CN102308468A

CN102308468A - 非谐振能量采集装置和方法

Info

Publication number: CN102308468A
Application number: CN2010800009260A
Authority: CN
Inventors: 高子阳; 沈文龙; 陈翔
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: WO2011120258A1; US7936109B1; CN102308468B

Abstract

本发明公开的是一种能量采集装置以及使用该装置的方法，该能量采集装置可以由很宽频率范围内的振动能量产生电能。该能量采集器(10)包括具有相对槽口(22)的箱体(20)。可弯曲衬底(30)至少一部分安置在箱体(20)内，至少一部分通过相对的箱体槽口(22)伸出。压电元件(40)安置在可弯曲衬底(30)上，负荷(50)与该可弯曲衬底(30)相配合。限位器(60)安置在伸出箱体(20)的可弯曲衬底(30)两端；对限位器(60)进行配置，以保持部分可弯曲衬底(30)在箱体(20)内，使得可弯曲衬底可在箱体(20)内自由运动。振动能量引起可弯曲衬底(30)和箱体(20)之间的碰撞，使得压电元件(40)上的力产生能量。

Description

非谐振能量采集装置和方法

技术领域

本发明涉及一种能量采集装置，特别是可以在一个频率范围(包括非谐振频率)内采集能量的能量采集装置。

背景技术

振动能量可用于为各种装置提供动力，比如位于装置(比如交通工具和机器)内难以接近位置的传感器和变送器。此类传感器和变送器传统上是硬接线的或者由电池驱动的，但是这种能源增加了装置总体的复杂性或者需要频繁的维护(例如，更换电池或者为电池充电)。

虽然由振动产生能量的装置是本领域已知的，但这些装置一般只在特定谐振频率处是有效的。然而，由特定装置生成的振动的频率不总是预先已知的。因此，难以设计能在不同装置中遇到的大谐振频率范围上工作的能量发生装置。

已经提出多种方法来克服谐振频率问题。在美国专利申请公开2007/0125176中，把具有不同谐振频率的多个能量采集装置联接起来，提供了可以在一个频率范围内产生能量的系统。

类似地，7,667,375号美国专利使用一组采集器建立了一种装置，每个采集器具有单一的谐振模态，该装置可以在一个谐振频率范围内运行产生能量。

为运行在旋转的环境里(比如轮胎里面)，设计了其它方法。轮胎的每次旋转产生电荷脉冲。该方法示于美国专利申请公开2007/0063621和美国专利申请公开2008/0258581中。

然而，大部分已有技术方法以高品质因子系统为特色，其中品质因子Q定义为：

Q＝A/B

其中B是静态形变，A是谐振模态下的振幅。这限制了装置可以产生能量的带宽。

因此，本领域存在改进能量采集装置的需求，使装置可以在宽频率范围内操作产生能量。

发明内容

本发明涉及一种能量采集装置，其可以由很宽频率范围内的振动能量生产电能。该能量采集器包括具有相对槽口的箱体。可弯曲衬底至少部分地安置在该箱体内，至少部分地通过该相对的箱体槽口伸出。压电元件安置在该可弯曲衬底上，负荷与该可弯曲衬底相配合。

限位器安置在伸出箱体的可弯曲衬底的每一端；对限位器进行配置，以保持部分可弯曲衬底在箱体内，使得可弯曲衬底可在箱体内自由运动。振动能量引起可弯曲衬底和箱体之间的碰撞，使得压电元件上的力产生能量。

附图说明

图1示意性地描述了根据本发明一个实施例的能量采集装置的剖视图。

图2显示了可用于本发明的能量采集装置的可弯曲衬底和负荷配置的一种改型。

图3描述了可用于图1能量采集装置的箱体的一种改型。

图4示意性地描述了根据本发明另一个实施例的能量采集装置。

图5描述了可用于本发明的能量采集器的多个可弯曲衬底和负荷结构。

图6描述了可用于本发明的能量采集器的若干可弯曲衬底和负荷结构。

图7A和图7B描述了采集器的一个实施例，其中箱体内支持不同跨度的可弯曲衬底。

具体实施方式

现在转向图形细节，图1描述了根据本发明一个实施例的能量采集器10的剖视图。采集器的形状不重要；其可以是圆柱体、长方体、或者任何可以容纳各种采集器元件的其它三维形状。

采集器10包括箱体20，箱体20上加工有相对槽口22。从槽口22伸出的是可弯曲衬底30。为将可弯曲衬底30保持在箱体20内，靠近衬底两端安置限位器32。设计限位器32的尺寸，使其比箱体槽口22大。从而，即使可弯曲衬底的位置不固定(即，其可在箱体20内自由运动)，它也不会从箱体中跑出来。

根据可弯曲衬底30的期望弯曲刚度，多种材料可供选用。典型材料包括但不限于可弯的金属材料(如铜合金与不锈钢)和聚合材料(如PVC)。可弯曲衬底具有细长的、薄垫片般的形状，以及根据所选材料、采集器总体尺寸和可弯曲衬底的期望弯曲刚度而选定的厚度。在某种程度上，该期望弯曲刚度由采集器的应用环境决定，强振动环境相比弱振动环境一般使用较高的弯曲刚度。

可弯曲衬底30一面是压电元件40。压电元件40可以从任何可产生足够运转所选装置(比如传感器)的电能的压电材料中选出。合适的压电材料一般有压电陶瓷材料，如锆钛酸铅(PZT)和掺镧锆钛酸铅(PLZT)。电极图形涂覆在压电元件40外表面；电极材料从导电材料中选择，如金、银、镍、和导电聚合物(如导电环氧衍生物)。本领域已知的用于电子封装的各种引线接合工艺都可用于接合电极。接合点一般用材料(如环氧树脂)加强，以避免引线疲劳，并在采集器操作期间保护引线与电极之间的连接免于破坏或分离。

可弯曲衬底30的另一面是静负荷50。由负荷50提供的动量提高了箱体20对可弯曲衬底30的接触与碰撞。例如，如果能量采集器10安置在轮胎内，以求为压力传感器提供动力，轮胎的振动加上旋转使得具有压电元件40和静负荷50的可弯曲衬底30接触箱体20，并致使衬底30在槽口边缘碰撞箱体。当可弯曲衬底30弯曲时，力施加在所附着的压电元件40上，引起能量产生。一般地，该交变电流输出送到整流器，转化为直流，并且存储在电容器中，为有关装置提供动力。

由于可弯曲衬底30和箱体20之间的碰撞，能量采集器10具有频谱变换能力。由碰撞所引起的接触力一般以跟随有振荡的尖锋为特征。采集器10的设计导致甚低频激励引起采集器振荡；振荡导致可弯曲衬底30和箱体槽口22之间发生碰撞。碰撞将高频振动激励引入可弯曲衬底，使得更多能量可由压电元件产生。此过程称为“频谱变换”。

在旋转的轮胎环境中，振动频谱包括两部分：来自轮胎旋转的低频部分和来自轮胎随机振动部分。前者一般低于20Hz，且其能量随交通工具速度增加而增加。后者是白噪声，与交通工具速度无关。采集器10的设计使得两种类型的振动能量都能转化为电能。

为了使损害压电元件40的可能性最小，可选择地，由弹性材料(如弹性聚合物，例如橡胶)制造的箱体限位器60可以安置在箱体20内。箱体限位器60可以包括如图3所示的半球部分62，以进一步缓冲衬底/压电元件/静负荷结构和箱体之间的接触。

为了进一步保护压电元件40免受诸如衬底30过大变形和与箱体20或箱体限位器60直接接触的损害，图2描述了一个候选实施例。在图2的实施例中，可弯曲衬底30两面安置着一对静负荷52，并由窄连接器54连接(从而将对可弯曲衬底30的刚度的影响降至最小)。

如图5和图6所示，可以有多个可弯曲衬底30和压电层40与静负荷52相结合，以增加由该装置所采集的能量。可弯曲衬底30的边缘包括伸出的限位器34(由衬底自身的一部分制成或与衬底接合)，以避免衬底通过箱体槽口22从箱体20内部跑出来。为减少结构的总体弯曲刚度，每个塞块70与单个衬底30的接合都留有足够的间距，以容许可弯曲衬底30相对运动。塞块70由具有低摩擦系数的材料制成，或包覆有低摩擦系数材料(如PTFE)。该塞块为可弯曲衬底提供额外的碰撞点，以辅助可弯曲衬底30的弯曲。如果具有压电元件40的可弯曲衬底30通过连接器54接合在一起，他们将同相变形，形成紧凑的装置，与具有单个可弯曲衬底/压电元件的装置相比可产生更多能量，但没有同时使用多个装置的复杂性且不增加额外的重量。

如图4所示，振动源可以通过支撑杆180直接连接到可弯曲衬底130。这里，箱体120还充当静负荷，使得该箱体和可弯曲衬底130之间的相对运动使压电元件140发生变形以产生能量。箱体120包括槽口122，可变形衬底130包括限位器132，以避免其从箱体跑出来。箱体进一步包括槽口128，以允许杆180和箱体120之间的相对运动。可选择地，可以包括限位器170，以缓冲箱体和可弯曲衬底/压电元件组合之间的接触。注意，如图5和图6所示，多个可弯曲衬底/压电材料组合可以接合在一起，以产生更大能量。将箱体用作负荷可以减小能量采集器的总体重量，并减小能量采集器的总体尺寸。

图7A和图7B描述了一种能量采集器210，其中提供了多个可弯曲衬底230，每个可弯曲衬底具有不同的跨度。通过提供具有不同跨度的可弯曲衬底230，采集器210的总体响应频率范围增加了。注意尽管图7描述了附着于可弯曲衬底230的压电元件240和静负荷250，多个跨度衬底的应用不限于该配置。多种跨度可弯曲衬底的使用还可以用于箱体自身充当静负荷的实施例(如图4所描述的那样)。另外，对每个跨度，多个可弯曲衬底可以接合在一起，如图5和图6所描述的那样。

本发明适用于各种工业应用。该能量采集器可以安置在旋转的轮胎内，为压力传感器提供动力，该压力传感器向远距安置的接收器发送轮胎气压信息。对于交通工具应用，这种接收器安置在该交通工具的其它地方，以使轮胎气压信息可以被该交通工具的操纵者看到。然而，本发明不限于包括旋转的振动源。例如，该能量采集器可用于为高振动环境中的部件(例如，航空器机翼、动力设备)上的应变测量器提供动力，以使该应变测量器向监控场所发送应变信息。

应当理解，尽管上述发明通过各种实施例进行描述，其它实施例也在本发明及其等价物的范围之内，本发明的范围在随附的权利要求中标明。

Claims

1.一种能量采集装置，包括：

具有相对槽口的箱体；

可弯曲衬底，至少一部分安置在该箱体内，至少一部分通过该相对槽口伸出；

安置在该可弯曲衬底上的压电元件；

与该可弯曲衬底相配合的静负荷；

安置在伸出箱体的该可弯曲衬底的每一端的限位器，对该限位器进行配置，以保持部分可弯曲衬底在箱体内，使得可弯曲衬底可在箱体内自由运动，其中可弯曲衬底和箱体之间的碰撞引起可弯曲衬底与压电元件一起弯曲，从而产生能量。

2.根据权利要求1的能量采集装置，其中，所述静负荷附着于可弯曲衬底。

3.根据权利要求2的能量采集装置，其中，一对静负荷通过连接器附着于可弯曲衬底两面。

4.根据权利要求1的能量采集装置，其中，所述可弯曲衬底和压电元件包括接合在一起的多个可弯曲衬底和压电元件。

5.根据权利要求1的能量采集装置，进一步包括，安置在箱体内的一个或多个箱体限位器，以缓冲具有压电元件的可弯曲衬底和箱体之间的碰撞。

6.根据权利要求1的能量采集装置，其中，所述限位器由可弯曲衬底的弯曲部分形成。

7.根据权利要求1的能量采集装置，进一步包括支撑杆，其通过箱体的开口将可弯曲衬底连接到振动源。

8.根据权利要求1的能量采集装置，进一步包括多个可弯曲衬底，每个可弯曲衬底具有不同的跨度。

9.一种能量采集装置，包括：

具有相对槽口的箱体；

安置在该可弯曲衬底上的压电元件；

安置在伸出箱体的该可弯曲衬底的每一端的限位器，对该限位器进行配置，以保持部分可弯曲衬底在箱体内，使得可弯曲衬底可在箱体内自由运动，其中可弯曲衬底和箱体之间的碰撞引起可弯曲衬底与压电元件一起弯曲，从而产生能量，其中该箱体充当能量采集装置的静负荷。

10.根据权利要求9的能量采集装置，进一步包括支撑杆，其通过箱体的开口将可弯曲衬底连接到振动源。

11.根据权利要求9的能量采集装置，其中，所述可弯曲衬底和压电元件包括接合在一起的多个可弯曲衬底和压电元件。

12.根据权利要求9的能量采集装置，进一步包括多个可弯曲衬底，每个可弯曲衬底具有不同的跨度。

13.一种采集振动能量以产生电能的方法，包括：

安置权利要求1的能量采集装置和振动能量源相接触；

收集由该能量采集器所生产的电能；

向传感器提供所收集的电能，以为该传感器提供动力。

14.根据权利要求13的采集振动能量的方法，其中，所述振动能量源是旋转的轮胎。

15.根据权利要求13的采集振动能量的方法，其中，所述传感器是轮胎气压传感器。

16.一种采集振动能量以产生电能的方法，包括：

安置权利要求10的能量采集装置和振动能量源相接触；

收集由该能量采集器所生产的电能；

向传感器提供所收集的电能，以为该传感器提供动力。

17.根据权利要求16的采集振动能量的方法，其中，所述振动能量源是旋转的轮胎。

18.根据权利要求17的采集振动能量的方法，其中，所述传感器是轮胎气压传感器。