基于壓電效應的弧形振動能量采集器制造技術

基于壓電效應的弧形振動能量采集器，它由一個弧形基體梁，兩個弧形壓電片和一個質量塊組成。弧形基體梁一端固定在振動基體上，另一端懸空附著有質量塊。弧形壓電片附著于弧形基體梁的表面。本發明專利技術有高能量轉化效率和低共振頻率的優點。它可以被用在植入式醫療設備，可穿戴設備和無線傳感器中。本發明專利技術的優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。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種能量采集裝置，可用來收集環境中的振動能量。屬于節能技術及再生環保新能源領域。
技術介紹
能量采集是一項新興技術。通過這一技術，周圍環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，轉化為電能，供低功耗的電子設備使用。眾所周知，為大部分電子設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，對環境也有危害。能量采集技術有望去除電池的諸多弊端，實現電子設備的長久自主運行。能量采集器可以被用作電源為多種設備供電，例如心臟起搏器，智能穿戴設備，汽車傳感器和其他低功耗無線傳感器。有很多種能量源可以被能量采集技術所利用，包括熱能、太陽能、風能和振動能量。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、結構簡單、能量密度高的優勢。大部分現有壓電能量采集器是基于懸臂梁結構的。這種結構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，另一端連接一個質量塊用來吸收更多的振動能量同時調節共振頻率。工作時，振動基體引起懸臂梁周期性的振動，進而產生彎曲應力于壓電片上。通過壓電效應，應力能被轉化為電能(參考：e.g.S.AntonandH.Sodano,“TopicalReview:Areviewofpowerharvestingusingpiezoelectricmaterials(2003-2006).”SmartMaterialsandStructure16R1-R21,2007；andS.Roundy,andPaulK.Wright.\Apiezoelectricvibrationbasedgeneratorforwirelesselectronics.\SmartMaterialsandstructures13.5,1131,2004)。這種簡單的懸臂梁結構盡管被廣泛采用但其能量密度還是達不到現有電子設備的需求。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,etal.\Improvingpoweroutputforvibration-basedenergyscavengers.\PervasiveComputing,IEEE4.1(2005):28-36；andS.IbrahimandW.Ali\Areviewonfrequencytuningmethodsforpiezoelectricenergyharvestingsystems.\Journalofrenewableandsustainableenergy4.6(2012):062703，US.Pat.No.8,110,964B2,Wei-HengShihetc.；US.Pat.No.2007/0284969A1,ZhengYi-DanielXu,etc.；US.Pat.No.2013/0062999A1,A.S.M.Muker-Uz-Zaman,etc.；US.Pat.No.7,948,153B1,RickA.Kellogg,etc；US.Pat.No.2008/0074002A1,ShashankPriya,etc.)。除了這些梁機構，其他一些更為復雜的機構也被提出了。專利(US20100084947A1，Seok-JinYoon等)提出了一個螺旋板結構來提高能量采集器的效率。專利(US20050057123A1，KenDeng)提出了一個種鐃鈸機構，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，進而產生電能。類似的鐃鈸結構在其他專利也中有所描述(US.Pat.No.2010/0096949A1,Tian-BingXu,etc.；US.Pat.No.9,048,759B2,Tian-BingXu,etc.)。分析現有多種形式的能量采集器，可以發現其核心部分都是一片扁平的壓電板。本專利技術提出一種半弧形壓電結構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有的能量采集器。例如，在U.S.Pat.No.12/748,500，NagashimaSusumu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構，引起彎曲的彈性梁和附著其上的壓電陶瓷板變形，進而產生電能。盡管這個專利技術采用了彎曲弧形結構但其核心壓電部分依然是一個扁平的壓電陶瓷板。因此和本專利技術不相同。再例如，在U.S.Pat.No.7,839,058.232010中ChurchillDavidL.提出一個基于壓電陶瓷纖維復合梁的能量采集器。和普通的壓電陶瓷梁相比，這種壓電陶瓷纖維復合梁的柔性更好。這個壓電纖維復合梁一端固定，另一端加一個預載荷使其彎曲，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，此壓電復合梁就會在上下兩個平衡態上來回跳動，進而產生電能。這個專利是利用屈曲梁的雙穩態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。因此于本專利技術不同。
技術實現思路
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構。本專利技術采用三維的半弧形機構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。本專利技術包括一個弧形基體梁，兩個半弧形壓電元件和一個質量塊。弧形基體梁一端固定在振動基體上，另一端懸空附著有質量塊。兩個半弧形壓電元件被固定在弧形基體梁的表面。弧形壓電元件的極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。弧形基體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。本專利技術的優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。附圖說明圖1是本專利技術原理框圖。圖2展示了弧形壓電元件的極化方向。圖3展示了本專利技術的兩種實現方式：(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。圖4展示了本專利技術的一種實現方式：弧形基體梁的內外兩面都附有弧形壓電元件，形成一本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于壓電效應的弧形振動能量采集器，其特征在于：該采集器包括一個弧形基體梁，兩個半弧形壓電元件和一個質量塊；弧形基體梁一端固定在振動基體上，另一端懸空附著有質量塊；兩個半弧形壓電元件被固定在弧形基體梁的表面；弧形壓電元件的極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；弧形基體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。

【技術特征摘要】
1.基于壓電效應的弧形振動能量采集器，其特征在于：該采集
器包括一個弧形基體梁，兩個半弧形壓電元件和一個質量塊；弧形
基體梁一端固定在振動基體上，另一端懸空附著有質量塊；兩個半
弧形壓電元件被固定在弧形基體梁的表面；弧形壓電元件的極化方
向是圓弧的徑向；電極層在弧形壓電元件的兩個表面上；弧形基體
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。
2.根據權利要求1所述的基于壓電效應的弧形振動能量采集器，
其特征在于：該采集器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A(12)、弧形壓電元件B(13)、第一質量塊(14)
組成；第一弧形基體梁(11)為上下對稱的弧形結構；弧形壓電元件
A(12)、弧形壓電元件B(13)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
一端附著第一質量塊(14)；
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)進行的；本結構中的弧形壓電元件A(12)、弧
形壓電元件B(13)的極化方向是變化的并沿著徑向進行的；弧形壓
電元件A(12)、弧形壓電元件B(13)的形態是標準半弧形；不同
的形態在實踐中會被應用通過分析和仿真使弧形壓電元件中的應力
最大化和均一化。
3.根據權利要求1所述的基于壓電效應的弧形振動能量采集
器，其特征在于：第二弧形基體梁(21)的一端固定，另一端附著

\t第二質量塊(23)；一個弧形壓電元件C(22)被粘貼在第二弧形基
體梁(21)的表面。
4.根據權利要求1所述的基于壓電效應的弧形振動能量采集器，
其特征在于：第三弧形基體梁(31)的一端固定，另一端自由附著
有第三質量塊(35)；弧形壓電片D(32)、弧形壓電片E(33)、弧
形壓電片F(34)沿被固定在第三弧形基體梁(31)表面相互串行連
接，沿著第三弧形基體梁(31)長度方向相...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊征保，祖武爭，張偉，姚明輝，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京;11