CN101714834B - 碰撞式压电振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种碰撞式压电振动能量收集装置，属于压电材料能量转化与收集装置技术领域。装置包括支撑基片(2)、垫片(3)、振动块(4)、固定块(6)等；支撑基片(2)固定在垫片(3)上，垫片(3)固定在振动块(4)上，振动块(4)在环境振动或冲击的作用下与固定块之间产生相对运动，与固定块(6)发生碰撞，碰撞后支撑基片带动压电层以其自振频率振动。所述支撑基片为压电材料或固定有压电层(1)。所述支撑基片上有质量块(7)。本发明可以有效收集低频、高强度冲击能量，解决了因环境固有振动频率与振动结构谐振频率不易匹配、能量转换效率低等问题，适用于低频、冲击能量高、非连续振动环境，可应用于传感器或其他低功耗系统中自供电。

Description

碰撞式压电振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及一种碰撞式压电振动能量收集装置，是一种适用于低频、冲击能量高、非连续振动环境的碰撞式压电振动能量收集装置，属于压电材料能量转化与收集装置技术领域。

背景技术

传感器广泛应用于机械仪器检测、建筑环境监控、无线通信网络、下一代便携式多媒体设备、植入式医疗器械等多种生产、生活领域，并逐渐呈现出微型化、集成化、嵌入式等特点。在一些应用环境中，由于更换不便或空间、数量等的限制而无法采用一般的电池供电/充电方式，使得能量供应成为传感器应用中的突出瓶颈，能量供应技术成为传感器应用中的关键技术。

由于多数应用环境都存在不同程度的振动，因此将工作环境固有振动能量转化为电能的小型化能量收集器具有良好的应用前景。目前经常采用的换能方式为压电式，即通过带有压电材料的振动结构产生相对运动，在压电材料中形成应力，进而产生电势，通过外接电路转化为电能输出。对于压电式换能，应使振动结构尽可能地工作于谐振状态，才能收集到较多的振动能量，获得较高的能量转换效率。

但是，工作环境中的振动形式通常具有频率偏低、频率成分多的特点，使得振动结构的固有频率难以与环境固有振动频率在较大低频范围内精确调谐。即便在某些频率上实现了精确调谐，由于工作环境的振动形式还具有振动不连续、振动频率可能发生变化等特点，导致振动结构容易偏离谐振点，难以在长时间内维持谐振状态。一旦发生谐振频率不匹配的情况，结构的相对运动将迅速减小，收集到的振动能量也迅速减少。此外，对于具有较高冲击能量的工作环境，单一的调谐方式难以高效收集冲击能量，并可能导致振动结构的不稳定。

因此，需要一种适用于低频、冲击能量高、非连续振动环境的压电能量收集装置，该装置将固定在垫片上的支撑基片-压电层作为核心换能结构。在实际应用中，该装置固定安装在具有低频振动的环境中，支撑基片-压电层换能结构通过垫片固定在装置中的振动块上。由于振动块与固定块(或壳体)之间没有机械连接，二者将在外界振动的激励下产生相对运动，并发生碰撞。振动块在碰撞的瞬时将动能转化为支撑基片-压电层换能结构的形变势能，随后该换能结构以其自振频率做高频振动，同时通过外接电路产生高频电能输出，与外界振动的状况无关。

根据本发明实现的能量收集装置，可以有效收集低频、高强度的冲击能量，同时解决了因环境固有振动频率具有多值、可变等特点所导致的振动结构的谐振频率不易匹配、能量转换效率低等问题，适用于低频、冲击能量高、非连续振动环境，实现将低频碰撞的动能耦合到高频振动的支撑基片-压电层换能结构，高效收集环境振动能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碰撞式压电碰撞能量收集装置，从实际工作环境中转换和收集低频、高能量、非连续冲击的振动能量，将振动能量转化成电能，然后向传感器或其他低功耗系统供电，使其拥有自供电能力。

本发明的技术方案是：一种碰撞式压电振动能量收集装置，所述装置包括：垫片、支撑基片、压电层、振动块、接触结构和固定块。垫片固定在振动块上，支撑基片固定在垫片上，在环境振动或冲击的作用下，振动块与固定块产生相对运动，并在接触结构与固定块(或振动块)的接触界面上发生碰撞。可以通过改变块状接触结构的材料、接触面形状，或者改变弹性接触结构的弹性系数，来控制碰撞的时间。碰撞发生后，支撑基片带动压电层以其自振频率做高频振动。所述支撑基片为压电材料或者非压电材料；如果为非压电材料，其上固定至少一个压电层；所述压电层是压电晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡、聚偏氟乙烯压电膜或其它具有压电性质的材料；所述支撑基片及压电层构成悬臂梁或者其他形式的具有较高自振频率的梁式或弹性结构，作为装置的能量转换结构，其上可以加装质量块调节谐振频率，也可以不加；所述支撑基片-压电层能量转换结构的弹性系数低于垫片、振动块、和接触结构的弹性系数；所述固定块在环境振动或冲击的作用下，固定块各点的位移量和旋转量相对于振动源保持不变；所述接触结构固定在振动块或固定块上，可以是具有不同碰撞接触面形状和弹性模量的各种材料的块状结构，也可以是弹簧及弹性板等具有弹性的结构；所述支撑基片、振动块和接触结构的中心线或对称中心线位于同一平面内；所述支撑基片-压电层能量转换结构的振动幅度和方向能够被限制在一定范围之内，为了保护压电材料，限制方式可以是控制支撑基片与压电层的振动空间，也可以是放置专门的振动限制结构；所述装置可以通过垫片固连或外框限制等多种方式实现多个支撑基片-压电层能量转换结构的级联应用。

本发明的效果是：该装置利用环境振动带动振动块与固定块产生低频碰撞，通过碰撞，支撑基片-压电层能量转换结构的动能转化为形变势能，随后引起支撑基片带动压电层以其自振频率作高频振动。在支撑基片-压电层能量转换结构振动过程中，压电层受到交变应力作用，产生交变电势，在有外接电学回路的情况下，实现将低频振动机械能转化为高频输出的电能。该装置可以有效收集低频、高强度的冲击能量，同时解决了因环境固有振动频率具有多值、可变等特点所导致的振动结构谐振频率不易匹配、能量转换效率低等问题，适于在低频、冲击能量高、非连续振动环境中使用，可应用于传感器或其他低功耗系统中，使其具有自供电能力。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明一个优选实施例的视图。

图3是本发明另一个优选实施例的视图。

图4是本发明级联使用的优选实施例的视图。

图中：压电层1、支撑基片2、垫片3、振动块4、接触结构5、固定块6、质量块7

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是实例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图2示出了本发明的一个优选实施例的装置。图2中，支撑基片2和压电层1通过垫片3固定在振动块4上，接触结构5为固定在振动块4上下底面中部的块状结构，振动块4、接触结构5以非固连的方式封闭在装置内，装置的外壳即为固定块6。如图2中所示，振动块振动方向与外界振动源振动方向一致，碰撞发生在块状结构与外壳上下两侧壁之间。垫片3可以是金属，或者其它硬度较大的材料，以允许支撑基片2粘合于该垫片上，并且粘合高度应满足支撑基片2和振动块4相对运动的要求，以避免支撑基片2和振动块4相碰撞。支撑基片2的上下两侧为压电层1。支撑基片2可以是塑料、金属或者其他非压电材料，以允许压电层1粘合于该支撑基片之上。振动块4与固定块6发生碰撞后，动能耦合至支撑基片-压电层换能结构，转化为形变势能，使支撑基片2带动压电层1发生相对于振动块的运动，弯曲量使压电层1处于应力作用下。应力导致电荷在压电层1中积累，并在压电层1中形成电势，从而实现碰撞能量到电能的转化。支撑基片和压电层在振动块上的安装空间要控制在一定范围内，保证其能自由振动，同时挠度限制在合理范围内，防止压电层1产生裂纹甚至断裂。由于接触结构5采用块状结构，可以通过选择适当弹性模量的材料和碰撞接触表面形状，实现对碰撞时间的调节。接触结构5的材料可以是金属、塑料、橡胶等，碰撞接触表面可以是平面，也可以是不同曲率半径的球面或圆柱面。

图3示出了本发明的另一个优选实施例的装置。图3中，支撑基片2和压电层1通过垫片3固定在振动块4上，支撑基片2和压电层1上加装了调节谐振频率的质量块7，接触结构5为固定在振动块4上下底面两侧的弹性结构，振动块4、接触结构5以非固连的方式封闭在装置内，装置的外壳即为固定块6。如图3中所示，振动块振动方向与外界振动源振动方向一致，碰撞发生在弹性结构与外壳上下两侧壁之间。垫片3可以是金属，或者其它硬度较大的材料，以允许支撑基片2粘合于该垫片上，并且粘合高度应满足支撑基片2和振动块4相对运动的要求，以避免支撑基片2和振动块4相碰撞。支撑基片2的上下两侧为压电层1。支撑基片2可以是塑料、金属或者其他非压电材料，以允许压电层1粘合于该支撑基片之上。振动块4与固定块6发生碰撞后，动能耦合至支撑基片-压电层换能结构，转化为形变势能，使支撑基片2带动压电层1发生相对于振动块的运动，弯曲量使压电层1处于应力作用下。应力导致电荷在压电层1中积累，并在压电层1中形成电势，从而实现碰撞能量到电能的转化。增加的质量块7可以调节悬臂梁的谐振频率，还可以提高高频振动结构所包含的机械能，获得更高的能量转换效率。由于接触结构5采用弹性结构，可以在更大的范围内调节碰撞时间，使其与高频振动结构的自振周期匹配，提高高频振动结构把动能转化为形变势能的效率。

图4示出了本发明级联使用的优选实施例的装置。图4中，三个支撑基片-压电层能量转换结构经同一垫片3固连在完整的振动块4上，每个换能结构都具有相同的振动空间范围，收集一部分振动块4与固定块6的碰撞能量，相当于三个换能结构的级联。振动块4、接触结构5以非固连的方式封闭在装置内，装置的外壳即为固定块6。如图4中所示，接触结构5为固定在固定块6上下底面中部的块状结构，振动块与外界振动源振动方向一致，碰撞发生在块状结构与振动块上下两底面之间。垫片3可以是金属，或者其它硬度较大的材料，以允许支撑基片2粘合于该垫片上，并且粘合高度应满足支撑基片2和振动块4相对运动的要求，以避免支撑基片2和振动块4相碰撞。支撑基片2的上下两侧为压电层1。支撑基片2可以是塑料、金属或者其他非压电材料，以允许压电层1粘合于该支撑基片之上。每个换能结构的工作原理与图2中类似：振动块4与固定块6发生碰撞后，动能耦合至支撑基片-压电层换能结构，转化为形变势能，使支撑基片2带动压电层1发生相对于振动块的运动，弯曲量使压电层1处于应力作用下。应力导致电荷在压电层1中积累，并在压电层1中形成电势，从而实现碰撞能量到电能的转化。与图2中类似，对于每个换能结构，支撑基片和压电层在振动块上的安装空间要控制在一定范围内，保证其能自由振动，同时挠度限制在合理范围内，防止压电层1产生裂纹甚至断裂。由于接触结构5采用块状结构，可以通过选择适当弹性模量的材料和碰撞接触表面形状，实现对碰撞时间的调节。接触结构5的材料可以是金属、塑料、橡胶等，碰撞接触表面可以是平面，也可以是不同曲率半径的球面或圆柱面。通过级联单一换能结构，一方面可以提高振动块的总惯性质量，从而在碰撞过程中耦合更多的能量；另一方面由于压电层数量的增加可以增加压电层的总形变量，进而可以提高压电层的总输出电势，进一步提高振动能量收集效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述装置包括支撑基片(2)、垫片(3)、振动块(4)、接触结构(5)、固定块(6)；

支撑基片(2)固定在垫片(3)上，垫片(3)固定在振动块(4)上，振动块(4)在环境振动或冲击的作用下，振动块(4)上的接触结构(5)与固定块(6)的接触界面发生碰撞；

所述支撑基片为压电材料。

2.一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述装置包括压电层(1)、支撑基片(2)、垫片(3)、振动块(4)、接触结构(5)、固定块(6)；

支撑基片(2)固定在垫片(3)上，垫片(3)固定在振动块(4)上，在环境振动或冲击的作用下，振动块(4)上的接触结构(5)与固定块(6)的接触界面发生碰撞；

所述支撑基片为非压电材料，所述支撑基片(2)上固定至少一个压电层(1)。

3.根据权利要求1或2所述的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述支撑基片上有质量块(7)。

4.根据权利要求1或2所述的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述垫片固连级联或振动块(4)外框相连级联。

5.根据权利要求1或2所述的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述接触结构(5)不是在振动块(4)上而是在固定块(6)上，振动块(4)与所述接触结构(5)的接触界面发生碰撞。

6.根据权利要求2所述的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电层为压电晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡、聚偏氟乙烯压电材料层。

7.根据权利要求2的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述支撑基片、压电层的弹性系数低于垫片、振动块和接触结构的弹性系数。

8.根据权利要求1或2或5所述的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述接触结构为金属块或弹簧或弹性板。

9.根据权利要求1或2或5所述的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述固定块(6)内有振动限制结构。

10.根据权利要求1或2或5所述的一种碰撞式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述接触界面为平面或球面或圆柱面。

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