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Die Erfindung betrifft energieautarke, kapselbare Sensorkomponenten für Gebäudeautomationssysteme und für den Einsatz bei altersgerechten Assistenzsystemen gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Aufgrund des demografischen Wandels nimmt die Zahl älterer Menschen zu. Technische Assistenzsysteme und flankierende Dienstleistungen können dazu beitragen, älteren Menschen oder Menschen mit Beeinträchtigungen ein Leben in gewohnter Umgebung zu erleichtern. Der Ansatz des „Universellen Designs” strebt an, Gebrauchsgegenstände so zu gestalten, dass diese für alle Altersgruppen und Menschen mit unterschiedlichen Fähigkeiten nutzbar sind. Dazu unterstützen technische Lösungen Menschen auch bei verminderter physischer oder psychischer Leistungsfähigkeit bei ihren Alltagsaufgaben.
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Gebäudeautomationssysteme erfassen mittels unterschiedlicher Sensoren physikalische Zustände im Haus oder der Wohnung, wie beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder ob ein Fenster geschlossen oder offen ist. In Abhängigkeit von den Eingangsmessgrößen wirken Gebäudeautomationssysteme dann mittels Aktoren wie Stellantrieben auf Prozesse ein oder leiten Informationen weiter.
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Die Installation drahtgebundener Gebäudeautomationssysteme ist aufwändig und teuer. Funkbasierte Lösungen sind günstiger, das nachträglich einfach zu installieren. Nutzen Sensoren das sogenannte Energy Harvesting zur Gewinnung der für die Messwerterfassung, Aufarbeitung und Übertragung notwendigen Energie, so kann der Nachteil vermieden werden, dass eine zusätzliche Energieversorgung mittels Batterien oder mit elektrischen Anschlüssen erfolgen muss.
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Bkannt ist die batterielose Funktechnik von EnOcean. Dabei wird vorhandene Umweltenergie, wie z. B. lineare Bewegung/Druck, Licht und Temperaturdifferenz, in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt. Durch die Kombination aus miniaturisierten Energy Harvestern und hocheffizienter Funktechnik sind wartungsfreie Funksensorlösungen für den Einsatz in Gebäuden und Industrieanlagen möglich. EnOcean Komponenten sind auch gut für altersgerechte Assistenzsysteme einsetzbar, da sie auch in bestehenden Wohnsituationen leicht nachrüstbar sind.
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Bekannte Bewegungsenergiewandler für batterielose Funkschalter wie der ECO 200 von EnOcean weisen ein Element in Form einer Metallzunge auf, das bei einer Auslenkung eine Relativbewegung eines Magneten zu einer Spule bewirkt, so dass eine Spannung induziert wird.
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Solche Bewegungsenergiewandler werden in Tastereinsätzen für Lichtschalter eingebaut. Bekannt ist auch eine Verwendung für Fenster-Tür-Kontakte.
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Nachteile des Standes der Technik
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Bei Lichtschaltern mit verfügbaren batterielosen Tastereinsätzen erfolgt die Bedienung in Form eines Drückens auf den Taster. Gebräuchliche Lichtschalter in Wohnräumen sind meist Wippschalter. Taster in Verbindung mit Stromstoßrelais finden oft dort Verwendung, wo eine Reihe von Bedienpunkten notwendig sind, wie beispielsweise in Fluren oder Treppenhäusern. Für ältere Menschen mit nachlassenden kognitiven Fähigkeiten beispielsweise aufgrund beginnender Demenz ist die Umgewöhnung von der Betätigung von Wippschaltern, bei denen aufgrund der Wippenstellung auch der Schaltzustand deutlich ist, hin zu Tastern schwer oder diese Bedienungsart wird nicht beherrscht.
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Bekannte für Fenster-Tür-Kontakte mit Bewegungsenergiewandler weisen eine Hebel auf, der aus dem Gehäuse ragt. Eine Bewegung des Hebels führt zu einer Bewegung der Auslösezunge des Bewegungsenergiewandlers. Der aus dem Gehäuse ragende Hebel ist anfällig für mechanische Belastungen und durch die Öffnung, durch die der Nebel die Bewegung in das Gehäuseinnere leitet, kann Feuchtigkeit oder Schmutz in das Gehäuseinnere gelangen und so die Funktionsweise verschlechtern oder zu Zerstörungen führen.
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Gängige Sensoren zur Leckerkennung oder Durchflussdetektion benötigen eine externe Energieversorgung. Afriso bietet mit dem „WaterSensor eco” ein Bauteil an, bei dem das Aufquellen von kleinen Scheiben aus einem filzartigen Material zu einem Auslösen eines Bewegungsenergiewandlers führt. Allerdings ist dieser Vorgang langsam und nur einige mal durchführbar. Um zu erkennen, ob eine Person das Schließen eines Wasserhahns vergessen hat oder sogar absichtlich einen Wasserschaden herbeiführen möchte, ist das Bauteil von Afriso schlecht geeignet, weil schon größere Wassermengen ausgelaufen sind, bis der Sensor auslöst.
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Aufgaben der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, energieautarke, kapselbare Sensorkomponenten zu schaffen, die mechanisch unempfindlich sind und eine Energieerzeugung aus Relativbewegungen von umgebenden Bauteilen gegenüber dem die Sensorkomponenten tragenden Bauteils realisieren.
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Die Sensorkomponente soll unter anderem in energieautarken Wippschaltern einbaubar sein. Weitere Anwendungsbereiche sind die Anwesenheitsdetektion von Personen in Betten oder auf Stühlen. Ebenso soll mit der Sensorkomponente ein energieautarker Durchflussdetektor aufgebaut werden können.
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Lösung der Aufgabe
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Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Eine bevorzugte Lösung sieht vor, dass eine Spule auf einem Träger durch Führungen oder aufgrund der Freiheitsgrade von Federelemente oder eines Biegebalkens bewegbar ist und bei der Bewegung ein von Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld durchquert wird. Der Spulenträger wird durch die Federkräfte in einer Ruheposition gehalten. Durch einen Auslenkmechanismus kann der Spulenträger auf eine von der Ruheposition abweichende Position gebracht werden. Ab einer bestimmten Auslenklänge lässt der Auslenkmechanismus den Spulenträger frei und dieser kann eine Reihe von Schwingbewegungen mit abnehmender Amplitude ausführen bis er schließlich nach den Schwingbewegungen wieder in der Ruheposition verweilt.
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Der Auslenkmechanismus umfasst einen Permanentmagneten oder eine magnetisch anziehbare Masse, so dass durch ein nicht-magnetisches Gehäuse hindurch von Außen der Mechanismus bewegt werden kann.
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Das bewegliche Element des Auslenkmechanismus hat einen Mitnehmer, der den Spulenträger auslenkt.
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Der Auslenkmechanismus kann auch benutzt werden, um innerhalb eines geschlossenen Gehäuses bestehende Bewegungsenergiewandler wie den EnOcean ECO 200 zu betätigen. Dieser kann dabei fest montiert sein und eine Zwangsführung im beweglichen Element des Auslenkmechanismus sorgt dafür, dass die Betätigungszunge des Bewegungsenergiewandler ausgelenkt wird. Eine Variante sieht vor, dass der Bewegungsenergiewandler zusätzlich um eine Achse im wesentlichen orthogonal zur Bewegungsrichtung der Betätigungszunge drehbar ist. Durch eine Feder wird der Bewegungsenergiewandler in einer ersten Ruheposition gehalten. Am von der Achse entfernten Ende des Bewegungsenergiewandlers ist ein Permanentmagnet oder eine magnetisch anziehbare Masse mit dem Träger des Bewegungsenergiewandlers verbunden. Durch Anziehungskräfte einer sich Außen nähernden magnetisch anziehbaren Masse oder eines Magneten führt der Träger des Bewegungsenergiewandlers eine kleine Drehbewegung aus, die dazu führt, dass die Betätigungszunge des Bewegungsenergiewandlers eine Energieerzeugung bewirkt.
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Erreichte Vorteile
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine mechanischer Bewegung mittels Magnetkräften in eine Sensorkomponenten eingebracht wird, die selbst vorteilhafterweise in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht ist, die auch ein Funkmodul aufnehmen kann. Mit solchen energieautarken, kapselbaren Sensorkomponenten kann eine relative Lageänderung eines Bauteils gegenüber dem Sensorkomponente tragenden Bauteil detektiert werden. Anwendungsbeispiele sind die Anwesenheitsdetektion von Personen im Bett oder auf einem Stuhl.
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Die Sensorkomponente ist vorteilhafterweise in einem geschlossenen Gehäuse gekapselt, so dass Verschmutzungen durch den Eintrag von Staub oder Feuchtigkeit vermieden werden.
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Die magnetische Kraftkopplung verbunden mit der Kapselung ist beispielsweise bei Durchflusssensoren von Vorteil.
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Ausführungsbeispiele
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Sensorkomponente bestehend aus einer Spule (1) auf einem Spulenträger (2), der durch den Auslenkkörper (3) aus der Ruheposition ausgelenkt wird. Dazu greift eine Auslenkzunge (4) in eine Aufnahme (5) des Spulenträgers (2). Der Auslenkkörper (3) wird durch Federn (6) in einer Ruheposition gehalten. Ebenso halten Federn (7) den Spulenträger (3) in einer Ruheposition.
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Die Spule ist so geführt, dass sie eine Längsbewegung über den Anregungsmagnetkörper (8) ausführen kann. Die induzierte Spannung kann dann einen Strom bewirken, der vorzugsweise über die Federn fließt.
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Nicht dargestellt sind die Führung des Auslenkkörpers (3) und die Funkübertragungskomponente.
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2 eine Sensorkomponente, bei der ein Rotationskörper (9) von einer Spiralfeder (10) in einer Ruheposition gehalten wird. Nach dem Auslenken durch den Auslenkkörpers (3) führt der Rotationskörper Rotationsschwingungen ähnlich einer Unruh einer Uhr aus. Magnete (11) induzieren in umgebenden Spulen eine Spannung. Alternativ können sich die Spulen auch auf dem Drehkörper befinden und von festen Magnetfeldern durchdrungen werden.
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3 eine Sensorkomponente, bei der der Spulenträger (2) durch federnde Biegebalken (12) gehalten wird.
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4 eine Sensorkomponente, bei dem ein Bewegungsenergiewandler (13) drehbar im Gehäuse gelagert ist und durch eine Feder (16) in einer Ruheposition gehalten wird. Die Betätigungszunge (14) befindet sich in einer schräg verlaufenden Nut des Auslenkkörpers (3). Wird dieser aus der durch die Feder (6) bestimmten Ruheposition aufgrund einer von Außen wirkenden magnetischen Kraft ausgelenkt (Bewegungsrichtung A), so sorgt die Schrägnut dafür, dass die Betätigungszunge (14) den Bewegungsenergiewandler (13) betätigt.
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An der drehbaren Befestigung des Bewegungsenergiewandlers ist ein Magnet oder magnetisch anziehbarer Körper (15) angebracht, so dass dieser von Außen in Richtung B angezogen werden kann. Diese Anziehungskraft bewirkt eine kleine Drehbewegung und die Betätigungszunge (14) betätigt den Bewegungsenergiewandler (13).
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5 eine Sensorkomponente eine Variante von 4, bei der nur eine Drehbewegung vorgesehen ist.
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6 eine Sensorkomponente eine Variante von 4, bei der nur die Längsbewegung des Auslenkkörpers unterstützt wird.
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7 schematisch ein Stuhlbein oder Fuß/Bein eines Bettes (16). Das Bein wird von einer Feder (17), die in einem Gehäuse geführt ist, etwas angehoben (in der Zeichnung ist der Auslenkungsweg stark überzeichnet). Die Federkraft ist so einstellbar, dass die obere Position eingenommen wird, wenn keine Person auf dem Stuhl sitzt bzw. sich im Bett befindet. Durch das Gewicht einer Person, die sich auf den Stuhl setzt bzw. in das Bett legt, wird die Feder etwas zusammengedrückt und ein Gestänge (18) bewegt sich relativ zum Bein. Am oberen Ende ist auf der linken Seite der Abbildung ein Magnetkörper (19) angebracht, der den Auslenkkörper in der Sensorkomponenten (20) anzieht. Rechts betätigt das Gestänge (18) die Betätigungszunge (21) des Bewegungsenergiewandler (22).
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8 schematisch einen Querschnitt durch ein Bett mit einer Latte (23) des Lattenrosts, an der ein Magnet oder ein magnetisch anziehbarer Körper (24) angebracht ist. Liegt eine Person im Bett, so biegt sich die Latte durch und der Auslenkkörper in der Sensorkomponente (25) wird ausgelenkt.
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9 schematisch ein Eckventil (26) mit einem durch die Feder (30) gegen den Ventilsitz gepressten Stößel (27). Fließt ein Medium durch das Ventil, so führt die Bewegung des Stößels (27) zu einer Auslenkung der Betätigungszunge (29) des Bewegungsenergiewandler (28).
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10 schematisch ein Rückschlagventil (31) mit einer durch eine Feder geschlossen gehaltenen Rückschlagklappe (32). Durchfließt ein Medium das Ventil, so entfernt sich der an der Rückschlagklappe befindliche Magnetkörper (33) und der Auslenkkörper in der Sensorkomponente (34) fällt in die Ruheposition zurück.
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11 schematisch einen Ausschnitt eines Türblatts oder Fensterflügelprofils (36) mit integrierter Sensorkomponente (34). Ein Magnetkörper (33) ist dieser gegenüber liegend in der Türzarge bzw. im Fensterrahmen (35) eingelassen.
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12 schematisch eine Schalterwippe (36) mit Magneten oder ein magnetisch anziehbaren Körpern (24). Darunter in einem Gehäuse ein drehbar gelagerter Bewegungsenergiewandler (13) mit einem Magneten (15). Die Feder (16) hält beide in einer Ruheposition, wie in der Mitte dargestellt. Ein Magnet (37) hält die Wippe in einer der beiden Endpositionen. Wird die Wippe wie in der Abbildung unten dargestellt in die andere Endposition gebracht, so zieht der Magnet (15) den Körper (24) an und betätigt die Betätigungszunge (14) den Bewegungsenergiewandler (13).
