用于制造至少一个机电能量转换系统的方法和机电能量转换系统

摘要

本发明涉及一种用于制造至少一个由多个单件组成的机电能量转换系统的方法，以及一种机电能量转换系统。根据该方法，将多个不同的单件(2，3，4，15，22，40，41，42)定位在装配装置(10，30)中并且在该装配装置(10，30)中在分配给这些单件的接合区域(18，24a，24b)中接合起来，其中，这些单件包括至少一个压电元件(2)、载体结构(3)和振动质量(4)。

说明书

背景技术

无线电子装置越来越流行。然而这种装置的问题是能量供给，该能量供给大多通过电池组或蓄电池保证。电池组和蓄电池通常很大且很重以及必须更换或补充电。

在具有低电流消耗的应用中，可以考虑引入其它更小的且寿命更长的能量源，例如所谓的“Power Harvesting”。在此，例如振动形式的环境能量通过机电转换被转换成电能。这样的换能器例如在文献DE 10 2007 006 994 A1中描述。在该文献中描述的换能器特别是实施为弯曲换能器。该弯曲换能器包括压电元件，该压电元件设置在弹性载体结构的弯曲梁形区段的中心。通过位于压电元件的底面和顶面上的电极可以截取通过压电元件的由载体结构振动引起的变形建立的电压。这种弯曲换能器允许例如作为电流供给装置用在无线传感器模块中，例如用于测量轮胎内压的传感器模块。

这种类型的能量转换系统是具有在毫米至厘米范围中的尺寸的复杂的宏观机械组件，其组装极其费劲且耗时。特别是必须将几乎所有的单件极其配合精确地以小公差相互定位，能量转换系统由这些单件组装而成。这通常导致高的AVT成本(构造和连接技术)。有利的AVT对于一个这样的能量转换系统的制造是存在的，以便在也可变换地使用电池组的应用中也不产生成本缺点。

发明内容

本发明提出一种用于制造一个或多个由多个单件组成的机电能量转换系统的方法，根据该方法将至少两个单件定位在装配装置中，以及在装配装置中将所述至少两个单件在分配给这些单件的接合区域中接合起来，其中，单件包括至少一个压电元件、载体结构、振动质量和/或电极元件。

因此，根据本发明在保持高精度以及低装配耗时的要求的同时实现了一个或多个能量转换系统的成本有利的制造。

此外，本发明提出一种机电能量转换系统，它通过根据权利要求1至10之一的方法制成。

附图说明

下面借助由多幅图示出的实施例详细地描述本发明。在此示出：

图1根据本发明的装配装置的第一实施方式，

图2带有放置在其中的第一单件的装配装置，第一单件在此是振动质量，

图3包括载体结构的第二单件，

图4带有定位在其中的第二单件的装配装置，

图5带有定位在其中的间隔器件的装配装置，

图6压电元件，在其接合区域中涂覆有粘接剂，

图7带有定位在其中的压电元件的装配装置，

图8装配装置和第一压紧元件，

图9由振动质量、第二单件和压电元件接合起来的、带有间隔器件的堆栈，

图10不带间隔器件的所述堆栈，

图11包括电极元件的第三单件，

图12第三单件，在其接合区域中涂覆有粘接剂，

图13振动质量、第二单件和第三单件接合起来的堆栈，

图14完成的能量转换系统的视图，及

图15根据本发明的装配装置的第二实施方式，带有可定位在第二装配装置中的单件的第二实施方式和压紧元件的第二实施方式。

相同或相互对应的部件在这些图中设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1至14示出根据本发明的用于制造一个或多个由多个单件组成的机电能量转换系统的方法的第一实施方式。

图1示出在该方法中使用的装配装置10的第一实施方式。装配装置10包括圆柱形的、坚固的本体。该圆柱形的本体具有贯穿的孔，该孔由三个区段12、13、14构成。这些区段12、13、14沿着圆柱形的本体的对称轴线前后相继地设置。在具有最大直径的最宽的第一区段12后面接着窄地构成的具有稍微较小的直径的的第二区段13，然后接着具有最小直径的第三区段14。在第一区段12中设有槽7，该槽构造成用于单件的定位辅助部6的定位辅助配对件，该定位辅助部稍后阐述。

在装配装置10中放入一个由振动质量4构成的第一单件，见图2。盘形地构造有平面平行的底面和顶面的振动质量4在此被放置到通过从装配装置10的第二区段至第三区段14的过渡部构成的台阶上。第二区段13在直径和其宽度上对应于盘形振动质量4的直径或高度，使得定位好的振动质量4与第一区段12和第二区段13之间的棱边齐平地闭合。

接下来在装配装置10中将第二单件15定位在由振动质量4和装配装置10构成的平的表面上，见图3、4。第二单件15具有圆形的外部轮廓，该外部轮廓在一个部位上构造用作定位辅助部的校准鼻头6。第二单件15的直径对应于第一区段12的直径，校准鼻头16与装配装置10的槽7的型廓互补地构造。以这种方式保证第二单件15在装配装置10中的配合精确的定位。

第二单件包括载体结构3。该载体结构3分成梁形区段16，该梁形区段的端部通过镰刀形的支承区段17封闭，两个翼片形的固定区段18通过两个桥接片离开梁形区段18的中心。通过桥接片19将载体结构3保持在框架20上，该框架构成单件15的先前描述的外部轮廓。除了正确定位载体结构3的功能外，框架20因此还具有保护功能。

第二单件15借助激光加工由实心片加工出来。该片本身是可弹性变形且导电的弹簧片。

在载体结构3的翼片形区段18上涂覆不导电的粘接剂8a。然后将单件15定位在装配装置10中，其中粘接剂8a面向振动质量4。通过粘接剂8a将振动质量4和载体结构3接合起来，由粘接剂覆盖的面积构成接合区域。

下一步骤将间隔器件9定位在装配装置10中，见图5和9。间隔器件9如第一单件15那样通过激光加工由实心片加工出来，即构造为间隔片9，并且具有相应的外部轮廓和校准鼻头6。在中心设有矩形的切口20，该切口在其宽度和长度上对应于载体结构3的梁形区段16。

在下一步骤中将压紧元件11(见图8)插入到装配装置10中，并且通过压力施加将第二单件15和振动质量4相互压紧。压紧元件11在此以装配装置10的、具有圆柱形压紧冲头21的盖的形式构造。圆柱形的压紧冲头21在其直径上对应于装配装置10的第一区段12的直径，并且具有平的冲头面。压紧元件11由此允许均匀的压力分布以及准确的压力计量(例如通过将确定的重量施加到压紧元件11上)。在相互压紧之后将压紧元件11从装配装置10中取出。

在下一步骤中，见图6，对于在此为压电元件2的第三单件，将粘接剂8a、8b涂覆到该第三单件的底面上。该压电元件2条形地、具有与载体结构3的梁形区段16的宽度相应的宽度地由压电陶瓷构成。该压电元件2在其顶面和底面上设有在此不可见的金属覆层，这些金属覆层作为用于截取由压电元件2产生的电压的电极使用。第一粘接剂8a是不导电的粘接剂8a，它涂覆在压电元件2底面的外部边缘上，第二粘接剂8b是导电的粘接剂8b，它涂覆在压电元件2底面上的内部区域中。这种“双粘接剂工艺”阻止了特别是在接合起来时导电粘接剂8b挤入到不期望的区域中，特别是导致短路。

在装配装置10中将其上涂覆有粘接剂8a、8b的压电元件2定位在间隔器件9的矩形切口29的中心，见图7和图9。带有粘接剂8a、8b的底面在此面向第二单件15，特别是梁形区段16。

在将压电元件2放置到装配装置10中之后，由振动质量4、第二单件15、间隔器件9和压电元件2构成的堆栈由压紧元件11通过相互压紧接合起来，如上已经所述。间隔器件9保证，压电元件2相对于载体结构3、特别是相对梁形区段16具有最小距离，由此阻止了过多的粘接剂8a、8b在相互压紧的过程中被挤压出来及导致待制造的能量转换系统的功能缺陷。相应地，间隔器件9的厚度选择得大于压电元件2的厚度。

压紧元件11通过在此未示出的固定夹固定在装配装置10上，然后在炉中加热粘接剂8a、8b。

在加热粘接剂之后将振动质量4-第二单件15-压电元件2-间隔器件9的堆栈从装配装置10中取出。对于取出而言可以使用装配装置10的穿过第三区段14构成的背面的开口，所述堆栈可以通过该开口从装配装置10中压出来，特别是在借助例如杆状构成穿过第三区段14的元件的情况下。在取出堆栈之后去除间隔器件9，见图9。

在下一步骤中，见图10，释放载体结构3，其方式是切断将框架20与载体结构3连接的连接桥接片19。该切断可以人工地、例如以端面切刀实现，或者机器地、例如以激光实现。变换地，堆栈在切断时可以保留在装配装置10中。

图11示出第四单件22。该第四单件22包括电极元件5和框架23，该框架包围和支撑电极元件5。框架23在此与第二单件15的框架20类似地构造，特别是具有同样的外部轮廓和校准鼻头6。电极元件5具有两个翼片形区段24a、24b，它们按照载体结构3的翼片形区段18构造。从翼片形区段24a、24b弧形地分别引出一个接触轨25a、25b。两个相对置的翼片形区段24a、24b通过连接桥接片26相互连接。电极元件5通过多个固定桥接片27保持在框架23中。

与第二单件15相应地，第四单件22借助激光加工由实心片加工出来。该片包括导电材料。第四单件22的顶面和底面相互平面平行，振动质量4、第二单件15、压电元件2和间隔器件9的底面和顶面也一样。

见图12，连接桥接片26在一个端部、在此在端部28上被切断，该端部结束于第二翼片形区段24b上。在电极元件5的第一翼片形区段24a的底面上涂覆导电粘接剂8b。同样将导电的粘接剂涂覆到连接桥接片26的底面上。相反，在第四单件22的第二翼片形区段24b的底面上涂覆不导电的粘接剂8a。

如果以分层方式由振动质量4、载体结构3和压电元件2接合起来的堆栈已经被取出，则将该堆栈重新定位在装配装置10中。然后将第四单件22定位在装配装置10中，其中，第四单件22的其上涂覆粘接剂8a、8b的底面面向载体结构3和压电元件2。然后以上述方式借助压紧元件11进行相互压紧以及在炉中加热粘接剂。接下来将整个接合起来的堆栈从装配装置10中取出。

图13示出从装配装置10取出的由振动质量4-载体结构3-压电元件2和带有电极元件5的第四单件22接合起来的堆栈。现在将电极元件5和外部环23相互分开，其方式是切断固定桥接片27。

图14示出根据本发明的方法制成的能量转换系统1的第一实施方式。通过载体结构3的支承区段17允许能量转换系统1能振动地例如支承在一个壳体中，该壳体具有一个相应于支承区段17的槽。通过载体结构3的梁形区段16的振动使压电元件2变形。通过压电元件2的变形建立的电压可以在压电元件2的顶面上通过连接桥接片26、第一翼片形区段24a和相应的接触轨25a截取，在压电元件2的底面上通过梁形区段16、载体结构3的翼片形区段18、电极元件5的第二翼片形区段24b和分配给第二翼片形区段的接触轨25b截取。振动质量4用于调节能够振动的系统的谐振频率。

这样制成的能量转换系统例如适合作为在能量上自给自足的系统(例如轮胎传感器)的供电装置的组成部分，该轮胎传感器测量轮胎温度和/或轮胎压力和/或在轮胎中出现的加速度。

除了使用粘接剂8a、8b将各种单件接合起来之外，也可以使用焊接工艺，例如激光焊接或超声波焊接。此外，可以例如选择多角形状、特别是正方形来代替单件15、22和间隔器件9的圆形外部轮廓。装配装置10相应地适配。对于多角的外部轮廓，校准鼻头6可以省去。在另一种变型中，装配装置可以具有一个或多个配合销来代替校准鼻头，并且第一单件15、间隔片9和第四单件22具有相应数目的用于供配合销穿过的孔。

变换地，第二单件15、间隔片9和第四单件22由一个片通过冲裁工艺制成。

变换地，振动质量4、载体结构3、压电元件2和电极元件5的压紧可以在仅一个唯一的步骤中借助压紧元件11实现，包括在炉中加热粘接剂在内。原则上也可以在稍后的时间点、特别是在释放电极元件5之后才使载体结构3从框架20释放。

根据本发明的方法也允许用于并行地制造多个能量转换系统，这在下面借助根据本发明的方法的第二实施方式描述。

根据第二实施方式，第二、第三和第四单件被构造为大面积的平面平行的片40、41、42。第二单件40包括多个设置在格中的载体结构3，这些载体结构按照第一实施方式通过固定桥接片(不可见)固定在分配给第二单件40的框架43上。相应地，第三单件41具有被框架44保持的压电元件2，第四单件42相应地具有被框架45保持的电极元件5。

第二实施方式的装配装置30具有大面积的基板47，该基板具有与格相应地设置的多个留空46，这些留空设置用于容纳第一单件，在此是振动质量4。

为了制造能量转换系统1，首先例如借助拾放技术、在此借助机器人将振动质量4放置到装配装置30的留空46中，该机器人从仓库接收振动质量4，然而将其放入空着的留空46中。振动质量4在装配装置30中的另一种有利的放置方式是使振动质量4在预设置的留空46中堆积和摇晃。

接下来将第二单件40、第三单件41和第四单件42上下堆叠在装配装置30上。为了单件40、41、42的正确定位，装配装置30具有四个定位在拐角中的作为定位辅助件的校准栓37，单件40、41和42具有与之互补地构造的通孔36。在上下堆叠之前，按照第一实施方式给相应的单件40、41、42设有粘接剂。在由装配装置30的基板47、第二单件40、第三单件41和第四单件42构成的堆栈上放置一个构造为封闭板31的压紧元件。该封闭板31同样具有通孔36，该通孔允许通过校准栓37引导封闭板31。

借助封闭板31将由振动质量4、载体结构3、压电元件2和电极元件5组成的堆栈相互压紧和接合起来。粘接剂在炉中被加热。在加热和从装配装置30取出被接合起来的堆栈之后，将单个的电极元件5、载体结构3和压电元件2从它们的支撑框架43、44和45释放。以这种方式制造多个如在图14中所示的能量转换系统1。