專利名稱：蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源和電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電 振動(dòng)能量收集裝置。
背景技術(shù)：
環(huán)境污染和能源短缺是當(dāng)今世界各國(guó)面臨的一大難題，由此造成的環(huán)境惡化和 能源危機(jī)逐漸開始影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活。迫于此壓力，各國(guó)科技工作者開始了尋找 和開發(fā)新能源的探索。振動(dòng)作為人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ姮F(xiàn)象，由于其具有較高的能量 密度，其潛在的能量?jī)r(jià)值已引起越來越多的科技研究者的關(guān)注和思考。壓電材料作為一 種智能材料，具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，利用其正壓電效應(yīng)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電 能，而利用其逆壓電效應(yīng)可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，于是人們想到了利用其正壓電效應(yīng) 來實(shí)現(xiàn)其發(fā)電這一思路。利用壓電材料采集環(huán)境振動(dòng)能量這一技術(shù)方案，理論上其供電壽命僅取決于組 成壓電振動(dòng)能量收集裝置的各元器件的壽命，沒有額外消耗能源，清潔環(huán)保，是一種典 型的“綠色”技術(shù)。基于此，目前，出現(xiàn)了各種樣式的壓電振動(dòng)能量收集裝置，如懸臂 梁結(jié)構(gòu)、Cymbal結(jié)構(gòu)、疊堆形結(jié)構(gòu)等，縱觀壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，上述壓 電振動(dòng)能量收集裝置收集的振動(dòng)能量主要是單方向的，其使用場(chǎng)合對(duì)環(huán)境振動(dòng)方向的選 擇性很強(qiáng)，在存在各種方向隨機(jī)振動(dòng)的情況下，上述能量收集裝置收集的能量將非常有 限。很強(qiáng)的方向選擇性帶來的另一問題是，在安裝壓電振動(dòng)能量收集裝置時(shí)，必須事先 預(yù)知環(huán)境的振動(dòng)方向，這有時(shí)候需要專業(yè)技術(shù)人員才能完成，即是在安裝時(shí)考慮到主要 的環(huán)境振動(dòng)方向，一旦環(huán)境發(fā)生變化，該壓電振動(dòng)能量收集裝置的性能將大幅下降，限 制了其大眾化的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)前述背景技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種蒲 公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，其可彌補(bǔ)現(xiàn)有壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)中 壓電振動(dòng)能量收集裝置只能敏感某個(gè)固定方向振動(dòng)、收集環(huán)境振動(dòng)的頻帶窄、能量收集 效率低等缺陷，無論振動(dòng)方向如何改變或者在存在多方向、多頻率振動(dòng)的情況下，都能 夠較高效率地收集到振動(dòng)能量。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案是
一種蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，包括多面球狀支撐體、振動(dòng) 基座和至少兩個(gè)懸臂梁，振動(dòng)基座固定于多面球狀支撐體的表面，各懸臂梁沿不同方向 固定于多面球狀支撐體的表面；所述懸臂梁包括彈性金屬導(dǎo)電薄片、上層壓電陶瓷片、 下層壓電陶瓷片和質(zhì)量塊，彈性金屬導(dǎo)電薄片的固定端固定于多面球狀支撐體的表面， 而質(zhì)量塊設(shè)于彈性金屬導(dǎo)電薄片的自由端，上層壓電陶瓷片和下層壓電陶瓷片分別同向 貼附于彈性金屬導(dǎo)電薄片的上表面和下表面。
上述多面球狀支撐體的表面開設(shè)螺紋孔，振動(dòng)基座固定于該螺紋孔中。上述多面球狀支撐體的表面沿不同方向設(shè)置凹形槽，各懸臂梁分別固定于凹形 槽中。上述各懸臂梁的質(zhì)量塊的質(zhì)量為相同或不同。上述彈性金屬導(dǎo)電薄片為矩形、梯形或階梯形形狀。上述上、下層壓電陶瓷片為矩形或梯形形狀，且沿厚度方向極化。采用上述方案后，本發(fā)明通過設(shè)置多面球狀支撐體，并在多個(gè)方向分別設(shè)置懸 臂梁，增強(qiáng)在使用過程中的適應(yīng)性，在不知道環(huán)境振動(dòng)方向和振動(dòng)頻率的情況下，也可 以安裝使用，環(huán)境振動(dòng)方向的變化對(duì)其影響很??；另外，還可將各懸臂梁的固有頻率設(shè) 置為不同，從而具有不同的諧振頻率點(diǎn)，在一定寬度的頻帶范圍內(nèi)都可以較高效率地收 集振動(dòng)能量。


圖1是本發(fā)明中懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的整體俯視圖3是本發(fā)明的剖視圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖2和圖3所示，本發(fā)明提供一種蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量 收集裝置，包括多面球狀支撐體1、振動(dòng)基座2和至少兩個(gè)懸臂梁3，下面分別介紹。多面球狀支撐體1的一個(gè)表面開設(shè)有螺紋孔11，而其表面還沿不同方向設(shè)有至 少兩個(gè)凹形槽12，在本實(shí)施例中選用二十六面體，其在一個(gè)表面開設(shè)螺紋孔，而其余25 個(gè)表面上各設(shè)有一個(gè)凹形槽。振動(dòng)基座2與多面球狀支撐體1固定，具體而言是固定于其螺紋孔11中，所述 的振動(dòng)基座2用以固定在振動(dòng)體上，從而將本發(fā)明固定在振動(dòng)環(huán)境中。懸臂梁3的數(shù)目可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，如在本實(shí)施例中選用25個(gè)，分別固 定于多面球狀支撐體1各表面的凹形槽12中，配合圖1所示，本實(shí)施例中的懸臂梁3包 括彈性金屬導(dǎo)電薄片31、上層壓電陶瓷片32、下層壓電陶瓷片33和質(zhì)量塊34，其中，彈 性金屬導(dǎo)電薄片31可為矩形、梯形或階梯形形狀，且不同方向上的形狀、尺寸可以為相 同或不同，其固定端固定于凹形槽12中；上層壓電陶瓷片32和下層壓電陶瓷片33分別 同向貼附于彈性金屬導(dǎo)電薄片31的上表面和下表面，用以借助正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化 為電能，所述的上、下層壓電陶瓷片32、33可為矩形或梯形形狀，且沿厚度方向極化， 且不同懸臂梁3上的壓電陶瓷片的形狀可以為相同或不同；質(zhì)量塊34設(shè)于彈性金屬導(dǎo)電 薄片31的自由端，用以降低懸臂梁3整體振動(dòng)的固有頻率，需要說明的是，懸臂梁3振 動(dòng)的固有頻率與外界環(huán)境無關(guān)，僅取決于彈性金屬導(dǎo)電薄片31的尺寸大小以及質(zhì)量塊34 的質(zhì)量；在本實(shí)施例中，各質(zhì)量塊34的質(zhì)量可各不相同，以獲得不同的諧振頻率。本實(shí)施例在工作時(shí)，將裝置置于某一具有多個(gè)頻率、多個(gè)方向的復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境 中，并借助振動(dòng)基座2加以固定；環(huán)境中的振動(dòng)將誘發(fā)裝置中的η個(gè)懸臂梁產(chǎn)生不同方 向、不同頻率的諧振，彈性金屬導(dǎo)電薄片31將產(chǎn)生交替變化的彎曲變形，從而使得粘貼在彈性金屬導(dǎo)電薄片31上的上層壓電陶瓷片32和下層壓電陶瓷片33產(chǎn)生交替變化的彎 曲變形，根據(jù)壓電材料的正壓電效應(yīng)，在上層壓電陶瓷片32和下層壓電陶瓷片33的正、 負(fù)電極面上產(chǎn)生正、負(fù)相反的電荷，即實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換；另外，由于粘貼 時(shí)上層壓電陶瓷片32和下層壓電陶瓷片33的極化方向相反，因而在上層壓電陶瓷片32 的上電極面和下層壓電陶瓷片33的下電極面將產(chǎn)生相同符號(hào)的電荷。由于本實(shí)施例的各 個(gè)懸臂梁3布置在沿多面球狀支撐體1表面的不同方向和位置，因而不同方向的振動(dòng)均能 夠被感知。又由于各懸臂梁3上的質(zhì)量塊34有不同的質(zhì)量，故每個(gè)懸臂梁3有不同的諧 振頻率，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率外界振動(dòng)能量的收集。由此可見，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了多方向、寬 頻帶的壓電振動(dòng)能量收集。需要說明的是，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于野外通訊與傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、環(huán)境與氣候變 化的監(jiān)測(cè)控制、建筑物(如橋梁、樓房等)和大型機(jī)械(如飛行器、輪船等)的結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測(cè)等需要能源自給的領(lǐng)域，其中的多個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)可用微細(xì)加工技術(shù)，如表面微加 工技術(shù)和體微加工技術(shù)加工制作，以實(shí)現(xiàn)與微機(jī)電系統(tǒng)的集成；同時(shí)也可以采用傳統(tǒng)加 工工藝方法，如切割、焊接等，制成大尺寸結(jié)構(gòu)，以增大發(fā)電量。綜上所述，本發(fā)明提出的蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，能 感知任意方向的環(huán)境振動(dòng)，工作頻帶寬，可以吸收環(huán)境中的不同方向、多個(gè)頻率的機(jī)械 振動(dòng)分量，發(fā)電量較單一懸臂梁結(jié)構(gòu)明顯增大，有效拓寬了該壓電振動(dòng)能量收集裝置的 使用范圍，增強(qiáng)了其實(shí)用性。以上僅為本發(fā)明例示，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出 的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于包括多面球 狀支撐體、振動(dòng)基座和至少兩個(gè)懸臂梁，振動(dòng)基座固定于多面球狀支撐體的表面，各懸 臂梁沿不同方向固定于多面球狀支撐體的表面；所述懸臂梁包括彈性金屬導(dǎo)電薄片、上 層壓電陶瓷片、下層壓電陶瓷片和質(zhì)量塊，彈性金屬導(dǎo)電薄片的固定端固定于多面球狀 支撐體的表面，而質(zhì)量塊設(shè)于彈性金屬導(dǎo)電薄片的自由端，上層壓電陶瓷片和下層壓電 陶瓷片分別同向貼附于彈性金屬導(dǎo)電薄片的上表面和下表面。
2.如權(quán)利要求1所述的蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在 于所述多面球狀支撐體的表面開設(shè)螺紋孔，振動(dòng)基座固定于該螺紋孔中。
3.如權(quán)利要求1所述的蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在 于所述多面球狀支撐體的表面沿不同方向設(shè)置凹形槽，各懸臂梁分別固定于凹形槽 中。
4.如權(quán)利要求1所述的蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在 于所述各懸臂梁的質(zhì)量塊的質(zhì)量為相同或不同。
5.如權(quán)利要求1所述的蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在 于所述彈性金屬導(dǎo)電薄片為矩形、梯形或階梯形形狀。
6.如權(quán)利要求1所述的蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在 于所述上、下層壓電陶瓷片為矩形或梯形形狀，且沿厚度方向極化。
全文摘要
本發(fā)明公開一種蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置，包括多面球狀支撐體、振動(dòng)基座和至少兩個(gè)懸臂梁，振動(dòng)基座固定于多面球狀支撐體的表面，各懸臂梁沿不同方向固定于多面球狀支撐體的表面；所述懸臂梁包括彈性金屬導(dǎo)電薄片、上層壓電陶瓷片、下層壓電陶瓷片和質(zhì)量塊，彈性金屬導(dǎo)電薄片的固定端固定于多面球狀支撐體的表面，而質(zhì)量塊設(shè)于彈性金屬導(dǎo)電薄片的自由端，上層壓電陶瓷片和下層壓電陶瓷片分別同向貼附于彈性金屬導(dǎo)電薄片的上表面和下表面。此裝置無論振動(dòng)方向如何改變或者在存在多方向、多頻率振動(dòng)的情況下，都能夠較高效率地收集到振動(dòng)能量。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102013837SQ20101060135
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者劉祥建, 朱莉婭, 焦麗娟, 陳仁文 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)