悬臂梁驱动复合结构压电型能量收集器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术可极大地推动了压电能量收集技术的发展。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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。在本专利技术中，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，以及焊接至本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
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