DE102008037341A1

DE102008037341A1 - Device for producing electrical energy from vibrations of surface area for self-energizing system, particularly self-energizing sensor system, has individual piezoelectric element, which has upper side and lower side

Info

Publication number: DE102008037341A1
Application number: DE200810037341
Authority: DE
Inventors: Jürgen RUPP
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2010-02-25

Abstract

The device has an individual piezoelectric element (4), which has an upper side and a lower side. The piezoelectric element guides an elongation or buckling between the upper side and the lower side for producing an electric voltage between the upper side and the lower side. The lower side is formed for mechanical coupling with the surface area (2), and the upper side is mechanically connected with a mass element (7).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Vibrationen einer Oberfläche.The The invention relates to a device for generating electrical energy from vibrations of a surface.

Energieautarke Systeme wie beispielsweise autarke Sensoren benötigen eine Energieversorgung. Diese kann über ein Energiereservoir wie beispielsweise eine Batterie bewerkstelligt werden. Die Lebensdauer einer Batterie ist aber stets begrenzt. Flexibler ist die Energiegewinnung aus der Umgebung des Systems, auch als Energy Harvesting bezeichnet. Als Energie in der Umgebung des Systems kommen beispielsweise Vibrationen in Betracht, die das System aus der Umgebung erfassen, beispielsweise Vibrationen einer Maschine, die sich auf ein an der Maschine angebrachtes autarkes System übertragen.energy self-sufficient Systems such as self-contained sensors require a power supply. This can over an energy reservoir such as a battery accomplished become. The life of a battery is always limited. flexible is the generation of energy from the environment of the system, as well Energy Harvesting called. As energy come in the environment of the system For example, consider vibrations that affect the system from the environment capture, for example, vibrations of a machine that is on a self-sufficient system attached to the machine.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Vibrationen mit einem vereinfachten Aufbau anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.task The invention is a device for generating electrical Specify energy from vibrations with a simplified structure. These The object is achieved by a device having the features of claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist ausgestaltet zur Erzeugung elektrischer Energie aus Vibrationen einer Oberfläche, mit der die Einrichtung mechanisch gekoppelt ist. Die Einrichtung weist dazu ein piezoelektrisches Element auf. Das piezoelektrische Element weist eine Oberseite und eine Unterseite auf und eine Streckung oder Stauchung zwischen Oberseite und Unterseite führt in der für piezoelektrische Elemente bekannten Weise zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zwischen der Oberseite und der Unterseite. Die Unterseite ist ausgestaltet zur mechanischen Kopplung mit der Oberfläche und die Oberseite ist mechanisch mit einem Masseelement verbunden.The inventive device is designed to generate electrical energy from vibrations a surface, with which the device is mechanically coupled. The device has a piezoelectric element for this purpose. The piezoelectric Element has a top and a bottom and an extension or compression between top and bottom leads in the for piezoelectric Elements known manner for generating an electrical voltage between the top and the bottom. The underside is designed for mechanical coupling with the surface and the top is mechanical connected to a mass element.

Es handelt sich bei dem piezoelektrischen Element um ein einzelnes Element im Gegensatz zu den beim Stand der Technik häufig verwendeten Piezo-Stacks, d. h. Piezoelektrischen Stapelelementen. Piezoelektrische Stapelelemente sind dabei aus einer Mehrzahl einzelner piezoelektrischer Elemente mit einer entsprechenden Finger-Elektrodenstruktur aufgebaut, um aus einer gegebenen Ansteuerspannung beispielsweise eine möglichst große mechanische Auslenkung zu erzeugen.It the piezoelectric element is a single one Element in contrast to those commonly used in the prior art Piezo stacks, d. H. Piezoelectric stacking elements. piezoelectric Stacking elements are made of a plurality of individual piezoelectric Elements constructed with a corresponding finger-electrode structure, for example, a possible from a given drive voltage size to generate mechanical deflection.

Umgekehrt würde ein solches piezoelektrisches Stapelelement bei einer mechanischen Auslenkung eine vergleichweise große Spannung erzeugen. Dafür sind die piezoelektrischen Stapelelemente komplex aufgebaut, vor allem gezwungen durch den komplexen Aufbau der Fingerelektroden, die zwischen die einzelnen piezoelektrischen Schichten des piezoelektrischen Stapelelements eingebracht und außen kontaktiert werden müssen.Vice versa would be one Such piezoelectric stacking element in a mechanical deflection a comparatively large one Create tension. Therefore the piezoelectric stack elements are complex, before all forced by the complex structure of finger electrodes, between the individual piezoelectric layers of the piezoelectric Stacking element introduced and must be contacted outside.

Gemäß der Erfindung wird anstelle des piezoelektrischen Stapelelements ein einzelnes piezoelektrisches Element, beispielsweise ein piezoelektrischer Tonsignalgeber, verwendet. Dieses weist also zweckmäßig keine Zwischenelektroden auf, sondern lediglich die zwei nötigen Anschlusselektroden zum Abgriff der entstehenden Spannung.According to the invention becomes a single one instead of the piezoelectric stacking element piezoelectric element, for example a piezoelectric element Sounder, used. So this has no appropriate Intermediate electrodes, but only the two necessary connection electrodes for tapping the resulting voltage.

Das einzelne Piezoelektrische Element ist leicht im Vergleich zu seiner mechanischen Festigkeit. Daher führen die Vibrationen der Oberfläche zu einer eher geringen Streckung und Stauchung des piezoelektrischen Elements. Erfindungsgemäß ist daher auf seiner Oberseite ein Masseelement befestigt. Das Masseelement verstärkt die mechanische Trägheit des piezoelektrischen Elements und führt somit zu einer verstärkten Streckung und Stauchung unter Einfluss der Vibrationen, d. h. zu einer erhöhten erzeugten elektrischen Spannung.The single piezoelectric element is slightly compared to its mechanical strength. Therefore lead the vibrations of the surface to a rather small stretch and compression of the piezoelectric Element. Therefore, according to the invention attached to its top a mass element. The mass element reinforced the mechanical inertia of the piezoelectric element and thus leads to increased stretching and compression under the influence of vibration, d. H. to an increased generated electrical voltage.

Es ist zweckmäßig, wenn die Dicke des piezoelektrischen Elements geringer ist als seine laterale Ausdehnung. Beispielsweise ist das Piezoelektrische Element scheibenförmig und weist eine Dicke von weniger als 15% seines Durchmessers auf.It is appropriate if the thickness of the piezoelectric element is less than its thickness lateral expansion. For example, the piezoelectric element disc-shaped and has a thickness of less than 15% of its diameter.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Unterseite einen Permanentmagnet zur Befestigung auf der Oberfläche aufweist. Dadurch kann ein autarkes System mit der Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie flexibel an jede Maschine o. ä. befestigt werden, an der der Permanentmagnet haftet.Especially It is advantageous if the underside of a permanent magnet for Fixing on the surface having. This allows a self-sufficient system with the facility for Generation of electrical energy flexibly attached to any machine or similar become, to which the permanent magnet adheres.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung ein weiteres piezoelektrisches Element auf. Dieses ist mit dem Masseelement auf der vom piezoelektrischen Element abgewandten Seite verbunden. Aus Sicht der Oberfläche entsteht dadurch also der Aufbau piezoelektrisches Element, Masseelement, weiteres piezoelektrisches Element. Weiterhin ist es zweckmäßig, auf der vom Masseelement abgewandten Seite des weiteren piezoelektrischen Elements ein Halteelement vorzusehen, das mechanisch direkt oder indirekt mit der Oberfläche verbunden ist, da ansonsten das weitere piezoelektrische Element auf dem Masseelement vibrieren könnte, ohne dabei eine große Stauchung oder Streckung zu erfahren. Das Halteelement, das beispielsweise Teil eines Gehäuses für die Einrichtung sein kann, sorgt jedoch dafür, dass die Vibrationen des Masseelements eines der piezoelektrischen Elemente stauchen und gleichzeitig das andere der piezoelektrischen Elemente strecken. Durch diesen Aufbau kann in etwa die doppelte elektrische Energie aus den Vibrationen gewonnen werden bei nahezu gleichem Aufwand für den Aufbau.In an advantageous embodiment of the invention, the device another piezoelectric element. This is with the earth element connected on the side facing away from the piezoelectric element side. From the perspective of the surface emerges Thus, the structure of piezoelectric element, mass element, another piezoelectric element. Furthermore, it is appropriate to the side facing away from the mass element of the further piezoelectric Elements provide a holding element, the mechanically directly or indirectly with the surface is connected, otherwise the other piezoelectric element could vibrate on the mass element, without a big one To experience compression or extension. The holding element, for example Part of a housing for the However, it can ensure that the vibrations of the Compressing the mass element of one of the piezoelectric elements and at the same time stretch the other of the piezoelectric elements. Through this structure can be about twice the electrical energy The vibrations are obtained with almost the same effort for the structure.

Die Einrichtung lässt sich vorteilhaft zur Versorgung eines autarken Systems, beispielsweise eines Sensorsystems, mit Energie einsetzen.The Device leaves advantageous for the supply of a self-sufficient system, for example of a sensor system, use with energy.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei schematisch eine Oberfläche 2 eines vibrierenden Maschinenteils 1, beispielsweise einer Walze in einem Stahlwerk. Auf der Oberfläche 2 ist mittels einer dauermagnetischen Scheibe 3 ein autarkes Sensorsystem, beispielsweise zur Messung und draht losen Weitergabe von eben den Schwingungen des Maschinenteils 1, angebracht. Die dauermagnetische Scheibe 3 ist in diesem Beispiel als flacher Quader ausgeführt, aber ihre Form spielt nur eine geringfügige Rolle, sie kann auch als runde Scheibe ausgeführt werden. Für eine kompakte Bauform und insgesamt geringe Masse des Sensorsystems ist es lediglich zweckmäßig, die Scheibe 3 nicht zu dick auszuführen.A preferred, but by no means limiting embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. The single figure shows schematically a surface 2 a vibrating machine part 1 , For example, a roller in a steel plant. On the surface 2 is by means of a permanent magnetic disc 3 a self-sufficient sensor system, for example, for measuring and wire loose transmission of just the vibrations of the machine part 1 , appropriate. The permanent magnetic disc 3 is in this example designed as a flat cuboid, but its shape plays only a minor role, it can also be performed as a round disc. For a compact design and low overall mass of the sensor system, it is only expedient to use the disc 3 not too thick.

Die Haftung an der Oberfläche 2 des Maschinenteils 1 wird in diesem Beispiel über die dauermagnetische Scheibe 3 realisiert. Dies ist praktisch, da die magnetische Haftung reversibel, flexibel und doch fest ist. In alternativen Ausführungsmöglichkeiten kann die Haftung aber beispielsweise auch durch eine Anschraubplatte oder durch Klebstoff erfolgen. Rein prinzipiell könnte das Sensorsystem auch ohne Haftung einfach auf die Oberfläche aufgelegt werden, solange ein Herunterfallen verhindert wird und ein gewisser mechanischer Kontakt sichergestellt ist.The adhesion to the surface 2 of the machine part 1 is in this example on the permanent magnetic disc 3 realized. This is convenient because the magnetic adhesion is reversible, flexible and yet firm. In alternative embodiments, the liability but can for example be done by a screw-on or by adhesive. In principle, the sensor system could easily be placed on the surface even without adhesion, as long as it is prevented from falling down and a certain mechanical contact is ensured.

Auf der dauermagnetischen Scheibe 3 sind die weiteren Komponenten des Sensorsystems untergebracht. Dabei handelt es sich um einen Sensor und eine dazugehörige Datenübertragungseinheit, die der Übersichtlichkeit halber in der Figur als Sensorchip 10 dargestellt sind. Die Versorgung des Sensorchips 10 mit elektrischer Energie geschieht über den piezoelektrischen Vibrationsgenerator, der ebenfalls auf der dauermagnetischen Scheibe 3 vorgesehen ist.On the permanent magnetic disc 3 the other components of the sensor system are housed. It is a sensor and an associated data transmission unit, which in the figure as a sensor chip for clarity 10 are shown. The supply of the sensor chip 10 with electrical energy is done via the piezoelectric vibration generator, which also on the permanent magnetic disc 3 is provided.

Der piezoelektrische Vibrationsgenerator besteht aus einem piezoelektrischen Element 4, für das zweckmäßig ein piezoelektrischer Tonsignalgeber verwendet wird. Dieser weist eine erste Elektrode 5 auf seiner der dauermagnetischen Scheibe 3 zugewandten Seite auf. Eine zweite Elektrode 6 wiederum ist auf seiner Oberseite, also der von der dauermagnetischen Scheibe 3 abgewandten Seite vorgesehen. Die Elektroden 5, 6 sind zweckmäßig großflächig ausgeführt, um einen möglichst effizienten Abgriff der Spannung zu ermöglichen, da piezoelektrische Materialien nichtleitend sind. Hierzu überdecken die Elektroden zweckmäßig wenigstens die Hälfte, besser noch mehr der Flächen des piezoelektrischen Elements 4.The piezoelectric vibration generator consists of a piezoelectric element 4 for which a piezoelectric buzzer is suitably used. This has a first electrode 5 on his the permanent magnetic disc 3 facing side up. A second electrode 6 in turn, it is on its upper side, that is the one of the permanent magnetic disc 3 provided on the opposite side. The electrodes 5 . 6 are expediently designed over a large area to allow the most efficient tapping of the voltage, since piezoelectric materials are non-conductive. For this purpose, the electrodes expediently cover at least half, better still more of the surfaces of the piezoelectric element 4 ,

Auf der Oberseite des piezoelektrischen Elements 4 ist auf der zweiten Elektrode 6 ein Masseelement 7 befestigt. Dieses ist im gegebenen Beispiel als vergleichsweise hoher Quader ausgeführt, während das piezoelektrische Element 4 als runde Scheibe dargestellt ist. Die Form der Elemente spielt jedoch eine untergeordnete Rolle. Die Höhe des Masseelements 7 bestimmt seine Masse mit und diese wiederum sorgt für die mechanische Stauchung und Streckung des piezoelektrischen Elements 4. Durch eine geeignete Materialwahl mit beispielsweise hoher Dichte kann die Dicke des Masseelements 7 bei einer gewünschten Masse und einer vorgegebenen lateralen Ausdehnung also gesenkt werden.On top of the piezoelectric element 4 is on the second electrode 6 a mass element 7 attached. This is performed in the example given as a comparatively high parallelepiped, while the piezoelectric element 4 is shown as a round disc. However, the shape of the elements plays a minor role. The height of the mass element 7 determines its mass with and this in turn provides for the mechanical compression and elongation of the piezoelectric element 4 , By a suitable choice of material with, for example, high density, the thickness of the mass element 7 be lowered at a desired mass and a given lateral extent so.

Zwischen der dauermagnetischen Scheibe 3 und der ersten Elektrode 5 bzw. dem Sensorchip 10 ist eine flächige Leiterbahn 9, beispielsweise aus Kupfer vorgesehen. Diese dient beispielsweise dem elektrischen Masseanschluss für den Sensorchip 10. Die zweite Elektrode 6 wird über einen Bonddraht 8 mit einer Kontaktfläche 11 auf dem Sensorchip 10 verbunden, wodurch der positive Spannungsanschluss realisiert wird. Es ist selbstverständlich auch möglich, die elektrische Verbindung anders zu realisieren, beispielsweise kann natürlich auch die zweite Elektrode 6 als Masseanschluss verwendet werden. Auch können beide elektrische Verbindungen über Bonddrähte 8 oder über flächige Leiterbahnen 9 aufgebaut werden.Between the permanent magnetic disc 3 and the first electrode 5 or the sensor chip 10 is a flat track 9 For example, provided from copper. This serves, for example, the electrical ground connection for the sensor chip 10 , The second electrode 6 is via a bonding wire 8th with a contact surface 11 on the sensor chip 10 connected, whereby the positive voltage connection is realized. It is of course also possible to realize the electrical connection differently, for example, of course, the second electrode 6 be used as ground connection. Also, both electrical connections via bonding wires 8th or over flat conductor tracks 9 being constructed.

Eine zweite Ausführungsmöglichkeit für die Erfindung ist in 2 dargestellt. Gleiche Merkmale sind hierin mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. Die Einrichtung gemäß 2 ist ähnlich aufgebaut wie die von 1, deshalb wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Die Einrichtung weist ein Gehäuse mit einem Deckel auf. Auf der Oberseite des Masseelements 7 ist ein zweites piezoelektrisches Element vorgesehen. Der Deckel des Gehäuses schließt bündig mit der Oberseite des zweiten piezoelektri schen Elements ab. Dabei kann zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element und dem Deckel eine mechanische Verbindung vorgesehen sein, beispielsweise eine Klebeverbindung, muss aber nicht. Der Deckel ist über die weiteren Teile des Gehäuses fest mit der dauermagnetischen Scheibe 3 verbunden. Bei der Einrichtung gemäß 2 führen die Vibrationen des Masseelements 7 zu einer abwechselnden Stauchung und Streckung der beiden piezoelektrischen Elemente. Dabei wird das eine piezoelektrische Element gestreckt, wenn das andere gestaucht wird. Da die Einrichtung in der Praxis ohnehin mit einem Gehäuse versehen wird, ist dieser Aufbau mit nur geringfügig größerem Aufwand verbunden, bietet aber die doppelte erzeugbare Energie.A second possible embodiment of the invention is in 2 shown. The same features are provided with the same reference numbers as in FIG 1 , The device according to 2 is similar to that of 1 Therefore, in the following, only the differences will be discussed. The device has a housing with a lid. On top of the mass element 7 a second piezoelectric element is provided. The lid of the housing is flush with the top of the second piezoelectric element rule. In this case, a mechanical connection may be provided between the second piezoelectric element and the cover, for example an adhesive connection, but does not have to be. The lid is fixed on the other parts of the housing with the permanent magnetic disc 3 connected. In the device according to 2 lead the vibrations of the mass element 7 to an alternate compression and extension of the two piezoelectric elements. In this case, the one piezoelectric element is stretched when the other is compressed. Since the device is provided in practice anyway with a housing, this structure is associated with only slightly greater effort, but provides twice the producible energy.

Claims

Device for generating electrical energy from vibrations of a surface ( 2 ), wherein the device is a single piezoelectric element ( 4 ), wherein the piezoelectric element ( 4 ) - has an upper side and a lower side and an extension or compression between the upper side and underside for generating an electrical voltage between the upper side and underside leads, - the underside is designed for mechanical coupling with the surface ( 2 ), and - the upper side mechanically with a mass element ( 7 ) connected is.

Device according to Claim 1, in which the piezoelectric element ( 4 ) a piezoelectric sounder ( 4 ).

Device according to Claim 1 or 2, in which the thickness of the piezoelectric element ( 4 ) is less than its lateral extent.

Device according to Claim 3, in which the piezoelectric element ( 4 ) is disc-shaped and has a thickness of less than 15% of its diameter.

Device according to one of the preceding claims, wherein the underside of a permanent magnet ( 3 ) for attachment to the surface ( 2 ) having.

Device according to one of the preceding claims, in which a further piezoelectric element is connected to the mass element ( 7 ) on the piezoelectric element ( 4 ) side facing away, wherein on the ground of the mass element ( 7 ) facing away from the further piezoelectric element, a holding element is provided, which is mechanically connected to the surface.

Energy self-sufficient system, especially energy-self-sufficient Sensor system, with a device according to one of the preceding claims to Generation of electrical energy to supply the system.