專利名稱：機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，尤其是振動(dòng)轉(zhuǎn)換為 電能的提高效率的方法和裝置。
背景技術(shù)：
玉見有才支術(shù)侈寸^口文獻(xiàn)《Vibration-to曙ElectricEnergyConversion ( #展 動(dòng)至!j電奇fe的專爭(zhēng)才奐)》；Meninger, S; Mure—Miranda, J. O; Amirtharajah， R.; Chandrakasan, A.; Lang， JH; Very Scale Integration (VLSI) system, IEEE Transactions on,Volume 9， Issue 1, Feb. 2001 Page(s): 64-76, 乂> 開了用于將振動(dòng)形式下的機(jī)械能再生為電能的裝置，該裝置包括大
量的可變電容的電容器，所述可變電容器由固定橋u狀板和移動(dòng)4危狀
4反分別攜帶的兩個(gè)相對(duì)元件形成，移動(dòng)梳狀板在外部振動(dòng)效果下移 動(dòng)并且改變兩個(gè)元件之間的間隙，因此，電容器電容改變。
因此，通過(guò)在電容器板片之間產(chǎn)生靜電力，可能再生電能。
現(xiàn)有技術(shù)還公開了使用壓電材料來(lái)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，其中 機(jī)械能引起壓電材料的變形和材料中電荷的出現(xiàn)，電能可以被再 生。
通過(guò)靜電或者壓電裝置的這種再生不是理想的。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是4是供一種相對(duì)于現(xiàn)有4支術(shù)的方法揭: 高效率的由機(jī)械能到電能的再生方法。
本發(fā)明的另 一個(gè)目的是提供一種用于將機(jī)械能以最優(yōu)的方式 轉(zhuǎn)換為電能的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
上述目的通過(guò)一種能量轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括能夠?qū)C(jī) 械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電裝置，組合用于放大由壓電裝置產(chǎn)生的電能 的靜電裝置。
另一方面，轉(zhuǎn)換裝置組合壓電元件和可變電容器，當(dāng)壓電元件 變形時(shí)，由壓電元件產(chǎn)生的電荷傳送到電容器，所述電容器通過(guò)它 的電容的變化會(huì)放大由壓電元件產(chǎn)生的電能。
電容的變化通過(guò)電容器板片的相對(duì)移動(dòng)獲得。當(dāng)電容器電容減 小時(shí)，電荷產(chǎn)生阻止電容器板片移動(dòng)的靜電力，因此將一部分機(jī)械 能轉(zhuǎn)換為電能。因此，當(dāng)電容器電容減小時(shí)，由壓電元件產(chǎn)生的電 能在壓電元件變形時(shí)祐j文大。
優(yōu)選地，^L械能轉(zhuǎn)換為電能的結(jié)構(gòu)結(jié)合了同步方式的靜電和壓 電轉(zhuǎn)換原理。事實(shí)上，如果當(dāng)壓電元件變形時(shí)，產(chǎn)生電容的變化，
可以通過(guò)靜電結(jié)構(gòu);改大由壓電元件獲得的能量，然后，如有必要可 以向壓電元件再注入能量，以便保持連續(xù)放大。在每個(gè)放大周期， 產(chǎn)生制動(dòng)力(靜電的或壓電的)，它一次比一次大，因此允許將更 多的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
本發(fā)明 -使用的才幾械電容的變化不是諸如通過(guò)轉(zhuǎn)換電容獲得的 那樣的簡(jiǎn)單電容變化，而是機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)導(dǎo)行為。事實(shí)上，在 現(xiàn)有技術(shù)中的已知的電容轉(zhuǎn)換允許提高電能源的電勢(shì)，但是不提高 能量級(jí)。因此，電壓的增加引起維持平均輸出功率等于平均輸入功 率的輸出電流的下降，電壓-電流乘積保持常量，這是能量的電/電 轉(zhuǎn)換，不是機(jī)械/電轉(zhuǎn)換。相反地，由于本發(fā)明，通過(guò)電容因機(jī)械變
形而減小，不^f義電勢(shì)增大，而且電能凈皮存儲(chǔ)；用于使電容變形的所 提供的機(jī)械能事實(shí)上被轉(zhuǎn)換為電能，所述電能放大了存儲(chǔ)在電容中 的初始電能。
通過(guò)才幾才戒變形減小電容，電能祐J故大，然而，^f吏用》者如文獻(xiàn) EP 1 050 955中描述的4爭(zhēng):換電容的系統(tǒng)，只有電壓#1;故大。在本發(fā) 明的情況下，當(dāng)機(jī)械電容變形并且值減小時(shí)，那么在它們的電極上 的存儲(chǔ)電荷Q保持常量(電路臨時(shí)斷開)，等于存儲(chǔ)電荷Q除以電 容值C的電壓U增大，同樣，當(dāng)U增大時(shí)，即當(dāng)C減小時(shí)，存4諸
電能Ecap^iQU增大。
Ecapa=*CU24QU=Q2/2C
所以，當(dāng)Q是常量并且電容C減小時(shí)，Ecapa增大。
通過(guò)諸如轉(zhuǎn)換串聯(lián)平行的電容實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電容系統(tǒng)具有與通
過(guò)積4戒變化實(shí)現(xiàn)的電容變化不同的特性。因此，當(dāng)電容平行時(shí)，電 荷被分配在所有的電容上，電容的串聯(lián)設(shè)置不會(huì)改變電荷的分配， 電容量減小，但是在外端上只能找到一部分電荷。
串耳關(guān)的十個(gè)相同的預(yù)加載電容導(dǎo)致電壓乘以10， ^f旦是也導(dǎo)至丈才目 當(dāng)?shù)碾姾闪砍訧O并且導(dǎo)致存儲(chǔ)能量丄QU不變。這是正常的，因
2
為沒有外部能量加到系統(tǒng)上。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，因此，由電容的機(jī)械變化轉(zhuǎn)換的能量相對(duì) 于由壓電元件轉(zhuǎn)換的能量更有意義。
優(yōu)選地，靜電元件的電容極值對(duì)應(yīng)壓電元件的端電壓極值。在 簡(jiǎn)單的電子裝置的幫助下，這允許在電容值最大的時(shí)刻有效地將壓
電元件轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)移到靜電元件。然后，這個(gè)能量在電容減小的 階段期間被放大。
事實(shí)上，如果除了在靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換之間的同步以外，在 靜電結(jié)構(gòu)上的每個(gè)電容極值處，產(chǎn)生壓電元件的變形極值，因此這 些》文大周期可以以J里想的方式實(shí)i見。為此，只要當(dāng)變形最大時(shí)向處 于最大電容值的靜電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移壓電元件中存儲(chǔ)的電勢(shì)能。然后，在 靜電結(jié)構(gòu)從最大電容值到最小電容值期間，在靜電結(jié)構(gòu)內(nèi)部電勢(shì)能 增大。當(dāng)這個(gè)電勢(shì)能最大時(shí)，或者它向存儲(chǔ)電路(電池)轉(zhuǎn)移，或 者它^皮注入到壓電元件中，以^更它再一次祐j文大。
系統(tǒng)可以用于再生日常環(huán)境(汽車，機(jī)床等等)中的機(jī)械振動(dòng)
能量，以20%的效率每克移動(dòng)物體幾樣1瓦量級(jí)進(jìn)4于再生。
此夕卜，根據(jù)本發(fā)明的裝置有利地不需要初始的電能源就可以起 動(dòng)，同時(shí)保留了小尺寸機(jī)械/電耦合形式的靜電結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。
因此，本發(fā)明主要涉及通過(guò)至少一個(gè)壓電元4牛和至少一個(gè)可變 電容器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的方法，所述方法包括以下步驟
a) 壓電元件的機(jī)械變形，
b) 再生(t^cup6ration )由壓電元4牛的變形產(chǎn)生的電荷，
c) 將電荷從壓電元件傳送到電容器，
d) 改變電容器的電容，
e) 再生(r6cup6ration )至少一部分電能。
優(yōu)選地，壓電元件的變形和電容器電容的改變是同時(shí)進(jìn)ff的。
此外，同樣優(yōu)選地，當(dāng)電容器電容最大時(shí)，壓電元件的變形最大。
電容例如通過(guò)電容器的機(jī)械變形改變。因此，壓電元件和電容 器通過(guò)同樣的初j械應(yīng)力變形。
可以設(shè)計(jì)， 一部分由電容器轉(zhuǎn)換的電能傳送到壓電元件。
電荷根據(jù)壓電元件的變形方向可以向第 一或者第二電容器傳送。
還可以，沒計(jì)，當(dāng)壓電元件的端點(diǎn)電壓最大時(shí)，它的符號(hào)(signe) 是反向的(invers6,相反的)，以《更產(chǎn)生才幾才戒制動(dòng)力，才幾才戒制動(dòng)力允 許在下 一個(gè)轉(zhuǎn)化周期提高轉(zhuǎn)換的能量。
此外，才艮據(jù)本發(fā)明所述方法可以包括由電容器產(chǎn)生的電能傳送 到第二電容，反之亦然，直到達(dá)到電能的預(yù)定》文大水平的補(bǔ)充步駛i。
因此，相對(duì)于》文大水平的超額量的能量^皮傳送到存^f諸單元或者 使用單元。
優(yōu)選地，步驟c)的電荷傳送通過(guò)二才及管或者具有控制電^各的 開關(guān)控制。
本發(fā)明還涉及一種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，包括至少一個(gè)壓 電元件和至少一個(gè)可變電容器，在壓電元件和電容器之間電荷傳送 的控制裝置，以便當(dāng)壓電元件變形時(shí)，產(chǎn)生的電荷傳送到電容器以 便產(chǎn)生通過(guò)電容器的電容變化放大的電能。
優(yōu)選地，傳送電荷的控制裝置由至少一個(gè)二極管或者至少一個(gè) 具有控制電路的開關(guān)形成。
電容器的電容例如通過(guò)電容板片的接近而改變。
優(yōu)選地，壓電元件和電容器的板片基本平行，以便它們承受相
同的枳4戒應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的裝置可以包括兩個(gè)電容器，電容器的電容按相反 方向變4匕。
在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括通過(guò)施加機(jī)械應(yīng)力而 移動(dòng)的移動(dòng)部分，所述移動(dòng)部分具有4立于它的移動(dòng)軸兩側(cè)上的4旨習(xí)犬 物，兩個(gè)同樣具有與所述移動(dòng)部分的指狀物相對(duì)的指狀物的固定部
移動(dòng)部分，相對(duì)(或相面對(duì))的指狀物對(duì)形成兩個(gè)串聯(lián)電容器組， 所述兩個(gè)電容器組的電容按相反方向變化。
在根據(jù)本發(fā)明的裝置的另 一個(gè)實(shí)施例中，壓電元件是與靜電電 極間隔一^殳距離的懸空柔軟膜片形式，以便通過(guò)月莫片的變形，,爭(zhēng)電 電才及和壓電元件的第二電4及形成可變電容器。
根據(jù)本發(fā)明的裝置還可以包括層壓結(jié)構(gòu)，其中，電容器由第一 電勢(shì)的第一電極，電絕緣材料層和第二電勢(shì)的第二電極交替組成， 電絕緣材料是彈性可變形的并且其中壓電元件形成層壓結(jié)構(gòu)的一層。
一和第二電才及。
壓電材泮牛可以選自陶資PZT (PbZrtio3)或PLZT (用鑭)或 者BaTi03，選自納米晶體(PZN-PT或PMN-PT )，選自聚合物 (PVDF )或者AFC (活性纖維合成物)。


本發(fā)明借助于以下的描述和附圖會(huì)被更好的理解，附圖中
圖1A示意性示出了根據(jù)本發(fā)明裝置的實(shí)施例的俯視圖1B是與圖1A所示裝置對(duì)應(yīng)的電路圖的實(shí)例；
圖1C示出了當(dāng)壓電元件變形并且壓電元件在孩i米級(jí)變形時(shí)， 圖1A和IB所示裝置的電容器才艮據(jù)時(shí)間(毫秒)的電容變化(以皮 法為單位)；
圖ID示出了當(dāng)壓電元件變形時(shí)，圖1A和1B所示裝置的電容 器端電勢(shì)才艮據(jù)時(shí)間的變化；
圖1E是壓電元件的電工作模型；
圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的能量再生裝置的另一實(shí)施例的透視圖2B是根據(jù)本發(fā)明裝置的基本原理的電路圖3示出了才艮據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的透^L圖4是本發(fā)明另 一實(shí)施例的示意圖5A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖5B和5C是圖5A所示裝置的細(xì)節(jié)圖5D是對(duì)應(yīng)圖5A所示裝置的電路圖6是對(duì)應(yīng)本發(fā)明另一實(shí)施例的電路圖7是對(duì)應(yīng)本發(fā)明另一實(shí)施例的電路圖； 圖8是對(duì)應(yīng)本發(fā)明另一實(shí)施例的電路圖； 圖9是對(duì)應(yīng)本發(fā)明另一實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式
在所有描述中，《變形》指的是在給出負(fù)載的情況下元件能夠 彈性變形，元件的材料根據(jù)由再生裝置可能承受的應(yīng)力進(jìn)行選擇。
在圖1A和1B中，可以看到一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例，包括一個(gè) 移動(dòng)部分202和在移動(dòng)部分202周圍的兩個(gè)固定部分204, 206，移
動(dòng)部分和固定部分是叉指型的。
固定部分和移動(dòng)部分由導(dǎo)電材料制成。
移動(dòng)部分202包括Z軸方向的主體208，所述主體具有多個(gè)沿 Z軸的兩側(cè)延伸并且垂直于Z軸的指狀物210。固定部分204, 206 平4亍于Z軸并且包纟舌垂直于Z軸的指狀物(或稱齒狀物)212, 214。 固定部分204的指狀物212與圖中位于指狀物210右側(cè)的面210.1 相面對(duì)并且指狀物214與圖中位于指狀物210左側(cè)的面210.2相面 對(duì)。
移動(dòng)部分202可以沿Z軸朝右和左移動(dòng)。因此，當(dāng)移動(dòng)部分202 朝右移動(dòng)時(shí)，指狀物210遠(yuǎn)離指狀物212并且靠近指狀物214。當(dāng) 移動(dòng)部分202朝左移動(dòng)時(shí)，指狀物210靠近指狀物212并且遠(yuǎn)離指 狀物214.
移動(dòng)部分202通過(guò)可變形支桿218連接到支架216，以便允許 沿Z軸移動(dòng)。至于固定部分204, 206,被剛性連4妄在支架216上。
壓電元件P i殳置在支桿218上以^更于當(dāng)移動(dòng)部分202移動(dòng)時(shí)也 變形；壓電元件電串聯(lián)或者電并l關(guān)。壓電元件P包括壓電材沖+和在 壓電才才^H壬一側(cè)的兩個(gè)電才及。
固定部分204的指爿犬物212和移動(dòng)部分202的指爿犬物210的整 體形成第一組電容器，當(dāng)移動(dòng)部分202向右移動(dòng)時(shí)，電容器的電容 增大。
固定部分206的指狀物214和移動(dòng)部分202的指狀物210的整 體形成第二組電容器，當(dāng)移動(dòng)部分202向左移動(dòng)時(shí)，該電容器的電 容增大。
在隨后的i兌明中，會(huì)考慮到，當(dāng)移動(dòng)部分202向右移動(dòng)時(shí)，壓 電元件的端電壓Vp增大并且當(dāng)移動(dòng)部分向左移動(dòng)時(shí)，壓電元件的 端電壓Vp減小。
在圖1B中，可以看到與圖1A中的裝置相關(guān)耳關(guān)的電3各圖。電 路由兩個(gè)子電路C1，C2組成。第一子電路C1包括與第一二極管224 串聯(lián)i殳置的壓電元件P，和具有可變電容(^226的第一電容器226。 電容器226代表等同于由指狀物210和212形成的連續(xù)電容器的電 容器。第二子電路C2包括同樣與第二二極管228串聯(lián)設(shè)置的相同 的壓電元件22和可變電容C23。的第二電容器230。第二電容器230 代表等同于由指狀物210和214形成的連續(xù)電容器的電容器。第一 二極管224和第二二極管228被相反設(shè)置以便允許每個(gè)具有相反方 向上的電；庇通道。
因此，當(dāng)壓電元件P的端電壓Vp增大時(shí)，二才及管224變?yōu)閷?dǎo) 通，并且當(dāng)壓電元件P的端電壓Vp減小時(shí)，4侖到二4及管228變?yōu)?導(dǎo)通(即允許電流通過(guò))。
在所示實(shí)施例中，電路Cl和C2中的每一個(gè)都連接一個(gè)存儲(chǔ)單元C5或者不同的應(yīng)用設(shè)備，^f旦是可以預(yù)見到，電^各應(yīng)該連4妄同才羊 的單元或者同樣的應(yīng)用設(shè)備。
現(xiàn)在，將要描述這個(gè)裝置的功能。
當(dāng)支架216遭受機(jī)械振動(dòng)時(shí)，移動(dòng)部分沿Z軸從左到右移動(dòng)。 移動(dòng)部分的移動(dòng)引起壓電元件P的變形。因此，壓電元件的端電壓 產(chǎn)生，因此產(chǎn)生的電禱傳送到可變電容器的其中一個(gè)中，可變電容 器放大由于電容變化和端電勢(shì)變化再生的電能。
因此，在每個(gè)移動(dòng)方向，壓電元件P變形，導(dǎo)致枳4成能轉(zhuǎn):換為 電能。
在所示實(shí)施例中，電荷傳送的控制裝置由二才及管224， 228形 成，但是，可以使用例如具有控制電路的開關(guān)。
在使用二極管的情況下，電荷傳送從最小電荷值開始連續(xù)進(jìn) 行。然而，在4吏用控制開關(guān)的情況下，電荷傳送只是在壓電元件的 電極之間的電勢(shì)最大的時(shí)刻執(zhí)行一下，。開關(guān)需要被相反于二極管 控制，而二4及管自動(dòng)變?yōu)閷?dǎo)通。
在圖1E中，可以看到簡(jiǎn)化的將壓電元件的電功能才莫型化的電 路圖。
這個(gè)電路包括電容為Cp的電容器222.1和由可變形壓電材料形 成的交;危電壓的222.2。
在圖1C中，可以看到電容器226 (曲線III)、 230 (曲線IV) 的端點(diǎn)的電容和壓電元件的變形(曲線V)才艮據(jù)時(shí)間的變化。
在圖id中，可以看到電容器226(曲線i，n)和230(曲線r，n，)
的端點(diǎn)的電勢(shì)變^f匕。
當(dāng)移動(dòng)部分202向右移動(dòng)時(shí)，壓電元件P變形并且壓電元件P 的端點(diǎn)電壓Vp增大且使二極管304恢復(fù)導(dǎo)通(圖1d,部分1 )。因 此，通過(guò)圖1b中的壓電元件的電容器r1中存4諸的電荷向電容器 226的逐漸傳送，電容器端點(diǎn)電壓￥226跟隨電壓Vp。然后，當(dāng)壓電 元件的變形達(dá)到最大值時(shí)，壓電元件的端點(diǎn)電壓Vp開始減小而相 反地電壓￥226增大(圖id中的部分ii)，這引起二極管224阻斷。 電壓￥226的增大是由于這樣的事實(shí)當(dāng)移動(dòng)部分202向左移動(dòng)時(shí)， 通過(guò)二極管224的阻斷，電容(^226減小(圖1d中的部分ii，)，因
此，電容器226與其它部分電絕緣，電容器的電荷Q22fC226V226保 持常量。如果這個(gè)電荷Q226是常量并且電容C226減小，那么電壓 V226增大。當(dāng)電壓V226達(dá)到最大值時(shí)，可以使用傳統(tǒng)的放電電路(回 歸類型的結(jié)構(gòu)或者其他)以便向存儲(chǔ)單元C5或者直接向待供電的 應(yīng)用設(shè)備傳送電荷能量。
在電容C226遞減期間獲得的電能E^等于l/2q226(V226max-V226min)
或者1/2q226(1/C226min-1/C226max)。電荷Q226是由壓電元件P傳送到電 容器226的電荷，直到壓電元件的端點(diǎn)電壓開始下降(圖1d中的
部分ii的開始)；電壓V226max是在部分ii之末(圖1d )的電容器 226的端點(diǎn)電壓；電壓V226min是在部分ii之初(圖1d )的電容器 226的端點(diǎn)電壓；電容C226min是在部分ii之末(圖1d )的電容器 226的電容；電容C226max是在部分ii之初(圖1d)的電容器226
的電容。
為了4企測(cè)在壓電元件p或者靜電結(jié)構(gòu)處的電壓才及值，例如只要 檢測(cè)從正值到負(fù)值的這個(gè)電壓的分支電流通路就行了 。
此外，有利地，裝置4是供了對(duì)稱性，因此當(dāng)電壓Vp為負(fù)時(shí)， 即當(dāng)移動(dòng)部分202向左移動(dòng)時(shí)，相似的功能出現(xiàn)在電路C2中。因 此，這個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性允許在兩個(gè)移動(dòng)方向再生能量。然而，我們可 以只^是供一個(gè)電^各。
有利i也，當(dāng)電容器226, 230的電容最大時(shí)，壓電it/f牛的端點(diǎn) 電壓Vp最大。因此轉(zhuǎn)換是最理想的，因?yàn)橛糜谟?jì)算被轉(zhuǎn)換電能的 電壓V226的值是電容器226端點(diǎn)的極值。
事實(shí)上，如果壓電元件P的電壓Vp在電容器226的電容C226 之前或之后變?yōu)樽畲?，電容?26的端點(diǎn)電壓V226的值不是極值，
但是電壓V226的值位于部分I1 (圖ID)上的區(qū)間[V226她；V226max]中。
并且，有利地，由壓電元件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換和由電容器226, 230 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換是同步的，因?yàn)閴弘娫的變形和電容器226， 230 引起同樣的外部機(jī)械應(yīng)力，這引起在壓電元件端點(diǎn)產(chǎn)生勢(shì)差，和電 容器226， 230的電容的變化。
此夕卜，根據(jù)本發(fā)明所述的裝置相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的靜電系統(tǒng)表 現(xiàn)出優(yōu)點(diǎn)，裝置無(wú)需i殳置初始電能源就可起動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)壓電元件通 過(guò)移動(dòng)部分202而變形時(shí)，壓電元件提供初始電能源。
根源，電路的損耗允許從已經(jīng)充電的存儲(chǔ)單元中獲得能量、允許檢 測(cè)電容的瞬時(shí)電荷并且允許將這個(gè)能量注入到裝置中。才艮據(jù)本發(fā) 明，有利地，有源充電周期被完全無(wú)源的和自然同步的充電周期代 替。因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換主要通過(guò)靜電結(jié)構(gòu)和壓電元件實(shí)現(xiàn)，壓電元件的 主要作用是將很少的初始電荷注入到靜電結(jié)構(gòu)中，不需要很好的性 能。 在圖2A中，可以看到才艮據(jù)本發(fā)明所述裝置的另一個(gè)實(shí)施例， 包括壓電元件P和靜電電極4。壓電元件P和靜電電極4基本平4亍 并且由介電材料(例如空氣)隔離。壓電元件P和固定電極4通過(guò) 它們的縱向端固定在支架6上。壓電元件P和固定電才及4是電絕續(xù)^ 的。
壓電元件P包括壓電材津牛9,例如PVDF類型壓電聚合物制成 的膜片，膜片兩側(cè)的第一電才及8和第二電極10。第二電極10與固 定電極4面對(duì)面以便形成電容器12。
壓電元件P能夠在施加沿Z軸方向的機(jī)械負(fù)載時(shí)變形，其中這 個(gè)變形引起第二電極10的移動(dòng)并且因此引起固定電極4和移動(dòng)電 極10之間距離的變化。因此，電容器12通過(guò)在膜片9上施加機(jī)械 應(yīng)力具有可變的電容。
在圖2B中，可以看到根據(jù)本發(fā)明所述裝置的基本原理電路圖， 例如圖1A中的裝置。電荷傳送的控制裝置20設(shè)置在電路中。這些 裝置例如是二極管或者具有控制電路的開關(guān)。這些裝置20允許電 荷/人壓電元件P向電容器12傳送。
當(dāng)力沿Z軸被施加在壓電元件P上時(shí)，壓電膜片9變形，導(dǎo)致 第一電極8和第二電才及10之間的電勢(shì)的出現(xiàn)。壓電元件P的這個(gè) 變形引起第二電極10靠近固定電極4，并且引起電容器12的電容 增大。
功能與關(guān)于圖1A.到1E描述的功能一致。
由壓電元件P的變形產(chǎn)生的電荷被傳送到電容器12。然后，當(dāng) 在壓電元件P上停止施加力時(shí)，電容器重新回到靜止位置，電才及4 和10分開引起電容的減小。
與電容器12的端點(diǎn)電勢(shì)變化相聯(lián)系的這個(gè)電容的變化允許再 生電能，該電能可以存4渚或者直4妄;故確定的應(yīng)用i殳備^f吏用。
壓電元件P的變形與靜電元件的電容變化同步，因?yàn)槭峭瑯拥?外部機(jī)械能引起電容的變化和壓電元件的變形。
這個(gè)裝置可以例如用于再生來(lái)自施加在膜片上的壓力或者撞 擊的能量，諸如由在開關(guān)上的觸壓，氣體壓力的變化，血管壓力的 變化，或者雨滴JJ失落在壓電元件上產(chǎn)生的能量。
在圖3中，可以看到才艮據(jù)本發(fā)明所述裝置的另一個(gè)實(shí)施例，包 :括U型延伸的支架104，支架分支的內(nèi)部端106， 108支撐著4皮此 相對(duì)的靜電電極IIO, 112。裝置還包括固定在U型底部的壓電元件 P。壓電元件P包括壓電材料制成的兩個(gè)部分114, 116,所述兩個(gè) 部分包括分別位于它們外側(cè)的電極118, 120,并且通過(guò)它們的內(nèi)側(cè) 固定在導(dǎo)電材料制成的平行于U型分支延伸的橫梁的第一端。橫梁 在它的第二端包括設(shè)置在靜電電極110, 112之間的移動(dòng)塊124。塊 124包括分別與電極110， 112相對(duì)的導(dǎo)電面126, 128,并且它們由 介電材料隔開，例如空氣。
面126， 128和電4及110， 112分別形成電容器，當(dāng)塊124在U
型的分支之間移動(dòng)時(shí)，電容器的電容可以變化。
因此，由于移動(dòng)塊124的慣性，如果支架104遭受機(jī)械振動(dòng)， 裝置可以用于再生電能。當(dāng)支架104遭受機(jī)械振動(dòng)時(shí)，塊124在U 型的分支之間振動(dòng)，引起壓電部分114， 116的變形并且因此引起電 才及118， 120和共有電才及122之間電勢(shì)的產(chǎn)生，并且同時(shí)引起電容 器電容的變化。
因?yàn)闄M梁導(dǎo)電，電極122的電勢(shì)出現(xiàn)在電極126， 128上。 因此，通過(guò)結(jié)合電路再生電能是可能的，例如圖1B所示的電路。
功能與圖1A中的裝置的功能一致。
在圖4中，可以看到用于將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電能的裝置的另一 個(gè)實(shí)施例，所述裝置具有由多個(gè)層形成的夾層結(jié)構(gòu)。
裝置包括壓電元件P，所述壓電元件具有壓電材料404和位于 壓電材料404兩側(cè)的電極406， 408。裝置還包括多層結(jié)構(gòu)，所述多 層結(jié)構(gòu)包括交替的具有相同電勢(shì)U41。的第 一導(dǎo)電層410和具有相同 電勢(shì)U化的第二導(dǎo)電層412，兩個(gè)導(dǎo)電層通過(guò)可變形絕纟彖層414隔 開。這個(gè)結(jié)構(gòu)i殳置在壓電元件上。
電勢(shì)U楊與電勢(shì)U4U不同。
第一導(dǎo)電層410和第二導(dǎo)電層412通過(guò)絕》彖層414形成一系列 電性平行的可變電容器。
電才及406禾口電才及410電"l妄觸。
與壓電元件相反的 一側(cè)用于接受沿Z方向的可變機(jī)械應(yīng)力。
當(dāng)應(yīng)力施加在夾層結(jié)構(gòu)上時(shí)，壓電元件P的端點(diǎn)電勢(shì)能增大并 且通過(guò)層410， 412的靠近，l爭(zhēng)電電容增大。層410， 412的靠近通 過(guò)選擇易彎曲的電絕緣層(例如橡膠)實(shí)現(xiàn)，它在應(yīng)力下會(huì)允許層 410, 412靠近。
如圖1A中的裝置，由壓電元件P產(chǎn)生的電能當(dāng)其最大時(shí)向電 容器416傳送。因此，在施加在裝置上的應(yīng)力放松期間，電勢(shì)能被 放大。
當(dāng)壓緊時(shí)，壓電元件將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并且在應(yīng)力 放松時(shí)，電容器或者靜電部分放大這個(gè)轉(zhuǎn)換。
也可以討i侖,爭(zhēng)電結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，當(dāng)導(dǎo)電層410， 412 ;f皮此靠近 時(shí)，它們4妻受來(lái)自壓電元件P的電荷。因此，這個(gè)電荷創(chuàng)建趨向阻 止導(dǎo)電層分開的靜電力，因此，使壓緊時(shí)獲得的一部分機(jī)械勢(shì)能轉(zhuǎn) 換為電勢(shì)能。因此，這個(gè)獲得的電勢(shì)能可以用于給電路、傳動(dòng)裝置 或者能量存儲(chǔ)單元供電。
在圖5A， 5B和5C中，可以看到與圖1A中的裝置圖相似的根 據(jù)本發(fā)明所述裝置的應(yīng)用實(shí)施例的示意圖。
出于簡(jiǎn)化的原因，采用與圖1A中相同的附圖標(biāo)記。
支桿218由在支架的整個(gè)寬度上垂直于移動(dòng)軸Z延伸的壓電元 件P組成。壓電元件P通過(guò)它們的端部嵌入在支架和固定部分204， 206之間，如可以在圖5B的詳圖中看到的。電絕緣材料層223插 入在壓電元件P和固定部分204, 206之間。壓電元件包括i殳置在 壓電材津牛232 —側(cè)的電才及234，這個(gè)電4及電連4妄移動(dòng)部分202，詔: 置在壓電材料232另一側(cè)的兩個(gè)電極236, 238。
電才及236， 238—起連4妄在相同的電勢(shì)上。
有利地，裝置包括擋塊239,用于避免在路線(course)結(jié)束時(shí)由 指狀物之間的4秦觸引起的短^各。
應(yīng)該注意，能量轉(zhuǎn)換裝置可以包括多個(gè)比圖中所示的指狀物更 大的指狀物。
在圖5A至5C中顯示的尺寸只是作為例子，沒有限制作用。
移動(dòng)部分202具有300微米的寬度和7000孩吏米的長(zhǎng)度。指狀 物間隔150微米并且高度為1200微米。裝置的厚度可以是400微 米，移動(dòng)部分202的每一側(cè)包括46個(gè)指狀物并且裝置重大約1克。 在指狀物之間的間隙可以在1微米至50纟鼓米之間變化。
當(dāng)移動(dòng)部分202沿Z方向相^j"于固定部分204， 206向圖的右 面移動(dòng)時(shí)，在移動(dòng)部分202和固定部分204之間的電容增大，在移 動(dòng)部分202和固定部分206之間的電容減小。同時(shí)，壓電元件P變 形，尤其是拉伸。
我們將考慮壓電元件的電極234與移動(dòng)部分202具有相同的電勢(shì)。
當(dāng)壓電元件P^立伸時(shí)，我們會(huì)考慮，通過(guò)對(duì)稱性，電4及236， 238的電勢(shì)以同樣的方式增大并且可以 一起連4妄到電勢(shì)V 。
系統(tǒng)通過(guò)樣i電子4支術(shù)可以4皮部分或者全部制成或者通過(guò)傳統(tǒng) 制造技術(shù)(機(jī)械加工、鑄造或者其他)更大尺寸地制成。
在圖5D中，可以看到與圖5A中的電路的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的 電路。
除了圖1B中所示電3各以外，這個(gè)電3各還包括由機(jī)械能轉(zhuǎn)換而 再生的電能向電能存儲(chǔ)單元C5放電的電路C3，以及有利地，用于 驅(qū)動(dòng)》文電電^各C3起動(dòng)的輔助電源電i 各C4的 一個(gè)實(shí)例。
放電電路C3并聯(lián)連接在電路C1和C2上。放電電路包括分別 與線圏Ll, L2串聯(lián)并且與電路C1， C2并聯(lián)的開關(guān)K1， K2。力文電 電路還包括與開關(guān)K1,K2連接的且與存儲(chǔ)單元C5串聯(lián)的二極管Ds 和線圏Ls。并且線圏Ll, L2和Ls具有同樣的》茲性電路。
二極管Dp與壓電元件P并聯(lián)設(shè)置。
豐乾助電源電^各C4包4舌，例3。，兩個(gè)二才及管224，和228，，所述 兩個(gè)二4及管一邊連4妾二才及管224和228并且另 一邊連4妄通過(guò)二才及管 224，和228，可再充電的電源E'。
每當(dāng)電容C226或C23Q達(dá)到最大值C226max或者C230max時(shí)，壓電 元件P也達(dá)到最大變形并且產(chǎn)生可以對(duì)電容已經(jīng)達(dá)到最大值的電容
器226， 230予貞充電的正電壓Vp。
因此，通過(guò)預(yù)充電電容器226， 230的電容4直的遞減或者電容 器226, 230端點(diǎn)電壓的遞增，注入的電荷能量被放大，這種方法 與用于圖1A中的裝置的方法相同。
當(dāng)電容器226， 230的的端點(diǎn)電壓達(dá)到最大值時(shí)，通過(guò)在四分 之一的共振周期(L1C226或L2C230)內(nèi)關(guān)閉相應(yīng)的開關(guān)K1，K2，那 么它的電能借助于放電電路C3向存儲(chǔ)單元C5傳送。因此，電容器 226, 230獲得的電勢(shì)能通過(guò)開關(guān)K1或K2向放電電路C3傳送，然 后通過(guò)二極管Ds由放電電路C3向存儲(chǔ)單元C5傳送。
如果開始時(shí)存儲(chǔ)單元C5是空的，控制開關(guān)Kl和K2所需要的 電能可以由輔助電源E，提供，所述輔助電源通過(guò)二極管224，和228， 自然充電。然后，存儲(chǔ)單元C5 —達(dá)到足夠的電壓，它就可以為開 關(guān)的控制供電。
二才及管Dp起到對(duì)壓電元件P的電4及222.3再注入電荷的作用， 所述電荷先前一皮傳送在電容器226或者230上。
為了最小化損耗，優(yōu)選地選4奪具有小閥值、導(dǎo)通狀態(tài)下小電阻 和反向電壓時(shí)高阻抗的二極管，例如肖特基類型的二^jf。優(yōu)選地
選擇具有導(dǎo)通狀態(tài)下小電阻、開路狀態(tài)下高阻抗和小干擾電容的晶
體管，例如MOSFET或JFET類型的晶體管。
關(guān)于壓電元件，使用的材料、它的厚度和它的長(zhǎng)度被選擇，以 便能夠提供足夠的電壓和電流來(lái)對(duì)包括電路Cl和C2的靜電結(jié)構(gòu)預(yù) 充電，并且以使j尤選;也在力圖'恢復(fù)的扭4成4展動(dòng)或者相只于移動(dòng)的頻率 范圍內(nèi)引起靜電結(jié)構(gòu)的共振。
壓電才才泮?？梢栽谔沾蒔ZT (PbZrtio3)或PLZT (用鑭)或者 BaTi03,在納米晶體(PZN-PT或PMN-PT)，在聚合物(PVDF ) 或者AFC (活性纖維合成物)中選擇。
電感變壓器的磁性電路被選擇，以便可以存儲(chǔ)由電容器226或 230在一個(gè)周期獲得的能量。設(shè)置在這個(gè)磁性電路上的三Ll， L2和 Ls的線圈數(shù)使得磁性電路的充電/放電時(shí)間相對(duì)于相對(duì)移動(dòng)的機(jī)械
周期是可以忽略的。這個(gè)線圈數(shù)尤其取決于C226min, C23涵n的值和存
4諸單元C5的端點(diǎn)電壓。
可以設(shè)計(jì)，例如電路LlC226min和L2C23()min的共振周期是微秒
量級(jí)的，就是說(shuō)相對(duì)于幾毫秒周期的機(jī)械振動(dòng)非常小。
在上面給出的裝置的尺寸的基礎(chǔ)上，我們會(huì)確定通過(guò)才艮據(jù)本發(fā) 明裝置再生的能量。
電容器226或230的電容表面積等于 S:46^0.4"-18.4mm2
C226min=C23omin=e0S/dmax= e0"8.4 mm2/50,=3.3PF C226max=C23omax=e0S/dmin= e0*18.4 mm2/lpm=162,7pF
當(dāng)移動(dòng)時(shí)，dmax和dmin分別是電容器C226和(^23。的兩個(gè)指狀物 之間的最大和最小間隙3巨離。
如果共振頻率等于f尸50Hz，那么相對(duì)于移動(dòng)部分202沿Z方 向的移動(dòng)，壓電元件的整體剛性系數(shù)k等于
k=M(2n fr)p=l(T3(2n50)p =98.7N/m。
當(dāng)A是相對(duì)移動(dòng)的幅度，在一個(gè)周期內(nèi)機(jī)械可用能量等于E^ 用《 1/2kA2。
在最有利的情況下(產(chǎn)生最多的能量)，A等于(dmax-dmin) /P =24.5(im。
因:t匕，E可用《 l/2kA2=l/2*98.7* ( 24.85*l(T6 ) 2=29.6 nJ。 由靜電結(jié)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)電轉(zhuǎn)換的能量為
Ec=4(Cmax-Cmin)V2充電=4.10-9 V2充電
如果我們希望電轉(zhuǎn)換能量等于機(jī)械可用能量，對(duì)應(yīng)一個(gè)減幅
(amortissement),大約1: E=E可用，因jt匕V2充電-2.7V。
要注入靜電結(jié)構(gòu)(C226或C230 )中用于才丸4亍預(yù)充電的能量為
E預(yù)充電=5 Gmax V2充電^0.6nJ。
因此，對(duì)于24.5pm幅度的相對(duì)移動(dòng)，壓電元件完全能夠在每 個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生2.7V的0.6nJ能量，這個(gè)能量對(duì)應(yīng)由靜電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的 能量的1/49。因此可以看出，壓電橫梁在此的唯一作用是啟動(dòng)靜電 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)工作。
因?yàn)橛蓧弘娫D(zhuǎn)換的電能只是可用4幾械能的2%,因此，通 過(guò)微電子制造技術(shù)，壓電材料的選擇可以主要考慮它們的兼容性。
用這樣的系統(tǒng)在50Hz和最大幅度再生的功率是
P可再生50他=29.6.10-9*2*50=2.96^1\￥，
因?yàn)槊總€(gè)機(jī)械周期有兩個(gè)周期，一個(gè)周期用于電容器C226, —
個(gè)周期用于電容器c230。
本發(fā)明相對(duì)于單獨(dú)的靜電系統(tǒng)能夠贏得(gagner,增加)20%的效率。
在圖6中，可以看到用于利用根據(jù)本發(fā)明的有利實(shí)施方式的同 步壓電和靜電元件組合的電路圖。
電路包括壓電元件P、 二極管504 、可變電容C5o6的電容器506 、 開關(guān)508以及與壓電元件P并聯(lián)的線圈510。壓電元件P的端點(diǎn)電 壓是Vp并且電容器506的端點(diǎn)電壓是V506。
這里將考慮，當(dāng)Vp減小時(shí)，電容器506的電容相反地增大。
在這個(gè)實(shí)施例中，我們考慮到，開動(dòng)開關(guān)508以侵/使壓電元4牛 的端點(diǎn)電壓反向并且改善裝置的效率。
當(dāng)電壓Vp最大時(shí)，壓電元件P的端點(diǎn)電壓可以通過(guò)在由線圏 510和壓電元件P的電容形成的電i 各的半個(gè)共纟展周期上關(guān)閉開關(guān) 508來(lái)反向。存儲(chǔ)在壓電元件P中的電荷的符號(hào)的反向?qū)е庐a(chǎn)生機(jī) 械制動(dòng)力，該機(jī)械制動(dòng)力在下個(gè)周期能夠增大被轉(zhuǎn)換的能量。這個(gè) 周期對(duì)應(yīng)電壓Vp減小的周期。然后，當(dāng)電壓Vp最小時(shí)，在引起電 壓V3及性反向并且通過(guò)二才及管504電容器506充電(此時(shí)它最大)
的半個(gè)共振周期內(nèi)，開關(guān)508再一次關(guān)閉。然后當(dāng)電容C506減小時(shí)，
在相對(duì)于電容C，的變化周期4艮短的時(shí)間內(nèi)，在全部或部分傳送到
需要供電的應(yīng)用設(shè)備之前，它的電勢(shì)能增大到直到最大值。剩余的
能量可以保留在電容器506中，以便于電壓Vp通過(guò)非零值開始下 一個(gè)周期。
在圖7中，可以看到本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的電路圖，它 允許轉(zhuǎn)換裝置在無(wú)能量供給的情況下起動(dòng)。
電路包括壓電元件P， 一邊與二極管604和電容器606并if關(guān)連 接，另一邊與二極管608并聯(lián)連接。
壓電元件P和電容器606通過(guò)它們的端部中的 一 個(gè)端部連接地 線電勢(shì)610。電容器606通過(guò)它的另一端連接放電電路。
，I定當(dāng)電容器606的電容C606增大時(shí)，壓電元件的端點(diǎn)電壓 Vp增大，反之亦然。
當(dāng)電壓Vp增大時(shí)二4及管604變?yōu)閷?dǎo)通并且主合電容器606充電，
直到電壓Vp達(dá)到最大值。然后當(dāng)電容C606減小時(shí)，^皮傳送到電容
器606的電荷被放大。，當(dāng)這個(gè)電勢(shì)能最大時(shí)，在放電電路的幫助下 電勢(shì)能向需要供電的應(yīng)用設(shè)備或者存儲(chǔ)單元傳送。
當(dāng)電壓Vp通常為負(fù)時(shí)，二才及管608的引入允許給壓電元件P 的電容Cp再充電，以1更在它的正周期期間增大電壓Vp的最大值。
在圖8中，可以看到本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)選變型例的電路圖，它 4吏壓電元件變4尋有源(actif)以1更再生能量。
在本申請(qǐng)中能量再生期間使壓電元件變得有源，意味著電荷被 注入壓電元4牛以1更創(chuàng)建與它的變形相反方向的靜電力。因此，通過(guò)
創(chuàng)建與移動(dòng)相反的力，在一個(gè)周期內(nèi)由壓電元件轉(zhuǎn)換的能量相對(duì)于 完全無(wú)源的運(yùn)行顯著增大。
圖8中的電路包括第一電路C6和第二電^各C7。第一電路C6 包4舌壓電元4牛P、 二極管704、電容器706、開關(guān)708和線圈710。 開關(guān)708和線圏710與二才及管704并耳關(guān)連才妻。
第二電路C7包括壓電元件P、 二極管712、電容器714、開關(guān) 716和與二才及管712并:f關(guān)連"t妾的線圏718。開關(guān)716和線圏718與 二極管712并聯(lián)連接。
壓電元件P連接存儲(chǔ)單元C5。在開關(guān)708和線圏710之間的 第一電路C6和在開關(guān)716和線圏718之間的第二電路C7分別通過(guò) 開關(guān)720， 722連接存儲(chǔ)單元C5。
當(dāng)所有的開關(guān)708, 716, 720， 722斷開時(shí)，電路如圖1B中所 示電3各一樣工作。這個(gè)結(jié)構(gòu)允許系統(tǒng)起動(dòng)，即當(dāng)壓電元件的端點(diǎn)電 壓Vp增大時(shí)，電容器706充電，然后，當(dāng)電容器706的電容減小 時(shí)，電容器的端點(diǎn)電壓V，增大。然后，當(dāng)電壓V，最大時(shí)，不是 完全從靜電結(jié)構(gòu)向存儲(chǔ)單元C5放電，而是一部分電能向壓電元件 P傳送。為此，閉合開關(guān)708,這起到在電容器706和壓電元件P 之間建立電流的效果。這個(gè)電流循環(huán)允i午4吏電壓Vp反向，并且因 此在壓電元件P處創(chuàng)建制動(dòng)機(jī)械力。最后，全部電能(存儲(chǔ)在壓電 元件、電容器706和線圏710中)的一部分可以通過(guò)斷開開關(guān)708 和閉合開關(guān)720向存儲(chǔ)單元重新傳送，直到循環(huán)在電路C6和存儲(chǔ) 單元C5之間的電流^皮消除。
應(yīng)該注意到，如果想要壓電元件的電容Cp不完全放電以便在 非零極性下重新起動(dòng)下個(gè)周期，由于二極管704的存在，電容器706 可以不全部放電。這不是個(gè)問(wèn)題，只要這個(gè)電壓Vp與電壓V，的
最大值相比保持很小。開關(guān)708的閉合時(shí)間可以根據(jù)在壓電元件P 處希望的極性值以及在每個(gè)周期希望向存儲(chǔ)單元C5傳送的能量來(lái) 確定。當(dāng)壓電元4牛以與圖1A中的裝置相似的方式向另一個(gè)方向移 動(dòng)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，相似的功能存在于電^各C7。
在圖9中，可以看到本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選變型例的電路圖，其 中，壓電元件4力波用作初始能量源，然后能量通過(guò)靜電結(jié)構(gòu)的可變 電容一皮多級(jí)》文大。
電路包括第一電路C9和第二電路C10。電i 各C9包括壓電元件 P、 二4及管804和可變電容器806。
第二電3各C10包括壓電元件P、 二極管808和可變電容器810.
電容器806與開關(guān)812和線圏814并聯(lián)連4妄。
電容器810與開關(guān)816和線圏814并聯(lián)連才妄。
線圈814通過(guò)開關(guān)818還與存儲(chǔ)單元C5連4妄。
開始，電容器806的端點(diǎn)電壓V,為零。當(dāng)壓電元件P的端點(diǎn) 電壓Vp為正時(shí)，電容器806有初始電荷，然后與這個(gè)電荷相聯(lián)系 的能量通過(guò)電容器806的電容的減小一皮力文大。當(dāng)電容器806的電容 達(dá)到最小值時(shí)，即當(dāng)電壓Vs。6最大時(shí)，電容器806的電勢(shì)能首先通 過(guò)閉合開關(guān)812向電感814傳送，然后通過(guò)閉合開關(guān)816由電感814 向電容器810傳送。此外，因?yàn)楫?dāng)電容器806的電容最小時(shí)，電容 器810的電容最大，電勢(shì)能在電容器810的電容減小過(guò)程中再次增 大。
在機(jī)械周期以前的從一個(gè)電容到另 一個(gè)電容的能量傳送時(shí)間 被認(rèn)為是可忽略的，即由線圈814和電容器806組成的電路的共振頻率以及由線圏814和電容器810組成的電路的共振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 移動(dòng)部分的機(jī)械振動(dòng)頻率。然后，當(dāng)電容器810的電勢(shì)能達(dá)到最大 值時(shí)，它的能量向電容器806傳送。
在兩個(gè)電容器806, 810之間的傳送繼續(xù)進(jìn)4于，直到》欠大水平 變得足夠大。在每個(gè)機(jī)械周期，過(guò)量的能量向存儲(chǔ)單元C5傳送。 這可以從暫時(shí)存儲(chǔ)在線圈816中的能量開始進(jìn)行，然后通過(guò)閉合開 關(guān)818向存4諸單元C5部分或者全部傳送。
由于線3各布置的對(duì)稱性，用壓電元件的端點(diǎn)負(fù)電壓Vp ,最初的 充電可以通過(guò)第二電3各來(lái)實(shí)現(xiàn).
這個(gè)裝置展現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是，在壓電元件處用很小的，十分之幾伏 的電壓(略大于二才及管804和808的閥值電壓的電壓)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。
裝置的功能，尤其圖2A中的裝置的功能通過(guò)考慮壓緊力來(lái)描 述，而設(shè)計(jì)用于使層410， 412遠(yuǎn)離的牽引力形式的能量轉(zhuǎn)換同樣 可以實(shí)J見。
本發(fā)明不限于纟效系統(tǒng)，它還應(yīng)用于米制尺寸的系統(tǒng)以及納米尺 寸的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的方法，所述方法通過(guò)至少一個(gè)壓電元件和至少一個(gè)可變電容器實(shí)現(xiàn)，所述方法包括以下步驟a)所述壓電元件的機(jī)械變形，b)再生由所述壓電元件變形產(chǎn)生的電荷，c)將電荷從所述壓電元件傳送到所述電容器，d)通過(guò)所述電容器的機(jī)械變形改變所述電容器的電容，e)再生至少一部分電能。
2. 才艮據(jù)4又利要求1所述的方法，其中，所述壓電元件的變形和所 述電容器電容的改變是同時(shí)進(jìn)行的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，當(dāng)所述電容器電容最大時(shí)， 所述壓電元件的變形最大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述壓電元 件和所述電容器通過(guò)相同的才幾械應(yīng)力變形。
5. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中， 一部分由所述電容 器轉(zhuǎn)換的電能傳送到所述壓電元件。
6. 4艮據(jù)上述任一一又利要求所述的方法，其中，電荷4艮據(jù)所述壓電 元件的變形方向向第一或者第二電容器傳送。
7. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，當(dāng)所述壓電元件的 端點(diǎn)電壓最大時(shí)，它的符號(hào)是相反的，以便產(chǎn)生機(jī)械制動(dòng)力， 所述機(jī)械制動(dòng)力允許在下 一個(gè)轉(zhuǎn)換周期提高轉(zhuǎn)換的能量。
8. 才艮據(jù)上述任一4又利要求所述的方法，包括由電容器產(chǎn)生的電能 傳送到第二電容器以及反之亦然，直到達(dá)到電能的預(yù)定放大水 平的一個(gè)補(bǔ)充步驟。
9. 根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，相對(duì)于放大水平的超 額量的能量被傳送到存儲(chǔ)單元或者使用單元。
10. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，步驟c)的電荷傳 送通過(guò)二極管或者具有控制電路的開關(guān)控制。
11. 用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，所述裝置包括至少一個(gè)壓電 元件(p)和至少一個(gè)可變電容器，以及在所述壓電元件和所 述電容器之間電荷傳送的控制裝置，以便當(dāng)所述壓電元件(p ) 變形時(shí)產(chǎn)生的電荷傳送到所述電容器以便產(chǎn)生通過(guò)所述電容 器的電容變化放大的電能。
12. 根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述電荷傳送的控制 裝置由至少一個(gè)二極管或者至少一個(gè)具有控制電^^的開關(guān)形 成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的裝置，其中，所述電容器的電容 通過(guò)所述電容器的々反片的移動(dòng)來(lái)改變。
14. 根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述壓電元件(p) 和所述電容器板片基本平行，以便它們承受相同的才幾械應(yīng)力。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的裝置，包括兩個(gè)電容器， 它們的電容4安相反方向變4匕。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)所述的裝置，包括通過(guò)施加 才幾才戒應(yīng)力而移動(dòng)的一個(gè)移動(dòng)部分(202 )，所述移動(dòng)部分具有4立 于它的移動(dòng)軸兩側(cè)上的指^1犬物(210);兩個(gè)同才羊具有與所述-多 動(dòng)部分(202)的指狀物(212)相對(duì)的指狀物(212， 214)的 固定部分(204, 206),所述壓電元件(p)垂直于所述移動(dòng)部 分(202)的移動(dòng)方向并且電連接所述移動(dòng)部分(202)，相對(duì) 的指狀物對(duì)形成兩個(gè)串聯(lián)電容器組，所述兩個(gè)電容器組的電容 4要相反方向變4匕。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述壓電 元件(p)是與靜電電極(4 )間隔 一段距離的懸空柔軟膜片形式， 以1更通過(guò)所述力莫片的變形，所述l爭(zhēng)電電才及(4)和所述壓電元 件的第二電極(10)形成一個(gè)可變電容器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項(xiàng)所述的裝置，包括層壓結(jié)構(gòu)， 其中，所述電容器由具有第一電勢(shì)的第一電極(410),電絕緣 材料層(414)和具有第二電勢(shì)的第二電極(412)交替形成， 所述電絕纟彖材一'牛是彈性可變形的并且其中所述壓電元件(p ) 形成層壓結(jié)構(gòu)的一層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11至18中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述壓電 元件(p)包括壓電材料層以及所述壓電材料層兩側(cè)的第一和 第二電才及。
20. 才艮據(jù)前一項(xiàng)4又利要求所述的裝置，其中，所述壓電材料可以在 陶資PZT (PbZrtio3)或PLZT (具有鑭)或者BaTi03，在 納米晶體(PZN-PT或PMN-PT)，在聚合物(PVDF)或者 AFC (活性纖維合成物)中選擇。
全文摘要
本發(fā)明的主要目的是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的方法，所述轉(zhuǎn)換方法通過(guò)至少一個(gè)壓電元件和至少一個(gè)可變電容器實(shí)現(xiàn)，所述方法包括以下步驟a)壓電元件的機(jī)械變形，b)再生由壓電元件變形產(chǎn)生的電荷，c)將電荷從壓電元件傳送到電容器，d)改變電容器的電容，e)再生至少一部分電能。本發(fā)明的另一個(gè)目的是用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，所述裝置包括壓電元件(p)和可變電容器(210，212，214)，所述壓電元件能夠?qū)㈦姾蓚魉偷剿鲭娙萜鳌?br> 文檔編號(hào)H01L41/113GK101371375SQ200780002868
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2007年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月23日
發(fā)明者吉蘭·德佩斯, 托馬斯·亞赫, 讓-雅克·讓尤 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能委員會(huì)