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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Station zum Senden/Empfangen
von Daten mittels induktiver Kopplung.
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Zur
Erinnerung zeigt 1 ein
herkömmliches
System zur Übertragung
von Daten mittels induktiver Kopplung. Das System umfasst eine Sende/Empfangsstation 10 und
ein passives Modul 20 in Art eines Transponders, zum Beispiel
der integrierte Schaltkreis einer kontaktlos lesbaren Chipkarte.
Die Station 10 umfasst eine Antennenspule 11,
die mit einer Kapazität 12 einen
Resonanzkreis 13 bildet, der durch eine von einem Generator 14 emittierte
Wechselspannung Vac1 angeregt wird. Gegenüber der Station 10 umfasst
das Modul 20 eine Empfangsspule 21, die mit einer
Kapazität 22 einen
Resonanzkreis 23 entsprechend dem Resonanzkreis 13 der
Station 10 bildet.
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Für die Übertragung
numerischer Daten DT1,2 von der Station 10 zum
Modul 20 wird die Spannung Vac1 hinsichtlich ihrer Amplitude
durch einen Kodierer/Modulierer-Schaltkreis 15 moduliert,
der die zu sendenden Daten DT1,2 am Eingang
empfängt. Durch
eine induktive Kopplung zwischen den Spulen 11 und 12 erhält das Modul 20 eine
induzierte Spannung Vac2, die eine Abbildung der Spannung Vac1 ist und
Maxima und Minima der Amplitude aufweist. Die Demodulation der Spannung
Vac2 wird durch einen Demodulator/Dekodierer-Schaltkreis 25 sichergestellt,
der die Daten DT1,2 liefert.
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Die Übertragung
der Daten DT2,1 in der entgegen gesetzten
Richtung, das heißt,
vom Modul 20 zur Station 10, beruht auf einem
zur Modulation der Ladung ganz anderen, festgesetzten Verfahren.
Dieses Verfahren besteht darin, die Impedanz der Spule 21 zu
modulieren, zum Beispiel mit Hilfe eines Widerstandes 26,
der durch einen Schalter 27 umgeschaltet wird. Der Schalter 27 wird
durch eine Kodierschaltung 28, die am Eingang die zu sendenden
Daten DT2,1 empfängt, abwechselnd geschlossen
und geöffnet.
Die Variation der Impedanz der Spule 21 wirkt sich durch
induktive Kopplung auf die Spule 11 der Station 10 aus
und provoziert in dieser eine Modulation des Stromes oder der Erregerspannung
Vac1. Ein Detektor/Dekodierer-Schaltkreis mit zum Beispiel Mittel
zum Messen des Stromes oder der Erregerspannung Vac1 erfasst die Öffnungen
und Schließungen
des Schalters 27 und leitet daraus die Daten DT2,1 ab, die von dem Modul 20 geschickt
wurden.
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Die
oben erwähnten
unterschiedlichen Schaltkreise sind dem Fachmann allgemein bekannt und
werden im Detail nicht weiter beschrieben. Man interessiert sich
nun für
die praktische Ausführung
eines solchen Systems und ganz besonders für die Ausführung der Station 10.
In der Praxis wünscht man
sich tatsächlich,
dass die Station 10 in einer sehr kompakten Form und mit
einem minimalen Volumen ausgebildet wird. Die Lösung, die sich aufdrängt, dargestellt
durch 2, besteht darin,
die verschiedenen Schaltungen 14 bis 16 auf einem
Träger
in gemeinsamer Zusammenschaltung anzuordnen, zum Beispiel auf einer
gedruckten Leiterplatte 17. Die Antennenspule 11 wird
auch in einer kompakten Form ausgeführt und nimmt die Form einer
flachen Wicklung 18 an, die auf einem Stützisolator 19 angeordnet ist,
der auf der gedruckten Leiterplatte 17 zum Beispiel in
einer senkrechten Position fixiert ist.
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Obwohl
diese Ausführungsform
der Station 10 hinsichtlich des Raumbedarfs zufriedenstellend ist,
hat die Anmelderin festgestellt, dass die Anordnung der Spule 11 in
der Nähe
der elektronischen Schaltungen in erheblicher Weise die Funktionsfähigkeit
der Station stört.
Der Grund dieser Störung
ist ein parasitäres
elektrisches Feld E, das durch die Spule 11 gemeinsam mit
dem genutzten Magnetfeld B (siehe 2)
emittiert wird, das parasitäre
Spannungen von einigen Mikrovolt in den Leitern erzeugt. Insbesondere
verschlechtert das elektrische Feld E das Verhältnis von Signal/Rauschen im
Empfangsmodus und stört
die Erfassung sehr schwacher Ladungsmodulationen, wenn der Abstand
d (1) zwischen der Station 10 und
des Moduls 20 groß ist
und die induktive Kopplung zwischen den Spulen 11, 21 sehr schwach
ist.
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Eine
Lösung,
um diesen Nachteil zu beheben, besteht darin, den Schaltkreis 17 in
einem abgeschirmten Metallkästchen
anzuordnen, wobei die Spule 11 außerhalb des Kästchens
angeordnet ist. Diese Lösung
hat jedoch den Nachteil, dass sie teuer ist. Darüber hinaus führt diese
Lösung
zu einer Vergrößerung des
Volumens der Station 10, wobei die Spule 11 vom
Kästchen
entfernt sein muss, damit der magnetische Flux B frei zirkulieren
kann, ohne durch die Wände
des Kästchens
gestört
zu werden.
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Die
Druckschrift DE-A-195 42 900 beschreibt einen kontaktlosen Datenträger, der
eine Antenne in Form einer Spule zum Empfang und zur Sendung von
Daten aufweist. Eine zusätzliche
Spule ist in einer Ebene parallel zu der Antennenspule angeordnet.
Die Kopplung der Zusatzspule mit der Antennenspule wird durch den
Zustand eines Schalters modifiziert, der zwei Enden der Zusatzspule
verbindet. Der Kontakt zwischen den Enden wird offen gehalten, um
die Reichweite der Antennenspule zu vergrößern.
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Die
Druckschrift US-A-5,598,327 beschreibt einen flachen Transformator.
Dieser flache Transformator umfasst einen erste und eine zweite
Wicklung, die sich nicht überlagern
und die konzentrisch sind. Eine dieser Wicklungen ist zwischen den
miteinander verbundenen Leiterelementen angeordnet. Jedes Leiterelement
weist einen Raum auf, der zwei seiner Enden trennt.
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So
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spule mit einer
schwachen Emission eines elektrischen Feldes zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird durch Bereitstellung einer Station zum Senden/Empfangen
von Daten mittels induktiver Kopplung erreicht, die so ausgebildet
ist, dass sie ein passives Modul abfragen kann, wobei die Station
eine Spule aufweist, die eine Antennenspule bildet, wobei die Spule
eine flache Wicklung von bestimmter Form aufweist und die Station
eine leitfähige
Abschirmung aufweist, die in Bezug zur Wicklung angeordnet ist,
wobei die Abschirmung im Wesentlichen die gleiche Form hat wie die
Wicklung und eine Unterbrechungszone aufweist, um einen Schaltkreis
mit offener Schleife zu bilden.
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Zum
Beispiel können
die Wicklung der Spule und die Abschirmung rechtwinklig, kreisförmig etc. sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Wicklung auf einer Fläche
einer Isolierplatte angeordnet, wobei die Abschirmung auf der anderen
Fläche
oder in der Dicke der Isolierplatte angeordnet ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Wicklung über
der Abschirmung und der Zwischenanordnung eines elektrisch isolierenden
Materials angeordnet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Wicklung direkt auf der Abschirmung angeordnet.
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In
der Praxis kann die Wicklung aus einer Leiterbahn oder einer Drahtlitze
ausgeführt
sein.
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Diese
Eigenschaften und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
in größerem Detail
in der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen einer Spule gemäß der Erfindung
mit Bezug auf die angehängten
Figuren ergeben, in welchen:
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1 wie vorher beschrieben,
das elektrische Schema eines Übertragungssystems
von Daten durch induktive Kopplung ist, die eine Station und einen
mobilen Transponder umfasst,
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2, wie vorher beschrieben,
ein Ausführungsbeispiel
einer kompakten Form der Station aus 1 darstellt,
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3A und 3B jeweils die Vorderfläche und die
Rückfläche einer
Spule einer Station gemäß der Erfindung
darstellt, und
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4 bis 7 Schnittansichten von Ausführungsvarianten
einer Spule einer Station gemäß der Erfindung
sind.
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Die 3A und 3B stellen jeweils die Vorderfläche 30-1 und
die Rückfläche 30-2 einer
Spule 30 einer Station gemäß der Erfindung dar. Mit Blick
auf die Vorderfläche 30-1 umfasst
die Spule 30 in üblicher
Weise eine flache Wicklung 31, die durch eine spiralförmige Metallbahn 32 gebildet
wird, die auf einer Isolierplatte 33 angeordnet ist. Die
Wicklung 31 umfasst hier zwei Windungen und hat die Form
eines Vierecks mit den Außenabmessungen
L1 und 11 und den Innenabmessungen L2 und 12.
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Gemäß der Erfindung
umfasst die Rückfläche 30-2 der
Spule 30 eine Metallabschirmung 35, die mit der
Platte 33 einstückig
ist. Die Abschirmung 35 hat die gleiche Form wie die Wicklung 31,
und ihr Platz auf der Rückfläche 30-2 fällt mit
dem Platz der Wicklung 31 auf der Vorderfläche 30-1 zusammen. So
deckt die Abschirmung 35 hier die Form eines Vierecks mit
den Außenabmessungen
L1, 11 und den Innenabmessungen L2, 12 ab. Die
Abschirmung 35 umfasst darüber hinaus eine Unterbrechungszone 36 und
bildet so einen Schaltkreis mit offener Schleife, der zwei Enden 37, 38 aufweist,
sich nicht wieder erreichen.
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Die
von der Anmelderin durchgeführten
Untersuchungen haben gezeigt, dass eine solche Spule 30,
die mit einer solchen Abschirmung 35 ausgestattet ist,
den Vorteil aufweist, dass sie ein schwaches elektrisches Feld emittiert,
das von 70 bis 80% in Bezug auf eine herkömmliche Spule gleicher Struktur vermindert
ist. So neutralisiert die Abschirmung 35 gemäß der Erfindung
das durch die Wicklung 31 emittierte parasitäre elektrische
Feld, ohne das genutzte Magnetfeld B zu stören, das axial ausgerichtet ist
(senkrecht zur Ebene des Blattes). Ein wichtiges Merkmal zum Erhalt
dieses Ergebnisses ist die Unterbrechungszone 36, ohne
welche die Abschirmung 35 eine Schaltung mit geschlossener
Schleife bilden würde,
die das Magnetfeld B kurzschließen
würde. Zum
Beispiel würde
die Steigerung der Abmessungen der Abschirmung 35 über die
durch die Form der Wicklung 31 gegebenen Grenzen hinaus
das Magnetfeld B stören
und würde
die Induktanz L der Spule 30 ändern.
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Richtig
verstanden ist die Spule 30 in zahlreichen Ausführungsvarianten
geeignet, insbesondere was die Form der Wicklung 31 und
die Zahl der Windungen, die sie aufweist, betrifft. Zum Beispiel
könnten
die Wicklung 31 und die Abschirmung 35 kreisförmig sein.
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Die
Spule gemäß der Erfindung
ist auch in verschiedenen Varianten entsprechend der Technologie
der Oberflächenmontage
geeignet. In den 3A, 3B sind die Wicklung 31 und
die Abschirmung 35 metallisch und entsprechend der Technologie
von gedruckten Schaltkreisen ausgeführt, zum Beispiel durch chemische Ätzung einer
doppelseitigen Platte aus Kupfer/Epoxy/Kupfer. Jedoch können zahlreiche
weitere Ausführungsformen
vorgesehen sein, wie sie durch die Schnittansichten der 4 bis 6 dargestellt sind. In Sorge um die Lesbarkeit
dieser Figuren sind die Dicken der dargestellten Spulen nicht maßstabsgetreu,
sondern sind wesentlich vergrößert.
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In 4 ist eine Spule 40 zu
sehen, die entsprechend der Technologie mehrlagiger gedruckter Schaltkreise
verwirklicht werden kann. Wie oben umfasst diese Spule 40 eine
Wicklung 41, die durch eine Metallbahn 42 gebildet
wird, die auf der Oberfläche einer
Isolierplatte 43 angeordnet ist, und einen Metallschirm 44 gemäß der Erfindung.
Hier ist die Abschirmung 44 nicht auf der Rückseite
der Platte 43 angeordnet, sondern in ihrer Dicke.
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In 5 ist eine Spule 50 zu
sehen, deren Wicklungen 51 durch einen elektrischen Draht 52 gebildet
wird, der mit einer Isolierhülle 53 versehen
ist. Die Wicklung 51 ist direkt über einer Abschirmung 54 gemäß der Erfindung
angeordnet, die selbst einstückig
mit einer Isolierplatte 55 ist. Die Abschirmung 54 ist
zum Beispiel durch chemische Ätzung
verwirklicht und der elektrische Draht 52 wird über der
Abschirmung 54 durch Klebung befestigt.
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Die 6 zeigt eine Spule 60,
die gemäß der als "dicke Schichten" ("thick films") bezeichneten Schaltkreistechnologie
verwirklicht werden kann, das heißt, durch Siebdruck von leitfähigen Farben
und Isolierfarben, oder auch gemäß der als "dünne Schichten" ("thin films") bezeichneten Schaltkreistechnologie,
das heißt,
durch Vakuumabscheidung von leitfähigen Stoffen und Isolierstoffen.
Die Spule 60 umfasst somit ein Substrat 61, zum
Beispiel aus Aluminiumoxid AL2O3,
auf welchem eine erste Leiterschicht 62 in Form einer Abschirmung
gemäß der Erfindung,
eine Schicht aus einem dielektrischen Material 63 und eine
zweite Leiterschicht 64 aufgebracht sind. Die zweite Leiterschicht 64 ist
gemäß einem spiralförmigen Druckmuster
als Leiterbahn 65 abgeschieden und bildet die Wicklung 66 der
Spule 60.
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Schließlich zeigt 7 eine Spule 70 mit
einfach einer Wicklung 71, die auf einer Metallplatte 72 angeordnet
ist, die in Form der Wicklung 71 ausgeschnitten ist, um
eine Abschirmung gemäß der Erfindung
zu bilden. In dieser Ausführungsform
wird die Wicklung 71 mit Hilfe eines elektrischen Drahtes 73 realisiert,
der mit einer Isolierhülle 74 versehen
ist.
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In
der Praxis wird eine Spule, wie sie beschrieben wurde, als Antennenspule
einer Sende/Empfangs-Station verwendet, die mit induktiver Kopplung
arbeitet, zum Beispiel die Station 10 in 2. Aufgrund ihrer schwachen elektrischen
Strahlung stört
die Spule nicht die sehr empfindlichen Schaltkreise der Station 10 und
erlaubt insbesondere den Erhalt eines guten Verhältnisses von Signal/Rauschen
im Empfangsmodus (Erfassung von Modulationen der Ladung).