DE102009043217A1 - A piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy by means of a fluid flow, method of converting mechanical energy into electrical energy using the energy converter, and using the method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Ebenso wird ein entsprechendes Verfahren angegeben. Auf der Basis der Schwingungen wird mechanische Kraft in das Piezoelement eingekoppelt. Über die Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts wird elektrische Energie gewonnen. Realisiert ist der piezoelektrische Energiewandler vorzugsweise in der MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie. Verwendung finden die Vorrichtung und das Verfahren im Zusammenhang mit energieautarken Systemen, beispielsweise in der Reifensensorik.The invention relates to a piezoelectric energy converter for converting mechanical energy into electrical energy with at least one piezoelectric element into which a mechanical force caused by a fluid flow can be coupled in such a way that the piezoelectric element is excited to mechanical vibrations. A corresponding procedure is also given. Mechanical force is coupled into the piezo element on the basis of the vibrations. Electrical energy is generated by using the piezoelectric effect. The piezoelectric energy converter is preferably implemented using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. The device and the method are used in connection with energy self-sufficient systems, for example in tire sensors.
Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Daneben werden ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe des piezoelektrischen Energiewandlers und eine Verwendung des Verfahrens angegeben.The The invention relates to a piezoelectric energy converter for converting from mechanical energy to electrical energy. Beyond that a method for converting mechanical energy into electrical Energy with the help of the piezoelectric energy converter and a Use of the method indicated.
Sensoren, die auf der MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)-Technologie basieren, werden zunehmend eingesetzt. Besonders interessant sind hierbei Sensorknoten und Netzwerke, die energieautark funktionieren. Solche Systeme beziehen die zum Betrieb einzelner Komponenten notwendige elektrische Energie nicht aus einer Netzversorgung oder einer Batterie, sondern über einen geeigneten Energiewandler aus der Umgebung.sensors based on MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, are increasingly being used. Particularly interesting are here Sensor nodes and networks that are energy self-sufficient. Such Systems draw the necessary for the operation of individual components electrical Energy not from a mains or a battery, but over one suitable energy converter from the environment.
Ein bedeutendes Feld liegt dabei in der Automobilindustrie, beispielsweise im Zusammenhang mit Reifenkontrollsystemen (Reifensensorik). Heutige Reifendruckkontrollsysteme überwachen Druckschwankungen im Autoreifen, indem sie Druck und Temperatur in bestimmten Intervallen messen und die Ergebnisse drahtlos an eine Kontrolleinheit senden. Dafür notwendige elektrische Bauteile sind über ein Ventil an einer Felge des Autoreifens befestigt. Die für den Betrieb des Reifendruckkontrollsystems notwendige Energie wird von einer Batterie geliefert. Die Batterie begrenzt die Lebensdauer des Reifendruckkontrollsystems.One Significant field lies in the automotive industry, for example in connection with tire control systems (tire sensors). today Monitor tire pressure monitoring systems Pressure fluctuations in the car tire by changing pressure and temperature at certain intervals measure and wireless the results send a control unit. Therefore necessary electrical components are via a valve on a rim attached to the car tire. The for the operation of the tire pressure monitoring system necessary energy is supplied by a battery. The battery limits the life the tire pressure monitoring system.
Neue Konzepte erfordern, dass das Reifendruckkontrollsystem nicht mehr auf der Felge, sondern direkt auf der Innenseite des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfläche) platziert wird.New Concepts require that the tire pressure monitoring system stop working on the rim, but placed directly on the inside of the tire lash (tire contact patch) becomes.
Auf diese Weise ist es möglich, neben Druck und Temperatur auch physikalische Eigenschaften zwischen Autoreifen und Fahrbahn zu vermessen und daraus gewonnene Daten für eine Fahrdynamik nutzbar zu machen. Eine derartige Ausweitung des Reifenkontrollsystems bedeutet aber kürzere Mess- und Sendeintervalle, eine höhere Messfrequenz und damit eine wesentlich kürzere Lebensdauer der Batterie.On this way it is possible besides pressure and temperature also physical properties between Car tire and road to measure and derived data for one Harness driving dynamics. Such an extension of the tire control system but means shorter Measurement and transmission intervals, a higher measurement frequency and thus a much shorter one Battery life.
Darüber hinaus ist es notwendig, das Reifenkontrollsystem zu miniaturisieren, so dass dessen Masse erheblich reduziert und damit eine Laufeigenschaft des Autoreifens nicht negativ beeinflusst wird (zum Beispiel durch größere Unwucht).Furthermore it is necessary to miniaturize the tire control system, so that its mass is significantly reduced and thus a running property of the car tire is not adversely affected (for example by major imbalance).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Energiewandler bereitzustellen, der für den Einsatz für Reifenkontrollsysteme geeignet ist.task It is the object of the present invention to provide a piezoelectric energy converter to provide for the use for Tire control systems is suitable.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit mindestens einem piezoelektrischen Element (Piezoelement) angegeben, in das eine durch einen Fluidstrom hervorgerufene mechanische Kraft derart eingekoppelt werden kann, dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.to solution The object is a piezoelectric energy converter for converting from mechanical energy to electrical energy with at least one piezoelectric element (piezoelectric element) specified in the one coupled by a fluid flow induced mechanical force such can be that the piezoelectric element to mechanical vibrations is stimulated.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des piezoelektrischen Energiewandlers durch Einkoppeln einer durch den Fluidstrom hervorgerufenen Kraft in das piezoelektrische Element angegeben, so dass das piezoelektrische Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird.to solution The object is also a method for converting mechanical Energy into electrical energy using the piezoelectric Energy converter by coupling a caused by the fluid flow Force indicated in the piezoelectric element, so that the piezoelectric Element is excited to mechanical vibrations.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung des Verfahrens zur Gewinnung von elektrischer Energie angegeben. Die Art der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Fluidstrom auftritt, beispielsweise in einem Reifen eines Kraftfahrzeugs.According to one Another aspect of the invention is a use of the method indicated for the production of electrical energy. The type of transformation from mechanical energy to electrical energy can be everywhere be used, where a fluid flow occurs, for example in a tire of a motor vehicle.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, den Fluidstrom derart an einem geeignet ausgestalteten piezoelektrischer Element vorbeizuleiten, dass dieses zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese mechanischen Schwingungen werden dazu benutzt, elektrische Energie zu gewinnen.The basic idea of the invention is the fluid flow in such a way Passing past a suitably designed piezoelectric element, that this is excited to mechanical vibrations. This mechanical Vibrations are used to generate electrical energy.
Das Fluid ist vorzugsweise ein Gas oder Gasgemisch. Denkbar ist auch ein Fluid in Form einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit ist dabei vorzugsweise elektrisch isolierend.The Fluid is preferably a gas or gas mixture. It is also possible a fluid in the form of a liquid. The liquid is preferably electrically insulating.
Das piezoelektrische Element weist eine Schichtfolge aus Elektrodenschicht, piezoelektrischer Schicht und weiterer Elektrodenschicht auf. Mehrere derartige Schichtfolgen können dabei übereinander gestapelt sein, so dass ein Mehrschichtaufbau mit übereinander gestapelten, alternierend angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten resultiert.The piezoelectric element has a layer sequence of electrode layer, piezoelectric layer and further electrode layer. Several such layer sequences can one above the other be stacked, making a multi-layer construction with one above the other stacked, alternately arranged electrode layers and piezoelectric layers results.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten kann aus verschiedensten Metallen beziehungsweise Metall-Legierungen bestehen. Beispiele für das Elektrodenmaterial sind Platin, Titan und eine Platin/Titan-Legierung. Denkbar sind auch nichtmetallische, elektrisch leitende Materialien.The Electrode material of the electrode layers can be made of a variety of Metals or metal alloys exist. Examples of the electrode material are platinum, titanium and a platinum / titanium alloy. Are conceivable also non-metallic, electrically conductive materials.
Die piezoelektrische Schicht kann ebenfalls aus unterschiedlichsten Materialen bestehen. Beispiele hierfür sind piezoelektrische keramische Materialen wie Bleizirkonattitanat (PZT), Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (AlN). Piezoelektrische organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind ebenfalls denkbar.The piezoelectric layer may also consist of different materials. Examples include piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN). Piezoelectric organic materials such as polyvinylidene difluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) are also conceivable.
Das piezoelektrische Biegelement ist vorzugsweise als Piezo-Fahne ausgebildet. Dazu ist das Biegelement beispielsweise ein piezoelektrischer Biegewandler. Zum Herstellen des Biegewandlers werden beispielsweise mit einer Metallisierung für die Elektrodenschichten bedruckte keramische Grünfolien übereinander gestapelt und gesintert. Es entsteht ein monolithischer Biegewandler. Dabei kann der Biegewandler beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise Bimorph.The piezoelectric bending element is preferably formed as a piezo-flag. For this purpose, the bending element is for example a piezoelectric bending transducer. For producing the bending transducer, for example, with a Metallization for the ceramic layers printed ceramic green sheets stacked and sintered. The result is a monolithic bending transducer. In this case, the bending transducer be configured arbitrarily, for example bimorph.
Im Hinblick auf die angestrebte Miniaturisierung eignet sich zur Realisierung des Biegewandlers besonders die MEMS-Technologie. Mit dieser Technologie ist ein piezoelektrischer Energiewandler mit sehr kleinen lateralen Abmessungen zugänglich. Darüber hinaus können sehr dünne Schichten ausgebildet werden. So betragen die Schichtdicken der Elektrodenschichten beispielsweise 0,1 μm bis 0,5 μm. Die piezoelektrische Schicht ist wenige μm dick, beispielsweise 1 μm bis 10 μm. Das piezoelektrische Element ist als dünne piezoelektrische Membran ausgestaltet. Das piezoelektrische Element verfügt über eine sehr geringe Masse. Außerdem kann ein solches piezoelektrische Element leicht zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Zur Vervollständigung des Piezoelements in Form einer piezoelektrischen Membran kann eine Trägerschicht vorgesehen sein, beispielsweise eine Trägerschicht aus Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Eine Schichtdicke der Trägerschicht ist aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählt.In view of the desired miniaturization is particularly suitable for the realization of the bending transducer, the MEMS technology. With this technology, a piezoelectric energy converter with very small lateral dimensions is accessible. In addition, very thin layers can be formed. For example, the layer thicknesses of the electrode layers are 0.1 μm to 0.5 μm. The piezoelectric layer is a few microns thick, for example, 1 micron to 10 microns. The piezoelectric element is designed as a thin piezoelectric membrane. The piezoelectric element has a very low mass. In addition, such a piezoelectric element can be easily excited to mechanical vibrations. To complete the piezoelectric element in the form of a piezoelectric membrane, a carrier layer may be provided, for example a carrier layer of silicon, polysilicon, silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). A layer thickness of the carrier layer is selected from the range of 1 .mu.m to 100 .mu.m.
In einer besonderen Ausgestaltung ist ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer vorhanden, in der das piezoelektrische Element angeordnet ist und durch die der Fluidstrom geleitet werden kann. Beispielsweise verfügt eine Gehäuse-Wandung des Gehäuses über einen Fluidstrom-Einlass und einen Fluidstrom-Auslass. Durch den Fluidstrom-Einlass beziehungsweise durch den Fluidstrom-Auslass strömt das Fluid in die Gehäusekammer hinein beziehungsweise aus der Gehäusekammer heraus. Das Fluid wird dabei an dem piezoelektrischen Element vorbeigeleitet und bringt es zum Schwingen.In a particular embodiment is a housing with a housing chamber present, in which the piezoelectric element is arranged and through which the fluid stream can be passed. For example, has one Housing wall of the housing over a Fluid flow inlet and a fluid flow outlet. Through the fluid flow inlet or through the fluid flow outlet, the fluid flows into the housing chamber into or out of the housing chamber. The fluid is guided past the piezoelectric element and brings it to swing.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckstoßes des Fluidstroms vorhanden. Aufgrund des Druckstoßes wird das Piezoelement zu mechanischen Schwingungen angeregt. Bei einer fluidischen Stoßanregung erfährt das Piezoelement, beispielsweise die Piezo-Fahne, eine abklingende Schwingung. Über den piezoelektrischen Effekt wird eine periodische Ladungstrennung zwischen den Elektroden erzeugt. Der daraus gewinnbare Ladungsfluss steht dann extern als elektrische Energie zur Verfügung.According to one special embodiment is a device for generating a Pressure surge of the Fluid flow available. Due to the pressure surge, the piezo element becomes too stimulated mechanical vibrations. In a fluidic shock excitation learns the piezoelectric element, for example, the piezo-flag, a decaying Vibration. about the piezoelectric effect becomes a periodic charge separation generated between the electrodes. The resulting charge flow is then available externally as electrical energy.
Um zu gewährleisten, dass die Kraft des Druckstoßes effizient in das Piezoelement eingekoppelt werden kann, ist das Piezoelement beispielsweise gekrümmt oder es befinden sich an seiner Oberfläche geeignete Anströmungsgeometrien.Around to ensure, that the force of the pressure surge can be efficiently coupled into the piezo element, that is Piezo element, for example, curved or there are on its surface suitable Anströmungsgeometrien.
Bei der Erzeugung des Piezoelements mit Hilfe der MEMS-Technologie ist es über entsprechenden lateralen Zug- bzw. Druckstress in und zwischen den einzelnen Schichten möglich, den Schichtstapel so herzustellen, dass er sich nach Freilegen von Schichten krümmt bzw. leicht aufrollt.at the generation of the piezoelectric element by means of MEMS technology, it is about corresponding lateral tension or pressure stress in and between the individual layers possible, make the layer stack so that it turns out after exposure of Layers bends or slightly rolling up.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Druckstoßes eine elastisch verformbare Wandung auf. Die elastisch verformbare Wandung ist beispielsweise eine Wandung einer Kavität im Mantel eines Autoreifens. Die elastisch verformbare Wandung ist mit dem Autoreifen derart verbunden, dass eine definierte Verformung des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfläche) zu einer definierten Verformung der Wandung der Kavität und damit zu einer definierten Verformung der Kavität führt. Aufgrund der definierten Verformung der Kavität bildet sich ein definierter Druckstoß. Im Hinblick auf die oben beschriebene Reifensensorik ist eine solche Lösung besonders vorteilhaft, da durch den Reifen selbst die für den Betrieb der Reifensensorik notwendige Energie bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus sind die beschriebenen Verformungen unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Es ist lediglich eine Frequenz der Bildung der Druckstöße von der Fahrgeschwindigkeit abhängig.Preferably has the device for generating a pressure surge a elastically deformable wall on. The elastically deformable wall For example, is a wall of a cavity in the shell of a car tire. The elastically deformable wall is so with the car tire connected to that a defined deformation of the tire lash (tire contact patch) too a defined deformation of the wall of the cavity and thus leads to a defined deformation of the cavity. Due to the defined Deformation of the cavity forms a defined pressure surge. With regard to the above tire sensor system described is such a solution particularly advantageous because by the tire itself for provided the operation of the tire sensors necessary energy can be. About that In addition, the deformations described are independent of the driving speed. It is merely a frequency of the formation of the pressure surges of the driving speed dependent.
Denkbar ist ebenso eine elastisch verformbare Wandung, die in die Gehäuse-Wandung des Gehäuses des piezoelektrischen Wandlers integriert ist und somit Bestandteil der Gehäuse-Wandung ist. Die elastisch verformbare Wandung ist beispielsweise eine Gummi-Membran.Conceivable is also an elastically deformable wall, in the housing wall of the housing the piezoelectric transducer is integrated and thus part the housing wall is. The elastically deformable wall is for example a rubber membrane.
Mit Hilfe der Vorrichtung zur Erzeugung des Druckstoßes resultiert ein zeitlich sich ändernder Fluidstrom. Es wird ein sich zeitlich ändernder Fluidstrom verwendet. Dabei der sich zeitlich ändernde Fluidstrom nicht nur durch einen Druckstoß, sondern auch durch permanente Druckschwankungen ausgelöst werden, wie sie üblicherweise in Autoreifen während des Abrollens auftreten.With Help of the device for generating the pressure surge results in a time changing Fluid flow. It is a time-varying fluid flow is used. The time-varying fluid flow not just by a surge of pressure, but also be triggered by permanent pressure fluctuations, as they usually do in car tires during of unwinding.
Es ist aber auch denkbar, dass ein stationärer (zeitinvarianter) Fluidstrom zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Elements verwendet wird. Dazu ist beispielsweise in der Gehäusekammer ein Fluidstrom-Hindernis platziert. Durch das Vorbeileiten des Fluidstroms am Fluidstrom-Hindernis kommt es zu Verwirbelungen, die dazu führen, dass ein frei bewegliches Piezoelement zu Schwingungen angeregt wird.However, it is also conceivable that a stationary (time-invariant) fluid flow is used to generate the mechanical vibrations of the piezoelectric element. For this purpose, for example, a fluid flow obstacle is placed in the housing chamber. By passing the fluid flow past the fluid flow obstruction, turbulences occur which lead to a freely movable piezo element is excited to vibrate.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende besonderen Vorteile:
- – Es ist keine seismische Masse erforderlich, wie sie bei einem Feder-Masse-System zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie eingesetzt wird.
- – Der piezoelektrische Energiewandler kann resonant betrieben werden, also mit der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Membran. Er muss es aber nicht. Er kann damit breitbandig (Frequenzbereich von wenigen kHz bis einigen hundert kHz) betrieben werden bei gleichbleibend hoher Effizienz bezüglich der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie.
- – Unerwünschte geschwindigkeitsabhängige Fliehkräfte spielen bei der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie keine Rolle, da eine Masse des Energiewandlers zu vernachlässigen ist.
- – Durch die Ausnutzung der Latschverformung, bei der ein Druckstoß des Fluidstroms entsteht, ist eine einfache, in einem Reifen integrierte Erzeugung eines Druckstoßes und damit eine einfache Lösung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie möglich.
- – Es ist möglich, statische (sich zeitlich nicht ändernde) Fluidströme im (Auto)Reifen zur Gewinnung elektrischer Energie auszunutzen.
- – Die Effizienz, mit der mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, ist von einer Rotationsgeschwindigkeit des Reifens unabhängig.
- – Mit Hilfe des Gehäuses ist ein gekapselter Aufbau möglich, der für einen mechanischen Überlastschutz sorgt.
- - No seismic mass is required, as used in a spring-mass system for the conversion of mechanical energy into electrical energy.
- - The piezoelectric energy converter can be operated resonantly, ie with the resonant frequency of the piezoelectric membrane. He does not have to. It can thus be operated broadband (frequency range from a few kHz to a few hundred kHz) with consistently high efficiency with respect to the conversion of mechanical energy into electrical energy.
- - Unwanted speed-dependent centrifugal forces play no role in the conversion of mechanical energy into electrical energy, since a mass of the energy converter is negligible.
- - Utilizing the lathe deformation, which creates a surge in fluid flow, provides a simple generation of pressure surge integrated in a tire and thus a simple solution for converting mechanical energy into electrical energy.
- It is possible to take advantage of static (non-changing) fluid flows in the (auto) tire to generate electrical energy.
- The efficiency with which mechanical energy can be converted into electrical energy is independent of a rotational speed of the tire.
- - With the help of the housing an encapsulated structure is possible, which ensures a mechanical overload protection.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Based several embodiments and the associated Figures, the invention is explained in more detail below. The figures are schematic and do not represent to scale Illustrations
Gegenstand
der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist jeweils
ein piezoelektrischer Energiewandler
Das
piezoelektrische Element ist in einer Gehäuse-Kammer
Beispiel 1:Example 1:
Im
Gehäuse
Beispiel 2:Example 2:
Auch
hier sind in der Gehäuse-Wandung
Der
Reifenlatsch bildet sich beim Abrollen des Reifens auf einer Fahrbahn
Beispiel 3:Example 3:
Im Unterschied zum Beispiel 2 ist die elastisch verformbare Wandung der Vorrichtung zum Erzeugen des Druckstoßes in die Gehäuse-Wandung integriert. In einer Ausführungsform ist die Wandung eine Gummi-Membran. Darüber hinaus ist gemäß diesem Beispiel zum Erzeugen des Druckstoßes kein Fluidstrom-Auslass vorhanden.in the Difference to example 2 is the elastically deformable wall the device for generating the pressure surge integrated into the housing wall. In one embodiment the wall is a rubber membrane. In addition, according to this Example for generating the pressure surge no fluid flow outlet available.
Beispiel 4:Example 4:
Im
Gegensatz zu den voran beschriebenen Beispielen sieht diese Lösung das
Einkoppeln der mechanischen Schwingungen nicht über einen Druckstoß vor. Das
Einkoppeln erfolgt durch die Kombination eines zunächst stationären (laminaren) Fluidstroms
Verwendung findet der piezoelektrische Energiewandler zur energieautarken Stromversorgung eines (nicht dargestellten) Reifenkontrollsystems.use the piezoelectric energy converter finds energy self-sufficient power supply Tire control system (not shown).
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