(57)【要約】圧電変換器（１）によって機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であって、その圧電変換器に、変形がなされる際に電圧が形成され、該電圧は負荷（８）に供給可能で、それにより複数層（２）の圧電物質からなる圧電変換器（１）が形成され、当該圧電物質は、導電層（１０、１１）によって互いに分離されており、当該連続した導電層（１０、１１）は、交互に共通の電気接点（１３、１４）と接続されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電変換器（１）によって機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であって、該圧電変換器に変形がなされる際に電圧が形成され、該電圧は負荷（８）に供給される形式の装置において、
圧電物質の複数層（２）からなる圧電変換器（１）が形成されており、該複数層は導電層（１０、１１）によって相互に分離されており、該連続した導電層（１０、１１）は共通の電気接点（１３、１４）と交互に接続されている、ことを特徴とするエネルギー変換装置。
【請求項２】
圧電物質の連続層（２）が徐々にその厚みを増している、請求項１記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
圧電変換器（１）がたわみ可能である、請求項１又は２記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
最も薄い圧電物質層（２）は、圧電変換器が変形する際に力が導入される圧電変換器（１）の側にある、請求項１から３のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
圧電変換器（１）を変形させるため、機械的エネルギー蓄積体（３、５）を有する変形機構（１７）が設けられている、請求項１から４のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
機械的エネルギーが蓄積される場合の変形機構（１７）の変形距離が、機械的エネルギーが圧電変換器（１）に放出される場合の変形距離よりも大きい、請求項５に記載のエネルギー変換装置。
【請求項７】
前記変形機構（１７）が梃子機構として構成されている、請求項５又は６記載のエネルギー変換装置。
【請求項８】
エネルギー蓄積体（５）がスプリング要素（３）を有する、請求項５から７のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項９】
前記スプリング要素（３）は、死点を有し、スプリング要素は、死点の一方の側での変形の際に機械的エネルギーを蓄積し、死点の他方の側での変形の際に機械的エネルギーを圧電変換器（１）に放出する、請求項８記載のエネルギー変換装置。
【請求項１０】
前記機械的エネルギーは、緩衝要素（４）を介して圧電変換器（１）に導入される、請求項１から９のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１１】
前記変形機構（１７）と前記圧電変換器（１）とは共通の取付台（１２）に配置されている、請求項１から１０のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１２】
前記取付台（１２）に保護面（１５）が設けられており、該保護面に変形された圧電変換器（１）が当接する、請求項１から１１のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１３】
前記機械的エネルギーは圧電変換器（１）の表面中央に導入される、請求項１から１２のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１４】
最も薄い圧電物質層（２）は、圧電変換器（１）の変形の際に機械的エネルギーが導入される圧電変換器（１）の側にある、請求項１から１３のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１５】
圧電変換器（１）は締め付け又は接着によって取付台（１２）のエッジ領域に固定されている、請求項１から１４のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１６】
負荷（８）は同様に共通の取付台（１２）に配置されている、請求項１から１５のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１７】
前記負荷（８）は、変換されたエネルギーによって駆動される送信器を有する、請求項１から１６のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項１８】
前記送信器によって伝達された情報は少なくとも識別番号を有する、請求項１７記載のエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電変換器により機械的エネルギーを電気的エネルギーへ変換する装置に関し、その圧電変換器には変形の際に電圧が形成され、その電圧は負荷に供給することができる。WO98/36395により公知の装置では、圧電変換器の機械的変形により電圧が形成され、その電圧は変換器の圧電物質における電荷の移動から発生する。その公知の装置は、プロセスエネルギーを使用して無線信号を発生する無線スイッチ回路を含んでおり、その無線スイッチ回路は圧電変換器を有し、その圧電変換器は指で圧力をかけることができ、圧電電圧が形成される。スイッチ回路により形成された高周波信号を周囲温度に相応して符号化することができる。さらに、高い圧電電圧の発生のため、死点超過スプリングを備えた機械的な操作装置を使用することができ、その機械的操作装置は負荷が死点を越えた際には、急激に、調節された機械的なプレロードを変換器におよぼす。
【０００２】
本発明の課題は、負荷とりわけ高周波送信器を含む負荷を駆動するための、冒頭に述べた形式の装置を比較的低コストで製造して、提供することである。
【０００３】
この課題は、本発明に従って、特許請求項１に示された特徴により解決される。
【０００４】
本発明によって、とりわけ使用可能なプロセスエネルギーの形態にある機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置が実現される。このために使用される圧電変換器は圧電物質の複数層からなり、その複数層は良導電層によって相互に分離されている。全ての層は、機械的に固定して結合されている。連続した良導電層は、交互に共通の電気接点と接続されており、その電気接点は場合によってはリード線を介して負荷と接続可能である。有利には、その圧電物質の連続層の厚さは徐々に大きくなる。複数の圧電層と層の間にある導電層とからなる圧電変換器は、有利には曲げることにより変形可能である。
【０００５】
圧電変換器を変形するために、独立発明である変形機構が使用され、その変形機構は、とりわけスプリング要素の形態の機械的エネルギー蓄積体を有する。その変形機構は、次のように構成されている。即ち、エネルギーを蓄積する場合の変形距離は、機械的エネルギーを圧電変換器に放出する場合の変形距離よりも大きいように構成されている。さらに、この変形機構は、梃子機構として構成することができ、その梃子機構によって距離が所望のように短縮される。
【０００６】
機械的エネルギー蓄積体を形成するスプリング要素は、以下のように構成される。すなわち、静止位置から死点までの要素のたわみ距離は、折り返し後の死点の別の側での距離よりも大きくあるように構成される。そしてこの折り返しで、圧電物質の変形のために機械的エネルギーが放出される。このとき、力の特性が反転する。要するに、圧電変換器へ導入される力が距離短縮の係数だけ増幅される。この力の導入は、上述した層構造を有する圧電変換器においてのみ達成されるのではなく、とりわけたわみによって変形可能ないずれの圧電変換器においても達成される。従って、本発明は、さらに変形機構を提示し、その変形機構では梃子作用によって圧電変換器上へ導入される力が達成されるが、その力は梃子作用によって獲得される距離短縮の係数だけ増幅される。
【０００７】
コンパクトな構造を達成するため、変形機構と圧電変換器は共通の取付台に配置することができる。取付台には支持面が設けられ、その支持面には変形された圧電変換器が当接する。この支持面は、予め最適に成形されたマウントを形成することができ、このマウントに対してとりわけ圧力により機械的エネルギーが放出される際に変形される圧電変換器が押圧される。
【０００８】
機械的エネルギーは有利には、圧電変換器の表面中央で、この圧電変換器に導かれる。この圧電変換器は、締め具もしくは接着材によって取付台に固定される。
【０００９】
負荷も同様に共通の取付台か又はその内部に配置される。しかし負荷を圧電変換器から離して配置し、適切に決められたリード線を介して発生した電圧を負荷に供給することも可能である。
【００１０】
負荷は有利には、変換されたエネルギーによって駆動される送信器、特に高周波送信器を有し、この送信器により情報が無線で受信ステーションに送信される。この情報は、負荷に設けられた電子回路に保存されているか、若しくは例えば測定信号又はセンサー信号の評価によって形成される情報である。このため負荷は、マイクロプロセッサとすでに述べた送信器、特に高周波送信器を有する小型の回路を有することができる。圧電変換器の操作もしくは変形の際には、高周波信号が送信される。この高周波信号は、すでに述べた測定情報ないしはセンサー情報に加えて、少なくとも識別番号、即ち保安適用のためのコーディングを有することができる。この保安適用は、例えば電子的アクセスのためのローリングコード方法などである。受信ステーションは離れて配置することができ、送信された情報の解読と評価のために必要な装置を含む。この情報は、プロセスの制御の他、表示及び保存等のために使用される。
【００１１】
本発明は、種々の分野で使用される。例えば、本発明は手動スイッチ回路の場合に使用され、その手動スイッチ回路は、無線によって又はワイヤ接続を介してスイッチ回路の情報を伝達する。さらには、自動車、住居、商業空間等の電子錠としても使用できる。さらに、ドア、窓等の状態報知器にも本発明が使用される。さらに本発明は、自動車等の交通手段のスイッチにも使用可能である。さらに、本発明は人間保護の非常装置として、病院若しくは駅等の公共施設でも使用可能である。とりわけ、本発明は機械的に駆動されるセンサーとして、機械製作、建設現場並びに乗り物に、またスポーツ用品、遊技用品、玩具にも使用される。
【００１２】
本発明による装置は、小型の構造で実現されるので、幅広く使用可能である。
【００１３】
図面に基づき、実施例について本発明をより詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明で使用することのできる圧電変換器の断面図である。
【００１５】
図２は、変形機構が静止状態にある実施例の断面図である。
【００１６】
図３は、変形機構によって圧電変換器に機械的エネルギーが放出される際の実施例の状態を示す図である。
【００１７】
図示の実施例は、圧電変換器１及び変形機構１７を含み、その圧電変換器と変形機構は、蓄積されたエネルギーを圧電変換器の変形のためにこれに伝達する。圧電変換器１は、このため、取付台１２にはめ込まれている。圧電変換器１の取付は、例えば、圧電変換器のエッジ歯の締め付け又は接着によってなされる。
【００１８】
圧電変換器１の上には変形機構１７が配置されており、その変形機構はスプリング要素３を有する。そのスプリング要素は図示の実施例の場合、静止位置で上向きにたわんでいる。スプリング要素３は、取付リング６と弾性的なOリング５とによって環形状の取付台１２に固定されている。
【００１９】
スプリング要素３は機械的蓄積体を形成し、その機械的蓄積体は上方からもしくは外部から機械的圧力９が及ぼされるとたわみ、このとき機械的エネルギーが所定の変形死点まで蓄積される。変形死点をこえるとスプリング要素３は、図３に示された下向きへのたわんだ状態に折り変わる。このとき、蓄積されたエネルギーが圧電変換器１に放出される。従って、圧電変換器は変形される。
【００２０】
図示の実施例では、緩衝要素４が圧電変換器１でのエネルギー伝達箇所に設けられている。これによって、圧電変換器のバランスのとれた負荷、並びに同様に製造許容差での調整が達成される。加えて、機械的エネルギーが圧電変換器にソフトに伝達されるようになる。
【００２１】
取付台１２は、これが圧電変換器１と変形機構１７を収容する領域では鉢形状に構成されており、その底部に保護面１５を有する。変形された圧電変換器１は、この保護面１５に当接して押圧される。保護面１５のたわみは、圧電変換器１の最適な変形に適合されている。圧電変換器の最適なたわみ形状は、変換器の保護とエネルギー放出量とを考慮して決定される。
【００２２】
スプリング要素３は、図２及び図３に示されるように、機械的エネルギーが圧電変換器１に伝達される箇所から間隔をおいて、Oリング５と取付リング６とを介して取付台に支持されている。ここから梃子作用が発生し、その梃子作用により、蓄積された機械的エネルギーが圧電変換器１に伝達される。これにより、スプリング要素３が死点を超過した後、蓄積された機械的エネルギーが圧電変換器に伝達される際に走行する変形距離を、圧電変換器のソフトな変形に合わせて短くすることが可能である。梃子作用によって、増幅された力は変換器１の圧電物質上に及ぼされる。有利には、図２で示された静止状態から死点までのスプリング要素３がたわむ変形距離は、折り返し後の距離又は死点超過後に圧電変換器１へエネルギー伝達される際に走行すべき距離よりも大きく選定することができる。これによって、圧電変換器１の変形が小さくても、必要とされる機械的エネルギーが十分に伝達され、その機械的エネルギーは圧電変換器１で電気的エネルギーに変換される。圧電変換器１に導入される力は、死点状態の超過後に達成される距離短縮の係数だけ増幅される。
【００２３】
図１から分かるように、有利には、層状構造を有する圧電変換器１が使用される。有利には圧電セラミックからなる圧電物質は、層厚の増大する層２の中に配置されている。図１では、簡単にするため、圧電物質からなる３つの層２が示されている。ただし、それより多くの層を層構造に設けることも可能である。
【００２４】
圧電物質、特に圧電セラミックからなる層２の間には、分離層が導電層１０、１１の形態で配置されている。層構造において、連続した導電層１０、１１が、交互に電気的に相互に接続されている。この電気接続は、電気接点１３、１４によって行われる。これはコンデンサピン配列の接触接続の場合と同様である。図示の実施例では、導電分離層１０は電気接点１３を介して、導電層１１は電気接点１４を介して相互に接続されている。その接触接続は、例えば粘着、ボンディング、締め付け等の接触接続手段によってなされる。
【００２５】
圧電変換器１が取付台１２内に組み込まれている構成の場合は、圧電物質からなる最も薄い層２は、変形機構１７による変形の際に力が導入される圧電変換器１の側にある。その下に位置する層２は、すでに説明したように、層構造の連続において層厚が徐々に大きくなる。
【００２６】
層構造の全ての層は、相互に機械的に堅固に結合されている。圧電変換器１を積層構造とすることによって、高いエネルギー密度とそれにより良好な小型化が達成される。機械的パラメータ及び電気的パラメータの設定については、高い柔軟性が達成される。層構造によって圧電変換器の高い耐久性とコスト的に有利な製造とが保証される。
【００２７】
特に図２及び３から分かるように、層構造を有する圧電変換器１は、表面層が支持される際の中央の力の導入及び中央領域でのたわみが縁部ゾーンを支持した場合に実現されるように使用される。これは、特に、図３に示されているところから明らかになる。
【００２８】
圧電変換器１はディスク形状を有することができ、環形状の取付台１２に配置することができる。しかし、矩形若しくは正方形の形状にすることも可能であり、この形状では中央での直線状の力の導入が圧電変換器１をたわませるために使用される。
【００２９】
図示の実施例では、取付台１２の下側に負荷８として小型回路が設けられている。この回路は、マイクロプロセッサと高周波送信器とを有することができる。圧電変換器１が変形された際に形成された電圧は、リード線７（そのうちの１本のリード線が図示されている）を介して負荷８に更に導かれる。圧電変換器１が変形された際は、高周波送信器が情報を含んだテレグラムを送信する。そのテレグラムの情報は、小型回路に記憶されている情報か、又は、圧電変換器１により形成された電圧による活性化の際に得られた情報である。この情報は、少なくとも識別番号、コーディング、測定情報ないしはセンサー情報等を含むことができる。送信された信号は、詳細には示さないが離れて設けられた受信ステーションにより受信され、必要な場合には、プロセスを制御するために、表示及び／又は保存のために使用される。負荷８は、充填材１６又は他の適当な保護カバーにより取り囲むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明で使用することのできる圧電変換器の断面図である。
【００３１】
【図２】図２は、変形機構が静止状態の際の実施例による断面図である。
【００３２】
【図３】図３は、変形機構によって圧電変換器に機械的エネルギーが放出される際の実施例の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  圧電変換器
２  圧電物質層
３  スプリング要素
４  緩衝要素
５  Oリング
６  取付リング
７  リード線
８  負荷
９  機械的圧力
１０  導電層
１１  導電層
１２  共通取付台
１３  電気接点
１４  電気接点
１５  保護面
１６  充填材
１７  変形機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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