Beschreibung Vorrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie, von an einem beweglichen Element befestigtem elektrischen Verbraucher Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie von einem an einem beweglichem Element befestigtem elektrischen Verbraucher, wobei der Verbraucher ein energieautarker Verbraucher ist, so daß zu-und abführende elektrische Leitungen zur Versorgung des Verbrauchers mit elektrischer Energie nicht benötigt werden.

Energieautarke Verbraucher finden insbesondere dann Verwendung, wenn bewegliche oder rotierende Teile mittels Sensoren, z. B. Funk-Sensoren, auf bestimmte physikalische Parameter wie Temperatur, Druck, Torsion, Dehnung usw., überwacht oder vermessen werden sollen. Solche rotierenden Teile sind zum Beispiel Radachsen, Wellen, Fahrzeugräder, Maschinenteile und ähnliches.

Für Verbraucher dieser Art bieten sich zur Energieversorgung Lösungen an, wie sie in der US-Patentschrift US 3,596, 262 beschrieben sind. Hieraus ist ein Sensor, mit eigener induktiver Energieversorgung bekannt. Dieser Sensor ist an ein bewegliches Element befestigt, und die Energieversorgung des Sensors wird induktiv durch einen schwingenden magnetischen Kern innerhalb einer Spule gelöst.

Des weiteren ist aus US 3,596, 262 bekannt, daß ein induktiver Sensor, auf ein rotierendes Element montiert ist und sich damit relativ zu einer gegenüberliegenden Verzahnung bewegend durch diese relative Bewegung des Sensors, zu der Verzahnung, die Induktion einer elektrischen Spannung bewirkt wird.

Nachteilig an der bekannten Anordnung ist die mechanisch aufwendige und anfällige Konstruktion. Des weiteren ist

insbesondere bei der Energiegewinnung durch den beweglichen Kern eine hohe Bewegungsenergie des bewegten Elements erforderlich, um das System ins Schwingen zu bringen. Des weiteren sind alle aus dieser Druckschrift bekannten Maßnahmen aufwendig und kostenintensiv herzustellen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Energieversorgung für einen an einem beweglichen Element montierten elektrischen Verbraucher darzustellen, der zum einen einfach in der Herstellung, mechanisch zuverlässig und kostengünstig ist und auch bei geringer Bewegungsenergie des bewegten Elements bereits Energie zu liefern in der Lage ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie von an einem beweglichen Element insbesondere rotierendem Element befestigtem elektrischen Verbraucher, insbesondere Sensor oder Funk- Sensor, wobei der Sensor mit einem Wandler-Element zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie verbunden ist, das eine Elastizität. aufweist, wobei eine mit dem Wandelelement verbundene Schwungmasse ein schwingendes System bildet. Es ist dabei der wesentliche Gedanke der Erfindung, die Elastizität des Wandler-Elements verbunden mit der Schwungmasse, für ein dadurch gebildetes schwingendes System eine Resonanzfrequenz einzustellen, die es erlaubt, auch bei geringen Schwingungsenergien des bewegten Körpers elektrische Energie durch das Wandlerelement zu erzeugen. Die elektrische Energie des Wandlerelements wird dabei über elektrische Anschlüsse dem elektrischen Verbraucher, wie z.

B. einem Funksender und/oder einem Sensor zugeführt.

Unabhängig von der Form der Bewegung des bewegten Elementes, sei es nun eine Vertikal-oder Horizontalbewegung, oder eine Kombination aus diesen beiden, oder sei es auch eine Drehbewegung, so bewirken all diese Bewegungen durch die Trägheit der am Wandlerelement befestigten Masse, daß das schwingende System in Schwingung gerät.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Elastizität des Wandlerelements in einer Schwingungsebene besonders gegeben. Sind durch die Bewegung des bewegten Elementes bestimmte Zustände zu erwarten, die das Wandlerelement in einer Auslenkung"festhalten", so wird dies dadurch verhindert, daß in dieser Richtung der Kraft, die dies bewirkt, durch das Wandlerelement nahezu keine Elastizität gegeben ist. Damit wirken nur die Komponenten der Schwingungsenergie und Kraft, die in der Ebene der Elastizität des Wandlerelements gerichtet sind. Bei Rotationsbewegungen würde die auftretende Fliehkraft das Wandlerelement in ihre Richtung verformen, und somit das Wandlerelement in der Auslenkung"festhalten".

Es ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform so gestaltet, daß auftretende Fliehkräfte, wie sie z. B. bei einer Rotation des bewegten Elements auftreten, keine Auslenkung des Wandlerelements bewirken, sondern ausschließlich andere Kräfte wie z. B. durch Unwucht herbeigeführte Schwingungen und/oder durch die Gewichtskraft der Masse, auf das Wandlerelement wechselseitig wirkenden Kräfte.

Ist die Rotationsachse des rotierenden Elements ungleich zu der Richtung der Gewichtskraft, so wirkt bei einer Rotation des rotierenden Elementes die Gewichtskraft wechselseitig auf die Schwungmasse und regt das schwindende System zu Schwingungen an. Diese Wirkung ist dann am höchsten, wenn die Rotationsachse senkrecht zur Fliehkraft angeordnet ist.

Die in Richtung der Fliehkraft wirkenden Kräftekomponenten werden einfach und zuverlässig verhindert, indem eine Elastizität des Wandlerelements in Richtung dieser Kraft unterdrückt wird, bzw. geringer ausgestaltet ist als die Elastizität in Richtung der Schwingungsebene.

Als Wandlerelement bieten sich verschiedene physikalische Prinzipien an : - ein piezoelektrisches Element, - ein magnetostriktives Element, - ein magnetoelektrisches, - oder ein kapazitives Element.

Nicht alle elektrischen Verbraucher sind geeignet, eine beliebige Wechselspannung, wie sie durch das Wandlerelement geliefert wird, zu verarbeiten. Aus diesem Grunde ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der elektrische Verbraucher mit einer Gleichrichtereinrichtung ausgestattet, die die vom Wandlerelement gelieferte Wechselspannung gleichrichtet und an den elektrischen Verbraucher weiterleitet.

Als elektrischer Verbraucher eignet sich beispielsweise ein Funksensor, der gemessene oder erfaßte physikalische Parameter mit einem Funksignal an eine Auswerteeinrichtung weiterleitet. Für elektrische Verbraucher, die auch dann ausreichend elektrische Energie benötigen um ihre Aufgabe zu erfüllen, wenn das bewegte Element in Ruhe ist, oder nicht ausreichend Energie durch das Wandlerelement geliefert wird, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Speichereinrichtung in dem elektrischen Verbraucher integriert, in der die von dem Wandlerelement gelieferte elektrische Energie zwischengespeichert wird, und bedarfsgerecht an den elektrischen Verbraucher weitergeleitet wird.

Somit ist gegeben, daß beispielsweise Funk-Sensoren ungeachtet einer Bewegung des bewegten Elementes erfaßte physikalische Parameter nach vorbestimmten Abläufen oder

Zeitabständen über ein Funksignal an eine Auswerteeinrichtung senden können.

Um Kraftkomponenten auszuschließen, die nicht erwünscht sind, wie die o. g. Fliehkraft bei einem rotierenden Element, ist es vorteilhaft, das Wandlerelement in Form eines dünnen flächigen Rechteckes auszuführen, so daß parallel zur flächigen Ausbreitung eine deutlich geringere Elastizität des Wandlerelements gegeben ist.

Das Schwingende System ist so gestaltet, daß es zum einem über einen breiten Resonanzfrequenzbereich einstellbar ist und darüber hinaus auf einem breitbandigem Resonanzfrequenzbereich wirksam ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erleutert.

Es zeigen : Figur 1 : ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung, Figur 2 : die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung um 90° gedreht, Figur 3 : ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung Figur 1 zeigt eine Vorrichtung, bei der ein elektrischer Verbraucher 3 auf einem rotierenden Element 2 montiert ist.

Ein rechteckig und flächig ausgestaltetes Wandlerelement 4 ist mit diesem elektrischen Verbraucher 3 direkt verbunden.

An den, dem Verbraucher gegenüberliegenden Ende des Wandlerelementes ist eine Schwungmasse 5 befestigt. In dem in Figur 1 dargestellten Betriebszustand wirkt auf die

Schwungmasse 5 und damit auf das schwingende System 1, bestehend aus Schwungmasse 5 und Wandlerelement 4, die Gewichtskraft 15. Auf die Schwungmasse 5 wirkt bei einer weiteren Drehung um 180° die Gewichtskraft 15 in anderer Richtung. Durch diese, durch die Drehung um jeweils 180° verursachte wechselnde Krafteinwirkung auf die Schwungmasse 5 gerät das schwingende System 1 ins Schwingen. Damit liefert das Wandlerelement 4, sei es nun ein piezoelektrisches oder ein magnetostriktives oder ein magnetoelektrisches oder ein kapazitives Element elektrische Energie an den elektrischen Verbraucher 3. Dieser weist eine Gleichrichtereinrichtung 7 auf, die die vom Wandlerelement 4 gelieferte elektrische Wechselspannung gleichrichtet und im dargestellten Ausführungsbeispiel an eine Speichereinrichtung 8 weitergibt.

Des weiteren wirken auf das schwingende System 1 auch weitere Rotationskomponenten und zeitlich periodisch auftretende Kräfte. Diese haben ihre Ursache z. B. in Lagerreibung, Unwucht, Radreibung an unebenen Oberflächen. Auch Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit führen ebenso zu Schwingungen im schwingenden System 1.

Figur 2 zeigt das gleiche Wandlerelement in einem anderen Betriebszustand. Hierbei ist gegenüber Figur 1 eine Drehung um 90° erfolgt, in diesem Falle wirkt zwar ebenfalls die Gewichtskraft 15 auf die Masse 5, bewirkt aber durch die Formgebung des Wandlerelementes 4 keine Verformung an dieser Stelle. Durch die Formgebung des Wandlerelements besteht keine Elastizität in dieser Richtung. Des weiteren wirkt zu diesem Zeitpunkt und natürlich, wie zu jedem anderen Zeitpunkt der Drehung auch, die Fliehkraft 9 auf die Masse 5.

Führt jedoch ebenso wie die Gewichtskraft 15 in diesem Zeitpunkt nicht zu einer Auslenkung des Wandlerelements 4 und trägt somit nicht zur Schwingung des schwingenden Systems 1 bei. Dieser Effekt ist durch die besondere Formgebung des Wandlerelements 4 gegeben, da keine Elastizität in dieser Richtung am Wandlerelement gegeben ist.

Die Resonanzfrequenz des schwingenden Systems ist durch eine Abstimmung von Wandlerelement 4 zur Masse 5 auf einem breiten Frequenzspektrum einstellbar und so ausgestaltet, daß das Schwingende System 1 auf einem breitbandigem Resonanzfrequenzbereich wirksam ist.

Ist der elektrische Verbraucher 3 ein Funksensor, so erhält dieser ausreichend elektrische Energie um physikalische Parameter des beweglichen, bzw. rotierenden Elements 2, oder seiner Umgebung, zu erfassen und in zum Beispiel zeitlich vorbestimmten oder zufälligen Abständen mittels eines Funkprotokolls zu senden.

In einem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das schwingende System 1, mit seinem elektrischen Verbraucher 3 an einem Fahrzeugrad montiert, wobei die Trägheit der Masse 5 bei Beschleunigungen des Rads ein Schwingen des schwingenden Systems 1 bewirkt und damit das Wandlerelement 4 verformt.

Beschleunigungen des Rads treten auf zum Beispiel bei zunehmender oder abnehmender Drehzahl des Rads, sowie bei Unebenheiten der Fahrbahn oder Unwuchten des Rades. Die dabei im Piezowandler getrennten elektrischen Ladungen werden über die Gleichrichteeinrichtung 7 einer Speichereinrichtung 8 zugeführt.

Mit der in der Speichereinrichtung 8 gespeicherten elektrischen Energie wird eine Timerschaltung 10 versorgt, die periodisch in vorbestimmten, oder zufällig gewählten, Zeitabständen eine Prozessorsteuerung aktiviert, die gemeinsam mit einer Identifikationsnummer des elektrischen Verbrauchers 3 einen erfassten physikalischen Parameter mittels eines Hochfrequenzsenders 12 und einer angeschlossenen Antenne abstrahlt. Zur Erfassung des physikalischen Parameters dient dabei ein Sensor 13.

Zur Erhöhung der Übertragungssicherheit ist ein abgestrahltes Funktelegramm zumindest einmal wiederholbar. Das so abgestrahlte Funksignal wird von einem im Fahrzeug montierten Empfangssystem empfangen und weiterverarbeitet.

Die Speichereinrichtung 8 ist beispielhaft durch einen verlustarmen Kondensator dargestellt. Die Gleichrichteeinrichtung 7, die das vom Wandlerelement 4 erzeugte Wechselspannungssignal in ein Gleichspannungssignal wandelt, ist zum Beispiel aus einer Diode oder aus einer aus Halbleiterdioden gebildeten Gleichrichterschaltung gebildet.

Die Timerschaltung 10 in diesem Ausführungsbeispiel ist auf extrem geringen Energiebedarf ausgelegt, daß sie als einzige Komponente ständig mit Energie zu versorgen ist. Die Timerschaltung aktiviert in zeitlich vorbestimmten oder zufällig gewählten Abständen eine Prozessorschaltung 11, die den erfaßten physikalischen Parameter zusammen mit einer Identitätsnummer des elektrischen Verbrauchers 3 an eine Empfängereinrichtung weiterleitet.

Der Hochfrequenzsender 12 besteht im wesentlichen aus einem Hochfrequenzoszillator, der ein vorzugsweise ein schnelles Einschwingverhalten aufweist. Die Sendestufe des Hochfrequenzsenders ist ebenso auf geringem Stromverbrauch ausgelegt, und arbeitet mit einer hohen Bandbreite, um die Sendedauer klein zu halten. Damit ist eine Übertragung der Information in kürzester Zeit und damit mit geringst möglicher Verlustenergie möglich.

Bezugszeichenliste 1 schwingendes System 2 bewegliches Element 3 elektrischer Verbraucher 4 Wandlerelement 5 Schwungmasse 6 Schwingungsebene 7 Gleichrichteeinrichtung 8 Speichereinrichtung 9 Fliehkraft 10 Timerschaltung 11 Prozessorschaltung 12 Hochfrequenzsender 13 Sensor 14 Rad 15 Gewichtskraft