导通道和PCB保持定位元件的组装夹具来协助螺旋天线的穿入。

Description

平面内RFID天线

技术领域

本主题涉及用于集成在轮胎中的RFID(射频标签)装置。更具体地，本主题涉及用于为这种装置提供改进的天线连接结构的RFID装置和方法。

背景技术

电路被用于呈现特定的物理、化学和电因素的各种环境中，必须对电路进行保护或设计以承受这些因素。本发明主要关注物理因素，例如导致老化的机械应力，反过来会因电路特定部分的物理性损坏或弱化而导致电路故障。这种故障的典型的位置是连到电路的电线、导线或其他导体的连接点处或其附近。在电线和连接到电路的导线可能相对彼此移动或转动的情况下，在与电路的连接点处或其附近，电线可能受到集中的机械应力和/或老化。机械应力，例如反复的弯曲或扭曲，可导致电线弱化直至发生损坏。

集成在轮胎或其他装置中的电子装置产生了潜在的优点，例如跟踪资产和测量例如温度和压力等物理参数。为了本公开描述的目的，短语“集成在轮胎中”表示轮胎和电子装置的任意组合，包括但不限于全部或部分地包入或粘附在轮胎中或轮胎的任何部分中，或连接到轮胎的内表面或外表面。

通常这些系统中很多依赖于无线数据链接与车辆外部的信息系统进行通信。这种信息系统可包括，作为非限制示例的车载计算机系统、驾驶询问器、或手动询问器。此外，通过这种无线数据链接进行通信的数据类型宽泛且各异，例如不仅包括上文提到的温度和压力，还包括其他物理参数，例如轮胎转速以及对应于制造数据和许多其他信息的数据。无论传输何种类型的数据，无线数据链接需要天线以连接到轮胎中的电子装置。如果电子装置和/或天线粘附在轮胎的橡胶上，则由轮胎的制造过程或常规使用造成的轮胎的挠曲可能导致天线与电子装置因破裂、损坏或老化而分离。

美国专利No.7,196,616(Sinnett等)公开了用于提供渐变刚度的、抗应力的电连接的装置和方法(apparatus and methodology for providinga graduated stiffness，strain-resistant electrical connection)。其中在导线周围和到电路的连接点附近配置了一种材料，从而在连接点附近产生弹性递减或刚度渐变的区域。可在美国专利No.7,102,499(Myatt)中获得轮胎电子系统的另一示例，其涉及用于轮胎的电子通信装置，该装置包括连接到轮胎或嵌入到轮胎中的无线电装置和天线。

美国专利申请公开US 2007/0274030A1(Robert)也涉及一种轮胎电子装置，更具体地公开了一种电子模块，其设计为与轮胎结合合为一体，包括功能装置、支撑件和至少一个用于电连接到电线和用于机械地固定电线的装置的装置，该装置与电连接装置分开，用于机械地将电线固定到支撑件。

国际公开号为WO 2006/098710A1(Sinnett等)的PCT申请涉及用于将天线或其他导电引线连接到电路的抗应力电连接。该公开的申请描述了与本文图2A和2B所述的已知装置相似的技术，在下文中将与本主题进行对比描述。

在JP2007049351A中描述了其他相似的主题，题目为“用于轮胎和充气轮胎的电子标签”(Electronic Tag For Tire And Pneumatic Tire)，作为具有连接到集成电路芯片的盘绕形天线的电子标签。该盘绕形天线包括双螺距缠绕部分，其中更高的螺距缠绕耦接到集成电路芯片。美国专利No.6,836,253B2(Strache等)描述了用于嵌入到包括轮胎的弹性结构中的发射器或接收器单元。该单元可包括几种形式的天线，包括盘绕线结构。

尽管研究了诸如轮胎电子系统中的RFID装置等各种轮胎电子装置的实现，且尽管研究了各种方法来减轻电耦合点的应力，但没有出现过一种设计能如下文根据本技术所呈现的那样总体涵盖所有需要的特性。

发明内容

考虑到现有技术中遇到的和本主体解决的已知特征，提出了一种改进的装置和方法，以提供用于RFID装置的改进的天线结构及其电连接。

在示例性配置中，提供了一种用于集成在轮胎中的RFID装置，其包括具有由相对的端部和相对的侧部限定的上表面和下表面的印刷电路板(PCB)、所述PCB的上表面上的多个导电迹线、在PCB的一端形成的凹槽、从上表面到下表面穿过PCB的镀金通孔、在所述PCB的上表面环绕所述通孔的导电迹线元件、电耦合到多个导电迹线的迹线元件、围绕位于所述PCB下表面的所述通孔并在PCB的侧部方向延伸预定距离的导电焊垫，以及具有位于凹槽中并位于PCB的上表面限定的平面内的端部的天线元件，其中端部的一部分穿过从上表面穿到下表面的通孔，并电连接到围绕PCB下表面的通孔的导电迹线元件。

根据本主题的某些实施例的方面，提供了用于组装RFID装置的方法，包括提供具有上表面和下表面、相对的端部、和相对的侧部的印刷电路板(PCB)；提供单螺距螺旋天线元件；在相对的端部中形成凹槽，以使凹槽部分配置为具有与螺旋天线元件的单螺距相对应的螺距的引导部分；提供在PCB中定位为与单螺距螺旋天线元件的螺距相对应的镀金通孔；提供包括用于PCB的支撑件和保持结构的组装夹具；在组装夹具的表面提供天线支撑通道；将PCB保持在组装夹具上并暴露下表面；将天线元件放置在支撑通道中；通过在支撑通道中旋转并推进天线元件，将天线元件的端部穿过通孔进入PCB；以及将天线的端部焊接在位于PCB下表面的镀金通孔的部分以形成组装的装置。

本主题的其他目的和优点将通过本文的详细描述来阐述或呈现给本领域技术人员。同时，应进一步认识到特别描述、提及的和讨论的特征及其元件的修改和变化可在本发明的不同实施例和应用中实践，而不超出本主题的实质和范围。变化可包括，但不限于那些描述的、参考的、或讨论的手段、特征或步骤的等价替换，以及各个部分、特征、步骤等的功能的、操作的、或位置的反转等。

进一步地，应理解本主题的不同的实施例，以及不同的目前优选的实施例可包括目前公开的特征、步骤、或元件的各种组合或配置，或其等价物(包括没有明确地在附图中显示或在该附图的详细描述中陈述的特征、部件或步骤或配置的组合)。本主题的没必要在发明内容部分描述的其他实施例可包括并组合上述概括的对象中提到的特征、部件、或步骤的方面，和/或在本身申请中另外讨论的其他特征、部件或步骤的各种组合。本领域技术人员可通过阅读下文更好地理解这些及其他实施例的方面的特征。

附图说明

本说明书针对本领域技术人员对本发明进行了全面充分的描述，包括最优模式，参考附图如下：

图1A图示了根据本技术的结合在轮胎中的示例性RFID装置的俯视图；

图1B图示了从图1A的箭头1B-1B的角度看到的RFID装置的放大的侧视图；

图1C图示了图1A的装置的仰视图；

图1D图示了根据本技术的印刷电路板(PCB)的放大图，以描述PCB的独特方面；

图2A图示了用于与本技术作对比的已知的RFID装置；

图2B图示了从图2A的2B-2B箭头角度看到的图2A的RFID装置的放大的侧视图；以及

图3图示了用于本主题的装置的示例性组装方法，其描述了使用排列的夹具组件。

本说明书和附图中重复使用的附图标记指代本发明相同或近似的特征或元件。

具体实施方式

如发明内容部分所述，本主题具体涉及一种装置和方法，用于提供用于RFID装置的改进的天线结构及其电连接。

所选择的公开技术的方面的组合对应于本发明的多个不同的实施例。应该注意本文所呈现和讨论的每个示例性实施例不应暗示为对本主题的限制。作为一个实施例的一部分来图示或描述的特征或步骤可用于与另一实施例的方面相组合，从而产生又一实施例。此外，某些特征可与实现相同或相似功能的没有明确提到的相似装置或特征互换。

下面详细地参考本主题的RFID装置的目前优选的实施例。现参见附图，图1图示了根据本技术构造的用于结合在轮胎中的示例性RFID装置100的俯视图。本领域技术人员能够理解尽管本文描述的装置特别用于轮胎技术，这并非该装置本身的限制，因为这种装置可用于其他技术，只要装置或电连接会因诱导的应力而受到损坏。航运工具或用于移动货物的集装箱可通过RFID装置100来识别就是这种例子之一。

如图1A所示，RFID装置100包括印刷电路板(PCB)102，其上设置有多个导电迹线104。集成电路(IC)装置120以惯用方式安装在PCB 102上，并电连接到迹线104，并通过迹线104的部分130A、130B电连接到天线元件110、112。应理解所图示的天线元件110、112并非按比例所画，而是随着图示的螺旋形延伸以形成至少大概与RFID系统的谐振频率相对应的长度。

迹线104的部分130A、130B围绕穿过PCB 102的镀金通孔134A、134B(图1C和图1D)并连接到位于PCB 102的下表面上的焊垫130C、130D(图1C)。如图1C的最佳图示，螺旋天线元件112的端部114以完整的图形延续通过通孔134A、134B并围绕该通孔直到接触到(在焊垫130C上的116)焊垫130C、130D，焊垫130C、130D在PCB 102的底部的PCB 102的侧部之间充分地延伸。当螺旋天线元件112的端部114接触到焊垫130C时，可通过焊接将其结合到焊垫，典型地如118处所示。当然，在最终的组件中，天线均通过例如焊接而结合到全部焊垫。到焊垫130C的连接显示于焊接之前以更好地图示天线的端部在焊接之前接触焊垫。

以这种方式将天线部分110、112结合到PCB 102在相似的装置上获得巨大进步，因为天线盘绕线的结合有助于避免PCB 102的表面上的迹线导体分层。此外，在PCB 102的与IC芯片120相对的侧面上焊接天线元件110、112大大降低了过度焊接的机会，以及焊接从相似的已知的天线螺旋210、214、212、216芯吸(wicking down)下来的机会，如图2A所示。

以此方式连接天线元件还带来其他好处。例如，相对于图2A所示的现有的连接技术大大节省成本且便利。如图2A所示的在210图示的双螺距、个别缠绕的天线元件，现在可由可在组装时切割到一定长度的更长的单螺距盘绕代替。

图2A和2B图示的已知设计采用了双螺距天线螺旋结构，其设置了更高的螺距部分214、216以帮助将天线元件焊接到导电迹线204。已知天线元件的这种布置，其中天线螺旋的外表面与PCB 202的上表面接触并焊接到该上表面，产生的装置的厚度为用作天线的弹簧的外径(OD)加上PCB 202的厚度T’。

在示例性的已知结构中，该厚度在天线连接点之间产生7mm的刚性区域。在轮胎环境中，这导致了沿着该刚性区域的长度的过度应力的形成，该应力必须承受于PCB的端部。承受该过度应力被认为是天线的老化损坏的一个原因。与之对比，根据本发明的技术，通过将天线连接点重新布置在PCB 102的相对侧面，天线连接点之间的刚性距离减小到只有大约3mm，产生57％的改善。

此外，先前使用的双螺距螺旋天线元件的连接点的这种布置而产生的装置使得旋转中的螺旋元件的自由端具有不确定的位置。该布置可能使得该端远离PCB并产生有害的锋利点。根据本技术，螺旋天线元件的端部位于镀金通孔内，从而天线的端部位于充分受控、邻近PCB的、且不会产生锋利点的位置。

进一步地，通过设计PCB 102使得天线元件110、112可放置于PCB 102的平面内，可实现很多优点。第一，可提供具有总厚度等于或仅略大于天线盘绕的OD的装置。第二，通过重新设计具有限定了螺旋弹簧天线电线的位置的形状特征的PCB 102，可实现与通孔134A、134B的排列，以实现简单组装。第三，通过将天线元件放置在PCB 102的平面内，特别是臂部分108A-108D之间，通过臂、天线元件、臂之间的包围天线元件并嵌入组装的装置的所有部分的非导电弹性材料150(图1A)的互结合作获得了电连接的渐变应力。在示例性实施例中，在将组装的装置嵌入非导电弹性材料之前，组装的装置的所有部分可覆盖粘结剂，例如LORD公司提供的Chemlok

第四，将天线放入PCB 102的平面内导致了增加PCB 102的厚度T(图1B)的可能性，从而提供了比如图2B所示的具有更小厚度T’的PCB 202的已知装置更强固的组装装置。

进一步参见图1D，可见根据本技术，PCB 102具有分别位于臂108A、108B和108C、108D之间的凹槽部分120A、120B，其与图2A所示的臂部分有些相似。然而根据本技术的凹槽部分120A、120B配置为提供位于PCB 102的一端的直线区域122A、122B之间的曲线形部分124A、124B，以及位于PCB 102的另一端的直线区域126A、126B之间的相似曲线形部分128A、128B，这限定了螺旋弹簧线天线元件110、112的位置。特别地，成型凹槽部分120A、120B设计为对应于螺旋天线元件110、112的螺距，从而天线螺旋可容易地穿入配合孔，即PCB 102中的镀金通孔134A、134B。通过采用特殊涉及的组装夹具300(图3)更进一步简化了组装时的这种穿入。

现在参见图3，其图示了示例性组装夹具300，并图示了组装本主题的RFID装置的方法。如图3所示，组装夹具300对应于支撑块302。支撑块302可对应于任何能够被机械加工并经受焊接操作而不会发生物理损坏的合适的材料。在示例性装置中，支撑块302可由铝制成。支撑块302包括上表面，其上机械加工有沿支撑块302的中心线延伸的排列的通道304、306。通道304、306可具有不同横截面，但是优选的横截面是半圆横截面，其直径大约是天线元件110、112的OD。

支撑块302之上还具有可调整的定位装置320、322，用于将PCB102固定在支撑块302上。定位装置320、322可由任何合适的材料制成。如图3的示例所示，定位装置320、322之中具有例如伸长的狭缝，且可调整地相对于通道304、306定位，并通过螺钉330、332、334、336或任何其他合适的固定装置固定在适当位置。

在通道304和306之间，以及在定位装置320、322之间，设置可容纳IC器件120的大小的凹进或井308，如果安装，则安装在PCB 102上。为了组装，将PCB 102完全颠倒，从而使IC 120在安装时可以定位从而可进入凹进308，并且调整定位装置320、322以将PCB 102固定在适当位置。在将PCB 102固定在支撑块302之后，将天线元件310、312放置在通道304、306中。注意，为了描述清楚，在图3中用虚线图示天线元件310、312和PCB 102。

将天线元件310布置在通道304中之后，在沿箭头C方向推进天线元件310时，天线元件310可能如箭头A、B所示向后或向前摇动，直到天线元件310的端部首先进入临近PCB 102的定形部分124A、124B的凹槽120A(最好见图1D所示的PCB 102部分)。然后定形部分124A、124B将依靠定形部分124A、124B、天线元件310和镀金通孔134A的位置的匹配螺距，来引导天线螺旋的端部进入镀金通孔134A。在天线元件310的端部进入颠倒放置的PCB 102的通孔134A之后，天线以完整图形继续通过通孔并环绕通孔直到其接触到焊垫130C，在此处天线将被焊接到适当位置，如上文参考图1C所述。对天线元件312重复该过程直到其在适当位置焊接到焊垫130D。

将所有天线元件焊接到适当位置之后，可用粘结剂包覆组装的装置，并将装置密封在非导电弹性材料覆层150中，如图1A所示。应理解，以这种方式组装RFID装置产生协同效应，使得PCB板和天线到弹性材料的结合产生的装置比各部件的总和更强。

尽管针对具体的实施例详细描述了本主题，本领域技术人员在阅读和理解上文的基础上，应能够容易地制造这些实施例的改造，变体和等价物。因此，本公开的范围只是示例性的而非限制性的，公开的主题不排除包含那些对于本领域技术人员显而易见的对本主题的修改，变化和/或增加。

Claims (12)

1.一种用于集成在轮胎中的RFID装置，包括：

PCB，具有由相对的端部和相对的侧部限定的上表面和下表面；

多个导电迹线，位于所述PCB的上表面；

凹槽，形成于所述PCB的一端；

镀金通孔，从所述PCB的上表面穿透到下表面；

导电迹线元件，在所述PCB的上表面环绕所述通孔，该导电迹线元件电耦合到所述多个导电迹线；

导电焊垫，在所述PCB的下表面环绕所述通孔，并在所述PCB的侧部的方向上延伸预定距离；以及

天线元件，具有位于所述凹槽中且位于由所述PCB的上表面限定的平面内的端部，其中该端部的一部分穿过从所述上表面到所述下表面的所述通孔，并电连接到在所述PCB的下表面上围绕所述通孔的导电迹线元件。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括集成电路器件，该集成电路器件安装到所述PCB的上表面并电耦合到所述多个导电迹线中所选择的一个。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述天线元件包括螺旋形缠绕导体。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述螺旋形缠绕导体以匝之间的单螺距进行缠绕。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述凹槽具有与螺旋形缠绕导体的螺距相匹配的部分。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述通孔在PCB内被定位于与所述螺旋形缠绕导体的螺距从匹配的凹槽部分延伸相对应的位置。

7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括非导电弹性材料，其环绕所述PCB以及所述天线元件的至少一部分，并填充所述凹槽，

从而所述弹性材料和所述天线在所述凹槽和所述PCB的平面中的定位之间的协作为到所述PCB的天线连接提供了受控的应力梯度。

8.根据权利要求7所述的装置，进一步包括粘结剂，其用于将所述非导电弹性材料固定到所述天线元件及PCB。

9.根据权利要求1所述的装置，进一步包括位于所述PCB的相对端的第二凹槽、穿过所述PCB的第二镀金通孔、以及位于所述第二凹槽中且位于由所述PCB的上表面限定的平面中的第二天线。

10.一种用于组装RFID装置的方法，该方法包括：

提供PCB，所述PCB具有上表面和下表面、相对的端部和相对的侧部；

提供单螺距螺旋天线元件；

在所述相对的端部中形成凹槽，使得凹槽部分配置为引导部分，该引导部分具有的螺距对应于所述螺旋天线元件的单螺距；

在所述PCB中提供镀金通孔，该镀金通孔的位置对应于所述单螺距螺旋天线元件的螺距；

提供组装夹具，该组装夹具包括用于PCB的支撑件和保持结构；

在所述组装夹具的表面中提供天线支撑通道；

将所述PCB保持在所述组装夹具上，并暴露下表面；

将天线元件放置在支撑通道中；

通过在所述支撑通道中旋转和推进所述天线元件以将所述天线元件的端部穿过所述PCB的通孔；

将所述天线的端部焊接到PCB下表面上的所述镀金通孔的一部分，以产生组装的装置。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

将集成电路安装到所述PCB的上侧；以及

在所述组装夹具的表面中提供凹进以容纳所述集成电路。

12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

用粘结剂包覆所述组装的装置；以及

在所述PCB以及所述天线元件的至少一部分上覆加非导电弹性材料。

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