Titel

Piezoelektrischer Energiewandler

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Energiewandler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Mit Hilfe des piezoelektrischen Energiewandlers soll mechanische Energie, insbesondere die Bewegungsenergie einer schwingenden Masse, in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Energieumwandlung beruht auf dem piezoelektrischen Effekt. Der piezoelektrische Energiewandler umfasst hierzu mindestens ein piezoelektrisches Element.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 001 163 AI ist ein piezoelektrischer Generator mit mindestens einer Piezoeinheit bekannt, die zur Erzeugung eines Wechselstroms periodisch verspannt wird. Die Piezoeinheit ist hierzu im Wesentlichen radial zur Drehachse einer in einer Drehbewegung antreibbaren Generatorwelle angeordnet, die eine Exzentrizität besitzt, so dass hierüber die periodische Verspannung der Piezoeinheit bewirkbar ist. Bei jedem Verspannen wird ein Stromsignal erzeugt. Denn beim Verspannen wird die Piezoeinheit gestaucht und beim Entspannen entlastet. Dies führt zu einem ladungssaugenden und ladungsverdrängenden Prozess und damit zu einem elektrischen Stromwechsel. Der piezoelektrische Generator soll auf diese Weise zur Stromerzeugung eingesetzt werden können.

Aus der Patentschrift DE 10 2011 052 439 B4 ist ferner eine Fahrzeugsitzvorrichtung bekannt, die einen Fahrzeugsitz und eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Fahrzeugsitzes an einem Fahrzeugboden umfasst. Ferner ist eine Energiewandlungs- Vorrichtung vorgesehen, mittels welcher Bewegungsenergie, die im Benutzungszustand der Fahrzeugsitzvorrichtung aus einer Relativbewegung des Fahrzeugsitzes relativ zu dem Fahrzeugboden resultiert, in elektrische Energie wandelbar ist. Zur Wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie kann die Energiewandlungsvorrichtung mindestens ein piezoelektrisches Element umfassen. Darüber hinaus werden alternative Konzepte zur Energiewandlung angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Lösung für einen piezoelektrischen Energiewandler anzubieten, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Ferner soll der piezoelektrische Energiewandler vielseitig einsetzbar und an die jeweiligen Einsatzbedingungen leicht anpassbar sein.

Zur Lösung der Aufgabe wird der piezoelektrische Energiewandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Der zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie vorgeschlagene piezoelektrische Energiewandler umfasst mindestens ein piezoelektrisches Element, das in axialer Richtung be- und entlastbar ist, so dass über den piezoelektrischen Effekt eine elektrische Spannung erzeugbar ist, die einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist das piezoelektrische Element mit einem Druckkolben verbunden, der über ein Kopplervolumen mit einem Initialkolben hydraulisch gekoppelt ist, wobei das piezoelektrische Element, der Druckkolben und der Initialkolben in einem ein- oder mehrteilig ausgebildeten Gehäuse angeordnet sind.

Dadurch, dass der Druckkolben und der Initialkolben hydraulisch gekoppelt sind, erfolgt die Kraftübertragung berührungsfrei. Das heißt, dass sich die beiden Kolben nicht kontaktieren. Auf diese Weise tritt über die Lebensdauer auch kein mechanischer Kontaktverschleiß ein, der kompensiert werden müsste, um eine Drift der Einstellwerte zu verhindern. Ferner erleichtert das hydraulische Kopplervolumen den Einstellprozess, da die Einstellung einmalig beim Befüllen des Kopplervolumens mit einem Hydraulikmedium, beispielsweise mit Öl oder Wasser, vorgenommen wird. Über das im Kopplervolumen vorhandene Hydraulikmedium kann zudem ein automai- scher Temperaturausgleich bewirkt werden, so dass Temperaturschwankungen keinen oder nur einen unbedeutenden Einfluss auf die Einstellwerte haben.

Wird der Initialkolben durch äußere Krafteinwirkung gegenüber dem Gehäuse axial verschoben, so dass sich das Kopplervolumen verkleinert, wird das im Kopplervolumen vorhandene Hydraulikmedium komprimiert. Dies führt zu einer auf den Druckkolben wirkenden hydraulischen Druckkraft, die vom Druckkolben auf das piezoelektrische Element übertragen wird, so dass dieses in axialer Richtung gestaucht wird. Durch den piezoelektrischen Effekt wird bei der Stauchung des piezoelektrischen Elements eine elektrische Spannung erzeugt, die direkt nutzbar oder zur späteren Nutzung einem Speicher zuführbar ist.

Die auf den Initialkolben einwirkende äußere Kraft kann insbesondere durch eine schwingende Masse bewirkt werden, die den Initialkolben wiederholt in axialer Richtung belastet. Die Bewegungsenergie der schwingenden Masse wird dann mittels des piezoelektrischen Energiewandlers in elektrische Energie umgewandelt, die wiederum zum Betrieb einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung, beispielsweise eines Sensors, einer Schaltung oder einer Funkeinheit, verwendbar ist.

Eine vorteilhafte Anwendung des piezoelektrischen Energiewandlers wird in Verbindung mit einem Transportcontainer gesehen. Beispielsweise kann ein piezoelektrischer Energiewandler in der Weise an einen Transportcontainer angebracht werden, dass der Initialkolben einen Anschlag für eine Tür des Transportcontainers ausbildet. Die Bewegungsenergie der am Initialkolben anschlagenden Tür wird mittels des piezoelektrischen Energiewandlers in elektrische Energie umgewandelt, die wiederum zur Betätigung einer Öffnungs- und/oder Schließvorrichtung der Tür einsetzbar ist.

Darüber hinaus ist eine Vielzahl anderer Anwendungen denkbar und möglich.

Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, können mehrere piezoelektrische Elemente in gestapelter Anordnung eingesetzt werden. Derartige Anordnungen sind auch als Piezomodul bzw. Piezo-Stack bekannt. Solche Module finden beispielsweise als Schaltelemente in Kraftstoffinjektoren Einsatz, so dass bei der Realisierung des erfin- dungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandlers auf bereits bestehende Piezomo- dule zurückgegriffen werden kann. Auf diese Weise kann die Umsetzung besonders kostengünstig gestaltet werden.

Die hydraulische Kopplung besitzt ferner den Vorteil, dass über das Flächenverhältnis der das Kopplervolumen begrenzenden hydraulischen Wirkflächen in einfacher Weise eine Kraftübersetzung oder Kraftuntersetzung realisierbar ist.

Die das Kopplervolumen begrenzenden Wirkflächen sind vorliegend am Druckkolben und am Initialkolben ausgebildet. Um eine Kraftübersetzung oder eine Kraftuntersetzung zu erzielen, weist vorzugsweise der Druckkolben eine das Kopplervolumen begrenzende hydraulische Wirkfläche Ai auf, die größer oder kleiner als eine das Kopplervolumen begrenzende hydraulische Wirkfläche A2 des Initialkolbens gewählt ist. Ob eine Kraftübersetzung oder Kraftuntersetzung erzielt werden soll, hängt insbesondere vom jeweiligen Einsatzort des piezoelektrischen Energiewandlers ab. Entsprechend ist das Flächenverhältnis der hydraulischen Wirkflächen zu wählen. Die hydraulische Kopplung der beiden Kolben vergrößert somit den Einsatzbereich des vorgeschlagenen piezoelektrischen Energiewandlers.

Bevorzugt ist der Druckkolben mittels der Federkraft einer Feder gegen das piezoelektrische Element axial vorgespannt. Die axiale Vorspannung führt zu einer kraftschlüssigen Verbindung des Druckkolbens mit dem piezoelektrischen Element. Der Kraft- schluss stellt die Kraftübertragung vom Druckkolben auf das piezoelektrische Element sicher. Die zur axialen Vorspannung des Druckkolbens vorgesehene Feder ist vorzugsweise einerseits am Gehäuse und andererseits an einem Bund des Druckkolbens abgestützt. Die Abstützung am Bund des Druckkolbens kann unmittelbar oder mittelbar über eine Spannhülse erfolgen. Die mittelbare Abstützung der Feder über die Spannhülse ermöglicht eine Verkürzung des Druckkolbens, so dass eine in axialer Richtung besonders kompakt bauende Anordnung erzielbar ist. Ferner unterstützt ein verkürzter Druckkolben eine ausschließlich axiale Belastung des piezoelektrischen Elements.

Zur Stauchung des piezoelektrischen Elements ist ein Gegenlager erforderlich. Bevorzugt ist daher das piezoelektrische Element an seinem dem Druckkolben abgewandten Ende am Gehäuse abgestützt. Darüber hinaus kann das dem Druckkolben abgewandte Ende des piezoelektrischen Elements in das Gehäuse eingelassen sein. Auf diese Weise wird zugleich eine Lagefixierung in radialer Richtung erreicht.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das piezoelektrische Element an seinem dem Druckkolben abgewandten Ende elektrische Anschlussleitungen aufweist, die aus dem Gehäuse geführt sind. Die elektrischen Anschlussleitungen dienen der Ableitung der mittels des piezoelektrischen Elements erzeugten elektrischen Spannung. Ferner ist der piezoelektrische Energiewandler über die elektrischen Anschlussleitungen mit einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher verbindbar.

Vorteilhafterweise ist bzw. sind der Druckkolben und/oder der Initialkolben über das Gehäuse hubbeweglich geführt. Im Gehäuse ist hierzu mindestens eine Bohrung ausgebildet. Die Führung des Druckkolbens verhindert eine radiale Auslenkung und damit eine Querbelastung des piezoelektrischen Elements. Über die Führung des Initialkolbens kann zugleich eine Abdichtung des Kopplervolumens nach außen bewirkt werden. Hierzu ist das Führungsspiel entsprechend eng auszulegen. Alternativ oder ergänzend kann außenumfangseitig in den Initialkolben mindestens ein ringförmiges Dichtelement eingesetzt sein, das den Führungsspalt abdichtet.

Die im Gehäuse ausgebildete Bohrung ist vorzugsweise als Stufenbohrung ausgeführt und bildet mindestens eine als Hubanschlag für den Initialkolben dienende Stufe aus. Die als Hubanschlag dienende Stufe begrenzt weiterhin vorzugsweise den Hub des Initialkolbens in Richtung des Druckkolbens, so dass hierüber das piezoelektrische Element vor einer Überbelastung gesichert ist. Ferner kann durch den Hubanschlag ein Kontakt des Initialkolbens mit dem Druckkolben verhindert werden.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Initialkolben ein- oder mehrfach gestuft ausgeführt ist. Beispielsweise kann der Initialkolben einen dem Druckkolben zugewandten Endabschnitt mit verringertem Außendurchmesser besitzen, so dass ein als Anschlagfläche dienende ringförmiger Absatz ausgebildet wird, der mit der als Hubanschlag dienenden Stufe der Bohrung des Gehäuses zusammenwirkt. Der Endabschnitt mit verringertem Außendurchmesser kann ferner zur Abdichtung des Kopplervolumens genutzt werden, wenn die im Gehäuse ausgebildete Bohrung im Bereich des Endabschnitts an dessen Außendurchmesser angepasst ist.

Alternativ oder ergänzend kann der Initialkolben einen Abschnitt aufweisen, der über eine Stufe in einen Führungsabschnitt übergeht und gemeinsam mit dem Gehäuse ein im Wesentlichen ringförmiges Volumen begrenzt, in dem eine Feder zur axialen Vorspannung und/oder zur Rückstellung des Initialkolbens angeordnet ist. Die Abstützung der Feder erfolgt hierzu an der am Initialkolben ausgebildeten Stufe.

Sofern die Feder der Vorspannung des Initialkolbens dient, ist diese bevorzugt dazu ausgelegt, einer im Ruhezustand auf den Initialkolben von außen einwirkenden Kraft standzuhalten. Die Feder gewährleistet auf diese Weise, dass zwischen dem Initialkolben und dem Druckkolben ein ausreichend großer Axialspalt verbleibt, der das Kopplervolumen bildet. Ferner kann das Kopplervolumen weitgehend drucklos bzw. mit Umgebungsdruck beaufschlagt sein. Auf diese Weise wird die Leckage nach außen verringert und zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen können entfallen.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Kopplervolumen mit einem Hydraulikmedium befüllt ist, das eine möglichst geringe Kompressibilität besitzt. Als Hydraulikmedium eignet sich daher insbesondere ein Hydrauliköl oder ein hydraulikölähnliches Fluid. Eine geringe Kompressibilität des Hydraulikmediums besitzt den Vorteil, dass jede Veränderung der von außen auf den Initialkolben einwirkenden Kraft zu einer direkten Be- oder Entlastung des Druckkolbens und damit des piezoelektrischen Elements führt. Auf diese Weise kann die Effizienz des piezoelektrischen Energiewandlers gesteigert werden.

Auf die Effizienz des piezoelektrischen Energiewandlers wirkt sich ferner die Genauigkeit der Führungsspalte zwischen dem Gehäuse und dem Druckkolben sowie dem Gehäuse und dem Initialkolben aus. Wobei eine gewisse Leckage hinnehmbar ist oder sogar erwünscht sein kann. Beispielsweise kann der Führungsspalt zwischen dem Gehäuse und dem Druckkolben zur Wiederbefüllung des Kopplervolumens genutzt werden, wenn das an den Führungsspalt anschließende Volumen, in dem vorzugsweise das piezoelektrische Element angeordnet ist, ebenfalls mit dem Hydraulikmedium befüllt ist. Vorteilhafterweise besitzt der Initialkolben einen Endabschnitt, der das Gehäuse in axialer Richtung überragt. Die Stirnfläche des Endabschnitts bildet eine leicht zugängliche Kraftangriffsfläche, so dass durch diese Maßnahme die Betätigung des piezoelektrischen Energiewandlers vereinfacht wird.

Des Weiteren bevorzugt ist ein Füllventil zur Befüllung des Kopplervolumens mit einem Hydraulikmedium vorgesehen. Das Füllventil kann in das Gehäuse des piezoelektrischen Energiewandlers integriert sein. Mittels des Füllventils kann insbesondere die erstmalige Befüllung des Kopplervolumens mit dem Hydraulikmedium bewirkt werden. Sofern das Kopplervolumen über einen Führungsspalt mit mindestens einem weiteren Volumen verbunden ist, wird vorzugsweise auch diese über das Füllventil mit dem Hydraulikmedium befüllt.

Wie bereits erwähnt kann das Kopplervolumen im Ruhezustand des piezoelektrischen Energiewandlers drucklos bzw. mit Umgebungsdruck beaufschlagt sein, um die Leckage zu verringern. Alternativ kann das Kopplervolumen jedoch auch mit einem Druck beaufschlagt werden, der oberhalb des Umgebungsdrucks liegt. Das Druckniveau ist entsprechend der jeweiligen Anwendung bzw. entsprechend der auf den Initialkolben von außen einwirkenden Kraft zu wählen. Beispielsweise kann der Druck im Kopplervolumen zwischen 10 bis 100 bar liegen. Der Druck kann insbesondere so hoch gewählt werden, dass er bei einer Entlastung des Initialkolbens automatisch dessen Rückstellung bewirkt. In diesem Fall kann auf eine axiale Vorspannung des Initialkolbens mittels einer Feder verzichtet werden.

Um zu verhindern, dass der Druck im Kopplervolumen über einen vorgegebenen Grenzwert steigt, kann ferner ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen sein. Auch diese kann in das Gehäuse des piezoelektrischen Energiewandlers integriert sein. Das Druckbegrenzungsventil dient der Überlastsicherung des piezoelektrischen Elements, da zu hohe Druckkräfte zu einer Zerstörung des piezoelektrischen Elements führen könnten. Die über das Druckbegrenzungsventil abgesteuerte Menge wird vorzugsweise einem Speichervolumen zugeführt, damit sie nicht verloren geht. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Volumen handeln, in dem das piezoelektrische Element und der Druckkolben zumindest abschnittsweise aufgenommen sind. Weiterhin vorzugsweise wird am Druckbegrenzungsventil die maximal mögliche Druckdifferenz zwischen dem Kopplervolumen und dem Speichervolumen eingestellt, um das piezoelektrische Element vor Überlast zu schützen.

Alternativ oder ergänzend kann eine Verbindung des Kopplervolumens mit einem Speichervolumen über eine Drossel und/oder mindestens ein Rückschlagventil hergestellt bzw. herstellbar sein. Bei dem Speichervolumen handelt es sich wiederum bevorzugt um ein Volumen, in dem das piezoelektrische Element und der Druckkolben zumindest abschnittsweise aufgenommen sind. Sofern das Rückschlagventil der Druckentlastung des Kopplervolumens dient, öffnet es in Richtung des Speichervolumens und verhindert, dass Hydraulikmedium aus dem Speichervolumen zurück in das Kopplervolumen strömt. Ein Druckbegrenzungsventil ist in diesem Fall entbehrlich. Das Rückschlagventil kann aber auch zur Wiederbefüllung des Kopplervolumens eingesetzt werden. In diesem Fall öffnet es in Richtung des Kopplervolumens und verhindert, dass Hydraulikmedium aus dem Kopplervolumen in das Speichervolumen abfließt. Die Drossel wirkt in beide Richtungen und sorgt somit für einen kontinuierlichen Druckausgleich.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Kopplervolumen mit einem Ausgleichsvolumen verbunden oder verbindbar ist. Das Ausgleichsvolumen dient dem Ausgleich von Verlustmengen durch Leckage. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das System druckbeaufschlagt ist, d. h. das Druckniveau oberhalb des Umgebungsdrucks liegt. Vorzugsweise wird das Ausgleichsvolumen von einem federbelasteten Kolben begrenzt, so dass eine kontinuierliche Nachförderung des Hydraulikmediums gewährleistet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kopplervolumen drucklos, so dass die Leckage nach außen minimal ist. In diesem Fall kann auf ein Ausgleichsvolumen verzichtet werden, so dass der Aufbau des piezoelektrischen Energiewandlers vereinfacht wird. Der Initialkolben ist mittels der Federkraft einer Feder entgegen der Belastungsrichtung axial vorgespannt, so dass die Rückstellung des Initialkolbens gesichert ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandler gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandler gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandler gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der in der Fig. 1 schematisch dargestellte piezoelektrische Energiewandler weist ein Gehäuse 5 auf, in dem eine mehrfach gestufte Bohrung 10 ausgebildet ist. Abweichend von der Darstellung kann das Gehäuse 5 mehrteilig ausgeführt sein, um die Ausbildung der mehrfach gestuften Bohrung 10 zu vereinfachen.

Die Bohrung 10 weist einen ersten Abschnitt auf, in dem ein Initialkolben 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Der Initialkolben 4 ist ebenfalls gestuft ausgeführt. Zur Vereinfachung der Ausbildung des gestuften Initialkolbens 4 kann dieser ebenfalls mehrteilig ausgebildet sein. Ein Endabschnitt 12 des Initialkolbens 4, der einen verringerten Außendurchmesser aufweist, überragt das Gehäuse 5, so dass seine Stirnfläche 21 eine Kraftangriffsfläche für eine von außen einwirkende Druckkraft 22 ausbildet. Ein weiterer Abschnitt des Initialkolbens 4, der einen an den Innendurchmesser der Bohrung 10 an- gepassten Außendurchmesser aufweist, dient als Führungsabschnitt. Ferner bildet dieser Abschnitt eine hydraulische Wirkfläche A2 aus, die ein innerhalb der Bohrung 10 ausgebildetes Kopplervolumen 3 begrenzt, das mit einem Hydraulikmedium befüllt, das druckbeaufschlagt ist. Um das Kopplervolumen 3 nach außen abzudichten, ist außen- umfangseitig in den Initialkolben 4 ein ringförmiges Dichtelement 23 eingesetzt. Ein zwischen den beiden Abschnitten des Initialkolbens 4 ausgebildeter ringförmiger Absatz 24 wirkt mit einer Stufe 11 der Bohrung 10 anschlagbildend zusammen.

Die Bohrung 10 weist einen weiteren Abschnitt auf, der einen deutlich verringerten Innendurchmesser zur abschnittsweisen Aufnahme und Führung eines Druckkolbens 2 besitzt. Die dem Initialkolben 4 zugewandte Stirnfläche des Druckkolbens 2 bildet eine hydraulische Wirkfläche Ai aus, die ebenfalls das Kopplervolumen 3 begrenzt. Der Druckkolben 2 ist andernends mit mehreren piezoelektrischen Elementen 1 verbunden, die übereinandergestapelt eine Piezoeinheit ausbilden. Zur Aufnahme der mehreren piezoelektrischen Elemente 1 und zur Ausbildung eines Speichervolumens 18 weist die

Bohrung 10 einen weiteren Abschnitt auf, der gegenüber dem der Führung des Druckkolbens 2 dienenden Abschnitt einen vergrößerten Innendurchmesser besitzt.

Der Druckkolben 2 ist mittels der Federkraft einer Feder 6 gegen die Piezoeinheit axial vorgespannt. Die Feder 6 ist vorliegend als Schraubendruckfeder ausgeführt, die einerseits am Gehäuse 5 und andererseits an einem Bund 8 des Druckkolbens 2 abgestützt ist. Die Piezoeinheit ist an ihrem dem Druckkolben 2 abgewandten Ende in das Gehäuse 5 eingelassen, so dass sie hierüber lagefixiert ist. Das Gehäuse 5 dient zugleich als Widerlager.

Zur Ableitung einer elektrischen Spannung, die basierend auf dem piezoelektrischen Effekt bei einer Stauchung der Piezoeinheit erzeugt wird, weist diese an ihrem dem Druckkolben 2 abgewandten Ende elektrische Anschlussleitungen 9 auf, die durch das Gehäuse 5 gegenüber dem Speichervolumen 18 abgedichtet und zur Verbindung mit einem Stromverbraucher oder einem Stromspeicher durch das Gehäuse 5 nach außen geführt sind.

Erhöht sich die auf den Initialkolben 4 von außen einwirkende Druckkraft 22, wird der Initialkolben 4 nach unten verschoben. Dabei komprimiert er über seine hydraulische Wirkfläche A2 das im Kopplervolumen 3 vorhandene Hydraulikmedium. Da das Kopplervolumen 3 über eine Drossel 15 mit dem Speichervolumen 18 verbunden ist, erfolgt über die Drossel 15 sowie den Führungsspalt zwischen dem Druckkolben 2 und dem Gehäuse 5 ein verzögerter Druckausgleich. Während dieser Zeit wirkt der Überdruck im Kopplervolumen 3 auf die hydraulische Wirkfläche Ai des Druckkolbens 2, wobei sich in Abhängigkeit vom Flächenverhältnis A1/A2 eine auf die piezoelektrischen Elemente 1 wirkende Druckkraft ergibt. Diese führt zu einer Stauchung der piezoelektrischen Elemente 1 in axialer Richtung, so dass über den Piezoeffekt eine elektrische Spannung generiert wird, die über die elektrischen Anschlussleitungen 9 abgeleitet wird. Durch den Druckausgleich zwischen dem Kopplervolumen 3 und dem Speichervolumen 18 reduziert sich die auf die piezoelektrischen Elemente 1 einwirkende Druckkraft bis auf die voreingestellte Federkraft der Feder 6. Reduziert sich zudem die von außen auf den Initialkolben 4 einwirkende Druckkraft 22, wird der Initialkolben 4 durch den Druck im Kopplervolumen 3 in seine Ausgangslage zurückgestellt, wobei sich das Kopplervolumen 3 wieder vergrößert. Über ein Rückschlagventil 16, welches das Kopplervolumen 3 mit dem Speichervolumen 18 verbindet, wird der erforderliche Druckausgleich bewirkt, um bei erneutem Anstieg der von außen auf den Initialkolben 4 einwirkenden Druckkraft 22 den Prozess von vorne zu beginnen.

Zur Überlastsicherung der piezoelektrischen Elemente 1 ist ferner ein Druckbegrenzungsventil 14 vorgesehen, an dem die maximal mögliche Druckdifferenz zwischen dem Kopplervolumen 3 und dem Speichervolumen 18 eingestellt ist.

Zum Ausgleich von Verlustmengen ist des Weiteren ein Ausgleichsvolumen 19 im Gehäuse 5 ausgebildet, das von einem federbelasteten Kolben 25 begrenzt wird.

Darüber hinaus weist der piezoelektrische Energiewandler der Fig. 1 ein Füllventil 13 auf, das der Befüllung des Kopplervolumens 3 und des Speichervolumens 18 mit dem Hydraulikmedium dient.

Der Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Energiewandlers dargestellt, die sich im Wesentlichen von der der Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass der Druck im Kopplervolumen 3 im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht. Das heißt, dass das System drucklos ist. Dies hat den Vorteil, dass das System kaum leckagebehaftet ist. Folglich kann auf die Anordnung von Dichtelementen verzichtet werden. Ferner ist kein Ausgleichsvolumen zum Ausgleich von Verlustmengen erforderlich.

Der Initialkolben 4 ist vorliegend entgegen der von außen einwirkenden Druckkraft 22 durch die Federkraft einer Feder 20 axial vorgespannt. Die Feder 20 ist in einem Speichervolumen 18' aufgenommen, das zwischen dem Initialkolben 4 und dem Gehäuse 5 ausgebildet ist. Der Initialkolben 4 ist hierzu mehrfach gestuft ausgeführt, so dass meh- rere ringförmige Absätze 26, 27 ausgebildet werden. Ein erster ringförmiger Absatz 26 dient der Abstützung der Feder 20, die andernends an einer Stufe 11 des Gehäuses 5 abgestützt ist. Ein weiterer Absatz 27 wirkt mit der Stufe 11 des Gehäuses 5 anschlagbildend zusammen. An den Absatz 27 schließt sich ein Endabschnitt des Initialkolbens 4 an, der in den Abschnitt der Bohrung 10 des Gehäuses 5 eintaucht, welcher der Führung des Druckkolbens 2 dient. Innerhalb dieses Abschnitts der Bohrung 10 des Gehäuses 5 begrenzen der Initialkolben 4 und der Druckkolben 2 gemeinsam das Kopplervolumen 3. Die am Initialkolben 4 und am Druckkolben 2 ausgebildeten hydraulischen Wirkflächen Ai und A2 sind demnach gleich groß, so dass vorliegend weder eine Kraftübersetzung, noch eine Kraftuntersetzung bewirkt wird. Durch entsprechende Auslegung der hydraulischen Wirkflächen Ai und A2 ließe sich dies jedoch in einfacher Weise realisieren.

Ändert sich die auf den Initialkolben 4 von außen einwirkende Druckkraft 22, verkleinert oder vergrößert sich das Kopplervolumen 3. Die Kraftamplitude wird über das im Kopplervolumen 3 vorhandene Hydraulikmedium, bei dem es sich vorliegend um ein Hyd- rauliköl handelt, auf den Druckkolben 2 sowie die damit verbundenen piezoelektrischen Elemente 1 übertragen. Diese erzeugen bei einer Be- und Entlastung eine elektrische Ladung, die an eine elektrische oder elektronische Vorrichtung, wie beispielsweise eine Schaltung, weitergegeben werden kann.

Um eine überkritische Belastung der piezoelektrischen Elemente 1 zu verhindern, ist eine Überlastsicherung vorgesehen, die ein Rückschlagventil 17 umfasst. Das Rückschlagventil 17 verbindet das Kopplervolumen 3 mit dem Speichervolumen 18, in dem die piezoelektrischen Elemente 1 aufgenommen sind. Alternativ oder ergänzend kann das Rückschlagventil 17 auch mit dem Speichervolumen 18' verbunden sein, das den Initialkolben 4 umgibt. Übersteigt der Druck im Kopplervolumen 3 einen vorgegebenen Grenzwert, öffnet das Rückschlagventil 17 und entlastet das Kopplervolumen 3.

Die Rückstellung des Initialkolbens 4 erfordert eine Wiederbefüllung des Kopplervolumens 3. Diese wird durch die Drossel 15 bewirkt, die vorliegend das Kopplervolumen 3 mit dem Speichervolumen 18 und dem Speichervolumen 18' verbindet und somit für den erforderlichen Druckausgleich sorgt. Über die Drossel 15 kann das Kopplervolu- men 3 auch mit nur einem Speichervolumen 18, 18' verbunden sein, um eine Wiederbefüllung zu gewährleisten.

Im Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 1 ist vorliegend die Feder 6 zur axialen Vorspannung des Druckkolbens 2 in Richtung der piezoelektrischen Elemente 1 über eine Spannhülse 7 mit dem Druckkolben 2 verbunden. Anstelle der Feder 6 ist die Spannhülse 7 am Bund 8 des Druckkolbens 2 abgestützt. Der Druckkolben 2 kann auf diese Weise verkürzt werden.

Eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 2 ist in der Fig. 3 dargestellt. Hier wird die Drossel 15 durch das Rückschlagventil 16 ersetzt, das den erforderlichen Druckausgleich zwischen dem Kopplervolumen 3 und den Speichervolumina 18, 18' herstellt und damit die Wiederbefüllung des Kopplervolumens 3 zur Rückstellung des Initialkolbens 4 gewährleistet. Das Rückschlagventil 16 weist gegenüber der Drossel 15 den Vorteil auf, dass hierüber kein Hydraulikmedium aus dem Kopplervolumen 3 abfließen kann, so dass im Kopplervolumen 3 ein höherer Druck zur Stauchung der piezoelektrischen Elemente 1 aufgebaut werden kann.