一種寬頻帶壓電發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】一種寬頻帶壓電發(fā)電裝置，多個(gè)兩面貼有多片壓電元件的懸臂板組合在一起，懸臂板的一端固定，另一端自由，不同的懸臂板之間保持平行。由于每個(gè)懸臂板的結(jié)構(gòu)尺寸不同，每個(gè)懸臂板的彎曲諧振頻率也不同。本發(fā)明的組合式壓電發(fā)電裝置，可以將環(huán)境的某個(gè)頻段的機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)寬頻發(fā)電，并把多個(gè)壓電元件的能量收集起來(lái)，發(fā)電能量大，發(fā)電效率高。
【專利說(shuō)明】一種寬頻帶壓電發(fā)電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及寬頻帶壓電發(fā)電裝置，一種這樣的裝置，可以將環(huán)境的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電發(fā)電裝置可以將周圍環(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，為電子設(shè)備供電，使電子設(shè)備無(wú)需頻繁更換電池，或頻繁充電，提高了電子設(shè)備的免維護(hù)性。其典型應(yīng)用包括為無(wú)線傳感器或無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線電子設(shè)備，或可移動(dòng)式電子設(shè)備提供電能，在國(guó)防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]壓電發(fā)電的工作原理是基于正壓電效應(yīng),將環(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能。根據(jù)壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)不同，有碰撞式壓電發(fā)電和彎曲式壓電發(fā)電兩種發(fā)電方式。碰撞式發(fā)電是利用壓電元件受到碰撞時(shí)，應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生電能。而彎曲式壓電發(fā)電是利用壓電元件彎曲的時(shí)候，應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生電能。
[0004]彎曲式壓電發(fā)電裝置中，壓電材料一般都是制成壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。比如中國(guó)專利CN 100414808C提出了一種壓電俘能器，自由端懸掛集中質(zhì)量塊的懸臂梁兩面粘貼壓電材料，懸臂梁振動(dòng)時(shí)由壓電材料輸出電能并存儲(chǔ)起來(lái)，但產(chǎn)生的電能較小，主要用于微電子器件的供電。中國(guó)專利CN101017989A也公開(kāi)了一種為微型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)，其中壓電材料仍然粘貼在懸臂梁的上下兩面。中國(guó)專利CN 101262189A公開(kāi)了一種利用懸臂梁的壓電發(fā)電裝置，其中壓電材料還是粘貼在金屬懸臂梁的上下兩面。美國(guó)專利WO 2007121092也描述了主要用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)供電的的懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電能量回收裝置。上述的發(fā)明專利都是利用單個(gè)的壓電懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生電能，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制，只能把外界的某一頻率的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電效率低，頻率范圍窄，只能用于微型電子系統(tǒng)的供電。中國(guó)專利CN 101272109A公開(kāi)了一種利用兩組叉指型的多個(gè)壓電懸臂梁，進(jìn)行寬頻發(fā)電裝置；其中的壓電懸臂梁是由壓電元件直接制成，或是由壓電元件粘接制成的。在上述的壓電發(fā)電裝置中，壓電懸臂梁由兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是直接用元件粘貼在一起，形成壓電雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)；另一種是把壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成三明治結(jié)構(gòu)壓電懸臂梁。
[0005]在現(xiàn)有的壓電發(fā)電專利中，無(wú)論那一種形式的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，都是由整塊的壓電元件相互粘貼，或由整塊的壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成壓電懸臂梁。在壓電發(fā)電裝置中，常用的壓電材料是壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的彈性模量較大，這樣由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁一階彎曲共振頻率較高，而由自然環(huán)境或人體提供的機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)頻率一般很低。這樣，在使用過(guò)程中，很難使壓電懸臂梁達(dá)到諧振工作狀態(tài)，產(chǎn)生的電能比較少，無(wú)法滿足一般的供電需要。而且，由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁，其中的壓電材料脆性較大，容易斷裂損壞，影響整個(gè)壓電發(fā)電裝置的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是克服目前彎曲式壓電發(fā)電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易斷裂損壞的缺點(diǎn)，提出了一種組合式壓電發(fā)電裝置，利用多個(gè)兩面貼有多片壓電元件的懸臂板進(jìn)行寬頻壓電發(fā)電，把自然環(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長(zhǎng)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施:
[0008]一種寬頻帶壓電發(fā)電裝置，其特征在于:包括支架、安裝于支架上的懸臂板、粘貼于懸臂板的壓電元件；其中上述懸臂板至少為2塊，且相互之間平行，且全部懸臂板中至少有一部分懸臂板的彎曲諧振頻率與其他部分懸臂板彎曲諧振頻率不同，懸臂板彎曲諧振頻率由其結(jié)構(gòu)尺寸決定；該組合式壓電發(fā)電裝置還包括一端與懸臂板相聯(lián)另一端與裝置外殼相連的防止振動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)懸臂板之間或懸臂板和裝置外殼之間碰撞的繩索。
[0009]懸臂板的一端固定，另一端自由。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1) 一階彎曲諧振頻率較低；(2)壓電元件在使用過(guò)程不易損壞，增加了裝置的使用壽命。這種結(jié)構(gòu)隨著周圍環(huán)境的振動(dòng)，把振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。而且用多片壓電元件代替整塊壓電元件粘貼在懸臂梁一面或兩面，使壓電懸臂梁的一階彎曲諧振頻率較低，在自然環(huán)境中，或把發(fā)電裝置隨身攜帶時(shí)，很容易使懸臂板達(dá)到彎曲諧振狀態(tài)，此時(shí)，懸臂板表面的應(yīng)力變化達(dá)到極大值，壓電元件輸出電壓(電流)也達(dá)到極大值，發(fā)電效率最高。同時(shí)把懸臂板上的壓電元件串聯(lián)或并聯(lián)聯(lián)接。如果是串聯(lián)連接，和單個(gè)壓電元件相比，兩個(gè)壓電元件的輸出電壓增大一倍，電流不變；如果是并聯(lián)連接，和單個(gè)壓電元件相比，兩個(gè)壓電元件的輸出電流增大一倍，電壓不變。具體的聯(lián)接方式，可以根據(jù)輸出電量的需求決定。
[0010]但是，由于單個(gè)懸臂板表面粘貼的壓電元件數(shù)量有限，面積較小，所發(fā)的電量也較少；且只有當(dāng)環(huán)境的振動(dòng)頻率接近于懸臂梁的彎曲諧振頻率時(shí)，才有較高的發(fā)電效率。為了提高單位時(shí)間內(nèi)整個(gè)裝置的發(fā)電量，把多個(gè)兩面貼有多片壓電片的懸臂板平行排列。同時(shí)，由于各個(gè)懸臂板的結(jié)構(gòu)尺寸不同，它們的彎曲諧振頻率也不相同，整個(gè)裝置有多個(gè)彎曲諧振頻率，形成一個(gè)較寬的彎曲諧振頻帶。當(dāng)環(huán)境的振動(dòng)頻率落在整個(gè)發(fā)電裝置的彎曲諧振頻帶時(shí)，發(fā)電裝置就會(huì)以較高的效率將環(huán)境的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，輸出較大的電量。
[0011]但是，當(dāng)環(huán)境的振動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致懸臂板之間、懸臂板和裝置外殼之間發(fā)生碰撞，容易使壓電元件發(fā)生破裂，發(fā)電量下降。為了避免這種情況的發(fā)生，在懸臂板和裝置外殼之間用繩索相連，繩索的長(zhǎng)度長(zhǎng)于自然狀態(tài)時(shí)，懸臂板和裝置外殼之間的距離，而且繩索是彈性的?？梢允菑椥圆牧匣驈椈芍换蚱浣M合制成。當(dāng)環(huán)境振動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)，繩索就起到保護(hù)懸臂板的作用。
[0012]上述的懸臂板安裝于支架一端稱固定端，另一端稱作自由端；上述部分懸臂板的自由端可以安裝有影響懸臂板彎曲諧振頻率的質(zhì)量塊。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0014]圖1為壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為懸臂板的側(cè)視圖。
[0016]圖3為懸臂板的俯視圖。
[0017]圖4為整個(gè)發(fā)電裝置的安裝圖。[0018]圖中標(biāo)號(hào)名稱:1、電極I, 2、壓電材料,3、電極II, 4、支架,5、懸臂板,6、壓電兀件，
7、裝置外殼，8、彈性繩索，9、質(zhì)量塊。
【具體實(shí)施方式】
[0019]圖1描述了壓電元件的結(jié)構(gòu)，壓電元件包括壓電材料2、電極電極I和電極II。其中的電極1、3涂鍍?cè)趬弘姴牧系膬擅?，壓電材料位?個(gè)電極的中間，類似三明治結(jié)構(gòu)；壓電材料的極化方向平行于厚度方向。由于正壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電元件受到應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，將在電極上產(chǎn)生電荷和電壓。壓電元件中壓電材料2為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料之一或其組合制成。所有壓電元件采用串聯(lián)或并聯(lián)方式聯(lián)接。
[0020]圖2和圖3描述了兩面粘貼了多片壓電元件的懸臂板結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖，多個(gè)壓電元件通過(guò)膠層均勻地粘貼在懸臂板5的上下兩面上；懸臂板的自由端兩面對(duì)稱地安裝有質(zhì)量塊9。懸臂板的彎曲諧振頻率由懸臂板、壓電元件和質(zhì)量塊的材料、結(jié)構(gòu)尺寸共同決定。當(dāng)懸臂板發(fā)生振動(dòng)時(shí)，粘貼在懸臂板上的壓電元件將受到交變的應(yīng)力，在壓電元件的電極上產(chǎn)生電荷和電壓，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。如果懸臂板發(fā)生諧振，則壓電元件的受到的應(yīng)力將達(dá)到極大值，壓電元件產(chǎn)生的電量也會(huì)達(dá)到極大值。
[0021]圖4描述了整個(gè)壓電發(fā)電裝置的安裝圖，多個(gè)具有不同結(jié)構(gòu)尺寸，上下兩面粘貼多片壓電元件的懸臂板，一端固定在支架上，另一端自由；每個(gè)懸臂板都有各自的彈性繩索
8、和裝置外殼7相連，繩索的長(zhǎng)度長(zhǎng)于自然狀態(tài)時(shí)懸臂板和裝置外殼間的距離；整個(gè)裝置安裝在外殼里。由于各個(gè)懸臂板的結(jié)構(gòu)尺寸不同，其諧振頻率也各不相同，使整個(gè)裝置具有多個(gè)諧振頻率。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)引起裝置外殼和支架振動(dòng)時(shí)，也將使懸臂板發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生電能。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)頻率接近某個(gè)懸臂板的諧振頻率時(shí)，將會(huì)使這塊懸臂板發(fā)生諧振，產(chǎn)生的電量達(dá)到極大值。由于整個(gè)裝置具有多個(gè)諧振頻率，外界環(huán)境的振動(dòng)容易引起裝置的諧振，可以最大程度地吸收環(huán)境中的振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)寬頻發(fā)電。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)，和裝置外殼相連的彈性繩索會(huì)拉住懸臂板，防止懸臂板之間、懸臂板和裝置外殼之間發(fā)生碰撞；同時(shí)，也防止懸臂板的振動(dòng)幅度過(guò)大，表面應(yīng)力、應(yīng)變過(guò)大，使壓電元件產(chǎn)生裂紋或破裂。
[0022]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的寬頻帶壓電發(fā)電裝置，其中，懸臂板的材料、形狀、尺寸，每個(gè)懸臂板上壓電元件的數(shù)量可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。壓電材料可由壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料之一或其組合制成。
[0023]雖然以上文字已參照特定的實(shí)施例和本發(fā)明的例子描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于以上描述的實(shí)施例。按照本發(fā)明的技術(shù)原理，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員參照上述技術(shù)原理實(shí)施例進(jìn)行修改和變形均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種寬頻帶壓電發(fā)電裝置，其特征在于: 包括支架(4)、安裝于支架(4)上的懸臂板(5)、粘貼于懸臂板的壓電元件(6)； 其中上述懸臂板(5)至少為2塊，且相互之間平行，且全部懸臂板中至少有一部分懸臂板的彎曲諧振頻率與其他部分懸臂板彎曲諧振頻率不同，懸臂板彎曲諧振頻率由其質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、尺寸決定； 該組合式壓電發(fā)電裝置還包括一端與懸臂板相聯(lián)另一端與裝置外殼(7)相連的防止振動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)懸臂板之間或懸臂板和裝置外殼之間碰撞的彈性繩索(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬頻帶壓電發(fā)電裝置，其特征在于:所述的懸臂板安裝于支架一端稱固定端，另一端稱作自由端；上述部分懸臂板的自由端安裝有影響懸臂板彎曲諧振頻率的質(zhì)量塊(9)。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103532428SQ201210229225
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月4日
【發(fā)明者】邊義祥 申請(qǐng)人:揚(yáng)州博達(dá)電氣設(shè)備有限公司