[实用新型]自维持钹式压电发电装置

说明书

技术领域

本发明设计电子技术与压电材料能量转化与收集技术领域，尤其涉及一种高承载的、能有效收集低频振动能量和冲击能量的自维持钹式压电发电装置。

背景技术

无线传感器是传感器网络的基本组成部分，由于其体积微小，自身携带的电池能量有限，而且无线传感器具有数量多、分布区域广、部署环境复杂等特点，很难通过更换电池的方式获取能量。可见，传统供电方式已经逐渐成为制约无线传感器网络技术发展的一个重要因素，新型供电技术研究势在必行。

由于无线传感器在工作环境中主要存在的是低频振动、非连续冲击能等机械能量，而压电材料能够利用本身的正压电效应直接将机械能转换为电能，所以可以将压电材料设计成压电发电装置为无线传感器供电。同时，压电发电装置具有激活速度快、环境适应性强、长期储存性能好、结构简单、易实现小型化、成本低廉等特点，可见，压电发电装置非常适合作为专用物理电源使用。近年来，压电发电技术由于其自身的优点，在嵌入式MEMS、收集环境能等方面呈现出广阔的应用潜力。而随着材料技术发展尤其是压电材料压电系数的大幅提升，以及微功耗电子元器件的广泛应用，使得压电发电装置的设计与研制逐渐成为一个热点研究方向。

然而，现有压电发电装置仍然普遍存在发电量小、供电时间短等缺点，导致难以真正实现其持续供电的能力。分析主要原因是由于其发电单元压电换能器的机电转换效率是有限的，且现有压电发电装置的发电方式是通过外部机械载荷一次性作用于压电换能器以使其产生电能，外部载荷的瞬时性增加了压电换能器机电转换及电能收集管理的难度，从而进一步降低了压电发电装置的机电转换能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自维持钹式压电发电装置，该装置能够实现持续供电的需求。

为了实现上述技术问题，本发明包括密闭外壳，所述外壳内腔两端分别设置有第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆，所述第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆的电极分别与设置在外壳上的输出电极连接，所述第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆之间还设置有机械能量收集与传递装置，所述机械能量收集与传递装置能够将收集到的机械能量传递给第一钹式压电叠堆与第二钹式压电叠堆。

优选地，所述机械能量收集与传递装置包括设置在第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆之间的弹簧，所述弹簧的两端分别与第一钹式压电叠堆和第二钹式压电叠堆固定连接，所述弹簧与外壳内壁之间间隙配合，所述弹簧还与质量块固定连接，构成弹簧-质量块组件。

进一步，所述质量块的侧面周向设置有凸台，所述弹簧包括第一单元弹簧和第二单元弹簧，所述第一单元弹簧和第二单元弹簧一端分别与凸台的两个端面固定连接。

进一步，所述外壳内壁的中部周向设置有凹槽，所述凸台位于凹槽内，所述凹槽的开口宽度大于2倍凸台厚度。

本发明在传统压电换能器的基础上增加了以弹簧-质量块组件为核心的机械能量收集与传递机构，它可以将工作环境中存在的外部机械载荷转换为弹簧-质量块组件的自维持振动能量形式，从而延长了机械载荷的持续效果并相应延长了压电换能器维持机电转换的时间，提高了外部机械能量的收集效率。同时设计了钹式压电叠堆结构以进一步提高发电单元的机电转换效率，最终在很大程度上延长了压电发电装置的供电时间。

附图说明

图1是自维持钹式压电发电装置结构图；

图2是弹簧-质量块组件结构图；

图3是钹式压电阵列结构示意图；

图4是并联钹式压电叠堆结构示意图；

图5是单层钹式压电元件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明，所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和思想的前提下，还可对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围。