EP2095338A1 - Antenne eines rfid-lesegeräts für induktive datenkommunikation - Google Patents

Antenne eines rfid-lesegeräts für induktive datenkommunikation

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EP2095338A1
EP2095338A1 EP07801358A EP07801358A EP2095338A1 EP 2095338 A1 EP2095338 A1 EP 2095338A1 EP 07801358 A EP07801358 A EP 07801358A EP 07801358 A EP07801358 A EP 07801358A EP 2095338 A1 EP2095338 A1 EP 2095338A1
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EP
European Patent Office
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coil
antenna
mounting plate
metallic
data communication
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Withdrawn
Application number
EP07801358A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas ZÖLLE
Ulrich Möller
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Conti Temic Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
    • H01Q1/3241—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems particular used in keyless entry systems
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q21/29—Combinations of different interacting antenna units for giving a desired directional characteristic
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    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R2325/00—Indexing scheme relating to vehicle anti-theft devices
    • B60R2325/10—Communication protocols, communication systems of vehicle anti-theft devices
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Definitions

  • the invention relates to an antenna (read coil) of an RFID reader having at least one coil according to the preambles of the independent claims.
  • Inductively coupled RFID systems are used to identify vehicle keys, the identification of vehicle keys being based on the principle of electromagnetic induction and occurring in a near field of a range of a few centimeters.
  • Such a system has an antenna, which is also called the read coil of the RFID reader.
  • the antenna has an inductive coil with several turns.
  • the antenna is usually installed in the immediate vicinity of the ignition lock or start / stop button.
  • the vehicle key is inserted into the key receptacle of the ignition or brought into the vicinity of the start / stop button.
  • the RFID reader is turned on and current flows through the inductive coil of the antenna and generates electromagnetic field.
  • the electromagnetic field of the antenna coil when bringing the vehicle key to the antenna, the electromagnetic field of the antenna coil generates an induction current in the coil in the vehicle key and thus activates the signal transmitter in the key.
  • the signal transmitter then transmits identification code to the antenna of the reader.
  • the reader compares the received code with previously stored identification data and, in the event of a match, sends a signal to the control system in the vehicle to unlock the locking system and / or start the vehicle.
  • the identification of the vehicle key therefore takes place by means of electromagnetic interaction between the antenna coil of the RFID reader and the coil in the vehicle key.
  • the vehicle key Since the vehicle key receives the energy required for data communication or identification from the reader via the electromagnetic field, data communication or identification and thus unlocking and / or starting from the vehicle itself in emergencies is possible when the batteries in the vehicle key are empty or the vehicle key does not have its own power supply.
  • the antenna of the RFID reader together with the coil is sealed to a support plate such as dashboard or a wall of the steering column housing arranged, wherein such carrier plate is increasingly made of metal such as magnesium or aluminum.
  • the arrangement of the antenna coil on a metallic support plate causes the electromagnetic field from the coil in the metal surface of the support plate induces eddy currents, the eddy currents in turn generate electromagnetic (interference) fields, which counteract the original field of the antenna coil and thus attenuate this or completely compensate. This reduces the range of the antenna and thus an identification of vehicle keys by means of RFID system is not possible or very difficult to perform.
  • the core idea of the invention is, to the first coil (1) of the antenna, hereinafter called this primary coil, a second coil (3), hereinafter called this secondary coil, to be arranged in the antenna.
  • the secondary coil (3) is arranged on the primary coil (1) opposite side of the metal surface (2) of the support plate, wherein the secondary coil (3) is energized in opposite directions to the primary coil (1).
  • the two coils (1 and 3) are arranged on the support plate and the dimensions of both coils (1 and 3) are designed so that the electromagnetic fields (4.1 and 4.2) of the two coils (1 and 3) on the metal surface (2 ) counteract the support plate and preferably compensate.
  • Such a concept corresponds to the principle of a Maxwell coil.
  • the metal surface (2) theoretically no or at least lower eddy currents, which in turn induce electromagnetic interference fields, which weaken the electromagnetic field (4.1) of the primary coil (1).
  • the electromagnetic field (4.1) of the primary coil (1) is only slightly disturbed by the field (4.2) of the secondary coil (3) in the area (6) where the vehicle key is brought to the identification.
  • a coil pair arranged in this way is referred to in the specialist literature as Maxwell coils or anti-Helmholtz coils.
  • the inventive arrangement of the second coil (3) is mainly allows the data communication or the identification of vehicle keys in a greater range of the first coil (1) and is carried out at lower electromagnetic interference fields.
  • the antenna devices according to the invention can also be used in other areas where inductive data communication is to be performed by means of RFID systems and the antenna coil is arranged on a metallic carrier plate or on a carrier plate with metallic components.
  • one or more secondary coils can be arranged on the carrier plate and the dimensions of the secondary coils can be configured and energized in such a way that the mutual compensation of the electromagnetic fields of primary and secondary coils in the metallic components form no or at least small eddy currents, which in turn induce electromagnetic interference fields which attenuate the electromagnetic field of the primary coil.
  • a second coil namely secondary coil (3) with the same radius R on the same axis (10) parallel to the primary coil (1 ) arranged.
  • the axial distance of the two coils (1 and 3) is -J ⁇ -R.
  • the metal surface (2) of the carrier plate lies axially exactly in the middle of the two coils (1 and 3) and parallel to both coils (1 and 3). So is
  • the two coils (1 and 3) are energized with the same flow strength / in opposite directions.
  • electromagnetic fields (4.1 and 4.2) of both coils (1 and 3) which together form an electromagnetic field constellation, which is called quadrupole field in the technical literature.
  • the metal surface (2) of the support plate In the central area (5) of both coil (1 and 3), where the metal surface (2) of the support plate is located, compensate both fields (4.1 and 4.2). This theoretically creates no or negligible eddy currents in the metal surface (2), thus no or negligible electromagnetic interference fields, which attenuate the electromagnetic field (4.1) of the primary coil (1) in the area (6), where vehicle keys for data communication or identification to be brought.
  • the dimensions of the coils in particular the coincidence of the axes, radii and currents as well as the parallelism of the coils to each other and the support plate is to be regarded as optimal for the effect, but not mandatory for the basic mode of action. In technically reasonable limits, deviations are possible without the intended mode of action being lost.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Antenne (Lesespule) eines RFID-Lesegeräts für induktive Datenkommunikation, insbesondere für Identifikation eines Fahrzeugschlüssels. Die Antenne eines RFID-Lesegeräts ist an einer metallischen Trägerplatte angeordnet und weist eine elektromagnetische Spule auf. Um die elektromagnetischen Störfelder durch die Wirbelströme in der metallischen Trägerplatte zu vermeiden und somit größtmögliche Reichweite der Datenkommunikation zu sichern, wird eine zweite Spule auf der der ersten Spule entgegen gesetzten Seite der Metallfläche der Trägerplatte angeordnet, wobei die zweite Spule gegensinnig zu der ersten Spule bestromt ist. Ferner werden beide Spulen so dimensioniert und auf der beiden Seiten der Trägerplatte so angeordnet und so bestromt, dass sich die elektromagnetischen Felder beider Spulen in der Metallfläche der Trägerplatte kompensieren. Dadurch wird vor allem vermieden, sich die Wirbelströme in der Metallfläche der Trägerplatte zu bilden, die ihrerseits elektromagnetische Störfelder induzieren, wobei die Störfelder das eigentliche Feld der ersten Spule abschwächen. Die erfindungsgemäßen Antennen eines RFID-Lesegeräts können beim Zündschloss oder Tastschalter in einem Fahrzeug verwendet werden. Ferner können sie auch in anderen Bereichen, wo induktive Datenkommunikation mithilfe RFID-Systeme durchzuführen ist und die Spule an einer metallischen Trägerplatte oder an einer Trägerplatte mit metallischen Komponenten angeordnet wird, verwendet werden.

Description

Conti Temic microelectronic GmbH, Siβboldstr. 19, 90411 Nürnberg
Antenne eines RFID-Lesegeräts für induktive Datenkommunikation
Die Erfindung betrifft Antenne (Lesespule) eines RFID-Lesegeräts mit mindestens einer Spule nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Um unbefugtes Entriegeln und/oder Starten durch fremde Personen zu vermeiden, werden Fahrzeuge heutzutage mit Systemen ausgestattet, mithilfe denen die Fahrzeugschlüssel im Nahfeld identifiziert werden können.
Zur Identifikation von Fahrzeugschlüsseln werden unter anderem induktiv gekoppelte RFID- Systeme (Radio Frequency Identification Systems) eingesetzt, wobei die Identifikation von Fahrzeugschlüsseln nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion erfolgt und in einem Nahfeld von einer Reichweite von einigen Zentimetern geschieht.
Ein solches System weist eine Antenne auf, welche auch Lesespule des RFID-Lesegeräts genannt wird. Die Antenne weist eine induktive Spule mit mehreren Windungen auf. Die Antenne wird in der Regel in unmittelbarer Nähe vom Zündschloss oder Start-/Stopptaster eingebaut.
Zum Entriegeln und/oder Starten des Fahrzeugs wird beispielsweise der Fahrzeugschlüssel in die Schlüsselaufnahme des Zündschlosses eingeführt oder in die Nähe vom Start- /Stopptaster gebracht.
Dabei wird beispielsweise durch mechanischen Kontakt zwischen dem Fahrzeugschlüssel und der Schlüsselaufnahme oder durch das Betätigen vom StarWStopptaster das RFID- Lesegerät eingeschaltet und fließt Strom durch die induktive Spule der Antenne und erzeugt elektromagnetisches Feld.
Beispielsweise beim Nahebringen des Fahrzeugschlüssels an die Antenne erzeugt das elektromagnetische Feld der Antennenspule einen Induktionsstrom in der Spule im Fahrzeugschlüssel und somit aktiviert den Signalsender im Schlüssel. Der Signalsender sendet dann seinerseits Identifikationscode an die Antenne des Lesegeräts. Das Lesegerät vergleicht den empfangenen Code mit vorher gespeicherten Identifikationsdaten und sendet im Falle einer Übereinstimmung ein Signal zum Steuerungssystem im Fahrzeug, um das Verriegelungssystem zu entriegeln und/oder das Fahrzeug zu starten.
Die Identifikation des Fahrzeugschlüssels erfolgt daher mithilfe von elektromagnetischer Wechselwirkung zwischen der Antennenspule vom RFID-Lesegerät und der Spule im Fahrzeugschlüssel.
Da der Fahrzeugschlüssel die zur Datenkommunikation bzw. zur Identifikation erforderliche Energie vom Lesegerät über das elektromagnetische Feld erhält, ist eine Datenkommunikation bzw. Identifikation und somit auch das Entriegeln und/oder Starten vom Fahrzeug selbst in den Notfällen möglich, wenn die Batterien im Fahrzeugschlüssel leer sind oder der Fahrzeugschlüssel keine eigene Stromversorgung hat.
Ein solches System ist in der Patentschrift DE 195 39 851 C2 und in der Offenlegungsschrift DE 195 20 211 A1 beschrieben.
Nach dem Stand der Technik wird die Antenne des RFID-Lesegeräts samt der Spule dicht an einer Trägerplatte wie Armaturenbrett oder einer Wand des Lenksäulengehäuses angeordnet, wobei solche Trägerplatte zunehmend aus Metall wie Magnesium oder Aluminium besteht.
Die Anordnung der Antennenspule an einer metallischen Trägerplatte führt dazu, dass das elektromagnetische Feld von der Spule in der Metallfläche der Trägerplatte Wirbelströme induziert, wobei die Wirbelströme ihrerseits elektromagnetische (Stör-)Felder erzeugen, welche dem ursprünglichen Feld der Antennenspule entgegenwirken und somit dieses abschwächen oder gar vollständig kompensieren. Dadurch sinkt die Reichweite der Antenne und somit ist eine Identifikation von Fahrzeugschlüsseln mittels RFID-System nicht möglich oder sehr schwer durchzuführen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Antenne der eingangs genannten Art derart zu entwickeln, dass die Wirbelströme in der metallischen Trägerplatte reduziert und die Reichweite der Spule verbessert werden.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Antenne mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kerngedanke der Erfindung ist, zu der ersten Spule (1) der Antenne, im Folgenden wird diese Primärspule genannt, eine zweite Spule (3), im Folgenden wird diese Sekundärspule genannt, in der Antenne anzuordnen. Dabei wird die Sekundärspule (3) auf der der Primärspule (1 ) entgegen gesetzter Seite der Metallfläche (2) der Trägerplatte angeordnet, wobei die Sekundärspule (3) gegensinnig zu der Primärspule (1 ) bestromt ist.
Die beiden Spulen (1 und 3) sind an der Trägerplatte so angeordnet und die Dimensionen beider Spulen (1 und 3) sind so ausgeführt, dass die elektromagnetischen Felder (4.1 und 4.2) der beiden Spulen (1 und 3) an der Metallfläche (2) der Trägerplatte entgegenwirken und sich vorzugsweise kompensieren. Ein derartiges Konzept entspricht dem Prinzip einer Maxwell-Spule. So entstehen in der Metallfläche (2) theoretisch keine oder zumindest geringere Wirbelströme, die ihrerseits elektromagnetische Störfelder induzieren, welche das elektromagnetische Feld (4.1) der Primärspule (1) abschwächen.
Das elektromagnetische Feld (4.1) der Primärspule (1) wird von dem Feld (4.2) der Sekundärspule (3) in dem Bereich (6), wo der Fahrzeugschlüssel zur Identifikation gebracht wird, nur unwesentlich gestört. Ein in dieser Art angeordnetes Spulenpaar wird in den Fachliteraturen als Maxwellspulen oder Anti-Helmholtzspulen bezeichnet.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der zweiten Spule (3) ist vor allem ermöglicht, dass die Datenkommunikation bzw. die Identifikation von Fahrzeugschlüsseln in größerer Reichweite der ersten Spule (1) und bei geringeren elektromagnetischen Störfeldern durchgeführt wird.
Die erfindungsgemäßen Antennenvorrichtungen können auch in anderen Bereichen verwendet werden, wo induktive Datenkommunikation mithilfe von RFID-Systemen durchzuführen ist und die Antennenspule an einer metallischen Trägerplatte oder an einer Trägerplatte mit metallischen Komponenten angeordnet wird.
Bei Antennenvorrichtungen, wobei die Antennenspule an einer Trägerplatte mit mehreren metallischen Komponenten angeordnet ist, können eine oder mehrere Sekundärspulen an der Trägerplatte so angeordnet und die Dimensionen der Sekundärspulen so ausgeführt und so bestromt werden, dass sich durch das gegenseitige Kompensieren der elektromagnetischen Felder von Primär- und Sekundärspulen in den metallischen Komponenten keine oder zumindest geringe Wirbelströme bilden, die ihrerseits elektromagnetische Störfelder induzieren, welche das elektromagnetische Feld der Primärspule abschwächen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit entsprechender Figur näher erläutert.
Wie in der Figur zu sehen ist, auf der anderen Seite der Metallfläche (2) der Trägerplatte zu der Primärspule (1) ist eine zweite Spule, nämlich Sekundärspule (3) mit gleichem Radius R auf gleicher Achse (10) parallel zur Primärspule (1 ) angeordnet. Der axiale Abstand der beiden Spulen (1 und 3) beträgt -Jϊ -R . Die Metallfläche (2) der Trägerplatte liegt axial genau in der Mitte der beiden Spulen (1 und 3) und parallel zu beiden Spulen (1 und 3). So beträgt
Λ/3 der axiale Abstand der Metallfläche (2) zu jeder der beiden Spulen (1 oder 3) jeweils R .
Die beiden Spulen (1 und 3) werden mit der gleichen Strömstärke / gegensinnig bestromt. So entstehen elektromagnetische Felder (4.1 und 4.2) von beiden Spulen (1 und 3), die zusammen eine elektromagnetische Feldkonstellation bilden, welche in den Fachliteraturen Quadrupolfeld genannt wird. In der Mittelfläche (5) beider Spule (1 und 3), wo sich die Metallfläche (2) der Trägerplatte befindet, kompensieren sich beide Felder (4.1 und 4.2). Damit entstehen theoretisch keine oder vernachlässigbar geringe Wirbelströme in der Metallfläche (2), somit auch keine oder vernachlässigbar schwache elektromagnetische Störfelder, welche das elektromagnetische Feld (4.1) der Primärspule (1 ) im Bereich (6) abschwächen, wo Fahrzeugschlüsseln zur Datenkommunikation bzw. Identifikation gebracht werden.
Die Abmessungen der Spulen, insbesondere die Übereinstimmung der Achsen, Radien und Stromstärken sowie die Parallelität der Spulen zueinander und zur Trägerplatte ist für die Wirkung als optimal anzusehen, jedoch für die grundsätzliche Wirkungsweise nicht zwingend. In technisch sinnvollen Grenzen sind Abweichungen möglich, ohne dass die beabsichtigte Wirkungsweise verloren ginge.
Bezugszeichenliste
1 Erste Spule, Primärspule
2 Metallfläche der Trägerplatte
3 Zweite Spule, Sekundärspule
4.1 Elektromagnetisches Feld von der Primärspule
4.2 Elektromagnetisches Feld von der Sekundärspule
5 Mittelfläche zwischen beider Spulen
6 Bereich der Datenkommunikation bzw. Identifikation der Fahrzeugschlüsseln 10 Achse von beiden Spulen

Claims

Patentansprüche
1. Antenne eines RFI D-Lesegeräts für induktive Datenkommunikation, insbesondere für Identifikation eines Fahrzeugschlüssels, wobei die Antenne an einer metallischen Trägerplatte angeordnet ist und eine elektromagnetische Spule (1 ) auf einer Seite der Metallfläche (2) der Trägerplatte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne eine zweite Spule (3) auf der der ersten Spule (1) entgegen gesetzten Seite der Metallfläche (2) der Trägerplatte aufweist, wobei die zweite Spule (3) gegensinnig zu der ersten Spule (1 ) bestromt ist.
2. Antenne nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (3) auf einer zumindest annähend gleichen Achse (10) wie die erste Spule (1) angeordnet ist.
3. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (3) zumindest näherungsweise parallel zur ersten Spule (1) angeordnet ist.
4. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule (3) einen zumindest annährend gleichen Radius wie die erste Spule (1) ausweist.
5. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (1 ,3) zumindest näherungsweise parallel zur metallischen Trägerfläche (2) angeordnet sind.
6. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spule (1 , 3) zumindest annähernd gleichen axialen Abstand zur metallischen Trägerfläche (2) aufweisen.
7. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand der einzelnen Spule (1 oder 3) zur metallischen Trägerplatte (2) zumindest ungefähr R aufweist, wobei R das Radius der Spule (1, 3) ist.
8. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spule (1 und 3) mit zumindest annähend gleicher Stromstärke bestromt sind.
9. Zündschloss, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche.
10. Tastschalter, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche.
11. Kraftfahrzeug mit einer Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche.
EP07801358A 2006-11-24 2007-09-20 Antenne eines rfid-lesegeräts für induktive datenkommunikation Withdrawn EP2095338A1 (de)

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