專利名稱：一種多頻段壓電振動(dòng)能量收集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是ー種能源利用技術(shù)領(lǐng)域的裝置，尤其涉及的是ー種多頻段壓電振動(dòng)能量收集器。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)電系統(tǒng)和個(gè)人移動(dòng)設(shè)備等微小機(jī)電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是能量消耗很低，從幾KW到幾百mW，但要求使用時(shí)間很長(zhǎng)，非常關(guān)鍵的是由于使用條件的限制它 們一般不能用電カ線進(jìn)行能量供應(yīng)。目前的電池供能方式存在體積大、壽命短等缺點(diǎn)，而采用太陽(yáng)能、熱梯度等能量進(jìn)行供電則需要在有相應(yīng)的陽(yáng)光或熱梯度的環(huán)境中進(jìn)行，這限制了他們的應(yīng)用。環(huán)境中存在豐富的振動(dòng)形式的能量，將這些能量收集起來(lái)為上述微小機(jī)電系統(tǒng)供電成為一種很好的選擇。壓電材料是ー種可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量互換的智能材料，當(dāng)受到交變應(yīng)カ時(shí)便會(huì)產(chǎn)生源源不斷的電能，它可以將振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為電能?，F(xiàn)在常用的壓電材料有壓電陶瓷和壓電聚合物以及它們的復(fù)合物等，其中壓電陶瓷的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率較高，是進(jìn)行能量收集的優(yōu)選材料。壓電陶瓷常用的發(fā)電振動(dòng)方式為采用電場(chǎng)垂直于長(zhǎng)度的長(zhǎng)度伸縮模(壓電常數(shù)為d31)、電場(chǎng)平行于波傳播方向的厚度伸縮模(壓電常數(shù)為d33)和電場(chǎng)平行于波傳播方向的厚度剪切模(壓電常數(shù)為d15)，其中d33約為d31的2 3倍，而d15約為d31的3 4倍。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合采用合適的工作模式能夠提高壓電陶瓷的機(jī)電轉(zhuǎn)換的效率。在特定的エ作模式下要使壓電材料產(chǎn)生多的電量就要施加大的應(yīng)力或者使壓電材料產(chǎn)生大的形變。壓電疊堆是將多片壓電片層疊在一起并在電路上進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)或者部分串聯(lián)、部分并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，它主要利用壓電常數(shù)較高的d33，壓電片電路上串聯(lián)可以提高輸出電壓，并聯(lián)可以提高輸出電流，可以根據(jù)實(shí)際收集電路對(duì)電壓電流的要求進(jìn)行串、并聯(lián)設(shè)計(jì)，在同樣大小的外部力作用下，對(duì)于同樣大小的壓電片，層疊的片數(shù)越多產(chǎn)生電量就越大，但片數(shù)過(guò)多增加了體積和成本，需要在實(shí)際用電量需求、應(yīng)用空間要求及配置成本要求間進(jìn)行權(quán)衡。通過(guò)對(duì)壓電疊堆內(nèi)壓電片電路上的串并聯(lián)設(shè)計(jì)，使其在増加壓電材料長(zhǎng)度和受カ面積的同時(shí)使壓電材料發(fā)電時(shí)的內(nèi)部阻抗不增加或增加很小，以便于實(shí)現(xiàn)與外電路的阻抗匹配。目前，用壓電疊堆進(jìn)行能量收集的方法主要是將其嵌于振動(dòng)元件中，使其兩面受到等同的壓(拉)力從而產(chǎn)生電能。如果只是將壓電疊堆粘貼于振動(dòng)元件表面，壓電換能器的長(zhǎng)度要等于四分之一波長(zhǎng)的倍數(shù)，這會(huì)使壓電材料在較低頻率下尺寸過(guò)長(zhǎng)，比如在5kHz下壓電材料需要近21cm，因而這種方式只適用于幾十千赫到上百千赫的頻段。在壓電疊堆上面附加一定的質(zhì)量塊再粘貼于振動(dòng)元件上可以構(gòu)成具有一定共振頻率的彈簧質(zhì)子結(jié)構(gòu)，在這一共振頻率附近電能轉(zhuǎn)換效率很高，但是由于壓電陶瓷很硬(剛度高)，對(duì)于幾百赫茲的振動(dòng)就需要上百公斤的質(zhì)量塊，更難于應(yīng)用于50Hz以下的頻段，而且壓電陶瓷受到較大的靜態(tài)壓縮力后壓電系數(shù)會(huì)有一定的下降，使得機(jī)電轉(zhuǎn)換效率變得很低，因而這種結(jié)構(gòu)也很難應(yīng)用。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)發(fā)明專利公告號(hào)CN1258866，名稱壓電產(chǎn)生裝置，該裝置包括由兩個(gè)板形的壓電陶瓷元件形成的壓電陶瓷板，它們是分層的和以反極化彼此接合的，其中借助用硬拍打器拍打壓電陶瓷板的一面或兩面，從而激勵(lì)在壓電陶瓷板中的撓曲振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電。由于拍打器一次拍打發(fā)電的時(shí)間是短暫的，需要拍打器持續(xù)的拍打才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電能，但它一般只適合于低頻振動(dòng)的情形，特別是拍打器需要有較大的振幅才能起振，這些都限制了它的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種ー種多頻段壓電振動(dòng)能量收集器，采用振動(dòng)控制中常用的動(dòng)カ吸振結(jié)構(gòu)，將其附加于壓電材料上，利用動(dòng)カ吸振器的強(qiáng)共振作用使得壓電材料獲得足夠的應(yīng)力，從而在振動(dòng)元件的小幅振動(dòng)下產(chǎn)生較多的電能。由于動(dòng)カ吸振器的共振頻率可以設(shè)計(jì)在從幾赫茲到幾千赫茲的頻域內(nèi)，因而能量收集裝置的工作頻率可以在較寬的頻域中選擇。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)小尺寸、小質(zhì)量的能量收集裝置，而且同時(shí)采用壓電疊堆和壓電懸臂梁的結(jié)構(gòu)可以拓寬能量收集裝置的工作頻帶，提高能量收集裝置的能量密度，從而獲得易于應(yīng)用、高效的振動(dòng)能量收集裝置。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括壓電元件、蓋板、動(dòng)カ吸振器和能量采集電路，其中壓電元件上固定蓋板，蓋板和動(dòng)カ吸振器相連，能量采集電路和壓電元件相連。所述的動(dòng)力吸振器包括質(zhì)量塊和弾性元件，其中弾性元件和蓋板相連，質(zhì)量塊和弾性元件相連。所述的彈性元件的阻尼比小于O. 3。所述的壓電元件是壓電疊堆或壓電懸梁臂結(jié)構(gòu)。所述的壓電疊堆采用厚度伸縮?；蚝穸燃羟忻?。所述的能量收集電路采用全橋整流濾波電路。本發(fā)明的工作過(guò)程壓電元件受外界振動(dòng)元件激勵(lì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，在能量采集電路的工作頻帶內(nèi)，由于彈性元件的阻尼比小于O. 3，動(dòng)カ吸振器發(fā)生強(qiáng)共振作用從而驅(qū)動(dòng)壓電元件產(chǎn)生交變的電流，交變電流經(jīng)能量采集電路整流濾波后獲得了較穩(wěn)定的直流電，從而進(jìn)行存儲(chǔ)或者直接利用。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)由于采用了動(dòng)カ吸振器結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中壓電元件不需要嵌入外界振動(dòng)元件的內(nèi)部，也不需要較大的振幅，可以方便地布置于振動(dòng)元件的表面對(duì)小振幅的振動(dòng)能量進(jìn)行收集，并可將本裝置的工作頻率設(shè)計(jì)在多個(gè)頻段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)易于應(yīng)用的、高效的振動(dòng)能量的收集。


圖I是實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例I
如圖I所示，本實(shí)施例包括振動(dòng)元件I、壓電元件2、蓋板3、動(dòng)カ吸振器4和能量采集電路5，其中振動(dòng)元件I和壓電元件2相連，壓電元件2上固定蓋板3，蓋板3和動(dòng)カ吸振器4相連，能量采集電路5和壓電元件2相連。所述的動(dòng)力吸振器4包括質(zhì)量塊6和弾性元件7，其中弾性元件7和蓋板3相 連，質(zhì)量塊6和弾性元件7相連。所述的彈性元件7的阻尼比小于O. 3。本實(shí)施例的壓電元件2采用厚度伸縮模，其壓電常數(shù)為d33。所述的能量采集電路5是全橋整流濾波電路，包括整流橋8、濾波電容9和負(fù)載10，其中壓電元件2和整流橋8相連，整流橋8和濾波電容9相連，負(fù)載10和濾波電容9并聯(lián)。本實(shí)施例中壓電元件2是壓電疊堆，彈性元件7是彈簧。蓋板3的作用是保護(hù)壓電元件2并使彈性元件7的力能均勻分布到壓電元件2的整個(gè)表面。由于壓電材料受拉伸易于損壞，而受壓縮時(shí)的強(qiáng)度較高，因而當(dāng)應(yīng)用在振動(dòng)強(qiáng)烈的場(chǎng)合需要對(duì)壓電疊堆進(jìn)行預(yù)緊，可以采用雙蓋板的結(jié)構(gòu)，即在壓電疊堆兩邊都布置蓋板3，用螺釘穿過(guò)壓電材料進(jìn)行預(yù)緊，這樣壓電材料中間就需要有穿孔。振動(dòng)元件I、壓電元件2和動(dòng)カ吸振器4組成的振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生共振時(shí)產(chǎn)生的能量最多,此時(shí)壓電元件2受カ大于外部激振カ；當(dāng)激振頻率等于動(dòng)カ吸振器4的固有頻率時(shí)壓電元件2受カ等于激振力，此時(shí)整個(gè)裝置產(chǎn)生的能量也較多；當(dāng)動(dòng)カ吸振器4的固有頻率等于振動(dòng)元件I的固有頻率時(shí)，本裝置的共振頻帶最寬，此時(shí)増加質(zhì)量塊6與振動(dòng)元件I的質(zhì)量比可以拓寬本裝置的共振頻帶。實(shí)施例2
如圖2所示，本實(shí)施例的動(dòng)カ吸振器4是兩個(gè)彈性元件7和質(zhì)量塊6的疊加，構(gòu)成了雙層動(dòng)カ吸振結(jié)構(gòu)。動(dòng)カ吸振器4包括第一彈簧11、第一質(zhì)量塊12、第二彈簧13和第二質(zhì)量塊14，其中第一彈簧11和蓋板3相連，第一彈簧11、第一質(zhì)量塊12、第二彈簧13和第二質(zhì)量塊14依次相連。即彈性元件7包括第一彈簧11和第二彈簧13，質(zhì)量塊6包括 第一質(zhì)量塊12和第二質(zhì)量塊14。本實(shí)施例的其他實(shí)施方式和實(shí)施例I相同。該實(shí)施例采用兩個(gè)彈簧和質(zhì)量塊6與振動(dòng)元件I組成了三自由度振動(dòng)系統(tǒng)，増加了共振峰個(gè)數(shù)和共振頻帶寬度，從而拓寬了整個(gè)裝置的工作帶寬。實(shí)施例3
如圖3所示，本實(shí)施例的弾性元件7包括第一支架15、第二支架16、第三彈簧17和第ー杠桿18，質(zhì)量塊6包括第三質(zhì)量塊19和第四質(zhì)量塊20，其中第一支架15和第四質(zhì)量塊20分別位于第一杠桿18的兩端,第二支架16分別與第一杠桿18和蓋板3相連,第一支架15和第三質(zhì)量塊19相連，第三質(zhì)量塊19和第三彈簧17相連，第三彈簧17和蓋板3相連。本實(shí)施例的其他實(shí)施方式和實(shí)施例I相同。這種結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用在對(duì)重量有限制的場(chǎng)合。實(shí)施例4
如圖4所示，本實(shí)施例的弾性元件7包括第三支架21、第四支架22和懸梁臂23，其中懸梁臂23的一端和第四支架22固定相連，另一端上設(shè)有質(zhì)量塊6，第四支架22和蓋板3固定相連，第三支架21和懸梁臂23活動(dòng)連接，懸梁臂23的兩側(cè)分別粘附壓電片24，整個(gè) 弾性元件7的阻尼比要小于O. 3。本實(shí)施例中起振元件I上設(shè)有豎直的側(cè)壁25，側(cè)壁25上粘附第一壓電疊堆26，第ー壓電疊堆26上設(shè)有蓋板3，壓電片24與懸梁臂23組成的壓電懸梁臂結(jié)構(gòu)和第一壓電疊堆26構(gòu)成了本實(shí)施例的壓電元件2。第三支架21的一端和懸梁臂23活動(dòng)相連，另一端和側(cè)壁25固定相連。側(cè)壁25和第一壓電疊堆26的接觸面設(shè)有1(Γ 5度的角度，這使得第一壓電疊堆26主要受平行于極化電場(chǎng)的拉伸和壓縮力。能量采集電路5中設(shè)有兩個(gè)整流橋8分別與壓電片24和第一壓電疊堆26相連，使壓電輸出的交流電變成單向輸出的直流電，減少了兩種結(jié)構(gòu)輸出電量的耦合作用，合理設(shè)計(jì)濾波電容9的數(shù)值能提供較穩(wěn)定的電壓給負(fù)載10。本實(shí)施例的其他實(shí)施方式和實(shí)施例I相同。本實(shí)施例中當(dāng)振動(dòng)元件I振動(dòng)時(shí)，動(dòng)カ吸振器4便會(huì)在某段頻率發(fā)生共振，由于懸臂梁23是靠第三支架21和第四支架22固定的，這樣便會(huì)在兩個(gè)壓電疊堆上產(chǎn)生交變的應(yīng)力，而且由于懸臂梁23的自由部分長(zhǎng)度較長(zhǎng)，質(zhì)量塊6上下振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)カ在第四支架22上會(huì)產(chǎn)生杠桿放大作用，這將大大增加壓電疊堆的發(fā)電能力。第一壓電疊堆26的長(zhǎng)度方向沿懸臂梁23的寬度方向布置，這樣可以減小懸臂梁23固定部分的長(zhǎng)度，増加杠桿的放大作用。實(shí)際上，由于采用懸臂梁23，動(dòng)カ吸振器4的共振頻率較多，可以在多個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行高效的振動(dòng)能量收集。實(shí)施例5
如圖5所示，本實(shí)施例采用壓電常數(shù)較大(d15)的厚度剪切模，第二壓電疊堆27粘貼于豎直側(cè)壁25，側(cè)壁25和第二壓電疊堆27的接觸面沒(méi)有角度。本實(shí)施例中，弾性元件7包括懸臂梁23、第五支架28和第六支架29,其中第五支架28 —端固定在側(cè)壁25上,一端和懸臂梁23相連,第六支架29 —端固定在蓋板3上,一端和懸臂梁23相連。懸臂梁23的兩側(cè)設(shè)有壓電片24。本實(shí)施例的其他實(shí)施方式和實(shí)施例4相同。
權(quán)利要求
1.一種多頻段壓電振動(dòng)能量收集器，包括壓電元件、蓋板、動(dòng)カ吸振器和能量采集電路，其特征在于，還包括側(cè)壁(25)，所述的壓電元件是由壓電片(24)與懸梁臂(23)組成的壓電懸梁臂結(jié)構(gòu)和第二壓電疊堆(27)構(gòu)成，第二壓電疊堆(27)粘附于所述的側(cè)壁(25)上，第二壓電疊堆(27)上設(shè)有蓋板(3)，所述的動(dòng)力吸振器包括質(zhì)量塊(6)和阻尼比小于O. 3的弾性元件，其中質(zhì)量塊和弾性元件相連，所述的彈性元件包括第五支架(28)、第六支架(29)和懸梁臂(23)，其中懸梁臂(23)的一端分別和第五支架(28)及第六支架(29)的一端活動(dòng)連接，該第五支架(28)的另一端與所述的側(cè)壁(25)固定連接，該第六支架(29)的另一端與所述的蓋板(3)固定相連，能量采集電路和壓電元件相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多頻段壓電振動(dòng)能量收集器，其特征在于，所述的懸梁臂(23)的兩側(cè)分別設(shè)有壓電片(24)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多頻段壓電振動(dòng)能量收集器，其特征是，所述的能量收集電路是全橋整流濾波電路或幾個(gè)全橋整流電路的并聯(lián)。
全文摘要
一種多頻段壓電振動(dòng)能量收集器，包括壓電元件、蓋板、動(dòng)力吸振器、能量采集電路和側(cè)壁，壓電元件是由壓電片與懸梁臂組成的壓電懸梁臂結(jié)構(gòu)和第二壓電疊堆構(gòu)成，第二壓電疊堆粘附于所述的側(cè)壁上，第二壓電疊堆上設(shè)有蓋板，動(dòng)力吸振器包括質(zhì)量塊和阻尼比小于0.3的彈性元件，其中質(zhì)量塊和彈性元件相連，彈性元件包括第五支架、第六支架和懸梁臂。本發(fā)明可以將工作頻率設(shè)計(jì)在多個(gè)頻段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)易于應(yīng)用的、高效的振動(dòng)能量的收集。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102664555SQ20121014950
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者劉海利, 徐天柱, 王兆強(qiáng), 陽(yáng)天亮, 陳加浪, 陳大躍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)