从专利视角看压电发电技术在智能生活中的应用
时间：2023-03-10 15:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
武 瑛
（国家知识产权局专利审查协作北京中心，北京 100160）
开发利用可再生能源发电、实现能源结构转型升级，是未来电力行业发展的主流。压电发电技术以其绿色、环保、无污染的特点，逐渐进入人们的智能生活。从智能鞋、可穿戴电子设备、触摸屏、智能地板到微型精密操作手，都引入了压电发电技术。本文从专利的视角，分析目前压电发电技术在智能生活中的应用，对于我国智能技术的发展将起到有力的促进作用。
某些晶体（如石英）沿着一定方向受到外力发生变形时，晶体内部产生极化现象，在晶体的两个表面上产生符号相反的电荷；
当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。这一现象称为“正压电效应”。反之，若将这些晶体置于电场中，其几何尺寸也会产生几何变形，这种在外电场作用下，导致晶体产生机械变形的现象称为“逆压电效应”[1]。具有压电效应的材料称为压电材料，能够实现机械能与电能的相互转换。这种能量转换过程绿色、无污染。常用的压电材料有两大类：一种是压电单晶体，如石英等；
另一种是多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等[1]。
利用涉及压电效应的分类号H02N2在CNTXT专利数据库（中国专利全文数据库）中检索，专利申请量统计结果如图1所示。可以发现，压电发电技术在2010年以后逐渐迅速发展。随着智能化生活的推进，压电发电技术逐渐向着智能化领域发展。
图1 H02N2相关专利申请量的发展变化
本文利用CNTXT专利数据库对2010年以来公开的智能化领域的压电发电技术专利进行检索，分析研究压电智能技术在中国的发展现状和发展方向，以为相关科研人员的研发提供参考。本文数据截止到2022年9月30日，共检索到737件专利申请，通过浏览去噪，将目前压电智能技术的发展分为以下几个大的方向。
2.1 电子设备的供电
随着电子通信技术的快速发展和人类生活水平的不断提高，日常生活中出现了大量的便携式可穿戴移动电子设备，如智能手机、智能手表、智能手环及血压监测仪等。这些可穿戴设备能够进行无线连接和通信，可用于人类生活的诸多方面，从而可改善生活品质，使人们的生活更加便捷。通过压电智能技术，可充分利用人体动能为智能电子设备供电，实现信息采集。压电智能设备可设置在鞋、衣服等中，举例如下。
CN104337107A提出一种基于压电材料的人体动能供电智能鞋。鞋体的底部嵌入压电发电单元，利用人体的生物动能，为可穿戴电子设备持续供电，实现无需外接充电的智能鞋类产品。将多种传感器嵌入到鞋子中，实现计步、测速、测距、心率、血压、路线跟踪及游戏控制等多种功能。自供能可穿戴电子设备可降低电池的使用，从而缓解废旧电池污染环境的问题[2]。
CN109936306A提出一种发电织物结构及其制备方法，涉及压电智能织物技术领域，采用以芯电极作为芯层、PVDF纤维作为壳层的连接纱线与第一导电织物和第二导电织物制备发电织物结构，以芯电极作为输出电极，第一导电织物和第二导电织物中的导电纱线作为另一个电极，使得第一导电织物和第二导电织物受外力发生形变时，连接纱线的PVDF纤维壳层内表面和外表面之间因压电效应产生极性相反的电荷并形成电势差，从而产生电流。该发电织物结构用于智能织物后，由于压电电势差来自PVDF纤维壳层的内外表面，独特的发电结构可避免短路现象的发生[3]。
CN112847299A提出一种人体关节能量回收装置，用于捕获关节的运动生物能，从而产生电能。所产生的电能可为可穿戴电子装置提供实时电能供应。该装置采用直线滑轨机构并与佩戴者的第一肢体、第二肢体配合以组成曲柄滑块机构，将关节的转动运动转化为直线滑轨机构的直线运动。弯曲梁结构将直线滑轨机构的直线运动转化为弯曲运动。压电薄膜可粘附于弯曲梁上下表面。在行走过程中，弯曲梁发生弯曲变形，导致压电薄膜被拉伸或压缩，从而生成电能。柔性压电薄膜易弯曲、可变形量大、能量转换效率高。可穿戴电子装置可以为智能手环、智能手表及智能心电监测仪等[4]。
2.2 吸音降噪
噪声作为一种常见的环境污染因素，对人们的听力和身体健康有严重的影响。随着道路交通的发展，生产生活水平的改善，噪声问题愈为严重。吸音降噪、获得安静舒适的环境，引发全球的关注。利用压电材料进行噪声发电，实现变废为宝，对于噪声污染治理有着重大意义，举例如下。
CN113162474A提出一种噪声发电装置及其发电方法。噪声发电装置包括降噪发电部分和控制部分。降噪发电部分包括依次从前至后设置的防护聚声层、亥姆霍兹共振层、旋转式复合弹性薄膜压电层以及宽频吸声降噪层，利用频谱传感器、压电振子模块及单片机等，实现自动适应环境中不同频段噪声，提高声电转换效率。在噪声作用下，复合弹性薄膜压电层受迫振动产生电流，剩余的噪声由宽频吸声降噪层吸收[5]。
CN108374707A针对汽车发动机噪声，提出一种自动调节腔体的磁流变排气消音器。气流吹到压电振子产生气体动压力，气流中声波的振动使压电陶瓷所受应力交替增加和减小，即将声能转换成电能。通过压电陶瓷吸收低频声波，利用穿孔板和玻璃棉共同作用吸收中高频声波，吸收频带宽[6]。
2.3 智能交通
城市中，交通拥堵时有发生。若交通信号灯变换时间控制不精细，容易导致资源不能合理利用的情况，如行人方向绿灯点亮，却没有行人通过，而机动车仍旧被迫等待。另外，大厦的楼道里通宵开灯会造成能源浪费。利用压电智能技术，可以有力促进交通智能化，合理利用交通资源，节约能源，举例如下。
CN103134553A提出一种压电自发电的车速与车距智能监测系统，包括车速与车距智能监测单元和压电自发电单元。车速与车距智能监测单元包括横向间隔排列铺设在道路路面下的前压电带和后压电带以及智能控制器。智能控制器由依次相接的放大电路模块、滤波电路模块、迟滞比较器电路模块以及微处理器模块构成。微处理器模块的输出端接有数显警示牌，通过前、后压电带实时采集信号，获取车速信息、车距信息并显示。压电自发电单元包括多个压电换能器、整流滤波电路以及蓄电池。通过压电换能器把行车荷载的作用转化为电能，作为系统有效运作的能量来源，无需外接电源，既环保又经济，并且克服了偏远地区电能短缺的难题。操作过程无需人工控制，节省人力物力，节省维护维修成本。数显警示牌为LED显示屏或LCD显示屏，可作为智能交通系统的一部分[7]。
CN102677846A提出一种智能型绿能指示地砖，包括多个压电转换地砖，铺设排列于逃生梯或表演厅的走道上。在这些压电转换地砖的一侧或两侧周边，另铺设有相对应的发光二极管。压电转换地砖被踩踏而产生的电能经整流后输出于发光二极管，进而形成逃生方向的指示灯。在没有人行走时，照明装置不需要点亮，从而避免不必要的能源浪费[8]。
2.4 触觉致动器
电子设备包括多种输入、输出设备，如触摸屏、键盘、鼠标等，响应于用户的输入，将触觉输出给触觉输出设备，可增强用户与设备的交互体验，举例如下。
CN107526435A提出一种触觉致动器，包括压电材料和耦接到该压电材料表面的电压电极图案。电压电极是可单独控制以将电压提供给压电材料的不同部分。响应于电压的施加，压电材料的不同区段可操作为偏转，从而在那些位置产生触觉输出。不同的电压可被提供给电压电极中的一个或多个电压电极以影响偏转的位置，并因此影响触觉输出。触觉输出系统结合密封的触觉元件以产生触觉输出至用户。触觉致动器可设置在触控板、触摸屏或其他电子设备中[9]。
CN104020844A公开了一种具有线性共振致动器的触觉设备，用于设置有触摸屏的电子设备。触摸屏从用户接收输入，触觉设备响应于用户的输入而生成触觉效果，包括配置为生成触觉效果的致动器，以及配置为把驱动信号传送到致动器并且在驱动信号被终止生成触觉效果之前或同时把制动信号传送到致动器的处理器。该制动信号具有基本与致动器的共振频率相同的频率并且与驱动信号反相。触觉效果可增强用户体验。电子设备可以是台式计算机、移动电话、游戏设备等[10]。
CN102741786A提出一种在电子设备的触摸板中设置嵌入式压电元件的系统，触摸板由一个或更多个放置在该触摸板内部的压电元件形成。触摸板控制器识别该触摸板上发生的触摸，并基于触摸的发生生成一个或更多个控制信号。电压源收到所述一个或更多个产生的控制信号，并基于所述一个或更多个控制信号向所述一个或更多个压电元件中的至少一个提供电压。压电致动器集成在触摸板内部，可提供触摸板与压电致动器之间良好的机械连接，从而能够使从压电致动器到触摸板的振动的传导被最大化[11]。
2.5 精密驱动
精密驱动技术已经在微型机器人、航空航天、医疗器械以及精密定位等领域发挥重要作用。压电智能材料因具有体积小、变形大、不受磁场干扰和驱动电压低等优点而受到关注和应用。国内外压电精密驱动器按照运动方式一般分为直接驱动式、尺蠖式和冲击式，举例如下。
CN111308638A提出一种基于压电驱动的镜头移动机构，由两个压电叠堆共同驱动，在相同的直流电压信号驱动下伸长变形，带动柔性铰链发生变形，在放大机构杠杆作用下，对压电叠堆输出位移进行放大，通过柔性铰链三级位移放大作用，移动环处获得较大的直线运动位移，大大提高了镜头移动距离。移动环与壳体之间通过导轨副移动，实现镜头精准移动，且在壳体中留有位移检测传感器位置，方便测量移动环及镜头的移动位[12]。
CN104201934A提出一种微型冲击式压电驱动旋转关节，在所述轴承架的两侧对称设置有压电陶瓷片。压电陶瓷片平行于轴承架，由轴承单元和压电陶瓷片构成轴承驱动模块。旋转轴的两端贯穿轴承套圈的中心，由两端轴承套圈内侧面对旋转轴施加设定的轴向预夹紧力，通过输入非对称的锯齿形电压，控制两端轴承驱动模块中的压电陶瓷片交替伸长和缩短，利用惯性冲击作用实现旋转轴的步进运动。结构紧凑稳定，驱动方式简单，适宜于微型化[13]。
CN109713934A提出一种柔顺爬行致动机构，包括前箝位机构、运动伸缩机构、后箝位机构、位移放大机构、断电箝位机构及刚性导轨。前箝位机构和后箝位机构对称分布在运动伸缩机构的上下两侧，前箝位机构、运动伸缩机构和后箝位机构位于刚性导轨内，均为通过受到外部激励可伸缩的压电智能材料机构。通过计算机程序控制各机构的伸缩，实现致动机构柔顺爬行、进行转弯等曲线运动[14]。
随着一次能源面临短缺、耗竭，在我国2030年达成碳达峰、2060年前后实现碳中和的背景下，能源结构调整已成为社会的共识。随着社会的发展，绿色能源的占比将会不断提高，并最终成为主导能源。发展可再生能源是我国实现双碳目标的必经之路。压电智能技术以其绿色、环保、无污染的特点，逐渐进入人们的生产生活中，在智能发电、吸音降噪、智能交通、触控反馈、精密驱动领域都有着广阔的应用前景，对我国智能技术的发展将起到有效的促进作用。
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