DE19929341A1 - Arrangement for wireless electric power supply of number of sensors and/or actuators has component for converting acceleration into electrical energy integrated into sensors/actuators - Google Patents
Arrangement for wireless electric power supply of number of sensors and/or actuators has component for converting acceleration into electrical energy integrated into sensors/actuatorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Viel zahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, auf einen Sensor oder Aktor hierzu sowie auf ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren auf weisende Maschine.The invention relates to an arrangement for the wireless supply of a lot number sensors and / or actuators with electrical energy, on a sensor or actuator for this purpose and on a system for a large number of sensors and / or actuators pointing machine.
Die Erfindung kann beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung von Näherungs sensoren (bzw. Näherungsschaltern), Temperaturmeßsensoren, Druckmeßsensoren, Strommeßsensoren und Spannungsmeßsensoren bei Industrierobotern, Herstellungs automaten und Fertigungsautomaten und/oder zur elektrischen Energieversorgung von mikromechanischen, piezoelektrischen, elektrochemischen, magnetostriktiven, elek trostriktiven, elektrostatischen oder elektromagnetischen Aktoren verwendet werden, wie sie in Aktoren-Systemen oder Maschinen, beispielsweise bei Steuer/Regelsyste men, in Fernsteuersystemen, in der Robotertechnik, bei Herstellungsautomaten bzw. Fertigungsautomaten, als Anzeigeelemente und in Schutz- und Sicherheitssystemen (beispielsweise bei Freiluft- oder Innenraum-Schaltanlagen) zum Einsatz gelangen. The invention can, for example, for the electrical energy supply of proximity sensors (or proximity switches), temperature measuring sensors, pressure measuring sensors, Current measuring sensors and voltage measuring sensors in industrial robots, manufacturing automats and production machines and / or for the electrical energy supply of micromechanical, piezoelectric, electrochemical, magnetostrictive, elec trostrictive, electrostatic or electromagnetic actuators are used, as in actuator systems or machines, for example in control systems in remote control systems, in robotics, in automatic manufacturing machines or Manufacturing machines, as display elements and in protection and security systems (for example in outdoor or indoor switchgear).
Aus der DE 44 42 677 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers mit einer elektrischen Versorgungsspannung oder einem elektrischen Versorgungsstrom bekannt, wobei Funkwellen eines Funksenders zu ei nem mit dem Verbraucher elektrisch verbundenen Funkempfänger übertragen werden und vom Funkempfänger in die elektrische Versorgungsspannung bzw. den elektri schen Versorgungsstrom umgewandelt werden. Die Funkwellen können aus dem elek tromagnetischen Hochfrequenzbereich (Radiowellen) oder auch aus dem Mikrowellen bereich (Richtfunk) kommen.DE 44 42 677 A1 describes a method and an arrangement for supplying a electrical consumer with an electrical supply voltage or electrical supply current is known, wherein radio waves of a radio transmitter to egg nem are transmitted to the consumer electrically connected radio receiver and from the radio receiver into the electrical supply voltage or the electri power supply. The radio waves can come from the elec tromagnetic high frequency range (radio waves) or from the microwave range (directional radio) come.
Dabei ist es von Nachteil, daß aufgrund der hohen Frequenzen und dementsprechend kleinen Antennen einerseits und der durch EMV-Vorschriften und Regeln für Sicherheit und Gesundheitsschutz an Arbeitsplätzen mit Exposition durch elektrische, magneti sche oder elektromagnetische Felder beschränkten zulässigen Sendeleistung anderer seits nur sehr unzureichend geringe Abstände zwischen Funksender und Funkemp fänger erzielbar sind. Das gleiche trifft für die erzielbaren Leistungen zu, welche im Be reich weniger µW liegen, was meist unzureichend für Aktoren ist.It is disadvantageous that due to the high frequencies and accordingly small antennas on the one hand and those based on EMC regulations and rules for safety and health protection in workplaces exposed to electrical, magneti cal or electromagnetic fields limited permissible transmission power of others On the one hand, there are only insufficient distances between the radio transmitter and the radio sensor catchers are achievable. The same applies to the achievable achievements, which in Be less than a few µW, which is usually insufficient for actuators.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und zuverlässige An ordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie anzugeben.The invention has for its object an inexpensive and reliable order for the wireless supply of a large number of sensors and / or actuators electrical energy.
Ferner soll ein hierzu geeigneter Sensor oder Aktor vorgeschlagen werden.Furthermore, a sensor or actuator suitable for this purpose is to be proposed.
Außerdem soll ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren auf weisende Maschine angegeben werden.In addition, a system is intended for a large number of sensors and / or actuators pointing machine.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl an einer Maschine montierter Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie gelöst, wobei in den Sensoren und/oder Ak toren eine die Beschleunigung von sich bewegenden Maschinenkomponenten erfas sende und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtung integriert ist. This object is achieved according to the invention by an arrangement for wireless supply of a large number of sensors mounted on a machine and / or actuators with electrical energy, wherein in the sensors and / or Ak gates the acceleration of moving machine components transmit and integrated into electrical energy converting device.
Die Aufgabe wird bezüglich des Sensors oder Aktors erfindungsgemäß durch einen Sensor oder Aktor mit einer integrierten, eine Beschleunigung des Sensors oder Aktors erfassenden und in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors umwandelnden Einrichtung gelöst.According to the invention, the task is performed by a sensor or actuator Sensor or actuator with an integrated, accelerating the sensor or actuator detecting and converting into electrical energy to supply the sensor Setup solved.
Die Aufgabe wird bezüglich des Systems erfindungsgemäß durch ein System für eine
eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere
Fertigungsautomat, gelöst,
With regard to the system, the object is achieved according to the invention by a system for a machine having a plurality of sensors and / or actuators, in particular a production machine.
- - wobei die Sensoren und/oder Aktoren mit einer Sendeeinrichtung bzw. Empfangsein richtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung ausgestattet sind, welche über Funksignale mit einer mit einem Prozeßrechner der Maschine verbundenen zentralen Sendeein richtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung kommuniziert und- The sensors and / or actuators with a transmitter or receiver direction or transmitting / receiving device, which are equipped with radio signals with a central transmission connected to a process computer of the machine communicated direction or receiving device or transmitting / receiving device and
- - wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine Beschleunigungen von Maschinen komponenten erfassende und in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors und/oder Aktors umwandelnde Einrichtung integriert ist.- In the sensors and / or actuators an acceleration of machines Component-sensing and electrical energy to supply the sensor and / or actuator converting device is integrated.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Ver gleich zu konventionellen Lösungen mit Kabelanschluß zur elektrischen Energieversor gung der Sensoren und/oder Aktoren der durch Planung, Material, Installation, Doku mentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor eines Kabelanschlusses entfällt. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, bei spielsweise korrodierten Kontakten auftreten.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that in Ver same as conventional solutions with cable connection for electrical energy supply supply of sensors and / or actuators through planning, material, installation, documentation mentation and maintenance required a relatively high cost factor of a cable connection not applicable. There can be no failures due to cable breaks or bad ones for example, corroded contacts occur.
Im Vergleich zur Verwendung von Batterien zur Energieversorgung von Sensoren und/oder Aktoren entfällt der Wartungsaufwand und Kostenaufwand, der durch den erforderlichen Austausch von Batterien - zumal an schwer zugänglichen Stellen - be dingt ist.Compared to using batteries to power sensors and / or actuators, there is no need for maintenance and costs incurred by the required replacement of batteries - especially in hard-to-reach places - be thing is.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich. Further advantages are evident from the description below.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims net.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the embodiment shown in the drawing Examples explained. Show it:
Fig. 1 ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufwei sende Maschine, Fig. 1 shows a system for a plurality of sensors and / or actuators aufwei send machine,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung, Fig. 2 shows a first embodiment of an integrated in a sensor or actuator electro-mechanical arrangement for the power generation,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung, Fig. 3 shows a second embodiment of an integrated in a sensor or actuator electro-mechanical arrangement for the power generation,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten piezoelektrischen Anordnung zur Energieerzeugung. Fig. 4 shows a third embodiment of an integrated in a sensor or actuator piezoelectric array for power generation.
In Fig. 1 ist ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufwei sende Maschine dargestellt. Es ist eine Maschine 2 bzw. ein Industrieroboter bzw. Her stellungsautomat bzw. Fertigungsautomat gezeigt, welche mit zahlreichen an unter schiedliche, bewegliche Maschinenkomponenten montierten Sensoren und/oder Akto ren 1.1, . . ., 1.s versehen ist. Als Sensoren dienen insbesondere Näherungssensoren. Des weiteren können beispielsweise Drucksensoren oder Temperatursensoren einge setzt sein. Als Aktoren 1.1, . . ., 1.s dienen beispielsweise Anzeigeelemente, Steuer/Re gelelemente und Schutz/Sicherheitselemente, wie Motorstarter, Schütze, Sanftanlas ser, pneumatische Ventile.In Fig. 1, a system for a plurality of sensors and / or actuators showing machine is shown. There is shown a machine 2 or an industrial robot or manufacturing machine or manufacturing machine which is equipped with numerous sensors and / or actuators 1.1 , which are mounted on different, movable machine components. . ., 1 .s is provided. Proximity sensors in particular serve as sensors. Furthermore, pressure sensors or temperature sensors can be used, for example. As actuators 1.1 . . ., 1 .s serve, for example, display elements, control / regulating elements and protective / safety elements, such as motor starters, contactors, soft starters, pneumatic valves.
Die Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s sind mit Sendeeinrichtungen oder Emp fangseinrichtungen oder Sende/Empfangseinrichtungen ausgestattet, die beispielswei se Funksignale hinsichtlich der Befehle an die Aktoren zur Ausführung bestimmter Handlungen empfangen und beispielsweise Funksignale hinsichtlich aktueller Sensor- Informationen, wie Rückmeldungen "gewünschte Position erreicht" oder Aktor- Informationen, wie Rückmeldungen "gewünschte Handlung erfolgreich ausgeführt" ab geben.The sensors and / or actuators 1.1 to 1 .s are equipped with transmitting devices or receiving devices or transmitting / receiving devices which, for example, receive radio signals with regard to the commands to the actuators for performing certain actions and, for example, radio signals with regard to current sensor information such as feedback " desired position reached "or actuator information, such as feedback" desired action successfully carried out "from.
Die Funksignale zu den Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s bzw. von den Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s werden von einer zentralen Sendeeinrichtung bzw. Emp fangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 abgegeben bzw. empfangen und von einem Prozeßrechner 4 (speicherprogrammierbare Steuerung) vorgegeben bzw. an diesen weitergeleitet. Vorzugsweise befindet sich die zentrale Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 in unmittelbarer Nähe der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s, um eine optimale Funkverbindung mit den Sensoren und/oder Aktoren zu gewährleisten, während der die Maschine 2 steuernde Prozeßrechner 4 auch entfernt von den Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s ange ordnet sein kann. Der Informationsaustausch zwischen Prozeßrechner 4 und zentraler Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 kann über Funksignale oder über Kabel erfolgen.The radio signals to the sensors and / or actuators 1.1 to 1 .s or from the sensors and / or actuators 1.1 to 1 .s are emitted or received by a central transmitting device or receiving device or transmitting / receiving device 3 and by one Process computer 4 (programmable logic controller) specified or forwarded to this. The central transmitting device or receiving device or transmitting / receiving device 3 is preferably located in the immediate vicinity of the sensors and / or actuators 1.1 to 1 .s in order to ensure an optimal radio connection with the sensors and / or actuators during which the machine 2 is controlling Process computer 4 can also be remote from the sensors and / or actuators 1.1 to 1 . The information exchange between the process computer 4 and the central transmitting device or receiving device or transmitting / receiving device 3 can take place via radio signals or via cables.
Die elektrische Energieversorgung der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s erfolgt mittels die Beschleunigung der sich bewegenden Maschinenkomponenten ausnützen de und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtungen, wie sie nachfolgend unter den Fig. 2 bis 4 näher beschrieben sind.The electrical energy supply of the sensors and / or actuators 1.1 to 1 .s takes place by means of devices which utilize the acceleration of the moving machine components and convert them into electrical energy, as are described in more detail below in FIGS. 2 to 4.
Wie leicht erkennbar ist, ergibt sich durch das vorgeschlagene System eine kabellose Konfiguration der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s sowohl hinsichtlich ihrer elek trischen Energieversorgung als auch hinsichtlich der Informationsübertragung von und zur zentralen Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangs einrichtung 3 bzw. vom und zum Prozeßrechner 4.As can easily be seen, the proposed system results in a wireless configuration of the sensors and / or actuators 1.1 to 1 .s both with regard to their electrical energy supply and also with regard to the information transmission from and to the central transmitting device or receiving device or transmitting / receiving device 3 or from and to the process computer 4 .
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung dargestellt. Es ist eine hohlzy linderförmige Tauchspule 5 schematisch skizziert, in deren Innenraum ein in Richtung der Tauchspulen-Längsachse beweglicher Permanentmagnet 6 gelagert ist. Der Per manentmagnet 6 ist fest mit einer Masse 7 verbunden, welche andererseits über eine Feder 8 an einem Rahmen- oder Gehäuseteil 9 des Sensors oder Aktors montiert ist. Die Masse/Feder-Anordnung 7/8 schwingt in Abhängigkeit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten. FIG. 2 shows a first embodiment of an electromechanical arrangement for energy generation integrated in a sensor or actuator. A hollow cylindrical plunger 5 is schematically sketched, in the interior of which a permanent magnet 6 is mounted, which is movable in the direction of the longitudinal axis of the plunger. The per manentmagnet 6 is firmly connected to a mass 7 , which is mounted on the other hand via a spring 8 on a frame or housing part 9 of the sensor or actuator. In response to the mass / spring arrangement 7/8 vibrates the acceleration of machine components.
Die vorstehend beschriebene Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung 5/6 nutzt die linearen Schwingungen der Masse/Feder-Anordnung 7/8 aus und wandelt diese in elektrische Energie um. Hierzu sind die Wicklungsenden der Tauchspule 5 über eine Diode 10 an Versorgungsklemmen 12 angeschlossen. Zwischen den Versorgungs klemmen 12 liegt zweckmäßig ein Kondensator 11 oder Akkumulator als Energie- Zwischenspeicher, um einerseits in ihrer Intensität ungleichmäßige Beschleunigungen der Maschinenkomponenten auszugleichen und um andererseits einem ungleichförmi gen, beispielsweise impulsförmigen Energiebedarf der Sendeeinrichtung bzw. Emp fangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung des Sensors oder Aktors gerecht zu werden.The moving coil / permanent magnet assembly 5 described above / 6 uses the linear vibrations of the mass / spring arrangement 7/8 and converts them into electrical energy. For this purpose, the winding ends of the moving coil 5 are connected to supply terminals 12 via a diode 10 . Between the supply terminals 12 there is a capacitor 11 or an accumulator as an energy buffer, on the one hand to compensate for uneven accelerations of the machine components in terms of their intensity and on the other hand to meet a non-uniform, for example pulse-like energy requirement of the transmitter or receiver device or transmitter / receiver device of the sensor or actuator.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung dargestellt. Es ist wiederum ein Rahmen- oder Gehäuseteil 9 des Sensors oder Aktors mit über einer Feder 8 daran montierter Masse 7 schematisch skizziert. Die Masse/Feder-Anordnung 7/8 schwingt in Abhängigkeit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten, wobei diese linearen Bewegungen der Masse 7 mit Hilfe eines Umsetzers 13 in rotatorische Bewegungen umgesetzt werden. Die vom Umsetzer 13 erzeugte Rotationsbewegung treibt einen Generator 14 an, dessen Versorgungsklemmen 15 die elektrische Energie zur Spei sung der Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sen de/Empfangseinrichtung des Sensors oder Aktors entnehmbar ist. Zwischen den Ver sorgungsklemmen 15 kann wiederum ein Kondensator oder Akkumulator aus den vor genannten Gründen als Zwischenspeicher geschaltet sein. FIG. 3 shows a second embodiment of an electromechanical arrangement for energy generation integrated in a sensor or actuator. Again, a frame or housing part 9 of the sensor or actuator is schematically outlined with mass 7 mounted thereon via a spring 8 . The mass / spring arrangement 7/8 oscillates in response to the acceleration of machine components, said linear movements of the mass 7 converted into rotational movements with the aid of a converter. 13 The rotational movement generated by the converter 13 drives a generator 14 , the supply terminals 15 of which the electrical energy for feeding the transmitting device or receiving device or transmitting / receiving device of the sensor or actuator can be removed. Between the United supply terminals 15 , in turn, a capacitor or accumulator can be connected as a buffer for the reasons mentioned above.
In Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten piezoelektrischen Anordnung zur Energieerzeugung dargestellt. Dabei ist ein mit einem Rahmen- oder Gehäuseteil 9 verbundenes Piezoelement 17 vorgesehen, welches über eine Druck- und/oder Zugplatte 16 mit einer senkrecht zur Druck- und/oder Zugplatte 16 beweglich geführten Masse/Feder-Anordnung 7/8 beaufschlagt wird. Die Mas se/Feder-Anordnung 7/8 schwingt in Abhängigkeit der Beschleunigung von Maschinen komponenten. Den am Piezoelement 17 angeschlossenen Versorgungsklemmen 12 ist die elektrische Energie zur Speisung der Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung des Sensors oder Aktors entnehmbar. Zwischen den Versorgungsklemmen 12 kann wiederum ein Kondensator oder Akkumulator aus den vorgenannten Gründen als Zwischenspeicher geschaltet sein.In Fig. 4 shows a third embodiment of an integrated in a sensor or actuator piezoelectric arrangement is shown for power generation. In this case one end connected to a frame or housing part 9 piezo element 17 is provided which / 8 is applied via a printing / or tension plate and 16 with a perpendicular to the pressure and / or tension plate 16 is movably guided mass / spring arrangement. 7 The Mas se / spring arrangement 7/8 oscillates in response to the acceleration of the machine components. The electrical energy for supplying the transmitting device or receiving device or transmitting / receiving device of the sensor or actuator can be taken from the supply terminals 12 connected to the piezo element 17 . A capacitor or accumulator can in turn be connected between the supply terminals 12 as a buffer for the aforementioned reasons.
Vorzugsweise sind die vorstehend erläuterten Sensoren oder Aktoren mit den inte grierten Anordnungen zur Energieerzeugung an sich bewegenden Maschinenkompo nenten montiert, wobei der Begriff " sich bewegende Maschinenkomponenten" auch vibrierende Maschinenkomponenten umfaßt.The sensors or actuators explained above are preferably equipped with the inte grated arrangements for power generation on moving machine compo Nenten mounted, the term "moving machine components" also includes vibrating machine components.
Der Leistungsbedarf eines Sensors liegt dabei im Bereich einiger zehn µW bis etwa 50 mW, vorzugsweise bei 1 mW. Der Leistungsbedarf eines Aktors liegt im Bereich 1 bis 50 mW.The power requirement of a sensor is in the range of a few ten µW to about 50 mW, preferably at 1 mW. The power requirement of an actuator is in the range 1 to 50 mW.
Die vorstehend erläuterten, die Beschleunigung der sich bewegenden Maschinenkom ponenten ausnützende und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtungen werden vorzugsweise in MEMS-Technologie (MikroElektroMechanisches System) hergestellt.The above explained the acceleration of the moving machine devices that utilize components and convert them into electrical energy preferably manufactured in MEMS technology (micro-electro-mechanical system).
Claims (14)
- - wobei die Sensoren und/oder Aktoren (1.1 bis 1.s) mit einer Sendeeinrich tung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung ausgestattet sind, welche über Funksignale mit einer mit einem Prozeßrechner (4) der Maschine (2) ver bundenen zentralen Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sen de/Empfangseinrichtung (3) kommuniziert und
- - wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine Beschleunigungen von Ma schinenkomponenten erfassende und in elektrische Energie zur Versorgung des Sen sors und/oder Aktors umwandelnde Einrichtung integriert ist.
- - The sensors and / or actuators ( 1.1 to 1 .s) are equipped with a Sendeeinrich device or receiving device or transmitting / receiving device, which via radio signals with a process computer ( 4 ) of the machine ( 2 ) ver connected central transmitting device or receiving device or transmitting / receiving device ( 3 ) communicates and
- - Wherein in the sensors and / or actuators an acceleration of Ma machine components and in electrical energy for supplying the sensor and / or actuator converting device is integrated.
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