專利名稱：組合式壓電發(fā)電裝置的制作方法
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)境的振動機械能轉(zhuǎn)換成電 能。
背景技術(shù)：
壓電發(fā)電裝置可以將周圍環(huán)境或人體的振動機械能轉(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，或頻繁充電，提高了電子設(shè)備的免維護性。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，或可移動式電子設(shè)備提供電能，在國 防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。壓電發(fā)電的工作原理是基于正壓電效應(yīng)，將環(huán)境或人體的振動機械能轉(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，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，懸臂梁振動時由壓電材料輸出電能并存儲起來，但產(chǎn)生的電能較小，主要用于微電子器 件的供電。中國專利CN101017989A也公開了一種為微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的壓電懸 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。 美國專利W02007121092也描述了主要用于微機電系統(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的壓電懸臂梁的機械振動產(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械振動轉(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。中國專利CN 101272109A公開了一種利用兩組叉指型的多 個壓電懸臂梁，進行寬頻發(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。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。在現(xiàn)有的壓電發(fā)電專利中，無論那一種形式的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，都是由整塊的壓 電元件相互粘貼，或由整塊的壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成壓電懸臂梁。在 壓電發(fā)電裝置中，常用的壓電材料是壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的彈性模量較大，這樣由整塊 的壓電元件制成的壓電懸臂梁一階彎曲共振頻率較高，而由自然環(huán)境或人體提供的機械振 動，振動頻率一般很低。這樣，在使用過程中，很難使壓電懸臂梁達到諧振工作狀態(tài)，產(chǎn)生的 電能比較少，無法滿足一般的供電需要。而且，由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁，其中 的壓電材料脆性較大，容易斷裂損壞，影響整個壓電發(fā)電裝置的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服目前彎曲式壓電發(fā)電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易 斷裂損壞的缺點，提出了一種組合式壓電發(fā)電裝置，利用多個兩面貼有多片壓電元件的懸 臂板進行寬頻壓電發(fā)電，把自然環(huán)境或人體的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電量大、發(fā)電效率 高、使用壽命長。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施一種組合式壓電發(fā)電裝置，其特征在于包括支架、安裝于支架上的懸臂板、粘貼 于懸臂板的壓電元件；其中上述懸臂板至少為2塊，且相互之間平行，且全部懸臂板中至少 有一部分懸臂板的彎曲諧振頻率與其他部分懸臂板的彎曲諧振頻率不同；該組合式壓電發(fā) 電裝置還包括一端與懸臂板相聯(lián)另一端與裝置外殼相連的防止振動幅度過大時懸臂板之 間或懸臂板和裝置外殼之間碰撞的彈性繩索。懸臂板的材料、密度、彈性模量、結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì) 量等均影響彎曲諧振頻率。懸臂板的一端固定，另一端自由。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要有(1) 一階彎曲諧振頻率較 低；(2)壓電元件在使用過程不易損壞，增加了裝置的使用壽命。這種結(jié)構(gòu)隨著周圍環(huán)境的 振動，把振動機械能轉(zhuǎn)化成電能。而且用多片壓電元件代替整塊壓電元件粘貼在懸臂梁一 面或兩面，使壓電懸臂梁的一階彎曲諧振頻率較低，在自然環(huán)境中，或把發(fā)電裝置隨身攜帶 時，很容易使懸臂板達到彎曲諧振狀態(tài)，此時，懸臂板表面的應(yīng)力變化達到極大值，壓電元 件輸出電壓(電流)也達到極大值，發(fā)電效率最高。同時把懸臂板上的壓電元件串聯(lián)或并聯(lián) 聯(lián)接。如果是串聯(lián)連接，和單個壓電元件相比，兩個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，和單個壓電元件相比，兩個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。但是，由于單個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；且只有當(dāng)環(huán)境 的振動頻率接近于懸臂梁的彎曲諧振頻率時，才有較高的發(fā)電效率。為 了提高單位時間內(nèi)整個裝置的發(fā)電量，把多個兩面貼有多片壓電片的懸臂板平行排列。同 時，由于各個懸臂板的材料不同，密度、彈性模量、結(jié)構(gòu)尺寸等不同，它們的彎曲諧振頻率也 不相同，整個裝置有多個彎曲諧振頻率，形成一個較寬的彎曲諧振頻帶。當(dāng)環(huán)境的振動頻率 落在整個發(fā)電裝置的彎曲諧振頻帶時，發(fā)電裝置就會以較高的效率將環(huán)境的振動機械能轉(zhuǎn) 化成電能，輸出較大的電量。但是，當(dāng)環(huán)境的振動幅度過大時，會導(dǎo)致懸臂板之間、懸臂板和裝置外殼之間發(fā)生 碰撞，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，在懸臂板和裝置 外殼之間用繩索相連，繩索的長度長于自然狀態(tài)時，懸臂板和裝置外殼之間的距離，而且繩 索是彈性的?？梢允菑椥圆牧匣驈椈芍换蚱浣M合制成。當(dāng)環(huán)境振動幅度過大時，繩索就 起到保護懸臂板的作用。上述的懸臂板安裝于支架一端稱固定端，另一端稱作自由端；上述部分懸臂板的 自由端可以安裝有影響懸臂板彎曲諧振頻率的質(zhì)量塊。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。

圖1為壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為懸臂板的側(cè)視圖。圖3為懸臂板的俯視圖。圖4為整個發(fā)電裝置的安裝圖。圖中標(biāo)號名稱1、電極I，2、壓電材料，3、電極II，4、支架，5、懸臂板，6、壓電元件，
7、裝置外殼，8、彈性繩索，9、質(zhì)量塊。
具體實施例方式圖1描述了壓電元件的結(jié)構(gòu)，壓電元件包括壓電材料2、電極電極I和電極II。其 中的電極1、3涂鍍在壓電材料的兩面，壓電材料位于2個電極的中間，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，將在電 極上產(chǎn)生電荷和電壓。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) 合材料之一或其組合制成。所有壓電元件采用串聯(lián)或并聯(lián)方式聯(lián)接。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)的側(cè)視圖和俯視圖。懸 臂板5采用彈性金屬材料或復(fù)合材料。多個壓電元件通過膠層均勻地粘貼在懸臂板5的上 下兩面上；懸臂板的自由端兩面對稱地安裝有質(zhì)量塊9。懸臂板的彎曲諧振頻率由懸臂板、 壓電元件和質(zhì)量塊的材料、結(jié)構(gòu)尺寸共同決定。當(dāng)懸臂板發(fā)生振動時，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，將振動機械能轉(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)力將達到極大值，壓電元件產(chǎn)生的電量也 會達到極大值。圖4描述了整個壓電發(fā)電裝置的安裝圖，多個具有不同結(jié)構(gòu)尺寸，上下兩面粘貼 多片壓電元件的懸臂板，一端固定在支架上，另一端自由；每個懸臂板都有各自的彈性繩索
8、和裝置外殼7相連，繩索的長度長于自然狀態(tài)時懸臂板和裝置外殼間的距離；整個裝置 安裝在外殼里。由于各個懸臂板的結(jié)構(gòu)尺寸不同，其諧振頻率也各不相同，使整個裝置具有 多個諧振頻率。當(dāng)外界環(huán)境的振動引起裝置外殼和支架振動時，也將使懸臂板發(fā)生振動，產(chǎn) 生電能。當(dāng)外界環(huán)境的振動頻率接近某個懸臂板的諧振頻率時，將會使這塊懸臂板發(fā)生諧 振，產(chǎn)生的電量達到極大值。由于整個裝置具有多個諧振頻率，外界環(huán)境的振動容易引起裝 置的諧振，可以最大程度地吸收環(huán)境中的振動能量，實現(xiàn)寬頻發(fā)電。當(dāng)外界環(huán)境的振動幅度 過大時，和裝置外殼相連的彈性繩索會拉住懸臂板，防止懸臂板之間、懸臂板和裝置外殼之 間發(fā)生碰撞；同時，也防止懸臂板的振動幅度過大，表面應(yīng)力、應(yīng)變過大，使壓電元件產(chǎn)生裂 紋或破裂。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的組合式壓電發(fā)電裝置，其中，懸臂板的材料、形狀、尺寸，每個懸臂板上壓電元件的數(shù)量可以根據(jù)具體情況進行調(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 施例進行修改和變形均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種組合式壓電發(fā)電裝置，其特征在于包括支架G)、安裝于支架(4)上的懸臂板(5)、粘貼于懸臂板的壓電元件(6)；其中上述懸臂板(5)至少為2塊，且相互之間平行，且全部懸臂板中至少有一部分懸臂 板的彎曲諧振頻率與其他部分懸臂板的彎曲諧振頻率不同；該組合式壓電發(fā)電裝置還包括一端與懸臂板相聯(lián)另一端與裝置外殼(7)相連的防止 振動幅度過大時懸臂板之間或懸臂板和裝置外殼之間碰撞的彈性繩索(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述的懸臂板安裝于支 架一端稱固定端，另一端稱作自由端；上述部分懸臂板的自由端安裝有影響懸臂板彎曲諧 振頻率的質(zhì)量塊(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電元件中壓電材 料( 為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料之一或其組合制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合式壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述懸臂板(5)采用彈 性金屬材料或復(fù)合材料。
全文摘要
一種組合式壓電發(fā)電裝置，多個兩面貼有多片壓電元件的懸臂板組合在一起，懸臂板的一端固定，另一端自由，不同的懸臂板之間保持平行。由于每個懸臂板的結(jié)構(gòu)尺寸不同，每個懸臂板的彎曲諧振頻率也不同。本發(fā)明的組合式壓電發(fā)電裝置，可以將環(huán)境的某個頻段的機械振動能量轉(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)寬頻發(fā)電，并把多個壓電元件的能量收集起來，發(fā)電能量大，發(fā)電效率高。
文檔編號H02N2/18GK102148587SQ20101902608
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者邊義祥 申請人:邊義祥