WO2012028453A1 - Highly integrated piezoelectric energy supply module - Google Patents

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WO2012028453A1
WO2012028453A1 PCT/EP2011/064101 EP2011064101W WO2012028453A1 WO 2012028453 A1 WO2012028453 A1 WO 2012028453A1 EP 2011064101 W EP2011064101 W EP 2011064101W WO 2012028453 A1 WO2012028453 A1 WO 2012028453A1
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WO
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energy
piezoelectric element
ees
piezoelectric
generation system
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PCT/EP2011/064101
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German (de)
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Inventor
Alexander Frey
Ingo KÜHNE
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Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0408—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver
    • B60C23/041—Means for supplying power to the signal- transmitting means on the wheel
    • B60C23/0411—Piezo-electric generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • 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

  • the invention relates to a power generation system, in particular formed as an integrated miniaturized Energyer ⁇ generating system. Furthermore, the invention relates to a method for providing energy for energy self-sufficient systems. Actuators and sensors based on MEMS (Micro Electro mechanization cal Systems) technology, are increasingly being incorporated is ⁇ . Actuator are particularly interesting here or sensor ⁇ nodes and networks that work 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.
  • MEMS Micro Electro mechanization cal Systems
  • the time required for the operation of the Rei ⁇ Pressure Monitoring power is supplied from a battery.
  • the battery limits the life of the tire pressure monitoring system.
  • the object of the present invention is to provide a miniaturized power generation system which enables a self-sufficient power supply and control for decentralized systems, in particular in the industrial environment or in vehicle technology.
  • a power generation system in particular designed as an integrated miniaturized power generation system, comprising:
  • a mechanical force can be coupled in such a way by the first excitation means to the piezoelectric element that the piezoelectric element is excited ⁇ specific to mechanical vibrations
  • an integrated circuit for energy management ⁇ ment of the energy provided by the piezoelectric energy converter.
  • ASIC integrated circuit
  • the nature of the conversion of mechanical energy into electrical energy as described can be incorporated anywhere ⁇ sets, where a mechanical force to the mechanical ⁇ An excitation of the piezoelectric element can be tapped. This can be done, for example, by using kinetic energy or by deformation processes in the surrounding infrastructure. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in the Indust ⁇ rieautomatmaschine (eg robot), where there are many moving parts that are protected, for example, by mechanically deformable rubber ⁇ cuffs. But even a tire gossip is usable as a mechanically deformable environment.
  • the miniaturization of the power generation system according to the invention is based on a MEMS piezoelectric generator and the realization of the interface circuit as an ASIC.
  • MEMS typical layer thicknesses in the range of typically 1 ⁇ - ⁇ allow a compact design of the generator.
  • the power generation system comprises an energy storage element for storing the electrical energy generated by the piezoelectric energy converter.
  • the energy Memory element may be formed, for example, as a double-layer capacitor (gold cap).
  • a double-layer capacitor combines speed and large energy storage to form a supercapacitor.
  • a double-layer capacitor is particularly small despite its high capacity. The dielectric strength is not very high. It is at a few volts.
  • the double layer capacitor ⁇ (gold cap) is suitable because of its high capacity and particularly bridging power supply. In devices or applications in which data is to be retained when switched off, it is thus particularly suitable.
  • the power generation system comprises an energy interface to external consumers. Characterized in particular remotely located consumer (eg Snsoren, Ak ⁇ factors) are independently powered, without further Ver ⁇ cabling.
  • the power generation system further comprises a second housing part with second excitation means, wherein the second housing part is movably arranged on the first hous ⁇ part such that by translational movements of the second housing part, substantially in the direction of the first Excitation means, the first excitation means are mechanically driven by the second excitation means.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the first housing part has elements for the defined mechanical guidance of the second housing part. There- by the kinetic energy of the second housing part can de finiert ⁇ and be purposefully used for the excitation of the piezoelectric element ⁇ rule.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that between the first and the second housing part spring elements are mounted, which lead to a restoring force upon deflection of the second housing part. As a result, a periodic excitation of the piezoelectric element is possible.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has a multilayer ⁇ construction with MEMS layers (ie in Micro Electro Mechanical Systems - technology).
  • the piezoelectric element has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric ⁇ shear layer and further electrode layer.
  • a plurality of 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 layers results.
  • the electrode material of the electrode layers can consist of various 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 ⁇ lichsten. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (A1N). Piezoelectrical organic materials such as polyvinylidene difluoride
  • PVDF polytetrafluoroethylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the piezoelectric element is formed as a piezoelectric flag from ⁇ .
  • the piezoelectric element is formed as a bending element, preferably as a piezo-flag.
  • the bending element is, for example, a piezoelectric Bie ⁇ gauge.
  • ceramic green sheets printed with a metallization for the electrode layers are stacked on top of one another and sintered. The result is a monolithic bending transducer.
  • the bending transducer can be configured as desired, example ⁇ as bimorph.
  • MEMS technology is particularly suitable for realizing the bending transducer.
  • a piezoelectric energy converter with very small lateral dimensions is available.
  • very thin layers can be formed.
  • the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
  • the piezoelectric element is designed as a thin piezoelectric diaphragm or beam.
  • the piezoelectric ele ⁇ ment has a very low mass. In addition, such a piezoelectric element can easily become mechanical
  • 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 ⁇ to 100 ⁇ .
  • the carrier layer is optional.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has a substantially triangular surface. This causes a high efficiency in the energy conversion.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the first excitation means is designed as a rigid mechanical shear ⁇ driver which is driven by a Anlenkdorn the second excitation means.
  • Rigid mecha ⁇ African driver can be realized as a simple Frontalmit six example.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the first excitation means is designed as a semiflexible with ⁇ participants, which collapses in a first direction of movement, when it acts mechanically on the piezoelectric element mecha ⁇ nically, so that the piezoelectric element in the first direction of movement of the driver is essentially not deflected, and wherein in a second direction of movement, which is substantially opposite to the first direction of movement, the semi-flexible driver deflects the piezoelectric element in a contacting, wherein the semi-flexible carrier is driven by a Anlenkdorn the second excitation means.
  • This is a robust concept (with regard to the reproducibility and stability of the deflection process), which also has no limitation with respect to natural frequency and deflection duration.
  • the piezoelectric bar In the forward movement of the driver works on, so that the piezo beam (or the piezo flag) is practically not deflected. In the reverse movement, with ⁇ participants is so reinforced that the piezoelectric bar is carried. After reaching a certain Auslenkwegs in the backward movement, which is set exactly determinable over the geometry ratios, the piezoelectric bar is left free and can oscillate.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the integrated circuit (ASIC) is used for circuitsge ⁇ right energy management of energy self-sufficient sensors and / or actuators.
  • the integrated circuit (ASIC) for energy management of the energy provided by the piezoelectric energy converter allows a power supply adapted to the respective energy requirements of the decentralized system to be supplied. This allows the energy available to the consumer to be adjusted and maximized.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has an electrically passive carrier layer.
  • the carrier layer increases the me ⁇ chanische load capacity of the piezoelectric element and acts in electrical damping of the energy converter as me ⁇ chanischer energy storage. With electrical damping of the energy converter, the mechanical energy from the carrier ⁇ layer in a piezoelectric layer of the piezoelectric element continuously redistributed. Thus, the electrically passive carrier layer becomes a mechanical energy storage.
  • the object is further achieved by a method for converting mechanical energy into electrical energy using a power generation system according to one of claims 1 to 14 by acting on a piezoelectric element caused by mechanical ambient energy ⁇ mechanical force on a pie ⁇ zoelektharis element, so that the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations and wherein the integrated circuit (ASIC), the amount of energy for a system is supplied as needed.
  • the demanded energy makes possible an optimal energy consumption adapted to the respective requirements. This increases the performance and Reliable ⁇ ness of the supplied remote systems (such as actuators, sensors).
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic overview of the power generation system according to the invention
  • FIG 2 is an exemplary functional diagram for a Auslen ⁇ effect of a piezoelectric element by a periodic excitation
  • FIGS. 3a-3c show an exemplary vibration excitation of a piezo-beam generator by means of a linear translational movement and a suitable mechnan rigid driver
  • FIG 8a-8b exemplary acceleration graphs when passing through the tire contact area at different speeds Ge ⁇ .
  • a simple approach for obtaining energy from mechanical deformation by means of the piezoelectric effect is z.
  • Such systems ermögli ⁇ chen a self-sufficient power supply for decentrally mounted actuators and / or sensors. These systems are maintenance-free and do not require a battery change, which also has a positive environmental impact.
  • Layer thicknesses must be used acceleration masses of at least a few grams to allow a relevant deformation of the piezoelectric crystal and thus the provision of electric ⁇ shear energy.
  • the macroscopic layer thicknesses also lead (be long bending beam, in order for the mediated acceleration and mass force can be effective over a mög ⁇ lichst large lever on the piezo) in addition to the required mass to relatively large geometries. All in all, the miniaturization has narrow limits.
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic overview screen of the power generation system EES according to the invention with a piezoelectric energy converter EWL for converting mechanical energy into electrical energy with at least one piezoelectric element PEl and a first housing part GTl, in which the piezoelectric element PEl is arranged ⁇ steerable at one end of and first excitation means AMI for mechanical excitation of the piezoelectric element PEl, wherein a mechanical force Bl can be by the first excitation means AMI in the piezoelekt ⁇ step element PEl such are ⁇ coupled to the piezoelectric element PEl is excited to mechanical vibrations.
  • power generation system EES to the invention comprises a integ ⁇ tured circuit ASIC energy management provided by the piezo-electric energy converter ⁇ EWL electrical energy.
  • the first housing part GT1 is advantageously designed as a static lower part housing.
  • the energy generation system EES comprises an energy store ESP for temporary storage. witnessed electrical energy.
  • the energy storage element ESP can be realized, for example, as a double-layer capacitor (gold cap).
  • power generation system according to the invention may comprise EES (Senoren or actuators, for example) a power interface for supplying electrical ESS ⁇ 's consumers.
  • the power generation system EES a second housing part GT2 with second excitation means AM2, wherein the second housing part is GT2 movably arranged on the first Ge ⁇ casing part GT1, so that by translational movements of the second housing part GT2, substantially in the direction of the first excitation means AMI, said first excitation means are driven AMI mecha nically ⁇ by the second excitation means AM2.
  • the housing parts GT1 and GT2 protect the piezoelectric generator EW1, among other things from mechanical damage.
  • the piezo-based, miniaturized and highly integrated energy generation system EES according to the invention makes it possible, in particular, to provide electrical operating energy for realizing autonomous sensor technology or actuators.
  • the power supply module EES consists of a functionally two-part housing.
  • the module components MEMS generator EW1 (with piezoelectric element PE1) interface ASIC and energy ⁇ gie Grandeelement ESP and power interface ESS integrated to ex ⁇ ternem consumers.
  • the first casing part Ge ⁇ GT1 elements FEI, FE2 for the defined mechanical guiding a second movable housing GT2 on.
  • the movable housing part GT2 has a articulation mandrel AM2 for pulsed excitation (see FIG. 2) of the MEMS generator EW1.
  • the inventive power supply module ⁇ EES based on a deflection of the movable housing part GT2.
  • the deflection leads via the articulation mandrel AM2 to an excitation of the natural oscillation of the piezo-MEMS flag PE1 of the generator EW1 by means of the driver AMI integrated in the static housing part GT1.
  • the primary electrical energy in the transducer EW1 is extracted effi cient ⁇ via the interface ASIC and the memory element ESP supplied with suitable voltage levels. Over the expected energy ⁇ interface ESS an external consumer (eg, corresponds removed attached sensors) can be connected.
  • the deflection of the movable housing part GT2 is fed from me ⁇ chanischer ambient energy.
  • me ⁇ chanischer ambient energy typically, two cases are conceivable.
  • various deformation processes for example from an industrial environment (eg conveyor belts) can be used for this purpose.
  • attaching an optional additional mass M to the movable housing part GT2 can be advantageous.
  • the miniaturization of the power supply system EES according to the invention is based on a MEMS piezoelectric generator and the realization of the interface circuit as an ASIC.
  • MEMS typical layer thicknesses in the range of typically
  • Table 1 Estimation of the system mass of the energy module according to the invention and comparison with conventional battery.
  • MEMS component consisting of a piezo-generator PE1 with integrated mechanical energy storage (optional passive carrier layer of the piezo-generator) with layer thicknesses in the range of typically 1 ⁇ - ⁇ and a driver for pulsed excitation of the piezoelectric structure.
  • Energy storage ESP (optional) designed as Kon ⁇ capacitor (eg GoldCap) or battery.
  • Energy interface ESS (optional), which allows connection to external consumers.
  • One housing base GTl with optional stops for the mechanical limitation of a movably mounted upper housing part GT2.
  • Optional spring elements Fl, F2 which lead to a restoring ⁇ lenden force in deflection of the movably mounted Ge housing upper part GT2.
  • a movably mounted upper housing part GT2 which has a Anlenkdorn AM2 for actuating the driver AMI in the MEMS generator PE1.
  • a movably mounted upper housing part GT2 which has an optional additional mass M.
  • FIG. 2 shows an exemplary functional diagram for an off ⁇ steering of a piezoelectric element by a periodic excitation
  • the underlying idea of the invention is the Prettymecha African deflection of a piezoelectric beam structure.
  • the bars- structure piezo element
  • the piezoelectric bar then begins to oscillate at its natural frequency 1 / T os .
  • the vibration is damped.
  • the system is now periodically excited with 1 / T ex .
  • a non-periodic excitation An advantage of a periodic excitation lies in the continuous provision of electrical energy by the energy converter.
  • An object of the present invention is the realization of the vibration excitation shown in FIG.
  • a linear translational movement (FIG. 1) must be provided or used directly.
  • FIGS. 3a-3c show an example of vibration excitation of a piezoelectric bar PE2, PE ', PE "by means of a linear translational movement B2, ⁇ 2', B2" and of a suitable mechanical rigid carrier SM, SM ', SM ".
  • the electrical energy generated by the piezoelectric bar PE2, PE2 ', PE2'' is provided via the energy converter EW2, EW2', EW2 '' by a suitable electrical contacting electrical consumers.
  • 3a - 3c show how the translational Auslen ⁇ effect is used for vibration excitation.
  • FIGS. 3a-3c show the case of a rigid frontal driver SM, SM ', SM ".
  • the maximum deflection of the piezo-bellows structure PE2, PE2 ', PE2'' is determined by the reversal point of the translatory movement B2, ⁇ 2', B2 '' (in this case, reproducible and stable behavior is required here).
  • the driver SM, SM ', SM' moves faster than the piezoelectric bar PE2, PE2 ', PE2''. This can in principle be fulfilled if the period of the natural frequency of the piezoelectric structure ⁇ PE2 PE2 ', PE2''is greater than the duration of the deflection.
  • the piezoelectric bar can oscillate freely with its natural frequency.
  • the rigid frontal driver SM, SM ', SM'' can be attached, for example, to a conveyor belt or to a wheel, by means of which a translational movement B2, ⁇ 2', B2 '' is provided.
  • the translatory movement B2, B2 ', B2 may be periodically recurring.
  • FIGS. 4a-4d show an exemplary vibration excitation of a piezo-bar-type generator PE3, PE3 ', PE3'',PE3'' by means of a linear translatory movement B3, B3 ', B3''and of a suitable semi-flexible mechanical driver SFM, SFM', SFM '', SFM ''.
  • the electrical energy generated by the piezoelectric bar structure PE3, PE3 ', PE3'',PE3''' is via the energy converter EW3, EW3 ', EW3'',EW3''' by a suitable electrical contacting electrical consumers (eg decentralized actuators or sensors ) provided.
  • FIG. 5 shows an exemplary schematic representation of a piezoelement PE4.
  • Figure 5 shows an exemplary piezoelekt ⁇ generic flag PE4 (or a piezoelectric bending beam) having a substantially triangular base.
  • the mechanical force B4 is substantially perpendicular to an end face of the piezo triangle PE4 and causes the piezo flag PE4 to vibrate.
  • the triangular base creates a high energy conversion efficiency.
  • the triangular piezoelement PE4 can be used in the energy converter according to the invention in any dynamically deformable environment. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (eg robots), where there are many moving parts that are protected, for example by deformable rubber sleeves.
  • the mechanical environment energy (deformation energy) called mechanical force is coupled in such a way in the piezoelectrically ⁇ hari harideformation energy) called mechanical force is coupled in such a way in the piezoelectrically ⁇ hari harideformation energy) called mechanical force is coupled in such a way in the piezoelectrically ⁇ hari harideformation energy) called mechanical force is coupled in such a way in the piezoelectrically ⁇ hari haride
  • FIG. 6 shows an exemplary schematic execution ⁇ for example a piezo element PE5.
  • the example according to FIG. 6 shows the piezo element PE5 as a multilayer rectangular or substantially rectangular plate.
  • the piezo element PE5 can in principle also take other forms (eg triangular shape).
  • the piezoelectric element PE5 has a layer sequence of electrode layer ESI, piezoelectric layer PES and white ⁇ more excellent electrode layer ES2.
  • a plurality of such layer sequences can be stacked on top of one another, so that a multi-layer structure with stacked, alternately arranged electrode layers ESI, ES2 and piezoelectric layers PES results.
  • the electrode material of the electrode layers ESI, ES2 may consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and Pla ⁇ tin / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials.
  • the piezoelectric layer PES may also be made under ⁇ Kunststofflichsten materials.
  • piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (A1N).
  • PZT lead zirconate titanate
  • ZnO zinc oxide
  • A1N aluminum nitride
  • Piezo ⁇ electrical organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
  • the piezoelectric element PE5 has an electrically passive carrier layer TS.
  • the carrier layer TS increases the mechanical strength of the piezoelectric element PE5 and acts in electrical damping of the energy converter as a mechanical energy storage.
  • the mechanical energy is obtained from the carrier layer TS in a piezoelectric layer of the piezoelectric ele ments ⁇ PE5 continuously redistributed.
  • the elekt ⁇ driven passive carrier layer TS is a mechanical Energyspei ⁇ cher.
  • the MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the piezoelectric layer PES is a few ⁇ thick, for example ⁇ 1 ⁇ to 10 ⁇ .
  • the piezoelectric element PE5 is configured as a thin piezoelectric plate.
  • the piezo-electric element ⁇ PE has a very low mass.
  • the carrier layer TS5 may be made of silicon, polysilicon, silicon dioxide (S1O 2 ) or silicon nitride (S1 3 N 4 ) be.
  • a layer thickness of the carrier layer is out of the TS Be ⁇ range from 1 ⁇ ⁇ selected to 100th
  • a miniaturized trained energy converter increases the range of possible applications and applications, especially in decentralized applications that require a self-sufficient and maintenance-free energy supply. Furthermore, a commercially available bulk material (produced, for example, by means of green-film technology) with thicknesses in the range of a few hundred ⁇ m can be used.
  • FIG. 7 shows an application example for the use of the power generation system (EES, Figure 1) according to the invention in a mechanically deformable environment.
  • Figure 7 shows a tire R from the side with tire rattle RL on a road surface FB, as an example of the use of the power generation system (EES according to the invention, Figure 1).
  • the power generation system according to the invention (EES, Figure 1) is on the inside of the car tire R (eg on the inside of the tread) mounted (eg, by gluing or vulcanization) such that a deformation of the tire lash (Reifenaufstandsfla ⁇ che) on the movable housing part (GT2 1) and this deformation energy is coupled via the excitation means (AMI, AM2, FIG.
  • the primary mechanical ambient energy (eg Ver ⁇ deformation energy through the tire contact area) is not directly applied to the piezoelectric elements (PE1; Figure 1) is coupled, but indirectly by the excitation means (AMI, AM2, Figure 1). Through them housing structure (GT1, GT2, Figure 1) and the guide elements (FEI, FE2; Figure 1) thus occurs a con trolled ⁇ coupling of the mechanical ambient energy to the piezoelectric elements (PE1; Figure 1).
  • the energy necessary for the operation of the tire sensor system can thus be provided by the tire R itself.
  • the tire sensor system can thus be operated in an energy-autonomous manner.
  • the energy generation system (EES, FIG. 1) according to the invention can be used in any dynamically deformable environment. For example, in conveyor belts at the reversal points of which the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (for example robots) where there are a large number of moving parts, e.g. are protected by mechanically deformable rubber sleeves.
  • Figures 8a-8b show exemplary acceleration diagrams when passing through the tire lap (RL; Figure 7) at different speeds.
  • the accelerations occurring when passing through the tire lap at different speeds are shown by way of example.
  • the associated forces can be very easily exploited by the power supply module according to the invention (EES, Figure 1), in a suitable manner on the maturity ⁇ inside is attached (eg vulcanize).
  • Figure 8a shows the acceleration when passing through the tire bladder at the speed 15 km / h.
  • FIG. 8b shows the acceleration when driving through the tire at the speed of 230 km / h.
  • the inventive step is u.a. in the manner of the realization of a piezobas striving, miniaturized and highly integrated power supply module (EES, Figure 1).
  • the present invention has the following ADVANTAGES ⁇ le:
  • the module ⁇ mass may be limited to a total of a few grams. This allows in particular the use in high dynamic ⁇ rule environments such as a tire interior.
  • Energy generation system in particular designed as integ ⁇ tioned miniaturized power generation system, with a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy with at least one piezoelectric element, a first housing part in which the piezoelectric element is arranged deflectable at one end, first excitation means for mechanical excitation of the pie ⁇ electrical element, wherein by the first excitation ⁇ medium in the piezoelectric element, a mechanical force can be coupled such that the piezoelectric ⁇ cal element is excited to mechanical vibrations, and an integrated circuit (ASIC) for energy management of the piezoelectric energy converter provided energy.
  • ASIC integrated circuit

Abstract

Disclosed is an energy conversion system, designed especially as an integrated miniaturized energy conversion system, comprising a piezoelectric energy converter (EW1-EW3) that is used for converting mechanical energy into electricity and includes at least one piezoelectric element (PE1-PE5), the energy conversion system further comprising a first housing part (GT1), inside which the piezoelectric element (PE1-PE5) is arranged in such a way that the same can be deflected at one end, first excitement means (AM1) for mechanically exciting the piezoelectric element (PE1-PE5), said first excitement means (AM1) being able to introduce a mechanical force into the piezoelectric element (PE1-PE5) in such a way that the piezoelectric element (PE1-PE5) is excited to generate mechanical vibrations, and an integrated circuit (ASIC) for managing the energy supplied by the piezoelectric energy converter (EW1-EW3).

Description

Beschreibung description
Hochintegriertes piezoelektrisches Energieversorgungsmodul Die Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieer¬ zeugungssystem. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen von Energie für energieautarke Systeme. Aktoren und Sensoren, die auf der MEMS (Micro Electro Mechani- cal Systems ) -Technologie basieren, werden zunehmend einge¬ setzt. Besonders interessant sind hierbei Aktor- bzw. Sensor¬ knoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten not- wendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung. Highly integrated piezoelectric power supply module The invention relates to a power generation system, in particular formed as an integrated miniaturized Energieer ¬ generating system. Furthermore, the invention relates to a method for providing energy for energy self-sufficient systems. Actuators and sensors based on MEMS (Micro Electro mechanization cal Systems) technology, are increasingly being incorporated is ¬. Actuator are particularly interesting here or sensor ¬ nodes and networks that work 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.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifendruckkontrollsyste¬ men (Reifensensorik) . Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwachen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür not- wendige elektrische Bauteile sind über ein Ventil an einerAn important field lies in the automotive industry, for example in connection with Reifendruckkontrollsyste ¬ men (tire sensor). Today's tire pressure monitoring systems monitor pressure fluctuations in the car tire by measuring pressure and temperature at certain intervals and send the results wirelessly to a control unit. The necessary electrical components are connected via a valve to one
Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Rei¬ fendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems . Rim of the car tire attached. The time required for the operation of the Rei ¬ Pressure Monitoring power is supplied from a battery. The battery limits the life of the tire pressure monitoring system.
Weiterhin sind Systeme bekannt, die über eine Solarzelle ge¬ speist werden. Im Bereich der Industrieautomatisierung und den damit oft einhergehenden deutlich reduzierten Lichtbudgets ist der Einsatz dieser Systeme aber begrenzt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein miniaturisiertes Energieerzeugungssystem bereitzustellen, das eine autarke Energieversorgung und -Steuerung für dezentrale Systeme, insbesondere im industriellen Umfeld oder in der Fahrzeugtechnik, ermöglicht. Furthermore, systems are known which are fed via a solar cell ge ¬ . However, the use of these systems is limited in the field of industrial automation and the associated significantly reduced light budgets. The object of the present invention is to provide a miniaturized power generation system which enables a self-sufficient power supply and control for decentralized systems, in particular in the industrial environment or in vehicle technology.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes EnergieerzeugungsSystem, umfassend : The object is achieved by a power generation system, in particular designed as an integrated miniaturized power generation system, comprising:
a) einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit  a) a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy with
mindestens einem piezoelektrischen Element, at least one piezoelectric element,
b) ein erstes Gehäuseteil, in dem das piezoelektrische Element an einem Ende auslenkbar angeordnet ist,  b) a first housing part in which the piezoelectric element is deflectably arranged at one end,
c) erste Anregungsmittel zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes, wobei durch die ersten Anregungsmittel in das piezoelektrischen Element eine mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektri¬ sche Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, c) first excitation means for mechanical excitation of the piezoelectric element, a mechanical force can be coupled in such a way by the first excitation means to the piezoelectric element that the piezoelectric element is excited ¬ specific to mechanical vibrations,
d) eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanage¬ ment der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie. Die beschriebene Art der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie kann überall dort einge¬ setzt werden, wo eine mechanische Kraft zur mechanischen An¬ regung des piezoelektrischen Elementes abgegriffen werden kann. Dies kann z.B. durch Nutzung von kinetischer Energie erfolgen oder durch Verformungsvorgänge in der umgebenden Infrastruktur. Z.B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Indust¬ rieautomatisierung (z.B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z.B. durch mechanisch verformbare Gummi¬ manschetten geschützt sind. Aber auch ein Reifenlatsch ist als mechanisch verformbare Umgebung verwendbar. Diese in einer industriellen Umgebung sowieso schon vorhandenen mechani- sehen Bewegungen, also vorliegenden kinetischen Energien oder mechanische Kräfte, die auch in definierten und bekannten Be¬ wegungsrichtungen vorliegen, lassen sich somit durch die vorliegende Erfindung zur Gewinnung von elektrischer Energie „ernten". Durch die mechanische Krafteinkopplung wird das piezoelektrischen Element zu mechanischen Schwingungen angeregt. Diese mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie wird vom Energiemanagementsystem (Powermanagement ASIC) aufbereitet und einem Verbraucher (z.B. dezentrale Aktoren oder Sensoren) zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht den autarken Betrieb dieser dezentralen Systeme, d.h. ohne Verkabelung oder Batteriebetrieb. Diese Sys- teme können somit prinzipiell wartungsfrei betrieben werden. d) an integrated circuit (ASIC) for energy management ¬ ment of the energy provided by the piezoelectric energy converter. The nature of the conversion of mechanical energy into electrical energy as described can be incorporated anywhere ¬ sets, where a mechanical force to the mechanical ¬ An excitation of the piezoelectric element can be tapped. This can be done, for example, by using kinetic energy or by deformation processes in the surrounding infrastructure. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in the Indust ¬ rieautomatisierung (eg robot), where there are many moving parts that are protected, for example, by mechanically deformable rubber ¬ cuffs. But even a tire gossip is usable as a mechanically deformable environment. These mechanical mechanisms, which are already available in an industrial environment, see movements, so this kinetic energy or mechanical forces, which are also in defined and known Be ¬ wegungsrichtungen, can thus be by the present invention for the production of electrical energy "harvest". The mechanical force coupling the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations These mechanical vibrations are used to generate electrical energy and the energy generated is processed by the energy management system (Power Management ASIC) and made available to a consumer (eg decentralized actuators or sensors), enabling autonomous operation of these decentralized systems, ie without cabling or battery operation.These systems can thus be operated in principle maintenance-free.
Die Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem basiert auf einem MEMS Piezogenerator und der Realisierung der Schnittstellenschaltung als ASIC. MEMS typische Schichtdicken im Bereich von typischerweise 1 μπι - ΙΟΟμπι ermöglichen einer kompakte Bauweise des Generators. The miniaturization of the power generation system according to the invention is based on a MEMS piezoelectric generator and the realization of the interface circuit as an ASIC. MEMS typical layer thicknesses in the range of typically 1 μπι - ΙΟΟμπι allow a compact design of the generator.
Des weiteren können mehrere piezoelektrische Energiewandler bzw. Energieerzeugungssystem hintereinander geschaltet wer- den. Dadurch wird die erzeugte Energiemenge vergrößert. Es können somit auch Systeme versorgt werden, die größere Ener¬ giemengen benötigen. Weiterhin kann dadurch das Energieerzeugungssystem bezüglich der benötigten Energie skaliert werden. Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Energieerzeugungssystem ein Energiespeicherelement zum Speichern der durch den piezoelektrischen Energiewandler erzeugten elektrischen Energie umfasst. Dadurch lässt sich erzeugte Energie Zwischenspeichern. Das Energie- speicherelement kann z.B. als Doppelschichtkondensator (Gold- Cap) ausgebildet sein. Ein Doppelschichtkondensator kombiniert Schnelligkeit und großen Energiespeicher zu einem Su- perkondensator . Ein Doppelschichtkondensator ist trotz seiner hohen Kapazität besonders klein. Die Spannungsfestigkeit ist nicht besonders hoch. Sie liegt bei wenigen Volt. Der Doppel¬ schichtkondensator (Gold-Cap) eignet sich wegen seiner hohen Kapazität als insbesondere Überbrückungsspannungsversorgung . In Geräten bzw. Anwendungen, in denen Daten bei ausgeschalte- tem Zustand erhalten bleiben sollen, ist er somit besonders geeignet . Furthermore, a plurality of piezoelectric energy converters or energy generation systems can be connected in series. This increases the amount of energy generated. It can be powered systems thus requiring larger Ener ¬ umes. Furthermore, this allows the power generation system to be scaled with respect to the required energy. A first advantageous embodiment of the invention is that the power generation system comprises an energy storage element for storing the electrical energy generated by the piezoelectric energy converter. This allows the generated energy to be buffered. The energy Memory element may be formed, for example, as a double-layer capacitor (gold cap). A double-layer capacitor combines speed and large energy storage to form a supercapacitor. A double-layer capacitor is particularly small despite its high capacity. The dielectric strength is not very high. It is at a few volts. The double layer capacitor ¬ (gold cap) is suitable because of its high capacity and particularly bridging power supply. In devices or applications in which data is to be retained when switched off, it is thus particularly suitable.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Energieerzeugungssystem eine Energieschnitt- stelle zu externen Verbrauchern umfasst. Dadurch können insbesondere entfernt angebrachte Verbraucher (z.B. Snsoren, Ak¬ toren) autark mit Energie versorgt werden, ohne weitere Ver¬ kabelung . Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das Energieerzeugungssystem weiterhin umfasst ein zweites Gehäuseteil mit zweiten Anregungsmittel, wobei das zweite Gehäuseteil beweglich dergestalt auf dem ersten Gehäu¬ seteil angeordnet ist, dass durch translatorische Bewegungen des zweites Gehäuseteils, im Wesentlichen in Richtung der ersten Anregungsmittel, die ersten Anregungsmittel durch die zweiten Anregungsmittel mechanisch angetrieben werden. Dadurch wird eine integrierte Bauweise des Energieerzeugungs¬ systems sichergestellt, wodurch weiterhin ein Überlastschutz für das piezoelektrische Element dargestellt wird. A further advantageous embodiment of the invention is that the power generation system comprises an energy interface to external consumers. Characterized in particular remotely located consumer (eg Snsoren, Ak ¬ factors) are independently powered, without further Ver ¬ cabling. A further advantageous embodiment of the invention is that the power generation system further comprises a second housing part with second excitation means, wherein the second housing part is movably arranged on the first hous ¬ part such that by translational movements of the second housing part, substantially in the direction of the first Excitation means, the first excitation means are mechanically driven by the second excitation means. As a result, an integrated construction of the power generation ¬ system is ensured, thereby further an overload protection for the piezoelectric element is shown.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das erste Gehäuseteil Elemente zur definierten mechanischen Führung des zweiten Gehäuseteils aufweist. Da- durch kann die Bewegungsenergie des zweiten Gehäuseteils de¬ finiert und zielgerichtet für die Anregung des piezoelektri¬ schen Elements verwendet werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil Federelemente angebracht sind, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des zweiten Gehäuseteils führen. Dadurch ist eine periodische Anregung des piezoelektrischen Elementes möglich. A further advantageous embodiment of the invention is that the first housing part has elements for the defined mechanical guidance of the second housing part. There- by the kinetic energy of the second housing part can de finiert ¬ and be purposefully used for the excitation of the piezoelectric element ¬ rule. A further advantageous embodiment of the invention is that between the first and the second housing part spring elements are mounted, which lead to a restoring force upon deflection of the second housing part. As a result, a periodic excitation of the piezoelectric element is possible.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element einen Mehrschicht¬ aufbau mit MEMS-Schichten (d.h. in Micro Electro Mechanical Systems - Technologie) aufweist. Das piezoelektrische Element weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektri¬ scher Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gesta- pelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert. Bei der Erzeugung des Piezoelements mit Hilfe der MEMS-Technologie ist es über ent¬ sprechenden lateralen Zug- bzw. Druckstress in und zwischen den einzelnen Schichten möglich, den Schichtstapel so herzu- stellen, dass er sich nach Freilegen von Schichten krümmt bzw. leicht aufrollt. A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has a multilayer ¬ construction with MEMS layers (ie in Micro Electro Mechanical Systems - technology). The piezoelectric element has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric ¬ shear layer and further electrode layer. In this case, a plurality of 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 layers results. In the production of the piezoelectric element using the MEMS technology, it is possible via ent ¬ speaking lateral tensile or compressive stress in and between the individual layers, herzu- provide the layer stack so that it curves after exposure of layers or slightly unrolls ,
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann dabei 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 unterschied¬ lichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT) , Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (A1N) . Piezoelekt- rische organische Materialien wie PolyvinylidendifluoridThe electrode material of the electrode layers can consist of various 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 ¬ lichsten. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (A1N). Piezoelectrical organic materials such as polyvinylidene difluoride
(PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar . (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element als Piezofahne aus¬ gebildet ist. Das piezoelektrische Element ist dabei als Biegelement, vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegelement beispielsweise ein piezoelektrischer Bie¬ gewandler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispiels- weise mit einer Metallisierung für die Elektrodenschichten bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt und gesintert. Es entsteht ein monolithischer Biegewandler. Dabei kann der Biegewandler beliebig ausgestaltet sein, beispiels¬ weise Bimorph. A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element is formed as a piezoelectric flag from ¬ . The piezoelectric element is formed as a bending element, preferably as a piezo-flag. For this, the bending element is, for example, a piezoelectric Bie ¬ gewandler. To produce the bending transducer, for example, ceramic green sheets printed with a metallization for the electrode layers are stacked on top of one another and sintered. The result is a monolithic bending transducer. Here, the bending transducer can be configured as desired, example ¬ as bimorph.
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 zugäng- lieh. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 μπι bis 0,5 μπι. Die piezoelektrische With regard to the desired miniaturization, MEMS technology is particularly suitable for realizing the bending transducer. With this technology a piezoelectric energy converter with very small lateral dimensions is available. In addition, very thin layers can be formed. For example, the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 μm to 0.5 μm. The piezoelectric
Schicht ist wenige μπι dick, beispielsweise 1 μπι bis 10 μπι. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran bzw. Balken ausgestaltet. Das piezoelektrische Ele¬ ment verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen Layer is a few μπι thick, for example, 1 μπι to 10 μπι. The piezoelectric element is designed as a thin piezoelectric diaphragm or beam. The piezoelectric ele ¬ ment has a very low mass. In addition, such a piezoelectric element can easily become mechanical
Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Pie- zoelements in Form einer piezoelektrischen Membran bzw. Bai- ken kann eine Trägerschicht vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (Si02) oder Siliziumnitrid (Si3N4) . Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μπι bis 100 μπι ausge- wählt. Die Trägerschicht ist optional. Vibrations are stimulated. To complete the piezoelectric element in the form of a piezoelectric membrane or 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 μπι to 100 μπι. The carrier layer is optional.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element eine im Wesentlichen dreiecksförmige Fläche aufweist. Dies bewirkt eine hohe Effi- zienz bei der Energiewandlung. A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has a substantially triangular surface. This causes a high efficiency in the energy conversion.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das erste Anregungsmittel als starrer mechani¬ scher Mitnehmer ausgebildet ist, der durch einen Anlenkdorn des zweiten Anregungsmittels angetrieben wird. Starre mecha¬ nische Mitnehmer sind z.B. als einfache Frontalmitnehmer realisierbar . A further advantageous embodiment of the invention is that the first excitation means is designed as a rigid mechanical shear ¬ driver which is driven by a Anlenkdorn the second excitation means. Rigid mecha ¬ African driver can be realized as a simple Frontalmitnehmer example.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das erste Anregungsmittel als semiflexiblen Mit¬ nehmer ausgebildet ist, der in einer ersten Bewegungsrichtung einklappt, wenn er auf das piezoelektrischen Element mecha¬ nisch einwirkt, so dass das piezoelektrische Element in der ersten Bewegungsrichtung des Mitnehmers im wesentlichen nicht ausgelenkt wird, und wobei in einer zweiten Bewegungsrichtung, die im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, der semiflexiblen Mitnehmer das piezoelektrische Element bei einer Kontaktierung auslenkt, wobei der semiflexiblen Mitnehmer durch einen Anlenkdorn des zwei- ten Anregungsmittels angetrieben wird. Hierbei handelt es sich um ein robustes Konzept (hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Stabilität des Auslenkvorgangs), welches auch keine Einschränkung bezüglich Eigenfrequenz und Auslenkungsdauer aufweist. In der Vorwärtsbewegung klappt der Mitnehmer ein, sodass der Piezbalken (bzw. die Piezofahne) praktisch nicht ausgelenkt wird. In der Rückwärtsbewegung, ist der Mit¬ nehmer so versteift, dass der Piezobalken mitgeführt wird. Nach Erreichen eines bestimmten Auslenkwegs in der Rückwärts- bewegung, der exakt über Geometrieverhältnisse bestimmbar festgelegt ist, wird der Piezobalken frei gelassen und kann oszillieren . A further advantageous embodiment of the invention is that the first excitation means is designed as a semiflexible with ¬ participants, which collapses in a first direction of movement, when it acts mechanically on the piezoelectric element mecha ¬ nically, so that the piezoelectric element in the first direction of movement of the driver is essentially not deflected, and wherein in a second direction of movement, which is substantially opposite to the first direction of movement, the semi-flexible driver deflects the piezoelectric element in a contacting, wherein the semi-flexible carrier is driven by a Anlenkdorn the second excitation means. This is a robust concept (with regard to the reproducibility and stability of the deflection process), which also has no limitation with respect to natural frequency and deflection duration. In the forward movement of the driver works on, so that the piezo beam (or the piezo flag) is practically not deflected. In the reverse movement, with ¬ participants is so reinforced that the piezoelectric bar is carried. After reaching a certain Auslenkwegs in the backward movement, which is set exactly determinable over the geometry ratios, the piezoelectric bar is left free and can oscillate.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element periodisch zu A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element periodically closed
Schwingungen angeregt wird. Dadurch ist eine kontinuierliche elektrische Energiegewinnung sichergestellt. Prinzipiell ist aber auch eine nichtperiodische Anregung möglich. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der integrierte Schaltkreis (ASIC) zum bedarfsge¬ rechten Energiemanagement einer energieautarken Sensorik und/oder Aktorik verwendet wird. Die integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Ener- giewandler bereitgestellten Energie ermöglicht eine den jeweiligen Energie-Erfordernissen des zu versorgenden dezentralen Systems angepasste Energieversorgung. Dadurch kann die für denVerbraucher zur Verfügung stehende Energie angepasst und maximiert werden. Vibrations is stimulated. This ensures continuous electrical energy production. In principle, however, a non-periodic excitation is possible. A further advantageous embodiment of the invention is that the integrated circuit (ASIC) is used for Bedarfsge ¬ right energy management of energy self-sufficient sensors and / or actuators. The integrated circuit (ASIC) for energy management of the energy provided by the piezoelectric energy converter allows a power supply adapted to the respective energy requirements of the decentralized system to be supplied. This allows the energy available to the consumer to be adjusted and maximized.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element eine elektrisch pas¬ sive Trägerschicht aufweist. Die Trägerschicht erhöht die me¬ chanische Belastbarkeit des piezoelektrischen Elementes und wirkt bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers als me¬ chanischer Energiespeicher. Bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers wird die mechanische Energie aus der Träger¬ schicht in eine Piezoschicht des piezoelektrischen Elements kontinuierlich umverteilt. Damit wird die elektrisch passive Trägerschicht ein mechanischer Energiespeicher. A further advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element has an electrically passive carrier layer. The carrier layer increases the me ¬ chanische load capacity of the piezoelectric element and acts in electrical damping of the energy converter as me ¬ chanischer energy storage. With electrical damping of the energy converter, the mechanical energy from the carrier ¬ layer in a piezoelectric layer of the piezoelectric element continuously redistributed. Thus, the electrically passive carrier layer becomes a mechanical energy storage.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durch Einwirken eines durch mechanische Um¬ gebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft auf ein pie¬ zoelektrisches Element, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und wobei durch die integrierte Schaltung (ASIC) die Energiemenge für ein System bedarfsgerecht zugeführt wird. Die bedarfsgerecht zur Verfügung gestellte Energie ermöglicht einen, den jeweiligen Erfordernissen jeweils angepassten optimalen Energieverbrauch. Dies erhöht die Performance und die Zuverlässig¬ keit der zu versorgenden dezentralen Systeme (z.B. Aktoren, Sensoren) . The object is further achieved by a method for converting mechanical energy into electrical energy using a power generation system according to one of claims 1 to 14 by acting on a piezoelectric element caused by mechanical ambient energy ¬ mechanical force on a pie ¬ zoelektrisches element, so that the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations and wherein the integrated circuit (ASIC), the amount of energy for a system is supplied as needed. The demanded energy makes possible an optimal energy consumption adapted to the respective requirements. This increases the performance and Reliable ¬ ness of the supplied remote systems (such as actuators, sensors).
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar. Reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be explained in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.
Dabei zeigen: Showing:
FIG 1 ein beispielhaftes schematisches Übersichtsbild des erfindungsgemäßen EnergieerzeugungsSystems , 1 shows an exemplary schematic overview of the power generation system according to the invention,
FIG 2 ein beispielhaftes Funktionsbild für eine Auslen¬ kung eines Piezoelementes durch eine periodische Anregung, FIG 2 is an exemplary functional diagram for a Auslen ¬ effect of a piezoelectric element by a periodic excitation,
FIG 3a-3c eine beispielhafte Schwingungsanregung eines Piezo- balkengenerators mithilfe einer linear translato- rischen Bewegung und eines geeigneten mechnanischen starren Mitnehmers, FIGS. 3a-3c show an exemplary vibration excitation of a piezo-beam generator by means of a linear translational movement and a suitable mechnan rigid driver,
FIG 4a-4d eine beispielhafte Schwingungsanregung eines Piezo- balkengenerators mithilfe einer linear translato¬ rischen Bewegung und eines geeigneten semiflexiblen mechnanischen Mitnehmers, 4a-4d an exemplary vibration excitation of a piezo-beam generator using a linear translato ¬ cal movement and a suitable semi-flexible mechnanischen driver,
FIG 5 eine beispielhafte Schemadarstellung eines Piezo- elementes, 5 shows an exemplary schematic representation of a piezoelectric element,
FIG 6 ein beispielhaftes schematisches Ausführungsbei¬ spiel eines Piezoelementes , FIG 7 einen Reifen von der Seite mit Reifenlatsch, als 6 shows an exemplary schematic Ausführungsbei ¬ game of a piezoelectric element, 7 shows a tire from the side with tire rattle, as
Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems, und  Example of the use of the power generation system according to the invention, and
FIG 8a-8b beispielhafte Beschleunigungsdiagramme beim Durch- laufen des Reifenlatsches bei verschiedenen Ge¬ schwindigkeiten . FIG 8a-8b exemplary acceleration graphs when passing through the tire contact area at different speeds Ge ¬.
Viele neue Anwendungen, insbesondere in der industriellen Au- tomatisierung oder in der Fahrzeugtechnik, erfordern eine ausgefeilte Sensorik und/oder Aktorik. Oftmals ist diese lo¬ kal bzw. enternt verteilt, was dazu führt, dass eine elektri¬ sche Energieversorgung aufwändig und damit auch teuer ist (z. B. Verlegen von elektrischen Zuführungen) . Bei einigen Anwen- düngen ist eine physische Anbindung solcher dezentralen Systeme gänzlich unmöglich, sodass diese völlig autark betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass sich diese Sensoren selbst mit Energie versorgen müssen, und die gewonnenen Messdaten kabellos übertragen werden. In unserer industrialisierten Welt gibt es viele dynamisch verformbare Umgebungen, die zum Ernten von Energie geeignet sind insbesondere in dezentralen Umgebungen. Ein Beispiel sind Förderbänder an deren Umkehrpunkten das elastische Band deutlich verformt wird. Diese mechanischen Verformungen stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar, die in elektri¬ sche Energie umgewandelt werden kann und so die dezentrale Sensorik und/oder Aktorik mit Strom versorgt. In der Industrieautomatisierung werden weiterhin Roboter eingesetzt, die sehr viele bewegliche Teile besitzen und die meistens durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Auch diese Gum¬ mimanschetten stellen eine Quelle für Deformationsenergie dar. Ein weiteres Beispiel ist in der Automobiltechnik zu finden. Der Mantel vom Autoreifen ist im Einsatz laufend mechanischen Verformungen unterworfen. Diese Verformungen können verwendet werden um elektrische Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie aus der Verformung von Autoreifen kann für Sensoren verwendet werden, die z. B. den Reifendruck oder die Reifentemperatur überwachen. Ein solches System benötigt keine Batterien zur Energieversorgung und ist somit prinzipiell wartungsfrei . Many new applications, in particular in industrial automation or in vehicle technology, require sophisticated sensors and / or actuators. Often this is distributed lo ¬ cal or removed, which means that an electrical ¬ cal power supply is complex and therefore expensive (eg., Laying electrical supplies). For some applications, a physical connection of such decentralized systems is completely impossible, so they must be operated completely independently. This means that these sensors have to provide themselves with energy, and the measured data obtained are transmitted wirelessly. In our industrialized world, there are many dynamically deformable environments that are suitable for harvesting energy, especially in decentralized environments. An example are conveyor belts at the reversal points of the elastic band is significantly deformed. These mechanical deformations pose a source for deformation energy, which can be converted into electrical energy and thus ¬ specific decentralized sensors and / or actuators supplied with power. Industrial automation continues to use robots that have a large number of moving parts and are mostly protected by deformable rubber sleeves. These gum ¬ mimanschetten represent a source of deformation energy. Another example can be found in the automotive industry. The coat of the car tire is continuously subjected to mechanical deformations during use. These deformations can be used to generate electrical energy. The energy gained from the deformation of car tires can be used for sensors, the z. B. monitor the tire pressure or the tire temperature. Such a system requires no batteries for power supply and is thus basically maintenance-free.
Ein einfacher Ansatz zur Gewinnung von Energie aus mechanischer Verformung mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes ist z. B. die direkte Aufbringung der Piezostruktur (z.B. durch Klebeverbindung oder Vulkanisieren) auf das sich verformende mechanische Teil (z. B. Förderband oder die Innenseite eines Reifens oder einer Gummimanschette) . Solche Systeme ermögli¬ chen eine autarke Energieversorgung für dezentral angebrachte Aktoren und/oder Sensoren. Diese Systeme sind wartungsfrei und benötigen keinen Batteriewechsel, was sich auch aus Umweltsicht positiv auswirkt. Konventionelle piezoelektrische Energieversorgungmodule ba¬ sieren auf makroskopischen Piezokeramiken mit Schichtdicken von einigen 100 Mikrometern. Die Generatoren werden typisch als Federmassesysteme resonant betrieben. Aufgrund der A simple approach for obtaining energy from mechanical deformation by means of the piezoelectric effect is z. Example, the direct application of the piezoelectric structure (eg by adhesive bonding or vulcanization) on the deforming mechanical part (eg conveyor belt or the inside of a tire or a rubber boot). Such systems ermögli ¬ chen a self-sufficient power supply for decentrally mounted actuators and / or sensors. These systems are maintenance-free and do not require a battery change, which also has a positive environmental impact. Conventional piezoelectric power supply modules ba ¬ Sieren on macroscopic piezoelectric ceramics having layer thicknesses of several 100 micrometers. The generators are typically operated resonantly as spring mass systems. Due to the
Schichtdicken müssen Beschleunigungsmassen von mindestens einigen Gramm eingesetzt werden, um eine relevante Verformung des Piezokristalls und eine damit die Bereitstellung elektri¬ scher Energie zu ermöglichen. Die makroskopischen Schichtdicken führen neben der erforderlichen Masse auch zu relativ großen Geometrien (Biegebalken muss lang sein, damit die über Beschleunigung und Masse vermittelte Kraft über einen mög¬ lichst großen Hebel am Piezo wirksam werden kann) . Insgesamt sind der Miniaturisierung damit enge Grenzen gesetzt. Layer thicknesses must be used acceleration masses of at least a few grams to allow a relevant deformation of the piezoelectric crystal and thus the provision of electric ¬ shear energy. The macroscopic layer thicknesses also lead (be long bending beam, in order for the mediated acceleration and mass force can be effective over a mög ¬ lichst large lever on the piezo) in addition to the required mass to relatively large geometries. All in all, the miniaturization has narrow limits.
Figur 1 zeigt ein beispielhaftes schematisches Übersichtsbild des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems EES mit einem piezoelektrischen Energiewandler EWl zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element PEl und ein erstes Gehäuseteil GTl, in dem das piezoelektrische Element PEl an einem Ende aus¬ lenkbar angeordnet ist, sowie erste Anregungsmittel AMI zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes PEl, wobei durch die ersten Anregungsmittel AMI in das piezoelekt¬ rischen Element PEl eine mechanische Kraft Bl derart einge¬ koppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element PEl zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES eine integ¬ rierte Schaltung ASIC zum Energiemanagement der vom piezo¬ elektrischen Energiewandler EWl bereitgestellten elektrischen Energie. Das erste Gehäuseteil GTl ist vorteilhafter Weise als statische Unterteilgehäusung ausgebildet. 1 shows an exemplary schematic overview screen of the power generation system EES according to the invention with a piezoelectric energy converter EWL for converting mechanical energy into electrical energy with at least one piezoelectric element PEl and a first housing part GTl, in which the piezoelectric element PEl is arranged ¬ steerable at one end of and first excitation means AMI for mechanical excitation of the piezoelectric element PEl, wherein a mechanical force Bl can be by the first excitation means AMI in the piezoelekt ¬ step element PEl such are ¬ coupled to the piezoelectric element PEl is excited to mechanical vibrations. Furthermore, power generation system EES to the invention comprises a integ ¬ tured circuit ASIC energy management provided by the piezo-electric energy converter ¬ EWL electrical energy. The first housing part GT1 is advantageously designed as a static lower part housing.
Optional umfasst das erfindungsgemäße Energieerzeugungssys- tems EES einen Energiespeicher ESP zum Zwischenspeichern er- zeugter elektrischer Energie. Das Energiespeicherelement ESP kann z.B. als Doppelschichtkondensator (Gold-Cap) realisiert sein . Weiterhin kann das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems EES eine Energieschnittstelle ESS zur Versorgung von elektri¬ schen Verbrauchern (z.B. Senoren oder Aktoren) umfassen. Optionally, the energy generation system EES according to the invention comprises an energy store ESP for temporary storage. witnessed electrical energy. The energy storage element ESP can be realized, for example, as a double-layer capacitor (gold cap). Furthermore, power generation system according to the invention may comprise EES (Senoren or actuators, for example) a power interface for supplying electrical ESS ¬'s consumers.
Vorteilhafter Weise umfasst das Energieerzeugungssystem EES ein zweites Gehäuseteil GT2 mit zweiten Anregungsmitteln AM2, wobei das zweite Gehäuseteil GT2 beweglich auf dem ersten Ge¬ häuseteil GT1 angeordnet ist, so dass durch translatorische Bewegungen des zweites Gehäuseteils GT2, im Wesentlichen in Richtung der ersten Anregungsmittel AMI, die ersten Anre- gungsmittel AMI durch die zweiten Anregungsmittel AM2 mecha¬ nisch angetrieben werden. Vorteilhafter Weise weist das erste Gehäuseteil GT1 Führungselemente FEI, FE2 zur definierten me¬ chanischen Führung des zweiten Gehäuseteils GT2 auf. Vorteil¬ hafter Weise sind zwischen dem ersten GT1 und dem zweiten Ge- häuseteil GT2 Federelemente Fl, F2 angebracht sind, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des zweiten Gehäuseteils GT2 führen. Die Gehäuseteile GT1 und GT2 schützen den Piezogenerator EW1 u.a. vor mechanischer Zerstörung. Das erfindungsgemäße piezobasierte, miniaturisierte und hochinteg- rierte Energieerzeugungssystem EES ermöglicht insbesondere die Bereitstellung von elektrischer Betriebsenergie zur Realisierung autarker Sensorik oder Aktorik. Advantageously, comprises the power generation system EES a second housing part GT2 with second excitation means AM2, wherein the second housing part is GT2 movably arranged on the first Ge ¬ casing part GT1, so that by translational movements of the second housing part GT2, substantially in the direction of the first excitation means AMI, said first excitation means are driven AMI mecha nically ¬ by the second excitation means AM2. Advantageously, the first housing part GT1 guide elements FEI, FE2 for the defined me chanical ¬ guiding the second housing part on GT2. ¬ advantageous manner are GT2 spring elements Fl, F2 are mounted between the first and the second GT1 overall casing part, leading to a restoring force for deflection of the second housing part GT2. The housing parts GT1 and GT2 protect the piezoelectric generator EW1, among other things from mechanical damage. The piezo-based, miniaturized and highly integrated energy generation system EES according to the invention makes it possible, in particular, to provide electrical operating energy for realizing autonomous sensor technology or actuators.
Im Folgenden ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin- dungsgemäße Energieerzeugungssystems EES beschrieben: A further exemplary embodiment of the energy generation system EES according to the invention is described below:
Das erfindungsgemäße Energieversorgungsmodul EES besteht aus einem funktional zweiteiligen Gehäuse. In einem ersten Gehäuseteil GT1 sind die Modulkomponenten MEMS-Generator EW1 (mit piezoelektrischen Element PE1), Schnittstellen-ASIC und Ener¬ giespeicherelement ESP sowie Energieschnittstelle ESS zu ex¬ ternem Verbraucher integriert. Weiterhin weist das erste Ge¬ häuseteil GT1 Elemente FEI, FE2 zur definierten mechanischen Führung eines zweiten beweglichen Gehäuseteils GT2 auf. Am ersten Gehäuseteil GT1 sind vorteilhafter Weise Anschläge zur Begrenzung der Bewegung des zweiten Gehäuseteils GT2 realisiert. Das bewegliche Gehäuseteil GT2 weist einen Anlenkdorn AM2 zur pulsförmigen Anregung (s. Figur 2) des MEMS Genera- tors EW1 auf. Optional gibt es zwischen beiden Gehäuseteilen Federelemente Fl, F2, die zu einer rückstellenden Kraft bei Auslenkung des beweglich gelagerten Gehäuseoberteils GT2 führen . Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Energieversorgungs¬ moduls EES basiert auf einer Auslenkung des beweglichen Gehäuseteils GT2. Die Auslenkung führt über den Anlenkdorn AM2 zu einer Anregung der Eigenschwingung der Piezo-MEMS-Fahne PE1 des Generators EW1 mittels im statischen Gehäuseteils GT1 integriertem Mitnehmers AMI. Die primäre elektrische Energie im Wandler EW1 wird über den Schnittstellen-ASIC hocheffi¬ zient extrahiert und dem Speicherelement ESP mit geeigneten Spannungspegeln zugeführt. Über die vorgesehene Energie¬ schnittstelle ESS kann ein externer Verbraucher (z.B. ent- fernt angebrachte Sensorik) angeschlossen werden. The power supply module EES according to the invention consists of a functionally two-part housing. In a first housing part GT1, the module components MEMS generator EW1 (with piezoelectric element PE1) interface ASIC and energy ¬ giespeicherelement ESP and power interface ESS integrated to ex ¬ ternem consumers. Furthermore, the first casing part Ge ¬ GT1 elements FEI, FE2 for the defined mechanical guiding a second movable housing GT2 on. On the first housing part GT1 stops are advantageously realized for limiting the movement of the second housing part GT2. The movable housing part GT2 has a articulation mandrel AM2 for pulsed excitation (see FIG. 2) of the MEMS generator EW1. Optionally, there are spring elements Fl, F2 between the two housing parts, which lead to a restoring force upon deflection of the movably mounted housing upper part GT2. The operation of the inventive power supply module ¬ EES based on a deflection of the movable housing part GT2. The deflection leads via the articulation mandrel AM2 to an excitation of the natural oscillation of the piezo-MEMS flag PE1 of the generator EW1 by means of the driver AMI integrated in the static housing part GT1. The primary electrical energy in the transducer EW1 is extracted effi cient ¬ via the interface ASIC and the memory element ESP supplied with suitable voltage levels. Over the expected energy ¬ interface ESS an external consumer (eg, corresponds removed attached sensors) can be connected.
Die Auslenkung des beweglichen Gehäuseteils GT2 wird aus me¬ chanischer Umgebungsenergie gespeist. Typischerweise sind zwei Fälle denkbar. Zum einen können vielfältige Verformungs- Vorgänge z.B. aus einer industriellen Umgebung (z.B. Förderbänder) zu diesem Zweck genutzt werden. Ebenfalls möglich ist die Nutzung kinetischer Energie und damit die über Beschleu¬ nigung und Masse verknüpften Kräfte. In diesem Zusammenhang kann das Anbringen einer optionalen Zusatzmasse M am bewegli- chen Gehäuseteil GT2 vorteilhaft sein. The deflection of the movable housing part GT2 is fed from me ¬ chanischer ambient energy. Typically, two cases are conceivable. On the one hand, various deformation processes, for example from an industrial environment (eg conveyor belts) can be used for this purpose. Also possible is the use of kinetic energy and thus the over Accelerat ¬ nigung and mass associated forces. In this context, attaching an optional additional mass M to the movable housing part GT2 can be advantageous.
Die Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems EES basiert auf einem MEMS Piezogenerator und der Realisierung der Schnittstellenschaltung als ASIC. MEMS typische Schichtdicken im Bereich von typischerweise The miniaturization of the power supply system EES according to the invention is based on a MEMS piezoelectric generator and the realization of the interface circuit as an ASIC. MEMS typical layer thicknesses in the range of typically
1 μπι - ΙΟΟμπι ermöglichen einer kompakte Bauweise des Genera¬ tors . 1 μπι - ΙΟΟμπι allow a compact design of the Genera ¬ sector.
In Tab. 1 ist eine Abschätzung der Systemmasse des erfin¬ dungsgemäßen Energiemoduls und Vergleich mit konventioneller Batterie angegeben. Man erkennt, dass eine vergleichbare Grö¬ ßenordnung der Masse erreicht werden kann. In Tab. 1 an estimate of the mass of the system to the invention OF INVENTION ¬ power module and comparison with conventional battery is indicated. It is apparent that a similar large ¬ ßenordnung the mass can be achieved.
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Tabelle 1: Abschätzung der Systemmasse des erfindungsgemäßen Energiemoduls und Vergleich mit konventioneller Batterie. Table 1: Estimation of the system mass of the energy module according to the invention and comparison with conventional battery.
Insbesondere ergeben sich für das erfindungsgemäße Energie¬ versorgungssystem EES die folgenden erfindungsgemäßen Merkmale: In particular, the following features according to the invention result for the energy supply system EES according to the invention:
- Ein Gehäuseunterteil GT1 mit folgenden fest integrierten - One housing base GT1 with the following fixed integrated
Komponenten : Components:
MEMS Bauteil bestehend aus einem Piezogenerator PE1 mit integriertem mechanischen Energiespeicher (optionale passive Trägerschicht des Piezogenerators) mit Schichtdicken im Bereich von typischerweise 1 μπι - ΙΟΟμπι und einem Mitnehmer zur pulsförmigen Anregung der Piezostruktur . MEMS component consisting of a piezo-generator PE1 with integrated mechanical energy storage (optional passive carrier layer of the piezo-generator) with layer thicknesses in the range of typically 1 μπι - ΙΟΟμπι and a driver for pulsed excitation of the piezoelectric structure.
Interface-ASIC zur optimalen Energieextraktion und Bereitstellung von geeigneten Spannungspegeln. Energiespeicher ESP (optional) ausgeführt als Kon¬ densator (z.B. GoldCap) oder auch Akku. Interface ASIC for optimal energy extraction and provision of appropriate voltage levels. Energy storage ESP (optional) designed as Kon ¬ capacitor (eg GoldCap) or battery.
Energieschnittstelle ESS (optional), die Anschluss an externe Verbraucher ermöglicht.  Energy interface ESS (optional), which allows connection to external consumers.
Ein Gehäuseunterteil GTl mit optionalen Führungsvorrich tungen FEI, FE2 für ein beweglich gelagertes Gehäuseoberteil GT2. A lower housing part GTl with optional Führungsvorrich lines FEI, FE2 for a movably mounted upper housing part GT2.
Ein Gehäuseunterteil GTl mit optionalen Anschlägen zur mechanischen Begrenzung eines beweglich gelagerten Gehäuseoberteils GT2. One housing base GTl with optional stops for the mechanical limitation of a movably mounted upper housing part GT2.
Optionale Federelemente Fl, F2, die zu einer rückstel¬ lenden Kraft bei Auslenkung des beweglich gelagerten Ge häuseoberteils GT2 führen. Optional spring elements Fl, F2, which lead to a restoring ¬ lenden force in deflection of the movably mounted Ge housing upper part GT2.
Ein beweglich gelagertes Gehäuseoberteil GT2, das über einen Anlenkdorn AM2 zur Betätigung des Mitnehmers AMI im MEMS-Generator PE1 verfügt. A movably mounted upper housing part GT2, which has a Anlenkdorn AM2 for actuating the driver AMI in the MEMS generator PE1.
Ein beweglich gelagertes Gehäuseoberteil GT2, dass eine optionale Zusatzmasse M verfügt. A movably mounted upper housing part GT2, which has an optional additional mass M.
Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Funktionsbild für eine Aus¬ lenkung eines Piezoelementes durch eine periodische Anregung Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist die direktmecha nischen Auslenkung einer Piezobalkenstruktur . Die Balken- struktur ( Piezoelement ) wird mit Hilfe von mechanischer Umge¬ bungsenergie in die Position xo ausgelenkt und dann frei ge¬ lassen. Der Piezobalken beginnt dann mit seiner Eigenfrequenz 1/ Tos zu oszillieren. Unter anderem durch die Extraktion von elektrischer Energie aus dem Generator wird die Schwingung gedämpft. Das System wird nun periodisch mit 1/ Tex angeregt. Möglich ist auch eine nichtperiodische Anregung. Ein Vorteil einer periodischen Anregung liegt in der kontinuierlichen Bereitstellung von elektrischer Energie durch den Energiewand- 1er. 2 shows an exemplary functional diagram for an off ¬ steering of a piezoelectric element by a periodic excitation The underlying idea of the invention is the direktmecha African deflection of a piezoelectric beam structure. The bars- structure (piezo element) is deflected by means of mechanical energy Conversely ¬ bung in the position xo and then let free ge ¬. The piezoelectric bar then begins to oscillate at its natural frequency 1 / T os . Among other things by the extraction of electrical energy from the generator, the vibration is damped. The system is now periodically excited with 1 / T ex . Also possible is a non-periodic excitation. An advantage of a periodic excitation lies in the continuous provision of electrical energy by the energy converter.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung der in Figur 2 dargestellten Schwingungsanregung. In einem ersten Schritt muss eine linear translatorische Bewegung (Bl; Figur 1) bereitgestellt, bzw. direkt genutzt werden.An object of the present invention is the realization of the vibration excitation shown in FIG. In a first step, a linear translational movement (FIG. 1) must be provided or used directly.
Beispielsweise kann in den Eingangs beschriebenen verformba¬ ren Umgebungen (Förderband, Gummimanschetten, Reifen, etc.) relativ leicht und vielfältig aus den primären Bewegungen eine solche translatorische Komponente d.h. Bewegung abgeleitet werden. Die Verformungen der Umgebung können auf das bewegliche zweite Gehäuseteil GT2 (Figur 1) wirken und über die An¬ regungsmittel AMI, AM2 (Figur 1) auf das piezoelektrische Element PE1 (Figur 1) eingekoppelt werden, worauf dieses in Schwingungen versetzt wird. For example, as described in the input verformba ¬ ren environments (conveyor belt, rubber boots, tires, etc.) relatively easily and diverse from the primary movements such a translational component can be derived that movement. The deformations of the environment can act on the movable second housing part GT2 (Figure 1) and the An ¬ motionless medium AMI, AM2 (Figure 1) are coupled to the piezoelectric element PE1 (Figure 1), then this is vibrated.
Die Figuren 3a - 3c zeigen eine beispielhafte Schwingungsanregung eines Piezobalkengenerators PE2, PE' , PE' ' mithilfe einer linear translatorischen Bewegung B2 ,Β2' ,B2'' und eines geeigneten mechnanischen starren Mitnehmers SM, SM' , SM''. Die durch die Piezobalkenstruktur PE2, PE2 ' , PE2 ' ' erzeugte elektrische Energie wird über den Energiewandler EW2, EW2', EW2'' durch eine geeignete elektrische Kontaktierung elektrischen Verbrauchern bereitgestellt. Die Figuren 3a - 3c zeigen, wie die translatorische Auslen¬ kung zur Schwingungsanregung genutzt wird. In den Darstellungen der Figuren 3a - 3c basiert die Anregung auf einem mecha¬ nischen Mitnehmer SM, SM' , SM' ' , der von der translatorischen Bewegung B2, Β2', B2'' angetrieben wird. In den Figuren 3a - 3c ist der Fall eines starren Frontalmitnehmers SM, SM' , SM' ' gezeigt. Die maximale Auslenkung der Piezobalkenstruktur PE2, PE2', PE2'' wird vom Umkehrpunkt der translatorischen Bewegung B2, Β2', B2'' bestimmt (setzt hier also reproduzierbares und stabiles Verhalten voraus) . In der Rückwärtsbewegung ist es entscheidend, dass sich der Mitnehmer SM, SM' , SM' ' schneller bewegt als der Piezobalken PE2, PE2', PE2''. Dies lässt sich prinzipiell erfüllen, wenn die Periode der Eigen¬ frequenz der Piezostruktur PE2, PE2', PE2'' größer ist als die Zeitdauer der Auslenkung. Nach dem vollständigen Durchlaufen der translatorischen Auslenkung innerhalb der Zeit Tp (s. Figur 5) kann der Piezobalken frei mit seiner Eigenfrequenz oszillieren. Der starre Frontalmitnehmer SM, SM', SM'' kann z.B. an einem Förderband oder an einem Rad angebracht sein, durch das eine translatorische Bewegung B2, Β2', B2'' bereitgestellt wird. Die translatorische Bewegung B2, B2', B2'' kann periodisch wiederkehrend sein. FIGS. 3a-3c show an example of vibration excitation of a piezoelectric bar PE2, PE ', PE "by means of a linear translational movement B2, Β2', B2" and of a suitable mechanical rigid carrier SM, SM ', SM ". The electrical energy generated by the piezoelectric bar PE2, PE2 ', PE2''is provided via the energy converter EW2, EW2', EW2 '' by a suitable electrical contacting electrical consumers. 3a - 3c show how the translational Auslen ¬ effect is used for vibration excitation. In the illustrations of Figures 3a - 3c, the excitation is based on a mechanical ¬ African driver SM, SM ', SM'', which is driven by the translational movement B2, Β2', B2 ''. FIGS. 3a-3c show the case of a rigid frontal driver SM, SM ', SM ". The maximum deflection of the piezo-bellows structure PE2, PE2 ', PE2''is determined by the reversal point of the translatory movement B2, Β2', B2 '' (in this case, reproducible and stable behavior is required here). In the backward movement, it is crucial that the driver SM, SM ', SM' moves faster than the piezoelectric bar PE2, PE2 ', PE2''. This can in principle be fulfilled if the period of the natural frequency of the piezoelectric structure ¬ PE2 PE2 ', PE2''is greater than the duration of the deflection. After complete passage of the translatory deflection within the time T p (see FIG. 5), the piezoelectric bar can oscillate freely with its natural frequency. The rigid frontal driver SM, SM ', SM''can be attached, for example, to a conveyor belt or to a wheel, by means of which a translational movement B2, Β2', B2 '' is provided. The translatory movement B2, B2 ', B2 "may be periodically recurring.
Die Figuren 4a-4d zeigen eine beispielhafte Schwingungsanre- gung eines Piezobalkengenerators PE3, PE3' , PE3' ' , PE3' ' ' mithilfe einer linear translatorischen Bewegung B3, B3' , B3' ' und eines geeigneten semiflexiblen mechnanischen Mitnehmers SFM, SFM' , SFM' ' , SFM' ' ' . Die durch die Piezobalkenstruktur PE3, PE3' , PE3' ' , PE3' ' ' erzeugte elektrische Energie wird über den Energiewandler EW3, EW3' , EW3' ' , EW3' ' ' durch eine geeignete elektrische Kontaktierung elektrischen Verbrauchern (z.B. dezentralen Aktoren oder Sensoren) bereitgestellt. Das in den Figuren 4a-4d dargestellte Konzept der Schwin¬ gungsanregung durch einen semiflexiblen mechnanischen Mitnehmer SFM, SFM' , SFM' ' , SFM' ' ' stellt ein wesentlich robusteres Konzept (hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Stabilität des Auslenkvorgangs), welches auch keine Einschränkung bezüg¬ lich Eigenfrequenz und Auslenkungsdauer aufweist, im Vergleich zum Konzept des in den Figuren 3a - 3c dargestellten- starren Frontalmitnehmers dar. In der Vorwärtsbewegung B3 klappt der Mitnehmer SFM, SFM' , SFM'', SFM''' ein, sodass der Piezbalken PE3, PE3 ' , PE3 ' ' , PE3' ' ' praktisch nicht ausgelenkt wird. In der Rückwärtsbewe¬ gung B3'', ist der Mitnehmer SFM, SFM', SFM'', SFM''' so versteift, dass der Piezobalken PE3, PE3 ' , PE3 ' ' , PE3 ' ' ' mitge- führt wird. Nach erreichen eines bestimmten Auslenkwegs in der Rückwärtsbewegung, der exakt über Geometrieverhältnisse bestimmbar festgelegt ist, wird der Piezobalken frei gelassen und kann in Eigenfrequenz oszillieren (Figur 4d) . Figur 5 zeigt eine beispielhafte Schemadarstellung eines Pie- zoelementes PE4. Figur 5 zeigt eine beispielhafte piezoelekt¬ rische Fahne PE4 (bzw. einen piezoelektrischen Biegebalken) mit einer im Wesentlichen dreieckigen Grundfläche. Die mechanische Kraft B4 trifft im Wesentlichen senkrecht auf eine Stirnseite des Piezo-Dreiecks PE4 und bringt die Piezofahne PE4 zum Schwingen. Die dreieckige Grundfläche bewirkt eine hohe Effizienz bei der Energiewandlung. Das dreieckige Piezo- element PE4 kann im erfindungsgemäßen Energiewandler in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z.B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der Industrieautomatisierung (z.B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z.B. durch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. Die durch mechanische Umgebungsenergie (Deformationsenergie) her- vorgerufene mechanische Kraft wird derart in das piezoelekt¬ rische Element PE4 eingekoppelt, so dass das piezoelektrische Element PE4 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Figur 6 zeigt ein beispielhaftes schematisches Ausführungs¬ beispiel eines Piezoelementes PE5. Das Beispiel nach Figur 6 zeigt das Piezoelement PE5 als mehrschichtige rechteckige bzw. im Wesentlichen rechteckige Platte. Das Piezoelement PE5 kann prinzipiell auch andere Formen annehmen (z.B. Dreiecks- form) . FIGS. 4a-4d show an exemplary vibration excitation of a piezo-bar-type generator PE3, PE3 ', PE3'',PE3''' by means of a linear translatory movement B3, B3 ', B3''and of a suitable semi-flexible mechanical driver SFM, SFM', SFM '', SFM '''. The electrical energy generated by the piezoelectric bar structure PE3, PE3 ', PE3'',PE3''' is via the energy converter EW3, EW3 ', EW3'',EW3''' by a suitable electrical contacting electrical consumers (eg decentralized actuators or sensors ) provided. The concept of oscillations ¬ supply excitation 4a-4d shown in the figures by a semi-flexible mechnanischen driver SFM, SFM 'SFM'',SFM''' represents a significantly more robust concept (in terms of reproducibility and stability of the Auslenkvorgangs) that no limitation having bezüg ¬ Lich natural frequency and Auslenkungsdauer, compared to the concept of in figures 3a - represents 3c dargestellten- rigid Frontalmitnehmers in the forward movement B3 of the drivers SFM, SFM 'SFM' works ', SFM''' a, so that the Piezbalken. PE3, PE3 ', PE3'',PE3''' is practically not deflected. In the Rückwärtsbewe ¬ supply B3 '', the driver SFM, SFM 'SFM'',SFM''' so stiff that the piezo beam PE3 PE3 ', PE3'',PE3''' is mitge- leads. After reaching a certain Auslenkwegs in the backward movement, which is set exactly determinable over the geometry ratios, the piezoelectric bar is left free and can oscillate in natural frequency (Figure 4d). FIG. 5 shows an exemplary schematic representation of a piezoelement PE4. Figure 5 shows an exemplary piezoelekt ¬ generic flag PE4 (or a piezoelectric bending beam) having a substantially triangular base. The mechanical force B4 is substantially perpendicular to an end face of the piezo triangle PE4 and causes the piezo flag PE4 to vibrate. The triangular base creates a high energy conversion efficiency. The triangular piezoelement PE4 can be used in the energy converter according to the invention in any dynamically deformable environment. For example, in conveyor belts, at the reversal points of the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (eg robots), where there are many moving parts that are protected, for example by deformable rubber sleeves. The mechanical environment energy (deformation energy) called mechanical force is coupled in such a way in the piezoelectrically ¬ rische element PE4, so that the piezoelectric element PE4 is excited to mechanical vibrations. 6 shows an exemplary schematic execution ¬ for example a piezo element PE5. The example according to FIG. 6 shows the piezo element PE5 as a multilayer rectangular or substantially rectangular plate. The piezo element PE5 can in principle also take other forms (eg triangular shape).
Das piezoelektrische Element PE5 weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht ESI, piezoelektrischer Schicht PES und wei¬ terer Elektrodenschicht ES2 auf. Mehrere derartige Schicht- folgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten ESI, ES2 und piezoelektrischen Schichten PES resultiert. Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten ESI, ES2 kann aus verschiedensten Metal- len beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Pla¬ tin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nicht-metallische, elektrisch leitende Materialien. Die piezoelektrische Schicht PES kann ebenfalls aus unter¬ schiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialien wie Bleizirkonattita- nat (PZT) , Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (A1N) . Piezo¬ elektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar . The piezoelectric element PE5 has a layer sequence of electrode layer ESI, piezoelectric layer PES and white ¬ more excellent electrode layer ES2. In this case, a plurality of such layer sequences can be stacked on top of one another, so that a multi-layer structure with stacked, alternately arranged electrode layers ESI, ES2 and piezoelectric layers PES results. The electrode material of the electrode layers ESI, ES2 may consist of a wide variety of metals or metal alloys. Examples of the electrode material are platinum, titanium and Pla ¬ tin / titanium alloy. Also conceivable are non-metallic, electrically conductive materials. The piezoelectric layer PES may also be made under ¬ schiedlichsten materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (A1N). Piezo ¬ electrical organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
Durch die Schwingungen des piezoelektrischen Elementes PE5 wird über den piezoelektrischen Effekt eine periodische La- dungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare Ladungsfluss steht dann extern als elektrische Ener¬ gie zur Verfügung. Über eine elektrische Ankontaktierung an den Elektroden und eine entsprechende Verkabelung wird der elektrische Strom für Verbraucher (z.B. Aktoren oder Sensoren) bereitgestellt. Due to the vibrations of the piezoelectric element PE5 is a piezoelectric effect, a periodic La- Destruction generated between the electrodes. The recoverable resulting flow of charge is then externally as electric energy Ener ¬ available. The electric current for consumers (eg actuators or sensors) is made available via an electrical connection to the electrodes and a corresponding wiring.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das piezoelektrische Element PE5 eine elektrisch passive Trägerschicht TS aufweist. Die Trägerschicht TS erhöht die mechanische Belastbarkeit des piezoelektrischen Elementes PE5 und wirkt bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers als mechanischer Energiespeicher. Bei elektrischer Bedämpfung des Energiewandlers wird die mechanische Energie aus der Träger- schicht TS in eine Piezoschicht des piezoelektrischen Ele¬ ments PE5 kontinuierlich umverteilt. Damit wird die elekt¬ risch passive Trägerschicht TS ein mechanischer Energiespei¬ cher . Im Hinblick auf die mögliche Miniaturisierung des Energiewandlers eignet sich zur Realisierung des piezoelektrischen Elementes PE5 besonders die MEMS (Micro Electro Mechanical Systems ) -Technologie . Mit dieser Technologie ist ein piezo¬ elektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmes- sungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten ESI, ES2 beispielsweise 0,1 μπι bis 0,5 μπι. Die piezoelektrische Schicht PES ist wenige μπι dick, beispiels¬ weise 1 μπι bis 10 μπι. Das piezoelektrische Element PE5 ist als dünne piezoelektrische Platte ausgestaltet. Das piezo¬ elektrische Element PE verfügt über eine sehr geringe Masse. Die Trägerschicht TS5 kann aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (S1O2) oder Siliziumnitrid (S13N4) hergestellt sein. Eine Schichtdicke der Trägerschicht TS ist aus dem Be¬ reich von 1 μπι bis 100 μπι ausgewählt. An advantageous embodiment of the invention is that the piezoelectric element PE5 has an electrically passive carrier layer TS. The carrier layer TS increases the mechanical strength of the piezoelectric element PE5 and acts in electrical damping of the energy converter as a mechanical energy storage. In case of electrical damping of the energy converter, the mechanical energy is obtained from the carrier layer TS in a piezoelectric layer of the piezoelectric ele ments ¬ PE5 continuously redistributed. Thus the elekt ¬ driven passive carrier layer TS is a mechanical Energiespei ¬ cher. In view of the possible miniaturization of the energy converter is particularly suitable for the realization of the piezoelectric element PE5, the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. With this technology, a piezo ¬ electrical energy converter with very small lateral dimensions is accessible. In addition, very thin layers can be formed. Thus, the layer thicknesses of the electrode layers ESI, ES2, for example, 0.1 μπι to 0.5 μπι. The piezoelectric layer PES is a few μπι thick, for example ¬ 1 μπι to 10 μπι. The piezoelectric element PE5 is configured as a thin piezoelectric plate. The piezo-electric element ¬ PE has a very low mass. The carrier layer TS5 may be made of silicon, polysilicon, silicon dioxide (S1O 2 ) or silicon nitride (S1 3 N 4 ) be. A layer thickness of the carrier layer is out of the TS Be ¬ range from 1 μπι μπι selected to 100th
Ein miniaturisiert ausgebildeter Energiewandler erhöht das Spektrum von möglichen Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten, insbesondere bei dezentralen Anwendungen, die eine autarke und möglichst wartungsfreie Energieversorgung verlangen. Des Weiteren kann ein handelsübliches Bulk-Material (z.B. mittels Grünfolientechnik hergestellt) mit Dicken im Bereich einiger hundert μπι eingesetzt werden. A miniaturized trained energy converter increases the range of possible applications and applications, especially in decentralized applications that require a self-sufficient and maintenance-free energy supply. Furthermore, a commercially available bulk material (produced, for example, by means of green-film technology) with thicknesses in the range of a few hundred μm can be used.
Figur 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems (EES; Figur 1) in einer mechanisch verformbaren Umgebung. Figur 7 zeigt einen Reifen R von der Seite mit Reifenlatsch RL auf einer Fahrbahn FB, als Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems (EES; Figur 1) . Das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystem (EES; Figur 1) ist auf der Innenseite des Autoreifens R (z.B. auf der Innenseite der Lauffläche) derart angebracht (z.B. durch Kleben oder Vulkanisieren), dass eine Verformung des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfla¬ che) auf das bewegliche Gehäuseteil (GT2; Figur 1) wirkt und diese Verformungsenergie über die Anregungsmittel (AMI, AM2 ; Figur 1) in die Piezostruktur (PE1; Figur 1) eingekoppelt wird und diese damit zu Schwingungen anregt. Der Ein- bzw. Austritt in den Reifenlatsch bewirkt eine gewollte mechani¬ sche Verformung (Standardfall) . Mechanische Verformungen des Reifens, die zu Überlastsituationen führen (z.B. Fahren über Bordsteinkanten) bergen die Gefahr einer zerstörerischen Krafteinwirkung auf das piezoelektrische Element (PE1; Figur 1) . Ein Überlastschutz und ein Schutz vor mechanischer Zerstörung der empfindlichen Piezokeramik erfolgt zum einen durch die Integration des piezoelektrischen Elementes (PE1; Figur 1) in einem Gehäuse (GT1, GT2, Figur 1) und zum anderen Durch eine Entkopplung der empfindlichen Piezokeramik (PE1; Figur 1) von den direkt einwirkenden Verformungsenergien der Umgebung. Die primäre mechanische Umgebungsenergie (z.B. Ver¬ formungsenergie durch die Reifenlatsch) wird nicht direkt auf das piezoelektrische Elemente (PE1; Figur 1) eingekoppelt, sondern indirekt durch die Anregungsmittel (AMI, AM2 ; Figur 1) . Durch sie Gehäusestruktur (GT1, GT2, Figur 1) und die Führungselemente (FEI, FE2; Figur 1) erfolgt somit eine kon¬ trollierte Einkopplung der mechanische Umgebungsenergie auf das piezoelektrische Elemente (PE1; Figur 1) . Figure 7 shows an application example for the use of the power generation system (EES, Figure 1) according to the invention in a mechanically deformable environment. Figure 7 shows a tire R from the side with tire rattle RL on a road surface FB, as an example of the use of the power generation system (EES according to the invention, Figure 1). The power generation system according to the invention (EES, Figure 1) is on the inside of the car tire R (eg on the inside of the tread) mounted (eg, by gluing or vulcanization) such that a deformation of the tire lash (Reifenaufstandsfla ¬ che) on the movable housing part (GT2 1) and this deformation energy is coupled via the excitation means (AMI, AM2, FIG. 1) into the piezostructure (PE1, FIG. 1) and thus excites it to oscillate. The entry or exit into the tire lash causes a desired mechanical ¬ cal deformation (standard case). Mechanical deformations of the tire which lead to overload situations (eg driving over curbs) harbor the risk of a destructive force acting on the piezoelectric element (PE1, FIG. An overload protection and a protection against mechanical destruction of the sensitive piezoceramic takes place on the one hand by the integration of the piezoelectric element (PE1, FIG. 1) in one housing (GT1, GT2, FIG By decoupling the sensitive piezoceramic (PE1, FIG. 1) from the directly acting deformation energies of the environment. The primary mechanical ambient energy (eg Ver ¬ deformation energy through the tire contact area) is not directly applied to the piezoelectric elements (PE1; Figure 1) is coupled, but indirectly by the excitation means (AMI, AM2, Figure 1). Through them housing structure (GT1, GT2, Figure 1) and the guide elements (FEI, FE2; Figure 1) thus occurs a con trolled ¬ coupling of the mechanical ambient energy to the piezoelectric elements (PE1; Figure 1).
Für eine im Reifen R vorhandene Reifensensorik kann somit durch den Reifen R selbst die für den Betrieb der Reifensen- sorik notwendige Energie bereitgestellt werden kann. Die Rei- fensensorik kann somit energieautark betrieben werden. Das erfindungsgemäße Energieerzeugungssystems (EES; Figur 1) kann aber in beliebig dynamisch verformbaren Umgebungen eingesetzt werden. Z.B. bei Förderbändern, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband verformt wird oder in der In- dustrieautomatisierung (z.B. Roboter), wo es sehr viele bewegliche Teile gibt, die z.B. durch mechanisch verformbare Gummimanschetten geschützt sind. For a tire sensor present in the tire R, the energy necessary for the operation of the tire sensor system can thus be provided by the tire R itself. The tire sensor system can thus be operated in an energy-autonomous manner. However, the energy generation system (EES, FIG. 1) according to the invention can be used in any dynamically deformable environment. For example, in conveyor belts at the reversal points of which the elastic conveyor belt is deformed or in industrial automation (for example robots) where there are a large number of moving parts, e.g. are protected by mechanically deformable rubber sleeves.
Die Figuren 8a-8b zeigen beispielhafte Beschleunigungsdia- gramme beim Durchlaufen des Reifenlatsches (RL; FIG 7) bei verschiedenen Geschwindigkeiten. In den Figuren 8a-8b sind beispielhaft die auftretenden Beschleunigungen beim Durchlaufen des Reifenlatsches bei verschiedenen Geschwindigkeiten gezeigt. Die hiermit einhergehenden Kräfte lassen sich sehr einfach ausnutzen, indem das erfindungsgemäße Energieversorgungsmodul (EES; Figur 1), in geeigneter Weise auf der Reife¬ ninnenseite befestigt wird (z.B. einvulkanisieren) . Figur 8a zeigt die Beschleunigung beim Durchlaufen des Reifenlatsches bei der Geschwindigkeit 15 km/h. Figur 8b zeigt die Beschleu- nigung beim Durchlaufen des Reifenlatsches bei der Geschwindigkeit 230 km/h. Figures 8a-8b show exemplary acceleration diagrams when passing through the tire lap (RL; Figure 7) at different speeds. In FIGS. 8a-8b, the accelerations occurring when passing through the tire lap at different speeds are shown by way of example. The associated forces can be very easily exploited by the power supply module according to the invention (EES, Figure 1), in a suitable manner on the maturity ¬ inside is attached (eg vulcanize). Figure 8a shows the acceleration when passing through the tire bladder at the speed 15 km / h. FIG. 8b shows the acceleration when driving through the tire at the speed of 230 km / h.
Der erfinderische Schritt liegt u.a. in der Art und Weise der Realisierung eines piezobasierten, miniaturisierten und hochintegrierten Energieversorgungsmoduls (EES; Figur 1) . The inventive step is u.a. in the manner of the realization of a piezobasierten, miniaturized and highly integrated power supply module (EES, Figure 1).
Die vorliegende Erfindung weist insbesondere folgende Vortei¬ le auf : The present invention has the following ADVANTAGES ¬ le:
Hohe mechanische Robustheit: Der empfindliche MEMS-Teil be¬ findet sich gekapselt und damit geschützt im Inneren eines Gehäuses. Aufgrund des minimalen Eigengewichts des MEMS- Elements ist dieses sehr unempfindlich gegenüber mechanischen Beschleunigungskräften . Good mechanical stability: The sensitive MEMS part ¬ be found enclosed and thus protected in the interior of a housing. Due to the minimal weight of the MEMS element this is very insensitive to mechanical acceleration forces.
Minimierte Masse: Aufgrund des Konzepts kann die Modul¬ masse auf insgesamt wenige Gramm beschränkt bleiben. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz in hochdynami¬ schen Umgebungen wie z.B. einem Reifeninneren. Minimized weight: Because of the design, the module ¬ mass may be limited to a total of a few grams. This allows in particular the use in high dynamic ¬ rule environments such as a tire interior.
Nutzung breitbandiger mechanischer Anregungsenergien: Im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen muss der Piezo- wandlern nicht auf ein schmales Frequenzband im Anre¬ gungsspektrum ausgelegt werden. Zur mechanischen Auslenkung der Balkenstruktur können mechanische Bewegungen in einem breiten Frequenzspektrum genutzt werden. Use of broadband mechanical excitation energies: In contrast to conventional approaches, the piezoelectric transducers must be interpreted in a narrow frequency band in Anre ¬ supply spectrum. For the mechanical deflection of the beam structure mechanical movements in a wide frequency spectrum can be used.
Konzept ist gut geeignet für Systemintegration: Das er¬ findungsgemäße System kann mit MEMS- und ASIC- kompatiblen Technologien und Prozessen hergestellt werden und ermöglicht deshalb einen hohen Integrationsgrad. Miniaturisierbarkeit : Da das erfindungsgemäße System mit MEMS- und ASIC-kompatiblen Technologien hergestellt werden kann, besteht die Möglichkeit der Miniaturisierung. Concept is well suited for system integration: He ¬-making proper system compatible with MEMS and ASIC technologies and processes are made and therefore enables a high degree of integration. Miniaturizability: Since the system according to the invention can be manufactured with MEMS and ASIC compatible technologies, there is the possibility of miniaturization.
Energieerzeugungssystem, insbesondere ausgebildet als integ¬ riertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem, mit einem piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element, ein erstes Gehäuseteil, in dem das piezoelektrische Element an einem Ende auslenkbar angeordnet ist, erste Anregungsmittel zur mechanischen Anregung des pie¬ zoelektrischen Elementes, wobei durch die ersten Anregungs¬ mittel in das piezoelektrischen Element eine mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektri¬ sche Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanagement der vom piezoelektrischen Energiewandler bereitgestellten Energie . Energy generation system, in particular designed as integ ¬ tioned miniaturized power generation system, with a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy with at least one piezoelectric element, a first housing part in which the piezoelectric element is arranged deflectable at one end, first excitation means for mechanical excitation of the pie ¬ electrical element, wherein by the first excitation ¬ medium in the piezoelectric element, a mechanical force can be coupled such that the piezoelectric ¬ cal element is excited to mechanical vibrations, and an integrated circuit (ASIC) for energy management of the piezoelectric energy converter provided energy.
zugszeichen reference numbers
EES EnergieerzeugungsSystemEES energy generation system
GT1, GT2 Gehäuseteil GT1, GT2 housing part
Fl, F2 Federelement  Fl, F2 spring element
ASIC Integrierte Schaltung ASIC integrated circuit
EVI - EV3 Elektrische Verbindung ESP Energiespeieher EVI - EV3 Electrical Connection ESP Energy Trap
ESS Energieschnittstelle ESS energy interface
AMI, AM2 Anregungsmittel AMI, AM2 Stimulant
M Zusatzmasse  M additional mass
FEI, FE2 Führungselernente  FEI, FE2 Leadership
EW1 - EW3, Energiewandler  EW1 - EW3, energy converter
EW2 ' , EW2 ' ' Energiewandler  EW2 ', EW2' 'energy converter
EW3',EW3'', EW3 Energiewandler  EW3 ', EW3' ', EW3 energy converter
SM, SM' , SM' ' Starrer Mitnehmer  SM, SM ', SM' 'Rigid carrier
SFM, SFM' , SFM' ' , Semiflexibler Mitnehmer PE1 - PE5 Piezoelement  SFM, SFM ', SFM' ', Semi-flexible tang PE1 - PE5 Piezo element
PE2 ' , PE2 ' ' Piezoelement  PE2 ', PE2' 'piezoelectric element
PE3 ' , PE3 ' ' , PE3 ' Piezoelement  PE3 ', PE3' ', PE3' piezoelectric element
Bl - B4 Translatorische Bewegung Bl - B4 Translational movement
B2' ,Β2' ' ,B3' ,B3 Translatorische BewegungB2 ', Β2' ', B3', B3 Translational movement
TS Trägerschicht TS carrier layer
ESI, ES2 Elektrodenschicht  ESI, ES2 electrode layer
PES Piezoelektrische Schicht PES piezoelectric layer
R Reifen R tires
FB Fahrbahn  FB carriageway
RL Reifenlatsch  RL tire gossip

Claims

Patentansprüche claims
1. Energieerzeugungssystem (EES), insbesondere ausgebildet als integriertes miniaturisiertes Energieerzeugungssystem, umfassend: A power generation system (EES), in particular designed as an integrated miniaturized power generation system, comprising:
a) einen piezoelektrischen Energiewandler (EW1-EW3, EW2 ' , EW2", EW3, EW3 ' ' , EW3 ' ' ' ) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit  a) a piezoelectric energy converter (EW1-EW3, EW2 ', EW2 ", EW3, EW3' ', EW3' '') for converting mechanical energy into electrical energy with
mindestens einem piezoelektrischen Element (PE1-PE5, PE2', PE2", PE3 ' , PE3", PE3") at least one piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2 ", PE3', PE3", PE3 ")
b) ein erstes Gehäuseteil (GT1), in dem das piezoelekt¬ rische Element (PE1-PE5, PE2 ' , PE2", PE3 ' , PE3", PE3'')an einem Ende auslenkbar angeordnet ist, b) a first housing part (GT1), in which the piezoelekt ¬ generic element (PE1-PE5, PE2 ', PE2 "PE3', PE3" PE3 '') is arranged at a deflectable end,
c) erste Anregungsmittel (AMI) zur mechanischen Anregung des piezoelektrischen Elementes (PE1-PE5, PE2 ' , PE2 ' ' , PE3 ' , c) first excitation means (AMI) for the mechanical excitation of the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2' ', PE3',
PE3' ' , PE3' ' ) , wobei durch die ersten Anregungsmittel in das piezoelektrischen Element (PE1-PE5, PE2 ' , PE2", PE3 ' , PE3" , PE3' ' ) eine mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element (PE1-PE5, PE2', PE3 '', PE3 ''), wherein by the first excitation means in the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2 ", PE3', PE3", PE3 ''), a mechanical force can be coupled such that the piezoelectric Element (PE1-PE5, PE2 ',
PE2'', PE3' , PE3' ' , PE3'') zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, PE2 '', PE3 ', PE3' ', PE3' ') is excited to mechanical vibrations,
d) eine integrierte Schaltung (ASIC) zum Energiemanage¬ ment der vom piezoelektrischen Energiewandler (EW1-EW3, EW2', EW2 ' ' , EW3, EW3 ' ' , EW3 ' ' ' ) bereitgestellten Energie. d) an integrated circuit (ASIC) energy provided to the energy management of the management ¬ (piezoelectric energy converter EW1-EW3, EW2 ', EW2'', EW3, EW3'',EW3''').
2. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Energiespeicherelement zum Speichern der durch den piezoelektrischen Energiewandler (EW1-EW3, EW2', EW2'', EW3, EW3' ' , EW3' ' ' ) erzeugten elektrischen Energie. 2. Energy generation system (EES) according to claim 1, further comprising an energy storage element for storing the electrical energy generated by the piezoelectric energy converter (EW1-EW3, EW2 ', EW2' ', EW3, EW3' ', EW3' '').
3. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend eine Energieschnittstelle zu externen Verbrau¬ chern . 3. Energy generation system (EES) according to claim 1 or 2, further comprising an energy interface to external consumers ¬ chern.
4. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend ein zweites Gehäuseteil (GT2) mit zweiten Anregungsmittel, wobei das zweite Gehäuseteil (GT2) beweglich dergestalt auf dem ersten Gehäuseteil angeordnet ist, dass durch translatorische Bewegungen des zweites Gehäu¬ seteils (GT2), im Wesentlichen in Richtung der ersten Anregungsmittel (AMI), die ersten Anregungsmittel (AMI) durch die zweiten Anregungsmittel (AM2) mechanisch angetrieben werden. 4. Energy generation system (EES) according to one of the preceding claims, further comprising a second housing part (GT2) with second excitation means, wherein the second housing part (GT2) is movably arranged on the first housing part such that by translational movements of the second housin ¬ part ( GT2), substantially in the direction of the first excitation means (AMI), the first excitation means (AMI) are mechanically driven by the second excitation means (AM2).
5. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 4, wobei das erste Gehäuseteil (GT1) Elemente zur definierten mechanischen Führung des zweiten Gehäuseteils (GT2) aufweist. 5. power generation system (EES) according to claim 4, wherein the first housing part (GT1) elements for defined mechanical guidance of the second housing part (GT2).
6. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 4 oder 5, wo- bei zwischen dem ersten (GT1) und dem zweiten Gehäuseteil6. Power generation system (EES) according to claim 4 or 5, wherein between the first (GT1) and the second housing part
(GT2) Federelemente angebracht sind, die zu einer rückstel¬ lenden Kraft bei Auslenkung des zweiten Gehäuseteils (GT2) führen . (GT2) spring elements are attached, which lead to a restoring ¬ lenden force during deflection of the second housing part (GT2).
7. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1-PE5, PE2', PE2", PE3 ' , PE3", PE3") einen Mehrschichtaufbau mit MEMS- Schichten aufweist. 7. Energy generation system (EES) according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2 ", PE3', PE3", PE3 ") has a multi-layer structure with MEMS layers.
8. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1-PE5, PE2', PE2", PE3 ' , PE3", PE3") als Piezofahne ausgebildet ist. 8. Energy generation system (EES) according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2 ", PE3', PE3", PE3 ") is designed as a piezoelectric lug.
9. Energieerzeugungssystem (EES) nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Element (PE1-PE5, PE2 ' , PE2", PE3 ' , PE3" ,A power generation system (EES) according to claim 8, wherein the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2 ", PE3', PE3",
PE3' ' ) eine im Wesentlichen dreiecksförmige Fläche aufweist. PE3 ") has a substantially triangular area.
10. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Anregungsmittel (AMI) als starrer mechanischer Mitnehmer (SM, SM' , SM' ' ) ausgebildet ist, der durch einen Anlenkdorn des zweiten Anregungsmittels (AM2) angetrieben wird. 10. Energy generation system (EES) according to one of the preceding claims, wherein the first excitation means (AMI) as a rigid mechanical carrier (SM, SM ', SM'') is formed, which is driven by a Anlenkdorn the second excitation means (AM2).
11. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Anregungsmittel als semiflexiblen Mit¬ nehmer (SFM, SFM' , SFM' ' , SFM' ' ' ) ausgebildet ist, der in ei¬ ner ersten Bewegungsrichtung einklappt, wenn er auf das piezoelektrischen Element (PE1-PE5, PE2 ' , PE2 ' ' , PE3 ' , PE3 ' ' , PE3' ' ) mechanisch einwirkt, so dass das piezoelektrische Ele¬ ment (PE1-PE5, PE2 ' , PE2 ' ' , PE3 ' , PE3 ' ' , PE3 ' ' ) in der ersten Bewegungsrichtung des Mitnehmers im wesentlichen nicht ausgelenkt wird, und wobei in einer zweiten Bewegungsrichtung, die im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung ist, der semiflexiblen Mitnehmer (SFM, SFM', SFM'', SFM''') das piezoelektrische Element (PE1-PE5, PE2 ' , PE2 ' ' , PE3 ' , PE3' ' , PE3' ' ) bei einer Kontaktierung auslenkt, wobei der semiflexiblen Mitnehmer (SFM, SFM', SFM'', SFM''') durch einen Anlenkdorn des zweiten Anregungsmittels (AM2) angetrieben wird. 11. The power generation system (EES) according to one of claims 1 to 9, wherein the first excitation means is designed as a semi-flexible With ¬ participants (SFM, SFM 'SFM'',SFM'''), which collapses in egg ¬ ner first direction of movement, 'acts mechanically, so that the piezoelectric Ele ¬ element (PE1-PE5, PE2 when the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2', PE2 '', PE3 ', PE3'',PE3')',PE2'' , PE3 ', PE3'',PE3'') in the first direction of movement of the driver is not substantially deflected, and wherein in a second direction of movement, which is substantially opposite to the first direction of movement, the semi-flexible carrier (SFM, SFM', SFM '', SFM ''') deflects the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2', PE2 '', PE3 ', PE3'',PE3'') during a contacting, wherein the semi-flexible carrier (SFM, SFM', SFM '', SFM ''') is driven by a articulation mandrel of the second excitation means (AM2).
12. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1-PE5, PE2', PE2'', PE3' , PE3' ' , PE3'') periodisch zu Schwingungen ange- regt wird. 12. Energy generation system (EES) according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2' ', PE3', PE3 '', PE3 '') is periodically excited to vibrate.
13. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der integrierte Schaltkreis (ASIC) zum be¬ darfsgerechten Energiemanagement einer energieautarken Senso- rik und/oder Aktorik verwendet wird. 13. Energy generation system (EES) according to one of the preceding claims, wherein the integrated circuit (ASIC) is used for be ¬ fair energy management of a self-powered energy senor and / or actuators.
14. Energieerzeugungssystem (EES) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element (PE1-PE5, PE2', ΡΕ2'', ΡΕ3', ΡΕ3'', ΡΕ3'') eine elektrisch passive Trägerschicht (TS) aufweist. 14. Energy generation system (EES) according to one of the preceding claims, wherein the piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', ΡΕ2 '', ΡΕ3 ', ΡΕ3'',ΡΕ3'') has an electrically passive carrier layer (TS).
15. Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines Energieerzeugungs¬ system (EES) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durch Einwirken eines durch mechanische Umgebungsenergie hervorgerufene mechanische Kraft auf ein piezoelektrisches Element (PE1-PE5, PE2 ' , PE2", PE3 ' , PE3", PE3 ' ' ) , so dass das piezoelektri- sehe Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und wobei durch die integrierte Schaltung (ASIC) die Energiemenge für ein System bedarfsgerecht zugeführt wird. 15. A method for converting mechanical energy into electrical energy using a power generation ¬ system (EES) according to one of claims 1 to 14 by the action of mechanical energy caused by mechanical force on a piezoelectric element (PE1-PE5, PE2 ', PE2 " , PE3 ', PE3 ", PE3''), so that the piezoelectric element is excited to see mechanical oscillations and wherein the integrated circuit (ASIC), the amount of energy for a system is supplied as needed.
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