CN107819410A - 压电能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电能量采集器，其采用两块柔性电路板夹设压电陶瓷片构成压电单元。该压电能量采集器因采用柔性电路板作为压电单元的基板，柔性高，具有良好的导电性，便于装联焊接，柔性电路板可以自由的弯曲、卷绕、折叠，也可以任意伸缩移动，并且具有质量轻、厚度薄的特点，可大大减少整个压电能量采集器的体积和重量。由于柔性电路板较柔软，对振动的敏感性高，只要有晃动，就能感知，从而显著提高了该压电能量采集器对振动的敏感性。压电单元具有多个压电陶瓷片，形成蜂窝结构，因而该压电能量采集器具有多个谐振频率点，可以感知环境中不同频率的振动能量，带宽较宽，且有利于提高整个压电能量采集器的输出电压。

Description

压电能量采集器

技术领域

本发明涉及能源设备领域，尤其是涉及一种压电能量采集器。

背景技术

能源问题是当今世界最为关注的热点话题。各国研究员都在一直努力的寻找和开发新的能源。在最近几年，随着无线传感网络的高速发展，无线传感网络得到了广泛的应用。尤其是传感结点尺寸的减少、重量轻，消耗功率大大减少，所以传感结点在各个领域应用得到了广泛的利用，如用于工业、农业、通信、国防、航空航天、医学领域。低功耗、小尺寸、低成本的传感结点，能够通过无线通信方式组成分布式、自组织的无线传感网络。大多数的无线传感网络都是通过电池供给能量，但无线传感体积微小，自身携带电池能量有限，不能够满足长期供电的需求。如有些传感器被安装在野外，或者用于野生动物的跟踪与定位装置，当电池用完电后，更换电池特别麻烦，也增加一定的成本问题，尤其对于那些深山野外的地方，更换电池更加困难，并且当电池用完以后丢掉具有污染环境问题。根据众多问题，研究者寻求新的能源，为那些传感网络结点提供永不枯竭的能量，所以自供能技术得到广泛的应用。自供能即能量采集，是将环境中其他形式的能量转化成电能，为电子设备提供能量，尽管环境中的能量非常微弱，但由于微功耗产品所消耗的能量降到微瓦到毫瓦数量级别，这使得采集环境中的能量为电子设备供电成为了可能。环境中存在许多能量，如太阳能、振动能、热能、人体能，但太阳能、热能受环境气候的影响，不能保证全天的存在，所以振动能得到很大的发展，由于不受地方限制，振动无处不在。目前，电磁式、静电式、压电式是三种主要的振动式能量采集方法，与电磁式与静电式相比，基于压电效应的能量采集装置结构简单，并且可由微机电技术实现，从而得到微型化的发电装置。压电装置以压电材料为核心元件，通过压电效应将外界中的振动能转化成电能，并加以利用。压电材料具有能量密度大、无污染、结构简单、转化效率高、机电耦合系数高、成本低、无电磁干扰的发电材料。

然而，传统的发电装置比较简单，往往由单个悬臂梁构成，悬臂梁由黄铜和压电陶瓷片通过导电胶粘在一起，一端固定，另一端放一个质量块，即构成了简单的悬臂梁发电装置。该装置在末端施加一个振动源，就可以产生电压或电流，只有在振动源的频率与装置的谐振频率相同时，输出电压比较高。但该装置所选用的悬臂梁材料柔韧度比较差，弯曲度也较差，并且只有在振动源频率与装置谐振频率相等时，电压输出比较高，所以存在谐振频率单一，带宽窄，发电量低的缺陷，无法满足采集存储。另外该装置对振动敏感度较差，即起振条件较高，并且整个发电装置(包括质量块)的质量偏重，降低了上下自由摆动的趋势。

发明内容

基于此，有必要提供一种对振动敏感度高、带宽较宽、质轻且输出电压较高的压电能量采集器。

一种压电能量采集器，包括支架及压电单元，所述压电单元的一侧固定在所述支架上且能够相对于所述支架摆动；所述压电单元包括第一柔性电路板、第二柔性电路板、压电陶瓷片、第一输出电极及第二输出电极；所述第一柔性电路板与所述第二柔性电路板相对设置，所述压电陶瓷片设在所述第一柔性电路板与所述第二柔性电路板之间且两侧分别与所述第一柔性电路板及所述第二柔性电路板通过导电胶粘接，所述压电陶瓷片呈规则形状，所述压电陶瓷片有多个，多个压电陶瓷片形成多排且每排相邻的压电陶瓷片之间具有间隔，相邻两排的压电陶瓷片错位设置，所述第一输出电极与所述第一柔性电路板电性连接，所述第二输出电极与所述第二柔性电路板电性连接。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷片呈圆形。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷片的直径为4mm-35mm。

在其中一个实施例中，每排相邻的两个导电陶瓷片之间相距0.5mm-5mm。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷片呈正六边形。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷片的最长的对角线长度为4mm-35mm。

在其中一个实施例中，每排相邻的两个压电陶瓷片之间相距0.5mm-5mm。

在其中一个实施例中，所述第一柔性电路板与所述第二柔性电路板大小及形状相同，且边缘对齐设置。

在其中一个实施例中，所述第一柔性电路板及所述第二柔性电路板均为(40-80)mm*(15-30)mm的矩形；

所述支架满足能够完全固定住所述柔性电路板的较短的侧边。

在其中一个实施例中，所述压电单元的厚度为0.5mm-5mm。

上述压电能量采集器采用两块柔性电路板夹设压电陶瓷片构成压电单元，且压电陶瓷片有多个并呈多排设置，相邻两排的压电陶瓷片错位设置。该压电能量采集器因采用柔性电路板作为压电单元的基板，柔性高，具有良好的导电性，便于装联焊接，柔性电路板可以自由的弯曲、卷绕、折叠，也可以任意伸缩移动，并且具有质量轻、厚度薄的特点，可大大减少整个压电能量采集器的体积和重量。由于柔性电路板较柔软，对振动的敏感性高，只要有晃动，就能感知，从而显著提高了该压电能量采集器对振动的敏感性。压电单元具有多个压电陶瓷片，因而该压电能量采集器具有多个谐振频率点，可以感知环境中不同频率的振动能量，带宽较宽，且有利于提高整个压电能量采集器的输出电压。

附图说明

图1为一实施例的压电能量采集器的结构示意图；

图2为图1中压电单元的剖视图；

图3为另一实施例的压电单元的剖视图；

图4为图1所示压电能量采集器的振动波形图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请结合图1和图2，一实施例的压电能量采集器10包括支架100和压电单元200。压电单元200的一侧固定在支架100上，且能够相对于支架摆动。在本实施例中，支架100为一片状的矩形结构，尺寸为(40-80)mm*(15-30)mm，优选为60mm*25mm；压电单元200为长方体形状，尺寸为(40-80)mm*(15-30)mm*(0.5-5)mm，优选为40mm*25mm*0.5mm。压电单元200设在支架100的中部，且其侧壁完全固定在支架100上。

本实施例的压电单元200包括第一柔性电路板210、第二柔性电路板220、压电陶瓷片230、第一输出电极240及第二输出电极250。

第一柔性电路板210与第二柔性电路板220相对设置。压电陶瓷片230设在第一柔性电路板210与第二柔性电路板220之间。压电陶瓷片230的两侧分别与第一柔性电路板210及第二柔性电路板220通过导电胶粘接，与第一柔性电路板210及第二柔性电路板220形成电性连接。

压电陶瓷片230呈规则形状。压电陶瓷片230有多个。多个压电陶瓷片230形成多排且每排相邻的压电陶瓷片230之间具有间隔。相邻两排的压电陶瓷片230错位设置。从而多个压电陶瓷片230形成类似蜂窝的结构，可以增加第一柔性电路板210与第二柔性电路板220的压电面积，增强压电单元200的感应灵敏度。

第一输出电极240与第一柔性电路板210电性连接。第二输出电极250与第二柔性电路板220电性连接。

具体的，在本实施例中，压电陶瓷片230呈圆形。压电陶瓷片230的直径为4mm-35mm，优选为8mm。每排相邻的两个导电陶瓷片230之间相距0.5mm-5mm，优选为0.5mm。第二排的任一压电陶瓷片230的圆心与在第一排中与该压电陶瓷片230相邻的两个压电陶瓷片230圆心的连线的中间位置对应，第三排的设置于第一排的相同，其他排的同理。相邻的两个导电陶瓷片230之间具有间隙，以不影响柔性电路板的柔韧性。

第一柔性电路板210与第二柔性电路板220的形状和尺寸相同，均为(40-80)mm*(15-30)mm的矩形形状，优选为40mm*25mm的矩形形状，且第一柔性电路板210与第二柔性电路板220的边缘齐平设置。

在其他实施例中，压电陶瓷片230也可以为正六边形等规则形状。例如，如图3所示，在该实施例中，压电陶瓷片230为正六边形，其最长的对角线长度为4mm-35mm，优选为8mm，每排相邻的两个压电陶瓷片230之间相距0.5mm-5mm，优选为0.5mm，且相邻两排的压电陶瓷片230错位设置，具体的，该错位设置是指如第二排的任一压电陶瓷片230的中心与在第一排中与该压电陶瓷片230相邻的两个压电陶瓷片中心连线的中间对应。

压电陶瓷片230优选但不限于如PZT-5A等型号的压电陶瓷片。

第一电极240与第二电极250可以分别采用在第一柔性电路板210与第二柔性电路板220表面覆铜的方式引出。

该压电能量采集器10采用两块柔性电路板夹设压电陶瓷片230构成压电单元200，且压电陶瓷片230有多个并呈多排设置，相邻两排的压电陶瓷片230错位设置。该压电能量采集器10因采用柔性电路板作为压电单元的基板，柔性高，具有良好的导电性，便于装联焊接，柔性电路板可以自由的弯曲、卷绕、折叠，也可以任意伸缩移动，并且具有质量轻、厚度薄的特点，可大大减少整个压电能量采集器的体积和重量。由于柔性电路板较柔软，对振动的敏感性高，只要有晃动，就能感知，从而显著提高了该压电能量采集器对振动的敏感性。压电单元200具有多个压电陶瓷片230，因而该压电能量采集器10具有多个谐振频率点，可以感知环境中不同频率的振动能量，其振动波形如图4所示，带宽较宽，且有利于提高整个压电能量采集器10的输出电压。

上述压电能量采集器10可以作为能量收集器，并通过整流、升压、储存，输出直流电源，广泛应用在微电子产品中，充分利用环境中的振动能量，为微电子产品提供几乎永久性的电能供应。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种压电能量采集器，其特征在于，包括支架及压电单元，所述压电单元的一侧固定在所述支架上且能够相对于所述支架摆动；所述压电单元包括第一柔性电路板、第二柔性电路板、压电陶瓷片、第一输出电极及第二输出电极；所述第一柔性电路板与所述第二柔性电路板相对设置，所述压电陶瓷片设在所述第一柔性电路板与所述第二柔性电路板之间且两侧分别与所述第一柔性电路板及所述第二柔性电路板通过导电胶粘接，所述压电陶瓷片呈规则形状，所述压电陶瓷片有多个，多个压电陶瓷片形成多排且每排相邻的压电陶瓷片之间具有间隔，相邻两排的压电陶瓷片错位设置，所述第一输出电极与所述第一柔性电路板电性连接，所述第二输出电极与所述第二柔性电路板电性连接。

2.如权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于，所述压电陶瓷片呈圆形。

3.如权利要求2所述的压电能量采集器，其特征在于，所述压电陶瓷片的直径为4mm-35mm。

4.如权利要求3所述的压电能量采集器，其特征在于，每排相邻的两个导电陶瓷片之间相距0.5mm-5mm。

5.如权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于，所述压电陶瓷片呈正六边形。

6.如权利要求5所述的压电能量采集器，其特征在于，所述压电陶瓷片的最长的对角线长度为4mm-35mm。

7.如权利要求7所述的压电能量采集器，其特征在于，每排相邻的两个压电陶瓷片之间相距0.5mm-5mm。

8.如权利要求1～7中任一项所述的压电能量采集器，其特征在于，所述第一柔性电路板与所述第二柔性电路板大小及形状相同，且边缘对齐设置。

9.如权利要求8所述的压电能量采集器，其特征在于，所述第一柔性电路板及所述第二柔性电路板均为(40-80)mm*(15-30)mm的矩形；

所述支架满足能够完全固定住所述柔性电路板的较短的侧边。

10.如权利要求9所述的压电能量采集器，其特征在于，所述压电单元的厚度为0.5mm-5mm。