DE102017212635A1

DE102017212635A1 - Energiewandlungssystem, Verfahren zur Herstellung eines Energiewandlungssystems, energieautarker Sensor, Verfahren zur Herstellung eines energieautarken Sensors und drahtloses Sensornetz

Info

Publication number: DE102017212635A1
Application number: DE102017212635.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Zoller; Ricardo Ehrenpfordt; Lukas Lamprecht; Max Schellenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem (100), zur Wandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, wobei das Energiewandlungssystem (100) ein erstes Trägerelement (101) umfasst, wobei das erste Trägerelement (101) in einem ersten Einspannbereich (1011) mit einer ersten Einspannstruktur (1012) verbunden ist und relativ zu der ersten Einspannstruktur (1012) bewegbar angeordnet ist und wobei das erste Trägerelement (101) ein erstes Energiewandlerelement (1010) umfasst, wobei mindestens eine erste Teilbaugruppe (1001) des Energiewandlungssystems (100) auf dem ersten Trägerelement (101) angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems (100) funktionalisiert ist,• Wobei das Energiewandlungssystem (100) ein zweites Trägerelement (102) umfasst, wobei das zweite Trägerelement (102) relativ zum ersten Trägerelement bewegbar angeordnet ist und• Wobei das zweite Trägerelement (102) ein zweites Energiewandlerelement (1020) umfasst, wobei eine zweite Teilbaugruppe (1002) des Energiewandlungssystems (100) auf dem zweiten Trägerelement (102) angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems (100) funktionalisiert ist.

Description

Stand der Technik
In DE 10 2008 056 127 A1 ist ein elektromechanischer Energiewandler beschrieben, welcher einen Biegebalken mit einem piezoelektrischen Element und einer in Schwingung versetzbare Halterung umfasst, wobei eine Vorspannung des Biegebalkens über eine Stelleinrichtung einstellbar ist. Eine Steuereinrichtung ist derart mit der Stelleinrichtung verbunden ist, dass die Vorspannung in Abhängigkeit von der Frequenz der mechanischen Schwingung der Halterung einstellbar ist. Komponenten des elektromechanischen Energiewandlers, wie beispielsweise die Steuereinrichtung, können hierbei als zusätzliche seismische Masse des Biegebalkens genutzt werden.
Kern und Vorteile der Erfindung
Energiewandlungssysteme, auch kinetische Energie-Harvester oder Energiegewinnungssystem genannt, ermöglichen die Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie. So kann beispielsweise ungenutzte, aber ohnehin vorhandene kinetische Energie, in elektrische Energie aus Relativbewegungen zwischen Energie-Harvester und dem Gegenstand, der die beschleunigte Bewegung ausführt und als seismische Masse des Energie-Harvester wirkt, umgewandelt werden. Typische Bewegungen der seismischen Masse sind dabei Vibrationen, Rotationen oder allgemeine Bewegungen auf räumlich beliebig gekrümmten Bahnen. Für die Umsetzung der kinetischen Energie in elektrische Energie können beispielsweise Wandlungsprinzipien, die auf piezoelektrischen, triboelektrischen, kapazitiven oder induktiven Prinzipien basieren, verwendet werden. Allen Wandlungsprinzipien ist gemein, dass ein Energiewandlerelement des Energiewandlungssystems, welches beispielsweise auf einem der vorgenannten Wandlungsprinzipien basiert, oder zumindest ein Teil des Energiewandlerelements, eine Auslenkung oder Deformation erfährt. Die Auslenkung oder Deformation können beispielsweise durch auf die seismische Masse wirkende Trägheitskräfte erfolgen.
Die Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem, ein Verfahren zur Herstellung eines Energiewandlungssystems, einen energieautarken Sensor, ein Verfahren zur Herstellung eines energieautarken Sensors und ein drahtloses Sensornetz.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass das Energiewandlungssystem eine verbesserte gravimetrische und volumetrische Leistungsdichte aufweist und somit neue Anwendungsgebiete, wie beispielsweise die Verwendung in einem energieautarken Sensor, für das Energiewandlungssystem erschlossen werden können. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Robustheit des Energiewandlungssystems gegenüber Umwelteinflüssen.
Dies wird erreicht mit einem Energiewandlungssystem, zur Wandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, wobei das Energiewandlungssystem ein erstes Trägerelement umfasst, wobei das erste Trägerelement in einem ersten Einspannbereich mit einer ersten Einspannstruktur verbunden ist und wobei das erste Trägerelement relativ zu der ersten Einspannstruktur bewegbar angeordnet ist. Das erste Trägerelement weist ein erstes Energiewandlerelement auf, wobei mindestens eine erste Teilbaugruppe des Energiewandlungssystems auf dem ersten Trägerelement angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems funktionalisiert ist. Das Energiewandlungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass das Energiewandlungssystem ein zweites Trägerelement umfasst, wobei das zweite Trägerelement relativ zum ersten Trägerelement bewegbar angeordnet ist, und dass das zweite Trägerelement ein zweites Energiewandlerelement umfasst, wobei eine zweite Teilbaugruppe des Energiewandlungssystems auf dem zweiten Trägerelement angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems funktionalisiert ist. Ein Vorteil ist, dass somit ein sehr kompakter Aufbau des Energiewandlungssystems ermöglicht werden kann. Das Verhältnis von Bauraum bzw. Gesamtmasse des Energiewandlungssystems zur Leistung des Energiewandlungssystems ermöglicht den Einsatz des Energiewandlungssystems in neuen Anwendungsgebieten, wie beispielsweise in energieautarken Sensoren. Die hohe Kompaktheit des Energiewandlungssystems erhöht vorteilhafterweise die Flexibilität bei der Auswahl möglicher Anbringungsorte des Energiewandlungssystems.
Das Energiewandlungssystem kann neben den Trägerelementen mit den Energiewandlerelementen auch weitere Komponenten umfassen. Weitere Komponenten des Energiewandlungssystems können elektronische Komponenten, wie beispielsweise Energiespeicher, Energie-Pufferspeicher, Gleichrichterschaltung, Spannungsregelung, Lastwiderstandsregelung und/oder elektronische Bauelemente des Energiewandlungssystems, wie Widerstände, Transistoren oder Mikrocontroller, umfassen. Weitere Komponenten des Energiewandlungssystems können auch Komponenten der Aufbau-und Verbindungstechnik, wie beispielsweise Leiterplatten, flexible Verdrahtung, Leiterbahnen, Lötpunkte, steckbare Verbindungen, Steckkontakte, mechanische Verbindungsstellen, etc. umfassen. Die erste Teilbaugruppe und die zweite Teilbaugruppe können jeweils zumindest einen Teil der weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems umfassen. Hierbei wirken die Masse der Komponenten, die die erste Teilbaugruppe bzw. die zweite Teilbaugruppe bilden, als seismische Massen des Energiewandlungssystems, d.h., dass die Komponenten als seismische Massen des Energiewandlungssystems funktionalisiert sind. Funktionalisiert bedeutet hierbei, dass die erste Teilbaugruppe bzw. die zweite Teilbaugruppe neben ihrer primären Funktion im Energiewandlungssystem - je nach Beschaffenheit der ersten Teilbaugruppe bzw. der zweiten Teilbaugruppe beispielsweise die Verarbeitung und/oder Übertragung elektrischer Signale, die Speicherung elektrischer Energie, die Verbindung oder den Aufbau von Komponenten des Energiewandlungssystems etc. - zusätzlich als seismische Masse zur Auslenkung und/oder Deformation der Energiewandlerelemente aufgrund von Trägheitskräften wirken, d.h. die Masse der ersten Teilbaugruppe bzw. die Masse der zweiten Teilbaugruppe werden als seismische Massen genutzt. Somit kann der benötigte Bauraum sowie die Gesamtmasse des Energiewandlungssystems vorteilhafterweise reduziert werden und somit die Leistung des Energiewandlungssystems bezogen auf die Gesamtmasse bzw. das Gesamtvolumen erhöht werden. Das Energiewandlerelement lässt sich zusammen mit der seismischen Masse idealisiert als eindimensionales Feder-Masse-Dämpfer-System beschreiben bei dem die beschleunigende Kraft im Fußpunkt von Feder und Dämpfer angreift. Beispielsweise kann das Energiewandlungssystem als Vibrations-Harvester, als Schock-Harvester oder Harvester für Linearbewegungen ausgebildet sein, und ein- und/oder mehrachsig anwendbar sein.
Die Beschleunigungen der Umgebung des Energiewandlungssystems, welche mittels des Energiewandlungssystems in elektrische Energie umgewandelt werden, können über die Einspannstruktur in das Energiewandlungssystem, insbesondere des Energiewandlerelement eingekoppelt werden. Beispielsweise kann das Energiewandlungssystem in mechanischem Kontakt mit einem Gehäuse stehen, wobei die Einspannstruktur für das Energiewandlerelement vom Gehäuse umfasst sein kann. Über das Gehäuse können somit Beschleunigungen der Umgebung in das Energiewandlungssystem eingekoppelt und in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Gehäuse kann alternativ oder ergänzend vom Energiewandlungssystem umfasst sein.
Energiewandlerelemente können relativ zueinander bewegbar Kombinationen von Spulen, Magneten, kapazitiven Flächen, federartigen Strukturen, Biegebalken, etc. umfassen, welche derart an die Beschleunigungsquelle angeschlossen sind, dass die Beschleunigungen in das Energiewandlungssystem, insbesondere das Energiewandlerelement, eingekoppelt werden können. Durch die Bewegung des Energiewandlerelements relativ zur Einspannstruktur lässt sich somit die kapazitive, die elektromagnetische und/oder die auf dem Piezo-Effekt basierte Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie ermöglichen. Auch die triboelektrische Wandlung ist nach diesem Prinzip möglich.
In einer Ausführungsform weist das erste Trägerelement eine erste Resonanzfrequenz auf und das zweite Trägerelement weist eine zweite Resonanzfrequenz auf. Die erste Resonanzfrequenz ist von der zweiten Resonanzfrequenz abweichend eingestellt. Ein Vorteil ist, dass somit mehrere Resonanzen bzw. Eigenfrequenzen, vorzugsweise jeweils erster Ordnung, genutzt werden können und somit die Effizienz des Energiewandlungssystems erhöht werden kann und ein kompakter Aufbau realisiert werden kann. Das Einstellen der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz kann beispielsweise bei der Herstellung des Energiewandlungssystems durch die Wahl der Position der Teilbaugruppe auf dem Trägerelement, die Masse der Teilbaugruppe, die Wahl der Position des Einspannbereichs relativ zum Trägerelement, etc. erfolgen. Die erste Resonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz sind vorzugsweise jeweils voneinander abweichende Eigenfrequenzen erster Ordnung.
In einer Ausführungsform ist das zweite Trägerelement in einem zweiten Einspannbereich mit einer zweiten Einspannstruktur verbunden und das zweite Trägerelement ist relativ zu der zweiten Einspannstruktur bewegbar angeordnet. Ein Vorteil ist, dass mittels der zweiten Einspannstruktur Beschleunigungen effizient in das zweite Energiewandlerelement ein gekoppelt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Einspannstruktur auf dem ersten Trägerelement angeordnet sein. Die zweite Einspannstruktur kann in einer Ausführungsform im ersten Einspannbereich des ersten Trägerelements angeordnet sein. Ein Vorteil ist, dass somit ein sehr kompakter Aufbau bei einer hohen Energieausbeute ermöglicht wird. Des Weiteren ist somit eine hochintegrierte Nutzung mehrerer Energiewandlerelemente im Energiewandlungssystem möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass in einem solchen Energiewandlungssystem mehrere Resonanzen bzw. Eigenfrequenzen genutzt werden können und somit die Effizienz des Energiewandlungssystems erhöht werden kann und ein kompakter Aufbau realisiert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Einspannstruktur in einem von dem ersten Einspannbereich des ersten Trägerelements verschiedenen Bereich angeordnet sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass somit eine weichere Ankopplung der elektronischen Komponenten ermöglicht werden kann, wodurch die Lebensdauer der elektronischen Komponenten vorteilhafterweise erhöht werden kann. Des weiteren ist somit eine hochintegrierte Nutzung mehrerer Energiewandlerelemente im Energiewandlungssystem möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement gegenphasig schwingen können. Dadurch kann durch die größere Relativbewegung eine effiziente Umsetzung der kinetischen Energie in elektrische Energie und folglich eine höhere Leistung des Energiewandlungssystems erreicht werden.
Das Energiewandlungssystem kann in einer Ausführungsform mindestens ein induktives Energiewandlerelement, mindestens ein kapazitives Energiewandlerelement, mindestens ein triboelektrisches und/oder mindestens ein piezoelektrisches Energiewandlerelement umfassen.
Das erste Trägerelement und/oder das zweite Trägerelement können eine Steckleiste umfassen, wobei die Steckleiste Aufnahmeöffnungen aufweist. Ein Vorteil ist, dass die Teilbaugruppe somit präzise an einer vorbestimmten Position auf dem Trägerelement angeordnet werden kann, indem die Teilbaugruppe beispielsweise mittels Steckverbindungsstrukturen, welche beispielsweise an einem Gehäuse der Teilbaugruppe ausgebildet sein können und von den Aufnahmeöffnungen aufgenommen werden können, auf dem Trägerelement angeordnet werden kann.
In einer Ausführungsform sind die erste Teilbaugruppe und/oder die zweite Teilbaugruppe auf einem Hilfsträger angeordnet, wobei der Hilfsträger eine Steckverbindungsstruktur aufweist. Auf dem ersten Trägerelement und/oder dem zweiten Trägerelement ist mindestens eine Aufnahme für die Steckverbindungsstruktur ausgebildet und der Hilfsträger kann mittels der Steckverbindungsstruktur an einer vorbestimmten Position auf dem ersten Trägerelement und/oder dem zweiten Trägerelement angeordnet werden. Ein Vorteil ist, dass die Resonanzfrequenz des Trägerelements von der Position der Teilbaugruppe auf dem Trägerelement abhängt. Jeder Position auf dem Trägerelement ist somit eine Resonanzfrequenz des Trägerelements zugeordnet, wobei die Resonanzfrequenz des Weiteren von der Masse, der Steifigkeit und der inneren Dämpfung der Teilbaugruppe abhängt. Ein Vorteil ist, dass mittels der Steckverbindungsstruktur die Teilbaugruppe präzise an der vorbestimmten Position angeordnet werden kann und somit die Resonanzfrequenz des Trägerelements bei der Herstellung präzise eingestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement aus baugleichen Komponenten, wie baugleichen Teilbaugruppen, baugleichen Trägerelemente und baugleichen Hilfsträgern, ausgebildet werden können, wobei die erste Resonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz präzise über die Wahl der vorbestimmten Position des Hilfsträgers auf dem ersten Trägerelement und die Wahl der vorbestimmten Position des Hilfsträgers auf dem zweiten Trägerelement eingestellt werden kann. Somit kann das Energiewandlungssystem kostengünstig hergestellt werden. Der Hilfsträger kann beispielsweise als Leiterplatte (PCB=printed circuit board) ausgebildet sein. Auf der Hilfsträger-Leiterplatte kann beispielsweise zumindest ein Teil der elektronischen Komponenten des Energiewandlungssystems als erste bzw. zweite Teilbaugruppe angeordnet werden, wobei diese als seismische Masse funktionalisiert sein können. Der Hilfsträger ist hierbei ebenfalls als seismische Masse funktionalisiert.
Vorteile eines Verfahrens zur Herstellung des Energiewandlungssystems ergeben sich aus den Vorteilen des Energiewandlungssystems. In einer Ausführungsform mit das erste Trägerelement im ersten Einspannbereich mittels mechanischer Verbindungsstellen mit der ersten Einspannstruktur verbunden, wobei die erste Resonanzfrequenz durch die Anzahl und/oder die Position der mechanischen Verbindungsstellen eingestellt wird. Alternativ oder ergänzend wird das zweite Trägerelement im zweiten Einspannbereich mittels mechanischer Verbindungsstellen mit der zweiten Einspannstruktur verbunden, wobei die zweite Resonanzfrequenz durch die Anzahl und/oder Position der mechanischen Verbindungsstellen eingestellt wird. Ein Vorteil ist, dass somit bei der Herstellung die Resonanzfrequenzen präzise eingestellt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement aus baugleichen Komponenten, wie baugleiche Teilbaugruppen, baugleiche Trägerelemente und baugleiche Hilfsträger, ausgebildet werden können, wobei die erste und die zweite Resonanzfrequenz durch das Aufbringen der mechanischen Verbindungsstellen eingestellt werden können, sodass insbesondere die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz abweichend ist und somit ein Energiewandlungssystem realisiert werden kann, welches mehreren Resonanzen bzw. Eigenfrequenzen, vorzugsweise jeweils erster Ordnung, nutzen kann. Die mechanischen Verbindungsstellen können beispielsweise Lötpunkte, Klebemittel und/oder Steckkontakte umfassen. Die mechanischen Verbindungsstellen können beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung der Trägerelemente verwendet werden.
Alternativ oder ergänzend kann die erste Resonanzfrequenz des ersten Trägerelements durch das Anordnen des Hilfsträgers an der vorbestimmten Position auf dem ersten Trägerelement eingestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann zweite Resonanzfrequenz des zweiten Trägerelements durch das Anordnen des Hilfsträgers an der vorbestimmten Position auf dem zweiten Trägerelement eingestellt werden. Ein Vorteil ist, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement aus baugleichen Komponenten, wie baugleiche Teilbaugruppen, baugleiche Trägerelement und baugleiche Hilfsträger, ausgebildet werden können, wobei die erste Resonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz präzise über die Wahl der vorbestimmten Position des Hilfsträgers auf dem ersten Trägerelement und die Wahl der vorbestimmten Position des Hilfsträgers auf dem zweiten Trägerelement eingestellt werden kann. Somit kann das Energiewandlungssystem kostengünstig hergestellt werden.
Ein energieautarker Sensor, umfassend das Energiewandlungssystem, beispielsweise wie vorstehend beschrieben, und eine Sensoreinheit kann somit vorteilhafterweise realisiert werden, da das Energiewandlungssystems zur Versorgung des Sensors aufgrund der verbesserten gravimetrischen und volumetrischen Leistungsdichte des Energiewandlungssystems eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist. Weitere Vorteile des energieautarken Sensors ergeben sich aus den zuvor beschriebenen Vorteilen des Energiewandlungssystems. Der energieautarke Sensor kann beispielsweise an vibrierenden oder sich bewegenden Teilen von Industrieanlagen angebracht werden und somit kinetische Energie der Industrieanlagen in das Energiewandlungssystem einkoppeln, um diese in elektrische Energie umzuwandeln.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Teilbaugruppe und/oder die zweite Teilbaugruppe mindestens eine Komponente der Sensoreinheit. Somit können alternativ oder ergänzend zu den weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems auch Komponenten der Sensoreinheit, die beispielsweise Sensorelemente, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), Mikrocontroller, Komponenten der Aufbau-und Verbindungstechnik der Sensoreinheit, wie tragende Strukturen (Leiterplatten, flexible Verdrahtung), Leiterbahnen, Lötpunkte, steckbare Verbindungen, etc. umfasst, als seismische Masse funktionalisiert werden. Ein Vorteil ist, dass somit ein sehr kompakter Aufbau des energieautarken Sensors ermöglicht wird.
Der energieautarke Sensor kann zur Messung thermischer, mechanischer, elektrischer, chemischer oder elektromagnetischen Größen, wie beispielsweise zur Temperaturmessung, Gasmessung, Strahlungsmessung, Magnetfeldmessung, Druckmessung, etc. eingerichtet sein.
Vorteile eines Verfahrens zur Herstellung des energieautarken Sensors ergeben sich aus den vorstehend beschriebenen Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung des Energiewandlungssystems.
Aus den vorstehend beschriebenen energieautarken Sensoren kann ein drahtloses Sensornetz aufgebaut werden, welches mindestens einen energieautarken Sensor umfasst. Die energieautarken Sensoren können hierbei als Sensorknoten des drahtlosen Sensornetzes ausgebildet sein. Die energieautarken Sensoren umfassen hierbei als Komponente der Sensoreinheit eine Kommunikationsschnittstelle, über welche eine drahtlose Datenübertragung ermöglicht werden kann. Hierzu werden vorzugsweise Protokolle mit einem geringen Energiebedarf verwendet. Ein Vorteil ist, dass somit großflächige Messungen über einen langen Zeitraum, wie beispielsweise mehrere Monate oder mehrere Jahre, mittels des drahtlosen Sensornetzes durchgeführt werden können. Das drahtlose Sensornetz ermöglicht vorteilhafterweise eine hohe Sensordichte und ein flexibles, einfaches Anordnen der energieautarken Sensoren im Messbereich, da Kabel für die Energieversorgung und Datenübertragung aufgrund der energieautarken Sensoren entfallen können. Da die energieautarken Sensoren das vorstehend beschriebene Energiewandlungssystem umfassen, kann auf das Anordnen von Primär-Batterien zur Versorgung der Sensoren mit elektrischer Energie verzichtet werden, und somit ein Austauschen Batterien entfallen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen

1 einen Querschnitt eines Trägerelements, umfassend ein Energiewandlerelement, welches auf einem induktiven Wandlungsmechanismus basiert,
2 einen Querschnitt eines Trägerelements, umfassend ein Energiewandlerelement, welches auf einem kapazitiven Wandlungsmechanismus basiert,
3 einen Querschnitt eines Trägerelements, umfassend ein Energiewandlerelement, welches einem piezoelektrischen Wandlungsmechanismus basiert,
4 einen Querschnitt eines Energiewandlungssystems, welches ein Gehäuse umfasst, wobei in dem Gehäuse zwei Plattenelemente, welche jeweils einseitig mit einer dritten Teilbaugruppe bestückt sind, und eine Haltestruktur angeordnet sind, welche einen Hohlraum begrenzen, insbesondere umschließen, wobei ein erstes Trägerelement mit einem ersten Energiewandlerelement in dem Hohlraum angeordnet ist,
5 einen Querschnitt eines Energiewandlungssystems, welches ein Gehäuse umfasst, wobei in dem Gehäuse zwei Plattenelemente, welche jeweils beidseitig mit einer dritten Teilbaugruppe bestückt sind, und eine Haltestruktur angeordnet sind, welche einen Hohlraum begrenzen, insbesondere umschließen, wobei ein erstes Trägerelement mit einem ersten Energiewandlerelement in dem Hohlraum angeordnet ist,
6 einen Querschnitt eines Energiewandlungssystems, umfassend ein erstes Trägerelement mit einem ersten Energiewandlerelement und ein zweites Trägerelement mit einem zweiten Energiewandlerelement,
7 einen Querschnitt eines Energiewandlungssystems, umfassend ein erstes Trägerelement mit einem ersten Energiewandlerelement, ein zweites Trägerelement mit einem zweiten Energiewandlerelement und ein drittes Trägerelement mit einem dritten Energiewandlerelement, wobei die Trägerelemente aufeinander gestapelt sind,
8 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Energiewandlungssystems, umfassend ein erstes Trägerelement mit einem ersten Energiewandlerelement, wobei auf dem ersten Trägerelement eine zweite Einspannstruktur in einem vom ersten Einspannbereich des ersten Trägerelements verschiedenen Bereich, insbesondere an einem dem ersten Einspannbereich gegenüberliegenden, beweglichen Ende des ersten Trägerelements, angeordnet ist,
9 einen Querschnitt eines Energiewandlungssystems, umfassend ein erstes Trägerelement mit einem ersten Energiewandlerelement und ein zweites Trägerelement mit einem zweiten Energiewandlerelement, wobei Einspannstrukturen der Trägerelemente an aneinander angrenzenden Seiten des Gehäuses angeordnet sind und sich somit eine dreidimensionale Anordnung der Trägerelement ergibt,
10 einen Ausschnitt eines Energiewandlungssystems, wobei ein Trägerelement mittels flexibler Leiterbahnen elektrisch kontaktiert ist,
11 eine Aufsicht auf ein Trägerelement eines Energiewandlungssystems, wobei das Trägerelement Aufnahmeöffnungen aufweist und wobei eine Teilbaugruppe des Energiewandlungssystems auf einem Hilfsträger, welcher Steckverbindungsstruktur aufweist, angeordnet ist und der Hilfsträger mittels der Steckverbindungsstruktur an einer vorbestimmten, jedoch variablen, Position auf dem Trägerelement angeordnet ist,
12 einen Ausschnitt eines Energiewandlungssystems, wobei ein Trägerelement mittels mechanischer Verbindungsstellen in einem Einspannbereich mit einer Einspannstruktur verbunden ist, wobei eine Resonanzfrequenz des Trägerelements durch die Position der mechanischen Verbindungsstellen eingestellt ist,
13 einen Ausschnitt eines Energiewandlungssystems, wobei ein Trägerelement mittels mechanischer Verbindungsstellen in einem Einspannbereich mit einer Einspannstruktur verbunden ist, wobei eine Resonanzfrequenz des Trägerelements durch die Position der mechanischen Verbindungsstellen eingestellt ist,
14 einen Ausschnitt eines Energiewandlungssystems, wobei ein Trägerelement mittels mechanischer Verbindungsstellen in einem Einspannbereich mit einer Einspannstruktur verbunden ist, wobei eine Resonanzfrequenz des Trägerelements durch die Anzahl der mechanischen Verbindungsstellen eingestellt ist und
15 ein drahtloses Sensornetz, umfassend energieautarke Sensoren, wobei die energieautarken Sensoren ein Energiewandlungssystem und eine Sensoreinheit umfassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist ein Querschnitt einer Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 und eines Trägerelements 101,102,103 dargestellt. Das Trägerelement 101, 102, 103 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Tragfläche 121, auf welcher beispielhaft drei Massen angeordnet sind, wobei die drei Massen als seismische Massen wirken. Diese Massen werden von einer Teilbaugruppe 1001, 1002 eines Energiewandlungssystems 100 umfasst. Das Energiewandlungssystem 100 umfasst neben Trägerelementen 101, 102, 103 auch weitere Komponenten. Weitere Komponenten des Energiewandlungssystems 100 können elektronische Komponenten, wie beispielsweise Energiespeicher, Energie-Pufferspeicher, Gleichrichterschaltung, Spannungsregelung, Lastwiderstandsregelung und/oder elektronische Bauelemente des Energiewandlungssystems, wie Widerstände, Transistoren oder Mikrocontroller, umfassen. Weitere Komponenten des Energiewandlungssystems 100 können auch Komponenten der Aufbau-und Verbindungstechnik, wie beispielsweise Leiterplatten, flexible Verdrahtung, Leiterbahnen, Lötpunkte, steckbare Verbindungen, Steckkontakte, mechanische Verbindungsstellen, etc. umfassen. Die Teilbaugruppe 1001, 1002 kann jeweils zumindest einen Teil der weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems umfassen. Hierbei wirken die Masse der Komponenten, die die Teilbaugruppe 1001, 1002 bilden, als seismische Massen des Energiewandlungssystems 100, d.h., dass die Komponenten als seismische Massen des Energiewandlungssystems 100 funktionalisiert sind. Des Weiteren umfasst das Trägerelement 101, 102, 103 in diesem Ausführungsbeispiel zwei Federn 1221, 1222 und ein Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030. Die erste Feder 1221 ist an einem erstem Ende mit der Tragfläche 121 verbunden und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende mit dem Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030 verbunden. Die zweite Feder 1222 ist an einem erstem Ende in einem Einspannbereich 1011, 1021, 1031 mit der Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 verbunden und an einem ersten Ende gegenüberliegenden Ende mit dem Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030 verbunden. Mittels der zwei Federn 1221, 1222 ist das Trägerelement 101, 102, 103 relativ zu der Einspannstrukturen 1012, 1022, 1032 bewegbar angeordnet. Wird die Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 einer Beschleunigung, d.h. beispielsweise eine Vibration, eine Rotation oder eine allgemeinen Bewegung auf einer räumlich beliebig gekrümmten Bahn ausgesetzt, kommt es aufgrund der auf die seismischen Massen 1001, 1002 wirkenden Trägheitskräfte zu einer Relativbewegung zwischen der Tragfläche 121 und der Einspannstruktur 1012, 1022, 1032, wobei die Federn 1221, 1222 deformiert werden. Die Bewegungsrichtung 119 bzw. die Richtung der Beschleunigung ist in 1 beispielhaft durch zwei Pfeile auf der rechten Bildseite angedeutet. Die Beschleunigung wird über die Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 in das Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030 eingekoppelt.
Das Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030 beruht in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem induktiven Wandlungsmechanismus. Das Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Spule 123, welche ein Volumen umschließt, indem ein magnetisches Element 124 angeordnet ist. Die Spule 123 kann beispielsweise in einem konstanten Abstand zur Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 angeordnet sein. Die Federn 1221, 1222 sind jeweils mit einem Ende mit dem magnetischen Element 124 verbunden. Das magnetische Element 124 kann durch die vorstehend beschriebene Deformation der Federn 1221, 1222 relativ zur Spule 123 bewegt werden. Insbesondere kann das magnetische Element 124 aus dem von der Spule 123 umschlossenen Volumen heraus- und hineinbewegt werden. Dadurch ergibt sich eine magnetische Flussänderung in der Spule 123, wodurch gemäß dem elektromagnetischen Induktionsgesetzes eine elektrische Spannung zwischen den Anschlüssen der Spule erzeugt wird. Diese elektrische Spannung kann abgegriffen werden und beispielsweise in einem Energiespeicher gespeichert werden oder zur Versorgung elektrischer Komponenten wie beispielsweise der weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems 100, verwendet werden. Aus der mechanischen Deformation der Federn 1221, 1222 kann somit elektrische Energie generiert werden.
2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie 1. Das Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030 beruht in 2 auf einem kapazitiven Wandlungsmechanismus. Die zwei Federn 1221, 1222 sind jeweils mit einem Ende mit einer Kondensatorplatte und mit dem jeweils anderen Ende mit der Tragfläche 121 bzw. der Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine weitere Kondensatorplatte in einem festen Abstand zur Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 angeordnet. Die Kondensatorplatte, welche zwischen der ersten Feder 1221 und der zweiten Feder 1222 angeordnet ist, kann durch die vorstehend beschriebene Deformation der Federn 1221, 1222 relativ zu der weiteren Kondensatorplatte bewegt werden. Die bewegbare Kondensatorplatte und die weitere Kondensatorplatte bilden zusammen einen Kondensator 125, hier einen Plattenkondensator, dessen Kapazität vom Abstand der Kondensatorplatten zueinander abhängt. Werden die Kondensatorplatten relativ zueinander bewegt, so kommt es an den Kondensatorplatten zu einem elektrischen Ladungsfluss. Somit kann aus der Bewegung der Kondensatorplatten relativ zueinander kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Beschleunigung wird über die Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 in das Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030 eingekoppelt.
In 3 ist ein Querschnitt eines Trägerelements 101, 102, 103 dargestellt, welches im Einspannbereich 1011, 1021, 1031 mit der Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 starr verbunden ist. Das Trägerelement 101, 102, 103 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Material als Energiewandlerelement 1010, 1020, 1030, beispielsweise kann das Trägerelement 101,102, 103 als Piezo-Biegebalken ausgebildet sein, wobei eine Dicke des Piezo-Biegebalkens sehr viel kleiner als eine Länge und eine Breite des Piezo-Biegebalkens ist. Die Dicke des Piezo-Biegebalkens bezeichnet in 3 eine Abmessung des Piezo-Biegebalkens parallel zur Bewegungsrichtung 119. Auf dem Trägerelement 101,102, 103 sind beispielhaft drei Massen angeordnet, wobei die drei Massen als seismische Massen wirken. Diese Massen werden von der Teilbaugruppe 1001, 1002 des Energiewandlungssystems 100 umfasst, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Beschleunigungen können über die Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 in das Trägerelement 101,102,103 eingekoppelt werden. Aufgrund der Trägheitskräfte wird der Piezo-Biegebalken dabei in Schwingung versetzt, wobei durch die mechanische Verformung des piezoelektrischen Materials des Trägerelements 101, 102, 103 eine elektrische Spannung erzeugt wird, welche in einem Energiespeicher gespeichert werden kann oder zur elektrischen Versorgung eines Verbrauchers verwendet werden kann. Somit kann aus einer kinetischen Energie eine elektrische Energie generiert werden.
In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind Energiewandlerelemente 1010, 1020, 1030 gezeigt, welche auf dem piezoelektrischen Wandlungsmechanismus basieren. Alternativ oder ergänzend können in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen Energiewandlerelemente 1010, 1020, 1030 gemäß einem der in den 1 und/oder 2 dargestellten Energiewandlerelemente 1010, 1020, 1030 verwendet werden.
In 4 ist ein Querschnitt eines Energiewandlungssystems 100 dargestellt. Das Energiewandlungssystem 100 umfasst ein Gehäuse 117, wobei ein Gehäuseboden 1170, eine erste Gehäuseseite 1171, eine zweite Gehäuseseite 1172 und ein Gehäusedeckel 1173 des Gehäuses 117 im Schnitt dargestellt sind. Auf dem Gehäuseboden 1170 ist eine zweite Haltestruktur 120 ausgebildet, welche ein zweites Plattenelement 112 von dem Gehäuseboden 1170 beabstandet. Der Abstand zwischen dem zweiten Plattenelement 112 und dem Gehäuseboden 1170 ist durch eine Dicke der zweiten Haltestruktur 120 vorgegeben. Das erste Plattenelement 111 und/oder das zweite Plattenelement 112 können beispielsweise als Leiterplatte ausgebildet sein. Auf dem zweiten Plattenelement 112 ist eine erste Haltestruktur 110 ausgebildet, welche ein erstes Plattenelement 111 in einem Abstand zum zweiten Plattenelement 112 hält. Die erste Haltestruktur 110 das erste Plattenelement 111 und das zweite Plattenelement 112 begrenzen, insbesondere umschließen, einen Hohlraum 113, in dem ein erstes Trägerelement 101 angeordnet ist. Eine dritte Teilbaugruppe 1003 des Energiewandlungssystems 100 ist jeweils auf einer von dem ersten Trägerelement 101 abgewandten Seite des ersten Plattenelements 111 und des zweiten Plattenelements 112 angeordnet. Das Energiewandlungssystem 100 umfasst neben Trägerelementen 101, 102, 103 auch weitere Komponenten. Weitere Komponenten des Energiewandlungssystems 100 können elektronische Komponenten, wie beispielsweise Energiespeicher, Energie-Pufferspeicher, Gleichrichterschaltung, Spannungsregelung, Lastwiderstandsregelung und/oder elektronische Bauelemente des Energiewandlungssystems, wie Widerstände, Transistoren oder Mikrocontroller, umfassen. Weitere Komponenten des Energiewandlungssystems 100 können auch Komponenten der Aufbau-und Verbindungstechnik, wie beispielsweise Leiterplatten, flexible Verdrahtung, Leiterbahnen, Lötpunkte, steckbare Verbindungen, Steckkontakte, mechanische Verbindungsstellen, etc. umfassen. Die dritte Teilbaugruppe 1003 kann jeweils zumindest einen Teil der weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems 100 umfassen. In 4 sind jeweils drei der weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems 100 auf dem ersten Plattenelement 111 dem zweiten Plattenelement 112 angeordnet. Die dritte Teilbaugruppe 1003 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel diese insgesamt sechs weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems 100. Alternativ oder ergänzend können das erste Plattenelement 111 und/oder das zweite Plattenelement 112 jeweils auf einer dem ersten Trägerelement 101 zugewandten Seite mit weiteren Komponenten, welche von der dritten Teilbaugruppe 1003 umfasst werden, bestückt sein. Dies hat den Vorteil dass in dem Hohlraum 113 beispielsweise ein Vakuum eingeschlossen sein kann, welches die Komponenten der dritten Teilbaugruppe 1003 unter anderem thermisch von der Umgebung isoliert (abgesehen von Wärmeleitung in den Komponenten). Außerdem hat die Evakuierung den Vorteil, dass die schwingenden Trägerelemente 101, 102, 103 aufgrund des fehlenden Luftwiderstands weniger gedämpft werden und somit weiter ausgelenkt werden und dadurch wiederum mehr elektrische Energie bereitstellen können. Des Weiteren sind diese Komponenten doppelt, sowohl durch das Gehäuse 117, als auch das jeweilige Plattenelement 111,112, auf dem die Komponenten angeordnet sind, geschützt. Die Plattenelemente 111,112 bilden zusammen mit dem Gehäuse 117 eine Doppelwandung aus, wobei in der Doppelwandung, d.h. in den Volumina, welche zwischen dem ersten Plattenelement 111 und dem Gehäusedeckel 1173 und zwischen dem zweiten Plattenelement 112 und dem Gehäuseboden 1170 ausgebildet sind, Komponenten platzsparend und vor Umgebungseinflüssen geschützt angeordnet werden können. Beispielhaft ist in 5 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das erste Plattenelement 111 und das zweite Plattenelement 112 beidseitig bestückt sind. In 4 umfasst das erste Trägerelement 101 ein erstes Energiewandlerelement 1010, welches in diesem Ausführungsbeispiel auf dem piezoelektrischen Wandlungsmechanismus basiert. Das erste Trägerelement 101 ist im ersten Einspannbereich 1011 mit der ersten Einspannstruktur 1012 verbunden und relativ zu der ersten Einspannstruktur 1012 bewegbar angeordnet. Die erste Einspannstruktur 1012 ist in diesem Ausführungsbeispiel Teil der ersten Haltestruktur 110. Beschleunigungen können über die erste Einspannstruktur 1012 in das erste Trägerelement 101 einkoppeln. Das erste Trägerelement 101 ist beispielsweise als Piezo-Biegebalken ausgebildet. Auf dem ersten Trägerelement 101 ist die erste Teilbaugruppe 1001 des Energiewandlungssystems 100 angeordnet. Die erste Teilbaugruppe 1001 ist als seismische Masse des Energiewandlungssystems 100 funktionalisiert, wie dies vorstehend beschrieben ist. Die erste Teilbaugruppe 1001 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei der weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems 100, wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben sind. Die erste Teilbaugruppe 1001 kann einseitig auf einer dem ersten Plattenelement 111 oder dem zweiten Plattenelement 112 zugewandten Seite des ersten Trägerelements 101 angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann die erste Teilbaugruppe 1001 Komponenten sowohl auf der dem ersten Plattenelement 111 zugewandten Seite als auch auf der dem zweiten Plattenelement 112 zugewandten Seite des ersten Trägerelements angeordnet sein, wie dies beispielhaft 5 dargestellt ist. Somit kann eine höhere seismische Masse platzsparend realisiert werden. In der ersten Haltestruktur 110 kann mindestens eine Durchkontaktierung 114 ausgebildet sein, welche zur Daten-und/oder Energieübertragung eingerichtet ist. Alternativ oder ergänzend können in der ersten Haltestruktur 110 Durchgangslöcher ausgebildet sein, in welche Steckkontakte 115 zur elektrischen Kontaktierung der Plattenelemente 111,112 und des ersten Trägerelements 101 eingebracht werden können. Die Durchkontaktierungen 114 bzw. die Steckkontakte 115 erstrecken sich vom ersten Plattenelement 111 durch die erste Haltestruktur 110, durch das erste Trägerelement 101, im ersten Einspannbereich 1011 hin zum zweiten Plattenelement 112. Beispielsweise kann die vom ersten Energiewandlerelement 1010 gewandelte elektrische Energie zur Versorgung der dritten Teilbaugruppe 1003 verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Energie in einem Energiespeicher, welche von der dritten Teilbaugruppe 1003 und/oder der ersten Teilbaugruppe 1001 umfasst wird, gespeichert werden. Das Energiewandlungssystem 100 in 4 bzw. 5 kann beispielsweise Teil eines energieautarken Sensors 200 sein. Der energieautarke Sensor 200 umfasst das Energiewandlungssystem 101 und eine Sensoreinheit. Die erste Teilbaugruppe 1001 und/oder die dritte Teilbaugruppe 1003 können hierbei mindestens eine Komponente der Sensoreinheit umfassen, wobei Komponenten der Sensoreinheit beispielsweise Sensorelemente, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), Mikrocontroller, Komponenten der Aufbau-und Verbindungstechnik der Sensoreinheit, wie tragende Strukturen (Leiterplatten, flexible Verdrahtung), Leiterbahnen, Lötpunkte, steckbare Verbindungen, etc. umfassen.
In 5 ist die erste Haltestruktur 110 zwischen dem ersten Plattenelement 111 und dem zweiten Plattenelement 112 als Halbschalen verklebt 109 oder verpresst. Die Durchkontaktierungen 114 bzw. die Steckkontakte 115 werden nach der Verklebung zur Kontaktierung der Plattenelement 111,112 und des ersten Trägerelements 101 ausgebildet und erstrecken sich durch die Halbschalen-Verklebung 109 hindurch.
In 6 ist ein Energiewandlungssystem 100 bzw. ein energieautarker Sensor 200 in einem Querschnitt dargestellt, wobei das Energiewandlungssystem 100 bzw. der energieautarke Sensor 200 ein zweites Trägerelement 102 mit einem zweiten Energiewandlerelement 1020 umfasst. Das zweite Trägerelement 102 ist in einem zweiten Einspannbereich 1021 mit einer zweiten Einspannstruktur 1022 verbunden und relativ zu der zweiten Einspannstruktur 1022 bewegbar angeordnet. Auf dem zweiten Trägerelement 102 ist eine zweite Teilbaugruppe 1002 angeordnet, wobei die zweite Teilbaugruppe 1002 als seismische Masse des Energiewandlungssystems 100 funktionalisiert ist. Die zweite Teilbaugruppe 1002 kann mindestens eine weitere Komponente des Energiewandlungssystems 100 umfassen. Die zweite Einspannstruktur 1022 ist auf dem zweiten Plattenelement 112 an der ersten Gehäuseseite 1171 angeordnet. Die zweite Einspannstruktur 1022 ist in diesem Ausführungsbeispiel Teil der ersten Haltestruktur 110. Die Durchkontaktierung 114 bzw. die Steckkontakte 115 erstrecken sich von dem ersten Plattenelement 111, durch das zweite Trägerelement 102 im zweiten Einspannbereich 1021, durch die zweite Einspannstruktur 1022 hin zum zweiten Plattenelement 112. Das erste Trägerelement 101 ist, wie vorstehend beschrieben im ersten Einspannbereich 1011 mit der ersten Einspannstruktur 1012 verbunden. Die erste Einspannstruktur 1021 ist auf dem zweiten Element 112 an der zweiten Gehäuseseite 1172 angeordnet. Die erste Haltestruktur 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Teil der zweiten Gehäuseseite 1172 ausgebildet. Die ersten Einspannbereich 1011 und der zweiten Einspannbereich 1021 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 117. Das erste Trägerelement 101 weist eine erste Resonanzfrequenz auf und das zweite Trägerelement 102 weist eine zweite Resonanzfrequenz auf. Die erste Resonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz können abweichend voneinander eingestellt sein, wobei die erste Resonanzfrequenz von der Masse und Anordnung der ersten Teilbaugruppe 1001 auf dem ersten Trägerelement 101 abhängt und wobei die zweite Resonanzfrequenz von der Masse und der Anordnung der zweiten Teilbaugruppe 1002 auf dem zweiten Trägerelement 102 abhängt. Das erste Trägerelement 101 und das zweite Trägerelement 102 können baugleich zueinander ausgeführt sein oder sich in mindestens einer Abmessung und/oder einer Materialzusammensetzung unterscheiden. Zum Schutz des ersten Trägerelements 101 und des zweiten Trägerelements 102 sind diese im Hohlraum 113 zwischen dem ersten Plattenelement 111 und im zweiten Plattenelement 112 angeordnet. Alternativ oder ergänzend können das zweite Plattenelement 112 als Gehäuseboden 1170 und/oder das erste Plattenelement 111 als Gehäusedeckel 1173 ausgebildet sein. Das erste Trägerelement 101 und das zweite Trägerelement 102 sind relativ zueinander bewegbar angeordnet. Beispielsweise kann das erste Trägerelement 101 mit der ersten Resonanzfrequenz schwingbar angeordnet sein und das zweite Trägerelement 102 mit der zweiten Resonanzfrequenz schwingbar angeordnet sein. Das Energiewandlungssystem 100 in 6 kann beispielsweise Teil eines energieautarken Sensors 200 sein. Der energieautarke Sensor 200 umfasst das Energiewandlungssystem 101 und eine Sensoreinheit. Die erste Teilbaugruppe 1001, die zweite Teilbaugruppe und/oder die dritte Teilbaugruppe 1003 können hierbei mindestens eine Komponente der Sensoreinheit umfassen, wobei Komponenten der Sensoreinheit beispielsweise Sensorelemente, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), Mikrocontroller, Komponenten der Aufbau-und Verbindungstechnik der Sensoreinheit, wie tragende Strukturen (Leiterplatten, flexible Verdrahtung), Leiterbahnen, Lötpunkte, steckbare Verbindungen, etc. umfassen.
In 7 ist ein Querschnitt eines Energiewandlungssystems 100 bzw. eines energieautarken Sensors 200 in einem Stapelaufbau, wobei das Energiewandlungssystem 100 bzw. der energieautarke Sensor 200 ein drittes Trägerelement 103 mit einem dritten Energiewandlerelement 1030 umfasst. Auf dem dritten Trägerelement 103 ist eine vierte Teilbaugruppe 1004 als seismische Masse funktionalisiert. Das erste Trägerelement 101 ist wie vorstehend beschrieben im ersten Einspannbereich 1011 mit der ersten Einspannstruktur 1012 verbunden. Das zweite Trägerelement 102 ist im zweiten Einspannbereich 1021 mit der zweiten Einspannstruktur 1022 verbunden und das dritte Trägerelement 103 ist in einem dritten Einspannbereich 1031 mit einer dritten Einspannstruktur 1032 verbunden. Die Einspannstrukturen 1012, 1022, 1032 sind an der zweiten Gehäuseseite 1172 übereinandergestapelt angeordnet, d.h. die zweite Einspannstruktur 1022 ist auf dem ersten Trägerelement 101 im ersten Einspannbereich 1011 des ersten Trägerelements 101 angeordnet und die dritte Einspannstruktur 1032 ist auf dem zweiten Trägerelement 102 im zweiten Einspannbereich 1021 des zweiten Trägerelements 102 angeordnet. Die erste Resonanzfrequenz, die zweite Resonanzfrequenz und eine dritte Resonanzfrequenz des dritten Trägerelements 103 können voneinander abweichend eingestellt sein. Die Einspannstrukturen 1012, 1022, 1032 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Teil der ersten Haltestruktur 110 ausgebildet. Die Durchkontaktierung 114 bzw. die Steckkontakte 115 erstrecken sich vom ersten Plattenelement 111 durch die erste Haltestruktur 110, das dritte Trägerelement 103, die dritte Einspannstruktur 1032, das zweite Trägerelement 102, die zweite Einspannstruktur 1022, das erste Trägerelement 101 und die erste Einspannstruktur 1012 hin zum zweiten Plattenelement 112. Das Energiewandlungssystem 100 in 7 kann beispielsweise Teil eines energieautarken Sensors 200 sein. Der energieautarke Sensor 200 umfasst das Energiewandlungssystem 101 und eine Sensoreinheit. Die erste Teilbaugruppe 1001, die zweite Teilbaugruppe 1002, die dritte Teilbaugruppe 1003 und/oder die vierte Teilbaugruppe 1004 können hierbei mindestens eine Komponente der Sensoreinheit umfassen, wobei Komponenten der Sensoreinheit beispielsweise Sensorelemente, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), Mikrocontroller, Komponenten der Aufbau-und Verbindungstechnik der Sensoreinheit, wie tragende Strukturen (Leiterplatten, flexible Verdrahtung), Leiterbahnen, Lötpunkte, steckbare Verbindungen, etc. umfassen.
In 8 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts eines Energiewandlungssystems 100 bzw. eines energieautarken Sensors 200 dargestellt, wobei die zweite Einspannstruktur 1022 auf dem ersten Trägerelement 101 in einem von dem ersten Einspannbereich 1011 des ersten Trägerelements 101 verschiedenen Bereich angeordnet ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Einspannstruktur 1022 an einem relativ zur ersten Einspannstruktur 1012 beweglichen Ende des ersten Trägerelements 101 angeordnet, wobei eine Amplitude der Schwingung des ersten Trägerelements 101 in diesem Bereich maximal ist. Das zweite Trägerelement 102 ist im zweiten Einspannbereich 1021 mit der zweiten Einspannstruktur 1022 verbunden. Beschleunigungen werden über die erste Einspannstruktur 1012 in das erste Trägerelement 101 eingekoppelt und vom ersten Trägerelement 101 über die zweite Einspannstruktur 1022 in das zweite Trägerelement 102 übertragen. Die zweite Einspannstruktur 1022 und das zweite Trägerelement 102 bilden eine zusätzliche seismische Masse für das erste Trägerelement 101. Die zweite Einspannstruktur 1022 weist Durchkontaktierungen 114 bzw. Steckkontakte 115 auf, welche sich vom ersten Trägerelement durch die zweite Einspannstruktur 1022 hin zum ersten Trägerelement 101 erstrecken. Das erste Trägerelement 101 ist wie vorstehend beschrieben durch Durchkontaktierungen 114 bzw. Steckkontakte 115 in der ersten Einspannstruktur 1012 elektrisch kontaktiert.
Beispielsweise kann das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel das erste Trägerelement 101 in den 4 oder 5, das erste Trägerelement 101 und/oder das zweite Trägerelement 102 in 6 oder mindestens eines der drei Trägerelement 101, 102, 103 in 7 ersetzen.
In 9 ist ein Querschnitt eines Energiewandlungssystems 100 bzw. eines energieautarken Sensors 200 dargestellt, wobei die zweite Einspannstruktur 1022 an einer an die zweite Gehäuseseite 1172 angrenzenden Gehäuseseite angeordnet ist. Das zweite Trägerelement 102 kann als Piezo-Biegebalkens ausgebildet sein, welcher sich in die Zeichenebene hinein erstreckt. Das zweite Trägerelement 102, auf welchem die zweite Teilbaugruppe 1002 angeordnet ist, ragt in einem Abstand über dem ersten Trägerelement 101, auf welchem die erste Teilbaugruppe beidseitig angeordnet ist. Es ergibt sich somit eine dreidimensionale Anordnung von Piezo-Biegebalken. Beispielsweise sind das erste Trägerelement 101 und das zweite Trägerelement 102 um 90° oder einen beliebigen anderen Winkel gedreht zueinander angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Plattenelement 112 als Gehäuseboden 1170 ausgebildet.
In 10 ist ein Ausschnitt eines Energiewandlungssystems 100 bzw. eines energieautarken Sensors 200 dargestellt, wobei eine elektrische Kontaktierung des Trägerelements 101, 102, 103 mittels flexibler Leiterbahnen 116 dargestellt ist. Die Trägerelemente 101, 102, 103 sind relativ zueinander und relativ zu den Plattenelementen 111,112 bewegbar angeordnet. Die flexiblen Leiterbahnen 116 können als flexible Daten-und/oder Energieübertragungsleitungen ausgebildet sein und stellen eine zuverlässige elektrische Kontaktierung für die bewegbaren Trägerelemente 101, 102, 103 bereit. Somit können als seismische Massen funktionalisierte Teilbaugruppen 1001, 1002, 1004 zuverlässig mit den übrigen Teilbaugruppen 1003 des Energiewandlungssystems 100 bzw. des energieautarken Sensors 200 elektrisch verbunden und/oder kommuniktationsverbunden werden. Die flexiblen Leiterbahnen 116 können alternativ oder ergänzend zu den Durchkontaktierungen 114 und/oder Steckkontakten 115 angeordnet werden.
In 11 ist eine Aufsicht auf das Trägerelement 101, 102, 103, eines Energiewandlungssystems 100 bzw. eines energieautarken Sensors 200 dargestellt, wobei das Trägerelement 101, 102, 103 Aufnahmeöffnungen 104 aufweist. Die Aufnahmeöffnungen 104 können beispielsweise in Form von Steckleisten 118 auf dem Trägerelement 101, 102, 103 ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können Sacklöcher oder Durchgangsbohrungen als Aufnahmeöffnungen 104 im Trägerelement 101, 102, 103 ausgebildet werden, sodass das Trägerelement 101, 102, 103 mit einem Lochmuster versehen ist. Die als seismische Masse funktionalisierte Teilbaugruppe 1001, 1002, 1004 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einem Hilfsträger 105 angeordnet, welche Steckverbindungsstrukturen 106, beispielsweise stiftförmige Vorsprünge an allen Ecken des Hilfsträgers 105, aufweist. Der Hilfsträger 105 kann beispielsweise als Leiterplatte ausgebildet sein. Die Resonanzfrequenz des Trägerelements 101, 102, 103 hängt vom wirkenden Hebelarm ab. Der wirkende Hebelarm kann durch Wahl der vorbestimmten Position des Hilfsträgers 105, das heißt der Position der seismischen Masse auf dem Trägerelement 101, 102, 103, vorgegeben werden. Der Hilfsträger 105 kann mittels der Steckverbindungsstrukturen 106 an der vorbestimmten Position auf dem Trägerelement 101, 102, 103 fest angebracht werden, wobei die Steckverbindungsstrukturen 106 von den Aufnahmeöffnungen 104 an der vorbestimmten Position aufgenommen werden können. Die Resonanzfrequenz des Trägerelements 101, 102, 103 kann somit durch die Wahl der vorbestimmten Position bei der Herstellung des Energiewandlungssystems 100 bzw. das energieautarken Sensors eingestellt werden.
Anhand der 12 bis 14 wird im Folgenden eine resonanzbasierte Leistungssteigerung durch Anpassung von Steifigkeit und Positionierung der als seismische Massen funktionalisierten Teilbaugruppen 1001, 1002, 1004 beschrieben. Das Trägerelement 101, 102, 103, auf welchem die als seismische Masse funktionalisierte Teilbaugruppe 1001, 1002, 1004 angeordnet ist, ist in 2 mittels zweier mechanischer Verbindungsstellen 108 mit der Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 verbunden. Der Einspannbereich 1011, 1021, 1031 ist hier durch den Abstand der mechanischen Verbindungsstellen 108 bestimmt. Das Trägerelement 101, 102, 103 weist einen ersten wirksamen Biegeradius auf, welcher durch die Position und die Anzahl der mechanischen Verbindungsstellen 108 bestimmt ist. Der in 13 dargestellte Aufbau unterscheidet sich von dem in 12 dargestellten Aufbau durch die Position der mechanischen Verbindungsstellen 108 relativ zueinander. Der Einspannbereich 1011, 1021, 1031 ist kleiner als der Einspannbereich 1011, 1021, 1031 aus 12. In 13 weist das Trägerelement 101, 102, 103 einen zweiten wirksamen Biegeradius auf, welcher von dem ersten wirksamen Biegeradius abweichend ist. Daher weicht die Resonanzfrequenz des Trägerelements 101, 102, 103 aus 12 von der Resonanzfrequenz des Trägerelements 101, 102, 103 aus 13 ab. In 14 sind zusätzlich zu den in 13 dargestellten zwei mechanischen Verbindungsstellen 108 zwei weitere mechanische Verbindungsstellen 108 angeordnet. Somit ist das Trägerelement in 14 mittels vier mechanischer Verbindungsstellen 108 mit der Einspannstruktur 1012, 1022, 1032 verbunden. Die Trägerelemente 101, 102, 103 der 13 und 14 unterscheiden sich somit in der Anzahl mechanischer Verbindungsstellen 108 im Einspannbereich 1011, 1021, 1031 und weisen somit voneinander abweichende Resonanzfrequenzen auf.
Bei der Herstellung des Energiewandlungssystems 100 bzw. des energieautarken Sensors 200 kann durch die Wahl der Position und/oder der Anzahl der mechanischen Verbindungsstellen die Resonanzfrequenz des Trägerelements 101, 102, 103 eingestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann bei der Herstellung des Energiewandlungssystems 100 bzw. des energieautarken Sensors 200 durch das Anordnen der als seismische Masse funktionalisiert Teilbaugruppe 1001, 1002, 1004 an der vorbestimmten Position die Resonanzfrequenz des Trägerelements 101, 102, 103 eingestellt werden, wobei verschiedene vorbestimmte Positionen verschiedenen Resonanzfrequenzen zugeordnet werden können.
In 15 ist ein drahtloses Sensornetz 300 skizziert, wobei das drahtlose Sensornetz 300 in diesem Ausführungsbeispiel fünf energieautarken Sensoren 200 umfasst, wobei die energieautarken Sensoren 200 jeweils ein Energiewandlungssystem 100, beispielsweise gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, und eine Sensoreinheit umfassen. Die energieautarken Sensoren 200 können drahtlos mit einer Zentrale 301 kommunizieren 302. Die energieautarken Sensoren 200 können beispielsweise eine Kommunikationseinheit umfassen, welche eine Drahtlosübertragung von Daten zur Zentrale und das Empfangen von Daten bzw. Befehlen von der Zentrale 301 ermöglicht. Die Kommunikationseinheit des energieautarken Sensors 200 kann beispielsweise als seismische Masse des Energiewandlungssystems 100 funktionalisiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008056127 A1 [0001]

Claims

Energiewandlungssystem (100), zur Wandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, wobei das Energiewandlungssystem (100) ein erstes Trägerelement (101) umfasst, wobei das erste Trägerelement (101) in einem ersten Einspannbereich (1011) mit einer ersten Einspannstruktur (1012) verbunden ist und relativ zu der ersten Einspannstruktur (1012) bewegbar angeordnet ist und wobei das erste Trägerelement (101) ein erstes Energiewandlerelement (1010) umfasst, wobei mindestens eine erste Teilbaugruppe (1001) des Energiewandlungssystems (100) auf dem ersten Trägerelement (101) angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems (100) funktionalisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass • das Energiewandlungssystem (100) ein zweites Trägerelement (102) umfasst, wobei das zweite Trägerelement (102) relativ zum ersten Trägerelement bewegbar angeordnet ist und • das zweite Trägerelement (102) ein zweites Energiewandlerelement (1020) umfasst, wobei eine zweite Teilbaugruppe (1002) des Energiewandlungssystems (100) auf dem zweiten Trägerelement (102) angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems (100) funktionalisiert ist.
Energiewandlungssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägerelement (101) eine erste Resonanzfrequenz aufweist und das zweite Trägerelement (102) eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz abweichend eingestellt ist.
Energiewandlungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Trägerelement (102) in einem zweiten Einspannbereich (1021) mit einer zweiten Einspannstruktur (1022) verbunden ist und relativ zu der zweiten Einspannstruktur (1022) bewegbar angeordnet ist.
Energiewandlungssystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einspannstruktur (1022) auf dem ersten Trägerelement (101) angeordnet ist.
Energiewandlungssystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einspannstruktur (1022) im ersten Einspannbereich (1011) des ersten Trägerelements (101) angeordnet ist.
Energiewandlungssystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einspannstruktur (1022) in einem vom ersten Einspannbereich (1011) des ersten Trägerelements (101) verschiedenen Bereich angeordnet ist.
Energiewandlungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiewandlungssystem (100) mindestens ein induktives Energiewandlerelement (1010, 1020, 1030), mindestens ein kapazitives Energiewandlerelement (1010, 1020, 1030), mindestens ein triboelektrisches Energiewandlerelement (1010, 1020, 1030) und/oder mindestens ein piezoelektrisches Energiewandlerelement (1010, 1020, 1030) umfasst.
Energiewandlungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägerelement (101) und/oder das zweite Trägerelement (102) eine Steckleiste (118) umfassen, wobei die Steckleiste (118) Aufnahmeöffnungen (104) aufweist.
Energiewandlungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilbaugruppe (1001) und/oder die zweite Teilbaugruppe (1002) auf einem Hilfsträger (105) angeordnet sind, wobei der Hilfsträger (105) eine Steckverbindungsstruktur (106) aufweist und dass auf dem ersten Trägerelement (101) und/oder dem zweiten Trägerelement (102) mindestens eine Aufnahme (104) für die Steckverbindungsstruktur (106) ausgebildet ist und der Hilfsträger (105) mittels der Steckverbindungsstruktur (106) an einer vorbestimmten Position auf dem ersten Trägerelement (101) und/oder dem zweiten Trägerelement (102) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Energiewandlungssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 10 zur Herstellung eines Energiewandlungssystem (100) nach Anspruch 2 oder einen auf Anspruch 2 rückbezogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägerelement (101) im ersten Einspannbereich (1011) mittels mechanischer Verbindungsstellen (108) mit der ersten Einspannstruktur (1012) verbunden wird, wobei die erste Resonanzfrequenz durch die Anzahl und/oder Position der mechansichen Verbindungsstellen (108) eingestellt wird und/oder dass das zweite Trägerelement (102) im zweiten Einspannbereich (1021) mittels mechanischer Verbindungsstellen (108) mit der zweiten Einspannstruktur (1022) verbunden wird, wobei die zweite Resonanzfrequenz durch die Anzahl und/oder Position der mechansichen Verbindungsstellen (108) eingestellt wird.
Energieautarker Sensor (200), umfassend ein Energiewandlungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Sensoreinheit.
Energieautarker Sensor (200) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilbaugruppe (1001) und/oder die zweite Teilbaugruppe (1002) mindestens eine Komponente der Sensoreinheit umfassen.
Verfahren zur Herstellung eines energieautarken Sensors (200) nach einem der Ansprüche 12 oder 13.
Drahtloses Sensornetz (300), umfassend mindestens einen energieautarken Sensor (200) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13.