DE29614851U1

DE29614851U1 - Piezogenerator

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Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1996-11-21
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Description

Piezogenerator

Anwendung

Der Piezogenerator wird benutzt für die stetige Erzeugung von Funkenstrecken,Gleichstromhochspannung aber hauptsächlich allgemein für den Betrieb von Gleichstromgeräten mit relativ niedrigem Leistungbedarf.Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist die Erzeugung von Beleuchtung durch energiearme Lampen,wie Kryptonlampen oder LED-Lampen,bei Geräten die zb mit Feder-oder Handantrieb arbeiten für zb Schlüsselleuchten,Taschenlampen oder aber als Dynamoersatz in der Fahrzeugtechnik dienen.

stand der Technik

Eine nicht zufriedenstellende, ähnliche Art von Piezogenerator bietet G 296 04 903.4

Beschreibung

Das Prinzip wird anhand eines einfachen,charakteristischen Beispiels beschrieben:

Ein Schlagwerk,bestehend aus Grundkörper (47) mit drehbar gelagertem Zahnrad (48) und Feder (49)verbiegt im Betrieb die Feder zunächst,die dann im weiteren auf eine Zahnflanke des Zahnrades (48) aufschlägt und dabei hohe Frequenzen mit hoher Spitzenleistungen erzeugt.Dadurch entstehen in einer,auf die Feder (49) leitend aufgeklebten Piezoscheibe (50) über die Klebeschicht,hohe wechselnde radial/parallel wirkende Kräfte,welche die Piezoscheibe (50) in elektrische Spitzenleistungen mit hohen elektrischen Spannungen umwandelt. Die mit der Piezoscheibe (50) elektrisch verbundene Elektronik (51) verarbeitet diese Energieform in eine brauchbare Gleichstromleistung mit üblichen Spannungswerten.

Vorteile gegenüber G 296 04 903.4

Die in G 296 04 903.4 aufgeführten Piezoelemente sind miteinander bzw am Gehäuse ringförmig befestigt,wodurch das Schwingungsverhalten deutlich eingeschränkt ist. Der erfindungsgemäße Piezoschwinger ,hier Scheibenbieger,läßt dagegen durch die möglichst punktförmige Befesticfung aller Scheibenbieger zb am Rand der Feder eines Scheibenbiegers (FIG.1:22) oder in der Mitte eines Scheibenbiegers (FIG.3:53) eine erheblich verbesserte Entfaltung der Resonanzfrequenzen,also der Grundwelle samt Oberwellen zu. Außerdem wirkt im Gegensatz zu G 296 04 903.4 der Piezoschwinger in den meisten Fällen als"Hammer",die Verzahnung als "Amboß",wobei der "Hammer" auf die Zahnflanke schlägt,welche sich gleichzeitig gegen den "Hammer" bewegt,(Patentanspruch 3).

Alle Piezoelemente mit ihrer Feder sind weitestgehend freie Schwinger (daher "Piezoschwinger").

Ausführungsbeispiele

Varianten und Ergänzungen zu der ,in FIG.O beschriebenen Version werden auf die Ausführungsbeispiele FIG.1-19 verteilt,sind demgemäß micht in allen Ausführungsbeispielen enthalten,obwohl sie grundsätzlich für mehrere Ausführungsbeispiele gelten.Aus Übersichtsgründen ist die Zuordnung der Beschreibung und der ^ Patentansprüche zu den Figuren mit den Detailhinweisen nur für unterschiedliche Merkmale durchgeführt.

Die Ausführungsbeispiele bilden aufgrund des engen Zusammenhangs

- Art der Piezoschwinger

- Anordnung der Piezoschwinger

- Befestigung, Führung der Piezoschwinger

- Verzahnung

- Form der Zähne

- Anschläge,Massen,Begrenzungen

- Antriebsart

- Elektronik und Verbraucher

deutlich charakteristische Unterschiede.

Art der Piezoschwinger

Als Piezoschwinger kommen im wesentlichen für die sensible elektr. Energieerzeugung die sog. Streifen-oder Scheibenbieger,bestehend aus einem Piezoelement (FIG.1:2) aufgeklebt auf Federmaterial (FIG.1:3) zb der Fa.Stettner zur Anwendung ,oder Piezoschwinger mit zylinderförmigen,meist eingefaßten Piezoelementen (FIG.2:16) mit individuell angepaßter Feder (FIG.2:17) für Verbraucher (FIG.2:45) mit extrem hohen,kurzzeitigem Leistungs- und Spannungsbedarf.

Diese Piezoschwinger ( = Piezoelement plus Feder) sind im Handel für die Anwendung in Sensoren,,Schallerzeuger,Zünder,Schalter erhältlich,bedürfen also für die Erfindung nur bei deren Optimierung eines ergänzenden Entwicklunc-sbedarf s. Eine Verbesseung ist zb bereits durch zusätzliche Federn zur Feder des Piezoschwingers, hier Scheibenbiegers (FIG.8:55;FIG.9:54) erzielbar.

Anordnung der Piezoschwinger

Besonders vorteilhaft ist die paarweise Anordnung von Piezoschwingern (FIG.2;FIG.1O;FIG.11/FIG.13) ,da im Falle der symmetrischen Kraftübertragung (FIG.13) von der Antriebsteilverzahnung (FIG.13:58) auf die Piezoschwingerverzahnung (FIG.13:59) keine störenden Kräfte nach außen wirken,obwohl extrem hohe Kräfte für die Spannung der Piezoschwinger-Federn aufgebaut werden kennen. Es entstehen dadurch kleine ,kompakte Einheiten,wie dies zb in FIG.10 im Zusammenhang mit einer beidseitig stirnverzahnten Scheibe (56) als Antriebsteil dargestellt ist.

Eine ebenfalls kompakte Bauweise stell-tvFIG. 20"geg*enüb*er "FIG. 19 dar,weil die Piezoschwingerbewegungen bei FIG.19 sich mit dem nach Außen zunehmenden Platzangebot im Einklang befinden.

Befestigung,Führung der Piezoschwinger

Bei scheibenbiegern (FIG.1:2,3) wird deren Federrand möglichst kleinflächig am Grundkörper (FIG.1:22) befestigt,oder die Scheibenbieger (FIG.3:53) möglichst punktförmig in der Mitte am übertrager (FIG.3:61) über steife Distanzstücke (FIG.3:53) befestigt.Zylinderförmige Piezoelemente mit individueller Feder (FIG. 2:17,18) werden im Grundkörper (FIG., 2: 62) beweglich geführt.(FIG.2:52)

Verzahnung

Die Varianten sind vielfältig.

So besitzt zb der Scheibenbieger lediglich einen Zahn,realisiert durch zusätzliche Formteile

(FIG.7:63;FIG.13:59;FIG.17:64),entsprechend geformte Federrandbereiche (FIG.10:65) oder aber durch den Federrand selbst (FIG.9:21;FIG.8:66), und der Antriebsteil mehrere Zähne (FIG.7:67) -zumindest zwei- um die Gegenkraft der spannenden Zahnflanke auszunutzten.(s.Beschr. bei "Vorteile").

So besitzt zb der Scheibenbieger (FIG.1:2,3) mehrere Zähne (FIG.1:4) und das Antriebsteil mehrere Zähne (FIG.1:6) ,die alle zb als Gewindegänge ausgebildet sind (FIG.l). Damit verteilt sich die Belastung vorteilhaft auf mehrere Zahnflanken.

Sind die Zähne des Scheibenbiegers und des Antriebsteiles unterschiedlich (nicht gezeigt) so ergeb€>n sich entspechende elektrische Profile.

Haben sämtliche Zähne des Scheibenbiegers untereinander gleichen Abstand, aber zu den Zähnen des Antriebsteils eine unterschiedliche Zahnspreizung,bzw ist die Steigung der Gewindegänge des Scheibenbiegers unterschiedlich zur Steigung der Gewindegänge des Antriebsteiles (nicht gezeigt), so wird der sog. Noniuseffekt ausgenutzt:

jeweils nur (mindestens) ein Zahn der zb Scheibenverzahnung ist mit (mindestens) einem Zahn der Antriebsteilverzahnung im Eingriff,mit der Folge, daß bei gleichem Hub des Antriebsteiles eine vorteilhafte höhere Kraftübertragungsfrequenz entsteht.(nicht gezeigt).

In FIG.17 ist der Noniuseffekt bei drehendem Antriebsteil mit 3 Kanten (68) und insgesamt 4 Aufschlagflächen (69) der zwei Zähne (64) pro Scheibenbieger (46) dargestellt.

In FIG. 21 sind die Scheibenbieger ohne Zä.hne 1 (85) ausgeführt,die stattdessen im Grundkörper (84) enthalten sind.Die Kräfte der Verzahnung werden durch die entsprechende Konstruktion des Grundkörpers oder durch zusätzliche Feder (86) über die Scheibenbiegerbefestigung (87) auf diese übertragen.

Form der Zähne

Die Form der Zähne hängt in erster Linie von der Antriebsrichtung ab.

So werden hin-und her bewegte oder geschwenkte Antriebsteile mit weitestgehend symmetrisch aufgebauten Zahnflanken ausgestattet (FIG.7:67) und die der Piezoschwinger ebenfalls (FIG.7:63;FIG.13:59).Für die in einer Richtung drehenden Teile kommen weitestgehend unsymmetrische Zahnflanken zur Anwendung (FIG.2:18,20).

Im einfachsten Falle sind für hin-und her bewegte oder geschwenkte Antriebsteile die Zähne als Zwei-Sechskant (FIG.3:34) oder Mehrkant ausgebildet, und die der Piezoschwinger als flächige ( FIG:5:70) oder gekerbte (FIG.3:71) Aufschlagflächen ausgebildet. Die Aufschlagfläche entspricht einem Zahn mit zwei Flanken.

Anschläge,Massen, Begrenzungen

Piezoschwinger bzw Grundkörper sind mit Anschlägen ausgestattet (FIG.3:9) ,dh die Piezoschwinger schlagen, auf Anschläge statt auf die Zahnflanken,wenn dies zur Änderung der Charakteristik der elektr. Energieerzeugung erforderlich wird.Aus dem selben Grund können die Piezoschwinger Zusatzmasse (FIG.6:8;FIG.21:88) erhalten.Begrenzungen wie bei FIG.9:10 dienen für den störungsfreien Antrieb und als Verbiegeschutz für den Scheibenbieger.

Antriebsart

Die Antriebsart für das Antriebsteil ist grundsätzlich beliebig;drehend,schwenkend etc ohne oder mit Getriebe (FIG.10:72) einseitig oder zweiseitig (FIG.13:73) ausgeführt. Für die Hin-und Herbewegung ist vorzugsweise eine Rückholfeder (FIG. 13 : 73;FIG.7 :36) vorgesehen,die üblichex-weise auch für den Antrieb des Piezogenerators genutzt wird. Für eine Dreh-oder Schwenkbewegung nach FIG.3 ist die Rückholfeder (7) Bestandteil der Funktion des Piezogenerators;Ebenso die,in FIG.9:54;FIG.21:86.

-Io-

&diams; #

Elektronik und Verbraucher

- Ohne Elektronik werden zb Funkenstrecken als Verbraucher (FIG.2:45) aufgebaut.

- werden den Piezoelementen Gleichrichter nachgeschaltet,entsteht am Ausgang der Elektonik pulsierender Gleichstrom mit hohen Spannungsspitzen.

- FIG.14

Der Piezogenerator ist durch diese Elektronik unabhängig vom Verbraucher.

Die durch den mechanischen Teil des Piezogenerators erzeugte elektrische Energie im Piezoelement wird pro Piezoelement (39) mit zb einem Hochfrequenzgleichrichter in Graetzschaltung (11) gleichgerichtet und im Kondensator (12) gespeichert.Erreicht die Spannung im Kondensator die Höhe der Schwellwertspannung des Schwellwertschalters (13) ,schaltet dieser durch zum Verbraucher (38).

Kein Verbraucher,bzw Verbraucher mit weniger Energiebedarf,als der Piezogenerator erzeugt, lassen die Kondensatorspannung weiter steigen,bis zu dem Schwellwert des Schwellwertschalters (14) Dann schaltet dieser auf Durchgang,die Kondensatorspannung ist über einen nicht gezeigten Widerstand oder ohne Widerstand kurzgeschlossen,die Kondensatorspannung fällt ab,bis zu dem Schwellwert des Schwellwertschalters (14).Wird der Schwellwert des Schwellwertschalters (14) unterschritten,schließt dieser wieder,und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Schwellwertschalter (14) bestimmt zusammen mit dem Kondensator (12) den Wert und die Restwelligkeit der Ausgangsspannung (38). Für die Einstellung der Ausgangsspannung (38) ist bei Bedarf im Kondensatorkreis zb ein nicht gezeigter Spannungsteiler befindlich,wobei der Schwellwertschalter (14) möglichst einstellbar einen Teil der Spannung abgreifend angeordnet ist.

Hier ist das Beispiel mit Schaltcharakteristik aufgeführt,ebenso können die Funktionen kontinuierlich und/oder gesteuert erfolgen mit zb zusätzlichen Schaltungen.

Vereinfachungen

-verträgt der Verbraucher eine niedrigere Spannung ,als die, durch Schwellwertschalter (13) vorherbestimmte,so entfällt dieser.

- Ist die Erzeugung der Energie aus mehreren Piezoelementen (39) ausreichend synchron,sind für mehrere Piezoelemente nur ein Gleichrichter (11) erforderlich.Dies ist va für zwei Piezoelemente auf einem Federträger (FIG.7:57) der Fall.

- der Kondensator (12) entfällt, wenn der Schwellwertschalter (14) störende Spitzenspannungen schnell genug abbaut,und die Restwelligkeit verträglich ist.

- FIG.15

Der Piezogenerator mit dieser Elektronik ist für Verbraucher geeignet, die pulsierenden Gleichstrom verarbeiten und selbst eine Schwellwertcharakteristik besitzen,wie zb LED-Lampen.

Steigt die Spannung des Piezogenerators bzw hinter den Gleichrichtern (41) über den Schwellwert der LED-Lampe (74) an,wird der Stromkreis über die LED-Lampe und einen nicht gezeigten,oder keinen Widerstand kurzgeschlossen;die Spannung bricht zusammen,der dabei fließende strom läßt die LED-Lampe leuchten.

Vereinfachungen

-bzgl Gleichrichter s. Elektronik FIG.14

- FIG.16

Der Piezogenerator mit dieser Elektronik ist zb für den Aufbau von Lichtfeldern oder Scheinwerfern mit mindestens zwei LED-Lampen (43) bevorzugt geeignet.

Bei Verwendung von drei LED-Lampen unterschiedlicher Farbe oder ein Vielfaches davon ist die Erzeugung zb des weißen Lichtes gegeben.

Nachdem die LED-Lampe nur eine Durchlaßrichtung hat,kann der Gleichrichter durch zwei LED-Lampen aufgebaut werden.Die von den Piezoelementen (42) gelieferte Spannung steigt bis zum Schwellwert der LED-Lampen,dann erfolgt der Kurzschluß über eine der LED-Lampen, die jeweilige leuchtet.

Die Dioden (44) blocken den relativ hohen Sperrstrom der LED-Lampe ab.

Eine Piezogeneratormechanik zusammen mit der Elektronik FIG.16 samt Verbraucher LED-Lampen stellt eine funktioneile ,und deshalb nicht trennbare Einheit dar.

Vereinfachungen

-die Dioden (44) entfallen.

Claims

-Al-

l.Piezogenerator,dadurch gekennzeichnet,daß er aus den Grundbestandteilen

- Grundkörper (zb.FIG.l:l) ohne Zähne oder mit Zähne 1 (Zb.FIG.21:84)

- Piezoschwinger ,bestehend aus mindestens einem Piezoelement (zb FIG.1:2) und Feder (zb.FIG.1:3) mit Zähne 1 (zb.FIG.1:4) oder ohne Zähne (zb. FIG.21:85)

- Antriebsteil (zb.FIG.1:5) mit Zähne 2 (zb.FIG.1:6) und Rückholfeder (zb.FIG.1:90) oder ohne Rückholfeder (zb.FIG.8)

aufgebaut ist und

je nach Ausführung zusätzlich,wahlweise

- Feder (zb.FIG.8:55),Masse (zb.FIG.6:8),Anschlag (zb.FIG.3:9) Begrenzung {zb.FIG.9:10) am jeweiligen Piezoschwinger bzw Grundkörper sowie

- Elektronik (zb.FIG.14) mit Gleichrichter (zb.FIG.14:11) Kondensator (zb.FIG.14:12) Schwellwertschalter (zb.FIG.14:13) Schwellwertschalter {zb.FIG.14:14) Diode {zb.FIG.16:44) LED-Lampe (zb.FIG. 16 :43) ,Widerstand, Spannungsteiler ,,je nach Elektronik

aufweist,

wobei Piezoschwinger (zb.FIG.1:2,3) und Antriebsteil (zb.FIG.1:5) über Zähne 1 {zb.FIG. 1:4) und Zähne 2 (zb.,FIG. 1:6) bzw Zähne 1 des Grundkörpers (zb. FIG. 21:84) mit Zähne 2 des Antriebsteiles (zb. FIG.21:91) im Eingriff miteinander angeordnet sind,und der Verbraucher (zb.FIG.2:45) direkt an den elektrischen Leitungen (zb.FIG.2:15) der Piezoelemente (zb.FIG.2:16),oder über die Elektronik (zB&ngr; FIG.1:17) angeschlossen ist.
2. Piezogenerator nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,daß der Piezoschwinger ein Scheibenbieger {FIG.11:25 ) ist.
3.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß der Piezoschwinger (FIG.2:16,17) zumindest einen Zahn 1 (FIG.2:18) und der Antriebsteil (FIG.2:19) mehrere Zähne 2 (FIG.2:20) oder umgekehrt, aufweist.
4.Piezogenerator nach Anspruch 2 und 3,dadurch gekennzeichnet,daß der Zahn 1 Bestandteil des Scheibenbiegers (FIG.9:21) ist.
5.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß der Piezoschwinger (FIG.1:2,3) fest (FIG.1:22) oder Piezoschwinger (FIG.2:16,17) beweglich (FIG.2:52) mit dem jeweiligen Grundkörper in Verbindung steht.
6.Piezogenerator nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,daß er zwei gegeneinander gleichzeitig wirkend angeordnete Piezoschwinger (FIG.13:23,24) aufweist.
7.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß mehrere Piezoschwinger (FIG.11:25,26,27,2S) direkt vom Antriebsteil (FIG.11:29) oder über miteinander verbundene Piezoschwinger (FIG.12:30,31,32) vom Antriebsteil (FIG.12:33) erregbar angeordnet sind.
8.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das Antriebsteil dreh (FIG.2:19)-schwenk (FIG.3:34)

. ■ -hin/herbeweglich (FlG.1:5) oder als Kombination da^on (FIG.9:35) angeordnet ist.
9.Piezogenerator nach Anspruch 1 und 8,dadurch gekennzeichnet,daß das Antriebsteil eine Rückholfeder (FIG.7:36) aufweist.
10.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die Zähne 1 und Zähne 2 als Schlagverzahnung ausgebildet sind.
11.Piezogenerator nach Anspruch 1 , 10,dadurch gekennzeichnet,daß die Zähne 1 und Zähne 2 symmmetrische (FIG.3:34) oder asymmmetrische Flanken (FIG.2:20) aufweisen.
12.Piezogenerator nach Anspruch 1,10,dadurch gekennzeichnet,daß die Zähne 1 und/oder Zähne 2 aus Gewindegängen bestehen (FIG.9:37).
13.Piezogenerator nach Anspruch 1,12,dadurch gekennzeichnet,daß die Gewindegänge der Zähne 1 gegenüber den Gewindegängen der Zähne 2 eine unterschiedliche Steigung aufweisen.(Noniusprinzip)
14.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die Elektronik (FIG.14) für vorhandene oder nicht vorhandene bzw ein-und ausschaltbare Verbraucher,oder für fest installierte Verbraucher (FIG.14:38) je Piezoelement {FIG.14:39^ oder für mehrere Piezoelemente (FIG.14:39) einen Gleichrichter (FIG.14:11) ,daran gemeinsam angeschlossen einen Kondensator (FIG.14:12) ,bei Bedarf einen in Reihe dazu angeschlossenen Schwellwertschalter (FIG.14:13) und parallel danach angeschlossen, einen weiteren Schwellwertschalter (FIG.14:14) aufweist.
15.Piezogenerator nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,daß die Elektronik (FIG.15 ) für Gleichstrompulsation unempfindliche fest installierte Verbraucher,zb. LED Lampen je Piezoelement (FIG.15:40) lOder für mehrere Piezoelemente (FIG.15) einen Gleichrichter (FIG.15:41) aufweist.
16.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die Elektronik (FIG.16) je Piezoelement (FIG.16:42) mindestens eine LED-Lampe (FIG.16:43) oder zwei ,bzw mindestens drei verschiedenfarbige, von mehreren Piezoelementen gespeiste ,für zb die Weißlichterzeugung und bei Bedarf Dioden (FIG.16:44) aufweist.
17.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das Antriebsteil (FIG.17:45) über ein bewegliches Teil,zb Klauenkupplung oder Feder mit dem Antrieb in Verbindung steht und auf Piezoschwinger,hier Scheibenbieger ohne oder mit Formteilen (FIG.17:46,64) schlagend angeordnet ist.(Noniusprinzip)
18.Piezogenerator nach Anspruch 1,17,dadurch gekennzeichnet,daß das Antriebsteil symmetrisch oder unsymmetrisch zum Antrieb in Verbindung steht und mit unterschiedlich geformten und unterschiedlich großen Zähnen ausgeführt ist.(FIG.18)
19.Piezogenerator nach Anspruch 1,2,dadurch gekennzeichnet,daß die Scheibenbieger punktförmig oder kleinfläcnig am Grundkörper (FIG.1:22) bzw übertrager (FIG.3:61) befestigt sind.
20.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß der Grundkörper als Umfangskörper ausgebildet ist (FIG.19:75) oder als Zentralkörper (FIG. 20:80) und mit Piezoschwingern bestückt ist,die jeweils mindestens einen Zahn aufweisen (FIG.19:77;bzw FIG.20:82),die im Eingriff mit den Zähnen des Antriebsteiles (FIG.19:78;bzw FIG.20:83) befindlich angeordnet sind.
21.Piezogenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die Zähneanzahl aller Piezoschwinger (FIG.17:46,64) ungleich zur Sähneanzahl des Antriebsteiles (FIG.17:68) ist.(Noniusprinzip)