ES2603576T3 - Dispositivo o actuador piezoeléctrico de recogida de energía - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo o actuador de recogida de energía piezoeléctrica que comprende un material piezoeléctrico sobre un sustrato, en el que dicho material piezoeléctrico se divide en una pluralidad de zonas discretas para proporcionar una pluralidad de elementos piezoeléctricos sobre el sustrato que están eléctricamente aislados entre sí, en el que los elementos se disponen a lo largo de la longitud de una barra en voladizo, caracterizado por que la capa piezoeléctrica se divide, o se divide adicionalmente, con un espacio de aislamiento que se extiende en la dirección longitudinal de la barra para una recogida de energía en modo(s) torsional(es) de vibración de la barra.
Description
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DESCRIPCION
Dispositivo o actuador piezoelectrico de recogida de energfa
La invencion se refiere a un dispositivo o actuador piezoelectrico de recogida de energfa y particularmente pero no exclusivamente se refiere a un dispositivo o actuador piezoelectrico de recogida en configuracion dimorfa.
Los materiales piezoelectricos se han usado en transductores para convertir esfuerzos mecanicos en cargas electricas para aplicaciones de captacion de ene^a. La recogida de energfa piezoelectrica en una configuracion denominada dimorfa es el enfoque mas popular, la cual extrae la energfa mecanica para la generacion de ene^a electrica. Los recogedores de ene^a piezoelectrica son frecuentemente voladizos en vibracion cubiertos con una capa de material piezoelectrico. El material piezoelectrico convierte los esfuerzos mecanicos, por ejemplo a partir de vibraciones ambientales, en una carga que puede alimentar un dispositivo electrico. Alternativamente dichos dispositivos pueden funcionar a la inversa para convertir energfa electrica en energfa mecanica o trabajo, por ejemplo en una aplicacion de motor o actuador. Tfpicamente, la longitud del voladizo en dichas disposiciones se cubre con un material piezoelectrico en una tira continua unica.
Los sistemas de recogida de energfa basados en las tecnologfas de conversion mecanica a electrica han atrafdo en los ultimos anos un interes considerable de la investigacion, particularmente para la alimentacion de sensores inalambricos. La investigacion ha implicado metodologfas de recogida de energfa basadas en tecnicas de transduccion que incluyen piezoelectrica, electromagnetica y electrostatica. De estas, la transduccion piezoelectrica se considera la tecnologfa mas prometedora en este campo y ha atrafdo una atencion de investigacion significativa dado que generalmente tiene una eficiencia de acoplamiento electromecanico mas alta y no requiere fuentes de tension externas en comparacion con otras tecnologfas. La transduccion piezoelectrica es particularmente atractiva en areas de aplicacion tales como los sistemas micro-electromecanicos (MEMS) y redes de sensores inalambricos (WSN). Las redes de sensores inalambricos tienen el potencial de proporcionar ventajas significativas en comparacion con metodologfas cableadas existentes en varios campos de aplicacion que incluyen: aplicaciones medioambientales, de salud, seguridad y militares debido a su flexibilidad, facilidad de implementacion y capacidad operativa en entornos operativos diffciles. Actualmente, la mayor parte de las WSN usan una batena, recargable o en otra forma, para la alimentacion lo que puede limitar su aplicacion debido a su alto coste, volumen, tamano y corta vida operativa. El desarrollo de fuentes de energfa a partir del ambiente (por ejemplo, para convertir la vibracion mecanica en electricidad) para alimentar los WSN o microsistemas ha atrafdo por lo tanto un creciente interes en los ultimos anos.
Un factor principal que impide una amplia aplicacion practica de los dispositivos de recogida de energfa piezoelectrica es la pequena cantidad de energfa que se genera por los materiales piezoelectricos conocidos. La actividad de investigacion reciente se ha dirigido hacia la mejora de la eficiencia de energfa y vida de los dispositivos de recogida de energfa piezoelectrica. Esto puede conseguirse mediante: el incremento del ancho de banda; sintonizando la frecuencia de resonancia del voladizo; seleccion de material(es) apropiado(s) tales como aquellos con una eficiencia de acoplamiento mas alta, y la mejora de los circuitos de conversion CA-CC. La estructura del dispositivo se ha reconocido como un factor clave que afecta a la eficiencia. Actualmente, la configuracion de barra en voladizo es la estructura mas popular para dichos dispositivos. Una configuracion en voladizo con un material piezoelectrico fijado a la parte superior o inferior del sustrato se considera actualmente la estructura optima para recogida de energfa en terminos de su simplicidad y buena eficiencia de acoplamiento. Las configuraciones de recogida de energfa de voladizos convencionales se basan en una placa o capa piezoelectrica continua. Sin embargo, los dispositivos de recogida conocidos basados en una barra en voladizo piezoelectrica funcionan predominantemente en movimientos/modos de vibracion de flexion. Esto es debido a que en los modos torsionales puros, las cargas generadas sobre la superficie de la estructura se categorizan en dos grupos, areas de carga positiva y negativa. Estas areas tienen la misma cantidad de carga con signos opuestos debido a la fuerza simetrica de la estructura de barra en voladizo en torsion. Asf la produccion electrica total a partir de la superficie de dispositivos de configuraciones conocidas en torsion sera cero dado que ambas areas positiva y negativa se cancelan entre sf, proporcionando una carga neta cero.
Existe por lo tanto un requisito de un dispositivo mejorado de recogida de energfa piezoelectrica, y/o consumo de energfa cuando esta en un modo de operacion inverso, motor/actuador.
El documento DE 10 2010 018875 divulga un dispositivo de recogida de energfa que tiene dos elementos piezoelectricos diferentes, o bien uno encima del otro o uno adyacente al otro a lo largo de una barra en voladizo, pero estos no se disponen lado con lado a lo largo de la longitud de una barra en voladizo.
El documento US 2007/0125176 divulga un dispositivo de recogida de energfa que tiene una pluralidad de barras en voladizo de diferentes formas y tamanos que tienen diferentes frecuencias naturales para la recogida de energfa a traves de un amplio espectro de frecuencias de excitacion y estando cada barra en voladizo separada de las restantes y resonando a frecuencias diferentes.
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El documento EP 2 109 058 se refiere principalmente a la sintoma de un dispositivo de captura piezoelectrica en donde la barra esta provista con actuadores de aleta lateral para alterar la geometna y por ello la rigidez y frecuencia de resonancia de la barra en modos de flexion para la operacion a lo largo de una banda de frecuencia mas ancha. La pila de captura piezoelectrica es continua y por lo tanto es incapaz de funcionar como un dispositivo de recogida de energfa en modos torsionales de vibracion.
De acuerdo con un aspecto de la presente invencion se proporciona un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica que comprende un material piezoelectrico sobre un sustrato, en el que dicho material piezoelectrico se divide en una pluralidad de zonas discretas para proporcionar una pluralidad de elementos piezoelectricos sobre el sustrato que estan electricamente aislados entre sf en el que los elementos se disponen a lo largo de la longitud de una barra en voladizo y en el que la capa piezoelectrica se divide, o se divide adicionalmente, con un espacio de aislamiento extendido en la direccion longitudinal de la barra para una recogida de energfa en modos torsionales de vibracion de la barra. En este sentido los presentes inventores han disenado una configuracion de recogida de energfa en voladizo dimorfa novedosa que comprende una capa segmentada de material piezoelectrico y una capa de sustrato. La capa segmentada proporciona una eficiencia mejorada en comparacion con dispositivos conocidos que tienen una capa no segmentada del mismo tamano y forma. Por ello un dispositivo de acuerdo con este aspecto de la invencion puede tener una capacidad de generacion de energfa mayor que los dispositivos conocidos de similar forma y tamano y/o una mayor eficiencia cuando opera en un modo inverso de operacion, es decir, cuando se configura para convertir energfa electrica a energfa mecanica o trabajo en una aplicacion de motor o actuador. Por brevedad, en la descripcion que sigue la expresion “dispositivo de recogida de energfa” se refiere tambien a dicho dispositivo configurado para funcionar en un modo inverso como motor/actuador para proporcionar movimiento cuando se aplica una corriente electrica al dispositivo. Se apreciara que dispositivos que tienen una capa segmentada tendran una frecuencia natural diferente a dispositivos similares que tengan una capa no segmentada y de ese modo la frecuencia natural de un dispositivo segmentado puede adaptarse a la del entorno operativo esperado.
La capa piezoelectrica puede segmentarse de tal manera que al menos una de las superficies del material piezoelectrico sea electricamente discontinua de modo que se minimicen las corrientes superficiales.
Preferentemente, los elementos segmentados se disponen en una matriz con un espacio electricamente aislante entre elementos adyacentes. Esto proporciona una estructura simple para fabricacion del dispositivo.
Preferentemente, la barra en voladizo esta provista con un peso equilibrado o desequilibrado. En la mayona de aplicaciones se concibe que la barra se proporcione con un peso desequilibrado debido a la funcionalidad del equilibrado de dichas barras.
En realizaciones preferidas, los elementos pueden disponerse en una disposicion de extremo a extremo a lo largo de la longitud de la barra con un espacio aislante entre elementos adyacentes para la recogida de energfa en modo(s) de flexion del movimiento de la barra.
El dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con el aspecto anterior de la invencion puede tener una capa piezoelectrica que se divide para proporcionar entre 2 y 30 elementos adyacentes, preferentemente entre 6 y 20 elementos, el mas preferido 20 elementos. En una realizacion los presentes inventores han descubierto que un numero optimo de elementos segmentados es 20 o en la region del mismo, aunque las eficiencias mejoran con entre 2 y 30 elementos.
Como se ha explicado anteriormente, el dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con el aspecto anterior de la invencion comprende una capa piezoelectrica que se divide, o se divide adicionalmente, con un espacio aislante que se extiende en la direccion longitudinal de la barra para recogida de energfa en el/los modo(s) torsional(es) de vibracion de la barra. Las cargas electricas generadas por los modos de torsion de vibracion se distribuyen, durante el uso, en la misma forma que dispositivos conocidos que tienen una capa no segmentada unica. Sin embargo, las cargas positiva y negativa sobre lados adyacentes del espacio no se cancelan entre sf tal como lo hanan en caso contrario con un dispositivo que no tenga una capa piezoelectrica segmentada, dado que no estan electricamente conectadas. De ese modo la energfa electrica generada a partir de la capa piezoelectrica en ambos lados del espacio puede anadirse para mejorar la capacidad de generacion de energfa del dispositivo. El espacio afsla electricamente los segmentos, lo que permite la recogida de energfa tanto en los modos/movimientos de flexion como de torsion.
En realizaciones preferidas el dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica puede comprender adicionalmente medios para recoger simultanea y/o secuencialmente energfa electrica en ambos modos de torsion y de flexion de vibracion de la barra. En esta forma la energfa puede recogerse a partir de un unico dispositivo en multiples modos de vibracion para maximizar la cantidad de energfa que puede producir el dispositivo.
El dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica puede comprender adicionalmente medios para la seleccion de uno o mas de dichos segmentos o grupos del mismo en dicha capa piezoelectrica para la recogida de energfa en uno o mas modos de vibracion. En esta forma es posible que solo areas o zonas seleccionadas del
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dispositivo, mas espedficamente de la capa piezoelectrica, pudieran seleccionarse para recogida de ene^a. Areas o zonas que tengan la mayor diferencia de potencial, con respecto al sustrato u otra referencia, podnan seleccionarse para maximizar la eficiencia del dispositivo en uno o mas modos de vibracion. La energfa generada a partir de los segmentos o zonas seleccionadas podna sumarse o incrementar la produccion del dispositivo.
Los presentes inventores han demostrado mediante estudios experimentales de un recogedor de energfa en voladizo piezoelectrico o actuador que tiene una capa piezoelectrica que se divide en dos partes separadas, con un sustrato de soporte y una masa desequilibrada fija sobre el extremo en voladizo, que esta configuracion permite la conversion de energfa en ambos modos/movimientos de flexion y de torsion. Dado que los modos de torsion tienden a tener una frecuencia natural mas alta que los modos de produccion de orden bajo para una barra en voladizo se entendera que el ancho de banda utilizable del dispositivo se mejora por medio de la recogida de energfa en ambos modos de flexion y torsion, en ambos ordenes fundamental y mas elevado del mismo.
En realizaciones preferidas la relacion de grosor del sustrato/capa piezoelectrica esta sustancialmente entre 1:1 y 2:1, preferentemente la relacion de grosor de sustrato/capa piezoelectrica es sustancialmente 1:1 o 2:1. La relacion de grosor entre piezoelectrico y sustrato es un factor importante en terminos de rendimiento del dispositivo de recogida de energfa. Se ha descubierto que la relacion de grosor optima es independiente del tamano y geometna (ancho y longitud) del dispositivo y la relacion de grosor optimo para la recogida de energfa es de aproximadamente 1:1 en algunas realizaciones.
Preferentemente, el material del sustrato es acero.
En realizaciones preferidas, el material del sustrato tiene un grosor sustancialmente en el intervalo de 100-200 micrometres. En un dispositivo que tenga acero como el material de sustrato la energfa almacenada y la tension en circuito abierto se ha descubierto que estan en un maximo cuando el grosor del sustrato de acero es de 100 o 200 micrometros, correspondientes a una relacion de grosor de 1:1 y 2:1.
Preferentemente, el material piezoelectrico comprende una pelreula piezoelectrica de fluoruro de polivinilideno (PVDF) recubierta con una capa delgada de aluminio en ambos lados de la misma.
La presente invencion contempla tambien otros aspectos que incluyen un sensor, un sensor inalambrico o dispositivos MEM que comprenden un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con el aspecto mencionado anteriormente de la invencion.
La presente invencion contempla tambien un sensor o sensor inalambrico que incluye adicionalmente medios para la aplicacion de una corriente electrica a la capa piezoelectrica u otro elemento piezoelectrico del dispositivo para alterar la rigidez del dispositivo y de ese modo alterar la frecuencia de resonancia natural del dispositivo. Esto puede ser util en realizaciones en donde es util alterar la sensibilidad el sensor.
La presente invencion contempla tambien un actuador piezoelectrico que comprende adicionalmente medios para la aplicacion de una corriente electrica a la capa piezoelectrica u otro elemento piezoelectrico del dispositivo para provocar que el dispositivo, o una parte del mismo, flexione. Este aspecto de la presente invencion encuentra aplicacion particular en aplicaciones en donde se requiere movimiento, por ejemplo para proporcionar una fuerza de actuacion.
El dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de la presente invencion puede comprender uno o mas elementos piezoelectricos que tengan una geometna irregular. Por ejemplo, en lugar de ser de forma regular tal como un rectangulo, uno o mas, o todos, los elementos pueden ser de una forma irregular.
El dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de la presente invencion puede comprender elementos piezoelectricos que tengan diferentes formas y tamanos. De ese modo, un elemento o elementos seleccionados pueden tener una forma y tamano particulares seleccionadas de mayor eficiencia en una zona del dispositivo, y otro elemento o grupo de elementos otra. Se apreciara que en realizaciones espedficas todos los elementos pueden ser de una forma y tamano diferente.
La presente invencion se describira ahora mas particularmente, solamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 (a) muestra una disposicion esquematica de un dispositivo de captura piezoelectrica dimorfo continuo convencional;
la Figura 1 (b) muestra una disposicion esquematica de un dispositivo de captura piezoelectrica segmentado en 20, la dimension de la capa piezoelectrica aqrn es de 14 mm de largo, 2 mm de ancho, 0,2 mm de grueso. La segmentacion con un espacio de 0,05 mm de la capa piezoelectrica se dispone uniformemente a lo largo del eje
X;
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la Figura 1 (c) es una malla de modelo FE segmentado;
la Figura 2 es una representacion grafica que muestra el potencial superficial a lo largo del eje X de una configuracion de placa continua conocida y configuraciones de 6, 20 segmentos de dispositivos de recogida de ene^a de acuerdo con una realizacion de la invencion;
la Figura 3 es una representacion grafica del desplazamiento electrico a lo largo del eje X de una configuracion de placa continua conocida y las configuraciones segmentadas como en la Figura 2;
la Figura 4 es una caractenstica grafica de la energfa electrica almacenada respecto al numero de segmentos discretos en dispositivos que tienen una capa piezoelectrica segmentada;
la Figura 5 es una representacion grafica que muestra la respuesta dinamica de una configuracion de capa continua conocida y un dispositivo con capa de 20 segmentos;
la Figura 6 es una representacion esquematica de una estructura en voladizo con capa piezoelectrica simple (o continua) conocida para un dispositivo de recogida de energfa;
la Figura 7 es una representacion esquematica de una estructura en voladizo de capa piezoelectrica de pelfcula dividida para un dispositivo de recogida de energfa de acuerdo con una realizacion de la invencion;
la Figura 8 muestra la respuesta en frecuencia de una estructura de capa continua tradicional;
la figura 9 (a) muestra la respuesta en frecuencia de una pelfcula (o segmento) en la disposicion de la Figura 7; y
la Figura 9 (b) muestra la respuesta en frecuencia de una pelfcula adyacente (o segmento) en la disposicion de la Figura 7.
Como se ha mencionado previamente la configuracion de recogida de energfa en voladizo convencional se basa en una placa o capa piezoelectrica continua, por ejemplo como se muestra en la Figura 1(a). Para conseguir una potencia de salida mas alta, los inventores han descubierto que se consigue una eficiencia de recogida de energfa mayor con una configuracion de recogida de energfa 10 en voladizo dimorfa que comprende una capa segmentada de material piezoelectrico 12 y una capa de sustrato 14, uno de cuyos ejemplos se muestra en la Figura 1(b) y en el
modelo FE de la Figura 1(c). La eficiencia incrementada del dispositivo de recogida de energfa de la presente
invencion se ha demostrado por los inventores en un estudio de comparacion uno contra otro usando metodos de elementos finitos (FEM), usando una configuracion convencional (Figura 1(a)) y la configuracion de la Figura 1(b) con varias segmentaciones, es decir un numero diferente de elementos piezoelectricos 16 segmentados, electricamente separados. En la disposicion conocida mostrada en la Figura 1(a), se muestra una capa de material piezoelectrico 12a no segmentado sobre un sustrato 14a.
A modo de antecedente, la metodologfa de la recogida de energfa piezoelectrica se basa en la teona siguiente.
El efecto piezoelectrico, la interaccion entre el campo electrico y la mecanica fue descubierto por J. y P. Curie en 1880. La recogida de energfa piezoelectrica emplea materiales activos que generan cargas cuando se tensionan mecanicamente. Las relaciones entre esfuerzo, tension, campo electrico y desplazamiento electrico de un voladizo dimorfo son controlados por las ecuaciones escritas en la forma fuerza-carga.
S = sET + dT E (1)
D = £T E + dT (2)
En las que S es el vector de esfuerzo mecanico, T es el vector de tension mecanica, sE es el tensor de cumplimiento elastico, d es la constante de tension piezoelectrica, D es el vector de desplazamiento electrico, E es el vector de campo electrico, eT es el tensor de permitividad dielectrica.
La configuracion 10 de recogida de energfa en voladizo dimorfa mostrada en la Figura 1(b) comprende una capa segmentada de material piezoelectrico 12 y una capa de sustrato 14 ((cristal de silicio unico). El material piezoelectrico es preferentemente nitruro de aluminio (AlN) dado que es compatible con la tecnologfa CMOS estandar, tiene biocompatibilidad, buen coeficiente piezoelectrico, buenos coeficientes de acoplamiento electromecanico, baja permitividad y elevado modulo de Young. La capa piezoelectrica se segmenta o divide a lo largo de la longitud del sustrato de modo que cada segmento proporciona un elemento piezoelectrico separado que esta electricamente aislado de los segmentos de elementos adyacentes por un espacio o discontinuidad de aislamiento relativamente pequena en la capa piezoelectrica. En el ejemplo ilustrado se muestran los espacios entre elementos adyacentes 16 que se disponen a lo largo de la longitud del sustrato en una matriz bidimensional con los espacios extendiendose normales a la direccion longitudinal de la barra en voladizo que comprende la capa piezoelectrica y el sustrato. Se entendera que la carga inducida sobre la capa piezoelectrica 12 debido al esfuerzo
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puede determinate a partir de las ecuaciones siguientes:
Qsai = Dz,p dAp
(3)
en la que Dz,p es el desplazamiento electrico, Ap es el area del elemento piezoelectrico. La ene^a electrica almacenada del dispositivo de recogida segmentado. Eaimac puede expresarse como
Ea
_ ^n Qj * Vj _ Ci * Vi2
almac = L,i=1 2 ^=
2
_ „N Q2 _ 1 y, N (^A: Z^j=12C 2^^j=1
D,n:dAn
C
2
(4)
en la que Qj, Vj, C,■, Dz,p,i, Apj son la carga inducida, potencial, capacidad, desplazamiento electrico, area de la i-esima pieza piezoelectrica segmentada, respectivamente. Para configuracion convencional, N = 1. Se ve a partir de la ecuacion (4) que la energfa electrica inducida es proporcional al valor cuadrado del desplazamiento electrico. Dado que las distribuciones del desplazamiento electrico a lo largo del eje Y son uniformes en la estructura aplicada en este caso, la energfa electrica almacenada de los materiales piezoelectricos depende de la distribucion del desplazamiento electrico a lo largo del eje X.
El modelizado y la simulacion, tfpicamente basados en FEM, son etapas estandar para la investigacion y prediccion del rendimiento de los dispositivos de recogida de energfa de alta eficiencia. El fEm mostrado en la Figura 1(c) se modelizo con software disponible comercialmente —COMSOL—. Los presentes inventores investigaron la configuracion de diversas segmentaciones desde 1 a 30, es decir el FEM con varios grados de segmentacion, variando desde 2 segmentos separados y electricamente aislados a 30 en el material piezoelectrico. En el caso de la configuracion de 20 segmentos, la malla del FEM en el ejemplo descrito comprende 2328 elementos que tienen un numero total de grados de libertad de 106015. Cada capa de material se divide en 3 elementos linealmente separados a lo largo del grosor (Figura 1(c)). Las propiedades del nitruro de aluminio son proporcionadas por Comsol. Para la estructura de soporte —silicio—, en este ejemplo, se aplicaron las siguientes propiedades del material al modelo: modulo de Young E = 205 GPa, relacion de Poisson v = 0,28 y densidad p = 2330 kg/m3. La fuerza puntual de 0,01 N mostrada en la Figura 1(b) se aplico aqu para inducir esfuerzos mecanicos sobre el dispositivo. Se determinaron la tension de salida y la energfa electrica almacenada en el modo estatico y su respuesta dinamica usando el modelo de FEM.
Se investigaron unos FEM basados en 2 a 30 segmentos o elementos discretos en la capa piezoelectrica. Los valores predichos de potencial superficial y desplazamiento electrico lo largo del eje X de algunas configuraciones representativas, continua, 6 y 20 segmentos se muestran en las Figuras 2 y 3 respectivamente. La energfa electrica almacenada en el modo estatico se calculo de acuerdo con la ecuacion (4). Puede verse a partir de la Figura 4 que cuando la capa piezoelectrica se divide en 20 piezas, la energfa electrica almacenada tiene un valor maximo en el FEM investigado.
En modo dinamico, y como se muestra en la Figura 5, la energfa electrica almacenada en la configuracion continua (segmentacion cero) es 1,98 x 10"9 J a una frecuencia de resonancia de 1120 Hz, mientras que la energfa electrica almacenada de la configuracion de 20 segmentos es 3,86 x 10"9 J a 1120 Hz.
En resumen los inventores investigaron tanto el rendimiento estatico como dinamico de recogedores de energfa basados en AlN de capa piezoelectrica de varios elementos. Los resultados de los analisis y simulacion teoricos de esas configuraciones han mostrado que una configuracion segmentada tiene una produccion de energfa electrica mas alta que las estructuras conocidas, es decir disposiciones no segmentadas. Mas aun, las configuraciones segmentadas tienen una frecuencia de resonancia mas baja, lo que incrementa la capacidad para adaptarse a la frecuencia o frecuencias de vibracion ambientales y de ese modo incrementar la potencia de salida de un dispositivo de recogida de energfa de acuerdo con este aspecto de la invencion.
En referencia ahora a las Figuras 6 a 9(b), una realizacion adicional de un dispositivo 20 de recogida de energfa en voladizo piezoelectrica mostrado en la Figura 7 comprende una capa piezoelectrica 22 dividida en un par de tiras 24 y 26 que se extienden longitudinalmente en paralelo adyacentes, de sustancialmente el mismo tamano y forma, una estructura de soporte 28 y una masa fija 30 desequilibrada sobre el extremo libre o distal del sustrato en voladizo. En esta realizacion las tiras 24 y 26 piezoelectricas estan electricamente aisladas entre sf por el espacio longitudinal 32 en el material piezoelectrico entre las tiras. Como se explicara adicionalmente, esta disposicion permite una conversion de energfa en ambos modos/movimientos de flexion y de torsion.
Se entendera que en esta realizacion, la carga electrica generada por las dos tiras piezoelectricas 24 y 26, en movimientos/modos torsionales puros, sera mas o menos igual para cada tira. Sin embargo, la carga generada por cada tira tendra una polaridad opuesta a la otra, una positiva, una negativa. En esta realizacion de las tiras piezoelectrica se definen elementos discretos que, durante el uso, no se cancelan entre sf como en disposiciones
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conocidas tal como la que se muestra en la Figura 1(a), debido al hecho de que las dos tiras piezoelectricas estan electricamente separadas por el delgado espacio 32 en la parte media de la capa piezoelectrica.
En una investigacion experimental adicional se realizo una comparacion directa entre las caractensticas de rendimiento de un dispositivo de recogida de energfa piezoelectrica dimorfo construido de acuerdo con la presente realizacion de la invencion (Figura 7) y un dispositivo de una construccion conocida (Figura 6) similar a la mostrada en la Figura 1(a) y previamente denominada como la configuracion en capa continua. Ambos dispositivos se construyeron en el estudio experimental usando una capa piezoelectrica de material de PVDF, y un delegado sustrato de acero en voladizo, con la capa piezoelectrica dividida en tiras paralelas en el dispositivo de acuerdo con la presente realizacion como se ha descrito previamente.
Los dispositivos de las Figuras 6 y 7 comprenden ambos una estructura de voladizo piezoelectrica que comprende una peifcula piezoelectrica de fluoruro de polivinilideno (PVDF) recubierta con una delgada capa de aluminio en ambos lados y un sustrato en voladizo de acero. La pelfcula de PVDF se adhirio sobre el sustrato en voladizo de acero por medio de un epoxi conductor. En este sentido se entendera que un lado de la pelfcula esta conectado al sustrato de acero y el otro lado esta abierto. Se unio una masa de acero desequilibrada que media 9 mm x 8 mm x 6 mm al extremo libre o distal del voladizo con un epoxi no conductor.
La estructura se ilustra en las Figuras 6 y 7 mostrando las dimensiones del sustrato de acero y la pelfcula de PVDF piezoelectrica. La realizacion en voladizo de pelfcula dividida de la Figura 7 se construye con dos pelfculas de PVDF delgadas que se fijan sobre la superficie del sustrato. En las Figuras 6 y 7 se entendera que el extremo proximal mas ancho del voladizo respectivo se fija sobre un soporte (no mostrado) que se fija a una tabla de sacudida (no mostrada) para la finalidad de la investigacion experimental anteriormente mencionada.
En la investigacion anteriormente mencionada, se uso un sacudidor mecanico (LDS V406) para la generacion de una fuerza mecanica oscilante. El sacudidor fue accionado por un generador de funcion programable TTiTG1010 comercialmente disponible que produce una senal sinusoidal de 800 mV pico a pico en los terminales del sacudidor. La salida de la pelfcula piezoelectrica se conecto a un osciloscopio.
Las caractensticas de respuesta en frecuencia (tension respecto a frecuencia) de ambas estructuras piezoelectricas, Figuras 6 y 7, tal como se determinaron por dicho experimento, se presentan en las Figuras 8 y 9(a), 9(b), respectivamente. Para la disposicion conocida de la Figura 6, los terminales de salida del dispositivo son la superficie superior de la pelfcula de PVDF y los terminales del sustrato. La Figura 8 muestra la respuesta de la estructura conocida con diferentes frecuencias de excitacion mecanica. Puede verse que hay tres picos principales a 16,4 Hz, 195 Hz y 590 Hz. Puede notarse que hay una diferencia considerable entre las tensiones de salida a diferentes frecuencias de resonancia. La tension maxima tiene lugar a 195 Hz con un valor de pico a pico de 4,8 V.
En la disposicion de la Figura 7 la tension de salida para ambas pelfculas se midio entre la pelfcula respectiva y el sustrato. La Figura 9(a) y la Figura 9(b) muestran las respuestas en frecuencia de las pelfculas superior e inferior respectivamente. Una de las pelfculas, denominada de aqrn en adelante como la pelfcula superior, tiene cuatro picos principales (un pico extra respecto a la configuracion conocida de la Figura 6), mientras que la otra pelfcula, de aqrn en adelante denominada como la pelfcula inferior, tiene tres picos principales. En la Figura 9(a), tres de los picos son a frecuencias proximas a los picos de la pelfcula simple (18 Hz, 200 Hz y 630 Hz). El pico restante es a 575 Hz. Para la pelfcula inferior, el pico a 575 Hz no es claro; en su lugar se muestra una curva con forma de campana de gauss ensanchada centrada alrededor de 630 Hz. Con respecto a la amplitud, la estructura conocida genera una tension mas alta que la nueva estructura, lo que es debido al area mucho mayor del material piezoelectrico de la estructura conocida usada en el experimento. La tension maxima que se midio en la estructura clasica fue 4,8 V, y la tension medida maxima en una de las pelfculas del nuevo dispositivo fue 1,14 V.
En el intervalo de bajas frecuencias, alrededor de 15-20 Hz, ambas estructuras conocida y de pelfcula dividida, tienen una resonancia mecanica. En el caso de la estructura conocida se observo que cuando el sacudidor mecanico tiene una senal sinusoidal de entrada de 800 mV pico a pico a una frecuencia de resonancia de 16,5 Hz, la senal de salida es lineal y retardada en una pequena fase. La tension pico a pico a esta frecuencia es de 2,32 V. La salida del dispositivo de pelfcula dividida se midio a casi la misma frecuencia de resonancia (18 Hz) y la salida de ambas pelfculas superior e inferior bajo las mismas condiciones de entrada se observo que era aproximadamente 1 V pico a pico para cada pelfcula.
Para validar la teona de que el voladizo piezoelectrico de pelfcula dividida trabaja en los modos de flexion y de torsion, los presentes inventores observaron las tensiones de salida medidas de ambas pelfculas a 18 Hz y 200 Hz. La salida de las pelfculas se descubrio que la estaban casi en fase indicando que la estructura de la pelfcula dividida piezoelectrica estaba en el modo de flexion a estas frecuencias. Un desplazamiento de fase de 180° observado entre las pelfculas superior e inferior a 560 Hz mostro que el modo de resonancia de la estructura de pelfcula dividida experimental a esa frecuencia tema componentes torsionales. Se entendera que si las salidas de ambas pelfculas de la estructura de pelfcula dividida se combinan usando un desplazamiento de fase externo, puede conseguirse una tension pico a pico de 2,5 V y con un incremento sustancial en la potencia de salida.
En resumen, las Figuras 6 a 9(b) describen la validacion mediante experimento de una novedosa estructura de recogida de energfa piezoelectrica que tiene la ventaja de recoger tanto los movimientos de flexion como de torsion. En comparacion con un dispositivo conocido, la estructura de pelfcula dividida comprende dos pelfculas piezoelectricas divididas sobre el sustrato comun. Se ensayaron y caracterizaron tanto la estructura en voladizo 5 piezoelectrica conocida como la de pelfcula dividida con respecto a la respuesta en frecuencia y salida de potencia. Por el experimento los presentes inventores han confirmado que la estructura de pelfcula dividida puede recoger tanto los movimientos de flexion como de torsion.
Claims (15)
- 51015202530354045505560REIVINDICACIONES1. Un dispositivo o actuador de recogida de ene^a piezoelectrica que comprende un material piezoelectrico sobre un sustrato, en el que dicho material piezoelectrico se divide en una pluralidad de zonas discretas para proporcionar una pluralidad de elementos piezoelectricos sobre el sustrato que estan electricamente aislados entre sf, en el que los elementos se disponen a lo largo de la longitud de una barra en voladizo, caracterizado por quela capa piezoelectrica se divide, o se divide adicionalmente, con un espacio de aislamiento que se extiende en la direccion longitudinal de la barra para una recogida de energfa en modo(s) torsional(es) de vibracion de la barra.
- 2. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con la reivindicacion 1 en el que dichos elementos se disponen en una matriz con un espacio electricamente aislante entre elementos adyacentes.
- 3. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que la barra esta provista con un peso equilibrado o desequilibrado.
- 4. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que los elementos se disponen en una disposicion de extremo a extremo a lo largo de la longitud de la barra con un espacio aislante entre elementos adyacentes para la recogida de energfa en modo(s) de flexion del movimiento de la barra.
- 5. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente que comprende adicionalmente medios para recoger simultanea y/o secuencialmente energfa electrica en ambos modos de torsion y de flexion de vibracion de la barra.
- 6. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que la capa piezoelectrica se divide para proporcionar entre 2 y 30 elementos adyacentes, preferentemente entre 6 y 20 elementos, de manera mas preferente 20 elementos.
- 7. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente que comprende adicionalmente medios para la seleccion de uno o mas de dichos segmentos o grupos de los mismos en dicha capa piezoelectrica para la recogida de energfa.
- 8. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que la relacion de grosor del sustrato/capa piezoelectrica esta sustancialmente entre 1:1 y 2:1, preferentemente 1:1 o 2:1.
- 9. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que el material del sustrato tiene un grosor sustancialmente en el intervalo de 100-200 micrometros.
- 10. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que el material piezoelectrico comprende una pelfcula piezoelectrica de fluoruro de polivinilideno (PVDF) recubierta con una capa delgada de aluminio en ambos lados de la misma.
- 11. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que la capa piezoelectrica se segmenta de tal manera que al menos una de las superficies del material piezoelectrico es electricamente discontinua de modo que se minimizan las corrientes superficiales.
- 12. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que uno o mas de los elementos piezoelectricos tiene una geometna irregular.
- 13. Un dispositivo o actuador de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que al menos elementos piezoelectricos seleccionados tienen diferentes formas y/o tamanos.
- 14. Un sensor que comprende un dispositivo de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente.
- 15. Un sensor inalambrico que comprende un dispositivo de recogida de energfa piezoelectrica de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente.
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