DE10155125A1

DE10155125A1 - Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE10155125A1
Application number: DE10155125A
Authority: DE
Inventors: Andre Albsmeier; Wolf-Eckhardt Bulst; Klaus Pistor; Frank Schmidt; Oliver Sczesny
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2021-11-10
Also published as: WO2003041181A2; WO2003041181A3; EP1444738A2; US20050073221A1; JP2005509297A; DE10155125B4

Abstract

Eine Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Piezowandler (1), an welchem bei einer Verformung eine elektrische Spannung gebildet wird, die einem Verbraucher (8) zuführbar ist, wobei der Piezowandler (1) aus mehreren Schichten (2) piezoelektrischen Materials, welche durch elektrisch leitfähige Schichten (10, 11) voneinander getrennt sind, gebildet ist, und die aufeinanderfolgenden elektrisch leitfähigen Schichten (10, 11) abwechselnd an gemeinsame elektrische Kontaktierungen (13, 14) angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Piezowandler, an welchem bei seiner Verformung eine elektrische Spannung gebildet wird, die einem Verbraucher zuführbar ist.

Bei einer derartigen aus der WO 98/36395 bekannten Vorrichtung wird durch mechanische Deformation eines Piezowandlers eine elektrische Spannung, welche aus Ladungsverschiebungen im piezoelektrischen Material des Wandlers resultiert, erzeugt. Die bekannte Vorrichtung beinhaltet einen prozessenergienutzenden drahtlosen Schalter mit Funksignalen, welcher einen piezoelektrischen Wandler aufweist, der mit Fingerdruck beaufschlagbar ist und eine Piezospannung erzeugt. Dem vom Schalter erzeugten Hochfrequenzsignal kann eine der Umgebungstemperatur entsprechende Codierung aufgeprägt sein. Ferner kann zur Erzeugung einer hohen Piezospannung eine mechanische Betätigungsvorrichtung mit Übertotpunkt-Feder verwendet werden, die bei einer Belastung über den Totpunkt hinaus, schlagartig mit der eingestellten mechanischen Vorspannung auf den Wandler einwirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit relativ geringem Aufwand zum Betreiben eines Verbrauchers, insbesondere eines einen Hochfrequenzsender enthaltenden Verbrauchers herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie, insbesondere in Form von zur Verfügung stehenden Prozessenergie in elektrische Energie geschaffen. Der hierzu verwendete Piezowandler besteht aus mehreren, aber mindestens zwei, Schichten piezoelektrischen Materials, welche durch elektrisch leitfähige Schichten voneinander getrennt sind ("Mehrschicht-Piezowandler"). Die Schichten sind mechanisch fest verbunden. Die aufeinanderfolgenden elektrisch leitfähigen Schichten sind vorzugsweise abwechselnd an gemeinsame elektrische Kontaktierungen angeschlossen, welche gegebenenfalls über Zuleitungen mit einem Verbraucher verbindbar sind. Vorzugsweise haben die aufeinanderfolgenden Schichten des piezoelektrischen Materials aufsteigende Schichtdicken. Der aus den mehreren piezoelektrischen Schichten und den dazwischenliegenden elektrisch leitfähigen Schichten bestehende Piezowandler ist verformbar, vorzugsweise durch Biegen.

Zum Verformen des Piezowandlers kann eine eine eigenständige Erfindung darstellende Verformungsmechanik zum Einsatz kommen, die einen mechanischen Energiespeicher, insbesondere in Form eines Federelementes aufweist. Die Verformungsmechanik kann so ausgebildet sein, dass der Verformungsweg beim Speichern der Energie größer ist als der Verformungsweg bei der Abgabe der mechanischen Energie an den Piezowandler. Hierzu kann die Verformungsmechanik als Hebelmechanik, durch welche die gewünschte Weguntersetzung erreicht wird, ausgebildet sein.

Das den mechanischen Energiespeicher bildende Federelement kann so konstruiert sein, dass der Weg zur Durchbiegung des Elementes aus der Ruhelage bis zum Totpunkt größer ist als der Weg auf der anderen Totpunktseite nach dem Umklappen, auf welchem zur Verformung des piezoelektrischen Materials die mechanische Energie abgegeben wird. Dabei verhalten sich die Kräfte umgekehrt, d. h. die auf den Piezowandler einwirkende Kraft ist um den Faktor der Wegverkürzung verstärkt. Dieser Effekt wird nicht nur bei einem Piezowandler mit dem oben erläuterten Schichtaufbau erreicht, sondern bei jedem insbesondere durch Biegen verformbaren Piezowandler. Die Erfindung zeigt somit ferner eine Verformungsmechanik, bei welcher durch Hebelwirkung eine auf den Piezowandler einwirkende Kraft erreicht wird, die um den durch die Hebelwirkung erzielten Faktor der Wegverkürzung verstärkt ist.

Zur Erzielung eines kompakten Aufbaus sind die Verformungsmechanik und der Piezowandler günstigerweise in einer gemeinsamen Halterung angeordnet. An der Halterung kann eine Stützfläche vorgesehen sein, an welcher der verformte Piezowandler anliegt. Diese Stützfläche kann eine optimal vorgeformte Unterlage bilden, gegen welche der insbesondere durch Druck bei der mechanischen Energieabgabe verformte Piezowandler gepresst wird.

Die mechanische Energie wird vorzugsweise mittig an einer Oberfläche des Piezowandlers in diesen eingeleitet. Der Piezowandler kann durch Klemmen oder Kleben in oder an der Halterung befestigt sein.

Der Verbraucher kann ebenfalls an oder in der gemeinsamen Halterung angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, den Verbraucher entfernt von dem Piezowandler anzuordnen und über entsprechend bemessene Zuleitungen die erzeugte elektrische Spannung dem Verbraucher zuzuführen.

Der Verbraucher beinhaltet einen vorzugsweise von der gewandelten Energie betriebenen Sender, insbesondere Hochfrequenzsender, mit welchem Informationen, die in einer im Verbraucher vorgesehenen Elektronik gespeichert sind oder durch Auswertung, beispielsweise von Messsignalen oder Sensorsignalen gebildet werden, drahtlos an eine Empfangsstation gesendet werden. Hierzu kann der Verbraucher eine miniaturisierte Schaltung mit einem Mikroprozessor und dem schon erwähnten Sender, insbesondere Hochfrequenzsender aufweisen. Bei Betätigung bzw. Verformung des Piezowandlers wird das hochfrequente Signal ausgesendet. Dieses kann neben den schon erwähnten Mess- bzw. Sensorinformationen zumindest eine Identifikationsnummer, eine Codierung für Sicherheitsanwendungen, z. B. Rolling-Code-Verfahren für elektronischen Zugang und dergleichen aufweisen. Die Empfangsstation kann entfernt angeordnet sein und die notwendigen Einrichtungen zur Entschlüsselung und Auswertung der gesendeten Informationen enthalten. Diese können zur Steuerung von Vorgängen, zur Anzeige und zur Speicherung oder dergleichen verwendet werden.

Die Erfindung kann auf den verschiedensten Gebieten Anwendung finden. Beispielsweise kann die Erfindung bei handbetriebenen Schaltern, die ihre Information per Funk oder über eine Drahtverbindung absetzen, zum Einsatz kommen. Weitere Anwendungsbeispiele sind elektronische Schlüssel für Auto, Wohnung, Gewerberäume und dergleichen. Ferner kann die Erfindung bei Zustandsmelder für Türen, Fenstern und anderen Gegenständen zum Einsatz kommen. Ferner ist die Erfindung anwendbar bei Schaltern in Verkehrsmitteln, wie Automobilen und dergleichen. Ferner kann die Erfindung Verwendung finden bei Notrufeinrichtungen für Personenschutz, in Krankenhäusern, öffentlichen Einrichtungen, wie Bahnhöfen und dergleichen. Vorzugsweise findet die Erfindung Anwendung bei mechanisch betriebenen Sensoren, im Maschinen- und Anlagenbau sowie in Fahrzeugen, auch bei Sport- und Freizeitgeräten sowie Spiegelzeugen kann die Erfindung zum Einsatz kommen.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung in miniaturisierte Bauweise verwirklicht werden kann, ergeben sich die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Piezowandler, welcher bei der Erfindung zum Anwendung kommen kann;
Fig. 2 eine schnittbildliche Darstellung durch ein Ausführungsbeispiel im Ruhezustand der Verformungsmechanik; und
Fig. 3 den Zustand des Ausführungsbeispiels bei von der Verformungsmechanik an den Piezowandler abgegebener mechanischer Energie.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel beinhaltet einen Piezowandler 1 und eine Verformungsmechanik 17, welche gespeicherte Energie zur Verformung des Piezowandlers auf diesen überträgt. Der Piezowandler 1 ist hierzu in einer Halterung 12 eingesetzt. Die Befestigung des Piezowandlers 1 erfolgt beispielsweise durch Klemmen oder Kleben der Randzahnen des Piezowandlers.
Über dem Piezowandler 1 ist die Verformungsmechanik 17 angeordnet, welche ein Federelement 3 aufweist, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel in seiner Ruhestellung nach oben gewölbt ist. Das Federelement 3 wird durch einen Befestigungsring 6 und einen elastischen O-Ring 5 in der kreisringförmigen Halterung 2 befestigt.
Das Federelement 3 bildet einen mechanischen Speicher, der bei einem von oben bzw. außen ausgeübten mechanischen Druck 9 nachgibt und dabei mechanische Energie bis zu einem bestimmten Totpunkt der Verformung speichert. Bei Überschreiten des Totpunktes der Verformung klappt das Federelement 3 in einen in der Fig. 3 dargestellten, nach unten gewölbten Zustand um. Dabei gibt es die gespeicherte mechanische Energie an den Piezowandler 1 ab. Dieser wird dabei verformt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Dämpfungselement 4 am Ort der Energieübertragung an dem Piezowandler 1 vorgesehen. Hierdurch erreicht man eine ausgeglichene Belastung des Piezowandlers sowie einen Ausgleich an Fertigungstoleranzen. Außerdem wird eine schonende Übertragung der mechanischen Energie auf den Piezowandler 1 erreicht.
Die Halterung 12 ist in dem Bereich, in welchem sie den Piezowandler 1 und die Verformungsmechanik 17 aufnimmt, topfförmig ausgebildet und besitzt an ihrem Boden eine Stützfläche 15. Der verformte Piezowandler 2 wird an diese Stützfläche 15 angedrückt. Die Wölbung der Stützfläche 15 ist an die optimale Verformung des Piezowandlers 1 angepasst. Die optimale Biegeform des Piezowandlers wird im Hinblick auf Wandlerschutz und Energieausbeute dimensioniert.
Das Federelement 3 ist, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, im Abstand von der Stelle, an welcher die mechanische Energie auf den Piezowandler 1 übertragen wird, an der Halterung über den O-Ring 5 und den Befestigungsring 6 an der Halterung 12 abgestützt. Hieraus resultiert eine Hebelwirkung, mit welcher die gespeicherte mechanische Energie auf den Piezowandler 1 übertragen wird. Hierdurch ist es möglich, dass der Verformungsweg, den das Federelement 3 nach Überschreiten des Totpunktes bei der Übertragung der gespeicherten mechanischen Energie auf den Piezowandler 1 zurücklegt, in Anpassung an eine schonende Verformung des Piezowandlers kurz bemessen sein kann. Durch die Hebelwirkung wird eine verstärkte Kraft auf das piezoelektrische Material des Wandlers 1 ausgeübt. In vorteilhafter Weise kann der Verformungsweg zur Durchbiegung des Federelementes 3 aus der in Fig. 2 dargestellten Ruhelage bis zum Totpunkt größer bemessen sein als der Weg, welcher nach dem Umklappen bzw. nach dem Überschreiten des Totpunktes bei der Energieübertragung auf den Piezowandler 1 zurückzulegen ist. Hierdurch erreicht man bei kleiner Verformung des Piezowandlers 1 eine ausreichende Übertragung an notwendiger mechanischer Energie, welche im Piezowandler 1 in elektrische Energie gewandelt wird. Die auf den Piezowandler 1 einwirkende Kraft ist um den Faktor der Wegverkürzung, die nach Überschreiten der Totpunktlage erreicht wird, verstärkt.
Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, wird in bevorzugter Weise ein Piezowandler 1 mit einem geschichteten Aufbau verwendet.
Das piezoelektrische Material vorzugsweise aus Piezokeramik ist in Schichten 2 mit aufsteigender Schichtdicke angeordnet. In der Fig. 1 sind drei Schichten 2 aus piezoelektrischem Material der Einfachheit halber dargestellt. Es können jedoch auch mehrere Schichten im Schichtaufbau vorgesehen sein.
Zwischen den Schichten 2 aus piezoelektrischem Material, insbesondere piezoelektrischer Keramik befinden sich Trennschichten in Form von elektrisch leitfähigen Schichten 10, 11. Im Schichtaufbau aufeinanderfolgende elektrisch leitfähige Schichten 10, 11 sind abwechselnd elektrisch miteinander verbunden. Dies kann durch elektrisch Kontaktierungen 13, 14 geschehen, ähnlich wie bei der Kontaktierung von Kondensatorbelegungen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektrisch leitfähigen Trennschichten 10 über die elektrische Kontaktierung 13 und die elektrisch leitfähigen Schichten 11 über die elektrische Kontaktierung 14 miteinander verbunden. Die Kontaktierung kann beispielsweise durch Kleben, Bonden, Klemmen oder andere Kontaktierungsverfahren erfolgen.
Bei in der Halterung 12 eingebauter Anordnung des Piezowandlers 1 liegt die Schicht 2 aus piezoelektrische Material, welche die geringste Schichtdicke aufweist, an der Seite des Piezowandlers 1, an welcher die Krafteinleitung bei der Verformung durch die Verformungsmechanik 17 erfolgt. Die darunterliegenden Schichten 2 besitzen, wie schon erwähnt, in der Aufeinanderfolge des Schichtaufbaus immer größer bemessene Schichtdicken.
Alle Schichten des Schichtaufbaus sind mechanisch fest miteinander verbunden. Durch den geschichteten Aufbau des Piezowandlers 1 erreicht man eine hohe Energiedichte und damit eine gute Miniaturisierbarkeit. Für die Gestaltung der mechanischen und elektrischen Parameter erreicht man eine hohe Flexibilität. Der geschichtete Aufbau gewährleistet eine hohe Haltbarkeit des Piezowandlers und eine kostengünstige Herstellung.
Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen ist, kann der Piezowandler 1 mit dem geschichteten Aufbau derart zum Einsatz gebracht werden, dass eine mittige Krafteinleitung und Durchbiegung im mittleren Bereich bei Abstützung der Randzonen erreicht wird. Dies wird insbesondere aus der Darstellung der Fig. 3 deutlich.
Der Piezowandler 1 kann Kreisscheibenform haben und in einer kreisringförmige Halterung 12 angeordnet werden. Es ist jedoch auch möglich, eine rechteckige oder quadratische Form zum Einsatz zu bringen, bei welcher eine mittige linienförmige Krafteinleitung zum Durchbiegen des Piezowandlers 1 zum Einsatz kommt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der Unterseite der Halterung 12 als Verbraucher 8 eine miniaturisierte Schaltung vorgesehen. Diese kann einen Mikroprozessor und einen Hochfrequenzsender aufweisen. Die bei der Verformung des Piezowandlers 1 erzeugte elektrische Spannung wird über elektrische Zuleitungen 7, von denen eine Zuleitung dargestellt ist, an den Verbraucher 8 weitergeleitet. Bei Verformung des Piezowandlers 1 sendet der Hochfrequenzsender ein Telegramm aus, welches Informationen, die in der miniaturisierten Schaltung gespeichert sind oder bei der Aktivierung durch die vom Piezowandler 1 erzeugte Spannung gewonnen wurden, enthält. Diese Informationen können zumindest eine Identifikationsnummer, Codierung und Mess- bzw. Sensorinformationen und dergleichen enthalten. Von einer nicht näher dargestellten entfernt vorgesehenen Empfängerstation werden die ausgesendeten Signale empfangen und gegebenenfalls zur Steuerung von Vorgängen, zur Anzeige und/oder zur Speicherung verwendet. Der Verbraucher 8 kann durch eine Vergussmasse 16 oder eine andere geeignete Schutzhülle umschlossen sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Piezowandler (1), wobei der Piezowandler (1) ein Vielschicht-Piezowandler ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei aufeinanderfolgende Schichten (2) piezoelektrischen Materials unterschiedliche, insbesondere aufsteigende, Schichtdicken aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) des piezoelektrischen Materials mit der geringsten Schichtdicke an der Seite des Piezowandlers (1) liegt, an welcher die Krafteinleitung bei der Verformung des Piezowandlers erfolgt.

3. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verformen des Piezowandlers (1) eine einen mechanischen Energiespeicher (3, 5) aufweisende Verformungsmechanik (17) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsweg der Verformungsmechanik (17) beim Speichern der mechanischen Energie größer ist als bei der Abgabe der mechanischen Energie an den Piezowandler (1).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsmechanik (17) als Hebelmechanik ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (5) ein Federelement (3) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (3) einen Totpunkt aufweist, wobei das Federelement (3) bei seiner Verformung auf der einen Totpunktseite mechanische Energie speichert und auf der anderen Totpunktseite mechanische Energie an den Piezowandler (1) abgibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Energie über ein Dämpfungselement (4) in den Piezowandler (1) eingeleitet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsmechanik (17) und der Piezowandler (1) in einer gemeinsamen Halterung (12) angeordnet sind, wobei an der Halterung (12) eine Stützfläche (15) vorgesehen ist, an welcher der verformte Piezowandler (1) anliegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezowandler (1) durch Klemmen oder Kleben an seinen Randzonen in seiner Halterung (12) befestigt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet dass ein daran angeschlossener Verbraucher (8) ebenfalls an oder in der gemeinsamen Halterung (12) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Energie mittig an einer Oberfläche des Piezowandlers (1) einleitbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (8) einen von der gewandelten Energie betriebenen Sender aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Sender übermittelte Information zumindest eine Identitätsnummer aufweist.