WO2007140749A2 - Piezoelektrischer generator - Google Patents

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WO2007140749A2
WO2007140749A2 PCT/DE2007/000974 DE2007000974W WO2007140749A2 WO 2007140749 A2 WO2007140749 A2 WO 2007140749A2 DE 2007000974 W DE2007000974 W DE 2007000974W WO 2007140749 A2 WO2007140749 A2 WO 2007140749A2
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piezoelectric
activator
generator according
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Klaus Reichmann
Igor Kartashev
Wolfgang Athenstaedt
Original Assignee
Epcos Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Definitions

  • a piezoelectric generator is z. B. from the document US 5,751,091 known. This generator is used in a clock. Another piezoelectric generator is known from JP 11-146663 A.
  • An object to be solved is to provide a high-efficiency piezoelectric generator, which is characterized by a high mechanical stability.
  • the oscillating elements are oscillatable against each other.
  • the piezoelectric generator is suitable for the transformation of mechanical energy into electrical energy.
  • the piezator can z. B. be realized for power supply in a portable e- lektrischen device.
  • the mechanical energy can be generated by body or air movements.
  • the oscillating device is preferably provided for biasing the piezoelectric element.
  • a prestressed piezoelectric element makes it possible to achieve a particularly high power density of the generator.
  • the oscillating device is preferably provided for generating a compressive stress on the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element can be compressed by the compressive stress along a longitudinal direction. By means of the compressive stress but also a shear deformation of the piezoelectric element can be brought about. In the oscillations of the oscillating elements, the deformation of the piezoelectric element clamped in the oscillating device is effected. By means of the piezoelectric element, the mechanical energy of the vibrating device is converted into electrical energy.
  • an activator For transmitting a mechanical force to the oscillating device, an activator may be provided.
  • the activator is a power transmission element for exciting vibrations of the vibrating device. This excitation is characterized in a preferred variant by an excitation frequency.
  • the oscillating device and the activator are components of a mechanical transducer in which the conversion between different forms or the transmission of mechanical energy takes place.
  • the oscillating device and the piezoelectric element together form a resonance system which is characterized by a natural frequency. This may be its fundamental frequency or a higher harmonic of the fundamental frequency. It is advantageous to select the excitation frequency equal to the natural frequency of this resonance system.
  • the oscillating device can be excited to mechanical oscillations with an oscillating frequency which predefines the frequency of the electrical signal.
  • the excitation of the oscillating device is preferably carried out with a frequency which is approximately equal to the resonant frequency of the resonance system, or with a deviating, but constant excitation frequency.
  • the oscillating device can oscillate freely after an excitation phase in which the oscillating elements are deflected from their rest position.
  • the oscillating device has energy storage elements mechanically coupled to the oscillating elements. The energy stored in the energy storage elements is converted into free oscillations of the oscillating device after the intended maximum deflection.
  • the mechanical converter can comprise a second energy reservoir which is mechanically decoupled from the oscillating elements and which is provided for exciting the oscillating elements.
  • This energy can be supplied to the vibrating elements directly or by means of the activator.
  • the stored energy in this reservoir can be converted into free or - when using the activator - forced vibrations of the vibrating device.
  • the second energy reservoir may be designed so that it is suitable for storing a mechanical energy, in particular the energy of uncorrelated mechanical effects. Possible mechanical effects are usually uncorrelated vibrations of the carrier to which the oscillating device is attached. Also the energy of air pressure (eg with breath and acoustic signals of the environment) can be accumulated in the energy reservoir.
  • the activator removes energy from the energy reservoir and transfers it to the vibrating device.
  • the energy of the energy reservoir can z. B. are used to drive a transport device explained below, to which the activator is coupled.
  • the power transmission element (activator) and the vibration device may be synchronized with respect to the natural frequency of the resonance system.
  • the oscillation frequency of the oscillating device can coincide with the frequency of the excitation, which is preferably matched to the natural frequency of the oscillating device.
  • an excitation cycle z. B. be contained one to three or more oscillatory cycles of the vibrating device.
  • the excitation with an excitation frequency which is different from the natural frequency of the oscillating device is also possible.
  • the oscillating elements each preferably have a fixed end and a free swinging end.
  • Each vibrating element can, for. B. be a strip-shaped bending spring.
  • the oscillating elements may for example form the legs of a U-piece, which is fastened in a fixing region (holding point) to a carrier.
  • the fixing region is arranged in the region of the connecting piece of the U-piece, which has the lowest oscillation amplitude in the vibration of the tuning fork.
  • the oscillating device in a preferred variant has the form of a tuning fork, which has a fastening projection in addition to the U-piece, which can be fastened to a carrier.
  • the fastening projection is coupled to a portion of the connecting piece of the U-piece, which has the lowest vibration amplitude in the vibration of the tuning fork.
  • the vibrating elements can also be elongated strips which are attached to the carrier at both ends.
  • the center of these elements vibrates with maximum amplitude like the free end of a vibrating element, which is attached only at one end.
  • the vibrations of the carrier can cause the vibrating device to vibrate.
  • the oscillating device can also be caused to vibrate by a gas pressure (eg air pressure). This can be achieved in both cases with or without an activator.
  • the activator z. B. is a movable part, which is suitable in its movement to change the distance between the vibrating elements. Under the influence of an external mechanical force of the activator touches the vibrating elements in the region of their free ends, these vibrating elements are pressed apart.
  • the activator essentially carries out periodic movements, so that the excitation of the oscillating device takes place periodically.
  • the movement of the activator may be a translation or a rotation. In each passage of the activator between the vibrating elements, the energy is transferred in the energy storage elements, which is transmitted to the passage of the activator to the piezoelectric element.
  • the activator is preferably wedge-shaped, i. H. it has a tapered cross-section.
  • the activator and / or the oscillating elements can have a wear-resistant layer at least in their contact area, ie. H. a layer of a wear-resistant material relative to the base material of the respective element.
  • This layer can, for. B. Ir, W, Ti or any materials that minimize the friction losses at the contact surfaces between activator and vibrating element.
  • the mechanical converter may comprise a transport device, which is provided for transporting the activator.
  • the transport device is so with respect to the vibrating device placed so that the activator can pass between the vibrating elements, preferably through the center of the area provided as the contact area.
  • the transport device may in one variant comprise a conveyor belt which is set in motion by means of transport rollers.
  • the transport rollers are preferably coupled to an energy reservoir mentioned above.
  • the transport device may alternatively comprise a rotating device in the form of a disc, a wheel or a ring which is rotatable about an axis of rotation and to which the activator is attached, which causes the oscillating elements to be pressed apart during the rotation of the wheel.
  • the axis of rotation is preferably aligned with the longitudinal direction of the vibrating elements.
  • the piezoelectric element has electrodes and at least one piezoelectric layer which is arranged between the electrodes.
  • the electrodes can z.
  • the electrodes may also be internal electrodes, which are each arranged between two piezoelectric layers.
  • a plurality of internal electrodes are present, which are alternately connected to a first and a second outer electrode.
  • the piezoelectric element is a multilayer component.
  • Piezo materials with high values of the piezo module - eg. B. the piezomo- duls cbi, d 33 , dis - suitable. This can be achieved a particularly high efficiency. Piezo material is ceramic with piezoelectric properties very well suited.
  • the polarization direction of the piezoelectric layer is preferably directed transversely to the main surfaces of the oscillating elements.
  • the polarization direction of the piezoelectric layers is directed in a variant transverse to the inner electrodes or outer electrodes of the piezoelectric element.
  • the electrodes, in particular outer electrodes of the piezoelectric element can also each be aligned substantially parallel to the polarization direction of the at least one piezoelectric layer.
  • the oscillating elements may preferably each have an energy storage element in the region of their freely oscillatable ends.
  • weights are suitable.
  • the weights are not only suitable for energy storage, but also for adjusting the oscillation frequency, in particular the natural frequency of the oscillating device. With sufficiently large weights, for example, the length of the legs of the oscillating device can be chosen to be particularly small, which is in the sense of miniaturization of the piezoelectric generator.
  • the mutually facing sides of the weights are preferably beveled such that the distance between the weights decreases with the distance from the initial position of the activator. At rest, the minimum distance between the weights is smaller than the widest point of the preferably wedge-shaped activator.
  • the weights are touched by the activator under the action of the external mechanical force and deflected with respect to their rest position, wherein the weights store the energy according to their deflection.
  • a limitation element for limiting the oscillation amplitude of this oscillating element is preferably provided for the respective oscillating element.
  • Figure 1 shows a basic structure of a piezoelectric generator
  • FIG. 2 in cross section the piezoelectric generator with a vibrating device and biased piezoelectric element, wherein vibrating elements of the vibrating device are pushed apart by an activator (above) and swing freely (bottom);
  • Figure 2A shows the structure of the piezoelectric element shown in Figures 2 and 5;
  • FIG. 3 shows a longitudinal cross-section of a piezoelectric element with piezoelectric layers whose polarization direction is directed perpendicular to the internal electrodes of the piezoelectric element;
  • Figure 4 in cross section a piezoelectric element with a piezoelectric layer whose polarization direction is directed parallel to the electrodes of the piezoelectric element;
  • FIG. 5 shows in cross-section a piezoelectric generator in which stoppers for limiting the oscillation amplitude of oscillation elements are provided in the mechanical converter;
  • FIG. 5A shows a variant of the piezoelectric generator presented in FIG. 5, in which the connecting piece of the oscillating device the respective vibration element divided into two oscillating arms;
  • Figure 6 shows in cross-section a vibrating device, wherein the activator moves transversely to the longitudinal direction of the vibrating elements
  • Figure 7 Transport device with a treadmill for displacement of the activator along a line
  • FIGS. 8A, 8B show a perspective view and a plan view of a variant of the transport device according to FIG. 7, in which the activator is arranged laterally on the treadmill;
  • FIG. 9 shows the top view of a further variant of the transport device according to FIG. 7, in which the activator is arranged in the middle region of the treadmill;
  • Figure 10 is a plan view of a transport device in which a plurality of activators are mounted on a rotating device in the form of a disc;
  • Figure 11 is a plan view of a transport device in which two activators are mounted on a rotating device in the form of a spoke at both ends of the spoke;
  • Figure 12 is a plan view of a transport device in which four activators are mounted on a turning device in the form of a turnstile;
  • FIG. 13 is a plan view of a transport device in which four activators are mounted on a rotating device in the form of an impeller;
  • FIGS. 14A, 14B and 14C are fragmentary sectional views of the piezoelectric generator in which the mechanical transducer comprises a rotatable ring with an activator mounted thereon in different phases of ring rotation;
  • Figure 15 shows the side view of a transport device in the form of a gear.
  • FIG. 1 schematically shows the construction of a piezoelectric generator 1.
  • the generator comprises a piezoelectric element 2 and a mechanical transducer 5.
  • the mechanical transducer 5 comprises an activator 6 and a vibrating device 51.
  • the activator 6 is a moving part which generates the energy of a piezoelectric element transmits external mechanical force 7 to the oscillating device 51 and thus brings this device to vibrate.
  • the oscillating device 51 is in mechanical contact with the piezoelectric element 2, so that in the oscillation of the oscillating device 51, the transmission of mechanical energy to the piezoelectric element 2 is possible.
  • the conversion of mechanical energy from one mold to the other takes place.
  • the energy of the translational movement of the activator 6 is converted into vibrations of the oscillating device 51.
  • the oscillating device 51 transmits a variable compressive stress 4 to the piezoelectric element 2 during the oscillation.
  • the piezoelectric element 2 is electrically connected to an electrical load 3 - consumer -.
  • the transformation of the mechanical energy into the electrical, which is the electric load 3 is supplied.
  • Preferred embodiments of the piezoelectric element 2 are explained in FIGS. 3 and 4. However, the design of the piezoelectric element is not based on these examples. borders. In principle, the piezoelectric element may have any structure.
  • FIG. 2 shows an exemplary implementation of the piezoelectric generator with a vibrating device which has the shape of a tuning fork, that is to say it is designed as a U-piece.
  • the U-piece has two legs and a connecting piece, which connects the two legs together.
  • the legs of the Ü-piece are vibrating elements 8a, 8b, which represent the wings of the vibrating device.
  • the vibrations of the second vibrating element 8b are correlated with the vibrations of the first vibrating element 8a.
  • the connecting piece of the U-piece has a mounting portion 17 in which the oscillating device on a support, not shown, such. B. is attached to the housing of the generator.
  • the piezoelectric element 2 is clamped in the initial state between the wings of the vibrating device in the vicinity of the connecting piece and thereby biased.
  • the piezoelectric element 2 is held exclusively by the legs of the oscillating device.
  • the wings are mainly used for periodic compression of the piezoelectric element 2, wherein the piezoelectric element is additionally supported, held or carried by a mechanically decoupled from the vibrating device holding device.
  • the wings of the oscillating device for example, strip-shaped bending springs.
  • the oscillating device also includes weights 9a, 9b, which are mounted at the free end of the respective vibrating element 8a, 8b and suitable for storing a mechanical energy.
  • the oscillating elements 8a, 8b can also be fastened to the carrier independently of one another. The decisive factor is that one end of the oscillating element 8a and 8b can oscillate freely.
  • the execution of the vibrating device with only one vibrating element, z. B. the upper wing 8a of the vibrating device is also conceivable, if the lower wing is replaced by a non-movable support.
  • the weights 9a, 9b in the contact region and the activator 6 preferably have oblique, mutually facing surfaces which abruptly stop at a position which is touched last when the activator leaves the contact region. At this point, the maximum deflection of the vibrating elements 8a, 8b is achieved.
  • the sloping surfaces preferably each intersect with a horizontally oriented surface.
  • the activator 6 may be formed in particular in the form of a wedge.
  • the wedge shape is particularly advantageous because it allows an abrupt release of the deflected oscillation elements, after which the oscillation elements can swing freely.
  • the cross-section of the wedge widens toward the end that leaves the contact area last.
  • the minimum distance between the weights 9a, 9b is smaller than the widest point of the activator 6.
  • the activator 6 moves in Figure 2 from left to right between the weights 9a, 9b and thereby slides on the faces facing him Weights.
  • the areas of the weights contacting the activator are referred to as a contact area.
  • the cross-sectional size of the activator exceeds the minimum distance between the weights 9a, 9b, the weights 9a, 9b are pressed apart, which is indicated in the figure 2 above with arrows.
  • the weights 9a, 9b are chamfered on the mutually facing sides such that the sliding of the wedge between these weights is facilitated. Due to the wedge shape of the activator 6 and the chamfering of the weights 9a, 9b, it is possible to press apart the vibrating elements 8a, 8b particularly efficiently and without jerking.
  • the weights 9a, 9b and the activator 6 are preferably made of a wear-resistant material or, at least in the areas rubbing against each other, comprise a layer of such a material.
  • the activator 6 can also move perpendicular to the cross-sectional plane shown in FIG. 2, wherein the slope of the weights preferably always runs along the direction of movement of the activator 6.
  • piezoelectric element 2 undergoes a periodically changing mechanical compressive stress in the vertical direction z, which leads to the contraction of the piezoelectric element.
  • the compressive stress generated on the piezoelectric element 2 is converted into an electrical energy as follows.
  • an electrical charge occurs due to the piezoelectric effect, which is supplied to the electrical load 3.
  • the front-side electrodes 10a and 10b are both connected to a first and the middle electrode 10c of the piezoelectric element to a second electrode of the load 3, so that the electric charge can flow from the piezoelectric element 2.
  • the dependence of the alternating voltage U on the load 3 on the time t is shown schematically in FIG.
  • This voltage is proportional to the amplitude of the mechanical vibrations of the vibrating elements 8a, 8b. This amplitude decreases with time because the vibrations are damped by friction losses and energy decoupling.
  • the tuning fork ie the oscillating device 51, preferably has an axis of symmetry which is aligned along the direction x.
  • the oscillating elements 8a, 8b then oscillate against each other in antiphase, but with the same amplitude.
  • This mechanical synchronization of the oscillating elements can be achieved with a substantially identical structure of the oscillating elements or with a symmetrical structure of the oscillating elements.
  • Device can be achieved in the same deflection of the two oscillating elements in mutually opposite directions. The same deflection can be achieved by a preferably symmetrical structure of the activator 6.
  • the portion of the connector located near the symmetry axis of the vibrator remains substantially immobile in the vibration of the vibrating members 8a, 8b.
  • the fastening region 17 is preferably arranged in this region of the connecting piece.
  • the piezoelectric element 2 preferably has a resonance frequency that substantially coincides with the vibration frequency of the vibration device.
  • the piezoelectric element 2 shown schematically in FIGS. 2 and 5 is explained in FIG. 2A. Another embodiment of the piezoelectric element 2 is shown in FIG. 2A.
  • the piezo element 2 shown in FIGS. 2A and 3 represents a multilayer component or a piezo stack, ie a stack of alternately arranged piezoelectric layers 11 and metal layers. Each metal layer is formed into an inner electrode 12a, 12b or 12c.
  • the inner electrodes of one type are conductively connected to each other and electrically isolated from the inner electrodes of the other varieties.
  • the first inner electrodes 12a are connected to a first outer electrode 10a
  • the second inner electrode 12b is connected to a second outer electrode 10b
  • the third inner electrodes 12c are connected to a third outer electrode 10c.
  • the outer electrodes 10 a, 10 b, 10 c are arranged on the surface of the piezoelectric element 2.
  • the first and third internal electrodes 12a, 12c are alternately arranged.
  • the second and the third internal electrodes 12b, 12c are arranged alternately.
  • the outer electrodes 10a and 10b are preferably both connected to ground in FIG. 2A.
  • the electrical connection between these outer electrodes can, for. B. come about by means of the U-piece of a conductive material.
  • the mounting portion 17 is formed as a tongue which branches off from the U-piece and extends along the axis of symmetry of the U-piece.
  • This tongue is provided with an opening 17 a for receiving a fastener such. B. provided a screw.
  • connection wire 15a, 15b connected (FIG. 3), wherein it is preferably soldered.
  • the outer electrodes 10a, 10b are aligned in the figures 3 and 4 perpendicular to the main surfaces of the vibrating elements 8a, 8b and in the variant according to Figures 2, 2A partially parallel thereto.
  • the polarization vector P of each piezoelectric layer 11 is preferably aligned perpendicular to the main surfaces of the vibrating elements 8a, 8b.
  • the polarization vectors P are in the variant shown in Fig. 3 perpendicular to the electrode surfaces - in this variant to the surfaces of the internal electrodes 12 - and aligned perpendicular to the main surfaces of the vibrating elements 8a, 8b.
  • the output resistance of the piezoelectric element 2 is adapted to the input resistance of the electrical load 3. This is advantageous for optimum transmission of the electrical energy generated in the piezoelectric element, so that a particularly high value of the efficiency of the piezoelectric generator can be achieved.
  • a predetermined impedance of the piezoelectric element 2 as well as its output voltage can be achieved by a suitably selected overall thickness of the piezo stack, i. H. be adjusted by the number and the thickness of the piezoelectric layers 11.
  • the device shown in FIG. 4 is suitable for generating a shear deformation of the piezoelectric element 2.
  • coupling elements 14 are provided, which are arranged between the oscillating elements 8a, 8b and the piezoelectric element 2 along a diagonal of the piezoelectric element 2.
  • the coupling elements may in principle be arranged along any line which in FIG. 4 runs obliquely to the vertical direction.
  • the piezo module d 33 plays a role here.
  • the piezoelectric element is designed as a piezoelectric layer 11, which is arranged between the external electrodes 10a, 10b.
  • the outer electrodes are preferably arranged on the main surfaces of the piezoelectric element 2.
  • the polarization vector P is here aligned parallel to the surfaces of the electrodes 10a, 10b and perpendicular to the main surfaces of the vibrating elements 8a, 8b.
  • the oscillation amplitude of the oscillating elements 8a, 8b should preferably not exceed a certain limit at which the mechanical converter of the generator can be damaged.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which a stopper 13 is provided for limiting the oscillation amplitude of the oscillating element 8a, 8b.
  • a separate stopper 13 is preferably provided for each vibrating element 8a, 8b.
  • the stoppers can protect the mechanical transducer from damage in extreme conditions in which the device comprising the piezoelectric generator is subjected to a strong mechanical action (impact) such as a hammer. B. is exposed when falling.
  • the vibrating element 8a, 8b is arranged in the direction of vibration between the parts of the stopper.
  • the parts of the stopper are mounted on the carrier in such a way that they do not interfere with the movement of the oscillating elements 8a, 8b under normal operating conditions.
  • the distance between the two parts of the stopper 13 is thus greater than the maximum permissible vibration amplitude of the vibrating elements 8a, 8b selected.
  • the oscillating elements 8a, 8b strike the stopper so that their amplitude does not reach the critical value for the destruction of the generator.
  • FIGS. 2 to 5 The features of the embodiments illustrated in FIGS. 2 to 5 can be transferred without restriction to the exemplary embodiments explained below.
  • FIG. 5A shows a variant of the piezoelectric generator presented in FIG. 5, in which the connecting piece 80 of the oscillating device divides the respective oscillation element 8a, 8b into two oscillating arms 8a-1 and 8a-2 or 8b-1 and 8b-2.
  • the swing arms 8a-2, 8b-2 are formed shorter than the swing arms 8a-l, 8b-l connected to the wicks 9a, 9b.
  • the connecting piece 80 is arranged in this case between the piezoelectric element 2 and the weights 9a, 9b.
  • the swing arms 8a-l and 8a-2 form a first lever device.
  • the swing arms 8b-1 and 8b-2 constitute a second lever device.
  • the lever devices are connected together in their substantially immovable areas by the connector 80 and run synchronously, but in antiphase.
  • FIGS. 13 to 13 A mechanical converter is partially shown in FIGS. 13 to 13, in which - unlike the oscillating device shown in FIG. 2 - the activator not shown here does not follow along the longitudinal direction x of the oscillating elements 8a, 8b but along another lateral direction y So crossways to it.
  • the weights 9a, 9b are thereby Beveled that the distance between them in the direction of y is smaller.
  • the oscillation frequency of the oscillating device 51 can be adjusted by the mass of the weights 9a, 9b, the length of the oscillating elements 8a, 8b and the position of the piezoelectric element 2.
  • the oscillation frequency is preferably equal to the resonance frequency of the piezoelectric element 2.
  • the excitation of the oscillating device 51 by the activator 6 may be periodic, with the period of excitation preferably equal to the oscillation period of the oscillating device 51 or an integer multiple of this period. In this case, a resonance condition with respect to the oscillation frequency of the oscillating device is fulfilled in the mechanical transducer for the excitation.
  • the period of the excitation can be reduced if necessary thereby and thus the excitation frequency can be increased, that instead of only one activator 6 such.
  • B. in the variants of Figures 7 and 10 to 13 a plurality of preferably similar activators 6, 6a, ⁇ b, 6c are used, wherein the successive activators are arranged at the same distance from each other on a transport device.
  • the transport device can, as in FIGS. 7 to 9, comprise a conveyor belt or, as in FIGS. 10 et seq., A rotary device.
  • Each activator is preferably formed symmetrically with respect to the main plane of the transport device.
  • FIG. 7 shows a transport device which linearly displaces the activator 6 in the direction y, ie from left to right.
  • the transport device comprises a conveyor belt 61 to which the activator 6 is attached. On this band also another activator 6a is attached.
  • the transport rollers 62a, 62b respectively rotate in the clockwise direction about a rotation axis AA or BB (see Fig. 8B), which extends in the figure 7 transversely to the plane of the drawing, and thus cause the movement of the conveyor belt 61 also in a clockwise direction.
  • Different movement phases of the activator 6 are indicated by dashed lines.
  • the first implementation of the transport device shown in FIG. 7 is shown in various views in FIGS. 8A and 8B.
  • the conveyor belt 61 has a laterally projecting tongue 63, to which the wedge-shaped activator 6 is attached.
  • the tongue 63 protrudes in a direction which is transverse to the direction of movement of the conveyor belt 61 or activator 6.
  • the lower part of the conveyor belt 61 is arranged between the oscillating elements 8a, 8b.
  • the activator 6 is here - in contrast to the variant according to FIG. 8A, 8B - arranged in the central region of the conveyor belt 61.
  • the transport rollers 62a, 62b each have a region 64 with a smaller cross section than its intended areas for belt transport. The career of the activator 6 passes between the weights 9a, 9b.
  • the activator can be mounted on a rotating device instead of a treadmill.
  • On the turning device can activate several activators be mounted, whereby the excitation frequency at the same ⁇ remaining rotational frequency of the rotating device relative to the variant with only one activator can be increased.
  • the arrangement of the rotating device and the activators is preferably point-symmetrical with respect to their center lying at the axis of rotation.
  • the rotating device is realized as a disc 16c which rotates about an axis which is perpendicular to the main planes of the disc.
  • the rotating device may have at least one web 16a, 16b which extends perpendicular to the axis of rotation and is rotatable about the axis of rotation.
  • the rotating device is realized as a web 16a, passes through the center of the axis of rotation, wherein at both ends of the web 16a in each case an activator is attached.
  • the rotating device can also be realized as in FIG. 12 in the form of a turnstile.
  • a plurality of webs extend from the axis of rotation along a respective radial direction outwards.
  • the webs thus form a preferably symmetrical star arrangement.
  • the ends of the webs can be connected to each other by a rim - the ring 16 in Fig. 13 -, wherein the rotating device has the shape of an impeller.
  • the oscillating device which, in addition to the oscillating elements 8a, 8b in the form of a spiral spring, comprises a ring 16 which is rotatable about an axis of rotation AA and to which the preferably wedge-shaped activator 6 is fastened.
  • the axis of rotation AA extends transversely to the longitudinal direction of the oscillating elements 8a, 8b outside the space Reichs, in which these vibrating elements and the weights 9a, 9b are arranged.
  • the activator 6 moves in a circle under the action of an external force, and counterclockwise in FIG. 14A along the dashed line.
  • the axis of rotation AA and the diameter of the ring 16 is preferably selected so that the activator 6 can slide in the predetermined region of the rotational phase of the ring 16 between the weights 9a, 9b.
  • two substantially equal activators 6 and 6a are preferably provided on the ring 16. Upon rotation of the ring, the activator 6 and 6a slides between the weights 9a, 9b, thus causing the oscillating elements 8a, 8b to be pushed apart, as in the examples explained above. This is shown in Figure 14C below.
  • each activator 6, 6a, 6b, 6c extends between the vibrating elements 8a, 8b.
  • FIG. 15 shows a rotating device in the form of a toothed wheel.
  • the gear is preferably formed symmetrically with respect to the plane EE, which is aligned transversely to the axis of rotation AA and passes over the center of the wheel.
  • the activators 6, 6a, 6b, 6c are arranged along the wheel circumference and each represent a projection in a radial direction.
  • Oscillating elements 8a, 8b match y second lateral direction z vertical direction

Abstract

Es wird ein Piezogenerator mit einem Piezoelement (2) und einem mechanischen Wandler (5) angegeben, der eine Schwingvorrichtung und einen Aktivator (6) zur Übertragung einer mechanischen Kraft auf diese Vorrichtung umfasst. Die Schwingvorrichtung ist zur Erzeugung einer Druckspannung am Piezoelement (2) vorgesehen.

Description

Beschreibung
Piezoelektrischer Generator
Ein Piezogenerator ist z. B. aus der Druckschrift US 5,751,091 bekannt. Dieser Generator wird in einer Uhr eingesetzt. Ein weiterer Piezogenerator ist aus der Druckschrift JP 11-146663 A bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen hocheffizienten Piezogenerator anzugeben, der sich durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet.
Es wird ein Piezogenerator mit einem Piezoelement und einer Schwingvorrichtung angegeben, die schwingfähige Schwingelemente aufweist, zwischen denen das Piezoelement eingeklemmt ist. Die Schwingelemente sind gegeneinander schwingbar.
Der Piezogenerator ist zur Transformation der mechanischen Energie in die elektrische Energie geeignet. Der Piezogenerator kann z. B. zur Spannungsversorgung in einem tragbaren e- lektrischen Gerät realisiert sein. Die mechanische Energie kann durch Körper- oder Luftbewegungen erzeugt werden.
Die Schwingvorrichtung ist vorzugsweise zur Vorspannung des Piezoelements vorgesehen. Mit einem vorgespannten Piezoelement gelingt es, eine besonders hohe Leistungsdichte des Generators zu erzielen. Die Schwingvorrichtung ist vorzugsweise zur Erzeugung einer Druckspannung am Piezoelement vorgesehen. Das Piezoelement kann durch die Druckspannung entlang einer Längsrichtung zusammengedrückt werden. Mittels der Druckspannung kann aber auch eine Scherdeformation des Piezoelements herbeigeführt werden. Bei den Schwingungen der Schwingelemente wird die Deformation des in der Schwingvorrichtung eingeklemmten Piezoelements bewirkt. Mittels des Piezoelements geht die mechanische Energie der Schwingvorrichtung in die elektrische Energie über.
Zur Übertragung einer mechanischen Kraft auf die Schwingvorrichtung kann ein Aktivator vorgesehen sein. Der Aktivator ist ein Kraftübertragungselement zur Anregung von Schwingungen der Schwingvorrichtung. Diese Anregung ist in einer bevorzugten Variante durch eine Anregungsfrequenz charakterisiert .
Die Schwingvorrichtung und der Aktivator sind Bestandteile eines mechanischen Wandlers, in dem die Wandlung zwischen verschiedenen Formen beziehungsweise die Übertragung der mechanischen Energie erfolgt.
Die Schwingvorrichtung und das Piezoelement bilden zusammen ein Resonanzsystem, das durch eine Eigenfrequenz charakterisiert ist. Dies kann seine Grundfrequenz oder eine höhere harmonische Oberschwingung der Grundfrequenz sein. Es ist vorteilhaft, die Anregungsfrequenz gleich der Eigenfrequenz dieses Resonanzsystems zu wählen.
Die Schwingvorrichtung ist zu mechanischen Schwingungen mit einer Schwingfrequenz anregbar, welche die Frequenz des e- lektrischen Signals vorgibt. Im Gegensatz zu einem Mikrofon, das eine relativ große Bandbreite aufweist, erfolgt die Anregung der Schwingvorrichtung vorzugsweise mit einer Frequenz, welche annähernd gleich der Resonanzfrequenz des Resonanzsystems ist, oder mit einer davon abweichenden, aber konstanten Anregungsfrequenz . Die Schwingvorrichtung kann nach einer Anregungsphase, in der die Schwingelemente von ihrer Ruhelage ausgelenkt werden, frei schwingen. Die Schwingvorrichtung weist in einer bevorzugten Variante mechanisch an die Schwingelemente gekoppelte Energiespeicherelemente auf. Die in den Energiespeicherelementen gespeicherte Energie wird nach der vorgesehenen maximalen Auslenkung in freie Schwingungen der Schwingvorrichtung umgesetzt .
Unabhängig davon kann der mechanische Wandler ein von den Schwingelementen mechanisch entkoppeltes zweites Energiereservoir umfassen, das zur Anregung der- Schwingelemente vorgesehen ist. Diese Energie kann den Schwingelementen unmittelbar oder mithilfe des Aktivators zugeführt werden. Die in diesem Reservoir gespeicherte Energie kann in freie oder - bei Verwendung des Aktivators - erzwungene Schwingungen der Schwingvorrichtung umgesetzt werden.
Das zweite Energiereservoir kann so ausgebildet sein, dass es zur Speicherung einer mechanischen Energie, insbesondere der Energie von unkorrelierten mechanischen Einwirkungen geeignet ist. Mögliche mechanische Einwirkungen sind in der Regel un- korrelierte Vibrationen des Trägers, an dem die Schwingvorrichtung befestigt ist. Auch die Energie von Luftdruck (z. B. bei Atem und akustischen Signalen der Umgebung) kann im Energiereservoir akkumuliert werden. Der Aktivator entnimmt Energie dem Energiereservoir und überträgt sie an die Schwingvorrichtung. Die Energie des Energiereservoirs kann z. B. zum Antrieb einer nachstehend erläuterten Transportvorrichtung verwendet werden, an die der Aktivator gekoppelt ist. Das Kraftübertragungselement (Aktivator) und die Schwingvorrichtung können bezüglich der Eigenfrequenz des Resonanzsystems synchronisiert sein. Die Schwingfrequenz der Schwingvorrichtung kann in einer Variante mit der Frequenz der Anregung übereinstimmen, die vorzugsweise an die Eigenfrequenz der Schwingvorrichtung ange- passt ist. In einem Anregungszyklus können z. B. ein bis drei oder auch mehr Schwingzyklen der Schwingvorrichtung enthalten sein. Die Anregung mit einer Anregungsfrequenz, die von der Eigenfrequenz der Schwingvorrichtung unterschiedlich ist, ist auch möglich.
Die Schwingelemente weisen jeweils vorzugsweise ein befestigtes Ende und ein frei schwingbares Ende auf. Jedes Schwingelement kann z. B. eine streifenförmige Biegefeder sein. Die Schwingelemente können beispielsweise die Schenkel eines U- Stücks bilden, das in einem Fixierbereich (Haltepunkt) an einem Träger befestigt ist. Der Fixierbereich ist im Bereich des Verbindungsstücks des U-Stücks angeordnet, der bei der Schwingung der Stimmgabel die geringste Schwingungsamplitude aufweist .
Die Schwingvorrichtung hat in einer bevorzugten Variante die Form einer Stimmgabel, die neben dem U-Stück einen Befestigungsvorsprung aufweist, der an einem Träger befestigbar ist. Der Befestigungsvorsprung ist an einen Bereich des Verbindungsstücks des U-Stücks gekoppelt, der bei der Schwingung der Stimmgabel die geringste Schwingungsamplitude aufweist.
Die Schwingelemente können aber auch langgestreckte Streifen sein, die an beiden Enden am Träger befestigt sind. Die Mitte von diesen Elementen schwingt mit maximaler Amplitude wie das freie Ende eines Schwingelements, das nur an einem Ende befestigt ist. Die Erschütterungen (Vibrationen) des Trägers können die Schwingvorrichtung zum Schwingen bringen. Die Schwingvorrichtung kann aber auch durch einen Gasdruck (z. B. Luftdruck) zum Schwingen gebracht werden. Dies kann in beiden Fällen mit oder ohne einen Aktivator zustande kommen.
Der Aktivator stellt z. B. ein bewegliches Teil dar, das bei seiner Bewegung zur Veränderung des Abstands zwischen den Schwingelementen geeignet ist. Unter der Einwirkung einer äußeren mechanischen Kraft berührt der Aktivator die Schwingelemente im Bereich ihrer freien Enden, wobei diese Schwingelemente auseinander gedrückt werden. Der Aktivator vollführt in einer bevorzugten Variante im Wesentlichen periodische Bewegungen, so dass die Anregung der Schwingvorrichtung periodisch erfolgt. Die Bewegung des Aktivators kann eine Translation oder eine Rotation sein. Bei jedem Durchgang des Aktivators zwischen den Schwingelementen wird in den Energiespeicherelementen die Energie übertragen, die nach dem Durchgang des Aktivators an das Piezoelement übertragen wird.
Der Aktivator ist vorzugsweise keilförmig, d. h. er weist einen sich verjüngenden Querschnitt auf. Der Aktivator und/oder die Schwingelemente können in einer vorteilhaften Variante zumindest in ihrem Kontaktbereich eine verschleißfeste Schicht aufweisen, d. h. eine Schicht aus einem gegenüber dem Grundmaterial des jeweiligen Elements verschleißfesten Material. Diese Schicht kann z. B. Ir, W, Ti oder beliebige Materialien enthalten, die die Reibungsverluste an den Kontaktflächen zwischen Aktivator und Schwingelement minimieren.
Der mechanische Wandler kann eine Transportvorrichtung umfassen, die zum Transport des Aktivators vorgesehen ist. Die Transportvorrichtung ist bezüglich der Schwingvorrichtung so platziert, dass der Aktivator zwischen den Schwingelementen, vorzugsweise durch die Mitte des als Kontaktbereich vorgesehenen Bereichs durchlaufen kann.
Die Transportvorrichtung kann in einer Variante ein Transportband umfassen, das mittels Transportrollen in Bewegung gesetzt wird. Die Transportrollen sind vorzugsweise an ein vorstehend erwähntes Energiereservoir gekoppelt. Die Transportvorrichtung kann alternativ eine Drehvorrichtung in Form einer Scheibe, eines Rads oder eines Rings umfassen, die bzw. der um eine Drehachse drehbar ist und an dem der Aktivator befestigt ist, der bei der Drehung des Rades das Auseinanderdrücken der Schwingelemente bewirkt. Die Drehachse ist vorzugsweise guer zur Längsrichtung der Schwingelemente ausgerichtet .
Das Piezoelement weist Elektroden und mindestens eine piezoelektrische Schicht auf, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Die Elektroden können z. B. Außenelektroden sein, die auf der Oberfläche eines Grundkörpers des Piezoelements angeordnet sind. Zwischen den Außenelektroden ist eine Piezo- schicht angeordnet. Bei der Deformation dieser Piezoschicht entsteht eine elektrische Ladung an den Elektroden.
Die Elektroden können aber auch Innenelektroden sein, die jeweils zwischen zwei Piezoschichten angeordnet sind. Vorzugsweise sind mehrere Innenelektroden vorhanden, die abwechselnd an eine erste und eine zweite Außenelektrode angeschlossen sind. In diesem Fall stellt das Piezoelement ein Vielschicht- Bauelement dar.
Für piezoelektrische Schichten sind insbesondere Piezomateri- alien mit hohen Werten des Piezomoduls - z. B. des Piezomo- duls cbi, d33, dis - geeignet. Damit kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Als Piezomaterial ist Keramik mit piezoelektrischen Eigenschaften sehr gut geeignet.
Die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schicht ist vorzugsweise quer zu den Hauptflächen der Schwingelemente gerichtet. Die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schichten ist in einer Variante quer zu den Innenelektroden oder Außenelektroden des Piezoelements gerichtet. Die Elektroden, insbesondere Außenelektroden des Piezoelements können auch jeweils im Wesentlichen parallel zur Polarisationsrichtung der mindestens einen piezoelektrischen Schicht ausgerichtet sein.
Die Schwingelemente können vorzugsweise im Bereich ihrer frei schwingbaren Enden jeweils ein Energiespeicherelement aufweisen. Als Energiespeicherelemente sind Gewichte geeignet. Die Gewichte sind nicht nur zur Energiespeicherung, sondern auch zur Einstellung der Schwingfrequenz, insbesondere der Eigenfrequenz der Schwingvorrichtung geeignet. Bei ausreichend großen Gewichten kann beispielsweise die Länge der Schenkel der Schwingvorrichtung besonders klein gewählt werden, was im Sinne der Miniaturisierung des Piezogenerators ist.
Die zueinander gewandten Seiten der Gewichte sind vorzugsweise derart angeschrägt, dass der Abstand zwischen den Gewichten mit der Entfernung von der Ausgangslage des Aktivators abnimmt. Im Ruhezustand ist der Mindestabstand zwischen den Gewichten kleiner als die breiteste Stelle des vorzugsweise keilförmigen Aktivators. Die Gewichte werden unter Einwirkung der äußeren mechanischen Kraft durch den Aktivator berührt und bezüglich ihrer Ruhelage ausgelenkt, wobei die Gewichte entsprechend ihrer Auslenkung die Energie speichern. Für jeweiliges Schwingelement ist vorzugsweise ein Begren- zungseleinent zur Begrenzung der Schwingungsamplitude dieses Schwingelements vorgesehen.
Der Piezogenerator wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen schematisch :
Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Piezogenerators;
Figur 2 im Querschnitt den Piezogenerator mit einer Schwingvorrichtung und vorgespanntem Piezoelement, wobei Schwingelemente der Schwingvorrichtung durch einen Aktivator auseinander gedrückt sind (oben) und frei schwingen (unten) ;
Figur 2A den Aufbau des in Figuren 2 und 5 gezeigten Piezoelements;
Figur 3 im Längsquerschnitt ein Piezoelement mit piezoelektrischen Schichten, deren Polarisationsrichtung senkrecht zu den Innenelektroden des Piezoelements gerichtet ist;
Figur 4 im Querschnitt ein Piezoelement mit einer piezoelektrischen Schicht, deren Polarisationsrichtung parallel zu den Elektroden des Piezoelements gerichtet ist;
Figur 5 im Querschnitt einen Piezogenerator, bei dem im mechanischen Wandler Stopper zur Begrenzung der Schwingungsamplitude von Schwingelementen vorgesehen sind;
Figur 5A eine Variante des in Fig. 5 vorgestellten Piezogenerators, bei dem das Verbindungsstück der Schwingvorrichtung das jeweilige Schwingungselement in zwei Schwingarme unterteilt;
Figur 6 im Querschnitt eine Schwingvorrichtung, bei der der Aktivator sich quer zu der Längsrichtung der Schwingelemente bewegt;
Figur 7 Transportvorrichtung mit einem Laufband zur Versetzung des Aktivators entlang einer Linie;
Figuren 8A, 8B eine perspektivische Ansicht und die Draufsicht auf eine Variante der Transportvorrichtung gemäß Figur 7 , bei der der Aktivator seitlich am Laufband angeordnet ist;
Figur 9 die Draufsicht auf eine weitere Variante der Transportvorrichtung gemäß Figur 7, bei der der Aktivator im Mittelbereich des Laufbands angeordnet ist;
Figur 10 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der mehrere Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form einer Scheibe montiert sind;
Figur 11 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der zwei Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form einer Speiche an beiden Enden der Speiche montiert sind;
Figur 12 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der vier Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form eines Drehkreuzes montiert sind;
Figur 13 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der vier Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form eines Laufrads montiert sind; Figuren 14A, 14B und 14C ausschnittsweise den Querschnitt des Piezogenerators, bei dem der mechanische Wandler einen rotierbaren Ring mit einem darauf befestigten Aktivator um- fasst, in verschiedenen Phasen der Ringrotation;
Figur 15 die Seitenansicht einer Transportvorrichtung in Form eines Zahnrads .
Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Piezogenera- tors 1. Der Generator umfasst ein Piezoelement 2 und einen mechanischen Wandler 5. Der mechanische Wandler 5 umfasst einen Aktivator 6 und eine Schwingvorrichtung 51. Der Aktivator 6 ist ein bewegliches Teil, das die Energie einer äußeren mechanischen Kraft 7 auf die Schwingvorrichtung 51 überträgt und somit diese Vorrichtung zum Schwingen bringt. Die Schwingvorrichtung 51 steht im mechanischen Kontakt mit dem Piezoelement 2, so dass bei der Schwingung der Schwingvorrichtung 51 die Übertragung der mechanischen Energie auf das Piezoelement 2 möglich ist.
Im mechanischen Wandler erfolgt die Wandlung der mechanischen Energie von einer Form in die andere. Beispielsweise wird die Energie der Translationsbewegung des Aktivators 6 in Schwingungen der Schwingvorrichtung 51 umgewandelt. Die Schwingvorrichtung 51 trägt bei der Schwingung eine wechselhafte Druckspannung 4 auf das Piezoelement 2 über. Das Piezoelement 2 ist elektrisch mit einer elektrischen Last 3 - Verbraucher - verbunden. Im Piezoelement 2 erfolgt die Transformation der mechanischen Energie in die elektrische, die der elektrischen Last 3 zugeführt wird. Bevorzugte Ausführungen des Piezoele- ments 2 sind in den Figuren 3 und 4 erläutert. Die Ausführung des Piezoelements ist jedoch auf diese Beispiele nicht be- grenzt. Im Prinzip kann das Piezoelement einen beliebigen Aufbau aufweisen.
In Figur 2 ist eine beispielhafte Implementierung des piezoelektrischen Generators mit einer Schwingvorrichtung gezeigt, welche die Form einer Stimmgabel aufweist, also als ein U- Stück ausgebildet ist. Das U-Stück weist zwei Schenkel und ein Verbindungsstück auf, das die beiden Schenkel miteinander verbindet. Die Schenkel des Ü-Stücks sind Schwingelemente 8a, 8b, die die Flügel der Schwingvorrichtung darstellen. Die Schwingungen des zweiten Schwingelements 8b sind mit den Schwingungen des ersten Schwingelements 8a korreliert.
Das Verbindungsstück des U-Stücks weist einen Befestigungsbereich 17 auf, in dem die Schwingvorrichtung an einem nicht gezeigten Träger wie z. B. dem Gehäuse des Generators befestigt ist.
Das Piezoelement 2 ist im Ausgangszustand zwischen den Flügeln der Schwingvorrichtung in der Nähe des Verbindungsstücks eingeklemmt und dadurch vorgespannt. In einer Variante wird das Piezoelement 2 ausschließlich durch die Schenkel der Schwingvorrichtung gehalten. Möglich ist aber auch, dass die Flügel hauptsächlich zum periodischen Zusammendrücken des Piezoelements 2 dienen, wobei das Piezoelement zusätzlich von einer von der Schwingvorrichtung mechanisch entkoppelten Haltevorrichtung gestützt, gehalten oder getragen wird.
Die Flügel der Schwingvorrichtung stellen beispielsweise streifenförmige Biegefedern dar. Die Schwingvorrichtung um- fasst außerdem Gewichte 9a, 9b, die am freien Ende des jeweiligen Schwingelements 8a, 8b montiert und zur Speicherung einer mechanischen Energie geeignet sind. Die Schwingelemente 8a, 8b können auch unabhängig voneinander am Träger befestigt sein. Ausschlaggebend ist es, dass ein Ende des Schwingelements 8a und 8b frei schwingen kann. Die Ausführung der Schwingvorrichtung mit nur einem Schwingelement, z. B. dem oberen Flügel 8a der Schwingvorrichtung ist auch denkbar, falls der untere Flügel durch eine nicht bewegliche Auflage ersetzt wird.
Die Gewichte 9a, 9b im Kontaktbereich und der Aktivator 6 weisen vorzugsweise schräge, zueinander gewandte Flächen auf, die an einer Stelle abrupt aufhören, welche beim Entgleiten des Aktivators aus dem Kontaktbereich als Letztes berührt wird. An dieser Stelle wird die maximale Auslenkung der Schwingelemente 8a, 8b erzielt. Die schrägen Flächen schneiden sich jeweils vorzugsweise mit einer waagerecht ausgerichteten Fläche. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall beim Passieren des Aktivators 6 durch den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung unmittelbar nach dem Erreichen der maximalen Auslenkung der Schwingelemente 8a, 8b ein abruptes Loslassen dieser Schwingelemente bewirkt. Damit gelingt es, die mechanische Energie am effizientesten zu übertragen.
Der Aktivator 6 kann insbesondere in Form eines Keils ausgebildet sein. Die Keilform ist besonders vorteilhaft, da damit ein abruptes Loslassen der ausgelenkten Schwingelemente möglich ist, wonach die Schwingelemente frei schwingen können.
Der Querschnitt des Keils verbreitert sich zu dem Ende hin, das den Kontaktbereich als Letztes verlässt. Der Mindestabstand zwischen den Gewichten 9a, 9b ist kleiner als die breiteste Stelle des Aktivators 6. Der Aktivator 6 bewegt sich in der Figur 2 von links nach rechts zwischen den Gewichten 9a, 9b und gleitet dabei an den zu ihm gewandten Flächen dieser Gewichte. Die den Aktivator berührenden Flächen der Gewichte werden als ein Kontaktbereich bezeichnet. Sobald die Querschnittsgröße des Aktivators den Mindestabstand zwischen den Gewichten 9a, 9b überschreitet, werden die Gewichte 9a, 9b auseinander gedrückt, was in der Figur 2 oben mit Pfeilen angedeutet ist.
Die Gewichte 9a, 9b sind auf den zueinander gewandten Seiten derart angeschrägt, dass das Gleiten des Keils zwischen diesen Gewichten erleichtert ist. Durch die Keilform des Aktivators 6 und die Anschrägung der Gewichte 9a, 9b gelingt es, die Schwingelemente 8a, 8b besonders effizient und ruckfrei auseinander zu drücken.
Die Gewichte 9a, 9b und der Aktivator 6 sind vorzugsweise aus einem abnutzungsfesten Material hergestellt oder zumindest in den Bereichen, die aneinander reiben, eine Schicht aus einem solchen Material aufweisen.
Der Aktivator 6 kann sich auch senkrecht zu der in Figur 2 gezeigten Querschnittsebene bewegen, wobei die Schräge der Gewichte vorzugsweise stets entlang der Bewegungsrichtung des Aktivators 6 verläuft.
Bei der durch die Bewegung des Aktivators hervorgerufene Auslenkung der Schwingelemente 8a, 8b wird in diesen eine Energie gespeichert. Sobald der Aktivator den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung verlässt, fangen die Gewichte an, sich unter der Wirkung einer Rückstellkraft in eine Gegenrichtung zu bewegen. Die Bewegungsrichtung der Schwingelemente 8a, 8b unmittelbar nach dem Entgleiten des Aktivators aus dem Kontaktbereich ist in der Figur 2 unten mit Pfeilen angedeutet. Dabei wird die in den Gewichten 9a, 9b eingespeicherte Potenti- alenergie in die kinetische Energie dieser Gewichte bzw. in die Schwingungsenergie der Schwingvorrichtung umgesetzt, da die Bewegung der Gewichte 9a, 9b das Oszillieren der Schwingelemente 8a, 8b bewirkt.
Während der Schwingdauer der Schwingelemente 8a, 8b erfährt Piezoelement 2 eine sich bezüglich der Zeit periodisch ändernde mechanische Druckspannung in Vertikalrichtung z, welche zur Kontraktion des Piezoelements führt. Die am Piezoelement 2 erzeugte Druckspannung wird in eine elektrische Energie folgendermaßen umgesetzt. An den Elektroden 10a, 10b, 10c des Piezoelements 2 tritt infolge des piezoelektrischen Effekts eine elektrische Ladung auf, die der elektrischen Last 3 zugeführt wird. Die stirnseitigen Elektroden 10a und 10b werden beide an eine erste und die mittlere Elektrode 10c des Piezoelements an eine zweite Elektrode der Last 3 angeschlossen, so dass die elektrische Ladung vom Piezoelement 2 abfließen kann.
Die Abhängigkeit der an der Last 3 gemessenen Wechselspannung U von der Zeit t ist in der Figur 2 schematisch gezeigt. Diese Spannung ist proportional zu der Amplitude der mechanischen Schwingungen der Schwingelemente 8a, 8b. Diese Amplitude verringert sich mit der Zeit, da die Schwingungen durch Reibungsverluste und Energieentkopplung gedämpft werden.
Die Stimmgabel, d. h. die Schwingvorrichtung 51, weist vorzugsweise eine Symmetrieachse auf, die entlang der Richtung x ausgerichtet ist. Die Schwingelemente 8a, 8b schwingen dann gegeneinander in Gegenphase, aber mit der gleichen Amplitude. Diese mechanische Synchronisation der Schwingelemente kann mit einem im wesentlichen gleichen Aufbau der Schwingelemente beziehungsweise mit einem symmetrischen Aufbau der Schwing- Vorrichtung bei der gleichen Auslenkung der beiden Schwingelemente in zueinander entgegen gesetzten Richtungen erzielt werden. Die gleiche Auslenkung kann durch einen vorzugsweise symmetrischen Aufbau des Aktivators 6 erzielt werden.
Der Bereich des Verbindungsstücks, der in der Nähe der Symmetrieachse der Schwingvorrichtung liegt, bleibt bei der Schwingung der Schwingelemente 8a, 8b im Wesentlichen unbeweglich. Der Befestigungsbereich 17 ist vorzugsweise in diesem Bereich des Verbindungsstücks angeordnet. Somit werden die Schwingungen der Schwingelemente 8a, 8b durch die Verbindung mit dem Träger nur geringfügig gedämpft.
Das Piezoelement 2 weist vorzugsweise eine Resonanzfrequenz auf, die im Wesentlichen mit der Schwingungsfrequenz der Schwingvorrichtung übereinstimmt.
Das in Figuren 2 und 5 schematisch gezeigtes Piezoelement 2 ist in der Figur 2A erläutert. Eine weitere Ausführungsform des Piezoelements 2 ist in Figur 3 gezeigt.
Das in Figuren 2A und 3 gezeigte Piezoelement 2 stellt ein Mehrschicht-Bauelement bzw. einen Piezostack dar, d. h. einen Stapel von abwechselnd angeordneten piezoelektrischen Schichten 11 und Metallschichten. Jede Metallschicht ist zu einer Innenelektrode 12a, 12b oder 12c ausgebildet. Die Innenelektroden einer Sorte sind leitend miteinander verbunden und von den Innenelektroden der anderen Sorten elektrisch isoliert. Die ersten Innenelektroden 12a sind an eine erste Außenelektrode 10a, die zweiten Innenelektrode 12b an eine zweite Außenelektrode 10b und die dritten Innenelektroden 12c an eine dritte Außenelektrode 10c angeschlossen. Die Außenelektroden 10a, 10b, 10c sind an der Oberfläche des Piezoelements 2 angeordnet.
Im unteren Teil des in Figur 2A gezeigten Piezoelements 2 sind die ersten und die dritten Innenelektroden 12a, 12c abwechselnd angeordnet. Im oberen Teil dieses Piezoelements sind die zweiten und die dritten Innenelektroden 12b, 12c abwechselnd angeordnet.
Die Außenelektroden 10a und 10b sind in Figur 2A vorzugsweise beide an Masse angeschlossen. Die elektrische Verbindung zwischen diesen Außenelektroden kann z. B. mittels des U-Stücks aus einem leitfähigen Material zustande kommen.
In der in Figur 2A gezeigten Variante ist der Befestigungsbereich 17 als eine Zunge ausgebildet, die vom U-Stück abzweigt und sich entlang der Symmetrieachse des U-Stücks erstreckt. Diese Zunge ist mit einer Öffnung 17a zur Aufnahme eines Befestigungselements wie z. B. einer Schraube versehen.
An die Außenelektroden 10a, 10b ist jeweils ein Anschlussdraht 15a, 15b angeschlossen (Fig. 3), wobei er vorzugsweise angelötet ist. Die Außenelektroden 10a, 10b sind in den Figuren 3 und 4 senkrecht zu den Hauptflächen der Schwingelemente 8a, 8b und in der Variante gemäß Figuren 2, 2A teilweise parallel dazu ausgerichtet.
Der Polarisationsvektor P von jeder Piezoschicht 11 ist vorzugsweise senkrecht zu den Hauptflächen der Schwingelemente 8a, 8b ausgerichtet. Die Polarisationsvektoren P sind in der in Fig. 3 gezeigten Variante senkrecht zu den Elektrodenflächen - in dieser Variante zu den Flächen der Innenelektroden 12 - sowie senkrecht zu den Hauptflächen der Schwingelemente 8a, 8b ausgerichtet.
Vorzugsweise ist der Ausgangswiderstand des Piezoelements 2 an den Eingangswiderstand der elektrischen Last 3 angepasst. Dies ist für eine optimale Übertragung der im Piezoelement erzeugten elektrischen Energie von Vorteil, so dass ein besonders großer Wert des Wirkungsgrads des Piezogenerators erzielt werden kann. Eine vorgegebene Impedanz des Piezoelements 2 sowie seine Ausgangsspannung kann durch eine geeignet gewählte Gesamtdicke des Piezostacks, d. h. durch die Anzahl und die Dicke der Piezoschichten 11 eingestellt werden.
Die in der Figur 4 gezeigte Vorrichtung ist zur Erzeugung einer Scherdeformation des Piezoelements 2 geeignet. Dafür sind Kopplungselemente 14 vorgesehen, die zwischen den Schwingelementen 8a, 8b und dem Piezoelement 2 entlang einer Diagonale des Piezoelements 2 angeordnet sind. Die Kopplungselemente können im Prinzip entlang einer beliebigen Linie angeordnet sein, die in der Figur 4 schräg zu der Vertikalrichtung verläuft.
In der Schwingungsphase, in der die Schenkel der Schwingvorrichtung aufeinander zulaufen, wird die rechte Seite des Piezoelements 2 mithilfe des oberen Kopplungselements 14 nach unten und seine linke Seite mithilfe des unteren Kopplungselements 14 nach oben gedrückt. Die Schwingelemente 8a, 8b üben in diesem Fall auf das Piezoelement 2 eine Scherkraft aus. Dabei entsteht eine Scherdeformation des Grundkörpers des Piezoelements. In diesem Fall ist der Polarisationsvektor P vorzugsweise entlang der Hauptrichtung der Scherdeformation ausgerichtet . Während der Schwingung der Schwingvorrichtung wird in der Variante gemäß der Figur 4 eine sich periodisch ändernde Scherdeformation des Piezoelements 2 erzeugt, um die mechanische Energie in die elektrische umzuwandeln. Für diese Transformation spielt hier vorzugsweise der Piezomodul d33 eine Rolle.
In der in Fig. 4 vorgestellten Variante ist das Piezoelement als eine Piezoschicht 11 ausgebildet, die zwischen den Außenelektroden 10a, 10b angeordnet ist. Die Außenelektroden sind vorzugsweise an den Hauptflächen des Piezoelements 2 angeordnet. Der Polarisationsvektor P ist hier parallel zu den Flächen der Elektroden 10a, 10b und senkrecht zu den Hauptflächen der Schwingelemente 8a, 8b ausgerichtet.
Die Schwingungsamplitude der Schwingelemente 8a, 8b soll einen bestimmten Grenzwert vorzugsweise nicht überschreiten, bei dem der mechanische Wandler des Generators beschädigt werden kann. In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zur Begrenzung der Schwingungsamplitude des Schwingelements 8a, 8b ein Stopper 13 vorgesehen ist. Für jedes Schwingelement 8a, 8b ist vorzugsweise ein eigener Stopper 13 vorgesehen. Die Stopper können den mechanischen Wandler vor Beschädigung in Extrembedingungen schützen, bei denen das den Piezogenerator umfassende Gerät einer starken mechanischen Einwirkung (Schlag) wie z. B. beim Fallen ausgesetzt wird.
Das Schwingelement 8a, 8b ist in Schwingungsrichtung zwischen den Teilen des Stoppers angeordnet. Somit ist die Schwingung des Schwingelements beidseitig begrenzt. Die Teile des Stoppers sind derart am Träger montiert, dass sie bei den normalen Betriebsbedingungen die Bewegung der Schwingelemente 8a, 8b nicht beeinträchtigen. Der Abstand zwischen den beiden Teilen des Stoppers 13 ist also größer als die maximale zu- lässige Schwingungsamplitude der Schwingelemente 8a, 8b gewählt. Sobald die äußere Kraft 7 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, werden die Schwingelemente 8a, 8b am Stopper anschlagen, so dass ihre Amplitude den für die Zerstörung des Generators kritischen Wert nicht erreicht.
Die Merkmale der in den Figuren 2 bis 5 erläuterten Ausführungen sind ohne Einschränkung auf die nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele übertragbar.
In Figur 5A ist eine Variante des in Fig. 5 vorgestellten Piezogenerators, bei dem das Verbindungsstück 80 der Schwingvorrichtung das jeweilige Schwingungselement 8a, 8b in zwei Schwingarme 8a-l und 8a-2 bzw. 8b-l und 8b-2 unterteilt, gezeigt. Die Schwingarme 8a-2, 8b-2 sind kürzer ausgebildet als die mit den Gewischten 9a, 9b verbundenen Schwingarme 8a-l, 8b-l. Das Verbindungsstück 80 ist in diesem Fall zwischen dem Piezoelement 2 und den Gewichten 9a, 9b angeordnet.
Die Schwingarme 8a-l und 8a-2 bilden eine erste Hebelvorrichtung. Die Schwingarme 8b-l und 8b-2 bilden eine zweite Hebelvorrichtung. Die Hebelvorrichtungen sind in ihren im Wesentlichen unbeweglichen Bereichen durch das Verbindungsstück 80 miteinander verbunden und laufen synchron, aber in Gegenphase.
In den Figuren β bis 13 ist ausschnittsweise ein mechanischer Wandler gezeigt, bei dem - im Gegensatz zu der in der Figur 2 gezeigten Schwingvorrichtung - der hier nicht gezeigte Aktivator sich nicht entlang der Längsrichtung x der Schwingelemente 8a, 8b, sondern entlang einer anderen Lateralrichtung y, also quer dazu läuft. Die Gewichte 9a, 9b sind dabei der- art angeschrägt, dass der Abstand zwischen ihnen in Richtung y kleiner wird.
Die Schwingfrequenz der Schwingvorrichtung 51 kann durch die Masse der Gewichte 9a, 9b, die Länge der Schwingelemente 8a, 8b und die Lage des Piezoelements 2 eingestellt werden. Die Schwingfrequenz ist vorzugsweise gleich der Resonanzfrequenz des Piezoelements 2.
Die Anregung der Schwingvorrichtung 51 durch den Aktivator 6 kann periodisch sein, wobei die Periode der Anregung vorzugsweise der Schwingungsperiode der Schwingvorrichtung 51 gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Periode ist. Dabei ist im mechanischen Wandler für die Anregung eine Resonanzbedingung bezüglich der Schwingfrequenz der Schwingvorrichtung erfüllt. Die Periode der Anregung kann bei Bedarf dadurch verringert und somit die Anregungsfrequenz erhöht werden, dass anstelle nur eines Aktivators 6 wie z. B. in den Varianten gemäß den Figuren 7 und 10 bis 13 mehrere vorzugsweise gleichartige Aktivatoren 6, 6a, βb, 6c verwendet werden, wobei die aufeinander folgenden Aktivatoren im gleichen Abstand voneinander auf einer Transportvorrichtung angeordnet sind. Die Transportvorrichtung kann wie in Fig. 7 bis 9 ein Transportband oder wie in Fig. 10 ff. eine Drehvorrichtung umfassen. Jeder Aktivator ist vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Hauptebene der Transportvorrichtung ausgebildet.
In Figur 7 ist eine Transportvorrichtung vorgestellt, die den Aktivator 6 in Richtung y, d. h. von links nach rechts, linear versetzt. Die Transportvorrichtung umfasst ein Transportband 61, an dem der Aktivator 6 befestigt ist. An diesem Band ist außerdem ein weiterer Aktivator 6a befestigt. Die Transportrollen 62a, 62b drehen sich jeweils im Uhrzeigersinn um eine Drehachse AA bzw. BB (vgl. Fig. 8B) , die in der Figur 7 quer zur Zeichnungsebene verläuft, und bewirken damit die Bewegung des Transportbands 61 auch im Uhrzeigersinn. Verschiedene Bewegungsphasen des Aktivators 6 sind mit gestrichelten Linien angedeutet.
Die erste Realisierung der in der Figur 7 gezeigten Transportvorrichtung ist in verschiedenen Ansichten in den Figuren 8A und 8B gezeigt. Das Transportband 61 weist eine seitlich herausragende Zunge 63 auf, an der der keilförmige Aktivator 6 befestigt ist. Die Zunge 63 ragt in eine Richtung hinaus, die quer zur Bewegungsrichtung des Transportbands 61 bzw. Aktivators 6 verläuft.
Wenn der Aktivator den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung passiert, wird die in Zusammenhang mit der Figur 2 bereits erläuterte Auslenkung der Gewichte 9a, 9b bewirkt.
In der Figur 9 ist der untere Teil des Transportbands 61 zwischen den Schwingelementen 8a, 8b angeordnet. Der Aktivator 6 ist hier - im Gegensatz zu der Variante gemäß Fig. 8A, 8B - im Mittelbereich des Transportbands 61 angeordnet. Damit der nach innen gewandte Teil des Aktivators 6 auch im Bereich der Transportrollen ungehindert durchlaufen kann, weisen die Transportrollen 62a, 62b jeweils einen Bereich 64 mit einem kleineren Querschnitt als seine für den Bandtransport vorgesehenen Bereiche auf. Die Laufbahn des Aktivators 6 geht zwischen den Gewichten 9a, 9b durch.
Der Aktivator kann wie in den Varianten gemäß den Figuren 10 ff. anstelle eines Laufbands an einer Drehvorrichtung montiert sein. An der Drehvorrichtung können mehrere Aktivatoren montiert sein, womit die Anregungsfrequenz bei der gleich¬ bleibenden Drehfrequenz der Drehvorrichtung gegenüber der Variante mit nur einem Aktivator erhöht werden kann. Die Anordnung der Drehvorrichtung und der Aktivatoren ist vorzugsweise bezogen auf ihren an der Drehachse liegenden Mittelpunkt punktsymmetrisch .
In Figur 10 ist die Drehvorrichtung als eine Scheibe 16c realisiert, die um eine Achse rotiert, welche senkrecht auf den Hauptebenen der Scheibe steht.
Die Drehvorrichtung kann mindestens einen Steg 16a, 16b aufweisen, der sich senkrecht zur Drehachse erstreckt und um die Drehachse drehbar ist. In Figur 11 ist die Drehvorrichtung als ein Steg 16a realisiert, durch dessen Mittelpunkt die Drehachse durchgeht, wobei an beiden Enden des Stegs 16a jeweils ein Aktivator befestigt ist.
Die Drehvorrichtung kann auch wie in Fig. 12 in Form eines Drehkreuzes realisiert sein. Dabei erstrecken sich mehrere Stege von der Drehachse entlang jeweils einer Radialrichtung nach außen hin. Die Stege bilden also eine vorzugsweise symmetrische Sternanordnung. Die Enden der Stege können durch eine Felge - den Ring 16 in Fig. 13 - miteinander verbunden sein, wobei die Drehvorrichtung die Form eines Laufrads aufweist.
In den Figuren 14A, 14B und 14C ist die Schwingvorrichtung gezeigt, die neben den Schwingelementen 8a, 8b in Form einer Biegefeder einen Ring 16 umfasst, der um eine Drehachse AA drehbar ist und an dem der vorzugsweise keilförmige Aktivator 6 befestigt ist. Die Drehachse AA verläuft quer zur Längsrichtung der Schwingelemente 8a, 8b außerhalb des Raumbe- reichs, in dem diese Schwingelemente und die Gewichte 9a, 9b angeordnet sind. Der Aktivator 6 bewegt sich unter der Einwirkung einer äußeren Kraft im Kreis, in Fig. 14A entlang der gestrichelten Linie gegen den Uhrzeigersinn. Die Drehachse AA und der Durchmesser des Rings 16 ist vorzugsweise so gewählt, dass der Aktivator 6 im vorgegebenen Bereich der Drehphase des Rings 16 zwischen den Gewichten 9a, 9b gleiten kann.
Am Ring 16 sind vorzugsweise zwei im Wesentlichen gleiche Aktivatoren 6 und 6a vorgesehen. Bei der Drehung des Ringes gleitet der Aktivator 6 und 6a zwischen den Gewichten 9a, 9b, womit wie in den vorstehend erläuterten Beispielen das Auseinanderdrücken der Schwingelemente 8a, 8b bewirkt wird. Dies ist in der Figur 14C unten gezeigt.
In jedem Fall verläuft ein Abschnitt der Laufbahn jedes Aktivators 6, 6a, 6b, 6c zwischen den Schwingelementen 8a, 8b.
In Figur 15 ist eine Drehvorrichtung in Form eines Zahnrads gezeigt. Das Zahnrad ist vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Ebene EE ausgebildet, die quer zur Drehachse AA ausgerichtet ist und über den Mittelpunkt des Rads durchgeht. Die Aktivatoren 6, 6a, 6b, 6c sind entlang des Radumfangs angeordnet und stellen jeweils einen Vorsprung in einer Radialrichtung dar.
Bezugszeichenliste
1 Piezogenerator
2 Piezoelement
3 elektrische Last
4 Druckspannung
5 mechanischer Wandler 51 Schwingvorrichtung
6, 6a, 6b, 6c Aktivator
61 Transportband
62a, 62b Transportrollen
63 hervorstehende Zunge des Transportbands 61 zur Montage des Aktivators 6
64 Vertiefung der Transportrolle 7 äußere mechanische Kraft
8a, 8b Schwingelemente
9a, 9b Gewichte
10a, 10b, 10c Außenelektroden des Piezoelements 2
11 piezoelektrische Schicht
12 Innenelektroden
13 Stopper
14 Kopplungselement 15a, 15b Anschlussdraht
16 Ring
17 Befestigungsbereich AA Drehachse
BB Drehachse
U Spannung an der elektrischen Last t Zeit x erste Lateralrichtung, die mit der Längsrichtung der
Schwingelemente 8a, 8b übereinstimmt y zweite Lateralrichtung z Vertikalrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Piezogenerator
- mit einem Piezoelement (2),
- mit einer Schwingvorrichtung (51) , die gegeneinander schwingbare Schwingelemente (8a, 8b) aufweist, zwischen denen das Piezoelement (2) eingeklemmt ist, das die mechanische E- nergie der Schwingvorrichtung in ein elektrisches Signal umsetzt.
2. Piezogenerator nach Anspruch 1, wobei die Schwingvorrichtung (51) so ausgebildet ist, dass die Schwingelemente (8a, 8b) in Gegenphase, aber mit der betragsmäßig gleichen Amplitude schwingbar sind.
3. Piezogenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Aktivator (6) vorgesehen ist, der zur Übertragung einer mechanischen Kraft auf die Schwingvorrichtung (51) und zur Anregung von Schwingungen der Schwingvorrichtung (51) geeignet ist.
4. Piezogenerator nach Anspruch 3, wobei die Schwingvorrichtung (51) und das Piezoelement (2) zusammen ein Resonanzsystem bilden, das durch den Aktivator (6) in Resonanz angeregt wird.
5. Piezogenerator nach Anspruch 3, wobei die Schwingvorrichtung (51) mit einer Schwingfrequenz schwingbar ist, welche durch den Aktivator (6) vorgegeben ist, wobei die Schwingfrequenz von der Eigenfrequenz der Schwingvorrichtung (51) unterschiedlich ist.
6. Piezogenerator nach Anspruch 1, wobei die Schwingelemente (8a, 8b) die Schenkel eines U- Stücks bilden, das im Bereich seines Verbindungsstücks an einem Träger befestigt ist.
7. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schwingvorrichtung (51) an einem Träger befestigt ist, dessen Vibrationen die Schwingvorrichtung (51) zum Schwingen bringen.
8. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schwingvorrichtung (51) durch einen Luftdruck zum Schwingen gebracht wird.
9. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der Aktivator (6) ein bewegliches Teil ist, das zur Veränderung des Abstands zwischen den Schwingelementen (8a, 8b) geeignet ist.
10. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Aktivator (6) keilförmig ist.
11. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 10, mit einer Transportvorrichtung, an der der Aktivator (6) befestigt ist.
12. Piezogenerator nach Anspruch 11, wobei die Transportvorrichtung um eine Drehachse (AA) drehbar ist und wobei der Aktivator (6) in den dafür vorgesehenen Drehphasen das Auseinanderdrücken der Schwingelemente (8a, 8b) bewirkt.
13. Piezogenerator nach Anspruch 11, wobei die Transportvorrichtung ein Transportband (61) um- fasst, an dem der Aktivator (6) befestigt ist.
14. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Piezoelement (2) Elektroden (12, 10a, 10b) und mindestens eine piezoelektrische Schicht (11) aufweist, die zwischen den Elektroden (12, 10a, 10b) angeordnet ist.
15. Piezogenerator nach Anspruch 14,
- wobei die bevorzugte Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schicht (11) quer zu den Hauptflächen der Schwingelemente (8a, 8b) gerichtet ist,
- wobei die bevorzugte Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schichten quer zu den Elektroden (12, 10a, 10b) des Piezoelements (2) gerichtet ist.
16. Piezogenerator nach Anspruch 14,
- wobei die bevorzugte Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schicht (11) quer zu den Hauptflächen der Schwingelemente (8a, 8b) gerichtet ist,
- wobei die Elektroden (10a, 10b) des Piezoelements jeweils im Wesentlichen parallel zur bevorzugten Polarisationsrichtung der mindestens einen piezoelektrischen Schicht (11) ausgerichtet sind.
17. Piezogenerator nach Anspruch 16, wobei zwischen dem Piezoelement (2) und den Schwingelementen (8a, 8b) Kopplungselemente (14) angeordnet sind, die bei der Schwingung der Schwingvorrichtung (51) zur Erzeugung einer Scherdeformation des Grundkörpers des Piezoelements (2) vorgesehen sind.
18. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 17, wobei der Aktivator (6) unter Einwirkung der äußeren mechanischen Kraft die Schwingelemente (8a, 8b) im Bereich ihrer freien Enden berührt.
19. Piezogenerator nach Anspruch 18, wobei die Schwingelemente (8a, 8b) im Bereich ihrer frei schwingbaren Enden jeweils ein Gewicht (9a, 9b) aufweisen, das durch den Aktivator (6) berührt wird.
20. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 19, wobei zumindest ein Element, ausgewählt aus dem Aktivator (6) und den Schwingelementen (8a, 8b), zumindest im Kontaktbereich des Aktivators (6) und der Schwingelemente (8a, 8b) eine verschleißfeste Schicht aufweist.
21. Piezogenerator nach Anspruch 19 oder 20, wobei die zueinander gewandten Seiten der Gewichte (9a, 9b) derart angeschrägt sind, dass der Abstand zwischen den Gewichten (9a, 9b) mit der Entfernung von der Ausgangslage des Aktivators (6) abnimmt.
22. Piezogenerator nach Anspruch 21, wobei im Ruhezustand der Mindestabstand zwischen den Gewichten (9a, 9b) kleiner ist als die breiteste Stelle des Aktivators (6) .
23. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei für jeweiliges Schwingelement (8a, 8b) ein Begrenzungselement (13) zur Begrenzung der Schwingungsamplitude dieses Schwingelements (8a, 8b) vorgesehen ist.
24. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
- wobei beide Schwingelemente an einem gemeinsamen • Befestigungspunkt befestigt sind.
25. Piezogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 24, - wobei die Schwingelemente im Befestigungsbereich eine Krümmung aufweisen.
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