DE60211355T2 - Leser und Transponder in Gehäusen - Google Patents

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    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop

Description

  • Die Entwicklungen in der Automatisierung erfordern die Erkennung von Produkten, Werkzeugen und Arbeitsschritten wie Herstellung, Verpackung und Lagerung. Die sehr gut bekannten Strichcode-Systeme weisen zahlreiche Nachteile auf. Dazu gehört die physische oder chemische Beschädigung der Etiketten sowie der Umstand, dass das Aufdrucken oder Eingravieren des Strichcodes auf dem zu erkennenden Teil wegen der Beschaffenheit und der Farbe des Materials oft nicht möglich ist. Andererseits dürfen bei der visuellen Untersuchung des Strichcodes keine Flüssigkeiten oder Ölfilme auf dem Strichcode vorhanden sein, was in industriellen Umgebungen sehr oft der Fall ist.
  • Das kontaktlose Transponder-Erkennungssystem (RFID) ist eine neue Lösung, die zahlreiche Vorteile bietet. Der Transponder ist eine passive Etikette, welche die Energie des vom Leser ausgesendeten Magnetfelds auffängt. Damit kann der Transponder dem Leser eine in seinem Speicher enthaltene Information übermitteln. In bestimmten Fällen kann er diese Information auf Anforderung des Lesers verändern. Diese neue Fähigkeit ist ein grosser Vorteil gegenüber den anderen Erkennungssystemen.
  • Der Transponder ist im allgemeinen mit einem isolierenden Material überzogen, um die magnetische Induktion nicht zu beeinträchtigen. Eine Schwierigkeit besteht in der Befestigung oder im Einbau der Transponder an bzw. in den zu erkennenden Produkten. Bei der Anbringung an Gegenständen aus Metall wird die Funktion der Transponder gestört und deren Empfindlichkeit eingeschränkt.
  • Die Hersteller haben versucht, diese Schwierigkeiten zu überwinden und Transponder zu bauen, die in der Nähe metallischer Teile funktionieren und aggressiven industriellen Einflüssen widerstehen. Es sind Elemente bekannt, welche in einer Umhüllung aus Metall untergebracht sind, die nicht vollständig geschlossen ist, damit das Magnetfeld zum Transponder gelangen kann. Dabei wird durch einen feinen Spalt oder durch eine Verbindung zweier Oberflächen ausreichender Rauheit eine Öffnung gebildet. Die der EP-1 288 016 A entsprechende Patentanmeldung WO02/055315 beschreibt eine Datenübertragungsvorrichtung mit einer Umhüllung aus Metall, die nicht vollständig geschlossen ist, damit das Magnetfeld zu dessen Antenne gelangen kann. Dabei wird durch einen feinen Spalt eine Öffnung gebildet, und es wird vorgeschlagen, diesen Spalt mit einem isolierenden Material wie beispielsweise einem Klebstoff zu füllen, um den Spalt offen zu halten. Leider sind dies Schwachstellen bezüglich der Dichtigkeit bei Transpondern, die in aggressiven Umgebungen funktionieren müssen. Sie gestatten auch nicht die erforderliche Reinigung bei Einrichtungen zur Herstellung oder Verpackung von Nahrungsmitteln oder Medikamenten.
  • Derzeit sind keine Leser mit einem metallischen Schutz der Antennenspule bekannt. Die Kunststoffkappe kann daher einen ungenügenden Schutz gegen aggressive Stoffe darstellen. Die Klebestellen dieser Kappe können reissen und verschmutzen; dann ist eine wirksame Reinigung nicht mehr gewährleistet.
  • Ein Ziel vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Transponders und eines Lesers, welche in aggressiven Umgebungen verwendbar sind und bei welchen eine ausreichende Reinigung für die Verwendung in Einrichtungen zur Herstellung oder Verpackung von Nahrungsmitteln oder Medikamenten gewährleistet werden kann, und zwar mit Leistungsmerkmalen, welche mit gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Produkten vergleichbar sind. Dieses Ziel wird mit einem Transponder gemäss Patentanspruch 1 und mit einem Leser gemäss Patentanspruch 2 erreicht.
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen einer Ausführungsform beschrieben.
  • 1 zeigt einen Transponder, der in einem mit einem verschweissten Deckel verschlossenen Metallgehäuse untergebracht ist, und
  • 2 zeigt einen Leser, dessen Antenne und Übertragungsschaltungen durch eine Metallhülse geschützt sind.
  • Der in 1 teilweise geschnitten dargestellte Transponder 10 besteht aus einer Spule 1, die zusammen mit einem nicht dargestellten Kondensator und Widerstand eine Resonanzantenne bildet, sowie aus einem elektronischen Chip 2, der einen leistungsfähigen Kommunikationscontroller und einen wiederprogrammierbaren Speicher beinhaltet. Diese Teile sind in ein Metallgehäuse 3 eingebaut, das mit einem beispielsweise verschweissten Deckel 4 verschlossen ist, dessen Schweissnaht 5 ersichtlich ist.
  • Der in 2 im Schnitt dargestellte Leser 20 enthält in einer zylindrischen Metallhülse 7 mit relativ dünner Wand 8 eine Spule 9, die zusammen mit einem nicht eingezeichneten Kondensator und Widerstand den Antennenkreis bildet. Ein hochdurchlässiges Ferritelement 11 wirkt auf die Form des Magnetfelds und begünstigt die Abstrahlung zur Vorderseite des Lesers durch die Frontplatte 8 des Gehäuses hindurch. Die elektronische Schaltung 6 mit dem dicht durch den Stopfen 13 des Gehäuses geführten elektrischen Kabel 12 realisiert die verschiedenen Funktionen des Lesers, nämlich:
    • – Erzeugung der Trägerwelle und Modulation derselben mit der für den Transponder bestimmten Steuerinformation.
    • – Filterung und Verarbeitung des vom Transponder erzeugten Signals.
    • – Abwicklung des Dialogs mit dem Transponder und der Kommunikation mit dem Benutzer über eine serielle Schnittstelle.
  • Um die Ziele der Erfindung zu erreichen, mussten wichtige Parameter und Bestandteile sowie die elektronischen Schaltungen des Transponders und des Lesers optimiert werden. Bei der Wahl der Frequenz muss die Eindringtiefe der Magnetstrahlung in die beiden Metallwände berücksichtigt werden, welche einen Teil der Energie absorbieren und ihrerseits als Sekundärantenne wirken. Je nach der Frequenz stört die Strahlung dieser Sekundärantenne die Primärstrahlung und führt zu Verzerrungen und grossen Schwankungen des erfassten Signals.
  • Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Materials dieser Metallwände sind sehr wichtig. Die Wand muss einen guten mechanischen Schutz bieten, eine hohe Lösungsmittelbeständigkeit aufweisen und darf nicht oxydieren. Um eine ausreichende Eindringtiefe der Strahlung zu ermöglichen, darf der spezifische Widerstand des Materials nicht zu gering sein, und das Material darf nicht magnetisch sein.
  • Bei RFID-Anwendungen unter industriellen Umgebungsbedingungen zeigt Edelstahl die interessantesten Leistungsmerkmale, aber die Erfindung ist nicht auf dieses Material beschränkt. Falls ein anderes Material erwünscht ist, beispielsweise ein Edelmetall oder Anticorrodal, so ist eine Anpassung der erfindungsgemässen Mittel möglich. In diesem Ausführungsbeispiel wurde Edelstahl nach DIN 1.4305 oder AISI 303 gewählt und die Optimierungen wurden entsprechend den Eigenschaften dieses Materials vorgenommen.
  • Dabei wurde die Frequenz der Trägerwelle für eine wirksame Signalübertragung mit möglichst geringen Störungen durch Edelstahlwände von beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm im Bereich von 20 bis 50 kHz gewählt. Bei einem anderen Material und einer anderen Wanddicke können natürlich andere Frequenzen der Trägerwelle erforderlich sein.
  • Auch die Form der Antennenspulen beeinflusst die Strahlungsintensität durch Metallwände. Die Strahlung ist am grössten, wenn Kontaktfläche zwischen der Wicklung und der Wand möglichst gross ist. Folglich wurde der Querschnitt der Wicklung rechteckig gewählt, um eine grösstmögliche Kopplung der Seitenfläche derselben mit der Wand zu ermöglichen. Die Optimierung der Abstrahlung hat ebenfalls ergeben, dass ein nicht dargestellter Luftspalt auf der Hinterseite der Spule vorhanden sein sollte.
  • Zusammen mit einem Kondensator bildet diese Spule eine Resonanzantenne. Für eine geringere Empfindlichkeit der Antenne gegenüber Metallteilen in der Umgebung sind auch die Resonanzfrequenz und der Gütefaktor dieser Schaltung ausschlaggebend. Dieser Gütefaktor wird festgelegt, indem für die Spule dieses Resonanzantennenkreises ein geeigneter Widerstandswert gewählt wird. Beim Transponder liegt dieser Widerstand für eine Spule von ca. 50 mH beispielsweise zwischen 1000 und 3000 Ohm, während der optimale Wert beim Leser für eine Spule von ca. 3 mH zwischen 100 und 300 Ohm liegt.
  • Die Resonanzfrequenz dieser Antenne ist nicht auf die Trägerwellenfrequenz abgestimmt. Wenn die Resonanzfrequenz 5 bis 20 % über der Trägerfrequenz liegt, ist eine bessere Extraktion der modulierten Signale möglich.
  • Die Filterschaltung bewirkt eine Formung des vom Transponder erzeugten Modulationssignals. Dieses Signal ist nach der Durchquerung zweier Metallwände stark abgeschwächt. Je nach dem Abstand zwischen dem Transponder und dem Leser schwankt dessen Amplitude beträchtlich. Durch eine Formung mit Differenzierung ist eine zuverlässige Funktion des Detektors auch bei starken Signalschwankungen möglich, um das Modulationssignal trotz den auf der Trägerwelle vorhandenen Störungen und Sättigungsverzerrungen wiederzugeben.

Claims (9)

  1. Transponder mit einer Antenne und einer elektronischen Kontrollschaltung in einem Metallgehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse hermetisch verschlossen ist und eine nichtmagnetische Metallwand aufweist, so dass die elektronische Kontrollschaltung (2), über die Antenne, nur durch diese Wand hindurch kommunizieren kann.
  2. Leser mit einer Antenne und einem nichtmagnetischen Metallgehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne durch eine Frontplatte (8) aus Metall vor der Umgebung geschützt ist, die einstückig mit dem die elektronische Kontrollschaltung (6) enthaltenden Gehäuse (7, 13) ausgebildet ist.
  3. Leser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse hermetisch verschlossen ist.
  4. Transponder oder Leser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus rostfreiem Stahl mit einer Wanddicke zwischen 0,2 und 0,5 mm hergestellt ist und die Frequenz der Trägerwelle zwischen 20 und 50 kHz liegt.
  5. Transponder oder Leser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenspulen (1, 9) im Schnitt rechteckig sind, wobei die grosse Seite der Spule eng mit der Metallwand des Gehäuses gekoppelt ist.
  6. Transponder oder Leser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass hinter den Spulen, gegenüber dem Gehäuse (4) oder dem Ferritelement (11) ein Luftspalt angeordnet ist.
  7. Transponder und Leser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der Antenne 5 bis 20 % über der Trägerfrequenz liegt.
  8. Transponder und Leser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gütefaktor der Resonanzantenne durch einen Widerstand kontrolliert vermindert wird.
  9. Leser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Empfängerschaltung mit vorgeschaltetem Differenzierfilter aufweist.
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