JP2021536630A - ハイブリッドモジュラーワイヤレスセンサ - Google Patents

Abstract

ワイヤレスセンサアセンブリは、第１の開口部および第２の開口部を画定するハウジングを含み。第１の通信ポートは、第１の開口部に提供され、外部センサと通信可能に結合するように構成され、第２の通信ポートは、第２の開口部に提供され、外部通信デバイスと物理的に接続するように構成される。ワイヤレス電源は、ハウジング内に配設される。一つ以上の電子機器は、ワイヤレス電源から電力を受け取り、外部センサからデータを取得する。一つ以上の電子機器は、ワイヤレス通信リンクを形成するように作動し、第２の通信ポートおよび／またはワイヤレスモジュールによって外部演算デバイスに取得したデータを送信するように構成されたワイヤレスモジュールを含む。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１８年９月５日に出願された米国特許出願第１６／１２２，１４９号の優先権および利益を主張する。上記出願の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般にセンサアセンブリに関連し、より詳細にはワイヤレスセンサアセンブリに関連する。

このセクションの記述は、単に本開示に関連する背景情報を提供し、先行技術を構成せずともよい。

センサは、動作および環境の特性を監視するために、多種多様な動作環境で使用される。これらのセンサは、例として、温度、圧力、速度、位置、動作、電流、電圧およびインピーダンスのセンサを挙げることができる。センサは、監視された動作環境に配置され、電気的信号を生成する、または監視された動作または環境の特性の変化に応じて電気的特性の変化を有するように設計される。センサの電気的特性の変化は、インピーダンス、電圧または電流の変化であってもよい。

センサは、通常、プローブと処理ユニットとを含む。プローブは、環境からのデータを取得し、処理ユニットにデータを送信する。その後、処理ユニットは、測定値を決定し、ユーザに読み取り値を提供する。処理ユニットは、一般に、データ処理中に電源からかなりの量の電力を必要とする。電源は、内蔵電池、または有線によってセンサに接続された外部電源であってもよい。センサは、内蔵電池および処理ユニットを伴うと、小型に作られることはできない。センサが有線によって外部電源に接続される場合、センサを過酷な環境下で使用すること、または複雑な構造の装置に適切にマウントすることが困難である。

いくつかの既知の処理ユニットは、低電力マイクロプロセッサを含むが、これらのマイクロプロセッサは、起動中に大量の電力を消費する。エネルギーハーベスティングが重要ないくつかのアプリケーションにおいて、低電力マイクロプロセッサによる起動時に消費される電力の初期量は、過剰な量のエネルギーを排出し、起動障害を引き起こす可能性がある。

とりわけ電子センサの動作における、電力の消費、および収集に関連するこれらの問題が、本開示によって対処される。

このセクションは、本開示の一般的な要約を提供し、その全範囲または、すべての特徴の包括的な開示ではない。

ワイヤレスセンサアセンブリは、提供され、第１の開口および第２の開口を画定するハウジングと、第１の開口に提供され、外部センサと通信可能に結合するように構成された第１の通信ポートと、第２の開口に提供され、外部通信デバイスに物理的に接続するように構成された第２の通信ポートと、ハウジング内に配設されたワイヤレス電源とを含む。ワイヤレスセンサアセンブリは、さらに、ワイヤレス電源から電力を受け取り、外部センサからデータを取得するように構成された少なくとも１つ以上の電子機器を含む。その１つ以上の電子機器は、ワイヤレス通信リンクを形成するように動作可能なワイヤレスモジュールを含む。１つ以上の電子機器は、第２の通信ポートおよびワイヤレスモジュールの少なくとも１つによって、取得したデータを外部演算デバイスに送信するように構成されている。

ある形態において、ワイヤレスモジュールは、ハウジング内に配設される。この形態において、外部通信デバイスが第２の通信ポートに接続されており、１つ以上の電子機器は、第２の通信ポートおよびワイヤレスモジュールの少なくとも１つによって、取得したデータを送信するように構成されていてもよい。

別の形態において、第２の通信ポートは、ワイヤーハーネスおよび取り外し可能なドングルの少なくとも１つに接続するように構成される。ワイヤーハーネスは、外部演算デバイスに接続するように作動し、取り外し可能なドングルは、外部演算デバイスとのワイヤレス通信リンクを形成するように動作する。この形態において、取り外し可能なドングルは、ワイヤレスモジュールとして提供されてもよい。

さらにもう一つの形態において、第２の通信ポートは、外部通信デバイスに接続するように構成された複数のピンを含む。

別の形態において、ハウジングは、本体、第１の筒部、および本体の縦軸と平行な方向に沿って本体から伸びる第２の筒部を含む。この形態において、第１の筒部および第２の筒部は、本体の対向する端から伸びていてもよいし、本体の縦軸からずれていてもよい。

さらに別の形態において、１つ以上の電子機器は、ワイヤレス電源によって排他的に電力が供給される。この形態において、ワイヤレス電源は、下記の、自己給電デバイス、熱電デバイス、あるいはバッテリーの中から選択されてもよい。更に、自己給電デバイスは、カンチレバー型のボード、およびカンチレバー型のボードにマウントされた圧電デバイスを含む振動デバイスであってもよい。

さらなる形態において、第２の通信ポートは、ＵＳＢ（登録商標）、ＵＳＢ−Ｃ（登録商標）、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、ＣＡＮ（登録商標）、およびＡｓｐｉｒａｔｅｄＴＩＰ／Ｅｔｈｅｒｎｅｔの少なくとも１つであるコネクタ、および／または、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール、ＷｉＦｉ（登録商標）モジュール、またはＬｉＦｉモジュールの少なくとも１つであるワイヤレス通信コンポーネントを含むワイヤレスモジュールを含む。

別の形態において、１つ以上の電子機器は、マイクロプロセッサを含む。そして、マイクロプロセッサは、ワイヤレスモジュールからのデータ伝送レートを管理するように構成されたファームウェアを含む。この形態によれば、ワイヤレス電源は、バッテリーであってもよいし、ファームウェアは、バッテリーの寿命を関数として、ワイヤレスモジュールからのデータ伝送レートを制御するように構成されていてもよい。

適用性のさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明および特定の例は、例示のみを目的とし、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本開示は、詳細な説明及び添付の図面から、より完全に理解されるであろう。

図１は、本開示によって構成された、２つのワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

図２は、本開示の教示による電子機器およびワイヤレス電源の一形態の概略図である。

図３は、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの別の斜視図である。

図４は、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの別の変形例である。

図５は、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリのさらに別の変形例である。

図６は、図４のワイヤレスセンサアセンブリの別の斜視図である。

図７は、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの部分詳細図であり、ハウジング内の構成要素を示している。

図８は、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリのハウジングの下部の上面斜視図であり、ハウジングの下部にセンサが接続されている。

図９は、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリのハウジングの下部の底面斜視図であり、ハウジングの下部にセンサが接続されている。

図１０は、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの斜視図であり、ハウジング内の構成要素を示すため、ハウジング上部が取り外されている。

図１１は、図１０の部分拡大図である。

図１２は、本開示の第２形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

図１３は、第２形態のワイヤレスセンサアセンブリの斜視図であり、ハウジング内の構成要素を示すため、ハウジング上部が取り外されている。

図１４は、第２形態のワイヤレスセンサアセンブリの別の斜視図であり、ハウジング内の構成要素を示すため、ハウジング上部が取り外されている。

図１５は、第２形態のワイヤレスセンサアセンブリのさらに別の斜視図であり、ハウジング内の構成要素を示すため、ハウジングの上部が取り外されている。

図１６は、本開示の第３形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

図１７は、本開示の第４形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

図１８は、第４形態のワイヤレスセンサアセンブリの部分断面図である。

図１９は、本開示の第５形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

図２０は、第５形態のワイヤレスセンサアセンブリの斜視図であり、ハウジング内の構成要素を示すため、上部が取り外されている。

図２１は、本開示の第６形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

図２２は、本開示の第６形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリの分解図である。

図２３は、第６形態のワイヤレスセンサアセンブリの正面図であり、ハウジング内の構成要素を示すため、キャップが取り外されている。

図２４は、第６形態のワイヤレスセンサアセンブリのハウジング内に配置された電気及び電子部品の斜視図である。

図２５は、図２４の電気及び電子部品の別の斜視図である。

図２６は、図２４の電気及び電子部品の底面斜視図である。

図２７は、第８形態のワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

図２８は、第８形態のワイヤレスセンサアセンブリ内に配設された電子機器の概略図である。

対応する参照符号は、図面の幾つかの図を通して対応する部分を示している。

以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、用途、または使用を限定することを意図するものではない。

（第１形態）

図１に示すように、本開示の第１形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリ１０は、一般に、ハウジング１２およびセンサ１４を含む。センサ１４は、開口部（図１には図示せず）に挿入されてもよく、ハウジング１２内の電気および電子部品に接続されてもよい。あるいは、第１形態の変形例によるワイヤレスセンサアセンブリ１０’は、ハウジング１２’、センサ１４’、およびセンサ１４’をハウジング１２’内の電気および電子部品に接続する有線１６’を含んでいてもよい。ハウジング１２’は、ハウジング１２’を隣接するマウント構造（図示せず）にマウントするための一対のタブ１７’をさらに含んでいてもよい。センサ１４または１４’は、例として、温度センサ、圧力センサ、ガスセンサ、および光学センサであってもよい。

図２に示すように、他のコンポーネントの中でも、ハウジング１２／１２’内の例示的な電子部品が概略的な形で示されている。電子機器１５は、一般に、この形態においてＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ＲＦトランスミッタとして示されているワイヤレス通信コンポーネント１６と、ワイヤレス通信コンポーネント１６から外部デバイス（図示せず）へのデータ送信レートを管理するように構成されたファームウェア１７を含む。この形態において、ファームウェア１７は、マイクロプロセッサに存在する。さらに示されるように、ワイヤレス電源１９は、電子機器１５に電力を供給する。電源１９は、任意の数の形態を取ることが可能であり、以下により詳細に説明されるようなバッテリーを含む。この形態において、電源１９は、振動または熱発電機（以下により詳細に説明する）、電力調整器、および過剰エネルギーを蓄積する蓄積部を含む「エネルギーハーベスティング」構成を含む。

ファームウェア１７は、マイクロプロセッサの最初の起動時に消費される電力を管理するようにも構成されていてもよい。通常、低電力マイクロプロセッサは、起動中の真の低電力モードに入る前に、１秒以下程度の初期の大きな電力バーストを消費する。適切に機能するためにマイクロプロセッサの低電力モードに依存するエネルギーハーベスティングアプリケーションにおいて、初期電力バーストが終了する前に蓄積されたエネルギーを排出し、起動障害を引き起こし、初期起動電力バーストは克服できないと判明し得る。初期起動サージのこの問題を解決するために、ファームウェア１７は、平均電力消費がエネルギーハーベスティング構成の能力に収まるように、初期エネルギーバーストを時間の経過とともに拡げる様に修正され得る。この時間の経過とともにエネルギーを広げることは、マイクロプロセッサの起動を遅らせるが、蓄積されたエネルギーが排出されないため、起動障害が抑制される。

別の形態において、エネルギーハーベスティングコンポーネント／モジュールが初期電力サージを通過できるように、アサートからストレージデバイスにエネルギーが十分蓄積されるまで出力論理信号を遅らせるため、追加の回路系がマイクロプロセッサに加えられてもよい。これは、外部遅延要素の形をとってもよいし、あるいは電力調節チップと共にマイクロプロセッサの一部であってもよい。ある形態において、十分な振動または熱エネルギーが利用可能である場合、エネルギーのバーストを拡げることなく起動を開始することができる、ところが、振動または熱エネルギーが殆どない場合、エネルギーバーストは、時間の経過とともに拡げられ得る。換言すれば、電子機器は、初期電力サージを維持するのに十分なエネルギーが蓄積されるまで、出力論理信号をアサートから遅らせるように構成されていてもよい。プロセッサおよびファームウェア１７内のこれらおよび他のデータ管理機能は、以下により詳細に説明される。

図３に示すように、ハウジング１２は、第１の開口部２２（図６に示される）および第２の開口部２４をそれぞれ画定する対向する第１および第２端部１８および２０を有する。センサ１４は、第１の開口部２２に挿入され、ハウジング１２内にマウントされた電気および電子部品に接続された長手方向端部を有する。通信コネクタ２６は、第２の開口部２４内に配設され、嵌め合せ通信コネクタ（図示せず）を収容するように構成されている。第２の開口部２４および通信コネクタ２６は、接続されるべき嵌め合せ通信コネクタのタイプに従って異なるように構成されてもよい。例えば、通信コネクタ２６は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート（図３）、ＵＳＢ−Ｃポート、イーサネットポート（図４）、コントローラーエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスポート（図５）およびアスピレイティドＴＩＰ／Ｅｔｈｅｒｎｅｔポートなどを形成するように構成されてもよい。ハウジング１２の外部輪郭は、通信コネクタ２６の形状に対応するように適宜構成されてもよい。嵌め合せ通信コネクタ２６はオプションであり、センサ１４によって取得された生の検知データを、ネットワークを介して外部へ、または更なる処理のために外部または遠隔デバイス（図示せず）に送信するために使用することができる。あるいは、センサ１４によって取得された生の検知データは、外部デバイスまたは遠隔デバイスに無線によって送信されてもよく、これについては以下でより詳細に説明する。

図３にさらに示されるように、ハウジング１２は、上部３０および下部３２を含み、各部は、対向する端部１８、２０の内部コンポーネントおよび外部特徴を収容する嵌合くさびを画定する。ハウジング１２の下部３２は、第１の開口部２２を画定する、ところが、ハウジング１２の上部３０は、第２の開口部２４を画定してもよく、また逆でも同様である。上部３０と下部３２の嵌合くさびは、対向する横方向側壁３６に沿って密封界面３４を画定する。上部３０と下部３２との間の密封界面３４は、第１の開口部２２が下部３２（または代わりに上部３０により）のみによって画定され、上、下部３０，３２により連帯的に角度がつけられている。このように、センサ１４は、複数の部品（すなわち、上部３０と下部３２の両方）とは対照的に、センサ１４が下部３２のみで密封されるため、センサ１４のハウジング１２への密封は比較的容易にできる。

図６および７に示されるように、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、センサ１４をハウジング１２にマウントするためマウントアセンブリ３６をさらに含む。マウントアセンブリ３６は、ボス３８、ボス３８の自由端の圧縮シール４０およびナット４２を含む。センサ１４は、ボス３８、圧縮シール４０およびナット４２を通して挿入される。ボス３８および圧縮シール４０のまわりにナット４２を固定することにより、センサ１４はハウジング１２に固定され、密封される。ナット４２は、ねじ込み接続、圧入接続または押し込み接続を介してボス３８に固定されてもよい。ボス３８は、第１の開口部２２に挿入される別の構成要素であってもよく、またはハウジング１２の下部３２の一体部分として形成されてもよい。

図８に示されるように、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、センサ１４が振動を受けた時にセンサ１４が回転することを防止するために、ハウジング１２内、特に下部３２に、回転防止機構４４をさらに含む。回転防止機構４４は、下部３２の内面から突出するＵ字形シート４６と、シート４６内に配設された回転防止ナット４８とを含む。

ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、下部３２を上部３０に固定するための固定機構５０をさらに含む。固定機構５０は、図８に示されるように、ねじおよび穴であってもよい。あるいは、上部３０および下部３２は、振動溶接、スナップ嵌め、または、当技術分野で知られている他の接合方法によって固定されてもよい。上部３０および下部３２は、また、組み立て中に上部３０および下部３２を位置合わせするための位置合わせ機構を含んでいてもよい。

図９に示すように、下部３２は、底面に画定された凹部５０と、凹部５０内に収容された磁石５２と、をさらに含んでいてもよい。外部磁石５２は、センサ１４を非動作および動作させるように、ハウジング１２内の電気および電子部品と通信するために作動する。磁石５２は、輸送中にセンサ１４を非動作にするためにハウジング１２内に配設されたリードスイッチを開けるため、およびハウジング１２内にバッテリーが提供されている場合にバッテリーの寿命を維持するために使用されてもよい。輸送中、粘着テープの小片が磁石の上を覆って置かれてもよい。センサ１４を作動させるため、粘着テープと磁石５２は、バッテリーからセンサ１４への電力供給を可能にするために、取り外され得る。電気および電子部品は、センサ１４が強い磁界に再び遭遇した場合に非動作になることを防ぐためのラッチ回路を含んでいてもよい。さらに、凹部５０の周囲の凹部領域は、センサ１４の機能状態を示すために使用されるインジケータＬＥＤの「ライトパイプ」として機能してもよい。このエリアのプラスチックハウジング材料は、インジケータＬＥＤがプラスチックハウジング材料を通して見えるように、他のハウジング１２の部材よりも薄く作られていてもよい。

図１０および１１に示すように、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、ハウジング１２によって画定される内部空間に配設され、センサ１４および通信コネクタ２６（図３に示される）に接続される電気および電子部品を含む。電気及び電子部品は、通信ボード６０と、ワイヤレス電源６２と、ワイヤレス通信コンポーネントと、ファームウェア（図示せず）と、センサ１４を通信ボード６０に接続するためのセンサコネクタ６６とを含んでいてもよい。通信ボード６０は、プリント回路基板である。ワイヤレス電源６２、ワイヤレス通信コンポーネント、およびファームウェアは、通信ボード６０上にマウントされる。

センサ１４からの信号は、センサコネクタ６６を介して通信ボード６０に送信される。図１１に明示されるように、センサ１４の有線６８は、通信ボード６０にマウントされたセンサコネクタ６６に直接接続される。通信ボード６０上のワイヤレス通信コンポーネントは、データ処理のために外部デバイス（すなわち、外部演算デバイス）にデータを送信する。外部デバイスは、データロギング、演算、またはさらなる処理のための別の遠隔デバイスへデータを再送する機能を実行する。センサ１４は、生のデータのみを収集し、スリープに遷移する前に外部または遠隔デバイスに生のデータを送信する。全てのセンシング計算、キャリブレーション調整、エラー検証などは、ハウジング１２内に配設されたワイヤレス電源６２内に蓄積されたエネルギーを使い切らないように、外部または遠隔デバイスで実行される。そのため、バッテリーの寿命は、保存され得る。

ハウジング１２内の電気および電子部品は、ワイヤレス電源６２から電力を受け取り、センサ１４と電気的に通信するように構成される。ワイヤレス通信コンポーネントは、約０．５ｍＷ未満の電力消費を有する。ハウジング１２内に配設された電気および電子部品は、ワイヤレス電源６２によってのみ電力を供給される。ワイヤレス電源６２は、とりわけバッテリーまたは自己給電デバイスであってもよい。自己給電デバイスは、熱電デバイスまたは、カンチレバー型のボードにマウントされた圧電デバイスを含む振動デバイスであってもよい。

ある形態において、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、約２ｉｎ^３未満の体積を画定する。ワイヤレス通信コンポーネントは、外部センサ１４からの生のデータを、タブレット、スマートフォン、パーソナルコンピュータ、クラウドコンピュータセンター、またはワイヤレス通信コンポーネントから送信されたデータを処理できる任意の処理デバイスに送信するように構成される。ワイヤレス通信コンポーネントは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール、ＷｉＦｉモジュールおよびＬｉＦｉモジュールから構成されるグループから選択される。ファームウェアは、ワイヤレス通信コンポーネントから外部または遠隔デバイスに送信するデータのレートを管理する。ファームウェアは、ワイヤレス通信コンポーネントから送信されるデータのレートをバッテリーの寿命を関数として制御する。また、ファームウェアは、ワイヤレス電源の電力を維持するために、プロセッサのクロックを制御する。さらに、ファームウェアは、ワイヤレス電源６２に蓄積されたエネルギーを監視し、蓄積されたエネルギーの量の関数としてワイヤレス通信コンポーネントからのデータ送信レートを調整する。これは、蓄積されたエネルギーを保存するための低電力モードと類似していてもよい。そのようにして、バッテリーの寿命が維持されてもよく、さらに、センサ１４は、電力の損失のために電源が落ちること、または少なくとも遅れることが防がれ得る。データ送信レートは、ワイヤレス電源６２を再充電するためにより多くの熱または振動エネルギーが利用可能になるまで、所定の通常レートに戻ってもよい。

（第２形態）

図１２〜１５に示されるように、本開示の第２形態によるワイヤレスセンサアセンブリ１１０は、ハウジングおよびセンサの構造を除いた第１形態のワイヤレスセンサアセンブリと似た構造を有する。同様の構成要素は、同様の参照符号によって示され、それら詳細な説明は、明確にするために本明細書では省略される。

より具体的には、ワイヤレスセンサアセンブリ１１０は、ハウジング１１２およびセンサ１１４（図１５にて示される）を含む。ハウジング１１２は、上部１３０と下部１３２を含む。下部１３２は、ハウジング１１２を隣接するマウント構造にマウントするための一対のタブ１３３を含む。ハウジング１１２内に収容される電気および電子部品は、通信ボード６０と、通信ボード６０にマウントされたドーターボード１６６とを含む。ボードマウントセンサ１１４も、ドーターボード１６６にマウントされる。ドーターボード１６６は、第１の開口部２２を通って延び、ハウジング１１の外側に延びた一端とハウジング１１２の内側に延びた他端とを有する。センサ１１４からの信号は、ドーターボード１６６を介して、通信ボード６０に送信される。ドーターボード１６６は、一対のゴムガスケット１６８によって支えられる。また、一対のガスケット１６８は、ドーターボード１６６とハウジング１１２の下部１３２との間に圧縮シールを提供する。

（第３形態）

図１６に示すように、本開示の第３形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリ２１０は、一般に、通信ポートを形成するための通信コネクタを収容するハウジング２１２において第２の開口部が画定されていないことを除いて、第１形態のハウジング１２と同様の構造を有するハウジング２１２を含む。第１および第２形態のワイヤレスセンサアセンブリ１０および１１０のように、ワイヤレスセンサアセンブリ２１０は、外部または遠隔デバイスとの無線通信と、センサ１４、１１４から外部または遠隔デバイスへの生のデータを送信とのための同様の電気および電子部品を含む。そのため、通信ポートは、必要とされない。

（第４形態）

図１７および１８に示すように、本開示の第４形態によるワイヤレスセンサアセンブリ３１０は、ハウジング３１２と、一対の有線６８を有するセンサ１４とを含む。ハウジング３１２は、上部ハウジング部分３１６と、ヒートシンク構造３１８と、下部ベース３２０とを含む。上部ハウジング部分３１６は、第１形態の下部３２と似た構造を有するが、ヒートシンク構造３１８に逆さまに取り付けられている。断熱層３２２は、ヒートシンク構造３１８と、下部ベース３２０との間に配設される。下部ベース３２０は、ハウジング３１２を隣接するマウント構造にマウントするための一対のタブ３２１を画定する。

この形態において、ワイヤレスセンサアセンブリ３１０は、バッテリーを含まない。代わりに、ハウジング３１０内の電気および電子部品およびハウジング３１２の外側のセンサ１４は、例えば、ハウジング３１２内に配設された熱電発電機（ＴｈｅｒｍｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＴＥＧ）３２４によって、自己給電される。ゼーベックジェネレータとも呼ばれるＴＥＧ３２４は、ゼーベック効果と呼ばれる現象を通して、熱（温度差）を電気エネルギーに直接変換するソリッドステートデバイスである。ＴＥＧ３２４は、ヒートシンク構造３１８に隣接し、断熱層３２２上に配設される第１の金属板３２６と、断熱層３２２下に配設された第２の金属板３２８とを含む。断熱層３２２は、第１および第２の金属板３２６および３２８を分離する。電気および電子機器から生成された熱の一部は、第１の金属板３２６に伝導され、ヒートシンク構造３１８によって放散される。ハウジング３１２内の電気及び電子部品から生成された熱の別の一部は、第２の金属板に伝導される。第１および第２の金属板３２６および３２８の間に温度差が生じ、それにより、ハウジング３１２内の電気及び電子部品と、ハウジング３１２外のセンサ１４とに電力を供給するための電気が生成される。

（第５形態）

図１９および２０に示すように、本開示の第５形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリ４１０は、自己給電デバイスにおいてのみ異なり、第４形態の構造と同様の構造を有する。この形態において、自己給電デバイスは、力学的な歪みを、ハウジング内の電気および電子部品およびハウジング外のセンサ１４に供給するための電流または電圧に変換する圧電発電機（ＰｉｅｚｏＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＰＥＧ）４２１である。歪みは、人間の動き、低周波地震振動、および音響ノイズなどの様々な原因から発生する可能性がある。本形態において、ＰＥＧ４２１は、電力転送プリント回路基板（ＰＣＢ）４２２と、金属板４２４と、金属板４２４の一端に取り付けられた重り４２６とを含む。金属板４２４は、金属板４２４に力学的な歪みを生じさせるために端に重り４２６を配設されたカンチレバー型のボードとして機能する。金属板４２４において生成された力学的な歪みは、電力／電気に変換され、電力転送ＰＣＢ４２２を介して通信ボード（図２０では図示せず）に送られる。電力転送ＰＣＢ４２２は、ヒートシンク構造３１８と、金属板４２４との間に留められる。本形態のハウジング４１２は、第４形態におけるハウジング３１２のように、上部ハウジング部分４１６と、ヒートシンク構造４１８と、下部ベース４２０とを含む。しかし、この形態におけるヒートシンク構造４１８は、電気の生成において熱が効果を持たないため、ただセンサ１４およびＰＥＧ４２１のためのマウント構造として機能する。したがって、ヒートシンク構造４１８と、下部ベース４２０との間に断熱層は提供されない。

金属板４２４において力学的な歪みを生じさせるために金属板４２４に取り付けられた重り４２６は、これらから生成される電気が増加するように、計算された周波数でＰＥＧ４２１において共振を引き起こし、金属板４２４における振動及び力学的な歪みを増大させるために、変更、または適切に選択されてもよい。

（第６形態）

図２１〜２６に示すように、本開示の第６形態によって構成されたワイヤレスセンサアセンブリ５１０は、ハウジング５１２と、ハウジング５１２内の電気及び電子部品に有線５１４によって接続されるセンサ（図示せず）とを含んでいてもよい。ハウジング５１２は、長方形の構成を有する。ワイヤレスセンサアセンブリ５１０は、ハウジング５１２の一端に配設されたセンサコネクタ５１６と、ハウジング５１２の他端に配設されたキャップ５１８とをさらに含む。第６形態のワイヤレスセンサアセンブリ４１０のように、ワイヤレスセンサアセンブリ５１０は、ハウジング５１２内に配設された電気及び電子部品を含む。電気及び電子部品は、通信ボード５２０、圧電発電機（ＰＥＧ）５２２の形態の自己給電デバイスを含んでいてもよい。ＰＥＧ５２２は、金属板５２４、および金属板５２４の端部に取り付けられた重り５２６を含んでいてもよい。金属板５２４は、金属板５２４に力学的な歪みを引き起こすために端部に配設された重り５２４とともに、カンチレバー型のボードとして機能する。金属板５２４において生成された力学的な歪みは、電力／電気に変換され、その電力／電気は、センサ及び電気／電子部品に電力を供給するために通信ボードに送られる。

本明細書に記載されたいずれの形態においても、センサ１４によって取得された生の検知データは、生の検知データの処理が外部で生じるように、ラップトップ、スマートフォン、またはタブレットのような外部演算デバイスに送信される。ワイヤレスセンサアセンブリは、生の検知データが外部で処理されるため、電力消費を削減する利点を有する。さらに、データの処理および演算が外部または遠隔デバイスで実行されるので、外部または遠隔デバイスにおいて、正確性を上げるために、より完全な高解像度のルックアップテーブルが使用されてもよい。これは、センサにおいて使用可能なＲＯＭのスペースが限られているため、より小さいＲＯＭに格納されている正確性の低い多項式曲線フィッティングとは対照的である。

さらに、ワイヤレスセンサアセンブリは、キャリブレーション曲線、およびルックアップテーブルにおいて、センサの回路系の変更を必要としないアップデートを可能にする利点を有する。フィールド交換センサは、ＲＦＩＤタグまたはバーコードのような、識別（ＩＤ）情報、またはコードが割り当てられる。ワイヤレスセンサアセンブリのインストールまたは交換の間に、外部センサ１４のキャリブレーション情報は、外部デバイスを通したワイヤレスセンサアセンブリとのワイヤレス通信によってアクセス可能である。ＩＤ情報のスキャンまたは入力によって、センサ１４は、ネットワーク接続を介してあらかじめ決められたキャリブレーション曲線にリンクされる。さらに、ルックアップテーブルまたはキャリブレーション情報は、ドリフトを考慮して定期的に更新されてもよく、それによって、センサ１４の寿命にわたって、センサの測定の正確性が上昇する。

本明細書で開示されるワイヤレスセンサアセンブリの一形態において、ハウジングの寸法は、おおよそＬ１．７５インチ×Ｗ１．２５インチ×Ｈ０．６８インチである。バッテリーが使用される場合、ハウジングは、より大きくてもよい。ワイヤレスコンポーネントとしてＢｌｕｅｔｏｏｔｈコンポーネントの消費電力が小さく、本開示の一形態において０．１７０μＷ以下であるため、センサ１４は、選択されたバッテリーで少なくとも２年間動作可能であり、毎秒データを送信できる。低消費電力は、また、自己給電を可能にする。さらに、本明細書で開示されたワイヤレスセンサアセンブリのいずれにおいても、通信ボードは、蓄積または生成されたエネルギーの量を検知することができ、センサに利用可能、または利用可能と予測される電力量に基づいて生の検知データの送信レートを自動的に調節することを許可できる。

任意の形態によるワイヤレスセンサアセンブリは、外部デバイスまたは遠隔デバイスにデジタル生データを送信することができるデジタルセンシング製品であってもよい。ワイヤレスセンサアセンブリは、複数の構成を簡単に組み立てるために交換可能な部品を含み、そのため、「モジュラー」構造を提供する。本明細書に記述されたワイヤレスセンサアセンブリのそれぞれは、有線またはワイヤレス接続性、および可変なマウンティング、センサ入力の方法を提供するために可変である。

任意の形態のワイヤレスセンサアセンブリは、１つのセンサ１４のみを含むように説明されたが、本開示の範囲を逸脱することなく、１つ以上のセンサがハウジング内の電気及び電子部品に接続されてもよい。例えば、少なくとも２つのセンサ１４は、第１の開口部２６に挿入されてもよいし、図６に示されるようにマウンティングアセンブリ３６にマウントされてもよいし、二つのセンサコネクタ６６によって通信ボード６０に接続されてもよい。

（第７形態）

本開示の第７形態によって構成される低電力ワイヤレスセンサシステムは、複数のワイヤレスセンサアセンブリを含んでいてもよく、ワイヤレスネットワークは、それぞれのワイヤレスセンサアセンブリを動作可能に接続し、それぞれのワイヤレスセンサアセンブリ間でのデータの送受信を実行可能にする。ワイヤレスセンサアセンブリは、第１から第６の形態で説明したいずれの形態におけるワイヤレスセンサアセンブリであってもよく、それらの、または、タブレット、スマートフォン、またはパーソナルコンピュータのような外部デバイスとの間で通信をおこなってもよい。

（第８形態）

図２７に示すように、本開示の第８形態によって構成されるワイヤレスセンサアセンブリ６１０は、ワイヤレス、あるいはワイヤーハーネスを使用してセンサから外部デバイス（すなわち、外部通信デバイス）に、データを送信することが出来るハイブリッドセンサアセンブリである。ワイヤレスセンサアセンブリ６１０は、ハウジング６１２と、ハウジング６１２内に配設された電気及び電子部品（図示せず）に接続されたセンサ６１４とを含む。ハウジング６１２は、電気及び電子部品が配設されている本体６１６と、本体６１６の対向する端から伸び、平行な方向に沿い、本体６１６の縦軸からずれる第１の筒部６１８、および第２の筒部６２０とを含む。第１の筒部６１８は、センサ６１４の端を収容するための第１の通信ポートを形成するため、第１の通信コネクタが配設された第１の開口部を画定する。第２の筒部６２０は、第２の通信ポートを形成するための第２の通信コネクタが形成された第２の開口部を画定する。第２の通信ポートは、特にユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート、ＵＳＢ−Ｃポート、Ｅｔｈｅｒｎｅｔポート、コントローラーエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスポートおよびアスピレイティドＴＩＰ／Ｅｔｈｅｒｎｅｔポートであってもよい。第２の通信ポートはワイヤーハーネス６２２の一端を収容するように構成される。

図２８に示すように、ハウジング６１２内の電気及び電子部品は、センサ６１４から外部デバイス（図示せず）にデータをワイヤレスに送信するためのワイヤレスモジュール６３０と、図２において示されたワイヤレス電源１９に類似するワイヤレス電源（図２８において図示せず）と、リニアレギュレータ６３２とを含む。外部デバイスは、遠隔デバイスであり、これらに限定されないが、ワイヤレスモジュール６３０のワイヤレス通信コンポーネントから送信されたデータの処理ができるタブレット、スマートフォン、パーソナルコンピュータ、クラウドコンピュータセンター、あるいは任意の制御デバイスが挙げられる。センサ６１４は、単に、生のデータを収集し、スリープに遷移する前に生のデータを外部または、遠隔デバイスに送信する。全ての検知演算、キャリブレーション調整、エラー検証などは、ハウジング６１２内に配設されたワイヤレス電源において蓄えられたエネルギーが使い切られないように、外部または遠隔デバイスで実行される。

ワイヤレスモジュール６３０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ＲＦトランスミッタ６３４の形態のワイヤレス通信コンポーネント、プロセッサ６３６およびアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）６３８を含んでいてもよい。プロセッサ６３６は、ワイヤレス通信コンポーネント６３４から外部デバイス（図示せず）へのデータ送信レートを管理する。プロセッサ６３６は、ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ Ｍ４コアであってもよい。ＡＤＣ６３８は、１６ビットの４チャンネルＡＤＣであってもよい。ワイヤーハーネス６２２のための第２の通信ポートは、４つのピンを含んでいてもよい。

図２７に戻って示すと、本形態では、ワイヤレスモジュール６３０、ワイヤレス電源、およびリニアレギュレータ６３２は、ハウジング６１２内に固定、および配設される回路ボードに統合される。センサ６１４は、検知されるべきオブジェクトまたは環境から温度、圧力等の関連する情報を取得する。センサ６１４からの生のデータは、ワイヤレスモジュール６３０を使用した更なる処理のために、外部デバイスに無線で送信されてもよい。第２の通信ポートにワイヤーハーネス６２２が挿入されたとき、センサ６１４からの生のデータは、ワイヤーハーネス６２２によって外部デバイスに送信される。電気及び電子部品は、ワイヤーハーネス６２２が第２の通信ポートに挿入されたときに、ワイヤレス通信コンポーネントを非動作にするための回路系を含んでいてもよい。したがって、ワイヤレスセンサアセンブリ６１０は、ワイヤレス、またはワイヤーハーネス６２２を使用してセンサからデータを送信することが出来るハイブリッドセンサアセンブリである。

あるいは、ワイヤーハーネス６２２は、外部デバイスから分離されるコンピュータ、またはエンジン制御ユニット（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＥＣＵ）に接続されていてもよい。センサ６１４からのデータは、センサ６１４の測定値を決定するためにワイヤレスモジュール６３０を通して外部デバイスに無線で送信されてもよい。センサ６１４からのデータは、ワイヤーハーネス６２２によって、コンピュータまたはＥＣＵにも送信される。これは、測定の読み取り値を提供することよりも、予防メンテナンスを目的としている。

（第９形態）

本開示の第９形態によって構成されるワイヤレスセンサアセンブリは、ハウジング６１２内の回路基板に接続するために第２の通信ポートに取り外し可能に挿入された取り外し可能なドングル（すなわち、外部通信デバイス）が、ワイヤレスモジュールに提供される場合を除いて、図２７のワイヤレスセンサアセンブリと構造的に似ている。同様な第２の通信ポートもまた、ワイヤーハーネス６２２に接続するように構成されている。それゆえ、ワイヤレスセンサアセンブリは、第２の通信ポートに挿入可能なワイヤーハーネス６２２を使用することによって、または第２の通信ポートに挿入可能である取り外し可能なドングルで提供されるワイヤレスモジュールを使用することによって、センサ６１４から外部デバイスに生のデータを送信できるハイブリッドモジュラーセンサアセンブリである。取り外し可能なドングルは、第２の通信ポートを稼動させるための４ピン通信インタフェース６４２を含んでいてもよい。

本開示は、例として説明および図示された形態に限定されないことに留意されたい。多種多様な修正が記載されており、それらは当業者の知識の一部である。本開示及び本特許の保護の範囲を逸脱することなく、これら及び、更なる修正並びに技術的同等物による置換を説明および図に追加することができる。

Claims (15)

1. 第１の開口部と、第２の開口部とを画定するハウジングと、
   前記第１の開口部に提供され、外部センサと通信可能に結合するように構成された第１の通信ポートと、
   前記第２の開口部に提供され、外部通信デバイスに物理的に接続するように構成された第２の通信ポートと、
   前記ハウジングに配設されたワイヤレス電源と、
   前記ワイヤレス電源から電力を受け取り、前記外部センサからデータを取得するように構成された少なくとも一つの電子機器と、
   を具備し、
   前記少なくとも一つの電子機器は、ワイヤレス通信リンクを形成するように動作するワイヤレスモジュールを含み、前記少なくとも一つの電子機器は、前記第２の通信ポートおよび前記ワイヤレスモジュールの少なくとも一方によって、外部演算デバイスに前記取得されたデータを送信するように構成される、
   ワイヤレスセンサアセンブリ。
2. 前記ワイヤレスモジュールは、前記ハウジング内に配設される、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
3. 前記外部通信デバイスが前記第２の通信ポートに接続し、前記少なくとも一つの電子機器は、前記第２の通信ポートおよび前記ワイヤレスモジュールの少なくとも一方によって、前記取得されたデータを送信するように構成された、請求項２のワイヤレスセンサアセンブリ。
4. 前記第２の通信ポートは、ワイヤーハーネス、および取り外し可能なドングルの少なくとも一つと接続するように構成され、前記ワイヤーハーネスは、前記外部演算デバイスと接続するように作動し、前記取り外し可能なドングルは、前記外部演算デバイスとワイヤレス通信リンクを形成するように作動する、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
5. 前記取り外し可能なドングルは、前記ワイヤレスモジュールとして提供される、請求項４のワイヤレスセンサアセンブリ。
6. 前記第２の通信ポートは、前記外部通信デバイスと接続するように構成された複数のピンを含む、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
7. 前記ハウジングは、本体と、第１の筒部と、前記本体の縦軸と平行な方向に沿って前記本体から伸びる第２の筒部とを含む、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
8. 前記第１の筒部および前記第２の筒部は、前記本体の対向する端から伸び、前記本体の縦軸からずれる、請求項７のワイヤレスセンサアセンブリ。
9. 前記少なくとも一つの電子機器は、前記ワイヤレス電源によって排他的に電力を供給される、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
10. 前記ワイヤレス電源は、自己給電デバイス、熱電デバイス、またはバッテリーの中から選択される、請求項９のワイヤレスセンサアセンブリ。
11. 前記自己給電デバイスは、カンチレバー型のボードおよび前記カンチレバー型のボードにマウントされた圧電デバイスを含む振動デバイスである、請求項１０のワイヤレスセンサアセンブリ。
12. 前記第２の通信ポートは、ＵＳＢ（登録商標）、ＵＳＢ−Ｃ（登録商標）、イーサネット（登録商標）、ＣＡＮ（登録商標）、およびＡｓｐｉｒａｔｅｄＴＩＰ／Ｅｔｈｅｒｎｅｔの少なくとも１つであるコネクタを含む、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
13. 前記ワイヤレスモジュールは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール、ＷｉＦｉ（登録商標）モジュール、またはＬｉＦｉモジュールの少なくとも１つであるワイヤレス通信コンポーネントを含む、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
14. 前記少なくとも一つの電子機器は、マイクロプロセッサを含み、前記マイクロプロセッサは、前記ワイヤレスモジュールからのデータ送信レートを管理するように構成されたファームウェアを含む、請求項１のワイヤレスセンサアセンブリ。
15. 前記ワイヤレス電源は、バッテリーであり、前記ファームウェアは、バッテリー寿命の関数として前記ワイヤレスモジュールからのデータ送信レートを制御するように構成されたファームウェアである、請求項１４のワイヤレスセンサアセンブリ。

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