DE19933686A1

DE19933686A1 - Schalter mit drahtloser Fernablesung

Info

Publication number: DE19933686A1
Application number: DE1999133686
Authority: DE
Inventors: Philippe Pretre; Ken Haffner; John Anthony Byatt; Daniel Matter; Thomas Kleiner
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-07-17
Filing date: 1999-07-17
Publication date: 2001-01-18

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Schalter (10) mit drahtloser Fernablesung weist eine Schalteinheit (11) mit mindestens zwei Zuständen, mindestens eine Codiereinheit (12) sowie eine Antenne (13) zum Empfangen und zum Senden elektromagnetischer Signale auf. Die Antenne (13) ist in Abhängigkeit des Zustands der Schalteinheit (11) mit maximal einer der Codiereinheiten (12) verbunden. DOLLAR A Eine Zentraleinheit (20) sendet Abfragesignale aus, die durch einen oder mehrere Schalter (10) unterschiedlich codiert reflektiert oder gar nicht reflektiert werden. Anhand von diesen reflektierten Signalen bestimmt die Zentraleinheit (20) die Schalterzustände der Schalter (10). DOLLAR A In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist die Codiereinheit (12) ein akustisches Oberflächenwellenfilter oder SAW (Surface Acoustic Wave)-Filter und ist die Schalteinheit (11) ein Reed-Schalter, welcher durch das Annähern oder Entfernen eines magnetischen Gegenstandes betätigt wird. Diese Variante hat den Vorteil, dass weder zur Betätigung der Schalteinheit (11) noch zur Fernabfrage des Zustands Energie aus dem Schalter (10) verbraucht wird, so dass der ganze Schalter (10) keine eigene Energiequelle benötigt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sensortechnik. Sie bezieht sich auf einen Schalter, ein System und ein Verfahren mit drahtloser Fernable sung gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 9 und 10.

Stand der Technik

Schalter zur Bestimmung von Betriebszuständen eines Prozesses werden in grosser Zahl in automatisierten Anlagen eingesetzt, beispielsweise in Robo terzellen, Fertigungsstrassen, Bestückungsautomaten oder Werkzeugma schinen. Oft werden dabei Näherungsschalter verwendet, welche die Anwe senheit eines Bauteils oder das Erreichen einer bestimmten Position durch ein Maschinenteil wie ein Roboterarm oder ein Lineartisch signalisieren. Zur Messung und Übermittlung der Betriebszustände wird Energie benötigt, die meist über Kabel übertragen wird. Die Übermittlung von Betriebszuständen an ein Steuergerät der Anlage kann zur Verminderung von Verkabelungen drahtlos erfolgen. Ein Sensor mit einer solchen drahtlosen Fernabfrage ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift EP 0 841 579 A1 bekannt. Dieser ist jedoch nicht auf einen energiesparenden Betrieb ausgerichtet. Um die Verkabelungen vollständig zu eliminieren, was grosse Vorteile bringt, wenn eine Anlage hunderte von Sensoren oder Schaltern aufweist, muss sicherge stellt sein, dass ein Sensor äussert energiesparend betrieben wird.

Im Konferenzbericht SENSOR 99, Proceedings der 9^th International Trade Fair and Conference for Sensors, Transducers and Systems, 18-20 Mai 1999, Nürnberg, Seite 227 bis 228, ist ein SAW(Surface Acoustic Wave)-Element be schrieben, bei dem ein Reflektor durch ein Reed-Element kurzgeschlossen wird, so dass sich ein reflektiertes Signal je nach einem Zustand des Reed- Elements in einem Bit unterscheidet. Dies ermöglicht eine Fernabfrage des Zustands des Reed-Elements. Die Unterscheidung durch ein einzelnes Bit im Zeitbereich ist jedoch anfällig auf Übertragungsfehler.

Ein im Frequenzbereich funktionierendes Verfahren wird im US-Patent 5,691,698 beschrieben. Dabei sind mehrere SAW-Resonatoren eines Emp fängers mit einer Antenne verbunden, so dass jeder Resonator zu einer Er höhung in einer Fouriertransformierten eines reflektieren Signals führt. Re sonatoren können einzeln aus- und eingeschaltet werden. Auch hier unter scheidet sich ein reflektiertes Signal je nach Schalterstellung nur in einem einzigen Merkmal, wobei dieses Merkmal im Frequenzbereich auftritt, und ist dadurch relativ störanfällig.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Schalter und ein System mit drahtloser Fernablesung der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine möglichst energiesparende Erfassung und Übermittlung von Betriebs zuständen erlaubt, und dabei eine fehlertolerante Übermittlung aufweist.

Diese Aufgabe löst ein Schalter mit drahtloser Fernablesung mit den Merk malen des Patentanspruches 1 sowie ein System und ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 9 und 10.

Der erfindungsgemässe Schalter weist eine Schalteinheit mit mindestens zwei Zuständen und eine drahtlose Fernablesung der Zustände auf. Der Schalter weist ferner mindestens eine Codiereinheit sowie eine Antenne zum Empfangen und zum Senden elektromagnetischer Wellen auf, wobei die An tenne in Abhängigkeit des Zustands der Schalteinheit mit genau einer be stimmten oder mit keiner Codiereinheit in Wirkverbindung steht.

Das erfindungsgemässe System weist mehrere erfindungsgemässe Schalter sowie eine Zentraleinheit zum Senden von Abfragesignalen und zum Emp fangen und Auswerten von reflektierten Signalen auf, wobei die reflektierten Signale entsprechend der Zustände der Schalter codiert sind.

Im Betrieb des erfindungsgemässen Systems sendet die Zentraleinheit Si gnale aus, die durch einen oder mehrere Schalter in Abhängigkeit der Schal terzustände durch die Codiereinheiten unterschiedlich codiert reflektiert oder gar nicht reflektiert werden. Anhand von reflektierten Signalen be stimmt die Zentraleinheit die Schalterzustände der Schalter.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Fernablesung von Schalterzuständen keine Energiezufuhr aus dem Schalter benötigt, und dass dabei die codierten reflektierten Signale frei wählbar sind, insbesondere derart, dass ihre Über tragung fehlertolerant ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist die Codiereinheit ein akustisches Oberflächenwellenfilter, im folgenden SAW- (Surface Acoustic Wave)-Filter genannt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstan des benötigt auch die Betätigung der Schalteinheit keine Energie aus dem Schalter, beispielsweise indem die Schalteinheit ein Reed-Schalter ist, wel cher durch das Annähern oder Entfernen eines magnetischen Gegenstandes betätigt wird. Diese Variante hat den Vorteil, dass auch zur Betätigung der Schalteinheit keine Energie aus dem Schalter verbraucht wird, so dass der ganze Schalter keine eigene Energiequelle benötigt.

Vorzugsweise weist ein erfindungsgemässer Schalter als Schalteinheit einen Ein/Aus-Schalter und genau eine Codiereinheit auf. Dabei wird der Schalter erst bei der Betätigung der Schalteinheit, beispielsweise bei Ansprechen ei nes Reed-Schalters aktiv, das heisst auslesbar.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Aus führungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Systems mit einer ersten Ausführungsform eines Schalters;

Fig. 2 einen erfindungsgemässen Schalter in einer zweiten Aus führungsform und

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsformen erfindungsgemässer Schalter.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes System mit einer ersten Ausfüh rungsform eines erfindungsgemässen Schalters 10. Sie weist einen oder mehrere Schalter 10 auf, wobei ein Schalter eine Antenne 13, eine Schaltein heit 11 und eine Codiereinheit 12 aufweist. Die Antenne 13 steht mit der Schalteinheit 11 in Wirkverbindung, und die Schalteinheit 11 steht mit der Codiereinheit 12 in Wirkverbindung. Die Schalteinheit 11 befindet sich ent weder in einem ersten, eingeschalteten Zustand, bei welchem die Antenne 13 in Wirkverbindung mit der Codiereinheit 12 steht, oder in einen zweiten, ausgeschalteten Zustand, bei welchem keine solche Wirkverbindung besteht. Eine Zentraleinheit 20 zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen steht in Wirkverbindung mit einer zentralen Antenne 21. Mehrere Schalter 10, die derselben Zentraleinheit 20 zugeordnet sind, weisen Co diereinheiten 12 mit unterschiedlichen Codes auf. Die Zentraleinheit weist Informationen darüber auf, welcher Code welchem Schalter 11 zugeordnet ist.

In einer ersten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, die der ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters 10 zugeordnet ist, sendet die Zentraleinheit 20 über die zentrale Antenne 21 ein Abfragesignal in Form elektromagnetischer Wellen aus. Dieses Abfragesignal wird von der Antenne 13 eines oder mehrerer erfindungsgemässer Schalter 10 empfan gen. In jedem der Schalter 10 wird das empfangene Signal entweder auf die Codiereinheit 12 geleitet oder aber nicht weitergeführt, je nachdem ob die Schalteinheit 11 ein- oder ausgeschaltet ist. Falls das Signal auf die Co diereinheit 12 geleitet wird, wird es nach Massgabe eines Codes der Co diereinheit 12 codiert und reflektiert, über die Schalteinheit 11 und die An tenne 13 wieder abgestrahlt und durch die Zentraleinheit 20 über die zen trale Antenne 21 empfangen. Anhand der Codierung von empfangenen re flektierten Signalen und anhand der in der Zentraleinheit bekannten Zuord nung zwischen Schaltern 10 und Codes bestimmt die Zentraleinheit 20, durch welche Schalter 10 ein Signal reflektiert worden ist. Damit hat die Zen traleinheit diejenigen Schalter 10, durch welche ein Signal reflektiert worden ist, als im eingeschalteten Zustand befindlich bestimmt. Umgekehrt sind diejenigen anderen Schalter 10, durch welche kein Signal reflektiert worden ist, als im ausgeschalteten Zustand befindlich bestimmt. Dadurch, dass ein Schalter 10 entweder ein vollständiges Signal reflektiert oder gar kein Signal reflektiert, ergibt sich eine hohe Sicherheit der Übertragung des Schalterzu stands.

Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Schalters 10. Hier weist der Schalter 10 eine Schalteinheit 11 mit zwei oder mehr Zuständen sowie zwei oder mehr Codiereinheiten 12, 12' auf. Dabei ist die Anzahl Zustände gleich der Anzahl der Codiereinheiten 12, 12'. Falls die Schalteinheit 11 ei nen ersten Zustand aufweist, steht die Antenne 13 in Wirkverbindung mit ei ner ersten Codiereinheit 12. Falls die Schalteinheit 11 einen zweiten Zustand aufweist, steht die Antenne 13 in Wirkverbindung mit einer zweiten Co diereinheit 12'. Gleiches gilt analog für allfällige weitere Zustände und Co diereinheiten. Die Codes der Codiereinheiten 12, 12' unterscheiden sich voneinander wie auch von Codes anderer Schalter 10, die derselben Zen traleinheit 20 zugeordnet sind. Die Zentraleinheit weist Informationen dar über auf, welcher Code welchem Zustand welchen Schalters 10 zugeordnet ist.

Vorzugsweise weist diese zweite Ausführungsform eines Schalters 10 genau zwei Zustände und zwei Codiereinheiten auf. Damit ist die Schalteinheit 11 ein Umschalter.

Eine zweite Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, die der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters 10 zugeordnet ist, funktioniert im Wesentlichen gleich wie die erste Variante, jedoch mit dem Unterschied, dass in jedem Zustand eines Schalters 10 ein codiertes Signal reflektiert wird. Anhand der Codierung der reflektierten Signale und der in der Zentraleinheit vorhandenen Informationen bestimmt die Zentraleinheit 20, durch welche Schalter 10 die Signale reflektiert wurden und in welchem Zustand sich die Schalteinheiten 11 dieser Schalter 10 befinden. Vorteilhaf terweise unterscheiden sich die den verschiedenen Zuständen eines Schal ters 10 entsprechenden Codierungen voneinander möglichst stark, bei spielsweise durch eine möglichst grosse Hamming-Distanz zwischen den einzelnen Codierungen. Dadurch ergibt sich eine hohe Sicherheit der Über tragung des Schalterzustands.

Vorzugsweise ist die Codiereinheit in den beiden oben beschriebenen Aus führungsformen der Erfindung ein akustisches Oberflächenwellenfilter, im folgenden SAW(Surface Acoustic Wave)-Filter genannt. Die Funktionsweise von SAW-Filtern und die Art der Abfragesignale ist allgemein bekannt: Typi scherweise wird ein Abfragesignal im Gigahertzbereich durch eine Antenne 13 empfangen und über einen Piezowandler in eine Oberflächenschallwelle auf einem SAW-Chip umgewandelt. An wählbaren Positionen des Chips posi tionierte Reflektoren reflektieren die Schallwelle. Die reflektierten Schallwel len führen über den Piezowandler zur Abstrahlung von reflektierten elektro magnetischen Impulsen. Aufgrund von Laufzeitunterschieden reflektierter Schallwellen ergibt sich eine charakteristische Folge von reflektierten elek tromagnetischen Impulsen, die durch die Wahl der Positionen der Reflekto ren bestimmt ist. Typische Laufzeiten liegen im Bereich von Mikrosekunden.

Durch die charakteristische Folge von reflektierten elektromagnetischen Im pulsen ist die Identität des SAW-Chips bestimmt.

Falls eine Mehrzahl von Schaltern 10 Signale reflektiert, stellt sich in der Zentraleinheit 20 das Problem, zu bestimmen, welche empfangenen reflek tierten Impulse eine zusammengehörende Impulsfolge eines bestimmten Schalters respektive SAW-Chips bilden. Diese Trennung der reflektierten Si gnale einer Mehrzahl von Schaltern 10 geschieht beispielsweise, indem die reflektierten Signale eine für jeden Sensor unterschiedliche gemeinsame Grundverzögerung aufweisen, oder indem die Abfragefrequenz für verschie dene Sensoren unterschiedlich ist, oder aus einer Kombination dieser beiden Massnahmen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der eine Antenne 13, ein Ein/Aus-Schalter 14 und eine Codiereinheit 12 einen Stromkreis bilden. Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, in dem eine Antenne 13 nach Massgabe einer Stellung eines Umschalters 15 einen Stromkreis mit einer von zwei Codiereinheiten 12, 12' bildet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schalteinheit 11 der oben beschriebenen Ausführungsformen einen Reed- Schalter oder Magnetkontakt auf. Ein Reed-Schalter schaltet beim Annähern oder Entfernen eines magnetischen Gegenstandes, beispielsweise eines Permantentmagneten. Reed-Schalter weisen meist evakuierte Glaskolben mit wenigen Millimetern Länge und einem Durchmesser von ein bis zwei Milli mentern auf. Typische Schaltzeiten von Reed-Schaltern sind 0.5 bis 2 Millise kunden. Beispielsweise wird ein Permanentmagnet an einem Objekt ange bracht, dessen Bewegung oder Position durch einen Schalter detektiert wer den soll, beispielsweise an einer Werkstückhalterung, einem Werkstück, oder einem Maschinenteil. Nähert sich der Permanentmagnet an diesem Objekt dem Reed-Schalter, oder entfernt er sich von diesem, so schaltet der Schal ter. In einer anderen Konfiguration sind ein oder mehrere Permanentmagne te in der Nähe des Reed-Schalters angeordnet, beispielsweise als Teile eines Schalters 10. Wird ein magnetisch leitfähiges Material, beispielsweise Eisen, in die Nähe gebracht, so ändert sich der Feldfluss der Permanentmagnete in der Art, dass der Reed-Schalter schaltet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schalteinheit 11 der oben beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungs form einen mechanisch betätigten Kontakt auf, beispielsweise einen Mi kroschalter.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schalteinheit 11 der oben beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungs form einen Näherungsschalter auf, beispielsweise einen induktiven oder ka pazitiven Näherungsschalter.

Bezugszeichenliste

10

Schalter

11

Schalteinheit

12

,

12

' Codiereinheit

13

Antenne

14

Ein/Aus-Schalter

15

Umschalter

20

Zentraleinheit

21

zentrale Antenne

Claims

1. Schalter (10) mit einer Schalteinheit (11) mit mindestens zwei Zuständen und mit Mitteln zur drahtlosen Fernablesung eines Zustands der Schalt einheit (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur drahtlosen Fernablesung mindestens eine Codierein heit (12) sowie eine Antenne (13) zum Empfangen und zum Senden elek tromagnetischer Wellen umfassen, wobei die Antenne (13) in Abhängig keit des Zustands der Schalteinheit (11) mit maximal einer bestimmten der mindestens einen Codiereinheiten (12) in Wirkverbindung steht.

2. Schalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minde stens eine Codiereinheit (12) ein SAW-Filter ist.

3. Schalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (10) genau eine Codiereinheit (12) aufweist, und dass die Schalteinheit (11) ein Ein/Aus-Schalter ist.

4. Schalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (10) genau zwei Codiereinheiten (12) aufweist und dass die Schalteinheit (11) ein Umschalter ist.

5. Schalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt einheit (11) ohne Energiebezug aus dem Schalter (10) betätigbar ist.

6. Schalter gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt einheit (11) ein Reed-Schalter ist.

7. Schalter gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt einheit (11) ein mechanisch betätigbarer Kontakt ist.

8. Schalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt einheit (11) ein Näherungsschalter ist, insbesondere ein induktiver oder kapazitiver Näherungsschalter.

9. System zur drahtlosen Fernablesung von mindestens einem Schalter (10), wobei jeder Schalter (10) eine Schalteinheit (11) mit mindestens zwei Zu ständen aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass jeder der Schalter (10) mindestens eine Codiereinheit (12) sowie ei ne Antenne (13) zum Empfangen und zum Senden elektromagnetischer Wellen aufweist, wobei die Antenne (13) in Abhängigkeit des Zustands der Schalteinheit (11) mit maximal einer bestimmten der mindestens ei nen Codiereinheiten (12) in Wirkverbindung steht, und
dass das System eine Zentraleinheit (20) zum Senden von Abfragesigna len und zum Empfangen und Auswerten von reflektierten Signalen auf weist, wobei die reflektierten Signale entsprechend der Zustände der Schalter (10) codiert sind.

10. Verfahren zur drahtlosen Fernablesung von mindestens einem Schalter, wobei jeder Schalter (10) eine Schalteinheit (11) mit mindestens zwei Zu ständen aufweist, wobei:
eine Zentraleinheit (20) ein drahtloses Abfragesignal sendet,
mindestens ein Schalter (10) das Abfragesignal über eine Antenne (13) empfängt,
das Abfragesignal in jedem der mindestens einen Schalter (10) nach Massgabe eines Zustands einer Schalteinheit (11) auf maximal eine Co diereinheit (12, 12') geführt wird, wobei,
falls das Abfragesignal auf eine Codiereinheit (12, 12') geführt wird, es in codierter Form reflektiert und über die Schalteinheit (11) und die An tenne (13) wieder abgestrahlt wird, und wobei
die Zentraleinheit (20) anhand von empfangenen, reflektierten Signalen bestimmt, welches der Zustand der Schalteinheit (11) des mindestens ei nen Schalters (10) ist.