DE102017121536A1

DE102017121536A1 - Elektronisches Modul mit Batterie in umspritzten Gehäuse

Info

Publication number: DE102017121536A1
Application number: DE102017121536.0A
Authority: DE
Inventors: Frédéric Allemann; Vincent Aubry; Grégory Schaffner; Rémi Tochon; Michael Reppel
Original assignee: Turck Duotec SA
Current assignee: Turck Duotec SA
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Elektronisches Modul und Herstellungsverfahren für ein solches, umfassend elektronische Komponenten, eine Batterie oder Akku, Kontaktelemente, wie Feder und Lötpad, die eine elektrische Verbindung zur Batterie herstellen, einen Deckel, der eine Schutzfunktion für die Batterie oder Akku gegenüber den Einflüssen aus einem Umspritzungsprozess gewährleistet und ein umspritztes Gehäuse, das die elektronischen Komponenten und die Batterie bzw. den Deckel vollständig oder teilweise umschließt.

Description

Die Umspritzung von elektronischen Komponenten mit nicht-leitenden Werkstoffen, wie Kunststoff, kann ein günstig zu realisierender Schutz einer Elektronik gegenüber Umwelteinflüssen sein. Diese Technologie ist bereits in der Literatur beschrieben und heute Stand der Technik.
Es ist bekannt, dass manche elektronische Komponenten nicht so einfach umspritzt werden können, z. B. aufgrund deren geringer Druckbeständigkeit, geringer Temperaturbeständigkeit oder beides. Beispiele für solche Komponenten sind bestimmte keramische Kondensatoren, elektrolytische Kondensatoren, Quarze, Batterien oder Akkus.
Es ist auch bekannt, dass die Umspritzung einer chemischen Energiequelle, wie einer Batterie oder eines Akkus trotz deren geringer Temperatur- und Druckbeständigkeit technisch machbar ist. Mehrere Patente oder Patentanmeldungen geben Lösungsansätze, wie die DE102012212467A1 . Einige Lösungen beinhalten schützende oder isolierende Schichten, die die Batterie vor dem heißen Umspritzungsprozess schützt, z. B. basiert auf unter niedriger Temperatur gehärtetem Harz, wie in der JP2012206444A beschrieben, oder durch isolierende Gehäuse, in welche die Energiequelle gelegt wird. Die isolierenden Schichten oder Gehäuse sind ausgelegt, die Energiequelle von den zerstörenden Temperaturspitzen während eines Umspritzungsvorgangs zu schützen, wie in der US2015092360A1 oder WO2015050988A1 .
Die Schichten können aber auch gleichzeitig eine mechanische Unterstützung für das Gehäuse der Energiequelle bieten, insbesondere für den Fall, dass diese selber vor mechanischer Belastung geschützt werden muss. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn sie nur aus einer dünnen Folie gefertigt ist. Sollte ungewollt das Gehäuse zerquetscht werden und damit die Chemie durcheinander gebracht werden, würde das schlussendlich den Ausfall der Batterie verursachen.
Die aktuellen Richtlinien (z. B. Richtlinie 2006/66/EG) über die Benutzung von Batterien fordern das Recycling von den Batterien oder Akkus. Eine möglicher Zugänglichkeit bzw. Demontierbarkeit der Batterie für den Benutzer eines elektronischen Moduls ist also von Vorteil, um eine saubere Entfernung und Recycling der Batterie zu ermöglichen. Wenn eine solche Zugänglichkeit nicht vorgesehen ist, wäre gefordert, das ganze elektronische Modul separat zu entsorgen, oder die Entfernung der Batterie von Spezialisten mit angepassten Werkzeugen durchführen zu lassen. Im Fall einer kompletten Umspritzung der Batterie mit den beispielhaft genannten Verfahren, muss eine einfache Entfernung der Batterie aus recyclingtechnischen Gesichtspunkten daher als kritisch bewertet werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Modul aus einem umspritzten Gehäuse bereitzustellen, das die Möglichkeit einer einfachen Entnahme der Batterie am Ende der Lebenszeit bietet. Weiterhin soll eine umspritztes Gehäuse mit innenliegender Batterie ermöglicht werden, ohne dass die Batterie Schaden nimmt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektronisches Modul umfassend elektronische Komponenten, eine Batterie oder Akku, Kontaktelemente, wie Feder und Lötpad, die eine elektrische Verbindung zur Batterie herstellen, einen Deckel, der eine Schutzfunktion für die Batterie oder Akku gegenüber den Einflüssen aus einem Umspritzungsprozess gewährleistet und ein umspritztes Gehäuse, das die elektronischen Komponenten und die Batterie bzw. den Deckel vollständig oder teilweise umschließt.
Vorteilhafterweise kann so eine Umspritzung um die Batterie durchgeführt werden, ohne dass diese einen Temperaturschaden durch den Umspritzungsprozess nimmt.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls weist der Deckel ein Halbscharnier auf und das umspritzte Gehäuse bildet den zweiten Teil des Scharniers aus.
Vorteilhafterweise kann durch das Scharnier der Deckel weggeklappt werden, so dass die Batterie frei liegt bzw. zugänglich ist. Dies ist eine einfache Methode das Scharnier ohne großen Bauteilaufwand zu realisieren, was möglich ist, da es i. d. R. nur einmal zur Anwendung kommt. Weiterhin fixiert das Scharnier den Deckel gegenüber dem umspritzten Gehäuse, welches ansonsten aus materialtechnischen Gründen beweglich sein könnte.
In einer alternativen Ausführungsform des elektronischen Moduls weist der Deckel bereits ein komplettes Scharnier aus, welches bereits zusammen mit dem Deckel geliefert bzw. hergestellt wurde. Das spätere Umspritzen erzeugt in diesem Fall kein weiteres Halbscharnier. Jedoch sollte der Deckel dann so fixiert werden, dass die zweite Scharnierhälfte fixiert ist, um die Klappwirkung zu erzielen und/oder den Deckel mit dem zweiten Teil des brechbaren elektronischen Moduls zu verbinden.
Zur Fixierung kann z. B. eine formschlüssige Verbindung mit dem Umspritzungsmaterial aufgebaut werden, während des Umspritzungsvorgangs. Alternativ kann eine formschlüssige Ankopplung mit der Umspritzung, die ggf. vorgefertigt wird, stattfinden. Weiter alternativ kann eine formschlüssige Verbindung mit dem PCB vorliegen, beispielsweise durch eine Lötverbindung. Über eine solche Verbindung kann auch wenigstens ein Pol der Batterie kontaktiert werden.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls sind der Deckel und das umspritzte Gehäuse aus Werkstoffen gefertigt, die nicht oder schlecht aneinander haften, bzw. chemisch inkompatibel sind.
Vorteilhafterweise wird dadurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Deckel und umspritztem Gehäuse vermieden, so dass diese gegeneinander beweglich bleiben. Dies ist notwendig, wenn das Modul gebrochen, bzw. getrennt wird und der Deckel aus dem einen Teil des umspritzen Gehäuses herausgezogen werden soll.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls besteht der Deckel aus dem Werkstoff Polymer, Harz, (thermoplastischem) Elastomer oder einer (metallischen) Folie oder Flex-PCB, während das umspritzte Gehäuse aus dem Werkstoff Thermoplast (z. B. Propylen), Duroplast, Hotmelt, Elastomer, Silikon, Duromer, PIM besteht. Diese können mittels einer Umspritz-Technik, Mikrospritzguss oder in Reinraumtechnik appliziert werden.
Vorteilhafterweise bieten diese Werkstoffe, dass die genannte formschlüssige Verbindung verhindert wird.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls ist im umspritzten Gehäuse eine Sollbruchstelle vorhanden.
Vorteilhafterweise wird dadurch die Öffnung des Gehäuses durch eine manuelle Handlung (Zerbrechen) ermöglicht und es ist möglich an das Innenleben, insbesondere die Batterie zu gelangen.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls befindet sich die Sollbruchstelle auf Höhe des Scharniers und/oder zwischen Batterie und Scharnier und/oder Federelement und Scharnier.
Vorteilhafterweise wird bei dieser Anordnung der Sollbruchstelle nach dem Zerbrechen und Auseinanderziehen des Moduls, das Scharnier beweglich.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls ist ein Träger, insbesondere eine Leiterplatte vorhanden, der die elektronischen Komponenten und die Kontaktelemente trägt, wobei die Leiterplatte über wenigstens die größere Hälfte ihrer Fläche oder komplett vom umspritzten Gehäuse umschlossen ist.
Vorteilhafterweise können so übliche Herstellungsverfahren für elektronische Schaltungen eingesetzt werden, so dass dann nur noch ein Werkstück, nämlich die bestückte Leiterplatte umspritzt werden muss.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls ist die Batterie zwischen dem Deckel und der Leiterplatte derart platziert, dass die Batterie nicht mit dem umspritzten Gehäuse in Berührung kommt.
Vorteilhafterweise wird so während des Umspritzungsprozesses vermieden, dass die Batterie mit dem heißen geschmolzenen Kunststoff in Berührung kommt und ggf. Schaden nimmt.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls ist eine weitere Sollbruchstelle auf der Leiterplatte, eine sogenannte Ritzrille in der Zone des Scharniers angebracht.
Vorteilhafterweise kann dadurch eine weitere Schwächung des Moduls an der gewünschten Bruchstelle erreicht werden. Eine Sollbruchstelle lediglich im umspritzen Gehäuse ist eventuell nicht ausreichend, um ein manuelles Zerbrechen zu erlauben.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls ist die weitere Sollbruchstelle auf der Leiterplatte, die sogenannte Ritzrille zwischen Feder und Lötpad angebracht.
Vorteilhafterweise kann so das Federelement an dem Teil des Moduls, mit dem das Scharnier verbunden ist, verbleiben, so dass das Federelement kein Hindernis beim Auseinanderziehen der beiden Teile des gebrochenen Moduls oder dem Herausnehmen der Batterie bildet.
In einer besonderen Ausführungsform des elektronischen Moduls ist eine weitere Sollbruchstelle auf der Leiterplatte, eine sogenannte Ritzrille auf Höhe der Deckelseite, die gegenüber dem Scharnier liegt, angebracht.
Vorteilhafterweise kann bei einer Ritzrille an dieser Stelle gewährleistet werden, dass beim Auseinanderziehen der zwei Teile des gebrochenen Modus die Batterie nicht unmittelbar, und damit ggf. ungewollt, herausfällt, da die Batterie so durch den Deckel auf der einen und die Leiterplatte auf der anderen Seite weiterhin verschlossen und gehalten bleibt. Ein Herausnehmen der Batterie kann dann in einem weiteren Schritt durch (manuelles) Öffnen des Scharniers geschehen. Dazu kann das zweite Teilscharnier, z. B. die Umspritzung so gebildet sein, dass es einen leichten, aber manuell zu überwindenden Widerstand gegen das Öffnen bietet.
Die Aufgabe der Erfindung löst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen elektronischen Moduls. Dabei wird der Deckel, der eine Schutzfunktion für die Batterie oder Akku gegenüber den Einflüssen aus einem Umspritzungsprozess gewährleistet, über der Batterie angebracht und danach in einem Umspritzungsprozess ein umspritztes Gehäuse, das die elektronischen Komponenten und die Batterie bzw. den Deckel vollständig oder teilweise umschließt, hergestellt.
Vorteilhafterweise kann die Umspritzung mit bekannten Verfahren wie Spritzgießen hergestellt werden.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung weist der Deckel ein Halbscharnier auf und während des Umspritzungsprozesses wird der zweite Teil des Scharniers im umspritzen Gehäuse geformt.
Vorteilhafterweise wird das zweite Halbscharnier auf diese Weise automatisch mit erzeugt, ohne dass ein separater Arbeitsschritt oder Bauteil dafür notwendig ist.
Die Aufgabe der Erfindung löst weiterhin ein System zur Anzeige oder Auswertung von Daten mit einem elektronischen Gerät, welches die Daten über eine Drahtlosschnittstelle bereitstellt und welches ein elektronisches Modul nach Anspruch 1 aufweist und mit einem mechanisch vom elektronischen Gerät unabhängigen Anzeige- oder Auswertungsgerät, welches die Daten über eine Drahtlosschnittstelle empfängt und die Daten anzeigt und/oder auswertet.
Vorteilhafterweise kann so die Anzeige/Auswertung von der Datenquelle, dem elektronischen Gerät, räumlich getrennt werden, wobei das elektronische Gerät zumindest teilweise umspritzt ist, insbesondere das elektronisches Modul mit umspritzter Batterie, welches das elektronische Gerät aufweist.
Bevorzugterweise ist die Datenverbindung über eine Datenschnittstelle realisiert, die die NFC (Near-Field-Communication) Technologie verwendet. Das Anzeige- oder Auswertegerät kann insbesondere ein Smartphone, Tablet oder ein Gerät aus der Industriesteuerung sein.
In einer besonderen Ausführungsform des Systems weist das elektronische Gerät einen Sensor auf und die Daten enthalten Sensordaten. Die Drahtlosschnittstellen sind NFC-basiert und das Anzeige- und/oder Auswertungsgerät ist ein Smartphone, das mittels einer App Sensordaten anzeigt. Einen NFC-Magnetfeldkoppler, der baulich unabhängig vom elektronischen Gerät und dem Smartphone ist, erhöht die Reichweite der NFC-Verbindung und ermöglicht so zwischen elektronischen Gerät und dem Smartphone eine NFC-Verbindung.
Vorteilhafterweise kann ein NFC-Magnetfeldkoppler, der später noch im Detail beschrieben wird, eine Verbindungsdistanz von NFC erhöhen, die normalerweise wenige Zentimeter betragen würde. Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn ansonsten das Anzeige- oder Auswertungsgerät nicht nahe genug an das elektronische Gerät gehalten werden kann.
In einer besonderen Ausführung des Systems ist das elektronische Gerät ein Kaffeelöffel, welcher einen Temperatursensor zur Messung einer den Kaffeelöffel umgebenden Flüssigkeit aufweist und auf dem mittels NFC verbundenen Smartphone die Temperatur darstellt.
Zusätzlich kann das Smartphone neben einer Temperaturanzeige auch eine Auswertung durchführen und die Trinkbarkeit beispielsweise mittels Signalfarben (rot, gelb, grün) darstellen. Dadurch würde die Wahrscheinlichkeit (da diese individuell ist) der temperaturbezogenen Trinkbarkeit dargestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein zusammengebautes Modul,
2 eine Leiterplatte mit Kontaktelementen,
3 eine Leiterplatte mit Kontaktelementen und eingelegter Batterie,
4 eine Leiterplatte mit Kontaktelementen, eingelegter Batterie und Schutzdeckel,
5 eine Oberseite eines Batterie-Schutzdeckels,
6 eine Unterseite eines Batterie-Schutzdeckels,
7 einen Querschnitt durch ein elektronisches Modul.

1 zeigt das zusammengebaute/-gefügte Modul (10), bei dem nur das umspritze Gehäuse (22) und die Sollbruchstelle (18) sichtbar ist. 2 bis 4 zeigen verschiedene Stadien des Zusammenbaus des Moduls (10). Die 5 zeigt einen Deckel (14), der in das Modul verbaut wird, während 6 diesen Deckel bzw. Schutzdeckel (14) in einem Schnitt ohne die bedeckende Kappe, sondern mit dem darunter liegenden Hohlraum zeigt, in dem die Batterie (13) Platz findet. 7 stellt einen Längsschnitt durch das zusammengebaute umspritzte elektronische Modul (10) dar, mit Bezeichnung seiner einzelnen Bestandteile.
Die Erfindung kann gleichermaßen für Einweg-Batterien, als auch wiederaufladbare Batterien (Akkus) verwendet werden. Beschreibungen für Batterien gelten gleichermaßen auch für Akkus.
Die Erfindung beschreibt ein elektronisches Modul (10) in einem umspritzten Gehäuse (22) enthaltend eine Leiterplatte (Printed Circuit Board - PCB) (11), optionale aktive oder passive elektronischen Komponenten (12), Bauelemente oder Sensoren, eine Energiequelle wie eine Batterie oder ein Akku (13) und ein Deckel (14), z. B. aus einem Polymermaterial. Dieses Modul ist ausgelegt, eine Entfernung bzw. Ausbau der Batterie durch eine einfache aber irreversible manuelle Handlung zu ermöglichen.
Durch die Benutzung eines schützenden Deckels (14), kann man die Umspritzung einer Batterie (13) mit Kunststoff ermöglichen, deren Verarbeitungstemperaturen und -drücke sich ansonsten im Fall einer direkten Umspritzung der Batterie (13) als batteriezerstörend auswirken würden. Die Batterie wird dadurch vom während der Umspritzung geschmolzenen Kunststoff durch den Deckel (14) auf der einen Seite und die Leiterplatte (11) auf die andere Seite, mechanisch isoliert, d. h. der geschmolzene Kunststoff berührt die Batterie nicht.
Der in dieser Erfindung beschriebene Deckel (14) ist eigentlich nur ein Halb-Deckel bzw. Halb-Schale, z. B. aus einem Polymer, der zuvor in einem eigenen Arbeitsschritt hergestellt wurde. Dieser kann auch ein gespritztes Kunststoffteil sein. Die innere Oberfläche des Deckels (15) folgt so nah wie möglich der äußeren Oberfläche der Batterie, um einen Spalt zwischen die Batterie und dem Deckel so weit wie möglich zu vermeiden. Dies sollte zumindest für den Fall einer kraftvollen Beanspruchung beachtet werden, da ohne Spalt die Batterie (13) dem Deckel (14) auch mechanische Stabilität verleiht. Mit Luftspalt könnte der Deckel eher ungewollt brechen oder sich verformen.
Die andere Hälfte des Deckels ist vom PCB (11) gebildet. Die Batterie (13) wird zwischen Deckel und PCB gelegt. Die Batteriekontakte sind hier beispielhaft als Federelemente (16) ausgeführt, die entweder direkt auf das PCB gelötet sind oder mit dem Deckel verbunden sind, z. B. im Rahmen der Umspritzung. Im Fall von in dem Deckel umspritzten Kontakten, muss die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten und dem PCB durch einen Druck des Deckels auf das PCB gewährleistet werden.
Eine Seite des Deckels ist mit einem Scharnier (17) bzw. Halbscharnier, versehen, die später umspritzt wird. Die zweite Hälfte des Scharniers bildet sich durch das umspritzte Gehäuse (22) selber und wird während der Umspritzung des Gehäuses geformt. Damit die Drehbarkeit und eine Führung einer Achse des Scharniers (17) gewährleistet ist, sollte ein Teil des Scharniers in axialer Richtung rotationssymmetrisch geformt sein, so dass sich die beiden Hälften des Scharniers öffnen können.
Durch die Benutzung von chemischen inkompatiblen Kunststoffen kann man nach der Umspritzung die Rutschfähigkeit des einen Kunststoffes auf dem anderen gewährleisten und so ein funktionelles Scharnier ohne manuelle Montage herstellen. Es ist vom Vorteil die beiden Kunststoffe so zu wählen, dass der Schmelzpunkt oder eine Verformungstemperatur des Deckels während der Umspritzung nicht überschritten wird, um die Geometrie bzw. Form des Deckels beizubehalten.
Während der einfachen, aber irreversiblen, manuellen Handlung die Batterie zu entfernen, muss das Scharnier (17) die Kräfte, die durch das Herausziehen auf den Deckel wirken, aufnehmen können. Dadurch kann der Deckel (14) einfach aus dem während der Umspritzung gebildeten Hohlraum in dem Umspritzungsmaterial gezogen werden. Für dieses Herausziehen ist ein hinterschneidungfreier Deckel Voraussetzung, wenn man als Entformungsrichtung die Senkrechte der Scharnierachse betrachtet, welche parallel zu der PCB Ebene liegt. Gleichzeitig muss die im inneren Hohlraum des Deckels enthaltene Batterie (13) auch auf dem PCB (11) rutschfähig sein, was impliziert, dass keine Hindernisse auf dem Weg in Entformungsrichtung vorhanden sein sollten. Durch eine entsprechende Auslegung werden also die elektrischen Batteriekontakte (16) so positioniert sein, dass sie nicht im Weg des Deckels (14) und der Batterie (13) während der Entformung positioniert sind.
Die einfache aber irreversible manuelle Handlung darin besteht, das elektronische Modul (10) durch eine Rotation um die Scharnierachse zu zerbrechen. Der Bruch des elektronischen Moduls (10) führt zur Freilegung des durch den Deckel durch Umspritzung gebildeten Hohlraumes. Dadurch ist die beschriebene Translationsbewegung des Deckels (14) und der Batterie (13) parallel zur PCB (11)-Ebene ermöglicht. Eine Wiederverwendung des elektronischen Modules (10) ist nach dieser Handlung normalerweise nicht möglich. Darum wird man die Batterie (13) erst am Lebensende des elektronischen Moduls (10) entfernen wollen. Die Frage, ob eine Batterie (13) oder ein Akku eingebaut wird, sollte davon abhängen. Wenn das elektronische Modul (10) als wiederverwendbares Produkt, ggf. mit geringem Stromverbrauch, vorgesehen, wird ein aufladbarer Akku üblicherweise eine längere Benutzungsdauer des Moduls (10) erlauben, während für Einwegprodukte eine Batterie besser geeignet sein dürfte. Entscheidend für diese Frage ist jedoch die Sicherstellung der Stromversorgung bis an das Lebensende des Moduls (10). Optional können Kontakte nach außen geführt werden, um ein Aufladen zu ermöglichen, alternativ kann dies auch induktiv erfolgen, wie z. B. bei elektrischen Zahnbürsten.
Um das Fördern (Herausziehen) der Batterie zu erleichtern ist das umspritzte Gehäuse (22) mit einer Sollbruchstelle (18) vorgesehen. Es erlaubt ein sauberes, definiertes Brechen des Moduls (10). Konkret ist diese Sollbruchstelle durch eine Verdünnung der Wanddicke des umspritzenen Gehäuses (22) und des PCB (11) realisiert. Wenn die Kunststoffe des umspritzten Gehäuses und des Deckels inkompatibel sind, d. h. nicht aneinander haften, werden durch das Brechen die vorgesehenen Rotations- und Translationswege freigelegt und ein leichtes und werkzeugloses Herausnehmen/Fördern der Batterie (13) aus dem elektronischen Modul (10) ermöglicht.
Das gekapselte (und gedeckelte) Modul (10) ist mit aufeinander abgestimmten Sollbruchstellen versehen, so dass bei Aufbereitung und Soll-Bruch der (Spritzguß-)Einheit der (einstückige) Deckel (14) leicht herausgezogen werden kann, bzw. sogar um ein gewisses Maß herausspringen bzw. herausgedrückt werden kann, aufgrund einer Federwirkung. So kann aufwändiges Entfernen von (Kunststoff-)(Spritz-)(Ver-)Gussmaterial entfallen.
Durch das Zerbrechen des Moduls können die beiden entstehenden Teile voneinander getrennt werden. Dabei hängt der Deckel (14) über die formschlüssige Verbindung des Scharniers (17) an dem zweiten Teil des umspritzten Gehäuses (22) (rechts in den Figuren gezeigt), während der Hauptteil des den Deckel umgebenden umspritzten Gehäuses (22) an dem ersten Teil (links in den Figuren) hängt. Durch Auseinanderziehen der beiden Teile in orthogonaler Richtung zur Bruchkante bzw. Bruchfläche hängt der Deckel (14) frei, nur gehalten am Scharnier (17).
Wenn die Ritzrille (21) ebenso nahe dem Scharnier angebracht ist, so wird der Teil des PCBs (11), der den unteren Teil des Deckels bildet und die Batterie hält, nach dem Zerbrechen mit dem ersten Teil verbunden bleiben. Dies führt beim Auseinanderziehen zur Trennung von Unter- und Oberseite des Deckels (14) und damit zu einem Freilegen oder gar Herausfallen der Batterie (13). Der Weg für ein Recycling der Batterie ist somit frei.
Natürlich gibt es eine Vielfalt an Formen von Batterien (13) und es wäre hier schwerlich möglich, alle denkbaren Konfigurationen zu beschreiben. Auf eine passende Weise kann man ein umspritzes Scharnier (17) auslegen. Jedoch muss es eine bestimmte Zugbeständigkeit aufweisen, damit beim Entformen das Scharnier (17) oder der Deckel (14) selbst nicht zerstört wird.
Weiterhin können verschiedenste Batteriekontakte (16) eingebaut werden, die z. B. entweder auf das PCB (11) gelötet sind oder in dem Deckel (14) montiert sind.
Die Erfindung ist als Prinzip zu verstehen, die Einzelheiten der Figuren und Beschreibung und die darin verwendeten konkreten Beispiele schränken nicht die Erfindung auf andere Anwendungsbereiche oder Geometrien ein. Die exakte technische Lösung hängt stark von der Batteriegehäusegeometrie und/oder von der Batteriepolposition ab.
Im beschriebenen Beispiel ist ein Umspritzungskonzept für eine Lithium Ionen Knopfzelle CR1220 oder CR2016 beschrieben. Durch Beobachtung hat man festgestellt, dass eine solche Batterie (13) ohne Leistungsverlust oder Schädigung 5 Minuten lang einer Umgebungstemperatur von 100° C ausgesetzt sein kann. Wenn man diese Batterie jedoch mit einem Polypropylen mit einer Schmelztemperatur von 240° C und einer Wanddicke von 0.7 mm umspritzen will, so genügt Beobachtungen zur Folge ein Deckel (14) aus Polyoxymethylen mit einer Deckelwanddicke von 0.4 mm, um die Batterie vor schädlichen Temperaturspitzen zu schützen und sie zu jeder Zeit während des Herstellungsprozesses maximal 100° C auszusetzen.
Auch höhere Spritzgußtemperaturen von 240-300 °C sind mit dieser Methode realisierbar. Auch weil die typischen Plastifiziervolumina für viele Anwendungen relativ klein sind (0,001 g bis 100 kg.) bzw. gering gehalten sind. Beispielhaft kann das elektronische Modul mit Batterie und Elektronik in einem Plastifiziervolumen von 2-10 cm³ oder vorzugsweise 3-7 cm³ eingebettet werden.
Andere Werkstoffe, wie Thermoplast oder Duroplast Kunststoffe, die auch zur Umspritzung verwendet werden können, werden ggf. bei anderen Temperaturen verarbeitet bzw. umspritzt. Das ist bei der Auslegung der Wanddicke und des Materials des Deckels (14) zu berücksichtigen.
Die grundsätzliche Geometrie des Deckels (14) wird bei einer Knopfzelle natürlicherweise rund sein. Das Scharnier (17) bzw. die Scharnierachse kann dann vorzugsweise senkrecht zur rotationssymmetrischen Achse der Batterie, mit anderen Worten parallelverschoben zu einer Tangente der Kreisform der Batterie, genauer gesagt der Batteriekontur (15) positioniert sein. Um das Herausziehen des Deckels (14) aus dem um sich selber durch Umspritzung geformten Hohlraum zu ermöglichen, sollten der Abstand der Seiten (19) zwischen der Höhe der Batterie und des Scharniers nicht enger werden. Mit anderen Worten, in Entformungsrichtung sollte sich der Deckel nicht verjüngen, um das Herausziehen nicht zu hemmen. Eine Gesenkschräge auf den Seiten wird sich für die Förderung/Herausziehen hilfreich erweisen. Ansonsten kann auch ein Freiwinkel des umspritzten Deckels dazu dienen, das Herausziehen zu erleichtern. Wenn der Deckel ohne einen solchen gefertigt ist, könnte eine Entformung erschwert sein.
Die Batterie (13) ist durch metallische, leitende Kontakte (16, 20), die auf die Leiterplatte (11) gelötet sind, kontaktiert. Die metallischen Kontakte arbeiten wie Federn, um den Kontakt zur Batterie zu gewährleisten. Z. B. kann die Batterie (13) durch ein Federelement (16) für einen, z. B. den positiven Pol, der Batterie und durch eine einfache Metallisierung eines Lötpads (20) im zentrisch unterhalb der Batterie (13) für den anderen, z. B. den negativen Pol der Batterie kontaktierbar sein. Das Federelement (16) kann auf der Seite des Scharniers (17) vorgesehen sein.
Das PCB (11) ist mit einer eigenen Sollbruchstelle, einer sogenannten Ritzrille (21) versehen, bevorzugt auf der Seite, auf der die Batterie nicht liegt. Dadurch ist auch ein einfaches manuelles Zerbrechen des PCBs (11) möglich. Diese Ritzrille befindet sich parallel zum Scharnier (17) bzw. parallel zur Sollbruchstelle (18) des umspritzten Gehäuses (22). Weiterhin ist die Ritzrille (21) in Längsrichtung betrachtet zwischen dem Federelement (16) und dem Mittelpunkt der Batterie (13), jedoch deutlich näher an dem Federelement (16) als dem Mittelpunkt positioniert. Dies hat den Vorteil, dass beim späteren Auseinanderziehen das Federelement (16) an dem Teil verbleibt, an dem sich auch das Scharnier (17) befindet und das Federelement (16) sich nicht mit der Batterie (13) beim Entformen blockiert.
Durch diese Position der Ritzrille (21) findet sich das Federelement (16) nach der manuellen Handlung (Brechen) auf derjenigen Hälfte des PCBs (11), mit der die Batterie (13) nicht verbunden ist. Dadurch liegt das Federelement (16) nicht auf den Weg der Batterie (13) während des Herausziehens und versperrt diesen daher auch nicht. Das Kontaktelement des negativen Pols (21) der Batterie (13) wird sich nicht mit der Batterie während der Förderung bewegen aber führt aufgrund seiner Geometrie auch zu keiner Hemmung der Bewegung der Batterie.
Alternativ kann die Ritzrille (21) auch direkt unterhalb der Achse des Scharniers (17) angelegt sein, was geschickter für das Brechen des gesamten Moduls (1) ist. Dabei verbleibt das Federelement (16) jedoch im linken Teil und kann sich beim Auseinanderziehen mit der Batterie (13) unter dem Deckel (14) blockieren. Je nach genauer Anordnung des Federelements (16) gegenüber der Batterie (13) und dem Spiel, dass beide gegeneinander haben, kann diese Variante jedoch günstiger sein. Gleiches gilt auch, falls die Kontaktierung der Pole der Batterie (13) nicht mittels Federelement (16), sondern anders gelöst ist.
Das umspritzte Gehäuse (22) kann auch mit einer Rille (18) als Sollbruchstelle versehen sein. Dabei gibt es mehrere Varianten. Die Rille kann nur auf der Oberseite, nur auf der Unterseite, zusätzlich an den kurzen Seiten oder auf einer Kombination dieser angebracht sein. Dabei muss die Steifigkeit des umspritzten Gehäuse an den Sollbruchstellen (18) soweit geschwächt werden, dass sich das gesamte Modul (10) mit einer gewünschten Minimal- und/oder Maximalkraft brechen lässt.
Die Rille (18) kann auf der Ober- und Unterseite, in Längsrichtung betrachtet, an der gleichen Stelle positioniert sein. Sie kann auch versetzt sein, je nachdem, in welche Richtung der Bruch durch das Modul (10) verlaufen soll.
Die Rille (18) kann oben und auf den Seiten an der Stelle liegen, an dem sich der Hinterschnitt, bzw. die dünneren Wanddicken die durch das Scharnier (17) bedingt sind, befinden. Auf der unteren Seite kann die Rille (18) nahe der Ritzrille (21) des PCBs (11) positioniert sein.
Alternativ zu einer Rille, die an der Außenseite sichtbar ist, kann die Sollbruchstellen auch durch eine Schwächung des Materials im Inneren erfolgen. Dies kann z. B. durch eine Einlage (z. B. einen Schlauch) geschehen. Der Vorteil wäre eine verbesserte Optik, ggf. auch Haptik, da man so an der Oberfläche die Sollbruchstelle gar nichts sieht.
In einem Beispiel kann das elektronische Modul (10) mindestens einen integrierten Sensor, z. B. zum Messen einer Temperatur der Umgebung (Flüssigkeit, Kaffee) aufweisen. Dieser ist mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (12) bzw. Bauteilen, von denen einige oder alle auf der Leiterplatte (11) aufgebracht (verlötet) sind, verbunden. Aufgrund der vollständigen Umspritzung kann das Modul (10) keine drahtgebundene Verbindung zur Kommunikation und/oder zur Energieversorgung nach außen aufweisen. Stattdessen wird eine integrierte, drahtlose Kommunikationseinrichtung (Funk, Licht) (unidirektional, bidirektional; unicast, broadcast, multicast, anycast), z. B. eine Funkeinrichtung für ein Funknetz, vorgeschlagen, die es zumindest ermöglicht, Sensordaten nach außen drahtlos zu übertragen oder auch zusätzlich Daten von außen drahtlos zu empfangen und zu verarbeiten. Vorzugsweise kann dies mittels Bluetooth und des zugehörigen Protokolls, RFID, NFC (aktiv-passiv als auch aktiv-aktiv (Peer-To-Peer)), per Wireless Personal Area Network (WPAN), Sensornetzen oder Heimnetzen, z. B. Smart Home, Wireless Local Area Network (WLAN), Amateurfunk, Car2X geschehen.
Eine Beispielanwendung des elektronischen Moduls (10) ist ein Kaffeelöffel mit Sensorfunktionalität. Dazu dient die Batterie (13) als Energieversorgung für das Modul (10). Die Elektronik des Moduls (10) kann ein Bluetooth, RFID oder NFC Modul mit verschiedene Sensoren enthalten. Das Modul kann ein Löffel aus Kunststoff sein, der fähig ist, die Temperatur der Flüssigkeit (in diesem Fall des Kaffees) mit einem Temperatursensor zu messen und die Information auf ein Ausgabegerät, z. B. einer Smartphone App, per Bluetooth, RFID oder NFC zu senden. Die Messung durch den Löffel kann aktiviert werden, wenn dieser bewegt wird. Die Energie kommt von der Batterie, die Umspritzung, d. h. das Gehäuse (22) des Löffels bleibt dabei wasserdicht und ermöglicht so, dass die Elektronik in dem heißen Getränk, z. B. Kaffee (mit einer Temperatur über 80° C) funktioniert.
Im weiteren Verlauf des Textes wird eine Ausführung des soeben beschriebenen Magnetfeldkoppler näher erläutert.
Es ist Aufgabe des Magnetfeldkopplers, die Reichweite zwischen einem RFID Transponder und einem Schreib-/Lesegerät, insbesondere bei einer NFC-Verbindung, zu erhöhen. Der RFID/NFC-Transponder war vorliegend das elektronische Gerät, z. B. der Kaffeelöffel, das Schreib-/Lesegerät das Anzeige- oder Auswertungsgerät, z. B. das Smartphone.
Ein Magnetfeldkoppler, weist eine verteilte Induktivität L und eine Kapazität C auf. Diese sind auf eine Frequenz f₀ eines RFID-Systems oder NFC-Systems abgestimmt. Das RFID System besteht aus einem RFID Transponder und einem Schreib-/Lesegerät. Der Magnetfeldkoppler dient zur Reichweitenerhöhung des RFID Systems und er ist weder mit dem RFID Transponder noch mit dem Schreib-/Lesegerät baulich verbunden.
Die fehlende bauliche Verbindung bzw. fehlende mechanische Verbindung ist mit anderen Worten eine eigenständige Ausformung des Magnetfeldkopplers als eigenes Werkstück, dass mechanisch unabhängig von RFID Transponder und Schreib-/Lesegerät ist, sprich nicht stoffschlüssig und nicht dauerhaft (sondern höchstens temporär) kraft- oder formschlüssig mit diesen verbunden ist. Dadurch wird eine leitungsgebundene Vergrößerung der Kommunikations- und Detektions-Reichweite von RFID-, insbesondere NFC-Systemen erreicht.
Für temporäre Zwecke kann eine Halterung die aufgrund von Reibungswiderstand, z. B. Stehen, Liegen eines Smartphones oder einer Tasse (wie später anhand eines Beispiels erläutert) auf oder an dem Magnetfeldkoppler vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise kann so die Gestaltung und Verwendung (völlig) eigenständiger, mechanisch nicht fest verbundener (Standard-)Geräte bzw. Komponenten zur Reichweite-Erhöhung ermöglicht werden. Eine solche anpassbare Reichweite-Erhöhung bei Verwendung von Standard-Geräten ist zudem preiswert bzw. preiswerter, als die Geräte selber anzupassen.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Magnetfeldkoppler ausgebildet, eine induktive (magnetische) Kopplung zwischen RFID Transponder, Magnetfeldkoppler und Schreib-/Lesegerät herzustellen.
Vorteilhafterweise wird dadurch insbesondere Übertragungssystemen für HF und NF-RFID Rechnung getragen.
In einer speziellen Ausgestaltung ist der Magnetfeldkoppler so ausgeführt, dass er nicht der elektromagnetisch Kopplung wie bei UHF, Mikrowellen (>2 GHz) oder WLAN (>4 GHz) dient.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Induktivität L des Magnetfeldkopplers durch eine einzelne Flachspule gebildet.
Vorteilhafterweise eignet sich diese Geometrie einer einzelnen Flachspule insbesondere für SRD (Short Range Devices: hier <=5-3 cm). Auch ist der Kopplungsort, d. h. die Stelle an der RFID Transponder und Schreib-/Lesegerät an dem Magnetfeldkoppler positioniert werden müssen beliebig innerhalb der Fläche A.
In einer speziellen Ausgestaltung ist die Flachspule bzw. der (NFC-)RFID-Kopplungskörpers einstückig ausgebildet.
In einer besonderen Ausführungsform des Magnetfeldkopplers wird die Induktivität L durch zwei Teilflachspulen mit schmaler Verbindungsleitung zwischen diesen gebildet.
In einer speziellen Ausgestaltung sind die beiden miteinander verbundenen Teilflachspulen einstückig ausgebildet. Die beiden Teilflachspulen bilden zwei aktive bzw. sensitive Spulenbereiche aus.
In einer speziellen Ausgestaltung sind die zwei Spulenbereiche durch eine schmale, abgestimmte Leitung (optional mit angelötetem Kondensator) verbunden (einstückig).
In einer speziellen Ausgestaltung sind die zwei Spulenbereiche bzw. Teilflachspulen mit impedanzabgestimmtem Rundkabel verbunden. Dabei können die zwei Teilflachspulen und das Rundkabel mehrstückig ausgeführt sein.
In einer speziellen Ausgestaltung weist der Magnetfeldkoppler (Kopplungskörper) in Soll- bzw. Betriebslage mindestens, vorzugsweise genau eine horizontal ausgerichtete Teilfläche der Teilflachspulen auf, je eine für das Schreib-/Lesegerät und eine für den RFID Transponder (das Tag).
In einer besonderen Ausführungsform wird der Magnetfeldkoppler aus einer Leiterplatte oder - film als Trägermaterial mit einer oder mehreren aufgebrachten (Teil)flachspulen hergestellt wird, welche in eine Form für die Anwendung gebracht wird, entweder aus hartem Material flach, abgewinkelt oder gebogen geformt oder alternativ flexibel ausgeführt.
Vorteilhafterweise findet eine für die Anwendung geeignete Formgebung für optimalen/geringen Detektions- und Übertragungsabstand statt.
In einer speziellen Ausgestaltung werden die ein oder mehreren Flachspule(n) in Kupfer (Cu) auf der Leiterplatte geätzt.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Magnetfeldkoppler ausgebildet eine Kopplung für eine Near-Field-Communication (NFC), insbesondere bei 13,56 MHz, durchzuführen und als Reichweitenverlängerung für die NFC zu dienen.
Die NFC weist einen günstigen Frequenzbereich für manche Anwendungen auf, z. B. das Durchdringen von Flüssigkeiten, wie Kaffee. So kann vorteilhafterweise ein RFID Transponder in einem Kaffeelöffel, der in einer Tasse mit einem Getränk steckt, mittels des Magnetfeldkopplers mit einem Sende-/Lesegerät für NFC verbunden werden, auch wenn sich beide weiter als die übliche oder maximale Reichweite von NFC voneinander entfernt befinden. Dadurch kann eine Detektion von (passiven oder semiaktiven) Tags bzw. RFID Transpondern in einer Flüssigkeit eines Behälters realisiert werden.
Vorteilhafterweise können mittels des Magnetfeldkopplers NFC-Kommunikationsverbindungen (z. B. mit Meßdatenauslesung) auch für weit entfernte Kommunikationspartner (>5-10 cm) herstellbar sein.
Weiterhin können schwierige Verhältnisse, bei denen die optimale bzw. Mindest-Ausrichtung und Maximal-Abstand beider Komponenten nicht möglich ist, überwunden werden.
Weiterhin ist eine Aufhebung der Kurzdistanz-Nachteile eines/des etablierten Kurzdistanz-Verfahrens: NFC-RFID, wie es in Mobilfunkgeräten häufig vorkommt, möglich.
Weiterhin kann eine Nutzung komplexer/hochintegrierter Geräte, bei denen der RFID- bzw. NFC-Teil nicht Hauptfunktion und -bestandteil ist und daher ggf. technisch nicht optimal eingerichtet ist, ermöglicht oder verbessert werden.
In einer speziellen Ausgestaltung umfasst der RFID Transponder einen Akkumulator in Form eines Kondensators (z. B. Gold Cap), der elektromagnetische Energie des Schreib-/Lesegerätes in elektrisch speicherbare Energie umwandelt.
NFC funktioniert vorteilhafterweise sowohl aktiv-passiv als auch aktiv-aktiv. Bluetooth nur aktiv-aktiv und bedingt daher immer eine Batterie in der Gegenstelle (Transponder) erfordern. Auch kann bei Bluetooth kein Akkumulator/Kondensator wie bei Passiv- und Semi-passiv-Tags mit RFID oder NFC diesen Missstand beheben.
In einer speziellen Ausgestaltung fungiert der RFID Transponder als Gegenstelle, die Antworten und Messdaten im Lastmodulationsverfahren sendet.
In einer speziellen Ausgestaltung kann die Arbeitsfrequenz zwischen 120 kHz und 135 kHz (Low Frequency RFID) anstatt wie beschrieben 13,56 MHz (High Frequency RFID) betragen und der Magnetfeldkoppler entsprechend ausgelegt sein.
In einer besonderen Ausführungsform ist das Trägermaterial, insbesondere die Leiterplatte/der Leiterfilm verkleidet und/oder umspritzt.
Vorteilhafterweise kann so der Magnetfeldkoppler von Umwelteinflüssen geschützt werden und in eine Form für eine Anwendung gebracht werden. Ein solcher eingebetteter Transponder kann innerhalb eines Produkts, dass aus verschiedenen Materialien, wie Holz, Plastik, Textilien bestehen kann oder in elektronischen Geräten verbaut werden.
In einer besonderen Ausführungsform wird durch Kennzeichnung in der Umspritzung oder Verkleidung, z. B. Formgebung, wie Mulden, oder Farbkennzeichnung, die Soll-Position des Schreib-/Lesegeräts und/oder RFID Transponders angezeigt.
Vorteilhafterweise wird so dem Betreiber bzw. Einrichter angezeigt, wo das Schreib-/Lesegerät und wo der RFID Transponder zu positionieren ist. Beispielsweise ein Auflegen/Aufstellen der Kommunikationspartner auf zwei bereichsweise eben ausgebildete Flächen/Eindellungen des Flachspule-Kopplungskörpers genügt und bietet eine einfache Handhabung.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Magnetfeldkoppler in einer Vorrichtung, z. B. einem Mauspad oder einem Serviertablett, eingebaut, auf die eine Tasse und ein Smartphone abgelegt werden können, welche mittels des Magnetfeldkopplers in der Vorrichtung miteinander gekoppelt werden.
Der Magnetfeldkoppler kann in einem anderen Produkt integriert werden, so dass ein Schreib-/Lesegerät und RFID Transponder an definierten Stellen oder Bereichen mit dem Magnetfeldkoppler eine magnetische Kopplung aufbauen und so die Reichweite zwischen Schreib-/Lesegerät und RFID Transponder überbrücken. Ein solcher kann z. B. in einem Serviertablett oder einem Mauspad integriert werden. Dies kann sichtbar oder unsichtbar geschehen.
Vorteilhafterweise kann so die eingangs erwähnte Aufgabe gelöst werden, dass ein RFID Transponder mit Temperatursensor am Boden eines mit einer Flüssigkeit gefüllten tiefen Behälters oder in der Spitze eines Kaffeelöffels, an ein herkömmliches Schreib-/Lesegerät mit geringer Reichweite, wie es bei handelsüblichen Smartphones mit NFC-Funktionalität der Fall ist, verbunden werden kann. Dabei wird die Reichweite von 1 bis 2 cm, wie sie für NFC typisch ist, vergrößert.
Der Magnetfeldkoppler dient für ein Verfahren zur Vergrößerung der Kommunikations- und Detektions-Reichweite von RFID-, insbesondere NFC-Systemen. Dabei besteht ein Magnetfeldkoppler aus einer verteilten Induktivität L und einer Kapazität C, welche auf eine Frequenz f₀ eines RFID Systems abgestimmt sind. Das RFID System besteht aus einem RFID Transponder und einem Schreib-/Lesegerät. Eine induktive (magnetische) Kopplung zwischen dem RFID Transponder und dem Schreib-/Lesegerät wird mittels des Magnetfeldkopplers herstellt.
Insbesondere kann die Kopplung derart hergestellt werden, in dem jedes der beiden Enden der Koppler-Flachspule nahe an die zugehörige Spule (bzw. deren Ende) von Schreib-/Lesegerät und Transponder gebracht wird.
In einer speziellen Ausgestaltung des Verfahrens wird ein intelligentes, vielfältig standardisiertes Vielfunktionsgerätes mit bewusst kurzem bzw. gekürtem RFID-Detektionsbereich, z. B. ein Smartphone mit NFC Funktionalität als Sende-/Lesegerät verwendet.
Mobile Geräte wie Smartphones, Tablets, PDAs sowie Laptops können Schreib-/Lesegeräte sein. Darüber hinaus können auch andere elektronische oder elektrische Geräte wie Kühlschränke, Fernseher oder Drucker Schreib-/Lesegeräte sein bzw. beinhalten.
Ein RFID Transponder ist ein elektronischer Datenträger, in dessen elektronischen Speicher Daten abgelegt sind und in dem häufig auch Daten hineingeschrieben werden können. Zudem existieren RFID Transponder mit internen Sensoren und/oder der Möglichkeit externe Sensoren über Schnittstellen (I2C, SPI) anzuschließen. Beispiele für interne Sensoren sind Temperatursensoren, Beispiele für externe Sensoren sind Beschleunigungssensoren, Feuchtigkeitssensoren, Helligkeitssensoren, akustische Sensoren oder chemische Sensoren.
Der (Sensor-)Datenaustausch des RFID Systems erfolgt über die induktive Kopplung zwischen zwei Induktivitäten. Die eine Induktivität ist die des sogenannten Initiators, dem NFC-Terminal bzw. Schreib-/Lesegerät, die andere die des Targets, dem NFC-Tag oder NFC-Chip bzw. RFID Transponder. Die induktive Kopplung erfolgt z. B. mit Hochfrequenz von 13,56 MHz vom Initiator zum Target.
Eine erster beispielhafter Magnetfeldkoppler spannt eine einfache (rechteckige) Fläche A auf, auf der ein Schreib-/Lesegerät abgelegt ist, sowie ein RFID Transponder entweder in liegender Position parallel zur Fläche A des Magnetfeldkopplers oder alternativ in stehender Position orthogonal zur Fläche A des Magnetfeldkopplers.
Alternativ kann der Magnetfeldkoppler eine einfache Fläche A aufspannen, die mittig abgewinkelt ist und durch die Falz zwei Seiten bildet. Auf der einen Seite ist ein Schreib-/Lesegerät abgelegt, auf der anderen Seite ein RFID Transponder entweder in liegender Position parallel zur Fläche A des Magnetfeldkopplers oder alternativ in stehender Position orthogonal zur Fläche A des Magnetfeldkopplers.
Eine zweiter beispielhafter Magnetfeldkoppler spannt zwei Flächen A1 und A2 auf, wobei ein Schreib-/Lesegerät auf der ersten Fläche A1 abgelegt ist, sowie ein RFID Transponder entweder in liegender Position parallel zur zweiten Fläche A2 des Magnetfeldkopplers oder alternativ in stehender Position orthogonal zur zweiten Fläche A2 des Magnetfeldkopplers.
Der Magnetfeldkoppler besteht aus einem elektrischen Schwingkreis mit einer Induktivität L und einer Kapazität C. Die Resonanzfrequenz f₀ dieses elektrischen Schwingkreises ist abgestimmt auf die bestimmungsgemäße Frequenz des RFID Systems, z. B. 13,56 MHz bei HF RFID Systemen. Dabei gilt der physikalische Zusammenhang für den (idealisierten) Schwing- $f_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}$
kreis aus Induktivität und Kapazität:
Die Induktivität L wird als verteilte Induktivität ausgelegt, die aus mindestens einer Windung besteht und mindestens eine Fläche A aufspannt. Die Windungen der verteilten Induktivität L können beispielsweise durch elektrisch leitenden Draht, als gedruckte Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder auch durch die metallische Beschichtung von dazu geeigneten, nichtleitenden Materialien wie Kunststoffe oder Glas gebildet werden. Des Weiteren kann eine verteilte Induktivität durch Umspritzen oder Überspritzen mittels Spritzgusstechnik oder durch Einlassen in vorgeformtes, nichtleitendes Material gebildet werden.
Die Kapazität C kann als konzentrierte oder verteilte Kapazität ausgelegt werden. Mit konzentrierter Kapazität ist ein diskretes Bauelement gemeint, z. B. ein Kondensator, der eingelötet werden kann. Mit verteilter Kapazität ist z. B. ein (großer) Plattenkondensator oder zwei parallele Leitungen, die am Ende offen sind gemeint, die dadurch am Eingang kapazitiv wirken. Man könnte so den Magnetfeldkoppler nur durch Bedruckung und ohne die Notwendigkeit ein Bauteil einzulöten herstellen.
Der erste beispielhafte Magnetfeldkoppler besteht aus einer verteilten Induktivität L mit vier Windungen, die eine Fläche A aufspannt. Die Kapazität C ist als konzentrierte Kapazität ausgelegt. Diese Bestandteile sind auf einem Trägermaterial, z. B. einer Leiterplatte, aufgebracht, bzw. miteinander verbunden.
Da die Resonanzfrequenz des ersten beispielhaften Magnetfeldkopplers für die bestimmungsgemäße Frequenz f₀ des RFID Systems ausgelegt ist, überträgt sich das magnetische Feld eines aktivierten Schreib-/Lesegeräts auf die gesamte Fläche A des ersten beispielhaften Magnetfeldkopplers, sobald sich das Schreib-/Lesegerät über einer Teilfläche von A des ersten beispielhaften Magnetfeldkopplers befindet.
Der zweite beispielhafte Magnetfeldkoppler besteht aus einer verteilten Induktivität L mit vier Windungen, die zwei Flächen A1 und A2 aufspannt. Die Kapazität C ist als konzentrierte Kapazität ausgelegt. Diese Bestandteile sind wiederum z. B. durch ein Trägermaterial miteinander verbunden.
Die zwei Flächen A1 und A2, die miteinander über eine Zweidrahtleitung verbunden sind, können eine Gesamtfläche aufweisen, die kleiner ist, als das 2-fache der Fläche aus dem vorigen Ausführungsbeispiel. Dabei würde man das Magnetfeld eines Lesegeräts über der Fläche A1 sozusagen einfangen und dann durch den Stromfluss über die Zweidrahtleitung zur Fläche A2 führen (oder umgekehrt) um dort dann den Strom wieder in ein Magnetfeld zu wandeln. In diesem Fall würde man durch den Magnetfeldkoppler die Gesamtfläche bzw. das gesamte Magnetfeld nicht einfach vergrößern, um eine Kommunikation zu erzielen, sondern man würde das Magnetfeld gezielt umleiten an einen anderen Ort. Dies funktioniert dann durchaus auch mit kleinen Flächen A1 und A2, wenn sie geeignet zum Lesegerät und zum Datenträger/Transponder hin ausgerichtet sind. Beispielsweise dadurch wird eine leitungsgebundene Vergrößerung der Kommunikations- und Detektions-Reichweite von RFID-, insbesondere NFC-Systemen erreicht.
Da die Resonanzfrequenz des zweiten beispielhaften Magnetfeldkopplers für die bestimmungsgemäße Frequenz des RFID Systems ausgelegt ist, überträgt sich das magnetische Feld eines aktivierten Schreib-/Lesegeräts auf die Fläche A2 des zweiten beispielhaften Magnetfeldkopplers, sobald sich das Schreib-/Lesegerät über die Fläche A1 des zweiten beispielhaften Magnetfeldkopplers befindet.
Z. B. kann der zweite beispielhafte Magnetfeldkoppler zusammen mit einem Smartphone als RFID Schreib-/Lesegerät über der von der verteilten Induktivität L aufgespannten Fläche A1 und zwei möglichen Positionen eines RFID Transponders über der verteilten Induktivität L aufgespannten Fläche A2 gekoppelt sein.
In einer parallelen Position liegt der Transponder parallel zur Fläche A bzw. A2, während er in der orthogonalen Position orthogonal zur Fläche A bzw. A2 liegt.
Bei einer beispielhaften Anwendung des Magnetfeldkoppler interagieren ein Mauspad oder ein Serviertablett jeweils mit integriertem Magnetfeldkoppler, welcher äußerlich nicht sichtbar sein muss (aber kann), auf dem eine Tasse mit einem RFID Transponder an eine Position gestellt werden kann, so dass dieser mit dem Magnetfeldkoppler in Kopplung tritt.
Der RFID Transponder kann sich unter anderem in einer Tasse oder an deren äußerem Rand befinden, insbesondere, wenn Tasse und RFID Transponder einstückig ausgebildet sind. Alternativ kann der RFID Transponder in der Tasse integriert sein, insbesondere in der Nähe des Tassenbodens. Der RFID Transponder weist dabei idealerweise einen Sensor, z. B. einen Temperatursensor auf. Dieser kann insbesondere über eine temperaturleitende Verbindung zu einer in der Tasse befindlichen Flüssigkeit wärmeleitend verbunden sein. Auf diese Weise kann das RFID Transponder Sensor System die Temperatur des Getränks in der Tasse messen.
Ein Schreib-/Lesegerät, wie ein Smartphone kann als Schreib-/Lesegerät fungieren, wenn es ebenso in einer Weise auf dem Magnetfeldkoppler abgelegt wird, so dass es zu einer magnetischen Kopplung kommt.
Dadurch ist eine Verbindung zwischen dem Smartphone und dem RFID Transponder der Tasse hergestellt und Daten, wie die Temperatur der Tasse oder deren Inhalts, kann am Smartphone verarbeitet, insbesondere angezeigt werden. So kann z. B. ein Büroarbeiter seinen Kaffee auf seinem Mauspad neben seinem Smartphone abstellen und erfährt so die Temperatur und kann Verbrühungen vermeiden. Gleiches gilt für das Serviertablett.
Ein weiterer Anwendungsfall ist ein Kaffeelöffel bzw. Rührstäbchen, welches fast senkrecht in der beschriebenen Tasse steht. Die Spule im Transponder ist in diesem Fall eher orthogonal zum Magnetfeldkoppler. Wenn man das Rührstäbchen dagegen auf den Magnetfeldkoppler (bzw. auf das Mauspad oder Serviertablett) ablegt, dann ist die Spule im Transponder eher parallel zum Magnetfeldkoppler ausgerichtet.
Ein weiterer Anwendungsfall ist eine Hochspannungsanlage, bei der eine Bedienperson nicht einfach ihr Smartphone in die Anlage halten soll, um einen RFID Transponder innerhalb der Anlage auszulesen (z. B. die Temperatur bei einem Sensortransponder). Durch einen geeigneten, in der Anlage fest installierten Magnetfeldkoppler mit einer Induktivität mit zwei aufgespannten Flächen wäre eine Fläche in der Hochspannungsanlage, die zweite Fläche außerhalb. Beide Teile wären über eine Verbindungsleitung so verbunden. Diese kann durchaus 1 m oder länger sein. Man könnte somit mit dem Smartphone außerhalb der Anlage einen Transponder innerhalb der Anlage auswerten.
Diese Beispiele sind nicht abschließend. Es kann grundsätzlich eine Distanzüberbrückung bzw. Reichweitenerhöhung zwischen jeder Art von RFID Transponder und einem Schreib-/Lesegerät mit dem erfindungsgemäßen Magnetfeldkoppler unterstützt werden.
Bezugszeichenliste

10: Elektronisches Modul
11: Leiterplatte (PCB)
12: Elektronische Komponenten
13: Batterie
14: Deckel
15: Innere Oberfläche des Deckels
16: Batterie Kontakte/Federelement
17: (Halb)Scharnier
18: Sollbruchstelle
19: Seiten des Deckels
20: Lötpad
21: Ritzrille
22: Umspritztes Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012212467 A1 [0003]
JP 2012206444 A [0003]
US 2015092360 A1 [0003]
WO 2015050988 A1 [0003]

Claims

Elektronisches Modul (10) umfassend: - elektronische Komponenten (12), - eine Batterie oder Akku (13), - Kontaktelemente, wie Feder (16) und Lötpad (20), die eine elektrische Verbindung zur Batterie (13) herstellen, - einen Deckel (14), der eine Schutzfunktion für die Batterie oder Akku (13) gegenüber den Einflüssen aus einem Umspritzungsprozess gewährleistet und - ein umspritztes Gehäuse (22), das die elektronischen Komponenten (12) und die Batterie (13) bzw. den Deckel (14) vollständig oder teilweise umschließt.
Elektronisches Modul (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (14) ein Halbscharnier aufweist und das umspritzte Gehäuse (22) den zweiten Teil des Scharniers (17) ausbildet.
Elektronisches Modul (10) gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (14) und das umspritzte Gehäuse (22) aus Werkstoffen gefertigt sind, die nicht oder schlecht aneinander haften, bzw. chemisch inkompatibel sind.
Elektronisches Modul (10) gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (14) aus dem Werkstoff Polymer, Harz, (thermoplastischem) Elastomer oder einer (metallischen) Folie oder Flex-PCB besteht, während das umspritzte Gehäuse (22) aus dem Werkstoff Thermoplast, Duroplast, Hotmelt, Elastomer, Silikon, Duromer, PIM besteht besteht.
Elektronisches Modul (10) gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im umspritzten Gehäuse (22) eine Sollbruchstelle (18) vorhanden ist.
Elektronisches Modul (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sollbruchstelle (18) auf Höhe des Scharniers (17) und/oder zwischen Batterie (13) und Scharnier (17) und/oder Federelement (16) und Scharnier (17) befindet.
Elektronisches Modul (10) gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger, insbesondere eine Leiterplatte (11), vorhanden ist, der die elektronischen Komponenten (12) und die Kontaktelemente (16) trägt, wobei die Leiterplatte (11) über wenigstens die größere Hälfte ihrer Fläche oder komplett vom umspritzten Gehäuse (22) umschlossen ist.
Elektronisches Modul (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (13) zwischen dem Deckel (14) und der Leiterplatte (11) derart platziert ist, dass die Batterie (13) nicht mit dem umspritzten Gehäuse (22) in Berührung kommt.
Elektronisches Modul (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Sollbruchstelle auf der Leiterplatte (11), eine sogenannte Ritzrille (21) in der Zone des Scharniers angebracht ist.
Elektronisches Modul (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Sollbruchstelle auf der Leiterplatte (11), die sogenannte Ritzrille (21) zwischen Feder (16) und Lötpad (20) angebracht ist.
Elektronisches Modul (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Sollbruchstelle auf der Leiterplatte (11), eine sogenannte Ritzrille (21) auf Höhe der Deckelseite, die gegenüber dem Scharnier liegt, angebracht ist.
Verfahren zur Herstellung des elektronischen Moduls (10) aus Anspruch 1, wobei der Deckel (14), der eine Schutzfunktion für die Batterie oder Akku (13) gegenüber den Einflüssen aus einem Umspritzungsprozess gewährleistet, über der Batterie (13) angebracht wird, und danach in einem Umspritzungsprozess ein umspritztes Gehäuse (22), das die elektronischen Komponenten (12) und die Batterie (13) bzw. den Deckel (14) vollständig oder teilweise umschließt, hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (14) ein Halbscharnier (17) aufweist und während des Umspritzungsprozesses der zweite Teil des Scharniers im umspritzen Gehäuse (22) geformt wird.
System zur Anzeige oder Auswertung von Daten mit einem elektronischen Gerät, welches die Daten über eine Drahtlosschnittstelle bereitstellt und welches ein elektronisches Modul nach Anspruch 1 aufweist und mit einem mechanisch vom elektronischen Gerät unabhängigen Anzeige- oder Auswertungsgerät, welches die Daten über eine Drahtlosschnittstelle empfängt und die Daten anzeigt und/oder auswertet.
System gemäß Anspruch 14, wobei das elektronische Gerät einen Sensor aufweist und die Daten Sensordaten enthalten, die Drahtlosschnittstellen NFC-basiert sind, das Anzeige- und/oder Auswertungsgerät ein Smartphone ist, dass mittels einer App Sensordaten anzeigt und einen NFC-Magnetfeldkoppler, der baulich unabhängig vom elektronischen Gerät und dem Smartphone ist, die Reichweite der NFC-Verbindung erhöht und so zwischen elektronischen Gerät und dem Smartphone eine NFC-Verbindung ermöglicht.
System gemäß Anspruch 15, wobei das elektronische Gerät ein Kaffeelöffel ist, das einen Temperatursensor zur Messung einer den Kaffeelöffel umgebenden Flüssigkeit aufweist und auf dem mittels NFC verbundenen Smartphone die Temperatur darstellt, optional mit einer Auswertung über die Wahrscheinlichkeit der temperaturbezogenen Trinkbarkeit.