CN107408622A - 压电发电机、按钮、无线电模块和制造压电发电机的方法 - Google Patents

Abstract

一种压电发生器（1）包括一个跨越投影表面（6）的变形体（5），并具有与投影表面（6）相对的目标压力表面（8），其中当压力基本垂直于所述投影表面（6）施加在所述目标压力表面（8）时，所述投影表面从未被施加压力的情况下的较小的投影表面（6）转换成较大投影表面（7），并且提供弹簧效应抵抗施加在所述目标压力表面（8）的压力，其中具有压电材料的机电换能器元件全部或部分地超过所述投影表面，使得当压力施加到变形体（5）上时，换能器元件以可扩展的方式被实施，并且通过压电材料产生电微能量。

Description

压电发电机、按钮、无线电模块和制造压电发电机的方法

技术领域

本发明涉及一种压电发电机、按钮、无线电模块以及一种生产压电发电机的方法。

背景技术

众所周知，生产作为能量转换模块的压电式发电机，是为了将机械、动能转化为电能。DE102010016499 A1描述了平面压电发电机模块及其生产方法。缠绕然后扁平化的压电发电机将机械能转化为电能。

用于压电效应的最有效材料之一是锆钛酸铅（PZT）陶瓷。具有用于连接和转换变形能的固态转换元件的过载保护压电发电机是已知的。压电陶瓷连接到弹性换能器元件。变形能使变形元件变形，导致压电陶瓷的变形。压电陶瓷的变形类似于弯曲梁结构。

将垂直作用于压电材料的表面的压缩力转换成张力的解决方案是已知的。为了实现力，以钹的形式使用两个盖，使得拉伸力作用在压电材料上并且收获振动能。钹帽应用于顶部和底部的压电晶体。通过从上下同时按压两个钹帽，将压电晶体横向拉伸。

已知一种用于将机械能转换电能的系统，其中当人在下方具有该系统的地板上行走时，在两个平行板之间可以将彼此水平地放置在镜像中的多个排列的钹压缩在两个平行板之间。

上面描述的发电机是为使用压电陶瓷而设计的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种装置和制造方法，以提高将机械、动能转换成电能的效率。

该目的是根据权利要求1、17、18、19和20的内容实现的。从属的权利要求中出现了有利的改进。

本发明是通过改变压电发电机的结构来提高效率。一种结构性措施是在投影表面上方扩大机电换能器元件，其跨越压电发电机的变形体并且具有位于与投影表面相对位置的目标压力表面，也就是将变形体部分地或完全地包围，至少越过变形体的投影面。因此，换能器元件经受扩展，特别是相当大的扩展，其将这种更大的扩展传递给压电材料，使得可以以更高的效率产生更高的电能。

压电发电机具有变形体，该变形体跨越投影表面，并且具有位于投影表面相对位置的目标压力表面，其中当压力以基本垂直于所述投影表面的方向施加在所述目标压力表面时，所述投影表面可以从在未被加载压力时的较小的投影表面转换成较大的投影表面，并且变形体提供了弹簧效应来抵抗对目标压力表面施加的压力，其中包括压电材料的机电换能器元件全部或部分地超过投影表面，使得当压力施加到变形体时，换能器元件以可扩展的方式被实施，并且可以通过压电材料产生电微能量。

为了实现高能量产出，变形体被制成细长的并且从剖面看呈鞍形屋顶的形状，特别是由硬塑料制成。纵向轮廓形状易于制造，并且导致作为总产品的压电发电机的稳定的可制造性。硬塑料有效且高效地地将垂直作用的压力转换成压电材料上的水平压力。

为了实现机电换能器元件的最大扩展，机电换能器元件优选作为套筒缠绕在变形体上。可以使用表面积相当大的压电材料，其围绕整个套筒延伸。

根据本发明的重要概念，具有压电材料的换能器元件部分或特别地完全由平面聚合物压电发电机薄膜形成，特别是由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成。平面聚合物压电发电机薄膜的优点是与陶瓷相比使用寿命显著延长，特别是显著降低了断裂的风险。此外，当压电发电机薄膜扩展时，与压力负载的情况下产生明显更高的效率。

为了实现更高的效率，即为“能量收集”产生更多的电能，压电发电机薄膜优选地形成为双层，特别是多层。

根据本发明的一个实施方案，压电发电机薄膜另外地或替代地以曲折形式缠绕形成，其中第一电极以导电方式连接到第一侧，第二电极连接到第二侧。在这方面的优点是使用较长的压电发电机薄膜，这又提高产生电能的效率。

根据本发明的一个实施方案，变形体包括以一定角度布置的腿部，腿部连接到至少一个柔性角部，使得腿部可以在施加压力时至少在角部处枢转分开，并且特别地，至少变形体的角部由具有弹性模量的材料制成，借助于此，变形体可以产生弹簧效应。因此，通过具有相当简单设计的变形体，作用在表面上的，即在目标压力表面上的压缩力被转换成张力，其有效地作为平面发生器的张力并入到聚合物薄膜。因此，压电发电机的压电薄膜被拉伸，例如，在卷绕方向上作为套筒。这种情况下的变形体配置在薄膜角的内部。因此，当施加压力时，由变形体的腿部形成的投影表面因此被扩大；这导致具有聚合物压电发电机薄膜的薄膜绕组的扩展，从而产生电能。

根据另一优选实施例，变形体被设计成多个部分。这具有一个优势，就是作为变形体组成的每个部分具有特定功能，因此，每个组成部分在材料方面和结构方面被优化。

根据本发明的一个实施例，变形体包括至少一个具有两个腿部的角铰链，其中该角铰链包括弹簧。通过弹簧，变形体可以通过与施加压力相反的限定角度移回到基本设置中。

根据另一优选实施例，为了在施加压力时获得最大的投影面积，以横截面观察时，角铰链具有最大深度（T），其对应于特定两条腿部的厚度（S）。

根据可选的优选实施例，当以横截面观察时，角铰链具有大于特定两个腿部的厚度（S）的深度（T）。这具有减少过度跨越的优点；即避免了腿部在相反方向弯曲180℃。

根据优选实施例，为了在壳体中产生用于按钮的有利机构，使得第一腿的长度比互补的第二腿的长度更长。

根据可选的实施例，当在横截面中观察时，变形体以折叠的方式形成为具有多个相邻排列的夹角，使得压力施加时的投影表面从第一对腿部延伸到最后一对腿部的另一端。在这种情况下的优点是最小变化的高度产生最大的扩展，从而产生最大的能量产出。

根据可选实施例，当在横截面中观察时，变形体具有弓形结构，其中腿部由具有压电材料的换能器元件料跨过，或套筒围绕变形体。应当理解，如上所述的变形体的弹簧效应由变形体的材料的弹性模量来实现，或者形成为单独的弹簧元件。

根据可选实施例，变形体由具有滑动结构的两个部分组成，滑动结构连接两个部分，其中当从侧面观察时，两个部分的两个相对的端部各自具有楔形，彼此相互接合作为倾斜平面，使得在压缩状态下，以横截面观察时，这些部件被以最小的投影表面推压在一起，接触尖端重叠，并且在处于扩展状态时，可以最大限度地接触并以最大程度地推开。

根据本发明的可选实施例，变形体形成为三个部分，其中心部分，以横截面观察时，特别是圆柱体，其中心地布置，并且两个平面部分布置在圆柱体的两侧，其中平面部分具有第三部分可滑动的倾斜表面。

因此，本发明提供一种具有变形体的压电发电机，该变形体在压力施加下跨越投影表面，并且具有与投影表面相对的目标压力表面，其中当压力以基本垂直于投影表面的方向施加在目标压力表面时，投影表面可以从没有被施加压力的情况下的较小的投影表面转换成较大的投影表面，变形体具有抵抗施加在目标压力表面的压力的弹簧效应，其中带有具有两个电极端的压电材料的压电发电机薄膜作为机电换能器元件，跨接所述投影表面并围绕所述变形体作为套筒，在施加到变形体上的压力下压力发电机薄膜以可扩展的方式实施。因此，制造出的压电发电机在使用期间实现了使用寿命，例如一个按钮，并且充分地提供电能。

本发明通过具有上述压电发电机的按钮来实现，其具有放置压电发电机的壳体，和能够通过压力机械地作用在变形体的目标压力表面的按钮元件。因此，以盒模块的形式产生信号传输所需的电能。因此，不再需要电池及其在能量消耗后的更换。

本发明还通过具有上述机械按钮的无线电模块来实现，所述机械按钮包括如上所述的压电发电机，并且包括无线电单元、控制电子单元、整流器单元和任选的能量存储单元。整流器单元以及无线电单元和控制电子单元可以在压电发电机中实现或印刷在压电膜上。关键信号可以例如由无线电模块在房间内传输。无线电模块作为具有机械按钮的传感器的优点是消除了在高处布线的缺点，从而节省了资源。此外，该按钮可用作房间中的移动传感器，可用于各种应用。因此，无线电模块可靠地操作运行几年，而不需要更新能量存储单元，压电发电机内置在无线电模块中。

本发明还通过一种用于制造压电发电机的方法来实现，其中聚合物压电发电机薄膜作为带有压电材料的换能器元件缠绕在具有弹簧效应的变形体上以形成套筒，其中所述变形体相对于目标压力表面跨越投影表面，并且具有与所述投影表面相对的目标压力表面，其中当压力以基本垂直于所述投影表面的方向施加在目标压力表面时，所述投影表面可以从未被加载压力的情况下的较小的投影表面转换成较大的投影表面。因此，制造了一种高效的压电发电机，其不易被破坏，使用寿命是确定的。

本发明还通过一种上述压电发电机产生电能的方法实现，其中压电发电机包括变形体。

附图说明

关于本发明的进一步的优点、细节和改进，在以下参考图中描述。图中：

图1为无变形体的缠绕聚合物压电发电机薄膜的剖视图；

图2a和图2b，在横截面上看，显示具有一个变形体的压电发电机，变形体具有一个铰链和在松弛和负载状态下有两条同样长的腿部；

图3a和图3b显示了根据图2中的压电发电机在松弛和负载状态下的替换的第二实施方式；

图4a和图4b显示了压电发电机在松弛和负载状态下的第三个优选实施方式；

图5a和图5b显示了压电发电机在松弛和负载状态下的第四个优选实施方式；

图6a和图6b显示了压电发电机在松弛和负载状态下的第五个优选实施方式；

图7a和图7b显示了压电发电机在松弛和负载状态下的第六个优选实施方式；

图8a和图8b显示了压电发电机在松弛和负载状态下的第七个优选实施方式；

图9a和图9b显示了压电发电机在松弛和负载状态下的第八个优选实施方式；

图10显示了本发明的按钮；和

图11显示了本发明的无线电模块。

具体实施方式

图1示出本发明的无变形体5的压电发电机的横截面图。图1以抽象的方式放大详细地示出了卷绕以形成套筒20的薄膜体，或称为薄膜绕组，其优选具有压电聚合物薄膜2，如DE102010016499A1中所述。与DE102010016499A1的第一个实施例中所表述的相比，压电薄膜2不以曲折形式折叠，而是根据第二实施例以彼此上下的双层缠绕形成的两个压电薄膜。两个实施例的描述都可以实现本发明。可以以曲折形状折叠的方式将薄膜2缠绕作为套筒，如图1所示，或者用缠绕单层或双层或多层的压电薄膜2，22。作为换能器元件的压电薄膜2优选由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成。压电薄膜2，22的每一侧形成薄膜状电极3，4。在各个电极层之间布置至少一个绝缘体层。压电薄膜2优选是金属涂层。生产过程可以通过气相钝化或通过溅射工艺进行。所述两个电极3、4优选由相同的材料制成，并且可以在一个公知的工艺步骤中生产得更好。压电薄膜2，22的厚度在10μm和50μm之间。压电薄膜2是非常耗费成本的，因此需要有效的处理来生产压电发电机1。压电薄膜2卷绕的长度使得其在加载状态即扩展时以足够的可靠性产生应用所需的能量。最大扩展程度低于其断裂或撕裂极限。

图2a示出了具有由硬塑料制成的本发明的变形体5的压电发电机1，在图1中描述的压电薄膜2围绕变形体卷绕成薄膜绕组和套管20。为了简化，在图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9中省略了第一电极3和第二电极4以及套筒20的精确结构。图2a示出处于无负载状态的压电发电机1。具有变形体5的压电发电机1跨越投影表面6，当将压力施加到相对设置的目标压力表面8上时，该投影表面6对抽象图示底表面15施加压力。图2b示出了最大负载状态，其中投影表面6被转换并扩展到投影表面7。如图2a和图2b所示，变形体5具有两个腿部11、12，并且通过角铰链10连接。根据图2a所示，被集成到角铰链中的一个弹簧9将变形体5保持在松弛状态，并且当施加压力时将其返回到该状态。因此，变形体5由两个腿部11,12和角铰链10三部分构成。

图3a和3b示出了根据图2a和图2b的压电发电机1的不同之处在于，在第二特别优选实施例中，在横截面上看，变形体5的腿部11比腿部12明显长。如下面参照图10所描述和说明的那样，当上覆的按钮元件25可旋转地安装在例如腿部11的腿端时，该实施例具有按钮23的力学的优点。

如图4a和4b所示的第三优选实施例，其中变形体5再次具有等长的腿部11、12，但是铰链10明显地具有比两个腿部11的厚度（S）大的最大深度（T）。如图4a和4b所示，铰链10的深度T被示出为腿部11,12的腿部厚度（S）的两倍。

如图4b所示，该实施例的优点在于，在转换到投影表面7期间，防止变形体5最大负载状态下过度跨越。变形体5可以以比图2所示的更小的深度扩展。这通常是足够的，因为非常小的运动或扩展足以在压电发电机1中产生最大的电能。

如图5a和5b所示的第四个特别优选的实施例中的压电发电机1。在该第四实施例中，变形体5没有单独的铰链10。腿部11和12由相同的弹性材料制成。该材料具有相应的弹性模量，以便在如图5a所示的松弛状态和在如图5b所示的目标压力表面8上的负载状态之间产生弹簧效应。因此，变形体5被制成单独元件。

如图6所示的在第五优选实施例中的本发明的压电发电机1的横截面，其中六对腿部在横截面上被排列成一排并且由相同的材料制成，形成变形体5。在本实施例中，目标压力表面8几乎形成在压电发电机1的整个截面长度上。这种结构在例如平面应用中是适合的，以便以最小合适的行程产生最大扩展。

如图7a和7b所示的第六个特别优选的实施例的具有弓形变形体5的压电发电机1。压电薄膜2围绕弓形变形体5缠绕以形成套筒20，并且在弓形变形体5松弛状态下作为较短的弦跨越两个腿端，因此压电薄膜2也是半弧。图7b中负载状态下的变形体5与图7a中的缩小的投影表面6相比较具有最大投影表面7。

图8a和8b示出了第七个特别优选的实施例中的压电发电机1的横截面。在本实施例中，变形体5形成为两部分，当中心松弛时，两部分通过倾斜平面重叠。压电薄膜2的套筒20缠绕，使得腿部11、12彼此重叠地相互推压并产生比它们的腿部厚度（S）更大的深度（T）。弹簧路径现在包括中心形成的目标压力表面8压靠底表面15的压力，以便产生压电发电机1的套筒20的扩展，使得在倾斜平面处深度（T）减小到腿部厚度（S），并且两个腿在横截面上看不再重叠，而是被均匀地推压在彼此上。套筒20的扩展材料或者未示出的单独的弹簧，可以产生弹簧效应。

图9a和9b示出了第八个特别优选实施例中的具有三部分变形体5的压电发电机1；在这种情况下，腿部11和12分别形成，并且当在横截面上观察时，在相互接触的边缘上具有圆形的圆滑中心表面，当在负载状态时，压力施加到位于上方的中心目标压力表面8，使得圆柱体14能够在顶部的中心被推入其中，使得压电薄膜2的套筒20与投影表面6的松弛状态相比，将变形体5扩大到最大负载投影表面7，如图9a所示。在松弛状态下，圆柱体14位于腿部11,12的中央的圆形凹陷处，并且仅在顶部接触压电薄膜2的套筒20。在负载状态时，在目标压力表面8的外侧的压力下，圆柱体 14也可以在底部接触压电薄膜2的套筒20的相对位置的底表面24。

图10以抽象的方式示出了具有如上所述的压电发电机1的本发明的按钮23，其安装在壳体24中并被容纳在其中，其中按钮元件25以可枢转的方式布置压电发电机1的上方，从而可以利用压电发电机1的目标压力表面8上的按钮元件25来实现对变形体5的施加压力。这样，释放产生所需的电微能量。

图11示出了具有无线电单元26、整流单元27和按钮23的无线电模块。当对按钮23施加机械压力时，产生交流电；所述电流经由整流单元27转换为直流电流，使得该直流电流向无线电单元26提供足够的电能以将相应的信号传输到接收器。否则，电能存储在电容器中。无线电模块的优点是不需要布线和布线工作所需的材料。此外，无线电模块可用于电缆布线困难或不合适或不期望的环境中，例如在固定或移动应用中。

虽然在前面的描述中解释了示例性实施例，但是应当指出，可以进行大量的修改。此外，应当指出，示例性实施例仅仅是示例，是不应以任何方式限制应用和结构的保护范围。相反，通过前面的描述向本领域技术人员提供了用于实现至少一个示例性实施例的指南，由此可以进行各种改变，特别是关于所述部件的功能和布置，而不脱离权利要求和这些等效特征组合而产生的保护范围。

Claims (20)

1.一种压电发电机（1），包括变形体（5），所述变形体跨越投影表面并且具有与所述投影表面相对的目标压力表面（8），其中当压力基本垂直于所述投影表面（6）施加在所述目标压力表面（8）时，所述投影表面从未被施加压力的情况下的较小的投影表面（6）转换成较大投影表面（7），并且提供弹簧效应抵抗施加在目标压力表面（8）的压力，其中含有压电材料的机电换能器元件全部或部分地超过所述投影表面（6），使得当压力施加到变形体（5）时，换能器元件以可扩展的方式被实施，并且可以通过压电材料产生电微能量，其中具有平面聚合物压电发电机薄膜（2）的压电材料的换能器元件，设置在围绕变形体（5）远离变形体（5）的投影表面（6）的一边。

2.根据权利要求1所述的压电发电机（1），其特征在于，变形体（5）呈细长并且从剖面观察时是鞍形屋顶的形状，其由硬塑料制成。

3.根据权利要求1或2所述的压电发电机（1），其特征在于，所述机电换能器元件围绕所述变形体（5）缠绕成套筒（20）。

4.根据权利要求1,2或3所述的压电发电机（1），其特征在于，所述平面聚合物压电发电机薄膜（2）由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成。

5.根据权利要求4所述的压电发电机（1），其特征在于，所述压电发电机薄膜（2）形成为双层或多层。

6.根据权利要求4所述的压电发电机（1），其特征在于，所述压电发电机薄膜（22）以曲折方式缠绕，第一电极（3）以导电方式连接到第一侧，第二电极（4）连接到第二侧。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，所述变形体（5）包括以一定角度布置，并且形成连接到至少一个柔性角部的腿部（11,12），使得腿部（11,12）在施加压力时至少可以在所述角部被挤压分开，特别地，至少所述变形体（5）的角部由具有弹性模量的材料制成，该材料使得变形体（5）产生弹簧效应。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，所述变形体（5）分成多个部分。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，所述变形体（5）包括至少一个具有两个腿部的角铰链（10），其中所述角铰链（10）包括一个弹簧。

10.根据权利要求9所述的压电发电机（1），其特征在于，所述角铰链（10）形成有最大的深度（T），从横截面看，所述最大深度（T）对应于特定的两个腿部（11,12）的厚度（S）。

11.根据权利要求9所述的压电发电机（1），其特征在于，从横截面看，所述角铰链（10）具有大于特定两个腿部（11,12）的厚度（S）的深度（T）。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，一腿部（11,12）的长度大于互补的第二腿部（11,12）的长度。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，从横截面看，变形体（5）以折叠的方式形成多个相邻排列角度的平面，并且所述投影表面（6）从一条腿延伸到相对的最后一条腿。

14.根据权利要求1至6中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，从横截面看，变形体（5）形成有弓形结构。

15.根据权利要求1至6中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，所述变形体（5）形成具有连接两个部分的滑动结构的两个部分，其中，从剖面看，两个部分的两个端部各自具有楔形（11A,12A），彼此相互接合作为倾斜平面，使得在压缩状态下，从横截面看，这些部件被推压在一起，接触尖端重叠，并且在处于扩展状态时，可以最大限度地接触并以最大程度地推开。

16.根据权利要求1至6中任一项所述的压电发电机（1），其特征在于，所述变形体（5）形成为三个部分，从横截面看，其中心部分是圆柱体（14），并且两个平面部分布置在圆柱体的两侧，其中平面部分具有第三部分可滚动的倾斜表面。

17.具有上述权利要求中任一项所述的压电发电机（1）的按钮（23），包括放置压电发电机（1）的壳体（24）和按钮元件（25），按钮元件能够通过压力机械地作用在变形体（5）的目标压力表面（8）（为此绘制图）。

18.具有权利要求18所述的机械按钮（23）的无线电模块，包括前述权利要求中任一项所述的压电发电机（1），包括无线电单元（26）、控制电子单元、整流器单元（27）和能量存储单元。

19.一种制造权利要求1至16中任一项所述的压电发电机（1）的方法，其特征在于，作为具有压电材料的换能器元件的聚合物压电发电机薄膜（2）通过弹簧作用卷绕在变形体（5）上形成套筒（20），其中变形体（5）跨越投影表面并且具有与投影表面（6）相对的目标压力表面（8），其中当压力基本垂直于所述投影表面（6）施加在所述目标压力表面（8）时，所述投影表面从未被施加压力的情况下的较小的投影表面（6）转换成较大投影表面（7）。

20.通过权利要求1至16中任一项所述的压电发电机产生电能的方法，其特征在于，所述压电发电机（1）具有变形体（5），所述变形体（5）跨越投影表面并具有与所述投影表面相对的目标压力表面（8），其中当压力基本垂直于所述投影表面（6）施加在所述目标压力表面（8）时，所述投影表面从未被施加压力的情况下的较小的投影表面（6）转换成较大投影表面（7），并且提供弹簧效应抵抗施加在所述目标压力表面（8）的压力，其中含有压电材料的机电换能器元件全部或部分地超过所述投影表面，使得当压力施加到变形体（5）上时，换能器元件以可扩展的方式被实施，并且通过压电材料产生电微能量，其中具有压电材料的换能器元件完全或部分地由平面聚合物压电发电机薄膜（2）形成。