DE102010019725A1 - Overload protected piezoelectric generator - Google Patents

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DE102010019725A1
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Alexander Frey
Ingo Dr. Kühne
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    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Abstract

Überlastgeschützter Piezogenerator mit Festkörperwandlerelement zur Einkopplung und zum Umwandeln von Deformationsenergie (z. B. mechanischer Umgebungsenergie) in elektrische Energie durch Einwirken eines durch die Deformationsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Drucks auf ein piezoelektrisches Element (Piezokeramik), so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes in eine definierte Raumrichtung kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes elektrische Energie gewonnen wird, wobei das piezoelektrische Element auf einem elastischen Wandlerelement (z. B. Festkörperwandlerelement) angebracht ist, wobei das elastische Wandlerelement eine Wandlung des durch die mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrische Elementes bewirkt. Das elastische Wandlerelement sorgt für eine Wandlung der primären mechanischen Deformationsenergie in eine sekundäre mechanische Verformung und somit für eine Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik von den direkt einwirkenden Verformungsenergien der Umgebung. Dies sorgt für einen Schutz im Überlastfall.Overload-protected piezoelectric generator with solid-state transducer element for coupling and converting deformation energy (eg mechanical ambient energy) into electrical energy by acting on a piezoelectric element (piezoceramic) caused by the deformation energy, variable mechanical pressure, so that there is a deformation of the piezoelectric element in a defined spatial direction and wherein electrical energy is obtained by the deformation of the piezoelectric element, the piezoelectric element being mounted on an elastic transducer element (eg solid state transducer element), the elastic transducer element converting the mechanical pressure generated by the mechanical ambient energy causes a defined deformation of the piezoelectric element. The elastic transducer element provides for a conversion of the primary mechanical deformation energy into a secondary mechanical deformation and thus for a decoupling of the sensitive piezoceramic from the directly acting deformation energies of the environment. This ensures protection in the event of overload.

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Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirken eines durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Drucks auf ein piezoelektrisches Element, so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes elektrische Energie gewonnen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Weiterhin betrifft die Erfindung ein piezoelektrisches Element.The invention relates to a piezoelectric energy converter for converting mechanical ambient energy into electrical energy by the action of a mechanical mechanical energy caused by the variable mechanical pressure on a piezoelectric element, so that there is a deformation of the piezoelectric element and wherein the deformation of the piezoelectric element electrical Energy is gained. Furthermore, the invention relates to a method for converting mechanical energy into electrical energy. Furthermore, the invention relates to a piezoelectric element.

Viele neue Anwendungen erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal verteilt oder dezentral angebracht, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwendig und teuer ist (z. B. durch Verlegen von elektrischen Zuführungen). Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Aktor- bzw. Sensorknoten gänzlich unmöglich, so dass diese völlig autark betrieben werden müssen. Solche Systeme müssen sich selbst mit elektrischer Energie versorgen.Many new applications require sophisticated sensors and / or actuators. Often this is distributed locally or decentralized, which means that an electrical energy supply is complex and expensive (eg., By laying electrical supplies). In some applications, a physical connection of such decentralized actuator or sensor nodes is completely impossible, so they must be operated completely self-sufficient. Such systems have to provide themselves with electrical energy.

Es ist bekannt, dezentrale Sensor- oder Aktorsysteme über eine Solarzelle mit Energie zu versorgen. Im Bereich der Industrieautomatisierung und den damit oft einhergehenden deutlich reduzierten Lichtbudgets ist der Einsatz dieser Solarsysteme aber begrenzt.It is known to provide decentralized sensor or actuator systems with energy via a solar cell. In the field of industrial automation and the associated significantly reduced light budgets, however, the use of these solar systems is limited.

Weiterhin ist bekannt, solche dezentralen Sensor- oder Aktorsysteme mit Batterien zur Stromversorgung auszustatten. Die Batterie begrenzt aber die Einsatz- bzw. Lebensdauer des Systems. Solche batteriebetriebenen dezentralen Systeme erfordern weiterhin einen beträchtlichen Wartungsaufwand, da die Batterien von Zeit zu Zeit gewechselt werden müssen. Ist kein Batteriewechsel möglich, fallen solche Systeme aus.Furthermore, it is known to equip such decentralized sensor or actuator systems with batteries for power supply. However, the battery limits the service life of the system. Such battery operated distributed systems still require a considerable amount of maintenance, as the batteries need to be changed from time to time. If no battery change is possible, such systems will fail.

Weiterhin ist bekannt mithilfe des piezoelektrischen Effektes Energie aus mechanischer Verformung zu gewinnen. Hier tritt aber das Problem auf, dass die Piezostruktur durch die mechanische Verformung zerstört werden kann.Furthermore, it is known to gain energy from mechanical deformation by means of the piezoelectric effect. Here, however, the problem arises that the piezoelectric structure can be destroyed by the mechanical deformation.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen piezoelektrischer Energiewandler bereitzustellen, bei dem einerseits direktmechanische Verformungsenergie ausgenutzt wird und andererseits die mechanische Belastung des verwendeten Piezoelementes begrenzt wird.The object of the present invention is to provide a piezoelectric energy converter in which, on the one hand, direct mechanical deformation energy is utilized and, on the other hand, the mechanical stress on the piezoelectric element used is limited.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirken eines durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Drucks auf ein piezoelektrisches Element, so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes elektrische Energie gewonnen wird, wobei das piezoelektrische Element auf einem elastischen Wandlerelement angebracht ist, und wobei das elastische Wandlerelement eine Wandlung des durch die mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrische Elementes bewirkt. Der Piezogenerator ist somit im Überlastfall vor einer zerstörerischen Krafteinwirkung geschützt. Andererseits wird die vorhandene Umgebungsenergie sehr effektiv in die Piezokeramik (Piezoelement) eingekoppelt, so dass viel elektrische Nutzenergie erzeugt werden kann. Die gewonnene Energie wird einem Verbraucher (z. B. dezentrale Aktoren oder Sensoren) zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht den autarken Betrieb dieser dezentralen Systeme, d. h. ohne Verkabelung oder Batteriebetrieb. Diese Systeme können somit prinzipiell wartungsfrei betrieben werden.The object is achieved by a piezoelectric energy converter for converting mechanical environmental energy into electrical energy by acting through the mechanical environmental energy, caused by a variable mechanical pressure on a piezoelectric element, so that there is a deformation of the piezoelectric element and wherein the deformation of the piezoelectric Elementes electrical energy is obtained, wherein the piezoelectric element is mounted on an elastic transducer element, and wherein the elastic transducer element causes a conversion of the mechanical pressure generated by the mechanical mechanical energy in a defined deformation of the piezoelectric element. The piezoelectric generator is thus protected in the event of overload from a destructive force. On the other hand, the existing ambient energy is very effectively coupled into the piezoceramic (piezoelectric element), so that a lot of useful electrical energy can be generated. The energy gained is made available to a consumer (eg decentralized actuators or sensors). This enables the self-sufficient operation of these decentralized systems, i. H. without cabling or battery operation. These systems can thus be operated in principle maintenance-free.

Der erfindungsgemäße Energiewandler kann in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z. B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z. B. durch mechanisch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Aber auch eine Reifenlatsch ist als mechanisch verformbare Umgebung verwendbar. Diese in einer industriellen Umgebung sowieso schon vorhandenen mechanischen Verformungsenergien, die auch in definierten und bekannten Bewegungsrichtungen vorliegen, lassen sich durch den erfindungsgemäßen Energiewandler „ernten”. Der Energiewandler wird somit mit mechanischer Energie versorgt, die eine schon vorhandene Infrastruktur bereitstellt. Das piezoelektrische Element und das elastische Wandlerelement können direkt auf die verformbare Umgebung aufgebracht werden (z. B. durch eine Klebeverbindung oder durch Vulkanisieren). Das elastische Wandlerelement kann z. B. als Festkörperwandlerelement (z. B. Gummi oder weicher Kunststoff) ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weist das Wandlerelement einen geringeren E-Modul (Elastizitätsmodul) als das piezoelektrische Element auf.The energy converter according to the invention can be used in any dynamically deformable environments. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (eg robots), where there are many moving parts that z. B. are protected by mechanically deformable rubber sleeves. But a Reifenlatsch is usable as a mechanically deformable environment. These already present in an industrial environment mechanical deformation energies that are present in defined and known directions of movement can be "harvested" by the energy converter according to the invention. The energy converter is thus supplied with mechanical energy that provides an existing infrastructure. The piezoelectric element and the elastic transducer element may be applied directly to the deformable environment (eg, by adhesive bonding or by vulcanization). The elastic transducer element can, for. B. as a solid state transducer element (eg., Rubber or soft plastic) may be formed. Advantageously, the transducer element has a lower modulus of elasticity (elastic modulus) than the piezoelectric element.

Das piezoelektrische Element besteht aus mindestens einer piezoelektrische Schicht und Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten können dabei 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 piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschichten können auf einer optionalen Trägerschicht aufgebracht sein.The piezoelectric element consists of at least one piezoelectric layer and electrode layers. The electrode layers may consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials. The Piezoelectric layer may also consist of different materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable. The piezoelectric layer and the electrode layers may be applied to an optional carrier layer.

Über den piezoelektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare Ladungsfluss steht dann extern als elektrische Energie zur Verfügung. Über eine elektrische Ankontaktierung an den Elektroden und eine entsprechende lokale Verdrahtung wird eine elektrische Leistung für Verbraucher bereitgestellt.The piezoelectric effect generates a periodic charge separation between the electrodes. The resulting charge flow is then available externally as electrical energy. An electrical connection to the electrodes and a corresponding local wiring provide electrical power for consumers.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die mechanische Umgebungsenergie durch eine Primärverformung (z. B. Verbiegung oder Verdrehung) eines primären Verformungskörper bereitgestellt wird, auf dem das elastischen Wandlerelement angebracht ist, wobei das Wandlerelement derart ausgeformt ist, dass die mechanische Belastung auf das piezoelektrische Element unabhängig von der Primärverbiegung des primären Verformungskörper einstellbar ist. Dadurch wird die mechanische Belastung auf das piezoelektrische Element von der Primärverbiegung des primären Verformungskörper entkoppelt und vor einer Überlast durch den primären Verformungskörper geschützt.A first advantageous embodiment of the invention is that the mechanical ambient energy is provided by a primary deformation (eg bending or twisting) of a primary deformation body, on which the elastic transducer element is mounted, wherein the transducer element is formed such that the mechanical stress is adjustable to the piezoelectric element independent of the primary bending of the primary deformation body. Thereby, the mechanical stress on the piezoelectric element is decoupled from the primary bending of the primary deformation body and protected from overload by the primary deformation body.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass durch das elastische Wandlerelement eine Entkopplung des piezoelektrischen Elementes von der mechanischen Umgebungsenergie erfolgt. Die Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik von den direkt einwirkenden Verformungsenergien der mechanischen Umgebung schützt die Piezokeramik (piezoelektrisches Element) vor einer zerstörerischen Krafteinwirkung durch die Umgebung.A further advantageous embodiment of the invention is that by the elastic transducer element, a decoupling of the piezoelectric element from the mechanical ambient energy takes place. The decoupling of the sensitive piezoceramic from the directly acting deformation energies of the mechanical environment protects the piezoceramic (piezoelectric element) from a destructive force by the environment.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten aufweist. Das piezoelektrisches Element kann auf MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical Systems) basieren, sowohl als Biegebalkenstruktur oder als Piezomembran ausgebildet. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse und geringe Abmessungen und lässt sich in eine vorhandene Umgebungsinfrastruktur (z. B. Förderband, Gummimanschetten) leicht einfügen und integrieren.A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has a multilayer structure with MEMS layers. The piezoelectric element may be based on MEMS technology (Micro Electro Mechanical Systems), designed both as a bending beam structure or as a piezo membrane. With this technology, a piezoelectric energy converter with very small lateral dimensions is accessible. In addition, very thin layers can be formed. For example, the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 μm to 0.5 μm. The piezoelectric layer is a few microns thick, for example, 1 micron to 10 microns. The piezoelectric element has a very small mass and small dimensions and can be easily inserted into an existing environment infrastructure (eg conveyor belt, rubber sleeves) and integrate.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element als Biegebalkenstruktur oder als Piezomembran ausgebildet ist, wobei das piezoelektrischen Element eine Trägerschicht aufweist, die durch das elastische Wandlerelement gebildet wird. Die Trägerschicht erhöht die Stabilität des piezoelektrischen Elementes. Die Verwendung der Trägerschicht als Wandlerelement erlaubt eine kompakte und integrative Bauweise.A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element is designed as a bending beam structure or as a piezoelectric membrane, wherein the piezoelectric element has a carrier layer, which is formed by the elastic transducer element. The carrier layer increases the stability of the piezoelectric element. The use of the carrier layer as a transducer element allows a compact and integrative design.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass durch das elastische Wandlerelement ein Überlastschutz für das piezoelektrische Element bewirkt wird. Verformungen in der Umgebung, die zu Überlastsituationen führen (z. B. Fahren mit einem Reifen über Bordsteinkanten) bewirken somit keine Zerstörung des Piezoelementes.A further advantageous embodiment of the invention is that an overload protection for the piezoelectric element is effected by the elastic transducer element. Deformations in the environment that lead to overload situations (eg driving with a tire over curbs) thus cause no destruction of the piezoelectric element.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines Energiewandlers, wobei das elastische Wandlerelement eine Wandlung des durch die mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrischen Elementes bewirkt. Die indirekte Art der Energieeinkopplung von der mechanischen Umgebungsenergie über das Wandlerelement in das piezoelektrische Element hat den Vorteil, dass eine potentielle mechanische Überlast in der Umgebung bei geeigneter Auslegung des Wandlerelements nicht direkt auf das piezoelektrische Element überkoppelt. Somit wird ein Defekt oder eine Zerstörung der Piezokeramik durch Überlast vermieden.The object is further achieved by a method for converting mechanical energy into electrical energy using an energy converter, wherein the elastic transducer element causes a conversion of the mechanical pressure generated by the mechanical ambient energy in a defined deformation of the piezoelectric element. The indirect way of coupling energy from the mechanical ambient energy via the transducer element in the piezoelectric element has the advantage that a potential mechanical overload in the environment with a suitable design of the transducer element is not directly coupled to the piezoelectric element. Thus, a defect or destruction of the piezoceramic is avoided by overload.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein piezoelektrisches Element, welches auf einem elastischen Wandlerelement angebracht ist, wobei das elastische Wandlerelement eine Wandlung des durch eine mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrische Elementes bewirkt, wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes elektrische Energie gewonnen wird, wobei durch das elastische Wandlerelement eine Entkopplung des piezoelektrischen Elementes von einer direkten Einwirkung der mechanischen Umgebungsenergie erfolgt. Dadurch wird das piezoelektrische Element vor einer Überlasteinwirkung durch die Umgebung geschützt. The object is further achieved by a piezoelectric element which is mounted on an elastic transducer element, wherein the elastic transducer element causes a conversion of the mechanical pressure generated by a mechanical mechanical energy in a defined deformation of the piezoelectric element, wherein by the deformation of the piezoelectric element electrical energy is obtained, wherein the elastic transducer element, a decoupling of the piezoelectric element is carried out by a direct action of the mechanical energy environment. Thereby, the piezoelectric element is protected from an overload by the environment.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirken eines durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Drucks auf ein piezoelektrisches Element, so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes elektrische Energie gewonnen wird, wobei durch die konstruktive Realisierung des Energiewandlers ein Einwirken ungünstiger Umgebungskräfte auf das piezoelektrische Element verhindert wird. Z. B. kann durch einen gekapselten Aufbau des Energiewandlers ein Überlastschutz erzielt werden. Hierbei ist das piezoelektrische Element im Energiewandler eingebettet oder eingekapselt. Die Kapselung kann z. B. in einen weichen Kunststoff oder Gummi erfolgen. Vorteilhafterweise hat das Kapselmaterial einen geringeren E-Modul (Elastizitätsmodul) als das piezoelektrische Element. Weiterhin ist es möglich den Energiewandler verteilt in der Umgebung anzubringen, z. B. durch ein punktuelles Festkleben an der Innenseite eines Reifens. Auch dadurch wird ein Überlastschutz bewirkt. Durch Wahl eines geeigneten Designs für den Energiewandler wird die Einprägung bestimmter externer Kräfte auf die Piezostruktur unterbunden.The object is further achieved by a piezoelectric energy converter for converting mechanical environment energy into electrical energy by the action of a mechanical mechanical energy caused by the variable mechanical pressure on a piezoelectric element, so that there is a deformation of the piezoelectric element and wherein the deformation of the electrical energy is obtained piezoelectric element, wherein the structural realization of the energy converter prevents the effect of unfavorable environmental forces on the piezoelectric element. For example, an overload protection can be achieved by an encapsulated structure of the energy converter. Here, the piezoelectric element is embedded or encapsulated in the energy converter. The encapsulation can z. B. in a soft plastic or rubber. Advantageously, the capsule material has a lower modulus of elasticity (Young's modulus) than the piezoelectric element. Furthermore, it is possible to install the energy converter distributed in the environment, eg. B. by a selective sticking to the inside of a tire. This also causes an overload protection. By choosing a suitable design for the energy converter, the impression of certain external forces on the piezoelectric structure is prevented.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be explained in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 Beispiele für mechanische Primärverformungen und daraus resultierende Verformungen der Piezokeramik, 1 Examples of mechanical primary deformations and resulting deformations of the piezoceramic,

2 ein erstes Anwendungsbeispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen überlastgeschützten Piezogenerators bzw. des piezoelektrisches Elementes, und 2 a first application example for the use of the overload protected piezoelectric generator according to the invention or the piezoelectric element, and

3 ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel für ein piezoelektrisches Elementes. 3 an exemplary embodiment of a piezoelectric element.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee beruht auf der Verwendung eines elastischen Elements zur Wandlung der primären mechanischen Energie aus der Umgebung in eine sekundäre mechanische Verformung. Hierbei kommt es einerseits zur Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik von den direkt einwirkenden Verformungsenergien der Umgebung. Andererseits wird die vorhandene Umgebungsenergie sehr effektiv in die Piezokeramik eingekoppelt, so dass viel elektrische Nutzenergie erzeugt werden kann.The idea underlying the invention is based on the use of an elastic element for converting the primary mechanical energy from the environment into a secondary mechanical deformation. On the one hand, this results in the decoupling of the sensitive piezoceramic from the directly acting deformation energies of the environment. On the other hand, the existing ambient energy is very effectively coupled into the piezoceramic, so that much useful electrical energy can be generated.

1 mit den Teilabbildungen a) bis i) soll den erfinderischen Grundgedanken verdeutlichen. 1 zeigt Beispiele a) bis i) für mechanische Primärverformungen PV1–PV9 und daraus resultierende Verformungen der Piezokeramik PE1–PE6. Es wird die Verformung einer Piezokeramik PE1 bis PE6 im unbelasteten Fall, im Lastfall und im Überlastfall gezeigt. Die Teilabbildungen a), d) und g) zeigen einen Zustand ohne mechanische Verformung, die Teilabbildungen b), e) und h) stellen eine Normalbelastung dar und die Teilabbildungen c), f) und i) stellen einen Überlastfall dar. Eine Überlastsituation kann z. B. beim Fahren eines Reifens über eine Bordsteinkante eintreten. Eine auf einer Reifeninnenseite angebrachte Piezostruktur würde abgeknickt und zerstört werden. PV1–PV9 zeigen Beispiele für mechanische Primärverformungen aus der Umgebung (z. B. durch das Abknicken eines Förderbandes). Bei den Teilabbildungen d), e) und f) ist die Piezokeramik PE1, PE2, PE3 direkt auf eine Umgebung aufgebracht, die die Primärverformungen PV4, PV5 bzw. PV6 bewirkt. Bei den Teilabbildungen g), h) und i) ist die Piezokeramik PE4, PE5, PE6 nicht direkt auf die Umgebung aufgebracht. In den Teilabbildungen g), h) und i) ist das piezoelektrische Element PE4, PE5, PE6 auf einem elastischen Wandlerelement WE1–WE3 angebracht, wobei das elastische Wandlerelement WE1–WE3 auf der Umgebung angebracht ist und dabei den Primärverformungen PV7–PV9 der Umgebung direkt ausgesetzt ist. Das Piezoelement (Piezokeramik) PE4–PE6 ist somit nicht direkt den mechanischen Verformungen der Umgebung ausgesetzt. 1 with the partial illustrations a) to i) is intended to illustrate the inventive idea. 1 shows examples a) to i) for mechanical primary deformations PV1-PV9 and resulting deformations of the piezoceramic PE1-PE6. It shows the deformation of a piezoceramic PE1 to PE6 in the unloaded case, in the load case and in the overload case. The partial images a), d) and g) show a state without mechanical deformation, the partial images b), e) and h) represent a normal load and the partial images c), f) and i) represent an overload case. An overload situation can z. B. when driving a tire over a curb. An attached on a tire inner side piezo structure would be bent and destroyed. PV1-PV9 show examples of mechanical primary deformations from the environment (eg by bending a conveyor belt). In the partial illustrations d), e) and f), the piezoceramic PE1, PE2, PE3 is applied directly to an environment that causes the primary deformations PV4, PV5 or PV6. In the partial illustrations g), h) and i) the piezoceramic PE4, PE5, PE6 is not applied directly to the environment. In the partial illustrations g), h) and i), the piezoelectric element PE4, PE5, PE6 is mounted on an elastic transducer element WE1-WE3, wherein the elastic transducer element WE1-WE3 is mounted on the environment and the primary deformations PV7-PV9 of the environment directly exposed. The piezo element (piezoceramic) PE4-PE6 is thus not directly exposed to the mechanical deformations of the environment.

Vergleicht man den Lastfall in Teilabbildung e), wobei eine direkte Aufbringung der Piezokeramik PE2 auf einem primären Verformungskörper PV5 vorliegt, mit der Variante mit einem zusätzlichen Wandlerelement WE2 in Teilabbildung h), erkennt man den zusätzlichen Auslegungsfreiheitsgrad für das erfindungsgemäße System, dargestellt in den Teilabbildungen g), h) und i). Durch geeignete Ausformung des erfindungsgemäßen elastischen Wandlerelements WE1–WE3, kann die mechanische Belastung der Piezokeramik PE1–PE6 unabhängig von der Primärverformung (z. B. Verbiegung) PV1–PV9 eingestellt werden. Weiterhin ist es möglich, die Piezokeramik im Überlastfall vor zerstörerischen Krafteinwirkungen zu schützen, wie beispielhaft in Teilabbildung i) dargestellt ist.If one compares the load case in subfigure e) with a direct application of the piezoceramic PE2 on a primary deformation body PV5, with the variant with an additional transducer element WE2 in subfigure h), one recognizes the additional degree of design freedom for the system according to the invention, illustrated in the partial illustrations g), h) and i). By suitable shaping of the elastic transducer element WE1-WE3 according to the invention, the mechanical loading of the piezoceramic PE1-PE6 can be adjusted independently of the primary deformation (eg bending) PV1-PV9. Furthermore, it is possible to protect the piezoceramic in the event of overload from destructive force effects, as shown by way of example in partial illustration i).

Bei den Teilabbildungen d), e) und f) ist das piezoelektrische Element PE1–PE3 direkt auf einem primären Verformungskörper PV4–PV6 angebracht und somit der primären Verformung direkt ausgesetzt. Das Beispiel in Teilabbildung f) zeigt, dass ein Überlastfall zu einer Zerstörung der Piezokeramik PE3 führen kann. In den Teilabbildungen g), h) und i) sorgt das erfindungsgemäße elastische Wandlerelement WE1–WE3 dafür, dass die Piezokeramik PE4–PE6 nicht direkt einer primären Verformung PV7–PV9 ausgesetzt ist. Es kommt somit zu einer Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik PE4–PE6 von den direkt einwirkenden Verformungsenergien PV7–PV9. Andererseits wird die vorhandene Umgebungsenergie (durch die Primärverformungen) sehr effektiv in die Piezokeramik PE4–PE6 eingekoppelt, so dass viel elektrische Nutzenergie erzeugt werden kann.In the partial images d), e) and f), the piezoelectric element PE1-PE3 is mounted directly on a primary deformation body PV4-PV6 and thus directly exposed to the primary deformation. The example in subfigure f) shows that an overload can lead to the destruction of the piezoceramic PE3. In the partial illustrations g), h) and i), the elastic transducer element WE1-WE3 according to the invention ensures that the piezoceramic PE4- PE6 is not directly exposed to primary PV7-PV9 deformation. This results in a decoupling of the sensitive piezoceramic PE4-PE6 from the directly acting deformation energies PV7-PV9. On the other hand, the existing ambient energy (by the primary deformations) is very effectively coupled into the piezoceramic PE4-PE6, so that a lot of useful electrical energy can be generated.

Als Material für das Wandlerelement WE1–WE3 eignet sich z. B. Gummi oder ein weicher Kunststoff mit geringerem E-Modul als beim piezoelektrischen Element (Piezokeramik) PE1–PE6. Auch entsprechende Elastomere sind als Wandlerelement WE1–WE3 geeignet. Die Dicke des Wandlerelementes WE1–WE3 kann je nach Anwendung und Umgebungsbedingung variieren. Sinnvolle Dicken: einige μm bis 100 μm, ein typischer Wert liegt bei 30 μm.As material for the transducer element WE1-WE3 is z. As rubber or a soft plastic with a lower modulus of elasticity than the piezoelectric element (piezoceramic) PE1-PE6. Corresponding elastomers are also suitable as transducer element WE1-WE3. The thickness of the transducer element WE1-WE3 may vary depending on the application and environmental condition. Sensible thicknesses: a few μm to 100 μm, a typical value is 30 μm.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in:

  • – Verwendung eines elastischen Elementes WE1–WE3 zur Wandlung der primären mechanischen Verformungsenergie PV1 bis PV9 in eine sekundäre mechanische Verformung.
  • – Die mechanische Belastung der Piezokeramik PE1–PE6 kann unabhängig von der Primärverbiegung PV1–PV9 eingestellt werden.
  • – Die empfindliche Piezokeramik PE1–PE6 ist von den direkt einwirkenden Verformungsenergien PV1–PV9 entkoppelt.
  • – Eine geeignete Auslegung des elastischen Wandlerelementes WE1–WE3 verhindert eine mechanische Zerstörung der Piezokeramik PE1–PE6 im Überlastfall.
The main advantages of the invention are in particular in:
  • - Use of an elastic element WE1-WE3 to convert the primary mechanical deformation energy PV1 to PV9 into a secondary mechanical deformation.
  • - The mechanical load of the piezoceramic PE1-PE6 can be adjusted independently of the primary bending PV1-PV9.
  • - The sensitive piezoceramic PE1-PE6 is decoupled from the direct acting deformation energies PV1-PV9.
  • - A suitable design of the elastic transducer element WE1-WE3 prevents mechanical destruction of the piezoceramic PE1-PE6 in case of overload.

2 zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen überlastgeschützten Piezogenerators bzw. des piezoelektrisches Elementes in einer mechanisch verformbaren Umgebung. 2 zeigt einen Reifen R von der Seite mit Reifenlatsch RL auf einer Fahrbahn F, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energiewandlers bzw. des erfindungsgemäßen piezoelektrisches Elementes. Das auf dem elastischen Wandlerelement (1; WE1–WE3) angebrachte piezoelektrische Element (1; PE1–PE6) ist auf der Innenseite des Autoreifens R (z. B. auf der Innenseite der Lauffläche) derart angebracht (z. B. durch Kleben oder Vulkanisieren), dass eine Verformung des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfläche) zu einer Verformung piezoelektrische Element (1; PE1–PE6) führt. Der Ein- bzw. Austritt in den Reifenlatsch bewirkt eine gewollte mechanische Verformung (Standardfall). Mechanische Verformungen des Reifens, die zu Überlastsituationen führen (z. B. Fahren über Bordsteinkanten) bergen die Gefahr einer zerstörerischen Krafteinwirkung auf das piezoelektrische Element (1; PE1–PE6). 2 shows a first application example for the use of the overload protected piezoelectric generator according to the invention or the piezoelectric element in a mechanically deformable environment. 2 shows a tire R from the side with tire rattle RL on a road F, as an example of the use of the energy converter according to the invention or the piezoelectric element according to the invention. That on the elastic transducer element ( 1 ; WE1-WE3) attached piezoelectric element ( 1 ; PE1-PE6) is mounted on the inside of the automobile tire R (eg, on the inside of the tread) in such a manner (eg, by gluing or vulcanization) that deformation of the tire pad (tire contact patch) results in deformation of the piezoelectric element (FIG. 1 ; PE1-PE6). The entry or exit into the tire lash causes a desired mechanical deformation (standard case). Mechanical deformations of the tire which lead to overload situations (eg driving over curbs) harbor the risk of a destructive force acting on the piezoelectric element ( 1 ; PE1 PE6).

Das elastische Wandlerelement (1; WE1–WE3) begrenzt die Verformung des piezoelektrischen Elementes und sorgt somit für einen Überlastschutz für das piezoelektrische Element. Für eine im Reifen R vorhandene Reifensensorik kann somit durch den Reifen selbst die für den Betrieb der Reifensensorik notwendige Energie bereitgestellt werden kann. Die Reifensensorik kann somit energieautark betrieben werden. Der erfindungsgemäße Energiewandler kann aber in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z. B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z. B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z. B. durch mechanisch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Das elastische Wandlerelement (1; WE1–WE3) sorgt für eine Wandlung der primären mechanischen Umgebungsenergie in eine sekundäre mechanische Verformung und somit für eine Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik von den direkt einwirkenden Verformungsenergien der Umgebung. Dies sorgt für einen Schutz im Überlastfall.The elastic transducer element ( 1 ; WE1-WE3) limits the deformation of the piezoelectric element and thus provides overload protection for the piezoelectric element. For a tire sensor present in the tire R, the energy necessary for the operation of the tire sensor can thus be provided by the tire itself. The tire sensor system can thus be operated in an energy-autonomous manner. However, the energy converter according to the invention can be used in any dynamically deformable environments. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (eg robots), where there are many moving parts that z. B. are protected by mechanically deformable rubber sleeves. The elastic transducer element ( 1 ; WE1-WE3) converts the primary mechanical ambient energy into a secondary mechanical deformation and thus decouples the sensitive piezoceramic from the directly acting deformation energies of the environment. This ensures protection in the event of overload.

Die beschriebene Art der Energieumwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie kann überall dort eingesetzt werden, wo mechanische Verformungsenergie vorhanden ist, die als mechanischer Druck auf ein piezoelektrisches Element aufbringbar ist. Durch den mechanischen Druck erfährt das piezoelektrische Element eine mechanische Verformung. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Die generierte Ladung steht dann als elektrische Energie zur Verfügung. Solche Situationen sind z. B. in der Industrieautomatisierung zu finden, z. B. beim Abknicken oder Ausfahren von Roboterarmen oder bei der Umlenkung von Förderbändern. Diese sowieso schon vorhandenen mechanischen Verformungsenergien, die auch in definierten und bekannten Bewegungsrichtungen vorliegen, lassen sich für den erfindungsgemäßen Energiewandler „ernten”. Der Energiewandler wird somit mit mechanischer Verformungsenergie versorgt, die eine schon vorhandene Infrastruktur bereitstellt.The described type of energy conversion of mechanical energy into electrical energy can be used wherever mechanical deformation energy is present, which can be applied as a mechanical pressure on a piezoelectric element. Due to the mechanical pressure, the piezoelectric element undergoes a mechanical deformation. The piezoelectric effect generates a periodic charge separation between the electrodes. The generated charge is then available as electrical energy. Such situations are z. As can be found in industrial automation, z. B. when kinking or extension of robot arms or during the deflection of conveyor belts. These already existing mechanical deformation energies, which are also present in defined and known directions of movement, can be "harvested" for the energy converter according to the invention. The energy converter is thus supplied with mechanical deformation energy that provides an already existing infrastructure.

3 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel für ein piezoelektrisches Element PE7. Das Beispiel nach 3 zeigt das Piezoelement PE7 als mehrschichtige rechtwinklige bzw. im Wesentlichen rechtwinklige Platte. Das Piezoelement PE7 kann prinzipiell auch andere Formen annehmen (z. B. Kreis). Das piezoelektrische Element PE7 weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht ES1, piezoelektrischer Schicht PES und weiterer Elektrodenschicht ES2 auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten ES1, ES2 und piezoelektrischen Schichten PES resultiert. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ES1, ES2 kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien. 3 shows an exemplary embodiment of a piezoelectric element PE7. The example after 3 shows the piezo element PE7 as a multilayer rectangular or substantially rectangular plate. The piezo element PE7 can in principle also take other forms (eg circle). The piezoelectric element PE7 has a layer sequence of electrode layer ES1, piezoelectric layer PES and further electrode layer ES2. In this case, a plurality of such layer sequences can be stacked on top of one another, resulting in a multilayer structure with stacked, alternately arranged electrode layers ES1, ES2 and piezoelectric layers PES. The electrode material of the electrode layers ES1, ES2 may consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials.

Die piezoelektrische Schicht PES 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.The piezoelectric layer PES can also consist of different materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.

Optional kann eine Trägerschicht TS vorhanden sein. Die Trägerschicht TS erhöht die Stabilität des piezoelektrischen Elementes PE7.Optionally, a carrier layer TS may be present. The carrier layer TS increases the stability of the piezoelectric element PE7.

Im Hinblick auf die mögliche Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Energiewandlers bzw. des piezoelektrischen Elementes PE7 eignet sich zur Realisierung des piezoelektrischen Elementes PE7 besonders die MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten ES1, ES2 beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht PES ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran ausgestaltet. Das piezoelektrische Element PE verfügt über eine sehr geringe Masse. ES kann eine Trägerschicht TS vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht TS aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Eine Schichtdicke der Trägerschicht TS ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt. Ein miniaturisiert ausgebildeter Energiewandler erhöht das Spektrum von möglichen Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten, insbesondere bei dezentralen Anwendungen, die eine autarke und möglichst wartungsfreie Energieversorgung verlangen.With regard to the possible miniaturization of the energy converter according to the invention or of the piezoelectric element PE7, the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is particularly suitable for realizing the piezoelectric element PE7. With this technology, a piezoelectric energy converter with very small lateral dimensions is accessible. In addition, very thin layers can be formed. For example, the layer thicknesses of the electrode layers ES1, ES2 are 0.1 μm to 0.5 μm. The piezoelectric layer PES is a few microns thick, for example, 1 micron to 10 microns. The piezoelectric element is designed as a thin piezoelectric membrane. The piezoelectric element PE has a very low mass. A carrier layer TS may be provided, for example a carrier layer TS made of silicon, polysilicon, silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). A layer thickness of the carrier layer TS is selected from the range of 1 .mu.m to 100 .mu.m. A miniaturized trained energy converter increases the range of possible applications and applications, especially in decentralized applications that require a self-sufficient and maintenance-free energy supply.

Überlastgeschützter Piezogenerator mit Festkörperwandlerelement zur Einkopplung und zum Umwandeln von Deformationsenergie (z. B. mechanischer Umgebungsenergie) in elektrische Energie durch Einwirken eines durch die Deformationsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Drucks auf ein piezoelektrisches Element (Piezokeramik), so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes in eine definierte Raumrichtung kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes elektrische Energie gewonnen wird, wobei das piezoelektrische Element auf einem elastischen Wandlerelement (z. B. Festkörperwandlerelement) angebracht ist, wobei das elastische Wandlerelement eine Wandlung des durch die mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrische Elementes bewirkt. Das elastische Wandlerelement sorgt für eine Wandlung der primären mechanischen Deformationsenergie in eine sekundäre mechanische Verformung und somit für eine Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik von den direkt einwirkenden Verformungsenergien der Umgebung. Dies sorgt für einen Schutz im Überlastfall.Overload-protected piezoelectric generator with solid-state transducer element for coupling and converting deformation energy (eg mechanical ambient energy) into electrical energy by acting on a piezoelectric element (piezoceramic) caused by the deformation energy, variable mechanical pressure, so that there is a deformation of the piezoelectric element in a defined spatial direction and wherein electrical energy is obtained by the deformation of the piezoelectric element, the piezoelectric element being mounted on an elastic transducer element (eg solid state transducer element), the elastic transducer element converting the mechanical pressure generated by the mechanical ambient energy causes a defined deformation of the piezoelectric element. The elastic transducer element provides for a conversion of the primary mechanical deformation energy into a secondary mechanical deformation and thus for a decoupling of the sensitive piezoceramic from the directly acting deformation energies of the environment. This ensures protection in the event of overload.

Bezugszeichenreference numeral

  • PV1–PV9PV1-PV9
    Primärverformungprimary deformation
    PE1–PE7PE1-PE7
    Piezoelektrisches ElementPiezoelectric element
    WE1–WE3HS1-HS3
    Wandlerelementtransducer element
    ES1, ES2ES1, ES2
    Elektrodenschichtelectrode layer
    PESPES
    Piezoelektrische SchichtPiezoelectric layer
    TSTS
    Trägerschichtbacking
    FF
    Fahrbahnroadway
    RR
    Reifentires
    RLRL
    Reifenlatschtire contact area

Claims (9)

Piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirken eines durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Drucks auf ein piezoelektrisches Element (PE1–PE7), so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) elektrische Energie gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (PE1–PE7) auf einem elastischen Wandlerelement (WE1–WE3) angebracht ist, wobei das elastische Wandlerelement (WE1–WE3) eine Wandlung des durch die mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrische Elementes (PE1–PE7) bewirkt.Piezoelectric energy converter for converting mechanical environment energy into electrical energy by the action of a mechanical mechanical energy caused by the variable mechanical pressure on a piezoelectric element (PE1-PE7), so that there is a deformation of the piezoelectric element (PE1-PE7) and by the deformation of the piezoelectric element (PE1-PE7) electrical energy is obtained, characterized in that the piezoelectric element (PE1-PE7) is mounted on an elastic transducer element (WE1-WE3), wherein the elastic transducer element (WE1-WE3) a conversion causes the mechanical pressure generated by the mechanical ambient energy in a defined deformation of the piezoelectric element (PE1-PE7). Energiewandler nach Anspruch 1, wobei die mechanische Umgebungsenergie durch eine Primärverformung (PV1–PV9) eines primären Verformungskörper bereitgestellt wird, auf dem das elastischen Wandlerelement (WE1–WE3) angebracht ist, wobei das Wandlerelement (WE1–WE3)) derart ausgeformt ist, dass die mechanische Belastung auf das piezoelektrische Element (PE1–PE7) unabhängig von der Primärverbiegung des primären Verformungskörper einstellbar ist.An energy converter according to claim 1, wherein the mechanical ambient energy is provided by primary deformation (PV1-PV9) of a primary deformation body on which the elastic transducer element (WE1-WE3) is mounted, the transducer element (WE1-WE3)) being formed such that the mechanical load on the piezoelectric element (PE1-PE7) is adjustable independently of the primary bending of the primary deformation body. Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch das elastische Wandlerelement (WE1–WE3) eine Entkopplung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) von der mechanischen Umgebungsenergie erfolgt.Energy converter according to claim 1 or 2, wherein by the elastic transducer element (WE1-WE3) decoupling of the piezoelectric element (PE1-PE7) is done from the mechanical ambient energy. Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrischen Element (PE1–PE7) einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten aufweist.Energy converter according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric element (PE1-PE7) has a multilayer structure with MEMS layers. Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrischen Element (PE1–PE7) als Biegebalkenstruktur oder als Piezomembran ausgebildet ist, wobei das piezoelektrischen Element (PE1–PE7) eine Trägerschicht aufweist, die durch das elastische Wandlerelement (WE1–WE3) gebildet wird.Energy converter according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric element (PE1-PE7) is designed as a bending beam structure or as a piezoelectric diaphragm, wherein the piezoelectric element (PE1-PE7) has a carrier layer, which is formed by the elastic transducer element (WE1-WE3). Energiewandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch das elastische Wandlerelement (WE1–WE3) ein Überlastschutz für das piezoelektrische Element (PE1–PE7) bewirkt wird.Energy converter according to one of the preceding claims, wherein by the elastic transducer element (WE1-WE3) an overload protection for the piezoelectric element (PE1-PE7) is effected. Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines Energiewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 wobei das elastische Wandlerelement (WE1–WE3) eine Wandlung des durch die mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) bewirkt.Method for converting mechanical energy into electrical energy using an energy converter according to one of claims 1 to 6, wherein the elastic transducer element (WE1-WE3) converts the mechanical pressure generated by the mechanical ambient energy into a defined deformation of the piezoelectric element (PE1-PE7 ) causes. Piezoelektrische Element (PE1–PE7), welches auf einem elastischen Wandlerelement (WE1–WE3) angebracht ist, wobei das elastische Wandlerelement (WE1–WE3) eine Wandlung des durch eine mechanische Umgebungsenergie erzeugten mechanischen Drucks in eine definierte Verformung des piezoelektrische Elementes (PE1–PE7) bewirkt, wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) elektrische Energie gewonnen wird, wobei durch das elastische Wandlerelement (WE1–WE3) eine Entkopplung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) von einer direkten Einwirkung der mechanischen Umgebungsenergie erfolgt.Piezoelectric element (PE1-PE7) which is mounted on an elastic transducer element (WE1-WE3), wherein the elastic transducer element (WE1-WE3) converts the mechanical pressure generated by an ambient mechanical energy into a defined deformation of the piezoelectric element (PE1-WE3). PE7) causes, which is obtained by the deformation of the piezoelectric element (PE1-PE7) electrical energy, wherein by the elastic transducer element (WE1-WE3) decoupling of the piezoelectric element (PE1-PE7) takes place from a direct action of the mechanical ambient energy. Piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirken eines durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Drucks auf ein piezoelektrisches Element (PE1–PE7), so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE7) elektrische Energie gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die konstruktive Realisierung des Energiewandlers ein Einwirken ungünstiger Umgebungskräfte auf das piezoelektrische Element (PE1–PE7) verhindert.Piezoelectric energy converter for converting mechanical environment energy into electrical energy by the action of a mechanical mechanical energy caused by the variable mechanical pressure on a piezoelectric element (PE1-PE7), so that there is a deformation of the piezoelectric element (PE1-PE7) and by the deformation of the piezoelectric element (PE1-PE7) electrical energy is obtained, characterized in that the structural realization of the energy converter prevents exposure to unfavorable environmental forces on the piezoelectric element (PE1-PE7).
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