本實(shí)用新型涉及一種用于電子手表的振動能量收集裝置，屬于能量回收利用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著微電子技術(shù)日益成熟，各種微型傳感器、可攜帶電子器件和小型自治設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，特別是低功耗電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得對能量收集的研究越來越多。能量主要有太陽能、熱能、和振動能，但太陽能收集裝置不適合用于運(yùn)動的載體，只能在室外且有光照的地方工作；熱能收集是基于溫度梯度的，如想要在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的溫差是相當(dāng)困難的。相比較而言，振動能在環(huán)境中是無處不在的，比如發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動，人行走時(shí)對地面產(chǎn)生的振動，如果把這些浪費(fèi)掉的振動能有效的收集并加以處理轉(zhuǎn)換為電能，可以較好地解決微型電子器件功率下降這一問題，即可以利用環(huán)境中的振動為微型電子設(shè)備供電，替代或者減少外部電源及充電電池。但環(huán)境中產(chǎn)生的機(jī)械振動很多都是低頻的，比如人走路、慢跑產(chǎn)生的，即使是快跑所產(chǎn)生的振動能，相較于其他的大型機(jī)械產(chǎn)生的振動能來說都是較低的，所以需要解決的問題是，設(shè)計(jì)一種振動能收集裝置將這些環(huán)境中浪費(fèi)掉的低頻振動能收集起來，以用于低功耗電子器件的供能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于電子手表的振動能量收集裝置，可將低頻振動能量轉(zhuǎn)換為電能并給電子手表供電，安全環(huán)保。

為解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種用于電子手表的振動能量收集裝置，包括：

振動能量收集電路，用于收集振動能量，并轉(zhuǎn)為交流電壓輸出；

三倍壓電路，放大振動能量收集電路產(chǎn)生的交流電壓；

電源管理電路，整流來自三倍壓電路的電流，轉(zhuǎn)為直流電輸出；

所述振動能量收集電路包括電極并聯(lián)的壓電雙晶片，所述壓電雙晶片包括上層壓電晶片和下層壓電晶片，所述上層壓電晶片和下層壓電晶片分別粘合在金屬彈性層的上下兩側(cè)構(gòu)成電能輸出的一極，所述上層壓電晶片的表面與下層壓電晶片的表面相連構(gòu)成另一極，所述金屬彈性層采用懸臂梁結(jié)構(gòu)與基座連接。

所述壓電晶片為矩形壓電晶片。

所述金屬彈性層的材料是銅合金#CW617N。

所述壓電晶片的材料為PZT-5。

所述電源管理電路包括全波橋式整流器和高效率降壓型轉(zhuǎn)換器。

所述電源管理電路包括LTC3588-1芯片。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

振動能量收集電路通過基座振動產(chǎn)生激勵，經(jīng)壓電晶片的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生交流電壓，由壓電晶片上的電極輸出，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生最大的撓度，且具有較低的諧振頻率，因此采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)可提高收集振動能量的效率，實(shí)現(xiàn)了將機(jī)械能到電能的高效轉(zhuǎn)換；再通過三倍壓電路將壓電晶體產(chǎn)生的交流電壓進(jìn)行倍壓放大，利用電源管理電路的低噪聲全波整流及高效降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行變換，獲得可為電子手表等低能耗器件供電的直流電壓，最終實(shí)現(xiàn)將低頻振動能量轉(zhuǎn)換為電能并給電子手表供電，使電子手表的電池使用壽命延長，實(shí)現(xiàn)了低頻振動能的回收利用，與使用化學(xué)電池相比，更為安全環(huán)保；且采用的振動能量收集電路、三倍壓電路、電源管理電路結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)。

因此，本實(shí)用新型所提供的一種用于電子手表的振動能量收集裝置，能利用壓電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一定的電壓，并利用這個(gè)電壓對電池進(jìn)行充電，可延長電子手表的使用壽命，減少化學(xué)電池造成的環(huán)境污染，且壓電材料價(jià)格便宜，成本低，易于維護(hù)。

附圖說明

圖1 為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2 位本實(shí)用新型的振動能量收集電路圖；

圖3為本實(shí)用新型的三倍壓電路圖；

圖4為本實(shí)用新型的電源管理電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

如圖1所示的一種用于電子手表的振動能量收集裝置，包括：

振動能量收集電路，用于收集振動能量，并轉(zhuǎn)為交流電壓輸出；

三倍壓電路，放大振動能量收集電路產(chǎn)生的交流電壓；

電源管理電路，整流來自三倍壓電路的電流，轉(zhuǎn)為直流電輸出；

如圖2所示，所述振動能量收集電路包括電極并聯(lián)的壓電雙晶片，所述壓電雙晶片包括上層壓電晶片1和下層壓電晶片1，所述上層壓電晶片1和下層壓電晶片1分別粘合在金屬彈性層2的上下兩側(cè)構(gòu)成電能輸出的一極，所述上層壓電晶片1的表面與下層壓電晶片1的表面相連構(gòu)成另一極，所述金屬彈性層2采用懸臂梁結(jié)構(gòu)與基座連接。

所述壓電晶片1為矩形壓電晶片1，通過測試比較各種形狀的壓電晶片1的性能，得出矩形的壓電晶片1的應(yīng)變和產(chǎn)生電壓最大，更適合于制作能量收集器。

所述金屬彈性層2的材料是銅合金#CW617N。

所述壓電晶片1的材料為PZT-5。

人體運(yùn)動產(chǎn)生的能量是低頻率的，而懸臂梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生最大的撓度，且具有較低的諧振頻率，因此用新型采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)來收集振動能量；

選擇穩(wěn)定性好，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高的壓電晶片1作為壓電元件，將壓電晶片1并聯(lián)在金屬彈性層2的兩側(cè)構(gòu)成電能輸出的一級，上層壓電晶片1的表面與下層壓電晶片1的表面相連構(gòu)成另一級；與串聯(lián)相比，并聯(lián)可以產(chǎn)生更大的電流來為電池充電；通過基座振動產(chǎn)生激勵，經(jīng)壓電層的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生交流電壓，由壓電晶片1上的電極輸出，壓電晶片1工作在d31模式。

如圖3所示的三倍壓電路，當(dāng)環(huán)境產(chǎn)生的振動頻率很低時(shí)，壓電能量收集器產(chǎn)生電壓也就較小，但電源管理芯片工作電壓需要大于2.7V，所以必須要用三倍壓電路將收集器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行升壓。此電路的工作原理為:在正弦電壓源的第一正半周時(shí)，C1被充電達(dá)到峰值U，第一個(gè)負(fù)半周時(shí)C2上的電壓被充電到接近2U，當(dāng)?shù)诙€(gè)正半周時(shí)，D1，D3導(dǎo)通，D2截止，C2上的電壓與電源串聯(lián)經(jīng)D3對C3充電至3U。當(dāng)然開始幾個(gè)周期電容上的電壓并不能真正充到這樣高，但經(jīng)過幾個(gè)周期以后C3上的電壓逐漸能穩(wěn)定在3U左右，從而在負(fù)載兩端得到近似于三倍的電壓。

如圖4所示的電源管理電路，美國凌力爾特公司推出的新型壓電能量采集電源解決方案LTC3588-1，以優(yōu)化對低壓電源(包括壓電傳感器)的管理。LTC3588-1內(nèi)部集成一個(gè)低損耗、全波橋式整流器和一個(gè)高效率降壓型轉(zhuǎn)換器，以通過壓電能量收集器收集環(huán)境中的振動能量，然后將這種能量轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)好的電壓輸出，為微控制器、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和無線傳輸組件等低耗能電子器件供電。

LTC3588-1在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，其輸出可設(shè)定為1.8V、2.5V、3.3V和3.6V這4個(gè)中的任意一個(gè)，其高效率降壓型 DC/DC轉(zhuǎn)換器提供高達(dá) 100mA 的連續(xù)輸出電流或甚至更高的脈沖負(fù)載。輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) (無負(fù)載時(shí)) 靜態(tài)電流僅為 950nA，從而最大限度地提高了總體效率。LTC3588-1可對收集器輸出的電壓進(jìn)行整流并通過外部存儲電容器進(jìn)行濾波和存儲，同時(shí)通過內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓、限幅。LTC3588 -1有11個(gè)引腳，當(dāng)D1為高電平、D0為低電平時(shí)，其輸出電壓為3.3 V。

目前市面上一般電子手表電池的使用電壓是1.5V和3V，通過測試，本實(shí)用新型通過收集人運(yùn)動產(chǎn)生的或環(huán)境中的低頻振動能量通過處理所產(chǎn)生的直流電壓可以達(dá)到電子手表工作所需要的電壓，從而可以為電子手表供能，延長了其使用壽命，且起到了科學(xué)環(huán)保的意義。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。