DE202004017906U1 - Spannungsgenerator mit einem piezoelektrischen Wandlerelement - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Spannungsgenerator mit mindestens einem nach Art einer an einem Ende eingespannten Blattfeder ausgebildeten piezoelektrischen Wandlerelement, in das zur Spannungserzeugung unter Umwandlung kinetischer in elektrische Energie schnelle Schwenkbewegungen einleitbar sind.
- Ein zur Erzeugung eines Funksignales dienender Spannungsgenerator ist aus der
DE 102 56 156 A1 bekannt. Bei dem bekannten Spannungsgenerator wird die zur Erzeugung der elektrischen Energie dienende kinetische Energie durch eine Totpunktmechanik mit Federkraft erzeugt, wobei zum Betätigen der Totpunktmechanik zwei Hebel und ein durch die Hebel verlagerbarer Schieber dienen. Der bekannte Spannungsgenerator vermag insofern nicht voll zu befriedigen, als der mechanische Verschleiß im Bereich der Totpunktmechanik und ihrer Betätigungsmittel insbesondere in Fällen, in denen die Zahl der zu erzeugenden Spannungsimpulse größer als bei Schaltern ist, zu Problemen führen kann. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsgenerator der in Betracht gezogenen Art zu schaffen, bei dem die Beaufschlagung des Wandlerelementes mit kinetischer Energie und deren Umwandlung in elektrische Energie ohne Zwischenschaltung von verschleißanfälligen Teilen erfolgt.
- Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Wandlerelement einen mindestens auf einer Seite mit einem Piezoelement versehenen Träger aufweist, dass mindestens das dem eingespannten Ende des Wandlerelementes abgewandte Ende des Trägers ferromagnetisch ausgebildet ist und dass zur Einleitung der Schwenkbewegung in das Wandlerelement mindestens zwei eine Relativbewegung gegenüber dem freien Ende des Trägers ausführende, gegenpolige Magnete dienen, die einander benachbart sind.
- Der erfindungsgemäße Spannungsgenerator eignet sich in besonderem Maße für den Einsatz in Vorrichtungen, bei denen die Relativbewegungen zwischen dem Wandlerelement und den Magneten vergleichsweise niedrig sind. Soll er hingegen beispielsweise zur Energieversorgung von Umdrehungszählern für einen weiten Drehzahlbereich eingesetzt werden, so empfiehlt es sich, ihn zusätzlich mit mindestens einem von einer Spule gebildeten, induktiven Wandlerelement auszustatten.
- Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen. Es zeigen:
-
1a –c schematisch die Wirkungsweise eines Spannungsgenerators, der zur Erzeugung eines Zählsignales genutzt wird, -
2 in vergrößertem Maßstab Einzelheiten des Spannungsgenerators gemäß den1a bis1c , -
3 schematisch die Verwendung eines Spannungsgenerators in einem im Bereich niedriger Drehzahlen arbeitenden Umdrehungszähler, -
4 die durch den Spannungsgenerator gemäß3 erzeugten Spannungen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Umdrehungszählers, -
5 schematisch die Verwendung eines Spannungsgenerators in einem sowohl im Bereich niedriger als auch hoher Drehzahlen arbeitenden Umdrehungszähler, -
6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in5 und -
7 die durch den Spannungsgenerator gemäß5 und6 erzeugten Spannungen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Umdrehungszählers. - In den
1a bis1c ist mit1 ein Schlitten bezeichnet, der in Richtung der Pfeile2 und3 hin- und hergehende Bewegungen ausführt, die erfasst werden sollen. Um für die Zählung geeignete Signale zu erzeugen, ist der Schlitten1 an seiner Unterseite mit zwei unmittelbar hintereinander angeordneten gegenpoligen Permanentmagneten4 und5 versehen, deren Nord-Südachsen parallel zur Zeichnungsebene verlaufen. Unterhalb des Schlittens1 ist ein mit seinem unteren Ende in einem ortfesten Sockel6 eingespanntes Wandlerelement7 angeordnet, das im dargestellten Fall aus einem von einer ferromagnetischen Blattfeder gebildeten Träger8 besteht, der an seinen sich gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einem streifenförmigen Piezoelement9 bzw.10 versehen ist. Sowohl die Polflächen der Permanentmagnete4 ,5 als auch die den Polflächen zugewandte Stirnfläche des Trägers8 haben vorzugsweise die Form von Rechtecken, deren Längsachsen senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet sind. - Nähert sich der Magnet
4 dem Ende der Blattfeder8 , so schließt sich das Magnetfeld11 der Magnete4 ,5 über die Blattfeder8 , die ein gewisses Stück mitgenommen wird und aus der in1a gezeigten Position in die Position gemäß1b übergeht. - Sobald die Rückstellkraft der Blattfeder
8 die magnetische Kraft übersteigt, schnappt die Blattfeder8 in ihre Ausgangsstellung, d. h. in die Position gemäß1c zurück; dabei wird sie vom Magneten5 gewissermaßen eingefangen. Durch die infolge der schlagartigen Schwenkbewegung der Blattfeder8 verursachte Biegung der Piezoelemente9 ,10 werden Spannungsimpulse erzeugt, mit denen eine Auswerte-Elektronik gespeist werden kann. - Einzelheiten des Aufbaus des Wandlerelementes
7 ergeben sich aus2 , der entnommen werden kann, dass ein Ende12 der Blattfeder8 in einem Sockel6 befestigt ist, der ein Ausnehmung13 aufweist, die mit einem schwingungsdämpfenden Material14 ausgefüllt ist. - Anstatt an einem Schlitten können die Permanentmagnete
4 und5 auch an einer rotierenden Scheibe15 eines Umdrehungszählers befestigt werden, wie dies die3 zeigt, in der die Nord-Südachsen der Permanentmagnete4 ,5 senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen. Die in3 angedeutete Lösung führt allerdings nur im Bereich vergleichsweise geringer Umdrehungszahlen zu befriedigenden Ergebnissen. Der Grund hierfür besteht darin, dass ab einer bestimmten Drehzahl, die von der Resonanzfrequenz des auch hier von einer Blattfeder gebildeten Trägers8 mit den auf ihm befestigten Piezoelementen9 und10 abhängt, keine Mitnahme der Blattfeder8 durch die Permanentmagnete4 und5 mehr erfolgt. Die Größe der von einem in einen Umdrehungszähler eingebauten Spannungsgenerator gemäß3 erzeugten Spannungen U in Abhängigkeit von der Drehzahl n ist in4 dargestellt. Auch in diesem Fall haben die Polflächen der Permanentmagnete4 ,5 , deren Nord-Südachsen senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen, und die Stirnfläche des Trägers8 die Form von Rechtecken, deren Längsachsen in diesem Fall radial nach außen gerichtet sind und während der Spannungserzeugung mithin ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Es versteht sich, dass das ortsfeste Wandlerelement in der Praxis oberhalb der Zeichnungsebene liegt. - Sollen mit einem Spannungsgenerator größere Drehzahlbereiche erfasst werden, so erweist es sich als erforderlich, das piezoelektrische Wandlerelement
7 durch ein von einer Spule gebildetes, induktives Wandlerelement16 zu ergänzen und Permanent magnete17 ,18 zu verwenden, deren Polflächen gleichzeitig beide ortsfesten Wandlerelemente7 und16 passieren. Eine entsprechende Lösung ist schematisch in den5 und6 dargestellt, die die hier interessierenden wesentlichen Teile eines mit vier umlaufenden Magnetpaaren17 ,18 ausgestatteten Umdrehungszählers zeigen. Wie der7 entnommen werden kann, werden bei der Ausführungsform gemäß den5 und6 die erzeugten Spannungen U beim Überschreiten der Drehzahl ns von der Spule16 geliefert. - Die bei den beschriebenen Konstruktionen erzeugten Spannungsimpulse lassen sich nicht nur zur Lieferung von Mess- oder Zählsignalen, sondern auch zu einer gleichzeitigen oder alleinigen Energieversorgung einer Mikroprozessorschaltung nutzen.
Claims (9)
- Spannungsgenerator mit mindestens einem nach Art einer an einem Ende eingespannten Blattfeder ausgebildeten, piezoelektrischen Wandlerelement, in das zur Spannungserzeugung unter Umwandlung kinetischer in elektrische Energie schnelle Schwenkbewegungen einleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (
7 ) einen mindestens auf einer Seite mit einem Piezoelement (9 ,10 ) versehenen Träger (8 ) aufweist, dass mindestens das dem eingespannten Ende des Wandlerelementes (7 ) abgewandte Ende des Trägers (8 ) ferromagnetisch ausgebildet ist und dass zur Einleitung der Schwenkbewegung in das Wandlerelement mindestens zwei eine Relativbewegung gegenüber dem freien Ende des Trägers (8 ) ausführende, gegenpolige Magnete (4 ,5 ;17 ,18 ) dienen, die einander benachbart sind. - Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenpoligen Magnete (
4 ,5 ;17 ,18 ) in Richtung der Relativbewegung zwischen ihnen und dem Wandlerelement jeweils unmittelbar hintereinander angeordnet sind. - Spannungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
8 ) von einer Blattfeder aus ferromagnetischem Material gebildet wird. - Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
8 ) auf beiden Seiten mit jeweils einem streifenförmigen Piezoelement (9 ,10 ) versehen ist. - Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Wandlerelement (
7 ) im Bereich seines eingespannten Endes Schwingungen des Trägers (8 ) unterdrückende Dämpfungsmittel (14 ) zugeordnet sind. - Spannungsgenerator nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er als Signalgeber und/oder Energieerzeuger ausgebildet ist.
- Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich mit mindestens einem von einer Spule gebildeten, induktiven Wandlerelement (
16 ) ausgestattet ist. - Spannungsgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (
7 ) und das induktive Wandlerelement (16 ) synchron durch mindestens ein Magnetpaar mit den Feldern der Magnete (17 ,18 ) des Magnetpaares beaufschlagbar sind. - Spannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen der Permanentmagnete (
4 ,5 ) und die Stirnfläche des Trägers (8 ) die Form von Rechtecken haben, deren Längsachsen während der Spannungserzeugung im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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