CN103856104B - 压电震动发电装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电震动发电装置，该压电震动发电装置包括安装架、阻力系统、弹性板、压电片和弹性振子，所述阻力系统安装于所述安装架上且包括上磁体和下磁体，所述上磁体和下磁体相对设置且其相对面上的磁极性相反；所述弹性板至少一边沿支撑于所述安装架上并使所述弹性板悬于所述上磁体和下磁体之间；所述压电片设于所述弹性板上，并具有至少两个导电层、设有至少两导电层之间的压电层及至少两个焊盘；所述磁性振子安装于所述弹性板上并分别与所述上磁体、下磁体相对的一面磁极性相同。本发明通过阻力系统和弹性振子，在安装架内形成控制弹性板震动的谐振腔，使得所述弹性板带动压电片往复震动，从而不断向系统供电，发电效率高。

Description

压电震动发电装置及其制造方法

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

随着微机电系统(MEMS)技术的快速发展与应用，带动了无线传感网络技术的发展，其中，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，一个十分严重的问题是如何保障这些无线传感单元的电能供给，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系统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，无人看管及无人值守等特点。

然而，采用传统电池已经不能满足无线传感网络及系统的发展要求，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，然而这类发电装置往往具有发电效率低、体积大、成本高的缺陷。

因此，急需一种保证无线传感单元及器件供电、符合无线传感网络技术发展要求、发电效率高、体积小、结构简单、成本低的压电震动发电装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电震动发电装置，该压电震动发电装置可保证无线传感单元及器件供电、符合无线传感网络技术发展要求，且发电效率高、体积小、结构简单、成本低。

本发明的另一目的是提供一种压电震动发电装置的制造方法，用于制造压电震动发电装置，该压电震动发电装置可保证无线传感单元及器件供电、符合无线传感网络技术发展要求，且发电效率高、体积小、结构简单、成本低。

为了实现上有目的，本发明公开了一种压电震动发电装置，该压电震动发电装置包括安装架、阻力系统、一个弹性板、压电片和弹性振子，所述阻力系统安装于所述安装架上且包括上磁体和下磁体，所述上磁体和下磁体相对设置且其相对面上的磁极性相反；所述弹性板至少一边沿支撑于所述安装架上并使所述弹性板悬于所述上磁体和下磁体之间；所述压电片设于所述弹性板上，并具有至少两个导电层、设有至少两导电层之间的压电层及至少两个焊盘；所述磁性振子安装于所述弹性板上并与所述上磁体相对的一面磁极性相同，与所述下磁体相对的一面磁极性相同。

与现有技术相比，本发明将弹性板可震动地安装于所述上磁体和下磁体之间，移动或晃动压电震动发电装置时，所述弹性板带动压电片随之上下震动，当弹性板向下弯曲至下极限位置时，所述下磁体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，所述上磁体对所述弹性板提供向下的推力，以使弹性板形成一谐振运动的谐振腔，该简谐振运动使得所述弹性板带动所述压电片往复震动，从而不断向系统供电，发电效率高，可保证无线传感单元及器件供电、符合无线传感网络技术发展要求。且本发明所述压电震动发电装置均安装在一个安装架上，结构简单、体积小、成本低。

较佳地，所述磁性振子包括至少一个磁性单元，每一所述磁性单元包括磁极性相反的上部和下部。其中，与上磁体相对的一所述磁性单元(最上面的磁性单元)的上部与所述上磁体相对面的磁极性相同，与下磁体相对的一所述磁性单元(最下面的磁性单元)的下部与所述下磁体相对面的磁极性相同。具体地，当磁性单元有多个时，相邻的两个磁性单元的相对端部的磁极性相反。

具体地，所述磁性单元为磁铁块和/或线圈单元。当磁性单元为磁铁块时，所述磁铁块可在其重力作用下对所述弹性板提供向下的拉力，以提高本发明的发电效率。当磁性单元为线圈单元时，线圈单元包括线圈和电源，在将电源和线圈接通时，在线圈内产生感应磁场，而且使所述线圈单元的上端与所述上磁体相对面的磁极性相同，线圈单元的下端与所述下磁体相对面的磁极性相同。

具体地，所述磁性单元具有两个，分别为第一磁性单元和第二磁性单元。

较佳地，所述阻力系统的上磁体包括磁铁块或者线圈单元，所述阻力系统的下磁体包括磁铁块或者线圈单元。为了方便安装，所述上磁体和下磁体还分别包括上底座和下底座，所述磁铁块或者线圈分别安装于所述上底座和下底座内，再将上底座和上底座安装于所述安装架上。

较佳地，所述上磁体配合安装于所述安装架的上端，所述下磁体配合安装于所述安装架的下端，所述弹性板支撑于所述安装架的中间，这样使得压电震动发电装置的结构紧凑，减小了体积。

具体地，所述安装架为空心柱状体，所述安装架的上端和下端分别形成有与所述上磁体和下磁体相配合的上安装槽和下安装槽，所述上磁体和下磁体分别安装于所述上安装槽和下安装槽内，组装方便。空心柱状的安装架使得本发明压电震动发电装置的结构更小巧、美观。其中，所述安装架可为圆筒状、方筒状或其他形状。

更具体地，所述安装架的内表面设有上安装板和下安装板，所述上安装板位于所述安装架上半部分并与所述安装架的上端形成所述上安装槽，所述下安装板位于所述安装架下半部分并与所述安装架的下端形成所述下安装槽，且所述上安装板和下安装板位置相对并在所述上安装板和下安装板之间形成安装所述弹性板的弹性板安装槽。

更具体地，所述上安装板和下安装板分别为与所述安装架相配合的空心柱状体，该方案使得所述上安装槽和下安装槽为圆形槽，所述弹性板安装槽为环形槽，不但使得所述上安装板和下安装板的安装稳定，而且使得所述弹性板的周沿支撑于所述安装架上，以使所述弹性板沿其轴向震动。

较佳地，所述弹性板的周沿部分或者全部支撑于所述安装架上，以使所述弹性板沿其轴向方向震动。由于所述压电片设于所述弹性板的表面，该方案使得所述压电片可设置面积大，提高发电效率，而且震动时，所述弹性板带动所述压电片沿其垂直方向震动，使得压电片保持有效形变和震动，机械能转换效率高，进一步提高发电效率。

较佳地，所述弹性板的一边沿支撑于所述安装架上，所述磁性振子安装于所述弹性板远离所述安装架的另一端，即弹性振子安装于所述弹性板震动范围最大的部位。

较佳地，所述弹性板由不锈钢、塑胶、氧化铝、二氧化硅或陶瓷材料制成。

较佳地，所述弹性板呈圆形、方形、椭圆形、菱形、十字架形、纺锤形。

较佳地，所述压电片至少有一个且对应粘贴在所述弹性板的至少一个表面。

较佳地，所述压电片至少有一个且对应粘贴在所述弹性板的至少一个表面；或者，压电片也可以直接沉积在弹性板的至少一个表面。

较佳地，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。

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，所述压电片的外侧还包裹有至少一个基体，用于保护压电片。

较佳地，所述压电震动发电装置还包括导电焊针，所述导电焊针至少有两根并与所述焊盘电连接。

为了实现本发明的另一目的，本发明还提供了一种压电震动发电装置的制造方法，包括如下步骤：提供一个安装架和一个弹性板，所述弹性板呈薄片状，将所述弹性板的至少一个边沿支撑于所述安装架的中部；在所述弹性板上设置压电片，所述压电片具有至少两个导电层、夹于两个导电层之间的压电层及至少两个焊盘；在所述弹性板上设置磁性振子；在所述安装架上安装阻力系统，所述阻力系统包括位于所述弹性板上方的上磁体和位于所述弹性板下方并与所述上磁体位置相对且磁极性相反的下磁体，且所述上磁体和下磁体分别与弹性板相对的一面磁性相同。

与现有技术相比，本发明可制造一种压电震动发电装置，该压电震动发电装置将弹性板可震动地安装于所述上磁体和下磁体之间，移动或晃动压电震动发电装置时，所述弹性板带动压电片随之上下震动，当弹性板向下弯曲至下极限位置时，所述下磁体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，所述上磁体对所述弹性板提供向下的拉力以使所述弹性板在所述上磁体和下磁体之间简谐振动，该简谐振动使得所述弹性板带动所述压电片往复震动，从而不断向系统供电，发电效率高，可保证无线传感单元及器件供电、符合无线传感网络技术发展要求。且本发明所述压电震动发电装置均安装在一个安装架上，结构简单、体积小、成本低。

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结构示意图。

图3是本发明第二实施例中所述压电震动发电装置的结构示意图。

图4是本发明第三实施例中所述压电震动发电装置的结构示意图。

图5是本发明第四实施例中所述压电震动发电装置的结构示意图。

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，公开了一种压电震动发电装置，该压电震动发电装置101包括安装架11、阻力系统12、一个弹性板13、压电片(图中未示)和弹性振子14，所述阻力系统12安装于所述安装架11上且包括上磁体21和下磁体22，所述上磁体21和下磁体22相对设置且其相对面的磁极性相反；所述弹性板13呈薄片状且其至少一边沿支撑于所述安装架11上并使所述弹性板13悬于所述上磁体21和下磁体22之间；所述压电片设于所述弹性板13上，并具有至少两个导电层(图中未示)、设有至少两导电层之间的压电层(图中未示)及至少两个焊盘(图中未示)；所述磁性振子14安装于所述弹性板13上并分别与所述上磁体21、所述下磁体22相对的一面磁极性相同。移动或晃动压电震动发电装置101时，所述弹性板13带动压电片随之上下震动，当弹性板13向下弯曲至下极限位置时，所述下磁体22对所述弹性板13提供向上的推力，以防止弹性板13过分位移而损坏弹性板13和压电片，反之，当弹性板13向上弯曲到上极限位置时，所述上磁体21对所述弹性板13提供向下的拉力，以防止弹性板13过分位移而损坏弹性板13和压电片。弹性板13向上弯曲和向下弯曲进行简谐振动，该简谐振动使得所述弹性板13带动所述压电片往复震动，从而不断向系统供电。

较佳者，继续参考图2，所述磁性振子14包括一个磁性单元，该磁性单元包括磁极性相反的上部41和下部42，且所述上部41与所述上磁体21的相对面磁极性相同，所述下部42与所述下磁体22的相对面磁极性相同。具体地，所述磁性振子14为磁铁块，上磁体21和下磁体22为磁铁块，当然，上磁体21和下磁体22也可以是线圈单元。

较佳者，继续参考图2，所述安装架11为空心柱状体，所述安装架11的内表面设有呈空心柱状的上安装板61和下安装板62，所述上安装板61位于所述安装架11的上半部分并与所述安装架11的上端形成安装所述上磁体21的上安装槽15，所述下安装板62位于所述安装架11的下半部分并与所述安装架11的下端形成安装所述下磁体22的下安装槽14，且所述上安装板61和下安装板62的位置相对并在所述上安装板61和下安装板62之间形成安装所述弹性板13的弹性板安装槽63。具体地，在该实施例中，所述弹性板安装槽63为环绕所述安装架11内表面周向的环形槽，所述弹性板13的周沿支撑于所述安装架11上，以使所述弹性板13沿其轴向震动。其中，所述安装架11为立方柱，所述安装架11的横截面是方形，当然，所述安装架11也可以是其他柱状，对应的所述安装架11的横截面也可以是其他形状，例如圆形、多边形、椭圆形、菱形、十字架形或纺锤形，与之对应的，所述弹性板安装槽63的形状可以是与所述安装架11横截面对应的圆形、多边形、椭圆形、菱形、十字架形或纺锤形，所述弹性板13与所述弹性板安装槽63的形状相对应。

较佳地，所述压电片的外侧还包裹有至少一个基体，用于保护所述压电片。较佳者，所述弹性板13由不锈钢、塑胶、氧化铝、二氧化硅或陶瓷材料制成。较佳者，所述压电片至少有一个且对应粘贴或对应一次沉积在所述弹性板的至少一个表面。较佳者，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。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。

较佳者，所述安装架11的外壁上设有焊针安装架51，所述焊针安装架51内安装有至少两个导电焊针52，所述导电焊针52与所述焊盘电连接。

参考图3，为本发明的第二实施例，不同于第一实施例，在该实施例中，所述压电震动发电装置102之磁性振子14a包括一个磁性单元，该磁性单元为线圈单元。工作时，所述线圈单元的上端产生和上磁体21相同磁磁极性的磁极，线圈单元的下端产生和下磁体22相同磁磁极性的磁极，这样，当移动或晃动压电震动发电装置102时，所述弹性板13带动压电片随之上下震动，当弹性板13向下弯曲至下极限位置时，所述下磁体22对所述弹性板13提供向上的推力，防止弹性板13过分位移而损坏弹性板13和压电片，反之，当弹性板13向上弯曲到上极限位置时，所述上磁体21对所述弹性板13提供向下的拉力，以防止弹性板13过分位移而损坏弹性板13和压电片。弹性板13向上弯曲和向下弯曲进行简谐振动，该简谐振动使得所述弹性板13带动所述压电片往复震动，从而不断向系统供电。

参考图4，为本发明的第三实施例，不同于第一实施例，在该实施例中，所述压电震动发电装置103之所述磁性振子14’包括两个磁性单元，分别为第一磁性单元141和第二磁性单元142，所述第一磁性单元141和第二磁性单元142分别包括磁极性相反的上部和下部，且所述第一磁性单元141的上部与所述上磁体21的相对面磁极性相同，所述第二磁性单元142的下部与所述下磁体22的相对面磁极性相同，所述第一磁性单元141的下部与所述第二磁性单元142的上部相对且磁极性相反。本实施例中，所述第一磁性单元141和第二磁性单元142为磁铁块，当然所述第一磁性单元141和第二磁性单元142也可以是线圈单元，或分别为磁铁块和线圈单元。

较佳者，所述第一磁性单元141和第二磁性单元142之间还安装有第三磁性单元(图中未示)，所述第三磁性单元包括磁极性相反的上部和下部，所述上磁体21之下部与第三磁性单元之上部相对且磁极性相反，所述下磁体22之上部与第三磁性单元之下部相对且磁极性相反。当然，所述磁性振子14’中磁性单元的数目并不限制在1个、2个或3个。实际上，磁性振子14’可以包括N个磁性单元，其中，N≥2的整数。

参考图5，为本发明的第四实施例，不同于第一实施例，在该实施例中，所述压电震动发电装置104之所述上安装板61和下安装板62安装于所述安装架11内部的一面上并在两安装板之间形成安装所述弹性板13的弹性板安装槽63，所述弹性板13的一边支撑于所述弹性板安装槽内，从而使弹性板13形成悬臂。图5为弹性板13安装于上安装板61和下安装板62时的横截面,在本实施例中，所述磁性振子14安装在所述弹性板13的远离弹性板安装槽63一端边缘处(当弹性板13的边沿的投影未延伸至上安装板61和下安装板62的一半时)，并位于该边缘的中间，当移动或晃动压电震动发电装置104时，所述弹性板13带动压电片随之上下震动，当弹性板13向下弯曲至下极限位置时，所述下磁体22对所述弹性板13提供向上的推力，防止过分位移而损坏弹性板13和压电片，反之，当弹性板13向上弯曲到上极限位置时，所述上磁体21对所述弹性板13提供向下的推力，以防止弹性板13过分位移而损坏弹性板13和压电片。弹性板13向上弯曲和向下弯曲进行简谐振动，该简谐振动使得所述弹性板13带动所述压电片往复震动，从而不断向系统供电。当然，当弹性板13的的投影位置大于等于上安装板61和下安装板62的一半时，所述磁性振子14安装在所述弹性板13的中心。

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 (16)

1.一种压电震动发电装置，其特征在于：包括：

安装架，为空心圆柱状体，所述安装架的内表面设有上安装板和下安装板，所述上安装板位于所述安装架上半部分并与所述安装架的上端形成上安装槽，所述下安装板位于所述安装架下半部分并与所述安装架的下端形成下安装槽，所述上安装板和下安装板位置相对并在所述上安装板和下安装板之间形成弹性板安装槽，所述弹性板安装槽为环绕所述安装架内表面周向的圆环形槽；

安装于所述安装架上的阻力系统，所述阻力系统包括安装于所述上安装槽内的上磁体和安装于所述下安装槽内的下磁体，所述上磁体和下磁体相对设置且其相对面的磁极性相反；

弹性板，所述弹性板呈薄片状并与所述弹性板安装槽的形状相对应的圆形，所述弹性板安装于所述弹性板安装槽中，且其至少一边沿支撑于所述安装架上并使所述弹性板悬于所述上磁体和下磁体之间；

压电片，所述压电片设于所述弹性板上，并具有至少两个导电层、夹于两个导电层之间的压电层及至少两个焊盘；

磁性振子，安装于所述弹性板上并与所述上磁体相对的一面磁极性相同，与所述下磁体相对的一面磁极性相同。

2.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述磁性振子包括至少一个磁性单元，每一所述磁性单元包括磁极性相反的上部和下部。

3.如权利要求2所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述磁性单元为磁铁块和/或线圈单元。

4.如权利要求2所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述磁性单元具有两个，分别为第一磁性单元和第二磁性单元。

5.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述阻力系统的上磁体包括磁铁块或者线圈单元，所述阻力系统的下磁体包括磁铁块或者线圈单元。

6.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述上安装板和下安装板分别为与所述安装架相配合的空性柱状体。

7.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述弹性板的周沿全部或部分支撑于所述安装架上，以使所述弹性板沿其轴向方向震动，所述磁性振子安装于所述弹性板中心处。

8.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述弹性板的一边沿支撑于所述安装架上，所述磁性振子安装于所述弹性板远离所述安装架的另一端。

9.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述弹性板由不锈钢、塑胶、氧化铝、二氧化硅或陶瓷材料制成。

10.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述压电片至少有一个且对应粘贴或一次沉积在所述弹性板的至少一个表面。

11.如权利要求1所述的压电震动发电装置，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。

12.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述压电片为单层PZT压电片或多层PZT压电片。

13.如权利要求1所述的压电震动发电装置，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。

14.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：所述压电片的外侧还包裹有至少一个基体。

15.如权利要求1所述的压电震动发电装置，其特征在于：还包括导电焊针，所述导电焊针至少有两根并与所述焊盘电连接。

16.一种压电震动发电装置的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一个安装架和一个弹性板，所述安装架为空心圆柱状体，所述安装架的内表面设有上安装板和下安装板，所述上安装板位于所述安装架上半部分并与所述安装架的上端形成上安装槽，所述下安装板位于所述安装架下半部分并与所述安装架的下端形成下安装槽，所述上安装板和下安装板位置相对并在所述上安装板和下安装板之间形成弹性板安装槽，所述弹性板安装槽为环绕所述安装架内表面周向的圆环形槽，所述弹性板呈薄片状并与所述弹性板安装槽的形状相对应的圆形，所述弹性板安装于所述弹性板安装槽中，将所述弹性板的至少一个边沿支撑于所述安装架的中部；

在所述弹性板上设置压电片，所述压电片具有至少两个导电层、夹于两个导电层之间的压电层及至少两个焊盘；

在所述弹性板上设置磁性振子；

在所述安装架上安装阻力系统，所述阻力系统包括位于所述弹性板上方的上磁体和位于所述弹性板下方并与所述上磁体位置相对且磁极性相反的下磁体，所述上磁体安装于所述上安装槽内，所述下磁体安装于所述下安装槽内，且所述上磁体和下磁体分别与弹性板相对的一面磁极性相同。