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Stand der Technik
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Piezoelektrische
Wandlermechanismen, wie Biegewandler, können verwendet
werden, um aus mechanischen Verformungen elektrische Energie zu erzeugen. Üblicherweise
umfasst ein Biegewandler neben einem piezoelektrischen Element eine
Trägerstruktur, auf der das Piezoelektrische Element fest angeordnet
ist. Über die Trägerstruktur ist eine mechanische
Verformung, beispielsweise durch Schwingen der Trägerstruktur,
in das Piezoelektrische Element einkoppelbar. Die Trägerstruktur
kann dabei selbst ein zweites piezoelektrisches Element sein. Zum
Abgreifen der durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes
erzeugten Spannung können am piezoelektrischen Element
Elektroden vorgesehen sein, die wiederum über Kontaktierungselemente
kontaktierbar sind. Piezoelektrische Wandlermechanismen sind insbesondere
im Bereich der Sensorik und Aktorik einsetzbar.
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So
zeigt z. B. die
DE
10 2005 062 872 A1 eine Vorrichtung zur Rollerkennung eines
Fahrzeugrades, bei der ein Piezoelement mit an seinen gegenüberliegenden
Seiten ausgebildeten Elektroden auf einem Chipträger kontaktiert
ist, wobei seine obere Elektrode über einen Drahtbond kontaktiert
ist und der Chipträger mit dem Piezoelement und dem Drahtbond
in ein Mold Compound eingegossen ist. Bei derartigen Sensoren zur
Messung von Beschleunigungen, z. B. Vibrationen, ist mit geringem
Aufwand eine sichere Kontaktierung möglich.
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Weiterhin
werden Piezoelektrische Materialien zunehmend auch zur Erzeugung
von elektrischer Energie aus Umgebungsenergien, insbesondere Vibrationen
und De formationen eingesetzt, was auch als Energy Harvesting bezeichnet
wird. Hierbei werden Biegeverformungen des piezoelektrischen Elementes
ermöglicht, die zu einer deutlich höheren Energieerzeugung
als die z. B. in der
DE
10 2005 062 872 A1 zugelassenen mechanischen Verspannungen
eines in ein Mold Compound eingegossenen Piezoelementes führen.
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Bei
Biegewandlern, bei denen sowohl die Trägerstruktur als
auch das piezoelektrische Element fest eingespannt ist, kann die
elektrische Kontaktierung des piezoelektrischen Elementes relativ
einfach umgesetzt werden, da das piezoelektrische Element fest mit
einem Gehäuse verbunden ist. Für derartige Konstruktionen
ist aber im Allgemeinen die Verwendung eines hinreichend großflächigen
und somit kostspieligen Piezoelementes erforderlich. Des weiteren
sind insbesondere die Bereiche des Piezoelementes an der Gehäuseanbindung
mechanischen Spannungen ausgesetzt, was die Lebensdauer des Wandlers
reduziert.
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Wenn
das piezoelektrische Element nicht fest eingespannt wird, erfolgt
die Kontaktierung im Allgemeinen über flexible Drahtverbindungen.
Diese Drahtverbindungen sind jedoch ebenfalls den auftretenden mechanischen
Beanspruchungen ausgesetzt und weisen gegenüber den wiederholten
Verformungen nur eine begrenzte Beständigkeit auf.
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Die
DE 10 2007 006 994
A1 offenbart ein Schaltungsmodul, insbesondere zum Einsatz
in einem Fahrzeugreifen, das einen Biegewandler zum Erzeugen von
elektrischer Energie aus mechanischen Verformungen aufweist. Der
im Schaltungsmodul enthaltene Biegewandler umfasst eine elastisch
deformierbare, schwingfähige Trägerstruktur und
ein piezoelektrisches Element. Die Trägerstruktur weist
einen ersten Einspannbereich und einen zweiten Einspannbereich auf,
mittels dem die Trägerstruktur in einem Gehäuse
des Schaltungsmoduls gelagert ist. Das piezoelektrische Element
ist derart auf der Trägerstruktur angeordnet und ausgebildet, dass
durch eine Verformung der Trägerstruktur durch Schwingen
das piezoelektrische Element verformbar ist. Das piezoelektrische
Element ist auf seiner Ober- und Unterseite mit einer elektrisch
leitenden Schicht beschichtet, die als untere bzw. obere Elektrode dient.
Zur elektrischen Kontaktierung kann zum einen die Trägerstruktur
durch Ausbildung als metallische Federeinrichtung genutzt werden
und insbesondere die untere Elektrode kontaktieren. Zum anderen
kann die auf der Oberseite des piezoelekt rischen Elementes ausgebildete
obere Elektrode über weitere Kontaktierungsmittel, wie
einen Draht, eine flexible Leiterplatte oder ein flexibles Metallblech
kontaktiert werden
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Biegewandler zum Erzeugen von
elektrischer Energie aus mechanischen Verformungen umfasst mindestens
eine elastisch deformierbare, schwingfähige, elektrisch
leitfähige Trägerstruktur, die direkt eine erste
Elektrode bildet oder eine erste Elektrode kontaktiert. Die Trägerstruktur
ist in zwei Einspannbereichen aufgenommen, wobei ein erstes Kontaktierungselement
außerhalb der Einspannbereiche elektrisch leitfähig
mit der Trägerstruktur verbunden ist.
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Das
Kontaktierungselement hat den Zweck, eine elektrische Verbindung
von der Trägerstruktur insbesondere zu einem Verbraucher,
beispielsweise einer Elektronik, herstellen zu können.
Dadurch, dass das erste Kontaktierungselement außerhalb
der beiden Einspannbereiche elektrisch leitfähig mit der Trägerstruktur
verbunden ist, lässt sich der Einfluss eines derartigen
Kontaktierungselementes auf das die Trägerstruktur und
das piezoelektrische Element umfassende schwingfähige System
reduzieren. Dies ist sowohl für eine feste als auch eine
lose Einspannung der Trägerstruktur möglich. Unter
einer losen Einspannung ist dabei eine Einspannung zu verstehen,
die keine mechanische Kraft auf die Trägerstruktur ausübt.
Dies ist z. B. der Fall, wenn der Einspannbereich der Trägerstruktur
in einer ausreichend großen Aufnahme gelagert ist.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Biegewandler zusätzlich ein zweites Kontaktierungselement
aufweist, das mit einer zweiten Elektrode zum Abgreifen der durch
Deformation des piezoelektrischen Elementes aufgebauten Spannung
elektrisch leitfähig verbunden ist oder selbst eine solche
zweite Elektrode ausbildet, wobei das zweite Kontaktierungselement
bezüglich des ersten Kontaktierungselementes derart angeordnet
und ausgebildet ist, das zwischen erstem und zweitem Kontaktierungselement
beim Schwingen der Trägerstruktur im Kontaktierungsbereich
der ersten und zweiten Elektrode im Wesentlichen keine Relativbewegung
stattfindet.
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Eine
derartige Ausbildung des ersten und zweiten Kontaktierungselementes
zum Abgreifen der durch Deformation des piezoelektrischen Elementes aufgebauten
Spannung, die eine beschriebene Relativbewegung verhindert, reduziert
die mechanischen Spannungen, die durch die Kontaktierungselemente beim
Schwingen der Trägerstruktur auf Trägerstruktur
und piezoelektrisches Element ausgeübt werden. Der Einfluss
der Kontaktierungselemente auf das schwingfähige System
kann damit gering gehalten werden.
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Ein
erfindungsgemäßer Biegewandler lässt sich
insbesondere als Bestandteil einer Stromversorgungseinrichtung eines
energetisch autarken Schaltungsmoduls einsetzen, wobei der Biegewandler
als schwingfähiges System zur Generierung von piezoelektrischer
Spannung ausgebildet ist. Dies ermöglicht den Verzicht
auf zusätzliche Energiequellen, wie Batterien. Ein solches
Schaltungsmodul kann beispielsweise als Reifensensormodul ausgebildet
sein, beispielsweise für die Messung eines Reifeninnendrucks
und/oder einer Temperatur und/oder von Beschleunigungen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen,
die durch mehrere Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Biegewandlers, der Bestandteil eines erfindungsgemäßen
ersten Schaltungsmoduls ist,
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2 das
erste Schaltungsmodul,
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3 eine
zweite Ausführungsform eines Biegewandlers, der Bestandteil
eines zweiten Schaltungsmoduls ist,
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4 das
zweite Schaltungsmodul,
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5 eine
dritte Ausführungsform eines Biegewandlers, und
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6 ein
drittes Schaltungsmodul, das einen Biegewandler gemäß der
dritten Ausführungsform aufweist.
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Gleiche
und einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt
eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Biegewandlers 1. Der Biegewandler ist Bestandteil eines
ersten Schaltungsmoduls 20, siehe 2, und auf
einem Gehäuseboden 21 eines Gehäuses
des Schaltungsmoduls 20 angeordnet.
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Das
Schaltungsmodul 20 ist als energetisch autarkes Sensormodul
ausgebildet, wobei der Biegewandler 1 ein schwingfähiges
System zur Generierung von piezoelektrischer Spannung bildet und
Bestandteil einer Stromversorgungseinrichtung des Schaltungsmoduls 20 ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Schaltungsmodul als
Reifensensormodul für die Messung eines Reifeninnendrucks
ausgebildet. Alternativ ist beispielsweise auch die Ausbildung als
Reifensensormodul für die Messung einer Temperatur oder
von Beschleunigungen möglich. Neben dem Biegewandler 1 und
dem Gehäuseboden 21 weist das Schaltungsmodul 20 einen
Stützring 22 auf, auf dem eine Leiterplatte 23 mit
verschiedenen elektronischen Komponenten aufliegt. Zwischen Stützring 22 und
Gehäuseboden 21 ist der Biegewandler 1 gelagert,
die Leiterplatte 23 ist gegenüberliegend dem Gehäuseboden 21 am
Stützring 22 befestigt. Ein dem Schaltungsmodul 20 zugeordneter Gehäusedeckel
ist in der 2 nicht dargestellt.
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Der
Biegewandler 1 erzeugt elektrische Energie aus Verformungen.
Er umfasst eine elastisch deformierbare, schwingfähige,
elektrisch leitfähige Trägerstruktur 2,
ein piezoelektrisches Element 3, ein erstes Kontaktierungselement 7,
und ein zweites Kontaktierungselement 8. Die Trägerstruktur 2 weist einen
balkenförmigen Bereich 5 mit einem ersten Endbereich 6a und
einem dem ersten Endbereich 6a gegenüberliegenden
zweiten Endbereich 6b auf. Der erste Endbereich 6a bildet
einen ersten Einspannbereich 6a aus, der zweite Endbereich 6b bildet
einen zweiten Einspannbereich 6b aus.
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Über
die Einspannbereiche 6a, 6b, die in diesem Ausführungsbeispiel
sichelförmig ausgebildet sind, ist die Trägerstruktur 2 zwischen
dem dem Gehäuseboden 21 und dem Schaltungsmodul 20 zugeordneten
Stützring 22 lose eingespannt. Die lose Einspannung
ist dadurch hergestellt, dass Gehäuseboden 21 und
Stützring 22 eine Nut ausbilden, die in ihren
Abmaßen etwas größer gewählt
ist als die der Einspannbereiche 6a und 6b, so
dass die Trägerstruktur 2 die derart gebildeten
Nuten nicht verlassen kann, aber auch keine mechanische Kraft auf
die Trägerstruktur 2 ausgeübt wird. Alternativ
ist auch eine feste Einspannung der Trägerstruktur 2 möglich.
Allerdings wird hierdurch das Schwingungsverhalten des Biegewandlers 1,
beispielsweise die Federkonstante, möglicherweise beeinflusst.
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Das
piezoelektrische Element 3 ist auf dem balkenförmigen
Bereich 5 zwischen dem ersten und zweiten Endbereich 6a, 6b angeordnet,
ohne aber die Einspannbereiche 6a, 6b zu überdecken.
Durch eine Verformung der Trägerstruktur 2 durch
Schwingen verformt sich das piezoelektrische Element 3 mit. Das
piezoelektrische Element 3 ist in Form eines Streifens
ausgebildet. Ober- und unterseitig weist das piezoelektrische Element 3 eine
elektrisch leitfähige Metallbeschichtung auf, die eine
erste Elektrode und eine als Gegenelektrode ausgebildete zweite Elektrode
zum Abgreifen der durch Deformation des piezoelektrischen Elementes 3 aufgebauten
Spannung bilden.
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Die
Trägerstruktur 2 weist einen ersten flügelförmigen
Bereich 9a auf, der mit dem balkenförmigen Bereich 5 über
einen der Trägerstruktur 2 zugeordneten ersten
Steg 10a verbunden ist. Des Weiteren weist die Trägerstruktur 2 einen
zweiten flügelförmigen Bereich 9b auf,
der mit dem balkenförmigen Bereich 5 über
einen der Trägerstruktur 2 zugeordneten zweiten
Steg 10b verbunden ist. Die beiden flügelförmigen
Bereiche 9a, 9b und die Stege 10a, 10b sind
zueinander spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei die Spiegelachse
durch den balkenförmigen Bereich 5 gebildet wird.
Die Stege 10a, 10b sind dabei in der mittleren
Höhe des balkenförmigen Bereiches 5 angeordnet.
Die Einspannbereiche 6a, 6b an den Enden des balkenförmigen
Bereiches 5 sind ebenfalls spiegelsymmetrisch ausgebildet.
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Das
erste Kontaktierungselement 7 ist am ersten flügelförmigen
Bereich 9a elektrisch leitfähig mit der Trägerstruktur 2 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das erste Kontaktierungselement
einen Kontaktierungsbereich 12a auf, der in seiner Kontur
dem flügelförmigen Bereich 9a entspricht, und
an diesem über eine großflächige Lötverbindung befestigt
ist. Alternativ ist beispielsweise insbesondere auch eine Verbindung über
ein leitfähiges Klebemittel möglich. Die Trägerstruktur 2 ist
mit der ersten Elektrode des piezoelektrischen Elementes 3 elektrisch
leitfähig verbunden. In diesem Falle ist die erste Elektrode
mittels eines elektrisch leitfähigen Klebemittels an der
Trägerstruktur 2 befestigt. Wird ein piezoelektrisches
Element 3 verwendet, das selbst keine erste Elektrode ausbildet,
kann eine solche insbesondere auch durch die Trägerstruktur 2 gebildet werden.
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Das
zweite Kontaktierungselement 8 weist einen Kontaktierungsbereich 12b auf,
der in seiner Kontur entsprechend der Kontur des zweiten flügelförmigen
Bereiches 9b ausgebildet ist. Über ein elektrisch
isolierendes Klebemittel ist der Kontaktierungsbereich 12b am
zweiten flügelförmigen Bereich 9b befestigt.
Vom Kontaktierungsbereich 12b geht ein Kontaktierungsfinger 11 ab,
der über den zweiten Steg 10b verlaufend die zweite
Elektrode des piezoelektrischen Elementes 3 elektrisch
kontaktiert. Über das erste und das zweite Kontaktierungselement 7, 8 ist
es somit möglich, die durch mechanische Verformungen entstehenden
Spannungen des piezoelektrischen Elementes 3 abzugreifen.
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Wie
oben beschrieben, überdeckt das piezoelektrische Element 3 nicht
den gesamten balkenförmigen Bereich 5 der Trägerstruktur 2,
sondern nur dessen mittleren Abschnitt. Da die Biegespannung von
der Einspannung bis zur Balkenmitte hin zunimmt, ist hinsichtlich
Ladungs- bzw. Energiegenerierung der Beitrag der Randbereiche sehr
gering. Es wird somit piezoelektrisches Material eingespart. Zum
anderen befindet sich das sehr spröde piezoelektrische
Material des Elementes 3 nicht im Bereich der Einspannung,
was eine höhere Zuverlässigkeit des Biegewandlers 1 ermöglicht.
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Indem
das erste Kontaktierungselement 7 außerhalb des
ersten Einspannbereichs 6a und des zweiten Einspannbereichs 6b elektrisch
leitfähig mit der Trägerstruktur verbunden ist,
kann die Einspannung der Trägerstruktur 2, hier über
die Einspannbereiche 6a, 6b, flexibel gestaltet
werden. Besonders vorteilhaft ist, dass das erste und zweite Kontaktierungselement 7, 8 an
den flügelförmigen Bereichen der stabilen Trägerstruktur 2,
die für die Befestigung einer seismischen Masse 4 verwendet
werden, befestigt sind. Die flügelförmigen Bereiche 9a, 9b nehmen
somit eine Doppelfunktion wahr. Des Weiteren führt die
symmetrische Ausbildung des Biegewandlers 1, insbesondere
die symmetrische Ausbildung des ersten und zweiten Kontaktierungselementes 7, 8,
sowie die Kontaktierung des piezoelektrischen Elementes 3 im
mittleren Bereich des balkenförmigen Abschnitts 5,
also im Bereich maximaler Amplitude, dazu, dass zwischen dem ersten
und zweiten Kontaktierungselement 7, 8 beim Schwingen
der Trägerstruktur 2 im Kontaktierungsbereich
der ersten und zwei ten Elektrode des piezoelektrischen Elementes 3 im
Wesentlichen keine Relativbewegung stattfindet. Auf diese Weise
ist eine unerwünschte Einkopplung von mechanischen Spannungen
durch die Ankopplung der Kontaktierungselemente 7, 8 weitestgehend
ausgeschlossen. Insbesondere das piezoelektrische Element 3 wird
dadurch geringeren Belastungen ausgesetzt. Eine hohe Zuverlässigkeit des
Biegewandlers 1 ist damit möglich.
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Neben
den großflächigen Kontaktierungsbereichen 12a, 12b weisen
die Kontaktierungselemente 7, 8 lange, schmale
Federelemente 13a, 13b auf. Die Enden dieser Federelemente 13a, 13b sind
so geformt bzw. gebogen, dass sie direkt zu entsprechenden Kontaktflächen
auf einer Leiterplatte 23 des Schaltungsmoduls 20 führen.
Auf diese Weise ist ein direktes Anlöten der Kontaktierungselemente 7, 8 direkt
auf der Leiterplatte 23 möglich, wobei auch über den
Kontaktierungsfinger 11 das zweite Kontaktierungselement 8 an
die zweite Elektrode des piezoelektrischen Elementes 3 anlötbar
ist. Bei dem in 2 gezeigten Schaltungsmodul 20 ist
allerdings das Ende 14a des Federelements 13a noch
mit der Leiterplatte 23 elektrisch zu verbinden. Alternativ
ist auch ein leitfähiges Ankleben der Kontaktierungselemente 7, 8 möglich,
oder der Einsatz von Federkontaktstiften.
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Die
Trägerstruktur 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel
durch ein Federblech gebildet, hier ein Federblech aus Federstahl.
Für das erste und zweite Kontaktierungselement 7, 8 ist
ein Bronzeblech eingesetzt. Bronze bietet den Vorteil, dass es lötfähig
ist und gute Federeigenschaften und hohe Dauerlastfestigkeit aufweist.
Alternativ kann das erste und/oder zweite Kontaktierungselement 7, 8 beispielsweise
auch aus Federstrahl hergestellt sein. Trägerstruktur,
erstes und zweites Kontaktierungselement 7, 8 können
insbesondere unterschiedliche Materialien sein.
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Die
Trägerstruktur 2 umfasst vorzugsweise nur solche
Elemente, die ”Trägereigenschaften” aufweisen,
also zur mechanischen Stabilität beitragen. In dieser Ausführungsform
vereint die Trägerstruktur 2 mechanische Eigenschaften
sowie die Bildung einer Elektrodenkontaktierung. Alternativ zu einer
einstückigen Ausbildung kann die Trägerstruktur 2 auch aus
mehreren Elementen zusammengesetzt sein, beispielsweise mehrere
Schichten umfassen. So ist es beispielsweise möglich, dass
die Trägerstruktur eine nicht leitende Schicht umfasst,
die die mechanischen Eigenschaften bestimmt, und eine leitende Schicht
umfasst, die die elektrische Leitfähig keit der Trägerstruktur
bewirkt.
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Trägerstruktur 2,
erstes Kontaktierungselement 7, zweites Kontaktierungselement 8 und
piezoelektrisches Element 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel
als flächige, plane Elemente mit geringer Wandstärke
ausgebildet und derart angeordnet, dass der Biegewandler 1 eine
flächige im Wesentliche plane Form aufweist. Entsprechendes
gilt für die seismische Masse 4. Auf diese Weise
wird ein sehr kompakter Biegewandler 1 ermöglicht,
der nur geringen Platzbedarf erfordert, was vorteilhaft für
ein kleines Schaltungsmodul 20 ist, wie in 2 gezeigt.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines Biegewandlers 31,
der Bestandteil eines Schaltungsmoduls 50 ist, das in 4 teilweise
dargestellt ist. Der zweite Biegewandler 31 und das zweite Schaltungsmodul 50 sind ähnlich
dem ersten Biegewandler 1 bzw. Schaltungsmodul 20 ausgebildet,
so dass im Folgenden im Wesentlichen nur auf Unterschiede eingegangen
wird.
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Entsprechend
der ersten Ausführungsform weist der Biegewandler 31 eine
elastisch deformierbare, schwingfähige, elektrisch leitfähige
Trägerstruktur 32, eine piezoelektrisches Element 33 und ein
erstes Kontaktierungselement 37 auf. Die leitfähige
Trägerstruktur 32 umfasst einen ersten Einspannbereich 36a und
einen zweiten Einspannbereich 36b zum Einspannen der Trägerstruktur 32.
Das piezoelektrische Element 33 ist der derart auf der
Trägerstruktur 32 angeordnet und ausgebildet,
dass durch eine Verformung der Trägerstruktur 32 durch
Schwingen das piezoelektrische Element 33 verformbar ist, wobei
durch die Trägerstruktur 32 eine erste Elektrode
zum Abgreifen der durch Deformation des piezoelektrischen Elementes 33 aufgebauten
Spannung gebildet oder kontaktiert wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform
ist allerdings das erste Kontaktierungselement 37 im ersten
Einspannbereich 36a elektrisch leitfähig mit der
Trägerstruktur 32 verbunden.
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Im
Einspannbereich 36a ist die Schwinungsamplitude der schwingenden
Trägerstruktur 32 minimal. Die Einkopplung von
mechanischen Spannungen in die Trägerstruktur 32 durch
das erste Kontaktierungselement 37 ist dadurch nur sehr
gering, insbesondere dann, wenn die Trägerstruktur 32 nicht
lose, sondern fest eingespannt ist.
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Vorteilhafterweise
ist das erste Kontaktierungselement als Federblech ausgebildet,
wobei zur Reduzierung der Einkopplung von mechanischen Spannungen
das Federblech vorteilhafterweise sehr dünn, schmal und
bei Bedarf mäanderförmig ausgelegt ist. Besonders
vorteilhaft ist in der zweiten Ausführungsform des Biegewandlers 31 das
erste Kontaktierungselement 37 einstückig mit
der Trägerstruktur 32 ausgebildet, da dies nicht
herstellungsaufwendig ist und hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.
In diesem Falle sind Trägerstruktur 32 und erstes
Kontaktierungselement 37 aus einem einteiligen Federblech hergestellt.
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Der
Biegewandler 31 umfasst ein zweites Kontaktierungselement 38,
dass mit der zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elementes 33 zum Abgreifen
der durch Deformation des piezoelektrischen Elementes 33 aufgebauten
Spannung elektrisch leitfähig verbunden ist, wobei das
zweite Kontaktierungselement hier mittels eines Kontaktierungsfingers 41 des
zweiten Kontaktierungselementes 38 mit einem Endbereich
des piezoelektrischen Elementes 33 elektrisch leitfähig
verbunden ist.
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In
diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Kontaktierungselement
ebenfalls als Federblech ausgebildet. An der zweiten Elektrode des
piezoelektrischen Elementes 33 ist es mittels einer Lötverbindung
befestigt. Alternativ ist beispielsweise auch eine Verbindung mittels
eines leitfähigen Klebers möglich. Die elektrische
Kontaktierung der zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elementes 33 durch
das zweite Kontaktierungselement 38 in dessen Endbereich bietet
den Vorteil, dass in diesem Bereich die Schwingungsamplitude des
piezoelektrischen Elementes 33 minimal ist, wodurch die
Einkopplung von mechanischen Spannungen durch das zweite Kontaktierungselement 38 reduziert
ist.
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Das
erste Kontaktierungselement weist eine Kontaktfläche 44a,
das zweite Kontaktierungselement eine Kontaktfläche 44b auf,
die es ermöglichen, das erste und zweite Kontaktierungselement 37, 38 durch
einen Verbraucher zu kontaktieren. Die Kontaktfläche 44a ist über
einen schmalen Steg mit den Einspannbereich 36a der Trägerstruktur 32 verbunden,
die Kontaktfläche 44b ist über einen
mäanderförmig gebogenen schmalen Steg mit dem
Kontaktfinger 41 verbunden. Der mäanderförmige,
relativ lange Steg des zweiten Kontaktierungselementes 38 reduziert
die Einkopplung von mechanischen Spannungen in das System Trägerstruktur 32 – piezoelektrisches
Element 33 durch den Kontaktierungsfinger 41.
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Die
Kontaktierungsflächen 44a, 44b sind fest in
einem Gehäuse 54 des zweiten Schaltungsmoduls 50 einspannbar.
Auf einer zum Biegewandler 31 parallel angeordneten Leiterplatte 53 sind
entsprechend Gegenkontaktflächen vorgesehen. Diese sind
beispielsweise über Federkontaktstifte 45 mit
den Kontaktierungsflächen 44a, 44b verbunden.
Alternativ sind beispielsweise auch Drahtbondverbindungen mit der
Leiterplatte 33 möglich. Biegewandler 1 und Leiterplatte 53 sind über
einen Stützring 52 voneinander getrennt, wobei
der Stützring 52 mit einem hier nicht gezeigten
Gehäuseboden des Schaltungsmoduls 50 ein Lager
für die Einspannung des Biegewandlers 31 ausbildet.
Als Alternative zum Federblech kann für das erste und/oder
zweite Kontaktierungselement 37, 38 eine Spiralfeder
verwendet werden. Die Spiralfeder kann in diesem Falle entweder an
der Leiterplatte und am piezoelektrischen Element befestigt sein
oder über Druckkontaktierung zwischen beiden eingeklemmt
sein, ähnlich den Federkontaktstiften. Durch die Federeigenschaft
kann die Spiralfeder der Auslenkung der Trägerstruktur 32 und des
piezoelektrischen Elementes 33 folgen, wobei sie einen
durchgehenden elektrischen Kontakt ausbildet. Als weitere Alternative
kann auch eine flexible Leiterplatte verwendet werden.
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Entsprechend
der ersten Ausführungsform des Biegewandlers 1 weist
die Trägerstruktur 32 des Weiteren einen ersten
und einen zweiten flügelförmigen Bereich 39a, 39b auf,
die über einen ersten Steg 40a und einen zweiten
Steg 40b mit einem balkenförmigen Bereich 35 der
Trägerstruktur 2 verbunden sind. In dem mittleren
Bereich es balkenförmigen Bereiches 35 ist das
streifenförmige piezoelektrische Element 33 angeordnet.
An den flügelförmigen Bereichen 39a, 39b ist
eine seismische Masse 34 befestigt.
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Die 5 zeigt
eine dritte Ausführungsform eines Biegewandlers 61 sowie
eine dritte Ausführungsform eines Schaltungsmoduls 80,
das den dritten Biegewandler 61 als Bestandteil einer Stromversorgungseinrichtung
umfasst. Biegewandler 61 und Schaltungsmodul 80 sind ähnlich
den vorhergehenden Ausführungsformen ausgebildet, so dass
im Folgenden im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen
wird.
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Der
Biegewandler 61 zum Erzeugen von elektrischer Energie aus
Verformungen umfasst mindestens eine elektrisch deformierbare, schwingfähige,
elektrisch leitfähige Trägerstruktur 62 und
ein piezoelektrisches Element 63, wobei das piezoelektrische
Element 63 derart auf der Trägerstruktur 62 angeordnet
und ausgebildet ist, dass durch eine Verformung der Trägerstruktur 62 durch
Schwingen das piezoelektrische Element 63 verformbar ist.
Im Gegenstand zu den vorherigen Ausführungsformen umfasst das
piezoelektrische Element 63 zumindest einen ersten piezoelektrischen
Bereich 79a und einen zweiten piezoelektrischen Bereich 79b mit
gegensinniger Polarisation, wobei die Trägerstruktur einen elektrischen
Kontakt zwischen einer zweiten Elektrode des ersten piezoelektrischen
Bereichs 79a und einer ersten Elektrode des zweiten piezoelektrischen Bereichs 79b bildet.
Alternativ kann die Trägerstruktur auch eine gemeinsame
Elektrode für den ersten piezoelektrischen Bereich 79a und
den zweiten piezoelektrischen Bereich 79b bilden.
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Vorteilhaft
an dieser Ausführungsform ist, dass kein Kontaktierungselement
erforderlich ist, das zum Abgreifen von Spannung am piezoelektrischen Element 63 elektrisch
leitfähig mit der Trägerstruktur 62 verbunden
ist, und auf diese Weise mechanische Spannungen in die Trägerstruktur 62 und
in das piezoelektrische Element 63 einkoppeln kann.
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Der
Biegewandler 61 umfasst des Weiteren ein erstes Kontaktierungselement 67,
das die erste Elektrode des ersten piezoelektrischen Bereichs 79a kontaktiert,
sowie ein zweites Kontaktierungselement 68, das die zweite
Elektrode des zweiten piezoelektrischen Bereichs 79b kontaktiert.
Alternativ kann durch erstes und/oder zweite Kontaktierungselement auch
selbst eine erste Elektrode des ersten piezoelektrischen Bereichs 79a bzw.
eine zweite Elektrode des zweiten piezoelektrischen Bereichs 79b gebildet werden.
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Erstes
und zweites Kontaktierungselement 67, 68 werden
aus einem flexiblen Leiterplattenmaterial gebildet, hier eine flexible
Kunststofffolie, die mit einer Leiterbahn 75a bzw. 75b,
die in Kontaktierungsflächen 74a bzw. 74b enden,
beschichtet.
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Ein
Vorteil flexibler Leiterplatten ist, dass sie frei in einem Gehäuse,
hier in einem Gehäuse des Schaltungsmoduls 80 verlegt
werden können und damit flexibel einer hier starren Leiterplatte 83 des Schaltungsmoduls 80 mit
einer Sensorelektrode zugeführt werden können.
Ein weiterer Vorteil einer Verwendung von flexiblen Leiter platten
ist es, dass Elektronikkomponenten direkt auf dem flexiblen Leiterplattenträger
angeordnet werden können.
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Das
erste und zweite Kontaktierungselement 67, 68 ist
mittels Lötverbindungen sowohl am piezoelektrischen Element 63 als
auch an der Leiterplatte 83 befestigt. Alternativ sind
beispielsweise auch Klebeverbindungen möglich. Alternativ
ist es ebenfalls möglich, für das erste und/oder
zweite Kontaktierungselement 67, 68 ein Draht,
ein Federblech oder eine Spiralfeder einzusetzen.
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Entsprechend
den vorhergehenden Ausführungsformen weist die Trägerstruktur 62 einen
balkenförmigen Bereich 65 mit zwei sichelförmigen
Endbereichen 66a, 66b auf, sowie einen ersten
flügelförmigen Bereich 69a und einen
zweiten flügelförmigen Bereich 69b die über
einen ersten Steg 70a bzw. einen zweiten Steg 70b auf
mittlerer Höhe des balkenförmigen Bereichs 65 mit
dem balkenförmigen Bereich 65 verbunden sind.
An den flügelförmigen Breichen 69a, 69b ist
mittels einer Klebeverbindung eine seismische Masse 64 befestigt.
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Das
Schaltungsmodul 80 weist neben der Leiterplatte 83 auf
der die Elektronik montiert ist, einen Gehäuseboden 81 und
einen Stützring 82 auf. Auf dem Gehäuseboden 81 ist
der Biegewandler 61 angeordnet, die Leiterplatte 83 ist
oberhalb des Biegewandlers 61 angeordnet, getragen durch
den Stützring 82. Der Stützring 82 ist
dabei einstückig mit dem Gehäuseboden ausgebildet.
Ein dem Schaltungsmodul 80 zugeordneter Gehäusedeckel
(nicht gezeigt) bildet ein Lager für die Einspannbereich 66a, 66b der
Trägerstruktur 62 entsprechend der ersten Ausführungsform
des Schaltungsmoduls, wobei die Trägerstruktur 62 lose
oder alternativ auch fest eingespannt sein kann.
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Für
alle hier vorgestellten Ausführungsformen kann die seismische
Masse 4, 34, 64 bei entsprechender Gestaltung
der Kontaktierungselemente 7, 8, 37, 38, 67, 68 auf
der Oberseite, der Unterseite und/oder beidseitig der flügelförmigen
Bereiche 9a, 9b, 39a, 39b, 69a, 69b der
Trägerstrukturen 2, 32, 62 festigt
sein. Die Form der seismischen Masse 4, 34, 64 ist
weitestgehend frei an die Gehäuseform des Schaltungsmoduls 20, 50, 80 anpassbar,
kann beispielsweise quaderförmig oder zylinderförmig
ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005062872
A1 [0002, 0003]
- - DE 102007006994 A1 [0006]