專利名稱：能量自給的高頻發(fā)射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)能量自給的高頻發(fā)射器、其應(yīng)用以及高頻信號能量自給發(fā)射的方法。
目前已知能量自給系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中借助于壓電換能器把機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能，然后整流。該電能用于控制簡單的振蕩回路。
本發(fā)明的任務(wù)是，提供一個(gè)具有改善可能的能量自給發(fā)射器用于信息傳遞。
借助于按照權(quán)利要求1的能量自給高頻發(fā)射器、按照權(quán)利要求10的方法以及按照權(quán)利要求18的應(yīng)用解決該任務(wù)。
為此高頻發(fā)射器具有至少一個(gè)帶有連接在后面的整流器電路的電機(jī)換能器和至少一個(gè)變壓器電路。一個(gè)邏輯組件與變壓器電路連接。該邏輯組件包含至少一個(gè)過程控制和一個(gè)存儲器，在該存儲器中存儲識別碼。一個(gè)高頻發(fā)射級與邏輯組件連接，由邏輯組件控制該高頻發(fā)射級。借助于至少一個(gè)發(fā)射天線輻射高頻發(fā)射級產(chǎn)生的高頻信號。
對電機(jī)換能器理解為一個(gè)普通的部件，在該部件中機(jī)械能量可以轉(zhuǎn)換為電能，例如壓電、電致伸縮或磁致伸縮元件或電磁感應(yīng)線圈。
例如可以從-開關(guān)、電鍵或另外控制元件的手動操作；-定向機(jī)械力作用、例如窗戶或門的開或關(guān)或工業(yè)裝置中的制動開關(guān)；-例如液體或氣體中壓力變化；-例如在機(jī)器、齒輪、運(yùn)輸工具上的振動中產(chǎn)生機(jī)械能。
通過整流電路整流換能器產(chǎn)生的電壓并且然后該電壓傳遞給變壓器。借助于變壓器保證，在短時(shí)間后可以量取一個(gè)恒定的電壓。由此避免電壓峰值，并且此外提高運(yùn)行安全性。
可以直接或經(jīng)過一個(gè)附加存在的電流存儲元件、例如電容器實(shí)現(xiàn)在整流器和變壓器之間的連接。在存在電容的情況下例如通過后面的變壓器把電容器的典型呈指數(shù)下降的充電電壓至少暫時(shí)可以轉(zhuǎn)換為恒定電壓?？墒窃摀Q能器元件本身也可以存儲電壓。
如果存在足夠的電壓信號用于邏輯組件的能量供給，則邏輯組件傳送至少一個(gè)識別代碼并且也許還傳送另外的信息、例如傳感器測量信號給高頻發(fā)射級。在高頻發(fā)射級中電壓信號用于產(chǎn)生一個(gè)包含識別代碼的高頻信號并通過發(fā)射天線輻射出去。
這種能量自主傳遞信號的方法有這樣的優(yōu)點(diǎn)，換能器提供的能量的利用率關(guān)于可發(fā)射的信息密度是非常高的。雖然如此系統(tǒng)每時(shí)間單元消耗了與簡單的振蕩回路相比較高的電能，可是每時(shí)間單元發(fā)射了與此過比例的高信息密度?？傊畯闹械贸龈玫乩脫Q能器提供使用的電能。
為了達(dá)到高效率和緊密的結(jié)構(gòu)形式這是有益的，電機(jī)換能器包含至少一個(gè)壓電元件、特別是一個(gè)壓電的彎曲換能器。
例如為了達(dá)到價(jià)廉物美的結(jié)構(gòu)這也是優(yōu)選的，電機(jī)換能器包含至少一個(gè)感應(yīng)線圈。
為了保證足夠長期的能量供給這是有益的，在整流器電路和變壓器電路之間例如以電容器形式存在至少一個(gè)能量存儲元件用于存儲電流。
為了提高效率此外這是有利的，變壓器電路具備一個(gè)另外的能量存儲元件。這是特別有利的，有節(jié)奏地驅(qū)動變壓器電路。
此外這是有益的，邏輯組件與至少一個(gè)傳感器連接。由此邏輯組件可以除了識別代碼外也可以檢測或者讀出至少一個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)，并且把這些數(shù)據(jù)調(diào)制在高頻信號上。
這也是有益的，在足夠長時(shí)間的電壓供給的情況下一個(gè)接一個(gè)地輻射具有完整信息內(nèi)容的多個(gè)高頻信號，因?yàn)橥ㄟ^冗余建立增高的通信安全性。
為了提高監(jiān)聽可靠性這是有益的，加密高頻信號的信息、典型地通過在邏輯組件中集成的加密邏輯電路。由此也能夠通過輸入特殊的密鑰提高傳輸安全性，例如為了訪問控制。特別在發(fā)射多個(gè)高頻信號的情況下這是有利的，不同加密每個(gè)高頻信號，例如以不同的密鑰。
為了抑制傳輸干擾這是有利的，在發(fā)射多個(gè)高頻信號的情況下其時(shí)間間隔是彼此可變的，或各個(gè)高頻信號的頻率是不同的。
同樣為了提高傳輸安全性、特別是在具有多個(gè)高頻發(fā)射器的環(huán)境中、這是有益的，例如通過可變、比如統(tǒng)計(jì)地、調(diào)整延遲、延時(shí)輻射高頻信號。例如在邏輯組件的軟件中可以實(shí)現(xiàn)延遲。通過使用具有其延遲裝置的分別統(tǒng)計(jì)分布延遲時(shí)間的高頻發(fā)射器能夠提高傳輸概率。
為了降低高頻發(fā)射器的能量消耗這是有益的，以節(jié)能的低消耗技術(shù)(Ultra-Low-Power-Technik＝ULP-Technik)實(shí)施邏輯組件。
這是有益的，邏輯組件包含一個(gè)微處理器或ASIC部件。
一部分由換能器提供的電能典型地用于使邏輯組件加速進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。為此一般預(yù)先規(guī)定一個(gè)壓電石英作為內(nèi)部時(shí)鐘。為了縮短邏輯組件的加速時(shí)間這是有益的，LC振蕩回路或RC振蕩回路代替壓電石英作為內(nèi)部時(shí)鐘。
為了達(dá)到高的數(shù)據(jù)傳輸速率這是有益的，借助于高頻發(fā)射級發(fā)射頻率＞1MHz的信號?，F(xiàn)今技術(shù)上實(shí)現(xiàn)例如在100MHz和30GHz之間的頻率F。當(dāng)然原則上不存在頻率上限。
為了在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高數(shù)據(jù)吞吐量這是有益的，高頻信號的帶寬至少為100kHz。
這是有益的，在一個(gè)發(fā)射周期邏輯組件-例如從邏輯組件的存儲器中讀出識別代碼；-產(chǎn)生發(fā)射電報(bào)，其至少包含識別代碼并且也許包含另外的信息、例如傳感器的測量數(shù)據(jù)；-激活高頻發(fā)射級；-在高頻振蕩上加調(diào)制、也許編碼和/或時(shí)間延遲發(fā)射電報(bào)。
特別有益的是在交通技術(shù)、特別是汽車技術(shù)和鐵路技術(shù)中和/或在建筑技術(shù)、特別是安裝技術(shù)中例如用于控制室內(nèi)設(shè)備、電子設(shè)備或用于訪問控制。
作為一種應(yīng)用情況概括根據(jù)機(jī)械饋電的光控開關(guān)詳細(xì)描述高頻發(fā)射器的各個(gè)觀點(diǎn)?？墒潜景l(fā)明自然不局限于這種特殊應(yīng)用。
a)電壓生成為了生成電壓、也就是說機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，使用壓電彎曲換能器，其例如在5N力的作用下得到5mm彎曲并且在其50nF的固有電容上建立引起的50V電壓?，F(xiàn)技術(shù)狀況有具有該參數(shù)的換能器并且從尺寸和機(jī)械要求上適合于商業(yè)的光控開關(guān)。
b)電壓處理通過使用具有高效率和高動態(tài)輸入電壓的變壓器按照現(xiàn)技術(shù)狀況產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)壓。如果電容器上的充電電壓在工作中例如從20V下降到5V，則在輸出端上穩(wěn)壓電路提供恒定的3V。
c)能量考慮應(yīng)當(dāng)指出如下的能量考慮，在處理器電路的短時(shí)運(yùn)行和高頻發(fā)射器的實(shí)施例中能夠使用產(chǎn)生的電壓。
在彎曲換能器中電能是E＝1/2CU2＝1/250·10-9·502[V2As/V]＝62.5μWs，其中在換能器80％效率的情況下剩下大約50μWs。因此例如需要大約20mW(3V并且6.6mA)的電路可以運(yùn)行t＝50μWs/20mW＝2.5ms的持續(xù)時(shí)間。
d)傳輸速率和數(shù)據(jù)量如果假設(shè)高頻發(fā)射機(jī)100kbit/s的調(diào)制率，則在這段時(shí)間內(nèi)可以發(fā)射出大約250Bit的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)量足以加密開關(guān)的身份并且也提供這種可能性，通過多次發(fā)射或應(yīng)用相關(guān)方法提高傳輸安全性。此外邏輯電路、典型的是微處理器或ASIC的使用允許加密傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
e)高頻發(fā)射機(jī)高頻發(fā)射機(jī)基于1mW的功率，這滿足在私人寓所內(nèi)在每時(shí)每刻安全發(fā)射數(shù)據(jù)。對此典型情景是，所有開關(guān)、例如光控開關(guān)、在工作時(shí)發(fā)射一個(gè)或多個(gè)高頻電報(bào)，各自接收機(jī)接收該電報(bào)并且接收機(jī)開始相應(yīng)動作(開燈/關(guān)燈，燈光減弱等等)。
當(dāng)然能量自給高頻發(fā)射器不局限于在建筑技術(shù)中的應(yīng)用，而是可以普遍使用?？赡艿膽?yīng)用領(lǐng)域例如是開關(guān)應(yīng)用、比如人工操作的緊急呼叫發(fā)射器、訪問權(quán)限檢索、遙控、另外的開關(guān)、工業(yè)中的終端開關(guān)、交通、用在家庭中、用在水、氣、電流的計(jì)數(shù)器中、作為移動信號裝置、動物監(jiān)視、防盜以及在汽車技術(shù)中普遍用于降低在汽車中的存在的電纜束或用在鐵路中。
作為傳感器應(yīng)用傳感器例如適合于溫度、壓力、動力和另外測量量，特別適合于測量汽車輪胎壓力和溫度、輪軸溫度和火車加速度、發(fā)動機(jī)和工業(yè)設(shè)備的溫度、壓力、動力。
在下面

圖1的實(shí)施例中圖解描述了能量自給高頻發(fā)射機(jī)的工作原理在圖1中概略指出了高頻發(fā)射機(jī)的不同功能單元。
首先以電機(jī)換能器1、主要是壓電彎曲換能器或感應(yīng)線圈、機(jī)械能用于電荷分離并因此用于電壓生成。例如從機(jī)械的力作用(例如按力)中、從壓力改變或振動中產(chǎn)生機(jī)械能。
以產(chǎn)生的電壓經(jīng)過整流電路2對電容器7充電。同樣也能夠直接饋給電壓調(diào)整電路3，其中例如換能器1本身存儲電荷。后面的變壓是有益的，以便從電容器7的呈指數(shù)下降的充電電壓中產(chǎn)生短時(shí)間以后恒定的電壓用于驅(qū)動后面的電子電路。
只要存儲的能量容許，以恒定的電壓激活后面的邏輯組件4和高頻發(fā)射級5并供電。邏輯組件4包含微處理器過程控制、存儲器、在該存儲器中存放測量點(diǎn)或開關(guān)的身份，并且(選擇)傳感器輸入端、通過該輸入端可以連接一個(gè)或多個(gè)傳感器8。
如果通過機(jī)械的能量供應(yīng)提供電源電壓，則觸發(fā)下面的處理器控制的過程a)讀出識別代碼b)讀出連接的傳感器8(選擇)c)加密數(shù)據(jù)(選擇)d)生成發(fā)射電報(bào)，其包含識別代碼e)激活高頻發(fā)射級5f)高頻振蕩與發(fā)射電報(bào)調(diào)制(選擇多次，只要能量足以支配或直到達(dá)到另外的中斷標(biāo)準(zhǔn))高頻發(fā)射級5產(chǎn)生高頻振蕩，其通過發(fā)射天線6輻射。該振蕩調(diào)制由邏輯組件4產(chǎn)生的發(fā)射電報(bào)。
權(quán)利要求
1.能量自給高頻發(fā)射器，具有-至少一個(gè)帶有連接在后面的整流器電路(2)和變壓器電路(3)的電機(jī)換能器(1)，-一個(gè)與變壓器電路(3)連接的邏輯組件(4)，其具有一個(gè)過程控制和一個(gè)存儲器，在該存儲器中存儲識別代碼，-一個(gè)高頻發(fā)射級(5)，其與邏輯組件(4)以及至少一個(gè)發(fā)射天線(6)連接。
2.按照權(quán)利要求1的能量自給高頻發(fā)射器，其中電機(jī)換能器(1)至少包含一個(gè)壓電元件。
3.按照權(quán)利要求2的能量自給高頻發(fā)射器，其中至少一個(gè)壓電元件是彎曲換能器。
4.按照權(quán)利要求1的能量自給高頻發(fā)射器，其中電機(jī)換能器(1)至少包含一個(gè)感應(yīng)線圈。
5.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中變壓器電路(3)包含一個(gè)另外的能量存儲元件。
6.按照權(quán)利要求5的能量自給高頻發(fā)射器，其中可以有節(jié)奏地驅(qū)動變壓器電路(3)。
7.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中在整流器電路(2)和變壓器電路(3)之間存在至少一個(gè)電容器(7)用于能量存儲。
8.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中邏輯組件(4)至少包含一個(gè)微處理器和/或ASIC。
9.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，邏輯組件(4)與至少一個(gè)傳感器(8)連接。
10.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中以ULP技術(shù)實(shí)施邏輯組件(4)。
11.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中邏輯組件(4)具有一個(gè)LC振蕩回路或一個(gè)RC振蕩回路作為主時(shí)鐘。
12.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中借助于高頻發(fā)射級(5)以大于1MHz的頻率、特別是在100MHz和30GHz之間的頻率(f)發(fā)射高頻信號。
13.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中高頻信號的帶寬可以大于100kHz。
14.按照上述權(quán)利要求之一的能量自給高頻發(fā)射器，其中在邏輯組件(4)和發(fā)射天線(6)之間插入一個(gè)延遲裝置。
15.能量自給發(fā)射高頻信號的方法，其中a)借助于電機(jī)換能器(1)把機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電壓信號；b)整流電壓信號；c)改變已整流的電壓信號用于產(chǎn)生至少部分恒定的電壓電平；d)電壓信號然后用于至少一個(gè)邏輯組件(4)的能量供給；e)邏輯組件(4)至少傳遞識別代碼給高頻發(fā)射級(5)；f)高頻發(fā)射級(5)通過發(fā)射天線(6)輻射包含識別代碼的高頻信號。
16.按照權(quán)利要求15的方法，在步驟e)中至少具有分步驟e1)特別從邏輯組件(4)的存儲器中讀出識別代碼；e2)生成發(fā)射電報(bào)，其包含識別代碼；e3)激活高頻發(fā)射級(5)e4)高頻振蕩與發(fā)射電報(bào)調(diào)制。
17.按照上述權(quán)利要求15或16之一的方法，其中邏輯組件(4)檢測至少一個(gè)傳感器(8)的測量數(shù)據(jù)，并且將這些測量數(shù)據(jù)調(diào)制于高頻信號上。
18.按照上述權(quán)利要求15至17之一的方法，其中多個(gè)具有完整的信息內(nèi)容的高頻信號一個(gè)接一個(gè)輻射出去。
19.按照權(quán)利要求18的方法，其中相互可變調(diào)整各個(gè)高頻信號的時(shí)間間隔和/或頻率。
20.按照權(quán)利要求15至19之一的方法，其中加密高頻信號的信息。
21.按照權(quán)利要求20的方法，其中不同加密多個(gè)高頻信號。
22.按照權(quán)利要求15至21的方法，其中時(shí)間延遲高頻信號的輻射。
23.按照權(quán)利要求15至22之一的方法，其中發(fā)射具有大于100kHz的帶寬的高頻信號。
24.按照權(quán)利要求15至23之一的方法，其中以大于1MHz、特別是在100MHz和30GHz之間的頻率發(fā)射高頻信號。
25.按照權(quán)利要求1至14之一的高頻發(fā)射器應(yīng)用在交通技術(shù)中、特別是汽車技術(shù)或用在建筑技術(shù)中、特別是安裝技術(shù)。
全文摘要
能量自給高頻發(fā)射器具有至少一個(gè)電機(jī)換能器(1)，其帶有連接在后面的整流器電路(2)和變壓器電路(3)，此外具有與變壓器電路(3)連接的邏輯組件(4)，其帶有一個(gè)過程控制和一個(gè)存儲器，在該存儲器中存儲識別代碼，以及具有一個(gè)高頻發(fā)射級(5)。其與邏輯組件(4)和發(fā)射天線(6)連接。
文檔編號H02N2/18GK1444800SQ01813342
公開日2003年9月24日 申請日期2001年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者K·皮斯托爾, F·施密德特 申請人:恩洋股份有限公司