Die Erfindung betrifft ein Transpondersystem zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung von einer stehenden Seite mit mindestens einer am Stator angeordneten Lesespule auf eine rotierende Seite mit mindestens einer auf einer Spindel angeordneten Transponderspule. Solche Transpondersysteme gewinnen im täglichen Leben zunehmende Bedeutung. Sie werden in einer Passivvariante als Identifikations- und Speichermedium genutzt oder in einer Aktiwariante zur Sensordatenverarbeitung eingesetzt. Die drahtlose Datenkommunikation erlaubt den bidirektionalen Austausch von Nutz- und

Kontrollinformationen. Im technischen Bereich sind miniaturisierte autonome Meßsysteme realisierbar. Mittlerweile sind eine Vielzahl von Transponderschaltkreisen und -Systemen am Markt verfügbar.

Ein Beispiel eines solchen Transpondersystems ist aus der DE 199 24 830 bekannt. Diese Anordnung dient zur Messung von Temperatur und Luftdruck sowie der Überwachung des Verschleißes von Fahrzeugreifen. Die Messung der Temperatur und des Drucks erfolgt mittels eines in die Reifenwange einvulkanisierten elektronischen Transponders, der die Meßwerte auf Anforderung des Transceivers induktiv mit einem digitalen Trägerfrequenzverfahren über eine radial in die Reifenwange integrierte Fiachspule als Transponderspule auf einen am Fahrzeug montierten Transceiver mit einer Sendespule überträgt. Der Transponder besteht bekanntlich aus einem oder wenigen Siliziumchips, auf denen Temperatursensor und mikromechanischer Drucksensor zusammen mit einem Mikroprozessor und zugehöriger Auswerte- und

Übertragungselektronik integriert ist, sowie wenigen externen Komponenten. Die Kommunikation erfolgt zwischen Transceiver und Transponder in geträgerter digitaler Form, wobei der Transceiver ein

Kommando an den Transponder ausstrahlt, der dieses zum Beispiel durch Durchführung der Messung, Kompensation - und Linearisierung der Meßwerte und Übertragung der Meßdaten und/oder weiterer im Transponder gespeicherter Daten beantwortet.

Sensoren zur Prozeßüberwachung oder Aktoren zur Prozeßoptimierung sind auch aus dem Werkzeugmaschinenbau nicht mehr wegzudenken. Die Meßwertaufnehmer werden vorwiegend dort montiert, wo Sie anschließend auch gut kontaktiert werden können. Dies führt dazu, daß zum Beispiel bei rotierenden Bauteilen, wie einer Spindel, physikalische Eigenschaften auf dem Rotor nur indirekt am Stator gemessen werden können. Drahtlose Übertragungsmethoden sind zwar hinreichend bekannt, jedoch ist die Forderung des Maschinenbaus, daß solche Systeme autark arbeiten müssen. Somit kommt die Energieeinkopplung zusätzlich zur Datenübertragung hinzu, welche vorzugsweise induktiv zu realisieren ist. Bekannte Verfahren, wie zum Beispiel die Nutzung der

Transpondertechnologie kann jedoch nicht einfach adaptiert werden, weil die speziellen Forderungen des Maschinenbaus bei der Entwicklung solcher Systeme nicht ausreichend berücksichtigt sind.

Es treten beispielsweise in Folge von Wirbelstromverlusten und anderer parasitärer Effekte Signalstörungen auf, die die Datenübertragung wesentlich erschweren. Hinzu kommen komplexe Kapazitäts- und Widerstandsveränderungen sowie geometrie- und materialbedingte Induktivitätsschwankungen im Bereich der Datenübertragung.

Zur Vermeidung derartiger Störungen ist aus der DE 196 10 284 eine Antennenspule bekannt, mit wenigstens einer Spulenwindung, bei der eine Seite der Spule mit einer leitenden im wesentlichen den Bereich der Leiterschleife abdeckenden und eine offene Schleife bildenden Abschirmung versehen ist. Dadurch soll der Einfluß elektrischer Störfelder

verringert werden. Durch Überbrückung der Unterbrechung in der Abschirmung durch eine frequenzselektive Schaltung können auch die Einflüsse magnetischer Störfelder unterdrückt werden.

Bei der Auslegung eines induktiv gekoppelten Systems spielen die Materialien in der direkten Umgebung eine wichtige Rolle. Beispielsweise verändert sich der komplexe Widerstand einer Spule in Abhängigkeit von der Frequenz und von den magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Materials. Das angelegte Wechselfeld erzeugt im Material Wirbelstromverluste, die die Leistungseinkopplung auf rotierende Systeme erschweren. Ein wichtiges Merkmal in einem induktiv gekoppelten System ist die Kopplung der Spulen, wobei ein möglichst hoher Kopplungsfaktor erreicht werden sollte. Deshalb gilt, je höher die Güte des Schwingkreises ist, desto kleiner der notwendige Strom in der Sekundärspule, weil die Verluste abnehmen. Für praktische Anwendungen sind Leistungen in der Transponderspule von z. B. 10 mW bei 5 Volt typisch, was allerdings in den Lesespulen einen Strom von 170 mA bedingt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Transpondersystem so zu verändern, daß die Umgebung der Lesespule, insbesondere der Stator, aus einem gut elektrisch leitfähigem Material geringer magnetischer Permeabilität, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt ist und/oder im Bereich der Transponderspule im inneren Umfang des Stators eine Schicht aus einem magnetisch hochpermeablen Material vorgesehen ist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Transpondersystem dadurch gelöst, daß die Umgebung der Lesespule, insbesondere der Stator aus einem gut elektrisch leitfähigen Material geringer magnetischer Permeabilität, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt ist.

Beispielsweise hat ein Stator aus Aluminium im Wesentlichen zwei Wirkungen. Zum einen wird die Induktivität der Transponderspule

verringert. Dies begründet sich durch die Wirbelstromverluste im elektrisch gut leitfähigen Aluminium. Überraschenderweise, entgegen den Erwartungen, sinkt jedoch die Spulenimpedanz und somit die Verlustleistung ebenfalls signifikant ab. Diese Maßnahme erhöht vorteilhaft die Güte der Transponderspule und somit auch die

Leistungsübertragung zwischen der stehenden und der rotierenden Seite. Durch die bessere Güte des Parallelschwingkreises ist die Leistungsaufnahme sowie die Spannungsüberhöhung bei Resonanz wesentlich besser als ohne Aluminiumstator. Bei einer angestrebten festen Leistung der Transponderspule ist somit ein geringerer Strom in der Lesespule notwendig. Die Stromdichte sinkt deshalb, so daß auch die Lesespule vorteilhaft geringere Abmessungen aufweisen kann.

Mit vorteilhaft geringerem Aufwand lassen sich die Spulen fertigen, wenn die Transponderspule und/oder Lesespule als Flachspule ausgebildet ist. Außerdem benötigen derartige Flachspulen wenig Volumen. Sie lassen sich auch nachträglich günstig an bestehenden Maschinen nachrüsten.

Einen vorteilhaft hohen magnetischen Fluß erzielt man, wenn die Lesespule als um einen U-förmigen Kern gewickelte Spule ausgebildet ist. Der Fertigungsaufwand ist gering, da derartige Kerne standardmäßig am Markt verfügbar sind.

Die Anbringung der Spulen ist besonders einfach, wenn die Transponderspule und/oder Lesespule als Flachspule innen und/oder außen auf einem zylindrischen Umfang des Stators und/oder Rotors angeordnet ist.

Eine besonders gute Kopplung zwischen den Spulen läßt sich erzielen, wenn die Transponderspule und/oder Lesespule innen und/oder außen auf einer Stirnseite des Stators und/oder Rotors angeordnet ist. Nachteilig an dieser Einbauweise ist jedoch, daß ein freies Wellenende notwendig

ist. Für diese Montageweise bieten sich als besonders günstig Spulen mit Ferritschalenkern an. Aufgrund des hohen magnetischen Flusses ergibt sich dadurch die vorteilhaft gute Kopplung.

Die Montage von Flachspulen wird wesentlich erleichtert, wenn die Flachspule, vorzugsweise als mit Leitern bedruckte Folie, selbstklebend ausgerüstet ist.

Die überwiegende Zahl rotierender Wellen, an denen gemessen wird, ist aus hochlegierten MnCr-Stahl oder normalen Werkzeugstählen. Die Leistungsübertragung zwischen stehendem und rotierendem Teil läßt sich in einem überraschend hohem Maße dadurch verbessern, daß zwischen der Flachspule und Rotor bzw. Stator eine Schicht eines magnetisch hochpermeablen Material angeordnet ist, vorzugsweise als Folie eines amorphen Metalls oder eines nichtleitenden ferritischen Metalls. Dieser Effekt wird dadurch erklärt, daß der magnetische Fluß durch das Ferrit geleitet wird und dadurch weniger parasitäre Wirbelströme im umgebenden metallischen Material auftreten.

Es reicht bereits aus, wenn die Schicht des hochpermeablen Materials zwischen 0,01 mm und 1 mm dick ist.

Dabei ist von Vorteil, wenn die Lesespule breiter als die Transponderspule ausgebildet ist. Zur Versorgung der Mikrosysteme reicht es meist aus, wenn die Transportspule in axialer Richtung der Spindel beispielsweise 3 mm breit ist und die auf einen ferritischen U-förmigen Kern gewickelte Lesespule beispielsweise insgesamt 20 mm breit ist.

Dadurch, daß die Flachspule als rotationssymmetrische Planarspule ausgebildet ist, vorzugsweise mehrlagig, erreicht man eine vorteilhaft gleichmäßige Energieübertragung. Durch mehrlagige Planarspulen lassen sich die Induktivitäten und Windungszahlen leicht an den Bedarfsfall

anpassen. Die Transponderspule läßt sich so vorteilhaft an die notwendige Versorgungsspannung des Mikrosystems und dem Lastwiderstand anpassen.

Die Anpassung der Transponderspule wird besonders einfach, wenn die Flachspule aus einem Folienband mit im wesentlichen parallelen Leitern gebildet ist, das willkürlich ablängbar ist, wobei die Leiterenden nach einem zu einem Zylinder gebogenem Band sich um einen Leiterabstand versetzt zu einer Spule zusammenfügend kontaktiert sind.

Bei einer Ausgestaltung, bei der die Flachspule in einer Ringnut der Spindel und/oder des Stators angeordnet ist, werden die Spulen vorteilhaft geschützt gelagert und in ihrer axialen Lage fixiert. Sie können sich auch bei Vibrationen nicht verschieben.

Eine geeignete Auswahl des Materials für die Schicht zwischen Spule und ihrer metallischen Umgebung gelingt, wenn die hochpermeable Folie eine Permeabilität aufweist, die höher ist als die einer die Spule umgebenden Werkstoffs der Spindel und/oder des Stators.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Spindel aus Stahl, insbesondere einem CrMn- Stahl, besteht und auf einer Schicht aus amorphem Metall eine, vorzugsweise als rotationssymmetrische Flachspule ausgebildete, Transponderspule angeordnet ist. Diese Kombination hat bei Versuchen die beste Leistungsübertragung ergeben. Der Strom in der Lesespule konnte durch diese Maßnahme auf 1/5 reduziert werden.

Insbesondere bei einer Kombination, bei der der Stator aus Aluminium besteht und auf einer Schicht aus Ferritfolie eine, vorzugsweise als rotationssymmetrische Flachspule ausgebildete, Sendespule angeordnet ist, ergibt sich für das System eine vorteilhaft gute Kopplung.

Diese Kopplung kann in bestimmten Fällen noch verbessert werden, wenn zwischen dem Stator und/oder dem Rotor und der Ferritfolie eine Schicht aus einem elektrisch gut leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, angeordnet ist.

Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, daß die Lesespule auf einem Ferritkern gewickelt ist und eine im inneren Umfang des Stators vorgesehene Schicht aus einem hochpermeablen Material oder aus ferritschem Material im Bereich der Lesespule unterbrochen ausbildet ist.

Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe einer Zeichnung erläutert, wobei gleiche Bezugsziffern funktionsmäßig dieselben Teile kennzeichnen. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

Figuren 1 bis 4: eine Auswahl unterschiedlicher Konfigurationen von

Transponder- und Lesespulen in schematischer Darstellung,

Figur 5 den schematischen Aufbau einer mehrlagigen

Planarspule,

Figur 6 einen Vertikalschnitt durch eine mehrlagige

Planarspule im Bereich der Kontaktierung,

Figur 7 eine alternative Ausführungsform einer mehrlagigen

Planarspule,

Figur 8 eine Aufsicht auf eine Folie zur Herstellung einer

Planarspule,

Figur 9 einen Vertikalschnitt durch eine schematisch dargestellte Transponder-Lesespulenanordnung,

Figur 10 eine alternative Ausführungsform einer Transponder-

Lesespulenpaarung im Horizontalschnitt und

Figur 11 eine Detaildarstellung im Vertikalschnitt gemäß

Schnittlinie Xl-Xl in Figur 10.

In den Figuren 1 bis 4 sind schematisch unterschiedliche Konfigurationen von Lese- und Transponderspulen dargestellt.

In Figur 1 steht eine auf einem schalen- oder E-förmigen Ferritkern 23 gewickelte Lesespule 2 einer rotationssymmetrisch gewickelten Tranponderspule 4 gegenüber. Die Transponderspule ist dabei mit ihrem Leiter 14 als eine auf einem Ringkern 24 mit u-förmigem Querschnitt gewickelten Spulenkörper dargestellt.

Die freien Schenkel 25 des U-Profils stehen dabei dem mittleren und dem äußeren Schenkel 25 des E-förmigen Ferritkerns 23 gegenüber.

In Figur 2 ist eine rotationssymmetrische axiale Variante dargestellt. Die Transponderspule 4 ist dabei auf der Stirnseite 13 des Rotors 11 befestigt, während die Lesespule 2 auf der Stirnseite 12 des Stators 1 koaxial befestigt ist. Die beiden Leiter der Lese- bzw. Transponderspule sind um die mittleren Zapfen der sich gegenüberstehenden Ferritschalenkern 26 gewunden.

Die Anordnung in Fig. 3 entspricht prinzipiell der in Fig. 1 dargestellten Anordnung, wobei der Stator 1 jedoch den Rotor 11 umhüllt und die Lesespule 2 statt eines Schalen- oder E-Ferritkerns 23 einen U-förmigen Ferritkern besitzt, um den der Leiter der Lesespule gewickelt ist. In diesem Fall ist der Leiter um die Basis des U-förmigen Kerns gewunden. Er kann jedoch auch um die beiden freien Schenkel 25 gewickelt sein.

Figur 4 zeigt eine Paarung aus zwei rotationssymmetrischen, sich gegenüberstehenden Spulen, nämlich der Lesespule 2 und der Transponderspule 4. Beide Spulenträger 27 sind als Ringkerne 24 mit U- förmigen Querschnitten ausgebildet, wobei sich jedoch die freien Enden der Schenkel 25 gegenüberstehen.

Statt der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ringkerne lassen sich die dort gezeigten Transponderspulen fertigungstechnisch günstiger in Form von Planarspulen verwirklichen, wie in Figur 5 gezeigt. Jeweils ein Teil des Leiters 14 ist auf eine Folie 15 aufgebracht und ergibt somit einen Teil der Planarpule 19. Die Kontakte 27 sind auf den gegenüberliegenden Fläche der Folie 15 aufgebracht. Die nächste Lage ist mit deckungsgleichen Kontakten ausgerüstet, die sich jedoch auf den jeweils gegenüberliegenden Seite der anderen Lage befinden, so daß bei einem in Deckungbringen ein Kontakt der einen Lage mit dem anderen entsprechenden Kontakt der anderen Lage kontaktiert und die anderen beiden Kontakte für die Außenkontaktierung zur Verfügung stehen. In der einen Lage fließt dann der Strom von außen nach innen und in der anderen Lage entgegengesetzt, wenn der Leiter 14 der Planarspule jeder Ebene spiralförmig ausgebildet ist. Diese Planarspule kann sowohl als Lese-, als auch als Transponderspule Verwendung finden. Wenn sie um die Spindel gelegt ist, bildet sie jedoch keine rotationssymmetrische Spule. Die Übertragung von Energie erfolgt gleichförmiger, je größer der Umfang ist, den die Planarspule im Stator oder auf dem Rotor überstreicht.

In Figur 6 ist als Vertikalschnitt schematisch eine Möglichkeit zur Kontaktierung zweier Lagen von Planarspulen dargestellt. Auf der unteren Lage 28 der Planarspule ist der Kontakt 27 als Kontakthügel 30 ausgebildet, der bei einem Aufeinanderpressen der beiden Lagen 28 und 29 eine gegenüberliegende Öffnung 31 durchsetzt und die Kontaktfläche

32 berührt. Durch geeignete Verfahren können dann Hügel 30 mit Fläche 32 verbunden werden.

Auf diese Weise lassen sich fast beliebig viele Planarspulen übereinander anordnen, wie beispielsweise in Figur 7 gezeigt.

Besonders kostengünstig läßt sich eine Planarspule verwirklichen, bei der auf einer Folie 15, beispielsweise wie in Figur 8 gezeigt, mehrere Leiter 14 nebeneinander angeordnet sind. Die einzelnen Kontakte 27 am Ende 33 sind durch geeignete Leiterführung im Bereich 34 so gegenüber den Leitern 14 im Bereich 35 um einen Leiterabstand versetzt, daß bei einem Umschlingen, beispielsweise des Rotors, die Leiter sich zu einer Wicklung nach einem geeigneten Kontaktieren zusammenfügen. Die Spule weist an ihrem diagonal gegenüberliegenden Enden jeweils ein außen kontaktierendes Wicklungsende 36 auf. Durch entsprechendes Ablängen kann eine derartige Folie auch für unterschiedliche Durchmesser Verwendung finden.

In Figur 9 ist eine Anordnung von Lese- und Transponderspule mittels Planarspulen 19 dargestellt, wie sie der in Figur 4 gezeigten Konfiguration entspricht. Der Stator 1 ist dabei vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitenden Material gefertigt, beispielsweise Aluminium. Zwischen der Lesespule 2 und dem Stator 1 ist eine Schicht 18 vorgesehen, die vorzugsweise aus einem ferritischen Material, insbesondere eine Ferritfolie von 0,2 mm Stärke besteht, wie es unter der Bezeichnung F96 von der Firma Epcos vertrieben wird. Zwischen Folie und Rotor kann noch eine dünne Kupferschicht, z. B. von 0,05 mm Dicke vorgesehen werden. Die Lesespule 2 ist vorzugsweise als rotationssymmetrische Spule gefertigt, die an geeigneter Stelle in bekannter Weise mit dem Schreib- Lese-Gerät verbunden wird. Ihr gegenüber liegt die ebenfalls als rotationssymmetrische Planarspule 19 ausgebildete Transponderspule 4.

Zwischen dieser und dem meist aus einem Werkzeugstahl bestehenden Rotor 11 , meist einer Werkzeugmaschinenspindel 3 also, ist eine Schicht 17 mit 0,025 mm Dicke aus einem hochpermeablen Material, nämlich aus einer amorphen weichmagnetischen Metall bestehend vorgesehen, beispielsweise dem von der Vakuumschmelze Hanau vertriebenen unter der Bezeichnung Vitrovac vertriebenen Material.

Figur 10 zeigt eine Aufsicht auf einen Horizontalschnitt mit einer alternativen Ausführungsform der Lesespule 2, bei der die Spule 8 auf einem U-förmigen Ferritkern 7 gewickelt ist und zwar auf den freien Schenkeln 25 des Kerns 7. Die Lesespule 2 befindet sich dabei in einem Gehäuse 37 aus Aluminium und ist in diesem durch Vergußmasse 38 fixiert. Die Umgebung 5 der Lesespule 2 kann auch von einem anderen üblicher Werkstoff, wie Baustahl gebildet sein. Vorzugsweise ist sie jedoch ebenfalls aus Aluminium. Der innere Umfang 9 des Stators 1 ist von der erwähnten Schicht 18 im Bereich der Lesespule 2 bandförmig ausgekleidet. Das Band ist jedoch im Bereich 39 der Lesespule 2 unterbrochen.

Figur 11 zeigt einen Vertikalschnitt als Detail gemäß Schnittlinie Xl-Xl in Figur 10. Die unterbrochene ferritische Schicht 18 hat zusätzlich an ihrer, dem Stator 1 zugewandten Seite eine gut leitende Schicht 22, beispielsweise aus Kupfer. In einer ringförmigen Nut 21 ist die rotationssymmetrische in axialer Richtung wesentlich schmalere Transponderspule 4 angeordnet. Zwischen der als Planarspule 19 ausgebildeten Transponderspule 4 und dem Rotor 11 ist die bereits erwähnte hochpermeable weichmagnetische Schicht 17 vorgesehen. Die Schicht 17 ist breiter als die axiale Abmessung der Transponderspule 4.

Auf diese Weise lassen sich ausreichende Leistungen für einen Mikrochip und Sensoren mit bekannter Auswerte- und Übertragungselektronik, wie

sie bei heutigen Transpondersystemen üblich sind, besonders kostengünstig verwirklichen. Typische Abmessungen sind dabei für die Transponderspule eine axiale Erstreckung von beispielsweise 6 mm, die zwischen Rotor und Stator vorgesehen Schichten haben eine axiale Erstreckung von beispielsweise 7 mm. Es reicht aus, wenn die ferritische Schicht beispielsweise 0,2 mm und die hochpermeable Schicht 0,025 mm Dicke aufweist. Die Dicke solcher Planarspulen liegt bei ca. 0,1 mm. Solche Spulen werden bei einer Frequenz von etwa 125 kH betrieben.

Bei anderen Frequenzen, die von solchen Transpondersystemen genutzt werden, sind entsprechende Anpassungen vorzunehmen. Auf diese Weise lassen sich Spulenpaarungen darstellen, die eine überraschend hohe Güte auch bei der im Maschinenbau üblichen metallischen Umgebung liefern. Die Transponderspule ist an die Last anzupassen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen reicht eine klein dimensionierte Sendespule aus, um das Mikrosystem auf dem Rotor zu versorgen. Typisch sind Abmessungen der Sendespule von 25 x 25 x 25 mm. Natürlich lassen sich auch mehrere Spulen jeweils in einem System vereinigen.

Die Spulen werden vorzugsweise in Reihenresonanz betrieben, wobei eine besonders gute Energieübertragung zwischen dem stehenden und bewegten Teil möglich ist. Die beschriebenen Maßnahmen bewirken gegenüber Luftspulen eine Verbesserung von mehr als einem Faktor 10.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Stator

2 Lesespule

3 Spindel

4 Transponderspule

5 Umgebung

6 Flachspule

7 Kern, u-förmig

8 Spule

9 Umfang, Stator

10 Umfang, Rotor

11 Rotor

12 Stirnseite, Stator

13 Stirnseite, Rotor

14 Leiter

15 Folie 16

17 amorphe, weichmetallische Metallschicht

18 ferritische, elektrisch nicht leitende Metallschicht 19 Planarspule, rotationssymmetrisch

20 Folienband

21 Ringnut

22 Kupferschicht

23 Ferritkern

24 Ringkern

25 Schenkel

26 Ferritschalen kern 27 Kontakte

28 Untere Lage

29 Obere Lage

30 Kontakthügel

31 Öffnung 32 Kontaktflächen

33 Ende

34 Bereich

35 Bereich

36 Wicklungsende 37 Gehäuse

38 Vergußmasse

39 Bereich