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Title:
TEXTILE MATERIAL COMPRISING AN HF TRANSPONDER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/071605
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a textile material that comprises an HF transponder. Said HF transponder comprises a circuit module and an antenna linked therewith and set to a working frequency. The antenna is configured as an E field radiator for a working frequency in the UHF or microwave range. Said E field radiator is completely constituted of electrically conducting components of the textile material itself.

Inventors:
STOBBE ANATOLI (DE)
Application Number:
PCT/DE2005/000041
Publication Date:
August 04, 2005
Filing Date:
January 14, 2005
Export Citation:
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Assignee:
ASTRA GES FUER ASSET MAN MBH (DE)
STOBBE ANATOLI (DE)
International Classes:
A41D1/00; D03D15/00; D06F93/00; E05B73/00; G06K19/02; G06K19/04; G06K19/077; H01Q1/27; H01Q1/36; H01Q9/16; (IPC1-7): G06K17/00
Domestic Patent References:
WO2001036728A12001-05-25
Foreign References:
US20030160732A12003-08-28
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
THÖMEN & KÖRNER (Hannover, DE)
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e
1. l.
2. Textilmaterial mit einem HFTransponder (12), welcher ein Schaltungsmodul (16) und eine damit verbundene Antenne (14 ; 18,20) umfasst, die auf eine Arbeitsfrequenz abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne als EFeld Strahler für eine Arbeitsfrequenz im UHFoder Mikrowellenbe reich ausgebildet ist und der EFeldStrahler vollständig aus elektrisch leitfähigen Bestandteilen des Textilmaterials selbst besteht.
3. Textilmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Bestandteile des Textilmate rials elektrisch leitfähige Druckpaste oder elektrisch leit fähige Fadenkonstruktionen sind, die maschinell innerhalb ei nes textilüblichen industriellen Fertigungsprozesses verar beitbar sind.
4. Textilmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass ein mechanisch verkürzter EFeldStrahler in Resonanz mit der Arbeitsfrequenz durch Induktivitäten und o der Kapazitäten gebracht ist, deren Geometrie kompatibel mit dem textilüblichen industriellen Fertigungsprozess gestaltet ist.
5. Textilmaterial nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die elektrisch leitfähige Fadenkonstruktion ein mit Metall beschichteter Kunststofffaden, ein mit einem Metalldraht oder einer Metalllitze umwickelter Kunststofffa den, ein Kunststofffaden mit einem integrierten Metalldraht oder einer integrierten Metalllitze oder ein Grafitfaden ist.
6. Textilmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fertigungsprozess Weben Induktivi täten durch Mäander gebildet sind, die einen durchgehenden elektrisch leitfähigen Schussfaden umfassen, der zwischen je dem Schuss über eine mehreren Schussfadenstärken entsprechen de Strecke an der jeweiligen Webkante parallel zu den Kettfä den verläuft.
7. Textilmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fertigungsprozess Weben Induktivi täten durch Mäander gebildet sind, die aus der Kombination von elektrisch leitfähigen Kettund Schussfäden gebildet sind, die an ihren Kreuzungspunkten galvanisch verbunden sind.
8. Textilmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fertigungsprozess Weben Kapazitäten durch benachbarte elektrisch leitfähige Kettfäden und oder Schussfäden gebildet sind, die untereinander galvanisch und/oder kapazitiv verbunden sind.
9. Textilmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Antennenanschlüsse des Schaltungsmoduls durch Krimpverbindungen, Schweißverbindungen, Lötverbindungen oder Klebeverbindungen mit leitfähigem Kleber mit dem Strah ler verbunden sind.
10. Textilmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fertigungsprozess Drucken der leitfähige Kleber durch die Druckpaste selbst gebildet ist.
11. Textilmaterial nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, dass Klebeflächen der Klebeverbindungen UV durchlässig sind und der leitfähige Kleber UVhärtbar ist.
12. Textilmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da durch gekennzeichnet, dass das Schaltungsmodul (16) selbst und deren Antennenanschlüsse durch eine Vergussmasse einge schlossen sind und die Vergussmasse gleichzeitig mit dem Schaltungsmodul benachbarten Bereich des Textilmaterials ver bunden ist zur mechanischen Fixierung des Schaltungsmodul und/oder Erhöhung der Manipulationssicherheit.
13. Textilmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, dass der Strahler als symmetrischer Di pol (14) oder als asymmetrischer Stab (18) mit Gegengewicht (20) ausgebildet ist.
Description:
Textilmaterial mit einem HF-Transponder Die Erfindung betrifft ein Textilmaterial mit einem HF- Transponder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Identifikation von Waren bei Produktion, Logistik, Ver- trieb und Reparatur werden zunehmend Transponder eingesetzt, die hinsichtlich Lesbarkeit und Datenvolumen sowie Manipula- tionssicherheit üblichen Barcodes überlegen sind. Der Ein- satz von Transpondern wird auch bei textilen Waren ange- strebt, wegen ihres flexiblen Charakters und der Notwendig- keit der Reinigung in heißen und/oder chemisch aggressiven Medien werden aber höhere Anforderungen gestellt.

So darf der Transponder den bestimmungsgemäßen Gebrauch der textilen Waren nicht beeinträchtigen, muss gegen mechani- sche, thermische und chemische Einflüsse resistent sein und trotzdem physikalisch zuverlässig arbeiten.

Es ist bekannt, Textiletiketten mit Transpondern auszustat- ten, die im 13 MHz-Bereich arbeiten. Als Antennen dienen M- Feld-Strahler mit kernlosen Spulen, auch als Luftspulen be- zeichnet. Die Luftspulen können in Form von Leiterbahnen aus Metall auf Folienträgern ausgeführt sein. Kombinationen aus einer Folienschicht und einer Textilschicht, z. B. als Lami- nate, sind beim bestimmungsgemäßen Gebrauch und beim Reini-

gen der textilen Ware meist unverträglich. Die Folie kann sich stellenweise oder ganz lösen und/oder beschädigt wer- den. Eine direkte Integration einer Luftspule in eine Tex- tilschicht, also ohne Folienträger, ist aber wegen des nie- derohmigen und schmalbandigen Charakters einer Spulenantenne generell problematisch.

So ermöglicht Sticktechnik zwar die Herstellung einer Spule aus einem durchgehenden, elektrisch leitfähigen Faden, die Re- produzierbarkeit der Spulengeometrie und die Stabilität die- ser Geometrie bei der bestimmungsgemäßen Benutzung der texti- len Ware ist aber sehr gering, so dass die Resonanzfrequenz der Spule nicht zuverlässig auf die Arbeitsfrequenz einge- stellt und/oder konstant gehalten werden kann. Dadurch sinkt die Reichweite der Datenübertragung.

Mit Webtechnik kann eine reproduzierbare und stabile Geomet- rie erzielt werden. Mit derzeit bekannter Technik ist aber eine Spulenantenne aus einem durchgehend elektrisch leitfähi- ger Faden in der Form einer konzentrischen Spirale nicht rea- lisierbar. Vielmehr müssen Kettfäden und Schussfäden mehrfach miteinander galvanisch verbunden werden, um eine Spulenform in der Form einer konzentrischen Spirale nachzubilden. Die Übergangswiderstände dieser Verbindungen erhöhen die Verluste und vermindern die Spulengüte. Dadurch sinkt ebenfalls die Reichweite der Datenübertragung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Textilmaterial mit einem integrierten HF-Transponder zu schaffen, das eine physikalisch zuverlässig arbeitende Nutzung des Textilmateri- als als Antenne ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Textilmaterial mit einem HF- Transponder nach dem Oberbegriff des Anspruchs l durch die Merkmale dieses Anspruchs gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Ausbildung der Antenne als E-Feld-Strahler, auch als elektrische Antenne bezeichnet, wird im Nahbereich eine höhere elektrische Komponente des elektromagnetischen Wech- selfeldes gebildet, als bei einem M-Feld-Strahler. Der E- Feld-Strahler ist daher hochohmig und nicht so anfällig gegen weniger gut elektrisch leitfähige Materialien und Übergangs- widerstände bei Verbindungen. Außerdem ist der E-Feld- Strahler breitbandiger als ein M-Feld-Strahler, so dass grö- ßere Toleranzen hinsichtlich Übereinstimmung seiner Reso- nanzfrequenz mit der Arbeitsfrequenz zulässig sind. Der E- Feld-Strahler ermöglicht so eine Integration in das Textilma- terial, wodurch der Transponder im Gegensatz zu der Ausfüh- rung als Folienetikett mit texilfremdem Charakter jetzt be- züglich der Antenne rein textile Eigenschaften annimmt.

Bei einer Arbeitsfrequenz im UHF-Bereich, zugelassen ist hier ein Bereich zwischen 860 MHz und 930 MHz und im Mikrowellen- bereich bei ca. 2400 MHz kann ein ungekürzter Halbwellenstra- hier eingesetzt werden, sofern die gesamte Fläche der texti- len Ware zur Integration der Antenne verfügbar ist. Bei Un- terbringung in Textiletiketten ist zumindest im UHF-Bereich eine elektrische Verlängerung des mechanisch verkürzten E- Feld-Strahlers nötig, um seine Resonanzfrequenz auf die Ar-

beitsfrequenz abzustimmen.

Die elektrisch leitfähigen Bestandteile des Textilmaterials können elektrisch leitfähige Druckpaste oder elektrisch leit- fähige Fadenkonstruktionen sein, die maschinell innerhalb ei- nes textilüblichen industriellen Fertigungsprozesses verar- beitbar sind.

Durch die Herstellung in einem textilüblichen industriellen Fertigungsprozess gelingt eine kostengünstige Realisierung des E-Feld-Strahlers in einem der Fertigungsschritte, die oh- nehin bei der Fertigung des Textilmaterials durchgeführt wer- den müssen. Die gleichen Qualitätskriterien des textilen Fer- tigungsprozesses kommen so auch der Qualität und Reproduzier- barkeit des E-Feld-Strahlers zugute. Zwangsläufig wird der E- Feld-Strahler so integraler Bestandteil des Textilmaterials selbst und beeinträchtigt nicht den bestimmungsgemäßen Gebrauch der textilen Ware.

Sofern ein mechanischer verkürzter E-Feld-Strahler in Reso- nanz mit der Arbeitsfrequenz durch Induktivitäten oder Kapa- zitäten gebracht werden muss, ist deren Geometrie kompatibel mit dem textilüblichen industriellen Fertigungsprozess ges- taltet.

Für in Drucktechnik hergestellte E-Feld-Strahler bedeutet dies, dass eine überwiegend nach elektrischen Charakteristi- ken bestimmte Geometrie möglich ist. Induktivitäten können so sehr genau dimensioniert und örtlich da positioniert werden, wo ihre Wirkung optimal ist. Ähnliches gilt auch für die An- ordnung und Ausbildung von Kapazitäten.

Bei Sticktechnik kann die Geometrie ebenfalls den elektri- schen Erfordernissen angepasst sein, gegenüber der Drucktech- nik ergibt sich aber die Einschränkung, dass die Breite der leitfähigen Fadenkonstruktion nicht veränderbar ist, so dass hier Einschränkungen in der Gestaltung von Kapazitäten gege- ben sind.

Bei der Webtechnik bestehen die größten Einschränkungen der Geometrie, da die leitfähigen Fadenkonstruktionen nur in Richtung der Kettfäden und/oder der Schussfäden verlaufen können. Induktivitäten sind so nicht mit einem durchgehenden Faden realisierbar.

Die elektrisch leitfähige Fadenkonstruktion kann ein mit Me- tall beschichteter Kunststofffaden, ein mit einem Metalldraht oder eine Metalllitze umwickelter Kunststofffaden, ein Kunst- stofffaden mit einem integrierten Metalldraht oder einer in- tegrierten Metalllitze'oder ein Graphitfaden sein.

Die Auswahl richtet sich danach, welche Art von elektrisch leitfähigen Fäden mit dem jeweiligen Fertigungsprozess verar- beitbar sind, welche Art von elektrisch leitfähigen Fäden ausreichende elektrische Leiteigenschaften aufweisen, auf welche Art eine Kontaktierung mit Anschlüssen des Schaltungs- moduls vorgenommen wird und ob und welche chemischen Einflüs- se ausgeübt werden.

Gemäß einer Weiterbildung können beim Fertigungsprozess Weben Induktivitäten durch Mäander gebildet sein. Diese können durch einen durchgehenden elektrisch leitfähigen Schussfaden

gebildet sein, der zwischen jedem Schuss über eine mehreren Schussfadenstärken entsprechende Strecke an der jeweiligen Webkante parallel zu den Kettfäden geführt ist.

Außerdem können Induktivitäten als Mäander aus der Kombinati- on von elektrisch leitfähigen Kett-und Schussfäden gebildet sein, die an ihren Kreuzungspunkten galvanisch verbunden sind und außerhalb der Mäanderstruktur in ihrer elektrischen Leit- fähigkeit unterbrochen sind. Die galvanische Verbindung kann dabei durch Knotenbildung stabilisiert werden und die Unter- brechung der elektrischen Leitfähigkeit kann individuell an einem durchgehenden Leiter erfolgen oder durch Nutzung von Fäden mit einem wiederholt unterbrochenen Leiter.

Auf diese Weise lässt sich beim Fertigungsprozess Weben auch eine Induktivität realisieren, indem auf eine von der konzen- trischen Spirale verschiedene Form ausgewichen wird.

Beim Fertigungsprozess Weben können Kapazitäten durch benach- barte elektrisch leitfähige Kettfäden und/oder Schussfäden gebildet sein, die untereinander galvanisch verbunden und/oder kapazitiv gekoppelt sind.

Auf diese Weise lassen sich Kapazitäten an den vorberechneten Stellen des Strahlers realisieren und koppeln und auch in ih- rer Kapazität dimensionieren.

Antennenanschlüsse des Schaltungsmoduls können durch Krimp- verbindungen, Schweißverbindungen, Lötverbindungen oder Kle- beverbindungen mit leitfähigem Kleber mit dem Strahler ver- bunden sein.

Die Verbindungen sind erforderlich, da beim Fertigungsprozess das Textilmaterial zunächst ohne das Schaltungsmodul gefer- tigt wird und anschließend das Schaltungsmodul mit dem Strah- ler verbunden werden muss. Krimpverbindungen haben den Vor- teil, dass sie gemeinsam mit dem Anbringen des Schaltungsmo- duls den elektrischen Kontakt zwischen den Antennenanschlüs- sen und den Strahleranschlüssen herstellen. Die Verbindung erfolgt durch mechanische Verspannung und ist daher auch zwi- schen leitfähigen Materialien möglich, die sich nicht durch Schweißen oder Löten miteinander elektrisch verbinden lassen.

Durch Krimpverbindungen lässt sich das Schaltungsmodul auch gleichzeitig mechanisch am Textilmaterial fixieren, wenn meh- rere Fäden umschlossen werden können, die dann gemeinsam für die nötige Zugfestigkeit sorgen. Dies können elektrisch leit- fähige und/oder nicht leitfähige Fäden sein.

Schweißverbindungen und Lötverbindungen können zwischen leitfähigen Materialien aus Metallen hergestellt werden.

Schließlich sind noch Klebeverbindungen mit leitfähigem Kle- ber für Materialien möglich, die weder für Krimpverbindun- gen, Schweißverbindungen und Lötverbindungen geeignet sind.

Vorzugsweise kann beim Fertigungsprozess Drucken der leitfä- hige Kleber durch die Druckpaste selbst gebildet sein. Da- durch lässt sich das Bedrucken und das Herstellen der Ver- bindung zwischen den Antennenanschlüssen und den Strahleran- schlüssen in unmittelbar aufeinander folgenden Arbeitsgängen realisieren, indem die Antennenanschlüsse in die noch feuch- te, nicht abgebundene Druckpaste eingelegt werden. Ein ge-

sonderter Kleber entfällt dadurch.

Weiterhin können die Klebeflächen der Klebeverbindungen UV- durchlässig sein und der leitfähige Kleber UV-härtbar sein.

Dadurch kann der Kleber durch UV-Bestrahlung im gesamten Klebebereich in kurzer Zeit zum Aushärten gebracht werden.

Vorzugsweise sind das Schaltungsmodul selbst und deren An- tennenanschlüsse durch eine Vergussmasse eingeschlossen und die Vergussmasse ist gleichzeitig mit dem dem Schaltungsmo- dul benachbarten Bereich des Textilmaterials verbunden. Das Schaltungsmodul ist so durch die Vergussmasse am Textilmate- rial fixiert, da die Vergussmasse aufgrund der Kapillarwir- kung tief in das Textilmaterial eindringt. Eine Trennung ist nur durch Zerstörung möglich, so dass Manipulationen erkenn- bar sind. Ferner wird durch die Vergussmasse das Schaltungs- modul auch gegen mechanische und chemische Einflüsse ge- schützt. Die zusätzliche Einbindung der Antennenanschlüsse sorgt für einen Schutz der Kontakte und bietet gleichzeitig eine Zugentlastung der Strahlerenden, wodurch eine Bruchge- fahr an den Antennenanschlüssen des Schaltungsmoduls vermin- dert ist.

Der E-Feld-Strahler kann als symmetrischer Dipol oder als a- symmetrischer Stab mit Gegengewicht ausgebildet sein. Der Dipol hat den Vorteil, dass das Schaltungsmodul ohne Anpas- sungsmaßnahmen am Einspeisepunkt unmittelbar an aufgetrennte leitfähige Materialien angeschlossen werden kann. Allerdings ist bei einem ungekürzten Halbwellen-Dipol der einer halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz entsprechende Längenbedarf für die Anordnung des Strahlers nötig.

Bei einem asymmetrischen Stab mit Gegengewicht reicht hinge- gen nur ein Viertel der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz zur Unterbringung aus, sofern ein ausreichendes Gegengewicht re- alisierbar ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert : Fig. la-e zeigen Draufsichten auf Textiletiketten mit E-Feld-Strahlern unterschiedlicher Geometrien und Fig. 2a-d zeigen Querschnitte durch Textiletiketten und Schaltungsmodule mit unterschiedli- chen Verbindungsarten.

Figur la zeigt eine Draufsicht auf ein Textiletikett 10 mit einem Transponder 12, der eine Dipol-Antenne 14 sowie ein an den mittig aufgetrennten Dipol 14 angeschlossenes Schal- tungsmodul 16 umfasst. Die geometrische Länge des Dipols 14 ist gegenüber der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz des Transponders 12 verkürzt und durch induktive und kapazitive Anteile elektrisch verlängert. Realisiert ist dies durch ei- ". ne mäanderförmige Struktur des elektrischen Leiters der Di- pol-Antenne 14. Bei Sticktechnik, Webtechnik und Drucktech- nik kann dies durch einen durchgehenden elektrisch leitfähi- gen Faden bzw. eine durchgehend leitfähige Druckbahn er- reicht werden. Bei Webtechnik ist dies auch durch die Kombi- nation von elektrisch leitfähigen Kettfäden und Schussfäden möglich, die an Kreuzungspunkten miteinander verbunden und

im Übrigen von den anderen Bereichen elektrisch isoliert sind.

In Figur 1b ist der Dipol 14 durch einen gestreckten elekt- risch leitfähigen Kettfaden gebildet, der in der Mitte auf- getrennt und dort mit seinen Enden mit Anschlüssen des Schaltungsmoduls 16 verbunden ist. An diesen elektrisch leitfähigen Faden sind seitlich weitere Flächenbereiche ka- pazitiv gekoppelt, die aus durchgehenden elektrisch leitfä- higen Fäden bestehen. Diesen bilden einen kapazitiven Belag zur elektrischen Verlängerung des geometrisch gegenüber der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz des Transponders 12 verkürzten Dipols 14.

In Figur lc ist der Dipol 14 aus Flächen parallel laufender Schussfäden gebildet ist. In einer Nadelwebmaschine wird ein durchgehender Schussfaden verwendet, so dass die die elekt- risch leitfähige Fläche bildenden Schussfäden alle galva- nisch miteinander verbunden sind. Daher müssen die Anschlüs- se des Schaltungsmoduls 16 nur jeweils an das kalte Ende der Dipol-Teile herangeführt und mit diesen galvanisch verbunden werden.

Bei der Dipol-Antenne 14 nach Figur 1d sind die Schussfäden mit einer Breitwebmaschine erzeugt worden und alle am Ende getrennt. Die Anschlüsse des Schaltungsmoduls 16 sind über elektrisch leitfähige Kettfäden oder flexible Anschlussfah- nen zu den Schussfäden geführt und quer über alle Schussfä- den der elektrisch leitfähigen Fläche mit diesem galvanisch verbunden.

Figur le zeigt eine asymmetrische Antenne mit einem Stab 18 in Form eines elektrisch leitfähigen Fadens und einem Gegen- gewicht 20 in Form von quer dazu verlaufenden elektrisch leitfähigen Fäden, die untereinander galvanisch verbunden sind.

Bei Webtechnik werden die örtliche Lage und Größe der Flä- chen der elektrisch leitfähigen Fäden durch Patronieren und bei den übrigen Techniken durch entsprechende Vorbereitungs- stufen festgelegt.

Figur 2a zeigt eine Darstellung eines Querschnitts durch ein Textilmaterial 22 und ein Schaltungsmodul 16 mit Anschlüssen an die elektrisch leitfähigen Fäden 24 einer Dipol-Antenne durch eine leitfähige Klebepaste 26.

In Figur 2b sind Krimpverbindungen 28 vorgesehen, die sich beim Einsetzte des Schaltungsmoduls 16 mechanisch an den elektrisch leitfähigen Fäden 24 festkrallen.

Figur 2c zeigt den Fall, dass das Schaltungsmodul 16 an ei- nen durchgehenden leitfähigen Faden angeschlossen ist, der beim Anschlussvorgang gleichzeitig mittig mittels eines Trennwerkzeugs getrennt wird. Dazu ist am Schaltungsmodul 16 entweder selbst ein Trennmesser angeordnet oder eine Schneidleiste angeordnet zur Bildung eines Gegenstückes für ein von außen herangeführtes Messer 30 oder eine Laser- schneidvorrichtung.

Figur 2d zeigt schließlich die Verbindung der Anschlüsse des Schaltungsmoduls 16 mit quer verlaufenden elektrisch leitfä-

higen Fäden über eine elektrisch leitfähige Klebepaste 32, die auf elastische Träger 34 aufgebracht ist. Hierbei kann es sich um UV-durchlässige Materialien handeln, so dass eine Aushärtung des Klebers mittels UV-Licht möglich ist.

Alternativ sind auch Schweiß-oder Lötverbindungen möglich, wobei als Schweißtechnik Punktschweißen, Ultraschallschwei- ßen oder Laserschweißen geeignet ist.

Die Schaltungsmodule gemäß Fig. 2a-d sind einschließlich ih- rer Anschlüsse in Vergussmasse eingegossen und die Verguss- masse ist außerdem in das Textilmaterial eingedrungen und fixiert das Schaltungsmodul sowie schützt es gegen Manipula- tion.