專利名稱：褶皺形復合式壓電能量轉換結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種褶皺形復合式壓電能量轉換結構，屬于壓電能量轉換技術領域。
背景技術：
壓電材料具有正壓電效應和逆壓電效應，其既可以將機械能轉化為電能，又 可將電能轉化為機械能。本發明主要是利用壓電材料的正壓電效應進行機一電能 量轉換。目前的一些自治型無線節點大都使用電池供電。但是，大量使用電池會 對環境造成危害，并且電池的使用容量也有限，需要定期的進行更換。近年來新 興的能量收集技術是利用環境中存在的各種能量，將其轉化為電能并儲存起來， 以備它用。這種方案比起電池來說，其供電壽命理論上取決于組成能量收集器的 電子器件的壽命，沒有額外消耗能源，不會排放污染物，是典型的"綠色"技術。 環境中可用于能量收集與轉化的能量有太陽能、振動機械能等。其中太陽能的利 用已經普遍化、商業化，且趨于成熟，而其它能源的收集技術仍在研究中。振動 能是一種廣泛存在的能量形式，隨處可見，甚至在許多人們比較難以進入的地方 都有振動源存在，因而研究振動能量收集技術具有更普遍的意義。壓電換能器是 應用最普遍的振動能量換能器件。但目前使用的壓電器件大都存在能量轉換效率 低、承受的振動位移較小、輸出功率低等缺點。在SMART MATERIALS AND STRUCTURES這本雜志中2007年9月出版的文章Folded dielectric elastomer actuators中提出了一種折疊結構的驅動器，如附圖2.這種驅動器采用折疊結 構，因此在拐角處易磨損，并且這種結構大面積的使用壓電材料，因此在拐角處 不易產生形變的地方使用壓電材料是一種資源浪費。本發明主要思想是將許多帶 有雙層壓電薄膜的懸臂梁集成在一起，組成一種褶皺形復合結構，這種結構具有 大變形能力，能量轉換輸出能量大的特點。本發明的結構比折疊結構堅固，且節 省材料，降低成本。
發明內容
本發明目的在于提供一種褶皺形復合式壓電能量轉換結構。相對于現有折疊 形結構的驅動器，具有更堅固的結構，節省壓電材料、電荷輸出大，能量回收效 率高，體積小方便使用，制作工藝簡單等優點。
一種褶皺形復合式壓電能量轉換結構，其特征在于包括褶皺形彈性導電體、 在褶皺形彈性體的圓弧形拐角處加固有剛性連接塊，在褶皺形彈性體的水平段 上、下表面采用同向方式分別貼有上層壓電薄膜和下層壓電薄膜，在上層壓電薄 膜的上側，及下層壓電薄膜的下側貼有導電膠層；該褶皺形復合式壓電能量轉換 結構的一個電極端通過褶皺形彈性導電體引出，另一個電極端通過導電膠層引 出。
總體說本發明主要由變形傳遞結構和壓電換能元件組成。本說明書以PVDF
壓電薄膜作為換能元件來進行具體說明。褶皺形復合式壓電能量轉換結構變形傳 遞結構主要由褶皺形彈性導電體的水平段和將這些水平段在其端部兩兩連接起
來的剛性塊組成。每個水平段的上下表面都布置有PVDF壓電薄膜。所有金屬水 平段都是通過剛性金屬塊電氣連通的，其成為所有PVDF的一個公共電極，而所 有PVDF的另外一個電極通過導電膠層和導線連接在一起，形成另外一個公共電 極。由于拐角處不易產生形變，所以僅在褶皺面的上、下表面上粘貼上PVDF 壓電薄膜。PVDF在水平段上的電極布置應該是這樣的所有變形方向相同的水 平段的一面(如圖1中朝向上面的一面)粘貼PVDF的電極的一個極性(如正極)， 所有水平段的另一面，粘貼PVDF的電極的另一個極性(為負極)。將裸露在外 的，既貼有導電膠層的PVDF電極連接在一起。這樣可以保證該結構整體變形時 相同的電荷匯集在一起。
本說明之所以選擇PVDF壓電薄膜來說明是因為作為柔性有機材料，其具有 較高的介電性、較強的壓電性和很高的機械強度，以及很好的柔韌性，并且，其 頻響范圍寬、能抗化學和油性腐蝕等優良特性。PVDF的壓電性比石英高很多， 并且可以做得更薄，重量輕，體積小，結構簡單，可粘貼在材料的表面，與結構 有著良好的相容性。其結構為上下兩層分別為正負電極，中間為PVDF材料。而 選擇彈性導電材料做成褶皺面， 一是因為彈性導電材料變形大，使得整個結構能夠產生更大的形變，以獲得更多的電荷輸出。二是彈性導電材料具有導電性，可 直接引出電極，優化了結構的設計。
褶鈹形復合式壓電能量轉換結構的工作過程為當力施加于結構的兩端 時，整個結構會產生伸縮運動，粘貼有PVDF薄膜的水平段會產生相同的變形，
進而在PVDF壓電薄膜的兩電極上產生電荷輸出，完成機電能量轉換。如果作用
的力為交變的，則可產生交變電荷輸出。因此本結構可用于振動能量回收中作為 換能器件。
本發明的除了作為能量回收使用外，還可作為驅動器和傳感器使用。當在 兩個電極引出端施加電能時，壓電材料會因為逆壓電效應而產生形變，所以可以 作為驅動器使用。而作為傳感器時可以通過正壓電效應產生電能來傳感外界的機 械能。作為傳感器和驅動器使用，兩者都是對換能這種思想的應用。
圖1為褶皺形復合式壓電能量轉換結構的結構圖。圖2為折疊結構的驅動器。
附圖中標號說明1、褶鈹形彈性體的水平段，2、剛性連接塊，3、導電膠
層，4、上層壓電薄膜，5、下層壓電薄膜，6、導電膠層電極公共引出端，7、 褶皺形彈性體電極公共引出端，8、絕緣的力作用端面。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述-
附圖為褶皺形復合式壓電能量轉換結構的結構圖，以圖1所示結構說明本
發明的具體制作工藝。本發明通過絕緣的力作用端面8與外界其他結構相連接，
其結構的具體制作過程為首先把彈性導電體加工成褶皺形結構，并進行定型加
工，然后把彈性導電體的拐角部分加固。下一步，把上層PVDF壓電薄膜和下層 PVDF壓電薄膜用導電膠同向粘貼在彈性導電體的上、下表面上。接下來，將裸 露在外面的PVDF壓電薄膜的表面粘貼導電膠，用導電膠層3引出PVDF壓電薄膜 的上表面的電極和PVDF壓電薄膜下表面的電極，并連接起來，從而引出總的電 極引出端6。褶鈹形彈性體電極公共引出端7直接由彈性導電體引出。最后，得 到兩個公共電極。結合圖說明本發明的具體工作過程當外界有振動源產生時，本發明接 收到振動產生的機械能，使得彈性導電體發生振動，做反復的拉伸收縮運動，其 在運動過程中由于拉伸收縮產生彈性形變，從而使得粘貼在彈性導電體的上、下
表面上的PVDF壓電薄膜產生形變，由于PVDF壓電薄膜具有正壓電效應，使得上 層PVDF壓電薄膜和下層PVDF壓電薄膜內部產生極化現象，同時在它的正負極面 上出現正負相反的電荷。因為不同的作用力產生不同的電荷，拉伸時，彈性導電 體上表面拉伸，下表面收縮；收縮時，彈性導電體上表面收縮，下表面拉伸。所 以彈性導電體的上、下表面上的PVDF壓電薄膜變形方向相反。但由于粘貼時兩 者的極化方向正好相反，因而將產生同符號的電荷。
本發明的優點在于，第一，能夠承受較大的變形。因為結構總的變形分散到 各個水平段的變形中。第二，能量損失小。變形能夠完全傳遞到水平段上；第三，
產生電荷輸出大。結構總的電能輸出是各個水平段電荷輸出之和。第四，體積小。 將換能水平段平行排列，整個結構空間基本上被利用。
權利要求
1、一種褶皺形復合式壓電能量轉換結構，其特征在于包括褶皺形彈性導電體、在褶皺形彈性體的圓弧形拐角處加固有剛性連接塊(2)，在褶皺形彈性體的水平段(1)上、下表面采用同向方式分別貼有上層壓電薄膜(4)和下層壓電薄膜(5)，在上層壓電薄膜的上側，及下層壓電薄膜的下側貼有導電膠層(3)；該褶皺形復合式壓電能量轉換結構的一個電極端通過褶皺形彈性導電體引出，另一個電極端通過導電膠層引出。
2、 根據權利要求l所述的褶皺形復合式壓電能量轉換結構，其特征在于上述壓電薄膜是PVDF薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種褶皺形復合式壓電能量轉換結構，屬于壓電能量轉換技術領域。其特征在于包括褶皺形彈性導電體，在褶皺形彈性體的圓弧形拐角處加固有剛性連接塊(2)，在褶皺形彈性體的水平段(1)上、下表面采用同向方式分別貼有上層壓電薄膜(4)和下層壓電薄膜(5)，在上層壓電薄膜的上側，及下層壓電薄膜的下側貼有導電膠層(3)；該褶皺形復合式壓電能量轉換結構的一個電極端通過褶皺形彈性導電體引出，另一個電極端通過導電膠層引出。這種結構可以在具有較大變形的同時，產生較大的電荷輸出，并且這種結構堅固，節省原材料，制作工藝簡單。這種換能結構可以廣泛應用于振動能量回收系統中作為換能器件。
文檔編號H02N2/00GK101594069SQ200910033529
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月23日 優先權日2009年6月23日
發明者麗 于, 侯志偉, 朱莉婭, 陳仁文 申請人:南京航空航天大學