DE102014213168A1 - Device for converting mechanical energy into electrical energy - Google Patents

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Robert Hahn
Jörg Bauer
René Dallinger
Leopold Georgi
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines

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.The invention relates to a device (1) for converting mechanical energy into electrical energy with a condenser (2) having at least one deformable first electrode (4), a second electrode (5) and a between the first electrode (4) and the Having second electrode (5) arranged dielectric (6). The dielectric (6) and the first electrode (4) are arranged and formed such that a first contact surface (10), along which the first electrode (4) and the dielectric (6) are in contact or can be brought into contact, for Changing a capacitance of the capacitor (2) is variable depending on a force applied to the first electrode (4) mechanical force (9). According to the invention, the deformable first electrode (4) contains an elastic solid.

Figure DE102014213168A1_0001
Figure DE102014213168A1_0001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for converting mechanical energy into electrical energy according to the preamble of claim 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.As electronics evolve, the power requirements of electronic components or devices continue to decline. This makes it possible to operate an increasingly large variety of electronic products, such as sensors, actuators, radio transmitters or radio receivers energy self-sufficient. For this purpose, available ambient energy, typically in the form of kinetic energy, is converted into electrical energy, which the respective electronic product can then use for its operation. In this way, a maintenance-free operation of wireless systems over a long period is possible, for. Over a period of months or even years.

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 the document US Pat. No. 7,898,096 B1 a transducer is described, with the mechanical energy can be converted into electrical energy by the capacitance of one or more electrical capacitors is changed by a mechanical force acting on the transducer and a change in the voltage applied to the capacitor or stored in the capacitor electrical charge causes. The change in capacitance is achieved in that, in the case of two capacitors connected in series, a two-capacitor common electrode is formed as an electrically conductive liquid in droplet form whose contact surface with the adjacent dielectric layers can be changed as a result of the mechanical force acting on the transducer. The separation of different electrically conductive drops takes place, for example, by embedding the electrically conductive drops in a dielectric liquid.

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.In the document US 2012 018 19 01 A1 is a concrete embodiment of the converter according to US Pat. No. 7,898,096 B1 described, in which the electrically conductive drops are enclosed by an elastic spacer matrix, which serves to prevent convergence of the various electrically conductive droplets.

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.However, using liquid metal to form the variable electrode poses a number of technical problems. For example, the liquid metal must be hermetically sealed or encapsulated to prevent oxidation of the liquid metal. The separation walls between the various metal drops, which prevent the metal drops from flowing together, reduce the useful interface between the metal drops and the adjacent dielectric layers, which is accompanied by a reduction in the power density of the transducer. In addition, mechanical energy must be used for the necessary deformation of the separation walls, which is not available for conversion into electrical energy. Finally, the total capacitance of a series circuit of two capacitors is reduced by a factor of two over the capacitance of a single capacitor of the same type. At the same time, this results in a reduced variability of the capacity of the overall system and thus a less efficient conversion of mechanical energy into electrical energy.

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.The present invention is therefore based on the object to provide a device for the most efficient conversion of mechanical energy into electrical energy, which should preferably be as simple and inexpensive to produce.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by a device according to claim 1. Specific embodiments are described in the subclaims.

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.Thus, a device for converting mechanical energy into electrical energy is proposed with a capacitor having at least one deformable first electrode, a second electrode and a dielectric disposed between the first electrode and the second electrode, preferably in the form of a dielectric layer. The dielectric and the first electrode are arranged and formed such that a first contact surface, along which the first electrode and the dielectric are in contact or are brought into contact, for changing a capacitance of the capacitor depending on a mechanical force applied to the first electrode is changeable. The first electrode contains an elastic solid.

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.In contrast to the deformable electrodes made of a liquid metal, the first electrode containing the elastic solid according to the device proposed here does not require a hermetic encapsulation with respect to the environment. In addition, unlike the deformable electrodes made of liquid metal, in the deformable first electrode containing the elastic solid there is also no risk that it will change its shape by converging with an adjacent electrode or by wetting a metallic contact element to contact the first electrode. It is therefore usually not required separation walls for separating adjacent electrodes. In addition, it is not necessary to sandwich the deformable first electrode between two dielectric layers. The capacitor with the deformable first electrode must therefore not necessarily be connected in series with another capacitor. Compared to the known systems with two capacitors connected in series, this normally requires a larger capacity, an increased variability of the capacity and thus a more efficient conversion of mechanical energy into electrical energy.

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.Typically, the deformable first electrode is disposed between the dielectric or dielectric layer and an electrically conductive contact element for contacting the first electrode. Usually, the first electrode and the contact element are in direct contact with each other. For example, the first electrode is joined to the contact element, e.g. B. cohesive, non-positive or positive. Usually, the contact element is arranged to be movable relative to the second electrode and / or relative to the dielectric.

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.Normally, the contact element, the dielectric and the second electrode are plate-like or layered and aligned parallel to each other. Preferably, the mechanical force applied to the first electrode acts to vary the capacitance of the capacitor along a normal direction perpendicular to a plane defined by the dielectric, the second electrode, or the contact element. Depending on the mechanical force exerted on the first electrode, the first electrode is pressed more or less strongly against the dielectric. Typically, the deformable first electrode is compressed along said normal direction between the contact element and the dielectric. Preferably, the second electrode, the dielectric, and the first electrode are arranged such that the first contact area between the first electrode and the dielectric increases as the mechanical force applied to the first electrode increases, causing an increase in capacitance of the capacitor. When the mechanical force exerted on the deformable first electrode decreases again, the compressed first electrode tends to return to its undeformed state. This is typically accompanied by a reduction in the first contact area between the first electrode and the dielectric and a reduction in the capacitance of the capacitor. As the normal force decreases, the dielectric and the contact element are usually forced apart by the first electrode containing the elastic solid.

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.There are at least two variants for converting the mechanical energy supplied to the proposed device into electrical energy. In the first variant, the capacitor is preferably electrically charged in the state of maximum capacity. This is done z. Example by means of a battery whose poles are connectable to the electrodes of the capacitor. After charging, the capacitor is then disconnected from the voltage source so that the electrical charge stored in the capacitor can not drain from the capacitor. If the normal force acting on the compressed first electrode now decreases and the capacitance of the capacitor thereby decreases in the manner described above, this leads to an increase in the electrical voltage between the first electrode and the second electrode of the capacitor. In this phase of the recovery of the previously compressed first electrode in the undeformed state of the first electrode so at least a portion of the previously stored in the first electrode mechanical energy is converted into electrical energy. This stored in the capacitor electrical energy can now be used by the capacitor z. B. is connected to an electrical load and discharged via this.

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/Cmin) – (1/Cmax)). Dabei bezeichnet Q die nach dem Aufladen im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung. Cmin und Cmax 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).In this first variant (constant charge), the amount of energy W converted and usable in one cycle in the capacitor is given by the following expression: W = 0.5 * Q 2 / ((1 / C min ) - (1 / C max )). In this case, Q denotes the electrical charge stored in the capacitor after charging. C min and C max denote the minimum and maximum capacitance of the capacitor in each cycle. In this first variant, it should be noted that the capacitance of the capacitor is not reduced so much that the voltage U applied to the electrodes of the capacitor and increasing as a result of the reduction of the capacitance C at constant charge Q exceeds the breakdown strength of the dielectric (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/(Cmax) – Cmin). Dabei bezeichnet U die beim Aufladen des Kondensators und bei der anschließenden Verringerung der Kapazität des Kondensators am Kondensator anliegende elektrische Spannung. Cmin und Cmax bezeichnen wiederum den kleinsten und den größten Wert der Kapazität des Kondensators im jeweiligen Zyklus.In the second variant, the capacitor is again electrically charged in the state of maximum capacity. In contrast to the first variant described above, however, the voltage source used to charge the capacitor remains clamped to the capacitor during the subsequent re-deformation of the first electrode, so that the voltage applied to the electrodes of the capacitor at the reduction in capacitance associated with the re-deformation of the first electrode of the capacitor remains constant. As a result of reducing the capacitance of the capacitor at a constant voltage then electrical charges flow from the capacitor back into the voltage source. For this purpose, a circuit arrangement of the device for charging and discharging the capacitor can be used, which has, for example, synchronized switching elements and Induktivtäten, in particular in the form of DC / DC converters, resonant converters or another suitable circuit topology. The voltage source, z. As a battery or an output capacitor is thus electrically charged by the stored in the deformable first electrode of the capacitor mechanical energy. Subsequently, the capacitor is again electrically disconnected from the voltage source and the capacitance of the capacitor is increased anew by repressing the first electrode. In this second variant, the mechanical energy converted into electrical energy in one cycle in the capacitor is given by the following expression: W = 0.5 * U 2 / (C max ) - C min ). In this case, U denotes the voltage applied to the capacitor during charging of the capacitor and during the subsequent reduction of the capacitance of the capacitor. C min and C max again denote the smallest and the largest value of the capacitance of the capacitor in the respective cycle.

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.The dielectric may be formed of any insulator. However, preferred are materials with high dielectric constant and high breakdown voltage. This can z. Example, inorganic materials such as metal oxides (eg., Ta 2 O 5 , BaTiO 3 or Al 2 O 3 ) or polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF).

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.The elastic solid of the first electrode may be an elastomer, a thermoplastic or a thermoplastic elastomer, for example silicone. The materials mentioned are inexpensive and have advantageous mechanical properties for the present application. The elastic modulus of the elastic solid of the first electrode may be less than 3 kN / mm 2 , less than 1 kN / mm 2 , less than 0.5 kN / mm 2 , less than 0.1 kN / mm 2 or less than 0.05 kN / mm 2 . For the present application, it is advantageous if the loss modulus of the elastic solid of the first electrode is as small as possible, so that the deformation energy stored in the first electrode can be recovered as completely as possible during the recovery of the first electrode and if possible not converted into heat by internal friction becomes.

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.If the elastic solid of the first electrode is not intrinsically conductive, it is preferably coated to form the first electrode with an electrically conductive material and / or mixed or enriched in the interior with an electrically conductive material. At least one of the following materials may be used as the electrically conductive material: metal, e.g. Nickel or silver; Carbon, e.g. In the form of graphene and / or in the form of carbon nanotubes (CNTs); or conductive fibers, e.g. Example in the form of polymer fibers which are coated conductive on the surface, for. As with silver, nickel, or carbon. In order to reduce the breakdown voltage of the capacitor as little as possible, the conductive components used for the conductive coating of the elastic first electrode should be distributed as finely as possible on or on the surface of the elastic first electrode. If the conductive phase is distributed unevenly, charge carrier injection into the dielectric can occur, which can lead to material degradation and electrical breakdown. To prevent this, a mean mutual distance of the conductive components on the surface of the elastic first electrode should preferably be less than or equal to an average size (eg, a mean diameter) of the conductive components. To avoid cracking or spalling of this coating during deformation of the first electrode, the electrically conductive coating of the elastic solid z. B. meandered structure.

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.The elastic solid of the first electrode may also be an intrinsically electrically conductive material, e.g. B. a metal. This is then preferably given in the form of a cylindrical spring, in particular a steel spring, or in the form of metal fins.

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.In order to achieve the most efficient conversion of mechanical energy into electrical energy, it is advantageous if the greatest possible change in the capacitance of the capacitor is associated with the deformation of the first electrode, for. B. in the form of the largest possible change in the first contact surface between the first electrode and the dielectric. For this purpose, the first electrode may be shaped such that it tapers towards the dielectric in the unloaded state. For example, the surface of the first electrode facing the dielectric may be curved in the unloaded state or tapering towards the dielectric. Preferably, a dielectric-facing end of the first electrode in the unloaded state has a conical shape or a hemispherical shape.

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.To achieve the greatest possible change in the capacitance of the capacitor, the surface of the first electrode, which is in contact or can be brought into contact with the dielectric for forming the first contact surface, and / or a corresponding surface of the dielectric which is connected to the first electrode Forming the first contact surface is in contact or can be brought into contact, have deformable microstructures. Thus, an additional increase in the capacity can be achieved when pressing the first electrode to the dielectric. For example, the first electrode and / or the dielectric may be roughened along the first contact surface. The microstructuring of the surface of the first electrode and / or the dielectric may, for. B. by cold impression, Hot stamping, microtip casting, laser ablation, extrusion, lithography, etching processes or by electrochemical coating.

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.To increase the capacitance of the capacitor, the surface of the second electrode facing the dielectric and in contact with the dielectric may also have microstructures or nanostructures. These structures on the surface of the second electrode, which serve to increase the size of a second contact area along which the second electrode and the dielectric are in contact, may also be used, for example. B. by cold stamping, laser ablation, by etching or by electrochemical coating.

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.To improve the contact between the first electrode and the dielectric and to compensate for surface roughness, the surface of the first electrode facing the dielectric may have a further coating. This is preferably in the form of a conductive liquid, in the form of a conductive paste or in the form of conductive micro- or nanoparticles. Preferably, this further coating of the first electrode is designed such that it adheres only to the first electrode and not to the dielectric. For this purpose, the dielectric z. B. be coated with a wetting repellent material, for. B. with a fluoropolymer.

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.In order to assist the reshaping of the first electrode after the first electrode has been compressed, at least one further resetting element, which is configured to press the contact element and the dielectric apart, can be arranged between the contact element and the dielectric next to the first electrode, in particular if the first diffuser Electrode is maximally compressed. In this way, z. B. material fatigue of the elastic solid of the first electrode are counteracted. Said return element is preferably an insulator and not electrically conductive. This restoring element may be a spring or another elastic material, for example an electrically non-conductive 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.In a specific embodiment, the first electrode may be formed and arranged such that it is not in contact with the dielectric in the unloaded state. Thus, the capacity of the capacitor in the unloaded state is particularly low. This contributes to the greatest possible variability of the capacity and the most efficient possible conversion of mechanical energy into electrical energy. This embodiment is not normally suitable in connection with the first variant described above for converting the mechanical energy stored in the deformed first electrode into electrical energy, since the reduction of the capacitance of the capacitor without charge compensation can lead to a strong voltage increase between the electrodes of the capacitor, possibly resulting in unwanted discharge across the dielectric and destruction of the capacitor.

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.To increase the variability of the first contact surface between the first electrode and the dielectric, the dielectric may also be formed of an elastic material. When pressing the first electrode to the dielectric then an additional increase in the first contact surface can be achieved. In this embodiment, large changes in the first contact area and thus large changes in the capacitance of the capacitor can already be achieved if only small mechanical forces act on the first electrode or on the dielectric.

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.To improve the contact between the first electrode and the dielectric, a further liquid dielectric may be arranged between the first electrode and the dielectric. Preferably, this liquid dielectric also has the largest possible dielectric constant, in particular a larger dielectric constant than air. Also in this embodiment comparatively large changes in capacitance can already be achieved if only small mechanical forces are exerted on the deformable first electrode of the capacitor.

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.In a further embodiment, additional electrical contacts can be provided between the dielectric and the aforementioned contact element, which is arranged to be movable relative to the dielectric. These additional electrical contacts are preferably designed and arranged such that they can be brought into electrical contact by moving the contact element relative to the dielectric, preferably by approaching the contact element to the dielectric. The additional electrical contacts can z. B. electrically connected to a circuit arrangement which is adapted to control the charging and / or discharging of the capacitor or influence. In this way, the charging and / or discharging of the capacitor can be controlled and / or influenced when the additional electrical contacts are electrically brought into contact as a result of the compression of the first electrode. Preferably, the additional electrical contacts are arranged such that they touch if or only when the first electrode is compressed to the maximum and the capacitance of the capacitor thus assumes its greatest value. Typically, the extra electrical contacts arranged on or on the dielectric layer and / or on the contact element.

Als Spannungsquelle, insbesondere zum Aufladen des Kondensators, kann die Vorrichtung mit wenigstens einer Mikrobatterie und/oder mit wenigstens einem DC-DC-Wandler ausgestattet sein.As a voltage source, in particular for charging the capacitor, the device may be equipped with at least one microbattery and / or with at least one DC-DC converter.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are illustrated in the figures and will be explained in more detail with reference to the following description. It shows:

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; 1a C is a schematic representation of an inventive device for converting mechanical energy into electrical energy with a capacitor whose deformable first electrode contains an elastic polymer;

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; 2a -B a charge-voltage diagram, which shows the conversion of mechanical energy into electrical energy by discharging the capacitor 1 illustrated at constant voltage, and associated circuitry;

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; 3a -D a time history of the voltage, the current, the capacity and the charge on or in the capacitor 1 when converting mechanical energy into electrical energy;

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; 4a -C graphs that show the capacity per unit area of the capacitor 1 for different dielectrics, in each case against the normal force acting on the deformable first electrode of the capacitor per unit area is plotted;

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 5a -B a charge-voltage diagram, which shows the conversion of mechanical energy into electrical energy by discharging the capacitor 1 illustrated at constant charge, and associated circuitry

6a–b die Vorrichtung gemäß 1 mit zusätzlichen Rückstellelementen, die eingerichtet sind, das Rückverformen der zusammengepressten ersten Elektrode in ihren unverformten Zustand zu unterstützen; 6a -B the device according to 1 with additional return elements configured to assist in reshaping the compressed first electrode to its undeformed state;

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; 7a -D the device according to 1 wherein a surface of the deformable electrode for increasing the capacitance change has microstructures upon a change in the pressing force exerted on the deformable electrode;

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; 8a -D the device according to 1 wherein a surface of the dielectric facing the deformable electrode for increasing the capacitance change has microstructures upon a change in the contact pressure exerted on the deformable electrode;

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; 9a -D the device according to 8th wherein the deformable electrode has an additional coating to improve contact between the deformable electrode and the dielectric;

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; 10a A modified embodiment of the device according to 1 in which the dielectric for increasing the capacitance change is formed when the contact pressure exerted on the deformable electrode changes from an elastic polymer;

11a–c die Vorrichtung gemäß 1 mit zusätzlichen elektrischen Kontakten, die beim Zusammenpressen der verformbaren Elektrode in Kontakt bringbar sind; sowie 11a C the device according to 1 with additional electrical contacts that are brought into contact when compressing the deformable electrode; such as

12a–b eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 1, bei der die verformbare Elektrode als elastischer Metallring ausgebildet ist. 12a B a modified embodiment of the device according to 1 in which the deformable electrode is formed as an elastic metal ring.

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.The 1a to 1c show a device according to the invention 1 for converting mechanical energy into electrical energy in different phases of a conversion cycle. The device 1 includes a capacitor 2 whose capacity is variable. The capacitor 2 has an electrically conductive contact element 3 and a deformable first electrode 4 on. The first electrode 4 is over the contact element 3 electrically rechargeable and dischargeable. In addition, the capacitor has 2 a second electrode 5 on, at her the first electrode 4 facing top with a dielectric layer 6 is joined together. The contact element 3 and the second electrode 5 are formed of a conductive planar electrode material, in the present example of metal. The dielectric layer 6 is between the deformable first electrode 4 and the second electrode 5 arranged so that they are the first electrode 4 and the second electrode 5 electrically isolated from each other. In the present example, the dielectric layer is 6 formed from Al 2 O 3 .

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.The plate-like contact element 3 and the plate-like second electrode 5 are aligned parallel to each other. The deformable first electrode 4 is at one of the dielectric layers 6 facing bottom of the contact element 3 put together with this. Along a normal direction 7 perpendicular to the plane of the plate of the contact element 3 and perpendicular to the plane of the second electrode 5 is the deformable first electrode 4 between the contact element 3 and the second electrode 5 and in particular between the contact element 3 and the dielectric layer 6 arranged. Along the normal direction 7 are the contact element 3 and at the contact element 3 fixed deformable first electrode 4 relative to the second electrode 5 and to the dielectric layer 6 movable.

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.The first electrode 4 contains an elastic solid. In the present case, the elastic solid is an elastic polymer, for. For example, silicone. For the formation of the first electrode 4 the elastic solid is coated on its surface with a conductive material, for example metal or carbon. In modified embodiments, the elastic solid of the first electrode 4 also be a thermoplastic or a thermoplastic elastomer.

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.At an in 12 shown modified embodiment of the capacitor 2 out 1 is the deformable first electrode 4 an elastic ring or cylinder of a conductive material, e.g. B. of metal. The deformable electrode 4 can also be designed as a cylindrical spring or be given in the form of metal fins.

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 the presentation of the 1a is the deformable first electrode 4 in an unloaded condition, in which there is no external mechanical force on the first electrode 4 acts. in this unloaded state is one of the dielectric layer 6 or the second electrode 5 facing surface 8th the first electrode 4 curved so that the first electrode 4 along the normal direction 7 to the dielectric layer 6 rejuvenated. Here, that of the dielectric layer 6 facing end of the first electrode 4 in about a hemisphere shape. A perpendicular to the normal direction 7 certain cross section of the first electrode 4 So take along the normal direction 7 to the dielectric layer 6 down. in the 1a shown unloaded state of the first electrode 4 is the first electrode 4 from the dielectric layer 6 spaced so that the first electrode 4 and the dielectric layer 6 are not in contact. in this unloaded, ie undeformed state of the first electrode 4 is an electrical capacitance of the capacitor 2 therefore very low.

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.In 1b will now be along the normal direction 7 a mechanical force 9 on the deformable electrode 4 exercised, z. B. via the contact element 3 so that the deformable electrode 4 along the normal direction 7 against the dielectric layer 6 is pressed. The deformable electrode 4 and the dielectric layer 6 are now in direct contact with each other. By compressing the deformable first electrode 4 between the contact element 3 and the dielectric layer 6 along the normal direction 7 So is the distance between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 reduced. Likewise, the distance between the first electrode 4 and the second electrode 5 reduced. With increase in the normal direction 7 on the deformable first electrode 4 applied normal force 9 also becomes a first contact area 10 along which the first electrode 4 and the dielectric layer 6 are in contact, gradually enlarged. By reducing the distance between the first electrode 4 and the second electrode 5 and with the enlargement of the first contact surface 10 there is an increase in the capacitance of the capacitor 2 associated. In the in 2 B illustrated situation is the deformable first electrode 4 maximally compressed, so that the capacity of the capacitor 2 takes on its greatest value.

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.Now take the along the normal direction 7 on the first electrode 4 applied normal force 9 so the compressed first electrode strives 4 back to its undeformed initial state, being the dielectric layer 6 and the contact element 3 presses apart. By the recovery of the deformable first electrode 4 takes the distance of the first electrode 4 from the dielectric layer 6 and from the second electrode 5 again. Likewise, the reshaping causes the first electrode 4 in the unloaded initial state, a gradual reduction of the first contact surface 10 between the first electrode and the dielectric layer 6 , With decreasing normal force 9 thus again reduces the capacitance of the capacitor 2 , In 1c is the device 1 after the recovery of the first electrode 4 again in her in 1a illustrated initial state in which no mechanical force 9 on the first electrode 4 acts. The capacity of the capacitor 2 takes in the in 1c represented situation thus again their smallest value.

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. 2a shows a diagram in which the in the capacitor 2 out 1 stored charge Q and that between the first electrode 4 and the second electrode 5 applied voltage U when converting mechanical energy into electrical energy according to the second variant described above (constant voltage) are plotted against each other. 2 B shows a corresponding circuit arrangement 11a the device 1 with which the conversion of mechanical energy into electrical energy according to this second variant is feasible. Here and below, recurrent features are designated by the same reference numerals. Next to the condenser 2 includes the circuitry 11a a voltage source 12 in the form of a microbattery, another capacitor 13 , Rectifier diodes 14a -D, field-effect transistors 15a -D and inductors 16a and 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.In the point 17 (please refer 2a ) is the first electrode 4 of the capacitor 2 maximum compressed so that the capacitance of the capacitor 2 assumes its maximum value. In the condenser 2 is a charge Q 1 stored and attached to the electrodes 4 and 5 is an electrical voltage U 1 on. In this state, the transistors 15a -D controlled such that the capacitor 2 through the voltage source 12 is charged until in the condenser 2 a maximum amount of charge Q 2 is stored and down to the electrodes 4 and 5 of the capacitor 2 a maximum voltage U 2 is applied. After charging the capacitor at maximum capacity, the capacitor is in the diagram of 2a at the point 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.Between the points 18 and 19 now becomes the contact pressure 9 (please refer 1 ) gradually decreases, leaving the first electrode 4 striving back to its undeformed state, changing the capacitance of the capacitor 2 again reduced to its minimum value. During this gradual reduction in the capacity of the capacitor 2 remains the capacitor 2 electrically with the voltage source 12 connected so that the electrical voltage between the electrodes 4 and 5 continues to take the value U 2 . due to the reduction of the capacitance of the capacitor 2 at the constant voltage U 2 between the electrodes 4 and 5 that flows in the capacitor 2 stored charge Q 2 partially from the capacitor 2 and decreases again to its initial value Q 1 . at the point 19 of the diagram 2a becomes the capacitor 2 by corresponding switching of the transistors 15a -D electrical from the voltage source 12 disconnected, leaving no further charges from the capacitor 2 drain or on the capacitor 2 can flow. Subsequently, the first electrode 4 from the voltage source 12 separate capacitor 2 compressed again. This decreases the capacitance of the capacitor 2 again to its maximum value and that between the electrodes 4 and 5 applied voltage decreases in turn to its initial value U 1 . In the diagram of the diagram 2a is the capacitor 2 back to its starting point 17 , During the recovery of the deformable first electrode 4 at the constant voltage U 2 between through the points 18 and 19 marked states of the capacitor 2 will be in the first electrode 4 stored deformation energy thus converted into electrical energy.

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.The time course of the voltage U between the electrodes 4 and 5 , the temporal course of the capacitor 2 flowing or from the condenser 2 effluent I, the time course of the capacitance C of the capacitor 2 and the time course of the capacitor 2 stored charge Q while in the 1 and 2a shown conversion cycle are in the 3a -D illustrated. The time points that are highlighted with the in 2a marked states 17 . 18 and 19 of the capacitor 2 coincide.

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.Clearly visible is the charging of the capacitor, with which the capacitor 2 from the state 17 in the charged state 18 passes. Between those with the states 18 and 19 corresponding time forms in the state 18 still completely compressed first electrode 4 back to their undeformed initial state they are in state 19 occupies. Clearly visible is the decline in capacity (see 3c ) from its maximum value to its minimum value. Because this change in capacity between states 18 and 19 at constant voltage (see 3a ), she goes with a drain in the state 18 still in the condenser 2 stored charges (see 3b and 3d ). The re-compression of the first electrode 4 with disconnected voltage source 12 is the steep rising edge in the capacity-time diagram of the 3c removable. By using a limiting charge and / or discharge regulator, the behavior that can be generated in the 3a Each represented by the dashed curves. In particular, short-term peak currents can be avoided by using such a regulator. In return, higher voltage peaks occur.

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.The in the 4a -C curves shown 20a . 20b and 20c each give a variation of the capacitance per area of the capacitor 2 depending on the on the first electrode 4 acting normal force 9 or depending on one with the normal force 9 corresponding normal pressure (measured in N / cm 2 ) again. The in the 4a -C reproduced curves each with different dielectric layers 6 carried out. In 4a became the dielectric layer 6 made of PVDF. In 4b became a dielectric layer 6 used from Ta 2 O 5 with a thickness of 1 micron. In 4c was as a dielectric 6 again Ta 2 O 5 used, but now with a thickness of only 0.5 microns. The curves thus obtained 20a . 20b and 20c are each curves 21a . 21b and 21c contrasted with the deformable electrode instead 4 of the capacitor 2 out 1 with a conventional on the dielectric layer 6 deposited rigid first electrode were obtained. Already at contact pressures of about 250 N / cm 2 are used for the capacitance of the capacitor 2 with the deformable electrode 4 Values achieved with those in the curves 21a . 21b and 21c comparable capacity values. Further embodiments of the capacitor 2 , with which higher capacity values can be achieved, will be explained in the explanation of the 6 to 10 described.

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. 5a shows a charge-voltage diagram according to the initially mentioned first variant (constant charge) for converting mechanical energy into electrical energy with the capacitor 2 the device 1 , 5b shows a corresponding circuit arrangement 11b the device 1 , In the initial state 22 is the first electrode 4 of the capacitor 2 maximally compressed and the capacitor 2 is completely or almost completely discharged. In condition 22 takes the capacity of the capacitor 2 therefore their maximum value. Subsequently, the capacitor 2 via the voltage source 12 charged until an amount of charge Q 2 in the capacitor 2 is stored and attached to the electrodes 4 and 5 of the capacitor 2 a voltage U 1 is applied. The capacitor 2 is now in the state 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.The transistors 15e and 15f are then driven so that the capacitor 2 electrically from the voltage source 12 is disconnected, so no charges on the capacitor 2 can flow or from the capacitor 2 can drain away. Starting from the state 23 Now, the one on the deformable first electrode 4 applied normal force 9 gradually reduced, leaving the first electrode 4 in its undeformed state strives while the contact element 3 and the dielectric layer 6 presses apart. At the same time, the first contact area is reduced 10 between the deformable first electrode 4 and the dielectric layer 6 , As a result of the concomitant reduction in the capacitance of the capacitor 2 with simultaneous separation of the capacitor 2 from the voltage source 12 picks up the electrodes 4 and 5 of the capacitor 2 applied voltage up to a maximum value U 2 . When the distance of the contact element 3 from the dielectric layer 6 takes its maximum value and the contact area 10 between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 is minimal, the capacity of the capacitor decreases 2 their smallest value. The capacitor 2 is now in the state 24 , Subsequently, the transistors 15e and 15f so controlled that the capacitor 2 again unloads. By re-squeezing the first electrode 4 the condenser returns 2 then back to its original state 22 back.

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.At the in 5 described first variant (constant charge) is like the second variant in the recovery of the first electrode 4 , ie at the transition from the maximum compressed state 23 in the unloaded state 24 , mechanical energy is converted into electrical energy. When converting mechanical energy into electrical energy according to the in 5 However, it should be noted that the second variant described, that at the electrodes 4 and 5 applied voltage U 2 in the state 24 can become very large when the capacity of the capacitor 2 is reduced too much, z. B. by the first contact surface 10 between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 is reduced to zero. This can destroy the capacitor 2 to lead.

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.In the 6a and 6b shown embodiments of the capacitor 2 differ from the in 1 illustrated embodiment of the capacitor 2 in that between the dielectric layer 6 and the contact element 3 further reset elements 25 ( 6a ) respectively. 26 ( 6b ) are provided, which are each arranged, the return deformation of the deformable first electrode 4 from the compressed state of the first electrode 4 back to the unloaded state of the first electrode 4 to support. The reset elements 25 and 26 So are set up, the contact element 3 and the dielectric layer 6 to reduce the first contact area 10 between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 force apart. At the reset elements 25 in 6a these are electrically non-conductive elastomers. The reset elements 26 in 6b are formed as springs of a likewise electrically non-conductive material.

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.The in the 7a D shown embodiment of the capacitor 2 is different from the one in 1 shown embodiment of the capacitor 2 in particular in that the dielectric layer 6 facing surface of the deformable first electrode 4 deformable microstructures 27 having. These can be z. After coating the elastic solid of the first electrode 4 be generated with the conductive material by a corresponding microstructuring process, for. B. by laser ablation or by etching processes. The microstructures 27 on the surface of the first electrode 4 cause an increased variability of the contact surface 10 between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 in a variation of the first electrode 4 applied normal force 9 , This increases the efficiency of the conversion of mechanical energy into electrical energy in the recovery of the first electrode 4 from the compressed state of the first electrode 4 back to the unloaded state of the first electrode 4 , The in the 7c and 7d shown embodiment of the capacitor 2 additionally has the restoring elements described above 25 on. These are in 7c in an unloaded condition and in 7d shown in a compressed state.

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.In a further embodiment of the capacitor not explicitly shown here 2 can also be that of the dielectric layer 6 facing surface of the second electrode 5 to increase the capacity of the capacitor 2 micro- or nanostructures. These can also be produced by microstructuring processes such as cold-forming, hot stamping, laser ablation, lithography, electrochemical coating or by etching processes.

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.The in the 8a D illustrated embodiment of the capacitor 2 is different from the one in 1 shown embodiment in that the first electrode 4 facing surface of the dielectric layer 6 deformable or non-deformable microstructures 28 having. Like the in 7 shown microstructures 27 on the surface of the first electrode 4 so do the in 8th shown microstructures 28 at the first electrode 4 facing surface of the dielectric layer 6 an increased variability of the first contact surface 10 between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 in a variation of the first electrode 4 applied normal force 9 , In this way, the efficiency of the conversion of mechanical energy into electrical energy can be improved, as described above. Of course, it is conceivable that in the 7 and 8th shown embodiments of the capacitor 2 to combine. So there are embodiments of the capacitor 2 conceivable in which the first electrode 4 the microstructures 27 and wherein at the same time the dielectric layer 6 the microstructures 28 having. In the in the 8c and 8d shown embodiment are between the dielectric layer 6 and the contact element 3 turn the reset elements 25 intended.

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. 9 shows a modification of the in 8th shown embodiment of the capacitor 2 , In this embodiment, that of the dielectric layer 6 facing surface of the first electrode 4 to compensate for surface roughness and to improve the contact between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 another coating 29 on. This is the further coating 29 around a conductive paste. In modified embodiments, the further coating 29 z. B. also contain a conductive liquid or conductive micro or nanoparticles. The further coating 29 provides optimal contact between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 safe and thus increases the capacity of the capacitor 2 , This is at the same time the variability of the capacitance of the capacitor 2 in a variation of the first electrode 4 acting normal force 9 elevated.

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.In an embodiment of the capacitor not explicitly shown here 2 can be between the dielectric layer 6 and the deformable first electrode 4 another liquid dielectric may be provided. Preferably, this then also has the largest possible dielectric constant, in particular with a value which is greater than the value of the dielectric constant of air. This further liquid dielectric may also affect the contact between the first electrode 4 and the dielectric layer 6 improve. As a result, lower contact forces are necessary to large changes in the capacitance of the capacitor 2 to achieve.

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.In the 10 shown embodiment of the capacitor 2 is different from the one in 1 shown embodiment in that the dielectric layer 6 is formed of an elastic material. This can change the capacitance of the capacitor 2 when changing to the first electrode 4 applied normal force 9 be additionally increased. Preferably, the elastic dielectric layer is also used 6 out 10 to a dielectric material with the largest possible dielectric constant.

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.In the 11 shown embodiment of the capacitor 2 is different from the one in 1 shown embodiment of the capacitor 2 through additional electrical contacts 30 and 31 ( 11b ) or by additional electrical contacts 32 ( 11c ) between the dielectric layer 6 and the contact element 3 are arranged. The electrical contact 30 in 11b is as an increase of the dielectric layer 6 facing surface of the contact element 3 educated. The electrical contacts 31 are formed as contact pads on the contact element 3 facing surface of the dielectric layer 6 are arranged. The on the dielectric layer 6 arranged electrical contacts 31 and their electrical leads 33 are in 11a illustrated. In the 11c shown electrical contacts 32 are different from the ones in 11b shown electrical contacts 31 through insulating elements 34 that is between the electrical contacts 32 and the dielectric layer 6 are located.

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.The electrical contacts 30 and 31 in 11b are arranged so that they by the compression of the first electrode 4 between the contact element 3 and the dielectric layer 6 be brought into contact with each other. Accordingly, the electrical contacts 32 in 11c when compressing the first electrode 4 between the contact element 3 and dielectric layer 6 with the contact element 3 brought into contact. Preferably, the electrical contacts contact 30 and 31 in 11b or the contact element 3 and the electrical contacts 32 in 11c each other if and only if the capacity of the capacitor 2 due to the compression of the first electrode 4 between the contact element 3 and the dielectric layer 6 takes on its greatest value. The electrical contacts 30 and 31 in 11b or the electrical contacts 32 in 11c are electrically connected to a circuit arrangement for controlling the charging and / or for controlling the discharge of the capacitor 2 connected (not shown). Because of the electrical contacts 30 and 31 in 11b or the electrical contacts 32 and the contact element 3 in 11c when compressing the first electrode 4 be brought into contact with each other, so is the charging and / or discharging of the capacitor 2 controlled or influenced. For example, through the electrical contacts 30 and 31 or through the electrical contacts 32 the transistors 15a -D in 2 B or the transistors 15e to 15f in 5b be controlled.

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.The device 1 with the capacitor 2 can be used as an energy source in all self-sufficient systems that are subject to periodic or aperiodic motion. In combination with an energy storage, energy can be stored for use in the respective system. Examples of applications of the device 1 is z. B. their installation in shoes; in the grounds of busy roads or busy areas; or installation in or on machine parts that perform lifting or circular movements. In addition, the device can 1 in chip cards or in operating elements (eg keyboards) are used.

Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.The research that led to these results was funded by the European Union.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 7898096 [0004] US 7898096 [0004]

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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.Contraption ( 1 ) for converting mechanical energy into electrical energy with a capacitor ( 2 ) comprising at least one deformable first electrode ( 4 ), a second electrode ( 5 ) and between the first electrode ( 4 ) and the second electrode ( 5 ) arranged dielectric ( 6 ), wherein the dielectric ( 6 ) and the first electrode ( 4 ) are arranged and configured such that a first contact surface ( 10 ), along which the first electrode ( 4 ) and the dielectric ( 6 ) are in contact or can be brought into contact, for changing a capacitance of the capacitor ( 2 ) depending on one on the first electrode ( 4 ) applied mechanical force ( 9 ) is variable, characterized in that the first electrode ( 4 ) contains an elastic solid. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der elastische Feststoff ein Elastomer, ein Thermoplast oder ein thermoplastisches Elastomer ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein the elastic solid is an elastomer, a thermoplastic or a thermoplastic elastomer. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der elastische Feststoff mit einem leitfähigen Material beschichtet ist, vorzugsweise mit Kohlenstoff oder Metall.Contraption ( 1 ) according to claim 2, wherein the elastic solid is coated with a conductive material, preferably carbon or metal. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the first electrode ( 4 ) is shaped in such a way that it is in the unloaded state to the dielectric ( 6 ), wherein one of the dielectric ( 6 ) facing end of the first electrode ( 4 ) preferably has a conical shape or a hemispherical shape. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein a surface of the first electrode ( 4 ) connected to the dielectric ( 6 ) for forming the first contact surface ( 10 ) is in contact or can be brought into contact, and / or wherein a surface of the dielectric ( 6 ) connected to the first electrode ( 4 ) for forming the first contact surface ( 10 ) is in contact or can be brought into contact, deformable microstructures ( 27 ; 28 ), so that the first contact surface ( 10 ) and the capacitance of the capacitor ( 2 ) when pressing the first electrode ( 4 ) to the dielectric ( 6 ) are additionally enlarged. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein one of the dielectric ( 6 ) facing surface of the second electrode ( 5 ) for enlarging a second contact surface, along which the second electrode ( 5 ) and the dielectric ( 6 ) and to increase the capacitance of the capacitor ( 2 ) Has micro or nanostructures. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the dielectric ( 6 ) facing surface of the first electrode ( 4 ) to compensate for surface roughness and to improve the contact between the first electrode and the dielectric, a coating ( 29 ), preferably in the form of a conductive liquid, in the form of a conductive paste or in the form of conductive micro- or nanoparticles. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims with a contact element ( 3 ), relative to the dielectric ( 6 ) is movably arranged, wherein the first electrode ( 4 ) between the dielectric ( 6 ) and the contact element ( 3 ) and wherein between the dielectric ( 6 ) and the contact element ( 3 ) additionally at least one return element ( 25 ; 26 ) is arranged, which is arranged, the contact element ( 3 ) and the dielectric ( 6 ) for reducing the first contact area ( 10 ) to press apart. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the first electrode ( 4 ) is designed and arranged so that it is not in the unloaded state with the dielectric ( 6 ) is in contact. 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.Contraption ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the dielectric ( 6 ) is formed of an elastic material, so that the first contact surface ( 10 ) and the capacitance of the capacitor ( 2 ) when pressing the first electrode ( 4 ) to the dielectric ( 6 ) are additionally enlarged. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein in order to improve the contact between the first electrode ( 4 ) and the dielectric ( 6 ) another liquid dielectric between the first electrode ( 4 ) and the dielectric ( 6 ) is arranged. 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.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims with a contact element ( 3 ), relative to the dielectric ( 6 ) is arranged movably and which is preferably the aforementioned contact element ( 3 ), the first electrode ( 4 ) between the dielectric ( 6 ) and the contact element ( 3 ) and wherein between the dielectric ( 6 ) and the contact element ( 3 ) additional electrical contacts ( 30 . 31 ; 32 ) are provided, which are designed and arranged such that they by moving the contact element ( 3 ) relative to the dielectric ( 6 ), preferably by approaching the contact element ( 3 ) to the dielectric ( 6 ), are brought into electrical contact, wherein the electrical contacts ( 30 . 31 ; 32 ) with a circuit arrangement for controlling the charging and / or discharging of the capacitor ( 2 ), so that the charging and / or discharging of the capacitor ( 2 ) through the in-contact bring the electrical contacts ( 30 . 31 ; 32 ) is controllable and / or influenceable. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Mikrobatterie (12) und/oder mit einem DC-DC Wandler zur Spannungsversorgung.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims with at least one microbattery ( 12 ) and / or with a DC-DC converter for power supply. 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.Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein the elastic solid is a metal, preferably in the form of a cylindrical spring, in particular a steel spring, or in the form of metal lamellae.
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