专利名称：蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置的制作方法
技术领域：
本发明属于能源和电子技术领域，特别涉及一种蒲公英状多方向、宽频带压电 振动能量收集装置。
背景技术：
环境污染和能源短缺是当今世界各国面临的一大难题，由此造成的环境恶化和 能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。迫于此压力，各国科技工作者开始了寻找 和开发新能源的探索。振动作为人们日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量 密度，其潜在的能量价值已引起越来越多的科技研究者的关注和思考。压电材料作为一 种智能材料，具有正压电效应和逆压电效应，利用其正压电效应可以将机械能转化为电 能，而利用其逆压电效应可以将电能转化为机械能，于是人们想到了利用其正压电效应 来实现其发电这一思路。利用压电材料采集环境振动能量这一技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组 成压电振动能量收集装置的各元器件的寿命，没有额外消耗能源，清洁环保，是一种典 型的“绿色”技术。基于此，目前，出现了各种样式的压电振动能量收集装置，如悬臂 梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等，纵观压电振动能量收集技术的发展现状，上述压 电振动能量收集装置收集的振动能量主要是单方向的，其使用场合对环境振动方向的选 择性很强，在存在各种方向随机振动的情况下，上述能量收集装置收集的能量将非常有 限。很强的方向选择性带来的另一问题是，在安装压电振动能量收集装置时，必须事先 预知环境的振动方向，这有时候需要专业技术人员才能完成，即是在安装时考虑到主要 的环境振动方向，一旦环境发生变化，该压电振动能量收集装置的性能将大幅下降，限 制了其大众化的推广使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种蒲 公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其可弥补现有压电振动能量收集技术中 压电振动能量收集装置只能敏感某个固定方向振动、收集环境振动的频带窄、能量收集 效率低等缺陷，无论振动方向如何改变或者在存在多方向、多频率振动的情况下，都能 够较高效率地收集到振动能量。本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是
一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，包括多面球状支撑体、振动 基座和至少两个悬臂梁，振动基座固定于多面球状支撑体的表面，各悬臂梁沿不同方向 固定于多面球状支撑体的表面；所述悬臂梁包括弹性金属导电薄片、上层压电陶瓷片、 下层压电陶瓷片和质量块，弹性金属导电薄片的固定端固定于多面球状支撑体的表面， 而质量块设于弹性金属导电薄片的自由端，上层压电陶瓷片和下层压电陶瓷片分别同向 贴附于弹性金属导电薄片的上表面和下表面。
上述多面球状支撑体的表面开设螺纹孔，振动基座固定于该螺纹孔中。上述多面球状支撑体的表面沿不同方向设置凹形槽，各悬臂梁分别固定于凹形 槽中。上述各悬臂梁的质量块的质量为相同或不同。上述弹性金属导电薄片为矩形、梯形或阶梯形形状。上述上、下层压电陶瓷片为矩形或梯形形状，且沿厚度方向极化。采用上述方案后，本发明通过设置多面球状支撑体，并在多个方向分别设置悬 臂梁，增强在使用过程中的适应性，在不知道环境振动方向和振动频率的情况下，也可 以安装使用，环境振动方向的变化对其影响很小；另外，还可将各悬臂梁的固有频率设 置为不同，从而具有不同的谐振频率点，在一定宽度的频带范围内都可以较高效率地收 集振动能量。
图1是本发明中悬臂梁的结构示意图； 图2是本发明的整体俯视图3是本发明的剖视图。
具体实施例方式结合图2和图3所示，本发明提供一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量 收集装置，包括多面球状支撑体1、振动基座2和至少两个悬臂梁3，下面分别介绍。多面球状支撑体1的一个表面开设有螺纹孔11，而其表面还沿不同方向设有至 少两个凹形槽12，在本实施例中选用二十六面体，其在一个表面开设螺纹孔，而其余25 个表面上各设有一个凹形槽。振动基座2与多面球状支撑体1固定，具体而言是固定于其螺纹孔11中，所述 的振动基座2用以固定在振动体上，从而将本发明固定在振动环境中。悬臂梁3的数目可根据实际情况进行选择，如在本实施例中选用25个，分别固 定于多面球状支撑体1各表面的凹形槽12中，配合图1所示，本实施例中的悬臂梁3包 括弹性金属导电薄片31、上层压电陶瓷片32、下层压电陶瓷片33和质量块34，其中，弹 性金属导电薄片31可为矩形、梯形或阶梯形形状，且不同方向上的形状、尺寸可以为相 同或不同，其固定端固定于凹形槽12中；上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33分别 同向贴附于弹性金属导电薄片31的上表面和下表面，用以借助正压电效应将机械能转化 为电能，所述的上、下层压电陶瓷片32、33可为矩形或梯形形状，且沿厚度方向极化， 且不同悬臂梁3上的压电陶瓷片的形状可以为相同或不同；质量块34设于弹性金属导电 薄片31的自由端，用以降低悬臂梁3整体振动的固有频率，需要说明的是，悬臂梁3振 动的固有频率与外界环境无关，仅取决于弹性金属导电薄片31的尺寸大小以及质量块34 的质量；在本实施例中，各质量块34的质量可各不相同，以获得不同的谐振频率。本实施例在工作时，将装置置于某一具有多个频率、多个方向的复杂振动环境 中，并借助振动基座2加以固定；环境中的振动将诱发装置中的η个悬臂梁产生不同方 向、不同频率的谐振，弹性金属导电薄片31将产生交替变化的弯曲变形，从而使得粘贴在弹性金属导电薄片31上的上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33产生交替变化的弯 曲变形，根据压电材料的正压电效应，在上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33的正、 负电极面上产生正、负相反的电荷，即实现了由机械能到电能的转换；另外，由于粘贴 时上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33的极化方向相反，因而在上层压电陶瓷片32 的上电极面和下层压电陶瓷片33的下电极面将产生相同符号的电荷。由于本实施例的各 个悬臂梁3布置在沿多面球状支撑体1表面的不同方向和位置，因而不同方向的振动均能 够被感知。又由于各悬臂梁3上的质量块34有不同的质量，故每个悬臂梁3有不同的谐 振频率，从而实现不同频率外界振动能量的收集。由此可见，本发明实现了多方向、宽 频带的压电振动能量收集。需要说明的是，本发明可广泛应用于野外通讯与传感网络设备、环境与气候变 化的监测控制、建筑物(如桥梁、楼房等)和大型机械(如飞行器、轮船等)的结构健 康监测等需要能源自给的领域，其中的多个悬臂梁结构可用微细加工技术，如表面微加 工技术和体微加工技术加工制作，以实现与微机电系统的集成；同时也可以采用传统加 工工艺方法，如切割、焊接等，制成大尺寸结构，以增大发电量。综上所述，本发明提出的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，能 感知任意方向的环境振动，工作频带宽，可以吸收环境中的不同方向、多个频率的机械 振动分量，发电量较单一悬臂梁结构明显增大，有效拓宽了该压电振动能量收集装置的 使用范围，增强了其实用性。以上仅为本发明例示，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出 的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在于包括多面球 状支撑体、振动基座和至少两个悬臂梁，振动基座固定于多面球状支撑体的表面，各悬 臂梁沿不同方向固定于多面球状支撑体的表面；所述悬臂梁包括弹性金属导电薄片、上 层压电陶瓷片、下层压电陶瓷片和质量块，弹性金属导电薄片的固定端固定于多面球状 支撑体的表面，而质量块设于弹性金属导电薄片的自由端，上层压电陶瓷片和下层压电 陶瓷片分别同向贴附于弹性金属导电薄片的上表面和下表面。
2.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在 于所述多面球状支撑体的表面开设螺纹孔，振动基座固定于该螺纹孔中。
3.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在 于所述多面球状支撑体的表面沿不同方向设置凹形槽，各悬臂梁分别固定于凹形槽 中。
4.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在 于所述各悬臂梁的质量块的质量为相同或不同。
5.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在 于所述弹性金属导电薄片为矩形、梯形或阶梯形形状。
6.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在 于所述上、下层压电陶瓷片为矩形或梯形形状，且沿厚度方向极化。
全文摘要
本发明公开一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，包括多面球状支撑体、振动基座和至少两个悬臂梁，振动基座固定于多面球状支撑体的表面，各悬臂梁沿不同方向固定于多面球状支撑体的表面；所述悬臂梁包括弹性金属导电薄片、上层压电陶瓷片、下层压电陶瓷片和质量块，弹性金属导电薄片的固定端固定于多面球状支撑体的表面，而质量块设于弹性金属导电薄片的自由端，上层压电陶瓷片和下层压电陶瓷片分别同向贴附于弹性金属导电薄片的上表面和下表面。此装置无论振动方向如何改变或者在存在多方向、多频率振动的情况下，都能够较高效率地收集到振动能量。
文档编号H02N2/18GK102013837SQ20101060135
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者刘祥建, 朱莉娅, 焦丽娟, 陈仁文 申请人:南京航空航天大学