用于振動能量最大化檢測的能量採集裝置的製作方法

2023-07-05 21:53:06

專利名稱：用于振動能量最大化檢測的能量採集裝置的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及能量採集器。尤其，本發明涉及一種裝置，其可以從環境中可利用的非常小量的振動中對所附著的物體產生巨大的振動。
背景技術：
為了描述環境狀況，在露天種植中使用小功率設備(例如傳感器、路由器、網關等等)，利用遠離供電電網的無線傳感器網絡(WSN)。正常情況下，這些小設備由電池供電。但是，由於電池的容量和壽命有限，所以需要經常地更換電池或者對電池充電。由於在WSN中設備的數量是成千上萬的，所以更換電池是完全不切實際的。因此，為了 WSN的實際使用， 有必要製造整個WSN元件，其可以從它的環境源中採集能量。採集能量的一個來源是來自機械感應振動，其將機械能轉化為電能。這種振動能量被從例如壓電的、靜電的或者電磁的不同元件的運動中捕獲到。通常，一種可以從機械運動中採集能量的裝置與振動體或機器(例如發動機，行駛中的汽車、旋轉機械等等)連接。 但是，振動能量採集的瓶頸之一是振動源的可利用性，特別是在遠距離種植中。因此，需要一種從環境的低振動源中產生巨大的振動的新穎設計的裝置。隨著遠程和無線傳感器網絡的快速發展，電池成為設備壽命的限制因素。除此之外，為了自備傳感器和處理電路，需要可更新的板上電源，以變成真正獨立。在系統中對電池充電的一種方式是通過能量的採集，並且能量採集的一種通用方法是來自振動，通過使用壓電、靜電或電磁材料將環境中的振動能量轉化為電能的程序。傳統上，為了引發機械振動，可以從振動中採集能量的裝置與高度振動源連接。但是，在遠距離種植中，高振動體的可利用性是完全不確定的，大多數時間是不可能的。因此， 需要一種裝置，它可以放大來自環境中的可利用的非常小的振動。除此之外，如果該裝置可以產生任何輔助振動，則該系統將會容易從非常小量的外部振動中到達它的共振頻率。

發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種能量採集裝置，包括中空稜鏡本體，其由多個其上塗有壓電層的表面形成；多個伸長的懸臂，其互相間隔設置並且穿過中空稜鏡本體的表面插入，該伸長的懸臂在其上塗有壓電層；以及至少一個具有特定剛度的內部彈性裝置， 該內部彈性裝置為了穩定在其軸線上使得一端在確定了中空稜鏡本體的重力和質量的中心之後與中空稜鏡本體連接以及另一端連接到底座，其中該裝置可以檢測環境中可利用的小量振動源並且對中空稜鏡本體和懸臂產生巨大的振動，因而促使該裝置產生電能。本發明的一個目的是提供一種保護罩以覆蓋中空稜鏡本體、懸臂和內部彈性裝置。本發明的另一個目的是提供外部彈性裝置和立方體塊，所述外部彈性裝置和立方體塊平行設置並且附著在內部彈性裝置和底座之間。本發明的另一個目的是提供懸臂，所述懸臂包括位於懸臂的壓電層頂側的多個電子收集器以收集從振動的懸臂中釋放的電子並且通過電壓調節電路將所收集的電子轉化為電能。


圖1是根據本發明一個實施例的能量採集裝置的立體圖，該能量採集裝置具有倒置中空三角稜鏡形狀並且具有連接在其上的懸臂結構；圖2是根據本發明一個實施例的圖1的具有倒置中空三角稜鏡形狀的能量採集裝置設置在內部彈性裝置的頂部的立體圖；圖3是根據本發明一個實施例的圖2的具有倒置中空三角稜鏡形狀的能量採集裝置附有立方體塊和外部彈性裝置的立體圖；圖4是根據本發明一個實施例的由塑料罩覆蓋的圖3的能量採集裝置的立體圖； 以及圖5是具有不同剛度的額外內部彈性裝置的能量採集裝置的立體圖。
具體實施例方式本發明設計一種能量採集裝置100，其可以從環境中可利用的非常小量的振動源 (例如從雨滴、風流、生物或者昆蟲的運動中，甚至從非常小量的地球振動中)對其本體上所附著的元件產生主要和輔助振動。能量採集裝置100包括一個中空稜鏡本體12，中空稜鏡本體由多個表面形成並且在這些表面上塗有壓電層。圖1示出了根據本發明的一個實施例的一種能量採集裝置100，包括中空稜鏡本體12，中空稜鏡本體具有倒置中空三角稜鏡形狀並且具有固定在其上的懸臂14結構。但是，中空稜鏡本體12不僅限於三角形，它可以是正方形、矩形以及任意其他可使用的形狀。中空稜鏡本體12的表面可以部分或全部塗有壓電層。多個伸長的懸臂14穿過中空稜鏡本體12的傾斜表面互相間隔設置，伸長的懸臂 14在其上塗有壓電層。優選地，每個伸長的懸臂14還包括位於其側面的檢驗塊20。如果懸臂14的尺寸長(長度比寬度高4倍)，則它不需要額外的檢驗塊20來達到共振頻率。伸長的懸臂14由包括但不限於金屬和矽的材料製成。圖2示出了能量採集裝置100，其包括至少一個具有特定剛度的內部彈性裝置16， 該內部彈性裝置16為了穩定在其軸線上使得一端在確定了中空稜鏡本體12的重力和質量的中心之後與中空稜鏡本體12連接以及另一端連接到底座18。穿過傾斜定位的中空稜鏡本體12的表面插入伸長的懸臂14。正常情況下，根據本發明的一個實施例，中空稜鏡本體 12的重力和質量的中心是倒置中空三角稜鏡的最低點。從分析中可以發現，如果考慮該結構的質量和引力中心來設置彈簧，則能夠產生更好的振動。內部彈性裝置16的加入進一步提高了振動等級以便產生更高的輸出功率。位於內部彈性裝置16頂部的中空稜鏡本體12 的適當尺寸和重量結構在它的軸線上是結構穩定的。中空稜鏡本體12可以檢測環境中可利用的小量振動源並且對中空稜鏡本體12和懸臂14產生巨大的振動，因而促使該裝置100 產生電能。圖3示出了平行設置並且附著在內部彈性裝置16和底座18之間外部彈性裝置24 和立方塊26。安裝外部彈性裝置24的原因是為了在該結構設置在土壤中並且由於任何其他原因外部彈性裝置24不能振動的情況下提供一種額外的彈性裝置。在這種情況下，由於
4內部彈性裝置16被覆蓋在保護罩22內部，內部彈性裝置16仍然能夠振動並且不會與任何事物接觸。優選地，外部和內部彈性裝置16是彈簧。能量採集裝置100可以從環境中可利用的非常小量的振動中對所附著的物體產生巨大的振動。因此，小量的感應振動可以持續很長一段時間。圖4示出了保護罩22，保護罩覆蓋中空稜鏡本體12、懸臂14和內部彈性裝置16。 由於保護罩22在其工作過程中被設置在開放的環境中，因此它的主要功能是保護中空稜鏡本體12、懸臂14和內部彈性裝置16免於損害。能量採集裝置100還包括充電電路30、 存儲裝置32 (例如蓄電池或超級電容)，電壓調節電路34以及與底座18平行設置以起到某些將機械能(振動)轉化為電能的作用的其他電子元件。機械能轉化為電能是通過壓電或靜電或電磁效應獲得的。在通過壓電材料發電的過程中具有三個步驟1)捕獲機械能。2)使用壓電換能器(或者靜電，電磁)將機械能轉化成電能。3)存儲所產生的電能能量採集裝置100能從自然可利用的非常小量的環境振動中對所附著的懸臂14 產生機械振動。圖5是圖4的能量採集裝置100的立體圖，其具有額外的不同剛度的內部彈性裝置16。在確定了該結構的質量中心和重力中心之後連接內部彈性裝置16。每個內部彈性裝置16具有不同的剛度以便檢測環境中不同類型的可利用振動源。通過增加額外的具有不同剛度的內部彈性裝置16(或彈簧)，採集器可以給所附著的懸臂14提供輔助振動。通過正常振動和輔助振動的結合，懸臂14陣列可以達到與非常小量的環境振動的共振頻率。 除此之外，不同剛度的內部彈性裝置16還可以對所附著的物體產生不穩定的環境，這使得懸臂14上的振動最大化。該裝置100的稜鏡形狀能夠從環境源中產生振動。例如，如果雨滴落在倒置稜鏡結構的頂部，則它將會振動。一旦振動開始，內部三角形結構也會類似地振動，具有內部三角形結構的所附著的懸臂14也會振動。中空稜鏡本體12是封閉的並且設置在開放的環境中，因此它將會阻擋氣流並因此聚集能量以便在它的本體上產生機械運動。所有其他環境中的機械能，如果與該裝置100接觸，都將會振動，這會對所附著的懸臂14感應出振動。 在確定了該浮動結構的重力中心和質量中心之後彈性裝置會被連接，這提供了結構的穩定性。在該穩定的結構上，非常小量的外部力可以感應出巨大的振動。該裝置100可以從環境的低等級振動中採集能量。因此，其可以應用於各種需要將機械力轉化為電能的能量採集中。雖然已經描述且舉例說明了本發明的幾個特定的優選實施例，但是對於本領域技術人員而言，現在應該顯而易見的是，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以做出各種改變和變形。因此，以下的權利要求意在包含在本發明的精神和範圍內的這些改變、變形、以及應用領域。
權利要求
1.一種能量採集裝置(100)，包括中空稜鏡本體(12)，所述中空稜鏡本體由多個在其上塗有壓電層的表面形成；多個伸長的懸臂(14)，所述多個伸長的懸臂互相間隔設置並且穿過中空稜鏡本體 (12)的表面插入，該伸長的懸臂(14)在其上塗有壓電層；以及至少一個具有特定剛度的內部彈性裝置(16)，該內部彈性裝置(16)為了穩定在其軸線上使得一端在確定了中空稜鏡本體(12)的重力和質量的中心之後與中空稜鏡本體(12) 連接以及另一端連接到底座(18)，其中該裝置(100)可以檢測環境中可利用的小量振動源並且對中空稜鏡體體(12)和懸臂(14)產生巨大的振動，因而促使該裝置(100)產生電能。
2.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，其特徵在於，所述中空稜鏡本體(12)的形狀為三角形、正方形或矩形。
3.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，其特徵在於，所述懸臂(14)還包括在其端部的檢測塊(20)以提高其振動的幅度。
4.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，其特徵在於，所述中空稜鏡本體(12)和伸長的懸臂(14)的表面部分或全部塗有壓電層。
5.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，其特徵在於，伸長的懸臂(14)穿過傾斜定位的中空稜鏡本體(12)的表面插入。
6.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，還包括保護罩(22)以覆蓋中空稜鏡本體 (12)、懸臂(14)和內部彈性裝置(16)。
7.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，還包括外部彈性裝置(24)和立方體塊 (26)，所述外部彈性裝置(24)和立方體塊(26)平行設置並且附著在內部彈性裝置(16)和底座(18)之間。
8.根據權利要求7的能量採集裝置(100)，其特徵在於，外部和內部彈性裝置(24、16)是彈簧。
9.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，其特徵在於，伸長的懸臂(14)由包括但不限於金屬和矽的材料製成。
10.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，其特徵在於，每個內部彈性裝置(16)具有不同的剛度以便檢測環境中可利用的不同類型的振動源。
11.根據權利要求10的能量採集裝置(100)，其特徵在於，所述振動源包括但不限於雨滴、風流、生物或昆蟲的移動以及小量的地球振動。
12.根據權利要求1的能量採集裝置(100)，還包括充電電路(30)、存儲裝置(32)、電壓調節電路(34)以及與其連接的其它電子元件。
13.根據權利要求11的能量採集裝置(100)，其特徵在於，所述懸臂(14)包括位於懸臂(14)的壓電層頂側的多個電子收集器以收集從振動的懸臂(14)中釋放的電子並且通過電壓調節電路(34)將所收集的電子轉化為電能。
全文摘要
一種能量採集裝置(100)，包括中空稜鏡本體(12)，所述中空稜鏡本體由多個在其上塗有壓電層的表面形成，多個伸長的懸臂(14)互相間隔設置並且穿過中空稜鏡本體(12)的表面插入，該伸長的懸臂(14)在其上塗有壓電層，以及至少一個具有特定剛度的內部彈性裝置(16)，該內部彈性裝置(16)為了穩定在其軸線上使得一端在確定了中空稜鏡本體(12)的重力和質量的中心之後與中空稜鏡本體(12)連接以及另一端連接到底座(18)，其中該裝置(100)可以檢測環境中可利用的小量振動源並且對中空稜鏡本體(12)和懸臂(14)產生巨大的振動，因而促使該裝置(100)產生電能。該裝置(100)可以從環境的低等級振動中採集能量。因此，可以應用於各種需要將機械力轉化為電能的能量採集中。
文檔編號H02N2/18GK102217184SQ200980146045
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月10日 優先權日2008年9月29日
發明者哈基敏·扎因丁·海爾, 奧斯曼·馬蘇裡, 桑託索·塔姆希爾·阿古斯, 沙哈裡奧·布揚·穆罕默德, 蘇萊曼·蘇拉婭 申請人:馬來西亞微電子系統有限公司