DE4115867C2 - Geschlossene Kopplung für Ein- und Zweispulensysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Topfkernanordnungen nach dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.

Im Einsatz befindliche Chipkartensysteme arbeiten mit galvanischen Kontakten zwi­ schen Schreib-Lesegerät und Chipkarte. Diese Kontakte ermöglichen sowohl den Da­ tenaustausch zwischen Leser und Chipkarte als auch die Energiezufuhr zur Chipkarte. Kontaktlos arbeitende Übertragungen von Energie und Daten sind z. B. aus DE 36 22 246 C2, DE 37 21 822 C1, DE 34 90 220 T1 und DE 38 24 870 A1 bekannt. Weiterhin ist aus GB 2 082 816 A eine Topfkernanordnung in Schreib- und Lesestation bekannt.

Aus der DE 34 47 560 C2 sind gleichfalls Chipkartensysteme bekannt, die kontaktlos mittels induktiver Energie- und Datenübertragung arbeiten. Hierzu werden im Schreib- Lesegerät zwei magnetische Wechselfelder durch Spulen erzeugt, welche die Chipkar­ te senkrecht zu ihrer Oberfläche durchfluten. Die Bündelung und Positionierung des Feldflusses geschieht vorzugsweise durch Topfkerne. Der Feldfluß kann durch die Chipkarte über magnetisch leitende und geometrisch spezifisch ausgeformte Materiali­ en zur Flußbündelung und Flußpositionierung geformt werden. Die Chipkarte enthält zwei Spulen und stellt derart eine Kopplung zum Schreib-Lesegerät her.

Da Chipkarten auch mit einer Spule denkbar sind, deren Feldfluß in derselben geome­ trischen Fläche wie bei Zweispulenanordnungen liegt, besteht die Aufgabe darin, Topf­ kernanordnungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so zu gestalten, daß Zwei- und Einspulensysteme mit denselben Ausformungen karten- und leserseitig ar­ beiten können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteran­ spruch angegeben. Magnetische Koppelungen nach bekannten Übertragerprinzipien zeigen einen guten Kopplungsgrad, wenn möglichst viele Feldlinien im geschlossenen Eisen- oder Ferritkreis verlaufen. Insbesondere bei hohen Frequenzen, wie sie bei Chipkartenanwendungen zur Übertragung ausreichender Energie erforderlich sind, ist es wünschenswert, daß möglichst wenig Streufluß an die Umgebung abgegeben wird.

Die nachstehende Erfindung beschreibt eine Problemlösung, die unter Verwendung bestimmter Übertragergeometrien und Spulenanordnungen eine Kompatibilität zwi­ schen ein- und zweispuligen Chipkarten im gleichen Leser zuläßt.

Es wird eine geometrische Ausformung eines Topfkernes so beschrieben, daß ein kontrollierter Feldlinienfluß entsteht, der es gestattet, Ein- und Zweispulenanordnungen in optimaler Weise zu durchfluten. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig.1, 2, 3 und 4 dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der Topfkernanordnung, Übertrager 1 und Übertrager 2 mit einer Chipkarte zwischen den Übertragern. Der Magnetfeldfluß in den Übertragern wird durch Pfeile symbolisiert. Der Richtungssinn des Spulendrahtverlaufes in der Chipkarte ist bei Einsatz von zwei Spulen in einer Chipkarte durch Punkte für Hin- Richtung und durch Striche für die Rück-Richtung symbolisiert. Die Spulen in der Chipkarte sind aus Gründen der per Normung vorgegebenen Kartendicke spiralig in einer oder übereinander in mehreren Ebenen längsachsensymmetrisch so angeordnet, daß die Chipkarte in den vier Lagen der längsten Symmetrieachse nutzbar ist. Bei Drahtführung in mehreren Ebenen muß eine Gleichsinnigkeit der Drehrichtung fortlau­ fend über die Ebenen zwecks Verstärkung der Durchflutung gegeben sein. Die Spulen­ anordnung für zwei Spulen ist in Fig. 2 in der Draufsicht gezeigt. Wird eine einzelne Spule gemäß Fig. 3 verwendet, entfallen die mit A gekennzeichneten Spulendrahtver­ läufe, da die Rückführung der Spulendrähte gemäß Fig. 3 in der mit B gekennzeichne­ ten Weise verlaufen.

Fig. 2 zeigt den Flußverlauf bei zwei geschlossenen und nebeneinander angeordneten Spulen pro Chipkarte. Der magnetische Fluß der Übertrager (durch + bzw. - symboli­ siert) ist derart dargestellt, daß in beiden Spulen ein gleichsinniger Fluß herrscht. Da beide Übertrager zwei geschlossene Magnetkreise aufweisen, welche im Gebiet eng­ sten geometrischen Abstandes eine Aussparung aufweisen, besteht eine geringe ma­ gnetische Kopplung zwischen den beiden Übertragern aufgrund des erhöhten magneti­ schen Widerstandes im Gebiet der Aussparung.

Fig. 3 zeigt eine gleiche Topfkernanordnung wie in Fig. 1, 2, 4 mit dem Unterschied, daß kartenseitig nur eine Spule vorhanden ist, deren Windungsdrähte die Fläche um­ fassen, welche in den Fig. 1, 2, 4 von zwei Spulen eingenommen wird, ergänzt um die Fläche (symbolisiert durch C), welchem zwischen den zwei Spulen frei bleibt. Eine Beein­ flussung der beiden gleichsinnigen magnetischen Flüsse ist bei einer Anordnung ge­ mäß Fig. 3 mit einer Spule unterdrückt, da sich Hin- und Rückfluß aufgrund der Aus­ sparungen in der Fläche C nicht vektoriell überlagern. Durch die richtige geometrische Auslegung der Topfkernaussparungen der beiden Übertrager und der richtigen geome­ trischen Dimensionierung der Chipkartenspule, kann der magnetische Fluß seine größte Wirkung bezüglich Energie- und Datenübertragung im Zentrum der Topfkerne entfalten.

Fig. 4 zeigt im Gegensatz zu Fig. 2 einen Flußverlauf bei zwei ge­ schlossenen Spulen pro Karte. Die Richtung des magnetischen Flusses (durch Pfeile symbolisiert) ist derart dargestellt, daß in beiden Spulen ein gegensinniger Fluß herrscht, womit sich der Vorteil ergibt, daß die Beeinflussung benachbarter Flüsse durch Gegensinnigkeit aufgehoben wird. Diese Gegensinnigkeit ist in ihrer Stärke durch unterschiedlich große Phasenverschiebung der Spannungen erzielbar, wie sie zur Ver­ sorgung der Spulen in Schreib-Lesegeräten in elektronischen Schaltungen erzeugt werden und in der DE 34 47 560 C2 beschrieben werden. Eine Gegensinnigkeit kann aber auch durch gegensinnige Spulenwicklung der Topfkernspulen erfolgen. Neben dem Vorteil der Feldauslöschung im Bereich der Aussparungen, was eine verbesserte Energiebilanz zur Folge hat, ergeben sich auch Verbesserungen bei der Gleichspan­ nungserzeugung auf der Chipkarte. Da der Phasenunterschied der eingekoppelten Spannung reduziert ist, vergrößert sich die Güte der Gleichspannung in einer Di­ odengleichrichtung. Die Reduktion der Kapazität des Gleichrichtkondensators ist wie­ derum vorteilhaft, wenn der Kondensator monolithisch auf einem Chip hergestellt wird, da sich die Chipfläche damit verkleinert.

Claims (2)

1. Topfkernanordnungen in Schreib-Lesestationen für kontaktlose Energie- und Da­ tenübertragung per elektromagnetischer Schwingung zu Chipkarten, mit einer oder zwei Spulen versehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übertragungsstrec­ ken, Übertrager (1) und Übertrager (2), benachbart vorhanden sind und aus Topfkernen so aufgebaut sind, daß ihr Magnetfluß im Zentrum des Topfkernes die Flächen durchflutet, welche durch die auf der Chipkarte vorhandene Spulenausführung um­ schlossen wird, wobei der Topfkernaußenrand jedes Topfkernes mindestens an ei­ ner Seite mit Aussparungen (D) so versehen ist, daß die Aussparungen bei benach­ barter Anordnung der Topfkernspulen so aneinandergrenzen, daß die Aussparungen sich vergrößern (C), womit dem magnetischen Fluß im Gebiet der Aussparung (D) ein größerer Widerstand als ohne Aussparung entgegensteht, und daß ferner die vergrößerte Aussparung (C) zentriert über der Verbindungsachse der beiden Spulen einer Chipkarte oder über der Längsachse einer einzigen Spule auf der Chipkarte liegt.

2. Topfkernanordnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ tromagnetischen Wechselfelder in den beiden Übertragern (1) und (2) zueinander ge­ gensinnig verlaufen, indem die Spulendrehrichtung der Topfkernwindungen gegen­ sinnig gewickelt sind oder indem die Einspeisung der Wechselspannung aus der Generatorschaltung Phasendifferenzen erzeugt, so daß im Gebiet der benachbarten Aussparungen eine gegensinnige Feldüberlagerung auftritt und diese sich bei Zwei­ spulenanordnung auf der Chipkarte ebenfalls aufheben, so daß die magnetische Entkopplung der beiden Chipkartenspulen verbessert wird und gleichzeitig die Ge­ winnung einer Gleichspannung per Gleichrichterschaltung auf der Chipkarte durch Phasenunterschied zwischen den eingekoppelten Spulenspannungen verbessert ist, da der Abstand der zu glättenden Spannungsmaxima durch Phasenunterschied zwi­ schen den eingespeisten Spulenspannungen reduziert wird, womit die Größe des Gleichrichterkondensators minimiert wird.