專利名稱：一種力-電換能器及其陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械能量回收與發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種力-電換能器。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界，隨著不可再生能源的日益枯竭，環(huán)境能量回收與發(fā)電越來越成為各國(guó) 科學(xué)家所關(guān)注的課題，越來越多的科學(xué)家們投身于環(huán)境能量回收與發(fā)電裝置的研究，包括 環(huán)境中的光能、熱能、電磁能和機(jī)械與振動(dòng)能量回收與發(fā)電，發(fā)展了多種形式的能量回收裝 置。壓電能量回收裝置，是通過一種力_電換能器的壓電效應(yīng)直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸 出，與電磁能量回收裝置等相比較，有著明顯的優(yōu)勢(shì)。比如，它的裝置結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，同時(shí)具 有高的機(jī)械能-電能耦合系數(shù)和高的能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢(shì)，已在機(jī)械能回收與發(fā)電領(lǐng)域受 到普遍關(guān)注。近幾年以來，利用壓電原理回收機(jī)械能的力_電換能器發(fā)展很迅速，應(yīng)用包括 傳感器系統(tǒng)自供電，公路發(fā)電和海洋波動(dòng)等大功率發(fā)電等。傳統(tǒng)的基于壓電原理的力_電換能器，主要有(1)懸臂梁式壓電/金屬?gòu)?fù)合結(jié) 構(gòu)，一般工作在簡(jiǎn)單的彎曲振動(dòng)模式；(2)壓電/金屬“鈸式”復(fù)合結(jié)構(gòu)，工作在彎_張模 式；(3)壓電圓柱狀或圓片狀結(jié)構(gòu)，一般工作在簡(jiǎn)單的正壓力模式；(4)壓電高聚物薄膜結(jié) 構(gòu)，或壓電高聚物薄膜與金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)，一般工作在簡(jiǎn)單的正壓力或彎曲振動(dòng)模式。懸臂 梁式力_電換能器適合于低頻率、小振幅的機(jī)械振動(dòng)能量回收，不能承受大的壓力；壓電/ 金屬“鈸式”復(fù)合結(jié)構(gòu)是懸臂梁式力_電換能器的改進(jìn)版，但因工作在彎-張模式，在大的 張力作用下，脆性特征的壓電陶瓷或壓電單晶元件很容易受到損傷；壓電圓柱狀或圓片狀 力_電換能器雖可承受大的正壓力，但因其高的剛度導(dǎo)致非常高的諧振頻率，不適合于低 頻率振動(dòng)機(jī)械能量回收。柔性的壓電高聚物薄膜結(jié)構(gòu)力_電換能器可在低頻率下工作，也 可承受相對(duì)大的壓力，但其壓電性能遠(yuǎn)低于壓電陶瓷及壓電單晶性能。因此，有必要發(fā)展一 種改進(jìn)型的基于壓電原理的力_電換能器，可在低頻率和大的壓力下，高效率的回收機(jī)械 振動(dòng)和人體步行產(chǎn)生的機(jī)械能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓電原理和彎-壓模式的力-電換能器單元和陣 列，可在低頻率和大的壓力下高效率的回收機(jī)械振動(dòng)和人體步行產(chǎn)生的機(jī)械能。本發(fā)明提供的力_電換能器包括一對(duì)帶有中心內(nèi)孔的壓電單元，在上述兩個(gè)壓電 單元之間設(shè)有兩個(gè)上、下對(duì)稱排列的彎弓形的彈性元件，上述壓電單元與彈性元件通過預(yù) 緊裝置固定。所述壓電單元為環(huán)狀壓電陶瓷或壓電單晶，或由多個(gè)沿厚度方向極化的環(huán)形壓電 陶瓷或單晶沿軸向疊加構(gòu)成。每個(gè)壓電陶瓷或單晶在電路上，采用并聯(lián)連接而獲得的強(qiáng)化 的壓電效應(yīng)；其在受到縱向(軸向)作用力的情況下，可產(chǎn)生多倍的電流輸出。所述預(yù)緊裝置由一個(gè)螺桿，一對(duì)法蘭盤和螺母構(gòu)成，其中，兩個(gè)法蘭盤為環(huán)狀，分 別位于兩個(gè)壓電單元的內(nèi)側(cè)，其外表面有2條平行的槽，用于安裝上、下彈性元件，螺桿的直徑比壓電單元的內(nèi)徑小，其兩端分別穿過法蘭盤和壓電單元與螺母固定。彈性元件可用彈簧鋼或熱處理后的鈹銅等高強(qiáng)度的彈性材料制得。在彈性元件中 心處，可分別附帶有合適的質(zhì)量塊，當(dāng)存在外界振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，這些質(zhì)量塊因慣性力的作用也 產(chǎn)生一個(gè)施加于彈性片中心上的橫向力，再通過“彎-壓”模式變換，轉(zhuǎn)換為一個(gè)施加到壓 電堆上并被放大的縱向壓力而發(fā)電。上述力-電換能器，在電路上串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成換能器陣列。在本發(fā)明中彈性元件和壓電單元初始狀態(tài)都是處于被壓縮狀態(tài)。當(dāng)彈性元件受 到外界壓力或作受迫振動(dòng)時(shí)，會(huì)擠壓兩側(cè)的壓電堆，從而產(chǎn)生輸出電壓。特別是外界振動(dòng)激 勵(lì)頻率為力_電換能器中彎弓形彈性片的固有彎曲振動(dòng)模式諧振頻率時(shí)，換能器因諧振可 產(chǎn)生最強(qiáng)的機(jī)-電耦合，因而產(chǎn)生最大的電能輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于它是一種結(jié)構(gòu)緊湊的力_電換能器，利用壓電堆強(qiáng)化的壓電效應(yīng)將機(jī)械能直接轉(zhuǎn) 換為電能。同時(shí)發(fā)揮了壓電陶瓷或單晶的耐壓而不耐張(拉伸)的特性，使壓電單元始終 工作在壓縮模式，克服傳統(tǒng)彎_張模式力_電換能器的短壽命問題，可保證力_電換能器中 的發(fā)電單元在大壓力工作狀態(tài)下長(zhǎng)期工作和具有更長(zhǎng)的工作壽命。同時(shí)利用彎弓形彈性片 結(jié)構(gòu)，不僅可降低力_電換能器的諧振頻率，而且能將外界激勵(lì)振動(dòng)力放大，從而獲得更大 的能量輸出。本發(fā)明的“彎-壓”模式力_電換能器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低的制造成本特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示力_電換能的壓電單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為“彎_壓”模式力_電換能器陣列示意圖；圖中10-彎-壓模式力_電換能器單元；20-壓電單元；30-彎弓形彈性元件； 40-預(yù)緊裝置；41-螺桿；42-法蘭盤；43-螺母；1-上板；2-下板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地說明。由圖1可見所示的力_電換能器單元10包括一對(duì)帶有中心內(nèi)孔的壓電堆20，一 對(duì)置于兩個(gè)壓電堆之間略呈拱形的彎弓形彈性元件30，和一個(gè)將壓電堆20與彈性元件30 組裝到一起的預(yù)緊裝置40。圖2為圖1所示力-電換能10的壓電堆20的結(jié)構(gòu)示意圖。該壓電堆20可以由多 個(gè)環(huán)形壓電陶瓷片或壓電單晶片和薄的銅片沿軸向疊加復(fù)合(利用環(huán)氧樹脂粘接)構(gòu)成， 也可以是利用電極-陶瓷共燒結(jié)方法制備的多層壓電陶瓷；該壓電堆20中的壓電元件最好 為偶數(shù)個(gè)，沿厚度方向極化，極化方向依次反向，如圖2中箭頭所示，電路上采用并聯(lián)連接 而獲得強(qiáng)化的壓電效應(yīng)；在受到縱向(軸向)作用力的情況下，壓電堆20中那些壓電陶瓷 因電路上并聯(lián)連接可產(chǎn)生多倍的電流輸出。所述的彈性元件30呈彎弓形狀，可將外界施加于彈性片30中心上的橫向力(或 外界振動(dòng))，通過“彎_壓”模式變換，轉(zhuǎn)換為一個(gè)施加到壓電堆20上并被放大的縱向(軸 向)壓力，再通過壓電效應(yīng)而發(fā)電。所述的一對(duì)彎弓形彈性元件30中心處，可分別附帶有
4合適的質(zhì)量塊，當(dāng)存在外界振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，這些質(zhì)量塊因慣性力的作用也產(chǎn)生一個(gè)施加于彈 性片30的橫向力，再通過“彎-壓”模式變換，轉(zhuǎn)換為一個(gè)施加到壓電堆20上并被放大的縱 向壓力而發(fā)電。當(dāng)外界振動(dòng)激勵(lì)頻率接近于力_電換能器中彎弓形彈性片30的固有彎曲 振動(dòng)模式諧振頻率時(shí)，換能器因諧振可產(chǎn)生最強(qiáng)的機(jī)_電耦合，因而產(chǎn)生最大的電能輸出。 彎弓形彈性元件30可以用彈簧鋼或熱處理后的鈹銅等高強(qiáng)度的彈性材料制造。所述的預(yù)緊裝置40由一個(gè)螺桿41，一對(duì)法蘭盤42和螺母43構(gòu)成。螺桿41的直徑 要求比壓電堆20的內(nèi)徑稍小，其兩端各有一段螺紋。螺母43與螺桿41配合。法蘭盤42為 環(huán)狀，其內(nèi)徑與壓電堆20的內(nèi)徑相等，其一個(gè)側(cè)面有2條平行的槽，用于安裝彈性元件30。 按照?qǐng)D1所示組裝彎-壓模式力_電換能器10，調(diào)解兩個(gè)螺母43之間的距離，使兩個(gè)壓電 堆20在預(yù)緊裝置40和一對(duì)彎弓形彈性元件30的共同作用下處于合適的壓力狀態(tài)，工作在 壓縮模式，這充分發(fā)揮了壓電陶瓷或單晶的耐壓而不耐張(拉伸)的特性，克服傳統(tǒng)彎-張 模式力_電換能器的短壽命問題，可保證力_電換能器中的發(fā)電單元在大壓力工作狀態(tài)下 長(zhǎng)期工作和具有更長(zhǎng)的工作壽命；同時(shí)利用彎弓形彈性片結(jié)構(gòu)，不僅可降低力_電換能器 的諧振頻率，而且能將外界激勵(lì)振動(dòng)力放大，從而獲得更大的能量輸出。本發(fā)明的“彎_壓” 模式力_電換能器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低的制造成本特點(diǎn)。圖3為“彎-壓”模式力_電換能器陣列示意圖。多個(gè)“彎-壓”模式力_電換能 器單元安裝于兩塊平行的板之間，能承受更大的壓力。這些換能器單元電路上并聯(lián)或串聯(lián)， 能產(chǎn)生更大的輸出電流或輸出電壓。該換能器陣列可以高效率的回收機(jī)械振動(dòng)和人體步行 產(chǎn)生的機(jī)械能。最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修 改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán) 利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種力-電換能器，其特征在于，包括一對(duì)壓電單元，在上述兩個(gè)壓電單元之間設(shè)有兩個(gè)上、下對(duì)稱排列的彎弓形的彈性元件，上述壓電單元與彈性元件通過預(yù)緊裝置固定。
2.如權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述壓電單元為環(huán)形壓電陶瓷或壓電單 晶，或由多個(gè)沿厚度方向極化的環(huán)形壓電陶瓷或單晶疊加構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的換能器，其特征在于，所述預(yù)緊裝置由一個(gè)螺桿，一對(duì)法蘭盤和 螺母構(gòu)成，其中，兩個(gè)法蘭盤也為環(huán)狀，分別位于兩個(gè)壓電單元的內(nèi)側(cè)，其外表面有2條平 行的槽，用于安裝上、下彈性元件，螺桿的直徑比壓電單元的內(nèi)徑小，其兩端分別穿過法蘭 盤和壓電單元與螺母固定；預(yù)緊裝置對(duì)壓電單元施加一個(gè)沿軸向的預(yù)緊力。
4.如權(quán)利要求1所述換能器，其特征在于，彈性元件采用彈簧鋼或熱處理后的鈹銅等 高強(qiáng)度材料。
5.權(quán)利要求1所述的力_電換能器串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成換能器陣列。
6.如權(quán)利要求5所述的換能器陣列，其特征在于，多個(gè)換能器單元組成陣列，并在其上 下各安裝一塊板，使之形成一個(gè)整體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種力-電換能器及其陣列，該換能器工作在彎-壓模式，利用壓電原理將環(huán)境的振動(dòng)或人體步行能量轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明換能器單元包括一對(duì)壓電單元和一對(duì)彎弓形的彈性元件，壓電單元與彈性元件通過預(yù)緊裝置固定。彈性元件將外界施加于彈性片上的橫向力(或外界振動(dòng))，通過“彎-壓”模式變換，轉(zhuǎn)換為一個(gè)施加到壓電單元并被放大的縱向(軸向)壓力，再通過壓電效應(yīng)而高效率發(fā)電。本發(fā)明進(jìn)一步制備力-電換能器陣列，用于將人體(包括其它運(yùn)動(dòng)車輛)在板上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低諧振頻率和低的制造成本，可保證在大壓力工作狀態(tài)下長(zhǎng)期工作。
文檔編號(hào)H02N2/18GK101854130SQ201010211109
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者李曉天, 董蜀湘, 郭明森 申請(qǐng)人:北京大學(xué)