一種壓電能量收集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能量收集技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及一種壓電能量收集器。
【背景技術(shù)】
[0002]能量收集技術(shù)是將周圍環(huán)境中無(wú)法直接使用的能量,通過(guò)特定方式轉(zhuǎn)換為可以被利用的能量的一種技術(shù)。這種利用方式多以為小型器件提供電能為主。與傳統(tǒng)電池供電相比,能量收集技術(shù)對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)的供電則具有以下優(yōu)勢(shì):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所占體積?。皇褂脡勖L(zhǎng),幾乎不含有毒或危險(xiǎn)物質(zhì);可以長(zhǎng)期穩(wěn)定供電,不需拆卸及更換。因此,能量收集技術(shù)的發(fā)展對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)具有重要意義。
[0003]在周圍環(huán)境中存在的多種形式的能量中,振動(dòng)能量是最為常見(jiàn)的一種,且存在較高的能量密度。而壓電材料對(duì)于振動(dòng)能量的收集又有許多優(yōu)勢(shì),如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不發(fā)熱,無(wú)電磁干擾,清潔環(huán)保等。在懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電模型中,外界振動(dòng)施加于壓電振子上,使其產(chǎn)生壓電效應(yīng),從而在壓電振子的表面上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。相比于其他形式的能量收集器,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的能量收集器更易于微型化、集成化,因而具有很大的研宄價(jià)值。
[0004]然而,這種能量收集器同樣存在一定問(wèn)題。例如,此類能量收集器只有在特定頻率振動(dòng)下(能量收集器的固有振動(dòng)頻率)才能收集到較高功率的電能,若偏離此頻率,器件的收集能量的能力則大幅下降,所以此類能量收集器不能充分利用周圍環(huán)境中存在的各種頻率的振動(dòng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種寬頻率響應(yīng)的高性能壓電式振動(dòng)能量收集器,在增大壓電薄膜所受振動(dòng)阻尼的同時(shí),調(diào)整器件各部分的尺寸,使其保持原有共振頻率下的輸出功率。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種壓電能量收集器,包括振動(dòng)源、壓電振子、振動(dòng)塊和外殼,所述壓電振子的一端固定在所述振動(dòng)源上,所述振動(dòng)塊固定在所述壓電振子上的另一端,所述振動(dòng)塊與所述壓電振子一同構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu),所述外殼固定在所述振動(dòng)源上并填充有振動(dòng)介質(zhì),所述壓電振子和所述振動(dòng)塊位于所述外殼內(nèi)。
[0008]進(jìn)一步地:
[0009]所述壓電振子為長(zhǎng)方形片材,所述壓電振子的所述另一端的兩面分別固定一個(gè)所述振動(dòng)塊,兩個(gè)振動(dòng)塊與所述壓電振子一同構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。
[0010]所述振動(dòng)塊為長(zhǎng)度方向與所述壓電振子的長(zhǎng)度方向一致的長(zhǎng)方體形狀。
[0011]所述外殼為空心長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。
[0012]所述振動(dòng)介質(zhì)為電絕緣性液體。
[0013]所述電絕緣性液體為硅油。
[0014]所述硅油的粘度為6cSt。
[0015]所述振動(dòng)塊的材質(zhì)為鉑(Pt)。
[0016]所述壓電振子的材質(zhì)為聚偏二氟乙烯(PVDF)。
[0017]所述振動(dòng)塊粘連在所述壓電振子的表面。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
[0019]本發(fā)明的壓電能量收集器采用懸臂梁結(jié)構(gòu),在壓電振子的周圍添加密閉容器,并填充相應(yīng)振動(dòng)介質(zhì),尤其是電絕緣性液體介質(zhì),從而增大振子的振動(dòng)阻尼。這種能量收集器可以在共振頻率下維持原有較高的收集電能的能力的前提下,顯著增大頻率響應(yīng)帶寬,提高該能量收集器在偏離共振頻率時(shí)收集電能的能力。這使得該器件能夠在未使用更高性能的壓電材料與未接觸更強(qiáng)振動(dòng)的情況下提高收集振動(dòng)能量的效率。同時(shí),密閉容器與填充介質(zhì)保護(hù)了壓電振子,提高了器件的使用壽命。
[0020]本發(fā)明降低了偏離共振頻率的衰減,提高了器件對(duì)于寬頻帶工作模式的適應(yīng)性,提高了壓電能量收集器的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1a為本發(fā)明實(shí)施例1及實(shí)施例2的正視圖(剖視圖);
[0022]圖1b為本發(fā)明實(shí)施例1及實(shí)施例2的等軸測(cè)視圖(部分剖視);
[0023]圖2a為振動(dòng)介質(zhì)為空氣時(shí),能量收集器輸出功率的頻率響應(yīng)曲線;
[0024]圖2b為振動(dòng)介質(zhì)為空氣時(shí),壓電振子所受應(yīng)力的頻率響應(yīng)曲線;
[0025]圖3a為振動(dòng)介質(zhì)為硅油時(shí),能量收集器輸出功率的頻率響應(yīng)曲線;
[0026]圖3b為振動(dòng)介質(zhì)為硅油時(shí),壓電振子所受應(yīng)力的頻率響應(yīng)曲線;
[0027]圖4a為實(shí)施例1與實(shí)施例2,能量收集器輸出功率的頻率響應(yīng)曲線的比較;
[0028]圖4b為實(shí)施例1與實(shí)施例2,壓電振子所受應(yīng)力的頻率響應(yīng)曲線的比較;
[0029]圖中標(biāo)號(hào):
[0030]1-振動(dòng)源;2_壓電振子;3_振動(dòng)塊;4_振動(dòng)介質(zhì);5_外殼。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,下述說(shuō)明僅僅是示例性的,而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0032]參閱圖1a和圖lb,在一種實(shí)施例中,一種壓電能量收集器,包括振動(dòng)源1、壓電振子2、振動(dòng)塊3和外殼5,壓電振子2的一端固定在振動(dòng)源I上,振動(dòng)塊3固定在壓電振子2上的另一端,振動(dòng)塊3與壓電振子2—同構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu),外殼5固定在振動(dòng)源I上并填充有振動(dòng)介質(zhì)4,壓電振子2和振動(dòng)塊3位于外殼5內(nèi)。外殼5優(yōu)選為空心的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實(shí)施例中,振動(dòng)介質(zhì)4為電絕緣性液體。
[0033]在優(yōu)選的實(shí)施例中,壓電振子2為長(zhǎng)方形片材,壓電振子2的另一端的上、下表面分別固定一個(gè)振動(dòng)塊3,兩個(gè)振動(dòng)塊3與壓電振子2 —同構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。更優(yōu)選地,振動(dòng)塊3為長(zhǎng)度方向與壓電振子2的長(zhǎng)度方向一致的長(zhǎng)方體形狀。較佳地,兩個(gè)振動(dòng)塊3分別粘連在壓電振子2的上、下表面。
[0034]實(shí)施例1:
[0035]參閱圖1a和圖1b,實(shí)施例1中,壓電振子2 —端與外殼5固定在振動(dòng)源I處,振動(dòng)塊3粘于壓電振子2另一端,以提高壓電振子的振動(dòng)能力。本實(shí)施例中,長(zhǎng)方形的壓電振子的尺寸為8mmX 20mmX 0.05mm(寬X長(zhǎng)X厚,一片),材質(zhì)為聚偏二氟乙烯(PVDF),振動(dòng)塊的尺寸為2mmX20mmX2.7mm(寬X長(zhǎng)X高,一塊),材質(zhì)為鋼。壓電振子一端夾在固定端并延伸出來(lái)而形成懸臂梁,并在外殼內(nèi)部不添加液體,即外殼內(nèi)部以空氣為介質(zhì)。選取振動(dòng)加速度為5m/s2。利用COMSOL仿真,觀察壓電振子表面上某一點(diǎn)的電勢(shì)和所受應(yīng)力,并根據(jù)公式計(jì)算出相應(yīng)的輸出功率,從而分別繪制輸出功率與應(yīng)力的頻率響應(yīng)曲線,如圖2a和2b所示。
[0036]實(shí)施例2:
[0037]參閱圖1a和圖lb,實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同之處在于,實(shí)施例2中,長(zhǎng)方形的壓電振子2的尺寸為5.5mmX48mmX0.05mm(寬X長(zhǎng)X厚,一片),而振動(dòng)塊3的材質(zhì)選用鉑(Pt),振動(dòng)塊(一塊)的尺寸為2mmX48mmX3.1mm,并且在外殼內(nèi)充滿絕緣性液體作為振動(dòng)介質(zhì),液體類型優(yōu)選采用硅油(粘度為6cSt)。其余結(jié)構(gòu)與連接方式與實(shí)施例1相同。利用COMSOL仿真,觀察壓電振子表面上某一點(diǎn)的電勢(shì)和所受應(yīng)力,并根據(jù)公式計(jì)算出相應(yīng)的輸出功率,從而分別繪制輸出功率與應(yīng)力的頻率響應(yīng)曲線,如圖3a和3b所示。
[0038]另外,將實(shí)施例1與實(shí)施例2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,可以看出,本發(fā)明所受外界振動(dòng)加速度不變,壓電振子所受最大應(yīng)力不變(如圖4b所示)時(shí),其共振頻率及該頻率對(duì)應(yīng)的輸出功率(最大輸出功率)大致相等,且輸出功率較高。而實(shí)施例2中頻率響應(yīng)曲線的半高寬(約6Hz)較實(shí)施例1中(約3Hz)又增大了近一倍(如圖4a所示),從而使器件的工作頻率范圍進(jìn)一步變寬。
[0039]上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本發(fā)明實(shí)施例的寬頻率響應(yīng)能量收集器提高收集效率的有效性。
[0040]以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明,不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,其還可以對(duì)這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型,而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓電能量收集器,其特征在于,包括振動(dòng)源、壓電振子、振動(dòng)塊和外殼,所述壓電振子的一端固定在所述振動(dòng)源上,所述振動(dòng)塊固定在所述壓電振子上的另一端,所述振動(dòng)塊與所述壓電振子一同構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu),所述外殼固定在所述振動(dòng)源上并填充有振動(dòng)介質(zhì),所述壓電振子和所述振動(dòng)塊位于所述外殼內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述壓電振子為長(zhǎng)方形片材,所述壓電振子的所述另一端的兩面分別固定一個(gè)所述振動(dòng)塊,兩個(gè)振動(dòng)塊與所述壓電振子一同構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述振動(dòng)塊為長(zhǎng)度方向與所述壓電振子的長(zhǎng)度方向一致的長(zhǎng)方體形狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述外殼為空心長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述振動(dòng)介質(zhì)為電絕緣性液體。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述電絕緣性液體為硅油。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述硅油的粘度為6cSt。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述振動(dòng)塊的材質(zhì)為鉑(Pt)。9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述壓電振子的材質(zhì)為聚偏二氟乙烯(PVDF)。10.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的壓電能量收集器,其特征在于,所述振動(dòng)塊粘連在所述壓電振子的表面。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種壓電能量收集器,其包括振動(dòng)源、壓電振子、振動(dòng)塊和外殼,所述壓電振子的一端固定在所述振動(dòng)源上,所述振動(dòng)塊固定在所述壓電振子上的另一端,所述振動(dòng)塊與所述壓電振子一同構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu),所述外殼固定在所述振動(dòng)源上并填充有振動(dòng)介質(zhì),所述壓電振子和所述振動(dòng)塊位于所述外殼內(nèi)。該能量收集器可以在原共振頻率下保持較高的收集電能的能力,同時(shí)顯著增大頻率響應(yīng)帶寬,從而提高在偏離共振頻率時(shí)收集電能的能力。
【IPC分類】H02N2/18
【公開(kāi)號(hào)】CN104993738
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510400611
【發(fā)明人】王進(jìn), 宋俊東, 趙冠興
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)深圳研究生院
【公開(kāi)日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年7月9日