具有发电单元的惯性发电装置和加速方向检测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种惯性发电装置及加速方向检测装置，发电装置包括基座、发电单元和动体，发电单元与基座固定连接，动体与基座不固定连接，当动体与发电单元接触并与该发电单元产生相互作用力时，发电单元能够将动体对其产生的作用力做的功转化为电能。通过检测不同发电单元产生的电信号，能够确定惯性方向和整个装置的加速方向。本发明能够将自然界普遍存在的强度较小且不稳定的机械能转化为电能，具有广阔应用前景。
【专利说明】具有发电单元的惯性发电装置和加速方向检测装置
【技术领域】
[0001]本发明属于与纳米发电及其应用相关的【技术领域】，具体涉及一种具有发电单元的惯性发电装置和加速方向检测装置。
【背景技术】
[0002]在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。
[0003]为了将自然界中以各种形式存在的能量转化为电能，最常用的方法是利用电磁感应原理。按照这种原理设计的发明装置，需要事先将各种形式的能量先转化为机械能，通过电磁感应转化为电能。例如由水轮机、汽轮机、柴油机或其它动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能后传给电磁感应式发电机，再由发电机转换为电能。然而，这种发电机都需要相对集中、大强度的能量输入，对于人们日常活动中产生的以及自然界存在的强度较小的能量，基本都无法将其有效的转化为电能。同时，传统发电机的体积较大、结构复杂，无法作为微型电子器件的供电元件使用。因此，若能将运动、振动等自然存在的强度较小的机械能转化为电能，将具有极其重要的意义。
[0004]此外，现有的加速度测量装置往往需要外接电源，这限制了加速度计的应用。如果能够设计一种不依靠外部电源而直接能够检测加速度的加速度测量装置，则将大大提高其应用价值。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明所要解决的一个技术问题是目前的发电装置无法有效地利用自然界中由震动、冲击、风力或海潮等强度较小且不稳定的机械能。
[0007]本发明所要解决的另一个问题是现有的加速方向检测装置必须依赖外部电源，因而导致其应用受外界环境的制约。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]本发明提出一种惯性发电装置，包括基座、发电单元，还包括动体，所述发电单元与所述基座固定连接，所述动体与所述基座不固定连接，其中，当所述动体与所述发电单元接触并与该发电单元产生相互作用力时，所述发电单元能够将所述动体对其产生的作用力做的功的至少一部分转化为电能。
[0010]根据本发明的一种【具体实施方式】，当所述动体受到一个相对于所述基座的惯性力时，该动体与所述发电单元接触并与该发电单元产生相互作用力。
[0011]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述发电单元和所述动体之间的距离被限制于一个范围内，以便二者能够在随机发生的不同方向的惯性力的作用下而发生随机的多次触碰。
[0012]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述基座是中空的腔体结构，所述发电单元和所述动体均位于所述基座的内部。
[0013]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述基座是中空的密闭腔体。
[0014]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述基座是一个圆筒形的壳体，所述动体是一个圆柱形的滚柱，所述发电单元具有多个，它们均匀设置在所述壳体的内侧表面上。
[0015]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述基座是中空的球体壳体，所述动体是一个滚球，所述发电单元具有多个，并且以等间隔分布的形式固定于该壳体的内壁。
[0016]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述发电单元包括纳米发电材料。
[0017]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述发电单元包括从上至下依次叠置的顶电极、第一摩擦层、弹性隔离件、第二摩擦层和底电极，其中，所述顶电极和所述第一摩擦层紧密相接构成上部分，所述底电极和所述第二摩擦层紧密相接构成下部分；所述第一摩擦层和第二摩擦层在摩擦电极序中处于不同的位置；所述弹性隔离件分别与上部分与下部分相连，并使得:在无外力作用于所述上部分时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层相互分隔以一定的距离；当上部分受到朝向所述下部分的作用力时，所述上部分能够朝向所述下部分移动并接触所述下部分；并且，当所述上部分受到的朝向所述下部分的作用力减小或消失时，所述上部分能够远离所述下部分移动。
[0018]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述弹性隔离件是由绝缘材料构成的弹性体。
[0019]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述弹性隔离件连接于所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的接触面上，或者连接于所述上部分或下部分的侧面。
[0020]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述弹性隔离件容纳于开设于所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层的沉孔中。
[0021]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述发电单元包括从上至下层叠紧密接触的顶电极、介质层、压电层和底电极。
[0022]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述压电层包括压电薄膜或压电纳米结构材料。
[0023]本发明还提出一种加速方向检测装置，其特征在于，包括所述的惯性发电装置，该惯性发电装置包括多个设置于所述基座的不同位置的发电单元，通过测量不同发电单元产生的电信号来确定所述动体受到的惯性力的方向，从而测得该加速方向检测装置的加速度方向。
[0024]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述加速方向检测装置用于检测二维的加速方向，所述基座是一个中空的壳体，所述多个发电单元平面对称地分布在所述壳体的内表面上，所述动体在壳体内部的一个平面内运动。
[0025]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述加速方向检测装置用于检测三维的加速方向，所述基座是一个中空的壳体，所棕多个发电单元以中心对称的方式设置在所述壳体的内表面上,所述动体在所述壳体内部可以作三维空间运动。
[0026]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述动体和壳体之间具有多个弹性连接件，所述多个所述弹性连接件均匀分布在所述动体与壳体之间。
[0027]根据本发明的一种【具体实施方式】，在未受到外力作用时，所述动体位于所述壳体内表面围成的结构的中心位置。
[0028](三)有益效果
[0029]本发明利用了静电及压电发电原理，能够将自然界普遍存在的强度较小且不稳定的机械能转化为电能。
[0030]本发明的结构简单，成本低廉，并且适用面广，不受外界环境的制约。
[0031 ] 本发明的加速方向检测装置不需要外部电源，能够应用于各种复杂的环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是本发明的具有发电单元的惯性发电装置的原理示意图；
[0033]图2是本发明的发电单元的结构示意图；
[0034]图3是本发明的发电单元的上、下两个部分在垂直于层叠面的方向移动时产生电能的原理图；
[0035]图4是本发明的发电单元的另一种工作状态产生电能的原理图；
[0036]图5是压电发电单元的原理结构图；
[0037]图6是本发明的第一实施例的筒形发电装置的截面剖视图；
[0038]图7是本发明的第一实施例的筒形发电装置的发电单元为摩擦发电单元的示意图；
[0039]图8是本发明的第二实施例的惯性发电装置的结构图。
【具体实施方式】
[0040]不同摩擦电极序的材料在相对运动时会产生静电电荷，利用这种电荷，我们就能将这种相对运动时的机械能转换为电能。因此，静电发电技术能够利用自然界中存在的各种机械能来产生电能。
[0041]根据上述静电发电的基本原理，本发明构造了一种惯性发电装置，其中包括有发电单元。当外力对惯性发电装置做功时，该惯性发电装置将该外力转化为对发电单元的惯性力，该惯性力对发电单元产生作用而产生电能。
[0042]进一步，通过进一步的构造，本发明利用发电单元产生的电能而发出电信号，并使该电信号与惯性力的方向存在对应关系，从而能够根据惯性力的方向确定外力的方向(惯性力的反方向或接近于惯性力的反方向)。将发电单元设置在壳体壳内表面的对称位置(二维或三维空间)，当某个方向的外力作用在发电机上时，内部的动体沿着外力的反方向对发电单元施加力的作用，相应的发电单元能够产生电信号，通过对该电信号的检测可以获得发电机受到外力的方向。
[0043]图1是本发明的具有发电单元的惯性发电装置的原理示意图，如图1所示，该惯性发电装置具有基座10、发电单元20和动体30，所述发电单元20与所述基座10固定连接，所述动体30与所述基座10不固定连接(可相对运动)。当所述动体30与所述发电单元20接触并与该发电单元20产生相互作用力时，所述发电单元20能够将所述动体30对其产生的作用力做的功的至少一部分转化为电能。
[0044]在图1所示的情况中，惯性发电装置受到一个作用在基座10上的外力(相对于地面)，基座10连同发电单元20向左上方以加速度a加速运动时，动体30相对于基座10会受到一个与加速度a的方向相反的向右下方的惯性力F，且F=ma (m为动体30的质量)。动体30通常还受到重力G的作用，并且，由于惯性力F和重力G的共同作用，动体30会相对于基座10向右下方运动，并有可能与发电单元20触碰而产生力的相互作用。由于发电单元20和动体30的相互作用力，动体30可能会压迫发电单元20，也可能在发电单元20的表面滑动或滚动。图1显示了动体30滚动的情况。
[0045]当动体30受到惯性力作用而相对于发电单元20运动并触碰到发电单元20时，发电单元20会受到由动体30施加的力。在图1的情况中，发电单元20受到向下的压力向右的滚动摩擦力Ff的合力的作用。当所述压力Fp或摩擦力Ff对该发电单元20做功时，由于发电单元的特性，在其上下表面分别形成极性相反的感应电荷，由此产生感应电势。通过连接于上下表面的端子，可以收集该感应电势蕴含的电能。这样，该发电单元20能够把直接作用于基座10的外力而产生的机械能转化为电能。
[0046]所述基座10可以具有任何空间形状，例如板形、凹槽形、圆柱体形、球形等，只要其能够固定发电单元20。并且，基座10可以由任何适合的材料制成，并且可以由单个元件构成，或者由多个元件组合而成。
[0047]优选地，所述发电单元20和动体30之间的距离被限制于一个范围内，以便二者能够在随机发生的不同方向的惯性力的作用下而发生随机的多次触碰。例如，所述动体30通过至少一个弹性元件连接于所述基座10上。
[0048]更优选地，所述基座10是中空的腔体结构，所述发电单元20和动体30均位于基座10的内部。由此，动体30可以被限制于所述基座10的内部，并在惯性力的作用下在基座10的内部运动。
[0049]更优选地，所述基座10是一个中空的密闭腔体，即基座10的内部与外部在空间上相互隔绝。由此，基座10能够起到保护基座10内部的动体30和发电单元20的作用，也能够使动体30的运动免受外界环境的影响，因此更适于应用于复杂的环境中，例如置于海水中。
[0050]尽管本发明的动体30可以由具有质量的任何形状的物体构成，但通常来说，其由固体材料构成，但不排除包含部分液体或气体。动体30的形状既可以是圆球形、圆柱形、橄榄形、方形等，也可以是与发电单元20相匹配的其他形状，例如齿轮形等。所述动体30可以为实心结构，也可以是空心结构。
[0051]所述动体30材料的性质无特殊限定，可以为导体、绝缘体等，也可以根据发电单元最上层的材料选择。
[0052]所述发电单元20可以由现有的任何发电单元构成，只要其能够在外力作用下产生电能即可。但是，本发明特别优选为采用纳米发电单元，以提高发电单元的能量转化效率。举例而言，所述发电单元20可以是摩擦发电单元或压电发电单元等。
[0053]根据本发明的另一方面，当所述惯性发电装置包括多个设置于所述基座10的不同位置的发电单元20时，通过测量不同发电单元20产生的电信号来确定所述动体30受到的惯性力的方向，从而测得该加速方向检测装置的加速度方向。
[0054]图2是本发明采用的摩擦发电单元的结构示意图。参见图2，该发电单元20包括从上至下依次叠置的顶电极211、第一摩擦层212、弹性隔离件210、第二摩擦层213和底电极214。顶电极211和第一摩擦层212紧密相接(在此亦称为上部分)，底电极214和第二摩擦层213紧密相接(在此亦称为下部分)，所述第一摩擦层212和第二摩擦层213在摩擦电极序中处于不同的位置。弹性隔离件210分别与上部分与下部分相连，并使得:在无外力(除重力之外)作用于上部分时使第一摩擦层212和第二摩擦层213相互分隔一定的距离；以及，当上部分受到朝向下部分的作用力时，上部分能够朝向下部分移动并接触下部分；当上部分受到的朝向下部分的作用力减小或消失时，上部分能够远离下部分移动。
[0055]图3显示了本发明的发电单元的上、下两个部分在垂直于层叠面的方向移动时产生电能的原理图。如图3的(A)图所示，在没有外力的初始状态下，第一摩擦层212和第二摩擦层213之间存在一定的间隔。当动体30施加一作用力于发电单元20时，弹性隔离件210被压缩，使第一摩擦层212和第二摩擦层213相互接触发生表面电荷转移，形成一层表面接触电荷，参见图3的(B)图。由于第一摩擦层212的下表面和第二摩擦层213上表面的材料具有不同的摩擦电极序，第二摩擦层213表面产生一种类型的电荷(在此，以正电荷为例)，而第一摩擦层212表面产生另一种类型的电荷(相应的在此例中为负电荷)，两种电荷的电量大小相同，因此在顶电极211和底电极214之间没有电势差，也就没有电荷流动。当动体30远离发电单元20时，在弹性隔离件210的弹性作用下，第一摩擦层212与第二摩擦层213发生分离，此时由顶电极211和第一摩擦层212所构成的整体具有净剩负电荷，而底电极214和第二摩擦单元201所构成的整体具有净剩正电荷，因此在顶电极211和底电极214之间产生了电势差。为平衡该电势差，电子通过外电路由顶电极211流入底电极214，从而在外电路产生由底电极214到顶电极211的瞬时电流，参见图3的(C)图。当第一摩擦层212回到初始位置时，它与第二摩擦层213之间的电荷都达到平衡，在顶电极211和底电极214之间没有电势差，在外电路也就没有电流产生，参见图3的(D)图所示)。当动体30再次施加作用力于发电单元20时，弹性隔离件210再次被压缩，第一摩擦层212与第二摩擦层213的间距再次变小，第二摩擦层213表面的正电荷对顶电极211中正电荷的排斥作用增强，同时第一摩擦层212表面的负电荷对底电极214中正电荷的吸引作用也增强，由此导致顶电极211和底电极214之间的电势差减小。为进一步平衡该电势差，电子通过外电路由底电极214流入顶电极211，从而在外电路产生与第一次方向相反的瞬时电流，参见图3的(E)图。当第一摩擦层212与第二摩擦层213再次发生接触后，重复上面图3的(B)图至(E)图的情形。由此可见，摩擦发电单元在动体30的作用下，会促使第一摩擦层212和第二摩擦层13发生接触和分离，形成脉冲电信号。
[0056]所述弹性隔离件210由弹性体构成，其能在外部压力作用下压缩和回复。其可以为弹簧、弹性海绵或弹性橡胶等，但是，为了不影响第一摩擦层212和第二摩擦层213的电荷分布，优选为绝缘材料制成。
[0057]弹性隔离件210与上部分、下部分的连接方式可以根据需要确定，只要保证不阻碍第一摩擦层212与第二摩擦层213相互接触和分离。其连接位置可以是第一摩擦层212与第二摩擦层213的接触面上，也可以设置在在上部分或下部分的侧面。
[0058]当弹性隔离件210设置在第一摩擦层212和第二摩擦层213接触面上时，在所述第一摩擦层212和第二摩擦层213上按触面上可以设置专用于容纳弹性隔离件210的沉孔(图中未示)，以便当外部作用力施加于上部分而使第一摩擦层212和第二摩擦层213相接触时，弹性隔离件210能够被压缩而完全容纳于该沉孔中。沉孔可以位于第一摩擦层212和第二摩擦层213中的其中一个，也可以同时设置于第一摩擦层212和第二摩擦层213中。
[0059]第一摩擦层212和第二摩擦层213在摩擦电极序中处于不同的位置，因此二者在发生接触或摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。常规的绝缘材料都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦层212和第二摩擦层213的材料，此处列举一些常用的绝缘材料并按照摩擦电极序由正极性到负极性排序:苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(涤纶)、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚双酹A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6- 二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯。
[0060]相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦层212或第二摩擦层213的材料。常用的半导体包括硅、锗；第III和第V族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第II和第VI族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由II1-V族化合物和I1-VI族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化娃、氧化猛、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、B12和Y2O3 ;常用的金属包括金、银、钼、招、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。
[0061]限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处列出的具体的作为摩擦层的材料仅是一种示例，显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在本发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
[0062]通过实验发现，当第一摩擦层212和第二摩擦层213材料的得电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，静电摩擦发电单元输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦层212和第二摩擦层213，以获得更好的输出效果。
[0063]底电极214和顶电极211需要与摩擦层之间有良好的接触性质，可以采用在摩擦层表面进行溅射、蒸镀等的方法进行制备。电极材料可以选择常规的电极材料，可以选自金属、导电氧化物和导电高分子。金属可以选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。
[0064]描述了本发明的发电单元的上、下两个部分在垂直于层叠面的方向移动时产生电能的原理。这是一种比较理想的情况，在实际情况中，动体30施加作用力于发电单元20时的作用力往往不一定垂直于层叠面的方向，而有可能是任意的方向。这样，发电单元20的上部分与下部分在接触时通常还伴随着摩擦。而对于发电单元来说，摩擦作用也能够产生电能。
[0065]图4是本发明的静电摩擦发电单元的另一工作状态产生电能的原理图。如图4所示的示例中，所述动体30为一球体,在惯性力作用下,动体30朝向发电单元20运动并滚动到发电单元20的上表面时，动体30能使弹性隔离件210逐步压缩，如图4的(A)图所示；当动体30继续滚动时，如图4的(B)图和(C)图所示，与前类似地，所述第一摩擦层212的下表面与第二摩擦层213的上表面逐渐接触并发生摩擦，由于第一摩擦层212和第二摩擦层213在摩擦电极序中处于不同的位置，因此在第一摩擦层212的下表面与第二摩擦层213的上表面分别产生摩擦电荷，随着上下摩擦层的分离，顶电极层211和底电极层214上的电荷越来越多。如图4的(D)图所示，当动体30滚出发电单元时，在弹性隔离件210的作用下，第一摩擦层212和第二摩擦层213沿着与相互接触表面的切线垂直的方向分离，在外接电路上产生电流。
[0066]此外，所述发电单元30也可以是压电发电单元。图5是压电发电单元的典型结构图。如图5所示，该发电单元30包括从上至下层叠紧密接触的顶电极221、介质层222、压电层223、底电极224。
[0067]与图2所示的摩擦发电单元类似，压电发电单元的顶电极221和底电极224可以选择常规的电极材料，例如可以选自金属、导电氧化物和导电高分子。金属可以选自金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。
[0068]所述介电层222的材料可以为聚合物，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PI (聚亚酰胺)、PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PS (聚苯乙烯)等。
[0069]所述压电层223的材料可以为任何压电薄膜或压电纳米结构材料，例如:ZnO、Pb (Zr, Ti) O3> BaT13^ GaN等的薄膜、纳米线或纳米棒等。压电层的材料优选为ZnO、GaN等纤锌矿结构压电材料的纳米线。以压电纳米线层采用ZnO为例，先在厚度约50 μ m的PI (聚酰亚胺)基底I上沉积Cr / Au下电极，溅射一层50nm厚的ZnO种子层，然后进行水热法生长ZnO纳米线层，压电纳米线的取向基本垂直与所述基底。生长完成后旋涂一层厚度约2ym的介电层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，再在其上沉积Cr / Au上电极，上下电极由电极引出线引出，完成压电发电单元的制备。
[0070]压电发电单元的工作原理为:当动体30施加一个压力于顶电极221时，该压力作用导致压电层223发生形变时，压电层223内部会由应变产生一个相应的压电电场。由于感应电荷的作用，这个压电电场会使顶电极和底电极的表面产生电势差，产生电势能，这个电势差会进而驱动外电路的电子从一端电极流向另一端电极，从而形成电流，直至电极上累积的电子与压电电场达到平衡；而当外加应力卸载的时候，由压电电场形成的电势差消失，其中一个电极上积累的电子会由相反方向流回，这样就形成了一个交流的电流信号。
[0071]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0072]<第一实施例>
[0073]第一实施例是一种筒形的惯性发电装置。图6显示了该筒形发电装置的截面剖视图。参见图6，该惯性发电装置包括一个圆筒形的壳体11 (基座)、均匀设置在壳体11的内侧表面(即非垂直于圆筒的中心轴线的顶表面和底表面)上的多个发电单元21和一个圆柱形的滚柱31，其中，滚柱31置于壳体11内的空腔中。当壳体11受到外力的作用时,滚柱31因惯性力而在壳体11中运动。所述发电单元21在所述滚柱31的作用下而向外输出电信号。
[0074]在该实施例中，多个发电单元21之间的间隙小于圆柱滚柱31的直径，以便滚柱31不会卡在各发电单元之间，而始终在各静电单元21的上方滚动或碰撞。并且，各发电单元的各顶电极可以并联，各底电极也可以并联，以便形成共同连接于输出端子向外输出。
[0075]除了限制发电单元之间的间隙，也可以通过将滚柱31进行弹性固定的方式限制其运动，不至于被卡住。例如在壳体11与滚柱31之间设置一个或多个弹簧。
[0076]图7是当发电单元为摩擦发电单元的示意图。
[0077]对该实施例的一种变形是将所述壳体11制成一个中空的球体，多个发电单元21被等间隔分布的形式固定于该壳体11的内壁，一个滚球被置于该壳体21内的空腔中。由此，当壳体受到任何方向的外力作用时，滚球均会在壳体内部滚动或滑动，这些机械运动作用于其四周的发电单元21而产生电能。
[0078]<第二实施例>
[0079]第二实施例是第一实施例的变化实施例。图8显示了该第二实施例的结构图。如图8所示，与第一实施例不同的是，发电单元21被置于壳体11的内侧，壳体11内的动体是不能进行滚动的滚动体31，而是一个只能够进行平动的平动体32，并且，平动体32和壳体11之间具有弹性连接构件41,在示例中为4个,如图8所示。
[0080]该实施例中，壳体11可以是任何形状，而不限于筒形。壳体11受到外力作用时，平动体32在壳体11中作往复运动(箭头B方向)，分别对壳体内侧的发电单元21产生力的作用而产生电能。
[0081]〈第三实施例〉
[0082]第三实施例是一种加速方向检测装置。加速方向检测装置是在本发明的惯性发电装置的基础上的进一步改进。如前所述，惯性发电装置中的发电单元能够将作用于动体上的惯性力产生的机械能转换为电信号，因此，通过把多个发电单元设置于不同的方位，使各个发电单元所产生的电信号精确反映动体的运动方向，并且，通过对动体的进一步设计，使其运动方向精确反映其受到的惯性力的方向。这样，通过测量各个发电单元产生的电信号，就能够测出动体上受到的惯性力的方向。根据动体受到的惯性力与基体的加速度方向相反，从而得到基体的加速度。
[0083]如前所述，本发明的惯性发电装置可以是一 360° (二维空间内)或4π (三维空间)全方位立体的惯性发电装置，因此，作为加速方向检测装置可以是全方位立体的加速方向检测装置，可以应用于飞行器的自动控制，微机械和定位系统。
[0084]S卩，所述基座是一个中空的壳体，利用壳体内不同位置的发电单元所产生的电信号输出，可以制造出一具有对称结构的加速方向检测装置。这种加速方向检测装置不需要外加电源，是一种自驱动的加速方向检测装置。
[0085]二维的加速方向检测装置，壳体可以为圆柱、球形、棱柱等轴对称结构壳体，多个发电单元平面对称的分布在壳体的内表面上，并且基本在一个平面内，动体在壳体内部可以在一个平面内运动，惯性发电装置受到外力作用时，动体会对某个方向的发电单元产生撞击或挤压，该发电单元的电极会产生电信号，通过检测到电信号的发电单元的位置即可以知道发电机受到力的方向。
[0086]对于三维的加速方向检测装置，壳体可以为球形、立方体等中心对称结构壳体，多个发电单元以中心对称的方式设置在壳体的内表面上，动体在壳体内部可以在三维空间运动，发电机受到外力作用时，动体会对某个方向的发电单元产生撞击或挤压，该发电单元的电极会产生电信号，通过检测到电信号的发电单元的位置即可以知道发电机受到力的方向。如果应用在飞机等上作为陀螺仪，可以根据检测到的电信号确定陀螺仪的偏转方向等信息。
[0087]还可以在动体和壳体之间增加弹性连接件(类似图8)，使动体的运动方向不是任意的，并可以在一次力的作用后，多次对同一个发电单元进行作用。多个所述弹性连接件均匀分布在动体与壳体之间，每个弹性连接件的顶端连接在动体的外表面，底端连接在壳体的内表面。
[0088]可以将多个发电单元的电极连接于多通道测量装置，用来检测施加在加速方向检测装置上外力的方向。采用的多通道测量装置无特殊要求，只要有多对输入端的记录设备都可以应用，能够对不同发电单元的输出信号进行检测即可。
[0089]本实施例提供的加速方向检测装置，在飞行器自动控制或定位器中使用时，无需提供电源，可以自动感应飞行器在360° (二维空间内)或4π (三维空间)全方位的姿态。本发明提供的加速方向检测装置，是一种全新的自驱动陀螺仪，可以应用在飞行器、微机械等领域。
[0090]优选的，加速方向检测装置未受到所述外力作用时，动体基本位于壳体内表面围成结构的中心位置。
[0091]综上所述，本发明在基座的内部可以附着多个发电单元，这样，就可以收集多个方向的机械能，并将其转变为电能，因此电能收集效率较高。
[0092]并且，本发明优选采用封闭结构的基座，因此可以应用在各种环境中。本发明的发电机不仅可以回收震动、水流、潮汐或风力产生的能量。
[0093]此外，本发明通过从结构上进行设计，通过产生感应电势的位置或电流可以感知受到力的方向，并且通过动体与发电单元的作用将受到力的方向传递给外界。因此，本发明可以作为二维或三维的惯量和机械传感装置，可以应用于飞行器的自动控制，微机械和定位系统。
[0094]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种惯性发电装置，包括基座(10)、发电单元(20)，其特征在于，还包括动体(30)，所述发电单元(20)与所述基座(10)固定连接，所述动体(30)与所述基座(10)不固定连接，其中， 当所述动体(30)与所述发电单元(20)接触并与该发电单元(20)产生相互作用力时，所述发电单元(20)能够将所述动体(30)对其产生的作用力做的功的至少一部分转化为电倉泛。
2.如权利要求1所述的惯性发电装置，其特征在于，当所述动体(30)受到一个相对于所述基座(10)的惯性力时，该动体(30)与所述发电单元(20)接触并与该发电单元(20)产生相互作用力。
3.如权利要求1或2所述的惯性发电装置，其特征在于，所述发电单元(20)和所述动体(30)之间的距离被限制于一个范围内，以便二者能够在随机发生的不同方向的惯性力的作用下而发生随机的多次触碰。
4.如权利要求1-3任一项所述的惯性发电装置，其特征在于，所述基座(10)是中空的腔体结构，所述发电单元(20)和所述动体(30)均位于所述基座(10)的内部。
5.如权利要求4所述的惯性发电装置，其特征在于，所述基座(10)是中空的密闭腔体。
6.如权利要求4或5所述的惯性发电装置，其特征在于，所述基座(10)是一个圆筒形的壳体(11)，所述动体是一个圆柱形的滚柱(31)，所述发电单元(21)具有多个，它们均匀设置在所述壳体(11)的内侧表面上。
7.如权利要求4或5所述的惯性发电装置，其特征在于，所述基座(10)是中空的球体壳体(11)，所述动体(30)是一个滚球，所述发电单元具有多个，并且以等间隔分布的形式固定于该壳体(11)的内壁。
8.如权利要求1-7任一项所述的惯性发电装置，其特征在于，所述发电单元(20)包括从上至下依次叠置的顶电极(211)、第一摩擦层(212)、弹性隔离件(210)、第二摩擦层(213)和底电极(214)，其中， 所述顶电极(211)和所述第一摩擦层(212)紧密相接构成上部分，所述底电极(214)和所述第二摩擦层(213)紧密相接构成下部分； 所述第一摩擦层(212)和第二摩擦层(213)在摩擦电极序中处于不同的位置； 所述弹性隔离件(210)分别与所述上部分与下部分相连，并使得:在无外力作用于所述上部分时，所述第一摩擦层(212)和所述第二摩擦层(213)相互分隔以一定的距离；当上部分受到朝向所述下部分的作用力时，所述上部分能够朝向所述下部分移动并接触所述下部分；并且，当所述上部分受到的朝向所述下部分的作用力减小或消失时，所述上部分能够远离所述下部分移动。
9.如权利要求8所述的惯性发电装置，其特征在于，所述弹性隔离件(210)是由绝缘材料构成的弹性体。
10.如权利要求8或9所述的惯性发电装置，其特征在于，所述弹性隔离件(210)连接于所述第一摩擦层(212)与所述第二摩擦层(213)的接触面上，或者连接于所述上部分或下部分的侧面。
11.如权利要求8或9所述的惯性发电装置，其特征在于，所述弹性隔离件容纳于开设于所述第一摩擦层(212)和/或所述第二摩擦层(213)的沉孔中。
12.如权利要求1至7中任一项所述的惯性发电装置，其特征在于，所述发电单元(30)包括从上至下层叠紧密接触的顶电极(221)、介质层(222)、压电层(223)和底电极(224)。
13.如权利要求12所述的惯性发电装置，其特征在于，所述压电层(223)包括压电薄膜或压电纳米结构材料。
14.一种加速方向检测装置，其特征在于，包括权利要求1至13中任一项所述的惯性发电装置，该惯性发电装置包括多个设置于所述基座(10)的不同位置的发电单元(20)，通过测量不同发电单元(30)产生的电信号来确定所述动体受到的惯性力的方向，从而测得该加速方向检测装置的加速度方向。
15.如权利要求14所述的加速方向检测装置，其特征在于，所述基座(10)是一个中空的壳体，所述多个发电单元(20)平面对称地分布在所述壳体的内表面上，所述动体(30)在壳体内部的一个平面内运动。
16.如权利要求14所述的加速方向检测装置，其特征在于，所述基座(10)是一个中空的壳体，所述多个发电单元(20)以中心对称的方式设置在所述壳体的内表面上，所述动体(30)在所述壳体内部可以作三维空间运动。
17.如权利要求15或16所述的加速方向检测装置，其特征在于，所述动体(30)和壳体(10)之间具有多个弹性连接件，多个所述弹性连接件均匀分布在所述动体与壳体之间。
18.如权利要求17所述的加速方向检测装置，其特征在于，在未受到外力作用时，所述动体(30)位于所述壳体内表面围成的结构的中心位置。
【文档编号】H02K11/00GK104426425SQ201310403328
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】王中林 申请人:北京纳米能源与系统研究所