DE102009043251A1

DE102009043251A1 - Biegevorrichtung zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements, piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe der Biegevorrichtung und Verfahren zum Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102009043251A1
Application number: DE102009043251A
Authority: DE
Inventors: Alexander Frey; Ingo Dr. Kühne
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-02-03
Also published as: JP2013500695A; US20120119621A1; EP2460200A1; CN102473839A; WO2011012425A1

Abstract

Es wird eine Biegevorrichtung zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements angegeben, mit einem Werkstück mit einer Auflagefläche mit mindestens einer konvexen Wölbung, einem Gegen-Werkstück mit einer Gegen-Auflagefläche mit einer zur konvexen Wölbung der Auflagefläche im Wesentlichen inversen, konkaven Wölbung und einer Vorrichtung zu einem derartigen relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks aufweist, dass die konvexe Wölbung der Auflagefläche in die konkave Wölbung der Gegen-Auflagefläche geführt werden kann. Zur Energiewandlung wird das Biegeelement, vorzugsweise ein Kreisscheibenbieger, in einen Zwischenraum zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche angeordnet, so dass es aufgrund des relativen Gegeneinanderbewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des Biegeelements kommt. Durch die Verwendung eines Kreisscheibenbiegers wird mechanische Energie mit hoher Effizienz in elektrische Energie umgewandelt. Durch die Ausgestaltung der Werkstücke mit ihren Auflageflächen ist für einen Überlastschutz gesorgt. Verwendung findet die Erfindung in energieautarken Systemen zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Biegevorrichtung zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements. Daneben werden ein piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe der Biegevorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie angegeben.
Die Sensorik und periphere Schaltungen (Signalprozessierung, HF-Funk) müssen zum Betrieb mit Energie versorgt werden. Konventionell wird diese Energie aus einer Batterie zur Verfügung gestellt. Aktuell gibt es vielfältige Forschungs- und Entwicklungsansätze die Batterie durch eine energieautarke Versorgung zu ersetzen. Hierfür ist es notwendig vorhandene Umgebungsenergie zu nutzten und in eine elektrisch nutzbare Form zu wandeln.
Im Hinblick auf solche energieautarke Systeme werden unterschiedliche Techniken untersucht. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei ein Energiewandler in Form eines piezoelektrischen Energiewandlers herausgestellt. Bei dem piezoelektrischen Energiewandler wird eine mechanische Kraft in ein piezoelektrisches Element, beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler, eingekoppelt. Aufgrund der eingekoppelten mechanischen Kraft kommt es zu einer Verbiegung des Biegeelements. Infolge davon tritt Ladungstrennung auf, die zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie mechanische Energie effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Biegevorrichtung zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements mit einem Werkstück mit einer Auflagefläche mit mindestens einer konvexen Wölbung, einem Gegen-Werkstück mit einer Gegen-Auflagefläche mit einer zur konvexen Wölbung der Auflagefläche im Wesentlichen inversen, konkaven Wölbung und einer Vorrichtung zu einem derartigen relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks aufweist, dass die konvexe Wölbung der Auflagefläche in die konkave Wölbung der Gegen-Auflagefläche geführt werden kann. Dabei kann das Biegeelement in einen Zwischenraum zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche angeordnet werden, so dass es aufgrund des relativen gegeneinander Bewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des Biegeelements kommt.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein piezoelektrischer Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie durch Einkoppeln einer durch die mechanische Energie hervorgerufenen mechanischen Kraft in mindestens ein piezoelektrisches Biegeelement mit der Biegevorrichtung und einem piezoelektrischen Biegeelement angegeben. Dabei ist das piezoelektrische Biegeelement im Zwischenraum zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche derart angeordnet, dass es aufgrund des relativen gegeneinander Bewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des piezoelektrische Biegeelements kommt und aufgrund der Verbiegung die mechanische Kraft in das piezoelektrischen Biegeelement eingekoppelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des Energiewandlers durch Gegeneinanderbewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks angegeben.
Das piezoelektrische Biegeelement weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien.
Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.
Die Schichtdicken der Elektrodenschichten betragen wenige μm. Die Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht beträgt einig μm bis hin zu mm.
Der Energiewandler kann laterale Abmessungen von wenigen mm bis einigen cm aufweisen. Gleiches gilt für laterale Abmessungen der Membran. Die Schichtdicken der Schichten der Membran reichen von wenigen μm bis einigen mm.
Die Abmessungen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche ist auch aus diesem Bereich. Vorzugsweise sind dabei die Auflagefläche und die Gegen-Auflagefläche im Wesentlichen gleich groß. Dies bedeutet, dass es auch Abweichungen von bis zu 10% bezüglich der Größe der Auflageflächen geben kann. Denkbar ist aber auch, dass eine der Auflageflächen wesentlich größer ist als die andere.
Vorteilhaft ist es, wenn die Wölbung und die Gegen-Wölbung eine im Wesentlichen betragsgleiche Krümmung aufweisen. Vom Betrag her weisen die Krümmungen nahezu gleiche Krümmungsradien auf. Dabei ist eine Abweichung von bis zu 10% denkbar. Betragsmäßig gleiche Krümmungsradien führen dazu, dass die konvexe Wölbung in der konkaven Gegen-Wölbung passgenau angeordnet werden kann. Durch die relative gegeneinander Bewegung des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks wird die konvexe Wölbung in die Ausnehmung der konkaven Gegen-Wölbung eingeführt.
Das Biegeelement kann ein klassischer Biegewandler mit rechteckiger Grundfläche (Biegebalken) sein. Insbesondere ist das piezoelektrische Biegelement ein piezoelektrischer Biegewandler mit einer kreisrunden Grundfläche. Das piezoelektrische Biegeelement ist ein Kreisscheibenbieger. Der Kreisscheibenbieger eignet sich grundsätzlich dazu, möglichst viel elektrische Energie aus einer mechanischen Energie zu gewinnen. Dies basiert auf der für die Umwandlung günstigen Geometrie des Kreisscheibenbiegers.
Aus den Geometrieparametern des Biegebalkens, nämlich Länge l, Breite b, Gesamt-Dicke h_p, r, s und r_h und der sich aus der Verbiegung ergebenden Zylinder-Schalenform (siehe 3) ergibt sich folgende Beziehungen:
Daraus errechnet sich die maximale mechanische Spannung wie folgt
Dabei sind E_p Young’s modulus (E-Modulus) und S die mechanische Dehnung (strain). Für die erzielbare elektrische Energie und elektrische Spannung resultieren:
Im Vergleich zu einem konventionellen Biegewandler in Balkenform bedeutet dies die sechsfach größere elektrische Energie und die zweifach höhere Spannung.
Insbesondere im Fall eines Kreisscheibenbiegers ist es zudem vorteilhaft, wenn die konvexe Wölbung und/oder die konkave Wölbung einen kreisrunden Fußumfang aufweisen, die an die Abmessung des Kreisscheibenbiegers angepasst ist. Der Kreisscheibenbieger wird zwischen den beiden Werkstücken angeordnet. Aufgrund des relativen Bewegens von Werkstück und Gegen-Werkstück gegeneinander kommt es zu einer Verbiegung des Kreisscheibenbiegers. Es kommt zu einer effizienten Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Gleichzeitig ist dafür gesorgt, dass der Kreisscheibenbieger mechanisch nicht überlastet wird. Das Gegen-Werkstück fungiert nämlich als Anschlag. Aufgrund der Passgenauigkeit von Wölbung, Gegen-Wölbung und Kreisscheibenbieger ist dafür gesorgt, dass der Kreisscheibenbieger beim Verbiegen nicht zerstört wird.
Der Biegewandler kann – ohne gehalten – zu werden im Zwischenraum zwischen Werkstück und Gegen-Werkstück angeordnet werden. Vorzugsweise wird aber der Biegewandler am Werkstück und/oder am Gegen-Werkstück vor und/oder während des Biegevorgangs fixiert. Insbesondere ist dazu das Biegeelement an einer Verbindungsstelle der Auflagefläche des Werkstücks mit dem Werkstück und/oder an einer Verbindungsstelle der Gegen-Auflagefläche des Gegen-Werkstücks mit dem Gegen-Werkstück durch einen Stoffschluss verbunden. Der Stoffschluss weist beispielsweise eine Lötverbindung auf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Stoffschluss einen Klebstoff aufweist. Der Biegewandler wird auf die Wölbung des Werkstücks aufgeklebt. Eine derartige Klebeverbindung kann sehr leicht hergestellt und dauerhaft hergestellt werden. Darüber hinaus kommt es zu keiner thermischen Belastung des Werkstücks und/oder des Biegewandlers beim Herstellen des Stoffschlusses.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist das Werkstück einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Gegenwerkstücks auf. Dabei sind das Werkstück und das Gegenwerkstück über ein Lager derart miteinander verbunden sind, dass das relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks durchgeführt werden kann. Das Lager fungiert als Vorrichtung zum relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks. Beispielsweise ist das Lager ein Gleitlager.
Verwendung findet die Erfindung in energieautarken Systemen zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

– Insbesondere bei der Verwendung eines Kreisscheibenbiegers kann bei gleicher mechanischer Kraft eine höhere elektrische Energie erzielt werden, als bei konventionellen Biegewandlern mit Balkenform.
– Es ist eine konstante Energielieferung ab einem Schwellwert für die mechanische Kraft möglich.
– Es ist eine höhere elektrische Spannung im Vergleich zu konventionellen Biegewandlern möglich.
– Es resultiert eine konstante Ausgangsspannung ab dem Schwellwert für die mechanische Kraft.
– Durch geeignete konstruktive Maßnahmen kann für einen Überlastschutz gesorgt werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt einen piezoelektrischen Energiewandler ohne externe Krafteinwirkung im seitlichen Querschnitt.
2 zeigt den Energiewandler mit externer Krafteinwirkung im seitlichen Querschnitt.
3 zeigt schematisch einen Kreisscheibenbieger mit zwei piezoelektrischen Schichten.
Die Biegevorrichtung 1 zum Verbiegen des piezoelektrischen Biegeelements 2 weist ein Werkstück 11 mit einer Auflagefläche 111 auf. Die Auflagefläche weist eine konvexe Wölbung 1111 mit einer entsprechenden Krümmung auf (Zylinderform). Die konvexe Wölbung weist einen kreisrunden Fußumfang 1113 auf.
Die Biegevorrichtung 1 verfügt darüber hinaus über ein Gegen-Werkstück 12 mit einer konkaven Wölbung 1211. Die konkave Wölbung verfügt über eine Krümmung, die der Krümmung der konvexen Wölbung vom Betrag her im Wesentlichen entspricht. Auch ist ein Fußumfang 1213 der konkaven Wölbung kreisrund. Die Auflagefläche des Werkstücks und die Gegen-Auflagefläche des Gegen-Werkstücks sind gleich groß. Aufgrund der gleichen Krümmungen der Wölbungen können die Auflagefläche und die Gegen-Auflagefläche ineinander passgenau angeordnet werden.
Das piezoelektrische Biegeelement ist ein Kreisscheibenbieger mit einer kreisrunden Grundfläche. In einer dazu alternativen Ausführungsform weist das piezoelektrische Biegelement eine rechteckige Grundfläche auf. Das piezoelektrische Biegeelement ist ein klassischer Biegebalken.
Unabhängig von der Ausgestaltung der Grundfläche weist das piezoelektrische Biegeelement einen Schichtaufbau auf mit zwei piezoelektrischen Schichten 21 und einer zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordneten Innenelektrode 22. Den Abschluss bilden zwei Außenelektroden 23.
An der Verbindungsstelle 122 der Auflagefläche ist der piezoelektrische Biegewandler über einen Stoffschluss 14 mit der Auflagefläche verbunden. Der Stoffschluss weist einen Klebstoff auf. Das piezoelektrische Biegeelement ist Das Gegen-Werkstück befindet sich in einem Aufnahmeraum 123 des Werkstücks. Dabei sind das Werkstück und das Gegen-Werkstück über ein Lager 124 derart miteinander verbunden, dass das Gegen-Werkstück im Aufnahmeraum derart gegen das Werkstück bewegt werden kann, dass ein Abstand 125 zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche verändert werden kann. Auflagefläche und Gegen-Auflagefläche können relativ zueinander bewegt werden.
Zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie wird wie folgt vorgegangen: Durch Bewegen des Gegen-Werkstücks in Richtung des Werkstücks aufgrund einer äußeren mechanischen Kraft 3 kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers. Dabei kommt es zur Ladungstrennung aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Die getrennte elektrische Ladung kann zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden. Dabei fungieren Werkstück mit Auflagefläche und Gegen-Werkstück mit Gegen-Auflagefläche als Anschlag. Es kann nicht zu einer Überlastung des Biegewandlers kommen.

Claims

Biegevorrichtung (1) zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegelements (2) mit – einem Werkstück (11) mit einer Auflagefläche (111) mit mindestens einer konvexer Wölbung (1111), – einem Gegen-Werkstück (12) mit einer Gegen-Auflagefläche (121) mit einer zur konvexen Wölbung der Auflagefläche im Wesentlichen inversen, konkaven Wölbung (1211) und – einer Vorrichtung (4, 124) zu einem derartigen relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegenwerkstücks, dass die konvexe Wölbung der Auflagefläche in die konkave Wölbung der Gegenauflagefläche geführt werden kann, wobei – das Biegelement in einem Zwischenraum (13) zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche angeordnet werden kann, so dass es aufgrund des Bewegens zu einer Verbiegung des Biegeelements kommt.
Biegevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auflagefläche und/oder die Gegen-Auflagefläche im Wesentlichen gleich groß sind.
Biegevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wölbung und die Gegen-Wölbung eine im Wesentlichen betragsgleiche Krümmung aufweisen.
Biegevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die konvexe Wölbung und/oder die konkave Wölbung einen kreisrunden Fußumfang aufweisen.
Biegevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Biegeelement an einer Verbindungsstelle (122) der Auflagefläche des Werkstücks mit dem Werkstück und/oder an einer Verbindungsstelle der Gegen-Auflagefläche des Gegen-Werkstücks mit dem Gegen-Werkstück durch einen Stoffschluss (14) verbunden ist.
Biegevorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Stoffschluss einen Klebstoff aufweist.
Biegevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Werkstück einen Aufnahmeraum (123) zur Aufnahme des Gegenwerkstücks aufweist und das Werkstück und das Gegenwerkstück über ein Lager (124) derart miteinander verbunden sind, dass das relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks durchgeführt werden kann.
Piezoelektrischer Energiewandler zur Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie durch Einkoppeln einer durch die mechanische Energie hervorgerufenen mechanischen Kraft in mindestens ein piezoelektrisches Biegeelement, mit – einer Biegevorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche und – einem piezoelektrischen Biegeelement, wobei – der piezoelektrische Biegeelement im Zwischenraum zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche derart angeordnet ist, dass es aufgrund des relativen gegeneinander Bewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des piezoelektrischen Biegeelements kommt und aufgrund der Verbiegung die mechanische Kraft in das piezoelektrische Biegeelement eingekoppelt werden kann.
Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Biegelement ein Piezoelektrischer Biegewandler mit einer kreisrunder Grundfläche ist.
Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Biegelement an einer Verbindungsstelle (122) der Auflagefläche des Werkstücks mit dem Werkstück durch einen Stoffschluss (14) verbunden ist.
Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 10, wobei der Stoffschluss einen Klebstoff aufweist.
Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des piezoelektrischen Energiewandlers nach einem der Ansprüche 8 bis 11 durch gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegenwerkstücks.