专利名称：悬臂梁驱动复合结构压电型能量收集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电能量收集和新型能源器件领域，更具体地，涉及一种可以收集环境振动能的悬臂梁驱动的复合结构压电型能量收集器。
背景技术：
能源和环境是21世纪人类所关注的最重要的两大主题。随着经济的发展，煤、石油等化石能源资源因不断消耗而日益减少。因此，世界各国都在大力发展各种可再生能源，希望能够将环境中可以回收利用的能量进行收集和转换。压电型能量收集器就是实现这一功能的一种器件，它是利用压电材料的正压电效应，收集环境中的各种振动能并将其转换为电能。压电型能量收集器是通过一定的结构形式将环境振动耦合到压电元件，利用环境振动诱导该压电元件的结构变形，引起该压电元件内部的正负电荷中心分离，从而产生极化电压。以此通过该压电元件的正压电效应，实现了振动能到电能的转换。压电型能量收集器具有机电转换效率高、输出电压高、结构简单、体积小、易于满足集成化要求、无需外加偏置等特点，并且不产生噪声，不受电磁干扰，所以压电型能量收集器受到了越来越多的关注。
近年来随着压电驱动器和压电能量收集技术的发展，人们设计制作了各种结构的压电换能器，比如悬臂梁结构、叠层结构以及近年出现的铙钹(Cymbal)结构，THUNDER结构(THin Layer Unimorph Ferroelectric DrivER), RAINBOW结构(Reduced And InternallyBiased Oxide Wafer)等,其中铙钹结构在众多的压电换能器结构中表现出了优越和独特的性能。
铙钹结构的压电换能器是由中间的压电圆盘和分别位于该压电圆盘的上下两表面上的两个铙钹形的金属帽粘接而成。在该铙钹结构的压电换能器中，铙钹形金属帽和压电圆盘之间形成的空腔使压电圆盘的压电常数得以放大。当铙钹结构受到竖直方向的压力时，金属帽会将部分竖直方向的力传递给压电圆盘，并将该力转变成水平方向的力，该压电圆盘即会受到拉伸作用而发生形变，从而在电极层上产生电荷。
例如,在CN2676155Y号中国专利公开中记载了一种铙钹传感器，其由铙钹形金属盒盖和压电陶瓷环构成，压电陶瓷环位于两个铙钹形金属盒盖之间，两个铙钹形金属盒盖与压电陶瓷环之间用导电胶粘接并在两个铙钹形金属盒盖上分别引出电极。
在压电能量收集应用中，铙钹结构的压电换能器所表现出来的高能量密度特性已为大家所共识。但是铙钹结构的压电能量收集器普遍存在谐振频率高的缺点。由于环境振动能的频率一般在300Hz以下，但是铙钹结构的压电能量收集器的谐振频率很难低于500kHz,因而铙钹结构的压电换能器难以有效地收集环境振动能。因此，铙钹结构压电换能器的高谐振频率的缺点限制了其在压电能量收集领域的应用。
悬臂梁结构是另外一种在压电能量收集领域广泛使用的压电换能器结构。例如，在CN201821288U号中国专利公开中记载了一种悬臂梁结构的压电能量收集装置，包括一端固定在振动结构体上的悬臂梁，以及设置在该悬臂梁上的可移动质量块和至少一个压电片，该压电能量收集装置通过悬臂梁的振动使各压电片受应力变化影响而产生电能。
目前现有的各类悬臂梁结构的压电换能器的最大特点是具有低谐振频率。但是，现有悬臂梁结构的压电换能器都具有能量密度低的缺陷；因为在悬臂梁结构中，压电材料内部的应力分布不均勻。固定端的应力最大，而自由端的应力为O,这样就限制了自由端压电材料换能作用的发挥。发明内容
本发明的目的在于提供一种悬臂梁驱动的复合结构压电型能量收集器，可以极大地降低其谐振频率，提高能量密度和输出功率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种悬臂梁驱动的复合结构压电型能量收集器，包括:一悬臂梁构件，其一端为固定至基座的固定端，另一端为自由端；在所述悬臂梁构件的固定端附近分别对称地在所述悬臂梁构件的上表面和下表面安置的一对压电换能单元，所述压电换能单元通过所述悬臂梁构件的振动进行驱动以产生电能；以及用于将产生的电能输出的输出单元。
本发明的压电型能量收集器通过将具有高能量密度特性的压电换能单元对称粘接于具有低谐振频率的悬臂梁构件的上下两表面上复合而成，可以极大地降低压电换能单元的谐振频率，并提高悬臂梁结构的能量密度，因而可有效地收集环境中的振动能并将其转换为电能。且通过悬臂梁构件对外界力学激励的放大作用，可以提高压电型能量收集器的能量密度和功率输出。本发明的压电型能量收集器具有低谐振频率、高能量密度、谐振频率方便可调的特性。从而，本发明可极大地推动了压电能量收集技术的发展。
在本发明中，也可以，该压电型能量收集器还包括用于夹持所述悬臂梁构件的固定端、基座及压电换能单元的固定构件。
采用该结构，悬臂梁构件的振动与固定构件一起驱动压电换能单元工作，可以在悬臂梁构件振动时把压力快速地传递给被驱动的压电换能单元，因而能够更有效地改善该压电能量收集器收集并转化环境中振动能的性能。
在本发明中，也可以所述压电换能单元为具有铙钹形结构的压电换能单元，包括中间的压电材料和分别粘接于所述压电材料的上表面和下表面上的两个铙钹形的金属帽，所述输出单元包括分别从各金属帽的靠近所述悬臂梁构件的自由端的一侧引出的导线。
采用该结构，通过将铙钹形结构的压电换能单元对称地设置于悬臂梁构件的上表面和下表面上，有利于降低铙钹结构的谐振频率，并提高悬臂梁结构的能量密度，有效地改善压电型能量收集器的性能。
在本发明中，也可以所述压电换能单元为具有叠层结构的压电换能单元，所述叠层结构包括叠合粘接的多层压电材料，所述输出单元包括分别从所述叠层结构的顶层和底层的压电材料层的靠近所述悬臂梁构件的自由端的一侧引出的导线。
采用该结构的压电型能量收集器，可降低谐振频率、提高能量密度，且结构简单，易于制造，可节省制造工序和成本。
在本发明中，也可以所述压电换能单元为具有包括凹铙钹形结构、新月结构或鼓形结构在内的“V”形弯张结构的压电换能单元。
采用该结构，通过将具有“V”形弯张结构的压电换能单元对称地设置于悬臂梁构件的上表面和下表面上，有利于降低压电型能量收集器的谐振频率，并提高其能量密度，以改善收集环境振动能并进行转换的性能。
在本发明中，也可以所述压电换能单元为具有弯曲结构的压电换能单元。
采用该结构，也可降低压电型能量收集器的谐振频率，并提高其能量密度，以改善收集环境振动能并进行转换的性能。
在本发明中，也可以所述压电换能单元为片状压电振子。
采用该结构，通过将片状压电振子对称地安置在悬臂梁构件的上下两表面上，可利用悬臂梁构件的挤压作用，激发压电振子的d33模式，因此可以产生更多的能量。
在本发明中，也可以所述固定构件为“U”形框架，所述“U”形框架朝向所述悬臂梁构件的自由端的方向开口，容纳并固定所述悬臂梁构件的固定端、基座及压电换能单元，且所述基座嵌入所述U形框架的底部。
采用该结构，可简单且可靠地夹持悬臂梁构件的固定端、基座及压电换能单元，以更有效地在悬臂梁构件振动时把压力快速地传递给被驱动的压电换能单元。
在本发明中，也可以还包括设置于所述悬臂梁构件的自由端处的质量块。
采用该结构，可调节整个压电型能量收集器的谐振频率。且通过改变该质量块的质量及其相对于悬臂梁构件的位置，或者也可通过改变该悬臂梁构件的臂长，能够非常方便地调节谐振频率，使其符合实际应用需求。
在本发明中，也可以还包括设置于所述悬臂梁构件上的至少一个压电材料，以及焊接至该压电材料上的导线。
采用该结构，增加了悬臂梁构件的利用率，进而有效地提高将环境振动能转换为电能的效率。
在本发明中，也可以所述压电材料选用压电陶瓷、压电晶体、有机压电材料或无铅压电材料。
本发明可选用压电陶瓷、压电晶体、有机压电材料或无铅压电材料。只要是具有高压电常数及高机电耦合系数和介电常数的压电材料均可用于制造本发明的复合结构压电型能量收集器，因此有利于该压电型能量收集器的制造。
在本发明中，也可以所述压电材料为采用改进的布里奇曼(Bridgman)方法生长的PMNT单晶材料，且其取向为〈001〉或〈110〉，组分为0.20彡X彡0.40。
采用本发明，可提高 压电材料的均匀性和成品率，并具有最好的压电性能，特别有利于构建包括由悬臂梁驱动的铙钹结构压电换能单元的复合结构压电型能量收集器，可有效改进本发明压电型能量收集器的能量转换效果。
在本发明中，也可以所述压电材料为PZT5H压电陶瓷。
采用本发明，利用压电性能良好的PZT5H系列压电陶瓷，有利于构建包括由悬臂梁驱动的叠层结构压电换能单元的复合结构压电型能量收集器，可有效改进本发明压电型能量收集器的能量转换效果。
图1示出了本发明的压电型能量收集器的第一实施例。
图2示出了本发明的压电型能量收集器的第二实施例。
具体实施方式
通过以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，可更好地理解本发明的目的、特征和优点。
图1示出了本发明压电型能量收集器的第一实施例。如图1所示，该压电型能量收集器包括一横向延伸的悬臂梁1，该悬臂梁I的一端为固定至基座2的固定端，而该悬臂梁I的另一端为自由端。一对铙钹结构压电换能器3在该悬臂梁I的固定端处分别对称地设置于该悬臂梁I的上表面和下表面上。通过将该对压电换能器3对称设置在悬臂梁的上下两表面上，可以充分利用悬臂梁上下摆动中产生的拉应力和压应力，提高器件的能量密度。该悬臂梁I受环境振动的激励而产生竖直方向的振动。该对铙钹结构压电换能器3通过悬臂梁I的振动驱动以进行工作，利用正压电效应产生电能。且该悬臂梁I具有放大外界力学激励的作用。该对铙钹结构压电换能器3例如可通过粘接剂等材料对称地粘接到悬臂梁I的上表面和下表面上。各铙钹结构压电换能器3由中间的压电材料4 (其可以是压电圆盘)和分别位于该压电材料4的上下两表面上的两个铙钹形金属帽5通过例如导电胶等材料粘接而成。在各铙钹形金属帽5的靠近悬臂梁I的自由端的一侧连接有导线6，各铙钹结构压电换能器产生的电能可以通过导线6输出。该导线6可通过焊接连接至铙钹形金属帽5。本发明还包括一用于夹持固定基座2、悬臂梁I的固定端及铙钹结构压电换能器3的固定构件。该固定构件例如可以是本实施例中的“U”形框架7。该U形框架7朝向悬臂梁I的自由端的方向开口，容纳并固定基座2、悬臂梁I的固定端及铙钹结构压电换能器3，其中基座2嵌入该“U”形框架7的底部。采用该框架可以与悬臂梁I 一同夹持由该悬臂梁I驱动的铙钹结构压电换能器3，以便在悬臂梁I振动时可以把压力快速地传递给被驱动的铙钹结构压电换能器3。
此外，在悬臂梁I的自由端还设有具有相应质量的质量块8，用于调节整个压电型能量收集器的谐振频率。通过改变该质量块8的质量及其相对于悬臂梁I的位置，或者通过改变该悬臂梁I的臂长，可非常方便地调节谐振频率，使其符合实际应用需求。
在本实施例中，该压电材料4可选择传统压电材料或新型压电单晶材料，例如可选用PMNT单晶材料，该PMNT单晶材料可采用改进的Bridgman方法生长，取向为〈001〉或〈110〉，组分为0.20彡X彡0.40。采用改进的Bridgman法生长的大尺寸PMNT单晶，其均匀性和成品率高，且该PMNT单晶在〈001〉或〈110〉方向，组分在0.20 < X < 0.40时具有最好的压电性能。铙钹形金属帽5可采用具有高强度、高硬度、高导电性、高弹性、耐磨、耐腐蚀等特点的金属材料制作 ，例如可采用高弹性铍青铜带材通过例如线切割或模具冲压等方法进行加工而制成。且可改变铙钹形金属帽5的大小和深度，以改变换能性能，从而适用于各种需要。
本实施例所示的压电换能器是铙钹结构压电换能器，但是也可以采用其他类型的具有高能量密度特性的压电换能器。例如也可以采用具有凹铙钹型结构、新月(Moonie)结构、鼓形结构等“V”形弯张结构的压电换能器，或弯曲结构的压电换能器，或者直接采用普通的片状压电振子。例如，当直接采用片状压电振子以类似于铙钹结构的方式对称安置于悬臂梁的上下两表面上时，与普通悬臂梁压电换能器应用压电振子的d31模式不同，该复合结构的压电换能器通过悬臂梁的挤压作用，主要激发压电振子的d33模式，通常压电材料的d33比d31大出很多，因此可以产生更多的能量。类似于本实施例中的铙钹结构压电换能器，上述各种结构的压电换能器也分别对称地粘接于悬臂梁I的上表面和下表面上，以此可以充分利用悬臂梁上下摆动中产生的拉应力和压应力，提高器件的能量密度。
通过将PMNT单晶材料4与铙钹形金属帽5粘接，并在铙钹形金属帽5上焊接导线6后形成了具有能量转换功能的铙钹结构压电换能器3 ;通过将悬臂梁I固定连接至基座2形成了悬臂梁结构；通过把铙钹结构压电换能器3分别对称地粘接在悬臂梁I的上下两表面上；然后用“U”形框架7把悬臂梁1、基座2和铙钹结构压电换能器3 —同固定；另外在悬臂梁I的自由端上设置可调节谐振频率的质量块8，即构成了本实施例1所示的悬臂梁驱动的复合结构压电型能量收集器。
本发明的复合结构压电型能量收集器，由悬臂梁结构和具有“V”形弯张结构的压电换能器复合而成，通过将这两种结构取长补短，极大地推动了压电能量收集技术的发展。这种综合了悬臂梁结构的低谐振频率特性和铙钹结构等“V”形弯张结构压电换能器的高能量密度特性的新型压电能量收集器结构，可以极大地降低铙钹结构的谐振频率，提高悬臂梁结构的能量密度。且悬臂梁的振动与“U”形框架一起驱动该压电换能器工作，可以在悬臂梁振动时把压力快速地传递给被驱动的压电换能器，因而能够更有效地改善该压电能量收集器收集并转化环境中振动能的性能。
图2示出了本发明的压电型能量收集器的第二实施例，其中与图1的实施例相同的部件以同一附图标记标出，且不再进行详细描述。与图1所述的实施例1不同，本实施例示出了包括由悬臂梁驱动的叠层结构压电换能器的复合结构压电型能量收集器。
如图2所示，本实施例采用两个叠层结构压电换能器13分别替代实施例1中的两个铙钹结构压电换能器。每个叠层结构压电换能器13可以由多层压电材料层14叠合粘接构成。在本实施例中，该叠层结构压电换能器13由三层压电材料层14叠合粘接构成，且在该叠层结构压电换能器13的顶层和底层的压电材料层的靠近悬臂梁I的自由端的一侧分别连接有导线16。
在实施例2中，压电材料层15同样可选择传统压电材料或新型压电单晶材料，对于PZT压电陶瓷材料，我们采用压电性能较好的PZT5H系列压电陶瓷。叠层结构压电换能器13通过将三层PZT5H压电陶瓷叠合粘接而构成。且类似于实施例1，通过在该叠层结构压电换能器13上焊接导线16 ;通过将悬臂梁I固定连接至基座2形成了悬臂梁结构；通过把叠层结构压电换能器13分别粘接在悬臂梁I的上下两表面上；然后用“U”形框架7把悬臂梁1、基座2和叠层结构压电换能器13 —同固定；另外在悬臂梁I的自由端上设置可调节谐振频率的质量块8，即构成了本实施例2所示的悬臂梁驱动的复合结构压电型能量收集器。
应理解在本发明的压电型能量收集器中，压电换能器的压电材料，可以采用各类压电陶瓷，压电晶体，有机压电材料和无铅压电材料等制成。不限于上述实施例所述的材料，例如可采用其他具有高压电常数及高机电耦合系数和介电常数的压电材料，包括钛酸钡、聚偏氟乙烯等压电材料。
又，本发明中的悬臂梁既可以是如实施例中所示的没有粘接压电材料的普通悬臂梁结构，但也可以是粘接有压电材料的功能悬臂梁结构，例如可包括设置于悬臂梁I上的至少一个压电材料，以及焊接至该压电材料上的导线。若采用该功能悬臂梁结构，则可增加悬臂梁的利用率，进而有效地提高将环境振动能转换为电能的效率。本发明中的悬臂梁可以由有机、无机和金属材料等各种材料构成，通过悬臂梁材料尺寸、硬度、强度等材料参数的选择可以调节复合结构压电集能器的谐振频率，功率输出和能量密度等参数。
此外，环境中的振动能经本发明压电型能量收集器收集并转化为电能后，通过上述导线6、16输出，该导线通常可与具有整流及能量累积功能的蓄电电路相连，以对下游电路供电。该蓄电电路通常可包括整流单元、滤波单元，及包括储能元件的蓄能单元等。此夕卜，由于压电元件生成的电压通常经整流后仍然很大，不能直接应用于低功率的负载，也不适合直接向电池储存，因此还可通过电压转换单元将电能变换为一种可用的形式，从而满足各类应用场合的需求。
本发明的复合结构压电型能量收集器具有以下效果:通过悬臂梁对外界力学激励具有放大作用，可以提高器件的能量密度和功率输出；具有低谐振频率、高能量密度、谐振频率方便可调的特性；结构简单，结构之间可以进行组合连接，电子电路模块安装方便。
本发明的复合结构压电型能量收集器应用广泛，可被广泛用于收集马达振动、建筑物(桥梁)振动、风能以及各种车辆行驶，飞机飞行，人体行走等产生的振动能，将该振动能收集并转换为电能，从而可对无线传感器节点、便携式低功耗电子产品等供电，使这些设备实现能量自给，解决其电池更换困难等问题。
权利要求
1.一种悬臂梁驱动复合结构压电型能量收集器，包括: 一悬臂梁构件，其一端为固定至基座的固定端，另一端为自由端； 在所述悬臂梁构件的固定端附近分别对称地在所述悬臂梁构件的上表面和下表面上安置的一对压电换能单元，所述压电换能单元通过所述悬臂梁构件的振动进行驱动以产生电能；以及 用于将产生的电能输出的输出单元。
2.根据权利要求1所述的压电型能量收集器，其特征在于，还包括用于夹持所述悬臂梁构件的固定端、基座及压电换能单元的固定构件。
3.根据权利要求1所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电换能单元为具有铙钹形结构的压电换能单元，包括中间的压电材料和分别粘接于所述压电材料的上表面和下表面上的两个铙钹形的金属帽，所述输出单元包括分别从各金属帽的靠近所述悬臂梁构件的自由端的一侧引出的导线。
4.根据权利要求1所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电换能单元为具有叠层结构的压电换能单元，所述叠层结构包括叠合粘接的多层压电材料层，所述输出单元包括分别从所述叠层结构的顶层和底层的压电材料层的靠近所述悬臂梁构件的自由端的一侧引出的导线。
5.根据权利要求1所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电换能单元为具有包括凹铙钹形结构、新月结构或鼓形结构在内的V形弯张结构的压电换能单元。
6.根据权利要求1所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电换能单元为具有弯曲结构的压电换能单元。
7.根据权利要求1所 述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电换能单元为片状压电振子。
8.根据权利要求2所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述固定构件为U形框架，所述U形框架朝向所述悬臂梁构件的自由端的方向开口，容纳并固定所述悬臂梁构件的固定端、基座及压电换能单元，且所述基座嵌入所述U形框架的底部。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的压电型能量收集器，其特征在于，还包括设置于所述悬臂梁构件的自由端处的质量块。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的压电型能量收集器，其特征在于，还包括设置于所述悬臂梁构件上的至少一个压电材料，以及焊接至该压电材料上的导线。
11.根据权利要求3或4所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电材料选用压电陶瓷、压电晶体、有机压电材料或无铅压电材料。
12.根据权利要求11所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电材料为采用改进的布里奇曼方法生长的PMNT单晶材料，且其取向为〈001〉或〈110〉，组分为0.20 彡 X 彡 0.40。
13.根据权利要求11所述的压电型能量收集器，其特征在于，所述压电材料为PZT5H压电陶瓷。
全文摘要
本发明涉及一种悬臂梁驱动的复合结构压电型能量收集器，包括一悬臂梁构件，其一端为固定至基座的固定端，另一端为自由端；在所述悬臂梁构件的固定端附近分别对称地在所述悬臂梁构件的上表面和下表面安置的一对压电换能单元，所述压电换能单元通过所述悬臂梁构件的振动进行驱动以产生电能；以及用于将产生的电能输出的输出单元。
文档编号H02N2/18GK103199736SQ20121000439
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者罗豪甦, 许春东, 王东, 赵祥永, 任博, 狄文宁, 李晓兵, 徐海清, 林迪, 王升, 梁柱, 郭浩 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所