DE102014213168A1

DE102014213168A1 - Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102014213168A1
Application number: DE102014213168.5A
Authority: DE
Inventors: Robert Hahn; Jörg Bauer; René Dallinger; Leopold Georgi
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Kondensator (2), der wenigstens eine verformbare erste Elektrode (4), eine zweite Elektrode (5) und ein zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (5) angeordnetes Dielektrikum (6) aufweist. Das Dielektrikum (6) und die erste Elektrode (4) sind derart angeordnet und ausgebildet, dass eine erste Kontaktfläche (10), entlang derer die erste Elektrode (4) und das Dielektrikum (6) in Kontakt sind oder in Kontakt bringbar sind, zum Verändern einer Kapazität des Kondensators (2) abhängig von einer auf die erste Elektrode (4) ausgeübten mechanischen Kraft (9) veränderbar ist. Erfindungsgemäß enthält die verformbare erste Elektrode (4) einen elastischen Feststoff.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mit fortschreitender Entwicklung der Elektronik sinkt der Energiebedarf elektronischer Komponenten oder Geräte kontinuierlich. Dadurch ist es möglich, eine immer größere Vielzahl von Elektronikprodukten, beispielsweise Sensoren, Aktuatoren, Funksender oder Funkempfänger energieautark zu betreiben. Dazu wird verfügbare Umgebungsenergie, typischerweise in Form von Bewegungsenergie, in elektrische Energie umgewandelt, die das jeweilige Elektronikprodukt dann für seinen Betrieb nutzen kann. Auf diese Weise ist ein Wartungsfreier Betrieb drahtloser Systeme über einen langen Zeitraum möglich, z. B. über einen Zeitraum von Monaten oder sogar von Jahren.
In dem Dokument US 7 898 096 B1 wird ein Wandler beschrieben, mit dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, indem durch eine auf den Wandler einwirkende mechanische Kraft die Kapazität eines oder mehrerer elektrischer Kondensatoren verändert wird und eine Veränderung der an dem Kondensator anliegenden elektrischen Spannung oder der in dem Kondensator gespeicherten elektrischen Ladung bewirkt. Die Kapazitätsänderung wird dadurch erzielt, dass bei zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren eine beiden Kondensatoren gemeinsame mittlere Elektrode als elektrisch leitende Flüssigkeit in Tropfenform ausgebildet wird, deren Kontaktfläche zu den angrenzenden dielektrischen Schichten infolge der auf den Wandler einwirkenden mechanischen Kraft veränderbar ist. Die Trennung verschiedener elektrisch leitender Tropfen erfolgt beispielsweise durch das Einbetten der elektrisch leitenden Tropfen in eine dielektrische Flüssigkeit.
In dem Dokument US 2012 018 19 01 A1 wird eine konkrete Ausführungsform des Wandlers gemäß US 7 898 096 B1 beschrieben, bei der die elektrisch leitförmigen Tropfen von einer elastischen Abstandshaltermatrix umschlossen sind, die dazu dient, ein Zusammenlaufen der verschiedenen elektrisch leitfähigen Tropfen zu verhindern.
Das Verwenden von Flüssigmetall zum Ausbilden der veränderlichen Elektrode birgt jedoch eine Reihe von technischen Problemen. Beispielsweise muss das Flüssigmetall hermetisch eingeschlossen oder gekapselt werden, um das Oxidieren des Flüssigmetalls zu verhindern. Durch die zwischen den verschiedenen Metalltropfen angeordneten Separationswände, die das Zusammenfließen der Metalltropfen verhindern, wird die nutzbare Grenzfläche zwischen den Metalltropfen und den angrenzen dielektrischen Schichten verringert, was mit einer Verminderung der Leistungsdichte des Wandlers einhergeht. Zusätzlich muss für die notwendige Verformung der Separationswände mechanische Energie aufgewendet werden, die für die Umwandlung in elektrische Energie nicht zur Verfügung steht. Schließlich ist die Gesamtkapazität einer Reihenschaltung von zwei Kondensatoren gegenüber der Kapazität eines einzelnen Kondensators der gleichen Bauart um einen Faktor 2 verringert. Dies bedingt zugleich eine verringerte Veränderbarkeit der Kapazität des Gesamtsystems und damit eine weniger effiziente Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum möglichst effizienten Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie zu schaffen, die vorzugsweise möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also eine Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Kondensator, der wenigstens eine verformbare erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes Dielektrikum, vorzugsweise in Form einer dielektrischen Schicht, aufweist. Das Dielektrikum und die erste Elektrode sind derart angeordnet und ausgebildet, dass eine erste Kontaktfläche, entlang derer die erste Elektrode und das Dielektrikum in Kontakt sind oder in Kontakt bringbar sind, zum Verändern einer Kapazität des Kondensators abhängig von einer auf die erste Elektrode ausgeübten mechanischen Kraft veränderbar ist. Die erste Elektrode enthält einen elastischen Feststoff.
Im Gegensatz zu den verformbaren Elektroden aus einem Flüssigmetall bedarf die den elastischen Feststoff enthaltende erste Elektrode gemäß der hier vorgeschlagenen Vorrichtung keiner hermetischen Verkapselung gegenüber der Umgebung. Anders als bei den verformbaren Elektroden aus Flüssigmetall besteht bei der den elastischen Feststoff enthaltenden verformbaren ersten Elektrode zudem nicht die Gefahr, dass sie ihre Form durch das Zusammenlaufen mit einer benachbarten Elektrode oder durch das Benetzen eines metallischen Kontaktelements zum Kontaktieren der ersten Elektrode verändert. Es werden daher üblicherweise keine Separationswände zum Trennen benachbarter Elektroden benötigt. Außerdem ist es nicht notwendig, die verformbare erste Elektrode zwischen zwei dielektrischen Schichten einzuschließen. Der Kondensator mit der verformbaren ersten Elektrode muss daher nicht notwendigerweise in Reihe mit einem weiteren Kondensator geschaltet werden. Gegenüber den bekannten Systemen mit zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren bedingt dies normalerweise eine größere Kapazität, eine vergrößerte Veränderbarkeit der Kapazität und damit eine effizientere Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.
Typischerweise ist die verformbare erste Elektrode zwischen dem Dielektrikum bzw. der dielektrischen Schicht und einem elektrisch leitfähigen Kontaktelement zum Kontaktieren der ersten Elektrode angeordnet. Gewöhnlich sind die erste Elektrode und das Kontaktelement in unmittelbarem Kontakt miteinander. Zum Beispiel ist die erste Elektrode mit dem Kontaktelement zusammengefügt, z. B. stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig. Üblicherweise ist das Kontaktelement relativ zur zweiten Elektrode und/oder relativ zum Dielektrikum bewegbar angeordnet.
Normalerweise sind das Kontaktelement, das Dielektrikum und die zweite Elektrode plattenartig oder schichtartig ausgebildet und parallel zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise wirkt die auf die erste Elektrode ausgeübte mechanische Kraft zum Verändern der Kapazität des Kondensators entlang einer Normalrichtung, die senkrecht auf eine durch das Dielektrikum, durch die zweite Elektrode oder durch das Kontaktelement definierten Ebene steht. Abhängig von der auf die erste Elektrode ausgeübten mechanischen Kraft wird die erste Elektrode mehr oder weniger stark gegen das Dielektrikum gedrückt. Typischerweise wird die verformbare erste Elektrode dabei entlang der genannten Normalrichtung zwischen dem Kontaktelement und dem Dielektrikum zusammengedrückt. Bevorzugt sind die zweite Elektrode, das Dielektrikum und die erste Elektrode derart angeordnet, dass die erste Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum mit Zunahme der auf die erste Elektrode wirkenden mechanischen Kraft größer wird, was eine Zunahme der Kapazität des Kondensators bedingt. Nimmt die auf die verformbare erste Elektrode ausgeübte mechanische Kraft wieder ab, so strebt die zusammengedrückte erste Elektrode zurück in ihren unverformten Zustand. Dies geht typischerweise mit einer Verkleinerung der ersten Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum und mit einer Verringerung der Kapazität des Kondensators einher. Bei abnehmender Normalkraft werden das Dielektrikum und das Kontaktelement dabei gewöhnlich durch die den elastischen Feststoff enthaltende erste Elektrode auseinandergedrückt.
Es gibt wenigstens zwei Varianten zum Umwandeln der der vorgeschlagenen Vorrichtung zugeführten mechanischen Energie in elektrische Energie. Bei der ersten Variante wird der Kondensator vorzugsweise im Zustand maximaler Kapazität elektrisch aufgeladen. Dies erfolgt z. B. mittels einer Batterie, deren Pole mit den Elektroden des Kondensators verbindbar sind. Nach dem Aufladen wird der Kondensator dann von der Spannungsquelle getrennt, so dass die im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung nicht vom Kondensator abfließen kann. Nimmt die auf die zusammengedrückte erste Elektrode wirkende Normalkraft nun ab und verringert sich die Kapazität des Kondensators dadurch auf die zuvor beschriebene Weise, so führt dies zu einem Anstieg der elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des Kondensators. In dieser Phase der Rückverformung der zuvor zusammengedrückten ersten Elektrode in den unverformten Zustand der ersten Elektrode wird also wenigstens ein Teil der zuvor in der ersten Elektrode gespeicherten mechanischen Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese im Kondensator gespeicherte elektrische Energie kann nun genutzt werden, indem der Kondensator z. B. mit einem elektrischen Verbraucher verschaltet und über diesen entladen wird.
Bei dieser ersten Variante (konstante Ladung) ist der Betrag der in einem Zyklus im Kondensator umgewandelten und nutzbaren Energie W gegeben durch den folgenden Ausdruck: W = 0,5·Q²/((1/C_min) – (1/C_max)). Dabei bezeichnet Q die nach dem Aufladen im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung. C_min und C_max bezeichnen den kleinsten und den größten Wert der Kapazität des Kondensators im jeweiligen Zyklus. Bei dieser ersten Variante ist zu beachten, dass die Kapazität des Kondensators nicht so stark verringert wird, dass die an den Elektroden des Kondensators anliegende und infolge der Verringerung der Kapazität C bei konstanter Ladung Q zunehmende elektrische Spannung U die Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums übersteigt (Q = C·U).
Bei der zweiten Variante wird der Kondensator wiederum im Zustand maximaler Kapazität elektrisch aufgeladen. Im Gegensatz zur zuvor beschriebenen ersten Variante bleibt die zum Aufladen des Kondensators verwendete Spannungsquelle beim anschließenden Rückverformen der ersten Elektrode jedoch an den Kondensator angeklemmt, so dass die an den Elektroden des Kondensators anliegende elektrische Spannung bei der mit der Rückverformung der ersten Elektrode einhergehenden Verringerung der Kapazität des Kondensators konstant bleibt. Infolge der Verringerung der Kapazität des Kondensators bei konstanter Spannung fließen dann elektrische Ladungen vom Kondensator zurück in die Spannungsquelle. Dazu kann eine Schaltungsanordnung der Vorrichtung zum Auf- und Entladen des Kondensators verwendet werden, die beispielsweise synchronisierte Schaltelemente und Induktivtäten aufweist, insbesondere in Form von DC/DC-Wandlern, Resonanzwandlern oder einer anderen geeigneten Schaltungstopologie. Die Spannungsquelle, z. B. eine Batterie oder ein Ausgangskondensator, wird also durch die in der verformbaren ersten Elektrode des Kondensators gespeicherte mechanische Energie elektrisch aufgeladen. Anschließend wird der Kondensator wieder elektrisch von der Spannungsquelle getrennt und die Kapazität des Kondensators durch das erneute Zusammendrücken der ersten Elektrode von Neuem erhöht. Bei dieser zweiten Variante ist der in einem Zyklus im Kondensator in elektrische Energie umgewandelten mechanischen Energie gegeben durch den folgenden Ausdruck: W = 0,5·U²/(C_max) – C_min). Dabei bezeichnet U die beim Aufladen des Kondensators und bei der anschließenden Verringerung der Kapazität des Kondensators am Kondensator anliegende elektrische Spannung. C_min und C_max bezeichnen wiederum den kleinsten und den größten Wert der Kapazität des Kondensators im jeweiligen Zyklus.
Das Dielektrikum kann aus einem beliebigen Isolator gebildet sein. Bevorzugt werden jedoch Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante und hoher Durchbruchsspannung. Dies können z. B. anorganische Materialien wie Metalloxide (z. B. Ta₂O₅, BaTiO₃ oder Al₂O₃) oder Polymere wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) sein.
Der elastische Feststoff der ersten Elektrode kann ein Elastomer, ein Thermoplast oder ein thermoplastisches Elastomer sein, beispielsweise Silikon. Die genannten Materialien sind kostengünstig und weisen für die vorliegende Anwendung vorteilhafte mechanische Eigenschaften auf. Der Elastizitätsmodul des elastischen Feststoffs der ersten Elektrode kann kleiner als 3 kN/mm², kleiner als 1 kN/mm², kleiner als 0,5 kN/mm², kleiner als 0,1 kN/mm² oder kleiner als 0,05 kN/mm² sein. Für die vorliegende Anwendung ist es vorteilhaft, wenn der Verlustmodul des elastischen Feststoffs der ersten Elektrode möglichst klein ist, so dass die in der ersten Elektrode gespeicherte Verformungsenergie bei der Rückverformung der ersten Elektrode möglichst vollständig zurückgewonnen werden kann und möglichst nicht durch innere Reibung in Wärme umgewandelt wird.
Wenn der elastische Feststoff der ersten Elektrode nicht intrinsisch leitfähig ist, wird er zur Ausbildung der ersten Elektrode vorzugsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet und/oder im Inneren mit einem elektrisch leitfähigen Material vermengt oder angereichert. Als elektrisch leitfähiges Material kann dazu wenigstens eines der folgenden Materialien verwendet werden: Metall, z. B. Nickel oder Silber; Kohlenstoff, z. B. in Form von Graphen und/oder in Form von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs); oder leitfähige Fasern, z. B. in Form von Polymerfasern, die an der Oberfläche leitfähig beschichtet sind, z. B. mit Silber, Nickel, oder Kohlenstoff. Um die Durchbruchsspannung des Kondensators so wenig wie möglich zu reduzieren, sollten die für die leitfähige Beschichtung der elastischen ersten Elektrode verwendeten leitfähigen Bestandteile möglichst fein an oder auf der Oberfläche der elastischen ersten Elektrode verteilt sein. Bei ungleichmäßiger Verteilung der Leitfähigen Phase kann es zur Ladungsträgerinjektion in das Dielektrikum kommen, was zur Materialdegradation und zum elektrischen Durchbruch führen kann. Um dies zu verhindern sollte ein mittlerer gegenseitiger Abstand der leitfähigen Bestandteile an der Oberfläche der elastischen ersten Elektrode vorzugsweise kleiner oder gleich einer mittleren Größe (z. B. eines mittleren Durchmessers) der leitfähigen Bestandteile sein. Um ein Reißen oder Abplatzen dieser Beschichtung beim Verformen der ersten Elektrode zu vermeiden, kann die elektrisch leitfähige Beschichtung des elastischen Feststoffs z. B. mäanderförmig strukturiert sein.
Bei dem elastischen Feststoff der ersten Elektrode kann es sich auch um ein intrinsisch elektrisch leitfähiges Material handeln, z. B. um ein Metall. Dieses ist dann vorzugsweise in Form einer zylindrischen Feder, insbesondere einer Stahlfeder, oder in Form von Metalllamellen gegeben.
Um eine möglichst effiziente Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn mit der Verformung der ersten Elektrode eine möglichst große Änderung der Kapazität des Kondensators einhergeht, z. B. in Form einer möglichst großen Änderung der ersten Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum. Zu diesem Zweck kann die erste Elektrode derart geformt sein, dass sie sich im unbelasteten Zustand zum Dielektrikum hin verjüngt. Zum Beispiel kann die dem Dielektrikum zugewandte Oberfläche der ersten Elektrode im unbelasteten Zustand gekrümmt sein oder zum Dielektrikum hin spitz zulaufen. Vorzugsweise weist ein dem Dielektrikum zugewandtes Ende der ersten Elektrode im unbelasteten Zustand eine Kegelform oder eine Halbkugelform auf.
Zum Erzielen einer möglichst großen Änderung der Kapazität des Kondensators kann die Oberfläche der ersten Elektrode, die mit dem Dielektrikum zur Ausbildung der ersten Kontaktfläche in Kontakt ist oder in Kontakt bringbar ist, und/oder eine entsprechende Oberfläche des Dielektrikums, die mit der ersten Elektrode zur Ausbildung der ersten Kontaktfläche in Kontakt ist oder in Kontakt bringbar ist, verformbare Mikrostrukturen aufweisen. Damit kann beim Anpressen der ersten Elektrode an das Dielektrikum eine zusätzliche Vergrößerung der Kapazität erzielt werden. Zum Beispiel können die erste Elektrode und/oder das Dielektrikum entlang der ersten Kontaktfläche aufgeraut sein. Die Mikrostrukturierung der Oberfläche der ersten Elektrode und/oder des Dielektrikums kann z. B. durch Kaltabformung, Heißprägen, Mikrospitzguss, Laserablation, Extrusion, Lithografie, Ätzprozesse oder durch elektrochemische Beschichtung erzielt werden.
Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann auch die dem Dielektrikum zugewandte und mit dem Dielektrikum in Kontakt stehende Oberfläche der zweiten Elektrode Mikro- oder Nanostrukturen aufweisen. Auch diese Strukturen an der Oberfläche der zweiten Elektrode, die der Vergrößerung einer zweiten Kontaktfläche dienen, entlang derer die zweite Elektrode und das Dielektrikum in Kontakt sind, können z. B. mittels Kaltabformung, Laserablation, durch Ätzprozesse oder mittels elektrochemischer Beschichtung hergestellt werden.
Zur Verbesserung des Kontakts zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum und zum Ausgleichen von Oberflächenrauigkeiten kann die dem Dielektrikum zugewandte Oberfläche der ersten Elektrode eine weitere Beschichtung aufweisen. Diese ist vorzugsweise in Form einer leitfähigen Flüssigkeit, in Form einer leitfähigen Paste oder in Form von leitfähigen Mikro- oder Nanopartikeln gegeben. Vorzugsweise ist diese weitere Beschichtung der ersten Elektrode derart ausgeführt, dass sie nur an der ersten Elektrode und nicht am Dielektrikum haftet. Zu diesem Zweck kann das Dielektrikum z. B. mit einem benetzungsabweisenden Material beschichtet sein, z. B. mit einem Fluorpolymer.
Um das Rückverformen der ersten Elektrode nach dem Zusammendrücken der ersten Elektrode zu unterstützen, kann zwischen dem Kontaktelement und dem Dielektrikum neben der ersten Elektrode wenigstens ein weiteres Rückstellelement angeordnet sein, das eingerichtet ist, das Kontaktelement und das Dielektrikum auseinanderzudrücken, insbesondere dann, wenn die erste Elektrode maximal zusammengedrückt ist. Auf diese Weise kann z. B. einer Materialermüdung des elastischen Feststoffs der ersten Elektrode entgegengewirkt werden. Das genannte Rückstellelement ist vorzugsweise ein Isolator und nicht elektrisch leitfähig. Bei diesem Rückstellelement kann es sich um eine Feder oder um ein weiteres elastisches Material handeln, beispielsweise um ein elektrisch nicht leitfähiges Elastomer.
Bei einer speziellen Ausführungsform kann die erste Elektrode derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie im unbelasteten Zustand nicht mit dem Dielektrikum in Kontakt ist. Damit ist die Kapazität des Kondensators im unbelasteten Zustand besonders gering. Dies trägt also zu einer möglichst großen Veränderbarkeit der Kapazität und zu einer möglichst effizienten Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie bei. Diese Ausführungsform ist normalerweise nicht im Zusammenhang mit der eingangs beschriebenen ersten Variante zum Umwandeln der in der verformten ersten Elektrode gespeicherten mechanischen Energie in elektrische Energie geeignet, da die Verringerung der Kapazität des Kondensators ohne Ladungsausgleich zu einem starken Spannungsanstieg zwischen den Elektroden des Kondensators führen kann, was gegebenenfalls zu einer ungewünschten Entladung über das Dielektrikum und zur Zerstörung des Kondensators führt.
Zur Vergrößerung der Veränderbarkeit der ersten Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum kann auch das Dielektrikum aus einem elastischen Material gebildet sein. Beim Anpressen der ersten Elektrode an das Dielektrikum kann dann eine zusätzliche Vergrößerung der ersten Kontaktfläche erreicht werden. Bei dieser Ausführungsform können große Änderungen der ersten Kontaktfläche und damit große Änderungen der Kapazität des Kondensators bereits dann erzielt werden, wenn nur geringe mechanische Kräfte auf die erste Elektrode bzw. auf das Dielektrikum wirken.
Zur Verbesserung des Kontaktes zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum kann zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum ein weiteres flüssiges Dielektrikum angeordnet sein. Vorzugsweise hat auch dieses flüssige Dielektrikum eine möglichst große Dielektrizitätskonstante, insbesondere eine größere Dielektrizitätskonstante als Luft. Auch bei dieser Ausführungsform können vergleichsweise große Kapazitätsänderungen bereits dann erzielt werden, wenn nur geringe mechanische Kräfte auf die verformbare erste Elektrode des Kondensators ausgeübt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform können zwischen dem Dielektrikum und dem zuvor genannten Kontaktelement, das relativ zum Dielektrikum beweglich angeordnet ist, zusätzlich elektrische Kontakte vorgesehen sein. Diese zusätzlichen elektrischen Kontakte sind vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass sie durch das Bewegen des Kontaktelements relativ zum Dielektrikum, vorzugsweise durch das Annähern des Kontaktelements an das Dielektrikum, in elektrischen Kontakt bringbar sind. Die zusätzlichen elektrischen Kontakte können z. B. elektrisch mit einer Schaltungsanordnung verbunden sein, die eingerichtet ist, das Aufladen und/oder des Entladen des Kondensators zu steuern oder zu beeinflussen. Auf diese Weise kann das Aufladen und/oder das Entladen des Kondensators gesteuert und/oder beeinflusst werden, wenn die zusätzlichen elektrischen Kontakte infolge des Zusammenpressens der ersten Elektrode elektrisch in Kontakt gebracht werden. Vorzugsweise sind die zusätzlichen elektrischen Kontakte derart angeordnet, dass sie sich genau dann oder erst dann berühren, wenn die erste Elektrode maximal zusammengepresst ist und die Kapazität des Kondensators damit ihren größten Wert annimmt. Typischerweise sind die zusätzlichen elektrischen Kontakte an oder auf der dielektrischen Schicht und/oder am Kontaktelement angeordnet.
Als Spannungsquelle, insbesondere zum Aufladen des Kondensators, kann die Vorrichtung mit wenigstens einer Mikrobatterie und/oder mit wenigstens einem DC-DC-Wandler ausgestattet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1a–c in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Kondensator, dessen verformbare erste Elektrode ein elastisches Polymer enthält;
2a–b ein Ladungs-Spannungs-Diagramm, welches das Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie durch das Entladen des Kondensators aus 1 bei konstanter Spannung illustriert, sowie eine zugehörige Schaltungsanordnung;
3a–d einen zeitlichen Verlauf der Spannung, der Stromstärke, der Kapazität und der Ladung an bzw. im Kondensator aus 1 beim Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie;
4a–c Graphen, in denen die Kapazität pro Flächeneinheit des Kondensators aus 1 für verschiedene Dielektrika jeweils gegen die auf die verformbare erste Elektrode des Kondensators wirkende Normalkraft pro Flächeneinheit aufgetragen ist;
5a–b ein Ladungs-Spannungs-Diagramm, welches das Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie durch das Entladen des Kondensators aus 1 bei konstanter Ladung illustriert, sowie eine zugehörige Schaltungsanordnung
6a–b die Vorrichtung gemäß 1 mit zusätzlichen Rückstellelementen, die eingerichtet sind, das Rückverformen der zusammengepressten ersten Elektrode in ihren unverformten Zustand zu unterstützen;
7a–d die Vorrichtung gemäß 1, wobei eine Oberfläche der verformbaren Elektrode zur Erhöhung der Kapazitätsänderung bei einer Veränderung der auf die verformbare Elektrode ausgeübten Anpresskraft Mikrostrukturierungen aufweist;
8a–d die Vorrichtung gemäß 1, wobei eine der verformbaren Elektrode zugewandte Oberfläche des Dielektrikums zur Erhöhung der Kapazitätsänderung bei einer Veränderung der auf die verformbare Elektrode ausgeübten Anpresskraft Mikrostrukturierungen aufweist;
9a–d die Vorrichtung gemäß 8, wobei die verformbare Elektrode zur Verbesserung eines Kontakts zwischen der verformbaren Elektrode und dem Dielektrikum eine zusätzliche Beschichtung aufweist;
10a–d eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 1, bei der das Dielektrikum zur Erhöhung der Kapazitätsänderung bei einer Veränderung der auf die verformbare Elektrode ausgeübten Anpresskraft aus einem elastischen Polymer gebildet ist;
11a–c die Vorrichtung gemäß 1 mit zusätzlichen elektrischen Kontakten, die beim Zusammenpressen der verformbaren Elektrode in Kontakt bringbar sind; sowie
12a–b eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 1, bei der die verformbare Elektrode als elastischer Metallring ausgebildet ist.
Die 1a bis 1c zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie in verschiedenen Phasen eines Umwandlungszyklus. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Kondensator 2, dessen Kapazität veränderbar ist. Der Kondensator 2 weist ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 3 und eine verformbare erste Elektrode 4 auf. Die erste Elektrode 4 ist über das Kontaktelement 3 elektrisch aufladbar und entladbar. Zudem weist der Kondensator 2 eine zweite Elektrode 5 auf, die an ihrer der ersten Elektrode 4 zugewandten Oberseite mit einer dielektrischen Schicht 6 zusammengefügt ist. Das Kontaktelement 3 und die zweite Elektrode 5 sind aus einem leitfähigen planaren Elektrodenmaterial gebildet, im vorliegenden Beispiel aus Metall. Die dielektrische Schicht 6 ist zwischen der verformbaren ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 angeordnet, so dass sie die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 5 elektrisch gegeneinander isoliert. Im vorliegenden Beispiel ist die dielektrische Schicht 6 aus Al₂O₃ gebildet.
Das plattenartige Kontaktelement 3 und die plattenartige zweite Elektrode 5 sind parallel zueinander ausgerichtet. Die verformbare erste Elektrode 4 ist an einer der dielektrischen Schicht 6 zugewandten Unterseite des Kontaktelements 3 mit diesem zusammengefügt. Entlang einer Normalrichtung 7, die senkrecht zur Plattenebene des Kontaktelements 3 und senkrecht zur Plattenebene der zweiten Elektrode 5 verläuft, ist die verformbare erste Elektrode 4 zwischen dem Kontaktelement 3 und der zweiten Elektrode 5 und insbesondere zwischen dem Kontaktelement 3 und der dielektrischen Schicht 6 angeordnet. Entlang der Normalrichtung 7 sind das Kontaktelement 3 und die am Kontaktelement 3 befestigte verformbare erste Elektrode 4 relativ zur zweiten Elektrode 5 und zur dielektrischen Schicht 6 bewegbar.
Die erste Elektrode 4 enthält einen elastischen Feststoff. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem elastischen Feststoff um ein elastisches Polymer, z. B. um Silikon. Zur Ausbildung der ersten Elektrode 4 ist der elastische Feststoff an seiner Oberfläche mit einem leitfähigen Material beschichtet, beispielsweise mit Metall oder Kohlenstoff. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann der elastische Feststoff der ersten Elektrode 4 auch ein Thermoplast oder ein thermoplastisches Elastomer sein.
Bei einer in 12 gezeigten abgewandelten Ausführungsform des Kondensators 2 aus 1 ist die verformbare erste Elektrode 4 ein elastischer Ring oder Zylinder aus einem leitfähigen Material, z. B. aus Metall. Die verformbare Elektrode 4 kann auch als zylindrische Feder ausgebildet oder in Form von Metalllamellen gegeben sein.
In der Darstellung der 1a befindet sich die verformbare erste Elektrode 4 in einem unbelasteten Zustand, in dem keine äußere mechanische Kraft auf die erste Elektrode 4 wirkt. in diesem unbelasteten Zustand ist eine der dielektrischen Schicht 6 bzw. der zweiten Elektrode 5 zugewandte Oberfläche 8 der ersten Elektrode 4 derart gekrümmt, dass sich die erste Elektrode 4 entlang der Normalrichtung 7 zur dielektrischen Schicht 6 hin verjüngt. Hier weist das der dielektrischen Schicht 6 zugewandte Ende der ersten Elektrode 4 in etwa eine Halbkugelform auf. Ein senkrecht zur Normalrichtung 7 bestimmter Querschnitt der ersten Elektrode 4 nimmt also entlang der Normalrichtung 7 zur dielektrischen Schicht 6 hin ab. in dem in 1a gezeigten unbelasteten Zustand der ersten Elektrode 4 ist die erste Elektrode 4 von der dielektrischen Schicht 6 beabstandet, so dass die erste Elektrode 4 und die dielektrische Schicht 6 nicht in Kontakt sind. in diesem unbelasteten, d. h. unverformten Zustand der ersten Elektrode 4 ist eine elektrische Kapazität des Kondensators 2 daher besonders gering.
In 1b wird nun entlang der Normalrichtung 7 eine mechanische Kraft 9 auf die verformbare Elektrode 4 ausgeübt, z. B. über das Kontaktelement 3, so dass die verformbare Elektrode 4 entlang der Normalrichtung 7 gegen die dielektrische Schicht 6 gepresst wird. Die verformbare Elektrode 4 und die dielektrische Schicht 6 sind nun in unmittelbarem Kontakt miteinander. Durch das Zusammendrücken der verformbaren ersten Elektrode 4 zwischen dem Kontaktelement 3 und der dielektrischen Schicht 6 entlang der Normalrichtung 7 wird also der Abstand zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 verringert. Ebenso wird der Abstand zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 verringert. Mit Zunahme der entlang der Normalrichtung 7 auf die verformbare erste Elektrode 4 ausgeübten Normalkraft 9 wird zudem eine erste Kontaktfläche 10, entlang derer die erste Elektrode 4 und die dielektrische Schicht 6 in Kontakt sind, schrittweise vergrößert. Mit dem Verringern des Abstands zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 und mit der Vergrößerung der ersten Kontaktfläche 10 geht eine Zunahme der Kapazität des Kondensators 2 einher. In der in 2b dargestellten Situation ist die verformbare erste Elektrode 4 maximal zusammengedrückt, so dass die Kapazität des Kondensators 2 ihren größten Wert annimmt.
Nimmt nun die entlang der Normalrichtung 7 auf die erste Elektrode 4 ausgeübte Normalkraft 9 ab, so strebt die zusammengedrückte erste Elektrode 4 zurück in ihren unverformten Ausgangszustand, wobei sie die dielektrische Schicht 6 und das Kontaktelement 3 auseinanderdrückt. Durch die Rückverformung der verformbaren ersten Elektrode 4 nimmt der Abstand der ersten Elektrode 4 von der dielektrischen Schicht 6 und von der zweiten Elektrode 5 erneut zu. Ebenso bewirkt das Rückverformen der ersten Elektrode 4 in den unbelasteten Ausgangszustand eine schrittweise Verkleinerung der ersten Kontaktfläche 10 zwischen der ersten Elektrode und der dielektrischen Schicht 6. Mit abnehmender Normalkraft 9 verringert sich somit erneut die Kapazität des Kondensators 2. In 1c befindet sich die Vorrichtung 1 nach der Rückverformung der ersten Elektrode 4 wieder in ihrem in 1a dargestellten Ausgangszustand, in dem keine mechanische Kraft 9 auf die erste Elektrode 4 einwirkt. Die Kapazität des Kondensators 2 nimmt in der in 1c dargestellten Situation damit wieder ihren kleinsten Wert an.
2a zeigt ein Diagramm, in dem die im Kondensator 2 aus 1 gespeicherte Ladung Q und die zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 anliegende elektrische Spannung U beim Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß der eingangs beschriebenen zweiten Variante (konstante Spannung) gegeneinander aufgetragen sind. 2b zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung 11a der Vorrichtung 1, mit der das Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß dieser zweiten Variante durchführbar ist. Hier und im Folgenden sind wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Neben dem Kondensator 2 umfasst die Schaltungsanordnung 11a eine Spannungsquelle 12 in Gestalt einer Mikrobatterie, einen weiteren Kondensator 13, Gleichrichterdioden 14a–d, Feldeffekttransistoren 15a–d sowie Induktivitäten 16a und 16b.
Im Punkt 17 (siehe 2a) ist die erste Elektrode 4 des Kondensators 2 maximal zusammengedrückt, so dass die Kapazität des Kondensators 2 ihren maximalen Wert annimmt. Im Kondensator 2 ist eine Ladung Q₁ gespeichert und an den Elektroden 4 und 5 liegt eine elektrische Spannung U₁ an. In diesem Zustand werden die Transistoren 15a–d derart angesteuert, dass der Kondensator 2 durch die Spannungsquelle 12 aufgeladen wird, bis im Kondensator 2 eine maximale Ladungsmenge Q₂ gespeichert ist und bis an den Elektroden 4 und 5 des Kondensators 2 eine maximale Spannung U₂ anliegt. Nach dem Aufladen des Kondensators bei maximaler Kapazität befindet sich der Kondensator im Diagramm der 2a im Punkt 18.
Zwischen den Punkten 18 und 19 wird nun die Anpresskraft 9 (siehe 1) schrittweise verringert, so dass die erste Elektrode 4 zurück in ihren unverformten Zustand strebt, wobei sich die Kapazität des Kondensators 2 wieder bis auf ihren minimalen Wert verringert. Während dieser schrittweisen Verringerung der Kapazität des Kondensators 2 bleibt der Kondensator 2 elektrisch mit der Spannungsquelle 12 verbunden, so dass die elektrische Spannung zwischen den Elektroden 4 und 5 weiterhin den Wert U₂ annimmt. infolge der Verringerung der Kapazität des Kondensators 2 bei der konstanten Spannung U₂ zwischen den Elektroden 4 und 5 fließt die im Kondensator 2 gespeicherte Ladung Q₂ teilweise von dem Kondensator 2 ab und verringert sich wieder auf ihren Ausgangswert Q₁. im Punkt 19 des Diagramms aus 2a wird der Kondensator 2 durch entsprechendes Schalten der Transistoren 15a–d elektrisch von der Spannungsquelle 12 getrennt, so dass keine weiteren Ladungen vom Kondensator 2 abfließen oder auf den Kondensator 2 fließen können. Anschließend wird die erste Elektrode 4 des von der Spannungsquelle 12 getrennten Kondensators 2 wieder zusammengedrückt. Dadurch nimmt die Kapazität des Kondensators 2 erneut auf ihren Maximalwert zu und die zwischen den Elektroden 4 und 5 anliegende Spannung verringert sich wiederum auf ihren Ausgangswert U₁. In der Darstellung des Diagramms aus 2a befindet sich der Kondensator 2 damit wieder in seinem Ausgangspunkt 17. Während der Rückverformung der verformbaren ersten Elektrode 4 bei der konstanten Spannung U₂ zwischen den durch die Punkte 18 und 19 gekennzeichneten Zuständen des Kondensators 2 wird die in der ersten Elektrode 4 gespeicherte Verformungsenergie somit in elektrische Energie umgewandelt.
Der zeitliche Verlauf der Spannung U zwischen den Elektroden 4 und 5, der zeitliche Verlauf des auf den Kondensator 2 fließenden oder von dem Kondensator 2 abfließenden Stroms I, der zeitliche Verlauf der Kapazität C des Kondensators 2 und der zeitliche Verlauf der im Kondensator 2 gespeicherten Ladung Q während des in den 1 und 2a dargestellten Umwandlungszyklus sind in den 3a–d illustriert. Hervorgehoben sind dabei diejenigen Zeitpunkte, die mit den in 2a gekennzeichneten Zuständen 17, 18 und 19 des Kondensators 2 zusammenfallen.
Deutlich zu erkennen ist das Aufladen des Kondensators, mit dem der Kondensator 2 aus dem Zustand 17 in den aufgeladenen Zustand 18 übergeht. Zwischen den mit den Zuständen 18 und 19 korrespondierenden Zeitpunkten formt sich die im Zustand 18 noch vollständig zusammengedrückte erste Elektrode 4 zurück in ihren unverformten Ausgangszustand, den sie im Zustand 19 einnimmt. Deutlich zu erkennen ist dabei der Rückgang der Kapazität (siehe 3c) von ihrem Maximalwert auf ihren Minimalwert. Da diese Änderung der Kapazität zwischen den Zuständen 18 und 19 bei konstanter Spannung erfolgt (siehe 3a), geht sie mit einem Abfließen der im Zustand 18 noch im Kondensator 2 gespeicherten Ladungen einher (siehe 3b und 3d). Das erneute Zusammendrücken der ersten Elektrode 4 bei abgeklemmter Spannungsquelle 12 ist der steilen ansteigenden Flanke im Kapazitäts-Zeit-Diagramm der 3c entnehmbar. Durch Verwendung eines begrenzenden Lade- und/oder Entladeregulators kann das Verhalten erzeugt werden, das in den 3a–d jeweils durch die gestrichelten Kurven wiedergegeben ist. Insbesondere können durch die Verwendung eines solchen Regulators kurzfristig auftretende Stromspitzen vermieden werden. Im Gegenzug entstehen dabei höhere Spannungsspitzen.
Die in den 4a–c dargestellten Kurven 20a, 20b und 20c geben jeweils einen Verlauf der Kapazität pro Fläche des Kondensators 2 in Abhängigkeit von der auf die erste Elektrode 4 wirkenden Normalkraft 9 bzw. in Abhängigkeit von einem mit der Normalkraft 9 korrespondierenden Normaldruck (gemessen in N/cm²) wieder. Die in den 4a–c wiedergegeben Kurven wurden jeweils mit unterschiedlichen dielektrischen Schichten 6 durchgeführt. In 4a wurde die dielektrische Schicht 6 aus PVDF gebildet. In 4b wurde eine dielektrische Schicht 6 aus Ta₂O₅ mit einer Dicke von 1 μm verwendet. In 4c wurde als Dielektrikum 6 wiederum Ta₂O₅ verwendet, nun jedoch mit einer Dicke von nur 0,5 μm. Die so erhaltenen Kurven 20a, 20b und 20c sind dabei jeweils Kurven 21a, 21b und 21c gegenübergestellt, die anstatt mit der verformbaren Elektrode 4 des Kondensators 2 aus 1 mit einer konventionell auf der dielektrischen Schicht 6 deponierten starren ersten Elektrode erhalten wurden. Bereits bei Anpressdrücken Von ca. 250 N/cm² werden für die Kapazität des Kondensators 2 mit der verformbaren Elektrode 4 Werte erreicht, die mit den in den Kurven 21a, 21b und 21c wiedergegebenen Kapazitätswerten vergleichbar sind. Weitere Ausführungsformen des Kondensators 2, mit denen höhere Kapazitätswerte erzielt werden können, werden bei der Erläuterung der 6 bis 10 beschrieben.
5a zeigt ein Ladungs-Spannungs-Diagramm gemäß der eingangs genannten ersten Variante (konstante Ladung) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit dem Kondensator 2 der Vorrichtung 1. 5b zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung 11b der Vorrichtung 1. Im Ausgangszustand 22 ist die erste Elektrode 4 des Kondensators 2 maximal zusammengedrückt und der Kondensator 2 ist vollständig oder nahezu vollständig entladen. Im Zustand 22 nimmt die Kapazität des Kondensators 2 daher ihren maximalen Wert an. Anschließend wird der Kondensator 2 über die Spannungsquelle 12 aufgeladen, bis eine Ladungsmenge Q₂ im Kondensator 2 gespeichert ist und an den Elektroden 4 und 5 des Kondensators 2 eine Spannung U₁ anliegt. Der Kondensator 2 befindet sich nun im Zustand 23.
Die Transistoren 15e und 15f werden daraufhin derart angesteuert, dass der Kondensator 2 elektrisch von der Spannungsquelle 12 getrennt wird, so dass keine Ladungen auf den Kondensator 2 fließen können oder vom Kondensator 2 abfließen können. Ausgehend vom Zustand 23 wird nun die auf die verformbare erste Elektrode 4 ausgeübte Normalkraft 9 schrittweise verringert, so dass die erste Elektrode 4 in ihren unverformten Zustand strebt und dabei das Kontaktelement 3 und die dielektrische Schicht 6 auseinanderdrückt. Gleichzeitig verringert sich dabei die erste Kontaktfläche 10 zwischen der verformbaren ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6. Infolge der damit einhergehenden Verringerung der Kapazität des Kondensators 2 bei gleichzeitiger Trennung des Kondensators 2 von der Spannungsquelle 12 nimmt die an den Elektroden 4 und 5 des Kondensators 2 anliegende Spannung bis auf einen maximalen Wert U₂ zu. Wenn der Abstand des Kontaktelements 3 von der dielektrischen Schicht 6 seinen maximalen Wert annimmt und die Kontaktfläche 10 zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 minimal ist, nimmt die Kapazität des Kondensators 2 ihren kleinsten Wert an. Der Kondensator 2 befindet sich nun im Zustand 24. Anschließend werden die Transistoren 15e und 15f derart angesteuert, dass sich der Kondensator 2 erneut entlädt. Durch erneutes Zusammendrücken der ersten Elektrode 4 kehrt der Kondensator 2 danach wieder in seinen Ausgangszustand 22 zurück.
Bei der in 5 beschriebenen ersten Variante (konstante Ladung) wird wie bei der zweiten Variante bei der Rückverformung der ersten Elektrode 4, also beim Übergang vom maximal zusammengepressten Zustand 23 in den unbelasteten Zustand 24, mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Beim Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß der in 5 beschriebenen zweiten Variante ist jedoch zu beachten, dass die an den Elektroden 4 und 5 anliegende Spannung U₂ im Zustand 24 sehr groß werden kann, wenn die Kapazität des Kondensators 2 zu stark verringert wird, z. B. indem die erste Kontaktfläche 10 zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 auf Null reduziert wird. Dies kann zu einer Zerstörung des Kondensators 2 führen.
In den 6a und 6b gezeigten Ausführungsformen des Kondensators 2 unterscheiden sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform des Kondensators 2 dadurch, dass zwischen der dielektrischen Schicht 6 und dem Kontaktelement 3 weitere Rückstellelemente 25 (6a) bzw. 26 (6b) vorgesehen sind, die jeweils eingerichtet sind, das Rückverformen der verformbaren ersten Elektrode 4 aus dem zusammengedrückten Zustand der ersten Elektrode 4 zurück in den unbelasteten Zustand der ersten Elektrode 4 zu unterstützen. Die Rückstellelemente 25 und 26 sind also eingerichtet, das Kontaktelement 3 und die dielektrische Schicht 6 zum Verkleinern der ersten Kontaktfläche 10 zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 auseinanderzudrücken. Bei den Rückstellelementen 25 in 6a handelt es sich um elektrisch nicht leitfähige Elastomere. Die Rückstellelemente 26 in 6b sind als Federn aus einem ebenfalls elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet.
Die in den 7a–d gezeigte Ausführungsform des Kondensators 2 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform des Kondensators 2 insbesondere dadurch, dass die der dielektrischen Schicht 6 zugewandte Oberfläche der verformbaren ersten Elektrode 4 verformbare Mikrostrukturen 27 aufweist. Diese können z. B. nach dem Beschichten des elastischen Feststoffs der ersten Elektrode 4 mit dem leitfähigen Material durch einen entsprechenden Mikrostrukturierungsprozess erzeugt werden, z. B. mittels Laserablation oder durch Ätzprozesse. Die Mikrostrukturen 27 an der Oberfläche der ersten Elektrode 4 bewirken eine erhöhte Veränderbarkeit der Kontaktfläche 10 zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 bei einer Variation der auf die erste Elektrode 4 ausgeübten Normalkraft 9. Dies erhöht die Effizienz der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie bei der Rückverformung der ersten Elektrode 4 von dem zusammengepressten Zustand der ersten Elektrode 4 zurück in den unbelasteten Zustand der ersten Elektrode 4. Die in den 7c und 7d gezeigte Ausführungsform des Kondensators 2 weist zusätzlich die zuvor beschriebenen Rückstellelemente 25 auf. Diese sind in 7c in einem unbelasteten Zustand und in 7d in einem zusammengedrückten Zustand dargestellt.
Bei einer hier nicht explizit dargestellten weiteren Ausführungsform des Kondensators 2 kann auch die der dielektrischen Schicht 6 zugewandte Oberfläche der zweiten Elektrode 5 zur Vergrößerung der Kapazität des Kondensators 2 Mikro- oder Nanostrukturen aufweisen. Auch diese können durch Mikrostrukturierungsprozesse wie Kaltabformung, Heißprägen, Laserablation, Lithografie, elektrochemische Beschichtung oder durch Ätzprozesse erzeugt werden.
Die in den 8a–d dargestellte Ausführungsform des Kondensators 2 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die der ersten Elektrode 4 zugewandte Oberfläche der dielektrischen Schicht 6 verformbare oder auch nicht verformbare Mikrostrukturen 28 aufweist. Wie die in 7 gezeigten Mikrostrukturen 27 an der Oberfläche der ersten Elektrode 4 so bewirken auch die in 8 gezeigten Mikrostrukturen 28 an der der ersten Elektrode 4 zugewandten Oberfläche der dielektrischen Schicht 6 eine erhöhte Veränderbarkeit der ersten Kontaktfläche 10 zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 bei einer Variation der auf die erste Elektrode 4 ausgeübten Normalkraft 9. Auf diese Weise kann die Effizienz der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie verbessert werden, wie zuvor beschrieben. Selbstverständlich ist es denkbar, die in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen des Kondensators 2 zu kombinieren. Es sind also Ausführungsformen des Kondensators 2 denkbar, bei denen die erste Elektrode 4 die Mikrostrukturen 27 aufweist und bei denen gleichzeitig die dielektrische Schicht 6 die Mikrostrukturen 28 aufweist. Bei der in den 8c und 8d gezeigten Ausführungsform sind zwischen der dielektrischen Schicht 6 und dem Kontaktelement 3 wiederum die Rückstellelemente 25 vorgesehen.
9 zeigt eine Abwandlung der in 8 gezeigten Ausführungsform des Kondensators 2. Bei dieser Ausführungsform weist die der dielektrischen Schicht 6 zugewandte Oberfläche der ersten Elektrode 4 zum Ausgleichen von Oberflächenrauigkeiten und zur Verbesserung des Kontakts zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 eine weitere Beschichtung 29 auf. Hier handelt es sich bei der weiteren Beschichtung 29 um eine leitfähige Paste. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die weitere Beschichtung 29 z. B. auch eine leitfähige Flüssigkeit oder leitfähige Mikro- oder Nanopartikel enthalten. Die weitere Beschichtung 29 stellt eine optimale Kontaktierung zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 sicher und erhöht somit die Kapazität des Kondensators 2. Damit wird zugleich die Veränderbarkeit der Kapazität des Kondensators 2 bei einer Variation der auf die erste Elektrode 4 einwirkenden Normalkraft 9 erhöht.
Bei einer hier nicht explizit dargestellten Ausführungsform des Kondensators 2 kann zwischen der dielektrischen Schicht 6 und der verformbaren ersten Elektrode 4 ein weiteres flüssiges Dielektrikum vorgesehen sein. Vorzugsweise weist dieses dann ebenfalls eine möglichst große Dielektrizitätskonstante auf, insbesondere mit einem Wert, der größer ist als der Wert der Dielektrizitätskonstante von Luft. Dieses weitere flüssige Dielektrikum kann ebenfalls den Kontakt zwischen der ersten Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 6 verbessern. Dadurch sind geringere Anpresskräfte notwendig, um große Änderungen der Kapazität des Kondensators 2 zu erzielen.
Die in 10 gezeigte Ausführungsform des Kondensators 2 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die dielektrische Schicht 6 aus einem elastischen Material gebildet ist. Dadurch kann die Änderung der Kapazität des Kondensators 2 bei einer Veränderung der auf die erste Elektrode 4 ausgeübten Normalkraft 9 zusätzlich erhöht werden. Vorzugsweise handelt es sich auch bei der elastischen dielektrischen Schicht 6 aus 10 um ein dielektrisches Material mit einer möglichst großen Dielektrizitätskonstante.
Die in 11 gezeigte Ausführungsform des Kondensators 2 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform des Kondensators 2 durch zusätzliche elektrische Kontakte 30 und 31 (11b) bzw. durch zusätzliche elektrische Kontakte 32 (11c), die zwischen der dielektrischen Schicht 6 und dem Kontaktelement 3 angeordnet sind. Der elektrische Kontakt 30 in 11b ist als eine Erhöhung der der dielektrischen Schicht 6 zugewandten Oberfläche des Kontaktelements 3 ausgebildet. Die elektrischen Kontakte 31 sind als Kontaktpads ausgebildet, die auf der dem Kontaktelement 3 zugewandten Oberfläche der dielektrischen Schicht 6 angeordnet sind. Die auf der dielektrischen Schicht 6 angeordneten elektrischen Kontakte 31 und ihre elektrischen Zuleitungen 33 sind in 11a illustriert. Die in 11c gezeigten elektrischen Kontakte 32 unterscheiden sich von den in 11b gezeigten elektrischen Kontakten 31 durch isolierende Elemente 34, die sich zwischen den elektrischen Kontakten 32 und der dielektrischen Schicht 6 befinden.
Die elektrischen Kontakte 30 und 31 in 11b sind derart angeordnet, dass sie durch das Zusammenpressen der ersten Elektrode 4 zwischen dem Kontaktelement 3 und der dielektrischen Schicht 6 miteinander in Kontakt gebracht werden. Entsprechend werden die elektrischen Kontakte 32 in 11c beim Zusammenpressen der ersten Elektrode 4 zwischen dem Kontaktelement 3 und dielektrischen Schicht 6 mit dem Kontaktelement 3 in Kontakt gebracht. Vorzugsweise kontaktieren die elektrischen Kontakte 30 und 31 in 11b bzw. das Kontaktelement 3 und die elektrischen Kontakte 32 in 11c einander genau dann, wenn die Kapazität des Kondensators 2 infolge des Zusammendrückens der ersten Elektrode 4 zwischen dem Kontaktelement 3 und der dielektrischen Schicht 6 ihren größten Wert annimmt. Die elektrischen Kontakte 30 und 31 in 11b bzw. die elektrischen Kontakte 32 in 11c sind elektrisch mit einer Schaltungsanordnung zum Steuern des Aufladens und/oder zum Steuern des Entladens des Kondensators 2 verbunden (nicht gezeigt). Dadurch, dass die elektrischen Kontakte 30 und 31 in 11b bzw. die elektrischen Kontakte 32 und das Kontaktelement 3 in 11c beim Zusammenpressen der ersten Elektrode 4 miteinander in Kontakt gebracht werden, wird also das Aufladen und/oder das Entladen des Kondensators 2 gesteuert oder beeinflusst. Zum Beispiel können durch die elektrischen Kontakte 30 und 31 bzw. durch die elektrischen Kontakte 32 die Transistoren 15a–d in 2b oder die Transistoren 15e bis 15f in 5b angesteuert werden.
Die Vorrichtung 1 mit dem Kondensator 2 kann als Energiequelle in allen autarken Systemen zum Einsatz kommen, die einer periodischen oder aperiodischen Bewegung ausgesetzt sind. in Kombination mit einem Energiespeicher kann so Energie für die Verwendung in dem jeweiligen System gespeichert werden. Beispiele für Anwendungen der Vorrichtung 1 ist z. B. deren Installation in Schuhen; in Böden viel befahrener Straßen oder vielbegangener Räume; oder die Installation in oder an Maschinenteilen, die Hub- oder Kreisbewegungen ausführen. Zudem kann die Vorrichtung 1 in Chipkarten oder in Bedienelementen (z. B. Tastaturen) zur Anwendung kommen.
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7898096 B1 [0003]
US 20120181901 A1 [0004]
US 7898096 [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Kondensator (2), der wenigstens eine verformbare erste Elektrode (4), eine zweite Elektrode (5) und ein zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (5) angeordnetes Dielektrikum (6) aufweist, wobei das Dielektrikum (6) und die erste Elektrode (4) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass eine erste Kontaktfläche (10), entlang derer die erste Elektrode (4) und das Dielektrikum (6) in Kontakt sind oder in Kontakt bringbar sind, zum Verändern einer Kapazität des Kondensators (2) abhängig von einer auf die erste Elektrode (4) ausgeübten mechanischen Kraft (9) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (4) einen elastischen Feststoff enthält.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der elastische Feststoff ein Elastomer, ein Thermoplast oder ein thermoplastisches Elastomer ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der elastische Feststoff mit einem leitfähigen Material beschichtet ist, vorzugsweise mit Kohlenstoff oder Metall.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (4) derart geformt ist, dass sie sich im unbelasteten Zustand zum Dielektrikum (6) hin verjüngt, wobei ein dem Dielektrikum (6) zugewandtes Ende der ersten Elektrode (4) vorzugsweise eine Kegelform oder eine Halbkugelform aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche der ersten Elektrode (4), die mit dem Dielektrikum (6) zur Ausbildung der ersten Kontaktfläche (10) in Kontakt ist oder in Kontakt bringbar ist, und/oder wobei eine Oberfläche des Dielektrikums (6), die mit der ersten Elektrode (4) zur Ausbildung der ersten Kontaktfläche (10) in Kontakt ist oder in Kontakt bringbar ist, verformbare Mikrostrukturen (27; 28) aufweisen/aufweist, so dass die erste Kontaktfläche (10) und die Kapazität des Kondensators (2) beim Anpressen der ersten Elektrode (4) an das Dielektrikum (6) zusätzlich vergrößert werden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dem Dielektrikum (6) zugewandte Oberfläche der zweiten Elektrode (5) zur Vergrößerung einer zweiten Kontaktfläche, entlang derer die zweite Elektrode (5) und das Dielektrikum (6) in Kontakt sind, und zur Vergrößerung der Kapazität des Kondensators (2) Mikro- oder Nanostrukturen aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Dielektrikum (6) zugewandte Oberfläche der ersten Elektrode (4) zum Ausgleichen von Oberflächenrauigkeiten und zur Verbesserung des Kontaktes zwischen der ersten Elektrode und dem Dielektrikum eine Beschichtung (29) aufweist, vorzugsweise in Form einer leitfähigen Flüssigkeit, in Form einer leitfähigen Paste oder in Form von leitfähigen Mikro- oder Nanopartikeln.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kontaktelement (3), das relativ zum Dielektrikum (6) beweglich angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (4) zwischen dem Dielektrikum (6) und dem Kontaktelement (3) angeordnet ist und wobei zwischen dem Dielektrikum (6) und dem Kontaktelement (3) zusätzlich wenigstens ein Rückstellelement (25; 26) angeordnet ist, das eingerichtet ist, das Kontaktelement (3) und das Dielektrikum (6) zum Verkleinern der ersten Kontaktfläche (10) auseinander zu drücken.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (4) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie im unbelasteten Zustand nicht mit dem Dielektrikum (6) in Kontakt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dielektrikum (6) aus einem elastischen Material gebildet ist, so dass die erste Kontaktfläche (10) und die Kapazität des Kondensators (2) beim Anpressen der ersten Elektrode (4) an das Dielektrikum (6) zusätzlich vergrößert werden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Verbesserung des Kontaktes zwischen der ersten Elektrode (4) und dem Dielektrikum (6) ein weiteres flüssiges Dielektrikum zwischen der ersten Elektrode (4) und dem Dielektrikum (6) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kontaktelement (3), das relativ zum Dielektrikum (6) beweglich angeordnet ist und bei dem es sich vorzugsweise um das zuvor genannte Kontaktelement (3) handelt, wobei die erste Elektrode (4) zwischen dem Dielektrikum (6) und dem Kontaktelement (3) angeordnet ist und wobei zwischen dem Dielektrikum (6) und dem Kontaktelement (3) zusätzlich elektrische Kontakte (30, 31; 32) vorgesehen sind, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie durch das Bewegen des Kontaktelements (3) relativ zum Dielektrikum (6), vorzugsweise durch das Annähern des Kontaktelements (3) an das Dielektrikum (6), in elektrischen Kontakt bringbar sind, wobei die elektrischen Kontakte (30, 31; 32) mit einer Schaltungsanordnung zum Steuern des Aufladens und/oder des Entladens des Kondensators (2) verbunden sind, so dass das Aufladen und/oder das Entladen des Kondensators (2) durch das in-Kontakt-bringen der elektrischen Kontakte (30, 31; 32) steuerbar und/oder beeinflussbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Mikrobatterie (12) und/oder mit einem DC-DC Wandler zur Spannungsversorgung.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der elastische Feststoff ein Metall ist, vorzugsweise in Form einer zylindrischen Feder, insbesondere einer Stahlfeder, oder in Form von Metalllamellen.