用于振动能量收集的应变能量往复运行装置和方法

摘要

本发明公开了一种装置，其用在低频振动能量收集(VEH)中，或在仅要求低偏转力的致动器中采用。该装置包括压电弯曲件，该弯曲件负荷有压缩预负荷力，从而使压电弯曲件压缩。压电弯曲件可以支撑在其中点或一端。压缩预负荷力使压电弯曲件弯曲至两个稳定位置的一个或另一个中，这些位置在纵向中心线的相对侧上偏离，该中心线表示在没有施加压缩预负荷力时压电弯曲件所处的位置。压缩预负荷有效地提供负弹簧常数，该常数“软化”压电弯曲件并且增强压电弯曲件对低频振动能量的响应度。与使用末端质量的传统系统相比，压电弯曲件可在更宽的频带上操作。

说明书

本申请要求2003年7月30日提交的美国申请No.60/491,122的优先权，该申请结合于此以作参考。

技术领域

本发明涉及振动能量收集设备，尤其涉及一种理想地适于从振动结构收集低频振动能量的装置。

背景技术

许多环境都可以提供对于振动能量收集来说很理想的富于振动环境。这种环境常存在于飞机和汽车应用场合，其中，由飞机或汽车经受的振动代表能够用于向传感器或其他远程设置的设备供能的能量，只要这种能量能够被适当的设备收集。

振动能量收集(VEH)能够通过形成振动结构与联接于该结构的反作用力质量之间的相对运动并由此产生能量来实现。该机械能能够通过在压电结构中形成周期应力来转换至电能。该设备的简单形式为具有附着于表面的压电材料的悬臂梁。其如图1所示。反作用力质量附着于梁的末端以增强性能。当经受振动时，梁的末端趋于阻碍运动，因此使压电材料处于应力下。该应力会导致在压电材料中的电荷积聚，该积聚将导致在该材料的两点之间的电压势的增加。不过，为了使该布局(topology)高效地工作，振动能量必须以梁的共振频率或者大于梁的共振频率产生。频谱低于共振频率的振动能量将在末端质量和基部之间产生非常小的运动。

当使用如图1所示的悬臂梁时，梁的刚度，包括压电材料的刚度，梁长(L)和末端质量确定VEH设备将能工作的最低频率。另外，压电材料通常是陶瓷材料的并且在经受拉伸负荷时是易碎的，这将限制VEH设备的稳定性和其寿命。图2示出了作为该设备的频率的函数的相对末端位移。低频时，末端梁相对于振动结构移动非常小的距离。因此，图1所示的VEH设备在低频时将提供来自低频振动的非常少的能量。共振频率时的振动能量将提供最大的VEH，但是其效用被非常窄的带宽限制。

需要将系统“调谐”到悬臂量的共振频率附近的这个限制将在图1所示的系统的高效运转方面造成明显的限制。这是因为各种结构常常在比该系统能够被调谐的频率带宽更宽的频率带宽下产生振动能量。选择末端质量，实质上是调谐该系统以便在共振梁频率高效运转，这意味着该系统在收集具有比悬臂梁的共振频率高或低的其他频率的能量方面不是有效的。因此，这样的系统将更有效地从振动结构中产生电能，所述系统不局限于只在梁共振频率高效地收集振动能量，而且能够在较宽频率范围上收集能量。

因此，仍然需要一种采用压电材料装置，以改善低频下振动能量的收集，同时也能改善处于高于和低于该结构的共振频率的频率下的振动能量的收集，其中，所述振动能量是从该结构收集的。这种装置是非常有用的，其用于从压电的、类似梁的结构所经受的低频振动能量向远程设置的传感器和各种其他构件供能。这种装置将有效地实现从大量的经受低频振动的结构中进行能量收集，而先前在这些结构中能量收集是无法进行的。

发明内容

本发明的目的是提供一种应变能量往复运行装置和方法。本发明的装置用于从经受低频振动能量的压电的、类似梁的结构中提供低频振动能量收集(VEH)。在一种优选形式中，该装置包括用于机械地产生负弹簧力的偏置构件，该负弹簧力与压电弯曲件(即，压电的、类似梁的构件)平行地施加。由偏置构件提供的负弹簧力有效地“软化(soften)”压电弯曲，并且提供零频率的具有大致零刚度的压电弯曲件。所述装置可以对如下的应用带来重要的益处，所述应用包括：该压电结构被用于低频率振动能量；或者被用作使单独构件运动的致动器。在任何一种应用中，本发明的装置操作用来克服压电弯曲件的固有结构刚度，以允许压电弯曲件的更容易的弯曲。

在一项优选实施例中，偏置构件联接于悬臂梁，该梁又枢转地联接于支撑结构。压电弯曲件也联接于该结构，从而将该压电弯曲件大概置于与该偏置构件共同的平面上。一弯曲件将该压电弯曲件的自由端联接于该偏置构件的自由端。这产生了两个稳定的位置，每个位置都从由压电弯曲件与其相关联结构的固着点到悬臂梁与该结构的固着点之间延伸的直线横向偏离。对由该偏置构件提供的力进行的精确调整可使该压电弯曲件能够非常容易地在低频振动能量的作用下从所述两个稳定位置之一移动至另一个位置然后再返回。一旦从一个稳定位置移动至另一位置，该压电弯曲件将围绕该新的稳定位置振荡，由此产生额外的能量。

另一优选实施例公开了一种利用压电弯曲件的装置，该压电弯曲件具有支撑基片，其上固定有至少一个压电陶瓷片。支撑基片在其长度的中点处被支撑。偏置构件操作关联于支撑基片，从而向基片施加压缩力，该力足以将基片和安装在其上的压电陶瓷片偏转至中心线的相对侧上的两个稳定位置中之一，在基片没有经受压缩预应力时该中心线延伸穿过基片。由偏置构件提供的压缩力用于“软化”压电陶瓷片的固有结构刚度并且增强其对振动能量尤其是对低频振动能量的响应度。

在一项优选形式中，多个偏转构件纵向平行于支撑基片并且沿着支撑基片的纵向轴在压电陶瓷片的相对两侧设置。支撑基片也在其大概中点处被支撑于经受振动能量的基部组件上。支撑基片的相对端固定于连接臂，每个偏置构件联接于支撑基片的相对纵向侧上的连接臂之间。该结构将压缩应力施加于压电陶瓷片，该应力软化压电片并且将压电片的相对端偏转到两个稳定位置中之一。更重要地，压缩力明显地增强压电材料对低频振动能量的响应度。

本发明因此明显地有助于克服压电弯曲件的固有结构刚度。该装置使压电弯曲件高度敏感于非常低频的振动能量，否则(若不采用该装置)，对于低频振动能量收集应用来说，该非常低频的振动能量不足以致使压电弯曲件的充分弯曲或弯折。本发明的明显优势在于，与使用末端质量的传统悬臂梁VEH装置所能实现的相比，本发明能够在明显更宽的频带上实现振动能量收集。

本发明进一步的应用领域将从后续的详细说明中变得清楚明了。应该理解，详细的说明和具体的实例只是示例性的目的而不是为了限制本发明的范围。

附图说明

从详细说明和附图中将更加完整地了解本发明，其中：

图1是现有技术能量收集装置的视图，该装置结合有设置在压电的、类似梁的结构的一个自由端处的传统末端质量；

图2是图1中所示的梁的末端位移相对于频率的曲线图；

图3是与压电弯曲件结合使用的本发明的优选实施例；

图4是本发明的备选优选实施例的透视图，其使用了一对透明偏置构件以软化该组件的压电弯曲；和

图5是图4的组件的侧视图；

图6是示出两个稳定位置的图4的组件的侧视图。

具体实施方式

优选实施例的下述说明仅仅是示例性的而并不是为限定本发明、其应用或使用。

参照图3，示出了根据本发明的优选实施例的装置1O。该装置通过使用固定支撑的压电弯曲件12从而实现从振动结构14的低频能量收集(VEH)。该压电弯曲件本质上形成类似梁的结构，并且在优选实施方式中构成压电双晶弯曲件(piezo bimorph flexure)。压电弯曲件12包括压电层16和18，它们形成在柔性支撑基片20的相对侧。基片20包括固定联接于结构14的端部22。基片20可以是塑料、金属或者任何其他的柔性材料，以允许压电层16和18粘合于该基片。

装置1O还包括连接件或悬臂梁24，其经由枢转销28或其他适当的联接件枢转联接于第一端26，使得梁24能够响应于由结构14经受的振动而围绕销28枢转。偏置构件30在一端32固定连接于梁24的自由端34并且在相对端36连接于弯曲件38。该弯曲件38又连接于压电弯曲件12的自由端40。弯曲件38可以包括任何适当的联接件或者材料，其使偏置构件30的端部36和压电弯曲件12的自由端40之间能够进行相对移动。在一优选实施方式中，偏置构件30包括压缩螺旋弹簧，但是应该理解，可以使用任何能够提供指向抵抗压电弯曲件12的方向的力的偏置构件。

悬臂梁24至压电弯曲件12的自由端40所进行的联接(经由偏置构件30)产生了一种结构，其中，压电弯曲件12具有两个稳定的位置，一个是如图3的实线所示的，另一个是虚线所示的。压电弯曲件12的每个稳定位置从一条纵向中线42横向偏离，该中线在压电弯曲件12的固定端22的固着点与支撑悬臂梁24的枢转销28之间延伸。中线42可以被视为平衡位置，虽然是不稳定的。该几何形状在压电弯曲件12与偏置构件30之间实质上产生了几何余切(geometric cotangent)作用。实际上，压电弯曲件12具有(experience)一弹簧常数，该弹簧常数是偏置构件30的弹簧常数的负数。

装置10明显地减小了在图3所示的两个稳定位置之间移动压电弯曲件12所需的力。换句话说，偏置构件30和悬臂梁24明显地“软化”压电层16和18以克服每层的固有结构刚度。通过调整偏置构件30和压电弯曲件12的弹簧常数，使状态进行转换以及致使压电弯曲件12移动离开一个稳定位置并且进入另一稳定位置所需的能量能够匹配于与压电弯曲件12电连接的电负荷。当正确匹配时，装置10是高效的。在这种情况下，输送至电负荷的能量等于压电弯曲件12中所遵守的应力-应变滞后作用。

装置10的操作频率明显低于传统能量收集装置，如图1所示。装置10的操作频率部分地由压电弯曲件12的刚度和压电弯曲件的质量确定。压电弯曲件12的末端(即，末端38)角偏转与所施加的扭矩之间的关系由下述方程1给出：

方程1：T_{压电弯曲件}＝θ_{压电弯曲件}*K_{压电弯曲件}

T_{压电弯曲件}＝σ_{压电弯曲件}*K_{压电弯曲件}

偏置构件30(即，压缩弹簧)向压电弯曲件12施加非线性扭矩，如下述方程2所示：

方程2：T_{压电弯曲件/弹簧}＝L*F_弹簧*sin(θ_{压电弯曲件})

施加至压电弯曲件12的扭矩将压电弯曲件12偏转至某一角度，在该角度处，压电弯曲件12稳定于图3所示的两个位置。使压电弯曲件12的状态从+θ改变至-θ所需的扭矩是方程1中的偏置构件所产生的扭矩与方程2给出的扭矩之间的差值，由下述方程3表示：

T_Tot＝T_{压电弯曲件}-T_{压电弯曲件/弹簧}

＝θ_{压电弯曲件}*K_{压电弯曲件}-L*Sin(θ_{压电弯曲件})

(F_最大-2*L*(1-Cost(θ_{压电弯曲件})))*K_弹簧

扭矩的差值是对压电弯曲件12的有效“软化”。方程4表示作为压电弯曲件角度θ的函数的偏置构件30(即，弹簧)的偏转：

方程4：δ_弹簧＝2*L(1-cost(θ_{压电弯曲件}))

方程5定义最大弹簧力F_最大：

F_最大＝F_弹簧θ＝0

还有，压缩弹簧示出了由方程6表示的作用力-距离关系：

F_弹簧＝-K_弹簧*δ_弹簧+F_最大

当这一关系应用于装置10时，将产生两个稳定的角度。改变位置所必要的扭矩是弹簧常数的强函数(strong function)，在这种情况下，较软的弹簧产生较低的复位力(即，将压电弯曲件12从一个稳定位置移动至另一稳定位置所需的力)。上述方程3清楚地示出了扭矩相对于θ的关系的非线性特性。

装置10的另外优势在于这两个稳定位置产生了稳定角位置的低频振动与高频特性之间的频率转换。换句话说，一旦外部振动能量已经致使压电弯曲件12从一个稳定位置移动至另一稳定位置，那么压电弯曲件12将围绕其刚移动到的稳定位置振荡，允许压电弯曲件12的压电材料16和18收集多次循环的应变能量。

虽然已结合为振动能量收集应用而“软化”压电弯曲件来对装置10进行了说明，但是也应该理解，装置10能够容易地结合入致动器中。例如，装置10非常适合需要压电弯曲件进行较大偏转和低作用力的场合，诸如与气动流量控制合成喷气式飞机致动器(aerodynamic flow control synthetic ietactuator)或者低频声频扬声器共同使用。在该实施例中，装置10设计成使得改变装置10的状态所需的扭矩处于压电材料提供扭矩的能力中。将电压作用在压电弯曲件12上的压电材料16和18使得装置10改变状态，从而产生比如果压电弯曲件在没有偏置构件30的情况下被供能而产生的位移显著更大的位移。使用本发明的压电弯曲件12的运动的典型增加可以是使用简单的、传统的、不受任何弹簧力帮助的压电弯曲件所获得的运动的十至二十倍。

也应该理解，对于能量收集和致动场合，都可以使用除了压电材料的其他材料。例如，可以使用电磁、静电和磁转导技术(magnostictive transductiontechnology)。

参照图4和5，示出根据本发明的另一优选实施例的VEH装置100。VEH装置100一般包括支撑在基部103上的压电弯曲组件102。弯曲组件102包括一对设置在支撑基片108的相对侧上的压电片104和106。在一优选方式中，压电片104、106的每个包括压电陶瓷片。弯曲组件102还包括一对连接臂110和112，以及一对联接在连接臂110、112之间的偏置构件114和116。

整个的弯曲组件102通过一对直立的凸起部115和117支撑在基部103上。传统的螺纹固紧件118和120延伸穿过支撑基片108的支撑臂126和128中的开口122和124，从而将整个的弯曲组件102悬挂在基部103上方。支撑臂126和128位于支撑基片108的大概中点处，但是所述支撑臂也可以偏离以更接近连接臂110、112的一个或另一个，因此不设置在大概纵向中点处。基片108可以由弹簧钢、铍铜合金、黄铜、玻璃环氧树脂复合物(glassepoxy composite)或石墨环氧树脂复合物(graphite epoxy composite)，或者任何其他适合的材料。

具体参照图5，可以更详细地看到偏置构件114与每个连接臂110和112的固联方式。相同的结构用于将偏置构件116的相对端联接于连接臂110和112。每个连接臂110和112包括沿其长度形成的狭槽130、131。每个狭槽130、131还沿着其相应连接臂110或112的整体厚度的中点设置。狭槽130的高度足以将支撑基片108的端部132容纳其中。狭槽131的尺寸类似地可以容纳支撑基片108的端部133。端部132和133各粘附或者固定在其相应的狭槽130或131中，使得它们不可从连接臂110或112移除。

连接臂110还包括一对销134，该销延伸穿过连接臂110中的间隔开的开口136。连接臂112类似地包括一对销135，该销延伸穿过连接臂112中的开口137。销134实质上形成一通道，弯曲构件138的一端138A通过该通道被固定。销135类似地形成用于固定第二弯曲构件139的端部139A的通道。弯曲构件的端部138A的横截面厚度大于端部138B，使得端部138A不能简单地从销134之间拖出。弯曲构件139的端部139A以相同的方式进行构造，其厚度大于端部139B，使得其不能从销135之间移除。不过，该联接结构允许端部138A和139A围绕其各个销134和135以最小程度的摩擦进行自由枢转运动，同时限制在其相关联弯曲构件138或139的该区域处的应力。

进一步参照图4和5，弯曲构件138和139的每个端部138B、139B包括开口140A、140B，该开口容纳偏置构件114的端部142、143。实际上，用于安装偏置构件114的端部142、143的任何适当的装置都可使用。偏置构件116以相同的方式进行联接。连接臂110和112可以由多种材料制成，但是优选地由铝、钢、玻璃或石墨环氧树脂。偏置构件114如图所示为螺旋弹簧，但是实际上，可以采用任何形式的联接在连接臂110和112之间的弹簧，以用于将压电片104和106处于压缩状态。

进一步具体参照图4，连接臂110包括槽口形成耳110A，连接臂112类似地包括槽口形成耳112A。耳110A和112A提供应力过渡区域，该区域保持支撑基片108的相对端联接于其相应连接臂110、112的所在区域上的刚度。在每个连接臂110和112与压电陶瓷片104、106的邻近端部之间形成的间隙产生了沿着弯曲件102的低弯曲刚度区域，否则会降低装置100的性能。每个连接臂110和112的耳部110A和112A因此分别提供增大的弯曲刚度以与之抵消。

进一步参照图5，每个压电片104、106的厚度、长度和宽度可以进行明显地变化从而适应特定应用场合的需要。不过，在一种优选实施方式中，每个压电片104和106的厚度为大约0.005”-0.02”(0.127毫米-0.508毫米)。在一优选实施例中，压电片104和106的长度和宽度分别为大约1.8”(45.72毫米)和大约0.6”(15.24毫米)。由装置100产生的每弯折循环的实际能量是压力下的压电陶瓷的体积的函数。较厚的压电陶瓷片将提供较高的能量含量(energy contents)，但是与较薄材料相比，该能量将处于高电压和低电荷的形式。虽然可从较厚的压电陶瓷材料中获得较多的能量，但是，收集该能量所需的转换电子设备(conversion electronics)和与采用较薄的压电片时所需的设备相比明显地更复杂并且效率较低。较薄的压电陶瓷材料产生较低的电压，但是更高的电荷。仅仅作为实例，每次振荡循环时由压电陶瓷片产生的典型电容和电压如下所示：

0.02”厚的PZT 5A-200伏下10nF(较难转换)；

0.005”厚的PZT 5A-30伏下100nF(易于被转换)

总能量为每个弯折循环CV^2/2。

参照图6，可见弯曲组件102的振荡运动响应于振动力。由偏置构件114、116产生的压缩力足以保持弯曲组件102处于两个稳定位置144或146之一处的偏转(即，弓形)方位。纵向线148表示弯曲组件102在不受偏置构件114、116的压缩力的情况下将处于的平面。当处于位置144或146的任何一个时，弯曲组件102高度响应于低频振动能量并且易于由该能量偏转至另一稳定位置。由偏置构件提供的弹性力经调整可提供用于特定VEH场合所需的敏感度。

因此，本发明形成一种装置，以明显地“软化”压电弯曲件，其能够使该压电弯曲件用于低频振动能量收集的场合，否则这种弯曲件将在结构上过硬以致无法收集振动能量。本发明的明显益处在于，与以前研制的、在压电弯曲件的自由端上结合有末端质量的VEH装置相比，其可以在更宽的频带上使用。可在更宽的频带上操作的能力允许本发明10更高效地从振动结构收集振动能量，并且与传统压电弯曲件相比，能从振动能量中产生更大的电压输出。

虽然已经描述了各种优选实施例，但是本领域技术人员应该认识到，可以在不脱离本发明的概念的情况下进行改进或变化。实例示出了本发明但是并不是对其进行限制。因此，说明书和权利要求应该进行宽泛的理解，只存在鉴于相关现有技术而必要的那些限制。