EP1129494A1 - Vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie

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Publication number
EP1129494A1
EP1129494A1 EP99944602A EP99944602A EP1129494A1 EP 1129494 A1 EP1129494 A1 EP 1129494A1 EP 99944602 A EP99944602 A EP 99944602A EP 99944602 A EP99944602 A EP 99944602A EP 1129494 A1 EP1129494 A1 EP 1129494A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spring
striking
striking element
piezoelectric transducer
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99944602A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Heller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1129494A1 publication Critical patent/EP1129494A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/183—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using impacting bodies

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating electrical energy with the features of the preamble of claim 1.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device by means of which a person can generate energy which is available for operating an electronic device or for recharging one or more accumulators.
  • the device according to the invention is advantageously small in size and light in weight. It can either be operated manually by someone or in some other way.
  • the device according to the invention uses the piezoelectric effect, in which mechanical energy is converted into electrical energy by means of piezo elements.
  • the device advantageously has not only one, but a multiplicity of piezoelectric elements, in particular crystals, which are advantageously subjected to multiple pressure loads by means of pressure-exerting elements, so that an electrical voltage can be picked up from them by the mechanical deformation of the piezo elements, which for operating electronic devices or for charging electrical memories, such as. B. accumulators can be used.
  • the voltage tapped at the piezo elements is worked up by means of a suitable electrical circuit well known from the prior art and regulated into a working voltage which is suitable for the electronic device or for the accumulator.
  • At least one impact element can be moved by means of an actuating element, which pressurizes the at least one piezoelectric element.
  • the person must permanently operate the device according to the invention while using the electronic device or when charging the accumulator.
  • the person operating the device according to the invention can charge a mechanical energy store by means of an actuating element.
  • a mechanical energy storage can e.g. B. be a spring which can be brought into a bias by the person.
  • the prestressed spring energy can be used to drive the striking elements which pressurize the piezo elements in such a way that a voltage can be tapped at the piezo elements, which can then be used to operate or charge the device or accumulator connected to the device according to the invention.
  • the device according to the invention itself has an accumulator, which is integrated in the device according to the invention and whose stored electrical energy can be used to operate an electronic device or to charge an external accumulator. This ensures ensures that, if necessary, the device according to the invention provides enough electrical energy to carry out the desired action.
  • energy can be generated and stored at the same time by means of the device at times when the device itself does not have to deliver any energy.
  • the device according to the invention can have any number of piezoelectric elements.
  • a striking element which pressurizes the element can be assigned to each piezoelectric element.
  • cyclic piezo elements it is possible for cyclic piezo elements to be cyclically pressurized. In order to avoid possible vibrations, it is particularly advantageous to provide more striking elements than piezo elements.
  • charging electronics are provided which control or regulate the charging process and in particular the charging current and the charging voltage.
  • Figure 1 A cross-sectional view through a first piezoelectric mechanism
  • FIG. 2a and 2b a side and top view of a further mechanism for the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view through a device according to the invention, which uses a mechanism according to FIG. 1;
  • FIG. 4 a top, side and front view of a tensioning mechanism for tensioning tension springs, the stored energy of which is used to drive a hammer mechanism according to FIGS. 2a and 2b;
  • FIG. 5 assembly of the hammer mechanism with the actuating device according to FIG. 4;
  • Figure 6 electronic circuit for processing an operating voltage.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a first embodiment of the device according to the invention, in which four piezoelectric transducers 3a to 3d are arranged in an outer housing part 1.
  • An inner part 2 rotating about an axis A has a plurality of cutouts 2a, in which striking parts 4 movably mounted in the radial direction are arranged.
  • the outer contours of the striking elements 4 are adapted to the cutouts 2a of the inner part 2 in such a way that the parts 4 can only be moved in the radial direction.
  • the striking elements 4 are pressurized radially outwards by spring elements 5, which are also arranged in the cutouts 2a.
  • the striking elements 4 are pressed radially outwards by the spring elements 5 against the guide surface 1 a of the outer part 1.
  • the guide surface la of the outer part 1 is designed such that the Impact elements 4 can be pressed into the recesses 2a by rotating the inner part 2 in the direction of the arrow against the spring force of the spring elements 5 during a four-part rotation.
  • the striking elements 4 run over an edge 1b of the guide surface la of the outer element 1. After passing over the edge 1b, the striking elements 4 can move radially outwards from the spring element 5 which is now tensioned are accelerated and hit the piezoelectric elements 3a to 3c arranged radially outward.
  • each striking element 4 is pressed a total of four times by the guide surfaces la into the respective recess 2a and released by the four edges 1b such that the spring force stored in the spring elements 5 strikes the striking elements 4 radially accelerated to the outside.
  • the piezoelectric elements 3a to 3d are arranged in the outer part 1 in such a way that they are flush with the guide surfaces la or protrude a little above them, so that the striking elements 4 from the surface of the piezoelectric elements 3a to 3d onto the guide surfaces la when turning the inner part 2.
  • the embodiment shown in FIG. 1 can be modified such that more or fewer than four striking elements or piezoelectric elements are provided.
  • the striking elements and the piezoelectric transducers are advantageously arranged around the circumference of the axis A in such a way that as little vibration as possible occurs when the inner part is rotated. To avoid such vibrations such.
  • B. 5 or 7 striking elements are provided around the circumference of the inner part 2, which only pressurize three piezoelectric converters in succession.
  • FIGS. 2a and 2b show a further embodiment of the device according to the invention, in which small hammer-like striking elements 40 periodically deform piezoelectric transducers 30a to 30d with their striking surface 41.
  • the striking elements 40 are designed as rockers, the free end of one arm 44 cooperating with a drive wheel, in particular a cam or gear wheel, which deflects and releases the rocker at least once, in particular several times, when the wheel rotates.
  • FIG. 2a shows the device in the state in which the rockers 40 are not deflected and are just pressurizing the piezoelectric transducer 30a.
  • a spring 50 is tensioned by the transmission 20 when the striking element 40 is deflected.
  • a plurality of striking elements 40 which are designed as a rocker and are mounted on a base plate 10, can be rotatably supported. For this purpose, the striking elements can be rotated between two bearings 43 on the base plate 10. consolidates.
  • the gear, consisting of the cam or gear 20 is also arranged between two bearings 21 on the base plate 10.
  • any number of striking elements designed as rockers can be arranged next to one another on the base plate 10.
  • a more or less strong return spring 50 can also be provided.
  • the return of the striking elements into the starting position, as shown in FIG. 2a is not controlled by a spring, but by a guide link of the transmission 20.
  • a further embodiment of this embodiment is conceivable in such a way that the striking element 40 can be moved back and forth between two stop positions by the transmission 20, the arm of the rocker 40 not interacting with the transmission 20 having two striking surfaces pointing away from one another, each in the maximum Pressurize piezoelectric transducers located in the deflection positions.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the device according to the invention, in which an arrangement according to FIG. 1 is arranged in a housing, the arrangement according to FIG. 1 being embedded between two housing shells 8b and 8c.
  • the inner part 2 is connected to a spiral spring 7 by means of a shaft W.
  • the spiral spring 7 can be tensioned via a control element 9 in the form of a rotary knob via a gear.
  • a locking device 11, 12, 13 prevents the coil spring 7 from unintentionally relaxing. If the shaft W is rotated in the direction in which the coil spring 7 is pretensioned, the inner part 2 does not rotate due to an interposed clutch, in particular a ratchet clutch.
  • the spiral spring 7 can relax and lock rotates the shaft in the direction of the arrow in accordance with FIG. 1 and drives the inner part 2 via the ratchet coupling, as a result of which the striking elements 4 periodically pressurize the piezoelectric transducers 3a to 3d in succession.
  • the device can be designed so that the knob 9 is not moved.
  • the knob 9 is rotated to simplify the mechanics.
  • the locking mechanism 11 ensures that the shaft can only be rotated in one direction, ie in the prestressing direction.
  • the device consists of three housing parts 8a, 8b and 8c, wherein the electrical circuit according to FIG. 6 - not shown in FIG. 3 - can also be arranged in the housing of the device.
  • the housing is advantageously of such dimensions that it fits comfortably in the hand of the operator and is particularly shaped on the outside in such a way that the operator of the device can hold it securely when the rotary knob is pressed.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a tensioning device for the device according to the invention, in which two tension springs 68 can be preloaded by means of an operating lever 64.
  • two guide rails 61 are mounted on a base plate 60, between which a rack 62 can slide.
  • the guide rails 61 each carry a bearing block 65, in the bearings of which a shaft with a gear 66 runs, which corresponds to the rack 62. If the gearwheel 66 is now rotated counter to the direction of the arrow by means of the ratchet mechanism via the operating lever 64, the rack is moved to the left against the direction of the arrow.
  • the two tension springs 68 are between the two blocks 63 and 67 curious; excited.
  • the bearing block 67 is firmly connected to the mounting plate 60.
  • the bearing block 63 is firmly connected to the rack 62. If the rack 62 is now moved to the left against the direction of the arrow by means of the operating element 64 via the gear wheel 66, the two tension springs 68 are preloaded. By means of a retention mechanism or locking device, which serves to release the energy of the two tension springs 68, which have been preloaded, a movement of the rack 62 in the direction of the arrow is not possible while the device is being opened.
  • the toothed rack 62 moves in the direction of the arrow due to the prestressed tension springs 68 and also moves the toothed wheel 66 in the direction of the arrow and serves to drive an arrangement according to FIGS. 1 or 2.
  • FIG. 5 shows an example of an assembly of the device according to FIG. 2 and FIG. 4.
  • the mounting plate 10 is fastened to the bearing blocks 65, as a result of which the gearwheel 20 engages with the gearwheel 66.
  • FIG. 6 shows a basic circuit for converting the voltage generated by the piezoelectric elements into electrical energy.
  • Each piezoelectric element K is connected in series to form a diode, so that one-way decoupling is ensured. Any number of this series connection of diodes and piezoelectric elements are connected in parallel to a capacitor C and a Zener diode ZD.
  • the capacitor C serves as an intermediate storage element in which the electrical energy generated by the piezoelectric elements through the pressure is first collected and then passed on via the resistor R to an accumulator V to be charged or to an electrical device or to end users.
  • the circuit is only an example and can be supplemented according to the respective requirements. It is also generally known and can be replaced by correspondingly acting circuits.
  • the device according to the invention is based on the principle that a manual elevator system prestresses a mechanical element, the mechanically stored energy then being converted into electrical energy via piezoelectric elements. Electrical wiring of the piezoelectric elements then serves to harness the electrical voltage generated on the piezoelectric elements.
  • Any manual elevator systems are conceivable.
  • the elevator systems exemplarily shown in the figures can be enlarged or reduced in size as desired and can be adapted to the respective dimensions.
  • the device can also include monitoring circuits which monitor the state of charge of the rechargeable batteries or the other electrical energy stores.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels des piezoelektrischen Effekts, wobei die Vorrichtung insbesondere ein Handgerät ist und mindestens einen piezoelektrischen Wandler und eine die vom piezoelektrischen Wandler erzeugte elektrische Spannung abgreifende elektronische Schaltung hat, wobei die Vorrichtung mindestens ein Betätigungsmittel (9) aufweist, welches insbesondere mit der Hand oder dem Fuss der die Vorrichtung betätigenden Person betätigbar ist, wobei mittels des Betätigungsmittels (9) direkt oder über ein Getriebe der mindestens eine piezoelektrische Wandler (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) druckbeaufschlagbar ist.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.
Elektrische oder elektronische Geräte sind entweder direkt an das Stromversorgungsnetz angeschlossen oder werden mittels Batterien oder Akkumulatoren betrieben. Akkumulatoren können hierbei Naß-, Trocken- oder Kompaktkondensatorzellen sein. Wieder aufladbare elektrische Speicher müssen über entsprechende Ladegeräte nach ihrer Entladung aufgeladen werden. Nachteilige bei der Verwendung von Akkumulatoren ist, daß sie nur über das Stromversorgungsnetz oder über meist mittels Benzin oder Diesel betriebene Notstromaggregate wieder aufladbar sind. Notstromaggregate sind nachteilig groß, schwer an Gewicht und zudem in ihrer Anschaffung und Unterhaltung sehr teuer. In der Regel wird daher kein herkömmliches Notstromaggregat vorhanden sein, um einen entladenen Akkumulator wieder aufzuladen. Sofern kein Stromversorgungsnetz vorhanden ist, wie dies z. B. auf See, in Wäldern oder im Gebirge der Fall ist, müssen entweder mehrere bereits aufgeladene Akkumulatoren mitgeführt, welche dann nacheinander an das zu betreibende Elektrogerät angeschlossen werden. Da Akkumulatoren nicht nur schwer sondern auch teuer in der Anschaffung sind, ist diese Lösung meist nicht praktikabel. Sobald auch der letzte mitgeführte Akkumulator entleert ist, kann das akkumulatorbetriebene Gerät, wie z. B. Funktelefon, Meß- oder Warngerät, Or- tungssystem, etc., so lange nicht mehr verwendet werden, bis eine Nachlademöglichkeit zur Verfügung steht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels der von einer Person Energie erzeugt werden kann, die zum Betreiben eines elektronischen Gerätes oder zum Wiederaufladen eines oder mehrerer Akkumulatoren zur Verfügung steht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft klein in ihren Abmessungen und leicht an Gewicht. Sie ist entweder von einer Person manuell oder in sonstiger Weise betätigbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet den piezoelektrischen Effekt, bei dem mechanische Energie in elektrische Energie mittels Piezoelementen umgewandelt wird. Die Vorrichtung hat vorteilhaft nicht nur eines, sondern eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, insbesondere Kristallen, die vorteilhaft mehrfach mittels Druck ausübenden Elementen druckbelastet werden, so daß durch die mechanische Deformation der Piezoelemente an diesen eine elektrische Spannung abgreifbar ist, welche zum Betreiben von elektronischen Geräten oder zum Aufladen von elektrischen Speichern, wie z. B. Akkumulatoren, verwendbar ist. Die an den Piezoelementen abgegriffene Spannung wird mittels einer geeigneten und aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten elektrischen Schaltung aufgearbeitet und in eine für das elektronische Gerät bzw. für den Akkumulator gerechte Arbeitsspannung eingeregelt .
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mittels eines Betätigungselementes mindestens ein Schlagelement bewegt werden, welches das mindestens eine piezoelektrische Element druckbeaufschlagt . Bei dieser Ausführungsform muß die Person während der Benutzung des elektronischen Geräts bzw. beim Aufladen des Akkumulators die erfindungsgemäße Vorrichtung permanent betätigen. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die die erfindungsgemäße Vorrichtung betätigende Person mittels eines Betätigungselementes einen mechanischen Energiespeicher aufladen. Ein mechanischer Energiespeicher kann z. B. eine Feder sein, welche durch die Person in eine Vorspannung bringbar ist. Bei Bedarf kann die vorgespannte Federenergie dazu benutzt werden, die die Piezoelemente druckbeaufschlagenden Schlagelemente derart anzutreiben, daß eine Spannung an den Piezoelementen abgreifbar ist, welche dann zum Betreiben oder Aufladen des an die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossenen Geräts oder Akkumulators verwendet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die erfindungs- ge äße Vorrichtung selbst einen Akkumulator, welcher in der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert ist und dessen gespeicherte elektrische Energie zum Betreiben eines elektronischen Gerätes oder zum Aufladen eines externen Akkumulators verwendet werden kann. Hierdurch ist gewähr- leistet, daß bei Bedarf die erfindungsgemäße Vorrichtung genügend elektrische Energie zur Verfügung stellt, um die gewünschte Aktion durchzuführen. Mittels dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mittels der Vorrichtung in Zeiten, bei denen die Vorrichtung selbst keine Energie abgeben muß, Energie erzeugt und gleichzeitig gespeichert werden.
Es versteht sich von selbst, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung beliebig viele piezoelektrische Elemente aufweisen kann. Jedem piezoelektrischen Element kann dabei ein das Element druckbeaufschlagendes Schlagelement zugeordnet sein. Es ist jedoch auch denkbar, daß mehrere Schlagelemente ein Piezoelement nacheinander druckbeaufschlagen. Zudem ist es möglich, daß Schlagelemente im Kreis angeordnete Piezoelemente zyklisch druckbeaufschlagen. Um mögliche Vibrationen zu vermeiden, ist es dabei insbesondere von Vorteil, mehr Schlagelemente als Piezoelemente vorzusehen.
Damit Akkumulatoren aufladbar sind, ist eine Aufladeelektronik vorgesehen, die den Aufladevorgang und insbesondere den Aufladestrom und die Ladespannung steuert bzw. einregelt .
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1: Eine Querschnittsdarstellung durch einen ersten Piezoelemente aufweisenden Mechanismus;
Figuren 2a und 2b: eine Seiten- und Draufsicht eines weiteren Mechanismus für die erfindungsgemäße Vorrichtung; Figur 3: eine Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen Mechanismus gemäß Figur 1 verwendet;
Figur 4: eine Drauf-, Seiten- und Frontansicht eines Spann echanismus zum Spannen von Zugfedern, deren gespeicherte Energie zum Antrieb • eines Hammermechanismus gemäß der Figuren 2a und 2b verwendet wird;
Figur 5: Zusammenbau des Hammermechanismus mit der Betätigungsvorrichtung gemäß Figur 4;
Figur 6: elektronische Schaltung zur Aufbereitung einer Betriebsspannung.
Die Figur 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der in einem äußeren Gehäuseteil 1 vier piezoelektrische Wandler 3a bis 3d angeordnet sind. Ein inneres um eine Achse A rotierendes Teil 2 weist mehrere Aussparungen 2a auf, in denen in radialer Richtung beweglich gelagerte Schlagteile 4 angeordnet sind. Die äußeren Konturen der Schlagelemente 4 sind den Aussparungen 2a des inneren Teils 2 angepaßt, derart, daß die Teile 4 lediglich in radialer Richtung beweglich sind. Radial nach außen werden die Schlagelemente 4 von Federelementen 5, welche ebenfalls in den Aussparungen 2a angeordnet sind, druckbeaufschlagt. Die Schlagelemente 4 werden von den Federelementen 5 radial nach außen gegen die Führungsflache la des äußeren Teils 1 gedrückt. Die Führungsfläche la des äußeren Teils 1 ist dabei derart gestaltet, daß die Schlagelemente 4 durch Verdrehen des inneren Teils 2 in Pfeilrichtung gegen die Federkraft der Federelemente 5 in die Aussparungen 2a bei einer Vierteilkreisumdrehung hineingedruckt werden. Sobald die Schlagelemente 4 vollständig in ihre zugehörige Aussparung 2a hineingedruckt sind, überfahren die Schlagelemente 4 eine Kante lb der Fuh- rungsfl che la des äußeren Elements 1. Nach dem Überfahren der Kante lb können die Schlagelemente 4 von dem nunmehr gespannten Federelement 5 radial nach außen beschleunigt werden und treffen auf die radial nach außen versetzt angeordneten piezoelektrischen Elemente 3a bis 3c. Durch den Aufschlag der Schlagelemente 4 auf die piezoelektrischen Elemente 3a bis 3d werden diese verformt und erzeugen durch den piezoelektrischen Effekt eine Spannung, welche durch eine m Figur 6 dargestellte elektrische Schaltung abgegriffen und zur Energieversorgung aufbereitet wird. Wahrend einer vollen Umdrehung um die Achse A des inneren Teils 2 wird jedes Schlagelement 4 insgesamt viermal von den Führungsflachen la in die jeweils zugehörige Aussparung 2a hineingedruckt und durch die vier Kanten lb derart freigegeben, daß die in den Federelementen 5 gespeicherte Federkraft die Schlagelemente 4 radial nach außen beschleunigt.
Die piezoelektrischen Elemente 3a bis 3d sind derart in dem äußeren Teil 1 angeordnet, daß sie mit den Fuhrungs- flachen la bundig abschließen oder ein wenig über diesen vorstehen, damit die Schlagelemente 4 von der Oberflache der piezoelektrischen Elementen 3a bis 3d auf die Fuh- rungsflachen la beim Verdrehen des inneren Teils 2 gelangen.
Die m Figur 1 dargestellte Ausführungsform kann derart abgewandelt werden, daß mehr oder weniger als vier Schlagelemente oder piezoelektrische Elemente vorgesehen sind. Die Schlagelemente und die piezoelektrischen Wandler sind vorteilhaft derart um den Umfang der Achse A herum verteilt angeordnet, daß möglichst wenig Vibrationen beim Verdrehen des inneren Teils entstehen. Zur Vermeidung derartiger Vibrationen können z. B. 5 oder 7 Schlagelemente um den Umfang des inneren Teils 2 vorgesehen werden, die lediglich drei -piezoelektrische Wandler nacheinander druckbeaufschlagen.
Es hat sich herausgestellt, daß die spontane Druckbeaufschlagung mittels eines Druckimpulses für die Energieerzeugung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Vorteil ist.
Die Figuren 2a und 2b zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der kleine hammerartige Schlagelemente 40 mit ihrer Schlagfläche 41 piezoelektrische Wandler 30a bis 30d periodisch deformieren. Die Schlagelemente 40 sind als Wippen ausgebildet, wobei das freie Ende des einen Armes 44 mit einem Antriebsrad insbesondere eines Nocken- oder Zahnrades zusammenwirkt, welches die Wippe bei einer Umdrehung des Rades mindestens einmal, insbesondere mehrfach auslenkt und wieder freigibt. Die Figur 2a zeigt die Vorrichtung in dem Zusand, in dem die Wippen 40 nicht ausgelenkt sind und gerade den piezoelektrischen Wandler 30a druckbeaufschlagt. Eine Feder 50 wird beim Auslenken des Schlagelements 40 von dem Getriebe 20 gespannt. Beim Freigeben der Wippe 40 durch das Getriebe 20 wird durch die gespannte Feder die Wippe 40 in ihre Ausgangsposition zurückbeschleunigt und schlägt impulsartig mit ihrer Schlagfläche 41 gegen den piezoelektrischen Wandler 30a, welcher durch die Deformation eine abgreifbare Spannung erzeugt. Auf einer Grundplatte 10 können mehrere um eine Achse 42 gelagerte, als Wippe ausgebildete Schlagelemente 40 verdrehbar gelagert sein. Hierzu sind die Schlagelemente zwischen zwei Lagern 43 an der Grundplatte 10 drehbar be- festigt. Das Getriebe, bestehend aus dem Nocken- oder Zahnrad 20 ist ebenfalls zwischen zwei Lagern 21 an der Grundplatte 10 angeordnet.
Es versteht sich von selbst, daß beliebig viele als Wippen ausgebildete Schlagelemente nebeneinander auf der Grundplatte 10 angeordnet werden können. Ebenso ist je nach Ausgestaltung eine mehr oder weniger starke Rückzugsfeder 50 vorsehbar. Es ist ebenfalls denkbar, daß die Rückführung der Schlagelemente in die Ausgangsposition, wie sie in Figur 2a dargestellt ist, nicht durch eine Feder, sondern durch eine Führungskulisse des Getriebes 20 zwangsgesteuert erfolgt. Ferner ist eine weitere Ausgestaltung dieser Ausführungsform derart denkbar, daß das Schlagelement 40 zwischen zwei Anschlagpositionen von dem Getriebe 20 hin- und herbewegbar ist, wobei der nicht mit dem Getriebe 20 zusammenwirkende Arm der Wippe 40 zwei voneinander wegzeigende Schlagflächen besitzt, welche jeweils in den maximalen Auslenkpositionen befindliche piezoelektrische Wandler impulsmäßig druckbeaufschlagen.
Die Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine Anordnung gemäß der Figur 1 in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Anordnung gemäß der Figur 1 zwischen zwei Gehäuseschalen 8b und 8c eingebettet ist. Das innere Teil 2 ist mittels einer Welle W mit einer Spiralfeder 7 in Verbindung. Die Spiralfeder 7 kann über ein Bedienelement 9 in Form eines Drehknopfes über ein Getriebe gespannt werden. Eine Arretiervorrichtung 11, 12, 13 verhindert, daß die Spiralfeder 7 sich ungewollt entspannen kann. Wird die Welle W in die Richtung verdreht, in der die Spiralfeder 7 vorgespannt wird, verdreht sich das innere Teil 2 aufgrund einer zwi- schengeschalteten Kupplung, insbesondere einer Ratschen- kupplung, nicht mit. Wird die Arretierungsfunktion 11 gelöst, so kann sich die Spiralfeder 7 entspannen und ver- dreht die Welle in Pfeilrichtung gemäß Figur 1 und treibt das innere Teil 2 über die Ratschenkupplung an, wodurch die Schlagelemente 4 nacheinander periodisch die piezoelektrischen Wandler 3a bis 3d impulsförmig druckbeauf- schlagen. Bei dieser Drehrichtung kann die Vorrichtung so gestaltet sein, daß der Drehknopf 9 nicht mitbewegt wird. Es ist jedoch auch denkbar, daß der Drehknopf 9 zur Vereinfachung der Mechanik mit verdreht wird. Beim Aufziehen der Spiralfeder 7 sorgt der Arretierungsmechanismus 11 dafür, daß die Welle lediglich in eine, d. h. in die Vorspannrichtung, verdrehbar ist.
Zur leichten Montage der Vorrichtung gemäß der Figur 3 besteht die Vorrichtung aus drei Gehäuseteilen 8a, 8b und 8c, wobei die elektrische Schaltung gemäß der Figur 6 - in Figur 3 nicht dargestellt - ebenfalls in dem Gehäuse der Vorrichtung angeordnet sein kann. Das Gehäuse ist vorteilhaft derart in seinen Abmessungen, daß es bequem in die Hand der bedienenden Person paßt und ist insbesondere außen derart geformt, daß die die Vorrichtung bedienende Person diese beim Betätigen des Drehknopfes sicher halten kann.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Spannvorrichtung für die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der mittels eines Bedienhebels 64 zwei Zugfedern 68 in Vorspannung bringbar sind. Hierzu sind auf einer Grundplatte 60 zwei Führungsschienen 61 montiert, zwischen denen sich eine Zahnstange 62 gleitend bewegen kann. Die Führungsschienen 61 tragen je einen Lagerbock 65, in dessen Lagern eine Welle mit Zahnrad 66 läuft, das mit der Zahnstange 62 korrespondiert. Wird nun über den Bedienhebel 64 über ein Ratschengetriebe das Zahnrad 66 entgegen der Pfeilrichtung verdreht, wird die Zahnstange entgegen der Pfeilrichtung nach links bewegt. Die beiden Zugfedern 68 sind zwischen den beiden Blöcken 63 und 67 gespannt. Der Lagerblock 67 ist fest mit der Montageplatte 60 verbunden. Dagegen ist der Lagerblock 63 mit der Zahnstange 62 fest verbunden. Wird nunmehr die Zahnstange 62 nach links entgegen der Pfeilrichtung mittels des Bedienelements 64 über das Zahnrad 66 bewegt, werden die beiden Zugfedern 68 vorgespannt. Durch einen Rückhalteme- chanismus bzw. Arretiervorrichtung, welcher zur Energiefreigabe der beiden in Vorspannung gebrachten Zugfedern 68 dient, ist während des Aufziehens der Vorrichtung eine Bewegung der Zahnstange 62 in Pfeilrichtung nicht möglich. Wird die nicht dargestellte Arretiervorrichtung gelöst, bewegt sich die Zahnstange 62 aufgrund der vorgespannten Zugfedern 68 in Pfeilrichtung und bewegt das Zahnrad 66 ebenfalls in Pfeilrichtung und dient zum Antreiben einer Anordnung gemäß den Figuren 1 oder 2.
Die Figur 5 zeigt beispielhaft einen Zusammenbau der Vorrichtung gemäß der Figur 2 und der Figur 4. Hierzu wird die Montageplatte 10 an den Lagerböcken 65 befestigt, wodurch das Zahnrad 20 mit dem Zahnrad 66 in Eingriff gelangt .
Ebenso ist es jedoch möglich, die Spannvorrichtung gemäß der Figur 4 mit der Anordnung gemäß der Figur 1 in Verbindung zu bringen, wobei dann das Zahnrad 66 beim Freisetzen der in den Zugfedern 68 gespeicherten Energie das innere Teil 2 in Drehbewegung versetzt.
Die Figur 6 zeigt eine prinzipielle Schaltung zur Umwandlung der von den piezoelektrischen Elementen erzeugten Spannung in elektrische Energie. Jedes piezoelektrische Element K wird in Reihe zu einer Diode geschaltet, damit eine Einwegentkopplung gewährleistet ist. Beliebig viele dieser Serienschaltung aus Dioden und piezoelektrischen Elementen werden parallel zu einem Kondensator C und einer Zehnerdiode ZD geschaltet. Der Kondensator C dient dabei als Zwischenspeicherlement, in dem die von den piezoelektrischen Elementen durch den Druck erzeugte elektrische Energie zunächst gesammelt und dann über den Widerstand R an einen aufzuladenden Akkumulator V oder an ein elektrisches Gerät bzw. an Endverbraucher weitergeleitet wird.
Die Schaltung ist lediglich beispielhaft und kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen ergänzt werden. Sie ist im übrigen allgemein bekannt und kann durch entsprechend wirkende Schaltungen ersetzt werden.
Es versteht sich von selbst, daß als piezoelektrische Wandler Keramik-, Kristall-, synthetische oder amorphflexible Körper zum Einsatz gelangen können. Die erfin- dungsgemäße Vorrichtung basiert auf dem Prinzip, daß ein manuelles Aufzugssystem ein mechanisches Element in Vorspannung bringt, wobei dann die mechanisch gespeicherte Energie in elektrische Energie über piezoelektrische Elemente gewandelt wird. Eine elektrische Beschaltung der piezoelektrischen Elemente dient dann der Nutzbarmachung der an den piezoelektrischen Elementen erzeugten elektrischen Spannung. Es sind beliebige manuelle Aufzugssysteme vorstellbar. Die in den Figuren beispielhaft aufgeführten Aufzugssysteme sind beliebig in ihrer Dimension vergrößerbar oder verkleinerbar und können den jeweiligen Dimensionen entsprechend angepaßt werden. Die Vorrichtung kann zudem Überwachungsschaltungen beinhalten, welche den Ladezustand der aufzuladenden Akkumulatoren bzw. der sonstigen elektrischen Energiespeicher überwachen.

Claims

Pa ten tan sprü che
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mittels des piezoelektrischen Effekts, wobei die Vorrichtung insbesondere ein Handgerät ist und mindestens einen piezoelektrischen Wandler und eine die vom piezoelektrischen Wandler erzeugte elektrische Spannung abgreifende elektronische Schaltung hat, dadu r ch gek enn z e i chne t , daß die Vorrichtung mindestens ein Betätigungsmittel (9) aufweist, welches insbesondere mit der Hand oder dem Fuß der die Vorrichtung betätigenden Person betätigbar ist, wobei mittels des Betätigungsmittels (9) direkt oder über ein Getriebe der mindestens eine piezoelektrische Wandler (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) druckbeaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kenn z ei chne t , daß mittels des Betätigungsmittels (9) mindestens eine Feder (7), insbesondere eine Zug-, Druck, Blatt-, Spiral- oder Torsionsfeder, spannbar ist, wobei die in der Feder (7) gespeicherte mechanische Energie bei Bedarf zur Druckbeaufschlagung des mindestens einen piezoelektrischen Wandlers (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) freigebbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß zwischen der Feder (7) und dem mindestens einen piezoelektrischen Wandler (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) ein Getriebe und/oder zwischen der Feder (7) und dem Betätigungsmittel (9) ein Getriebe zwischengeschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß zwischen der Feder (7) und dem Betätigungsmittel (9) eine Kupplung, insbesondere eine richtungsgeschaltete Kupplung ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da du r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß zur Energieerzeugung der mindestens eine piezoelektrische Wandler (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) kontinuierlich oder mehrfach nacheinander insbesondere mittels eines Schlagelementes (4,40) druckbeaufschlagt wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da du r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß jedem piezoelektrischen Wandler (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) mindestens ein Schlagelement (4,40) insbesondere ein Schlagbolzen zugeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß ein Schlagelement (4) nacheinander mehrere piezoelektrische Wandler (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) druckbeaufschlagt .
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß das Schlagelement
(4,40) jeweils derart beschleunigt wird, daß es mit hoher Geschwindigkeit den piezoelektrischen Wandler
(3a,3b,3c,3d; 30a, 30b, 30c, 30d) trifft.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da du r ch gek enn z e i chne t , daß eine Mehrzahl von piezoelektrischen Wandlern (3a, 3b, 3c, 3d; 30a, 30b, 30c, 30d) einen gemeinsamen Energiespeicher insbesondere einen Kondensator (C) aufladen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da du r ch gekennzei chne t , daß die sich entspannende Feder (7) eine Welle (2) antriebt, auf der mindestens ein Schlagelement radial verschieblich gelagert ist, wobei eine Feder (5) das Schlagelement radial nach außen druckbeaufschlagt und das Schlagelement beim Verdrehen der Welle (2) in einem bestimmtem Winkelbereich von einer Führungsflache (la) entgegen der Kraft der Feder (5) radial nach innen bewegt wird und in einem anderen Winkelbereich die Führungsfläche (la) das Schlagelement (4) freigibt, derart, daß das Schlagelement (4) mittels der Feder (5) radial nach außen beschleunigt wird und auf einen piezoelektrischen Wandler (3a, 3b, 3c, 3d) trifft.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge k e n n z e i chne t , daß pro Umdrehung der Welle
(2) das Schlagelement (4) mehrfach mittels der Führungsfläche (la) radial nach innen bewegt und freigegeben wird, derart, daß pro Umdrehung das Schlagelement (4) mehrere über den Umfang der Welle (2) angeordnete piezoelektrische Wandler (3a, 3b, 3c, 3d) druckbeaufschlagt .
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadu r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß eine Innenwandung eines Hohlzylinders (1) die Führungsfläche (la) bildet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß das Handgerät mindestens so viele Schlagelemente wie piezoelektrische Wandler aufweist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß mehrere piezoelektrische Wandler (3a, 3b, 3c, 3d) in der Führungsfläche (la) in Umfangsrichtung angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, d a du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß zumindest die in Drehrichtung weisende Kante der Aufschlagfläche des piezoelektrischen Wandlers (3a, 3b, 3c, 3d) nahezu mit der Führungsflache (la) fluchtet oder radial nach innen gegenüber der Führungsfläche (la) vorsteht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß die sich entspannende Feder (7) mindestens ein insbesondere als Wippe ausgebildetes Schlagelement (40) über ein Getriebe antreibt, wobei das Schlagelement (40) während des Entspannungsvorgangs der Feder (7) mit seiner Schlagfläche (41) mehrfach gegen mindestens einen piezoelektrischen Wandler (30a, 30b, 30c, 30d) schlägt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, da du r ch g e k e n n z e i ch n e t , daß die sich entspannende Feder (7) insbesondere mehrfach nacheinander gegen die Kraft einer weiteren Feder (50) das Schlagelement (40) mit seiner Schlagfläche (41) weg von dem piezoelektrischen Wandler (30a, 30b, 30c, 30d) bewegt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 , dadu r ch ge k enn z e i chne t , daß ein Schlagelement zwei Schlagflächen hat, wobei jede Schlagfläche einem eigenen piezoelektrischen Wandler zugeordnet ist, und daß ein Getriebe die von der Feder freigegebene Energie in eine Hin- und Herbewegung des Schlagelements umsetzt, derart, daß das Schlagelement mit seinen Schlagflächen abwechselnd gegen die beiden piezoelektrischen Wandler (30a, 30b, 30c, 30d) schlägt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadu rch gekenn zei chne t , daß mehrere Schlagelemente nebeneinander angeordnet sind, wobei die Schlagelemente um eine Achse verschwenkbar angeordnete Wippen sind, deren einer Arm an seinem Ende mindestens eine Schlagfläche aufweist, und die sich entspannende Feder das Ende des anderen Arms über das Getriebe antreibt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das
Getriebe ein drehbar gelagertes Rad oder drehbar gelagerte Walze ist, wobei Rad oder Walze um ihren Umfang verteilt mindestens einen das Schlagelement auslenkenden Vorsprung insbesondere Verzahnung aufweisen, wobei der Vorsprung bzw. die Verzahnung jeweils nach einem bestimmten Auslenk- bzw. Verdrehwinkel das Schlagelement freigibt, derart, daß dieses insbesondere beschleunigt durch eine Feder mit seiner Schlagfläche gegen einen piezoelektrischen Wandler schlägt .
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