机械能转换为电能的方法和装置的制作方法

专利名称：机械能转换为电能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及用于将机械能转换为电能，尤其是振动转换为 电能的提高效率的方法和装置。
背景技术：
玉见有才支术侈寸^口文献《Vibration-to曙ElectricEnergyConversion ( #展 动至!j电奇fe的專争才奂)》；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> 开了用于将振动形式下的机械能再生为电能的装置，该装置包括大
量的可变电容的电容器，所述可变电容器由固定桥u状板和移动4危状
4反分别携带的两个相对元件形成，移动梳状板在外部振动效果下移 动并且改变两个元件之间的间隙，因此，电容器电容改变。
因此，通过在电容器板片之间产生静电力，可能再生电能。
现有技术还公开了使用压电材料来将机械能转换为电能，其中 机械能引起压电材料的变形和材料中电荷的出现，电能可以被再 生。
通过静电或者压电装置的这种再生不是理想的。
因此，本发明的一个目的是4是供一种相对于现有4支术的方法揭: 高效率的由机械能到电能的再生方法。
本发明的另 一个目的是提供一种用于将机械能以最优的方式 转换为电能的装置。

发明内容
上述目的通过一种能量转换装置实现，所述装置包括能够将机 械能转换为电能的压电装置，组合用于放大由压电装置产生的电能 的静电装置。
另一方面，转换装置组合压电元件和可变电容器，当压电元件 变形时，由压电元件产生的电荷传送到电容器，所述电容器通过它 的电容的变化会放大由压电元件产生的电能。
电容的变化通过电容器板片的相对移动获得。当电容器电容减 小时，电荷产生阻止电容器板片移动的静电力，因此将一部分机械 能转换为电能。因此，当电容器电容减小时，由压电元件产生的电 能在压电元件变形时祐j文大。
优选地，^L械能转换为电能的结构结合了同步方式的静电和压 电转换原理。事实上，如果当压电元件变形时，产生电容的变化，
可以通过静电结构;改大由压电元件获得的能量，然后，如有必要可 以向压电元件再注入能量，以便保持连续放大。在每个放大周期， 产生制动力(静电的或压电的)，它一次比一次大，因此允许将更 多的机械能转换为电能。
本发明 -使用的才几械电容的变化不是诸如通过转换电容获得的 那样的简单电容变化，而是机械能到电能的转导行为。事实上，在 现有技术中的已知的电容转换允许提高电能源的电势，但是不提高 能量级。因此，电压的增加引起维持平均输出功率等于平均输入功 率的输出电流的下降，电压-电流乘积保持常量，这是能量的电/电 转换，不是机械/电转换。相反地，由于本发明，通过电容因机械变
形而减小，不^f义电势增大，而且电能净皮存储；用于使电容变形的所 提供的机械能事实上被转换为电能，所述电能放大了存储在电容中 的初始电能。
通过才几才戒变形减小电容，电能祐J故大，然而，^f吏用》者如文献 EP 1 050 955中描述的4争:换电容的系统，只有电压#1;故大。在本发 明的情况下，当机械电容变形并且值减小时，那么在它们的电极上 的存储电荷Q保持常量(电路临时断开)，等于存储电荷Q除以电 容值C的电压U增大，同样，当U增大时，即当C减小时，存4诸
电能Ecap^iQU增大。
Ecapa=*CU24QU=Q2/2C
所以，当Q是常量并且电容C减小时，Ecapa增大。
通过诸如转换串联平行的电容实现的转换电容系统具有与通
过积4戒变化实现的电容变化不同的特性。因此，当电容平行时，电 荷被分配在所有的电容上，电容的串联设置不会改变电荷的分配， 电容量减小，但是在外端上只能找到一部分电荷。
串耳关的十个相同的预加载电容导致电压乘以10， ^f旦是也导至丈才目 当的电荷量除以IO并且导致存储能量丄QU不变。这是正常的，因
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为没有外部能量加到系统上。
在本发明的范围内，因此，由电容的机械变化转换的能量相对 于由压电元件转换的能量更有意义。
优选地，静电元件的电容极值对应压电元件的端电压极值。在 简单的电子装置的帮助下，这允许在电容值最大的时刻有效地将压
电元件转换的能量转移到静电元件。然后，这个能量在电容减小的 阶段期间被放大。
事实上，如果除了在静电转换和压电转换之间的同步以外，在 静电结构上的每个电容极值处，产生压电元件的变形极值，因此这 些》文大周期可以以J里想的方式实i见。为此，只要当变形最大时向处 于最大电容值的静电结构转移压电元件中存储的电势能。然后，在 静电结构从最大电容值到最小电容值期间，在静电结构内部电势能 增大。当这个电势能最大时，或者它向存储电路(电池)转移，或 者它^皮注入到压电元件中，以^更它再一次祐j文大。
系统可以用于再生日常环境(汽车，机床等等)中的机械振动
能量，以20%的效率每克移动物体几樣1瓦量级进4于再生。
此夕卜，根据本发明的装置有利地不需要初始的电能源就可以起 动，同时保留了小尺寸机械/电耦合形式的静电结构的优点。
因此，本发明主要涉及通过至少一个压电元4牛和至少一个可变 电容器将机械能转换为电能的方法，所述方法包括以下步骤
a) 压电元件的机械变形，
b) 再生(t^cup6ration )由压电元4牛的变形产生的电荷，
c) 将电荷从压电元件传送到电容器，
d) 改变电容器的电容，
e) 再生(r6cup6ration )至少一部分电能。
优选地，压电元件的变形和电容器电容的改变是同时进ff的。
此外，同样优选地，当电容器电容最大时，压电元件的变形最大。
电容例如通过电容器的机械变形改变。因此，压电元件和电容 器通过同样的初j械应力变形。
可以设计， 一部分由电容器转换的电能传送到压电元件。
电荷根据压电元件的变形方向可以向第 一或者第二电容器传送。
还可以，没计，当压电元件的端点电压最大时，它的符号(signe) 是反向的(invers6,相反的)，以《更产生才几才戒制动力，才几才戒制动力允 许在下 一个转化周期提高转换的能量。
此外，才艮据本发明所述方法可以包括由电容器产生的电能传送 到第二电容，反之亦然，直到达到电能的预定》文大水平的补充步驶i。
因此，相对于》文大水平的超额量的能量^皮传送到存^f诸单元或者 使用单元。
优选地，步骤c)的电荷传送通过二才及管或者具有控制电^各的 开关控制。
本发明还涉及一种机械能转换为电能的装置，包括至少一个压 电元件和至少一个可变电容器，在压电元件和电容器之间电荷传送 的控制装置，以便当压电元件变形时，产生的电荷传送到电容器以 便产生通过电容器的电容变化放大的电能。
优选地，传送电荷的控制装置由至少一个二极管或者至少一个 具有控制电路的开关形成。
电容器的电容例如通过电容板片的接近而改变。
优选地，压电元件和电容器的板片基本平行，以便它们承受相
同的枳4戒应力。
根据本发明的装置可以包括两个电容器，电容器的电容按相反 方向变4匕。
在一个实施例中，根据本发明的装置包括通过施加机械应力而 移动的移动部分，所述移动部分具有4立于它的移动轴两侧上的4旨习犬 物，两个同样具有与所述移动部分的指状物相对的指状物的固定部
移动部分，相对(或相面对)的指状物对形成两个串联电容器组， 所述两个电容器组的电容按相反方向变化。
在根据本发明的装置的另 一个实施例中，压电元件是与静电电 极间隔一^殳距离的悬空柔软膜片形式，以便通过月莫片的变形，,争电 电才及和压电元件的第二电4及形成可变电容器。
根据本发明的装置还可以包括层压结构，其中，电容器由第一 电势的第一电极，电绝缘材料层和第二电势的第二电极交替组成， 电绝缘材料是弹性可变形的并且其中压电元件形成层压结构的一层。
一和第二电才及。
压电材泮牛可以选自陶资PZT (PbZrtio3)或PLZT (用镧)或 者BaTi03，选自纳米晶体(PZN-PT或PMN-PT )，选自聚合物 (PVDF )或者AFC (活性纤维合成物)。


本发明借助于以下的描述和附图会被更好的理解，附图中
图1A示意性示出了根据本发明装置的实施例的俯视图1B是与图1A所示装置对应的电路图的实例；
图1C示出了当压电元件变形并且压电元件在孩i米级变形时， 图1A和IB所示装置的电容器才艮据时间(毫秒)的电容变化(以皮 法为单位)；
图ID示出了当压电元件变形时，图1A和1B所示装置的电容 器端电势才艮据时间的变化；
图1E是压电元件的电工作模型；
图2A示出了根据本发明的能量再生装置的另一实施例的透视图2B是根据本发明装置的基本原理的电路图3示出了才艮据本发明另一实施例的透^L图4是本发明另 一实施例的示意图5A是根据本发明另一实施例的示意图5B和5C是图5A所示装置的细节图5D是对应图5A所示装置的电路图6是对应本发明另一实施例的电路图7是对应本发明另一实施例的电路图； 图8是对应本发明另一实施例的电路图； 图9是对应本发明另一实施例的电路图。
具体实施例方式
在所有描述中，《变形》指的是在给出负载的情况下元件能够 弹性变形，元件的材料根据由再生装置可能承受的应力进行选择。
在图1A和1B中，可以看到一个本发明的实施例，包括一个 移动部分202和在移动部分202周围的两个固定部分204, 206，移
动部分和固定部分是叉指型的。
固定部分和移动部分由导电材料制成。
移动部分202包括Z轴方向的主体208，所述主体具有多个沿 Z轴的两侧延伸并且垂直于Z轴的指状物210。固定部分204, 206 平4亍于Z轴并且包纟舌垂直于Z轴的指状物(或称齿状物)212, 214。 固定部分204的指状物212与图中位于指状物210右侧的面210.1 相面对并且指状物214与图中位于指状物210左侧的面210.2相面 对。
移动部分202可以沿Z轴朝右和左移动。因此，当移动部分202 朝右移动时，指状物210远离指状物212并且靠近指状物214。当 移动部分202朝左移动时，指状物210靠近指状物212并且远离指 状物214.
移动部分202通过可变形支杆218连接到支架216，以便允许 沿Z轴移动。至于固定部分204, 206,被刚性连4妄在支架216上。
压电元件P i殳置在支杆218上以^更于当移动部分202移动时也 变形；压电元件电串联或者电并l关。压电元件P包括压电材冲+和在 压电才才^H壬一侧的两个电才及。
固定部分204的指爿犬物212和移动部分202的指爿犬物210的整 体形成第一组电容器，当移动部分202向右移动时，电容器的电容 增大。
固定部分206的指状物214和移动部分202的指状物210的整 体形成第二组电容器，当移动部分202向左移动时，该电容器的电 容增大。
在随后的i兌明中，会考虑到，当移动部分202向右移动时，压 电元件的端电压Vp增大并且当移动部分向左移动时，压电元件的 端电压Vp减小。
在图1B中，可以看到与图1A中的装置相关耳关的电3各图。电 路由两个子电路C1，C2组成。第一子电路C1包括与第一二极管224 串联i殳置的压电元件P，和具有可变电容(^226的第一电容器226。 电容器226代表等同于由指状物210和212形成的连续电容器的电 容器。第二子电路C2包括同样与第二二极管228串联设置的相同 的压电元件22和可变电容C23。的第二电容器230。第二电容器230 代表等同于由指状物210和214形成的连续电容器的电容器。第一 二极管224和第二二极管228被相反设置以便允许每个具有相反方 向上的电；庇通道。
因此，当压电元件P的端电压Vp增大时，二才及管224变为导 通，并且当压电元件P的端电压Vp减小时，4仑到二4及管228变为 导通(即允许电流通过)。
在所示实施例中，电路Cl和C2中的每一个都连接一个存储单元C5或者不同的应用设备，^f旦是可以预见到，电^各应该连4妄同才羊 的单元或者同样的应用设备。
现在，将要描述这个装置的功能。
当支架216遭受机械振动时，移动部分沿Z轴从左到右移动。 移动部分的移动引起压电元件P的变形。因此，压电元件的端电压 产生，因此产生的电祷传送到可变电容器的其中一个中，可变电容 器放大由于电容变化和端电势变化再生的电能。
因此，在每个移动方向，压电元件P变形，导致枳4成能转:换为 电能。
在所示实施例中，电荷传送的控制装置由二才及管224， 228形 成，但是，可以使用例如具有控制电路的开关。
在使用二极管的情况下，电荷传送从最小电荷值开始连续进 行。然而，在4吏用控制开关的情况下，电荷传送只是在压电元件的 电极之间的电势最大的时刻执行一下，。开关需要被相反于二极管 控制，而二4及管自动变为导通。
在图1E中，可以看到简化的将压电元件的电功能才莫型化的电 路图。
这个电路包括电容为Cp的电容器222.1和由可变形压电材料形 成的交;危电压的222.2。
在图1C中，可以看到电容器226 (曲线III)、 230 (曲线IV) 的端点的电容和压电元件的变形(曲线V)才艮据时间的变化。
在图id中，可以看到电容器226(曲线i，n)和230(曲线r，n，)
的端点的电势变^f匕。
当移动部分202向右移动时，压电元件P变形并且压电元件P 的端点电压Vp增大且使二极管304恢复导通(图1d,部分1 )。因 此，通过图1b中的压电元件的电容器r1中存4诸的电荷向电容器 226的逐渐传送，电容器端点电压￥226跟随电压Vp。然后，当压电 元件的变形达到最大值时，压电元件的端点电压Vp开始减小而相 反地电压￥226增大(图id中的部分ii)，这引起二极管224阻断。 电压￥226的增大是由于这样的事实当移动部分202向左移动时， 通过二极管224的阻断，电容(^226减小(图1d中的部分ii，)，因
此，电容器226与其它部分电绝缘，电容器的电荷Q22fC226V226保 持常量。如果这个电荷Q226是常量并且电容C226减小，那么电压 V226增大。当电压V226达到最大值时，可以使用传统的放电电路(回 归类型的结构或者其他)以便向存储单元C5或者直接向待供电的 应用设备传送电荷能量。
在电容C226递减期间获得的电能E^等于l/2q226(V226max-V226min)
或者1/2q226(1/C226min-1/C226max)。电荷Q226是由压电元件P传送到电 容器226的电荷，直到压电元件的端点电压开始下降(图1d中的
部分ii的开始)；电压V226max是在部分ii之末(图1d )的电容器 226的端点电压；电压V226min是在部分ii之初(图1d )的电容器 226的端点电压；电容C226min是在部分ii之末(图1d )的电容器 226的电容；电容C226max是在部分ii之初(图1d)的电容器226
的电容。
为了4企测在压电元件p或者静电结构处的电压才及值，例如只要 检测从正值到负值的这个电压的分支电流通路就行了 。
此外，有利地，装置4是供了对称性，因此当电压Vp为负时， 即当移动部分202向左移动时，相似的功能出现在电路C2中。因 此，这个结构对称性允许在两个移动方向再生能量。然而，我们可 以只^是供一个电^各。
有利i也，当电容器226, 230的电容最大时，压电it/f牛的端点 电压Vp最大。因此转换是最理想的，因为用于计算被转换电能的 电压V226的值是电容器226端点的极值。
事实上，如果压电元件P的电压Vp在电容器226的电容C226 之前或之后变为最大，电容器226的端点电压V226的值不是极值，
但是电压V226的值位于部分I1 (图ID)上的区间[V226她；V226max]中。
并且，有利地，由压电元件产生的转换和由电容器226, 230 产生的转换是同步的，因为压电元件P的变形和电容器226， 230 引起同样的外部机械应力，这引起在压电元件端点产生势差，和电 容器226， 230的电容的变化。
此夕卜，根据本发明所述的装置相对于现有技术中的静电系统表 现出优点，装置无需i殳置初始电能源就可起动，因为当压电元件通 过移动部分202而变形时，压电元件提供初始电能源。
根源，电路的损耗允许从已经充电的存储单元中获得能量、允许检 测电容的瞬时电荷并且允许将这个能量注入到装置中。才艮据本发 明，有利地，有源充电周期被完全无源的和自然同步的充电周期代 替。因为能量转换主要通过静电结构和压电元件实现，压电元件的 主要作用是将很少的初始电荷注入到静电结构中，不需要很好的性 能。 在图2A中，可以看到才艮据本发明所述装置的另一个实施例， 包括压电元件P和静电电极4。压电元件P和静电电极4基本平4亍 并且由介电材料(例如空气)隔离。压电元件P和固定电极4通过 它们的纵向端固定在支架6上。压电元件P和固定电才及4是电绝續^ 的。
压电元件P包括压电材津牛9,例如PVDF类型压电聚合物制成 的膜片，膜片两侧的第一电才及8和第二电极10。第二电极10与固 定电极4面对面以便形成电容器12。
压电元件P能够在施加沿Z轴方向的机械负载时变形，其中这 个变形引起第二电极10的移动并且因此引起固定电极4和移动电 极10之间距离的变化。因此，电容器12通过在膜片9上施加机械 应力具有可变的电容。
在图2B中，可以看到根据本发明所述装置的基本原理电路图， 例如图1A中的装置。电荷传送的控制装置20设置在电路中。这些 装置例如是二极管或者具有控制电路的开关。这些装置20允许电 荷/人压电元件P向电容器12传送。
当力沿Z轴被施加在压电元件P上时，压电膜片9变形，导致 第一电极8和第二电才及10之间的电势的出现。压电元件P的这个 变形引起第二电极10靠近固定电极4，并且引起电容器12的电容 增大。
功能与关于图1A.到1E描述的功能一致。
由压电元件P的变形产生的电荷被传送到电容器12。然后，当 在压电元件P上停止施加力时，电容器重新回到静止位置，电才及4 和10分开引起电容的减小。
与电容器12的端点电势变化相联系的这个电容的变化允许再 生电能，该电能可以存4渚或者直4妄;故确定的应用i殳备^f吏用。
压电元件P的变形与静电元件的电容变化同步，因为是同样的 外部机械能引起电容的变化和压电元件的变形。
这个装置可以例如用于再生来自施加在膜片上的压力或者撞 击的能量，诸如由在开关上的触压，气体压力的变化，血管压力的 变化，或者雨滴JJ失落在压电元件上产生的能量。
在图3中，可以看到才艮据本发明所述装置的另一个实施例，包 :括U型延伸的支架104，支架分支的内部端106， 108支撑着4皮此 相对的静电电极IIO, 112。装置还包括固定在U型底部的压电元件 P。压电元件P包括压电材料制成的两个部分114, 116,所述两个 部分包括分別位于它们外侧的电极118, 120,并且通过它们的内侧 固定在导电材料制成的平行于U型分支延伸的横梁的第一端。横梁 在它的第二端包括设置在静电电极110, 112之间的移动块124。块 124包括分别与电极110， 112相对的导电面126, 128,并且它们由 介电材料隔开，例如空气。
面126， 128和电4及110， 112分别形成电容器，当块124在U
型的分支之间移动时，电容器的电容可以变化。
因此，由于移动块124的惯性，如果支架104遭受机械振动， 装置可以用于再生电能。当支架104遭受机械振动时，块124在U 型的分支之间振动，引起压电部分114， 116的变形并且因此引起电 才及118， 120和共有电才及122之间电势的产生，并且同时引起电容 器电容的变化。
因为横梁导电，电极122的电势出现在电极126， 128上。 因此，通过结合电路再生电能是可能的，例如图1B所示的电路。
功能与图1A中的装置的功能一致。
在图4中，可以看到用于将机械应力转换为电能的装置的另一 个实施例，所述装置具有由多个层形成的夹层结构。
装置包括压电元件P，所述压电元件具有压电材料404和位于 压电材料404两侧的电极406， 408。装置还包括多层结构，所述多 层结构包括交替的具有相同电势U41。的第 一导电层410和具有相同 电势U化的第二导电层412，两个导电层通过可变形绝纟彖层414隔 开。这个结构i殳置在压电元件上。
电势U楊与电势U4U不同。
第一导电层410和第二导电层412通过绝》彖层414形成一系列 电性平行的可变电容器。
电才及406禾口电才及410电"l妄触。
与压电元件相反的 一侧用于接受沿Z方向的可变机械应力。
当应力施加在夹层结构上时，压电元件P的端点电势能增大并 且通过层410， 412的靠近，l争电电容增大。层410， 412的靠近通 过选择易弯曲的电绝缘层(例如橡胶)实现，它在应力下会允许层 410, 412靠近。
如图1A中的装置，由压电元件P产生的电能当其最大时向电 容器416传送。因此，在施加在装置上的应力放松期间，电势能被 放大。
当压紧时，压电元件将一部分机械能转换为电能，并且在应力 放松时，电容器或者静电部分放大这个转换。
也可以讨i仑,争电结构。事实上，当导电层410， 412 ;f皮此靠近 时，它们4妻受来自压电元件P的电荷。因此，这个电荷创建趋向阻 止导电层分开的静电力，因此，使压紧时获得的一部分机械势能转 换为电势能。因此，这个获得的电势能可以用于给电路、传动装置 或者能量存储单元供电。
在图5A， 5B和5C中，可以看到与图1A中的装置图相似的根 据本发明所述装置的应用实施例的示意图。
出于简化的原因，采用与图1A中相同的附图标记。
支杆218由在支架的整个宽度上垂直于移动轴Z延伸的压电元 件P组成。压电元件P通过它们的端部嵌入在支架和固定部分204， 206之间，如可以在图5B的详图中看到的。电绝缘材料层223插 入在压电元件P和固定部分204, 206之间。压电元件包括i殳置在 压电材津牛232 —侧的电才及234，这个电4及电连4妄移动部分202，诏: 置在压电材料232另一侧的两个电极236, 238。
电才及236， 238—起连4妄在相同的电势上。
有利地，装置包括挡块239,用于避免在路线(course)结束时由 指状物之间的4秦触引起的短^各。
应该注意，能量转换装置可以包括多个比图中所示的指状物更 大的指状物。
在图5A至5C中显示的尺寸只是作为例子，没有限制作用。
移动部分202具有300微米的宽度和7000孩吏米的长度。指状 物间隔150微米并且高度为1200微米。装置的厚度可以是400微 米，移动部分202的每一侧包括46个指状物并且装置重大约1克。 在指状物之间的间隙可以在1微米至50纟鼓米之间变化。
当移动部分202沿Z方向相^j"于固定部分204， 206向图的右 面移动时，在移动部分202和固定部分204之间的电容增大，在移 动部分202和固定部分206之间的电容减小。同时，压电元件P变 形，尤其是拉伸。
我们将考虑压电元件的电极234与移动部分202具有相同的电势。
当压电元件P^立伸时，我们会考虑，通过对称性，电4及236， 238的电势以同样的方式增大并且可以 一起连4妄到电势V 。
系统通过樣i电子4支术可以4皮部分或者全部制成或者通过传统 制造技术(机械加工、铸造或者其他)更大尺寸地制成。
在图5D中，可以看到与图5A中的电路的机械结构相对应的 电路。
除了图1B中所示电3各以外，这个电3各还包括由机械能转换而 再生的电能向电能存储单元C5放电的电路C3，以及有利地，用于 驱动》文电电^各C3起动的辅助电源电i 各C4的 一个实例。
放电电路C3并联连接在电路C1和C2上。放电电路包括分别 与线圏Ll, L2串联并且与电路C1， C2并联的开关K1， K2。力文电 电路还包括与开关K1,K2连接的且与存储单元C5串联的二极管Ds 和线圏Ls。并且线圏Ll, L2和Ls具有同样的》兹性电路。
二极管Dp与压电元件P并联设置。
丰乾助电源电^各C4包4舌，例3。，两个二才及管224，和228，，所述 两个二4及管一边连4妾二才及管224和228并且另 一边连4妄通过二才及管 224，和228，可再充电的电源E'。
每当电容C226或C23Q达到最大值C226max或者C230max时，压电 元件P也达到最大变形并且产生可以对电容已经达到最大值的电容
器226， 230予贞充电的正电压Vp。
因此，通过预充电电容器226， 230的电容4直的递减或者电容 器226, 230端点电压的递增，注入的电荷能量被放大，这种方法 与用于图1A中的装置的方法相同。
当电容器226， 230的的端点电压达到最大值时，通过在四分 之一的共振周期(L1C226或L2C230)内关闭相应的开关K1，K2，那 么它的电能借助于放电电路C3向存储单元C5传送。因此，电容器 226, 230获得的电势能通过开关K1或K2向放电电路C3传送，然 后通过二极管Ds由放电电路C3向存储单元C5传送。
如果开始时存储单元C5是空的，控制开关Kl和K2所需要的 电能可以由辅助电源E，提供，所述辅助电源通过二极管224，和228， 自然充电。然后，存储单元C5 —达到足够的电压，它就可以为开 关的控制供电。
二才及管Dp起到对压电元件P的电4及222.3再注入电荷的作用， 所述电荷先前一皮传送在电容器226或者230上。
为了最小化损耗，优选地选4奪具有小阀值、导通状态下小电阻 和反向电压时高阻抗的二极管，例如肖特基类型的二^jf。优选地
选择具有导通状态下小电阻、开路状态下高阻抗和小干扰电容的晶
体管，例如MOSFET或JFET类型的晶体管。
关于压电元件，使用的材料、它的厚度和它的长度被选择，以 便能够提供足够的电压和电流来对包括电路Cl和C2的静电结构预 充电，并且以使j尤选;也在力图'恢复的扭4成4展动或者相只于移动的频率 范围内引起静电结构的共振。
压电才才泮牛可以在陶瓷PZT (PbZrtio3)或PLZT (用镧)或者 BaTi03,在纳米晶体(PZN-PT或PMN-PT)，在聚合物(PVDF ) 或者AFC (活性纤维合成物)中选择。
电感变压器的磁性电路被选择，以便可以存储由电容器226或 230在一个周期获得的能量。设置在这个磁性电路上的三Ll， L2和 Ls的线圈数使得磁性电路的充电/放电时间相对于相对移动的机械
周期是可以忽略的。这个线圈数尤其取决于C226min, C23涵n的值和存
4诸单元C5的端点电压。
可以设计，例如电路LlC226min和L2C23()min的共振周期是微秒
量级的，就是说相对于几毫秒周期的机械振动非常小。
在上面给出的装置的尺寸的基础上，我们会确定通过才艮据本发 明装置再生的能量。
电容器226或230的电容表面积等于 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
当移动时，dmax和dmin分别是电容器C226和(^23。的两个指状物 之间的最大和最小间隙3巨离。
如果共振频率等于f尸50Hz，那么相对于移动部分202沿Z方 向的移动，压电元件的整体刚性系数k等于
k=M(2n fr)p=l(T3(2n50)p =98.7N/m。
当A是相对移动的幅度，在一个周期内机械可用能量等于E^ 用《 1/2kA2。
在最有利的情况下(产生最多的能量)，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。 由静电结构在一个周期内电转换的能量为
Ec=4(Cmax-Cmin)V2充电=4.10-9 V2充电
如果我们希望电转换能量等于机械可用能量，对应一个减幅
(amortissement),大约1: E=E可用，因jt匕V2充电-2.7V。
要注入静电结构(C226或C230 )中用于才丸4亍预充电的能量为
E预充电=5 Gmax V2充电^0.6nJ。
因此，对于24.5pm幅度的相对移动，压电元件完全能够在每 个周期内产生2.7V的0.6nJ能量，这个能量对应由静电结构转换的 能量的1/49。因此可以看出，压电横梁在此的唯一作用是启动静电 转换结构工作。
因为由压电元件转换的电能只是可用4几械能的2%,因此，通 过微电子制造技术，压电材料的选择可以主要考虑它们的兼容性。
用这样的系统在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\￥，
因为每个机械周期有两个周期，一个周期用于电容器C226, —
个周期用于电容器c230。
本发明相对于单独的静电系统能够赢得(gagner,增加)20%的效率。
在图6中，可以看到用于利用根据本发明的有利实施方式的同 步压电和静电元件组合的电路图。
电路包括压电元件P、 二极管504 、可变电容C5o6的电容器506 、 开关508以及与压电元件P并联的线圈510。压电元件P的端点电 压是Vp并且电容器506的端点电压是V506。
这里将考虑，当Vp减小时，电容器506的电容相反地增大。
在这个实施例中，我们考虑到，开动开关508以侵/使压电元4牛 的端点电压反向并且改善装置的效率。
当电压Vp最大时，压电元件P的端点电压可以通过在由线圏 510和压电元件P的电容形成的电i 各的半个共纟展周期上关闭开关 508来反向。存储在压电元件P中的电荷的符号的反向导致产生机 械制动力，该机械制动力在下个周期能够增大被转换的能量。这个 周期对应电压Vp减小的周期。然后，当电压Vp最小时，在引起电 压V3及性反向并且通过二才及管504电容器506充电(此时它最大)
的半个共振周期内，开关508再一次关闭。然后当电容C506减小时，
在相对于电容C，的变化周期4艮短的时间内，在全部或部分传送到
需要供电的应用设备之前，它的电势能增大到直到最大值。剩余的
能量可以保留在电容器506中，以便于电压Vp通过非零值开始下 一个周期。
在图7中，可以看到本发明的另一个优选实施例的电路图，它 允许转换装置在无能量供给的情况下起动。
电路包括压电元件P， 一边与二极管604和电容器606并if关连 接，另一边与二极管608并联连接。
压电元件P和电容器606通过它们的端部中的 一 个端部连接地 线电势610。电容器606通过它的另一端连接放电电路。
，I定当电容器606的电容C606增大时，压电元件的端点电压 Vp增大，反之亦然。
当电压Vp增大时二4及管604变为导通并且主合电容器606充电，
直到电压Vp达到最大值。然后当电容C606减小时，^皮传送到电容
器606的电荷被放大。，当这个电势能最大时，在放电电路的帮助下 电势能向需要供电的应用设备或者存储单元传送。
当电压Vp通常为负时，二才及管608的引入允许给压电元件P 的电容Cp再充电，以1更在它的正周期期间增大电压Vp的最大值。
在图8中，可以看到本发明实施例的优选变型例的电路图，它 4吏压电元件变4寻有源(actif)以1更再生能量。
在本申请中能量再生期间使压电元件变得有源，意味着电荷被 注入压电元4牛以1更创建与它的变形相反方向的静电力。因此，通过
创建与移动相反的力，在一个周期内由压电元件转换的能量相对于 完全无源的运行显著增大。
图8中的电路包括第一电路C6和第二电^各C7。第一电路C6 包4舌压电元4牛P、 二极管704、电容器706、开关708和线圈710。 开关708和线圏710与二才及管704并耳关连才妻。
第二电路C7包括压电元件P、 二极管712、电容器714、开关 716和与二才及管712并:f关连"t妾的线圏718。开关716和线圏718与 二极管712并联连接。
压电元件P连接存储单元C5。在开关708和线圏710之间的 第一电路C6和在开关716和线圏718之间的第二电路C7分别通过 开关720， 722连接存储单元C5。
当所有的开关708, 716, 720， 722断开时，电路如图1B中所 示电3各一样工作。这个结构允许系统起动，即当压电元件的端点电 压Vp增大时，电容器706充电，然后，当电容器706的电容减小 时，电容器的端点电压V，增大。然后，当电压V，最大时，不是 完全从静电结构向存储单元C5放电，而是一部分电能向压电元件 P传送。为此，闭合开关708,这起到在电容器706和压电元件P 之间建立电流的效果。这个电流循环允i午4吏电压Vp反向，并且因 此在压电元件P处创建制动机械力。最后，全部电能(存储在压电 元件、电容器706和线圏710中)的一部分可以通过断开开关708 和闭合开关720向存储单元重新传送，直到循环在电路C6和存储 单元C5之间的电流^皮消除。
应该注意到，如果想要压电元件的电容Cp不完全放电以便在 非零极性下重新起动下个周期，由于二极管704的存在，电容器706 可以不全部放电。这不是个问题，只要这个电压Vp与电压V，的
最大值相比保持很小。开关708的闭合时间可以根据在压电元件P 处希望的极性值以及在每个周期希望向存储单元C5传送的能量来 确定。当压电元4牛以与图1A中的装置相似的方式向另一个方向移 动时，由于结构的对称性，相似的功能存在于电^各C7。
在图9中，可以看到本发明的另一个优选变型例的电路图，其 中，压电元件4力波用作初始能量源，然后能量通过静电结构的可变 电容一皮多级》文大。
电路包括第一电路C9和第二电路C10。电i 各C9包括压电元件 P、 二4及管804和可变电容器806。
第二电3各C10包括压电元件P、 二极管808和可变电容器810.
电容器806与开关812和线圏814并联连4妄。
电容器810与开关816和线圏814并联连才妄。
线圈814通过开关818还与存储单元C5连4妄。
开始，电容器806的端点电压V,为零。当压电元件P的端点 电压Vp为正时，电容器806有初始电荷，然后与这个电荷相联系 的能量通过电容器806的电容的减小一皮力文大。当电容器806的电容 达到最小值时，即当电压Vs。6最大时，电容器806的电势能首先通 过闭合开关812向电感814传送，然后通过闭合开关816由电感814 向电容器810传送。此外，因为当电容器806的电容最小时，电容 器810的电容最大，电势能在电容器810的电容减小过程中再次增 大。
在机械周期以前的从一个电容到另 一个电容的能量传送时间 被认为是可忽略的，即由线圈814和电容器806组成的电路的共振频率以及由线圏814和电容器810组成的电路的共振频率远远大于 移动部分的机械振动频率。然后，当电容器810的电势能达到最大 值时，它的能量向电容器806传送。
在两个电容器806, 810之间的传送继续进4于，直到》欠大水平 变得足够大。在每个机械周期，过量的能量向存储单元C5传送。 这可以从暂时存储在线圈816中的能量开始进行，然后通过闭合开 关818向存4诸单元C5部分或者全部传送。
由于线3各布置的对称性，用压电元件的端点负电压Vp ,最初的 充电可以通过第二电3各来实现.
这个装置展现的优点是，在压电元件处用很小的，十分之几伏 的电压(略大于二才及管804和808的阀值电压的电压)实现起动。
装置的功能，尤其图2A中的装置的功能通过考虑压紧力来描 述，而设计用于使层410， 412远离的牵引力形式的能量转换同样 可以实J见。
本发明不限于纟效系统，它还应用于米制尺寸的系统以及纳米尺 寸的系统。
权利要求
1.用于将机械能转换为电能的方法，所述方法通过至少一个压电元件和至少一个可变电容器实现，所述方法包括以下步骤a)所述压电元件的机械变形，b)再生由所述压电元件变形产生的电荷，c)将电荷从所述压电元件传送到所述电容器，d)通过所述电容器的机械变形改变所述电容器的电容，e)再生至少一部分电能。
2. 才艮据4又利要求1所述的方法，其中，所述压电元件的变形和所 述电容器电容的改变是同时进行的。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，当所述电容器电容最大时， 所述压电元件的变形最大。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述压电元 件和所述电容器通过相同的才几械应力变形。
5. 根据上述任一权利要求所述的方法，其中， 一部分由所述电容 器转换的电能传送到所述压电元件。
6. 4艮据上述任一一又利要求所述的方法，其中，电荷4艮据所述压电 元件的变形方向向第一或者第二电容器传送。
7. 根据上述任一权利要求所述的方法，其中，当所述压电元件的 端点电压最大时，它的符号是相反的，以便产生机械制动力， 所述机械制动力允许在下 一个转换周期提高转换的能量。
8. 才艮据上述任一4又利要求所述的方法，包括由电容器产生的电能 传送到第二电容器以及反之亦然，直到达到电能的预定放大水 平的一个补充步骤。
9. 根据前一项权利要求所述的方法，其中，相对于放大水平的超 额量的能量被传送到存储单元或者使用单元。
10. 根据上述任一权利要求所述的方法，其中，步骤c)的电荷传 送通过二极管或者具有控制电路的开关控制。
11. 用于将机械能转换为电能的装置，所述装置包括至少一个压电 元件(p)和至少一个可变电容器，以及在所述压电元件和所 述电容器之间电荷传送的控制装置，以便当所述压电元件(p ) 变形时产生的电荷传送到所述电容器以便产生通过所述电容 器的电容变化放大的电能。
12. 根据前一项权利要求所述的装置，其中，所述电荷传送的控制 装置由至少一个二极管或者至少一个具有控制电^^的开关形 成。
13. 根据权利要求11或12所述的装置，其中，所述电容器的电容 通过所述电容器的々反片的移动来改变。
14. 根据前一项权利要求所述的装置，其中，所述压电元件(p) 和所述电容器板片基本平行，以便它们承受相同的才几械应力。
15. 根据权利要求11至14中任一项所述的装置，包括两个电容器， 它们的电容4安相反方向变4匕。
16. 根据权利要求11至15中任一项所述的装置，包括通过施加 才几才戒应力而移动的一个移动部分(202 )，所述移动部分具有4立 于它的移动轴两侧上的指^1犬物(210);两个同才羊具有与所述-多 动部分(202)的指状物(212)相对的指状物(212， 214)的 固定部分(204, 206),所述压电元件(p)垂直于所述移动部 分(202)的移动方向并且电连接所述移动部分(202)，相对 的指状物对形成两个串联电容器组，所述两个电容器组的电容 4要相反方向变4匕。
17. 根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其中，所述压电 元件(p)是与静电电极(4 )间隔 一段距离的悬空柔软膜片形式， 以1更通过所述力莫片的变形，所述l争电电才及(4)和所述压电元 件的第二电极(10)形成一个可变电容器。
18. 根据权利要求11至15中任一项所述的装置，包括层压结构， 其中，所述电容器由具有第一电势的第一电极(410),电绝缘 材料层(414)和具有第二电势的第二电极(412)交替形成， 所述电绝纟彖材一'牛是弹性可变形的并且其中所述压电元件(p ) 形成层压结构的一层。
19. 根据权利要求11至18中任一项所述的装置，其中，所述压电 元件(p)包括压电材料层以及所述压电材料层两侧的第一和 第二电才及。
20. 才艮据前一项4又利要求所述的装置，其中，所述压电材料可以在 陶资PZT (PbZrtio3)或PLZT (具有镧)或者BaTi03，在 纳米晶体(PZN-PT或PMN-PT)，在聚合物(PVDF)或者 AFC (活性纤维合成物)中选择。
全文摘要
本发明的主要目的是一种将机械能转换为电能的方法，所述转换方法通过至少一个压电元件和至少一个可变电容器实现，所述方法包括以下步骤a)压电元件的机械变形，b)再生由压电元件变形产生的电荷，c)将电荷从压电元件传送到电容器，d)改变电容器的电容，e)再生至少一部分电能。本发明的另一个目的是用于将机械能转换为电能的装置，所述装置包括压电元件(p)和可变电容器(210，212，214)，所述压电元件能够将电荷传送到所述电容器。
文档编号H01L41/113GK101371375SQ200780002868
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月17日 优先权日2006年1月23日
发明者吉兰·德佩斯, 托马斯·亚赫, 让-雅克·让尤 申请人:法国原子能委员会