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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine kontaktlose Chipkarte des Typs RF (Radio Frequenz).
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Auf dem Markt werden etliche Ausführungen dieser
Art von Karten angeboten. Sie umfassen in der Regel ein elektronisches
Modul mit einer Sensorspule, die mit einem Stromkreis verbunden
ist, wobei es diese Spule einerseits ermöglicht, die RF-Signale zu übertragen
und andererseits die zum Betrieb des elektronischen Moduls erforderliche
Energie zu liefern. Die Dokumente
US
4 155 091 und
EP 762
535 beschreiben Beispiele solcher Umsetzungen.
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Die einfachsten Karten enthalten
lediglich einen Code, der aus Distanz gelesen werden kann, jedoch
werden zunehmend immer mehr Chipkarten zum Lesen und Beschreiben
angeboten, welche einen Speicher des Typs EEPROM enthalten, der
seine Informationen auch bei fehlender Speisungsquelle sichern kann.
Ein Beschreiben dieser Speicher macht eine verhältnismäßig hohe Energiemenge erforderlich,
die an den Klemmen der Sensorspule entnommen werden muss. Dies kann
jedoch, insbesondere bei Freisprech-Zugangssystemen problematisch
sein, bei denen es sich um die am weitesten verbreitete Anwendung
dieser Chipkarten handelt.
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Eine Lösung zum Erhalt der zum Betrieb
der Karte erforderlichen Energie unter der größtmöglichen Entfernung, ist die
Verwendung einer Spule mit einer großen Oberfläche, die es erlaubt, einen
maximalen Fluss aufzunehmen. So verfügen runde Spulen oftmals über einen
Durchmesser, der beinahe so groß ist
wie die Breite der Karte und in bestimmten Fällen werden sogar rechteckige
Spulen verwendet, die im Großen
und Ganzen deren gesamte Oberfläche
bedecken. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, Antennen aus einem Material erhöhter Durchlässigkeit in die Karte einzubauen,
um den Fluss, der in der Nähe
der Karte vorbeigeführt
wird, in der Mitte der Sensorspule zu konzentrieren. Das Dokument WO
98/52141 beschreibt ein solches System, das es bei Spulen mit kleinem
Durchmesser erlaubt, ähnliche
Leistungen wie bei Spulen mit großem Durchmesser zu erzielen.
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Dennoch bleibt ein wesentliches Problem bestehen.
In den beiden aufgeführten
Fällen
wird der maximale Fluss in der Spule in der Tat nur dann erhalten,
wenn die Karte eindeutig an denen durch die Lesvorrichtung erzeugten
Flusslinien ausgerichtet ist. Wenn die Kartenposition geändert wird,
so verringert sich der Fluss schnell und es entstehen sogar zahlreiche
Totpunkte, an denen der Fluss in der Spule schlicht Null beträgt oder
zumindestens stark auf Null zugeht. Selbstverständlich. erzeugt dies große Probleme,
insbesondere im Bereich von Freisprechanlagen, da die Position der
Karte in Bezug zu den von der Lesvorrichtung erzeugten Flusslinien
in Abhängigkeit
des Trägers
oder der Stelle ausgesprochen veränderlich ist, an der jener
seine Karte anbringt.
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Vorliegende Erfindung hat genau gesagt
das Ziel, eine Kombination aus einer Sensorspule und einer Antenne
anzubieten, die es ermöglicht,
das vorstehend genannte Problem weitestgehend zu lösen, indem
die Quantität
des durch die Spule erfassten Flusses von der Position zwischen
den Karte und den von der Lesvorrichtung erzeugten Linien wesentlich unabhängiger ist.
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Genauer gesagt gilt vorliegende Erfindung einer
kontaktlosen RF-Chipkarte mit einer Sensorspule, einem Stromkreis,
der an diese Spule angeschlossen ist und Elementen erhöhter magnetischer Durchlässigkeit,
die die Funktion einer Antenne übernehmen,
mit einem ersten Teil, der eindeutig in der Ebene der Oberseite
der Spule liegt und einem zweiten Teil, der eindeutig in der Ebene
der Unterseite der Spule liegt. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Antenne zwischen dem ersten und dem zweiten Teil ein Verbindungsteil
enthält,
das sich in der Mitte der Spule befindet, welche in Bezug zur Antenne
so dimensioniert ist, dass die an ihre Klemmen angelegten Spannungen
genauso groß sind,
wie wenn die Antenne parallel oder senkrecht zu den von der Lesvorrichtung
erzeugten Flusslinien ausgerichtet wäre.
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Die Erfindung lässt sich beim Lesen der nachstehenden
Beschreibung besser verstehen, die zur Erklärung gegeben wird und unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Abbildungen erstellt wurde, in denen:
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die 1a, 1b und 1c einige Formen der Ausführung einer
Chipkarte entsprechend der Erfindung mit ihrer Antenne und Sensorspule;
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die 2a, 2b und 2c die Spannung an den Klemmen der Sensorspule
in Abhängigkeit
der Position Letzterer im Fluss für eine erste Antennenform, und
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die 3a, 3b und 3c die Spannung an den Klemmen der Sensorspule
in Abhängigkeit
der Position Letzterer im Fluss für eine zweite Antennenform darstellen.
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Zunächst beziehen wir uns auf 1, in der eine Chipkarte
nach der Erfindung schematisch dargestellt ist, welche das Format
einer Kreditkarte hat. Dabei handelt es sich um das am häufigsten
verwendete Format, jedoch lässt
sich die Erfindung selbstverständlich
auch auf Chipkarten und andere elektronische Etiketten sehr unterschiedlicher
Abmessungen anwenden.
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Die dargestellte Chipkarte enthält eine
Sensorspule 1, die mit einem elektronischen Stromkreis 2 verbunden
ist und umfasst einen Speicher und Mittel zur Übertragung der Radio-Frequenz
bei 125 KHz, einer Frequenz, die im Allgemeinen am häufigsten bei
dieser Art der Anwendungen verwendet wird. Dieser Typ des Stromkreises
ist dem Fachmann hinreichend bekannt und dabei kann es sich beispielsweise
um solche Stromkreise handeln, die von der Gesellschaft EM Marin
(CH) unter den Bestellnummern H 4000, 4001 bis 4005 und 4050 vertrieben
werden.
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Die Spule 1 wird von einer
Antenne 3 aus einem Material erhöhter magnetischer Durchlässigkeit durchquert.
Diese Antenne muss ausgesprochen klein sein und eine besondere Form
aufweisen. So kann sie aus einem Metallband oder -blatt mit einem hohen
Nickelgehalt hergestellt werden, wie zum Beispiel aus Mumetall® oder
aus Permalloy®,
von denen bekannt ist, dass sie über
eine sehr hohe magnetische Durchlässigkeit verfügen. Auf
dem Markt werden Blätter
von 100, ja sogar 50 Mikron Stärke
angeboten. Diese geringe Stärke
ist einerseits erforderlich, um eine Karte zu erhalten, die selbst
nicht deutlich stärker
wird und andererseits, um Wirbelstromverluste in der Antenne zu
verringern. Eine andere Möglichkeit
zur weiteren Verminderung der Verluste besteht darin, dass die Antenne
in einem Stapel von Blättern
umgesetzt wird, die noch feiner sind, zum Beispiel mit 10 oder 20
Mikron, die zueinander wie die Blätter eines Transformators elektrisch
isoliert sind.
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Die Gesamtvorrichtung aus Spule 1,
Stromkreis 2 und Antenne 3 wird beispielsweise
durch Aufgießen
von Plastikmaterial in die Schicht des Kartenkorpus 4 integriert.
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Die Antenne 3 umfasst 3
Bereiche, wobei es sich bei Bereich A um den Bereich in der Ebene
der Oberseite der Spule und bei Bereich B um den Bereich in der
Ebene der Unterseite der Spule und bei Bereich C um den Bereich
zur Verbindung der Bereiche A und B handelt. Die erhöhte Stärke durch
die Antenne ist auf die Stärken
der Bereiche A und B begrenzt, welche auf jeder Seite der Spule übereinander
liegen. Bei einer Antennenstärke
von 50 Mikron besteht somit ein Stärkezuschlag von 100 Mikron.
Mit der Stärke
der Spule lässt
sich leicht spielen, um diesen Stärkezuschlag auszugleichen und
die Gesamtstärke
der Karte innerhalb der Standardwerte zu halten.
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Im Beispiel von 1a befindet sich die Antenne in diagonaler
Ausrichtung. Sie ist gerade und da ihre Breite eindeutig unter der
des Innendurchmessers der Spule 1 liegt, lässt sie
sich leicht in den Innenbereich einführen. Sie wird demzufolge aus
einem einzigen Stück
umgesetzt und bei dem Bereich C handelt es sich um einen einfach
geknickten Bereich, durch den sich der Höhenunterschied zwischen den
Bereichen A und B ausgleichen lässt.
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Bei fehlender Antenne durchqueren
die zur Oberfläche
der Chipkarte parallelen Magnetflüsse die Spule 1 nicht
und erzeugen demzufolge keinerlei Spannung an ihren Klemmen. Wie
im Dokument WO 98/52141 beschrieben, ermöglicht der Einsatz der Antenne 3 in
die Karte eine Erfassung dieser magnetischen Flüsse, die parallel zur Kartenoberfläche verlaufen
und insbesondere der Flüsse,
die in der Achse der Antenne liegen. Diese Flüsse gelangen vom Bereich A,
also der Oberseite der Spule 1, in den Bereich B, also
die Unterseite der Spule oder umgekehrt, indem sie die Mitte der
Spule 1 im Bereich C durchqueren. So kann an den Klemmen der Spule 1 die
Spannung erzeugt werden, die zum einwandfreien Betrieb des elektronischen
Stromkreises 2 erforderlich wird.
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Im vorstehend aufgeführten schweizerischen Patent
erfasst die Antenne praktisch keine Flüsse, die senkrecht zur Oberfläche der
Chipkarte verlaufen und ihre Verwendung ist eindeutig mit solchen
Lesvorrichtungen verbunden, die Flusslinien erzeugen, die zu dieser
Oberfläche
parallel verlaufen. Mit einer solchen Struktur erlaubt es die Antenne
in erster Linie, den Fluss in der Mitte der Karte in einer Spule
mit kleinem Durchmesser zu sammeln, löst jedoch in keinem Fall das
Problem der Totpunkte.
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Die vorliegende Erfindung stellt
somit, insbesondere für
Freisprechvorrichtungen, eine erhebliche Verbesserung dar, da sie
es ermöglicht,
dieses Problem der Totpunkte in großem Maße auszuräumen. Indem mit der Antenne 3 eine
klassische Spule mit großem
Durchmesser 1 verbunden wird, wie in der 1 dargestellt, durchqueren die zur Oberfläche der
Chipkarte senkrechten Flüsse
unmittelbar die Mitte der Spule 1 ohne die Antenne 3 zu
durchqueren. Bei einem gleichwertigen Durchmesser finden sich gleichwertige
Eigenschaften wie bei einer klassischen Karte ohne Antenne. Indem
somit diese beiden Systeme kombiniert werden, nämlich eine Antenne und eine
Spule mit großen
Durchmesser, wird erreicht, dass die Spule durch die Antenne 3 sowohl von
den Flüssen
durchquert wird, die parallel zur Kartenoberfläche, als auch von den Flüssen, die senkrecht
zu dieser Oberfläche
verlaufen, was unmittelbar durch die Spule 1 des großen Durchmessers erzielt
wird, dies ermöglicht,
dass das Ziel der Vernichtung der Totpunkte erreicht wird, wie im
Folgenden aufgezeigt.
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1b beschreibt
eine Karte, in der die Antenne 3 nicht diagonal, sondern
an der Längsachse der
Chipkarte ausgerichtet ist. Es gelingt in der Tat, die Antwort der
Karte in den verschiedenen Positionen zu ändern, indem die Position der
Antenne verändert
wird, was es erlaubt, ihre Funktion in Abhängigkeit der verschiedenen
Anwendungen zu optimieren. Im Fall der 1b ist
die Antenne nach wie vor aus einem Stück umgesetzt. Die Eigenschaften
dieser Karte sind in 2 veranschaulicht.
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In 1c dagegen
ist die Antenne Z-förmig und
komplexer und erlaubt so eine Änderung
der Eigenschaften, wie in 3 veranschaulicht.
Es kann einfacher sein, sie aus zwei Teilen herzustellen. Der obere
Bereich A und der untere Bereich B schneiden sich im Bereich C und
werden so geknickt, dass sie übereinander
liegen. Sie können
durch Vernietung, Verkleben oder jede andere Methode miteinander verbunden
werden. In manchen Fällen
ist auch eine zweiteilige Antenne möglich, zwischen die ein Kopfspalt
eingeschoben wird, der den Betrieb des Systems nicht beeinträchtigen
darf.
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Die mit der Anordnung der Antenne
nach 1b an den Klemmen
der Spule 1 angelegte Spannung von 125 kHz wird in 2 veranschaulicht. Die Achse
X liegt in Richtung der Länge
der Karte, die Achse Y in Richtung der Breite der Karte und die
Achse Z steht senkrecht zu diesen beiden und somit senkrecht zur
Oberfläche
der Karte. Die Spannung wird in Vektoren in Abhängigkeit des Rotationswinkels
der Antenne dargestellt, wobei zugelassen wird, dass sich diese
um eine Achse dreht, die senkrecht zur Ebene der Abbildung verläuft. Die
feine Linie stellt die Spannung dar, die ohne Antenne erhalten wird
und die dicke Linie die Spannung, die mit Antenne erhalten wird.
Die Ausgangsposition, die dem Rotationswinkel 0 entspricht, ist
links dargestellt. Die Messungen erfolgen innerhalb einer Helmholtz-Spule,
die über
konstanten Strom gespeist wird, damit ein einheitlicher Fluss entsteht.
Dieser Fluss verläuft
entsprechend dem Pfeil in horizontaler Richtung.
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In 2a befinden
sich die Achsen X und Y in der Ebene der Abbildung und die Karte
dreht sich um die Z-Achse. Die Spule steht im gesamten Bereich der
360 Rotationsgrade parallel zu den Flusslinien. Sie wird demzufolge
nicht von diesen Flusslinien durchquert, was so sicher ist (gepunktete
Kurve), dass die angelegte Spannung unabhängig vom jeweiligen Winkel
nahezu Null beträgt.
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Mit Antenne liegt der Fluss, der über die
Antenne in das Innere der Spule gelangt, bei 0 bis 180 Grad, wenn
die Antenne parallel zu den Flusslinien ausgerichtet ist. Er liegt
bei 90 und 270 Grad, wenn die Antenne senkrecht zu den Flusslinien
ausgerichtet ist. Demzufolge besteht in Abhängigkeit des Winkels eine sinusförmige Aufteilung
der Spannung. Diese Aufteilung mit Antenne, auch wenn sie zwei Durchgänge durch
0 aufweist, ist in jedem Fall einer Aufteilung ohne Antenne vorzuziehen.
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In 2b befinden
sich die Achsen Z und X in der Ebene der Abbildung und die Karte
dreht sich um die Achse Y. Die Spule steht bei 0 und 180 Grad parallel
zu den Flusslinien. Bei 90 und 270 Grad steht sie senkrecht zu den
Flusslinien. Ohne Antenne (gepunktete Kurve) beträgt der Fluss
im ersten Fall Null und im zweiten Fall die maximale Menge). Es
besteht demzufolge eine sinusförmige
Aufteilung der angelegten Spannung in Abhängigkeit des Winkels mit Durchgängen bei
0 und 180 Grad und Höchstwerten bei
90 und 270 Grad.
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Mit Antenne befindet sich der Fluss,
der über die
Antenne in das Innere der Spule gelangt, höchstens bei 0 und 180 Grad,
wenn die Antenne parallel zu den Flusslinien ausgerichtet ist. So
lässt sich
ein ausgesprochen interessantes Phänomen feststellen. Bei 0 und
180 Grad wird der durch die Spule geführte Gesamtfluss durch die
Antenne geführt
und die entsprechende Spannung steht zur Verfügung. Bei 90 und 270 Grad wird
die Antenne nicht verwendet, jedoch steht die Spannung zur Verfügung, was
daran liegt, dass der Fluss direkt durch die Spule geführt wird,
was der maximalen Spannung entspricht, die dann erhalten wird, wenn
keine Antenne vorhanden ist. In den Zwischenpositionen, zum Beispiel
bei 60 und 240 Grad, heben sich die Flüsse, die einerseits direkt
in die Spule gelangen und diejenigen, die durch die Antenne geführt werden,
so gut gegeneinander auf, dass die angelegte Spannung in gewisser
Weise vermindert wird, ohne, dass der Wert jedoch auf Null absinkt.
Bei 140 und 330 Grad dagegen, werden diese Flüsse so gut zueinander addiert,
dass dort die maximal angelegte Spannung zur Verfügung steht.
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In 2c befinden
sich die Achsen Z und Y in der Ebene der Abbildung und die Karte
dreht sich um die Achse X. Bei 0 und 180 Grad steht die Spule parallel
zu den Flusslinien. Bei 90 und 270 Grad steht sie senkrecht zu den
Flusslinien. Ohne Antenne (gepunktete Kurve) beläuft sich der Fluss im ersten
Fall auf Null und im zweiten Fall auf den Höchstwert. Demzufolge besteht
eine sinusförmige
Aufteilung der angelegten Spannung in Abhängigkeit des Winkels mit Durchgängen bei
0 und 180 Grad und Höchstwerten
bei 90 und 270 Grad.
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In diesem Fall ist die Antenne in
allen Winkeln weitestgehend untätig
und dies in der Form, dass nahezu die gleiche Aufteilung der angelegten Spannung
besteht wie ohne Antenne. In diesen Fällen ist demzufolge die Verwendung
einer relativ großen
Spule vorzuziehen, wenn die Antenne ansonsten kein Ergebnis bringt.
Man wird feststellen, dass sich die Spannung ohne Antenne, die an
die Klemmen der Spule angelegt wird, zum Quadrat ihres Durchmessers
proportional verhält.
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Mit einer kleinen Spule hätte man
unabhängig
vom jeweiligen Winkel eine zu vernachlässigende Spannung. Um ähnliche
Leistungen der Chipkarte in den Hauptrichtungen zu erhalten, wird
es demzufolge erforderlich, die Sensorspule in Bezug zur Antenne
so zu bemessen, dass die an ihre Klemmen angelegte Spannung genauso
hoch ist, wie wenn die Antenne senkrecht oder parallel zu den Flusslinien
ausgerichtet wäre.
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So wird deutlich, dass durch die
Kombination einer relativ großen
Spule nach dieser Erfindung, in der die Flusslinien senkrecht zur
Chipkarte verlaufen und nicht von der Antenne erfasst werden, welche
die zur Chipkarte parallel verlaufenden Flusslinien erfasst, welche
nicht von der Spule erfasst werden, diese Bedingung hergestellt
wird und die Totpunkte erheblich verringert werden, was weder über eine
einzige Spule, auch nicht über
eine Spule mit großem Durchmesser,
noch mit einer Antenne erreicht wird, die an eine kleine Spule angeschlossen
ist.
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In 3 sind
die gleichen Kurven dargestellt, jedoch mit einer Z-förmigen Antenne. In der 3a befinden sich die Achsen
X und Y in der Ebene der Abbildung und die Karte dreht sich um die Achse
Z. In der 3b befinden
sich die Achsen Z und X in der Ebene der Abbildung und die Karte
dreht sich um die Achse Y. Schließlich befinden sich in der 3c die Achsen Z und Y in
der Ebene der Abbildung und die Karte dreht sich um die Achse X.
Diese Z-förmige Antennenanordnung
ist insofern besonders interessant, als sie nahezu keinen Totpunkt
aufweist, wenn nach der Achse Z (3a)
gedreht wird. Wenn nach den Achsen Y oder X (3b und 3c)
gedreht wird, beträgt
der Fluss der Antenne in bestimmten Positionen 0, dies wird jedoch
durch den Fluss kompensiert, der die Spule direkt durchquert, ohne
vorher die Antenne zu durchqueren. Es zeigt sich, dass in den drei
Fällen
der Abbildung eine ausgesprochen homogene Aufteilung der angelegten Spannung
erzielt wird, und dies praktisch ohne einen Durchgang bei Null.
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Es ist demnach möglich, die Eigenschaften der
Chipkarte und insbesondere deren Verhalten in den verschiedenen
Positionen, die sie in Bezug auf die Flusslinien haben könnte, die
von der Lesvorrichtung erzeugt werden, anzupassen, indem die Form der
Antenne angepasst wird, die mit einer Spule mit großem Durchmesser
zusammen arbeitet.
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Natürlich bestehen auch andere
mögliche Anordnungen
der Chipkarte gemäß der vorliegenden Erfindung,
deren Beschreibung würde
jedoch keine neuen Elemente für
deren Erklärung
liefern.