专利名称：一种力-电换能器及其阵列的制作方法
技术领域：
本发明属于机械能量回收与发电领域，特别涉及一种力-电换能器。
背景技术：
当今世界，随着不可再生能源的日益枯竭，环境能量回收与发电越来越成为各国 科学家所关注的课题，越来越多的科学家们投身于环境能量回收与发电装置的研究，包括 环境中的光能、热能、电磁能和机械与振动能量回收与发电，发展了多种形式的能量回收装 置。压电能量回收装置，是通过一种力_电换能器的压电效应直接将机械能转化为电能输 出，与电磁能量回收装置等相比较，有着明显的优势。比如，它的装置结构非常简单，同时具 有高的机械能-电能耦合系数和高的能量转换效率等优势，已在机械能回收与发电领域受 到普遍关注。近几年以来，利用压电原理回收机械能的力_电换能器发展很迅速，应用包括 传感器系统自供电，公路发电和海洋波动等大功率发电等。传统的基于压电原理的力_电换能器，主要有(1)悬臂梁式压电/金属复合结 构，一般工作在简单的弯曲振动模式；(2)压电/金属“钹式”复合结构，工作在弯_张模 式；(3)压电圆柱状或圆片状结构，一般工作在简单的正压力模式；(4)压电高聚物薄膜结 构，或压电高聚物薄膜与金属的复合结构，一般工作在简单的正压力或弯曲振动模式。悬臂 梁式力_电换能器适合于低频率、小振幅的机械振动能量回收，不能承受大的压力；压电/ 金属“钹式”复合结构是悬臂梁式力_电换能器的改进版，但因工作在弯-张模式，在大的 张力作用下，脆性特征的压电陶瓷或压电单晶元件很容易受到损伤；压电圆柱状或圆片状 力_电换能器虽可承受大的正压力，但因其高的刚度导致非常高的谐振频率，不适合于低 频率振动机械能量回收。柔性的压电高聚物薄膜结构力_电换能器可在低频率下工作，也 可承受相对大的压力，但其压电性能远低于压电陶瓷及压电单晶性能。因此，有必要发展一 种改进型的基于压电原理的力_电换能器，可在低频率和大的压力下，高效率的回收机械 振动和人体步行产生的机械能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电原理和弯-压模式的力-电换能器单元和阵 列，可在低频率和大的压力下高效率的回收机械振动和人体步行产生的机械能。本发明提供的力_电换能器包括一对带有中心内孔的压电单元，在上述两个压电 单元之间设有两个上、下对称排列的弯弓形的弹性元件，上述压电单元与弹性元件通过预 紧装置固定。所述压电单元为环状压电陶瓷或压电单晶，或由多个沿厚度方向极化的环形压电 陶瓷或单晶沿轴向叠加构成。每个压电陶瓷或单晶在电路上，采用并联连接而获得的强化 的压电效应；其在受到纵向(轴向)作用力的情况下，可产生多倍的电流输出。所述预紧装置由一个螺杆，一对法兰盘和螺母构成，其中，两个法兰盘为环状，分 别位于两个压电单元的内侧，其外表面有2条平行的槽，用于安装上、下弹性元件，螺杆的直径比压电单元的内径小，其两端分别穿过法兰盘和压电单元与螺母固定。弹性元件可用弹簧钢或热处理后的铍铜等高强度的弹性材料制得。在弹性元件中 心处，可分别附带有合适的质量块，当存在外界振动激励时，这些质量块因惯性力的作用也 产生一个施加于弹性片中心上的横向力，再通过“弯-压”模式变换，转换为一个施加到压 电堆上并被放大的纵向压力而发电。上述力-电换能器，在电路上串联或并联构成换能器阵列。在本发明中弹性元件和压电单元初始状态都是处于被压缩状态。当弹性元件受 到外界压力或作受迫振动时，会挤压两侧的压电堆，从而产生输出电压。特别是外界振动激 励频率为力_电换能器中弯弓形弹性片的固有弯曲振动模式谐振频率时，换能器因谐振可 产生最强的机-电耦合，因而产生最大的电能输出。本发明与现有技术相比，优点在于它是一种结构紧凑的力_电换能器，利用压电堆强化的压电效应将机械能直接转 换为电能。同时发挥了压电陶瓷或单晶的耐压而不耐张(拉伸)的特性，使压电单元始终 工作在压缩模式，克服传统弯_张模式力_电换能器的短寿命问题，可保证力_电换能器中 的发电单元在大压力工作状态下长期工作和具有更长的工作寿命。同时利用弯弓形弹性片 结构，不仅可降低力_电换能器的谐振频率，而且能将外界激励振动力放大，从而获得更大 的能量输出。本发明的“弯-压”模式力_电换能器还具有结构简单和低的制造成本特点。
图1为本发明实施例结构示意图；图2为图1所示力_电换能的压电单元结构示意图；图3为“弯_压”模式力_电换能器阵列示意图；图中10-弯-压模式力_电换能器单元；20-压电单元；30-弯弓形弹性元件； 40-预紧装置；41-螺杆；42-法兰盘；43-螺母；1-上板；2-下板。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。由图1可见所示的力_电换能器单元10包括一对带有中心内孔的压电堆20，一 对置于两个压电堆之间略呈拱形的弯弓形弹性元件30，和一个将压电堆20与弹性元件30 组装到一起的预紧装置40。图2为图1所示力-电换能10的压电堆20的结构示意图。该压电堆20可以由多 个环形压电陶瓷片或压电单晶片和薄的铜片沿轴向叠加复合(利用环氧树脂粘接)构成， 也可以是利用电极-陶瓷共烧结方法制备的多层压电陶瓷；该压电堆20中的压电元件最好 为偶数个，沿厚度方向极化，极化方向依次反向，如图2中箭头所示，电路上采用并联连接 而获得强化的压电效应；在受到纵向(轴向)作用力的情况下，压电堆20中那些压电陶瓷 因电路上并联连接可产生多倍的电流输出。所述的弹性元件30呈弯弓形状，可将外界施加于弹性片30中心上的横向力(或 外界振动)，通过“弯_压”模式变换，转换为一个施加到压电堆20上并被放大的纵向(轴 向)压力，再通过压电效应而发电。所述的一对弯弓形弹性元件30中心处，可分别附带有
4合适的质量块，当存在外界振动激励时，这些质量块因惯性力的作用也产生一个施加于弹 性片30的横向力，再通过“弯-压”模式变换，转换为一个施加到压电堆20上并被放大的纵 向压力而发电。当外界振动激励频率接近于力_电换能器中弯弓形弹性片30的固有弯曲 振动模式谐振频率时，换能器因谐振可产生最强的机_电耦合，因而产生最大的电能输出。 弯弓形弹性元件30可以用弹簧钢或热处理后的铍铜等高强度的弹性材料制造。所述的预紧装置40由一个螺杆41，一对法兰盘42和螺母43构成。螺杆41的直径 要求比压电堆20的内径稍小，其两端各有一段螺纹。螺母43与螺杆41配合。法兰盘42为 环状，其内径与压电堆20的内径相等，其一个侧面有2条平行的槽，用于安装弹性元件30。 按照图1所示组装弯-压模式力_电换能器10，调解两个螺母43之间的距离，使两个压电 堆20在预紧装置40和一对弯弓形弹性元件30的共同作用下处于合适的压力状态，工作在 压缩模式，这充分发挥了压电陶瓷或单晶的耐压而不耐张(拉伸)的特性，克服传统弯-张 模式力_电换能器的短寿命问题，可保证力_电换能器中的发电单元在大压力工作状态下 长期工作和具有更长的工作寿命；同时利用弯弓形弹性片结构，不仅可降低力_电换能器 的谐振频率，而且能将外界激励振动力放大，从而获得更大的能量输出。本发明的“弯_压” 模式力_电换能器还具有结构简单和低的制造成本特点。图3为“弯-压”模式力_电换能器阵列示意图。多个“弯-压”模式力_电换能 器单元安装于两块平行的板之间，能承受更大的压力。这些换能器单元电路上并联或串联， 能产生更大的输出电流或输出电压。该换能器阵列可以高效率的回收机械振动和人体步行 产生的机械能。最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域 的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修 改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权 利要求书界定的范围为准。
权利要求
一种力-电换能器，其特征在于，包括一对压电单元，在上述两个压电单元之间设有两个上、下对称排列的弯弓形的弹性元件，上述压电单元与弹性元件通过预紧装置固定。
2.如权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述压电单元为环形压电陶瓷或压电单 晶，或由多个沿厚度方向极化的环形压电陶瓷或单晶叠加构成。
3.如权利要求2所述的换能器，其特征在于，所述预紧装置由一个螺杆，一对法兰盘和 螺母构成，其中，两个法兰盘也为环状，分别位于两个压电单元的内侧，其外表面有2条平 行的槽，用于安装上、下弹性元件，螺杆的直径比压电单元的内径小，其两端分别穿过法兰 盘和压电单元与螺母固定；预紧装置对压电单元施加一个沿轴向的预紧力。
4.如权利要求1所述换能器，其特征在于，弹性元件采用弹簧钢或热处理后的铍铜等 高强度材料。
5.权利要求1所述的力_电换能器串联或并联构成换能器阵列。
6.如权利要求5所述的换能器阵列，其特征在于，多个换能器单元组成阵列，并在其上 下各安装一块板，使之形成一个整体。
全文摘要
本发明公开了一种力-电换能器及其阵列，该换能器工作在弯-压模式，利用压电原理将环境的振动或人体步行能量转换为电能。本发明换能器单元包括一对压电单元和一对弯弓形的弹性元件，压电单元与弹性元件通过预紧装置固定。弹性元件将外界施加于弹性片上的横向力(或外界振动)，通过“弯-压”模式变换，转换为一个施加到压电单元并被放大的纵向(轴向)压力，再通过压电效应而高效率发电。本发明进一步制备力-电换能器阵列，用于将人体(包括其它运动车辆)在板上运行时产生的机械能转换为电能输出。本发明结构简单，低谐振频率和低的制造成本，可保证在大压力工作状态下长期工作。
文档编号H02N2/18GK101854130SQ201010211109
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者李晓天, 董蜀湘, 郭明森 申请人:北京大学