DE102008002680A1 - Biegewandlereinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Verformungen und Schaltungsmodul - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Biegewandlereinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Verformungen sowie ein Schaltungsmodul. Die erfindungsgemäße Biegewandlungseinrichtung umfasst mindestens eine elastisch deformierbare Trägerstruktur (1a, 1b, 1c), ein piezoelektrisches Element (2a, 2b) und eine Lagervorrichtung (13), wobei das piezoelektrische element (2a, 2b) derart auf der Trägerstruktur (1a, 1b, 1c) angeordnet und ausgebildet ist, dass durch eine Verformung der Trägerstruktur (1a, 1b, 1c) durch Schwingen das piezoelektrische Element (2a, 2b) verformbar ist und die Trägerstruktur (1a, 1b, 1c) schwingfähig in mindestens einem Lager der Lagervorrichtung gelagert ist, wobei das Lager als gelenkige Aufnahme, insbesondere Scharnier (3a, 3b, 3c, 3d), ausgebildet ist.
Description
- Stand der Technik
- Es ist bekannt, bei Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch zur Stromversorgung piezoelektrische Materialien einzusetzen, die aus Umgebungsenergien, insbesondere aus Vibrationen und Deformationen, elektrische Energie erzeugen (auch bezeichnet als „Energy harvesting”). Die Umwandlung von Verformungen in elektrische Energie kann insbesondere mittels einer Biegewandlereinrichtung bewirkt werden. Eine derartige Biegewandlereinrichtung offenbart die Druckschrift
DE 10 2007 006 994 A1 , die neben einem piezoelektrischen Element eine elastisch deformierbare Trägerstruktur und eine Lagervorrichtung umfasst. Das piezoelektrische Element ist derart auf der Trägerstruktur angeordnet und ausgebildet, dass durch eine Verformung der Trägerstruktur durch Schwingen das piezoelektrische Element verformbar ist, wobei die Trägerstruktur schwingfähig in der Lagervorrichtung gelagert ist. Über eine Metallbeschichtung an der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Elementes kann die durch Verformen des piezoelektrischen Elementes erzeugte Spannung abgegriffen werden. Die Biegewandlereinrichtung ist Teil eines Schaltungsmoduls, das als energetisch autarkes Sensormodul zum Messen eines Drucks und/oder einer Temperatur und/oder einer Beschleunigung eines Reifens verwendbar ist. - Wichtiges Kriterium für die Einsetzbarkeit derartiger Biegewandlereinrichtungen, insbesondere als Bestandteil eines oben beschriebenen Schaltungsmoduls, ist dessen Langlebigkeit. Insbesondere bei einem Einsatz in einem Reifen ist eine derartige Biegewandlereinrichtung hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere das Lager, in dem die Trägerstruktur gelagert ist, ist mechanischen Belastungen ausgesetzt. Derartige Belastungen werden durch das Schwingen der Trägerstruktur erzeugt. Ist die Trägerstruktur fest eingespannt, oder wie in der
DE 10 2007 006 994 A1 in einer Nut des Gehäuses gelagert, so kann insbesondere durch Abrieb die Lebensdauer reduziert sein. - Offenbarung der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Biegewandlereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Lager der Lagervorrichtung, die die Trägerstruktur aufnimmt, als gelenkige Aufnahme ausgebildet ist. Unter einer gelenkigen Aufnahme wird hierbei eine Aufnahme verstanden, die eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse zulässt und diese Schwenkbewegung vorteilhafterweise auch definiert, insbesondere durch ein Gelenkauge und/oder Gelenkachse.
- Vorteilhafterweise ist die gelenkige Aufnahme ein Scharnier.
- Die Verwendung eines Gelenkes, insbesondere Scharniers als Lager ermöglicht eine langlebige Lagerung der Trägerstruktur in der Lagervorrichtung. Das Scharnier kann die mechanische Belastung dadurch reduzieren, dass es beim Schwingen der Trägerstruktur sich um eine Scharnierachse mitverschwenkt.
- Durch die Verwendung eines Scharniers lässt sich insbesondere bei einer bevorzugten losen Lagerung der Trägerstruktur im Scharnier zudem vermeiden, dass sich die Resonanzfrequenz des schwingenden Systems der Biegewandlereinrichtung, die in der Regel neben der Trägerstruktur und dem piezoelektrischen Element noch eine seismische Masse aufweist, unerwünscht erhöht, wie es beispielsweise bei einer festen, unbeweglichen Einspannung der Trägerstruktur der Fall wäre. Gegenüber einer losen Einspannung der Trägerstruktur von der Ober- und Unterseite her bietet die Verwendung eines Scharniers den Vorteil, dass eine Lagerung mit nur geringem Spiel möglich ist, wodurch verhindert wird, dass die Trägerstruktur im Lager umher rutscht oder dieses sogar verlässt. Ausreichend niedrige Resonanzfrequenzen sind allerdings vorteilhaft, wenn man eine derartige Biegewandlereinrichtung als Bestandteil einer Stromversorgungseinrichtung eines Schaltungsmoduls einsetzen möchte, welches in einem Reifen verwendet werden soll, beispielsweise als Sensormodul.
- Des Weiteren kann durch die Verwendung eines Scharniers die Trägerstruktur bzw. das schwingfähige System in seiner Auslenkung begrenzt werden, da das Scharnier die Trägerstruktur mit zunehmender Auslenkung versteifen kann (wodurch die Federkonstante zunimmt). Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Trägerstruktur bzw. das schwingfähige System hohen statischen Beschleunigungen ausgesetzt ist, die von Vibrationen oder Schocks überlagert sind.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Es zeigen:
-
1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biegewandlereinrichtung, -
2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biegewandlereinrichtung, -
3 eine Aufsicht auf die Biegewandlereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, -
4 eine erste Ausführungsform eines Scharniers, -
5 eine zweite Ausführungsform eines Scharniers, -
6 eine dritte Ausführungsform eines Scharniers, und -
7 eine Aufsicht auf das Scharnier gemäß der ersten Ausführungsform. - Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biegewandlereinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Verformungen. Die Biegewandlereinrichtung ist Bestandteil einer Stromversorgungseinrichtung eines hier nicht näher dargestellten Schaltungsmoduls. Die Biegewandlereinrichtung umfasst eine elastisch deformierbare Trägerstruktur1a , ein piezoelektrisches Element2a , eine seismische Masse12 , sowie eine Lagervorrichtung13 . Trägerstruktur1a , piezoelektrisches Element2a und seismische Masse12 bilden ein schwingfähiges System. Die Trägerstruktur1a weist einen balkenförmigen Abschnitt9 auf (siehe3 ). In der Mitte des balkenförmigen Bereiches9 gehen rechts- und linksseitig zwei Stege14 ab, die jeweils in einen bogenförmigen, flügelähnlichen Abschnitt15 münden. Der balkenförmige Abschnitt9 ist für die Anordnung des piezoelektrischen Elements2a vorgesehen, über die flügelähnlichen Bereiche15 ist die seismische Masse, hier durch Kleben, an der Trägerstruktur1a befestigt. Die Trägerstruktur1a ist als dünnes, planparalleles und im Wesentlichen kreisförmiges Element ausgebildet, was für schichtförmige, kompakte Aufbauten einer Biegewandlereinrichtung vorteilhaft ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Trägerstruktur aus einem elektrisch leitfähigen Blech aus Federstahl. - Das piezoelektrische Element
2a ist hier eine piezoelektrische Keramik, die in Form eines Streifens in dem mittleren Bereich auf dem balkenförmigen Abschnitt9 der Trägerstruktur1a auf dessen Oberseite angeordnet ist. Die Endbereiche10 ,11 des balkenförmigen Abschnitts9 werden insbesondere nicht durch das piezoelektrische Element2a überdeckt. Das piezoelektrische Element2a weist an seiner Oberseite16 und an seiner Unterseite17 eine Metallschicht auf (nicht gezeigt), über die die vom piezoelektrischen Element2a generierte Spannung abgegriffen werden kann. Das piezoelektrische Element2a ist dabei an seiner Unterseite17 über einen leitfähigen Kleber auf der Trägerstruktur1a befestigt, wodurch es möglich ist, über die Trägerstruktur1a die Spannung mittelbar abzugreifen. An der Oberseite16 des piezoelektrischen Elementes2a wird die Spannung mittelbar hier über ein leitfähiges Federblech (nicht gezeigt) abgegriffen. Alternativ kann die Kontaktierung auch über das Anlöten bzw. Bonden eines Drahtes an der Oberseite16 des piezoelektrischen Elementes erfolgen oder ein anderes bekanntes Verfahren verwendet werden. - Die Lagervorrichtung
13 weist zwei als Scharniere3a ausgebildete Lager auf. Über die Scharniere3a ist die Trägerstruktur1a in der Lagervorrichtung13 gelagert. Das Scharnier3a ist in der3 , die eine Seitenansicht des Scharniers3a zeigt, und in der7 , die eine Aufsicht auf das Scharnier3a zeigt, näher dargestellt. Das Scharnier3a weist ein erstes Scharnierelement4a und ein zweites Scharnierelement5a auf, die über ein Scharniergelenk7 miteinander verbunden sind und um eine vom Scharniergelenk7 ausgebildete Scharnierachse6 verschwenkbar sind. Das Scharniergelenk7 wird dadurch gebildet, dass das erste Scharnierelement4a am Rand zwei Buchsen18 ausbildet und das zweite Scharnierelement5a am Rand eine Buchse19 ausbildet, wobei die Buchsen18 ,19 der Scharnierelemente4a ,5a fluchtend zueinander angeordnet sind und wobei die Buchse19 des zweiten Elementes sich zwischen den beiden Buchsen18 des ersten Elementes4a befindet. Durch die Buchsen18 ,19 tritt ein Stift20 . Erstes Scharnierelement und zweites Scharnierelement5a werden aus einem elektrisch leitfähigen Blech gebildet, der Stift20 ist ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigem Metall. Über eine Lötverbindung ist der Stift20 fest mit der Buchse19 des zweiten Elementes verbunden. Zusätzlich ist das Scharniergelenk7 mit einem elektrisch leitfähigen Schmiermittel auf Basis von Graphit geschmiert. Damit ist es möglich, Strom vom zweiten Scharnierelement5a zum ersten Scharnierelement4a zu leiten. - Das zweite Scharnierelement
5a weist an seinem der Buchse19 gegenüber liegenden Ende einen Lagerbereich21 mit einer im Profil U-förmigen Aussparung22 auf, siehe4 . In dieser Aufnahme22 ist der Endbereich10 bzw.11 des balkenförmigen Abschnitts9 der Trägerstruktur1a aufgenommen. Der Endbereich10 bzw.11 wird dabei durch die Aufnahme22 an drei Seiten, also an Ober-, Unterseite und Stirnseite, umfasst. Die Abmaße der Aufnahme22 sind so gewählt, dass die Trägerstruktur1a zwar lose, aber mit nur geringem Spiel im Scharnier3a gelagert ist. Es wird somit eine laterale Verkürzung der Trägerstruktur1a bei deren Durchwölbung aufgrund ihrer Schwingbewegung zugelassen. - Während das zweite Scharnierelement
5a eines Scharniers3a die Trägerstruktur1a aufnimmt, ist das erste Scharnierelement4a fest in einem Gehäuse23 zwischen einem Gehäusedeckel24 und einem Gehäuseboden25 eingespannt. In dem Gehäuseboden25 sind elektrische Kontaktbahnen26 vorgesehen, die die Scharniere3a elektrisch kontaktieren. Über derartige elektrische Kontaktbahnen26 kann eine elektrische Verbindung mit anderen Komponenten der Einrichtung hergestellt werden. Die elektrische Kontaktbahn26 kann beispielsweise als Leadframe oder als Einlegeteil ausgebildet sein. -
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biegewandlereinrichtung. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform umfasst die Biegewandlereinrichtung neben einer ersten elastisch deformierbaren und elektrisch leitfähigen Trägerstruktur1b eine zweite elastisch deformierbare und elektrisch leitfähige Trägerstruktur1c . Erste Trägerstruktur1b und zweite Trägerstruktur1c sind entsprechend der Trägerstruktur1a der ersten Ausführungsform als im Wesentlichen planes, elektrisch leitfähiges Metallblech ausgebildet. Eine seismische Masse12 ist dabei an der Unterseite der zweiten Trägerstruktur1c befestigt. Ein piezoelektrisches Element2b ist zwischen der ersten und zweiten Trägerstruktur1b ,1c derart angeordnet, dass die Trägerstruktur1b flächig auf der Oberseite des piezoelektrischen Elementes2b liegt, und die zweite Trägerstruktur1c flächig an der Unterseite des piezoelektrischen Elementes2b anliegt. Trägerstruktur1b und1c sind nur einseitig in einem Scharnier3b gelagert. Die Trägerstrukturen1b ,1c sind in ihrem jeweiligen Endbereich27 bzw.28 , über den sie im Scharnier3b gelagert sind, abgewinkelt, da die Scharniere3b in einer gemeinsamen Ebene liegen. Eine Aufnahme der Scharniere3b , die wie die Aufnahme22 des Scharniers3a ausgebildet ist, ist entsprechend ausgerichtet. Ansonsten entspricht die zweite Ausführungsform der ersten Ausführungsform, insbesondere entspricht das Scharnier3b dem Scharnier3a der ersten Ausführungsform. - Die zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Biegewandlereinrichtung zeigt eine Möglichkeit, über zwei Trägerstrukturen
1b ,1c die vom piezoelektrischen Element2b aufgebaute Spannung abzugreifen. Über die elektrisch leitfähigen Scharniere3b kann über elektrische Kontaktbahnen26 die elektrische Kontaktierung an die gewünschten Stellen weitergeführt werden. - Die Trägerstrukturen
1b ,1c können dieselbe Dicke aufweisen, oder, insbesondere zur Festlegung der neutralen Faser, auch unterschiedlich dick sein. - Das piezoelektrische Element, das hier als Unimorph ausgeführt ist, kann auch als Bimorph ausgebildet sein.
- In einer Variante der zweiten Ausführungsform können anstatt zwei Scharniere
3b vier Scharniere3b vorgesehen sein, wobei jeweils eine Trägerstruktur1b durch zwei Scharniere3b gehalten wird. Die Trägerstrukturen1b ,1c können als plane Elemente ausgebildet werden, und jeweils zwei Scharniere3b , die eine Trägerstruktur1b ,1c halten, in einer Ebene angeordnet werden. Das piezoelektrische Element2b wird in diesem Fall entsprechend der ersten Ausführungsform lediglich auf Biegung beansprucht, kann aber trotzdem auf Ober- und Unterseite elektrisch kontaktiert werden. - In einer Ausbildung dieser Variante ist lediglich eines der beiden Scharniere, die eine Trägerstruktur halten, elektrisch mit einer elektrischen Kontaktbahn verbunden, wobei zwei Scharniere ausgewählt sind, die jeweils auf verschiedenen Seiten des piezoelektrischen Elementes
2b angeordnet sind. Dies ermöglicht eine einfache Kontaktierung der Scharniere. - Es existieren weitere Varianten, die Biegewandlereinrichtung auszubilden. So kann beispielsweise das Scharnier
3a oder das Scharnier3b als Gleitkontakt, beispielsweise mit einem Schleifring oder einer Bürste, ausgeführt sein. Weitere Alternativen für die Ausführung eines Scharniers zeigen die5 und6 . Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist das Scharnier3c einen elastisch deformierbaren Bereich8 auf, der zwischen einem starren ersten Scharnierelement4c und einem starren zweiten Scharnierelement5c ausgebildet ist. Der elastisch deformierbare Bereich6 bildet dabei eine Scharnierachse aus, um die erstes Scharnierelement4c und zweites Scharnierelement5c verschwenkt werden können. Gemäß einer dritten Ausführungsform eines Scharniers3d umfasst das Scharnier3d ein erstes Scharnierelement4d , das elastisch deformierbar ist, und ein starres zweites Scharnierelement5d . Erstes Scharnierelement4d und zweites Scharnierelement5d sind miteinander verbunden, hier über eine Feder-Nut-Verbindung. Die Elastizität des erstes Scharnierelementes4d gewährleistet dabei die Ausbildung einer Schwenkachse6 . Es ist auch vorstellbar, das Scharnier einstückig aus einem elastisch deformierbaren Material auszubilden. - Anstatt einer Trägerstruktur
1a ,1b ,1c aus Metall können alternativ auch Trägerstrukturen auf der Basis eines Kunststoffs oder eines Harzes eingesetzt werden. Um die elektrische Kontaktierung des piezoelektrischen Elementes zu ermöglichen, können diese beispielsweise mit geeigneten Kontaktbahnen versehen sein. - Das beschriebene Schaltungsmodul mit der Biegewandlereinrichtung eignet sich beispielsweise für die Verwendung als energetisch autarkes Sensormodul, insbesondere als Reifensensormodul für die Messung eines Reifeninnendrucks und/oder Temperatur und/oder Beschleunigungen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102007006994 A1 [0001, 0002]
Claims (16)
- Biegewandlereinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Verformungen, mindestens umfassend eine elastisch deformierbare Trägerstruktur (
1a ,1b ,1c ), ein piezoelektrisches Element (2a ,2b ) und eine Lagervorrichtung (13 ), wobei das piezoelektrische Element (2a ,2b ) derart auf der Trägerstruktur (1a ,1b ,1c ) angeordnet und ausgebildet ist, dass das piezoelektrische Element (2a ,2b ) durch eine Verformung der Trägerstruktur (1a ,1b ,1c ) verformbar ist, und die Trägerstruktur (1a ,1b ,1c ) in mindestens einem Lager der Lagervorrichtung (13 ) schwingfähig gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lager der Lagervorrichtung (13 ) als gelenkige Aufnahme (3a ,3b ,3c ,3d ) ausgebildet ist. - Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trägerstruktur (
1a ,1b ,1c ) lose in der mindestens einen gelenkigen Aufnahme (3a ,3b ,3c ,3d ) gelagert ist. - Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die lose Lagerung eine translatorische Verstellung der Trägerstruktur in der gelenkigen Aufnahme (
3a ,3b ,3c ,3d ) zulässt, die einer lateralen Verkürzung der Trägerstruktur (1a ,1b ,1c ) aufgrund ihrer Schwingbewegung entspricht. - Einrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gelenkige Aufnahme ein Scharnier (
3a ,3b ,3c ,3d ) ist. - Einrichtung nach Anspruch 4, wobei das Scharnier mindestens ein erstes Scharnierelement (
4a ,4c ,4d ) und ein zweites Scharnierelement (5a ,5c ,5d ) umfasst, die um eine von dem Scharnier (3a ,3c ,3d ) ausgebildete Scharnierachse (6 ) verschwenkbar sind. - Einrichtung nach Anspruch 5, wobei das Scharnier (
3a ) ein Scharniergelenk (7 ) aufweist, das die Scharnierachse (6 ) ausbildet, und das erste Scharnierelement (4a ) und das zweite Scharnierelement (5a ) mit dem Scharniergelenk (7 ) verbunden sind. - Einrichtung nach Anspruch 5, wobei das Scharnier (
3c ,3d ) ein deformierbares Element (4d ,8 ) aufweist, das die Scharnierachse (6 ) ausbildet, und das erste Scharnierelement (4c ,4d ) und das zweite Scharnierelement (5c ,5d ) mit dem deformierbaren Element (4d ,8 ) verbunden sind. - Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Scharnier (
3a ,3b ,3c ,3d ) oder ein Scharnierelement (4a ) in einem Gehäuse (23 ) zwischen einem Gehäusedeckel (24 ) und einem Gehäuseboden (25 ) eingespannt ist. - Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (
1a ,1b ,1c ) einen Abschnitt (9 ) aufweist, der balkenförmig ausgebildet ist. - Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die Trägerstruktur (
1a ,1b ,1c ) an mindestens einem Ende (10 ,11 ,27 ,28 ) des balkenförmigen Abschnitts (9 ) in der mindestens einen gelenkigen Aufnahme (3a ) gelagert ist. - Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Trägerstruktur (
1a ,1b ,1c ) an beiden Enden (10 ,11 ) des balkenförmigen Abschnitts (9 ) in jeweils einer gelenkigen Aufnahme (3a ) gelagert ist. - Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerstruktur (
1a ,1b ,1c ) elektrisch leitfähig ist und eine Elektrode des piezoelektrischen Elementes bildet, wobei auch die gelenkige Aufnahme (3a ,3b ) ganz oder teilweise elektrisch leitfähig ist und die Trägerstruktur (1a ,1b ,1c ) über die gelenkige Aufnahme (3a ,3b ) elektrisch kontaktiert ist. - Einrichtung nach Anspruch 12, zusätzlich umfassend eine zweite elastisch deformierbare und elektrisch leitfähige Trägerstruktur (
1c ), wobei die erste Trä gerstruktur (1b ) und die zweite Trägerstruktur (1c ) unter- und oberseitig des piezoelektrischen Elements (2b ) angeordnet sind und eine Elektrode und Gegenelektrode zum Abgreifen der durch das piezoelektrische Element (2b ) erzeugten Spannung bilden, und die zweite Trägerstruktur (1c ) in einer zweiten elektrisch leitfähigen gelenkigen Aufnahme (3b ) der Lagervorrichtung (13 ) gelagert ist und die zweite Trägerstruktur (1c ) über die zweite gelenkige Aufnahme (3b ) elektrisch kontaktiert ist. - Schaltungsmodul mit einer Stromversorgungseinrichtung, wobei die Stromversorgungseinrichtung eine Biegewandlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist und die Biegewandlereinrichtung ein schwingfähiges System zur Generierung von piezoelektrischer Spannung bildet, wobei das Schaltungsmodul energetisch autark ausgebildet ist.
- Schaltungsmodul nach Anspruch 14, das ein Gehäuse (
23 ) mit einem Gehäusedeckel (24 ) und einem Gehäuseboden (25 ) aufweist, wobei die gelenkige Aufnahme (3a ,3b ,3c ,3d ) oder ein Teil der gelenkigen Aufnahme (4a ) zwischen dem Gehäusedeckel (24 ) und dem Gehäuseboden (25 ) eingespannt ist, wobei in dem Gehäuse, z. B. im Gehäuseboden (25 ), elektrische Kontaktbahnen (26 ) vorgesehen sind, die die gelenkige Aufnahme (3a ,3b ,3c ,3d ) elektrisch kontaktieren. - Schaltungsmodul nach Anspruch 14 oder 15, das als Sensormodul, insbesondere als Reifensensormodul für die Messung eines Reifeninnendrucks und/oder einer Temperatur und/oder von Beschleunigungen ausgebildet ist.
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