壓電能量收集裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種壓電能量收集裝置，包括基座、懸臂、壓電材料以及質量塊，所述壓電材料設置在所述懸臂的一面上，所述懸臂的一端固定在所述基座上，所述懸臂的另一端的兩面上分別固定一個所述質量塊，兩個所述質量塊上下對接形成閉環結構。該壓電能量收集裝置可提高壓電材料的利用效率、改善響應頻率帶寬從而提高能量收集效率。
【專利說明】
壓電能量收集裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種能量收集裝置，尤其涉及一種壓電能量收集裝置。
【背景技術】
[0002]隨著低功率無線傳感器以及便攜式設備的應用越來越廣泛，電池功能凸顯出諸多缺點，如壽命和能量密度有限、更換維護麻煩、污染環境等。而壓電能量收集裝置作為一種新型的微型能量收集裝置，其具有結構簡單、發熱量小、無電磁干擾、易于加工制作、清潔環保等優點。傳統的壓電能量收集裝置100采用壓電懸臂梁結構，如圖1a所示，其主要由矩形懸臂101，質量塊102，壓電材料103和基座104組成，懸臂101的固定端固定在基座104上，自由端上設有質量塊102，壓電材料103設置在懸臂101的固定端，外界振動通過基座104傳遞到懸臂1I上從而引起壓電材料103變形，繼而通過壓電效應產生電能。
[0003]然而，上述結構存在一定問題，例如當結構振動時，懸臂101在固定端的應變最大，在自由端的應變最小，在懸臂101的長度方向上從固定端到自由端，應變的大小變化幅度大，如圖1b所示。當懸臂101的固定端的應力達到壓電材料103的應力極限時，壓電材料103的另一端卻遠沒有達到極限，因此壓電材料103沒有得到完全利用。另外，上述傳統的裝置只有在特定頻率振動下(能量收集裝置的固有振動頻率)才能收集到較高功率的電能，若偏離此頻率，裝置收集能量的能力則大幅下降，如圖1c所示，所以此結構對外部激勵頻率限制較大。
[0004]因此，亟待一種改進的壓電能量收集裝置，以克服上述缺陷。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種壓電能量收集裝置，其可提高壓電材料的利用效率、改善響應頻率帶寬從而提高能量收集效率。
[0006]為實現上述目的，本實用新型壓電能量收集裝置，包括基座、懸臂、壓電材料以及質量塊，所述壓電材料設置在所述懸臂的一面上，所述懸臂的一端固定在所述基座上，所述懸臂的另一端的兩面上分別固定一個所述質量塊，兩個所述質量塊上下對接形成閉環結構。
[0007]與現有技術相比，由于本實用新型壓電能量收集裝置的懸臂的另一端的兩面上分別固定一個質量塊，兩個質量塊上下對接形成閉環結構，因此該閉環結構的質量塊在懸臂結構上形成的旋轉模態均勻化了懸臂梁長度方向上的應變分布，使得壓電材料的利用效率大幅提高。而且該閉環結構的質量塊形成的旋轉模態和擺動模態接近，使得外部激勵頻率在裝置旋轉模態和擺動模態之間時能量收集裝置均可得到較好的電壓輸出，達到寬頻帶的目的。
[0008]較佳地，其中一所述質量塊呈倒U形，另一所述質量塊呈U形，兩所述質量塊上下對接形成所述閉環結構。
[0009]較佳地，每一所述質量塊具有一水平部以及分別從所述水平部的兩端垂直延伸的豎直部。
[0010]較佳地，所述壓電材料固定在所述懸臂靠近所述基座的一端。
[0011]較佳地，所述壓電材料及所述懸臂為長方形片材。
[0012]較佳地，多個所述懸臂固定在所述基座上，每一所述懸臂上均設置有對應的所述壓電材料，所述懸臂和所述壓電材料位于所述閉環結構內。
[0013]通過以下的描述并結合附圖，本實用新型將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本實用新型的實施例。
【附圖說明】
[0014]圖1a為傳統的壓電能量收集裝置的結構圖。
[0015]圖1b為傳統的壓電能量收集裝置的懸臂的應變曲線圖。
[0016]圖1c為傳統的壓電能量收集裝置的輸出電壓與環境頻率的響應曲線圖。
[0017]圖2a為本實用新型壓電能量收集裝置的第一實施例的結構圖。
[0018]圖2b為圖2a的壓電能量收集裝置的懸臂的應變曲線圖。
[0019]圖2c為圖2a的壓電能量收集裝置的輸出電壓與環境頻率的響應曲線圖。
[0020]圖3a為本實用新型壓電能量收集裝置和傳統壓電能量收集裝置的懸臂的應變曲線比較圖。
[0021]圖3b為本實用新型壓電能量收集裝置和傳統壓電能量收集裝置的輸出電壓與環境頻率的響應曲線比較圖。
[0022]圖4a為本實用新型壓電能量收集裝置的第二實施例的立體圖。
[0023]圖4b為圖4a的分解圖。
【具體實施方式】
[0024]下面將參考附圖闡述本實用新型幾個不同的最佳實施例，其中不同圖中相同的標號代表相同的部件。如上所述，本實用新型的實質在于一種壓電能量收集裝置，其可提高壓電材料的利用效率、改善響應頻率帶寬從而提高能量收集效率。
[0025]圖1a展示了本實用新型壓電能量收集裝置200的第一實施例，該壓電能量收集裝置200包括基座201、懸臂202、壓電材料203以及質量塊204。其中，壓電材料203設置在懸臂兩202的一面上，懸臂202的一端固定在基座201上，懸臂202的另一端的兩面上分別固定一個質量塊204，兩個質量塊204上下對接形成閉環結構。
[0026]具體地，壓電材料203固定在懸臂202靠近基座201的一端，外界振動通過基座201傳遞到懸臂202上。兩個質量塊204和壓電材料203以及懸臂202—同構成壓電懸臂梁結構。懸臂202和壓電材料203均為長方形片材，較佳地，兩個質量塊204分別連接在懸臂202的上下表面，而不接觸壓電材料203。
[0027]較佳地，壓電材料203為鋯鈦酸鉛(PZT)，懸臂202的材料為鈦(Ti)，基座201的材料為不銹鋼或鋁，質量塊204的材料為銅。
[0028]在優選的實施例中，兩質量塊204呈閉環結構。如圖2a所示，其中一質量塊204a呈倒U形，另一質量塊204b呈U形，兩質量塊204a，204b上下對接形成閉環結構。其中，質量塊204a具有水平部214以及分別從水平部214的兩端垂直延伸的豎直部215。而且，質量塊204a的質量主要分布在兩豎直部215上，水平部214的質量較豎直部215的小。另一質量塊204b的結構一致，在此不贅述。如圖所示，兩質量塊的對應豎直部相互對接，形成閉環結構，而懸臂202及壓電材料203位于閉環結構內。基于本實施例的上述結構，選取振動加速度為2.3m/s2，利用ANSYS仿真，觀察壓電材料203表面上的電動勢和懸臂202的應變，分別繪制壓電材料輸出電壓的頻率響應曲線以及裝置在響應頻率發生共振時懸臂黏貼壓電材料部分的應變分布曲線，如圖2c和2b所示。通過圖3a，3b的對比圖可知，相較傳統的壓電能量收集裝置100(虛線曲線)，本實施例(實線曲線)懸臂黏貼壓電材料部分的應變均勻性有了顯著的提尚，大幅提尚了壓電材料的利用效率;在所受外界振動加速度減小的情況下，環境頻率在6Hz?30Hz之間時，輸出的電壓均優于傳統的壓電能量收集裝置100，環境頻率在30Hz?47Hz之間時，輸出的電壓和傳統的壓電能量收集裝置100相等。由此可見，本實施例的壓電收集裝置200的工作頻率帶寬大大優于傳統的壓電能量收集裝置100的工作頻率帶寬。
[0029]本實用新型的工作過程為:當外界環境的振動通過基座201傳遞到懸臂梁結構上時，振動頻率與懸臂202的諧振頻率接近時，懸臂202會發生諧振，使得貼覆在其上的壓電材料203也隨之形變，從而產生壓電效應進行發電。由于閉環結構的質量塊204在懸臂梁結構上形成的旋轉模態均勻化了懸臂梁長度方向上的應變分布，使得壓電材料203的利用效率大幅提高。而且該閉環結構的質量塊204形成的旋轉模態和擺動模態接近，使得外部激勵頻率在裝置旋轉模態和擺動模態之間時能量收集裝置均可得到較好的電壓輸出，達到寬頻帶的目的。
[0030]圖4a、4b展示了本實用新型壓電能量收集裝置300的第二實施例。為了增加裝置的收集功率，可以把多個第一實施例中的懸臂梁結構以陣列的形式排列，如圖4b所示，多個懸臂302的一端連接在一起固定在基座301上，另一端為自由端，整體呈梳形，多個壓電材料303分別固定在懸臂302的每個梳牙上，同時通過線路板305連接并導通到外部電路中。兩塊U形質量塊304分別固定在懸302梳牙自由端的上下表面，形成閉環結構，該懸臂302和壓電材料303位于閉環結構內。壓電材料303、懸臂302及質量塊304—同構成壓電懸臂梁陣列結構。需注意的是，本實施例中的質量塊304的結構與第一實施例中的大致相同，僅僅尺寸、大小上稍有不同。閉環結構同樣能起到如第一實施例的作用，即:在懸臂梁結構上形成的旋轉模態均勻化了懸臂梁長度方向上的應變分布，使得壓電材料303的利用效率大幅提高，而且該閉環結構的質量塊304形成的旋轉模態和擺動模態接近，使得外部激勵頻率在裝置旋轉模態和擺動模態之間時能量收集裝置均可得到較好的電壓輸出，達到寬頻帶的目的。另外，本實施例的壓電能量收集裝置的結構制造工序簡單，成本低廉。
[0031]可選地，質量塊204/304的形狀可為C形，并不受限制，只要兩個質量塊204/304上下相接形成閉環結構即可。
[0032]以上所揭露的僅為本實用新型的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本實用新型之權利范圍，因此依本實用新型申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本實用新型所涵蓋的范圍。
【主權項】
1.一種壓電能量收集裝置，包括基座、懸臂、壓電材料以及質量塊，其特征在于:所述壓電材料設置在所述懸臂的一面上，所述懸臂的一端固定在所述基座上，所述懸臂的另一端的兩面上分別固定一個所述質量塊，兩個所述質量塊上下對接形成閉環結構。2.如權利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:其中一所述質量塊呈倒U形，另一所述質量塊呈U形，兩所述質量塊上下對接形成所述閉環結構。3.如權利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:每一所述質量塊具有一水平部以及分別從所述水平部的兩端垂直延伸的豎直部。4.如權利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:所述壓電材料固定在所述懸臂靠近所述基座的一端。5.如權利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:所述壓電材料及所述懸臂為長方形片材。6.如權利要求1所述的壓電能量收集裝置，其特征在于:多個所述懸臂固定在所述基座上，每一所述懸臂上均設置有對應的所述壓電材料，所述懸臂和所述壓電材料位于所述閉環結構內。
【文檔編號】H02N2/18GK205693581SQ201620513676
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月30日 公開號201620513676.5, CN 201620513676, CN 205693581 U, CN 205693581U, CN-U-205693581, CN201620513676, CN201620513676.5, CN205693581 U, CN205693581U
【發明人】解怡如, 馬威, 劉亞偉
【申請人】新科實業有限公司