DE202008009681U1

DE202008009681U1 - Vorrichtung zur Befestigung eines RFID-Chips an rotierenden Metallteilen mit ringförmiger Ausrichtung

Info

Publication number: DE202008009681U1
Application number: DE200820009681
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2018-06-26

Abstract

Vorrichtung zur Befestigung eines RFID-Chips an rotierenden Metallteilen dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Chip (15) elektrisch mit einem länglichen, elektrisch leitenden Element (13) verbunden ist, das eine Antenne bildet, welche freie elektromagnetische Wellen in elektrische Signale wandelt, deren Hauptachse parallel zur Drehachse des Metallteils (11) angeordnet ist und deren elektrisches Wirkungsfeld konstruktionsgemäß durch die rechtwinklige Anordnung des Antennenelements (13) zur Montagefläche (Stirnfläche des Metallteils (11)) radial zur Drehachse des Elements (13) und des rotierenden Metallteils (11) ringförmig gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befestigung eines RFID-Chips an rotierenden Metallteilen.
Hintergrund der Erfindung
In Produktionsprozessen werden Spindeln oder Dome zur Aufnahme von Rohmaterial, Halbzeugen, Waren oder auch Werkzeugen benutzt. Viele dieser Materialien oder Werkzeuge besitzen auch selbst einen runden Bereich, der u. U. auch ihrer Befestigung dient. Um mit derartigen runden Teilen in automatischen Prozessen umgehen zu können, ist es oft erforderlich diese automatisch zu identifizieren. Zur Identifizierung werden derzeit u. a. optische Systeme wie Barcode oder Funksysteme wie RFID eingesetzt. In Produktionsprozessen ist insbesondere bei ständig wiederverwendeten Teilen mit starker Verschmutzung zu rechnen. Aus diesem Grund wird die Fehlerwahrscheinlichkeit bei optischen Systemen besonders hoch eingeschätzt. Bei RFID wird hingegen mit elektromagnetischen Wellen gearbeitet, die gegen Verschmutzung resistent sind. Bekannt sind derzeit RFID-Transponder die im Nieder-, Mittel- und Hochfrequenzbereich arbeiten.
Ein RFID-Transponder umfasst in der Regel einen Transponder-Chip und eine Antenne. Mittels der Antenne werden elektromagnetische Signale empfangen und in elektrische Signale umgewandelt, welche dann über eine Verbindung zwischen der Antenne und dem Transponder-Chip an letzteren übertragen werden. Die elektrischen Signale können dann im Transponder-Chip ausgewertet werden, um eine Information beispielsweise über eine Identifikationsanfrage zu erhalten. Anschließend erzeugt der Transponder-Chip als Antwort auf die Identifikationsanfrage weitere elektrische Signale, welche an die Antenne übertragen und von dieser in abstrahlbare elektromagnetische Signale umgewandelt werden.
Damit ein RFID-Transponder im Produktionsprozess auch über lange Zeit zuverlässige Informationen liefert, muss er besondere Anforderungen erfüllen:

– hohe mechanische Robustheit gegenüber Vibration und Schlägen
– Beständigkeit gegen Schmiermittel
– hohe thermische Belastbarkeit (Ausdehnung, Änderung von Leitfähigkeit und Chipparametern)
– große Lesereichweite zur Absicherung der Prozesssicherheit auch unter schwierigen Bedingungen
– rotationssymmetrische Verteilung des Schwerpunktes bei Einsatz an rotierenden Teilen
– Lesefähigkeit unabhängig vom Drehwinkel des Transponders

Die Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Befestigung eines RFID-Chips an rotierenden Wellen, Dornen und Rädern bereitzustellen, welches eine hohe Lesereichweite bei großer Robustheit, Widerstandsfähigkeit gegen Schmierstoffe, thermische Stabilität und achszentrale Schwerpunktlage gewährleistet. Die Lesemöglichkeit muss dabei auch in Ruhelage des rotierenden Teiles unabhängig vom Drehwinkel gegeben sein. Der Durchmesser des Transponders muss möglichst gering ausführbar sein um auch den Einsatz an dünnen drehenden Wellen zu ermöglichen. Besonders für den Fall, dass die Wellen mit Transponder durch enge Bohrungen oder Hülsen hindurch geführt werden sollen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die den Transponder bildende Vorrichtung wird selbst in Stabform ausgeführt und in Verlängerung der Achse des rotierenden Teils, vorteilhaft in gleicher Rotationsachse, an diesem befestigt oder aus einem geeigneten Bestandteil des rotierenden Teils gebildet. Dazu wird das rotierende Teil mittels elektrisch leitendem Element verlängert, welches eine Unterbrechung enthält. Die dadurch gebildete Antenne wird über ihre Länge auf die Wellenlänge der Arbeitsfrequenz abgestimmt. Der RFID-Chip erhält über zwei Leiter und eventuell eingefügte Induktivitäten oder Kapazitäten Verbindung zu den beiden, die Unterbrechung begrenzenden, als Antenne für elektromagnetische Wellen arbeitenden Elemente.
Durch die Verlängerung des rotierenden Teils ergibt sich der Vorteil, dass der Chip in einiger Entfernung zum rotierenden Teil installiert ist. Durch den so entstehenden thermischen Widerstand erhält die Anordnung den Vorteil, dass der Transponderchip auf seine Arbeitstemperatur gebracht werden kann, auch wenn das rotierende Teil aus technologischen Gründen zum Zeitpunkt der Abfrage des Transponders eine andere Temperatur haben muss.
Ist der Transponder mit kleinerem Durchmesser gefertigt als die zu kennzeichnende Welle bzw. das Trägerteil, last sich die Kombination besonders einfach durch eventuelle Hülsen oder Durchbrüche schieben.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Ansicht auf das Ende einer Welle mit Transponder
2 eine Draufsicht auf ein Koppelelement zur elektrischen Verbindung des RFID-Chips mit der Transponderantenne
3 eine Seitenansicht des Koppelelements nach 2
1 zeigt eine Ansicht auf das Ende einer mit RFID zu kennzeichnenden Welle oder Stabmaterial (11) und das mittels Gewinde (15) verbundene Element (12), welche in Verbindung mit dem Element (13) die Antenne für den RFID-Chips (15) bildet. Die Antenne wird hierbei im wesentlichen durch den freien Dipolteil (13) und das „Gegengewicht” (12), welches elektrisch mit der zu kennzeichnenden Welle oder Trägerteil (11) verbunden sein kann, gebildet. Dabei kann das „Gegengewicht” der Antenne auch durch die Welle (11) selbst gebildet werden. Die Hauptachse, speziell des Elements 13, steht senkrecht auf der Montageebene, hier die Stirnfläche des Trägerteils (11). Dadurch wird eine zur Haupt- oder Drehachse des Trägerteils (11) rechtwinklige Wirkrichtung des elektromagnetischen Feldes erreicht.
Das gezeigte Gewinde (15) stellt lediglich eine besondere Ausführungsform dar, welche den leichten Austausch des Transponders, bestehend aus den Teilen 12, 13, 14 und 15 ermöglicht. Ist ein nachträglicher Wechsel nicht vorgesehen können die Teile 11 und 12 auch anders miteinander verbunden werden (z. B. verschweißt, verklebt oder mittels Formteil aus z. B. Kunst stoff) oder sogar aus ein und dem selben Rohling in einem Stück gefertigt werden. Dies bietet bei der späteren Nutzung die Sicherheit der unverwechselbaren Zuordnung des Identifizierungssignals zu der zu kennzeichnenden Welle.
Eine weitere Ausführungsvariante wäre die Fertigung der Elemente 12 und 13 direkt an einer gut zugänglichen Stelle in der Welle selbst. Zur industrietauglichen Verkapselung ist das Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Elementen 12, 13 und dem RFID-Chip (15) nach der Kontaktierung des RFID-Chips (13) mit einem dielektrischen Kunststoff sinnvoll. Das besonders haltbare Formstück (14) dient der Erhöhung der mechanischen Stabilität ist möglichst aus glas- oder kohlefaserhaltigem dielektrischen Material auszuführen.
Zur Realisierung einer geringeren Wärmespeicherfähigkeit können die Antennenelemente (12, 13) auch anstelle von Vollmaterial aus Rohrmaterial gefertigt werden, in das dann das Halteteil (14) möglichst über die ganze Länge eingebracht wird. Es ist sinnvoll das Innere des Rohres, bzw. entstandene Zwischenräume bis zum äußeren Durchmesser mit dielektrischem Material aufzufüllen. Diese Konstruktion sichert eine gute Rundumstrahlung bzw. Rundumempfindlichkeit des Transponders.
Die Länge des Antennenelements (13) ist von der viertel Wellenlänge der Arbeitsfrequenz bestimmt. Sie kann durch einfügen von induktiven Elementen in die Leiter vom RFID-Chip zu den leitenden Flächen (22, 32) unter Einhaltung der Resonanzbedingung angepasst werden.
Ist mit großen Arbeitstemperaturen an der Welle (11) zu rechnen, ist es auf Grund des Abstandes zwischen Welle (11) und RFID-Chip (15) und des daraus resultierenden thermischen Widerstandes einfach zu realisieren, dass der RFID-Chip kurz vor und/oder während des Zeitpunktes des Auslesens oder Beschreibens gekühlt wird ohne die Arbeitstemperatur der Welle zu beeinflussen. Die Kühlung kann leicht durch Anblasen der Elemente (12, 13) mittels Gas, z. B. Luft, erreicht werden. Dazu ist eine Einrichtung (17) (Düse, Gebläse o. ä.) in unmittelbarer Nähe des Stabtransponders (Elemente 12, 13, 15) zu installieren, welche mittels geeignetem Medium, vorzugsweise einem Gas, die Elemente (12, 13) und damit den RFID-Chip (15) umspült oder anstrahlt. Vor dem Austritt aus der Einrichtung (17) ist das Medium (18) auf eine Temperatur zu bringen, die sichert, dass die am RFID-Chip (15) gewünschte Temperatur erreicht wird.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein Koppelelement zur vorteilhaften elektrischen Verbindung des RFID-Chips (15, 23) mit der, die Transponderantenne umfassenden Elemente (12, 13). Es besteht aus einem dielektrischen Trägermaterial (21) mit den aufgebrachten elektrisch gut leitenden Flächen (22). Der RFID-Chip (23) ist galvanisch z. B. mittels Löt- oder Klebeverfahren mit den leitenden Flächen (22) verbunden. Das gesamte Koppelelement wird nun auf der Oberfläche der Elemente (12, 13) derart angebracht, dass die leitenden Flächen (22) die Elemente 12, 13 überragen, ohne dass der Chip (23) direkten mechanischen Kontakt zu den Elementen 12, 13 bekommt. Je nach den Eigenschaften des RFID-Chips kann es dabei von Vorteil sein, dass die leitenden Flächen (22) galvanisch mit dem Material der Antennenelemente (12, 13) oder aber kapazitiv verbunden werden. Diese beiden Verbindungsarten sind leicht zu realisieren, indem das Koppelelement für die galvanische Kopplung mit den leitenden Flächen (22) der Elemente (12, 13) zugewandt oder aber im Falle der kapazitiven Kopplung mit den leitenden Flächen (22) dem Material der Elemente (12, 13) abgewandt an diesen befestigt wird. Im Falle der kapazitiven Kopplung wird die Kapazität durch die leitenden Flächen (22), das Material des jeweiligen Elementes (12, 13) und das dazwischen befindliche dielektrische Material (21) gebildet.
Die Installation des Koppelementes Innerhalb der Innenseite der Rohrenden der Elemente (12, 13) bietet den Vorteil, dass der Chip besonders gut gegen mechanische Einflüsse gekapselt ist, da er je nach Wandstärke der Rohrenden der Elemente (12, 13) einige Millimeter bis Zentimeter Abstand zur Oberfläche hat und gut mit Kunststoff eingebettet ist. Gleichzeitig sind auf Grund der zentraleren Lage die Fliehkräfte, die aus der Rotation der Welle und des Transponders resultieren und auf den Chip (23, 33) und seine Verbindung wirken, minimiert.
3 zeigt eine Seitenansicht des Koppelelements nach 2. Dabei ist der Schichtenaufbau besser zu erkennen. Es ist gut zu sehen, dass zu den bereits beschriebenen Elementen Trägermaterial (21, 31), leitende Flächen (22, 32) und RFID-Chip (23, 33) noch die Schichten (34) und (35) hinzukommen. Hierbei handelt es sich um Klebeschichten. Die beiden Schichten werden in den meisten Fällen nur alternativ aufgebacht. Die Klebeschicht (34) wird bei reiner kapazitiver Kopplung verwendet und die Klebeschicht (35) dagegen eher bei galvanischer Kopplung. Um eine gute leitende Verbindung durch die Klebeschicht (35) zu erreichen ist es von Vorteil wenn der Montageuntergrund der Elemente (12, 13) eine sehr raue oder künstlich mit Spitzen versehende Oberfläche besitzt. Diese Spitzen können dann leichter die Klebeschicht durchstoßen und den galvanischen Kontakt herstellen. Das Beifügen von leitenden Partikeln zur Klebeschicht (35) ist von Vorteil. Dabei ist jedoch zum Vermeiden von Kurzschlüssen beim Beschichten des Koppelelements das Gebiet in unmittelbarer Nähe zu RFID-Chip auszusparen oder die Klebeschicht ist auf die Kontaktfläche(n) der Elemente (12, 13) aufzubringen und nicht ganzflächig auf das Koppelelement.
Die Befestigung des Koppelelements kann insbesondere bei geringen Stückzahlen auch ohne direkt aufgebrachte Klebeschichten erfolgen. In diesem Fall wird das Koppelelement ohne Klebeschichten vorgefertigt und bei der Installation mit geeignetem Klebeband oder Kontaktfedern an den Elementen (12, 13) befestigt. Durch das anschließende Ausfüllen der Freiräume unterhalb des Außendurchmessers wird die benötigte mechanische Festigkeit erreicht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Vorrichtung zur Befestigung eines RFID-Chips an rotierenden Metallteilen dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Chip (15) elektrisch mit einem länglichen, elektrisch leitenden Element (13) verbunden ist, das eine Antenne bildet, welche freie elektromagnetische Wellen in elektrische Signale wandelt, deren Hauptachse parallel zur Drehachse des Metallteils (11) angeordnet ist und deren elektrisches Wirkungsfeld konstruktionsgemäß durch die rechtwinklige Anordnung des Antennenelements (13) zur Montagefläche (Stirnfläche des Metallteils (11)) radial zur Drehachse des Elements (13) und des rotierenden Metallteils (11) ringförmig gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Element (12, 13) aus einem elektrisch leitenden Rohr gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (12, 13) und der RFID-Chip (15) mittels dielektrischem Material (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) einseitig mit dem, dem RFID-Chip (15) abgewandten, Ende mit dem zu kennzeichnenden Trägerteil (11) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) mittels Gewinde (16) mit dem Trägerteil (11) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem RFID-Chip (15) und dem Trägerteil (11) einen thermischen Widerstand bildend ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das, eine Antenne bildende, Element (13) in seiner, die Feldausrichtung bestimmenden Hauptausrichtung senkrecht zur metallischen Befestigungsebene steht und selbst nur von dem dielektrischen Material (14) mechanisch gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Elemente (12, 13) und der RFID-Chip (15) von Kunststoff umschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (16), vorzugsweise eine Düse oder ein Lüfter derart in unmittelbarer Nahe der Elemente (12, 13) installiert ist, dass das aus ihr ausströmende und die Elemente (12, 13) umströmende Medium (18) den RFID-Chip (15) seinen Arbeitstemperaturbereich einhaltend temperiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12) und das Trägerteil (11) ohne lösbare Verbindung aus ein und dem selben durchgehenden Material gefertigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Chip (15) mittels Koppelteil, bestehend aus dielektrischem Trägermaterial (21, 31) und leitfähigen Flächen (22, 32) mit den elektrisch leitenden Elementen (12, 13) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Chip (15) kapazitiv mit den Elementen (12, 13) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Chip (15) galvanisch mit dem Element (12, 13) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement mit Klebstoff (34, 35) vorgefertigt ist.