ITTO20130652A1 - Trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell'energia e metodo per la raccolta di energia mediante un trasduttore piezoelettrico - Google Patents
Trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell'energia e metodo per la raccolta di energia mediante un trasduttore piezoelettricoInfo
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “TRASDUTTORE PIEZOELETTRICO PER UN SISTEMA DI RACCOLTA DELL'ENERGIA E METODO PER LA RACCOLTA DI ENERGIA MEDIANTE UN TRASDUTTORE PIEZOELETTRICO”
La presente invenzione è relativa a un trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell’energia e a un metodo per la raccolta di energia mediante un trasduttore piezoelettrico.
L’invenzione si presta particolarmente alla realizzazione di microtrasduttori piezoelettrici utilizzabili in sistemi di raccolta dell’energia miniaturizzati e adatti ad alimentare, tra gli altri, componenti e/o dispositivi elettronici quali sensori e attuatori a basso consumo, frequentemente utilizzati in dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari, calcolatori tablet, calcolatori portatili (laptop), videocamere, fotocamere, consolle per videogiochi e via dicendo.
Come è noto, sistemi per la raccolta di energia (anche noti come sistemi di “energy harvesting” o “energy scavenging”) da fonti energetiche ambientali hanno suscitato e suscitano notevole interesse in svariati campi della tecnologia. Tipicamente, i sistemi di raccolta di energia sono atti a raccogliere (“harvest” o “scavenge”), accumulare (“store”), e trasferire energia generata da sorgenti meccaniche ad un generico carico di tipo elettrico. In questo modo, il carico elettrico non necessita di batterie o altri sistemi di alimentazione che sono spesso ingombranti e scarsamente resistenti a stress meccanici e comportano costi di manutenzione per interventi di sostituzione. Inoltre, i sistemi di raccolta di energia ambientale rivestono grande interesse per dispositivi comunque dotati di sistemi di alimentazione a batteria, che però hanno autonomia piuttosto limitata. È il caso, ad esempio, di molti dispositivi elettronici portatili che stanno sempre più diventando di uso comune, come telefoni cellulari, calcolatori tablet, calcolatori portatili (laptop), videocamere, fotocamere, consolle per videogiochi ecc. I sistemi di raccolta di energia ambientale possono essere utilizzati per alimentare componenti o dispositivi incorporati allo scopo di ridurre l’energia assorbita dalla batteria e, in definitiva, di aumentare l’autonomia.
L’energia ambientale può essere raccolta da diverse fonti disponibili e convertita in energia elettrica mediante opportuni trasduttori. Ad esempio, fonti di energia disponibili possono essere vibrazioni meccaniche o acustiche o, più in generale, forze o pressioni, fonti di energia chimica, campi elettromagnetici, luce ambientale, fonti di energia termica.
Per la raccolta e la conversione possono essere utilizzati, tra gli altri, trasduttori piezoelettrici.
I trasduttori piezoelettrici sono in genere basati su una microstruttura comprendente un corpo di supporto al quale sono collegati elementi piezoelettrici a mensola, aventi almeno una porzione in materiale piezoelettrico. Le estremità libere degli elementi piezoelettrici a mensola, a cui possono essere collegate masse aggiuntive, oscillano elasticamente in risposta a movimenti del corpo di supporto o a vibrazioni trasmesse ad esso. Per effetto dei movimenti di flessione ed estensione durante le oscillazioni, il materiale piezoelettrico produce una carica che può essere raccolta e immagazzinata in un elemento di accumulo.
Nei trasduttori miniaturizzati, tuttavia, l’impiego dei soli elementi piezoelettrici a mensola e delle masse aggiuntive non permette di raggiungere livelli di efficienza adeguati. In pratica, la conversione di energia cinetica non è soddisfacente perché la frequenza propria del sistema formato dall’elemento piezoelettrico a mensola e dalla massa aggiuntiva è troppo differente rispetto alle frequenze ambientali tipiche che possono essere trasdotte.
Per migliorare l’efficienza dei trasduttori piezoelettrici, è stato proposto di utilizzare una massa mobile separata dagli elementi piezoelettrici a mensola e magneti che permettono di accoppiare temporaneamente massa mobile ed elementi piezoelettrici a mensola. I magneti sono disposti in parte sulla massa mobile e in parte sugli elementi piezoelettrici a mensola e sono orientati in modo da esercitare forze attrattive. La massa mobile è vincolata al corpo di supporto in modo da poter entrare in contatto con gli elementi piezoelettrici a mensola e consentire ai magneti di accoppiarsi. Gli elementi piezoelettrici a mensola vengono trascinati nel moto della massa mobile e deformati fino a quando la forza elastica di richiamo supera la forza magnetica. A questo punto, i magneti si separano e l’azione della forza magnetica sugli elementi piezoelettrici a mensola cessa quasi istantaneamente all’allontanarsi della massa mobile, lasciando agire la sola forza elastica. In pratica, ciò equivale ad applicare un impulso di forza agli elementi piezoelettrici a mensola, i quali sono perciò sollecitati su un’ampia banda di frequenze, che include anche la frequenza di risonanza.
Benché molto migliori sotto il profilo dell’efficienza, i dispositivi descritti presentano tuttavia alcuni limiti per quanto riguarda l’affidabilità. Infatti, ogni oscillazione della massa mobile causa un urto fra i magneti della massa mobile stessa e i magneti degli elementi piezoelettrici a mensola. Anche se la frequenza di oscillazione della massa mobile è bassa (generalmente inferiore a una decina di Hertz), a lungo andare la ripetizione degli urti può provocare danni alla microstruttura. In particolare, si possono formare microcrepe che rapidamente si propagano fino a rendere inservibile il trasduttore.
Scopo della presente invenzione è fornire un trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell’energia e un metodo per raccogliere energia mediante un trasduttore piezoelettrico che permettano di superare o almeno attenuare le limitazioni descritte.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell’energia e un metodo per raccogliere energia mediante un trasduttore piezoelettrico come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 18.
Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne verranno ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema di raccolta di energia;
- la figura 2 è una vista in pianta dall’alto semplificata di un trasduttore piezoelettrico in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione e incorporato nel sistema di raccolta di energia di figura 1, il trasduttore piezoelettrico essendo illustrato in una prima configurazione operativa;
- la figura 3 mostra il trasduttore piezoelettrico di figura 2 in una seconda configurazione operativa;
- la figura 4 mostra il trasduttore piezoelettrico di figura 2 in una terza configurazione operativa;
- la figura 5 mostra il trasduttore piezoelettrico di figura 2 in una quarta configurazione operativa;
- la figura 6 è un grafico che mostra grandezze relative al trasduttore piezoelettrico di figura 2;
- la figura 7 è una vista in pianta dall’alto semplificata di un trasduttore piezoelettrico in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima configurazione operativa;
- la figura 8 mostra il trasduttore piezoelettrico di figura 7 in una seconda configurazione operativa;
- la figura 9 è una vista in pianta dall’alto, con parti asportate per chiarezza, di un trasduttore piezoelettrico in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 10 è una sezione trasversale ingrandita attraverso il trasduttore piezoelettrico di figura 9, presa lungo la linea X-X di figura 9;
- la figura 11 è una vista in pianta dall’alto, con parti asportate per chiarezza, di un trasduttore piezoelettrico in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 12 è una sezione trasversale ingrandita attraverso il trasduttore piezoelettrico di figura 11, presa lungo la linea XII-XII di figura 12
- la figura 13 è una vista in pianta dall’alto, con parti asportate per chiarezza, di un trasduttore piezoelettrico in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione; e
- la figura 14 è una sezione trasversale ingrandita attraverso il trasduttore piezoelettrico di figura 13, presa lungo la linea XIV-XIV di figura 13.
Con riferimento alla figura 1, un sistema di raccolta dell’energia (“energy harvesting system”) è indicato nel suo complesso con il numero 1. Il sistema di raccolta dell’energia 1 si presta particolarmente, ma non esclusivamente, a essere impiegato per alimentare componenti e/o dispositivi elettronici quali sensori e attuatori a basso consumo, sempre più frequentemente utilizzati in dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari, calcolatori tablet, calcolatori portatili (laptop), videocamere, fotocamere, consolle per videogiochi ecc.
Componenti e dispositivi elettronici alimentati mediante il sistema di raccolta dell’energia 1 sono resi autosufficienti e non assorbono energia dal sistema di alimentazione principale (normalmente una batteria), che perciò ha maggiore autonomia, a vantaggio degli utenti.
Inoltre, in alcune applicazioni il sistema di raccolta dell’energia 1 può essere utilizzato sia come sorgente di alimentazione principale, sia come sorgente di alimentazione ausiliaria per i componenti e/o dispositivi elettronici sopra indicati. In questo caso, il sistema di raccolta dell’energia 1 può affiancare un sistema di alimentazione convenzionale, ad esempio a batteria, ed entrare in funzione quando il sistema di alimentazione principale si esaurisce o presenta un malfunzionamento.
Il sistema di raccolta dell’energia 1 comprende un trasduttore 2, un’interfaccia di raccolta 3, un elemento di accumulo 5, un dispositivo di connessione selettiva 6 e un regolatore di tensione 7. Inoltre, un’uscita del regolatore di tensione 7 alimenta un carico elettrico 8.
Il trasduttore 2 fornisce una tensione di raccolta VHin risposta a energia fornita da una fonte di energia ambientale 4 esterna al sistema di raccolta 1. Il trasduttore 2 è un trasduttore piezoelettrico che fornisce una tensione di raccolta VHin risposta a vibrazioni meccaniche trasmesse dall’ambiente esterno e sarà descritto più in dettaglio nel seguito.
L’interfaccia di raccolta 3, quando alimentata dall’elemento di accumulo 5, riceve la tensione di raccolta VHdal trasduttore 2 e fornisce una corrente di carica ICHall’elemento di accumulo 5. L’energia immagazzinata nell’elemento di accumulo 5 aumenta per effetto della corrente di carica ICHe determina una tensione di accumulo VST.
Il dispositivo di connessione selettiva 6 selettivamente collega e scollega un ingresso di alimentazione 3a dell’interfaccia di raccolta 3 e l’elemento di accumulo 5 in base alla risposta del trasduttore 2. Più precisamente, quando la tensione di raccolta VHsupera una soglia di attivazione VA, che è rappresentativa di uno stato in cui il trasduttore 2 è attivo e riceve energia ambientale dall’esterno, il dispositivo di connessione selettiva 6 collega l’interfaccia di raccolta 3 all’elemento di accumulo 5, in modo che l’interfaccia di raccolta 3 riceva la tensione di accumulo VSTpresente sull’elemento di accumulo 5. L’interfaccia di raccolta può quindi utilizzare la tensione di raccolta VHper caricare l’elemento di accumulo 5. Viceversa, quando il trasduttore 2 non riceve energia ambientale e la tensione di raccolta VHè inferiore alla soglia di attivazione VA, il dispositivo di connessione selettiva 6 scollega l’interfaccia di raccolta 3 dall’elemento di accumulo 5, in modo che il consumo di energia dell’interfaccia di raccolta 3 cessi.
In una forma di realizzazione, in particolare, il dispositivo di connessione selettiva comprende un interruttore 10 e uno stadio di pilotaggio 11, configurato per comandare l’interruttore 10 in base al confronto fra la tensione di raccolta VHe la soglia di attivazione VA.
Il regolatore di tensione 7 riceve la tensione di accumulo VSTe fornisce una tensione di alimentazione VDDregolata al carico elettrico 8 secondo richiesta.
Il dispositivo di alimentazione selettiva 6 permette sostanzialmente di azzerare il consumo dell’interfaccia di raccolta 3 in assenza di attività del trasduttore 2 ed evita quindi che l’energia accumulata sull’elemento di accumulo 5 sia dissipata senza un’effettiva necessità quando il sistema di raccolta 1 non è in condizione di ricevere energia dall’ambiente.
Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione, illustrata nelle figure 2-5, il trasduttore 2 comprende una microstruttura includente un corpo di supporto 15, una massa mobile 16 e un elemento piezoelettrico a mensola 17 oscillante. Il corpo di supporto 15, la massa mobile 16 e parte dell’elemento piezoelettrico a mensola 17 sono realizzati in materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino.
Il corpo di supporto 15 può essere un corpo monolitico semiconduttore, oppure può essere ottenuto dall’unione di due o più piastrine semiconduttrici, eventualmente con l’interposizione di strati di incollaggio e/o di strati dielettrici.
La massa mobile 16 è collegata elasticamente al corpo di supporto 15 mediante un sistema di sospensioni 18, qui schematicamente rappresentate mediante una molla e uno smorzatore. Le sospensioni 18 sono configurate in modo da consentire oscillazioni della massa mobile 16 lungo uno o più assi di trasduzione con una prima frequenza di risonanza (frequenza di risonanza principale della massa mobile 16 vincolata dalle sospensioni 18), ad esempio inferiore a 10 Hz. Nell’esempio descritto, in particolare, la massa mobile 16 (la cui posizione durante un’oscillazione è indicata con linea a tratteggio nel grafico esemplificativo di figura 6) può traslare lungo un asse di trasduzione X parallelo a una faccia 15a del corpo di supporto 15 fra una prima posizione di fine corsa X1e una seconda posizione di fine corsa X2, dove sono posti fermi (non mostrati) per evitare sovra elongazioni indesiderate e potenzialmente dannose. La massa mobile 16 può comprendere, oltre a strutture semiconduttrici, anche strati o porzioni in metalli pesanti, quali piombo o tungsteno, allo scopo di migliorare l’efficienza nella raccolta dell’energia.
In una forma di realizzazione, l’elemento piezoelettrico a mensola 17 è definito da uno strato piezoelettrico 20 formato su una faccia di una lamina di supporto 21 di materiale semiconduttore, integrale con il corpo di supporto 15. Lo strato piezoelettrico 20 e la lamina di supporto 21 sono accoppiati in modo che flessioni della lamina di supporto 21 causino corrispondenti deformazioni dello strato piezoelettrico 20. Inoltre, lo strato piezoelettrico 20 è collegato a una piazzola 22 di contatto posta sul corpo di supporto 15.
L’elemento piezoelettrico a mensola 17 è ancorato al corpo di supporto 15 e si proietta dal corpo di supporto 15 verso la massa mobile 16 come mostrato nelle figure 2-4. Inoltre, l’elemento piezoelettrico a mensola 17 si estende in una direzione trasversale, ad esempio sostanzialmente perpendicolare, all’asse di trasduzione X, che coincide con la direzione di moto della massa mobile 16. La lunghezza dell’elemento piezoelettrico a mensola 17 è tale che una sua estremità libera si trova in prossimità della massa mobile 16 almeno in un intervallo di posizioni della massa mobile 16 lungo l’asse di trasduzione X, senza tuttavia che vi sia contatto fra la massa mobile 16 e l’elemento piezoelettrico a mensola 17. In particolare, fra la massa mobile 16 e l’elemento piezoelettrico a mensola 17 è sempre presente almeno una distanza minima LG(figura 2).
L’insieme dell’elemento piezoelettrico a mensola 17 e dello strato piezoelettrico 20 è deformabile elasticamente e può oscillare rispetto a una posizione di riposo con una seconda frequenza di risonanza (frequenza di risonanza principale dell’elemento piezoelettrico a mensola 17), maggiore della prima frequenza di risonanza di almeno un ordine di grandezza ed è preferibilmente compresa fra 1 kHz e 10 kHz. In una forma di realizzazione, la seconda frequenza di risonanza è circa 1 kHz.
Un primo elemento magnetico 25 e un secondo elemento magnetico 26 sono disposti rispettivamente all’estremità libera dell’elemento piezoelettrico a mensola 17 e sulla massa mobile 16, su un bordo adiacente all’elemento piezoelettrico a mensola 17. Le caratteristiche magnetiche del primo elemento magnetico 25 e del secondo elemento magnetico 26 sono selezionate in modo che una forza magnetica derivante dall’interazione del primo elemento magnetico 25 e del secondo elemento magnetico 26 sia sufficiente a deformare l’elemento piezoelettrico a mensola 17 al passaggio della massa mobile 16 attraverso un intervallo di posizioni di interazione �X attorno a una posizione di riposo X0dell’elemento piezoelettrico a mensola 17. Inoltre, le caratteristiche magnetiche del primo elemento magnetico 25 e del secondo elemento magnetico 26 sono selezionate in modo che, fuori dall’intervallo di posizioni di interazione �X, la forza elastica di richiamo dovuta alla deformazione dell’elemento piezoelettrico a mensola 17 prevalga sulla forza magnetica fra il primo elemento magnetico 25 e il secondo elemento magnetico 26. Inoltre, al di fuori dell’intervallo di posizioni di interazione �X la forza magnetica decade rapidamente per effetto della distanza crescente.
Quando il corpo di supporto 15 varia la propria condizione di moto o è sottoposto a urti o vibrazioni, la massa mobile 16 oscilla lungo l’asse di trasduzione X. Al passaggio attraverso l’intervallo di posizioni di interazione �X, pur in assenza di contatto diretto, l’interazione magnetica fra il primo elemento magnetico 25 e il secondo elemento magnetico 26 causa la deformazione dell’elemento piezoelettrico a mensola 17. Quando la massa mobile 16 oltrepassa l’intervallo di posizioni di interazione �X, la forza elastica di richiamo prevale e la forza magnetica decade fino a diventare in breve trascurabile. L’elemento piezoelettrico a mensola 17 riceve così una forza sostanzialmente di tipo impulsivo, che produce sollecitazioni su un’ampia banda di frequenze, includente la seconda frequenza di risonanza. L’elemento piezoelettrico a mensola 17 inizia a oscillare per effetto dell’impulso ricevuto, come mostrato con linea a tratto continuo in figura 6, e la corrispondente deformazione dello strato piezoelettrico 20 produce una tensione che può essere prelevata alla piazzola 22 e utilizzata per caricare l’elemento di accumulo 5.
Si noti che le forze magnetiche fra il primo elemento magnetico 25 e il secondo elemento magnetico 26 possono essere indifferentemente di tipo attrattivo o repulsivo, purché l’interazione determini un impulso di forza sull’elemento piezoelettrico a mensola 17 nell’attraversamento dell’intervallo di posizioni di interazione �X. In una forma di realizzazione, le forze magnetiche possono essere attrattive quando il secondo elemento magnetico 26 si trova da un lato del primo elemento magnetico 25 e repulsive quando il secondo elemento magnetico 26 si trova dal lato opposto.
La raccolta di energia è efficiente perché le oscillazioni della massa mobile 16 e dell’elemento piezoelettrico a mensola 17 sono disaccoppiate e quindi l’elemento piezoelettrico a mensola 17 può vibrare alla propria frequenza di risonanza. Inoltre, gli impulsi di forza vengono trasmessi all’elemento piezoelettrico a mensola 17 senza contatto diretto con la massa mobile 16 o con il primo elemento magnetico 25 posto su di essa. Le parti della microstruttura non sono perciò soggette a urti durante il funzionamento, a tutto vantaggio dell’affidabilità.
Secondo una forma di realizzazione, illustrata nelle figure 7 e 8, un trasduttore piezoelettrico 100, utilizzabile nel sistema di raccolta dell’energia 1 al posto del trasduttore piezoelettrico 2, comprende un corpo di supporto 115, una massa mobile 116 e un elemento piezoelettrico a mensola 117 oscillante. Il corpo di supporto 115, la massa mobile 116 e parte dell’elemento piezoelettrico a mensola 117 sono realizzati in materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino.
La massa mobile 116 è collegata elasticamente al corpo di supporto 115 mediante un sistema di sospensioni 118, fissate a un ancoraggio 119 e configurate in modo da consentire oscillazioni della massa mobile 116 lungo un asse di trasduzione X’ parallelo a una faccia 115a del corpo di supporto 115 con una prima frequenza di risonanza, ad esempio inferiore a 10 Hz.
L’elemento piezoelettrico a mensola 117 è definito da uno strato piezoelettrico 120 formato su una faccia di una lamina di supporto 121 di materiale semiconduttore, integrale con la massa mobile 116. Lo strato piezoelettrico 120 e la lamina di supporto 121 sono conformati in modo che flessioni della lamina di supporto 121 causino corrispondenti deformazioni dello strato piezoelettrico 120. Inoltre, lo strato piezoelettrico 120 è collegato a una piazzola 122 di contatto posta sul corpo di supporto 115 attraverso le sospensioni 118 e l’ancoraggio 119, i quali possono essere essi stessi resi conduttivi mediante appropriato drogaggio oppure possono essere rivestiti con uno strato metallico.
L’elemento piezoelettrico a mensola 117 si proietta dalla massa mobile 116 in una direzione parallela a una faccia 115a del corpo di supporto 115 e sostanzialmente perpendicolare all’asse di trasduzione X.
L’insieme dell’elemento piezoelettrico a mensola 117 e dello strato piezoelettrico 120 è deformabile elasticamente e può oscillare rispetto a una posizione di riposo con una seconda frequenza di risonanza, maggiore della prima frequenza di risonanza.
Un primo elemento magnetico 125 è disposto all’estremità libera dell’elemento piezoelettrico a mensola 117.
Un secondo elemento magnetico 126 è disposto sul corpo di supporto 115, lungo la traiettoria di un’estremità libera dell’elemento piezoelettrico a mensola 117, in modo che l’estremità libera dell’elemento piezoelettrico a mensola 117 transiti sopra il primo elemento magnetico 125 o nelle sue immediate vicinanze, senza tuttavia che vi sia un contatto diretto, in ogni caso.
Le caratteristiche magnetiche del primo elemento magnetico 125 e del secondo elemento magnetico 126 sono selezionate in modo che una forza magnetica derivante dall’interazione del primo elemento magnetico 125 e del secondo elemento magnetico 126 sia sufficiente a deformare l’elemento piezoelettrico a mensola 117 al passaggio dell’elemento piezoelettrico a mensola 117 in prossimità del secondo elemento magnetico 126. Inoltre, le caratteristiche magnetiche del primo elemento magnetico 125 e del secondo elemento magnetico 126 sono selezionate in modo che, fuori da un intervallo di posizioni di interazione �X’, la forza elastica di richiamo dovuta alla deformazione dell’elemento piezoelettrico a mensola 117 prevalga sulla forza magnetica fra il primo elemento magnetico 125 e il secondo elemento magnetico 126. Inoltre, al di fuori dell’intervallo di posizioni di interazione �X’ la forza magnetica decade rapidamente per effetto della distanza crescente.
Le figure 9 e 10 illustrano un trasduttore piezoelettrico 200 in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione. Il trasduttore 200 comprende un corpo di supporto 215, una massa mobile 216 e una pluralità di elementi piezoelettrici a mensola 217 oscillanti. Il corpo di supporto 215, la massa mobile 216 e parti degli elementi piezoelettrici a mensola 217 sono realizzati in materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino. In figura 10 è illustrato anche un cappuccio protettivo 250 disposto a copertura della massa mobile 216.
Il corpo di supporto 215 presenta un recesso 215b accessibile attraverso una faccia 215a. Il recesso 215b alloggia la massa mobile 216 che, in una configurazione di riposo è a filo con la faccia 215a.
La massa mobile 216, di forma sostanzialmente rettangolare o quadrata, è collegata elasticamente al corpo di supporto 115 mediante un sistema di sospensioni 218, configurate in modo da consentire oscillazioni della massa mobile 216 lungo un asse di trasduzione Z con una prima frequenza di risonanza. Nell’esempio descritto, in particolare, l’asse di trasduzione Z è perpendicolare a una faccia 215a del corpo di supporto 215. Il trasduttore 200 è pertanto del tipo cosiddetto “fuori piano”. A titolo di esempio non limitativo, la massa mobile 216 può avere lunghezza e larghezza di 400-800 �m, mentre lo spessore può arrivare fino a 400�m.
Gli elementi piezoelettrici a mensola 217 sono definiti strati piezoelettrici 220 formati su facce di rispettive lamine di supporto 221 di materiale semiconduttore, integrali con il corpo di supporto 215 e aventi facce parallele alla faccia 215a del corpo di supporto 215 stesso. Gli strati piezoelettrici 220 e le lamine di supporto 221 sono conformati in modo che flessioni delle lamine di supporto 221 causino corrispondenti deformazioni dei rispettivi strati piezoelettrici 320. Inoltre, gli strati piezoelettrici 220 sono collegati a rispettive piazzole 222 di contatto poste sul corpo di supporto 215.
Gli elementi piezoelettrici a mensola 217 si proiettano dal corpo di supporto 215, in particolare dal perimetro del recesso 215b, verso la massa mobile 216, in direzione sostanzialmente perpendicolare all’asse di trasduzione Z e parallela alla faccia 215a del corpo di supporto 215. Più in dettaglio, gli elementi piezoelettrici a mensola 217 sono disposti a pettine in gruppi, ciascuno dei quali è affacciato a un rispettivo lato della massa mobile 216. La lunghezza degli elementi piezoelettrici a mensola 217 è tale che le rispettive estremità libere si trovano in prossimità della massa mobile 216 almeno in un intervallo di posizioni della massa mobile 216 lungo l’asse di trasduzione Z, senza tuttavia che vi sia contatto fra la massa mobile 216 e gli elementi piezoelettrici a mensola 217.
L’insieme di ciascun elemento piezoelettrico a mensola 217 e del rispettivo strato piezoelettrico 220 è deformabile elasticamente e può oscillare rispetto a una posizione di riposo con una seconda frequenza di risonanza, maggiore della prima frequenza di risonanza. Le oscillazioni avvengono sostanzialmente in piani perpendicolari alla faccia 215a del corpo di supporto 215.
Primi elementi magnetici 225 e secondi elementi magnetici 226 sono disposti rispettivamente alle estremità libere degli elementi piezoelettrici a mensola 217 e sulla massa mobile 216.
I secondi elementi magnetici 226, in particolare, sono disposti lungo il perimetro della massa mobile 216 e sono allineati ciascuno a un rispettivo elemento piezoelettrico a mensola 217. In una forma di realizzazione non illustrata, è presente un singolo secondo elemento magnetico che corre lungo tutto il perimetro della massa mobile 216.
I primi elementi magnetici 226 sono disposti alle estremità libere di rispettivi elementi piezoelettrici a mensola 217 e perciò si trovano in prossimità di corrispondenti secondi elementi magnetici 226 almeno quando la massa mobile 216 si trova in un intervallo di posizioni di interazione �Z attorno a una posizione di riposo Z0degli elementi piezoelettrici a mensola 217.
Le caratteristiche magnetiche dei primi elementi magnetici 225 e dei secondi elementi magnetici 226 sono selezionate in modo che una forza magnetica derivante dall’interazione dei primi elementi magnetici 225 e dei secondi elementi magnetici 226 sia sufficiente a deformare gli elementi piezoelettrici a mensola 217 al passaggio della massa mobile 216 attraverso l’intervallo di posizioni di interazione �Z. Inoltre, le caratteristiche magnetiche dei primi elementi magnetici 225 e dei secondi elementi magnetici 226 sono selezionate in modo che, fuori dall’intervallo di posizioni di interazione �Z, la forza elastica di richiamo dovuta alla deformazione dell’elemento piezoelettrico a mensola 217 prevalga sulla forza magnetica fra i primi elementi magnetici 225 e i secondi elementi magnetici 226. Al di fuori dell’intervallo di posizioni di interazione �Z la forza magnetica decade rapidamente per effetto della distanza crescente. In questo modo, il passaggio della massa mobile 216 attraverso l’intervallo di posizioni di interazione �Z trasmette, attraverso interazioni senza contatto fra i primi elementi magnetici 225 e i secondi elementi magnetici 226, un impulso di forza che mette in vibrazione gli elementi piezoelettrici a mensola 217.
La forma di realizzazione descritta permette di sfruttare in modo efficiente l’energia cinetica associata alla massa mobile 216 per la conversione in energia elettrica, in particolare grazie all’elevata densità di elementi piezoelettrici a mensola 217 che si possono ottenere grazie alle moderne tecniche di lavorazione dei semiconduttori.
Le figure 11 e 12 illustrano un trasduttore piezoelettrico 300 in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione. Il trasduttore 300 comprende un corpo di supporto 315, una massa mobile 316 e una pluralità di elementi piezoelettrici a mensola 317 oscillanti. Il corpo di supporto 315, la massa mobile 316 e parti degli elementi piezoelettrici a mensola 317 sono realizzati in materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino. In figura 11 è illustrato anche un cappuccio protettivo 350 disposto a copertura della massa mobile 316.
Il corpo di supporto 315 presenta un recesso 315b accessibile attraverso una faccia 315a. Il recesso 315b alloggia la massa mobile 316 che, in una configurazione di riposo è a filo con la faccia 315a.
La massa mobile 316, di forma sostanzialmente rettangolare o quadrata, è collegata elasticamente al corpo di supporto 115 mediante un sistema di sospensioni 318, configurate in modo da consentire oscillazioni della massa mobile 316 lungo un asse di trasduzione Z’ con una prima frequenza di risonanza. Nell’esempio descritto, in particolare, l’asse di trasduzione Z’ è perpendicolare a una faccia 315a del corpo di supporto 315. Il trasduttore 300 è pertanto del tipo cosiddetto “fuori piano”.
Per ogni lato della massa mobile 316 è presente un rispettivo elemento piezoelettrico a mensola 317, il quale si estende, in una direzione, dal corpo di supporto 315 fino in prossimità della massa mobile 316 e, nella direzione perpendicolare, sostanzialmente lungo tutto il rispettivo lato della massa mobile 316. Gli elementi piezoelettrici a mensola 317 sono definiti strati piezoelettrici 320 formati su facce di rispettive piastre di supporto 321 flessibili di materiale semiconduttore, integrali con il corpo di supporto 315 e aventi facce parallele alla faccia 315a del corpo di supporto 315 stesso.
Gli strati piezoelettrici 320 e le lamine di supporto 321 sono conformati in modo che flessioni delle lamine di supporto 321 causino corrispondenti deformazioni dei rispettivi strati piezoelettrici 320. Inoltre, gli strati piezoelettrici 320 sono collegati a rispettive piazzole 322 di contatto poste sul corpo di supporto 315.
L’insieme di ciascun elemento piezoelettrico a mensola 317 e del rispettivo strato piezoelettrico 320 è deformabile elasticamente e può oscillare rispetto a una posizione di riposo con una seconda frequenza di risonanza, maggiore della prima frequenza di risonanza. Le oscillazioni avvengono sostanzialmente in piani perpendicolari alla faccia 315a del corpo di supporto 315.
Primi elementi magnetici 325 e secondi elementi magnetici 326 sono disposti rispettivamente alle estremità libere degli elementi piezoelettrici a mensola 317 e sulla massa mobile 316. In una forma di realizzazione, i primi elementi magnetici 325 e secondi elementi magnetici 326 sono strisce continue. I primi elementi magnetici 325 si estendono lungo l’intero bordo dei rispettivi elementi piezoelettrici a mensola 317; i secondi elementi magnetici 326 hanno lunghezza sostanzialmente uguale alla lunghezza dei primi elementi magnetici 325 rispettivamente accoppiati.
I primi elementi magnetici 326 sono disposti alle estremità libere di rispettivi elementi piezoelettrici a mensola 317 e perciò si trovano in prossimità di corrispondenti secondi elementi magnetici 326 almeno quando la massa mobile 316 si trova in un intervallo di posizioni di interazione �Z attorno a una posizione di riposo Z0degli elementi piezoelettrici a mensola 317.
Le caratteristiche magnetiche dei primi elementi magnetici 325 e dei secondi elementi magnetici 326 sono selezionate in modo che una forza magnetica derivante dall’interazione dei primi elementi magnetici 325 e dei secondi elementi magnetici 326 sia sufficiente a deformare gli elementi piezoelettrici a mensola 317 al passaggio della massa mobile 316 attraverso l’intervallo di posizioni di interazione �Z. Fuori dall’intervallo di posizioni di interazione �Z, invece, la forza elastica di richiamo dovuta alla deformazione dell’elemento piezoelettrico a mensola 317 prevale sulla forza magnetica fra i primi elementi magnetici 325 e i secondi elementi magnetici 326. Pertanto, il passaggio della massa mobile 316 attraverso l’intervallo di posizioni di interazione �Z trasmette, attraverso interazioni senza contatto fra i primi elementi magnetici 325 e i secondi elementi magnetici 326, un impulso di forza che mette in vibrazione gli elementi piezoelettrici a mensola 317.
La forma di realizzazione descritta permette di limitare il numero di connessioni necessarie per la raccolta e la conversione dell’energia meccanica in energia elettrica. Inoltre, l'area di materiale piezoelettrico disponibile risulta ulteriormente incrementata, al pari dell’efficienza, e la fabbricazione è semplificata.
Nelle figure 13 e 14 è illustrato un trasduttore piezoelettrico 400 in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.
Il trasduttore piezoelettrico 400 comprende un corpo di supporto 415, una massa mobile 416 e una pluralità di elementi piezoelettrici a mensola 417 oscillanti. Il corpo di supporto 415, la massa mobile 416 e parti degli elementi piezoelettrici a mensola 417 sono realizzati in materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino. In figura 12 è illustrato anche un cappuccio protettivo 450 disposto a copertura della massa mobile 416.
Il corpo di supporto 415 ha una faccia 415a nella quale è ricavato un recesso 415b circolare. Il recesso 415b alloggia la massa mobile 416, a filo con la faccia 415a.
La massa mobile 416 ha anch’essa forma circolare ed è collegata al corpo di supporto mediante un sistema di sospensioni 418 collegate a un ancoraggio centrale 419. Le sospensioni 418 sono configurate in modo da consentire alla massa mobile 416 di compiere movimenti rotatori oscillanti, con una prima frequenza di risonanza, attorno a un asse di trasduzione Z” perpendicolare alla massa mobile 416 stessa (in pratica, perpendicolare alla faccia 415a del corpo di supporto 415).
Gli elementi piezoelettrici a mensola 417 sono definiti strati piezoelettrici 420 formati su facce di rispettive lamine di supporto 421 di materiale semiconduttore, integrali con il corpo di supporto 415 e aventi facce perpendicolari alla faccia 415a del corpo di supporto 415 stesso. Gli strati piezoelettrici 420 e le lamine di supporto 421 sono conformati in modo che flessioni delle lamine di supporto 421 causino corrispondenti deformazioni dei rispettivi strati piezoelettrici 420. Inoltre, gli strati piezoelettrici 420 sono collegati a rispettive piazzole 422 di contatto poste sul corpo di supporto 415.
Gli elementi piezoelettrici a mensola 417 si proiettano dal perimetro del recesso 415b in direzione radiale verso l’interno e si estendono fino in prossimità della massa mobile 417, dalla quale sono separati da interstizi radiali 401. Gli elementi piezoelettrici a mensola 417 non sono quindi in contatto diretto con la massa mobile 416, sia in condizione di riposo, sia in normali condizioni di moto della massa mobile 416 stessa.
L’insieme di ciascun elemento piezoelettrico a mensola 417 e del rispettivo strato piezoelettrico 420 è deformabile elasticamente e può oscillare rispetto a una posizione di riposo con una seconda frequenza di risonanza, maggiore della prima frequenza di risonanza. Il piano di oscillazione degli elementi piezoelettrici a mensola 417 è sostanzialmente parallelo alla faccia 415a del corpo di supporto 415.
Primi elementi magnetici 425 e secondi elementi magnetici 426 sono disposti rispettivamente alle estremità libere degli elementi piezoelettrici a mensola 417 e sulla massa mobile 416.
I secondi elementi magnetici 426, in particolare, sono disposti lungo il perimetro della massa mobile 416 e sono allineati ciascuno a un rispettivo elemento piezoelettrico a mensola 417, quando la massa mobile 416 è in una posizione angolare di riposo.
I primi elementi magnetici 425 sono disposti alle estremità libere di rispettivi elementi piezoelettrici a mensola 417 e perciò si trovano in prossimità di corrispondenti secondi elementi magnetici 426 almeno quando la massa mobile 416 si trova in un intervallo di posizioni angolari di interazione �� attorno a una posizione di riposo �0. In una forma di realizzazione, nella una posizione di riposo �0della massa mobile 416 i secondi magneti 426 sono allineati a rispettivi elementi piezoelettrici a mensola 417 a loro volta in condizioni di riposo. La direzione di movimento dei secondi elementi magnetici 426 è inoltre perpendicolare alle facce degli elementi piezoelettrici a mensola 417 (la traiettoria dei primi elementi magnetici 425 è infatti circolare, mentre gli elementi piezoelettrici a mensola 417 si estendono in direzione radiale).
Le caratteristiche magnetiche dei primi elementi magnetici 425 e dei secondi elementi magnetici 426 sono selezionate in modo che una forza magnetica derivante dall’interazione dei primi elementi magnetici 425 e dei secondi elementi magnetici 426 sia sufficiente a deformare gli elementi piezoelettrici a mensola 417 durante la rotazione della massa mobile 416 attraverso l’intervallo di posizioni angolari di interazione ��. Inoltre, le caratteristiche magnetiche dei primi elementi magnetici 425 e dei secondi elementi magnetici 426 sono selezionate in modo che, fuori dall’intervallo di posizioni angolari di interazione �� la forza elastica di richiamo dovuta alla deformazione dell’elemento piezoelettrico a mensola 417 prevale sulla forza magnetica fra i primi elementi magnetici 425 e i secondi elementi magnetici 426. Al di fuori dell’intervallo di posizioni di interazione �� la forza magnetica decade rapidamente per effetto della distanza crescente. In questo modo, la rotazione della massa mobile 416 attraverso l’intervallo di posizioni angolari di interazione �� trasmette, attraverso interazioni senza contatto fra i primi elementi magnetici 425 e i secondi elementi magnetici 426, un impulso di forza che mette in vibrazione gli elementi piezoelettrici a mensola 417.
Risulta infine evidente che al sistema e al metodo descritti possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (18)
- RIVENDICAZIONI 1. Trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell’energia, comprendente: un corpo di supporto (15; 115; 215; 315; 415); un elemento piezoelettrico a mensola (17; 117; 217; 317; 417); e un primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e un secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426), collegati al corpo di supporto (15; 115; 215; 315; 415) in modo da essere mobili uno rispetto all’altro, il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) essendo collegato all’elemento piezoelettrico a mensola (17; 117; 217; 317; 417); in cui il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) sono disposti in modo che, in risposta a movimenti relativi fra il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) attraverso un intervallo di posizioni relative (�X; �X’; �Z; �Z’; ��), il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) si approssimino l’uno all’altro senza entrare in contatto diretto reciproco e l’interazione fra il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) determini l’applicazione di un impulso di forza all’elemento piezoelettrico a mensola (17; 117; 217; 317; 417).
- 2. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, in cui una distanza fra il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) è maggiore di una distanza minima (LG) in qualunque posizione relativa del primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e del secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426).
- 3. Trasduttore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui una direzione di moto relativo del primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e del secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) è trasversale, ad esempio perpendicolare, all’elemento piezoelettrico a mensola (17; 117; 217; 317; 417).
- 4. Trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una massa mobile (16; 116; 216; 316; 416), accoppiata elasticamente al corpo di supporto (15; 115; 215; 315; 415) in modo da oscillare in accordo a un asse di trasduzione (X; X’; Z; Z’; Z”).
- 5. Trasduttore secondo la rivendicazione 4, in cui l’elemento piezoelettrico a mensola (17; 217; 317; 417) è ancorato al corpo di supporto (15; 215; 315; 415) e il secondo elemento magnetico (26; 226; 326; 426) è disposto sulla massa mobile (16; 216; 316; 416).
- 6. Trasduttore secondo la rivendicazione 5, in cui l’elemento piezoelettrico a mensola (17; 217; 317; 417) si estende verso la massa mobile (16; 216; 316; 416) e il secondo elemento magnetico (26; 226; 326; 426) è disposto al perimetro della massa mobile (16; 216; 316; 416).
- 7. Trasduttore secondo la rivendicazione 4, in cui l’elemento piezoelettrico a mensola (116) è ancorato alla massa mobile (116) e il secondo elemento magnetico (126) è disposto sul corpo di supporto (115).
- 8. Trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, in cui la massa mobile (16; 116; 216; 316) è accoppiata elasticamente al corpo di supporto (15; 115; 215; 316) in modo da traslare lungo l’asse di trasduzione (X; X’; Z; Z’).
- 9. Trasduttore secondo la rivendicazione 8, in cui l’asse di trasduzione (X; X’) è parallelo a una faccia (15a; 115a) del corpo di supporto (15; 115).
- 10. Trasduttore secondo la rivendicazione 8, in cui l’asse di trasduzione (Z; Z’) è perpendicolare a una faccia (215a; 315a) del corpo di supporto (215; 315).
- 11. Trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, in cui la massa mobile (416) è accoppiata elasticamente al corpo di supporto (415) in modo da ruotare attorno all’asse di trasduzione (Z’).
- 12. Trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di elementi piezoelettrici a mensola (217; 317; 417) e una pluralità di primi elementi magnetici (225; 325; 425) a estremità libere di rispettivi elementi piezoelettrici a mensola (217; 317; 417).
- 13. Trasduttore secondo la rivendicazione 12 dipendente da una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 11, comprendente una pluralità di secondi elementi magnetici (226; 326; 426) disposti sulla massa mobile (216; 316; 416) e allineati a rispettivi elementi piezoelettrici a mensola (217; 317; 417) in una condizione di riposo.
- 14. Trasduttore secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui la massa mobile (216) ha forma quadrangolare e gli elementi piezoelettrici a mensola (217) sono disposti a pettine in gruppi, ciascuno dei quali è affacciato a un rispettivo lato della massa mobile (216)
- 15. Trasduttore secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui la massa mobile (316) ha forma quadrangolare e in cui per ogni lato della massa mobile (316) è presente un rispettivo elemento piezoelettrico a mensola (317), il quale si estende, in una direzione, dal corpo di supporto (315) fino in prossimità della massa mobile (316) e, in una direzione perpendicolare, sostanzialmente lungo tutto il rispettivo lato della massa mobile (316).
- 16. Trasduttore secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui la massa mobile (316; 416) ha forma circolare e i primi elementi magnetici (325; 425) si estendono in direzione radiale.
- 17. Sistema di raccolta dell’energia comprendente un trasduttore piezoelettrico (2; 100; 200; 300; 400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e configurato per raccogliere energia ambientale e per convertire l’energia ambientale raccolta in un segnale elettrico di raccolta (VH); un elemento di accumulo (5), configurato per accumulare energia elettrica derivante dalla conversione dell’energia ambientale raccolta dal trasduttore piezoelettrico (2); e un’interfaccia di raccolta (3), accoppiata al trasduttore (2) e configurata per fornire un segnale elettrico di carica (ICH) all’elemento di accumulo (5) in funzione del segnale elettrico di raccolta (VH).
- 18. Metodo per raccogliere energia mediante un trasduttore piezoelettrico (2; 100; 200; 400) comprendente: collegare un primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e un secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426), a un corpo di supporto (15; 115; 215; 315; 415) del trasduttore piezoelettrico (2; 100; 200; 400), in modo che il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) siano mobili uno rispetto all’altro, il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) essendo accoppiato a un elemento piezoelettrico a mensola (17; 117; 217; 317; 417) del corpo di supporto (15; 115; 215; 315; 415); in risposta a movimenti relativi fra il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) attraverso un intervallo di posizioni relative (�X; �X’; �Z; �Z’; ��), avvicinare il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426) l’uno all’altro senza contatto diretto reciproco e applicare un impulso di forza all’elemento piezoelettrico a mensola (17; 117; 217; 317; 417) mediante l’interazione fra il primo elemento magnetico (25; 125; 225; 325; 425) e il secondo elemento magnetico (26; 126; 226; 326; 426).
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| CN107359818B (zh) * | 2017-08-17 | 2023-05-16 | 浙江师范大学 | 一种压电风车 |
| CN110912451B (zh) * | 2019-05-18 | 2021-10-08 | 浙江师范大学 | 一种涡轮式压电发电机 |
| US11508900B2 (en) | 2019-11-26 | 2022-11-22 | The Chinese University Of Hong Kong | Human joint energy harvesting apparatus and wearable electronic device comprising the same |
| WO2021174317A1 (en) * | 2020-03-05 | 2021-09-10 | The Commonwealth Of Australia | Vibration energy harvesting devices and systems |
| ES2985836T3 (es) * | 2020-07-06 | 2024-11-07 | Wenjing Wu | Dispositivo de autogeneración |
| KR20240007519A (ko) * | 2022-07-08 | 2024-01-16 | 현대자동차주식회사 | 에너지 하베스터 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080136562A1 (en) * | 2004-01-21 | 2008-06-12 | The Regents Of The University Of Michigan | Method and Micro Power Generator For Generating Electrical Power From Low Frequency Vibrational Energy |
| CN102723894A (zh) * | 2012-05-28 | 2012-10-10 | 南京航空航天大学 | 旋转压电发电装置 |
| KR101286714B1 (ko) * | 2012-02-27 | 2013-07-16 | 중앙대학교 산학협력단 | 압전 에너지 수확 장치 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE602006009761D1 (de) * | 2006-03-28 | 2009-11-26 | Infineon Technologies Sensonor | Vorrichtung zum Sammeln von Energie |
| US7414351B2 (en) * | 2006-10-02 | 2008-08-19 | Robert Bosch Gmbh | Energy harvesting device manufactured by print forming processes |
| WO2009039293A1 (en) * | 2007-09-18 | 2009-03-26 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Dul-mode piezoelectric/magnetic vibrational energy harvester |
| US7928634B2 (en) * | 2008-04-22 | 2011-04-19 | Honeywell International Inc. | System and method for providing a piezoelectric electromagnetic hybrid vibrating energy harvester |
| US8120232B2 (en) * | 2009-01-20 | 2012-02-21 | Palo Alto Research Center Incorporated | Sensors and actuators using piezo polymer layers |
| US20110048133A1 (en) * | 2009-08-31 | 2011-03-03 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Vibration element coupled with non-linear force to improve non-resonant frequency response |
| US8593036B2 (en) * | 2010-02-26 | 2013-11-26 | Mcb Clean Room Solutions, Llc | High-efficiency MEMS micro-vibrational energy harvester and process for manufacturing same |
| KR101774301B1 (ko) * | 2011-12-16 | 2017-09-20 | 한국전자통신연구원 | 에너지 하베스팅 소자 및 그의 제조방법 |
| US10361356B2 (en) * | 2013-09-13 | 2019-07-23 | Meggitt A/S | Piezoelectric energy harvesting |
| CN106257699B (zh) * | 2015-06-18 | 2019-02-22 | 意法半导体股份有限公司 | 悬臂压电换能器 |
-
2013
- 2013-07-31 IT IT000652A patent/ITTO20130652A1/it unknown
-
2014
- 2014-07-29 US US14/446,237 patent/US9941821B2/en active Active
-
2018
- 2018-03-06 US US15/913,590 patent/US10897215B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080136562A1 (en) * | 2004-01-21 | 2008-06-12 | The Regents Of The University Of Michigan | Method and Micro Power Generator For Generating Electrical Power From Low Frequency Vibrational Energy |
| KR101286714B1 (ko) * | 2012-02-27 | 2013-07-16 | 중앙대학교 산학협력단 | 압전 에너지 수확 장치 |
| CN102723894A (zh) * | 2012-05-28 | 2012-10-10 | 南京航空航天大学 | 旋转压电发电装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MINAMI Y ET AL: "Development of enhanced piezoelectric energy harvester induced by human motion", 34TH ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE IEEE EMBS, SAN DIEGO, CALIFORNIA, USA, 28 AUGUST - 1 SEPTEMEBER, 2012, 28 August 2012 (2012-08-28), pages 1627 - 1630, XP032463240, ISSN: 1557-170X, ISBN: 978-1-4244-4119-8, DOI: 10.1109/EMBC.2012.6346257 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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