DE102019125029A1 - Piezoelectric generator, manufacturing process and method for generating electrical energy - Google Patents

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Abstract

Es wird ein piezoelektrischer Generator (1) beschrieben mit einem flächigen, piezoelektrischen Material (2) und einem Spannkörper (5), wobei das flächige piezoelektrische Material (2) an zwei gegenüberliegenden Seiten (51, 52) des Spannkörpers (5) befestigt ist, von dem Spannkörper im Querschnitt gesehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material (2) aufgespannt ist und beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials (2) jeweils eine Elektrode (6, 7) ausbilden, eine Druckkraft (F) senkrecht zum flächigen, piezoelektrischen Material (2) beaufschlagbar ist und bei Beaufschlagung und Entlastung der Druckkraft (F) auf den piezoelektrischen Generator (1) eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden (6, 7) erzeugbar ist.A piezoelectric generator (1) is described with a flat, piezoelectric material (2) and a clamping body (5), the flat piezoelectric material (2) being attached to two opposite sides (51, 52) of the clamping body (5), Seen from the clamping body in cross section, a chord with the piezoelectric material (2) is stretched and both sides of the flat surface of the piezoelectric material (2) each form an electrode (6, 7), a compressive force (F) perpendicular to the flat, piezoelectric material (2) can be acted upon and when the pressure force (F) is applied and relieved on the piezoelectric generator (1), an electrical voltage can be generated between the electrodes (6, 7).

Description

Hintergrundbackground

Hier werden ein piezoelektrischer Generator, ein Herstellungsverfahren und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie damit beschrieben.Here, a piezoelectric generator, a manufacturing method, and a method for generating electrical energy therewith are described.

Stand der TechnikState of the art

Es ist die Generation elektrischer Spannung mittels des piezoelektrischen Effektes bekannt und wird schon seit vielen Jahren z.B. in Feuerzeugen oder Gasanzündern angewendet. Bei diesen Geräten wird ein piezokeramisches Material impulsartig mit Druck beaufschlagt, wodurch der Aufbau einer hohen elektrischen Spannung zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Piezomaterials ausgelöst wird. Konstruktiv wird dies mittels einer Feder und einem verbundenen Stößel erreicht. Dabei wird die Feder zunächst angespannt und bei Überschreiten eines bestimmten Federweges plötzlich entspannt. Der Stößel trifft bei dieser Entspannung auf das Piezomaterial und löst dort die Spannungsgeneration aus. Nachteilig sind bei diesen Anordnungen die bis zur Entspannung ständig zunehmende Druckkraft, der relativ komplexe Aufbau, die Alterung der Piezokeramik und die Erzeugung eines sehr hohen aber zeitlich extrem kurzen Spannungs-Nadelimpulses. Eine Nutzung dieser Impulse, nicht in Form einer elektrischen Funkentladung, sondern zur elektrischen Versorgung elektronischer Schaltungen ist prinzipiell möglich aber aufwändig.The generation of electrical voltage by means of the piezoelectric effect is known and has been used for many years, e.g. in lighters or gas lighters. In these devices, pressure is applied to a piezoceramic material in a pulsed manner, which triggers the build-up of a high electrical voltage between two opposite sides of the piezomaterial. Constructively, this is achieved by means of a spring and a connected plunger. The spring is initially tensioned and suddenly relaxed when a certain spring path is exceeded. During this relaxation, the plunger hits the piezo material and triggers the generation of tension there. Disadvantages of these arrangements are the constantly increasing pressure force up to relaxation, the relatively complex structure, the aging of the piezoceramic and the generation of a very high but extremely short tension needle pulse. Using these impulses, not in the form of an electrical spark discharge, but for the electrical supply of electronic circuits, is in principle possible but complex.

Es ist bekannt elektrische Energie mittels eines piezoelektrischen Generators, insbesondere eine mehrlagige Folie umfassend, zu erzeugen. Zur Dehnung einer piezoelektrischen Folie wird ein vorgespanntes, eine Rückstellkraft aufweisendes Scharnierbauteil eingesetzt. Die Folie ist vorzugsweise aus PVDF, Poly-Venyliden-Di-Fluorid, hergestellt.It is known to generate electrical energy by means of a piezoelectric generator, in particular comprising a multilayer film. A pretensioned hinge component having a restoring force is used to stretch a piezoelectric film. The film is preferably made of PVDF, polyvinylidene di-fluoride.

Es ist bekannt eine PVDF-Folie als elektroaktives Polymer (EAP) mit einer Wirkung als Kondensator in einer Fläche in X- und Y-Richtung aufzuspannen und in eine elektronische Schaltung zu integrieren. Hierbei wird die Folie im gedehnten Zustand elektrisch aufgeladen. Bei mechanischer Entlastung verringert sich die Kapazität. Bei konstanter Ladung und veränderlicher Kapazität entsteht eine höhere Spannung.It is known to stretch a PVDF film as an electroactive polymer (EAP) with an effect as a capacitor in an area in the X and Y directions and to integrate it into an electronic circuit. Here, the film is electrically charged in the stretched state. With mechanical relief, the capacity is reduced. With constant charge and variable capacity, a higher voltage arises.

Eine derartige Funktion entspricht nicht dem piezoelektrischen Effekt und eignet sich dementsprechend weniger effizient und effektiv für die elektrische Energiegewinnung. Die Piezoelektrizität beschreibt eine Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt) aufgrund einer asymmetrischen Molekularstruktur. Im Inneren und auf den äußerlich angebrachten Elektroden des piezoelektrischen Materials sind Ladungen, die sich wegen der Neutralitätsbedingung komplementär gegenseitig aufheben. Bei einer Verformung verschieben sich die inneren Ladungen, so dass sich wegen der Neutralitätsbedingung auch die Ladungen auf den Elektroden an der Außenseite des piezoelektrischen Materials ändern müssen. Die Elektroden nehmen im Moment der Verformung ein unterschiedliches elektrisches Potenzial an, eine elektrischer Spannungsimpuls tritt auf.Such a function does not correspond to the piezoelectric effect and is accordingly less efficient and effective for generating electrical energy. Piezoelectricity describes a change in electrical polarization and thus the occurrence of electrical voltage on solids when they are elastically deformed (direct piezo effect) due to an asymmetrical molecular structure. Inside and on the externally attached electrodes of the piezoelectric material there are charges which, due to the neutrality condition, cancel each other out in a complementary manner. When deformed, the internal charges shift, so that, due to the neutrality condition, the charges on the electrodes on the outside of the piezoelectric material also have to change. At the moment of deformation, the electrodes take on a different electrical potential, an electrical voltage pulse occurs.

Zu lösendes ProblemProblem to Solve

Aufgabe ist es, einen piezoelektrischen Generator, ein Herstellungsverfahren und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, die einfach, effizient und kostengünstig aufgebaut sind.The object is to provide a piezoelectric generator, a production method and a method for generating electrical energy of the type specified at the outset, which are simple, efficient and inexpensive to build.

Lösung, Vorteile und AusgestaltungSolution, advantages and design

Gelöst wird die Aufgabe mit dem Gegenstand der Ansprüche 1, 8 und 9. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüche beschrieben.The object is achieved with the subject matter of claims 1, 8 and 9. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Ein hier beschriebener piezoelektrischer Generator ist ausgebildet mit einem flächigen, piezoelektrischen Material und einem Spannkörper, wobei das flächige piezoelektrische Material an zwei gegenüberliegenden Seiten des Spannkörpers befestigt ist, von dem Spannkörper im Querschnitt gesehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material aufgespannt ist und beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials jeweils eine Elektrode ausbilden, eine Druckkraft senkrecht zum flächigen piezoelektrischen Material beaufschlagbar ist und bei Beaufschlagung und Entlastung der Druckkraft auf den piezoelektrischen Generator eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden erzeugbar ist.A piezoelectric generator described here is designed with a flat, piezoelectric material and a clamping body, wherein the flat piezoelectric material is attached to two opposite sides of the clamping body, seen from the clamping body in cross section, a chord with the piezoelectric material is stretched and both sides of the flat Surface of the piezoelectric material each form an electrode, a compressive force can be applied perpendicular to the flat piezoelectric material and when the compressive force is applied and relieved on the piezoelectric generator, an electrical voltage can be generated between the electrodes.

Vorteile sind: Der Generator benötigt ein Minimum an kostenintensivem piezoelektrischen Material, das gleichzeitig maximal zu Wirkung kommt, wobei dem piezoelektrische Material eine dreifache technische Funktion zukommt. Zum einen dient das piezoelektrische Material der Generierung elektrischer Energie, zum anderen wandelt die spezielle konstruktive Ausgestaltung eine auf das piezoelektrische Material ausgeübte Druckkraft in eine Zugkraft um, somit kann auf ein mechanische Wandlerelemente, wie im Stand der Technik bislang vorgesehen, verzichtet werden. Das piezoelektrische Material wirkt bis zur Dehnungsgrenze auch als Rückstellfeder. Der Generator ist leichter und einfacher aufgebaut und somit deutlich ressourcenschonender und günstiger bei gleicher oder sogar höherer Effizienz als bisher aus dem Stand der Technik, insbesondere eingangs beschriebene, bekannte Lösungen.The advantages are: The generator requires a minimum of cost-intensive piezoelectric material, which at the same time has a maximum effect, whereby the piezoelectric material has a threefold technical function. On the one hand, the piezoelectric material is used to generate electrical energy; on the other hand, the special structural design converts a compressive force exerted on the piezoelectric material into a tensile force, so that a mechanical transducer element, as previously provided in the prior art, can be dispensed with. The piezoelectric material also acts as a return spring up to the elongation limit. The generator has a lighter and simpler structure and is therefore significantly more resource-saving and cheaper with the same or even higher efficiency than previously from the prior art, in particular known solutions described at the beginning.

Somit ist die autarke Detektion von sich ändernden mechanischen Belastungszuständen und die gleichzeitige Versorgung elektronischer Schaltungen mit elektrischer Energie einfach möglich.Thus, the self-sufficient detection of changing mechanical load conditions and the simultaneous supply of electronic circuits with electrical energy is easily possible.

Es wird hier eine Anordnung beschrieben, bei der ebenfalls ein piezoelektrischer Effekt genutzt wird. Im Gegensatz zu der, in der oben beschriebenen, bekannten Lösung wird hier das Piezomaterial aber nicht durch eine Schlagbelastung wie bei einer Piezokeramik komprimiert, sondern als Folie durch Zugbelastung gedehnt. Um mit möglichst geringem technischen Aufwand Dehnungen von bis zu 5% zu erreichen, wird anstelle der Piezokeramik ein polymeres piezoelektrisches Material, vorzugsweise PVDF (Poly-Venyliden-Di-Fluorid) eingesetzt. Vorzugsweise wird das PVDF in Form einer dünnen Folie verwendet. Die Dicke der Folie kann von <20µm bis zu >100µm reichen. Dabei ist die Folie auf beiden Seiten mit einer dünnen metallischen Schicht versehen. Diese Metallschichten dienen als entsprechende Elektroden. Wird an einen Streifen mit definierter Länge und Breite an den Längsenden eine Zugkraft anlegt, dehnt sich das PVDF und es kann im Moment der Dehnung eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden gemessen werden. Genauso bei der Entlastung der PVDF-Folie mit umgekehrten Vorzeichen.An arrangement is described here in which a piezoelectric effect is also used. In contrast to the known solution described above, the piezomaterial is here not compressed by an impact load as in the case of a piezoceramic, but rather expanded as a film by tensile load. In order to achieve elongations of up to 5% with as little technical effort as possible, a polymer piezoelectric material, preferably PVDF (polyvinylidene di-fluoride), is used instead of the piezoceramic. The PVDF is preferably used in the form of a thin film. The thickness of the film can range from <20 µm to> 100 µm. The foil is provided with a thin metallic layer on both sides. These metal layers serve as corresponding electrodes. If a tensile force is applied to a strip with a defined length and width at the longitudinal ends, the PVDF expands and an electrical voltage can be measured between the two electrodes at the moment of expansion. The same applies to the relief of the PVDF film with the opposite sign.

Hier wird ein Verfahren zum Herstellen eines oben beschriebenen piezoelektrischen Generators beschrieben, wobei in oder an einen Spannkörper ein flächiges piezoelektrisches Material in Form einer Folie zur Dehnung und Entspannung in eine Raumrichtung befestigt wird. Somit ist ein effizienter piezoelektrischer Generator einfach und kostengünstig herstellbar im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Generator.A method for producing a piezoelectric generator described above is described here, in which a sheet-like piezoelectric material in the form of a film is fastened in or on a clamping body for expansion and relaxation in one spatial direction. An efficient piezoelectric generator can thus be produced simply and inexpensively, in contrast to the generator described above.

Hier wird ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines piezoelektrischen Generators beschrieben, wobei der piezoelektrische Generator mit einer Druckkraft F beaufschlagt wird und von dieser entlastet wird, in einem Spannkörper eingespanntes flächiges piezoelektrisches Material, insbesondere linear, das heißt in eine Raumrichtung, auf Zug gedehnt, soweit und solange eine Druckkraft F auf den Generator ausgeübt wird, und anschließend entlastet wird, wobei die Druckkraft F von dem Spannkörper im Kraftweg maximal begrenzt wird und eine Spannung zwischen zwei Elektroden auf den gegenüberliegenden Seiten der Oberflächen des flächigen piezoelektrischen Materials beim Dehnen und Entspannen des piezoelektrischen Materials abgegriffen wird.A method for generating electrical energy by means of a piezoelectric generator is described here, the piezoelectric generator being subjected to a compressive force F and relieved of this, flat piezoelectric material clamped in a clamping body, in particular linearly, that is, stretched in one spatial direction , insofar as and as long as a compressive force F is exerted on the generator and then relieved, the compressive force F being maximally limited by the clamping body in the force path and a voltage between two electrodes on the opposite sides of the surfaces of the sheet-like piezoelectric material when stretching and relaxing of the piezoelectric material is tapped.

Somit wird ein effizientes Verfahren zur elektrischen Energieerzeugung aufgrund einfacher Druckbeaufschlagungen bereitgestellt. Mit piezoelektrischem Material wird eine abgreifbare Spannung aufgrund der Druckbeaufschlagung und Entlastung erzeugt. Ladungen auf den Elektroden sind komplementär zu inneren Ladungen. Im piezoelektrischen Material verschieben sich aufgrund einer mechanischen Verformung die Ladungsschwerpunkte. Dadurch stimmen die auf den Elektroden befindlichen Ladungen und die Ladung im Inneren des piezoelektrischen Materials nicht mehr überein, also muss im äußeren Teil ein Strom fließen, der quasi wieder zur Neutralitätsbedingung führt. An efficient method for generating electrical energy is thus provided on the basis of simple pressurization. With piezoelectric material, a voltage that can be tapped is generated due to the application of pressure and relief. Charges on the electrodes are complementary to internal charges. In the piezoelectric material, the centers of gravity of the charge shift due to mechanical deformation. As a result, the charges on the electrodes and the charge inside the piezoelectric material no longer match, so a current must flow in the outer part, which, as it were, leads to the neutrality condition again.

Neutral heißt, es verhält sich nach Außen elektrisch neutral. Der Übergang, der in der Beanspruchung bzw. Entlastung liegt, führt zu einem Spannungsimpuls und der anschließende Ladungsausgleich im äußern Stromkreis zum elektrischen Stromfluss.Neutral means that it is electrically neutral to the outside world. The transition, which lies in the stress or relief, leads to a voltage pulse and the subsequent charge equalization in the external circuit to the flow of electrical current.

Eine Kapazitätsänderung ist bei diesem Verfahren minimal klein und vernachlässigbar. Im Gegensatz zum elektroaktiven Polymeren wird die Folie nicht durch externe Spannungsquellen geladen.With this method, a change in capacitance is minimally small and negligible. In contrast to the electroactive polymer, the film is not charged by external voltage sources.

FigurenlisteFigure list

Mögliche Ausführungen werden nun anhand der beigefügten schematischen Darstellungen näher erläutert, von denen zeigen:

  • 1 bis 3 einen Querschnitt eines piezoelektrischen Generators gemäß einer ersten Ausführungsform im entlasteten und belasteten Zustand; und
  • 4 und 5 einen Querschnitt eines piezoelektrischen Generators gemäß einer zweiten Ausführungsform im entlasteten und belasteten Zustand.
Possible designs will now be explained in more detail with reference to the attached schematic representations, of which show:
  • 1 to 3 a cross section of a piezoelectric generator according to a first embodiment in the unloaded and loaded state; and
  • 4th and 5 a cross section of a piezoelectric generator according to a second embodiment in the unloaded and loaded state.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Die 1 zeigt einen piezoelektrischen Generator 1 mit einem flächigen, piezoelektrischen Material 2 und einem Spannkörper 5, wobei das flächige piezoelektrische Material 2 an zwei gegenüberliegenden Seiten 51, 52 des Spannkörpers 5 befestigt ist. Von dem Spannkörper 5 ist im Querschnitt gesehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material aufgespannt.The 1 shows a piezoelectric generator 1 with a flat, piezoelectric material 2 and a clamping body 5 , wherein the sheet-like piezoelectric material 2 on two opposite sides 51 , 52 of the clamping body 5 is attached. From the clamping body 5 a chord with the piezoelectric material is spanned when viewed in cross section.

Um eine Sehne am piezoelektrischen Generator vorteilhaft auszubilden, ist der Spannkörper 5 bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet. Die 1 bis 3 zeigen die Folie als piezoelektrisches Material 2 in dem bogenförmigen Spannkörper 5 fest eingespannt. In den 1 bis 3 wirkt auf die Folie eine Zugkraft ausschließlich.In order to advantageously form a chord on the piezoelectric generator, the clamping body is 5 arc-shaped, in particular circular arc-shaped. The 1 to 3 show the film as a piezoelectric material 2 in the arched clamping body 5 firmly clamped. In the 1 to 3 only a tensile force acts on the film.

Beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials 2 bilden jeweils eine Elektrode 6, 7 aus. Eine Druckkraft F ist senkrecht zum flächigen, piezoelektrischen Material 2 beaufschlagbar und bei Beaufschlagung und Entlastung der Druckkraft F ist auf die Druckeinrichtung 4 eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden 6, 7 erzeugbar.Both sides of the flat surface of the piezoelectric material 2 each form an electrode 6th , 7th out. A compressive force F is perpendicular to flat, piezoelectric material 2 can be acted upon and upon application and relief of the pressure force F is on the pressure device 4th an electrical voltage between the electrodes 6th , 7th producible.

Somit ist der Generator 1 deutlich effizienter. Eine Mehrfachwicklung des piezoelektrischen Materials 2 fällt weg. Diese hatte eine nicht vollständige Ausnutzung der Energiewandlung und einen hohen Materialaufwand zur Folge.Thus is the generator 1 significantly more efficient. A multiple winding of the piezoelectric material 2 falls away. This resulted in an incomplete utilization of the energy conversion and a high cost of materials.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der piezoelektrische Generator 1 mit einem Spannkörper 5 zur ausschließlichen Dehnung in einer Raumrichtung des piezoelektrischen Materials 2 ausgebildet ist. Die Spannungswechsel sind somit effektiver und effizienter abgreifbar, im Gegensatz zu Konstruktionen, wenn das piezoelektrische Material 2 flächig in einer X- und Y-Richtung gleichzeitig gedehnt entlastet wird.It has been found to be advantageous that the piezoelectric generator 1 with a clamping body 5 for the exclusive expansion in one spatial direction of the piezoelectric material 2 is trained. The voltage changes can thus be tapped more effectively and efficiently, in contrast to constructions when the piezoelectric material 2 is relieved of stress over a large area in an X and Y direction at the same time.

Um sicher eine hohe Lebensdauer des piezoelektrischen Generators 1 zu erzielen, ist der Spannkörper 5 mit dem piezoelektrischen Material 2 konvex bezüglich der Druckkraft derart ausgebildet, so dass sich der Spannkörper 5 und das piezoelektrische Material 2 bei maximaler Druckbelastung zumindest mittig berühren und insbesondere das piezoelektrische Material 2 bis unterhalb der Dehnungsgrenze, insbesondere von 5%, maximal dehnbar ist. Somit ist die spezifische Ausgestaltung des Spannkörpers 5 gleichzeitig eine physikalische Druckbegrenzungseinrichtung, die eine Überdehnung des piezoelektrischen Materials 2 verhindert.To ensure a long service life of the piezoelectric generator 1 to achieve is the clamping body 5 with the piezoelectric material 2 Convex with respect to the compressive force, so that the clamping body 5 and the piezoelectric material 2 touch at least in the middle at maximum pressure load and in particular the piezoelectric material 2 can be stretched to a maximum of below the elongation limit, in particular by 5%. This is the specific design of the clamping body 5 at the same time a physical pressure-limiting device, which causes an overstretching of the piezoelectric material 2 prevented.

Die Begrenzung der maximalen Dehnung des als Folie ausgebildeten piezoelektrischen Materials 2 wird also festgelegt, zum einen durch die Abstände 9 der Folienfixierungen 51, 52 am Bogen des Spannkörpers 5 und zum anderen durch die Höhe des Bogenbauches 8 vom Spannkörper 5 für eine straffe Folie sorgend, unter der Annahme, dass sich die Folie ausdehnen lässt bis sie mittig den Bogen erreicht. Der Bogen ist weitgehend fest und nur die Folie dehnt sich. Da die maximal mögliche Dehnung somit nur dann auftritt, wenn sich Bogenkörper und Folie berühren, kann sichergestellt werden, dass die Folie nicht überdehnt wird. Der Foliendehnung steht eine Folienrückstellkraft als Federkraft entgegen. D.h. bei Entlastung kehrt die Folie wieder in die zur Sehne aufgespannte Ausgangslage zurück.The limitation of the maximum elongation of the piezoelectric material designed as a film 2 is therefore determined, on the one hand by the distances 9 the film fixings 51 , 52 on the bow of the clamping body 5 and on the other hand by the height of the arch belly 8th from the clamping body 5 Providing a taut film, assuming that the film can be stretched until it reaches the center of the arch. The arch is largely firm and only the film stretches. Since the maximum possible elongation only occurs when the arch body and foil touch, it can be ensured that the foil is not overstretched. The film stretching is counteracted by a film restoring force as a spring force. In other words, when the load is removed, the film returns to the initial position stretched to the tendon.

Gemäß 3 wird der Spannkörper 5 maximal gedehnt, so dass sich der Spannkörper 5 mit dem piezoelektrischen Material 2 berühren und eine weitere Krafteinführung, sowie ein Überdehnen des piezoelektrischen Materials gegen eine Auflage 3 verhindert wird. Die 3 zeigt also eine maximale Dehnung des piezoelektrischen Materials 2, die kleiner ist als die maximal zulässige Belastung aufgrund einer maximalen Beaufschlagung einer Druckkraft 5 auf den Spannkörper 5. Der Spannkörper 5 berührt dabei nahezu geradlinig das als Sehne aufgespannte piezoelektrische Material 2.According to 3 becomes the clamping body 5 stretched to the maximum so that the clamping body 5 with the piezoelectric material 2 touch and a further introduction of force, as well as an overstretching of the piezoelectric material against a support 3 is prevented. The 3 thus shows a maximum elongation of the piezoelectric material 2 that is smaller than the maximum permissible load due to a maximum application of a compressive force 5 on the clamping body 5 . The clamping body 5 touches the piezoelectric material stretched as a tendon almost in a straight line 2 .

Sind die beiden Kanten des Spannkörpers fest verankert, kann eine Dehnung der Folie 2 auch dadurch erreicht werden, dass ein Formkörper 4, hier eine Kugel oder ein Zylinder als Druckeinrichtung 4 zwischen den beiden Fixationspunkten derart auf die Folie 2 drückt, dass diese aus ihrer ursprünglichen Position ausgelenkt wird. In 4 und 5 ist eine solche Anordnung schematisch gezeigt.If the two edges of the clamping body are firmly anchored, the film can stretch 2 can also be achieved in that a molded body 4th , here a ball or a cylinder as a pressure device 4th between the two fixation points in such a way on the film 2 expresses that this is deflected from its original position. In 4th and 5 such an arrangement is shown schematically.

Gemäß den 4 bis 5 liegt also eine Druckeinrichtung 4 auf dem piezoelektrischen Material 2 auf und der Spannkörper 5 ist bezüglich der Richtung der Druckkraft F konkav unter dem piezoelektrischen Material 2 derart ausgebildet, so dass eine maximale Dehngrenze des piezoelektrischen Materials 2 bei maximaler Beaufschlagung der Druckkraft F auf die Druckeinrichtung 4 nicht überschreitbar ist und insbesondere das piezoelektrische Material 2 und der Spannkörper 5 bei maximaler Druckbeaufschlagung sich berühren.According to the 4th to 5 So there is a printing device 4th on the piezoelectric material 2 on and the clamping body 5 is concave under the piezoelectric material with respect to the direction of the compressive force F 2 designed in such a way that a maximum yield strength of the piezoelectric material 2 when the pressure force F is applied to the maximum pressure device 4th cannot be exceeded and in particular the piezoelectric material 2 and the clamping body 5 touch at maximum pressure.

Die separate Druckeinrichtung 4 wirkt mittig auf das piezoelektrische Material 2 direkt mit diesem in Kontakt stehend ein. Sie ist kugel- oder zylinderförmig ausgebildet. Die Druckeinrichtung 4 ist eigentlich beliebig in der Form. Sie muss lediglich auf die als Sehne ausgebildete Folie, die in dem Bogen (hier als Spannkörper oder Bogenkörper bezeichnet) eingespannt ist, wirken können. Die Druckeinrichtung 4 darf keine Schäden verursachen und muss sicherstellen, dass die maximale Dehnung möglich ist. Das piezoelektrische Material 2 wandelt somit eine Druckkraft F in eine Zugkraft gegenüber den Befestigungen am Spannkörper 5 und erzeugt gleichzeitig durch die auf das piezoelektrische Material 2 ausgeübte Kräfteveränderung eine elektrische Energie.The separate printing device 4th acts centrally on the piezoelectric material 2 in direct contact with them. It is spherical or cylindrical. The printing facility 4th is actually arbitrary in shape. It only has to be able to act on the foil, which is designed as a tendon and which is clamped in the arch (here referred to as a tension body or arch body). The printing facility 4th must not cause damage and must ensure that the maximum elongation is possible. The piezoelectric material 2 thus converts a compressive force F into a tensile force with respect to the fastenings on the clamping body 5 and generated simultaneously by the on the piezoelectric material 2 exerted change in force an electrical energy.

Die Druckeinrichtung 4 des piezoelektrischen Generators 1 weist mittig eine Mittelfläche auf, die das piezoelektrische Material 2 zur Beaufschlagung der Druckkraft (F) berührt. Somit wird das piezoelektrische Material 2 gleichmäßiger durch die Druckbewegung gedehnt.The printing facility 4th of the piezoelectric generator 1 has a central surface that contains the piezoelectric material 2 to apply the compressive force (F). Thus, the piezoelectric material becomes 2 stretched more evenly by the pressure movement.

Die Druckeinrichtung 4 des piezoelektrischen Generators 1 ist, mit einer im piezoelektrischen Material elastisch wirkenden Federkraft, die der Druckkraft (F) entgegenwirkt, ausgebildet. Somit wird keine Rückstellfeder im Generator benötigt und der Bauteilaufwand ist reduziert.The printing facility 4th of the piezoelectric generator 1 is formed with a spring force acting elastically in the piezoelectric material, which counteracts the compressive force (F). This means that no return spring is required in the generator and the number of components is reduced.

Das piezoelektrische Material 2 des piezoelektrischen Generators 1 ist eine Polyvinylidendifluorid PVDF-Folie. Die Folie wird bei Zugbelastung weit unterhalb der plastischen Deformationsgrenze belastet. Sie verhält sich also wie ein ideales Federelement, das bei mechanischer Entlastung wieder in den Ausgangszustand zurückkehrt. Nicht das Verformungselement, wie beim bisher bekannten Stand der Technik, sondern die Folie selbst ist die Feder. PVDF ist ein piezoelektrisches Material, weil es in der beta-Phase den piezoelektrischen Effekt besitzt. Gestreckte Folien (mono- und biaxial) liegen in der beta-Phase vor und weisen daher den piezoelektrischen Effekt auf. Die Druckbelastung auf die PVDF-Folie führt zwar auch zu einem elektrischen Signal. Das ist jedoch außerordentlich gering, weil der Druck nur auf die Foliendicke wirkt. Man spricht hier vom Längseffekt, d.h. Kraft und elektrisches Feld liegen in einer Achse. Beim Einsatz von Folien kann das Feld nur zwischen der Ober- und Unterseite genutzt werden, indem diese Seiten mit Elektroden versehen werden. Seitliche Elektroden sind wegen der geringen Materialdicke der Folien (einige µm) praktisch unmöglich. Es gibt aber auch einen Quereffekt. Bei diesem stehen Kraftrichtung und Feldrichtung senkrecht zueinander. Während das Feld nur zwischen beiden metallisierten Folienseiten (Elektroden) existieren kann wirkt die Kraft senkrecht dazu, d.h. zieht oder staucht die laterale Folienausdehnung. Dieser Effekt ist zwar ein bisschen kleiner als der Längseffekt, die Signale sind aber weitaus größer, weil hier die Länge oder Breite des Folienabschnitts mechanisch belastet werden. Mit anderen Worten Einzelfolien auf Druck zu belasten, ist wegen der extrem kleinen Signalantworten sinnlos. Zugbelastungen insbesondere von Einzelfolien in einer Raumrichtung führen dagegen zu großen elektrischen Signalen.The piezoelectric material 2 of the piezoelectric generator 1 is a polyvinylidene difluoride PVDF film. The foil is under tensile load loaded far below the plastic deformation limit. So it behaves like an ideal spring element, which returns to its original state when the mechanical load is relieved. Not the deformation element, as in the previously known prior art, but the film itself is the spring. PVDF is a piezoelectric material because it has the piezoelectric effect in the beta phase. Stretched films (mono- and biaxial) are in the beta phase and therefore have the piezoelectric effect. The pressure load on the PVDF film also leads to an electrical signal. However, this is extremely small because the pressure only acts on the film thickness. One speaks here of the longitudinal effect, ie the force and the electric field lie in one axis. When using foils, the field between the top and bottom can only be used by providing these sides with electrodes. Lateral electrodes are practically impossible due to the low material thickness of the foils (a few µm). But there is also a cross-effect. In this case, the direction of force and field direction are perpendicular to one another. While the field can only exist between the two metallized foil sides (electrodes), the force acts perpendicular to it, ie pulls or compresses the lateral extent of the foil. This effect is a little smaller than the longitudinal effect, but the signals are much larger because the length or width of the film section is mechanically stressed here. In other words, applying pressure to individual foils is pointless because of the extremely small signal responses. On the other hand, tensile loads, especially of individual foils in one spatial direction, lead to large electrical signals.

Der Verformungskörper bzw. Spannkörper 5 in der Form einer Druckeinrichtung 4 ist also notwendig, um Druck- in Zugbelastungen mittels des piezoelektrischen Materials 2 in Form einer Folie zu konvertieren.The deformation body or clamping body 5 in the form of a printing device 4th is therefore necessary to reduce compressive and tensile loads by means of the piezoelectric material 2 to convert in the form of a slide.

Ein Verfahren zum Herstellen eines, insbesondere oben beschriebenen, piezoelektrischen Generators 1 umfasst die Schritte, dass in oder an einem Spannkörper 5 ein flächiges piezoelektrisches Material 2 befestigt wird. Somit ist ein piezoelektrischer Generator 1 mit minimalsten Ressourcen und maximaler Energieausbeute herstellbar.A method for producing a piezoelectric generator, in particular described above 1 comprises the steps of being in or on a clamping body 5 a flat piezoelectric material 2 is attached. Thus is a piezoelectric generator 1 Can be produced with minimal resources and maximum energy yield.

Ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines, insbesondere oben beschriebenen, piezoelektrischen Generators 1, umfasst die Schritte, dass der piezoelektrische Generator 1 mit einer Druckkraft F beaufschlagt wird und von dieser entlastet wird, ein im Spannkörper 5 eingespanntes flächiges piezoelektrisches Material 2, soweit und solange eine Druckkraft F, insbesondere auf die Druckeinrichtung 4, ausgeübt wird, auf Zug gedehnt und anschließend entlastet wird, wobei die Druckkraft F vom Spannkörper 5 im Kraftweg maximal begrenzt wird und eine Spannung zwischen zwei Elektroden 6, 7 auf den gegenüberliegenden Seiten der Oberflächen des flächigen piezoelektrischen Materials 2, beim Dehnen und Entspannen des piezoelektrischen Materials 2 abgegriffen wird. Somit wird elektrische Energie effizient aus Druckkräften gewonnen, bei minimalem Bauteilaufwand aufgrund der Dreifachfunktion des piezoelektrischen Materials.A method for generating electrical energy by means of a piezoelectric generator, in particular described above 1 , includes the steps that the piezoelectric generator 1 is acted upon by a compressive force F and is relieved of this, a in the clamping body 5 clamped flat piezoelectric material 2 , as far and as long as a pressure force F, in particular on the pressure device 4th , is exercised, is stretched on train and then relieved, the compressive force F from the clamping body 5 in the force path is maximally limited and a voltage between two electrodes 6th , 7th on the opposite sides of the surfaces of the sheet-like piezoelectric material 2 , when stretching and relaxing the piezoelectric material 2 is tapped. Thus, electrical energy is efficiently obtained from compressive forces, with minimal component expenditure due to the triple function of the piezoelectric material.

Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, ist der piezoelektrischer Generator 1 mit einer Druckeinrichtung 4 kugel- oder zylinderförmig ausgebildet und wirkt bevorzugt mittig auf das piezoelektrische Material 2 direkt mit diesem in Kontakt stehend ein. Somit hat das piezoelektrische Material 2 eine Dreifachfunktion. Es wandelt die Druckkraft in eine Zugkraft auf das piezoelektrische Material 2 senkrecht wirkend erzeugt gleichzeitig die elektrische Spannung mittels Dehnung und Entlastung und wirkt als Federelement, das nach Druckentlastung den Ausgangszustand wiederhergestellt.As in the 4th and 5 shown is the piezoelectric generator 1 with a printing device 4th Spherical or cylindrical in shape and preferably acts centrally on the piezoelectric material 2 in direct contact with them. Thus, the piezoelectric material has 2 a triple function. It converts the compressive force into a tensile force on the piezoelectric material 2 Acting vertically, it simultaneously generates the electrical voltage by means of expansion and relief and acts as a spring element, which restores the initial state after pressure relief.

Bei entsprechender Krafteinwirkung (Pfeil) wird die piezoelektrische PVDF-Folie 2 gedehnt, an den Elektroden 6, 7 ist im Moment der Bewegung eine elektrische Spannung messbar. Die Höhe der Spannung hängt vom gedehnten Volumen der Folie 2 und dem Grad der Dehnung ab. Mit steigendem Volumen und steigender Dehnung steigt auch die elektrische Spannung. Bei mechanischer Entlastung nimmt die Folie 2 wieder ihre ursprüngliche Form ein. Während der Entlastungsbewegung tritt erneut eine elektrische Spannung zwischen beiden Elektroden 6, 7 auf. Das Vorzeichen der Spannung ist gegenüber der Belastungsbewegung umgekehrt. Damit kann anhand der Vorzeichen der generierten Spannungsimpulse erkannt werden, ob eine Be- oder eine Entlastung der Folie stattgefunden hat.With the appropriate force (arrow), the piezoelectric PVDF film becomes 2 stretched, on the electrodes 6th , 7th an electrical voltage can be measured at the moment of movement. The amount of tension depends on the stretched volume of the film 2 and the degree of stretching. With increasing volume and increasing elongation, the electrical voltage also increases. With mechanical relief, the film decreases 2 return to their original shape. During the unloading movement, an electrical voltage occurs again between the two electrodes 6th , 7th on. The sign of the voltage is opposite to that of the load movement. In this way, the sign of the generated voltage pulses can be used to identify whether the film has been loaded or unloaded.

Die Form des Spannkörpers 5 kann auch U-, V-, trapez-, rechteck- oder polygonförmig gestaltet sein. Ebenso ist die Form des Formkörpers 4 als Druckeinrichtung 4 beliebig gestaltbar, wenn sichergestellt ist, dass damit die Folie 2 in die Tiefe des Spannkörpers 5 gedrückt werden kann.The shape of the clamping body 5 can also be U-, V-, trapezoidal, rectangular or polygonal. The same is true of the shape of the molded body 4th as a printing device 4th Can be designed in any way, if it is ensured that the film is thereby 2 into the depth of the clamping body 5 can be pressed.

Bei maximaler Druckbelastung auf die Druckeinrichtung 4 wird das piezoelektrische Material 2 in Form der Folie in eine Raumrichtung gedehnt und der Spannkörper 5 berührt, so dass eine weitere extensive Dehnung nicht mehr möglich ist, wie in der 5 gezeigt ist.At maximum pressure load on the pressure device 4th becomes the piezoelectric material 2 in the form of the film stretched in one spatial direction and the clamping body 5 so that further extensive stretching is no longer possible, as in the 5 is shown.

Zusätzlich kann der Spannkörper 5 in Form des Bogens Last aufnehmen und sich entgegen seiner Durchbiegung strecken. Dadurch vergrößert sich ein Abstand der Folienfixierungspunkte und die Folie wird ebenso gestreckt. In diesem Fall wirken die Bogenrückstellkraft und die Folienrückstellkraft als Federkraft.In addition, the clamping body 5 take up load in the form of the arch and stretch against its deflection. This increases the distance between the film fixing points and the film is also stretched. In this case, the sheet restoring force and the film restoring force act as a spring force.

Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Ende des Spannkörpers 4 nicht fixiert und kann sich frei in Längsrichtung bewegen.According to one embodiment, at least one end is the clamping body 4th not fixed and can move freely lengthways.

Die vorangehend beschriebenen Varianten des Verfahrens und der Vorrichtung dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften der vorgestellten Lösung; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches / welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Lösung zuzuschreiben sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst.The variants of the method and the device described above are only used to provide a better understanding of the structure, the mode of operation and the properties of the solution presented; they do not restrict the disclosure to the exemplary embodiments. The figures are schematic, with essential properties and effects in some cases being shown significantly enlarged in order to clarify the functions, operating principles, technical configurations and features. Any mode of operation, any principle, any technical configuration and any feature that is / are disclosed in the figures or in the text, with all claims, every feature in the text and in the other figures, other modes of operation, principles, Technical configurations and features that are contained in this disclosure or result therefrom can be freely and arbitrarily combined, so that all conceivable combinations can be attributed to the solution described. Combinations between all the individual statements in the text, that is to say in each section of the description, in the claims and also combinations between different variants in the text, in the claims and in the figures are also included.

Die vorstehend erläuterten Vorrichtungs- und Verfahrensdetails sind zwar im Zusammenhang dargestellt; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sie auch unabhängig voneinander sind und auch frei miteinander kombinierbar sind. Die in den Fig. gezeigten Verhältnisse der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander und deren Abmessungen und Proportionen sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr können einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen.The device and method details explained above are shown in context; however, it should be noted that they are also independent of one another and can also be freely combined with one another. The relationships shown in the figures of the individual parts and sections thereof to one another and their dimensions and proportions are not to be understood as limiting. Rather, individual dimensions and proportions can also differ from those shown.

Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle aufgezeigten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.The claims also do not limit the disclosure and thus the possible combinations of all the features shown with one another. All the features shown are explicitly disclosed here individually and in combination with all other features.

Claims (9)

Piezoelektrischer Generator (1) mit einem flächigen, piezoelektrischen Material (2) und einem Spannkörper (5), wobei das flächige piezoelektrische Material (2) an zwei gegenüberliegenden Seiten (51, 52) des Spannkörpers (5) befestigt ist, von dem Spannkörper im Querschnitt gesehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material (2) aufgespannt ist und beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials (2) jeweils eine Elektrode (6, 7) ausbilden, eine Druckkraft (F) senkrecht zum flächigen, piezoelektrischen Material (2) beaufschlagbar ist und bei Beaufschlagung und Entlastung der Druckkraft (F) auf den piezoelektrischen Generator (1) eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden (6, 7) erzeugbar ist.Piezoelectric generator (1) with a flat, piezoelectric material (2) and a clamping body (5), the flat piezoelectric material (2) being attached to two opposite sides (51, 52) of the clamping body (5), from the clamping body in the Seen in cross section, a chord with the piezoelectric material (2) is spanned and both sides of the flat surface of the piezoelectric material (2) each form an electrode (6, 7), a compressive force (F) can be applied perpendicular to the flat, piezoelectric material (2) and when the pressure force (F) is applied and relieved on the piezoelectric generator (1), an electrical voltage can be generated between the electrodes (6, 7). Piezoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1, wobei der Spannkörper (5) zur ausschließlichen Dehnung des piezoelektrischen Materials (2) in eine Raumrichtung ausgebildet ist.Piezoelectric generator (1) according to Claim 1 , wherein the clamping body (5) is designed for the exclusive expansion of the piezoelectric material (2) in one spatial direction. Piezoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spannkörper (5) bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet ist.Piezoelectric generator (1) according to Claim 1 or 2 , wherein the clamping body (5) is arcuate, in particular arcuate. Piezoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Spannkörper (5) mit dem piezoelektrischen Material (2) konvex bezüglich der Druckkraft derart ausgebildet ist, so dass sich der Spannkörper (5) und das piezoelektrische Material (2) bei maximaler Druckbelastung zumindest mittig berühren und insbesondere das piezoelektrische Material (2) bis unterhalb der Dehnungsgrenze, insbesondere von 5%, maximal dehnbar ist.Piezoelectric generator (1) according to Claim 1 , 2 or 3 , wherein the clamping body (5) with the piezoelectric material (2) is convex with respect to the compressive force in such a way that the clamping body (5) and the piezoelectric material (2) touch at least in the middle and in particular the piezoelectric material (2 ) is maximally expandable below the elongation limit, in particular by 5%. Piezoelektrischer Generator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Druckeinrichtung (4) auf dem piezoelektrischen Material (2) aufliegt und der Spannkörper (5) bezüglich der Richtung der Druckkraft (F) konkav unter dem piezoelektrischen Material (2) derart ausgebildet ist, so dass eine maximale Dehngrenze des piezoelektrischen Materials (2) bei maximaler Beaufschlagung der Druckkraft (F) auf die Druckeinrichtung (4) nicht überschreitbar ist und insbesondere das piezoelektrische Material und der Spannkörper bei maximaler Druckbeaufschlagung sich berühren.Piezoelectric generator (1) according to one of the Claims 1 to 3 , whereby a pressure device (4) rests on the piezoelectric material (2) and the clamping body (5) is formed concave under the piezoelectric material (2) with respect to the direction of the pressure force (F) so that a maximum yield strength of the piezoelectric material ( 2) cannot be exceeded when the pressure force (F) is applied to the pressure device (4) to the maximum and, in particular, the piezoelectric material and the clamping body touch each other when the pressure is maximum. Piezoelektrischer Generator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das piezoelektrische Material (2) eine Polyvinylidendifluorid PVDF-Folie ist.Piezoelectric generator (1) according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the piezoelectric material (2) is a polyvinylidene difluoride PVDF film. Piezoelektrischer Generator (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Druckeinrichtung (4) kugel- oder zylinderförmig ausgebildet ist.Piezoelectric generator (1) according to one of the Claims 5 to 6th , wherein the pressure device (4) is spherical or cylindrical. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Generators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in oder an einem Spannkörper (5) ein flächiges, piezoelektrisches Material (2) in Form einer Folie zur Dehnung und Entspannung in einer Raumrichtung befestigt wird.Method for producing a piezoelectric generator (1) according to one of the Claims 1 to 7th wherein in or on a clamping body (5) a flat, piezoelectric material (2) in the form of a film is attached for stretching and relaxation in one spatial direction. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines piezoelektrischen Generators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der piezoelektrische Generator (1) mit einer Druckkraft (F) beaufschlagt wird und von dieser entlastet wird, ein in dem Spannkörper (5) eingespanntes, flächiges, piezoelektrisches Material (2) auf Zug gedehnt, soweit und solange eine Druckkraft (F) auf den Generator ausgeübt wird, und anschließend entlastet wird, wobei die Druckkraft (F) von dem Spannkörper (5) im Kraftweg maximal begrenzt wird und eine Spannung zwischen zwei Elektroden (6, 7) auf den gegenüberliegenden Seiten (21, 22) der Oberflächen des flächigen piezoelektrischen Materials (2) beim Dehnen und Entspannen des piezoelektrischen Materials (2) abgegriffen wird.Method for generating electrical energy by means of a piezoelectric generator (1) according to one of the Claims 1 to 7th , whereby the piezoelectric generator (1) is acted upon by a compressive force (F) and is relieved of this, a flat, piezoelectric material (2) clamped in the clamping body (5) is stretched to the extent that and as long as a compressive force (F) is exerted on the generator and is then relieved, the compressive force (F) being maximally limited in the force path by the clamping body (5) and a voltage between two electrodes (6, 7) on the opposite sides (21, 22) of the surfaces of the sheet-like piezoelectric material (2) is tapped when the piezoelectric material (2) is stretched and relaxed.
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