CN208316598U - 压电能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电能量收集装置，包括：基座、悬臂梁和多个设置在所述基座上的质量块，所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，所述悬臂梁的一面上设有压电层。本实用新型降低压电能量收集装置的固有频率，实现低频响应从而提高压电能量收集装置的输出性能。

Description

压电能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及能量收集技术领域，具体涉及一种压电能量收集装置。

背景技术

随着传感器、驱动器网络、嵌入式系统、RFID、无线通讯等技术的迅速发展，要求相应元器件的电能供应具有体积小、寿命长甚至无需更换、无人看管的特点。然而传统的化学电池供电方式由于存在体积及质量较大、无法长时间供电等缺点，已无法满足现有微小型元器件对电能供应的要求。因此，为了有效延长电能供应时长和减小电池体积，人们开始致力于从电子元件周围环境中汲取能量并转化为电能的方法来代替传统电池为电子元器件供电。其中，将振动能量转化为电能的方式一般有电磁式、压电式和静电式三种类型，相对于静电式和电磁式，压电式振动能量收集器结构更为简单且能量转换效率高。但是，市面上压电式能量收集装置均以块状压电模型为主，而MEMS(微电机系统) 压电能量采集装置的模型大多停留在研究和设计阶段，并且无法有效适用于低频率环境振源，使得现有的压电式振动能量收集器的输出性能低。

实用新型内容

本实用新型，提供一种压电能量收集装置，通过降低压电能量收集装置的固有频率，以实现低频响应，从而提高压电能量收集装置的输出性能。

为解决以上技术问题，本实用新型实施例提供一种压电能量收集装置，包括：基座、悬臂梁和多个设置在所述基座上的质量块，所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，所述悬臂梁的一面上设有压电层。

进一步地，所述质量块为2个。

进一步地，一个所述质量块设置在所述基座的一端上，另一个所述质量块设置在所述基座的另一端上。

进一步地，所述悬臂梁为多个。

进一步地，多个所述悬臂梁在所述基座上呈线性排布。

进一步地，所述基座上设有安装部，所述悬臂梁的一端连接在所述安装部上。

进一步地，所述基座上还设有凹槽，所述质量块一端和所述安装部的一端均连接在所述凹槽的底部上。

优选地，所述悬臂梁的宽度为0.4－0.6毫米，长度为4－6毫米，厚度为 0.006－0.008毫米；所述压电层的宽度为0.4－0.6毫米，长度为4－6毫米，厚度为0.0024－0.0026毫米；一个所述质量块的宽度为2－4毫米，长度为1－3毫米，厚度为0.5－1.5毫米；另一个所述质量块的宽度为2－4毫米，长度为0.4－0.6 毫米，厚度为0.5－1.5毫米。

优选地，所述质量块的材料为镍或铜。

优选地，所述悬臂梁的材料为硅，所述压电层的材料为锆钛酸铅。

相比于现有技术，本实用新型的一种压电能量收集装置的有益效果在于：所述压电能量收集装置通过在所述基座上设置多个所述质量块，并使所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，同时在所述悬臂梁的一面上设置压电层，从而使得当所述压电能量收集装置受到外界激励时，设于所述基座上的多个所述质量块由于惯性作用阻碍所述基座运动，进而使得所述悬臂梁产生形变，以使覆盖于所述悬臂梁上的所述压电层由于发生形变而产生电压。此外，由于所述基座上设置有多个所述质量块，使得所述基座上的所述悬臂梁的形变更大，从而提升了所述压电层的输出电压，并降低了所述压电能量收集装置响应频率，进而使得所述压电能量收集装置适用于低频率的振源环境，并且提高了所述压电能量收集装置的输出性能。

附图说明

图1是本实用新型提供的压电能量收集装置的一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型提供的压电能量收集装置在不同频率下的输出电压与频率的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，是本实用新型提供的压电能量收集装置的一个实施例的结构示意图，该压电能量收集装置包括：包括：基座10、悬臂梁20和多个设置在所述基座上的质量块30，所述悬臂梁20的一端连接在所述基座10上，所述悬臂梁20 的另一端连接在一个所述质量块30上，所述悬臂梁20的一面上设有压电层201。

需要说明的是，本实用新型的一种压电能量收集装置的有益效果在于：所述压电能量收集装置通过设置基座、悬臂梁和多个设置在所述基座上的质量块，所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，所述悬臂梁的一面上设有压电层，使得当所述压电能量收集装置受到外界激励时，设于所述基座上的多个质量块由于惯性作用阻碍所述基座运动从而使得悬臂梁产生形变；当所述基座上的悬臂梁发生形变时，覆盖于所述悬臂梁表面的压电层发生形变从而产生电压，多个质量块设置在基座合理的位置上相互配合使得基座上的悬臂梁的形变更大，从而提升压电层的发电电压；由于设在所述基座上的多个质量块使得悬臂梁的振幅变大，从而降低所述压电能量收集装置响应频率，使得所述压电能量收集装置适用于低频率的振源环境，并且提高了所述压电能量收集装置的输出性能。

进一步地，所述质量块30为2个。

进一步地，一个所述质量块30设置在所述基座的一端101上，另一个所述质量块30设置在所述基座的另一端102上。

进一步地，所述悬臂梁20为多个。

进一步地，多个所述悬臂梁20在所述基座10上呈线性排布。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的压电能量收集装置，所述基座10 为长方形状，设置在所述基座10上的每个悬臂梁20和悬臂梁20的表面所覆盖的压电层均为长方形片材。所述基座具有固定端是多个水平方向上呈线性阵列排布的悬臂梁20共用的，多个悬臂梁20的一端均与基座的固定端连接。所述基座的两端101和102为自由端，设置在所述基座10的一端101上的一个所述质量块30和设置在所述基座10的另一端102上的另一个所述质量块30为两块质量和大小互不相同的质量块，且两个设置在所述基座10上的所述质量块30 以一定的比例位置分布在所述基座10的一个自由端101和另一个自由端102上。多个水平方向上阵列排布的悬臂梁20共用设置在所述基座10的一端101上的一个所述质量块30和设置在基座10的另一端102上的另一个所述质量块30，能够保证多个悬臂梁20组成的压电悬臂梁单元间有一致的振动响应，使得压电悬臂梁单元间进行串联或并联时输出的电压不具有相位差从而避免电能损耗。

当对所述压电能量收集装置施加外界激励时如施加加速度激励时，整个装置由于激励作用会产生速度，发生位移，但组成所述压电能量收集装置的基座的一个自由端101和另一自由端102上分别固定有所述质量块30，使得两个固定在所述基座10自由端上的质量块30在惯性作用下阻碍所述基座10的运动，引发所述基座10的一个自由端101和另一自由端102的形变，从而使得连接于基座10上的悬臂梁20形变。当所述基座10上的悬臂梁20发生形变时，表面上的压电层由于形变而被拉伸或压缩从而产生电压，两个所述质量块30的相互配合使得基座10上的悬臂梁20的形变变大，从而提升压电层的发电电压。通过设在所述基座自由端上的两个所述质量块30使得该装置在外界激励作用下悬臂梁20的振幅变大，从而降低所述压电能量收集装置响应频率，使得所述压电能量收集装置适用于低频率的振源环境，并且提高了所述压电能量收集装置的输出性能。

需要说明的是，本实用新型实施例的双质量块结构增加悬臂梁20的形变，并且通过对悬臂梁20的长度或宽度或厚度进行优化调整，能够达到在质量块体积相同情况下所述压电能量收集装置输出电压和能量密度的最大化。并且所述压电能量装置的基座10上设置的质量块并不仅限于设置在所述基座10的一端 101上的一个所述质量块30和设置在基座10的另一端102上的另一个所述质量块30，能够通过合理的在所述基座10上继续添加质量块，增加基座10所承受的质量，在同等悬臂梁20长度，相同外界激励的情况下，基座自由端所受惯性力越大使得基座自由端形变越大从而实现增大所述悬臂梁的振幅，降低所述压电能量收集装置的响应频率。仿真结果显示，合理增加固定在所述基座10上的质量块能够将所述装置的响应频率降低至3Hz左右即相当于人步行的频率，进一步提升所述压电能量收集装置在低频的振源环境的实用性，提高该装置的输出性能。

进一步地，所述基座10上设有安装部103，所述悬臂梁20的一端连接在所述安装部103上。

进一步地，所述基座10上还设有凹槽104，所述质量块30一端和所述安装部103的一端均连接在所述凹槽104的底部上。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的所述压电层201包括电极和设于所述悬臂梁20表面的压电薄膜。优选地，设于所述悬臂梁20表面的压电薄膜为PZT压电薄膜。所述悬臂梁20的上表面上覆盖有PZT压电薄膜，在所述PZT 压电薄膜上方设有电极。

所述基座10上设有凹槽104用于容纳所述悬臂梁20，所述质量块30一端和所述安装部103的一端均连接在所述凹槽104的底部上，使得连接在所述安装部103上的悬臂梁20与所述基座10的表面处于同一水平面上保护悬臂梁20，避免悬梁臂因过大的形变而损坏。所述基座10的安装部103设置在所述基座10 的固定端，为所述压电能量收集装置的支撑部分，在所述基座10的安装部103 的下表面通过刚性连接至设备固定外壳或者其他设备上，实现所述压电能量收集装置的固定。

如图2所示是本实用新型提供的压电能量收集装置在不同频率下的输出电压与频率的关系曲线图。

优选地，所述悬臂梁20的宽度为0.4－0.6毫米，长度为4－6毫米，厚度为 0.006－0.008毫米；所述压电层201的宽度为0.4－0.6毫米，长度为4－6毫米，厚度为0.0024－0.0026毫米；一个所述质量块30的宽度为2－4毫米，长度为1－3 毫米，厚度为0.5－1.5毫米；另一个所述质量块30的宽度为2－4毫米，长度为 0.4－0.6毫米，厚度为0.5－1.5毫米。

优选地，所述质量块30的材料为镍或铜。

优选地，所述悬臂梁20的材料为硅，所述压电层201的材料为锆钛酸铅。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的压电能量收集装置，压电层201 的尺寸为：宽度为0.4－0.6毫米，长度为4－6毫米，厚度为0.0024－0.0026毫米；所述压电层201包括的压电薄膜的材质为锆钛酸铅(PZT)，所述悬臂梁20 的材质为硅(Si)、尺寸为：宽度为0.4－0.6毫米，长度为4－6毫米，厚度为 0.006－0.008毫米；多个所述质量块30的材质为镍(Ni)或铜(Cu)；设置在所述基座10的一端101上的一个所述质量块30的尺寸为：宽度为2－4毫米，长度为1－3毫米，厚度为0.5－1.5毫米；设置在所述基座10的另一端102上的另一个所述质量块30的尺寸为：宽度为2－4毫米，长度为0.4－0.6毫米，厚度为 0.5－1.5毫米。

采用振动能量收集装置测试系统对所述压电能量收集装置进行测试，通过振动台对所述压电能量收集装置施加1Gn的振动加速度，并且该装置同时与数据采集装置连接，通过数据采集装置采集所述装置在特定激励环境下的输出性能。本实用新型实施例采用ANSYS仿真模拟，设定对所述压电能量收集装置施加1Gn的振动加速度，通过ANSYS仿真观察所述装置的悬臂梁20上的压电层201 表面上的电动势和所述悬臂梁20的应变情况，并得出在外界激励环境为1Gn振动加速度的条件下，所述压电能量收集装置输出电压的频率响应曲线，如图2 所示为所述压电能量收集装置在不同频率下的输出电压与频率的关系曲线图。由图可得所述压电能量装置的悬臂梁20发生第一次变形的频率为18Hz，此时所述装置有高达8V的最大电压输出，即所述压电能量收集装置的固有频率为18Hz，在固有频率附近能够达到较大的电压输出，所述悬臂梁20发生第二次变形的频率为56Hz。而现有技术中仅对悬臂梁的自由端设置一个共用质量块而构成的能量收集装置，在采用相同材料规格的悬臂梁的条件下，运用ANSYS仿真测试得到该装置的固有频率为239.7Hz。相比于现有技术，通过设在所述基座自由端上的多个质量块使得该装置在外界激励作用下悬臂梁20的振幅变大，从而降低所述压电能量收集装置响应频率，使得所述压电能量收集装置适用于低频率的振源环境，并且提高了所述压电能量收集装置的输出性能。

综上所述，本实用新型提供一种压电能量收集装置的有益效果在于：

所述压电能量收集装置通过在所述基座上设置多个所述质量块，并使所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，同时在所述悬臂梁的一面上设置压电层，从而使得当所述压电能量收集装置受到外界激励时，设于所述基座上的多个所述质量块由于惯性作用阻碍所述基座运动，进而使得所述悬臂梁产生形变，以使覆盖于所述悬臂梁上的所述压电层由于发生形变而产生电压。此外，由于所述基座上设置有多个所述质量块，使得所述基座上的所述悬臂梁的形变更大，从而提升了所述压电层的输出电压，并降低了所述压电能量收集装置响应频率，进而使得所述压电能量收集装置适用于低频率的振源环境，并且提高了所述压电能量收集装置的输出性能。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电能量收集装置，其特征在于，包括：基座、悬臂梁和多个设置在所述基座上的质量块，所述悬臂梁的一端连接在所述基座上，所述悬臂梁的另一端连接在一个所述质量块上，所述悬臂梁的一面上设有压电层。

2.如权利要求1所述的压电能量收集装置，其特征在于，所述质量块为2个。

3.如权利要求2所述的压电能量收集装置，其特征在于，一个所述质量块设置在所述基座的一端上，另一个所述质量块设置在所述基座的另一端上。

4.如权利要求1-3任一项所述的压电能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁为多个。

5.如权利要求4所述的压电能量收集装置，其特征在于，多个所述悬臂梁在所述基座上呈线性排布。

6.如权利要求1-3任一项所述的压电能量收集装置，其特征在于，所述基座上设有安装部，所述悬臂梁的一端连接在所述安装部上。

7.如权利要求6所述的压电能量收集装置，其特征在于，所述基座上还设有凹槽，所述质量块一端和所述安装部的一端均连接在所述凹槽的底部上。

8.如权利要求2-3任一项所述的压电能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁的宽度为0.4-0.6毫米，长度为4-6毫米，厚度为0.006-0.008毫米；所述压电层的宽度为0.4-0.6毫米，长度为4-6毫米，厚度为0.0024-0.0026毫米；一个所述质量块的宽度为2-4毫米，长度为1-3毫米，厚度为0.5-1.5毫米；另一个所述质量块的宽度为2-4毫米，长度为0.4-0.6毫米，厚度为0.5-1.5毫米。

9.如权利要求1-3任一项所述的压电能量收集装置，其特征在于，所述质量块的材料为镍或铜。

10.如权利要求1-3任一项所述的压电能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁的材料为硅，所述压电层的材料为锆钛酸铅。