[發(fā)明專利]懸臂梁驅(qū)動復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電型能量收集器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210004391.5
• 申請日: 2012-01-09
• 公開（公告）號: CN103199736A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅豪甦;許春東;王東;趙祥永;任博;狄文寧;李曉兵;徐海清;林迪;王升;梁柱;郭浩
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;姚佳雯

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電能量收集和新型能源器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可以收集環(huán)境振動能的懸臂梁驅(qū)動的復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電型能量收集器。

背景技術(shù)

能源和環(huán)境是21世紀(jì)人類所關(guān)注的最重要的兩大主題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤、石油等化石能源資源因不斷消耗而日益減少。因此，世界各國都在大力發(fā)展各種可再生能源，希望能夠?qū)h(huán)境中可以回收利用的能量進(jìn)行收集和轉(zhuǎn)換。壓電型能量收集器就是實現(xiàn)這一功能的一種器件，它是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，收集環(huán)境中的各種振動能并將其轉(zhuǎn)換為電能。壓電型能量收集器是通過一定的結(jié)構(gòu)形式將環(huán)境振動耦合到壓電元件，利用環(huán)境振動誘導(dǎo)該壓電元件的結(jié)構(gòu)變形，引起該壓電元件內(nèi)部的正負(fù)電荷中心分離，從而產(chǎn)生極化電壓。以此通過該壓電元件的正壓電效應(yīng)，實現(xiàn)了振動能到電能的轉(zhuǎn)換。壓電型能量收集器具有機電轉(zhuǎn)換效率高、輸出電壓高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于滿足集成化要求、無需外加偏置等特點，并且不產(chǎn)生噪聲，不受電磁干擾，所以壓電型能量收集器受到了越來越多的關(guān)注。

近年來隨著壓電驅(qū)動器和壓電能量收集技術(shù)的發(fā)展，人們設(shè)計制作了各種結(jié)構(gòu)的壓電換能器，比如懸臂梁結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)以及近年出現(xiàn)的鐃鈸（Cymbal）結(jié)構(gòu)，THUNDER結(jié)構(gòu)（THin?Layer?Unimorph?Ferroelectric?DrivER），RAINBOW結(jié)構(gòu)（Reduced?And?Internally?Biased?Oxide?Wafer）等，其中鐃鈸結(jié)構(gòu)在眾多的壓電換能器結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出了優(yōu)越和獨特的性能。

鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電換能器是由中間的壓電圓盤和分別位于該壓電圓盤的上下兩表面上的兩個鐃鈸形的金屬帽粘接而成。在該鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電換能器中，鐃鈸形金屬帽和壓電圓盤之間形成的空腔使壓電圓盤的壓電常數(shù)得以放大。當(dāng)鐃鈸結(jié)構(gòu)受到豎直方向的壓力時，金屬帽會將部分豎直方向的力傳遞給壓電圓盤，并將該力轉(zhuǎn)變成水平方向的力，該壓電圓盤即會受到拉伸作用而發(fā)生形變，從而在電極層上產(chǎn)生電荷。

例如，在CN2676155Y號中國專利公開中記載了一種鐃鈸傳感器，其由鐃鈸形金屬盒蓋和壓電陶瓷環(huán)構(gòu)成，壓電陶瓷環(huán)位于兩個鐃鈸形金屬盒蓋之間，兩個鐃鈸形金屬盒蓋與壓電陶瓷環(huán)之間用導(dǎo)電膠粘接并在兩個鐃鈸形金屬盒蓋上分別引出電極。

在壓電能量收集應(yīng)用中，鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電換能器所表現(xiàn)出來的高能量密度特性已為大家所共識。但是鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電能量收集器普遍存在諧振頻率高的缺點。由于環(huán)境振動能的頻率一般在300Hz以下，但是鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電能量收集器的諧振頻率很難低于500kHz，因而鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電換能器難以有效地收集環(huán)境振動能。因此，鐃鈸結(jié)構(gòu)壓電換能器的高諧振頻率的缺點限制了其在壓電能量收集領(lǐng)域的應(yīng)用。

懸臂梁結(jié)構(gòu)是另外一種在壓電能量收集領(lǐng)域廣泛使用的壓電換能器結(jié)構(gòu)。例如，在CN201821288U號中國專利公開中記載了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電能量收集裝置，包括一端固定在振動結(jié)構(gòu)體上的懸臂梁，以及設(shè)置在該懸臂梁上的可移動質(zhì)量塊和至少一個壓電片，該壓電能量收集裝置通過懸臂梁的振動使各壓電片受應(yīng)力變化影響而產(chǎn)生電能。

目前現(xiàn)有的各類懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電換能器的最大特點是具有低諧振頻率。但是，現(xiàn)有懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電換能器都具有能量密度低的缺陷；因為在懸臂梁結(jié)構(gòu)中，壓電材料內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻。固定端的應(yīng)力最大，而自由端的應(yīng)力為0，這樣就限制了自由端壓電材料換能作用的發(fā)揮。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種懸臂梁驅(qū)動的復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電型能量收集器，可以極大地降低其諧振頻率，提高能量密度和輸出功率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種懸臂梁驅(qū)動的復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電型能量收集器，包括：一懸臂梁構(gòu)件，其一端為固定至基座的固定端，另一端為自由端；在所述懸臂梁構(gòu)件的固定端附近分別對稱地在所述懸臂梁構(gòu)件的上表面和下表面安置的一對壓電換能單元，所述壓電換能單元通過所述懸臂梁構(gòu)件的振動進(jìn)行驅(qū)動以產(chǎn)生電能；以及用于將產(chǎn)生的電能輸出的輸出單元。

本發(fā)明的壓電型能量收集器通過將具有高能量密度特性的壓電換能單元對稱粘接于具有低諧振頻率的懸臂梁構(gòu)件的上下兩表面上復(fù)合而成，可以極大地降低壓電換能單元的諧振頻率，并提高懸臂梁結(jié)構(gòu)的能量密度，因而可有效地收集環(huán)境中的振動能并將其轉(zhuǎn)換為電能。且通過懸臂梁構(gòu)件對外界力學(xué)激勵的放大作用，可以提高壓電型能量收集器的能量密度和功率輸出。本發(fā)明的壓電型能量收集器具有低諧振頻率、高能量密度、諧振頻率方便可調(diào)的特性。從而，本發(fā)明可極大地推動了壓電能量收集技術(shù)的發(fā)展。