技术领域
[0001] 本
申请涉及包括
质量块的能量采集器，所述质量块经受使其进入运动质量块的状态的环境作用
力。
背景技术
[0002] 在过去的十年里，能量采集领域已经迅速吸引了很多人的关注，并且通过公布和产品技术
原型的增长已证实其具有的重要性。一般来说，用于能量采集的来源可以以四种形式获取：光、
无线电波、
温度差和运动。户外
太阳能比其他来源提供的能量
密度高出大约两个数量级。然而，对于室内环境来说太阳能不是具有吸引力的能量来源。特别地，对于室内应用，认为
动能是具有吸引力的选择。
[0003] 来自例如普遍存在的环境振动、人类的日常运动或其它类型的运动，尤其是但不排除通过微
电子机械系统(micro-electronic-mechanical systems，MEMS)技术的能量采集，似乎是用于便携式设备和无线
传感器网络的极具潜力的功率的来源。可以利用三种类型的
机电换能器将来自环境的振动或运动转换成
电能，或者以应变能量形式存储以用于后续使用，所述三种类型的机电换能器为：电磁的、静电的和压电的，。
[0004] Seok-Min Jung和Kwang-Seok Yun撰写的、发表于应用物理通讯96，11906(2010)的文章“用于增大的功率效率和宽带操作的具有机械上变频转换机制的能量采集设备”，公开了一种能量采集设备，其利用跳跃失稳(snap through buckling)进行机械上变频转换。这里提出的设备由具有质量块的扣接的长桥(buckled slender bridge)和附接其上的悬梁组成。这提高了该设备的可用带宽。
[0005] A.J.Sneller、P.Cette和B.P.Mann撰写的、发表于机械工程协会论文集，第I部分：《系统和控制过程》期刊2011年第225卷第497-509页的文章“用于能量采集的具有附接的中心质量块的后扣的压电梁的实验研究”，调查了扣接的压电梁对
基础谐波(harmonic base excitation)的响应。该研究就附接的质量块在持续的跳跃行为(snap through behavior)上的效应进行了报告。由于该行为的相对大的幅度运动，其在能量采集上有明显的应用。
[0006] C.Eichhorn、F.Goldschmidtboeing和P.Woias所撰写的、发表于《微力学和微工程学》期刊的第2009年第19期第1-6页的文章“基于
悬臂梁的
压电换能器的双向
频率调谐”，就通过应用机械作用力至其结构的压电换能器的共振频率的调谐做了报告。
[0007] Mohammed Rhimi和Nizar Lajnef撰写的、发表于SPIE论文集第7981卷文章标识为7981139第1-9页的文章“在压电能量采集器中利用形状记忆
合金的温度补偿”，讨论了采集的振动能量通常被认为是，在土建和机械结构中的用于健康与使用监控的传感器的网络的可替换功率源。该文章讨论了在理论上可采集的能量
水平的温度偏移的影响以及补偿方法论。
发明内容
[0008] 对于所有类型的应用中动能的采集、存储和释放的需要，本发明的目的在于通过提供能量采集器来满足这种需求，该能量采集器包括质量块，该质量块能够经受使其进入运动质量块的状态的环境作用力(例如由于振动)，以及构件，该构件连接到所述质量块用于转化和存储蕴含在所述运动质量块中的能量，并设置为用于后续释放所述能量，其中，所述质量块是系统的一部分，所述系统包括
框架和将所述质量块连接到所述框架的第一弹性梁和第二弹性梁，其中所述第一弹性梁和第二弹性梁提供有相反的
刚度，以便在所述运动质量块的预定偏移范围内设置，使得所述质量块承受预选的刚度。
[0009] 考虑到例如该第一弹性梁具有正刚度，设置该第二弹性梁具有负刚度，其中该负刚度将该系统的刚度调谐下降至零刚度或者接近零刚度。虽然由于该正刚度更易实现而优选地调谐该正刚度，但是原则上，该正刚度或者该负刚度都可以进行调谐。因此，有时可能有益的是，选择预选的刚度在一个值处，其将该质量块调谐成与环境振动作用力的频率共振。
[0010] 一般来说，通过设置具有上述特征的本发明的能量采集器，组装成本和维修成本是低的，然而其可以获得将运动能量精确有效转换成可重复利用的潜在的能量，这在小规模应用中是可用的，尤其是在微电子机械系统(MEMS)应用中，其尤其适于将该系统设置成服从系统(compliant system)。另一个显著优点在于，在该运动质量块的预定偏移范围内，出现该优选的零刚度或接近零刚度，并且使该运动质量块共振的该范围可以相对大，使得可以将本发明的采集器用于相对大的能量的转换。
[0011] 优选地，用于转换和存储能量的构件包括组件，该组件选自包括
螺旋弹簧和压电元件的组。在微电子机械系统(MEMS)应用的情况下，优选地，选择的组件是弹
簧片。这些是诸如公知的构件，可以将其很好的装配以进行可靠的能量转换。
[0012] 本发明的能量采集器合适地体现了，使得该第一弹性梁或多个梁在该运动质量块的预定偏移范围内具有预定的第一刚度，并且在所述预定范围内该第二弹性梁或多个梁具有第二刚度，其在所述预定范围内与所述第一弹性梁或多个量的第一刚度对抗。
[0013] 下文将参考本发明的能量采集器的示例性
实施例的
附图对本发明进行说明，本发明并不限于随附的
权利要求。
附图说明
[0014] 图1示出了静态地平衡的服从运动能量采集器的原理图。
[0015] 图2示出了图1中的静态地平衡的服从运动能量采集系统的作用力偏移特性，用于后续的(图2a和图2b)以及静力平衡器(SB)的合作动作以及没有(图2c)和具有(图2d)增加的重力(质量块)的服从能量采集系统(CEH)。
[0016] 图2a-b示出了本发明的能量采集器的作用力偏移行为。
[0017] 图2a分别示出了梁5(实线)以及梁3和梁4的组合(虚线)的作用力-偏移的关系图。
[0018] 图2b利用放大刻度示出了图1中用术语SB-domain指示的限制的区域中关于该质量块2的偏移。
[0019] 图2c示出了该质量块2经历的梁3(实线)和梁4(虚线)的联合效应，示出了在利用SB-domain指示的区域中有通过该振动的质量块2经历的零刚度。
[0020] 图2d最后示出了梁5(实线)和梁3和梁4(虚线)的联合效应，以及具有预选值的质量块2(具有标记的实线)的重力。具体实施方式
[0021] 如图1所示，根据本发明的能量采集器用标识1表示。该能量采集器1包括质量块2，其经受来自环境的作用力，该作用力可以是使该质量块2进入运动质量块2的状态的振动。构件5连接到该质量块2用于转化和存储蕴含在该运动质量块2中的能量，设置该构件5用于后续释放所述能量。
[0022] 优选地但不是必须地，质量块2是服从系统的一部分，该服从系统包括框架6和将该质量块2连接到该框架6的第一弹性梁3和第二弹性梁4，其中，该第一弹性梁3和第二弹性梁4提供有相反的刚度，从而在该运动质量块2的预定偏移范围内设置，所述质量块2经历预定的刚度，优选地，该预定的刚度为零刚度或接近零刚度。优选地，可以调谐具有该第一弹性梁3和第二弹性梁4的系统，从而使该质量块2与环境的振动作用力的频率共振。出于该目的，有利的是该第一弹性梁3和第二弹性梁4中的至少一个是可调谐的。
[0023] 用于转化和存储能量的构件5包括组件，优选地，该组件选自包括弹簧片、
螺旋弹簧5和压电元件的组。图1示出了选择螺旋弹簧5来用于转化和存储该运动质量块2的能量。其然而，其它选择在本领域技术人员的范围内并且在本发明的范围内。例如，当将该系统实现为微电子机械系统(MEMS)时，优选的选择为利用弹簧片作为转化和存储能量的组件。
[0024] 通过前面的描述很清楚的是，在本设计的核心处通过提供零刚度的静力平衡器3、4将负刚度添加至质量块2，或者当质量块2在其框架6中运动时设置使其与来自环境的作用力共振。当应用了零刚度或接近零刚度时，该质量块2因此可以在某个运动范围内处于静态平衡(即具有零触发力度的零刚度)。
[0025] 在根据本发明的静态地平衡的服从运动能量采集系统1中，由于弹性元件3、4和5的偏移，以及通过刚度调整而调谐的自然频率，能量损失被解决。因此，输出能量/输入能量的比例增加。换言之，对于相同大小的作用力，可以取得质量块2的更大偏移，或者更小的质量块2可以经受相同的偏移(即创造更多的应变能)。因此，可以采集更多的能量，并且可以存储更多的能量。
[0026] 图2a-b示出了本发明的能量采集器的作用力偏移行为。
[0027] 图2a分别示出了梁5(实线)以及梁3和梁4的组合(虚线)的作用力-偏移的关系图。
[0028] 图2b利用放大刻度示出了图1中用术语SB-domain指示的限制的区域中关于该质量块2的偏移。
[0029] 图2c示出了该质量块2经历的梁3(实线)和梁4(虚线)的联合效应，示出了在利用SB-domain指示的区域中有通过该振动的质量块2承受的零刚度。
[0030] 图2d最后示出了梁5(实线)和梁3和梁4(虚线)的联合效应，以及具有预选值的质量块2(具有标记的实线)的重力。
