一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，包括至少為兩個(gè)呈陣列分布的懸臂梁、質(zhì)量塊、碰撞尖端、固定支架、壓電片和基底；懸臂梁的一端與固定支架連接，懸臂梁的自由端下表面固定有碰撞尖端；質(zhì)量塊與懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，并固定于懸臂梁的自由端；壓電片位于基底表面；壓電片設(shè)置有上電極和下電極；基底位于陣列分布的懸臂梁的正下方，且固定于固定支架上。通過利用陣列式懸臂梁把外界振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿簩?duì)基底的機(jī)械撞擊，使設(shè)置于基底表面的壓電片產(chǎn)生形變，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能形式輸出。根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍，設(shè)計(jì)懸臂梁的個(gè)數(shù)和諧振頻率，使陣列式懸臂梁的諧振頻率范圍覆蓋環(huán)境中振動(dòng)源頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)寬頻的能量收集。
【專利說明】一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量收集裝置，特別涉及一種壓電振動(dòng)能量收集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著微電子技術(shù)和無線技術(shù)的發(fā)展，使得低成本、低功耗、小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。這樣的節(jié)點(diǎn)配合各類型的傳感器，可組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)，不僅在戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測(cè)和大區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)追蹤等軍事領(lǐng)域具有重要應(yīng)用和軍事價(jià)值，而且在社會(huì)建設(shè)的各個(gè)層面和人們的日常生活當(dāng)中也有重要應(yīng)用，比如生活中橋梁、建筑物安全性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。通常情況下，這些無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都是依靠傳統(tǒng)的電池來提供能量，如鎳氫電池、鋰聚合物電池等。傳統(tǒng)電池存在一些缺點(diǎn)，一是供能壽命有限，不可循環(huán)利用，使用一段時(shí)間后需要更換或者充電，對(duì)于分布在氣候惡劣或者遙遠(yuǎn)地區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，這是個(gè)很嚴(yán)重的制約條件；二是相對(duì)于微型傳感器其體積仍然較大，限制了微傳感器的進(jìn)一步小型化。為了解決這些問題，研究人員提出了可以實(shí)現(xiàn)從周圍環(huán)境吸收能量的能量收集器，有效解決了電池壽命有限、更換不便的困難。
[0003]目前，能量收集器的類型主要有壓電式、靜電式以及電磁式，三者之中，壓電式能量收集器通過吸收環(huán)境中普遍存在的振動(dòng)能量輸出電能，具有可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，能與MEMS技術(shù)很好地集成、能量輸出密度大、無需啟動(dòng)電源以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)類型有懸臂梁式、Cymbal式、堆疊式等，其中懸臂梁結(jié)構(gòu)是壓電能量收集器的主流結(jié)構(gòu)。
[0004]當(dāng)周圍環(huán)境振動(dòng)源的頻率與能量收集器諧振頻率一致時(shí)，壓電振動(dòng)能量收集器收集效率高；然而當(dāng)周圍環(huán)境振動(dòng)源的頻率偏離懸臂梁諧振頻率時(shí)，輸出能量會(huì)急劇減少，收集效率低。周圍環(huán)境中的振動(dòng)源都具有一定頻帶寬度，能量收集器也具有一定的頻帶寬度，但是能量收集器存在頻帶窄，不能完全覆蓋環(huán)境中振動(dòng)源頻帶寬度的問題，導(dǎo)致能量收集效率低，限制了收集器在寬頻振動(dòng)環(huán)境中的應(yīng)用。因此如何拓寬能量收集器的頻帶寬度是發(fā)展能量收集器面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
[0005]目前，為解決壓電振動(dòng)能量收集器能在寬頻振動(dòng)環(huán)境中工作的問題，國(guó)內(nèi)外提出了各種各樣的解決方案。比如2008年Challa等人提出的磁式懸臂梁能量收集器，在單臂梁的基礎(chǔ)上分別在裝置的頂端、底端和梁的自由端沿垂直方向固定磁鐵，通過調(diào)節(jié)磁鐵間的距離改變梁的固有頻率來實(shí)現(xiàn)寬頻的能量收集，但是每次改變磁鐵間的距離需要花費(fèi)一定的時(shí)間，不能適應(yīng)頻率變化快的環(huán)境，而且不易實(shí)現(xiàn)集成化、微型化。Shahruz在2006年設(shè)計(jì)的陣列式壓電懸臂梁能量收集器，利用多個(gè)貼有壓電片的懸臂梁采用陣列方式分布，每個(gè)懸臂梁具有不同的幾何尺寸而具有不同的諧振頻率，每個(gè)梁相當(dāng)于一個(gè)電源，通過串聯(lián)的連接方式輸出能量來達(dá)到拓頻的效果，其缺點(diǎn)是梁與梁之間串聯(lián)或并聯(lián)存在相位差而產(chǎn)生耦合干擾，能量收集效率低。2010年南京航空航天大學(xué)申請(qǐng)了一種蒲公英狀多方向、寬頻帶壓電振動(dòng)能量收集裝置的專利(CN201010601354.3)，其中裝置結(jié)構(gòu)包括多個(gè)具有不同諧振頻率的懸臂梁，每個(gè)懸臂梁上貼有壓電片，懸臂梁之間通過串聯(lián)或并聯(lián)連接方式輸出能量，達(dá)到拓寬頻帶寬度的效果，但是也存在因串聯(lián)或并聯(lián)方式產(chǎn)生耦合干擾導(dǎo)致能量收集效率低的問題。2012年重慶大學(xué)申請(qǐng)的關(guān)于寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器專利(CN201210459561.9)同樣存在因串聯(lián)或并聯(lián)方式產(chǎn)生耦合干擾導(dǎo)致能量收集效率低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，能夠應(yīng)用在一定頻帶寬度振動(dòng)源的環(huán)境中，同時(shí)避免了多個(gè)懸臂梁因串聯(lián)或并聯(lián)方式存在相位差而產(chǎn)生耦合干擾和內(nèi)阻增加等問題，高效率的將環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，而且可以連續(xù)輸出電能。
[0007]為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，包括懸臂梁、質(zhì)量塊、碰撞尖端、固定支架、壓電片和基底。
[0008]所述懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布；所述懸臂梁的一端與所述固定支架連接，所述懸臂梁的自由端下表面固定有所述碰撞尖端；所述質(zhì)量塊與所述懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，并固定于所述懸臂梁的自由端；所述壓電片位于所述基底表面；所述壓電片設(shè)置有上電極和下電極；所述基底位于所述陣列分布的懸臂梁的正下方，且固定于所述固定支架上。
[0009]作為優(yōu)選，所述質(zhì)量塊的質(zhì)量不相同，具體質(zhì)量根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍設(shè)置。
[0010]作為優(yōu)選，所述懸臂梁的形狀可以為矩形或梯形或曲線形。
[0011]作為優(yōu)選，所述懸臂梁陣列分布的形狀可以為矩形或方形或圓形或橢圓形。
[0012]作為優(yōu)選，所述碰撞尖端距基底的距離可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍及振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置。
[0013]作為優(yōu)選，所述碰撞尖端的形狀可以為錐形或圓柱形。
[0014]作為優(yōu)選，所述所述壓電片為至少一片。
[0015]作為優(yōu)選，所述所述壓電片位于所述基底的上表面或下表面。
[0016]作為優(yōu)選，所述所述壓電片位于所訴基底上表面和下表面。
[0017]作為優(yōu)選，所述壓電片之間采用串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式輸出能量。
[0018]作為優(yōu)選，所述壓電片的材料可選用壓電陶瓷或氮化鋁或氧化鋅或PVDF。
[0019]作為優(yōu)選，所述基底的材料可選用銅或鋁或硅。
[0020]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0021]1.通過多梁與基底碰撞方式傳遞機(jī)械能，使基底發(fā)生形變，利用基底上的壓電片進(jìn)行能量收集，可以避免多個(gè)懸臂梁因串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式存在相位差而產(chǎn)生耦合干擾和內(nèi)阻增加等問題，從而提高能量收集的效率。
[0022]2.采用不同諧振頻率的懸臂梁陣列，當(dāng)振動(dòng)源頻率在懸臂梁諧振頻率范圍內(nèi)變化時(shí)，總有一個(gè)或多個(gè)懸臂梁產(chǎn)生較大形變與下方的基底發(fā)生碰撞，避免了因調(diào)節(jié)諧振頻率導(dǎo)致電壓間斷性輸出的問題，可以得到連續(xù)輸出的有效電壓，更能適應(yīng)頻率變化快的振動(dòng)環(huán)境。
[0023]3.由于每個(gè)碰撞尖端與基底的距離可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍及振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置，比如通過設(shè)置可以使得每個(gè)處于諧振狀態(tài)的懸臂梁通過碰撞尖端給基底帶來的形變大致相同，使得在不同的共振頻率下，壓電片輸出的電壓始終是大致相同的，有穩(wěn)壓的效果。
[0024]4.本發(fā)明還具有易實(shí)現(xiàn)集成化和微型化的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0027]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)截面圖；
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0029]結(jié)合圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，包括懸臂梁2、質(zhì)量塊1、碰撞尖端3、固定支架4、壓電片5和基底6，本實(shí)施例中所述懸臂梁2優(yōu)選為矩形、碰撞尖端3優(yōu)選為錐形、基底6優(yōu)選為圓形。
[0030]所述懸臂梁2的數(shù)量為六，呈圓形陣列分布；所述懸臂梁2的一端與所述固定支架4連接，所述懸臂梁2的自由端下表面固定有所述碰撞尖端3 ;所述質(zhì)量塊1為六個(gè)；所述質(zhì)量塊1與所述懸臂梁2 —一對(duì)應(yīng)，并固定于所述懸臂梁2的自由端；所述壓電片5位于所述基底6的上表面；所述壓電片5設(shè)置有上電極7和下電極8 ;所述基底位5于所述陣列分布的懸臂梁2的正下方，且固定于所述固定支架4上
[0031]所述質(zhì)量塊1具有不同的質(zhì)量，可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境中振動(dòng)源頻率變化范圍進(jìn)行匹配，獲得不同的諧振頻率。
[0032]所述碰撞尖端3固定在懸臂梁2自由端的下端，根據(jù)所述懸臂梁的諧振頻率和振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)每個(gè)碰撞尖端與所述基底的距離。
[0033]由于壓電片不再串聯(lián)于每條懸臂梁上，很好地解決了因?yàn)槎鄠€(gè)懸臂梁串聯(lián)而產(chǎn)生的多余內(nèi)阻以及電壓耦合干擾，同時(shí)也避免了多個(gè)懸臂梁串聯(lián)后，處于非諧振狀態(tài)的懸臂梁上的壓電片對(duì)于處于諧振狀態(tài)的懸臂梁上的壓電片所產(chǎn)生的抑制作用，提高了能量收集效率。
[0034]當(dāng)懸臂梁受到外界激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，通過碰撞尖端向基底傳遞機(jī)械能，基底帶動(dòng)壓電片發(fā)生形變從而產(chǎn)生電能，通過壓電片上的上下電極輸出能量。由于設(shè)置了多條懸臂梁，每條懸臂梁的諧振頻率均不相同，這樣就使得所述寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置在一個(gè)比較寬的頻率范圍內(nèi)都能保證至少有一個(gè)懸臂梁發(fā)生共振而向基底傳遞機(jī)械能。避免了因調(diào)節(jié)諧振頻率導(dǎo)致電壓間斷性輸出的問題，可以得到連續(xù)輸出的有效電壓，更能適應(yīng)頻率變化快的振動(dòng)環(huán)境。
[0035]由于每個(gè)碰撞尖端與基底的距離可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍及振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到所需的輸出電壓。比如通過設(shè)置可以使得每個(gè)處于諧振狀態(tài)的懸臂梁通過碰撞尖端給基底帶來的形變大致相同，使得在不同的共振頻率下，壓電片輸出的電壓始終是大致相同的，有穩(wěn)壓的效果。
[0036]綜上所述，本發(fā)明提出的寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，能收集環(huán)境中具有一定頻帶寬度振動(dòng)源的能量，有效拓寬了工作頻率寬度，同時(shí)提高了能量收集效率，而且易實(shí)現(xiàn)微型化、集成化，擴(kuò)寬了適用范圍，增強(qiáng)了實(shí)用性。
[0037]以上所述，僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，包括懸臂梁、質(zhì)量塊、碰撞尖端、固定支架、壓電片和基底；所述懸臂梁至少為兩個(gè)，呈陣列分布；所述懸臂梁的一端與所述固定支架連接，所述懸臂梁的自由端下表面固定有所述碰撞尖端；所述質(zhì)量塊與所述懸臂梁一一對(duì)應(yīng)，并固定于所述懸臂梁的自由端；所述壓電片位于所述基底表面，所述壓電片設(shè)置有上電極和下電極；所述基底位于所述陣列分布的懸臂梁的正下方，且固定于所述固定支架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述質(zhì)量塊的質(zhì)量不相同，具體質(zhì)量根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述懸臂梁的形狀可以為矩形或梯形或曲線形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述懸臂梁陣列分布的形狀可以為矩形或方形或圓形或橢圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述碰撞尖端距基底的距離可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)源頻率范圍及振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述碰撞尖端的形狀可以為錐形或圓柱形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述壓電片的數(shù)量為至少一片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述壓電片位于所述基底的上表面或下表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述壓電片位于所述基底的上表面和下表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述壓電片之間采用串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式輸出能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述壓電片的材料可選用壓電陶瓷或氮化鋁或氧化鋅或PVDF。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻壓電振動(dòng)能量收集裝置，其特征在于，所述基底的材料可選用銅或鋁或硅。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103647475SQ201310686868
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】秦利鋒, 張金惠, 馬盛林, 周偉, 余建曄, 吳成彬, 王敷陽(yáng) 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)