EP2030264A1 - Piezoelectric generator - Google Patents

Piezoelectric generator

Info

Publication number
EP2030264A1
EP2030264A1 EP07764392A EP07764392A EP2030264A1 EP 2030264 A1 EP2030264 A1 EP 2030264A1 EP 07764392 A EP07764392 A EP 07764392A EP 07764392 A EP07764392 A EP 07764392A EP 2030264 A1 EP2030264 A1 EP 2030264A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
activator
piezoelectric
generator according
resonance system
feedback circuit
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Withdrawn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
EP07764392A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Klaus Reichmann
Igor Kartashev
Wolfgang Athenstaedt
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.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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 Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2030264A1 publication Critical patent/EP2030264A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/185Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Definitions

  • a piezoelectric generator is z. B. from the document US 5,751,091 known. This generator is used in a clock.
  • An object to be solved is to provide a high-efficiency piezoelectric generator, which is characterized by a high mechanical stability.
  • a piezoelectric generator with a resonance system that can be excited to mechanical vibrations which comprises a piezoelectric transducer.
  • the generator further includes a feedback circuit electrically connected to the piezoelectric transducer.
  • the feedback circuit is provided for driving vibrations of the resonance system and in particular for adjusting the oscillation frequency of the resonance system.
  • the piezoelectric generator is suitable for the transformation of a mechanical energy into an electrical energy.
  • the piezator can z. B. be realized for power supply in a portable electrical device.
  • the mechanical energy used to excite the resonance system can be generated, for example, by body or air movements.
  • the piezoelectric transducer is suitable for converting the mechanical energy of the resonance system into an electrical energy that can be supplied to an electrical load, ie a consumer. Furthermore, advantageous embodiments of the piezogenerator will be described.
  • the piezoelectric transducer is referred to below as a piezo element.
  • the mechanical resonance system is preferably mechanically excited to vibrate during excitation phases.
  • the generator comprises an excitation device which ensures the mechanical excitation of the resonance system during each excitation phase.
  • Mechanical parameters of the excitation system can be adjusted by means of the feedback circuit.
  • the mechanical parameters of the excitation system are z. B. the predetermined rotational frequency or the speed of a transport device, which carries an activator explained below for exciting the resonance system.
  • the frequency of action of the activator can be adjusted to the resonance system.
  • the generator has a start-up phase and a working phase, which corresponds to the normal operation of the generator.
  • a start-up phase the resonance system is first brought out of balance spontaneously or by means of a starting device. This triggers mechanical vibrations of the resonance system, in which the piezoelectric element, an electrical signal is generated at a frequency that matches the natural frequency of the mechanical resonance system. A part of this signal is processed by the feedback circuit into a control signal and used to drive the excitation device of the resonance system.
  • the feedback circuit is used during the start-up phase as a remedy to Oscillation of the resonance system provided in the operating state.
  • the feedback circuit is preferably suitable for stabilizing the excitation frequency.
  • the excitation frequency is the number of excitations of the resonance system per unit of time.
  • the resonance system After the transient phase, the resonance system reaches a normal operating state.
  • the normal operating state means mechanical vibrations of the resonance system preferably at a natural frequency (resonance frequency) of the resonance system. These vibrations are converted by the piezoelectric element into an electrical signal. The following describes how the generator works in normal operation.
  • the Z. B. by the piezoelectric element and the oscillating device described below formed mechanical resonance system is characterized by a natural frequency. This may be its fundamental frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency.
  • the range of n between 2 and 5 may also be advantageous.
  • the controlled by the feedback circuit mechanical action (excitation) on the resonance system is preferably synchronized with the natural vibration of the resonance system with respect to the frequency, the phase and the amplitude, ie the intended maximum deflection.
  • the resonance system is excited during an excitation phase, which is preferably at most half of the oscillation period T of the resonance system.
  • the excitation phase can also be between T / 4 and T / 2 to last; to endure, to continue.
  • the excitation phase is preferably synchronized with the oscillation phase, ie the maximum deflection with respect to the state of equilibrium is brought about at a time at which, without excitation, one of the amplitude maxima of the (damped) natural oscillation of the resonance system would occur.
  • the resonance system preferably comprises a vibration device which has oscillatable vibration elements, between which the piezoelectric element is clamped.
  • the oscillating elements are preferably oscillatable against each other. It is advantageous if a plane in which the oscillating elements oscillate is aligned perpendicular to the direction of gravity.
  • the oscillating elements can oscillate freely after an excitation phase in which they are deflected with respect to their rest position.
  • the oscillating device is preferably provided for generating a compressive stress on the piezoelectric element.
  • the piezo element can, for. B. compressed by the compressive stress along a longitudinal direction. By means of the compressive stress but also a shear deformation of the piezoelectric element can be brought about.
  • the deformation of the piezoelectric element clamped in the oscillating device is effected.
  • the mechanical energy of the vibrating device is converted into electrical energy.
  • the oscillating device is preferably provided for biasing the piezoelectric element.
  • a prestressed piezoelectric element makes it possible to achieve a particularly high power density of the generator.
  • the oscillating device has energy storage elements mechanically coupled to the oscillating elements.
  • energy storage elements for storing the (mechanical) energy in particular weights are suitable, which are attached to the vibrating elements, preferably in the region of the freely oscillatable ends of the vibrating elements.
  • the generator may include an energy reservoir, which is decoupled from the vibratory elements outside of the excitation phases, for storing energy that may be consumed for excitation of the resonant system, the power consumption being controlled by the feedback circuit.
  • This energy can be supplied to the vibrating elements directly or with the aid of the activator.
  • the stored energy in this reservoir can be converted into free or - when using the activator - forced vibrations of the vibrating device.
  • the energy reservoir for energy may be designed to be suitable for storing the energy of uncorrelated mechanical actions. Possible mechanical effects are z. B. uncorrelated vibrations of a carrier to which the vibrating device is attached. The energy of the air pressure (eg with breath and acoustic signals of the environment) can also be accumulated in the energy reservoir. The stored energy can z. B. are used to drive the transport device to which the activator is coupled. The activator removes energy from the energy reservoir and transfers it to the vibrating device during the excitation phase.
  • the air pressure can be in a designated container z. B. be built by wind, breath or by squeezing a shoe sole while walking.
  • the container may be inflatable like a balloon, wherein in the container preferably an overpressure protection is provided.
  • the container preferably has an inlet opening and an outlet opening.
  • the inlet opening through which the air can be pumped, is provided with a first valve.
  • the outlet opening can be closed with an activator designed as a valve.
  • the activator acts as a regulator for metered release of the stored energy.
  • a contactless regulated power transmission to the resonance system is possible.
  • the air is metered and preferably let out of the container at a predetermined frequency. The resulting air flow can bring swinging components of the resonance system to vibrate.
  • Another way to store the energy is a mechanism with a wind-up spring.
  • the excitation device may comprise a metering device coupled to the energy reservoir for the metered delivery of the stored energy and an activator, which is preferably coupled to the metering device or -. B. when realized as a valve - forms at least a portion of the metering device.
  • the metered delivery means z. B. a matched to the energy demand excitation intensity or excitation frequency.
  • the metering device is characterized by mechanical parameters whose values can be changed by the feedback circuit.
  • the dosing device is preferably coupled to the feedback circuit.
  • For excitation of vibrations of the Oscillation device is a metered delivery of mechanical energy from an energy reservoir particularly advantageous.
  • the excitation device may comprise a transport device which is provided for transporting the activator.
  • the transport device preferably has rotatable elements, the z. B. can be electromagnetically driven by control pulses of the feedback circuit. By the control pulses, it is possible to adjust the rotational speed of the rotatable elements. Thus, the speed and the frequency of action of the activator can be controlled to the resonance system.
  • the activator can be set in motion under the action of an external mechanical force.
  • the activator preferably constitutes a wedge-shaped part which is used to excite vibrations of the oscillating device and which is provided for metered delivery of mechanical energy to the resonance system during periodic operation of the generator.
  • the activator preferably passes between the vibrating elements during an excitation phase and pushes them apart. With each pass of the activator, the energy stored in the weights is proportional to the deflection of the weights from the respective rest position. This energy can be converted into the energy of the free oscillations of the oscillating device after the intended maximum deflection, after the termination of the excitation phase.
  • the excitation phase ends as soon as the activator leaves the area arranged between the weights.
  • the length of stay of the activator in this area ie the duration of the incentive tion phase, is chosen so that it is a maximum of half the oscillation period of the vibrating device.
  • the piezoelectric generator may comprise a rectifier which is electrically connected to the piezoelectric transducer.
  • the AC voltage generated at the piezoelectric transducer can be rectified.
  • the rectifier is preferably arranged between the piezoelectric transducer and the electrical load.
  • the feedback circuit is preferably supplied with the rectified signal.
  • the piezoelectric generator may comprise an electrical storage element, which is preferably electrically connected to the piezoelectric transducer.
  • an electrical storage element is a z. B. grounded capacitor into consideration.
  • the capacitor smooths the rectified, ripple-generating generator voltage.
  • a part of the rectified signal can be used.
  • the electric charge accumulated on the electric storage element can be used to supply the voltage to the feedback circuit and to start the excitation device.
  • the oscillating elements each preferably have a fixed end and a free swinging end.
  • Each vibrating element can, for. B. be a strip-shaped bending spring.
  • the oscillating elements may, for example, form the legs of a U-piece, which is preferably fastened to a carrier in the region of its connecting piece.
  • the oscillating device in a preferred variant has the shape of a tuning fork.
  • the vibration (vibrations) of the wearer can cause the vibration device to vibrate freely. But the vibrating device can also by an air pressure to be made to swing. This can be achieved in both cases with or without the activator.
  • the transport device may in one variant comprise a conveyor belt which is set in motion by means of transport rollers.
  • the transport rollers are preferably coupled to an aforementioned energy reservoir for mechanical energy.
  • the transport device may alternatively comprise a rotating device in the form of a disc, a wheel or a ring, which is rotatable about an axis of rotation and to which the activator is attached, which passes through the rotation of the wheel between the vibrating elements and thereby pushing apart the Causes oscillating elements.
  • the piezoelectric element has electrodes and at least one piezoelectric layer which is arranged between the electrodes.
  • the electrodes can z. B. external electrodes, which are arranged on the surface of a base body of the piezoelectric element. Between the outer electrodes, a piezoelectric layer is arranged. During the deformation of this piezoelectric layer, an electric charge is generated at the outer electrodes.
  • the electrodes may also be internal electrodes, which are each arranged between two piezoelectric layers. Preferably, a plurality of internal electrodes are present, which are alternately connected to a first and a second outer electrode.
  • a ceramic with piezoelectric properties is very well suited.
  • the feedback circuit may comprise a comparator and / or an amplifier.
  • a comparator is a circuit for comparing the amplitude of analog signals.
  • the electrical energy store can be used to generate a reference voltage for the comparator, which is a first input of the Comparator is supplied. For this purpose, between the first input of the comparator and the electrical energy storage z.
  • B. a voltage divider with a series resistor and a reverse-biased Z-diode arranged. The second input of the comparator, the rectified output voltage of the piezoelectric element is supplied.
  • the metering device can, for. B. be realized as in a clock.
  • the energy reservoir is preferably coupled to a pivoting element (eg armature, balance shaft).
  • the mechanical energy can be converted into the kinetic energy of the pivoting movements of the pivoting element.
  • the pivoting element can, for example, drive a shaft by means of a gear or escape wheel and cause this shaft to rotate.
  • the shaft preferably belongs to the transport device or is mechanically coupled to the transport device.
  • the swing frequency of the swing member may be controlled by the feedback circuit. Thus, the rotational frequency of the shaft and consequently the predetermined speed of the activator can be adjusted.
  • the dosing device may comprise a spring coupled to a balance shaft, which may be wound up by, inter alia, spontaneous mechanical action.
  • the swing frequency of the balance wheel can be adjusted by the length of the spring.
  • the length of the spring can be adjusted by means of a clamping element fixed to a movable, z.
  • electromechanically or electromagnetically controllable element is connected, which can preferably perform a linear movement. It is advantageous if the mechanical parameters of the metering device are chosen such that the initial frequency or speed of the excitation device is in the vicinity of the intended operating point. Preferably, the initial frequency of the excitation device is selected below the operating point.
  • the feedback circuit ensures that the frequency of the excitation device is increased during the start-up phase. In normal operation, this frequency is held by the feedback near the operating point.
  • the control of the frequency of the metering device can be accomplished in an advantageous manner by means of a comparator which is electrically coupled to the electromechanically or electromagnetically controllable element.
  • the comparator compares the voltage generated at the piezoelectric element with a reference voltage and gives z. B. when exceeding the predetermined voltage level, a negative and falling below this level, a positive control voltage.
  • the electromechanically or electromagnetically controllable element is dependent on the state of the comparator, d. H. moved according to the sign of the control voltage in one direction or in the opposite direction to it. The position of the controllable element determines the mechanical parameters and thus the frequency of the metering device.
  • the piezoelectric generator can be a z. B. to the electrical energy storage device or to another electrical energy storage electrically coupled starter device (switch), which is provided for triggering the excitation device by means of an electrical pulse. In this case, the stored electrical charge is supplied to the feedback circuit, which boosts the excitation device.
  • generator can also include a starting device for triggering the excitation device by means of a mechanical action on this device. The starting device can, for. B. be operated manually. In addition, a switch for interrupting the excitation device may be provided.
  • the generator may comprise a plurality of resonance systems, which are preferably excited at the same frequency but with different phases.
  • Figure 1 shows a basic structure of a piezoelectric generator with a feedback circuit
  • Figure 2 shows a basic structure of a piezoelectric generator with an energy storage device
  • FIG. 3 shows an exemplary implementation of the piezoelectric generator according to FIG. 2 for the embodiment with a plurality of electromechanical transducers connected in parallel;
  • FIG. 4 shows the time dependence of the voltage generated by the parallel-connected electromechanical converter according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a further exemplary implementation of the piezoelectric generator according to FIG. 2 for the embodiment with a plurality of electromechanical converters connected in parallel;
  • FIG. 6 shows a detail of the piezator with a Rectifier in the form of a diode bridge
  • FIG. 7 shows an embodiment of the piezoelectric generator according to FIG. 2 with a plurality of electromechanical transducers connected in parallel, wherein a separate activator is provided for each transducer;
  • FIG 8 in cross section the piezoelectric generator with a vibrating device and biased piezoelectric element, wherein vibrating elements of the vibrating device are deflected by an activator (top) and swing freely (bottom);
  • Figures 9, 10 is a perspective view of a transport device which sets the activator in motion
  • Figure 11 is a plan view of a transport device in which a plurality of activators are mounted on a rotating device in the form of a disc;
  • Figure 12 is a plan view of a transport device in which two activators are mounted on a spinner in the form of a spoke at both ends of the spoke;
  • FIG. 13 shows an oscillating device which can be excited by the air pressure and has a reservoir for the compressed air
  • FIG. 14A shows a detail of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a flap which is fastened to the air reservoir at one end;
  • FIG. 14B shows a detail of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a membrane
  • FIG. 15A shows the view of an inlet opening of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a small plate, which is rotatable about its center axis, with the inlet opening closed;
  • FIG. 15B shows the view of an inlet opening of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a plate, which is rotatable about its central axis, with the inlet opening open;
  • FIG. 16 shows an exemplary realization of the feedback circuit
  • FIG. 17 Dependence of the voltage generated by the generator on the excitation frequency.
  • FIG. 1 shows schematically the construction of a piezoresistor 1 with a mechanical resonance system 5, which comprises an oscillating device 51 and a piezoelectric transducer 2 (piezoelectric element).
  • the resonance system 5 has a resonance frequency f R.
  • the oscillating device 51 and the piezoelectric element 2 are mechanically coupled together.
  • the mechanical coupling between the oscillating device 51 and the piezoelectric transducer 2 is indicated by the double arrow 43. Thanks to this coupling, the transmission of mechanical energy to the piezoelectric transducer is possible.
  • the oscillating device 51 can be excited by means of an activator 6 to vibrate.
  • the oscillation frequency preferably agrees with the resonance frequency f R of the resonance system.
  • the activator 6 is a moving part which nergie an external mechanical force 7 receives and doses this, ie with an excitation frequency f a on the vibrating device 51 transmits and thus brings this device to vibrate.
  • f a f R / n, where n is an integer between 1 and 5.
  • FIG. 2 shows a variant of the piezoelectric generator 1, which comprises an energy store 71, in which the mechanical energy generated by the external mechanical force 7 is stored.
  • the energy store 71 is coupled to the activator 6 or to a transport device for transporting the activator, which is indicated by the arrow 41 in FIG.
  • the activator 6 can be used for the deflection of vibratable elements of the oscillating device 51.
  • a mechanical contact 42 can exist between the activator 6 and the oscillating device 51 in predetermined time slots.
  • the z. B. as a valve to release the pressed air from the energy storage 71 designed activator 6 can also stimulate the vibrating device 51 without contact by - as indicated in Figure 13 by the arrow 68 - generated in predetermined time slots an air jet in the direction of the main surfaces of the oscillatory elements becomes.
  • the energy of the translational or rotational movement of the activator 6 is converted into oscillations of the oscillating device 51.
  • the oscillating device 51 transmits a variable compressive stress to the piezoelectric element during oscillation.
  • the piezo element is electrically connected to an electrical load 3 - consumer. In the piezo element, the transformation of the mechanical energy into the electrical, which is supplied to the electrical load 3 takes place.
  • the piezoelectric element may have any structure.
  • the piezoelectric transducer 2 is preferably coupled electrically by means of a feedback loop to the activator 6 or to a transport device for transporting the activator 6 explained in conjunction with FIGS. 9 to 12. A portion of the voltage generated in the piezoelectric element is conducted into the feedback loop in which a feedback circuit 26 is arranged.
  • the piezo-generator 1 may be provided for generating an AC voltage.
  • the piezoelectric generator 1 can also be used to generate both a DC voltage.
  • a rectifier 31 is provided to generate the DC voltage from the AC voltage.
  • several branches can be connected in parallel, each with its own resonance system, wherein in the various branches, the AC voltage is generated with different phases.
  • the signal generated at the piezoelectric element is rectified by means of the rectifier 31 and preferably stored on the electrical storage element 32.
  • a rectifier 31 z. B a diode circuit with at least one diode suitable.
  • electrical storage element 32 in particular a circuit is suitable which comprises at least one capacitor or accumulator. The stored at the memory element 32 e- lectric energy can be consumed by the load 3.
  • a control signal for controlling a metering device 27 is generated.
  • the metering device 27 comprises a mechanism whose frequency or speed can be adjusted by the control signal of the feedback circuit 26. This mechanism is mechanically coupled to a transport device to which the activator 6 is attached, see Figures 9 and 10. The mechanical parameters of the metering device 27 can be changed so that the operating point corresponding excitation frequency f a can be adjusted.
  • the feedback signal for the feedback circuit 26 can be tapped at the output of the rectifier 31 in all variants shown as in FIG.
  • the feedback signal may alternatively, as in Figure 2 between the piezoelectric transformer 2 and the rectifier 3, d. H. at the input of the rectifier, are tapped.
  • FIG. 3 shows an exemplary piezoelectric generator comprising a number N of branches connected in parallel, wherein a resonance system 5-1, 5-2... 5-N is arranged in each branch, and where N> 1.
  • a resonance system 5-1, 5-2... 5-N is arranged in each branch, and where N> 1.
  • All branches are preferably connected to a common energy storage 32 for electrical energy (here capacitor).
  • Each piezoelectric element 2-i is mechanically coupled to a vibrating device 51-i.
  • a feedback circuit 26 is connected in at least one branch - preferably at the output of the rectifier 31-i - . This is the first (upper) branch in FIG.
  • a feedback circuit 26 is preferably present at the output of the rectifier 31-i. concluded.
  • the tap of the feedback signal for the feedback circuit may alternatively be carried out before the rectifier circuit as in the variant according to FIG. In the latter case, the conductive connection 312 is replaced by a conductive connection 311, which is indicated in Figure 3 by a dashed line.
  • an activator 6-1, 6-2 ... 6-N is provided.
  • Each activator is preferably mechanically coupled to a common energy storage 71, which is indicated by arrows 41-1, 41-2 and 41-N.
  • the activators 6-1, 6-2 ... 6-N are respectively controlled in such a way that in each generator branch the excitations 42-1, 42-2 ... 42-N and the resonance system 5-1, 5-2 ... 5 -N are synchronized with each other.
  • FIG. 4 shows the time profile of the voltage U generated by the parallel-connected electromechanical converter according to FIG.
  • the voltage Ui, U 2 , etc. is generated by the piezo elements 2-1, 2-2 and so on.
  • the phases of the voltages U 1 , U 2 are shifted from each other. This makes it possible to smooth the amplitude fluctuation (pulsation) of the output voltage of the generator.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the piezoelectric generator with a plurality of parallel-connected piezoelectric elements 2-1, 2-2... 2-N.
  • Each rectifier 31-1, 31-2 ... 31-N may comprise, as in FIG. 5, a diode in the series branch and a diode in the shunt branch.
  • a transport device 6 ' is actuated, to which the activators 6-1, 6-2 ... 6-N are coupled.
  • the tracks of the activators are preferably parallel to each other.
  • a transport device explained in conjunction with FIGS. 9 and 10 with a conveyor belt is particularly well suited.
  • Various activators are spatially offset from one another in FIGS. 9, 10, preferably in the y-direction.
  • FIG. 6 is a detail of a piezoelectric generator with a rectifier 31 or 31-1, 31-2... 31-N in the form of a diode bridge.
  • the input of the diode bridge is connected to the piezoelectric element 2 and its output to the electrical energy storage 32 and / or the load 3.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the piezoelectric generator with a plurality of piezoelements connected in parallel, wherein a separate activator is provided for the excitation of each resonance system.
  • a separate feedback circuit 26-1, 26-2 ... 26-N connected to synchronize the respective activator 6-1, 6-2 ... 6-N and the resonance system to be excited thereby. Otherwise, the mode of operation of the arrangement shown in FIG. 7 is explained in conjunction with FIG.
  • FIG. 8 shows an exemplary implementation of the piezoelectric generator with a vibrating device which has the shape of a tuning fork, that is to say it is designed as a U-piece.
  • the U-piece has two legs and a connector that connects the two legs together.
  • the legs of the U-piece are vibrating elements 8a, 8b, which represent the wings of the vibrating device.
  • the vibrations of the second vibrating element 8b are correlated with the vibrations of the first vibrating element 8a.
  • the connecting piece of the U-piece has a mounting portion 17 in which the oscillating device on a support, not shown, such. B. is attached to the housing of the generator.
  • the piezoelectric element 2 is clamped in the initial state between the wings (legs) of the vibrating device in the vicinity of the connecting piece and thereby biased.
  • the piezoelectric element 2 is held exclusively by the legs of the oscillating device.
  • the wings are mainly used for periodic compression of the piezoelectric element 2, wherein the piezoelectric element is additionally supported, held or carried by a mechanically decoupled from the vibrating device holding device.
  • the legs of the oscillating device for example, strip-shaped bending springs.
  • the oscillating device also includes weights 9a, 9b, which are mounted at the free end of the respective vibrating element 8a, 8b and suitable for storing a mechanical energy.
  • the weights 9a, 9b in the contact region and the activator 6 preferably have oblique, mutually facing surfaces which abruptly stop at a position which is touched last when the activator slides out of the contact region. At this point, the maximum deflection of the Scoring elements 8a, 8b achieved.
  • the sloping surfaces preferably each intersect with a horizontally oriented surface.
  • the activator 6 may be formed in particular in the form of a wedge.
  • the activator 6 moves in the figure 8 from left to right between the weights 9a, 9b and thereby slides on the facing him surfaces of these weights.
  • the cross-sectional size of the activator exceeds the minimum distance between the weights 9a, 9b, the weights 9a, 9b are pressed apart, which is indicated in the figure 8 above with arrows.
  • the weights 9a, 9b are chamfered on the mutually facing sides such that the sliding of the wedge between these weights is facilitated. Due to the wedge shape of the activator 6 and the chamfering of the weights 9a, 9b, it is possible to press apart the vibrating elements 8a, 8b particularly efficiently and without jerking.
  • the activator 6 can also move perpendicular to the cross-sectional plane shown in FIG. 8, wherein the slope of the weights 9a, 9b preferably always runs along the direction of movement of the activator 6.
  • piezoelectric element 2 undergoes a periodically changing mechanical compressive stress in the vertical direction z, which leads to the contraction of the piezoelectric element.
  • the compressive stress generated on the piezoelectric element 2 is converted into an electrical energy z. B. implemented as explained below.
  • At the electrodes 10a, 10b, 10c of the piezoelectric element 2 occurs due to the piezoelectric effect, an electrical charge which is supplied to the electrical load 3 or the energy storage.
  • the front-side electrodes 10a and 10b are both connected to a first and the middle electrode 10c of the piezoelectric element to a second electrode of the load 3, so that the electric charge can flow from the piezoelectric element 2.
  • the dependence of the alternating voltage U on the piezoelectric element 2 on the time t is shown schematically in FIG.
  • This voltage is proportional to the amplitude of the mechanical vibrations of the vibrating elements 8a, 8b.
  • This amplitude decreases with time as the vibrations are damped by friction losses and energy dissipation.
  • the vibrating elements 8a, 8b oscillate against each other, preferably in antiphase, but with the same amplitude.
  • the portion of the connector located near the symmetry axis of the vibrator remains substantially immobile in the vibration of the vibrating members 8a, 8b.
  • the fastening region 17 is preferably arranged in this region of the connecting piece.
  • the piezoelectric element 2 shown in FIG. 8 represents a multilayer component or a piezostack, i. H. a stack of alternately arranged piezoelectric layers and metal layers. Each metal layer is formed into an inner electrode.
  • the first internal electrodes (not shown in FIG. 8) are connected to a first external electrode 10a, the second internal electrodes are connected to a second external electrode 10b and the third internal electrodes are connected to a third external electrode 10c.
  • the outer electrodes 10 a, 10 b, 10 c are arranged on the surface of the piezoelectric element 2.
  • FIGS. 9 and 10 show a mechanical arrangement for exciting the oscillating device 51, in which, unlike the variant shown in FIG. 8, the activator not shown here does not extend along the longitudinal direction x of the oscillating elements 8a, 8b another lateral direction y, ie transverse to it.
  • the weights 9a, 9b are bevelled so that the distance between them in the direction y is smaller.
  • the oscillation frequency of the oscillating device 51 can be adjusted by the mass of the weights 9a, 9b, the length of the oscillating elements 8a, 8b and the position of the piezoelectric element 2.
  • the Oscillation frequency is preferably equal to the resonant frequency of the piezoelectric element. 2
  • the excitation of the oscillating device 51 by the activator 6 may be periodic, wherein the period of the excitation is preferably equal to the oscillation period of the oscillating device 51 or an integer multiple of this period.
  • the period of the excitation can be reduced if necessary thereby and thus the excitation frequency can be increased, that instead of only one activator 6 such.
  • a plurality of preferably similar activators 6, 6a, 6b, 6c are used, wherein the successive activators are arranged at the same distance from each other on a transport device.
  • the transport device may, as in FIGS. 9 and 10, comprise a conveyor belt or, as in FIGS. 11 and 12, a rotary device.
  • FIGS. 9, 10 a transport device is presented which controls the activator 6 in the direction y, d. H. from left to right, linear offset.
  • the transport device comprises a conveyor belt 61 to which the activator 6 is attached. On this band also another activator 6a is attached.
  • the transport rollers 62a, 62b each rotate clockwise about an axis of rotation and thus cause the movement of the conveyor belt 61 also in a clockwise direction.
  • the conveyor belt 61 has, in the variant according to FIG. 9, a laterally protruding tongue 63, to which the wedge-shaped activator 6 is fastened.
  • the tongue 63 protrudes in a direction which is transverse to the direction of movement of the conveyor belt 61 or activator 6.
  • the activator passes the contact region of the oscillating device, the deflection of the weights 9a, 9b already explained in connection with FIG. 8 is effected.
  • the lower part of the conveyor belt 61 is arranged between the oscillating elements 8a, 8b.
  • the activator 6 is here - in contrast to the variant according to FIG. 9 - arranged in the central region of the conveyor belt 61.
  • the transport rollers 62a, 62b each have a region 64 with a smaller cross section than its intended areas for belt transport.
  • the career of the activator 6 passes between the weights 9a, 9b.
  • the oscillating device 51 shown in FIGS. 9 and 10 is also shown in a side view in FIG.
  • the activator may, as in the variants according to FIGS. 11 and 12, be mounted on a turning device instead of a running belt.
  • Several activators can be mounted on the rotating device, whereby the excitation frequency can be increased with the same rotational frequency of the rotating device compared to the variant with only one activator.
  • the arrangement of the rotating device and the activators is preferably point-symmetrical with respect to their center lying at the axis of rotation.
  • the rotating device is realized as a disk 16c rotating about an axis perpendicular to the main planes of the disk.
  • the rotating device may have at least one web 16a, which extends perpendicular to the axis of rotation and is rotatable about the axis of rotation. Through the center of the web 16a, the axis of rotation goes through.
  • an activator is attached in each case. In any case, a portion of the raceway of each activator 6, 6a, 6b, 6c extends between the vibrating elements 8a, 8b.
  • Fig. 13 shows an air pressure excitable vibrating device 51 and a compressed air storage 71.
  • the reservoir 71 comprises a reservoir 60 with an air inlet opening 65 which can be closed by a valve 66 and an air outlet opening 69 which can be closed by the activator 6.
  • the air can be pumped into the container 60, in which the valve is open.
  • the valve 66 is only opened when an air pressure in the direction from the outside to the inside arises in the region of the inlet opening 65. The escape of the air from the container 60 through the inlet opening 65 is prevented by the valve 66.
  • the outlet opening 69 is opened by the activator 6.
  • the emergence of the air through the outlet opening 69 is prevented in the second periods by the activator 6.
  • the activator 6 represents a valve which is controllable by means of the feedback loop shown in FIGS. 1 to 3, 5 and 7.
  • FIG. 14A shows a detail of the air reservoir according to FIG. 13 with the valve 66 in the form of a flap 66a, which is fastened to the air reservoir at one end.
  • FIG. 14B shows the valve in the form of a membrane 66b.
  • Figures 15A and 15B show the view of an inlet opening of the air tank 60 with a valve in the form of a small plate 66c, which is rotatable about its central axis DD, with closed (Fig. 15A) and open (15B) inlet opening.
  • the plane of the chip 66c is arranged transversely and, in FIG. 15B, parallel to the normal of the opening 65.
  • FIG 16 shows an exemplary embodiment of the feedback circuit.
  • the feedback circuit 26 comprises a comparator 261.
  • a reference voltage U ref is applied to the non-inverting input of the comparator.
  • the reference voltage is supplied by the electric storage element 32 and stabilized by the Zener diode 262.
  • the reference voltage determines the operating point of the resonance system.
  • the voltage U taken off at the output of the rectifier 31 is applied.
  • the supply voltage of the comparator is supplied by the electric storage element 32 and stabilized by means of the Zener diode 263.
  • the output signal of the comparator 261 is used to control the metering device 27.
  • the output of the comparator can z. B. can be used for switching an electromechanical element with which the mechanical properties of the metering device are adjustable.
  • the comparator may include a built-in amplifier.
  • the output signal of the comparator can also be amplified by a separate amplifier, not shown in FIG become .
  • FIG. 17 shows the dependence of the voltage U on the excitation frequency f a .
  • This voltage measured at the input of the comparator is proportional to the voltage generated at the output of the rectifier.
  • f a , 0 is the initial value of the excitation frequency and f a , i is the excitation frequency corresponding to the operating point.
  • the frequency f a , 0 is determined by the mechanical parameters of the metering device 27 in the idle state.
  • the excitation frequency is the excitation frequency which is equal to an integer multiple of the resonance frequency.
  • the frequency f a , 0 and the operating point below the frequency f a , R has been chosen at which the maximum voltage can be generated.
  • the parameters of the dosing device 27 are changed such that the excitation frequency is increased up to the value f a , i at which the voltage level U ref given at the second input of the comparator is reached.
  • the excitation frequency is lowered by the switching of the comparator and again increased when repeatedly falling below this level, so that the excitation frequency is stabilized in the vicinity of the operating point.
  • the slight change in frequency near the operating point is indicated by a double arrow 28 in FIG.
  • the resonance system is not limited to the embodiments shown. Any configurations of the piezoelement and the oscillating device are possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • f R resonance frequency t time x first lateral direction which coincides with the longitudinal direction of
  • Oscillating elements 8a, 8b match y second lateral direction z vertical direction

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to a piezoelectric generator comprising a resonance system provided with a piezoelectric converter (2). Said generator comprises a feedback circuit (26) which is connected to the output of the piezoelectric converter (2) and used to adjust the oscillation frequency of the resonance system.

Description

Beschreibungdescription
Piezoelektrischer GeneratorPiezoelectric generator
Ein Piezogenerator ist z. B. aus der Druckschrift US 5,751,091 bekannt. Dieser Generator wird in einer Uhr eingesetzt .A piezoelectric generator is z. B. from the document US 5,751,091 known. This generator is used in a clock.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen hocheffizienten Piezogenerator anzugeben, der sich durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet.An object to be solved is to provide a high-efficiency piezoelectric generator, which is characterized by a high mechanical stability.
Es wird ein Piezogenerator mit einem zu mechanischen Schwingungen anregbaren Resonanzsystem angegeben, das einen piezoelektrischen Wandler umfasst . Der Generator umfasst ferner eine Rückkopplungsschaltung, die elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler verbunden ist. Die Rückkopplungsschaltung ist zur Ansteuerung von Schwingungen des Resonanzsystems und insbesondere zur Einstellung der Schwingfrequenz des Resonanzsystems vorgesehen.A piezoelectric generator with a resonance system that can be excited to mechanical vibrations is provided, which comprises a piezoelectric transducer. The generator further includes a feedback circuit electrically connected to the piezoelectric transducer. The feedback circuit is provided for driving vibrations of the resonance system and in particular for adjusting the oscillation frequency of the resonance system.
Der Piezogenerator ist zur Transformation einer mechanischen Energie in eine elektrische Energie geeignet. Der Piezogenerator kann z. B. zur Spannungsversorgung in einem tragbaren elektrischen Gerät realisiert sein. Die mechanische Energie, die zur Anregung des Resonanzsystems benutzt wird, kann beispielsweise durch Körper- oder Luftbewegungen erzeugt werden.The piezoelectric generator is suitable for the transformation of a mechanical energy into an electrical energy. The piezator can z. B. be realized for power supply in a portable electrical device. The mechanical energy used to excite the resonance system can be generated, for example, by body or air movements.
Der piezoelektrische Wandler ist zur Umwandlung der mechanischen Energie des Resonanzsystems in eine elektrische Energie geeignet, die einer elektrischen Last, d. h. einem Verbraucher zugeführt werden kann. Des Weiteren werden vorteilhafte Ausgestaltungen des Piezoge- nerators beschrieben.The piezoelectric transducer is suitable for converting the mechanical energy of the resonance system into an electrical energy that can be supplied to an electrical load, ie a consumer. Furthermore, advantageous embodiments of the piezogenerator will be described.
Der piezoelektrische Wandler wird im Folgenden als Piezoele- ment bezeichnet .The piezoelectric transducer is referred to below as a piezo element.
Das mechanische Resonanzsystem wird während Anregungsphasen vorzugsweise mechanisch zu Schwingungen angeregt. Zu diesem Zweck umfasst der Generator in einer bevorzugten Ausführungs- form eine Anregungsvorrichtung, die während jeder Anregungsphase für die mechanische Anregung des Resonanzsystems sorgt.The mechanical resonance system is preferably mechanically excited to vibrate during excitation phases. For this purpose, in a preferred embodiment, the generator comprises an excitation device which ensures the mechanical excitation of the resonance system during each excitation phase.
Mechanische Parameter des AnregungsSystems können mittels der Rückkopplungsschaltung eingestellt werden. Die mechanischen Parameter des AnregungsSystems sind z. B. die vorgegebene Umdrehungsfrequenz oder die Geschwindigkeit einer Transportvorrichtung, die einen nachstehend erläuterten Aktivator zur Anregung des Resonanzsystems trägt. Somit kann die Einwirkungsfrequenz des Aktivators auf das Resonanzsystem eingestellt werden .Mechanical parameters of the excitation system can be adjusted by means of the feedback circuit. The mechanical parameters of the excitation system are z. B. the predetermined rotational frequency or the speed of a transport device, which carries an activator explained below for exciting the resonance system. Thus, the frequency of action of the activator can be adjusted to the resonance system.
Der Generator weist eine Anlaufphase und eine Arbeitsphase auf, die dem Normalbetrieb des Generators entspricht. Während einer Anlaufphase wird das Resonanzsystem spontan oder mittels einer Startvorrichtung erstmalig aus dem Gleichgewicht gebracht. Dies löst mechanische Schwingungen des Resonanzsystems aus, bei denen am Piezoelement ein elektrisches Signal mit einer Frequenz erzeugt wird, die mit der Eigenfrequenz des mechanischen Resonanzsystems übereinstimmt. Ein Teil dieses Signals wird durch die Rückkopplungsschaltung zu einem Steuersignal verarbeitet und zur Ansteuerung der Anregungs- Vorrichtung des Resonanzsystems verwendet. Die Rückkopplungs- schaltung ist während der Anlaufphase als Abhilfe zur Ein- Schwingung des Resonanzsystems in den Betriebszustand vorgesehen. Die Rückkopplungsschaltung ist vorzugsweise zur Stabilisierung der Anregungsfrequenz geeignet. Als Anregungsfrequ- enz wird die Anzahl der Anregungen des Resonanzsystems pro eine Zeiteinheit bezeichnet.The generator has a start-up phase and a working phase, which corresponds to the normal operation of the generator. During a start-up phase, the resonance system is first brought out of balance spontaneously or by means of a starting device. This triggers mechanical vibrations of the resonance system, in which the piezoelectric element, an electrical signal is generated at a frequency that matches the natural frequency of the mechanical resonance system. A part of this signal is processed by the feedback circuit into a control signal and used to drive the excitation device of the resonance system. The feedback circuit is used during the start-up phase as a remedy to Oscillation of the resonance system provided in the operating state. The feedback circuit is preferably suitable for stabilizing the excitation frequency. The excitation frequency is the number of excitations of the resonance system per unit of time.
Nach der Einschwingphase erreicht das Resonanzsystem einen normalen Betriebszustand. Der normale Betriebszustand bedeutet mechanische Schwingungen des Resonanzsystems vorzugsweise bei einer Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) des Resonanzsystems. Diese Schwingungen werden durch das Piezoelement in ein elektrisches Signal umgesetzt. Im Folgenden wird die Funktionsweise des Generators im Normalbetrieb beschrieben.After the transient phase, the resonance system reaches a normal operating state. The normal operating state means mechanical vibrations of the resonance system preferably at a natural frequency (resonance frequency) of the resonance system. These vibrations are converted by the piezoelectric element into an electrical signal. The following describes how the generator works in normal operation.
Das z. B. durch das Piezoelement und die nachstehend erläuterte Schwingvorrichtung gebildete mechanische Resonanzsystem ist durch eine Eigenfrequenz charakterisiert. Dies kann seine Grundfrequenz oder eine höhere Harmonische der Grundfrequenz sein. Die Eigenfrequenz des Resonanzsystems stimmt vorzugsweise mit einer n-ten Harmonischen der Anregungsfrequenz ü- berein, wobei n eine ganze Zahl ist und wobei gilt: n _> 1. Es ist vorteilhaft, die Anregungsfrequenz gleich der Eigenfrequenz dieses Resonanzsystems zu wählen. Dabei gilt n = 1. Der Bereich von n zwischen 2 und 5 kann auch vorteilhaft sein.The Z. B. by the piezoelectric element and the oscillating device described below formed mechanical resonance system is characterized by a natural frequency. This may be its fundamental frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. The natural frequency of the resonance system preferably agrees with an n-th harmonic of the excitation frequency u-b, where n is an integer and where n_> 1. It is advantageous to select the excitation frequency equal to the natural frequency of this resonance system. Where n = 1. The range of n between 2 and 5 may also be advantageous.
Die mittels der Rückkopplungsschaltung geregelte mechanische Einwirkung (Anregung) auf das Resonanzsystem ist mit der Eigenschwingung des Resonanzsystems vorzugsweise bezüglich der Frequenz, der Phase und der Amplitude, d. h. der vorgesehenen maximalen Auslenkung, synchronisiert. Das Resonanzsystem wird während einer Anregungsphase angeregt, die vorzugsweise maximal die Hälfte der Schwingungsperiode T des Resonanzsystems beträgt. Die Anregungsphase kann auch zwischen T/4 und T/2 dauern. Die Anregungsphase ist dabei mit der Schwingungsphase vorzugsweise synchronisiert, d. h. die maximale Auslenkung bezüglich des Gleichgewichtszustands wird zu einem Zeitpunkt hervorgerufen, an dem ohne Anregung eines der Amplitudenmaxi- ma der (gedämpften) Eigenschwingung des Resonanzsystems auftreten würde.The controlled by the feedback circuit mechanical action (excitation) on the resonance system is preferably synchronized with the natural vibration of the resonance system with respect to the frequency, the phase and the amplitude, ie the intended maximum deflection. The resonance system is excited during an excitation phase, which is preferably at most half of the oscillation period T of the resonance system. The excitation phase can also be between T / 4 and T / 2 to last; to endure, to continue. The excitation phase is preferably synchronized with the oscillation phase, ie the maximum deflection with respect to the state of equilibrium is brought about at a time at which, without excitation, one of the amplitude maxima of the (damped) natural oscillation of the resonance system would occur.
Das Resonanzsystem umfasst vorzugsweise eine Schwingvorrichtung, die schwingfähige Schwingelemente aufweist, zwischen denen das Piezoelement eingeklemmt ist. Die Schwingelemente sind vorzugsweise gegeneinander schwingbar. Es ist vorteilhaft, wenn eine Ebene, in der die Schwingelemente schwingen, senkrecht zur Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist. Die Schwingelemente können nach einer Anregungsphase, in der sie bezüglich ihrer Ruhelage ausgelenkt werden, frei schwingen.The resonance system preferably comprises a vibration device which has oscillatable vibration elements, between which the piezoelectric element is clamped. The oscillating elements are preferably oscillatable against each other. It is advantageous if a plane in which the oscillating elements oscillate is aligned perpendicular to the direction of gravity. The oscillating elements can oscillate freely after an excitation phase in which they are deflected with respect to their rest position.
Die Schwingvorrichtung ist vorzugsweise zur Erzeugung einer Druckspannung am Piezoelement vorgesehen. Das Piezoelement kann z. B. durch die Druckspannung entlang einer Längsrichtung zusammengedrückt werden. Mittels der Druckspannung kann aber auch eine Scherdeformation des Piezoelements herbeigeführt werden. Bei den Schwingungen der Schwingelemente wird die Deformation des in der Schwingvorrichtung eingeklemmten Piezoelements bewirkt. Mittels des Piezoelements geht die mechanische Energie der Schwingvorrichtung in die elektrische Energie über.The oscillating device is preferably provided for generating a compressive stress on the piezoelectric element. The piezo element can, for. B. compressed by the compressive stress along a longitudinal direction. By means of the compressive stress but also a shear deformation of the piezoelectric element can be brought about. In the oscillations of the oscillating elements, the deformation of the piezoelectric element clamped in the oscillating device is effected. By means of the piezoelectric element, the mechanical energy of the vibrating device is converted into electrical energy.
Die Schwingvorrichtung ist vorzugsweise zur Vorspannung des Piezoelements vorgesehen. Mit einem vorgespannten Piezoelement gelingt es, eine besonders hohe Leistungsdichte des Generators zu erzielen. Die Schwingvorrichtung weist in einer bevorzugten Variante mechanisch an die Schwingelemente gekoppelte Energiespeicherelemente auf. Als Energiespeicherelemente zur Speicherung der (mechanischen) Energie sind insbesondere Gewichte geeignet, die an den Schwingelementen, vorzugsweise im Bereich der frei schwingbaren Enden der Schwingelemente, befestigt sind.The oscillating device is preferably provided for biasing the piezoelectric element. A prestressed piezoelectric element makes it possible to achieve a particularly high power density of the generator. In a preferred variant, the oscillating device has energy storage elements mechanically coupled to the oscillating elements. As energy storage elements for storing the (mechanical) energy in particular weights are suitable, which are attached to the vibrating elements, preferably in the region of the freely oscillatable ends of the vibrating elements.
Der Generator kann ein - außerhalb der Anregungsphasen von den Schwingelementen entkoppeltes - Energiereservoir zur Speicherung einer Energie umfassen, die für die Anregung des Resonanzsystems verbraucht werden kann, wobei der Energieverbrauch durch die Rückkopplungsschaltung gesteuert wird. Diese Energie kann den Schwingelementen unmittelbar oder mit- hilfe des Aktivators zugeführt werden. Die in diesem Reservoir gespeicherte Energie kann in freie oder - bei Verwendung des Aktivators - erzwungene Schwingungen der Schwingvorrichtung umgesetzt werden.The generator may include an energy reservoir, which is decoupled from the vibratory elements outside of the excitation phases, for storing energy that may be consumed for excitation of the resonant system, the power consumption being controlled by the feedback circuit. This energy can be supplied to the vibrating elements directly or with the aid of the activator. The stored energy in this reservoir can be converted into free or - when using the activator - forced vibrations of the vibrating device.
Das Energiereservoir für Energie kann so ausgebildet sein, dass es zur Speicherung der Energie von unkorrelierten mechanischen Einwirkungen geeignet ist. Mögliche mechanische Einwirkungen sind z. B. unkorrelierte Vibrationen eines Trägers, an dem die Schwingvorrichtung befestigt ist . Auch die Energie des Luftdrucks (z. B. bei Atem und akustischen Signalen der Umgebung) kann im Energiereservoir akkumuliert werden. Die gespeicherte Energie kann z. B. zum Antrieb der Transportvorrichtung verwendet werden, an die der Aktivator gekoppelt ist. Der Aktivator entnimmt Energie dem Energiereservoir und überträgt sie während der Anregungsphase auf die Schwingvorrichtung.The energy reservoir for energy may be designed to be suitable for storing the energy of uncorrelated mechanical actions. Possible mechanical effects are z. B. uncorrelated vibrations of a carrier to which the vibrating device is attached. The energy of the air pressure (eg with breath and acoustic signals of the environment) can also be accumulated in the energy reservoir. The stored energy can z. B. are used to drive the transport device to which the activator is coupled. The activator removes energy from the energy reservoir and transfers it to the vibrating device during the excitation phase.
Zur Energiespeicherung ist z. B. gepresste Luft geeignet. Der Luftüberdruck kann in einem dafür vorgesehenen Behälter z. B. durch Wind, Atem oder durch das Zusammendrücken einer Schuhsohle beim Gehen aufgebaut werden. Der Behälter kann wie ein Luftballon aufblasbar sein, wobei im Behälter vorzugsweise eine Überdrucksicherung vorgesehen ist.For energy storage z. B. compressed air suitable. The air pressure can be in a designated container z. B. be built by wind, breath or by squeezing a shoe sole while walking. The container may be inflatable like a balloon, wherein in the container preferably an overpressure protection is provided.
Der Behälter weist vorzugsweise eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. Die Eintrittsöffnung, durch die die Luft eingepumpt werden kann, ist mit einem ersten Ventil versehen. Die Austrittsöffnung ist mit einem als Ventil konzipierten Aktivator verschließbar. Der Aktivator wirkt dabei als Regler zum dosierten Freisetzten der gespeicherten Energie. In dieser Variante ist eine kontaktlose geregelte Kraftübertragung auf das Resonanzsystem möglich. Dabei wird die Luft dosiert und vorzugsweise mit einer vorgegebenen Frequenz aus dem Behälter herausgelassen. Der hierbei entstehende Luftstrom kann schwingbare Bestandteile des Resonanzsystems zum Schwingen bringen.The container preferably has an inlet opening and an outlet opening. The inlet opening, through which the air can be pumped, is provided with a first valve. The outlet opening can be closed with an activator designed as a valve. The activator acts as a regulator for metered release of the stored energy. In this variant, a contactless regulated power transmission to the resonance system is possible. In this case, the air is metered and preferably let out of the container at a predetermined frequency. The resulting air flow can bring swinging components of the resonance system to vibrate.
Eine weitere Möglichkeit zur Speicherung der Energie bietet ein Mechanismus mit einer aufziehbaren Feder an.Another way to store the energy is a mechanism with a wind-up spring.
Die Anregungsvorrichtung kann eine an das Energiereservoir gekoppelte Dosiervorrichtung zur dosierten Abgabe der gespeicherten Energie und einen Aktivator umfassen, der vorzugsweise an die Dosiervorrichtung gekoppelt ist oder - z. B. bei Realisierung als Ventil - mindestens einen Teil der Dosiervorrichtung bildet. Die dosierte Abgabe bedeutet z. B. eine auf den Energiebedarf abgestimmte Anregungsintensität bzw. Anregungsfrequenz . Die Dosiervorrichtung ist durch mechanische Parameter charakterisiert, deren Werte durch die Rückkopplungsschaltung verändert werden können. Zu diesem Zweck ist die Dosiervorrichtung vorzugsweise an die Rückkopplungs- schaltung gekoppelt. Zur Anregung von Schwingungen der Schwingvorrichtung ist eine dosierte Abgabe einer mechanischen Energie aus einem Energiereservoir besonders vorteilhaft.The excitation device may comprise a metering device coupled to the energy reservoir for the metered delivery of the stored energy and an activator, which is preferably coupled to the metering device or -. B. when realized as a valve - forms at least a portion of the metering device. The metered delivery means z. B. a matched to the energy demand excitation intensity or excitation frequency. The metering device is characterized by mechanical parameters whose values can be changed by the feedback circuit. For this purpose, the dosing device is preferably coupled to the feedback circuit. For excitation of vibrations of the Oscillation device is a metered delivery of mechanical energy from an energy reservoir particularly advantageous.
Die Anregungsvorrichtung kann eine Transportvorrichtung umfassen, die zum Transport des Aktivators vorgesehen ist. Die Transportvorrichtung weist vorzugsweise drehbare Elemente auf, die z. B. durch Steuerimpulse der Rückkopplungsschaltung elektromagnetisch angetrieben werden können. Durch die Steuerimpulse ist es möglich, die Drehgeschwindigkeit der drehbaren Elemente einzustellen. Somit kann die Geschwindigkeit und die Einwirkungsfrequenz des Aktivators auf das Resonanzsystem gesteuert werden.The excitation device may comprise a transport device which is provided for transporting the activator. The transport device preferably has rotatable elements, the z. B. can be electromagnetically driven by control pulses of the feedback circuit. By the control pulses, it is possible to adjust the rotational speed of the rotatable elements. Thus, the speed and the frequency of action of the activator can be controlled to the resonance system.
Der Aktivator kann unter Einwirkung einer äußeren mechanischen Kraft in Bewegung gesetzt werden. Der Aktivator stellt vorzugsweise ein keilförmiges Teil dar, das zur Anregung von Schwingungen der Schwingvorrichtung benutzt wird und das zur dosierten - im Normalbetrieb des Generators periodischen - Abgabe einer mechanischen Energie an das Resonanzsystems vorgesehen ist.The activator can be set in motion under the action of an external mechanical force. The activator preferably constitutes a wedge-shaped part which is used to excite vibrations of the oscillating device and which is provided for metered delivery of mechanical energy to the resonance system during periodic operation of the generator.
Der Aktivator läuft während einer Anregungsphase vorzugsweise zwischen den Schwingelementen durch und drückt diese auseinander. Bei jedem Durchgang des Aktivators wird in den Gewichten die Energie speichert, die proportional zur Auslenkung der Gewichte von der jeweiligen Ruhelage ist. Diese Energie kann nach der vorgesehenen maximalen Auslenkung, nach dem Beenden der Anregungsphase, in die Energie der freien Schwingungen der Schwingvorrichtung umgesetzt werden. Die Anregungsphase endet, sobald der Aktivator den zwischen den Gewichten angeordneten Bereich verlässt . Die Aufenthaltsdauer des Aktivators in diesem Bereich, d. h. die Dauer der Anre- gungsphase, ist so gewählt, dass sie maximal eine halbe Schwingperiode der Schwingvorrichtung beträgt .The activator preferably passes between the vibrating elements during an excitation phase and pushes them apart. With each pass of the activator, the energy stored in the weights is proportional to the deflection of the weights from the respective rest position. This energy can be converted into the energy of the free oscillations of the oscillating device after the intended maximum deflection, after the termination of the excitation phase. The excitation phase ends as soon as the activator leaves the area arranged between the weights. The length of stay of the activator in this area, ie the duration of the incentive tion phase, is chosen so that it is a maximum of half the oscillation period of the vibrating device.
Der Piezogenerator kann einen Gleichrichter aufweisen, der elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler verbunden ist . Damit kann die am piezoelektrischen Wandler erzeugte Wechsel- Spannung gleichgerichtet werden. Der Gleichrichter ist vorzugsweise zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der elektrischen Last angeordnet. Der Rückkopplungsschaltung wird vorzugsweise das gleichgerichtete Signal zugeführt .The piezoelectric generator may comprise a rectifier which is electrically connected to the piezoelectric transducer. Thus, the AC voltage generated at the piezoelectric transducer can be rectified. The rectifier is preferably arranged between the piezoelectric transducer and the electrical load. The feedback circuit is preferably supplied with the rectified signal.
Der Piezogenerator kann ein elektrisches Speicherelement aufweisen, das vorzugsweise elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler verbunden ist. Als elektrisches Speicherelement kommt ein z. B. gegen Masse geschalteter Kondensator in Betracht. Der Kondensator glättet die gleichgerichtete, eine Welligkeit aufweisende Generatorspannung. Zur Aufladung eines elektrischen Speicherelements kann ein Teil des gleichgerichteten Signals benutzt werden. Die am elektrischen Speicherelement akkumulierte elektrische Ladung kann zur Spannungsversorgung der Rückkopplungsschaltung und zum Starten der Anregungsvorrichtung verwendet werden.The piezoelectric generator may comprise an electrical storage element, which is preferably electrically connected to the piezoelectric transducer. As an electrical storage element is a z. B. grounded capacitor into consideration. The capacitor smooths the rectified, ripple-generating generator voltage. For charging an electrical storage element, a part of the rectified signal can be used. The electric charge accumulated on the electric storage element can be used to supply the voltage to the feedback circuit and to start the excitation device.
Die Schwingelemente weisen jeweils vorzugsweise ein befestigtes Ende und ein frei schwingbares Ende auf. Jedes Schwingelement kann z. B. eine streifenförmige Biegefeder sein. Die Schwingelemente können beispielsweise die Schenkel eines U- Stücks bilden, das vorzugsweise im Bereich seines Verbindungsstücks an einem Träger befestigt ist. Die Schwingvorrichtung hat in einer bevorzugten Variante die Form einer Stimmgabel. Die Erschütterungen (Vibrationen) des Trägers können die Schwingvorrichtung zum freien Schwingen bringen. Die Schwingvorrichtung kann aber auch durch einen Luftdruck zum Schwingen gebracht werden. Dies kann in beiden Fällen mit oder ohne den Aktivator zustande kommen.The oscillating elements each preferably have a fixed end and a free swinging end. Each vibrating element can, for. B. be a strip-shaped bending spring. The oscillating elements may, for example, form the legs of a U-piece, which is preferably fastened to a carrier in the region of its connecting piece. The oscillating device in a preferred variant has the shape of a tuning fork. The vibration (vibrations) of the wearer can cause the vibration device to vibrate freely. But the vibrating device can also by an air pressure to be made to swing. This can be achieved in both cases with or without the activator.
Die TransportVorrichtung kann in einer Variante ein Transportband umfassen, das mittels Transportrollen in Bewegung gesetzt wird. Die Transportrollen sind vorzugsweise an ein vorstehend erwähntes Energiereservoir für mechanische Energie gekoppelt. Die Transportvorrichtung kann alternativ eine Drehvorrichtung in Form einer Scheibe, eines Rads oder eines Rings umfassen, die bzw. der um eine Drehachse drehbar ist und an dem der Aktivator befestigt ist, der bei der Drehung des Rades zwischen den Schwingelementen durchläuft und dabei das Auseinanderdrücken der Schwingelemente bewirkt .The transport device may in one variant comprise a conveyor belt which is set in motion by means of transport rollers. The transport rollers are preferably coupled to an aforementioned energy reservoir for mechanical energy. The transport device may alternatively comprise a rotating device in the form of a disc, a wheel or a ring, which is rotatable about an axis of rotation and to which the activator is attached, which passes through the rotation of the wheel between the vibrating elements and thereby pushing apart the Causes oscillating elements.
Das Piezoelement weist Elektroden und mindestens eine piezoelektrische Schicht auf, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Die Elektroden können z. B. Außenelektroden sein, die auf der Oberfläche eines Grundkörpers des Piezoelements angeordnet sind. Zwischen den Außenelektroden ist eine Piezo- schicht angeordnet. Bei der Deformation dieser Piezoschicht entsteht eine elektrische Ladung an den Außenelektroden. Die Elektroden können aber auch Innenelektroden sein, die jeweils zwischen zwei Piezoschichten angeordnet sind. Vorzugsweise sind mehrere Innenelektroden vorhanden, die abwechselnd an eine erste und eine zweite Außenelektrode angeschlossen sind. Für die piezoelektrischen Schichten ist eine Keramik mit piezoelektrischen Eigenschaften sehr gut geeignet.The piezoelectric element has electrodes and at least one piezoelectric layer which is arranged between the electrodes. The electrodes can z. B. external electrodes, which are arranged on the surface of a base body of the piezoelectric element. Between the outer electrodes, a piezoelectric layer is arranged. During the deformation of this piezoelectric layer, an electric charge is generated at the outer electrodes. The electrodes may also be internal electrodes, which are each arranged between two piezoelectric layers. Preferably, a plurality of internal electrodes are present, which are alternately connected to a first and a second outer electrode. For the piezoelectric layers, a ceramic with piezoelectric properties is very well suited.
Die Rückkopplungsschaltung kann einen Komparator und/oder einen Verstärker umfassen. Ein Komparator ist eine Schaltung zum Amplitudenvergleich analoger Signale. Der elektrische E- nergiespeicher kann zur Erzeugung einer Referenzspannung für den Komparator benutzt werden, die einem ersten Eingang des Komparators zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist zwischen dem ersten Eingang des Komparators und dem elektrischen Energie- Speicher z. B. ein Spannungsteiler mit einem Vorwiderstand und einer in Sperrrichtung gegen Masse geschalteten Z-Diode angeordnet . Dem zweiten Eingang des Komparators wird die gleichgerichtete AusgangsSpannung des Piezoelements zugeführt .The feedback circuit may comprise a comparator and / or an amplifier. A comparator is a circuit for comparing the amplitude of analog signals. The electrical energy store can be used to generate a reference voltage for the comparator, which is a first input of the Comparator is supplied. For this purpose, between the first input of the comparator and the electrical energy storage z. B. a voltage divider with a series resistor and a reverse-biased Z-diode arranged. The second input of the comparator, the rectified output voltage of the piezoelectric element is supplied.
Die Dosiervorrichtung kann z. B. wie in einer Uhr realisiert sein. Das Energiereservoir ist vorzugsweise an ein Schwenkelement (z. B. Anker, Unruhwelle) gekoppelt. Die mechanische Energie kann dabei in die kinetische Energie der Schwenkbewegungen des Schwenkelements umgesetzt werden. Das Schwenkelement kann beispielsweise mittels eines Zahnrads oder Ankerrads eine Welle antreiben und diese Welle zur Rotation bringen. Die Welle gehört vorzugsweise zur Transportvorrichtung oder ist an die Transportvorrichtung mechanisch gekoppelt. Die Schwenkfrequenz des Schwenkelements kann durch die Rückkopplungsschaltung gesteuert werden. Somit kann die Rotationsfrequenz der Welle und folglich die vorgegebene Geschwindigkeit des Aktivators eingestellt werden.The metering device can, for. B. be realized as in a clock. The energy reservoir is preferably coupled to a pivoting element (eg armature, balance shaft). The mechanical energy can be converted into the kinetic energy of the pivoting movements of the pivoting element. The pivoting element can, for example, drive a shaft by means of a gear or escape wheel and cause this shaft to rotate. The shaft preferably belongs to the transport device or is mechanically coupled to the transport device. The swing frequency of the swing member may be controlled by the feedback circuit. Thus, the rotational frequency of the shaft and consequently the predetermined speed of the activator can be adjusted.
Die Dosiervorrichtung kann in einer Variante eine an eine Unruhwelle gekoppelte Feder umfassen, die durch eine u. a. spontane mechanische Einwirkung aufgezogen werden kann. Die Schwenkfrequenz der Unruhwelle kann durch die Länge der Feder eingestellt werden. Die Länge der Feder kann mittels eines Klemmelements eingestellt werden, das fest mit einem beweglichen, z. B. elektromechanisch oder elektromagnetisch steuerbaren Element verbunden ist, das vorzugsweise eine lineare Bewegung ausführen kann. Es ist vorteilhaft, wenn die mechanischen Parameter der Dosiervorrichtung derart gewählt sind, dass die Anfangsfrequenz oder -geschwindigkeit der Anregungsvorrichtung in der Nähe des vorgesehenen Arbeitspunktes liegt. Vorzugsweise wird die Anfangsfrequenz der Anregungsvorrichtung unterhalb des Arbeitspunktes gewählt. Die Rückkopplungsschaltung sorgt dafür, dass während der Anlaufsphase die Frequenz der Anregungsvorrichtung erhöht wird. Im Normalbetrieb wird diese Frequenz durch die Rückkopplung in der Nähe des Arbeitspunktes gehalten.In one variant, the dosing device may comprise a spring coupled to a balance shaft, which may be wound up by, inter alia, spontaneous mechanical action. The swing frequency of the balance wheel can be adjusted by the length of the spring. The length of the spring can be adjusted by means of a clamping element fixed to a movable, z. B. electromechanically or electromagnetically controllable element is connected, which can preferably perform a linear movement. It is advantageous if the mechanical parameters of the metering device are chosen such that the initial frequency or speed of the excitation device is in the vicinity of the intended operating point. Preferably, the initial frequency of the excitation device is selected below the operating point. The feedback circuit ensures that the frequency of the excitation device is increased during the start-up phase. In normal operation, this frequency is held by the feedback near the operating point.
Die Ansteuerung der Frequenz der Dosiervorrichtung kann auf eine vorteilhafte Art und Weise mittels eines Komparators bewerkstelligt werden, der elektrisch an das elektromechanisch oder elektromagnetisch steuerbare Element gekoppelt ist. Der Komparator vergleicht die am Piezoelement erzeugte Spannung mit einer Referenzspannung und gibt z. B. beim Überschreiten des vorgegebenen Spannungspegels eine negative und beim Unterschreiten dieses Pegels eine positive Steuerspannung aus. Das elektromechanisch oder elektromagnetisch steuerbare Element wird je nach Zustand des Komparators, d. h. je nach Vorzeichen der Steuerspannung in eine Richtung oder in die zu ihr entgegen gesetzte Richtung bewegt. Die Lage des steuerbaren Elements bestimmt die mechanischen Parameter und somit die Frequenz der Dosiervorrichtung.The control of the frequency of the metering device can be accomplished in an advantageous manner by means of a comparator which is electrically coupled to the electromechanically or electromagnetically controllable element. The comparator compares the voltage generated at the piezoelectric element with a reference voltage and gives z. B. when exceeding the predetermined voltage level, a negative and falling below this level, a positive control voltage. The electromechanically or electromagnetically controllable element is dependent on the state of the comparator, d. H. moved according to the sign of the control voltage in one direction or in the opposite direction to it. The position of the controllable element determines the mechanical parameters and thus the frequency of the metering device.
Der Piezogenerator kann eine z. B. an den elektrischen Energiespeicher oder an einen weiteren elektrischen Energiespei- cher elektrisch gekoppelte Startvorrichtung (Schalter) aufweisen, die zum Auslösen der Anregungsvorrichtung mittels eines elektrischen Impulses vorgesehen ist. Dabei wird die gespeicherte elektrische Ladung der RückkopplungsSchaltung zugeführt, was die Anregungsvorrichtung ankurbelt. Der Piezoge- nerator kann aber auch eine Startvorrichtung zum Auslösen der Anregungsvorrichtung mittels einer mechanischen Einwirkung auf diese Vorrichtung umfassen. Die Startvorrichtung kann z. B. manuell betätigt werden. Außerdem kann ein Schalter zum Unterbrechen der Anregungsvorrichtung vorgesehen sein.The piezoelectric generator can be a z. B. to the electrical energy storage device or to another electrical energy storage electrically coupled starter device (switch), which is provided for triggering the excitation device by means of an electrical pulse. In this case, the stored electrical charge is supplied to the feedback circuit, which boosts the excitation device. The Piezo However, generator can also include a starting device for triggering the excitation device by means of a mechanical action on this device. The starting device can, for. B. be operated manually. In addition, a switch for interrupting the excitation device may be provided.
Der Generator kann anstatt nur eines Resonanzsystems mehrere Resonanzsysteme umfassen, die vorzugsweise mit der gleichen Frequenz, aber mit verschiedenen Phasen angeregt werden.Instead of just one resonance system, the generator may comprise a plurality of resonance systems, which are preferably excited at the same frequency but with different phases.
Der Piezogenerator wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert . Es zeigen schematisch:The piezoelectric generator will now be explained with reference to schematic and not to scale figures. They show schematically:
Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Piezogenerators mit einer Rückkopplungsschaltung;Figure 1 shows a basic structure of a piezoelectric generator with a feedback circuit;
Figur 2 einen prinzipiellen Aufbau eines Piezogenerators mit einem Energiespeicher;Figure 2 shows a basic structure of a piezoelectric generator with an energy storage device;
Figur 3 eine beispielhafte Umsetzung des Piezogenerators gemäß Figur 2 für die Ausführung mit mehreren parallel geschalteten elektromechanischen Wandlern;FIG. 3 shows an exemplary implementation of the piezoelectric generator according to FIG. 2 for the embodiment with a plurality of electromechanical transducers connected in parallel;
Figur 4 Zeitabhängigkeit der durch die parallel geschalteten elektromechanischen Wandler gemäß Figur 3 generierten Spannung ;FIG. 4 shows the time dependence of the voltage generated by the parallel-connected electromechanical converter according to FIG. 3;
Figur 5 eine weitere beispielhafte Umsetzung des Piezogenerators gemäß Figur 2 für die Ausführung mit mehreren parallel geschalteten elektromechanischen Wandlern;FIG. 5 shows a further exemplary implementation of the piezoelectric generator according to FIG. 2 for the embodiment with a plurality of electromechanical converters connected in parallel;
Figur 6 ausschnittsweise den Piezogenerator mit einem Gleichrichter in Form einer Diodenbrücke;6 shows a detail of the piezator with a Rectifier in the form of a diode bridge;
Figur 7 eine Ausführung des Piezogenerators gemäß Figur 2 mit mehreren parallel geschalteten elektromechanischen Wandlern, wobei für jeden Wandler ein eigener Aktivator vorgesehen ist;FIG. 7 shows an embodiment of the piezoelectric generator according to FIG. 2 with a plurality of electromechanical transducers connected in parallel, wherein a separate activator is provided for each transducer;
Figur 8 im Querschnitt den Piezogenerator mit einer Schwingvorrichtung und vorgespanntem Piezoelement , wobei Schwingelemente der Schwingvorrichtung durch einen Aktivator ausgelenkt sind (oben) und frei schwingen (unten) ;Figure 8 in cross section the piezoelectric generator with a vibrating device and biased piezoelectric element, wherein vibrating elements of the vibrating device are deflected by an activator (top) and swing freely (bottom);
Figuren 9, 10 eine perspektivische Ansicht einer Transportvorrichtung, die den Aktivator in Bewegung setzt;Figures 9, 10 is a perspective view of a transport device which sets the activator in motion;
Figur 11 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der mehrere Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form einer Scheibe montiert sind;Figure 11 is a plan view of a transport device in which a plurality of activators are mounted on a rotating device in the form of a disc;
Figur 12 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der zwei Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form einer Speiche an beiden Enden der Speiche montiert sind;Figure 12 is a plan view of a transport device in which two activators are mounted on a spinner in the form of a spoke at both ends of the spoke;
Figur 13 eine durch den Luftdruck anregbare Schwingvorrichtung mit einem Speicher für die gepresste Luft;FIG. 13 shows an oscillating device which can be excited by the air pressure and has a reservoir for the compressed air;
Figur 14A ausschnittsweise den Luftspeicher gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form einer Klappe, die an einem Ende am Luftspeicher befestigt ist;FIG. 14A shows a detail of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a flap which is fastened to the air reservoir at one end;
Figur 14B ausschnittsweise den Luftspeicher gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form einer Membran; Figur 15A die Ansicht einer Eintrittsöffnung des Luftspeichers gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form eines Plättchens, das um seine Mittelachse drehbar ist, bei geschlossener Eintrittsöffnung;FIG. 14B shows a detail of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a membrane; FIG. 15A shows the view of an inlet opening of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a small plate, which is rotatable about its center axis, with the inlet opening closed;
Figur 15B die Ansicht einer Eintrittsöffnung des Luftspeichers gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form eines Platt- chens, das um seine Mittelachse drehbar ist, bei offener Ein- trittsöffnung;FIG. 15B shows the view of an inlet opening of the air reservoir according to FIG. 13 with a valve in the form of a plate, which is rotatable about its central axis, with the inlet opening open;
Figur 16 eine beispielhafte Realisierung der Rückkopplungs- schaltung;FIG. 16 shows an exemplary realization of the feedback circuit;
Figur 17 Abhängigkeit der durch den Generator erzeugten Spannung von der Anregungsfrequenz.FIG. 17 Dependence of the voltage generated by the generator on the excitation frequency.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Piezogenera- tors 1 mit einem mechanischen Resonanzsystem 5, das eine Schwingvorrichtung 51 und einen piezoelektrischen Wandler 2 (Piezoelement) umfasst . Das Resonanzsystem 5 weist eine Resonanzfrequenz fR auf.FIG. 1 shows schematically the construction of a piezoresistor 1 with a mechanical resonance system 5, which comprises an oscillating device 51 and a piezoelectric transducer 2 (piezoelectric element). The resonance system 5 has a resonance frequency f R.
Die Schwingvorrichtung 51 und das Piezoelement 2 sind mechanisch miteinander gekoppelt. Die mechanische Kopplung zwischen der Schwingvorrichtung 51 und dem piezoelektrischen Wandler 2 ist mit dem Doppelpfeil 43 gekennzeichnet. Dank dieser Kopplung ist die Übertragung der mechanischen Energie auf den piezoelektrischen Wandler möglich.The oscillating device 51 and the piezoelectric element 2 are mechanically coupled together. The mechanical coupling between the oscillating device 51 and the piezoelectric transducer 2 is indicated by the double arrow 43. Thanks to this coupling, the transmission of mechanical energy to the piezoelectric transducer is possible.
Die Schwingvorrichtung 51 kann mithilfe eines Aktivators 6 zur Schwingung angeregt. Die Schwingungsfrequenz stimmt vorzugsweise mit der Resonanzfrequenz fR des Resonanzsystems ü- berein. Der Aktivator 6 ist ein bewegliches Teil, das die E- nergie einer äußeren mechanischen Kraft 7 aufnimmt und diese dosiert, d. h. mit einer Anregungsfrequenz fa auf die Schwingvorrichtung 51 überträgt und somit diese Vorrichtung zum Schwingen bringt. Vorzugsweise gilt fa = fR/n, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist.The oscillating device 51 can be excited by means of an activator 6 to vibrate. The oscillation frequency preferably agrees with the resonance frequency f R of the resonance system. The activator 6 is a moving part which nergie an external mechanical force 7 receives and doses this, ie with an excitation frequency f a on the vibrating device 51 transmits and thus brings this device to vibrate. Preferably, f a = f R / n, where n is an integer between 1 and 5.
In Figur 2 ist eine Variante des Piezogenerators 1 gezeigt, der einen Energiespeicher 71 umfasst, in dem die durch die äußere mechanische Kraft 7 erzeugte mechanische Energie gespeichert wird. Der Energiespeicher 71 ist mit dem Aktivator 6 oder mit einer Transportvorrichtung zum Transport des Aktivators gekoppelt, was in der Figur 2 mit dem Pfeil 41 angedeutet ist.FIG. 2 shows a variant of the piezoelectric generator 1, which comprises an energy store 71, in which the mechanical energy generated by the external mechanical force 7 is stored. The energy store 71 is coupled to the activator 6 or to a transport device for transporting the activator, which is indicated by the arrow 41 in FIG.
Der Aktivator 6.kann zur Auslenkung von schwingfähigen Elementen der Schwingvorrichtung 51 benutzt werden. Dabei kann zwischen dem Aktivator 6 und der Schwingvorrichtung 51 in vorgegebenen Zeitschlitzen ein mechanischer Kontakt 42 bestehen. Der z. B. als Ventil zur Freilassung der gepressten Luft aus dem Energiespeicher 71 konzipierte Aktivator 6 kann die Schwingvorrichtung 51 aber auch kontaktfrei anregen, indem - wie in Figur 13 durch den Pfeil 68 angedeutet - in vorgegebenen Zeitschlitzen ein Luftstrahl in Richtung der Hauptflächen der schwingfähigen Elemente erzeugt wird.The activator 6 can be used for the deflection of vibratable elements of the oscillating device 51. In this case, a mechanical contact 42 can exist between the activator 6 and the oscillating device 51 in predetermined time slots. The z. B. as a valve to release the pressed air from the energy storage 71 designed activator 6 can also stimulate the vibrating device 51 without contact by - as indicated in Figure 13 by the arrow 68 - generated in predetermined time slots an air jet in the direction of the main surfaces of the oscillatory elements becomes.
In einer Variante wird die Energie der Translations- oder Rotationsbewegung des Aktivators 6 in Schwingungen der Schwingvorrichtung 51 umgewandelt. Die Schwingvorrichtung 51 trägt bei der Schwingung eine wechselhafte Druckspannung auf das Piezoelement über. Das Piezoelement ist elektrisch mit einer elektrischen Last 3 - Verbraucher - verbunden. Im Piezoelement erfolgt die Transformation der mechanischen Energie in die elektrische, die der elektrischen Last 3 zugeführt wird. Im Prinzip kann das Piezoelement einen beliebigen Aufbau aufweisen.In a variant, the energy of the translational or rotational movement of the activator 6 is converted into oscillations of the oscillating device 51. The oscillating device 51 transmits a variable compressive stress to the piezoelectric element during oscillation. The piezo element is electrically connected to an electrical load 3 - consumer. In the piezo element, the transformation of the mechanical energy into the electrical, which is supplied to the electrical load 3 takes place. In principle, the piezoelectric element may have any structure.
Der piezoelektrische Wandler 2 ist vorzugsweise elektrisch mittels einer Rückkopplungsschleife an den Aktivator 6 oder an eine in Zusammenhang mit den Figuren 9 bis 12 erläuterte Transportvorrichtung zum Transport des Aktivators 6 gekoppelt. Ein Teil der im Piezoelement erzeugten Spannung wird in die Rückkopplungsschleife geleitet, in der eine Rückkopplungsschaltung 26 angeordnet ist.The piezoelectric transducer 2 is preferably coupled electrically by means of a feedback loop to the activator 6 or to a transport device for transporting the activator 6 explained in conjunction with FIGS. 9 to 12. A portion of the voltage generated in the piezoelectric element is conducted into the feedback loop in which a feedback circuit 26 is arranged.
Am Piezoelement wird eine WechselSpannung erzeugt. Der Piezo- generator 1 kann zur Erzeugung einer WechselSpannung vorgesehen sein. Der Piezogenerator 1 kann aber auch zur Erzeugung sowohl einer Gleichspannung benutzt werden. Zur Erzeugung der Gleichspannung aus der WechselSpannung ist ein Gleichrichter 31 vorgesehen. Zur Erzeugung der Gleichspannung können mehrere Zweige mit jeweils einem eigenen Resonanzsystem parallel geschaltet werden, wobei in den verschiedenen Zweigen die WechselSpannung mit unterschiedlichen Phasen erzeugt wird.An alternating voltage is generated at the piezo element. The piezo-generator 1 may be provided for generating an AC voltage. The piezoelectric generator 1 can also be used to generate both a DC voltage. To generate the DC voltage from the AC voltage, a rectifier 31 is provided. To generate the DC voltage several branches can be connected in parallel, each with its own resonance system, wherein in the various branches, the AC voltage is generated with different phases.
Das am Piezoelement erzeugte Signal wird mittels des Gleichrichters 31 gleichgerichtet und vorzugsweise am elektrischen Speicherelement 32 gespeichert. Als Gleichrichter 31 ist z. B. eine Diodenschaltung mit mindestens einer Diode geeignet. Als elektrischer Speicherelement 32 ist insbesondere eine Schaltung geeignet, die mindestens einen Kondensator oder Akkumulator umfasst . Die am Speicherelement 32 gespeicherte e- lektrische Energie kann durch die Last 3 verbraucht werden.The signal generated at the piezoelectric element is rectified by means of the rectifier 31 and preferably stored on the electrical storage element 32. As a rectifier 31 z. B. a diode circuit with at least one diode suitable. As electrical storage element 32, in particular a circuit is suitable which comprises at least one capacitor or accumulator. The stored at the memory element 32 e- lectric energy can be consumed by the load 3.
Ein Teil des erzeugten Signals wird zur Rückkopplung benutzt. Am Ausgang der Rückkopplungsschaltung 26 wird dabei ein Steuersignal zur Ansteuerung einer Dosiervorrichtung 27 erzeugt. Die Dosiervorrichtung 27 umfasst einen Mechanismus, dessen Frequenz oder Geschwindigkeit durch das Steuersignal der Rückkopplungsschaltung 26 eingestellt werden kann. Dieser Mechanismus ist an eine Transportvorrichtung mechanisch gekoppelt, an der der Aktivator 6 befestigt ist, siehe Figuren 9 und 10. Die mechanischen Parameter der Dosiervorrichtung 27 können derart verändert werden, dass die dem Arbeitspunkt entsprechende Anregungsfrequenz fa eingestellt werden kann.Part of the generated signal is used for feedback. At the output of the feedback circuit 26, a control signal for controlling a metering device 27 is generated. The metering device 27 comprises a mechanism whose frequency or speed can be adjusted by the control signal of the feedback circuit 26. This mechanism is mechanically coupled to a transport device to which the activator 6 is attached, see Figures 9 and 10. The mechanical parameters of the metering device 27 can be changed so that the operating point corresponding excitation frequency f a can be adjusted.
Das Rückkopplungssignal für die Rückkopplungsschaltung 26 kann in allen gezeigten Varianten wie in Figur 1 am Ausgang des Gleichrichters 31 abgegriffen werden. Das Rückkopplungs- signal kann alternativ wie in Figur 2 zwischen dem Piezo- transformator 2 und dem Gleichrichter 3, d. h. am Eingang des Gleichrichters, abgegriffen werden.The feedback signal for the feedback circuit 26 can be tapped at the output of the rectifier 31 in all variants shown as in FIG. The feedback signal may alternatively, as in Figure 2 between the piezoelectric transformer 2 and the rectifier 3, d. H. at the input of the rectifier, are tapped.
Figur 3 zeigt einen beispielhaften Piezogenerator, der eine Anzahl N parallel geschaltete Zweige umfasst, wobei in jedem Zweig ein Resonanzsystem 5-1, 5-2 ... 5-N angeordnet ist, und wobei gilt N > 1. Im i-ten Zweig ist ein Piezoelement 2-i und ein Gleichrichter 31-i angeordnet, i ist die Ordnungszahl des Zweiges, i = 1, 2 ... N. Alle Zweige sind vorzugsweise an einen gemeinsamen Energiespeicher 32 für elektrische Energie (hier Kondensator) angeschlossen.FIG. 3 shows an exemplary piezoelectric generator comprising a number N of branches connected in parallel, wherein a resonance system 5-1, 5-2... 5-N is arranged in each branch, and where N> 1. In the ith branch is a piezoelectric element 2-i and a rectifier 31-i arranged, i is the atomic number of the branch, i = 1, 2 ... N. All branches are preferably connected to a common energy storage 32 for electrical energy (here capacitor).
Jedes Piezoelement 2-i ist an eine Schwingvorrichtung 51-i mechanisch gekoppelt. Bei mindestens einem Zweig ist - vorzugsweise am Ausgang des Gleichrichters 31-i - eine Rückkopplungsschaltung 26 angeschlossen. Dies ist in Fig. 3 der erste (obere) Zweig.Each piezoelectric element 2-i is mechanically coupled to a vibrating device 51-i. In at least one branch - preferably at the output of the rectifier 31-i - a feedback circuit 26 is connected. This is the first (upper) branch in FIG.
Bei mindestens einem Zweig ist - vorzugsweise am Ausgang des Gleichrichters 31-i - eine RückkopplungsSchaltung 26 ange- schlössen. Der Abgriff des Rückkopplungssignals für die Rückkopplungsschaltung kann alternativ wie in der Variante gemäß der Figur 2 vor der Gleichrichterschaltung erfolgen. Im letzteren Fall wird die leitende Verbindung 312 durch eine leitende Verbindung 311 ersetzt, die in Figur 3 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.For at least one branch, a feedback circuit 26 is preferably present at the output of the rectifier 31-i. concluded. The tap of the feedback signal for the feedback circuit may alternatively be carried out before the rectifier circuit as in the variant according to FIG. In the latter case, the conductive connection 312 is replaced by a conductive connection 311, which is indicated in Figure 3 by a dashed line.
Zur Anregung vom Resonanzsystem des jeweiligen Zweigs ist ein Aktivator 6-1, 6-2 ... 6-N vorgesehen. Jeder Aktivator ist vorzugsweise an einen gemeinsamen Energiespeicher 71 mechanisch gekoppelt, was durch Pfeile 41-1, 41-2 und 41-N angedeutet ist. Mittels der Rückkopplungsschaltung 26 werden die Aktivatoren 6-1, 6-2 ... 6-N jeweils derart angesteuert, dass in jedem Generatorzweig die Anregung 42-1, 42-2 ... 42-N und das Resonanzsystem 5-1, 5-2 ... 5 -N miteinander synchronisiert sind.To excite the resonance system of the respective branch, an activator 6-1, 6-2 ... 6-N is provided. Each activator is preferably mechanically coupled to a common energy storage 71, which is indicated by arrows 41-1, 41-2 and 41-N. By means of the feedback circuit 26, the activators 6-1, 6-2 ... 6-N are respectively controlled in such a way that in each generator branch the excitations 42-1, 42-2 ... 42-N and the resonance system 5-1, 5-2 ... 5 -N are synchronized with each other.
Die Resonanzsysteme der verschiedenen Zweige sind vorzugsweise im Wesentlichen gleich ausgebildet und werden mit der gleichen Frequenz, aber mit verschiedenen Phasen angesteuert. In Figur 4 ist der zeitliche Verlauf der durch die parallel geschalteten elektromechanischen Wandler gemäß Figur 3 generierten Spannung U gezeigt. Die Spannung Ui, U2 usw. wird durch die Piezoelemente 2-1, 2-2 usw. erzeugt. Die Phasen der Spannungen U1, U2 sind einander gegenüber verschoben. Damit gelingt es, die Amplitudenschwankung (Pulsation) der Ausgangsspannung des Generators zu glätten.The resonance systems of the various branches are preferably formed substantially the same and are driven at the same frequency but with different phases. FIG. 4 shows the time profile of the voltage U generated by the parallel-connected electromechanical converter according to FIG. The voltage Ui, U 2 , etc. is generated by the piezo elements 2-1, 2-2 and so on. The phases of the voltages U 1 , U 2 are shifted from each other. This makes it possible to smooth the amplitude fluctuation (pulsation) of the output voltage of the generator.
Figur 5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführung des Pie- zogenerators mit mehreren parallel geschalteten Piezoelemen- ten 2-1, 2-2 ... 2-N. Jeder Gleichrichter 31-1, 31-2 ... 31-N kann wie in Fig. 5 eine Diode im Serienzweig und eine Diode im Querzweig umfassen. Hier wird mittels der Rückkopplungs- schaltung 26 eine Transportvorrichtung 6' angesteuert, an die die Aktivatoren 6-1, 6-2 ... 6-N gekoppelt sind. Die Laufbahnen der Aktivatoren verlaufen vorzugsweise parallel zueinander. Dafür ist eine in Zusammenhang mit den Figuren 9 und 10 erläuterte Transportvorrichtung mit einem Transportband besonders gut geeignet. Verschiedene Aktivatoren sind in Fig. 9, 10 vorzugsweise in y-Richtung räumlich gegeneinander versetzt. Möglich ist aber auch, verschiedene, in y-Richtung aufeinander folgende Schwingvorrichtungen entlang der Laufbahn eines Aktivators 6 anzuordnen und somit verschiedene Schwingvorrichtungen mit verschiedenen Phasen, aber mit dem gleichen Aktivator 6 anzuregen.FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the piezoelectric generator with a plurality of parallel-connected piezoelectric elements 2-1, 2-2... 2-N. Each rectifier 31-1, 31-2 ... 31-N may comprise, as in FIG. 5, a diode in the series branch and a diode in the shunt branch. Here, by means of the feedback circuit 26, a transport device 6 'is actuated, to which the activators 6-1, 6-2 ... 6-N are coupled. The tracks of the activators are preferably parallel to each other. For this purpose, a transport device explained in conjunction with FIGS. 9 and 10 with a conveyor belt is particularly well suited. Various activators are spatially offset from one another in FIGS. 9, 10, preferably in the y-direction. However, it is also possible to arrange different oscillation devices following one another in the y-direction along the track of an activator 6 and thus to excite different oscillating devices with different phases but with the same activator 6.
In Figur 6 ist ausschnittsweise ein Piezogenerator mit einem Gleichrichter 31 bzw. 31-1, 31-2 ... 31-N in Form einer Diodenbrücke gezeigt. Der Eingang der Diodenbrücke ist dabei an das Piezoelement 2 und ihr Ausgang an den elektrischen Energiespeicher 32 und/oder die Last 3 angeschlossen.FIG. 6 is a detail of a piezoelectric generator with a rectifier 31 or 31-1, 31-2... 31-N in the form of a diode bridge. The input of the diode bridge is connected to the piezoelectric element 2 and its output to the electrical energy storage 32 and / or the load 3.
Figur 7 zeigt eine Ausführung des Piezogenerators mit mehreren parallel geschalteten Piezoelementen, wobei zur Anregung von jedem Resonanzsystem ein eigener Aktivator vorgesehen ist. An das Piezoelement mit der Ordnungszahl i=l, 2 ... N ist eine eigene RückkopplungsSchaltung 26-1, 26-2 ... 26-N angeschlossen, die zur Synchronisierung des jeweiligen Aktivators 6-1, 6-2 ... 6-N und des durch diesen anzuregenden Resonanzsystems vorgesehen ist . Ansonsten ist die Funktionsweise der in der Figur 7 gezeigten Anordnung in Zusammenhang mit der Figur 3 erläutert .FIG. 7 shows an embodiment of the piezoelectric generator with a plurality of piezoelements connected in parallel, wherein a separate activator is provided for the excitation of each resonance system. To the piezoelectric element with the atomic number i = l, 2 ... N is a separate feedback circuit 26-1, 26-2 ... 26-N connected to synchronize the respective activator 6-1, 6-2 ... 6-N and the resonance system to be excited thereby. Otherwise, the mode of operation of the arrangement shown in FIG. 7 is explained in conjunction with FIG.
In Figur 8 ist eine beispielhafte Implementierung des piezoelektrischen Generators mit einer Schwingvorrichtung gezeigt, welche die Form einer Stimmgabel aufweist, also als ein U- Stück ausgebildet ist. Das U-Stück weist zwei Schenkel und ein Verbindungsstück auf, das die beiden Schenkel miteinander verbindet. Die Schenkel des U-Stücks sind Schwingelemente 8a, 8b, die die Flügel der Schwingvorrichtung darstellen. Die Schwingungen des zweiten Schwingelements 8b sind mit den Schwingungen des ersten Schwingelements 8a korreliert.FIG. 8 shows an exemplary implementation of the piezoelectric generator with a vibrating device which has the shape of a tuning fork, that is to say it is designed as a U-piece. The U-piece has two legs and a connector that connects the two legs together. The legs of the U-piece are vibrating elements 8a, 8b, which represent the wings of the vibrating device. The vibrations of the second vibrating element 8b are correlated with the vibrations of the first vibrating element 8a.
Das Verbindungsstück des U-Stücks weist einen Befestigungsbereich 17 auf, in dem die Schwingvorrichtung an einem nicht gezeigten Träger wie z. B. dem Gehäuse des Generators befestigt ist.The connecting piece of the U-piece has a mounting portion 17 in which the oscillating device on a support, not shown, such. B. is attached to the housing of the generator.
Das Piezoelement 2 ist im Ausgangszustand zwischen den Flügeln (Schenkeln) der Schwingvorrichtung in der Nähe des Verbindungsstücks eingeklemmt und dadurch vorgespannt . In einer Variante wird das Piezoelement 2 ausschließlich durch die Schenkel der Schwingvorrichtung gehalten. Möglich ist aber auch, dass die Flügel hauptsächlich zum periodischen Zusammendrücken des Piezoelements 2 dienen, wobei das Piezoelement zusätzlich von einer von der Schwingvorrichtung mechanisch entkoppelten Haltevorrichtung gestützt, gehalten oder getragen wird.The piezoelectric element 2 is clamped in the initial state between the wings (legs) of the vibrating device in the vicinity of the connecting piece and thereby biased. In a variant, the piezoelectric element 2 is held exclusively by the legs of the oscillating device. But it is also possible that the wings are mainly used for periodic compression of the piezoelectric element 2, wherein the piezoelectric element is additionally supported, held or carried by a mechanically decoupled from the vibrating device holding device.
Die Schenkel der Schwingvorrichtung stellen beispielsweise streifenförmige Biegefedern dar. Die Schwingvorrichtung um- fasst außerdem Gewichte 9a, 9b, die am freien Ende des jeweiligen Schwingelements 8a, 8b montiert und zur Speicherung einer mechanischen Energie geeignet sind.The legs of the oscillating device, for example, strip-shaped bending springs. The oscillating device also includes weights 9a, 9b, which are mounted at the free end of the respective vibrating element 8a, 8b and suitable for storing a mechanical energy.
Die Gewichte 9a, 9b im Kontaktbereich und der Aktivator 6 weisen vorzugsweise schräge, zueinander gewandte Flächen auf, die an einer Stelle abrupt aufhören, welche beim Entgleiten des Aktivators aus dem Kontaktbereich als Letztes berührt wird. An dieser Stelle wird die maximale Auslenkung der Schwingelemente 8a, 8b erzielt. Die schrägen Flächen schneiden sich jeweils vorzugsweise mit einer waagerecht ausgerichteten Fläche. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall beim Passieren des Aktivators 6 durch den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung unmittelbar nach dem Erreichen der maximalen Auslenkung der Schwingelemente 8a, 8b ein abruptes Loslassen dieser Schwingelemente bewirkt. Damit gelingt es, die mechanische Energie an die Schwingvorrichtung am effizientesten zu übertragen.The weights 9a, 9b in the contact region and the activator 6 preferably have oblique, mutually facing surfaces which abruptly stop at a position which is touched last when the activator slides out of the contact region. At this point, the maximum deflection of the Scoring elements 8a, 8b achieved. The sloping surfaces preferably each intersect with a horizontally oriented surface. Advantageously, in this case, when the activator 6 passes through the contact region of the oscillating device, an abrupt release of these oscillating elements is effected immediately after reaching the maximum deflection of the oscillating elements 8a, 8b. This makes it possible to transfer the mechanical energy to the vibrating device most efficiently.
Der Aktivator 6 kann insbesondere in Form eines Keils ausgebildet sein. Der Aktivator 6 bewegt sich in der Figur 8 von links nach rechts zwischen den Gewichten 9a, 9b und gleitet dabei an den zu ihm gewandten Flächen dieser Gewichte. Sobald die Querschnittsgröße des Aktivators den Mindestabstand zwischen den Gewichten 9a, 9b überschreitet, werden die Gewichte 9a, 9b auseinander gedrückt, was in der Figur 8 oben mit Pfeilen angedeutet ist.The activator 6 may be formed in particular in the form of a wedge. The activator 6 moves in the figure 8 from left to right between the weights 9a, 9b and thereby slides on the facing him surfaces of these weights. As soon as the cross-sectional size of the activator exceeds the minimum distance between the weights 9a, 9b, the weights 9a, 9b are pressed apart, which is indicated in the figure 8 above with arrows.
Die Gewichte 9a, 9b sind auf den zueinander gewandten Seiten derart angeschrägt, dass das Gleiten des Keils zwischen diesen Gewichten erleichtert ist. Durch die Keilform des Aktivators 6 und die Anschrägung der Gewichte 9a, 9b gelingt es, die Schwingelemente 8a, 8b besonders effizient und ruckfrei auseinander zu drücken. Der Aktivator 6 kann sich auch senkrecht zu der in Figur 8 gezeigten Querschnittsebene bewegen, wobei die Schräge der Gewichte 9a, 9b vorzugsweise stets entlang der Bewegungsrichtung des Aktivators 6 verläuft.The weights 9a, 9b are chamfered on the mutually facing sides such that the sliding of the wedge between these weights is facilitated. Due to the wedge shape of the activator 6 and the chamfering of the weights 9a, 9b, it is possible to press apart the vibrating elements 8a, 8b particularly efficiently and without jerking. The activator 6 can also move perpendicular to the cross-sectional plane shown in FIG. 8, wherein the slope of the weights 9a, 9b preferably always runs along the direction of movement of the activator 6.
Bei der durch die Bewegung des Aktivators hervorgerufene Aus- lenkung der Schwingelemente 8a, 8b wird in diesen eine Energie gespeichert. Sobald der Aktivator den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung verlässt, fangen die Gewichte an, sich un- ter der Wirkung einer Rückstellkraft in eine Gegenrichtung zu bewegen. Die Bewegungsrichtung der Schwingelemente 8a, 8b unmittelbar nach dem Entgleiten des Aktivators aus dem Kontakt- bereich ist in der Figur 8 unten mit Pfeilen angedeutet. Dabei wird die in den Gewichten 9a, 9b eingespeicherte Energie in die Schwingenergie dieser Gewichte bzw. in die Schwingungsenergie der Schwingvorrichtung umgesetzt, da die Bewegung der Gewichte 9a, 9b das Oszillieren der Schwingelemente 8a, 8b bewirkt .In the case of the deflection of the oscillating elements 8a, 8b caused by the movement of the activator, an energy is stored in them. As soon as the activator leaves the contact area of the oscillating device, the weights start to ter the effect of a restoring force to move in a reverse direction. The direction of movement of the oscillating elements 8a, 8b immediately after the activator has slid out of the contact region is indicated in the figure 8 below with arrows. In this case, the energy stored in the weights 9a, 9b is converted into the oscillatory energy of these weights or into the oscillation energy of the oscillating device, since the movement of the weights 9a, 9b causes the oscillating elements 8a, 8b to oscillate.
Während der Schwingdauer der Schwingelemente 8a, 8b erfährt Piezoelement 2 eine sich bezüglich der Zeit periodisch ändernde mechanische Druckspannung in Vertikalrichtung z, welche zur Kontraktion des Piezoelements führt. Die am Piezoelement 2 erzeugte Druckspannung wird in eine elektrische Energie z. B. wie nachstehend erläutert umgesetzt. An den Elektroden 10a, 10b, 10c des Piezoelements 2 tritt infolge des piezoelektrischen Effekts eine elektrische Ladung auf, die der elektrischen Last 3 oder dem Energiespeicher zugeführt wird. Die stirnseitigen Elektroden 10a und 10b werden beide an eine erste und die mittlere Elektrode 10c des Piezoelements an eine zweite Elektrode der Last 3 angeschlossen, so dass die elektrische Ladung vom Piezoelement 2 abfließen kann.During the oscillation period of the oscillating elements 8a, 8b, piezoelectric element 2 undergoes a periodically changing mechanical compressive stress in the vertical direction z, which leads to the contraction of the piezoelectric element. The compressive stress generated on the piezoelectric element 2 is converted into an electrical energy z. B. implemented as explained below. At the electrodes 10a, 10b, 10c of the piezoelectric element 2 occurs due to the piezoelectric effect, an electrical charge which is supplied to the electrical load 3 or the energy storage. The front-side electrodes 10a and 10b are both connected to a first and the middle electrode 10c of the piezoelectric element to a second electrode of the load 3, so that the electric charge can flow from the piezoelectric element 2.
Die Abhängigkeit der am Piezoelement 2 gemessenen Wechsel - Spannung U von der Zeit t ist in der Figur 8 schematisch gezeigt. Diese Spannung ist proportional zu der Amplitude der mechanischen Schwingungen der Schwingelemente 8a, 8b. Diese Amplitude verringert sich mit der Zeit, da die Schwingungen durch Reibungsverluste und infolge der Energieauskopplung ge- dämpft werden . Die Schwingelemente 8a, 8b schwingen gegeneinander vorzugsweise in Gegenphase, aber mit der gleichen Amplitude. Der Bereich des Verbindungsstücks, der in der Nähe der Symmetrieachse der Schwingvorrichtung liegt, bleibt bei der Schwingung der Schwingelemente 8a, 8b im Wesentlichen unbeweglich. Der Befestigungsbereich 17 ist vorzugsweise in diesem Bereich des Verbindungsstücks angeordnet. Somit werden die Schwingungen der Schwingelemente 8a, 8b durch die Verbindung mit dem Träger nur geringfügig gedämpft .The dependence of the alternating voltage U on the piezoelectric element 2 on the time t is shown schematically in FIG. This voltage is proportional to the amplitude of the mechanical vibrations of the vibrating elements 8a, 8b. This amplitude decreases with time as the vibrations are damped by friction losses and energy dissipation. The vibrating elements 8a, 8b oscillate against each other, preferably in antiphase, but with the same amplitude. The portion of the connector located near the symmetry axis of the vibrator remains substantially immobile in the vibration of the vibrating members 8a, 8b. The fastening region 17 is preferably arranged in this region of the connecting piece. Thus, the vibrations of the vibrating elements 8a, 8b are attenuated only slightly by the connection with the carrier.
Das in Figur 8 gezeigte Piezoelement 2 stellt ein Mehrschicht-Bauelement bzw. einen Piezostack dar, d. h. einen Stapel von abwechselnd angeordneten piezoelektrischen Schichten und Metallschichten. Jede Metallschicht ist zu einer Innenelektrode ausgebildet. Die - in Figur 8 nicht gezeigten - ersten Innenelektroden sind an eine erste Außenelektrode 10a, die zweiten Innenelektroden an eine zweite Außenelektrode 10b und die dritten Innenelektroden an eine dritte Außenelektrode 10c angeschlossen. Die Außenelektroden 10a, 10b, 10c sind an der Oberfläche des Piezoelements 2 angeordnet .The piezoelectric element 2 shown in FIG. 8 represents a multilayer component or a piezostack, i. H. a stack of alternately arranged piezoelectric layers and metal layers. Each metal layer is formed into an inner electrode. The first internal electrodes (not shown in FIG. 8) are connected to a first external electrode 10a, the second internal electrodes are connected to a second external electrode 10b and the third internal electrodes are connected to a third external electrode 10c. The outer electrodes 10 a, 10 b, 10 c are arranged on the surface of the piezoelectric element 2.
In den Figuren 9 und 10 ist eine mechanische Anordnung zur Anregung der Schwingvorrichtung 51 gezeigt, bei der - im Gegensatz zu der in der Figur 8 gezeigten Variante - der hier nicht gezeigte Aktivator sich nicht entlang der Längsrichtung x der Schwingelemente 8a, 8b, sondern entlang einer anderen Lateralrichtung y, also quer dazu läuft. Die Gewichte 9a, 9b sind dabei derart angeschrägt, dass der Abstand zwischen ihnen in Richtung y kleiner wird.FIGS. 9 and 10 show a mechanical arrangement for exciting the oscillating device 51, in which, unlike the variant shown in FIG. 8, the activator not shown here does not extend along the longitudinal direction x of the oscillating elements 8a, 8b another lateral direction y, ie transverse to it. The weights 9a, 9b are bevelled so that the distance between them in the direction y is smaller.
Die Schwingfrequenz der Schwingvorrichtung 51 kann durch die Masse der Gewichte 9a, 9b, die Länge der Schwingelemente 8a, 8b und die Lage des Piezoelements 2 eingestellt werden. Die Schwingfrequenz ist vorzugsweise gleich der Resonanzfrequenz des Piezoelements 2.The oscillation frequency of the oscillating device 51 can be adjusted by the mass of the weights 9a, 9b, the length of the oscillating elements 8a, 8b and the position of the piezoelectric element 2. The Oscillation frequency is preferably equal to the resonant frequency of the piezoelectric element. 2
Die Anregung der Schwingvorrichtung 51 durch den Aktivator 6 kann periodisch sein, wobei die Periode der Anregung vorzugsweise gleich der Schwingungsperiode der Schwingvorrichtung 51 ist oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Periode beträgt. Die Periode der Anregung kann bei Bedarf dadurch verringert und somit die Anregungsfrequenz erhöht werden, dass anstelle nur eines Aktivators 6 wie z. B. in den Varianten gemäß den Figuren 11 und 12 mehrere vorzugsweise gleichartige Aktivatoren 6, 6a, 6b, 6c verwendet werden, wobei die aufeinander folgenden Aktivatoren im gleichen Abstand voneinander auf einer Transportvorrichtung angeordnet sind. Die Transportvorrichtung kann wie in Fig. 9 und 10 ein Transportband oder wie in Fig. 11 und 12 eine Drehvorrichtung umfassen.The excitation of the oscillating device 51 by the activator 6 may be periodic, wherein the period of the excitation is preferably equal to the oscillation period of the oscillating device 51 or an integer multiple of this period. The period of the excitation can be reduced if necessary thereby and thus the excitation frequency can be increased, that instead of only one activator 6 such. B. in the variants of Figures 11 and 12, a plurality of preferably similar activators 6, 6a, 6b, 6c are used, wherein the successive activators are arranged at the same distance from each other on a transport device. The transport device may, as in FIGS. 9 and 10, comprise a conveyor belt or, as in FIGS. 11 and 12, a rotary device.
In Figuren 9, 10 ist eine Transportvorrichtung vorgestellt, die den Aktivator 6 in Richtung y, d. h. von links nach rechts, linear versetzt. Die TransportVorrichtung umfasst ein Transportband 61, an dem der Aktivator 6 befestigt ist. An diesem Band ist außerdem ein weiterer Aktivator 6a befestigt.In FIGS. 9, 10, a transport device is presented which controls the activator 6 in the direction y, d. H. from left to right, linear offset. The transport device comprises a conveyor belt 61 to which the activator 6 is attached. On this band also another activator 6a is attached.
Die Transportrollen 62a, 62b drehen sich jeweils im Uhrzeigersinn um eine Drehachse und bewirken damit die Bewegung des Transportbands 61 auch im Uhrzeigersinn. Das Transportband 61 weist in der Variante gemäß Figur 9 eine seitlich herausragende Zunge 63 auf, an der der keilförmige Aktivator 6 befestigt ist. Die Zunge 63 ragt in eine Richtung hinaus, die quer zur Bewegungsrichtung des Transportbands 61 bzw. Aktivators 6 verläuft. Wenn der Aktivator den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung passiert, wird die in Zusammenhang mit der Figur 8 bereits erläuterte Auslenkung der Gewichte 9a, 9b bewirkt. In der Figur 10 ist der untere Teil des Transportbands 61 zwischen den Schwingelementen 8a, 8b angeordnet. Der Aktivator 6 ist hier - im Gegensatz zu der Variante gemäß Fig. 9 - im Mittelbereich des Transportbands 61 angeordnet. Damit der nach innen gewandte Teil des Aktivators 6 auch im Bereich der Transportrollen ungehindert durchlaufen kann, weisen die Transportrollen 62a, 62b jeweils einen Bereich 64 mit einem kleineren Querschnitt als seine für den Bandtransport vorgesehenen Bereiche auf. Die Laufbahn des Aktivators 6 geht zwischen den Gewichten 9a, 9b durch.The transport rollers 62a, 62b each rotate clockwise about an axis of rotation and thus cause the movement of the conveyor belt 61 also in a clockwise direction. The conveyor belt 61 has, in the variant according to FIG. 9, a laterally protruding tongue 63, to which the wedge-shaped activator 6 is fastened. The tongue 63 protrudes in a direction which is transverse to the direction of movement of the conveyor belt 61 or activator 6. When the activator passes the contact region of the oscillating device, the deflection of the weights 9a, 9b already explained in connection with FIG. 8 is effected. In FIG. 10, the lower part of the conveyor belt 61 is arranged between the oscillating elements 8a, 8b. The activator 6 is here - in contrast to the variant according to FIG. 9 - arranged in the central region of the conveyor belt 61. In order that the inwardly directed part of the activator 6 can also pass unhindered in the area of the transport rollers, the transport rollers 62a, 62b each have a region 64 with a smaller cross section than its intended areas for belt transport. The career of the activator 6 passes between the weights 9a, 9b.
Die in Fig. 9 und 10 gezeigte Schwingvorrichtung 51 ist in einer Seitenansicht auch in Fig. 13 gezeigt.The oscillating device 51 shown in FIGS. 9 and 10 is also shown in a side view in FIG.
Der Aktivator kann wie in den Varianten gemäß den Figuren 11 und 12 anstelle eines Laufbands an einer Drehvorrichtung montiert sein. An der Drehvorrichtung können mehrere Aktivatoren montiert sein, womit die Anregungsfrequenz bei der gleich bleibenden Drehfrequenz der Drehvorrichtung gegenüber der Variante mit nur einem Aktivator erhöht werden kann. Die Anordnung der Drehvorrichtung und der Aktivatoren ist vorzugsweise bezogen auf ihren an der Drehachse liegenden Mittelpunkt punktsymmetrisch.The activator may, as in the variants according to FIGS. 11 and 12, be mounted on a turning device instead of a running belt. Several activators can be mounted on the rotating device, whereby the excitation frequency can be increased with the same rotational frequency of the rotating device compared to the variant with only one activator. The arrangement of the rotating device and the activators is preferably point-symmetrical with respect to their center lying at the axis of rotation.
In Figur 11 ist die Drehvorrichtung als eine Scheibe 16c realisiert, die um eine Achse rotiert, welche senkrecht auf den Hauptebenen der Scheibe steht. Die Drehvorrichtung kann alternativ wie in der Variante gemäß Figur 12 mindestens einen Steg 16a aufweisen, der sich senkrecht zur Drehachse erstreckt und um die Drehachse drehbar ist. Durch den Mittelpunkt des Stegs 16a geht die Drehachse durch. An beiden Enden des Stegs 16a ist jeweils ein Aktivator befestigt. In jedem Fall verläuft ein Abschnitt der Laufbahn jedes Aktivators 6, 6a, 6b, 6c zwischen den Schwingelementen 8a, 8b.In Figure 11, the rotating device is realized as a disk 16c rotating about an axis perpendicular to the main planes of the disk. Alternatively, as in the variant according to FIG. 12, the rotating device may have at least one web 16a, which extends perpendicular to the axis of rotation and is rotatable about the axis of rotation. Through the center of the web 16a, the axis of rotation goes through. At both ends of the web 16a an activator is attached in each case. In any case, a portion of the raceway of each activator 6, 6a, 6b, 6c extends between the vibrating elements 8a, 8b.
Figur 13 zeigt eine durch den Luftdruck anregbare Schwingvorrichtung 51 und einen Speicher 71 für die gepresste Luft . Der Speicher 71 umfasst einen Behälter 60 mit einer durch ein Ventil 66 verschließbaren Lufteintrittsöffnung 65 und einer durch den Aktivator 6 verschließbaren Luftaustrittsöffnung 69.Fig. 13 shows an air pressure excitable vibrating device 51 and a compressed air storage 71. The reservoir 71 comprises a reservoir 60 with an air inlet opening 65 which can be closed by a valve 66 and an air outlet opening 69 which can be closed by the activator 6.
Die Luft kann in den Behälter 60 eingepumpt werden, in denen das Ventil offen ist. Das Ventil 66 wird nur geöffnet, wenn im Bereich der Eintrittsöffnung 65 ein Luftdruck in die Richtung von außen nach innen entsteht . Das Heraustreten der Luft aus dem Behälter 60 durch die Eintrittsöffnung 65 wird durch das Ventil 66 verhindert.The air can be pumped into the container 60, in which the valve is open. The valve 66 is only opened when an air pressure in the direction from the outside to the inside arises in the region of the inlet opening 65. The escape of the air from the container 60 through the inlet opening 65 is prevented by the valve 66.
In dafür vorgesehenen ersten Zeiträumen wird durch den Aktivator 6 die Austrittsöffnung 69 geöffnet. Das Heraustreten der Luft durch die Austrittsöffnung 69 wird in den zweiten Zeiträumen durch den Aktivator 6 verhindert. Der Aktivator 6 stellt ein Ventil dar, welches mittels der in Fig. 1 bis 3, 5 und 7 gezeigten Rückkopplungsschleife steuerbar ist.In designated first periods of time, the outlet opening 69 is opened by the activator 6. The emergence of the air through the outlet opening 69 is prevented in the second periods by the activator 6. The activator 6 represents a valve which is controllable by means of the feedback loop shown in FIGS. 1 to 3, 5 and 7.
Verschiedene Beispiele für Ventile 6 oder 66 sind in den Figuren 14A, 14B und 15A, 15B gezeigt. Figur 14A zeigt ausschnittsweise den Luftspeicher gemäß Figur 13 mit dem Ventil 66 in Form einer Klappe 66a, die an einem Ende am Luftspeicher befestigt ist. Figur 14B zeigt das Ventil in Form einer Membran 66b. Figuren 15A und 15B zeigen die Ansicht einer Eintrittsöffnung des Luftbehälters 60 mit einem Ventil in Form eines Plättchens 66c, das um seine Mittelachse DD drehbar ist, bei geschlossener (Fig. 15A) und offener (15B) Eintrittsöffnung. In der Figur 15A ist die Ebene des Plättchens 66c quer und in der Figur 15B parallel zu der Normalen der Öffnung 65 angeordnet .Various examples of valves 6 or 66 are shown in Figs. 14A, 14B and 15A, 15B. FIG. 14A shows a detail of the air reservoir according to FIG. 13 with the valve 66 in the form of a flap 66a, which is fastened to the air reservoir at one end. FIG. 14B shows the valve in the form of a membrane 66b. Figures 15A and 15B show the view of an inlet opening of the air tank 60 with a valve in the form of a small plate 66c, which is rotatable about its central axis DD, with closed (Fig. 15A) and open (15B) inlet opening. In FIG. 15A, the plane of the chip 66c is arranged transversely and, in FIG. 15B, parallel to the normal of the opening 65.
Figur 16 zeigt eine beispielhafte Ausführung der Rückkopplungsschaltung. Die Rückkopplungsschaltung 26 umfasst einen Komparator 261. An den nicht invertierenden Eingang des Kom- parators wird eine Referenzspannung Uref angelegt. Die Referenzspannung wird durch das elektrische Speicherelement 32 geliefert und mittels der Z-Diode 262 stabilisiert. Die Referenzspannung legt den Arbeitspunkt des Resonanzsystems fest . An den invertierenden Eingang des Komparators 261 wird die am Ausgang des Gleichrichters 31 abgenommene Spannung U angelegt.Figure 16 shows an exemplary embodiment of the feedback circuit. The feedback circuit 26 comprises a comparator 261. A reference voltage U ref is applied to the non-inverting input of the comparator. The reference voltage is supplied by the electric storage element 32 and stabilized by the Zener diode 262. The reference voltage determines the operating point of the resonance system. At the inverting input of the comparator 261, the voltage U taken off at the output of the rectifier 31 is applied.
Die Versorgungsspannung des Komparators wird durch das elektrische Speicherelement 32 geliefert und mittels der Z-Diode 263 stabilisiert.The supply voltage of the comparator is supplied by the electric storage element 32 and stabilized by means of the Zener diode 263.
Das Ausgangssignal des Komparators 261 wird zur Ansteuerung der Dosiervorrichtung 27 verwendet. Das Ausgangssignal des Komparators kann z. B. zum Umschalten eines elektromechani- schen Elements verwendet werden, mit dem die mechanischen Eigenschaften der Dosiervorrichtung verstellbar sind.The output signal of the comparator 261 is used to control the metering device 27. The output of the comparator can z. B. can be used for switching an electromechanical element with which the mechanical properties of the metering device are adjustable.
Der Komparator kann einen eingebauten Verstärker umfassen. Das Ausgangssignal des Komparators kann auch durch einen separaten, in der Figur 16 nicht gezeigten Verstärker verstärkt werden .The comparator may include a built-in amplifier. The output signal of the comparator can also be amplified by a separate amplifier, not shown in FIG become .
In Figur 17 ist die Abhängigkeit der Spannung U von der Anregungsfrequenz fa gezeigt. Diese am Eingang des Komparators gemessene Spannung ist proportional zur Spannung, die am Ausgang des Gleichrichters erzeugt wird. fa,0 ist der Anfangswert der Anregungsfrequenz und fa,i die dem Arbeitspunkt entsprechende Anregungsfrequenz . Die Frequenz fa,0 ist durch die mechanischen Parameter der Dosiervorrichtung 27 im Ruhezustand festgelegt .FIG. 17 shows the dependence of the voltage U on the excitation frequency f a . This voltage measured at the input of the comparator is proportional to the voltage generated at the output of the rectifier. f a , 0 is the initial value of the excitation frequency and f a , i is the excitation frequency corresponding to the operating point. The frequency f a , 0 is determined by the mechanical parameters of the metering device 27 in the idle state.
fa,R ist die Anregungsfrequenz, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz ist. In diesem Beispiel wurde die Frequenz fa,0 und der Arbeitspunkt unterhalb der Frequenz fa,R gewählt, bei der die maximale Spannung erzeugt werden kann. Während der Einschwingphase werden die Parameter der Dosiervorrichtung 27 derart verändert, dass die Anregungsfrequenz bis zu dem Wert fa,i erhöht wird, bei dem der am zweiten Eingang des Komparators vorgegebene Spannungspegel Uref erreicht wird. Beim Überschreiten dieses Pegels wird die Anregungsfrequenz durch das Umschalten des Komparators erniedrigt und beim wiederholten Unterschreiten dieses Pegels wieder erhöht, so dass die Anregungsfrequenz in der Nähe des Arbeitspunktes stabilisiert wird. Die geringfügige Frequenzänderung in der Nähe des Arbeitspunktes ist in Figur 17 mit einem Doppelpfeil 28 angedeutet.f a , R is the excitation frequency which is equal to an integer multiple of the resonance frequency. In this example, the frequency f a , 0 and the operating point below the frequency f a , R has been chosen at which the maximum voltage can be generated. During the transient phase, the parameters of the dosing device 27 are changed such that the excitation frequency is increased up to the value f a , i at which the voltage level U ref given at the second input of the comparator is reached. When this level is exceeded, the excitation frequency is lowered by the switching of the comparator and again increased when repeatedly falling below this level, so that the excitation frequency is stabilized in the vicinity of the operating point. The slight change in frequency near the operating point is indicated by a double arrow 28 in FIG.
Das Resonanzsystem ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beliebige Ausgestaltungen des Piezoele- ments und der Schwingvorrichtung sind möglich. BezugszeichenlisteThe resonance system is not limited to the embodiments shown. Any configurations of the piezoelement and the oscillating device are possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Piezogenerator1 piezoelectric generator
2 Piezoelement2 piezo element
26 Rückkopplungsschaltung 261 Komparator26 feedback circuit 261 comparator
262, 263 Z-Dioden262, 263 Z-diodes
27 Dosiervorrichtung27 dosing device
3 elektrische Last3 electrical load
31 Gleichrichter31 rectifier
311, 312 leitende Verbindung311, 312 conductive connection
32 elektrisches Speicherelement 41, 43 mechanische Kopplung32 electrical storage element 41, 43 mechanical coupling
42 mechanische Anregung42 mechanical stimulation
5 Resonanzsystem (elektromechanischer Wandler)5 resonance system (electromechanical transducer)
51 Schwingvorrichtung51 oscillating device
6, 6a, 6b, 6c Aktivator6, 6a, 6b, 6c activator
60 Behälter für die gepresste Luft60 containers for the pressed air
61 Transportband61 conveyor belt
62a, 62b Transportrollen62a, 62b transport rollers
65 Lufteintrittsöffnung65 air intake opening
66 Ventil66 valve
68 Luftstrahl68 air jet
69 Luftaustrittsöffnung69 air outlet opening
7 äußere mechanische Kraft7 external mechanical force
71 Speicher für mechanische Energie71 storage for mechanical energy
8a, 8b Schwingelemente8a, 8b oscillating elements
9a, 9b Gewichte9a, 9b weights
10a, 10b, 10c Außenelektroden des Piezoelements 210 a, 10 b, 10 c outer electrodes of the piezoelectric element 2
11 piezoelektrische Schicht11 piezoelectric layer
12 Innenelektroden 15a, 15b Anschlussdraht 16 Ring 17 Befestigungsbereich12 internal electrodes 15a, 15b connecting wire 16 ring 17 mounting area
AA DrehachseAA rotary axis
U Spannung nach dem GleichrichterU voltage after the rectifier
Uref ReferenzspannungU ref reference voltage
Ui im ersten elektromechanisehen Wandler erzeugteUi generated in the first electromechanical transducer
Spannung UN im N-ten elektromechanischen Wandler erzeugteVoltage U N generated in the Nth electromechanical transducer
Spannung fa Anregungsfrequenz fa,o Anfangswert der Anregungsfrequenz fa,i die dem Arbeitspunkt entsprechende Anregungsfrequenz fa,R Anregungsfrequenz, die gleich einem ganzzahligenVoltage f a excitation frequency f a , o initial value of the excitation frequency f a, i the excitation frequency f a , R corresponding to the operating point excitation frequency, which is equal to an integer
Vielfachen der Resonanzfrequenz ist fR Resonanzfrequenz t Zeit x erste Lateralrichtung, die mit der Längsrichtung derMultiples of the resonance frequency is f R resonance frequency t time x first lateral direction, which coincides with the longitudinal direction of
Schwingelemente 8a, 8b übereinstimmt y zweite Lateralrichtung z Vertikalrichtung Oscillating elements 8a, 8b match y second lateral direction z vertical direction

Claims

Patentansprüche claims
1. Piezogenerator1. Piezo generator
- mit einem zu mechanischen Schwingungen anregbaren Resonanz- System, das einen piezoelektrischen Wandler (2) umfasst,with a resonance system which can be excited to mechanical vibrations and which comprises a piezoelectric transducer (2),
- mit einer elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler (2) verbundenen Rückkopplungsschaltung (26) , undwith a feedback circuit (26) electrically connected to the piezoelectric transducer (2), and
- mit einer Vorrichtung zur Anregung des Resonanzsystems, die durch die Rückkopplungsschaltung (26) ansteuerbar ist.- With a device for exciting the resonance system, which is controllable by the feedback circuit (26).
2. Piezogenerator nach Anspruch 1,2. Piezoelectric generator according to claim 1,
- wobei das Resonanzsystem eine Eigenfrequenz aufweist,- wherein the resonance system has a natural frequency,
- wobei die Vorrichtung zur Anregung des Resonanzsystems zur Einstellung der Frequenz der mechanischen Schwingungen bei der Eigenfrequenz des Resonanzsystems geeignet ist.- Wherein the device for exciting the resonance system for adjusting the frequency of the mechanical vibrations at the natural frequency of the resonance system is suitable.
3. Piezogenerator nach Anspruch 1 oder 2 ,3. Piezoelectric generator according to claim 1 or 2,
- mit mindestens einem Aktivator (6) zur Anregung der Schwingungen des Resonanzsystems,with at least one activator (6) for exciting the vibrations of the resonance system,
- wobei die Rückkopplungsschaltung (26) zur Regelung der Einwirkungsfrequenz des Aktivators (6) auf das Resonanzsystem vorgesehen ist.- Wherein the feedback circuit (26) is provided for controlling the frequency of action of the activator (6) on the resonance system.
4. Piezogenerator nach Anspruch 3, der einen Energiespeicher (71) für mechanische Energie in Form einer Feder umfasst, die mechanisch mit dem Aktivator (6) gekoppelt ist.4. Piezoelectric generator according to claim 3, which comprises an energy store (71) for mechanical energy in the form of a spring, which is mechanically coupled to the activator (6).
5. Piezogenerator nach Anspruch 3,5. Piezoelectric generator according to claim 3,
- der einen Energiespeicher (71) für mechanische Energie in Form einer gepressten Luft umfasst,comprising an energy store (71) for mechanical energy in the form of a pressed air,
- wobei der Aktivator (6) als ein Ventil ausgebildet ist, das zum Freisetzen der gepressten Luft geeignet ist, - wobei bei geöffnetem Ventil ein Luftdruck auf schwingfähige Teile des ResonanzSystems erzeugt wird.- wherein the activator (6) is designed as a valve which is suitable for releasing the pressed air, - When the valve is open, an air pressure is generated on vibratable parts of the resonance system.
6. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 5,6. Piezoelectric generator according to one of claims 3 to 5,
- mit einer Transportvorrichtung, an der der Aktivator (6) befestigt ist,with a transport device to which the activator (6) is attached,
- wobei die RückkopplungsSchaltung (26) zur Einstellung einer vorgegebenen Geschwindigkeit der Transportvorrichtung vorgesehen ist.- Wherein the feedback circuit (26) is provided for setting a predetermined speed of the transport device.
7. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Resonanzsystem eine Schwingvorrichtung (51) um- fasst, die gegeneinander schwingbare Schwingelemente (8a, 8b) aufweist, zwischen denen der piezoelektrische Wandler (2) eingeklemmt ist.7. Piezoelectric generator according to one of claims 1 to 6, wherein the resonance system comprises an oscillating device (51) comprising mutually oscillatable oscillating elements (8a, 8b), between which the piezoelectric transducer (2) is clamped.
8. Piezogenerator nach Anspruch 3 und 7, wobei der Aktivator (6) zur Veränderung des Abstands zwischen den Schwingelementen (8a, 8b) geeignet ist.8. Piezoelectric generator according to claim 3 and 7, wherein the activator (6) for changing the distance between the vibrating elements (8a, 8b) is suitable.
9. Piezogenerator nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Schwingelemente (8a, 8b) im Bereich ihrer frei schwingbaren Enden jeweils ein Gewicht (9a, 9b) aufweisen.9. Piezoelectric generator according to claim 7 or 8, wherein the oscillating elements (8a, 8b) in the region of their freely oscillatable ends each have a weight (9a, 9b).
10. Piezogenerator nach Anspruch 7, wobei die Schwingelemente (8a, 8b) magnetisierbar sind, so dass sie durch die Rückkopplungsschaltung (26) elektromagnetisch auslenkbar sind.10. Piezoelectric generator according to claim 7, wherein the oscillating elements (8a, 8b) are magnetizable, so that they are electromagnetically deflectable by the feedback circuit (26).
11. Piezogenerator nach Anspruch 3, wobei die RückkopplungsSchaltung (26) zur Erzeugung von Steuerimpulsen geeignet ist, mit denen der Aktivator (6) angetrieben wird. 11. Piezoelectric generator according to claim 3, wherein the feedback circuit (26) is suitable for generating control pulses, with which the activator (6) is driven.
12. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Rückkopplungsschaltung (26) einen Verstärker um- fasst .12. Piezoelectric generator according to one of claims 1 to 11, wherein the feedback circuit (26) comprises an amplifier.
13. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einem elektrischen Energiespeicher (32) zur Speicherung der am piezoelektrischen Wandler (2) erzeugten elektrischen Energie .13. Piezoelectric generator according to one of claims 1 to 12, with an electrical energy store (32) for storing the electrical energy generated at the piezoelectric transducer (2).
14. Piezogenerator nach Anspruch 13, wobei der elektrische Energiespeicher (32) zur Energieversorgung der Rückkopplungsschaltung (26) vorgesehen ist.14. Piezoelectric generator according to claim 13, wherein the electrical energy store (32) for supplying energy to the feedback circuit (26) is provided.
15. Piezogenerator nach Anspruch 13 oder 14,15. Piezoelectric generator according to claim 13 or 14,
- wobei die Rückkopplungsschaltung (26) einen Komparator um- fasst ,- wherein the feedback circuit (26) comprises a comparator,
- wobei der elektrische Energiespeicher (32) zur Erzeugung einer Referenzspannung für den Komparator benutzt wird.- wherein the electrical energy store (32) is used to generate a reference voltage for the comparator.
16. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit einem Gleichrichter (31) , der elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler (2) verbunden ist. 16. Piezoelectric generator according to one of claims 1 to 15, with a rectifier (31) which is electrically connected to the piezoelectric transducer (2).
EP07764392A 2006-06-21 2007-06-20 Piezoelectric generator Withdrawn EP2030264A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006028534A DE102006028534A1 (en) 2006-06-21 2006-06-21 Piezoelectric generator
PCT/DE2007/001093 WO2007147400A1 (en) 2006-06-21 2007-06-20 Piezoelectric generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2030264A1 true EP2030264A1 (en) 2009-03-04

Family

ID=38537841

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP07764392A Withdrawn EP2030264A1 (en) 2006-06-21 2007-06-20 Piezoelectric generator

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20090146534A1 (en)
EP (1) EP2030264A1 (en)
JP (1) JP2009542169A (en)
DE (1) DE102006028534A1 (en)
WO (1) WO2007147400A1 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005017108A1 (en) * 2005-01-26 2006-07-27 Epcos Ag Piezoelectric multi-layer component e.g. piezo-ceramic piezo actuator, has base with dielectric thicknesses and inner electrodes, and contact units of porous material running perpendicularly to electrodes
FR2934097B1 (en) * 2008-07-17 2014-07-04 Jean Frederic Martin PIEZOELECTRIC DEVICE FOR GENERATING AN ELECTRICAL VOLTAGE
US8674663B2 (en) 2010-03-19 2014-03-18 Texas Instruments Incorporated Converter and method for extracting maximum power from piezo vibration harvester
JP6027420B2 (en) * 2012-12-04 2016-11-16 住友ゴム工業株式会社 Power storage circuit
JP6101983B2 (en) * 2012-12-27 2017-03-29 日本特殊陶業株式会社 Power generation circuit and transmitter using the same
US9455649B2 (en) * 2013-06-10 2016-09-27 United Arab Emirates University Apparatus and method for energy harvesting
CN108322092B (en) * 2018-03-12 2024-02-20 常州机电职业技术学院 Enhanced airflow induced acoustic excitation device and enhanced airflow induced acoustic excitation method
CN108872069B (en) * 2018-06-28 2021-05-04 三思永恒科技(浙江)有限公司 Adhesive force detector

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1613699A1 (en) * 1967-01-27 1972-03-30 Hughes Aircraft Co Electric generator driven by a flowing medium
CH247769A4 (en) * 1969-02-19 1971-12-15
JPS5160137A (en) * 1974-07-15 1976-05-25 Seiko Instr & Electronics
DE3118864C1 (en) * 1981-05-13 1982-10-28 Jean Walterscheid Gmbh, 5204 Lohmar Actuating device for acting on a piezoelectric element
JPH0690101B2 (en) * 1986-03-28 1994-11-14 株式会社長野計器製作所 Gas pressure gauge
JPH09205781A (en) * 1995-02-01 1997-08-05 Seiko Epson Corp Piezoelectric generator, and portable power supplier equipped with the same, and portable electronic equipment
DE29614851U1 (en) * 1996-08-27 1996-11-21 Kranz, Walter, 82024 Taufkirchen Piezo generator
US20020117012A1 (en) * 1999-03-29 2002-08-29 Lec Ryszard Marian Torque measuring piezoelectric device and method
US6580177B1 (en) * 1999-06-01 2003-06-17 Continuum Control Corporation Electrical power extraction from mechanical disturbances
US6593666B1 (en) * 2001-06-20 2003-07-15 Ambient Systems, Inc. Energy conversion systems using nanometer scale assemblies and methods for using same
JP2003189641A (en) * 2001-12-12 2003-07-04 Nec Tokin Corp Power generating equipment
DE10238932B3 (en) * 2002-08-24 2004-06-09 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Sensor and/or actuator component for measuring or operating device with elastically-deformable honeycomb structure and transducer elements converting deformation into electrical signal or vice versa
DE102004002910B4 (en) * 2004-01-20 2017-01-26 Continental Automotive Gmbh Device for converting energy of a rotating wheel and motor vehicle wheel with such a conversion device
US20050285569A1 (en) * 2004-06-28 2005-12-29 Samantha Rao Power conversion system and method
EP1803170B1 (en) * 2004-10-21 2011-06-22 Société de Technologie Michelin Energy harvester with adjustable resonant frequency

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2007147400A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006028534A1 (en) 2007-12-27
WO2007147400A1 (en) 2007-12-27
JP2009542169A (en) 2009-11-26
US20090146534A1 (en) 2009-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2007147400A1 (en) Piezoelectric generator
EP2025012A2 (en) Piezoelectric generator
EP2140168B1 (en) Device for damping vibrations
DE69104488T2 (en) GENERATOR.
EP2113696B1 (en) Valve assembly
DE19621700C2 (en) Active vibration reducer
DE10221420A1 (en) Device for converting mechanical energy into electrical energy
DE102006013237B4 (en) Mechanical-Electric Generator
WO2009046709A1 (en) Piezoelectric microgenerator
DE1773815A1 (en) Device for determining the fill level of a container
WO2009024537A1 (en) System and method for affecting vibration
DE2530045A1 (en) ELECTRIC MOTOR
EP2208693B1 (en) Linear vibration feeder
DE2847208C2 (en) Control circuit for a vibratory electromechanical system
DE102015102384A1 (en) Sensor device for providing at least one operating parameter of a vibrating conveyor and vibratory conveyor
DE3306509C2 (en)
DE3112569A1 (en) ELECTROMAGNETIC VIBRATION DEVICE
EP1086499A1 (en) Drive device
EP3745584B1 (en) Kinetic energy harvester with adjustable natural frequency
WO2006111465A1 (en) Electrostatic generator for multi-frequency vibration sources
EP2748922B1 (en) Energy transmitting unit
DE102012215600B4 (en) Capacitive energy converter and method for operating a capacitive energy converter
WO2011020613A2 (en) Frequency-tunable resonator and method for operating same
DE102014209799A1 (en) Apparatus, system and method for damping mechanical vibration of a structure
DE2143103C3 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20081023

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA HR MK RS

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: ATHENSTAEDT, WOLFGANG

Inventor name: KARTASHEV, IGOR

Inventor name: REICHMANN, KLAUS

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): DE FR GB

17Q First examination report despatched

Effective date: 20090727

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20091208