Rf令牌和接纳器系统与方法

专利名称：Rf令牌和接纳器系统与方法
技术领域：
本发明一般涉及电子数据载体系统。具体而言，本发明涉及用于电子数据载体及 其接纳器的装置和方法。更具体地，本发明涉及用于一种电子数据载体系统的装置和方法， 该电子数据载体系统包括电气/电子令牌装置和令牌接纳器，该系统具有安排和配置在令 牌装置的万能钥匙型尖端上的射频(“RF”)或电磁耦合构件、以及安排和配置在令牌接纳 器上的电路板上或可操作地耦合至该电路板的相应的收发器天线构件。本发明还涉及电子 数据载体的改进的安全性和RF耗散以及减少的RF泄漏。
背景技术：
电子令牌数据载体系统已经用于许多应用，而且已证实为便携式信息方案的源。 例如，电子令牌系统已经用于数据记录应用，其中便携式电气/电子令牌装置存储用户和 /或其它信息以便向远程站传输数据或从该远程站传输数据；门禁应用，其中便携式令牌 装置存储要由门禁程序或系统验证的信息；非现金售卖或现金令牌应用，其中便携式电气 /电子令牌装置存储一值(例如现金值或信用数等)，该值例如在购买商品之后被减少，而 且可重新充值；以及安保应用，其中便携式电气/电子令牌装置存储个人识别信息，该个人 识别信息仅当该电气/电子令牌装置被其所有者或授权人员使用时才有效。现有技术的电子令牌数据载体系统包括在1988年6月21日授权的题为“接纳 器装置(RECEPTACLE DEVICE) ”的美国专利4，752，679、1987年4月21日授权的题为“用 于类似于电子匙的装置的接纳器设计(RECEPTACLE DESIGN FOR USE WITH ELECTRONIC KEY-LIKEDEVICE) ”的美国专利4，659，915,1985年6月11日授权的题为“电子标签接纳器 和读取器(ELECTRONIC TAG RECEPTACLE AND READER) ” 的美国专利 4，522，456、1986 年 10 月28日授权的题为“用于类似于电子匙的装置的接纳器设计(RECEPTACLE DESIGN FOR USE WITHELECTRONIC KEY-LIKE DEVICE) ” 的美国专利 4，620, 088、1994 年 4 月 5 日授权的题为 “电气信息匙(ELECTRICAL INFORMATION KEY) ”的美国设计专利 D345, 686 ；1986 年 3 月 25 日授权的题为“便携式电子信息装置及其制造方法(PORTABLE ELECTRONIC INFORMATION DEVICESAND METHOD OF MANUFACTURE) ” 的美国专利 4，578，573、1985 年 10 月 22 日授权的 题为“用于电子匙和接纳器组合的定向引导装置(ORIENTATION⑶IDE ARRANGEMENT FOR ELECTRONIC KEY ANDRECEPTACLE COMBINATION) ” 的美国专利 4，549，076、1984 年 3 月 13 日授权的题为“电子匙(ELECTRONIC KEY) ”的美国专利4，436，993、1991年12月17日授 权的题为“通过选择性熔丝连接来编码电气识别装置的装置(APPARATUS FOR ENCODING ELECTRICAL IDENTIFI CAT IONDEVICES BY MEANS OF SELECTIVELY FUSIBLE LINKS) ” 的美国专禾Ij 5，073，703、1987年9月15日授权的题为“识别标签(IDENTIFICATIONTAG) ”的美 国设计专利D291，897、1982年4月20日授权的题为“具有接纳器的微电子存储匙及其系 统(MICROELECTRONIC MEMORY KEYffITH RECEPTACLE AND SYSTEMS THEREFOR) ” 的美国专 利4，326，125、以及1981年10月27日授权的题为“具有接纳器的微电子存储匙及其系统 (MICROELECTRONIC MEMORY KEY WITH RECEPTACLE ANDSYSTEMS THEREFOR) ” 的美国专利 4，297，569中公开的电气/电子令牌装置和电气令牌接纳器的多个实施例，以上专利均转 让给本发明的受让人数据匙电子有限公司(Datakey Electronics, Inc)，而且以上专利均 通过引用整体结合于此。上述电子令牌系统公开了电气/电子令牌装置和接纳器。一般而言，通过使用便 携式令牌装置来激活电路或电气操作系统，该便携式令牌装置被插入接纳器等，以与外部 电路或电气操作系统建立电接触或连接。一般通过在令牌被完全插入接纳器之后旋转令牌 装置而建立这样的电气接触或连接，藉此接纳器的多个弹簧触销与令牌装置的触点适配。 接纳器中的电路径或引线/迹线将弹簧触销连接至接纳器的接口。该接口从令牌装置向外 部电路或电气操作系统传送电气信号。已经认识到的是，不仅因为机械接触，而且因为令牌装置的触点暴露于外部环境 而未受保护，所以令牌装置和接纳器的触点遭受磨损和破损。因此，期望获得非接触式电子 令牌系统。之前通过引用结合于此的美国专利7，158，008介绍了 RF令牌数据载体系统。典 型的RF可重新编程存储器(“RFRM”)在125KHz(LF)和13. 56MHz (HF)的非特许频段中工 作。其它可用的频率包括800-900MHz (UHF)和2. 4GHz。RFRM可被读取的距离已知为读取范围。除其工作频率之外，RFRM的读取范围还取 决于诸如天线的物理性质、读取器的功率以及诸如空气、水或电介质之类的损耗性材料在 RF传输路径中引起的干扰之类的许多因素。典型的最大读取范围包括LF——(1)英尺； HF-三(3)英尺；以及UHF-二十(20)英尺。然而，推荐的读取范围比以上列举的最大值小得多。诸如政府组织所使用那些产品之类的安全通信产品可用于加密它们所传输的信 息。这些安全通信可包括无线电、电信或数据通信。用于保护那些通信的设备本身也是一 个安全隐忧，因为如果它们落入其它人员之手，它们可用于监视甚至欺骗合法用户。同样， 一个普遍的要求是这些通信设备具有可移动的数据载体，该数据载体一旦去除就使设备无 用。如果数据载体和与之适配的设备被保持物理分离，则安全隐患可能最小或没有。在这 些情况下使用RFRM的好处可包括RFRM可用于非常多次的适配循环而不会磨损，它可以相 对小，而且可以使接纳RFRM装置的接纳器基本不受环境因素(例如雨、盐、雾、灰尘、冲击、 振动等)影响。然而，因为RFRM “发射”它们的信息，所以该发射会被敌方“嗅探”或以其它方式 截取。如果敌方记录这些发射，则它们可能设计能克隆数据载体的RFRM的电路系统，且可 用于攻克应当由RFRM提供的安全措施。这种情形类似于车库开门器具有“滚动码”来防止 坏人通过嗅探发射并克隆开门器(发射器)而进入车库的原因。防止嗅探会非常有好处的 其它示例性应用包括但不限于使用RFRM来携带现金值(例如非现金售卖)、对电子系统或 工厂的门禁控制、以及加密点火钥匙或CIK。
本文中所描述的多个实施例对美国专利7，158，008中描述的RF令牌数据载体系 统和其它RF电子令牌数据载体系统和概念进行了改进。本领域中存在对用于解决敏感安 全情形下的RFRM应用的实用方案的需要。本领域中存在对用于解决RFRM应用中的截取发 射和检测RF无论什么的存在(例如泄漏个人位置)的问题的实用方案的需求，尤其是对用 于电子数据载体和接纳器的装置和方法的需求。本领域中还存在对具有增强安全性和减少 的RF发射泄漏的坚固的电子令牌数据载体系统的需求。

发明内容
本发明的多个实施例提供对上述问题的解决方案等。在一个实施例 中，本发明涉 及一种用于与设备进行数据交换的电子令牌系统。该电子令牌系统包括令牌接纳器和与该 令牌接纳器适配的便携式令牌。该接纳器可操作地连接至该设备，并具有插入开口和RF收 发器天线。该便携式令牌包括RF数据交换电路、具有近端和远端的用于包封RF数据交换 电路的外壳、以及毗邻该令牌的远端放置并与RF数据交换电路连通的磁耦合构件。该天线 安装在从外壳的旋转轴向外延伸的平面凸部中。键槽设置在令牌接纳器中，用于接纳和引 导便携式令牌插入。该键槽被配置成在其中磁耦合构件未可操作地耦合至令牌接收器的 RF收发器天线的插入位置中接纳令牌，且一旦令牌转动，就将令牌引导至其中磁耦合构件 可操作地耦合至RF收发器天线的激活位置。在另一实施例中，本发明涉及一种用于与设备进行数据交换的电子令牌系统。该 电子令牌系统包括令牌接纳器和与该令牌接纳器适配的便携式令牌。该接纳器可操作地连 接至该设备，并具有插入开口和RF收发器天线。该便携式令牌包括RF数据交换电路、具有 近端和远端的用于包封RF数据交换电路的外壳、以及毗邻该令牌的远端放置并与RF数据 交换电路连通的磁耦合构件。该便携式令牌还包括从令牌的杆部径向延伸的至少一个阶形 变细(stepped down)表面。在另一个实施例中，本发明涉及一种用于与设备进行数据交换的电子令牌系统。 该电子令牌系统包括令牌接纳器和与该令牌接纳器适配的便携式令牌。该接纳器可操作地 连接至该设备，并具有插入开口和RF收发器天线。该便携式令牌包括RF数据交换电路、具 有近端和远端的用于包封RF数据交换电路的外壳、以及毗邻该令牌的远端放置并与RF数 据交换电路连通的磁耦合构件。该电子令牌系统还包括屏蔽件，该屏蔽件基本包围磁耦合 构件和收发器天线，并在令牌插入令牌接纳器中时引导包围RF收发器天线和接收天线的 磁场。虽然公开了多个实施例，但根据示出和描述了本发明的说明性实施例的以下详细 描述，本发明的其它实施例对于本领域技术人员将变得显而易见。如将认识到的那样，本发 明能够在多个明显的方面进行修改，这些修改都没有背离本发明的精神和范围。因此，附图 和详细描述旨在被认为本质上是说明性而非限制性的。附图简述虽然说明书附有权利要求，且这些权利要求具体指出和清楚要求保护被认为构成 本发明的主题，但认为根据结合附图的以下描述将能更好地理解本发明，在附图中

图1是非接触式电子令牌数据载体系统的现有技术实施例的立体图。图2是非接触式电子令牌数据载体系统的现有技术实施例的框图。
图3A是其中令牌装置插入令牌接纳器并设置成非激活状态的接触式电子令牌数据载体系统的现有技术实施例的示意性端部视图。图3B是其中令牌装置插入令牌接纳器并设置成激活状态的接触式电子令牌数据 载体系统的现有技术实施例的示意性端部视图。图4是示出键槽轴向的RF发射场线的非接触式电子令牌数据载体系统的现有技 术实施例的概念性侧视图。图5是根据本发明的一个实施例的万能钥匙型RFRM电子令牌的侧视图。图6是根据本发明的一个实施例的在令牌接纳器中的万能钥匙型RFRM电子令牌 的远端的立体截面图。图7是示出RF发射场线不在键槽轴向的根据本发明的一个实施例的令牌接纳器 的截面俯视图。图8是根据本发明的一个实施例的万能钥匙型RFRM电子令牌和令牌接纳器的分 解立体图。图9是根据本发明的一个实施例的阶形万能钥匙型RFRM电子令牌的侧视图。图10是根据本发明的一个实施例的阶形万能钥匙型RFRM电子令牌的前视图。图11是根据本发明的一个实施例的阶形令牌接纳器的立体图和侧视图。图12是根据本发明的一个实施例的具有杆部干扰环的万能钥匙型RFRM电子令牌 的侧视图。图13是示出图12的杆部干扰环的示例性、概念性作用的曲线图。图14是示出磁场线的收发器线圈和接收器线圈的概念性侧视图。图15是根据本发明的一个实施例的收发器天线构件、磁耦合构件以及保持器的 侧视图。图16是根据本发明的另一个实施例的收发器天线构件、磁耦合构件以及保持器 的侧视图。图17是根据本发明的又一个实施例的收发器天线构件、磁耦合构件以及保持器 的截面图。图18是根据本发明的一个实施例的收发器天线构件、磁耦合构件以及磁屏蔽的 截面图、俯视图。图19是图18的实施例的前视图和侧视图。图20是示出图18的实施例的变型的收发器天线构件和磁耦合构件的侧视图。详细描述 本发明一般涉及电子数据载体系统，更具体地涉及用于电子数据载体及其接纳器 的装置和方法。更具体地，本发明涉及用于一种电子数据载体系统的装置和方法，该电子数 据载体系统包括电气/电子令牌装置和令牌接收器，该系统具有安排和配置在令牌装置的 万能钥匙型尖端上的射频(“RF”)或电磁耦合构件、以及安排和配置在令牌接收器上的电 路板上或可操作地耦合至该电路板的相应的收发器天线构件。本发明还涉及电子数据载体 系统的安全性和RF耗散的改进以及RF泄漏的减少。 本发明提供具有电气/电子令牌装置和智能令牌接纳器的电子令牌数据载体系 统的多个实施例，其中在令牌装置插入令牌接纳器并移至预定激活位置之后，该系统能执行令牌装置与令牌接纳器之间的交易。本发明的多个实施例可用于许多应用，例如就安全通信产品而言，可用于加密可 能传送的政府通信/信息。如果数据载体和与之适配的设备被保持物理分离，则安全隐患 可能最小或没有。可使用本发明的多个实施例的其它示例性应用包括但不限于将RFRM用 于数据记录应用以向远程站传输数据或从远程站传输数据、用于对电子系统或对工厂的门 禁控制、用于携带现金值(例如非现金售卖)、以及用于加密点火钥匙或CIK。在数据记录操作中，系统从令牌读取信息或向令牌写入信息，而用户经由令牌接纳器向远程站传输数据或从远程站传输数据。在门禁控制操作中，系统确定该令牌是否是 准许或允许的令牌之一。如果是这样，则系统输出诸如用户专用一段时间之类的逻辑命令。 这种应用可用于锁或门等。在非现金售卖操作中，系统在令牌上存储金额值(例如现金值 或信用数等)，并在每次售卖操作之后减少令牌上的该值。一旦现金、信用等用光，可将附加 的现金、信用等以相似的操作重新充到该令牌上。在非现金售卖操作期间，用户和/或系统 还可激活分配器、打开控制、并激活控制一段时间。可以理解，本公开的电子令牌系统不受限于术语“令牌”或其定义。本发明的系统 也可成为电子锁或锁定系统、数据记录系统、非现金售卖系统、数据减值系统、数据访问控 制系统、CIK系统等。图1示出示例性现有技术RFRM电子匙系统40。系统40包括电气/电子令牌装置 42和令牌接纳器44。令牌接纳器44包括具有被配置并设置成接纳令牌42的槽或开口 48 的外壳46。开口 48具有内端50和外端52。如图2所示，令牌接纳器44还包括电路54。 电路54被配置和设置成安装在外壳46中。电路54包括电气迹线或路径、处理器(例如合 适的CPU)、以及至少一个嵌入应用程序、可寻址I/O线、和/或可用于与令牌装置42进行数 据交换的通信总线/接口。CPU、可寻址I/O线以及电气迹线或路径可以是电气和计算机领 域已知的任何合适的CPU、可寻址I/O线和/或通信总线/接口、以及电导线。至少一个嵌 入应用程序可以是电气和计算机领域已知的诸如读取器/写入器模块等等之类的任何类 型的用户应用程序。令牌接纳器44还包括收发器天线构件56。收发器天线构件56设置在 外壳46中靠近开口 48的内端50处。在某些实施例中，令牌接纳器44可包括用于连接外部操作系统60的接口 58。如 图2所示，接口 58设置在外壳46中。在替代实施例中，接口 58可设置在外壳46之外，并 经由导线、电线或其他等效装置电连接至接纳器44的电路54。接口 58可提供诸如RS-232、RS-485等等之类标准的接口协议、至少一个输入/ 输出线以及电源/接地。应当理解的是，接口 58可提供诸如无线通信、MDB(多点总线)、 USB(通用串行总线)之类的其它类型的接口协议。通过使用标准RS-232接口协议，系统 显著地加速集成周期并消除了芯片级接口互连，这是优于早先系统的优点之一。这便于向 新电子令牌数据载体系统技术和应用的转移以及先进存储器安全算法的处理。通过使用标 准RS-485接口协议，系统不仅提供上述优点，而且还提供利用相对便宜的双绞电缆的串链 联网和长程通信(利用中继器长达Ikm或更高)。通过使用RS-485接口协议，在多个接纳 器系统/配置的情况下，系统还允许各个接纳器具有唯一的可编程ID，并提供对至少一个 远程可寻址的逻辑级输出的访问。非接触式令牌装置42包括具有远端66和近端68的不导电外壳64 (其也可认为和称为令牌42的“主体”)。令牌42被配置和设置成插入钥匙接纳器44的开口 48中。令牌42包括设置在外壳64中且由其支承的电路70。电路70可与诸如上述美国专利No. 4，752，679 和4，578，573之类的现有技术专利中公开的接触型电子令牌系统中的电路相同地配置，上 述专利之前通过引用结合于本文中。例如，非接触或接触型令牌可包括非易失性可重新编 程存储器。该令牌42可包括设置在外壳64中靠近外壳64的远端66的磁耦合构件72。应 当理解的是，耦合构件72可位于相对于令牌42的任何合适的地方。在使用时，令牌42被完 全插入接纳器44的开口 48中，藉此令牌42的远端66设置在开口 48的内端50处或其附 近。如图3A所示，磁耦合构件72靠近收发器天线构件56设置。一旦插入，磁耦合构件72 的磁场74就正交于收发器天线构件56的磁场76。磁场74与磁场76之间无能量的耦合。 一旦将令牌42旋转诸如九十(90)度的某个量而到达令牌和插入令牌的令牌接纳器的键槽 所预定的位置，则磁耦合构件72的磁场74与收发器天线构件56的磁场76彼此基本对齐 并完全耦合，如图3B所示。因此在收发器天线构件56中产生形成通信路径的RF信号，以 允许令牌42的电路70与接纳器44的电路54之间的交易。 图4概念性地示出了当令牌装置42被接纳在令牌接纳器44中、而且令牌42与接 纳器44彼此处于RF接通时来自收发器天线构件56的RF场线。当接收RFRM的天线与近 场相交时，其自己的多个交迭回路允许磁场能量被“收获”，并转变成在其中传输并对RFRM 供电的电流。如图4所示，RF场线的一部分与键槽开口 48轴向对齐。这样，现有技术的电 子令牌系统可具有显著的RF发射泄漏，这会进一步导致与“嗅探”和克隆相关联的问题。
“引导”能量通过磁电路的概念用于减少近场模式中的传播。磁场从磁体的北极 流出到空间中，并返回磁体的南极。磁场在磁体附近的空间中出现(在此情况下为回路天 线)，在该处能检测到可归因于磁体的能量变化。发射天线中的多个回路通过与来自其它回 路的场组合而产生强的近场磁场，从而将磁场集中在线圈的中心。当源自良好缠绕的天线 时，这样的场类似于条形磁体——在线圈的中心内强烈且均勻——因为该场从线圈的北极 流向空间并返回线圈的南极。当接收RFRM的天线与近场相交时，其自己的多个交迭回路允 许磁场能量被“收获”，并转变成在其中传输并用于对RFRM供电的电流。存在多种方法来影响这种传输机制。对于磁场从其中传播的任何给定材料，它都 会被该材料衰减。该材料的磁导率描述磁场传播通过该材料的容易程度——材料的磁导率 性质来自在材料中建立磁通量所需的场强。磁场透过材料的穿透深度由1/ V频率*磁导 率给出。因此，对于给定的材料，信号频率越高，磁通量穿过特定材料的穿透深度越低。铁 是磁能的优秀“导体”(相比于空气)，而且通常用于将磁场线“限制”在变压器中。本发明的多个实施例提供用于电子数据载体系统和RF电子令牌系统和概念的新 颖和有优势的特征和改进。新颖和有优势的特征包括有关和解决RF传输泄漏和抑制、“嗅 探”以及伪造的问题的特征，其中每一个在诸如数据记录、门禁控制、非现金售卖、CIK等等 之类的区域中都是有用的。附加特征包括但不限于万能钥匙型令牌、阶形变细令牌和接纳 器、干扰环、频率失谐、用于引导、通导或屏蔽磁场的保持器及其变体以及介电材料的特定 用途。以下进一步描述这些特征。万能钥匙型令牌——在本发明的一个实施例中，如图5和6所示，一种电子令牌数 据载体系统包括RFRM令牌装置102和相应的令牌接纳器120。令牌102被配置和设置成插 入令牌接纳器120的开口中。
便携式RFRM令牌装置102可配置成类似于万能钥匙的形状，具有头部104、杆部106、以及径向延伸或从杆部106的旋转轴向外延伸的接纳器尖端108。该令牌102可包括 具有远端112和近端114的坚固的不导电外壳。该令牌102包括设置在该外壳中并受其支 承的RF数据交换电路。该电路可包括非易失性的可重新编程存储器，而且可位于令牌102 中的任何位置，诸如但不限于在头部104或杆部106的区域中。该令牌102可包括设置在 外壳108的远端112处的接纳器尖端108中的磁耦合构件118。令牌接纳器120可包括具有被配置并设置成接纳万能钥匙型令牌102的槽或键槽 116的外壳122。该键槽116具有远端和近端。该令牌接纳器120可包括配置并设置成安 装在外壳122中的电路。与现有技术实施例相同，电路54可包括电气迹线或路径、处理器 (例如合适的CPU)、以及至少一个嵌入应用程序、可寻址I/O线、和/或可用于与令牌装置 102进行数据交换的通信总线/接口。CPU、可寻址I/O线以及电气迹线或路径可以是电气 和计算机领域已知的任何合适的CPU、可寻址I/O线和/或通信总线/接口、以及电导线。 至少一个嵌入应用程序可以是电气和计算机领域已知的诸如读取器/写入器模块等等之 类的任何类型的用户应用程序。令牌接纳器120还包括收发器天线构件124。收发器天线 构件124设置在外壳122中靠近键槽116的远端处。在使用时，万能钥匙型令牌102被完全插入接纳器120的键槽116中，藉此令牌 102的远端112设置在键槽116的远端处或其附近。如图6中的虚线所示，一旦插入令牌 102，接收器尖端108和磁耦合构件118被设置成相对远离令牌接纳器120的收发器天线构 件124。在本文中，这可以称为“插入”位置。磁耦合构件118的磁场基本正交于收发器天 线构件124的磁场126 (图7)或与其不平行对齐。在令牌102与接纳器120的磁场之间基 本没有能量耦合。一旦该令牌102被转动诸如几乎九十(90)度的一定量至由令牌102和令牌102 插入其中的令牌接纳器120的键槽所预定的位置，则接收器尖端108和磁耦合构件118被 设置得靠近收发器天线构件124，从而使磁耦合构件118与收发器天线构件124之间的空气 间隙最小，并使磁耦合构件118的磁场与收发器天线构件124基本对齐。在本文中，这可以 称为“激活”位置。磁耦合构件118和收发器天线构件124良好耦合，从而在收发器天线构 件124中产生形成通信路径的RF信号，以实现令牌102的电路与接纳器120的电路之间的 交易。在某些实施例中，当转动令牌而且磁耦合构件118和收发器天线构件124处于激活 位置时，用户将感受到触觉或听到声学反馈。此外，如图7所示，当耦合时，磁耦合构件118和收发器天线构件124的磁场基本 被包含在接纳器120的侧室128中。RF发射难以转直角弯。因为磁耦合构件118和收发器 天线构件124的磁场基本被包含在侧室128中，所以提供了对杂散RF能量约束的增强。如 根据图7可见，RF场线未与键槽116轴向对齐。因此，其中安装了接纳器120的面板外部 的令牌装置不能与收发器天线构件124 “交谈”。此外，由于当磁耦合构件118与收发器天 线构件124耦合时RF发射泄漏最小，因此“嗅探”和克隆装置将更难以提取/读取磁耦合 构件118与收发器天线构件124之间的RF发射。这些优点防止授权钥匙的“意外”或“偶 然”激活、防止不符合接纳器机械调准的那些钥匙即未经授权的钥匙变得有效或引起错误 触发、以及防止与“嗅探”和克隆有关的问题。图8示出万能钥匙型电子令牌数据载体系统的一个实施例的分解立体图。如图所见，收发器天线构件124和接纳器120的电路可定位在印刷电路板132上。如上所述，印刷电路板132可定位成一旦插入接纳器120的令牌102旋转，就使收发器天线构件124与令 牌102的磁耦合构件118机械耦合。该电子令牌系统还可包括RF屏蔽、防止水和灰尘侵入 的垫圈134，用于增强对RF发射泄漏和水以及灰尘渗入的进一步防护。此外，令牌102的 外壳可模塑以提供增强的强度、耐久度以及坚固性。令牌102的电路和磁耦合构件118被 封装在外壳内，并不暴露给外部环境。因此，本发明的多个实施例的令牌检测和通信在令牌 102的电气部件/电子电路与令牌接纳器120的电部件/电子电路之间无物理接触的情况 下进行。这显著减少了令牌102和接纳器120上的磨损。另一优点是，非接触式系统允许 电气部件/电子电路被密封以对抗诸如电镀腐蚀之类的腐蚀或诸如盐气/雾或化学品之类 的其它恶劣环境等。阶形变细令牌——如上所述，RF发射难以转直角弯。因此，如图9和10所示的 电子令牌140的另一实施例可包括阶形变细的杆部142。虽然与上述万能钥匙型令牌相结 合示出，但阶形变细的杆部可在任何RFRM令牌装置的情况下使用，诸如但不限于美国专利 7，158，008中公开的令牌。利用合适的RF反射材料或涂层制作的阶形变细的杆部142可 通过将令牌杆部142的尺寸的直径从令牌头部144向令牌尖端146逐渐“阶形变细”而产 生RF反射。虽然示出具有三个(3)阶形变细，但阶形变细的杆部142可包括任何合适数量 的阶形变细，包括一个(1)或多个阶形变细。每一个的阶形变细的径向距离不需要一致；沿 杆部142的任何阶形变细相比沿杆部142的另一阶形变细而言可具有更大或更小的径向距 离。同样，阶形变细之间的轴向距离不需要相等；两个⑵阶形变细之间的轴向距离相比任 何其它两个(2)阶形变细之间的轴向距离而言更长或更短。此外，具有圆形截面的杆部是 示例性的，而且认识到具有诸如正方形或矩形之类的任何截面形状的杆部也可以合适地阶 形变细。图11示出用于接纳阶形变细的令牌140的合适的令牌接纳器148。如前所述，虽然 与上述万能钥匙型令牌接纳器相结合示出，但阶形变细的接纳器可在任何合适的RFRM令 牌装置的情况下使用，诸如但不限于美国专利7，158，008中公开的令牌的阶形变细方式。 如图所见，令牌接纳器148的内键槽149相应地“阶形变细”。因为RF发射难以转直角弯， 所以RF场与键槽149对齐的任何部分能被阶形变细的令牌140的阶形变细壁逐渐削减，从 而增强对杂散RF能量的约束。干扰环——在本发明的另一实施例中，可使用破坏性干扰模式来减少RF发射泄 漏。这可通过产生与从令牌接纳器的远端泄漏至令牌接纳器的近端的RF发射异相的RF反 射来实现，诸如但不限于45度异相、90度异相、180度异相等，从而利用反射波至少部分地 消除泄漏的RF场。在图12中所示的电子令牌装置150的一个实施例中，这样的破坏性干扰模式可由 干扰“环” 152引起的反射产生，这些干扰“环”在沿令牌杆部154基本均勻的分数波长增量 处间隔开。在某些实施例中，该分数波长增量可以是RF发射波长的二分之一(1/2)、RF发 射波长的三分之一(1/3)、RF发射波长的四分之一(1/4)、或RF发射波长的任何其它合适 的分数。在其它实施例中，如图12所示，干扰环152不需要均勻地间隔开。沿令牌杆部154 的任何两个(2)干扰环152之间的距离可以是RF发射波长的任何分数，而且可以与沿令牌 杆部154的任意其它两个(2)干扰环152之间的距离相同或不同。同样，各个干扰环152的宽度可以与沿令牌杆部154的任何其它干扰环152的宽度相同或不同。虽然示出具有四 个(4)干扰环152，但令牌杆部154可包括任何合适数量的干扰环152，包括一个(1)或多 个干扰环152。干扰环152的材料或表面层可选择成在涉及RF发射的频率下为反射性质。 如上所述，虽然与上述万能钥匙型令牌接纳器相结合示出，但干扰环可在任何合适的RFRM 令牌装置的情况下使用，诸如但不限于美国专利7，158，008中公开的令牌装置。在特定实施例中，可使用方程《=λ/χ将干扰环152之间的距离确定为RF载波波长的因数，其中d是两个干扰环152之间的轴向距离，η是标识两个干扰环152之间的间 隔的位置的整数，其中该整数随着干扰环152之间的间隔向令牌杆部154的远端移动而增 大，λ是从收发器天线发出的RF发射的波长，以及χ是整数。图13是概念性地示出由图12中所示的令牌150的令牌杆部154的干扰环152引 起的破坏性干扰。如图所示，可显著减少辐射穿过键槽并离开令牌接纳器的开口的RF能量。频率失谐——在其它实施例中，提供了一种在RFRM令牌装置插入令牌接纳器时将 RFRM令牌装置从默认工作频率失谐或“拉”至令牌接纳器的收发器天线构件工作的中心频 率的方法。在诸如例如使用UHF的系统之类的某些系统中，将线圈天线设置在金属附近将 能抑制磁场在线圈周围的流动。这会导致线圈天线的效率降低且通常会导致其中心频率的 实质重调谐。通常，设计工程师了解这个问题，而且将作出适当的设计选择，以使邻近金属 的影响被消除或减轻。然而，如果故意向电子令牌数据载体系统引入该性质，则该性质可用 于加强安全性。在一个实施例中，RFRM令牌装置的磁耦合构件可被配置成在默认工作频率下工 作，诸如例如135kHz。该磁耦合构件可在任何合适的默认工作频率下工作。当令牌装置在 具有金属元件的令牌接纳器外部时，该磁耦合构件将一般在默认工作频率下工作。该令牌 接纳器可设置有金属元件。该金属元件可定位在令牌接纳器之内、之上或附近的任何合适 的位置，而且该金属元件的位置可基于所需的指定失谐量来选择。该金属元件可包括诸如 铁或铁氧体之类任何合适的金属，而且可基于所需的指定失谐量来选择。具有该金属元件 的令牌接纳器的收发器天线构件将一般在不同于令牌装置的默认工作频率的中心频率下 工作，诸如例如125kHz。一旦将令牌装置插入令牌接纳器，则RFRM令牌装置的磁耦合构件可被配置成被 金属元件从默认工作频率“拉”至RF收发器天线构件的中心频率，从而加强磁耦合构件与 收发器天线构件之间的磁耦合。这种配置的一个效果是具有处于键槽中或键槽附近的典型 天线的任何其它行业标准的RFRM会被拉至偏离频率，而且不会足够高效地耦合以对收发 器天线构件供电或与该收发器天线构件通信。此外，在插入令牌接纳器时将RFRM令牌装置 的频率“拉”至不同的频率将使某些人更难“嗅探”令牌装置与令牌接纳器之间的通信。例 如，如果令牌被偷，或者对不受欢迎的一方可用，则该方可能试图克隆该令牌。然而，克隆的 令牌将在错误的假定下制造，即令牌在被接收到令牌接纳器中时会保持在例如135kHz下 工作。同样，如果不受欢迎的一方“嗅探”到在令牌与令牌接纳器通信时来自令牌接纳器的 RF发射，则该嗅探者将接收例如125kHz的发射。如果嗅探者然后设计工作于125kHz的伪 造令牌，则该令牌在插入令牌接纳器时被拉出令牌接纳器的工作频率，从而避免了接纳器 的收发器天线构件与令牌的磁耦合构件之间的通信。
保持器一图14概念性地示出了令牌接纳器的收发器天线构件160与电子令牌 装置的磁耦合构件162之间的磁场线。如图可见，因为在收发器天线构件160与磁耦合构 件162之间的空间中存在空气或另一低磁导率的材料，所以磁场的部分未被磁耦合构件 162 (即接收线圈)所俘获。因此，使用较高的发射功率来解决低效问题，从而导致可检测到 的RF发射的概率更高。如上所述，通过将磁耦合构件162设置成非常接近收发器天线构件 160，万能钥匙型令牌能帮助减少可检测RF发射的泄漏。然而，在某些实施例中，如图15和16所示，可使用诸如但不限于铁氧体之类的高 磁导率材料来将磁力或磁场的显著更多部分从收发器天线构件160引导或通导至磁耦合 构件162。通过取得基本直接接触或有效的零空气间隙，磁场的绝大部分将通过RFRM令牌 装置与令牌接纳器的收发器天线之间的磁导率“桥”被通导，从而有效地使所需发射功率量 最小化并有效地使磁场的外散发最少。实现该通导作用的物理装置有时称为“保持器”。如图15所示，在一个实施例中，保持器164可定位在令牌接纳器中，以使保持器 164在收发器天线构件160与磁耦合构件162之间延伸，并延伸通过收发器天线构件160 与磁耦合构件162的线圈中心。如图15中概念性地所示，磁场线被收发器天线构件160与 磁耦合构件162之间的保持器164引导，从而可显著控制可检测的RF发射。在某些实施例 中，保持器164可定位在令牌接纳器 中或与之集成。令牌装置可被配置成使令牌接纳器的 保持器164能被磁耦合构件162内的令牌装置接纳。然而，还认识到，令牌装置可包括保持 器164，而且令牌接纳器可被配置成接纳收发器天线构件160中的保持器164。如图16所示，在替代实施例中，保持器164可定位在令牌接纳器中，以使保持器 164在收发器天线构件160与磁耦合构件162之间延伸，并延伸通过收发器天线构件160 的线圈中心。然而，保持器164可以不延伸通过令牌装置的磁耦合构件162的线圈。仅仅 为了说明起见，图16还示出了令牌接纳器166的外壳。虽然这样的实施例在引导收发器天 线构件160与磁耦合构件162之间的磁场线方面不像图15的实施例那些高效，但仍能实现 磁场线的实质通导。因此，也能基本控制可检测的RF发射。如上所述，在某些实施例中，保 持器164可定位在令牌接纳器中或与之集成。然而，还认识到令牌装置可包括保持器164。 此外，可实现并可使用具有保持器的电子令牌数据载体系统的其它合适配置。例如，保持器 164可从收发器天线构件160延伸至任何距离直至磁耦合构件162或穿过磁耦合构件162， 诸如穿过磁耦合构件162的线圈一半长度。图17示出用于通导收发器天线构件172与磁耦合构件174之间的磁场的保持器 170的变型。如图17所示，诸如但不限于由铁氧体构成的保持器之类的高磁导保持器可从 令牌接纳器176的收发器天线构件172延伸穿过令牌接纳器176，并离开万能钥匙型令牌 装置178的磁耦合构件174。保持器170可围绕令牌杆部基本同心地延伸穿过令牌接纳器 176。如从图17中概念性地可见，收发器天线构件172与磁耦合构件174之间的磁场线180 可在令牌杆部180周围被通导穿过保持器170，且到达令牌接纳尖端182的底侧并返回收发 器天线构件172。保持器170可基本位于令牌接纳器176的远端处。如图17中进一步所 示，一旦插入万能钥匙型令牌178，具有磁耦合构件174的接纳尖端182 (以虚线示出)将 远离收发器天线构件172。然而，一旦将令牌178转至激活位置，则令牌装置178的接收尖 端182 (以实线示出)和磁耦合构件174将靠近令牌接纳器176的收发器天线构件172。因 此，在收发器天线构件172与磁耦合构件174之间的通信期间，同样使可检测RF发射显著最小化。屏蔽RFRM——图18_20示出引导收发器天线构件与磁耦合构件之间的磁场的另 外的实施例。如图18和19所示，电子令牌装置190可包括磁耦合构件192。磁耦合构件 192可包括中心延伸构件196周围的线圈194。磁耦合构件192还可包括圆周延伸构件198， 以及定位在中心延伸构件196与圆周延伸构件198之间的其它低磁导率材料。令牌接纳器 210可包括具有与令牌190的磁耦合构件192基本相同的构造的收发器天线构件212。艮口， 收发器天线构件212可包括中心延伸构件216周围的线圈214。收发器天线构件212还可 包括圆周延伸构件218，以及定位在中心延伸构件216与圆周延伸构件218之间的空气间隙 220或其它低磁导率材料。一旦将令牌190插入令牌接纳器210中，令牌190的中心延伸构件196将变得靠 近令牌接纳器210的收发器天线构件212的中心延伸构件196，而令牌190的圆周延伸构件 198将变得靠近令牌接纳器210的圆周延伸构件218，从而引导收发器天线构件212与磁耦 合构件192之间的磁场线222穿过中心延伸构件196和216与圆周延伸构件198和218，如 图18中概念性地示出的那样，从而使可检测到的RF发射显著最小化。在某些实施例中，在收发器天线构件212与磁耦合构件192之间可能存在空气间 隙或其它低磁导率材料。然而，在其它实施例中，一旦将令牌190插入令牌接纳器210，磁 耦合构件192可基本靠近收发器天线构件212，从而收发器天线构件212与磁耦合构件192 之间的间隙被消除或显著减小。
虽然示出了具有圆形截面的杆部的令牌的电子令牌数据载体系统，但认识到该令 牌可具有任何其它合适形状的截面，诸如但不限于方形或矩形。图20示出另一实施例，其 中令牌和令牌接纳器包括适配元件或互锁元件230，以便令牌190在令牌接纳器210中的对 齐和/或固位的加强。还认识到，用于磁耦合构件和收发器天线构件的其它配置将实现相 同结果，而且也在本发明的精神和范围内。其它实施例还可包括微开关、霍尔效应开关、令牌上的触点、或用于检测令牌190 何时插入令牌接纳器210的其它检测系统和方法。然后可将收发器天线构件212配置成仅 在插入和检测令牌190时通电。介电材料选择和安排——可选择令牌和接纳器材料以获得RF吸收、介电性质、防 水性、强度和坚固度和/或接受导电涂层能力的提高。所使用的材料可基于用户所需的令 牌和接纳器的实施例以及规范。电介质是阻止通过电流的材料。无源RFRM从收发器的磁场收集电力，从而它们固 定至其上的材料会显著影响它们的性能。塑料具有变化的介电性质，而且可利用诸如碳之 类的添加剂来控制。如果将收发器天线放置成与电介质直接接触，则即使具有对入射RF透 明的性质的电介质都会使RFRM的性能降级(至多种程度)。这是因为电荷在通过电介质材 料时减少，而且波速改变。这类似于光入射到水中时的“弯曲”作用。这种折射/吸收部件 可用于散射或降低RF发射的任何远场作用的强度。因此，对令牌和令牌接纳器的材料的选 择和安排可用于减少RF发射的泄漏。在某些实施例中，令牌或令牌接纳器可包括按照预定 设置的一种以上材料或电介质。每当RF发射从一种材料通过至下一种材料时，该RF发射 会被折射或吸收，从而逐渐减弱可检测到的RF发射。例如，诸如图12中所示的令牌的杆部 上的干扰环可包括具有不同磁导性质的两种电介质。即，干扰环可被均勻或不均勻地分成耦合到一起以形成单个干扰环的两个独立的电介质，如图12中的虚线所示。根据上述原理的令牌和接纳器系统可包含上述部件的组合。例如，该令牌可包括所讨论的阶形变细的杆部和保持器或干扰环和一个或多个屏蔽装置。所选择的多种组合将 取决于所需的安全程度和所使用的RF频率。虽然已参照各优选实施例对本发明进行描述，但本领域的技术人员将认识到可作 形式或细节上的改变而不背离本发明的精神和范围。例如，上述本发明的多个实施例中的 每一个可单独使用或与其它实施例中的一个或多个组合使用，以进一步减少RF发射泄漏 并制止“嗅探”和克隆。
权利要求
一种用于与设备进行数据交换的电子令牌系统，包括可操作地连接至所述设备的令牌接纳器，所述接纳器具有插入开口和RF收发器天线；用于与所述接纳器适配的便携式令牌，包括RF数据交换电路；具有近端和远端的用于包封所述RF数据交换电路的外壳；具有大致平面天线的磁耦合构件，所述磁耦合构件毗邻所述令牌的远端放置并与所述RF数据交换电路连通，所述平面天线安装在从所述包封的旋转轴向外延伸的平面凸部中；以及在所述令牌接纳器中用于接纳和引导所述便携式令牌插入的键槽，所述键槽被配置成在其中所述磁耦合构件未可操作地耦合至所述令牌接收器的RF收发器天线的插入位置中接纳所述令牌，且一旦令牌转动，就将所述令牌引导至其中所述磁耦合构件可操作地耦合至所述RF收发器天线的激活位置。
2.如权利要求1所述的电子令牌系统，其特征在于，当所述便携式令牌处于激活位置 时，所述平面凸部提供在所述令牌接纳器中的令牌固位。
3.如权利要求1所述的电子令牌系统，其特征在于，所述系统具有从包括以下的组中 选择的RF抑制部件在所述便携式令牌的杆部上的至少一个阶形变细表面；在所述便携式令牌的杆部上的至少一个干扰环；在其激活位置可操作地连接至所述磁耦合构件的至少一个频率失谐元件，用于使所述 磁耦合构件的工作频率失谐；可操作地连接至所述RF收发器天线或所述磁耦合构件的至少一个保持器元件，从而 提供优选的高磁导率路径，以便在所述令牌处于所述激活位置时通导在所述RF收发器天 线与所述接收天线之间延伸的磁通量；屏蔽件，所述屏蔽件基本包围所述磁耦合构件和收发器天线，并引导包围所述RF收发 器天线和所述接收天线的磁场；以及由具有显著不同介电性质的第一和第二层介电材料形成的至少一个接口，所述接口定 向成使RF发射转向以使其从大致轴向路径在所述键槽内大致轴向地传播。
4.如权利要求3所述的电子令牌系统，其特征在于，所述便携式令牌的所述杆部上的 阶形变细表面包括从所述杆部径向延伸的表面。
5.如权利要求3所述的电子令牌系统，其特征在于，所述便携式令牌的杆部上的所述 至少一个干扰环包括多个大致均勻间隔开的干扰环。
6.如权利要求3所述的电子令牌系统，其特征在于，所述便携式令牌的杆部上的所述 至少一个干扰环包括多个不均勻间隔开的干扰环。
7.如权利要求6所述的电子令牌系统，其特征在于，所述干扰环之间的间距使用以下 方程确定<formula>formula see original document page 2</formula>其中d是沿所述令牌杆部的两个干扰环之间的轴向距离，η是表示所述两个干扰环之 间的间隔的位置的整数，其中所述整数随着所述干扰环之间的间隔向所述令牌杆部的远端 移动而增大，λ是从所述收发器天线发射的RF发射的波长，而χ是整数。
8.如权利要求3所述的电子令牌系统，其特征在于，所述至少一个频率失谐元件包括 一种或多种金属或电介质。
9.如权利要求8所述的电子令牌系统，其特征在于，所述令牌具有第一工作频率，当所 述令牌插入所述令牌接纳器中时，所述第一工作频率被所述至少一个频率失谐元件失谐至 第二工作频率，所述第二工作频率基本匹配所述令牌接纳器的工作频率。
10.如权利要求3所述的电子令牌系统，其特征在于，所述保持器元件包括铁氧体或铁。
11.如权利要求10所述的电子令牌系统，其特征在于，所述保持器元件延伸穿过所述 RF收发器天线。
12.如权利要求11所述的电子令牌系统，其特征在于，所述保持器元件还延伸穿过所 述RF接收器天线。
13.如权利要求3所述的电子令牌系统，其特征在于，所述保持器基本同心地围绕所述 键槽延伸。
14.一种用于与设备进行数据交换的电子令牌系统，包括可操作地连接至所述设备的令牌接纳器，所述接纳器具有插入开口和RF收发器天线； 用于与所述接纳器适配的便携式令牌，包括 RF数据交换电路；具有近端和远端的用于包封所述RF数据交换电路的外壳；具有大致平面天线的磁耦合构件，所述磁耦合构件毗邻所述令牌的远端放置并与所述 RF数据交换电路连通；以及从所述令牌的杆部径向延伸的至少一个阶形变细表面。
15.一种用于与设备进行数据交换的电子令牌系统，包括可操作地连接至所述设备的令牌接纳器，所述接纳器具有插入开口和RF收发器天线； 用于与所述接纳器适配的便携式令牌，包括 RF数据交换电路；具有近端和远端的用于包封所述RF数据交换电路的外壳；具有大致平面天线的磁耦合构件，所述磁耦合构件毗邻所述令牌的远端放置并与所述 RF数据交换电路连通；以及屏蔽件，所述屏蔽件基本包围所述磁耦合构件和收发器天线，并在所述令牌插入所述 令牌接纳器中时引导包围所述RF收发器天线和所述接收天线的磁场。
全文摘要
一种电子令牌系统包括令牌接纳器和便携式令牌。该接纳器包括RF收发器天线。该便携式令牌包括RF数据交换电路、用于包封该交换电路的外壳以及与交换电路连通的具有天线的磁耦合构件。天线安装在从令牌外壳径向延伸的凸部中。键槽设置在令牌接纳器中，用于接纳和引导便携式令牌插入。该键槽被配置成在其中磁耦合构件未可操作地耦合至令牌接收器的RF收发器天线的插入位置中接纳令牌，且一旦令牌转动，就将令牌引导至其中磁耦合构件可操作地耦合至RF收发器天线的激活位置。本发明还涉及令牌系统的安全性改进以及RF耗散和RF泄漏减少。
文档编号G06K19/06GK101816010SQ200880104464
公开日2010年8月25日 申请日期2008年7月21日 优先权日2007年7月19日
发明者G·E·詹宁斯 申请人:数据匙电子有限公司