LU101391B1

LU101391B1 - Piezoelectric generator, manufacturing process and method for generating electrical energy

Info

Publication number: LU101391B1
Application number: LU101391A
Authority: LU
Inventors: Günter Beckmann
Original assignee: Smart Distrib Gmbh
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-25
Also published as: DE112020004918A5; WO2021052535A1

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.A piezoelectric generator (1) is described with a flat, piezoelectric material (2) and a clamping body (5), the flat piezoelectric material (2) being attached to two opposite sides (51, 52) of the clamping body (5), Seen from the clamping body in cross section, a chord with the piezoelectric material (2) is stretched and both sides of the flat surface of the piezoelectric material (2) each form an electrode (6, 7), a compressive force (F) perpendicular to the flat, piezoelectric material (2) can be acted upon and when the pressure force (F) is applied and relieved on the piezoelectric generator (1), an electrical voltage can be generated between the electrodes (6, 7).

Description

smart distribution GmbH LUT07391 Dieselweg 7 85232 Gündingsmart distribution GmbH LUT07391 Dieselweg 7 85232 Günding

17. September 2019 1774/18 Deutschland Piezoelektrischer Generator, Herstellungsverfahren und Verfahren zur Erzeugung elektrischer EnergieSeptember 17, 2019 1774/18 Germany Piezoelectric generator, manufacturing process and method for generating electrical energy

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. |DESCRIPTION Background: Here, a piezoelectric generator, a manufacturing method, and a method for generating electrical energy therewith are described. State of the art The generation of electrical voltage by means of the piezoelectric effect is known and has been used for many years, e.g. in lighters or gas lighters. In these devices, pressure is applied to a piezoceramic material in a pulsed manner, which triggers the build-up of a high electrical voltage between two opposite sides of the piezomaterial. In terms of construction, this is achieved by means of a spring and a connected plunger. The spring is initially tensioned and suddenly released when a certain spring travel is exceeded. During this relaxation, the StoRel hits the piezo material and triggers the generation of tension there. Disadvantages of these arrangements are the constantly increasing pressure force up to relaxation, the relatively complex structure, the aging of the piezoceramic and the generation of a very high but extremely short tension needle pulse. A use of these pulses, not in the form of an electrical spark discharge, but for the electrical supply of electronic circuits, is in principle possible but complex. |

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.It is known to generate electrical energy by means of a piezoelectric generator, in particular comprising a multilayer film. A pretensioned hinge component with a restoring force is used to stretch a piezoelectric film. The film is preferably made of PVDF, polyvinylidene di-fluoride. It is known to stretch a PVDF film as an electroactive polymer (EAP) with an effect as a capacitor in a surface in the X and Y directions and to integrate it into an electronic circuit. Here, the film is electrically charged in the stretched state. With mechanical relief, the capacity is reduced. With a constant charge and variable capacity, a higher voltage arises.

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.Such a function does not correspond to the piezoelectric effect and is accordingly less efficient and effective for generating electrical energy. Piezoelectricity describes a change in electrical polarization and thus the occurrence of electrical voltage on solids when they are elastically deformed (direct piezo effect) due to an asymmetrical molecular structure. Inside and on the externally attached electrodes of the piezoelectric material there are charges which, due to the neutrality condition, cancel each other out in a complementary manner. When deformed, the internal charges shift, so that, due to the neutrality condition, the charges on the electrodes on the outside of the piezoelectric material also have to change. At the moment of deformation, the electrodes assume a different electrical potential, an electrical voltage pulse occurs.

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.Problem to be Solved The problem is to provide a piezoelectric generator, a manufacturing method and a method for generating electrical energy of the type mentioned at the beginning, which are simple, efficient and inexpensive to construct.

Lôsung, Vorteile und AusgestaltungSolution, advantages and design

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.The object is achieved with the subject matter of claims 1, 8 and 9. Some embodiments prior to LU101391 are described in the subclaims. A piezoelectric generator described here is designed with a flat, piezoelectric material and a clamping body, the flat piezoelectric material being attached to two opposite sides of the clamping body, a chord with the piezoelectric material stretched from the clamping body in cross section and both sides Form an electrode on the flat surface of the piezoelectric material, a compressive force can be applied perpendicular to the flat piezoelectric material and an electrical voltage can be generated between the electrodes when the compressive force is applied and relieved of the piezoelectric generator.

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.The advantages are: The generator requires a minimum of cost-intensive piezoelectric material, which at the same time has a maximum effect, whereby the piezoelectric material has a threefold technical function. On the one hand, the piezoelectric material is used to generate electrical energy; on the other hand, the special structural design converts a compressive force exerted on the piezoelectric material into a tensile force, so that a mechanical transducer element, as previously provided in the prior art, can be dispensed with. The piezoelectric material also acts as a return spring up to the elongation limit. The generator has a lighter and simpler structure and is therefore significantly more resource-saving and cheaper with the same or even higher efficiency than previously from the prior art, in particular known solutions described at the beginning. This makes it easy to independently detect changing mechanical load conditions and to supply electronic circuits with electrical energy at the same time.

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- |An arrangement is described here in which a piezoelectric effect is also used. In contrast to the one described above, | In the known solution, the piezomaterial is here not compressed by an impact load as with a piezoceramic, but as a film by | Tensile load stretched. In order to achieve elongations of up to 5% with the least possible technical effort, a polymer piezoelectric material, preferably 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.Di-fluoride) used. The PVDF is preferably used in the form of a thin LU101391 film. The thickness of the foil can range from <20 µm to> 100 µm. The foil is provided with a thin metallic layer on both sides. These metal layers serve as corresponding electrodes. If a tensile force is applied to a strip with a defined length and width at the longitudinal ends, the PVDF expands and an electrical voltage can be measured between the two electrodes at the moment of expansion. The same applies to the relief of the PVDF film with the opposite sign.

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.Here, a method for producing a piezoelectric generator described above is described, with a flat piezoelectric material in the form of a film for expansion and relaxation in one spatial direction being fastened in or on a clamping body. An efficient piezoelectric generator can thus be produced simply and inexpensively in contrast to the generator described at the beginning.

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.A method for generating electrical energy by means of a piezoelectric generator is described here, the piezoelectric generator being acted upon by a compressive force F and relieved of this, flat piezoelectric material clamped in a clamping body, in particular linear, that is to say in one spatial direction, stretched to the extent and as long as a compressive force F is exerted on the generator, and then relieved, the compressive force F being maximally limited by the clamping body in the force path and a voltage between two electrodes on the opposite sides the surfaces of the flat piezoelectric material is tapped when the piezoelectric material is stretched and relaxed.

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.This provides an efficient method for generating electrical energy on the basis of simple pressurization. With piezoelectric material, a voltage that can be tapped is generated due to the application of pressure and relief. Charges on the electrodes are complementary to internal charges. In the piezoelectric material, the centers of gravity of the charge shift due to mechanical deformation. As a result, the charges on the electrodes and the charge in the interior of the piezoelectric material no longer match, so a current must flow in the outer part which, as it were, leads to the neutrality condition again.

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.Neutral means that it is electrically neutral to the outside world. The transition, LU101391, which lies in the stress or relief, leads to a voltage pulse and the subsequent charge equalization in the external circuit to the flow of electrical current. 5 With this method, a change in capacitance is minimally small and negligible. In contrast to the electroactive polymer, the film is not charged by external voltage sources.

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.Brief description of the drawings Possible embodiments will now be explained in more detail with reference to the attached schematic representations, of which: FIGS. 1 to 3 show a cross section of a piezoelectric generator according to a first embodiment in the unloaded and loaded state; and FIGS. 4 and 5 show a cross section of a piezoelectric generator according to a second embodiment in the unloaded and loaded state. DETAILED DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a piezoelectric generator 1 with a flat, piezoelectric material 2 and a clamping body 5, the flat piezoelectric material 2 being attached to two opposite sides 51, 52 of the clamping body 5. A chord with the piezoelectric material is stretched from the tensioning body 5, seen in cross section.

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.In order to advantageously form a chord on the piezoelectric generator, the tensioning body 5 is arc-shaped, in particular in the form of a circular arc. 1 to 3 show the film as a piezoelectric material 2 firmly clamped in the arcuate clamping body 5. In FIGS. 1 to 3, a tensile force acts exclusively on the film.

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.Both sides of the flat surface of the piezoelectric material 2 each form an electrode 6, 7. A compressive force F can be applied perpendicular to the flat, piezoelectric material 2, and when the compressive force F is applied and relieved, an electrical voltage can be generated between the electrodes 6, 7 on the pressure device 4. The generator 1 is thus significantly more efficient. A multiple winding of the piezoelectric material 2 is omitted. This resulted in incomplete utilization of the energy conversion and a high cost of materials.

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.It has been found to be advantageous that the piezoelectric generator 1 is designed with a tensioning body 5 for exclusive expansion in one spatial direction of the piezoelectric material 2. The voltage changes can thus be tapped more effectively and efficiently, in contrast to constructions when the piezoelectric material 2 is relieved of stress over an area in an X and Y direction at the same time. In order to ensure a long service life for the piezoelectric generator 1 aim, the clamping body 5 with the piezoelectric material 2 is convex with respect to the compressive force in such a way that the clamping body 5 and the piezoelectric material 2 touch at least in the middle at maximum pressure load and in particular the piezoelectric material 2 below the elongation limit, in particular from 5%, is maximally stretchable. The specific design of the clamping body 5 is thus at the same time a physical pressure-limiting device which prevents the piezoelectric material 2 from being overstretched. The limitation of the maximum elongation of the piezo | electrical material 2 is thus fixed, on the one hand by the spacings 9 of the film fixations 51, 52 on the arch of the tensioning body 5 and on the other hand by the height of the arch belly 8 of the tensioning body 5 ensuring a tight film, assuming that the Let the foil expand until it reaches the arch in the middle. The arch is largely firm and only the Fo-LU101391 stretches. Since the maximum possible elongation only occurs when the arch body and foil touch, it can be ensured that the foil is not overstretched. The stretching of the film is countered by a film restoring force as a spring force. This means that when the load is relieved, the film returns to the initial position stretched around the tendon. According to FIG. 3, the clamping body 5 is stretched to the maximum, so that the clamping body 5 touches the piezoelectric material 2 and a further introduction of force and an overstretching of the piezoelectric material against a support 3 is prevented. 3 thus shows a maximum expansion of the piezoelectric material 2, which is less than the maximum permissible load due to a maximum application of a compressive force 5 on the tensioning body 5. The tensioning body 5 touches the piezoelectric tensioned as a tendon almost in a straight line 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.If the two edges of the clamping body are firmly anchored, an expansion of the film 2 can also be achieved in that a shaped body 4, here a ball or a cylinder as a pressure device 4 presses on the film 2 between the two fixing points in such a way that this is deflected from its original position. Such an arrangement is shown schematically in FIGS.

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.According to FIGS. 4 to 5, a pressure device 4 rests on the piezoelectric material 2 and the clamping body 5 is formed concave under the piezoelectric material 2 with respect to the direction of the pressure force F, so that a maximum yield strength of the piezoelectric material 2 cannot be exceeded when the compressive force F is applied to the pressure device 4 to the maximum and, in particular, the piezoelectric material 2 and the clamping body 5 touch each other when the maximum pressure is applied.

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 | _The separate pressure device 4 acts centrally on the piezoelectric material 2 in direct contact with it. It is spherical or cylindrical. The printing device 4 is actually of any shape. It only has to be able to act on the foil, which is designed as a tendon and which is clamped in the arch (here referred to as a tension body or arch body). The pressure device 4 must not cause any damage and must ensure that the maximum expansion is possible. The piezoelectric | _

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.Material 2 thus converts a compressive force F into a tensile force with respect to the LU101391 fastenings on the clamping body 5 and at the same time generates electrical energy through the change in force exerted on the piezoelectric material 2.

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.The pressure device 4 of the piezoelectric generator 1 has a central surface which contacts the piezoelectric material 2 in order to apply the pressure force (F). The piezoelectric material 2 is thus stretched more evenly by the pressure movement.

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.The pressure device 4 of the piezoelectric generator 1 is designed with a spring force acting elastically in the piezoelectric material, which counteracts the pressure force (F). This means that no return spring is required in the generator and the number of components is reduced.

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.The piezoelectric material 2 of the piezoelectric generator 1 is a polyvinylidene difluoride PVDF film. When subjected to tensile loads, the film is loaded far below the plastic deformation limit. So it behaves like an ideal spring element that returns to its original state when the mechanical load is removed. Not the deformation element, as in the previously known prior art, but the film itself is the spring. PVDF is a piezoelectric material because it has the piezoelectric effect in the beta phase. Stretched films (mono- and biaxial) are in the beta phase and therefore have the piezoelectric effect. The pressure load on the PVDF film also leads to an electrical signal. However, this is extremely small because the pressure only acts on the thickness of the film. One speaks here of the long-term effect, i.e. the force and the electric field lie in one axis. When using foils, the field between the top and bottom can only be used by providing these sides with electrodes. Lateral electrodes are practically impossible due to the low material thickness of the foils (a few µm). But there is also a cross-effect. In this case, the direction of force and direction of the field are perpendicular to one another. While the field can only exist between the two metallized foil sides (electrodes), the force acts perpendicular to it, i.e.

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.pulls or compresses the lateral expansion of the film. This effect is a little smaller than the longitudinal effect, but the signals are much larger because the length or width of the film section is mechanically stressed here. In other words, applying pressure to individual foils is pointless because of the extremely small signal responses. Tensile loads, especially of individual foils in one spatial direction, on the other hand, lead to large electrical signals.

Der Verformungskörper bzw.The deformation body or

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.Clamping body 5 in the form of a pressure device 4 is therefore necessary in order to convert pressure loads into tensile loads by means of the piezoelectric material 2 in the form of a film.

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.A method for producing a piezoelectric generator 1, in particular described above, comprises the steps that a flat piezoelectric material 2 is fastened in or on a clamping body 5.

So- mit ist ein piezoelektrischer Generator 1 mit minimalsten Ressourcen und maximaler Energieausbeute herstellbar.A piezoelectric generator 1 can thus be produced with minimal resources and maximal energy yield.

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.A method for generating electrical energy by means of a piezoelectric generator 1, in particular described above, comprises the steps that the piezoelectric generator 1 is subjected to a compressive force F and is relieved of this, a flat one clamped in the clamping body 5 Piezoelectric material 2, insofar as and as long as a compressive force F, in particular on the compression device 4, is exerted, is subjected to tension 20 is stretched and then relieved, the compressive force F being maximally limited in the force path by the clamping body 5 and a voltage between two electrodes 6, 7 on the opposite sides of the surfaces of the flat piezoelectric material 2 when the piezoelectric material 2 is stretched and relaxed is tapped.

Somit wird elektrische Energie effizient aus Druckkräften gewonnen, bei minimalem Bauteilaufwand aufgrund der Dreifachfunktion des piezoelektrischen Materials.Thus, electrical energy is efficiently obtained from compressive forces, with minimal component expenditure due to the triple function of the piezoelectric material.

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.As shown in FIGS. 4 and 5, the piezoelectric generator 1 is designed in the shape of a ball or cylinder with a pressure device 4 and acts preferably centrally on the piezoelectric material 2 in direct contact therewith.

Somit hat das piezoelektrische Material 2 eine Dreifachfunktion.Thus, the piezoelectric material 2 has a triple function.

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.It converts the compressive force into a tensile force acting vertically on the piezoelectric material 2, at the same time generates the electrical voltage by means of expansion and relief and acts as a spring element which restores the initial state after the pressure has been relieved.

Bei entsprechender Krafteinwirkung (Pfeil) wird die piezoelektrische PVDF- Folie 2 gedehnt, an den Elektroden 6, 7 ist im Moment der Bewegung eine | _When a corresponding force is applied (arrow), the piezoelectric PVDF film 2 is stretched; at the moment of movement there is a | on the electrodes 6, 7 _

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.electrical voltage measurable. The level of tension depends on the stretched volume of the film 2 and the degree of stretching. With increasing volume and increasing expansion, the electrical voltage also increases. When the mechanical load is removed, the film 2 resumes its original shape. During the relief movement, an electrical voltage occurs again between the two electrodes 6, 7. The sign of the voltage is opposite to that of the load movement. In this way, the sign of the generated voltage pulses can be used to identify whether the film has been loaded or unloaded.

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.The shape of the clamping body 5 can also be U-, V-, trapezoidal, rectangular or polygonal. Likewise, the shape of the molded body 4 as a pressure device 4 can be designed as desired, provided that it is ensured that the film 2 can be pressed into the depth of the clamping body 5 with it.

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.When the pressure device 4 is subjected to maximum pressure, the piezoelectric material 2 in the form of the film is stretched in one spatial direction and the clamping body 5 is touched, so that further extensive stretching is no longer possible, as shown in FIG.

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.In addition, the tensioning body 5 can take up load in the form of the arch and stretch against its deflection. This increases the distance between the film fixing points and the film is also stretched. In this case, the sheet restoring force and the film restoring force act as a spring force.

Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Ende des Spannkörpers 4 nicht fixiert und kann sich frei in Längsrichtung bewegen.According to one embodiment, at least one end of the clamping body 4 is not fixed and can move freely in the longitudinal direction.

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 /The variants of the method and the device described above are only used to provide a better understanding of the structure, the mode of operation and the properties of the solution presented; they do not restrict the disclosure to the exemplary embodiments. The figures are schematic, with essential properties and effects in some cases being clearly enlarged in order to clarify the functions, operating principles, technical configurations and features. Every mode of operation, every principle, every technical design and every feature that /

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.which is / are disclosed in the figures or in the text, with all claims, each LU101391 the feature in the text and in the other figures, other modes of operation, principles, technical configurations and features contained in this disclosure or result from it, can be freely and arbitrarily combined, so that all conceivable combinations can be attributed to the solution described. This also includes combinations between all the individual statements in the text, that is to say in each section of the description, in the claims and also combinations between different variants in the text, in the claims and in the figures.

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.The device and method details explained above are shown in context; however, it should be noted that they are also independent of one another and can also be freely combined with one another. The relationships shown in the figures of the individual parts and sections thereof to one another and their dimensions and proportions are not to be understood as limiting. Rather, individual dimensions and proportions can also differ from those shown. The claims also do not limit the disclosure and thus the possible combinations of all the features shown with one another. All the features shown are also explicitly disclosed here individually and in combination with all other features.

Claims

(5 Patentanwalts- D Kanzlei Klemm 000008 LU1O1384 PATENT CLAIMS

1. Piezoelectric generator (1) with a flat, piezoelectric material (2) and a clamping body (5), the flat piezoelectric material (2) being attached to two opposite sides (51, 52) of the clamping body (5) is, seen from the clamping body in cross section, a chord with the piezoelectric material (2) is stretched and both sides of the flat surface of the piezoelectric material (2) - each form an electrode (6, 7), a compressive force (F) perpendicular to the flat , piezoelectric material (2) can be acted upon and an electrical voltage can be generated between the electrodes (6, 7) when the pressure force (F) is applied and relieved of the piezoelectric generator (1).

2. Piezoelectric generator (1) according to claim 1, wherein the clamping body (5) is designed for the exclusive expansion of the piezoelectric material (2) in one spatial direction.

3. Piezoelectric generator (1) according to claim 1 or 2, wherein the clamping body (5) is arcuate, in particular arcuate, ausgebil- __ 25 det.

4. Piezoelectric generator (1) according to claim 1, 2 or 3, wherein the clamping body (5) with the piezoelectric material (2) is convex with respect to the compressive force such that the clamping body (5) and the piezoelectric material (2 ) touch at least in the middle at maximum pressure load and in particular the piezoelectric material (2) is maximally expandable below the elongation limit, in particular of 5%.

5. Piezoelectric generator (1) according to one of claims 1 to 3, wherein a pressure device (4) rests on the piezoelectric material (2) and the clamping body (5) with respect to the direction of the pressure force (F) con-LU101391 kav under the piezoelectric Material (2) is designed in such a way that a maximum yield strength of the piezoelectric material (2) cannot be exceeded when the compressive force (F) is applied to the pressure device (4) to the maximum and, in particular, the piezoelectric material and the clamping body touch each other when the maximum pressure is applied.

6. Piezoelectric generator (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the piezoelectric material (2) is a polyvinylidene difluoride PVDF film.

7. Piezoelectric generator (1) according to one of claims 5 to 6, wherein the pressure device (4) is spherical or cylindrical.

8. A method for producing a piezoelectric generator (1) according to one of claims 1 to 7, wherein a flat, piezoelectric material (2) in the form of a film for expansion and relaxation in one spatial direction is fastened in or on a clamping body (5) becomes.

9. A method for generating electrical energy by means of a piezoelectric generator (1) according to one of claims 1 to 7, wherein the piezoelectric generator (1) is acted upon by a compressive force (F) and is relieved of this, one in the Tensioning body (5), flat, piezoelectric material (2) clamped in place, stretched to the extent that and as long as a compressive force (F) is exerted on the generator, and then Rend is relieved, the compressive force (F) being maximally limited in the force path by the clamping element (5) and a voltage between two electrodes (6, 7) on the opposite sides (21, 22) of the surfaces of the flat piezoelectric material ( 2) is tapped when stretching and relaxing the piezoelectric material (2).