ITRM20100030A1 - Generatore elettrico piezoelettrico, in particolare per dispositivi portatili - Google Patents

Description

TITOLO: “Generatore elettrico piezoelettrico, in particolare per dispositivi portatili”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un generatore elettrico piezoelettrico, in particolare per dispositivi portatili, quali per esempio, telefoni cellulari, lettori multimediali, telecomandi, etc..

Stato della tecnica

Malgrado i telefoni cellulari, ma anche altri dispositivi portatili, siano stati perfezionati per consumare la minore energia possibile, l’approvvigionamento di energia elettrica risulta comunque una questione molto importante.

Sulla base di un campione di telefoni cellulari particolarmente diffusi è emerso che in media si ottiene un consumo al secondo in stand-by di circa 13mW e in conversazione di circa 823mW. Non sono note informazioni esatte relative ai consumi per l'invio di sms, ad eccezione di pochi dettagli raccolti in un unico articolo scientifico, secondo cui si stima un consumo di potenza di circa 390mW in un arco temporale di 60s, da cui si ricava in modo molto approssimata l’energia occorrente per l’operazione.

Dunque, risulta critico l'immagazzinamento di energia elettrica. A tale scopo la tecnica nota si è orientata prevalentemente verso la costruzione di batterie sempre più capienti in termini di energia immagazzinata e verso sorgenti di alimentazione portatili quali mini-generatori fotovoltaici.

Non sono noti dispositivi di generazione di energia elettrica integrabili negli stessi dispositivi mobili, vale a dire, telefoni cellulari, lettori multimediali, telecomandi, etc..

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un generatore elettrico piezoelettrico, in particolare per dispositivi portatili atto a risolvere il suddetto problema.

E’ oggetto della presente invenzione un generatore elettrico piezoelettrico, in particolare per dispositivi portatili, conformemente alla rivendicazione 1.

Vantaggiosamente, detto incurvamento, detto anche pre-stress, consente al generatore piezoelettrico di incrementare il proprio rendimento.

Inoltre, detto pre-stress, può essere conferito al convertitore piezoelettrico o in fase di fabbricazione dello stesso, per esempio profilando opportunamente uno degli strati costitutivi del convertitore, e/o in fase di assemblaggio vincolando opportunamente almeno due parti contrapposte del convertitore, che inducono sollecitazioni interne al corpo del convertitore atte a conferire detta forma incurvata.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di fornire un dispositivo portatile comprendente un generatore elettrico piezoelettrico integrato nel dispositivo portatile.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo di generazione di energia elettrica adattabile ad un qualunque dispositivo a batterie. E’ pure oggetto della presente invenzione un dispositivo di produzione di energia elettrica conformemente alla rivendicazione 11.

Dunque, è pure oggetto della presente invenzione un dispositivo portatile comprendente un generatore elettrico piezoelettrico.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un generatore elettrico piezoelettrico, in particolare per dispositivi portatili, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta un elemento piezoelettrico a flessione appoggiato, come una trave, su due appoggi di estremità,

la Fig.2 rappresenta il medesimo elemento di figura 1 pre-stressato,

le Figg. 3 e 4 raffigurano una coppia di elementi piezoelettrici a flessione associati tra loro,

la Fig. 5 raffigura l’andamento della carica della variante di figura 4 a fronte di ripetute pressioni,

le Fig.6 e 7 rappresentano applicazioni della variante di figura 4;

la Fig. 8 rappresenta una vista prospettica a parti asportate di una ulteriore variante integrante il trovato di figura 4.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione I convertitori piezoelettrici (PEG) possono essere suddivisi in due grandi famiglie, a flessione e a compressione, in funzione della tipologia di stimolo meccanico che la struttura é in grado di convertire in un segnale elettrico. Le soluzioni di tipo a compressione presentano le migliori prestazioni in corrispondenza di stimoli meccanici di elevata intensità, cioè dell’ordine delle decine di MPa e contraddistinti da spostamento molto contenuti cioè nell’ordine del micron o decine di micron. Quelli a flessione operano invece in condizioni diametralmente opposte, necessitando di ampi spostamenti, cioè dell’ordine dei millimetri e forze contenute, cioè dell’ordine dei Newton.

L'unico limite dei PEG a flessione é rappresentato da una maggiore fragilità, essendo soggette a sforzi interni al materiale più elevati. Si stima un vita media inferiore rispetto ai PEG a compressione del 20-30% circa, cioè 10<7>- 10<8>cicli.

Una soluzione ottimale consiste nel predisporre un adeguato numero di PEG a flessione sotto i tasti di qualunque tastierino di un dispositivo mobile, quale un telefono cellulare, un telecomando, un lettore MP3, etc..

Con riferimento alla figura 1, viene mostrato un PEG a flessione 1 appoggiato, come una trave, su due appoggi di estremità 2.

Secondo il presente trovato, un PEG a flessione 1' viene preliminarmente stressato, vale a dire, viene indotto a rimanere incurvato durante una posizione di riposo, in modo da generare una gobba contraria al verso in cui è atto a ricevere una pressione P esterna, indicata nella figura 2 a mezzo di una freccia spessa. Secondo una variante preferita del trovato, detta gobba è determinata dal posizionamento degli appoggi 2' di estremità. Secondo un'ulteriore variante, invece, detta curvatura è imposta preliminarmente allo strato metallico definente il PEG, a cui è attaccato lo strato piezoelettrico.

E' stata condotta una indagine di validazione del trovato, meglio riassumibile con l'aiuto della seguente tabella. In particolare, è stata esercitata sul PEG una pressione tale da portare a contatto la superficie del substrato metallico con la base d’appoggio e misurando l’energia generata da tale spostamento su di un condensatore di accumulo di capacità 200nF collegato elettricamente a detto PEG. In altri termini si porta la parte mediana del PEG a toccare una superficie di appoggio su cui sono attaccati detti appoggi di estremità 2 e 2', quando viene applicata detta pressione P.

Nella seguente tabella si riportano i valori di raffronto fra le tensioni e le energie prodotte attraverso un PEG semplicemente appoggiato su detti appoggi e riportato in figura 1 ed un PEG pre-stressato riportato in figura 2.

Inoltre, allo scopo di rendere ripetibile l'indagine, si indica con x1,5 un PEG incurvato in modo che la sua parte mediana percorre 1,5 volte la distanza percorsa da un PEG non stressato, cioè di figura 1, a parità di appoggi di estremità 2. Si indica ulteriormente con x2 un PEG incurvato in modo che la sua parte mediana percorre 2 volte la distanza percorsa da un PEG non stressato, a parità di appoggi di estremità 2. In questo modo, l'indagine risulta svincolata dall'altezza assoluta degli appoggi di estremità 2 e 2'.

I valori acquisiti dimostrano come effettivamente la medesima struttura consenta di accumulare più energia in condizione pre-stressata rispetto ad una condizione normale. Nel caso di pre-stress x1,5 si ottiene un’energia 2,75 volte superiore rispetto a quella ottenuta da un identico PEG non stressato. Una simulazione a calcolatore, invece, conduceva ad una stima di energia prodotta pari a 2,25 volte rispetto a quella dell'identico PEG non stressato.

In maniera del tutto analoga, uno spostamento doppio, x2, comporta un’energia 4,7 volte superiore, frutto di una tensione 2,16 volte superiore, contro le 2 volte stimate a calcolatore.

Benché vi siano piccoli scostamenti rispetto a stime teoriche e simulate è possibile affermare che una simile miglioria consente effettivamente di aumentare l’efficienza del PEG a parità di dimensioni.

Tale risultato consente di applicare industrialmente il concetto generale di generazione di energia elettrica mediante elementi PEG integrati in dispositivi portatili, allo scopo di alimentare i medesimi dispositivi portatili.

Il pre-stress può essere applicato indifferentemente, sia a PEG a flessione che a PEG a compressione, sebbene sia più opportuno limitare il pre-stress nei PEG a compressione allo scopo di non irrigidire eccessivamente la struttura del PEG. Secondo una variante preferita del trovato, detta a sandwich, una coppia di PEG 11 e 12 unimorfi, vale a dire comprendenti uno strato di supporto ed uno strato piezoelettrico, sono accoppiati come mostrato con l'aiuto delle figure 3 e 4. In particolare, essi possono essere identici tra loro e sono accoppiati secondo il rispettivo strato di supporto metallico 11a e 12a, in modo che gli elementi metallici risultino a contatto reciprocamente.

Detti strati metallici possono essere associati in modo da scorrere l'uno sull'altro durante una sollecitazione esterna.

Sono stati assemblati 6 campioni di questi PEG di tipo flessibile a sandwich 10 ed installati su di una struttura di prova come mostrato nelle figure 6 e 7. Su di essa sono stati effettuati diversi test volti a valutare il contributo per singola pressione. È stato approntato un circuito composto da un ponte raddrizzatore e da una condensatore di accumulo della carica generata. Sono state effettuate diverse misure con capacità differenti, applicando sempre una forza di circa 7N.

In figura 5 è riportato l’andamento della carica della capacità a fronte di ripetute pressioni, 25 nel caso specifico. Come si evince chiaramente dall’andamento riportato in figura 5, la carica segue un andamento esponenziale, assestandosi ad un valore di soglia oltre il quale la quantità immessa per singola pressione bilancia quella scaricata sul sistema. Tale andamento si ripete per ogni valore di capacità scelto, variando però il tempo di raggiungimento della carica massima così come la pendenza della curva. Inoltre, misurando il contributo per singola sollecitazione si ottiene che il valore della capacità del condensatore di accumulo influisce sulla carica accumulata in funzione di una condizione di adattamento che è funzione della capacità del piezoelettrico rispetto a quella di accumulo e della frequenza di eccitazione.

Una volta identificata la capacità ottimale per una variante a sandwich secondo quanto appena illustrato con l'aiuto delle figure 3 e 4 sono stati svolti appositi test volti a misurare il contributo energetico massimo per singola sollecitazione. Da tali test è emerso come il massimo valore di energia producibile per singola sollecitazione da una coppia di PEG unimorfi accoppiati è pari a 7,9µJ, ottenuto con una capacità di 3,2µF. Valori superiori di capacità comportano un lieve decadimento dell’efficienza. Valori inferiori invece portano il sistema ad operare in una condizione inefficiente, in cui parte dell’energia accumulata viene scaricata prima del successivo impulso.

Le applicazioni delle varianti descritte possono essere molteplici anche all'interno di un medesimo dispositivo portatile.

Ad esempio, in figura 6 è mostrato l'impiego di PEG a flessione 10' di forma circolare (disc bender) simile a quello mostrato in figura 4 e posizionati su ciascuno degli switch definenti il tastierino di un telefono cellulare.

In figura 7, invece, è mostrata una ulteriore applicazione, in cui contenitori cilindrici sono disposti lungo i margini, per esempio, del display, internamente ad un telefono cellulare od altro dispositivo mobile. Ciascuno di detti contenitori cilindrici contiene almeno una massa sismica, per esempio una sfera metallica libera di muoversi lungo detti contenitori. Le basi di detti contenitori sono formate da PEG 10'' circolari, preferibilmente a flessione, di forma conforme con quanto raffigurato nella figura 4. Allora ciascuna sfera, durante il suo movimento determinato dalle accelerazioni impresse al telefono cellulare (od altro dispositivo portatile), urta detti PEG producendo energia elettrica. Secondo la variante preferita illustrata, ciascun contenitore cilindrico comprende due o più sfere, separate da opportuni setti 20 realizzati sempre con PEG non stressati, in modo da lavorare ugualmente sia con urti ricevuti da un lato che dall'altro. E' invece opportuno che i PEG di estremità siano vantaggiosamente pre-stressati.

In tal caso il concetto generale che si applica è il medesimo di quanto descritto sopra, cioè si incurva una parte mediana del PEG in modo che la gobba definita dall’incurvamento è contraria al verso di applicazione di una sollecitazione esterna P. Nel caso di dischi questi saranno incurvati a definire semisfere ma si tratta di esempi estendibili a qualsiasi forma.

La variante in configurazione sandwitch, indipendente dal tipo di PEG a compressione o flessione, può non prevedere detto pre-stress, potendo essere applicati nelle medesime applicazioni descritte sopra.

Secondo una variante preferita del trovato, un involucro preferibilmente cilindrico 80 comprende al suo interno un primo PEG circolare 81 in prossimità di una prima base dell’involucro, mentre un secondo PEG circolare 82 è posto in prossimità di una seconda base dell’involucro cilindrico 80. Una massa sismica 83 è libera di muoversi internamente e assialmente rispetto all’involucro cilindrico tra detti primo e secondo PEG per urtarli quando lo stesso involucro viene mosso.

All’interno dell’involucro 80, in una posizione che non interferisce col movimento di detta massa sismica, per esempio, in una zona compresa tra uno di detti PEG 81 o 82 ed una base dell’involucro cilindrico sono alloggiati mezzi di conversione e adattamento 85 dell’energia elettrica prodotta dai PEG.

Secondo un’altra variante preferita, detta realizzazione comprende un avvolgimento elettrico 84 disteso internamente alla superficie laterale cilindrica dell’involucro e detta massa sismica è in materiale metallico e/o magnetico, in modo che il suo movimento assiale induce una circolazione di corrente elettrica in detto avvolgimento 84. In tal caso, anche detto avvolgimento è collegato con detti mezzi di conversione e adattamento 85 dell’energia elettrica prodotta.

Secondo un’ulteriore variante di detta realizzazione del trovato, all’interno di detto involucro cilindrico 80 sono alloggiati, in modo da non interferire con detta massa sismica, mezzi di immagazzinamento di energia elettrica 86, per esempio realizzati a mezzo di una batteria tampone oppure a mezzo di un condensatore di notevole capacità.

Vantaggiosamente, dimensionando detto involucro cilindrico secondo dimensioni standard di batterie e munendo le basi di appositi elettrodi 87 e 88 collegati con detti mezzi di immagazzinamento dell’energia elettrica, risulta possibile impiegare detta realizzazione in dispositivi commerciali noti, sostituendo le normali batterie. Si preferisce che l’involucro sia cilindrico per sostituire le note batteria A, AA, AAA, etc., ma altre forme standard possono essere conferite a detto involucro senza uscire dall’ambito del concetto delineato.

Vantaggiosamente, risulta possibile creare una batteria ecologica che con il semplice scuotimento consente ogni volta che è necessaria energia elettrica di produrla in tempi rapidi. Questo avviene perché all’interno della batteria è realizzato un sistema cinetico di recupero energia con PEG, preferibilmente prestressati, urtati da almeno detto elemento mobile, cioè detta massa sismica 83. Secondo una ulteriore variante di detta realizzazione preferita, detta massa sismica è conformata per scivolare assialmente rispetto all’involucro, mediante opportune guide longitudinali. In tal caso le sedi di dette guide longitudinali sono munite di contatti elettrici e la stessa massa sismica comprende contatti elettrici nelle rispettive parti impegnanti dette guide. Allora, la massa sismica comprende ulteriori PEG, detti PEG mobili, nelle zone di estremità destinate ad urtare detti primo PEG 81 e secondo PEG 82 solidali all’involucro 80. Allora anche l’energia prodotta dai PEG mobili, cioè solidali con la massa sismica, può essere raccolta mediante detti contatti striscianti per essere convertita opportunamente da detti mezzi di conversione e adattamento 85 e immagazzinata da detti mezzi di immagazzinamento di energia elettrica 86.

Preferibilmente, i PEG illustrati nella realizzazione di figura 8 sono pre-stressati. Inoltre, non necessariamente avvolgimento elettrico 84 è unico ma può essere segmentato o posizionato diversamente da come rappresentato in figura 8. Ed ancora, al fine di avere una resa migliore dei PEG essi possono comprendere materiali piezoelettrici con elettrodi interdigitati.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinate senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Generatore elettrico piezoelettrico, in particolare per dispositivi portatili comprendente almeno un convertitore piezoelettrico (1’, 10) atto a convertire una sollecitazione meccanica (P) in energia elettrica comprendente almeno uno strato metallico ed almeno uno strato piezoelettrico attaccato sullo strato metallico caratterizzato dal fatto che detti strati definiscono un incurvamento la cui gobba è rivolta contro detta sollecitazione meccanica (P).
2. 2. Generatore secondo la rivendicazione 1, in cui detto convertitore piezoelettrico è di tipo a flessione.
3. 3. Generatore secondo la rivendicazione 1, in cui detto convertitore piezoelettrico è di tipo a compressione.
4. 4. Generatore secondo le rivendicazioni precedenti, in cui detto incurvamento è conferito ad uno di detti strati durante fabbricazione.
5. 5. Generatore secondo le rivendicazioni da 1 a 3, ulteriormente comprendente elementi di supporto (2’) ed in cui detto incurvamento è definito dal vincolo di almeno due parti contrapposte del convertitore, che inducono sollecitazioni interne atte a conferire detta forma incurvata.
6. 6. Generatore secondo le rivendicazioni precedenti, in cui detto convertitore piezoelettrico (1’) è di forma allungata appoggiata in corrispondenza di estremi opposti.
7. 7. Generatore secondo le rivendicazioni da 1 a 5, in cui detto convertitore piezoelettrico (10) è di forma circolare.
8. 8. Generatore secondo la rivendicazione 7, in cui detto convertitore piezoelettrico (10) comprende una coppia di convertitori piezoelettrici (11, 12) unimorfi accoppiati secondo un rispettivo strato di supporto metallico (11a, 12a), in modo che gli elementi metallici risultino a contatto reciprocamente.
9. 9. Dispositivo portatile, in particolare un telefono cellulare, un telecomando, un lettore musicale e similari, comprendente almeno un generatore elettrico piezoelettrico (10’), posizionato sopra una capsula relativa ad un tasto del dispositivo mobile, conforme con una delle rivendicazioni precedenti.
10. 10. Dispositivo portatile, in particolare un telefono cellulare, un telecomando, un lettore musicale e similari, comprendente almeno un contenitore cilindrico in cui è inserita una massa sismica sferiforme ed in cui almeno una base di detto contenitore cilindrico comprende un generatore elettrico piezoelettrico (10’’, 20’’) conforme ad una delle rivendicazioni da 1 a 8.
11. 11. Dispositivo di produzione di energia elettrica comprendente un involucro (80) di forma e dimensioni conformi ad una batteria standard e almeno - un primo PEG (81) in prossimità di una prima base dell’involucro (80), - una massa sismica (83) libera di muoversi internamente all’involucro per colpire detto primo PEG (81), - mezzi di conversione e adattamento (85) dell’energia elettrica prodotta da detto PEG, posizionati internamente a detto involucro (80) in una parte non interferente col movimento di detta massa sismica (83).