專利名稱：使用頻率校正的能量收集的制作方法
技術領域：
本發(fā)明實施例涉及4吏用電活性發(fā)電機(electroactive generator)和能 量校正器的振動能量收集(或能量采集)技術，更特別地涉及用于將低頻 環(huán)境振動轉換為高頻振動的機械頻率校正器。
背景技術：
能量收集(或能量采集)被定義為將環(huán)境機械能 一 例如振動能量，但 是不限于此-轉換為可使用的電能。然后所收集的電能可用作各種低功率 應用的電源，該低功率應用例如為-但是不限于-可包括無線傳感器和/ 或通信節(jié)點的聯(lián)網系統(tǒng)的遠程應用，在該遠程應用中如電池的其它電源是 不實用的[J.A.Paradiso， T.Starner， IEEE Pervasive Computing, Jan-Mar: 18-27(2005); S. Roundy， E.S. Leland, J. Baker, E. Carleton, E. Reilly, E. Lai， B. Otis, J. M. Rabacy， P. K. Wright, IEEE Pervasive Computing, Jan-Mar: 28-35(2005)。出于這些原因，致力于功率收集的研究量已快速 增加[H. A. Sodano, D. J. Inman， G Park, The Shock and Vibration Digest, Vol. 36:197-205(2004)。
已使用例如電機拔t電的電磁、靜電以瓦醫(yī)電方法成功開發(fā)了基于振 動的能量收集器[S. Roundy, E.S. Leland, J. Baker， E. Carleton, E. Reilly, E. Lai, B. Otis， J. M. Rabacy， P. K. Wright， IEEE Pervasive Computing, Jan-Mar: 28-35(2005)。壓電收集器得到相當大的關注，因為與其他電機 械發(fā)電^目比，壓電能量轉換產生相對高的電壓。壓電收集器可通過拉緊 壓電材料來將機械能轉換成電能，壓電材料然后使用原子變形來改變材料 的極性，并產生凈電壓(netvoltage)變化。該凈電壓可凈皮采集并被轉換 成電池或電容器中的存儲的功率，或者該凈電壓可在其產生時被使用。
通過壓電收集器(或者發(fā)電機)累積的功率的量與激勵其的M頻率 成比例[H. W. Kim， A, Batra， S. Priya， K. Uchino, D. Markley， R.E.Newnham， H. F. Hofmann, The Japan Society of Applied Physics, Vol. 43 9A: 6178-6183 (2004)。在大部分非共振式能量發(fā)生器中，輸入到該發(fā)電 機(例如，壓電材料)的機喊頻率對應于環(huán)境的主導機械頻率，環(huán)境的主 導^頻率在幾乎所有情況下都相對較低(即低于100 Hz )。例如，美國 專利No.6,433,465 Bl (Mcknight等)中公開的腳跟著地(heel-strike)能 量收集器[N. S. Shenck， J. A. Paradiso， IEEE Micro, Vol. 21:30-41 (2001)
從以約l Hz發(fā)生的步行運動中收集能量。該發(fā)電機的頻率與腳跟著地的 驅動頻率匹配。這種低頻發(fā)電機限制了可轉換的電機械功率的量。因此， 通過非共振式發(fā)電機收集的功率不足以對大部分基于電的系統(tǒng)供電。因 此，相對小的非共振式發(fā)電機通常由于低頻環(huán)境振動不能生成足夠高的功率。
另一方面，在美國專利No.3， 456， 134(Ko等)，美國專利No.4, 卯0， 970 (Ando等)和美國專利No.6, 858， 870 B2 (Malkin等)中公 開了一種共振式壓電發(fā)電機。對于這種基于共振的發(fā)電機，在共振頻率與 環(huán)境振動源的驅動頻率匹配時，可最大化收集的功率[J. A. Paradiso， T. Starner， IEEE Pervasive Computing, Jan-Mar: 18-27 (2005)。另夕卜，所收 集的功率輸出隨著共振頻率偏離驅動頻率而急劇降低。為了收集最大的能 量，將該系統(tǒng)中的壓電發(fā)電機設計成利用被共振地調諧到環(huán)境的主導機械 頻率的檢測質量塊(proof mass )的振蕩[S. Roundy, E. S. Leland, J. Baker, E. Carleton, E. Reilly, E. Laf， B. Otis, J. M. Rabacy， P. K. Wright, IEEE Pervasive Computing, Jan-Mar: 28-35(2005)。基于共振頻率的收集方法
將^Mt限制到非常窄的頻帶。此外，因為大部分結構共振頻率低(即低于
100 Hz),由于功率與輸入的頻率成比例，因此每個裝置的單位體積可收 集的功率量受到限制。因此，在許多壓電材料和磁致伸縮材料能夠在十幾 kHz的頻率工作的情況下，期望能夠將低范圍的M頻率轉換成較高的共 振頻率。這將意味著裝置的每單元所收集的功率的數量級的增加
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種將低機械頻率校正為高頻模式的方法。與現 有技術的能量收集設計相比，本發(fā)明表現出顯著的進步。本發(fā)明可利用逆 頻率校正方法。逆頻率校正將可例如來自環(huán)境振動的低頻振蕩源轉換成更 高頻率的振蕩。與以前的可能情況相比，該校正允許收集每單位質量更多 的功率。迄今為止，所有能量收集器均依賴于相對低的環(huán)境振動，且沒有 使用或提出逆頻率校正的特征。添加頻率校正器顯著地提高了每單位體積
的功率輸出。這種逆頻率校正方法有可能生成約\￥/0113級的功率密度， 比傳統(tǒng)壓電能收集器目前可獲得的能量密度大2-3個數量級。
該校正的頻率可應用于電機械或磁M材料，以將機喊功率轉換成電 功率。通過使用電機喊材料，可以實現基于電壓的收集系統(tǒng)，而通過使用 磁^l^材料，可以實現基于電流的收集系統(tǒng)。
根據本發(fā)明實施例的能量收集設備包括逆頻率校正器，被構造成接 收第一頻率的機械能；固態(tài)電M轉換器，耦合到該逆頻率校正器，以接 收該逆頻率校正器提供的力。該力當被逆頻率校正器提供時，使得固態(tài)轉 換器經受比第一頻率高的第二頻率，從而生成電功率。才艮據本發(fā)明實施例 的系統(tǒng)可包括上述設備，以及耦合以接收電信號的電裝置。本發(fā)明實施 例還可包括用于實現上述設備的方法。
在參照附圖對本發(fā)明的各種實施例的詳細說明中提供了本發(fā)明的另 外的特征。此外，通過參照結合附圖的詳細說明，將更好地理解本發(fā)明的 上述和其它附屬特征，在附圖中
圖l描繪了傳統(tǒng)共振式壓電收集器的工作示意圖2描繪了具有校正器的逆頻率校正的一個實施例的工作示意圖3描繪了具有頻率校正器列的本發(fā)明的第二實施例；
圖4示出了環(huán)境振動源的幅度-時間特性；
圖5示出了例如如圖1所示不使用校正器的現有技術的幅度-時間特
性；圖6示出了例如如圖2所示的實施例使用一個校正器的本發(fā)明實施例
的幅度-時間特性；
圖7示出了例如如圖3所示的實施例使用3個系列校正器的本發(fā)明實
施例的幅度-時間特性；以及
圖8示出了根據本發(fā)明實施例的總的系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式
根據本發(fā)明實施例可提供一種逆頻率校正，以在不改變發(fā)電機設計以 進行共振調節(jié)的情況下生成更高共振頻率的振動。在這種情況下，在一個 振動頻率的范圍上有效工作的單個設計可能是有利的。下面的詳細說明闡 述了本發(fā)明實施例的例子，這些例子是被視為本發(fā)明的許多可能的例子中 的一些例子，因此該說明應視為公開了代表性例子。用于收集的其它支持 對于理解本發(fā)明不是必需的，因此在此不作說明。在其他例子中，沒有詳 細說明眾所周知的特征，以避免不必要地使本發(fā)明不明確。示出本發(fā)明各 種實施例的附圖沒有按比例繪制。
圖1示出傳統(tǒng)壓電發(fā)電機的實施例。在圖1中，共振式壓電發(fā)電機包 括夾住的懸梁6形式的壓電材料發(fā)電機1。檢測質量塊2附著到梁6的自 由端。該梁由橫向振動激勵。環(huán)境振動源5使懸梁6以對應于環(huán)境的主導 機械頻率的頻率共振。如該圖所示，在共癡漠式3期間向上或向下使梁6 彎曲產生反復的機械應力。通過在壓電材料中引起應力，在該梁上生成電 壓7,因此可使用耦合到該壓電材料的電接觸(例如，引線)，來從該系 統(tǒng)收集能量。變形的幅度由該發(fā)電機的材料、幾何形狀以及在尖端處的質 量確定。
圖4示出在兩個周期內與諧和(harmonic)環(huán)境驅動力相關聯(lián)的位移 幅度波形。圖5示出激勵的壓電發(fā)電機的位移(或等同地，電壓)幅度波 形。該發(fā)電機在對應于圖4所示的驅動頻率的頻率以小幅度共振。
圖2示出根據本發(fā)明的逆頻率校正裝置的代表性實施例。"頻率校正" 指的是將高頻振蕩/運動轉換為低頻振蕩/運動，而"逆頻率校正"指的是將低頻振蕩/運動轉換為高頻振蕩/運動。本發(fā)明的一種工作模式可以是如 在上述基于傳統(tǒng)振動的收集器中的基于壓電懸臂的系統(tǒng)的形式。所提出的
逆頻率校正裝置100可包括至少一個能量發(fā)生器102，呈現出應力引發(fā) 的電能；頻率校正器104，由附著在金屬棒108上的橡膠校正器106構成。 本發(fā)明的一般概念不限于當前例子中說明的特定材料和結構。校正器106 使梁112向下彎曲。從校正器106釋放的梁112以變化的幅度在梁112的 固有頻率振動。該激勵的頻率遠高于圖l所示的傳統(tǒng)發(fā)電機的頻率。圖6 示出如圖2所示具有單個校正器的壓電發(fā)電機的電壓幅度波形的例子。
圖3示出具有附著到金屬棒206上的多個校正器202和204的逆頻率 校正裝置200的代表性實施例。本發(fā)明不限于對逆頻率校正裝置200僅使 用金屬棒206。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以使用其他材料和結構。 如圖2所示，由于校正器202和204根據共椒漠式207運動，每次經過校 正器202與204之間的距離208 (在任一方向)時，能量發(fā)生器210被彎 曲和釋放，導致能量發(fā)生器210在每次被校正器202和204彎曲和釋放時 重新開始振動。因此，可獲得改進的能量輸出。圖7示出具有多個校正器， 例如在該例子中具有3個校正器的壓電發(fā)電機的電壓幅度波形的例子。請 注意，該校正器202、 204的數量是任意的，且作為結果的電壓幅度波形 可具有與校正器202、 204的數量相關的形狀(例如在激厲i^值的數量方 面)。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，逆頻率校正器可具有一個、兩個、 三個或者更多數量的校正器，包括連續(xù)非離散系統(tǒng)。
如上所述，附圖示出了使用逆頻率校正方案的以上實施例，在該逆頻 率校正方案中具有橫向安裝的齒狀校正器的棒或者其他表面振動，從而該 校正器使柔性的且可位移的結構亂良復激勵以振動。然而，本發(fā)明不限于 此。而是本發(fā)明意在包括任何已知或待發(fā)現的逆頻率校正方法或裝置，包 括循環(huán)(circular),線性或其它方式的逆頻率校正方法或裝置(例如，可 替代結構可使用齒輪以實現循環(huán)方式的逆頻率校正；另 一可替代結構可利 用基于齒條齒輪的系統(tǒng)實現連續(xù)非離散系統(tǒng))。
圖8示出根據本發(fā)明實施例的系統(tǒng)的總的框圖。通常，可將第一頻率 的機械刺激81施加到逆頻率校正器82。通常，可以有激勵逆頻率校正器82的多個頻率和/或者頻帶。逆頻率校正器82輸出第二頻率的逆校正的刺 激83，該逆校正的刺激83以比第一頻率高的頻率激勵電機喊轉換器。應 理解第二頻率可以是頻鐠中的一個頻率。然后，可將逆校正的刺激83施 加到電機械轉換器84，該電機械轉換器84可以例如是(但不限于)上述 用于將逆校正的機械刺激83轉換為電能的基于壓電的裝置?？蓪⑦@樣產 生的電能施加到電系統(tǒng)85。如上所述，電系統(tǒng)85可包括一個或多個存儲 裝置(電池，電容器等)和/或可對其直接施加電能的電路。在許多情景下可采用如圖8所示的系統(tǒng)。典型的情景是在存在環(huán)境機 械刺激(例如，振動)的環(huán)境中要對低功率電系統(tǒng)供電。(可激勵逆頻率 校正器的典型的環(huán)境機喊頻率可以例如約為0.1 Hz-1,000 Hz,而適當的 固態(tài)組件可從在約100 Hz-約lGHz振蕩的可用的電機械轉換器中選擇。 然而，這些僅是一些例子。本發(fā)明的一般概念不限于這些特定參數)。例 如，在這種環(huán)境中可采用遠程感測和/或者通信裝置(例如，安裝在正常 振動、經受振動和/或以其它方式運動的機械或其他平臺上)，且本發(fā)明實 施例可用來在不4吏用電池或有線電源的情況下向該裝置供電。已關于各種實施例i兌明了本發(fā)明，對本領域技術人員來i兌通過前述i兌 明，顯然在不脫離本發(fā)明更廣闊的方面的情況下可作出改變和^務改，且因 而在權利要求中限定的本發(fā)明意在覆蓋落入本發(fā)明真實精神內的所有該 改變和修改。
權利要求
1.一種能量收集設備，包括逆頻率校正器，被構造成接收第一頻率的機械能；以及固態(tài)電機械轉換器，耦合到所述逆頻率校正器，以接收所述逆頻率校正器提供的力，其中，所述力當被所述逆頻率校正器提供時使所述固態(tài)轉換器經受比所述第一頻率高的第二頻率，從而生成電功率。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中所述逆頻率校正器被構造成 接收在包括所述第一頻率的頻帶的機械能。
3. 根據權利要求1所述的設備，其中所述逆頻率校正器提供的所 述力是具有與所述第 一頻率基本上相等的周期的周期性力。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中所述逆頻率校正器提供的所 述力是具有大于所述第一頻率的周期的周期性力。
5. 根據權利要求1所述的設備，其中所述機械能包括環(huán)境運動。
6. 根據權利要求1所述的設備，其中所述逆頻率校正器是線性型的。
7. 根據權利要求1所述的設備，其中所述逆頻率校正器是循環(huán)型的。
8. 根據權利要求1所述的設備，其中所述逆頻率校正器包括齒條 齒輪結構。
9. 根據權利要求1所述的設備，其中所述固態(tài)電機械轉換器包括 壓電材料。
10. 根據權利要求1所述的設備，其中所述固態(tài)電機械轉換器包括 電致伸縮材料和磁致伸縮材料中的至少一個。
11. 根據權利要求1所述的設備，進一步包括 電存儲裝置，被耦合以接收所述電能。
12. 根據權利要求11所述的設備，其中所述電存儲裝置包括電池。
13. 根據權利要求11所述的設備，其中所述電存儲裝置包括電容器。
14. 一種電系統(tǒng)，包括能量收集設備，該能量收集設備包括逆頻率校正器，被構造成接收第一頻率的機械能；以及 固態(tài)電機械轉換器，耦合到所述逆頻率校正器，以接收所述逆頻 率校正器提供的力，其中，所述力當被所述逆頻率校正器提供時使所述固態(tài)轉換器經 受比所述第一頻率高的第二頻率，從而生成電功率；以及電裝置，被耦合以接收所述能量收集設備生成的所述電功率。
15. 根據權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述電裝置包括傳感器。
16. 根據權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述電裝置包括通信裝置。
17. —種方法，用于從環(huán)境收集電能，包括提供一種機械結構，該機械結構被適配成當暴露于所述環(huán)境中時，被 激勵以進行第一頻率的周期性運動；以及將所述機械結構耦合到固態(tài)組件，以使所述固態(tài)組件被激勵以進行比 所述第一頻率高的第二頻率的周期性運動，其中所述固態(tài)組件適于當通過耦合到所述機械結構被激勵時在所述 第二頻率生成電功率。
18. 根據權利要求17所述的方法，進一步包括 存儲所述固態(tài)組件產生的電能。
19. 根據權利要求17所述的方法，進一步包括 利用所述固態(tài)組件產生的電能對電裝置供電。
全文摘要
一種能量收集設備(1)，包括能量頻率校正結構(5)，用于接收第一頻率的機械能；固態(tài)電機械轉換器(3)，耦合到逆頻率校正器(5)，以接收該逆頻率校正器(5)提供的力。該力當被該逆頻率校正器(5)提供時使該固態(tài)轉換器(3)經受高于第一頻率的第二頻率，從而生成電機械功率。
文檔編號H01L41/08GK101310393SQ200680039548
公開日2008年11月19日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權日2005年9月23日
發(fā)明者李東建, 格里戈里·P·卡曼 申請人:加利福尼亞大學董事會