WO2012084174A1 - Electromechanical energy store, in particular for integrated circuits - Google Patents
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- WO2012084174A1 WO2012084174A1 PCT/EP2011/006406 EP2011006406W WO2012084174A1 WO 2012084174 A1 WO2012084174 A1 WO 2012084174A1 EP 2011006406 W EP2011006406 W EP 2011006406W WO 2012084174 A1 WO2012084174 A1 WO 2012084174A1
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- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
Definitions
- Electromechanical energy storage in particular integrated circuits
- the present invention relates to an electromechanical energy collector for an electrical circuit comprising a piezoelectric element
- DE 41 26 456 AI shows a high-energy storage capacitor, which is formed of a piezoelectric material as a dielectric between two electrodes. This capacitor is clamped in a mechanical version, a control of the clamping force can charge the capacitor and affect the charging and discharging time.
- GB 1 370 674 A shows a in the form of a
- the component is made of one or more piezoelectric layers
- US 5,925,971 A describes a piezoelectric resonator of several layers
- Electrodes. EP 2 273 660 A1 and DE 36 87 579 T2 disclose the use of a piezoelectric
- Element as a capacitor or as electrical variablen Liehe capacity.
- the object of the present invention is to provide an energy storage device for an electrical circuit, which has a high energy density for the storage and delivery of electrical energy, so that it also integrated
- Circuits can be integrated.
- the proposed energy storage is a combination of a piezoelectric element and a mechanical storage element.
- the mechanical storage element is designed and
- piezoelectric element is elastically deformed.
- the mechanical storage ⁇ element behaves like a spring element, which absorbs energy according to the Hooke's law by elastic deformation and this mechanically stored energy upon discharge of the capacitor formed by the piezoelectric element back to the
- the mechanical storage element has no piezoelectric
- the proposed energy storage can store at comparable dimensions more energy than a pure capacitor from the
- piezoelectric material and thereby has a higher energy density. This allows for
- the mechanical storage element is adapted to the piezoelectric element or tuned to this, that the storable in the space or volume of the energy storage energy is maximized.
- the mechanical storage element and the piezoelectric element are also made of materials that are compatible with semiconductor fabrication processes.
- the piezoelectric element is also made of materials that are compatible with semiconductor fabrication processes.
- the mechanical storage element must be there
- the mechanical storage element is therefore preferably attached to a support only on one side or is supported only by the piezoelectric element.
- the mechanical storage element may be formed, for example, as a plate-shaped or bar-shaped element, in which on a plate surface, the piezoelectric element is arranged so that upon application of a voltage to the piezoelectric element, the mechanical storage element
- the mechanical storage element can also be realized as a bending beam, on one side of which the piezoelectric element is mounted. By applying an electrical voltage to the piezoelectric element then takes a bending of the bending beam.
- Another embodiment is to arrange the piezoelectric element together with the mechanical storage element positively between two rigid carriers. Upon expansion of the piezo- electric element, the mechanical memory ⁇ element is then compressed elastically, and can thereby leave stored mechanical energy during discharge of the capacitor formed by the piezoelectric element again to the piezoelectric element which this energy then as electrical energy via the two Can feed back electrodes into the connected circuit.
- a particularly high energy storage density is achieved when the spring stiffness of the mechanical storage element and the spring stiffness of the
- piezoelectric element are at least approximately equal, since in this case the mechanical energy
- the energy storage device can be used in all circuit arrangements, in particular integrated circuits, in which a static and / or dynamic energy store of high energy density is required.
- FIG. 2 shows a highly schematic illustration of a second example of the proposed energy store
- FIG. 4 shows an example of a matrix converter in which the energy store can be used.
- Figure 1 shows a first example of the proposed energy storage in a highly schematic representation. In this example, loading and unloading
- the energy store is composed of a plate-shaped storage element 1 and two piezoelectric elements 2, which are rigidly connected to this storage element on both sides.
- the electrodes of these piezoelectric elements are not shown in this and in the following figures.
- Electrodes are generally full-surface on themselves 406
- piezoelectric material formed capacitor and U represent the applied electrical voltage.
- the respective piezoelectric element 2 expands due to the inverse piezoelectric effect. This causes an expansion of the mechanical storage element 1, in this case a silicon substrate, from the length L x to the length L 2 , as shown by the transition from the left partial illustration to the right partial image of FIG.
- the mechanical storage element 1 can be seen as a spring element which extends from the length Li to the length L 2 .
- the mechanical storage element 1 can be seen as a spring element which extends from the length Li to the length L 2 .
- the mechanical storage element 1 shortens due to the restoring force again from the length L 2 to the length Li.
- the stored potential energy decreases and the piezo effect due to this force effect on the piezoelectric
- Element 2 calls an electrical voltage to the
- Electrodes The potential energy is thus converted into electrical by the piezoelectric element
- Electrodes are fed back into the circuit. This process is characterized by the transition from the right
- FIG. 2 shows another Austres- possibility of the proposed energy storage in a schematic representation.
- the piezoelectric element 2 and the mechanical storage element 1 are positively secured between two rigid carriers 3, as indicated in FIG.
- the mechanical storage element 1 is then elastically compressed and stores accordingly
- the carrier 3 are here
- Regenerating the energy stored in the energy store in the connected circuit decreases the electrical voltage at the piezoelectric element again and the restoring force of the mechanical
- Memory element 1 causes a force on the
- the mechanical storage element may in this case be formed, for example, from an elastomeric material.
- FIG. 3 shows a further example of an embodiment of the energy store in which the piezoelectric element 2 and the mechanical storage element 1 are plate-shaped
- mechanical storage element 1 is a bending beam on which the piezoelectric element 2 is mounted on one side. Again, there is a one-sided
- FIG. 4 shows an example of a matrix converter in which the proposed energy store can be used.
- the matrix converter has in a known manner a switch matrix 4 with an upstream filter 5, through which the connected network 6 is separated from the switching matrix 4.
- the connected to the output side of the switch matrix 4 load 7 is also schematic
- Film capacitors are used, as indicated in the figure. For storing higher energies with a smaller space requirement in the present example instead of the individual capacitors one
- Energy storage used according to the present invention can be in the realization of an energy storage in silicon significantly larger energy caching than in the usual, realizable in silicon capacitors. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Abstract
The invention relates to an energy store for an electric circuit, in particular for an integrated circuit, comprising a piezoelectric element (2) consisting of a piezoelectric material between two electrodes. The energy store further comprises a mechanical storage element (1) which is designed and arranged such that, when an electric voltage is applied to the piezoelectric element (2), the mechanical storage element (1) is elastically deformed. Such an energy store has a higher energy density than a purely capacitive energy store and is therefore easier to integrate into integrated circuits.
Description
Elektromechanischer Energiespeicher, insbesondere integrierte Schaltungen Electromechanical energy storage, in particular integrated circuits
Technisches Anwendungsgebiet Technical application
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektro- mechanischen Energiespeieher für einen elektrischen Schaltkreis, der ein piezoelektrisches Element The present invention relates to an electromechanical energy collector for an electrical circuit comprising a piezoelectric element
bestehend aus einem piezoelektrischen Material zwischen zwei Elektroden aufweist und sich insbesondere in integrierten Schaltungen. einsetzen lässt. consisting of a piezoelectric material between two electrodes and in particular in integrated circuits. can be used.
In zahlreichen Anwendungen ist eine Zwischen- speicherung elektrischer Energie erforderlich. Vor allem auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen lassen sich Energiespeicher mit höherer Speicher- kapazität, in der Regel geeignet dimensionierte In many applications, intermediate storage of electrical energy is required. Especially in the field of integrated circuits can be energy storage with higher storage capacity, dimensioned usually suitable
Kondensatoren, jedoch aufgrund des erforderlichen Capacitors, however, due to the required
Raumbedarfs nicht auf dem Chip selbst unterbringen, so dass sie extern angeordnet werden müssen. Stand der Technik Space requirements do not fit on the chip itself, so they must be located externally. State of the art
Die DE 41 26 456 AI zeigt einen Hochenergiespeicher-Kondensator, der aus einem piezoelektrischen Material als Dielektrikum zwischen zwei Elektroden ausgebildet ist. Dieser Kondensator ist in einer mechanischen Fassung eingespannt, über eine Steuerung der Einspannkraft lässt sich der Kondensator aufladen und die Lade- und Entladezeit beeinflussen. DE 41 26 456 AI shows a high-energy storage capacitor, which is formed of a piezoelectric material as a dielectric between two electrodes. This capacitor is clamped in a mechanical version, a control of the clamping force can charge the capacitor and affect the charging and discharging time.
Die GB 1 370 674 A zeigt ein in Form eines GB 1 370 674 A shows a in the form of a
Schwungrades ausgebildetes piezoelektrisches Bauteil,
P2011/006406 Flywheel trained piezoelectric component, P2011 / 006406
das als Filter eingesetzt wird. Das Bauteil ist aus einer oder mehreren piezoelektrischen Schichten which is used as a filter. The component is made of one or more piezoelectric layers
aufgebaut, die jeweils zwischen zwei Elektroden constructed, each between two electrodes
angeordnet sind. Die US 5,925,971 A beschreibt einen piezoelektrischen Resonator aus mehreren Lagen are arranged. US 5,925,971 A describes a piezoelectric resonator of several layers
piezoelektrischen Materials jeweils zwischen zwei piezoelectric material between each two
Elektroden. Die EP 2 273 660 AI und die DE 36 87 579 T2 offenbaren die Verwendung eines piezoelektrischen Electrodes. EP 2 273 660 A1 and DE 36 87 579 T2 disclose the use of a piezoelectric
Elementes als Kondensator bzw. als elektrisch veränder- liehe Kapazität. Element as a capacitor or as electrical variablen Liehe capacity.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Energiespeicher für einen elektrischen Schaltkreis bereitzustellen, der eine hohe Energie- dichte für die Speicherung und Abgabe elektrischer Energie aufweist, so dass er auch in integrierte The object of the present invention is to provide an energy storage device for an electrical circuit, which has a high energy density for the storage and delivery of electrical energy, so that it also integrated
Schaltungen integriert werden kann. Circuits can be integrated.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Energiespeicher gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Energiespeichers sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. The object is achieved with the energy storage device according to claim 1. Advantageous embodiments of the energy storage are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.
Der vorgeschlagene Energiespeicher stellt eine Kombination aus einem piezoelektrischen Element und einem mechanischen Speicherelement dar. Das mechanische Speicherelement ist dabei so ausgebildet und The proposed energy storage is a combination of a piezoelectric element and a mechanical storage element. The mechanical storage element is designed and
angeordnet, dass bei Anlegen einer elektrischen arranged that when applying an electric
Spannung an das piezoelektrische Element das Voltage to the piezoelectric element that
mechanische Speicherelement durch die Verformung des
EP2011/006406 mechanical storage element by the deformation of the EP2011 / 006406
piezoelektrischen Elements elastisch deformiert wird. Bei Einsatz dieses Energiespeichers wird damit Energie zum einen kapazitiv im piezoelektrischen Element und zum anderen zusätzlich mechanisch in dem mechanischen Speieherelement gespeichert. Das mechanische Speicher¬ element verhält sich dabei wie ein Federelement, das nach dem Hookschen Gesetz durch elastische Deformation Energie aufnimmt und diese mechanisch gespeicherte Energie bei Entladung des durch das piezoelektrische Element gebildeten Kondensators wieder auf das piezoelectric element is elastically deformed. When using this energy storage so that energy is stored on the one hand capacitive in the piezoelectric element and on the other hand mechanically in the mechanical Speieherelement. The mechanical storage ¬ element behaves like a spring element, which absorbs energy according to the Hooke's law by elastic deformation and this mechanically stored energy upon discharge of the capacitor formed by the piezoelectric element back to the
piezoelektrische Element überträgt, durch das sie in elektrische Energie gewandelt wird. Das mechanische Speicherelement hat dabei keine piezoelektrische transmits piezoelectric element, by which it is converted into electrical energy. The mechanical storage element has no piezoelectric
Funktion. Der vorgeschlagene Energiespeicher kann dadurch bei vergleichbaren Abmessungen mehr Energie speichern als ein reiner Kondensator aus dem Function. The proposed energy storage can store at comparable dimensions more energy than a pure capacitor from the
piezoelektrischen Material und weist dadurch eine höhere Energiedichte auf. Dies ermöglicht bei piezoelectric material and thereby has a higher energy density. This allows for
entsprechender Miniaturisierung den Einsatz eines derartigen Energiespeichers als (integrierte) corresponding miniaturization the use of such an energy storage as (integrated)
Komponente einer integrierten Schaltung. Vorzugsweise ist das mechanische Speicherelement dabei so an das piezoelektrische Element angepasst bzw. auf dieses abgestimmt, dass die in dem Bauraum bzw. Volumen des Energiespeichers speicherbare Energie maximiert wird. Component of an integrated circuit. Preferably, the mechanical storage element is adapted to the piezoelectric element or tuned to this, that the storable in the space or volume of the energy storage energy is maximized.
Vorzugsweise bestehen das mechanische Speicherelement und das piezoelektrische Element daher auch aus Materialien, die zu Halbleiterfertigungsprozessen kompatibel sind. So kann bspw. als piezoelektrischesPreferably, therefore, the mechanical storage element and the piezoelectric element are also made of materials that are compatible with semiconductor fabrication processes. For example, as a piezoelectric
Material Si02 und/oder als Material für das mechanische Speicherelement Silizium oder ein anderes in einer
011 006406 Material Si0 2 and / or as material for the mechanical storage element silicon or another in one 011 006406
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integrierten Schaltung realisierbares Material integrated circuit realizable material
eingesetzt werden. be used.
Das mechanische Speicherelement muss dabei The mechanical storage element must be there
selbstverständlich eine elastische Deformation of course an elastic deformation
ermöglichen, d. h. es muss sich durch Einwirkung des piezoelektrischen Elements nahezu ungehindert ausdehnen oder zusammenziehen können. Das mechanische Speicherelement ist daher vorzugsweise lediglich an einer Seite an einem Träger befestigt oder wird nur durch das piezoelektrische Element getragen. allow, d. H. it must be able to expand or contract almost unhindered by the action of the piezoelectric element. The mechanical storage element is therefore preferably attached to a support only on one side or is supported only by the piezoelectric element.
Das mechanische Speicherelement kann beispielsweise als plattenförmiges oder balkenförmiges Element ausgebildet sein, bei dem auf einer Plattenfläche das piezoelektrische Element so angeordnet ist, dass sich bei Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element das mechanische Speicherelement durch The mechanical storage element may be formed, for example, as a plate-shaped or bar-shaped element, in which on a plate surface, the piezoelectric element is arranged so that upon application of a voltage to the piezoelectric element, the mechanical storage element
Einwirkung des piezoelektrischen Elements parallel zu dieser Oberfläche ausdehnt. Bei einer derartigen Exposure of the piezoelectric element expands parallel to this surface. In such a
Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn auf der gegenüberliegenden Seite des plattenförmigen Elements ebenfalls ein gleichartiges piezoelektrisches Element angeordnet ist, so dass sich das mechanische Speicher- element durch Einwirkung beider piezoelektrischer Embodiment, it is advantageous if on the opposite side of the plate-shaped member also a similar piezoelectric element is arranged, so that the mechanical storage element by the action of both piezoelectric
Elemente ausdehnt. In einer weiteren Ausgestaltung kann das mechanische Speicherelement auch als Biegebalken realisiert sein, an dessen einer Seite das piezoelektrische Element angebracht ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Element erfolgt dann eine Verbiegung des Biegebalkens.
006406 Elements expands. In a further embodiment, the mechanical storage element can also be realized as a bending beam, on one side of which the piezoelectric element is mounted. By applying an electrical voltage to the piezoelectric element then takes a bending of the bending beam. 006406
Eine andere Ausgestaltung besteht darin, das piezoelektrische Element zusammen mit dem mechanischen Speicherelement formschlüssig zwischen zwei starren Trägern anzuordnen. Bei Ausdehnung des piezoelek- trischen Elementes wird dann das mechanische Speicher¬ element elastisch gestaucht, und kann die dadurch gespeicherte mechanische Energie bei Entladen des durch das piezoelektrische Element gebildeten Kondensators wieder an das piezoelektrische Element abgeben, das diese Energie dann als elektrische Energie über die beiden Elektroden in den angeschlossenen Schaltkreis zurück speisen kann. Another embodiment is to arrange the piezoelectric element together with the mechanical storage element positively between two rigid carriers. Upon expansion of the piezo- electric element, the mechanical memory ¬ element is then compressed elastically, and can thereby leave stored mechanical energy during discharge of the capacitor formed by the piezoelectric element again to the piezoelectric element which this energy then as electrical energy via the two Can feed back electrodes into the connected circuit.
Eine besonders hohe Energiespeicherdichte wird erreicht, wenn die Federsteifigkeit des mechanischen Speicherelementes und die Federsteifigkeit des A particularly high energy storage density is achieved when the spring stiffness of the mechanical storage element and the spring stiffness of the
piezoelektrischen Elementes zumindest annähernd gleich sind, da in diesem Fall die mechanische Energie piezoelectric element are at least approximately equal, since in this case the mechanical energy
zwischen den beiden Elementen annähernd vollständig übertragen werden kann. can be transferred almost completely between the two elements.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der vorgeschlagene Energiespeicher im Eingangsfilter eines Umrichters, insbesondere eines Matrixumrichters, anstelle mindestens eines dort bisher verwendeten In an advantageous embodiment of the proposed energy storage in the input filter of an inverter, in particular a matrix converter, instead of at least one previously used there
Kondensators eingesetzt . Selbstverständlich lässt sich der Energiespeicher in allen Schaltungsanordnungen, insbesondere integrierten Schaltungen, einsetzen, in denen ein statischer und/oder dynamischer Energie- Speicher hoher Energiedichte benötigt wird. Der Condenser used. Of course, the energy storage device can be used in all circuit arrangements, in particular integrated circuits, in which a static and / or dynamic energy store of high energy density is required. Of the
vorgeschlagene Energiespeicher lässt sich dabei auch als Filter nutzen, da er aufgrund seiner Funktionsweise eine elektrische Filtercharakteristik aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen proposed energy storage can also be used as a filter because it has an electrical filter characteristic due to its operation. Brief description of the drawings
Der vorgeschlagene Energiespeicher wird nach- folgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigen: The proposed energy store will be explained below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the drawings again. Hereby show:
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines ersten Beispiels des vorge- schlagenen Energiespeichers; 1 is a highly schematic representation of a first example of the proposed energy storage;
Fig. 2 eine stark schematisierte Darstellung eines zweiten Beispiels des vorgeschlagenen Energiespeichers; FIG. 2 shows a highly schematic illustration of a second example of the proposed energy store; FIG.
Fig. 3 eine stark schematisierte Darstellung eines dritten Beispiels des vorgeschlagenen Energiespeichers; und 3 is a highly schematic representation of a third example of the proposed energy storage; and
Fig. 4 ein Beispiel für einen Matrixumrichter, in dem der Energiespeicher eingesetzt werden kann. 4 shows an example of a matrix converter in which the energy store can be used.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention
Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel des vorgeschlagenen Energiespeichers in stark schematisierter Darstellung. In diesem Beispiel werden Lade- und Figure 1 shows a first example of the proposed energy storage in a highly schematic representation. In this example, loading and unloading
Entladephasen des Energiespeichers veranschaulicht. Der Energiespeicher setzt sich in diesem Fall aus einem plattenförmigen Speicherelement 1 sowie zwei beidseitig starr mit diesem Speicherelement verbundenen piezo- elektrischen Elementen 2 zusammen. Die Elektroden dieser piezoelektrischen Elemente sind in dieser sowie in den folgenden Figuren nicht dargestellt. Diese Discharging phases of the energy storage illustrated. In this case, the energy store is composed of a plate-shaped storage element 1 and two piezoelectric elements 2, which are rigidly connected to this storage element on both sides. The electrodes of these piezoelectric elements are not shown in this and in the following figures. These
Elektroden sind in der Regel vollflächig auf sich
406 Electrodes are generally full-surface on themselves 406
- 7 - - 7 -
gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen opposite sides of the piezoelectric
Elementes angebracht, wie dies dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Im linken Teil der Figur 1 ist der vorgeschlageneElement as known to those skilled in the art. In the left part of Figure 1 is the proposed
Energiespeicher im entladenen Zustand gezeigt, in dem keine Spannung an den Elektroden anliegt und auch keine Energie gespeichert ist. Wird an die Elektroden der piezoelektrischen Elemente 2 eine elektrische Spannung angelegt, so speichert jedes piezoelektrische Element elektrische Ladung Q = C*U, wobei C der Kapazität des aus den Elektroden mit dem dazwischen liegenden Energy storage in the discharged state shown in which no voltage is applied to the electrodes and no energy is stored. When an electric voltage is applied to the electrodes of the piezoelectric elements 2, each piezoelectric element stores electric charge Q = C * U, where C is the capacitance of the one of the electrodes with the one therebetween
piezoelektrischen Material gebildeten Kondensators und U die angelegte elektrische Spannung darstellen. Durch Anlegen der elektrischen Spannung dehnt sich das jeweilige piezoelektrische Element 2 aufgrund des inversen Piezoeffektes aus. Dies bewirkt eine Dehnung des mechanischen Speicherelementes 1, in diesem Falle eines Siliziumsubstrats, von der Länge Lx auf die Länge L2, wie dies durch den Übergang von der linken Teil- abbildung zur rechten Teilabbildung der Figur 1 piezoelectric material formed capacitor and U represent the applied electrical voltage. By applying the electrical voltage, the respective piezoelectric element 2 expands due to the inverse piezoelectric effect. This causes an expansion of the mechanical storage element 1, in this case a silicon substrate, from the length L x to the length L 2 , as shown by the transition from the left partial illustration to the right partial image of FIG
veranschaulicht ist. Das mechanische Speicherelement 1 kann dabei als Federelement gesehen werden, das sich von der Länge Li auf die Länge L2 ausdehnt . Durch die Zuführung elektrischer Energie über die Elektroden der piezoelektrischen Elemente 2 wird damit durch die elastische Deformation des Speicherwerkstoffes potentielle Energie in der Feder, d. h. dem mechanischen Speicherelement 1, gespeichert. is illustrated. The mechanical storage element 1 can be seen as a spring element which extends from the length Li to the length L 2 . By the supply of electrical energy via the electrodes of the piezoelectric elements 2 is thus by the elastic deformation of the storage material potential energy in the spring, ie the mechanical storage element 1, stored.
Soll die in dem Energiespeicher gespeicherte If the stored in the energy storage
Energie wieder in den angeschlossenen Schaltkreis zurück gespeist werden, so werden die durch die
011 006406 Energy will be fed back into the connected circuit, so will be through the 011 006406
piezoelektrischen Elemente gebildeten Kondensatoren entladen, wobei die Kapazität der piezoelektrischen Elemente jeweils die Ladung dQ = C*dU an die Schaltung abgibt . Die potentielle Energie des mechanischen discharge capacitors formed piezoelectric elements, wherein the capacitance of the piezoelectric elements each emit the charge dQ = C * dU to the circuit. The potential energy of the mechanical
Speicherelements hat gleichzeitig eine Gegenkraft zur Folge, die das jeweilige piezoelektrische Element 2 wieder staucht, da die abnehmende Spannung die Memory element has at the same time a counterforce result, which upsets the respective piezoelectric element 2, since the decreasing voltage
Piezokraft verringert. Das mechanische Speicherelement 1 verkürzt sich dabei aufgrund der Rückstellkraft wieder von der Länge L2 auf die Länge Li . Die gespeicherte potentielle Energie nimmt ab und der Piezoeffekt durch diese Kraftwirkung auf das piezoelektrische Piezocraft reduced. The mechanical storage element 1 shortens due to the restoring force again from the length L 2 to the length Li. The stored potential energy decreases and the piezo effect due to this force effect on the piezoelectric
Element 2 ruft eine elektrische Spannung an den Element 2 calls an electrical voltage to the
Elektroden hervor. Die potentielle Energie wird durch das piezoelektrische Element somit in elektrische Electrodes. The potential energy is thus converted into electrical by the piezoelectric element
Energie zurückgewandelt, die wiederum über die Energy reverted, in turn, over the
Elektroden in den Schaltkreis rückgespeist wird. Dieser Vorgang wird durch den Übergang von der rechten Electrodes are fed back into the circuit. This process is characterized by the transition from the right
Teilabbildung in die linke Teilabbildung der Figur 1 repräsentiert. Partial image represented in the left part of Figure 1 representation.
Figur 2 zeigt eine andere Ausgestaltungs- möglichkeit des vorgeschlagenen Energiespeichers in schematischer Darstellung. Hierbei sind das piezo- elektrische Element 2 und das mechanische Speicherelement 1 formschlüssig zwischen zwei starren Trägern 3 befestigt, wie dies in der Figur 2 angedeutet ist. Figure 2 shows another Ausgestaltungs- possibility of the proposed energy storage in a schematic representation. Here, the piezoelectric element 2 and the mechanical storage element 1 are positively secured between two rigid carriers 3, as indicated in FIG.
Durch Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element 2 wird dann das mechanische Speicherelement 1 elastisch gestaucht und speichert entsprechend By applying a voltage to the piezoelectric element 2, the mechanical storage element 1 is then elastically compressed and stores accordingly
mechanische Energie. Die Träger 3 sind hierbei mechanical energy. The carrier 3 are here
ausreichend starr ausgebildet, so dass sie sich durch die Kraftwirkung nicht verformen oder bewegen. Bei
011 006406 sufficiently rigid, so that they do not deform or move by the force effect. at 011 006406
Rückspeisen der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie in die angeschlossene Schaltung nimmt die elektrische Spannung am piezoelektrischen Element wieder ab und die Rückstellkraft des mechanischen Regenerating the energy stored in the energy store in the connected circuit decreases the electrical voltage at the piezoelectric element again and the restoring force of the mechanical
Speicherelementes 1 bewirkt eine Kraft auf das Memory element 1 causes a force on the
piezoelektrische Element. Durch diese Kraft wird wiederum eine elektrische Spannung generiert, durch die elektrische Energie in den Schaltkreis rückgespeist wird. Das mechanische Speicherelement kann hierbei bspw. aus einem Elastomermaterial gebildet sein. piezoelectric element. By this force, in turn, an electrical voltage is generated by the electrical energy is fed back into the circuit. The mechanical storage element may in this case be formed, for example, from an elastomeric material.
Figur 3 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltungsmöglichkeit des Energiespeichers, bei dem das piezoelektrische Element 2 und das mechanische Speicherelement 1 plattenförmig Finally, FIG. 3 shows a further example of an embodiment of the energy store in which the piezoelectric element 2 and the mechanical storage element 1 are plate-shaped
ausgebildet und einseitig an einem Träger 3 befestigt sind. Auch hier bewirkt eine elektrische Spannung am piezoelektrischen Element 2 eine Ausdehnung des are formed and fixed on one side to a support 3. Here too, an electrical voltage on the piezoelectric element 2 causes an expansion of the
mechanischen Speicherelementes 1. Die Rückspeisung erfolgt dann in gleicher Weise wie bereits in Zusammenhang mit den vorausgehenden Beispielen erläutert. The feedback is then in the same manner as already explained in connection with the preceding examples.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt das In a further embodiment, the
mechanische Speicherelement 1 einen Biegebalken dar, auf dem einseitig das piezoelektrische Element 2 angebracht ist . Auch hier erfolgt eine einseitige mechanical storage element 1 is a bending beam on which the piezoelectric element 2 is mounted on one side. Again, there is a one-sided
Befestigung an einem Trägerelement 3, ähnlich der Attachment to a support element 3, similar to
Darstellung der Figur 3. Durch Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element 2 verbiegt sich das Speicherelement 1 und speichert dadurch die mechanischeRepresentation of Figure 3. By applying a voltage to the piezoelectric element 2, the memory element 1 bends and thereby stores the mechanical
Energie bis die elektrische Spannung am piezoelektrischen Element wieder reduziert wird.
Selbstverständlich können sich die Anordnungen in Abhängigkeit vom genutzten piezoelektrischen Effekt auch von den dargestellten Beispielen unterscheiden. Wesentlich für den vorgeschlagenen Energiespeicher ist, dass das piezoelektrische Element bei Anlegen einer elektrischen Spannung das mechanische Speicherelement elastisch verformen kann, um dadurch potentielle Energy until the electrical voltage at the piezoelectric element is reduced again. Of course, the arrangements may also differ from the illustrated examples depending on the piezoelectric effect used. It is essential for the proposed energy store that the piezoelectric element can elastically deform the mechanical storage element upon application of an electrical voltage, in order thereby to have potential
Energie in diesem Speicherelement zu speichern. Bei Reduzierung der elektrischen Spannung muss dann die gespeicherte potentielle Energie durch das mechanische Speicherelement wieder auf das piezoelektrische Element übertragen werden können. To store energy in this memory element. When reducing the electrical voltage then the stored potential energy must be transmitted through the mechanical storage element back to the piezoelectric element.
Figur 4 zeigt schließlich ein Beispiel für einen Matrixumrichter, in dem der vorgeschlagene Energie- Speicher eingesetzt werden kann. Der Matrixumrichter weist in bekannter Weise eine Schaltermatrix 4 mit einem vorgeschalteten Filter 5 auf, durch den das angeschlossene Netz 6 von der Schaltmatrix 4 getrennt ist. Die auf der Ausgangsseite der Schaltermatrix 4 angeschlossene Last 7 ist ebenfalls schematisch Finally, FIG. 4 shows an example of a matrix converter in which the proposed energy store can be used. The matrix converter has in a known manner a switch matrix 4 with an upstream filter 5, through which the connected network 6 is separated from the switching matrix 4. The connected to the output side of the switch matrix 4 load 7 is also schematic
angedeutet. In dem Filter 5 kommen in der Regel indicated. In the filter 5 usually come
Folienkondensatoren zum Einsatz, wie dies in der Figur angedeutet ist. Zur Speicherung höherer Energien bei kleinerem Raumbedarf wird im vorliegenden Beispiel anstelle der einzelnen Kondensatoren jeweils ein Film capacitors are used, as indicated in the figure. For storing higher energies with a smaller space requirement in the present example instead of the individual capacitors one
Energiespeicher gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Damit lassen sich bei der Realisierung eines Energiespeichers in Silizium deutlich größere Energien Zwischenspeichern als bei den bisher üblichen, in Silizium realisierbaren Kondensatoren.
Bezugszeichenliste Energy storage used according to the present invention. This can be in the realization of an energy storage in silicon significantly larger energy caching than in the usual, realizable in silicon capacitors. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 mechanisches Speicherelement 2 piezoelektrisches Element 1 mechanical storage element 2 piezoelectric element
3 Trägerelement 3 carrier element
4 Schaltmatrix 4 switching matrix
5 Filter 5 filters
6 Netz 6 network
7 Last
7 load
Claims
Patentansprüche claims
Energiespeicher für einen elektrischen Schalt¬ kreis, insbesondere für integrierte Schaltungen, der mindestens ein piezoelektrisches Element (2) bestehend aus einem piezoelektrischen Material zwischen zwei Elektroden aufweist, Energy storage for an electrical circuit ¬ circuit, in particular for integrated circuits having at least one piezoelectric element (2) consisting of a piezoelectric material between two electrodes,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Energiespeicher zusätzlich ein that the energy storage additionally
mechanisches Speicherelement (1) umfasst, das so ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Element (2) das mechanische mechanical memory element (1), which is designed and arranged such that upon application of an electrical voltage to the piezoelectric element (2), the mechanical
Speicherelement (1) elastisch deformiert wird. Memory element (1) is elastically deformed.
Energiespeicher nach Anspruch 1, Energy storage according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das mechanische Speicherelement (1) als that the mechanical storage element (1) as
Platte ausgebildet ist und das piezoelektrische Element (2) auf einer Seite der Platte angeordnet und starr mit dieser verbunden ist. Plate is formed and the piezoelectric element (2) disposed on one side of the plate and rigidly connected thereto.
Energiespeicher nach Anspruch 2 , Energy storage according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass ein weiteres piezoelektrisches Element (2) auf einer gegenüberliegenden Seite der Platte angeordnet und starr mit dieser verbunden ist . a further piezoelectric element (2) is arranged on an opposite side of the plate and rigidly connected thereto.
Energiespeicher nach Anspruch 1, Energy storage according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das piezoelektrische Element (2) zusammen mit dem mechanischen Speicherelement (1) zwischen zwei
starren Trägern (3) so angeordnet ist, that the piezoelectric element (2) together with the mechanical storage element (1) between two rigid supports (3) is arranged so
dass das piezoelektrische Element (2) das that the piezoelectric element (2) the
mechanische Speicherelement (1) bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Element (2) gegen einen der Träger (3) drückt und dabei elastisch verformt . mechanical memory element (1) upon application of an electrical voltage to the piezoelectric element (2) presses against one of the carrier (3) and thereby elastically deformed.
Energiespeicher nach Anspruch 1, Energy storage according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das mechanische Speicherelement (1) als that the mechanical storage element (1) as
Biegebalken ausgebildet ist und das piezoelektrische Element (2) auf einer Seite der Bending beam is formed and the piezoelectric element (2) on one side of the
Biegenbalkens angeordnet und starr mit diesem verbunden ist. Bending beam arranged and rigidly connected to this.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, Energy store according to one of claims 1 to 5, characterized
dass das mechanische Speicherelement (1) und das piezoelektrische Element (2) aus zu Halbleiterfertigungsprozessen kompatiblen Materialien bestehen. the mechanical storage element (1) and the piezoelectric element (2) consist of materials compatible with semiconductor manufacturing processes.
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem elektrischen Schaltkreis, so dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Energy store according to one of claims 1 to 6 in an electrical circuit, so that by applying an electrical voltage to the
piezoelektrische Element Energie aus dem piezoelectric element energy from the
Schaltkreis zum einen kapazitiv im piezoelektrischen Element und zum anderen zusätzlich mechanisch in dem mechanischen Speicherelement gespeichert wird und die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie durch Entladung des durch das piezoelektrische Element gebildeten Kondensators
wieder in den Schaltkreis zurück gespeist wird. Circuit for a capacitive in the piezoelectric element and on the other hand mechanically stored in the mechanical storage element and stored in the energy storage energy by discharging the capacitor formed by the piezoelectric element fed back into the circuit.
Integrierte Schaltung mit mindestens einem Integrated circuit with at least one
Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der in der integrierten Schaltung integriert ist. Energy store according to one of claims 1 to 7, which is integrated in the integrated circuit.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, die An integrated circuit according to claim 8, which
einen Umrichter bildet, wobei der Energiespeicher in einem Eingangsfilter des Umrichters verschaltet ist . forms a converter, wherein the energy storage is connected in an input filter of the inverter.
10. Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, 10. Integrated circuit according to claim 8,
bei der der Energiespeicher als elektrischer when the energy storage as electrical
Filter eingesetzt wird.
Filter is used.
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