DE19646994A1 - Kennzeichnungselement für röhrenförmige metallische Werkstücke durch Transponder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kennzeichnungselement von röhrenförmigen metallischen Werk­ stücken, insbesondere von Fahrradrahmen oder Automobilrahmen, mit einem berührungslos lesbaren Transponder. Der Transponder wird durch eine Haltevorrichtung mit geringer Perme­ abilität in der Nähe einer Öffnung im Hohlraum des röhrenförmigen metallischen Werkstücks und in einem ausreichenden Abstand von der Innenwand des röhrenförmigen metallischen Werkstücks gehalten, um den Speicherinhalt des Transponders mittels einer durch eine Öffnung im röhrenförmigen metallischen Werkstück eingeführten Schwingkreisspule eines Basisgeräts auslesen zu können.

Auf diese Weise wird dem röhrenförmigen metallischen Werkstück ein nicht fälschbarer Code zugeordnet.

In der Vergangenheit konnten Metallrohre und andere metallische Werkstücke, die eine luft­ gefüllte Kavität aufweisen und nicht hermetisch abgedichtet werden mußten, nicht ausreichend fälschungssicher codiert werden. Zum Beispiel können Fahrräder heute lediglich mit einem auf der Außenseite eines Rohres des Fahrradrahmens eingestanzten oder eingefrästen Barcode gekennzeichnet werden. Der Code ist jederzeit Manipulationen ausgesetzt. Während des nor­ malen Gebrauchs können Stöße auf den Rahmen zu Veränderungen des Barcodes führen, die im schlimmsten Fall den Code unleserlich machen.

Elektronische Kennzeichnungselemente für metallische Werkstücke sind bekannt. So existieren Systeme mit bündig in den Metallrahmen eingebrachten Chipgehäusen, deren Kontaktflächen meist kreisförmig ausgeführt sind und aus dem Metallrahmen herausragen. Die Kontaktflächen stellen die Verbindung zum im Chipgehäuse befindlichen Mikrochip her. Nach Erreichen einer vom Basisgerät an einer Kontaktfläche bereitgestellten ausreichend hohen Betriebsspannung führt die nachgeschaltete Logik auf dem Mikrochip einen Resetzyklus durch, nach dessen Ende Daten aus dem Lesespeicher (ROM) oder dem Schreib-/Lesespeicher (EEPROM) seriell ausgelesen werden, indem je nach gespeichertem Inhalt der logische Pegel an einer der Kontaktflächen im vom Basisgerät vorgegebenen Takt, der über eine andere Kontaktfläche zugeführt wird, verändert wird.

Derartige kontaktbehaftet arbeitenden Systeme haben den Nachteil, daß sie leicht durch mechanische oder elektrische Einwirkung zerstörbar sind. Die Datenträger sind ferner leicht aus dem metallischen Werkstück zu entfernen und durch eines gleicher Bauform zu ersetzen.

Es ist auch ein Kennzeichnungselement bekannt, das mit kontaktlos operierenden elektro­ nischen Transpondern arbeitet. Es handelt sich bei Transpondern um bekannte elektronische Datenträger, die an beliebigen Objekten befestigt werden können. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Mikrochip, einem kapazitiv wirkenden Bauelement und einer Spule. Spule und kapa­ zitiv wirkendes Bauelement bilden dabei einen als Sende- und Empfangseinheit wirkenden Schwingkreis, der, so er einem elektromagnetischen Wechselfeld geeigneter Frequenz ausge­ setzt ist, die Energiezufuhr für den Mikrochip bildet. Hierzu ist ein Basisgerät mit einem Hoch­ frequenzgenerator erforderlich, der eine beispielsweise 125 kHz betragende Wechselspannung erzeugt.

Diese Wechselspannung führt zur Anregung eines Serienschwingkreises im Basisgerät. Dieser Schwingkreis strahlt eine magnetische Trägerwelle ab, die den Schwingkreis des Transponders erregen und auf diese Weise dem Mikrochip Energie zuführen kann. Die Spannung im Trans­ ponderschwingkreis lädt im Mikrochip des Transponders, über einen Gleichrichter gleich­ gerichtet, einen Kondensator auf. Dieser Kondensator dient dem Glätten der Betriebsspannung des Mikrochips.

Nach Erreichen einer ausreichend hohen Betriebsspannung führt die nachgeschaltete Logik auf dem Mikrochip einen Resetzyklus durch, nach dessen Ende Daten aus dem Lesespeicher (ROM) oder dem Schreib-/Lesespeicher (EEPROM) seriell ausgelesen werden, indem je nach gespeichertem Inhalt ein Transistor durchgesteuert wird, der den Strom durch die Transpon­ derspule erhöht, wodurch induktiv in der Sende-und Empfangsspule des Basisgerätes feine Spannungsänderungen hervorgerufen werden. Dies wird durch eine Empfangsschaltung inner­ halb des Basisgerätes registriert und ausgewertet. Die im Transponderchip gespeicherte Infor­ mation wird dekodiert.

Derartige kontaktlos arbeitende Systemen haben den Nachteil, daß der Datenträger nicht gänz­ lich in Metall versenkt werden kann. Vielmehr können lediglich relativ schwach elektrisch leitfähige Metallringe, schwach elektrisch leitfähige Metallklammern, Kunststoffringe oder Kunststoffscheiben mit integrierten Transpondern an die Metalloberfläche geheftet oder ge­ klebt werden. Systeme dieser Art sind leicht manipulierbar, da sie leicht von außen zugänglich und austauschbar sind. Transponder lassen sich in gut leitfähige Materialien nicht einbringen, weil Wirbelstromverluste der Schwingkreisspule des Basisgerätes im Metall die Feldstärke der Trägerwelle zu stark dämpfen, um den Transponder noch mit ausreichend Energie zu versor­ gen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kennzeichnungselement der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß röhrenförmige metallische Werk­ stücke mit hoher Fälschungs-und Manipulationssicherheit gekennzeichnet werden können. Mechanische und elektrische Einwirkungen auf das Kennzeichnungselement sollen weitestge­ hend zu keinen Störungen beim Lesen des im röhrenförmigen metallischen Werkstück befind­ lichen Datenträgers führen.

Diese Aufgabe wird durch ein Kennzeichnungselement der eingangs beschriebenen Art gelöst, das gekennzeichnet ist durch einen Transponder, der in das röhrenförmige metallische Werk­ stück eingebracht und durch einen Träger aus einem Material mit niedriger elektrischer Leit­ fähigkeit an seiner Position in der Nähe eines in das röhrenförmige metallische Werkstück ge­ bohrten Loches, durch den die miniaturisierte Schwingkreisspule des Basisgerätes durchge­ steckt werden kann und mittels derer der Transponder ausgelesen werden kann, gehalten wird.

Wie sich aus dem vorstehenden ergibt, können Transponder kontaktlos gelesen, je nach tech­ nischer Ausführung aber auch beschrieben werden und weisen die Vorteile mikroelektronischer Bauelemente auf. In den Hohlraum eines röhrenförmigen metallischen Werkstücks kann pro­ blemlos ein Transponder integriert werden, indem beispielsweise ein mit dem Rohr verklebter Kunststoffträger mit dem Transponder in das Werkstück eingebracht wird. Transponder aus einem kleinen Mikrochip, einem Kondensator und einer Spule können in einem Plastik- oder Glasgehäuse unterbebracht werden. Während die Chips nur etwa 1.1 mm groß sind, kann der Durchmesser der Transponderspule wenige Millimeter bis zu einigen Zentimetern betragen. Beim Aufwickeln des Spulendrahtes auf ein Ferritmaterial können die Spulendimensionen bis auf 1,5 mm Durchmesser.8 mm Zylinderhöhe fallen, wodurch Abmessungen des Transponders von 3 mm Durchmesser.13 mm Zylinderhöhe erreicht werden. Transponder dieser Bauform sind geeignet, ein röhrenförmiges metallisches Werkstück fälschungssicher zu kennzeichnen. Durch die Befestigung im Inneren des Werkstücks kann unter Verwendung einer miniaturisierten Schwingkreisspule der Basisstation der Speicherinhalt des Transponders gelesen werden, indem die Schwingkreisspule der Basisstation in das Innere des Werkstücks durch eine ausreichend große Bohrung geführt wird, ein ausreichend starkes Magnetfeld aufbaut und die empfangenen Daten in der Basistation detektiert und dekodiert werden. Da­ durch, daß die Schwingkreisspule der Basisstation ähnliche Abmessungen wie der Transponder aufweist und durch den verbleibenden Abstand der Schwingkreisspule und der Transponder­ spule von den Innenwandungen des Werkstücks, können sich Wirbelströme im Werkstück nicht ausreichend groß ausbilden, so daß die Versorgung des Transponders mit Betriebsenergie und der Datentransfer zum Transponder jederzeit gewährleistet sind.

Zum Nachrüsten erfindungsgemäßer Kennzeichnungselemente wird bevorzugtermaßen ein Transponder mit noch kleinerer Wandstärke, wie sie etwa Typen für das Einsatzgebiet der Tieridentifikation aufweisen, verwendet. Der Transponder wird vorzugsweise mit einer In­ jektionsnadel in einen Kunststoffschaum, der ebenso zuvor durch ein in das röhrenförmige metallische Werkstück gebohrtes Loch eingespritzt wurde, injiziert. Als Kunststoffschaum eignet sich besonders mit einem Quellmittel versetztes Polyurethan.

Die Fälschungs- und Manipulationssicherheit ergibt sich aus der Tatsache, daß Transponder mit Lesespeicher (ROM) aufgrund des Fertigungsprozesses mit einer fortlaufenden Code­ nummer gefertigt werden und leistungsfähige Verschlüsselungsalgorithmen, ebenso wie Schreib-/Lesespeicher auf dem Chip mitintegriert werden können. Den Austausch von Trans­ pondern im röhrenförmigen metallischen Werkstück verhindert alleine schon die Tatsache, daß die Bohrung zum Einführen der Schwingkreisspule des Basisgerätes einen ähnlichen oder je nach Ausführung des Kennzeichnungselements sogar einen kleineren Durchmesser als ein Transponder aufweist. Der Transponder ist somit beispielsweise bei einem Fahrradrahmen nur durch Aufsägen des Rohres auszutauschen.

Die Zerstörung des Transponders kann, anders als bei auf der Metalloberfläche angebrachten Kennzeichnungselementen, nicht während der normalen Benutzung des Werkstücks geschehen. Der Transponder selbst kann nur durch in die Bohrung zum Einführen der Schwingkreisspule des Basisgerätes eingeführte Werkzeuge zerstört werden. Bei federnder Lagerung des Trans­ ponders innerhalb des röhrenförmigen metallischen Werkstücks widersteht der Transponder sogar Angriffen durch Bohrer oder Schlagbolzen. Zerstörung durch Zufügen elektrischer Im­ pulse ist aufgrund des hermetisch geschlossenen Transpondergehäuses nur durch starke Hoch­ spannungsentladungen über dem Transpondergehäuse möglich. Blitzeinschlägen jedoch wider­ steht der Transponder, da er aufgrund der metallischen Eigenschaften des röhrenförmigen Werkstücks in einem Faraday'schen Käfig eingebaut ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung und nachfolgender Beschreibung eines erfindungsgemäßen Kenn­ zeichnungselements und dessen Elementen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Basisgeräts und eines Transponders

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Kennzeichnungselements

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kennzeichnungs­ elements

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kennzeichnungs­ elements.

In dem Prinzipschaltbild gemäß Fig. 1 ist ein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnetes Basis­ gerät zum Senden und Empfangen einer modulierten elektromagnetischen Schwingung von ca. 125 kHz und ein mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnetes Transponderelement dargestellt. Ein Hochfrequenzgenerator 9 im Basisgerät 2 erzeugt eine mit ca. 125 kHz alternierende Wechsel­ spannung, mit der ein Schwingkreis S aus einer Sende- und Empfangsspule 11 und einem Kon­ densator 12 angeregt wird. In der Sende- und Empfangsspule 11 baut sich im Takt des Hochfrequenzgenerators 9 kontinuierlich ein Magnetfeld auf und ab, das in Form einer elektromagnetischen Schwingung 13 ausgesandt wird. Die elektromagnetische Schwingung 13 induziert in einer Spule 15 eines einen Kondensator 16 aufweisenden Schwingkreises 18 des Transponders 4 eine Spannung, die zur Anregung des Schwingkreises 18 führt. Der Schwingkreis 18 entnimmt der elektromagnetischen Schwingung 13 hierbei Energie, die in der Form eines Ladungsflusses über einen Brückengleichrichter 20 einen weiteren Kondensator 22 auflädt. Bei Erreichen einer Betriebsspannung beginnt eine nachgeschaltete Logik 24 mit einem Resetzyklus. Nach dessen Ende wird ein Lesespeicher ROM seriell ausgelesen und je nach gespeichertem Inhalt ein MOSFET 26 durchgesteuert oder im hochohmigen Sperrzustand belassen. Wird der MOSFET 26 leitfähig, so reduziert sich der Strom durch die Transponderspule 15 des Schwingkreises 18, und die von ihr ausgesandte elektromagnetische Schwingung 14 verringert ihre Intensität. Diese Veränderung der elektromagnetischen Schwingung 14 wird in der Sende- und Empfangsspule 11 des Basisgeräts 2 als feine Spannungsänderung registriert, die in einer Empfängerschaltung 10 gefiltert, dekodiert und verarbeitet wird. Es wurde vorstehend ein passiver Transponder beschrieben, bei dem lediglich in dem Lesespeicher ROM gespeicherte Information an das Basisgerät 2 übertragen werden kann. Alternativ kann jedoch ein zusätzlich oder ausschließlich mit Schreib-Lesespeicher ausgerüsteter Transponder eingesetzt werden, bei dem auch von dem Basisgerät 2 ausgehende Informationen an einen Schreib-/Lesespeicher des Mikrochips des Transponders übermittelt und dort gespeichert werden kann.

Es existieren zwei unterschiedliche Übertragungsverfahren, die zu leichten Unterschieden beim Aufbau von Basisgeräten und Transpondern führen, die als solche jedoch bekannt sind. Nach dem einen Verfahren wird die Trägerschwingung frequenzmoduliert und nach dem anderen amplitudenmoduliert.

Fig. 2 zeigt ein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnetes röhrenförmiges metallisches Werk­ stück, das mit einem als ganzes mit 60 gekennzeichneten erfindungsgemäßen Kennzeichnungs­ element versehen ist. Es besteht aus einer an den Klebepunkten 40 befestigten flexiblen Halte­ vorrichtung mit geringer Permeabilität 34 für zylindrische Transponder und einem Transponder 38. Der in einem zylindrischen Gehäuse verpackte Transponder 38 wird in einer Aufnahme­ halterung mit geringer Permeabilität 36, die fest mit der Haltevorrichtung 34 verbunden ist, in einem Abstand von der Innenwand des röhrenförmigen metallischen Werkstücks 30 gehalten, so daß Wirbelstromverluste für eine durch die Bohrung 32 in das Innere des röhrenförmigen metallischen Werkstücks an die Arbeitsposition parallel zur Achse des Transponders 38 einge­ führte Schwingkreisspule 50 des Basisgeräts 52 beim Auslesen der auf dem Transponder 38 gespeicherten Information nur geringfügige Störungen verursachen.

Die flexible Haltevorrichtung mit geringer Permeabilität 34 für zylindrische Transponder ist bei vorteilhafter Ausführung aus miteinander verbundenen Stegen von flexiblem Kunststoff gear­ beitet, der den Transponder 38 federnd aufgehängt festhält, so daß er Angriffen von durch die Bohrung 32 durchgestecktem Werkzeug optimal widerstehen kann und nur durch Zerstörung der flexiblen Haltevorrichtung 34 zu entfernen ist. Mit einem durch die Bohrung 32 eingeführ­ ten aus der Chirurgie bekannten Endoskop sind derartige Veränderungen selbst bei von Exper­ ten durchgeführten Fälschungen des Kennzeichnungselements 60 leicht nachweisbar. Die flexible Haltevorrichtung 34 kann besonders leicht von einem Handhabungsautomaten in das röhrenförmige metallische Werkstück 30 eingesetzt werden, indem ein Greifarm die Stege der Haltevorrichtung 34 zusammendrückt und damit den Radius der Haltevorrichtung 34 unter den Innendurchmesser des röhrenförmigen metallischen Werkstücks 30 verkürzt. Nach dem Los­ lassen des Greifarms vergrößert sich der Radius der Haltevorrichtung 34 aufgrund der Biege­ spannung bis auf den Innendurchmesser des röhrenförmigen metallischen Werkstücks 30, wo­ durch sich die Haltevorrichtung 34 mit der Metalloberfläche verkantet und der zuvor auf die Enden der Stege der Haltevorrichtung 34 aufgebrachte Klebstoff mit der Metalloberfläche an den Klebepunkten 40 Kontakt bekommt. Nach dem Aushärten des Klebstoffs ist die Haltevor­ richtung 34 schließlich fest mit dem röhrenförmigen metallischen Werkstück 30 verbunden.

Für die Klebepunkte 40 wird bei vorteilhafter Ausführung Epoxidharz verwendet, das bedingt hochtemperaturbeständig ist. So kann sichergestellt werden, daß Experten nur mit großem Auf­ wand die Position des Kennzeichnungselements durch Zuführung von Wärme verändern können.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines Kennzeichnungselements 85 ist die Haltevorrichtung als Kunststoffschaum 74 ausgeführt, der den Transponder 80 zusammen mit einem Abstandhalter 84 an seiner zeichnerisch dargestellten Arbeitsposition hält. Diese Aus­ führungsform zeichnet sich durch ihre einfache Möglichkeit der Nachrüstung eines erfindungs­ gemäßen Kennzeichnungselements aus, denn alle zur Ausführung benötigten Komponenten können nachträglich durch ein gebohrtes Loch 78 in das röhrenförmige metallische Werkstück 76 eingeführt werden. Bei vorteilhafter Ausführung wird durch die Bohrung 78 ein aufquellen­ der Ein- oder Zweikomponenten-Polyurethanschaum eingespritzt, in den sodann mittels einer Injektionsnadel der Transponder 80 und ein darunter befindlicher Abstandhalter 84 aus Kunst­ stoff in den Polyurethanschaum 74 implantiert wird. Der Schaum verschließt bei schnellem Arbeiten nach dem Herausziehen der Injektionsnadel sodann den Injektionskanal 82, denn er quillt in frischem Zustand immer noch auf. Der Abstandhalter 84 wird bei der Implantation nur benötigt, wenn die Arbeit nicht mit der erforderlichen Sorgfalt erfolgt, um den Transponder in einem ausreichenden Abstand zum röhrenförmigen metallischen Werkstück 76 zu plazieren. Der Injektionskanal 82 wird bei vorteilhafter Ausführung schräg durch die Bohrung 78 in den Kunststoffschaum 74 eingetrieben, um die Möglichkeit des Austauschs des Transponders 80 durch ein ähnliches Element zu minimieren. Die genaue Lokalisation des Transponders 80 ist nur durch Einstiche in den Kunststoffschaum 74 möglich, die nach dem Austausch des Transponders 80 mit einem aus der Chirurgie bekannten Endoskop leicht nachzuweisen sind.

Der Speicherinhalt des Transponders 80 wird durch eine in den nach der Aushärtung des Kunststoffschaums 74 gebohrten Kanal 81 eingeführte Schwingkreisspule 72 eines Basisgeräts 70 ausgelesen. Die optimale Arbeitsposition für diesen Datentransfer ist in Fig. 3 angedeutet.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform eines Kennzeichnungselements 90 ist die Haltevorrichtung als Kunststoffteil 96 ausgeführt, das den darin eingeschlossenen Transponder 91 an seiner zeichnerisch dargestellten Arbeitsposition hält. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß sie während der Montage in das röhrenförmige metallische Werkstück 92 eingeführt werden kann und bei Paßgenauigkeit ohne Klebstoff an ihrer Arbeitsposition ver­ bleiben kann.

Der Speicherinhalt des Transponders 91 wird durch eine durch die Öffnung 93 eingeführte Schwingkreisspule 94 eines Basisgeräts 95 ausgelesen. Die optimale Arbeitsposition für diesen Datentransfer ist in Fig. 4 angedeutet.

Claims (4)

1. Kennzeichnungselement (60, 85, 90) für metallische röhrenförmige Werkstücke (30, 76, 92), insbesondere für Fahrradrahmen oder Automobilrahmen, mit einem berührungslos lesbaren Transponder (4, 38, 80, 91), gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung (34, 74, 96) mit geringer Permeabilität, die den Transponder (4, 38, 80, 91) in der Nähe einer Öffnung (32, 78, 93) im Hohlraum des röhren­ förmigen metallischen Werkstücks (30, 76, 92) in einem ausreichenden Abstand zur Innen­ wandung hält, um den Speicherinhalt des Transponders (4, 38, 80, 91) mittels einer durch die Öffnung (32, 78, 93) eingeführten Schwingkreisspule (50, 72, 94) eines Basisgeräts (52, 70, 95) auslesen zu können.

2. Kennzeichnungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (34) mit geringer Permeabilität aus mit­ einander verbundenen flexiblen Kunststoffstegen hergestellt ist und die den Transponder (4, 38) federnd aufgehängt in einer Aufnahmehalterung mit geringer Permeabilität (36) festhält.

3. Kennzeichnungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (74) mit geringer Permeabilität aus einem Kunststoff hergestellt ist, der durch eine Öffnung (78) eingespritzt wird, in den vor oder nach seiner Aushärtung der Transponder (80) injiziert wird und in den vor oder nach seiner Aushärtung ein Loch gebohrt wird, in das die Schwingkreisspule (72) eines Basisgeräts (70) zum Auslesen der auf dem Mikrochip des Transponders (4, 80) gespeicherten Information durch die Öffnung (78) eingeschoben werden kann.

4. Kennzeichnungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (96) als Kunststoffteil ausgeführt ist, in das der Transponder (4, 91) eingeschlossen ist und an seiner Arbeitsposition gehalten wird.