Un dispositivo de recogida de energía vibracional, que comprende:

una viga resonante que tiene propiedades de sección transversal, una frecuencia de resonancia fundamental en unaprimera dirección de curvatura y una frecuencia en modo paramétrico en una segunda dirección de curvaturaperpendicular a dicha primera dirección de curvatura, en donde dichas propiedades de sección transversal seseleccionan para ajustar dicha frecuencia de resonancia fundamental a una primera frecuencia deseada y para ajustardicha frecuencia, en modo paramétrico, a una segunda frecuencia deseada, incluyendo dicha viga resonante un materialpiezoeléctrico para generar la energía eléctrica en respuesta a la curvatura de dicha viga resonante en cada una dedichas primera y segunda direcciones de curvatura.

Sistemas de recogida de energía vibracional piezoeléctrica que incorpora una recogida de energía en el modo de curvatura paramétrico

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere, en general, al campo de recogida de energía vibracional. En particular, la presente invención se refiere al sistema de recogida de energía vibracional piezoeléctrica que incorpora la recogida de energía en el modo de curvatura paramétrico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Durante el último cuarto de siglo se ha producido un aumento muy importante en el nivel de integración de los circuitos integrados (ICs) . Al mismo tiempo, se produjo una disminución significativa correspondiente en la magnitud de los circuitos integrados ICs. Por ejemplo, la anchura de una puerta de MOSFET (transistor de efecto de campo de metalóxido-semiconductor) está actualmente en el orden de magnitud de 45 nm y está previsto que sea de 18 nm en 2010. Esto es menos que 1/500 de la anchura de un cabello humano. Los componentes del circuito integrado ICs no solamente se han reducido en tamaño en gran medida, sino que también se redujo su consumo de energía. Los circuitos integrados suelen fabricarse utilizando circuitos de tecnología CMOS (semiconductor de metal-óxido complementario) , que se fabrica a partir de dispositivos de n-FET y p-FET duales. Los circuitos de tecnología CMOS consumen mucha menos energía que los circuitos puramente nMOS o puramente pMOS.

La reducción en el tamaño y en el consumo de energía de los circuitos integrados ha dado lugar a la reciente proliferación de la tecnología de circuitos integrados inalámbricos, de la que no se disponía hace tan solo una década. Actualmente, existe una diversidad de dispositivos que utilizan circuitos inalámbricos de baja potencia, incluyendo ordenadores portátiles, teléfonos móviles, reproductores MP3, teléfonos inteligentes, auriculares de telefonía, teléfonos de auriculares, encaminadores, unidades de control de juegos, adaptadores de Internet móviles y cámaras espía, por nombrar tan solo unos pocos. Por supuesto, cada uno de estos dispositivos requiere alguna clase de suministro de energía autónomo para su funcionamiento. En condiciones normales, los suministros de energía para estos dispositivos son baterías eléctricas, que suelen ser baterías sustituibles.

Un campo de tecnología inalámbrica de importante interés actual, y que es el objetivo de numerosos trabajos de investigación, es el campo de las redes de sensores inalámbricos. En realidad, los investigadores tienen previsto que en el futuro se incluya una amplia adopción de redes de sensores inalámbricos (WSNs) . En las redes WSNs, sensores inalámbricos se distribuirán a través de un entorno particular para constituir una malla o red ad –hoc que retransmita los datos de las mediciones a un concentrador central. El entorno particular podría ser cualquiera de entre un automóvil, una aeronave, una fábrica y un edificio, entre muchos otros. Una red WSN comprenderá varias decenas de miles de nodos de sensores inalámbricos que funcionarán utilizando transmisiones multisalto a través de cortas distancias. Cada nodo inalámbrico incluirá, por lo general, un sensor, circuitos electrónicos inalámbricos y una fuente de suministro de energía. El resultado será la creación de un entorno inteligente en respuesta a sus condiciones y habitantes, si los hubiere.

Un nodo de sensor inalámbrico, de forma similar a los demás dispositivos inalámbricos anteriormente citados, necesita alguna clase de suministro de energía eléctrica autónomo para proporcionar energía a los circuitos electrónicos situados en ese nodo. A tal respecto, se podrían utilizar baterías convencionales, tales como baterías de litio-ión, baterías de zincaire, baterías de litio, pilas alcalinas, baterías de níquel-metal-hidruro y baterías de níquel-cadmio. Sin embargo, para los nodos sensores inalámbricos diseñados para funcionar más allá de la vida útil típica de dichas baterías, en algún momento se tendrían que sustituir las baterías. Esto podría representar importantes problemas y aumento de gastos dependiendo del número de nodos en cuestión y de la accesibilidad de dichos nodos, sin mencionar la necesidad de disposición de las baterías. En consecuencia, alternativas a las baterías y otros tipos de suministro de energía que necesitan una atención periódica, tal como pilas de combustible de micro-tamaño, será deseables para numerosas redes WSNs.

Dichos suministros de energía autónomos alternativos se basarían normalmente en la recuperación (o “recogida”) de energía desde el entorno ambiente de un nodo sensor inalámbrico. Por ejemplo, si el nodo sensor inalámbrico está expuesto a luz suficiente, el suministro de energía autónomo alternativo podría incluir células fotoeléctricas o solares. Como alternativa, si el nodo sensor inalámbrico está expuesto a un movimiento de aire suficiente, el suministro de energía alternativo podría incluir una micro-turbina para recoger energía desde el aire en movimiento. Otros suministros de energía autónomos alternativos podrían basarse también en las fluctuaciones de la temperatura, fluctuaciones de la presión u otras influencias medioambientales.

Sin embargo, existirán numerosos casos en los que el medio ambiente no incluya cantidades suficientes de luz, movimiento del aire, fluctuación de la temperatura y variación de la presión para proporcionar energía suficiente para un nodo sensor inalámbrico particular. Sin embargo, el nodo sensor puede estar sometido a vibraciones constantes y/o bastante predecibles, por ejemplo, que emanen de la estructura que soporte el nodo o a la que está unido el nodo. En este caso, se puede utilizar un recuperador (o colector) de energía vibracional que esencialmente convierta la energía vibracional en energía eléctrica.

Un tipo particular de dispositivo de recogida de energía vibracional utiliza vigas resonantes que incorporan un material piezoeléctrico, que genera una carga eléctrica cuando se deforman durante la resonancia de las vigas causadas por las vibraciones ambientales (fuerzas impulsoras) . Un inconveniente de numerosos dispositivos de recogida de energía vibracional piezoeléctrica convencionales (PVEHs) es que son dispositivos con amortiguamiento mínimo que tienen factores de alta calidad (Q) . De este modo, son efectivos solamente con anchos de banda muy pequeños de frecuencia vibracional. Esto le hace problemático bajo cualquiera o más de una diversidad de circunstancias, de modo que cuando el nodo sensor inalámbrico está sujeto a variaciones de la temperatura que cambian la sintonía del PVEH, cuando la frecuencia de las vibraciones ambientales varía en el tiempo y cuando los métodos de fabricación utilizados para obtener el PVEH causan variación en la sintonía ‘tal como se construye’ de los PVEH.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Una forma de realización de la presente invención es un sistema de recogida de energía vibracional. El sistema de recogida de energía vibracional incluye: una viga resonante que tiene propiedades de sección transversal, una frecuencia de resonancia fundamental en una primera dirección de curvatura y una frecuencia en modo paramétrico en una segunda dirección de curvatura perpendicular a dicha primera dirección de curvatura, en donde dichas propiedades de sección transversal se seleccionan para sintonizar dicha frecuencia de resonancia fundamental a una primera frecuencia deseada y para sintonizar dicha frecuencia en el modo paramétrico a una segunda frecuencia deseada, incluyendo dicha viga resonante material piezoeléctrico para generar energía eléctrica en respuesta a la curvatura de dicha viga resonante en cada una de dichas primera y segunda direcciones de curvatura.

Una aplicación que no es parte de la presente invención es una unidad de recogida de energía vibracional. La unidad de recogida de energía vibracional incluye: una pluralidad de módulos de recogida de energía vibracional piezoeléctrica (PVEH) eléctricamente conectados entre sí, en donde cada uno de dichos módulos PVEH incluye una pluralidad de vigas PVEH habilitadas en el modo paramétrico, estando cada una configurada para la recogida de carga eléctrica desde cada una de entre una excitación de resonancia fundamental y una excitación en modo paramétrico.

Otra aplicación que no es parte de la presente invención es un sensor inalámbrico. El sensor inalámbrico incluye: un transductor para recogida de datos;... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de recogida de energía vibracional, que comprende:

una viga resonante que tiene propiedades de sección transversal, una frecuencia de resonancia fundamental en una primera dirección de curvatura y una frecuencia en modo paramétrico en una segunda dirección de curvatura perpendicular a dicha primera dirección de curvatura, en donde dichas propiedades de sección transversal se seleccionan para ajustar dicha frecuencia de resonancia fundamental a una primera frecuencia deseada y para ajustar dicha frecuencia, en modo paramétrico, a una segunda frecuencia deseada, incluyendo dicha viga resonante un material piezoeléctrico para generar la energía eléctrica en respuesta a la curvatura de dicha viga resonante en cada una de dichas primera y segunda direcciones de curvatura.

2. El dispositivo de recogida de energía vibracional según la reivindicación 1, en donde dicha viga resonante tiene una longitud y dicho material piezoeléctrico está dispuesto según dicha longitud de manera que dicho material piezoeléctrico contribuya a dichas propiedades de sección transversal en flexión.

3. El dispositivo de recogida de energía vibracional según la reivindicación 2, en donde dicha viga resonante tiene un primer eje de curvatura para dicha primera dirección de curvatura y un segundo eje de curvatura para dicha segunda dirección de curvatura, definiendo dichos primero y segundo ejes de curvatura unos primero, segundo, tercero y cuarto cuadrantes, de modo que dichos primero y segundo cuadrantes estén opuestos entre sí en lados opuestos de dicho primer eje de curvatura y que dichos segundo y tercero cuadrantes estén opuestos entre sí en lados opuestos de dicho segundo eje de curvatura, incluyendo dicha viga resonante, además, primero, segundo, tercer y cuarto electrodos espaciados entre sí y situados en cuadrantes respectivos correspondientes de dichos primero, segundo, tercero y cuarto cuadrantes.

4. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 3, en donde una primera parte de dicho material piezoeléctrico está situada entre dichos primero y segundo electrodos y una segunda parte de dicho material piezoeléctrico está situada entre dichos tercero y cuarto electrodos.

5. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 4, en donde dichas primera y segunda partes de dicho material piezoeléctrico están espaciadas entre sí.

6. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 3, en donde cada uno de dichos primero, segundo, tercero y cuarto electrodos está dispuesto según dicha longitud de dicha viga resonante de manera que cada uno de dichos primero, segundo, tercero y cuarto electrodos contribuya a dichas propiedades de sección transversal en flexión.

7. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 3, que comprende, además, un quinto electrodo situado entre, y separado de, dichos primero y segundo electrodos, así como un sexto electrodo situado entre, y separado de, dichos tercero y cuarto electrodos, en donde una primera parte de dicho material piezoeléctrico está situada entre dichos primero y quinto electrodos, una segunda parte de dicho material piezoeléctrico está situada entre dichos cuarto y sexto electrodos, una tercera parte de dicho material piezoeléctrico está situada entre dichos quinto y segundo electrodos y una cuarta parte de dicho material piezoeléctrico está situada entre dichos sexto y tercer electrodos.

8. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 7, en donde dichas primera y segunda partes están espaciadas entre sí y dichas tercera y cuarta partes están espaciadas entre sí.

9. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 7, en donde cada uno de dichos quinto y sexto electrodos está a ambos lados de dicho primer eje de curvatura.

10. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 7, que incluye, además, circuitos de recogida en comunicación eléctrica con cada uno de dichos primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto electrodos y configurados para recoger dicha energía eléctrica a partir de cada uno de dichos primero, segundo, tercero y cuarto cuadrantes con independencia entre sí.

11. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 7, en donde cada uno de dichos quinto y sexto electrodos está dispuesto según dicha longitud de dicha viga resonante de manera que cada uno de dichos quinto y sexto electrodos contribuya a dichas propiedades de sección transversal en flexión.

12. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 2, en donde dicha viga resonante es una viga en voladizo.

13. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 2, en donde dicha frecuencia de resonancia fundamental está situada dentro de una gama de 50 Hz a 1500 Hz.

14. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 2, en donde dichas propiedades de sección transversal de dicha viga resonante se seleccionan de modo que dicha frecuencia, en el modo paramétrico, quede situada dentro del margen de 5 Hz de dicha frecuencia de resonancia fundamental.

15. El dispositivo de recogida de energía vibracional, según la reivindicación 2, en donde dichas propiedades de sección transversal incluyen un espesor en una dirección paralela a dicha primera dirección de curvatura y un espesor en una dirección paralela a dicha segunda dirección de curvatura, en donde dicha anchura está en un margen de amplitud de 1 a 8 veces dicho espesor.

TÉCNICA ANTERIOR

SEGUNDO CONJUNTO CON FRECUENCIA RESONANTE FUNDAMENTAL (f2) Y MODO PARAMÉTRICO (P2)

PRIMER CONJUNTO CON FRECUENCIA RESONANTE FUNDAMENTAL (f1) Y MODO PARAMÉTRICO (P1)

TERCER CONJUNTO CON FRECUENCIA RESONANTE FUNDAMENTAL (f3) Y MODO PARAMÉTRICO (P3)

FRECUENCIA