專利名稱：用于產(chǎn)生電壓的自容式壓電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電力的i殳備的領(lǐng)域，所述電力通過利用壓電 元件進(jìn)行的機(jī)械能或電能的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生。
更具體地，本發(fā)明涉及這種設(shè)備的新的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特別在效率和 實(shí)施方面具有主要優(yōu)勢。
背景技術(shù)：
一般來說，許多使用電氣或電子元件的系統(tǒng)需要在能量方面是可自 給的，特別是如果它們不能被聯(lián)接或連接于外部能源時。這種系統(tǒng)的示 例包括移動設(shè)備，以及安裝在布置電力電纜困難、復(fù)雜或過于昂貴的位 置的靜止設(shè)備或裝置。
因而，許多裝置配備有提供電力的蓄電池或干電池。然而，這種蓄 電池具有有限的電池工作時間，而這意味著必須定期更換蓄電池。
已經(jīng)有人提議為一些裝置配備能夠通過轉(zhuǎn)化該裝置附近的可用能 量而產(chǎn)生電能的設(shè)備。示例包括轉(zhuǎn)化光能的光電設(shè)備和基于壓電元件的 設(shè)備，該基于壓電元件的設(shè)備由于壓電元件的變形而能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化 為電能。
已經(jīng)提出許多通過用于利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能的設(shè)備。這些設(shè)備通 常包括振動葉片，該振動葉片通過其一端固定于固定的基體，另一自由 端由于施加至其上的機(jī)械力的作用而能夠移動。例如如果能量從振動系 統(tǒng)中回收，則該力可由附連于葉片端部的配重的運(yùn)動而產(chǎn)生，或者由向 葉片的端部施加點(diǎn)力因而引起葉片振蕩的外部機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生。
一個或多個壓電元件安裝在葉片的一側(cè)或兩側(cè)，并因此在葉片振蕩 時變形。因此該變形產(chǎn)生壓電元件端子之間的電壓。然后該電壓可被整流，以便為電容器類的電容元件充電，從而為負(fù)栽提供動力。例如，文
獻(xiàn)US 2005/0280561, EP 0 725 452, DE 296 14 851U以及US 7 005 778 中描述了這種設(shè)備。
所有這些機(jī)構(gòu)的共同特征在于，其操作由在一端或兩端固定的基本 直的梁的變形引起。這種設(shè)計(jì)具有許多缺點(diǎn)。事實(shí)上，從能源的觀點(diǎn)來 看，這些系統(tǒng)具有相對較低的效率，最多為百分之幾的量級。采用術(shù)語 "效率"指的是從壓電元件供應(yīng)到下游的電容元件的電能與輸送到系統(tǒng) 的機(jī)械能之比。
因此，為了獲得令人滿意的數(shù)量的電能，這種低效率通常使得必須 增加轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的數(shù)量，因而增加了轉(zhuǎn)化設(shè)備的總體尺寸及其成本。
振動梁系統(tǒng)的另一個缺點(diǎn)在于，由于端部約束處產(chǎn)生的力矩以及傳 播到基體中的振動，所以與固定基體的固定點(diǎn)要承受相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng) 力。
因此，這些機(jī)械應(yīng)力使得必須確保機(jī)械上牢固的、體積大的端部約 束，這增加了系統(tǒng)的成本并對其性能有影響。
本發(fā)明的目的之一是制造一種系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)簡單但可以提供顯著優(yōu) 于現(xiàn)有系統(tǒng)的效率，而且能夠以合理的成本制造。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電壓的壓電設(shè)備。這種設(shè)備以已知 的方式包括振動葉片，該振動葉片具有緊固于固定的基體的第一端。該 葉片具有第二自由端，該自由端能夠通過在其上施加機(jī)械力而移動。該 葉片包括設(shè)置在葉片 一側(cè)的至少 一個單獨(dú)的壓電元件。該元件通過葉片 在施加所述機(jī)械力后的振蕩而變形，由此產(chǎn)生電壓。該力可以是通過外 部機(jī)構(gòu)施加至葉片的機(jī)械脈沖。該力還可以涉及通過系統(tǒng)外產(chǎn)生的振動 而振蕩的葉片。
根據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備的特征在于，葉片呈大致V形，且具有通過彎
曲的中間部分連接在一起的兩個基本呈平板的臂。笫一臂緊固于基體而 第二臂具有自由端。
5換句話說，本發(fā)明使用的葉片并不像現(xiàn)有技術(shù)的情況那樣，具有基
本平直的幾何形狀；而是具有變彎或彎曲成U形或V形的構(gòu)造。該彎 曲葉片的其中一個臂受到機(jī)械脈沖，或者制成通過外部振動而振蕩，由 此引起通過相對的臂緊固于基體的葉片發(fā)生變形。兩個臂連接在一起的 區(qū)域由于優(yōu)先變形而用作彈簧，這顯著限制了葉片固定至固定基體的固 定點(diǎn)處的機(jī)械應(yīng)力。
在兩個臂具有相似長度的情況下，這些應(yīng)力，特別是力矩，可以幾 乎為零。然而在某些情況下，為了影響基本振蕩模與諧波模之比，這些 臂可以具有不同的長度。
在實(shí)踐中，彎曲葉片可以具有這樣的構(gòu)型其中兩個臂實(shí)際上平行 以形成U形構(gòu)型，且至少相對于彼此形成小于45°的角以具有V形構(gòu) 型。
就壓電元件的位置而言，能夠設(shè)想不同的變型。
優(yōu)選地，壓電元件可定位在第二臂上，即接收機(jī)械脈沖的臂上。在 這種情況下，該元件可以有利地定位在該臂的外側(cè)，優(yōu)選定位在該臂靠 近彎曲的中間部分的一側(cè)。更確切地，該壓電元件可定位在第二臂中從 中間彎曲部延伸到距離等于第二臂的長度的20%至50%、且優(yōu)選為 25%至35。/。的點(diǎn)的區(qū)域中。換句話說，壓電元件優(yōu)選地定位在第二臂的 位于靠近中間部分的那一半。該優(yōu)選的定位區(qū)域?qū)τ诘诙郯l(fā)生變形的 脈沖操作特別有利。
在另一種變型中，壓電元件可以定位在第一臂上，即緊固于固定基 體的臂上.雖然與壓電元件定位在第二臂上時相比降低了效率，但在某 些情況下可以采用該解決方案。
該壓電元件可以定位在該臂的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。出于實(shí)際的原因，將壓 電元件定位在葉片外側(cè)也是優(yōu)選的。選擇將壓電元件定位為靠近彎曲的 中間部分也可以是有利的。
在這種情況下，可以為壓電元件選擇各種位置，將其定位在更靠近 或較不靠近中間部分，或者甚至更靠近固定基體上的固定點(diǎn)和端部約 束。因而，在實(shí)際中，壓電元件可定位在第一臂上從中間部分延伸到距 離等于第一臂的長度的20%至50%，優(yōu)選為25%至35%的點(diǎn)的區(qū)域中。在振動操作模式中，即當(dāng)該設(shè)備定位在傳播至壓電元件的振動源上 時，由于設(shè)備長時間接收一定的能量，所以優(yōu)選的定位區(qū)域的范圍可以
減少。因此僅僅利用一個延伸其定位所在的臂的長度5%至10%的壓電 元件，即可獲得顯著水平的能量回收。此外，在振動操作模式中，為了 限制施加在壓電元件上的機(jī)械應(yīng)力，并由此延長其使用壽命而不折損其 效率，能夠設(shè)想將壓電元件定位在距中間部分一定距離處。
還能夠通過在振動葉片上布置幾個壓電元件、將它們定位在第一臂 和第二臂上而對這些不同的變型進(jìn)行組合。與在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)上 得到的低于3%的效率相比，這種組合能夠獲得超過25%的極有益的效 率。在實(shí)踐中，為了效率考慮，優(yōu)選一個或多個壓電元件至少定位在第 二個葉片上的解決方案。
在實(shí)踐中，壓電元件可由多種材料制成，特別是鋯鈦酸鉛(PZT) 基材料，以及任何其它壓電材料，特別是單晶材料，如鈮鎂酸鉛-鈦酸 鉛(PNM-PT)。為了優(yōu)化效率，選擇延伸幾乎整個葉片寬度的壓電元 件，所述葉片由這樣的材料制成其具有允許應(yīng)用為彈簧型的動力彈性 強(qiáng)度特性，以及對于產(chǎn)生振蕩狀態(tài)和促進(jìn)振動的傳播有傳導(dǎo)性的尺寸特 性。示例包括具有"鋼琴弦"型組分的鋼，特別是例如XC75S鋼，或 者具有超過1100MPa的斷裂強(qiáng)度(Rm )的X10C R Ni 18 8 ( T4 )冷作 不銹鋼。還可使用聚合材料，例如聚苯硫醚(PPS)。


從以下實(shí)施方式的描述中，本發(fā)明的實(shí)施方式和其產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)將顯 而易見，參照附圖，其中
圖l是根據(jù)第一種變型構(gòu)建的本發(fā)明設(shè)備的總體視圖2是圖1中的設(shè)備的側(cè)視圖3和4是兩種替代性實(shí)施方式的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
一般來說，圖1中所示的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備為彎曲成U形或V形的
7葉片(1)形式，該葉片(1)由剛性材料制成。更確切地，葉片(1)
包括形成U形的臂的兩個基本平板的部分(2、 3)，這兩個基本平板的 部分(2、 3)通過彎曲的中間部分(4)連接在一起。第一臂(3)通過 端部約束(5)緊固于固定的基體(6)。第二臂(2)具有端部(8),該 端部(8)能夠接收引起葉片變形，特別是彎曲區(qū)域(4)處的變形的機(jī) 械脈沖，然后當(dāng)不再施加力時能夠振蕩，同時葉片趨于回復(fù)至其初始位 置。葉片的振蕩還可由通過端部約束傳遞的系統(tǒng)外的振動所引起，其中 可在自由端(8)上安裝配重。
根據(jù)本發(fā)明，葉片(1)與至少一個壓電元件相關(guān)聯(lián)，在圖1所示 的形式中，該壓電元件定位在第二臂(2)的外側(cè)上。壓電元件(10) 通過傳統(tǒng)的粘接處理而緊固，例如通過使用環(huán)氧膠粘劑。
在實(shí)踐中，取決于期望的應(yīng)用和所需的額定功率，可以使用各種類 型的壓電材料。
舉例來說，使用鋯鈦酸鉛型的壓電材料，或者更一般地，使用所有 具有鈣鈦礦型單晶結(jié)構(gòu)的陶瓷類壓電材料已經(jīng)獲得良好結(jié)果。更一般地 說，許多壓電材料都能夠使用，只要它們具有高于0.3的耦合系數(shù)k3" 并在脈沖操作的情況下具有高于150的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，或在振動能回收 的情況下具有高于30的機(jī)械品質(zhì)因素。
在實(shí)踐中，為了確保最大化效率，可以優(yōu)化各個元件的尺寸和定位。 因而如圖2所示，葉片的兩個直臂(2、 3)相對彼此形成的角度a可以 小于45。左右，以便在機(jī)械脈沖施加至臂(2)的端部(8)時使固定點(diǎn) (5)處的扭矩和旋轉(zhuǎn)最小化。在最優(yōu)的形式中，該角度可以實(shí)際上為 零。
各個臂(2、 3)的長度也對振動的振幅有影響。特別是為了回收脈 沖能，第二臂(2)的長度L2必須顯著長于葉片的寬度。
壓電元件(10)在葉片的第二臂(2)上的定位也對所達(dá)到的性能 水平有影響。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將壓電元件(10)定位在第二臂的盡可能靠近彎 曲中間部分(4)的區(qū)域中是有利的。因此，該最佳的定位區(qū)域首先延 伸自第二臂(2)連接中間彎曲部(4)處的點(diǎn)(15)，其次延伸至距第 一點(diǎn)(15)的距離等于第二臂(2)的長度L2的20%至50%的第二點(diǎn) (16)。因而壓電元件(10)的長度Lp代表了第二臂(2)的長度L2的20%至50%。
彎曲的中間部分(4)的彎曲半徑(R)盡可能地小。在實(shí)踐中，該 彎曲半徑(R)具體取決于葉片的厚度(e)，大約為幾毫米，而葉片的 厚度(e)本身取決于壓電材料制成的元件(10)的厚度而選擇。
如果需要最小化施加機(jī)械脈沖時或葉片自由振蕩期間施加在固定 點(diǎn)(5)處的力矩，可以將端部緊固于基體(6)的第一臂的長度L選 擇成與第二臂(2)的長度L2基本相同。然而，使用具有不同長度的第 一臂(3)可對壓電元件(10)輸出信號的諧波振幅產(chǎn)生影響并因此影 響設(shè)備的效率。
在實(shí)踐中，壓電元件(10)可由幾個單獨(dú)的壓電元件平行地聯(lián)接而 制成。
如上所述，壓電元件可以定位在葉片的不同部位，特別是如圖3所 示，位于第一臂(3)上。壓電元件(23、 24)可粘接在第一臂(3)的 外側(cè)上，就元件(23)而言是緊鄰彎曲的中間部分(4)，或者就壓電元 件(24)而言是距固定點(diǎn)(5)較近。這些元件的每一個的長度和它們 的精確定位取決于葉片的總體幾何形狀及其振動模式，并被選擇以優(yōu)化 其能效。
使用圖4中所示的壓電元件定位在葉片的兩個臂上的構(gòu)造，已經(jīng)獲 得良好結(jié)果。第一壓電元件(10)定位在第二葉片上，而第二元件(23) 定位在第一葉片的外側(cè)上，靠近彎曲部(4)。更確切地，下面以具體的 尺寸細(xì)節(jié)給出的對具體實(shí)施例的描述僅僅是為了示出本發(fā)明在效率方 面的優(yōu)點(diǎn)。選擇的彈性葉片基于X10CRNil8 8不銹鋼類彈簧鋼，且 具有0.9mm的厚度(e )和25mm的寬度。第二臂(2 )的長度L為83mm。 彎曲區(qū)域(4)的中軸半徑為2.65mm。在端部約束點(diǎn)(5)位于距離第 一臂(3)的自由端33mm處的情況下，第一約束臂(3 )的長度為85mm 。 所使用的壓電元件定位在其相應(yīng)的臂上靠近彎曲部(4)的端部。所使 用的壓電元件為PZT陶瓷型。元件成對地使用且每個的寬度都是與葉 片寬度相匹配的25mm,長度為10mm而厚度為0.3mm。壓電元件的極 化方向與其厚度平行。能夠?qū)⒃O(shè)備的效率計(jì)算為收集在壓電元件的輸出 上、在電容器中整流和存儲后的電能與輸送到系統(tǒng)的機(jī)械能之比。更確 切地，輸送到系統(tǒng)的機(jī)械能與施加在自由臂的端部(8)以引起位移偏
9力相對應(yīng)。在偏移為4.4mm的試驗(yàn)中，測得 的機(jī)械能為10.5mJ。由壓電元件提供的電能通過標(biāo)準(zhǔn)整流橋整流后， 存儲在由5.3nF電容器形成的電容中。測得的電壓為35.5V左右，所 以相應(yīng)的效率約為32%。另一個偏移量為4.9mm且機(jī)械能為13.78mJ 的試驗(yàn)，能夠從電壓為45.86V的3.3nF電容器中回收3.5mJ，其等同 于略高于25%的效率。取決于設(shè)備的電氣限制，特別是為了避免過高的 電壓，可以選擇其它電容值。
顯然，僅以說明的方式給出該示例，而不是以任何方式限制本發(fā)明 的范圍；本發(fā)明具有極廣泛的替代形式，這些替代形式均符合上述本發(fā) 明的原理。
這種設(shè)備具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括
機(jī)電耦合k比現(xiàn)有技術(shù)中達(dá)到的要大，且使用有限量的壓電材料。 在設(shè)計(jì)時限定的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，如，當(dāng)回收脈沖能量時超過100左右。
在端部約束點(diǎn)處產(chǎn)生的機(jī)械扭矩特別小或者甚至為零，因而消除當(dāng) 葉片壓縮時設(shè)備旋轉(zhuǎn)的風(fēng)險。
使用普通類型的壓電材料，其可以少量使用，因而提供相應(yīng)的成本 節(jié)約。
使用普通的可用材料以實(shí)現(xiàn)振動的葉片。 筒單的制造方式產(chǎn)生高度可靠的設(shè)備. 與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，具有非常高的效率. 預(yù)計(jì)使用壽命達(dá)數(shù)十年。 生態(tài)可持續(xù)且耐久的能量回收系統(tǒng)。 工業(yè)應(yīng)用
這種設(shè)備可廣泛用作取代蓄電池和干電池，特別是鋰電池的電源， 用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用或任何需要具有較長使用壽命的自給能源的 應(yīng)用。
10典型的應(yīng)用包括工業(yè)上使用石化或藥物處理測量物理^的儀器。其 它應(yīng)用具體包括溫度、壓力或流量傳感器，特別是在配水或配氣系統(tǒng)中。 其它應(yīng)用涉及電開關(guān)類型的電氣器具、電池式門鈴或檢測開門的設(shè)備。本
發(fā)明的小型化形式還可用于為微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)提供動力。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生電壓的壓電設(shè)備，包括振動葉片(1)，所述振動葉片(1)具有緊固于固定的基體(6)的第一端，和能夠通過在其上施加機(jī)械力(F)而移動的第二自由端(8)，其中在所述葉片(1)的一側(cè)設(shè)置有至少一個單獨(dú)的壓電元件(10)，使得所述壓電元件(10)通過葉片(1)在施加所述機(jī)械力后的振蕩而變形，并由此產(chǎn)生電壓，所述壓電設(shè)備的特征在于所述葉片(1)呈大致V形，且具有通過彎曲的中間部分(4)連接在一起的兩個基本平板的臂(2，3)，其中第一臂(3)緊固于所述基體而第二臂(2)具有自由端(8)。
2. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述兩個臂基本平行。
3. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述兩個臂(2, 3)相對 彼此形成小于45。的角度。
4. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電元件(10)定位 在所述第二臂上。
5. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電元件(10)定位 在所述第二臂的從中間彎曲部延伸到距離等于所述第二臂的長度的20% 至50%、優(yōu)選為25%至35%的點(diǎn)的區(qū)域中。
6. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電元件(10 )定位 在所述第二臂的外側(cè)。
7. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電元件(23,24) 定位在所述第一臂的內(nèi)側(cè)或外側(cè).
8. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電元件(10)定位 在所述第一臂中從中間彎曲部延伸到距離等于所述第一臂的長度的20% 至50%、優(yōu)選為25%至35。/。的點(diǎn)的區(qū)域中，
9. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，其包括定位在所述第一臂和第二臂上的若干個壓電元件(10,23,24)。
10. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電元件(10)延 伸幾乎所述葉片(1)的整個寬度。
11. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述兩個臂(2，3)具有 基;^目等的長度("，L2)。
12. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述兩個臂(2，3)具有 不同的長度(LhL2)。
全文摘要
用于產(chǎn)生電壓的壓電設(shè)備，包括振動葉片(1)，所述振動葉片(1)具有緊固于固定基體(6)的第一端，和能夠通過在其上施加機(jī)械脈沖而移動的第二自由端(8)，其中在葉片(1)的一側(cè)設(shè)置有至少一個單獨(dú)的壓電元件(10)，使得壓電元件(10)通過葉片在施加所述機(jī)械脈沖后的振蕩而變形，并由此產(chǎn)生電壓。該設(shè)備的特征在于，葉片(1)為大致U形，且具有通過彎曲的中間部分(4)連接在一起的兩個基本平板的臂(2、3)，其中第一臂(3)緊固于基體而第二臂(2)具有自由端(8)。
文檔編號H01L41/113GK101589481SQ200880002959
公開日2009年11月25日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月24日
發(fā)明者讓-弗雷德里克·馬丁 申請人:讓-弗雷德里克·馬丁