Beschreibung

Piezoelektrischer Generator

Ein Piezogenerator ist z. B. aus der Druckschrift US 5,751,091 bekannt. Dieser Generator wird in einer Uhr eingesetzt .

Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen hocheffizienten Piezogenerator anzugeben, der sich durch eine hohe mechanische Stabilität auszeichnet.

Es wird ein Piezogenerator mit einem zu mechanischen Schwingungen anregbaren Resonanzsystem angegeben, das einen piezoelektrischen Wandler umfasst . Der Generator umfasst ferner eine Rückkopplungsschaltung, die elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler verbunden ist. Die Rückkopplungsschaltung ist zur Ansteuerung von Schwingungen des Resonanzsystems und insbesondere zur Einstellung der Schwingfrequenz des Resonanzsystems vorgesehen.

Der Piezogenerator ist zur Transformation einer mechanischen Energie in eine elektrische Energie geeignet. Der Piezogenerator kann z. B. zur Spannungsversorgung in einem tragbaren elektrischen Gerät realisiert sein. Die mechanische Energie, die zur Anregung des Resonanzsystems benutzt wird, kann beispielsweise durch Körper- oder Luftbewegungen erzeugt werden.

Der piezoelektrische Wandler ist zur Umwandlung der mechanischen Energie des Resonanzsystems in eine elektrische Energie geeignet, die einer elektrischen Last, d. h. einem Verbraucher zugeführt werden kann.

Des Weiteren werden vorteilhafte Ausgestaltungen des Piezoge- nerators beschrieben.

Der piezoelektrische Wandler wird im Folgenden als Piezoele- ment bezeichnet .

Das mechanische Resonanzsystem wird während Anregungsphasen vorzugsweise mechanisch zu Schwingungen angeregt. Zu diesem Zweck umfasst der Generator in einer bevorzugten Ausführungs- form eine Anregungsvorrichtung, die während jeder Anregungsphase für die mechanische Anregung des Resonanzsystems sorgt.

Mechanische Parameter des AnregungsSystems können mittels der Rückkopplungsschaltung eingestellt werden. Die mechanischen Parameter des AnregungsSystems sind z. B. die vorgegebene Umdrehungsfrequenz oder die Geschwindigkeit einer Transportvorrichtung, die einen nachstehend erläuterten Aktivator zur Anregung des Resonanzsystems trägt. Somit kann die Einwirkungsfrequenz des Aktivators auf das Resonanzsystem eingestellt werden .

Der Generator weist eine Anlaufphase und eine Arbeitsphase auf, die dem Normalbetrieb des Generators entspricht. Während einer Anlaufphase wird das Resonanzsystem spontan oder mittels einer Startvorrichtung erstmalig aus dem Gleichgewicht gebracht. Dies löst mechanische Schwingungen des Resonanzsystems aus, bei denen am Piezoelement ein elektrisches Signal mit einer Frequenz erzeugt wird, die mit der Eigenfrequenz des mechanischen Resonanzsystems übereinstimmt. Ein Teil dieses Signals wird durch die Rückkopplungsschaltung zu einem Steuersignal verarbeitet und zur Ansteuerung der Anregungs- Vorrichtung des Resonanzsystems verwendet. Die Rückkopplungs- schaltung ist während der Anlaufphase als Abhilfe zur Ein-

Schwingung des Resonanzsystems in den Betriebszustand vorgesehen. Die Rückkopplungsschaltung ist vorzugsweise zur Stabilisierung der Anregungsfrequenz geeignet. Als Anregungsfrequ- enz wird die Anzahl der Anregungen des Resonanzsystems pro eine Zeiteinheit bezeichnet.

Nach der Einschwingphase erreicht das Resonanzsystem einen normalen Betriebszustand. Der normale Betriebszustand bedeutet mechanische Schwingungen des Resonanzsystems vorzugsweise bei einer Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) des Resonanzsystems. Diese Schwingungen werden durch das Piezoelement in ein elektrisches Signal umgesetzt. Im Folgenden wird die Funktionsweise des Generators im Normalbetrieb beschrieben.

Das z. B. durch das Piezoelement und die nachstehend erläuterte Schwingvorrichtung gebildete mechanische Resonanzsystem ist durch eine Eigenfrequenz charakterisiert. Dies kann seine Grundfrequenz oder eine höhere Harmonische der Grundfrequenz sein. Die Eigenfrequenz des Resonanzsystems stimmt vorzugsweise mit einer n-ten Harmonischen der Anregungsfrequenz ü- berein, wobei n eine ganze Zahl ist und wobei gilt: n _> 1. Es ist vorteilhaft, die Anregungsfrequenz gleich der Eigenfrequenz dieses Resonanzsystems zu wählen. Dabei gilt n = 1. Der Bereich von n zwischen 2 und 5 kann auch vorteilhaft sein.

Die mittels der Rückkopplungsschaltung geregelte mechanische Einwirkung (Anregung) auf das Resonanzsystem ist mit der Eigenschwingung des Resonanzsystems vorzugsweise bezüglich der Frequenz, der Phase und der Amplitude, d. h. der vorgesehenen maximalen Auslenkung, synchronisiert. Das Resonanzsystem wird während einer Anregungsphase angeregt, die vorzugsweise maximal die Hälfte der Schwingungsperiode T des Resonanzsystems beträgt. Die Anregungsphase kann auch zwischen T/4 und T/2

dauern. Die Anregungsphase ist dabei mit der Schwingungsphase vorzugsweise synchronisiert, d. h. die maximale Auslenkung bezüglich des Gleichgewichtszustands wird zu einem Zeitpunkt hervorgerufen, an dem ohne Anregung eines der Amplitudenmaxi- ma der (gedämpften) Eigenschwingung des Resonanzsystems auftreten würde.

Das Resonanzsystem umfasst vorzugsweise eine Schwingvorrichtung, die schwingfähige Schwingelemente aufweist, zwischen denen das Piezoelement eingeklemmt ist. Die Schwingelemente sind vorzugsweise gegeneinander schwingbar. Es ist vorteilhaft, wenn eine Ebene, in der die Schwingelemente schwingen, senkrecht zur Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist. Die Schwingelemente können nach einer Anregungsphase, in der sie bezüglich ihrer Ruhelage ausgelenkt werden, frei schwingen.

Die Schwingvorrichtung ist vorzugsweise zur Erzeugung einer Druckspannung am Piezoelement vorgesehen. Das Piezoelement kann z. B. durch die Druckspannung entlang einer Längsrichtung zusammengedrückt werden. Mittels der Druckspannung kann aber auch eine Scherdeformation des Piezoelements herbeigeführt werden. Bei den Schwingungen der Schwingelemente wird die Deformation des in der Schwingvorrichtung eingeklemmten Piezoelements bewirkt. Mittels des Piezoelements geht die mechanische Energie der Schwingvorrichtung in die elektrische Energie über.

Die Schwingvorrichtung ist vorzugsweise zur Vorspannung des Piezoelements vorgesehen. Mit einem vorgespannten Piezoelement gelingt es, eine besonders hohe Leistungsdichte des Generators zu erzielen.

Die Schwingvorrichtung weist in einer bevorzugten Variante mechanisch an die Schwingelemente gekoppelte Energiespeicherelemente auf. Als Energiespeicherelemente zur Speicherung der (mechanischen) Energie sind insbesondere Gewichte geeignet, die an den Schwingelementen, vorzugsweise im Bereich der frei schwingbaren Enden der Schwingelemente, befestigt sind.

Der Generator kann ein - außerhalb der Anregungsphasen von den Schwingelementen entkoppeltes - Energiereservoir zur Speicherung einer Energie umfassen, die für die Anregung des Resonanzsystems verbraucht werden kann, wobei der Energieverbrauch durch die Rückkopplungsschaltung gesteuert wird. Diese Energie kann den Schwingelementen unmittelbar oder mit- hilfe des Aktivators zugeführt werden. Die in diesem Reservoir gespeicherte Energie kann in freie oder - bei Verwendung des Aktivators - erzwungene Schwingungen der Schwingvorrichtung umgesetzt werden.

Das Energiereservoir für Energie kann so ausgebildet sein, dass es zur Speicherung der Energie von unkorrelierten mechanischen Einwirkungen geeignet ist. Mögliche mechanische Einwirkungen sind z. B. unkorrelierte Vibrationen eines Trägers, an dem die Schwingvorrichtung befestigt ist . Auch die Energie des Luftdrucks (z. B. bei Atem und akustischen Signalen der Umgebung) kann im Energiereservoir akkumuliert werden. Die gespeicherte Energie kann z. B. zum Antrieb der Transportvorrichtung verwendet werden, an die der Aktivator gekoppelt ist. Der Aktivator entnimmt Energie dem Energiereservoir und überträgt sie während der Anregungsphase auf die Schwingvorrichtung.

Zur Energiespeicherung ist z. B. gepresste Luft geeignet. Der Luftüberdruck kann in einem dafür vorgesehenen Behälter z. B.

durch Wind, Atem oder durch das Zusammendrücken einer Schuhsohle beim Gehen aufgebaut werden. Der Behälter kann wie ein Luftballon aufblasbar sein, wobei im Behälter vorzugsweise eine überdrucksicherung vorgesehen ist.

Der Behälter weist vorzugsweise eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. Die Eintrittsöffnung, durch die die Luft eingepumpt werden kann, ist mit einem ersten Ventil versehen. Die Austrittsöffnung ist mit einem als Ventil konzipierten Aktivator verschließbar. Der Aktivator wirkt dabei als Regler zum dosierten Freisetzten der gespeicherten Energie. In dieser Variante ist eine kontaktlose geregelte Kraftübertragung auf das Resonanzsystem möglich. Dabei wird die Luft dosiert und vorzugsweise mit einer vorgegebenen Frequenz aus dem Behälter herausgelassen. Der hierbei entstehende Luftstrom kann schwingbare Bestandteile des Resonanzsystems zum Schwingen bringen.

Eine weitere Möglichkeit zur Speicherung der Energie bietet ein Mechanismus mit einer aufziehbaren Feder an.

Die Anregungsvorrichtung kann eine an das Energiereservoir gekoppelte Dosiervorrichtung zur dosierten Abgabe der gespeicherten Energie und einen Aktivator umfassen, der vorzugsweise an die Dosiervorrichtung gekoppelt ist oder - z. B. bei Realisierung als Ventil - mindestens einen Teil der Dosiervorrichtung bildet. Die dosierte Abgabe bedeutet z. B. eine auf den Energiebedarf abgestimmte Anregungsintensität bzw. Anregungsfrequenz . Die Dosiervorrichtung ist durch mechanische Parameter charakterisiert, deren Werte durch die Rückkopplungsschaltung verändert werden können. Zu diesem Zweck ist die Dosiervorrichtung vorzugsweise an die Rückkopplungs- schaltung gekoppelt. Zur Anregung von Schwingungen der

Schwingvorrichtung ist eine dosierte Abgabe einer mechanischen Energie aus einem Energiereservoir besonders vorteilhaft.

Die Anregungsvorrichtung kann eine Transportvorrichtung umfassen, die zum Transport des Aktivators vorgesehen ist. Die Transportvorrichtung weist vorzugsweise drehbare Elemente auf, die z. B. durch Steuerimpulse der Rückkopplungsschaltung elektromagnetisch angetrieben werden können. Durch die Steuerimpulse ist es möglich, die Drehgeschwindigkeit der drehbaren Elemente einzustellen. Somit kann die Geschwindigkeit und die Einwirkungsfrequenz des Aktivators auf das Resonanzsystem gesteuert werden.

Der Aktivator kann unter Einwirkung einer äußeren mechanischen Kraft in Bewegung gesetzt werden. Der Aktivator stellt vorzugsweise ein keilförmiges Teil dar, das zur Anregung von Schwingungen der Schwingvorrichtung benutzt wird und das zur dosierten - im Normalbetrieb des Generators periodischen - Abgabe einer mechanischen Energie an das Resonanzsystems vorgesehen ist.

Der Aktivator läuft während einer Anregungsphase vorzugsweise zwischen den Schwingelementen durch und drückt diese auseinander. Bei jedem Durchgang des Aktivators wird in den Gewichten die Energie speichert, die proportional zur Auslenkung der Gewichte von der jeweiligen Ruhelage ist. Diese Energie kann nach der vorgesehenen maximalen Auslenkung, nach dem Beenden der Anregungsphase, in die Energie der freien Schwingungen der Schwingvorrichtung umgesetzt werden. Die Anregungsphase endet, sobald der Aktivator den zwischen den Gewichten angeordneten Bereich verlässt . Die Aufenthaltsdauer des Aktivators in diesem Bereich, d. h. die Dauer der Anre-

gungsphase, ist so gewählt, dass sie maximal eine halbe Schwingperiode der Schwingvorrichtung beträgt .

Der Piezogenerator kann einen Gleichrichter aufweisen, der elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler verbunden ist . Damit kann die am piezoelektrischen Wandler erzeugte Wechsel- Spannung gleichgerichtet werden. Der Gleichrichter ist vorzugsweise zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der elektrischen Last angeordnet. Der Rückkopplungsschaltung wird vorzugsweise das gleichgerichtete Signal zugeführt .

Der Piezogenerator kann ein elektrisches Speicherelement aufweisen, das vorzugsweise elektrisch mit dem piezoelektrischen Wandler verbunden ist. Als elektrisches Speicherelement kommt ein z. B. gegen Masse geschalteter Kondensator in Betracht. Der Kondensator glättet die gleichgerichtete, eine Welligkeit aufweisende Generatorspannung. Zur Aufladung eines elektrischen Speicherelements kann ein Teil des gleichgerichteten Signals benutzt werden. Die am elektrischen Speicherelement akkumulierte elektrische Ladung kann zur Spannungsversorgung der Rückkopplungsschaltung und zum Starten der Anregungsvorrichtung verwendet werden.

Die Schwingelemente weisen jeweils vorzugsweise ein befestigtes Ende und ein frei schwingbares Ende auf. Jedes Schwingelement kann z. B. eine streifenförmige Biegefeder sein. Die Schwingelemente können beispielsweise die Schenkel eines U- Stücks bilden, das vorzugsweise im Bereich seines Verbindungsstücks an einem Träger befestigt ist. Die Schwingvorrichtung hat in einer bevorzugten Variante die Form einer Stimmgabel. Die Erschütterungen (Vibrationen) des Trägers können die Schwingvorrichtung zum freien Schwingen bringen. Die Schwingvorrichtung kann aber auch durch einen Luftdruck

zum Schwingen gebracht werden. Dies kann in beiden Fällen mit oder ohne den Aktivator zustande kommen.

Die TransportVorrichtung kann in einer Variante ein Transportband umfassen, das mittels Transportrollen in Bewegung gesetzt wird. Die Transportrollen sind vorzugsweise an ein vorstehend erwähntes Energiereservoir für mechanische Energie gekoppelt. Die Transportvorrichtung kann alternativ eine Drehvorrichtung in Form einer Scheibe, eines Rads oder eines Rings umfassen, die bzw. der um eine Drehachse drehbar ist und an dem der Aktivator befestigt ist, der bei der Drehung des Rades zwischen den Schwingelementen durchläuft und dabei das Auseinanderdrücken der Schwingelemente bewirkt .

Das Piezoelement weist Elektroden und mindestens eine piezoelektrische Schicht auf, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Die Elektroden können z. B. Außenelektroden sein, die auf der Oberfläche eines Grundkörpers des Piezoelements angeordnet sind. Zwischen den Außenelektroden ist eine Piezo- schicht angeordnet. Bei der Deformation dieser Piezoschicht entsteht eine elektrische Ladung an den Außenelektroden. Die Elektroden können aber auch Innenelektroden sein, die jeweils zwischen zwei Piezoschichten angeordnet sind. Vorzugsweise sind mehrere Innenelektroden vorhanden, die abwechselnd an eine erste und eine zweite Außenelektrode angeschlossen sind. Für die piezoelektrischen Schichten ist eine Keramik mit piezoelektrischen Eigenschaften sehr gut geeignet.

Die Rückkopplungsschaltung kann einen Komparator und/oder einen Verstärker umfassen. Ein Komparator ist eine Schaltung zum Amplitudenvergleich analoger Signale. Der elektrische E- nergiespeicher kann zur Erzeugung einer Referenzspannung für den Komparator benutzt werden, die einem ersten Eingang des

Komparators zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist zwischen dem ersten Eingang des Komparators und dem elektrischen Energie- Speicher z. B. ein Spannungsteiler mit einem Vorwiderstand und einer in Sperrrichtung gegen Masse geschalteten Z-Diode angeordnet . Dem zweiten Eingang des Komparators wird die gleichgerichtete AusgangsSpannung des Piezoelements zugeführt .

Die Dosiervorrichtung kann z. B. wie in einer Uhr realisiert sein. Das Energiereservoir ist vorzugsweise an ein Schwenkelement (z. B. Anker, Unruhwelle) gekoppelt. Die mechanische Energie kann dabei in die kinetische Energie der Schwenkbewegungen des Schwenkelements umgesetzt werden. Das Schwenkelement kann beispielsweise mittels eines Zahnrads oder Ankerrads eine Welle antreiben und diese Welle zur Rotation bringen. Die Welle gehört vorzugsweise zur Transportvorrichtung oder ist an die Transportvorrichtung mechanisch gekoppelt. Die Schwenkfrequenz des Schwenkelements kann durch die Rückkopplungsschaltung gesteuert werden. Somit kann die Rotationsfrequenz der Welle und folglich die vorgegebene Geschwindigkeit des Aktivators eingestellt werden.

Die Dosiervorrichtung kann in einer Variante eine an eine Unruhwelle gekoppelte Feder umfassen, die durch eine u. a. spontane mechanische Einwirkung aufgezogen werden kann. Die Schwenkfrequenz der Unruhwelle kann durch die Länge der Feder eingestellt werden. Die Länge der Feder kann mittels eines Klemmelements eingestellt werden, das fest mit einem beweglichen, z. B. elektromechanisch oder elektromagnetisch steuerbaren Element verbunden ist, das vorzugsweise eine lineare Bewegung ausführen kann.

Es ist vorteilhaft, wenn die mechanischen Parameter der Dosiervorrichtung derart gewählt sind, dass die Anfangsfrequenz oder -geschwindigkeit der Anregungsvorrichtung in der Nähe des vorgesehenen Arbeitspunktes liegt. Vorzugsweise wird die Anfangsfrequenz der Anregungsvorrichtung unterhalb des Arbeitspunktes gewählt. Die Rückkopplungsschaltung sorgt dafür, dass während der Anlaufsphase die Frequenz der Anregungsvorrichtung erhöht wird. Im Normalbetrieb wird diese Frequenz durch die Rückkopplung in der Nähe des Arbeitspunktes gehalten.

Die Ansteuerung der Frequenz der Dosiervorrichtung kann auf eine vorteilhafte Art und Weise mittels eines Komparators bewerkstelligt werden, der elektrisch an das elektromechanisch oder elektromagnetisch steuerbare Element gekoppelt ist. Der Komparator vergleicht die am Piezoelement erzeugte Spannung mit einer Referenzspannung und gibt z. B. beim überschreiten des vorgegebenen Spannungspegels eine negative und beim Unterschreiten dieses Pegels eine positive Steuerspannung aus. Das elektromechanisch oder elektromagnetisch steuerbare Element wird je nach Zustand des Komparators, d. h. je nach Vorzeichen der Steuerspannung in eine Richtung oder in die zu ihr entgegen gesetzte Richtung bewegt. Die Lage des steuerbaren Elements bestimmt die mechanischen Parameter und somit die Frequenz der Dosiervorrichtung.

Der Piezogenerator kann eine z. B. an den elektrischen Energiespeicher oder an einen weiteren elektrischen Energiespei- cher elektrisch gekoppelte Startvorrichtung (Schalter) aufweisen, die zum Auslösen der Anregungsvorrichtung mittels eines elektrischen Impulses vorgesehen ist. Dabei wird die gespeicherte elektrische Ladung der RückkopplungsSchaltung zugeführt, was die Anregungsvorrichtung ankurbelt. Der Piezoge-

nerator kann aber auch eine Startvorrichtung zum Auslösen der Anregungsvorrichtung mittels einer mechanischen Einwirkung auf diese Vorrichtung umfassen. Die Startvorrichtung kann z. B. manuell betätigt werden. Außerdem kann ein Schalter zum Unterbrechen der Anregungsvorrichtung vorgesehen sein.

Der Generator kann anstatt nur eines Resonanzsystems mehrere Resonanzsysteme umfassen, die vorzugsweise mit der gleichen Frequenz, aber mit verschiedenen Phasen angeregt werden.

Der Piezogenerator wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert . Es zeigen schematisch:

Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Piezogenerators mit einer Rückkopplungsschaltung;

Figur 2 einen prinzipiellen Aufbau eines Piezogenerators mit einem Energiespeicher;

Figur 3 eine beispielhafte Umsetzung des Piezogenerators gemäß Figur 2 für die Ausführung mit mehreren parallel geschalteten elektromechanischen Wandlern;

Figur 4 Zeitabhängigkeit der durch die parallel geschalteten elektromechanischen Wandler gemäß Figur 3 generierten Spannung ;

Figur 5 eine weitere beispielhafte Umsetzung des Piezogenerators gemäß Figur 2 für die Ausführung mit mehreren parallel geschalteten elektromechanischen Wandlern;

Figur 6 ausschnittsweise den Piezogenerator mit einem

Gleichrichter in Form einer Diodenbrücke;

Figur 7 eine Ausführung des Piezogenerators gemäß Figur 2 mit mehreren parallel geschalteten elektromechanischen Wandlern, wobei für jeden Wandler ein eigener Aktivator vorgesehen ist;

Figur 8 im Querschnitt den Piezogenerator mit einer Schwingvorrichtung und vorgespanntem Piezoelement , wobei Schwingelemente der Schwingvorrichtung durch einen Aktivator ausgelenkt sind (oben) und frei schwingen (unten) ;

Figuren 9, 10 eine perspektivische Ansicht einer Transportvorrichtung, die den Aktivator in Bewegung setzt;

Figur 11 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der mehrere Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form einer Scheibe montiert sind;

Figur 12 die Draufsicht auf eine Transportvorrichtung, bei der zwei Aktivatoren auf einer Drehvorrichtung in Form einer Speiche an beiden Enden der Speiche montiert sind;

Figur 13 eine durch den Luftdruck anregbare Schwingvorrichtung mit einem Speicher für die gepresste Luft;

Figur 14A ausschnittsweise den Luftspeicher gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form einer Klappe, die an einem Ende am Luftspeicher befestigt ist;

Figur 14B ausschnittsweise den Luftspeicher gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form einer Membran;

Figur 15A die Ansicht einer Eintrittsöffnung des Luftspeichers gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form eines Plättchens, das um seine Mittelachse drehbar ist, bei geschlossener Eintrittsöffnung;

Figur 15B die Ansicht einer Eintrittsöffnung des Luftspeichers gemäß Figur 13 mit einem Ventil in Form eines Platt- chens, das um seine Mittelachse drehbar ist, bei offener Ein- trittsöffnung;

Figur 16 eine beispielhafte Realisierung der Rückkopplungs- schaltung;

Figur 17 Abhängigkeit der durch den Generator erzeugten Spannung von der Anregungsfrequenz.

Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Piezogenera- tors 1 mit einem mechanischen Resonanzsystem 5, das eine Schwingvorrichtung 51 und einen piezoelektrischen Wandler 2 (Piezoelement) umfasst . Das Resonanzsystem 5 weist eine Resonanzfrequenz f _R auf.

Die Schwingvorrichtung 51 und das Piezoelement 2 sind mechanisch miteinander gekoppelt. Die mechanische Kopplung zwischen der Schwingvorrichtung 51 und dem piezoelektrischen Wandler 2 ist mit dem Doppelpfeil 43 gekennzeichnet. Dank dieser Kopplung ist die übertragung der mechanischen Energie auf den piezoelektrischen Wandler möglich.

Die Schwingvorrichtung 51 kann mithilfe eines Aktivators 6 zur Schwingung angeregt. Die Schwingungsfrequenz stimmt vorzugsweise mit der Resonanzfrequenz f _R des Resonanzsystems ü- berein. Der Aktivator 6 ist ein bewegliches Teil, das die E-

nergie einer äußeren mechanischen Kraft 7 aufnimmt und diese dosiert, d. h. mit einer Anregungsfrequenz f _a auf die Schwingvorrichtung 51 überträgt und somit diese Vorrichtung zum Schwingen bringt. Vorzugsweise gilt f _a = f _R /n, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist.

In Figur 2 ist eine Variante des Piezogenerators 1 gezeigt, der einen Energiespeicher 71 umfasst, in dem die durch die äußere mechanische Kraft 7 erzeugte mechanische Energie gespeichert wird. Der Energiespeicher 71 ist mit dem Aktivator 6 oder mit einer Transportvorrichtung zum Transport des Aktivators gekoppelt, was in der Figur 2 mit dem Pfeil 41 angedeutet ist.

Der Aktivator 6.kann zur Auslenkung von schwingfähigen Elementen der Schwingvorrichtung 51 benutzt werden. Dabei kann zwischen dem Aktivator 6 und der Schwingvorrichtung 51 in vorgegebenen Zeitschlitzen ein mechanischer Kontakt 42 bestehen. Der z. B. als Ventil zur Freilassung der gepressten Luft aus dem Energiespeicher 71 konzipierte Aktivator 6 kann die Schwingvorrichtung 51 aber auch kontaktfrei anregen, indem - wie in Figur 13 durch den Pfeil 68 angedeutet - in vorgegebenen Zeitschlitzen ein Luftstrahl in Richtung der Hauptflächen der schwingfähigen Elemente erzeugt wird.

In einer Variante wird die Energie der Translations- oder Rotationsbewegung des Aktivators 6 in Schwingungen der Schwingvorrichtung 51 umgewandelt. Die Schwingvorrichtung 51 trägt bei der Schwingung eine wechselhafte Druckspannung auf das Piezoelement über. Das Piezoelement ist elektrisch mit einer elektrischen Last 3 - Verbraucher - verbunden. Im Piezoelement erfolgt die Transformation der mechanischen Energie in die elektrische, die der elektrischen Last 3 zugeführt wird.

Im Prinzip kann das Piezoelement einen beliebigen Aufbau aufweisen.

Der piezoelektrische Wandler 2 ist vorzugsweise elektrisch mittels einer Rückkopplungsschleife an den Aktivator 6 oder an eine in Zusammenhang mit den Figuren 9 bis 12 erläuterte Transportvorrichtung zum Transport des Aktivators 6 gekoppelt. Ein Teil der im Piezoelement erzeugten Spannung wird in die Rückkopplungsschleife geleitet, in der eine Rückkopplungsschaltung 26 angeordnet ist.

Am Piezoelement wird eine WechselSpannung erzeugt. Der Piezo- generator 1 kann zur Erzeugung einer WechselSpannung vorgesehen sein. Der Piezogenerator 1 kann aber auch zur Erzeugung sowohl einer Gleichspannung benutzt werden. Zur Erzeugung der Gleichspannung aus der WechselSpannung ist ein Gleichrichter 31 vorgesehen. Zur Erzeugung der Gleichspannung können mehrere Zweige mit jeweils einem eigenen Resonanzsystem parallel geschaltet werden, wobei in den verschiedenen Zweigen die WechselSpannung mit unterschiedlichen Phasen erzeugt wird.

Das am Piezoelement erzeugte Signal wird mittels des Gleichrichters 31 gleichgerichtet und vorzugsweise am elektrischen Speicherelement 32 gespeichert. Als Gleichrichter 31 ist z. B. eine Diodenschaltung mit mindestens einer Diode geeignet. Als elektrischer Speicherelement 32 ist insbesondere eine Schaltung geeignet, die mindestens einen Kondensator oder Akkumulator umfasst . Die am Speicherelement 32 gespeicherte e- lektrische Energie kann durch die Last 3 verbraucht werden.

Ein Teil des erzeugten Signals wird zur Rückkopplung benutzt. Am Ausgang der Rückkopplungsschaltung 26 wird dabei ein Steuersignal zur Ansteuerung einer Dosiervorrichtung 27 erzeugt.

Die Dosiervorrichtung 27 umfasst einen Mechanismus, dessen Frequenz oder Geschwindigkeit durch das Steuersignal der Rückkopplungsschaltung 26 eingestellt werden kann. Dieser Mechanismus ist an eine Transportvorrichtung mechanisch gekoppelt, an der der Aktivator 6 befestigt ist, siehe Figuren 9 und 10. Die mechanischen Parameter der Dosiervorrichtung 27 können derart verändert werden, dass die dem Arbeitspunkt entsprechende Anregungsfrequenz f _a eingestellt werden kann.

Das Rückkopplungssignal für die Rückkopplungsschaltung 26 kann in allen gezeigten Varianten wie in Figur 1 am Ausgang des Gleichrichters 31 abgegriffen werden. Das Rückkopplungs- signal kann alternativ wie in Figur 2 zwischen dem Piezo- transformator 2 und dem Gleichrichter 3, d. h. am Eingang des Gleichrichters, abgegriffen werden.

Figur 3 zeigt einen beispielhaften Piezogenerator, der eine Anzahl N parallel geschaltete Zweige umfasst, wobei in jedem Zweig ein Resonanzsystem 5-1, 5-2 ... 5-N angeordnet ist, und wobei gilt N > 1. Im i-ten Zweig ist ein Piezoelement 2-i und ein Gleichrichter 31-i angeordnet, i ist die Ordnungszahl des Zweiges, i = 1, 2 ... N. Alle Zweige sind vorzugsweise an einen gemeinsamen Energiespeicher 32 für elektrische Energie (hier Kondensator) angeschlossen.

Jedes Piezoelement 2-i ist an eine Schwingvorrichtung 51-i mechanisch gekoppelt. Bei mindestens einem Zweig ist - vorzugsweise am Ausgang des Gleichrichters 31-i - eine Rückkopplungsschaltung 26 angeschlossen. Dies ist in Fig. 3 der erste (obere) Zweig.

Bei mindestens einem Zweig ist - vorzugsweise am Ausgang des Gleichrichters 31-i - eine RückkopplungsSchaltung 26 ange-

schlössen. Der Abgriff des Rückkopplungssignals für die Rückkopplungsschaltung kann alternativ wie in der Variante gemäß der Figur 2 vor der Gleichrichterschaltung erfolgen. Im letzteren Fall wird die leitende Verbindung 312 durch eine leitende Verbindung 311 ersetzt, die in Figur 3 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.

Zur Anregung vom Resonanzsystem des jeweiligen Zweigs ist ein Aktivator 6-1, 6-2 ... 6-N vorgesehen. Jeder Aktivator ist vorzugsweise an einen gemeinsamen Energiespeicher 71 mechanisch gekoppelt, was durch Pfeile 41-1, 41-2 und 41-N angedeutet ist. Mittels der Rückkopplungsschaltung 26 werden die Aktivatoren 6-1, 6-2 ... 6-N jeweils derart angesteuert, dass in jedem Generatorzweig die Anregung 42-1, 42-2 ... 42-N und das Resonanzsystem 5-1, 5-2 ... 5 -N miteinander synchronisiert sind.

Die Resonanzsysteme der verschiedenen Zweige sind vorzugsweise im Wesentlichen gleich ausgebildet und werden mit der gleichen Frequenz, aber mit verschiedenen Phasen angesteuert. In Figur 4 ist der zeitliche Verlauf der durch die parallel geschalteten elektromechanischen Wandler gemäß Figur 3 generierten Spannung U gezeigt. Die Spannung Ui, U ₂ usw. wird durch die Piezoelemente 2-1, 2-2 usw. erzeugt. Die Phasen der Spannungen U ₁ , U ₂ sind einander gegenüber verschoben. Damit gelingt es, die Amplitudenschwankung (Pulsation) der Ausgangsspannung des Generators zu glätten.

Figur 5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführung des Pie- zogenerators mit mehreren parallel geschalteten Piezoelemen- ten 2-1, 2-2 ... 2-N. Jeder Gleichrichter 31-1, 31-2 ... 31-N kann wie in Fig. 5 eine Diode im Serienzweig und eine Diode im Querzweig umfassen. Hier wird mittels der Rückkopplungs- schaltung 26 eine Transportvorrichtung 6' angesteuert, an die

die Aktivatoren 6-1, 6-2 ... 6-N gekoppelt sind. Die Laufbahnen der Aktivatoren verlaufen vorzugsweise parallel zueinander. Dafür ist eine in Zusammenhang mit den Figuren 9 und 10 erläuterte Transportvorrichtung mit einem Transportband besonders gut geeignet. Verschiedene Aktivatoren sind in Fig. 9, 10 vorzugsweise in y-Richtung räumlich gegeneinander versetzt. Möglich ist aber auch, verschiedene, in y-Richtung aufeinander folgende Schwingvorrichtungen entlang der Laufbahn eines Aktivators 6 anzuordnen und somit verschiedene Schwingvorrichtungen mit verschiedenen Phasen, aber mit dem gleichen Aktivator 6 anzuregen.

In Figur 6 ist ausschnittsweise ein Piezogenerator mit einem Gleichrichter 31 bzw. 31-1, 31-2 ... 31-N in Form einer Diodenbrücke gezeigt. Der Eingang der Diodenbrücke ist dabei an das Piezoelement 2 und ihr Ausgang an den elektrischen Energiespeicher 32 und/oder die Last 3 angeschlossen.

Figur 7 zeigt eine Ausführung des Piezogenerators mit mehreren parallel geschalteten Piezoelementen, wobei zur Anregung von jedem Resonanzsystem ein eigener Aktivator vorgesehen ist. An das Piezoelement mit der Ordnungszahl i=l, 2 ... N ist eine eigene RückkopplungsSchaltung 26-1, 26-2 ... 26-N angeschlossen, die zur Synchronisierung des jeweiligen Aktivators 6-1, 6-2 ... 6-N und des durch diesen anzuregenden Resonanzsystems vorgesehen ist . Ansonsten ist die Funktionsweise der in der Figur 7 gezeigten Anordnung in Zusammenhang mit der Figur 3 erläutert .

In Figur 8 ist eine beispielhafte Implementierung des piezoelektrischen Generators mit einer Schwingvorrichtung gezeigt, welche die Form einer Stimmgabel aufweist, also als ein U- Stück ausgebildet ist. Das U-Stück weist zwei Schenkel und

ein Verbindungsstück auf, das die beiden Schenkel miteinander verbindet. Die Schenkel des U-Stücks sind Schwingelemente 8a, 8b, die die Flügel der Schwingvorrichtung darstellen. Die Schwingungen des zweiten Schwingelements 8b sind mit den Schwingungen des ersten Schwingelements 8a korreliert.

Das Verbindungsstück des U-Stücks weist einen Befestigungsbereich 17 auf, in dem die Schwingvorrichtung an einem nicht gezeigten Träger wie z. B. dem Gehäuse des Generators befestigt ist.

Das Piezoelement 2 ist im Ausgangszustand zwischen den Flügeln (Schenkeln) der Schwingvorrichtung in der Nähe des Verbindungsstücks eingeklemmt und dadurch vorgespannt . In einer Variante wird das Piezoelement 2 ausschließlich durch die Schenkel der Schwingvorrichtung gehalten. Möglich ist aber auch, dass die Flügel hauptsächlich zum periodischen Zusammendrücken des Piezoelements 2 dienen, wobei das Piezoelement zusätzlich von einer von der Schwingvorrichtung mechanisch entkoppelten Haltevorrichtung gestützt, gehalten oder getragen wird.

Die Schenkel der Schwingvorrichtung stellen beispielsweise streifenförmige Biegefedern dar. Die Schwingvorrichtung um- fasst außerdem Gewichte 9a, 9b, die am freien Ende des jeweiligen Schwingelements 8a, 8b montiert und zur Speicherung einer mechanischen Energie geeignet sind.

Die Gewichte 9a, 9b im Kontaktbereich und der Aktivator 6 weisen vorzugsweise schräge, zueinander gewandte Flächen auf, die an einer Stelle abrupt aufhören, welche beim Entgleiten des Aktivators aus dem Kontaktbereich als Letztes berührt wird. An dieser Stelle wird die maximale Auslenkung der

Schwingelemente 8a, 8b erzielt. Die schrägen Flächen schneiden sich jeweils vorzugsweise mit einer waagerecht ausgerichteten Fläche. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall beim Passieren des Aktivators 6 durch den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung unmittelbar nach dem Erreichen der maximalen Auslenkung der Schwingelemente 8a, 8b ein abruptes Loslassen dieser Schwingelemente bewirkt. Damit gelingt es, die mechanische Energie an die Schwingvorrichtung am effizientesten zu übertragen.

Der Aktivator 6 kann insbesondere in Form eines Keils ausgebildet sein. Der Aktivator 6 bewegt sich in der Figur 8 von links nach rechts zwischen den Gewichten 9a, 9b und gleitet dabei an den zu ihm gewandten Flächen dieser Gewichte. Sobald die Querschnittsgröße des Aktivators den Mindestabstand zwischen den Gewichten 9a, 9b überschreitet, werden die Gewichte 9a, 9b auseinander gedrückt, was in der Figur 8 oben mit Pfeilen angedeutet ist.

Die Gewichte 9a, 9b sind auf den zueinander gewandten Seiten derart angeschrägt, dass das Gleiten des Keils zwischen diesen Gewichten erleichtert ist. Durch die Keilform des Aktivators 6 und die Anschrägung der Gewichte 9a, 9b gelingt es, die Schwingelemente 8a, 8b besonders effizient und ruckfrei auseinander zu drücken. Der Aktivator 6 kann sich auch senkrecht zu der in Figur 8 gezeigten Querschnittsebene bewegen, wobei die Schräge der Gewichte 9a, 9b vorzugsweise stets entlang der Bewegungsrichtung des Aktivators 6 verläuft.

Bei der durch die Bewegung des Aktivators hervorgerufene Aus- lenkung der Schwingelemente 8a, 8b wird in diesen eine Energie gespeichert. Sobald der Aktivator den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung verlässt, fangen die Gewichte an, sich un-

ter der Wirkung einer Rückstellkraft in eine Gegenrichtung zu bewegen. Die Bewegungsrichtung der Schwingelemente 8a, 8b unmittelbar nach dem Entgleiten des Aktivators aus dem Kontakt- bereich ist in der Figur 8 unten mit Pfeilen angedeutet. Dabei wird die in den Gewichten 9a, 9b eingespeicherte Energie in die Schwingenergie dieser Gewichte bzw. in die Schwingungsenergie der Schwingvorrichtung umgesetzt, da die Bewegung der Gewichte 9a, 9b das Oszillieren der Schwingelemente 8a, 8b bewirkt .

Während der Schwingdauer der Schwingelemente 8a, 8b erfährt Piezoelement 2 eine sich bezüglich der Zeit periodisch ändernde mechanische Druckspannung in Vertikalrichtung z, welche zur Kontraktion des Piezoelements führt. Die am Piezoelement 2 erzeugte Druckspannung wird in eine elektrische Energie z. B. wie nachstehend erläutert umgesetzt. An den Elektroden 10a, 10b, 10c des Piezoelements 2 tritt infolge des piezoelektrischen Effekts eine elektrische Ladung auf, die der elektrischen Last 3 oder dem Energiespeicher zugeführt wird. Die stirnseitigen Elektroden 10a und 10b werden beide an eine erste und die mittlere Elektrode 10c des Piezoelements an eine zweite Elektrode der Last 3 angeschlossen, so dass die elektrische Ladung vom Piezoelement 2 abfließen kann.

Die Abhängigkeit der am Piezoelement 2 gemessenen Wechsel - Spannung U von der Zeit t ist in der Figur 8 schematisch gezeigt. Diese Spannung ist proportional zu der Amplitude der mechanischen Schwingungen der Schwingelemente 8a, 8b. Diese Amplitude verringert sich mit der Zeit, da die Schwingungen durch Reibungsverluste und infolge der Energieauskopplung ge- dämpft werden .

Die Schwingelemente 8a, 8b schwingen gegeneinander vorzugsweise in Gegenphase, aber mit der gleichen Amplitude. Der Bereich des Verbindungsstücks, der in der Nähe der Symmetrieachse der Schwingvorrichtung liegt, bleibt bei der Schwingung der Schwingelemente 8a, 8b im Wesentlichen unbeweglich. Der Befestigungsbereich 17 ist vorzugsweise in diesem Bereich des Verbindungsstücks angeordnet. Somit werden die Schwingungen der Schwingelemente 8a, 8b durch die Verbindung mit dem Träger nur geringfügig gedämpft .

Das in Figur 8 gezeigte Piezoelement 2 stellt ein Mehrschicht-Bauelement bzw. einen Piezostack dar, d. h. einen Stapel von abwechselnd angeordneten piezoelektrischen Schichten und Metallschichten. Jede Metallschicht ist zu einer Innenelektrode ausgebildet. Die - in Figur 8 nicht gezeigten - ersten Innenelektroden sind an eine erste Außenelektrode 10a, die zweiten Innenelektroden an eine zweite Außenelektrode 10b und die dritten Innenelektroden an eine dritte Außenelektrode 10c angeschlossen. Die Außenelektroden 10a, 10b, 10c sind an der Oberfläche des Piezoelements 2 angeordnet .

In den Figuren 9 und 10 ist eine mechanische Anordnung zur Anregung der Schwingvorrichtung 51 gezeigt, bei der - im Gegensatz zu der in der Figur 8 gezeigten Variante - der hier nicht gezeigte Aktivator sich nicht entlang der Längsrichtung x der Schwingelemente 8a, 8b, sondern entlang einer anderen Lateralrichtung y, also quer dazu läuft. Die Gewichte 9a, 9b sind dabei derart angeschrägt, dass der Abstand zwischen ihnen in Richtung y kleiner wird.

Die Schwingfrequenz der Schwingvorrichtung 51 kann durch die Masse der Gewichte 9a, 9b, die Länge der Schwingelemente 8a, 8b und die Lage des Piezoelements 2 eingestellt werden. Die

Schwingfrequenz ist vorzugsweise gleich der Resonanzfrequenz des Piezoelements 2.

Die Anregung der Schwingvorrichtung 51 durch den Aktivator 6 kann periodisch sein, wobei die Periode der Anregung vorzugsweise gleich der Schwingungsperiode der Schwingvorrichtung 51 ist oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Periode beträgt. Die Periode der Anregung kann bei Bedarf dadurch verringert und somit die Anregungsfrequenz erhöht werden, dass anstelle nur eines Aktivators 6 wie z. B. in den Varianten gemäß den Figuren 11 und 12 mehrere vorzugsweise gleichartige Aktivatoren 6, 6a, 6b, 6c verwendet werden, wobei die aufeinander folgenden Aktivatoren im gleichen Abstand voneinander auf einer Transportvorrichtung angeordnet sind. Die Transportvorrichtung kann wie in Fig. 9 und 10 ein Transportband oder wie in Fig. 11 und 12 eine Drehvorrichtung umfassen.

In Figuren 9, 10 ist eine Transportvorrichtung vorgestellt, die den Aktivator 6 in Richtung y, d. h. von links nach rechts, linear versetzt. Die TransportVorrichtung umfasst ein Transportband 61, an dem der Aktivator 6 befestigt ist. An diesem Band ist außerdem ein weiterer Aktivator 6a befestigt.

Die Transportrollen 62a, 62b drehen sich jeweils im Uhrzeigersinn um eine Drehachse und bewirken damit die Bewegung des Transportbands 61 auch im Uhrzeigersinn. Das Transportband 61 weist in der Variante gemäß Figur 9 eine seitlich herausragende Zunge 63 auf, an der der keilförmige Aktivator 6 befestigt ist. Die Zunge 63 ragt in eine Richtung hinaus, die quer zur Bewegungsrichtung des Transportbands 61 bzw. Aktivators 6 verläuft. Wenn der Aktivator den Kontaktbereich der Schwingvorrichtung passiert, wird die in Zusammenhang mit der Figur 8 bereits erläuterte Auslenkung der Gewichte 9a, 9b bewirkt.

In der Figur 10 ist der untere Teil des Transportbands 61 zwischen den Schwingelementen 8a, 8b angeordnet. Der Aktivator 6 ist hier - im Gegensatz zu der Variante gemäß Fig. 9 - im Mittelbereich des Transportbands 61 angeordnet. Damit der nach innen gewandte Teil des Aktivators 6 auch im Bereich der Transportrollen ungehindert durchlaufen kann, weisen die Transportrollen 62a, 62b jeweils einen Bereich 64 mit einem kleineren Querschnitt als seine für den Bandtransport vorgesehenen Bereiche auf. Die Laufbahn des Aktivators 6 geht zwischen den Gewichten 9a, 9b durch.

Die in Fig. 9 und 10 gezeigte Schwingvorrichtung 51 ist in einer Seitenansicht auch in Fig. 13 gezeigt.

Der Aktivator kann wie in den Varianten gemäß den Figuren 11 und 12 anstelle eines Laufbands an einer Drehvorrichtung montiert sein. An der Drehvorrichtung können mehrere Aktivatoren montiert sein, womit die Anregungsfrequenz bei der gleich bleibenden Drehfrequenz der Drehvorrichtung gegenüber der Variante mit nur einem Aktivator erhöht werden kann. Die Anordnung der Drehvorrichtung und der Aktivatoren ist vorzugsweise bezogen auf ihren an der Drehachse liegenden Mittelpunkt punktsymmetrisch.

In Figur 11 ist die Drehvorrichtung als eine Scheibe 16c realisiert, die um eine Achse rotiert, welche senkrecht auf den Hauptebenen der Scheibe steht. Die Drehvorrichtung kann alternativ wie in der Variante gemäß Figur 12 mindestens einen Steg 16a aufweisen, der sich senkrecht zur Drehachse erstreckt und um die Drehachse drehbar ist. Durch den Mittelpunkt des Stegs 16a geht die Drehachse durch. An beiden Enden des Stegs 16a ist jeweils ein Aktivator befestigt.

In jedem Fall verläuft ein Abschnitt der Laufbahn jedes Aktivators 6, 6a, 6b, 6c zwischen den Schwingelementen 8a, 8b.

Figur 13 zeigt eine durch den Luftdruck anregbare Schwingvorrichtung 51 und einen Speicher 71 für die gepresste Luft . Der Speicher 71 umfasst einen Behälter 60 mit einer durch ein Ventil 66 verschließbaren Lufteintrittsöffnung 65 und einer durch den Aktivator 6 verschließbaren Luftaustrittsöffnung 69.

Die Luft kann in den Behälter 60 eingepumpt werden, in denen das Ventil offen ist. Das Ventil 66 wird nur geöffnet, wenn im Bereich der Eintrittsöffnung 65 ein Luftdruck in die Richtung von außen nach innen entsteht . Das Heraustreten der Luft aus dem Behälter 60 durch die Eintrittsöffnung 65 wird durch das Ventil 66 verhindert.

In dafür vorgesehenen ersten Zeiträumen wird durch den Aktivator 6 die Austrittsöffnung 69 geöffnet. Das Heraustreten der Luft durch die Austrittsöffnung 69 wird in den zweiten Zeiträumen durch den Aktivator 6 verhindert. Der Aktivator 6 stellt ein Ventil dar, welches mittels der in Fig. 1 bis 3, 5 und 7 gezeigten Rückkopplungsschleife steuerbar ist.

Verschiedene Beispiele für Ventile 6 oder 66 sind in den Figuren 14A, 14B und 15A, 15B gezeigt. Figur 14A zeigt ausschnittsweise den Luftspeicher gemäß Figur 13 mit dem Ventil 66 in Form einer Klappe 66a, die an einem Ende am Luftspeicher befestigt ist. Figur 14B zeigt das Ventil in Form einer Membran 66b.

Figuren 15A und 15B zeigen die Ansicht einer Eintrittsöffnung des Luftbehälters 60 mit einem Ventil in Form eines Plättchens 66c, das um seine Mittelachse DD drehbar ist, bei geschlossener (Fig. 15A) und offener (15B) Eintrittsöffnung. In der Figur 15A ist die Ebene des Plättchens 66c quer und in der Figur 15B parallel zu der Normalen der öffnung 65 angeordnet .

Figur 16 zeigt eine beispielhafte Ausführung der Rückkopplungsschaltung. Die Rückkopplungsschaltung 26 umfasst einen Komparator 261. An den nicht invertierenden Eingang des Kom- parators wird eine Referenzspannung U _ref angelegt. Die Referenzspannung wird durch das elektrische Speicherelement 32 geliefert und mittels der Z-Diode 262 stabilisiert. Die Referenzspannung legt den Arbeitspunkt des Resonanzsystems fest . An den invertierenden Eingang des Komparators 261 wird die am Ausgang des Gleichrichters 31 abgenommene Spannung U angelegt.

Die Versorgungsspannung des Komparators wird durch das elektrische Speicherelement 32 geliefert und mittels der Z-Diode 263 stabilisiert.

Das Ausgangssignal des Komparators 261 wird zur Ansteuerung der Dosiervorrichtung 27 verwendet. Das Ausgangssignal des Komparators kann z. B. zum Umschalten eines elektromechani- schen Elements verwendet werden, mit dem die mechanischen Eigenschaften der Dosiervorrichtung verstellbar sind.

Der Komparator kann einen eingebauten Verstärker umfassen. Das Ausgangssignal des Komparators kann auch durch einen separaten, in der Figur 16 nicht gezeigten Verstärker verstärkt

werden .

In Figur 17 ist die Abhängigkeit der Spannung U von der Anregungsfrequenz f _a gezeigt. Diese am Eingang des Komparators gemessene Spannung ist proportional zur Spannung, die am Ausgang des Gleichrichters erzeugt wird. f _a , ₀ ist der Anfangswert der Anregungsfrequenz und f _a ,i die dem Arbeitspunkt entsprechende Anregungsfrequenz . Die Frequenz f _a , ₀ ist durch die mechanischen Parameter der Dosiervorrichtung 27 im Ruhezustand festgelegt .

f _a , _R ist die Anregungsfrequenz, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz ist. In diesem Beispiel wurde die Frequenz f _a , ₀ und der Arbeitspunkt unterhalb der Frequenz f _a ,R gewählt, bei der die maximale Spannung erzeugt werden kann. Während der Einschwingphase werden die Parameter der Dosiervorrichtung 27 derart verändert, dass die Anregungsfrequenz bis zu dem Wert f _a ,i erhöht wird, bei dem der am zweiten Eingang des Komparators vorgegebene Spannungspegel U _ref erreicht wird. Beim überschreiten dieses Pegels wird die Anregungsfrequenz durch das Umschalten des Komparators erniedrigt und beim wiederholten Unterschreiten dieses Pegels wieder erhöht, so dass die Anregungsfrequenz in der Nähe des Arbeitspunktes stabilisiert wird. Die geringfügige Frequenzänderung in der Nähe des Arbeitspunktes ist in Figur 17 mit einem Doppelpfeil 28 angedeutet.

Das Resonanzsystem ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beliebige Ausgestaltungen des Piezoele- ments und der Schwingvorrichtung sind möglich.

Bezugszeichenliste

1 Piezogenerator

2 Piezoelement

26 Rückkopplungsschaltung 261 Komparator

262, 263 Z-Dioden

27 Dosiervorrichtung

3 elektrische Last

31 Gleichrichter

311, 312 leitende Verbindung

32 elektrisches Speicherelement 41, 43 mechanische Kopplung

42 mechanische Anregung

5 Resonanzsystem (elektromechanischer Wandler)

51 Schwingvorrichtung

6, 6a, 6b, 6c Aktivator

60 Behälter für die gepresste Luft

61 Transportband

62a, 62b Transportrollen

65 Lufteintrittsöffnung

66 Ventil

68 Luftstrahl

69 Luftaustrittsöffnung

7 äußere mechanische Kraft

71 Speicher für mechanische Energie

8a, 8b Schwingelemente

9a, 9b Gewichte

10a, 10b, 10c Außenelektroden des Piezoelements 2

11 piezoelektrische Schicht

12 Innenelektroden 15a, 15b Anschlussdraht 16 Ring

17 Befestigungsbereich

AA Drehachse

U Spannung nach dem Gleichrichter

U _ref Referenzspannung

Ui im ersten elektromechanisehen Wandler erzeugte

Spannung U _N im N-ten elektromechanischen Wandler erzeugte

Spannung f _a Anregungsfrequenz f _a ,o Anfangswert der Anregungsfrequenz f _a, i die dem Arbeitspunkt entsprechende Anregungsfrequenz f _a , _R Anregungsfrequenz, die gleich einem ganzzahligen

Vielfachen der Resonanzfrequenz ist f _R Resonanzfrequenz t Zeit x erste Lateralrichtung, die mit der Längsrichtung der

Schwingelemente 8a, 8b übereinstimmt y zweite Lateralrichtung z Vertikalrichtung