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Title:
ASSEMBLY FOR THE WIRELESS SUPPLY OF ELECTRIC ENERGY TO A NUMBER OF SENSORS AND/OR ACTUATORS, THE SENSORS AND/OR ACTUATORS THEREFOR AND A SYSTEM FOR A MACHINE WHICH HAS A NUMBER OF SENSORS AND/OR ACTUATORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/001545
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an assembly for the wireless supply of electric energy to a number of sensors and/or actuators (1.1 to 1.s) which are mounted onto a machine. A micro fuel cell (6) with a corresponding fuel reservoir (5) is integrated into the sensors and/or actuators, which converts the stored fuel, preferably methanol, into electric energy for supplying to the sensors. The invention also relates to a sensor or an actuator, comprising an integrated micro fuel cell (6) with corresponding fuel reservoir (5), which converts the stored fuel into electric energy for supplying the sensors. The invention further relates to a system for a machine (2) which has a number of sensors and/or actuators, in particular, for an automated production machine, whereby the sensors and/or actuators (1.1 to 1.s) are equipped with a transmitter or a receiver or a transceiver (3) which communicates with a central transmitter or receiver or transceiver that is connected via radio signals to a process control computer (4) of the machine (2). In said system, a micro fuel cell (6) with a corresponding fuel reservoir (5) is integrated into the sensors, which converts the stored fuel into electric energy for supplying to the sensors.

Inventors:
Scheible, Guntram (Holunderweg 5 Hirschberg, D-69493, DE)
Fuchs, Jürgen (Uhlandstr. 21 Schwetzingen, D-68723, DE)
Garrels, Kai (Auggener Str. 46 Mannheim, D-68239, DE)
Brodtkorb, Dagfin (Jaktlia 27 Østeras, N-1361, NO)
Kjesbu, Snorre (Juterudaesen 38B Siependen, N-1341, NO)
Application Number:
PCT/EP2000/005327
Publication Date:
January 04, 2001
Filing Date:
June 09, 2000
Export Citation:
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Assignee:
ABB RESEARCH LTD. (Affolternstr. 44 Zürich, CH-8050, CH)
Scheible, Guntram (Holunderweg 5 Hirschberg, D-69493, DE)
Fuchs, Jürgen (Uhlandstr. 21 Schwetzingen, D-68723, DE)
Garrels, Kai (Auggener Str. 46 Mannheim, D-68239, DE)
Brodtkorb, Dagfin (Jaktlia 27 Østeras, N-1361, NO)
Kjesbu, Snorre (Juterudaesen 38B Siependen, N-1341, NO)
International Classes:
B81B3/00; H01M8/00; H02J17/00; H01M8/04298; H01M8/04992; H01M8/1009; H01M8/1011; H01M8/1097; H01M16/00; (IPC1-7): H02J17/00; G01R15/14; B25J19/00; H01M8/00; H04B7/00
Foreign References:
DE4442677A11996-06-05
US5610488A1997-03-11
US5428961A1995-07-04
Attorney, Agent or Firm:
Miller, Toivo (ABB Patent GmbH Postfach 11 40 Ladenburg, D-68520, DE)
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Claims:
Patentansprüche
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 MikroBrennstoffzelle (6) mit zugehörigem Kraft stofftank (5) integriert ist, welche den getankten Kraftstoffvorzugsweise Methanolin elektrische Energie zur Versorgung des Sensors umwandelt.
2. Sensor oder Aktor mit einer integrierten MikroBrennstoffzelle (6) inklusive Kraftstofftank (5), welche den getankten Kraftstoffvorzugsweise Methanolin elektri sche Energie zur Versorgung des Sensors umwandelt.
3. Sensor oder Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daR ein elektrischer Energiespeicher (7) vorgesehen ist.
4. System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisen de 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 MikroBrennstoffzelle (6) mit zugehörigem Kraftstofflank (5) integriert ist, welche den getankten Kraftstoffvorzugs weise Methanolin elektrische Energie zur Versorgung des Sensors umwandelt.
Description:
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 Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Viel- zahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie, auf einen Sensor oder Ak- tor hierzu sowie auf ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Akto- ren aufweisende Maschine.

Die Erfindung kann beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung von Nähe- rungssensoren (bzw. Näherungsschaltern), Temperaturmeßsensoren, Druckmeß- sensoren, Strommeßsensoren und Spannungsmeßsensoren bei Industrierobotern, Herstellungsautomaten und Fertigungsautomaten und/oder zur elektrischen Energie- versorgung von mikromechanischen, piezoelektrischen, elektrochemischen, magne- tostriktiven, elektrostriktiven, elektrostatischen oder elektromagnetischen Aktoren verwendet werden, wie sie in Aktoren-Systemen oder Maschinen, beispielsweise bei Steuer/Regelsystemen, in Fernsteuersystemen, in der Robotertechnik, bei Herstel- lungsautomaten 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 Funksen- ders zu einem mit dem Verbraucher elektrisch verbundenen Funkempfänger übertra- gen werden und vom Funkempfänger in die elektrische Versorgungsspannung bzw. den elektrischen Versorgungsstrom umgewandelt werden. Die Funkwellen können aus dem elektromagnetischen Hochfrequenzbereich (Radiowellen) oder auch aus dem Mikrowellenbereich (Richtfunk) kommen.

Dabei ist es von Nachteil, daß aufgrund der hohen Frequenzen und dementspre- chend kleinen Antennen einerseits und der durch EMV-Vorschriften und Regeln für Sicherheit und Gesundheitsschutz an Arbeitsplätzen mit Exposition durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder beschränkten zulässigen Sendelei- stung andererseits nur sehr unzureichend geringe Abstände zwischen Funksender und Funkempfänger erzielbar sind. Das gleiche trifft für die erzielbaren Leistungen zu, welche im Bereich weniger pW 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 sot ! ein hierzu geeigneter Sensor oder Aktor vorgeschlagen werden.

Außerdem soll ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren aufweisende Maschine angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch eine Anord- nung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl an einer Maschine montierter Senso- ren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie gelost, wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine Mikro-Brennstoffzelle mit zugehörigem Kraftstofftank integriert ist, welche den getankten Kraftstoff-vorzugsweise Methanol-in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors umwandelt.

Die Aufgabe wird bezüglich des Sensors oder Aktors erfindungsgemäß durch einen Sensor oder Aktor mit einer integrierten Mikro-Brennstoffzelle inklusive Kraftstofftank gelöst, welche den getankten Kraftstoff-vorzugsweise Methanoi-in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors umwandelt.

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. Empfangs- einrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung ausgestattet sind, welche über Funksi- gnale mit einer mit einem Prozeßrechner der Maschine verbundenen zentralen Sen- deeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung kommu- niziert und -wobei in den Sensoren und/oder Aktoren eine Mikro-Brennstoffzelle mit zugehöri- gem Kraftstofftank integriert ist, welche den getankten Kraftstoff-vorzugsweise Methanol-in elektrische Energie zur Versorgung des Sensors umwandelt.

Dabei ist eine Mikro-Brennstoffzelle beispielsweise aus der WO 98/31062 bzw.

PCTUS98/01693 bekannt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Ver- gleich zu konventionellen Lösungen mit Kabelanschluß zur elektrischen Energiever- sorgung der Sensoren und/oder Aktoren der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor eines Kabelan- schlusses enffällt. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise 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- bedingt ist. Auch aus Umweltgesichtspunkten weist die Erfindung Vorteile auf, denn sowohl die Mikro-Brennstoffzelle als auch der zur elektrischen Energieerzeugung erforderliche Kraftstoff sind im Hinblick auf Umweltaspekte unkritisch.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn- zeichnet.

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 Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten An- ordnung 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.

Herstellungsautomat bzw. Fertigungsautomat gezeigt, welche mit zahlreichen an unterschiedliche, gegebenenfalls bewegliche Maschinenkomponenten montierten Sensoren und/oder Aktoren 1.1.... 1. s versehen ist. Als Sensoren dienen insbesonde- re Näherungssensoren. Des weiteren können beispielsweise Drucksensoren oder Temperatursensoren eingesetzt sein. Als Aktoren 1.1... 1. s dienen beispielsweise An- zeigeelemente, Steuer/Regelelemente und Schutz/Sicherheitselemente, wie Motor- starter, Schütze, Sanftanlasser, pneumatische Ventile.

Die Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1. s sind mit Sendeeinrichtungen oder Emp- fangseinrichtungen oder Sende/Empfangseinrichtungen ausgestattet, die beispiels- weise Funksignale hinsichtlich der Befehle an die Aktoren zur Ausführung bestimmter Handlungen empfangen und beispielsweise Funksignale hinsichtlich aktueller Sen- sor-Informationen, wie Rückmeldungen"gewünschte Position erreicht"oder Aktor- lnformationen, wie Rückmeldungen"gewünschte Handlung erfolgreich ausgeführt" abgeben.

Die Funksignale zu den Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1. s bzw. von den Senso- ren und/oder Aktoren 1.1 bis 1. s werden von einer zentralen Sendeeinrichtung bzw.

Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 abgegeben bzw. empfan- gen und von einem Prozeßrechner 4 (speicherprogrammierbare Steuerung) vorge- geben bzw. an diesen weitergeleitet. Vorzugsweise befindet sich die zentrale Sende- einrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung 3 in unmit- telbarer Nähe der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1. s, um eine optimale Funkver- bindung mit den Sensoren und/oder Aktoren zu gewährleisten, während der die Ma- schine 2 steuernde Prozeßrechner 4 auch entfernt von den Sensoren und/oder Akto- ren 1.1 bis 1. s angeordnet sein kann. Der Informationsaustausch zwischen Prozeß- rechner 4 und zentraler Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sen- de/Empfangseinrichtung 3 kann über Funksignale oder über Kabel erfolgen.

Die elektrische Energieversorgung der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 bis 1. s erfolgt mittels in den Sensoren und/oder Aktoren integrierte Mikro-Brennstoffzellen, wie dies nachfolgend unter Fig. 2 näher beschrieben ist.

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 elektrischen Energieversorgung als auch hinsichtlich der Informationsübertragung von und zur zentralen Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sen- de/Empfangseinrichtung 3 bzw. vom und zum Prozeßrechner 4.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer in einem Sensor oder Aktor integrierten An- ordnung zur Energieerzeugung dargestellt. Es ist eine Mikro-Brennstoffzelle 6 zu er- kennen, die einerseits an einen vorzugsweise Methanol enthaltenden Kraftstofftank 5 angeschlossen ist und die andererseits Versorgungsklemmen 8 aufweist, an denen elektrische Energie zur Speisung der Sendeeinrichtungen oder Empfangseinrichtun- gen oder Sende/Empfangseinrichtungen der Sensoren oder Aktoren abgreifbar ist.

Zwischen den Versorgungsklemmen 8 liegt zweckmäßig ein Kondensator 7 oder Ak- kumulator als Energie-Zwischenspeicher, um einem ungleichförmigen, beispielswei- se impulsförmigen Energiebedarf der Sendeeinrichtung bzw. Empfangseinrichtung bzw. Sende/Empfangseinrichtung des Sensors oder Aktors gerecht zu werden.

Der Leistungsbedarf eines Sensors liegt dabei im Bereich einiger zehn jj. W bis etwa 50 mW, vorzugsweise bei 1 mW. Der Leistungsbedarf eines Aktors liegt im Bereich 1 bis 50 mW.

Das Fassungsvermögen des Kraftstofftanks 5 ist vorzugsweise derart zu bemessen, daß die während der Lebensdauer des Sensors oder Aktors voraussichtlich benötigte elektrische Energie produziert werden kann. Abweichend hiervon ist es jedoch auch möglich, den Kraftstofftank 5 mit Einrichtungen (Ventilen) zu versehen, welche ein nachträgliches Betanken ermöglichen.

Die Mikro-Brennstoffzelle 6 ist vorzugsweise in MEMS-Technologie (MikroElektroMe- chanisches System) hergestellt.