WO2001095469A1

WO2001095469A1 - Verfahren und vorrichtung zur übertragung von piezoelektrischer energie

Info

Publication number: WO2001095469A1
Application number: PCT/DE2001/002084
Authority: WO
Inventors: Robert Conradt
Original assignee: Robert Conradt
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2001-12-13
Also published as: DE10192384D2; DE10192384B4; AU2001265818A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung der von einem Piezoelement (1) gelieferten Energie mit einem Kondensator (6), dessen Enden mit den Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Erzeugung des Piezopulses und Aufladung einer Spule (4); b) nach vollständiger Aufladung der Spule Transformation des in der Spule gespeicherten Stroms in einem parallel zur Spule geschalteten Kondensator (6); sowie eine Vorrichtung (Schaltung) zur Speicherung der von einen Piezoelement (1) gelieferten Energien mit einem Kondensator (6), dessen Elektroden mit den Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Piezoelementen und dem Kondensator parallel eine Spule (4) angeordnet ist, wobei zwischen der Spule und dem Kondensator in Reihe eine Diode (5) vorgesehen ist, die derart geschaltet ist, dass der von dem Piezoelement erzeugte Impuls nicht den Kondensator erreicht.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ÜBERTRAGUNG VON PIEZOELEKTRISCHER ENERGIE

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung der von einem Piezoelement gelieferten Energie mit einem Kondensator, dessen Enden mit den Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind, sowie eine Vorrichtung zur Speicherung der von einen Piezoelement gelieferten Energie mit einem Kondensator, dessen Elektroden mit den Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind, sowie entsprechenden Verwendungen.

Stand der Technik

Verfahren und Schaltungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Piezo- elemente beziehungsweise -kristalle erzeugen Spannungen, die mehrere tausend Volt betragen. Diese Spannung steht nur sehr kurzzeitig zur Verfügung, so dass es nicht ohne weiteres möglich ist, die hier erzeugte Energie direkt zu verwenden.

Insbesondere zum Betreiben von Kleingeräten, die auch nur kurzzeitig entsprechenden Strom benötigen, ist ein Piezokristall deswegen nicht geeignet, da die verwendeten Bauteile hochspannungssicher sein müssen. Definitionen

Im folgenden werden Begriffe verwendet, die gemäß der Literatur uneinheitlich sind. Um entsprechende Undeutlichkeiten zu vermeiden, werden folgende Begriffe -definiert:

Piezoele-nent: Bauteil, welches, induziert durch einen mechanischen Impuls, einen elektrischen Impuls in einer Größenordnung von mehreren- 1000 Volt und wenigen Mikrosekunden Dauer erzeugt.

Niederspannungsbereich : Spannungen bevorzugt im für elektronische Anwendungen bedeutsamen Bereich in der Größenordnung 5 Volt. Der Niederspannungsbereich wird durch den ittelspannungsbereich, wie er z.B. bei E- lektromotoren etc. eine Rolle spielt, in der Größenordnung von bis zu 50 Volt begrenzt.

Kinetische Energie : Energie, die gespeichert ist in der Bewegung von Ladung, also in der Form von Strom. Die an einem etwaigen Bauteil abfallende Spannung kann dabei durchaus für gewisse Zeit den Wert Null annehmen.

Poten tielle Energie : Energie, die in Form einer statischen Ladung z.B. auf einem Kondensator gespeichert ist. Der durch ein etwaiges Bauteil fließende Strom kann dabei zeitweise den Wert Null annehmen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, in sehr kompakter und kleiner Bauweise ein Verfahren, sowie eine Schaltung zu schaffen, mittels der es möglich ist, die erzeugte Piezoenergie, die in Form eines kurzen Impulses zur Verfügung steht, in eine Energie umzuwandeln, die zur Betreibung von elektri- sehen Schaltungen, insbesondere im Niederspannungsbereich geeignet ist.

Lösung der Aufgabe

Das Lösungsprinzip der Aufgabe besteht darin, die von dem Piezoelement erzeugte Energie zu speichern, zu transformieren und dann in potentielle Energie niedriger Spannung umzuwandeln. Die potentielle Energie niedriger Spannung kann beispielsweise in einem Kondensator gespeichert werden. Je nach Ausgestaltung des Kondensators kann insbesondere Energie im Niederspannungsbereich abgegeben werden, indem sowohl der Wert der Spannung bis in den Niederspannungsbereich reduziert wird und die Dauer entsprechend dem Stromverbrauch eines etwaigen Verbrauchers deutlich gegenüber dein Impuls des Piezoelements bergrößert wird.

Vorteile der Erfindung

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf sehr einfache Art und Weise gelungen ist, mittels drei elektrischen Bauelementen durch ein Piezokristall erzeugte Piezoenergie zu speichern, zu transfor- mieren und diese dann als elektrische Spannung, die in einem Kondensator gespeichert ist, zur Verfügung zu stellen. Die hier gespeicherte Spannung weist eine Größe zwischen 0,1 und 10 Volt auf, so dass das Verfahren und die Schaltungsanordnung insbesondere in den Bereichen Verwendung findet, in denen ausschließlich Bauelemente im Niederspannungsbereich verwendet werden.

Insbesondere kann das Verfahren dafür verwendet werden, dass beispielsweise bei einem Drehmomentenschlüssel die durch das Drehen erzeugte mechanische Energie beim "Ausrücken" des Drehmomentschlüssels auf einen Piezokristall übertragen wird, dessen erzeugte Energie in einer Spule in Form von kinetischer Energie gespeichert wird und anschließend nach einer Transformation in einem Kondensator als potentielle Energie ebenfalls gespeichert wird. Diese Energie kann dafür verwendet werden, mittels einer zusätzlichen Schaltung ein Signal, beispielsweise ein akustisches Signal, zu übertragen, wenn ein bestimmtes beispielsweise voreingestelltes Drehmoment überschritten wird.

Die zuvor genannte Verwendung kann derart ausgebaut werden, dass mittels eines Drehmomentsensors das erzeugte Drehmoment gemessen wird und der gemessene Wert mittels der im Kondensator gespeicherten Energie drahtlos an eine Empfängereinheit übertragen wird.

Weitere vorteilhafte Verwendungen des Verfahrens sowie der Schaltung können darin bestehen, die durch Drücken erzeugte kinetische Energie nach entsprechender Transformation dafür zu nutzen, um einen Signalimpuls, beispielsweise einer Fernbedienung für ein Fernsehgerät, ein Radiogerät oder aber für eine Autoschließanlage eines Fahrzeugs, zum Senden zu verwenden. Ebenso kann durch rotierende Teile, zum Beispiel Rollerskates, die erzeugte kinetische Energie für die Energie einer Leuchtdiode verwendet werden.

Gleichwohl kann ein Werkzeug in Form eines Drehmomentschlüssels dafür verwendet werden, nur ein Signal zu übertragen, welches das erfolgreiche Betätigen des Drehmomen schlüsseis einem Empfänger (z.B. zur Sicherung von Werkstücken) quittiert und damit die weitere Verwendung bzw. Bearbeitung des Werkstückes zuläßt.

Die Verwendungsbeispiele sind sehr vielfältig. Das Verfahren und die Schaltung lassen sich überall dort anwenden, wo mittels sehr geringer Energie Verfahrensprozesse umgesetzt werden können.

Die Verfahrensprozesse werden vorzugsweise mittels einer Schaltungsanordnung, die für den Niederspannungsbe.reich ausgelegt ist, gesteuert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den nachführenden Beschreibungen sowie den Ansprüchen hervor.

Zeichnungen Es zeigen

Fig. 1 eine erste grundlegende Ausgestaltung der erfinderischen

Schaltung zur Speicherung der von einem Piezoelement gelieferten Energie;

Fig. 2 eine Variante der Schaltung mit einer Diode im Stromkreis des Piezoelements;

Fig. 3 eine Ausgestaltung der Schaltung mit einem parallel zum Piezoelement geschalteten Kondensator;

Fig. 4 eine Ausgestaltung der Schaltung mit einem Brückengleichrichter;

Fig. 5 eine Ausgestaltung der Schaltung gemäß Fig. 1 mit einer weiteren Diode im Ladestromkreis des Kondensators; Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des in der Spule fließenden

Stroms und der sich dadurch ergebenden Spannung im Kondensator.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine erste Ausgestaltung 3 der erfindungsgemäßen Schaltung zur Speicherung der von einem Piezoelement 1 gelieferten elektrischen

Energie dargestellt. Zudem ist in Fig. 1 ein Diagramm 2 zu sehen, das die Form des von dem Piezoelement erzeugten Impulses zeigt.

Die Schaltung besteht aus einer parallel zum Piezoelement 1 geschalteten Spule, deren erste Elektrode über eine Diode 5 und dann die erste Elektrode an den Kondensator 6 angeschlossen ist, wobei deren weitere Elektrode mit der weiteren Elektrode des Kondensators direkt verbunden ist. Der Impuls des Piezoelements wirft in der Spule einen Strom an, der nach Abklingen der Spannung seinen Maximalwert erreicht. Die Diode 5 ist derart ausgelegt, dass in dem aus der Diode 5, Spule 4 und Kondensator 6 bestehenden Ladestromkreis 7, der in, der. Spule angeworfene Strom als Ladestrom nur im Uhrzeigersinn (Pfeil in Fig. .1) fließen kann. Hierbei verhindert die Diode 5, dass sich der Kondensator ^" 6 über den Ladestromkreis 7 wieder entladen kann. Ferner hat die Diode die Aufgabe, die bezüglich des end- gültigen Ladezustands umgekehrte Aufladung durch den Piezoimpuls zu verhindern. An den beiden Elektroden des Kondensators 6 sind jeweils Anschlußklemmen 8 und 9 vorgesehen, an die die elektrischen Geräte oder Schaltungen angeschlossen werden können, die mit der im Kondensator 6 gespeicherten elektrischen Energie versorgt werden können.

Ein Beispiel eines von einem Piezoelement 1 aufgrund einer schlagartig, mechanischen Belastung gelieferten elektronischen Puls ist im Diagramm 2 dargestellt. Die positive Halbwelle 10 erreicht im vorliegenden Beispiel innerhalb von ca. 10 μsec einen Wert von fast 45 kV. Ein Pfeil 11 der von der Anode des Piezoelements 1 zu dessen Katode weist, definiert hierbei die Polung des vom Piezoelement gelieferten Pulses 10. Beim Auslösen der positiven Halbwelle 10 des Piezopulses ist demgemäß die eine (hier untenliegende) Elektrode des Piezoelements positiv und die andere (hier obenliegend) negativ geladen. Liegt die positive Halbwelle 10 des Piezopulses in Richtung des Pfeils 11 an der Schaltung 3 an, ist der Puls entgegen der Polung der Diode 5 gerichtet und kann seine elektrische Energie ausschließlich an die Spule 4 geben, in der die elektrische Energie in kinetische (magnetische) Energie E=l/2 LI² umgewandelt wird. Dieser Vorgang läuft in einem Zeitraum von ca. 10 μsec ab. Bereits im Verlaufe des Abklingen der Halbwelle 10 beginnt die Spule 4 ihre magnetische Energie im Uhrzeigersinn durch den Stromkreis 7 fließenden Ladestroms an den Kondensator 6 abzugeben. Im Kondensator 6 wird die kinetische (magnetische) Energie E in potentielle (kapazitive) Energie E=l/2 CU² umgewandelt und gespeichert. Diese Energie kann dann über die Anschlußklemmen 8 und 9 der daran angeschlossen Geräte Z oder Schaltung abgegeben werden.

Zum weiteren Verständnis der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des Verfahrens zur Speicherung von einem Piezoelement 1 gelieferten Energie trägt das Diagramm gemäß Fig. 6 bei. Hieraus ist ersichtlich, dass der dem Kondensator aufladenden Strom in der Spule nach ca. 10 μsec, also wenn die gesamt vom Piezoelement 1 gelieferte elektrische Energie in der Spule in magnetische Energie umgewandelt ist, sein Maximum erreicht hat. Weiterhin zeigt das Diagramm gemäß Fig. 6, dass die magnetische Energie von der Spule 4 im Laufe von ca. 2,2 msec. in mit Hilfe des Stromes in der Spule an den Kondensator 6 abgegeben wird, der dem gemäß nach 1,2 msec. aufgeladen ist und seine MaximalSpannung hat. Die von der Energie des Piezopulses bestimmter und von dem Kondensator 6 abgreifbarer Spannung, läßt sich nach der Beziehung U= (2E_Spule /C) ^ι = (2E_piez0 /C)¹² berechnen. Hierbei liegt die Energie eines Piezopulses zwischen 1 und 10 mJ, so dass sich auf diese Weise an einem Kondensator von einigen Mikrofarad (μF) eine Spannung von einigen Volt (V) erzeugen lässt.

In der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig. 2 ist die eine Elektrode des Piezoelements mit der anderen Elektrode der Spule 4 über eine in Richtung des Spule 4 durchlässig gepolte Diode 14 verbunden. Hierdurch kann zwar die positive Halbwelle, nicht aber die negative Halb- welle des Piezopulses (Fig. 1, Diagramm 2) an die Spule gelangen, so dass dadurch verhindert wird, dass die negative Halbwelle 12 die Spule 4 teilweise wieder entlad. Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig. 4 weist zur Spule 4 und zum Kondensator 6 parallel geschaltet einen Brückengleichrichter 16 auf. Hierdurch werden Schwingungen beim Aufladen des Kondensators 6, die durch die Parallelschaltung von Spule und Kondensator möglich wären, aber auch die ansonsten aus Kapazität des Piezokristalls und der Induktivität der Spule bestehende Schwingkreis vermieden.

In der Schaltung gemäß Fig. 5 ist die eine Elektrode des Spule 4 mit der anderen Elektrode des Kondensators 6 über eine, für den Ladestromkreis 7 im Uhrzeigersinn schließenden Ladestrom, durchlässig gepolte Diode 17 verbunden, die zusätzlich zu Diode 5 verhindert, dass die negative Halbwelle 12 des Piezopulses. (Fig. 1, Diagramm 2) an den Kondensator gelangt, die den Kondensator teilweise wieder entladen würde. Hierdurch wird gewährleistet, dass möglichst viel der in Spule 4 gespeicherten agneti- sehen Energie in Ladestrom für den Kondensator 6 umgewandelt wird.

Die erfindungsgemäßen Schaltungen, sowie das mit der Schaltung verbundene Verfahren gemäß den Fig. 1-5 bewirken eine Umwandlung des Piezopulses mit einer Spannungsspitze von nahezu 50 kV in eine letztlich an den Anschlußklemmen 8 und 9 des Kondensators 6 liegende Spannung (potentielle Energie) von einigen wenigen Volt. Dies erlaubt insbesondere die Versorgung solcher elektronischer Bauelemente mit elektrischer Energie, die ausschließlich für Spannungen im Niederspannungsbereich ausgelegt sind.

Hierdurch ergibt sich auch eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise läßt sich mit dem von dem Piezoelement generierten Impuls und der erfindungsgemäßen Schaltung erzeugten niederen Spannung ein Funksender betreiben, der dazu verwendet wird zum Zweck der Qualitätssicherung das von einem Drehmomentschlüssel erzeugte Drehmoment per Funk an einen Empfänger, verbunden z.B. mit einem Personalcomputer, zu übertragen. Die hierbei stattfindende Kurzzeit-Datenübertragung wird beispielsweise durch einen mechanischen Impuls, das Ausrücken des Drehmo- mentschlüsels, ausgelöst. Zusätzlich zum Drehmomentenmesswert kann das Werkzeug hierbei beispielsweise seine Adresse und weitere Prüfinformatio- nen übertragen, so dass lückenlose Protokolle über die, auf obige Weise messtechnisch kontrollierten Arbeiten erstellt werden können.

Ein von dem Piezoelement 1 über die erfindungsgemäße Schaltung gespeister Funksender kann auch dazu verwendet werden, auf einem bestimmten Abstand per Knopfdruck ein Garagentor zu öffnen. Erforderlich hierbei ist, die Übermittlung eines festen Codes an einen davon ansprechbares Garagentor. Mit Bauelementen aus dem Niederspannungsbereich kann dieser elektronischer Garagenschlüssel bis auf die Größe eines Feuerzeuges oder kleiner reduziert werden, der dann auch wie ein Feuerzeug bedienbar ist.

Eine weitere Anwendung stellt eine Kombination der beiden letztgenanten Anwendungen dar: ein DrehmomentSchlüssel erzeugt beim Ausrücken einen mechanischen Impuls, welcher mittels Piezoelements 1 und der erfindungs- gemäßen Schaltung eine Spannung im Niederspannungsbereich zur Verfügung stellt, der allein dazu dient, eine Absenderadresse zu übermitteln, die ein Empfänger als korrektes Betätigen des Drehmomentschlüssels wertet. Drehmomentschlüssel dieser Art finden beispielsweise in Werkstückhalterungen Anwendung, die durch ein vom Empfänger erhaltenes Signal zum Ein- satz in Bearbeitungszentren freigegeben worden sind.

Claims

A N S P R Ü C H E

1. Verfahren zur Speicherung der von einem Piezoelement gelieferten Energie mit einem Kondensator, dessen Enden mit den Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

a) Erzeugung des Piezopulses mittels eines Piezoelementes (1) und Aufladung einer Spule (4);

b) nach vollständiger Aufladung der Spule (4) Transformation des in der Spule (4) gespeicherten Stroms in einem parallel zur Spule ge- schalteten Kondensator (6), wobei zusätzlich eine Diode (5) vorgesehen ist, die das Aufladen des Kondensators (6) durch die Piezo- entladung und gleichzeitig die Entladung des aufgeladenen Kondensators (6) verhindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (5) zwischen der Spule (4) und dem Kondensator (6) angeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Speicherung der von einen Piezoelement gelieferten Energien mit einem Kondensator, dessen Elektroden mit den Elektroden des Piezoelements elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoelement (1) und dem Kondensator (6) parallel eine Spule (4) angeordnet ist, wobei zwischen der Spule (4) und dem Kondensator (6) in Reihe eine Diode (5) vorgesehen ist, die derart geschaltet ist, dass der von dem Piezoelement (1) erzeugte Strom zumin- dest während der Ladephase der Spule (4) nicht den Kondensator erreicht.

4. Verwendung der Schaltung zur Speicherung der von einem Piezoelement ausgegebenen Energie gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Versorgung elektrischer Bauelemente, Schaltungen oder Geräte, die für Versorgungsspannung im Niederspannungsbereich ausgelegt sind.

5. Verwendung der Schaltung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Versorgung eines Funksenders mit elektrischer Energie.

6. Verwendung der Schaltung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Verwendung einer Erzeugung eines Signals bei Erreichen eines bestimmten Drehmomentes bei einem Drehmomentenschlüssel.

7. Verwendung der Schaltung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Versorgung einer Fernbedienung für Fernsehgeräte, Radiogeräte, Autoschließ- und Öffnungseinrichtungen oder dergleichen mit Energie.