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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energiesammelvorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Schwingungsenergie, insbesondere zur autonomen Energieversorgung drahtloser Sensoren, sowie auf autonome Drahtlossensoren mit einer derartigen Energiesammelvorrichtung.
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Eine Energiesammelvorrichtung mit einem elektromagnetischen Generator, der durch Muskelkraft erzeugte Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 2008/0217926 bekannt. Dieser herkömmliche Generator besteht aus einem zylindrischen Gehäuse mit einer Spule, in der ein Permanentmagnet über zwei Spiralfedern beweglich aufgehängt ist. Wird das Gehäuse einer Beschleunigung ausgesetzt, in dem es beispielsweise geschüttelt wird, so wird der Permanentmagnet in Schwingung versetzt, wodurch eine Spannung in der Spule induziert wird, mit der ein elektrischer Verbraucher betrieben werden kann.
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Eine Energiesammelvorrichtung, die elektrische Energie aus mechanischen Vibrationen gewinnen kann, ist aus der Druckschrift
WO 2009/039293 bekannt. Diese Vorrichtung umfasst einen Stator in Form zweier Leiterplatten mit spulenförmigen Leiterbahnen sowie einen zwischen den beiden Leiterplatten schwingfähig gelagerten Translator, auf dem eine Vielzahl von Permanentmagneten angeordnet ist. Durch eine externe mechanische Anregung wird der Translator zu einer Schwingung parallel zur Oberfläche der Leiterplatten angeregt, wodurch eine Spannung in den Spulen des Stators induziert wird.
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Ein mikromechanischer Generator mit einem geschichteten Aufbau aus einer Flachspule, die zwischen zwei mit Permanentmagneten versehenen äußeren Schichten schwingfähig gelagert ist, ist auch aus der Druckschrift
US 2007/0007827 bekannt.
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Bei den bekannten Energiesammelvorrichtung handelt es sich also um resonante Vorrichtungen, die nur in einen schmalen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz herum effizient anregbar sind, wodurch sich Beschränkungen hinsichtlich des Einsatzbereichs und der Energieausbeute ergeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Energiesammelvorrichtung zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie anzugeben, die einen breiteren Einsatzbereich besitzt und eine verbesserte Energieausbeute liefert.
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Dies wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, eine Energiesammelvorrichtung mit einer Mehrzahl elektromechanischer Generatoren zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie vorzusehen, wobei die einzelnen elektromechanischen Generatoren auf unterschiedliche Frequenzbereiche der mechanischen Schwingungsenergie abgestimmt sind.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Energiesammelvorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Schwingungsenergie zur Verfügung gestellt. Die Energiesammelvorrichtung umfasst eine Mehrzahl elektromechanischer Generatoren zur Umwandlung mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie und eine elektronische Schaltung mit einer Vielzahl von Eingangsknoten, die jeweils mit einem der elektromechanischen Generatoren verbunden sind, um dort erzeugte elektrische Energie zu sammeln, und einem Ausgangsknoten, an dem gesammelte elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird, wobei die einzelnen elektromechanischen Generator auf unterschiedliche Frequenzbereiche der mechanischen Schwingungsenergie abgestimmt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst zumindest einer der elektromagnetischen Generatoren eine Spule und eine über ein Federelement mit der Spule gekoppelte elektromagnetische Masse, wobei die Spule und die elektromagnetische Masse relativ zueinander beweglich sind und durch eine Relativbewegung derselben eine Spannung in der Spule induzierbar ist. Mit Hilfe dieser Konfiguration kann eine externe Schwingung oder Vibration mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz des Systems aus dem Federelement und der elektromagnetischen Masse effizient in elektrische Energie umgewandelt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der elektrischen Masse um einen Permanentmagnet, wodurch die Relativbewegung eine starke Änderung des magnetischen Flusses durch die Spule bewirkt, so dass entsprechend den bekannten Gesetzen der Elektrodynamik eine Spannung in der Spule induzierbar ist.
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Vorteilhafterweise umfasst die Energiesammelvorrichtung des Weiteren einen zusätzlichen Permanentmagnet zur Einstellung einer Resonanzfrequenz der elektromechanischen Generatoren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst zumindest einer der elektromechanischen Generatoren der Energiesammelvorrichtung eine über ein piezoelektrisches Federelement beweglich aufgehängte Masse, wobei durch eine Bewegung derselben eine Spannung in dem piezoelektrischen Federelement erzeugbar ist. Mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts kann Bewegungsenergie in einfacher Weise in elektrische Energie umgewandelt werden, insbesondere, ohne dass aufwändig herzustellende und materialkostenintensive Spulen erforderlich sind.
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Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Federelemente und/oder die beweglichen Massen der elektromechanischen Generatoren voneinander, so dass diese unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Dadurch kann die Energiesammelvorrichtung elektrische Energie aus mechanischen Schwingungen in einem Frequenzband gewinnen, das wesentlich breiter ist als der Resonanzbereich der einzelnen Generatoren. Je nach der spektralen Zusammensetzung der vorliegenden mechanischen Schwingung kann die Energiesammelvorrichtung durch gleichzeitige Ausnutzung mehrerer unterschiedlicher Frequenzbereiche der mechanischen Schwingung eine größere elektrische Leistung zur Verfügung stellen, als mit nur einem einzelnen elektromechanischen Generator.
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Vorteilhafterweise umfasst die elektronische Schaltung der Energiesammelvorrichtung für jeden elektromechanischen Generator einen zugehörigen Gleichrichter oder einen zugehörigen Wechselspannungswandler. Auf diese Weise können die von den einzelnen Generatoren erzeugten Wechselspannungen unabhängig voneinander gleichgerichtet und/oder auf ein gemeinsames Spannungsniveau gehoben werden, ohne dass auf etwaige Phasenunterschiede in den einzelnen Wechselspannungen Rücksicht genommen werden müsste.
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Vorzugsweise umfasst die Energiesammelvorrichtung des Weiteren einen thermoelektrischen Spannungswandler, der mit der elektronischen Schaltung verbunden ist. Dieser thermoelektrische Spannungswandler ist vorzugsweise auf der Bodenfläche eines Gehäuses der Energiesammelvorrichtung angeordnet. Das Gehäuse kann darüber hinaus einen Kühlkörper aufweisen. Mit dieser Konfiguration kann neben der mechanischen Schwingungsenergie auch ein Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche, auf der die Energiesammelvorrichtung angebracht ist, und der Umgebungstemperatur, insbesondere der Lufttemperatur, ausgenutzt werden, um zusätzliche elektrische Energie zu gewinnen, beispielsweise unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Energiesammelvorrichtung des Weiteren eine Speichereinrichtung zur Speicherung der durch die elektromechanischen Generatoren erzeugten elektrischen Energie. Auf diese Weise kann die Erzeugung der elektrischen Energie und der Verbrauch der elektrischen Energie zeitlich entkoppelt werden. Durch die Pufferwirkung der Speichereinrichtung können außerdem zeitliche Schwankungen in der Leistungsaufnahme eines etwaigen Verbrauchers ausgeglichen werden.
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Vorteilhafterweise umfasst die elektronische Schaltung in diesem Fall einen Gleichspannungswandler, der eine von einem der elektromechanischen Generatoren ausgegebene Spannung auf ein Spannungsniveau der Speichereinrichtung wandelt und/oder das Spannungsniveau der Speichervorrichtung auf ein gewünschtes Ausgangsspannungsniveau wandelt.
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Vorteilhafterweise ist die elektronische Schaltung außerdem dazu eingerichtet, die elektromechanischen Generatoren an einem jeweiligen Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe zu betreiben. Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad der Energiesammelvorrichtung optimiert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Energiesammelvorrichtung ein Gehäuse in Form einer Standardbatterie, wobei die elektromechanischen Generatoren und die elektronische Schaltung in dem Gehäuse untergebracht sind, und der Ausgangsknoten der elektronischen Schaltung mit einem Anschluss des Gehäuses verbunden ist. Auf diese Weise kann die Energiesammelvorrichtung universell und in besonders einfacher Art und Weise eingesetzt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein autonomer Drahtlossensor zur Verfügung gestellt. Der Drahtlossensor umfasst eine Energiesammelvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, einen Sensor zur Erfassung von Daten und eine Drahtlosvorrichtung zur drahtlosen Übertragung der von dem Sensor erfassten Daten, wobei der Sensor und die Drahtlosvorrichtung durch die Energiesammelvorrichtung mit Energie versorgt werden.
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Vorteilhafterweise ist dabei der Sensor und/oder die Drahtlosvorrichtung in einem Gehäuse der Energiesammelvorrichtung untergebracht.
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Ein derartiger autonomer Drahtlossensor besitzt eine ganze Reihe von Vorteilen, die beispielsweise dann zum Tragen kommen, wenn die Sensoren an schwer zugänglichen Stellen oder unter Umgebungsbedingungen, die eine Verkabelung erschweren oder verhindern, eingesetzt werden sollen. Vorteile können sich auch ergeben, wenn eine große Zahl derartiger Sensoren eingesetzt werden soll und entsprechende Kosten für die Verkabelung herkömmlicher drahtgebundener Sensoren anfallen. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Energiesammelvorrichtung entfällt zudem die Notwendigkeit einer externen Energieversorgung, bzw. der Aufwand und die Kosten, die mit dem Einsatz und der Wartung herkömmlicher Batterien verbunden wären.
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Bei dem Sensor kann es sich um einen Temperatur-, Druck- oder Lichtsensor handeln. Der Sensor kann aber auch dazu eingerichtet sein, Vitalparameter, insbesondere Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, zu messen. Der erfindungsgemäße autonome Drahtlossensor eignet sich daher insbesondere für den Einsatz im medizinisch-technischen Bereich.
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Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren ersichtlich, in denen:
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1A einen schematischen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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1B einen schematischen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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1C einen schematischen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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3A den schematischen Aufbau einer Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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3B den schematischen Aufbau einer Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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4 eine detaillierte Ansicht des schematischen Aufbaus einer Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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5 den schematischen Aufbau eines autonomen Drahtlossensors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zeigt, und
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6 eine detaillierte Ansicht des schematischen Aufbaus des autonomen Drahtlossensors aus 5 darstellt.
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Die 1A bis 1C zeigen in schematischer Weise einen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist ein System 1 aus mehreren elektromechanischen Generatoren, das mehrere Spulen 2, 3, 4 umfassen kann, in denen elektromagnetische Massen (Permanentmagnete) 6, 8 beweglich gelagert sind. Die Permanentmagnete können beispielsweise mit Hilfe von Federelementen 5, 7 mit einem Gehäuse der Energiesammelvorrichtung und/oder miteinander gekoppelt sein, und auf diese Weise ein schwingfähiges System bilden. Die Massen der einzelnen schwingfähig aufgehängten Permanentmagnete 6, 8 und/oder die Federkonstanten der Federelemente 5, 7 unterscheiden sich voneinander, so dass diese jeweils unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Zusätzlich können weitere Permanentmagnete 40 vorgesehen sein, um die Resonanzfrequenz von einzelnen dieser schwingfähigen Systeme gezielt zu beeinflussen.
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Bei den Federelementen kann es sich beispielsweise um Spiralfedern handeln, es können aber auch blattförmige Federn 11 oder Feder mit einer anderen Form 13, 14 eingesetzt werden. In besonders vorteilhafter Weise können die Federelemente aus einem piezoelektrischen Material bestehen oder ein piezoelektrisches Material enthalten, so dass die Deformation der Federelemente direkt zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn ein Permanentmagnet 6 in der Spule 2, 3, 4 frei beweglich gelagert ist und lediglich an den beiden Endpunkten Dämpfungs- oder Federelemente 13 vorgesehen sind, die die Bewegung des Permanentmagneten begrenzen. Die Dämpfungs- oder Federelemente 13 können ebenfalls aus einem piezoelektrischen Material bestehen oder ein piezoelektrisches Material enthalten, so dass auch in diesem Fall durch die mechanische Deformation elektrische Energie gewonnen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Energiesammler des Weiteren ein thermoelektrisches Element 10, das vorzugsweise auf der Unterseite des Gehäuses angeordnet ist und so in direkten thermischen Kontakt mit einer Oberfläche gebracht werden kann, die eine gegenüber der Umgebung erhöhte Temperatur aufweist, wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor oder ein anderes Maschinenteil. Das Gehäuse der Energiesammelvorrichtung kann darüber hinaus einen Kühlkörper (nicht gezeigt) aufweisen, um einen möglichst großen Temperaturgradienten über dem thermoelektrischen Element zu erzeugen. Unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts kann auf diese Weise elektrische Energie gewonnen werden.
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2 zeigt in einem weiteren Beispiel einen schematischen Querschnitt durch eine Energiesammelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 2 ist ähnlich zu den 1A bis 1C, wobei ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. Auf eine Wiederholung der detaillierten Beschreibung dieser Elemente wird verzichtet.
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Die Konfiguration aus 2 unterscheidet sich von der Konfiguration in den 1A bis 1C dadurch, dass mehrere schwingfähige Gebilde aus verschiedenen Massen 6 und/oder verschiedenen Federelementen 5 nebeneinander angeordnet sind und auf diese Weise unabhängig voneinander durch externe Schwingungen oder Vibrationen anregbar sind.
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3A zeigt den schematischen Aufbau einer Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Energiesammelvorrichtung umfasst das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete System aus mehreren elektromechanischen Generatoren sowie der elektronischen Schaltung 21 zur Sammlung der generierten Spannungen. Die elektronische Schaltung ist mit den einzelnen Generatoren über entsprechende Eingangsknoten 31 verbunden. Die erfindungsgemäße Energiesammelvorrichtung kann insbesondere in einem Gehäuse untergebracht sein, das die Form einer Standardbatterie 20 aufweist. Die Sammelvorrichtung ist dadurch universell und in besonders einfacher Weise einsetzbar.
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3B zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zur Ausführungsform aus 3A ist die Sammelvorrichtung mit einem Ausgangsanschluss in Form eines Steckanschlusses oder einer Lötverbindung 23 versehen. Der Ausgangsanschluss kann insbesondere in Form eines USB-Anschlusses (universal serial bus) ausgeführt sein, andere Ausführungsformen sind jedoch ebenfalls möglich.
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4 zeigt ein Detail des schematischen Aufbaus einer Energiesammelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Energiesammelvorrichtung weist eine Vielzahl von Anschlüssen 31 auf, die jeweils mit einem Generator (nicht gezeigt) verbunden sind, sowie jeweils einen zugehörigen Gleichrichter 32 zur Gleichrichtung der generierten Wechselspannung. Die gleichgerichteten Spannungen werden in einer geeigneten Schaltung kombiniert, die insbesondere einen Gleichspannungswandler 33 zur Spannungsregelung und/oder Anpassung der induzierten Spannung an ein gewünschtes Spannungsniveau enthalten kann. Die erfindungsgemäße Energiesammelvorrichtung umfasst des Weiteren eine Speichervorrichtung 34 zur Speicherung der gesammelten elektrischen Energie. Bei dieser Speichervorrichtung kann es sich insbesondere um einen Kondensator (z. B. Elektrolytkondensator, Doppelschichtkondensator oder einen anderen Kondensator mit hoher Kapazität) oder einen elektrochemischen Akkumulator (Nickelcadmium, Nickelmetallhydrid, Lithiumionen, etc.) handeln. Die elektronische Schaltung der Energiesammelvorrichtung kann in diesem Fall auch eine Schaltung zur Ladungsregelung des Akkumulators umfassen.
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Vorzugsweise umfasst die Energiesammelvorrichtung auch eine Regelschaltung 35, mit deren Hilfe die elektromechanischen Generatoren stets an dem Arbeitspunkt mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden können. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Strom und/oder die Spannung, die aus einem Generator bezogen wird, geregelt wird, so dass der Generator an einem gewünschten Arbeitspunkt innerhalb seiner Stromspannungskennlinie arbeitet.
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Die durch die elektromechanischen Generatoren erzeugte Energie kann entweder direkt und/oder indirekt über die Speichereinrichtung an entsprechenden Ausgangsanschlüssen 23 der Energiesammelvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
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5 zeigt den schematischen Aufbau eines autonomen Drahtlossensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der autonome Drahtlossensor umfasst das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete System aus einer Mehrzahl elektromechanischer Generatoren, wie es beispielsweise in den 1A–1C und 2 dargestellt ist. Der autonome Drahtlossensor umfasst darüber hinaus eine elektronische Schaltung 21, wie sie bereits im Zusammenhang mit den 3A, 3B und 4 beschrieben wurde, einen Sensor 38 zur Erfassung von Daten und eine Drahtlosvorrichtung 37 zur drahtlosen Übertragung der von dem Sensor erfassten Daten.
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Bei dem Sensor kann es sich um einen beliebigen Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Messgröße in ein elektrisches Signal handeln, insbesondere um einen Druck-, Temperatur- oder Lichtsensor. Der Sensor kann insbesondere dazu eingerichtet sein, Vitalparameter, wie z. B. Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut eines Lebewesens, insbesondere eines Menschen, zu messen. Die von dem Sensor 38 erfassten Daten, die die physikalischen Messgrößen repräsentieren, können mit Hilfe der Drahtlosvorrichtung 37 an einen geeigneten Empfänger mit angeschlossener Auswerteeinrichtung übertragen werden. Bei der Drahtlosvorrichtung kann es sich insbesondere um eine elektromagnetische Funkvorrichtung handeln, beispielsweise um ein Bluetooth-Modul, ein WLAN-Modul, ein Mobilfunkmodul, oder um ein anderes Funkmodul, das vorzugsweise ein lizenzfreies ISM-Band zur Datenübertragung verwendet.
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6 zeigt in einer detaillierteren Ansicht den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen autonomen Drahtlossensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Konfiguration aus 6 ist ähnlich der in 4 gezeigten Konfiguration, wobei die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung der gleichen Elemente verwendet werden. Auf eine Wiederholung der detaillierten Beschreibung dieser Elemente wird verzichtet.
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Die Konfiguration der 6 unterscheidet sich von der Konfiguration aus 4 durch den zusätzlichen Sensor 38 und die zusätzliche Drahtlosvorrichtung 37. Sowohl der Sensor als auch die Drahtlosvorrichtung wurden bereits im Zusammenhang mit 5 beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0217926 [0002]
- WO 2009/039293 [0003]
- US 2007/0007827 [0004]
