Generación de potencia remota magnetoestrictiva/piezoeléctrica, batería y método.

Una batería que comprende:

a) un material compuesto (20) de (i) un material magnetoestrictivo

(12) y (ii) un piezomaterial (14) que genera electricidad cuando es sometido a un campo magnético pulsado o continuo;

b) un condensador o ferrocondensador (39) conectado al mismo;

c) un regulador (38) de tensión posicionado entre dicho material compuestos (20; 56) y dicho condensador o ferrocondensador (39);

d) un sustrato flexible (60) que soporta dicho material compuesto (20), dicho regulador (38) de tensión y dicho condensador o ferrocondensador (39).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2007/014437.

Solicitante: COOPER TIRE & RUBBER COMPANY.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 701 LIME AVENUE FINDLAY, OH 45840 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: TUCKER,Randall L, CARROLL,Gary T.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Celdas secundarias; Su fabricación > H01M10/46 (Acumuladores combinados estructuralmente con un aparato de carga (circuitos de carga H02J 7/00))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > H01L41/00 (Dispositivos piezoeléctricos en general; Dispositivos electroestrictivos en general; Dispositivos magnetoestrictivos en general; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o tratamiento de estos dispositivos, o de sus partes constitutivas; Detalles (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00))

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Fragmento de la descripción:

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DESCRIPCIÓN

Generación de potencia remota magnetoestrictiva/piezoeléctrica, batería y método Antecedentes de la invención En la fabricación y uso de RFID (Identificación por Radio Frecuencia) la tecnología se divide en dos grandes grupos; Etiquetas Pasivas que obtienen su potencia de un acoplamiento estrecho con un lector, permitiéndolas así que retransmitan o reflejen información hacia el lector. El segundo grupo es el de Etiquetas Activas que tienen su propia capacidad de almacenamiento de potencia como una batería, condensador u otros dispositivos. La etiqueta es interrogada por una señal de RF generada por el lector que solicita a la etiqueta que transmita los datos, los cuales son recibidos por el lector. Esta Etiqueta Activa tiene una vida limitada debido a la limitada vida útil de almacenamiento del dispositivo. El dispositivo magnetoestrictivo/piezoeléctrico de la presente invención proporciona potencia para operar un dispositivo eléctrico anexo o para cargar un dispositivo de almacenamiento eléctrico que podría usarse por una multitud de sensores, receptores, transmisores u otro dispositivo eléctrico o electrónico. El nuevo tipo de RFID que usa esta tecnología de generación de potencia se denomina de aquí en adelante Etiqueta Alimentada por Red o NPFRID.

El documento WO 2007/121265 A1, que es estado de la técnica según el Artículo 54 (3) CPE, describe un sistema de sensor y batería PME que comprende un material compuesto de un material magnetoestrictivo y un piezomaterial que genera electricidad cuando es sometido a un campo magnético pulsado o continuo; y un condensador conectado en paralelo al mismo a través de rectificador de puente de diodos. El piezomaterial puede ser circonatotitanato de plomo (PZT) . El rango de frecuencia operativa es aproximadamente la frecuencia resonante del sensor. La salida del sistema de sensor y batería PME puede conectarse a un regulador de tensión para adaptar la tensión del condensador a un nivel útil para una carga conectada a la salida del sistema sensor y batería PME.

Sumario de la invención La presente invención proporciona una batería que puede cargarse mediante un campo magnético o electromagnético operado remotamente, pulsado o constante, natural o artificial, según se reivindica en la reivindicación 1 independiente, y un método para formar una batería de esta clase según se reivindica en la reivindicación 8 independiente, y una batería multiunidad según la reivindicación 12, siendo objeto de las reivindicaciones subordinadas realizaciones preferidas de la presente invención. Al afectar magnéticamente el material magnetoestrictivo o similar se provoca un estiramiento, combado o desplazamiento de un cristal o material productor de potencia, tal como un piezoeléctrico, que produce potencia cada vez que se percibe un impulso magnético. El nuevo dispositivo generador de potencia produce potencia a partir de un dispositivo PME (Pasivo Magnetoestrictivo ElectroActivo) o dispositivos similares. Un sensor de campo magnético pasivo fabricado de capas de un material magnetoestrictivo Terfenol-D (Fe2 (Dy0, 7Tb0, 3) ) y PZT-5 cerámico actuará como generador para alimentar dispositivos eléctricos y electrónicos cuando estén dentro del alcance del campo magnético del transceptor de interrogación de 0, 3 Oersted o más, en donde 1 Oersted = 103/4Ï? A/m. El material magnetoestrictivo u otro material se estira, se flexiona o se distorsiona físicamente cuando está en presencia de un campo magnético o un campo magnético pulsado desplaza el dispositivo de tipo piezoeléctrico anexo al mismo, generando así potencia para cualquier dispositivo eléctrico o electrónico.

En una realización preferida, cuando se genera la potencia, se almacenará ésta en un banco de condensadores ferroeléctricos, condensadores de otro tipo o en un dispositivo del tipo de batería recargable. La batería podría ser una lámina enrollada de hasta unos pocos miles de condensadores ferroeléctricos, enganchados todos ellos en paralelo. Hasta la fecha, no ha tenido éxito la construcción de condensadores ferroeléctricos mayores de un cierto tamaño. Por tanto, con el fin de crear un condensador ferroeléctrico grande, se construyen y se conectan en paralelo grandes series de condensadores más pequeños para igualar a un solo condensador grande. El proceso es similar a la fabricación de circuitos integrados en donde las capas de material se depositan encima de otro material y a continuación se elimina con ácido el material no necesario. Al hacer esto, es posible fabricar condensadores grandes sobre un lámina de poliéster, tal como Mylar®, o de poliimida, tal como Kapton®, que a continuación se enrolla para hacer un paquete pueda encajar fácilmente en un cilindro como el usado en el empaquetamiento de baterías normales.

El generador/batería de potencia PME generará potencia con cada impulso de un campo magnético o electromagnético. La pulsación de la fuente magnética permitirá que el dispositivo cargue una batería o condensador hasta un nivel utilizable de tensión o corriente. Con el fin de obtener una potencia óptima, el campo magnético deberá generarse a una frecuencia que iguale la frecuencia natural del material compuesto magnetoestrictivo/piezoeléctrico. Puede obtenerse una potencia cercana a la potencia óptima si el campo magnético se genera a una frecuencia en el rango del 90% al 110% de la frecuencia resonante natural de tal material compuesto. Adicionalmente, el nuevo dispositivo magnetoestrictivo/piezoeléctrico que proporciona potencia a una batería, condensador u otro dispositivo de almacenamiento podría usarse en conjunción con un regulador de tensión para proporcionar una tensión eléctrica específica. El dispositivo también podría funcionar sin el uso de un regular en

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algunas aplicaciones. Esta potencia generada se encerraría en una envuelta típica o no típica de batería que podría usarse en todos los dispositivos que emplean formas de batería comunes AAA, AA, C, D u otras. Esta nueva batería generadora de potencia podría denominarse NPB (Batería Alimentada por Red) . La batería podría alimentarse por uno o múltiples dispositivos generadores magnéticos. Adicionalmente, un solo dispositivo generador magnético podría alimentar múltiples NPBs. Este nuevo dispositivo podría configurarse para suministrar potencia a cualquier número de dispositivos alimentados por batería y podría también alimentar e interrogar una etiqueta RFID a distancias largas.

El campo magnético pulsado también podría codificarse para proporcionar instrucciones al dispositivo receptor para conectar, desconectar u otra tarea u operación específica, tal como almacenar en memoria nuevos datos, borrar una memoria o dormir.

Una realización preferida de la presente invención puede aumentar la capacidad sobre la actual tecnología de baterías manteniendo una carga continua para alimentar el equipo en uso, proporcionan así una vida útil potencialmente infinita. Esto tendrá ventajas significativas en la fiabilidad del equipo en uso. La presente invención también podría proporcionar una fuente de alimentación para tecnologías médicas, biomédicas, de visión nocturna, GPS, radios, sensores, actuadores y de recogida de inteligencia. La capacidad de transmitir datos a la batería puede proporcionar beneficios adicionales, tales como conservación de potencia, cambios de modo, refresco de datos y otros.

Los materiales magnetoestrictivos fueron descubiertos en la década de 1840 por James Prescott Joule, cuando éste advirtió que el hierro cambiaba de longitud en respuesta... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

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1. Una batería que comprende:

a) un material compuesto (20) de (i) un material magnetoestrictivo (12) y (ii) un piezomaterial (14) que genera electricidad cuando es sometido a un campo magnético pulsado o continuo; b) un condensador o ferrocondensador (39) conectado al mismo; c) un regulador (38) de tensión posicionado entre dicho material compuestos (20; 56) y dicho condensador o ferrocondensador (39) ; d) un sustrato flexible (60) que soporta dicho material compuesto (20) , dicho regulador (38) de tensión y dicho condensador o ferrocondensador (39) .

2. Una batería según la reivindicación 1, en la que dicho piezomaterial es circonato-titanato de plomo (PZT) .

3. Una batería según la reivindicación 1, en la que dicho sustrato flexible (60) está formado de un material seleccionado del grupo que consta de poliéster y poliimida.

4. Una batería según la reivindicación 1, en la que dicho material compuesto (20) ha sido sometido a un campo magnético que tiene una frecuencia en el rango del 90% al 110% de la frecuencia resonante natural del material compuesto (20) .

5. Una batería según la reivindicación 1, en la que dicha forma cilíndrica tiene un primer extremo y un segundo extremo, y que además incluye un par de electrodos (34, 36) , uno en dicho primer extremo y el otro en dicho segundo extremo.

6. Una batería según la reivindicación 5, en la que dichos electrodos (34) están fijados a uno o más de dichos condensadores o ferrocondensadores.

7. Una batería según la reivindicación 1, que además comprende un sistema excitador de bobina para crear un campo electromagnético, incluyendo dicho sistema excitador de bobina:

un oscilador que transmite una señal a una primera frecuencia a un divisor, reduciendo dicho divisor la frecuencia de dicha señal y transmitiendo dicha señal de frecuencia reducida a una puerta nand, sincronizada con datos para conmutar la salida de señal desde una posición de conectado a una posición de desconectado y desde una posición de desconectado a una posición de conectado, y un inversor para crear dos fases de dicha señal de frecuencia reducida recibida desde dicha puerta nand y para transmitir dichas fases, respectivamente, a unos excitadores primero y segundo, transmitiendo dicho primer excitador dicha señal de frecuencia reducida a un primer extremo de una bobina-condensador y transmitiendo dicho segundo excitador dicha señal de frecuencia reducida a un segundo extremo de dicha bobina-condensador.

8. Un método para formar una batería que comprende los pasos de:

(a) proporcionar un material compuesto de (i) un material magnetoestrictivo y (ii) un piezomaterial de titanato circonato de plomo (PZT) que genera electricidad cuando es sometido a un campo magnético, teniendo dicho material compuesto una frecuencia resonante natural;

(b) conectar dicho material compuesto a un condensador o ferrocondensador;

(c) posicionar un regulador de tensión entre dicho material compuesto y dicho condensador o ferrocondensador;

(d) montar dicho material compuesto y dicho condensador o ferrocondensador sobre un sustrato flexible;

(e) someter a dicho material compuesto a un campo magnético que tenga una frecuencia resonante en el rango del 90% al 110% de la frecuencia resonante natural de dicho material compuesto.

9. El método según la reivindicación 8, que además incluye los pasos de crear dicho campo magnético:

proporcionando un sistema excitador de bobina que tiene un oscilador, un divisor, una puerta nand, un inversor y una bobina-condensador que tiene un primer extremo y un segundo extremo; transmitiendo una señal desde dicho oscilador a una primera frecuencia hasta dicho divisor, reduciendo dicho divisor la frecuencia de dicha señal; transmitiendo dicha frecuencia reducida a dicha puerta nand y a dicho inversor, creando dicho inversor dos fases de 7 E07809752

dicha señal de frecuencia reducida; transmitiendo dichas fases a unos excitadores primero y segundo; y transmitiendo dicha señal desde dicho primer excitador hasta el primer extremo de dicha bobina-condensador y desde dicho segundo excitador hasta el segundo extremo de dicha bobina-condensador.

10. El método según la reivindicación 8, que además incluye el paso de: someter a dicho material compuesto a un campo magnético pulsado o continuo.

11. El método según la reivindicación 8, que además incluye los pasos de:

formar una estructura que tiene (i) dicho material compuesto de material magnetoestrictivo y piezomaterial, (ii) un primer terminal en un primer extremo de la forma cilíndrica, (iii) un segundo terminal en un segundo extremo de la 10 forma cilíndrica, y (iv) un condensador o ferrocondensador, estando posicionado dicho condensador o ferrocondensador entre dicho material compuesto y (A) dicho primer terminal o (B) dicho segundo terminal; y someter a dicha estructura a un campo magnético pulsado o continuo.

12. Una batería multiunidad que comprende una pluralidad de baterías (50) cableadas en paralelo y montadas sobre un sustrato flexible, en la que cada batería comprende a) un material compuesto de (i) un material magnetoestrictivo (56) y (ii) un piezomaterial (56) que genera electricidad cuando es sometido a un campo magnético pulsado o continuo; y b) un condensador o ferrocondensador (50) conectado al mismo.

13. Una batería multiunidad según la reivindicación 12, en la que dicho sustrato flexible con dicha pluralidad de baterías montada en él está configurado con una forma cilíndrica.

14. Una batería multiunidad según la reivindicación 13, en la que dicha forma cilíndrica tiene un primer extremo y un segundo extremo, y que además incluye un par de electrodos, uno en dicho primer extremo y el otro en dicho segundo extremo.

15. Una batería multiunidad según la reivindicación 12, que además incluye un regulador de tensión posicionado entre dicho material compuesto y dicho condensador o ferrocondensador en al menos algunas de dichas baterías.

16. Una batería multiunidad según la reivindicación 15, que además incluye electrodos fijados a uno o más de dichos condensadores o ferrocondensadores.