JP2004527198A - 誘導式電圧制御回路 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、非電気的な1次エネルギを電圧信号へ変換する誘導式電圧制御回路、および誘導電圧の形成方法に関する。本発明は特にバッテリフリーのセンサおよびセンサシステム、報知システム、スイッチセンサなどに適している。
【0002】
国際公開第98/36395号明細書には符号化高周波数信号の形成装置が記載されている。ここには非電気的な1次エネルギを低周波数の電気エネルギへ変換する変換器が設けられており、特に振動エネルギまたは加速度変化エネルギのエレクトロダイナミックな変換が行われる。ピエゾ電圧を形成するための過死点ばねについても記載されており、これは死点を超える負荷がかかると急激に変換器への作用が生じるものである。
【0003】
従来、機械的な1次エネルギを誘導変換するための手段として、主として圧電エレメントまたはミニダイナモを備えた電圧制御回路が知られている。ダイナモ手段は誘導コイル、鉄心、および鉄心に対して発振する永久磁石を備えた装置から成っている。ただしこうした装置は比較的複雑で、かさも大きくなってしまう。
【0004】
本発明の課題は、特にバッテリフリーのセンサおよびセンサシステム、報知システム、スイッチセンサなどに適した高効率かつコンパクトな誘導電圧形成手段を提供することである。
【0005】
この課題は、請求項1記載の電圧制御回路、請求項4記載のスイッチ、請求項5記載のセンサシステム、および請求項6記載の電圧形成方法により解決される。有利な実施形態は従属請求項から得られる。
【0006】
このために電圧制御回路は少なくとも1つの機械的エネルギ蓄積器と、この機械的エネルギ蓄積器に結合される少なくとも1つの誘導システムとを有しており、機械的エネルギ蓄積器は非電気的な1次エネルギを収容する。
【0007】
1次エネルギは例えば機械的なプロセスエネルギ(例えば圧力、張力または振動力など)および/または環境エネルギ(例えば温度差など)またはこれらの組み合わせである。機械的なプロセスエネルギは例えばスイッチの手動操作により生じる。環境エネルギは例えば温度に依存する伸長特性を有するエレメント、例えばバイメタルスイッチまたはいわゆる“メモリエレメント”を介して機械的エネルギ蓄積器へ収容される。
【0008】
機械的エネルギ蓄積器は機械的な特性量が変化したことにより表されるエネルギ(例えば圧力、張力、ポテンシャルエネルギ、変形力など)を主として可逆的に蓄積することのできるシステムである。例えばばね(引っ張りばね、撓みエレメントなど)は伸長エネルギまたは重さといったポテンシャルエネルギをロッドの伸縮などのかたちで蓄積し、再放出することができる。機械的エネルギ蓄積器として例えばニューマティックばねなども存在しており、これは圧力エネルギをロッドによって表すものである。
【0009】
誘導システムは誘導電圧の出力に適するように構成されており、典型的には少なくとも1つの誘導コイルを備え、場合により鉄を含む鉄心を有している。
【0010】
誘導システムは機械的エネルギ蓄積器に結合されており、機械的エネルギ蓄積器の運動によってここに誘導電圧が誘導される。放出される機械的エネルギは誘導システムでの誘導により電圧信号へ変換される。例えばこのために機械的エネルギ蓄積器は磁石、有利には永久磁石を有しており、機械的エネルギ蓄積器が転換点へ達した後、開放された機械的エネルギにより運動が生じて、誘導システムの領域に磁束φの時間変化が起こる。機械的エネルギ蓄積器は非電気エネルギを機械的な運動エネルギに変換する変換器としても用いることができる。
【0011】
電圧制御回路は少なくとも1つの転換点を有しており、この転換点に達すると、蓄積された機械的エネルギの少なくとも一部が運動へ変換され、電圧信号が誘導される。つまりこの転換点は蓄積された機械的エネルギの閾値に相当する。転換点に達するまでは機械的エネルギ蓄積器に供給される1次エネルギは主として蓄積されるのみである。
【0012】
転換点は環境および誘導システムに依存する。有利には1つ以上の転換点を設けるか、および/または装置の両側にそれぞれ転換点を設け、フレキシブルな電圧形成を行えるようにする。さらに有利には運動ができる限りストローク式に行われるようにする。例えば機械的エネルギ蓄積器としてばねを用いれば、押し負荷と引っ張り負荷との双方を利用でき、2つの操作方向での転換点のレベルを区別することができる。
【0013】
転換点を有する機械的エネルギ蓄積器を使用することにより、磁界変化の特性ひいては誘導電圧の特性が1次エネルギの時間作用に依存しなくなるという利点が得られる。しかも変換されたエネルギのレベルはほぼ一定となる。
【0014】
有利には、1次エネルギは操作エレメント、例えばスイッチを介して機械的エネルギ蓄積器へ供給される。操作エレメントは機械的エネルギ蓄積器の一部であってもよい。
【0015】
以下に実施例に即して本発明の電圧制御回路を詳細に説明する。
【0016】
図1には電圧形成の基本回路が示されている。図2には給電のための誘導式電圧制御回路を含むセンサシステムが示されている。図3には電圧制御回路の操作の際の種々の位置が示されている。
【0017】
図1には電圧形成手段の基本回路が示されている。
【0018】
環境(例えば温度差AT)またはプロセス(例えば指の押圧力)から生じる非電気的な1次エネルギPEは電圧制御回路1の一部である機械的エネルギ蓄積器2へ供給される。その機械的エネルギは転換点Pに達した後、運動によって、同様に電圧制御回路1の一部である誘導システム3へ結合され、そこで電圧信号USIGを形成する力として使用される。この電圧信号USIGは負荷で利用される。負荷はこの実施例では送信機4およびこれに接続されたセンサ5である。特に電圧制御回路はバッテリフリーの負荷、例えば破砕センサや無線スイッチに適している。送信機4は例えば無線リモートスイッチであり、無線やIRを介して送信テレグラムなどを送信することができる。
【0019】
図2には電圧制御回路1の有利な実施例の側面図が示されている。
【0020】
この図ではプリテンションされたばね6が機械的エネルギ蓄積器2として使用されている。
【0021】
ばね6の右方の端部は永久磁石7に固定されている。永久磁石7はこの位置で誘導コイル8に包囲された鉄心9に接している。誘導コイル8および鉄心9は誘導システム3の一部である。機械的な引っ張りばね6に代えて、機械的エネルギ蓄積器として例えば回転ばね、ばねはかり、またはニューマティックばねなどを使用することもできる。
【0022】
誘導コイル8には電気端子10を介して送信機4のかたちの負荷が接続されている。送信機はセンサ5と高周波数送信段とを有している。
【0023】
ばね6の左方の端部は、ばね6を操作するための(図示されていない)操作ユニットに接続されている。これは例えばタンブラスイッチの端部である。
【0024】
図3には図2のばねの操作におけるフォワード過程とリターン過程とが部分図a〜dに示されている。
【0025】
図3のaでは、ばね6の左方端部が矢印の方向へテンションをかけられている。テンションが大きくなるにつれて、ばね6に蓄積される機械的なエネルギも増大する。この図では、ばね6の応力はまだそれほど大きくないので、永久磁石7と鉄心9との磁性接着は引き離されていない。
【0026】
図3のbでは、ばね6のテンションがきわめて大きくなり、永久磁石7と鉄心9との磁性接着が引き離されている。永久磁石7の運動により磁束φが時間的に変化し、これにより誘導コイル8内に電圧USIGが誘導される。こうして蓄積された機械的エネルギが電気エネルギへ変換される。
【0027】
転換点(機械的な“死点”)では、ばね6の応力のみに依存して分離が起こる。転換点は有利には例えば磁界の強度によっても定義される。
【0028】
図3のcでは、ばね6は逆方向へ操作される。永久磁石7が鉄心9へ接近する速度は、ばね操作によるフォワード過程と永久磁石7および鉄心9のあいだの引き合う力とによって定まる。引き合う力が大きくなるにつれて、永久磁石6の速度も大きくなる。反対方向の運動により、同様に電圧信号USIG’が誘導コイル内で誘導される。負荷では有利には例えば電圧信号USIG、USIG’の極性を検出することにより、機械的エネルギ蓄積器2の運動方向が検出される。ここから例えばスイッチのオンオフを区別することができる。
【0029】
図3のdでは、ばねのリターン過程後の初期位置での静止状態が示されている。
【0030】
有利な実施例では、永久磁石7は安定状態に保持される2つの定義された端部位置を有している。1次エネルギが作用すると、ばね6は永久磁石7の少なくとも1つの転換点に達して第2の安定な端部位置へスナップされるまで機械的エネルギを蓄積する。ここで、ばね6の機械的エネルギは少なくとも部分的に電圧信号USIG、USIG’へ変換される。
【0031】
本発明の電圧制御回路はきわめてコンパクトな構造を有しており、高い効率で動作するうえ、製造も簡単である。また機械的に定義される切換点を有するという利点も存在する。煩雑な発振性の磁気運動に代えて、本発明の電圧制御回路では、簡単なスナップ運動が必要なだけである。
【0032】
本発明はさらに、前述の電圧制御回路を備えたスイッチおよびセンサシステム、例えば破砕センサ、オプティカルスイッチなどに関する。本発明は特に無線を介してメッセージを送受信するバッテリフリーのスイッチおよびセンサシステムに適している。こうした電圧制御回路の適用例として国際公開第98/36395号明細書に記載されているような“パワーラインコミュニケーションシステム”(PLCシステム)におけるスイッチおよびセンサが上げられる。これについては例えばSuedduetsche Zeitung, No.74, 29.March2001の27頁を参照されたい。ただしもちろん本発明の電圧制御回路はこうした適用例のみに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】電圧形成手段の基本回路を示す図である。
【0034】
【図2】誘導式電圧制御回路を含むセンサシステムを示す図である。
【0035】
【図3】電圧制御回路の操作の際の種々の位置を示す図である。
Claims (8)
- 非電気的な1次エネルギ(PE)を電圧信号(USIG、USIG’)へ変換する
誘導式電圧制御回路(1)において、
少なくとも、機械的エネルギ蓄積器(2)と該機械的エネルギ蓄積器(2)に結合される少なくとも1つの誘導システム(3)とを有しており、
機械的エネルギ蓄積器は少なくとも1つの転換点(P)を有し、1次エネルギ(PE)を収容し、少なくとも1つの転換点(P)に達すると運動して誘導システム(3)内に電圧信号(USIG、USIG’)を誘導する
ことを特徴とする誘導式電圧制御回路。 - 機械的エネルギ蓄積器(2)はばね(6)を含んでおり、このばねに磁石、例えば永久磁石(7)が固定されている、請求項1記載の回路。
- 誘導システム(3)は鉄心(9)を備えた誘導コイル(8)を有しており、ばねの磁石が鉄心に接する、請求項2記載の回路。
- スイッチ、例えば機械的操作のためのスイッチにおいて、請求項1から3までのいずれか1項記載の誘導式電圧制御回路(1)を備えていることを特徴とするスイッチ。
- 請求項1から3までのいずれか1項記載の誘導式電圧制御回路(3)および少なくとも1つのセンサ(5)を備えていることを特徴とするセンサシステム。
- 少なくとも1つの転換点(P)に達するまで1次エネルギ(PE)を機械的エネルギ蓄積器(2)に蓄積し、
転換点(P)に達したとき機械的エネルギ蓄積器(2)を運動させ、該機械的エネルギ蓄積器に結合された誘導システム(3)に電圧信号(USIG,USIG’)を形成する
ことを特徴とする誘導電圧の形成方法。 - 1次エネルギ(PE)を機械的エネルギ蓄積器(2)の伸長または変形によって蓄積する、請求項6記載の方法。
- 転換点(P)に達したとき、磁石、例えば永久磁石(7)を運動させ、磁束(φ)の変化により誘導システム(3)の誘導コイル(8)の領域に誘導電圧(USIG,USIG’)を形成する、請求項6または7記載の方法。
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