CN103683795A - 震动发电装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种震动发电装置，包括具有腔体的支架、弹性板、导电焊针和发电部件，该腔体的一端具有开口，所述弹性板安装于所述腔体开口处并使所述腔体支撑所述弹性板的周沿，所述弹性板的中心安装有一质量块，所述发电部件包括压电部件、磁电部件、静电部件和驻极体部件中的一个、两个或两个以上的组合。本发明可将数种相对独立的输出电力集成在一起对外供电，为微纳系统提供长期可靠的自供电能，延长了器件的使用寿命，且发电效率高、成本低、体积小，经济环保，再者，弹性板震动时带动质量块沿垂直所述弹性板的方向运动，发电效率高。本发明还公开了一种震动发电装置的制造方法。
Description
技术领域
本发明属于微能源技术领域，具体涉及一种发电效率高的震动发电装置。
背景技术
微纳机电系统（MEMS、NEMS）技术的快速发展与应用，带动了无线传感网络技术的发展，并在工业、航天、通讯、商业、消费及军事领域逐步实现了商业化应用，但仍然面临一个十分严重的问题，即如何保障这些无线传感单元及移动通讯设备的电能供给。传统工业较为流行的做法是使用电池，由于构成无线传感网络及移动通讯设备的单元器件数量庞大，体积微小，位置分散，这就要求其供电器件具有体积小、效能高、易集成、无人值守及不需更换等特点。所以，采用传统电池已经不能满足无线传感网络及移动通讯设备的发展要求。
因此需要一种可为微纳系统提供长期可靠的自供电能的微型发电装置，通过吸收环境中的机械能（如震动、风能、气流能等）和/或热能、太阳能、静电能等，从而在其相应的系统中产生电力输出，而现有的微型发电装置一般包括压电震动发电装置、磁电震动发电装置或静电震动发电装置，然而这类发电装置中往往将震动介质装在悬臂梁上，这样，往往由于悬臂弯曲产生的位移小，使得发电效应有限，且悬臂梁尺寸受限也使得震动介质，尤其使得压电震动发电中的压电片大小受限，影响发电效率。
因此，急需一种发电效率高的微型发电装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种震动发电装置，该震动发电装置可采用不同或者多种方式发电，且发电效率高。
本发明的另一目的是提供一种震动发电装置的制造方法，该震动发电装置的制造方法可制造出可采用不同或者多种方式发电，且发电效率高的震动发电装置。
为了实现上述目的，本发明提供的震动发电装置包括支架、弹性板、导电焊针和发电部件，所述支架具有腔体，且该腔体的一端具有开口；所述弹性板安装于所述腔体的开口处并使所述腔体支撑所述弹性板的周沿，且所述弹性板的中心安装有一质量块，受到震动时所述弹性板和所述质量块沿垂直所述弹性板的方向运动，所述腔体为所述弹性板和质量块提供运动空间；所述导电焊针至少有两根且安装于所述支架上；所述发电部件包括压电部件、磁电部件、静电部件和驻极体部件中的一个、两个或两个以上的组合；其中，所述压电部件包括设于所述弹性板上的压电片，所述压电片与所述导电焊针电性连接以输出电能；所述磁电部件包括设于所述腔体上的至少一组绕组线圈和所述质量块，所述质量块为磁铁块，所述绕组线圈与所述导电焊针电性连接以输出电能；所述静电部件包括设于所述腔体内且环绕所述质量块的第一导电膜和设于所述腔体内且以一定间距环绕所述第一导电膜的第二导电膜，所述第二导电膜与所述导电焊针电性连接以输出电能；所述驻极体部件包括设于所述腔体内且环绕所述质量块的第一极化膜和设于所述腔体内且以一定间距环绕所述第一极化膜的第二极化膜，所述第二极化膜与所述导电焊针电性连接以输出电能。
与现有技术相比，一方面，对于无线传感单元及器件、便携式设备、植入或分布式系统等许多不能或不便于采用有线供电或无法实现电池充电或燃料更换的电子系统，本发明所述震动发电装置可通过自供电模式，解决了其能源供给问题，符合无线传感网络技术发展的要求。另一方面，本发明所述震动发电装置的发电部件可包括压电部件、磁电部件、静电部件和驻极体部件中的一个、两个或两个以上的组合，因此本发明可将这些相对独立的输出电力集成在一起对外供电，通过吸收环境中的机械能（如震动、风能、气流能等）、静电能等产生电力输出，为微纳系统提供长期可靠的自供电能，延长了器件的使用寿命，大大提高了发电效率，降低了成本，同时也使得该装置具有微小型化、重量轻的特点，并具有经济、安全、环保的特点。再一方面，所述弹性板的边沿支撑于所述支架的腔体上，受到震动或者运动时所述弹性板和所述质量块沿其垂直方向运动（轴向运动），发电效果好，而且在压电发电中，可有效增加压电片的面积，发电效率高。
较佳地，所述腔体呈空心柱状。
较佳地，所述震动发电装置还包括安装于所述腔体内部的阻力系统，所述阻力系统在所述弹性板来回弯曲时对所述弹性板提供阻力，即所述阻力系统在所述弹性板向下弯曲时对所述弹性板提供向上的推力，在所述弹性板向上弯曲时对所述弹性板提供向下的拉力。这样，受到震动时弹性板带动质量块沿垂直弹性板的方向上下震动，当弹性板向下弯曲到下极限位置时，所述阻力系统对所述弹性板提供向上的推力，防止过分位移而损坏弹性板和压电片，反之，当弹性板向上弯曲到上极限位置时，所述阻力系统对所述弹性板提供向下的拉力以形成一谐振腔，该简谐振动使得所述质量块带动所述弹性板及压电片往复震动，从而不断向系统供电。
具体地，所述支架的腔体下端安装有底座，所述阻力系统包括所述质量块，该质量块为第一磁铁块，所述阻力系统还包括安装于所述底座上的第二磁铁块，且所述第一磁铁块与所述第二磁铁块相对面极性相同。受到震动时弹性板带动质量块沿垂直弹性板的方向上下震动，当弹性板向下弯曲到下极限位置时，所述第一磁铁块和第二磁铁块之间的斥力对所述弹性板提供向上的推力，防止过分位移而损坏弹性板和压电片，反之，当弹性板向上弯曲到上极限位置时，所述第一磁铁块靠自身重力对所述弹性板提供向下的拉力以形成一谐振腔，该简谐振动使得所述第一磁铁块带动所述弹性板及压电片往复震动，从而不断向系统供电。
更具体地，所述底座上安装有增加支架起动势能的起振弹簧，当震动发生时，起振弹簧增加了支架及震动发电装置的起动势能。若发电部件包括压电部件，震动发生时安置在弹性板上的第一磁铁块带动弹性板沿其垂直方向振动，从而带动压电片产生形变，压电片即向外输出电能。若发电部件包括磁电部件，震动发生时第一磁铁块在腔体中沿弹性板垂直方向上下震动，支架上安置有绕组线圈，根据电磁感应定律，第一磁铁块的运动使得线圈也产生感生电流并向外输出，同时，底座上的起振弹簧推动支架及绕组线圈相对磁性振子（由第一磁铁块和第二磁铁块组成）反向运动，也增加了其输出电压。
较佳地，所述绕组线圈包括串联或并联在一起的第一线圈和第二线圈，且所述第一线圈与所述第二线圈上的绕线方向相反，第一磁铁块在腔体中沿弹性板垂直方向上下振动，使得第一线圈产生感生电流并输出，该感生电流也使得第一线圈中的磁通量发生变化，而位于第一磁铁块较远端且与第一线圈邻近的第二线圈也感应该变化的磁通量，从而在自身也产生感生电流并输出，因此，进一步增加磁电发电的输出电压。
较佳地，所述绕组线圈包括串联或并联在一起的第一线圈和第二线圈，且所述第一线圈与所述第二线圈的绕线方向相同，与上一方案相同，该方案进一步增加了磁电发电的输出电压。
较佳地，所述弹性板由弹性材料制成，当所述震动发电装置受到机械运动或震动时，所述弹性板随之震动或共振。
较佳地，所述弹性板呈薄片状，具有中心活动区、环绕所述中心活动区的至少一个弹性臂以及环绕所述弹性臂的外沿支撑部，所述中心活动区、弹性臂及外沿支撑部之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的中心活动区、弹性臂及外沿支撑部，所述弹性板的外沿支撑部安装于所述支架上。
具体地，所述弹性臂有若干个，相邻的弹性臂之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的弹性臂。
具体地，相邻间隙中的支撑桥沿所述中心活动区交错分布。
具体地，所述压电片与所述弹性板形状相对应，且所述压电片的内沿位于所述弹性板的中心活动区，所述压电片的外沿位于所述弹性板的外沿支撑部。
较佳地，所述支架的外表面设有一焊针定位座，所述焊针定位座具有至少两个定位孔，所述导电焊针对应安装于所述定位孔内，便于导电焊针的安装。
较佳地，所述压电片的外侧还包裹有至少一个基体。
较佳地，所述压电片具有至少两个导电层和夹于两个导电层之间的压电层。
具体地，所述压电片中间包括一个通孔，所述通孔贯穿所述压电片的两个压电层。所述通孔可以吸收应力，防止所述压电片在震动过程中破裂。
具体地，所述压电片的压电层部分沉积在所述压电片的周沿而在其中心形成一个空隙。
具体地，所述压电片的压电层沉积在所述压电片的整个表面而其至少一个电极层部分沉积在所述压电片的周沿使得其中间位置形成一个空隙。
较佳地，所述压电片粘接在所述弹性板的表面。
较佳地，所述压电片沉积在所述弹性板的表面。
较佳地，所述压电片为有铅压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）压电片、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-Pt)压电片、无铅压电陶瓷钛酸钡（BT）无铅压电陶瓷或者铌酸盐系无铅压电陶瓷铌镍酸钾(KNN)压电片。
较佳地，所述压电片为单层PZT压电片或多层PZT压电片。
较佳地，所述压电片为d33和或d31型压电片。
较佳地，所述压电片为整体结构PZT压电片或由多片径向分布的条状PZT压电片连接而成。
较佳地，所述压电片厚度为1到100微米。
较佳地，所述发电部件包括静电部件和驻极体部件，且所述第二导电膜和所述第一极化膜共用为一导电层。
较佳地，所述发电部件包括静电部件和驻极体部件，且所述第一导电膜和所述第二极化膜共用为一导电层。
其中，所述弹性板由金属材料如不锈钢，非金属材料如塑料，金属氧化物如氧化铝，非金属氧化物如二氧化硅，陶瓷材料或复合材料构成。
较佳地，所述磁电部件中，所述磁铁块至少有一个，所述磁铁块通过一连接体与弹性板相连，所述连接体为磁极性材料或非磁极性材料。该方案使得所述磁铁块的大小不受弹性板大小的限制，可以做的很大，有效降低了弹性板的震动频率。
较佳地，所所述磁电部件中，所述磁铁块中心的磁极极性与边沿的磁极极性相反以使所述磁铁块的磁力线呈放射状分布，所述绕组线圈为圆环状的线圈。该方案使得增强了磁铁块相对于线圈运动时，通过线圈的磁通量的变化率，从而达到较高的电压输出，发电效率高。
较佳地，所述磁电部件中，所述磁铁块沿其周沿均分为至少两部分，且相邻两部分磁极性相反，所述绕组线圈至少有两个且沿所述腔体的周沿按所述磁铁块的磁极极数对应设置。该方案使得增强了磁铁块相对于线圈运动时，通过线圈的磁通量的变化率，从而达到较高的电压输出，发电效率高。
具体地，所述绕组线圈为有骨架线圈或无骨架线圈。
具体地，所述绕组线圈通过串联和或并联构成与所述导电焊针电连接的闭合回路。
本发明提供的震动发电装置的制造方法，用于制造所述震动发电装置，包括如下步骤：提供一弹性板，在所述弹性板的中心安装一质量块；提供一支架，所述支架具有腔体，且该腔体一端具有开口，将所述弹性板安装于所述腔体的开口处并使所述腔体支撑所述弹性板的周沿；及在所述支架上安装至少两个导电焊针；所述震动发电装置的制造方法还包括以下步骤中的任一个、两个或两个以上的组合：步骤A：在所述弹性板上设置压电片，并将所述压电片与导电焊针电性连接；步骤B：在所述腔体上设置至少一组绕组线圈，所述质量块为磁铁，将绕组线圈与导电焊针电性连接；步骤C：在所述腔体内设置环绕所述质量块的第一导电膜，在所述腔体内设置以一定间距环绕所述第一导电膜的第二导电膜，将所述第二导电膜与所述导电焊针电性连接；步骤D：在所述腔体内设置环绕所述质量块的第一极化膜，在所述腔体内设置以一定间距环绕所述第一极化膜的第二极化膜，将所述第二极化膜与所述导电焊针电性连接。
较佳地，所述震动发电装置的制造方法还包括步骤：在所述腔体内部安装一阻力系统，所述阻力系统在所述弹性板来回弯曲时对所述弹性板提供阻力。
具体地，所述质量块为第一磁铁块，所述在所述腔体内部安装一阻力系统的步骤包括：在所述腔体下端安装一底座，提供第二磁铁块，将所述第二磁铁块安装于所述底座上，且使所述第一磁铁块与所述第二磁铁块相对面极性相同。
较佳地，所述步骤D包括形成第一极化膜和第二极化膜的步骤，具体为：在所述质量块外、腔体内设置两层相对的特氟隆膜，在两特氟隆膜相对的一面上分别镀上一层导电膜，将镀有导电膜的特氟隆膜经过高压电场驻极后形成第一极化膜和第二极化膜。
附图说明
图1是本发明所述压电震动发电装置的立体图。
图2是本发明第一实施例中所述压电震动发电装置的立体分解图。
图3是本发明第二实施例中所述压电震动发电装置的立体分解图。
图4是本发明第三实施例中所述压电震动发电装置的立体分解图。
图5是本发明第四实施例中所述压电震动发电装置的立体分解图。
图6是本发明第五实施例中所述压电震动发电装置的立体分解图。
图7是本发明第六实施例中所述压电震动发电装置的立体分解图。
图8是本发明第七实施例中所述压电震动发电装置的剖视图。
图9是本发明第八实施例中所述压电震动发电装置的剖视图。
图10是本发明第九实施例中所述压电震动发电装置部分示意图。
图11是本发明第十实施例中所述压电震动发电装置部分示意图。
图12是本发明所述压电震动发电装置的弹性板的立体图。
图13是本发明第十一实施例中所述压电震动发电装置的立体分解图。
图14是图13中所述压电震动发电装置部分示意图。
图15是本发明第十二实施例中所述压电震动发电装置部分示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
参考图1和图2，展示了本发明震动发电装置的第一实施例。该震动发电装置100包括支架11、弹性板12、导电焊针13、发电部件和阻力系统，所述支架11具有腔体111，且该腔体111的一端具有开口；所述弹性板12安装于所述腔体111的开口处并使所述腔体111支撑所述弹性板12的周沿，且所述弹性板12的中心安装有一质量块151，震动时所述质量块151带动所述弹性板12沿垂直于弹性板12的方向运动；所述导电焊针13有两根且安装于所述支架11上；所述阻力系统安装在所述支架11内，并连接所述弹性板12，在所述弹性板12来回弯曲时对所述弹性板12提供阻力。所述发电部件包括压电部件14，所述压电部件14包括设于所述弹性板12上的压电片41，所述压电片41与所述导电焊针13电性连接以输出电能。当本发明震动发电装置100被安置在移动电子产品或终端上时，随着移动电子产品或终端的移动，所述压电震动发电装置100的弹性板12会发生共振因而带动压电片41产生形变，压电片41的形变会使其产生一压电输出，这样，由于弹性板12及压电片41的反复震动，就能源源不断产生输出电压，从而向移动电子产品或终端提供电能或向其电池反复充电。
参考图1和图2，所述腔体111呈空心柱状。
参考图2，所述支架11下端安装有底座113，所述阻力系统包括质量块151和第二磁铁块152，质量块为第一磁铁块151，且第一磁铁块151与所述第二磁铁块152相对面极性相同。当弹性板12震动时，弹性板12在第一磁铁块151的重力作用下向下弯曲到下极限位置时，磁场斥力会推动第一磁铁块151向上运动，防止过分位移而损坏弹性板12和压电片41，反之，当弹性板12向上弯曲到上极限位置时，所述弹性板12会在第一磁铁块151的重力作用下阻止其继续向上运动，以形成一简谐振动从而使得所述弹性板12往复震动，由于该简谐振动使得所述质量块151带动所述弹性板12及压电片51往复震动，从而不断向系统供电。当然，所述阻力系统也可以直接由拉伸弹簧构成。
续请参考图1和图2，所述支架11的外壁设有一焊针定位座112，所述焊针定位座112内设有两个定位孔，所述导电焊针14对应安装于所述定位孔内。所述压电片41与所述导电焊针13电性连接以输出电能。
参考图2和图11，所述弹性板12呈薄片状，具有中心活动区121、环绕所述中心活动区121的弹性臂122以及环绕所述弹性臂122的外沿支撑部123，所述中心活动区121、弹性臂122及外沿支撑部124之间均有一定的间隙125，所述间隙125中均分布有支撑桥124以连接相邻的中心活动区121、弹性臂12及外沿支撑部123。
继续参考图2和图11，弹性板12的弹性臂122有四个，相邻的弹性臂122之间均有一定的间隙125，所述间隙125中均分布有支撑桥124以连接相邻的弹性臂122。每个间隙125中的支撑桥124有两个。同一间隙125中的支撑桥沿所述中心活动区121均匀分布，相邻间隙125中125的支撑桥124沿所述中心活动区121交错分布。当然，所述弹性臂122也可以是一个、两个、三个或其他数目，支撑桥124也可以依据实际要求增减。该弹性板12的这种结构使其在收到外力时会沿其垂直方向震动，从而带动其上的压电片41沿其垂直方向震动，保持有效形变和震动，机械能转换效率高，提高发电效率。再者，本发明所述弹性板12结构简单，体积小、厚度薄、效能高且成本低。
参考图2，所述压电片41设于所述弹性板12的表面，并具有至少两个导电层（图未示）、夹于两个导电层之间的压电层（图未示）。继续参考图2，所述压电片41与所述弹性板12形状相对应，且所述压电片41的内沿位于所述弹性板12的中心活动区121，所述压电片41的外沿位于所述弹性板12的外沿支撑部123。所述压电片41中间包括一个通孔42，所述通孔42贯穿所述压电片41的最上面和最下面的导电层，所述通孔42可以吸收应力，防止所述压电片41在震动过程中破裂。
较佳者，所述弹性板12由弹性材料制成，当所述震动发电装置100受到机械运动或震动时，所述弹性板12随之震动或共振。
较佳者，所述弹性板12由金属材料如不锈钢，非金属材料如塑料，金属氧化物如氧化铝及非金属氧化物如二氧化硅或陶瓷材料构成，弹性板12的材质并不限于申请文件中所列的材料。
较佳者，所述压电片41的外侧还包裹有至少一个基体。
较佳者，所述压电片41的压电层部分沉积在所述压电片41的周沿而在其中心形成一个空隙。
较佳者，所述压电片41的压电层沉积在所述压电片41的整个表面而其至少一个电极层部分沉积在所述压电片41的周沿使得其中间位置形成一个空隙。
较佳者，所述压电片41粘接在所述弹性板12的表面。
较佳者，所述压电片41沉积在所述弹性板12的表面。
较佳者，所述压电片41为有铅压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）压电片、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-Pt)压电片、无铅压电陶瓷钛酸钡（BT）无铅压电陶瓷或者铌酸盐系无铅压电陶瓷铌镍酸钾(KNN)压电片。
较佳者，所述压电片为d33和或d31型压电片。
较佳者，所述压电片为单层PZT压电片或多层PZT压电片。
较佳者，所述压电片包括整体结构PZT压电片或由多片径向分布的条状PZT压电片连接成而成。
较佳者，所述压电片41厚度为1到100微米。参考图3，展示了本发明震动发电装置的第二实施例。该震动发电装置101与第一实施例的震动发电装置100不同者为：所述发电部件在包括压电部件14的同时还包括有磁电部件15。参考图3，所述磁电部件15包括设于所述腔体111内表面的绕组线圈51和所述质量块151，所述质量块151为磁铁块，所述绕组线圈51与所述导电焊针13电性连接以输出电能。当震动发生时，弹性板12在第一磁铁块151的重力作用下向下弯曲，到下极限位置时，磁场斥力会推动第一磁铁块151向上运动，防止过分位移而损坏弹性板12及压电片41，反之，当弹性板12向上弯曲到上极限位置时，所述弹性板12会在第一磁铁块151的重力作用下阻止其继续向上运动，以形成一简谐振动从而使得所述弹性板12往复震动，弹性板12的往复震动带动压电片产生形变，从而输出电压；又由于第一磁铁块在腔体111中沿弹性板12垂直方向上下振动，支架11上安置有绕组线圈51，所述绕组线圈51与所述导电焊针13电性连接，根据电磁感应定律，第一磁铁块151的运动使得绕组线圈51也产生交变的感生电流并向外输出，这样，本发明实施例提供压电和磁电双效应电能输出。当然，所述绕组线圈51也可以设置于所述腔体111的外表面。所述绕组线圈51包括一组或多组。
参考图4，展示了本发明震动发电装置的第三实施例。该震动发电装置102与第一实施例的震动发电装置100不同者为：所述发电部件在包括压电部件14的同时还包括有静电部件16。参考图4，所述静电部件16包括绕于所述质量块151外表面的第一导电膜61和设于所述腔体111内表面且以一定间距环绕所述第一导电膜61的第二导电膜62，且所述第一导电膜61与第二导电膜62之间形成一静电场，所述第二导电膜62与所述导电焊针13电性连接，当震动发生时，第一磁铁块151带动所述弹性板12及压电片41在谐振腔中往复震动，压电部件14向外输出电压；同时，由于静电部件16的第一导电膜61绕于所述质量块151外侧，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复震动使得所述第一导电膜61和所述第二导电膜62之间的静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压。因此，本发明实施例提供压电和静电双效应电能输出。当然，所述第一导电膜61也可以以一定间距设于所述质量块151外。该实施例中，所述第一导电膜61通过极化处理带恒定正电荷。
参考图5，展示了本发明震动发电装置的第四实施例。该震动发电装置103与第一实施例的震动发电装置100不同者为：所述发电部件在包括压电部件14的同时还包括有驻极体部件17。参考图5，所述驻极体部件17包括绕于所述质量块151外表面的第一极化膜71和设于所述腔体111内表面且以一定间距环绕所述第一极化膜71的第二极化膜72，且所述第一极化膜71和第二极化膜72之间形成一电容，所述第二极化膜72与所述导电焊针13电性连接，当震动发生时，第一磁铁块151带动所述弹性板12及压电片41在谐振腔中往复震动，压电部件14向外输出电压；同时，由于驻极体部件17的第一极化膜71绕于所述质量块151外侧，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复震动使得所述第一极化膜71和所述第二极化膜72之间的电容及静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压。因此，本发明实施例提供压电和驻极体双效应电能输出。当然，所述第一极化膜71也可以以一定间距设于所述质量块151外。该实施例中，所述第一极化膜71和所述第二极化膜72经高压电场驻极，在第一极化膜71和第二极化膜72上分别驻有异性电荷，两膜之间就形成了一电容。
参考图6，展示了本发明震动发电装置的第五实施例。该震动发电装置104与第二实施例的震动发电装置101不同者为：所述发电部件在包括压电部件14、磁电部件15的同时还包括静电部件16。参考图6，所述静电部件16包括绕于所述质量块151外表面的第一导电膜61和设于所述空腔壳体111内并位于绕组线圈51内侧的第二导电膜62，所述第二导电膜62以一定间距环绕所述第一导电膜61，所述第二导电膜62与所述导电焊针13电性连接，当震动发生时，第一磁铁块151带动所述弹性板12及压电片41在谐振腔中往复震动，压电部件14向外输出电压，同时，第一磁铁块的运动使得绕组线圈51也产生交变的感生电流并向外输出，同时，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复震动使得所述第一导电膜61和所述第二导电膜62之间的静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压。因此，本发明实施例提供压电，磁电和静电三效应电能输出。
参考图7，展示了本发明震动发电装置的第六实施例。该震动发电装置105与第二实施例的震动发电装置101不同者为：所述发电部件在包括压电部件14、磁电部件15的同时还包括驻极体部件17。参考图7，所述驻极体部件17包括设于所述质量块151外表面的第一极化膜71和设于所述腔体111内并位于绕组线圈51内侧的第二极化膜72，所述第二极化膜72以一定间距环绕所述第一极化膜71，所述第二极化膜72与所述导电焊针13电性连接，当震动发生时，第一磁铁块151带动所述弹性板12及压电片41在所述谐振腔中往复震动，压电部件14向外输出电压，同时，第一磁铁块的运动使得绕组线圈51也产生交变的感生电流并向外输出，同时，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复震动使得所述第一极化膜71和所述第二极化膜72之间的电容及静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压。因此，本发明实施例提供压电，磁电和驻极体三效应电能输出。
参考图8，展示了本发明震动发电装置的第七实施例。该震动发电装置106与第二实施例的震动发电装置104不同者为：所述发电部件在包括压电部件14、磁电部件15的同时，还包括静电部件16和驻极体部件17。参考图8，所述静电部件16包括绕于所述质量块151外表面的第一导电膜61和设于所述空腔壳体111内并位于绕组线圈51内侧的极化导电膜63，所述极化导电膜63以一定间距环绕所述第一导电膜61，所述驻极体部件17包括所述极化导电膜63和设于所述绕组线圈51内侧并以一定间距环绕所述极化导电膜63的第二极化膜72，所述极化导电膜63、第二极化膜72分别与所述导电焊针13电性连接，当震动发生时，第一磁铁块151带动所述弹性板12及压电片41在谐振腔中往复震动，压电部件14向外输出电压，同时，第一磁铁块的运动使得绕组线圈51也产生交变的感生电流并向外输出，同时，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复震动使得所述第一导电膜61和所述极化导电膜63之间的静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压，同时，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复震动使得所述极化导电膜63和所述第二极化膜72之间的电容及静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压。因此，本发明实施例提供压电，磁电，静电和驻极体四效应电能输出。在该实施例中，所述极化导电膜63分别构成所述静电部件16的第二导电膜和驻极体部件17的第一极化膜，即所述第二导电膜和所述第一极化膜共用为一导电层。
参考图9，展示了本发明震动发电装置的第八实施例。该震动发电装置107与第二实施例的震动发电装置104不同者为：所述发电部件在包括压电部件14、磁电部件15的同时，还包括静电部件16和驻极体部件17。参考图9，所述驻极体部件17包括绕于所述质量块151外表面的第一极化膜71和设于所述空腔壳体111内并位于绕组线圈51内侧的极化导电膜64，所述静电部件16包括所述极化导电膜64和设于所述空腔壳体111内并环绕所述极化导电膜64的第二导电膜62，所述极化导电膜64、第二导电膜62分别与所述导电焊针13电性连接，当震动发生时，第一磁铁块151带动所述弹性板12及压电片41在谐振腔中往复震动，压电部件14向外输出电压，同时，第一磁铁块的运动使得绕组线圈51也产生交变的感生电流并向外输出，同时，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复振动使得所述极化导电膜64和第二导电膜62之间的静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压，同时，第一磁铁块151及所述弹性板12的往复震动使得所述第一极化膜71和极化导电膜64之间的电容及静电场往复发生变化，这样，由于电荷的转移从而对外输出交变电压。因此，本发明实施例提供压电，磁电，静电和驻极体四效应电能输出。在该实施例中，所述极化导电膜63分别构成所述静电部件16的第一导电膜和驻极体部件17的第二极化膜，即所述第一导电膜和所述第二极化膜共用为一导电层。
当然，本发明所述发电部件还可以包括其他类发电部件或其他组合，例如仅包括磁电部件15、静电部件16或驻极体部件17。
参考图10，展示了本发明震动发电装置的第九实施例，不同于上述各实施例，该实施例中，所述底座113上安装有增加支架11起动势能的起振弹簧114，当震动发生时，起振弹簧114增加了支架11及震动发电装置的起动势能，安置在弹性板12上的第一磁铁块151带动弹性板12沿其垂直方向振动，从而带动压电片41产生形变，压电片41即向外输出电能。另一方面，该实施例中，所述发电部件包括磁电部件15，由于第一磁铁块151在腔体111中沿弹性板12垂直方向上下振动，支架11上安置有绕组线圈51，根据电磁感应定律，第一磁铁块151的运动使得绕组线圈51也产生感生电流并向外输出，同时，底座上的起振弹簧114推动支架及绕组线圈51相对磁性振子（由第一磁铁块和第二磁铁块组成）反向运动，也增加了其输出电压。
参考图11，展示了本发明震动发电装置的第十实施例，不同于第九实施例，该实施例中，所述绕组线圈51包括串联在一起的第一线圈511和第二线圈512，且所述第一线圈511与所述第二线圈512上的绕线方向相反，进一步增加磁电发电的输出电压。如前所述，第一磁铁块151在腔体111中沿弹性板45垂直方向上下振动，使得第一线圈511产生感生电流并输出，该感生电流也使得第一线圈511中的磁通量发生变化，而位于第一磁铁块151较远端且与第一线圈511邻近的第二线圈512也感应该变化的磁通量，从而在自身也产生感生电流并输出，因此，进一步增加磁电发电的输出电压。当然，第一线圈511和第二线圈512也可实行并联，其绕向可自由组合成相同或相反，其工作原理相同。当然，绕组线圈51还可能包括三组或更多组。
参考图13，为本发明的第十一实施例，在该实施例中震动发电装置108与第二实施例中的震动发电装置101不同的是，所述磁电部件15a中磁铁块151b通过一连接体151a连接在所述弹性板12上。其中，所述连接体为磁极性材料或非磁极性材料，所述磁铁块151b的数目并不限制在一个，可以两个以上，为了方便两个以上磁铁块的固定，相邻磁铁块之间磁极性相反。
较佳者，继续参考图13，所述磁电部件15a中所述磁铁块151b中心的磁极性与边沿的磁极性相反以使所述磁铁块151b的磁极性呈放射状分布，所述绕组线圈51为圆环状的线圈。该方案使得增强了磁铁块151b相对于线圈运动时，通过绕组线圈的磁通量的变化率，从而达到较高的电压输出，发电效率高。
参考图14，为本发明的第十二实施例，与第十一实施例不同的是，在该实施例中，所述震动发电装置108之磁电部件15b中所述磁铁块151b’沿其中间对分为与所述绕组线圈51b’相对的第一部分（N极）和第二部分（S极），所述第一部分和第二部分磁极性相反，所述绕组线圈51b’沿所述腔体111的周沿对分为两组，两组所述绕组线圈51b’分别与所述电磁铁151b’的第一部分和第二部分位置相对并通过串联或者并联构成与导电焊针电连接的闭合回路。当然，所述磁铁块151b’也可以沿其周沿均分为三部分、四部分等待，并不限制在两部分，相邻两部分的磁极性相反，所述绕组线圈与所述磁极性对应设置。
本发明震动发电装置的制造方法，包括如下步骤：
提供一弹性板，在所述弹性板的中心安装一质量块；
提供一支架，所述支架具有腔体，且该腔体一端具有开口，将所述弹性板安装于所述腔体的开口处并使所述腔体支撑所述弹性板的周沿；及
在所述支架上安装至少两个导电焊针；
所述震动发电装置的制造方法还包括以下步骤中的任一个、两个或两个以上的组合：步骤A：在所述弹性板上设置压电片，并将所述压电片与导电焊针电性连接；步骤B：在所述腔体上设置至少一组绕组线圈，所述质量块为磁铁，将绕组线圈与导电焊针电性连接；步骤C：在所述腔体内设置环绕所述质量块的第一导电膜，在所述腔体内设置以一定间距环绕所述第一导电膜的第二导电膜，将所述第二导电膜与所述导电焊针电性连接；步骤D：在所述腔体内设置环绕所述质量块的第二极化膜，在所述腔体内设置以一定间距环绕所述第一极化膜的第二极化膜，将所述第二极化膜与所述导电焊针电性连接。
较佳地，所述震动发电装置的制造方法还包括步骤：在所述腔体内部安装一阻力系统，所述阻力系统在所述弹性板来回弯曲时对所述弹性板提供阻力。
具体地，所述质量块为第一磁铁块，所述在所述腔体内部安装一阻力系统的步骤包括：在所述腔体下端安装一底座，提供第二磁铁块，将所述第二磁铁块安装于所述底座上，且使所述第一磁铁块与所述第二磁铁块相对面极性相同。
较佳地，所述步骤D包括形成第一极化膜和第二极化膜的步骤，具体为：在所述质量块外、腔体内分别设置两层相对的特氟隆膜，在两特氟隆膜相对的一面上分别镀上一层导电膜，将镀有导电膜的特氟隆膜经过高压电场驻极后形成第一极化膜和第二极化膜。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (34)
1.一种震动发电装置，其特征在于：包括：
支架，所述支架具有腔体，且该腔体一端具有开口；
弹性板，所述弹性板安装于所述腔体的开口处并使所述腔体支撑所述弹性板的周沿，且所述弹性板的中心安装有一质量块，受到震动时所述弹性板和所述质量块沿垂直所述弹性板的方向运动，所述腔体为所述弹性板和质量块提供运动空间；
至少两根导电焊针，所述导电焊针安装于所述支架上；及
发电部件，所述发电部件包括压电部件、磁电部件、静电部件和驻极体部件中的一个、两个或两个以上的组合；其中，
所述压电部件包括设于所述弹性板上的压电片，所述压电片与所述导电焊针电性连接以输出电能；
所述磁电部件包括设于所述腔体上的至少一组绕组线圈和所述质量块，该质量块为磁铁块，所述绕组线圈与所述导电焊针电性连接以输出电能；
所述静电部件包括设于腔体内且环绕所述质量块的第一导电膜和设于所述腔体内且以一定间距环绕所述第一导电膜的第二导电膜，所述第二导电膜与所述导电焊针电性连接以输出电能；
所述驻极体部件包括设于所述腔体内且环绕所述质量块的第一极化膜和设于所述腔体内且以一定间距环绕所述第一极化膜的第二极化膜，所述第二极化膜与所述导电焊针电性连接以输出电能。
2.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述腔体呈空心柱状。
3.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：还包括安装于所述腔体内部的阻力系统，所述阻力系统在所述弹性板来回弯曲时对所述弹性板提供阻力和/或动力。
4.如权利要求3所述的震动发电装置，其特征在于：所述支架的腔体下端安装有底座，所述阻力系统包括所述质量块，该质量块为第一磁铁块，所述阻力系统还包括安装于所述底座上的第二磁铁块，且所述第一磁铁块与所述第二磁铁块相对面极性相同。
5.如权利要求4所述的震动发电装置，其特征在于：所述底座上安装有抵触所述支架的起振弹簧。
6.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述绕组线圈包括串联或并联在一起的第一线圈和第二线圈，且所述第一线圈与所述第二线圈的绕线方向相反或相同。
7.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述弹性板由弹性材料制成。
8.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述弹性板呈薄片状，具有中心活动区、环绕所述中心活动区的至少一个弹性臂以及环绕所述弹性臂的外沿支撑部，所述中心活动区、弹性臂及外沿支撑部之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的中心活动区、弹性臂及外沿支撑部，所述弹性板的外沿支撑部安装于所述支架上。
9.如权利要求8所述的震动发电装置，其特征在于：所述弹性臂有若干个，相邻的弹性臂之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的弹性臂。
10.如权利要求8或9所述的压电震动发电装置，其特征在于：相邻间隙中的支撑桥沿所述中心活动区交错分布。
11.如权利要求8所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片与所述弹性板形状相对应，且所述压电片的内沿位于所述弹性板的中心活动区，所述压电片的外沿位于所述弹性板的外沿支撑部。
12.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述支架的外壁设有一焊针定位座，所述焊针定位座具有至少两个定位孔，所述导电焊针对应安装于所述定位孔内。
13.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片的外侧还包裹有至少一个基体。
14.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片具有至少两个导电层和夹于两个导电层之间的压电层。
15.如权利要求14所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片中间设有一个通孔，所述通孔贯穿所述压电片的两个导电层。
16.如权利要求14所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片的压电层部分沉积在所述压电片的周沿而在其中心形成一个空隙。
17.如权利要求14所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片的压电层沉积在所述压电片的整个表面，而其至少一个导电层部分沉积在所述压电片的周沿使得其中间位置形成一个空隙。
18.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片粘接或者沉积在所述弹性板的表面。
19.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片为有铅压电陶瓷锆钛酸铅压电片、铌镁酸铅-钛酸铅压电片、无铅压电陶瓷钛酸钡无铅压电陶瓷或者铌酸盐系无铅压电陶瓷铌镍酸钾压电片。
20.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片为单层PZT压电片或多层PZT压电片。
21.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片为d33和或d31型压电片。
22.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片为整体结构PZT压电片或由多片径向分布的条状PZT压电片连接而成。
23.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述压电片厚度在1到100微米的范围内。
24.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述发电部件包括静电部件和驻极体部件，且所述第二导电膜和所述第一极化膜共用为一导电层。
25.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述发电部件包括静电部件和驻极体部件，且所述第一导电膜和所述第二极化膜共用为一导电层。
26.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述磁电部件中，所述磁铁块至少有一个，所述磁铁块通过一连接体与弹性板相连，所述连接体为磁极性材料或非磁极性材料。
27.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述磁电部件中，所述磁铁块中心的磁极极性与边沿的磁极极性相反以使所述磁铁块的磁力线呈放射状分布，所述绕组线圈为圆环状的线圈。
28.如权利要求1所述的震动发电装置，其特征在于：所述磁电部件中，所述磁铁块沿其周沿均分为至少两部分，且相邻两部分磁极性相反，所述绕组线圈至少有两个且沿所述腔体的周沿按所述磁铁块的磁极极数对应设置。
29.如权利要求28所述的震动发电装置，其特征在于：所述绕组线圈为有骨架线圈或无骨架线圈。
30.如权利要求28所述的震动发电装置，其特征在于：所述绕组线圈通过串联或并联构成与所述导电焊针电连接的闭合回路。
31.一种震动发电装置的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一弹性板，在所述弹性板的中心安装一质量块；
提供一支架，所述支架具有腔体，且该腔体一端具有开口，将所述弹性板安装于所述腔体的开口处并使所述腔体支撑所述弹性板的周沿；及
在所述支架上安装至少两个导电焊针；
所述震动发电装置的制造方法还包括以下步骤中的任一个、两个或两个以上的组合：
步骤A：在所述弹性板上设置压电片，并将所述压电片与导电焊针电性连接；
步骤B：在所述腔体上设置至少一个绕组线圈，所述质量块为磁铁，将绕组线圈与导电焊针电性连接；
步骤C：在所述腔体内设置环绕所述质量块的第一导电膜，在所述腔体内设置以一定间距环绕所述第一导电膜的第二导电膜，将所述第二导电膜与所述导电焊针电性连接；
步骤D：在所述腔体内设置环绕所述质量块的第一极化膜，在所述腔体内设置以一定间距环绕所述第一极化膜的第二极化膜，将所述第二极化膜与所述导电焊针电性连接。
32.如权利要求31所述的震动发电装置的制造方法，其特征在于：还包括步骤：在所述腔体内部安装一阻力系统，所述阻力系统在所述弹性板来回弯曲时对所述弹性板提供阻力。
33.如权利要求32所述的震动发电装置的制造方法，其特征在于：所述质量块为第一磁铁块，所述在所述腔体内部安装一阻力系统的步骤包括：在所述腔体下端安装一底座，提供第二磁铁块，将所述第二磁铁块安装于所述底座上，且使所述第一磁铁块与所述第二磁铁块相对面极性相同。
34.如权利要求31所述的震动发电装置的制造方法，其特征在于：所述步骤D包括形成第一极化膜和第二极化膜的步骤，具体为：
在所述质量块外、腔体内设置两层相对的特氟隆膜，在两特氟隆膜相对的一面上分别镀上一层导电膜，将镀有导电膜的特氟隆膜经过高压电场驻极后形成第一极化膜和第二极化膜。
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