專利名稱：碰撞式壓電微能量收集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碰撞式壓電微能量收集器。
背景技術(shù)：
目前，采用能量收集裝置從周圍獲取能量(如太陽(yáng)能、熱能、電磁能以及機(jī)械能等)，并將其轉(zhuǎn)換為有用的電能從而取代電池的供電方式，已經(jīng)作為一種新的供電方式越來(lái)越弓I起人們的重視。上述能量中，機(jī)械能中的機(jī)械振動(dòng)能來(lái)源廣泛，如風(fēng)力、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、液體流動(dòng)及人的運(yùn)動(dòng)等。與電池供電相比，這種自·供電方式可以減少污染和降低因更換電池導(dǎo)致的維護(hù)成本以及因耗盡電能帶來(lái)的工作故障。現(xiàn)有技術(shù)中，將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能所采用的方法一般有三種壓電式、靜電式和電磁式，其中，基于壓電振動(dòng)的微能量收集方式由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小而得到廣泛地應(yīng)用。壓電材料之所以能將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，是因?yàn)樵谕饬Φ淖饔孟聣弘姴牧袭a(chǎn)生變形，它的表面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)極化電荷從而產(chǎn)生電場(chǎng)，它具有較高的能量密度，無(wú)需單獨(dú)的電源，將這種利用壓電效應(yīng)而產(chǎn)生能量的裝置稱為壓電微能量收集器(piezoelectric micropower generator, PMPG)。現(xiàn)有技術(shù)中，研究人員利用壓電材料的特性，針對(duì)不同的應(yīng)用背景，采用不同的機(jī)構(gòu)和工作原理，開(kāi)發(fā)了形式各異的壓電微能量收集器，以滿足不同需要。典型壓電能量收集裝置一般都采用三層機(jī)構(gòu)的矩形懸臂梁，上下兩層為壓電材料，中間的金屬層用于提高結(jié)構(gòu)剛性。這種設(shè)計(jì)的微懸臂梁通常工作在高頻狀態(tài)(100Hz 300Hz)，面外部工作環(huán)境中的振動(dòng)形式通常具有頻率偏低、頻率成分多的特點(diǎn)，振動(dòng)結(jié)構(gòu)的固有頻率難以與環(huán)境的輸入頻率匹配，使得微懸臂梁工作在非諧振狀態(tài)而導(dǎo)致能量收集效果急劇下降?，F(xiàn)有的碰撞式壓電微能量收集方法大多是處于理論研究，采用不同的碰撞體和壓電材料在激振器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，包括圓球碰撞壓電薄膜、低頻長(zhǎng)懸臂梁碰撞高頻短壓電梁、皮帶抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓電梁以及反復(fù)撥動(dòng)壓電梁的方法。碰撞力的大小、碰撞位置和碰撞接觸面直接影響壓電懸臂梁的工作穩(wěn)定性、輸出功率和使用壽命。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的碰撞式壓電微能量收集往往存在以下問(wèn)題(I)碰撞接觸面沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)，也沒(méi)有一定的保護(hù)措施，當(dāng)外部剛體直接碰撞壓電材料時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓電材料破裂從而影響其使用壽命；(2)碰撞力的大小不能得到有效控制，長(zhǎng)期工作會(huì)導(dǎo)致壓電材料出現(xiàn)裂紋甚至失效，另外碰撞作用位置不能更改或合理的設(shè)置，不能有效降低固定端的沖量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種便攜式碰撞壓電微能量收集器，能夠提高裝置性能，延長(zhǎng)使用壽命，提高能量收集效率，并基于人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將人體步行產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并為便攜式傳感器供電。本發(fā)明提供一種碰撞式壓電微能量收集裝置
所述裝置包括固定座、導(dǎo)桿、滑塊、壓電片、碰撞塊；所述固定座，由方管、防護(hù)罩和端蓋組成；所述導(dǎo)桿，固設(shè)于所述固定座上；所述滑塊，滑動(dòng)地安裝于所述導(dǎo)桿上；所述壓電片，呈懸臂梁式設(shè)置在固定座上；所述碰撞塊，固設(shè)于所述壓電片的自由端，用于與滑動(dòng)的滑塊發(fā)生碰撞以使所述壓電片振動(dòng)并發(fā)電。其中，所述滑塊與所述壓電片平行安裝。其中，所述碰撞塊與所述滑塊的碰撞接觸面為兩個(gè)圓弧曲面，其中碰撞塊為非對(duì) 稱圓弧設(shè)計(jì)。其中，所述滑塊為圓柱滑塊，滑塊上設(shè)有多個(gè)圓弧突起，所述突起設(shè)計(jì)成圓弧面。其中，所述裝置安裝在腳蹀位置時(shí)，所述滑塊往復(fù)移動(dòng)與碰撞塊碰撞使壓電片持續(xù)振動(dòng)而輸出功率。其中，所述防護(hù)罩固設(shè)于方管的對(duì)應(yīng)于壓電片一側(cè)用于保護(hù)壓電片。其中，所述導(dǎo)桿的一端為阻止端，用于防止端蓋脫落；所述導(dǎo)桿的另一端設(shè)有螺紋，用于安裝螺母；所述導(dǎo)桿的設(shè)螺紋的一端依次穿過(guò)一端蓋的通孔、圓柱滑塊及另一端蓋的通孔后，在設(shè)螺紋的一端安裝螺母，將端蓋、導(dǎo)桿及方管緊固為一體。其中，所述方管、端蓋、導(dǎo)桿及碰撞塊為鋁材料。其中，所述滑中設(shè)有供導(dǎo)桿穿過(guò)的穿孔，且采用鋼材料制成。其中，所述碰撞塊固設(shè)于壓電片的自由端，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)桿的中間位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(I)本發(fā)明技術(shù)方案，碰撞的方法采用頻率向上轉(zhuǎn)換策略，利用外部低頻振動(dòng)驅(qū)動(dòng)固有高頻的壓電懸臂梁，可以使壓電振動(dòng)能量收集不受外部輸入的限制，能有效地提高能量收集效率。(2)本發(fā)明技術(shù)方案，平行碰撞的方法使得結(jié)構(gòu)緊湊并能節(jié)約空間，從而提高能量收集密度；(3)本發(fā)明技術(shù)方案，多個(gè)突起使得壓電梁在一個(gè)周期內(nèi)承受多次碰撞，并保持連續(xù)地變形，從而增大輸出功率；(4)本發(fā)明技術(shù)方案，通過(guò)調(diào)節(jié)碰撞體和碰撞塊之間的間隙，可以合理的設(shè)置碰撞作用位置，保證壓電梁的工作性能，延長(zhǎng)使用壽命；(5)本發(fā)明技術(shù)方案，便攜式的設(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)換人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能并給附加在人體的微電子設(shè)備或嵌入式的無(wú)線傳感器供電。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
圖I是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的裝配示意圖；圖2是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的結(jié)構(gòu)分解示意圖；圖3是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的運(yùn)動(dòng)部分裝配主視圖；圖4是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的運(yùn)動(dòng)原理圖；圖5是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的去程運(yùn)動(dòng)示意圖；圖6是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的回程運(yùn)動(dòng)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明實(shí)施例提供一種便攜式碰撞壓電微能量收集器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度大、性能穩(wěn)定等的特點(diǎn)，該裝置能夠基于人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將人體步行產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并為便攜式傳感器供電。該碰撞式壓電微能量收集器，主要包括固定座和固設(shè)于固定座上的導(dǎo)桿；滑動(dòng)地安裝于導(dǎo)桿上的多突起碰撞體；呈懸臂梁式設(shè)置在固定座上的壓電片；固設(shè)于壓電片的自由端的且用于與滑動(dòng)的碰撞體發(fā)生碰撞以使壓電片振動(dòng)并發(fā)電的碰撞塊。上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)在壓電片固定端增加塞尺可以調(diào)節(jié)碰撞體與壓電片自由端碰撞塊之間的間隙，從而調(diào)整碰撞力大小和碰撞作用位置。下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。其中圖中各附圖標(biāo)記的含義如下1_防護(hù)罩,2-端蓋,3-圓柱滑塊,4-方管,5-導(dǎo)桿,6-碰撞塊,7-壓電片,8-固定座。圖I是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的裝配示意圖；圖2是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的結(jié)構(gòu)分解示意圖。如圖I和圖2所示，壓電能量收集裝置主要包括固定座8、固設(shè)于固定座8上的導(dǎo)桿5、滑動(dòng)地安裝于導(dǎo)桿5上的圓柱滑塊3、呈懸臂梁式設(shè)置于固定座8上的壓電片7及固設(shè)于壓電片7上的碰撞塊6。其中，所述固定座8包括方管4、固設(shè)于方管4兩端的端蓋3、固定于方管4的外表面防護(hù)罩I。其中，方管4可以為橫截面為四方形的長(zhǎng)管，內(nèi)部為通孔。兩個(gè)端蓋2設(shè)于方管4的兩端，端蓋I的中間也設(shè)有通孔，兩通孔由導(dǎo)桿5依次穿過(guò)并通過(guò)在導(dǎo)桿5的設(shè)螺紋的一端安裝螺母以進(jìn)行緊固。防護(hù)罩I固設(shè)于方管4的對(duì)應(yīng)于壓電片7 —側(cè)，用于保護(hù)壓電片7，防止外力破壞，還可以防止壓電片7振動(dòng)時(shí)變形過(guò)大而破裂。導(dǎo)桿5的一端為阻止端，用于防止端蓋2脫落，另一端設(shè)有螺紋，用于安裝螺母。組裝時(shí)，導(dǎo)桿5的設(shè)螺紋的一端依次穿過(guò)一端蓋2的通孔、圓柱滑塊3及另一端蓋2的通孔后在設(shè)螺紋的一端安裝螺母，從而將端蓋2、導(dǎo)桿5及方管4緊固為一體。其中，由于整個(gè)壓電能量收集裝置是便攜式的，因此為減輕重量，方管4、端蓋2、導(dǎo)桿5及碰撞塊6均采用鋁材料。圓柱滑塊3中設(shè)有供導(dǎo)桿5穿過(guò)的穿孔，且采用鋼材料制成，以增加質(zhì)量進(jìn)而增大動(dòng)量，在與碰撞塊6發(fā)生碰撞時(shí)可以增大沖量使得壓電片7易發(fā)生彎曲變形。
壓電片7呈懸臂梁式設(shè)置于固定座8上，一端通過(guò)螺釘固定在方管上，另一端作為自由端粘貼有碰撞塊6。壓電片7與導(dǎo)桿5平行設(shè)置。如圖3所示，是本發(fā)明的碰撞式壓電微能量收集器的運(yùn)動(dòng)部分裝配主視圖。碰撞塊6固設(shè)于壓電片7的自由端，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)桿5的中間位置，也即在靜止?fàn)顟B(tài)下，碰撞塊6懸置于導(dǎo)桿5的中間位置的上方。如圖4所示，是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的運(yùn)動(dòng)原理圖。碰撞塊6用于與圓柱滑塊3上的突起發(fā)生碰撞以使壓電片7振動(dòng)并發(fā)電。碰撞塊6的末端設(shè)計(jì)成非對(duì)稱圓弧面(半徑分別為Rs和Rl)，圓柱滑塊3上的突起也設(shè)計(jì)成圓弧面(半徑為Rr)，圓弧型的接觸面使得圓柱滑塊3在碰撞后能輕易通過(guò)，減少剛性碰撞。另夕卜，圓柱滑塊3上的多個(gè)突起可以保證在移動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生多次碰撞，從而提高輸出功率。6表示圓柱滑塊3上的突起與之間的重疊部分，是影響能量輸出的一個(gè)重要因素。如果8 <0，則滑塊3在移動(dòng)的過(guò)程中不與碰撞塊6發(fā)生接觸，壓電梁不會(huì)發(fā)生變形從而沒(méi)有功率輸出。若S > 0但過(guò)小，在碰撞的過(guò)程中壓電雙晶梁的變形也很小，沒(méi)有有效地利用壓電梁的發(fā)電效果。若S過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致圓柱滑塊3無(wú)法頂起壓電梁而繼續(xù)移動(dòng)，或者說(shuō)卡住，同樣也沒(méi)有輸出電壓。根據(jù)所使用的壓電片7的特性，在設(shè)計(jì)與安裝時(shí)通過(guò)在壓電片7的固定端增加塞尺來(lái)合理的設(shè)置8的大小，既可以更有效的利用壓電片，又要避免在工作過(guò)程中卡住甚至撞壞壓電片。圖5是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的去程運(yùn)動(dòng)示意圖。如圖5所示為圓柱滑塊3沿導(dǎo)桿5從壓電片7對(duì)應(yīng)的固定端向碰撞塊6方向滑動(dòng)過(guò)程中的受力分析情況，以下簡(jiǎn)稱 去程。在去程中，碰撞的作用力F沿相接觸的兩圓弧切點(diǎn)處的法線方向，該力可以分解為沿X方向和y方向的分力Fx和Fy，且方向垂直，兩個(gè)分力對(duì)于壓電片7固定端的彎矩方向一致，從而有利于頂起壓電片7。所述圓柱滑塊3上的突起與碰撞塊6的接觸面為圓弧面，此種設(shè)計(jì)可以保證圓柱滑塊3在頂起壓電片7后很輕易地向前繼續(xù)移動(dòng)，此時(shí)壓電基片7在自身的諧振頻率下做裳減振動(dòng)。圖6是本發(fā)明碰撞壓電微能量收集器的回程運(yùn)動(dòng)示意圖。如圖6所示為圓柱滑塊3沿導(dǎo)桿5從壓電片7對(duì)應(yīng)的自由端向固定端方向滑動(dòng)過(guò)程中的受力分析情況，以下簡(jiǎn)稱回程。回程碰撞時(shí)的作用力F'沿相接觸的兩圓弧切點(diǎn)處的法線方向，該力可以分解為沿X方向和y方向的分力Fx'和Fy'，且方向垂直，F(xiàn)y'使得壓電片7向上彎曲，而Fx'產(chǎn)生的彎矩使得壓電片7向下彎曲，F(xiàn)x'使壓電片7拱起不利于壓電基片40向上彎曲變形而產(chǎn)生振動(dòng)。請(qǐng)一并參考圖5和圖6，Rs小于Rl的非對(duì)稱設(shè)計(jì)使得F'與水平方向的夾角a要大于F與水半方向的夾角0，這樣可以增大沿豎直方向的分力Fy'，減小沿水平方向的分力Fx'，從而使得壓電片7更易向上彎曲變形。作為一種實(shí)施方式，本發(fā)明方案提供的壓電微能量收集裝置可以綁定于用戶的腳踝位置，從而當(dāng)人走動(dòng)時(shí)，圓柱滑塊3就會(huì)往復(fù)移動(dòng)與碰撞塊6碰撞使壓電片7持續(xù)振動(dòng)而輸出功率，通過(guò)儲(chǔ)能電路就可以收集所產(chǎn)生的電能，并給人體健康檢測(cè)傳感器或便攜式微電子裝置供電?？梢园l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明獨(dú)特的平行碰撞可以有效的限制碰撞力過(guò)大而導(dǎo)致壓電材料破裂，圓弧接觸面可以保證碰撞后圓柱滑塊較易通過(guò)而繼續(xù)移動(dòng)，多個(gè)突起可以使得一個(gè)周期內(nèi)發(fā)生多次碰撞，從而增大輸出功率。碰撞塊的非對(duì)稱圓弧設(shè)計(jì)，可以提高回程碰撞的作用效果。便攜式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以安裝在人的腳踝位置，將人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能可以給人體健康檢測(cè)傳感器或便攜式微電子裝置供電。本發(fā)明提供的壓電微能量收集裝置，在保證性能穩(wěn)定的前提下，可以增大輸出功率，提高能量收集效率，具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度大的特 點(diǎn)。壓電微能量收集裝置還可以綁定在人的腳踝位置，將人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能可以給人體健康檢測(cè)傳感器或便攜式微電子裝置供電。以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的壓電微能量收集裝置，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述裝置包括固定座、導(dǎo)桿、滑塊、壓電片、碰撞塊； 所述固定座，由方管、防護(hù)罩和端蓋組成； 所述導(dǎo)桿，固設(shè)于所述固定座上； 所述滑塊，滑動(dòng)地安裝于所述導(dǎo)桿上； 所述壓電片，呈懸臂梁式設(shè)置在固定座上； 所述碰撞塊，固設(shè)于所述壓電片的自由端，用于與滑動(dòng)的滑塊發(fā)生碰撞以使所述壓電片振動(dòng)并發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述滑塊與所述壓電片平行安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述碰撞塊與所述滑塊的碰撞接觸面為兩個(gè)圓弧曲面，其中碰撞塊為非對(duì)稱圓弧設(shè)計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述滑塊為圓柱滑塊，滑塊上設(shè)有多個(gè)圓弧突起，所述突起設(shè)計(jì)成圓弧面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述裝置安裝在腳踝位置時(shí)，所述滑塊往復(fù)移動(dòng)與碰撞塊碰撞使壓電片持續(xù)振動(dòng)而輸出功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述防護(hù)罩固設(shè)于方管的對(duì)應(yīng)于壓電片一側(cè)用于保護(hù)壓電片。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述導(dǎo)桿的一端為阻止端，用于防止端蓋脫落； 所述導(dǎo)桿的另一端設(shè)有螺紋，用于安裝螺母； 所述導(dǎo)桿的設(shè)螺紋的一端依次穿過(guò)一端蓋的通孔、圓柱滑塊及另一端蓋的通孔后，在設(shè)螺紋的一端安裝螺母，將端蓋、導(dǎo)桿及方管緊固為一體。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述方管、端蓋、導(dǎo)桿及碰撞塊為鋁材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述滑中設(shè)有供導(dǎo)桿穿過(guò)的穿孔，且采用鋼材料制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碰撞式壓電微能量收集裝置，其特征在于 所述碰撞塊固設(shè)于壓電片的自由端，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)桿的中間位置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種碰撞式壓電微能量收集裝置。所述裝置包括固定座、導(dǎo)桿、滑塊、壓電片、碰撞塊；所述固定座，由方管、防護(hù)罩和端蓋組成；所述導(dǎo)桿，固設(shè)于所述固定座上；所述滑塊，滑動(dòng)地安裝于所述導(dǎo)桿上；所述壓電片，呈懸臂梁式設(shè)置在固定座上；所述碰撞塊，固設(shè)于所述壓電片的自由端，用于與滑動(dòng)的滑塊發(fā)生碰撞以使所述壓電片振動(dòng)并發(fā)電。本發(fā)明提供的技術(shù)方案，能夠提高裝置性能，延長(zhǎng)使用壽命，提高能量收集效率，并基于人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，將人體步行產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并為便攜式傳感器供電。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102739107SQ20121016065
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者胡泓, 魏勝 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院