JP2003534704A - エネルギー自給式高周波送信器 - Google Patents

エネルギー自給式高周波送信器

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JP2003534704A JP2001586796A JP2001586796A JP2003534704A JP 2003534704 A JP2003534704 A JP 2003534704A JP 2001586796 A JP2001586796 A JP 2001586796A JP 2001586796 A JP2001586796 A JP 2001586796A JP 2003534704 A JP2003534704 A JP 2003534704A
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Abstract

(57)【要約】 本エネルギー自給式高周波送信器は、少なくとも１つの電気機械トランスデューサ（１）、論理アセンブリ（４）および高周波出力段（５）を有している。前記電気機械トランスデューサ（１）には整流器回路（２）および変圧器回路（３）が接続されており、前記論理アセンブリ（４）は前記変圧器回路（３）に接続されている。また、前記論理アセンブリ（４）は動作順序制御部およびメモリを有しており、このメモリにはＩＤコードが記憶されている。前記高周波出力段（５）は前記論理アセンブリ（４）および送信アンテナ（６）に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、エネルギー自給式の高周波送信器、エネルギー自給式高周波送信器
の使用方法および高周波信号をエネルギー自給式で送出する方法に関する。
【０００２】 今日、圧電トランスデューサによって機械的エネルギーが電気エネルギーに変
換されて整流されるエネルギー自給式システムが公知である。この電気エネルギ
ーは、簡単な発振回路を励起するために使用されてきた。
【０００３】 本発明の課題は、情報伝送のために改善された手段を有するエネルギー自給式
送信器を提供することである。
【０００４】 この課題は、請求項１記載のエネルギー自給式高周波送信器、請求項１０記載
の方法および請求項１８記載の使用方法によって解決される。
【０００５】 この課題を解決するために前記高周波送信器は、整流器が後置接続された少な
くとも１つの機械電気的トランスデューサと、変圧器回路とを有している。この
変圧器回路に接続されているのは論理アセンブリである。この論理アセンブリは
少なくとも１つの動作順序制御部と１つのメモリを有している。このメモリには
ＩＤコードが記憶されている。論理アセンブリには高周波出力段が接続されてお
り、これは論理アセンブリによって制御される。この高周波出力段によって形成
された高周波信号は、少なくとも１つの送信アンテナによって送信される。
【０００６】 電気機械トランスデューサというのは、機械的エネルギーを電気エネルギーに
変換するための一般的な構成部材のことであり、たとえば圧電素子、電歪素子、
磁歪素子または電磁誘導コイルである。
【０００７】 機械的エネルギーは、たとえば次のようなものから形成することができる。
【０００８】 ・スイッチ、キースイッチ、押しボタン式スイッチなどの操作エレメントの手動
操作。
【０００９】 ・機械的力作用の配向、たとえば窓、ドア、または産業用設備の当接スイッチの
開閉。
【００１０】 ・液体またはガスなどの圧力変化。
【００１１】 ・機械、車輪、車両などの振動。
【００１２】 トランスデューサによって発生された電圧は整流器回路によって整流され、変
圧器へ伝送される。この変圧器によって、少なくとも短時間にわたって一定の電
圧を取り出すことができる。このことによって、電圧の急激な上昇が阻止され、
さらには動作の安全性が上昇する。
【００１３】 整流器と変圧器との間の接続は直接行われるか、または付加的に設けられた蓄
電器、たとえばコンデンサを介して行われる。コンデンサを設ける場合、たとえ
ば後続の変圧器によって、典型的には指数関数的に下降するコンデンサの充電電
圧を、少なくとも短時間にわたって一定の電圧に変換することができる。しかも
このような変換エレメントは、それ自体で電圧を蓄積することができる。
【００１４】 十分な電圧信号が論理アセンブリのエネルギー供給のために形成されると、論
理アセンブリは少なくとも１つのＩＤコードと、場合によってはセンサ測定信号
のような他の情報も高周波出力段へ伝送する。高周波出力段では電圧信号は、Ｉ
Ｄコードを含む高周波信号を形成し、送信アンテナを介して送信するために使用
される。
【００１５】 信号をエネルギー独立式で伝送するこの手法は、トランスデューサから送出さ
れたエネルギーの使用率が、送出可能な情報密度の点で非常に高いという利点を
有する。確かにこのようなシステムは、単純な発振回路と比較すると時間単位あ
たりで消費する電気エネルギーは高いが、時間単位あたりではるかに高い情報密
度を送出することができ、ひいてはそれによって、トランスデューサから得られ
た電気エネルギーをより良好に使用することができる。
【００１６】 高い効率とコンパクトな構造を手に入れるためには、電気機械トランスデュー
サが少なくとも１つの圧電素子、たとえば圧電撓みトランスデューサを有してい
ると有利である。
【００１７】 また、たとえば安価で構成することができるようにするには、電気機械トラン
スデューサが少なくとも１つの誘導コイルを有していると有利である。
【００１８】 十分に長い時間にわたってエネルギー供給をできるようにするには、整流器回
路と変圧器回路との間に少なくとも１つのエネルギー蓄積エレメントを、たとえ
ばコンデンサの形態で、電流蓄積のために設けると有利である。
【００１９】 さらに、効率を向上させるためには、変圧器回路にもう１つのエネルギー蓄積
エレメントを設けると有利である。とりわけこのことは、変圧器回路をクロック
制御で動作させると有利である。
【００２０】 また有利には、論理アセンブリを少なくとも１つのセンサと接続させる。この
ことによって、論理アセンブリがＩＤコードの他に、この少なくとも１つのセン
サの測定データも検出するか、ないしは読み出し、この測定データを高周波信号
に加えることができる。
【００２１】 また、十分に長い時間にわたる電圧供給の際には、完全な情報内容を有する複
数の高周波信号を連続して送信すると有利である。というのも、これを冗長的に
行うことによって、伝送確実性を向上させることができるからである。
【００２２】 傍受に関して安全性を向上させるためには、高周波信号の情報を、典型的には
論理アセンブリに組み込まれた暗号化論理によって暗号化すると有利である。こ
のことによって、伝送確実性をたとえばアクセス・コントロールのために、個別
の鍵を入力することによって向上させることもできる。とりわけ、複数の高周波
信号を送信する際には、全ての高周波信号を異なって、たとえば異なる鍵によっ
て暗号化すると有利である。
【００２３】 また、伝送障害を低下させるためには、複数の高周波信号を送信する際に相互
の時間的間隔を変化させ、および/または個々の高周波信号の周波数を変化させ
ると有利である。
【００２４】 同様に伝送確実性を、とりわけ複数の高周波送信器が存在する環境において向
上させるためには、高周波信号の送信を、たとえば遅延を変化して、たとえば統
計的に調整することによって時間的に遅延させると有利である。この遅延は、た
とえば論理アセンブリのソフトウェアで実現することができる。遅延装置が個別
に統計的に分配した遅延時間を有する高周波送信器を使用することによって、伝
送確実性を向上させることができる。
【００２５】 高周波送信器のエネルギー使用量を低減するためには、論理アセンブリを低エ
ネルギーの超低電力技術（Ultra-Low-Power-Technology＝ＵＬＰ技術）で構成す
ると有利である。
【００２６】 有利には、論理アセンブリはマイクロプロセッサまたはＡＳＩＣモジュールを
有している。
【００２７】 典型的には、トランスデューサによって提供された電気エネルギーの一部は、
論理アセンブリを始動して動作状態にするために使用される。このためには通常
、水晶発振子がクロック発生器として設けられる。論理アセンブリの始動時間を
短縮するためには、水晶発振子の代わりにＬＣ発振回路またはＲＣ発振回路をク
ロック発生器として設けると有利である。
【００２８】 高い伝送速度を得るために、高周波出力段によって１ＭＨｚより高い周波数を
有する信号を送信すると有利である。今日のテクノロジーで実現されているのは
、たとえば１００ＭＨｚと３０ＧＨｚの間の周波数Ｆである。もちろん、原則的
にはこの周波数に対して上方の限界は存在しない。
【００２９】 短時間で高いデータ流量を得るためには、高周波信号の帯域幅が少なくとも１
００ｋＨｚであると有利である。
【００３０】 有利には、論理アセンブリは１つの送信サイクル中に次のことを実行する： ・ＩＤコードを、たとえば論理アセンブリのメモリから読み出す。
【００３１】 ・少なくともＩＤコードと、場合によってはセンサの測定データのような他の情
報とを含む送信電文を形成する。
【００３２】 ・高周波出力段を作動する。
【００３３】 ・高周波振動に送信電文を重畳し、場合によっては暗号化および/または時間的
遅延を実行する。
【００３４】 特に有利には、高周波送信器を交通運輸技術、とりわけ自動車技術および鉄道
技術において、および/または、たとえば屋内設備や電気設備の制御または立ち
入り管理のための建築技術、とりわけ内装技術において使用する。
【００３５】 さて、当該高周波送信器の使用についての個々の視点は、機械的に構成された
光スイッチに基づいて、適用ケースとしてより詳細に説明される。しかし、もち
ろん本発明は、この特別な適用だけに限定されない。
【００３６】 ａ）電圧形成 電圧形成、つまり機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するために、圧電
撓みトランスデューサが使用される。この圧電撓みトランスデューサは、たとえ
ば力作用が５Ｎの場合に５ｍｍの撓曲を生じ、その結果、自己キャパシタンス５
０ｎＦで５０Ｖの電圧を形成する。これらのパラメータを有するトランスデュー
サは従来の技術であり、寸法と機械的要求の点で市販の光スイッチに良好に適合
される。
【００３７】 ｂ）電圧処理 電圧の安定化は、変圧器を使用することによって、高効率でかつ高い入力電圧
ダイナミックスを以て、従来の技術によって行われる。コンデンサの充電電圧が
動作中に、たとえば２０Ｖから５Ｖに低下した場合でも、出力端の安定化回路が
一定に３Ｖを供給する。
【００３８】 ｃ）エネルギー考察 本発明の実施例において形成されたエネルギーによって、プロセッサ回路およ
び高周波送信器の短時間動作が可能であることは、以下のエネルギー考察によっ
て理解される。
【００３９】 撓みトランスデューサにおけるエネルギーは次のようになる。
【００４０】 Ｅ＝１／２Ｃ・Ｕ２＝１／２５０・１０−９・５０２［Ｖ２Ａｓ/Ｖ］＝６２．５
μＷｓ このうち、トランスデューサの効率が８０％の場合には約５０μＷｓが残留す
る。従って、たとえば約２０ｍＷ（３Ｖおよび６．６ｍＡ）を必要とする電子回
路は、ｔ＝５０μＷｓ/２０ｍＷ＝２．５ｍｓの時間にわたって動作することが
できる。
【００４１】 ｄ）伝送速度およびデータ量 高周波送信器の変調速度が１００Ｋｂｉｔ/ｓと前提されている場合、この時
間内でデータを約２５０ｂｉｔの規模で送信することができる。このデータ量は
スイッチのＩＤを暗号化するのに十分であり、またこのデータ量を以て、複数回
送信することによって、または相関法を適用することによって伝送確実性を向上
させることができる。さらに論理アセンブリ、典型的にはマイクロプロセッサま
たはＡＳＩＣを使用することによって、伝送すべきデータの暗号化を行うことが
できる。
【００４２】 ｅ）高周波送信器 高周波送信器は１ｍＷの電力を基にしている。これは、個人住居内でデータを
安全に各箇所へ送信するのに十分である。この場合典型的なシナリオは、全ての
スイッチ、たとえば光スイッチが操作時に１つまたは複数の高周波電文を送信す
るということである。この高周波電文は唯一の受信器によって受信され、この高
周波電文に相応する動作（電灯オン/オフ、電灯の光度調節など）が開始される
。
【００４３】 もちろん、エネルギー自給式高周波送信器は建築技術での適用のみに制限され
ることはなく、汎用可能である。適用可能な領域は、たとえば手動の緊急呼出送
信器、立ち入り認証の問い合わせ、遠隔操作、他のスイッチとして産業、交通、
個人世帯におけるリミットスイッチ、また動作検出器として水、ガス、電流のた
めのメータにおけるリミットスイッチなどのスイッチ、動物監視、侵入・盗難保
全、および自動車技術において自動車内に設けられたケーブル束を削減するため
に、または鉄道におけるスイッチの適用である。
【００４４】 センサシステムへの適用としては、温度、圧力、力などの測定量のためのセン
サが対象になる。とりわけ、自動車のタイヤ圧およびタイヤ温度の測定、列車に
おける車軸温度および加速度の測定、産業における機関および設備の温度、圧力
および力の測定に使用される。
【００４５】 以下の図１の実施例において、エネルギー自給式高周波送信器の動作様式が概
略的に示されている。
【００４６】 図１には、高周波送出器の種々の機能ユニットが概略的に示されている。
【００４７】 まず、電気機械トランスデューサ１、有利には圧電撓みトランスデューサまた
は誘導コイルによって、機械的エネルギーが電荷を分解させ、ひいては電圧が形
成される。この機械的エネルギーは、たとえば機械的力作用（たとえばボタン押
し）、圧力変化または振動から発生する。
【００４８】 発生された電圧により、整流器回路２を介してコンデンサ７が充電され、電圧
調整回路３の直接給電が可能になる。この場合、たとえばトランスデューサ１自
体が電荷を蓄積する。後続の変圧は、指数関数的に低下するコンデンサ７の充電
電圧から、短時間にわたって一定の電圧を後続の電子装置の動作のために形成す
るのに有利である。
【００４９】 この一定の電圧によって、蓄積されたエネルギーが許容する限り、後続の論理
アセンブリ４および高周波出力段５は作動され、給電される。この論理アセンブ
リ４はマイクロプロセッサ/動作順序制御部、測定場所またはスイッチのＩＤが
ファイルされたメモリ、および（オプションで）センサ入力部を含んでいる。こ
のセンサ入力部を介して、論理アセンブリ４を１つまたは複数のセンサ８に接続
することができる。
【００５０】 機械的エネルギー供給によって供給電圧が供給された場合、次のようなプロセ
ッサ制御による経過がトリガされる。
【００５１】 ａ）ＩＤコードの読み出し ｂ）接続されたセンサ８の読み出し（オプション） ｃ）データの暗号化（オプション） ｄ）ＩＤコードを含む送信電文の形成 ｅ）高周波出力段５の作動 ｆ）送信電文による高周波振動の変調（エネルギーを十分に使用できる限り、
または他の遮断判定基準が満たされるまで、オプションで複数回） 高周波出力段５は高周波振動を形成し、この高周波振動は送信アンテナ６を介
して送信される。この振動には、論理アセンブリ４によって形成された送信電文
が重畳されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エネルギー自給式高周波送信器の動作様式を概略的に示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｑ 9/00 ３４１ Ｈ０４Ｑ 9/00 ３４１Ｚ Ｆターム(参考） 5K012 AB05 AB18 AC08 AE13 5K048 AA16 BA12 BA30 BA42 BA51 DB01 EB10 EB12 HA02 HA31 HA38 5K060 CC04 CC11 MM08

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エネルギー自給式高周波送信器において、 少なくとも１つの電気機械トランスデューサ（１）、論理アセンブリ（４）お
    よび高周波出力段（４）が設けられており、 前記電気機械トランスデューサ（１）には整流器回路（２）および変圧器回路
    （３）が後置接続されており、 前記論理アセンブリ（４）は前記変圧器回路（３）に接続されており、 前記論理アセンブリは動作順序制御部およびメモリを有しており、 前記メモリにはＩＤコードが記憶されており、 前記高周波出力段は、前記論理アセンブリ（４）と少なくとも１つの送信アン
    テナ（６）とに接続されていることを特徴とするエネルギー自給式高周波送信器
    。
  2. 【請求項２】 前記電気機械トランスデューサ（１）は少なくとも１つの圧
    電素子を含んでいる、請求項１記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  3. 【請求項３】 前記少なくとも１つの圧電素子は撓みトランスデューサであ
    る、請求項２記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  4. 【請求項４】 前記電気機械式トランスデューサ（１）は少なくとも１つの
    誘導コイルを有している、請求項１記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  5. 【請求項５】 前記変圧器回路（３）は別のエネルギー蓄積エレメントを有
    している、請求項１から４までのいずれか１項記載のエネルギー自給式高周波送
    信器。
  6. 【請求項６】 前記変圧器回路（３）はクロック制御で動作する、請求項５
    記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  7. 【請求項７】 前記整流器回路（２）との間には、少なくとも１つのコンデ
    ンサ（７）がエネルギー蓄積のために設けられている、請求項１から６までのい
    ずれか１項記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  8. 【請求項８】 前記論理アセンブリ（４）は少なくとも１つのマイクロプロ
    セッサおよび/または１つのＡＳＩＣを含んでいる、請求項１から７までのいず
    れか１項記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  9. 【請求項９】 前記論理アセンブリ（４）は少なくとも１つのセンサ（８）
    と接続されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のエネルギー自給式
    高周波送信器。
  10. 【請求項１０】 前記論理アセンブリ（４）はＵＬＰ技術で構成されている
    、請求項１から９までのいずれか１項記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  11. 【請求項１１】 前記論理アセンブリ（４）は、ＬＣ発振回路またはＲＣ発
    振回路をクロック発生器として有している、請求項１から１０までのいずれか１
    項記載のエネルギー自給式高周波送信器。
  12. 【請求項１２】 前記高周波出力段（５）によって、１ＭＨｚより高い周波
    数（ｆ）を有する、有利には１００ＭＨｚから３０ＧＨｚの間の周波数（ｆ）を
    有する高周波信号が送信される、請求項１から１１までのいずれか１項記載のエ
    ネルギー自給式高周波送信器。
  13. 【請求項１３】 前記高周波信号の帯域幅は１００ｋＨｚより大きくするこ
    とができる、請求項１から１２までのいずれか１項記載のエネルギー自給式高周
    波送信器。
  14. 【請求項１４】 前記論理アセンブリ（４）と送信アンテナ（６）との間に
    遅延装置が取り付けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のエ
    ネルギー自給式高周波送信器。
  15. 【請求項１５】 高周波信号をエネルギー自給式で送信するための方法にお
    いて、 ａ）電気機械トランスデューサ（１）によって機械的運動を電圧信号に変換し
    、 ｂ）前記電圧信号を整流し、 ｃ）前記整流された電圧信号を、少なくとも部分的に一定な電圧レベルを形成
    するために変換し、 ｄ）前記電圧信号を、少なくとも論理アセンブリ（４）のエネルギー供給のた
    めに使用し、 ｅ）前記論理アセンブリ（４）から、少なくとも１つのＩＤコードを高周波出
    力段（５）へ伝送し、 ｆ）前記高周波出力段（５）から、前記ＩＤコードを含む高周波信号を、送信
    アンテナ（６）を介して送信することを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 ステップｅ）は少なくとも、 ｅ１）たとえば前記論理アセンブリ（４）のメモリからのＩＤコードを読み出
    す部分ステップと、 ｅ２）前記ＩＤコードを含む送信電文を形成するステップと、 ｅ３）前記高周波出力段（５）を作動する部分ステップと、 ｅ４）送信電文によって高周波振動を変調するステップとを含んでいる、請求
    項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記論理アセンブリ（４）によって、少なくとも１つのセ
    ンサの測定データを検出し、 前記測定データを前記高周波信号にスタンプする、請求項１５または１６記載
    の方法。
  18. 【請求項１８】 完全な情報内容を有する複数の高周波信号を連続して送信
    する、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の方法。
  19. 【請求項１９】 個々の高周波信号の相互の時間的間隔および/または周波
    数（ｆ）を可変に調整する、請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記高周波信号の情報を暗号化する、請求項１５から１９
    までのいずれか１項記載の方法。
  21. 【請求項２１】 複数の高周波信号を異なって暗号化する、請求項２０記載
    の方法。
  22. 【請求項２２】 前記高周波信号の送信を時間的に遅延する、請求項１５か
    ら２１までのいずれか１項記載の方法。
  23. 【請求項２３】 １００ｋＨｚより大きい帯域幅を有する高周波信号を送信
    する、請求項１５から２２までのいずれか１項記載の方法。
  24. 【請求項２４】 １ＭＨｚより高い周波数を有する高周波信号、たとえば１
    ００ＭＨｚから３０ＧＨｚの間の周波数を有する高周波信号を送信する、請求項
    １５から２３までのいずれか１項記載の方法。
  25. 【請求項２５】 交通運輸技術、たとえば自動車技術において、または建築
    技術、たとえば内装技術において使用する、請求項１から１４までのいずれか１
    項記載の高周波送信器の使用方法。
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