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Die
Erfindung betrifft einlagige flache Spulen aus Draht mit mehreren
Windungen, wie sie in so genannten Chipkarten für Hochfrequenz-Identifikationssysteme(RFID)Verwendung
finden. Eine solche Chipkarte umfasst neben dem Chip eine Spule,
die als Antenne zur Übertragung von Information und elektrischer
Leistung dient. Die Enden des Spulendrahtes sind mit Kontakten auf
dem Chip elektrisch verbunden. Bei vorgegebener Spulenfläche
und Windungszahl sind die wesentlichen Anforderungen an die Antennenspule:
niedriger elektrischer Widerstand, niedrige Bauhöhe, und
hohe Flexibilität. Hieraus folgt unmittelbar, dass die
Antennenspulen allgemein die Form von Flachspulen mit spiralig verlegten Windungen
haben.
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Zur
ihrer Herstellung sind zahlreiche Verfahren bekannt. Eine Spule
kann, wie in der Mikroelektronik üblich, aus einer metallbeschichteten
Kunststofffolie herausgeätzt werden. Dies Verfahren ist aufwendig
und zeitraubend. Alternativ können die Windungen durch
Auftragen spiralförmiger leitender Bahnen auf einer Kunststofffolie
"gedruckt" werden. So hergestellte Spulen haben jedoch einen relativ
hohen elektrischen Widerstand oder bereiten, bei dickerer Beschichtung,
Probleme bezüglich der verlangten Flexibilität.
Aus diesen Gründen sind bei zahlreichen Anwendungen aus
Kupferdraht gewickelte Antennenspulen vorteilhafter.
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Für
diese bietet es sich gemäß dem Stand der Technik
an, die Spule zunächst separat in Form eines freitragenden
Wickels herzustellen und sie dann zusammen mit dem Chip auf die
Chipkarte aufzukleben. Hierfür verwendet man vorzugsweise
so genannten Backdraht. Dieser ist mit einer Klebstoff-Schicht umgeben,
die durch Einwirkung von Hitze, Lösungsmitteln oder energiereicher
Strahlung aktiviert werden kann. Die Spule wird mit diesem Draht auf
einen Spulenkörper gewickelt und der Klebstoff während
der Bewicklung oder anschließend aktiviert. Es resultiert
dann eine freitragende, in sich stabile Spule, die auf den Chip
gelegt und mit ihm verklebt wird. Ein Wickelverfahren für
solche Spulen ist beispielsweise in der Patentschrift
US 5,237,165 beschrieben. Dort und
in ähnlichen Verfahren wird die Spule zweilagig ausgeführt.
Sie hat damit die Bauhöhe 2D, wenn D den Außendurchmesser
des Drahtes bezeichnet. Die zweilagige Konstruktion ist vorteilhaft,
wenn der Chip außerhalb neben den Windungen der Spule angeordnet
wird, weil dann, entsprechend dem Wickelvorgang, beide Drahtenden
auf der Außenseite des Wickels liegen und dort direkt mit dem
Chip verbunden werden können.
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Die
Bauhöhe der Antennenspule von Chipkarten ist ein grundlegendes
wohlbekanntes Problem. Je kleiner die Bauhöhe der Spule
einschließlich ihrer Drahtenden ist, desto flexibler ist
die Karte und desto besser ihre Langzeitstabilität bei
Biegebeanspruchung. In diesem Sinne sind einlagige Spulen den zweilagigen
vorzuziehen, und gedruckte oder geätzte Spulen den herkömmlichen
gewickelten Drahtspulen. Dieser Vergleich weist auf die Möglichkeit
hin, Drahtspulen besonders niedriger Bauhöhe dadurch herzustellen,
dass die Spulen aus Draht mit flachem Querschnitt so gewickelt werden,
dass der Draht mit seiner Breitseite auf dem Substrat aufliegt. Die
Verwendung von Flachdraht, dessen Querschnitt ein Aspektverhältnis
von 1:4 hat, würde die Bauhöhe der Spule etwa
halbieren im Vergleich zu einer herkömmlichen Spule aus
Runddraht gleicher Querschnittsfläche. Bislang ist jedoch
kein Wickelverfahren angegeben worden, das zur Herstellung derartiger
Flachspulen mit der benötigten Orientierung des flachen
Drahtquerschnittes geeignet ist. Der in der Patentschrift
US 6,114,937 enthaltene
Vorschlag, solche Spulen herzustellen durch das Einbetten von Kupfer
in eine oberflächliche Rechtecknut des Substrats erscheint
für die Anwendung in Chipkarten wenig geeignet, da er aufgrund
der zahlreichen notwendigen Beschichtungsprozesse recht aufwendig
ist.
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Ein
einfacheres Verfahren zur Herstellung von Antennenspulen ist das
Verlegen eines isolierten Runddrahtes auf einem Substrat, wie in
der Europäischen Patentschrift
EP0753180 beschrieben. Dabei wird
der Draht in einzel nen, jeweils geraden Abschnitten unter Zugspannung
auf dem Substrat ausgelegt. Am Ende jeden Abschnitts wird er punktuell mit
dem Substrat verbunden, etwa durch Verklebung, um einen Ankerpunkt
für die Verlegung des jeweils nächsten Abschnitts
zu erzeugen. Eine rechteckige Spule mit M Windungen erfordert deshalb
mindestens 4M Verbindungspunkte. Eine runde Spulenform lässt
sich in dieser Technik durch ein Polygon annähern, und
erfordert damit noch wesentlich mehr Verbindungspunkte. Die Herstellung
flacher Antennenspulen mit vielen Windungen ist deshalb auch bei dieser
Technik zeitaufwendig. Darüber hinaus behindert hier im
Allgemeinen jeder Verbindungspunkt mit einem kleinen Wulst aus Klebstoff
oder Substratmaterial das Verlegen und Verkleben der nachfolgenden Windung,
so dass die einzelnen Spulenwindungen nicht formschlüssig
dicht nebeneinander verlegt werden können.
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Es
stellt sich daher die Aufgabe, möglichst flache, also einlagige
Drahtspulen mit mehreren Windungen auf einem isolierenden Substrat
auf möglichst ökonomische Weise herzustellen,
also mit einem Minimum von Zeitaufwand und von Arbeitsschritten
wie Kleben und Transfer der Spule. Der Bedarf für ein solches
Verfahren besteht in besonderem Maße für die Herstellung
rechteckiger Flachspulen, weil sie es erlauben, die vorgegebene
Fläche einer Chipkarte besser auszunutzen als kreisförmige
Spulen. Er besteht darüber hinaus für Flachspulen
aus Flachdraht, der im Gegensatz zu rundem Draht bei gleichem Querschnitt
eine geringere Bauhöhe der Spule ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
erfolgt die Herstellung der Antennenspule in zwei Schritten. Im
ersten wird die Spule direkt auf dem Substrat aufliegend gewickelt,
im zweiten wird sie mechanisch und elektrisch mit Substrat und Chip
verbunden. Das formschlüssige Wickeln der Spule unmittelbar
auf der Chipkarte macht den Transfer der Spule und ein dabei notwendiges Zwischen-Substrat überflüs sig.
Die Spule wird durchgängig in einem Arbeitsgang gewickelt,
so dass die zahlreichen Unterbrechungen des Wickelvorganges, die
bei mehrfacher Anheftung jeder einzelnen Windung erforderlich sind,
unterbleiben können. Stattdessen erfolgt die Verklebung
aller Windungen der Flachspule untereinander und mit dem Substrat
gemeinsam. Bei vorteilhafter Prozessführung kann diese
Verklebung sogar an mehreren Stellen des Spulenumfanges gleichzeitig
erfolgen, etwa durch eine entsprechende Anzahl parallel arbeitender
Ultraschall-Köpfe, oder durch Erhitzung mit einen entsprechend
aufgeteilten Laserstrahl. In diesem Fall ist die Zahl der Klebungen
von typisch 4·M auf eine einzige reduziert. Diese Merkmale
des Herstellungsverfahrens ermöglichen eine signifikante
Verkürzung der Herstellungszeit einer Chipkarte gegenüber
dem Stand der Technik. Dabei ist zu beachten, dass bei einem Massenprodukt
wie Chipkarten schon ein geringer Zeitgewinn ökonomisch
entscheidend sein kann.
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Ein
weiterer Vorteil des Herstellungsverfahrens durch Wickeln nach Anspruch
1 ist die verbesserte Maßhaltigkeit der Spule und die resultierende verringerte
Toleranz der Induktivität. Beide folgen daraus, dass beim
Wickeln mit hinreichend hohem Wickelzug alle Spulenwindungen formschlüssig
aneinander liegen.
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Schließlich
hat das Verfahren nach Anspruch 1 den Vorteil, dass es geeignet
ist für die Herstellung von Flachspulen aus Flachdraht
in solcher Orientierung, dass der Draht mit seiner Breitseite auf
dem Substrat aufliegt, wodurch sich die Bauhöhe der Spule
verringert.
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Diese
und andere Charakteristika des Verfahrens werden nachfolgend ausführlicher
beschrieben anhand der Figuren und einer Erläuterung der notwendigen
Fachbegriffe. Es zeigen
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer Chipkarte mit einem Chip und einer Antennenspule,
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2 eine
Anordnung zum Wickeln einer kreisförmigen Antennenspule
durch gemeinsame Rotation von Chipkarte und aufgedrücktem
Wickeldorn, bei feststehender Draht-Abwickelvorrichtung,
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3 dieselbe
Anordnung wie 2 in einer Seitenansicht,
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4 einen
Wickeldorn für kreisförmige Spulen, insbesondere
dessen Stirnfläche und Schulterfläche,
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5 eine
andere Ausführung des Wickelverfahrens, bei dem Chipkarte
und Wickeldorn feststehen und stattdessen die Abwickelvorrichtung
in Form eines Wickelkopfes rotiert,
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6 einen
Wickeldorn zur Herstellung rechteckiger Flachspulen,
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7 eine
weitere Ausführungsform eines Wickeldorns für
rechteckige Flachspulen,
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8 einen
Wickeldorn mit einem Spalt, durch den Werkzeuge zum Festhalten des
Drahtanfangs, zum Kontaktieren und zum Verkleben der Spule an das
Substrat herangebracht werden können,
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9(a) eine kreisförmige einlagige Flachspule;
und
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9(b) eine rechteckförmige einlagige Flachspule,
ferner sind hier eine bifilare einlagige Flachspule sowie diverse
Querschnitte durch Flachspulen angegeben.
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Bevor
mit ausdrücklichem Bezug auf die einzelnen Zeichnungsfiguren
eine ins Detail gehende Erläuterung zur Verdeutlichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneter Gegenstände
und deren funktioneller Eigenschaften erfolgt, seien zunächst einige
Begriffe definiert und näher erläutert, die in
der Beschreibung mehrfach verwendet und als zu dieser gehörig
anzusehen sind. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet:
- "Flachspule",
dass die Spule die geringstmögliche Bauhöhe hat,
die bei Erfüllung aller vorgegebenen Anforderungen wie
Spulenfläche, Windungszahl, Induktivität, elektrischer
Widerstand, konstruktiv erreichbar ist. Dies zeichnet die einlagige
Drahtspule prinzipiell gegenüber allen mehrlagigen Ausführungsformen
aus. Eine solche einlagige Spule, gewickelt aus Kupferdraht, bietet
auch ein Höchstmaß an Flexibilität und
an mechanischer Zuverlässigkeit gegenüber Biegebeanspruchungen.
- "Flachdraht" einen Draht mit annähernd rechteckigem
oder elliptischen Querschnitt, dessen minimaler Durchmesser wesentlich
kleiner ist als der maximale.
- "rechteckförmig" bei einer Spule, dass jede Windung die
Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken hat.
- Der "Wickeldorn" 21 ist ein metallisches oder isolierendes
Werkzeug. Er hat eine Stirnfläche 40 und eine Schulterfläche 41,
beide mit guter Ebenheit, die zusammen die Höhe H des Wickelspaltes
definieren.
- Der "Wickelkern" 42 ist der zentrale Teil des Wickeldorns.
Er ist auf einer Seite durch die Stirnfläche begrenzt.
Er nimmt die erste Spulenwindung auf. Er kann zusammenhängend
sein wie in 6, oder sich aus mehreren Teilstücken
zusammensetzen wie in den Beispielen der 7 und 8.
- Die "Schulterfläche" 41 bildet die andere
Begrenzung des Wickelkerns. Sie liegt im Abstand H parallel zur Stirnfläche.
- Der "Wickelzug" ist die Kraft, mit welcher der Draht von der
Abwickelvorrichtung 24 gebremst wird, damit er sich formschlüssig
zunächst um den Wickelkern und dann um die jeweils vorangehende
Spulenwindung legt.
- Unter "Verkleben" der fertig gewickelten Spule mit dem Substrat
wird hier ganz allgemein die Ergänzung der formschlüssigen
Berührung von Spule und Substrat zu einer stoffschlüssigen
Verbindung mittels eines Fügeprozesses bezeichnet. Dies
umfasst alle Arten des Klebens mit einem Klebstoff oder mit einem klebrigen
Substrat, wobei der Klebeprozess durch Hitze, Druck, Ultraschall,
energiereiche Strahlung, chemische Reaktionen oder anders aktiviert
wird.
- Die "Kontaktierung" von Drahtspule und Chip stellt den elektrischen
Kontakt zwischen beiden her. Sie ist durchführbar nach
einem der in der Deutschen Patentschrift DE19627819 beschriebenen Verfahren: durch
Thermokompressionsschweißung mittels einer Thermode oder
Ultraschallkopf, durch Löten mit einem Laserstrahl oder
nach einem anderen der zahlreichen, dem Fachmann geläufigen
Verfahren.
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Zur
Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnungsfiguren
im Detail Bezug genommen:
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Chipkarte, mit Substrat 11,
mit dem in einer Aussparung des Substrates angeordneten Chip 12,
und dem zu einer rechteckförmigen Flachspule geformten Draht 10.
Seine Enden sind an den Kontaktstellen 13 und 14 mit
dem Chip elektrisch verbunden.
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2 illustriert
schematisch eine erste Möglichkeit, dem Erfindungsgedanken
folgend eine Antennenspule direkt auf dem Chip durch Wickeln von Draht
herzustellen. Obwohl rechteckige Antennenspulen gemäß 9(b) von größerem praktischen Interesse
sind, geht es in 2 der besseren Anschauung wegen
um eine kreisförmige Antennenspule gemäß 9(a). Dabei wird der Wickeldorn 21 mit
seiner unten liegenden Stirnfläche auf das Substrat 11 gepresst,
und Wickeldorn und Substrat zusammen werden um eine Achse 25 gedreht.
Der Draht 10 spult sich dann in der Richtung 26 von
einer Abwickelvorrichtung 24 ab. Letztere ist so positioniert, dass
der Draht im Wesentlichen in der Ebene des Substrates verläuft
und den Wickeldorn an seinem unteren Rand umschlingt. Entscheidend
dafür, dass die entstehende Flachspule einlagig wird, ist
die Ausbildung dieses Randes. Er hat eine ringförmige Schulter,
die in 4, 5 und 6 noch klarer zum
Ausdruck kommt. Diese Schulter bildet zusammen mit dem Substrat
einen Wickelkörper mit spaltförmigem Wickelraum.
In ihn legt sich der Draht bei der Drehung hinein. Im Sinne konventioneller
Spulen-Wickeltechnik stellt die Schulterfläche des Wickeldorns
den einen Flansch des Wickelkörpers dar, das Substrat den
anderen. Die axial gemessene Höhe H des Wickelraumes, hier
mit dem Bezugszeichen 22 markiert, muss für Spulen
aus Runddraht etwas größer gewählt sein
als der Außendurchmesser D des Drahtes, damit dieser sich
zwanglos in den Wickelraum legen kann. Der Drahtdurchmesser ist
hier mit 23 bezeichnet. Andererseits muss die Wickelraumhöhe
H kleiner sein als der doppelte Außendurchmesser des Drahtes,
2D, um zu vermeiden, dass sich in axialer Richtung Windungen übereinander
legen können. Optimal für eine problemlose Bewicklung
und niedrige Bauhöhe ist es, wenn die Wickelraumhöhe
der Ungleichung 1,1·D < H < 1,4·D
genügt. Zur Herstellung einer einwandfreien Wicklung ist
es notwendig, dass der Draht beim Wickeln ständig unter
einer gewissen Zugspannung Fz gehalten wird.
Sie sorgt dafür, dass sich jede neue Spulenwindung formschlüssig über
die vorhergehende legt. Die Größe dieses Wickelzuges
liegt erfahrungsgemäß im Bereich von 1/100 bis
1/10 der Reißfestigkeit des Drahtes. Der Wickelzug kann
in bekannter Weise durch einen Zugregler erzeugt werden, der Teil
der Abwickelvorrichtung 24 ist.
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Die
Wicklung einer Spule aus Flachdraht erfolgt sinngemäß.
Um die benötigte, flach auf dem Substrat aufliegende Orientierung
des Drahtes zu erreichen, muss die Wickelraumhöhe H nach
Möglichkeit der Ungleichung 1,1·D < H < 1,2·D
genügen, wobei hier aber für D der minimale Durchmesser
des Flachdrahtes einzusetzen ist. Der Wickelspalt wird also so schmal
gewählt, dass der Flachdraht nur in der "Hochkant"-Orientierung
hineinpasst. Im Vergleich zu der weiter oben genannten Ungleichung
für Runddraht ist die Obergrenze der Spaltbreite hier kleiner
gewählt um zu vermeiden, dass der Draht nur partiell orientiert
ist.
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3 ist
eine Seitenansicht der Wickelvorrichtung aus 2. Der Rahmen 30 soll
den beschriebenen Wickelkörper bezeichnen, der also nur vorübergehend,
während des Wickelvorganges und des nachfolgenden Verklebens,
besteht. Die Kraft 31, mit welcher der Wickeldorn 21 gegen
das Substrat gedrückt wird, muss hinreichend groß sein,
um sicherzustellen, dass der Draht sich nicht zwischen Wickeldorn
und Substrat verklemmen kann. Hierfür ist eine Kraft von
10–100 N ausreichend. Dieser Kraft 31 entspricht
die gleichgroße Gegenkraft 32, mit der das Substrat
auf seiner Rückseite gestützt werden muss. Bei
einem flexiblen Substrat ist deshalb eine biegesteife Auflageplatte 33 zweckmäßig.
Des Weiteren sind in 3 einige bereits verlegte Drahtwindungen 34 im
Querschnitt angegeben. Der Verlegewinkel 35 zwischen dem
zugeführten Draht und dem Substrat muss möglichst
klein gehalten werden, um den Draht problemlos in den Wickelspalt
einlaufen zu lassen. Andererseits garantiert ein nichtverschwindender Verlegewinkel,
etwa im Bereich 1°–3°, dass kleine Unebenheiten
des rotierenden Chipkarten-Substrates nicht den Draht erfassen und
abreißen. Das sichere Einlaufen des Drahtes in den Wickelspalt
wird im Übrigen dadurch befördert, dass der Wickeldorn an
der Kante seiner Mantelfläche, die der Schulterfläche
benachbart ist, mit einer gut polierten flachen Fase oder Rundung 36 versehen
ist.
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4 zeigt
diese Details des Wickeldorns 21 für eine kreisförmige
Flachspule noch deutlicher, weil die Stirnfläche 40 in
dieser Ansicht nach oben weist. Die schon erwähnte ringförmige
Schulterfläche 41 ist parallel zur Stirnfläche 40 angeordnet.
Der Abstand 22 beider Flächen definiert die entscheidende
Höhe H des Wickelspaltes. Dies ist zugleich die Höhe
des zentralen Wickelkerns 42. Die radiale Breite der Schulterfläche 41 muss
mindestens so groß sein, dass alle Spulenwindungen auf
der Schulterfläche Platz finden. Außerhalb dieses
Bereiches liegt die oben beschriebene Fase oder Rundung 36,
die den Draht in den Wickelspalt leitet.
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5 ist
ein anderes Ausführungsbeispiel der der Spulenherstellung
nach den Merkmalen des Anspruches 1. Der vorübergehend
aus Substrat und darauf gepresstem Wickeldorn gebildete Wickelkörper
befindet sich hier in Ruhe, während der Draht mitsamt der
Abwickelvorrichtung
24 um die Achse
25 rotiert.
Eine Umlenkrolle
51 oder -Öse bringt den Draht in
die notwendige, zum Substrat nahezu parallele Richtung. Die genannten
Komponenten lassen sich vorteilhaft zu einem Wickelkopf
50 zusammenfassen, etwa
vergleichbar zu den in den Patentschriften
US 5,237,165 und
US 4,564,9583 beschriebenen Vorrichtungen.
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Im
Gegensatz zur Ausführung nach 2 ist die
in 5 skizzierte Wickelvorrichtung auch geeignet,
um auf einem großen Substrat viele Spulen nacheinander
herzustellen, so dass am Ende durch Zerlegen des Substrates eine
Vielzahl einzelner Chipkarten resultiert. Der rotierende Wickelkopf
mit Drahtabwickelvorrichtung 24, Vorratsspule und Drahtzugregelung
ist für diese Aufgabe vorteilhafter, weil die Schwierigkeiten,
ein Substrat zu rotieren, mit dessen Größe zunehmen.
Wenn allerdings der maschinenbauliche Aufwand für einen
Wickelkopf nach 5 unwirtschaftlich groß wird,
ist die Vorrichtung nach 2 mit feststehender Abwickelvorrichtung 24 vorzuziehen.
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6 zeigt
die allgemeine Form eines Wickeldorns für rechteckförmige
Spulen. Er weist dieselben Merkmale auf wie der Dorn der für
kreisförmige, 4. Bezüglich der Bewicklung
unterscheidet er sich dadurch, dass hier die lokale Krümmung
jeder Windung entlang des Spulenumfangs variiert. Geradlinige Abschnitte 62 ohne
Krümmung wechseln sich ab mit Abschnitten 61 besonders
hoher Krümmung in den Ecken. Dies stellt erhöhte
Anforderungen an die Zugregelung. Der Krümmungsradius an
den Ecken 61 ist kritisch. Für eine Antennenspule
ist er zu festzulegen als Kompromiss zwischen den entgegengesetzten
Forderungen nach möglicht großer Spulenfläche
einerseits und nach möglichst geringen Schwankungen der
Ablaufgeschwindigkeit des Drahtes, die an jeder Ecke des Rechteckquerschnitts
ein Maximum erreicht, andererseits. Ferner spielt hier die Tatsache
eine Rolle, dass die geraden Abschnitte 62, wo der Draht
keiner Unterstützung bedarf, die Möglichkeit bieten,
Schlitze oder Bohrungen im Wickeldorn anzubringen, durch welche
die gewickelte Spulenwindungen zum Kontaktieren und Verkleben zugänglich
sind. Dies wird im Zusammenhang mit 8 noch ausführlicher
erläutert. Nach unten hin ist der Krümmungsradius
in dem Sinne beschränkt, dass er jedenfalls erheblich größer
sein muss als der Drahtdurchmesser, um ein Abscheren des Drahtes zu
vermeiden. Praktisch brauchbare Krümmungsradien liegen
im Bereich 1–10 mm.
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7 und 8 zeigen
eine weitere mögliche Ausführungsform eines Wickeldorns
zur Herstellung rechteckiger Flachspulen. Bei dieser Ausführung
ist die Stirnfläche in 4 Teilstücke 70 zerlegt,
die jeweils auf 90° ihres Umfanges von den Spulenwindungen
umschlungen werden. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit,
den Wickeldorn verstellbar zu machen, um mit einem einzigen Dorn
rechteckige Flachspulen unterschiedlicher Größen
herstellen zu können. Eine derartige Verstellmöglichkeit
ist auch vorteilhaft verwendbar, um nach Verklebung der Spule bei
der Abnahme des Wickeldorns die eventuell aufgrund des Wickelzuges
noch bestehende Haftung der innersten Spulenwindung am Wickelkern
zu vermindern. Dazu werden bei der Abnahme die Abstände
der Teilstücke geringfügig (einige 1/10 mm) verringert.
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Nach
dem Wickeln muss die Spule an mehreren Stellen ihres Umfanges mechanisch
mit dem Substrat verbunden werden, und sie muss elektrisch mit den
Kontakten des Chips verbunden werden. Die mechanische Verbindung
kann, wie dem Fachmann bekannt ist, mittels verschiedener Klebeverfahren
erreicht werden. Deshalb sei hier lediglich als Beispiel eines besonders
vorteilhaften Klebeverfahrens die Möglichkeit erwähnt,
die Spule aus so genanntem Backdraht zu wickeln und nach Fertigstellung
der Wicklung die nebeneinander liegenden Drahtwindungen und das
umgebende Substrat mittels eines Laserstrahls zu erhitzen, so dass
sie verkleben. Alternativ könnte hierfür auch
ein Ultraschallkopf zum Einsatz kommen. In jedem Falle ist es notwendig,
mit dem Laserstrahl oder einem anderen Werkzeug direkten Zu gang
zu den auf dem Substrat liegenden Drahtwindungen und insbesondere
zu den Kontakten des Chips zu erhalten.
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8 zeigt,
wie zu diesem Zweck der Wickeldorn mit einem axialen Schlitz 80 versehen
wird. Er reicht, vom Substrat der 2 aus gesehen,
bis auf die Ebene der Schulterfläche herab. Statt des Schlitzes
kann natürlich auch eine Bohrung verwendet werden. Solche
Schlitze und Bohrungen behindern den Wickelprozess nicht, wenn sie
an den Stellen angeordnet werden, wo der Verlauf der Spulendrähte 81 geradlinig
ist, wo sie also nicht der radialen Stützung durch den
Wickelkern bedürfen. Mehrere solcher Punkte sind mit dem
Bezugszeichen 82 markiert. Ihre Positionen sind so gewählt,
dass sie möglichst nahe an den Teilstücken des
Wickelkerns liegen, die vom Draht berührt werden und ihn
damit umlenken. Hier ist die Befestigung der Wicklung am Substrat
besonders wichtig.
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Bei
einer kreisförmigen Spule ist die Möglichkeit,
solche Befestigungsstellen durch Schlitze oder Bohrungen an geradlinigen
Stellen des Windungsumfanges anzubringen ist, streng genommen, nicht gegeben.
Sie kann aber in guter Näherung realisiert werden, indem
die Schlitzbreite minimal gewählt wird. Diese Problematik
ist jedoch von eher theoretischem Interesse, denn in der Praxis
werden für Chipkarten rechteckige Antennenspulen bevorzugt.
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9 zeigt
in (a) und (b) die beiden Grundformen einlagiger Flachspulen: kreisförmig
und rechteckförmig, 9(c) ist
die schematische Darstellung einer bifilaren einlagigen Flachspule,
die als Transformator Verwendung finden kann. Sie lässt sich
nach dem Verfahren des Anspruchs 1 herstellen, indem statt eines
Einzeldrahtes zwei Drähte aufgewickelt werden, vorzugsweise
solche mit gleichen Durchmessern. 9(d) illustriert
ein Problem das auftritt, wenn beide Enden einer einlagigen Flachspule
zum Anschluss an den Chip auf derselben Seite der Spule, der Innen-
oder der Außenseite, liegen sollen. Es muss dann eines
der Drahtenden über die Windungen der Spule hinweg zur
Seite des anderen Endes geführt werden. Die 9(e–h)
sind die in 9(d) angedeuteten Querschnitte
AA' und BB' durch eine sol che Spule mit darüber geführtem
Drahtende. Sie werden nachfolgend noch erläutert.
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Die
vorstehende Beschreibung beschränkt sich auf die wesentlichen
Aspekte des offenbarten Herstellungsverfahrens. Dem Fachmann ist
klar, dass für eine erfolgreiche Anwendung des Verfahrens
zahlreiche weitere Aspekte wichtig sind. Insbesondere ist für
die automatisierte Spulenherstellung eine Drahtschneide-Vorrichtung
erforderlich, dazu eine so genannte Drahtklammer und eventuell eine Drahtfördereinrichtung.
Die Drahtschneidevorrichtung muss nach Fertigstellung der Wicklung
-vor oder nach dem Verkleben der Spule und dem Kontaktieren des
Chips- mittels eines Stanz- oder Schneidwerkzeugs den Spulendraht
vom nachfolgenden Draht abtrennen. Zugleich muss das Ende des nachfolgenden
Drahtes, der von der Abwickelvorrichtung kommt, in definierter Weise
zunächst gehalten und dann eventuell einige Millimeter
vorwärts befördert werden, so dass es bei der
Herstellung der nächsten Spule als Wicklungsanfang zur
Verfügung steht. Ferner können Haltevorrichtungen
für die Spulendraht-Enden notwendig sein, speziell zu Beginn
des Wickelns, und am Ende während des Verklebens der Spule
mit dem Substrat. Geeignete Haltevorrichtungen arbeiten typisch
mit mechanischen, magnetischen oder pneumatischen Aktuatoren, die
den Draht gegen das Substrat oder gegen den Wickeldorn drücken.
Die Notwendigkeit solcher Haltevorrichtungen entfällt,
wenn der Spulen-Anfangsdraht schon vor Beginn des Wickelns am Chip
angeschlossen wird, etwa in der in 1 skizzierten
Weise am Kontakt 13, und der Spulen-Enddraht nach Beendigung
des Wickelns am Kontakt 14.
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Bei
Verwendung von Draht, der mit Heißkleber beschichtet ist,
wird die fertig gewickelte Spule verklebt, indem die Drahtwindungen
mit einem heißen Werkzeug (Thermode) oder mit einem Ultraschallkopf
(Sonotrode) auf das Substrat niedergedrückt werden und
dort anhaften. Bei einer Serienfertigung ist diese Verklebungsmethode
nicht unproblematisch, weil die Gefahr besteht, dass das Andruckwerkzeug
mit Klebstoffresten verschmutzt, dass der Draht am Werkzeug statt
am Substrat haften bleibt, oder dass das Werkzeug den Draht oberflächlich
verletzt. Aus diesen Gründen ist eine berührungslose Verklebungsmethode
vorzuziehen, etwa durch Erhitzung mittels eines Laserstrahles. Auch
dabei ist es notwendig, die Drahtwindungen auf das Substrat niederzudrücken,
um die Klebung durch eine gemeinsame Benetzung durch den schmelzflüssigen
Kleber einzuleiten. Ohne eine solche Niederhaltung würden schon
geringste Verbiegungen des Drahtes und Unebenheiten der Substratoberfläche
die Benetzung verhindern.
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Nach
der Deutschen Patentanmeldung
DE 10
2006 037 093.7 kann die erforderliche Andruckkraft durch
elektrostatische Anziehung zwischen dem Draht und einer Gegenelektrode
unter dem Substrat erzeugt werden. Diese Möglichkeit der
Verklebung mit elektrostatischer Niederhaltung ist in
5 angedeutet.
Als Gegenelektrode dient die ohnehin zur Unterstützung
des Substrats vorhandene, aus Metall bestehende Platte
33.
Sie und der Draht werden über die Anschlüsse
53 und
54 mit
einer Hochspannung der Größenordnung 1000 Volt
verbunden. Das entstehende elektrische Feld drückt die
Drahtwindungen gegen die Oberfläche des Substrates. Die
Andruckkraft reicht aus, um die Formschlüssigkeit so zu
verbessern, dass beim Schmelzen des Klebers die gemeinsame Benetzung
erfolgt. Diese elektrostatisch unterstützte Verklebung
funktioniert sowohl mit einem Wickeldorn aus isolierendem Material
wie mit einem metallischen Dorn.
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Darüber
hinaus ist die elektrostatische Kraft auch während des
Wickelns der Spule vorteilhaft. Sie drückt den Draht gegen
das Substrat schon in dem Bereich 37 der 2 und 5,
wo er in den schmalen Wickelspalt einlaufen soll. Dies ermöglicht
die Herstellung von Spulen aus sehr dünnem Draht, mit Durchmessern
im Bereich 0,01–0,10 mm, bei dem sonst wegen seiner geringen
Steifigkeit die Gefahr besteht, dass er infolge von Schwingungen
beim Wickeln den Spalt verfehlt. Bei Unterstützung des
Wickelns durch die elektrostatische Anziehung kann der Verlegewinkel 35,
der in 3 angedeutet ist, größer gewählt
werden, wodurch sich die Zuverlässigkeit der Herstellung
verbessert.
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Allgemein
ist zur Verklebung noch anzumerken, dass sie bei einlagigen Spulen
einfacher möglich ist als bei mehrlagigen, weil über
der ersten Drahtlage befindliche weitere Lagen den Durchtritt des
Klebstoffes und/oder des aktivierenden Agens allgemein behindern
würden.
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Antennenspule
und Chip einer Chipkarte müssen aufeinander abgestimmt
sein, nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch, speziell in
ihren Bauhöhen und in ihrer relativen Anordnung zueinander.
Ganz allgemein wird eine Verminderung der Bauhöhe beider
Komponenten angestrebt, und es wird die flachere Anordnung nebeneinander
statt übereinander bevorzugt. Bei einlagigen Flachspulen tritt
hier jedoch ein Problem auf, weil ihre Drahtenden auf verschiedenen
Seiten der Wicklung liegen, eine im Außenraum, die andere
im Innenraum. Die Kontaktierung erfordert dann entweder die Übereinander-Anordnung
von Spule und Chip, wie in
1, oder
es muss bei Nebeneinander-Anordnung eines der beiden Drahtenden über
die Wicklung hinweg auf die andere Seite geführt werden,
wie in
9(d) skizziert.
9(g) zeigt den über der Wicklung
liegenden Draht im Querschnitt. Er bewirkt praktisch eine Verdoppelung
der Spulen-Bauhöhe und birgt darüber hinaus die
Gefahr eines Kurzschlusses durch Reibung von Spulenwindungen aufeinander
bei lang andauernder Biegebelastung der Chipkarte. Aus diesem Grunde
wird bei Nebeneinander-Anordnung die Antennenspule häufig
zweilagig ausgeführt, etwa nach der Patentschrift
US 5,237,165 , weil mit der
zweilagigen Konstruktion das Problem des darübergeführten Drahtendes
vermeidbar ist und die Spule dabei dennoch nicht dicker ist als
die einlagige mit dem darübergeführten Drahtende.
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Hier
bietet sich bei der einlagigen Spule die Möglichkeit einer
Verringerung der Bauhöhe, indem man den Draht lokal, im
Abschnitt 91–92 der 9(d),
flach drückt. Es resultiert dann die in 9(h) dargestellte
Situation. Erfahrungsgemäß ist diese plastische
Umformung eines Runddrahtes in einen Flachdraht ohne allzu große
Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität des
Drahtes möglich, solange die Reduktion der Drahtdicke weniger
als 50% beträgt. Auf diese Weise lässt sich durch
Flachdrücken des Drahtes die Bauhöhe von Spule
und Überführungsdraht von etwa 2·D auf
etwa 1,5·D reduzieren. Der Prozess des Flachdrücken
des ausgewählten Drahtabschnittes kann dabei wahlweise
vor oder nach dem Wickeln der Spule erfolgen. Die Druckvorrichtung
kann recht einfach gestaltet werden, weil die Länge des
zu drückenden Drahtabschnittes nur im Bereich von 1 mm
liegt.
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Nachdem
die elektrischen Verbindungen der Spule mit dem Chip durch Kontaktierung
und die mechanische Verbindung der Spule mit dem Substrat durch
Klebung hergestellt sind, kann der Wickeldorn vom Substrat entfernt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5237165 [0003, 0029, 0042]
- - US 6114937 [0004]
- - EP 0753180 [0005]
- - DE 19627819 [0022]
- - US 45649583 [0029]
- - DE 102006037093 [0039]