專利名稱：壓電振動(dòng)電池裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電發(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)：
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)備無需頻繁更換電池，或頻繁為電池充電，提高了電子設(shè)備的免維護(hù)性。其典 型應(yīng)用包括為無線傳感器或無線傳感網(wǎng)絡(luò)等無線電子設(shè)備，或手機(jī)、手電筒等可移動(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。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。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，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也公開了一種為微型無線傳感網(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W02007121092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。中國(guó)專利CN1696499A公開了一種壓電發(fā)電系統(tǒng)，利用壓電元件和碰撞機(jī) 構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)，壓電元件發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電能。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。美國(guó)專利US 7521842 B2公開了一種磁致伸縮/壓電電池，把壓電材料粘貼在磁 致伸縮材料上，當(dāng)周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁致伸縮材料發(fā)生變形，使壓電材料由于變形產(chǎn) 生電能。這種電池必須置于變化的磁場(chǎng)中才能產(chǎn)生電能，而且由于磁致伸縮材料變形量小， 電池產(chǎn)生的電能也較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將壓電發(fā)電裝置制成電池形狀，把自然環(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能 轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)電池，安裝在電子設(shè)備中，為設(shè)備供電。由于環(huán)境和人體的振動(dòng)隨處可得，且振動(dòng)導(dǎo)致壓電材料的變形量較大，本發(fā)明的壓電振動(dòng)電池裝置發(fā)電量大、應(yīng)用范圍廣?！N壓電振動(dòng)電池裝置，其特征在于包括外殼、安裝于外殼內(nèi)側(cè)的若干懸壁板、 通過上述懸壁板與外殼相連的質(zhì)量塊；上述懸壁板中其中多個(gè)平行的懸壁板組成一列，多 列懸臂板環(huán)繞質(zhì)量塊排列；上述懸壁板兩面均粘貼有至少一片壓電元件；上述壓電元件由 第一電極、壓電材料、第二電極組成；上述外殼內(nèi)還安裝有用于將所述懸臂板上壓電元產(chǎn)生 的交流電轉(zhuǎn)換成直流電的整流器、用于將整流器轉(zhuǎn)換的直流電對(duì)儲(chǔ)能元件裝置充電，控制 充電電壓和電流，并防止儲(chǔ)能元件對(duì)壓電元件反向充電的充電控制器、用于儲(chǔ)存電能并通 過電極向外供電的儲(chǔ)能元件；所有壓電元件采用并聯(lián)或串聯(lián)方式依次與上述整流器、充電 控制器、儲(chǔ)能元件相連；上述外殼的一端與與儲(chǔ)能元件相連作為電池正極、另一端與儲(chǔ)能元 件相連作為電池負(fù)極。目前的壓電發(fā)電專利中，壓電元件是整塊貼在懸臂梁或懸臂板的兩面，本發(fā)明中 懸臂板的兩面粘貼多片壓電片，一方面降低了懸臂板的一階彎曲諧振頻率，另一方面也使 壓電元件在使用過程不易損壞，增加了裝置的使用壽命。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，本發(fā)明將多個(gè)兩面貼有多片壓電片的懸臂板 平行排成一列，將個(gè)列環(huán)繞質(zhì)量塊排列，提高了發(fā)電量和空間利用率。質(zhì)量塊懸空放置，當(dāng)裝置的外殼隨環(huán)境的振動(dòng)而發(fā)生振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊沿著自己的 軸線發(fā)生振動(dòng)，迫使懸臂板也發(fā)生振動(dòng)，表面發(fā)生周期性變形，粘貼在懸臂板表面的壓電元 件也發(fā)生周期性變形，由于壓電效應(yīng)，產(chǎn)生交變電能。壓電元件產(chǎn)生的交變電能經(jīng)過整流 器，變換成直流電能，通過充電控制器，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件，并通過兩個(gè)電極，向外供電。電極 安裝在裝置外殼上，可以很方便地對(duì)外供電。裝置中懸臂板上所有壓電元件串聯(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。 上述整流器、充電控制器和儲(chǔ)能元件可以都安裝在質(zhì)量塊上。既節(jié)省了空間，又增 加了質(zhì)量塊的質(zhì)量。上述質(zhì)量塊還可通過彈性繩索或彈簧分別與外殼頂部和底部連接。當(dāng)環(huán)境的振動(dòng) 幅度過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量塊的振動(dòng)幅度過大，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，質(zhì)量塊和裝置外殼之間用彈性繩索或彈簧相連，長(zhǎng)度長(zhǎng)于靜止?fàn)顟B(tài) 時(shí)質(zhì)量塊和裝置外殼間的距離。當(dāng)環(huán)境振動(dòng)幅度過大時(shí)，繩索就起到保護(hù)壓電元件的作用。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖1為壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為懸臂板的正視圖。圖3為懸臂板的俯視圖。圖4為壓電振動(dòng)電池的剖面俯視圖。圖5為壓電振動(dòng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為懸臂板固定于質(zhì)量塊的局部放大圖。圖7為懸臂板固定于裝置外殼的局部方大圖。圖中標(biāo)號(hào)名稱1、第一電極，2、壓電材料，3、第二電極，4、壓電元件5、懸壁板，6、 質(zhì)量塊，7、外殼，8、電池正極，9、彈性繩索或彈簧，10、整流器，11、充電控制器，12、儲(chǔ)能元 件，13、電池負(fù)極
具體實(shí)施例方式圖1描述了壓電元件的結(jié)構(gòu)，壓電元件包括壓電材料2、第一電極1和第二電極3。 其中的第一電極1和第二電極3涂鍍?cè)趬弘姴牧系膬擅妫瑝弘姴牧衔挥?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。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)的正視圖和俯視圖，至 少一個(gè)壓電元件4通過膠層地粘貼在懸臂板5上。懸臂板的彎曲諧振頻率由懸臂板、壓電 元件的材料、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。圖4和圖5描述了壓電振動(dòng)電池的剖面俯視圖和正視圖，至少兩個(gè)相互平行的懸 臂板組成一列，多列懸臂板環(huán)繞質(zhì)量塊6排列。整流器10、充電控制器11和儲(chǔ)能元件12安 裝在質(zhì)量塊上。質(zhì)量塊的兩端通過彈性繩索或彈簧和裝置外殼相連，長(zhǎng)度長(zhǎng)于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí) 質(zhì)量塊和裝置外殼間的距離，當(dāng)裝置外殼的振幅過大時(shí)，可以抑制質(zhì)量塊的振幅，避免壓電 元件損壞。電源正極8和電源負(fù)極13安裝在裝置外殼上。整個(gè)裝置的電氣連接方式是所有壓電元件用串聯(lián)或并聯(lián)方式連接到整流器10， 整流器10連接到充電控制器11，充電控制器11連接到儲(chǔ)能元件12，儲(chǔ)能元件連接到電源 正極8和電源負(fù)極13。圖6描述了懸臂板5 —端固定在質(zhì)量塊6上，一端搭在裝置外殼7的凹槽中。圖7描述了懸臂板5—端固定在裝置外殼7上，一端搭在質(zhì)量塊6的凹槽中。圖6 和圖7描述的結(jié)構(gòu)，在質(zhì)量塊發(fā)生振動(dòng)時(shí)，驅(qū)使懸臂板也發(fā)生振動(dòng)，懸臂板的表面產(chǎn)生振動(dòng) 變形，粘貼在懸臂板表面的壓電也將產(chǎn)生振動(dòng)變形，由于壓電效應(yīng)，壓電元件將振動(dòng)機(jī)械能 轉(zhuǎn)換成交變電能，輸出到整流器10 ；整流器10將交變電能轉(zhuǎn)換成直流電能，通過充電控制 器11，對(duì)儲(chǔ)能元件12充電；儲(chǔ)能元件12儲(chǔ)存電能后，通過電源正極8和電源負(fù)極13向外 ^[共 o本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的壓電振動(dòng)電池，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，懸臂板和質(zhì)量塊、裝置外殼的連接方式，壓電元件的電 氣連接方式，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。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。上述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)合材料之一或其種幾種組合制成。 上儲(chǔ)能元件12為可充電電池或電容。
權(quán)利要求
一種壓電振動(dòng)電池裝置，其特征在于包括外殼(7)、安裝于外殼內(nèi)側(cè)的若干懸壁板(5)、通過上述懸壁板與外殼相連的質(zhì)量塊(6)；上述懸壁板中多個(gè)平行的懸壁板組成一列，多列懸臂板環(huán)繞質(zhì)量塊排列；上述懸壁板兩面均粘貼有至少一片壓電元件(4)；上述壓電元件由第一電極(1)、壓電材料(2)、第二電極(3)組成；上述外殼(7)內(nèi)還安裝有用于將所述懸臂板上壓電元產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電的整流器、用于將整流器轉(zhuǎn)換的直流電對(duì)儲(chǔ)能元件裝置充電，控制充電電壓和電流，并防止儲(chǔ)能元件對(duì)壓電元件反向充電的充電控制器、用于儲(chǔ)存電能并通過電極向外供電的儲(chǔ)能元件；所有壓電元件采用并聯(lián)或串聯(lián)方式依次與上述整流器(10)、充電控制器(11)、儲(chǔ)能元件(12)相連；上述外殼(7)的一端與與儲(chǔ)能元件(12)相連作為電池正極(8)、另一端與儲(chǔ)能元件(12)相連作為電池負(fù)極(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電振動(dòng)電池裝置，其特征在于上述整流器(10)、充電控制 器(11)和儲(chǔ)能元件(12)都安裝在質(zhì)量塊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電振動(dòng)電池裝置，其特征在于上述質(zhì)量塊(6)通過彈性 繩索或彈簧(9)分別與外殼(7)頂部和底部連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電振動(dòng)電池裝置，其特征在于所述懸臂板(5)—端固定 在外殼(7)上，另一端搭在質(zhì)量塊(6)上；或懸臂板的一端固定在質(zhì)量塊(6)上，另一端搭 在裝置外殼(7)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電振動(dòng)電池裝置，其特征在于上述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)合材料之一或其種幾種組合制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電振動(dòng)電池裝置，其特征在于儲(chǔ)能元件(12)為可充電電 池或電容。
全文摘要
一種壓電振動(dòng)電池裝置，涉及壓電發(fā)電裝置。包括外殼(7)、安裝于外殼內(nèi)側(cè)的若干懸壁板(5)、通過上述懸壁板與外殼相連的質(zhì)量塊(6)；上述懸壁板兩面均粘貼有至少一片壓電元件(4)；上述外殼(7)內(nèi)還安裝有整流器(10)、充電控制器(11)、儲(chǔ)能元件(12)；上述外殼(7)的一端與與儲(chǔ)能元件(12)相連作為電池正極(8)、另一端與儲(chǔ)能元件(12)相連作為電池負(fù)極(13)。本發(fā)明可以將環(huán)境的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，代替普通電池為移動(dòng)電子設(shè)備供電，免于為電池充電或更換電池，減小傳統(tǒng)化學(xué)電池的使用量。
文檔編號(hào)H02N2/18GK101860260SQ201010156710
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者邊義祥 申請(qǐng)人:邊義祥