DE10063792A1

DE10063792A1 - Räumlich allseitig wirksamer Transponder geringer Abmessungen

Info

Publication number: DE10063792A1
Application number: DE10063792A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dreikorn; Andreas Guenther; Carsten Schwetje
Original assignee: Kaschke KG & Co GmbH
Current assignee: Kaschke KG & Co GmbH
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-06-27

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis von Rundumwirkung sowie Antennengewinn zu den Außenabmessungen von Transpondern, vorzugsweise mit Ferritkern, insbesondere für mobile Identifikationsgeber, zu verbessern. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem der Transponder aus einem Gehäuse (1) mit innenliegender elektronischer Ansteuer- und Auswerteschaltung (4) besteht, wobei das vorzugsweise aus Ferrit bestehende Gehäuse (4) durch Aufbringen von (5, 6, 7) Wicklungen und/oder schichtförmigen Leiterbahnen als Antenne ausgebildet ist. DOLLAR A Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, in schlüssellose Identifikationssysteme in Fahrzeugen mit mobilen Identifikationseinheiten anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine räumlich allseitig wirksame, hinfort als Transponder bezeichnete Sende- und Empfangseinheit mit geringen Abmessungen, insbeson dere für schlüssellose Identifikationssysteme mit mobilen Identifikationseinhei ten. Für die genannten Identifikationssysteme wird bekanntermaßen eine Kette aus Sende- und Empfangseinheiten verwendet, die zum Austausch des Identifi kationscodes über einen Frage-Antwort-Dialog miteinander verknüpft sind.

Die gestiegenen Anforderungen sowohl an die Vielseitigkeit der Identifikations systeme als auch an den Komfort, erfordern eine technische Lösung, die zum ei nen in alle Raumrichtungen wirksam ist und zum anderen eine geringe Baugröße aufweist. Beispielsweise sind im Bereich der Automobilführung Systeme ge wünscht, bei denen einerseits eine mobile Einheit eines Identitikationssystems von einer Person bequem in der Tasche zu tragen ist, andererseits sollen außer halb des Fahrzeugs die Zugangsberechtigung der Person zum Fahrzeug sicher aus verschiedenen Raumrichtungen heraus erkannt werden und, nach erfolgter Identifizierung und Freigabe des Zuganges, im Inneren des Fahrzeugs Funktio nen, wie z. B. die Möglichkeit zum Fahren des Fahrzeugs, freigeschaltet werden können.

Wenn sich diese Erfindung auch auf die Gestaltung einer mobilen, von einer Person zu tragenden Einheit eines schlüssellosen Identifikationssystems konzen triert, so sollen doch hier zunächst auch Systeme diskutiert werden, bei welchen das Problem der möglichst richtungsunabhängigen Funkverbindung auf Seiten eines Kraftfahrzeuges gelöst werden soll. Hierbei steht naturgemäß die Frage der Miniaturisierung nicht so stark im Vordergrund, ohne daß diese technischen Lösungen dadurch frei von Mängeln oder Nachteilen wären.

So ist ein System bekannt, bei welchem sich fahrzeugseitig eine kleinere, vor zugsweise um einen ferromagnetischen Stabkern gewickelte Antennenspule in nerhalb einer größeren Luftspule befindet, wobei die Achse der größeren Luftspule etwa parallel zur Längsrichtung des Fahrzeuges und die Achse der kleineren Spule in Querrichtung liegen (DE 36 27 193 A1). Dieses System soll unter Ausnutzung der elektromagnetischen Induktion ausdrücklich nur im Nah bereich von bis einem Meter wirksam sein. Die Forderung, daß der mobile Teil auch wirksam sein soll, wenn er sich zu Beginn bzw. während Fahrt im Inneren des Fahrzeuges befindet, bestand offenbar bei der Entwicklung dieser techni schen Lösung noch nicht.

Hingegen soll ein beispielsweise im Armaturenbrett angeordnetes System aus einer langgestreckten ersten Leiterschleife, einer mit ihr in der gleichen Ebene liegenden konzentrisch angeordneten vorzugsweise kreisförmigen zweiten Lei terschleife und ggf einer dritten, in Form und Funktion der ersten Leiterschleife entsprechenden aber senkrecht zu dieser angeordneten Leiterschleife ausdrück lich im Inneren des Fahrzeuges richtungsempfindlich wirksam sein (DE 197 12 911 A1). Der Nachteil dieser Anordnung besteht insbesondere im hohen Platz bedarf der Einheit. Über die Gestaltung der mobilen Identifikationseinheit ist nichts ausgesagt.

Ein spezielles Problem, nämlich den Transponder nicht nur in den Nachrichten austausch einzubeziehen sondern durch elektromagnetische Induktion sozusa gen "drahtlos" auch mit Energie zu versorgen, wird durch eine Anordnung ge löst, bei welcher zwei Sende- und Empfangsspulen sowie eine mit höherer Lei stung angesteuerte Energiespule einstückig miteinander verbunden in einer Ebe ne, beispielsweise in beiden vorderen Türen des Fahrzeuges angeordnet sind, wodurch wirksame "Fangbereiche" im Fahrzeug-Innenraum sowie beiderseits der Türen entstehen (DE 195 42 441 C2). Dabei müssen die beiden Sende- und Empfangsspulen einer Gruppe phasenverschoben angesteuert werden, so daß ein sich hin- und herbewegendes elektromagnetisches Feld entsteht. Diese technische Lösung ist sehr aufwendig und birgt Funktions-Unsicherheiten, in dem ein Akkumulator oder Kondensator im mobilen Teil erst aufgeladen werden muß, bevor dieser funktionsfähig ist. Wenn der mobile Teil als Schlüssel aus gebildet ist und im Zündschloß steckt oder in einer dafür vorgesehenen Ausspa rung im Fahrzeug abgelegt ist, soll er ständig aufgeladen sein und ansonsten als "Notlauffunktion" zumindest das Antwortcodesignal aussenden können. Diese technische Lösung ist für ein echt schlüsselloses System zu unsicher. Darüber hinaus hat diese Lösung einen großen Platzbedarf, so daß eine Miniaturisierung im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht möglich ist.

Eine weitere fahrzeugseitige Ausgestaltung der Antennenanordnung betrifft eine Winkelanordnung zweier Antennen am Fahrzeug, um ohne einen Phasenkonver ter außerhalb des Fahrzeuges einen großen Arbeitsbereich zu erhalten (DE 198 12 294 C2). Hierbei wird die Frage der Funktion im Inneren des Fahrzeuges nicht angesprochen.

Bei der fahrzeugseitigen Ausgestaltung der Antennen ist es auch bekannt, zwei um 90° versetzt wirksame Antennenspulen ineinander integriert anzuordnen, wobei die innere der Antennenspulen einen Ferritkern aufweist (DE 38 20 248 C2). Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß hierbei die Ansteuer schaltung der Identifikationseinheit außerhalb des Ferritkernes untergebracht werden muß und deshalb eine Miniaturisierung im Sinne der vorliegenden Er findung nicht möglich ist.

Wenn auch offensichtlich noch fahrzeugseitig angeordnet, so bieten die folgen den bekannten technischen Lösungen in Verbindung mit einer behaupteten Rundumwirkung noch Miniaturisierungspotential auch für den mobilen Teil ei nes Kontrollsystems der eingangs beschriebenen Art.

Bei einer dieser technischen Lösungen ist auf einer Leiterplatte eine "Erdungsebene" und konzentrisch zu dieser eine Antenne in Gestalt einer Schraubenlinie angeordnet (US 5.723.912 A).

Die zweite Antenne ist eigentlich zur Montage auf dem Dach eines Fahrzeuges vorgesehen. Sie wird jedoch in diese Betrachtung einbezogen, weil beispielhaft eine Schaltungsgröße von nur 1 Zoll × 1,5 Zoll (25,4 mm × 38,1 mm) erwähnt wird. Eine Anzahl von beispielsweise 6 Antennenspulen ist auf strahlenförmig in radialer Richtung angeordneten Ferritkernen aufgebracht (US 3.634.888 A).

Jedoch muß angenommen werden, daß bei der erstgenannten technischen Lö sung doch eine Vorzugsebene der Antenne und somit keine echte Rundum- Antenne vorliegt. Die zweite Ausführung ist mit einem hohen Fertigungsauf wand für den strahlenförmigen Spulenträger aus Ferrit bzw. zur Aufnahme ein zelner Ferritkerne verbunden, und eine Rundumwirkung ist ebenfalls nur in derjenigen Ebene denkbar, in welche sich die "Strahlen" erstrecken.

Speziell zur Ausgestaltung der Antenne des mobilen Teiles ist es bekannt, so wohl zwei fahrzeugseitige Antennenspulen als auch zwei Antennenspulen des mobilen Teiles jeweils in orthogonalen Richtungen anzuordnen und deren An steuerung derart zeitlich zu variieren, daß sich räumliche vektorielle Überlage rung der Hochfrequenzfelder ständig ändert. Ferritkerne sind dabei nicht er wähnt (DE 198 45 649 A1). Auch ist nicht erwähnt, daß zum Zwecke der Minia turisierung die Ansteuerschaltung der Identifikationseinheit sich im Inneren des Spulenautbaues bzw. des Ferritkernes befindet.

Schließlich ist es für den tragbaren (mobilen) Teil bekannt von Diebstahlschutz systemen von Kraftfahrzeugen, zur Erzielung einer Rundumcharakteristik drei separate, uniaxiale Antennenspulen mit oder ohne Ferritkern in drei zueinander senkrechten Richtungen anzuordnen (DE 197 18 423 A1). Diese Anordnung im mobilen Teil erfordert einen relativ großen Bauraum, was im Widerspruch zu der Forderung steht, den mobilen Teil, möglichst klein und handlich zu gestal ten. Da sich die drei uniaxialen Antennen direkt auf der Platine mit der Ansteu erschaltung befinden, wo sie den elektrischen Feldern der Schaltung ausgesetzt sind, was naturgemäß auch umgekehrt gilt, indem die Schaltung den Feldern der Antennen ausgesetzt ist. Da nur wenig Bauraum zur Verfügung steht, ist man bestrebt, die Stabantennen möglichst kurz auszubilden. Dementsprechend gering sind der resultierende Antennengewinn bzw. die Signalstärke. Einer Steigerung der Signalstärke durch Erhöhung der Induktivität sind ebenfalls durch den mi nimalen Bauraum enge Grenzen gesetzt. Mit der Steigerung des Induktivitäts wertes kommt die Eigenresonanz des Antennenbauteiles leicht in den Bereich der Betriebsfrequenz (meist 125 kHz). In diesem Falle wird es problematisch, die Antenne auf ihren Resonanzpunkt abzustimmen.

Auf einem anderen Fachgebiet, nämlich auf dem Gebiet der Funk-Armband uhren, ist es bekannt, eine Gehäusehälfte der Uhr aus Ferrit herzustellen und als Antenne zu verwenden. Die Richtwirkung einer Stabantenne soll dadurch ver mieden werden, daß zwei der Gehäuseform entsprechende Polygon- oder Krei ssegemente durch einen schmaleren Steg getrennt sind, welcher die Wicklung der Antennenspule trägt (DE 39 41 913 C1). Eine echte dreidimensionale Wir kung kann von dieser Anordnung jedoch nicht erwartet werden.

Es ist weiterhin bekannt, daß dreidimensional wirksame Antennen hergestellt werden können, indem ein massiver Ferritkörper mit drei als Einzelantennen ausgebildeten Wicklungen versehen wird. (Firmendruckschrift der Fa. PREDAN, Malaga, Spanien "Transponder inductors" Nr. 952 224 547, Ab schnitt "3D COILS") Der Nachteil dieser Konstruktion liegt in dem hohen Platzbedarf, da die Ansteuer- und Auswerteschaltung nicht im Inneren des Fer ritkörpers liegt, sondern stattdessen der Ferritkörper auf die Platine aufgelötet werden muß, die die Ansteuer- und Auswerteschaltung trägt.

Erfahrungsgemäß kann beim alltäglichen Gebrauch eines Transponderschlüssels dieser durchaus aus der Hand des Benutzers zu Boden fallen. In einem solchen Falle hat die oben erwähnte Transponderkonstruktion den Nachteil, daß sich der verhältnismäßig schwere Antennenkörper von der Platine lösen und der Trans ponder dadurch unbrauchbar werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis von Rundumwirkung sowie Antennengewinn zu den Außenabmessungen von Transpondern, vor zugsweise mit Ferritkern, insbesondere für mobile Identifikationsgeber der ein gangs geschilderten Art gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern und auch andere oben geschilderte Mängel des Standes der Technik zu behe ben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Für gegebene Außenmaße des mobilen Teiles hat die Antenne einen maximalen Empfangsquerschnitt und die Empfangs-Signalstärke liegt deutlich über derjeni gen von uniaxial wirkenden Einzelantennen mit Ferritkern.

Drei voneinander unabhängige Antennen nutzen in vorteilhafter Weise nur einen Trägerkörper, der vorzugsweise aus Ferritmaterial hergestellt ist. Ein und nur noch ein Antennenbauteil ist erforderlich, dessen Außenabmessungen leicht den geforderten Außenmaßen der ganzen (mobilen) Einheit angepaßt werden kön nen.

Wegen der kompakten Bauweise des Transponders ist dieser, falls der Benutzer ihn versehentlich zu Boden fallen läßt, gegenüber Bruch oder anderweitige Be schädigung sehr widerstandsfähig.

Wegen des großen Ferritquerschnittes sind nur relativ wenige Windungen der Antennenspule zur Erzeugung großer Induktivitäten ausreichend.

Der Abstand der Eigenresonanzfrequenz der Wicklungen kann leicht auf ausrei chend große Werte eingestellt werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Auswer teelektronik im Inneren eines Gehäuses aus Ferrit, welches zugleich ein erfin dungswesentlicher Bestandteil für die Antennenfuktion ist. Das Nutzsignal wird durch Öffnungen in den Ferit-Wänden zur Auswerteelektronik geleitet. Etwaige Störsignale werden durch die Ferrit-Wände abgeschirmt, so daß unerwünschte Wechselwirkungen zwischen der Antenne und der Auswerteschaltung minimiert werden.

Erfindungsgemäß kann die Wicklung der Antennenspule(n) für die übliche, für diese Anwendungen freigegebene Frequenz von 125 kHz sowohl aus Wick lungsdraht als auch als strukturierte Leiterbahnanordnung ausgeführt werden. Bei der Nutzung einer anderen freigegebenen (höheren) Frequenz von bei spielsweise 433 Mhz allein oder in Kombination mit der zuvor genannten Fre quenz kann es vorteilhaft sein, diese Leiterbahnanordnung für die MHz- Frequenz nicht als Spule, sondern beispielsweise als Schlitzantenne auszufüh ren.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1: perspektivische schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Transponders etwa 6fach vergrößert

Fig. 2: Verlauf des Antennengewinns in der X-Y-Ebene

Fig. 3: Verlauf des Antennengewinns in der Y-Z-Ebene

Fig. 4: Verlauf des Antennengewinns in der X-Z-Ebene.

Ein erfindungsgemäßer miniaturisierter Transponder besteht beispielsweise aus einem Gehäuse 1 aus weichmagnetischem NiZn-Ferrit (µ_i = 250) mit den Ab messungen:
25 mm in der X-Richtung (Fig. 1)
35 mm in der Y-Richtung
10 mm in der Z-Richtung.

Die Kanten des quaderförmigen Gehäuses 1 haben einen Rundungsradius von 1 mm. Das Gehäuse 1 ist becherförmig hohl und im gebrauchsfertigen Zustand mit einem Deckel 2 verschlossen. Die Dicke der Wand beträgt 3 mm. Zum bes seren Verständnis ist in der Zeichnung eine Ecke 3 des Gehäuses weggebrochen dargestellt, so daß ein Einblick in das Innere des Gehäuses möglich wird. Dort ist erfindungsgemäß die Steuer- und Auswerteschaltung 4 untergebracht.

An der Außenseite des Gehäuses 1 sind drei Antennenwicklungen 5, 6 und 7 angebracht, die vorteilhafterweise aus lackisoliertem Kupferdraht hergestellt sind. Die elektrische Verbindung zur Steuer- und Auswerteschaltung 4 wird hergestellt, in dem der Lackdraht der Wicklungen 5, 6 und 7 durch die Gehäu seöffnungen 8 bis 13 geführt und im Inneren des Gehäuses 1 elektrisch mit der Steuer- und Auswerteschaltung 4 verbunden wird.

Untenstehende Tabelle zeigt, welche Induktivitäten sich für die Wicklungen in X-, Y- und Z-Richtung ergeben:

Die in den Wicklungen 5, 6 und 7 entstehenden unterschiedlichen Signale wer den im Hohlraum des Gehäuses der elektronischen Schaltung 4 zugeführt und betragsmäßig addiert. Es sind jedoch auch andere elektronische Auswertemodi denkbar. Die Betriebsfrequenz ist typischerweise 125 kHz. Für diese Bemes sungsdaten wurden die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Antennengewinn- Verläufe gemessen, welche weitgehend für sich selbst sprechen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszahlen

1

Gehäuse

2

Deckel

3

weggebrochene Ecke

4

Steuer- und Auswerteschaltung

5

Wicklung um X-Achse

6

Wicklung um Y-Achse

7

Wicklung um Z-Achse

8

Gehäuseöffnung

9

Gehäuseöffnung

10

Gehäuseöffnung

11

Gehäuseöffnung

12

Gehäuseöffnung

13

Gehäuseöffnung

Claims

1. Räumlich allseitig wirksamer Transponder geringer Abmessungen, insbe sondere für schlüssellose Zugangsberechtigungssysteme, dadurch gekenn zeichnet, daß der Transponder aus einem Gehäuse (1) mit innenliegender elektronischer Steuer- und Auswerteschaltung (4) besteht, wobei das Ge häuse (1) durch Aufbringen von Wicklungen (5, 6, 7) und/oder schichtför migen Leiterbahnen als Antenne ausgebildet ist.

2. Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus weichmagnetischem Ferritmaterial, ferrithaltigein Material, Eisen pulvennaterial oder ein anderen wirbelstromannen, magnetisch wirksamen Material ist.

3. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuse (1) im wesentlichen die Form eines Quaders, einer Kugel oder eines Rotationsellipsoides hat.

4. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuse (1) von ebenen oder konvexen Flächen begrenzt ist, welche im Bereich der Breitenausdehung der Wicklungen (5, 6, 7) keine Krümmungen aufweisen.

5. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuse (1) zur Ausbildung einer oder mehrerer Antennen äu ßerlich mit mindestens einer Wicklung (5) versehen ist.

6. Transponder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zusätzlich mit mindestens einer als Hochfrequenzantenne ausgebildeten Leiterbahn versehen ist.

7. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuse (1) zur Ausbildung von Antennen äußerlich mit drei Wicklungen (5, 6, 7) versehen ist, deren Wicklungsachsen im wesentlichen in Richtung der drei orthogonalen Raumkoordinaten (X, Y, Z) verlaufen.

8. Transponder nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (5, 6, 7) als Drahtwicklung, gedruckte Leiterbahn oder anders ausgeführte elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet sind.

9. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Wicklungen (5, 6, 7) mit der im Inneren des Gehäuses (1) be findlichen Steuer- und Auswerteschaltung (4) elektrisch verbunden sind.

10. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Gehäuse mindestens eine Öffnung zum Einbringen der Steuer- und Auswerteschaltung (4) sowie Gehäuseöffnungen (8 bis 13) zur Durch führung der elektrischen Anschlüsse zur Bewicklung besitzt.

11. Transponder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnun gen mit Deckeln (2) aus magnetisch wirksamem Material verschlossen sind.

12. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die zum Betrieb notwendige Energie aus einem Energiespeicher stammt, der im Inneren des Gehäuses untergebracht ist.

13. Transponder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie speicher über eine Antennenwicklung induktiv aufladbar ist.

14. Transponder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponder keinen eigenen Energiespeicher enthält und die zum Betrieb des Transponders notwendige Energie über eine Antennenwicklung induktiv zuführbar ist.

15. Transponder nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß er mit einer Vorrichtung zur Identifizierung derjenigen Person, die zum Tragen des Transponders berechtigt ist, vorzugsweise mit einem Sy stem zur Erkennung eines menschlichen Fingerabdruckes, versehen ist.