振動(dòng)能量換能裝置及振動(dòng)能量收集電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種振動(dòng)能量換能裝置和振動(dòng)能量收集電路。該振動(dòng)能量換能裝置包括裝置外殼、設(shè)置于裝置外殼兩端的密封蓋，設(shè)置于密封蓋上的電極、設(shè)置于裝置外殼內(nèi)的敏感絲、采集線圈、振動(dòng)彈負(fù)'和磁鋼，振動(dòng)彈負(fù)'的一端與電極相接觸，另一端分別與采集線圈和敏感絲相連，磁鋼同極相對(duì)分別固定設(shè)置于密封蓋的內(nèi)側(cè)。該振動(dòng)能量收集電路為連接有阻性負(fù)載的全橋整流電路，電路中連接電壓的正極端和負(fù)極端分別與振動(dòng)能量換能裝置兩端的電極相連。本發(fā)明通過對(duì)磁路的設(shè)計(jì)將敏感絲安裝在很小的空間內(nèi)，在彈簧小幅度震動(dòng)下，依然保證裝置收集到能量，本發(fā)明在中低頻的振動(dòng)場(chǎng)合下，具有非常理想的轉(zhuǎn)化效率。
【專利說明】振動(dòng)能量換能裝置及振動(dòng)能量收集電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能夠?qū)τ谌粘Ｉ钪姓駝?dòng)能量的進(jìn)行收集和轉(zhuǎn)化，回饋到系統(tǒng)電 路中再次使用，或者直接對(duì)鋰電池充電的振動(dòng)能量換能裝置及振動(dòng)能量收集電路，屬于電 子領(lǐng)域/新能源領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 敏感絲一般為鐵鈷釩材料制成，屬于半硬磁材料。敏感絲的直徑一般只有0. 25mm, 而長度一般為10mm，從尺寸上來說是非常小的，比家用的繡花針還細(xì)還短。敏感絲被放置在 交變磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)被反復(fù)磁化，敏感絲磁化過程是其內(nèi)部磁疇受到外部磁力作用而發(fā)生翻 轉(zhuǎn)的過程。但是與普通鐵磁材料相比，敏感絲的磁疇翻轉(zhuǎn)是非常劇烈的，約在15?50us內(nèi)完 成。當(dāng)在敏感絲的周圍放置線圈并對(duì)線圈進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，可以通過示波器清楚的看到尖銳的 電壓脈沖信號(hào)。磁疇翻轉(zhuǎn)的速度與外界交變磁場(chǎng)的頻率無關(guān)，也就是說外界磁場(chǎng)變化速度 快或者慢，對(duì)敏感絲內(nèi)部磁疇翻轉(zhuǎn)的速度沒有影響。影響磁疇翻轉(zhuǎn)速度的唯一要素就是外 界磁場(chǎng)強(qiáng)度。一旦強(qiáng)度到達(dá)閾值，磁疇翻轉(zhuǎn)就會(huì)在瞬間完成。雖然敏感絲磁疇翻轉(zhuǎn)的速度 非常快，但是，實(shí)際其所需要的外界磁場(chǎng)要求很低，約4mT (40Gs高斯)。正是因?yàn)槠渥陨眢w 積和重量都很小，同時(shí)所需的外界磁場(chǎng)強(qiáng)度也很小，利用敏感絲相對(duì)于磁場(chǎng)的微小位移對(duì) 于振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和能量收集是非常適合的。
[0003] 振動(dòng)是人類生活環(huán)境中最常見的機(jī)械能量形式。行人走動(dòng)、車輛行駛、體育鍛煉等 等，一旦物體之間發(fā)生了相對(duì)位移，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)這些振動(dòng)能量的收集，在現(xiàn) 實(shí)生活中有非常重要的意義。
[0004] 在集成電路日益發(fā)達(dá)的今天，不論是單片機(jī)、采樣電路還是存儲(chǔ)器，在休眠時(shí)間的 休眠功耗電流都低于20uA。對(duì)于手持式系統(tǒng)來說，整個(gè)系統(tǒng)的休眠功耗電流也不會(huì)超過 150uA。因此在手持設(shè)備中裝配具有振動(dòng)能量收集功能的裝置，可以明顯的延長電池壽命。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中敏感絲所具有的磁敏特性，本發(fā)明提供一種振動(dòng)能量換能裝置及 振動(dòng)能量收集電路。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種振動(dòng)能量換能裝置，包括裝置外殼、設(shè)置于裝置外殼兩端的密封蓋，設(shè)置于密封蓋 上的電極、設(shè)置于裝置外殼內(nèi)的敏感絲、采集線圈、振動(dòng)彈簧和磁鋼，所述振動(dòng)彈簧的一端 與電極相接觸，另一端分別與采集線圈和敏感絲相連，所述磁鋼同極相對(duì)分別固定設(shè)置于 密封蓋的內(nèi)側(cè)。
[0007] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述采集線圈為漆包線繞制而成。
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述采集線圈固定設(shè)置于裝置外殼的中心位置。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述采集線圈的兩端設(shè)置有引線，引線焊接于采集線 圈兩端的振動(dòng)彈黃上。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電極和密封蓋為一體式結(jié)構(gòu)，電極的內(nèi)端通過彈 簧自身的壓力保證與振動(dòng)彈簧相接觸，另一端接觸振動(dòng)能量換能裝置外部。
[0011] 一種振動(dòng)能量收集電路，所述振動(dòng)能量收集電路為連接有阻性負(fù)載的全橋整流電 路，所述全橋整流電路中連接電壓的正極端和負(fù)極端分別與振動(dòng)能量換能裝置兩端的電極 相連，全橋整流電路中的交流輸入端和直流輸出端分別與阻性負(fù)載的兩端連接。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明通過對(duì)磁路的設(shè)計(jì)，將敏感絲安裝在很小的空間內(nèi)，在彈簧小幅度震動(dòng)下，依然 保證裝置收集到能量，與目前涉及到的能量收集裝置相比，本發(fā)明涉及的裝置具有瞬間高 能量的特點(diǎn)，在中低頻的振動(dòng)場(chǎng)合下，具有非常理想的轉(zhuǎn)化效率。
[0013] 由于本發(fā)明的尺寸和對(duì)工作磁場(chǎng)空間的要求很小，可以制成體積很小的裝置。對(duì) 于越來越多便攜式設(shè)備和更低功耗的電子設(shè)備來說，能夠在設(shè)備上設(shè)計(jì)安裝有這樣的裝 置，能夠有效延長其續(xù)航時(shí)間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明振動(dòng)能量換能裝置的拆分結(jié)構(gòu)圖； 圖2是靜止?fàn)顟B(tài)下本發(fā)明振動(dòng)能量換能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是振動(dòng)狀態(tài)下敏感絲運(yùn)動(dòng)到左側(cè)的振動(dòng)能量換能裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是振動(dòng)狀態(tài)下敏感絲運(yùn)動(dòng)到右側(cè)的振動(dòng)能量換能裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是振動(dòng)能量換能裝置產(chǎn)生的脈沖電壓信號(hào)圖； 圖6是本發(fā)明振動(dòng)能量收集電路的電路圖； 圖7是本實(shí)施例中電流轉(zhuǎn)化電路的簡(jiǎn)圖。
[0015] 圖中：1、裝置外殼；2、敏感絲；3、振動(dòng)彈簧；4、磁鋼；5、采集線圈；6、密封蓋；7、電 極。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017] 本發(fā)明包括振動(dòng)能量換能裝置及振動(dòng)能量收集電路。
[0018] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，振動(dòng)能量換能裝置的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，包括：裝 置外殼1，用于密封安裝其內(nèi)部的敏感絲2、振動(dòng)彈簧3、磁鋼4和采集線圈5。外殼1的兩 端的密封蓋6上設(shè)置有電極7，與振動(dòng)彈簧3相接觸。
[0019] 所涉及的裝置外殼1，優(yōu)選采用塑料材質(zhì)，比如聚甲醛，外徑小于5_。
[0020] 所涉及的電極7，和密封蓋6設(shè)計(jì)制造為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，電極7與振動(dòng)彈簧4相接觸， 通過彈簧自身的壓力保證接觸度。電極6與后端的振動(dòng)能量收集電路相連接。
[0021] 所涉及的密封蓋6,米用與裝置外殼1相同材質(zhì),密封蓋6上設(shè)有電極7,和電極6 相對(duì)的一面設(shè)計(jì)有圓形凹槽，用于安放磁鋼4。密封蓋6與裝置外殼1采用螺紋方式緊密連 接，還可以增加密封圈和密封膠。
[0022] 所涉及的采集線圈5,采用漆包線繞制而成，直徑小于3mm,長度小于7mm,安裝固 定在裝置外殼1的中心位置。采集線圈5的兩端引線焊接在兩端的振動(dòng)彈簧上。
[0023] 所涉及的磁鋼4，成對(duì)使用，形狀為圓柱形，直徑小于3_，材料為釹鐵硼。磁鋼4 成對(duì)使用，安裝于密封蓋6的圓形凹槽內(nèi)，采用過盈配合安裝并使用黏合劑保證磁鋼4與裝 置外殼1黏合固定。兩個(gè)磁鋼同極相對(duì)，比如，如果左側(cè)磁鋼N極朝向中心敏感絲2，那么右 側(cè)磁鋼4也必須N極朝向中心敏感絲2 ；S極亦然。
[0024] 所涉及的振動(dòng)彈簧3，使用銅質(zhì)材料，具有良好的導(dǎo)電性能。兩端的彈簧為統(tǒng)一規(guī) 格，保證收到振動(dòng)時(shí)，具有較為平衡的受力。振動(dòng)彈簧3分別與兩端密封蓋6上的的電極7 接觸。
[0025] 所涉及的敏感絲2，其兩端分別與兩側(cè)的振動(dòng)彈簧3連接，為了方便連接，在敏感 絲2的兩端還可以增加相關(guān)附件。
[0026] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，振動(dòng)能量收集電路的電路圖如圖6和圖7所示，包括： 整流橋8和電源管理電路9。在兩者的配合工作下，使得振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置所收集的振動(dòng) 能量能夠被回饋到系統(tǒng)電路中使用或者對(duì)鋰電池充電。
[0027] 本發(fā)明的工作原理如下： 假設(shè)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的初始狀態(tài)為靜止?fàn)顟B(tài)，敏感絲位于中心位置，處于0磁場(chǎng)狀 態(tài)，沒有磁化傾向，此時(shí)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的狀態(tài)如圖2所示；當(dāng)橫向震動(dòng)發(fā)生時(shí)，彈簧會(huì) 伸長收縮，帶動(dòng)敏感絲左右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換裝置的狀態(tài)如圖3和圖4所示。
[0028] 當(dāng)敏感絲處于左側(cè)磁場(chǎng)附近時(shí)，受到磁場(chǎng)合力為N極和-N極（S極)的周期性作用， 敏感絲內(nèi)部的磁化狀態(tài)隨之變化，導(dǎo)致線圈中磁通量變化，感生出電流，產(chǎn)生一系列正負(fù)電 壓脈沖群。正負(fù)電壓脈沖群如圖5所示，圖中，虛線箭頭表示正向脈沖回路，實(shí)現(xiàn)箭頭表示 負(fù)向脈沖回路。
[0029] 脈沖群通過后續(xù)的整流電路(如圖6所示）和電源管理電路(如圖7所示)，完成機(jī) 械能的轉(zhuǎn)化和回饋。
[0030] 振動(dòng)能量換能裝置的原始電壓形式類似于交流電壓，有正負(fù)之分，在阻性負(fù)載下 的電壓幅值約為±5. 5v左右，脈沖寬度約為40us。振動(dòng)能量換能裝置后極連接上全橋整流 電路，將負(fù)相電壓反轉(zhuǎn)為正相電壓。一般情況下硅二極管的壓降較高，約為0. 6V左右，在實(shí) 際使用中，可以使用相同工作原理的肖特基二極管。經(jīng)過處理的脈沖幅值略有降低，在阻性 負(fù)載在下的幅值大約在5. 0V，電流700uA，脈沖寬度保持不變?nèi)约s為40us。經(jīng)過全橋整形 過后的脈沖電壓，再接入電源管理電路，通過對(duì)每個(gè)正向電壓斬波，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合要求，將 5. 5V的脈沖幅值降低到1. 8V^3. 6V，脈寬可以拓寬到lOOus?150us，此時(shí)對(duì)應(yīng)的阻性負(fù)載來 說，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)可以到達(dá)300uA左右。
[0031] 由于振動(dòng)能量換能裝置尺寸和對(duì)工作磁場(chǎng)空間的要求很小，可以制成體積很小的 裝置。對(duì)于越來越多便攜式設(shè)備和更低功耗的電子設(shè)備來說，能夠在設(shè)備上設(shè)計(jì)安裝有這 樣的裝置，能夠有效地延長其續(xù)航時(shí)間。
[0032] 在集成電路日益發(fā)達(dá)的今天，不論是單片機(jī)、采樣電路還存儲(chǔ)器，休眠時(shí)間的休眠 功耗電流都低于20uA。對(duì)于某個(gè)手持式系統(tǒng)來說，整個(gè)系統(tǒng)的休眠功耗電流也不會(huì)超過 150uA。在手持設(shè)備中裝配有本發(fā)明的裝置，可以明顯的延長電池壽命。本發(fā)明所涉及的裝 置也可以組合使用，比如，在某些場(chǎng)合下多個(gè)換能裝置配合一套收集電路，可以起到增加發(fā) 電量的效果。
[0033] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種振動(dòng)能量換能裝置，其特征在于：包括裝置外殼（1)、設(shè)置于裝置外殼（1)兩端 的密封蓋（6)，設(shè)置于密封蓋（6)上的電極（7)、設(shè)置于裝置外殼（1)內(nèi)的敏感絲（2)、采集線 圈（5)、振動(dòng)彈簧（3)和磁鋼（4)，所述振動(dòng)彈簧（3)的一端與電極（7)相接觸，另一端分別 與采集線圈（5)和敏感絲（2)相連，所述磁鋼（4)同極相對(duì)分別固定設(shè)置于密封蓋（6)的內(nèi) 側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)能量換能裝置，其特征在于：所述采集線圈（5)為漆包線 繞制而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的振動(dòng)能量換能裝置，其特征在于：所述采集線圈（5)固定 設(shè)置于裝置外殼（1)的中心位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的振動(dòng)能量換能裝置，其特征在于：所述采集線圈（5)的兩端設(shè) 置有引線，引線焊接于采集線圈（5)兩端的振動(dòng)彈簧（3)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)能量換能裝置，其特征在于：所述電極（7)和密封蓋為一 體式結(jié)構(gòu)，電極（7)的內(nèi)端通過彈簧自身的壓力保證與振動(dòng)彈簧（3)相接觸，另一端接觸振 動(dòng)能量換能裝置外部。
6. 一種振動(dòng)能量收集電路，其特征在于：所述振動(dòng)能量收集電路為連接有阻性負(fù)載的 全橋整流電路，其特征在于：所述全橋整流電路中連接電壓的正極端和負(fù)極端分別與振動(dòng) 能量換能裝置兩端的電極（7)相連，全橋整流電路中的交流輸入端和直流輸出端分別與阻 性負(fù)載的兩端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所示的振動(dòng)能量收集電路，其特征在于：所述全橋整流電路的輸出 端還連接有用于轉(zhuǎn)化全橋整流電路的輸出端輸出的周期性脈沖交流電壓的電源管理電路。
【文檔編號(hào)】H02K35/00GK104218768SQ201410412736
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】崔義煒, 李云方, 凌超, 劉玉林, 孟祥龍, 潘旭東 申請(qǐng)人:南京艾馳電子科技有限公司