壓電能量收集裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種壓電能量收集裝置，包括基座、懸臂、壓電材料以及質(zhì)量塊，所述壓電材料設(shè)置在所述懸臂的一面上，所述懸臂的一端固定在所述基座上，所述懸臂的另一端的兩面上分別固定一個(gè)所述質(zhì)量塊，兩個(gè)所述質(zhì)量塊上下對接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。該壓電能量收集裝置可提高壓電材料的利用效率、改善響應(yīng)頻率帶寬從而提高能量收集效率。
【專利說明】
壓電能量收集裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種能量收集裝置，尤其涉及一種壓電能量收集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著低功率無線傳感器以及便攜式設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，電池功能凸顯出諸多缺點(diǎn)，如壽命和能量密度有限、更換維護(hù)麻煩、污染環(huán)境等。而壓電能量收集裝置作為一種新型的微型能量收集裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)熱量小、無電磁干擾、易于加工制作、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置100采用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖1a所示，其主要由矩形懸臂101，質(zhì)量塊102，壓電材料103和基座104組成，懸臂101的固定端固定在基座104上，自由端上設(shè)有質(zhì)量塊102，壓電材料103設(shè)置在懸臂101的固定端，外界振動(dòng)通過基座104傳遞到懸臂1I上從而引起壓電材料103變形，繼而通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能。
[0003]然而，上述結(jié)構(gòu)存在一定問題，例如當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，懸臂101在固定端的應(yīng)變最大，在自由端的應(yīng)變最小，在懸臂101的長度方向上從固定端到自由端，應(yīng)變的大小變化幅度大，如圖1b所示。當(dāng)懸臂101的固定端的應(yīng)力達(dá)到壓電材料103的應(yīng)力極限時(shí)，壓電材料103的另一端卻遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限，因此壓電材料103沒有得到完全利用。另外，上述傳統(tǒng)的裝置只有在特定頻率振動(dòng)下(能量收集裝置的固有振動(dòng)頻率)才能收集到較高功率的電能，若偏離此頻率，裝置收集能量的能力則大幅下降，如圖1c所示，所以此結(jié)構(gòu)對外部激勵(lì)頻率限制較大。
[0004]因此，亟待一種改進(jìn)的壓電能量收集裝置，以克服上述缺陷。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種壓電能量收集裝置，其可提高壓電材料的利用效率、改善響應(yīng)頻率帶寬從而提高能量收集效率。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型壓電能量收集裝置，包括基座、懸臂、壓電材料以及質(zhì)量塊，所述壓電材料設(shè)置在所述懸臂的一面上，所述懸臂的一端固定在所述基座上，所述懸臂的另一端的兩面上分別固定一個(gè)所述質(zhì)量塊，兩個(gè)所述質(zhì)量塊上下對接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本實(shí)用新型壓電能量收集裝置的懸臂的另一端的兩面上分別固定一個(gè)質(zhì)量塊，兩個(gè)質(zhì)量塊上下對接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，因此該閉環(huán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊在懸臂結(jié)構(gòu)上形成的旋轉(zhuǎn)模態(tài)均勻化了懸臂梁長度方向上的應(yīng)變分布，使得壓電材料的利用效率大幅提高。而且該閉環(huán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊形成的旋轉(zhuǎn)模態(tài)和擺動(dòng)模態(tài)接近，使得外部激勵(lì)頻率在裝置旋轉(zhuǎn)模態(tài)和擺動(dòng)模態(tài)之間時(shí)能量收集裝置均可得到較好的電壓輸出，達(dá)到寬頻帶的目的。
[0008]較佳地，其中一所述質(zhì)量塊呈倒U形，另一所述質(zhì)量塊呈U形，兩所述質(zhì)量塊上下對接形成所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0009]較佳地，每一所述質(zhì)量塊具有一水平部以及分別從所述水平部的兩端垂直延伸的豎直部。
[0010]較佳地，所述壓電材料固定在所述懸臂靠近所述基座的一端。
[0011]較佳地，所述壓電材料及所述懸臂為長方形片材。
[0012]較佳地，多個(gè)所述懸臂固定在所述基座上，每一所述懸臂上均設(shè)置有對應(yīng)的所述壓電材料，所述懸臂和所述壓電材料位于所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0013]通過以下的描述并結(jié)合附圖，本實(shí)用新型將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本實(shí)用新型的實(shí)施例。
【附圖說明】

[0014]圖1a為傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖1b為傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置的懸臂的應(yīng)變曲線圖。
[0016]圖1c為傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置的輸出電壓與環(huán)境頻率的響應(yīng)曲線圖。
[0017]圖2a為本實(shí)用新型壓電能量收集裝置的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖2b為圖2a的壓電能量收集裝置的懸臂的應(yīng)變曲線圖。
[0019]圖2c為圖2a的壓電能量收集裝置的輸出電壓與環(huán)境頻率的響應(yīng)曲線圖。
[0020]圖3a為本實(shí)用新型壓電能量收集裝置和傳統(tǒng)壓電能量收集裝置的懸臂的應(yīng)變曲線比較圖。
[0021]圖3b為本實(shí)用新型壓電能量收集裝置和傳統(tǒng)壓電能量收集裝置的輸出電壓與環(huán)境頻率的響應(yīng)曲線比較圖。
[0022]圖4a為本實(shí)用新型壓電能量收集裝置的第二實(shí)施例的立體圖。
[0023]圖4b為圖4a的分解圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將參考附圖闡述本實(shí)用新型幾個(gè)不同的最佳實(shí)施例，其中不同圖中相同的標(biāo)號(hào)代表相同的部件。如上所述，本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)在于一種壓電能量收集裝置，其可提高壓電材料的利用效率、改善響應(yīng)頻率帶寬從而提高能量收集效率。
[0025]圖1a展示了本實(shí)用新型壓電能量收集裝置200的第一實(shí)施例，該壓電能量收集裝置200包括基座201、懸臂202、壓電材料203以及質(zhì)量塊204。其中，壓電材料203設(shè)置在懸臂兩202的一面上，懸臂202的一端固定在基座201上，懸臂202的另一端的兩面上分別固定一個(gè)質(zhì)量塊204，兩個(gè)質(zhì)量塊204上下對接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0026]具體地，壓電材料203固定在懸臂202靠近基座201的一端，外界振動(dòng)通過基座201傳遞到懸臂202上。兩個(gè)質(zhì)量塊204和壓電材料203以及懸臂202—同構(gòu)成壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。懸臂202和壓電材料203均為長方形片材，較佳地，兩個(gè)質(zhì)量塊204分別連接在懸臂202的上下表面，而不接觸壓電材料203。
[0027]較佳地，壓電材料203為鋯鈦酸鉛(PZT)，懸臂202的材料為鈦(Ti)，基座201的材料為不銹鋼或鋁，質(zhì)量塊204的材料為銅。
[0028]在優(yōu)選的實(shí)施例中，兩質(zhì)量塊204呈閉環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖2a所示，其中一質(zhì)量塊204a呈倒U形，另一質(zhì)量塊204b呈U形，兩質(zhì)量塊204a，204b上下對接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。其中，質(zhì)量塊204a具有水平部214以及分別從水平部214的兩端垂直延伸的豎直部215。而且，質(zhì)量塊204a的質(zhì)量主要分布在兩豎直部215上，水平部214的質(zhì)量較豎直部215的小。另一質(zhì)量塊204b的結(jié)構(gòu)一致，在此不贅述。如圖所示，兩質(zhì)量塊的對應(yīng)豎直部相互對接，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，而懸臂202及壓電材料203位于閉環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)?；诒緦?shí)施例的上述結(jié)構(gòu)，選取振動(dòng)加速度為2.3m/s2，利用ANSYS仿真，觀察壓電材料203表面上的電動(dòng)勢和懸臂202的應(yīng)變，分別繪制壓電材料輸出電壓的頻率響應(yīng)曲線以及裝置在響應(yīng)頻率發(fā)生共振時(shí)懸臂黏貼壓電材料部分的應(yīng)變分布曲線，如圖2c和2b所示。通過圖3a，3b的對比圖可知，相較傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置100(虛線曲線)，本實(shí)施例(實(shí)線曲線)懸臂黏貼壓電材料部分的應(yīng)變均勻性有了顯著的提尚，大幅提尚了壓電材料的利用效率;在所受外界振動(dòng)加速度減小的情況下，環(huán)境頻率在6Hz?30Hz之間時(shí)，輸出的電壓均優(yōu)于傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置100，環(huán)境頻率在30Hz?47Hz之間時(shí)，輸出的電壓和傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置100相等。由此可見，本實(shí)施例的壓電收集裝置200的工作頻率帶寬大大優(yōu)于傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置100的工作頻率帶寬。
[0029]本實(shí)用新型的工作過程為:當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)通過基座201傳遞到懸臂梁結(jié)構(gòu)上時(shí)，振動(dòng)頻率與懸臂202的諧振頻率接近時(shí)，懸臂202會(huì)發(fā)生諧振，使得貼覆在其上的壓電材料203也隨之形變，從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。由于閉環(huán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊204在懸臂梁結(jié)構(gòu)上形成的旋轉(zhuǎn)模態(tài)均勻化了懸臂梁長度方向上的應(yīng)變分布，使得壓電材料203的利用效率大幅提高。而且該閉環(huán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊204形成的旋轉(zhuǎn)模態(tài)和擺動(dòng)模態(tài)接近，使得外部激勵(lì)頻率在裝置旋轉(zhuǎn)模態(tài)和擺動(dòng)模態(tài)之間時(shí)能量收集裝置均可得到較好的電壓輸出，達(dá)到寬頻帶的目的。
[0030]圖4a、4b展示了本實(shí)用新型壓電能量收集裝置300的第二實(shí)施例。為了增加裝置的收集功率，可以把多個(gè)第一實(shí)施例中的懸臂梁結(jié)構(gòu)以陣列的形式排列，如圖4b所示，多個(gè)懸臂302的一端連接在一起固定在基座301上，另一端為自由端，整體呈梳形，多個(gè)壓電材料303分別固定在懸臂302的每個(gè)梳牙上，同時(shí)通過線路板305連接并導(dǎo)通到外部電路中。兩塊U形質(zhì)量塊304分別固定在懸302梳牙自由端的上下表面，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，該懸臂302和壓電材料303位于閉環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)。壓電材料303、懸臂302及質(zhì)量塊304—同構(gòu)成壓電懸臂梁陣列結(jié)構(gòu)。需注意的是，本實(shí)施例中的質(zhì)量塊304的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例中的大致相同，僅僅尺寸、大小上稍有不同。閉環(huán)結(jié)構(gòu)同樣能起到如第一實(shí)施例的作用，即:在懸臂梁結(jié)構(gòu)上形成的旋轉(zhuǎn)模態(tài)均勻化了懸臂梁長度方向上的應(yīng)變分布，使得壓電材料303的利用效率大幅提高，而且該閉環(huán)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊304形成的旋轉(zhuǎn)模態(tài)和擺動(dòng)模態(tài)接近，使得外部激勵(lì)頻率在裝置旋轉(zhuǎn)模態(tài)和擺動(dòng)模態(tài)之間時(shí)能量收集裝置均可得到較好的電壓輸出，達(dá)到寬頻帶的目的。另外，本實(shí)施例的壓電能量收集裝置的結(jié)構(gòu)制造工序簡單，成本低廉。
[0031]可選地，質(zhì)量塊204/304的形狀可為C形，并不受限制，只要兩個(gè)質(zhì)量塊204/304上下相接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)即可。
[0032]以上所揭露的僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本實(shí)用新型之權(quán)利范圍，因此依本實(shí)用新型申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本實(shí)用新型所涵蓋的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓電能量收集裝置，包括基座、懸臂、壓電材料以及質(zhì)量塊，其特征在于:所述壓電材料設(shè)置在所述懸臂的一面上，所述懸臂的一端固定在所述基座上，所述懸臂的另一端的兩面上分別固定一個(gè)所述質(zhì)量塊，兩個(gè)所述質(zhì)量塊上下對接形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:其中一所述質(zhì)量塊呈倒U形，另一所述質(zhì)量塊呈U形，兩所述質(zhì)量塊上下對接形成所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)。3.如權(quán)利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:每一所述質(zhì)量塊具有一水平部以及分別從所述水平部的兩端垂直延伸的豎直部。4.如權(quán)利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:所述壓電材料固定在所述懸臂靠近所述基座的一端。5.如權(quán)利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:所述壓電材料及所述懸臂為長方形片材。6.如權(quán)利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:多個(gè)所述懸臂固定在所述基座上，每一所述懸臂上均設(shè)置有對應(yīng)的所述壓電材料，所述懸臂和所述壓電材料位于所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK205693581SQ201620513676
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月30日 公開號(hào)201620513676.5, CN 201620513676, CN 205693581 U, CN 205693581U, CN-U-205693581, CN201620513676, CN201620513676.5, CN205693581 U, CN205693581U
【發(fā)明人】解怡如, 馬威, 劉亞偉
【申請人】新科實(shí)業(yè)有限公司