DE102010040238A1

DE102010040238A1 - Hochintegriertes piezoelektrisches Energieversorgungsmodul

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Publication number: DE102010040238A1
Application number: DE102010040238A
Authority: DE
Inventors: Alexander Frey; Ingo Kühne
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-09-04
Also published as: DE102010040238B4; WO2012028453A1

Abstract

Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem, mit einem piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element, ein erstes Gehäuseteil, in dem das piezoelektrische Element an einem Ende auslenkbar angeordnet ist, erste Anregungsmittel zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes, wobei durch die ersten Anregungsmittel in das piezoelektrischen Element eine mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von Energie für energieautarke Systeme.
Aktoren und Sensoren, die auf der MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie basieren, werden zunehmend eingesetzt. Besonders interessant sind hierbei Aktor- bzw. Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifendruckkontrollsystemen (Reifensensorik). Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwachen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür notwendige elektrische Bauteile sind über ein Ventil an einer Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Reifendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems.
Weiterhin sind Systeme bekannt, die über eine Solarzelle gespeist werden. Im Bereich der Industrieautomatisierung und den damit oft einhergehenden deutlich reduzierten Lichtbudgets ist der Einsatz dieser Systeme aber begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein miniaturisiertes Energieerzeugungssystem bereitzustellen, das eine autarke Energieversorgung und -steuerung für dezentrale Systeme, insbesondere im industriellen Umfeld oder in der Fahrzeugtechnik, ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem, umfassend:

a) einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element,
b) ein erstes Gehäuseteil, in dem das piezoelektrische Element an einem Ende auslenkbar angeordnet ist,
c) erste Anregungsmittel zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes, wobei durch die ersten Anregungsmittel in das piezoelektrischen Element eine mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird,
d) eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie. Die beschriebene Art der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie kann überall dort eingesetzt werden, wo eine mechanische Kraft zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes abgegriffen werden kann. Dies kann z. B. durch Nutzung von kinetischer Energie erfolgen oder durch Verformungsvorgänge in der umgebenden Infrastruktur. 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 ein Reifenlatsch ist als mechanisch verformbare Umgebung verwendbar. Diese in einer industriellen Umgebung sowieso schon vorhandenen mechanischen Bewegungen, also vorliegenden kinetischen Energien oder mechanische Kräfte, die auch in definierten und bekannten Bewegungsrichtungen vorliegen, lassen sich somit durch die vorliegende Erfindung zur Gewinnung von elektrischer Energie „ernten”. Durch die mechanische Krafteinkopplung wird das piezoelektrischen Element zu mechanischen Schwingungen angeregt. Diese mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen.

Die gewonnene Energie wird vom Energiemanagementsystem (Powermanagement ASIC) aufbereitet und 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.
Die Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem basiert auf einem MEMS Piezogenerator und der Realisierung der Schnittstellenschaltung als ASIC. MEMS typische Schichtdicken im Bereich von typischerweise 1 μm–100 μm ermöglichen einer kompakte Bauweise des Generators.
Des weiteren können mehrere piezoelektrische Energiewandler bzw. Energieerzeugungssystem hintereinander geschaltet werden. Dadurch wird die erzeugte Energiemenge vergrößert. Es können somit auch Systeme versorgt werden, die größere Energiemengen benötigen. Weiterhin kann dadurch das Energieerzeugungssystem bezüglich der benötigten Energie skaliert werden.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Energieerzeugungssystem ein Energiespeicherelement zum Speichern der durch den piezoelektrischen Energiewandler erzeugten elektrischen Energie umfasst. Dadurch lässt sich erzeugte Energie zwischenspeichern. Das Energiespeicherelement kann z. B. als Doppelschichtkondensator (Gold-Cap) ausgebildet sein. Ein Doppelschichtkondensator kombiniert Schnelligkeit und großen Energiespeicher zu einem Superkondensator. Ein Doppelschichtkondensator ist trotz seiner hohen Kapazität besonders klein. Die Spannungsfestigkeit ist nicht besonders hoch. Sie liegt bei wenigen Volt. Der Doppelschichtkondensator (Gold-Cap) eignet sich wegen seiner hohen Kapazität als insbesondere Überbrückungsspannungsversorgung. In Geräten bzw. Anwendungen, in denen Daten bei ausgeschaltetem Zustand erhalten bleiben sollen, ist er somit besonders geeignet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Energieerzeugungssystem eine Energieschnittstelle zu externen Verbrauchern umfasst. Dadurch können insbesondere entfernt angebrachte Verbraucher (z. B. Snsoren, Aktoren) autark mit Energie versorgt werden, ohne weitere Verkabelung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Energieerzeugungssystem weiterhin umfasst ein zweites Gehäuseteil mit zweiten Anregungsmittel, wobei das zweite Gehäuseteil beweglich dergestalt auf dem ersten Gehäuseteil angeordnet ist, dass durch translatorische Bewegungen des zweites Gehäuseteils, im Wesentlichen in Richtung der ersten Anregungsmittel, die ersten Anregungsmittel durch die zweiten Anregungsmittel mechanisch angetrieben werden. Dadurch wird eine integrierte Bauweise des Energieerzeugungssystems sichergestellt, wodurch weiterhin ein Überlastschutz für das piezoelektrische Element dargestellt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das erste Gehäuseteil Elemente zur definierten mechanischen Führung des zweiten Gehäuseteils aufweist. Dadurch kann die Bewegungsenergie des zweiten Gehäuseteils definiert und zielgerichtet für die Anregung des piezoelektrischen Elements verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil Federelemente angebracht sind, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des zweiten Gehäuseteils führen. Dadurch ist eine periodische Anregung des piezoelektrischen Elementes möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten (d. h. in Micro Electro Mechanical Systems-Technologie) aufweist. Das piezoelektrische Element 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. Bei der Erzeugung des Piezoelements mit Hilfe der MEMS-Technologie ist es über entsprechenden lateralen Zug- bzw. Druckstress in und zwischen den einzelnen Schichten möglich, den Schichtstapel so herzustellen, dass er sich nach Freilegen von Schichten krümmt bzw. leicht aufrollt.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann 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.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element als Piezofahne ausgebildet ist. Das piezoelektrische Element ist dabei als Biegelement, vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegelement beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispielsweise mit einer Metallisierung für die Elektrodenschichten bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt und gesintert. Es entsteht ein monolithischer Biegewandler. Dabei kann der Biegewandler beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise Bimorph.
Im Hinblick auf die angestrebte Miniaturisierung eignet sich zur Realisierung des Biegewandlers besonders die MEMS-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 beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran bzw. Balken ausgestaltet. Das piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Piezoelements in Form einer piezoelektrischen Membran bzw. Balken kann eine Trägerschicht vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt. Die Trägerschicht ist optional.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element eine im Wesentlichen dreiecksförmige Fläche aufweist. Dies bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das erste Anregungsmittel als starrer mechanischer Mitnehmer ausgebildet ist, der durch einen Anlenkdorn des zweiten Anregungsmittels angetrieben wird. Starre mechanische Mitnehmer sind z. B. als einfache Frontalmitnehmer realisierbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das erste Anregungsmittel als semiflexiblen Mitnehmer ausgebildet ist, der in einer ersten Bewegungsrichtung einklappt, wenn er auf das piezoelektrischen Element mechanisch einwirkt, so dass das piezoelektrische Element in der ersten Bewegungsrichtung des Mitnehmers im wesentlichen nicht ausgelenkt wird, und wobei in einer zweiten Bewegungsrichtung, die im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, der semiflexiblen Mitnehmer das piezoelektrische Element bei einer Kontaktierung auslenkt, wobei der semiflexiblen Mitnehmer durch einen Anlenkdorn des zweiten Anregungsmittels angetrieben wird. Hierbei handelt es sich um ein robustes Konzept (hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Stabilität des Auslenkvorgangs), welches auch keine Einschränkung bezüglich Eigenfrequenz und Auslenkungsdauer aufweist. In der Vorwärtsbewegung klappt der Mitnehmer ein, sodass der Piezbalken (bzw. die Piezofahne) praktisch nicht ausgelenkt wird. In der Rückwärtsbewegung, ist der Mitnehmer so versteift, dass der Piezobalken mitgeführt wird. Nach Erreichen eines bestimmten Auslenkwegs in der Rückwärtsbewegung, der exakt über Geometrieverhältnisse bestimmbar festgelegt ist, wird der Piezobalken frei gelassen und kann oszillieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element periodisch zu Schwingungen angeregt wird. Dadurch ist eine kontinuierliche elektrische Energiegewinnung sichergestellt. Prinzipiell ist aber auch eine nichtperiodische Anregung möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der integrierte Schaltkreis (ASIC) zum bedarfsgerechten Energiemanagement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik verwendet wird. Die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie ermöglicht eine den jeweiligen Energie-Erfordernissen des zu versorgenden dezentralen Systems angepasste Energieversorgung. Dadurch kann die für den Verbraucher zur Verfügung stehende Energie angepasst und maximiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element eine elektrisch passive Trägerschicht aufweist. Die Trägerschicht erhöht die mechanische Belastbarkeit des piezoelektrischen Elementes und wirkt bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers als mechanischer Energiespeicher. Bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers wird die mechanische Energie aus der Trägerschicht in eine Piezoschicht des piezoelektrischen Elements kontinuierlich umverteilt. Damit wird die elektrisch passive Trägerschicht ein mechanischer Energiespeicher.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durch Einwirken eines durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft auf ein piezoelektrisches Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und wobei durch die integrierte Schaltung (ASIC) die Energiemenge für ein System bedarfsgerecht zugeführt wird. Die bedarfsgerecht zur Verfügung gestellte Energie ermöglicht einen, den jeweiligen Erfordernissen jeweils angepassten optimalen Energieverbrauch. Dies erhöht die Performance und die Zuverlässigkeit der zu versorgenden dezentralen Systeme (z. B. Aktoren, Sensoren).
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Dabei zeigen:
1 ein beispielhaftes schematisches Übersichtsbild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems,
2 ein beispielhaftes Funktionsbild für eine Auslenkung eines Piezoelementes durch eine periodische Anregung,
3a–3c eine beispielhafte Schwingungsanregung eines Piezobalkengenerators mithilfe einer linear translatorischen Bewegung und eines geeigneten mechnanischen starren Mitnehmers,
4a–4d eine beispielhafte Schwingungsanregung eines Piezobalkengenerators mithilfe einer linear translatorischen Bewegung und eines geeigneten semiflexiblen mechnanischen Mitnehmers,
5 eine beispielhafte Schemadarstellung eines Piezoelementes,
6 ein beispielhaftes schematisches Ausführungsbeispiel eines Piezoelementes,
7 einen Reifen von der Seite mit Reifenlatsch, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems, und
8a–8b beispielhafte Beschleunigungsdiagramme beim Durchlaufen des Reifenlatsches bei verschiedenen Geschwindigkeiten.
Viele neue Anwendungen, insbesondere in der industriellen Automatisierung oder in der Fahrzeugtechnik, erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lokal bzw. enternt verteilt, was dazu führt, dass eine elektrische Energieversorgung aufwändig und damit auch teuer ist (z. B. Verlegen von elektrischen Zuführungen). Bei einigen Anwendungen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Systeme gänzlich unmöglich, sodass diese völlig autark betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass sich diese Sensoren selbst mit Energie versorgen müssen, und die gewonnenen Messdaten kabellos übertragen werden.
In unserer industrialisierten Welt gibt es viele dynamisch verformbare Umgebungen, die zum Ernten von Energie geeignet sind insbesondere in dezentralen Umgebungen. Ein Beispiel sind Förderbänder an deren Umkehrpunkten das elastische Band deutlich verformt wird. Diese mechanischen Verformungen stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann und so die dezentrale Sensorik und/oder Aktorik mit Strom versorgt. In der Industrieautomatisierung werden weiterhin Roboter eingesetzt, die sehr viele bewegliche Teile besitzen und die meistens durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Auch diese Gummimanschetten stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar. Ein weiteres Beispiel ist in der Automobiltechnik zu finden. Der Mantel vom Autoreifen ist im Einsatz laufend mechanischen Verformungen unterworfen. Diese Verformungen können verwendet werden um elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie aus der Verformung von Autoreifen kann für Sensoren verwendet werden, die z. B. den Reifendruck oder die Reifentemperatur überwachen. Ein solches System benötigt keine Batterien zur Energieversorgung und ist somit prinzipiell wartungsfrei.
Ein einfacher Ansatz zur Gewinnung von Energie aus mechanischer Verformung mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes ist z. B. die direkte Aufbringung der Piezostruktur (z. B. durch Klebeverbindung oder Vulkanisieren) auf das sich verformende mechanische Teil (z. B. Förderband oder die Innenseite eines Reifens oder einer Gummimanschette). Solche Systeme ermöglichen eine autarke Energieversorgung für dezentral angebrachte Aktoren und/oder Sensoren. Diese Systeme sind wartungsfrei und benötigen keinen Batteriewechsel, was sich auch aus Umweltsicht positiv auswirkt.
Konventionelle piezoelektrische Energieversorgungmodule basieren auf makroskopischen Piezokeramiken mit Schichtdicken von einigen 100 Mikrometern. Die Generatoren werden typisch als Federmassesysteme resonant betrieben. Aufgrund der Schichtdicken müssen Beschleunigungsmassen von mindestens einigen Gramm eingesetzt werden, um eine relevante Verformung des Piezokristalls und eine damit die Bereitstellung elektrischer Energie zu ermöglichen. Die makroskopischen Schichtdicken führen neben der erforderlichen Masse auch zu relativ großen Geometrien (Biegebalken muss lang sein, damit die über Beschleunigung und Masse vermittelte Kraft über einen möglichst großen Hebel am Piezo wirksam werden kann). Insgesamt sind der Miniaturisierung damit enge Grenzen gesetzt.
1 zeigt ein beispielhaftes schematisches Übersichtsbild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES mit einem piezoelektrischen Energiewandler EW1 zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element PE1 und ein erstes Gehäuseteil GT1, in dem das piezoelektrische Element PE1 an einem Ende auslenkbar angeordnet ist, sowie erste Anregungsmittel AM1 zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes PE1, wobei durch die ersten Anregungsmittel AM1 in das piezoelektrischen Element PE1 eine mechanische Kraft B1 derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element PE1 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES eine integrierte Schaltung ASIC zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler EW1 bereitgestellten elektrischen Energie. Das erste Gehäuseteil GT1 ist vorteilhafter Weise als statische Unterteilgehäusung ausgebildet.
Optional umfasst das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES einen Energiespeicher ESP zum zwischenspeichern erzeugter elektrischer Energie. Das Energiespeicherelement ESP kann z. B. als Doppelschichtkondensator (Gold-Cap) realisiert sein.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES eine Energieschnittstelle ESS zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern (z. B. Senoren oder Aktoren) umfassen.
Vorteilhafter Weise umfasst das Energieerzeugungssystem EES ein zweites Gehäuseteil GT2 mit zweiten Anregungsmitteln AM2, wobei das zweite Gehäuseteil GT2 beweglich auf dem ersten Gehäuseteil GT1 angeordnet ist, so dass durch translatorische Bewegungen des zweites Gehäuseteils GT2, im Wesentlichen in Richtung der ersten Anregungsmittel AM1, die ersten Anregungsmittel AM1 durch die zweiten Anregungsmittel AM2 mechanisch angetrieben werden. Vorteilhafter Weise weist das erste Gehäuseteil GT1 Führungselemente FE1, FE2 zur definierten mechanischen Führung des zweiten Gehäuseteils GT2 auf. Vorteilhafter Weise sind zwischen dem ersten GT1 und dem zweiten Gehäuseteil GT2 Federelemente F1, F2 angebracht sind, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des zweiten Gehäuseteils GT2 führen. Die Gehäuseteile GT1 und GT2 schützen den Piezogenerator EW1 u. a. vor mechanischer Zerstörung. Das erfindungsgemäße piezobasierte, miniaturisierte und hochintegrierte Energieerzeugungssystem EES ermöglicht insbesondere die Bereitstellung von elektrischer Betriebsenergie zur Realisierung autarker Sensorik oder Aktorik.
Im Folgenden ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES beschrieben:
Das erfindungsgemäße Energieversorgungsmodul EES besteht aus einem funktional zweiteiligen Gehäuse. In einem ersten Gehäuseteil GT1 sind die Modulkomponenten MEMS-Generator EW1 (mit piezoelektrischen Element PE1), Schnittstellen-ASIC und Energiespeicherelement ESP sowie Energieschnittstelle ESS zu externem Verbraucher integriert. Weiterhin weist das erste Gehäuseteil GT1 Elemente FE1, FE2 zur definierten mechanischen Führung eines zweiten beweglichen Gehäuseteils GT2 auf. Am ersten Gehäuseteil GT1 sind vorteilhafter Weise Anschläge zur Begrenzung der Bewegung des zweiten Gehäuseteils GT2 realisiert. Das bewegliche Gehäuseteil GT2 weist einen Anlenkdorn AM2 zur pulsförmigen Anregung (s. 2) des MEMS Generators EW1 auf. Optional gibt es zwischen beiden Gehäuseteilen Federelemente F1, F2, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des beweglich gelagerten Gehäuseoberteils GT2 führen.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Energieversorgungsmoduls EES basiert auf einer Auslenkung des beweglichen Gehäuseteils GT2. Die Auslenkung führt über den Anlenkdorn AM2 zu einer Anregung der Eigenschwingung der Piezo-MEMS-Fahne PE1 des Generators EW1 mittels im statischen Gehäuseteils GT1 integriertem Mitnehmers AM1. Die primäre elektrische Energie im Wandler EW1 wird über den Schnittstellen-ASIC hocheffizient extrahiert und dem Speicherelement ESP mit geeigneten Spannungspegeln zugeführt. Über die vorgesehene Energieschnittstelle ESS kann ein externer Verbraucher (z. B. entfernt angebrachte Sensorik) angeschlossen werden.
Die Auslenkung des beweglichen Gehäuseteils GT2 wird aus mechanischer Umgebungsenergie gespeist. Typischerweise sind zwei Fälle denkbar. Zum einen können vielfältige Verformungsvorgänge z. B. aus einer industriellen Umgebung (z. B. Förderbänder) zu diesem Zweck genutzt werden. Ebenfalls möglich ist die Nutzung kinetischer Energie und damit die über Beschleunigung und Masse verknüpften Kräfte. In diesem Zusammenhang kann das Anbringen einer optionalen Zusatzmasse M am beweglichen Gehäuseteil GT2 vorteilhaft sein.
Die Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems EES basiert auf einem MEMS Piezogenerator und der Realisierung der Schnittstellenschaltung als ASIC. MEMS typische Schichtdicken im Bereich von typischerweise 1 μm–100 μm ermöglichen einer kompakte Bauweise des Generators.
In Tab. 1 ist eine Abschätzung der Systemmasse des erfindungsgemäßen Energiemoduls und Vergleich mit konventioneller Batterie angegeben. Man erkennt, dass eine vergleichbare Größenordnung der Masse erreicht werden kann.
Tabelle 1: Abschätzung der Systemmasse des erfindungsgemäßen Energiemoduls und Vergleich mit konventioneller Batterie.
Insbesondere ergeben sich für das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem EES die folgenden erfindungsgemäßen Merkmale:

– Ein Gehäuseunterteil GT1 mit folgenden fest integrierten Komponenten:
– MEMS Bauteil bestehend aus einem Piezogenerator PE1 mit integriertem mechanischen Energiespeicher (optionale passive Trägerschicht des Piezogenerators) mit Schichtdicken im Bereich von typischerweise 1 μm–100 μm und einem Mitnehmer zur pulsförmigen Anregung der Piezostruktur.
– Interface-ASIC zur optimalen Energieextraktion und Bereitstellung von geeigneten Spannungspegeln.
– Energiespeicher ESP (optional) ausgeführt als Kondensator (z. B. GoldCap) oder auch Akku.
– Energieschnittstelle ESS (optional), die Anschluss an externe Verbraucher ermöglicht.
– Ein Gehäuseunterteil GT1 mit optionalen Führungsvorrichtungen FE1, FE2 für ein beweglich gelagertes Gehäuseoberteil GT2.
– Ein Gehäuseunterteil GT1 mit optionalen Anschlägen zur mechanischen Begrenzung eines beweglich gelagerten Gehäuseoberteils GT2.
– Optionale Federelemente F1, F2, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des beweglich gelagerten Gehäuseoberteils GT2 führen.
– Ein beweglich gelagertes Gehäuseoberteil GT2, das über einen Anlenkdorn AM2 zur Betätigung des Mitnehmers AM1 im MEMS-Generator PE1 verfügt.
– Ein beweglich gelagertes Gehäuseoberteil GT2, dass eine optionale Zusatzmasse M verfügt.

2 zeigt ein beispielhaftes Funktionsbild für eine Auslenkung eines Piezoelementes durch eine periodische Anregung. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist die direktmechanischen Auslenkung einer Piezobalkenstruktur. Die Balkenstruktur (Piezoelement) wird mit Hilfe von mechanischer Umgebungsenergie in die Position x₀ ausgelenkt und dann frei gelassen. Der Piezobalken beginnt dann mit seiner Eigenfrequenz 1/T_os zu oszillieren. Unter anderem durch die Extraktion von elektrischer Energie aus dem Generator wird die Schwingung gedämpft. Das System wird nun periodisch mit 1/T_ex angeregt. Möglich ist auch eine nichtperiodische Anregung. Ein Vorteil einer periodischen Anregung liegt in der kontinuierlichen Bereitstellung von elektrischer Energie durch den Energiewandler.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung der in 2 dargestellten Schwingungsanregung. In einem ersten Schritt muss eine linear translatorische Bewegung (B1; 1) bereitgestellt, bzw. direkt genutzt werden. Beispielsweise kann in den Eingangs beschriebenen verformbaren Umgebungen (Förderband, Gummimanschetten, Reifen, etc.) relativ leicht und vielfältig aus den primären Bewegungen eine solche translatorische Komponente d. h. Bewegung abgeleitet werden. Die Verformungen der Umgebung können auf das bewegliche zweite Gehäuseteil GT2 (1) wirken und über die Anregungsmittel AM1, AM2 (1) auf das piezoelektrische Element PE1 (1) eingekoppelt werden, worauf dieses in Schwingungen versetzt wird.
Die 3a–3c zeigen eine beispielhafte Schwingungsanregung eines Piezobalkengenerators PE2, PE', PE'' mithilfe einer linear translatorischen Bewegung B2, B2', B2'' und eines geeigneten mechnanischen starren Mitnehmers SM, SM', SM''. Die durch die Piezobalkenstruktur PE2, PE2', PE2'' erzeugte elektrische Energie wird über den Energiewandler EW2, EW2', EW2'' durch eine geeignete elektrische Kontaktierung elektrischen Verbrauchern bereitgestellt.
Die 3a–3c zeigen, wie die translatorische Auslenkung zur Schwingungsanregung genutzt wird. In den Darstellungen der 3a–3c basiert die Anregung auf einem mechanischen Mitnehmer SM, SM', SM'', der von der translatorischen Bewegung B2, B2', B2'' angetrieben wird. In den 3a–3c ist der Fall eines starren Frontalmitnehmers SM, SM', SM'' gezeigt. Die maximale Auslenkung der Piezobalkenstruktur PE2, PE2', PE2'' wird vom Umkehrpunkt der translatorischen Bewegung B2, B2', B2'' bestimmt (setzt hier also reproduzierbares und stabiles Verhalten voraus). In der Rückwärtsbewegung ist es entscheidend, dass sich der Mitnehmer SM, SM', SM'' schneller bewegt als der Piezobalken PE2, PE2', PE2''. Dies lässt sich prinzipiell erfüllen, wenn die Periode der Eigenfrequenz der Piezostruktur PE2, PE2', PE2'' größer ist als die Zeitdauer der Auslenkung. Nach dem vollständigen Durchlaufen der translatorischen Auslenkung innerhalb der Zeit T (s. 5) kann der Piezobalken frei mit seiner Eigenfrequenz oszillieren. Der starre Frontalmitnehmer SM, SM', SM'' kann z. B. an einem Förderband oder an einem Rad angebracht sein, durch das eine translatorische Bewegung B2, B2', B2'' bereitgestellt wird. Die translatorische Bewegung B2, B2', B2'' kann periodisch wiederkehrend sein.
Die 4a–4d zeigen eine beispielhafte Schwingungsanregung eines Piezobalkengenerators PE3, PE3', PE3'', PE3''' mithilfe einer linear translatorischen Bewegung B3, B3', B3'' und eines geeigneten semiflexiblen mechnanischen Mitnehmers SFM, SFM', SFM'', SFM'''. Die durch die Piezobalkenstruktur PE3, PE3', PE3'', PE3''' erzeugte elektrische Energie wird über den Energiewandler EW3, EW3', EW3'', EW3''' durch eine geeignete elektrische Kontaktierung elektrischen Verbrauchern (z. B. dezentralen Aktoren oder Sensoren) bereitgestellt.
Das in den 4a–4d dargestellte Konzept der Schwingungsanregung durch einen semiflexiblen mechnanischen Mitnehmer SFM, SFM', SFM'', SFM''' stellt ein wesentlich robusteres Konzept (hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Stabilität des Auslenkvorgangs), welches auch keine Einschränkung bezüglich Eigenfrequenz und Auslenkungsdauer aufweist, im Vergleich zum Konzept des in den 3a–3c dargestellten starren Frontalmitnehmers dar.
In der Vorwärtsbewegung B3 klappt der Mitnehmer SFM, SFM', SFM'', SFM''' ein, sodass der Piezbalken PE3, PE3', PE3'', PE3''' praktisch nicht ausgelenkt wird. In der Rückwärtsbewegung B3'', ist der Mitnehmer SFM, SFM', SFM'', SFM''' so versteift, dass der Piezobalken PE3, PE3', PE3'', PE3''' mitgeführt wird. Nach erreichen eines bestimmten Auslenkwegs in der Rückwärtsbewegung, der exakt über Geometrieverhältnisse bestimmbar festgelegt ist, wird der Piezobalken frei gelassen und kann in Eigenfrequenz oszillieren (4d).
5 zeigt eine beispielhafte Schemadarstellung eines Piezoelementes PE4. 5 zeigt eine beispielhafte piezoelektrische Fahne PE4 (bzw. einen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche. Die mechanische Kraft B4 trifft im Wesentlichen senkrecht auf eine Stirnseite des Piezo-Dreiecks PE4 und bringt die Piezofahne PE4 zum Schwingen. Die dreieckige Grundfläche bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung. Das dreieckige Piezoelement PE4 kann im erfindungsgemäßen Energiewandler 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 verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Die durch mechanische Umgebungsenergie (Deformationsenergie) hervorgerufene mechanische Kraft wird derart in das piezoelektrische Element PE4 eingekoppelt, so dass das piezoelektrische Element PE4 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.
6 zeigt ein beispielhaftes schematisches Ausführungsbeispiel eines Piezoelementes PE5. Das Beispiel nach 6 zeigt das Piezoelement PE5 als mehrschichtige rechteckige bzw. im Wesentlichen rechteckige Platte. Das Piezoelement PE5 kann prinzipiell auch andere Formen annehmen (z. B. Dreiecksform).
Das piezoelektrische Element PE5 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 nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien.
Die piezoelektrische Schicht PES kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialien wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.
Durch die Schwingungen des piezoelektrischen Elementes PE5 wird über den piezoelektrischen Effekt 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 Verkabelung wird der elektrische Strom für Verbraucher (z. B. Aktoren oder Sensoren) bereitgestellt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element PE5 eine elektrisch passive Trägerschicht TS aufweist. Die Trägerschicht TS erhöht die mechanische Belastbarkeit des piezoelektrischen Elementes PE5 und wirkt bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers als mechanischer Energiespeicher. Bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers wird die mechanische Energie aus der Trägerschicht TS in eine Piezoschicht des piezoelektrischen Elements PE5 kontinuierlich umverteilt. Damit wird die elektrisch passive Trägerschicht TS ein mechanischer Energiespeicher.
Im Hinblick auf die mögliche Miniaturisierung des Energiewandlers eignet sich zur Realisierung des piezoelektrischen Elementes PE5 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 PE5 ist als dünne piezoelektrische Platte ausgestaltet. Das piezoelektrische Element PE verfügt über eine sehr geringe Masse. Die Trägerschicht TS5 kann aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) hergestellt sein. 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. Des Weiteren kann ein handelsübliches Bulk-Material (z. B. mittels Grünfolientechnik hergestellt) mit Dicken im Bereich einiger hundert μm eingesetzt werden.
7 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems (EES; 1) in einer mechanisch verformbaren Umgebung. 7 zeigt einen Reifen R von der Seite mit Reifenlatsch RL auf einer Fahrbahn FB, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems (EES; 1). Das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystem (EES; 1) 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) auf das bewegliche Gehäuseteil (GT2; 1) wirkt und diese Verformungsenergie über die Anregungsmittel (AM1, AM2; 1) in die Piezostruktur (PE1; 1) eingekoppelt wird und diese damit zu Schwingungen anregt. 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 (PE1; 1). Ein Überlastschutz und ein Schutz vor mechanischer Zerstörung der empfindlichen Piezokeramik erfolgt zum einen durch die Integration des piezoelektrischen Elementes (PE1; 1) in einem Gehäuse (GT1, GT2, 1) und zum anderen Durch eine Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik (PE1; 1) von den direkt einwirkenden Verformungsenergien der Umgebung. Die primäre mechanische Umgebungsenergie (z. B. Verformungsenergie durch die Reifenlatsch) wird nicht direkt auf das piezoelektrische Elemente (PE1; 1) eingekoppelt, sondern indirekt durch die Anregungsmittel (AM1, AM2; 1). Durch sie Gehäusestruktur (GT1, GT2, 1) und die Führungselemente (FE1, FE2; 1) erfolgt somit eine kontrollierte Einkopplung der mechanische Umgebungsenergie auf das piezoelektrische Elemente (PE1; 1).
Für eine im Reifen R vorhandene Reifensensorik kann somit durch den Reifen R selbst die für den Betrieb der Reifensensorik notwendige Energie bereitgestellt werden kann. Die Reifensensorik kann somit energieautark betrieben werden. Das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems (EES; 1) 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.
Die 8a–8b zeigen beispielhafte Beschleunigungsdiagramme beim Durchlaufen des Reifenlatsches (RL; 7) bei verschiedenen Geschwindigkeiten. In den 8a–8b sind beispielhaft die auftretenden Beschleunigungen beim Durchlaufen des Reifenlatsches bei verschiedenen Geschwindigkeiten gezeigt. Die hiermit einhergehenden Kräfte lassen sich sehr einfach ausnutzen, indem das erfindungsgemäße Energieversorgungsmodul (EES; 1), in geeigneter Weise auf der Reifeninnenseite befestigt wird (z. B. einvulkanisieren). 8a zeigt die Beschleunigung beim Durchlaufen des Reifenlatsches bei der Geschwindigkeit 15 km/h. 8b zeigt die Beschleunigung beim Durchlaufen des Reifenlatsches bei der Geschwindigkeit 230 km/h.
Der erfinderische Schritt liegt u. a. in der Art und Weise der Realisierung eines piezobasierten, miniaturisierten und hochintegrierten Energieversorgungsmoduls (EES; 1).
Die vorliegende Erfindung weist insbesondere folgende Vorteile auf:
Hohe mechanische Robustheit: Der empfindliche MEMS-Teil befindet sich gekapselt und damit geschützt im Inneren eines Gehäuses. Aufgrund des minimalen Eigengewichts des MEMS-Elements ist dieses sehr unempfindlich gegenüber mechanischen Beschleunigungskräften.

– Minimierte Masse: Aufgrund des Konzepts kann die Modulmasse auf insgesamt wenige Gramm beschränkt bleiben. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz in hochdynamischen Umgebungen wie z. B. einem Reifeninneren.
– Nutzung breitbandiger mechanischer Anregungsenergien: Im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen muss der Piezowandlern nicht auf ein schmales Frequenzband im Anregungsspektrum ausgelegt werden. Zur mechanischen Auslenkung der Balkenstruktur können mechanische Bewegungen in einem breiten Frequenzspektrum genutzt werden.
– Konzept ist gut geeignet für Systemintegration: Das erfindungsgemäße System kann mit MEMS- und ASIC-kompatiblen Technologien und Prozessen hergestellt werden und ermöglicht deshalb einen hohen Integrationsgrad.
– Miniaturisierbarkeit: Da das erfindungsgemäße System mit MEMS- und ASIC-kompatiblen Technologien hergestellt werden kann, besteht die Möglichkeit der Miniaturisierung.

Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem, mit einem piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element, ein erstes Gehäuseteil, in dem das piezoelektrische Element an einem Ende auslenkbar angeordnet ist, erste Anregungsmittel zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes, wobei durch die ersten Anregungsmittel in das piezoelektrischen Element eine mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie.
Bezugszeichen

EES

Energieerzeugungssystem

GT1, GT2

Gehäuseteil

F1, F2

Federelement

ASIC

Integrierte Schaltung

EV1–EV3

Elektrische Verbindung

ESP

Energiespeicher

ESS

Energieschnittstelle

AM1, AM2

Anregungsmittel

M

Zusatzmasse

FE1, FE2

Führungselemente

EW1–EW3,

Energiewandler

EW2', EW2''

Energiewandler

EW3', EW3'', EW3'''

Energiewandler

SM, SM', SM''

Starrer Mitnehmer

SFM, SFM', SFM'', SFM'''

Semiflexibler Mitnehmer

PE1–PE5

Piezoelement

PE2', PE2''

Piezoelement

PE3', PE3'', PE3''

Piezoelement

B1–B4

Translatorische Bewegung

B2', B2'', B3', B3''

Translatorische Bewegung

TS

Trägerschicht

ES1, ES2

Elektrodenschicht

PES

Piezoelektrische Schicht

R

Reifen

FB

Fahrbahn

RL

Reifenlatsch

Claims

Energieerzeugungssystem (EES), insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem, umfassend: a) einen piezoelektrischen Energiewandler (EW1–EW3, EW2', EW2'', EW3, EW3'', EW3''') zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3''). b) ein erstes Gehäuseteil (GT1), in dem das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') an einem Ende auslenkbar angeordnet ist, c) erste Anregungsmittel (AM1) zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3''), wobei durch die ersten Anregungsmittel in das piezoelektrischen Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') eine mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, d) eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler (EW1–EW3, EW2', EW2'', EW3, EW3'', EW3''') bereitgestellten Energie.
Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Energiespeicherelement zum Speichern der durch den piezoelektrischen Energiewandler (EW1–EW3, EW2', EW2'', EW3, EW3'', EW3''') erzeugten elektrischen Energie.
Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend eine Energieschnittstelle zu externen Verbrauchern.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend ein zweites Gehäuseteil (GT2) mit zweiten Anregungsmittel, wobei das zweite Gehäuseteil (GT2) beweglich dergestalt auf dem ersten Gehäuseteil angeordnet ist, dass durch translatorische Bewegungen des zweites Gehäuseteils (GT2), im Wesentlichen in Richtung der ersten Anregungsmittel (AM1), die ersten Anregungsmittel (AM1) durch die zweiten Anregungsmittel (AM2) mechanisch angetrieben werden.
Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 4, wobei das erste Gehäuseteil (GT1) Elemente zur definierten mechanischen Führung des zweiten Gehäuseteils (GT2) aufweist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 4 oder 5, wobei zwischen dem ersten (GT1) und dem zweiten Gehäuseteil (GT2) Federelemente angebracht sind, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des zweiten Gehäuseteils (GT2) führen.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') einen Mehrschichtaufbau mit MEMS-Schichten aufweist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') als Piezofahne ausgebildet ist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') eine im Wesentlichen dreiecksförmige Fläche aufweist.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Anregungsmittel (AM1) als starrer mechanischer Mitnehmer (SM, SM', SM'') ausgebildet ist, der durch einen Anlenkdorn des zweiten Anregungsmittels (AM2) angetrieben wird.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Anregungsmittel als semiflexiblen Mitnehmer (SFM, SFM', SFM', SFM''') ausgebildet ist, der in einer ersten Bewegungsrichtung einklappt, wenn er auf das piezoelektrischen Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') mechanisch einwirkt, so dass das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') in der ersten Bewegungsrichtung des Mitnehmers im wesentlichen nicht ausgelenkt wird, und wobei in einer zweiten Bewegungsrichtung, die im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, der semiflexiblen Mitnehmer (SFM, SFM', SFM'', SFM''') das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') bei einer Kontaktierung auslenkt, wobei der semiflexiblen Mitnehmer (SFM, SFM', SFM'', SFM''') durch einen Anlenkdorn des zweiten Anregungsmittels (AM2) angetrieben wird.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') periodisch zu Schwingungen angeregt wird.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der integrierte Schaltkreis (ASIC) zum bedarfsgerechten Energiemanagement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik verwendet wird.
Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') eine elektrisch passive Trägerschicht (TS) aufweist.
Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durch Einwirken eines durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft auf ein piezoelektrisches Element (PE1–PE5, PE2', PE2'', PE3', PE3'', PE3'') so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und wobei durch die integrierte Schaltung (ASIC) die Energiemenge für ein System bedarfsgerecht zugeführt wird.