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1、(10)申请公布号 CN 104218768 A (43)申请公布日 2014.12.17 CN 104218768 A (21)申请号 201410412736.X (22)申请日 2014.08.21 H02K 35/00(2006.01) (71)申请人 南京艾驰电子科技有限公司 地址 210002 江苏省南京市洪武路 198 号城 开大厦幢 901 室 (72)发明人 崔义炜 李云方 凌超 刘玉林 孟祥龙 潘旭东 (74)专利代理机构 南京知识律师事务所 32207 代理人 李湘群 (54) 发明名称 振动能量换能装置及振动能量收集电路 (57) 摘要 本发明公开了一种振动能量换能装置。
2、和振动 能量收集电路。该振动能量换能装置包括装置外 壳、 设置于装置外壳两端的密封盖， 设置于密封 盖上的电极、 设置于装置外壳内的敏感丝、 采集线 圈、 振动弹簧和磁钢， 振动弹簧的一端与电极相接 触， 另一端分别与采集线圈和敏感丝相连， 磁钢同 极相对分别固定设置于密封盖的内侧。该振动能 量收集电路为连接有阻性负载的全桥整流电路， 电路中连接电压的正极端和负极端分别与振动能 量换能装置两端的电极相连。本发明通过对磁路 的设计将敏感丝安装在很小的空间内， 在弹簧小 幅度震动下， 依然保证装置收集到能量， 本发明在 中低频的振动场合下， 具有非常理想的转化效率。 (51)Int.Cl. 权利要。
3、求书 1 页 说明书 3 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104218768 A CN 104218768 A 1/1 页 2 1. 一种振动能量换能装置， 其特征在于 ： 包括装置外壳 （1） 、 设置于装置外壳 （1） 两端 的密封盖 （6） ， 设置于密封盖 （6） 上的电极 （7） 、 设置于装置外壳 （1） 内的敏感丝 （2） 、 采集线 圈 （5） 、 振动弹簧 （3） 和磁钢 （4） ， 所述振动弹簧 （3） 的一端与电极 （7） 相接触， 另一端分别 与采集线圈 （5）。
4、 和敏感丝 （2） 相连， 所述磁钢 （4） 同极相对分别固定设置于密封盖 （6） 的内 侧。 2.根据权利要求1所述的振动能量换能装置， 其特征在于 ： 所述采集线圈 （5） 为漆包线 绕制而成。 3.根据权利要求1或2所述的振动能量换能装置， 其特征在于 ： 所述采集线圈 （5） 固定 设置于装置外壳 （1） 的中心位置。 4.根据权利要求3所述的振动能量换能装置， 其特征在于 ： 所述采集线圈 （5） 的两端设 置有引线， 引线焊接于采集线圈 （5） 两端的振动弹簧 （3） 上。 5.根据权利要求1所述的振动能量换能装置， 其特征在于 ： 所述电极 （7） 和密封盖为一 体式结构， 电极。
5、 （7） 的内端通过弹簧自身的压力保证与振动弹簧 （3） 相接触， 另一端接触振 动能量换能装置外部。 6. 一种振动能量收集电路， 其特征在于 ： 所述振动能量收集电路为连接有阻性负载的 全桥整流电路， 其特征在于 ： 所述全桥整流电路中连接电压的正极端和负极端分别与振动 能量换能装置两端的电极 （7） 相连， 全桥整流电路中的交流输入端和直流输出端分别与阻 性负载的两端连接。 7. 根据权利要求 6 所示的振动能量收集电路， 其特征在于 ： 所述全桥整流电路的输出 端还连接有用于转化全桥整流电路的输出端输出的周期性脉冲交流电压的电源管理电路。 权 利 要 求 书 CN 104218768 。
6、A 2 1/3 页 3 振动能量换能装置及振动能量收集电路 技术领域 0001 本发明涉及一种能够对于日常生活中振动能量的进行收集和转化， 回馈到系统电 路中再次使用， 或者直接对锂电池充电的振动能量换能装置及振动能量收集电路， 属于电 子领域 / 新能源领域。 背景技术 0002 敏感丝一般为铁钴钒材料制成， 属于半硬磁材料。 敏感丝的直径一般只有0.25mm， 而长度一般为10mm， 从尺寸上来说是非常小的， 比家用的绣花针还细还短。 敏感丝被放置在 交变磁场中时， 会被反复磁化， 敏感丝磁化过程是其内部磁畴受到外部磁力作用而发生翻 转的过程。但是与普通铁磁材料相比， 敏感丝的磁畴翻转是非。
7、常剧烈的， 约在 1550us 内完 成。当在敏感丝的周围放置线圈并对线圈进行监控时， 可以通过示波器清楚的看到尖锐的 电压脉冲信号。磁畴翻转的速度与外界交变磁场的频率无关， 也就是说外界磁场变化速度 快或者慢， 对敏感丝内部磁畴翻转的速度没有影响。影响磁畴翻转速度的唯一要素就是外 界磁场强度。一旦强度到达阈值， 磁畴翻转就会在瞬间完成。虽然敏感丝磁畴翻转的速度 非常快， 但是， 实际其所需要的外界磁场要求很低， 约 4mT（40Gs 高斯） 。正是因为其自身体 积和重量都很小， 同时所需的外界磁场强度也很小， 利用敏感丝相对于磁场的微小位移对 于振动的监测和能量收集是非常适合的。 0003 。
8、振动是人类生活环境中最常见的机械能量形式。 行人走动、 车辆行驶、 体育锻炼等 等， 一旦物体之间发生了相对位移， 就会产生振动。因此实现对这些振动能量的收集， 在现 实生活中有非常重要的意义。 0004 在集成电路日益发达的今天， 不论是单片机、 采样电路还是存储器， 在休眠时间的 休眠功耗电流都低于 20uA。对于手持式系统来说， 整个系统的休眠功耗电流也不会超过 150uA。因此在手持设备中装配具有振动能量收集功能的装置， 可以明显的延长电池寿命。 发明内容 0005 针对现有技术中敏感丝所具有的磁敏特性， 本发明提供一种振动能量换能装置及 振动能量收集电路。 0006 本发明的技术方案。
9、是 ： 一种振动能量换能装置， 包括装置外壳、 设置于装置外壳两端的密封盖， 设置于密封盖 上的电极、 设置于装置外壳内的敏感丝、 采集线圈、 振动弹簧和磁钢， 所述振动弹簧的一端 与电极相接触， 另一端分别与采集线圈和敏感丝相连， 所述磁钢同极相对分别固定设置于 密封盖的内侧。 0007 作为本发明的进一步改进， 所述采集线圈为漆包线绕制而成。 0008 作为本发明的进一步改进， 所述采集线圈固定设置于装置外壳的中心位置。 0009 作为本发明的进一步改进， 所述采集线圈的两端设置有引线， 引线焊接于采集线 圈两端的振动弹簧上。 说 明 书 CN 104218768 A 3 2/3 页 4 。
10、0010 作为本发明的进一步改进， 所述电极和密封盖为一体式结构， 电极的内端通过弹 簧自身的压力保证与振动弹簧相接触， 另一端接触振动能量换能装置外部。 0011 一种振动能量收集电路， 所述振动能量收集电路为连接有阻性负载的全桥整流电 路， 所述全桥整流电路中连接电压的正极端和负极端分别与振动能量换能装置两端的电极 相连， 全桥整流电路中的交流输入端和直流输出端分别与阻性负载的两端连接。 0012 本发明的有益效果是 ： 本发明通过对磁路的设计， 将敏感丝安装在很小的空间内， 在弹簧小幅度震动下， 依然 保证装置收集到能量， 与目前涉及到的能量收集装置相比， 本发明涉及的装置具有瞬间高 能。
11、量的特点， 在中低频的振动场合下， 具有非常理想的转化效率。 0013 由于本发明的尺寸和对工作磁场空间的要求很小， 可以制成体积很小的装置。对 于越来越多便携式设备和更低功耗的电子设备来说， 能够在设备上设计安装有这样的装 置， 能够有效延长其续航时间。 附图说明 0014 图 1 是本发明振动能量换能装置的拆分结构图 ； 图 2 是静止状态下本发明振动能量换能装置的结构示意图 ； 图 3 是振动状态下敏感丝运动到左侧的振动能量换能装置结构示意图 ； 图 4 是振动状态下敏感丝运动到右侧的振动能量换能装置结构示意图 ； 图 5 是振动能量换能装置产生的脉冲电压信号图 ； 图 6 是本发明振动。
12、能量收集电路的电路图 ； 图 7 是本实施例中电流转化电路的简图。 0015 图中 ： 1、 装置外壳 ； 2、 敏感丝 ； 3、 振动弹簧 ； 4、 磁钢 ； 5、 采集线圈 ； 6、 密封盖 ； 7、 电 极。 具体实施方式 0016 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 0017 本发明包括振动能量换能装置及振动能量收集电路。 0018 作为本发明的优选实施例， 振动能量换能装置的结构如图 1 和图 2 所示， 包括 ： 装 置外壳 1， 用于密封安装其内部的敏感丝 2、 振动弹簧 3、 磁钢 4 和采集线圈 5。外壳 1 的两 端的密封盖 6 上设置有电极 7， 与振动弹簧 3 相接。
13、触。 0019 所涉及的装置外壳 1， 优选采用塑料材质， 比如聚甲醛， 外径小于 5mm。 0020 所涉及的电极7， 和密封盖6设计制造为统一的结构， 电极7与振动弹簧4相接触， 通过弹簧自身的压力保证接触度。电极 6 与后端的振动能量收集电路相连接。 0021 所涉及的密封盖 6， 采用与装置外壳 1 相同材质， 密封盖 6 上设有电极 7， 和电极 6 相对的一面设计有圆形凹槽， 用于安放磁钢4。 密封盖6与装置外壳1采用螺纹方式紧密连 接， 还可以增加密封圈和密封胶。 0022 所涉及的采集线圈 5， 采用漆包线绕制而成， 直径小于 3mm， 长度小于 7mm， 安装固 定在装置外壳。
14、 1 的中心位置。采集线圈 5 的两端引线焊接在两端的振动弹簧上。 0023 所涉及的磁钢 4， 成对使用， 形状为圆柱形， 直径小于 3mm， 材料为钕铁硼。磁钢 4 说 明 书 CN 104218768 A 4 3/3 页 5 成对使用， 安装于密封盖6的圆形凹槽内， 采用过盈配合安装并使用黏合剂保证磁钢4与装 置外壳1黏合固定。 两个磁钢同极相对， 比如， 如果左侧磁钢N极朝向中心敏感丝2， 那么右 侧磁钢 4 也必须 N 极朝向中心敏感丝 2 ； S 极亦然。 0024 所涉及的振动弹簧 3， 使用铜质材料， 具有良好的导电性能。两端的弹簧为统一规 格， 保证收到振动时， 具有较为平衡。
15、的受力。振动弹簧 3 分别与两端密封盖 6 上的的电极 7 接触。 0025 所涉及的敏感丝 2， 其两端分别与两侧的振动弹簧 3 连接， 为了方便连接， 在敏感 丝 2 的两端还可以增加相关附件。 0026 作为本发明的优选实施例， 振动能量收集电路的电路图如图 6 和图 7 所示， 包括 ： 整流桥 8 和电源管理电路 9。在两者的配合工作下， 使得振动能量转换装置所收集的振动 能量能够被回馈到系统电路中使用或者对锂电池充电。 0027 本发明的工作原理如下 ： 假设振动能量转换装置的初始状态为静止状态， 敏感丝位于中心位置， 处于 0 磁场状 态， 没有磁化倾向， 此时振动能量转换装置的。
16、状态如图 2 所示 ； 当横向震动发生时， 弹簧会 伸长收缩， 带动敏感丝左右运动， 此时振动能量转换装置的状态如图 3 和图 4 所示。 0028 当敏感丝处于左侧磁场附近时， 受到磁场合力为N极和-N极 （S极） 的周期性作用， 敏感丝内部的磁化状态随之变化， 导致线圈中磁通量变化， 感生出电流， 产生一系列正负电 压脉冲群。正负电压脉冲群如图 5 所示， 图中， 虚线箭头表示正向脉冲回路， 实现箭头表示 负向脉冲回路。 0029 脉冲群通过后续的整流电路 （如图 6 所示） 和电源管理电路 （如图 7 所示） ， 完成机 械能的转化和回馈。 0030 振动能量换能装置的原始电压形式类似于。
17、交流电压， 有正负之分， 在阻性负载下 的电压幅值约为5.5v左右， 脉冲宽度约为40us。 振动能量换能装置后极连接上全桥整流 电路， 将负相电压反转为正相电压。一般情况下硅二极管的压降较高， 约为 0.6V 左右， 在实 际使用中， 可以使用相同工作原理的肖特基二极管。 经过处理的脉冲幅值略有降低， 在阻性 负载在下的幅值大约在 5.0V， 电流 700uA， 脉冲宽度保持不变仍约为 40us。经过全桥整形 过后的脉冲电压， 再接入电源管理电路， 通过对每个正向电压斩波， 根据实际场合要求， 将 5.5V 的脉冲幅值降低到 1.8V3.6V， 脉宽可以拓宽到 100us150us， 此时对。
18、应的阻性负载来 说， 在这个时间内可以到达 300uA 左右。 0031 由于振动能量换能装置尺寸和对工作磁场空间的要求很小， 可以制成体积很小的 装置。对于越来越多便携式设备和更低功耗的电子设备来说， 能够在设备上设计安装有这 样的装置， 能够有效地延长其续航时间。 0032 在集成电路日益发达的今天， 不论是单片机、 采样电路还存储器， 休眠时间的休眠 功耗电流都低于 20uA。对于某个手持式系统来说， 整个系统的休眠功耗电流也不会超过 150uA。在手持设备中装配有本发明的装置， 可以明显的延长电池寿命。本发明所涉及的装 置也可以组合使用， 比如， 在某些场合下多个换能装置配合一套收集电路， 可以起到增加发 电量的效果。 0033 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明。凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 104218768 A 5 1/4 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 104218768 A 6 2/4 页 7 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104218768 A 7 3/4 页 8 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104218768 A 8 4/4 页 9 图 7 说 明 书 附 图 CN 104218768 A 9 。