专利名称：褶皱形复合式压电能量转换结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种褶皱形复合式压电能量转换结构，属于压电能量转换技术领域。
背景技术：
压电材料具有正压电效应和逆压电效应，其既可以将机械能转化为电能，又 可将电能转化为机械能。本发明主要是利用压电材料的正压电效应进行机一电能 量转换。目前的一些自治型无线节点大都使用电池供电。但是，大量使用电池会 对环境造成危害，并且电池的使用容量也有限，需要定期的进行更换。近年来新 兴的能量收集技术是利用环境中存在的各种能量，将其转化为电能并储存起来， 以备它用。这种方案比起电池来说，其供电寿命理论上取决于组成能量收集器的 电子器件的寿命，没有额外消耗能源，不会排放污染物，是典型的"绿色"技术。 环境中可用于能量收集与转化的能量有太阳能、振动机械能等。其中太阳能的利 用已经普遍化、商业化，且趋于成熟，而其它能源的收集技术仍在研究中。振动 能是一种广泛存在的能量形式，随处可见，甚至在许多人们比较难以进入的地方 都有振动源存在，因而研究振动能量收集技术具有更普遍的意义。压电换能器是 应用最普遍的振动能量换能器件。但目前使用的压电器件大都存在能量转换效率 低、承受的振动位移较小、输出功率低等缺点。在SMART MATERIALS AND STRUCTURES这本杂志中2007年9月出版的文章Folded dielectric elastomer actuators中提出了一种折叠结构的驱动器，如附图2.这种驱动器采用折叠结 构，因此在拐角处易磨损，并且这种结构大面积的使用压电材料，因此在拐角处 不易产生形变的地方使用压电材料是一种资源浪费。本发明主要思想是将许多带 有双层压电薄膜的悬臂梁集成在一起，组成一种褶皱形复合结构，这种结构具有 大变形能力，能量转换输出能量大的特点。本发明的结构比折叠结构坚固，且节 省材料，降低成本。
发明内容
本发明目的在于提供一种褶皱形复合式压电能量转换结构。相对于现有折叠 形结构的驱动器，具有更坚固的结构，节省压电材料、电荷输出大，能量回收效 率高，体积小方便使用，制作工艺简单等优点。
一种褶皱形复合式压电能量转换结构，其特征在于包括褶皱形弹性导电体、 在褶皱形弹性体的圆弧形拐角处加固有刚性连接块，在褶皱形弹性体的水平段 上、下表面采用同向方式分别贴有上层压电薄膜和下层压电薄膜，在上层压电薄 膜的上侧，及下层压电薄膜的下侧贴有导电胶层；该褶皱形复合式压电能量转换 结构的一个电极端通过褶皱形弹性导电体引出，另一个电极端通过导电胶层引 出。
总体说本发明主要由变形传递结构和压电换能元件组成。本说明书以PVDF
压电薄膜作为换能元件来进行具体说明。褶皱形复合式压电能量转换结构变形传 递结构主要由褶皱形弹性导电体的水平段和将这些水平段在其端部两两连接起
来的刚性块组成。每个水平段的上下表面都布置有PVDF压电薄膜。所有金属水 平段都是通过刚性金属块电气连通的，其成为所有PVDF的一个公共电极，而所 有PVDF的另外一个电极通过导电胶层和导线连接在一起，形成另外一个公共电 极。由于拐角处不易产生形变，所以仅在褶皱面的上、下表面上粘贴上PVDF 压电薄膜。PVDF在水平段上的电极布置应该是这样的所有变形方向相同的水 平段的一面(如图1中朝向上面的一面)粘贴PVDF的电极的一个极性(如正极)， 所有水平段的另一面，粘贴PVDF的电极的另一个极性(为负极)。将裸露在外 的，既贴有导电胶层的PVDF电极连接在一起。这样可以保证该结构整体变形时 相同的电荷汇集在一起。
本说明之所以选择PVDF压电薄膜来说明是因为作为柔性有机材料，其具有 较高的介电性、较强的压电性和很高的机械强度，以及很好的柔韧性，并且，其 频响范围宽、能抗化学和油性腐蚀等优良特性。PVDF的压电性比石英高很多， 并且可以做得更薄，重量轻，体积小，结构简单，可粘贴在材料的表面，与结构 有着良好的相容性。其结构为上下两层分别为正负电极，中间为PVDF材料。而 选择弹性导电材料做成褶皱面， 一是因为弹性导电材料变形大，使得整个结构能够产生更大的形变，以获得更多的电荷输出。二是弹性导电材料具有导电性，可 直接引出电极，优化了结构的设计。
褶铍形复合式压电能量转换结构的工作过程为当力施加于结构的两端 时，整个结构会产生伸縮运动，粘贴有PVDF薄膜的水平段会产生相同的变形，
进而在PVDF压电薄膜的两电极上产生电荷输出，完成机电能量转换。如果作用
的力为交变的，则可产生交变电荷输出。因此本结构可用于振动能量回收中作为 换能器件。
本发明的除了作为能量回收使用外，还可作为驱动器和传感器使用。当在 两个电极引出端施加电能时，压电材料会因为逆压电效应而产生形变，所以可以 作为驱动器使用。而作为传感器时可以通过正压电效应产生电能来传感外界的机 械能。作为传感器和驱动器使用，两者都是对换能这种思想的应用。
图1为褶皱形复合式压电能量转换结构的结构图。图2为折叠结构的驱动器。
附图中标号说明1、褶铍形弹性体的水平段，2、刚性连接块，3、导电胶
层，4、上层压电薄膜，5、下层压电薄膜，6、导电胶层电极公共引出端，7、 褶皱形弹性体电极公共引出端，8、绝缘的力作用端面。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述-
附图为褶皱形复合式压电能量转换结构的结构图，以图1所示结构说明本
发明的具体制作工艺。本发明通过绝缘的力作用端面8与外界其他结构相连接，
其结构的具体制作过程为首先把弹性导电体加工成褶皱形结构，并进行定型加
工，然后把弹性导电体的拐角部分加固。下一步，把上层PVDF压电薄膜和下层 PVDF压电薄膜用导电胶同向粘贴在弹性导电体的上、下表面上。接下来，将裸 露在外面的PVDF压电薄膜的表面粘贴导电胶，用导电胶层3引出PVDF压电薄膜 的上表面的电极和PVDF压电薄膜下表面的电极，并连接起来，从而引出总的电 极引出端6。褶铍形弹性体电极公共引出端7直接由弹性导电体引出。最后，得 到两个公共电极。结合图说明本发明的具体工作过程当外界有振动源产生时，本发明接 收到振动产生的机械能，使得弹性导电体发生振动，做反复的拉伸收縮运动，其 在运动过程中由于拉伸收缩产生弹性形变，从而使得粘贴在弹性导电体的上、下
表面上的PVDF压电薄膜产生形变，由于PVDF压电薄膜具有正压电效应，使得上 层PVDF压电薄膜和下层PVDF压电薄膜内部产生极化现象，同时在它的正负极面 上出现正负相反的电荷。因为不同的作用力产生不同的电荷，拉伸时，弹性导电 体上表面拉伸，下表面收縮；收縮时，弹性导电体上表面收縮，下表面拉伸。所 以弹性导电体的上、下表面上的PVDF压电薄膜变形方向相反。但由于粘贴时两 者的极化方向正好相反，因而将产生同符号的电荷。
本发明的优点在于，第一，能够承受较大的变形。因为结构总的变形分散到 各个水平段的变形中。第二，能量损失小。变形能够完全传递到水平段上；第三，
产生电荷输出大。结构总的电能输出是各个水平段电荷输出之和。第四，体积小。 将换能水平段平行排列，整个结构空间基本上被利用。
权利要求
1、一种褶皱形复合式压电能量转换结构，其特征在于包括褶皱形弹性导电体、在褶皱形弹性体的圆弧形拐角处加固有刚性连接块(2)，在褶皱形弹性体的水平段(1)上、下表面采用同向方式分别贴有上层压电薄膜(4)和下层压电薄膜(5)，在上层压电薄膜的上侧，及下层压电薄膜的下侧贴有导电胶层(3)；该褶皱形复合式压电能量转换结构的一个电极端通过褶皱形弹性导电体引出，另一个电极端通过导电胶层引出。
2、 根据权利要求l所述的褶皱形复合式压电能量转换结构，其特征在于上述压电薄膜是PVDF薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种褶皱形复合式压电能量转换结构，属于压电能量转换技术领域。其特征在于包括褶皱形弹性导电体，在褶皱形弹性体的圆弧形拐角处加固有刚性连接块(2)，在褶皱形弹性体的水平段(1)上、下表面采用同向方式分别贴有上层压电薄膜(4)和下层压电薄膜(5)，在上层压电薄膜的上侧，及下层压电薄膜的下侧贴有导电胶层(3)；该褶皱形复合式压电能量转换结构的一个电极端通过褶皱形弹性导电体引出，另一个电极端通过导电胶层引出。这种结构可以在具有较大变形的同时，产生较大的电荷输出，并且这种结构坚固，节省原材料，制作工艺简单。这种换能结构可以广泛应用于振动能量回收系统中作为换能器件。
文档编号H02N2/00GK101594069SQ200910033529
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者丽 于, 侯志伟, 朱莉娅, 陈仁文 申请人:南京航空航天大学