[发明专利]用于产生电压的自容式压电设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生电力的设备的领域，所述电力通过利用压电 元件进行的机械能或电能的转化而产生。

更具体地，本发明涉及这种设备的新的机械结构，其特别在效率和 实施方面具有主要优势。

背景技术

一般来说，许多使用电气或电子元件的系统需要在能量方面是可自 给的，特别是如果它们不能被联接或连接于外部能源时。这种系统的示 例包括移动设备，以及安装在布置电力电缆困难、复杂或过于昂贵的位 置的静止设备或装置。

因而，许多装置配备有提供电力的蓄电池或干电池。然而，这种蓄 电池具有有限的电池工作时间，而这意味着必须定期更换蓄电池。

已经有人提议为一些装置配备能够通过转化该装置附近的可用能 量而产生电能的设备。示例包括转化光能的光电设备和基于压电元件的 设备，该基于压电元件的设备由于压电元件的变形而能够将机械能转化 为电能。

已经提出许多通过用于利用压电效应产生电能的设备。这些设备通 常包括振动叶片，该振动叶片通过其一端固定于固定的基体，另一自由 端由于施加至其上的机械力的作用而能够移动。例如如果能量从振动系 统中回收，则该力可由附连于叶片端部的配重的运动而产生，或者由向 叶片的端部施加点力因而引起叶片振荡的外部机械设备产生。

一个或多个压电元件安装在叶片的一侧或两侧，并因此在叶片振荡 时变形。因此该变形产生压电元件端子之间的电压。然后该电压可被整 流，以便为电容器类的电容元件充电，从而为负载提供动力。例如，文 献US 2005/0280561，EP 0725452，DE 29614851U以及US 7005778 中描述了这种设备。

所有这些机构的共同特征在于，其操作由在一端或两端固定的基本 直的梁的变形引起。这种设计具有许多缺点。事实上，从能源的观点来 看，这些系统具有相对较低的效率，最多为百分之几的量级。采用术语 “效率”指的是从压电元件供应到下游的电容元件的电能与输送到系统 的机械能之比。

因此，为了获得令人满意的数量的电能，这种低效率通常使得必须 增加转化系统的数量，因而增加了转化设备的总体尺寸及其成本。

振动梁系统的另一个缺点在于，由于端部约束处产生的力矩以及传 播到基体中的振动，所以与固定基体的固定点要承受相当大的机械应 力。

因此，这些机械应力使得必须确保机械上牢固的、体积大的端部约 束，这增加了系统的成本并对其性能有影响。

本发明的目的之一是制造一种系统，其设计简单但可以提供显著优 于现有系统的效率，而且能够以合理的成本制造。

发明内容

因此，本发明涉及一种用于产生电压的压电设备。这种设备以已知 的方式包括振动叶片，该振动叶片具有紧固于固定的基体的第一端。该 叶片具有第二自由端，该自由端能够通过在其上施加机械力而移动。该 叶片包括设置在叶片一侧的至少一个单独的压电元件。该元件通过叶片 在施加所述机械力后的振荡而变形，由此产生电压。该力可以是通过外 部机构施加至叶片的机械脉冲。该力还可以涉及通过系统外产生的振动 而振荡的叶片。

根据本发明，该设备的特征在于，叶片呈大致V形，且具有通过弯 曲的中间部分连接在一起的两个基本呈平板的臂。第一臂紧固于基体而 第二臂具有自由端。

换句话说，本发明使用的叶片并不像现有技术的情况那样，具有基 本平直的几何形状；而是具有变弯或弯曲成U形或V形的构造。该弯 曲叶片的其中一个臂受到机械脉冲，或者制成通过外部振动而振荡，由 此引起通过相对的臂紧固于基体的叶片发生变形。两个臂连接在一起的 区域由于优先变形而用作弹簧，这显著限制了叶片固定至固定基体的固 定点处的机械应力。

在两个臂具有相似长度的情况下，这些应力，特别是力矩，可以几 乎为零。然而在某些情况下，为了影响基本振荡模与谐波模之比，这些 臂可以具有不同的长度。

在实践中，弯曲叶片可以具有这样的构型：其中两个臂实际上平行 以形成U形构型，且至少相对于彼此形成小于45°的角以具有V形构 型。

就压电元件的位置而言，能够设想不同的变型。