JP7130655B2

JP7130655B2 - 小型モジュラー無線センサ

Info

Publication number: JP7130655B2
Application number: JP2019544623A
Authority: JP
Inventors: フィリップス、ジェイムス; レクピド、ドン; フロスト、ナサン; ブラウン、ランディ、スコット
Original assignee: ワットロー・エレクトリック・マニュファクチャリング・カンパニー
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2022-09-05
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: US20200366974A1; EP3583701A1; WO2018151805A1; CN110574297A; KR102480383B1; US20180255384A1; EP4007175A1; EP3583701B1; US10743088B2; US20200366975A1; CN110574297B; TWI731220B; US11825250B2; KR20190117645A; MX2019009850A; JP2020512722A; TW201841477A; CA3053747A1; US11350187B2; CA3053747C

Description

関連出願への相互参照

本出願は、２０１７年２月１６日に出願された米国仮出願第６２／４５９，６９８号の優先権及び利益を主張する。上記出願の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般にセンサアセンブリに関し、より詳細にはワイヤレスセンサアセンブリに関する。

このセクションの記述は、単に本開示に関連する背景情報を提供するものであり、先行技術を構成しない場合がある。

センサは、動作特性及び環境特性を監視するために、多種多様な動作環境で使用されている。これらのセンサには、例として、温度、圧力、速度、位置、動き、電流、電圧、及びインピーダンスのセンサを含めることができる。センサは、監視対象の動作環境に配置され、電気信号を生成するか、監視対象の動作又は環境特性の変化に応じて電気特性が変化するように設計されている。センサの電気的特性の変化は、インピーダンス、電圧、又は電流の変化であってもよい。

センサは、通常、プローブと処理ユニットを含む。プローブは環境からデータを取得し、処理ユニットにそのデータを送信する。処理ユニットは測定値を決定し、ユーザーに読み取り値を提供する。処理ユニットは、一般に、データ処理中に電源からかなりの量の電力を必要とする。電源は内蔵電池でも、ワイヤでセンサに接続された外部電源でもよい。センサは、内蔵電池と処理ユニットで小さくできない。センサをワイヤで外部電源に接続すると、センサを過酷な環境で使用したり、複雑な構造の機器にセンサを適切に取り付けたりすることが困難である。

いくつかの既知の処理ユニットは低電力マイクロプロセッサを含むが、これらマイクロプロセッサは起動中に大量の電力を消費する。環境発電（energy harvesting）が重要な一部のアプリケーションにおいて、低電力マイクロプロセッサにより起動時に消費された電力の初期量は、過剰なエネルギーを排出し、起動障害を引き起こす可能性がある。

電子センサの動作に関する他の問題の中でも、電力消費及び収穫に関するこれらの問題が、本開示によって対処される。

一形態において、ハウジング、ワイヤレス電源、及び電子機器を含むワイヤレスセンサアセンブリが提供される。ハウジングは、内部空間と、少なくとも１つの外部センサを受け入れるサイズの少なくとも１つの開口部を画定する。ワイヤレス電源は、ハウジング内に取り付けられる。電子機器は、ハウジング内に取り付けられ、ワイヤレス電源から電力を受け、外部センサと電気通信するように構成されている。電子機器は、無線通信コンポーネントと、無線通信コンポーネントが約０．５ｍＷ未満の電力消費を有するように、無線通信コンポーネントから外部装置へのデータ送信の速度を管理するように構成されたファームウェアを含む。電子機器は、ワイヤレス電源のみで駆動され、ワイヤレスセンサアセンブリは、約２ｉｎ^３未満の体積を画定する。

別の形態において、低電力ワイヤレスセンサシステムが提供される。低電力ワイヤレスセンサシステムは、複数のワイヤレスセンサアセンブリと、各ワイヤレスセンサアセンブリを動作可能に接続し、各ワイヤレスセンサアセンブリ間でデータを送受信するよう動作可能な無線ネットワークとを含む。

適用性のさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明及び特定の例は、例示のみを目的とし、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本開示は、詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されるであろう。

本開示に従って構成された２つのワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

本開示の教示による電子機器及びワイヤレス電源の一形態の概略図である。

第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの別の斜視図。

第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの別の変形例である。

第１形態のワイヤレスセンサアセンブリのさらに別の変形形態である。

図４のワイヤレスセンサアセンブリの別の斜視図である。

第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの部分詳細図であり、ハウジング内部の構成要素を示している。

第１形態のワイヤレスセンサアセンブリのハウジングの下部の上面斜視図であり、ハウジングの下部にセンサが接続されている。

第１形態のワイヤレスセンサアセンブリのハウジングの下部の底面斜視図であり、ハウジングの下部にセンサが接続されている。

第１形態のワイヤレスセンサアセンブリの斜視図であり、ハウジング内部の構成要素を示すため、ハウジングの上部が取り外されている。

図１０の部分拡大図である。

本開示の第２形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

第２形態のワイヤレスセンサアセンブリの斜視図であり、ハウジング内部の構成要素を示すため、ハウジングの上部が取り外されている。

第２形態のワイヤレスセンサアセンブリの別の斜視図であり、ハウジング内部の構成要素を示すため、ハウジングの上部が取り外されている。

第２形態のワイヤレスセンサアセンブリのさらに別の斜視図であり、ハウジング内部の構成要素を示すため、ハウジングの上部が取り外されている。

本開示の第３形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

本開示の第４形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

第４形態のワイヤレスセンサアセンブリの部分断面図である。

本開示の第５形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

第５形態のワイヤレスセンサアセンブリの斜視図であり、ハウジング内部の構成要素を示すため、上部が取り外されている。

本開示の第６形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリの斜視図である。

本開示の第６形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリの分解図である。

第６形態のワイヤレスセンサアセンブリの内部の構成要素を示すため、キャップが取り外されたワイヤレスセンサアセンブリの正面図である。

第６形態のワイヤレスセンサアセンブリのハウジング内に配置された電気及び電子部品の斜視図である。

図２４の電気及び電子部品の別の斜視図である。

図２５の電気及び電子部品の底面斜視図である。

対応する参照符号は、図面の幾つかの図を通して対応する部分を示している。

以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、用途、又は使用を限定することを意図するものではない。

第１形態

図１を参照すると、本開示の第１形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリ１０は、一般に、ハウジング１２及びセンサ１４を含む。センサ１４は、開口部（図１には図示せず）に挿入され、ハウジング１２内の電気及び電子部品に接続される。あるいは、第１形態の変形例によるワイヤレスセンサアセンブリ１０’は、ハウジング１２’、センサ１４’、及びセンサ１４’をハウジング１２’内の電気及び電子部品に接続するワイヤ１６’を含んでもよい。ハウジング１２’は、ハウジング１２’を隣接する取り付け構造（図示せず）に取り付けるための一対のタブ１７’をさらに含んでもよい。センサ１４又は１４’は、一例として、温度センサ、圧力センサ、ガスセンサ、及び光学センサであってもよい。

図２を参照すると、他のコンポーネントの中でも、ハウジング１２／１２’内の例示的な電子部品が概略的な形で示されている。電子機器１５は、一般に、この形態においてBluetooth（登録商標）ＲＦ送信機として示される無線通信コンポーネント１６と、無線通信コンポーネント１６から外部装置（図示せず）へのデータ送信レートを管理するように構成されたファームウェア１７とを含む。ファームウェア１７は、この形態においてマイクロプロセッサに存在する。さらに示されるように、ワイヤレス電源１９は、電子機器１５に電源を提供する。電源１９は、以下により詳細に説明されるような電池を含む、任意の数の形態を取ることが可能である。この形態において、電源１９は、振動又は熱発電機（以下により詳細に説明する）、電力調整器、及び過剰エネルギーを蓄積する蓄積部を含む「環境発電」構成を含む。

ファームウェア１７は、マイクロプロセッサの初期起動時に消費される電力を管理するように構成されてもよい。通常、低電力マイクロプロセッサは、起動時に真の低電力モードに入る前に、１秒以下の初期の大きな電力バーストを消費する。マイクロプロセッサの低電力モードに依存して適切に機能する環境発電アプリケーションにおいて、初期起動電力バーストは、初期電力バーストが終了する前に蓄積されたエネルギーを消費して、起動障害を引き起こすことを克服できないと判明する可能性がある。初期起動サージのこの問題に対処するために、ファームウェア１７は、平均電力消費が環境発電構成の能力内に収まるように、初期エネルギーバーストを時間とともに分散するように修正することができる。この時間を亘るエネルギーの広がりは、マイクロプロセッサの起動を遅らせるが、蓄積されたエネルギーは排出されないため、起動障害が抑制される。
別の形態において、環境発電成分／モジュールが初期電力サージを通過できるように、ストレージデバイスに十分なエネルギーが蓄積されるまで出力論理信号のアサートを遅らせるため、追加の回路をマイクロプロセッサに追加してもよい。これは、外部遅延要素の形をとるか、又はマイクロプロセッサの一部に電力調整チップを備える場合がある。ある形態において、十分な振動又は利用可能な熱エネルギーがある場合、エネルギーのバーストを拡散することなく起動を開始できるが、振動又は熱エネルギーが殆どない場合、エネルギーバーストは時間とともに拡散する。換言すると、電子機器は、初期の電力サージを維持するのに十分なエネルギーが蓄積されるまで、出力論理信号のアサートを遅らせるように構成することができる。プロセッサ及びファームウェア１７内のこれら及び他のデータ管理機能は、以下により詳細に説明される。

図３に示すように、ハウジング１２は、第１開口部２２（図６に示す）及び第２開口部２４をそれぞれ画定する対向する第１及び第２端部１８及び２０を有する。センサ１４は、第１開口部２２に挿入され、ハウジング１２内に取り付けられた電気及び電子部品に接続された長手方向端部を有する。通信コネクタ２６は、第２開口部２４内に配置され、嵌め合せ通信コネクタ（図示せず）を受けるように構成されている。第２開口部２４及び通信コネクタ２６は、接続されるべき嵌め合せ通信コネクタのタイプに従って異なるように構成されてもよい。例えば、通信コネクタ２６は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート（図３）、ＵＳＢ－Ｃポート、イーサネットポート（図４）、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスポート（図５）及びアスピレイティド（Aspirated）ＴＩＰ／Ｅｔｈｅｒｎｅｔポートなどを形成するように構成されてもよい。ハウジング１２の外部輪郭は、通信コネクタ２６の形状に対応するように適宜構成することができる。嵌め合せ通信コネクタはオプションであり、センサ１４によって取得された生の検知データを、ネットワークを介して外部へ、又はさらなる処理のための遠隔装置（図示せず）に送信するために使用することができる。あるいは、センサ１４によって取得された生の検知データは、外部装置又は遠隔装置に無線で送信されてもよく、これについては以下でより詳細に説明する。

図３にさらに示されるように、ハウジング１２は、上部３０及び下部３２を含み、各部分は、対向する端部１８、２０で内部構成要素及び外部特徴を収容する嵌合くさびを画定する。ハウジング１２の下部３２は、第１開口部２２を画定し、ハウジング１２の上部３０は、第２開口部２４を画定してもよく、又逆でも同様である。上部３０と下部３２の嵌合くさびは、対向する横方向側壁３５に沿って密封界面３４を画定する。上部３０と下部３２との間の密封界面３４は、第１開口部２２が下部３２（又は代わりに上部３０により）のみによって画定され、上側と下部３０、３２により連帯的に角度が付けられている。このように、センサ１４は、複数の部品（すなわち、上部３０と下部３２の両方）とは対照的に、センサ１４が下部３２のみで密封されるため、センサ１４のハウジング１２への密封は比較的容易にできる。

図６及び図７に示されるように、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、センサ１４をハウジング１２に取り付けるための取り付けアセンブリ３６をさらに含む。取り付けアセンブリ３６は、ボス３８、ボス３８の自由端の圧縮シール４０、及びナット４２を含む。センサ１４は、ボス３８、圧縮シール４０及びナット４２を通して挿入される。ボス３８及び圧縮シール４０の周りにナット４２を固定することにより、センサ１４はハウジング１２に固定され、密封される。ナット４２は、ねじ込み接続、圧入接続又は押し込み接続を介してボス３８に固定されてもよい。ボス３８は、第１開口部２２に挿入される別個の構成要素であってもよく、又はハウジング１２の下部３２の一体部分として形成されてもよい。

図８に示されるように、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、センサ１４が振動を受けたときにセンサ１４が回転するのを防止するために、特に下部３２に、ハウジング１２内に配置された回転防止機構４４をさらに含んでいる。回転防止機構４４は、下部３２の内面から突出するＵ字形シート４６と、シート４６内に配置された回転防止ナット４８とを含んでいる。

ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、下部３２を上部３０に固定するための固定機構５０をさらに含んでいる。固定機構５０は、図８に示されるように、ねじ及び穴であってもよい。あるいは、上部３０及び下部３２は、振動溶接、スナップ嵌め、又は当技術分野で知られている他の接合方法によって固定されてもよい。上部３０及び下部３２はまた、組み立て中に上部３０及び下部３２を位置合わせするための位置合わせ機構を含んでもよい。

図９に示すように、下部３２は、底面に画定された凹部５０と、凹部５０内に収容された磁石５２と、をさらに含むことができる。外部磁石５２は、ハウジング１２内の電気機器や電子部品を非動作としたり、センサ１４を動作させたりする通信の動作を可能とする。磁石５２は、輸送中にセンサ１４を非動作にしたり、電池がハウジング１２内に設けられている場合に電池寿命を維持させたりするため、ハウジング１２内に配置されたリードスイッチをオープンとするために使用することが可能である。輸送中、粘着テープの小片が磁石５２の上に置かれてもよい。センサ１４を動作可能とするため、粘着テープと磁石５２が取り外され、電池からセンサ１４への電力供給を可能にすることができる。電気及び電子部品は、強い磁界に再び遭遇した場合、センサ１４が非動作とされることを防止するラッチ回路を含んでもよい。さらに、凹部５０の周囲の凹部領域は、センサ１４の機能状態を示すために使用できるインジケータＬＥＤの「ライトパイプ」として機能させてもよい。この領域のプラスチックハウジング材料は、プラスチックハウジング材料を通してインジケータＬＥＤが見えるようにするため、ハウジング１２の他の部分よりも薄く作られてもよい。

図１０及び図１１を参照すると、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、ハウジング１２によって画定される内部空間に配置され、センサ１４及び通信コネクタ２６（図３に示す）に接続される電気及び電子部品を含んでいる。電気及び電子部品は、通信ボード６０、ワイヤレス電源６２、無線通信コンポーネント、ファームウェア（図示せず）、及びセンサ１４を通信ボード６０に接続するためのセンサコネクタ６６を含むことができる。通信ボード６０は印刷回路基板である。ワイヤレス電源６２、無線通信コンポーネント、及びファームウェアは、通信ボード６０上に取り付けられている。

センサ１４からの信号は、センサコネクタ６６を介して通信ボード６０に送信される。図１１に明示するように、センサ１４のワイヤ６８は、通信ボード６０に取り付けられたセンサコネクタ６６に直接接続される。通信ボード６０上の無線通信コンポーネントは、データ処理用の外部装置（すなわち、外部処理装置）にデータを送信する。外部装置は、データロギング、計算、又はさらなる処理のためにデータを別の遠隔装置に再送信する機能を実行する。センサ１４は、生データのみを収集し、スリープ状態となる前に、生データを外部装置又は遠隔装置に送信する。全ての検知計算、較正調整、エラーチェックなどはハウジング１２内に配置されたワイヤレス電源６２に蓄積されたエネルギーを使い果たさないように、外部又は遠隔装置上で実行される。そのため、電池の寿命が維持される。

ハウジング１２内の電気及び電子部品は、ワイヤレス電源６２から電力を受け、センサ１４と電気通信するように構成される。無線通信コンポーネントは、約０．５ｍＷ未満の電力消費を有する。ハウジング１２内に配置された電気及び電子部品は、ワイヤレス電源６２のみによって駆動される。ワイヤレス電源６２は、とりわけ、電池又は自己給電装置であってもよい。自己給電装置は、熱電装置又は片持ち梁板に取り付けられた圧電装置を含む振動装置であってもよい。

一形態において、ワイヤレスセンサアセンブリ１０は、約２ｉｎ^３未満の体積を画定する。無線通信コンポーネントは、外部センサ１４からの生データを、タブレット、スマートフォン、パーソナルコンピュータ、クラウドコンピューターセンタ、又は無線通信コンポーネントから送信されたデータを処理することが可能な任意の処理装置のような外部又は遠隔装置に送信するように構成されている。無線通信コンポーネントは、Bluetoothモジュール、ＷｉＦｉモジュール、及びＬｉＦｉモジュールからなるグループから選択される。ファームウェアは、無線通信コンポーネントから外部又は遠隔装置に送信されるデータのレートを管理するように構成されている。ファームウェアは、電池寿命の関数として、無線通信コンポーネントから送信されるデータの速度を制御する。ファームウェアは、ワイヤレス電源の電力を維持するため、プロセッサのクロックも制御する。ファームウェアはさらに、ワイヤレス電源６２に蓄積されたエネルギーを監視し、蓄積されたエネルギーの量の関数として無線通信コンポーネントからのデータ送信の速度を調整する。これは、蓄積されたエネルギーを保存するための低電力モードに似ている場合がある。そのようなものとして、電池の寿命を節約することができ、さらに、センサ１４が電力の損失又は少なくとも遅延のためにオフになるのを防ぐことができる。データ送信の速度は、ワイヤレス電源６２を再充電するためにより多くの熱又は振動エネルギーが利用可能になるまで、所定の通常の速度に戻ることが可能である。

第２形態

図１２から図１５を参照すると、本開示の第２形態によるワイヤレスセンサアセンブリ１１０は、ハウジング及びセンサの構造を除いて、第１形態のワイヤレスセンサアセンブリ１０と同様の構造を有する。同様の構成要素は同様の参照番号で示され、その詳細な説明は明確にするために本明細書では省略される。

より具体的には、ワイヤレスセンサアセンブリ１１０は、ハウジング１１２及びセンサ１１４（図１５に示される）を含んでいる。ハウジング１１２は、上部１３０と下部１３２とを含んでいる。下部１３２は、ハウジング１１２を隣接する取り付け構造に取り付けるための一対のタブ１３３を含んでいる。センサ１１４は、ボード取り付けセンサである。ハウジング１１２の内部に収容される電気及び電子部品は、通信ボード６０と、通信ボード６０に取り付けられたドーターボード１６６とを含んでいる。ボード取り付けセンサ１１４もドーターボード１６６に取り付けられている。ドーターボード１６６は、第１開口部２２を通って伸び、ハウジング１１の外側に延びた一端とハウジング１１２の内側に延びた他端を有している。センサ１１４からの信号は、ドーターボード１６６を介して通信ボード６０に送信される。ドーターボード１６６は、一対のゴムガスケット１６８によって支持される。一対のガスケット１６８は、またドーターボード１６６とハウジング１１２の下部１３２との間に圧縮シールを提供する。

第３形態

図１６を参照すると、本開示の第３形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリ２１０は、ハウジング１１２において、通信ポートを形成するために通信コネクタを受ける第２開口部がないことを除き、第１形態のハウジング１２と同様の構造を有するハウジング２１２を一般的に含んでいる。第１及び第２形態のワイヤレスセンサアセンブリ１０及び１１０と同様に、ワイヤレスセンサアセンブリ２１０は、外部又は遠隔装置との無線通信のため、及びセンサ１４、１１４からの生データを外部又は遠隔装置に送信するための同様の電気及び電子部品を含んでいる。そのため、通信ポートは必要ない。

第４形態

図１７及び図１８を参照すると、本開示の第４形態によるワイヤレスセンサアセンブリ３１０は、ハウジング３１２と、一対のワイヤ６８を有するセンサ１４とを含んでいる。ハウジング３１２は、上部ハウジング部３１６、ヒートシンク構造３１８、及び下部ベース３２０を含んでいる。上部ハウジング部分３１６は、第１形態の下部３２と同様の構造を有するが、ヒートシンク構造３１８に逆さまに取り付けられている。絶縁層３２２は、ヒートシンク構造３１８と下部ベース３２０との間に配置される。下部ベース３２０は、ハウジング３１２を隣接する取り付け構造に取り付けるための一対のタブ３２１を画定する。

この形態において、ワイヤレスセンサアセンブリ３１０は電池を含まない。代わりに、ハウジング３１２内部の電気及び電子部品とハウジング３１２の外部のセンサ１４は、例えば、ハウジング３１２内に配置された熱電発電機（ＴＥＧ）３２４により自己給電される。ゼーベックジェネレーターとも呼ばれるＴＥＧ３２４は、ゼーベック効果と呼ばれる現象を通じて熱（温度差）を直接電気エネルギーに変換する固体デバイスである。ＴＥＧ３２４は、ヒートシンク構造３１８に隣接し、絶縁層３２２の上に配置された第１金属板３２６と、絶縁層３２２の下に配置された第２金属板３２８とを含んでいる。絶縁層３２２は、第１金属板３２６と第２金属板３２６を分離する。電気及び電子機器から発生された熱の一部は、第１金属板３２６に伝導され、ヒートシンク構造３１８によって放散される。ハウジング３１２内の電気及び電子部品によって発生された熱の別の部分は、第２金属板３２８に導かれる。第１金属板３２６と第２金属板３２８との間に温度差が生じ、それにより、ハウジング３１２内部の電気及び電子部品、及びハウジング３１２外部のセンサ１４を駆動するための電気を発生する。

第５形態

図１９及び図２０を参照すると、本開示の第５形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリ４１０は、第４形態と同様の構造を有し、自己給電装置のみが異なる。本形態において、自己発電装置は圧電発電機（ＰＥＧ）４２１であり、ハウジング内部の電気及び電子部品、及びハウジング外部のセンサ１４を駆動するため、機械的歪みを電流又は電圧に変換する。歪みは、人間の動き、低周波地震振動、音響雑音など、さまざまな原因から発生する可能性がある。本形態において、ＰＥＧ４２１は、電力伝送印刷回路基板（ＰＣＢ）４２２、金属板４２４、及び金属板４２４の端部に取り付けられた重り４２６を含む。金属板４２４は、金属板４２４において機械的な歪を発生させるため、端部に配置された重り４２６を有する片持ち梁板として機能する。金属板４２４に発生した機械的歪みは、電力／電気に変換され、電力伝送ＰＣＢ４２２を介して通信ボード（図２０には図示せず）に送られる。電力伝送ＰＣＢ４２２は、ヒートシンク構造３１８と金属板４２４との間に締め付けられる。第４形態のハウジング３１２と同様に、本形態のハウジング４１２は、上部ハウジング部分４１６、ヒートシンク構造４１８及び下部ベース４２０を含む。しかし、本形態のヒートシンク構造４１８は、熱が電気の生成に影響を及ぼさないため、センサ１４及びＰＥＧ４２１の取り付け構造としてのみ機能する。したがって、ヒートシンク構造４１８と下部ベース４２０との間に絶縁層が提供されてない。

金属板４２４に機械的歪みを生じさせるために金属板４２４に取り付けられた重り４２６は、計算された周波数でＰＥＧ４２１に共振を生成して金属板４２４に振動及び機械的歪みを増加させるように変更され、適切に選択されてもよい。これにより、そこから生成される電気が増加する。

第６形態

図２１から図２６を参照すると、本開示の第６形態に従って構成されたワイヤレスセンサアセンブリ５１０は、ハウジング５１２と、ワイヤ５１４によりハウジング５１２内の電気及び電子部品に接続されたセンサ（図示せず）とを含んでもよい。ハウジング５１２は長方形の構成を有する。ワイヤレスセンサアセンブリ５１０は、ハウジング５１２の端部に配置されたセンサコネクタ５１６と、ハウジング５１２の別の端部に配置されたキャップ５１８とをさらに含んでいる。第６形態のワイヤレスセンサアセンブリ４１０のように、ワイヤレスセンサアセンブリ５１０は、ハウジング５１２内部に配置された電気及び電子部品を含んでいる。電気及び電子部品は、通信ボード５２０、圧電発電機（ＰＥＧ）５２２の形態の自己給電装置を含むことができる。ＰＥＧ５２２は、金属板５２４、及び金属板５２４の端部に取り付けられた重り５２６を含むことができる。金属板５２４は、金属板５２４に機械的歪みを引き起こすように端部に配置された重り５２６を有する片持ち梁板として機能する。金属板５２４に生じた機械的歪みは、電力及び電気に変換され、センサ及びその他の電気及び電子部品を駆動するため、通信ボード５２０に送られる。

本明細書に記載の形態のいずれにおいても、センサ１４によって取得された生のセンシングデータは、ラップトップ、スマートフォン、又はタブレットなどの外部コンピューティングデバイスに送信され、生のセンシングデータの処理が外部で行われる。ワイヤレスセンサアセンブリは、生のセンシングデータが外部で処理されるため、消費電力を削減できる利点を有している。さらに、データの処理と計算は、外部又は遠隔装置で実行されるため、センサ内のＲＯＭの使用できるスペースが限られているために、小さいＲＯＭに蓄積された精度の低い多項式カーブフィッティングとは対照的に、精度を向上するために、より完全な高解像度のルックアップテーブルを外部又は遠隔装置で使用してもよい。

さらに、ワイヤレスセンサアセンブリは、センサの回路を変更する必要がなく、較正曲線及びルックアップテーブルの更新を可能にするという利点を有している。現場交換センサには、ＲＦＩＤタグやバーコードなどの識別（ＩＤ）情報又はコードが割り当てられる。ワイヤレスセンサアセンブリの設置又は交換中に、外部センサ１４の較正情報は、ワイヤレスセンサアセンブリと無線通信する外部装置を介してアクセスすることができる。ＩＤ情報をスキャン又は入力することにより、センサ１４はネットワーク接続を介して所定の較正曲線にリンクされる。さらに、ルックアップテーブル又は較正情報は、ドリフトを考慮して定期的に更新することができ、それにより、センサ１４の寿命に亘ってセンサ１４の測定精度が向上する。

本明細書に開示されるワイヤレスセンサアセンブリの一形態において、ハウジングの寸法は、約１．７５インチＬ×１．２５インチＷ×０．６８インチＨである。電池が使用される場合、ハウジングはより大きくてもよい。本開示の一形態において、０．１７０μＷ未満である無線コンポーネントとしてのBluetoothの構成部品の低電力消費により、センサ１４は、選択された電池で少なくとも２年間作動し、データを毎秒送信することができる。また、低消費電力により、自己給電が可能となる。さらに、ここで説明するワイヤレスセンサアセンブリのいずれにおいても、通信ボードは蓄積又は生成されたエネルギーの量を検出でき、センサが利用可能な又は利用可能と予測される電力量に基づき、生のセンシングデータの送信速度を自動的に調整できるようにする。

任意の形態によるワイヤレスセンサアセンブリは、デジタル生データを外部装置又は遠隔装置に送信することができるデジタルセンシング製品であってもよい。ワイヤレスセンサアセンブリは、複数の構成に簡単に組み立てることができるため、交換可能な部品を含み、「モジュール式」の構造を提供する。本明細書で説明されるワイヤレスセンサアセンブリのそれぞれは、有線又は無線の接続性、及びさまざまな取り付け及びセンサ入力オプションを提供するために変えることができる。

任意の形態のワイヤレスセンサアセンブリは、１つのセンサ１４のみを含むように説明されたが、本開示の範囲から逸脱することなく、１つ以上のセンサをハウジング内の電気及び電子部品に接続することができる。例えば、図６に示すように、２つ以上のセンサ１４を第１開口部２２に挿入し、取り付けアセンブリ３６によって取り付け、２つのセンサコネクタ６６によって通信ボード６０に接続してもよい。

第７形態

本開示の第７形態に従って構成された低電力ワイヤレスセンサシステムは、複数のワイヤレスセンサアセンブリと、各ワイヤレスセンサアセンブリを動作可能に接続し、複数のワイヤレスセンサアセンブリのそれぞれとデータを送受信するよう動作可能な無線ネットワークとを含んでもよい。ワイヤレスセンサアセンブリは、第１乃至第６形態で説明したワイヤレスセンサアセンブリのいずれかの形態であり得、それらの間で、又はタブレット、スマートフォン、又はパーソナルコンピュータなどの外部装置と通信してもよい。

本開示は、例として説明及び図示された形態に限定されないことに留意されたい。多種多様な修正が記載されており、それらは当業者の知識の一部である。本開示及び本特許の保護の範囲を逸脱することなく、これら及びさらなる修正ならびに技術的同等物による置換を説明及び図に追加することができる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］ワイヤレスセンサアセンブリは、
内部空間と、少なくとも１つの外部センサを受けるサイズの少なくとも１つの開口部を画定するハウジングと、
前記ハウジング内に取り付けられたワイヤレス電源と、
前記ハウジング内に取り付けられ、前記ワイヤレス電源から電力を受け、前記外部センサと電気通信するように構成された電子機器と、を具備し、
前記電子機器は、
無線通信コンポーネントと、
前記無線通信コンポーネントが約０．５ｍＷ未満の電力消費を有するように、前記無線通信コンポーネントから外部装置へのデータ送信の速度を管理するように構成されたファームウェアと、を具備し、
前記電子機器は、前記ワイヤレス電源のみによって駆動され、前記ワイヤレスセンサアセンブリは約２ｉｎ ^３未満の体積を画定する
ワイヤレスセンサアセンブリ。
［２］前記ワイヤレス電源は、自己給電装置、熱電装置、及び電池からなるグループから選択される［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［３］前記自己給電装置は、片持ち板に取り付けられた圧電装置を具備する振動装置である［２］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［４］前記ハウジングは、上部及び下部を画定し、各部が対向する端部で内部構成要素と外部特徴を収容する嵌合くさびを画定する［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［５］前記ハウジングの下部は、外部センサを受ける少なくとも１つの開口部を含み、嵌合くさびを介して上部の複数の異なる構成を受けるように構成される［４］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［６］前記ハウジングの前記少なくとも１つの開口部に対向し、コネクタを含み、嵌合する通信コネクタを受けるように構成された第２開口部と、
前記電子機器及び前記第２開口部内の前記コネクタに動作可能に接続された通信コンポーネントと、
をさらに具備する［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［７］前記通信コネクタは、ＵＳＢ、ＵＳＢ-Ｃ、イーサネット、ＣＡＮ、及びアスピレイティド（Aspirated）ＴＩＰ／イーサネットからなるグループから選択される［６］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［８］前記外部センサは、温度センサ、圧力センサ、ガスセンサ、及び光学センサからなるグループから選択される［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［９］前記ハウジングは、外部磁石を受けるように構成された凹部を画定し、前記外部磁石は、前記ワイヤレス電源を非動作及び動作可能とする前記電子機器と通信するために動作可能である［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１０］前記無線通信コンポーネントは、Bluetoothモジュール、ＷｉＦｉモジュール、及びＬｉＦｉモジュールからなるグループから選択される［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１１］［１］記載の複数のワイヤレスセンサアセンブリと、
前記ワイヤレスセンサアセンブリのそれぞれを動作可能に接続し、前記ワイヤレスセンサアセンブリのそれぞれ間でデータを送受信するように動作可能な無線ネットワークと、
を具備する低電力ワイヤレスセンサシステム。
［１２］前記外部センサは、識別コードを含み、前記ワイヤレスセンサアセンブリの設置又は交換中に、前記外部センサの較正情報は、前記ワイヤレスセンサアセンブリと無線通信する外部装置を介してアクセスできる［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１３］前記識別コードは、ＲＦＩＤタグ及びバーコードのうちの少なくとも１つである［１２］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１４］前記無線通信コンポーネントは、前記外部装置にデータを送信し、前記外部装置は、データロギング、計算、及び処理のための遠隔装置へのデータの再送信からなるグループから選択される機能を実行する［１２］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１５］前記ワイヤレス電源は電池であり、前記ファームウェアは、電池寿命の関数として、前記無線通信コンポーネントから送信されるデータの速度を制御する［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１６］前記外部センサからの生データは、前記無線通信コンポーネントを介して処理のために遠隔装置に送信される［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１７］前記ファームウェアは、プロセッサクロックを制御して、前記ワイヤレス電源の電力を節約する［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１８］前記ファームウェアは、前記ワイヤレス電源に蓄積されたエネルギーを監視し、蓄積されたエネルギーの量の関数として、前記無線通信コンポーネントからのデータ送信の速度を調整する［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［１９］前記ファームウェアは、前記電子機器内のマイクロプロセッサの初期起動時に消費される電力を管理するように構成される［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
［２０］前記電子機器は、初期電力サージを維持するのに十分なエネルギーが蓄積されるまで出力論理信号のアサートを遅延させる回路を備えたマイクロプロセッサをさらに具備する［１］記載のワイヤレスセンサアセンブリ。

Claims

ワイヤレスセンサアセンブリは、
内部空間と、少なくとも１つの外部センサを受けるサイズの少なくとも１つの開口部を画定するハウジングと、
前記ハウジング内に取り付けられたワイヤレス電源と、
前記ハウジング内に取り付けられ、前記ワイヤレス電源から電力を受け、前記外部センサと電気通信するように構成された電子機器と、を具備し、
前記電子機器は、
無線通信コンポーネントと、
前記無線通信コンポーネントが０．５ｍＷ未満の電力消費を有するように、前記無線通信コンポーネントから外部装置へのデータ送信の速度を管理するように構成され、さらに、起動時に初期エネルギーバーストを拡散するか、出力論理信号のアサートを遅らせるように構成されたファームウェアと、を具備し、
前記電子機器は、前記ワイヤレス電源のみによって駆動され、前記ワイヤレスセンサアセンブリは２ｉｎ^３未満の体積を画定する
ワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ワイヤレス電源は、自己給電装置、熱電装置、及び電池からなるグループから選択される請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記自己給電装置は、片持ち板に取り付けられた圧電装置を具備する振動装置である請求項２記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ハウジングは、上部及び下部を画定し、各部が対向する端部で内部構成要素と外部特徴を収容する嵌合くさびを画定する請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ハウジングの下部は、外部センサを受ける少なくとも１つの開口部を含み、嵌合くさびを介して上部の複数の異なる構成を受けるように構成される請求項４記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ハウジングの前記少なくとも１つの開口部に対向し、コネクタを含み、嵌合する通信コネクタを受けるように構成された第２開口部と、
前記電子機器及び前記第２開口部内の前記コネクタに動作可能に接続された通信コンポーネントと、
をさらに具備する請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記通信コネクタは、ＵＳＢ、ＵＳＢ-Ｃ、イーサネット、ＣＡＮ、及びアスピレイティド（Aspirated）ＴＩＰ／イーサネットからなるグループから選択される請求項６記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記外部センサは、温度センサ、圧力センサ、ガスセンサ、及び光学センサからなるグループから選択される請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ハウジングは、外部磁石を受けるように構成された凹部を画定し、前記外部磁石は、前記ワイヤレス電源を非動作及び動作可能とする前記電子機器と通信するために動作可能である請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記無線通信コンポーネントは、Bluetoothモジュール、ＷｉＦｉモジュール、及びＬｉＦｉモジュールからなるグループから選択される請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
請求項１に記載の複数のワイヤレスセンサアセンブリと、
前記ワイヤレスセンサアセンブリのそれぞれを動作可能に接続し、前記ワイヤレスセンサアセンブリのそれぞれ間でデータを送受信するように動作可能な無線ネットワークと、
を具備する低電力ワイヤレスセンサシステム。
前記外部センサは、識別コードを含み、前記ワイヤレスセンサアセンブリの設置又は交換中に、前記外部センサの較正情報は、前記ワイヤレスセンサアセンブリと無線通信する外部装置を介してアクセスできる請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記識別コードは、ＲＦＩＤタグ及びバーコードのうちの少なくとも１つである請求項１２記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記無線通信コンポーネントは、前記外部装置にデータを送信し、前記外部装置は、データロギング、計算、及び処理のための遠隔装置へのデータの再送信からなるグループから選択される機能を実行する請求項１２に記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ワイヤレス電源は電池であり、前記ファームウェアは、電池寿命の関数として、前記無線通信コンポーネントから送信されるデータの速度を制御する請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記少なくとも１つの外部センサからの生データは、前記無線通信コンポーネントを介して処理のために遠隔装置に送信される請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ファームウェアは、プロセッサクロックを制御して、前記ワイヤレス電源の電力を節約する請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ファームウェアは、前記ワイヤレス電源に蓄積されたエネルギーを監視し、蓄積されたエネルギーの量の関数として、前記無線通信コンポーネントからのデータ送信の速度を調整する請求項１に記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記ファームウェアは、前記電子機器内のマイクロプロセッサの初期起動時に消費される電力を管理するように構成される請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。
前記電子機器は、初期電力サージを維持するのに十分なエネルギーが蓄積されるまで出力論理信号のアサートを遅延させる回路を備えたマイクロプロセッサをさらに具備する請求項１記載のワイヤレスセンサアセンブリ。