WO2011012425A1 - Biegevorrichtung zum verbiegen eines piezoelektrischen biegeelements, piezoelektrischer energiewandler zum umwandeln mechanischer energie in elektrische energie mit hilfe der biegevorrichtung und verfahren zum umwandeln der mechanischen energie in elektrische energie - Google Patents

Biegevorrichtung zum verbiegen eines piezoelektrischen biegeelements, piezoelektrischer energiewandler zum umwandeln mechanischer energie in elektrische energie mit hilfe der biegevorrichtung und verfahren zum umwandeln der mechanischen energie in elektrische energie Download PDF

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bending
piezoelectric
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Alexander Frey
Ingo KÜHNE
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type

Definitions

  • Biegeelements piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy by means of
  • the invention relates to a bending device for bending a piezoelectric bending element.
  • a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy by means of the bending device and a method for converting the mechanical energy into electrical energy are given.
  • the sensors and peripheral circuits (signal processing, RF radio) must be supplied with power for operation.
  • An energy converter in the form of a piezoelectric energy converter has proven to be advantageous.
  • a mechanical force in a piezoelectric element for example a
  • Charge separation which can be used to generate electrical energy.
  • Supporting surface substantially inverse, concave curvature and a device for such a relative movement of the workpiece and the counter-workpiece relative to each other that the convex curvature of the support surface can be guided in the concave curvature of the counter-bearing surface.
  • the bending element can be arranged in a space between the support surface and the counter-bearing surface, so that it comes to a bending of the bending element due to the relative movement of the workpiece and the counter-workpiece.
  • the piezoelectric bending element in the space between the support surface and the counter-bearing surface is arranged such that it comes due to the relative movement of the workpiece and the counter-workpiece to a bending of the piezoelectric bending element and due to the bending of the
  • a method of converting mechanical energy to electrical energy using the energy converter is disclosed Indicated against each other moving the workpiece and the counter-workpiece.
  • the piezoelectric bending element has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric layer and others
  • Electrode layer on Several such layer sequences can be stacked on top of each other, so that a
  • Multi-layer structure with stacked, alternately arranged electrode layers and piezoelectric
  • the electrode material of the electrode layers can consist of a wide variety of metals or metal alloys.
  • Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials.
  • the piezoelectric layer may also be made
  • piezoelectric ceramic materials such as
  • PZT Lead zirconate titanate
  • ZnO zinc oxide
  • AlN aluminum nitride
  • Piezoelectric organic materials such as
  • PVDF Polyvinylidene difluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the layer thicknesses of the electrode layers are a few microns.
  • the layer thicknesses of the piezoelectric layer is a few microns up to mm.
  • the energy converter can have lateral dimensions of a few mm to a few cm. The same applies to lateral
  • the layer thicknesses of the layers of the membrane range from a few microns to a few mm.
  • the dimensions of the support surface and the counter-bearing surface is also from this area.
  • the support surface and the counter-bearing surface are substantially the same size. This means that there are also deviations from up to 10% with respect to the size of the bearing surfaces. It is also conceivable that one of the bearing surfaces
  • curvature and the counter-curvature have a substantially equal amount of curvature. In terms of amount, the curvatures are almost equal
  • the convex curvature is introduced into the recess of the concave counter-curvature.
  • the bending element may be a classic bending transducer with a rectangular base (bending beam).
  • the piezoelectric bending element is a piezoelectric one
  • the piezoelectric bending element is a circular disc bender.
  • the circular disk bender is basically suitable for obtaining as much electrical energy as possible from a mechanical energy. This is based on the favorable for the conversion geometry of the disc bender.
  • the convex curvature and / or the concave curvature have a circular foot circumference, which is adapted to the dimension of the circular disc bender.
  • Circular disc bender is placed between the two workpieces. Due to the relative movement of workpiece and counter-workpiece against each other, there is a bending of the disc bender. It comes to an efficient
  • the bending transducer is fixed to the workpiece and / or the counter-workpiece before and / or during the bending process.
  • this is the
  • Biegeelement at a junction of the support surface of the workpiece with the workpiece and / or on a
  • the material connection has, for example, a
  • the bending transducer is glued to the curvature of the workpiece. Such an adhesive bond can be made very easily and permanently manufactured. In addition, there is none
  • the workpiece has a receiving space for receiving the counterpart workpiece.
  • the workpiece and the counterpart workpiece are connected to one another via a bearing such that the relative movement of the workpiece and the counterpart workpiece relative to one another can be carried out.
  • the bearing acts as a device for relative movement of the workpiece and the counterpart workpiece.
  • the warehouse is a
  • the invention finds use in energy self-sufficient systems for converting mechanical energy into electrical energy
  • FIG. 1 shows a piezoelectric energy converter without
  • Figure 2 shows the energy converter with external force in the lateral cross-section.
  • FIG. 3 schematically shows a circular disk bender with two piezoelectric layers.
  • the bending device 1 for bending the piezoelectric bending element 2 has a workpiece 11 with a
  • the support surface 111 on.
  • the support surface has a convex curvature 1111 with a corresponding curvature
  • the convex curvature has a circular foot circumference 1113.
  • the bending device 1 also has a counter-workpiece 12 with a concave curvature 1211.
  • the concave The curvature has a curvature that substantially corresponds in magnitude to the curvature of the convex curvature.
  • a foot circumference 1213 of the concave curvature is circular.
  • the bearing surface of the workpiece and the counter-bearing surface of the counter-workpiece are the same size. Due to the same curvatures of the bulges, the support surface and the counter-bearing surface can be arranged fit each other.
  • the piezoelectric bending element is a circular disc bender with a circular base.
  • the piezoelectric bending element has a rectangular base.
  • the piezoelectric bending element is a classic bending beam.
  • the piezoelectric bending element Independently of the configuration of the base area, the piezoelectric bending element has a layer structure with two piezoelectric layers 21 and an inner electrode 22 arranged between the piezoelectric layers. The conclusion is formed by two outer electrodes 23.
  • the piezoelectric bending element is The counter-workpiece is located in a receiving space 123 of the workpiece. In this case, the workpiece and the counter-workpiece are connected to each other via a bearing 124 such that the counter-workpiece can be moved in the receiving space against the workpiece such that a distance 125 between the
  • Support surface and the counter-bearing surface can be changed.
  • Support surface and counter-bearing surface can be moved relative to each other.
  • Counter-workpiece with counter-bearing surface as a stop. It can not come to an overload of the bending transducer.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Bending Of Plates, Rods, And Pipes (AREA)

Abstract

Es wird eine Biegevorrichtung (1) zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements (2) angegeben, mit einem Werkstück (11) mit einer Auflagefläche (111) mit mindestens einer konvexen Wölbung (1111), einem Gegen-Werkstück (12) mit einer Gegen-Auflägefläche (121) mit einer zur konvexen Wölbung der Auflagefläche im Wesentlichen inversen, konkaven Wölbung (1212) und einer Vorrichtung zu einem derartigen relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks aufweist, dass die konvexe Wölbung der Auflagefläche in die konkave Wölbung der Gegen-Auflagefläche geführt werden kann. Zur Energiewandlung wird das Biegeelement, vorzugsweise ein Kreisscheibenbieger, in einen Zwischenraum (13) zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche angeordnet, so dass es aufgrund des relativen gegeneinander Bewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des Biegeelements kommt. Durch die Verwendung eines Kreisscheibenbiegers wird mechanische Energie mit hoher Effizienz in elektrische Energie umgewandelt. Durch die Ausgestaltung der Werkstücke mit ihren Auflageflächen ist für einen Überlastschutz gesorgt. Verwendung findet die Erfindung in energieautarken Systemen zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.

Description

Beschreibung
Biegevorrichtung zum Verbiegen eines piezoelektrischen
Biegeelements , piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe der
Biegevorrichtung und Verfahren zum Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie
Die Erfindung betrifft eine Biegevorrichtung zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements. Daneben werden ein piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe der Biegevorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie angegeben.
Die Sensorik und periphere Schaltungen (Signalprozessierung, HF-Funk) müssen zum Betrieb mit Energie versorgt werden.
Konventionell wird diese Energie aus einer Batterie zur Verfügung gestellt. Aktuell gibt es vielfältige Forschungs- und Entwicklungsansätze die Batterie durch eine
energieautarke Versorgung zu ersetzen. Hierfür ist es notwendig vorhandene Umgebungsenergie zu nutzten und in eine elektrisch nutzbare Form zu wandeln. Im Hinblick auf solche energieautarke Systeme werden
unterschiedliche Techniken untersucht. Als besonders
vorteilhaft hat sich dabei ein Energiewandler in Form eines piezoelektrischen Energiewandlers herausgestellt. Bei dem piezoelektrischen Energiewandler wird eine mechanische Kraft in ein piezoelektrisches Element, beispielsweise ein
piezoelektrischer Biegewandler, eingekoppelt. Aufgrund der eingekoppelten mechanischen Kraft kommt es zu einer
Verbiegung des Biegeelements. Infolge davon tritt
Ladungstrennung auf, die zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie mechanische Energie effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann unter Ausnutzung des
piezoelektrischen Effekts.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Biegevorrichtung zum
Verbiegen eines piezoelektrischen Biegeelements mit einem Werkstück mit einer Auflagefläche mit mindestens einer konvexen Wölbung, einem Gegen-Werkstück mit einer Gegen- Auflagefläche mit einer zur konvexen Wölbung der
Auflagefläche im Wesentlichen inversen, konkaven Wölbung und einer Vorrichtung zu einem derartigen relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks aufweist, dass die konvexe Wölbung der Auflagefläche in die konkave Wölbung der Gegen-Auflagefläche geführt werden kann. Dabei kann das Biegeelement in einen Zwischenraum zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche angeordnet werden, so dass es aufgrund des relativen gegeneinander Bewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des Biegeelements kommt. Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein piezoelektrischer
Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie durch Einkoppeln einer durch die
mechanische Energie hervorgerufenen mechanischen Kraft in mindestens ein piezoelektrisches Biegeelement mit der
Biegevorrichtung und einem piezoelektrischen Biegeelement angegeben. Dabei ist das piezoelektrische Biegeelement im Zwischenraum zwischen der Auflagefläche und der Gegen- Auflagefläche derart angeordnet, dass es aufgrund des relativen gegeneinander Bewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des piezoelektrische Biegeelements kommt und aufgrund der Verbiegung die
mechanische Kraft in das piezoelektrischen Biegeelement eingekoppelt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des Energiewandlers durch Gegeneinanderbewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks angegeben .
Das piezoelektrische Biegeelement weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer
Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein
Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen
Schichten resultiert.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien.
Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus
unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie
Bleizirkonattitanat (PZT) , Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN) . Piezoelektrische organische Materialien wie
Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.
Die Schichtdicken der Elektrodenschichten betragen wenige μm. Die Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht beträgt einig μm bis hin zu mm. Der Energiewandler kann laterale Abmessungen von wenigen mm bis einigen cm aufweisen. Gleiches gilt für laterale
Abmessungen der Membran. Die Schichtdicken der Schichten der Membran reichen von wenigen μm bis einigen mm. Die Abmessungen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche ist auch aus diesem Bereich. Vorzugsweise sind dabei die Auflagefläche und die Gegen-Auflagefläche im Wesentlichen gleich groß. Dies bedeutet, dass es auch Abweichungen von bis zu 10% bezüglich der Größe der Auflageflächen geben kann. Denkbar ist aber auch, dass eine der Auflageflächen
wesentlich größer ist als die andere. Vorteilhaft ist es, wenn die Wölbung und die Gegen-Wölbung eine im Wesentlichen betragsgleiche Krümmung aufweisen. Vom Betrag her weisen die Krümmungen nahezu gleiche
Krümmungsradien auf. Dabei ist eine Abweichung von bis zu 10% denkbar. Betragsmäßig gleiche Krümmungsradien führen dazu, dass die konvexe Wölbung in der konkaven Gegen-Wölbung passgenau angeordnet werden kann. Durch die relative
gegeneinander Bewegung des Werkstücks und des Gegen- Werkstücks wird die konvexe Wölbung in die Ausnehmung der konkaven Gegen-Wölbung eingeführt.
Das Biegeelement kann ein klassischer Biegewandler mit rechteckiger Grundfläche (Biegebalken) sein. Insbesondere ist das piezoelektrische Biegelement ein piezoelektrischer
Biegewandler mit einer kreisrunden Grundfläche. Das
piezoelektrische Biegeelement ist ein Kreisscheibenbieger . Der Kreisscheibenbieger eignet sich grundsätzlich dazu, möglichst viel elektrische Energie aus einer mechanischen Energie zu gewinnen. Dies basiert auf der für die Umwandlung günstigen Geometrie des Kreisscheibenbiegers .
Aus den Geometrieparametern des Biegebalkens, nämlich Länge 1, Breite b, Gesamt-Dicke hp, r, s und rh und der sich aus der Verbiegung ergebenden Zylinder-Schalenform (siehe Figur 3) ergibt sich folgende Beziehungen:
/ = ( 1 ) rh ( 2 )
Figure imgf000006_0001
u = 2π - r , = 2π - \ r + : 3 )
Daraus errechnet sich die maximale mechanische Spannung wie folgt
Figure imgf000007_0001
Dabei sind Ep Young' s modulus (E-Modulus) und S die
mechanische Dehnung (strain) . Für die erzielbare elektrische Energie und elektrische Spannung resultieren:
Figure imgf000007_0002
Vmvention = ~ 2 εp Vv A<JM = TA εp EPv " ~rL ( 6 )
Im Vergleich zu einem konventionellen Biegewandler in
Balkenform bedeutet dies die sechsfach größere elektrische Energie und die zweifach höhere Spannung. Insbesondere im Fall eines Kreisscheibenbiegers ist es zudem vorteilhaft, wenn die konvexe Wölbung und/oder die konkave Wölbung einen kreisrunden Fußumfang aufweisen, die an die Abmessung des Kreisscheibenbiegers angepasst ist. Der
Kreisscheibenbieger wird zwischen den beiden Werkstücken angeordnet. Aufgrund des relativen Bewegens von Werkstück und Gegen-Werkstück gegeneinander kommt es zu einer Verbiegung des Kreisscheibenbiegers. Es kommt zu einer effizienten
Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Gleichzeitig ist dafür gesorgt, dass der Kreisscheibenbieger mechanisch nicht überlastet wird. Das Gegen-Werkstück fungiert nämlich als Anschlag. Aufgrund der Passgenauigkeit von Wölbung, Gegen-Wölbung und Kreisscheibenbieger ist dafür gesorgt, dass der Kreisscheibenbieger beim Verbiegen nicht zerstört wird. Der Biegewandler kann - ohne gehalten - zu werden im
Zwischenraum zwischen Werkstück und Gegen-Werkstück
angeordnet werden. Vorzugsweise wird aber der Biegewandler am Werkstück und/oder am Gegen-Werkstück vor und/oder während des Biegevorgangs fixiert. Insbesondere ist dazu das
Biegeelement an einer Verbindungsstelle der Auflagefläche des Werkstücks mit dem Werkstück und/oder an einer
Verbindungsstelle der Gegen-Auflagefläche des Gegen- Werkstücks mit dem Gegen-Werkstück durch einen Stoffschluss verbunden. Der Stoffschluss weist beispielsweise eine
Lötverbindung auf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Stoffschluss einen Klebstoff aufweist. Der Biegewandler wird auf die Wölbung des Werkstücks aufgeklebt. Eine derartige Klebeverbindung kann sehr leicht hergestellt und dauerhaft hergestellt werden. Darüber hinaus kommt es zu keiner
thermischen Belastung des Werkstücks und/oder des
Biegewandlers beim Herstellen des StoffSchlusses . Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist das Werkstück einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Gegenwerkstücks auf.
Dabei sind das Werkstück und das Gegenwerkstück über ein Lager derart miteinander verbunden sind, dass das relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks durchgeführt werden kann. Das Lager fungiert als Vorrichtung zum relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks. Beispielsweise ist das Lager ein
Gleitlager . Verwendung findet die Erfindung in energieautarken Systemen zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische
Energie .
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende
Vorteile:
- Insbesondere bei der Verwendung eines Kreisscheibenbiegers kann bei gleicher mechanischer Kraft eine höhere elektrische Energie erzielt werden, als bei konventionellen Biegewandlern mit Balkenform.
- Es ist eine konstante Energielieferung ab einem Schwellwert für die mechanische Kraft möglich.
- Es ist eine höhere elektrische Spannung im Vergleich zu konventionellen Biegewandlern möglich. - Es resultiert eine konstante Ausgangsspannung ab dem
Schwellwert für die mechanische Kraft.
- Durch geeignete konstruktive Maßnahmen kann für einen
Überlastschutz gesorgt werden.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die
Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt einen piezoelektrischen Energiewandler ohne
externe Krafteinwirkung im seitlichen Querschnitt.
Figur 2 zeigt den Energiewandler mit externer Krafteinwirkung im seitlichen Querschnitt.
Figur 3 zeigt schematisch einen Kreisscheibenbieger mit zwei piezoelektrischen Schichten. Die Biegevorrichtung 1 zum Verbiegen des piezoelektrischen Biegeelements 2 weist ein Werkstück 11 mit einer
Auflagefläche 111 auf. Die Auflagefläche weist eine konvexe Wölbung 1111 mit einer entsprechenden Krümmung auf
(Zylinderform) . Die konvexe Wölbung weist einen kreisrunden Fußumfang 1113 auf.
Die Biegevorrichtung 1 verfügt darüber hinaus über ein Gegen- Werkstück 12 mit einer konkaven Wölbung 1211. Die konkave Wölbung verfügt über eine Krümmung, die der Krümmung der konvexen Wölbung vom Betrag her im Wesentlichen entspricht. Auch ist ein Fußumfang 1213 der konkaven Wölbung kreisrund. Die Auflagefläche des Werkstücks und die Gegen-Auflagefläche des Gegen-Werkstücks sind gleich groß. Aufgrund der gleichen Krümmungen der Wölbungen können die Auflagefläche und die Gegen-Auflagefläche ineinander passgenau angeordnet werden.
Das piezoelektrische Biegeelement ist ein Kreisscheibenbieger mit einer kreisrunden Grundfläche. In einer dazu alternativen Ausführungsform weist das piezoelektrische Biegelement eine recheckige Grundfläche auf. Das piezoelektrische Biegeelement ist ein klassischer Biegebalken. Unabhängig von der Ausgestaltung der Grundfläche weist das piezoelektrische Biegeelement einen Schichtaufbau auf mit zwei piezoelektrischen Schichten 21 und einer zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordneten Innenelektrode 22. Den Abschluss bilden zwei Außenelektroden 23.
An der Verbindungsstelle 122 der Auflagefläche ist der piezoelektrische Biegewandler über einen Stoffschluss 14 mit der Auflagefläche verbunden. Der Stoffschluss weist einen Klebstoff auf. Das piezoelektrische Biegeelement ist Das Gegen-Werkstück befindet sich in einem Aufnahmeraum 123 des Werkstücks. Dabei sind das Werkstück und das Gegen-Werkstück über ein Lager 124 derart miteinander verbunden, dass das Gegen-Werkstück im Aufnahmeraum derart gegen das Werkstück bewegt werden kann, dass ein Abstand 125 zwischen der
Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche verändert werden kann. Auflagefläche und Gegen-Auflagefläche können relativ zueinander bewegt werden.
Zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische
Energie wird wie folgt vorgegangen: Durch Bewegen des Gegen- Werkstücks in Richtung des Werkstücks aufgrund einer äußeren mechanischen Kraft 3 kommt es zu einer Verbiegung des
Biegewandlers. Dabei kommt es zur Ladungstrennung aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Die getrennte elektrische Ladung kann zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden. Dabei fungieren Werkstück mit Auflagefläche und
Gegen-Werkstück mit Gegen-Auflagefläche als Anschlag. Es kann nicht zu einer Überlastung des Biegewandlers kommen.

Claims

Patentansprüche
1. Biegevorrichtung (1) zum Verbiegen eines piezoelektrischen Biegelements (2) mit
- einem Werkstück (11) mit einer Auflagefläche (111) mit mindestens einer konvexer Wölbung (1111),
- einem Gegen-Werkstück (12) mit einer Gegen-Auflagefläche (121) mit einer zur konvexen Wölbung der Auflagefläche im Wesentlichen inversen, konkaven Wölbung (1211) und
- einer Vorrichtung (4, 124) zu einem derartigen relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegenwerkstücks, dass die konvexe Wölbung der Auflagefläche in die konkave Wölbung der Gegenauflagefläche geführt werden kann,
wobei
- das Biegelement in einem Zwischenraum (13) zwischen der
Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche angeordnet werden kann, so dass es aufgrund des Bewegens zu einer Verbiegung des Biegeelements kommt.
2. Biegevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auflagefläche und/oder die Gegen-Auflagefläche im Wesentlichen gleich groß sind.
3. Biegevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wölbung und die Gegen-Wölbung eine im Wesentlichen betragsgleiche
Krümmung aufweisen.
4. Biegevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die konvexe Wölbung und/oder die konkave Wölbung einen kreisrunden Fußumfang aufweisen.
5. Biegevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Biegeelement an einer Verbindungsstelle (122) der
Auflagefläche des Werkstücks mit dem Werkstück und/oder an einer Verbindungsstelle der Gegen-Auflagefläche des Gegen- Werkstücks mit dem Gegen-Werkstück durch einen Stoffschluss (14) verbunden ist.
6. Biegevorrichtung nach Anspruch 5, wobei der StoffSchluss einen Klebstoff aufweist.
7. Biegevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Werkstück einen Aufnahmeraum (123) zur Aufnahme des
Gegenwerkstücks aufweist und das Werkstück und das
Gegenwerkstück über ein Lager (124) derart miteinander verbunden sind, dass das relativen gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks durchgeführt werden kann,
8. Piezoelektrischer Energiewandler zur Umwandeln von
mechanischer Energie in elektrische Energie durch Einkoppeln einer durch die mechanische Energie hervorgerufenen
mechanischen Kraft in mindestens ein piezoelektrisches
Biegeelement, mit
- einer Biegevorrichtung nach einem der vorangegangenen
Ansprüche und
- einem piezoelektrischen Biegeelement, wobei
- der piezoelektrische Biegeelement im Zwischenraum zwischen der Auflagefläche und der Gegen-Auflagefläche derart
angeordnet ist, dass es aufgrund des relativen gegeneinander Bewegens des Werkstücks und des Gegen-Werkstücks zu einer Verbiegung des piezoelektrischen Biegeelements kommt und aufgrund der Verbiegung die mechanische Kraft in das
piezoelektrische Biegeelement eingekoppelt werden kann.
9. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Biegelement ein piezoelektrischer
Biegewandler mit einer kreisrunder Grundfläche ist.
10. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Biegelement an einer Verbindungsstelle (122) der Auflagefläche des Werkstücks mit dem Werkstück durch einen Stoffschluss (14) verbunden ist.
11. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 10, wobei der Stoffschluss einen Klebstoff aufweist.
12. Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des piezoelektrischen Energiewandlers nach einem der Ansprüche 8 bis 11 durch gegeneinander Bewegen des Werkstücks und des Gegenwerkstücks
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2696382B1 (de) * 2011-04-05 2015-10-07 Honda Motor Co., Ltd. Laminierter piezoelektrischer körper
US8759990B2 (en) 2011-04-19 2014-06-24 Eastman Kodak Company Energy harvesting device including MEMS composite transducer
DE102011083211B3 (de) * 2011-09-22 2012-12-27 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines strömenden Fluids
KR102051518B1 (ko) * 2013-01-28 2019-12-03 삼성전자주식회사 자가 동력 터치 센서 겸용 에너지 수확 장치
WO2014176467A1 (en) * 2013-04-24 2014-10-30 California Institute Of Technology Flow energy piezoelectric bimorph noxxle harvester
CN104092407A (zh) * 2014-08-06 2014-10-08 苏州科技学院 等形变悬臂杠杆式压电发电组件
US10241223B2 (en) * 2015-11-19 2019-03-26 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole piezoelectric acoustic transducer
DE202016100416U1 (de) * 2016-01-28 2016-10-31 Bundesrepublik Deutschland, Vertreten Durch Den Bundesminister Für Wirtschaft Und Energie, Dieser Vertreten Durch Den Präsidenten Der Bundesanstalt Für Materialforschung Und -Prüfung (Bam) Luftultraschallwandler zur direkt aktiv fokussierenden Luft-Ultraschallwandlung
WO2017203737A1 (ja) * 2016-05-27 2017-11-30 株式会社村田製作所 圧電発電装置
DE102017000808B4 (de) 2017-01-28 2023-07-27 Wolfgang Hamm Piezothermische Schalteinrichtung
US20190328360A1 (en) * 2018-04-30 2019-10-31 Vermon S.A. Ultrasound transducer
US11988640B2 (en) * 2020-03-11 2024-05-21 Bfly Operations, Inc. Bottom electrode material stack for micromachined ultrasonic transducer devices

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050258717A1 (en) * 2003-02-21 2005-11-24 Mullen Jeffrey D Maximizing power generation in and distributing force amongst piezoelectric generators
WO2006009540A1 (en) * 2004-06-19 2006-01-26 Face Bradbury R Self-powered switch initiation system

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3076903A (en) * 1957-12-20 1963-02-05 Gulton Ind Inc Piezoelectric transducer
US3666979A (en) * 1970-06-17 1972-05-30 Automation Ind Inc Focused piezoelectric transducer and method of making
DE3169146D1 (en) * 1980-11-07 1985-04-04 Hitachi Ltd Piezoelectric ceramic transducer
JP2632921B2 (ja) * 1988-05-16 1997-07-23 ジーイー横河メディカルシステム株式会社 高分子薄膜圧電トランスデューサの製造方法
GB9108490D0 (en) * 1991-04-20 1991-06-05 Jones Richard W Device for acoustic wave generation
US6097135A (en) * 1998-05-27 2000-08-01 Louis J. Desy, Jr. Shaped multilayer ceramic transducers and method for making the same
WO2002063606A1 (en) * 2001-02-09 2002-08-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Ultrasound transducer and method of manufacturing an ultrasound transducer
US20050082949A1 (en) * 2003-10-21 2005-04-21 Michio Tsujiura Piezoelectric generator
US7356905B2 (en) * 2004-05-25 2008-04-15 Riverside Research Institute Method of fabricating a high frequency ultrasound transducer
US7267043B2 (en) * 2004-12-30 2007-09-11 Adaptivenergy, Llc Actuators with diaphragm and methods of operating same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050258717A1 (en) * 2003-02-21 2005-11-24 Mullen Jeffrey D Maximizing power generation in and distributing force amongst piezoelectric generators
WO2006009540A1 (en) * 2004-06-19 2006-01-26 Face Bradbury R Self-powered switch initiation system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOSSI K ET AL: "Harvesting energy using a thin unimorph prestressed bender: geometrical effects", JOURNAL OF INTELLIGENT MATERIAL SYSTEMS AND STRUCTURES SAGE PUBLICATIONS USA, vol. 16, no. 3, March 2005 (2005-03-01), pages 249 - 261, XP009138360, ISSN: 1045-389X *

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