CN101621258B - 基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种微机电技术领域的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，包括：基体、频率转换机构以及一组或多组发电机构，其中：频率转换机构固定设置于基体的顶部，发电机构固定设置于基体的内部并与基体相接触，频率转换机构和发电机构相互平行。本发明利用压电材料的压电效应来产生电力，相对于利用电磁方式发电，具有输出电压高、能量密度高、工作可靠、适应性强等突出优点。

Description

基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的发电装置，具体是一种基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置。
背景技术
近年来，随着集成电路技术和微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术的不断发展，无线传感网络节点及便携式微电子产品的应用越来越广泛，目前微器件的电源供给主要是靠化学电池，利用微型化学电池供电存在一个明显的不足就是电池总能量有限，使用寿命短，但随着节点体积减小和使用数量迅速增加，更换大量的耗尽电池变得非常困难，微机电系统由于具有体积小、能耗低的优点而得到了广泛的应用，因此利用微机电系统来进行发电具有广泛的应用前景。
如果能够利用自然界的振动来产生器件工作的电量，那将使得能量来源极为广泛，目前主要有三种能量转换形式可以实现环境振动能到电能的转换，即：压电转换、电磁转换和静电转换。目前自然界中的振动多为低频振动，要想利用这些振动来产生电力，有必须把低频振动转化为高频振动来提高转换利用效率。
通过对现有技术文献的检索发现，中国专利授权公告号CN 2505614Y，公开了一种基于电磁转换的振动发电装置，此装置直接利用自然界的振动来发电，然而自然界的振动多为低频振动，要想得到较高的发电效率，需要利用必要的频率转换机构来升高频率，此外基于电磁转换的发电装置具有输出电压低、兼容性差、存在电磁干扰等缺点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，具有输出电压高、转换密度高、工作可靠、适应性强的突出优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基体、频率转换机构和一组或多组发电机构，其中：频率转换机构固定设置于基体的顶部，发电机构固定设置于基体的内部并与基体相接触，频率转换机构和发电机构相互平行。
所述的基体为无顶矩形体结构；
所述的频率转换机构包括：上层平面弹簧、上表面永磁体、永磁体支撑平台和下表面永磁体，其中：上层平面弹簧的两端分别连接基体和顶部和永磁体支撑平台，上表面永磁体和下表面永磁体分别位于永磁体支撑平台的上下两侧并在竖直方向上下振动。
所述的发电机构包括：压电材料、金属电极、弹性支撑层和软磁金属层，其中：弹性支撑层的一端固定设置于基体内部，弹性支撑层的另一端的上表面设有软磁金属层，压电材料的上下表面分别与金属电极和弹性支撑层固定连接。
所述的该软磁金属层的位置在下表面永磁体的竖直方向的投影范围内，且软磁金属层的竖直方向有效面积小于等于下表面永磁体的竖直方向有效面积。
本发明通过频率转换机构能有效地利用自然界中的低频振动能量，由上层平面弹簧和永磁体组成的结构在受到外界振动特别是垂直于弹簧所在的平面的振动作用时，永磁体将会产生振动，永磁体与弹性支撑层上的软磁金属层材料具有相互之间的吸引力，因而永磁体的振动可以带动下面的软磁金属层材料的振动，软磁金属层材料与弹性支撑层连为一体，因而弹性支撑层也随之振动，并且弹性支撑层有更高的共振频率，因此实现了频率转换的目的；而当弹性支撑层上下往复振动时，其表面的压电材料层也将不断的受到压缩或拉伸，根据材料的正压电效应，两个金属电极上不断的吸收或释放电性相反的电荷，接入外电路时，自由释放电荷在电路中不停的往复运动形成电流，从而达到了发电的目的。
本发明利用压电材料的压电效应来产生电力，相对于利用电磁方式发电，具有输出电压高、能量密度高、工作可靠、适应性强等突出优点。
附图说明
图1为本发明侧面剖视图。
图2为本发明俯视图。
图3为发电机构俯视图；
其中：a为实施例1示意图，b为实施例2示意图，c为实施例3示意图。
图4为实施例2示意图；
其中：a为侧面剖视图，b为发电机构俯视图。
图5为实施例3示意图；
其中：a为侧面剖视图，b为发电机构俯视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本实施例包括：基体1、频率转换机构2和一组发电机构3，其中：频率转换机构2固定设置于基体1的顶部，发电机构3固定设置于基体1的内部并与基体1相接触，频率转换机构2和发电机构3相互平行。
所述的基体1为无顶矩形体结构，采用铝材料制作，其中底面为正方形，边长为3毫米，高度为1.75毫米，基体厚度为200微米；
如图1和图2所示，所述的频率转换机构2包括：四根上层平面弹簧4、上表面永磁体5、永磁体支撑平台6和下表面永磁体7，其中：四根上层平面弹簧4呈中心对称的S型结构，该上层平面弹簧4的两端分别连接基体1和顶部和永磁体支撑平台6，上表面永磁体5和下表面永磁体7分别位于永磁体支撑平台6的上下两侧并在竖直方向上下振动。
所述的上层平面弹簧4的厚度为15微米，宽度为200微米。
所述的上表面永磁体5以及下表面永磁体7均为圆柱体结构，其直径为1.2毫米，高度为250微米。
所述的永磁体支撑平台6的直径大于等于上表面永磁体5或下表面永磁体7的半径，该永磁体支撑平台6的厚度与上层平面弹簧4的厚度相同，为15微米，为玻璃制成。
如图3所示，所述的发电机构3包括：软磁金属层8、压电材料9、金属电极10以及弹性支撑层11，其中：弹性支撑层11的一端固定设置于基体1内部，弹性支撑层11的另一端的上表面设有软磁金属层8，压电材料9的上下表面分别与金属电极10和弹性支撑层11固定连接，压电材料9的侧面与基体1的侧面的垂直间距为100微米，压电材料9的侧面与软磁金属层8侧面的垂直间距为100微米。
所述的软磁金属层8为长方体结构，长宽都为300微米，厚度为40微米，采用金属材料镍制成，该软磁金属层8的位置在下表面永磁体7的竖直方向的投影范围内，且软磁金属层8的竖直方向有效面积小于下表面永磁体7的竖直方向有效面积。
所述的压电材料9的长度为1毫米，宽度为300微米，厚度为40微米，采用锆钛酸铅制成。
所述的金属电极10的厚度为30微米，采用Ti金属薄膜制成。
所述的弹性支撑层11为长方体结构，其尺寸为1.5毫米*300微米*40微米，该弹性支撑层11为金属材料Pt制成。
所述的弹性支撑层11上设有直径为20微米的阻尼孔12以减小空气阻力。
本实施例的工作过程如下：由上层平面弹簧4和上表面永磁体5和下表面永磁体7组成的结构在受到外界振动特别是垂直于弹簧所在的平面的振动作用时，上表面永磁体5和下表面永磁体7会发生振动，下表面永磁体7吸引下面的软磁金属层8，从而上表面永磁体5和下表面永磁体7的振动可以带动下面的软磁金属层8的振动，软磁金属层8与弹性支撑层11相连接，从而导致了弹性支撑层11的振动，弹性支撑层11的共振频率更高，因此可以达到频率转换的目的，弹性支撑层11的振动能带动压电材料9的拉伸或压缩，根据材料的正压电效应，金属电极10与弹性支撑层11不断的吸收或释放电性相反的电荷，接入外电路时，自由释放电荷在电路中不停的往复运动形成交流电流，从而达到了发电的目的。
实施例2
如图4a和4b所示，本实施例包括：基体1、频率转换机构2和4组相同结构的发电机构3，其中：频率转换机构2固定设置于基体1的顶部，4组发电机构3固定设置于基体1的内部四个侧面并与基体1相接触，频率转换机构2和发电机构3相互平行。
本实施例中的4组发电机构3与实施例1中相同，均包括：软磁金属层8、压电材料9、金属电极10以及弹性支撑层11，其中：弹性支撑层11的一端固定设置于基体1内部，弹性支撑层11的另一端的上表面设有软磁金属层8，压电材料9的上下表面分别与金属电极10和弹性支撑层11固定连接，压电材料9的侧面与基体1的侧面的垂直间距为100微米，压电材料9的侧面与软磁金属层8侧面的垂直间距为100微米。
实施例3
如图5a和图5b所示，本实施例包括：基体1、频率转换机构2和1组发电机构3，其中：频率转换机构2固定设置于基体1的顶部，4组发电机构3固定设置于基体1的内部四个侧面并与基体1相接触，频率转换机构2和发电机构3相互平行。
如图5b所示，本实施例中的发电机构3包括：软磁金属层8、压电材料9、金属电极10以及弹性支撑层11，其中：弹性支撑层11为万字型结构，弹性支撑层11的末端固定设置于基体1内部，弹性支撑层11的中心的上表面设有软磁金属层8，压电材料9的上下表面分别与金属电极10和弹性支撑层11固定连接，压电材料9的侧面与基体1的侧面的垂直间距为100微米，压电材料9的侧面与软磁金属层8侧面的垂直间距为100微米。
所述的软磁金属层8为长方体结构，该软磁金属层8的位置在下表面永磁体7的竖直方向的投影范围内，且其竖直方向有效面积与下表面永磁体7的竖直方向有效面积相等。

Claims (8)

1.一种基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，包括：基体和频率转换机构，其特征在于，还包括一组或多组发电机构，其中：频率转换机构固定设置于基体的顶部，发电机构固定设置于基体的内部并与基体相接触，频率转换机构和发电机构相互平行；
所述的频率转换机构包括：上层平面弹簧、上表面永磁体、永磁体支撑平台和下表面永磁体，其中：上层平面弹簧的两端分别连接基体的顶部和永磁体支撑平台，上表面永磁体和下表面永磁体分别位于永磁体支撑平台的上下两侧并在竖直方向上下振动。
2.根据权利要求1所述的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，其特征是，所述的发电机构包括：压电材料、金属电极、弹性支撑层和软磁金属层，其中：弹性支撑层的一端固定设置于基体内部，弹性支撑层的另一端的上表面设有软磁金属层，压电材料的上下表面分别与金属电极和弹性支撑层固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，其特征是，所述的发电机构包括：软磁金属层、压电材料、金属电极以及弹性支撑层，其中：弹性支撑层为万字型结构，弹性支撑层的末端固定设置于基体内部，弹性支撑层的中心的上表面设有软磁金属层，压电材料的上下表面分别与金属电极和弹性支撑层固定连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，其特征是，所述的基体为无顶矩形体结构。
5.根据权利要求2或3所述的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，其特征是，所述的软磁金属层的位置在下表面永磁体的竖直方向的投影范围内。
6.根据权利要求2或3所述的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，其特征是，所述的软磁金属层的竖直方向有效面积小于等于下表面永磁体的竖直方向有效面积。
7.根据权利要求2或3所述的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，其特征是，所述的压电材料的侧面与基体的侧面的垂直间距为100微米。
8.根据权利要求2或3所述的基于压电晶体频率转换机构的微型发电装置，其特征是，所述的压电材料的侧面与软磁金属层(8)侧面的垂直间距为100微米。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104180849A (zh) * 2013-05-24 2014-12-03 北京嘉岳同乐极电子有限公司 振动和磁场双重传感器
CN107248719A (zh) * 2017-07-14 2017-10-13 国网河南省电力公司商城县供电公司 预紧防震锤

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814860B (zh) * 2010-04-09 2012-02-08 中北大学 基于压电效应和电磁感应现象的振动驱动式复合微电源
WO2013105280A1 (ja) * 2012-01-12 2013-07-18 富士通株式会社 発電装置
CN102545692B (zh) * 2012-01-18 2015-01-07 厦门大学 基于压电静电的复合式振动能量收集器
CN102570902B (zh) * 2012-01-18 2014-09-24 厦门大学 一种压电-静电复合式微机械振动能量收集器及制造方法
CN103684042B (zh) * 2012-08-30 2016-04-06 北京嘉岳同乐极电子有限公司 压电震动发电装置及其制造方法
CN103856103B (zh) * 2012-12-04 2016-04-06 北京嘉岳同乐极电子有限公司 震动发电装置
CN103888020B (zh) * 2012-12-20 2016-08-31 北京嘉岳同乐极电子有限公司 压电震动发电装置及其制造方法
CN103916049B (zh) * 2013-01-07 2016-12-28 北京嘉岳同乐极电子有限公司 压电震动发电装置及其制造方法
CN103916047B (zh) * 2013-01-07 2017-09-29 北京嘉岳同乐极电子有限公司 压电振动发电装置
CN104377993A (zh) * 2014-11-25 2015-02-25 北京工业大学 自动调参双稳态压电发电结构
CN107196555A (zh) * 2017-07-07 2017-09-22 安徽理工大学 一种压电式多方向振动能量采集器
CN107190669A (zh) * 2017-07-13 2017-09-22 郑州大学 人行道阻车柱
CN108306544A (zh) * 2018-01-03 2018-07-20 南方科技大学 具有通气孔结构的振动能量采集器
CN110742055B (zh) * 2019-10-24 2021-12-14 安徽汀阳电力设备有限公司 一种铁塔用鸟类防停落驱除装置
CN112531967A (zh) * 2020-11-24 2021-03-19 宁波谦屹节能科技有限公司 一种电机保护型消防泵

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2834010Y (zh) * 2005-06-01 2006-11-01 长春博华科技有限公司 基于车轮振动的发电装置
CN101359882A (zh) * 2008-08-29 2009-02-04 清华大学 谐振频率可调的压电振动能量收集装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2834010Y (zh) * 2005-06-01 2006-11-01 长春博华科技有限公司 基于车轮振动的发电装置
CN101359882A (zh) * 2008-08-29 2009-02-04 清华大学 谐振频率可调的压电振动能量收集装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开平10-337533A 1998.12.22
林玲.压电发电技术研究应用.《硅谷》.2008,(第14期),120. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104180849A (zh) * 2013-05-24 2014-12-03 北京嘉岳同乐极电子有限公司 振动和磁场双重传感器
CN107248719A (zh) * 2017-07-14 2017-10-13 国网河南省电力公司商城县供电公司 预紧防震锤

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