[发明专利]非谐振能量采集装置和方法

说明书

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。