WO2011134789A1 - Piezogenerator mit verschiedenen piezoelementen und elektronische schaltung - Google Patents

Piezogenerator mit verschiedenen piezoelementen und elektronische schaltung Download PDF

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WO2011134789A1
WO2011134789A1 PCT/EP2011/055752 EP2011055752W WO2011134789A1 WO 2011134789 A1 WO2011134789 A1 WO 2011134789A1 EP 2011055752 W EP2011055752 W EP 2011055752W WO 2011134789 A1 WO2011134789 A1 WO 2011134789A1
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piezoelectric element
piezoelectric
voltage converter
voltage
generator according
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PCT/EP2011/055752
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Alexander Frey
Ingo KÜHNE
Matthias Schreiter
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
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    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric generator with different piezo elements and an associated electronic circuit.
  • One way to provide electrical energy is to take advantage of the piezoelectric effect to convert mechanical energy into electrical energy.
  • the voltage and energy generated in the piezoelectric element is generally not directly suitable for an electrical load and in particular not for the system components of a wireless sensor node. For this reason, a specific energy management circuit is used between piezo ⁇ generator and consumer.
  • Such an energy management circuit in CMOS technology is known from "A New Rectifier and Trigger Circuit for a Piezoelectric Microgenerator" (Proceedings of the Eurosensor XXIII, Conference September 2009, Pages 1447-1450).
  • the object of the invention is to provide a cheap and simple piezoelectric generator for converting mechanical in electrical energy with high efficiency and short system startup times.
  • This invention relates to a novel arrangement, ba ⁇ sierend to realize on the piezoelectric effect, for example, a self-contained power supply module for operating a wire ⁇ contact sensor node.
  • the piezoelectric effect is used to convert mechanical energy into electrical energy.
  • genes ⁇ rator is realized for example by means of a bending beam structure.
  • An external environmental force F acts on the piezo layer shown in blue, which is laterally clamped on one side or on two sides.
  • the induced mechanical clamping ⁇ voltage over the piezo specific material constants d (charge constant), and ⁇ (permittivity) is ⁇ converted into an electric energy or voltage Vp Wp.
  • a piezoelectric element which has as large a value as possible for d and at the same time a small value for ⁇ .
  • the voltage level is determined by equation (2). Examples of piezospecific material constants are shown in the following table:
  • the generator is shown as a current source with parallel connected capacity.
  • the higher output voltage is primarily used to drive high-impedance loads such as the gate of a transistor.
  • the Combining the arrangement of the piezoelectric generator and the associated circuit architecture allows the simultaneous optimization of power delivery and voltage levels.
  • the total power flow from the primary environmental energy to the system load can be maximized. This allows greater functionality to be realized, increases system reliability, and reduces system startup times.
  • Figure 1 the piezoelectric bending transducer of a Piezieher- rators
  • Figure 2 another embodiment of the piezoelectric
  • Figure 5 is a block diagram of the electrical circuit of
  • Piezoelectric generator which is nachschaltbar a piezoelectric bending ⁇ converter
  • Figure 6a a clamped between two fasteners piezoelectric bending transducer
  • FIG. 1 a piezoelectric transducer designed as a piezoelectric bending transducer is shown in plan view.
  • the piezoelectric generator 100 is shown in Figure la in side view ent ⁇ long the line C.
  • the piezoelectric bending transducer of Figure la, b has a carrier 1, whose basic shape is triangular.
  • the carrier 1 is laterally borrowed in a fixture 10 clamped.
  • two piezoelectric layers 2,3 are applied next to each other sur fa ⁇ chig:
  • a first piezoelectric element 2 having a first height h 1 and having a triangular basic shape, which is adapted to the triangular shape of the carrier 1 facing away from the fastening 10.
  • first and the second piezoelectric element 2, 3 are each a first and second upper electrode surface 5, 7 are arranged. At the bottom of the first and second
  • Piezo elements 2, 3 are each a first and second lower, the carrier 1 facing the electrode surface 4, 6 are arranged.
  • the first and second piezoelectric elements 2, 3 are arranged at a distance from one another in order to ensure electrical insulation of their upper 5, 7 and lower 4, 6 electrode surfaces.
  • the carrier 1 is designed to be movable and vibratable by its one-sided mounting on the actuating buildin ⁇ 10 at the opposite side of the twentieth
  • an alternating force F By applying an alternating force F, the attachment 10 of the opposite side 20 of the carrier 1 moves up and down in an oscillating movement x.
  • the first and the second piezoelement 2, 3 are subjected to tension or pressure with a first ⁇ 1 and a second mechanical stress ⁇ 2, whereby voltage differences U 1, U 2 between the two
  • the oscillating movement of the carrier 1 opposite side 10 of the carrier 1 can also by vibrations of the Attachment 1 are generated.
  • the mechanical dimensions of the voltage generator 100 are preferably designed so that the vibration frequency of the attachment 1 in the region of the resonant frequency fR of the carrier 1 with the piezo elements 2, 3, whereby a higher electrical power can be achieved.
  • the preferably triangular surface shape of the carrier 1 serves for the uniform distribution of the first and second mechanical stresses ⁇ , ⁇ 2 within the first and second, respectively
  • the first piezoelectric element 3 is designed to optimize the efficiency of the conversion of mechanical energy into electrical energy.
  • the second piezoelectric element 3 is alsobil ⁇ det for optimizing and achieving the highest possible electrical voltage level with compared to the first Piezoele ⁇ ment 2 lower required amount of energy.
  • the piezo elements 2, 3 therefore have the following properties:
  • the charge constants d1, d2 and the permittivities ⁇ , ⁇ 2 of the first piezoelectric element 2 and of the second piezoelectric element 3 have the following relations to one another: dl ⁇ ⁇ ⁇ 2 / ⁇ 2 and dl 2 / ⁇ > ⁇ 2 2 / ⁇ 2
  • the first piezoelectric element 2 is preferably from the group of PZT compounds (lead zirconate titanate) and the second piezoelectric element 3 preferably from the group of zinc oxide compounds (ZnO).
  • the area AI of the first piezoelectric element 2 is greater than the area A2 of the second piezoelectric element 3, preferably at least by a factor of 2, whereby a high overall efficiency of the piezoelectric generator 100 is achieved.
  • the heights h1, h2 of the first and second piezoelectric elements 2, 3 may differ from one another.
  • the piezoelectric generator 100 which Hö ⁇ he hl of the first piezo element 2 is preferably at least a factor 2 larger than the height h2 of the second piezoelectric element.
  • the volumes h1 * A1, h2 * A2 of the first and second piezoelements 2, 3 may differ from one another. To achieve a high overall efficiency of the piezator
  • 100 is the volume hl * Al of the first piezo element 2 virtue ⁇ example by at least a factor of 2 greater than the volume h2 * A2 of the second piezo element 3.
  • the height, area or volume ratios of the first and the second piezoelectric element 2, 3 to ⁇ each other and the materials of the first and the piezoelectric element itself can be optimized depending on the available space and the cost specifications of the piezoelectric generator 100.
  • the first and the second piezoelectric element 2, 3 consist of the same piezoelectric material, and the second piezoelectric material 3 to achieve a desired voltage overshoot U2 / U1 corresponding height ratio h2 / hl have, creating a manufacturing process for the use of a further piezoelectric element is possible.
  • the piezoelectric generator is adapted to the electrical circuit described in FIG. In this, the higher clamping ⁇ voltage U2 of the second piezo element 3 8 while the lower voltage Ul is used with higher available energy to drive the load L is, 13, 15 in Wesentli ⁇ chen for controlling electric switches.
  • FIGS. 2 a, 2 b illustrate a further piezoelectric generator 100, in which, compared to FIG. 1, the first piezoelectric element 9 is located between the attachment 10 and the second
  • Piezo element 8 is located.
  • the second piezoelectric element 8 is triangular-shaped adapted to the basic shape of the carrier 1
  • the first piezoelectric element 9 is trapezoidal adapted to the basic shape of the carrier 1.
  • the area and volume ratios of the first and the second piezoelectric element 9, 8 essentially correspond to the information given in FIG.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the piezoelectric generator 100, with basic forms of the first and second piezoelements 12, 13 that differ from those of FIGS. 1 and 2:
  • the first piezoelectric element 12 Arranged in the shape of an arrow on the triangular support 1 is the first piezoelectric element 12, wherein the tip of the arrow shape points from the attachment 10 to its opposite side 11.
  • the second piezo ⁇ element 13 is embedded in the triangular recess 13 of the arrow-shaped first piezoelectric element 12, the second piezo ⁇ element 13 is embedded.
  • the area and volume ratios of the first and the second piezoelectric element 12, 13 essentially correspond to the information given in FIG.
  • FIG. 4 illustrates a further piezoelectric generator 100, in which the first and the second piezo element 14, 15 are not arranged next to one another, but one above the other, in contrast to the previous FIGS.
  • the first piezoelectric element 14 is applied with its lower, carrier-side electrode 16 to the carrier 1 with a according to the carrier 1 adapted triangular basic shape.
  • the second piezoelectric element 15 is applied with appropriately adapted to the first piezoelectric element 13 Three ⁇ ecksform on the force applied to the first piezoelectric element 14 central electrode 17th On the second piezoelectric element 15 is an upper
  • the middle electrode 17 is the first piezoelectric element 14 as the upper and the second piezoelectric element 15 as a lower electric ⁇ de.
  • the base area A2 of the second piezoelectric element 15 is be ⁇ vorzugt smaller than the base of the first AI Piezoele ⁇ ments fourteenth
  • the piezoelectric generator 100 may strapless be formed (not shown) in Figure 4, when the total height hl + h2 of the first and second piezoelectric element ensures a suffi ⁇ sponding mechanical stability.
  • the piezoelectric bending transducer 100 essentially consists of the first and the second piezoelectric elements arranged one above the other.
  • FIGS. 1 to 4 The geometric basic shapes of the carrier 1 and / or of the first 2, 9, 12, 14 and of the second piezoelement 3, 8, 13, 15 illustrated in FIGS. 1 to 4 may alternatively deviate from the specified shapes and, for example, rectangular, polygonal or semicircular.
  • the respective piezoelectric generator 100 is formed from the figures 1 to 4 cuboid and bilaterial ⁇ tig between a first attachment 1 and clamped a further attachment. 11 Relative movements between the two fasteners 10 and 11 lead to bending of the piezoelectric generator 100 and the already described above converting mechanical energy into electrical energy.
  • FIG. 5 shows the block diagram of a circuit architecture for adapting the output voltages of a piezoelectric generator 100 from FIGS. 1 to 4 and 6 to a load L.
  • each piezoelectric generator part i. for the first piezoelectric element 2, 9, 12, 14 and the second piezoelectric element 3, 8, 13, 12 is a corresponding separate first and second, preferably designed as a voltage converter circuit block SP1, SP2 for generating a rectified voltage signal to a respective first and second capacitor Cl, C2 of a first and second storage node Kl, K2 provided.
  • each circuit block SP1, SP2 has its own startup circuit ST1, ST2.
  • the storage node K2 with higher voltage U02 supplies voltage parts, which preferably consume very little energy, but clearly benefit from a high voltage.
  • a prominent example of such a case is the exemplified as a CMOS transistor switch SW1 of the first circuit block SP1, the gate control line Sl can be acted upon by the higher voltage U02.
  • the gate capacitance of such a transistor must be charged once to a minimum voltage level in order then to enable virtually a low-impedance connection / circuit. The transistor conducts the better, the more voltage is applied to the gate.
  • the piezoelectric generator 100 is shown with the first 2, 9, 12, 14 and the second 3, 8, 13, 15 piezoelectric element as a current source with a capacitance C connected in parallel.
  • the primary energy ie the voltage has entspre ⁇ accordingly the mechanical excitation an oscillating course.
  • a first circuit block SP1 is the output ⁇ voltage UL of the first piezo element 2, 9, 12, 14 on U01 rectified.
  • the output voltage U2 of the second piezoelectric element 3, 8, 13, 15 is rectified by the second circuit block SP2 to U02.
  • the electrical energy is then present at a respective voltage level UO1, U02 at the first and second storage capacitance C1, C2.
  • a start-up circuit is needed that works passively.
  • a corresponding startup circuit ST1, ST2 is provided in the first and in the second circuit block.
  • the higher output voltage U02 of the second circuit block SP2 is used to support the formwork ⁇ processing block 1, for example for faster power-up or for operating the electronic switch SW2.
  • the output voltage U02 on the capacitor C2 becomes the
  • the output voltages UO1 and U02 are supplied to a downstream post-processing circuit PPC for adapting the output voltages UC1, UC2 to the loads L.
  • the higher output voltage U02 at the capacitor C2 is supplied to a large voltage auxiliary circuitry LVAUX. Accordingly, the output voltage Uol of the f ⁇ th circuit block SPl a low voltage auxiliary circuit (small auxiliary voltage circuitry) SVAUX is supplied.
  • the output voltage Uol of the first circuit ⁇ blocks SPl a main power processing circuit (Main Power Processing Unit) is supplied MPPU1 which provides the main power from the first circuit block SPl with high efficiency to the load L.
  • Main Power Processing Unit Main Power Processing Unit

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Abstract

Ein Piezogenerator zum Umwandeln von mechanischer in elektrische Energie ist aus zwei verschiedenen Piezoelementen aufgebaut, die übereinander oder nebeneinander auf einem Träger (1) aufgebracht sind. Das zweite Piezoelement (3, 8, 13, 15) weist eine im Vergleich zum ersten Piezoelement (2, 9, 12, 14) höhere Ausgangsspannung (U2>U1) bei geringerem Wirkungsgrad auf und hat eine geringere Fläche (A2), wodurch die höhere Energieumsetzung des ersten Piezoelements (2, 9, 12, 14) dominiert. Die höhere Ausgangsspannung (U2) dient vorrangig zum Ansteuern von hochohmigen Lasten wie z.B. dem Gate eines Transistors.

Description

Beschreibung
Piezogenerator mit verschiedenen Piezoelementen und elektronische Schaltung
Die Erfindung betrifft einen Piezogenerator mit verschiedenen Piezoelementen und eine dazugehörige elektronische Schaltung.
Der Einsatz von Sensoren, getrieben von neuen Applikationen, aber auch von sinkenden Kosten durch eine Realisierung in MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems) , breitet sich auf immer weitere Einsatzgebiete aus. Besonders interes¬ sant sind hierbei Sensorknoten und Netzwerke, die energieau¬ tark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb der einzelnen Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus der Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Wandler aus der in der Umgebung zur Verfügung stehenden Energie wie z. B. Vibration, Wärme oder Sonne .
Eine Möglichkeit zur Bereitstellung von elektrischer Energie besteht in der Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts, um mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Die im Piezoelement erzeugte Spannung und Energie ist in der Regel nicht direkt für einen elektrischen Verbraucher und insbesondere nicht für die Systemkomponenten eines drahtlosen Sensorknotens geeignet. Aus diesem Grund wird zwischen Piezo¬ generator und Verbraucher eine spezifische Energiemanagement- Schaltung eingesetzt. Aus "A New Rectifier and Trigger Circuit for a Piezoelectric Microgenerator" (Proceedings of the Eurosensors XXIII, Conference September 2009, Pages 1447- 1450) ist eine solche Energiemanagementschaltung in CMOS Technologie bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen günstigen und einfach aufgebauten Piezogenerator zum Umwandeln von mechanischer in elektrischer Energie mit hohem Wirkungsgrad und kurzen Sys- tem-Startup-Zeiten zu realisieren.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen An- spruchs gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt. Gegenstand dieser Erfindung ist eine neuartige Anordnung, ba¬ sierend auf dem piezoelektrischen Effekt, um beispielsweise ein autarkes Energieversorgungsmodul zum Betrieb eines draht¬ losen Sensorknotens zu realisieren. Der piezoelektrische Effekt wird dazu genutzt, um mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Ein solcher Gene¬ rator wird beispielsweise mit Hilfe einer Biegebalkenstruktur realisiert. Eine externe Umgebungskraft F wirkt auf die blau dargestellte Piezoschicht ein, die seitlich einseitig oder zweiseitig eingespannt ist. Die induzierte mechanische Span¬ nung σ wird über die piezospezifischen Materialkonstanten d (Ladungskonstante) und ε (Permittivität) in eine elektrische Energie Wp bzw. Spannung Vp umgewandelt.
Es gelten folgende Zusammenhänge:
Figure imgf000003_0001
Um die gewandelte elektrische Energie zu maximieren, wird ein Piezoelement verwendet, das möglichst eine großen Wert für d und gleichzeitig einen kleinen Wert für ε aufweist. Durch die Wahl des Materials zur Optimierung der Energie ist der Spannungspegel über Gleichung (2) mit festgelegt. Beispiele für piezospezifische Materialkonstanten sind in folgender Tabelle dargestellt:
Figure imgf000004_0001
Mit PZT kann im Vergleich zu ZnO entsprechend Gleichung (1) eine ca. 3,7-fache Energiemenge gewandelt werden. Auf der an¬ deren Seite ist die generierte Spannung im Falle von ZnO um ca. den Faktor 3 größer im Vergleich mit PZT. Energie und Spannung können also nicht unabhängig voneinander eingestellt werden.
Die Grundprinzipien einer Schaltung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines piezo¬ elektrischen Generators sind im Folgenden beschrieben:
Der Generator ist als Stromquelle mit parallel geschalteter Kapazität dargestellt. Die primäre elektrische Energie
(elektrische Spannung) hat entsprechend der mechanischen An¬ regung einen oszillierenden Verlauf. Mit Hilfe eines ersten Schaltungsblocks muss dieses Wechselsignal gleichgerichtet werden. Die elektrische Energie liegt dann bei einem Gleich¬ spannungspegel an einer ersten schaltungsinternen Speicherkapazität vor. Die Energie und Spannung an diesem Knoten wird typischerweise auch zur Versorgung des ersten Schaltungs- blocks verwendet. Für das Hochfahren des Systems, also zu ei¬ nem Zeitpunkt, wo es am ersten Speicherknoten noch nicht genügend Energie zum Betrieb gibt, wird eine Startup-Schaltung benötigt, die passiv funktioniert. Da der Spannungspegel am ersten Speicherknoten in der Regel nicht für den eigentlichen Verbraucher ausreichend ist, wird er in einer zweiten Stufe an die Erfordernisse des Verbrauchers angepasst. Hierfür wer¬ den beispielsweise Ladungspumpen eingesetzt.
Die höhere Ausgangsspannung dient vorrangig zum Ansteuern von hochohmigen Lasten wie z.B. dem Gate eines Transistors. Die Kombination der Anordnung des piezoelektrischen Generators und der dazugehörigen Schaltungsarchitektur erlaubt die gleichzeitige Optimierung von Leistungsbereitstellung und Spannungspegeln. Der Gesamtleistungsfluss von der primären Umweltenergie zum Systemverbraucher kann maximiert werden. Damit kann eine höhere Funktionalität realisiert werden, die Systemzuverlässigkeit wird vergrößert und die System-Startup- Zeiten werden verringert. In den folgenden Figuren sind verschiedene Ausführungen der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Figur 1: den piezoelektrischen Biegewandler eines Piezogene- rators
Figur 2: eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen
Biegewandler aus Figur 1
Figur 3: eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen
Biegewandler aus Figur 1
Figur 4: eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen
Biegewandlers eines Piezogenerators
Figur 5: ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung des
Piezogenerators, die einem piezoelektrischem Biege¬ wandler nachschaltbar ist
Figur 6a: ein zwischen zwei Befestigungen eingespannter piezoelektrischer Biegewandler
In den Figuren haben gleiche bzw. sich entsprechende Einhei- ten die gleichen Bezugszeichen. Die Figuren werden gruppenweise gemeinsam beschrieben.
In Figur la ist ein als piezoelektrischer Biegewandler ausgebildeter Piezogenerator in Aufsicht dargestellt. In Figur lb ist der Piezogenerator 100 aus Figur la in Seitenansicht ent¬ lang dessen Schnittlinie C dargestellt. Der piezoelektrische Biegewandler aus Figur la, b weist einen Träger 1 auf, dessen Grundform dreieckig ausgebildet ist. Der Träger 1 ist seit- lieh in eine Befestigung 10 eingespannt. Auf den Träger 1 sind zwei piezoelektrische Schichten 2,3 nebeneinander flä¬ chig aufgebracht:
- ein erstes Piezoelement 2 mit einer ersten Höhe hl und mit einer dreiecksförmigen Grundform, die an die der Be festigung 10 abgewandten Dreiecksform des Trägers 1 an- gepasst ist.
- ein zweites Piezoelement 3 einer zweiten Höhe h2 und, das zwischen der Befestigung 10 und dem ersten Piezoele ment 2 angeordnet ist und angepasst an die Grundfläche des Trägers 1 trapezförmig ausgebildet ist.
An der Oberseite des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 sind jeweils eine erste und zweite obere Elektrodenfläche 5, 7 angeordnet. An der Unterseite des ersten und zweiten
Piezoelements 2, 3 sind jeweils eine erste und zweite untere, dem Träger 1 zugewandte Elektrodenfläche 4, 6 angeordnet. Das erste und zweite Piezoelement 2, 3 ist zueinander beabstandet angeordnet, um eine elektrische Isolation ihrer oberen 5, 7 und unteren 4, 6 Elektrodenflächen sicherzustellen.
Der Träger 1 ist durch seine einseitige Montage an der Befes¬ tigung 10 an dessen gegenüberliegenden Seite 20 beweglich und schwingfähig ausgebildet. Durch Aufbringen einer Wechselkraft F bewegt sich die der Befestigung 10 gegenüberliegende Seite 20 des Trägers 1 nach oben und unten in einer oszillierenden Bewegung x. Durch diese Bewegung werden das erste und das zweite Piezoelement 2, 3 auf Zug bzw. auf Druck mit einer ersten σ 1 und zweiten mechanischen Spannung σ 2 beansprucht, wodurch jeweils Spannungsdifferenzen Ul, U2 zwischen den
Ober- und Unterseiten des ersten bzw. zweiten Piezoelements 2, 3 entstehen, die über die jeweiligen oberen Elektroden 5, 7 bzw. unteren Elektroden 4, 6 abgegriffen werden und beispielsweise durch eine nachgeschaltete elektrischen Schaltung gemäß Figur 5 an eine Last L angepasst werden können.
Die oszillierende Bewegung der dem Träger 1 gegenüberliegenden Seite 10 des Trägers 1 kann auch durch Vibrationen der Befestigung 1 erzeugt werden. Die mechanischen Abmessungen des Spannungsgenerators 100 werden bevorzugt so ausgelegt, dass die Vibrationsfrequenz der Befestigung 1 im Bereich der Resonanzfrequenz fR des Trägers 1 mit den Piezoelementen 2, 3 liegt, wodurch eine höhere elektrische Leistung erzielbar ist .
Die bevorzugt dreiecksförmige Flächenform des Trägers 1 dient zur gleichmäßigen Verteilung der ersten und zweiten mechani- sehen Spannungen σΐ, σ 2 innerhalb des ersten bzw. zweiten
Piezoelements 2, 3 zwischen der Befestigung 10 und dessen gegenüberliegenden Seite 11.
Das erste Piezoelement 3 ist ausgebildet zur Optimierung des Wirkungsgrads der Umsetzung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Das zweite Piezoelement 3 ist ausgebil¬ det zum Optimieren und Erzielen eines möglichst hohen, elektrischen Spannungspegels mit im Vergleich zum ersten Piezoele¬ ment 2 geringeren erforderlichen Energiemenge.
Die Piezoelemente 2, 3 weisen daher folgende Eigenschaften auf :
Die Ladungskonstanten dl, d2 und die Permittivitäten εΐ, ε2 des ersten Piezoelements 2 bzw. des zweiten Piezoelements 3 weisen folgende Relationen zueinander auf: dl Ιε\< ά2/ε2 und dl2 /εί>ά22/ε2
So stammt das erste Piezoelement 2 bevorzugt aus der Gruppe der PZT-Verbindungen (Blei-Zirkonat-Titanat ) und das zweite Piezoelement 3 bevorzugt aus der Gruppe der Zinkoxid- Verbindungen (ZnO) . Die Fläche AI des ersten Piezoelements 2 ist größer als die Fläche A2 des zweiten Piezoelements 3, bevorzugt mindestens um den Faktor 2, wodurch ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Piezogenerators 100 erzielt wird.
Alternativ können die Höhen hl, h2 des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 voneinander abweichen. Zum Erzielen eines hohen Gesamtwirkungsgrads des Piezogenerators 100 ist die Hö¬ he hl des ersten Piezoelements 2 vorzugsweise um mindestens den Faktor 2 größer als die Höhe h2 des zweiten Piezoelements 3.
Alternativ können die Volumina hl*Al, h2*A2 des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 voneinander abweichen. Zum Er- zielen eines hohen Gesamtwirkungsgrads des Piezogenerators
100 ist das Volumen hl*Al des ersten Piezoelements 2 vorzugs¬ weise um mindestens den Faktor 2 größer als das Volumen h2*A2 des zweiten Piezoelements 3. Es gelten folgende Proportionalitäten zwischen der :
( 3 ) t/1, t/2 * hl, hl, AI, A2,hl * AI, hl * AI
( 4 ) Wpl, Wpl, ~ hl, hl, AI, AI, hl * AI, hl * AI
Durch die Kombination der Höhen-, Flächen- oder Volumenverhältnisse des ersten und des zweiten Piezoelements 2, 3 zu¬ einander und der Materialien des ersten und des Piezoelements selbst können abhängig von dem verfügbaren Bauraum und den Kostenvorgaben der Piezogenerator 100 optimiert werden.
So können beispielsweise das erste und das zweite Piezoele- ment 2, 3 aus dem gleichen Piezomaterial bestehen, und das zweite Piezomaterial 3 zum Erzielen einer der gewünschten Spannungsüberhöhung U2/U1 entsprechende Höhenverhältnis h2/hl aufweisen, wodurch ein Herstellprozess für den Einsatz eines weiteren Piezoelements einsparbar ist. Der Piezogenerator ist an die in Figur 5 beschriebene elektrische Schaltung angepasst. In dieser dient die höhere Span¬ nung U2 des zweiten Piezoelements 3, 8, 13, 15 im Wesentli¬ chen zum Ansteuern von elektrischen Schaltern, während die niedrigere Spannung Ul mit höherer verfügbarer Energie zum Ansteuern der Last L dient.
Die Figuren 2a, 2b stellen einen weiteren piezoelektrischen Generator 100 dar, bei dem im Vergleich zur Figur 1 das erste Piezoelement 9 zwischen der Befestigung 10 und dem zweiten
Piezoelement 8 liegt. Das zweite Piezoelement 8 ist dreiecks- förmig an die Grundform des Trägers 1 angepasst, das erste Piezoelement 9 ist trapezförmig ausgebildet an die Grundform des Trägers 1 angepasst. Die Flächen- und Volumenverhältnisse des ersten und des zweiten Piezoelements 9, 8 entsprechen im Wesentlichen den in Figur 1 genannten Angaben.
Figur 3 stellt eine weitere Ausführungsform des piezoelektrischen Generators 100 dar, mit im Vergleich zu den Figuren 1 und Figur 2 unterschiedlichen Grundformen des ersten und zweiten Piezoelements 12, 13:
Auf den dreiecksförmigen Träger 1 ist pfeilförmig das erste Piezoelement 12 angeordnet, wobei die Spitze der Pfeilform von der Befestigung 10 zu dessen gegenüberliegenden Seite 11 weist. In die dreiecksförmige Aussparung 13 des pfeilförmig ausgebildeten ersten Piezoelements 12 ist das zweite Piezo¬ element 13 eingebettet. Die Flächen- und Volumenverhältnisse des ersten und des zweiten Piezoelements 12, 13 entsprechen im Wesentlichen den in Figur 1 genannten Angaben.
Figur 4 stellt einen weiteren piezoelektrischen Generator 100 dar, bei dem das erste und das zweite Piezoelement 14, 15 im Unterschied zu den vorherigen Figuren 1 bis 3 nicht nebenein- ander, sondern übereinander angeordnet sind.
Das erste Piezoelement 14 ist mit seiner unteren, trägersei- tigen Elektrode 16 auf den Träger 1 aufgebracht mit einer entsprechend an den Träger 1 angepassten dreiecksförmigen Grundform.
Auf die auf das erste Piezoelement 14 aufgebrachte mittlere Elektrode 17 ist das zweite Piezoelement 15 aufgebracht mit entsprechend an das erste Piezoelement 13 angepasster Drei¬ ecksform. Auf das zweite Piezoelement 15 ist eine obere
Elektrodenfläche 18 aufgebracht. Die mittlere Elektrode 17 dient dem ersten Piezoelement 14 als obere und dem zweiten Piezoelement 15 als untere Elektro¬ de. Die Grundfläche A2 des zweiten Piezoelements 15 ist be¬ vorzugt kleiner als die Grundfläche AI des ersten Piezoele¬ ments 14.
Alternativ kann der Piezogenerator 100 aus Figur 4 trägerlos ausgebildet sein (nicht dargestellt) , wenn die Gesamthöhe hl+h2 des ersten und des zweiten Piezoelements eine ausrei¬ chende mechanische Stabilität gewährleistet. Der piezoelekt- rische Biegewandler 100 besteht hier im Wesentlichen aus den übereinander angeordneten ersten und den zweiten Piezoelemen- ten .
Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten geometrischen Grund- formen des Trägers 1 und/oder des ersten 2, 9, 12, 14 und des zweiten Piezoelements 3, 8, 13, 15 können alternativ von den angegebenen Formen abweichen und beispielsweise rechteckig, vieleckig oder halbkreisförmig ausgebildet sein. In Figur 6 ist der jeweilige piezoelektrische Generator 100 aus den Figuren 1 bis 4 quaderförmig ausgebildet und zweisei¬ tig zwischen einer ersten Befestigung 1 und einer weiteren Befestigung 11 eingespannt. Relativbewegungen zwischen den beiden Befestigungen 10 und 11 führen zum Verbiegen des piezoelektrischen Generators 100 und zum bereits oben beschriebenen Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. In Figur 5 ist das Blockschaltbild einer Schaltungsarchitektur zum Anpassen der Ausgangsspannungen eines piezoelektrischen Generators 100 aus den Figuren 1 bis 4 und 6 an eine Last L dargestellt.
Für jeden piezoelektrischen Generatorteil, d.h. für das erste Piezoelement 2, 9, 12, 14 und das zweite Piezoelement 3, 8, 13, 12 ist ein entsprechender separater erster und zweiter, vorzugsweise als Spannungswandler ausgebildeter Schaltungsblock SP1, SP2 zur Erzeugung eines gleichgerichteten Spannungssignals an einen jeweiligen ersten und zweiten Kondensator Cl, C2 eines ersten und zweiten Speicherknotens Kl, K2 vorgesehen. Jeder Schaltungsblock SP1, SP2 verfügt aber über eine eigene Startup-Schaltung ST1, ST2. Der Speicherknoten K2 mit höherer Spannung U02 versorgt dabei Spannungsteile, die vorzugsweise sehr wenig Energie verbrauchen, aber deutlich von einer hohen Spannung profitieren. Ein prominentes Beispiel für einen solchen Fall ist der beispielhaft als CMOS- Transistor ausgebildeter Schalter SW1 des ersten Schaltungsblocks SP1, dessen Gate-Steuerleitung Sl mit der höheren Spannung U02 beaufschlagbar ist. Die Gate-Kapazität eines solchen Transistors muss einmal auf einen Mindest-Spannungs- pegel aufgeladen werden, um dann quasi leistungslos eine nie- derohmige Verbindung/Schaltung zu ermöglichen. Der Transistor leitet dabei umso besser, je mehr Spannung am Gate anliegt.
Ähnliche Überlegungen lassen sich für weitere Schaltungsteile anstellen. Dadurch ist ein optimierter Spannungseinsatz ge- währleistet.
Dabei ist der piezoelektrische Generator 100 mit dem ersten 2, 9, 12, 14 und dem zweiten 3, 8, 13, 15 Piezoelement als Stromquelle mit parallel geschalteter Kapazität C darge- stellt. Die primäre Energie, d.h. die Spannung, hat entspre¬ chend der mechanischen Anregung einen oszillierenden Verlauf. Mithilfe eines ersten Schaltungsblocks SP1 wird die Ausgangs¬ spannung Ul des ersten Piezoelements 2, 9, 12, 14 auf U01 gleichgerichtet. Entsprechend wird die Ausgangsspannung U2 des zweiten Piezoelements 3, 8, 13, 15 durch den zweiten Schaltungsblock SP2 auf U02 gleichgerichtet. Die elektrische Energie liegt dann bei einem jeweiligen Spannungspegel UOl, U02 an der ersten bzw. zweiten Speicherkapazität Cl, C2 vor. Für das Hochfahren des Systems, also zu einem Zeitpunkt, bei dem es an den Speicherknoten Kl, K2 noch nicht genügend Energie zum Betrieb gibt, wird eine Startup-Schaltung benötigt, die passiv funktioniert. Eine entsprechende Startup-Schaltung ST1, ST2 ist in dem ersten und in dem zweiten Schaltungsblock vorgesehen. Weiterhin wird die höhere Ausgangsspannung U02 des zweiten Schaltungsblocks SP2 dazu benutzt, den Schal¬ tungsblock 1 zu unterstützen, beispielsweise zum schnelleren Hochfahren oder zum Betreiben des elektronischen Schalters SW2. Die Ausgangsspannung U02 am Kondensator C2 wird der
Steuerung Sl des elektrischen Schalters SWl zugeführt. Die Ausgangsspannungen UOl und U02 werden einer nachgeschalteten Nachverarbeitungsschaltung PPC zum Anpassen der Ausgangsspannungen UC1, UC2 an die Lasten L zugeführt. Die höhere Aus- gangsspannung U02 am Kondensator C2 wird einer Großspannungs- Hilfsschaltung (large voltage auxiliary circuitry) LVAUX zugeführt. Entsprechend wird die Ausgangsspannung UOl des ers¬ ten Schaltungsblocks SPl einer Niederspannungs-Hilfsschaltung (small voltage auxiliary circuitry) SVAUX zugeführt. Gleich- zeitig wird die Ausgangsspannung UOl des ersten Schaltungs¬ blocks SPl einer Hauptleistungs-Verarbeitungsschaltung (Main Power Processing Unit) MPPU1 zugeführt, die die Hauptenergie aus dem ersten Schaltungsblock SPl mit hohem Wirkungsgrad an die Last L liefert.

Claims

Patentansprüche
1. Piezogenerator mit einem ersten Piezoelement (2, 9, 12, 14) und einem zweiten Piezoelement (3, 8, 13, 15), die mit- einander in mechanischer Wirkverbindung stehen und zumindest an einer Stelle, bevorzugt an einer Seite an einer Befesti¬ gung (1) einspannbar sind oder eingespannt sind, wobei a) die jeweilige Ladungskonstanten dl, d2 des ersten Piezo- elements (2, 9, 12, 14) bzw. des zweiten Piezoelements (3, 8, 13, 15) und die Permittivitäten εΐ, ε2 des ersten Piezo¬ elements (2, 9, 12, 14) bzw. des zweiten Piezoelements (3, 8, 13, 15) folgende Relationen zueinander aufweisen: dl /£l < d2/£2
und zugleich
dl2 / l > d22/ 2
und/oder
b) die Höhe (h2) des zweiten Piezoelements (3, 8, 13, 15) größer ist als die Höhe (hl) des ersten Piezoelements (2, 9, 12, 14), vorzugsweise mindestens um den Faktor 2; und/oder c) die Fläche (AI) und/oder das Volumen (hl*Al) des ersten Piezoelements (2, 9, 12, 14) größer als die Fläche (A2) bzw. das Volumen (hl*A2) des zweiten Piezoelements (3, 8, 13, 15) ist, vorzugsweise mindestens um den Faktor 2.
2. Piezogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Piezoelement (2, 9, 12, 14) aus der Gruppe der Blei-Zirkonat-Titanat Verbindungen (PZT) und das zweite Pie¬ zoelement (3, 8, 13, 15) aus der Gruppe der Zinkoxide (ZnO) stammt.
3. Piezogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (2, 9, 12, 14) und das zweite Piezoelement das zweite Piezoelement (3, 8, 13, 15) gleich sind oder zumindest aus der gleichen Gruppe von Piezomaterialien sind.
4. Piezogenerator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (2, 9, 12, 14) und das zweite Piezoelement (3, 8, 13, 15) übereinander und/oder ne¬ beneinander angeordnet sind.
5. Piezogenerator nach einem der vorherigen Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das erste (2, 9, 12, 14) und das zweite Piezoelement (3, 8, 13, 15) auf einem zumindest an ei¬ ner Seite (10) oder zwischen zwei Seiten (10, 11) angeordne¬ ten Träger (1) aufgebracht sind und jeweils als Biegewandler zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie wirken, wobei das zweite Piezoelement (3, 8, 13, 15) bei wie¬ derholter Bewegung des Trägers (1) eine höhere elektrische Spannung (U2>U1) erzeugt als das erste Piezoelement (2, 9, 12, 14) .
6. Piezogenerator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (2, 9, 12, 14) Piezoele¬ ment aus den vorgegebenen mechanischen Bewegungen eine höhere elektrische Energiemenge erzeugt als durch das zweite Piezo¬ element (3, 8, 13, 15) aus der mechanischen Energie umwandel- bar ist.
7. Elektronische Schaltung, speisbar durch einen Piezogenerator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Piezoelement (2, 9, 12, 14) elekt- risch mit einem ersten Spannungswandler (SP1) verbunden ist, das zweite Piezoelement (3, 8, 13, 15) elektrisch mit einem zweiten Spannungswandler (SP2) verbunden ist, wobei der Ausgang des zweiten Spannungswandlers (SP2) dem Steuereingang (Sl) zumindest eines ersten elektronischen Schalters (SW1) und/oder weiterer Bauteile des ersten Spannungswandlers (SP1) zugeordnet ist, wobei im nach dem Startup des ersten Span¬ nungswandlers (SP1) die Höhe der Spannung am Ausgang des zweiten Spannungswandlers (SP2) zum Ansteuern des elektronischen Schalters (SW1) und/oder weiterer Bauteile des ersten Spannungswandlers (SP1) ausreicht.
8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Spannungswandler (SP1, SP2) jeweils eine passive Startup-Schaltung (ST1, ST2) aufweisen, mit deren Hilfe der jeweilige Spannungswandler (SP1, SP2) beschleunigt hochfährt.
9. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und dem zweiten Spannungs¬ wandler (SP1, SP2) eine Nachverarbeitungsschaltung (PPC) zum Anpassen der Ausgangsleistung des ersten Spannungswandlers (SP1) an die Last (L) angeordnet ist.
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