基于壓電效應(yīng)的弧形振動能量采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量采集裝置，可用來收集環(huán)境中的振動能量。屬于節(jié)能技術(shù)及再生環(huán)保新能源領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]能量采集是一項新興技術(shù)。通過這一技術(shù)，周圍環(huán)境中的振動能量例如車輛、建筑的振動或者人體的運動，可以被收集起來，轉(zhuǎn)化為電能，供低功耗的電子設(shè)備使用。眾所周知，為大部分電子設(shè)備提供能量的電池有壽命短、能量密度低等諸多弊端。而且電池很難被小型化，對環(huán)境也有危害。能量采集技術(shù)有望去除電池的諸多弊端，實現(xiàn)電子設(shè)備的長久自主運行。能量采集器可以被用作電源為多種設(shè)備供電，例如心臟起搏器，智能穿戴設(shè)備，汽車傳感器和其他低功耗無線傳感器。
[0003]有很多種能量源可以被能量采集技術(shù)所利用，包括熱能、太陽能、風(fēng)能和振動能量。在它們之中，振動能是最豐富和普遍存在的。當(dāng)前主要有三種方式來收集振動能量:電磁式、靜電式和壓電式。和其它兩種方式相比，壓電式有易于小型化、無需外電源、結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高的優(yōu)勢。
[0004]大部分現(xiàn)有壓電能量采集器是基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的。這種結(jié)構(gòu)是由一個橫梁和附著在其表面的壓電片組成的。橫梁一端固定，另一端連接一個質(zhì)量塊用來吸收更多的振動能量同時調(diào)節(jié)共振頻率。工作時，振動基體引起懸臂梁周期性的振動，進(jìn)而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力于壓電片上。通過壓電效應(yīng)，應(yīng)力能被轉(zhuǎn)化為電能(參考:e.g.S.Anton andH.Sodano，“Topical Review:A review of power harvesting using piezoelectricmaterials(2003-2006).”Smart Materials and Structure 16 R1-R21,2007 ；andS.Roundy, and Paul K.Wright.〃A piezoelectric vibrat1n based generator forwireless electronics."Smart Materials and structures 13.5，1131，2004) 0 這種簡單的懸臂梁結(jié)構(gòu)盡管被廣泛采用但其能量密度還是達(dá)不到現(xiàn)有電子設(shè)備的需求。最近，為了提高能量采集器的性能，研究人員提出了多種其他的能量采集器，包括兩端固定梁，垂直放置梁，彎曲梁，S或L形梁，不均一梁，等等(參考:S.Roundy, et al."Improvingpower output for vibrat1n-based energy scavengers."Pervasive Computing, IEEE
4.1 (2005):28-36 ；and S.1brahim and W.Ali〃A review on frequency tuning methodsfor piezoelectric energy harvesting systems."Journal of renewable andsustainable energy 4.6 (2012):062703, US.Pat.N0.8，110，964B2，We1-Heng Shih etc.；US.Pat.N0.2007/0284969 Al, Zheng Y1-Daniel Xu, etc.；US.Pat.N0.2013/0062999 Al, A.5.M.Muker-Uz-Zaman, etc.；US.Pat.N0.7，948，153 Bl，Rick A.Kellogg, etc ；US.Pat.N0.2008/0074002 Al, Shashank Priya，etc.)。除了這些梁機構(gòu)，其他一些更為復(fù)雜的機構(gòu)也被提出了。專利(US20100084947A1，Seok-Jin Yoon等)提出了一個螺旋板結(jié)構(gòu)來提高能量采集器的效率。專利(US20050057123A1，Ken Deng)提出了一個種鐃鈸機構(gòu)，其中一個壓電陶瓷盤被一對金屬鐃鈸夾在中間。振動通過鐃鈸傳遞到壓電陶瓷盤上，進(jìn)而產(chǎn)生電能。類似的鐃鈸結(jié)構(gòu)在其他專利也中有所描述(US.Pat.N0.2010/0096949 Al, Tian-BingXu, etc.；US.Pat.N0.9, 048, 759 B2, Tian-Bing Xu, etc.)。分析現(xiàn)有多種形式的能量采集器，可以發(fā)現(xiàn)其核心部分都是一片扁平的壓電板。
[0005]本發(fā)明提出一種半弧形壓電結(jié)構(gòu)來替代常用的扁平的壓電板來提高能量采集器的性能。這種半弧形壓電能量采集器不同于現(xiàn)有的能量采集器。例如，在U.S.Pat.N0.12/748, 500, Nagashima Susumu中，一個彈性梁被壓彎，然后其兩端固定于一個基體板上。此彎曲的彈性梁表面固定一塊扁平的壓電陶瓷板。一個支撐塊被置于彎曲的彈性梁和平板基體之間，來支持這個彎曲彈性梁。外界力或者振動施加于此結(jié)構(gòu)，引起彎曲的彈性梁和附著其上的壓電陶瓷板變形，進(jìn)而產(chǎn)生電能。盡管這個發(fā)明采用了彎曲弧形結(jié)構(gòu)但其核心壓電部分依然是一個扁平的壓電陶瓷板。因此和本發(fā)明不相同。再例如，在U.S.Pat.N0.7，839，058.23 2010中Churchill David L.提出一個基于壓電陶瓷纖維復(fù)合梁的能量采集器。和普通的壓電陶瓷梁相比，這種壓電陶瓷纖維復(fù)合梁的柔性更好。這個壓電纖維復(fù)合梁一端固定，另一端加一個預(yù)載荷使其彎曲，然后固定下來。由于此壓電梁沒有附著在任何基體上，只是兩端固定，因此在外界激勵下，此壓電復(fù)合梁就會在上下兩個平衡態(tài)上來回跳動，進(jìn)而產(chǎn)生電能。這個專利是利用屈曲梁的雙穩(wěn)態(tài)非線性來拓展能量采集器的工作頻寬。并沒有利用大弧度彎曲壓電陶瓷梁/板對效率提高的機理。因此于本發(fā)明不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本專利提出了一種能夠有效提高能量采集器效率的辦法。專注于能量采集器的核心部分，提出一個半弧形壓電組結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用三維的半弧形機構(gòu)來代替普遍使用的二維扁平的壓電平板作為能量采集器的核心。
[0007]本發(fā)明包括一個弧形基體梁，兩個半弧形壓電元件和一個質(zhì)量塊?；⌒位w梁一端固定在振動基體上，另一端懸空附著有質(zhì)量塊。兩個半弧形壓電元件被固定在弧形基體梁的表面?；⌒螇弘娫臉O化方向是圓弧的徑向。電極層在弧形壓電元件的兩個表面上?；⌒位w梁有兩個塑造成型的半圓形單元沿著基體梁長度方向串行連接在一起，用來安裝半弧形壓電元件。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)勢在于顯著提高能量采集器的效率和有效降低能量采集器的共振頻率。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明原理框圖。
[0010]圖2展示了弧形壓電元件的極化方向。
[0011]圖3展示了本發(fā)明的兩種實現(xiàn)方式:(A)有一個弧形壓電元件的工作圖；(B)有三個弧形壓電元件的工作圖。
[0012]圖4展示了本發(fā)明的一種實現(xiàn)方式:弧形基體梁的內(nèi)外兩面都附有弧形壓電元件，形成一種雙壓電片形式。
[0013]圖5是本發(fā)明的一種實現(xiàn)方式:弧形基體梁的兩端都被固定下來。
[0014]圖6展示了基于本發(fā)明制作的原型機的實驗數(shù)據(jù)。
[0015]圖中:11、第一弧形基體梁，12、弧形壓電元件A，13、弧形壓電元件B，14、第一質(zhì)量塊，21、第二弧形基體梁，22、弧形壓電元件C，23、第二質(zhì)量塊，31、第三弧形基體梁，32、弧形壓電片D，33、弧形壓電片E，34、弧形壓電片F(xiàn)，35、第三質(zhì)量塊，41、第四弧形基體梁，42、弧形壓電片G，43、弧形壓電片H，44、弧形壓電片I，45弧形壓電片J，51、第五弧形基體梁，52、弧形壓電片K，53、弧形壓電片L，54、弧形壓電片M，55、弧形壓電片N，56、第五質(zhì)量塊。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明是一個基于壓電效應(yīng)的半弧形振動能量采集裝置。
[0017]圖1是本發(fā)明的原理圖。該裝置由一個第一弧形基體梁11和附著在其表面的弧形壓電元件A12、弧形壓電元件B13、第一質(zhì)量塊14組成；第一弧形基體梁11為上下對稱的弧形結(jié)構(gòu)；弧形壓電元件A12、弧形壓電元件B13分別串行連接并沿著第一弧形基體梁11的長度方向分布，第一弧形基體梁11的一端固定，另一端附著第一質(zhì)量塊14。
[0018]圖2展示了弧形壓電元件A12、弧形壓電元件B13極化的方式。采用二維壓電平板的能量采集器的極化方向通常是沿著固定的軸向(x、y或z軸)進(jìn)行的。本結(jié)構(gòu)中的弧形壓電元件A12、弧形壓電元件B13的極化方向是變化的并沿著徑向進(jìn)行的；弧形壓電元件A12、弧形壓電元件B13的形態(tài)是標(biāo)準(zhǔn)半弧形；不同的形態(tài)在實踐中會被應(yīng)用通過分析和仿真使弧形壓電元件中的應(yīng)力最大化和均一化。這些形態(tài)優(yōu)化包括在本專利的保護范圍。
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