專利名稱：腳供電的鞋嵌入式傳感器收發(fā)器的制作方法
腳供電的鞋嵌入式傳感器收發(fā)器相關(guān)申請本申請與2008年10月8日提交的題為“腳供電的鞋嵌入式傳感器收發(fā)器 (Foot-Powered Footwear-Embedded Sensor-Transceiver)，，的美國臨時專利申請 S/N 61/103，756相關(guān)，且根據(jù)35U. S. C. § 119要求其優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。本申請與2006年11月17日提交的題為“混合式薄膜電池(Hybrid Thin-Film Battery)”的美國專利申請S/N 11/561，277、2007年3月16日提交的題為“金屬膜封裝 (Metal Film Encapsulation) ”的美國專利申請 S/N 11/687，032、2007 年 5 月 14 日提交的題為“集成電路或電路板上的薄膜電池及其方法(Thin Film Battery on an Integrated Circuit or Circuit Board and Method Thereof) ” 的美國專利申請 S/N 11/748,471、 2008年8月11日提交的題為“具有用于電磁能收集的組成采集器表面的能量裝置及其方法(Energy Device with Integral Collector Surface for Electromagnetic Energy Harvesting and Method Thereof) ” 的美國專利申請 S/N 61/087，927、以及 2008 年 9 月 12日提交的題為“具有用于電磁能收集的組成采集器表面的能量裝置及其方法(Energy Device with Integral Collector Surface for Electromagnetic Energy Harvesting and Method Thereof) ”的美國專利申請S/N 61/096，415相關(guān)，它們各自的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。技術(shù)領(lǐng)域及
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種用于交換數(shù)據(jù)的裝置、方法和系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及鞋嵌入式裝置，其可通過從步行或跑步的行人對鞋的使用中收集能量來供電，且所述能量可被存儲和/或被轉(zhuǎn)換成用于傳輸信息的通信信號。隨著電子裝置變得更小且更耐用，已進步到將電氣裝置集成到能夠穿在人體上的衣服或其它附件中。這種應(yīng)用的一些示例包括包含發(fā)光二極管的鞋、滑雪橇和滑雪板靴子加熱裝置、具有用于電話機或MP3播放器的控制面板的夾克、以及包含持續(xù)心率監(jiān)控裝置的衣服?，F(xiàn)有技術(shù)要求電子裝置具有用于操作的能源。該能源典型為電池，其可嵌入到電子裝置內(nèi)并配置成單次使用、配置成可更換、或配置成可再充電。這些現(xiàn)有選項均有缺點， 因為一旦電池被放電或被破壞，該嵌入的電池可使相關(guān)聯(lián)電子裝置不再有用，可更換電池要求附加空間和材料以支持電池，且外部可再充電電池要求附加材料以用于連接插頭和電池充電器。這些選項均不理想，因為消費者、尤其運動員往往需要更輕且沒有附加電源線的裝置和衣服。因此，存在的要求為一種不包括大電池，且例如可以能夠產(chǎn)生其自身的能量的可穿戴的電子裝置。某些運動競賽要求嚴格的訓練，其要求運動員跟蹤特定統(tǒng)計數(shù)字以便達到最優(yōu)成績。舉例而言，用于希望參加馬拉松比賽的人的現(xiàn)有訓練手冊強烈推薦受訓人員至少記錄他們訓練時的心率、步伐、所取的路線、距離、時間、以及天氣條件。通過這種記錄，馬拉松受訓人員可保持集中于達到已為他們設(shè)定的基準以便確保他們實現(xiàn)其目標比賽速度。因此，存在的要求為在針對諸如馬拉松的競賽進行訓練時獲得相關(guān)于其身體性能的所有可能數(shù)據(jù)片斷。用于軍事人員的情況下，監(jiān)控地點、物理條件、地面條件、以及天氣條件以確保在本國和國外的軍隊的安全是重要的。軍事人員需要在極少或沒有事先注意的情況下能夠得到的所有與其周圍環(huán)境有關(guān)的信息。因此，存在的要求為使與軍事操作相關(guān)的所有數(shù)據(jù)可在任何時候易于存取。

發(fā)明內(nèi)容
行人在他或她每次行走、慢跑、或跑步時向例如鞋施加能量，其呈現(xiàn)通過將能量收集裝置結(jié)合到例如鞋中來利用所消耗能量的一小部分的機會。取決于應(yīng)用，所收集的能量可即時被使用，或者存儲在諸如電池的組件中并在定義的時間間隔使用或者由遠程裝置請求時使用。本發(fā)明的某些示例性實施例的一個目的在于，使用諸如壓電機構(gòu)的能量收集器以收集來自穿鞋行人的腳步的能量并將該能量用于對諸如電池的裝置進行充電，該裝置被設(shè)置成為，例如，鞋的一個完整和/或不可分部分。本發(fā)明可包括例如微控制器、功率管理單元、信號發(fā)射器、信號接收器、薄膜電池、 以及能量收集器的獨特排列。在一些實施例中，能量收集器可以是將動作/振動能量轉(zhuǎn)換成電能的壓電傳感器，其中該經(jīng)轉(zhuǎn)換的能量可用于對電池進行再充電，由此向信號接收器/ 發(fā)射器供電。在另一實施例中，壓電機構(gòu)可執(zhí)行雙重功能，作為轉(zhuǎn)換器將動作能量轉(zhuǎn)換成電能且還作為步程計。本發(fā)明的某些實施例還包括在具有發(fā)射器的系統(tǒng)中，該發(fā)射器用于將消息發(fā)射到外部接收器。該系統(tǒng)還可具有可能被微控制器監(jiān)控的傳感器。來自傳感器的某些信號可被微控制器處理，且經(jīng)處理的信息可發(fā)射到位于行人身上或位于遠程(諸如沿著行人跑道的路徑布置或是在人造衛(wèi)星上)的接收器。在本發(fā)明的另一實施例中，便攜式接收裝置可處理所接收的信息，且然后向鞋發(fā)回信號，引導其采取適當?shù)男袆?。舉例而言，如果已走步數(shù)達到特定數(shù)，便攜式裝置可向鞋發(fā)送信號以使其更柔軟或更僵硬。在本發(fā)明的不同實施例中，鞋可向GPS人造衛(wèi)星發(fā)射信號以確定穿鞋的行人的地理位置。在本發(fā)明的另一實施例中，GPS人造衛(wèi)星可向鞋發(fā)回信號以引導穿鞋的行人采取不同路線或作出任何其它通知。為了該申請中的所改進的性能，還公開薄膜電池的制造工序，該薄膜電池具有用于將該電池單元結(jié)合到印刷電路板的具有壓力彈性的熱分隔層(heat and pressure-resilient separation layer)。附圖簡述參考某些優(yōu)選實施例的附圖來描述本發(fā)明的一些特征和優(yōu)點，其旨在說明而非限制本發(fā)明。包括于此以提供對本發(fā)明的進一步理解、并被結(jié)合在本說明書中且構(gòu)成其一部分的附圖示出本發(fā)明的示例性實施例，其與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理


圖1是示出使用該裝置的行人的本發(fā)明實施例的框圖。圖2是具有根據(jù)本發(fā)明實施例嵌入的該裝置的鞋制品的詳細視圖。圖3是示出該裝置的子組件的本發(fā)明實施例的框圖。圖4是示出該裝置的逐步構(gòu)造的本發(fā)明實施例的框圖。
具體實施例方式要理解本發(fā)明不限于在此所描述的特定方法學、混合物、材料、制造技術(shù)、用途、以及應(yīng)用，因為這些可有變化。還要理解本文中所使用的術(shù)語僅出于描述特定實施的目的，而不旨在限定本發(fā)明范圍。必需注意到，如本文以及所附權(quán)利要求書中所使用地，單數(shù)形式的 “一”、“一個”以及“該”包括復數(shù)引用，除非上下文另外明確地指出相反情況。因此，舉例而言，提及“一元件”是對一個或多個元件的提及，且包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的其等效物。類似地，舉另一示例，提及“一步驟”或“一手段”是對一個或多個步驟或手段的提及，且可包括子步驟或從屬手段。所使用的所有連接詞要以可能的最大涵蓋方式來理解。因此， 詞語“或”應(yīng)當理解為具有邏輯“或”的定義而非邏輯“異或”的定義，除非在上下文中另外明確指出相反情況。本文中所描述的結(jié)構(gòu)也要理解為提及這種結(jié)構(gòu)的功能性等效物?？山忉尀楸硎窘频恼Z言應(yīng)當如此理解，除非上下文中另外明確指出相反情況。除非另外定義，否則在本文中所使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的一名普通技術(shù)人員所通常理解相同的含義。描述了優(yōu)選方法、技術(shù)、裝置和材料， 但是在本發(fā)明的實踐或測試中可使用與那些所描述的相似或等效的任何方法、技術(shù)、裝置、 或材料。本文中所描述的結(jié)構(gòu)也要理解為提及這種結(jié)構(gòu)的功能性等效物。通過引用結(jié)合于本文中的所有專利和其它出版物出于描述和公開的目的，舉例而言在這種出版物中描述的方法學可與本發(fā)明相結(jié)合而使用。在本發(fā)明的申請日之前，這些出版物單獨地提供其公開內(nèi)容。在這一點上不能解釋為承認發(fā)明人不具備資格通過現(xiàn)有發(fā)明功效或者出于任何其它原因預料這種公開內(nèi)容。圖1示出本發(fā)明實施例的總體圖。在該圖中存在具有便攜式電子裝置100的行人 110和GPS人造衛(wèi)星120。該行人穿著具有嵌入于其中的裝置的鞋130。當行人110行走、 慢跑、跑步或以另外方式邁步時，動作在鞋上施加壓力，該壓力轉(zhuǎn)換為有用能量。轉(zhuǎn)換由位于鞋130內(nèi)的能量收集裝置進行。然后，鞋130中的裝置可例如發(fā)送信號至便攜式電子裝置100，該便攜式電子裝置100可處理該信息并將其存儲或發(fā)回信息至鞋130，以使鞋130 自己可執(zhí)行一些行動。行人100可戴著耳機，通過該耳機以聽得見的消息形式可向行人110 給出由便攜式裝置100接收的任何信息。該裝置還可接收來自GPS人造衛(wèi)星120的信號以便可以確定行人110的地理位置，可指令行人110采取另外的路線，或者可提供給行人110 其它相關(guān)信息。圖2示出本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，鞋130包含嵌入的微控制器電路、能量收集機構(gòu)250、功率管理單元、以及儲能裝置M0。雖然未示出，本發(fā)明的一些實施例可具有信號發(fā)射器和/或信號接收器，其可能被集成到或者分離地連接至本發(fā)明。當集成或分離地連接時，發(fā)射器可從鞋裝置發(fā)送信號至諸如便攜式電子裝置的外部接收器。接收器可獲得信息， 由此指令鞋130或行人采取某種行動。當集成在裝置內(nèi)時，該接收器可從一個或多個GPS 人造衛(wèi)星接收信號，以便可以確定行人的地理位置。在一些實施例中，該能量收集器250是壓電盤，但還可以是射頻換能器，或者是可將太陽能、風能、振動、諸如行走或慢跑的行人動作、水的流動、溫度變化或旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成諸如電的可用高能量的裝置。可為薄膜電池的儲能裝置240可用于存儲所收集的能量，以使其在一些預定時間使用，或由遠程裝置請求時使用。在若干實施例中，薄膜電池可包含金屬鋰陽極。在一些實施例中，薄膜電池可在其壽命期間的一些時刻不包含金屬鋰陽極，而是Li離子或無Li的薄膜電池。圖2示出一特定實施例，在該實施例中功率管理單元和儲能裝置240位于鞋130 的腳后跟部的背面上，且微處理器和能量收集機構(gòu)250位于鞋130的腳趾部的正面上。嵌入的微處理器電路、能量收集機構(gòu)250、功率管理單元和儲能裝置240可位于鞋130的其它位置中。在本發(fā)明的一些實施例中，功率管理單元、儲能裝置M0、微處理器、以及能量收集機構(gòu)250結(jié)合到一個模塊中，以使它們可作為單元一起放置在鞋130的任何位置中。圖3示出在鞋130實施例內(nèi)發(fā)生的具體過程。由于行人穿著鞋130行走而產(chǎn)生的機械能300可由能量收集模塊350來控制。然后所收集的能量在功率管理單元340的監(jiān)控和調(diào)節(jié)下對可再充電儲能裝置340進行再充電或可只是存儲在儲能裝置340內(nèi)。儲能裝置 340可存儲能量，且需要時，取決于是否發(fā)出、接收或發(fā)出和接收信號而給微控制器370和發(fā)射器和/或接收器380供電。圖4示出可用于在柔性襯底上構(gòu)造本發(fā)明實施例的步驟。該示例的步驟400開始自使用儲能裝置，其在示例性實施例中以薄膜電池示出，作為構(gòu)造的中央元件。步驟410將柔性襯底粘附并電連接至儲能裝置。步驟420可為向柔性襯底添加發(fā)射器/接收器機構(gòu)， 隨后進行步驟430以將微控制器放置到柔性襯底上并將微控制器連接至發(fā)射器/接收器機構(gòu)。最后步驟440可為向柔性襯底添加能量收集機構(gòu)和功率管理單元。除了諸如電池或薄膜電池的電化學儲能裝置之外，儲能組件可以是諸如電容器或者薄膜電容器的電氣儲能裝置，但還可以是例如慣性輪(flywheel)、微慣性輪、微機電系統(tǒng) (MEMS)或者機械彈簧的機械儲能裝置。儲能組件還可以是諸如壓電元件或電磁元件的機電裝置，其類似于在題為“用于環(huán)境能電池或電容器再充電系統(tǒng)的方法和裝置(Method and Apparatus for an Ambient Energy Battery or Capacitor Recharge System)，，的美國專利No. 7，088，031公開的發(fā)明，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。儲能組件還可以是諸如熱質(zhì)容器的熱能儲能裝置，或者其可以是例如具有氫容器的氫發(fā)生器或者具有臭氧容器的臭氧發(fā)生器的化學儲能裝置。這些裝置的每一個可根據(jù)系統(tǒng)的一個或多個示例性元件用來存儲能量。還可提供能量收集器，其可包括，例如，用于將特定類型的環(huán)境能轉(zhuǎn)換成電能的裝置， 然后可將該電能存儲在諸如電池或電容器的電化學存儲裝置中。在一些實施例中，鞋中的系統(tǒng)包含傳感器360，該傳感器360可通過發(fā)射器向便攜式裝置發(fā)射信號。在一些實施例中，便攜式裝置可以是腕表，但還可以是個人數(shù)字助理或蜂窩電話。便攜式裝置還可以是iPod 、MP3播放器或其它數(shù)字音頻播放器或以上的組合，且甚至可以從一個或多個GPS人造衛(wèi)星接收信號。在一些實施例中，一個或多個傳感器可測量任何數(shù)量的不同物理品質(zhì)。在一些實施例中，一個傳感器可測量天氣，在該情形下該傳感器可以是，例如，用于測量溫度的溫度計、用于測量濕度的液體比重計、用于測量風速或風壓的風力計、或用于測量大氣壓力的氣壓計。氣壓計與微處理器的組合可以能夠檢測壓力改變，并預測天氣變化以及向行人提供警告。在若干實施例中，一個傳感器可用于測量壓力并確定高度的改變。在一些實施例中，一個傳感器還可測量行人的速度，諸如通過使用加速計。儲能裝置為薄膜電池的一些實施例中，薄膜電池可具有不超過Icm的厚度和可小于10平方英寸的側(cè)面積。在另一實施例中，薄膜電池的側(cè)面積可小于0. 25平方厘米。在一些實施例中，薄膜電池可具有壓力彈性的熱分隔層，其目的為將電池單元結(jié)合到印刷電路板制造工序中。在若干實施例中，儲能裝置是例如薄膜電池的可再充電裝置，其將呈現(xiàn)一可能性， 由此本發(fā)明可能能夠接近無限長地工作。本發(fā)明可允許通過行人行走或進行任何其它類型的動作來產(chǎn)生的能量被收集在能量收集機構(gòu)中，且允許該收集的能量用于確保可再充電儲能裝置被相應(yīng)地充電。在一些實施例中，便攜式儲能裝置可處理所接收的信息，且然后向鞋發(fā)回信號以使其采取適當?shù)男袆印＿m當?shù)男袆涌砂?，例如，便攜式電子裝置向鞋發(fā)送信號以使其變得更僵硬或更柔軟，以便于在已完成特定步數(shù)后放松腳。在一些實施例中，鞋可從一個或多個GPS人造衛(wèi)星接收信號以確定穿著鞋的行人的地理位置、方向、以及速度。在另一實施例中，與所存儲的地圖相結(jié)合，GPS人造衛(wèi)星可向鞋發(fā)回信號以給穿著鞋的行人指令，該指令為，例如，要采取不同路線。本文已根據(jù)若干實施例描述本發(fā)明。很顯然，存在許多可包含由本發(fā)明各實施例所增強的陶瓷性能的替代和變體而不背離其精神和范圍。上述實施例僅為示例性。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可認識到本文詳細描述的實施例的變體意味著落入本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明僅由以下權(quán)利要求來限制。因此，本發(fā)明旨在涵蓋本發(fā)明的所有這些修改，只要它們落在所附權(quán)利要求書及其等效方案的范圍中即可。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括 適配成與動物相關(guān)聯(lián)的附件； 嵌入在所述附件內(nèi)的能量收集機構(gòu)； 連接至所述能量收集機構(gòu)的儲能裝置；連接至所述儲能裝置的功率管理單元；以及連接至所述儲能裝置的微處理器。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述動物包括選自以下組的任何生物體魚類、兩棲動物、爬蟲動物、鳥類、哺乳動物、有袋動物、靈長類動物、嚙齒動物、鯨類。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述附件包括選自以下組的任何制品鞋、 涼鞋、拖鞋、靴子、高山滑雪橇、滑水橇、水橇板、滑雪板、四輪滑冰鞋、直排滑冰鞋、雪橇、蹄鐵(horse shoe)、馬鞍、馬具、皮帶(leash)、頸圈。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括連接至所述微處理器的至少一個傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括連接至所述微處理器的至少一個信號發(fā)射器。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括連接至所述微處理器的至少一個信號接收器。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述能量收集機構(gòu)包括選自以下組的任何裝置壓電換能器、射頻換能器、太陽能電池、風輪機、振動能量清除器(scavenger)、水流至電能轉(zhuǎn)換器、旋轉(zhuǎn)運動至電能轉(zhuǎn)換器、以及溫度變化至電能轉(zhuǎn)換器。
8.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述至少一個傳感器包括選自以下組的任何裝置高度計、壓力計、溫度計、氣壓計、液體比重計、加速計、風力計。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述儲能裝置包括選自以下組的任何裝置 電池、薄膜電池、電容器、薄膜電容器、電磁元件、壓電元件、熱質(zhì)容器、慣性輪、微慣性輪、微機電系統(tǒng)(MEMQ、機械彈簧、具有氫容器的氫發(fā)生器、以及具有臭氧容器的臭氧發(fā)生器。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括連接至所述能量收集機構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換組件。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述儲能裝置包括薄膜電池，所述薄膜電池的總厚度不超過1厘米。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述薄膜電池的側(cè)面積不超過10平方英寸。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述薄膜電池的側(cè)面積不超過0.25平方厘米。
14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述薄膜電池包含具有壓力彈性的熱分隔層。
15.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述薄膜電池包含金屬鋰陽極。
16.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述薄膜電池內(nèi)的電活化元素包括鋰。
17.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述薄膜電池包含鋰離子電池。
18.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述薄膜電池包含無鋰電池。
19.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述信號發(fā)射器向便攜式裝置發(fā)射消息。
20.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述信號接收器適配成接收GPS信號。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述信號接收器接收來自便攜式裝置的消息。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述便攜式裝置包括選自以下組的任何裝置腕表、iPod 、MP3播放器、計算機、蜂窩電話機、以及個人數(shù)字助理。
23.一種用于交換與移動動物相關(guān)聯(lián)的信息的方法，包括 將能量轉(zhuǎn)換成有用形式；存儲所述有用形式的能量； 用所存儲的能量給處理單元供電；以及用至少一個傳感器監(jiān)控至少一個參數(shù)。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括 向所述處理單元傳送監(jiān)控的參數(shù)；將所監(jiān)控參數(shù)處理成用戶數(shù)據(jù)；以及發(fā)射所述用戶數(shù)據(jù)。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括 從一個或多個GPS人造衛(wèi)星接收GPS信號；根據(jù)所述GPS信號確定位置信息；以及發(fā)射位置信息。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括 向便攜式裝置發(fā)射信號。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括 從便攜式裝置接收信號；將所述信號處理成用戶數(shù)據(jù)； 發(fā)射所述用戶數(shù)據(jù)。
全文摘要
公開了向行人提供信息的用戶供電裝置、系統(tǒng)及方法。本發(fā)明收集由移動的行人所產(chǎn)生的能量，并獲取收集的能量，且將其用于對嵌入到同一鞋中的儲能裝置進行再充電。還可將微控制器和傳感器、以及發(fā)射器/接收器機構(gòu)構(gòu)建在鞋中，由該發(fā)射器/接收器機構(gòu)將信號發(fā)射至或接收自腕表、iPod蜂窩電話機、和/或行人身上的任何便攜式裝置。鞋可以能夠接收由便攜式裝置或GPS人造衛(wèi)星發(fā)射的信號。GPS人造衛(wèi)星可提供關(guān)于行人地理位置的信息。因為儲能裝置可為柔性的，其可經(jīng)受彎曲量大的鞋。能量收集器可從行人的腳步或一些其它源收集能量，并對儲能裝置進行再充電，從而不需要更換作為鞋的整合且不可分離的部分的儲能裝置。
文檔編號H02N2/00GK102177647SQ200980140363
公開日2011年9月7日 申請日期2009年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
發(fā)明者J·A·基廷, P·B·納拉亞南, R·R·約翰遜, T·N·布拉多 申請人:無窮動力解決方案股份有限公司