JP2020506498A - 差し込みサイクルカウンタを備えた電気プラグインコネクタおよびその操作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（１３ａ、１３ｂ）に収納された接触構造（１１、１２）と、差し込みサイクルカウンタとを備える電気プラグインコネクタ（１８ａ、１８ｂ）に該当する。本発明によれば、差し込みサイクルカウンタが圧電結晶（１５ａ、１５ｂ）を有し、圧電結晶（１５ａ、１５ｂ）によって、プラグイン動作時に発生する力を検出することができ、差し込みサイクルが記録される。有利には、圧電送信器（１５ａ、１５ｂ）が、同様にプラグインコネクタ（１８ａ、１８ｂ）に統合された評価ユニット（１７ａ、１７ｂ）を作動させる電源として使用することができ、これによって評価ユニットは、電力について自立して作動することができる。有利には、これによって構成要素の費用が比較的少ない、信頼性のある作動が可能となる。さらに本発明は、記載したプラグインコネクタの操作方法に関する。

Description

本発明は、電気接触構造および差し込みサイクルカウンタを備えた電気プラグインコネクタに関する。さらに、本発明はそのようなプラグインコネクタの操作方法に関する。

冒頭に述べたタイプのプラグインコネクタは、例えば特許文献１から知られている。差し込みサイクルカウンタは、例えば、電気自動車を充電するために使用されるプラグインコネクタ接続部において使用することができる。差し込みサイクルカウンタは、誤動作を避けるために、所定の差し込みサイクル数を超えてプラグインコネクタが使用されることを防ぐためのものである。プラグインコネクタの許容差し込みサイクル数を超えた場合、差し込みサイクルカウンタは、例えば、電気自動車の充電ステーションと通信し、充電ステーションの起動を防止することができる。

独国特許出願公開第２０１００４５３２９号明細書 国際公開第２０１５／０７０９４６号パンフレット

特許文献２によれば、差し込みサイクルをカウントするために機械カウンタを有するプラグインコネクタが記載されている。プラグインコネクタはピンを有し、これはプラグインコネクタ接続部を形成する際にプラグインコネクタ内に押し込まれ、この時機械カウンタを作動させる。

電気プラグインコネクタは、当該技術において幅広く使用されている。本発明によれば、プラグインコネクタは、電気導体を接続することを可能にする構成要素であると理解されるべきであり、プラグインコネクタは適切な対応物との接続および／または切断を行う（接続および切断は、差し込みサイクルを表す）という役割を担う。したがって、適切な対応物もプラグインコネクタである。したがって、ほとんどの場合、プラグインコネクタ接続部はピンコンタクトと、ピンコンタクトを挿入可能なソケットコンタクトとで構成されている。さらにはプラグコンタクトもあり、ソケットが互いに噛み合い、これによりプラグインコネクタ接続部の両側でプラグインコネクタの同じ接続形状を使用できるようにコンタクトが設計されている。コンタクトピンは、好ましくは平面状、正方形または円形に構成することができる。ソケットコンタクトは、例えば、好ましくは平らな薄板から打ち抜くことができるフォークコンタクトから構成することができる。コンタクトピン用に設けられているコンタクト領域は、可撓性を有するように構成されており、このためピンコンタクトの挿入後に接触を確立するための接触圧力が発生する。これを増大させるために、いわゆる二重または三重のばねコンタクトを使用することができ、これらのコンタクトでは、ばね効果を発生させるため、打ち抜かれた薄板が折り畳まれている。精密コンタクトは、他のバネ機構を含んでもよく、複数のコンタクト片を備えている。

プラグインコネクタを用いると、接触相手の取り外しが可能な電気機械的な接続が生成される。接触相手としては、回路基板、電子または電気機械アセンブリ、またはプリント基板を使用することができる。センサ、キーボード、ディスプレイ、ケーブルまたは他のアセンブリ等の外部装置への接続も確立することができる。また、回路基板同士の直接接続も可能である。

プラグインコネクタを使用する本質的な動機は、それらが取り外し可能なことである。これは、例えばアセンブリまたはサブシステムを互いに独立して製造して、最終組立ての際に統合する製造戦略上の考慮事項等、様々な理由から望ましいといえる。その他の要件は、アセンブリが交換可能であることによって与えることができる。さらに、機器同士、または機器とケーブルを繰り返し接続することが典型的な用途である。プラグインコネクタ接続部を設計する際に、何回の差し込みサイクルに対して提供されるべきかが用途によって決定される。例えば、プリント基板が配電盤キャビネット内でプラグインコネクタと接続される場合、差し込みサイクルは回路基板の交換時にのみ発生し、比較的要求されない。プラグインコネクタは通常、２５回の差し込みサイクルに対して設計することができる。プラグインコネクタ接続部が端子ケーブル（例えば充電ケーブル）を対象としている場合、これは１００回、または１０００回を超える、比較的要求頻度の高い差し込みサイクルとなる。

したがって、電気プラグインコネクタに差し込みサイクルカウンタを具備する必要があるが、これによって構造がさらに複雑になり、費用を伴う。したがって、本発明の課題は、差し込みサイクルカウンタが高い機能信頼性を有し、かつ差し込みサイクルカウンタを安価に製造することができる、差し込みサイクルカウンタを備えた電気プラグインコネクタを提供することである。さらに、本発明の課題は、高い機能信頼性を有するそのようなプラグインコネクタの操作方法を提供することである。

この課題は本発明によれば、冒頭に述べた電気プラグインコネクタを用いて、差し込みサイクルカウンタがプラグイン動作を検出するために、接触構造に機械的に接続されている圧電センサを備えることによって解決される。本発明にかかる圧電センサの使用時には、プラグインコネクタ内に電気コンタクトを形成するために、電流伝達のための接触面を互いに押圧する一定の接触力を常に保証する必要があるという効果を利用する。電気コンタクトを形成するための接触面を供給する接触構造と、センサとを機械的に接続することによって、接触力がプラグインコネクタ内に形成されることで、圧電センサを用いて差し込みサイクルを検出することが可能である。この接触力は、その後圧電センサへ伝達され、そこで圧電センサは接触構造と同様に弾性変形する。

これにより、電気接続部の開放時、閉鎖時の両方で、プラグイン動作が圧電センサ内に電気パルスを生成する。これを検出できるようにするために、圧電センサは接触要素から電気的に絶縁されていなければならない。したがって、接触力を伝達するための機械的接続のみが存在する。

通常、プラグインコネクタはプラグインコネクタのハウジング（プラグインコネクタハウジング）に収納されている。このプラグインコネクタハウジングは、プラグコンタクト同士の、および周辺に対する電気的絶縁機能を果たす。ハウジングの機械的機能は、電気コンタクトを形成するための接触構造の位置決め、およびその他のプラグインコネクタの収容にある。その他のプラグインコネクタの保持は、摩擦結合、または形状結合によって行うことができる。さらに、接触力が圧電センサに作用できるように、圧電センサがハウジング内で支持されていると特に有利である。これにより、有利には圧電センサをハウジング内に挿入可能な、容易に取付可能な電気プラグインコネクタの形状が生じる。しかしながら、圧電センサを、接触構造の変形によって圧電センサも変形するように接触構造に一体化することも可能である。これは、本発明の一実施形態によれば、圧電センサが、接触構造の２つの部分領域間に機械的に固定され、これらの部分領域がプラグイン動作時に互いに対して移動可能であることによって達成できる。

本発明の別の構成によれば、圧電センサが、機械的に直列接続された複数の円板からなり、円板の両側を互いに電気的に並列接続された電極板によって画定することができる。これにより、有利には、接触力の発生時に生じる電流パルスが、圧電センサの構造において円板のみから生じるパルスの倍数である圧電センサを生成することができる。これにより、有利には、プラグイン動作を検出するための評価ユニットを低い感度で実施すればよいため、プラグインコネクタの差込み、または取外しの際に、センサ信号をより簡単に検出することができる。評価ユニットは、有利にはプラグインコネクタに一体化されており、差し込みサイクルの実行数のためのメモリモジュールを有している。

本発明の有利な構成によれば、評価ユニットは、差し込みサイクル数に該当する情報のための出力モジュールも有する。出力モジュールは、既に実行された差し込みサイクル数を出力するか（例えばディスプレイ）、または最大差し込みサイクル数を超過したことのみを表示する（例えばＬＥＤ）ことができる。これによって、差し込みサイクルについての関連情報をプラグインコネクタハウジングに直接表示することができる。

あるいは、差し込みサイクル数を取得するためにメモリモジュールを読み出すことができる。この目的で、ＲＦＩＤタグ（ＲＦＩＤはＲａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎの意味である）が出力モジュールとして使用される。ＲＦＩＤタグは、トランスポンダとアンテナとからなり、トランスポンダにはアンテナを介して電力が供給される。有利なのは、読み出し中に、残りの評価ユニットにも、アンテナを備えたトランスポンダとして構成された出力モジュール（すなわちＲＦＩＤタグ）によって電力が供給される場合である。

差し込みサイクル記録中の評価ユニットの電源は、本発明の他の構成によれば、圧電センサによって形成することができる。ここで、圧電効果によって発生する電荷は、差し込みサイクルのカウントに使用されるだけでなく、電荷による電流が評価ユニットの電源として使用される。したがって有利には、評価ユニットは、例えばバッテリの形態の電力蓄積部を備えることなく、自立システムとして機能することができる。これはさらに、メモリモジュールが、保存のために電源から独立している不揮発性メモリを含むことを前提としている。

本発明の特別な構成によれば、圧電センサを、対応するプラグインコネクタ用ハウジングの受け面に取り付けるか、または受け面の下でハウジングの材料に埋め込むことができる。この場合、差し込みサイクルは、対応するプラグインコネクタによって受け面に力が加えられることで検出される。この力は、対応するプラグインコネクタがこの受け面と接触する時に、保持力または差込み時に発生する摩擦に起因して受け面に作用する押圧力であり得る。しかしながら、センサを収納するためにどの受け面が使用されるかに応じて、プラグインコネクタ接続部を閉鎖するために必要な差込力が圧電センサ内で引き起こされることも可能である。

圧電センサは受け面に取り付けられてもよく、これによって圧電センサ自体が受け面の一部を供給する。圧電センサは、対応するプラグインコネクタと直接接触する。他には、圧電センサを受け面の下に配置することも可能であり、圧電センサはその後ハウジングの材料に埋め込まれる。この場合、圧電センサは対応するプラグインコネクタと接触しないが、ハウジングにおける圧電センサ周辺の材料の弾性変形によって、センサ信号をトリガする圧力増加を受ける。

本発明の他の構成によれば、圧電センサは、接触構造の２つの部分領域間に機械的に固定され、これらの部分領域は互いに対して移動可能である。例えば、接触構造はフォーク形状であってよく、この場合、圧電センサはフォークによって形成された隙間に収納されている（フォークはピンコンタクトを形成する）。プラグインコネクタ接続部を閉鎖するとフォークは圧縮され、これにより、圧電センサにセンサ信号が発生する。これは有利には、特に省スペースで、好ましくはピンコンタクトとして機能するプラグインコネクタに使用される構成である。ここで、フォークの外側は付属するソケットコンタクトのための接触面として使用される一方で、フォークの内側は、既に説明したように圧電センサを収容するために使用される。

本発明のさらに他の構成は、圧電センサが接触構造とハウジングとの間に機械的に固定され、接触構造がハウジングに対して移動可能であることを提供する。換言すると、ハウジングをより大きな機械的剛性を伴って構成する一方で、接触構造は、コンタクトの閉鎖時に弾性変形する。したがって、プラグインコネクタ接続部を閉鎖すると、圧電センサには接触構造を介して接触力が加えられ、これによってセンサ信号が生成される。この構造は、プラグインコネクタ接続部の閉鎖時にソケットが周囲のハウジングに対して変形するため、好ましくはソケットコンタクトに適している。

さらに、上述した課題は、本発明によれば冒頭に述べた方法によって、プラグインコネクタ接続部がプラグインコネクタによって開閉し、製造時または開放時に生じる力（既に説明したように、接触力、押圧力または挿入力のことである）によって圧電センサに電荷が発生し、電荷によって測定回路に電流が引き起こされる。この電流がカウントされる。この方法は、既に上で説明した利点を達成する。

電流は、プラグインコネクタの開放時および閉鎖時の両方において生成される。これは、圧電結晶の加圧が変化すると、圧電センサに常に電荷が発生するためである。これは、測定されたそれぞれ２つの電流パルスが、評価ユニットによって差し込みサイクルとして解釈されることを必要とする。

本方法の一つの構成によれば、圧電センサによって生成された電力を、差し込みサイクル実行数のためのメモリモジュールを備えた評価ユニットの操作に使用することができる。プラグインコネクタ接続部の開閉と、結果として生じる電流パルスとによって、評価ユニットがそれぞれ起動し、この時電力は、検出された事象をメモリモジュールに格納するのに十分である。

本発明のさらなる詳細を、図面に基づいて以下に説明する。同じまたは対応する図面要素には、それぞれ同じ符号が付されており、個々の図面間に相違がある場合のみ複数回説明されている。

プラグ接続のために相互に差し込むことができる、２つの相補型プラグインコネクタの実施例である。 プラグインコネクタの図２における部分ＩＩに設置することができる、複数の円板からなる圧電センサの使用例である。 図１の領域ＩＩＩにおける圧電センサの代替的な収納実施例の断面図である。

図１では、接触構造１１、１２を備えた２つのプラグインコネクタ１８ａ、１８ｂが示されており、一方はソケットコンタクト１１として、他方はピンコンタクト１２として構成されている。これらは相補的に構成されているため、閉鎖してプラグ接続することができる。両方の接触構造は、接触構造が収納されるハウジング１３ａ、１３ｂを有する。さらに、それぞれ圧電センサ１５ａ、１５ｂが設けられており、圧電センサ１５ａ、１５ｂは、測定回路１６ａ、１６ｂを介して評価ユニット１７ａ、１７ｂにそれぞれ接続されている。

ピンコンタクト１２を有するプラグインコネクタ１８ａは、ピンコンタクト１２をハウジング１３ａ内に接合することによって作られる。ピンコンタクト１２は、図示されていないケーブル端部用の収容ソケット１９を有し、ピンコンタクト１２の反対側端部には、相対的に移動可能な部分領域として構成されている２つの舌片２０ａが取り付けられている。これらの部分領域の相対移動は、ピンコンタクトの金属材料が弾力性を有することによって可能である。舌片２０ａの間には、圧電センサ１５ａが保持されている。

プラグインコネクタ１８ｂはソケットコンタクト１１として構成されており、回路基板２２上に取り付けるための取付面２１を有する。ソケットコンタクト１１はコンタクトプレート２３を有し、このコンタクトプレート２３はハウジング１３ｂから引き出されて回路基板２２上に載置されている。これにより、例えば詳細に図示されていないはんだ接合によって、ソケットコンタクト１１を回路基板２２上に電気接触させることができる。さらに、ソケットコンタクト１１は２つの舌片２０ｂを有し、これらの舌片２０ｂはプラグインコネクタを閉じる際にピンコンタクト１２によって曲げ広げられる。ここで、舌片２０ｂのうち１つとハウジング１３ｂとの間に取り付けられた圧電センサ１５ｂにおいて電気信号が生成され、これは測定回路１６ｂを介して評価ユニット１７ｂに供給することができる。圧電センサはそれぞれ圧電結晶２４からなり、その上面および下面に電極板２５が取り付けられている。これらは回路１６ａ、１６ｂに接続されている。さらに、金属接触構造１１、１２にそれぞれ電気絶縁層２６が配置されており、このため圧電結晶上の電荷は接触構造１１、１２に移動できない。ハウジング１３ｂはプラスチック製であるため、圧電センサ１５ｂはハウジング１３ｂに対して絶縁する必要がない。これは圧電センサ１５ａでは異なり、圧電センサ１５ａは両側を舌片２０ａに支持されているため、両側に絶縁層２６を有している。

図２による圧電センサ１５ｃは多層に構成されている。圧電センサ１５ｃは、圧電材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛セラミックのような圧電セラミック、または石英、トルマリンもしくはリン酸ガリウムのような単結晶材料の複数の円板２７からなる。これらの円板２７は、回路１６ａ、１６ｂに対して正極または負極を交互に形成する電極板の間に配置されている。したがって、円板は機械的には直列であるが電気的には並列に接続され、これによって生成可能な電荷量が増加して、より容易に検出可能な信号が獲得され、また同時に評価ユニット１７ｂの電力供給が増加される。

評価ユニット１７ｂはブロック図として概略的に示されている。評価ユニット１７ｂは、評価ユニット１７ｂを制御するプロセッサ２８を有する。一方で、圧電センサ１５ｃのセンサ信号が回路１６ｂを介して流れると、すぐに評価ユニットがプロセッサ２８を介して起動され、これによって評価ユニット１７ｂが起動される。このイベントはプロセッサ内でカウントされ、番号としてメモリモジュール２９に格納される。

さらに、異なる機能によって特徴付けることができる出力モジュール３０が設けられている。例えば、出力モジュール３０は、赤色および緑色の発光ダイオードから構成でき、プラグインコネクタの解放または閉鎖中に、生成された電力を使用して、耐用年数の範囲では緑色の点滅信号を出力し、耐用年数を超え場合には赤色の点滅信号を出力する。代わりに、差し込みサイクル数を表示するＬＣＤディスプレイを使用してもよい。差し込みサイクルは２つのイベント、すなわち開放と閉鎖からなるため、カウントされたイベントを２で割って差し込みサイクル数を算出するよう注意する必要がある。

任意選択的に、または既に述べた用途に加えることができるその他の選択肢は、ＲＦＩＤタグとしての出力モジュールの構成である。これにより、差し込みサイクル数を常時読み取り装置によって読み取ることが可能になり、この時外部からの電力供給はアンテナによって行われる。トランスポンダの機能は、プロセッサ２８と共に構造ユニットを形成するか、または出力モジュール３０に統合することができる。いずれにせよ、アンテナを介して評価ユニット１７ｂに供給される電力は、プロセッサ２８がメモリモジュール２９からサイクル数の情報を取得するのに十分でなければならない。

任意選択のため破線で示されているように、電力モジュール３１を追加で評価ユニット１７ｂに組み込んでもよい。電力モジュール３１は、電力蓄積装置、または電力蓄積装置と電力発生装置との組み合わせであってよい。後者の場合、電力蓄積装置は、電力発生装置の電力を一時的に蓄積できるようにするために充電可能でなければならない。電力発生装置は、例えば太陽電池であってよい。

図３は、プラグイン動作の異なる効果を検出することができる、ハウジング１８ｂ内の圧電センサ１５ｄ、１５ｅ、１５ｆのその他の取付例を示している。圧電センサ１５ｄは、ハウジング１３ｂの壁に取り付けられており、受け面３２の一部を形成している。受け面は、閉鎖した状態でプラグインコネクタ１８ａに直接接触するプラグインコネクタ１８ｂ内の表面の部分である。プラグインコネクタ１８ａ、１８ｂを閉鎖する際に差込力が加えられ、この差込力は係止接続部３３の閉鎖にも寄与する。差込力は、受け面３２を介して圧電センサ１５ｄに伝達されて、カウントすることができる。

受け面３２のその他の部分は、２つのハウジング１３ａ、１３ｂの側壁間に形成されている。構成要素間の差し込みによって、ハウジング１３ｂに圧力がかかり、この圧力は圧電センサ１５ｅによって検出できる。この圧電センサ１５ｅは完全にハウジング１３ｂの材料に接合されており、材料は弾性であり、ハウジング１３ａによって加えられた圧力は接合された圧電センサ１５ｅに伝達される。

圧電センサ１５ｆは、受け面３２の一部を形成し、したがって差込時にハウジング１３ａと接触するように、ハウジング１３ｂの凹部に取り付けられている。したがって、プラグイン動作中に摩擦力が発生し、これが圧電センサに伝達されて圧電センサの電気信号をトリガする。縦効果を使用してセンサ信号を生成する前述の圧電センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅと異なり、センサ１５ｆでは、センサ信号を生成するためにせん断効果が使用される。図２で説明したように、せん断効果を活用するためにセンサを多層で構成してもよい。

図１〜図３では、センサ１５ａ〜１５ｆの設置例が示されている。それらが差し込み周期を検出する確実性を高めるとしても、差し込み周期を検出するために複数のセンサは必ずしも必要ではない。プラグインコネクタの差し込みサイクルをカウントするためには、このうち少なくとも１つの圧電センサが必要である。プラグ接続を互いに明確に対応付けられたプラグインコネクタを用いて実行する場合は、２つのプラグインコネクタのうちの１つにおいて差し込みサイクルをカウントすれば十分である。

Claims (12)

1. ハウジング（１３ａ、１３ｂ）に収納された電気接触構造（１１、１２）と、差し込みサイクルカウンタとを備える電気プラグインコネクタであって、
   前記差し込みサイクルカウンタは、プラグイン動作を検出するために、前記接触構造（１１、１２）および／または前記ハウジングと機械的に接続されている圧電センサ（１５ａ、１５ｂ）を備えていることを特徴とするプラグインコネクタ。
2. 前記電気接触構造は、ピンコンタクト（１２）またはソケットコンタクト（１１）として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のプラグインコネクタ。
3. 前記圧電センサ（１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）は、対応するプラグインコネクタ用ハウジング（１３ａ、１３ｂ）の受け面（３２）に取り付けるか、またはこの受け面の下でハウジングの材料に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラグインコネクタ。
4. 前記圧電センサ（１５ａ）は、前記接触構造（１２）の２つの部分領域間に機械的に固定され、これらの部分領域は互いに対して移動可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラグインコネクタ。
5. 前記圧電センサ（１５ｂ）は、前記接触構造（１１）と前記ハウジング（１３ａ、１３ｂ）との間に機械的に固定され、前記接触構造（１１）はハウジングに対して移動可能であることを特徴とする、請求項１から４のうち一項記載のプラグインコネクタ。
6. 前記圧電センサは、機械的に直列接続された複数の円板（２７）からなり、前記円板（２７）の両側が、互いに電気的に並列接続された電極板（２５）によって画定されていることを特徴とする、請求項１から５のうち一項記載のプラグインコネクタ。
7. 差し込みサイクル実行数のためのメモリモジュール（２９）を備えた評価ユニット（１７ａ、１７ｂ）がプラグインコネクタに一体化されていることを特徴とする、請求項１から６のうち一項記載のプラグインコネクタ。
8. 前記評価ユニット（１７ａ、１７ｂ）は、差し込みサイクル数に該当する情報のための出力モジュール（３０）を有することを特徴とする、請求項７に記載のプラグインコネクタ。
9. 前記評価ユニット（１７ａ、１７ｂ）の電源は、前記圧電センサ（１５ａ、１５ｂ）によって形成されていることを特徴とする、請求項７または８に記載のプラグインコネクタ。
10. 前記評価ユニット（１７ａ、１７ｂ）の電源は、さらに、アンテナを備えたトランスポンダとして構成された前記出力モジュール（３０）によって形成されていることを特徴とする、請求項９に記載のプラグインコネクタ。
11. ・プラグインコネクタ接続部がプラグインコネクタによって開閉し、
    ・製造時または開放時に生じる力によって前記圧電センサ（１５ａ、１５ｂ）に電荷が発生し、電荷によって測定回路（１６ａ、１６ｂ）に電流が引き起こされ、
    ・この電流がカウントされる、
    請求項１から１０のうち一項記載のプラグインコネクタの操作方法。
12. 前記圧電センサ（１５ａ、１５ｂ）によって生成された電力が、差し込みサイクルをカウントするためのメモリモジュール（２９）を備えた評価ユニット（１７ａ、１７ｂ）の操作に使用されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
    
    

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