LU101391B1 - Piezoelektrischer Generator, Herstellungsverfahren und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Es wird ein piezoelektrischer Generator (1) beschrieben mit einem flächigen, piezoelektrischen Material (2) und einem Spannkörper (5), wobei das flächige piezoelektrische Material (2) an zwei gegenüberliegenden Seiten (51, 52) des Spannkörpers (5) befestigt ist, von dem Spannkörper im Querschnitt gesehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material (2) aufgespannt ist und beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials (2) jeweils eine Elektrode (6, 7) ausbilden, eine Druckkraft (F) senkrecht zum flächigen, piezoelektrischen Material (2) beaufschlagbar ist und bei Beaufschlagung und Entlastung der Druckkraft (F) auf den piezoelektrischen Generator (1) eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden (6, 7) erzeugbar ist.

Description

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17. September 2019 1774/18 Deutschland Piezoelektrischer Generator, Herstellungsverfahren und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie

BESCHREIBUNG Hintergrund : Hier werden ein piezoelektrischer Generator, ein Herstellungsverfahren und ein Verfahren zur Erzeugung lelektrischer Energie damit beschrieben. Stand der Technik Es ist die Generation elektrischer Spannung mittels des piezoelektrischen Ef- fektes bekannt und wird schon seit vielen Jahren z.B. in Feuerzeugen oder Gasanzündern angewendet. Bei diesen Geräten wird ein piezokeramisches Material impulsartig mit Druck beaufschlagt, wodurch der Aufbau einer hohen elektrischen Spannung zwischen zwei gegeniiberliegenden Seiten des Pie- zomaterials ausgelöst wird. Konstruktiv wird dies mittels einer Feder und ei- nem verbundenen Stoel erreicht. Dabei wird die Feder zunächst ange- spannt und bei Überschreiten eines bestimmten Federweges plötzlich ent- spannt. Der StoRel trifft bei dieser Entspannung auf das Piezomaterial und löst dort die Spannungsgeneration aus. Nachteilig sind bei diesen Anordnun- gen die bis zur Entspannung standig zunehmende Druckkraft, der relativ komplexe Aufbau, die Alterung der Piezokeramik und die Erzeugung eines sehr hohen aber zeitlich extrem kurzen Spannungs-Nadelimpulses. Eine Nut- 40 zung dieser Impulse, nicht in Form einer elektrischen Funkentladung, son- dern zur elektrischen Versorgung elektronischer Schaltungen ist prinzipiell möglich aber aufwändig. |

Es ist bekannt elektrische Energie mittels eines piezoelektrischen Genera- tors, insbesondere eine mehrlagige Folie umfassend, zu erzeugen. Zur Deh- nung einer piezoelektrischen Folie wird ein vorgespanntes, eine Rückstell- kraft aufweisendes Scharnierbauteil eingesetzt. Die Folie ist vorzugsweise aus PVDF, Poly-Venyliden-Di-Fluorid, hergestellt. Es ist bekannt eine PVDF-Folie als elektroaktives Polymer (EAP) mit einer Wirkung als Kondensator in einer Flache in X- und Y-Richtung aufzuspannen und in eine elektronische Schaltung zu integrieren. Hierbei wird die Folie im gedehnten Zustand elektrisch aufgeladen. Bei mechanischer Entlastung ver- ringert sich die Kapazität. Bei konstanter Ladung und veranderlicher Kapazi- tat entsteht eine héhere Spannung.

Eine derartige Funktion entspricht nicht dem piezoelektrischen Effekt und eignet sich dementsprechend weniger effizient und effektiv fir die elektrische Energiegewinnung. Die Piezoelektrizität beschreibt eine Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Span- nung an Festkôrpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezoef- fekt) aufgrund einer asymmetrischen Molekularstruktur. Im Inneren und auf den äußerlich angebrachten Elektroden des piezoelektrischen Materials sind Ladungen, die sich wegen der Neutralitätsbedingung komplementär gegen- seitig aufheben. Bei einer Verformung verschieben sich die inneren Ladun- gen, so dass sich wegen der Neutralitätsbedingung auch die Ladungen auf den Elektroden an der Außenseite des piezoelektrischen Materials ändern müssen. Die Elektroden nehmen im Moment der Verformung ein unter- schiedliches elektrisches Potenzial an, eine elektrischer Spannungsimpuls tritt auf.

Zu lôsendes Problem Aufgabe ist es, einen piezoelektrischen Generator, ein Herstellungsverfahren und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie der eingangs bezeich- neten Art bereitzustellen, die einfach, effizient und kostengünstig aufgebaut sind.

Lôsung, Vorteile und Ausgestaltung

Gelöst wird die Aufgabe mit dem Gegenstand der Ansprüche 1, 8 und 9. Vor- LU101391 teilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüche beschrieben. Ein hier beschriebener piezoelektrischer Generator ist ausgebildet mit einem flachigen, piezoelektrischen Material und einem Spannkörper, wobei das flä- chige piezoelektrische Material an zwei gegenüberliegenden Seiten des Spannkörpers befestigt ist, von dem Spannkörper im Querschnitt gesehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material aufgespannt ist und beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials jeweils eine Elektrode ausbilden, eine Druckkraft senkrecht zum flächigen piezoelektri- schen Material beaufschlagbar ist und bei Beaufschlagung und Entlastung der Druckkraft auf den piezoelektrischen Generator eine elektrische Span- nung zwischen den Elektroden erzeugbar ist.

Vorteile sind: Der Generator benötigt ein Minimum an kostenintensivem pie- zoelektrischen Material, das gleichzeitig maximal zu Wirkung kommt, wobei dem piezoelektrische Material eine dreifache technische Funktion zukommt. Zum einen dient das piezoelektrische Material der Generierung elektrischer Energie, zum anderen wandelt die spezielle konstruktive Ausgestaltung eine auf das piezoelektrische Material ausgeübte Druckkraft in eine Zugkraft um, somit kann auf ein mechanische Wandlerelemente, wie im Stand der Technik bislang vorgesehen, verzichtet werden. Das piezoelektrische Material wirkt bis zur Dehnungsgrenze auch als Rückstellfeder. Der Generator ist leichter und einfacher aufgebaut und somit deutlich ressourcenschonender und günstiger bei gleicher oder sogar höherer Effizienz als bisher aus dem Stand der Technik, insbesondere eingangs beschriebene, bekannte Lösungen. Somit ist die autarke Detektion von sich ändernden mechanischen Belas- tungszuständen und die gleichzeitige Versorgung elektronischer Schaltungen mit elektrischer Energie einfach möglich.

Es wird hier eine Anordnung beschrieben, bei der ebenfalls ein piezoelektri- scher Effekt genutzt wird. Im Gegensatz zu der, in der oben beschriebenen, | bekannten Lösung wird hier das Piezomaterial aber nicht durch eine Schlag- belastung wie bei einer Piezokeramik komprimiert, sondern als Folie durch | Zugbelastung gedehnt. Um mit môglichst geringem technischen Aufwand Dehnungen von bis zu 5% zu erreichen, wird anstelle der Piezokeramik ein polymeres piezoelektrisches Material, vorzugsweise PVDF (Poly-Venyliden- |

Di-Fluorid) eingesetzt. Vorzugsweise wird das PVDF in Form einer dünnen LU101391 Folie verwendet. Die Dicke der Folie kann von <20um bis zu >100um rei- chen. Dabei ist die Folie auf beiden Seiten mit einer dünnen metallischen Schicht versehen. Diese Metallschichten dienen als entsprechende Elektro- den. Wird an einen Streifen mit definierter Lange und Breite an den Längsen- den eine Zugkraft anlegt, dehnt sich das PVDF und es kann im Moment der Dehnung eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden ge- messen werden. Genauso bei der Entlastung der PVDF-Folie mit umgekehr- ten Vorzeichen.

Hier wird ein Verfahren zum Herstellen eines oben beschriebenen piezoe- lektrischen Generators beschrieben, wobei in oder an einen Spannkörper ein flächiges piezoelektrisches Material in Form einer Folie zur Dehnung und Entspannung in eine Raumrichtung befestigt wird. Somit ist ein effizienter piezoelektrischer Generator einfach und kostengünstig herstellbar im Gegen- satz zum eingangs beschriebenen Generator.

Hier wird ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines pie- zoelektrischen Generators beschrieben, wobei der piezoelektrische Genera- tor mit einer Druckkraft F beaufschlagt wird und von dieser entlastet wird, in einem Spannkörper eingespanntes flächiges piezoelektrisches Material, ins- besondere linear, das heißt in eine Raumrichtung, auf Zug gedehnt, soweit und solange eine Druckkraft F auf den Generator ausgeübt wird, und an- schließend entlastet wird, wobei die Druckkraft F von dem Spannkörper im Kraftweg maximal begrenzt wird und eine Spannung zwischen zwei Elektro- den auf den gegenüberliegenden Seiten der Oberflächen des flächigen pie- zoelektrischen Materials beim Dehnen und Entspannen des piezoelektri- schen Materials abgegriffen wird.

Somit wird ein effizientes Verfahren zur elektrischen Energieerzeugung auf- grund einfacher Druckbeaufschlagungen bereitgestellt. Mit piezoelektrischem Material wird eine abgreifbare Spannung aufgrund der Druckbeaufschlagung und Entlastung erzeugt. Ladungen auf den Elektroden sind komplementär zu inneren Ladungen. Im piezoelektrischen Material verschieben sich aufgrund einer mechanischen Verformung die Ladungsschwerpunkte. Dadurch stim- men die auf den Elektroden befindlichen Ladungen und die Ladung im Inne- ren des piezoelektrischen Materials nicht mehr überein, also muss im äuße- ren Teil ein Strom fließen, der quasi wieder zur Neutralitätsbedingung führt.

Neutral heißt, es verhält sich nach Außen elektrisch neutral. Der Übergang, LU101391 der in der Beanspruchung bzw. Entlastung liegt, führt zu einem Spannungs- impuls und der anschließende Ladungsausgleich im äußern Stromkreis zum elektrischen Stromfluss. 5 Eine Kapazitätsänderung ist bei diesem Verfahren minimal klein und ver- nachlässigbar. Im Gegensatz zum elektroaktiven Polymeren wird die Folie nicht durch externe Spannungsquellen geladen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Mögliche Ausführungen werden nun anhand der beigefügten schematischen Darstellungen näher erläutert, von denen zeigen: Fig. 1 bis 3 einen Querschnitt eines piezoelektrischen Generators gemäß einer ersten Ausführungsform im entlasteten und belasteten Zu- stand; und Fig. 4 und 5 einen Querschnitt eines piezoelektrischen Generators gemäß einer zweiten Ausführungsform im entlasteten und belasteten Zustand. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Die Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Generator 1 mit einem flachigen, pie- zoelektrischen Material 2 und einem Spannkôrper 5, wobei das flachige pie- zoelektrische Material 2 an zwei gegenüberliegenden Seiten 51, 52 des Spannkorpers 5 befestigt ist. Von dem Spannkôrper 5 ist im Querschnitt ge- sehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material aufgespannt.

Um eine Sehne am piezoelektrischen Generator vorteilhaft auszubilden, ist der Spannkörper 5 bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebil- LU101391 det. Die Fig. 1 bis 3 zeigen die Folie als piezoelektrisches Material 2 in dem bogenförmigen Spannkörper 5 fest eingespannt. In den Fig. 1 bis 3 wirkt auf die Folie eine Zugkraft ausschließlich.

Beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials 2 bil- den jeweils eine Elektrode 6, 7 aus. Eine Druckkraft F ist senkrecht zum flä- chigen, piezoelektrischen Material 2 beaufschlagbar und bei Beaufschlagung und Entlastung der Druckkraft F ist auf die Druckeinrichtung 4 eine elektri- sche Spannung zwischen den Elektroden 6, 7 erzeugbar. Somit ist der Generator 1 deutlich effizienter. Eine Mehrfachwicklung des pie- zoelektrischen Materials 2 fällt weg. Diese hatte eine nicht vollständige Aus- nutzung der Energiewandlung und einen hohen Materialaufwand zur Folge.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der piezoelektrische Generator 1 mit einem Spannkörper 5 zur ausschließlichen Dehnung in einer Raumrich- tung des piezoelektrischen Materials 2 ausgebildet ist. Die Spannungswech- sel sind somit effektiver und effizienter abgreifbar, im Gegensatz zu Kon- _struktionen, wenn das piezoelektrische Material 2 flächig in einer X- und Y- Richtung gleichzeitig gedehnt entlastet wird. Um sicher eine hohe Lebensdauer des piezoelektrischen Generators 1 zu er- | zielen, ist der Spannkôrper 5 mit dem piezoelektrischen Material 2 konvex bezüglich der Druckkraft derart ausgebildet, so dass sich der Spannkôrper 5 und das piezoelektrische Material 2 bei maximaler Druckbelastung zumindest mittig berühren und insbesondere das piezoelektrische Material 2 bis unter- halb der Dehnungsgrenze, insbesondere von 5%, maximal dehnbar ist. So- mit ist die spezifische Ausgestaltung des Spannkôrpers 5 gleichzeitig eine physikalische Druckbegrenzungseinrichtung, die eine Uberdehnung des pie- zoelektrischen Materials 2 verhindert. Die Begrenzung der maximalen Dehnung des als Folie ausgebildeten piezo- | elektrischen Materials 2 wird also festgelegt, zum einen durch die Abstände 9 der Folienfixierungen 51, 52 am Bogen des Spannkôrpers 5 und zum ande- ren durch die Hôhe des Bogenbauches 8 vom Spannkôrper 5 für eine straffe Folie sorgend, unter der Annahme, dass sich die Folie ausdehnen lässt bis sie mittig den Bogen erreicht. Der Bogen ist weitgehend fest und nur die Fo- LU101391 lie dehnt sich. Da die maximal mögliche Dehnung somit nur dann auftritt, wenn sich Bogenkörper und Folie berühren, kann sichergestellt werden, dass die Folie nicht überdehnt wird. Der Foliendehnung steht eine Folienrückstell- kraft als Federkraft entgegen. D.h. bei Entlastung kehrt die Folie wieder in die zur Sehne aufgespannte Ausgangslage zurück. Gemäß Fig. 3 wird der Spannkörper 5 maximal gedehnt, so dass sich der Spannkörper 5 mit dem piezoelektrischen Material 2 berühren und eine wei- tere Krafteinführung, sowie ein Überdehnen des piezoelektrischen Materials gegen eine Auflage 3 verhindert wird. Die Fig. 3 zeigt also eine maximale Dehnung des piezoelektrischen Materials 2, die kleiner ist als die maximal zulässige Belastung aufgrund einer maximalen Beaufschlagung einer Druck- kraft 5 auf den Spannkörper 5. Der Spannkörper 5 berührt dabei nahezu ge- radlinig das als Sehne aufgespannte piezoelektrische Material 2.

Sind die beiden Kanten des Spannkörpers fest verankert, kann eine Deh- nung der Folie 2 auch dadurch erreicht werden, dass ein Formkörper 4, hier eine Kugel oder ein Zylinder als Druckeinrichtung 4 zwischen den beiden Fi- xationspunkten derart auf die Folie 2 drückt, dass diese aus ihrer ursprüngli- chen Position ausgelenkt wird. In Figur 4 und 5 ist eine solche Anordnung schematisch gezeigt.

Gemäß den Fig. 4 bis 5 liegt also eine Druckeinrichtung 4 auf dem piezoe- lektrischen Material 2 auf und der Spannkörper 5 ist bezüglich der Richtung der Druckkraft F konkav unter dem piezoelektrischen Material 2 derart aus- gebildet, so dass eine maximale Dehngrenze des piezoelektrischen Materials 2 bei maximaler Beaufschlagung der Druckkraft F auf die Druckeinrichtung 4 nicht überschreitbar ist und insbesondere das piezoelektrische Material 2 und der Spannkörper 5 bei maximaler Druckbeaufschlagung sich berühren.

Die separate Druckeinrichtung 4 wirkt mittig auf das piezoelektrische Material 2 direkt mit diesem in Kontakt stehend ein. Sie ist kugel- oder zylinderförmig ausgebildet. Die Druckeinrichtung 4 ist eigentlich beliebig in der Form. Sie muss lediglich auf die als Sehne ausgebildete Folie, die in dem Bogen (hier als Spannkörper oder Bogenkörper bezeichnet) eingespannt ist, wirken kön- nen. Die Druckeinrichtung 4 darf keine Schäden verursachen und muss si- cherstellen, dass die maximale Dehnung möglich ist. Das piezoelektrische | _

Material 2 wandelt somit eine Druckkraft F in eine Zugkraft gegenüber den LU101391 Befestigungen am Spannkôrper 5 und erzeugt gleichzeitig durch die auf das piezoelektrische Material 2 ausgeübte Krafteveranderung eine elektrische Energie.

Die Druckeinrichtung 4 des piezoelektrischen Generators 1 weist mittig eine Mittelfläche auf, die das piezoelektrische Material 2 zur Beaufschlagung der Druckkraft (F) berührt. Somit wird das piezoelektrische Material 2 gleichmafi- ger durch die Druckbewegung gedehnt.

Die Druckeinrichtung 4 des piezoelektrischen Generators 1 ist, mit einer im piezoelektrischen Material elastisch wirkenden Federkraft, die der Druckkraft (F) entgegenwirkt, ausgebildet. Somit wird keine Rückstellfeder im Generator benötigt und der Bauteilaufwand ist reduziert.

Das piezoelektrische Material 2 des piezoelektrischen Generators 1 ist eine Polyvinylidendifluorid PVDF-Folie. Die Folie wird bei Zugbelastung weit un- terhalb der plastischen Deformationsgrenze belastet. Sie verhalt sich also wie ein ideales Federelement, das bei mechanischer Entlastung wieder in den Ausgangszustand zurückkehrt. Nicht das Verformungselement, wie beim bisher bekannten Stand der Technik, sondern die Folie selbst ist die Feder. PVDF ist ein piezoelektrisches Material, weil es in der beta-Phase den piezo- elektrischen Effekt besitzt. Gestreckte Folien (mono- und biaxial) liegen in der beta-Phase vor und weisen daher den piezoelektrischen Effekt auf. Die Druckbelastung auf die PVDF-Folie führt zwar auch zu einem elektrischen Signal. Das ist jedoch außerordentlich gering, weil der Druck nur auf die Foli- endicke wirkt. Man spricht hier vom Langseffekt, d.h. Kraft und elektrisches Feld liegen in einer Achse. Beim Einsatz von Folien kann das Feld nur zwi- schen der Ober- und Unterseite genutzt werden, indem diese Seiten mit Elektroden versehen werden. Seitliche Elektroden sind wegen der geringen Materialdicke der Folien (einige um) praktisch unmöglich. Es gibt aber auch einen Quereffekt. Bei diesem stehen Kraftrichtung und Feldrichtung senk- recht zueinander. Wahrend das Feld nur zwischen beiden metallisierten Foli- enseiten (Elektroden) existieren kann wirkt die Kraft senkrecht dazu, d.h.

zieht oder staucht die laterale Folienausdehnung. Dieser Effekt ist zwar ein bisschen kleiner als der Längseffekt, die Signale sind aber weitaus größer, weil hier die Lange oder Breite des Folienabschnitts mechanisch belastet werden. Mit anderen Worten Einzelfolien auf Druck zu belasten, ist wegen der extrem kleinen Signalantworten sinnlos. Zugbelastungen insbesondere von Einzelfolien in einer Raumrichtung führen dagegen zu großen elektri- LU101391 schen Signalen.

Der Verformungskörper bzw.

Spannkörper 5 in der Form einer Druckeinrich- tung 4 ist also notwendig, um Druck- in Zugbelastungen mittels des piezoe- lektrischen Materials 2 in Form einer Folie zu konvertieren.

Ein Verfahren zum Herstellen eines, insbesondere oben beschriebenen, pie- zoelektrischen Generators 1 umfasst die Schritte, dass in oder an einem Spannkörper 5 ein flachiges piezoelektrisches Material 2 befestigt wird.

So- mit ist ein piezoelektrischer Generator 1 mit minimalsten Ressourcen und maximaler Energieausbeute herstellbar.

Ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines, insbeson- dere oben beschriebenen, piezoelektrischen Generators 1, umfasst die Schritte, dass der piezoelektrische Generator 1 mit einer Druckkraft F beauf- schlagt wird und von dieser entlastet wird, ein im Spannkörper 5 eingespann- tes flächiges piezoelektrisches Material 2, soweit und solange eine Druck- kraft F, insbesondere auf die Druckeinrichtung 4, ausgeübt wird, auf Zug ge- | 20 dehnt und anschließend entlastet wird, wobei die Druckkraft F vom Spann- körper 5 im Kraftweg maximal begrenzt wird und eine Spannung zwischen zwei Elektroden 6, 7 auf den gegenüberliegenden Seiten der Oberflächen des flachigen piezoelektrischen Materials 2, beim Dehnen und Entspannen des piezoelektrischen Materials 2 abgegriffen wird.

Somit wird elektrische Energie effizient aus Druckkräften gewonnen, bei minimalem Bauteilaufwand aufgrund der Dreifachfunktion des piezoelektrischen Materials.

Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, ist der piezoelektrischer Generator 1 mit einer Druckeinrichtung 4 kugel- oder zylinderférmig ausgebildet und wirkt be- vorzugt mittig auf das piezoelektrische Material 2 direkt mit diesem in Kontakt stehend ein.

Somit hat das piezoelektrische Material 2 eine Dreifachfunktion.

Es wandelt die Druckkraft in eine Zugkraft auf das piezoelektrische Material 2 senkrecht wirkend erzeugt gleichzeitig die elektrische Spannung mittels Deh- nung und Entlastung und wirkt als Federelement, das nach Druckentlastung den Ausgangszustand wiederhergestellt.

Bei entsprechender Krafteinwirkung (Pfeil) wird die piezoelektrische PVDF- Folie 2 gedehnt, an den Elektroden 6, 7 ist im Moment der Bewegung eine | _

elektrische Spannung messbar. Die Höhe der Spannung hängt vom gedehn- LU101391 ten Volumen der Folie 2 und dem Grad der Dehnung ab. Mit steigendem Vo- lumen und steigender Dehnung steigt auch die elektrische Spannung. Bei mechanischer Entlastung nimmt die Folie 2 wieder ihre urspriingliche Form ein. Während der Entlastungsbewegung tritt erneut eine elektrische Span- nung zwischen beiden Elektroden 6, 7 auf. Das Vorzeichen der Spannung ist gegenüber der Belastungsbewegung umgekehrt. Damit kann anhand der Vorzeichen der generierten Spannungsimpulse erkannt werden, ob eine Be- oder eine Entlastung der Folie stattgefunden hat.

Die Form des Spannkôrpers 5 kann auch U-, V-, trapez-, rechteck- oder poly- gonfôrmig gestaltet sein. Ebenso ist die Form des Formkôrpers 4 als Druck- einrichtung 4 beliebig gestaltbar, wenn sichergestellt ist, dass damit die Folie 2 in die Tiefe des Spannkôrpers 5 gedrückt werden kann.

Bei maximaler Druckbelastung auf die Druckeinrichtung 4 wird das piezoe- lektrische Material 2 in Form der Folie in eine Raumrichtung gedehnt und der Spannkôrper 5 berührt, so dass eine weitere extensive Dehnung nicht mehr möglich ist, wie in der Fig. 5 gezeigt ist.

Zusätzlich kann der Spannkôrper 5 in Form des Bogens Last aufnehmen und sich entgegen seiner Durchbiegung strecken. Dadurch vergrößert sich ein Abstand der Folienfixierungspunkte und die Folie wird ebenso gestreckt. In diesem Fall wirken die Bogenrückstellkraft und die Folienrückstellkraft als Fe- derkraft.

Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Ende des Spannkörpers 4 nicht fixiert und kann sich frei in Längsrichtung bewegen.

Die vorangehend beschriebenen Varianten des Verfahrens und der Vorrich- tung dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktions- weise und der Eigenschaften der vorgestellten Lösung; sie schränken die Of- fenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind schema- tisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrö- Bert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausge- staltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches /

welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, je- LU101391 dem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offen- barung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Lösung zuzuschreiben sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzel- nen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Vari- anten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst.

Die vorstehend erläuterten Vorrichtungs- und Verfahrensdetails sind zwar im Zusammenhang dargestellt; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sie auch unabhängig voneinander sind und auch frei miteinander kombinierbar sind. Die in den Fig. gezeigten Verhältnisse der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander und deren Abmessungen und Proportionen sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr können einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombina- tionsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle aufge- zeigten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen an- deren Merkmalen hier offenbart.

Claims (9)

(5 Patentanwalts- D Kanzlei Klemm 000008 LU1O1384 PATENTANSPRÜCHE

1. Piezoelektrischer Generator (1) mit einem flächigen, piezoelektrischen Material (2) und einem Spannkörper (5), wobei das flächige piezoelektri- sche Material (2) an zwei gegenüberliegenden Seiten (51, 52) des Spann- körpers (5) befestigt ist, von dem Spannkörper im Querschnitt gesehen eine Sehne mit dem piezoelektrischen Material (2) aufgespannt ist und beide Seiten der flächigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials (2) — jeweils eine Elektrode (6, 7) ausbilden, eine Druckkraft (F) senkrecht zum flächigen, piezoelektrischen Material (2) beaufschlagbar ist und bei Be- aufschlagung und Entlastung der Druckkraft (F) auf den piezoelektrischen Generator (1) eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden (6, 7) erzeugbar ist.

2. Piezoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1, wobei der Spannkörper (5) zur ausschließlichen Dehnung des piezoelektrischen Materials (2) in eine Raumrichtung ausgebildet ist.

3. Piezoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spannkörper (5) bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebil- __ 25 det ist.

4. Piezoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Spannkôrper (5) mit dem piezoelektrischen Material (2) konvex bezüglich der Druckkraft derart ausgebildet ist, so dass sich der Spannkôrper (5) und das piezoelektrische Material (2) bei maximaler Druckbelastung zu- mindest mittig berühren und insbesondere das piezoelektrische Material (2) bis unterhalb der Dehnungsgrenze, insbesondere von 5%, maximal dehnbar ist.

5. Piezoelektrischer Generator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Druckeinrichtung (4) auf dem piezoelektrischen Material (2) aufliegt und der Spannkörper (5) bezüglich der Richtung der Druckkraft (F) kon- LU101391 kav unter dem piezoelektrischen Material (2) derart ausgebildet ist, so dass eine maximale Dehngrenze des piezoelektrischen Materials (2) bei maximaler Beaufschlagung der Druckkraft (F) auf die Druckeinrichtung (4) nicht überschreitbar ist und insbesondere das piezoelektrische Material und der Spannkôrper bei maximaler Druckbeaufschtagung sich berühren.

6. Piezoelektrischer Generator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das piezoelektrische Material (2) eine Polyvinylidendifluorid PVDF-Folie ist.

7. Piezoelektrischer Generator (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Druckeinrichtung (4) kugel- oder zylinderférmig ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Generators (1) nach ei- nem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in oder an einem Spannkôrper (5) ein flachiges, piezoelektrisches Material (2) in Form einer Folie zur Dehnung und Entspannung in einer Raumrichtung befestigt wird.

9. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines piezoelektri- schen Generators (1) nach einem der Anspriiche 1 bis 7, wobei der pie- zoelektrische Generator (1) mit einer Druckkraft (F) beaufschlagt wird und von dieser entlastet wird, ein in dem Spannkôrper (5) eingespanntes, fla- chiges, piezoelektrisches Material (2) auf Zug gedehnt, soweit und so- lange eine Druckkraft (F) auf den Generator ausgeübt wird, und anschlie- | Rend entlastet wird, wobei die Druckkraft (F) von dem Spannkérper (5) im Kraftweg maximal begrenzt wird und eine Spannung zwischen zwei Elekt- roden (6, 7) auf den gegenüberliegenden Seiten (21, 22) der Oberflächen des flachigen piezoelektrischen Materials (2) beim Dehnen und Entspan- nen des piezoelektrischen Materials (2) abgegriffen wird.