專(zhuān)利名稱(chēng)：褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，屬于壓電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電材料具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，其既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，又 可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。本發(fā)明主要是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)一電能 量轉(zhuǎn)換。目前的一些自治型無(wú)線節(jié)點(diǎn)大都使用電池供電。但是，大量使用電池會(huì) 對(duì)環(huán)境造成危害，并且電池的使用容量也有限，需要定期的進(jìn)行更換。近年來(lái)新 興的能量收集技術(shù)是利用環(huán)境中存在的各種能量，將其轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)， 以備它用。這種方案比起電池來(lái)說(shuō)，其供電壽命理論上取決于組成能量收集器的 電子器件的壽命，沒(méi)有額外消耗能源，不會(huì)排放污染物，是典型的"綠色"技術(shù)。 環(huán)境中可用于能量收集與轉(zhuǎn)化的能量有太陽(yáng)能、振動(dòng)機(jī)械能等。其中太陽(yáng)能的利 用已經(jīng)普遍化、商業(yè)化，且趨于成熟，而其它能源的收集技術(shù)仍在研究中。振動(dòng) 能是一種廣泛存在的能量形式，隨處可見(jiàn)，甚至在許多人們比較難以進(jìn)入的地方 都有振動(dòng)源存在，因而研究振動(dòng)能量收集技術(shù)具有更普遍的意義。壓電換能器是 應(yīng)用最普遍的振動(dòng)能量換能器件。但目前使用的壓電器件大都存在能量轉(zhuǎn)換效率 低、承受的振動(dòng)位移較小、輸出功率低等缺點(diǎn)。在SMART MATERIALS AND STRUCTURES這本雜志中2007年9月出版的文章Folded dielectric elastomer actuators中提出了一種折疊結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，如附圖2.這種驅(qū)動(dòng)器采用折疊結(jié) 構(gòu)，因此在拐角處易磨損，并且這種結(jié)構(gòu)大面積的使用壓電材料，因此在拐角處 不易產(chǎn)生形變的地方使用壓電材料是一種資源浪費(fèi)。本發(fā)明主要思想是將許多帶 有雙層壓電薄膜的懸臂梁集成在一起，組成一種褶皺形復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有 大變形能力，能量轉(zhuǎn)換輸出能量大的特點(diǎn)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)比折疊結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，且節(jié) 省材料，降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。相對(duì)于現(xiàn)有折疊 形結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，具有更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，節(jié)省壓電材料、電荷輸出大，能量回收效 率高，體積小方便使用，制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
一種褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于包括褶皺形彈性導(dǎo)電體、 在褶皺形彈性體的圓弧形拐角處加固有剛性連接塊，在褶皺形彈性體的水平段 上、下表面采用同向方式分別貼有上層壓電薄膜和下層壓電薄膜，在上層壓電薄 膜的上側(cè)，及下層壓電薄膜的下側(cè)貼有導(dǎo)電膠層；該褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換 結(jié)構(gòu)的一個(gè)電極端通過(guò)褶皺形彈性導(dǎo)電體引出，另一個(gè)電極端通過(guò)導(dǎo)電膠層引 出。
總體說(shuō)本發(fā)明主要由變形傳遞結(jié)構(gòu)和壓電換能元件組成。本說(shuō)明書(shū)以PVDF
壓電薄膜作為換能元件來(lái)進(jìn)行具體說(shuō)明。褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)變形傳 遞結(jié)構(gòu)主要由褶皺形彈性導(dǎo)電體的水平段和將這些水平段在其端部?jī)蓛蛇B接起
來(lái)的剛性塊組成。每個(gè)水平段的上下表面都布置有PVDF壓電薄膜。所有金屬水 平段都是通過(guò)剛性金屬塊電氣連通的，其成為所有PVDF的一個(gè)公共電極，而所 有PVDF的另外一個(gè)電極通過(guò)導(dǎo)電膠層和導(dǎo)線連接在一起，形成另外一個(gè)公共電 極。由于拐角處不易產(chǎn)生形變，所以僅在褶皺面的上、下表面上粘貼上PVDF 壓電薄膜。PVDF在水平段上的電極布置應(yīng)該是這樣的所有變形方向相同的水 平段的一面(如圖1中朝向上面的一面)粘貼PVDF的電極的一個(gè)極性(如正極)， 所有水平段的另一面，粘貼PVDF的電極的另一個(gè)極性(為負(fù)極)。將裸露在外 的，既貼有導(dǎo)電膠層的PVDF電極連接在一起。這樣可以保證該結(jié)構(gòu)整體變形時(shí) 相同的電荷匯集在一起。
本說(shuō)明之所以選擇PVDF壓電薄膜來(lái)說(shuō)明是因?yàn)樽鳛槿嵝杂袡C(jī)材料，其具有 較高的介電性、較強(qiáng)的壓電性和很高的機(jī)械強(qiáng)度，以及很好的柔韌性，并且，其 頻響范圍寬、能抗化學(xué)和油性腐蝕等優(yōu)良特性。PVDF的壓電性比石英高很多， 并且可以做得更薄，重量輕，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可粘貼在材料的表面，與結(jié)構(gòu) 有著良好的相容性。其結(jié)構(gòu)為上下兩層分別為正負(fù)電極，中間為PVDF材料。而 選擇彈性導(dǎo)電材料做成褶皺面， 一是因?yàn)閺椥詫?dǎo)電材料變形大，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更大的形變，以獲得更多的電荷輸出。二是彈性導(dǎo)電材料具有導(dǎo)電性，可 直接引出電極，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
褶鈹形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的工作過(guò)程為當(dāng)力施加于結(jié)構(gòu)的兩端 時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)，粘貼有PVDF薄膜的水平段會(huì)產(chǎn)生相同的變形，
進(jìn)而在PVDF壓電薄膜的兩電極上產(chǎn)生電荷輸出，完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。如果作用
的力為交變的，則可產(chǎn)生交變電荷輸出。因此本結(jié)構(gòu)可用于振動(dòng)能量回收中作為 換能器件。
本發(fā)明的除了作為能量回收使用外，還可作為驅(qū)動(dòng)器和傳感器使用。當(dāng)在 兩個(gè)電極引出端施加電能時(shí)，壓電材料會(huì)因?yàn)槟鎵弘娦?yīng)而產(chǎn)生形變，所以可以 作為驅(qū)動(dòng)器使用。而作為傳感器時(shí)可以通過(guò)正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能來(lái)傳感外界的機(jī) 械能。作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器使用，兩者都是對(duì)換能這種思想的應(yīng)用。


圖1為褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖2為折疊結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器。
附圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明1、褶鈹形彈性體的水平段，2、剛性連接塊，3、導(dǎo)電膠
層，4、上層壓電薄膜，5、下層壓電薄膜，6、導(dǎo)電膠層電極公共引出端，7、 褶皺形彈性體電極公共引出端，8、絕緣的力作用端面。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述-
附圖為褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，以圖1所示結(jié)構(gòu)說(shuō)明本
發(fā)明的具體制作工藝。本發(fā)明通過(guò)絕緣的力作用端面8與外界其他結(jié)構(gòu)相連接，
其結(jié)構(gòu)的具體制作過(guò)程為首先把彈性導(dǎo)電體加工成褶皺形結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行定型加
工，然后把彈性導(dǎo)電體的拐角部分加固。下一步，把上層PVDF壓電薄膜和下層 PVDF壓電薄膜用導(dǎo)電膠同向粘貼在彈性導(dǎo)電體的上、下表面上。接下來(lái)，將裸 露在外面的PVDF壓電薄膜的表面粘貼導(dǎo)電膠，用導(dǎo)電膠層3引出PVDF壓電薄膜 的上表面的電極和PVDF壓電薄膜下表面的電極，并連接起來(lái)，從而引出總的電 極引出端6。褶鈹形彈性體電極公共引出端7直接由彈性導(dǎo)電體引出。最后，得 到兩個(gè)公共電極。結(jié)合圖說(shuō)明本發(fā)明的具體工作過(guò)程當(dāng)外界有振動(dòng)源產(chǎn)生時(shí)，本發(fā)明接 收到振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能，使得彈性導(dǎo)電體發(fā)生振動(dòng)，做反復(fù)的拉伸收縮運(yùn)動(dòng)，其 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于拉伸收縮產(chǎn)生彈性形變，從而使得粘貼在彈性導(dǎo)電體的上、下
表面上的PVDF壓電薄膜產(chǎn)生形變，由于PVDF壓電薄膜具有正壓電效應(yīng)，使得上 層PVDF壓電薄膜和下層PVDF壓電薄膜內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的正負(fù)極面 上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。因?yàn)椴煌淖饔昧Ξa(chǎn)生不同的電荷，拉伸時(shí)，彈性導(dǎo)電 體上表面拉伸，下表面收縮；收縮時(shí)，彈性導(dǎo)電體上表面收縮，下表面拉伸。所 以彈性導(dǎo)電體的上、下表面上的PVDF壓電薄膜變形方向相反。但由于粘貼時(shí)兩 者的極化方向正好相反，因而將產(chǎn)生同符號(hào)的電荷。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，第一，能夠承受較大的變形。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)總的變形分散到 各個(gè)水平段的變形中。第二，能量損失小。變形能夠完全傳遞到水平段上；第三，
產(chǎn)生電荷輸出大。結(jié)構(gòu)總的電能輸出是各個(gè)水平段電荷輸出之和。第四，體積小。 將換能水平段平行排列，整個(gè)結(jié)構(gòu)空間基本上被利用。
權(quán)利要求
1、一種褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于包括褶皺形彈性導(dǎo)電體、在褶皺形彈性體的圓弧形拐角處加固有剛性連接塊(2)，在褶皺形彈性體的水平段(1)上、下表面采用同向方式分別貼有上層壓電薄膜(4)和下層壓電薄膜(5)，在上層壓電薄膜的上側(cè)，及下層壓電薄膜的下側(cè)貼有導(dǎo)電膠層(3)；該褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的一個(gè)電極端通過(guò)褶皺形彈性導(dǎo)電體引出，另一個(gè)電極端通過(guò)導(dǎo)電膠層引出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于上述壓電薄膜是PVDF薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，屬于壓電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于包括褶皺形彈性導(dǎo)電體，在褶皺形彈性體的圓弧形拐角處加固有剛性連接塊(2)，在褶皺形彈性體的水平段(1)上、下表面采用同向方式分別貼有上層壓電薄膜(4)和下層壓電薄膜(5)，在上層壓電薄膜的上側(cè)，及下層壓電薄膜的下側(cè)貼有導(dǎo)電膠層(3)；該褶皺形復(fù)合式壓電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的一個(gè)電極端通過(guò)褶皺形彈性導(dǎo)電體引出，另一個(gè)電極端通過(guò)導(dǎo)電膠層引出。這種結(jié)構(gòu)可以在具有較大變形的同時(shí)，產(chǎn)生較大的電荷輸出，并且這種結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，節(jié)省原材料，制作工藝簡(jiǎn)單。這種換能結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于振動(dòng)能量回收系統(tǒng)中作為換能器件。
文檔編號(hào)H02N2/00GK101594069SQ200910033529
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者麗 于, 侯志偉, 朱莉婭, 陳仁文 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)