DE202012012880U1

DE202012012880U1 - Spulensystem

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Publication number: DE202012012880U1
Application number: DE201220012880
Authority: DE
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-04-22
Anticipated expiration: 2022-08-02

Abstract

Spulensystem mit wenigstens zwei gekoppelten Spulen aufweisend – wenigstens eine, einen Schichtaufbau beherbergende Trägereinrichtung (3), welche Leiterbahnen auf wenigstens zwei Schichten und mindestens ein RFID/NFC-Interface (4) trägt, – und ein RFID/NFC-Gerät (10) mit mindestens einer RFID/NFC-Gerät-Spule (8), welche in Bezug auf die Trägereinrichtung unterschiedliche relative Ausrichtungen einnehmen kann, – wobei Leiterbahnen umfassende Schichten durch mindestens eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind und wobei auf einer ersten Schicht wenigstens ein Segment einer ersten Leiterbahn und auf einer zweiten Schicht wenigstens ein Segment einer zweiten Leiterbahn angeordnet ist und das wenigstens eine Segment der Leiterbahn auf der ersten Schicht mit dem wenigstens einen Segment der Leiterbahn auf der zweiten Schicht über Kontaktierungen miteinander elektrisch leitend verbunden ist derart, dass die miteinander elektrisch leitend verbundenen Leiterbahnsegmente wenigstens eine Windung einer ersten Spule (50, 50a) bilden, welche als Antenne an das RFID/NFC-Interface (4) angeschlossen ist und deren zentrale Spulenachse im Wesentlichen parallel zu den Schichten, insbesondere parallel zu den Schichten verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spulensystem welches wenigstens eine, einen Schichtaufbau beherbergende Trägereinrichtung, welche Leiterbahnen auf wenigstens zwei Schichten und mindestens ein RFID/NFC-Interface trägt, und ein RFID/NFC-Gerät mit mindestens einer Spule besitzt, wobei die mindestens eine RFID/NFC-Gerät-Spule in Bezug auf die Trägereinrichtung unterschiedliche relative Ausrichtungen einnehmen kann.
Im Bereich der drahtlosen Kommunikationsschnittstellen bieten Systeme basierend auf induktiver Kopplung die Möglichkeit, bei einer Reichweite von typischerweise einigen Zentimetern zwischen den Teilnehmern Informationen und/oder Energie kontaktlos auszutauschen. Beispiele solcher Kommunikationsschnittstellen basierend auf induktiver Kopplung können RFID (Radiofrequenzidentifikation) Systeme oder Systeme basierend auf der NFC-Technik (Near Field Communication) sein. Induktive drahtlose Systeme haben gemein, dass jeder Teilnehmer der induktiven Energie- und/oder Datenschnittstelle mindestens eine interne oder externe Antenne benötigt, die häufig als Spulenform ausgebildet ist. Solche Spulensysteme sind Gegenstand der Erfindung.
Im Bereich der RFID-Technik (Radiofrequenzidentifikation) bestehen Teilnehmer der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle typischerweise aus einem oder mehreren RFID-Lesegeräten (auch Reader oder Schreib-/Lesegeräte genannt), die ein magnetisches Feld aufbauen und in Reichweite befindliche RFID-Transponder (auch Tags oder RFID-Chips genannt) auslesen, beschreiben und/oder mit Energie versorgen können.
Im Bereich der NFC-Technik (Near Field Communication) können die NFC-Teilnehmer unterschiedliche Rollen einnehmen, beispielsweise können sie als mehr oder weniger gleichberechtigte Partner über die induktive Schnittstelle Daten austauschen oder ein NFC-Teilnehmer kann die Rolle eines Lesegerätes einnehmen und damit beispielsweise kompatible RFID-Transponder auslesen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein NFC-Teilnehmer auch die Rolle eines RFID-Transponders einnehmen, womit eine teilweise Kompatibilität zwischen den verschiedenen Technologien gegeben ist.
Induktive Energie- und Informationskanäle sind nicht auf die RFID- bzw. NFC Technologie beschränkt. So können auch andere Frequenzen verwendet werden oder die Informationsübertragung ist auf proprietäre Weise realisiert. Im Folgenden einschließlich der Ansprüche wird der Begriff RFID/NFC stellvertretend für induktive Energie- und/oder Kommunikationsschnittstellen verwendet, wobei jedoch andere induktive Energie- und/oder Informationsübertragungstechniken explizit eingeschlossen sind.
Somit bezeichnet im Folgenden einschließlich der Ansprüche ein RFID/NFC-Interface eine elektronische Einrichtung, die eine Schnittstelle für den induktiven Übertragungskanal darstellt. Dies kann z. B. ein RFID-Transponder sein, der beispielsweise aus einem einzelnen IC (Integrated Circuit) besteht. Die möglicherweise daran angeschlossene Antenne oder Spule ist in diesem Zusammenhang nicht eingeschlossen. Alternativ kann ein RFID/NFC-Interface auch verschiedene elektronische Komponenten wie beispielsweise einen Verstärker, ein Anpassnetzwerk, einen oder mehrere Resonanzkondensatoren oder eine Zuleitung zu einer externen Antenne beinhalten.
Ein RFID/NFC-Gerät bezeichnet im Folgenden einschließlich der Ansprüche ein elektronisches Modul, das eine Elektronik, ein RFID/NFC-Interface, mindestens eine Antenne bzw. Spule enthält und ggf. eine oder mehrere Antennenzuleitung enthält. Ein Beispiel eines RFID/NFC-Gerätes ist ein RFID Lesegerät.
Im Bereich der RFID/NFC Technik werden häufig RFID/NFC-Interfaces auf einer Trägereinrichtung z. B. auf einer Leiterplatte integriert, so dass damit eindeutige Informationen mit der Trägereinrichtung in Form eines Barcodeersatzes verknüpft werden können oder eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle mit einer auf der Trägereinrichtung, insbesondere in Art einer Leiterplatte oder mit einer Leiterplatten ähnlichen Struktur, aufgebrachten Elektronik derart aufgebaut werden kann, um z. B. die Elektronik zu konfigurieren oder Auswertedaten auszulesen.
Für die drahtlose Kommunikation zwischen einem RFID/NFC-Gerät und der auf der Trägereinrichtung angeordneten Elektronik mittels der RFID bzw. NFC Schnittstelle, benötigt das RFID/NFC-Interface in aller Regel eine an dieses angeschlossene Antenne. Bei der Kombination mit einer Leiterplatte kann es sich in einigen Fällen anbieten, die Antenne direkt als gedruckte bzw. geätzte Leiterplattenantenne auszuführen. Die Ausgestaltung der Antenne durch Leiterbahnen auf der Leiterplatte hat den entscheidenden Vorteil, dass praktisch keine Zusatzkosten und zusätzliche Produktionsschritte entstehen, außerdem kann eine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet werden.
Für induktive Anwendungen vom kHz-Bereich bis in den MHz-Bereich sind die Antennen häufig als Spulen ausgebildet. Als Beispiele können um einen Ferritkörper gewickelte oder geätzte spiralförmige Spulen dienen. Häufig werden auch Luftspulen ohne magnetischen Kern verwendet, es können aber auch magnetische Kerne zur Konzentration der magnetischen Energie oder zur Schirmung der magnetischen Felder gegenüber Störkörpern wie beispielsweise Metallen verwendet werden.
Ein System zum kontaktlosen Austausch von Energie und Daten auf Basis der RFID Technologie wird z. B. in DE 697 29 865 T2 beschrieben. Die WO 2010/123926 offenbart eine Methode zur Herstellung einer spiralförmigen RFID Spule, an die ggf. eine Kapazität und ein RFID-Tag angeschlossen werden kann. In US 5,727,408 A wird eine Leiterplatte aus magnetisch aktivem Material von einer gewundenen Spule umgeben, wobei deren Anwendung nicht im Bereich RFID/NFC ist. In US 2007/0012771 A1 wird ein RFID-Armband mit zugehöriger Antennenform beschrieben, wobei die Spule in spezieller Form in das Armband integriert ist. In EP 1 561 129 B1 wird ein RFID-Tag mit einer besonderen Spulenform beschrieben, wobei die Windungen der Spule teilweise einen unterschiedlichen Wicklungssinn aufweisen. In EP 1 652 132 B1 wird eine RFID-Einheit beschrieben, bei der zumindest Teile der Antenne bei auftretenden Ereignissen verändert werden können. In EP 1 646 122 A1 wird ein elektronisches Gerät mit einer Leiterplatte und einer sich darauf befindlichen Spule beschrieben, welche aus Leiterbahnen gebildet ist. In US 4,866,573 A wird eine gewickelte Spule beschrieben, die auf einer Leiterplatte befestigt werden kann. In DE 103 34 830 A1 wird eine Leiterplattenspule mit integriertem magnetischem Kern für den LF (Low Frequency) Bereich, d. h. bei Niedrigfrequenzen von ca. 100 bis 135 KHz, beschrieben. Die EP 2 341 463 A2 und EP 1 843 281 A1 zeigen Datenträger-/Sendevorrichtungen, bei welchen die Spulenachsen parallel zur Ebene des Datenträgers verlaufen. Die WO 2011/091830 A1 zeigt einen tragbaren Datenträger mit funkbasierter Datenkommunikationseinrichtung. Die Spulenachse kann parallel zur Ebene des Datenträgers verlaufen und senkrecht zur Spulenachse sind auf beiden Seiten der Spule Ferritschichten vorgesehen. Die DE 10 2010 042 395 A1 zeigt ein Verfahren und Systeme zum induktiven Laden von Batterien eines Fahrzeugs, wobei ein automatisches Platzieren der beteiligten Spulen vorgesehen ist, um die Energieübertragung beim Aufladevorgang möglichst effizient zu gestalten.
Spulensysteme mit gekoppelten Spulen, wie sie in RFID/NFC Systemen vorkommen können, beinhalten typischerweise eine orts- und orientierungsabhängige magnetische Kopplung. So kann es vorkommen, dass ein in paralleler und koaxialer Ausrichtung beider Spulen gut funktionierendes Systemverhalten dann nicht mehr aufrechterhalten werden kann, wenn eine Spule beispielsweise um 90 Grad in eine bestimmte Richtung gedreht wird. In diesem Fall können magnetische Felder senkrecht aufeinander stehen und eine sehr geringe magnetische Kopplung zwischen den Spulen kann auftreten. Wenn die gedrehte Spule wiederum seitlich verschoben wird, kann beispielsweise eine Systemfunktionalität wiederhergestellt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, für induktive RFID/NFC Anwendungen mit auf einer Trägereinrichtung angebrachten Antennen bzw. Spulen ein verbessertes Spulenssystem für gekoppelte Spulen bereitzustellen, welches insbesondere auch bei aneinander gereihten Trägereinrichtungen, welche z. B. an einer Tragschiene aneinandergereihte Module ohne Zwischenräume mit daran ausgebildeten RFID/NFC-Spulen bilden, effektiv mit herkömmlichen Spulen eines RFID/NFC-Gerätes ausgelesen, konfiguriert und/oder mit Energie versorgt werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch ein Spulensystem gemäß Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt folglich ein Spulensystem mit wenigstens zwei gekoppelten Spulen vor, welches wenigstens eine, einen Schichtaufbau beherbergende Trägereinrichtung, welche Leiterbahnen auf wenigstens zwei Schichten und mindestens ein RFID/NFC-Interface trägt, und ein RFID/NFC-Gerät mit mindestens einer RFID/NFC-Gerät-Spule, welche in Bezug auf die Trägereinrichtung unterschiedliche relative Ausrichtungen einnehmen kann, aufweist. Hierzu sind Leiterbahnen umfassende Schichten durch mindestens eine Isolationsschicht voneinander getrennt, wobei auf einer ersten Schicht wenigstens ein Segment einer ersten Leiterbahn und auf einer zweiten Schicht wenigstens ein Segment einer zweiten Leiterbahn angeordnet ist und wobei das wenigstens eine Segment der Leiterbahn auf der ersten Schicht mit dem wenigstens einen Segment der Leiterbahn auf der zweiten Schicht über Kontaktierungen miteinander elektrisch leitend verbunden ist derart, dass die miteinander elektrisch leitend verbundenen Leiterbahnsegmente wenigstens eine Windung einer ersten Spule bilden. Diese Spule ist als Antenne an das RFID/NFC-Interface angeschlossen und besitzt eine zentrale Spulenachse, die im Wesentlichen parallel zu den Schichten, insbesondere parallel zu den Schichten verläuft.
Folglich kann sich zwischen der RFID/NFC-Gerät-Spule und der ersten Spule bei Ausrichtung der Spulenachse der RFID/NFC-Gerät-Spule parallel, zumindest jedoch im Wesentlichen parallel, zu den Schichten der Trägereinrichtung, eine bessere induktive Kopplung einstellen.
Ein Vorteil der Erfindung liegt somit darin begründet, dass die magnetische Kopplung für bestimmte geometrische Orientierungen der Spulen optimiert bzw. maximiert werden kann. Dies ist insbesondere der Fall für geometrische Ausrichtungen bzw. Orientierungen der gekoppelten Spulen zueinander für den Fall, dass herkömmliche Systeme versagen können, bzw. keine optimalen Ergebnisse erzielen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn dünne nebeneinandergereihte Geräte, z. B. an einer Tragschiene angereihte Module ohne Zwischenräume, mit RFID/NFC-Interfaces und zugehörigen Spulen ausgestattet werden sollen und mit herkömmlichen RFID/NFC-Gerät-Spulen ausgelesen, konfiguriert bzw. versorgt werden sollen.
Die Erfindung nutzt folglich geometrische Optimierungen der Spule auf der Trägereinrichtung, z. B. Platine oder Leiterplatte. Die zentrale Spulenachse oder zumindest ein Teil davon wird entgegen herkömmlichen Lösungen so gewählt, dass sie parallel oder nahezu parallel zur Grundfläche der Trägereinrichtung, an welcher Grundfläche die Spule angeordnet ist, liegt. Durch diese Maßnahme kann eine signifikante Kopplung für solche Spulenanordnungen geschaffen werden, bei denen eine Kopplung sonst nur sehr gering sein könnte.
Zur Ausbildung einer solchen an der Trägereinrichtung angeordneten Spule hat sich insbesondere eine helix- oder zylinderförmige Grundform als zweckmäßig erwiesen.
Wird als Trägereinrichtung eine Leiterplatte eingesetzt, kann die an der Trägereinrichtung ausgebildete erste Spule günstig und mit Standardkomponenten aufgebaut sein, da in der Regel eine zur Verfügung stehende Fläche auf der Leiterplatte für die Spule nutzbar ist, und Leiterbahnen der Leiterplatte selbst zur Bildung der ersten Spule nutzbar sind. Die erste Spule verursacht folglich nahezu keine Zusatzkosten und auf derselben Leiterplatte können wie die erste Spule sonstige elektronische Komponenten untergebracht werden.
Das erfindungsgemäße Spulensystem eignet sich insbesondere für Ausführungsformen, bei welchen die RFID/NFC-Gerät-Spule, die in unterschiedlichen Orientierungen zur Trägereinrichtung ausgerichtet sein kann, als spiralförmige Flachspule ausgebildet ist. Denn bei herkömmlichen Spulen, die spiralförmig z. B. auf einer Leiterplatte untergebracht sind, kann in gewissen Ausrichtungen der Spulen zueinander die Kopplung sehr gering sein und eine Systemfunktionalität kann unter Umständen nicht garantiert werden. Um die Funktionalität für diese Anordnungen zu verbessern, ist die erfindungsgemäße Spulenform der RFID/NFC Leiterplattenspule hingegen so ausgelegt, dass die Ausrichtung beider Spulen, also der ersten, an der Trägereinrichtung ausgebildeten Spule und der RFID/NFC-Gerät-Spule, zueinander derart gewählt ist, dass magnetische Feldlinien die jeweils andere Spulenfläche durchstoßen können und somit zu einer signifikanten Kopplung beider Spulen beitragen können, so dass eine Systemfunktionalität weiterhin gegeben sein kann.
Bevorzugt ist daher ein Spulensystem, bei welchen der Anteil eines magnetischen Feldes zwischen der RFID/NFC-Gerät-Spule und der ersten Spule nutzbar ist, bei welchem die Feldlinien parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung verlaufen.
Zur Verbesserung der Kopplungseigenschaften zur RFID/NFC-Gerät-Spule und/oder zur Erhöhung der Induktivität des Spulensystems kann innerhalb der ersten Spule ein magnetischer Kern, insbesondere ein Ferritkern, integriert sein.
Besitzt das erfindungsgemäße Spulensystem zweckmäßig ferner eine zusammengesetzte Spule, derart, dass die erste Spule lediglich einen Spulenanteil der zusammengesetzten Spule bildet, welche als Antenne an das RFID/NFC-Interface angeschlossen ist, wobei die zusammengesetzte Spule sowohl den Spulenanteil der ersten Spule und wenigstens einen zweiten an der Trägereinrichtung ausgebildeten Spulenanteil besitzt, der zum Spulenanteil der ersten Spule elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet und dessen zentrale Spulenachse im Wesentlichen senkrecht zu den Schichten, insbesondere senkrecht zu den Schichten der Trägereinrichtung verläuft, kann der wenigstens eine zweite Spulenanteil zur Funktionalität beitragen, wenn die Spulenachse der RFID/NFC-Gerät-Spule von einer Ausrichtung parallel, zumindest jedoch im Wesentlichen parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung hin zu einer Ausrichtung in Richtung senkrecht, zumindest jedoch im Wesentlichen senkrecht zu den Schichten der Trägereinrichtung wechselt.
Besitzt das erfindungsgemäße Spulensystem in hierzu alternativer oder ergänzender Ausführung zweckmäßig ferner eine zusammengesetzte Spule, derart, dass die erste Spule lediglich einen Spulenanteil der zusammengesetzten Spule bildet, welche als Antenne an das RFID/NFC-Interface angeschlossen ist, wobei die zusammengesetzte Spule sowohl den Spulenanteil der ersten Spule und wenigstens einen dritten an der Trägereinrichtung ausgebildeten Spulenanteil besitzt, der zum Spulenanteil der ersten Spule elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet und dessen zentrale Spulenachse im Wesentlichen parallel zu den Schichten, insbesondere parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung verläuft, jedoch in Bezug auf die Spulenachse des Spulenanteils der ersten Spule um die Normale der Schichten der Trägereinrichtung verdreht ist, kann der wenigstens eine dritte Spulenanteil zur Funktionalität beitragen, wenn die Spulenachse der RFID/NFC-Gerät-Spule von einer Ausrichtung parallel, zumindest jedoch im Wesentlichen parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung hin zu einer alternativen Ausrichtung in Richtung parallel, zumindest jedoch im Wesentlichen parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung, und um die Normale der Schichten der Trägereinrichtung drehend wechselt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer optimierten Leiterplattenspule,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer optimierten Leiterplattenspule,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer optimierten Leiterplattenspule,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer optimierten Leiterplattenspule,
5 schematisch die zusammengesetzten Induktivitäten und Kopplungen der erfindungsgemäßen Leiterplattenspule nach 4,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Spulen verschiedener Ausrichtungen,
7 den Kopplungsverlauf des Ausführungsbeispieles aus 6 für verschiedene Ausrichtungen der Spulen,
8 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen RFID/NFC Spulensystems nach dem Stand der Technik bei günstiger Orientierung der Spulen zueinander, und
9 ein Ausführungsbeispiel des herkömmlichen RFID/NFC Spulensystems gemäß 8 bei ungünstiger Orientierung der Spulen zueinander.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst auf die 8 und 9 eingegangen, welche ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen RFID/NFC Spulensystems nach dem Stand der Technik zeigen.
8 zeigt stark vereinfacht und lediglich in Teilen, ein elektronisches Gerätemodul 2, das beispielsweise für industrielle Anwendungen verwendet werden kann. Das elektronische Gerätemodul 2 kann gleichermaßen auch in anderen Bereichen wie beispielsweise der Unterhaltungselektronik angesiedelt sein. Das Gerätemodul 2 kann entweder tragbar oder, wie bei 8 zu sehen, an einer Halterung 1 befestigt sein, die im industriellen Umfeld beispielsweise aus einer Tragschiene gebildet sein kann. Innerhalb des Gerätemoduls 2 befindet sich mindestens eine Trägereinrichtung 3 mit Schicht- oder Lagenaufbau, z. B. eine Leiterplatte, die auch als Schaltungsplatte, Platine oder PCB (Printed Circuit Board) bezeichnet wird. Leiterplatten bestehen typischerweise aus einem Schicht- oder Lagenaufbau mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen Schichten oder Lagen, die durch mindestens eine isolierende Schicht oder Lage räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind. Der Schicht- oder Lagenaufbau der Leiterplatte kann auch aus einer Vielzahl unterschiedlicher Schichten oder Lagen bestehen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass anstelle einer Leiterplatte auch andere dreidimensionale Gebilde als Trägereinrichtung mit einem geeigneten Schichtaufbau verwendet werden können.
Die Trägereinrichtung 3 mit Schicht- oder Lagenaufbau ist mit einem RFID/NFC-Interface 4, z. B. in Art eines Funkchips, ausgestattet, der auf der RFID/NFC Technologie oder einer dazu ähnlichen Technologie basiert. Das RFID/NFC-Interface kann z. B. passiv ausgelegt sein (Energieversorgung über das magnetische Wechselfeld), oder aktiv mit externer Energieversorgung. Des Weiteren kann eine externe kontaktbehaftete Datenschnittstelle zu externen Elektronikkomponenten (nicht dargestellt) vorhanden sein.
In einem solchen Fall ist es häufig sinnvoll, die zum RFID/NFC-Interface 4 zugehörige Antenne bzw. Spule 5 direkt auf der Trägereinrichtung 3 auszubilden. Wird als Trägereinrichtung 3 eine Leiterplatte eingesetzt, hat dies den Vorteil, dass die Spule 5 als Leiterplattenspule aus Leiterbahnen ohne nennenswerte Zusatzkosten aufgebaut werden kann, da kein zusätzlicher Produktionsschritt erforderlich ist. Zudem kann auf eine externe Antenne bzw. Spule verzichtet werden. Häufig werden derartige, direkt auf der Trägereinrichtung 3 ausgebildete Spulen 5, und also insbesondere Leiterplattenspulen, in Spiralform mit mindestens einer Windung ausgebildet. Werden mehrere Windungen benötigt, werden die spiralförmigen Windungen häufig auf einer Schicht oder Lage angebracht und die innerste oder äußerste Windung der Spiralform wird auf einer anderen Schicht oder Lage des Schichtaufbaus zurückgeführt. Die hierbei die Windungen umfassenden Schichten sind folglich durch mindestens eine Isolationsschicht voneinander getrennt. Diese Vorgehensweise vermeidet unter anderem Kurzschlüsse zwischen den Windungen der Spule. Die spiralförmige Grundstruktur der Spule 5 ist häufig kreisförmig, es werden aber auch andersförmige Strukturen wie beispielsweise rechteckige Grundformen häufig mit abgerundeten Ecken verwendet.
Bei der Auslegung der Spulenform ist es insbesondere von Vorteil, die Form der Spule sowie die Anzahl der Windungen elektrisch auf das RFID/NFC-Interface 4 anzupassen, was eine besonders optimale Systemfunktionalität nach sich ziehen kann. Unter Umständen kann es auch sinnvoll sein, ein elektrisches Anpassnetzwerk, im einfachsten Fall ein in Reihe oder parallel zu der Antenne geschalteter Kondensator anzubringen, um resonante Effekte optimal ausnutzen zu können.
Wird ein weiteres RFID/NFC-Interface 6 (z. B. ein RFID-Transceiver innerhalb eines RFID-Lesegerätes) als Gegenstück zum RFID/NFC-Interface 4 in die Nähe des Gerätemoduls 2 gebracht und das RFID/NFC-Interface 6 mit einer weiteren, zu dem RFID/NFC-Interface 6 gehörenden Antenne oder Spule 8 und ggf. einer Zuleitung 7 ausgestattet, kann eine magnetische Kopplung zwischen der zum RFID/NFC-Interface 4 gehörenden Antenne oder Spule 5 und der zu dem RFID/NFC-Interface 6 gehörenden Antenne oder Spule 8 entstehen und es können zwischen den RFID/NFC Teilnehmern, d. h. zwischen dem RFID/NFC-Interface 4 und dem RFID/NFC-Interface 6, Energie und/oder Daten ausgetauscht werden. Sobald in der zum RFID/NFC-Interface 6 gehörenden Spule 8 ein Strom fließt, bildet sich ein magnetisches Feld aus, das bei 8 mit zwei Feldlinien 9 symbolisch dargestellt ist. Ist dieses magnetische Feld zeitlich veränderlich, kann beim Durchfluten des Feldes durch die Spulenfläche der zur RFID/NFC-Interface 4 gehörenden Spule 5 eine Spannung induziert werden, die wiederum zur Energieversorgung des RFID/NFC-Interfaces 4 verwendet werden kann. Eine gezielte zeitliche Änderung der induzierten Spannung kann auch zur Informationsübertragung zwischen den Spulen 8 und 5 genutzt werden. Gleiches gilt entsprechend auch für die umgekehrte Richtung.
Wenn beide zentralen Achsen der Spulen 5 und 8 parallel oder nahezu parallel zueinander stehen und beide Spulen mehr oder weniger koaxial angeordnet sind, kann sich eine gute magnetische Kopplung zwischen den Spulen 5 und 8 einstellen und eine Systemfunktionalität kann gegeben sein. Diese relative Ausrichtung beider Spulen zueinander ist somit ein bevorzugter Anwendungsfall im Stand der Technik.
In 9 ist das RFID/NFC-Interface 6 mitsamt der Zuleitung 7 und der Antenne 8 zu einem RFID/NFC-Gerät 10 zusammengefasst. Gegenüber der Anordnung aus 8 ist das RFID/NFC-Gerät 10 derart gedreht, dass die Spulenachse der zum RFID/NFC-Interface 6 gehörenden Spule 8 nunmehr mehr oder weniger parallel zu den Schichten der als Trägereinrichtung 3 verwendeten Leiterplatte und im Wesentlichen senkrecht zur Schichten- oder Leiterplattennormalen N (vgl. 1) und somit auch im Wesentlichen senkrecht zur Spulenachse der zum RFID/NFC-Interface 4 gehörenden Spule 5 steht. In diesem Fall können etwaige Feldlinien 9 der stromdurchflossenen Spule 8 die Spulenfläche der Spule 5 kaum noch oder im schlimmsten Fall gar nicht mehr durchfluten und es kann sich lediglich eine sehr geringe oder minimale Kopplung zwischen den Spulen einstellen. In diesem Fall kann folglich eine Systemfunktionalität gefährdet sein oder die Kommunikation zwischen den RFID/NFC Teilnehmern kann ausfallen. Dieses Szenario bildet Ausgangspunkt für die Erfindung, da eine solche Anordnung zwischen der zum RFID/NFC-Interface 6 gehörenden Antenne 8 und dem elektronischem Gerätmodul 2 in einigen Anwendungsfällen vorkommen kann und auch bei solchen Ausrichtungen der Komponenten zueinander eine korrekte Funktionalität gegeben sein soll.
In 1 ist eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit einer veränderten Spulengeometrie für eine Anordnung zwischen einem RFID/NFC-Gerät 10 mit zugehörendem RFID/NFC-Interface 6, optionaler Zuleitung 7 und Antenne 8 und einem Gerätemodul 2 wie in 9 skizziert. Eine erfindungsgemäße, zum RFID/NFC-Interface 4 gehörende und an diese angeschlossene erste Spule 50 aus 1 ersetzt hierbei die Spule 5 des Standes der Technik gemäß 8 und 9 und ist derart ausgebildet, dass für ein gedrehtes RFID/NFC-Interface 6 mit zugehöriger Zuleitung 7 und Spule 8, deren Spulenachse parallel, zumindest jedoch im Wesentlichen parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung ist, eine signifikante magnetische Kopplung zwischen den Spulen 50 und 8 erreicht werden kann.
Dies wird dadurch ermöglicht, dass die zentrale Spulenachse der Spule 50 nunmehr auch parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung 3, gemäß 1 also parallel zur als Trägereinrichtung 3 verwendeten Leiterplatte, verläuft und somit auch parallel oder zumindest nahezu parallel zur Spulenachse der zum RFID/NFC-Interface 6 gehörenden Spule 8 liegt. Somit sind beide Spuleachsen mehr oder weniger parallel zueinander ausgerichtet und die Feldlinien 9 eines magnetischen Wechselfeldes der Spule 8 können die Spulenfläche der neu gebildeten ersten Spule 50 durchfluten. Somit können beide Spulen ausreichend miteinander gekoppelt sein und eine Energie- und/oder Datenübertragung zwischen den RFID/NFC-Teilnehmern kann bei gedrehtem RFID/NFC-Interface 6 ermöglicht werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die wesentlichen Eigenschaften sind identisch zu 1, wobei in 2 allerdings detaillierter auf einen für die Erfindung bevorzugten geometrischen Aufbau der ersten Spule 50 eingegangen ist. Die in 2 direkt auf der Trägereinrichtung 3 ausgebildete Spule 50, und also insbesondere Leiterplattenspule, ist mittels Kontaktierungen, insbesondere Durchlochkontaktierungen (auch als Durchkontaktierungen oder Vias bezeichnet) 60a, 60b, 60c und 61a, 61b, 61c aufgebaut, wobei die Durchlochkontaktierungen Teile der ersten Spule 50 bilden, wie dies z. B. aus der DE 103 34 830 A1 bekannt ist. Die Anzahl der Durchkontaktierungen beträgt typischerweise 2 × Nw, wobei Nw die Anzahl der Windungen der Spule bezeichnet. Die Vias sind auf mindestens zwei leitfähigen Schichten oder Lagen des Schicht- oder Lagenaufbaus miteinander über leitfähige Segmente oder Verbindungselemente 70a, 70b, 70c bzw. 71a, 71b, 71c miteinander verbunden. Diese Verbindungselemente sind vorzugsweise aus abschnittsweise geraden Segmenten von Leiterbahnen aufgebaut, es können aber auch abgerundete oder teilweise kurvige Leiterbahnsegmente verwendet werden.
So sind beispielsweise die Vias 60a und 61a auf einer unteren Lage mit dem Verbindungselement 71a verbunden und die Vias 61a und 60b auf einer oberen Lage mit dem Verbindungselement 70b usw. Ansonsten sind die, die Leiterbahnen oder Verbindungselemente 70a, 70b, 70c bzw. 71a, 71b, 71c umfassende Schichten durch mindestens eine Isolationsschicht voneinander getrennt. Auf diese Weise ergibt sich eine spiralförmige bzw. helixförmige Grundstruktur der ersten Spule 50 mit Abschnitten, die aus Verbindungselementen, insbesondere Segmenten von Leiterbahnen einer Leiterplatte, und aus Kontaktierungselementen bestehen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Spulen 5 nach 8 und 9 wird die Spulengrundfläche somit gewissermaßen von der Grundfläche der Trägereinrichtung mit Schichtaufbau auf die Querschnittsfläche der Trägereinrichtung mit Schichtaufbau verlagert und die Spulenachse wird von ursprünglich senkrecht oder nahezu senkrecht zur Grundfläche der Trägereinrichtung mit Schichtaufbau ausgerichtet auf nunmehr parallel oder nahezu parallel zur Grundfläche der Trägereinrichtung mit Schichtaufbau ausgerichtet gedreht.
Die Vorgehensweise nach der Erfindung bedingt somit zwar, dass die Querschnittsfläche der Spulengrundfläche und somit auch die Induktivität der Spule typischerweise geringer ist als im herkömmlichen Fall. Dieser Effekt kann allerdings zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Windungen kompensiert werden. Eine weitere Verbesserung lässt sich beispielsweise auch dadurch erreichen, dass ein magnetischer Körper 51, z. B. ein Ferritkörper, mit einer hohen Permeabilität in den Schicht- oder Lagenaufbau der Trägereinrichtung integriert wird, was neben der Induktivitätserhöhung auch zu einer Verbesserung der Kopplung zwischen den Spulen 50 und 8 führen kann.
Die in 1 und 2 beschriebene erfindungsgemäße Ausführungsform mit der Spulenform 50 ermöglicht durch ihren flachen Aufbau eine signifikante magnetische Kopplung zu der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 auch für den Fall, dass mehrere Trägereinrichtungen mit Schichtaufbau oder flache Gerätemodule 2 insgesamt nebeneinander an der Halterung 1, d. h. gemäß 1 übereinander, aneinander gereiht sind. Dies ist möglich, da der Anteil des magnetischen Feldes zur Kopplung genutzt wird, der aus der Spulenachse der Spule 50 und somit aus der Querschnittsfläche der Trägereinrichtung heraustritt. Insofern ist es mehr oder weniger irrelevant, ob sich neben der Spule 50, d. h. gemäß 1 über der Spule 50, noch weitere gleich oder ähnlich geformte Spulen von Nachbarmodulen befinden. Ebenso ist bei diesem Fall eine magnetische Kopplung zwischen möglichen Nachbarelementen minimiert, was ein gewünschter positiver Effekt sein kann.
In 3 ist ein im Rahmen der Erfindung weiteres Ausführungsbeispiel einer gegenüber der 2 geringfügig abgewandelten ersten Spule 50 als mögliche Alternative gezeigt.
Die in 3 auf der Trägereinrichtung 3 ausgebildete Spule 50, und also insbesondere Leiterplattenspule, ist wiederum mittels Kontaktierungen 60a, 60b und 61a, 61b, 61c aufgebaut, die Teile der ersten Spule 50 bilden. Auch sind die Kontaktierungen bzw. Vias auf mindestens zwei Schichten oder Lagen eines Schicht- oder Lagenaufbaus miteinander über leitfähige Segmente oder Verbindungselemente 70a, 70b bzw. 71a, 71b, 71c miteinander verbunden.
In Abwandlung zu 2 ist anstelle des dort integrierten Ferritkörpers bei der 3 als Element 52 ein Ferritkörper, eine zusätzliche Leiterplatter oder auch eine Kombination hiervon aufgesetzt auf der Trägereinrichtung 3 von dieser beherbergt.
Auch die Trägereinrichtung 3 gemäß 3 mit einem oder mehreren aufgesetzt beherbergten Elementen 52 kann im Rahmen der Erfindung einen Schichtaufbau beherbergen und Leiterbahnen auf wenigstens zwei Schichten tragen.
Basierend auf der Terminologie gemäß Beschreibung zu 2 sind z. B. gemäß 3 die Kontaktierungen bzw. Vias 61a und 60a sowie die Kontaktierungen bzw. Vias 61b und 60b auf einer unteren Lage der Trägereinrichtung 3 selbst mit dem Verbindungselement 71a bzw. 71b verbunden und die Kontaktierungen bzw. Vias 60a und 61b sowie die Kontaktierungen bzw. Vias 60b und 61c auf einer oberen Lage des von der Trägereinrichtung 3 getragenen Elements 52 mit dem Verbindungselement 70a bzw. 70b verbunden.
Je nach Größe des Elements 52 können hierzu die Kontaktierungen 60a, 60b und 61a, 61b, 61c durch das Element 52 hindurch verlängert sein, gemäß der Ausbildung nach 3 ist dies z. B. bei den Kontaktierungen 60a, 60b und 61b, 61c. Alternativ könnten bei einer Ausbildung nach 3 auch die auf der oberen Lage des Elements 52 verlaufenden leitfähigen Segmente oder Verbindungselemente 70a und 70b an den Seiten des Elements in Richtung Trägereinrichtung 3 verlängert sein.
Ferner liegen gemäß der Ausbildung nach 3 die leitfähigen Verbindungen von der Kontaktierung 61a zum RFID/NFC-Interface 4 auf einer oberen Lage der Trägereinrichtung 3 selbst und von der Kontaktierung 61c zum RFID/NFC-Interface 4 auf einer unteren Lage der Trägereinrichtung 3 selbst.
In weiteren möglichen Alternativen hierzu könnte z. B. auch die leitfähige Verbindung von der Kontaktierung 61c zum RFID/NFC-Interface 4 auf einer oberen Lage der Trägereinrichtung 3 selbst oder einer unteren Lage des von der Trägereinrichtung 3 getragenen Elements 52 liegen und/oder die leitfähigen Segmente oder Verbindungselemente 71a und 71b könnten auf einer mittleren oder oberen Lage der Trägereinrichtung 3 liegen.
Ersichtlich sind weitere Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich.
Entsprechend könnten im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung, welche sich im Rückbezug unter anderem auf Spulenausbildungen gemäß 1 und 2 bezieht, in abgewandelter Weise auch Spulenausbildungen basierend auf der Beschreibung zu 3 eingesetzt werden.
In 4 ist eine weitere erfindungsgemäße Anordnung eines Spulensystems mit einer veränderten Spulengeometrie für die gleiche Anordnung zwischen RFID/NFC-Gerät-Spule 8 und Gerätemodul 2 wie in 1 und 2 skizziert. Die auf der Trägereinrichtung 3 ausgebildete, wiederum mit 50 gekennzeichnete Spule aus 4 ersetzt die Spule 5 des Standes der Technik und ist derart ausgebildet, dass auch für ein verschieden gedrehtes RFID/NFC-Gerät 10 (beinhaltet 6, 7, 8) eine signifikante magnetische Kopplung zwischen den Spulen erreicht werden kann. Als Trägereinrichtung 3 fungiert wiederum zweckmäßig eine Leiterplatte, sodass auch die bei 4 dargestellte Spule 50 nachfolgend als Leiterplattenspule bezeichnet werden kann.
Die Spule 50 nach 4 ist jedoch in Abwandlung zur ersten Spule 50 nach 1 und 2 aus mehreren Spulenteilen 50a, 50b, 50c, 50d zusammengesetzt, die elektrisch miteinander verbunden sind, so dass nicht nur eine erste Spule 50 nach 1 und 2 sondern die zusammengesetzte Spule 50 nach 4 insgesamt als Antenne an das RFID/NFC-Interface 4 angeschlossen ist.
Der Spulenanteil 50a entspricht der ersten Spule 50 nach 1 und 2 und ist folglich aus Durchkontaktierungen 60a, 60b, 60c und 61a, 61b, 61c aufgebaut, wobei die Durchkontaktierungen Teile des Spulenanteils 50a bilden. Die Anzahl der Vias beträgt wiederum typischerweise 2 × Nw, wobei Nw die Anzahl der Windungen des Spulenanteils 50a bezeichnet. Die Vias sind auf mindestens zwei leitfähigen Schichten oder Lagen des Leiterplattenaufbaus miteinander über leitfähige Verbindungselemente 70a, 70b, 70c bzw. 71a, 71b, 71c miteinander verbunden. Diese Verbindungselemente sind wiederum vorzugsweise aus abschnittsweise geraden Segmenten von Leiterbahnen aufgebaut, wobei auch abgerundete oder teilweise kurvige Leiterbahnsegmente verwendet werden können. So sind entsprechend zur Ausführungsform nach 1 und 2 beispielsweise die Vias 60a und 61a auf einer unteren Lage mit dem Verbindungselement 71a verbunden und die Vias 61a und 60b auf einer oberen Lage mit dem Verbindungselement 70b usw., so dass sich bevorzugt wieder eine zylindrisch spiralförmige bzw. helixförmige Grundstruktur des Spulenanteils 50a mit jeweiligen Abschnitten, die aus Leiterbahnen und Vias bestehen, ergibt.
Die spezielle Form des Spulenanteils 50a bedingt wie im Falle der ersten Spule 50 nach 1 und 2, dass deren Spulengrundfläche und somit auch die Induktivität dieses Spulenanteils typischerweise geringer ist als im herkömmlichen Fall, wobei dieser Effekt allerdings wiederum zumindest teilweise durch eine Vielzahl von Windungen und/oder durch Integration eines Ferritkörper 51a in den Schichtaufbau kompensiert werden kann, wobei letzteres neben der Induktivitätserhöhung auch zu einer Verbesserung der Kopplung zwischen den Spulen 50a und 8 führen kann.
Diese spezielle Form des Spulenanteils 50a ermöglicht somit wiederum, dass die zentrale Spulenachse des Spulenanteils 50a nunmehr parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung 3 verläuft und somit auch nahezu parallel zur Spulenachse der gemäß 4 ausgerichteten RFID/NFC-Gerät-Spule 8 liegt. Somit sind beide Spulenachsen im speziellen Ausrichtungsfall aus 4 mehr oder weniger parallel zueinander ausgerichtet und die Feldlinien 9 eines magnetischen Wechselfeldes der Spule 8 können die Spulenfläche des Spulenanteils 50a durchfluten. Somit können die Spule 8 und der Spulenanteil 50a ausreichend miteinander gekoppelt sein und eine Energie- und/oder Datenübertragung zwischen den Teilnehmern kann ermöglicht werden.
Wenigstens ein zweiter Spulenteil 50d ist ähnlich dem Stand der Technik ein spiralförmiger Anteil, bei 4 mit rechteckiger Grundstruktur und zwei Windungen skizziert. Dieser Spulenanteil 50d trägt zur Funktionalität für solche Ausrichtungen bei, wie sie im Stand der Technik nach 8 vorkommen. Die Spulengrundfläche der Spule 50d verbleibt somit auf der Grundfläche der Trägereinrichtung mit Schichtaufbau, an welcher Grundfläche die Spule angeordnet ist, und also bevorzugt auf der Leiterplattengrundfläche, wobei die Spulenachse des Spulenanteils 50d weiterhin senkrecht, zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche der Trägereinrichtung ausgerichtet ist.
Die weiteren dritten Spulenanteile 50b und 50c sind alternativ oder ergänzend zum zweiten Spulenteil 50d und ähnlich wie der Spulenanteil 50a aufgebaut, können allerdings andere Windungszahlen oder andere Leiterbahnformen besitzen.
Auch bei den Spulenanteilen 50b und 50c können optional Ferritkörper angebracht werden, wie es beispielsweise mit 51b angedeutet ist. Die einzelnen Spulenanteile 50b, 50c unterscheiden sich allerdings vom Spulenanteil 50a im Wesentlichen dadurch, dass sie in jeweils unterschiedliche Richtungen der Trägereinrichtung 3 orientiert sind. Die Spulenanteile 50b, 50c können in solchen Fällen zur Systemfunktionalität beitragen, wenn die RFID/NFC-Gerät-Spule 8 gegenüber der bei 4 gezeigten Position auf verschiedenen Seiten neben das Gerätemodul 2 platziert und also im Wesentlichen um die Normale N (vg. 1) der Schichten der Trägereinrichtung herum verdreht wird.
Die erfindungsgemäße zusammengesetzte Spule 50 gemäß Ausführungsform nach 4 ist folglich aus mehreren Spulenanteilen 50a, 50d oder aus mehreren Spulenanteilen 50a sowie 50b und/oder 50c oder aus mehreren Spulenanteilen 50a, 50d sowie 50b und/oder 50c, wobei jeder Spulenanteil jeweils für unterschiedliche Ausrichtungen und Orientierungen der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 unterschiedliche Kopplungsbeiträge aufweist und somit alle Spulenanteile zusammen bei einer optimierten Dimensionierung große Winkelbereiche abdecken können, in denen eine Systemfunktionalität gewährleistet werden kann.
In 5 ist dieser Zusammenhang in einem skizzenhaften Ersatzschaltbild dargestellt. Das als RFID/NFC Chip bereitgestellte RFID/NFC-Interface 4 ist an die Spule 50 angeschlossen, die gemäß Beschreibung zu 4 bevorzugt aus mehreren Spulenteilen 50a, 50b, 50c, 50d zusammengesetzt ist, die wiederum bei 5 durch die Induktivitäten L50a, L50b, L50c, L50d repräsentiert sind. Die Spulenanteile sind hierbei in Reihe geschaltet, was durch die verbundenen Linien zwischen den einzelnen Induktivitäten dargestellt ist. Alternativ kann auch eine parallele oder eine seriell/parallel Verschaltung der Spulen angedacht werden. Die Spulenanteile 50a, 50b, 50c, 50d können magnetisch miteinander verkoppelt sein. Dies ist durch eine beispielhafte Verbindung 81 skizziert, welche die Gegeninduktivität zwischen der Spule 50a und 50b symbolisiert.
Die zusammengesetzte Spule 50 ist magnetisch mit der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 gekoppelt, die durch die Induktivität L8 repräsentiert wird. An die RFID/NFC-Gerät-Spule 8 sind die optionale Zuleitung 7 und das RFID/NFC-Interface 6 angeschlossen, so dass sich diese Teile zu dem RFID/NFC-Gerät 10 vereinen. Je nach räumlicher Ausrichtung der Spulen 50 und 8 zueinander ergeben sich unterschiedliche Teilgegeninduktivitäten bzw. Teilkopplungen zwischen der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 und den einzelnen Teilspulen 50a, 50b, 50c, 50d. Eine erfindungsgemäße Neuerung bei dieser Ausführungsform ist somit, dass die einzelnen räumlich abhängigen Gegeninduktivitäten bzw. Kopplungen, skizziert durch die Verbindungen 80a, 80b, 80c, 80d, derart ausgelegt sind, dass die Gesamtgegeninduktivität bzw. Gesamtkopplung zwischen der Spule 50 und 8 unabhängig bzw. nahezu unabhängig von der räumlichen Orientierung der Spulen 50 und 8 zueinander innerhalb gewisser Grenzen ist. Dies gilt für eine Vielzahl von räumlichen Positionen, allerdings kann physikalisch bedingt auch durch diese erfindungsgemäße Neuerung beispielsweise nicht verhindert werden, dass die Gesamtkopplung mit zunehmendem Abstand zwischen den Spulen 8 und 50 geringer wird und irgendwann eine kritische Kopplung unterschritten wird.
Der beschriebene Sachverhalt der bei 4 dargestellten erfindungsgemäßen und weitgehend positionsunabhängigen Kopplung kann an dem Beispiel aus 6 verdeutlicht werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine zusammengesetzte Spule 50 wiederum auf einer als Trägereinrichtung 3 eingesetzten Leiterplatte mit einem RFID/NFC-Interface 4 elektrisch verbunden. Die zusammengesetzte Spule 50 nach 6 besteht aus zwei Spulenanteilen, den beiden Anteilen 50a und 50d gemäß 4, die wiederum in Reihe geschaltet sind. In einem ersten Fall wird die RFID/NFC-Gerät-Spule 8 wie in 6(a) skizziert, senkrecht zur Leiterplatte angeordnet. Dies entspricht einem Winkel von a = 0°, die Spulenachse der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 verläuft also parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung 3. In diesem Fall ist die Kopplung 80d (vgl. 5) zwischen der Spule 8 und dem Spulenanteil 50d klein und die Kopplung 80a (vgl. 5) zwischen der Spule 8 und dem Spulenanteil 50a größer. Die Gesamtkopplung kann vereinfacht ausgedrückt als eine Art Summation beider Kopplungen interpretiert werden. In dem zweiten Fall gemäß 6(b) wird die RFID/NFC-Gerät-Spule um a = 45° gegenüber den Schichten der Trägereinrichtung 3 gedreht. Die Kopplung 80a (vgl. 5) zum Spulenanteil 50a verringert sich somit im Vergleich zum ersten Fall, dafür erhöht sich die Kopplung 80d (vgl. 5) zum Spulenanteil 50d entsprechend. Die Gesamtkopplung zwischen Spule 50 und Spule 8 bleibt damit im Vergleich zum ersten Fall in etwa unverändert. Im dritten Fall in 6(c) ist der Drehwinkel auf a = 90° erhöht worden und die Spulenachse der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 verläuft senkrecht zu den Schichten der Trägereinrichtung 3. Im Vergleich zum ersten Fall nach 6(a) entstehen somit entgegengesetzte Verhältnisse, insofern, als dass die Kopplung 80a zum Spulenanteil 50a gering ist und die Kopplung 80d zum Spulenanteil 50d höher ausfällt. Insgesamt bleibt die Gesamtkopplung jedoch auf einem ähnlich konstanten Maß wie bei den ersten beiden Fällen. Bildet in Abwandlung für die zusammengesetzte Spule 50 nach 6 wenigstens ein dritter Spulenanteil, z. B. der Spulenanteil 50c nach 4 ergänzend oder alternativ zum zweiten Spulenteil 50d zusammen mit dem Spulenanteil 50a eine zusammengesetzte Spule 50, so verringert sich die Kopplung 80a zum Spulenanteil 50a und erhöht sich die Kopplung 80c zum Spulenanteil 50c, wenn die RFID/NFC-Gerät-Spule 8 gegenüber der bei 4 gezeigten Position im wesentlichen um die Normale N der Schichten der Trägereinrichtung herum gegen den Uhrzeiger verdreht und damit an einer Seite neben der Trägereinrichtung 3 oder dem Gerätemodul 2 platziert wird.
Durch die erfindungsgemäß geometrischen Optimierungen der Spulenform kann somit erreicht werden, dass eine relativ homogene magnetische Kopplung zwischen der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 und der erfindungsgemäßen RFID/NFC-Spule 50 für verschiedene räumliche Ausrichtungen der Spulen erreicht werden kann. 7 verdeutlicht diesen Zusammenhang für die Ausführungsbeispiele aus 6, wobei die konkreten Zahlenwerte beispielsweise simulativ ermittelt werden können. Es wird ersichtlich, dass für beliebige Drehwinkel a zwischen Null und 90 Grad die Gesamtkopplung z. B. in einem Bereich zwischen 1,8% und 2,1% liegt. Dies ist über den gesamten Drehwinkel gesehen eine relativ homogene Kopplung, die ausreichen kann, um eine dauerhafte Funktionalität zwischen den RFID/NFC-Teilnehmern zu gewährleisten.
Zusammenfassend ermöglicht die in 4 bis 7 beschriebene erfindungsgemäße Spulenform 50 durch ihren flachen Aufbau eine signifikante magnetische Kopplung zu der RFID/NFC-Gerät-Spule 8 für verschiedene Orientierungen der Spulen zueinander. Die magnetische Kopplung der Spulen 8 und 50 ist somit unabhängig oder nahezu unabhängig von der relativen Ausrichtung der Spulen zueinander innerhalb spezifizierter Grenzen. Eine Systemfunktionalität kann somit beispielsweise gleichermaßen für beide Fälle gegeben sein, dass sich das RFID/NFC-Gerät 10 wie in 8 oder wie in 9 gezeigt vor der Trägereinrichtung 3 oder dem elektronischen Gerätemodul 2 befindet, aber auch für den Fall, dass das RFID/NFC-Gerät 10 aus einer Position vor der Trägereinrichtung 3 oder dem elektronischen Gerätemodul 2 hin zu einer Position an einer Seite neben der Trägereinrichtung 3 oder dem Gerätemodul 2 platziert wird. Somit kann die Robustheit gegenüber herkömmlichen Spulenformen zusätzlich erhöht werden und eine Systemfunktionalität für eine Vielzahl von Anwendungsfällen gegeben sein.
Bezugszeichenliste

1: Halterung
2: elektronisches Gerätemodul,
3: Trägereinrichtung,
4: RFID/NFC-Interface (z. B. RFID Transponder),
5: Spule,
6: RFID/NFC-Interface (z. B. RFID Transceiver),
7: Zuleitung,
8: RFID/NFC-Gerät-Spule,
9: Feldlinien,
10: RFID/NFC-Gerät (z. B. RFID Reader),
50: erste Spule
60a, 60b, 60c, 61a, 61b, 61c: Durchkontaktierungen,
70a, 70b, 70c, 71a, 71b, 71c: leitfähige Segmente,
51, 51a: magnetischer Körper, z. B. Ferritkörper,
52: Ferritkörper oder zusätzliche Leiterplatte oder Kombination
50a, 50b, 50c, 50d: Spulenteile,
80a, 80b, 80c, 80d: Kopplung/Gegeninduktivität,
81: Kopplung/Gegeninduktivität,
a: Winkel der Spulenachse der RFID/NFC-Gerät-Spule 8,
N: Normale,
Nw: Anzahl von Windungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69729865 T2 [0011]
WO 2010/123926 [0011]
US 5727408 A [0011]
US 2007/0012771 A1 [0011]
EP 1561129 B1 [0011]
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EP 1646122 A1 [0011]
US 4866573 A [0011]
DE 10334830 A1 [0011, 0046]
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EP 1843281 A1 [0011]
WO 2011/091830 A1 [0011]
DE 102010042395 A1 [0011]

Claims

Spulensystem mit wenigstens zwei gekoppelten Spulen aufweisend – wenigstens eine, einen Schichtaufbau beherbergende Trägereinrichtung (3), welche Leiterbahnen auf wenigstens zwei Schichten und mindestens ein RFID/NFC-Interface (4) trägt, – und ein RFID/NFC-Gerät (10) mit mindestens einer RFID/NFC-Gerät-Spule (8), welche in Bezug auf die Trägereinrichtung unterschiedliche relative Ausrichtungen einnehmen kann, – wobei Leiterbahnen umfassende Schichten durch mindestens eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind und wobei auf einer ersten Schicht wenigstens ein Segment einer ersten Leiterbahn und auf einer zweiten Schicht wenigstens ein Segment einer zweiten Leiterbahn angeordnet ist und das wenigstens eine Segment der Leiterbahn auf der ersten Schicht mit dem wenigstens einen Segment der Leiterbahn auf der zweiten Schicht über Kontaktierungen miteinander elektrisch leitend verbunden ist derart, dass die miteinander elektrisch leitend verbundenen Leiterbahnsegmente wenigstens eine Windung einer ersten Spule (50, 50a) bilden, welche als Antenne an das RFID/NFC-Interface (4) angeschlossen ist und deren zentrale Spulenachse im Wesentlichen parallel zu den Schichten, insbesondere parallel zu den Schichten verläuft.
Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die erste Spule (50, 50a) eine helix- oder zylindrisch spiralförmige Grundform besitzt.
Spulensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trägereinrichtung (3) eine Leiterplatte ist.
Spulensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die RFID/NFC-Gerät-Spule (8) als spiralförmige Flachspule ausgebildet ist.
Spulensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anteil eines magnetischen Feldes zwischen der RFID/NFC-Gerät-Spule (8) und der ersten Spule (50, 50a) nutzbar ist, bei welchem die Feldlinien parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung verlaufen.
Spulensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der ersten Spule (50, 50a) ein Ferritkern (51, 51a) zur Erhöhung der Kopplung/Induktivität integriert ist.
Spulensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Spule (50a) lediglich einen Spulenanteil einer zusammengesetzten Spule bildet, welche als Antenne an den RFID/NFC-Interface (4) angeschlossen ist, wobei die zusammengesetzten Spule zusätzlich zum Spulenanteil der ersten Spule (50a) wenigstens einen elektrisch mit diesem verbundenen zweiten Spulenanteil (50d) besitzt, dessen zentrale Spulenachse im Wesentlichen senkrecht zu den Schichten, insbesondere senkrecht zu den Schichten der Trägereinrichtung (3) verläuft.
Spulensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Spule (50a) lediglich einen Spulenanteil einer zusammengesetzten Spule bildet, welche als Antenne an den RFID/NFC-Interface (4) angeschlossen ist, wobei die zusammengesetzten Spule zusätzlich zum Spulenanteil der ersten Spule (50a) wenigstens einen elektrisch mit diesem verbundenen dritten Spulenanteil (50b, 50c) besitzt, dessen zentrale Spulenachse im Wesentlichen parallel zu den Schichten, insbesondere parallel zu den Schichten der Trägereinrichtung (3) verläuft, jedoch in Bezug auf Spulenachse des Spulenanteils der ersten Spule (50a) um die Normale N der Schichten der Trägereinrichtung (3) verdreht ist.
Verwendung eines Spulensystems mit wenigstens zwei magnetisch gekoppelten Spulen für ein elektronisches Gerätemodul (2), das an einer Halterung (1) neben weiteren elektronischen Gerätemodulen befestigt wird, wobei das Spulensystem aufweist – wenigstens eine, einen Schichtaufbau beherbergende Trägereinrichtung (3), welche Leiterbahnen auf wenigstens zwei Schichten und mindestens ein RFID/NFC-Interface (4) trägt, – und ein RFID/NFC-Gerät (10) mit mindestens einer RFID/NFC-Gerät-Spule (8), welche in Bezug auf die Trägereinrichtung (3) unterschiedliche relative Ausrichtungen einnehmen kann, – wobei Leiterbahnen umfassende Schichten der Trägereinrichtung (3) durch mindestens eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind und wobei auf einer ersten Schicht wenigstens ein Segment (70a–70c) einer ersten Leiterbahn und auf einer zweiten Schicht wenigstens ein Segment (71a–71c) einer zweiten Leiterbahn angeordnet ist und wobei das wenigstens eine Segment der Leiterbahn auf der ersten Schicht mit dem wenigstens einen Segment der Leiterbahn auf der zweiten Schicht über Kontaktierungen (60a–60c, 61a–61c) miteinander elektrisch leitend verbunden ist derart, dass die miteinander elektrisch leitend verbundenen Leiterbahnsegmente (70a–70c, 71a–71c) wenigstens eine Windung einer ersten Spule (50, 50a) bilden, welche als Antenne an das RFID/NFC-Interface (4) angeschlossen ist und deren zentrale Spulenachse im Wesentlichen parallel zu den Schichten verläuft, und wobei die mindestens eine Trägereinrichtung (3) innerhalb des Gerätemoduls (2) angeordnet wird.