压电能量收集装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种压电能量收集装置，包括基座、悬臂、压电材料以及质量块，所述压电材料设置在所述悬臂的一面上，所述悬臂的一端固定在所述基座上，所述悬臂的另一端的两面上分别固定一个所述质量块，两个所述质量块上下对接形成闭环结构。该压电能量收集装置可提高压电材料的利用效率、改善响应频率带宽从而提高能量收集效率。
【专利说明】
压电能量收集装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种能量收集装置，尤其涉及一种压电能量收集装置。
【背景技术】
[0002]随着低功率无线传感器以及便携式设备的应用越来越广泛，电池功能凸显出诸多缺点，如寿命和能量密度有限、更换维护麻烦、污染环境等。而压电能量收集装置作为一种新型的微型能量收集装置，其具有结构简单、发热量小、无电磁干扰、易于加工制作、清洁环保等优点。传统的压电能量收集装置100采用压电悬臂梁结构，如图1a所示，其主要由矩形悬臂101，质量块102，压电材料103和基座104组成，悬臂101的固定端固定在基座104上，自由端上设有质量块102，压电材料103设置在悬臂101的固定端，外界振动通过基座104传递到悬臂1I上从而引起压电材料103变形，继而通过压电效应产生电能。
[0003]然而，上述结构存在一定问题，例如当结构振动时，悬臂101在固定端的应变最大，在自由端的应变最小，在悬臂101的长度方向上从固定端到自由端，应变的大小变化幅度大，如图1b所示。当悬臂101的固定端的应力达到压电材料103的应力极限时，压电材料103的另一端却远没有达到极限，因此压电材料103没有得到完全利用。另外，上述传统的装置只有在特定频率振动下(能量收集装置的固有振动频率)才能收集到较高功率的电能，若偏离此频率，装置收集能量的能力则大幅下降，如图1c所示，所以此结构对外部激励频率限制较大。
[0004]因此，亟待一种改进的压电能量收集装置，以克服上述缺陷。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种压电能量收集装置，其可提高压电材料的利用效率、改善响应频率带宽从而提高能量收集效率。
[0006]为实现上述目的，本实用新型压电能量收集装置，包括基座、悬臂、压电材料以及质量块，所述压电材料设置在所述悬臂的一面上，所述悬臂的一端固定在所述基座上，所述悬臂的另一端的两面上分别固定一个所述质量块，两个所述质量块上下对接形成闭环结构。
[0007]与现有技术相比，由于本实用新型压电能量收集装置的悬臂的另一端的两面上分别固定一个质量块，两个质量块上下对接形成闭环结构，因此该闭环结构的质量块在悬臂结构上形成的旋转模态均匀化了悬臂梁长度方向上的应变分布，使得压电材料的利用效率大幅提高。而且该闭环结构的质量块形成的旋转模态和摆动模态接近，使得外部激励频率在装置旋转模态和摆动模态之间时能量收集装置均可得到较好的电压输出，达到宽频带的目的。
[0008]较佳地，其中一所述质量块呈倒U形，另一所述质量块呈U形，两所述质量块上下对接形成所述闭环结构。
[0009]较佳地，每一所述质量块具有一水平部以及分别从所述水平部的两端垂直延伸的竖直部。
[0010]较佳地，所述压电材料固定在所述悬臂靠近所述基座的一端。
[0011]较佳地，所述压电材料及所述悬臂为长方形片材。
[0012]较佳地，多个所述悬臂固定在所述基座上，每一所述悬臂上均设置有对应的所述压电材料，所述悬臂和所述压电材料位于所述闭环结构内。
[0013]通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。
【附图说明】
[0014]图1a为传统的压电能量收集装置的结构图。
[0015]图1b为传统的压电能量收集装置的悬臂的应变曲线图。
[0016]图1c为传统的压电能量收集装置的输出电压与环境频率的响应曲线图。
[0017]图2a为本实用新型压电能量收集装置的第一实施例的结构图。
[0018]图2b为图2a的压电能量收集装置的悬臂的应变曲线图。
[0019]图2c为图2a的压电能量收集装置的输出电压与环境频率的响应曲线图。
[0020]图3a为本实用新型压电能量收集装置和传统压电能量收集装置的悬臂的应变曲线比较图。
[0021]图3b为本实用新型压电能量收集装置和传统压电能量收集装置的输出电压与环境频率的响应曲线比较图。
[0022]图4a为本实用新型压电能量收集装置的第二实施例的立体图。
[0023]图4b为图4a的分解图。
【具体实施方式】
[0024]下面将参考附图阐述本实用新型几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。如上所述，本实用新型的实质在于一种压电能量收集装置，其可提高压电材料的利用效率、改善响应频率带宽从而提高能量收集效率。
[0025]图1a展示了本实用新型压电能量收集装置200的第一实施例，该压电能量收集装置200包括基座201、悬臂202、压电材料203以及质量块204。其中，压电材料203设置在悬臂两202的一面上，悬臂202的一端固定在基座201上，悬臂202的另一端的两面上分别固定一个质量块204，两个质量块204上下对接形成闭环结构。
[0026]具体地，压电材料203固定在悬臂202靠近基座201的一端，外界振动通过基座201传递到悬臂202上。两个质量块204和压电材料203以及悬臂202—同构成压电悬臂梁结构。悬臂202和压电材料203均为长方形片材，较佳地，两个质量块204分别连接在悬臂202的上下表面，而不接触压电材料203。
[0027]较佳地，压电材料203为锆钛酸铅(PZT)，悬臂202的材料为钛(Ti)，基座201的材料为不锈钢或铝，质量块204的材料为铜。
[0028]在优选的实施例中，两质量块204呈闭环结构。如图2a所示，其中一质量块204a呈倒U形，另一质量块204b呈U形，两质量块204a，204b上下对接形成闭环结构。其中，质量块204a具有水平部214以及分别从水平部214的两端垂直延伸的竖直部215。而且，质量块204a的质量主要分布在两竖直部215上，水平部214的质量较竖直部215的小。另一质量块204b的结构一致，在此不赘述。如图所示，两质量块的对应竖直部相互对接，形成闭环结构，而悬臂202及压电材料203位于闭环结构内。基于本实施例的上述结构，选取振动加速度为2.3m/s2，利用ANSYS仿真，观察压电材料203表面上的电动势和悬臂202的应变，分别绘制压电材料输出电压的频率响应曲线以及装置在响应频率发生共振时悬臂黏贴压电材料部分的应变分布曲线，如图2c和2b所示。通过图3a，3b的对比图可知，相较传统的压电能量收集装置100(虚线曲线)，本实施例(实线曲线)悬臂黏贴压电材料部分的应变均匀性有了显著的提尚，大幅提尚了压电材料的利用效率;在所受外界振动加速度减小的情况下，环境频率在6Hz?30Hz之间时，输出的电压均优于传统的压电能量收集装置100，环境频率在30Hz?47Hz之间时，输出的电压和传统的压电能量收集装置100相等。由此可见，本实施例的压电收集装置200的工作频率带宽大大优于传统的压电能量收集装置100的工作频率带宽。
[0029]本实用新型的工作过程为:当外界环境的振动通过基座201传递到悬臂梁结构上时，振动频率与悬臂202的谐振频率接近时，悬臂202会发生谐振，使得贴覆在其上的压电材料203也随之形变，从而产生压电效应进行发电。由于闭环结构的质量块204在悬臂梁结构上形成的旋转模态均匀化了悬臂梁长度方向上的应变分布，使得压电材料203的利用效率大幅提高。而且该闭环结构的质量块204形成的旋转模态和摆动模态接近，使得外部激励频率在装置旋转模态和摆动模态之间时能量收集装置均可得到较好的电压输出，达到宽频带的目的。
[0030]图4a、4b展示了本实用新型压电能量收集装置300的第二实施例。为了增加装置的收集功率，可以把多个第一实施例中的悬臂梁结构以阵列的形式排列，如图4b所示，多个悬臂302的一端连接在一起固定在基座301上，另一端为自由端，整体呈梳形，多个压电材料303分别固定在悬臂302的每个梳牙上，同时通过线路板305连接并导通到外部电路中。两块U形质量块304分别固定在悬302梳牙自由端的上下表面，形成闭环结构，该悬臂302和压电材料303位于闭环结构内。压电材料303、悬臂302及质量块304—同构成压电悬臂梁阵列结构。需注意的是，本实施例中的质量块304的结构与第一实施例中的大致相同，仅仅尺寸、大小上稍有不同。闭环结构同样能起到如第一实施例的作用，即:在悬臂梁结构上形成的旋转模态均匀化了悬臂梁长度方向上的应变分布，使得压电材料303的利用效率大幅提高，而且该闭环结构的质量块304形成的旋转模态和摆动模态接近，使得外部激励频率在装置旋转模态和摆动模态之间时能量收集装置均可得到较好的电压输出，达到宽频带的目的。另外，本实施例的压电能量收集装置的结构制造工序简单，成本低廉。
[0031]可选地，质量块204/304的形状可为C形，并不受限制，只要两个质量块204/304上下相接形成闭环结构即可。
[0032]以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
【主权项】
1.一种压电能量收集装置，包括基座、悬臂、压电材料以及质量块，其特征在于:所述压电材料设置在所述悬臂的一面上，所述悬臂的一端固定在所述基座上，所述悬臂的另一端的两面上分别固定一个所述质量块，两个所述质量块上下对接形成闭环结构。2.如权利要求1所述的压电能量收集装置，其特征在于:其中一所述质量块呈倒U形，另一所述质量块呈U形，两所述质量块上下对接形成所述闭环结构。3.如权利要求1所述的压电能量收集装置，其特征在于:每一所述质量块具有一水平部以及分别从所述水平部的两端垂直延伸的竖直部。4.如权利要求1所述的压电能量收集装置，其特征在于:所述压电材料固定在所述悬臂靠近所述基座的一端。5.如权利要求1所述的压电能量收集装置，其特征在于:所述压电材料及所述悬臂为长方形片材。6.如权利要求1所述的压电能量收集装置，其特征在于:多个所述悬臂固定在所述基座上，每一所述悬臂上均设置有对应的所述压电材料，所述悬臂和所述压电材料位于所述闭环结构内。
【文档编号】H02N2/18GK205693581SQ201620513676
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年5月30日 公开号201620513676.5, CN 201620513676, CN 205693581 U, CN 205693581U, CN-U-205693581, CN201620513676, CN201620513676.5, CN205693581 U, CN205693581U
【发明人】解怡如, 马威, 刘亚伟
【申请人】新科实业有限公司