JP2009536307A - 測定結果を無線送信するために連結器具において使用される装置および乗り物における当該装置の利用 - Google Patents

Abstract

気体および液体システムにおいて用いられる連結器具（１）は、受動的な送受信機と、１つまたはそれ以上の量を測定するための、少なくとも１つのセンサーとを備えている。前記送受信機は、センサーに接続されており、そして、通信プトロコルを介して無線でデータを送信および受信するよう設計されている。さらに、センサーは受動的であり、送受信機に連結され、送受信機と集積化されている。センサーは、送受信機により誘起された電力により作動することができる。独立請求項には、乗り物における無線送信システムの利用も含まれている。

Description

本発明は、気体および液体システムにおいて用いられる連結器具に関する。連結器具は、受動的な送受信機と、１つまたはそれ以上の量を測定するための、少なくとも１つのセンサーとを備えている。前記送受信機は前記センサーに接続されており、かつ前記送受信機は通信プトロコルを介して無線でデータを送信および受信するよう設計されている。

従来の技術

そのような連結器具は、多くの用途において使用されている。例えば、乗り物、固定設備および様々なタイプの機械構造物などにおいてである。大抵の場合、連結器具の信頼性、価格および扱いやすさ、取り付けに要する時間と同様に、封止機能もまた連結器具の本質的な特性である。

また、エンジンに対する要求、例えば性能、環境への影響および寿命に関する要求が連続的に増加している。これらの要求を満たすため、制御システムは、エンジン中の気体および液体の流速、温度などの現状を把握している必要がある。様々なエンジンの部品からそのような情報をリアルタイムで取得することにより、エンジンの働きを最適化することが可能となる。

無線通信の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、ＲＦＩＤ技術（ＲＦＩＤ＝Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，無線認証）が使用されている。しかしながら、特許文献１におけるセンサーは比較的高価なものであり、そのうえ当該センサーは、バッテリーなどの直接電源を必要とする。バッテリーの交換は余分な作業を必要とし、それゆえ、使用者に不自由さをもたらす。
米国特許第６６４９８２９号明細書

ＲＦＩＤは、“電子バーコード”に似ているが、しかし読み取りの際、ＲＦＩＤタグ（ＲＦＩＤ送受信機）が可視可能である必要はない、という相違点がある。ＲＦＩＤシステムは、通常、アンテナを有する読み取り機と、特有のコードを有するデータ記録媒体とを備えている。概して、データ記録媒体は、応用分野に最適化されるようカプセル化されている。カプセル化のための最も一般的な材料は、様々なタイプのプラスチックである。金属へ近接させることにより、製品が保護され、そしてシステムの性能が大いに影響される。ＲＦＩＤシステムは、能動的および受動的送受信機において使用可能である。

能動的な送受信機は、独自に電源（バッテリー）を有しており、これによって受信および送信を行うことができる。一般的な読み取り距離は約１０ｍである。

受動的なＲＦＩＤシステムを、短距離の無線システムとして説明することができる。送受信機は独自の電源を有していないが、しかしアンテナにより誘起された電力により作動することができる。読み取り距離は通常０．５ｍ以下である。読み取り距離は、読み取り機の出力電力、読み取り機および送受信機のアンテナ寸法、および、周囲の状況に大きく依存する。ここで通常、金属は性能に対して負の効果を有している。

従って本発明は、無線送信システムのための連結器具、とりわけ気体および液体システムのための迅速連結具を提供することを課題とする。この器具は、その製造および導入が先行技術と比較して容易かつ安価であり、かつメンテナンスの必要性が低い。“迅速連結具”というのは、複雑で時間のかかる手順を要することなく組み立てられ、そして組み立て状態においてロック機能を備えた連結器具を意味する。

本発明によれば、前述の課題は冒頭に言及したタイプの連結器具のうち、請求項１により画定される特徴を有する連結器具により達成される。連結器具の好ましい形態は、従属請求項により画定される。

本発明による気体および液体システムにおいて用いられる連結器具は、とりわけ迅速連結具は、受動的な送受信機と、少なくとも１つの量を測定する少なくとも１つのセンサーとを備え、前記送受信機は、センサーに接続されており、そして、通信プトロコルを介して無線でデータを送信および受信するよう設計されている。そして、前記センサーは受動的であり、かつ前記送受信機と一体に形成されている。また前記センサーは、前記送受信機により誘起されたエネルギーにより作動する。

“受動的”というのは、センサーの読み取りが前記誘起によるエネルギー以外にエネルギーを供給することなく行われることを意味する。

また“集積化”というのは、部品が取り外し不可能なユニットを構成していることを意味する。さらに、“迅速連結具”というのは、気体および液体の導管を、取り付けるための道具を必要とすることなく、かつ組み立て状態においてロック可能なように連結する連結器具に関する。

このタイプの部品には、液体による冷却システムおよび気体によるターボシステムにおいて多くの応用分野がある。“知能の高い”冷却システムは、適用力があり、かつ冷却液を、冷却液がそのとき必要とされている位置へと、電気的に駆動されたポンプおよびバルブシステムによって導く。センサーに要求される精度は“標準”だが、しかし寿命およびメンテナンスフリーに対する要求と同様に、環境に関する要求は厳しい。得られる利益は、冷却システムの重さ／体積の削減であり、そしてさらには、運用中のコストだけでなくメンテナンスのコストも削減するという結果を生じさせることもできる。

センサーからの情報がエンジンの出力パワーを制御するのに用いられるので、ターボシステムにおけるセンサーは、冷却システムよりも著しく速い反応時間を有している必要がある。また最悪の運用状況において、センサーは非常に高い温度に耐えなければならない。その他については、環境および寿命に対する要求は、液体システムにおける要求と同等である。この種のシステムにおいて期待される利益は、エンジン性能の改善および／また低い燃料消費である。適切な量に関する情報は、例えば、圧力、温度、および流速を含む。

好ましくは、連結器具は処理装置／信号処理ユニットを備え、さらに好ましくは、処理装置／信号処理ユニットはセンサーおよび送受信機と集積化されている。

本発明の変形例においては、センサー、またはセンサーおよび送受信機は、連結器具に設けられている封止用リングに配置されている。このことにより、センサーが、例えばメス部とオス部との間の連結がそのロックされた最終位置にあるかどうかを、圧力変換機を用いることにより容易に知覚することが可能となる。

圧力および温度は、ＭＥＭＳ技術（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる技術を用いて製造され、集積化されたセンサー素子により測定される。この技術は、シリコンにおける高い分解能パターンに関連する技術である集積電子工学の成果から、最も発達した特性を持つ。ＭＥＭＳ技術の新しい特性は、全体的に機械的な機能要素を集積化するための選択肢である。圧力センサーにおいて、薄膜が、真空にされた空洞と組み合わされて、真空状態の基準として利用されている。圧力、温度、流速などを表す信号は、変化する抵抗（ピエゾ抵抗技術）または静電容量として提供され、そしてその信号は、例えばディジタルデータ通信において扱われることを可能とするために、ある種の信号処理を必要とする。ピエゾ抵抗技術は、ノイズへの耐性があり、かつ回路が単純であるという利点があるため、最も一般的である。容量性の技術は、大抵の場合、消費電力をより低くすることができ、かつ、より高い温度において使用され得る。しかしながら、大抵の場合、カプセル化が温度への抵抗を制限する要因となる。

好ましくは、２つまたはそれ以上のセンサーが連結器具の中に設けられている。大抵の場合、流速、温度および圧力の値が望まれるが、しかし、その他の測定値が含まれていてもよい。

本発明における連結器具は、好ましくは、高周波システムに適用される。例えばアクセス制御システムにおいて一般的に標準とされているが、低周波システムＬＦ（１２５kＨｚ）は、困難な環境、金属の中などにおいて使用される。しかしながら、少数であるが、この周波数におけるＩＳＯ標準も存在する。送受信機用アンテナΦ５０ｍｍは、典型的に約５００の巻き数を有し、このことが製造をさらに複雑にしている。先行技術のうち、高周波範囲のＨＦ（１３．５６ＭＨｚ）が本発明に最も適しているようにみえる。これは、部分的にはこの周波数において２つの確立された標準があるという事実によるものである。１つは、遠隔操作の技術を使用する、例えば公共輸送のための支払い処理において用いられる標準であるＩＳＯ１４４４３であり、もう１つは、ロジスティックにおける標準であるとともに、大抵の他の分野にも適用可能であるＩＳＯ１５６９３である。なぜなら、この標準に準拠する多くのタイプのチップが存在するからである。

ＨＦ用の送受信機アンテナΦ５０ｍｍは、典型的に約１０の巻き数を有しており、このことは、低周波数製品に比べて製造が非常に容易になることを意味する。例えば、印刷カードと同様の方法により、アンテナをエッチングすることが可能である。極超短波ＵＨＦ（＞４００ＭＨｚ）は、受動的ＲＦＩＤシステムにおいて比較的新しい周波数である。送受信機は、通常、エッチングされたダイポールアンテナを有する。このアンテナは、応用分野に応じて調整される必要がある。

様々な周波数帯において、様々なタイプのチップが存在する。しかし現在のところ、高周波数帯において、現行の標準に準拠した最も多くの分類およびバリエーションが用意されている。

小型アンテナが使用される場合は、１つのアンテナが各測定点に設けられるので、高い出力電力を有する読み取り機の必要性が薄れる。しかしながらこの場合は、すべての測定点を所定の順番で、かつ正しい間隔を空けて読み取るために、順次問い合わせる機能（ｐｏｌｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が追加される必要がある。送受信機と読み取り用アンテナを配置するとき、読み取りユニットの出力電力を決定するための試験を行う必要がある。

本発明はまた、乗り物のための無線信号送信システムに関し、とりわけ、上述の連結器具を備えたエンジン区画室に関する。

完成したシステムは、好ましくは、様々なシステムレベルにおいて集積化されている。
１）乗り物システムレベルにおいては、好ましくは通信は“上方へ”／“外部へ”ＣＡＮバスシステムを介して発生する。これによって、システムを個々の乗り物の製造にカスタマイズできるという可能性がもたらされる。
２）好ましくは、中央ユニット／読み取り機は、エンジン区画室の中（例えばボンネットの下側）に配置される。クロストーク／干渉に関する問題を生じることなく多数の連結点／センサーが個々に処理される必要がある場合は、多数のアンテナコイルを使用することも可能である。好ましくは中央ユニットは、汎用のハードウェアに基づく一方、交換可能でカスタマイズされたソフトウェアを有している。
３）送受信機ユニットは、好ましくは、様々なモデル（物理的な寸法、設計、測定量の選択）からなる。例えば、送受信機ユニットが、アンテナコイルを有する柔軟な印刷されたカード積層板上に形成され、このカード積層板が、迅速連結具に組み込まれていてもよい。
４）各センサーチップは、センサーの信号を個別に処理するためのＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を有していてもよい。これによって、センサー信号の調整が不要になるという利点が生じる。送受信機における局所的なマイクロプロセッサーは、好ましくは標準ＩＣ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはＡＳＩＣからなる。コストを削減するため、多数のＡＳＩＣ回路を１つの信号回路に統合することも可能である。ただしこの場合は、複雑さが増加し、かつ生産高が低下する危険があるという条件がつく。

図１ａは、センサー／送受信機３が設けられた封止用リング２を有する連結器具１を示す図である。図１ｂは、本発明における連結器具の変形例を示す図である。図１ａに示すように、連結器具は、送受信機３と、封止用リング２とを備えている。この形態において、センサー／送受信機３は連結具４を介してアンテナコイル５に連結されている。組み立て状態において、この形態におけるセンサー／送受信機３はアンテナ５に当接しており、このため連結具４は外からは見えない。連結具４は、理解を容易にするために示されているものである。磁場が制御ユニット（図示せず）から伝達されたとき、アンテナコイル５により電力が生成される。他の変形例において、外部との通信を行うために、アンテナコイル５は第２連結具６を介してユニット７に連結されている。上述の連結具４の場合と同様に、この形態における第２連結具６は組み立て状態において外からは見えない。変形例において、センサーは封止用リングに隣接して配置されており、ユニット３として示されている。この場合、送受信機はユニット７として示されている。

図２は、意図されているシステムの構造を示す図である。センサーまたは送受信機は、迅速連結具および／または封止用リングに組み込まれ、または封止用リングの中に埋め込まれている。そしてセンサーまたは送受信機は、温度および圧力を測定するセンサーチップと、信号処理およびデータ通信を行う１つまたはそれ以上の電子チップと、中央ユニットに接続されている大型アンテナから無線波を受信するアンテナとを含んでいる。この中央ユニットにより、データ通信におけるすべての制御およびチェックが行われる。また、電力の送信も同じ中央ユニットを介して行われる。またセンサーは、例えば圧力および温度を測定することに加えて、迅速連結具を容易にロックさせるための位置の指示をも提供しなければならない。

図３に、本発明の実施の形態におけるシステムの基本的なブロック図を示す。圧力および温度を測定し、容易なロックのための位置を指示し、そして場合によっては流速をも測定するセンサーは、送受信機の側に設けられているマイクロプロセッサーに測定信号を送る。このマイクロプロセッサーは、中央ユニットのプロセッサーに対する“従属制御装置（ｓｌａｖｅ）”である。この中央ユニットのプロセッサーは、送受信機に対してコマンドを送り、そして送受信機へのデータ通信を制御する。

図３における様々なブロックは、以下の機能を有している。“温度”、“圧力”、“流速”、“スナップ位置”のブロックは、上述において概略が説明されたそれぞれの測定量のためのセンサーを示している。それぞれのセンサーからの信号は、アナログ／ディジタル変換器によってディジタル化される。このアナログ／ディジタル変換器は、先行文献によると、しばしば“μＰ”で示されるブロックに集積化されている。なお、先行文献によると、“μＰ”で示されるブロックは、一般的なマイクロプロセッサーを示している。

マイクロプロセッサーは、逐次的、論理的そして算術的な働きを行う能力を有しており、そしてマイクロプロセッサーは、集積化された記憶装置の中に格納されたプログラムによって制御される。この記憶装置により、情報を一時的にまたは恒久的に保存することが可能となる。マイクロプロセッサーから出力される情報により、送受信機に直接に接続されているスイッチが制御される（図において、上へ向かう矢印として示されている）。このスイッチはまた、アンテナを介してパルス状の情報を受信する際にも用いられる。さらに、送受信機ブロックは、電力管理のための電子回路も備えている。この回路は、とりわけ、センサーおよびマイクロプロセッサーへの電力供給を制御し、そして、例えば電力供給が不十分である場合に、信号を送信する。

マイクロプロセッサー、スイッチ、および電源管理回路は、好ましくは１つの同一チップの上に集積化されており、そしてその寸法は１ミリ平方メートル以下である。これによって、数千のユニットを平行して製造することが可能となり、このことにより、製造コストが非常に低くなる。

中央ユニットはまた、図３において“μＰ”で示されているマイクロプロセッサーを有している。中央ユニットはシステムのメイン制御ユニットであり、また通常の場合、中央ユニットは多数の送受信機を管理し扱う。このため、中央ユニットのマイクロプロセッサーは、送受信機のマイクロプロセッサーよりも非常に大きな能力を有している。

“Ｘ”で示されているユニットは、スイッチへのバッファー段階を表している。このスイッチの次には、アンテナコイルが接続されている（上を向いた矢印として示されている）。バッファー段階により、比較的に高い電力を有する無線信号がアンテナコイルに送られるようになり、これによって、送受信機部との間に適切な読み取り距離を確保することが可能となる。

スイッチにより、例えば２つの電力レベルの間でスイッチングさせることにより、中央ユニットから送受信機部分への連続的なディジタル情報送信を制御することが可能となる。スイッチはまた、情報の流れを逆にする場合にも用いられる。送受信機のアンテナコイルが低インピーダンス状態と高インピーダンス状態との間で切り替えられる場合、このことは、無線で伝達された負荷の変化として、中央ユニットのアンテナコイルにおいて検出される。

この通信のプロトコルとして、無料で使用可能な標準プロトコルを使用することができる。もしくは、プロセッサーチップと一緒に販売され、使用が許可されたソフトウェア製品という形で、プロトコルを使用することもできる。多くの主要な半導体メーカーは、そのような製品を販売している。中央ユニットは、乗り物の蓄電池により駆動される。乗り物の蓄電池は、現在のところ大抵の場合は１２Ｖの直列電源であるが、数年以内におそらく４８Ｖに増加されるであろう。その他の乗り物ユニットにおけるデータ通信は、通常はＣＡＮバスを介して行われる。ＣＡＮバスは、乗り物の分野におけるデータ通信の標準として確立されたものである。

２つの応用分野の例において要求される性能の一例を、以下の表に示す。
液体システム ターボシステム
温度範囲 −４０℃−＋１５０℃ −４０℃―＋１５０℃
圧力 ０−０．５ＭＰａ ０−０．５ＭＰａ
精度 ±１％（測定範囲において） ±１％（測定範囲において）
応答時間 ２０−３０秒 ＜１秒
メンテナンス メンテナンスフリー メンテナンスフリー
寿命 ＞乗り物の寿命 ＞乗り物の寿命
内径 ８−６０ｍｍ ３５−１００ｍｍ

流速を測定する方法の１つは、流れ抵抗が既知である導管の入口および出口のそれぞれに配置されている２つまたはそれ以上の圧力または温度センサーからの情報を用いることである。

従属請求項により画定されているように、本発明の範囲内において、本発明における上述の形態の様々な変形が考えられることは、容易に認められる。

図１ａは、本発明における連結器具を示す斜視図。 図１ｂは、本発明における連結器具を示す分解図。 図２は、本発明におけるシステムの基本的な構造を示す図。 図３は、本発明におけるシステムのブロック図の一例を示す図

Claims (10)

1. 気体および液体システムにおいて用いられる連結器具（１）において、
   受動的な送受信機と、
   少なくとも１つの量を測定する少なくとも１つのセンサーと、を備え、
   前記送受信機は、センサーに接続され、かつ通信プトロコルを介して無線でデータを送信および受信するよう設計され、
   前記センサーは受動的であり、かつ前記送受信機に接続され、そして前記送受信機と一体に形成され、
   前記センサーは、前記送受信機により誘起されたエネルギーにより作動することを特徴とする連結器具（１）。
2. 処理装置／信号処理ユニットをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の連結器具（１）。
3. 前記処理装置／信号処理ユニットは、前記センサーおよび前記送受信機と集積化されていることを特徴とする請求項２に記載の連結器具（１）。
4. 前記センサーおよび前記送受信機は、前記連結器具内の封止用リングに設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の連結器具（１）。
5. 前記連結器具は迅速連結具からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の連結器具（１）。
6. 高周波システムに応用されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の連結器具（１）。
7. 乗り物、とりわけエンジン区画室のための無線信号送信システムにおいて、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の連結器具（１）を備えたことを特徴とする無線信号送信システム。
8. マイクロプロセッサーをさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の無線信号送信システム。
9. アンテナをさらに備えたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の無線信号送信システム。
10. アンテナおよびマイクロプロセッサーは１つのユニット内に設けられ、
    前記ユニットは、前記連結器具（１）と無線で通信するよう設計されることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の無線信号送信システム。

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