專利名稱：一種球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置的制作方法
一種球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于能量收集與轉(zhuǎn)換裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，是一種適用于低頻、寬頻帶的面內(nèi)振動、離面振動、俯仰激勵和沖擊激勵的高效振動能量收集與轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各類無線傳感裝置的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。與此同時，電子器件正呈現(xiàn)出微型化、集成化、嵌入式等特點，對器件各方面的性能，尤其是其使用的可持久性，提出了很高的要求。通常情況下，這類器件多采用化學(xué)能電池作供電。雖然新技術(shù)和新材料的應(yīng)用使得電池壽命更長，然而出于體積和容量的限制，需要周期性地更換或充電，使得其應(yīng)用受到一定程度的限制。例如安置在偏遠地區(qū)的氣候監(jiān)測傳感器或是應(yīng)用于遠洋環(huán)境的水文環(huán)境監(jiān)測傳感器，對其更換電池缺乏可操作性的工作。為解決這一問題，人們希望能夠讓器件采集環(huán)境能量而進行自供電。
在環(huán)境能量中，相對太陽能和熱能，振動能量是一種較為持續(xù)、穩(wěn)定的能量來源。 對于振動能量的收集有著非常廣泛的研究，如利用電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、彈性電介質(zhì)材料以及壓電效應(yīng)等。
目前經(jīng)常采用的振動能轉(zhuǎn)換為電能的方式為利用壓電效應(yīng)的方式，即通過帶有壓電材料的振動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對運動，在壓電材料中形成應(yīng)力，進而產(chǎn)生電勢，通過外接電路轉(zhuǎn)化為電能輸出。壓電方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、便于制造，可以采用成熟的微電子工藝制造， 并與相關(guān)電路單片集成。但是，對于壓電式換能，應(yīng)使振動結(jié)構(gòu)盡可能地工作于諧振狀態(tài)， 才能收集到較多的振動能量，獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。但是，傳感器工作環(huán)境的振動能通常具有頻率低、頻率成分多的特點，較難滿足壓電式能量轉(zhuǎn)換對于頻率的要求。因此，需要開發(fā)一種適用于低頻、寬頻帶振動環(huán)境的能量收集裝置。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，從實際工作環(huán)境中轉(zhuǎn)換和收集低頻、寬頻帶的振動和激勵能量，將振動能量轉(zhuǎn)化成電能，然后向傳感器或其他低功耗系統(tǒng)供電。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
駐極體與接觸結(jié)構(gòu)構(gòu)成腔體，球體放置在所述腔體內(nèi)，并在駐極體上表面滾動；電極設(shè)置在駐極體的下表面，與所述駐極體相連接。
所述球體為正球體。
所述駐極體為具有電荷存儲能力的電介質(zhì)材料。
所述電極由電阻率不超過2Χ10_6Ω ·πι的導(dǎo)電性材料制成。
所述接觸結(jié)構(gòu)與球體的接觸面為平面或曲面，亦或是彈性結(jié)構(gòu)或具有柔性表面的結(jié)構(gòu)。
所述駐極體與接觸結(jié)構(gòu)構(gòu)成的腔體內(nèi)設(shè)置若干個接觸界面，用來調(diào)節(jié)球體的運動方式，一般分為滾動或跳動。
所述多個駐極體和接觸結(jié)構(gòu)以固連方式級聯(lián)，具有多個凹槽的接觸結(jié)構(gòu)經(jīng)由支撐結(jié)構(gòu)懸浮在駐極體上方，形成具有多個腔體的一維或二維陣列式結(jié)構(gòu)，每個腔體內(nèi)設(shè)置一個球體。
所述球體在外界振動的作用下運動時，位于所述駐極體下方的所述電極附近的電場會發(fā)生改變，因此所述電極上的感應(yīng)電荷會發(fā)生變化，與所述電極相連的外電路上會有電流產(chǎn)生。
本發(fā)明的有益效果為
本發(fā)明可以有效收集低頻、寬頻帶的面內(nèi)振動、離面振動、俯仰激勵和沖擊激勵能量，同時解決了因環(huán)境固有振動頻率具有多值、可變等特點所導(dǎo)致的振動結(jié)構(gòu)的諧振頻率不易匹配、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題，可廣泛應(yīng)用于低頻和寬頻帶振動環(huán)境的能量收集。


圖1是本發(fā)明實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例2
圖3是本發(fā)明實施例3
圖中標(biāo)號
1-球體；2_駐極體；3_電極；4_接觸結(jié)構(gòu)；5_接觸界面；6_支撐結(jié)構(gòu)。 的結(jié)構(gòu)示意圖。 的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
實施例I
如圖1所示，一端開口的筒狀的接觸結(jié)構(gòu)4安裝在駐極體2的上方，駐極體2與接觸結(jié)構(gòu)4構(gòu)成腔體，球體I放置在所述腔體內(nèi)，并在駐極體2上表面滾動；電極3設(shè)置在駐極體的下表面，與所述駐極體2相連接。
這是本發(fā)明一種最基本的結(jié)構(gòu)形式。球體I宜采用密度較大、介電常數(shù)較高的物質(zhì)，在相同振動的作用下，慣性更大，相對運動幅度更大，引起的電場變化更大。駐極體2為具有電荷存儲能力的電介質(zhì)材料。電極3由電阻率不超過2Χ10_6Ω ·πι的導(dǎo)電性材料制成。
實施例2
如圖2所示，接觸結(jié)構(gòu)4將駐極體2包裹，且駐極體2與接觸結(jié)構(gòu)4構(gòu)成腔體，腔體內(nèi)可以設(shè)置若干個接觸界面，本實施例中，在腔體兩個相對的側(cè)壁上分別設(shè)置一個接觸界面5。球體I可以在所述駐極體2上表面做面內(nèi)滾動或離面振動，當(dāng)球體I做面內(nèi)滾動時，其運動受接觸結(jié)構(gòu)4調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的具體方式由接觸結(jié)構(gòu)4內(nèi)表面的接觸界面5實現(xiàn)，球體I的運動被限制在規(guī)定的空間內(nèi)。電極3位于駐極體2下表面，與駐極體2相連接。電極通過導(dǎo)線與外界需要供能的傳感器相連，傳感器的另一極與參考地相連。當(dāng)球體I靜止時，駐極體2在下表面的電極附近形成一個穩(wěn)定的電場，電極3內(nèi)的感應(yīng)電荷排列穩(wěn)定,不發(fā)生變化。當(dāng)球體I在外界振動的作用下脫離原位產(chǎn)生運動時，駐極體2在下方形成的電場也發(fā)生變化，電極3附近電場的變化使得電極3內(nèi)的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。
實施例3
如圖3所示，帶有多個凹槽的接觸結(jié)構(gòu)4經(jīng)由支撐結(jié)構(gòu)6懸浮在若干個駐極體2的上方，每個駐極體2與一個接觸結(jié)構(gòu)4的凹槽構(gòu)成一個腔體，駐極體2與接觸結(jié)構(gòu)4通過固連級聯(lián)構(gòu)成一維或二維陣列。球體I可以在所述駐極體2上表面做面內(nèi)滾動或離面振動。 電極3位于駐極體2的下表面，與駐極體2相連接。電極通過導(dǎo)線與外界需要供能的傳感器相連，傳感器的另一極與參考地相連。當(dāng)球體I靜止時，駐極體2在下表面的電極附近形成一個穩(wěn)定的電場，電極3內(nèi)的感應(yīng)電荷排列穩(wěn)定,不發(fā)生變化。當(dāng)球體I在外界振動的作用下脫離原位產(chǎn)生運動時，駐極體2在下方形成的電場也發(fā)生變化，電極3附近電場的變化使得電極3內(nèi)的感應(yīng)電荷發(fā)生變化，因此會從與之相連的接地負載處吸收或釋放電子，從而在外電路形成電流。
權(quán)利要求
1.一種球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于駐極體(2)與接觸結(jié)構(gòu)(4)構(gòu)成腔體，球體(I)放置在所述腔體內(nèi)，并在駐極體(2)上表面滾動；電極(3)設(shè)置在駐極體(2)的下表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述球體(I)為正球體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述駐極體(2)為具有電荷存儲能力的電介質(zhì)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述電極(3)由電阻率不超過2 X 10_6 Q 的導(dǎo)電性材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述接觸結(jié)構(gòu)(4)與球體(I)的接觸面為平面或曲面，亦或是彈性結(jié)構(gòu)或具有柔性表面的結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于所述駐極體(2)與接觸結(jié)構(gòu)(4)構(gòu)成的腔體內(nèi)設(shè)置若干個接觸界面(5)，用來調(diào)節(jié)球體(I)的運動方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置，其特征在于，所述多個駐極體(2)和接觸結(jié)構(gòu)(4)以固連方式級聯(lián)，具有多個凹槽的接觸結(jié)構(gòu)(4)經(jīng)由支撐結(jié)構(gòu)(6)懸浮在駐極體(2)上方，形成具有多個腔體的一維或二維陣列式結(jié)構(gòu)，每個腔體內(nèi)設(shè)置一個球體(I)。
全文摘要
本發(fā)明屬于能量收集與轉(zhuǎn)換裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種球體驅(qū)動的靜電式振動能量收集裝置。該裝置由球體、駐極體、電極和接觸結(jié)構(gòu)組成；駐極體與接觸結(jié)構(gòu)構(gòu)成腔體，球體放置在所述腔體內(nèi)；球體在駐極體上表面滾動，其運動受接觸結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)；所述電極在駐極體下表面。駐極體為具有電荷存儲能力的電介質(zhì)材料構(gòu)成，電極由電阻率不超過2×10-6Ω·m的導(dǎo)電性材料制成。駐極體和所述接觸結(jié)構(gòu)還可以以固連方式級聯(lián)，形成陣列式裝置。本發(fā)明適用于低頻、寬頻帶的面內(nèi)振動、離面振動、俯仰激勵和沖擊激勵，可以高效收集環(huán)境振動能量。
文檔編號H02N1/06GK102983775SQ20121044238
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者卜靈, 伍曉明, 王曉紅, 劉理天 申請人:清華大學(xué)