DE19921055A1 - Piezoelectric operated LED - Google Patents
Piezoelectric operated LEDInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
- F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Blinkleuchte mit einer Leuchtdiode, insbesondere eine Si cherheitsblinkleuchte.The invention relates to a flashing light with a light-emitting diode, in particular an Si flashing safety light.
Solche Blinkleuchten werden regelmäßig verwendet, um im Dunkeln auf besondere Gefahrenstellen aufmerksam zu machen, insbesondere damit Menschen, die sich im Dunkeln bewegen, rechtzeitig erkannt werden können.Such turn signals are used regularly to look for special in the dark To draw attention to danger spots, especially so that people who are in the Move dark, can be recognized in time.
Auch werden Blinkleuchten einfach als Blickfang verwendet, um werbewirksam die Aufmerksamkeit zu erwecken oder um Lebensfreude zu vermitteln.Direction indicators are also simply used as eye-catchers to make the advertising effective To attract attention or to convey joie de vivre.
Mit Leuchtdioden ausgestattete Sicherheitsblinkleuchten werden beispielsweise als Fahrradzubehör oder für Jogger zum Tragen am Arm vertrieben. Diese Sicherheitsblin kleuchten werden in der Regel mit Batterien betrieben.Safety flashing lights equipped with LEDs are used, for example, as Bicycle accessories or sold for joggers to wear on the arm. This safety blink lights are usually powered by batteries.
Bei batteriebetriebenen Blinkleuchten besteht jedoch den Nachteil, daß eine Batterie nach einer bestimmten Betriebsdauer aufgebraucht sind, so daß sie ausgewechselt werden müssen. Hierdurch entstehen dem Verbraucher nicht nur Betriebskosten, es entsteht auch Abfall, der als Sondermüll entsorgt werden muß. Auch stehen nicht ohne weiteres jederzeit Ersatzbatterien zum Auswechseln zur Verfügung, so daß die Gefahr besteht, daß das Blinkleuchte nicht immer einsatzbereit ist.With battery-operated turn signals, however, there is the disadvantage that a battery are used up after a certain period of operation, so that they are replaced Need to become. This not only creates operating costs for the consumer, it there is also waste that has to be disposed of as special waste. Also do not stand without further replacement batteries available at any time to replace, so the danger there is that the flashing light is not always ready for use.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, die Leuchtdiode einer Blinkleuchte über eine Spule mit Strom zu versorgen, in der ein Permanentmagnet federnd gelagert ist. Sobald die Blinkleuchte bewegt wird, wird über die Spule ein Strom induziert und damit die Leuchtdiode zum Leuchten gebracht. Die bekannten Blinkleuchten dieser Bauart haben jedoch den Nachteil, daß sie mit ca. 90 g ein Gewicht aufweist, das für den Verbraucher hinderlich sein kann. To avoid these disadvantages, it is known to use the light emitting diode of a flashing light to supply power via a coil in which a permanent magnet resiliently mounted is. As soon as the flashing light is moved, a current is induced via the coil and so that the light emitting diode lit up. The well-known flashing lights of this However, design have the disadvantage that it has a weight of approx. 90 g, which is suitable for can be a hindrance to the consumer.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Blinkleuchte zu schaffen, die ohne Batterien betrieben werden kann und deren Gewicht gegenüber den bekannten Blinkleuchten reduziert ist.The present invention is therefore based on the task of a flashing light create that can be operated without batteries and their weight compared the known turn signal lights is reduced.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Leuchtdiode von mindestens einem pie zoelektrischen Element mit Strom versorgt wird.This object is achieved in that the LED of at least one pie zoelectric element is powered.
Das piezoelektrische Element kann aus einem oder mehreren piezokeramischen Ele menten bestehen, deren Oberflächen mit einem Leitermaterial beschichtet sind. In einem piezoelektrischen Element wird der Effekt ausgenutzt, daß mit der Verfor mung des Elements und der dadurch bewirkten Verschiebung des Kristallgitters im piezoelektrischen Element Ladungen verschoben werden. Dadurch kann an den sich gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Elements eine Spannung ab gegriffen werden.The piezoelectric element can consist of one or more piezoceramic elements elements exist, the surfaces of which are coated with a conductor material. In a piezoelectric element, the effect is exploited that with the Verfor tion of the element and the resulting displacement of the crystal lattice in the Piezoelectric element charges are shifted. This can help you a voltage from opposite surfaces of the piezoelectric element be gripped.
Wird nun das piezoelektrische Element verformt und danach in eine Ausgangslage zurückversetzt, liegen an den Oberflächen unterschiedliche Spannungen an. Mit die sem Spannungswechsel geht ein Stromimpuls einher, der zum Betreiben von Leucht dioden eingesetzt werden kann. Bei ausreichend schneller und alternierender Verfor mung des piezoelektrischen Elements kann somit auf einfachste Weise ein Blinklicht realisiert werden. Je schneller dabei das piezoelektrische Element verformt wird, desto stärker ist der erzeugte Stromimpuls und desto heller leuchtet die Leuchtdiode auf. Das Gewicht der erfindungsgemäßen Blinkleuchte ist deutlich gegenüber den be kannten Blinkleuchten reduziert, da auf gegenüber dem piezoelektrischen Element vergleichsweise schwere Bauteile wie eine Batterie oder ein Permanentmagnet ver zichtet werden kann. Es lassen sich Blinkleuchten mit einem Gewicht von 2-20 g oder sogar noch geringer realisieren.Now the piezoelectric element is deformed and then in a starting position set back, there are different tensions on the surfaces. With the This voltage change is accompanied by a current pulse that is used to operate lights diodes can be used. With sufficiently fast and alternating deformation Blinking of the piezoelectric element can thus in the simplest way will be realized. The faster the piezoelectric element is deformed, the more the generated current pulse is stronger and the brighter the LED lights up. The weight of the flashing light according to the invention is clear compared to the be Known turn signal lights reduced, as compared to the piezoelectric element comparatively heavy components such as a battery or a permanent magnet can be waived. Flashing lights with a weight of 2-20 g can be used or even less.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden zwei Leuchtdioden in Antiparallelschal tung von dem piezoelektrischen Element mit Strom versorgt werden. Auf diese Weise kann sowohl der Strom, der bei Belastung des piezoelektrischen Elements erzeugt wird, als auch der Strom in entgegengesetzter Richtung, der bei Entlastung des piezo elektrischen Elements erzeugt wird, zum Erzeugen des Blinksignals genutzt werden.In a preferred embodiment, two light-emitting diodes are in an anti-parallel shawl device are powered by the piezoelectric element. In this way can both the current generated when the piezoelectric element is loaded is, as well as the current in the opposite direction, which when the piezo electrical element is generated can be used to generate the flashing signal.
Das piezoelektrische Element ist bevorzugt auf einer elastischen Trägerplatte angeord net. The piezoelectric element is preferably arranged on an elastic carrier plate net.
Eine geeignete Trägerplatte kann beispielsweise aus Metall oder auch aus Kunststoff bestehen, wobei ein leitendes Material grundsätzlich zu bevorzugen ist, da es gleich zeitig als Kontaktplatte zum Anschluß von Leuchtdioden verwendet werden kann.A suitable carrier plate can be made of metal or plastic, for example exist, whereby a conductive material is generally preferred, since it is the same can be used as a contact plate for the connection of LEDs.
Das Trägerplattenmaterial sollte so bemessen sein, daß sich die Trägerplatte aus einem ausgelenkten Zustand bei Entlastung immer wieder in die gleiche Ruhestellung zu rückstellt.The carrier plate material should be dimensioned so that the carrier plate consists of one deflected state in the same rest position when relieved resets.
Das piezoelektrische Element kann auf die Trägerplatte gelötet, geklebt oder laminiert werden.The piezoelectric element can be soldered, glued or laminated to the carrier plate become.
Sobald die Trägerplatte einem Biegemoment ausgesetzt wird, verändert sich die Span nungsverteilung im piezoelektrischen Element, so daß hierdurch ein Strom erzeugt wird. Um ein Biegemoment auf die Trägerplatte auszuüben, kann sie beispielsweise an einem ihrer Enden fest eingespannt sein und eine Kraft auf ihr anderes Ende wirken. Als auf einer Trägerplatte angeordnetes piezoelektrisches Element kann beispielsweise ein handelsüblicher, piezokeramischer Schallwandler eingesetzt werden.As soon as the carrier plate is subjected to a bending moment, the chip changes voltage distribution in the piezoelectric element, so that this generates a current becomes. In order to exert a bending moment on the carrier plate, it can be applied, for example be firmly clamped at one of its ends and have a force on its other end. As a piezoelectric element arranged on a carrier plate, for example a commercially available, piezoceramic transducer can be used.
Die auf die Trägerplatte aufzubringenden Kräfte können insbesondere durch einen Bewegungsaufnehmer, der mit der Trägerplatte gekoppelt ist, aufgebracht werden. Dieser Bewegungsaufnehmer muß gewährleisten, daß dynamische Kräfte, die von der Blinkleuchte ausgenutzt werden sollen, so auf die Trägerplatte aufgebracht werden, daß ein möglichst großer Strom erzeugt wird, gleichzeitig aber die Trägerplatte oder das piezoelektrische Element gegen eine Beschädigung durch eine Überlast geschützt ist.The forces to be applied to the carrier plate can in particular be brought about by a Motion sensor, which is coupled to the carrier plate, are applied. This motion sensor must ensure that dynamic forces exerted by the Flashing light should be used, so be applied to the carrier plate, that the largest possible current is generated, but at the same time the carrier plate or the piezoelectric element is protected against damage by an overload is.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Blinkleuchte umfaßt der Bewegungsaufnehmer ein Federelement und/oder einen Hebelarm. Hierüber kann der Kraftfluß von der zu beaufschlagenden Kraft auf die Trägerplatte geführt und gleich zeitig eine Sicherung gegen eine mechanische Überlastung gewährleistet werden.In an advantageous embodiment of the flashing light according to the invention, the Motion sensor a spring element and / or a lever arm. The can Force flow from the force to be applied to the carrier plate and the same protection against mechanical overload can be guaranteed in good time.
So können beispielsweise zwei an sich gegenüberliegenden Enden der Trägerplatte befestigte Hebelarme vorgesehen und das Federelement eine Blattfeder sein, wobei die Blattfeder von den Hebelarmen gehalten wird. Dabei wird die Blattfeder im we sentlichen parallel zur Trägerplatte geführt. Wird die Blattfeder in Richtung zur Träger platte hin belastet, wird der Abstand der Befestigungspunkte von Blattfeder und He belarmen verändert. Hierdurch wirkt ein Drehmoment auf die Befestigungspunkte der Hebelarme an der Trägerplatte, daß dann auf die elastische Trägerplatte übertragen wird, so daß diese ihre Position verändert, sich beispielsweise aus einer Ruhelage her aus biegt. Hierdurch wirken Biegekräfte auf das piezoelektrische Element, so daß ein Strom erzeugt wird.For example, two opposite ends of the carrier plate can be used attached lever arms provided and the spring element be a leaf spring, wherein the leaf spring is held by the lever arms. The leaf spring in the we considerably parallel to the carrier plate. The leaf spring becomes towards the carrier plate, the distance between the fastening points of the leaf spring and He slouch changed. As a result, a torque acts on the attachment points of the Lever arms on the carrier plate that then transferred to the elastic carrier plate is, so that this changes its position, for example from a rest position bends out. As a result, bending forces act on the piezoelectric element, so that a Electricity is generated.
Bei dieser Ausführung ist die Trägerplatte von einer beaufschlagten Bewegung ent koppelt und somit vor einer mechanischen Überlastung gesichert, vor allem, wenn die Blattfeder oder die Hebelarme so gelagert sind, daß nur Drehmomente und nicht ge richtete Kräfte auf die Trägerplatte wirken.In this embodiment, the carrier plate is entrained by an applied movement couples and thus secured against mechanical overload, especially if the Leaf spring or the lever arms are mounted so that only torques and not ge directed forces act on the carrier plate.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Trägerplatte zwei Plattenteile aufweist, die gemeinsam einen spitzen Winkel einschließen und starr mit einander gekoppelt sind. Werden die freien Enden der Plattenteile zusammengedrückt, werden die Plattenteile aufeinander zu gebogen, so daß die von den Plattenteilen ge haltenen piezoelektrischen Elemente gestaucht werden und ein Strom erzeugt wird.Another advantageous embodiment is that the carrier plate two Has plate parts that together enclose an acute angle and rigid with are coupled to each other. If the free ends of the plate parts are pressed together, the plate parts are bent towards each other, so that the ge of the plate parts piezoelectric elements are compressed and a current is generated.
Aufgrund der geringen Ausmaße der für die Blinkleuchte benötigten Komponenten wird eine Vielzahl von Verwendungen möglich.Due to the small size of the components required for the direction indicator a variety of uses becomes possible.
So kann die Blinkleuchte mit einer Rolle für Rollschuhe, Inline-Skates oder ein Skate board eingesetzt werden.The flashing light can be used with a roller for roller skates, inline skates or a skate board can be used.
In einer möglichen Ausgestaltung kann dabei eine Trägerplatte aus zwei federelastisch miteinander verbundenen Plattenteilen unter in eine Rolle unterhalb der Lauffläche angeordnet sein, so daß das piezoelektrische Element mit einem Druck beaufschlagt wird, wenn der die Trägerplatte tragende Teil der Rolle auf dem Boden abrollt, und entlastet wird, wenn andere Teile der Rolle auf dem Boden abrollen. Die Leuchtdiode kann dann beispielsweise im Bereich der Seitenwand der Rolle angeordnet sein. Dreht sich die Rolle schnell, wird ein Betrachter das von der Leuchtdiode erzeugte Blinklicht aufgrund der Trägheit des Auges als Lichtkreis wahrnehmen.In a possible embodiment, a carrier plate made of two resilient interconnected plate parts below in a role below the tread be arranged so that the piezoelectric element is pressurized when the part of the roll carrying the support plate rolls on the floor, and is relieved when other parts of the roll roll on the floor. The light emitting diode can then be arranged, for example, in the region of the side wall of the roller. Turns If the role changes quickly, an observer will see the flashing light generated by the light-emitting diode perceive as a circle of light due to the sluggishness of the eye.
Ist die Rolle mit einem transparenten Material gefertigt, kann die gesamte Rolle mit der Leuchtdiode zum Leuchten gebracht werden.If the roll is made with a transparent material, the entire roll can be made with the Light-emitting diode are brought to light.
In einer anderen Ausführung ist die Trägerplatte eines piezoelektrische Elements nicht innerhalb der Rolle, sondern an einer Seite fest mit dem Rollengestell verbunden. Das freie Ende der Trägerplatte ist mit einem Federarm gekoppelt, der an seinem freien Ende ein auf der Rolle abrollendes Reibrad aufweist. Die Umfangsfläche des Reibrades kann mehreckig oder in der Art eines Nocken ausgebildet sein, so daß der Federarm unterschiedlich stark ausgelenkt wird, wenn das Reibrad auf der Lauffläche der Rolle abrollt. Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn das Reibrad exzentrische gelagert ist. So mit wirkt auf die Trägerplatte eine sich ständig ändernde Kraft bzw. ein sich ständig änderndes Biegemoment, wodurch der Strom für die Leuchtdiode generiert wird, wo bei bei ausreichend schneller Fahrt sogar der Eindruck eines Dauerlichts entsteht. Die Leuchtdiode kann dabei so an dem Skateboard, den Rollschuhen oder den In-Line- Skates angeordnet sein, daß sie in Fahrtrichtung gesehen nach hinten abstrahlt und somit die Funktion eines Rücklichts übernimmt.In another embodiment, the carrier plate of a piezoelectric element is not inside the roll, but firmly connected to the roll frame on one side. The free end of the carrier plate is coupled to a spring arm, which is at its free End has a friction wheel rolling on the roll. The peripheral surface of the friction wheel can be polygonal or in the form of a cam, so that the spring arm is deflected differently when the friction wheel on the tread of the roller rolls off. The same effect is achieved if the friction wheel is mounted eccentrically. Like this with acts on the carrier plate a constantly changing force or a constantly changing changing bending moment, whereby the current is generated for the light-emitting diode, where when driving fast enough, there is even the impression of a steady light. The The LED can be attached to the skateboard, roller skates or in-line Skates must be arranged so that they radiate to the rear and seen in the direction of travel thus takes over the function of a rear light.
Der mit der Stromerzeugung verbundene, auf die Rollen wirkende Widerstand ist bei beiden Ausführungsformen so gering, daß er von dem Fahrer nicht wahrgenommen wird.The drag on the rollers associated with power generation is at both embodiments so low that he was not noticed by the driver becomes.
In ähnlicher Weise läßt sich das Prinzip der Blinkleuchte in einem Reifen für ein Fahr zeug, insbesondere in einem Auto- oder Fahrradreifen, verwenden, wobei die Leucht diode in der seitlichen Mantelfläche des Reifens und das piezoelektrische Element wahlweise in der Lauffläche des Reifens oder in dessen seitlicher Mantelfläche einge lassen oder aufgesetzt ist. Hierbei können die auf die Lauffläche des Reifens wirken den Druckkräfte oder die in der Seitenwand des Reifenmantels wirkenden Walkkräfte ausgenutzt werden.In a similar way, the principle of the flashing light can be used in a tire for a drive stuff, especially in a car or bicycle tire, use, the light diode in the lateral lateral surface of the tire and the piezoelectric element either in the tread of the tire or in its lateral surface leave or put on. This can affect the tread of the tire the compressive forces or the flexing forces acting in the sidewall of the tire casing be exploited.
Auch kann das Profil eines Reifen ausgenutzt werden, um ein an einem Federarm an geordnetes, rundes Reibrad beim Abrollen auf der Lauffläche des Reifens unterschied lich stark auszulenken und auf diese Weise ein piezoelektrisches Element anzuregen.The profile of a tire can also be used to attach to a spring arm orderly, round friction wheel when rolling on the tread of the tire Lich deflect strongly and in this way to excite a piezoelectric element.
Im weiteren kann die Blinkleuchte vorteilhaft in einem Schuh, insbesondere einem Turn- oder Freizeitschuh, verwendet werden. So kann das piezoelektrische Element in dem Fersenbereich der Schuhsohle eingearbeitet sein und bei jedem Auftreten des Fu ßes zusammengedrückt und beim Abrollen und Abheben des Fußes wieder entlastet werden. Auch ist es möglich, alternativ oder in Kombination hierzu ein piezoelektri sches Element im Bereich des Fußballens vorzusehen. Die Leuchtdiode kann zum Bei spiel im Fersenbereich des Schuhs angeordnet sein und als Rückleuchte wirken.In addition, the flashing light can be advantageous in a shoe, especially one Gym or casual shoe can be used. So the piezoelectric element in be incorporated into the heel area of the shoe sole and every time the foot appears ßes pressed together and relieved when rolling and lifting the foot become. It is also possible, as an alternative or in combination, to use a piezoelectric element in the field of football. The LED can be used play in the heel area of the shoe and act as a rear light.
Auch kann die Blinkleuchte vorteilhaft in einem Reit- oder Fahrradsattel verwendet werden. So kann das piezoelektrische Element beispielsweise unterhalb der Sitzfläche angeordnet sein. The flashing light can also be used advantageously in a riding or bicycle saddle become. For example, the piezoelectric element can be below the seat be arranged.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die Blinkleuchte besteht in einer Sicher heitsfahnenstange für Fahrzeuge, insbesondere für Fahrräder und Dreiräder.Another application for the turn signal lamp is a safety device flag pole for vehicles, especially for bicycles and tricycles.
Die Fahnenstange wird an ihrem unteren Ende an dem Fahrzeuggestell befestigt, trägt an ihrem oberen Ende eine Fahne, ist in der Regel aus einem federelastischen Kunst stoff und schwingt während der Fahrt hin und her. Die Trägerplatte für das piezoelek trische Element kann mit ihrem einen Ende ebenso über das Fahrzeuggestell fest gela gert sein, während auf das gegenüberliegende Ende die in der Fahnenstange wirken den Biegemomente einwirken. Die Leuchtdiode kann bevorzugt am oberen Ende der Sicherheitsfahnenstange angeordnet sein, damit sie möglichst gut sichtbar ist.The flagpole is attached to the vehicle frame at its lower end At its upper end is a flag, which is usually made from a resilient art fabric and swings back and forth while driving. The carrier plate for the piezoelek trical element can also be fixed with one end via the vehicle frame be angry, while the opposite end act in the flagpole act on the bending moments. The light emitting diode can preferably at the upper end of the Safety flagpole must be arranged so that it is as visible as possible.
Auf die gleiche Weise können auch andere Fahnenstangen, beispielsweise Fahnen stangen für Wimpel als Fanartikel, mit Blinkleuchten versehen sein.Other flagpoles, for example flags, can be made in the same way poles for pennants as fan articles, with flashing lights.
Auch kann die Blinkleuchte erfindungsgemäß für Sicherheitskleidung verwendet wer den, wobei die Leuchtdiode an einer gut sichtbaren Stelle der Sicherheitsbekleidung und das piezoelektrische Element in einem bewegungsintensiven Bereich der Sicher heitskleidung, insbesondere im Bereich der Ellenbeuge oder des Kniegelenks, ange ordnet sind.The flashing light can also be used according to the invention for safety clothing the, with the light-emitting diode in a clearly visible place on the safety clothing and the piezoelectric element in a movement-intensive area of security uniform clothing, especially in the area of the elbow or knee joint are arranged.
Eine weitere Möglichkeit der Verwendung besteht in einem Spazierstock oder einem Blindenstock, wobei in der Stockspitze ein elastisch gelagerter Stößel angeordnet ist, der die Stöße beim Aufsetzen des Stockes aufnimmt und auf das piezoelektrische Ele ment überträgt. Eine oder mehrere Leuchtdioden können hierüber betrieben werden, wobei die Leuchtdioden über die Länge des Stockes verteilt angeordnet sein können. Auch kann der Stock aus einem transparenten Material gefertigt sein, so daß der ge samte Stock durch die eine oder mehrere Leuchtdioden zum leuchten gebracht werden kann.Another way of using it is in a walking stick or a Cane, with an elastically mounted plunger in the tip of the stick, which absorbs the shocks when putting the stick on and on the piezoelectric ele ment transmits. One or more LEDs can be operated via this the LEDs can be arranged distributed over the length of the stick. The stick can also be made of a transparent material, so that the ge entire floor through which one or more light-emitting diodes are lit. can.
In einem Sicherheitshelm, insbesondere einem Fahrradhelm, läßt sich die Blinkleuchte verwenden, wenn beispielsweise eine lange Trägerplatte an einem ihrer Enden fest am Helm gelagert ist und das andere Ende mit einem kleinen Gewicht versehen ist, so daß sie aufgrund der Bewegung des Helmträgers hin- und her pendelt. Eine oder mehrere Leuchtdioden können dann in die Helmoberfläche eingelassen sein. The flashing light can be placed in a safety helmet, in particular a bicycle helmet use, for example, if a long support plate is firmly attached to one of its ends Helmet is stored and the other end is provided with a small weight, so that it swings back and forth due to the movement of the helmet wearer. One or more LEDs can then be embedded in the helmet surface.
Das Prinzip der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung der Figuren näher erläutert.The principle of the invention is illustrated by the following description of the figures explained in more detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1 einen Ersatzschaltbild für die Blinkleuchte; Fig. 1 is an equivalent circuit diagram of the flashing light;
Fig. 2 bis 5 Beispiele für mögliche konstruktive Ausführungen zum Ausnutzen einer gerichteten Kraft zur Stromerzeugung mit einem piezoelektrischen Element; Fig. 2 to 5 examples of possible constructive designs for utilizing a directed force to generate electricity with a piezoelectric element;
Fig. 6 und 7 Beispiele für mögliche konstruktive Ausführungen zum Ausnutzen eines Drehmoments zur Stromerzeugung mit ei nem piezoelektrischen Element. FIGS. 6 and 7 are examples of possible design embodiments for utilizing a torque for power generation with egg nem piezoelectric element.
Im in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltbild steht das piezoelektrische Element 1 mit zwei in Antiparallelschaltung angeordneten Leuchtdioden 2 und 3 in Verbindung. In gleicher Weise können weitere Leuchtdioden parallel geschaltet werden, ebenso wie mehrere Leuchtdioden in Reihe antiparallel zu weiteren in Reihe geschalteten Leucht dioden geschaltet sein können.In the equivalent circuit diagram shown in FIG. 1, the piezoelectric element 1 is connected to two light-emitting diodes 2 and 3 arranged in anti-parallel connection. In the same way, further light-emitting diodes can be connected in parallel, just as several light-emitting diodes can be connected in series antiparallel to further light-emitting diodes connected in series.
In Fig. 2 ist ein erstes Prinzip einer sehr einfachen Konstruktion zur Stromerzeugung mittels eines piezoelektrischen Elements dargestellt. So ist das piezoelektrische Ele ment 11 auf einer elastischen Trägerplatte 12 angeordnet, die an ihrem einen Ende fest gelagert ist und deren anderes Ende einen Freiheitsgrad aufweist. Wird auf die Trägerplatte 12 eine Kraft ausgeübt, wird sie sich in Kraftrichtung durchbiegen, so daß das piezoelektrische Element 11 gestaucht oder gestreckt und somit ein Strom erzeugt wird. Wird die Trägerplatte 12 entlastet, wird sie sich in ihre Ruheposition zurückbe wegen, wobei wiederum ein Strom erzeugt wird. FIG. 2 shows a first principle of a very simple construction for generating electricity using a piezoelectric element. Thus, the piezoelectric element 11 is arranged on an elastic carrier plate 12 which is fixedly supported at one end and the other end of which has a degree of freedom. If a force is exerted on the carrier plate 12 , it will bend in the direction of the force, so that the piezoelectric element 11 is compressed or stretched and a current is thus generated. If the carrier plate 12 is relieved, it will move back to its rest position, again generating a current.
In Fig. 3 ist ein anderes Prinzip einer einfachen Konstruktion dargestellt. Hier ist die Trägerplatte 22 zweiteilig ausgebildet, wobei jedes Plattenteil 22 1, 22 2 ein piezoelektri sches Element 21 1, 21 2 trägt. Die Plattenteile 22 1, 22 2 schließen einen Spitzen Winkel ein und sind im Zwickel starr miteinander verbunden. Werden die beiden Plattenteile 22 1, 22 2 zusammengedrückt, wird jeder Plattenteil 22 1, 22 2 gebogen, so daß die piezo elektrisches Element 21 1, 21 2 gestaucht werden und somit ein Strom erzeugt wird. Ent sprechendes gilt bei Entlastung der Plattenteile 22 1, 22 2. Another principle of a simple construction is shown in FIG . Here, the carrier plate is formed in two parts 22, each plate member 22 1, 22 2, a piezoelectric cell as set 21 1, 21 2 carries. The plate parts 22 1 , 22 2 enclose an acute angle and are rigidly connected to one another in the gusset. If the two plate parts 22 1 , 22 2 are pressed together, each plate part 22 1 , 22 2 is bent, so that the piezoelectric element 21 1 , 21 2 is compressed and thus a current is generated. The same applies when the plate parts 22 1 , 22 2 are relieved.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Konstruktionsprinzip, bei dem an gegenüberliegenden En den der Trägerplatte 32 zwei Federarme 33, 34 starr befestigt sind. Die Federarme 33, 34 bilden jeweils mit der elastischen Trägerplatte 32 einen stumpfen Winkel. Sie sind in einem definierten Abstand zur Trägerplatte 32 drehbar gelagert. Wirkt auf die freien Enden der Federarme 33, 34 eine Kraft in eine Richtung senkrecht zur von der Trä gerplatte 32 aufgespannten Ebene ein, wird das daraus resultierende Drehmoment auf die Trägerplatte 32 übertragen, so daß das piezoelektrische Element 31 gestreckt wird und hierdurch ein Strom generiert wird. Auch hier gilt entsprechendes bei Entlastung der freien Enden der Federarme 33, 34. Fig. 4 shows a further construction principle, in which the support plate 32 on two opposite spring arms 33 , 34 are rigidly attached. The spring arms 33 , 34 each form an obtuse angle with the elastic carrier plate 32 . They are rotatably supported at a defined distance from the carrier plate 32 . Acts on the free ends of the spring arms 33, 34 a force in a direction perpendicular to the Trä carrier plate 32 plane spanned a, the resulting torque is transmitted to the support plate 32 so that the piezoelectric element is stretched 31 and thereby generates a current becomes. The same applies here when the free ends of the spring arms 33 , 34 are relieved.
Zum Schutz des piezoelektrischen Elements 31 kann die Trägerplatte 32 in einem hier gestrichelt dargestellten Gehäuse 35 angeordnet sein, wobei die Federarme in der Ge häusewand drehbar gelagert sind und aus dem Gehäuse auskragen.To protect the piezoelectric element 31 , the carrier plate 32 can be arranged in a housing 35 shown here in broken lines, the spring arms being rotatably mounted in the housing wall and projecting from the housing.
Die freien Enden der Federarme 33, 34 können durch hier nicht dargestellte Anschla gelemente gegen eine übermäßige Auslenkung gesichert sein.The free ends of the spring arms 33 , 34 can be secured against excessive deflection by abutment elements not shown here.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Prinzip ist die das piezoelektrische Element 41 tra gende, elastische Trägerplatte 42 an sich gegenüberliegenden Enden mit im wesentli chen senkrecht zur Trägerplattenebene angeordneten Hebelarmen 43, 44 starr ver bunden. Zwischen den freien Enden der Hebelarme wird eine Blattfeder 45 gehalten. Dabei kann sie unter einer Vorspannung, die der zu beaufschlagenden Kraft entgegen gerichtet ist, stehen. Wird die Blattfeder 45 von der Kraft beaufschlagt, wird sie ver formt, so daß sich der Abstand der die Blattfeder 45 haltenden Enden der Hebelarme 43, 44 zueinander verändert. Hierdurch wirkt auf die elastische Trägerplatte 42 ein Biegemoment, wodurch daß piezoelektrische Element 41 gestaucht oder gestreckt und ein Strom erzeugt wird. Wird die Blattfeder 45 entlastet, bewegt sie sich in ihre ur sprüngliche Form zurück, wobei erneut ein Strom erzeugt wird.In the principle shown in Fig. 5, the piezoelectric element 41 tra ging, elastic support plate 42 at opposite ends with Chen wesentli arranged perpendicular to the support plate plane lever arms 43 , 44 rigidly connected ver. A leaf spring 45 is held between the free ends of the lever arms. It can be under a pretension that is directed against the force to be applied. If the leaf spring 45 is acted upon by the force, it is formed so that the distance between the ends of the lever arms 43 , 44 holding the leaf spring 45 changes from one another. As a result, a bending moment acts on the elastic carrier plate 42, as a result of which the piezoelectric element 41 is compressed or stretched and a current is generated. If the leaf spring 45 is relieved, it moves back into its original form, a current being generated again.
Bei diesen ersten vier Konstruktionsprinzipien wird jeweils eine gerichtete Kraft zur Stromerzeugung ausgenutzt. Somit sind sie jeweils geeignet, um in einem Sattel, in einer Schuhsohle, in Reifenmänteln sowie in Rollen verwendet zu werden. Auch gibt es weitere Verwendungsmöglichkeiten, die bislang noch nicht benannt worden sind, so zum Beispiel unterhalb einer Auftrittsfläche eines Fahrradpedals zur Versorgung von Leuchtdioden im Bereich der an dem Fahrradpedal üblicherweise befestigten Reflekto ren, oder in einem Fußbodenbelag, in den Leuchtdioden eingelassen sind, die bei spielsweise Laufrichtungen anzeigen können. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht unter einer beispielsweise gummierten Trittfläche des Trittbretts eines Rollers. Auch ist eine Verwendung in einer faltbaren Grußkarte möglich.In these first four design principles, a directed force is used Power generation exploited. Thus, they are each suitable to be in a saddle a shoe sole, to be used in tire coats and in rolls. Also there there are other uses that have not yet been named, for example below a tread of a bicycle pedal for the supply of Light-emitting diodes in the area of the reflectors usually attached to the bicycle pedal ren, or in a floor covering, are embedded in the LEDs, which at can show running directions, for example. Another application exists under, for example, a rubberized tread of the footboard of a scooter. Use in a foldable greeting card is also possible.
In dem in Fig. 6 dargestellten Konstruktionsprinzip ist die das piezoelektrische Ele ment 51 tragende Trägerplatte 52 an einem Ende fest gelagert. An ihrem gegenüber liegenden Ende ist sie starr mit einem Bewegungsaufnehmer in Form einer Blattfeder 53 verbunden. Am freien Ende der Blattfeder 53 ist ein Reibrad 54 drehbar gelagert, dessen Lauffläche in Umfangsrichtung mehreckig oder in der Art eines Nockens aus gebildet oder bei runder Lauffläche exzentrisch gelagert sein kann. Die Blattfeder 53 wird beim Abrollen des Reibrades 54 auf einer Rolle 55 oder einem profillosen Reifen unterschiedlich stark ausgelenkt. Die resultierenden Kräfte werden auf die Trägerplatte 52 übertragen, wodurch das piezoelektrische Element 51 jeweils gestaucht, gestreckt oder wieder entlastet wird.In the design principle shown in Fig. 6, the piezoelectric element 51 carrying the support plate 52 is fixedly supported at one end. At its opposite end, it is rigidly connected to a motion sensor in the form of a leaf spring 53 . At the free end of the leaf spring 53 , a friction wheel 54 is rotatably mounted, the tread of which may be polygonal in the circumferential direction or formed in the manner of a cam, or may be eccentrically supported in the case of a round tread. The leaf spring 53 is deflected to different degrees when the friction wheel 54 rolls on a roller 55 or a treadless tire. The resulting forces are transmitted to the carrier plate 52 , whereby the piezoelectric element 51 is compressed, stretched or relieved again.
Schließlich ist in Fig. 7 ein ähnliches Prinzip dargestellt, bei dem das Reibrad 64 rund ausgebildet und zentrisch gelagert ist. Sofern das Reibrad 64 auf einem profilierten Reifen oder einem Zahnkranz 65 abläuft, wird auch hier der Federarm ausgelenkt und das piezoelektrische Element 61 gestaucht oder gestreckt.Finally, a similar principle is shown in FIG. 7, in which the friction wheel 64 is round and centrally supported. If the friction wheel 64 runs on a profiled tire or a ring gear 65 , the spring arm is also deflected here and the piezoelectric element 61 is compressed or stretched.
Bei diesen beiden Konstruktionsprinzipien wird jeweils ein Drehmoment ausgenutzt. Neben den bereits genannten Verwendungsmöglichkeiten können sie auch zum Be treiben von Leuchtdioden in Fahrradpedalen verwendet werden, wenn das Reibrad auf der Achse der Fahrradpedale abrollt.A torque is used in each of these two construction principles. In addition to the uses already mentioned, they can also be used for loading Driving LEDs in bicycle pedals are used when the friction wheel on the axle of the bicycle pedals rolls.
Bei allen Prinzipien erfolgt die Stromerzeugung geräuschlos.With all principles, the electricity is generated silently.
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