CN103973160A - 压电发电机 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了包括多个压电元件在内的离子环、包括离子环的压电设备、以及包括离子环的压电发电机和并入了压电发电机的主机设备。压电发电机可以用于在便携式电子设备上响应于机械形变来生成能量。所生成的能量可以用于取代便携式电子设备的电池,或可以用于对电池充电。
Description
技术领域
本申请涉及压电发电机,且具体地涉及压电发电机及相关设备。
背景技术
在便携式电子设备的设计中,电池和其它电源组或便携式能量源是重要的考虑因素。由于在设备变得更小且更轻的同时,在使用能量密集硬件(例如,触摸屏和多核心中央处理器)的情况下能耗持续增加,因此向便携式电子设备提供必要功率的挑战是持续需求的,这对于要类似更小且更轻的所有类型和设计的电池产生了压力。对更小且更轻电池的使用通常导致降低的能量密度,引起在充电之间的降低的电池寿命,导致需要更频繁的充电。从而,依然存在对用于向便携式电子设备供电的增强解决方案的需要。
附图说明
图1A是示出了阴离子和阳离子组件的五偶极子压电晶体的示意图,其中,压电晶体处于未致动(unactuated)状态。
图1B是示出了阴离子和阳离子组件的图1A的五偶极子压电晶体的示意图,其中,压电晶体处于致动(actuated)状态。
图1C是示出了压电晶体的示例几何构造的五偶极子压电晶体的示意图。
图1D是示出了压电晶体的示例几何构造的三偶极子压电晶体的示意图。
图2是根据本公开的示例实施例的压电设备的示意图。
图3A是根据本公开的一个示例实施例的并入了图2的压电设备的压电设备的示意图。
图3B是根据本公开的另一个示例实施例的并入了图2的压电设备的压电设备的示意图。
图4是图3B的压电设备的横截面图。
图5A是根据本公开的一个实施例的压电线缆的横截面图。
图5B是根据本公开的另一个实施例的压电线缆的横截面图。
图6A~6C是根据本公开的各种实施例的压电线缆的分解图。
图7是根据本公开的示例实施例的压电发电机的电路图。
图8是适用于执行本公开的示例实施例的电子设备的组件的简化框图。
具体实施方式
本公开提供了包括在压电发电机中使用的多个压电元件在内的离子环、包括离子环在内的压电发电机、以及包括压电发电机在内的相关设备。压电发电机可以用于在便携式电子设备上响应于(弹性)机械形变来生成电能。换言之,压电发电机将机械能(例如,施加的力或应力)转换为可以由便携式电子设备所使用的电能。压电发电机提供了针对电池的备选,作为便携式电子设备上的电源。压电发电机可以用于向便携式电子设备的电池或其它电源组充电,或可以提供由便携式电子设备的电子组件消耗的功率,或这二者。
根据本公开的一个方案,提供了一种压电设备,包括:具有多个偶极子的压电元件,其中,所述偶极子被布置为使得:在所述压电元件的未致动(unactuated)状态下,由所述压电元件的偶极子形成零偶极矩,在由力引起的所述压电元件的致动(actuated)状态下,由所述压电元件的偶极子形成净偶极矩。所述压电设备还可以包括位于所述压电元件附近的一对电极,用于传导(或接收)由所述压电元件的偶极子形成的净偶极矩所产生的电流。
根据本公开的另一方案,提供了一种压电发电机,包括:压电设备,包括:具有多个偶极子的压电元件,其中,所述偶极子被布置为使得:在所述压电元件的未致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成零偶极矩,在由力引起的所述压电元件的致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成净偶极矩;以及位于所述压电元件附近的一对电极,用于传导(或接收)由所述压电元件的偶极子形成的净偶极矩所产生的电流;以及连接到所述压电设备的能量采集电路,用于捕获并存储由所述电流提供的电能。
可以将压电设备嵌入在便携式电子设备的外壳中。在整个外壳中,所述压电元件可以被布置为阵列或网格结构。压电设备可以被嵌入在便携式电子设备的按键、触摸屏、蜂鸣器或扬声器处或附近。
压电设备可以是由以堆叠结构布置的多个离子环构成的压电线缆,其中,每个离子环包括多个压电元件,所述多个压电元件容纳在介质衬底中,且压电元件在介质衬底中以环形结构布置,且压电元件彼此等距间隔。压电线缆嵌入在可以携带或佩带的物品中。压电线缆嵌入在数据和/或电源线缆或线中。
根据本公开的另一方案,提供了一种离子环,包括:容纳在介质衬底中的多个压电元件,其中,压电元件在介质衬底中以环形布置,且在环形布置中彼此等距间隔,每个压电元件具有多个偶极子,其中,所述偶极子被布置为使得:在所述压电元件的未致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成零偶极矩,在由力引起的所述压电元件的致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成净偶极矩。所述离子环还可以包括位于所述压电元件附近的一对电极,用于传导(或接收)由所述压电元件的偶极子形成的净偶极矩所产生的电流。
现在将参考通过示例示出了本公开的示例实施例的附图。为了说明的简单和清楚,可以在附图之间重复附图标记,以指示对应或相似的元素。阐述了大量细节,以提供对本文所述示例实施例的理解。可以在没有这些细节的情况下实现示例实施例。在其他实例中,并未详细描述众所周知的方法、过程、和组件,以避免使得所述示例实施例含糊。不应将本描述视为限制了本文所述的示例实施例的范围。
图1A和1B以示意形式示出了根据本公开的示例实施例的压电元件100。压电材料包括(但不限于)晶体和陶瓷。压电晶体的示例包括石英(SiO2)、块磷铝矿(AlPO4)、磷酸镓(GaPO4)、电气石、黄玉、罗谢尔盐、蔗糖。压电陶瓷的示例包括钛酸钡(BaTiO3)和锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3)(即“PZT”)。当对压电材料施加力(例如,机械应力,例如(弹性)机械形变)时,压电材料生成电势差(即,电压)。由压电材料生成的电压取决于压电材料的分子结构和所施加的力。当正确连接到电路(例如,能量收集电路)时,电压可以用于产生电流或电荷流动(电压和电流与电能和电功率相关)。
压电元件100是压电晶体,具体地是包括具有正(阳离子)组件120和负(阴离子)组件130的形式的多个(在本上下文中,数目可以是2或2以上的整数)离子组件在内的多晶体。在阳离子组件120和阴离子组件130之间创建具有偶极矩的偶极子110。偶极矩是在压电元件100中正和负电荷的分离的度量(压电元件100的整体极性的度量)。在图1A和1B中,将每个偶极子110表示为在多晶体中心的阳离子组件和环绕中心处阳离子组件的阴离子组件之间的箭头。在其他实施例中,可以反转离子组件的极性。与每个偶极子定向(orient)在相同方向上的单晶体不同,多晶体的偶极子各自定向在不同方向上。如本领域技术人员所意识到的:将偶极子110定向的方向称为其极化轴(poling axis)。
图1A示出了在没有施加力的情况下处于静止的压电元件100。图1B示出了正在经历由力(例如,压缩力“F”)引起的弹性形变的压电元件100。在图1A的未致动状态(静止状态)下,偶极子110的极化使得各个偶极子110彼此抵消,导致为零的偶极矩(或为零的净偶极矩)(其可以包括可忽略的偶极矩以及精确为零的偶极矩)。在未致动状态下的压电元件100的平衡状态可以自然发生或通过对多晶体施加热量和一个或多个强电场来创建。热量允许多晶体的分子更自由地移动,且一个或多个电场引起多晶体中的偶极子110列队,以在相应电场的方向上对齐。在其他示例中,可以预期的是:压电元件100可以具有在未致动状态下的正或负的净偶极矩。
当对压电元件100施加力(例如,机械应力)时,偶极子110的位移发生,且压电元件100从未致动状态变至致动状态。偶极子110的位移由压电元件100的分子结构(例如,晶体结构)中的阳离子和阴离子的非对称偏移所引起,这打破了偶极子110的平衡状态,并导致净偶极矩。在图1B所示示例的致动状态下,在压电元件100的上部中的偶极子110之间的空间响应于压缩力“F”而压缩,同时在压电元件100的下部的偶极子之间的空间响应于压缩力“F”而扩张。偶极子110的位移引起压电元件100的偶极矩从零至净偶极矩的改变,取决于所施加的力的类型和方向,该净偶极矩可以是正的或负的。该响应的底层原理被称为机械形变的极化感应。净偶极矩的方向取决于压电元件100的几何构造和力的位置与大小。
尽管出于解释的目的在图1A和B的示例中将所施加的力描述为压缩力,对压电元件100施加的力可以是压缩力、扩张或拉伸力、振动、扭力或任何其他力或引起偶极子110从未致动状态位移的任何其他类型的机械能。该力可以定向在二维空间或三维空间中的任何方向上。
如上所述,压电元件100在未致动状态下具有零偶极矩,且在致动状态下具有净偶极矩。在一些实施例中,该配置通过将压电元件100中的偶极子110定向为在未致动状态下非对称布置以使得偶极子110缺少对称中心(即,没有对称中心且没有反演对称)来实现。对于压电元件100中的任何偶极子110,当在距离压电元件100的中心的径向相对的相等距离处存在偶极子时,偶极子110具有对称中心。可以通过使用奇数个偶极子来提供偶极子110的非对称。在不打算被理论束缚的情况下,相信奇数个偶极子110将避免或降低所施加的力引起各个偶极子110彼此抵消从而导致零偶极矩的位移的可能性。还相信在一些示例中,具有奇数个偶极子110的压电元件100可以具有响应于机械形变的更大净偶极子,且可以不管从哪个方向对压电元件施加力都可以实现更大的净偶极子。当具有奇数个偶极子时,压电元件100可以具有3、5、或7个偶极子,或可能具有更多偶极子。在优选实施例中,压电元件100具有5个偶极子。
图1C示出了可以用于应用本公开的教导的五偶极子压电晶体的示例。五偶极子压电晶体一般是偶极子定向在不同方向上的五边形,且每个偶极子被定向为从压电晶体的中心到压电晶体的相应边或面。可以使用具有不同几何构造和/或不同偶极子定向的五偶极子压电晶体。
图1D示出了可以用于应用本公开的教导的三偶极子压电晶体的示例。三偶极子压电晶体一般是偶极子定向在不同方向上的三角形,且每个偶极子被定向为从压电晶体的中心到压电晶体的相应边或面。可以使用具有不同几何构造和/或不同偶极子定向的三偶极子压电晶体。
尽管在图1A和1B中的实施例示出的是具有五个偶极子,应当意识到:在其他示例实施例中,压电元件100可以具有不同数目的偶极子110。偶极子的数目可以取决于压电元件100的材料和结构。增加偶极子110的数目将增加偶极子密度。具有更多偶极子110的压电元件100可以导致响应于机械形变的更大净偶极矩。生成的压电的量取决于压电元件内偶极子的定向和偶极子密度、晶体/材料对称性、以及所施加的机械应力。因此,偶极子的数目并不独自确定哪个压电元件将生成更多电力。
尽管为了说明的目的而示出和描述了压电元件100的示例,偶极子的布置取决于包括(但不限于)以下各项在内的多个因素:压电元件的压电材料、压电元件的结构和/或制造压电元件的过程。
尽管在图1A和1B中以二维示出了压电元件100,在其他实施例中,压电元件100和偶极子110可以占据三维,并可以布置在三维空间中。
尽管为了示例的目的本文描述了在压电元件100中使用压电晶体,也可以使用其他压电材料。可以针对压电属性、硬度/软度、弹性、或任何其他属性或属性的组合来选择在给定实施例中使用的压电材料的类型。在一些示例中,可以对材料进行掺杂,以获得所需属性,例如材料的硬度/软度。
现在参见图2,现在将描述根据本公开的示例压电设备200。压电设备200包括具有多个偶极子的压电元件,例如上述压电元件100。如上所述,偶极子被布置为使得:在压电元件100的未致动状态下,由压电元件100的偶极子形成零偶极矩,且在由力引起的压电元件100的致动状态下,由压电元件100的偶极子形成净偶极矩。在所实施例中,压电元件100是图1C的五偶极子压电晶体。在其他实施例中,可以使用具有不同几何构造的五偶极子压电晶体,或在其他实施例中,可以使用具有不同数目偶极子的压电晶体或其它压电元件。
压电设备200还包括定位在压电元件100附近的一对电极,以传导(或接收)由压电元件100的偶极子形成的净偶极矩所产生的电流。一般而言,当电极处于用于传导可以生成的电流或可以穿过压电元件100的电流的位置上时,电极可以定位在压电元件100附近。在典型实施例中,压电元件100可以响应于从一个或多个方向施加力来进入致动状态,产生正或负的净偶极矩,并由此生成电压和电流。在所示示例中,该对电极由连接到压电元件100的阳离子组件120的第一电极210(例如,正电极)和连接到压电元件100的阴离子组件130的第二电极220(例如,负电极)来提供。电极经由激光焊接、粘接、沉积、蚀刻、或任何其他合适的技术连接到压电元件100的阳离子组件120和阴离子组件130。用于将电极粘接到压电元件100的阳离子组件120和阴离子组件130的合适粘接材料的示例包括氰基丙烯酸盐粘合剂(cyanoacrylate)和双组分环氧树脂(two part epoxies)。
如果压缩压电元件100,与极化电压相同极性的电压将出现在电极210、220之间。如果拉伸压电元件100,则与极化电压相反极性的电压将出现在电极210、220之间。
图2示出了第一电极210位于压电元件100的中心处或附近的实施例。第一电极210可以是棍形或其它形状,例如圆柱形或圆锥形。第二电极220环绕压电元件的外侧。第二电极220是五边形形状,以对应于所示实施例中的压电元件100的形状。第二电极220可以包括以五边形形状配置的五个片,这五个片是电连接或耦合的。备选地,第二电极220可以实现为针对每个偶极子的单独电极(例如,在所示实施例中的五个电极)。在该备选中,第一电极210可以类似地实现为针对每个偶极子的单独电极(例如,在所示实施例中的五个电极)。如果使用具有不同几何构造的压电元件,则应当改变第二电极220的配置,以对应于压电元件100的形状。
图3A示出了根据本公开的一个示例实施例的并入了图2的压电设备200的压电设备300。压电设备300包括容纳(例如,嵌入)在介质衬底310内的多个压电元件100。介质衬底310是合适的非传导(即,电绝缘)材料,其示出了由压电设备200生成的电流,如下所述。介质衬底310被选择为响应于所施加的力而发生弹性形变。在所实施示例中,压电元件100是压电设备200的每个部分。在其他实施例中,可以使用具有不同数目偶极子或不同几何或结构构造的不同压电元件。
压电元件100在介质衬底310中以类环形状环形布置,以形成包括多个压电元件在内的离子环(或压电环)340。当压电元件是压电晶体时,离子环340提供压电晶体的圆形阵列。应当意识到:离子环340是由压电元件100限定的压电设备300的功能区域,而不是结构。压电元件100优选地彼此等距间隔,以提供更均匀的分布,以更均匀地对所施加的力进行接收和反应。在所示实施例中,压电设备300具有圆形碟的形状,其补充了压电元件100的环形布置,并与压电元件100之间的相等间隔进行合作,以更均匀地对所施加的力进行接收和反应。
在所示实施例中,压电设备300包括三个压电设备200/压电元件100,因此压电设备200/元件100在环形结构中彼此间隔120度。在其他实施例中可以使用不同数目的压电元件;然而,为了压电设备300的效果,通常包括不少于三个压电元件100。增加压电元件100的数目将增加偶极子110的数目,并由此增加了偶极子密度。如上所述,具有更多偶极子110可以导致响应于机械形变的更大净偶极矩,其可以进而增加由压电设备300产生的并可用于捕获或收集的能量。
相信在环中布置多个压电元件100避免或降低了所施加的力引起各个偶极子110彼此抵消从而导致零偶极矩的位移的可能性。这允许不管引起形变的力的位置或方向如何,都能在压电设备300中通过机械形变来生成电势。这些力可以包括相对于压电设备300的任何方向上的力,包括但不限于:轴向力、径向力、切向力或它们的任意组合。
尽管已描述了在压电设备300中使用的具有压电元件100的压电设备200的示例,在其他实施例中可以使用具有不同配置的其它压电设备和压电元件。压电设备300可以例如具有包括不同压电元件的压电设备。压电元件可以在压电材料、偶极子的配置和/或数目方面不同。
图3B是根据本公开的另一示例实施例的并入了图2的压电设备200的压电设备320的示意图。图3B以横截面形式示出了压电设备320。压电设备320类似于压电设备300,但是包括连接到每个压电设备200中的电极对的中心导体330。导体330包括用于连接到每个压电设备200的第一电极210的第一导体330A(例如,正导体),其进而连接到每个压电元件100的阳离子组件120。导体330还包括用于连接到每个压电设备200的第二电极220的第二导体330B(例如,负导体),其进而连接到每个压电元件100的阴离子组件130。
第一导体330A和第二导体330B使用电子连接器(未示出)分别连接到第一电极210和第二电极220。电子连接器可以是任何合适的电子连接器,例如电线或柔性印刷电路板(PCB),且可以以任何合适方式来连接。电子连接器可以是第一导体330A或第二导体330B,或是第一导体330A或第二导体330B的一部分(例如,电子连接器可以是分别与第一导体330A和第二导体330B整体形成的)。在这种实施例中,第一导体330A和第二导体330B可以是将第一电极210和第二电极220连接到能量收集电路(如下所述)的电线或导线。如果针对压电元件100中的每个偶极子提供单独电极,则应当针对每个电极对使用单独导体和连接器,而不是单一导体330。
现在参见图4至5B,将描述根据本公开的一个实施例的压电线缆或电线。压电线缆包括来自图3A或3B的压电设备的以堆叠结构布置的多个离子环。图4示出了图3B的压电设备320沿着线IV-IV的横截面图,其示出了中心导体330和由环绕中心导体330的压电元件100提供的离子环340。
图5A示出了根据本公开的一个实施例的以堆叠结构布置并嵌入在介质衬底310中以形成压电线缆500的多个离子环340。介质衬底310提供了压电线缆500的鞘。在所示实施例中,离子环340串联,且在每个离子环340的中心处有分离的导体330。不同离子环340的导体330经由合适的电子连接器相连,例如电线或互联。离子环340被连接为使得第一电极210(正电极)串联且第二电极220(负电极)串联。第一导体330A担当正电子连接器,且第二导体330B担当负电子连接器。尽管图5A中的离子环340可以表现为彼此紧邻,压电碟设备通常彼此分隔,以提供用于压电设备200和导体330A、330B之间的各种连接器和互联的容限。
图5B示出了根据本公开的一个实施例的以堆叠结构布置并嵌入在介质衬底310中以形成压电线缆520的多个离子环340。压电线缆520类似于压电线缆500,只是显著的区别在于:将单一中心导体530用于连接到离子环340,而不是多个分离的导体330。类似于上述实施例,中心导体530具有担当正电子连接器的第一导体(未示出)和担当负电子连接器的第二导体(未示出)。
在其他实施例中,不是介质衬底310提供压电线缆的鞘,而可以为压电线缆提供单独的鞘,以保护线缆免受损害。在这种备选实施例中,来自图3B的压电碟设备320可以堆叠且与上述实施例类似地连接到离子环340,且可以向堆叠压电碟设备320的外部施加该鞘。
尽管将图5A和5B中的压电线缆示出为具有六个离子环340,可以预期的是:在商用实施例中将提供多得多的离子环340,以增加捕获的能量的量。可以预期的是:可以使用任何数目的离子环340并将其串联,以形成压电线缆。还可以预期的是:至少一些离子环340可以并联,以向主机设备提供多于一个电源(例如,一个源可以向传感器或设备供电,而另一个源可以用于向另一个传感器或设备供电,或对电池充电)。还可以预期的是:压电线缆中的离子环340的长度和/或数目可以针对具体应用或功率生成要求来调整。
图6A是根据本公开的一个实施例的压电线缆的分解图,其示出了三个相邻的离子环340。以类似于图1A和1B的离子形式示出了压电元件100。在该实施例中,压电线缆中的每个离子环340在以下方面实质上相同:每个离子环340具有的相同类型、数目和布置的压电元件100。将离子环340对齐,使得在堆叠时相邻离子环的压电元件100彼此相对(例如,在旁边)。
图6B是根据本公开的另一个实施例的压电线缆的分解图,其示出了三个相邻的离子环340。以类似于图1A和1B的离子形式示出了压电元件100。该压电线缆大体上类似于图6A所示的压电线缆,只是显著区别在于:离子环340被偏移、旋转、交错、或以其它方式定位,使得相邻离子环中的压电元件100不对齐。可以预期的是:压电元件100的交错布置可以不管形变的方向或大小如何而增强对压电线缆的形变的电子响应。
图6C是根据本公开的另一实施例的压电线缆的分解图,其示出了三个相邻的离子环340。以类似于图1A和1B的离子形式示出了压电元件100。在本实施例中,相邻离子环中的压电元件100在压电元件100的类型、数目和/或布置方面不同。例如,在所示实施例中,离子环340可以具有3、5或7个压电元件。可以预期的是:伪随机或其它方式不同的相邻离子环可以不管形变的方向或大小如何而增强对压电线缆的形变的电子响应。
尽管将上述实施例中的离子环和压电线缆示出为具有圆形横截面,可以使用其他形状和布置。
现在参见图7,将描述根据本公开的示例实施例的压电发电机700的能量收集电路图。响应于由所施加的力引起的机械形变,压电发电机700从压电元件100提取能量。压电发电机700包括一个或多个压电设备,例如压电设备200、300或320或压电线缆500或520。可以预期的是:压电设备的数目和/或大小可以针对具体应用或功率生成要求来调整。
压电发电机700还包括整流器710,因为取决于所施加力的方向和后续机械形变,压电设备可以产生在任一方向上的电流。整流器710允许不管电流的方向如何而提取电能。可以基于压电设备所生成的电能和正在向其提供直流(DC)电流的负载等若干因素来选择合适的整流器710。取决于实施例,整流器710可以例如是半波或全波整流器。整流器710输出DC电流,该DC电流传递至存储电容器720。
存储电容器720通常是超级电容器(supercapacitor),也被称为超电容器(ultracapacitor)或双层电容器,其与常规电容器的不同之处在于其具有非常高的电容。超级电容器力求至少临时取代主机设备(在该主机设备中,并入了压电发电机700)的电池功能或至少临时补充电池。与电化学反应相反,电容器借助静电来存储能量。在超级电容器的正和负片上施加电压电势的DC电流对超级电容器充电。超级电容器的优点是其具有比电池可以提供的更多充电和放电循环。与电池相比,超级电容器的其它优点是高功率密度、高循环效率、更长的寿命、以及更低的使用材料毒性。
比较器(未示出)可以用于确定存储电容器720何时已存储了起始阈值水平能量。当已存储了起始阈值水平能量时,存储电容器720可以用于至少临时替代主机设备的电池功能或至少临时补充电池,直到已将存储电容器720中存储的能量耗尽到关机阈值水平能量。
应当将起始阈值设置为避免、最小化或至少降低在系统从零存储能量开始运行时可能发生的冷启动。如果系统在其一旦收集到足够能量时开始启动,有可能在启动之后短时间内耗尽该能量,强制系统重置并重复无用的启动尝试的循环。启动阈值水平能量的使用允许延迟启动压电发电机700,直到已收集到充足的能量。应当针对最小化时延的需求来平衡该启动阈值水平。
向DC-DC转换器730发送存储电容器720的输出。DC-DC转换器730是用于将来自存储电容器720的处于一个电压电平的DC电流转换为负载740的电压电平的一类功率转换器。尽管未示出,可以使用电压稳压器来降低向负载740发送的电压的变化。
负载740取决于其中并入了压电发电机700的主机设备。当主机设备是便携式电子设备时,负载740可以是一个或多个设备组件,例如传感器、输入设备、输出设备、电池接口、或耦合到电池接口的充电电路。在这种实施例中,在便携式电子设备的外壳(外部或内部)中嵌入压电设备,例如便携式电子设备的外部外壳。压电发电机700的控制电路可以在便携式电子设备之内,其中,保护压电发电机700的控制电路以避免来自用户交互等的损害。在便携式电子设备的外壳或其它嵌入的衬底中,压电设备或压电设备的组合可以被布置为使得压电元件100形成直线阵列或网格结构。该阵列或网格结构提供了具有大的覆盖面积的压电元件100的相对均匀分布。
当压电发电机700包括多于一个压电设备,压电设备串联以对来自压电设备的电流求和。然而,在对能量收集电路的必要调整的情况下,至少一些压电设备可以并联,以向主机设备提供多于一个功率源(例如,一个源可以向传感器或设备供电,而另一个源可以用于向另一传感器或设备供电或对电池充电)。压电发电机700可以被配置为同时(例如,当一些压电设备并联时)或交替地向一个或多个设备组件供电,这取决于压电发电机700的能力和压电发电机700的控制电路等若干因素。
当压电发电机700的压电设备嵌入在便携式电子设备的外壳中时,在压电设备在包、口袋或人手中携带时,压电设备可以从施加的力(例如,机械应力、应力或设备的振动)来生成电能。
电能还可以通过与便携式电子设备的用户交互来生成,例如键入或敲击按键或触摸屏、挤压便携式电子设备、或由蜂鸣器或扬声器引起的振动。为了方便对来自这种源的能量的收集,可以将压电设备定位在触摸屏、键盘、按钮、扬声器或蜂鸣器的附近,以更好地捕获与同这些设备组件的交互相关联的机械能。可以将不同的压电设备定位在便携式电子设备的外壳的不同区域中,以捕获来自便携式电子设备的不同区域或组件的机械能。
压电发电机700可以被并入不同于便携式电子设备的其它物体中,以从运动或对这些物体施加的机械力来生成电能。在一个示例中,可以在鞋的鞋底等中嵌入一个或多个压电线缆,以捕获来自用户行走的机械能,且负载740可以是并入在鞋等中的传感器、控制接口、输入设备或输出设备。
在另一示例中,可以将一个或多个压电线缆编织到用于制造物品(例如,衣服、包、手表、鞋面、水瓶等)的织物中,以捕获在穿戴或携带物品的人员移动时引起的机械能,且负载740可以是并入在物品中的传感器、控制接口、输入设备或输出设备。
在另一示例中,可以将一个或多个压电线缆编织或以其它方式并入帐篷、雨伞或其它野营用品中,以捕获由风或运动或其它源引起的机械能,且负载740可以是帐篷或雨伞中的集成照明、或并入在其它野营用品中的传感器、控制接口、输入设备或输出设备。
在又一示例中,可以将一个或多个压电线缆并入数据和/或电源线或线缆。线或线缆可以是用于头戴式耳机组的音频线缆、用于电子设备的电源线(例如电子剪草机、真空吸尘器或灯串(例如,圣诞灯饰))、数据线缆(例如,USB(通用串行总线)线缆、HDMI(高清多媒体接口)线缆)、电话线、或任何其他合适的线缆。这些线或线缆上的运动或机械应力引起的机械能可以被捕获并存储,以对线或线缆(灯串)的负载提供补充功率,或者负载可以是与线或线缆相连的设备或该设备的一部分。
压电发电机700的压电电量取决于压电元件的数目、压电材料的类型、机械形变的量和类型、激励的频率、以及负载电阻等因素。
接下来参考示出了可以应用本公开所述的示例实施例的便携式电子设备800(为了方便,下文中仅称为电子设备800)的图8。下面描述的电子设备800具有无线通信能力;然而,可以预期的是:可以将本公开的教导应用到没有无线通信能力的设备。电子设备800的示例包括(但不限于):移动电话、智能电话或超级电话、平板计算机、笔记本计算机(取决于设备能力,也被称为膝上型计算机、上网本或超级本计算机)、无线组织器、个人数字助理(PDA)、电子游戏设备、特殊用途数字相机(其能够支持静止图像和视频图像捕获)、导航设备(例如,全球定位系统导航器)、遥控器和数字音频/视频播放器。这种设备可以是手持的,即具有被人手所握住并携带且在握住或携带时使用的大小或形状。
电子设备800包括容纳电子设备800的电子组件的外壳(未示出)。电子设备800的电子组件被安装在印刷电路板(未示出)上。电子设备800包括至少一个处理器802,例如控制电子设备800的整体操作的微处理器。通过通信子系统804来执行包括数据和语音通信在内的通信功能。由电子设备800接收的数据可以由解码器806来解压缩和解密。通信子系统804从无线网络801接收消息并向无线网络801发送消息。无线网络801可以是任何合适类型的无线网络。
处理器802与其他组件交互,例如一个或多个输入设备805、随机存取存储器(RAM)808、只读存储器(ROM)810、显示器812(例如,液晶显示器(LCD))、持久性(非易失性)存储器820(持久性(非易失性)存储器820可以是高速可擦除可编程只读存储器(EPROM)存储器(“闪存”)或任何其他合适形式的存储器)、压电发电机700、使得处理器802能够在任何恰当的时间(例如,当捕获图像时)确定电子设备800是否处于运动中以及任何所感测到的运动的性质的运动传感器880、使得处理器802能够在任何恰当的时间(例如,当捕获图像时)确定电子设备800指向哪个方向的定向传感器882、使得处理器能够在任何恰当的时间(例如,当捕获图像时)确定电子设备800的GPS坐标(即,位置)的全球定位系统(GPS)设备884、辅助输入/输出(I/O)子系统850、数据端口852(例如,串行数据端口(例如,USB数据端口))、扬声器856、麦克风858、短距通信子系统862、以及统称为864的其它设备子系统。电子设备800的组件经由在各种组件之间提供通信路径的通信总线(未示出)耦合。
显示器812通常包括可以显示信息的显示区域和在显示区域的周界附近延伸的非显示区域。不在非显示区域中显示信息。非显示区域可以用于容纳例如在显示区域的边缘周围的电子迹线或电子连接、粘合剂或其它密封剂、和/或保护性涂层。
显示器812可以被提供为触敏显示器的一部分,该触敏显示器提供了输入设备805。显示器812与可操作耦合到电子控制器(未示出)的触敏覆盖(overlay)(未示出)一起构成了触敏显示器。
通过输入设备805来执行与GUI的用户交互。经由处理器802在显示器812上呈现并显示信息,例如文本、字符、符号、图像、图标、和其他项目。处理器802可以与定向传感器交互,以检测重力或由重力引发的反作用力的方向,以确定例如电子设备800的定向,以确定GUI的屏幕定向。
当显示器812被提供为触敏显示器的一部分时,可以通过在显示器812上显示的屏幕上用户界面元素,而不是物理界面组件或除了物理界面组件之外,来提供捕获按钮、缩放按钮和其它相机控制。取决于实施例,可以取代触敏显示器或除了触敏显示器之外来提供键盘。至少一些控制按钮可以是多用途按钮,而不是特殊用途或专用按钮。
处理器802在存储的程序控制下工作,并执行在存储器(例如在持久性存储器802中)中存储的软件模块875。如图8所示,软件模块875包括操作系统软件877和软件应用879。持久性数据885(例如,用户数据)也可以存储在持久性存储器820中。
软件模块875或其各部分可以临时加载到易失性存储器中,例如RAM808。RAM808用于存储运行中的数据变量和其它类型的数据或信息。尽管针对各种类型存储器来描述具体功能,这仅是一个示例,且还可以使用针对各类型存储器的不同功能指派。
电子设备800还包括作为电源的电池838,其通常是可以通过例如耦合到电池接口(例如串行数据端口852)的充电电路来充电的一个或多个可充电电池。电池838向电子设备800中的至少一些电子电路提供电功率,且电池接口836提供针对电池838的机械和电子连接。电池接口836耦合到稳压器(未示出),该稳压器向电子设备800的电路提供功率V+。
压电发电机700被至少部分包含在电子设备800的外壳中。尽管压电发电机700的控制电路可以被包含在外壳内,压电发电机700的压电元件100至少部分位于外壳的用于用户交互的部分中,即用于接收引起压电发电机700的压电元件100的机械形变的施加力的部分中。压电发电机700将施加的力转换为用于至少部分对电子设备100供电的电能。
压电发电机700连接到一个或多个设备组件,例如传感器(例如,运动传感器880或定向传感器882)、输入设备(例如,GPS设备884)、输出设备(例如,触摸屏显示器)、或电池接口836。取决于压电发电机700的能力和压电发电机700的控制电路等若干因素,压电发电机700可以被配置为同时或交替地向一个或多个这些设备组件供电。
压电发电机700可以连接到电池接口836,并被配置为经由恰当的充电电路,响应于压电发电机700的压电元件的机械形变向电池838充电,而不是直接向电子设备100供电。
接收信号(例如,文本消息、电子邮件消息、或网页下载)由通信子系统804来处理,并输入到处理器802中。处理器802处理接收信号,用于向显示器812输出和/或向辅助I/O子系统850输出。订户可以生成数据项目,例如电子邮件消息,其可以例如通过通信子系统804在无线网络801上发送。
可以在不脱离权利要求的主题的情况下以其他具体形式来体现本公开。应当在所有方面将所述示例实施例视为仅是说明性的,且不是限制性的。本公开意在覆盖并包含技术上的所有合适改变。因此本公开的范围由所附权利要求而不是前述描述来描述。权利要求的范围不应由示例中阐述的优选实施例来限制,而是应当给与其与该描述整体上一致的最广义的解释。
Claims (16)
1.一种压电设备,包括:
具有多个偶极子的压电元件,其中,所述偶极子被布置为使得:在所述压电元件的未致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成零偶极矩,在由力引起的所述压电元件的致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成净偶极矩;以及
位于所述压电元件附近的一对电极,用于传导由所述压电元件的偶极子形成的净偶极矩所产生的电流。
2.根据权利要求1所述的压电设备,其中,所述一对电极位于所述压电元件附近,以传导在所述压电元件处于致动状态时由所述压电元件的偶极子形成的净偶极矩产生的电流。
3.根据权利要求1或2所述的压电设备,其中,所述压电元件中的偶极子在未致动状态下是非对称布置的,使得所述偶极子缺少对称中心。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压电设备,其中,所述压电元件包括奇数个偶极子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的压电设备,其中,所述压电元件具有3个或3个以上偶极子。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的压电设备,其中,所述压电元件具有3、5、或7个偶极子。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的压电设备,其中,所述压电元件具有5个偶极子。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的压电设备,包括容纳在介质衬底中的多个压电元件。
9.根据权利要求8所述的压电设备,其中,所述压电元件位于所述介质衬底中的环形区域中,且在所述环形区域中彼此等距间隔,以形成离子环。
10.根据权利要求9所述的压电设备,包括以堆叠结构布置的多个离子环,以形成压电线缆。
11.根据权利要求10的压电电缆,其中,相邻的离子环在压电元件的类型、数目和/或布置方面不同。
12.根据权利要求10或11所述的压电设备,其中,所述压电环被布置为使得相邻离子环的压电元件不对齐。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的压电设备,其中,所述介质衬底响应于施加的力而弹性形变。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的压电设备,其中,每个压电元件单独连接到电极。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的压电设备,其中,所述压电元件是压电多晶体。
16.一种压电发电机,包括:
压电设备,包括:
具有多个偶极子的压电元件,其中,所述偶极子被布置为使得:在所述压电元件的未致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成零偶极矩,在由力引起的所述压电元件的致动状态下,由所述压电元件的偶极子形成净偶极矩;以及
位于所述压电元件附近的一对电极,用于传导由所述压电元件的偶极子形成的净偶极矩所产生的电流;以及
连接到所述压电设备的能量采集电路,用于捕获并存储由所述电流提供的电能。
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