收集弯曲振动能量的压电式发电机制造技术

一种收集弯曲振动能量的压电式发电机，属于压电发电机技术领域。其特征在于：采用悬臂压电陶瓷一金属层叠三叠层结构，即上下两层是压电陶瓷层（１、２），它们的极化方向相反，它们分别通过导电胶层（４、５）与中间的金属层（３）粘接，上述上下两压电陶瓷层（１、２）的电极面（６、７）通过导线（８、９）与具有整流及能量累积功能的电源电路相连；该压电器件固定端的金属层（３）延伸到压电陶瓷层（１、２）以外，压电器件通过该端的金属层（３）固定。本发明专利技术的压电发电机具有响应速度快，成本低，结构简单，不发热，工作时不消耗任何材料等优点，达到节能的要求，具有显著的经济价值和社会价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压电器件， 一种这样的压电器件，它可以用作将弯曲振动机械能 转换成为电能的压电发电机。
技术介绍
目前公布的技术涉及压电技术的进一步发展，为了能量收集的目的而开发的 压电动力产生装置，并且实质上可以与任何振动产生装置或结构集成为一体以提 供自供电系统和装置。如CN 1220782A、 CN1985380 A和CN 101017989A。其 中CN 1220782A公开了一种在适合于激振包括压电体层的振动片而进行发电的 小型、便携式装置的发电装置中，改善从激振装置向振动片的能量传递效率、通 过手腕等的运动，高效率地进行发电；CN1985380A公开了单压电体器件和结构 可单独用作平衡对结构，或与其它元件相结合来增强单体器件的动力收集能力； CN 101017989A公开了一种用于状态监控的基于压电振动发电的自供电微型无 线传感网络节点，主要由压电振动电源、微控制器、RF发送装置和传感器组成。 压电材料用于振动发电的研究的目的之一便是研究小型的轻便的结构，具有较好 的机电耦合特性。振动式压电发电器件是利用压电陶瓷的横向压电效应而工作 的。换句话说，就是使压电发电器件产生应变而进行发电。这种发电方式具有无 污染、低成本和工作时不消耗任何材料的优点，达到节能环保的要求，具有显著 的经济价值和社会价值。振动在周围环境中无处不在。 一方面，周围环境中的振 动会带来结构的损伤，縮短结构的使用寿命，另一方面对环境带来噪声污染。如 果可以将这些不利的振动形式的能量收集起来，转换为电能的形式加以采集利 用，不但减少结构损伤，降低结构维护成本，降低噪声，而且对人类社会日益匮 乏的能源将是一个补充。从检索的现有技术资料显示，振动式压电发电器件的结 构设计技术方案较少。压电材料的某些优点早已被认识到，压电陶瓷是当今最有可为的发电材料，压电陶瓷材料的无铅化技术也在不断发展，这种技术在不断改进，有可能提供具 有改进的工作能力和环保意义的压电材料。
技术实现思路
本专利技术的一个主要目的是采用一种小型的、轻便的压电能量采集结构，提供 一种可以实际使用的采集从环境引发的振动产生的能量的一种压电器件，其可为 微功耗电子系统提供工作动力。本专利技术的压电器件是一种将弯曲振动机械能转换为微功率电能的压电器 件，其特征在于采用悬臂压电陶瓷一金属层叠三叠层结构，即上下两层是压电 陶瓷层，它们的极化方向相反，它们分别通过导电胶层与中间的金属层粘接，上 述上下两压电陶瓷层的电极面通过导线与具有整流及能量累积功能的电源电路 相连；该压电器件固定端的金属层延伸到压电陶瓷层以外，压电器件通过该端的 金属层固定。为减小压电发电机的漏电电流，联接器件固定端的支撑体采用电的绝缘体。 本专利技术基于如下考虑，在振动时，其中间面在金属层的中间平面上，中间 的金属层执行振动，而贴在它上面的压电陶瓷层作为能量转换部件将弯曲振动的 机械能转换为电能。压电陶瓷-金属复合薄板的总能量包括两部份， 一是弹性能，另一个是电能。2 2式中，T、 S分别表示应力和应变，E和D分别表示电场强度和电位移 在低频时，压电发电机等效为一个电荷源和一个电容、一个电阻并联的模型。 通过Agilent 4294A精密阻抗分析仪测定分析知，本专利技术的压电器件的低频电容 低，取值在十几纳法至几十纳法，有利于减少压电发电机内部存储的电荷，从而 提高输出电能的能力。在结构尺寸不太小的情况下，本专利技术的压电器件基波共振 频率较低，取值从几赫兹到几百赫兹，有利于在低频环境中使用。本专利技术的压电器件提供了一种新的能量来源，由于该器件主要由电极和压电 陶瓷构成，原理上是利用压电陶瓷的横向正压电效应发电，因此与采用普通发电 机方式发电具有响应速度快，成本低，结构简单，不发热，工作时不消耗任何材 料等优点，达到节能的要求，具有显著的经济价值和社会价值。只要应力和温度 在一定的允许范围内压电发电机几乎没有使用寿命的限制。附图说明图l是压电式发电机结构的三维视图。 图2是实施例概略构成图。图中标号名称l 2压电陶瓷层，3金属层，4、 5导电胶层，6、 7电极面， 8、 9导线，11、振动基体，12、 13质量块。具体实施方式下面借助于附图以及示例详细描述本专利技术的实施例。图1所示为一个压电发电机a，它具有中间的金属层和上下两层的压电陶 瓷层1、 2以及它们之间的导电胶层4、 5。在这里压电陶瓷为锆钛酸铅(Pb (TixZri.x ) 03)压电陶瓷中的PZT-5。另外，压电陶瓷层(1、 2)可对应于其他 具有高的压电常数(131及高的机电耦合系数和介电常数的压电材料，特别是随着 压电技术的进步，可能提供利用具有上述特点的无铅的压电陶瓷材料。金属片层 为铍青铜(QBe-2Y)，它具有高强度、高硬度、高导电性、高弹性、耐磨、耐疲 劳、抗腐蚀性及弹性滞后小等特点，。黏结剂采用Emerson & Cuming的导电银胶， 这种导电胶的体积阻抗为0.0002 ohm-cm。这里，压电陶瓷片及金属层须保证较 高的平面度、平行度和粗糙度，确保装配时较高的接触刚度和粘接强度；要求黏 结层非常薄，坚固且稳定，在粘贴过程施以一定较均匀的力捏压层叠薄片上下表 面，对压电陶瓷和铜基片的牢固的、无气隙的粘接是有帮助的，但切勿用力过猛， 以免捏碎压电陶瓷。此外，上下两层压电陶瓷层l、 2的电极面通过导线8、 9与具有整流及能量累积功能的电源电路相连。该压电器件通过金属层3延伸到压 电陶瓷层l、 2以外的部分进行固定。金属片与压电陶瓷片用导电胶胶黏，4和5是导电胶层即导电胶层。要求 胶合层非常薄，坚固且稳定，导电性高。在黏结之前必须对金属片进行细致的表 面处理工作，保证其表面有一定的粗糙度，彻底清洁金属片，以除去导致黏结性 能差和引起腐蚀的污物如氧化层，灰尘，湿气和油等。压电陶瓷片表面也需作表 面清洁处理工作。参考图2，示例了一种根据本主题的压电发电机的一种实施例的基本结构。 U字形的支架10安装固定在振动基体11上，这样支架10将随着振动基体11的 振动而产生垂直位移。压电发电机的金属层3中延伸出的部分垂直嵌入U字形 的支架IO底部的中间位置，金属层3的中间平面与振动基体的振动位移方向垂 直。在其自由端部设置绝缘的集中质量块12和13。质量块12和13可用硅加工 而成。当振动体发生振动时，带动U字形的支架IO往复运动从而压电发电机固 定端往复运动，在集中质量块12和13的作用下，压电陶瓷层l、 2和金属层3 产生弯曲振动。从而将机械引发的振动转换为电荷。应当理解，虽然参照其特定实施例已经详细描述了本专利技术，但并不限于所 描述的特定实施例，在本专利技术的原则和精神基础上所作的可能的修改和变动仍应 属于本专利技术的保护范围之内。权利要求1、一种收集弯曲振动能量的压电式发电机，其特征在于采用悬臂压电陶瓷-金属层叠三叠层结构，即上下两层是压电陶瓷层(1、2)，它们的极化方向相反，它们分别通过导电胶层(4、5)与中间的金属层(3)粘接，上述上下两压电陶瓷层(1、2)的电极面(6、7)通过导线(8、9)与具有整流及能量累积功能的电源电路相连；该压电器件固定端的金属层(3)延伸到压电陶瓷层(1、2)以外，压电器件通过该端的金属层(3)固定。2 、根据权利要求1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种收集弯曲振动能量的压电式发电机，其特征在于：采用悬臂压电陶瓷－金属层叠三叠层结构，即上下两层是压电陶瓷层（１、２），它们的极化方向相反，它们分别通过导电胶层（４、５）与中间的金属层（３）粘接，上述上下两压电陶瓷层（１、２）的电极面（６、７）通过导线（８、９）与具有整流及能量累积功能的电源电路相连；该压电器件固定端的金属层（３）延伸到压电陶瓷层（１、２）以外，压电器件通过该端的金属层（３）固定。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龚立娇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]