DE102017212636A1

DE102017212636A1 - Energy conversion system, method for producing an energy conversion system, energy self-sufficient sensor, method for producing a self-powered sensor and wireless sensor network

Info

Publication number: DE102017212636A1
Application number: DE102017212636.1A
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 angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems (100) funktionalisiert ist,
• wobei das Energiewandlungssystem (100) ein erstes Plattenelement (111) und ein zweites Plattenelement (112) umfasst, wobei das erste Plattenelement (111) und das zweite Plattenelement (112) durch eine erste Haltestruktur (110) voneinander beabstandet sind und
• wobei das erste Plattenelement (111), das zweite Plattenelement (112) und die erste Haltestruktur (110) einen Hohlraum begrenzen, in dem das erste Trägerelement (101) angeordnet ist.

The invention relates to an energy conversion system (100) for converting kinetic energy into electrical energy, wherein the energy conversion system (100) comprises a first carrier element (101), wherein the first carrier element (101) in a first clamping region (1011) with a first clamping structure (10). 1012) and movably disposed relative to the first chuck structure (1012), and wherein the first carrier element (101) comprises a first energy converter element (1010), wherein at least a first subassembly (1001) of the energy conversion system (100) is disposed on the first carrier element is functionalized as the seismic mass of the energy conversion system (100),
Wherein the energy conversion system (100) comprises a first plate member (111) and a second plate member (112), wherein the first plate member (111) and the second plate member (112) are spaced from each other by a first support structure (110) and
Wherein the first plate element (111), the second plate element (112) and the first holding structure (110) define a cavity in which the first carrier element (101) is arranged.

Description

Stand der TechnikState of the art

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.In DE 10 2008 056 127 A1 An electromechanical energy converter is described, which comprises a bending beam with a piezoelectric element and a vibratable holder, wherein a bias of the bending beam is adjustable via an adjusting device. A control device is connected to the actuating device in such a way that the pretension can be adjusted as a function of the frequency of the mechanical oscillation of the mounting. Components of the electromechanical energy converter, such as the control device, can be used here as an additional seismic mass of the bending beam.

Kern und Vorteile der ErfindungCore and advantages of the invention

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.Energy conversion systems, also called kinetic energy harvesters or energy harvesting systems, allow the conversion of kinetic energy into electrical energy. For example, unused, but already existing kinetic energy can be converted into electrical energy from relative movements between the energy harvester and the object performing the accelerated motion and acting as the seismic mass of the energy harvester. Typical movements of the seismic mass are vibrations, rotations or general movements on spatially arbitrarily curved tracks. For example, conversion principles based on piezoelectric, triboelectric, capacitive or inductive principles can be used to convert the kinetic energy into electrical energy. All conversion principles have in common that an energy conversion element of the energy conversion system, which is based for example on one of the aforementioned conversion principles, or at least a part of the energy conversion element, undergoes a deflection or deformation. The deflection or deformation can be done for example by acting on the seismic mass inertial forces.

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.The invention relates to an energy conversion system, a method for producing an energy conversion system, a self-powered sensor, a method for producing a self-powered sensor and a wireless sensor network.

Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist die hohe Robustheit des Energiewandlungssystems gegenüber Umwelteinflüssen. Ein weiterer Vorteil 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.An advantage of the invention with the features of the independent claims is the high robustness of the energy conversion system to environmental influences. A further advantage is that the energy conversion system has an improved gravimetric and volumetric power density and thus new application areas, such as the use in an energy self-sufficient sensor, for the energy conversion system can be opened.

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 erstes Plattenelement und ein zweites Plattenelement umfasst, wobei das erste Plattenelement und das zweite Plattenelement durch eine erste Haltestruktur voneinander beabstandet sind, und dass das erste Plattenelement, das zweite Plattenelement und die erste Haltestruktur einen Hohlraum begrenzen, in dem das erste Trägerelement angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass das erste Trägerelement durch das erste Plattenelement das zweite Plattenelement geschützt wird und somit eine hohe mechanische Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aufweist. Das erste Trägerelement kann insbesondere in dem Hohlraum eingekapselt sein. In dem Hohlraum können beispielsweise ein Vakuum, ein vorgegebener Druck und/oder ein Gas eingeschlossen sein. Die hohe Kompaktheit des Energiewandlungssystems und die hohe Robustheit erhöhen vorteilhafterweise die Flexibilität bei der Auswahl möglicher Anbringungsorte des Energiewandlungssystems. Beispielsweise ermöglicht es den Einsatz des Energiewandlungssystems auch bei extremen Umgebungsbedingungen, bei denen das Energiewandlungssystem beispielsweise extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, Gasen, Flüssigkeiten und/oder sich stark verändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Somit können neue Anwendungsgebiete, wie beispielsweise als Energieversorgung in energieautarken Sensoren, für das Energiewandlungssystem erschlossen werden.This is achieved with an energy conversion system for converting kinetic energy into electrical energy, wherein the energy conversion system comprises a first carrier element, wherein the first carrier element is connected in a first clamping region with a first clamping structure and wherein the first carrier element is arranged movable relative to the first clamping structure , The first carrier element has a first energy converter element, wherein at least one first subassembly of the energy conversion system is arranged on the first carrier element and is functionalized as a seismic mass of the energy conversion system. The energy conversion system is characterized in that the energy conversion system comprises a first plate member and a second plate member, wherein the first plate member and the second plate member are spaced from each other by a first holding structure, and wherein the first plate member, the second plate member and the first holding structure, a cavity limit, in which the first support member is arranged. One advantage is that the first carrier element is protected by the first plate element, the second plate element and thus has a high mechanical robustness to environmental influences. The first carrier element may in particular be encapsulated in the cavity. For example, a vacuum, a predetermined pressure and / or a gas may be included in the cavity. The high compactness of the energy conversion system and the high robustness advantageously increase the flexibility in the selection of possible mounting locations of the energy conversion system. For example, it allows the use of the energy conversion system even in extreme environmental conditions where the energy conversion system is exposed to, for example, extreme temperatures, humidity, gases, liquids and / or changing environmental conditions. Thus, new areas of application, such as energy supply in self-powered sensors, for the energy conversion system can be opened.

Das Energiewandlungssystem kann neben 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 Teilbaugruppe kann jeweils zumindest einen Teil der weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems umfassen. Hierbei wirken die Masse der Komponenten, die erste 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 neben ihrer primären Funktion im Energiewandlungssystem - je nach Beschaffenheit der ersten 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 wirkt, d.h. die Masse der ersten Teilbaugruppe wird 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 FederMasse-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.The energy conversion system can comprise not only carrier elements with the energy conversion elements but also other components. Other components of the energy conversion system may include electronic components, such as energy storage, energy buffer, rectifier circuit, voltage regulation, load resistance control and / or electronic components of the energy conversion system, such as resistors, transistors or microcontroller. Other components of the energy conversion system may also include components of the packaging and connection technology, such as printed circuit boards, flexible wiring, conductors, solder points, plug-in connections, plug-in contacts, mechanical connection points, etc. The subassembly may each comprise at least a portion of the further components of the energy conversion system. Here, the mass of the components that form the first subassembly act as seismic masses of the energy conversion system, ie, that the components are functionalized as seismic masses of the energy conversion system. Functionalized here means that the first sub-assembly in addition to its primary function in the energy conversion system - depending on the nature of the first subassembly, for example, the processing and / or transmission of electrical signals, storage of electrical energy, the connection or the construction of components of the energy conversion system, etc. - additionally as Seismic mass for the deflection and / or deformation of the energy converter elements due to inertial forces acts, ie, the mass of the first subassembly is used as seismic masses. Thus, the required space and the total mass of the energy conversion system can be advantageously reduced and thus the performance of the energy conversion system based on the total mass or the total volume can be increased. The energy conversion element, together with the seismic mass, can ideally be described as a one-dimensional spring mass damper system in which the accelerating force acts on the base of the spring and damper. For example, the energy conversion system can be designed as a vibrating harvester, as a shock harvester or harvester for linear movements, and one and / or multiaxial applicable.

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.The accelerations of the environment of the energy conversion system, which are converted into electrical energy by means of the energy conversion system, can be coupled via the clamping structure into the energy conversion system, in particular of the energy conversion element. For example, the energy conversion system may be in mechanical contact with a housing, wherein the clamping structure for the energy conversion element may be comprised by the housing. Thus, accelerations of the environment can be coupled into the energy conversion system via the housing and converted into electrical energy. The housing may alternatively or additionally be comprised by the energy conversion system.

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 lassen 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.Energy converter elements may include relative to each other movable combinations of coils, magnets, capacitive surfaces, spring-like structures, bending beams, etc., which are connected to the acceleration source such that the accelerations in the energy conversion system, in particular the energy converter element, can be coupled. As a result of the movement of the energy converter element relative to the clamping structure, the capacitive, electromagnetic and / or piezoelectric effect-based conversion of mechanical energy into electrical energy can thus be made possible. The triboelectric conversion is possible according to this principle.

In einer Ausführungsform ist das erste Plattenelement als Leiterplatte (PCB=printed circuit board) ausgebildet. Alternativ oder ergänzend ist das zweite Plattenelement als Leiterplatte ausgebildet. Ein Vorteil ist, dass die Leiterplatten das erste Trägerelement von der Umgebung abschirmen.In one embodiment, the first plate element is formed as a printed circuit board (PCB). Alternatively or additionally, the second plate element is designed as a printed circuit board. One advantage is that the printed circuit boards shield the first carrier element from the environment.

In einer Ausführungsform ist eine dritte Teilbaugruppe des Energiewandlungssystems auf dem ersten Plattenelement angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist eine dritte Teilbaugruppe auf dem zweiten Plattenelement angeordnet. Ein Vorteil ist, dass somit ein kompakter Aufbau des Systems ermöglicht werden kann. Sind das erste Plattenelement bzw. das zweite Plattenelement als Leiterplatte ausgebildet, so kann die dritte Teilbaugruppe auf einfache Weise auf das erste Plattenelement und/oder das zweite Plattenelement aufgebracht werden. Die dritte Teilbaugruppe kann beispielsweise zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems umfassen. Die dritte Teilbaugruppe kann beispielsweise sogenannte surface-mount devices (SMD; deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) umfassen, welche mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterplatten gelötet werden können. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Baugruppe auch Bauelemente der Durchsteckmontage umfassen. In einer Ausführungsform ist die dritte Teilbaugruppe einseitig auf das erste Plattenelement und/oder einseitig auf das zweite Plattenelement aufgebracht. Beispielsweise kann die dritte Teilbaugruppe jeweils auf einer vom ersten Trägerelement abgewandten Seite des ersten Plattenelements bzw. des zweiten Plattenelements angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann die dritte Teilbaugruppe beidseitig auf das erste Plattenelement und/oder das zweite Plattenelement aufgebracht sein. Beispielsweise kann die dritte Teilbaugruppe auf einer dem ersten Trägerelement zugewandten Seite und auf einer vom ersten Trägerelement abgewandten Seite des ersten bzw. zweiten Plattenelements angeordnet sein. Ein Vorteil ist, dass somit die weiteren Komponenten des Energiewandlungssystems, welche von der dritten Teilbaugruppe umfasst werden, platzsparend angeordnet werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die weiteren Komponenten durch Anordnen auf einer dem ersten Trägerelement zugewandten Seite des ersten Plattenelements bzw. des zweiten Plattenelements ebenfalls vor Umgebungseinflüssen geschützt werden können und somit die Lebensdauer dieser weiteren Komponenten erhöht werden kann.In one embodiment, a third subassembly of the energy conversion system is disposed on the first plate member. Alternatively or additionally, a third subassembly is arranged on the second plate element. An advantage is that thus a compact construction of the system can be made possible. If the first plate element or the second plate element is designed as a printed circuit board, then the third sub-assembly can be easily applied to the first plate element and / or the second plate element. For example, the third sub-assembly may include at least a portion of the other components of the energy conversion system described above. The third subassembly can include, for example, so-called surface-mount devices (SMD), which can be soldered directly to the printed circuit boards by means of solderable connection surfaces. Alternatively or additionally, the second assembly may also comprise through-hole components. In one embodiment, the third subassembly is applied on one side to the first plate element and / or on one side to the second plate element. For example, the third subassembly can be arranged in each case on a side of the first plate element or the second plate element which faces away from the first carrier element. Alternatively or additionally, the third subassembly can be applied on both sides to the first plate element and / or the second plate element. By way of example, the third subassembly may be arranged on a side facing the first carrier element and on a side of the first and second plate element that faces away from the first carrier element. One advantage is that thus the other components of the energy conversion system, which are covered by the third subassembly, can be arranged to save space. A further advantage is that the further components are also protected against environmental influences by arranging on a side of the first plate element or of the second plate element which faces the first carrier element can be and thus the life of these other components can be increased.

In einer Ausführungsform umfasst das Energiewandlungssystem mindestens ein zweites Trägerelement, wobei das zweite Trägerelement in dem Hohlraum angeordnet ist und das zweite Trägerelement relativ zum ersten Trägerelement bewegbar angeordnet ist. Das zweite Trägerelement umfasst ein zweites Energiewandlerelement, wobei eine zweite Teilbaugruppe des Energiewandlungssystems auf dem weiteren Trägerelement angeordnet ist und als seismische Masse des Energiewandlungssystems funktionalisiert ist. Das Energiewandlungssystem kann in einer Ausführungsform mindestens ein induktives Energiewandlerelement, mindestens ein kapazitives Energiewandlerelement, mindestens ein triboelektrisches und/oder mindestens ein piezoelektrisches Energiewandlerelement umfassen. 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.In one embodiment, the energy conversion system comprises at least one second carrier element, wherein the second carrier element is arranged in the cavity and the second carrier element is arranged to be movable relative to the first carrier element. The second carrier element comprises a second energy converter element, wherein a second subassembly of the energy conversion system is arranged on the further carrier element and is functionalized as a seismic mass of the energy conversion system. In one embodiment, the energy conversion system may comprise at least one inductive energy converter element, at least one capacitive energy converter element, at least one triboelectric and / or at least one piezoelectric energy converter element. An advantage is that thus a very compact design of the energy conversion system can be made possible. The ratio of space or total mass of the energy conversion system to the performance of the energy conversion system allows the use of the energy conversion system in new application areas, such as in energy self-sufficient sensors. The high compactness of the energy conversion system advantageously increases the flexibility in the selection of possible mounting locations of the energy conversion system.

Das erste Trägerelement und/oder das zweite Trägerelement können in einer Ausführungsform 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 one embodiment, the first carrier element and / or the second carrier element may comprise a plug-in strip, wherein the plug-in strip has receiving openings. One advantage is that the subassembly can thus be arranged precisely at a predetermined position on the carrier element by arranging the subassembly on the carrier element, for example by means of plug connection structures, which can be formed, for example, on a housing of the subassembly and can be received by the receiving openings can.

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 kann somit einer Resonanzfrequenz des Trägerelements zugeordnet werden, wobei die Resonanzfrequenz des Weiteren von der Masse 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 beispielsweise 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. Die erste Resonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz sind vorzugsweise jeweils voneinander abweichende Eigenfrequenzen erster Ordnung. 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.In one embodiment, the first subassembly and / or the second subassembly are arranged on an auxiliary carrier, wherein the subcarrier has a plug connection structure. At least one receptacle for the plug connection structure is formed on the first carrier element and / or the second carrier element, and the auxiliary carrier can be arranged at a predetermined position on the first carrier element and / or the second carrier element by means of the plug connection structure. One advantage is that the resonant frequency of the carrier element depends on the position of the subassembly on the carrier element. Each position on the carrier element can thus be assigned to a resonant frequency of the carrier element, wherein the resonant frequency further depends on the mass of the subassembly. One advantage is that the subassembly can be arranged precisely at the predetermined position by means of the plug connection structure, and thus the resonance frequency of the carrier element can be set precisely during production. Another advantage is that the first carrier element and the second carrier element of identical components, such as identical subassemblies, identical support member and structurally identical subcarrier can be formed, the first resonant frequency and the second resonant frequency precisely over the Choice of the predetermined position of the subcarrier on the first support member and the choice of the predetermined position of the subcarrier on the second support member can be adjusted. The first resonant frequency and the second resonant frequency are preferably mutually different natural frequencies of the first order. Thus, the energy conversion system can be manufactured inexpensively. The subcarrier may be formed, for example, as a printed circuit board (PCB). For example, at least part of the electronic components of the energy conversion system can be arranged as a first or second subassembly on the subcarrier circuit board, wherein these can be functionalized as a seismic mass. The auxiliary carrier is also functionalized as a seismic mass.

Vorteile eines Verfahrens zur Herstellung des Energiewandlungssystems ergeben sich aus den Vorteilen des Energiewandlungssystems. In einer Ausführungsform wird die erste Resonanzfrequenz des ersten Trägerelements durch das Anordnen des Hilfsträgers an der vorbestimmten Position eingestellt. Ein Vorteil ist, dass somit bei der Herstellung die Resonanzfrequenz des ersten Trägerelements vorgegeben bzw. eingestellt wird. Dies ermöglicht es bei der Herstellung die erste Resonanzfrequenz beispielsweise an die Umgebung, in welcher das Energiewandlungssystem eingesetzt werden soll, anzupassen. Des Weiteren können mittels baugleicher Trägerelemente bei der Herstellung allein durch Verändern der vorbestimmten Position des Hilfsträgers verschiedene Resonanzfrequenzen realisiert werden. Somit kann eine einfache und kostengünstige Fertigung ermöglicht werden. Alternativ oder ergänzend wird die zweite Resonanzfrequenz des zweiten Trägerelements durch das Anordnen des Hilfsträgers an der vorbestimmten Position eingestellt. Ein Vorteil ist, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement aus baugleichen Komponenten, wie baugleichen Teilbaugruppen, baugleichen Trägerelement 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.Advantages of a method for producing the energy conversion system result from the advantages of the energy conversion system. In one embodiment, the first resonant frequency of the first carrier element is adjusted by arranging the subcarrier at the predetermined position. One advantage is that the resonance frequency of the first carrier element is thus predetermined or adjusted during manufacture. This makes it possible, for example, to adapt the first resonance frequency to the environment in which the energy conversion system is to be used during production. Furthermore, different resonant frequencies can be realized by means of structurally identical carrier elements during production solely by changing the predetermined position of the auxiliary carrier. Thus, a simple and inexpensive production can be made possible. Alternatively or additionally, the second resonant frequency of the second carrier element is adjusted by arranging the auxiliary carrier at the predetermined position. An advantage is that the first carrier element and the second carrier element of identical components, such as identical subassemblies, identical support member and identical auxiliary carriers, can be formed, wherein the first resonant frequency and the second resonant frequency precisely on the choice of the predetermined position of the subcarrier on the first Carrier element and the choice of the predetermined position of the subcarrier on the second carrier element can be adjusted. Thus, the energy conversion system can be manufactured inexpensively.

In einer Ausführungsform ist 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 in einem zweiten Einspannbereich mittels mechanischer Verbindungsstellen mit einer 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 baugleichen Teilbaugruppen, baugleichen Trägerelement und baugleichen Hilfsträgern, 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 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.In one embodiment, the first carrier element in the first clamping region is connected to the first clamping structure by means of mechanical connection points, wherein the first resonance frequency is set by the number and / or the position of the mechanical connection points. Alternatively or additionally, the second carrier element is connected in a second clamping region by means of mechanical connection points with a second clamping structure, wherein the second resonance frequency is adjusted by the number and / or position of the mechanical connection points. One advantage is that the resonance frequencies can thus be set precisely during production. A further advantage is that the first carrier element and the second carrier element of identical components, such as identical subassemblies, identical support member and identical auxiliary carriers, can be formed, wherein the first and the second resonant frequency can be adjusted by applying the mechanical connection points, so in particular the first resonant frequency deviates from the second resonant frequency and thus an energy conversion system can be realized which can use several resonances or natural frequencies. The mechanical connection points may include, for example, solder points, adhesives and / or plug contacts. The mechanical connection points can be used for example for electrical contacting of the support elements.

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 und vorteilhafterweise eine hohe mechanische Robustheit 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.An energy self-sufficient sensor comprising the energy conversion system, for example as described above, and a sensor unit can thus be advantageously realized, since the energy conversion system for supplying the sensor due to the improved gravimetric and volumetric power density of the energy conversion system has improved performance and advantageously high mechanical robustness. Further advantages of the self-powered sensor result from the advantages of the energy conversion system described above. For example, the self-powered sensor can be attached to vibrating or moving parts of industrial equipment and thus couple kinetic energy from industrial equipment into the energy conversion system to convert it into electrical energy.

In einer Ausführungsform umfasst die erste Teilbaugruppe, die zweite Teilbaugruppe und/oder die dritte 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 und die Komponenten der Sensoreinheit vor ungewünschten Umgebungseinflüssen geschützt werden können.In one embodiment, the first subassembly, the second subassembly and / or the third subassembly comprises at least one component of the sensor unit. Thus, as an alternative or in addition to the other components of the energy conversion system and components of the sensor unit, for example, sensor elements, application-specific integrated circuits (ASIC), microcontroller, components of the construction and connection of the sensor unit, such as supporting structures (printed circuit boards, flexible wiring), tracks, Soldering points, pluggable connections, etc., are functionalized as seismic mass. One advantage is that a very compact design of the self-powered sensor is thus made possible and the components of the sensor unit can be protected from undesired environmental influences.

Der energieautarke Sensor kann zur Messung thermischer, mechanischer, elektrischer, chemischer oder elektromagnetischen Größen, wie beispielsweise zur Temperaturmessung, Gasmessung, Strahlungsmessung, Magnetfeldmessung, Druckmessung, etc., eingerichtet sein.The self-powered sensor can be designed for measuring thermal, mechanical, electrical, chemical or electromagnetic variables, such as for temperature measurement, gas measurement, radiation measurement, magnetic field measurement, pressure measurement, etc.

Vorteile eines Verfahrens zur Herstellung des energieautarken Sensors ergeben sich aus den vorstehend beschriebenen Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung des Energiewandlungssystems.Advantages of a method for producing the self-powered sensor result from the above-described advantages of the method for producing the energy conversion system.

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 können hierbei als Komponente der Sensoreinheit eine Kommunikationsschnittstelle umfassen, 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 Primärbatterien zur Versorgung der Sensoren mit elektrischer Energie verzichtet werden, und somit ein Austauschen der Batterien entfallen.From the energy self-sufficient sensors described above, a wireless sensor network can be constructed, which comprises at least one self-powered sensor. The self-powered sensors may be designed as sensor nodes of the wireless sensor network. In this case, the energy-self-sufficient sensors can comprise, as a component of the sensor unit, a communication interface via which wireless data transmission can be made possible. For this purpose, preferably protocols are used with a low energy consumption. One advantage is that thus large-scale measurements over a long period of time, such as several months or several years, can be carried out by means of the wireless sensor network. The wireless sensor network advantageously enables a high sensor density and a flexible, simple arrangement of the energy self-sufficient sensors in the measuring range, since cables for the energy supply and data transmission due to the self-powered sensors can be omitted. Since the energy self-sufficient sensors include the energy conversion system described above, can be dispensed with the arrangement of primary batteries to power the sensors with electrical energy, and thus eliminates a replacement of the batteries.

Figurenlistelist of figures

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.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Same Reference numerals in the figures designate the same or equivalent elements.

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.

Show it

1 a cross section of a carrier element, comprising an energy converter element, which is based on an inductive conversion mechanism,
2 a cross section of a carrier element, comprising an energy converter element, which is based on a capacitive conversion mechanism,
3 a cross-section of a support element, comprising an energy converter element, which is based on a piezoelectric conversion mechanism,
4 a cross section of an energy conversion system comprising a housing, wherein in the housing two plate elements, which are each equipped on one side with a third subassembly, and a support structure which define a cavity, in particular enclose, wherein a first support member with a first energy conversion element in the cavity is arranged,
5 a cross section of an energy conversion system comprising a housing, wherein in the housing two plate elements, which are each equipped on both sides with a third subassembly, and a support structure which define a cavity, in particular enclose, wherein a first support member with a first energy conversion element in the cavity is arranged,
6 a cross-section of an energy conversion system, comprising a first carrier element with a first energy converter element and a second carrier element with a second energy converter element,
7 a cross-section of an energy conversion system, comprising a first carrier element with a first energy converter element, a second carrier element with a second energy converter element and a third carrier element with a third energy converter element, wherein the carrier elements are stacked on each other,
8th a detail of a cross section of an energy conversion system, comprising a first carrier element with a first energy converter element, wherein on the first carrier element, a second clamping structure in a different from the first clamping region of the first support member region, in particular at a first clamping region opposite the movable end of the first support member arranged is
9 a cross-section of an energy conversion system, comprising a first carrier element with a first energy converter element and a second carrier element with a second energy converter element, wherein clamping structures of the carrier elements are arranged on adjacent sides of the housing and thus results in a three-dimensional arrangement of the support element,
10 a detail of an energy conversion system, wherein a carrier element is electrically contacted by means of flexible conductor tracks,
11 a top view of a support element of an energy conversion system, wherein the support member has receiving openings and wherein a subassembly of the energy conversion system on an auxiliary carrier, which has connector structure, is arranged and the subcarrier is arranged by means of the connector structure at a predetermined, but variable, position on the support member,
12 a section of an energy conversion system, wherein a support member is connected by means of mechanical connection points in a Einspannbereich with a clamping structure, wherein a resonant frequency of the support member is set by the position of the mechanical connection points,
13 a section of an energy conversion system, wherein a support member is connected by means of mechanical connection points in a Einspannbereich with a clamping structure, wherein a resonant frequency of the support member is set by the position of the mechanical connection points,
14 a section of an energy conversion system, wherein a support member is connected by means of mechanical connection points in a Einspannbereich with a clamping structure, wherein a resonant frequency of the support member is set by the number of mechanical connection points, and
15 a wireless sensor network comprising self-powered sensors, the self-powered sensors comprising an energy conversion system and a sensor unit.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

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. In 1 is a cross section of a clamping structure 1012 . 1022 . 1032 and a support member 101 . 102 . 103 shown. The carrier element 101 . 102 . 103 includes in this embodiment a wing 121 on which by way of example three masses are arranged, the three masses acting as seismic masses. These masses are from a subassembly 1001 . 1002 an energy conversion system 100 includes. The energy conversion system 100 includes in addition to carrier elements 101 . 102 . 103 also other components. Other components of the energy conversion system 100 may include electronic components, such as energy storage, energy buffer, rectifier circuit, voltage regulation, load resistance control and / or electronic components of the energy conversion system, such as resistors, transistors or microcontroller. Other components of the energy conversion system 100 may also include components of the packaging and connection technology, such as printed circuit boards, flexible wiring, conductors, solder points, plug-in connections, plug-in contacts, mechanical connection points, etc. The subassembly 1001 . 1002 may each comprise at least a portion of the other components of the energy conversion system. Here, the mass of the components that affect the subassembly 1001 . 1002 form as seismic masses of the energy conversion system 100 , that is, the components as seismic masses of the energy conversion system 100 functionalized. Furthermore, the carrier element comprises 101 . 102 . 103 in this embodiment, two springs 1221 . 1222 and an energy converter element 1010 . 1020 . 1030 , The first spring 1221 is at a first end with the wing 121 connected and at one end opposite the first end with the energy conversion element 1010 . 1020 . 1030 connected. The second spring 1222 is at a first end in a chucking area 1011 . 1021 . 1031 with the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 connected and at a first end opposite end to the energy conversion element 1010 . 1020 . 1030 connected. By means of the two springs 1221 . 1222 is the carrier element 101 . 102 . 103 relative to the clamping structures 1012 . 1022 . 1032 movably arranged. Will the chuck structure 1012 . 1022 . 1032 an acceleration, ie, for example, a vibration, a rotation or a general movement on a spatially arbitrarily curved path exposed, it comes on the basis of the seismic masses 1001 . 1002 acting inertial forces to a relative movement between the wing 121 and the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 , where the springs 1221 . 1222 be deformed.

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.The direction of movement 119 or the direction of acceleration is in 1 exemplified by two arrows on the right side of the picture. The acceleration is via the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 into the energy converter element 1010 . 1020 . 1030 coupled.

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.The energy converter element 1010 . 1020 . 1030 is based in the 1 illustrated embodiment on an inductive conversion mechanism. The energy converter element 1010 . 1020 . 1030 includes a coil in this embodiment 123 which encloses a volume by a magnetic element 124 is arranged. The sink 123 can, for example, at a constant distance to the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 be arranged. The feathers 1221 . 1222 are each with one end with the magnetic element 124 connected. The magnetic element 124 can by the deformation of the springs described above 1221 . 1222 relative to the coil 123 to be moved. In particular, the magnetic element 124 out of the coil 123 enclosed volume moved out and in. This results in a magnetic flux change in the coil 123 , whereby according to the electromagnetic induction law, an electric voltage is generated between the terminals of the coil. This electrical voltage can be tapped and stored, for example, in an energy store or for supplying electrical components such as the other components of the energy conversion system 100 , be used. From the mechanical deformation of the springs 1221 . 1222 thus electrical energy can be generated.

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. 2 shows a similar structure as 1 , The energy converter element 1010 . 1020 . 1030 is based in 2 on a capacitive conversion mechanism. The two springs 1221 . 1222 each have one end with a capacitor plate and the other end with the support surface 121 or the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 connected. In this embodiment, another capacitor plate is at a fixed distance to the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 arranged. The capacitor plate, which is between the first spring 1221 and the second spring 1222 can be arranged, by the deformation of the springs described above 1221 . 1222 be moved relative to the other capacitor plate. The movable capacitor plate and the further capacitor plate together form a capacitor 125 , here a plate capacitor, whose capacity depends on the distance of the capacitor plates to each other. If the capacitor plates are moved relative to one another, an electric charge flow occurs on the capacitor plates. Thus, from the movement of the capacitor plates relative to each other kinetic energy can be converted into electrical energy. The acceleration is via the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 into the energy converter element 1010 . 1020 . 1030 coupled.

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 3 is a cross section of a carrier element 101 . 102 . 103 shown in the clamping 1011 . 1021 . 1031 with the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 is rigidly connected. The carrier element 101 . 102 . 103 includes in this embodiment a piezoelectric material as energy conversion element 1010 . 1020 . 1030 For example, the carrier element 101 . 102 . 103 be designed as a piezo-bending beam, wherein a thickness of the piezo-bending beam is much smaller than a length and a width of the piezo-bending beam. The thickness of the piezo-bending beam denotes in 3 a dimension of the piezo-bending beam parallel to the direction of movement 119 , On the carrier element 101 . 102 . 103 By way of example, three masses are arranged, the three masses acting as seismic masses. These masses are from the subassembly 1001 . 1002 of the energy conversion system 100 includes, as related to above 1 is described. Accelerations can be made via the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 in the carrier element 101 . 102 . 103 be coupled. Due to the inertial forces of the piezo-bending beam is thereby set in vibration, whereby due to the mechanical deformation of the piezoelectric material of the carrier element 101 . 102 . 103 an electrical voltage is generated, which can be stored in an energy store or used for the electrical supply of a consumer. Thus, an electrical energy can be generated from a kinetic energy.

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 the embodiments described below are energy converter elements 1010 . 1020 . 1030 which are based on the piezoelectric conversion mechanism. Alternatively or additionally, energy conversion elements can be used in the exemplary embodiments described below 1010 . 1020 . 1030 according to one of the in the 1 and / or 2 illustrated energy converter elements 1010 . 1020 . 1030 be used.

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 (abgesehen von der Wärmeleitung in den Komponenten) isoliert. 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 4 is a cross section of an energy conversion system 100 shown. The energy conversion system 100 includes a housing 117 , wherein a housing bottom 1170 , a first side of the housing 1171 , a second side of the housing 1172 and a housing cover 1173 of the housing 117 are shown in section. On the case back 1170 is a second holding structure 120 formed, which is a second plate element 112 from the case back 1170 spaced. The distance between the second plate element 112 and the caseback 1170 is through a thickness of the second support structure 120 specified. The first plate element 111 and / or the second plate element 112 may be formed, for example, as a printed circuit board. On the second plate element 112 is a first holding structure 110 formed, which a first plate member 111 at a distance to the second plate element 112 holds. The first holding structure 110 the first plate element 111 and the second plate member 112 limit, in particular enclose, a cavity 113 in which a first carrier element 101 is arranged. A third subassembly 1003 of the energy conversion system 100 is respectively on one of the first support member 101 opposite side of the first plate member 111 and the second plate member 112 arranged. The energy conversion system 100 includes in addition to carrier elements 101 . 102 . 103 also other components. Other components of the energy conversion system 100 may include electronic components, such as energy storage, energy buffer, rectifier circuit, voltage regulation, load resistance control and / or electronic components of the energy conversion system, such as resistors, transistors or microcontroller. Other components of the energy conversion system 100 may also include components of the packaging and connection technology, such as printed circuit boards, flexible wiring, conductors, solder points, plug-in connections, plug-in contacts, mechanical connection points, etc. The third sub-assembly 1003 can each at least a part of the other components of the energy conversion system 100 include. In 4 are each three of the other components of the energy conversion system 100 on the first plate element 111 the second plate element 112 arranged. The third sub-assembly 1003 In this embodiment, this comprises a total of six further components of the energy conversion system 100 , Alternatively or additionally, the first plate element 111 and / or the second plate element 112 each on a first support element 101 facing side with other components, which of the third sub-assembly 1003 be included. This has the advantage that in the cavity 113 For example, a vacuum may be included which includes the components of the third subassembly 1003 among other things thermally isolated from the environment (apart from the heat conduction in the components). In addition, the evacuation has the advantage that the vibrating support elements 101 . 102 . 103 are less damped due to the lack of air resistance and thus be further deflected and thereby in turn can provide more electrical energy. Furthermore, these components are double, both through the housing 117 , as well as the respective plate element 111 . 112 on which the components are arranged, protected. The plate elements 111 . 112 form together with the housing 117 a double wall, wherein in the double wall, ie in the volumes, which between the first plate element 111 and the housing cover 1173 and between the second plate member 112 and the caseback 1170 are formed, components can be arranged to save space and protected from environmental influences. Exemplary is in 5 an embodiment shown in which the first plate element 111 and the second plate member 112 equipped on both sides. In 4 includes the first carrier element 101 a first energy converter element 1010 which is based on the piezoelectric conversion mechanism in this embodiment. The first carrier element 101 is in the first clamping area 1011 with the first clamping structure 1012 connected and relative to the first clamping structure 1012 movably arranged. The first clamping structure 1012 is part of the first support structure in this embodiment 110 , Accelerations can be made via the first clamping structure 1012 in the first carrier element 101 inject. The first carrier element 101 is designed for example as a piezo-bending beam. On the first carrier element 101 is the first subassembly 1001 of the energy conversion system 100 arranged. The first subassembly 1001 is as a seismic mass of the energy conversion system 100 functionalized as described above. The first subassembly 1001 includes in this embodiment, two of the other components of the energy conversion system 100 , as described above, for example. The first subassembly 1001 can be unilaterally on a the first plate element 111 or the second plate element 112 facing side of the first support member 101 be arranged. Alternatively or additionally, the first subassembly 1001 Components on both the first plate element 111 facing side as well as on the second plate member 112 facing side of the first support member may be arranged, as example 5 is shown. Thus, a higher seismic mass can be realized to save space. In the first holding structure 110 can at least one via 114 be formed, which is set up for data and / or energy transfer. Alternatively or additionally, in the first support structure 110 Through holes may be formed, in which plug contacts 115 for electrical contacting of the plate elements 111 . 112 and the first support member 101 can be introduced. The vias 114 or the plug contacts 115 extend from the first plate element 111 through the first holding structure 110 , through the first support element 101 , in the first clamping area 1011 towards the second plate element 112 , For example, that of the first energy conversion element 1010 converted electrical energy to supply the third sub-assembly 1003 be used. Alternatively or additionally, the electrical energy in an energy storage, which of the third sub-assembly 1003 and / or the first subassembly 1001 is included. The energy conversion system 100 in 4 respectively. 5 For example, it can be part of a self-powered sensor 200 be. The energy self-sufficient sensor 200 includes the energy conversion system 101 and a sensor unit. The first subassembly 1001 and / or the third subassembly 1003 In this case, at least one component of the sensor unit may comprise components of the sensor unit, for example sensor elements, application-specific integrated circuits (ASIC), microcontrollers, components of the assembly and connection technology of the sensor unit, such as supporting structures (printed circuit boards, flexible wiring), conductor tracks, soldering points, pluggable connections , etc. include.

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 5 is the first holding structure 110 between the first plate element 111 and the second plate member 112 glued as half shells 109 or pressed. The vias 114 or the plug contacts 115 be after bonding for contacting the plate element 111 . 112 and the first support member 101 formed and extend through the half-shell gluing 109 therethrough.

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.In 6 is an energy conversion system 100 or an energy-autonomous sensor 200 shown in a cross section, wherein the energy conversion system 100 or the self-powered sensor 200 a second carrier element 102 with a second energy conversion element 1020 includes. The second carrier element 102 is in a second clamping area 1021 with a second clamping structure 1022 connected and relative to the second clamping structure 1022 movably arranged. On the second carrier element 102 is a second subassembly 1002 arranged, wherein the second sub-assembly 1002 as the seismic mass of the energy conversion system 100 functionalized. The second subassembly 1002 can be at least one more component of the energy conversion system 100 include. The second clamping structure 1022 is on the second plate element 112 on the first side of the housing 1171 arranged. The second clamping structure 1022 is part of the first support structure in this embodiment 110 , The via 114 or the plug contacts 115 extend from the first plate member 111 , through the second carrier element 102 in the second clamping area 1021 through the second clamping structure 1022 towards the second plate element 112 , The first carrier element 101 is as described above in the first clamping area 1011 with the first clamping structure 1012 connected. The first clamping structure 1021 is on the second element 112 on the second side of the housing 1172 arranged. The first holding structure 110 is in this embodiment as part of the second side of the housing 1172 educated. The first clamping area 1011 and the second clamping area 1021 are located on opposite sides of the case 117 , The first carrier element 101 has a first resonant frequency and the second carrier element 102 has a second resonant frequency. The first resonance frequency and the second resonance frequency may deviate be set from each other, wherein the first resonant frequency of the mass and arrangement of the first subassembly 1001 on the first carrier element 101 and wherein the second resonant frequency of the mass and the arrangement of the second subassembly 1002 on the second carrier element 102 depends. The first carrier element 101 and the second support member 102 may be identical in construction to each other or differ in at least one dimension and / or a material composition. To protect the first carrier element 101 and the second support member 102 These are in the cavity 113 between the first plate element 111 and in the second plate element 112 arranged. Alternatively or additionally, the second plate element 112 as caseback 1170 and / or the first plate element 111 as a housing cover 1173 be educated. The first carrier element 101 and the second support member 102 are arranged movable relative to each other. For example, the first carrier element 101 be arranged swingably with the first resonant frequency and the second carrier element 102 be arranged swingably with the second resonant frequency.

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.The energy conversion system 100 in 6 For example, it can be part of a self-powered sensor 200 be. The energy self-sufficient sensor 200 includes the energy conversion system 101 and a sensor unit. The first subassembly 1001 , the second subassembly and / or the third subassembly 1003 In this case, at least one component of the sensor unit may comprise components of the sensor unit, for example sensor elements, application-specific integrated circuits (ASIC), microcontrollers, components of the assembly and connection technology of the sensor unit, such as supporting structures (printed circuit boards, flexible wiring), conductor tracks, soldering points, pluggable connections , etc. include.

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 7 is a cross section of an energy conversion system 100 or a self-powered sensor 200 in a stack construction, the energy conversion system 100 or the self-powered sensor 200 a third carrier element 103 with a third energy conversion element 1030 includes. On the third carrier element 103 is a fourth subassembly 1004 functionalized as a seismic mass. The first carrier element 101 is as described above in the first clamping area 1011 with the first clamping structure 1012 connected. The second carrier element 102 is in the second clamping area 1021 with the second clamping structure 1022 connected and the third carrier element 103 is in a third clamping area 1031 with a third clamping structure 1032 connected. The clamping structures 1012 . 1022 . 1032 are on the second side of the housing 1172 arranged stacked one above the other, ie the second clamping structure 1022 is on the first carrier element 101 in the first clamping area 1011 of the first carrier element 101 arranged and the third clamping structure 1032 is on the second carrier element 102 in the second clamping area 1021 the second carrier element 102 arranged. The first resonant frequency, the second resonant frequency and a third resonant frequency of the third carrier element 103 can be set different from each other. The clamping structures 1012 . 1022 . 1032 are in this embodiment as part of the first support structure 110 educated. The via 114 or the plug contacts 115 extend from the first plate element 111 through the first holding structure 110 , the third carrier element 103 , the third clamping structure 1032 , the second carrier element 102 , the second clamping structure 1022 , the first carrier element 101 and the first clamping structure 1012 towards the second plate element 112 , The energy conversion system 100 in 7 For example, it can be part of a self-powered sensor 200 be. The energy self-sufficient sensor 200 includes the energy conversion system 101 and a sensor unit. The first subassembly 1001 , the second subassembly 1002 , the third sub-assembly 1003 and / or the fourth subassembly 1004 In this case, components of the sensor unit may comprise, for example, sensor elements, application-specific integrated circuits (ASIC), microcontrollers, components of the assembly and connection technology of the sensor unit, such as supporting structures (printed circuit boards, flexible wiring), conductor tracks, soldering points, pluggable connections , etc. include.

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.In 8th is a section of a cross-section of an energy conversion system 100 or a self-powered sensor 200 represented, wherein the second clamping structure 1022 on the first carrier element 101 in one of the first clamping area 1011 of the first carrier element 101 different area is arranged. In the embodiment shown here, the second clamping structure 1022 at a relative to the first clamping structure 1012 movable end of the first carrier element 101 arranged, wherein an amplitude of the oscillation of the first carrier element 101 in this area is maximum. The second carrier element 102 is in the second clamping area 1021 with the second clamping structure 1022 connected. Accelerations are made via the first clamping structure 1012 in the first carrier element 101 coupled and from the first support element 101 over the second clamping structure 1022 in the second carrier element 102 transfer. The second clamping structure 1022 and the second support member 102 form an additional seismic mass for the first carrier element 101 , The second clamping structure 1022 has vias 114 or plug contacts 115 which extends from the first carrier element through the second clamping structure 1022 to the first support element 101 extend. The first carrier element 101 is as described above through plated-through holes 114 or plug contacts 115 in the first clamping structure 1012 electrically contacted.

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.For example, this can be done in 8th embodiment shown, the first support member 101 in the 4 or 5 , the first carrier element 101 and / or the second carrier element 102 in 6 or at least one of the three carrier element 101 . 102 . 103 in 7 replace.

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 9 is a cross section of an energy conversion system 100 or a self-powered sensor 200 represented, wherein the second clamping structure 1022 at one to the second housing side 1172 adjacent housing side is arranged. The second carrier element 102 may be formed as a piezo-bending beam which extends into the plane of the drawing. The second carrier element 102 on which the second subassembly 1002 is arranged, projects at a distance above the first support element 101 on which the first subassembly is arranged on both sides. This results in a three-dimensional arrangement of piezo-bending beam. For example, the first carrier element 101 and the second support member 102 rotated by 90 ° or any other angle to each other. In this embodiment, the second plate member 112 as caseback 1170 educated.

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 10 is a part of an energy conversion system 100 or a self-powered sensor 200 illustrated, wherein an electrical contact of the carrier element 101 . 102 . 103 by means of flexible tracks 116 is shown. The carrier elements 101 . 102 . 103 are arranged relative to each other and movable relative to the plate members 111,112. The flexible tracks 116 may be formed as flexible data and / or power transmission lines and provide a reliable electrical contact for the movable support elements 101 . 102 . 103 ready. Thus, as seismic masses functionalized subassemblies 1001 . 1002 . 1004 Reliable with the other sub-assemblies 1003 of the energy conversion system 100 or the self-powered sensor 200 electrically connected and / or kommuniktationsverbunden. The flexible tracks 116 may alternatively or in addition to the vias 114 and / or plug contacts 115 to be ordered.

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.In 11 is a plan view of the support element 101 . 102 . 103 , an energy conversion system 100 or a self-powered sensor 200 illustrated, wherein the carrier element 101 . 102 . 103 receiving openings 104 having. The receiving openings 104 For example, in the form of headers 118 on the carrier element 101 . 102 . 103 be educated. Alternatively or additionally, blind holes or through holes can be used as receiving openings 104 in the carrier element 101 . 102 . 103 be formed so that the support element 101 . 102 . 103 is provided with a hole pattern. The seismic mass functionalized subassembly 1001 . 1002 . 1004 is in this embodiment on a subcarrier 105 arranged which connector structures 106 For example, pin-shaped projections at all corners of the subcarrier 105 , having. The subcarrier 105 may be formed, for example, as a printed circuit board. The resonant frequency of the carrier element 101 . 102 . 103 depends on the acting lever arm. The acting lever arm can by selecting the predetermined position of the subcarrier 105 that is the position of the seismic mass on the carrier element 101 . 102 . 103 , be specified. The subcarrier 105 can by means of the connector structures 106 at the predetermined position on the carrier element 101 . 102 . 103 be firmly attached, the connector structures 106 from the receiving openings 104 can be recorded at the predetermined position. The resonant frequency of the carrier element 101 . 102 . 103 Thus, by choosing the predetermined position in the production of the energy conversion system 100 or the energy self-sufficient sensor can be adjusted.

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.Based on 12 to 14 In the following, a resonance-based performance increase is achieved by adapting the rigidity and positioning of the subassemblies functionalized as seismic masses 1001 . 1002 . 1004 described. The carrier element 101 . 102 . 103 on which the sub-assembly functionalized as a seismic mass 1001 . 1002 . 1004 is arranged in is 2 by means of two mechanical connection points 108 with the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 connected. The clamping area 1011 . 1021 . 1031 is here by the distance of the mechanical connection points 108 certainly. The carrier element 101 . 102 . 103 has a first effective bending radius, which is determined by the position and the number of mechanical joints 108 is determined. The in 13 The structure shown differs from that in 12 shown construction by the position of the mechanical connection points 108 relative to each other. The clamping area 1011 . 1021 . 1031 is smaller than the clamping area 1011 . 1021 . 1031 out 12 , In 13 has the carrier element 101 . 102 . 103 a second effective bending radius, which is different from the first effective bending radius. Therefore, the resonant frequency of the carrier element deviates 101 . 102 . 103 out 12 from the resonant frequency of the carrier element 101 . 102 . 103 out 13 from. In 14 are in addition to the in 13 illustrated two mechanical connection points 108 two more mechanical joints 108 arranged. Thus, the support element is in 14 by means of four mechanical connection points 108 with the clamping structure 1012 . 1022 . 1032 connected. The carrier elements 101 . 102 . 103 of the 13 and 14 thus differ in the number of mechanical connection points 108 in the clamping area 1011 . 1021 . 1031 and thus have different resonant frequencies.

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 the production of the energy conversion system 100 or the self-powered sensor 200 can by selecting the position and / or the number of mechanical connection points, the resonant frequency of the support element 101 . 102 . 103 be set. Alternatively or additionally, in the manufacture of the energy conversion system 100 or the self-powered sensor 200 by arranging the sub-assembly functionalized as a seismic mass 1001 . 1002 . 1004 at the predetermined position, the resonant frequency of the carrier element 101 . 102 . 103 can be adjusted, wherein different predetermined positions can be assigned to different resonance frequencies.

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.In 15 is a wireless sensor network 300 outlines the wireless sensor network 300 in this embodiment, five self-powered sensors 200 includes, wherein the self-powered sensors 200 one energy conversion system each 100 , for example, according to one of the embodiments described above, and a sensor unit. The energy self-sufficient sensors 200 can be wireless with a central office 301 communicate 302 , The energy self-sufficient sensors 200 For example, they may include a communication unit that provides wireless transmission of data to the center and receiving data or commands from the center 301 allows. The communication unit of the self-powered sensor 200 For example, as a seismic mass of the energy conversion system 100 be functionalized.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008056127 A1 [0001]

Claims

Energy conversion system (100) for converting kinetic energy into electrical energy, wherein the energy conversion system (100) comprises a first carrier element (101), wherein the first carrier element (101) in a first clamping region (1011) is connected to a first clamping structure (1012) and movably disposed relative to the first chuck structure (1012), and wherein the first carrier element (101) comprises a first energy converter element (1010), wherein at least a first subassembly (1001) of the energy conversion system (100) is disposed on the first carrier element (101) functionalized as a seismic mass of the energy conversion system (100), characterized in that the energy conversion system (100) comprises a first plate element (111) and a second plate element (112), the first plate element (111) and the second plate element ( 112) are spaced from each other by a first support structure (110), and that the first plate element (111), the second plate member (112) and the first support structure (110) define a cavity in which the first support member (101) is disposed.

Energy conversion system (100) after Claim 1 , characterized in that the first plate element (111) and / or the second plate element (112) are formed as printed circuit boards.

Energy conversion system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that a third subassembly (1003) of the energy conversion system (100) on the first plate member (111) and / or the second plate member (112) is arranged.

Energy conversion system (100) after Claim 3 , characterized in that the third subassembly (1003) is arranged on one side and / or on both sides on the first (111) and / or the second plate element (112).

Energy conversion system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy conversion system (100) comprises at least one inductive energy conversion element (1010, 1020, 1030), at least one capacitive energy conversion element (1010, 1020, 1030), at least one triboelectric energy conversion element (1010, 1020, 1030) and / or at least one piezoelectric energy transducer element (1010, 1020, 1030).

Energy conversion system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy conversion system (100) comprises at least a second carrier element (102), wherein the second carrier element (102) is arranged in the cavity, wherein the second carrier element (102) relative to wherein the second carrier element (102) comprises a second energy converter element (1020), wherein a second subassembly (1002) of the energy conversion system (100) is arranged on the second carrier element (102) and used as a seismic mass of the energy conversion system (100 ) is functionalized.

Energy conversion system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first carrier element (101) comprises a plug-in strip (118), wherein the plug-in strip (118) has receiving openings (104).

Energy conversion system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first subassembly (1001) and / or the second subassembly (1002) on an auxiliary carrier (105) is arranged, wherein the auxiliary carrier (105) has a plug connection structure (106) and that on the first carrier element (101) and / or the second carrier element (102) at least one receptacle (104) for the connector structure (106) is formed and the subcarrier (105) by means of the connector structure (106) at a predetermined position on the first carrier element (101) and / or the second carrier element (102) is arranged.

Method for producing an energy conversion system (100) according to one of the preceding claims.

Method according to Claim 9 for producing an energy conversion system (100) Claim 8 characterized in that a first resonant frequency of the first carrier member (101) is adjusted by arranging the subcarrier (105) at the predetermined position.

An energy self-sufficient sensor (200) comprising an energy conversion system (100) according to any one of Claims 1 to 8th and a sensor unit.

Energy-autonomous sensor (200) after Claim 11 , characterized in that the first subassembly (1001) comprises at least one component of the sensor unit.

Method for producing an energy self-sufficient sensor (200) according to one of Claims 11 or 12 ,

A wireless sensor network (300) comprising at least one energy self-sufficient sensor (200) according to any one of Claims 11 or 12 ,