DE102011087844A1

DE102011087844A1 - Assembly for power generation and a bending transducer for such an assembly

Info

Publication number: DE102011087844A1
Application number: DE102011087844A
Authority: DE
Inventors: Stefan Klump; Martin Rüttel; Klaus Van der Linden
Original assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2013-06-06
Also published as: WO2013083990A1; EP2789094A1

Abstract

Um eine möglichst hohe Energieausbeute auf Grundlage des piezoelektrischen Effekts mit Hilfe eines Biegewandlers (2) zu erzielen, weist die Βaugruppe zur Energieerzeugung, einen Biegewandler (2) mit einem Träger (4) auf, der in einem Biegebereich (14), in dem beidseitig auf den Träger (4) piezoelektrische Schichten (16a, b) angeordnet sind, eine sich verändernde Biegesteifigkeit insbesondere durch eine sich verändernde Breite aufweist. Dadurch wird insgesamt eine möglichst identische Krümmung über die gesamte Länge des Biegebereichs (14) erzielt. Weiterhin sind die piezoelektrischen Schichten (16a, b) galvanisch voneinander getrennt und jeder Schicht (16a, b) ist jeweils ein eigener Gleichrichter (36) zugeordnet.In order to achieve the highest possible energy yield on the basis of the piezoelectric effect with the aid of a bending transducer (2), the Βaugroup for energy generation, a bending transducer (2) with a support (4), in a bending region (14), in the two sides on the support (4) piezoelectric layers (16a, b) are arranged, having a varying bending stiffness, in particular by a varying width. As a result, as far as possible an identical curvature over the entire length of the bending region (14) is achieved. Furthermore, the piezoelectric layers (16a, b) are galvanically separated from each other and each layer (16a, b) is associated with its own rectifier (36).

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Energieerzeugung sowie einen Biegewandler für eine solche Baugruppe. The invention relates to an assembly for power generation and a bending transducer for such an assembly.

Die Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts zur Energieerzeugung, also die Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie, wird zusehends in verschiedensten technischen Bereichen eingesetzt. Oft wird dadurch eine von anderen Energiequellen unabhängige, autarke Energieversorgung einer Elektronikeinheit angestrebt. Ein Einsatzgebiet ist beispielsweise die Messung des Reifenluftdrucks innerhalb eines Fahrzeugreifens mit Hilfe eines entsprechenden Sensors. Die Energie für den Betrieb des Sensors sowie für eine drahtlose Datenübermittlung des Sensorsignals an eine Empfängereinheit wird dabei von einem geeignet ausgebildeten Piezoelement bereit gestellt. Die Energiegewinnung mittels des piezoelektrischen Effekts wird allgemein auch als Energy Harvesting bezeichnet. The exploitation of the piezoelectric effect for energy production, ie the conversion of mechanical into electrical energy, is increasingly used in a wide variety of technical fields. Often, this is an independent of other energy sources, self-sufficient energy supply of an electronics unit sought. A field of application is, for example, the measurement of the tire inflation pressure within a vehicle tire with the aid of a corresponding sensor. The energy for the operation of the sensor and for a wireless data transmission of the sensor signal to a receiver unit is provided by a suitably designed piezoelectric element. The energy production by means of the piezoelectric effect is generally referred to as energy harvesting.

Aufgrund des zugrunde liegenden piezoelektrischen Effekts sind die erzeugbaren Energiemengen vergleichsweise gering. Wird eine autarke Energieversorgung von elektronischen Baueinheiten angestrebt, so ist auf der einen Seite auf einen möglichst geringen Energieverbrauch der Elektronikbaueinheiten und auf der anderen Seite auf eine möglichst effiziente Energieerzeugung des Piezoelements zu achten. Due to the underlying piezoelectric effect, the amounts of energy that can be generated are comparatively small. If a self-sufficient energy supply of electronic components is desired, then on the one hand, the lowest possible energy consumption of the electronic components and, on the other hand, the most efficient possible energy generation of the piezoelectric element.

Als Piezoelemente zur Energieerzeugung werden häufig sogenannte Biegewandler eingesetzt, welche einseitig in einem Befestigungsbereich eingespannt und befestigt sind und die ein gegenüberliegendes Auslenkende aufweisen, welches zwangsweise mechanisch ausgelenkt wird. As piezoelectric elements for power generation so-called bending transducers are often used, which are clamped and fixed on one side in a mounting region and which have an opposite deflection end, which is forcibly mechanically deflected.

Aus der US 2009/0322184 A1 ist eine Baugruppe zur Energieerzeugung mit Hilfe eines Biegewandlers zu entnehmen. Die Auslenkung des Auslenkendes erfolgt dabei mit Hilfe einer Schubstange an der mehrere nach Art von Zähnen ausgebildete Vorsprünge angeordnet sind. Dadurch wird bei einer einmaligen Betätigung der Schubstange das Auslenkende mehrfach der Anzahl der Zähne entsprechend ausgelenkt wodurch sich insgesamt eine Vervielfachung der erzeugten Energiemenge bei einmaliger Betätigung der Schubstange ergibt. From the US 2009/0322184 A1 is an assembly for power generation with the help of a bending transducer refer. The deflection of the deflection end takes place with the aid of a push rod on which a plurality of projections designed in the manner of teeth are arranged. As a result, the deflecting is deflected several times the number of teeth corresponding to a single operation of the push rod whereby a total of a multiplication of the amount of energy generated with a single operation of the push rod results.

Bei zum Beispiel mit einer Drucktaste zu aktivierenden Geräten erfolgt die Betätigung durch durch mechanisches Drücken einer Taste. For example, with a pushbutton to be activated devices, the operation is carried out by pressing a button mechanically.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Baugruppe zur Energieerzeugung sowie einen Biegewandler für eine derartige Baugruppe anzugeben, die eine effiziente Energiegewinnung für eine autarke Versorgung einer Elektronikeinheit ermöglicht. Proceeding from this, the object of the invention to provide an assembly for power generation and a bending transducer for such an assembly, which allows efficient energy for a self-sufficient supply of an electronic unit.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Baugruppe zur Energieerzeugung, insbesondere für eine durch eine Drucktaste zu betätigende Baugruppe, umfassend ein Biegewandler mit einem Träger und zumindest einer darauf angebrachten piezoelektrischen Schicht, insbesondere eine PZT-Keramik. Der Träger erstreckt sich dabei in Längsrichtung von einem Befestigungsbereich bis zu einem Auslenkende, wobei die piezoelektrische Schicht in einem vorderen Biegebereich des Trägers aufgebracht ist. Die piezoelektrische Schicht ist dabei vorzugsweise ausschließlich im Biegebereich aufgebracht und erstreckt sich nicht in den Befestigungsbereich hinein. Im Biegebereich weist nunmehr der Träger eine sich in Längsrichtung verändernde Biegesteifigkeit auf, welche vorzugsweise durch eine sich verändernde Geometrie, nämlich insbesondere Querschnittsgeometrie des Trägers hervorgerufen ist. The object is achieved according to the invention by an assembly for power generation, in particular for an actuatable by a push button assembly, comprising a bending transducer with a support and at least one piezoelectric layer mounted thereon, in particular a PZT ceramic. The carrier extends in the longitudinal direction of a mounting portion to a deflection end, wherein the piezoelectric layer is applied in a front bending region of the carrier. The piezoelectric layer is preferably applied exclusively in the bending area and does not extend into the mounting area. In the bending region, the support now has a flexural rigidity which changes in the longitudinal direction and which is preferably caused by a changing geometry, namely in particular a cross-sectional geometry of the support.

Diese Ausgestaltung geht von der Überlegung aus, dass für eine möglichst effiziente Energiegewinnung eine homogene, gleichmäßige Biegung der piezoelektrischen Schicht über Ihre gesamte Länge von besonderer Bedeutung ist. Es wird daher grundsätzlich angestrebt, dass im mechanischen Belastungsfall, wenn also das Auslenkende mechanisch um eine definierte Auslenkstrecke senkrecht zur Längsrichtung ausgelenkt wird, die piezoelektrische Schicht eine konstante Krümmung also einen konstanten Radius über Ihre gesamte Länge aufweist. This embodiment is based on the consideration that a homogeneous, uniform bending of the piezoelectric layer over its entire length is of particular importance for the most efficient possible energy production. It is therefore always desirable that in the mechanical load case, so if the deflecting is deflected mechanically by a defined deflection path perpendicular to the longitudinal direction, the piezoelectric layer has a constant curvature so a constant radius over its entire length.

Gleichzeitig geht diese Ausgestaltung von der Erkenntnis aus, dass der einseitig eingespannte Biegewandler unmittelbar an der Kante zwischen dem Befestigungsbereich, an dem er eingespannt ist und dem Biegebereich bei einem mechanischen Auslenken am Auslenkende eine Biegeverzerrung aufweist. Hierunter wird verstanden, dass sich im Bereich dieser Kante eine vom restlichen Bereich abweichende Krümmung der piezoelektrischen Schicht ausbildet und insoweit die Krümmung inhomogen ist. At the same time, this embodiment is based on the recognition that the bending transducer clamped on one side has a bending distortion directly at the edge between the fastening region on which it is clamped and the bending region in the case of a mechanical deflection at the deflection end. This is understood to mean that, in the region of this edge, a curvature deviating from the rest of the region of the piezoelectric layer is formed, and insofar as the curvature is inhomogeneous.

Diese Inhomogenität wird erfindungsgemäß dadurch kompensiert, dass der Träger über seine Länge im Biegebereich eine sich verändernde Biegesteifigkeit aufweist. Die Biegesteifigkeit gibt dabei allgemein – im Rahmen der hier auf den Biegewandler anzuwendenden Balkentheorie – das Verhältnis eines aufgebrachten Biegemoments zur sich einstellenden Krümmung an. Die Biegesteifigkeit ist dabei gebildet durch das Produkt aus dem Elastizitätsmodul als Materialkonstante und dem Flächenträgheitsmoment des Trägers. Eine Variation der Beigesteifigkeit ist daher sowohl durch eine Variation des Elastizitätsmoduls als auch durch eine Variation des Flächenträgheitsmoments möglich. Zweckdienlicherweise wird das Flächenträgheitsmoment des Trägers variiert, indem dessen Geometrie verändert wird. Unter Geometrieveränderung wird beispielsweise eine Veränderung der Querschnittskontur, der Dicke oder auch der Breite verstanden. Vorzugsweise wird jedoch lediglich die Breite verändert. Bei dem Träger handelt es sich üblicherweise um einen plattenartigen Träger, der insbesondere nach Art oder als eine Leiterplatte ausgebildet ist, die eine gleichbleibende konstante Dicke aufweist. Die Variation der Breite ist daher herstellungstechnisch am einfachsten zu verwirklichen. This inhomogeneity is compensated according to the invention in that the carrier has a varying flexural rigidity over its length in the bending region. In this case, the bending stiffness indicates in general - in the context of the beam theory to be applied here to the bending transducer - the ratio of an applied bending moment to the curvature that occurs. The bending stiffness is formed by the product of the modulus of elasticity as the material constant and the moment of area of the carrier. A variation of the Beigesteifigkeit is therefore both by a variation of the modulus of elasticity and by a variation of the Area moment of inertia possible. Conveniently, the area moment of inertia of the carrier is varied by changing its geometry. By geometry change, for example, a change in the cross-sectional contour, the thickness or the width understood. Preferably, however, only the width is changed. The carrier is usually a plate-like carrier, which is designed in particular in the manner or as a printed circuit board, which has a constant constant thickness. The variation of the width is therefore the simplest to realize in terms of manufacturing technology.

Die Geometrie und allgemein die Biegesteifigkeit wird zweckdienlicherweise insbesondere derart variiert, dass die piezoelektrische Schicht bei einer definierten Auslenkung am Auslenkende über ihre gesamte Länge einen identischen Krümmungsradius aufweist. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass der Träger unmittelbar am Befestigungsende eine höhere Biegesteifigkeit, also insbesondere ein höheres Flächenträgheitsmoment aufweist im Vergleich zum weiteren Verlauf des Biegebereichs in Längsrichtung. The geometry and in general the flexural rigidity is expediently varied in particular in such a way that the piezoelectric layer has an identical radius of curvature over a defined deflection at the deflection end over its entire length. For this purpose, provision is made in particular for the carrier to have a higher bending stiffness, ie in particular a higher area moment of inertia, directly at the attachment end in comparison to the further course of the bending region in the longitudinal direction.

Entsprechend ist in einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass sich an den Befestigungsbereich ein Verjüngungsbereich ausbildet, in dem sich der Träger in Richtung zum Auslenkende verjüngt. Vorzugsweise verjüngt sich dabei lediglich die Breite des Trägers. Accordingly, it is provided in a preferred development that forms a tapering region on the attachment region, in which the carrier tapers in the direction of the deflection end. Preferably, only the width of the carrier tapers.

Der Verjüngungsbereich erstreckt sich zweckdienlicherweise bis zum Auslenkende und zwar vorzugsweise kontinuierlich und insbesondere gleichmäßig. Bei dieser Ausgestaltung verringert sich die Biegesteifigkeit über den gesamten Biegebereich kontinuierlich bis zum Auslenkende. Der Verjüngungsbereich ist dabei insbesondere trapezförmig ausgebildet. The tapering area expediently extends to the deflection end, preferably continuously and in particular uniformly. In this embodiment, the bending stiffness over the entire bending range is reduced continuously until the deflection end. The tapering area is designed in particular trapezoidal.

Alternativ hierzu schließt sich an den Verjüngungsbereich ein sich bis zum Auslenkende erstreckender Trägersteg mit verringerter Breite an. Die piezoelektrische Schicht ist dabei auf dem Trägersteg angeordnet und erstreckt sich bis zum Ende des Verjüngungsbereiches, wo der Befestigungsbereich beginnt und keine Biegung mehr erfolgt. Zweckdienlicherweise ist dabei vorgesehen, dass im Anschluss an den Verjüngungsbereich der Trägersteg eine konstante Stegbreite aufweist. Die sich verändernde Biegesteifigkeit wird also nur in einem Bereich in der Nähe zum Befestigungsbereich also an der Befestigungskante ausgebildet. Dies beruht darauf, dass beabstandet vom Befestigungsbereich sich – idealisiert betrachtet – automatisch eine homogene, konstante Krümmung ausbildet. Zweckdienlicherweise ist dabei die Länge des Verjüngungsbereichs in Längsrichtung kleiner gleich der Länge des sich anschließenden Trägerstegs. Das Verhältnis zwischen Trägersteg und Verjüngungsbereich liegt beispielsweise im Bereich von 5:1 bis zu 1:1. Alternatively, adjoins the tapering a extending to the deflecting beam web with reduced width. The piezoelectric layer is arranged on the carrier web and extends to the end of the tapering region, where the mounting area begins and no bending takes place. Conveniently, it is provided that, following the tapering region, the carrier web has a constant web width. The changing flexural rigidity is therefore formed only in an area in the vicinity of the fastening region, that is to say on the fastening edge. This is due to the fact that, spaced apart from the attachment area, idealized automatically, a homogeneous, constant curvature is formed. Conveniently, the length of the tapering region in the longitudinal direction is less than or equal to the length of the adjoining carrier web. The ratio between carrier web and rejuvenation range, for example, in the range of 5: 1 up to 1: 1.

Zweckdienlicherweise ist der Trägersteg als Mittensteg ausgebildet, d. h. der Träger verjüngt sich symmetrisch bezüglich einer Mittenachse. Insgesamt ergibt sich dadurch eine in etwa T-förmige Ausgestaltung des Trägers, wobei der Querbalken des T-förmigen Trägers den Befestigungsbereich definiert. Conveniently, the carrier web is designed as a central web, d. H. the carrier tapers symmetrically with respect to a center axis. Overall, this results in an approximately T-shaped configuration of the carrier, wherein the transverse bar of the T-shaped carrier defines the attachment area.

Für eine möglichst effiziente Energieerzeugung ist in bevorzugter Weiterbildung eine sogenannte trimorphe Ausgestaltung vorgesehen, bei der beidseitig auf dem Träger jeweils genau eine piezoelektrische Schicht aufgebracht ist. Die trimorphe Ausgestaltung hat sich bei derartigen Einsatzgebieten als besonders effizient erwiesen. Allgemein sind die piezoelektrischen Schichte, also die Piezokeramiken, beidseitig jeweils mit einer Metallisierungsschicht versehen, die oftmals durch Aufsputtern aufgebracht sind. Die Schichtdicke dieser Metallisierungsschicht liegt üblicherweise im Bereich von etwas unter 200 Nanometern. Diese Metallisierungsschichten weisen üblicherweise einen Schichtaufbau auf, wobei die äußerste Schicht beispielsweise durch eine Goldschicht gebildet ist. Die elektrische Kontaktierung erfolgt mittels Kontaktelementen, die elektrisch mit der von dem Träger abgewandten Außenseite sowie mit der dem Piezoträger zugewandten Innenseite der Piezokeramik elektrisch verbunden sind. Zumindest im Bereich der piezoelektrischen Schicht ist hierbei üblicherweise auf dem Träger eine flächige Metallschicht, beispielsweise in Form einer dünnen (Kupfer-)Folie aufgebracht, auf der die Piezokeramik mit den beidseitig aufgebrachten Metallisierungsschichten unmittelbar aufgeklebt ist. For the most efficient possible energy generation, a so-called trimorphic design is provided in a preferred development, in which exactly one piezoelectric layer is applied to both sides of the support. The trimorphic design has proven to be particularly efficient in such applications. In general, the piezoelectric layer, ie the piezoceramics, are each provided on both sides with a metallization layer, which is often applied by sputtering. The layer thickness of this metallization layer is usually in the range of just under 200 nanometers. These metallization layers usually have a layer structure, wherein the outermost layer is formed, for example, by a gold layer. The electrical contacting takes place by means of contact elements which are electrically connected electrically to the outside facing away from the carrier and to the inside of the piezoceramic facing the piezocarrier. At least in the region of the piezoelectric layer, a flat metal layer, for example in the form of a thin (copper) foil, is usually applied to the carrier, on which the piezoceramic is glued directly to the metallization layers applied on both sides.

Im Hinblick auf eine möglichst hohe Effizienz bei der Energieausbeute ist weiterhin in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass die beiden piezoelektrischen Schichten galvanisch voneinander getrennt sind. Durch die galvanische Trennung wird ein Ladungsträgeraustausch zwischen den beiden Schichten unterbunden. Ein derartiger Ladungsträgeraustausch reduziert grundsätzlich die Energieeffizienz, da nicht alle erzeugten Ladungsträger zur Energiegewinnung beitragen. In view of the highest possible efficiency in the energy yield, it is further provided in a preferred embodiment that the two piezoelectric layers are galvanically separated from one another. The galvanic separation prevents a charge carrier exchange between the two layers. Such a charge carrier exchange basically reduces the energy efficiency, since not all generated charge carriers contribute to the generation of energy.

Zum gleichen Zweck ist ergänzend weiterhin in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass jeder piezoelektrischen Schicht ein Gleichrichter, insbesondere eine Brückengleichrichter zugeordnet ist. Die von jeder piezoelektrischen Schicht erzeugten Ladungsträger werden daher jeweils in einem eigenen Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt, bevor sie anschließend gemeinsam zusammengeführt werden. For the same purpose, it is additionally provided in a preferred embodiment that each piezoelectric layer is assigned a rectifier, in particular a bridge rectifier. The charge carriers generated by each piezoelectric layer are therefore each converted into direct current in a separate rectifier before they are subsequently brought together together.

Bei dem Träger handelt es sich vorzugsweise um eine Leiterplatte, die im Befestigungsbereich bereits mit elektronischen Bauteilen einer Elektronik Baugruppe bestückt ist. Für die Erzeugung des Trägers wird daher auf die Technologien der Leiterplattenfertigung zurückgegriffen. Durch die unmittelbare Integration der Elektronik-Baueinheiten wird insgesamt eine kompakte Baugruppe mit aufeinander abgestimmten Einheiten auf geringsten Raum bei nur geringem elektrischen Verlusten ermöglicht. The carrier is preferably a printed circuit board which is already equipped with electronic components of an electronics module in the mounting area. For the production of the carrier, therefore, the technologies of printed circuit board manufacturing is used. Due to the direct integration of the electronic components, a compact assembly with coordinated units is possible on the smallest space with only low electrical losses.

Zweckdienlicherweise handelt es sich bei der Elektronikbaugruppe um eine vollständig autarke Baugruppe, die also keine Verbindung zu weiteren elektrischen oder elektronischen Bauelementen aufweist, insbesondere nicht mit einer weiteren Energiequelle oder einem Energiespeicher verbunden ist. Conveniently, the electronic assembly is a fully self-contained assembly, which thus has no connection to other electrical or electronic components, in particular is not connected to a further energy source or an energy storage.

Die Baugruppe enthält zweckdienlicherweise als ein elektronisches Bauteil ein Anzeigeelement. Dieses ist vorzugsweise zur elektronischen Anzeige eines Status des jeweiligen Gerätes ausgebildet, in den die Baugruppe eingebaut wird. Beispielsweise kann die Anzahl der bereits durchgeführten Betätigungen angezeigt werden. The assembly expediently contains as an electronic component a display element. This is preferably designed for electronic display of a status of the respective device in which the module is installed. For example, the number of operations already performed can be displayed.

Für die Erzeugung einer möglichst großen Energiemenge pro Betätigung beispielsweise eines Tasters ist zur mechanischen Auslenkung ein insbesondere als Schubstange ausgebildetes Betätigungselement angeordnet, welches bei Betätigung des Tasters sich senkrecht zur Längsrichtung bewegt. Die Schubstande weist dabei eine Anzahl von Vorsprüngen auf, wobei jeder Vorsprung beim Vorbeigleiten an dem Auslenkende des Biegewandlers diesen mechanisch ausgelenkt, so dass bei einer einmaligen Betätigung der Dosiertaste, also einem Verschieben des Betätigungselements senkrecht zur Längsrichtung, eine Mehrzahl von Auslenkungen des Biegewandlers erfolgt. Die Anzahl der Vorsprünge kann dabei stark variieren und liegt beispielsweise zwischen 1 und 100, vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 20. For the generation of the largest possible amount of energy per actuation, for example, a button is arranged for mechanical deflection, in particular designed as a push rod actuator, which moves perpendicular to the longitudinal direction upon actuation of the button. The pushing position has a number of projections, each projection being deflected mechanically as it slides past the deflection end of the bending transducer so that a plurality of deflections of the bending transducer occurs when the dosing key is actuated once, ie when the actuating element is displaced perpendicular to the longitudinal direction. The number of projections can vary greatly and is for example between 1 and 100, preferably in the range between 3 and 20.

Die Vorsprünge an dem Betätigungselement sind dabei mit einer abfallenden sowie einer ansteigenden Flanke versehen, um ein möglichst sanftes Auslenken des Auslenkendes zu gewährleisten. Die Vorsprünge sind dabei beispielsweise nach Art von Zähnen oder Dreiecken ausgebildet. Die ansteigenden sowie abfallenden Flanken können jedoch auch gekrümmte Flächen sein. The projections on the actuating element are provided with a sloping and a rising edge to ensure the smoothest possible deflection of the deflection. The projections are formed, for example, in the manner of teeth or triangles. However, the rising and falling flanks can also be curved surfaces.

In zweckdienlicher Weiterbildung ist unmittelbar am Auslenkende ein Auslenkelement angeordnet, welches mit dem Betätigungselement, insbesondere mit den Vorsprüngen zusammen wirkt. Das am Auslenkende befestigte Auslenkelement weist ebenfalls ansteigende bzw. abfallende Betätigungsflächen auf, die also bezüglich einer Plattenebene des Trägers schräg oder gekrümmt verlaufend ausgebildet sind. Das Auslenkelement ist dabei vorzugsweise zumindest als Teil eines Rotationskörpers, wie beispielsweise Kugel, Ellipse, Zylinder etc. ausgebildet und bildet das Ende des Biegewandlers. In an expedient development, a deflection element is arranged directly on the deflection end, which interacts with the actuating element, in particular with the projections. The deflecting element attached to the deflecting also has rising or falling actuating surfaces, which are thus formed inclined or curved with respect to a plate plane of the support. The deflection element is preferably formed at least as part of a rotational body, such as ball, ellipse, cylinder, etc. and forms the end of the bending transducer.

Ein Ausführungsbespiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. An exemplary embodiment of the invention will be explained in more detail below with reference to FIGS.

Die Figuren zeigen dabei jeweils in schematischen, vereinfachten Darstellungen: The figures show in each case in schematic, simplified representations:

1 eine Aufsicht auf einen Biegewandler, 1 a view of a bending transducer,

2 eine Seitenansicht des Biegewandlers gemäß 1 2 a side view of the bending transducer according to 1

3 eine Seitenansicht auf eine Baugruppe zur Energieerzeugung insbesondere für ein mittels einer Drucktaste betätigtes Gerät mit einem Biegewandler
und einem als Schubstange ausgebildeten Betätigungselement zur Auslenkung des Biegewandlers, 3 a side view of an assembly for power generation in particular for a device operated by a push button device with a bending transducer
and an actuating element designed as a push rod for deflecting the bending transducer,

4 eine qualitative Darstellung des Verlaufs der Biegesteifigkeit des Trägers in Längsrichtung, sowie 4 a qualitative representation of the course of the bending stiffness of the carrier in the longitudinal direction, as well as

5 ein vereinfachtes Schaltbild zur Illustration der Energiegewinnung mit zwei Gleichrichtern. 5 a simplified circuit diagram illustrating the energy generation with two rectifiers.

In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, like-acting parts are provided with the same reference numerals.

Der grundsätzliche Aufbau des Biegewandlers 2 geht aus den 1 und 2 hervor. Der Biegewandler 2 ist als ein Trimorph-Biegewandler ausgebildet und weist einen Träger 4, insbesondere aus einem Leiterplattenmaterial (FR4) auf, der sich von einem rückseitigen Befestigungsbereich 6 bis zu einem vorderen Auslenkende 8 in Längsrichtung 10 erstreckt. Im Befestigungsbereich 6 wird der Biegewandler 2 später eingespannt bzw. an einer Tragstruktur 12 (vergleiche 3) befestigt. An den Befestigungsbereich 6 schließt sich in Längsrichtung 10 ein Biegebereich 14 an. Im Biegebereich 14 ist beidseitig auf dem Träger 4 eine piezoelektrische Schicht 16a, b angebracht. Insbesondere ist die piezoelektrische Schicht 16a, b hierzu unmittelbar auf dem Träger 4 durch Kleben befestigt. Die zum Träger 4 gerichtete Innenseite sowie die von ihm abgewandte Außenseite einer jeden Schicht 16a, b ist elektrisch kontaktiert. Im vordersten Bereich des Trägers 4 am Auslenkende 8 ist ein Auslenkelement 18 befestigt, welches im Ausführungsbeispiel nach Art einer Kugel ausgebildet ist. The basic structure of the bending transducer 2 goes out of the 1 and 2 out. The bending transducer 2 is designed as a trimorph bending transducer and has a carrier 4 , in particular of a printed circuit board material (FR4) extending from a rear attachment area 6 up to a front deflecting 8th longitudinal 10 extends. In the attachment area 6 becomes the bending transducer 2 later clamped or on a support structure 12 (see 3 ) attached. To the attachment area 6 closes in the longitudinal direction 10 a bending area 14 at. In the bending area 14 is on both sides of the carrier 4 a piezoelectric layer 16a , b attached. In particular, the piezoelectric layer 16a , b directly on the carrier 4 attached by gluing. The to the carrier 4 directed inside and facing away from him outside of each layer 16a , b is electrically contacted. In the forefront of the vehicle 4 at the deflecting 8th is a deflecting element 18 attached, which is formed in the embodiment in the manner of a ball.

Im Befestigungsbereich 14 ist der Träger 4 mit mehreren elektronischen Bauteilen 20, 22 bestückt, die Teil einer gemeinsamen, autarken Baugruppe sind. Das elektronische Bauteil 22 ist hierbei als ein Anzeigeelement ausgebildet. Die einzelnen elektronischen Bauteile 20, 22 sind untereinander sowie mit den piezoelektrischen Schichten 16a, b in hier nicht näher dargestellter Weise über Leiterbahnen verbunden. Die elektronischen Bauteile 20, 22 bilden insoweit eine autarke Baugruppe aus, als dass sie mit keinen weiteren Bauteilen, Energiespeichern, Energiequellen etc. verbunden sind. In the attachment area 14 is the carrier 4 with several electronic components 20 . 22 stocked, the part of a common, self-sufficient Assembly are. The electronic component 22 is designed here as a display element. The individual electronic components 20 . 22 are with each other as well as with the piezoelectric layers 16a , B connected in this manner not shown via interconnects. The electronic components 20 . 22 In this respect, they constitute a self-sufficient subassembly in that they are not connected to any other components, energy stores, energy sources, etc.

Wie insbesondere aus der Aufsicht gemäß der 1 zu entnehmen ist, schließt sich an den Befestigungsbereich 6 in Längsrichtung zum Auslenkende 8 ein Verjüngungsbereich 24 an, indem sich die Breite des Trägers 4 gleichmäßig zur Mitte hin verjüngt. Im Ausführungsbeispiel schließt sich im Anschluss an den Verjüngungsbereich 24 noch ein Trägersteg 26 mit gleichbleibender Breite an. Der Verjüngungsbereich 24 und der Trägersteg 26 bilden gemeinsam den Biegebereich 14 aus. Alternativ hierzu bildet der Verjüngungsbereich 24 den Biegebereich 14 aus, erstreckt sich also durchgehend bis zum Auslenkende 8. In diesem Fall – der in 1 als gestrichelte Linie angedeutet ist – reduziert sich die Breite kontinuierlich. Der Verjüngungsbereich 24 ist dabei insbesondere Trapezförmig ausgebildet. As in particular from the supervision according to the 1 can be seen, closes at the attachment area 6 in the longitudinal direction to the deflecting end 8th a rejuvenation area 24 by adding the width of the carrier 4 evenly tapered towards the middle. In the exemplary embodiment closes after the tapering area 24 another carrier bridge 26 with constant width. The rejuvenation area 24 and the carrier bar 26 together form the bending area 14 out. Alternatively, the rejuvenation area forms 24 the bending area 14 out, so extends continuously to the deflecting 8th , In this case - the in 1 is indicated as a dashed line - the width is reduced continuously. The rejuvenation area 24 is in particular trapezoidal.

Die piezoelektrischen Schichten 16a, b erstrecken sich zumindest nahezu über den gesamten Biegebereich 14 bis zum Auslenkelement 18. Die piezoelektrischen Schichten 16a, b weisen vorzugsweise – im Unterschied zu dem Träger 4 – über ihre gesamte Länge eine konstante Breite auf. Die Dicke des Trägers 4 ist vorzugsweise über seine gesamte Länge konstant. Sie liegt typischerweise im Bereich von etwa 0,2–0,4 mm. Die Schichtdicke der piezoelektrischen Schichten liegt jeweils typischerweise im ähnlichen Bereich. Die Gesamtdicke des Schichtaufbaus bestehend aus Träger 4 und Schichten 16a, b liegt typischerweise bei etwa 1 mm. Unter der piezoelektrischen Schicht 16a, b wird ein Schichtaufbau erstanden, gebildet aus einer zentralen Keramikschicht (PZT-Schicht), auf der beidseitig eine Metallisierungsschicht insbesondere durch Sputtern aufgebracht sind. The piezoelectric layers 16a , b extend at least almost over the entire bending range 14 to the deflection element 18 , The piezoelectric layers 16a , b preferably have - in contrast to the carrier 4 - Over its entire length a constant width. The thickness of the carrier 4 is preferably constant over its entire length. It is typically in the range of about 0.2-0.4 mm. The layer thickness of the piezoelectric layers is typically in a similar range. The total thickness of the layer structure consisting of carrier 4 and layers 16a , b is typically about 1 mm. Under the piezoelectric layer 16a , B, a layer structure is obtained, formed from a central ceramic layer (PZT layer), on both sides of a metallization layer are applied in particular by sputtering.

Durch die speziell gewählte Geometrie des Trägers 4 ergibt sich im Biegebereich 14 eine sich in Längsrichtung 10 verändernde Biegesteifigkeit EI des Trägers 4, wie sie aus 4 zu entnehmen ist: Im Befestigungsbereich 6 weist der Träger 4 im Ausführungsbeispiel eine konstante Querschnittsfläche, damit ein konstantes Flächenträgheitsmoment I auf. Das Material des Trägers 4 ist über seine gesamte Länge homogen und weist das gleiche Elastizitätsmodul E als Materialkonstante auf. Insofern ist das die Biegesteifigkeit definierende Produkt aus dem E-Modul E und dem Flächenträgheitsmoment I konstant bis zum Ende des Befestigungsbereichs 6 an der Position x₀. Diese Position definiert den Lagerendpunkt bzw. die Lagerkante, an der der Träger 4 letztmalig an der Tragstruktur 12 abgestürzt ist. Anschließend reduziert sich das Flächenträgheitsmoment I bis zur Position x₁. Die Erstreckung zwischen den Punkten x₀ und x₁ definiert die Länge des Verjüngungsbereichs 24. Daran schließt sich der Trägersteg 26 an, der letztendlich bis zur Position x₂ reicht. In diesem Bereich weist das Flächenträgheitsmoment I und damit die Biegesteifigkeit wiederrum einen konstanten Wert auf. Die Länge des Verjüngungsbereichs 24 (Abstand zwischen x₁ und x₀) ist dabei vorzugsweise kleiner als die Länge des Trägersteg 26 (Abstand x₂ zu x₁). Due to the specially selected geometry of the carrier 4 results in the bending area 14 one in the longitudinal direction 10 changing flexural rigidity EI of the vehicle 4 how they look 4 can be seen: In the attachment area 6 instructs the wearer 4 In the embodiment, a constant cross-sectional area, thus a constant area moment of inertia I on. The material of the carrier 4 is homogeneous over its entire length and has the same modulus of elasticity E as the material constant. In this respect, the bending stiffness defining product of the modulus E and the moment of area I is constant until the end of the mounting area 6 at position x ₀ . This position defines the bearing end point or the bearing edge on which the carrier 4 for the last time on the supporting structure 12 crashed. Subsequently, the area moment of inertia I is reduced to the position x ₁ . The extent between points x ₀ and x ₁ defines the length of the taper area 24 , This is followed by the carrier web 26 which finally reaches position x ₂ . In this area, the area moment of inertia I and thus the flexural rigidity, in turn, have a constant value. The length of the rejuvenation area 24 (Distance between x ₁ and x ₀ ) is preferably smaller than the length of the carrier web 26 (Distance x ₂ to x ₁ ).

In der alternativen Ausgestaltung erstreckt sich der Verjüngungsbereich 24 über die gesamte Länge L, also von der Position x₀ d bis zur Position x₂. Dies ist in 4 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die Biegesteifigkeit nimmt dabei vorzugsweise linear ab. In the alternative embodiment, the rejuvenation area extends 24 over the entire length L, ie from the position x ₀ d to the position x ₂ . This is in 4 represented by a dashed line. The bending stiffness preferably decreases linearly.

Die piezoelektrischen Schichten 16a, b beginnen vorzugsweise unmittelbar am Lagerendpunkt x₀ und erstrecken sich bis oder zumindest bis nahe zu dem Ende des Trägers 4 bei der Position x₂. Die piezoelektrischen Schichten 16a, b sind dabei – bis auf evtl. Fertigungstoleranzen – identisch ausgebildet. Sie weisen eine Länge l sowie eine Breite b auf (vgl. 1). The piezoelectric layers 16a , b preferably begin immediately at the bearing end point x ₀ and extend to or at least close to the end of the beam 4 at position x ₂ . The piezoelectric layers 16a , b are - except for any manufacturing tolerances - identical. They have a length l and a width b (see. 1 ).

Die Auslenkung des Auslenkendes 8 erfolgt mit Hilfe eines als Schubstange 28 ausgebildeten Betätigungselements, welches mit nach Art von Zähnen ausgebildeten Vorsprüngen 30 versehen ist, wie aus 3 zu entnehmen ist. Die Schubstange 28 wird dabei in Schubstangen-Längsrichtung 32 und damit senkrecht zur Längsrichtung 10 des Biegewandlers 2 verschoben. Die einzelnen Vorsprünge kommen dabei in Kontakt mit dem Auslenkelement 18 und lenken damit den Biegewandler 2 jeweils um eine definierte Auslenkung aus. Aufgrund dieser zwangsweisen mechanischen Auslenkung wird der Biegewandler 2 in seinem Biegebereich 14 elastisch gebogen. The deflection of the deflecting end 8th takes place with the help of a push rod 28 formed actuating element, which with formed in the manner of teeth projections 30 provided as is 3 can be seen. The push rod 28 is doing in push rod longitudinal direction 32 and thus perpendicular to the longitudinal direction 10 of the bending transducer 2 postponed. The individual projections come into contact with the deflection element 18 and steer the bending transducer with it 2 in each case by a defined deflection. Due to this forced mechanical deflection of the bending transducer 2 in its bending area 14 elastically bent.

Von besonderer Bedeutung ist der Verjüngungsbereich 24 mit der in Längsrichtung 10 zum Auslenkende 8 hin abnehmenden Biegesteifigkeit. Durch diese ist sichergestellt, dass der Biegewandler über den gesamten Biegebereich 14 bei einer mechanischen Zwangsauslenkung möglichst einen identischen Krümmungsradius R über die gesamte Länge des Biegebereichs 14 einnimmt (vgl. 1). Of particular importance is the rejuvenation area 24 with the longitudinal direction 10 to the distracting 8th decreasing flexural rigidity. This ensures that the bending transducer over the entire bending range 14 for a mechanical positive deflection possible identical curvature radius R over the entire length of the bending region 14 occupies (cf. 1 ).

Wie aus der 3 weiterhin zu entnehmen ist, sind die einzelnen Vorsprünge 30 im Querschnitt betrachtet nach Art von Dreiecken ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel sind dies ungleichmäßige Dreiecke, deren ansteigende Flanke 34a flacher orientiert ist als die abfallende Flanke 34b. Dies führt dazu, dass eine Betätigung der Schubstange 28, also eine Verschiebung der Schubstange jeweils um eine Hublänge in sowie entgegen der Schubstangen-Längsrichtung 32, insgesamt sechs Auslenkungen des Auslenkendes 8 bewirkt. Like from the 3 can still be seen, the individual projections 30 viewed in cross section formed in the manner of triangles. In the exemplary embodiment, these are uneven triangles whose rising edge 34a flatter oriented than the falling edge 34b , This causes an actuation of the push rod 28 , So a shift of the push rod in each case a stroke length in and against the push rod longitudinal direction 32 , a total of six deflections of the deflection end 8th causes.

Anstelle der im Querschnitt gesehenen dreieckförmigen Ausgestaltung der Vorsprünge 30 können diese auch mit einer gekrümmten Oberfläche versehen sein, ähnlich wie das Auslenkelement 18. Umgekehrt kann das Auslenkelement 18 auch ähnlich wie die Vorsprünge 30 mit schräg verlaufenden Flächen ausgebildet sein nach Art eines Keils. Instead of the triangular configuration of the projections seen in cross section 30 These may also be provided with a curved surface, similar to the deflection element 18 , Conversely, the deflecting element 18 also similar to the projections 30 be formed with sloping surfaces in the manner of a wedge.

Alternativ zu der Ausgestaltung mit der Schubstange können auch andersartige mechanische Betätigungselemente vorgesehen sein, die vorzugsweise derart ausgebildet sind, dass sie eine schnelle Verformung sowie Rückformung des Biegewandlers 2 hervorrufen. Die schnelle Verformung- und Rückformung des Biegewandlers 2 erlaubt eine optimale Ausnutzung der erzeugten Ladungsträger, insbesondere auch in Verbindung mit den beiden unabhängigen Gleichrichtern 36. Das Betätigungselement 28 ist dabei beispielsweise als insbesondere federnd gelagerte Wippe ausgebildet, wobei ein Wippenende das Auslenkende 8 auslenkt. As an alternative to the configuration with the push rod, it is also possible to provide other types of mechanical actuation elements which are preferably designed such that they provide rapid deformation and reshaping of the bending transducer 2 cause. The fast deformation and recovery of the bending transducer 2 allows optimal utilization of the generated charge carriers, especially in connection with the two independent rectifiers 36 , The actuator 28 is designed, for example, as a particular spring-mounted rocker, with a rocker end the deflection end 8th deflects.

Jede einzelne Auslenkung führt dabei aufgrund der Biegung der piezoelektrischen Schichten 16a, b zur Erzeugung von Ladungsträgern. Diese werden insbesondere zum Speisen eines Energie-Zwischenspeichers herangezogen, welcher insbesondere als ein Kondensator ausgebildet ist. Each individual deflection leads due to the bending of the piezoelectric layers 16a , b for the generation of charge carriers. These are used in particular for feeding an energy buffer, which is designed in particular as a capacitor.

Wie aus der 5 hervor geht, ist jeder piezoelektrischen Schicht 16a, b ein eigener als Brückengleichrichter ausgebildeter Gleichrichter 36 zugeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass die in den beiden piezoelektrischen Schichten 16a, b erzeugten Ladungsträger zunächst getrennt sind, bis die Strom-Gleichrichtung erfolgt ist. Erst dann, also nach den Gleichrichtern 36 werden die gleichgerichteten Ladungsträger (Ströme) zusammen geführt und zum Aufladen des Kondensators 38 herangezogen. Like from the 5 It comes out every piezoelectric layer 16a , b a separate designed as a bridge rectifier rectifier 36 assigned. This ensures that the in the two piezoelectric layers 16a , b generated charge carriers are initially separated until the current rectification has occurred. Only then, after the rectifiers 36 The rectified carriers (currents) are led together and to charge the capacitor 38 used.

Die hier beschriebene Baugruppe zur Energieerzeugung zeichnet sich durch eine hohe Effizienz der Energieerzeugung aus. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist hierbei in der sich veränderten Biegesteifigkeit des Trägers 4 zu sehen, der insbesondere durch die Variation der Breite des Trägers 4 hervorgerufen wird. Hierdurch ist eine über die gesamte Länge der piezoelektrischen Schichten 16a, b homogene Krümmung erreicht, was sich positiv für die Energiegewinnung auswirkt. Weiterhin ist von besonderer Bedeutung, dass die beiden piezoelektrischen Schichten 16a, b galvanisch getrennt sind, d. h. die beiden Elektroden einer jeden piezoelektrischen Schicht werden getrennt voneinander der elektrischen Schaltung, insbesondere den beiden getrennten Gleichrichtern 36 zugeführt. In der Verwendung von zwei separaten Gleichrichtern 36 ist ein weiterer besonderer Gesichtspunkt zu sehen, da hier durch – ebenso wie durch die galvanische Trennung – ein Ladungsträgeraustausch verhindert ist. Schließlich ist durch die spezielle Ausgestaltung der Schubstange 28 mit der Mehrzahl der Vorsprünge 30 eine mehrfache Auslenkung des Biegewandlers 2 bei nur einer Betätigung hervorgerufen, sodass die erzeugte Energiemenge erhöht ist. Die pro Betätigung erzeugte Energiemenge liegt vorzugsweise bei einigen 100 µJoule. Durch die Integration der sämtlichen elektronischen Bauteile 20, 22 der autarken Baugruppe auf den Träger 4 ist darüber hinaus eine kostengünstige Fertigung erlaubt. Zudem ist durch diese Maßnahme auch eine sehr klein bauende Bauweise erzielt, sodass sich eine platzsparende Anordnung in einem Gerät ergibt. The module for power generation described here is characterized by a high efficiency of power generation. An essential aspect here is the changed flexural rigidity of the wearer 4 to be seen in particular by the variation of the width of the carrier 4 is caused. This is one over the entire length of the piezoelectric layers 16a , b reaches a homogeneous curvature, which has a positive effect on energy production. Furthermore, it is of particular importance that the two piezoelectric layers 16a , b are galvanically isolated, that is, the two electrodes of each piezoelectric layer are separated from each other of the electrical circuit, in particular the two separate rectifiers 36 fed. In the use of two separate rectifiers 36 is another special point to see, as here - as well as by the galvanic separation - a charge carrier exchange is prevented. Finally, by the special design of the push rod 28 with the majority of the projections 30 a multiple deflection of the bending transducer 2 caused by only one operation, so that the amount of energy generated is increased. The amount of energy generated per actuation is preferably a few 100 μJoule. By integrating all electronic components 20 . 22 the self-sufficient assembly on the carrier 4 In addition, a cost-effective production is allowed. In addition, a very small construction style is achieved by this measure, resulting in a space-saving arrangement in a device.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2009/0322184 A1 [0005]

Claims

Assembly for power generation comprising a bending transducer ( 2 ) with a carrier ( 4 ) and at least one piezoelectric layer ( 16a , b), wherein the carrier ( 4 ) in the longitudinal direction ( 10 ) from a mounting area ( 6 ) to a deflecting ( 8th ), characterized in that the piezoelectric layer ( 16a , b) in a front bending area ( 14 ) of the carrier ( 4 ) is applied and the carrier ( 4 ) in the bending area ( 14 ) has a varying bending stiffness, in particular due to a changing geometry.

Assembly according to Claim 1, characterized in that the support ( 4 ) next to the attachment area ( 6 ) a rejuvenation area ( 24 ), in which the wearer ( 4 ) towards the deflecting end ( 8th ) rejuvenated.

An assembly according to claim 2, characterized in that the rejuvenation area ( 24 ) to the deflecting ( 8th ) in particular uniformly tapered.

An assembly according to claim 2, characterized in that in the rejuvenation area ( 24 ) the width of the carrier ( 4 ), whereby the rejuvenation area ( 24 ) one to the deflecting ( 8th ) extending carrier web ( 26 ) and the piezoelectric layer ( 16a , b) on the girder bridge ( 26 ) and the rejuvenation area ( 24 ) is arranged.

An assembly according to claim 4, characterized in that the carrier web ( 26 ) has a constant web width.

An assembly according to claim 4 or 5, characterized in that the carrier web ( 26 ) is designed as a central web and the carrier ( 4 ) symmetrically with respect to a center axis to the carrier web ( 26 ) rejuvenated.

Assembly according to one of the preceding claims, characterized in that on both sides on the support ( 4 ) one piezoelectric layer each ( 16a , b) is glued, the layers ( 16a , b) are galvanically separated from each other.

Assembly according to one of the preceding claims, characterized in that each piezoelectric layer ( 16a , b) a rectifier ( 36 ) assigned.

Assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the support ( 4 ) as one with electronic components ( 20 . 22 ) an electronic assembly populated printed circuit board is formed and the electronic components ( 20 . 22 ) in the attachment area ( 6 ) directly on the support ( 4 ) are applied.

An assembly according to claim 9, characterized in that the electronic assembly is a display element ( 22 ) for the electronic display of a status, wherein the electronic assembly is self-sufficient and is not connected to any other components.

Assembly according to one of the preceding claims, characterized in that for the mechanical deflection of the deflection end ( 8th ) in particular as a push rod ( 28 ) formed actuating element which is perpendicular to the longitudinal direction ( 10 ) is displaceable and that a number of projections ( 30 ) for the repeated deflection of the deflecting end ( 8th ) having.

Assembly according to one of the preceding claims, characterized in that at the deflection end ( 8th ) a deflection element ( 18 ) arranged with an actuating element ( 28 ) for deflecting the deflecting end ( 8th ) and for this purpose has an obliquely or curved to a plane of the support plane extending actuating surface.

An assembly according to claim 12, characterized in that the deflection element ( 18 ) is formed at least as part of a rotary body such as ball or ellipse.

Bending transducer ( 2 ) for an assembly according to any one of the preceding claims