WO2011012430A1 - Piezoelektrischer energiewandler zum umwandeln von mechanischer energie in elektrische energie mit erhöhter effizienz der umwandlung, verfahren zum umwandeln von mechanischer energie in elektrische energie und verwendung des verfahrens - Google Patents

Piezoelektrischer energiewandler zum umwandeln von mechanischer energie in elektrische energie mit erhöhter effizienz der umwandlung, verfahren zum umwandeln von mechanischer energie in elektrische energie und verwendung des verfahrens Download PDF

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piezoelectric
energy
piezoelectric element
energy converter
mass
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Alexander Frey
Ingo KÜHNE
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Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • Piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy with increased efficiency of conversion, method of converting mechanical
  • the invention relates to an electromechanical energy converter for converting mechanical energy into electrical energy.
  • a method for converting mechanical energy into electrical energy and a use of the method are given.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Sensors based on MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology are increasingly being used.
  • Particularly interesting here are sensor nodes and networks that function energy self-sufficient. Such systems do not obtain the electrical energy necessary for the operation of individual components from a mains supply or a battery, but via a suitable energy converter from the environment.
  • New concepts require that the tire pressure monitoring system is no longer placed on the rim, but directly on the inside of the tire lash (tire footprint). In this way it is possible, in addition to pressure and temperature and physical properties between tires and To measure roadway and to use it derived data for a driving dynamics.
  • an extension of the tire control system means shorter measurement and transmission intervals, a higher measurement frequency and thus a significantly shorter battery life.
  • piezoelectric energy converters which can be used, for example, in the described tire electronics for providing electrical energy, are based on a classic seismic spring-mass system.
  • a coupling-in mass and a piezoelectric element are coupled together, that the piezoelectric element is deflected by vibrations of the coupling-in compound. Due to the piezoelectric effect, there is charge separation, which is the production of electrical energy available.
  • the object of the present invention is to provide a piezoelectric energy converter which can convert mechanical energy into electrical energy with a high efficiency and whose efficiency is independent of the rotational speed of a rotating system.
  • a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy with a carrier having a recess, at least one piezoelectric element (piezoelectric element) and at least one arranged in a recess of the carrier Einkoppelmasse is specified.
  • the coupling-in mass and the piezoelectric element are mechanically coupled to one another such that a movement of the coupling-in mass in the recess leads to a deflection of the piezoelectric element.
  • Piezo element and the carrier are connected to each other only at one side edge of the piezoelectric element.
  • a method for converting mechanical energy into electrical energy using the piezoelectric energy converter is specified, wherein a deflection of the piezoelectric element is effected by a movement of the coupling compound in the recess of the carrier and so electrical energy can be obtained.
  • a use of the method for supplying a tire control system with electrical energy is specified.
  • the fundamental insight underlying the invention is that a mechanical, non-positive interconnection of the piezoelectric element and the carrier to perform only on one side of the piezoelectric element.
  • piezo element and supports are essentially interconnected in one place only.
  • the deflection of the piezoelectric element causes mechanical stresses only at this point.
  • the piezoelectric element is only substantially at this point. Since the electrical energy generated is directly proportional to the square of the mechanical stress, the simply clamped piezoelectric element thus has the highest expected electrical energy density.
  • a mass of Einkoppelmasse depends on the design of the piezoelectric element.
  • a piezoelectric element in the form of the coupling-in mass advantageously weighs less than 20 g, particularly advantageously less than 10 g.
  • the piezoelectric element and the coupling-in compound are loosely connected to one another.
  • the coupling-in compound and the piezoelectric element are not fixed, that is, they are not connected to one another in a force-fitting manner.
  • the centrifugal force has no negative effect on the efficiency of the piezoelectric energy converter.
  • the piezoelectric energy converter is not designed as a classic seismic spring-mass system and thus can not be resonantly excited or operated.
  • the piezoelectric bending element has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric layer and further electrode layer. In this case, a plurality of such layer sequences can be stacked on top of each other, resulting in a multi-layer structure with electrode layers and piezoelectric layers stacked one above the other and arranged one above the other.
  • 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 consist of different materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
  • the piezoelectric element is a piezoelectric bending beam.
  • the piezoelectric bending beam has a multi-layer structure described above. In this case, the multi-layer structure may be symmetrical or asymmetrical. Also conceivable is a multilayer structure on a carrier (substrate).
  • MEMS technology is particularly suitable for realizing the bending transducer.
  • a piezoelectric energy converter with very small lateral dimensions is accessible.
  • very thin layers can be formed.
  • the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • a carrier layer is a few microns thick, for example, 1 micron to 10 microns.
  • the piezoelectric element is designed as a thin piezoelectric membrane.
  • the piezoelectric element has a very low mass.
  • such a piezoelectric element can be easily excited to mechanical vibrations.
  • a carrier layer may be provided, for example a carrier layer of silicon, polysilicon, silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • a layer thickness of the carrier layer is selected from the range of 1 .mu.m to 100 .mu.m.
  • piezoelectric bending beams with a substantially triangular base area.
  • This is an optimal beam geometry (with point force) that provides the highest efficiency in energy conversion.
  • a plurality of piezoelectric elements are provided, which are arranged in such a way that they can be deflected by the movement of the mass simultaneously in a same direction. This is the case, for example, when the bending beams are arranged on a same carrier section of the carrier. By a movement of the coupling mass perpendicular to this section, the bending beams are deflected simultaneously and in the same direction.
  • a plurality of piezoelectric see elements are provided which are arranged to each other such that they can be offset from each other in time by the movement of the mass and deflected in opposite directions.
  • the carrier is a flat substrate with a recess extending in the thickness direction through the substrate.
  • the bending beams are arranged on the two main surfaces of the substrate at the edges of the major surfaces above the recess. Falling of the coupling mass in the recess perpendicular to the main surfaces cause the bending beams are deflected alternately and in opposite directions.
  • the carrier, the piezoelectric element and the coupling-in mass are arranged in an envelope, which acts as an overload protection of the piezoelectric element.
  • an envelope which acts as an overload protection of the piezoelectric element.
  • the envelope serves as a mechanical stop for the piezoelectric element.
  • the piezoelectric energy converter can be operated with a high efficiency, with which mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the piezoelectric energy converter can be operated resonantly, ie with the resonant frequency of the piezoelectric membrane. He does not have to. He can thus broadband
  • a speed-dependent centrifugal force of the coupling mass is completely decoupled and therefore has no negative impact on the piezoelectric energy converter.
  • An optimized beam geometry with a triangular base area offers maximum efficiency in energy conversion. It ensures a uniform mechanical voltage curve and thus a uniform electrical energy distribution or uniform electrical voltage over the entire course of the deflection of the bending beam. An unwanted electromechanical feedback due to lack of equipotential surfaces, which would reduce the efficiency, does not occur.
  • Due to an encapsulated structure a mechanical overload protection is achieved.
  • FIG. 1 shows a piezoelectric energy converter on a rotating component in a lateral cross section.
  • FIG. 2 shows the piezoelectric energy converter in one
  • the piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy has a carrier 3 with a recess 31. Limited is this recess of piezoelectric elements 2 in the form of piezoelectric bending beam.
  • Each of the bending beams has a substantially triangular base (FIG. 2).
  • each of the bending beams has a multi-layer structure 20 of MEMS layers.
  • the bending beams are each configured as a MEMS membrane with a carrier layer 21 of silicon nitride, two electrode layers 22 of platinum and a piezoelectric layer 23 of lead zirconate titanate (PZT) arranged between the electrode layers.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric elements with triangular base are arranged so that a total square base area results ( Figure 2).
  • Each of the bending beam is connected via one of its side edges 24 to the carrier.
  • the bending transducers have recesses 25. These recesses serve to receive the coupling-in 4th
  • the coupling-4 is a ball.
  • the ball is arranged in the recess of the carrier such that a movement of the ball with the direction of movement 41 leads to a deflection of the piezoelectric elements.
  • the piezoelectric elements and the coupling-in compound are loosely connected to one another.
  • the piezoelectric elements and the coupling-in mass are coupled to one another such that the movement of the coupling-in mass in the recess results in a deflection of the piezoelectric element.
  • electrical elements leads. Due to the piezoelectric effect, this leads to a charge separation. Due to the charge separation, electrical energy can be obtained.
  • the piezoelectric elements, the coupling-in compound and the carrier are arranged in such a way that the piezoelectric elements on one side, perpendicular to the movement of the coupling-in mass, are simultaneously and rectilinearly deflected by the coupling-in compound. Compared with the piezoelectric elements on the other side, the deflection takes place with a time delay and in the opposite direction.
  • the piezoelectric energy converter also has an enclosure 6.
  • the envelope in which the piezo elements, the carrier and the coupling mass are arranged, acts as overload protection for the piezo elements.
  • the piezoelectric energy converter and the method for converting mechanical energy into electrical energy using the piezoelectric energy converter generally used where by means of rotating components, such as a shaft, electrical energy can be obtained from mechanical energy.
  • the electromechanical energy converter and described method are used to supply a tire control system with electrical energy.
  • the piezoelectric energy converter with a rotating member 5 with the rotational movement 51 (rim of a tire, Figure 1) is connected.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Es wird ein piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Träger (3) mit einer Ausnehmung (31), mindestens einem piezoelektrischen Element (2) (Piezoelement) und mindestens einer in einer Ausnehmung des Trägers angeordneten Einkoppelmasse (4) angegeben. Dabei sind die Einkoppelmasse (4) und das piezoelektrische Element (2) mechanisch derart miteinander gekoppelt, dass eine Bewegung der Einkoppelmasse (4) in der Ausnehmung zu einer Auslenkung des piezoelektrischen Elements (2) führt. Das Piezoelement (2) und der Träger (3) sind nur an einem Seitenrand des Piezoelements (2) miteinander verbunden. Dadurch ist eine effiziente Umwandlung von mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie möglich. Bei entsprechender Ausgestaltung des Energiewandlers 20 ist ein nicht resonanter Betrieb und damit eine breitbandige Anregung bei gleichbleibend hoher Effizienz der Energieumwandlung möglich. Anwendung findet der Energiewandler in Energie autarken Systemen. Insbesondere wird der Energiewandler für Reifenkontrollsysteme eingesetzt.

Description

Beschreibung
Piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit erhöhter Effizienz der Umwandlung, Verfahren zum Umwandeln von mechanischer
Energie in elektrische Energie und Verwendung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Daneben werden ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie und eine Verwendung des Verfahrens angegeben.
Sensoren, die auf der MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) - Technologie basieren, werden zunehmend eingesetzt. Besonders interessant sind hierbei Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifenkontrollsystemen (Reifensensorik) . Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwa- chen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und
Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür notwendige elektrische Bauteile (Reifenelektronik) sind über ein Ventil an einer Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Reifendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems.
Neue Konzepte erfordern, dass das Reifendruckkontrollsystem nicht mehr auf der Felge, sondern direkt auf der Innenseite des Reifenlatsches (ReifenaufStandsfläche) platziert wird. Auf diese Weise ist es möglich, neben Druck und Temperatur auch physikalische Eigenschaften zwischen Autoreifen und Fahrbahn zu vermessen und daraus gewonnene Daten für eine Fahrdynamik nutzbar zu machen. Eine derartige Ausweitung des Reifenkontrollsystems bedeutet aber kürzere Mess- und Sendeintervalle, eine höhere Messfrequenz und damit eine wesent- lieh kürzere Lebensdauer der Batterie.
Darüber hinaus ist es notwendig, das Reifenkontrollsystem zu miniaturisieren, so dass dessen Masse erheblich reduziert und damit eine Laufeigenschaft des Autoreifens nicht negativ be- einflusst wird (zum Beispiel durch größere Unwucht) .
Hinsichtlich der oben dargestellten, felgenbasierten Radelektronik besteht darüber hinaus folgendes Problem: Bei einer Fahrt mit konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit und vernach- lässigbaren Einfluss durch Rauheiten der Straßenoberfläche ist die Summe der an die Reifenelektronik angreifenden Kräfte gleich der Resultierenden aus Zentrifugalbeschleunigung und Erdanziehung. Anhand einer MKS-Simulation (Mehr-Körper- System) kann die potentielle mechanische Energie bei konstan- ter Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden. Dabei zeigt sich, dass bei höherer Geschwindigkeit weniger mechanische Leistung zur Verfügung steht. Dies ergibt sich aus dem quadratischen Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit auf die Zent- rifugalbeschleunigung .
Bekannte piezoelektrische Energiewandler, die beispielsweise in der beschriebenen Reifenelektronik zum Bereitstellen elektrischer Energie eingesetzt werden können, basieren auf einem klassischen seismischen Feder-Masse-System. Dabei sind eine Einkoppelmasse und ein piezoelektrisches Element miteinander gekoppelt, dass das Piezoelement durch Schwingungen der Einkoppelmasse ausgelenkt wird. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts kommt es zur Ladungstrennung, die der Gewinnung elektrischer Energie zur Verfügung steht.
Der bei einem Reifen als rotierendem System resultierende Kraftvektor hängt von der Erd- und Zentrifugalbeschleunigung ab und wird von der Radialbeschleunigung stark dominiert. Da- durch wird aber das Schwingverhalten der Einkoppelmasse gehemmt mit der Folge, dass mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit (Fahrzeuggeschwindigkeit) die zur Verfügung stehende elektrische Energie abnimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Energiewandler bereitzustellen, der mit einer hohen Effizienz mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann und deren Effizienz unabhängig von der Rotationsge- schwindigkeit eines rotierenden Systems ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Träger mit einer Ausnehmung, mindestens ei- nem piezoelektrischen Element (Piezoelement) und mindestens einer in einer Ausnehmung des Trägers angeordneten Einkoppelmasse angegeben. Dabei sind die Einkoppelmasse und das piezoelektrische Element mechanisch derart miteinander gekoppelt, dass eine Bewegung der Einkoppelmasse in der Ausnehmung zu einer Auslenkung des piezoelektrischen Elements führt. Das
Piezoelement und der Träger sind nur an einem Seitenrand des Piezoelements miteinander verbunden.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des piezoelektrischen Energiewandlers angegeben, wobei durch eine Bewegung der Einkoppelmasse in der Ausnehmung des Trägers eine Auslenkung des piezoelektrischen Elements bewirkt wird und so elektrische Energie gewonnen werden kann.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung des Verfahrens zur Versorgung eines Reifenkontrollsystems mit elektrischer Energie angegeben. Die grundlegende Erkenntnis, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, dass ein mechanisches, kraftschlüssiges miteinander Verbinden des Piezoelements und des Trägers nur an einer Seite des Piezoelements durchzuführen. Piezoelement und Träger sind im Wesentlichen nur an einer Stelle miteinander verbunden. Dies führt dazu, dass durch die Auslenkung des Piezoelements nur an dieser Stelle mechanische Spannungen auftreten. Vorteilhaft wird das Piezoelement nur im Wesentli- chen nur an dieser Stelle Da die erzeugte elektrische Energie direkt proportional zum Quadrat der mechanischen Spannung ist, weist das einfach eingespannte Piezoelement damit die höchste zu erwartende elektrische Energiedichte auf. Eine Masse der Einkoppelmasse hängt von der Ausgestaltung des Piezoelements ab. Bei einem Pieoelement in Form Die Einkoppelmasse wiegt vorteilhaft weniger als 20 g, besonders vorteilhaft weniger als 10 g. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung sind das piezoelektrische Element und die Einkoppelmasse lose miteinander verbunden. Die Einkoppelmasse und das piezoelektrische Element sind nicht fest, also nicht kraftschlüssig miteinander verbunden. Dies führt dazu, dass die Fliehkraft keine negative Auswir- kung mehr auf die Effizienz des piezoelektrischen Energiewandlers ausübt. Der piezoelektrische Energiewandler ist nicht als klassisches seismisches Feder-Masse-System ausgeführt und kann damit nicht resonant angeregt bzw. betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass der Energiewandler, der in einem rotierenden System eingesetzt wird, mit gleichbleibender Effizienz unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden kann. Die Anregung kann also sehr breitbandig in einem weiten Frequenz-Bereich erfolgen. 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 angeordne- ten 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 . Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das piezoelektrische Element ein piezoelektrischer Biegebalken. Vorzugsweise weist der piezoelektrische Biegebalken einen oben beschriebenen Mehrschichtaufbau auf. Dabei kann der Mehrschichtaufbau symmetrisch oder unsymmetrisch sein. Denkbar ist auch ein Mehr- schichtaufbau auf einem Träger (Substrat) .
Im Hinblick auf die angestrebte Miniaturisierung eignet sich zur Realisierung des Biegewandlers besonders die MEMS- Technologie. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische
Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran ausgestaltet. Das piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Piezoelements in Form einer piezoelektrischen Membran kann eine Trägerschicht vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) . Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, piezo- elektrische Biegebalken mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche zu verwenden. Dies ist eine optimale Balkengeometrie (bei punktförmiger Krafteinwirkung) , die die höchste Effizienz bei der Energiewandlung bietet. Vorzugsweise sind mehrere piezoelektrische Elemente vorhanden, die derart aneinander angeordnet sind, dass sie durch die Bewegung der Masse gleichzeitig in eine gleiche Richtung ausgelenkt werden können. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Biegebalken einem gleichen Trägerabschnitt des Trägers angeordnet sind. Durch eine Bewegung der Einkoppelmasse senkrecht zu diesem Abschnitt hin werden die Biegebalken gleichzeitig und in gleicher Richtung ausgelenkt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind mehrere piezoelektri- sehe Elemente vorhanden, die derart aneinander angeordnet sind, dass sie durch die Bewegung der Masse zeitlich gegeneinander versetzt und in einander entgegen gesetzte Richtungen ausgelenkt werden können. Beispielsweise ist der Träger ein flaches Substrat mit einer sich in Dickenrichtung durch das Substrat hindurch erstreckenden Ausnehmung. Die Biegebalken werden an den beiden Hauptflächen des Substrats an den Rändern der Hauptflächen über der Ausnehmung angeordnet. Fallen der Einkoppelmasse in der Ausnehmung senkrecht zu den Hauptflächen führen dazu, dass die Biegebalken abwechselnd und in entgegen gesetzte Richtungen ausgelenkt werden.
In einer besondern Ausgestaltung sind der Träger, das piezoelektrische Element und die Einkoppelmasse in einer Umhüllung angeordnet, die als Überlastschutz des piezoelektrischen EIe- ment fungiert. Es liegt ein gekappselter Aufbau vor. Die Umhüllung dient als mechanischer Anschlag für das piezoelektrische Element. Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
- Der piezoelektrische Energiewandler kann mit einer hohen Effizienz betrieben werden, mit der mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
- Der piezoelektrische Energiewandler kann resonant betrieben werden, also mit der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Membran. Er muss es aber nicht. Er kann damit breitbandig
(Frequenzbereich von wenigen kHz bis einigen hundert kHz) betrieben werden bei gleichbleibend hoher Effizienz bezüglich der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie .
- Eine geschwindigkeitsabhängige Fliehkraft der Einkoppelmasse wird komplett entkoppelt und hat daher keinen negativen Einfluss auf den piezoelektrischen Energiewandler. - Eine optimierte Balkengeometrie mit dreieckiger Grundfläche bietet höchste Effizienz bei der Energiewandlung. Sie sorgt für einen gleichmäßigen mechanischen Spannungsverlauf und damit zu gleichmäßiger elektrischer Energieverteilung beziehungsweise zu gleichmäßiger elektrischer Spannung über den gesamten Verlauf der Auslenkung des Biegebalkens. Eine ungewollte elektromechanische Rückkopplung aufgrund nicht vorhandener Äquipotentialflächen, die die Effizienz reduzieren würden, tritt nicht ein. - Aufgrund eines gekapselten Aufbaus wird ein mechanischer Überlastschutz erzielt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Fi- guren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreue Abbildung dar. Figur 1 zeigt einen piezoelektrischen Energiewandler an einem rotierenden Bauteil in einem seitlichen Querschnitt.
Figur 2 zeigt den piezoelektrischen Energiewandler in einer
Aufsicht auf die piezoelektrischen Elemente.
Der piezoelektrische Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie weist einen Träger 3 mit einer Ausnehmung 31 auf. Begrenzt ist diese Ausnehmung von piezoelektrischen Elementen 2 in Form von piezoelektrischen Biegebalken.
Jeder der Biegebalken eine im wesentlichen dreieckige Grundfläche auf (Figur 2) . Außerdem weist jeder der Biegebalken einen Mehrschichtaufbau 20 aus MEMS-Schichten auf. Die Biegebalken sind jeweils als MEMS-Membran ausgestaltet mit einer Trägerschicht 21 aus Siliziumnitrid, zwei Elektrodenschichten 22 aus Platin und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht 23 aus Bleizirkonattita- nat (PZT) .
Die piezoelektrischen Elemente mit dreieckiger Grundfläche sind so angeordnet, dass eine quadratische Gesamtgrundfläche resultiert (Figur 2). Dabei ist jeder der Biegebalken über einen seiner Seitenränder 24 mit dem Träger verbunden. Jeweils an der Spitze des Dreiecks, die von diesem Seitenrand weg gerichtet ist, verfügen die Biegewandler über Ausnehmungen 25. Diese Ausnehmungen dienen zur Aufnahme der Einkoppelmasse 4.
Die Einkoppelmasse 4 ist eine Kugel. Die Kugel ist derart in der Ausnehmung des Trägers angeordnet, dass eine Bewegung der Kugel mit der Bewegungsrichtung 41 zu einer Auslenkung der piezoelektrischen Elemente führt. Die piezoelektrischen EIe- mente und die Einkoppelmasse sind lose miteinander verbunden. Die piezoelektrischen Elemente und die Einkoppelmasse sind derart miteinander gekoppelt, dass die Bewegung der Einkoppelmasse in der Ausnehmung zu einer Auslenkung der piezo- elektrischen Elemente führt. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts führt dies zu einer Ladungstrennung. Aufgrund der Ladungstrennung kann elektrische Energie gewonnen werden. Die piezoelektrischen Elemente, die Einkoppelmasse und der Träger sind derart angeordnet, dass die piezoelektrischen Elemente auf einer Seite, senkrecht zur Bewegung der Einkoppelmasse, durch die Einkoppelmasse gleichzeitig und gleichgerichtet ausgelenkt werden. Gegenüber den piezoelektrischen Elementen auf der anderen Seite findet die Auslenkung zeitversetzt und in entgegen gesetzter Richtung statt.
Der piezoelektrische Energiewandler weißt darüber hinaus eine Umhüllung 6 auf. Die Umhüllung, in die die Piezoelemente, der Träger und die Einkoppelmasse angeordnet sind, fungiert als Überlastschutz für die Piezoelemente.
Der piezoelektrische Energiewandler und das Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe des piezoelektrischen Energiewandler allgemein dort eingesetzt, wo mit Hilfe über rotierende Bauteile, beispielsweise einer Welle, aus mechanischer Energie elektrische Energie gewonnen werden kann. Speziell werden der elektromechanische Energiewandler und das beschriebenen Verfahren zur Versorgung eines Reifenkontrollsystems mit elektrischer Energie eingesetzt. Dazu ist der piezoelektrische Energiewandler mit einem rotierenden Bauteil 5 mit der Rotationsbewegung 51 (Felge eines Reifens, Figur 1) verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Energiewandler (1) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit
- einem Träger (3) mit einer Ausnehmung (31),
- mindestens einem piezoelektrischen Element (2) und
- mindestens einer in der Ausnehmung des Trägers angeordneten Einkoppelmasse (4), wobei
- die Einkoppelmasse und das piezoelektrische Element mecha- nisch derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Bewegung
(41) der Einkoppelmasse in der Ausnehmung zu einer Auslenkung des piezoelektrischen Elements führt und
- das Piezoelement und der Träger nur an einem Seitenrand (24) des Piezoelements miteinander verbunden sind.
2. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Element und die Einkoppelmasse lose miteinander verbunden sind.
3. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei das piezoelektrische Element ein piezoelektrischer Biegebalken ist.
4. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das piezoelektrische Element einen Mehrschichtaufbau (20) aufweist.
5. Piezoelektrischer Energiewandler nach Anspruch 4, wobei der Mehrschichtaufbau MEMS-Schichten aufweist.
6. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der piezoelektrische Biegebalken eine im Wesentlichen dreieckige Grundfläche aufweist und der Seitenrand von einer Seite der dreieckigen Grundfläche gebildet ist.
7. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mehrere piezoelektrische Elemente vorhanden sind, die derart aneinander angeordnet sind, dass sie durch die Bewegung der Einkoppelmasse gleichzeitig in eine gleiche Richtung ausgelenkt werden können.
8. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mehrere piezoelektrische Elemente vorhanden sind, die derart aneinander angeordnet sind, dass sie durch die Bewegung der Masse zeitlich gegeneinander versetzt und in einander entgegen gesetzte Richtungen ausgelenkt werden können .
9. Piezoelektrischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Träger, das piezoelektrische Element und die Einkoppelmasse in einer Umhüllung (6) angeordnet sind, die als Überlastschutz des piezoelektrischen Elements fun- giert.
10. Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines piezoelektrischen Energiewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei durch eine Bewegung der Einkoppelmasse in der Ausnehmung des Trägers eine Auslenkung des piezoelektrischen Elements bewirkt wird und so elektrisch Energie gewonnen werden kann.
11. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 10 zur Versorgung eines Reifenkontrollsystems mit elektrischer Energie.
PCT/EP2010/059938 2009-07-27 2010-07-09 Piezoelektrischer energiewandler zum umwandeln von mechanischer energie in elektrische energie mit erhöhter effizienz der umwandlung, verfahren zum umwandeln von mechanischer energie in elektrische energie und verwendung des verfahrens WO2011012430A1 (de)

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DE102009034610 2009-07-27
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DE102009043218A DE102009043218A1 (de) 2009-07-27 2009-09-28 Piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit erhöhter Effizienz der Umwandlung, Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie und Verwendung des Verfahrens

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