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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Wandlung von mechanischer Arbeit in elektrische Energie, insbesondere für eine Zählvorrichtung, umfassend einen Biegewandler mit einem leistenförmigen Träger und mit zumindest einer daran angebrachten piezoelektrischen Schicht. Sie betrifft außerdem eine Zählvorrichtung mit einer entsprechenden Baugruppe.
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Der piezoelektrische Effekt wird im Bereich „Energy Harvesting” ausgenutzt, um mechanische Arbeit in elektrische Energie umzuwandeln, welche dann zur quasi autarken Versorgung von Elektronikbaugruppen, wie beispielsweise Sensoren, genutzt wird. Die mechanische Arbeit ist dabei typischerweise ohnehin „gegeben/vorhanden” und wird lediglich „abgeerntet”. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise auftretende Gasdruckschwankungen in der Luft oder vorhandene Festkörperschwingungen in Gebäuden ausnutzen, um mittels des piezoelektrischen Effektes elektrische Energie zu generieren.
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Die Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts erfolgt dabei mit Hilfe sogenannter Piezoelemente, welche häufig als sogenannte Biegewandler ausgebildet sind. Dabei handelt es sich um einseitig eingespannte balkenartige Bauteile, deren freie Enden zum Beispiel durch eine mechanische Krafteinwirkung ausgelenkt und in Schwingungen versetzt werden.
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Aus der
US 2009/0322184 A1 ist eine Baugruppe zur Energieerzeugung mit Hilfe eines solchen Biegewandlers zu entnehmen. Die Auslenkung des freien Endes des balkenartigen Piezoelements wird hier durch eine Schubstange erzwungen, an der mehrere zahnartige Vorsprünge angeordnet sind. Wird die Schubstange in Schubrichtung am Piezoelement vorbeigeführt, so wird das freie Ende des Piezoelements mit einem jeden Vorsprung zunächst mitgeführt und dadurch ein Stück weit ausgelenkt. Anschließend wird das freie Ende des Piezoelements wieder freigegeben und schwingt aufgrund seiner Elastizität zurück. Dieser Ablauf wiederholt sich bei der Vorbeiführung eines jeden Vorsprungs, so dass bei einer Bewegung der Schubstange in Schubrichtung das freie Ende mehrfach, der Anzahl der Vorsprünge entsprechend, ausgelenkt wird.
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Die mit derartigen Vorrichtungen generierbaren Mengen an elektrischer Energie sind zwar vergleichsweise gering, jedoch ausreichend, um einfache Elektronikbaugruppen, wie zum Beispiel Sensoren, zu versorgen. Eine entsprechende Anwendungsmöglichkeit für dieses Prinzip stellt die Messung des Reifenluftdrucks innerhalb eines Fahrzeugreifens mit Hilfe eines entsprechenden Sensors dar. Die Energie für den Betrieb des Sensors sowie für eine drahtlose Datenübermittlung eines vom Sensor generierten Sensorsignals an eine Empfängereinheit wird dabei von einem geeignet ausgebildeten Piezoelements bereitgestellt, welches entweder Druckschwankungen oder Vibrationen im Fahrzeugreifen in elektrischer Energie zur Versorgung des Sensors umwandelt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe zur Wandlung von mechanischer Arbeit in elektrische Energie anzugeben, welche eine vorteilhafte Ausgestaltung aufweist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zählvorrichtung mit einer entsprechenden Baugruppe anzugeben.
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Die auf die Baugruppe bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Die Baugruppe dient hierbei zur Wandlung von mechanischer Arbeit in elektrische Energie und ist insbesondere für eine Zählvorrichtung vorgesehen. Sie umfasst einen Biegewandler mit einem balken- oder leistenförmigen Träger und mit zumindest einer daran angebrachten piezoelektrischen Schicht, wobei der leistenförmige Träger beidseitig gelagert ist. Zudem ist ein Betätigungsmechanismus zur bedarfsweisen, manuellen Einkoppelung von mechanischer Arbeit derart vorgesehen, dass bei einer Betätigung des Betätigungsmechanismusses eine mechanische Kraft in Trägerlängsrichtung auf den Träger ausgeübt wird, die zur bogenförmigen Verbiegung des Biegewandlers und dadurch zur Generierung von elektrischer Energie führt. Aufgrund der beidseitigen Lagerung des Biegewandlers sind dessen Enden sowohl während der Verbiegung als auch während der Rückführung in den Ausgangszustand permanent geführt. Der Biegewandler wird also nicht in Schwingungen versetzt und es sind auch keinerlei Schnappmechanismen vorgesehen, mit denen eines der Enden eingefangen und schlagartig wieder freigelassen wird, was einerseits zu einer sehr gleichmäßigen Belastung des Biegewandlers führt und andererseits einen sehr geräuscharmen bis geräuschlosen Betrieb der Baugruppe ermöglicht.
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Bevorzugt ist der Träger aus einem Verbundwerkstoff aus Glasfasergewebe und Epoxidharz (FR4) gefertigt und als Material für die piezoelektrischen Schichten wird bevorzugt Bleizirkonattitanat (PZT) verwendet.
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Die auf die Baugruppe bezogene Aufgabe wird außerdem durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst, wobei die Baugruppe zur Wandlung von mechanischer Arbeit in elektrische Energie dient und hierfür einen Biegewandler mit einem leistenförmigen Träger und mit zumindest einer daran angebrachten piezoelektrischen Schicht umfasst. Der leistenförmige Träger ist dabei schwimmend gelagert und die Baugruppe ist bevorzugt zudem entsprechend der zuvor beschriebenen Baugruppe ausgestaltet.
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Die schwimmende Lagerung des leistenförmigen Trägers wird als eine eigenständige und unabhängige Erfindung angesehen. Eine Teilung der Anmeldung bleibt vorbehalten.
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Aufgrund der schwimmenden Lagerung des Trägers sind kleinere Bewegungen des Trägers relativ zur Trägerlagerung ermöglicht und die Masse des Biegewandlers ist quasi von der Lagerung entkoppelt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei zufälligen Erschütterungen keine Verbiegung des Biegewandlers erfolgt, während der Biegewandler bei einer gezielten Betätigung des Betätigungsmechanismusses verbogen wird. Ist die Baugruppe beispielsweise Teil einer Zählvorrichtung im Taschenformat, so führen Erschütterungen, wie sie beim Tragen der Zählvorrichtung am Körper oder beim zu Boden fallen hervorgerufen werden, in der Regel nicht zu einer Verbiegung des Biegewandlers, während eine durch einen Nutzer der Zählvorrichtung bewusst und gezielt ausgeübter Betätigung des Betätigungsmechanismus zu einer Verbiegung des Biegewandlers führen.
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Eine derart gestaltete Baugruppe ist insbesondere dann von Vorteil, wenn kein Energiespeicher oder Energiepuffer vorgesehen ist und wenn mittels der generierten elektrischen Energie eine Elektronikbaugruppe nicht nur versorgt sondern auch bei Bedarf aktiviert werden soll. In diesem Fall erfolgt die Aktivierung lediglich bei einer Betätigung des Betätigungsmechanismusses und nicht unerwünscht durch Erschütterungen, Vibrationen oder Schwingungen.
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Entsprechend einer besonders einfachen Ausgestaltung der schwimmenden Lagerung des leistenförmigen Trägers liegt zumindest ein Ende desselbigen lose und mit Spiel in einer Aufnahme ein. Als Aufnahme dient dabei beispielsweise eine Vertiefung oder Nut in einer Gehäusewandung und der durch das Spiel gegebene Bewegungsfreiraum des zumindest einen Endes des leistenförmigen Trägers in der dazugehörigen Aufnahme beträgt in Trägerlängsrichtung bevorzugt 10 μm bis 500 μm. In vorteilhafter Weiterbildung liegen beide Ende des leistenförmigen Trägers lose in jeweils einer Aufnahme ein, wobei sich der Träger bevorzugt in einem Ausgangszustand des Betätigungsmechanismusses, bei dem dieser nicht betätigt ist, relativ zu den beiden Aufnahmen in Trägerlängsrichtung um 10 μm bis 500 μm bewegen kann, während die beiden Aufnahmen relativ zueinander feststehen.
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Zweckmäßig ist es weiter, wenn der leistenförmige Träger eine leichte und insbesondere bogenförmige Vorkrümmung aufweist. Hierdurch wird die Richtung der bogenförmigen Verbiegung des leistenförmigen Trägers bei der Betätigung des Betätigungsmechanismusses und somit des Biegewandlers bei Einwirkung einer mechanischen Kraft in Trägerlängsrichtung vorgegeben. Alternativ lässt sich diese gewünschte Vorgabe z. B. auch dadurch realisieren, dass der Träger derart gestaltet wird, dass sich der Elastizitätsmodul des Trägers quer zur Trägerlängsrichtung stufenweise oder allmählich ändert.
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Einer bevorzugten Ausgestaltung der Baugruppe entsprechend ist genau eine piezoelektrische Schicht auf dem leistenförmigen Träger aufgebracht, wobei sich die piezoelektrische Schicht weiter bevorzugt nur über einen Mittenbereich auf dem leistenförmigen Träger erstreckt. Aufgrund des Einsatzes nur einer piezoelektrischen Schicht, und damit der Verwendung eines monomorphen Biegewandlers, lässt sich mittels einer besonders einfachen Wandlerschaltung die Polarisation der piezoelektrischen Schicht bei Verbiegung des Biegewandlers nutzen, um eine elektrische Versorgungsspannung zur Versorgung einer Elektronikbaugruppe zu generieren. Im Vergleich zu multimorphen Biegewandlern ist es z. B. möglich, auf zusätzliche Gleichrichterschaltungen zu verzichten. Außerdem ist der notwendige Kraftaufwand zur Verbiegung des Biegewandlers bei nur einer piezoelektrischen Schicht reduziert.
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Darüber hinaus wird die piezoelektrische Schicht bevorzugt derart auf den leistenförmigen Träger aufgebracht, dass diese bei Betätigung des Betätigungsmechanismusses vorwiegend eine Zugverformung erfährt und dass die Polarisation der piezoelektrischen Schicht bei Verbiegung des Biegewandlers in Richtung der Oberflächennormalen gerichtet ist mit dem geringeren Potential auf der dem Träger zugewandten Seite, d. h. die Plusseite der Polarisation ist nach außen zu der dem Träger abgewandten Seite orientiert. Dies geschieht durch Vorgabe der Verbiegerichtung, beispielweise mittels einer bogenförmigen Vorkrümmung des Trägers, und durch Positionierung der piezoelektrischen Schicht auf der der Zugverformung ausgesetzten Seite des Trägers. Von Vorteil ist eine derartige Ausgestaltung, da viele piezoelektrische Materialien anders auf Zugbelastungen reagieren als auf Kompressionsbelastungen und/oder da der piezoelektrische Effekt bei entsprechenden Materialien häufig unter Zugverformung stärker ausgeprägt ist als unter Kompressionsverformung.
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Von Vorteil ist außerdem eine Ausgestaltung des Biegewandlers, bei der die piezoelektrische Schicht des Biegewandlers außerhalb der neutralen Faser desselbigen positioniert ist. Auf diese Weise erfährt jeweils die gesamte piezoelektrische Schicht eine Verformung bei der Verbiegung des Biegewandlers, so dass die Ladungserzeugung bei Verbiegung des Biegewandlers besonders ausgeprägt ist. Somit lässt sich eine höhere Energiedichte (Energie pro Piezomaterialvolumen) bei gleicher Verformung des Biegewandlers erreichen.
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Zweckmäßig ist zudem eine Ausgestaltung der Baugruppe, bei der der Biegewandler zumindest zwei Elektroden umfasst, wobei die Elektroden zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung zwischen der piezoelektrischen Schicht des Biegewandlers und einer Wandlerschaltung außerhalb der endseitigen Lagerungen des Trägers mit Leitern verbunden sind. Hierdurch sind Lagerung und Kontaktierung des Biegewandlers räumlich relativ weit voneinander getrennt, so dass Relativbewegungen des Trägers relativ zu den Lagerungen im Rahmen des gegebenen und vorgesehenen Bewegungsfreiraums die Kontaktierungen mechanisch nicht belasten.
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Über dies ist eine Baugruppenvariante bevorzugt, bei der bei jeder vollständig ausgeführten Betätigung des Betätigungsmechanismus ein Arbeitszyklus durchlaufen wird, bei welchem ein elektrischer Energiepuls, insbesondere ein Energiepuls mit einem Energiegehalt von wenigen 10 μJ bis wenigen 100 μJ, generiert wird, der zur Versorgung einer Elektronikbaugruppe dient, wobei der Energiegehalt eines Energiepulses ausgelegt ist, um eine Nutzfunktion der Elektronikbaugruppe einmal auszuführen. Der Betätigungsmechanismus ist dabei z. B. derart gestaltet, dass bei einer Betätigung ein Stempel aktiv von einem Nutzer gegen eine Feder über einen gewissen Hubweg hinweg bewegt wird und anschließend durch die Rückstellkraft der Feder passiv zurückgeführt wird. In diesem Fall beinhaltet der Arbeitszyklus sowohl die Hubbewegung gegen die Feder als auch die Rückführung des Stempels durch die Rückstellkraft zurück in die Ausgangsstellung des Stempels. Durch die Hubbewegung wird hierbei eine mechanische Kraft auf den Biegewandler in Trägerlängsrichtung ausgeübt und der Biegewandler wird dadurch bogenförmig verbogen. Als Feder fungiert dabei beispielsweise der leistenförmige Träger selbst. Unter einer entsprechenden Elektronikbaugruppe ist in diesem Zusammenhang z. B. eine Funkschaltung zu verstehen, deren Nutzfunktion darin besteht, bei Einspeisung eines entsprechenden Energiepulses ein pulsartiges Funksignal zu generieren, welches beispielsweise das Öffnen oder Schließen eines automatischen Garagentors initiiert.
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Die gestellte Aufgabe, eine vorteilhafte Zählvorrichtung mit einer Baugruppe der zuvor beschriebenen Art anzugeben, wird erfindungsgemäß durch eine Zählvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Die Zählvorrichtung, welche insbesondere als Zählvorrichtung im Hosentaschenformat ausgebildet ist, weist eine Baugruppe mit einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen auf. Des Weiteren umfasst die Zählvorrichtung eine elektronische Anzeige sowie eine durch die Elektronikbaugruppe gebildete Steuerungseinheit zur Erfassung von Betätigungen des Betätigungsmechanismusses und zur Steuerung der elektronischen Anzeige. Die elektronische Anzeige ist dabei vorgesehen, um einen Zählerstand anzuzeigen, und die Baugruppe ist zur Versorgung der Steuerungseinheit sowie der elektronischen Anzeige vorgesehen. Die Energieversorgung erfolgt ausschließlich durch die Baugruppe, weitere Energiequellen sind nicht vorhanden. Die Zählvorrichtung ist daher autark und insbesondere batterielos. Bevorzugt ist auch kein Energiespeicher vorgesehen.
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Es handelt sich also bei der Zählvorrichtung beispielsweise um ein Zählvorrichtung, welche in der Hosentasche mitgeführt wird und welche eine einfache Anzeige aufweist, insbesondere ein bistabiles Anzeigeelement, mittels derer vorzugsweise nach Art eines Countdowns eine Anzahl oder Restanzahl angezeigt wird. Dementsprechend wird mit jedem Betätigen des Betätigungsmechanismusses der angezeigte Zahlenwert um 1 reduziert, so dass der Nutzer jederzeit die noch verbleibende Anzahl oder Restanzahl an der Anzeige ablesen kann.
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Von Vorteil ist außerdem eine Ausgestaltung der Zählvorrichtung mit einer Baugruppe, bei der bei jeder vollständig ausgeführten Betätigung des Betätigungsmechanismusses ein Arbeitszyklus durchlaufen wird, bei welchem ein elektrischer Energiepuls, insbesondere ein Energiepuls mit einem Energiegehalt von weniger als 10 μJ bis wenigen 100 μJ, generiert wird, der zur Versorgung der Elektronikbaugruppe dient, wobei der Energiegehalt des Energiepulses ausgelegt ist, um eine Nutzfunktion der Elektronikbaugruppe zumindest einmal auszuführen. Dabei setzt sich der Arbeitszyklus bevorzugt aus einem aktiven Halbzyklus und einem passiven Halbzyklus zusammen, wobei bei jedem der beiden Halbzyklen, insbesondere beim aktiven Halbzyklus, also z. B. beim aktiven Niederdrücken des Stempels, ein Teil-Energiepuls generiert wird, dessen Energieinhalt bereits ausreicht, um die Nutzfunktion der Elektronikbaugruppe aus Steuerungseinheit und elektronischer Anzeige zu starten und einmal auszuführen.
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Unter Nutzfunktion wird allgemein die vollständige Ausführung eines Ablaufzykluses verstanden, wobei die Elektronikbaugruppe ausschließlich zur wiederholten Durchführung des Ablaufzykluses ausgebildet ist. Im Falle einer Zählvorrichtung besteht die Nutzfunktion insbesondere aus der Veränderung eines in einem insbesondere nichtflüchtigen Speicher abgelegten Zählwerts um den Zählwert 1 sowie aus der Anzeige des (geänderten) Zählwerts auf der Anzeige. Aus der zum Anmeldezeitpunkt unveröffentlichten
DE 10 2012 211 576.5 ist eine Dosiervorrichtung mit einer solchen Zählvorrichtung mit einer Elektronikbaugruppe zur Durchführung eines Ablaufzykluses zu entnehmen. Deren Offenbarung wird hiermit vollumfänglich mit aufgenommen.
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Die Nutzfunktion ist dabei insbesondere derart gestaltet, dass in Folge der Generierung eines Energiepulses oder eines Teil-Energiepuls die Nutzfunktion gestartet und der Zählerstand der elektronischen Anzeige um eine Einheit herabgesetzt wird.
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In bevorzugter Weiterbildung umfasst die Elektronikbaugruppe ein Sperrglied, welches eine durch den passiven Halbzyklus initiierte Ausführung der Nutzfunktion verhindert. Bezogen auf das Beispiel der Zählvorrichtung bedeutet dies, dass der Nutzer bei der Betätigung des Betätigungsmechanismus zum Beispiel einen Stempel gegen eine Feder oder einen sich aufbauenden Gasdruck entlang eines Hubweges bis zu einem Anschlag bewegt, was dem aktiven Halbzyklus entspricht, und dass anschließend, also nach dem Loslassen, aufgrund der Rückstellkraft der Feder bzw. der Rückstellkraft durch den Gasdruckes der Stempel zurück in seine Ausgangsposition befördert wird, was dem passiven Halbzyklus entspricht. Infolge eines jeden aktiven Halbzyklusses wird der Zählerstand der Anzeige wie vorgesehen um den Wert 1 verändert. Bei jedem der beiden Halbzyklen allerdings wird ein elektrischer Teil-Energiepuls generiert, der prinzipiell geeignet ist, um die Nutzfunktion der Elektronikbaugruppe auszuführen. Dabei wird die Zählung der Betätigungen mittels einer einfachen Logikschaltung vorgenommen, welche auf die Energiepulse oder Teil-Energiepulse reagiert. Wird nun der Stempel nach dem aktiven Halbzyklus in seiner Position länger gehalten und wird somit der passive Halbzyklus mit einem deutlichen zeitlichen Versatz ausgeführt, so werden hierdurch zwei zeitlich voneinander getrennte Teil-Energiepulse generiert, die prinzipiell geeignet sind, ein Weiterzählen durch die Logikschaltung zu initiieren. Um eine hierdurch hervorgerufene Doppelzählung zu verhindern, ist für die Zählvorrichtung das Sperrglied vorgesehen, welches z. B. als Timer ausgebildet ist, der die Elektronikbaugruppe für einen vorgegebenen Zeitraum von beispielsweise 5 s nach einer jeden Zählung sperrt, so dass in diesem Zeitraum keine weitere Zählung erfolgen kann. Alternativ wird das Sperrglied zum Beispiel mittels einer einfachen Diode realisiert. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass die Polarität des Energiepulses oder Teil-Energiepulses beim passiven Halbzyklus im Vergleich zum aktiven Halbzyklus umgekehrt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer Blockschaltbilddarstellung einer Zählvorrichtung mit einer Baugruppe zur Wandlung von mechanischer Arbeit in elektrische Energie,
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2 in einer Schnittdarstellung die Baugruppe mit einem Biegewandler und
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3 in einem vergrößerten Ausschnitt den Biegewandler.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die nachfolgend exemplarisch beschriebene und in 1 skizzenhaft dargestellte Zählvorrichtung 2 weist ein Gehäuse 4 auf und ist im Hosentaschenformat gehalten. Teil der Zählvorrichtungs 2 ist weiter ein Betätigungsmechanismus, bei dem bei einer Betätigung ein Stempel 8 in Richtung des Gehäuses 4 entlang eines vorgegebenen Hubweges bewegt wird, wodurch einerseits ein Gasdruck aufgebaut wird, mit dessen Hilfe eine Rückstellkraft aufgebaut wird, und wodurch andererseits mechanische Arbeit in eine Baugruppe 10 mit einem Biegewandler 12 eingekoppelt wird, so dass hierdurch die von einem Nutzer der Zählvorrichtungs 2 durch die Bewegung des Stempels 8 geleisteter Arbeit zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Energie wird zur Versorgung einer Elektronikbaugruppe 14 mit einer Zähllogik und zur Versorgung eines bistabilen (LCD-)Anzeigeelementes 16 genutzt.
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Die Zähllogik zählt dabei nach Art eines Countdowns ausgehend von einem Startwert rückwärts, wobei bei jeder Betätigung des Betätigungsmechanismus, also bei jeder Bewegung des Stempels 8 in Richtung des Gehäuses 4, eine Generierung eines Energiepulses erfolgt, aufgrund derer die Zähllogik den Zählerstand um eine Einheit reduziert. Zudem wird bei einer Änderung des Zählerstandes das bistabile Anzeigeelement 16 angesteuert, so dass dieses nachfolgend den geänderten und damit den aktuellen Zählerstand anzeigt.
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Um unerwünschte und fehlerhafte Doppelzählungen zu vermeiden, wird die Zähllogik nach jeder Änderung des Zählerstandes mit Hilfe eines Timers für eine gewisse Zeit gesperrt, so dass in diesen Zeitraum keine Änderung des Zählerstandes erfolgt. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Nutzer innerhalb dieses Zeitraums den Stempel 8 wieder freigibt, wobei dieser aufgrund einer durch die Baugruppe 10 auf dem Stempel 8 ausgeübten Rückstellkraft in seine Ausgangsposition zurückbewegt wird. Mit Hilfe der Sperrung der Zähllogik wird somit verhindert, dass die Rückführung des Stempels 8 zu einer Änderung des Zählerstandes führt.
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Die Baugruppe 10 zur Wandlung von mechanischer Arbeit in elektrische Energie ist in 2 prinzipartig abgebildet. Sie umfasst den Biegewandler 12 sowie eine Wandlerschaltung 18, mit deren Hilfe eine am Biegewandler 12 abgegriffene Spannung in eine Versorgungsspannung für die Elektronikbaugruppe 14 einerseits und das Anzeigeelement 16 andererseits umgewandelt wird. Die Wandlerschaltung 18 ist beispielsweise Teil der Elektronikbaugruppe 14.
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Teil des Biegewandlers 12 ist ein leistenförmiger Träger 20 (beispielsweise mit den Abmessungen 25 mm × 80 mm × 0,42 mm) aus einem Verbundwerkstoff aus Glasfaser und Kunstharz, auf dem eine piezoelektrische Schicht 22 (beispielsweise mit den Abmessungen 24 mm × 28 mm × 0,25 mm) in einem Mittenbereich auf der der Wandlerschaltung 18 zugewandten Oberseite des Trägers 20 aufgeklebt ist. Zudem sind auf der Oberseite des Trägers 20 einerseits und auf der Oberseite der piezoelektrischen Schicht 22 andererseits metallische Elektroden aufgedampft, deren Ausdehnung quer zur Trägerlängsrichtung 26 der Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht 22 quer zur Trägerlängsrichtung 26 entspricht oder diese übertrifft. Über beispielsweise einfache Drahtverbindungen 28 sind die Elektroden 24 mit der Wandlerschaltung 18 elektrisch leitend verbunden. Die Drahtverbindungen 28 erlauben eine Bewegung des Biegewandlers 12 relativ zur Wandlerschaltung 18, welche beispielsweise auf einer einfachen und am Gehäuse 4 befestigten Platine untergebracht ist, ohne dass die Kontaktierungen zwischen den Drahtverbindungen 28 und den Elektroden 24 mechanisch belastet werden.
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Der Träger 20 weist eine leichte bogenförmige Krümmung auf und ist beidseitig gelagert. Dabei liegt der Träger 20 mit beiden Enden jeweils lose und mit Spiel in einer Aufnahme 30 ein, wobei eine Aufnahme durch eine Vertiefung oder Nut in einer der Wandungen des Gehäuses 4 oder einem Halteelement gebildet wird, während die andere Aufnahme 30 durch eine am Stempel 8 angeformte und den Träger 20 umgreifende Profilleiste gegeben ist. Wird nun der Stempel 8 im Rahmen einer Betätigung des Betätigungsmechanismusses in Trägerlängsrichtung 26 bewegt, so wird nach Überbrückung des Spiels zwischen dem Träger 20 und den Aufnahmen 30 eine mechanische Kraft auf den Träger 20 in Trägerlängsrichtung 26 ausgeübt, wodurch sich der Träger 20 bogenförmig verbiegt. Infolge dessen erfährt die piezoelektrische Schicht 22 eine Zugverformung, woraufhin sich eine an der piezoelektrischen Schicht 22 abgreifbare Spannung ausbildet.
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Aufgrund des zwischen dem Träger 20 und den Aufnahmen 30 gegebenen Spiels sind der Träger 20 und das Gehäuse 4 der Zählvorrichtung 2 nicht starr miteinander gekoppelt, wodurch Erschütterungen, wie sie beispielsweise durch das Tragen der Zählvorrichtung 2 in einer Tasche am Körper während des Laufens hervorgerufen werden, oder Erschütterungen, wie sie beim zu Boden fallen oder beim Hinstellen auf einen Tisch auftreten, zu einer Bewegung des Trägers 20 relativ zum Gehäuse 4 führen, nicht aber zu einer Verbiegung des Biegewandlers 12.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass lediglich gezielt ausgeübte Betätigungen des Betätigungsmechanismusses, bei denen der Stempel 8 gezielt und über eine Mindestdistanz in Trägerlängsrichtung 26 bewegt wird, zu einer Verbiegung des Biegewandlers 12 und somit zur Generierung eines elektrischen Energiepulses führen. Fehlzählungen der Zähllogik aufgrund von Erschütterungen werden somit vermieden.
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Die Baugruppe 10 sowie die Elektronikbaugruppe 14 sind dabei vorzugsweise derart ausgelegt, dass bereits bei einem Hub von nur wenigen Millimetern z. B. bereits bei 2–4 mm, ausreichend Energie für die Ausführung der Nutzfunktion erzeugt wird.
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Der Biegewandler 12 ist im Ausführungsbeispiel als monomorpher Biegewandler 12 ausgestaltet und weist dementsprechend genau eine piezoelektrische Schicht 22 auf. Dabei sind die Materialstärken des Trägers 20 einerseits und der piezoelektrischen Schicht 22 andererseits derart aufeinander abgestimmt, dass die neutrale Faser (32) des Biegewandlers innerhalb des Trägers 22 und somit außerhalb der piezoelektrischen Schicht 22 liegt, so dass infolge dessen bei einer Verbiegung des Biegewandlers 12 in der gesamten piezoelektrischen Schicht 22 eine Zugverformung auftritt, wodurch der piezoelektrische Effekt besonders ausgeprägt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Zählvorrichtung
- 4
- Gehäuse
- 8
- Stempel
- 10
- Baugruppe
- 12
- Biegewandler
- 14
- Elektronikbaugruppe
- 16
- Anzeigeelement
- 18
- Wandlerschaltung
- 20
- Träger
- 22
- piezoelektrische Schicht
- 24
- Elektrode
- 26
- Trägerlängsrichtung
- 28
- Drahtverbindung
- 30
- Aufnahme
- 32
- neutrale Faser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0322184 A1 [0004]
- DE 102012211576 [0025]
