能量采集装置的制作方法

本发明涉及能量采集装置。

背景技术：

随着电子科技发展，手表、手环等多种电子穿戴设备日渐流行。他们的功能也从最初的计时，到健康检测和通信服务变得越来越丰富。

随着功能的丰富，续航问题随之产生。这些设备一般体积较小，能装载的电池尺寸也就受到了限制，频繁充电，影响了用户的使用体验。

技术实现要素：

本发明提供一种能量采集装置，能够实现能量采集和转换。

本发明能量采集装置，包括：至少两个架体，所述架体之间可以相对转动；每个所述架体上都具有工作面，一个所述架体上的所述工作面，与相邻的另一个所述架体上的所述工作面彼此相向，且在这彼此相向的所述工作面上分别形成有多个电极，随着所述架体之间的转动，不同所述工作面上的电极彼此对位或者错位，形成多个可变电容；驻极体，设置在组成所述可变电容的两个所述电极中的一个上。

优选的，还包括：整流电路，所述整流电路联通到负载；所述可变电容分别联通到所述整流电路。

优选的，所述架体为两个环形架，分别为第一环形架和第二环形架；所述第二环形架通过第一转轴，转动地连接在所述第一环形架内；所述第一环形架的内侧面形成第一工作面，在所述第一工作面上设置有第一电极；所述第二环形架的外侧面形成第二工作面，在所述第二工作面上设置有第二电极；所述第一电极和所述第二电极形成可变电容，在所述第一电极或所述第二电极上设置所述驻极体。

优选的，所述架体为三个环形架，分别为第一环形架、第二环形架和第三环形架；所述第二环形架通过第一转轴，转动地连接在所述第一环形架内；所述第三环形架通过第二转轴，转动地连接在所述第二环形架内；所述第一转轴和所述第二转轴不同轴；所述第一环形架的内侧面形成第一工作面，在所述第一工作面上设置有第一电极；所述第二环形架的外侧面形成第二工作面，在所述第二工作面上设置有第二电极，所述第二环形架的内侧面形成第三工作面，在所述第三工作面上设置有第三电极；所述第三环形架的外侧面形成第四工作面，在所述第四工作面上设置有第四电极；所述第一电极和所述第二电极形成可变电容，且所述第一电极或所述第二电极上设置所述驻极体；所述第三电极和所述第四电极形成可变电容，且所述第三电极或所述第四电极上设置所述驻极体。

优选的，所述架体为两个球形架，分别为第一球形架和第二球形架；所述第二球形架通过第三转轴，转动地连接在所述第一球形架内；所述第一球形架的内壁面形成第一工作面，在所述第一工作面上设置有第一电极；所述第二球形架的外壁面形成第二工作面，在所述第二工作面上设置有第二电极；所述第一电极和所述第二电极形成可变电容，在所述第一电极或所述第二电极上设置所述驻极体。

优选的，所述架体为三个球形架，分别为第一球形架、第二球形架和第三球形架；所述第二球形架通过第三转轴，转动地连接在所述第一球形架内；所述第三球形架通过第四转轴，转动地连接在所述第二球形架内；所述第三转轴和所述第四转轴不同轴；所述第一球形架的内壁面形成第一工作面，在所述第一工作面上设置有第一电极；所述第二球形架的外壁面面形成第二工作面，在所述第二工作面上设置有第二电极，所述第二球形架的内壁面形成第三工作面，在所述第三工作面上设置有第三电极；所述第三球形架的外壁面形成第四工作面，在所述第四工作面上设置有第四电极；所述第一电极和所述第二电极形成可变电容，且所述第一电极或所述第二电极上设置所述驻极体；所述第三电极和所述第四电极形成可变电容，且所述第三电极或所述第四电极上设置所述驻极体。

优选的，所述架体为平行设置的两个基座，分别为第一基座和第二基座，且所述两个基座相互转动；在所述第一基座朝向所述第二基座的一面上，设置多个同轴的第一弧形板，且第一弧形板的两侧分别形成第一工作面，在所述第一工作面上设置有第一电极；在所述第二基座朝向所述第一基座的一面上，设置多个同轴的第二弧形板，且第二弧形板的两侧分别形成第二工作面，在所述第二工作面上设置有第二电极；所述第一弧形板和所述第二弧形板彼此交叉设置；在所述第一电极或所述第二电极上设置所述驻极体。

优选的，所述架体为平行设置的两个基座，分别为第一基座和第二基座，且所述两个基座相互转动；在所述第一基座朝向所述第二基座的一面上形成第一工作面，在所述第一工作面上设置有第一电极；在所述第二基座朝向所述第一基座的一面上形成第二工作面，在所述第二工作面上设置有第二电极；在所述第一电极或所述第二电极上设置所述驻极体。

本发明能量采集装置通过架体之间的转动，使安装在架体上的电极以及驻极体发生位置变化，两个电极组成的可变电容的电容值随之变化，电荷在两个电极上的分布也就相应的改变，而电荷分布的改变也就是电荷的移动，电荷移动就形成电流。

附图说明

图1为本发明能量采集装置实施例6的示意图；

图2为本发明能量采集装置实施例1的示意图；

图3为本发明能量采集装置实施例2的示意图；

图4为本发明能量采集装置实施例3的示意图；

图5为本发明能量采集装置实施例4的示意图；

图6为本发明能量采集装置实施例5的爆炸示意图；

图7为本发明能量采集装置实施例5的示意图；

图8为本发明能量采集装置实施例5的局部示意图；

图9为本发明能量采集装置原理性示意图；

图10为本发明能量采集装置中电极的一种示意图。

附图标记：

架体1、工作面2、电极3、可变电容4、驻极体5；

第一环形架1a、第二环形架1b、第三环形架1c、第一球形架1e、第二球形架1f、第三球形架1g、第一基座1h、第二基座1i；

第一工作面2a、第二工作面2b、第三工作面2c、四工作面2d；

第一电极3a、第二电极3b、第三电极3c、第四电极3d。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种能量采集装置，参见图1到图9，包括架体1、电极3和驻极体5。具体的，架体1至少具有两个，架体1之间可以相对转动。每个架体1上都有工作面2，一个架体1上的工作面2，与相邻的另一个架体1上的工作面2彼此相向，，且在这彼此相向的工作面2上分别形成有多个电极3，随着架体1之间的转动，不同工作面2上的电极3彼此对位或者错位，形成多个可变电容4；驻极体5，设置在组成可变电容4的两个电极3中的一个上。

也就是说，具有多个架体1，每个架体1上都设置有电极3，架体1之间相对转动时，不同架体1上的电极3之间的位置，会彼此对位或者错位，这里对位是指二者对象，能够形成电容，错位是指位置错开，无法形成电容。对位包括了二者的位置完全对应，也包括了部分对应的情况，即有一部对位，另一部分错位，这种情况也能形成电容，只是电容没有完全对应时大。通过这种对位和错位的变化，实现了电容大小的变化。完全对位也可以理解为两个电极3的交叠面积最大，错位是两个电极3交叠面积为零。

驻极体5设置在电极3上，但是在组成一个可变电容4的两个电极3上，只有一个电极3上设置驻极体5即可。一般会在一个架体1的电极3上设置驻极体5，在另一个架体1的电极3上不设置。具体在哪个电极3上设置，本申请不做限制，技术人员可以根据实际需要进行调整。下文也会提供一些优选的设置方式，具体参见下文。

另外，需要注意，图1中，有一些附图标号后具有括号，这是因为后文中一些实施例的需要，实施例中为了更好的区分不同的架体1，因此通过标号进行了区别。例如一种实施例中，架体1可以是如图1所示的基座形式，这种实施例中又具有两个基座形式的架体1，因此将他们区分为第一基座1h和第二基座1i，基座是架体1的一种可选的机构形式，“第一”、“第二”是对基座序号的区分。即，第一基座1h和第二基座1i都是架体1。下文可能出现1a、1b、1c、1e、1f、1g、1h、1i的标号，他们是为了区分不同形式和不同序号的架体1。类似的，为了区分不同架体1上的电极3和工作面2，附图中也通过标号对他们进行了区别标注。

下面分别说明架体1、电极3和驻极体5的细节内容。

先说架体1，除非特殊说明，同时适用于标号1a到标号1i的所有架体1。架体1上安装有电极3的位置，设置有衬底，该衬底是绝缘的，一般可以采用玻璃、陶瓷等。工作面2(适用下文会提到的第一工作面2a和第二工作面2b)是用来安装电极3的面，衬底就形成在工作面2上。工作面2可以是在架体1的一侧也可以是在两侧。

电极3，包括下文可能会提到的第一电极3a和第二电极3b，他们是在衬底上制作的金属电极。可以栅条状或梳齿状，附图中为了方便描述，都以框型结构示出。

下面说驻极体5，驻极体5是指那些能够长期储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料，驻极体材料通常是某种聚合物的薄膜，如聚四氟乙稀(ptfe)、氟化乙丙稀共聚物(fep)、聚偏氟乙稀(pvdf)、和非晶态无机薄膜，从时间的跨度上来看电荷衰减时间周期很长。驻极体5的薄膜与电极3用导电银胶相连在一起。

驻极体5可以理解成一个“带有很多电量”的结构，他设置在电极3上，通过两个电极3(一个设置驻极体5另一个不设置驻极体5)形成的可变电容，实现电能的释放。驻极体5的制备本申请不做限定。驻极体5也被称为“永电体”，存在电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。当然，这里的“永久”是夸张的说法，就像“永磁体”并不是永远具有磁性，而是不易失去磁性。

另外，本申请的能量采集装置还包括：整流电路，整流电路联通到负载；可变电容4分别联通到整流电路。

可变的电容4中的两个电极3都由导线或者导体等，分别连接到整流电路，构成回路，各个回路都与负载连接，为外部设备供电。回路也可以与超级电容等储能部件相连，将采集的能量储存起来后再为外部设备供电。这里的外部设备是指能量采集装置以外的设备。例如本能量采集装置用在电子表上，那外部设备就是电子表的用电单元。

本能量采集装置优选的用在手表、手环等穿戴设备上，通过人体的运动，带动架体1的运动，实现上述的“供电”。

该能量采集装置处于静止状态时，由于电磁感应，各个可变电容4会聚集一定量的感应电荷，此感应电荷在可变电容4的两个电极3上的分布将使可变电容4两端存在一个初始电压,但回路保持静电平衡而没有电流。当能量采集装置受到外部的激励时(如震动、甩动等)，结合图9所示，其中的一个或多个架体1发生运动，架体1之间发生位移，使相应构成的电极3位置改变，也就是可变电容4的两个电极3交叠面积发生变化，从而导致该可变电容4的电容值大小发生变化，电容值的变化使电荷经过外电路在可变电容4的上下两个电极3上进行重新分布，电荷从可变电容4一个电极3转移到另一个电极3，从而在外电路上形成电流，驱动外部的负载，实现了动能转换为电能的过程。

上述在衬底上设置电极3以及在电极3上设置驻极体5的方式，本申请不做限定，可以根据实际的工艺需要进行设置。例如可以在电极3上采用沉积的方式，设置驻极体5的薄膜。可以用平面ic技术和mems刻蚀技术实现。本发明对振动、甩动频率的要求低，比较易与ic及其他mems器件集成，从而非常适合在穿戴设备等微尺寸供能设备上使用。

下面以不同的实施例，来分别说明能量采集装置几种可选的设置形式。

实施例1

参见图2，在本实施例中，架体1为两个环形架——第一环形架1a和第二环形架1b。环形架可以是圆环、方形环等，也可以是不规则的结构。第二环形架1b通过第一转轴转动地连接在第一环形架1a内。

第一环形架1a的内侧面形成第一工作面2a，在第一工作面2a上设置有第一电极3a；第二环形架1b的外侧面形成第二工作面2b，在第二工作面2b上设置有第二电极3b；第一电极3a和第二电极3b形成可变电容4，在第一电极3a或第二电极3b上设置驻极体5。

也就是说，在外力的带动下，第二环形架1b在第一环形架1a内转动，转动过程中，第一电极3a和第二电极3b形成可变电容4。而第一电极3a和第二电极3b的交叠面积也是随着转动变化的，这就实现了上述的“供电”。需要理解，在形成可变电容4时，并非固定的第一电极3a和第二电极3b形成，而是在转动过程中，任意的第一电极3a和第二电极3b都可以形成可变电容4，随着他们对位或错位的变化，进行供电(具体原理上文已经说明)。在架体1的移动过程中，一个第一电极3a可以和轨迹上的多个第二电极3b形成可变电容4，实现供电。在多个第一电极3a和第二电极3b共同工作时，就可以更高效的供电。

本实施例的附图中，驻极体5设置在了第一电极3a上。当然也可以使第二电极3b上。或者一部分在第一电极3a另一部分在第二电极3b上。本实施例中为了设置的方便，以及工作时的协调稳定，统一设置在了第一电极3a上。

实施例2

本实施例与实施例1类似，区别是本实施例2中，架体1为三个环形架——第一环形架1a、第二环形架1b和第三环形架1c。

具体的，第二环形架1b通过第一转轴，转动地连接在第一环形架1a内；第三环形架1c通过第二转轴，转动地连接在第二环形架1b内；第一转轴和第二转轴不同轴；第一环形架1a的内侧面形成第一工作面2a，在第一工作面2a上设置有第一电极3a；第二环形架1b的外侧面形成第二工作面2b，在第二工作面2b上设置有第二电极3b，第二环形架1b的内侧面形成第三工作面2c，在第三工作面2c上设置有第三电极3c；第三环形架1c的外侧面形成第四工作面2d，在第四工作面2d上设置有第四电极3d；第一电极3a和第二电极3b形成可变电容4，且第一电极3a或第二电极3b上设置驻极体5；第三电极3c和第四电极3d形成可变电容4，且第三电极3c或第四电极3d上设置驻极体5。

本实施例中，驻极体5优选的设置在了第一电极3a和第三电极3c上。

本实施例2中，第二环形架1b的两侧就都设置了工作面，即，第二环形架1b的外侧面形成第二工作面2b，第二环形架1b的内侧面形成第三工作面2c。

实施例3

本实施例中，架体1位两个球形架，如图4所示，这两个球形架分别为第一球形架1e和第二球形架1f。

第二球形架1f通过第三转轴，转动地连接在第一球形架1e内；第一球形架1e的内壁面形成第一工作面2a，在第一工作面2a上设置有第一电极3a；第二球形架1f的外壁面形成第二工作面2b，在第二工作面2b上设置有第二电极3b；第一电极3a和第二电极3b形成可变电容4，在第一电极3a或第二电极3b上设置驻极体5。

本实施例中，是通过在第一球形架1e和第二球形架1f的内外面设置电极3(第一电极3a和第二电极3b)，通过两个“球形架”的相对转动，完成可变电容4的电容量变化。本实施例对应的附图中，驻极体5设置在了第一电极3a上。

因为实在“球体”上设置电极，两个“球体”又是以第三转轴为基础转动的，转动过程中为了能够更高效的改变可变电容4的电容量，让第一电极3a和第二电极3b更高效的“对位”和“错位”，设置时，第一电极3a和第二电极3b都整齐的排列，一般是在第一球形架1e的内表面，和第二球形架1f的外表面，呈环形的规则排列。工作时，第一球形架1e上的某一排以环形排列的第一电极3a(为了方便说明，将这一排称为第x排的第一电极3a)，始终和第二球形架1f上环形排列的某一排第二电极3b(为了方便说明，将这一排称为第y排的第二电极3b)在同一高度，就是说，第x排的第一电极3a和第y排的第二电极3b在同一高度，第x排内的第一电极3a只和第y排的第二电极3b配合。

实施例4

结合图5，本实施例相比于实施例3，使用了三个球形架，第一球形架1e、第二球形架1f和第三球形架1g。

第一球形架1e和第二球形架1f之间的设置关系，和实施例3类似，而第三球形架1g通过第四转轴，转动地连接在第二球形架1f内，第三转轴和第四转轴不同轴。

第一球形架1e的内壁面形成第一工作面2a，在第一工作面2a上设置有第一电极3a；第二球形架1b的外壁面面形成第二工作面2b，在第二工作面2b上设置有第二电极3b，第二球形架1f的内壁面形成第三工作面2c，在第三工作面2c上设置有第三电极3c；第三球形架1g的外壁面形成第四工作面2d，在第四工作面2d上设置有第四电极3d；第一电极3a和第二电极3b形成可变电容4，且第一电极3a或第二电极3b上设置驻极体5；第三电极3c和第四电极3d形成可变电容4，且第三电极3c或第四电极3d上设置驻极体5。

相比实施例3，本实施例中，第二球体1f除了外壁面具有第二工作面2b外，第二球体1f的内壁面还形成了第三工作面2c，该第三工作面2c用于和第四工作面2d配合。

实施例5

本实施中，参见图6、图7和图8，架体1为平行设置的两个基座，分别为第一基座1h和第二基座1i，且两个基座相互转动。优选的两个基座呈圆盘形，并且通过转轴同轴的连接。图7示出的是二者工作时俯视的状态，虚线示出的是第二基座1i。图8是简单示出了他们工作时的对应状态。

在第一基座1h朝向第二基座1i的一面上，设置多个同轴的第一弧形板，且第一弧形板的两侧分别形成第一工作面2a，在第一工作面2a上设置有第一电极3a；在第二基座1i朝向第一基座1h的一面上，设置多个同轴的第二弧形板，且第二弧形板的两侧分别形成第二工作面2b，在第二工作面2b上设置有第二电极3b；第一弧形板和第二弧形板彼此交叉设置；在第一电极3a或第二电极3b上设置驻极体5。优选的如图8所示，驻极体5设置在第一电极3a上。

本实施例中，参见图8，第一弧形板的两侧都是第一工作面2a，第二弧形板两侧都是第二工作面2b，两个基座转动时，改变可变电容4的电容量。图8中右侧填充有斜线的部分是指，第一基座1h和第二基座1i相对转动时的转轴。图8仅示出了转轴一侧的结构，另一侧和与之类似。

需要注意，图中示出的第一弧形板和第二弧形板，是很多断开的部分，尤其是在一个圆环内，示出的是多个独立的第一弧形板和第二弧形板，这仅是优选的方案。第一弧形板和第二弧形板可以分别是完整的圆弧，类似图6、图7中，最中心位置处的第一弧形板和第二弧形板。也就是说，第一弧形板为圆弧，呈圆环形，第二弧形板也是圆弧，呈圆环形。

实施例6

参见图1，架体1为平行设置的两个基座，分别为第一基座1h和第二基座1i，且两个基座相互转动；在第一基座1h朝向第二基座1i的一面上形成第一工作面2a，在第一工作面2a上设置有第一电极3a；在第二基座1i朝向第一基座1h的一面上形成第二工作面2b，在第二工作面2b上设置有第二电极3b；在第一电极3a或第二电极3b上设置。本实施例中，驻极体5设置在了第二电极3b上。本实施例中的第一基座1h和第二基座1i可以和实施例5中相同，只是本实施例中工作面2直接设置在两个基座上。

实施例7

本实施例是在实施例1和实施例2的基础上，添加更多个环形架，如添加第四环形架，其设置在第三环形架内，具体设置的方式和第三环形架设置在第二环形架内类似。

也就是说，在实施例1和实施例2的基础上，通过他们的设置的规律，可添加更多个环形架，以具有更多的可变电容4。

实施例8

本实施例是在实施例3和实施例4的基础上，添加更多的球形架，如添加第四球形架，其设置在第三球形架内，具体设置的方式和第三球形架设置在第二球形架内类似。

也就是说，在实施例3和实施例4的基础上，通过他们的设置的规律，可添加更多个球形架，以具有更多的可变电容4。

下面对以上各个实施例中的一些细节进行说明。

实施例1和实施例2中，最外侧的第一环形架1a可以是固定设置的，也开始是转动设置的。

全部实施例中，每个可变电容4都与外部负载联通，他们的连线可以是在架体1内部走线，避免转动时扭断。像实施例1到实施例4中，走线还以通过第一转轴、第二转轴等等部分处接出。另外，也可以不适用走线的方式，可以在架体1上进行线路蚀刻等，蚀刻的电路与每个所述电极3联通，以保证每个可变电容4可以完成“供电”时的通路。

上述的各个实施例中电极3采用的是多个独立的电极3，两个相对位置(相对工作面2)上的电极3组成可变电容4。这种独立的电极3彼此影响小，个别电极3故障不影响使用。

参见图10，是电极3的一种优选形式，这种形式，可以适用在上述八个实施例中。这种电极3是呈栅格状的。这种电极3可以是通过蚀刻、印刷等方式制成的一整条电极结构，如图所示，这一整条呈栅格的电极3分布在两个相对移动的架体1上，当架体1相对移动时，电极3整体的电容量改变。使用这种电极3能够降低能量采集装置的制备难度，不用独立的一个一个的安装独立电极3。

这种方式的电极3除了上述蚀刻、印刷，也可以使直接采用电极材料铸造，或者使用多个独立的电极串联组成。同时，在也可以是多条呈栅格的电极3共同工作。

以上图10示出的仅为示例，架体1的形状并不用于限制其在各个实施例中的使用。例如图10中示出的架体1是长条形，是对实施例1和实施例2中环形架的说明，在用于如实施例4时，需要对应的调整架体1的结构。需要理解，本处是用于示例电极3，并非限制架体1。

在采用多个独立的电极3时，后续的整流电路需要分别对每次形成的可变电容4产生的电量进行处理，因此这种方式时，优选的使用完全相同的独立电极3，避免造成差异过大，影响后续处理。每个电极3都分别连接到后续的整流电路，保证不同的电极3在形成可变电容4后，产生的电量能够经过处理并收集、使用。

采用整条的栅格状电极3时，与后续的整流电路连接时相对更方便。

综上，采用本申请的能量采集装置能够进行能量收集，尤其是用在可穿戴设备上，如手表、手环等，将使用者运动中的震动(如手臂甩动的动作)转化成电能。并且结合上述实施例，通过架体1可移动的设置方式，能够将多个方位的运动，都进行能量转化，尤其是实施例2、实施例4、实施例7和实施例8，可以基本上将各个方向的运动，实现向电能的转换。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。