JP4225792B2 - 誘導式電圧制御回路 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

この課題は、請求項１記載の電圧制御回路、請求項３記載のスイッチ、および、請求項４記載のセンサシステムにより解決される。有利な実施形態は従属請求項から得られる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１には電圧形成手段の基本回路が示されている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

電圧形成手段の基本回路を示す図である。

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。

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 (4)

1. 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）であって、
   １次エネルギ（ＰＥ）を収容しかつ少なくとも１つのばね（６）を含む機械的エネルギ蓄積器（２）と、誘導コイル（８）、鉄心（９）および少なくとも１つの磁石（７）を備えた少なくとも１つの誘導システム（３）とを有しており、ここで
   該誘導システムは転換点（Ｐ）が形成されるように機械的エネルギ蓄積器に結合されており、該転換点に達するまで１次エネルギが蓄積され、該転換点に達すると蓄積された１次エネルギが放出される
   誘導式電圧制御回路において、
   鉄心（９）の端部が機械的停止位置となっており、機械的エネルギ蓄積器（２）による１次元のストローク運動の定められた始点または終点が当該の機械的停止位置に存在するように、鉄心と磁石（７）とが相互作用している
   ことを特徴とする誘導式電圧制御回路。
2. ばね（６）は磁石（７）に固定されている、請求項１記載の回路。
3. 機械的操作のためのスイッチにおいて、請求項１または２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。
4. 請求項１または２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。

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