DE202004017906U1

DE202004017906U1 - Spannungsgenerator mit einem piezoelektrischen Wandlerelement

Info

Publication number: DE202004017906U1
Application number: DE202004017906U
Authority: DE
Original assignee: Baumer Huebner GmbH; Huebner Elektromaschinen GmbH
Current assignee: Baumer Huebner GmbH
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2014-11-12

Abstract

Spannungsgenerator mit mindestens einem nach Art einer an einem Ende eingespannten Blattfeder ausgebildeten, piezoelektrischen Wandlerelement, in das zur Spannungserzeugung unter Umwandlung kinetischer in elektrische Energie schnelle Schwenkbewegungen einleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (7) einen mindestens auf einer Seite mit einem Piezoelement (9, 10) versehenen Träger (8) aufweist, dass mindestens das dem eingespannten Ende des Wandlerelementes (7) abgewandte Ende des Trägers (8) ferromagnetisch ausgebildet ist und dass zur Einleitung der Schwenkbewegung in das Wandlerelement mindestens zwei eine Relativbewegung gegenüber dem freien Ende des Trägers (8) ausführende, gegenpolige Magnete (4, 5; 17, 18) dienen, die einander benachbart sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsgenerator mit mindestens einem nach Art einer an einem Ende eingespannten Blattfeder ausgebildeten piezoelektrischen Wandlerelement, in das zur Spannungserzeugung unter Umwandlung kinetischer in elektrische Energie schnelle Schwenkbewegungen einleitbar sind.
Ein zur Erzeugung eines Funksignales dienender Spannungsgenerator ist aus der DE 102 56 156 A1 bekannt. Bei dem bekannten Spannungsgenerator wird die zur Erzeugung der elektrischen Energie dienende kinetische Energie durch eine Totpunktmechanik mit Federkraft erzeugt, wobei zum Betätigen der Totpunktmechanik zwei Hebel und ein durch die Hebel verlagerbarer Schieber dienen. Der bekannte Spannungsgenerator vermag insofern nicht voll zu befriedigen, als der mechanische Verschleiß im Bereich der Totpunktmechanik und ihrer Betätigungsmittel insbesondere in Fällen, in denen die Zahl der zu erzeugenden Spannungsimpulse größer als bei Schaltern ist, zu Problemen führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsgenerator der in Betracht gezogenen Art zu schaffen, bei dem die Beaufschlagung des Wandlerelementes mit kinetischer Energie und deren Umwandlung in elektrische Energie ohne Zwischenschaltung von verschleißanfälligen Teilen erfolgt.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Wandlerelement einen mindestens auf einer Seite mit einem Piezoelement versehenen Träger aufweist, dass mindestens das dem eingespannten Ende des Wandlerelementes abgewandte Ende des Trägers ferromagnetisch ausgebildet ist und dass zur Einleitung der Schwenkbewegung in das Wandlerelement mindestens zwei eine Relativbewegung gegenüber dem freien Ende des Trägers ausführende, gegenpolige Magnete dienen, die einander benachbart sind.
Der erfindungsgemäße Spannungsgenerator eignet sich in besonderem Maße für den Einsatz in Vorrichtungen, bei denen die Relativbewegungen zwischen dem Wandlerelement und den Magneten vergleichsweise niedrig sind. Soll er hingegen beispielsweise zur Energieversorgung von Umdrehungszählern für einen weiten Drehzahlbereich eingesetzt werden, so empfiehlt es sich, ihn zusätzlich mit mindestens einem von einer Spule gebildeten, induktiven Wandlerelement auszustatten.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen. Es zeigen:
1a–c schematisch die Wirkungsweise eines Spannungsgenerators, der zur Erzeugung eines Zählsignales genutzt wird,
2 in vergrößertem Maßstab Einzelheiten des Spannungsgenerators gemäß den 1a bis 1c,
3 schematisch die Verwendung eines Spannungsgenerators in einem im Bereich niedriger Drehzahlen arbeitenden Umdrehungszähler,
4 die durch den Spannungsgenerator gemäß 3 erzeugten Spannungen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Umdrehungszählers,
5 schematisch die Verwendung eines Spannungsgenerators in einem sowohl im Bereich niedriger als auch hoher Drehzahlen arbeitenden Umdrehungszähler,
6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in 5 und
7 die durch den Spannungsgenerator gemäß 5 und 6 erzeugten Spannungen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Umdrehungszählers.
In den 1a bis 1c ist mit 1 ein Schlitten bezeichnet, der in Richtung der Pfeile 2 und 3 hin- und hergehende Bewegungen ausführt, die erfasst werden sollen. Um für die Zählung geeignete Signale zu erzeugen, ist der Schlitten 1 an seiner Unterseite mit zwei unmittelbar hintereinander angeordneten gegenpoligen Permanentmagneten 4 und 5 versehen, deren Nord-Südachsen parallel zur Zeichnungsebene verlaufen. Unterhalb des Schlittens 1 ist ein mit seinem unteren Ende in einem ortfesten Sockel 6 eingespanntes Wandlerelement 7 angeordnet, das im dargestellten Fall aus einem von einer ferromagnetischen Blattfeder gebildeten Träger 8 besteht, der an seinen sich gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einem streifenförmigen Piezoelement 9 bzw. 10 versehen ist. Sowohl die Polflächen der Permanentmagnete 4, 5 als auch die den Polflächen zugewandte Stirnfläche des Trägers 8 haben vorzugsweise die Form von Rechtecken, deren Längsachsen senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet sind.
Nähert sich der Magnet 4 dem Ende der Blattfeder 8, so schließt sich das Magnetfeld 11 der Magnete 4, 5 über die Blattfeder 8, die ein gewisses Stück mitgenommen wird und aus der in 1a gezeigten Position in die Position gemäß 1b übergeht.
Sobald die Rückstellkraft der Blattfeder 8 die magnetische Kraft übersteigt, schnappt die Blattfeder 8 in ihre Ausgangsstellung, d. h. in die Position gemäß 1c zurück; dabei wird sie vom Magneten 5 gewissermaßen eingefangen. Durch die infolge der schlagartigen Schwenkbewegung der Blattfeder 8 verursachte Biegung der Piezoelemente 9, 10 werden Spannungsimpulse erzeugt, mit denen eine Auswerte-Elektronik gespeist werden kann.
Einzelheiten des Aufbaus des Wandlerelementes 7 ergeben sich aus 2, der entnommen werden kann, dass ein Ende 12 der Blattfeder 8 in einem Sockel 6 befestigt ist, der ein Ausnehmung 13 aufweist, die mit einem schwingungsdämpfenden Material 14 ausgefüllt ist.
Anstatt an einem Schlitten können die Permanentmagnete 4 und 5 auch an einer rotierenden Scheibe 15 eines Umdrehungszählers befestigt werden, wie dies die 3 zeigt, in der die Nord-Südachsen der Permanentmagnete 4,5 senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen. Die in 3 angedeutete Lösung führt allerdings nur im Bereich vergleichsweise geringer Umdrehungszahlen zu befriedigenden Ergebnissen. Der Grund hierfür besteht darin, dass ab einer bestimmten Drehzahl, die von der Resonanzfrequenz des auch hier von einer Blattfeder gebildeten Trägers 8 mit den auf ihm befestigten Piezoelementen 9 und 10 abhängt, keine Mitnahme der Blattfeder 8 durch die Permanentmagnete 4 und 5 mehr erfolgt. Die Größe der von einem in einen Umdrehungszähler eingebauten Spannungsgenerator gemäß 3 erzeugten Spannungen U in Abhängigkeit von der Drehzahl n ist in 4 dargestellt. Auch in diesem Fall haben die Polflächen der Permanentmagnete 4, 5, deren Nord-Südachsen senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen, und die Stirnfläche des Trägers 8 die Form von Rechtecken, deren Längsachsen in diesem Fall radial nach außen gerichtet sind und während der Spannungserzeugung mithin ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Es versteht sich, dass das ortsfeste Wandlerelement in der Praxis oberhalb der Zeichnungsebene liegt.
Sollen mit einem Spannungsgenerator größere Drehzahlbereiche erfasst werden, so erweist es sich als erforderlich, das piezoelektrische Wandlerelement 7 durch ein von einer Spule gebildetes, induktives Wandlerelement 16 zu ergänzen und Permanent magnete 17, 18 zu verwenden, deren Polflächen gleichzeitig beide ortsfesten Wandlerelemente 7 und 16 passieren. Eine entsprechende Lösung ist schematisch in den 5 und 6 dargestellt, die die hier interessierenden wesentlichen Teile eines mit vier umlaufenden Magnetpaaren 17, 18 ausgestatteten Umdrehungszählers zeigen. Wie der 7 entnommen werden kann, werden bei der Ausführungsform gemäß den 5 und 6 die erzeugten Spannungen U beim Überschreiten der Drehzahl n_s von der Spule 16 geliefert.
Die bei den beschriebenen Konstruktionen erzeugten Spannungsimpulse lassen sich nicht nur zur Lieferung von Mess- oder Zählsignalen, sondern auch zu einer gleichzeitigen oder alleinigen Energieversorgung einer Mikroprozessorschaltung nutzen.

Claims

Spannungsgenerator mit mindestens einem nach Art einer an einem Ende eingespannten Blattfeder ausgebildeten, piezoelektrischen Wandlerelement, in das zur Spannungserzeugung unter Umwandlung kinetischer in elektrische Energie schnelle Schwenkbewegungen einleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (7) einen mindestens auf einer Seite mit einem Piezoelement (9, 10) versehenen Träger (8) aufweist, dass mindestens das dem eingespannten Ende des Wandlerelementes (7) abgewandte Ende des Trägers (8) ferromagnetisch ausgebildet ist und dass zur Einleitung der Schwenkbewegung in das Wandlerelement mindestens zwei eine Relativbewegung gegenüber dem freien Ende des Trägers (8) ausführende, gegenpolige Magnete (4, 5; 17, 18) dienen, die einander benachbart sind.
Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenpoligen Magnete (4, 5; 17, 18) in Richtung der Relativbewegung zwischen ihnen und dem Wandlerelement jeweils unmittelbar hintereinander angeordnet sind.
Spannungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) von einer Blattfeder aus ferromagnetischem Material gebildet wird.
Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (8) auf beiden Seiten mit jeweils einem streifenförmigen Piezoelement (9, 10) versehen ist.
Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Wandlerelement (7) im Bereich seines eingespannten Endes Schwingungen des Trägers (8) unterdrückende Dämpfungsmittel (14) zugeordnet sind.
Spannungsgenerator nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er als Signalgeber und/oder Energieerzeuger ausgebildet ist.
Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich mit mindestens einem von einer Spule gebildeten, induktiven Wandlerelement (16) ausgestattet ist.
Spannungsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (7) und das induktive Wandlerelement (16) synchron durch mindestens ein Magnetpaar mit den Feldern der Magnete (17, 18) des Magnetpaares beaufschlagbar sind.
Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen der Permanentmagnete (4, 5) und die Stirnfläche des Trägers (8) die Form von Rechtecken haben, deren Längsachsen während der Spannungserzeugung im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.