WO2013143726A2

WO2013143726A2 - Signalausgabeeinheit und verfahren zum betrieb einer signalausgabeeinheit

Info

Publication number: WO2013143726A2
Application number: PCT/EP2013/052021
Authority: WO
Inventors: Marco DENK
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-10-03
Also published as: DE102012205305A1; WO2013143726A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalausgabeeinheit (100) zum Ausgeben eines Signals (220), wobei die Signalausgabeeinheit (100) ein Getriebe (140) mit einem Betätiger (105) zur Aufnahme einer Bewegung aufweist. Das Getriebe (140) ist zur Übersetzung einer Bewegung des Betätigers (105) in eine schnellere Bewegung eines Getriebeelementes (155) ausgebildet. Die Signalausgabeeinheit (100) weist einen Generator (200) zur Generierung von elektrischer Energie (205, 425) auf, der mit dem Getriebeelement (155) gekoppelt ist. Die Signalausgabeeinheit (100) weist ferner eine Elektronikeinheit (210) auf, die ausgebildet ist, um das auszugebende Signal (220) durch eines mit der generierten elektrischen Energie (205) betriebenen Halbleiterbauelementes (215) zu erzeugen.

Description

Siqnalausqabeeinheit und Verfahren zum Betrieb einer Siqnalausqabeeinheit

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Signalausgabeeinheit und ein Verfahren zum Betrieb einer Signalausgabeeinheit gemäß den Hauptansprüchen.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Technologien und Anwendungen zur Energieerzeugung bekannt. Eine Möglichkeit zur Energieerzeugung wird beispielsweise in der WO 9949556 oder der GB 1312927 durch einen

Induktionsgenerator näher beschrieben. Diese Generatoren arbeiten nach dem Prinzip, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Die mechanische Leistung kann dem Generator beispielsweise in Form der Drehung einer

mechanischen Welle zugeführt werden. Dabei beruht die Umwandlung auf der Lorentz-Kraft, die auf bewegte, elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Diese Generatoren kommen in zahlreichen Anwendungen, wie z. B. in

Fahrraddynamos, Kernkraftwerken, Windkraftanlagen, etc. zum Einsatz. Der Einsatz in Windkraftanlagen wird beispielsweise durch die EP 1 650432 näher beschrieben.

Im Stand der Technik bekannte Funkschalter als typische Vertreter einer Signalausgabeeinheit wurden bislang mit Batterien, elektrodynamischen

Lineargeneratoren oder auch mit piezoelektrischen Energiewandlern betrieben.

Einen Ansatz für die Nutzung von Induktivität zur Erzeugung von Energie liefert die DE 10315765 B4. Die Druckschrift beschreibt, dass energieautarke Funkschalter und Funksensoren ohne eine primäre Energiequelle (z.B. Batterie) kurzzeitig betrieben werden, indem durch manuelle oder anderweitige mechanische Betätigung Energie zur Verfügung gestellt und mit einem nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitenden Wandler in nutzbare elektrische Energie umwandelt wird.

Derzeit werden auf dem Markt der energieautarken Funkschalter, Generatoren bzw. Funkschalter angeboten und genutzt, bei denen im Wesentlichen eine

Relativbewegung zwischen einem Magneten und einer Spule zur lokalen

Energieerzeugung bzw. ein sich änderndes Magnetfeld (s. oben genannte

Druckschriften) herangezogen wird. Die damit erreichte Erzeugung eines meist nur sehr kurzen (wenige ms) Spannungspulses muss aufwendig (mechanisch und/oder elektrisch) so aufbereitet und zwischengespeichert werden, dass die mit dem

Spannungspuls bereitgestellte Energie über einen längeren Zeitraum hinweg genutzt werden kann. Weiterhin ist die Ausgangsenergie heutiger Generatoren hinsichtlich der Realisierung energieintensiver Protokolle ungenügend.

Im Falle einer KNX-RF Anwendung (Haustechnik) werden z. B. Zeiten von etwa 20ms für das einmalige Aussenden eines vollständigen Telegramms benötigt. Mehrfaches Aussenden wäre wünschenswert. Weder die erforderliche Energie noch eine ausreichende zeitliche Dauer ist mit den derzeit bekannten Generatoren, die Impulse im Bereich von wenigen ms (2-5ms) bereitstellen, erreichbar.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Signalausgabeeinheit, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer

Signalausgabeeinheit sowie eine Verwendung einer Signalausgabeeinheit gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den

Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Signalausgabeeinheit zum Ausgeben eines Signals, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeeinheit ein Getriebe mit einem Betätiger zur Aufnahme einer Bewegung aufweist, wobei das Getriebe zur Übersetzung einer Bewegung des Betätigers in eine schnellere Bewegung eines Getriebeelementes ausgebildet ist, wobei die Signalausgabeeinheit einen Generator zur Generierung von elektrischer Energie aufweist, der mit dem Getriebeelement gekoppelt ist und wobei die Signalausgabeeinheit eine Elektronikeinheit aufweist, die ausgebildet ist, um das auszugebende Signal durch ein mit der generierten elektrischen Energie betriebenen Halbleiterbauelement zu erzeugen.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer vorstehend genannten Signalausgabeeinheit oder einer Variante davon, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Aufnehmen einer Bewegung des Betätigers, um das Getriebeelement in eine Drehbewegung zu versetzen; - Generieren von elektrischer Energie durch den mit dem Getriebeelement gekoppelten Generator; und

- Erzeugen des Signals durch die Elektronikeinheit unter ausschließlicher Verwendung von einer vom Generator generierten elektrischen Energie.

Auch schafft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer

Signalausgabeeinheit einer vorstehend genannten Signalausgabeeinheit oder einer Variante davon zur Codierung eines nicht-manuellen Bewegens des Betätigers in dem Signal, insbesondere unter ausschließlicher Verwendung von elektrischer Energie, die von dem Generator generiert wurde. Unter nicht-manuellen Bewegen ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine automatische oder mittels eines Hilfsmittels erfolgte Bewegung des Betätigers zu verstehen. Ein solches Hilfsmittel kann beispielsweise eine Heckklappe eines Kraftfahrzeuges sein, welches bei einem durch einen Fahrzeugnutzer verursachten Zuklappen der Heckklappe auf den Betätiger wirkt.

Unter einem Getriebe kann ein mechanisches Element verstanden werden, welches eine erste Bewegung in eine zweite Bewegung übersetzt, wobei die zweite Bewegung schneller als die erste Bewegung ist. Unter einer schnelleren Bewegung kann eine Bewegung eines Elementes in Bezug zu einem Referenzpunkt verstanden werden, die schneller als eine Bewegung eines zweiten Elementes zu diesem

Referenzpunkt ist. Unter einem Betätiger kann ein mechanisches Element

verstanden werden, welches die erste Bewegung auf ein Element des Getriebes überträgt und dieses in Bewegung setzt. Unter einem Getriebeelement kann ein mechanisches Element des Getriebes verstanden werden, welches ausgebildet ist, um eine schnellere Bewegung als der Betätiger auszuführen. Unter einem Generator kann ein elektromechanisches Element verstanden werden, welches ausgebildet ist, um eine mechanische Bewegung oder Energie in elektrische Energie zu wandeln. Unter einer Elektronikeinheit kann eine elektronische Baugruppe verstanden werden, die unter Einsatz von einem oder mehreren Halbleiterbauelementen das Signal erzeugt. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine autarke Signalausgabeeinheit dadurch bereitgestellt werden kann, dass ein Generator mit der Elektronikeinheit verbunden wird, um elektrische Energie für den Betrieb der Elektronikeinheit zu liefern. Dabei wird der Generator unter Verwendung eines Betätigers und eines mit dem Betätiger gekoppelten Getriebes angetrieben, bei dem eine Übersetzung einer Bewegung eine schnellere Bewegung und einen Antrieb des Generators mit der schnelleren Bewegung erfolgt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Generator oder ein Element des Generators mit einer ausreichend großen Relativgeschwindigkeit gegenüber einem anderen Element des Generators bewegt wird, um eine für den Betrieb der Elektronikeinheit hinreichend große Menge von elektrischer Energie für eine ausreichend lange Zeitspanne zur Erzeugung des Signals zu generieren.

Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Kombination des Getriebes, des Generators sowie der Elektronikeinheit eine kompakte autarke

Signalausgabeeinheit geschaffen werden kann, die ohne eine separate

Energiequelle beispielsweise in der Form einer Batterie das Signal zur Ausgabe erzeugen kann. Dabei kann auf hoch-standardisierte Elemente wie den Generator oder das Getriebe zurückgegriffen werden, wodurch sich die Signalausgabeeinheit kostengünstig herstellen lässt und das Verfahren zum Betrieb der

Signalausgabeeinheit sich preisgünstig umsetzen lässt. Auf die Verwendung von zusätzlichen Energiequellen wie beispielsweise einer Batterie, die nach einem

Verbrauch auszutauschen ist, kann daher verzichtet werden. Aufgrund der

Verwendung einer Elektronikeinheit, durch welche das Signal unter Einsatz eines Halbleiterbauelements erzeugt wird, kann sichergestellt werden, dass das Signal unter Einsatz einer relativ kleinen elektrischen Energie erzeugt werden kann, die durch den Generator nach einer Betätigung des Betätigers erzeugt werden kann.

Gemäß einer besonders günstige Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung kann das Getriebe unterschiedlich große kämmende Zahnräder aufweisen, wobei eines der Zahnräder als Getriebeelement mit dem Generator gekoppelt ist. Unter unterschiedlich großen Zahnrädern können dabei Zahnräder verstanden werden, die beispielsweise als Stirnräder ausgebildet sind und eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass sichergestellt ist, dass das Getriebeelement auf technisch sehr einfach umzusetzende Weise schneller bewegbar ist, als der

Betätiger, um die erforderliche elektrische Energie im Generator generieren zu können.

Günstig ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein (separates) Schwungrad mit dem Getriebeelement gekoppelt ist. Unter einem Schwungrad kann dabei ein axial drehbar gelagertes mechanisches Element verstanden werden, welches gegenüber dem Getriebeelement und/oder dem

Getriebe insgesamt eine deutlich größere Masse aufweist. Eine derartige

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die schnelle Bewegung bzw. die Energie, die in dieser schnellen Bewegung steckt, die das Getriebeelement bei einem Betrieb der Signalausgabeeinheit ausführt, in einem Schwungrad gespeichert werden kann. Somit kann der Generator über einen längeren Zeitraum mit einer schnelleren Bewegung angetrieben werden, als der Bewegung des Betätigers.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Betätiger mit einem Hebel gekoppelt ist, der wiederum mit einem Zahnrad des Getriebes gekoppelt ist, wobei das Getriebe ausgebildet ist, um eine Bewegung des Hebels in eine schnellere Bewegung des Zahnrades zu überführen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet weiterhin den Vorteil, dass auch bei einer Übertragung einer Bewegung des Betätigers auf das Getriebe eine Übersetzung von einer langsameren in eine schnellere Bewegung erfolgen kann. Hierbei wird beispielsweise das Zahnrad relativ zum Hebel oder zum Betätiger schneller bewegt, wodurch eine weitere Übersetzungsstufe technisch einfach realisiert werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Betätiger mit einer Feder gekoppelt sein, die ausgebildet ist, den Betätiger nach einer Betätigung wieder in eine Ruhelage zu bringen. Unter einer Ruhelage kann eine Lage verstanden werden, in der sich der Betätiger vor der Betätigung befindet. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Signalausgabeeinheit zyklisch wiederholt betätigt werden kann, ohne dass hierzu ein manuelles Zurücksetzen zu erfolgen hat. Dies erhöht den Einsatzwert der

Signalausgabeeinheit, beispielsweise auch für einen Einsatz an Orten, die für einen Benutzer der Signalausgabeeinheit nur sehr schwer bzw. gar nicht oder nur mit einem erhöhten Arbeitsaufwand zu erreichen sind. Auch lässt sich der

Wartungsaufwand für eine solche Ausführungsform einer Signalausgabeeinheit gering halten.

Günstig ist es weiterhin, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Elektronikeinheit ausgebildet ist, um als Signal ein Funksignal, ein optisches Signal und/oder ein akustisches Signal auszugeben, insbesondere wobei die Elektronikeinheit ausgebildet ist, um durch das Signal eine Betätigung des Hebels zu signalisieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet (insbesondere bei der Verwendung eines Funksignals als Signal) den Vorteil, dass das Signal speziell dann erzeugt oder ausgesandt werden kann, wenn der Betätiger betätigt wurde, da insbesondere nach einer solchen Betätigung auch elektrische Energie zum Betrieb der Elektronikeinheit zur Verfügung gestellt ist.

Hierdurch wird sichergestellt, dass auch ohne das kostenintensive Vorsehen einer zusätzlichen Energiequelle wie einer Batterie zu bestimmten Zeitpunkten elektrische Energie zum Betrieb der Elektronikeinheit zur Verfügung gestellt werden kann, die zu Erzeugung und zur Ausgabe des Signals erforderlich und/oder ausreichend ist. Auch kann eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als abgesetzter Sensor verwendet werden, der sehr einfach mit weiteren Komponenten zur

Auswertung des Signals als Sensorsignal gekoppelt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Elektronikeinheit ausgebildet sein, um das Signal als ein Signal entsprechend einem Signalformat eines KNX-, KNX-RF oder einem WLAN- oder ZigBEE-Standard bereitzustellen. Unter einem KNX-Standard kann beispielsweise ein Standard für die Datenübertragung in einem Feldbus zur Gebäudeautomation verstanden werden. Unter einem WLAN-Standard als auch unter einem ZigBEE-Standard kann beispielsweise ein Standard für die Datenübertragung in einem lokalen Funknetz verstanden werden. Im Unterschied zur WLAN-Technik zielt die ZigBEE-Technik insbesondere auf Anwendungen in der Gebäudesteuerung, auf die Steuerung, Überwachung und Automatisierung von Fertigungsprozessen ab. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein solches Signal von einer entsprechenden standardisierten abgesetzten Empfangseinheit aufgefangen bzw. eingelesen und weiterverarbeitet werden kann. Dabei kann die Signalausgabeeinheit insbesondere als abgesetzte autarke Einheit mit separater Energieversorgung verwendet werden, und beispielsweise als Sensoreinheit Signale zur Verarbeitung in einem solchen standardisierten System zur Verfügung stellen.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Elektronikeinheit ausgebildet ist, um das Signal ausschließlich unter Verwendung von einer vom Generator generierten elektrischen Energie zu erzeugen. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass kein Ersatz einer zusätzlichen Energiequelle wie einer Batterie erforderlich ist, sodass der Wartungsaufwand einer solchen Signalausgabeeinheit reduziert werden kann.

Um eine besonders kostengünstige Signalausgabeeinheit zu erhalten, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Generator ausgebildet sein, um eine elektrische Leistung von nicht mehr als fünf Watt bereitzustellen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein hoch-standardisierter Generator als Kleinteil aus einer Massenfertigung in der Signalausgabeeinheit eingesetzt werden kann, sodass sich die Herstellungskosten für eine solche Signalausgabeeinheit sehr gering halten lassen. Insbesondere kann der Generator ausgebildet sein, um eine Leistung von nicht mehr als zwei Watt, vorzugsweise von nicht mehr als einem Watt bereitzustellen.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Elektronikeinheit einen Gleichrichter und/oder einen elektrischen

Energiespeicher und/oder einen Spannungswandler aufweist. Eine solche

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, eine vom Generator bereitgestellte elektrische Energie mit einer variierenden elektrischen Kenngröße wie beispielsweise einer schwankenden Spannung für einen geregelten und zuverlässigen Betrieb der Elektronikeinheit zur Bereitstellung oder Erzeugung des Signals einsetzbar zu machen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Generator ausgebildet sein, um elektrische Energie unter Verwendung eines rotierenden Elementes zu generieren, insbesondere wobei das rotierende Element ausgebildet ist, um zumindest um 360 Grad gedreht zu werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung eines Generators mit einem rotierenden oder rotierbaren Element eine deutlich höhere elektrische Energie aus einer mechanischen Bewegung generiert werden kann, als dies beispielsweise durch einen Piezowandler oder einen

Lineargenerator möglich ist, der lediglich eine lineare Bewegung direkt in eine elektrische Spannung bzw. Energie wandelt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Getriebe ausgebildet sein, um eine lineare und/oder translatorische Bewegung des Betätigers in eine rotierende Bewegung des Getriebeelementes zu überführen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, eine oftmals für Sensoraufgaben nur als Linearbewegung eines mechanischen Elementes vorliegende Bewegung aufnehmen zu können und diese lineare Bewegung des Elementes unter Verwendung eines Wandlers mit einem geringen Bauvolumen in eine elektrische Energie überführen zu können.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Frontansicht auf einen Teilbereich eines

Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Signalausgabeeinheit;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Teilbereich eines

Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Signalausgabeeinheit, wobei ein weiterer Teilbereich der Signalausgabeeinheit schematisch als Blockschaltbild dargestellt ist; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendbaren Generators;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung einer Wandlung von mechanischer Energie in ein Funksignal, gemäß einer Wandlung von mechanischer Energie in ein Funksignal in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Vergleichs einer Generierung von einer elektrischen Spannung gemäß einem Ansatz aus dem Stand der Technik mit einem nachfolgend näher vorgestellten Ansatz;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Signalausgabeeinheit; und

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Frontansicht auf einen Teilbereich eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Signalausgabeeinheit 100. Die Signalausgabeeinheit 100 umfasst einen Betätiger 105, der unter Vermittlung einer optionalen Feder, beispielsweise einer Blattfeder 1 10 an einem (in der Fig. 1 zur besseren Übersichtlichkeit transparent dargestellten) Hebel 1 15 befestigt ist. Der Hebel 1 15 ist an einem Drehpunkt 120 drehbar aufgehängt und zwischen

(optionalen) Schaltnoppen 125 beweglich. Weiterhin weist der Hebel 1 15 an einer dem Drehpunkt 120 gegenüberliegenden Seite ein Zahnsegment 130 auf, welches kämmend mit einem ersten Zahnrad 135 eines Getriebes 140 gekoppelt ist. Das erste Zahnrad 135 ist drehfest auf einer gemeinsamen Achse 145 mit einem zweiten Zahnrad 150 des Getriebes 140 verbunden, wobei das zweite Zahnrad 150 einen größeren Umfang aufweist, als das erste Zahnrad 135. Dabei sind sowohl das erste Zahnrad 135 als auch das zweite Zahnrad 150 als Stirnräder ausgeführt, deren Zähne jedoch nicht kämmen. Das zweite Zahnrad 150 hat eine größere Anzahl von Zähnen als das erste Zahnrad 135. Die Zähne des zweiten Zahnrads 150 sind weiterhin kämmend mit den Zähnen eines dritten Zahnrads 155 gekoppelt, wobei das dritte Zahnrad 155 eine geringere Anzahl von Zähnen als das zweite Zahnrad 150 aufweist. Ein (optionales) Schwungrad 1 60, das eine deutlich größere Masse als eines der Zahnräder 135, 150 oder 155 oder alle Zahnräder zusammen aufweist, ist drehfest mit einer gemeinsamen Achse 1 65, auf der auch das dritte Zahnrad 155 drehfest befestigt ist. Das Schwungrad 1 60 kann auch in eines oder mehrere der Zahnräder 135, 150 oder 155 integriert werden, indem das oder die entsprechenden Zahnrad/Zahnräder derart bereitgestellt/hergestellt werden, dass die eine dem Schwungrad 1 60 entsprechend große Masse aufweist/aufweisen.

Die Zahnräder 135, 150, 155 können in der Form einer Übersetzungseinheit oder des Getriebes 140 ausgestaltet sein (z. B. als Energy Harvesting Getriebe der Anmelderin), sodass sie eine lineare Bewegung des Betätigers 105 in eine rotierende Bewegung des dritten Zahnrades 155 übersetzt. Dabei wird die lineare Bewegung des Betätigers 105 in eine Bewegung des ersten Zahnrades 135 übersetzt, die relativ zur Bewegung des Betätigers 105 schneller ist. Der Betätiger 105 kann dabei durch eine nicht-manuelle Betätigung, beispielsweise durch ein mechanisches Element wie eine sich schließende Ladeklappe am Heck eines Fahrzeugs betätigt werden. Die Bewegung des ersten Zahnrades 135 wird dann über die drehfeste Verbindung des ersten Zahnrades auf das zweite Zahnrad 150 übertragen, sodass sich das zweite Zahnrad 150 mit der gleichen Geschwindigkeit dreht, wie das erste Zahnrad 135. Durch die kämmende Kopplung des zweiten Zahnrades 150 mit dem dritten Zahnrad 155 und die unterschiedliche Anzahl von Zähnen des zweiten Zahnrades 150 und des dritten Zahnrades 155, wird bei einer Drehung des zweiten Zahnrades 150 nochmals eine Übersetzung auf eine schnellere rotierende Bewegung des dritten Zahnrades 150 (bezogen auf die Bewegung des zweiten Zahnrades 150) bewirkt.

Fig. 1 zeigt somit eine Verbindung des extern liegenden Betätigers 105 mit Komponenten von in einem (in der Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten) Gehäuse innenliegenden Getriebe 140 bzw. Schwungrad 1 60. Bei einer Betätigung des Betätigers 105 bewegt der Hebel 1 15, der optional mit einer Feder 1 10 vorgespannt sein kann, ein Zahnrad 135. Dieses Zahnrad 135, 150 wirkt durch seine Übersetzung als eine Art Getriebe 140 und rotiert nach der erfolgten Betätigung. Der Hebel 1 15 koppelt sich nach der Betätigung aus dem

„Getriebeantriebsprozess" aus. Das rotierende und als Übersetzung dienende Zahnrad 135, 150 bzw. Zahnräder 135, 150, 155 bewegen ein Schwungrad 1 60, welches wiederum die für den Generator 200 nötige mechanische Energie liefert, wie es aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Dabei kann die Funktion des optionalen

Schwungrades 1 60 auch durch die Zahnräder 135, 150, 155 implementiert sein.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teilbereich eines

Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Signalausgabeeinheit. Hierbei ist die Kopplung des Generators 200 mit der gemeinsamen Achse 165 des dritten Zahnrades 155 und/oder des (optionalen) Schwungrades 1 60 deutlich zu erkennen. Eine Freilaufeinrichtung (z.B. Kupplung) kann vorgesehen werden, um das

Schwungrad 1 60 vom Getriebe 140 abzukoppeln. Fig. 2 zeigt somit den in Fig. 1 dargestellten Aufbau in der Draufsicht, wodurch die Anordnung des Generators 200 ersichtlich ist. Dieser wird durch die in der Fig. 3 dargestellten schematischen Darstellung eines in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendbaren Generators 200 näher beschrieben. Der Generator 200 liefert elektrische Energie 205, die beispielsweise in einer Elektronikeinheit 210 verwendet wird, um in einem Halbleiterbauelement 215 ein Signal, beispielsweise ein

Funksignal 220, zu erzeugen, welches über eine Antenne 225 der Elektronikeinheit 210 abgestrahlt wird. Dabei wird in dem Halbleiterbauelement 215 vorzugsweise ausschließlich die elektrische Energie 205 aus dem Generator 200 verwendet, um das Signal 220 zu erzeugen, sodass auf die Entnahme von Energie aus einer weiteren Energiequelle (wie beispielsweise einer Batterie) verzichtet werden kann und die Signalausgabeeinheit 100 autark von weiteren Energiequellen ist. Auf diese Weise kann die Signalausgabeeinheit 100 an beliebigen Orten eingesetzt werden, an denen sie beispielsweise durch einen Bediener nicht erreichbar sein braucht. Auch erfordert die Signalausgabeeinheit 100 nahezu keinen Wartungsaufwand, da keine Energiequellen auszuwechseln sind.

Anhand der schematischen Darstellung eines Generators entsprechend der Fig. 3 (die aus der Online-Enzyklopädie Wikipedia entnommen ist) wird nun eine Funktionsweise des Generators beschrieben, wie er in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Dabei umfasst der Generator 200 eine Antriebsachse 310, die mit der Achse 1 65 des Getriebes 140 gekoppelt ist, auf der das dritte Zahnrad 155 und das (optionale) Schwungrad 1 60 befestigt sind. Die Antriebsachse 310 ist drehfest mit einem Rotor 320 verbunden, der auch bei Auslegung mit einer entsprechend großen Masse die Funktion des Schwungrades 1 60 enthalten kann. Der Rotor 320 rotiert bei einer Drehung der Antriebsachse 310 in einem durch Induktionsspulen 330 gebildeten Käfig, wobei in einzelnen Armen 340 des Rotors 320 oder in Wicklungen in diesen Armen ein Gleichstrom zum Aufbau eines Magnetfeldes fließt oder diese Arme durch Permanentmagnete gebildet sind oder diese Permanentmagnete enthalten. Wenn in den Wicklungen in den Armen 340 ein Gleichstrom fließen soll, kann dieser über Schleifringe oder -bürsten 350 (bzw. einen Kommutator) in den sich drehenden Rotor 320 eingekoppelt werden, die an der Antriebsachse 310 angeordnet sind. Aus den Wicklungen der

Induktionsspulen 330, die den Käfig bilden, in dem der Rotor 320 bei einer

Bewegung rotiert, kann dann eine Wechselspannung 360 (oder eine Gleichspannung bei entsprechender Wandlung) abgegriffen und als generierte elektrische Energie 370 weiterverwendet werden. Generell erlaubt ein durch Permanentmagnete und/oder Elektromagnete bereitgestelltes Magnetfeld die Kopplung an die

mechanische Energie und die Bereitstellung elektrischer Energie.

Gemäß einem zu der Figur 3 alternativen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein gleichwirkender Generator bereitgestellt werden, der anstelle der in der Figur 3 gezeigten Konfiguration eines mit Magneten versehenden Rotors 320, der mit einer äußeren feststehenden Anordnung von Induktionsspulen 330 zusammenwirkt, einen mittels eine oder mehrere drehende bzw. rotierende Induktionsspulen ausgebildeten Rotor, die mit einem oder mehrere äußeren feststehenden Magnete wie Elektromagnete und/oder Permanentmagnete zusammenwirkt, aufweist.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung einer Wandlung von mechanischer Energie in ein Funksignal gemäß einer Vorgehensweise in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird durch die Betätigung des Betätigers 105 aus Fig. 1 eine mechanische Energie 400 in eine Drehbewegung 410 (beispielsweise des Hebels 1 15, bzw. des am Hebel 1 15 angeordneten

Zahnradsegments 130, das eine Linearbewegung des Betätigers 105 in eine Drehbewegung wandelt) überführt. Durch die Wirkung des Getriebes 140 bzw. der Zahnräder 135, 150 und 155 kann nun diese Drehbewegung in eine Drehbewegung mit einer höheren Drehzahl übersetzt werden, d. h., die Geschwindigkeit der Bewegung wird in eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit gewandelt (Schritt 415). Mittels eines (optional verwendeten) Schwungrades 1 60 kann nun diese höhere Drehgeschwindigkeit gespeichert werden (Schritt 420). Durch die Vermittlung des Drehgenerators 200 kann nun aus der Drehbewegung bzw. der gespeicherten Drehbewegung elektrische Energie 425 generiert werden. Die elektrische Energie 425 wird in einem Gleichrichter 430 der Elektronikeinheit 210 gleichgerichtet und kann in einem optionalen Energiereicher 435 der Elektronikeinheit 210

zwischengespeichert werden. Weiterhin kann die in dem Energiespeicher 435 zwischengespeicherte Energie in einem (optionalen) Spannungswandler 440 der Elektronikeinheit 210 gewandelt werden, um mit der gewandelten Spannung einen Funkbaustein 445 (beispielsweise als dem Halbleiterbauelement 215 aus der Fig. 2) der Elektronikeinheit 210 zu betreiben, der das Signal 220 erzeugt, welches dann in der Form von abgestrahlter Leistung über die Antenne 225 aus Fig. 2 ausgesandt werden kann. Das Signal 220, welches als Strahlungsenergie 450 über die Antenne abgestrahlt wird, kann dabei beispielsweise als Signal im Datenformat eines KNX-, KNX-RF oder WLAN- oder ZigBEE-Standards wie dem IEEE802.1 1 ausgestrahlt werden und von einer entsprechend ausgebildeten Empfangseinrichtung (die in den Figuren der vorliegenden Anmeldung nicht dargestellt sind) empfangen und ausgewertet werden. In dem Signal 220 kann dabei insbesondere eine Betätigung des Betätigers 105 aus der Fig. 1 signalisiert werden, da erst nach der Betätigung des Betätigers die Energie 400 zur letztendlichen Aussendung des Signals 220 bereitgestellt wird. Hierdurch ist eine Möglichkeit gegeben, durch eine autarke Signalausgabeeinheit ein Signal über die Betätigung des Betätigers in ein

entsprechend ausgebildetes Sensorsystem einzuspeisen.

Zugleich kann der Funkbaustein 445 (bzw. der Halbleiterbaustein) der Elektronikeinheit 210 auch ausgebildet sein, um eine Schalt- oder

Drehrichtungserkennung 455 durchzuführen, in dem beispielsweise ein Signal bezüglich der elektrischen Energie 425, beispielsweise die vom Generator 200 gelieferte Spannung oder eine Polarität der Spannung ausgewertet wird. In Fig. 4 wird somit der Gesamtablauf des Funkschalters als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Signalausgabeeinheit 100 anhand des Blockschaltbildes dargestellt, beginnend mit der mechanischen Energie 400 bis hin zur

Strahlungsenergie 450.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Vergleichs einer Generierung von einer elektrischen Spannung gemäß einem Ansatz aus dem Stand der Technik mit einem nachfolgend näher vorgestellten Ansatz gemäß der vorliegenden

Erfindung. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate eine Spannung in Volt über einen Widerstand von 100 Ohm aufgetragen. Die erste Kurve 510 zeigt einen Spannungsverlauf, der unter Verwendung eines bisherigen Ansatzes zur Generierung von elektrischer Energie aus einer mechanischen Bewegung erhalten wurde, bei einer insgesamt generierten Energie von 231 μ\Λ/ε. Die zweite Kurve 520 zeigt einen Spannungsverlauf, der unter Verwendung des hier

vorgestellten Ansatzes zur Generierung von elektrischer Energie aus einer mechanischen Bewegung erhalten wurde, bei einer insgesamt generierten Energie von 1317 μ\Λ/ε. Es ist aus der Fig. 5 ersichtlich, dass einerseits eine größere Menge elektrischer Energie aus der mechanischen Bewegung generiert werden kann und zugleich auch diese Energie über eine längere Zeitspanne erzeugt werden kann, sodass der Halbleiterbaustein 215 ausreichend Zeit zur Erzeugung und Ausgabe des Signals erhält. Fig. 5 zeigt somit die mit dem hier vorgestellten Konzept erreichbare zeitliche Dauer und Energiemenge, die - bei vergleichbarer Baugröße - in etwa auch mit den auf dem Markt vorhandenen Lösungen vergleichbar ist (Kurve 510, die gewissermaßen das Problem darstellt) und die mit dem hier vorgestellten Ansatz erreichbare Dauer und Energie (Kurve 520, die das Ergebnis des hier vorgestellten Lösungsansatzes darstellt). Der durch die Messung dargestellte Energiegewinn, sowie die auf dem Markt offensichtlich unbekannte Lösung (d. h. es gibt auf dem Markt derzeit keine bekannte KNX-RF-Lösung für Funkschalter, die das KNX- Protokoll vollständig abwickeln könnte), zeigen deutlich einen deutlichen Vorteil der hier vorgestellten Lösung für eine Signalausgabeeinheit. Baugröße, Betätigungskraft und Betätigungsweg beider Generatoren 200 sind vergleichbar. Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Signalausgabeeinheit, wobei ersichtlich ist, dass die Baugröße der Signalausgabeeinheit klein ist und aus standardisierten Bauteilen aufgebaut werden kann. Folglich kann eine kostengünstig herzustellende

Signalausgabeeinheit 100 mit dem hier vorgestellten Ansatz realisiert werden. Die in der Fig. 6 gezeigte, sehr einfache Konstruktion beispielsweise mit einem einfachen Servo-Kleinmotor, der einfach als Generator 200 genutzt wird, stellt eine auf dem Markt bisher unbekannte Bauform dar.

Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 700 zum Betrieb einer Signalausgabeeinheit entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 700 weist einen Schritt des Aufnehmens 710 einer Bewegung des Betätigers auf, um das Getriebeelement in eine Drehbewegung zu versetzen. Ferner umfasst das Verfahren 700 einen Schritt des Generierens 720 von elektrischer Energie durch den mit dem Getriebeelement gekoppelten Generator und einen Schritt des Erzeugens 730 des Signals durch die Elektronikeinheit unter ausschließlicher Verwendung der vom Generator generierten elektrischen Energie.

Die Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie für einen energieautarken Funkschalter. Die Aufgabe eine solchen Ausführungsbeispiels der Erfindung liegt darin, dass ein elektromagnetischer Energiewandler vorgeschlagen wird, der für miniaturisierte energieautarke Systeme eine Energieversorgung darstellt. Dabei soll die Energieversorgung ausreichend Energie zum Betrieb des Systems zur Verfügung stellen.

Es ist jedoch auch denkbar, dass alternativ oder zusätzlich zu dem Funksignal ein akustisches oder optisches Signal (z.B. LED, LC-Display) ausgegeben wird. Ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung löst das Problem, einer ausfreichenden Energieversorgung für KNX-, KNX-RF oder WLAN- oder ZigBEE-Anwendungen (aber nicht nur für diese) ausreichenden Energieerzeugung und zugleich das Problem einer für KNX, KNX-RF oder WLAN- oder ZigBEE-Anwendungen ausreichend langen Energiespeicherung. Insbesondere wird durch den hier vorgestellten Ansatz ein Funkschalter mit einem elektromagnetischen Generator zum Betreiben einer Sendeeinheit zur Aussendung eines Funktelegramms vorgestellt, wobei der elektrodynamische Generator ein Generator mit rotierender Bewegung ist, der auch als ein Generator betriebener Servomotor sein kann, der durch eine translatorische Betätigung eines Hebels derart in Betrieb genommen wird, dass mittels eines übersetzenden Getriebes die translatorische Bewegung in eine rotierende Bewegung umgesetzt wird.

Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht eine Vielzahl von Vorteilen, von denen nachfolgend nur einige exemplarisch genannt werden. Primäre Problemlösungen des Beispiels des hier vorgestellten Generators bzw. der Signalausgabeeinheit wären beispielsweise eine hohe Generatorenergie und Realisierbarkeit eines langen

Energieimpulses bei einer Reduzierung der Herstellungskosten (z. B. kostet ein Handy- Vibrationsmotor nur ca. 0,4€). Weiterhin wird auch eine hohe

Reproduzierbarkeit des Generators erreicht. Ferner basiert die Signalausgabeeinheit auf einer einfachen Konstruktion; im einfachsten Fall aus Generator in Kombination mit Zahnrädern und einem Betätiger, wodurch sich eine hohe Fehlerresistenz ergibt. Zugleich kann ein variabler Betätigungsweg oder -winkeln implementiert werden, was zur Erhöhung der Generatorenergie. Auch ist eine energieautarke Winkel- oder Wegmessung denkbar (z. B. bei Dimmern usw.). Auf einfache Weise sind

Kippschalter sowie Taster realisierbar. Weiterhin ist auch eine von der

Betätigungsgeschwindigkeit unabhängige Mindestenergie zum Aussenden des Signals sichergestellt.

Eine prinzipielle Lösungsdarstellung in Form eines Ausführungsbeispiels mit einem zusätzlichen mechanischen Energiespeicher durch ein Schwungrad wird dabei als vorteilhaft gesehen und in den vorstehenden Figuren näher beschrieben, obwohl ein solches Schwungrad gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel auch entfallen kann. Je nach Ausführungsform kann eine Freilaufeinrichtung notwendig sein, welche z.B. mit einer Klinkenanordnung in an sich bekannter Weise erreicht werden kann. Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.

Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Bezuqszeichen

100 Signalausgabeeinheit

105 Betätiger

0 Feder

1 15 Hebel

120 Drehpunkt

125 Schaltnoppen

130 Zahnsegment

135 erstes Zahnrad

140 Getriebe

145 gemeinsame Achse

150 zweites Zahnrad

155 drittes Zahnrad

1 60 Schwungrad

1 65 gemeinsame Achse

200 Generator

205 elektrische Energie

210 Elektronikeinheit

215 Halbleiterbauelement

220 Signal

225 Antenne

310 Antriebsachse

320 Rotor

330 Induktionsspulen

340 Rotorarme, Wicklungen an Rotorarmen

350 Schleifringe

360 Wechselspannung

370 elektrische Energie

400 mechanische Energie 410 Drehbewegung

415 Übersetzung in höhere Drehzahl

420 Speicherung von Drehenergie in einem optionalen Schwungrad

200 Generator

425 elektrische Energie

430 Gleichrichtung

435 optionale elektrische Energiespeicherung

440 optionale Spannungswandlung

445 Erzeugung eines Funksignals

450 Ausgabe des Signals, Abgabe von Strahlungsenergie

510 erste Kurve zur Darstellung einer Energiegenerierung nach dem Stand der Technik

520 zweite Kurve zur Darstellung einer Energiegenerierung nach dem heir vorgestellten Ansatz

700 Verfahren zum Betrieb einer Signalausgabeeinheit

710 Schritt des Aufnehmens

720 Schritt des Generierens

730 Schritt des Erzeugens

Claims

Patentansprüche

1 . Signalausgabeeinheit (100) zum Ausgeben eines Signals (220), dadurch gekennzeichnet, dass die Signalausgabeeinheit (100) ein Getriebe (140) mit einem Betätiger (105) zur Aufnahme einer Bewegung aufweist, wobei das Getriebe (140) zur Übersetzung einer Bewegung des Betätigers (105) in eine schnellere Bewegung eines Getriebeelementes (155) ausgebildet ist, wobei die Signalausgabeeinheit (100) einen Generator (200) zur Generierung von elektrischer Energie (205, 425) aufweist, der mit dem Getriebeelement (155) gekoppelt ist und wobei die Signalausgabeeinheit (100) eine Elektronikeinheit (210) aufweist, die ausgebildet ist, um das

auszugebende Signal (220) durch eines mit der generierten elektrischen Energie (205) betriebenen Halbleiterbauelementes (215) zu erzeugen.

2. Signalausgabeeinheit (100) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (140) unterschiedlich große kämmende Zahnräder (150, 155) aufweist, wobei eines der Zahnräder (155) als Getriebeelement (155) mit dem

Generator (200) gekoppelt ist.

3. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwungrad (1 60) mit dem

Getriebeelement (155), insbesondere über eine Freelaufeinrichtung gekoppelt ist.

4. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätiger (105, 1 15) mit einem Hebel (1 15) gekoppelt ist, der mit einem Zahnrad (135) des Getriebes (140) gekoppelt ist, wobei das Getriebe (140) ausgebildet ist, um eine Bewegung des Hebels (1 15) in eine schnellere Bewegung des Zahnrades (135) zu überführen.

5. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätiger (105) mit einer Feder (1 10) gekoppelt ist, die ausgebildet ist, den Betätiger (105) nach einer Betätigung wieder in eine Ruhelage zu bringen.

6. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (210) ausgebildet ist, um als Signal (220) ein Funksignal, ein optisches Signal und/oder ein akustisches Signal auszugeben, insbesondere wobei die Elektronikeinheit (2209 ausgebildet ist, um durch das Signal (220) eine Betätigung des Betätigers (105) zu signalisieren.

7. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (210) ausgebildet ist, um das Signal (220) als ein Signal entsprechend einem Signalformat eines KNX-, KNX-RF oder einem WLAN- oder ZigBEE-Standard bereitzustellen.

8. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (210) ausgebildet ist, um das Signal (220) ausschließlich unter Verwendung der vom Generator (200) generierten elektrischen Energie (205) zu erzeugen.

9. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (200) ausgebildet ist, um eine elektrische Leistung (205) von nicht mehr als 5 Watt bereitzustellen.

10. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (200) einen

Gleichrichter (420) und/oder einen elektrischen Energiespeicher (435) und/oder einen Spannungswandler (440) aufweist.

1 1 . Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (200) ausgebildet ist, um elektrische Energie (205) unter Verwendung eines rotierenden Elementes (320) zu generieren, insbesondere wobei das rotierende Element (320) ausgebildet ist, um zumindest um 360 Grad gedreht zu werden.

12. Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (140) ausgebildet ist, um eine lineare und/oder translatorische Bewegung des Betätigers (105) in eine rotierende Bewegung des Getriebeelementes (155) zu überführen.

13. Verfahren (700) zum Betrieb einer Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (700) die folgenden Schritte aufweist:

- Aufnehmen (710) einer Bewegung des Betätigers, um das Getriebeelement in eine Drehbewegung zu versetzen;

- Generieren (720) von elektrischer Energie durch den mit dem

Getriebeelement gekoppelten Generator; und

- Erzeugen (730) des Signals durch die Elektronikeinheit unter

ausschließlicher Verwendung der vom Generator generierten elektrischen Energie.

14. Verwendung einer Signalausgabeeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche zur Codierung eines nicht-manuellen Bewegens des Betätigers (105) in dem Signal (220).