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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Mit Hilfe des piezoelektrischen Energiewandlers soll mechanische Energie, insbesondere die Bewegungsenergie einer schwingenden Masse, in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Energieumwandlung beruht auf dem piezoelektrischen Effekt. Der piezoelektrische Energiewandler umfasst hierzu mindestens ein piezoelektrisches Element.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 001 163 A1 ist ein piezoelektrischer Generator mit mindestens einer Piezoeinheit bekannt, die zur Erzeugung eines Wechselstroms periodisch verspannt wird. Die Piezoeinheit ist hierzu im Wesentlichen radial zur Drehachse einer in einer Drehbewegung antreibbaren Generatorwelle angeordnet, die eine Exzentrizität besitzt, so dass hierüber die periodische Verspannung der Piezoeinheit bewirkbar ist. Bei jedem Verspannen wird ein Stromsignal erzeugt. Denn beim Verspannen wird die Piezoeinheit gestaucht und beim Entspannen entlastet. Dies führt zu einem ladungssaugenden und ladungsverdrängenden Prozess und damit zu einem elektrischen Stromwechsel. Der piezoelektrische Generator soll auf diese Weise zur Stromerzeugung eingesetzt werden können.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2011 052 439 B4 ist ferner eine Fahrzeugsitzvorrichtung bekannt, die einen Fahrzeugsitz und eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Fahrzeugsitzes an einem Fahrzeugboden umfasst. Ferner ist eine Energiewandlungsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher Bewegungsenergie, die im Benutzungszustand der Fahrzeugsitzvorrichtung aus einer Relativbewegung des Fahrzeugsitzes relativ zu dem Fahrzeugboden resultiert, in elektrische Energie wandelbar ist. Zur Wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie kann die Energiewandlungsvorrichtung mindestens ein piezoelektrisches Element umfassen. Darüber hinaus werden alternative Konzepte zur Energiewandlung angegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Lösung für einen piezoelektrischen Energiewandler anzubieten, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Ferner soll der piezoelektrische Energiewandler vielseitig einsetzbar und an die jeweiligen Einsatzbedingungen leicht anpassbar sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der piezoelektrische Energiewandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie vorgeschlagene piezoelektrischer Energiewandler umfasst mindestens ein piezoelektrisches Element, das in axialer Richtung be- und entlastbar ist, so dass über den piezoelektrischen Effekt eine elektrische Spannung erzeugbar ist, die einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist das piezoelektrische Element unmittelbar oder mittelbar über einen Koppler mit einem Übertragungselement mechanisch gekoppelt, das koaxial zum piezoelektrischen Element in einem ein- oder mehrteilig ausgebildeten Gehäuse angeordnet ist.
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Dadurch, dass das piezoelektrische Element und das Übertragungselement koaxial angeordnet sind, kann eine von außen auf das Übertragungselement einwirkende mechanische Energie unmittelbar oder mittelbar über den Koppler zur Stauchung des piezoelektrischen Elements eingesetzt werden. Bei der mechanischen Energie kann es sich beispielsweise um die Bewegungsenergie einer schwingenden Masse handeln, die das Übertragungselement wiederholt in axialer Richtung belastet. Die Belastung wird durch das Übertragungselement auf das piezoelektrische Element übertragen, so dass dieses in axialer Richtung gestaucht wird. Durch den piezoelektrischen Effekt wird bei jeder Stauchung bzw. Belastung des piezoelektrischen Elements eine elektrische Spannung erzeugt, die direkt nutzbar oder zur späteren Nutzung einem Speicher zuführbar ist. Die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie kann zum Betrieb einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Sensors oder einer Funkeinheit, verwendet werden, so dass diese unter Umständen völlig energieautark betrieben werden kann.
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Eine vorteilhafte Anwendung des piezoelektrischen Energiewandlers wird in Verbindung mit einem Transportcontainer gesehen. Beispielsweise kann ein piezoelektrischer Energiewandler in der Weise an einem Transportcontainer angebracht werden, dass das Übertragungselement einen Anschlag für eine Tür des Transportcontainers bildet. Die Betätigung der Tür führt dann zur Erzeugung einer elektrischen Energie, die wiederum zur Betätigung einer Öffnungs- und/oder Schließvorrichtung der Tür einsetzbar ist.
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Darüber hinaus ist eine Vielzahl anderer Anwendungen denkbar und möglich.
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Der vorgeschlagene piezoelektrische Energiewandler zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus und ist demzufolge kostengünstig herzustellen. Zudem besitzt er einen geringen Bauraumbedarf, so dass er vielseitig integrierbar ist.
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Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, können mehrere piezoelektrische Elemente in gestapelter Anordnung eingesetzt werden. Derartige Anordnungen sind auch als Piezomodul bzw. Piezo-Stack bekannt. Solche Module finden beispielsweise als Schaltelemente in Kraftstoffinjektoren Einsatz, so dass bei der Realisierung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandlers auf bereits bestehende Piezomodule zurückgegriffen werden kann. Dadurch kann die Umsetzung noch kostengünstiger gestaltet werden.
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Bevorzugt ist im Gehäuse des piezoelektrischen Energiewandlers eine Bohrung zur hubbeweglichen Aufnahme und Führung des Übertragungselements ausgebildet. Die Führung stellt sicher, dass das piezoelektrische Element vorrangig in axialer Richtung belastet wird. Ferner bevorzugt ist die Bohrung als Stufenbohrung ausgeführt und bildet eine Stufe aus, die als Hubanschlag für das Übertragungselement dient. Um eine mit der Stufe zusammenwirkende Anschlagfläche auszubilden, ist das Übertragungselement vorzugsweise ebenfalls ein- oder mehrfach gestuft ausgeführt.
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Die als Hubanschlag dienende Stufe des Gehäuses begrenzt den Hub des Übertragungselements in Richtung des piezoelektrischen Elements und damit auch die Kraft, die durch das Übertragungselement auf das piezoelektrische Element übertragen wird. Somit wird in einfacher Weise ein Überlastschutz des piezoelektrischen Elements erreicht, welcher dem Erhalt der Funktion des piezoelektrischen Energiewandlers dient.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Übertragungselement von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, die einerseits am Übertragungselement, andererseits am Gehäuse abgestützt ist. Die Feder übt eine axiale Kraftkomponente auf das Übertragungselement aus, welche die Rückstellung des Übertragungselements nach einer Belastung sicherstellt. Die Abstützung der Feder am Übertragungselement und/oder am Gehäuse kann mittelbar über eine Einstellscheibe erfolgen. Mittels der einen oder mehreren Einstellscheiben kann die Vorspannung der Feder eingestellt werden, so dass eine optimale Justierung des piezoelektrischen Energiewandlers auf das jeweils zu erwartenden Lastkollektiv resultierend aus Masse und Beschleunigung möglich ist. Ferner ermöglichen Einstellscheiben den Ausgleich fertigungs- und/oder montagebedingte Toleranzen. Vorzugsweise ist die Feder als einfache Schraubendruckfeder ausgeführt, die das Übertragungselement bereichsweise umgibt. Auf diese Weise wird eine kompakte Anordnung erreicht.
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Erfolgt die Kraftübertragung vom Übertragungselement auf das piezoelektrische Element mittelbar über einen Koppler, ist dieser bevorzugt durch die Federkraft einer Feder in Richtung des piezoelektrischen Elements axial vorgespannt. Die axiale Vorspannung gewährleistet eine optimale Kraftübertragung. Die Feder ist vorzugsweise als Stabfeder ausgeführt, die den Koppler zumindest bereichsweise umgibt, so dass der zusätzliche Bauraumbedarf minimal ist.
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Bevorzugt ist zwischen dem Koppler und dem piezoelektrischen Element eine Einstellscheibe angeordnet. Die Einstellscheibe ermöglicht den Ausgleich von fertigungsund/oder montagebedingten Toleranzen.
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Des Weiteren bevorzugt weist das piezoelektrische Element an seinem dem Koppler und/oder dem Übertragungselement zugewandten Ende eine Druckplatte auf. Die Druckplatte sorgt für eine gleichmäßige Lastverteilung, so dass auf diese Weise die Belastbarkeit des piezoelektrischen Elements gesteigert wird.
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Die Stauchung des piezoelektrischen Elements in axialer Richtung erfordert ein Gegenlager. Daher wird ferner vorgeschlagen, dass das piezoelektrische Element an seinem dem Koppler und/oder dem Übertragungselement abgewandten Ende unmittelbar oder mittelbar über ein Ausgleichselement am Gehäuse des piezoelektrischen Energiewandlers abgestützt ist. Die mittelbare Abstützung über ein Ausgleichselement besitzt den Vorteil, dass hierüber ein Ausgleich temperaturbedingter Längenänderungen möglich ist.
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Das Gehäuse des piezoelektrischen Energiewandlers ist vorzugsweise mehrteilig ausgeführt und weist zumindest ein erstes Teil zur Aufnahme des piezoelektrischen Elements und ein zweites Teil zur Aufnahme des Übertragungselements auf. Die mehrteilige Ausführung erleichtert die Montage des piezoelektrischen Energiewandlers. Zudem kann ein Piezomodul verwendet werden, dass bereits in Kraftstoffinjektoren Einsatz findet und mit einem Gehäuse ausgestattet ist, so dass dieses nur noch mit einem zweiten Gehäuse, in dem das Übertragungselement aufgenommen ist, verbunden werden muss. Die Verbindung der mehreren Teile bzw. Gehäuse erfolgt vorzugsweise mittels einer Spannmutter, so dass die mehreren Teile bzw. Gehäuse zusätzlich miteinander axial verspannt sind. Dadurch erhöht sich die Belastbarkeit der Anordnung in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Krafteinwirkung von außen.
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Bevorzugt weist das Übertragungselement einen Abschnitt auf, der das Gehäuse oder zumindest ein Teil des Gehäuses in axialer Richtung überragt. Der außerhalb des Gehäuses zu liegen kommende Abschnitt vereinfacht den Kontakt des Übertragungselements mit einer sich bewegenden, insbesondere schwingenden, Masse, über welche der piezoelektrische Energiewandler betätigbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Gehäuse oder zumindest ein Teil des Gehäuses einen Abschnitt mit einem Außengewinde und/oder einen als Sechskant ausgeführten Abschnitt aufweist. Der Gewindeabschnitt vereinfacht die Anbringung des piezoelektrischen Energiewandlers am jeweiligen Einsatzort. Dies gilt insbesondere dann, wenn am Einsatzort eine Aufnahmeeinrichtung, beispielsweise in Form einer Halterung, mit einem entsprechenden Innengewinde vorgesehen ist. Der als Sechskant ausgebildete Abschnitt erleichtert wiederum das Ansetzen eines Werkzeugs, um das zum Verschrauben erforderliche Drehmoment einzubringen.
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Die Befestigung des piezoelektrischen Energiewandlers an einem Einsatzort kann jedoch auch in anderer Weise realisiert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen piezoelektrischen Energiewandler gemäß der Erfindung,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch den piezoelektrischen Energiewandler der 1 in verbautem Zustand und
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3 eine schematische Seitenansicht des piezoelektrischen Energiewandlers der 2.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte piezoelektrische Energiewandler umfasst ein Gehäuse 4, das mehrteilig ausgebildet ist. In einem hülsenförmigen ersten Teil 4.1 des Gehäuses 4 sind mehrere zu einer Piezoeinheit zusammengefasste piezoelektrische Elemente 1 sowie ein Koppler 2 aufgenommen. In einem ebenfalls hülsenförmigen zweiten Teil 4.2 des Gehäuses 4 ist ein Übertragungselement 3 aufgenommen. Beide Teile 4.1, 4.2 des Gehäuses 4 sind mittels einer Spannmutter 14 axial verspannt, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Teil 4.1, 4.2 eine Einstellscheibe 9 eingelegt ist.
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Das zweite Teil 4.2 des Gehäuses 4 weist eine als Stufenbohrung ausgeführte zentrale Bohrung 5 auf, über welche das Übertragungselement 3 hubbeweglich geführt ist. Zugleich wird eine umlaufende Stufe 6 ausgebildet, die als Hubanschlag für das Übertragungselement 3 dient. Zur Ausbildung einer mit der Stufe 6 zusammenwirkenden Anschlagfläche 19 ist das Übertragungselement 3 ebenfalls gestuft ausgeführt, und zwar gleich mehrfach. Im Bereich einer Stufe 20 ist eine weitere Einstellscheibe 8 abgestützt, die zugleich als Federteller für eine Feder 7 dient, über welche das Übertragungselement 3 axial vorgespannt ist. Die Feder 7 ist als Schraubendruckfeder ausgeführt, die das Übertragungselement 3 abschnittsweise umgibt. Andernends ist die Feder 7 an der Einstellscheibe 9 abgestützt, die zwischen den beiden Teilen 4.1, 4.2 des Gehäuses 4 angeordnet ist. Über die Einstellscheiben 8, 9 ist somit die Vorspannkraft der Feder 7 einstellbar.
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Das Übertragungselement 3 weist an seinem dem Koppler 2 abgewandten Ende einen Abschnitt 15 auf, der das Teil 4.2 des Gehäuses 4 überragt. Der Abschnitt 15 dient der Betätigung des piezoelektrischen Energiewandlers. Andernends weist das Übertragungselement 3 einen Abschnitt 21 auf, welcher der Kontaktierung des Kopplers 2 dient. Der Abschnitt 21 ragt hierzu in das Teil 4.1 des Gehäuses 4 hinein.
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Der Koppler 2 ist im Wesentlichen kolbenförmig ausgeführt und mittels einer Feder 10 in Form einer Stabfeder in Richtung der Piezoeinheit bzw. der die Piezoeinheit ausbildenden piezoelektrischen Elemente 1 axial vorgespannt. Die Feder 10 stellt den Kontakt des Kopplers 2 mit der Piezoeinheit sicher. Um eine gleichmäßige Lastverteilung zu erreichen, ist die Piezoeinheit mit einer Druckplatte 12 verbunden. Zwischen der Druckplatte 12 und dem Koppler 2 ist zudem eine Einstellscheibe 11 angeordnet.
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Wirkt auf den Abschnitt 15 des Übertragungselements 3 eine Axialkraft ein, wird dieses entgegen der Federkraft der Feder 7 in Richtung der Piezoeinheit axial verschoben. Dabei drückt das Übertragungselement 3 den Koppler 2 einschließlich Einstellring 11 gegen die Piezoeinheit bzw. die mit der Piezoeinheit verbundene Druckplatte 12. Die piezoelektrischen Elemente 1 der Piezoeinheit werden daraufhin gestaucht, was aufgrund des piezoelektrischen Effekts zur Erzeugung einer elektrischen Spannung führt. Die kinetische Energie wird demnach in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann unmittelbar einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher zugeführt werden. Die Piezoeinheit des piezoelektrischen Energiewandlers der 1 weist hierzu elektrische Leitungen 18 auf, die aus dem Gehäuse 4 bzw. dem Teil 4.1 des Gehäuses 4 herausgeführt sind, um in einfacher den Anschluss des piezoelektrischen Energiewandlers an einen Stromverbraucher oder Stromspeicher zu ermöglichen.
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Um eine gleichbleibende Funktion des piezoelektrischen Energiewandlers auch bei sich verändernden Umgebungstemperaturen zu gewährleisten, ist, wie in der 1 dargestellt, die Piezoeinheit bevorzugt über ein hülsenförmiges Ausgleichselement 13 gehäuseseitig abgestützt. Denn das Ausgleichselement 13 ermöglicht einen Temperaturausgleich. Auf diese Weise kann eine gleichbleibende Funktion unabhängig von der Temperatur gewährleistet werden.
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In der 2 ist der piezoelektrische Energiewandler der 1 in Verbindung mit einer Halterung 22 dargestellt. Die Halterung 22 weist zur Aufnahme des piezoelektrischen Energiewandlers eine Aufnahmebohrung 23 auf, in der ein Innengewinde 24 ausgebildet ist. Das Teil 4.2 des Gehäuses 4 ist in einem Abschnitt mit einem entsprechenden Außengewinde 16 versehen, so dass hierüber der piezoelektrische Energiewandler mit der Halterung 22 verbindbar ist.
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Aus der Seitenansicht der 3 ist ersichtlich, dass das Teil 4.2 des Gehäuses 4 ferner einen als Sechskant 17 ausgebildeten Abschnitt aufweist, an den ein Werkzeug (nicht dargestellt) ansetzbar ist, das die Verschraubung des piezoelektrischen Energiewandlers mit der Halterung 22 erleichtert.
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Die Halterung 22 zur Aufnahme eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandlers ist vorzugsweise kein Bestandteil der Erfindung. Denn die Ausbildung der Halterung hängt insbesondere vom jeweiligen Einsatzort ab. Darüber hinaus kann auch die Ausgestaltung des in den 1 bis 3 dargestellten piezoelektrischen Energiewandlers variieren, so dass die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009001163 A1 [0003]
- DE 102011052439 B4 [0004]
