DE102013009715A1 - Device for obtaining electrical energy - Google Patents
Device for obtaining electrical energy Download PDFInfo
- Publication number
- DE102013009715A1 DE102013009715A1 DE102013009715.0A DE102013009715A DE102013009715A1 DE 102013009715 A1 DE102013009715 A1 DE 102013009715A1 DE 102013009715 A DE102013009715 A DE 102013009715A DE 102013009715 A1 DE102013009715 A1 DE 102013009715A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- carrier
- piezoelectric elements
- seismic mass
- piezoelectric
- opposite
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000000463 material Substances 0.000 description 39
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 20
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 14
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 11
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 9
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 9
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 6
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 6
- 229910000639 Spring steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 4
- SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N methylenedioxypyrovalerone Chemical compound C=1C=C2OCOC2=CC=1C(=O)C(CCC)N1CCCC1 SYHGEUNFJIGTRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 239000012799 electrically-conductive coating Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- H02N2/186—Vibration harvesters
- H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
-
- 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
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Abstract
Es wird eine Einrichtung (1) sowie eine Vorrichtung Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie vorgeschlagen, mit einem Träger (2), der mindestens zwei piezoelektrische Elemente (3) aufweist, die dazu ausgebildet sind, bei Verformung des Trägers (2) eine elektrische Spannung (U1, U2) hervorzurufen, und mit einer seismischen Masse (4), die derart angeordnet und ausbildet ist, dass durch Beschleunigung der Einrichtung (1) die seismische Masse (4) auf den Träger (2) wirkt, wodurch der Träger (2) zumindest abschnittsweise S-förmig verformbar ist, sodass sich ein Wendepunkt (W) in seiner Biegelinie bildet, und wobei durch die S-förmige Verformung des Trägers (2) die piezoelektrischen Elemente (3) verformt werden, wodurch die elektrische Spannung (U1, U2) hervorgerufen wird.The invention relates to a device (1) and a device for generating electrical energy, comprising a carrier (2) which has at least two piezoelectric elements (3) which are designed to generate an electrical voltage (2) when the carrier (2) is deformed. U1, U2), and with a seismic mass (4), which is arranged and designed in such a way that the seismic mass (4) acts on the carrier (2) by accelerating the device (1), whereby the carrier (2) can be deformed at least in sections in an S-shape, so that a turning point (W) is formed in its bending line, and the S-shaped deformation of the carrier (2) deforms the piezoelectric elements (3), as a result of which the electrical voltage (U1, U2 ) is caused.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Energieformen, die in der Umwelt der Einrichtung verfügbar sind, beispielsweise aus Wärme, Bewegung, Sonnenstrahlung, Wind oder dergleichen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus einer Beschleunigung.The present invention relates to a device for obtaining electrical energy from forms of energy that are available in the environment of the device, for example from heat, movement, solar radiation, wind or the like. In particular, the present invention relates to a device for obtaining electrical energy from an acceleration.
Beim mobilen Einsatz stromsparender Sensorsysteme kann es möglich und vorteilhaft sein, den Energiebedarf des Systems, u. a. zur gelegentlichen Übermittlung von Daten unmittelbar aus der Umgebung zu gewinnen. Dies ermöglicht, den Wartungsaufwand durch Erneuerung der jeweiligen Stromquelle zu vermeiden. Entsprechende Prinzipien, in der Umwelt verfügbare Energie umzuwandeln und nutzbar zu machen, werden auch ”Energy Harvesting” genannt. Bekannte Beispiele sind solargespeiste Parkuhren oder Automaten im Außenbereich, die das einfallende Sonnenlicht zur Energieversorgung nutzen. Die vorliegende Anmeldung betrifft vorrangig die Gewinnung elektrischer Energie aus Beschleunigungsvorgängen, insbesondere aus Bewegungen wie Schwingungen bei Transportvorgängen. Dies bietet den Vorteil gegenüber Solarsystemen, dass von einer unmittelbaren Lichteinwirkung unabhängig elektrische Energie gewonnen werden kann.In the mobile use of power-saving sensor systems, it may be possible and advantageous to reduce the energy consumption of the system, u. a. to gain occasional transmission of data directly from the environment. This makes it possible to avoid the maintenance by renewing the respective power source. Corresponding principles of converting and harnessing available energy in the environment are also called "energy harvesting". Well-known examples are solar-powered parking meters or machines in the outdoor area, which use the incident sunlight for energy supply. The present application relates primarily to the production of electrical energy from acceleration processes, in particular from movements such as vibrations during transport operations. This offers the advantage over solar systems that electrical energy can be obtained independently of direct exposure to light.
In diesem Zusammenhang ist bekannt, zur Gewinnung elektrischer Energie ein piezo-aktives Material einzusetzen. Wirkt auf ein solches piezo-aktives Material bzw. auf einen entsprechenden Körper aus einem solchen Material eine Kraft, so entstehen durch dielektrische Verschiebung Oberflächenladungen. Dadurch wird ein eklektisches Feld erzeugt. An aufgebrachten Elektroden ist dieses Feld als Spannung abgreifbar. Werden die Elektroden miteinander verbunden, gleichen sich die Oberflächenladungen aus und es fließt ein Ausgleichsstrom. Die Elektroden können über einen Verbraucher miteinander verbunden werden, um die gewonnene elektrische Energie zu nutzen.In this context, it is known to use a piezo-active material to obtain electrical energy. If a force acts on such a piezoactive material or on a corresponding body made of such a material, surface charges are formed by dielectric displacement. This creates an eclectic field. On applied electrodes, this field can be tapped as a voltage. If the electrodes are connected to each other, the surface charges are equalized and a compensating current flows. The electrodes can be connected to each other via a consumer in order to use the electrical energy obtained.
Ein Verbraucher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt eine Einrichtung, die Elektrische Energie aufnehmen kann, insbesondere unabhängig davon, ob diese Energie auch verwendet oder nur gespeichert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es also möglich, die gewonnene elektrische Energie zwischenzuspeichern, um diese zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen und/oder über die Zeit genügend Energie zu akkumulieren, um einen kurzzeitigen Betrieb einer zu versorgenden Einrichtung zu ermöglichen. Auch ein Energiespeicher wie ein Kondensator oder Akkumulator kann ein Verbraucher im Sinne der vorliegenden Erfindung sein.A consumer in the sense of the present invention is preferably a device that can receive electrical energy, in particular regardless of whether this energy is also used or only stored. Alternatively or additionally, it is thus possible to temporarily store the electrical energy obtained, in order to use it at a later time and / or to accumulate enough energy over time to enable a short-term operation of a device to be supplied. Also, an energy storage device such as a capacitor or accumulator may be a consumer in the sense of the present invention.
Zur Energiegewinnung können piezoelektrisch aktive Materialien in eine Form gebracht werden, an der einer zur Verfügung stehende Kraft in geeigneter Weise angreifen kann. Es ist also bevorzugt vorgesehen, dass das piezoelektrisch aktive Material derart verspannbar ist, dass Mechanische in elektrische Energie umwandelbar ist.For energy generation, piezoelectrically active materials can be brought into a form in which an available force can attack in a suitable manner. It is thus preferably provided that the piezoelectrically active material can be clamped in such a way that mechanical energy can be converted into electrical energy.
Bei unterschiedlich piezoelektrisch aktiven Materialien kann der piezoelektrische Effekt bei unterschiedlichen mechanischen Belastungen zu Tage treten. Beispielsweise gibt es Materialen, bei denen Torsion oder Scherung zu der dielektrischen Verschiebung der Oberflächenladungen führt. In den meisten Fällen werden jedoch Materialien eingesetzt, bei denen Zug- bzw. Druckbeanspruchungen des Materials zu der dielektrischen Verschiebung der Oberflächenladungen und damit zur Spannungserzeugung führen. Hierbei kann das Material entweder direkt auseinandergezogen bzw. zusammengerückt werden oder es wird durch eine Biegung mit Zug- und/oder Druckspannung belastet. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Nutzung solcher durch Biegung eines Trägers o. dgl. hervorgerufene Zug- bzw. Druckspannung, die genutzt wird, mechanische in elektrische Energie umzuwandeln.With different piezoelectrically active materials, the piezoelectric effect can come to light with different mechanical loads. For example, there are materials in which torsion or shear results in the dielectric shift of the surface charges. In most cases, however, materials are used in which tensile or compressive stresses of the material lead to the dielectric shift of the surface charges and thus to voltage generation. In this case, the material can either be pulled apart or pulled together directly or it is loaded by a bending with tensile and / or compressive stress. In particular, the present invention relates to the use of such tensile or compressive stress caused by bending a beam or the like, which is used to convert mechanical energy into electrical energy.
Aus der
Das bekannte Konzept mit einem Biegebalken hat insbesondere Nachteile in Bezug auf das verhältnismäßig große benötigte Volumen pro Energiemenge, die durch entsprechende Systeme umgewandelt werden kann. Es ist also ein verhältnismäßig großes Volumen unterzubringen, um ausreichend Energie aus der Umgebung umwandeln zu können. Es ist jedoch regelmäßig erwünscht, Energy-Harvesting-Systeme nachträglich zu integrieren, wofür eine kompaktere Bauform vorteilhaft ist. Ferner kann es in dem konkret bekannten Systemen mit Biegebalken zu Alterungsbruch der jeweiligen Keramik kommen, wenn zu große Beschleunigungen auf das jeweilige System wirken.The known concept with a bending beam has in particular disadvantages with respect to the relatively large volume required per amount of energy, which can be converted by appropriate systems. So it is a relatively large volume accommodate, in order to convert enough energy from the environment can. However, it is regularly desired to integrate energy harvesting systems later, for which a more compact design is advantageous. Furthermore, in the concrete known systems with bending beams, the aging of the respective ceramic can occur if too great an acceleration acts on the respective system.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie anzugeben, mit der eine kompaktere, mechanisch stabilere Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie mit einer größeren Leistungsdichte, also abgebbaren Leistung pro Gerätevolumen, erreicht werden kann.Therefore, it is an object of the present invention to provide a means for obtaining electrical energy, with a more compact, mechanically stable means for obtaining electrical energy with a greater power density, ie deliverable power per unit volume, can be achieved.
Die obige Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. The above object is achieved by a device for obtaining electrical energy according to
Die vorschlagsgemäße Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie weist vorzugsweise einen flächigen, biegbaren Träger auf.The proposed device for obtaining electrical energy preferably has a flat, bendable carrier.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie einen Träger auf, der mindestens zwei piezoelektrische Elemente aufweist, die dazu ausgebildet sind, bei Verformung des Trägers eine elektrische Spannung hervorzurufen. Ferner weist die Einrichtung eine seismischen Masse auf, die derart angeordnet und ausbildet ist, dass durch Beschleunigung der Einrichtung die seismische Masse auf den Träger wirkt, wodurch der Träger zumindest abschnittsweise S-förmig verformbar ist, sodass sich ein Wendepunkt in seiner Biegelinie bildet, und wobei durch die S-förmige Verformung des Trägers die piezoelektrischen Elemente verformt werden, wodurch die elektrische Spannung hervorgerufen wird.According to a first aspect of the present invention, an electrical energy source comprises a support having at least two piezoelectric elements adapted to generate an electrical voltage upon deformation of the support. Further, the device has a seismic mass, which is arranged and formed such that by accelerating the device, the seismic mass acts on the carrier, whereby the carrier is at least partially S-shaped deformable, so that a turning point forms in its bending line, and wherein the S-shaped deformation of the carrier, the piezoelectric elements are deformed, whereby the electrical voltage is caused.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Träger an mindestens einem Ende eingespannt ist, wodurch die S-förmige Verformung des Trägers ermöglicht wird.According to another aspect of the present invention, it may be provided that the carrier is clamped at at least one end, thereby enabling the S-shaped deformation of the carrier.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei piezoelektrischen Elemente auf derselben Seite des Trägers benachbart und/oder zumindest im Wesentlichen auf unterschiedlichen Seiten des Wendepunkts angeordnet sind, vorzugsweise sodass diese durch die S-förmige Verformung des Trägers in gegensätzlicher Weise mechanisch verformt werden.According to a further aspect of the present invention, it may be provided that the at least two piezoelectric elements are arranged on the same side of the carrier adjacent and / or at least substantially on different sides of the inflection point, preferably by contrasting them by the S-shaped deformation of the carrier Be mechanically deformed way.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei piezoelektrischen Elemente dazu ausgebildet und derart angeordnet sind, dass sie bei der S-förmigen Verformung des Trägers in gegensätzlicher Weise verformt werden und elektrische Spannungen mit demselben Vorzeichen erzeugen, im Folgenden Paar piezoelektrischer Elemente genannt.According to a further aspect of the present invention, it can be provided that the at least two piezoelectric elements are designed and arranged such that they are deformed in opposite directions during the S-shaped deformation of the carrier and generate electrical voltages with the same sign, hereinafter pair called piezoelectric elements.
Gemäß einem weiteren Aspket der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Träger mindestens zwei Paare piezoelektrischer Elemente aufweist, die auf unterschiedlichen Seiten, insbesondere Flachseiten, des Trägers angeordnet sind.According to another aspect of the present invention, it can be provided that the carrier has at least two pairs of piezoelectric elements which are arranged on different sides, in particular flat sides, of the carrier.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Paare piezoelektrischer Elemente derart angeordnet und ausgebildet sind, dass durch die S-förmige Verformung des Trägers elektrische Spannungen mit demselben Vorzeichen erzeugbar sind.According to a further aspect of the present invention, it can be provided that the pairs of piezoelectric elements are arranged and configured such that electrical voltages with the same sign can be generated by the S-shaped deformation of the carrier.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Träger doppelt-S-förmig verformbar ist, sodass sich zwei Wendepunkte in seiner Biegelinie bilden, vorzugsweise wobei mindestens zwei Paare piezoelektrischer Elemente auf derselben Flachseite des Trägers angeordnet und insbesondere derart angeordnet und ausgebildet sind, dass durch die doppelt-S-förmige Verformung des Trägers elektrische Spannungen mit demselben Vorzeichen erzeugbar sind.According to a further aspect of the present invention can be provided that the carrier is double-S-shaped deformable, so that two inflection points form in its bending line, preferably wherein at least two pairs of piezoelectric elements arranged on the same flat side of the carrier and in particular arranged and formed are that by the double-S-shaped deformation of the carrier electrical voltages are generated with the same sign.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Paar piezoelektrischer Elemente auf unterschiedlichen Seiten der seismischen Masse angeordnet sind, und/oder dass jeweils zwei Paare piezoelektrischer Elemente auf unterschiedlichen Seiten des Trägers angeordnet sind, vorzugsweise sodass bei doppelt-S-förimiger Verformung des Trägers an den piezoelektrischen Elementen elektrische Spannungen mit demselben Vorzeichen erzeugbar sind.According to a further aspect of the present invention, provision can be made for a pair of piezoelectric elements to be arranged on different sides of the seismic mass, and / or for two pairs of piezoelectric elements to be arranged on different sides of the carrier, preferably so that at double-S In the case of deformable deformation of the carrier on the piezoelectric elements, electrical voltages with the same sign can be generated.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die seismische Masse mit dem Träger und den piezoelektrischen Elementen ein Feder-Masse-System bildet, das vorzugsweise eine Resonanzfrequenz aufweist, die mehr als 10 Hz, vorzugsweise mehr als 25 Hz, insbesondere mehr als 35 Hz und/oder weniger als 150 Hz, vorzugsweise weniger als 100 Hz, insbesondere weniger als 75 Hz beträgt.According to a further aspect of the present invention it can be provided that the seismic mass forms with the carrier and the piezoelectric elements a spring-mass system, which preferably has a resonance frequency which is more than 10 Hz, preferably more than 25 Hz, in particular more than 35 Hz and / or less than 150 Hz, preferably less than 100 Hz, in particular less than 75 Hz.
Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit mindestens zwei Einrichtungen nach einem der voranstehenden Aspekte, deren Träger derart miteinander verkoppelt sind, dass diese ein gemeinsames Feder-Masse-System bilden, das vorzugsweise eine Resonanzfrequenz aufweist, die mehr als 10 Hz, vorzugsweise mehr als 25 Hz, insbesondere mehr als 35 Hz und/oder weniger als 150 Hz, vorzugsweise weniger als 100 Hz, insbesondere weniger als 75 Hz beträgt.Another, independently realizable aspect of the present invention relates to a device having at least two devices according to one of the preceding aspects, whose carriers are coupled together so that they form a common spring-mass system, which preferably has a resonant frequency which more than 10 Hz, preferably more than 25 Hz, in particular more than 35 Hz and / or less than 150 Hz, preferably less than 100 Hz, in particular less than 75 Hz.
Ein Träger im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein flächiges, streifenförmiges, körperliches Gebilde sein, das zumindest soweit elastisch ist, dass es bis zu einem gewissen Grad zerstörungsfrei verformbar ist. Vorzugsweise ist der Träger mindestens derart verformbar, dass ein piezoelektrisches Element durch die Trägerverformung verspannt werden kann, sodass elektrische Spannung erzeugt wird. Durch Verformung, beispielsweise aufgrund der Wirkung einer seismischen Masse, kann das Trägermaterial gebogen werden, wobei sich eine Biegelinie w(x) bildet.A carrier in the sense of the present invention may be a flat, strip-shaped, physical structure that is at least as elastic that it can be deformed non-destructively to a certain extent. Preferably, the carrier is at least deformable such that a piezoelectric element can be clamped by the carrier deformation, so that electrical voltage is generated. By deformation, for example, due to the action of a seismic mass, the support material can be bent, forming a bending line w (x).
Als Trägermaterial kommt Standard-Platinenmaterial wie FR4 in Frage. Bevorzugt ist jedoch Federstahl wegen seiner wesentliche größeren mechanischen Stabilität und Beständigkeit. Alternativ oder zusätzlich können auch andere bevorzugt elastische bzw. flexible Materialien verwendet werden. Insbesondere kann der Träger auch aus piezoelektrischem Material gebildet sein oder solches aufweisen. The carrier material is standard board material such as FR4 in question. However, spring steel is preferred because of its significantly greater mechanical stability and durability. Alternatively or additionally, other preferably elastic or flexible materials may be used. In particular, the carrier may also be formed of piezoelectric material or have such.
Der Träger weist vorzugsweise mindestens zwei unabhängige piezoelektrische Elemente auf. Piezoelektrische Elemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind bevorzugt Körper oder körperliche Anordnungen, die piezoelektrisches Material aufweisen oder aus solchem gebildet sind. Insbesondere kann es sich um stift- oder quarderförmiges, besonders bevorzugt jedoch plattenförmiges, insbesondere länglich ausgebildetes, plattenförmiges piezoelektrisch aktives Material handeln. Auch hier sind die möglichen Geometrien nicht beschränkt. Es ist jedoch bevorzugt, dass das piezoelektrische Material mindestens eine Flachseite aufweist und/oder dass das piezoelektrische Material, bevorzugt an der Flachseite, zum Einleiten einer mechanischen Spannung, insbesondere durch den Träger, zur Erzeugung elektrischer Energie ausgebildet ist.The carrier preferably has at least two independent piezoelectric elements. Piezoelectric elements in the context of the present invention are preferably body or physical arrangements which comprise or are formed from piezoelectric material. In particular, it may be pin-shaped or quared-shaped, particularly preferably plate-shaped, in particular oblong, plate-shaped piezoelectrically active material. Again, the possible geometries are not limited. However, it is preferred that the piezoelectric material has at least one flat side and / or that the piezoelectric material, preferably on the flat side, for introducing a mechanical stress, in particular by the carrier, is designed for generating electrical energy.
Piezoelektrische Elemente im Sinne der vorliegenden Erfindung haben bevorzugt mindestens zwei Elektroden, um durch Verformung hervorgerufene Oberflächenladungen abführen zu können. Solche elektrisch leitenden Elektroden können auf unterschiedlichen bzw. gegenüberliegenden Flachseiten des piezoelektrischen Elements angeordnet bzw. mit diesem verbunden sein. Beispielsweise sind metallische Materialen aufgedampft, aufgesputtert oder auf andere Weise in unmittelbarem Kontakt mit dem piezoelektrischen Material und bilden hierdurch einen oder mehrere Elektroden. Es ist auch möglich, dass drei oder mehr Elektroden an dem piezoelektrischen Element angeordnet, auf diesem aufgebracht oder durch dieses gebildet sind.Piezoelectric elements in the sense of the present invention preferably have at least two electrodes in order to dissipate surface charges caused by deformation. Such electrically conductive electrodes may be arranged on or opposite to different flat sides of the piezoelectric element. For example, metallic materials are vapor-deposited, sputtered, or otherwise in direct contact with the piezoelectric material, thereby forming one or more electrodes. It is also possible that three or more electrodes are arranged on, applied to or formed by the piezoelectric element.
Im Folgenden wird zwischen der Polarität eine piezoelektrischen Elements und seinen Elektroden oder auch Polen differenziert. Die Polarität eines piezoelektrischen Elements im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Eigenschaft des aus piezoelektrischen Material gebildeten Elements, durch eine bestimmte Verformung eine elektrische Potentialdifferenz bzw. elektrische Spannung in eine bestimmte Richtung zwischen den Elektroden zu erzeugen. Piezoelektrische Elemente gegensätzlicher Polarität sind im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise solche piezoelektrischen Elemente, die bei gleichförmiger Verformung an ihren Elektroden Spannungen unterschiedlicher Vorzeichen, vorzugsweise gegensätzliche Spannungen, erzeugen. Es ist möglich, dass piezoelektrische Elemente gegensätzlicher Polarität im Sinne der vorliegenden Erfindung lediglich gedreht, bevorzugt um 180 Grad gedreht oder gewendet, mit unterschiedlicher Ausrichtung der Materialstruktur oder des Kristallgitters o. dgl. ausgeführt sind. Im einfachsten Fall können also durch gewendete Anordnung unterschiedliche Polaritäten von piezoelektrischen Elementen erreicht werden. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass unterschiedliche Materialen und/oder Formen bzw. Geometrien verwendet werden.In the following, a differentiation is made between the polarity of a piezoelectric element and its electrodes or also poles. The polarity of a piezoelectric element in the sense of the present invention is a property of the element formed of piezoelectric material, to generate an electrical potential difference or voltage in a certain direction between the electrodes by a certain deformation. For the purposes of the present invention, piezoelectric elements of opposite polarity are preferably those piezoelectric elements which, when deformed uniformly at their electrodes, generate voltages of different signs, preferably opposing voltages. It is possible that piezoelectric elements of opposite polarity in the sense of the present invention merely rotated, preferably rotated by 180 degrees or turned, with different orientation of the material structure or the crystal lattice o. The like. Are executed. In the simplest case, therefore, different polarities of piezoelectric elements can be achieved by turning the arrangement. It is alternatively or additionally also possible that different materials and / or shapes or geometries are used.
Die piezoelektrischen Elemente sind vorzugsweise derart mit dem Träger verbunden, dass eine Biegung des Träger zu einer mechanischen Verspannung der piezoelektrischen Elemente führt, wodurch an den piezoelektrischen Elementen elektrische Spannungen hervorgerufen werden. Es kann also insbesondere vorgesehen sein, das die piezoelektrischen Elemente auf dem Träger aufgebracht, an diesem angeklebt oder auf sonstige Weise mit diesem so verbunden sind, dass eine Biegung des Trägers auf die piezoelektrischen Elemente übertragbar ist. Hierdurch können die piezoelektrischen Elemente insgesamt komprimiert oder auseinander gezogen oder auf sonstige Weise zur Spannungserzeugung verspannt werden werden, insbesondere aber auf einer dem Träger zugewandten Seite geringer als auf einer dem Träger abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements. Hierdurch lassen sich die Zug- bzw. Druckverspannungen des piezoelektrischen Materials erzeugen, die über dielektrische Verschiebung der Oberflächenladung zur Erzeugung der elektrischen Spannung führt. In einer Variante könne die piezoelektrischen Elemente den Träger zumindest teilweise oder komplett bilden. Der Träger kann also aus piezoelektrisch aktivem Material bestehen oder solches aufweisen.The piezoelectric elements are preferably connected to the carrier in such a way that a bending of the carrier leads to a mechanical strain of the piezoelectric elements, whereby electrical voltages are caused on the piezoelectric elements. It may therefore be provided in particular that the piezoelectric elements are applied to the carrier, glued thereto or otherwise connected to it so that a bending of the carrier is transferable to the piezoelectric elements. As a result, the piezoelectric elements can be compressed or pulled apart or otherwise clamped to generate voltage, but in particular on a side facing the carrier less than on a side facing away from the carrier of the piezoelectric element. In this way, the tensile or compressive stresses of the piezoelectric material can be generated, which leads via dielectric displacement of the surface charge for generating the electrical voltage. In a variant, the piezoelectric elements could at least partially or completely form the carrier. The carrier may therefore consist of piezoelectrically active material or have such.
Die Oberflächenladungen können mit den mindestens zwei an dem piezoelektrischen Material angeordneten, vorzugsweise mit diesem in unmittelbarem elektrischen Kontakt stehenden, Elektroden abgegriffen und somit die elektrische Energie nutzbar gemacht werden. Hierzu können die Elektroden mit einem Verbraucher verbunden werden.The surface charges can be tapped with the at least two electrodes arranged on the piezoelectric material, preferably in direct electrical contact therewith, and thus the electrical energy can be utilized. For this purpose, the electrodes can be connected to a consumer.
Vorschlagsgemäß weist der Träger eine seismische Masse auf, die derart angeordnet ist, dass deren Trägheit bei Beschleunigung der Einrichtung zu einer, vorzugsweise reversiblen, Verbiegung oder Verformung des Trägers führt. Hierbei kann die seismische Masse als beliebige Masse und/oder als Gewicht ausgebildet sein, dass an dem Träger befestigt oder durch den Träger und/oder die piezoelektrischen Elemente gebildet ist. Es sind aber auch alternative Möglichkeiten vorstellbar, eine seismische Masse zu realisieren. Insbesondere zeichnet sich die seismische Masse dadurch aus, dass bei Beschleunigung des Systems, also der Einrichtung, seine Trägheit wirkt bzw. genutzt wird. Es ist bevorzugt, dass die seismische Masse ausreichend Trägheit aufweist um eine signifikante Verbiegung des Trägers bei Beschleunigung der Einrichtung zu ermöglichen, beispielsweise wenn die Einrichtungen Bewegungen eines Kraftfahrzeugs ausgesetzt ist. Beispielsweise können der Träger und/oder die piezoelektrischen Elemente selbst die seismische Masse zumindest teilweise bilden oder aufweisen. Im Folgenden wird der Begriff ”seismische Masse” nicht nur für ein Gewicht verwendet, sondern vorzugsweise auch für deren Schwerpunkt oder Angriffspunkt bezogen auf den Träger. Ein eine ”seismische Masse” bildendes Gewicht kann also im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine auch relative große Ausdehnung haben. Soweit von einer Position einer Seismischen Masse die Rede ist, kann daher auch der Masseschwerpunkt des Gewichts oder der Angriffspunkt für ein Gewicht an dem Träger gemeint sein. Wenn eine seismische Masse an einer bestimmten Stelle vorgesehen ist, dann ist vorzugsweise kein punktförmiges Gewicht sondern eine Wirkung an dieser Stelle, sei es in Form eines Angriffspunkts oder Schwerpunkts, gemeint.According to the proposal, the support has a seismic mass arranged such that its inertia, upon acceleration of the device, leads to a preferably reversible, bending or deformation of the support. Here, the seismic mass may be formed as any mass and / or as a weight that is attached to the carrier or formed by the carrier and / or the piezoelectric elements. But there are also alternative ways conceivable to realize a seismic mass. In particular, the seismic mass is characterized in that when accelerating the system, so the device, its inertia acts or is used. It is preferred that the seismic mass be sufficiently inert in order to allow a significant bending of the carrier during acceleration of the device, for example when the device is subjected to movements of a motor vehicle. For example, the carrier and / or the piezoelectric elements themselves may at least partially form or comprise the seismic mass. In the following, the term "seismic mass" is used not only for a weight, but preferably also for its center of gravity or point of application with respect to the carrier. A "seismic mass" forming weight can therefore also have a relatively large extent in the context of the present invention. As far as a position of a seismic mass is concerned, therefore, the center of mass of the weight or the point of application for a weight on the carrier may be meant. If a seismic mass is provided at a certain location, then preferably no punctiform weight is meant, but an action at that location, be it in the form of an attack point or a center of gravity.
Die Einrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch Einspannen des Trägers an mindestens einer Kante eine Verformung des Trägers durch die seismische Masse ermöglicht wird, die im Schnitt quer zur Trägerfläche und quer zur eingespannten Kante zumindest in einem Abschnitt des Trägers zu einem S-förmigen Verlauf des Trägers führt. Ein S-förmiger Verlauf des Trägers im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine Biegelinie, die einen Wendepunkt aufweist. Der eingespannte Träger ist also zuerst in eine bestimmte Richtung gebogen und im weiteren Verlauf ändert sich die Biegerichtung, vorzugsweise in die entgegengesetzte Richtung. Hierdurch kann sich ein Verlauf des Trägers bilden, der aneinander angrenzende, gegensätzlich gekrümmte Abschnitte aufweist, ähnlich einem ”S”. Hierbei ist die S-form bevorzugt nicht auf eine exakte Reihenfolge der Krümmungen festgelegt. Die Form kann also auch einem gedrehten und/oder gespiegelten ”S” entsprechen. Ein S-förmiger Verlauf des Trägers muss nicht immer vorliegen. Besonders bevorzugt führt die Seismische Masse dazu, dass der Verlauf von einer S-Form über eine Gerade oder gestreckte Form in eine gespiegelte oder invertierte S-Form überführbar ist und umgekehrt. Entsprechendes gilt für eine doppelte S-Form. Eine doppelte-S-Form weist vorzugsweise mindestens drei aneinandergesetzte Bogenlinien unterschiedlicher Biegerichtung besteht, vorzugsweise wodurch mindestens zwei Wendepunkte gebildet werden. Es handelt sich also bevorzugt um zwei spiegelbildlich aneinandergesetzte S-Formen.The device is preferably designed such that, by clamping the carrier on at least one edge, a deformation of the carrier by the seismic mass is made possible, which in cross section to the carrier surface and transversely to the clamped edge at least in a portion of the carrier to an S-shaped course of the carrier leads. An S-shaped course of the carrier in the context of the present invention is preferably a bending line having a turning point. The clamped carrier is thus first bent in a certain direction and in the further course, the bending direction changes, preferably in the opposite direction. As a result, a profile of the carrier can form, which has adjoining, oppositely curved sections, similar to an "S". Here, the S-shape is preferably not set to an exact order of the curvatures. The shape can thus also correspond to a rotated and / or mirrored "S". An S-shaped course of the carrier does not always have to be present. Particularly preferably, the seismic mass leads to the fact that the course of an S-shape over a straight line or elongated shape in a mirrored or inverted S-shape can be converted, and vice versa. The same applies to a double S-shape. A double S-shape preferably has at least three juxtaposed arc lines of different bending direction, preferably whereby at least two inflection points are formed. It is thus preferably two mirror-image juxtaposed S-forms.
Der Begriff ”Einspannen” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise so zu verstehen, dass eine Befestigung des Trägers derart erfolgt, dass dieser an der Befestigungsstelle zumindest im wesentlichen gegen Rotation und Kippen gesichert ist. Das Einspannen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist also insbesondere nicht darauf beschränkt, dass der Träger zwischen Spannbacken o. dgl. eingezwungen oder eingeklemmt ist, auch wenn dies eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. Der Träger kann beispielsweise auch eingeklebt, angeschweißt oder gemeinsam mit einem den Träger einspannenden Element gebildet sein, wobei die Einspannung nicht unbedingt mit einem Klemmvorgang o. dgl. einhergeht. Es handelt sich also bevorzugt um eine Einspannung im mechanischen bzw. statischen Sinn. An der Einspannung ist vorzugsweise die Randbedingung für die Biegelinie W(x) des Trägers, die sich z. B. durch Verformung mit der seismischen Masse ändern kann, W = 0 und W' = 0 (die Biegelinie und deren erste Ableitung sind Null), im bevorzugten Fall einer unverschiebbaren Einspannung zusätzlich U' = 0 (die Einspannung ist also unverschieblich, was nicht zwingend der Fall sein muss).The term "clamping" in the sense of the present invention is preferably to be understood that an attachment of the carrier takes place such that it is secured at the attachment point at least substantially against rotation and tilting. The clamping in the sense of the present invention is therefore not limited in particular to the fact that the carrier is clamped or clamped between clamping jaws or the like, even if this constitutes a possible embodiment of the present invention. The carrier may for example also be glued, welded or formed together with a carrier spanning element, wherein the clamping is not necessarily associated with a clamping operation o. The like. It is thus preferably a clamping in the mechanical or static sense. At the clamping is preferably the boundary condition for the bending line W (x) of the carrier, the z. B. by deformation with the seismic mass, W = 0 and W '= 0 (the bending line and its first derivative are zero), in the preferred case of an immovable clamping in addition U' = 0 (the clamping is thus immovable, which is not mandatory must be the case).
Vorschlagsgemäß ist das System aus eingespannten Träger und seismischer Masse derart ausgebildet, dass bei Beschleunigung der Einrichtung durch die Trägheit der Masse eine Kraft auf den Träger wirkt und dieser hierdurch verformt wird. Anders als bei einfachen, einseitig eingespannten Biegebalken, ergibt sich gemäß der vorliegenden Erfindung hierdurch jedoch keine kontinuierliche, stetige Biegelinie, sondern ein S-förmiger Verlauf im Querschnitt, insbesondere senkrecht, zur Einspannung des Trägers. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die im Folgenden noch detaillierter diskutiert wird, ist der Träger zur Bildung des S-förmigen Verlaufs auf gegenüberliegenden Seiten eingespannt, wobei sich die seismische Masse oder deren Schwerpunkt oder Angriffspunkt zumindest im Wesentlichen mittig zwischen den Einspannungen an dem Träger befinden kann. Es sind aber auch andere Formen der Realisierung möglich, beispielsweise ein einfaches Auflager auf der der Einspannung abgewandten Seite der seismischen Masse o. dgl.According to the proposed system of clamped carrier and seismic mass is designed such that upon acceleration of the device by the inertia of the mass, a force acts on the carrier and this is thereby deformed. Unlike in the case of simple, cantilevered bending beams, according to the present invention, however, this does not result in a continuous, continuous bending line, but in an S-shaped profile in cross-section, in particular perpendicularly, for clamping the carrier. In a particularly preferred embodiment, which will be discussed in more detail below, the carrier is clamped on opposite sides to form the S-shaped profile, the seismic mass or its center of gravity or point of application being at least substantially midway between the clamps on the carrier can. But there are also other forms of implementation possible, for example, a simple support on the side facing away from the clamping side of the seismic mass o. The like.
Weiter ist vorgesehen, dass die piezoelektrischen Elemente auf derselben Flachseite des Träger beabstandet voneinander angeordnet sind. Die zumindest zwei unterschiedlichen piezoelektrischen Elemente liegen also vorzugsweise berührungsfrei bzw. beabstandet nebeneinander. Die piezoelektrischen Elemente können derart angeordnet und mit dem Träger verbunden sein, dass durch die S-förmige Verformung unterschiedliche, vorzugsweise gegensätzliche, mechanische Spannungen an den piezoelektrischen Elementen hervorrufbar sind.It is further provided that the piezoelectric elements are arranged on the same flat side of the carrier spaced from each other. The at least two different piezoelectric elements are therefore preferably non-contact or spaced apart from each other. The piezoelectric elements may be arranged and connected to the carrier such that different, preferably opposite, mechanical stresses on the piezoelectric elements can be produced by the S-shaped deformation.
Ferner ist bevorzugt, dass mindestens eines der piezoelektrischen Elemente auf dem Träger zwischen der Einspannung und der seismischen Masse angeordnet ist. Insbesondere sind zumindest zwei piezoelektrische Elemente hintereinander zwischen der Einspannung und der seismischen Masse angeordnet. Ferner ist bevorzugt, das ein Wendepunkt zwischen der Einspannung und der seismischen Masse liegt. Die S-Form wird also bevorzugt zwischen Einspannung und seismischer Masse durch den Träger gebildet, insbesondere wenn die seismische Masse Kraft auf den Träger ausübt.Furthermore, it is preferred that at least one of the piezoelectric elements is arranged on the carrier between the clamping and the seismic mass. In particular, at least two piezoelectric elements arranged one behind the other between the clamping and the seismic mass. It is further preferred that this is a point of inflection between the restraint and the seismic mass. The S-shape is thus preferably formed between clamping and seismic mass by the carrier, in particular when the seismic mass exerts force on the carrier.
Wenn durch die Kraft der seismischen Masse der Träger S-förmig verformt wird, ergibt sich im Verlauf des Trägers ein Wendepunkt, bei einem bevorzugten streifenförmigen Träger folglich eine Wendelinie oder -ebene quer zur Längserstreckung des Trägers. Folglich wird der Träger auf derselben Seite der Flachseite zwischen der Einspannung und dem Wendepunkt konkav und auf der Einspannung abgewandten Seite des Wendepunkts konvex verformt, oder umgekehrt. Dies kann dazu genutzt werden, unterschiedliche, vorzugsweise gegensätzliche, mechanische Spannungen auf die beiden unterschiedlichen piezoelektrischen Elemente auszuüben, sobald der Träger durch die seismische Masse S-förmig verformt wird. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das erste piezoelektrische Element zwischen der Einspannung und dem Wendepunkt und/oder auf der der seismischen Masse abgewandten Seite des Wendepunkts angeordnet ist. Das zweite piezoelektrische Element kann auf der der Einspannung abgewandten Seite und/oder der der seismischen Masse zugesandten Seite des Wendepunkts angeordnet sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass eines der piezoelektrischen Elemente durch die konkave Verformung des Trägers gestaucht und gleichzeitig das andere piezoelektrische Element durch konvexe Verformung des Trägers gestreckt wird. Es sei nochmals betont, dass es möglich und beabsichtigt ist, dass die S-Form sich durch Wirkung der seismischen Masse ändert und auch invertieren kann. Es ist also möglich, dass insbesondere in einer Ruhelage der Träger keine Krümmung aufweist. Die Position der Wendepunkte ist dann diejenige, wo sich ein Wendepunkt bei infinitesimaler Wirkung der seismischen Masse ergeben würde.If the carrier is deformed in an S-shape by the force of the seismic mass, a point of inflection results in the course of the carrier, and consequently in a preferred strip-shaped carrier a turning line or plane transverse to the longitudinal extent of the carrier. Consequently, the carrier is convexly deformed on the same side of the flat side between the restraint and the inflection point concave and on the side facing away from the instep of the inflection point, or vice versa. This can be used to exert different, preferably opposite, mechanical stresses on the two different piezoelectric elements, as soon as the carrier is deformed by the seismic mass S-shaped. It can be provided that the first piezoelectric element between the clamping and the inflection point and / or on the side facing away from the seismic mass of the inflection point is arranged. The second piezoelectric element may be arranged on the side facing away from the clamping and / or the seismic mass sent side of the inflection point. Hereby it can be achieved that one of the piezoelectric elements is compressed by the concave deformation of the carrier and at the same time the other piezoelectric element is stretched by convex deformation of the carrier. It should again be emphasized that it is possible and intended that the S-shape may change and also invert by the action of the seismic mass. It is therefore possible that, in particular in a rest position, the carrier has no curvature. The position of the turning points is then the one where a turning point would result with infinitesimal effect of the seismic mass.
Der Träger ist bevorzugt, jedoch nicht zwingend als flacher Streifen vorgesehen. Die Erfindung kann jedoch auch mit einem Träger ausgeführt werden, der einen runden, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, teilkreisförmigen oder noch auf andere Weise geformten Querschnitt hat. Bevorzugt ist jedoch ein streifenförmiges Trägermaterial bzw. ein plattenförmiges Material, insbesondere in dünnes Blech oder eine dünne Platte mit einer rechteckigen Grundfläche und/oder Querschnittsfläche, da sich ein solches als vorteilhaft für eine zuverlässige und günstige Herstellung herausgestellt hat. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Länge und/oder Querschnitt zu Stärke bzw. Dicke des Trägers maximal 1:10, vorzugsweise weniger als 1:20 oder 1:30, insbesondere 1/50 oder weniger. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Länge zu Querschnitt mehr als 2:1, vorzugsweise mehr als 3:1, insbesondere mehr als 4:1.The carrier is preferred, but not necessarily provided as a flat strip. However, the invention may be practiced with a carrier having a round, square, rectangular, triangular, part-circular, or otherwise shaped cross-section. However, preference is given to a strip-shaped carrier material or a plate-shaped material, in particular in thin sheet metal or a thin plate having a rectangular base area and / or cross-sectional area, since such has proved to be advantageous for reliable and inexpensive production. For example, the ratio of length and / or cross-section to thickness or thickness of the carrier is at most 1:10, preferably less than 1:20 or 1:30, in particular 1/50 or less. For example, the ratio of length to cross section is more than 2: 1, preferably more than 3: 1, in particular more than 4: 1.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einer gedachten stetigen Biegung des Trägers an den piezoelektrischen Elementen Spannungen mit unterschiedlichen Vorzeichen hervorgerufen werden, im Folgenden unterschiedliche Polarität der piezoelektrischen Elemente genannt. Hierbei wird fiktiv davon ausgegangen, dass der Träger kontinuierlich wie bei einem Biegebalken verformt wird, die beiden piezoelektrischen Elemente also gleichförmig entweder beide mit Zug oder beide mit Druck beaufschlagt werden. Die unterschiedliche Polarität der piezoelektrischen Elemente bedeutet in diesem Fall also, dass bei gleichen oder ähnlichen Verformungen zwischen entsprechenden Elektroden oder Polen der piezoelektrischen Elemente Spannungen unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden. Dadurch, dass durch die S-förmige Verformung des Trägers im Betrieb der Einrichtung unterschiedliche bzw. zumindest im Vorzeichen gegensätzliche mechanische Spannungen an den piezoelektrischen Elementen hervorrufbar sind, können an den piezoelektrischen Elementen elektrische Spannungen mit demselben Vorzeichen erzeugbar sein. Dies ist besonders vorteilhaft, da die piezoelektrischen Elemente oder deren Elektroden auf der jeweils gleichen Seite zum Betreiben eines Verbrauchers in einem solchen Fall unmittelbar miteinander verbunden werden können.According to one aspect of the present invention, provision can be made for voltages with different signs to be produced on the piezoelectric elements during an imaginary continuous bending of the carrier, referred to below as different polarity of the piezoelectric elements. In this case, it is fictitiously assumed that the carrier is deformed continuously as in the case of a bending beam, ie the two piezoelectric elements are uniformly pressurized either both in tension or both. The different polarity of the piezoelectric elements in this case means that with the same or similar deformations between corresponding electrodes or poles of the piezoelectric elements voltages of different signs are generated. Due to the fact that different or at least opposite mechanical stresses on the piezoelectric elements can be caused by the S-shaped deformation of the carrier during operation of the device, electrical voltages with the same sign can be generated on the piezoelectric elements. This is particularly advantageous because the piezoelectric elements or their electrodes on the same side in each case for operating a consumer in such a case can be directly connected to each other.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Paar mit jeweils mindestens zwei beabstandet voneinander angeordneten piezoelektrischen Elementen auf unterschiedlichen Flachseiten des Trägers derart angeordnet sind, sodass bei der S-förmigen Verformung des Trägers gegensätzliche mechanische Spannungen an den piezoelektrischen Elementen des jeweiligen Paars erzeugbar sind.According to a further aspect of the present invention it can be provided that in each case a pair with at least two spaced apart piezoelectric elements are arranged on different flat sides of the carrier so that in the S-shaped deformation of the carrier opposite mechanical stresses on the piezoelectric elements of the respective pairs can be generated.
Es ist also möglich, dass zwischen der Einspannung und dem Wendepunkt bzw. der Wendelinie oder Wendeebene des Trägers auf beiden Flachseiten des Trägers piezoelektrischen Elemente vorgesehen sind. Bei einer Verformung werden zumindest teilweise oder im Wesentlichen unmittelbar gegenüberliegende piezoelektrische Elemente in entgegengesetzte Richtungen oder Weisen verspannt. Entsprechendes gilt, wenn auf der der Einspannung abgewandten Seite des Wendepunkts bzw. der Wendelinie oder Wendeebene auf beiden Flachseiten des Trägers piezoelektrisch Elemente angeordnet sind. Insbesondere können also zumindest vier piezoelektrischen Elemente auf dem Träger angeordnet sein, jeweils zwei auf einer der beiden Flachseiten und zwei vor sowie zwei hinter dem Wendepunkt bzw. der Wendelinie oder Wendeebene. Auch in diesem Fall ist es besonders bevorzugt, dass die auf einer Seite befindlichen piezoelektrischen Elemente gegensätzliche Polaritäten aufweisen. Dies führt dazu, dass zumindest die Elektroden bzw. Pole der piezoelektrischen Elemente jeweils auf einer der Flachseiten des Trägers miteinander verbunden werden können.It is thus possible that piezoelectric elements are provided between the clamping and the point of inflection or the turning line or turning plane of the carrier on both flat sides of the carrier. Upon deformation, at least partially or substantially directly opposed piezoelectric elements are strained in opposite directions or modes. The same applies if piezoelectric elements are arranged on both sides of the carrier on the side facing away from the clamping point of the inflection point or the inflection line or turning plane. In particular, therefore, at least four piezoelectric elements can be arranged on the carrier, in each case two on one of the two flat sides and two in front and two behind the turning point or of the Turning line or turning plane. Also in this case, it is particularly preferable that the piezoelectric elements located on one side have opposite polarities. As a result, at least the electrodes or poles of the piezoelectric elements can each be connected to one another on one of the flat sides of the carrier.
Gemäß einer ersten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die auf der jeweiligen Flachseite des Träger benachbarten piezoelektrischen Elemente unterschiedlicher bzw. gegensätzlicher Polarität, die sich in Bezug auf die Trägerfläche oder Trägerebene gegenüberliegenden jedoch derselben Polarität. In diesem Fall wird bei S-förmiger Verformung des Trägers durch alle piezoelektrischen Elemente der jeweiligen Seite eine Spannung mit demselben Vorzeichen erzeugt. Somit ist es möglich, die Pole bzw. Elektroden der piezoelektrischen Elemente miteinander elektrisch verbunden zu verwenden. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise ein unkomplizierter, robuster und kostengünstiger Aufbau ermöglicht.According to a first very particularly preferred embodiment, the piezoelectric elements adjacent to the respective flat side of the carrier are of different or opposite polarity but the same polarity with respect to the carrier surface or carrier plane. In this case, with S-shaped deformation of the carrier by all the piezoelectric elements of the respective side, a voltage of the same sign is generated. Thus, it is possible to use the poles or electrodes of the piezoelectric elements electrically connected to each other. As a result, an uncomplicated, robust and cost-effective design are made possible in an advantageous manner.
Gemäß einer zweiten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die auf der jeweiligen Flachseite des Träger benachbarten piezoelektrischen Elemente unterschiedlicher bzw. gegensätzlicher Polarität, und die sich in Bezug auf die Trägerfläche oder Trägerebene zumindest im Wesentlichen gegenüberliegenden sind ebenfalls unterschiedlicher bzw. gegensätzlicher Polarität. In diesem Fall wird bei S-förmiger Verformung des Trägers durch alle piezoelektrischen Elemente eine Spannung mit demselben Vorzeichen erzeugt. Somit ist es möglich, die Pole bzw. Elektroden der piezoelektrischen Elemente miteinander elektrisch verbunden zu verwenden. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise ein unkomplizierter, robuster und kostengünstiger Aufbau ermöglicht.According to a second very particularly preferred embodiment, the piezoelectric elements adjacent to the respective flat side of the carrier are of different or opposite polarity, and which are at least substantially opposite with respect to the carrier surface or carrier plane are also of different or opposite polarity. In this case, with S-shaped deformation of the carrier by all the piezoelectric elements, a voltage of the same sign is generated. Thus, it is possible to use the poles or electrodes of the piezoelectric elements electrically connected to each other. As a result, an uncomplicated, robust and cost-effective design are made possible in an advantageous manner.
Generell kann vorgesehen sein, dass der Träger elektrisch leitend oder elektrisch leitend beschichtet ist, so dass der Träger jeweils einen der Pole bzw. eine Elektrode jedes einzelnen der piezoelektrischen Elemente miteinander verbindet. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Träger nur die piezoelektrischen Elemente auf einer der beiden Flachseiten jeweils miteinander elektrisch verbindet. Ferner ist es möglich, dass der Träger zwar von allen piezoelektrischen Elementen, die auf diesem angeordnet sind, jeweils einen Pol bzw. eine Elektrode miteinander verbindet, selbst aber nicht zum Anschluss dient. Stattdessen kann es möglich sein, dass der Träger die piezoelektrischen Elemente auf einer der Flachseiten des Trägers mit denen auf der gegenüberliegenden Flachseite des Trägers elektrisch zu einer Reihenschaltung verbindet. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass jeweils in Bezug auf die Trägerebene zumindest im Wesentlichen gegenüberliegenden Elemente dieselbe Polarität aufweisen. Dies führt dazu, dass auf der selben Flachseite benachbarte piezoelektrische Elemente zwar nach wie vor durch unterschiedliche Polaritäten die Spannungen mit demselben Vorzeichen erzeugen, die Vorzeichen der auf den unterschiedlichen Flachseiten erzeugten Spannungen sind jedoch gegensätzlich sind. Hierdurch kann ermöglicht werden, zwischen den jeweils nicht mit dem elektrischen Träger verbundenen Polen bzw. Elektroden der piezoelektrischen Elemente auf den unterschiedlichen Flachseiten aufgrund der Serienschaltung eine doppelte Spannung zu erzeugen. Die piezoelektrischen Elemente der jeweiligen Flachseiten sind also mit einem Pol bzw. einer Elektrode durch den Träger miteinander verbunden und zwischen den jeweils anderen Polen bzw. Elektroden der piezoelektrischen Elemente der unterschiedlichen Flachseiten kann die Spannung abgenommen werden. Die piezoelektrischen Elemente der jeweiligen Flachseiten können auch hier pro Flachseite untereinander elektrisch verbunden sein. Die Spannung kann dann zwischen einem ersten, durch verbundene piezoelektrische Elemente einer ersten Flachseite gebildeten Pol und einem zweiten, durch verbundene piezoelektrische Elemente einer gegenüberliegenden, zweiten Flachseite gebildeten Pol abgegriffen werden.In general, it can be provided that the carrier is coated in an electrically conductive or electrically conductive manner, so that the carrier in each case connects one of the poles or an electrode of each individual one of the piezoelectric elements to one another. Alternatively or additionally, however, it is also possible for the carrier to electrically connect only the piezoelectric elements on one of the two flat sides to each other. Further, it is possible that the carrier of each of the piezoelectric elements which are arranged on this, in each case a pole or an electrode connects to each other, but not itself serves for connection. Instead, it may be possible that the carrier electrically connects the piezoelectric elements on one of the flat sides of the carrier with those on the opposite flat side of the carrier to a series circuit. In this case it is preferred that in each case with respect to the carrier plane at least substantially opposite elements have the same polarity. As a result, adjacent piezoelectric elements on the same flat side still generate voltages with the same sign due to different polarities, but the signs of the voltages generated on the different flat sides are contradictory. This makes it possible to generate a double voltage between the respectively not connected to the electrical carrier poles or electrodes of the piezoelectric elements on the different flat sides due to the series connection. The piezoelectric elements of the respective flat sides are thus connected to one another by a pole or an electrode through the carrier, and the voltage can be removed between the respective other poles or electrodes of the piezoelectric elements of the different flat sides. The piezoelectric elements of the respective flat sides can also be electrically connected to one another here per flat side. The voltage can then be tapped between a first pole formed by connected piezoelectric elements of a first flat side and a second pole formed by connected piezoelectric elements of an opposite, second flat side.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeweils ein Paar mit jeweils mindestens zwei beabstandet voneinander angeordneten piezoelektrischen Elementen auf unterschiedlichen Seiten der seismischen Masse oder des Schwerpunkts bzw. Angriffspunkt der seismischen Masse angeordnet sind. Ferner kann der Träger durch die seismische Masse auf unterschiedlichen Seiten dieser seismischen Maße oder des Schwerpunkts der seismischen Masse jeweils S-förmig verformbar oder insgesamt doppelt-S-förmig verformbar sein. Hierdurch ist es möglich, die piezoelektrischen Elemente des jeweiligen Paars jeweils gegensätzlich mechanisch zu Verspannen. Es ist optional möglich, dass zwei Paare piezoelektrischer Elemente ein gemeinsames piezoelektrisches Element haben, die zwei Paare also aus insgesamt drei piezoelektrischen Elementen zusammengesetzt sind.According to a further aspect of the present invention, provision can be made for a pair each having at least two piezoelectric elements arranged at a distance from one another to be arranged on different sides of the seismic mass or the center of gravity or point of application of the seismic mass. Furthermore, the carrier may be deformable by the seismic mass on different sides of these seismic dimensions or the center of gravity of the seismic mass in each case in an S-shape or as a whole being double-S-shaped. As a result, it is possible to mechanically clamp the piezoelectric elements of the respective pair in opposite directions. It is optionally possible that two pairs of piezoelectric elements have a common piezoelectric element, that is, two pairs are composed of a total of three piezoelectric elements.
Beispielsweise kann der Träger beidseitig eingespannt und die seismische Masse zwischen den Einspannungen, insbesondere mittig, angeordnet sein. Dies führt dazu, dass jeweils zwischen der Einspannung und der seismischen Masse ein S-förmiger Verlauf des Trägers durch Verformung mittels der seismischen Masse erreicht werden kann. Vorschlagsgemäß ist es dann möglich, zwischen einer ersten der Einspannungen und der seismischen Masse auf derselben Flachseite zwei piezoelektrische Elemente getrennt voneinander anzuordnen und zwischen der weiteren Einspannung und der seismischen Masse bzw. dem Schwerpunkt dieser ebenfalls. Ferner kann vorgesehen sein, dass die piezoelektrischen Elemente des jeweiligen Paars unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Wie bereits zuvor erläutert, kann hierdurch erreicht werden, dass trotz der jeweils unterschiedlichen mechanischen Verspannungen elektrische Spannungen mit demselben Vorzeichen erzeugt werden können.For example, the carrier can be clamped on both sides and the seismic mass between the restraints, in particular in the center. This results in that between the restraint and the seismic mass an S-shaped profile of the carrier can be achieved by deformation by means of the seismic mass. According to the proposal, it is then possible between a first of the restraints and the seismic mass on the same flat side to arrange two piezoelectric elements separated from each other and between the further restraint and the seismic mass or the center of gravity of these also. Furthermore, it can be provided that the piezoelectric elements of the respective pair have different polarities. As already explained above, it can thereby be achieved that, despite the respectively different mechanical stresses, electrical voltages with the same sign can be generated.
Im Fall, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, dass der Träger unter Einwirkung der seismischen Masse zu beiden Seiten der seismischen Masse jeweils einen S-förmigen Verlauf einnimmt, können also ebenfalls gleiche Vorzeichen der Spannungen erreicht werden. Hierzu ist besonders bevorzugt, dass jeweils die der seismischen Masse oder dem Schwerpunkt der seismischen Masse zugewandten Elemente auf derselben Flachseite gleiche Polaritäten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, dass jeweils die der seismischen Masse oder dem Schwerpunkt der seismischen Masse abgewandten piezoelektrischen Elemente auf derselben Flachseite ebenfalls gleiche Polaritäten aufweisen.In the event that the device is designed so that the carrier in each case takes an S-shaped course under the effect of the seismic mass on both sides of the seismic mass, the same sign of the voltages can thus also be achieved. For this purpose, it is particularly preferred that each of the seismic mass or the center of gravity of the seismic mass facing elements on the same flat side have the same polarities. Alternatively or additionally, it is preferred that in each case the piezoelectric elements facing away from the seismic mass or the center of gravity of the seismic mass also have the same polarities on the same flat side.
Zudem ist bevorzugt, dass jeweils auf gegenüberliegenden Flachseiten piezoelektrische Elemente mit gegensätzlichen Polaritäten angeordnet sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die nicht mit dem Träger verbundenen Pole oder Elektroden der piezoelektrische Elemente Spannungen in die gleiche Richtung bzw. mit dem gleichen Vorzeichen erzeugen.In addition, it is preferred that piezoelectric elements with opposite polarities are respectively arranged on opposite flat sides. In this way, it can be achieved that the poles or electrodes, which are not connected to the carrier, of the piezoelectric elements generate voltages in the same direction or with the same sign.
In einer weiteren Alternative ist es möglich, dass die der seismischen Masse jeweils zugewandten piezoelektrischen Elemente und die der seismischen Masse jeweils abgewandten piezoelektrischen Elemente auf derselben Flachseite unterschiedliche Polaritäten aufweisen. Dies kann auf die piezoelektrischen Elemente beider Flachseiten zutreffen, die jeweils in Bezug auf den Träger gegenüberliegenden Positionen der Flachseiten dieselbe Polarität aufweisen können. Dies führt dazu, dass auf den unterschiedlichen Flachseiten Spannungen mit entgegengesetzten Vorzeichen erzeugt werden. In einem solchen Fall kann eine doppelte Spannung zwischen den nicht mit dem Träger verbundenen Polen bzw. Elektroden der piezoelektrischen Elemente der unterschiedlichen Flachseiten abgenommen werden. Daher können zumindest die freien, also nicht mit dem Träger verbundenen, Elektroden der piezoelektrischen Elemente der jeweiligen Flachseiten untereinander elektrisch verbunden werden. Dies erleichtert maßgeblich die Konstruktion, den Aufbau und die Haltbarkeit bzw. Zuverlässigkeit der Einrichtung.In a further alternative, it is possible that the piezoelectric elements respectively facing the seismic mass and the piezoelectric elements facing away from the seismic mass have different polarities on the same flat side. This may apply to the piezoelectric elements of both flat sides, which may each have the same polarity with respect to the carrier opposite positions of the flat sides. This leads to voltages of opposite sign being generated on the different flat sides. In such a case, a double voltage between the non-connected to the carrier poles or electrodes of the piezoelectric elements of the different flat sides can be removed. Therefore, at least the free, so not connected to the carrier, electrodes of the piezoelectric elements of the respective flat sides are electrically connected to each other. This significantly facilitates the design, construction and durability or reliability of the device.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die seismische Masse mit dem Träger und dem piezoelektrischen Elementen ein Feder-Masse-System bilden. Dieses ist besonders bevorzugt, da bei Anregung bei der Resonanzfrequenz, besonders bevorzugt der ersten Mode, eine verhältnismäßig starke Schwingung erreicht werden kann. Dies ermöglicht starke Beschleunigungen bzw. Änderungen der Zug- und Druckbelastung der piezoelektrischen Elemente in einer kontinuierlichen oder wiederkehrenden Weise. Es ist besonders bevorzugt, dass eine Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems erreicht wird, die höher als 10 Hz, vorzugsweise höher als 25 Hz, insbesondere höher als 35 Hz und/oder geringer als 150 Hz, vorzugsweise geringer als 100 Hz, insbesondere geringer als 75 Hz. Bei diesen Frequenzen, insbesondere im Frequenzbereich zwischen 50 und 55 Hz, entstehen Schwingungen und Geräusche bei der Bewegung von Landfahrzeugen wie Pflügen, Lastkraftwagen, Pkws etc. bevorzugt. Wenn das Feder-Masse-System also Resonanzfrequenzen der ersten Mode in diesem Frequenzbereich erreicht, kann eine optimale Energieumwandlung in den üblichsten Einsatzgebieten gewährleitet werden.According to another aspect of the present invention, the seismic mass may form a spring-mass system with the carrier and the piezoelectric element. This is particularly preferred because upon excitation at the resonant frequency, more preferably the first mode, a relatively strong vibration can be achieved. This allows for strong accelerations or changes in the tensile and compressive loading of the piezoelectric elements in a continuous or recurring manner. It is particularly preferred that a resonance frequency of the spring-mass system is achieved which is higher than 10 Hz, preferably higher than 25 Hz, in particular higher than 35 Hz and / or lower than 150 Hz, preferably lower than 100 Hz, in particular lower than 75 Hz. At these frequencies, especially in the frequency range between 50 and 55 Hz, vibrations and noises in the movement of land vehicles such as plows, trucks, cars, etc. are preferred. Thus, if the spring-mass system achieves resonant frequencies of the first mode in this frequency range, optimal energy conversion in the most common applications can be ensured.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Träger elektrisch leitend ausgebildet ist, beispielsweise durch eine elektrisch leitende Beschichtung o. dgl., und dass die piezoelektrischen Elemente jeweils mit einem dem Träger zugewandte Pol bzw. einer dem Träger zugewandten Elektrode über den Träger elektrisch miteinander verbunden sind. Ferner ist möglich, dass die dem Träger abgewandten Pole bzw. Elektroden solcher piezoelektrischer Elemente miteinander elektrisch verbunden sind, die bei einer Verformung des Trägers durch die seismischen Masse gleichförmig verspannt werden. Diese allgemeine Regel lässt auch dann einen Betrieb der Einrichtung zu, wenn die piezoelektrischen Elemente nicht in der zuvor beschriebenen Weise polarisiert sind oder sämtlich dieselbe Polarisation aufweisen. Die zuvor beschriebenen Konfigurationen sind aber bevorzugt, da in solchen Fällen der Drahtungsaufwand minimiert, die Verdrahtungskomplexität reduziert und somit die Effizienz, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit verbessert werden können.According to another aspect of the present invention, it can be provided that the carrier is designed to be electrically conductive, for example by an electrically conductive coating or the like, and that the piezoelectric elements each have a pole facing the carrier or an electrode facing the carrier the carrier are electrically connected to each other. Furthermore, it is possible for the poles or electrodes facing away from the carrier to be electrically connected to one another, which are braced uniformly during a deformation of the carrier by the seismic mass. This general rule allows operation of the device even when the piezoelectric elements are not polarized in the manner previously described or all have the same polarization. However, the above-described configurations are preferred because in such cases, the wiring overhead can be minimized, the wiring complexity can be reduced, and thus the efficiency, cost-efficiency and reliability can be improved.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein piezoelektrisches Element von auf gegenüberliegenden Flachseiten des Trägers angeordneten Paaren piezoelektrischer Elemente derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es beiden piezoelektrischen Elementen des auf der gegenüberliegenden Flachseite des Träges angeordneten Paars piezoelektrischer Elemente gegenüberliegt. Hierbei ist bevorzugt, dass dies nur in einem Bereich vorgesehen ist, der bei S-förmiger Verformung des Trägers einen Wendepunkt der S-förmigen Krümmung darstellt.According to a further aspect of the present invention, it may be provided that a piezoelectric element of pairs of piezoelectric elements arranged on opposite flat sides of the carrier is arranged and arranged such that it faces both piezoelectric elements of the pair of piezoelectric elements arranged on the opposite flat side of the carrier. It is preferred that this is provided only in a region which represents a turning point of the S-shaped curvature in S-shaped deformation of the carrier.
Für die Effizienz der Energiegewinnung ist es vorteilhaft, wenn der Träger eine zumindest im wesentlichen kontinuierliche bzw. gleichmäßige Steifigkeit aufweist. Zwischen zwei auf einer Seite des Trägers benachbarten, ein Paar bildenden piezoelektrischen Elementen ist, dadurch bedingt, dass diese nicht miteinander verbunden sein sollen, ein Bereich des Trägers nicht mit piezoelektrischen Material auf dieser Flachseite belegt. Gleiches gilt vorzugsweise für die gegenüberliegende Flachseite, wenn dort ebenfalls piezoelektrische Elemente angeordnet sind. Für die Effizienz nachteilig hat sich daher eine Konfiguration gezeigt, bei der im Bereich des Wendepunkts der S-förmigen Verformung auf keiner der Flachseiten piezoelektrisches Material vorhanden ist. Dies gilt auch und gerade vor dem Hintergrund, dass im Bereich des Wendepunkts kaum bis keine mechanische Verspannung des piezoelektrischen Elements zu erwarten ist, auf den ersten Blick also die Fortsetzung eines piezoelektrischen Elements im Bereich des Wendepunkts bzw. der Wendelinie des Trägers wenig sinnvoll erscheint. In überraschender Weise hat sich aber herausgestellt, dass, wenn ein piezoelektrisches Element auf einer ersten Flachseite, insbesondere auf der der Einspannung zugewandten Seite des Wendepunkts bzw. der Wendelinie, bis in den Bereich und/oder über den Wendepunkt hinaus weitergebildet wird, und/oder wenn auf der der Einspannung abgewandten Seite des Wendepunkts bzw. der Wendelinie, insbesondere auf einer gegenüberliegenden, zweiten Flachseite des Trägers angeordneten piezoelektrischen Elements bis in den Bereich des Wendepunkts bzw. der Wendelinie fortgesetzt und/oder über diese hinaus weitergeführt wird, die Steifigkeit des gesamten Trägers wesentlich homogener wird und hierdurch die Effizienz der Energiegewinnung maßgeblich verbessert werden kann. Da im Bereich des Wendepunkts kaum mit einer Spannungserzeugung mechanischer sowie elektrischer Art zu rechnen ist bzw. bei überschreiten des Wendepunkts sogar mit einer entgegengesetzten mechanischen sowie elektrischen Spannung zu rechnen ist, ist bevorzugt, dass der eine Elektrode auf der dem Träger abgewandten Seite der jeweiligen piezoelektrischen Elemente in diesem Bereich des oder der Wendepunkte nicht metallisiert oder zumindest lediglich isoliert von den sonstigen Elektroden metallisiert und/oder nicht angeschlossen und/oder mit dem Träger kurzgeschlossen ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Effizienz der Gewinnung elektrischer Energie aufgrund der homogenisierten Steifigkeit des Trägers verbessert wird und diese Verbesserung nicht durch eine mögliche Spannungsreduktion durch Kontaktierung eines Bereichs um den jeweiligen Wendepunkt der S-Form zumindest teilweise wieder zunichte gemacht wird. Denn dieser Bereich über den Wendepunkt hinaus kann entgegengesetzt zum Rest des jeweiligen piezoelektrischen Elements verspannt werden und somit die Wirkung bzw. Spannung zumindest teilweise kompensieren.For the efficiency of energy production, it is advantageous if the carrier has an at least substantially continuous or uniform Having stiffness. Between two adjacent to one side of the carrier, forming a pair of piezoelectric elements, due to the fact that they should not be connected to each other, a portion of the carrier is not covered with piezoelectric material on this flat side. The same applies preferably to the opposite flat side, if there are also arranged piezoelectric elements. For the efficiency disadvantageous, therefore, has shown a configuration in which in the region of the inflection point of the S-shaped deformation on any of the flat sides piezoelectric material is present. This also and especially in light of the fact that in the region of the inflection point hardly to no mechanical strain of the piezoelectric element is to be expected, so at first glance, the continuation of a piezoelectric element in the region of the inflection point or the inflection line of the carrier makes little sense. Surprisingly, however, it has been found that if a piezoelectric element is further developed on a first flat side, in particular on the side of the inflection point or the inflection line facing the clamping, into the region and / or past the inflection point, and / or when continued on the side facing away from the clamping of the inflection point or the inflection line, in particular on an opposite, second flat side of the carrier arranged piezoelectric element continues into the region of the inflection point or the inflection line and / or beyond this, the rigidity of the entire Beam is much more homogeneous and thereby the efficiency of energy production can be significantly improved. Since in the region of the point of inflection hardly a voltage generation of mechanical and electrical nature is to be expected or is expected when exceeding the inflection point even with an opposite mechanical and electrical voltage, it is preferred that the one electrode on the side facing away from the carrier of the respective piezoelectric Elements in this region of the inflection point (s) are not metallized or at least only metallized in isolation from the other electrodes and / or not connected and / or short-circuited to the carrier. In this way it can be achieved that the efficiency of the production of electrical energy due to the homogenized stiffness of the carrier is improved and this improvement is not at least partially nullified by a possible reduction in stress by contacting a region around the respective turning point of the S-shape. Because this area beyond the inflection point can be opposite to the rest of the respective piezoelectric element clamped and thus at least partially compensate for the effect or voltage.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, der auch unabhängig realisiert werden kann, betrifft eine Vorrichtung mit zwei vorschlagsgemäßen Einrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie, bei denen die Träger zumindest im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Für die Einrichtungen kann eine gemeinsame seismische Masse vorgesehen sein. Die gemeinsame seismische Masse kann die Vorrichtungen untereinander verbinden oder koppeln. Es versteht sich von selbst, dass auch drei, vier, fünf oder mehr Einrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie gemäß der obigen Beschreibung zumindest im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und mit einer oder mehreren gemeinsamen seismischen Massen betrieben werden können.A further aspect of the present invention, which can also be implemented independently, relates to a device with two proposed devices for obtaining electrical energy, in which the carriers are arranged at least substantially parallel to one another. For the facilities, a common seismic mass may be provided. The common seismic mass can interconnect or couple the devices. It goes without saying that three, four, five or more means for obtaining electrical energy according to the above description, at least substantially parallel to each other and can be operated with one or more common seismic masses.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die oder können die seismischen Massen dazu verwendet werden, einen Anschlag zur Begrenzung der Auslenkung des Träger oder der Träger zu bilden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine seismische Masse, insbesondere zwischen zwei oder mehr Einrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie bzw. zwischen zwei oder mehr Trägern, derart angeordnet ist, dass diese über den oder die jeweiligen Träger hinaus ragen und in diesem bevorzugt seitlich über den Träger hinausragenden Bereich ferner Anschläge zur Begrenzung der Auslenkung des Träger vorgesehen sind.According to another aspect of the present invention, the seismic mass or masses may be used to form a stop for limiting the deflection of the carrier or carriers. It can be provided that a seismic mass, in particular between two or more means for obtaining electrical energy or between two or more carriers, is arranged such that they protrude beyond the respective carrier and in this preferably laterally beyond the carrier protruding area further stops are provided to limit the deflection of the carrier.
Weitere Aspekte, Einzelheiten, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie. In der Zeichnung zeigt:Further aspects, details, features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the claims and from the drawings and the following description of preferred embodiments of the inventive device for obtaining electrical energy. In the drawing shows:
In der folgenden Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente verwendet, wobei dieselben oder entsprechenden Vorteile und Eigenschaften erreicht werden können, auch wenn von einer wiederholten Beschreibung abgesehen worden ist.In the following description, the same reference numerals will be used for the same or similar elements, and the same or equivalent advantages and characteristics may be obtained even though a repeated description has been omitted.
Wie in
Im Darstellungsbeispiel ist der Träger
Im Darstellungsbeispiel ist der Träger
Ein S-förmiger Verlauf im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise jeglicher Verlauf bzw. jegliche Biegelinie, die einen Wendepunkt W aufweist. Ein Wendepunkt W im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ohne gegenteilige Erwähnung in vorliegender Beschreibung im Hinblick auf die dreidimensionale Ausbildung des Trägers
Der Träger
Piezoelektrische Elemente
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Träger
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Anordnung der piezoelektrischen Elemente
Im Darstellungsbeispiel wird durch die in
Piezoelektrische Elemente
In einer Variante ist auf beiden Seiten bzw. Flachseiten des Trägers
In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen sich in Bezug auf den Träger
In einer alternativen Ausführungsform, können in Bezug auf den Träger
Dies ermöglicht, die dem Träger
Eine entsprechende Zusammenschaltung ist in
Wie in
In einer Alternative kann vorgesehen sein, dass die piezoelektrischen Elemente
Wie bereits oben erläutert, ist es bevorzugt, dass die piezoelektrischen Elemente
Gemäß einem weiteren, auch unabhängigen realisierbaren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden derartige Nachteile dadurch vermieden, dass auf einer Lücke der gegenüberliegenden Seite des Trägers
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird jeweils ein piezoelektrisches Element
Es ist jedoch nicht nötig und auch nicht beabsichtigt, den Bereich des jeweiligen piezoelektrischen Elements
Soweit im Sinne der vorliegenden Erfindung von gegenüberliegenden piezoelektrischen Elementen
Die seismische Masse
Ein Anschlag kann vorgesehen sein, um die Auslenkung des Trägers
Die Einrichtung
Ein auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie
Es kann vorgesehen sein, dass die der seismischen Masse
Ferner ist bevorzugt, dass die piezoelektrischen Elemente
Durch die beschriebene Anordnung der piezoelektrischen Elemente unterschiedlicher Polarität kann bei Biegung bzw. Auslenkung des Trägers
Ferner ist bevorzugt, dass sich die piezoelektrischen Elemente
Die piezoelektrischen Elemente
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Träger
Der Träger
Im Ergebnis kann eine Wechselspannung erzeugt werden, die bevorzugt gleichgerichtet und/oder gespeichert werden kann. Die regelmäßigen Invertierungen der S-Form bzw. dopplelten-S-Form entsprechen vorzugsweise einer Schwingung des durch den Träger
Die erzeugte Spannung U1, U2 kann die zuvor beschriebenen Eigenschaften des Feder-Masse-Systems aufweisen bzw. die Eigenschaften können sich auf die erzeugte Spannung U1, U2 übertragen. Somit kann auch die Spannung U1, U2 eine Frequenz zwischen 1 und 1000 Hz aufweisen, die mehr als 10 Hz, vorzugsweise mehr als 25 Hz, insbesondere mehr als 35 Hz und/oder weniger als 150 Hz, vorzugsweise weniger als 100 Hz, insbesondere weniger als 75 Hz, betragen kann. Mit einer Frequenz im Bereich um 50 Hz oder 55 Hz, beispielsweise zwischen 40 und 65 Hz, besonders bevorzugt zwischen 52 und 62 Hz kann also ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden, wie eingangs beschrieben. The generated voltage U1, U2 may have the properties of the spring-mass system described above or the properties may be transferred to the generated voltage U1, U2. Thus, the voltage U1, U2 may have a frequency between 1 and 1000 Hz, more than 10 Hz, preferably more than 25 Hz, in particular more than 35 Hz and / or less than 150 Hz, preferably less than 100 Hz, in particular less than 75 Hz. With a frequency in the range of 50 Hz or 55 Hz, for example between 40 and 65 Hz, particularly preferably between 52 and 62 Hz, therefore, a particularly high efficiency can be achieved, as described above.
Es ist bevorzugt, dass die Einspannungen
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die piezoelektrischen Elemente
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung dazu ausgelegt, in einer ausgelenkten Position die piezoelektrischen Elemente
An der Stoßstelle der Bögen entsteht eine neutrale, nicht verformte Stelle, die auch Wendepunkt W bezeichnet wird. Die entgegengesetzten Bögen, die die beschriebene S-Form bilden, sind dafür verantwortlich, dass einige piezoelektrische Elemente
Es kann eine neutrale Faser geben, in der weder eine Streckung noch eine Stauchung erfolgt. Diese liegt besonders bevorzugt im Schnitt mittig im Material des Trägers
Benachbarte piezoelektrische Elemente
Im Bereich der Wendepunkte W der Biegelinie des Trägers
Im Folgenden werden alternative bzw. zusätzliche Aspekte der vorliegenden Erfindung erläutert:
Der beschriebene Piezogenerator basiert vorzugsweise darauf, einen Träger zweiseitg einzuspannen. Die Einspannungen können Fixpunkte darstellen, zwischen denen, typicherweise in der Mitte, eine seismische Masse befestigt sein kann. Auf unterschiedlichen Seiten der seismische Masse können sich Schenkel des Trägers ergeben, wobei auf den beiden Schenkeln pro Seite jeweils zwei Piezoelemente angeordnet sein können. Diese Piezoelemente sind vorzugsweise innen mit entgegengesetzter Polarität angebracht wie außen. Dadurch ergibt sich bei der Art der Biegung des Systems eine gleichpolarisierte Spannung an allen Elementen, wenn die Seite des Trägers als gemeinsamer Bezugspunkt gilt. Die Piezoelemente pro Schenkel überlappen sich vorzugsweise in der Mitte und stabilisieren damit die Stoßstellen, damit sich eine möglichst einheitliche Steifigkeit des Systems ergibt.In the following, alternative or additional aspects of the present invention are explained:
The piezoelectric generator described is preferably based on clamping a carrier on two sides. The restraints can be fixed points, between which, typically in the middle, a seismic mass can be attached. On different sides of the seismic mass legs of the carrier may result, wherein on the two legs per side two piezo elements can be arranged. These piezoelectric elements are preferably mounted inside with opposite polarity as outside. This results in the type of bending of the system, an equal polarized stress on all elements, if the side of the carrier is considered a common reference point. The piezoelectric elements per leg preferably overlap in the middle and thus stabilize the joints, so that as uniform a rigidity of the system results.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden beide Enden fixiert und eine Kraft greift zwischen diesen festen Punkten an. Dadurch ergibt sich eine mechanisch sehr stabile Konstruktion. Allerdings sind die Verhältnisse der Biegung deutlich verschieden von denen, bei einem einfachen Biegebalken.According to one aspect of the present invention, both ends are fixed and a force is applied between these fixed points. This results in a mechanically very stable construction. However, the conditions of the bend are significantly different from those of a simple bending beam.
Ein vorschlagsgemäßes System zur Energiegewinnung mittels Piezoelementen kann darauf basieren, einen Träger einzusetzen, der zur Erleichterung der Kontaktierung zumindest an der Oberfläche elektrisch leitend ist. Die beiden Enden des Trägers sind dabei insbesondere fixiert. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Punkte in der mechanischen Konstruktion verankert und bewegen sich relativ zu den anderen Elementen und zueinander nicht. Zwischen den fixierten Enden kann eine Masse befestigt sein. Mit dieser Masse lässt sich im Zusammenhang mit den Parametern des Trägers die Resonanzfrequenz beeinflussen. Auf der Oberfläche des Trägers sind Piezoelemente befestigt. Dabei handelt es sich im Gegensatz zu den normalen Biegebalkenkonstruktionen nicht um ein Element auf einer Seite des Trägers, sondern vorzugsweise um zwei. Das kann eine Besonderheit dieser Konstruktion sein. Die Piezoelemente können z. B. durch aufkleben oder auflöten am mit dem Träger verbunden werden. Ist das beschriebene System in einer ausgelenkten Position, sind die Piezoelemente vorzugsweise nicht einheitlich gebogen. Vielmehr bilden sich bevorzugt zwei entgegengesetzte Bögen, die je nach Geometrie der Konstruktion gleiche Verhältnisse aufweisen können oder auch nicht. An der Stoßstelle der beiden Bögen entsteht immer eine neutrale nicht verformte Stelle. Die entgegengesetzten Bögen sind dafür verantwortlich, dass ein Teil der Piezoelemente gedehnt werden während die anderen gestaucht werden. Dabei ist die Konstruktion insofern sehr effektiv, weil eine neutrale Faser bzw. der Bereich im Material, der weder gezogen noch gestaucht wird, im Trägermaterial liegt. Damit werden die Elemente auf beiden Seiten des Trägers effizient belastet. Wenn allerdings ein Element gedehnt wird erfolgt die Ladungstrennung genau entgegen den Verhältnissen, als wenn es gestaucht wird. Die resultierende Spannung ist also jeweils entgegengesetzt. Hier erklärt sich nun die Trennung der Piezoelemente in jeweils zwei Teilelemente pro Seite. Diese sind, entgegengesetzt polarisiert aufgebracht, insbesondere paarig entgegengesetzt polarisiert. Damit ergibt sich wieder eine gleiche Polarisation bei der Spannung bei der Art der Biegung und die einzelnen Elemente können elektrisch sehr einfach zusammengeschaltet werden. Die elektrische Verschaltung der Elemente ist vorzugsweise derart, dass sich bei der Biegung an einer Stelle ein Bereich ergibt, der nicht bzw. kaum einer Verformung unterliegt. Dieser trägt damit auch nicht zur Erzeugung von Energie bei. Allerdings, wenn dies durch den elektrischen Kontakt möglich ist, werden Ladungsträger in diesen Bereich geleitet. Durch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt versteift sich dann dieser Bereich und schmälert die abgreifbare Energie. Daher sind diese nicht an der Erzeugung von Energie beteiligten Bereiche vorzugsweise elektrisch abgetrennt. Es ist möglich, dass es Bereiche auf der Piezokeramik gibt, bei der die freie Elektrode kontaktiert ist und es gibt Bereiche, die davon abgetrennt sind und bei denen die Elektrode nicht kontaktiert ist. Damit wird erreicht, dass die mechanischen Verhältnisse bei der Biegung des Systems einfach und vorhersehbar bleiben. Ein komplettes Entfernen der Keramik in diesen Bereichen hätte zur Folge, dass diese Bereiche eine geringere Steifigkeit als die Bereiche mit Piezokeramik aufweisen. Diese Bereiche ohne Piezokeramik ließen sich also mit weniger Kraft, also leichter, verformen. Im Ergebnis würde sich die ganze Konstruktion hauptsächlich an den Stellen verbiegen, an denen keine Piezokeramik aufgebracht ist. Vor diesem Hintergrund ist bevorzugt, über den den gesamten Biegebalken eine gleichmäßige bzw. zumindest im Wesentlichen unveränderliche Steifigkeit zu erreichen. Es wird also vorzugsweise dafür gesorgt, dass möglichst alle Bereiche die gleiche Steifigkeit aufweisen. Dies lässt sich dadurch realisieren, das die gesamte Oberfläche mit Piezokeramik verstärkt ist. Allerdings steht dem entgegen, dass entsprechend der Beschreibung zwei Keramiken pro Seite aufgebracht werden sollen, da die Polarität der beiden Teile entgegengesetzt ist. Konstruktiv ist also daher bevorzugt dafür zu sorgen, das Teile oder Abschnitte des Trägers ohne Keramik möglichst klein gehalten werden. Im Mittelteil wird die Steifigkeit dadurch verbessert, dass die Keramiken auf der oberen Seite und der unteren Seite nicht an gleicher Stelle aufeinandertreffen, sondern versetzt. So ist zumindest an der geschwächten Stelle immer eine Keramik durchgehend. Zusätzlich kann der Aufbau so gewählt werden, dass der Spalt zwischen den Keramiken möglichst klein ist.A proposed system for generating energy by means of piezoelectric elements may be based on using a carrier which is electrically conductive at least at the surface for facilitating the contacting. The two ends of the carrier are in particular fixed. According to another aspect of the present invention, the points are anchored in the mechanical construction and do not move relative to the other elements and to each other. A mass may be secured between the fixed ends. With this mass, the resonance frequency can be influenced in connection with the parameters of the carrier. Piezo elements are attached to the surface of the carrier. This is in contrast to the normal bending beam constructions not an element on one side of the carrier, but preferably by two. This may be a peculiarity of this construction. The piezo elements can z. B. by gluing or soldering to be connected to the carrier. If the system described is in a deflected position, the piezo elements are preferably not uniformly bent. Rather, two opposite arcs are preferably formed which, depending on the geometry of the construction, may or may not have the same conditions. At the junction of the two arches always a neutral undeformed place arises. The opposite arches are responsible for stretching one part of the piezo elements while upsetting the other. The construction is very effective in that a neutral fiber or the area in the material, which is neither pulled nor compressed, lies in the carrier material. This effectively loads the elements on both sides of the carrier. However, when an element is stretched, the charge separation occurs exactly opposite to the ratios as when it is compressed. The resulting voltage is therefore opposite. This explains the separation of the piezoelectric elements into two partial elements per side. These are polarized opposite, in particular polarized opposite polarity. This again results in a same polarization in the voltage in the type of bending and the individual elements can be electrically interconnected very easily. The electrical interconnection of the elements is preferably such that, at the point of bending, a region results which does not or hardly undergoes deformation. This does not contribute to the generation of energy. However, if this is possible by the electrical contact, charge carriers are conducted into this area. Due to the reverse piezoelectric effect, this area then stiffens and reduces the energy that can be tapped off. Therefore, these non-energy generating areas are preferably electrically separated. It is possible that there are areas on the piezoceramic in which the free electrode is contacted and there are areas that are separated from it and in which the electrode is not contacted. This ensures that the mechanical conditions in the bending of the system remain simple and predictable. A complete removal of the ceramic in these areas would have the consequence that these areas have a lower rigidity than the areas with piezoceramic. These areas without Piezokeramik could thus be less force, so easier to deform. As a result, the whole construction would bend mainly at the places where no piezoceramic is applied. Against this background, it is preferable to achieve a uniform or at least essentially unchangeable rigidity over the entire bending beam. It is thus preferably ensured that as far as possible all areas have the same rigidity. This can be achieved by reinforcing the entire surface with piezoceramic. However, it is contrary to the fact that according to the description two ceramics should be applied per side, since the polarity of the two parts is opposite. In terms of design, it is therefore preferable to ensure that parts or sections of the carrier without ceramic are kept as small as possible. In the middle part is the Stiffness improved by the ceramics on the upper side and the lower side do not meet in the same place, but offset. So at least at the weakened spot is always a ceramic throughout. In addition, the structure can be chosen so that the gap between the ceramics is as small as possible.
Grundsätzlich ist ein vorschlagsgemäßes Blech bzw. Träger mit piezokeramischen Elementen für sich allein nutzbar, zur Verbesserung der Stabilität insgesamt ist es jedoch gut, zwei Bleche bzw. Träger mit piezokeramischen Elementen parallel anzuordnen und die Masse zwischen den beiden Blechen zu konzentrieren. Diese Ausführungsform hat hinsichtlich der mechanischen Stabilität einige Vorteile. Durch die Führung der Masse innerhalb der beiden Trägerbleche ist die Möglichkeit seitlich zu Verkippen und damit eine 3D-Bewegung auszuführen reduziert. Dadurch ist die Ausbildung der Schwingung senkrecht zu den Trägerblechen so stark bevorzugt, dass sich die Schwingung in dieser Ebene ausbildet und dort auch die gesamt mechanische Energie angreift. Damit ist ein sehr effektives und stabiles System zur Wandlung der mechanischen Energie der Bewegung bzw. Schwingung möglich. Zur mechanischen Begrenzung der Auslenkung kann die Masse jeweils mit zwei Zapfen versehen sein, die vorzugsweise in eine Führung in der seitlichen Halterung greifen. Damit gibt es einen mechanischen Anschlag, der das System mechanisch vor einer zu großen Auslenkung schützt. Damit ist auch sichergestellt, dass die Streckgrenze der Piezoelemente nicht überschritten wird und diese immer innerhalb ihres mechanischen Arbeitsbereiches betrieben werden.In principle, a proposed sheet metal or support with piezoceramic elements can be used by itself, but to improve the overall stability, it is good to arrange two sheets or supports in parallel with piezoceramic elements and to concentrate the mass between the two sheets. This embodiment has some advantages in terms of mechanical stability. By the leadership of the mass within the two support plates, the possibility of tilting sideways and thus to perform a 3D movement is reduced. As a result, the formation of the oscillation perpendicular to the carrier plates is so strongly preferred that the oscillation forms in this plane and there also attacks the total mechanical energy. Thus, a very effective and stable system for converting the mechanical energy of the movement or vibration is possible. For mechanical limitation of the deflection, the mass may be provided with two pins, which preferably engage in a guide in the lateral support. There is thus a mechanical stop which mechanically protects the system from excessive deflection. This also ensures that the yield strength of the piezoelectric elements is not exceeded and they are always operated within their mechanical working range.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung betreffen ein System zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Bewegungsenergie unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts und eines entsprechenden Materials, wobei die Piezokeramiken auf einem piezoelektrisch passiven Träger aufgebracht sind. Dieser Träger ist an beiden Enden fixiert. Die seismische Masse ist zwischen diesen festen Punkten angebracht. Die Keramik ist auf jeder sich ergebenden Seite geteilt. Dabei ist die Keramik, die den Fixpunkten angrenzt, genau negativ zu den Keramik polarisiert, die der seismischen Masse zugewandt sind. Die Keramiken sind so geformt bzw. ausgebildet und angeordnet, dass sich die an beiden Seiten des Träger befindlichen Keramiken überlappen. Das System kann dadurch gekennzeichnet sein, dass bestimmte Teile der Keramiken um den Wendepunkt der sich ausbildenden Biegung elektrisch von den anderen Bereichen abgetrennt sind. Das System kann dadurch gekennzeichnet sein, dass es sich bei dem Trägermaterial um einen Federstahl handelt, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa dem der Keramik entspricht. Das System kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die seismische Masse zur Vereinfachung der Verhältnisse in der Mitte zwischen den fixierten Enden angeordnet ist. Das System kann dadurch gekennzeichnet sein, dass in einer speziellen Ausführungsform zwei mit Piezoelementen angeordnete Träger parallel zueinander angeordnet sind und sich die seismische Masse zwischen diesen beiden Trägern befindet. Das System kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die seismische Masse an jeder Seite zwei Stifte hat, die in jeweils einer Führung in der seitlichen Befestigungswand eingreift und einen mechanischen Anschlag für die Auslenkung der Masse hat.Further aspects of the present invention relate to a system for obtaining electrical energy from kinetic energy using the piezoelectric effect and a corresponding material, wherein the piezoceramics are applied to a piezoelectrically passive carrier. This carrier is fixed at both ends. The seismic mass is located between these fixed points. The ceramic is divided on each resulting page. In this case, the ceramic, which adjoins the fixed points, polarized exactly negative to the ceramic, which are facing the seismic mass. The ceramics are formed and arranged such that the ceramics located on both sides of the support overlap. The system may be characterized in that certain parts of the ceramics are electrically separated from the other regions around the inflection point of the forming bend. The system may be characterized in that the carrier material is a spring steel whose coefficient of expansion corresponds approximately to that of the ceramic. The system may be characterized in that the seismic mass is located midway between the fixed ends for ease of relationships. The system may be characterized in that in a specific embodiment, two carriers arranged with piezo elements are arranged parallel to one another and the seismic mass is located between these two carriers. The system may be characterized in that the seismic mass has on each side two pins, which engage in a respective guide in the lateral mounting wall and has a mechanical stop for the deflection of the mass.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- EinrichtungFacility
- 22
- Trägercarrier
- 3A3A
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3B3B
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3C3C
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3D3D
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3E3E
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3G3G
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3F3F
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 3H3H
- piezoelektrisches Elementpiezoelectric element
- 44
- seismische Masseseismic mass
- 5A5A
- Abschnittsection
- 5B5B
- Abschnittsection
- 66
- Einspannungclamping
- 7A17A1
- Elektrodeelectrode
- 7A27A2
- Elektrodeelectrode
- 7A37A3
- Elektrodeelectrode
- 7B17B1
- Elektrodeelectrode
- 7B27B2
- Elektrodeelectrode
- 7C17C1
- Elektrodeelectrode
- 7C27C2
- Elektrodeelectrode
- 7D17D1
- Elektrodeelectrode
- 7D27D2
- Elektrodeelectrode
- 7D37D3
- Elektrodeelectrode
- 7E17E1
- Elektrodeelectrode
- 7E27E2
- Elektrodeelectrode
- 7E37E3
- Elektrodeelectrode
- 7F17F1
- Elektrodeelectrode
- 7F27F2
- Elektrodeelectrode
- 7G17G1
- Elektrodeelectrode
- 7G27G2
- Elektrodeelectrode
- 7H17H1
- Elektrodeelectrode
- 7H27H2
- Elektrodeelectrode
- 7H37H3
- Elektrodeelectrode
- 88th
- Elektrische VerbindungElectrical connection
- 99
- Beschichtungcoating
- 1010
- Verbraucherconsumer
- K0K0
- Knotennode
- K1K1
- Knotennode
- K2K2
- Knotennode
- U1U1
- Spannungtension
- U2U2
- Spannungtension
- WW
- Wendepunktturning point
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 8174167 B2 [0007] US 8174167 B2 [0007]
Claims (10)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102013009715.0A DE102013009715A1 (en) | 2013-05-08 | 2013-06-11 | Device for obtaining electrical energy |
| PCT/EP2014/001241 WO2014180571A1 (en) | 2013-05-08 | 2014-05-08 | Device for producing electric power |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102013007893.8 | 2013-05-08 | ||
| DE102013007893 | 2013-05-08 | ||
| DE102013009715.0A DE102013009715A1 (en) | 2013-05-08 | 2013-06-11 | Device for obtaining electrical energy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102013009715A1 true DE102013009715A1 (en) | 2014-11-13 |
Family
ID=51787390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102013009715.0A Withdrawn DE102013009715A1 (en) | 2013-05-08 | 2013-06-11 | Device for obtaining electrical energy |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102013009715A1 (en) |
| WO (1) | WO2014180571A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106160572A (en) * | 2016-06-15 | 2016-11-23 | 浙江师范大学 | A kind of radial telescopic type piezoelectric generator of gyromagnet excitation |
| DE102017118931A1 (en) | 2017-08-18 | 2019-02-21 | Michael Kanke | Energy converter for animal husbandry |
| IT201900019058A1 (en) * | 2019-10-16 | 2021-04-16 | St Microelectronics Srl | TRANSDUCER WITH IMPROVED PIEZOELECTRIC ARRANGEMENT, MEMS DEVICE INCLUDING THE TRANSDUCER, AND METHODS OF MANUFACTURING THE TRANSDUCER |
| CN112865599A (en) * | 2020-12-31 | 2021-05-28 | 山西财经大学 | Three-dimensional broadband vibration energy acquisition structure based on long thin sheet and rod-shaped combination |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106059387B (en) * | 2016-06-15 | 2017-11-17 | 浙江师范大学 | A kind of radial direction tension and compression encourage rotary piezoelectric generator |
| CN106059388B (en) * | 2016-06-15 | 2017-11-14 | 浙江师范大学 | A kind of radial telescopic type piezoelectric generator for the power supply of train wheel monitoring system |
| CN108347197B (en) * | 2018-04-26 | 2024-04-02 | 南京邮电大学 | Double-crystal serial type clamped beam piezoelectric energy collector |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8174167B2 (en) | 2007-02-15 | 2012-05-08 | Luca Gammaitoni | Bistable piezoelectric generator |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050206275A1 (en) * | 2002-01-18 | 2005-09-22 | Radziemski Leon J | Apparatus and method to generate electricity |
| JP3939737B1 (en) * | 2006-04-03 | 2007-07-04 | 太平洋セメント株式会社 | Power generator |
| US7839058B1 (en) * | 2007-01-29 | 2010-11-23 | Microstrain, Inc. | Wideband vibration energy harvester |
| DE102008007774A1 (en) * | 2008-02-06 | 2009-08-13 | Robert Bosch Gmbh | Bending transducer for generating electrical energy from mechanical deformations |
| FR2954617B1 (en) * | 2009-12-17 | 2014-08-01 | Univ Savoie | ELECTRIC GENERATOR WITH ENERGY RECOVERY OF MECHANICAL VIBRATIONS |
-
2013
- 2013-06-11 DE DE102013009715.0A patent/DE102013009715A1/en not_active Withdrawn
-
2014
- 2014-05-08 WO PCT/EP2014/001241 patent/WO2014180571A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8174167B2 (en) | 2007-02-15 | 2012-05-08 | Luca Gammaitoni | Bistable piezoelectric generator |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106160572A (en) * | 2016-06-15 | 2016-11-23 | 浙江师范大学 | A kind of radial telescopic type piezoelectric generator of gyromagnet excitation |
| CN106160572B (en) * | 2016-06-15 | 2017-11-21 | 浙江师范大学 | A kind of radial telescopic type piezoelectric generator of gyromagnet excitation |
| DE102017118931A1 (en) | 2017-08-18 | 2019-02-21 | Michael Kanke | Energy converter for animal husbandry |
| IT201900019058A1 (en) * | 2019-10-16 | 2021-04-16 | St Microelectronics Srl | TRANSDUCER WITH IMPROVED PIEZOELECTRIC ARRANGEMENT, MEMS DEVICE INCLUDING THE TRANSDUCER, AND METHODS OF MANUFACTURING THE TRANSDUCER |
| CN112672260A (en) * | 2019-10-16 | 2021-04-16 | 意法半导体股份有限公司 | Transducer, MEMS device comprising a transducer and method for manufacturing a transducer |
| EP3809476A1 (en) * | 2019-10-16 | 2021-04-21 | STMicroelectronics S.r.l. | Transducer with improved piezoelectric arrangement, mems device comprising the transducer, and methods for manufacturing the transducer |
| CN112672260B (en) * | 2019-10-16 | 2023-04-18 | 意法半导体股份有限公司 | Transducer, MEMS device comprising a transducer and method for manufacturing a transducer |
| US11839159B2 (en) | 2019-10-16 | 2023-12-05 | Stmicroelectronics S.R.L. | Transducer with improved piezoelectric arrangement, mems device comprising the transducer, and methods for manufacturing the transducer |
| CN112865599A (en) * | 2020-12-31 | 2021-05-28 | 山西财经大学 | Three-dimensional broadband vibration energy acquisition structure based on long thin sheet and rod-shaped combination |
| CN112865599B (en) * | 2020-12-31 | 2023-01-24 | 山西财经大学 | Three-dimensional broadband vibration energy acquisition structure based on long thin sheet and rod-shaped combination |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2014180571A1 (en) | 2014-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102013009715A1 (en) | Device for obtaining electrical energy | |
| DE102019207451B4 (en) | Battery assembly | |
| EP2517284B1 (en) | Battery with voltage generating cells and compensation plates arranged in between | |
| DE102014219178A1 (en) | Zellkontaktiersystem a motor vehicle battery module and motor vehicle battery module | |
| DE102017108430A1 (en) | Holding frame for a heavy connector | |
| DE112009003553T5 (en) | PIEZOELECTRIC POWER GENERATOR | |
| EP1691431A1 (en) | Connecting plate for connecting batteries in a battery pack | |
| DE102016000843A1 (en) | Contacting system for energy storage cells and energy storage | |
| DE19848682A1 (en) | Modular solar collector has solar cell connection leads with deformable elongated deviation regions | |
| DE102011077330A1 (en) | Battery, motor vehicle with this battery and method of mounting this battery | |
| DE102019103049A1 (en) | Battery case and method of making a battery case | |
| DE602004012510T2 (en) | Bending transducer with mechanical limitation of the beam deflection | |
| DE102011118284A1 (en) | Energy storage housing for e.g. electric car, has force distribution elements arranged on front end and housing side of housing, where length of elements is selected such that corner regions of housing are reinforced by elements | |
| DE102010029739A1 (en) | Solar plant for being attached at building facade for generating current, has foil components whose edge areas are held at fixing points such that foil components are self-supporting mounted at mounting system under tensile stress | |
| DE102018125447A1 (en) | Battery module and battery for an electric vehicle | |
| EP2399308A1 (en) | Galvanic cell | |
| DE102013002877B4 (en) | Battery with cell stack and use of the battery in a motor vehicle | |
| DE102017009648A1 (en) | Energy storage enclosure | |
| DE202018106448U1 (en) | Lid for a battery module, battery module assembly and battery | |
| DE19631026A1 (en) | Device for deforming a support structure using electrical or magnetic effects | |
| DE102014018303A1 (en) | Cell block and battery case | |
| DE102015008275A1 (en) | Cell block and electrochemical energy storage | |
| WO2009049572A1 (en) | Cable connector for solar cells of plate-shaped solar modules | |
| DE102010060374A1 (en) | Device for connecting copper tabs of electrochemical cells of lithium ion accumulator box in motor car, has connection unit introduced into compression joint, where contact pin forms positive pole of electrochemical cell | |
| DE2444647C3 (en) | Piezoelectric bending transducer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |