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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Generatoren zur Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Schwingungsenergie, insbesondere zur autonomen Energieversorgung drahtloser Sensoren, sowie auf autonome Drahtlossensoren mit einem derartigen Generator.
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Ein elektromagnetischer Generator, der durch Muskelkraft erzeugte Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 2008/0217926 bekannt. Dieser herkömmliche Generator besteht aus einem zylindrischen Gehäuse mit einer Spule, in der ein Permanentmagnet über zwei Spiralfedern beweglich aufgehängt ist. Wird das Gehäuse einer Beschleunigung ausgesetzt, in dem es beispielsweise geschüttelt wird, so wird der Permanentmagnet in Schwingung versetzt, wodurch eine Spannung in der Spule induziert wird, mit der ein elektrischer Verbraucher betrieben werden kann.
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Ein Generator, der elektrische Energie aus mechanischen Vibrationen gewinnen kann, ist aus der Druckschrift
WO 2009/039293 bekannt. Dieser herkömmliche Generator umfasst einen Stator in Form zweier Leiterplatten mit spulenförmigen Leiterbahnen sowie einen zwischen den beiden Leiterplatten schwingfähig gelagerten Translator, auf dem eine Vielzahl von Permanentmagneten angeordnet ist. Durch eine externe mechanische Anregung wird der Translator zu einer Schwingung parallel zur Oberfläche der Leiterplatten angeregt, wodurch eine Spannung in den Spulen des Stators induziert wird.
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Ein mikromechanischer Generator mit einem geschichteten Aufbau aus einer Flachspule, die zwischen zwei mit Permanentmagneten versehenen äußeren Schichten schwingfähig gelagert ist, ist auch aus der Druckschrift
US 2007/0007827 bekannt.
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Die bekannten Generatoren haben jedoch den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer Größe nicht für die Integration in einen autonomen Drahtlossensor geeignet sind oder dass ihre komplexer Aufbau einer kostengünstigen Fertigung entgegensteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kostengünstig herstellbaren Generator zur Umwandlung von Schwingungsenergie in elektrische Energie anzugeben, der für die Energieversorgung eines autonomen Drahtlossensors geeignet ist.
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Dies wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, um eine Bohrung in einer Leiterplatte, in der ein Permanentmagnet in Längsrichtung beweglich gelagert ist, eine spiralförmige Leiterbahn vorzusehen, so dass durch eine Bewegung des Permanentmagneten senkrecht zur Ebene der Leiterplatte eine Spannung in der spiralförmigen Leiterbahn induzierbar ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektromagnetischer Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Schwingungsenergie zur Verfügung gestellt. Der Generator umfasst eine Leiterplatte, die eine Bohrung und eine um die Bohrung spiralförmig angelegte Leiterbahn aufweist, und einen in der Bohrung in Längsrichtung beweglich gelagerten Permanentmagnet.
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Vorzugsweise umfasst der elektromagnetischer Generator desweitern ein Federelement, das den Permanentmagneten mit der Leiterplatte mechanisch koppelt. Vorteilhafterweise ist das Federelement dabei so eingerichtet, dass der Permanentmagnet um eine Ruhelage zu einer Schwingung längs der Bohrung anregbar ist. Auf diese Weise kann der elektromagnetische Generator Schwingungsenergie aus der Umgebung, insbesondere Vibrationsenergie, besonders effektiv aufnehmen und anschließend in elektrische Energie umwandeln.
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Alternativ kann der Permanentmagnet in der Bohrung in Längsrichtung aber auch frei beweglich sein, wodurch ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau erreicht wird. Vorteilhafterweise umfasst der elektromagnetischer Generator in diesem Fall des Weiteren ein Dämpfungssystem, vorzugsweise in Form in eines Federelements, das eine Bewegung des Permanentmagneten in der Bohrung in Längsrichtung begrenzt.
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In jedem Fall ist aber durch eine Bewegung des Permanentmagnets längs der Bohrung eine Spannung in der spiralförmig angelegten Leiterbahn induzierbar. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Permanentmagnet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch die Bohrung so geführt wird, dass seine Polarisierungsrichtung mit der Längsrichtung der Bohrung zusammenfällt. Die durch die Bewegung verursachte Änderung des magnetischen Flusses durch die Spule kann auf diese Weise maximiert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterplatte eine Mehrschichtleiterplatte, die eine Mehrzahl von um die Bohrung spiralförmig angelegten Leiterbahnen aufweist, die auf verschiedene Schichten der Mehrschichtleiterplatte verteilt und über Durchkontaktierungsstellen elektrisch miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann eine große Windungszahl und damit eine große induzierte Spannung realisiert werden.
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Vorzugsweise wird die Mehrschichtleiterplatte aus einem ziehharmonikaartig gefalteten Folienelement gebildet, wodurch sowohl eine hohe Zahl von Schichten und demzufolge eine hohe Windungszahl, als auch eine kostengünstige Fertigung erzielt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Vielzahl einzelner Generatoren auf eine einzigen Leiterplatte untergebracht werden. Dazu weist die Leiterplatte eine Mehrzahl von Bohrungen und jeweils um die Bohrungen spiralförmig angelegte Leiterbahnen auf, wobei der elektromagnetische Generator zugleich eine entsprechende Anzahl von in den Bohrungen in Längsrichtung beweglich gelagerten Permanentmagneten umfasst.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektromagnetische Energieversorgungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die elektromagnetische Energieversorgungsvorrichtung umfasst einen elektromagnetischen Generator gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und eine elektronische Schaltung zur Übertragung der durch den elektromagnetischen Generator erzeugten elektrischen Energie an einen Verbraucher.
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Vorzugsweise umfasst die elektronische Schaltung einen Gleichrichter zur Gleichrichtung der in der spiralförmig angelegten Leiterbahn des elektromagnetischen Generators induzierten Spannung.
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Vorzugsweise umfasst die elektronische Schaltung zusätzlich einen Gleichspannungswandler, der die von dem Gleichrichter gleichgerichtete Spannung auf ein Spannungsniveau des Verbrauchers wandelt.
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Höchst vorzugsweise ist die elektronische Schaltung dazu eingerichtet, den elektromagnetischen Generator an einem Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe zu betreiben. Auf diese Weise lässt sich die Energieausbeute der Energieversorgungsvorrichtung weiter steigern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektromagnetische Energieversorgungsvorrichtung des Weiteren eine Speichereinrichtung zur Speicherung der durch den elektromagnetischen Generator erzeugten elektrischen Energie, wobei der Gleichspannungswandler die von dem Gleichrichter gleichgerichtete Spannung auf ein Spannungsniveau der Speichereinrichtung wandelt und/oder das Spannungsniveau der Speichereinrichtung auf das Spannungsniveau des Verbrauchers wandelt. Auf diese Weise können Schwankungen in der Leistungsaufnahme des Verbrauchers und/oder Schwankungen in der vom Generator zur Verfügung gestellten elektrischen Leistung ausgeglichen werden.
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Vorteilhafterweise ist die elektronische Schaltung und/oder der Verbraucher auf der Leiterplatte des elektromagnetischen Generators untergebracht. Die elektronische Schaltung und/oder der Verbraucher können aber auch in der Leiterplatte des elektromagnetischen Generators integriert sein. Außerdem kann auch die Speichereinrichtung auf oder in der Leiterplatte des elektromagnetischen Generators untergebracht sein. Dadurch lässt sich die elektromagnetische Energieversorgungsvorrichtung besonders einfach und kostengünstig fertigen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein autonomer Drahtlossensor zur Verfügung gestellt, der eine elektromagnetische Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur Erfassung von Daten und eine Drahtlosvorrichtung zur drahtlosen Übertragung der von dem Sensor erfassten Daten umfasst, wobei der Sensor und die Drahtlosvorrichtung durch die elektromagnetische Energieversorgungsvorrichtung mit Energie versorgt werden.
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Der Sensor kann insbesondere ein Temperatur-, Druck- oder Lichtsensor sein. Insbesondere kann es sich aber auch um einen Sensor handeln, der Vitalparameter (z. B. Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut (SPO2), etc.) eines Lebewesens, insbesondere Menschen misst. Es können aber auch Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Neigung, Luftqualität (z. B. CO2), oder irgend eines andere Parameters zum Einsatz kommen.
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Vorteilhafterweise ist der Sensor und/oder die Drahtlosvorrichtung auf oder in der Leiterplatte des elektromagnetischen Generators untergebracht, wodurch sich der autonome Drahtlossensor besonders einfach und kostengünstig fertigen lässt.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische 3D-Darstellung des elektromagnetischen Generators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2A–2B Draufsichten des elektromagnetischen Generators der 1 zeigen,
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2C–2D verschiedene Ausgestaltungen der spiralförmigen Leiterbahnen zeigen.
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3 eine schematische perspektivische Darstellung des autonomen Drahtlossensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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4 eine schematische Schnittzeichnung des autonomen Drahtlossensors der 3 zeigt.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines elektromagnetischen Generators gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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In einer Mehrschichtleiterplatte 1 ist eine zylindrische Bohrung 7 vorgesehen, in der ein Permanentmagnet 6 beweglich gelagert ist. Um die Bohrung herum sind in den einzelnen Schichten spiralförmige Leiterbahnen vorgesehen, die mittels Durchkontaktierungsstellen gleichsinnig miteinander verbunden sind, wodurch eine Spule mit entsprechend hoher Windungszahl realisiert wird. Wenn sich aufgrund einer äußeren Anregung, beispielsweise durch eine Vibration oder Erschütterung der Leiterplatte, der Permanentmagnet längs der Bohrung relativ zur Leiterplatte bewegt, verändert sich der magnetische Fluss durch die Spule, so dass eine Spannung induziert wird. Die induzierte Spannung kann verwendet werden, um eine elektrische Last zu betreiben, oder um einen Energiespeicher zu laden.
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Die 2A und 2B zeigen schematische jeweils eine Schicht der Mehrschichtleiterplatte 1 und die in der jeweiligen Schicht um die Bohrung 10 spiralförmig angeordnete Leiterbahn 8. Die Leiterbahnen dieser Schichten sind über eine Durchkontaktierungsstelle 9 gleichsinnig miteinander verbunden. Die Form der spiralförmigen Leiterbahn (ob rund oder eckig, wie in 2C und 2D dargestellt) kann frei gewählt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die einzelnen spiralförmigen Leiterbahnen nebeneinander auf einem dünnen Folienelement ausgebildet werden, das anschließend ziehharmonikaartig zusammengefaltet wird, so dass die spiralförmigen Leiterbahnen unmittelbar übereinander zu liegen kommen. Auf diese Weise kann eine große Zahl von Schichten und somit eine große Windungszahl auf einfachste Weise realisiert werden.
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Der Permanentmagnet kann in der Bohrung in Längsrichtung frei beweglich sein, wobei lediglich Vorkehrungen zu treffen sind, um zu verhindern, dass der Permanentmagnet aus der Bohrung herausfällt. Dies kann z. B. erreicht werden, in dem die Bohrung nach dem Einsetzen des Permanentmagneten im Zuge der Bestückung der Platine auf beiden Seiten verschlossen wird. Vorteilhafterweise können an beiden Enden der Bohrung Dämpfungselemente (z. B. als Federplättchen oder ähnlichem) vorgesehen sein, die die Bewegung des Permanentmagnet ohne Energieverlust begrenzen. Die Dämpfungselemente können auf der Leiterplatte oder in der Bohrung verklebt sein.
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Zusätzlich können aber auch Federelemente vorgesehen sein, die den Permanentmagneten mit der Leiterplatte mechanisch koppeln, so dass dieser eine Schwingung um eine Ruhelage herum ausführen kann. Die Masse des Permanentmagneten und die Federkonstante des Federlements kann dabei so gewählt sein, dass die resultierende Resonanzfrequenz innerhalb des Frequenzbands der auszunützenden mechanischen Vibrationen liegt.
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Je nach den Leistungsanforderungen der mit Strom zu versorgenden Schaltung können auch mehrere der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Generatoren auf einer Leiterplatte integriert werden. Dazu kann eine entsprechende Anzahl spiralförmiger Spulen mit jeweils einer zentralen Bohrung zur Aufnahme eines zugehörigen Permanentmagneten auf der Leiterplatte vorgesehen werden. Die einzelnen Spulen können parallel oder in Reihe geschaltet werden. Vorzugsweise ist aber eine Sammelschaltung vorgesehen, die die in den einzelnen Spulen induzierten Spannungen gleichrichtet und die entsprechenden Leistungen miteinander kombiniert, um eine Wechselwirkung zwischen den einzelnen Spulen zu vermeiden.
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Der elektromagnetische Generator der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus, der zudem mit den herkömmlichen Vorrichtungen zur Herstellung gedruckter Schaltungen gefertigt werden kann. Außerdem kann der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator in einem Schritt zusammen mit einer auf der gleichen Leiterplatte untergebrachten elektronischen Schaltung hergestellt werden. Auf diese Weise können elektronische Vorrichtungen mit autarker Stromversorgung in einfachster Weise realisiert werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator in einer Energieversorgungsvorrichtung eingesetzt werden, die eine elektronische Schaltung zur Übertragung der in dem Generator erzeugten elektrischen Energie auf einen Verbraucher umfasst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Energieversorgungsvorrichtung zusätzlich einen wiederaufladbaren Energiespeicher in Form eines Kondensators (insbesondere Doppelschicht-Kondensator) oder eines Akkumulators (z. B. NiCd, NiMh, Li, Li-Ionen, etc.), mit dessen Hilfe Schwankungen in der Leistungsaufnahme des Verbrauchers oder Schwankungen in der vom Generator zur Verfügung gestellten elektrischen Leistung ausgeglichen werden können. Die Energieversorgungsvorrichtung kann aber auch (zusätzlich oder alternativ) mit einem nicht-wiederaufladbaren Energiespeicher in Form einer herkömmlichen Batterie (z. B. Zink-Kohle, Alkali, Lithium, etc.) kombiniert werden, wobei die elektronische Schaltung dazu eingerichtet ist, den Verbraucher, je nach Verfügbarkeit, entweder mit Energie aus dem Generator oder mit Energie aus der Batterie zu versorgen, um so die Batterielebensdauer zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energieversorgungseinrichtung auch mit einer Solarzelle versehen sein, so dass bei einem Ausfall des elektromagnetischen Generators eine alternative Energiequelle genutzt werden kann bzw. eine höhere elektrische Leistung erzielt werden kann.
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Vorteilhafterweise können sowohl der elektromagnetische Generator als auch der Energiespeicher und/oder die elektronische Schaltung und/oder die Solarzelle auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein.
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Die elektronische Schaltung umfasst vorzugsweise einen Gleichrichter, um die in der Spule induzierte Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Die elektronische Schaltung kann auch einen (Gleich-)Spannungswandler umfassen, um die Spannung des Generators an die Spannung des Energiespeichers und/oder an das zum Betrieb des Verbrauchers erforderliche Spannungsniveau anzupassen. Vorzugsweise wird dazu ein Boost-Konverter eingesetzt.
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Die elektronische Schaltung kann auch einen Leistungs-Tracker umfassen, der dafür sorgt, dass der Generator stets am Arbeitspunkt mit maximaler Leistungsabgabe betrieben wird.
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Die elektronische Schaltung kann auch dazu eingerichtet sein, die Spannungen, die in einer Mehrzahl von auf einer Leiterplatte integrierter Generatoren erzeugt werden, zu sammeln und zu kombinieren. Im einfachsten Fall können hierzu für jeden Generator separate Gleichrichter vorgesehen werden, deren Gleichspannungsausgänge in geeigneter Weise parallel oder in Reihe geschaltet sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße elektromagnetische Generator, bzw. die elektromagnetische Energieversorgungsvorrichtung, zur Stromversorgung eines autonomen Drahtlossensors eingesetzt werden, wobei vorzugsweise alle Komponenten inklusive des Generators, des Energiespeichers und der für den Sensor erforderlichen Elektronik auf einer Leiterplatte integriert sind.
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3 zeigt schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Drahtlossensors. Eine entsprechende Querschnittsdarstellung ist in 4 gezeigt.
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Der Drahtlossensor umfasst eine Mehrschichtleiterplatte 1, auf der sowohl der elektromagnetische Generator 29 und die zugehörige Elektronik 28 für die Spannungswandlung und Energiespeicherung, als auch der eigentliche Sensor 23 und die zugehörige Elektronik 27 für die Signalaufbereitung und die drahtlose Übertragung untergebracht sind.
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Bei dem Sensor kann es sich um einen Temperatur-, Druck- oder Lichtsensor handeln. Insbesondere kann es sich aber auch um einen Sensor handeln, der Vitalparameter (z. B. Herzfrequenz, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung im Blut (SPO2), etc.) eines Lebewesens, insbesondere Menschen misst. Es können aber auch Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Neigung, Luftqualität (z. B. CO2), oder irgend eines andere Parameters zum Einsatz kommen.
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Derartige Drahtlossensoren eignen sich insbesondere für einen Einsatz in Umgebungen, in denen eine Verdrahtung aufgrund der zu überbrückenden Entfernungen, der Zahl der Sensoren oder aufgrund herrschender Umweltbedingungen unwirtschaftlich oder unmöglich ist. Besonders geeignet sind die erfindungsgemäßen Drahtlossensoren dann, wenn eine Funkübertragung des Messwertes nur in größeren zeitlichen Abständen erforderlich ist, so dass zwischenzeitlich ausreichend Zeit zur Sammlung der für die Übertragung erforderlichen Energie zur Verfügung steht.
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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Drahtlossensoren besteht darin, dass sie keine Batterie benötigen, wodurch sie besonders klein und leicht sind und zugleich kostengünstig herstellbar sind. Darüberhinaus entfällt auch der ansonsten erforderliche regelmäßige Batteriewechsel, was sich insbesondere bei einer großen Anzahl gleichzeitig eingesetzter Sensoren und/oder einer langen Einsatzdauer der Sensoren in den Betriebskosten positiv bemerkbar macht.
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Die vorliegende Erfindung stellt also einen elektromagnetischer Generator zur Gewinnung elektrischer Energie aus mechanischer Schwingungsenergie zur Verfügung, der eine Leiterplatte, die eine Bohrung und eine um die Bohrung spiralförmig angelegte Leiterbahn aufweist, und einen in der Bohrung in Längsrichtung beweglich gelagerten Permanentmagnet umfasst. Durch eine Bewegung des Permanentmagneten senkrecht zur Ebene der Leiterplatte ist eine Spannung in der spiralförmigen Leiterbahn induzierbar. Die mit der induzierten Spannung verbundene elektrische Energie kann gespeichert werden und zur Versorgung eines autonomen Drahtlossensors verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0217926 [0002]
- WO 2009/039293 [0003]
- US 2007/0007827 [0004]
