DE60036294T2

DE60036294T2 - Umgossener transponder und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60036294T2
Application number: DE60036294T
Authority: DE
Inventors: Jay Norco YOAKUM
Original assignee: Avid Identification Systems Inc
Current assignee: Avid Identification Systems Inc
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 2000-05-02
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2020-05-03
Also published as: EP1210698A1; AR030526A1; ATE372570T1; DE60036294D1; DK1210698T3; US6441741B1; HK1047493A1; AU773911B2; HK1048552B; US7109868B2; KR20020001885A; BR0010643B1; ES2292442T3; JP2007026454A; CN1280775C; PT1210698E; WO2000070569A1; EP1210698A4; JP4648267B2; BR0010643A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet des Umgießens von elektronischen Bauteilen und Vorrichtungen mit Ferritkernen, Hf-Metallkernen und Hochleistungsprodukt-Magnetkernen, und insbesondere auf Produkte, die durch Umgießen elektronischer Bauteile hergestellt werden, die solche Materialien enthalten. Die Erfindung besitzt spezielle Verwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet von mit dem Umgießungsverfahren hergestellten Bauteilen und Vorrichtungen zur elektronischen Identifikation (EID) oder Hochfrequenzidentifikation (HFID).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ferritkerne, Hf-Metallkerne und Hochleistungsprodukt-Magnete wie Samarium-Cobalt- und Neodym-Eisenbormagneten weisen bestimmte vorteilhafte magnetische und elektrische Feldeigenschaften auf, die sie zur Verwendung in bestimmten Arten von elektronischen Bauteilen und Schaltungen ideal machen. Diese Werkstoffarten sind zerbrechlich; dennoch können die Materialien zu vielerlei Formen gefertigt werden und zeigen unter Druckbelastungen i. A. gute mechanische Eigenschaften. Jedoch sind diese zerbrechlichen Materialien allgemein von schwacher Zugfestigkeit und neigen zum Reißen oder Zerbrechen, wenn sie relativ mäßiger Zugbelastung, Bindelasten oder Schlagbeanspruchung unterliegen. Risse und Brüche in den fabrizierten zerbrechlichen Materialien können die vorteilhaften magnetischen und elektrischen Feldeigenschaften weitgehend herabsetzen und sich negativ auf ihre erwünschten Eigenschaften auswirken. So erfordert die maximale Ausnutzung dieser Arten von zerbrechlichen Materialien Beachtung und Anpassung an ihre einschränkenden physikalischen Eigenschaften.
Eine beispielhafte Anwendung, die vom Gebrauch eines Ferritkerns als Teil eines elektronischen Schaltkreises profitieren kann, ist ein in EID- oder HFID-Systemen verwendeter Transponder-Schaltkreis für elektronische Identifikation („EID") oder Hochfrequenz-Identifikation („HFID"). EID- und HFID-Systeme schließen allgemein einen Signalemitter oder „Leser" ein, der zum Aussenden eines Hochfrequenzsignals im Kilohertz-(kHz-)Frequenzbandbereich oder eines Ultrahochfrequenzsignals im Megahertz-(MHz-)Frequenzbandbereich imstande ist. Das emittierte Signal von dem Leser wird durch einen „Transponder" empfangen, der bei Erfassung oder Empfang des Signals vom Leser auf gewisse Weise aktiviert wird. In EID- und HFID-Systemen erzeugt der Transponder ein Signal oder koppelt induktiv an den Leser, um dem Leser zu erlauben, Identifikationscodes oder Daten aus einem Speicher im Transponder zu erhalten.
Im Allgemeinen schließt der Transponder eines EID- oder HFID-Systems eine Signalverarbeitungsschaltung ein, die an eine Antenne, wie z. B. eine Spule, angefügt ist. Für bestimmte Anwendungen kann die Spule um einen Ferrit-, Hf-Metall- oder Magnetkern gewickelt sein. Die Signalverarbeitungsschaltung kann eine Reihe von unterschiedlichen Funktionsbauteilen einschließen, darunter integrierte Schaltungen, wie auf dem Fachgebiet bekannt, und viele, wenn nicht alle Funktionsbauteile können in einer einzigen integrierten Schaltung hergestellt sein, die das Hauptbauteil der Signalverarbeitungsschaltung von EID- und HFID-Vorrichtungen ist.
Zum Beispiel können bestimmte Arten von „aktiven" HFID-Transpondern eine Leistungsquelle wie eine Batterie einschließen, die ebenfalls an die Leiterplatte und die integrierte Schaltung angefügt sein kann. Die Batterie wird benutzt, um die Signalverarbeitungsschaltung während des Betriebs des Transponders mit Leistung zu versorgen. Andere Arten von Transpondern wie „Halbduplex"-(„HDX"-)Transponder enthalten ein Element zum Empfangen von Energie von dem Leser, wie z. B. eine Spule, und Elemente zum Umwandeln und Speichern der Energie, beispielsweise eine Transformator/Kondensator-Schaltung. In einem HDX-System wird das von dem Leser generierte emittierte Signal periodisch an- und abgeschaltet, wobei es im Aussendungszyklus induktiv an die Spule koppelt, um den Kondensator aufzuladen. Wenn das von dem Leser emittierte Signal aufhört, entlädt der Kondensator zur Schaltung des Transponders, um den Transponder mit Leistung zu versorgen, der dann ein Signal aussenden oder generieren kann, das von dem Leser empfangen wird.
Im Vergleich dazu enthält ein „Vollduplex"-(„FDX"-)System einen Transponder, der i. A. weder eine Batterie noch ein Element zum Speichern von Energie einschließt. Stattdessen wird in einem FDX-Transponder die Energie in dem vom Leser emittierten Feld induktiv in die Antenne oder Spule des Transponders gekoppelt und durch einen Gleichrichter hindurchgeleitet, um Leistung zum Treiben der Signalverarbeitungsschaltung des Transponders zu erhalten und gleichzeitig mit der Aussendung des emittierten Signals von dem Leser eine Antwort an den Leser zu erzeugen.
Insbesondere sind viele unterschiedliche Schaltungsaufbauten für aktive, HDX- und FDX-Transponder auf dem Fachgebiet bekannt und in einer Reihe von erteilten Patenten beschrieben worden, und daher werden sie hierin nicht in größerer Einzelheit beschrieben. Viele der momentan gebräuchlichen EID- und HFID-Transpondertypen weisen besondere Vorteile auf, die sich aus ihrer Eignung zum Einbetten oder Einpflanzen in ein zu kennzeichnendes Objekt auf eine Weise ergeben, wobei sie vor Inaugenscheinnahme oder Entdeckung verborgen sind. Für solche Anwendungen kann der gesamte Transponder vorzugsweise in ein versiegeltes Element eingehüllt sein, beispielsweise um die Implantation in zu kennzeichnende biologische Einheiten zu erlauben oder den Einsatz unter Wasser, in korrosiven oder Missbrauchsumgebungen zu erlauben. Demgemäß offenbaren verschiedene Entgegenhaltungen, darunter die US-Patente 4,262,632; 5,025,550; 5,211,129; 5,223,851; 5,281,855 und 5,482,008 die vollständige Einkapselung der Schaltung verschiedener Transponder in einem Keramik-, Glas- oder Metallbehälter.
Bei einem gekapselten Transponder ist es allgemeine Praxis, die Transponderschaltung zusammenzubauen und die Schaltung dann in den Glas-, Keramik- oder Metallzylinder einzusetzen, dessen eines Ende bereits versiegelt ist. Das offene Ende eines Zylinders des Glastyps wird i. A. unter Verwendung einer Flamme angeschmolzen und verschlossen, um eine hermetisch versiegelte Kapsel zu schaffen. Bei anderen Arten von Glas-, Keramik- oder Metallbehältern wird zum Versiegeln des offenen Endes eine Kappe verwendet, wobei die Kappe auf das offene Ende des Zylinders geklebt oder mechanisch damit verbunden wird, wie beispielsweise im US-Patent 5,482,008 erörtert. Wie weiterhin in dem vorgenannten Patent erörtert, ist ferner die Verwendung einer Epoxidmasse zur Bindung der Schaltung des Transponders an die Innenfläche der Kapsel bekannt, um zu verhindern, dass die Transponderschaltung in der Kapsel herumwandert.
Wie beispielsweise im US-Patent 4,262,632 gezeigt, sind die möglichen Vorteile der Verwendung von EID- und HFID-Vorrichtungen in biologischen Anwendungen, wie z. B. die Identifikation von Vieh, jahrelang erforscht worden. Wie im Patent 4,262,632 erörtert, zeigen Studien, dass ein zur Platzierung im Retikulum eines Wiederkäuers geeigneter EID-„Bolus"-Transponder für unbestimmte Zeit im Retikulum verbleibt, wenn das spezifische Gewicht des Bolustransponders zwei oder mehr ist und/oder das Gesamtgewicht des Bolustransponders 60 g übersteigt. Demgemäß erfordert der Bolustransponder bei solchen Anwendungen i. A. ein Gewichtelement, weil die EID-Schaltung allgemein sehr klein und leichtgewichtig sein kann und lediglich die integrierte Schaltung und Antenne und wenige andere Bauteile erfordert. Es ist daher beispielsweise im Patent 4,262,632 offenbart worden, ein Ferrit-Gewichtelement in eine Umhüllungsmasse mit aufzunehmen, die auch einen EID-Transponder enthält.
Die Gestaltung eines zur Verwendung in einem Wiederkäuer geeigneten Bolustransponders kann ferner von der geeigneten Verwendung eines Magneten oder Ferritkerns profitieren, um die Signalübertragungseigenschaften des Transponders zu verbessern, und dabei auch das notwendige Gewicht bereitstellen, um das spezifische Gewicht des Bolustransponders bei zwei oder mehr zu halten und/oder das Gesamtgewicht des Bolustransponders 60 g übersteigen zu lassen. Damit eine weit verbreitete Akzeptanz und Verwendung der EID-Bolustranspondervorrichtungen für Wiederkäuer erlangt wird, müssen die Vorrichtungen jedoch auch mit einem Verständnis für die körperlichen und wirtschaftlichen Anforderungen der Anwendung bei Vieh gestaltet und hergestellt sein. Während die Eignung in Keramik eingekapselter Bolustransponder für die Retikulum-Umgebung noch erforscht wird, haben die Kosten und fragilen physikalischen Merkmale der Keramik somit einen negativen Einfluss auf deren kommerzielle Akzeptanz. Demzufolge wäre zum Herstellen der Kapsel oder Umhüllung für EID-Transponder, besonders für Bolustransponder, eine Umhüllungsmasse äußerst vorteilhaft, welche die Einschränkungen von Keramik-, Glas- oder Metall-Umhüllungsmassen nicht aufweist.
Die DE 89 09 783 bezieht sich auf ein Identifikationssystem mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung aufgeführten Merkmalen. Dabei ist der Gießtrichter zum Einspritzen von Formmaterial zum Umgießen eines Kerns in der oberen Hälfte der Formeinrüstung nahe am Randteil der Formhöhle angeordnet, so dass der druckbeaufschlagte Werkstoff auf ungleichmäßig verteilte Weise auf dem Kern auftrifft und Zug- sowie Biegelasten auf den Kern ausübt, wodurch Bruchgefahr des Kerns hervorgerufen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrachtet ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umgießen von Elektronik, die Ferrit-, Hf-Metall- und Magnetkern-Materialien und zugehörige Schaltung einschließen kann, beispielsweise die Schaltung für einen EID- oder HFID-Transponder, wobei die Umhüllungsmasse ein Kunststoff, Polymer oder Elastomer oder eine anders spritzgießbare Masse ist, die mit der beabsichtigten Anwendungsumgebung vereinbar ist. Gemäß der Erfindung kann der Einkapselungswerkstoff in einem Spritzgießverfahren angewendet werden, um den Kern und die elektronische Schaltung des Transponders zu umgießen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnitt-Seitenansicht eines Transponders einschließlich eines umgossenen Kerns, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Querschnittansicht des Transponders gemäß 1;
3 veranschaulicht eine Perspektivansicht der für das Umgießungsverfahren verwendeten Formeinrüstung zur Herstellung des Transponders gemäß 1;
4 veranschaulicht eine Querschnittansicht durch die Formeinrüstung gemäß 3 während des Anfangsstadiums der Einspritzung von Formmasse in die Formeinrüstung;
5 veranschaulicht eine zweite Querschnittansicht der Formeinrüstung gemäß 3 und zeigt ein späteres Stadium im Formgebungsprozess;
6 veranschaulicht eine andere Querschnittansicht der Werkzeugausstattung gemäß 3 und zeigt ein weiteres Stadium im Formgebungsprozess;
7 veranschaulicht eine andere Querschnittansicht der Werkzeugausstattung gemäß 3 und zeigt den Formgebungsprozess, wobei Kernzentrierstifte gerade in die Werkzeugausstattung zurückgezogen werden;
8 veranschaulicht eine Seitenansicht einer alternativen Gestaltung für einen Transponder, der noch nicht mit Formmasse beschichtet ist;
9 veranschaulicht die Vorderansicht des Transponders gemäß 8;
10 stellt den in der Formeinrüstung gemäß 3 platzierten Transponder gemäß 8 und 9 während des Spritzgießprozesses in demselben Stadium dar, wie in 6 bildlich dargestellt;
11 stellt ein in der Werkzeugausstattung gemäß 3 platziertes zerbrechliches Kernelement während des Umgießungseinspritzungsprozesses in demselben Stadium dar wie der in 6 bildlich dargestellte Schritt;
12 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines mit einer Umgießungsmasse gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung umgossenen zerbrechlichen Kerns;
13 veranschaulicht eine Perspektivansicht eines durch ein oder mehr Zentrierelemente in einer alternativen Ausführung für die Formeinrüstung positionierten Transponders während des Umgießungsverfahrens;
14 veranschaulicht eine Perspektivansicht eines Zentrierelementes, wie in 13 gezeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 veranschaulicht eine Querschnitt-Seitenansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Transponders 10. 2 veranschaulicht eine Endansicht des Transponders 10 gemäß 1. Der Transponder 10 schließt eine Signalverarbeitungsschaltung wie eine integrierte Schaltung 12 ein, die zusammen mit anderen Schaltungselementen, wie z. B. ein Kondensator 16, auf einer Leiterplatte 14 befestigt ist. Die Signalverarbeitungsschaltung kann ein aktiver, Halbduplex-(HDX-) oder Vollduplex-(FDX-)Transponderschaltkreis sein.
Die integrierte Schaltung 12 und der Kondensator 16 sind an der Leiterplatte 14 befestigt und an einen zu einer Spule 20 geformten Draht 18 elektrisch gekoppelt, und zwar an den Anschlüssen oder Enden 22 und 24 des Drahtes 18. In der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist die Spule 20 um einen Wicklungsträger 26 gewickelt und dann über einem Kern 30 positioniert, wobei die Leiterplatte 14 an einem Ende des Kerns 30 befestigt ist, um eine Transponderbaueinheit 10a zu bilden. Wie nachstehend erörtert, kann die Transponderbaueinheit 10a vorzugsweise in einer Spritzgießmasse 32 eingegossen sein, die eine Kunststoff-, Polymer- oder Epoxidmasse sein kann, um den fertigen Transponder 10 zu bilden.
Die relative axiale Positionsanordnung der Spule 20 um den Kern 30 kann für den optimalen Betrieb des Transponders 10 von Bedeutung sein. Insbesondere schließt der Transponder 10 vorzugsweise eine Kombination aus der abgestimmten Spule 20 und dem Kondensator 16 ein. Im Allgemeinen wird die Abstimmung in einem Transponder durch Anpassen der Länge des die Spule 20 bildenden Drahtes 18 an die Kapazität des Kondensators 16 bewerkstelligt. Wenn der Draht 18 jedoch um den Wicklungsträger 26 gewickelt und über den Kern 30 gelegt werden muss, können die genaue Länge des Drahtes 18 sowie seine Induktanz während der Gestaltung und Herstellung nicht so vorteilhaft gesteuert werden, um eine Anpassung der Induktanz der Spule 20 an die Kapazität des Kondensators 16 zum Abstimmen des Schaltkreises des Transponders 10 zu erlauben. Es sollte begriffen werden, dass die Lese- und Datenübertragungsfähigkeiten des Transponders vermindert sein können, wenn der Transponder nicht richtig abgestimmt ist.
Es wurde jedoch herausgefunden, dass der Transponder 10 durch die richtige axiale Platzierung des Kerns 30 in der Spule 20 selbst ohne Optimieren der Länge des Drahtes 18 abgestimmt werden kann, weil die Induktanz der Spule 20 aufgrund der axialen Anordnung des Ferritkerns 30 wechselt. Für einen gegebenen Satz Entwurfsparameter für eine Kombination aus dem Ferritkern 30 und der Spule 20, darunter Umfang und Länge des Kerns sowie die Länge des Drahtes 18 und die Kapazität des Kondensators 16, kann eine abgestimmte Transponderbaueinheit 10a dadurch hergestellt werden, dass die Spule 20 während des Herstellungsprozesses axial entlang der Längsachse des Ferritkerns 30 verschoben wird, bis ein abgestimmtes Induktor/Kondensator-System erstellt ist, und dann der Wicklungsträger 26 mit der Spule 20 an dem Ferritkern 30 befestigt wird.
Im Anschluss an die Montage der Schaltung der Transponderbaueinheit 10a wird die Transponderbaueinheit 10a zu einer Spritzgießmaschine verbracht. Insbesondere wird die Transponderbaueinheit 10a in der in 3–7 dargestellten Formeinrüstung 40, 42 platziert. 3 veranschaulicht eine Perspektivansicht der Formeinrüstung 40, 42 ohne die darin eingelegte Transponderbaueinheit 10a. Im geschlossenen Zustand begrenzt die Formeinrüstung 40, 42 einen Hohlraum 44, der so bemessen ist, dass er den Transponder 10a in Vorbereitung für das Umgießen mit Kunststoff-, Polymer- oder Epoxid-Spritzgießmasse 32 aufnimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Innenwände der Formeinrüstung 40, 42 zwar zylindrisch dargestellt sind, jedoch auch Oberflächeneigenschaften zur Ausbildung von vielerlei Formen oder Mustern auf der Außenfläche des fertigen Transponders 10 aufweisen können, wie sie für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein mögen. Die möglichen Variationen zur Gestaltung der Außenform des fertigen Transponders können demnach je nach geplanter Verwendung z. B. zylindrisch, kugelförmig, konisch an gegenüberliegenden Enden oder ein abgeflachtes Oval sein, und die Außenwände können glatt, rau oder uneben sein.
Wie in 3 bildlich dargestellt, schließt die Formeinrüstung 40, 42 nach innen vorstehende Stifte 46, 48 ein, die dazu dienen, die Transponderbaueinheit 10a während des Einspritzvorgangs in der Werkzeugausstattung 40, 42 zu positionieren und zu sichern. Die Stifte 46, 48 sind so ausgelegt, dass sie gegen Ende des Einspritzzyklus durch druckabhängige Automatikstifte 50, 52 in die Formeinrüstung 40, 42 zurückgezogen werden. An einem Ende der Formeinrüstung 40, 42 ist ein Gießloch 56, durch das die Spritzgießmasse 32 durch eine Spritzgießmaschine (nicht gezeigt) eingespritzt wird. Wie ferner in der Perspektivansicht gemäß 3 gezeigt, kann die Formeinrüstung 40, 42 Führungsstifte 60 an der Werkzeugausstattung 42 einschließen, die sich mit den Führungsstift-Aufnahmelöchern 62 an der Werkzeugausstattung 40 ausrichten und darin eingreifen, wenn die Formeinrüstung geschlossen wird, um die Ausrichtung der Formeinrüstung 40, 42 während des Einspritzzyklus aufrechtzuerhalten.
4–7 veranschaulichen Querschnittansichten der Formeinrüstung 40, 42 und einer darin positionierten Transponderbaueinheit 10a und stellen das Vorrücken der plastizierten Formmasse 32 während des Spritzgießprozesses der Reihe nach dar. Wie bildlich dargestellt, dienen die Stifte 46, 48 der koaxialen Positionierung und Zentrierung der Transponderbaueinheit 10a in dem Formhohlraum 44. Wenn die erwärmte und plastizierte Formmasse 32 unter Druck durch die Spritzgießmaschine eingespritzt wird, strömt die plastizierte Formmasse 32 durch das Gießloch 56 hinein und stößt am Ende 64 des Kerns 30 an, wie durch den Pfeil 70 gezeigt, und drückt den Kern 30 axial gegen die Stifte 48, die so positioniert sind, dass sie das gegenüberliegende Ende 66 der Transponderbaueinheit 10a berühren.
Die Formmasse 32 fließt dann entlang dem Ende 64 des Ferritkerns 30 radial nach außen, wie in 4 und 5 durch Pfeile 72 bildlich dargestellt. Wenn genügend Formmasse 32 eingespritzt ist, um das Ende des Hohlraums 44 auszufüllen, rückt die vorlaufende Stirnfläche der Formmasse 32 entlang der radial äußeren Fläche 68 der Transponderbaueinheit 10a der Länge nach vor, wie in 6 durch Pfeile 74 gezeigt. Dieser Umgießungseinspritzvorgang unterzieht den Kern 30 nur Druckbelastungen und unterzieht den Kern 30 zu keiner Zeit während des gesamten Einspritzzyklus einer Zugbelastung. Demzufolge wird der Kern 30 durch das Umgießungseinspritzverfahren der vorliegenden Erfindung nicht in einer Weise beschädigt, die die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften des Kerns vermindern würde.
Wenn der Formhohlraum 44 vollständig mit der plastizierten Formmasse 32 gefüllt ist, steigt der Innendruck in dem Hohlraum 44 an. Die Stifte 46, 48, die die Transponderbaueinheit 10a innerhalb des Hohlraums 44 positionieren, sind mit Stiftrückziehern 50, 52 verbunden, die druckempfindlich sind. Wenn der Druck im Formhohlraum eine vorbestimmte Höhe erreicht, ziehen sich die Stifte 46, 48 in die Formhohlraumwand zurück, wie durch Pfeile 76, 78 gezeigt, und der von den Stiften 46, 48 geräumte Raum wird durch die Formmasse 32 ausgefüllt, wie in 7 gezeigt. Da die Formmasse 32 den Transponder 10 jedoch bereits eingehüllt hat, hält die Formmasse 32 den Transponder 10 während des Abbinde- oder Härtungsstadiums des Einspritz-Umgießungszyklus an seinem Platz. Nach Abschluss des Umgießungsvorgangs wird die Formeinrüstung 40, 42 geöffnet und der fertige Transponder 10 entformt.
8 und 9 veranschaulichen eine Seitenansicht bzw. eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform eines Transponders 80, der den Kern 30 des Transponders 10 gemäß 1 nicht enthält. Stattdessen ist bei dem Transponder 80 der die Spule 20 bildende Draht 18 um die Leiterplatte 14 gewickelt, auf der die integrierte Schaltung 12 und der Kondensator 16 montiert sind. Die Spule 20 ist über Leitungen 22 und 24 an die Leiterplatte 14 und die integrierte Schaltung 12 darauf angeschlossen, i. A. wie oben im Hinblick auf 1 erörtert. Der Transponder 80 gemäß 8 und 9 ist i. A. viel kleiner als die Baueinheit gemäß 1, weil er insbesondere nicht den Kern 30 und das mit der Verwendung des Kerns 30 verbundene Mehrgewicht und die damit verbundene Größe einschließt, wie in 1 veranschaulicht. Der Transponder 80 gemäß 8 und 9 kann jedoch auch in einem ähnlichen Verfahren umgossen werden, wie es im Hinblick auf 4–7 beschrieben ist.
Zur kurzen Darstellung dieses Verfahrens ist der Transponder 80 innerhalb der zusammengesetzten Formeinrüstung bildlich dargestellt, wie in 10 gezeigt, die mit der oben im Hinblick auf 3–7 erörterten Formeinrüstung 40 und 42 vergleichbar ist. In der Darstellung gemäß 10 ist die Einspritzung der plastizierten Formmasse 32 bis zu weitgehend demselben Stadium fortgeschritten, wie in 6 gezeigt, nämlich dass die vorlaufende Stirnfläche der Formmasse 32 der Länge nach an der Außenfläche des Transponders 80 vorrückt und die Stifte 46 und 48 den Transponder 80 mittig in der Formeinrüstung 40, 42 positionieren. Wieder kann die äußere Gestaltung der resultierenden umgossenen Transponderbaueinheit 60 von jeder gewünschten Gestalt sein, die nur durch die Formbarkeit des Formteils beschränkt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der Transponder 80 vor dem Umgießungsprozess in Glas eingehüllt werden kann; die Glaskapsel ist jedoch nicht gezeigt.
11 stellt eine andere Anwendung für das Umgießungsverfahren dar, in dem ein zerbrechlicher Kern 110 in der Formeinrüstung 40 und 42 gemäß 3 platziert wird und während des Umgießungsprozesses durch Stifte 46 und 48 positioniert wird. Der Umgießungsprozess läuft i. A. auf dieselbe Art und Weise ab, wie oben im Hinblick auf 4–7 erörtert. 11 stellt demnach das allgemein 6 entsprechende Stadium dar, worin die vorlaufende Stirnfläche der plastizierten Formmasse 32 der Länge nach entlang der äußeren Radialfläche des zerbrechlichen Kerns 110 vorrückt. Im Anschluss an die Beendigung des Umgießungsprozesses wird der eingekapselte zerbrechliche Kern 110 aus der Formeinrüstung entformt. Die fertige Baueinheit 100, wie in der Querschnittansicht gemäß 12 gezeigt, ist ein in eine Umgießungsmasse 112 eingehüllter zerbrechlicher Kern 110. In dieser Ausführungsform kann der zerbrechliche Kern aus Ferrit, Hf-Metallen oder Hochleistungsprodukt-Magneten wie Samarium-Cobalt und Nedodym-Eisenbormaterialien geformt sein.
13 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines Transponders in einer alternativen Ausführung für die Formeinrüstung, der während des Umgießungsprozesses durch ein oder mehr Zentrierelemente 120 darin positioniert ist, um den Transponder wie den gemäß 1 herzustellen. Die Zentrierelemente 120 sind mit einem Mittelteil ausgeführt, wie z. B. eine Hülse 122, das so ausgeführt ist, dass es um den Kern 30 passt. Die Zentrierelemente 120 können auch radial nach außen vorstehende Finnen oder Stifte 124 einschließen, die den Transponder während des Umgießungsprozesses in der Werkzeugausstattung zentrieren und dadurch die Notwendigkeit der oben dargestellten und beschriebenen einziehbaren Stifte beseitigen.
Das Umgießungsverfahren der vorliegenden Erfindung kapselt den zerbrechlichen Kern 110 in einen Schutzmantel ein, der die Benutzung der zerbrechlichen Kernmaterialien in Anwendungen erlaubt, die die zerbrechliche physikalische Eigenschaft solcher Materialien ansonsten nicht erlauben würde. Zum Beispiel könnten mit dem Umgießungsverfahren in eine relativ dünne Beschichtung aus Kunststoff oder polymeren Materialien eingehüllte Samarium-Cobalt- und Neodym-Eisenbormagnete in Objekten verwendet werden, die Schlag-, Stoß- oder Schwingbeanspruchung ausgesetzt sind, was ansonsten zu Reißen, Brechen oder anderem physikalischem und magnetischem Abbau des Magnetkerns führen würde.
14 veranschaulicht eine Perspektivansicht des Zentrierelementes 120 und zeigt die Hülse 122 und die radial vorstehenden Finnen oder Stifte 124. Das Zentrierelement 120 kann aus Kunststoff oder derselben Art Material geformt sein, wie es zum Umgießen des Transponders verwendet wird. Es wird auch ins Auge gefasst, dass das Zentrierelement einfach ein Teil des Wicklungsträgers 26 gemäß 1 oder mit diesem verbunden sein kann, wobei die Stifte 124 sich einfach von einem Ende oder beiden Enden des Wicklungsträgers weg radial nach außen erstrecken.
Der zum Umgießen der Transponderbaueinheit 10a, des Transponders 60 oder zerbrechlichen Kerns 110 ausgewählte Werkstoff hängt z. T. von der spezifischen Anwendung für das fertiggestellte Bauteil ab. Für das Spritzgießen solcher Bauteile stehen verschiedene Arten von thermoplastischen Werkstoffen zur Verfügung. So, wie es hier verwendet wird, ist thermoplastisch breit auszulegen und schließt beispielsweise Linearpolymere und geradkettige oder verzweigte Makromoleküle ein, die weich werden oder plastizieren, wenn sie Wärme ausgesetzt werden, und in einen gehärteten Zustand zurückkehren, wenn sie auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Der Begriff Polymer ist so breit zu verstehen, dass jede Art von Polymer wie statistische Polymere, Blockpolymere und Pfropfpolymere eingeschlossen sind.
Eine große Anzahl von thermoplastischen polymeren Werkstoffen werden beim Umgießen von Transpondern und zerbrechlichen Kernen der vorliegenden Erfindung als nützlich betrachtet. Die thermoplastischen Werkstoffe können allein oder in Blends verwendet werden. Zu geeigneten thermoplastischen Werkstoffen zählen kautschukmodifizierte Polyolefine, Metallocen, Polyetherester-Blockcopolymere, Polyetheramid-Blockcopolymere, Urethane auf Thermoplastbasis, Copolymere von Ethylen mit Buten und Maleinsäureanhydrid, hydriertes Maleinsäureanhydrid, Polyesterpolycaprolacton, Polyesterpolyadipat, Polytetramethylenglykolether, thermoplastisches Elastomer, Polypropylen, Vinyl, chlorierter Polyether, Polybutylenterephthalat, Poylmethylpenten, Silikon, Polyvinylchlorid, thermoplastisches Polyurethan, Polycarbonat, Polyurethan, Polyamid, Polybutylen, Polyethylen und Blends davon, sie sind aber nicht darauf beschränkt.
Zu bevorzugten thermoplastischen Werkstoffen zählen kautschukmodifizierte Polyolefine, Metallocene, Polyetheramid-Blockcopolymere und Polyetherester-Blockcopolymere. Bevorzugte kautschukmodifizierte Polyolefine sind im Handel unter den Markennamen VISTAFLEX^TM von der Firma Advanced Elastomer Systems Corporation, KRATON^TM von der Shell Corporation, HIFAX^TM von der Montell Corporation, X1019-28^TM von M. A. Hanna, SARLINK^TM von der DSM Corporation und SANTOPRENE^TM von der Advanced Elastomer Systems Corporation erhältlich. Bevorzugte Metallocene sind von der Dow Corporation unter den Markennamen ENGAGE^TM und AFFINITY^TM erhältlich. Bevorzugte Polyetheramid-Blockcopolymere sind unter dem Markennamen PEBAX^TM von EIG Auto-Chem erhältlich. Bevorzugte Polyetherester-Blockcopolymere sind im Handel unter dem Markennamen HYTREL^TM von DuPont erhältlich.
Die thermoplastischen umgossenen Umhüllungen der vorliegenden Erfindung können auch einen geeigneten Füllstoff oder Gewichtungsstoff einschließen, um die Eigenschaften der fertig bearbeiteten Umhüllung und/oder des Transponders einzustellen. Zum Beispiel kann das spezifische Gewicht oder die Dichte der umgossenen Umhüllung durch das Hinzufügen eines geeigneten Werkstoffs wie Bariumsulfat, Zinkoxid, Calciumcarbonat, Titandioxid, Ruß, Kaolin, Magnesiumaluminiumsilikat, Silika, Eisenoxid, Glaskugeln und Wollastonit eingestellt werden. Der Füllstoff oder Gewichtungsstoff kann in einer Menge enthalten sein, die das spezifische Gewicht der umgossenen Umhüllung und den resultierenden Transponder einstellt. Somit kann der Gewichtungsstoff in einem Bereich von ca. 5 Gew.-% bis ca. 70 Gew.-% zugefügt werden. Zusätzlich kann die Umgießungsmasse für die Umhüllungen der vorliegenden Erfindung auch einen geeigneten Plastikator oder andere Zusatzstoffe einschließen, um die Verarbeitbarkeit und physikalischen Eigenschaften wie Fließverhalten und Entformbarkeit der Umgießungsmasse zu verbessern. Der Plastikator kann in einer Menge enthalten sein, die das Fließverhalten während des Spritzgießprozesses so einstellt, wie es für verschiedene Anwendungen notwendig ist.
Vornehmlich weist das Material in seinem plastizierten Zustand für den Einspritzvorgang bei vielen der vorstehenden Arten von Spritzgießmaterialien eine niedrige Viskosität auf, besonders bei denjenigen, deren Dichte durch die Zufügung eines Verdichters erhöht wird. Demgemäß erfordert das Spritzgießen solcher Materialien hohe Einspritzdrücke, die wiederum dazu führen, dass während des Einspritzvorgangs hohe Spannungskräfte auf die Kernmaterialien ausgeübt werden. Aus diesen Gründen wird die Minimierung oder Eliminierung aller anderen Belastungen außer der Druckbelastung auf die zerbrechlichen Kerne während des Einspritzvorgangs in hohem Maße bevorzugt.
Die umgossene Umhüllung der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise eine Wandstärke von zwischen ca. 0,0254 cm (0.010'') bis über 2,54 cm (1'') auf; für die meisten Anwendungen wird die Wandstärke jedoch vorzugsweise weniger als 1,27 cm (0,5'') betragen. Abhängig von der gewünschten Außenform der fertigen Baueinheit und der Form des Kerns kann die Wandstärke der Umhüllung einheitlich sein oder kann an verschiedenen Stellen um den Kern herum erheblich variieren.
Bei einem zur Verwendung in Wiederkäuern gedachten Bolustransponder 10 ist es notwendig, dass die umgossene Umhüllungsmasse spezifische physikalische Eigenschaften aufweist. So muss die umgossene Umhüllungsmasse in der Lage sein, der sauren Umgebung im Verdauungstrakt eines Wiederkäuers standzuhalten; sie muss undurchdringbar für die Mikroben und Enzyme sein, die im Verdauungstrakt des Wiederkäuers aktiv sind, und sie sollte vorzugsweise bestimmte physikalische Eigenschaften aufweisen, um einen leichten Versand und einfache Handhabung des Bolustransponders 10 vor der Verabreichung an den Wiederkäuer zu erlauben. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass der Bolustransponder 10 ein spezifisches Gewicht von mindestens 1,7 und vorzugsweise mindestens 2 hat. Daher ist es allgemein wünschenswert, ein Gewichtungsmaterial zu verwenden, um die Schüttdichte oder das spezifische Gewicht der Umgießungsmasse zu erhöhen, so dass das Umgießungsmaterial ein spezifisches Gewicht aufweist, das die Einhaltung des spezifischen Gewichtes des hergestellten Bolustransponders 10 in dem gewünschten Bereich unterstützt.
Für einen Bolustransponder 10 ist daher bestimmt worden, dass eine bevorzugte Kombination eines von der Firma DuPont unter dem Markennamen HYTREL 3078^TM vertriebenen thermoplastischen Polyesterelastomers kombiniert mit Bariumsulfat als Verdichter eine akzeptable Kombination zur Verwendung als Umgießungsmasse für einen Bolus bereitstellt und in geeigneten Verhältnissen eine Spritzgießmasse mit einem spezifischen Gewicht im Bereich von zwischen 1,7 und 2 liefert.
Zur Bereitstellung eines spezifischen Beispiels kann eine akzeptable Umgießungsmasse aus einem Blend von HYTREL 3078^TM oder einem ähnlichen thermoplastischen Polyesterelastomer (TPE) gemischt mit Bariumsulfat in einem Verhältnis von zwischen ca. 20 bis 90% TPE und 80% bis 10% Bariumsulfat hergestellt werden. Dieser Blend liefert eine geeignete Umgießungsmasse zum Formen der Umhüllung für den Bolustransponder 10. Gereinigtes USP-Standard-Bariumsulfat oder Barytfeingut werden als Verdichtungsmittel bevorzugt, weil diese Materialien bereits mit einem Carnaubawachs und einem Medikament gemischt wurden, um Boli für Wiederkäuer zu bilden, wie z. B. in dem an die Firma American Cyanamid Company erteilten US-Patent 5,322,692 beschrieben.
Die Vorteile des vorstehenden Verfahrens zur Verwendung bei der Herstellung von Boli haben sich als bedeutend herausgestellt. Als Erstes hat die Beseitigung der Notwendigkeit der Keramikkapsel zu einer beträchtlichen Verringerung der Materialkosten geführt, verglichen mit den Kosten zur Herstellung eines Keramikkapselbolus. Des Weiteren haben die Fabrikationskosten, d. h. die Kosten zur Herstellung des Bolus separat und extra von den Bestandteilkosten, aufgrund der Effizienz und Automation in Verbindung mit dem Spritzgießprozess wesentlich abgenommen. Demgemäß kann die Gesamtkostenersparnis gegenüber den äquivalenten Kosten zur Herstellung eines in ein Keramikmaterial eingehüllten Bolustransponders 50% übersteigen. Während die in Keramik eingehüllten Boli sich als relativ fragil herausgestellt haben, so dass sie beschädigt werden können, wenn sie fallen gelassen werden oder sogar auf dem Versand aneinanderklappern, haben die mit dem thermoplastischen Polyesterelastomer (TPE) mit Bariumsulfat-Umgießungsmasse eingehüllten Boli physikalische Merkmale demonstriert, die diese Probleme beseitigt haben. Des Weiteren kann der Bolustransponder 10 der vorliegenden Erfindung mit ganz wenig Verpackungsmaterial lose gepackt werden, weil Erschütterungen auf dem Versand bei den einzelnen Boli keinen Bruch verursachen. Schließlich liefert die TPE-Bariumsulfat- Kombination die geforderten physikalischen Merkmale zur Verwendung im Magen eines Wiederkäuers. Der Blend wird durch die sauren Bedingungen nicht beeinflusst, ist neutral gegenüber der biologischen Fauna, Mikroben und Enzymen und weist ein bevorzugtes spezifisches Gewicht auf, um die Retention im Magen eines Wiederkäuers aufrechtzuerhalten.
Für den Transponder 80 gemäß 8–10, der für Implantationsanwendungen gedacht ist, kann die Verwendung eines Epoxids der medizinischen Güteklasse 6 vorzuziehen sein. Alternativ kann der Transponder 80 mit bekannten Verfahren in ein Glasmaterial eingehüllt und dann mit dem Kunststoff oder den hierin erörterten polymeren Materialien umgossen werden, um erhöhte Festigkeit, Schlagzähigkeit und Härte bereitzustellen, Eigenschaften, die den in Glas eingehüllten Transpondern fehlen.
Fachleute auf diesem Gebiet werden bei Durchsicht der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung anerkennen, dass andere Alternativen und Variationen der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden. Demgemäß soll der Umfang des gewährten Schutzes nur durch die angehängten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Umgossener Transponder (10; 80) für ein elektronisches Identifikationssystem, wobei der umgossene Transponder (10; 80) umfasst: – eine Antenne (20); – einen Hochfrequenz-Identifikationstransponder-Schaltkreis (12) einschließlich einer Signalverarbeitungsschaltung, die elektrisch mit der Antenne (20) verbunden ist; – ein Kernelement (30; 14; 110), an dem die Antenne (20) und der Transponderschaltkreis (12) befestigt sind; und – eine umgossene Umhüllungsmasse (32), die den Transponderschaltkreis (12) und das Kernelement (30; 14; 110) umhüllt, wobei die Umhüllungsmasse (32) der umgossenen Umhüllung durch Spritzgießen über den Transponderschaltkreis (12) und das Kernelement (30; 14; 110) in einem Hohlraum (44) hergestellt ist, der durch Formeinrüstung in einer Spritzgießmaschine geformt ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder-Schaltkreis (12) an einem Ende (66) des Kernelementes (30; 14; 110) befestigt ist, das dem Ende (64) gegenüberliegt, auf dem die Umhüllungsmasse (32) beim Einspritzen in den Hohlraum (44) in druckbeaufschlagtem und plastiziertem Zustand auftrifft, so dass die Umhüllungsmasse (32) den Hohlraum (44) von unten her füllt und dann der Länge nach entlang der Außenfläche des Kernelementes (30; 14; 110) fließt, um das Kernelement (30; 14; 110) axial zusammenzudrücken und dadurch Druckbelastungen und im Wesentlichen keine Zug- und Biegelasten auf das Kernelement (30; 14; 110), den Transponderschaltkreis (12) und die Antenne (20) auszuüben.
Umgossener Transponder (10; 80) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend ein aus einem zerbrechlichen Material geformtes zylindrisches Kernelement (30; 14; 110); und die umgossene Umhüllung, die durch Platzieren des Kernelementes (30; 14; 110) in einem durch Formeinrüstung in einer Spritzgießmaschine geformten Hohlraum (44) und Einspritzen einer Umhüllungsmasse (32) in den Hohlraum (44) geformt ist, um das zerbrechliche Material des zylindrischen Kernelementes (30; 14; 110) zu umhüllen, ohne das zerbrechliche Material einer Zugbelastung auszusetzen.
Verfahren zum Formen eines umgossenen Transponders (10; 80) für ein elektronisches Identifikationssystem, umfassend: – Bereitstellen eines Transponderschaltkreises (12) einschließlich einer Signalverarbeitungsschaltung, die elektrisch mit einer Antenne (20) verbunden ist; – Befestigen der Antenne (20) und des Transponderschaltkreises (12) auf einem Kernelement (30; 14; 110), um eine Baueinheit zu bilden; und – Platzieren der Baueinheit einschließlich des Transponderschaltkreises (12) und des Kernelementes (30; 14; 110) in einem Hohlraum (44), der durch Formeinrüstung in einer Spritzgießmaschine geformt ist und Einspritzen einer Umhüllungsmasse (32) in den Hohlraum (44), um das Kernelement (30; 14; 110) und den Transponderschaltkreis (12) zu umgießen und einzuhüllen; dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse (32) von unten her derart in den Hohlraum (44) eingespritzt wird, dass sie den Hohlraum (44) durch Aufsteigen der Länge nach bis zur Oberfläche des Kernelementes (30; 14; 110) ausfüllt und so das Kernelement (30; 14; 110) und den Transponderschaltkreis (12) zu umgießen und zu umhüllen, ohne Zug- und Biegelasten auf das Kernelement (30; 14; 110) auszuüben.
Umgossener Transponder (10; 80) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zum Beschichten der elektronischen Bauelemente geeignete Umhüllungsmasse (32) ein mit Bariumsulfat gemischtes thermoplastisches Polyesterelastomer (TPE) ist.
Umgossener Transponder (10; 80) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zum Beschichten des Kerns und der elektronischen Bauelemente geeignete Umhüllungsmasse (32) ein thermoplastisches Material ausgewählt aus einem oder mehr der Gruppe bestehend aus kautschukmodifizierten Polyolefinen, Metallocen, Polyetherester-Blockcopolymeren, Polyetheramid-Blockcopolymeren, Urethanen auf Thermoplastbasis, Copolymeren von Ethylen mit Buten und Maleinsäureanhydrid, hydriertem Maleinsäureanhydrid, Polyesterpolycaprolacton, Polyesterpolyadipat, Polytetramethylenglykolether, thermoplastischem Elastomer, Polypropylen, Vinyl, chloriertem Polyether, Polymethylpenten, Silikon, Polyvinylchlorid, thermoplastischem Polyurethan, Polycarbonat, Polyurethan, Polyamid und einen Gewichtungsstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bariumsulfat, Zinkoxid, Calciumcarbonat, Titandioxid, Ruß, Kaolin, Magnesiumaluminiumsilikat, Silika, Eisenoxid, Glaskugeln und Wollastonit umfasst.
Transponder gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Umhüllungsmasse (32) ein Blend eines thermoplastischen Polyesterelastomers (TPE) gemischt mit Bariumsulfat in einem Verhältnis von zwischen ca. 20% bis 90% TPE und 80% bis 10% Bariumsulfat ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Umhüllungsmasse (32) ein thermoplastisches Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Linearpolymeren und geradkettigen und verzweigten Makromolekülen ist, die aufweichen oder plastizieren, wenn sie Wärme ausgesetzt werden und in einen gehärteten Zustand zurückkehren, wenn sie abgekühlt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Umhüllungsmasse (32) ein thermoplastisches Material ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus kautschukmodifizierten Polyolefinen, Metallocen, Polyetherester-Blockcopolymeren, Polyetheramid-Blockcopolymeren, Urethanen auf Thermoplastbasis, Copolymeren von Ethylen mit Buten und Maleinsäureanhydrid, hydriertem Maleinsäureanhydrid, Polyesterpolycaprolacton, Polyesterpolyadipat, Polytetramethylenglykolether, thermoplastischem Elastomer, Polypropylen, Vinyl, chloriertem Polyether, Polymethylpenten, Silikon, Polyvinylchlorid, thermoplastischem Polyurethan, Polycarbonat, Polyurethan, Polyamid, Polyeutylen, Polyethylen und Blends davon.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Umhüllungsmasse (32) einen Gewichtungsstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bariumsulfat, Zinkoxid, Calciumcarbonat, Titandioxid, Ruß, Kaolin, Magnesiumaluminiumsilikat, Silika, Eisenoxid, Glaskugeln und Wollastonit einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Gewichtungsstoff in einer Menge von zwischen ca. 5 Gew.-% bis ca. 70 Gew.-% enthalten ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Umhüllungsmasse (32) ein thermoplastisches Polyesterelastomer (TPE) gemischt mit Bariumsulfat in einem Verhältnis von zwischen ca. 20 bis 90% TPE und 80% bis 10% Bariumsulfat ist, um eine relative Dichte im Bereich von ca. 1,7 bis 2 aufzuweisen.