一種改進的多層壓電換能元件的製作方法
2023-06-23 11:00:51
專利名稱：一種改進的多層壓電換能元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電換能元件，特別是涉及一種多層壓電換能元件。
背景技術：
利用壓電效應將振動等機械能轉化為電能的壓電發電裝置已為人們所公知，而壓電換能器件是其中最為核心的器件。壓電換能器件通常是由如圖I和圖2所示的基片I和粘貼在基片I單面或雙面的壓電換能元件2構成，在基片I振動時，壓電換能元件2則因為壓電效應而產生電能，這些電能被直接輸出利用或者是收集儲存起來。現有的壓電發電方案通過多個壓電換能元件2之間的連接進行輸出電壓和電流的調整，但由於這些壓電換能元件2的振動相位並不相同，採用多個壓電換能元件2連接進行輸出電壓和電流的調整的過程中的電能損耗較大，至今仍無理想的解決方案。目前，存在一種多層換能元件，其具體結構和原理可參考申請人的在先專利申請CN102208526A。然而，該多層換能元件所解決的主要技術問題是如何降低驅動電壓或增加響應帶寬，即其本質上是解決電能向機械能轉換過程中的問題，並不涉及被應用到壓電發電機中從而解決現有的壓電換能元件在機械能轉換為電能時由于振動相位的不同而存在的電能損耗問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種多層壓電換能元件，其單獨可以進行輸出電壓和電流的調整，並且在振動頻率等於一階固有頻率或低於元件一階固有振動頻率的條件下，還能夠解決使用多換能器件的壓電發電裝置因為多個壓電換能元件振動相位不同造成的能量損耗問題。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
一種改進的多層壓電換能元件，該多層壓電換能元件整體呈條狀，包括多層壓電陶瓷和多層電極層由上至下依次層疊的多層結構，這些電極層被分隔為相同的若干段，位於奇數層的在同一段的電極層相互電連接，位於偶數層的在同一段的電極層相互電連接。由於條狀狀結構以一階固有頻率或低於一階固有頻率的頻率振動時，壓電換能元件內的所有換能段的變形都是同相的，所有換能段的電信號輸出也是同相的。作為上述技術方案的改進，位於偶數層的同一段的電極層和位於奇數層的同一段的電極層互相錯開一段距離，且位於偶數層的同一段的電極層均在同一個豎直區域內，位於奇數層的同一段的電極層均在同一個豎直區域內。所述電極層相互電連接是通過內部設置的貫穿孔內灌注導電介質實現的。作為上述技術方案的進一步改進，所述多層壓電陶瓷中相鄰兩層的極化方向相反。作為上述技術方案的進一步改進，所述多層結構的最上一層和最下一層均是分段的電極層。
作為上述技術方案的進一步改進，所述最上層的若干段電極層互相電連接起來作為一個輸出端，所述最下層的若干段電極層互相電連接起來作為一個輸出端。作為上述技術方案的進一步改進，所述最上層的電極層與最下層的電極層依次電連接，位於一端的最下層的電極層與另一端的最上層的電極層作為兩個輸出端。作為上述技術方案的進一步改進，在該最上一層和/或最下一層的兩層電極層的表面上燒結有陶 瓷保護面層。作為上述技術方案的進一步改進，所述陶瓷保護面層分段覆蓋在各段的電極層表面上。作為上述技術方案的進一步改進，所述陶瓷保護面層整體覆蓋在電極層表面上。相對於現有技術，本發明的有益效果是本發明把多個多層壓電元件集成為一個整體，基於這種結構，通過不同極化方式、方向的設置和串並聯的連接方式的選擇，在單個壓電元件上即可進行電壓或電流輸出、調整。這樣，本發明在應用到壓電發電裝置中時，在該多層壓電換能元件的振動頻率等於一階固有頻率或低於一階固有振動頻率的條件下，該多層壓電換能元件中的多個換能器件既相互獨立，又可以同相振動和輸出電信號，從而可以有效避免因為振動相位不同造成的能量損耗。
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單說明
圖I是現有技術中壓電換能器件的結構示意 圖2是現有技術中另一種壓電換能器件的結構示意 圖3是本發明實施例的結構示意 圖4是圖3中實施例的一種極化和連線方式示意 圖5是圖3中實施例的另一種極化和連線方式示意圖。
具體實施例方式以下將結合實施例和附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果進行清楚、完整地描述，以充分地理解本發明的目的、特徵和效果。圖3示出了本發明所提供的壓電換能器件的實施例，該多層壓電換能元件整體呈條狀，其包括多層壓電陶瓷3和多層電極層4由上至下依次層疊的多層結構20，這些電極層4被分隔為相同的若干段，位於奇數層的在同一段的電極層4相互電連接，位於偶數層的在同一段的電極層4相互電連接。優選地，多層結構20的最上一層和最下一層均是分段的電極層4，例如，如圖3中所示，壓電陶瓷3共層疊有5層，因此，層間加上上下表面共計有6層電極層4，且這些電極層4都被分割為了 4段。基於上述結構，通過壓電陶瓷3的不同極化方式、方向的設置和串並聯的連接方式的選擇，在單個壓電元件上即可進行電壓或電流輸出、調整，這樣，具體應用在壓電發電裝置中時，壓電發電裝置中的多個換能器件相互獨立而互不影響，可以有效避免因為振動相位不同造成的能量損耗。結合圖4，多層的壓電陶瓷3中相鄰兩層的極化方向相反，如圖中箭頭所指的方向極化，且這時採用的連接方式是最上層表面的若干段電極層4互相電連接起來作為第一輸出端41，最下層表面的若干段電極層4互相電連接起來作為第二輸出端42，形成並聯連接，從而得到較大的電流輸出。結合圖5，多層的壓電陶瓷3中相鄰兩層的極化方向相反，如圖中箭頭所指的方向極化，且這時採用的連接方式是所述最上層表面的電極層4與最下層表面的電極層4依次電連接，位於左端的最下層表面的電極層4與圖中右端的最上層表面的電極層4作為兩個輸出端43、44，形成串聯連接，從而得到較大的電壓輸出。結合圖3至圖5，在本實施例中，優選地，位於偶數層的同一段的電極層4和位於奇數層的同一段的電極層4互相錯開一段距離，且位於偶數層的同一段的電極層4均在同一個豎直區域內，位於奇數層的同一段的電極層4均在同一個豎直區域內。這樣，可以方便地實現奇數層和偶數層的在同一段的電極層4之間的電連接。更優選地，本實施例中，電極層4相互電連接是通過內部設置的貫穿孔5內灌注導電介質實現的。為了有效保護本實施例的壓電元件，在該最上一層和/或最下一層的兩層電極層4的表面上燒結有陶瓷保護面層。陶瓷保護面層可以是分段覆蓋在各段的電極層表面上，也 可以是整體覆蓋在電極層表面上的。當然，本發明創造並不局限於上述實施方式，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。
權利要求
1.一種改進的多層壓電換能元件，其特徵在於該多層壓電換能元件整體呈條狀，包括多層壓電陶瓷和多層電極層由上至下依次層疊的多層結構，這些電極層被分隔為相同的若干段，位於奇數層的在同一段的電極層相互電連接，位於偶數層的在同一段的電極層相互電連接。
2.根據權利要求I所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於位於偶數層的同一段的電極層和位於奇數層的同一段的電極層互相錯開一段距離，且位於偶數層的同一段的電極層均在同一個豎直區域內，位於奇數層的同一段的電極層均在同一個豎直區域內。
3.根據權利要求I或2所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於所述電極層相互電連接是通過內部設置的貫穿孔內灌注導電介質實現的。
4.根據權利要求I或2所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於所述多層壓電陶瓷中相鄰兩層的極化方向相反。
5.根據權利要求4所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於所述多層結構的最上一層和最下一層均是分段的電極層。
6.根據權利要求5所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於所述最上層的若干段電極層互相電連接起來作為一個輸出端，所述最下層的若干段電極層互相電連接起來作為一個輸出端。
7.根據權利要求5所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於所述最上層的電極層與最下層的電極層依次電連接，位於一端的最下層的電極層與另一端的最上層的電極層作為兩個輸出端。
8.根據權利要求5所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於在該最上一層和/或最下一層的兩層電極層的表面上燒結有陶瓷保護面層。
9.根據權利要求8所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於所述陶瓷保護面層分段覆蓋在各段的電極層表面上。
10.根據權利要求8所述的改進的多層壓電換能元件，其特徵在於所述陶瓷保護面層整體覆蓋在電極層表面上。
全文摘要
一種改進的多層壓電換能元件。其包括多層壓電陶瓷和多層電極層由上至下依次層疊的多層結構，這些電極層被分隔為相同的若干段，位於奇數層的在同一段的電極層相互電連接，位於偶數層的在同一段的電極層相互電連接。本發明把多個多層壓電元件集成為一個整體，基於這種結構，通過不同極化方式、方向的設置和串並聯的連接方式的選擇，在單個壓電元件上即可進行電壓或電流輸出、調整。這樣，本發明在應用到壓電發電裝置中時，多個換能器件獨立而互不影響，在振動頻率等於或低於一階固有振動頻率的條件下可以有效避免因為振動相位不同造成的能量損耗。
文檔編號H01L41/083GK102723433SQ20121018024
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者張曙光, 梅術華, 王秋軍 申請人:廣州市番禺奧迪威電子有限公司