一種壓電式振動(dòng)能量采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械和電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種振動(dòng)能量采集裝置。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]便攜式電子器件和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在過(guò)去幾十年得到了快速的發(fā)展，尤其在人體健康檢測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、軍事偵察和野外動(dòng)物跟蹤等方面得到了廣泛的應(yīng)用。通常上述器件依靠傳統(tǒng)的化學(xué)電池提供能量，然而傳統(tǒng)的化學(xué)電池所能存儲(chǔ)的有限電能使得它們需要定期更換，并且在生產(chǎn)和廢棄時(shí)可能引起環(huán)境污染等問(wèn)題。于是國(guó)內(nèi)外一些研宄者嘗試從環(huán)境中收集能量以便給便攜式電子器件和無(wú)線(xiàn)傳感器供電，從而使得便攜式電子器件和無(wú)線(xiàn)傳感器在不需更換電池的情況下能夠長(zhǎng)期甚至無(wú)時(shí)間限制的工作。
[0004]機(jī)械振動(dòng)是環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，廣泛存在于普通家庭電器、工業(yè)機(jī)械設(shè)備、交通運(yùn)輸工具、以及生物體等。利用壓電材料制備的振動(dòng)能量采集器可實(shí)現(xiàn)將振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換為電能。一個(gè)壓電式振動(dòng)能量采集器的典型結(jié)構(gòu)為利用壓電材料制備而成的一端固定而另一端自由的片狀懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且當(dāng)激勵(lì)壓電材料的環(huán)境振動(dòng)的頻率越高時(shí)，振動(dòng)能量采集器的能量轉(zhuǎn)換效率越高。然而需要指出的是通常環(huán)境振動(dòng)的頻率在200Hz以下，這種較低頻率的振動(dòng)往往使得壓電式振動(dòng)能量采集器難以具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供了一種壓電式振動(dòng)能量采集器，其內(nèi)部質(zhì)量塊上設(shè)置有撥片陣列，使得頻率較低的環(huán)境振動(dòng)能夠激勵(lì)振動(dòng)能量采集器內(nèi)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行較高頻率的振動(dòng)，從而大幅提尚能量轉(zhuǎn)換效率。
[0007]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:振動(dòng)能量采集器由殼體1、彈簧2、帶有陣列撥片的質(zhì)量塊3、導(dǎo)桿4、壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5、抵擋座6和導(dǎo)線(xiàn)7組成；質(zhì)量塊3的中心設(shè)置有與導(dǎo)桿4匹配的圓柱形長(zhǎng)孔8，質(zhì)量塊3可沿導(dǎo)桿4上下自由滑動(dòng)；導(dǎo)桿4貫穿質(zhì)量塊3，并且兩端固定連接在殼體I內(nèi)部上下面上；彈簧2兩端分別固定在質(zhì)量塊3和殼體I上；壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5由一片金屬支撐片10和分別附著于金屬支撐片一側(cè)表面上壓電材料薄片9、以及另一側(cè)表面上壓電材料11組成；抵擋座6與一個(gè)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5相匹配，構(gòu)成抵擋座6的兩個(gè)四分之一圓柱狀結(jié)構(gòu)或類(lèi)似結(jié)構(gòu)分別位于壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5的兩側(cè)，與壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5 —同固定在殼體I內(nèi)部的側(cè)面上。
[0008]當(dāng)此振動(dòng)能量采集器安裝在振動(dòng)環(huán)境中或攜帶在人體上時(shí)，環(huán)境或人體的振動(dòng)通過(guò)彈簧2拉動(dòng)動(dòng)質(zhì)量塊3沿導(dǎo)桿4上下振動(dòng)，使質(zhì)量塊3的撥片不停地?fù)軇?dòng)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5，從而使壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5發(fā)生形變，在壓電材料薄片9和壓電材料薄片11上產(chǎn)生電能。壓電材料薄片9和壓電材料薄片11通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，并進(jìn)一步連接整流電路、穩(wěn)壓電路和儲(chǔ)能元件，最后實(shí)現(xiàn)電能的輸出，從而實(shí)現(xiàn)為各種電子器件提供電能。
[0009]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以達(dá)到下列效果:
1.現(xiàn)有的振動(dòng)能量采集器主要是基于電磁感應(yīng)的方式，這種裝置為了獲得較大的感應(yīng)電流，往往體積較大并且結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜。而本發(fā)明提出的振動(dòng)能量采集器采用壓電式結(jié)構(gòu)，利用垂吊式質(zhì)量塊撥動(dòng)壓電片而進(jìn)行發(fā)電的結(jié)構(gòu)，體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，易于實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的微型化和集成化。
[0010]2.本發(fā)明內(nèi)部質(zhì)量塊上設(shè)置有撥片陣列，使得頻率較低的環(huán)境振動(dòng)能夠激勵(lì)振動(dòng)能量采集器內(nèi)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行較高頻率的振動(dòng)，從而大幅度提高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0011]3.本發(fā)明可用來(lái)給各種便攜式電子器件、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)等供電，擺脫電池供電的束縛。
[0012]
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明所述壓電式振動(dòng)能量采集器的平面結(jié)構(gòu)示意圖，1-殼體；2_帶陣列撥片的質(zhì)量塊；3-彈簧；4-導(dǎo)桿；5_壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)；6_抵擋座；7_導(dǎo)線(xiàn)。
[0014]圖2為本發(fā)明所述振動(dòng)能量采集器中帶陣列撥片的質(zhì)量塊3的結(jié)構(gòu)示意圖，質(zhì)量塊3中心設(shè)置有與導(dǎo)桿4匹配的圓柱形長(zhǎng)孔8。
[0015]圖3為本發(fā)明所述振動(dòng)能量采集器中導(dǎo)桿4的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖4為本發(fā)明所述振動(dòng)能量采集器中壓片發(fā)電結(jié)構(gòu)5的結(jié)構(gòu)示意圖，9-壓電材料薄片；10-金屬支撐片；11-壓電材料薄片。
[0017]圖5為本發(fā)明所述振動(dòng)能量采集器中抵擋座6的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖6為本發(fā)明所述振動(dòng)能量采集器的能量管理電路。
[0019]
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明裝置作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0021]【具體實(shí)施方式】如下:
參照?qǐng)D1，本發(fā)明提出的振動(dòng)能量采集器由殼體1、彈簧2、帶有陣列撥片的質(zhì)量塊3、導(dǎo)桿4、壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5、抵擋座6和導(dǎo)線(xiàn)7組成。殼體I為長(zhǎng)方體金屬殼。在質(zhì)量塊3上下表面和殼體I內(nèi)部上下兩面之間連接有兩列長(zhǎng)度和彈性系數(shù)相同的彈簧2，導(dǎo)桿4貫穿質(zhì)量塊3，兩端固定連接在殼體I內(nèi)部上下面上。壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5和抵擋座6可以使用粘接劑粘接等方式固定在殼體I內(nèi)部的兩側(cè)。導(dǎo)線(xiàn)7焊接在壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5中兩片壓電薄片的電極上。
[0022]圖2為帶有陣列撥片的質(zhì)量塊3的結(jié)構(gòu)示意圖，質(zhì)量塊3的中部為一長(zhǎng)圓柱孔，圓柱孔的直徑要略大于導(dǎo)桿4的直徑，使得導(dǎo)桿4能夠貫穿質(zhì)量塊3。質(zhì)量塊3的兩側(cè)粘接若干片撥片。圖4為壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5的結(jié)構(gòu)示意圖，由壓電材料薄片9、金屬支撐片10、壓電材料薄片11組成，壓電材料薄片9和壓電材料薄片11通過(guò)粘結(jié)劑分別被粘結(jié)在金屬支撐片10的兩個(gè)表面上。抵擋座6為兩個(gè)四分之一圓柱狀結(jié)構(gòu)或類(lèi)似結(jié)構(gòu)，如圖5所示，抵擋座6表面較光滑，材料可為塑料或金屬。
[0023]當(dāng)此振動(dòng)能量采集器安裝在振動(dòng)環(huán)境中或攜帶在人體上時(shí)，環(huán)境或人體的振動(dòng)通過(guò)彈簧2拉動(dòng)動(dòng)質(zhì)量塊3沿導(dǎo)桿4上下振動(dòng)，使質(zhì)量塊3的撥片不停地?fù)軇?dòng)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5，從而使壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)5發(fā)生形變，在壓電材料薄片9和壓電材料薄片11上產(chǎn)生電能。
[0024]參照?qǐng)D6，本發(fā)明所述振動(dòng)能量采集器經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓、儲(chǔ)存后就可以向各種電子設(shè)備進(jìn)行供電。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓電式振動(dòng)能量采集器，其特征在于，由殼體(1)、彈簧(2)、帶有陣列撥片的質(zhì)量塊(3)、導(dǎo)桿(4)、壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)(5)、抵擋座(6)和導(dǎo)線(xiàn)(7)組成；質(zhì)量塊(3)的中心設(shè)置有與導(dǎo)桿(4)匹配的圓柱形長(zhǎng)孔(8)，導(dǎo)桿(4)貫穿質(zhì)量塊(3)，兩端固定連接在殼體(I)內(nèi)部上下面上；彈簧(2)兩端分別固定在質(zhì)量塊(3)和殼體(I)上；壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)(5)由一片金屬支撐片(10)和分別附著于金屬支撐片(10)的一側(cè)表面上壓電材料薄片(9)、以及另一側(cè)表面上壓電材料(11)組成；抵擋座(6)與一個(gè)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)(5)相匹配，構(gòu)成抵擋座(6)的兩個(gè)四分之一圓柱狀結(jié)構(gòu)或類(lèi)似結(jié)構(gòu)分別位于壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)(5)的兩側(cè)，與壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)(5) —同固定在殼體(I)內(nèi)部的側(cè)面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電式振動(dòng)能量采集器，其特征在于，質(zhì)量塊(3)可沿導(dǎo)桿(4)上下自由滑動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電式振動(dòng)能量采集器，其特征在于，壓電材料薄片(9)和壓電材料薄片(11)通過(guò)并聯(lián)方式進(jìn)行連接，并進(jìn)一步連接整流電路、穩(wěn)壓電路和儲(chǔ)能元件，實(shí)現(xiàn)電能的輸出。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種壓電式振動(dòng)能量采集器，把周?chē)h(huán)境中振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。此振動(dòng)能量采集器由殼體、彈簧、帶有陣列撥片的質(zhì)量塊、導(dǎo)桿、壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)、抵擋座和導(dǎo)線(xiàn)組成。當(dāng)此振動(dòng)能量采集器安裝在振動(dòng)環(huán)境中或攜帶在人體上時(shí)，環(huán)境或人體的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)質(zhì)量塊沿導(dǎo)桿上下振動(dòng)，使質(zhì)量塊的撥片不停地?fù)軇?dòng)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，從而使壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)的能量采集方式不同，本發(fā)明采用壓電式，具有結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、便于安裝和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。此外，其內(nèi)部質(zhì)量塊上設(shè)置有撥片陣列，使得頻率較低的環(huán)境振動(dòng)能夠激勵(lì)振動(dòng)能量采集器內(nèi)壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行較高頻率的振動(dòng)，從而大幅提高能量轉(zhuǎn)換效率。
【IPC分類(lèi)】H02N2-18
【公開(kāi)號(hào)】CN104836476
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510209186
【發(fā)明人】曹自平, 郭慶, 朱洪波
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年4月29日