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WO2013131692A1 - Piezoelektrischer sensor - Google Patents

Piezoelektrischer sensor Download PDF

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Publication number
WO2013131692A1
WO2013131692A1 PCT/EP2013/051873 EP2013051873W WO2013131692A1 WO 2013131692 A1 WO2013131692 A1 WO 2013131692A1 EP 2013051873 W EP2013051873 W EP 2013051873W WO 2013131692 A1 WO2013131692 A1 WO 2013131692A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric element
mechanical
sensor
piezoelectric elements
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/051873
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael MÖSCHEN-SIEKMANN
Carsten Behrens
Andreas Jungk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ContiTech Transportbandsysteme GmbH
Original Assignee
ContiTech Transportbandsysteme GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ContiTech Transportbandsysteme GmbH filed Critical ContiTech Transportbandsysteme GmbH
Publication of WO2013131692A1 publication Critical patent/WO2013131692A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H10N30/302—Sensors

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric sensor according to the preamble of claim 1.
  • the piezoelectric effect short piezo effect
  • the energy generated by the direct piezoelectric effect can be used as a sensor signal because the electrical energy generated is causally related to the elastic deformation that causes it.
  • WO 2011/069850 Al describes the use of deformation energy in electrical energy by means of the direct piezoelectric effect.
  • the variable mechanical pressure is used in a defined spatial direction, which is exerted by the deformation energy on piezoelectric elements.
  • conveyor belts are described, at the reversal points of the elastic conveyor belt is pressed. That is, the application of WO 2011/069850 Al provides, inter alia, a conveyor belt in which piezoelectric elements are provided. These piezoelectric elements would then be elastically deformed at the reversal point of the conveyor belt in the radial direction of the reversing drum and thereby generate an electric voltage.
  • the disadvantage here is that such a conveyor belt would have to be provided over its entire length with the piezoelectric elements, but these only over the compared to the length of the conveyor belt very short distance of circulation to the
  • Deflection drum can generate an electrical voltage by means of the direct piezo effect. This is a very high cost to drive for a comparatively small benefit of electrical energy generated thereby, in particular taking into account the cost of the piezoelectric elements to be used, regardless of whether the electrical energy thus generated itself used or it should be used as a sensor signal.
  • the object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor of the type described in the introduction whose voltage generated by means of the direct piezoelectric effect can be better used as a sensor signal than hitherto known. Also, the cost of the piezoelectric elements used should be reduced.
  • the present invention relates to a piezoelectric sensor according to the
  • This piezoelectric sensor is characterized in that the variable mechanical load is essentially a shearing load.
  • the present invention is based on the finding that the direct piezoelectric effect at a shear load is many times higher than at a pressure load, because the deflection of the material at a shear is much greater than at a pressure load. Accordingly, a correspondingly greater electrical voltage can be generated which, when used as a sensor signal, also generates a correspondingly stronger sensor signal than with a substantially radial or vertical loading of the piezoelectric elements. Also, by arranging several
  • the piezoelectric sensor has a rotary body which is capable of generating a rotational movement U and transmitting them as a translatory movement X to a body or to receive a translational movement X of a body and to transmit them into a rotational movement U.
  • the at least one piezoelectric element is provided on the at least one elastic transducer element on the rotary body such that the body can exert a shear stress on the piezoelectric element by its translational movement X.
  • the present invention is further based on the finding that such a shear stress can occur between a rotating body (rotation body) and a body translating to it.
  • the rotational body can be driven to a rotational movement U and transmit it into a translatory movement X of the translationally moving body.
  • a case is e.g. given at a drive drum of a conveyor belt.
  • the translational movement X of the translationally moving body can be converted into a rotational movement U of the rotational body. This would be e.g. in a pulley of a conveyor belt of the case.
  • the piezoelectric element may be directly formed as the surface of the outer side of the rotating body or protected by one or more layers of materials or the like to the outside.
  • the arrangement of the at least one piezoelectric element is to be provided such that the desired shear stress can act on the at least one piezoelectric element.
  • the rotary body is preferably a drive drum or a deflection drum of a conveyor belt system, in the drum lining of which the at least one piezoelectric element together with the elastic transducer element is provided.
  • the translationally moving body is then a conveyor belt.
  • the number of piezoelectric elements used can be significantly reduced and utilized much better than in a piezoelectric energy conversion in which the conveyor belt is equipped with piezoelectric elements and the drums are not.
  • the rotary body has a plurality n of piezoelectric elements on at least one elastic transducer element.
  • This segmented arrangement of the piezoelectric elements has the advantage that different sensor signals are generated, each of which can be assigned to a specific section of the surface provided with piezoelectric elements.
  • sensory monitoring can take place over the entire circumference of the rotating body. This allows, for example, damaged areas or sensory capture other local events and assign them to the corresponding area of the surface.
  • the sensor signals generated by means of a direct piezoelectric effect can detect the load on the surface of the rotating body, in order thereby to draw conclusions about its operating situation, such as, for example, Gurtlauf, belt tension, resting and
  • Such sensor information must conventionally be detected by means of different sensors, which is why a large number of sensors are usually installed on belt conveyor systems for detecting such operating data. This leads to corresponding costs and a comparatively high expenditure of installation and evaluation.
  • Piezoelectric elements segmented and arranged both in the direction of the circumference and over the width of the rotating body.
  • Fig. 1 is a perspective schematic view of a piezoelectric sensor.
  • Fig. 1 shows a perspective schematic representation of a piezoelectric sensor
  • the piezoelectric sensor 1 has a
  • Rotary body 2 in the form of a drum 2 a conveyor belt system and a
  • the drum 2 can be both a drive drum 2, which generates a rotational movement U and transmits as a translational movement X on the conveyor belt, as well as a tail pulley 2, which receives a translational movement X of the conveyor belt 3 as a rotational movement U.
  • the drum 2 has on the surface 20 of its outer side a plurality n of piezoelectric elements PE, which are each mounted elastically on an elastic transducer element.
  • piezoelectric elements PE which leads to generation of electrical energy by the direct piezoelectric effect.
  • the shear when contacting the piezoelectric elements PE The shear when contacting the piezoelectric elements PE
  • PE1 first piezoelectric element of a plurality n of piezoelectric
  • PE2 second piezoelectric element of a plurality n of piezoelectric elements

Landscapes

  • Control Of Conveyors (AREA)

Description

Piezoelektrischer Sensor
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der piezoelektrische Effekt, kurz Piezo-Effekt, ist seit langem bekannt. Dieser beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und damit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezo-Effekt). Umgekehrt verformen sich Materialien beim Anleger einer elektrischen Spannung (inverser Piezo-Effekt). Daher ist es seit langem bekannt, den direkten Piezo-Effekt zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden. Ebenso kann die durch den direkten Piezo-Effekt erzeugte Energie als Sensorsignal verwendet werden, da die erzeugte elektrische Energie in einem kausalen Zusammenhang mit der elastischen Verformung steht, durch die sie hervorgerufen wird.
Die WO 2011/069850 AI beschreibt die Nutzung von Deformationsenergie in elektrische Energie mittels des direkten Piezo-Effekts. Hierbei wird der veränderbare mechanische Druck in einer definierten Raumrichtung genutzt, der durch die Deformationsenergie auf piezoelektrische Elemente ausgeübt wird. Als Anwendungsfall werden z.B. Förderbänder beschrieben, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband eingedrückt wird. D.h. die Anwendung der WO 2011/069850 AI sieht u.a. ein Förderband vor, in dem piezoelektrische Elemente vorgesehen sind. Diese piezoelektrischen Elemente würden dann im Umkehrpunkt des Förderbandes in der radialen Richtung der Umkehrtrommel elastisch deformiert werden und hierdurch eine elektrische Spannung erzeugen. Nachteilig ist hierbei, dass ein solches Förderband über seine gesamte Länge mit den piezoelektrischen Elementen versehen werden müsste, diese jedoch nur über die im Vergleich zur Länge des Förderbandes sehr kurze Strecke des Umlaufs um die
Umlenktrommel mittels des direkten Piezo-Effekts eine elektrische Spannung erzeugen können. Damit ist ein sehr hoher Aufwand zu treiben für einen vergleichsweise geringen Nutzen an hierdurch erzeugter elektrischer Energie, insbesondere unter Beachtung der Kosten der zu verwendenden piezoelektrischen Elemente, unabhängig davon, ob die so erzeugte elektrische Energie selbst genutzt oder sie als Sensorsignal verwendet werden soll.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Sensor der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, dessen mittels des direkten Piezo-Effekts erzeugter Spannung besser als Sensorsignal verwendet werden kann als bisher bekannt. Auch sollen die Kosten für die verwendeten piezoelektrischen Elemente reduziert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Sensor gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieser piezoelektrische Sensor ist zeichnet sich dadurch aus, dass die veränderbare mechanische Belastung im Wesentlichen eine Scherbelastung ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der direkte Piezo-Effekt bei einer Scherbelastung um ein Vielfaches höher ausfällt als bei einer Druckbelastung, weil die Auslenkung des Materials bei einer Scherung weitaus größer ist als bei einer Druckbelastung. Entsprechend kann eine entsprechend größere elektrische Spannung erzeugt werden, die bei einer Nutzung als Sensorsignal auch in entsprechend stärkeres Sensorsignal erzeugt als bei einer im Wesentlichen radialen bzw. senkrechten Belastung der piezoelektrischen Elemente. Auch kann durch die Anordnung mehrerer
piezoelektrischer Elemente und deren kombinierter Auswertung eine aussagekräftigere sensorische Überwachung erfolgen als bisher bekannt. Daher kann diese Erkenntnis auf Belastungsfälle angewendet werden, in denen eine Scherbelastung auftritt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der piezoelektrische Sensor einen Rotationskörper auf, der geeignet ist, eine Rotationsbewegung U zu erzeugen und diese als translatorische Bewegung X auf einen Körper zu übertragen oder eine translatorische Bewegung X von einem Körper aufzunehmen und in eine Rotationsbewegung U zu übertragen. Das wenigstens eine piezoelektrische Element ist auf dem wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf dem Rotationskörper derart vorgesehen, dass der Körper durch seine translatorische Bewegung X eine Scherbelastung auf das piezoelektrische Element ausüben kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass eine derartige Scherbelastung zwischen einem rotierenden Körper (Rotationskörper) und einem sich zu diesem translatorisch bewegendem Körper auftreten kann. So kann zum einen der Rotationskörper zu einer Rotationsbewegung U angetrieben werden und diese in eine translatorische Bewegung X des translatorisch bewegenden Körpers übertragen. Ein solcher Fall ist z.B. bei einer Antriebstrommel eines Förderbandes gegeben. Zum anderen kann auch die translatorische Bewegung X des translatorisch bewegenden Körpers in eine Rotationsbewegung U des Rotationskörpers gewandelt werden. Dies wäre z.B. bei einer Umlenkrolle eines Förderbandes der Fall.
In beiden Fällen wird durch die Wandlung zwischen Rotationsbewegung U und translatorischer Bewegung X eine Scherung des Kontaktmaterials sowohl auf der
Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers als auch auf der Oberfläche der Unterseite des translatorisch bewegenden Körpers bewirkt. Diese fällt weitaus größer aus als die durch Druck verursachte Belastung dieser beiden Oberflächen. Daher lässt sich durch die Ausnutzung der Scherbelastung mittels des direkten Piezo-Effekts eine weitaus größere elektrische Energie und damit ein stärkeres Sensorsignal bzw. bei Verwendung mehrerer einzelner piezoelektrische Elemente eine Vielzahl von Sensorsignalen erzeugen als durch die Ausnutzung der Druckbelastung. Vorteilhaft ist es dabei, dass wenigstens ein piezoelektrisches Element samt elastischem Wandlerelement auf dem Rotationskörper vorzusehen. Das piezoelektrische Element kann dabei direkt als die Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers ausgebildet oder durch eine oder mehrere Schichten von Materialien oder dergleichen nach außen hin geschützt sein. Dabei ist die Anordnung des wenigstens einen piezoelektrischen Elements derart vorzusehen, dass die gewünschte Scherbelastung auf das wenigstens eine piezoelektrische Element wirken kann. Vorzugsweise ist der Rotationskörper eine Antriebstrommel oder eine Umlenktrommel eines Fördergurtanlage, in dessen Trommelbelag das wenigstens eine piezoelektrische Element samt elastischem Wandlerelement vorgesehen ist. Der sich translatorisch bewegende Körper ist dann ein Förderband. Insbesondere bei einer derartigen
piezoelektrischen Energiewandlung ergibt sich der Vorteil, dass lediglich der
Trommelbelag mit dem wenigstens einen piezoelektrischen Element samt elastischem
Wandlerelement ausgestattet sein muss und nicht der Fördergurt selbst. Hierdurch kann die Anzahl der verwendeten piezoelektrischen Elemente deutlich verringert und diese um ein Vielfaches besser ausgenutzt werden als bei einer piezoelektrischen Energiewandlung, bei der der Fördergurt mit piezoelektrischen Elementen ausgestattet ist und die Trommeln nicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Rotationskörper eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen auf jeweils wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf.
Diese segmentierte Anordnung der piezoelektrischen Elemente hat den Vorteil, dass verschiedene Sensorsignale erzeugt werden, die jeweils einem bestimmten Abschnitt der mit piezoelektrischen Elementen ausgestatteten Oberfläche zugeordnet werden können. Somit kann auf diese Weise eine abschnittsweise sensorische Überwachung über den gesamten Umfang des Rotationskörpers erfolgen. Hierdurch lassen sich z.B. Schadstellen oder andere lokale Ereignisse sensorisch erfassen und dem entsprechenden Bereich der Oberfläche zuordnen.
Auch lässt sich der mittels direktem Piezo-Effekt erzeugten Sensorsignale die Belastung der Oberfläche des Rotationskörpers erfassen, um hierdurch Rückschlüsse auf dessen Betriebssituation zu schließen, wie z.B. Gurtlauf, Gurtspannung, Ruhe- und
Nutzungsbogen, Schlupf oder Verunreinigungen.
Derartige Sensorinformationen müssen herkömmlicherweise über unterschiedliche Sensoren erfasst werden, weshalb üblicherweise zum Erfassen derartiger Betriebsdaten sehr viele Sensoren an Gurtförderanlagen installiert sind. Dies führt zu entsprechenden Kosten und einem vergleichsweise hohen Aufwand der Installation und Auswertung.
Hingegen können bei einem erfindungsgemäßen Belag einer Trommel einer Förderanlage, der mit einer Mehrzahl von segmentiert angeordneten piezoelektrischen Elementen versehen ist, diese Betriebsdaten alleine bzw. weitestgehend aus diesen Sensorelementen gewonnen werden, weshalb weitere Sensorinstallationen nicht bzw. weniger als bisher erforderlich sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die mehreren
piezoelektrischen Elemente sowohl in Richtung des Umfangs als auch über die Breite des Rotationskörpers segmentiert ausgeführt und angeordnet.
Dies hat den weiteren Vorteil, dass eine mindestens zweidimensionale sensorische Überwachung der Oberfläche des Rotationskörpers erfolgen kann.
Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit der folgenden Figur erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines piezoelektrischen Sensors. Fig. 1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines piezoelektrischen Sensors
1. In diesem Ausführungsbeispiel weist der piezoelektrische Sensor 1 einen
Rotationskörper 2 in Form einer Trommel 2 einer Fördergurtanlage und einen
translatorisch bewegten Körper 3 in Form eines Fördergurtes auf. Die Trommel 2 kann dabei sowohl eine Antriebstrommel 2 sein, die eine Rotationsbewegung U erzeugt und als translatorische Bewegung X auf den Fördergurt überträgt, als auch eine Umlenktrommel 2, die eine translatorische Bewegung X von dem Fördergurt 3 als Rotationsbewegung U aufnimmt. Die Trommel 2 weist an der Oberfläche 20 ihrer Außenseite eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE auf, die jeweils auf einem elastischen Wandlerelement elastisch gelagert sind.
Wird nun der Fördergurt 3 durch die Trommel 2 angetrieben bzw. treibt der Fördergurt 3 die Trommel 2 an, so berühren sich die Oberfläche 20 der Außenseite der Trommel 2 und die Oberfläche 30 der Unterseite des Fördergurtes 3 ab einem Kontaktaufnahmepunkt 4a bis zu einem Kontaktaufgabepunkt 4b. In diesem Kontaktbereich tritt durch die Wandler zwischen rotatorischer und translatorischer Bewegung U, X eine Scherung der
piezoelektrischen Elemente PE auf, die zu einer Erzeugung von elektrischer Energie durch den direkten Piezo-Effekt führt. Dabei ist die Scherung bei der Kontaktaufnahme der
Oberflächen 20, 30 am Punkt 4a am größten und nimmt über den Kontaktbereich bis zum Kontaktaufgabepunkt 4b hin kontinuierlich ab. In dem Bereich des Umfangs der Trommel
2, in dem kein Kontakt mit dem Fördergurt besteht, tritt keine Scherung der
piezoelektrischen Elemente PE auf.
Bezugszeichenliste
(Teil der Beschreibung)
U Rotationsbewegung
X translatorische Bewegung
1 Piezoelektrischer Sensor
2 Rotationskörper, vorzugsweise Antriebs- oder Umlenktrommel
20 Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers 2
3 (translatorisch bewegter) Körper, vorzugsweise Fördergurt
30 Oberfläche der Unterseite des Körpers 3
4a Kontaktaufnahmepunkt zwischen Rotationskörper 2 und translatorisch bewegtem Körper 3
4b Kontaktaufgabepunkt zwischen Rotationskörper 2 und translatorisch bewegtem Körper 3
PE piezoelektrisches Element
PE1 erstes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen
Elementen PE
PE2 zweites piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE
PEm m-tes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen
Elementen PE
PEn n-tes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen
Elementen PE

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Sensor (1) zum Umwandeln von mechanischer
Umgebungsenergie in elektrische Energie durch Einwirkung einer durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen
Belastung auf wenigstens ein piezoelektrisches Element (PE), so dass es zu einer Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) kommt und wobei durch die Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) elektrische Energie gewonnen wird,
wobei das piezoelektrische Element (PE) auf wenigstens einem elastischen
Wandlerelement vorsehen ist, und
wobei das elastische Wandlerelement eine Wandlung der durch die mechanische Umgebungsenergie bewirkten, veränderbaren mechanischen Belastung in eine definierte Verformung des piezoelektrischen Elementes (PE) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die veränderbare mechanische Belastung im Wesentlichen eine Scherbelastung ist.
2. Piezoelektrischer Sensor (1) nach Anspruch 1, mit
einem Rotationskörper (2), der geeignet ist, eine Rotationsbewegung U zu erzeugen und diese als translatorische Bewegung X auf einen Körper (3) zu übertragen oder eine translatorische Bewegung X von einem Körper (3) aufzunehmen und in eine Rotationsbewegung U zu übertragen,
wobei das wenigstens eine piezoelektrische Element (PE) auf dem wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf dem Rotationskörper (2) derart vorgesehen ist, dass der Körper (3) durch seine translatorische Bewegung X eine Scherbelastung auf das piezoelektrische Element (PE) ausüben kann.
3. Piezoelektrischer Sensor (1) nach Anspruch 2,
wobei der Rotationskörper (2) eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen (PE) auf jeweils wenigstens einen elastischen Wandlerelement aufweist.
4. Piezoelektrischer Sensor (1) nach Anspruch 3,
wobei die mehreren piezoelektrischen Elemente (PE) sowohl in Richtung des Umfangs U als auch über die Breite des Rotationskörpers (2) segmentiert ausgeführt und angeordnet sind.
PCT/EP2013/051873 2012-03-06 2013-01-31 Piezoelektrischer sensor Ceased WO2013131692A1 (de)

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DE102012101847.2 2012-03-06
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