DE19929341A1 - Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, Sensor oder Aktor hierzu sowie System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine - Google Patents
Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, Sensor oder Aktor hierzu sowie System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende MaschineInfo
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Abstract
Es wird eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl an einer Maschine montierter Sensoren und/oder Aktoren (1.1 bis 1.s) mit elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine die Beschleunigung von sich bewegenden Maschinenkomponenten erfassende und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtung integriert ist. DOLLAR A Ferner wird ein Sensor oder Aktor mit einer integrierten, eine Beschleunigung des Sensors oder Aktors (1.1 bis 1.s) erfassenden und in elektrische Endergie zur Versorgung des Sensors umwandelnden Einrichtung vorgeschlagen. DOLLAR A Des weiteren wird ein System für eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine (2), insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,, wobei die Sensoren und/oder Aktoren (1.1 bis 1.s) mit einer Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung ausgestattet sind, welche über Funksignale mit einer mit einem Prozeßrechner (4) der Maschine (2) verbundenen zentralen Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung (3) kommuniziert und wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine Beschleunigung von Maschinenkomponenten erfassende und in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors und/oder Aktors umwandelnde Einrichtung integriert ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Viel
zahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, auf einen Sensor oder Aktor
hierzu sowie auf ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren auf
weisende Maschine.
Die Erfindung kann beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung von Näherungs
sensoren (bzw. Näherungsschaltern), Temperaturmeßsensoren, Druckmeßsensoren,
Strommeßsensoren und Spannungsmeßsensoren bei Industrierobotern, Herstellungs
automaten und Fertigungsautomaten und/oder zur elektrischen Energieversorgung von
mikromechanischen, piezoelektrischen, elektrochemischen, magnetostriktiven, elek
trostriktiven, elektrostatischen oder elektromagnetischen Aktoren verwendet werden,
wie sie in Aktoren-Systemen oder Maschinen, beispielsweise bei Steuer/Regelsyste
men, in Fernsteuersystemen, in der Robotertechnik, bei Herstellungsautomaten bzw.
Fertigungsautomaten, als Anzeigeelemente und in Schutz- und Sicherheitssystemen
(beispielsweise bei Freiluft- oder Innenraum-Schaltanlagen) zum Einsatz gelangen.
Aus der DE 44 42 677 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Versorgen eines
elektrischen Verbrauchers mit einer elektrischen Versorgungsspannung oder einem
elektrischen Versorgungsstrom bekannt, wobei Funkwellen eines Funksenders zu ei
nem mit dem Verbraucher elektrisch verbundenen Funkempfänger übertragen werden
und vom Funkempfänger in die elektrische Versorgungsspannung bzw. den elektri
schen Versorgungsstrom umgewandelt werden. Die Funkwellen können aus dem elek
tromagnetischen Hochfrequenzbereich (Radiowellen) oder auch aus dem Mikrowellen
bereich (Richtfunk) kommen.
Dabei ist es von Nachteil, daß aufgrund der hohen Frequenzen und dementsprechend
kleinen Antennen einerseits und der durch EMV-Vorschriften und Regeln für Sicherheit
und Gesundheitsschutz an Arbeitsplätzen mit Exposition durch elektrische, magneti
sche oder elektromagnetische Felder beschränkten zulässigen Sendeleistung anderer
seits nur sehr unzureichend geringe Abstände zwischen Funksender und Funkemp
fänger erzielbar sind. Das gleiche trifft für die erzielbaren Leistungen zu, welche im Be
reich weniger µW liegen, was meist unzureichend für Aktoren ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und zuverlässige An
ordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit
elektrischer Energie anzugeben.
Ferner soll ein hierzu geeigneter Sensor oder Aktor vorgeschlagen werden.
Außerdem soll ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren auf
weisende Maschine angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch eine Anordnung
zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl an einer Maschine montierter Sensoren
und/oder Aktoren mit elektrischer Energie gelöst, wobei in den Sensoren und/oder Ak
toren eine die Beschleunigung von sich bewegenden Maschinenkomponenten erfas
sende und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtung integriert ist.
Die Aufgabe wird bezüglich des Sensors oder Aktors erfindungsgemäß durch einen
Sensor oder Aktor mit einer integrierten, eine Beschleunigung des Sensors oder Aktors
erfassenden und in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors umwandelnden
Einrichtung gelöst.
Die Aufgabe wird bezüglich des Systems erfindungsgemäß durch ein System für eine
eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere
Fertigungsautomat, gelöst,
- - wobei die Sensoren und/oder Aktoren mit einer Sendeeinrichtung bzw. Empfangsein richtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung ausgestattet sind, welche über Funksignale mit einer mit einem Prozeßrechner der Maschine verbundenen zentralen Sendeein richtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung kommuniziert und
- - wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine Beschleunigungen von Maschinen komponenten erfassende und in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors und/oder Aktors umwandelnde Einrichtung integriert ist.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Ver
gleich zu konventionellen Lösungen mit Kabelanschluß zur elektrischen Energieversor
gung der Sensoren und/oder Aktoren der durch Planung, Material, Installation, Doku
mentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor eines Kabelanschlusses
entfällt. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, bei
spielsweise korrodierten Kontakten auftreten.
Im Vergleich zur Verwendung von Batterien zur Energieversorgung von Sensoren
und/oder Aktoren entfällt der Wartungsaufwand und Kostenaufwand, der durch den
erforderlichen Austausch von Batterien - zumal an schwer zugänglichen Stellen - be
dingt ist.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich
net.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufwei
sende Maschine,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten
elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten
elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung,
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten
piezoelektrischen Anordnung zur Energieerzeugung.
In Fig. 1 ist ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufwei
sende Maschine dargestellt. Es ist eine Maschine 2 bzw. ein Industrieroboter bzw. Her
stellungsautomat bzw. Fertigungsautomat gezeigt, welche mit zahlreichen an unter
schiedliche, bewegliche Maschinenkomponenten montierten Sensoren und/oder Akto
ren 1.1, . . ., 1.s versehen ist. Als Sensoren dienen insbesondere Näherungssensoren.
Des weiteren können beispielsweise Drucksensoren oder Temperatursensoren einge
setzt sein. Als Aktoren 1.1, . . ., 1.s dienen beispielsweise Anzeigeelemente, Steuer/Re
gelelemente und Schutz/Sicherheitselemente, wie Motorstarter, Schütze, Sanftanlas
ser, pneumatische Ventile.
Die Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s sind mit Sendeeinrichtungen oder Emp
fangseinrichtungen oder Sende/Empfangseinrichtungen ausgestattet, die beispielswei
se Funksignale hinsichtlich der Befehle an die Aktoren zur Ausführung bestimmter
Handlungen empfangen und beispielsweise Funksignale hinsichtlich aktueller Sensor-
Informationen, wie Rückmeldungen "gewünschte Position erreicht" oder Aktor-
Informationen, wie Rückmeldungen "gewünschte Handlung erfolgreich ausgeführt" ab
geben.
Die Funksignale zu den Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s bzw. von den Sensoren
und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s werden von einer zentralen Sendeeinrichtung bzw. Emp
fangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 abgegeben bzw. empfangen und
von einem Prozeßrechner 4 (speicherprogrammierbare Steuerung) vorgegeben bzw.
an diesen weitergeleitet. Vorzugsweise befindet sich die zentrale Sendeeinrichtung
bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 in unmittelbarer Nähe
der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s, um eine optimale Funkverbindung mit den
Sensoren und/oder Aktoren zu gewährleisten, während der die Maschine 2 steuernde
Prozeßrechner 4 auch entfernt von den Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s ange
ordnet sein kann. Der Informationsaustausch zwischen Prozeßrechner 4 und zentraler
Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 kann
über Funksignale oder über Kabel erfolgen.
Die elektrische Energieversorgung der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s erfolgt
mittels die Beschleunigung der sich bewegenden Maschinenkomponenten ausnützen
de und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtungen, wie sie nachfolgend unter
den Fig. 2 bis 4 näher beschrieben sind.
Wie leicht erkennbar ist, ergibt sich durch das vorgeschlagene System eine kabellose
Konfiguration der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1.s sowohl hinsichtlich ihrer elek
trischen Energieversorgung als auch hinsichtlich der Informationsübertragung von und
zur zentralen Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangs
einrichtung 3 bzw. vom und zum Prozeßrechner 4.
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten
elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung dargestellt. Es ist eine hohlzy
linderförmige Tauchspule 5 schematisch skizziert, in deren Innenraum ein in Richtung
der Tauchspulen-Längsachse beweglicher Permanentmagnet 6 gelagert ist. Der Per
manentmagnet 6 ist fest mit einer Masse 7 verbunden, welche andererseits über eine
Feder 8 an einem Rahmen- oder Gehäuseteil 9 des Sensors oder Aktors montiert ist.
Die Masse/Feder-Anordnung 7/8 schwingt in Abhängigkeit der Beschleunigung von
Maschinenkomponenten.
Die vorstehend beschriebene Tauchspule/Permanentmagnet-Anordnung 5/6 nutzt die
linearen Schwingungen der Masse/Feder-Anordnung 7/8 aus und wandelt diese in
elektrische Energie um. Hierzu sind die Wicklungsenden der Tauchspule 5 über eine
Diode 10 an Versorgungsklemmen 12 angeschlossen. Zwischen den Versorgungs
klemmen 12 liegt zweckmäßig ein Kondensator 11 oder Akkumulator als Energie-
Zwischenspeicher, um einerseits in ihrer Intensität ungleichmäßige Beschleunigungen
der Maschinenkomponenten auszugleichen und um andererseits einem ungleichförmi
gen, beispielsweise impulsförmigen Energiebedarf der Sendeeinrichtung bzw. Emp
fangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung des Sensors oder Aktors gerecht zu
werden.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten
elektromechanischen Anordnung zur Energieerzeugung dargestellt. Es ist wiederum
ein Rahmen- oder Gehäuseteil 9 des Sensors oder Aktors mit über einer Feder 8 daran
montierter Masse 7 schematisch skizziert. Die Masse/Feder-Anordnung 7/8 schwingt in
Abhängigkeit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten, wobei diese linearen
Bewegungen der Masse 7 mit Hilfe eines Umsetzers 13 in rotatorische Bewegungen
umgesetzt werden. Die vom Umsetzer 13 erzeugte Rotationsbewegung treibt einen
Generator 14 an, dessen Versorgungsklemmen 15 die elektrische Energie zur Spei
sung der Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sen
de/Empfangseinrichtung des Sensors oder Aktors entnehmbar ist. Zwischen den Ver
sorgungsklemmen 15 kann wiederum ein Kondensator oder Akkumulator aus den vor
genannten Gründen als Zwischenspeicher geschaltet sein.
In Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten
piezoelektrischen Anordnung zur Energieerzeugung dargestellt. Dabei ist ein mit einem
Rahmen- oder Gehäuseteil 9 verbundenes Piezoelement 17 vorgesehen, welches über
eine Druck- und/oder Zugplatte 16 mit einer senkrecht zur Druck- und/oder Zugplatte
16 beweglich geführten Masse/Feder-Anordnung 7/8 beaufschlagt wird. Die Mas
se/Feder-Anordnung 7/8 schwingt in Abhängigkeit der Beschleunigung von Maschinen
komponenten. Den am Piezoelement 17 angeschlossenen Versorgungsklemmen 12 ist
die elektrische Energie zur Speisung der Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung
bzw. Sende/Empfangseinrichtung des Sensors oder Aktors entnehmbar. Zwischen den
Versorgungsklemmen 12 kann wiederum ein Kondensator oder Akkumulator aus den
vorgenannten Gründen als Zwischenspeicher geschaltet sein.
Vorzugsweise sind die vorstehend erläuterten Sensoren oder Aktoren mit den inte
grierten Anordnungen zur Energieerzeugung an sich bewegenden Maschinenkompo
nenten montiert, wobei der Begriff " sich bewegende Maschinenkomponenten" auch
vibrierende Maschinenkomponenten umfaßt.
Der Leistungsbedarf eines Sensors liegt dabei im Bereich einiger zehn µW bis etwa 50 mW,
vorzugsweise bei 1 mW. Der Leistungsbedarf eines Aktors liegt im Bereich 1 bis
50 mW.
Die vorstehend erläuterten, die Beschleunigung der sich bewegenden Maschinenkom
ponenten ausnützende und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtungen werden
vorzugsweise in MEMS-Technologie (MikroElektroMechanisches System) hergestellt.
Claims (14)
1. Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl an einer Maschine
montierter Sensoren und/oder Aktoren (1.1 bis 1.s) mit elektrischer Energie, wobei in
den Sensoren und/oder Aktoren eine die Beschleunigung von sich bewegenden Ma
schinenkomponenten erfassende und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtung
integriert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren
und/oder Aktoren eine Masse/Feder-Anordnung (7/8) aufweisen, welche in Abhängig
keit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten schwingt, wobei eine Tauchspu
le/Permanentmagnet-Anordnung (5/6) diese Schwingungen in elektrische Energie um
wandelt.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren
und/oder Aktoren eine Masse/Feder-Anordnung (7/8) aufweisen, welche in Abhängig
keit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten schwingt, wobei ein Umsetzer
(13) diese linearen Schwingungen zum Antrieb eines Generator (14) in rotatorische
Bewegungen umsetzt.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren
und/oder Aktoren eine Masse/Feder-Anordnung (7/8) aufweisen, welche in Abhängig
keit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten schwingt, wobei diese Schwin
gungen über eine Druck- und/oder Zugplatte (16) ein Piezoelement (17) beaufschlagen.
5. Sensor oder Aktor mit einer integrierten, eine Beschleunigung des Sen
sors oder Aktors (1.1 bis 1.s) erfassenden und in elektrische Energie zur Versorgung
des Sensors umwandelnden Einrichtung.
6. Sensor oder Aktor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Mas
se/Feder-Anordnung (7/8), welche in Abhängigkeit der Beschleunigung des Sensors
oder Aktors (1.1 bis 1.s) schwingt, wobei eine Tauchspule/Permanentmagnet-
Anordnung (5/6) diese Schwingungen in elektrische Energie umwandelt.
7. Sensor oder Aktor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Mas
se/Feder-Anordnung (7/8), welche in Abhängigkeit der Beschleunigung des Sensors
oder Aktors (1.1 bis 1.s) schwingt, wobei ein Umsetzer (13) diese linearen Schwingun
gen in rotatorische Bewegungen umsetzt, welche einen Generator (14) antreiben.
8. Sensor oder Aktor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Mas
se/Feder-Anordnung (7/8), welche in Abhängigkeit der Beschleunigung des Sensors
oder Aktors (1.1 bis 1.s) schwingt, wobei diese Schwingungen über eine Druck-
und/oder Zugplatte (16) ein Piezoelement (17) beaufschlagen.
9. Sensor oder Aktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein elektrischer Energiespeicher (11) vorgesehen ist.
10. System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufwei
sende Maschine (2), insbesondere Fertigungsautomat,
- - wobei die Sensoren und/oder Aktoren (1.1 bis 1.s) mit einer Sendeeinrich tung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung ausgestattet sind, welche über Funksignale mit einer mit einem Prozeßrechner (4) der Maschine (2) ver bundenen zentralen Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sen de/Empfangseinrichtung (3) kommuniziert und
- - wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine Beschleunigungen von Ma schinenkomponenten erfassende und in elektrische Energie zur Versorgung des Sen sors und/oder Aktors umwandelnde Einrichtung integriert ist.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren
und/oder Aktoren eine Masse/Feder-Anordnung (7/8) aufweisen, welche in Abhängig
keit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten schwingt, wobei eine Tauchspu
le/Permanentmagnet-Anordnung (5/6) diese Schwingungen in elektrische Energie um
wandelt.
12. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren
und/oder Aktoren eine Masse/Feder-Anordnung (7/8) aufweisen, welche in Abhängig
keit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten schwingt, wobei ein Umsetzer
(13) diese linearen Schwingungen zum Antrieb eines Generator (14) in rotatorische
Bewegungen umsetzt.
13. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren
und/oder Aktoren eine Masse/Feder-Anordnung (7/8) aufweisen, welche in Abhängig
keit der Beschleunigung von Maschinenkomponenten schwingt, wobei diese Schwin
gungen über eine Druck- und/oder Zugplatte (16) ein Piezoelement (17) beaufschlagen.
14. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die die Beschleunigung von sich bewegenden Maschinenkomponenten
erfassende und in elektrische Energie umwandelnde Einrichtung in MEMS-Technologie
hergestellt ist.
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| DE19929341A DE19929341A1 (de) | 1999-06-26 | 1999-06-26 | Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, Sensor oder Aktor hierzu sowie System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine |
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