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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transponder für ein RFID-System mit einem Sensorelement, das eine Antennenanordnung zur Kommunikation mit dem Transponder aufweist, wobei der Transponder einen Träger und wenigstens eine an dem Träger befestigte Spule zur Wechselwirkung mit der Antennenanordnung des Sensorelementes umfasst, und ein RFID-System mit wenigstens einem solchen Transponder.
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RFID-Elemente (Radio Frequency Identification) werden in Sender/Empfängersystemen zum automatischen und berührungslosen Identifizieren und/oder Lokalisieren von Objekten mit Radiowellen verwendet. Ein RFID-System umfasst einen Transponder (auch als "Tag" oder "Funketikett" bezeichnet), der eine Antenne umfasst und sich am oder im Objekt befindet. Er umfasst in der Regel einen kennzeichnenden Code, der über die Antenne von Lesegerät des RFID-Systems (auch als "Transceiver" bezeichnet) abgefragt werden kann. Der Transceiver umfasst dazu ebenfalls eine Antenne und einen Transceiverschaltkreis (zum Beispiel der EM4095-Chip der Firma EM Microelectronics) zum Auslesen dieser Kennung von dem Transponder. Zum Auslesen der Kennung von dem Transponder erzeugt das Lesegerät typischerweise magnetische Wechselfelder, um Signale an den Transponder zu übertragen. Dieser ist dazu ausgebildet, nach Erhalt eines entsprechenden Signals vom Lesegerät ein Daten, insbesondere die Kennung, umfassendes Signal als Antwort an das Lesegerät zurückzusenden, welches dieses an ein System (zum Beispiel ein Computersystem) zur weiteren Verwertung weiterleitet bzw. mittels eines Microcontrollers selber auswerten kann. Der Begriff des Zurücksendens wird hier auch verwendet, wenn der Transponder ausgestaltet ist, das Magnetfeld des Lesegerätes zu beeinflussen, ohne selbst ein Magnetfeld zu erzeugen. Diese Beeinflussung wird dann vom Lesegerät detektiert.
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Bei RFID-Systemen geringerer Reichweite (typischerweise von 20 mm Reichweite), erzeugt das Lesegerät magnetische Wechselfelder, die nicht nur zum Übertragen der Daten vorgesehen sind, sondern oftmals auch dazu dienen, den Transponder mit Energie zu versorgen.
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Oftmals ist es wünschenswert, dass eine Kommunikation zwischen dem Transponder und dem Lesegerät auch dann stattfinden kann, wenn sich der Transponder in unterschiedlichen Raumrichtungen auf das Lesegerät zu bewegt.
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EP 1 702 409 B1 beschreibt einen Sicherheitsschalter zum Überwachen einer Schließposition zweier relativ zueinander beweglicher Teile mit einem RFID-System. Beschrieben ist ein dort als Sensor bezeichnetes Lesegerät, das mit einem dort als Betätiger bezeichneten Transponder kommuniziert. Die Sensorantenne hat gemäß der bekannten Anordnung eine magnetische Richtcharakteristik, die in zumindest zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen eine transformatorische Kopplung mit dem Betätiger ermöglicht, wobei die Richtcharakteristik zwei Vorzugsrichtungen für die transformatorische Kopplung aufweist. Die Sensorantenne ist in einem quaderförmigen Sensorgehäuse angeordnet, wobei die Vorzugsrichtungen parallel und senkrecht zu der Ausrichtung des Quaders sind.
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Der als Betätiger bezeichnete Transponder weist eine Spule auf, die zur Kommunikation mit dem Magnetfeld der Sensorantenne dient und an einem Träger befestigt ist, der eine rechteckige Grundform aufweist, wobei die Spule derart angeordnet ist, dass sie parallel zu einer Seite dieser rechteckigen Grundform ausgerichtet ist. Bewegt sich dementsprechend der Betätiger mit der rechteckigen Grundform parallel oder senkrecht zu dem Gehäuse des Sensorelementes, so ist die Spulenachse parallel zu der einen oder der anderen durch die Geometrie des Sensorelementes vorgegebenen Vorzugsrichtung ausgerichtet. Die durch die Anordnung der Spule in dem quaderförmigen Gehäuse des Sensorelementes bedingte unterschiedliche Größe des Magnetfeldes in unterschiedlichen Raumrichtungen wird bei der bekannten Lösung durch einen unterschiedlichen Abstand der Antennenanordnung von den Gehäusewänden des quaderförmigen Gehäuses ausgeglichen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transponder bzw. ein RFID-System anzugeben, die eine größere Flexibilität hinsichtlich der möglichen relativen Bewegungen zwischen Transponder und Sensorelement ermöglichen und dennoch auf einfache Weise gewährleisten, dass keine zu große Abhängigkeit der Signalstärke von der Richtung vorliegt.
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Die Aufgabe wird mit einem Transponder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein RFID-System mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Transponder weist eine an einem Träger befestigte Spule zur Wechselwirkung mit der Antennenanordnung des Sensorelementes auf, der eine geometriebedingte Vorzugsrichtung aufweist, wobei die wenigstens eine Spule des Transponders gegenüber dieser Vorzugsrichtung schräg befestigt ist.
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Die Wechselwirkung zwischen der Spule des Transponders und dem Magnetfeld, das durch die Antennenanordnung des Sensorelementes erzeugt wird, hängt von der gegenseitigen Ausrichtung dieser Elemente im Raum ab. Eine möglichst große Kopplung kann erreicht werden, wenn die Fläche der Spule des Transponders senkrecht zu den Magnetfeldlinien des mit dem Sensorelement erzeugten Magnetfeldes ausgerichtet ist.
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Durch die schräge Anordnung bei dem erfindungsgemäßen Transponder ist die Wechselwirkung unter Zugrundelegung dieser Erkenntnis zwar möglicherweise kleiner, weil die Spule in der Regel schräg in dem Magnetfeld der Antennenanordnung des Sensorelementes steht. Die erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet jedoch in einer größeren Anzahl der Raumrichtungen ein vergleichbar großes Signal bei einer sehr kleinen und insofern günstigen Bauform des Transponders.
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Die Vorzugsrichtung des Trägers, gegenüber der die Spule schräg befestigt ist, definiert eine bevorzugte Anfahrrichtung des Transponders zu dem Sensorelement. Dies gilt insbesondere, wenn der Träger eine quaderförmige Grundform hat und die Vorzugsrichtung des Trägers parallel zu einer Kante dieses Quaders ist. Zum Beispiel kann der Träger und die quaderförmige Grundform durch ein Gehäuse gebildet sein. Dieses Gehäuse wird in der Regel an einem Objekt befestigt, das sich in Richtung des Sensorelementes bewegt. Befindet sich das Sensorelement zum Beispiel an dem Flügel einer Sicherheitstür, deren Schließposition überwacht werden soll, und der Transponder an dem Türrahmen, so ist in der Regel des Sensorelement parallel zu der Tür ausgerichtet und der Transponder parallel zum Türrahmen. Die quaderförmige Grundform des Trägers des Transponders ist dabei in der Regel parallel zum Rahmen angeordnet. Durch die schräge Anordnung der Spule in dem Gehäuse des Trägers des Transponders ist dabei sichergestellt, dass unabhängig von der Montagerichtung des Gehäuses des Transponders eine ausreichende Wechselwirkung zwischen dem Lesegerät und dem Transponder stattfindet, unabhängig davon, welche der Seiten des quaderförmigen Gehäuses des Transponders parallel oder senkrecht zu der durch die Antennenanordnung des Sensorelementes vorgegebenen Vorzugsrichtung des Magnetfeldes steht.
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Vorzugsweise ist die Spule des Transponders eine flache Spule, deren Fläche gegen die Vorzugsrichtung des Trägers geneigt ist, um so die Neigung der Spule gegen den Träger zu definieren. Die Neigung der Spule kann abhängig von den Platzbedingungen und der Geometrie der Anwendung gewählt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Spule um 30 bis 60° gegen die Vorzugsrichtung geneigt ist, um insbesondere in Richtung der Vorzugsrichtung und senkrecht dazu ein möglichst vergleichbar großes Signal zu erhalten.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein RFID-System mit einem erfindungsgemäßen Transponder und ein Sensorelement zur Kommunikation mit dem Transponder. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Hauptabstrahlrichtung der Antennenanordnung des Sensorelementes derart ausgerichtet ist, dass sie im Normalbetrieb des RFID-Systems parallel zur Vorzugsrichtung des Trägers des Transponders ist. Auf die Weise ist sichergestellt, dass die schräge Anordnung der Spule des Transponders zumindest im Normalbetrieb des Systems ausreichende Signale sowohl bei Bewegung in, als auch senkrecht zur Vorzugsrichtung des Trägers im Hinblick auf die Hauptabstrahlrichtung der Antennenanordnung des Sensorelementes ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen RFID-Systems weist die Antennenanordnung des Sensorelementes wenigstens zwei Abstrahlantennen auf, die in Hauptabstrahlrichtung parallel zueinander angeordnet sind.
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Auf diese Weise wird das magnetische Feld in der Mitte zwischen den zwei Antennen der Antennenanordnung des Sensorelementes konzentriert und dadurch zumindest in einer vorgegebenen Richtung nach außen hin vergrößert, die die Hauptabstrahlrichtung darstellt.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert, die in schematischer Weise die Funktionsweise und bevorzugte Ausgestaltungen darstellen. Es zeigen:
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1 die prinzipielle Funktionsweise eines RFID-Systems,
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2a die Draufsicht auf eine Spule eines Transponders, wie er in der Anordnung der 1 zum Einsatz kommt,
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2b eine Schemadarstellung der Spule der 2a in dem Transponder,
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3a und 3b unterschiedliche Schemadarstellungen eines erfindungsgemäßen Transponders,
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3c eine Außenansicht des Transponders,
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4 eine schematische Darstellung eines vorteilhaft einsetzbaren Sensorelementes eines erfindungsgemäßen RFID-Systems,
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5a bis 5d unterschiedliche Anwendungsgeometrien eines erfindungsgemäßen RFID-Systems.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines RFID-Systems mit einem Sensorelement 16 und Transponderelementen 10. Das Sensorelement 16 hat bei der beschriebenen Form ein Gehäuse 18, in dem sich eine Antenne 20 befindet, die als Spule ausgebildet ist und in an sich bekannter Weise zur Erzeugung eines Magnetfeldes 22 angesteuert wird. Es handelt sich dabei typischerweise um magnetische Wechselfelder, um Signale an die Transponderelemente zu übertragen. Aufgrund der Anordnung der Antenne 20 in dem Gehäuse 18 ergeben sich primäre und sekundäre Sensorfelder, in denen die Magnetfelder 22 besonders wirkungsvoll sind. Das Primärfeld 24 ist dabei in der Regel stärker als das Sekundärfeld 26.
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Die Magnetfeldlinien 22 definieren im Hinblick auf diese Primär- und Sekundärfelder dementsprechend Detektionsvorzugsrichtungen V1 und V2.
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Das Transponderelement 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Spule 14, die eine flache Spule ist. Wird diese flache Spule in das Magnetfeld der Sensorspule 20 gebracht, so wechselwirkt sie mit den Magnetfeldlinien 22 und kann eine damit übertragene Nachricht aufnehmen. Die Transponder sind in bekannter Weise ausgestaltet, um durch geeignete Schwächung des Magnetfeldes zum Beispiel eine Kennung an das Sensorelement zurück zu übermitteln.
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In 2 ist das Transponderelement 10 im Detail schematisch noch einmal dargestellt. In 2b sieht man wiederum das Transponderelement 10 mit dem Gehäuse 12 und der Spule 14. 2a zeigt einen Blick auf die Spule 14 in der in 2b mit I bezeichneten Blickrichtung.
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Bei den bekannten Lösungen, wie sie in 1 und 2 dargestellt sind, ist die flache Spule 14 hinsichtlich der quaderförmigen Grundform des Gehäuses 12 des Transponders gerade angeordnet.
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3 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Transponders.
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3c zeigt wiederum die allgemeine Form des Transponders 30 mit dem Gehäuse 32. 3a zeigt in schematischer Darstellung die Ausrichtung der flachen Spule 34 in dem Gehäuse 32. 3b zeigt eine schematische Ansicht der Anordnung der Spule 34 in dem Gehäuse 32 in der Blickrichtung, die in 3a mit II bezeichnet ist. V3 bezeichnet hier eine Vorzugsrichtung, die durch die quaderförmige Grundform des Gehäuses 32 des Transponders 30 vorgegeben ist.
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4 zeigt eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines Sensorelementes 40 eines erfindungsgemäßen RFID-Systems. Das Sensorelement 40 weist ein Gehäuse 42 auf, in dem die Spulen 44 als Sendeantennen angeordnet sind. Die Spulen sind parallel zueinander ausgerichtet und nahe einer Kante des Gehäuses 42 angeordnet, so dass eine Hauptabstrahlrichtung H entsteht, die durch die Parallelschaltung der Spulen und der daraus resultierenden Verstärkung des Magnetfeldes resultiert.
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In 5 sind unterschiedliche Geometrien und Anwendungsfälle dargestellt.
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Dabei wird davon ausgegangen, dass die Annäherungsrichtung des Transponders 30 an das Sensorelement 40 wesentlich durch die Geometrie des Transponderelements 30 bestimmt ist und insofern eine Annäherung in Richtung der Seiten des quaderförmigen Gehäuses 32 der Hauptanwendung entspricht. Man sieht, dass insbesondere bei den Anwendungen der 5a und 5b unabhängig von der Ausrichtung des Transponders 30 mit Bezug zu dem Sensorelement 40 unter Berücksichtigung der Hauptrichtungen des Transponders 30 in der Spule 34 ein gleich starkes Magnetfeld vorherrscht, das durch die Spulen 44 des Sensorelementes 40 in einer Hauptabstrahlrichtung H erzeugt wird. Bereits hier zeigt sich ein Vorteil des erfindungsgemäßen Transponders mit der schräg angeordneten Spule 34. Bei einer Anordnung des Standes der Technik, bei dem die Spule 14 in dem Transponder 10 gerade angeordnet ist, wird in einer dieser Anordnungen bereits ein deutlich geringeres Signal detektiert werden.
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5c und 5d zeigen, dass die erfindungsgemäße Anordnung auch bei seitlicher Annäherung des Transponders 30 an den Sensor 40 vorteilhaft ist, wenn unterschiedliche durch die Geometrie des Transponderelementes 30 angeregte Annäherungsrichtungen vorherrschen. Auch hier ist das Signal, das in der Spule 34 durch das Magnetfeld der Spulen 44 im Sensorelement 40 erzeugt wird, im Wesentlichen gleich groß.
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Durch die schräge Anordnung der Spule 34 an dem Transponder 30 ist also gewährleistet, dass auch bei unterschiedlichen Annäherungsrichtungen ein gut detektierbares Signal zu erwarten ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Transponder
- 12
- Gehäuse
- 14
- Spule
- 16
- Sensor
- 18
- Gehäuse
- 20
- Spule
- 22
- Magnetfeld
- 24
- Primärfeld
- 26
- Sekundärfeld
- 30
- Transponder
- 32
- Gehäuse
- 34
- Spule
- 40
- Sensor
- 42
- Gehäuse
- 44
- Antennenspule
- A, B
- Annäherungsrichtung
- V1, V2, V3
- Vorzugsrichtung
- H
- Hauptabstrahlrichtung
- I, II
- Blickrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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