專(zhuān)利名稱(chēng)：壓電能量收集裝置、系統(tǒng)及使用該裝置的發(fā)電鞋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及壓電材料能量轉(zhuǎn)化與收集技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電能量收集裝置、系統(tǒng)及使用該裝置的發(fā)電鞋。
背景技術(shù)：
采用能量收集裝置從周?chē)@取能量，并將其轉(zhuǎn)換為有用的電能從而取代電池作為一種新的供電方式越來(lái)越引起人們的重視，這些能量包括太陽(yáng)能、熱能、電磁能以及機(jī)械能等，其中，機(jī)械能中的機(jī)械振動(dòng)能來(lái)源廣泛，如風(fēng)力、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、液體流動(dòng)及人的運(yùn)動(dòng)等。與電池供電相比，這種自供電方式可以減少污染和降低因更換電池導(dǎo)致的維護(hù)成本以及因耗盡電能帶來(lái)的工作故障。尤其是，將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并對(duì)嵌入式的微電子設(shè)備或人體健康監(jiān)測(cè)傳感器供電也引起很多研究者的興趣。將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能所采用的方法一般有三種壓電式、靜電式和電磁式，其中，基于壓電振動(dòng)的微能量收集方式由 于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小而得到廣泛地應(yīng)用。壓電材料之所以能將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，是因?yàn)樵谕饬Φ淖饔孟聣弘姴牧袭a(chǎn)生變形，它的表面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)極化電荷從而產(chǎn)生電場(chǎng)，它具有較高的能量密度，無(wú)需單獨(dú)的電源，將這種利用壓電效應(yīng)而產(chǎn)生能量的裝置稱(chēng)為壓電微能量收集器(piezoelectric micro power generator, PMPG)。典型壓電能量收集裝置一般都采用三層機(jī)構(gòu)的矩形懸臂梁，上下兩層為壓電材料，中間的金屬層用于提高結(jié)構(gòu)剛性。但是，由于工作環(huán)境中的振動(dòng)形式通常具有頻率偏低、頻率成分多的特點(diǎn)，振動(dòng)結(jié)構(gòu)所需要的高頻頻率(IOOHf300Hz )難以與外部環(huán)境所存在的低頻頻率(低于IOHz)匹配，使得振動(dòng)結(jié)構(gòu)工作在非諧振狀態(tài)而能量收集效果急劇下降。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型實(shí)施例所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種碰撞式壓電能量收集裝置、系統(tǒng)及發(fā)電鞋，從實(shí)際工作環(huán)境中收集低頻振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)能量。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型實(shí)施例提出了一種壓電能量收集裝置，包括固定座；固設(shè)于固定座上的導(dǎo)桿和壓電懸臂梁；滑動(dòng)地安裝于導(dǎo)桿上的碰撞體；固設(shè)于壓電懸臂梁的自由端的、用于與滑動(dòng)的碰撞體發(fā)生碰撞以使壓電懸臂梁振動(dòng)并發(fā)電的碰撞塊。進(jìn)一步地，所述碰撞塊的碰撞端與碰撞體的接觸面為外凸式的圓滑曲面。進(jìn)一步地，所述圓滑曲面為兩個(gè)鄰接的弧形曲面，靠近壓電懸臂梁的固定端的弧形曲面所對(duì)應(yīng)的圓弧的半徑小于遠(yuǎn)離所述固定端的弧形曲面所對(duì)應(yīng)的圓弧的半徑。進(jìn)一步地，所述碰撞體為圓球體或橢球體。進(jìn)一步地，所述壓電懸臂梁與所述導(dǎo)桿平行設(shè)置。進(jìn)一步地，所述碰撞塊對(duì)應(yīng)于導(dǎo)桿的中間位置。進(jìn)一步地，所述固定座包括方管；設(shè)于方管的兩端、由導(dǎo)桿依次穿過(guò)并通過(guò)在導(dǎo)桿的設(shè)螺紋的一端安裝螺母以進(jìn)行緊固的端蓋；及固定于方管的外表面的墊片，壓電懸臂梁的固定端固設(shè)于墊片上。進(jìn)一步地，固定座還包括固設(shè)于方管的對(duì)應(yīng)于壓電懸臂梁一側(cè)的、用于保護(hù)壓電懸臂梁的防護(hù)罩。相應(yīng)地，本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種壓電能量收集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括如上所述的壓電能量收集裝置及電連接于所述壓電懸臂梁的儲(chǔ)電裝置。同時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種發(fā)電鞋，由鞋底和鞋幫組成，鞋幫內(nèi)嵌設(shè)有如上所述的壓電能量收集裝置。本實(shí)用新型實(shí)施例的壓電能量收集裝置、系統(tǒng)及發(fā)電鞋的有益效果是通過(guò)采用滑動(dòng)設(shè)置的碰撞體與設(shè)于壓電懸臂梁的自由端的碰撞塊產(chǎn)生碰撞的技術(shù)手段，從而將碰撞體的低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻的壓電懸臂梁的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了收集低頻振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)能量的技術(shù)效果，在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得較大的輸出功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，可在較寬的環(huán)境振動(dòng)頻率范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的功率。

圖I是本實(shí)用新型實(shí)施例的壓電能量收集裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的壓電能量收集裝置的分解示意圖。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的壓電能量收集裝置的原理示意圖。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的碰撞體的去程碰撞時(shí)的力學(xué)分析示意圖。圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例的碰撞體的回程碰撞時(shí)的力學(xué)分析示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參考圖f圖3，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種壓電能量收集裝置，包括固定座10、固設(shè)于固定座10上的導(dǎo)桿20、滑動(dòng)地安裝于導(dǎo)桿20上的碰撞體30、呈懸臂梁式設(shè)置于固定座10上的壓電懸臂梁40及固設(shè)于壓電懸臂梁40上的碰撞塊50。所述固定座10包括方管11、固設(shè)于方管11兩端的端蓋13、固定于方管11的外表面的墊片15及防護(hù)罩17。方管11為橫截面為四方形的長(zhǎng)管。端蓋13與方管11相互匹配地設(shè)于方管11的兩端，端蓋13的中間設(shè)有通孔，兩通孔由導(dǎo)桿20依次穿過(guò)并通過(guò)在導(dǎo)桿20的設(shè)螺紋的一端安裝螺母21以進(jìn)行緊固。墊片15固定于方管11的外表面，壓電懸臂梁40固設(shè)于墊片15上。墊片15的高度可根據(jù)需要調(diào)整更換，以調(diào)整碰撞塊50與碰撞體30的高度差至預(yù)定值。防護(hù)罩17固設(shè)于方管11的對(duì)應(yīng)于壓電懸臂梁40 —側(cè)，用于保護(hù)壓電懸臂梁40，防止外力破壞，還可以防止壓電懸臂梁40振動(dòng)時(shí)變形過(guò)大而破裂。導(dǎo)桿20的一端為阻止端，用于防止端蓋13脫落，另一端設(shè)有螺紋，用于安裝螺母21。組裝時(shí)，導(dǎo)桿20的設(shè)螺紋的一端依次穿過(guò)一端蓋13的通孔、碰撞體30及另一端蓋13的通孔后在設(shè)螺紋的一端安裝螺母21，從而將端蓋13、導(dǎo)桿20及方管11緊固為一體。其中，由于整個(gè)壓電能量收集裝置是便攜式的，為減輕重量，方管11、端蓋13、導(dǎo)桿20及碰撞塊50均采用鋁材料。碰撞體30為圓球體或橢球體，本實(shí)施方式中，采用圓球體。碰撞體30中設(shè)有供導(dǎo)桿20穿過(guò)的穿孔，且采用金屬材料制成，作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，采用鋼材料制成，以增加質(zhì)量進(jìn)而增大動(dòng)量，從而增大沖量使得壓電懸臂梁40易發(fā)生彎曲變形。壓電懸臂梁40呈懸臂梁式設(shè)置于固定座10上，包括固定端41和自由端43，固定端41固設(shè)于墊片15上。壓電懸臂梁40與所述導(dǎo)桿20平行設(shè)置，包括一金屬層和固設(shè)于金屬層上的至少一個(gè)壓電層，壓電層上設(shè)有用于電連接的電極(圖中未不)。本實(shí)施方式中，壓電懸臂梁40包括設(shè)于中間的金屬層和兩個(gè)分別固設(shè)于金屬層上、下表面的壓電層。碰撞塊50固設(shè)于壓電懸臂梁40的自由端43,對(duì)應(yīng)于導(dǎo)桿20的中間位置,也即在靜止?fàn)顟B(tài)下，碰撞塊50懸置于導(dǎo)桿20的中間位 置的上方。碰撞塊50用于與碰撞體30發(fā)生碰撞以使壓電懸臂梁40振動(dòng)并發(fā)電。在第一實(shí)施方式中，所述碰撞塊50的碰撞端與碰撞體30的接觸面為外凸式的圓滑曲面，此種設(shè)計(jì)可以保證碰撞體30在頂起壓電懸臂梁40后很輕易地向前繼續(xù)移動(dòng)，此時(shí)壓電懸臂梁40在自身的諧振頻率下做衰減振動(dòng)。當(dāng)碰撞體30在外力作用下連續(xù)地往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電懸臂梁40便會(huì)持續(xù)地發(fā)生彎曲變形，不斷地做衰減振動(dòng)。在第二實(shí)施方式中，與第一實(shí)施方式更進(jìn)一步的是，所述圓滑曲面為兩個(gè)鄰接的弧形曲面，靠近壓電懸臂梁40的固定端41的弧形曲面所對(duì)應(yīng)的圓弧的半徑小于遠(yuǎn)離所述固定端41的弧形曲面所對(duì)應(yīng)的圓弧的半徑。請(qǐng)一并參考圖4和圖5，碰撞體30的半徑為Rb，靠近固定端41的圓弧對(duì)應(yīng)的半徑為Rs,遠(yuǎn)離固定端41的圓弧對(duì)應(yīng)的半徑為Rl,碰撞時(shí)作用力沿相接觸的兩圓弧切點(diǎn)處的法線方向，該作用力可以分解為水平方向(X方向)和豎直方向(y方向)的兩個(gè)分力，主要是利用豎直方向的分力向上頂起壓電懸臂梁40，使得壓電懸臂梁40發(fā)生彎曲變形，從而在碰撞體30滑過(guò)后也即作用力消除后產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)電。而Rs小于Rb,即碰撞塊50的碰撞端與碰撞體30的接觸面對(duì)應(yīng)的縱向截面為非對(duì)稱(chēng)形狀,在碰撞體30往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞時(shí)均利于頂起壓電懸臂梁40。如圖4所示，碰撞體30沿導(dǎo)桿20從壓電懸臂梁40對(duì)應(yīng)的固定端41向自由端43方向滑動(dòng)稱(chēng)為去程，去程碰撞的作用力F沿相接觸的兩圓弧切點(diǎn)處的法線方向，該力可以分解為沿X方向和y方向的分力Fx和Fy，且方向垂直，沿豎直方向的分力Fy要大于水平方向的分力Fx，而水平方向的分力Fx所產(chǎn)生的力矩是防止壓電懸臂梁40向上彎曲的，從而，利于頂起壓電懸臂梁40。如圖5所示，碰撞體30沿導(dǎo)桿20從壓電懸臂梁40對(duì)應(yīng)的自由端43向固定端41方向滑動(dòng)稱(chēng)為回程，回程碰撞時(shí)的作用力F'沿相接觸的兩圓弧切點(diǎn)處的法線方向，該力可以分解為沿X方向和y方向的分力Fx'和Fy'，且方向垂直，F(xiàn)y'使得壓電懸臂梁40向上彎曲，而Fx'產(chǎn)生的彎矩使得壓電懸臂梁40向下彎曲，F(xiàn)x'使壓電懸臂梁40拱起不利于壓電懸臂梁40向上彎曲變形而產(chǎn)生振動(dòng)。而Rs小于Rb的非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)相對(duì)于Rs等于Rb的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，F(xiàn)'與水平方向的夾角a要大于對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)的夾角，這樣可以增大沿豎直方向的分力Fy'，減小沿水平方向的分力Fx'，從而使得壓電懸臂梁40更易向上彎曲變形。同時(shí)，本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種壓電能量收集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括如上所述的壓電能量收集裝置及電連接于所述壓電能量收集裝置的儲(chǔ)電裝置。此外，本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種發(fā)電鞋，由鞋底和鞋幫組成，鞋幫內(nèi)嵌設(shè)有如上所述的壓電能量收集裝置。作為一種實(shí)施方式，壓電能量收集裝置綁定于用戶的腳脖或腳踝等處，作為另一種實(shí)施方式，壓電能量收集裝置與鞋子結(jié)合構(gòu)成發(fā)電鞋，具體地，所述壓電能量收集裝置嵌設(shè)于鞋幫的對(duì)應(yīng)于腳踝位置。從而，當(dāng)人走動(dòng)時(shí)，碰撞體30就會(huì)往復(fù)移動(dòng)與碰撞塊50碰撞使壓電懸臂梁40持續(xù)振動(dòng)而產(chǎn)生電能，電連接于壓電能量收集裝置的儲(chǔ)電裝置便不斷收集所產(chǎn)生的電能，并給人體健康檢測(cè)傳感器或便攜式微電子裝置供電。綜上，本實(shí)用新型實(shí)施例的壓電能量收集裝置、系統(tǒng)及發(fā)電鞋具有如下優(yōu)點(diǎn)I、平行碰撞的方法可以節(jié)約空間，提高能量收集密度。2、利用頻率向上轉(zhuǎn)換策略，即低頻的輸入驅(qū)動(dòng)高頻的振動(dòng)。3、圓弧型的接觸可以使碰撞體30很輕易通過(guò)而不損壞壓電懸臂梁40。4、高度可調(diào)的設(shè)計(jì)保證了壓電懸臂梁40穩(wěn)定的工作性能。5、便攜式的設(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)換人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能并給附加在人體的人體健康檢測(cè)傳 感器或便攜式微電子裝置供電。以上所述是本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種壓電能量收集裝置，其特征在于，所述裝置包括 固定座； 固設(shè)于固定座上的導(dǎo)桿和壓電懸臂梁； 滑動(dòng)地安裝于導(dǎo)桿上的碰撞體； 固設(shè)于壓電懸臂梁的自由端的、用干與滑動(dòng)的碰撞體發(fā)生碰撞以使壓電懸臂梁振動(dòng)并發(fā)電的碰撞塊。
2.如權(quán)利要求I所述的壓電能量收集裝置，其特征在于，所述碰撞塊的碰撞端與碰撞體的接觸面為外凸式的圓滑曲面。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電能量收集裝置，其特征在于，所述圓滑曲面為兩個(gè)鄰接的弧形曲面，靠近壓電懸臂梁的固定端的弧形曲面所對(duì)應(yīng)的圓弧的半徑小于遠(yuǎn)離所述固定端的弧形曲面所對(duì)應(yīng)的圓弧的半徑。
4.如權(quán)利要求I所述的壓電能量收集裝置，其特征在于，所述碰撞體為圓球體或橢球體。
5.如權(quán)利要求I所述的壓電能量收集裝置，其特征在于，所述壓電懸臂梁與所述導(dǎo)桿平行設(shè)置。
6.如權(quán)利要求I所述的壓電能量收集裝置，其特征在于，所述碰撞塊對(duì)應(yīng)于導(dǎo)桿的中間位置。
7.如權(quán)利要求I所述的壓電能量收集裝置，其特征在于，所述固定座包括 方管； 設(shè)于方管的兩端、由導(dǎo)桿依次穿過(guò)并通過(guò)在導(dǎo)桿的設(shè)螺紋的一端安裝螺母以進(jìn)行緊固的端蓋；及 固定于方管的外表面的墊片，壓電懸臂梁的固定端固設(shè)于墊片上。
8.如權(quán)利要求I所述的壓電能量收集裝置，其特征在干，固定座還包括固設(shè)于方管的對(duì)應(yīng)于壓電懸臂梁ー側(cè)的、用于保護(hù)壓電懸臂梁的防護(hù)罩。
9.一種壓電能量收集系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括如權(quán)利要求I 8中任ー項(xiàng)所述的壓電能量收集裝置及電連接于所述壓電懸臂梁的儲(chǔ)電裝置。
10.一種發(fā)電鞋，由鞋底和鞋幫組成，其特征在于，鞋幫內(nèi)嵌設(shè)有如權(quán)利要求I 8中任ー項(xiàng)所述的壓電能量收集裝置。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種壓電能量收集裝置、系統(tǒng)及使用該裝置的發(fā)電鞋，所述裝置包括固定座；固設(shè)于固定座上的導(dǎo)桿和壓電懸臂梁；滑動(dòng)地安裝于導(dǎo)桿上的碰撞體；固設(shè)于壓電懸臂梁的自由端的、用于與滑動(dòng)的碰撞體發(fā)生碰撞以使壓電懸臂梁振動(dòng)并發(fā)電的碰撞塊。一種壓電能量收集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括如上所述的壓電能量收集裝置及電連接于所述壓電懸臂梁的儲(chǔ)電裝置。一種發(fā)電鞋，由鞋底和鞋幫組成，鞋幫內(nèi)嵌設(shè)有如上所述的壓電能量收集裝置。本實(shí)用新型的壓電能量收集裝置通過(guò)采用滑動(dòng)設(shè)置的碰撞體與設(shè)于壓電懸臂梁的懸空自由端的碰撞塊產(chǎn)生碰撞的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了收集低頻振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)能量的技術(shù)效果，在低頻振動(dòng)環(huán)境下獲得較大的輸出功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，可在較寬的環(huán)境振動(dòng)頻率范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的功率。
文檔編號(hào)H02N2/18GK202586803SQ20122013268
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者魏勝, 胡泓 申請(qǐng)人:深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院