震動發電裝置及其製造方法
2023-07-15 14:41:41
專利名稱：震動發電裝置及其製造方法
技術領域：
本發明屬於微能源技術領域，具體涉及一種發電效率高的震動發電裝置。
背景技術：
微納機電系統(MEMS、NEMS)技術的快速發展與應用，帶動了無線傳感網絡技術的發展，並在工業、航天、通訊、商業、消費及軍事領域逐步實現了商業化應用，但仍然面臨一個十分嚴重的問題，即如何保障這些無線傳感單元及移動通訊設備的電能供給。傳統工業較為流行的做法是使用電池，由於構成無線傳感網絡及移動通訊設備的單元器件數量龐大，體積微小，位置分散，這就要求其供電器件具有體積小、效能高、易集成、無人值守及不需更換等特點。所以，採用傳統電池已經不能滿足無線傳感網絡及移動通訊設備的發展要求。因此需要一種可為微納系統提供長期可靠的自供電能的微型發電裝置，通過吸收環境中的機械能(如震動、風能、氣流能等)和/或熱能、太陽能、靜電能等，從而在其相應的系統中產生電力輸出，而現有的微型發電裝置一般包括壓電震動發電裝置、磁電震動發電裝置或靜電震動發電裝置，然而這類發電裝置中往往將震動介質裝在懸臂梁上，這樣，往往由於懸臂彎曲產生的位移小，使得發電效應有限，且懸臂梁尺寸受限也使得震動介質，尤其使得壓電震動發電中的壓電片大小受限，影響發電效率。因此，急需一種發電效率高的微型發電裝置。
發明內容
本發明的目的是提供一種震動發電裝置，該震動發電裝置可採用不同或者多種方式發電，且發電效率高。本發明的另一目的是提供一種震動發電裝置的製造方法，該震動發電裝置的製造方法可製造出可採用不同或者多種方式發電，且發電效率高的震動發電裝置。為了實現上述目的，本發明提供的震動發電裝置包括支架、彈性板、導電焊針和發電部件，所述支架具有具有腔體，且該腔體的一端具有開口 ；所述彈性板安裝於所述腔體的開口處並使所述腔體支撐所述彈性板的周沿，且所述彈性板的中心安裝有一質量塊，受到震動時所述彈性板和所述質量塊沿垂直所述彈性板的方向運動，所述腔體為所述彈性板和質量塊提供運動空間；所述導電焊針至少有兩根且安裝於所述支架上；所述發電部件包括壓電部件、磁電部件、靜電部件和駐極體部件中的一個、兩個或兩個以上的組合；其中，所述壓電部件包括設於所述彈性板上的壓電片，所述壓電片與所述導電焊針電性連接以輸出電能；所述磁電部件包括設於所述腔體上的至少一組繞組線圈和所述質量塊，所述質量塊為磁鐵，所述繞組線圈與所述導電焊針電性連接以輸出電能；所述靜電部件包括設於所述腔體內且環繞所述質量塊的第一導電膜和設於所述腔體內且以一定間距環繞所述第一導電膜的第二導電膜，所述第二導電膜與所述導電焊針電性連接以輸出電能；所述駐極體部件包括設於所述腔體內且環繞所述質量塊的第一極化膜和設於所述腔體內且以一定間距環繞所述第一極化膜的第二極化膜，所述第二極化膜與所述導電焊針電性連接以輸出電能。與現有技術相比，一方面，對於無線傳感單元及器件、可攜式設備、植入或分布式系統等許多不能或不便於採用有線供電或無法實現電池充電或燃料更換的電子系統，本發明所述震動發電裝置可通過自供電模式，解決了其能源供給問題，符合無線傳感網絡技術發展的要求。另一方面，本發明所述震動發電裝置的發電部件可包括壓電部件、磁電部件、靜電部件和駐極體部件中的一個、兩個或兩個以上的組合，因此本發明可將這些相對獨立的輸出電力集成在一起對外供電，通過吸收環境中的機械能(如震動、風能、氣流能等)、靜電能等產生電力輸出，為微納系統提供長期可靠的自供電能，延長了器件的使用壽命，大大提高了發電效率，降低了成本，同時也使得該裝置具有微小型化、重量輕的特點，並具有經濟、安全、環保的特點。再一方面，所述彈性板的邊沿支撐於所述支架的腔體上，受到震動或者運動時所述彈性板和所述質量塊沿其垂直方向運動(軸向運動)，發電效果好，而且在壓電發電中，可有效增加壓電片的面積，發電效率高。較佳地，所述腔體呈空心柱狀。 較佳地，所述震動發電裝置還包括安裝於所述腔體內部的阻力系統，所述阻力系統在所述彈性板來回彎曲時對所述彈性板提供阻力，即所述阻力系統在所述彈性板向下彎曲時對所述彈性板提供向上的推力，在所述彈性板向上彎曲時對所述彈性板提供向下的拉力。這樣，受到震動時彈性板帶動質量塊沿垂直彈性板的方向上下震動，當彈性板向下彎曲到下極限位置時，所述阻力系統對所述彈性板提供向上的推力，防止過分位移而損壞彈性板和壓電片，反之，當彈性板向上彎曲到上極限位置時，所述阻力系統對所述彈性板提供向下的拉力以形成一諧振腔，該簡諧振動使得所述質量塊帶動所述彈性板及壓電片往復震動，從而不斷向系統供電。具體地，所述支架的腔體下端安裝有底座，所述阻力系統包括所述質量塊，該質量塊為第一磁鐵塊，所述阻力系統還包括安裝於所述底座上的第二磁鐵塊，且所述第一磁鐵塊與所述第二磁鐵塊相對面極性相同。受到震動時彈性板帶動質量塊沿垂直彈性板的方向上下震動，當彈性板向下彎曲到下極限位置時，所述第一磁鐵塊和第二磁鐵塊之間的斥力對所述彈性板提供向上的推力，防止過分位移而損壞彈性板和壓電片，反之，當彈性板向上彎曲到上極限位置時，所述第一磁鐵塊靠自身重力對所述彈性板提供向下的拉力以形成一諧振腔，該簡諧振動使得所述第一磁鐵塊帶動所述彈性板及壓電片往復震動，從而不斷向系統供電。更具體地,所述底座上安裝有增加支架起動勢能的起振彈簧，當震動發生時，起振彈簧增加了支架及震動發電裝置的起動勢能。若發電部件包括壓電部件，震動發生時安置在彈性板上的第一磁鐵塊帶動彈性板沿其垂直方向振動，從而帶動壓電片產生形變，壓電片即向外輸出電能。若發電部件包括磁電部件，震動發生時第一磁鐵塊在腔體中沿彈性板垂直方向上下震動，支架上安置有繞組線圈，根據電磁感應定律，第一磁鐵塊的運動使得線圈也產生感生電流並向外輸出，同時，底座上的起振彈簧推動支架及繞組線圈相對磁性振子(由第一磁鐵塊和第二磁鐵塊組成)反向運動，也增加了其輸出電壓。較佳地，所述繞組線圈包括串聯或並聯在一起的第一線圈和第二線圈，且所述第一線圈與所述第二線圈上的繞線方向相反，第一磁鐵塊在腔體中沿彈性板垂直方向上下振動，使得第一線圈產生感生電流並輸出，該感生電流也使得第一線圈中的磁通量發生變化，而位於第一磁鐵塊較遠端且與第一線圈鄰近的第二線圈也感應該變化的磁通量，從而在自身也產生感生電流並輸出，因此,進一步增加磁電發電的輸出電壓。較佳地，所述繞組線圈包括串聯或並聯在一起的第一線圈和第二線圈，且所述第一線圈與所述第二線圈的繞線方向相同，與上一方案相同，該方案進一步增加了磁電發電的輸出電壓。較佳地，所述彈性板由彈性材料製成，當所述震動發電裝置受到機械運動或震動時，所述彈性板隨之震動或共振。較佳地，所述彈性板呈薄片狀，具有中心活動區、環繞所述中心活動區的至少一個彈性臂以及環繞所述彈性臂的外沿支撐部，所述中心活動區、彈性臂及外沿支撐部之間均有一定的間隙，所述間隙中均分布有支撐橋以連接相鄰的中心活動區、彈性臂及外沿支撐部，所述彈性板的外沿支撐部安裝於所述支架上。具體地，所述彈性臂有若干個，相鄰的彈性臂之間均有一定的間隙，所述間隙中均分布有支撐橋以連接相鄰的彈性臂。具體地，相鄰間隙中的支撐橋沿所述中心活動區交錯分布。具體地，所述壓電片與所述彈性板形狀相對應，且所述壓電片的內沿位於所述彈性板的中心活動區，所述壓電片的外沿位於所述彈性板的外沿支撐部。較佳地，所述支架的外表面設有一焊針定位座，所述焊針定位座具有至少兩個定位孔，所述導電焊針對應安裝於所述定位孔內，便於導電焊針的安裝。 較佳地，所述壓電片的外側還包裹有至少一個基體。較佳地，所述壓電片具有至少兩個導電層和夾於兩個導電層之間的壓電層。具體地，所述壓電片中間包括一個通孔，所述通孔貫穿所述壓電片的兩個壓電層。所述通孔可以吸收應力，防止所述壓電片在震動過程中破裂。具體地，所述壓電片的壓電層部分沉積在所述壓電片的周沿而在其中心形成一個空隙。具體地，所述壓電片的壓電層沉積在所述壓電片的整個表面而其至少一個電極層部分沉積在所述壓電片的周沿使得其中間位置形成一個空隙。較佳地，所述壓電片粘接在所述彈性板的表面。較佳地，所述壓電片沉積在所述彈性板的表面。較佳地，所述壓電片為有鉛壓電陶瓷鋯鈦酸鉛(PZT)壓電片、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-Pt)壓電片、無鉛壓電陶瓷鈦酸鋇(BT)無鉛壓電陶瓷或者鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷鈮鎳酸鉀(KNN)壓電片。較佳地，所述壓電片為單層PZT壓電片或多層PZT壓電片。較佳地，所述壓電片為整體結構PZT壓電片或由多片徑向分布的條狀PZT壓電片連接而成。較佳地，所述壓電片厚度為I到100微米。較佳地，所述發電部件包括靜電部件和駐極體部件，且所述第二導電膜和所述第
一極化膜共用為一導電層。較佳地，所述發電部件包括靜電部件和駐極體部件，且所述第一導電膜和所述第
二極化膜共用為一導電層。
其中，所述彈性板由金屬材料如不鏽鋼，非金屬材料如塑料，金屬氧化物如氧化鋁，非金屬氧化物如二氧化矽，陶瓷材料或複合材料構成。本發明提供的震動發電裝置的製造方法，用於製造所述震動發電裝置，包括如下步驟提供一彈性板，在所述彈性板的中心安裝一質量塊；提供一支架，所述支架具有腔體，且該腔體一端具有開口，將所述彈性板安裝於所述腔體的開口處並使所述腔體支撐所述彈性板的周沿；及在所述支架上安裝至少兩個導電焊針； 所述震動發電裝置的製造方法還包括以下步驟中的任一個、兩個或兩個以上的組合步驟A :在所述彈性板上設置壓電片，並將所述壓電片與導電焊針電性連接；步驟B:在所述腔體上設置至少一組繞組線圈，所述質量塊為磁鐵，將繞組線圈與導電焊針電性連接；步驟C :在所述腔體內設置環繞所述質量塊的第一導電膜，在所述腔體內設置以一定間距環繞所述第一導電膜的第二導電膜，將所述第二導電膜與所述導電焊針電性連接;步驟D :在所述腔體內設置環繞所述質量塊的第一極化膜，在所述腔體內設置以一定間距環繞所述第一極化膜的第二極化膜，將所述第二極化膜與所述導電焊針電性連接。較佳地，所述震動發電裝置的製造方法還包括步驟在所述腔體內部安裝一阻力系統，所述阻力系統在所述彈性板來回彎曲時對所述彈性板提供阻力。具體地，所述質量塊為第一磁鐵塊，所述在所述腔體內部安裝一阻力系統的步驟包括在所述腔體下端安裝一底座，提供第二磁鐵塊，將所述第二磁鐵塊安裝於所述底座上，且使所述第一磁鐵塊與所述第二磁鐵塊相對面極性相同。較佳地，所述步驟D包括形成第一極化膜和第二極化膜的步驟，具體為在所述質量塊外、腔體內設置兩層相對的特氟隆膜，在兩特氟隆膜相對的一面上分別鍍上一層導電膜，將鍍有導電膜的特氟隆膜經過高壓電場駐極後形成第一極化膜和第二極化膜。
圖I是本發明所述壓電震動發電裝置的立體圖。圖2是本發明第一實施例中所述壓電震動發電裝置的立體分解圖。圖3是本發明第二實施例中所述壓電震動發電裝置的立體分解圖。圖4是本發明第三實施例中所述壓電震動發電裝置的立體分解圖。圖5是本發明第四實施例中所述壓電震動發電裝置的立體分解圖。圖6是本發明第五實施例中所述壓電震動發電裝置的立體分解圖。圖7是本發明第六實施例中所述壓電震動發電裝置的立體分解圖。圖8是本發明第七實施例中所述壓電震動發電裝置的剖視圖。圖9是本發明第八實施例中所述壓電震動發電裝置的剖視圖。圖10是本發明第九實施例中所述壓電震動發電裝置部分示意圖。
圖11是本發明第十實施例中所述壓電震動發電裝置部分示意圖。圖12是本發明所述壓電震動發電裝置的彈性板的立體圖。
具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合實施方式並配合附圖詳予說明。參考圖I和圖2，展示了本發明震動發電裝置的第一實施例。該震動發電裝置100包括支架11、彈性板12、導電焊針13、發電部件和阻力系統，所述支架11具有腔體111，且該腔體111的一端具有開口 ；所述彈性板12安裝於所述腔體111的開口處並使所述腔體111支撐所述彈性板12的周沿，且所述彈性板12的中心安裝有一質量塊151，震動時所述質量塊151帶動所述彈性板12沿垂直於彈性板12的方向運動；所述導電焊針13有兩根且
安裝於所述支架11上；所述阻力系統安裝在所述支架11內，並連接所述彈性板12，在所述彈性板12來回彎曲時對所述彈性板12提供阻力。所述發電部件包括壓電部件14，所述壓電部件14包括設於所述彈性板12上的壓電片41，所述壓電片41與所述導電焊針13電性連接以輸出電能。當本發明震動發電裝置100被安置在移動電子產品或終端上時，隨著移動電子產品或終端的移動，所述壓電震動發電裝置100的彈性板12會發生共振因而帶動壓電片41產生形變，壓電片41的形變會使其產生一壓電輸出，這樣，由於彈性板12及壓電片41的反覆震動，就能源源不斷產生輸出電壓，從而向移動電子產品或終端提供電能或向其電池反覆充電。參考圖I和圖2，所述腔體111呈空心柱狀。參考圖2，所述支架11下端安裝有底座113，所述阻力系統包括質量塊151和第二磁鐵塊152,質量塊為第一磁鐵塊151,且第一磁鐵塊151與所述第二磁鐵塊152相對面極性相同。當彈性板12震動時，彈性板12在第一磁鐵塊151的重力作用下向下彎曲到下極限位置時，磁場斥力會推動第一磁鐵塊151向上運動，防止過分位移而損壞彈性板12和壓電片41，反之，當彈性板12向上彎曲到上極限位置時，所述彈性板12會在第一磁鐵塊151的重力作用下阻止其繼續向上運動，以形成一簡諧振動從而使得所述彈性板12往復震動，由於該簡諧振動使得所述質量塊151帶動所述彈性板12及壓電片51往復震動，從而不斷向系統供電。當然，所述阻力系統也可以直接由拉伸彈簧構成。續請參考圖I和圖2，所述支架11的外壁設有一焊針定位座112，所述焊針定位座112內設有兩個定位孔，所述導電焊針14對應安裝於所述定位孔內。所述壓電片41與所述導電焊針13電性連接以輸出電能。參考圖2和圖11，所述彈性板12呈薄片狀，具有中心活動區121、環繞所述中心活動區121的彈性臂122以及環繞所述彈性臂122的外沿支撐部123，所述中心活動區121、彈性臂122及外沿支撐部124之間均有一定的間隙125，所述間隙125中均分布有支撐橋124以連接相鄰的中心活動區121、彈性臂12及外沿支撐部123。繼續參考圖2和圖11，彈性板12的彈性臂122有四個，相鄰的彈性臂122之間均有一定的間隙125，所述間隙125中均分布有支撐橋124以連接相鄰的彈性臂122。每個間隙125中的支撐橋124有兩個。同一間隙125中的支撐橋沿所述中心活動區121均勻分布，相鄰間隙125中125的支撐橋124沿所述中心活動區121交錯分布。當然，所述彈性臂122也可以是一個、兩個、三個或其他數目，支撐橋124也可以依據實際要求增減。該彈性板12的這種結構使其在收到外力時會沿其垂直方向震動，從而帶動其上的壓電片41沿其垂直方向震動，保持有效形變和震動，機械能轉換效率高，提高發電效率。再者，本發明所述彈性板12結構簡單，體積小、厚度薄、效能高且成本低。參考圖2,所述壓電片41設於所述彈性板12的表面,並具有至少兩個導電層(圖未示)、夾於兩個導電層之間的壓電層(圖未示)。繼續參考圖2，所述壓電片41與所述彈性板12形狀相對應，且所述壓電片41的內沿位於所述彈性板12的中心活動區121，所述壓電片41的外沿位於所述彈性板12的外沿支撐部123。所述壓電片41中間包括一個通孔42，所述通孔42貫穿所述壓電片41的最上面和最下面的導電層，所述通孔42可以吸收應力，防止所述壓電片41在震動過程中破裂。較佳者，所述彈性板12由彈性材料製成，當所述震動發電裝置100受到機械運動或震動時，所述彈性板12隨之震動或共振。較佳者，所述彈性板12由金屬材料如不鏽鋼，非金屬材料如塑料，金屬氧化物如氧化鋁及非金屬氧化物如二氧化矽或陶瓷材料構成，彈性板12的材質並不限於申請文件中所列的材料。較佳者，所述壓電片41的外側還包裹有至少一個基體。較佳者，所述壓電片41的壓電層部分沉積在所述壓電片41的周沿而在其中心形成一個空隙。較佳者，所述壓電片41的壓電層沉積在所述壓電片41的整個表面而其至少一個電極層部分沉積在所述壓電片41的周沿使得其中間位置形成一個空隙。較佳者，所述壓電片41粘接在所述彈性板12的表面。較佳者，所述壓電片41沉積在所述彈性板12的表面。較佳者，所述壓電片41為有鉛壓電陶瓷鋯鈦酸鉛(PZT)壓電片、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-Pt)壓電片、無鉛壓電陶瓷鈦酸鋇(BT)無鉛壓電陶瓷或者鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷鈮鎳酸鉀(KNN)壓電片。較佳者，所述壓電片為單層PZT壓電片或多層PZT壓電片。較佳者，所述壓電片包括整體結構PZT壓電片或由多片徑向分布的條狀PZT壓電片連接成而成。較佳者，所述壓電片41厚度為I到100微米。參考圖3，展示了本發明震動發電裝置的第二實施例。該震動發電裝置101與第一實施例的震動發電裝置100不同者為所述發電部件在包括壓電部件14的同時還包括有磁電部件15。參考圖3，所述磁電部件15包括設於所述腔體111內表面的繞組線圈51和所述質量塊151，所述質量塊151為磁鐵，所述繞組線圈51與所述導電焊針13電性連接以輸出電能。當震動發生時，彈性板12在第一磁鐵塊151的重力作用下向下彎曲，到下極限位置時，磁場斥力會推動第一磁鐵塊151向上運動，防止過分位移而損壞彈性板12及壓電片41，反之，當彈性板12向上彎曲到上極限位置時，所述彈性板12會在第一磁鐵塊151的重力作用下阻止其繼續向上運動，以形成一簡諧振動從而使得所述彈性板12往復震動，彈性板12的往復震動帶動壓電片產生形變，從而輸出電壓；又由於第一磁鐵塊在腔體111中沿彈性板12垂直方向上下振動，支架11上安置有繞組線圈51，所述繞組線圈51與所述導電焊針13電性連接，根據電磁感應定律，第一磁鐵塊151的運動使得繞組線圈51也產生交變的感生電流並向外輸出，這樣，本發明實施例提供壓電和磁電雙效應電能輸出。當然，所述繞組線圈51也可以設置於所述腔體111的外表面。所述繞組線圈51包括一組或多組。參考圖4，展示了本發明震動發電裝置的第三實施例。該震動發電裝置102與第一實施例的震動發電裝置100不同者為所述發電部件在包括壓電部件14的同時還包括有靜電部件16。參考圖4,所述靜電部件16包括繞於所述質量塊151外表面的第一導電膜61和設於所述腔體111內表面且以一定間距環繞所述第一導電膜61的第二導電膜62，且所述第一導電膜61與第二導電膜62之間形成一靜電場,所述第二導電膜62與所述導電焊針13電性連接，當震動發生時，第一磁鐵塊151帶動所述彈性板12及壓電片41在諧振腔中往復震動，壓電部件14向外輸出電壓；同時，由於靜電部件16的第一導電膜61繞於所述質量塊151外側，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復震動使得所述第一導電膜61和所述第二導電膜62之間的靜電場往復發生變化，這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓。因此，本發明實施例提供壓電和靜電雙效應電能輸出。當然，所述第一導電 膜61也可以以一定間距設於所述質量塊151外。該實施例中，所述第一導電膜61通過極化處理帶恆定正電荷。參考圖5，展示了本發明震動發電裝置的第四實施例。該震動發電裝置103與第一實施例的震動發電裝置100不同者為所述發電部件在包括壓電部件14的同時還包括有駐極體部件17。參考圖5，所述駐極體部件17包括繞於所述質量塊151外表面的第一極化膜71和設於所述腔體111內表面且以一定間距環繞所述第一極化膜71的第二極化膜72，且所述第一極化膜71和第二極化膜72之間形成一電容，所述第二極化膜72與所述導電焊針13電性連接，當震動發生時，第一磁鐵塊151帶動所述彈性板12及壓電片41在諧振腔中往復震動，壓電部件14向外輸出電壓；同時，由於駐極體部件17的第一極化膜71繞於所述質量塊151外側，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復震動使得所述第一極化膜71和所述第二極化膜72之間的電容及靜電場往復發生變化,這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓。因此，本發明實施例提供壓電和駐極體雙效應電能輸出。當然，所述第一極化膜71也可以以一定間距設於所述質量塊151外。該實施例中，所述第一極化膜71和所述第二極化膜72經高壓電場駐極，在第一極化膜71和第二極化膜72上分別駐有異性電荷，兩膜之間就形成了一電容。參考圖6，展示了本發明震動發電裝置的第五實施例。該震動發電裝置104與第二實施例的震動發電裝置101不同者為所述發電部件在包括壓電部件14、磁電部件15的同時還包括靜電部件16。參考圖6,所述靜電部件16包括繞於所述質量塊151外表面的第一導電膜61和設於所述空腔殼體111內並位於繞組線圈51內側的第二導電膜62，所述第二導電膜62以一定間距環繞所述第一導電膜61，所述第二導電膜62與所述導電焊針13電性連接，當震動發生時，第一磁鐵塊151帶動所述彈性板12及壓電片41在諧振腔中往復震動，壓電部件14向外輸出電壓，同時,第一磁鐵塊的運動使得繞組線圈51也產生交變的感生電流並向外輸出，同時，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復震動使得所述第一導電膜61和所述第二導電膜62之間的靜電場往復發生變化,這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓。因此，本發明實施例提供壓電，磁電和靜電三效應電能輸出。 參考圖7，展示了本發明震動發電裝置的第六實施例。該震動發電裝置105與第二實施例的震動發電裝置101不同者為所述發電部件在包括壓電部件14、磁電部件15的同時還包括駐極體部件17。參考圖7,所述駐極體部件17包括設於所述質量塊151外表面的第一極化膜71和設於所述腔體111內並位於繞組線圈51內側的第二極化膜72，所述第二極化膜72以一定間距環繞所述第一極化膜71，所述第二極化膜72與所述導電焊針13電性連接，當震動發生時，第一磁鐵塊151帶動所述彈性板12及壓電片41在所述諧振腔中往復震動，壓電部件14向外輸出電壓，同時，第一磁鐵塊的運動使得繞組線圈51也產生交變的感生電流並向外輸出，同時，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復震動使得所述第一極化膜71和所述第二極化膜72之間的電容及靜電場往復發生變化，這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓。因此，本發明實施例提供壓電，磁電和駐極體三效應電能輸出。參考圖8，展示了本發明震動發電裝置的第七實施例。該震動發電裝置106與第二實施例的震動發電裝置104不同者為所述發電部件在包括壓電部件14、磁電部件15的
同時，還包括靜電部件16和駐極體部件17。參考圖8，所述靜電部件16包括繞於所述質量塊151外表面的第一導電膜61和設於所述空腔殼體111內並位於繞組線圈51內側的極化導電膜63，所述極化導電膜63以一定間距環繞所述第一導電膜61，所述駐極體部件17包括所述極化導電膜63和設於所述繞組線圈51內側並以一定間距環繞所述極化導電膜63的第二極化膜72，所述極化導電膜63、第二極化膜72分別與所述導電焊針13電性連接，當震動發生時，第一磁鐵塊151帶動所述彈性板12及壓電片41在諧振腔中往復震動，壓電部件14向外輸出電壓，同時，第一磁鐵塊的運動使得繞組線圈51也產生交變的感生電流並向外輸出，同時，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復震動使得所述第一導電膜61和所述極化導電膜63之間的靜電場往復發生變化,這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓，同時，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復震動使得所述極化導電膜63和所述第二極化膜72之間的電容及靜電場往復發生變化,這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓。因此，本發明實施例提供壓電，磁電，靜電和駐極體四效應電能輸出。在該實施例中，所述極化導電膜63分別構成所述靜電部件16的第二導電膜和駐極體部件17的第一極化膜，即所述第二導電膜和所述第一極化膜共用為一導電層。參考圖9，展示了本發明震動發電裝置的第八實施例。該震動發電裝置107與第二實施例的震動發電裝置104不同者為所述發電部件在包括壓電部件14、磁電部件15的同時，還包括靜電部件16和駐極體部件17。參考圖9,所述駐極體部件17包括繞於所述質量塊151外表面的第一極化膜71和設於所述空腔殼體111內並位於繞組線圈51內側的極化導電膜64，所述靜電部件16包括所述極化導電膜64和設於所述空腔殼體111內並環繞所述極化導電膜64的第二導電膜62，所述極化導電膜64、第二導電膜62分別與所述導電焊針13電性連接，當震動發生時，第一磁鐵塊151帶動所述彈性板12及壓電片41在諧振腔中往復震動，壓電部件14向外輸出電壓，同時，第一磁鐵塊的運動使得繞組線圈51也產生交變的感生電流並向外輸出，同時，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復振動使得所述極化導電膜64和第二導電膜62之間的靜電場往復發生變化，這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓，同時，第一磁鐵塊151及所述彈性板12的往復震動使得所述第一極化膜71和極化導電膜64之間的電容及靜電場往復發生變化,這樣，由於電荷的轉移從而對外輸出交變電壓。因此，本發明實施例提供壓電，磁電，靜電和駐極體四效應電能輸出。在該實施例中，所述極化導電膜63分別構成所述靜電部件16的第一導電膜和駐極體部件17的第二極化膜，即所述第一導電膜和所述第二極化膜共用為一導電層。當然，本發明所述發電部件還可以包括其他類發電部件或其他組合，例如僅包括磁電部件15、靜電部件16或駐極體部件17。參考圖10，展示了本發明震動發電裝置的第九實施例，不同於上述各實施例，該實施例中，所述底座113上安裝有增加支架11起動勢能的起振彈簧114，當震動發生時，起振彈簧114增加了支架11及震動發電裝置的起動勢能，安置在彈性板12上的第一磁鐵塊151帶動彈性板12沿其垂直方向振動，從而帶動壓電片41產生形變，壓電片41即向外輸出電能。另一方面，該實施例中，所述發電部件包括磁電部件15,由於第一磁鐵塊151在腔體111中沿彈性板12垂直方向上下振動，支架11上安置有繞組線圈51，根據電磁感應定律，第一磁鐵塊151的運動使得繞組線圈51也產生感生電流並向外輸出，同時，底座上的起振彈簧114推動支架及繞組線圈51相對磁性振子(由第一磁鐵塊和第二磁鐵塊組成)反向運動，也增加了其輸出電壓。 參考圖11，展示了本發明震動發電裝置的第十實施例，不同於第九實施例，該實施例中，所述繞組線圈51包括串聯在一起的第一線圈511和第二線圈512，且所述第一線圈511與所述第二線圈512上的繞線方向相反，進一步增加磁電發電的輸出電壓。如前所述，第一磁鐵塊151在腔體111中沿彈性板45垂直方向上下振動,使得第一線圈511產生感生電流並輸出，該感生電流也使得第一線圈511中的磁通量發生變化，而位於第一磁鐵塊151較遠端且與第一線圈511鄰近的第二線圈512也感應該變化的磁通量，從而在自身也產生感生電流並輸出，因此，進一步增加磁電發電的輸出電壓。當然，第一線圈511和第二線圈512也可實行並聯，其繞向可自由組合成相同或相反，其工作原理相同。當然，繞組線圈51還可能包括三組或更多組。本發明震動發電裝置的製造方法，包括如下步驟提供一彈性板，在所述彈性板的中心安裝一質量塊；提供一支架，所述支架具有腔體，且該腔體一端具有開口，將所述彈性板安裝於所述腔體的開口處並使所述腔體支撐所述彈性板的周沿；及在所述支架上安裝至少兩個導電焊針；所述震動發電裝置的製造方法還包括以下步驟中的任一個、兩個或兩個以上的組合步驟A :在所述彈性板上設置壓電片，並將所述壓電片與導電焊針電性連接；步驟B:在所述腔體上設置至少一組繞組線圈，所述質量塊為磁鐵，將繞組線圈與導電焊針電性連接；步驟C :在所述腔體內設置環繞所述質量塊的第一導電膜，在所述腔體內設置以一定間距環繞所述第一導電膜的第二導電膜，將所述第二導電膜與所述導電焊針電性連接;步驟D :在所述腔體內設置環繞所述質量塊的第二極化膜，在所述腔體內設置以一定間距環繞所述第一極化膜的第二極化膜，將所述第二極化膜與所述導電焊針電性連接。較佳地，所述震動發電裝置的製造方法還包括步驟在所述腔體內部安裝一阻力系統，所述阻力系統在所述彈性板來回彎曲時對所述彈性板提供阻力。
具體地，所述質量塊為第一磁鐵塊，所述在所述腔體內部安裝一阻力系統的步驟包括在所述腔體下端安裝一底座，提供第二磁鐵塊，將所述第二磁鐵塊安裝於所述底座上，且使所述第一磁鐵塊與所述第二磁鐵塊相對面極性相同。較佳地，所述步驟D包括形成第一極化膜和第二極化膜的步驟，具體為在所述質量塊外、腔體內分別設置兩層相對的特氟隆膜，在兩特氟隆膜相對的一面上分別鍍上一層導電膜，將鍍有導電膜的特氟隆膜經過高壓電場駐極後形成第一極化膜和第二極化膜。以上所揭露的僅為本發明的優選實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利
範圍，因此依本發明申請專利範圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。
權利要求
1.一種震動發電裝置，其特徵在於包括 支架，所述支架具有腔體，且該腔體一端具有開口 ； 彈性板，所述彈性板安裝於所述腔體的開口處並使所述腔體支撐所述彈性板的周沿，且所述彈性板的中心安裝有一質量塊，受到震動時所述彈性板和所述質量塊沿垂直所述彈性板的方向運動，所述腔體為所述彈性板和質量塊提供運動空間； 至少兩根導電焊針，所述導電焊針安裝於所述支架上 '及 發電部件，所述發電部件包括壓電部件、磁電部件、靜電部件和駐極體部件中的一個、兩個或兩個以上的組合；其中， 所述壓電部件包括設於所述彈性板上的壓電片，所述壓電片與所述導電焊針電性連接以輸出電能； 所述磁電部件包括設於所述腔體上的至少一組繞組線圈和所述質量塊，該質量塊為磁鐵，所述繞組線圈與所述導電焊針電性連接以輸出電能； 所述靜電部件包括設於腔體內且環繞所述質量塊的第一導電膜和設於所述腔體內且以一定間距環繞所述第一導電膜的第二導電膜，所述第二導電膜與所述導電焊針電性連接以輸出電能； 所述駐極體部件包括設於所述腔體內且環繞所述質量塊的第一極化膜和設於所述腔體內且以一定間距環繞所述第一極化膜的第二極化膜，所述第二極化膜與所述導電焊針電性連接以輸出電能。
2.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述腔體呈空心柱狀。
3.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於還包括安裝於所述腔體內部的阻力系統，所述阻力系統在所述彈性板來回彎曲時對所述彈性板提供阻力和/或動力。
4.如權利要求3所述的震動發電裝置，其特徵在於所述支架的腔體下端安裝有底座，所述阻力系統包括所述質量塊，該質量塊為第一磁鐵塊，所述阻力系統還包括安裝於所述底座上的第二磁鐵塊，且所述第一磁鐵塊與所述第二磁鐵塊相對面極性相同。
5.如權利要求4所述的震動發電裝置，其特徵在於所述底座上安裝有牴觸所述支架的起振彈黃。
6.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述繞組線圈包括串聯或並聯在一起的第一線圈和第二線圈，且所述第一線圈與所述第二線圈的繞線方向相反。
7.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述繞組線圈包括串聯或並聯在一起的第一線圈和第二線圈，且所述第一線圈與所述第二線圈的繞線方向相同。
8.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述彈性板由彈性材料製成。
9.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述彈性板呈薄片狀，具有中心活動區、環繞所述中心活動區的至少一個彈性臂以及環繞所述彈性臂的外沿支撐部，所述中心活動區、彈性臂及外沿支撐部之間均有一定的間隙，所述間隙中均分布有支撐橋以連接相鄰的中心活動區、彈性臂及外沿支撐部，所述彈性板的外沿支撐部安裝於所述支架上。
10.如權利要求9所述的震動發電裝置，其特徵在於所述彈性臂有若干個，相鄰的彈性臂之間均有一定的間隙，所述間隙中均分布有支撐橋以連接相鄰的彈性臂。
11.如權利要求9或10所述的壓電震動發電裝置，其特徵在於相鄰間隙中的支撐橋沿所述中心活動區交錯分布。
12.如權利要求9所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片與所述彈性板形狀相對應，且所述壓電片的內沿位於所述彈性板的中心活動區，所述壓電片的外沿位於所述彈性板的外沿支撐部。
13.如權利要求I所述的震 動發電裝置，其特徵在於所述支架的外壁設有一焊針定位座，所述焊針定位座具有至少兩個定位孔，所述導電焊針對應安裝於所述定位孔內。
14.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片的外側還包裹有至少一個基體。
15.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片具有至少兩個導電層和夾於兩個導電層之間的壓電層。
16.如權利要求15所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片中間設有一個通孔，所述通孔貫穿所述壓電片的兩個導電層。
17.如權利要求15所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片的壓電層部分沉積在所述壓電片的周沿而在其中心形成一個空隙。
18.如權利要求15所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片的壓電層沉積在所述壓電片的整個表面，而其至少一個導電層部分沉積在所述壓電片的周沿使得其中間位置形成一個空隙。
19.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片粘接在所述彈性板的表面。
20.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片沉積在所述彈性板的表面。
21.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片為有鉛壓電陶瓷鋯鈦酸鉛壓電片、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電片、無鉛壓電陶瓷鈦酸鋇無鉛壓電陶瓷或者鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷鈮鎳酸鉀壓電片。
22.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片為單層PZT壓電片或多層PZT壓電片。
23.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片為整體結構PZT壓電片或由多片徑向分布的條狀PZT壓電片連接而成。
24.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述壓電片厚度在I到100微米的範圍內。
25.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於所述發電部件包括靜電部件和駐極體部件，且所述第二導電膜和所述第一極化膜共用為一導電層。
26.如權利要求I所述的震動發電裝置，其特徵在於，所述發電部件包括靜電部件和駐極體部件，且所述第一導電膜和所述第二極化膜共用為一導電層。
27.一種震動發電裝置的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟 提供一彈性板，在所述彈性板的中心安裝一質量塊； 提供一支架，所述支架具有腔體，且該腔體一端具有開口，將所述彈性板安裝於所述腔體的開口處並使所述腔體支撐所述彈性板的周沿；及在所述支架上安裝至少兩個導電焊針； 所述震動發電裝置的製造方法還包括以下步驟中的任一個、兩個或兩個以上的組合步驟A :在所述彈性板上設置壓電片，並將所述壓電片與導電焊針電性連接； 步驟B:在所述腔體上設置至少一個繞組線圈，所述質量塊為磁鐵，將繞組線圈與導電焊針電性連接； 步驟C :在所述腔體內設置環繞所述質量塊的第一導電膜，在所述腔體內設置以一定間距環繞所述第一導電膜的第二導電膜，將所述第二導電膜與所述導電焊針電性連接； 步驟D :在所述腔體內設置環繞所述質量塊的第一極化膜，在所述腔體內設置以一定間距環繞所述第一極化膜的第二極化膜，將所述第二極化膜與所述導電焊針電性連接。
28.如權利要求27所述的震動發電裝置的製造方法，其特徵在於還包括步驟在所述腔體內部安裝一阻力系統，所述阻力系統在所述彈性板來回彎曲時對所述彈性板提供阻力。
29.如權利要求28所述的震動發電裝置的製造方法，其特徵在於所述質量塊為第一磁鐵塊，所述在所述腔體內部安裝一阻力系統的步驟包括在所述腔體下端安裝一底座，提供第二磁鐵塊，將所述第二磁鐵塊安裝於所述底座上，且使所述第一磁鐵塊與所述第二磁鐵塊相對面極性相同。
30.如權利要求27所述的震動發電裝置的製造方法，其特徵在於所述步驟D包括形成第一極化膜和第二極化膜的步驟，具體為 在所述質量塊外、腔體內設置兩層相對的特氟隆膜，在兩特氟隆膜相對的一面上分別鍍上一層導電膜，將鍍有導電膜的特氟隆膜經過高壓電場駐極後形成第一極化膜和第二極化膜。
全文摘要
本發明公開了一種震動發電裝置，包括具有腔體的支架、彈性板、導電焊針和發電部件，該腔體的一端具有開口，所述彈性板安裝於所述腔體開口處並使所述腔體支撐所述彈性板的周沿，所述彈性板的中心安裝有一質量塊，所述發電部件包括壓電部件、磁電部件、靜電部件和駐極體部件中的一個、兩個或兩個以上的組合。本發明可將數種相對獨立的輸出電力集成在一起對外供電，為微納系統提供長期可靠的自供電能，延長了器件的使用壽命，且發電效率高、成本低、體積小，經濟環保，再者，彈性板震動時帶動質量塊沿垂直所述彈性板的方向運動，發電效率高。本發明還公開了一種震動發電裝置的製造方法。
文檔編號B81C1/00GK102882424SQ201210317010
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者馮淑蘭, 彭春雷 申請人:北京磊嶽同泰電子有限公司