CN102099940A - 产生电压的自主压电装置 - Google Patents

Abstract

一种产生电压的压电装置，包括振动簧片(1)，所述振动簧片(1)具有与固定支撑部(6)连接的部分和至少一个能够在机械脉冲(F)的作用下移动的自由端(8)，至少一个压电元件(10)被附加至所述簧片(1)的表面上，以便在由所述机械脉冲导致的所述簧片的振荡的作用下形变，从而产生电压。其特征在于，所述簧片(1)的总体结构为U形，具有由与所述支撑部连接的弯曲连接部分(4)接合的大致平坦的两个分支(2、3)。

Description

产生电压的自主压电装置

技术领域

本发明涉及利用通过压电元件进行的机械能到电能的转换的发电装置的领域。

本发明尤其涉及这种装置的一种新的机械结构，该结构尤其提供主要在效率和应用上的优势。

背景技术

一般而言，许多使用电气或电子组件的***在能量上需要自给，尤其是在它们不能连接或接通至外部能量源的情况下。尤其可举出这种***的如下例子：移动装置，以及安装在难以布设电力线缆、或者电力线缆的布设很复杂或过于昂贵的位置处的固定装置或设备。

因此，许多设备配备了提供电力的蓄电池或干电池。然而，这些蓄电池的续航时间有限，因此必须定期更换蓄电池。

已经提出了为某些设备配备允许通过转换设备附近的可利用能量来产生电能的装置的建议。可举出的例子包括转换光能的光电装置以及基于压电元件的装置，该基于压电元件的装置允许通过压电元件的变形将机械能转换成电压。

已经提出了多种通过压电效应来产生电能的装置。这样的装置通常包括振动簧片，振动簧片的一端固定到固定支撑部，另一自由端能够在施加给它的机械力的作用下移动。在从振动***上收集能量的情况下，这种力可能例如源于存在于簧片的端部的配重(masselotte)的运动，或者源于对簧片的端部局部施加力从而使其振荡的外部机械装置。这例如是文献DE102006025963中描述的装置的情况。

一个或多个压电元件被安装在簧片的一侧或两侧上，并因此在簧片振荡时经受形变。该形变因此导致在压电元件两端产生电压。随后整流该电压以对电容器类型的容性组件进行充电，从而为负载供电。例如在文献US2005/0280561、EP0725452、DE29614851U或者US7005778中描述了这样的装置。

所有这些结构的共同点在于它们的操作是基本笔直的、一端或两端固定的梁的形变的结果。这种设计有很多缺点。实际上，从能量的角度看，这些***的效率相对较差，属于至多百分之几的量级。术语“效率”表示提供(从压电组件提供)给位于下游的容性组件的电能与提供给***的机械能之比。

因此，这种较差的效率使得通常必须增加转换***以获得数量上令人满意的电能，从而使转换装置的整体尺寸及其成本增大。

振动梁***的另一缺点在于，由于在端部约束处产生的力矩和振动向支撑部中传播，与固定支撑部的连接点承受较大的机械应力。

因此，这些机械应力使得必须确保力学上牢固的、笨重的端部约束，这增加了***成本且影响其性能。

本发明的目的之一是获得一种既设计简单、又具有显著高于现有***的效率、并且成本合理的***。

发明内容

本发明由此涉及一种用于产生电压的压电装置。在一种已知的方式中，这种装置包括振动簧片，所述振动簧片具有与固定的支撑部连接的部分。该簧片具有至少一个能够在机械力的作用下移动的自由端。该簧片包括至少一个附加至所述簧片的面上的压电元件。在由外部装置施加至所述簧片上的机械脉冲所引起的所述簧片的振荡的作用下，该元件形变，从而产生电压。这些振荡也可以是***外部的振动的结果。

根据本发明，该装置的特征在于，所述簧片的总体结构为V形，并具有由弯曲连接部分接合的大致平坦的两个分支。所述连接部分使所述簧片与所述支撑部连接。

换言之，本发明在于使用如下的簧片：所述簧片不具有如现有技术的情况下的平坦的、基本笔直的几何形状；而是相反地具有弯曲或弯折的、或者U形或V形的结构。

在脉冲式工作的情况下，弯曲簧片的两个分支中的一个分支或这两个分支接受机械脉冲，从而导致簧片形变，且该形变传播至对置的分支(反之亦然)。两个分支之间的连接区域起固定点的作用，能量和运动量通过该固定点从一个分支传递至另一分支。在对称工作的优选情况下，利用近乎同时地施加至这两个分支的脉冲，减小了在固定点处的机械应力。

在两个分支长度相似的情况下，这些应力、尤其是力矩可近乎为零。然而，在某些情况下，根据期望得到的结果，分支可以具有不同的长度。

实际上，弯曲簧片可采用其中两个分支近乎平行从而形成“U”形的结构，或者至少这两个分支彼此形成小于60°的角以采用“V”形的结构。

根据本发明的装置对于在金属弹性簧片和附加在其上的压电元件之间形成的组合而言具有高机械品质因数(即高于100)。因此这样的机械阻尼特别小，从而施加脉冲后的机械阻尼所导致的能量耗散也较低。

因此，根据装置的几何形状，在大约零点几秒的足够长的时间段内通过压电元件来提取能量。

为了限制自然振荡的阻尼过大，寻求获得高机械品质因数，否则过大的阻尼会导致装置效率上的损失。这就是为什么一般而言必须优化压电元件的总体体积(压电元件的表面积和厚度的乘积)，并保持其相比于簧片的等效体积较小。

因此，通过调节压电元件在簧片上占据的表面积及其厚度来优化本发明。

因此，当压电元件基本上覆盖簧片的整个宽度时，在表面积方面产生较好的效果。在这种情况下，在簧片安装了压电元件的分支上，压电元件的长度占该分支的长度的10％到35％。实际上，与广泛存在的偏见相反，不必使压电材料覆盖簧片的整个长度，因为这会导致装置过大，并且与本发明的设计相比其品质因数较差。

关于压电元件的厚度，同样优选地偏好总体厚度小于接纳压电元件的簧片的压电元件，这同样与根据现有技术的装置相反，在现有技术中，相反地偏好厚度大的压电元件以便使产生的电荷数量增加，但这有损于品质因数并因此有损于收集的总体效率。

因此，当压电元件的厚度占支承该压电元件的分支的总体厚度(即，压电元件与簧片的组合的厚度)的25％到35％之间时，得到较好的效果。

换言之，压电元件的厚度约等于簧片厚度的30％到55％。

当然，这些尺度适用于厚度均匀的压电元件和簧片，或者适用于压电元件和簧片的平均厚度。

关于压电元件的位置，可以想到不同的变型。

因此，优选地且为了通过两个分支致动装置，每个分支都具有压电元件。在仅有一个分支接受机械脉冲的情况下，压电元件可被置于要接受该脉冲的分支上。一般而言，压电元件可被置于该分支的外表面或内表面上，且优选地置于分支上的接近弯曲连接部分的这一端。更确切而言，压电元件可被置于从弯曲连接部分延伸至与其距离等于该分支的长度的20％到50％(且优选为20％到35％)的位置的分支区域中。换言之，压电元件优选地被置于更接近于连接部分的这一半分支上。该优选的位置区域对于其中分支经受形变的脉冲式工作尤其有利。

在仅对一个分支施加脉冲来致动的另一变型中，压电元件可被置于对置的分支上，也就是不接受脉冲的那个分支上。在另一变型中，还可以在两个分支(即接受脉冲的分支和不接受脉冲的分支)上均具有压电元件。

还可以通过在振动簧片上放置位于两个分支上的多个压电元件来组合这些不同的变型。与在根据现有技术的***中观察到的小于3％的效率相比，这些组合使得能够获得极为有用的大于25％的效率。实际上，针对效率问题，其中一个或多个压电元件至少位于接受脉冲的簧片上的方案较为优选。

有利地，簧片的一个分支的长度与其厚度的比大于20，优选大于40，并且最好在75左右。

长度和厚度的这些尺寸是在这些尺寸都基本均匀的区域中测量的，并且其中减去了压电元件的厚度。

这种长度与厚度的比还有助于获得高品质因数，其使得本发明能够获得显著高于在类似装置中迄今为止观察到的效率的效率。

实际上，装置可以以不同方式安装在固定支撑部上，即通过粘合或者焊接，或者通过机械方法。因此，能够通过适当的机构来确保簧片被抓牢，该机构被支撑在一个或多个侧向开口中，这些开口形成在连接区域处的簧片中。还可以在簧片中心处沿横向或纵向方向设置一个或多个槽，以将与固定支撑部连接的器件约束在其中。还可以根据簧片的结构来组合各种侧向和/或中央的开口。优选地，安装可以借助于在连接部分处侧向伸出并形成在支撑部上的固定/端部约束的突出部来实现。在脉冲生成之后，在对称的情况下甚至在脉冲式工作期间，侧向定位允许限制约束点所经受的应力。

已经观察到，在装置由脉冲致动的情况下的良好的能量收集意味着在脉冲时传送的能量被存储在簧片中，从而尽可能地减少能量耗散、尤其是由机械现象导致的能量耗散。在根据本发明的装置的特征在于由于其品质因数高因此内部耗散低的情况下，主要的能量耗散方式在于到固定支撑部的能量传递。

这正是为什么簧片在固定支撑部上的安装方式对所获得的效率具有很大影响的原因。从实践的角度，有限考虑确保存储于簧片中的能量与固定支撑部之间的去耦的连接方案。这正是为什么寻求削弱导致接合处的形变并进而导致能量损失的应力传递方式的原因。

因此，两个分支之间的连接部分被尽可能地缩小并且可以被设计成用于经受对称的应力。在簧片的伸展阶段，装置必须能够存储在压缩阶段所积累的弹性机械势能。

实际上，压电元件可以由多种材料制成，特别是基于锆钛酸铅(PZT)的材料，但也可以是所有其它压电材料，尤其是比如铌镁酸铅和钛酸铅的合金(PNM-PT)等的单晶材料。为了使效率最佳化，选择几乎在簧片的整个宽度上延伸的压电元件，所述簧片由具有如下特性的材料制成：允许弹簧类型的应用的动态弹性强度特性，以及有助于产生振荡体系并有助于振动传播的维度特性。可举出的示例包括具有“弹性”类型的组分的钢(比如XC 75S钢)、或者具有大于1100MPa的断裂强度(R_m)的冷锻钢X10C RNi 188(T4)。还可以想到使用聚合材料，比如聚苯硫醚(PPS，polyphenylene sulphide)等。

附图说明

参照附图和随后对实施方式的说明，本发明的实施方式以及源自这些实施方式的优点将变得显而易见，在附图中：

-图1是根据本发明的按照第一变型实施的装置的透视简图；

-图2是图1中的装置的侧视图；

-图3和图4是两种实施变型的侧视图；以及

-图5是涉及固定到支撑部上的固定方式的一种实施变型的透视简图。

具体实施方式

图1中示出的根据本发明的装置一般而言采用弯曲成U或V字形的由刚性材料制成的簧片(1)的形式。更确切地，簧片(1)包括形成U字形的分支的、由弯曲连接部分(4)连接的两个大体平坦的部分(2、3)。弯曲连接部分(4)包括在制造簧片时通过切割和弯折而获得的两个突出部。这些突出部(5)包括支撑片(6)，支撑片(6)通过结合带(7)连接至簧片的其余部分，结合带(7)具有较小的横截面积以便控制在簧片与支撑部之间传递的能量的量。突出部(5)被例如约束在固定支撑部(18)中。

在图5所示的实施变型中，簧片(50)在其弯曲连接部分(54)处具有与簧片的缘成直角的两个切口(40、41)。

这些切口(40、41)容纳两个片(42)，这两个片(42)中的每一个被用力装配至切口中。两个片可以同时配合两个切口(40，41)地安装在一起以形成单个U形或叉形的部件。这些片(42)用于通过各种方式与固定支撑部连接。

有利地，片(42)由与簧片一样的、或者力学上非常接近簧片的材料的材料制成，以使得片的力学表现与簧片相同。

如图1所示，分支(2)具有端部(8)，端部(8)能够接受引起簧片形变，尤其在弯曲区(4)处形变的机械脉冲，并随后在力已被释放且至簧片要回到其初始位置时振荡。当然，可以实现其中两个分支(2、3)中的每一个均接受脉冲(优选为同时接受)的对称工作。

根据本发明，簧片(1)与至少一个压电元件连接，图1中示出了压电元件的形状，并且压电元件位于分支(2)的外表面上。例如使用环氧粘胶、通过传统的粘合方法来紧固该压电元件(10)。

实际上，可以根据所期望的应用和需要的功率来使用不同类型的压电材料。

例如，通过使用锆钛酸铅类的压电材料获得了良好的结果。更一般而言，可以使用具有高于0.3的耦合系数k₃₁和高于150的机械品质因数的多种压电材料。

实际上，可以对各个元件的尺寸和位置进行优化以便确保最大效率。因此，如图2所示，簧片的两个笔直分支(2、3)相互间形成的角α可以小于约45°，以便在机械脉冲被施加至分支(2)的端部(8)时使连接部分(4)处的力矩和倾斜最小。在最佳情形下，该角度可以近乎为零。在两个分支由幅度近似的脉冲几乎同时地致动的优选情况下，该力矩可以近乎为零。

压电元件(10)在簧片的第二分支(2)上的位置也对所获得的性能水平有影响。因此，已观察到，有利的是将压电元件(10)置于分支上的最接近弯曲连接区(4)的区域中。因此，该最佳位置区域从分支(2)与弯曲连接部分(4)的接合处(15)起，直至与第一点(15)的距离等于分支(2)的长度L₂的10％到50％的位置处的第二点(16)处。因此，压电元件的(10)的长度L_p占分支(2)的长度L₂的10％到50％。

弯曲连接区(4)的弯曲半径(R)要尽可能小。实际上，特别是取决于簧片的厚度(e)，弯曲半径(R)约为零点几毫米到几毫米的量级，其中簧片的厚度(e)自身根据压电材料元件(10)的厚度来选择。

如果希望使***的机械品质系数(Q_m)最优化，可以将分支(3)的长度L₁选择得与第二分支(2)的长度L₂大致一样。然而，使用长度不同的第一分支(3)可能对压电元件(10)发送的信号的谐波的幅度产生影响，并进而对装置的效率产生影响。

实际上，可以通过串联或并联多个单独的压电元件来实现压电元件(10)。

如上所述，一个或多个压电元件可以安装在簧片上的不同位置，尤其是安装在如图3所示的一个分支(3)上。因此，一个或多个压电元件(23、24)可被粘接在分支(3)的外表面上，如元件(23)一样直接接近弯曲连接区(4)，或者如元件(24)一样更接近端部。这些元件中的每一个的长度及其精确位置取决于簧片的整体几何形状及其振动模式，以使其能量效率最佳化。

使用图4中示出的优选结构获得了良好的结果，在该结构中，压电元件被同时置于簧片的两个分支上，并由施加在这两个分支上的脉冲同时地且对称地致动。第一压电元件(10)被置于簧片(2)上，而第二元件(23)被对称地置于第一簧片(3)的外表面上，所放置的位置均接近弯曲区(4)。更确切地，下面对特定实施例的说明中给出的尺寸数字的详情仅是为了展现本发明在效率方面的优点。因此，所选择的弹性簧片基于X 10C R Ni 18 8的不锈钢类型的弹簧钢，并具有0.8mm的厚度(e)和20mm的宽度。第二分支(2)的长度L₂为100mm。弯曲区(4)的中心轴线半径为3mm。分支(3)具有103mm的长度，并且整体上通过手动支撑部紧固在弯曲连接部分处。所使用的压电元件被置于它们的对应分支上的接近弯曲区(4)的端部处。所使用的压电元件为PZT陶瓷类型。这些元件被成对使用，并且每一个元件都具有20mm的长度、0.3mm的厚度以及对应于簧片的宽度的10mm的宽度。这些元件的极化方向平行于其厚度方向。能够计算装置的效率，即在压电元件的输出端收集的电能(经过了整流并存储在电容器中)除以所提供给***的机械能所获得的比值。更确切地，所提供给***的机械能对应于为了引起位移行程(f)而施加在自由分支的端部(8)上的幅度为(F)的力。在采用6mm的行程的试验中，所测量到的机械能为5.04mJ。压电元件所提供的电能在经过标准二极管桥的整流后存储在由4.7μF电容器形成的电容中。所测量到的电压约为25伏特，从而相应的效率约为29％。尤其为了避免电压过高，可以根据装置的电气约束来选择其它的电容值。

当然，该例子仅作为示例给出，并且在任何情况下都不限定本发明的范围；相反，在遵守了上述的本发明的原理的情况下，本发明可与该示例有相当大的偏离。

这种装置具有许多优点，可举例如下：

-对于数量有限的压电材料，机电耦合k却大于现有技术；

-在收集脉冲式能量时，在设计时确定的机械品质因数例如大于约100；

-使用通用类型的、可以更少量使用的压电材料，从而相应地降低了成本；

-使用通常使用的材料来制造振动簧片；

-简单、却能制造可靠性良好的装置的制造方法；

-与现有***相比非常好的效率；

-估计超过数十年的使用寿命；

-环保且耐用的收集***；

-在端部约束处的能量传递被最小化。

工业应用

这种装置可以被广泛用作替代蓄电池、干电池的电源，用于无线传感器网络的应用，或者用于任何需要使用寿命长的自主能量源的应用。

可举出的典型应用包括石油化工或药品类型的加工的工业中的物理参数测量仪器。还可举出的特定应用包括尤其在水或气体的分配电路中的温度、压力或流速传感器。其它应用涉及电开关类型的电气器件、无绳门铃或断开检测装置。本发明的小型化的版本还可被用于给微机电***(MEMS)供电。

Claims (13)

1.一种产生电压的压电装置，包括振动簧片(1)，所述振动簧片(1)具有与固定支撑部(18)连接的部分和至少一个能够在机械脉冲(F)的作用下移动的自由端(8)，至少一个压电元件(10)被附加至所述簧片(1)的表面上，以便在由所述机械脉冲导致的所述簧片的振荡的作用下形变，从而产生电压，其特征在于，所述簧片(1)的总体结构为V形，具有由与所述支撑部连接的弯曲连接部分(4)接合的大致平坦的两个分支(2、3)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个分支基本平行。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个分支(2、3)相互间形成小于60°的角。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电元件(10)被置于所述分支(2、3)中的一个分支和/或另一分支的内表面和/或外表面上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述压电元件(10)被置于所述一个分支和/或另一分支上的从所述弯曲连接部分延伸至与其距离等于该分支的长度的10％到50％、优选为20％到35％的位置的区域中。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于包括被置于所述一个分支和/或另一分支上的多个压电元件(10、23、24)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电元件(10)近乎在所述簧片(1)的整个宽度上延伸。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个分支(2、3)具有基本相同的长度(L₁、L₂)。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电元件在安装它的分支上占据该分支表面积的10％到35％。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电元件的厚度是所述簧片的厚度的30％到55％。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分支之一的长度与其厚度之间的比大于20、优选大于40、并且最好在75左右。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接部分包括侧向伸出并形成所述固定支撑部(18)上的固定点的突出部(5)。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接部分包括一个或多个侧向和/或中央的开口(40、41)，所述侧向和/或中央开口(40、41)能够接纳与所述固定支撑部连接的固定部件(42)。

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