层合磁电式宽频三维振动能量采集器及其弹性机构的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种弹性机构，由支座、弧形弹性梁和质量块组成；所述弧形弹性梁由直条段和弯曲段组成；直条段的轴向与质量块的轴向平行，多根直条段沿质量块周向均匀分布，且直条段与质量块的中心轴之间的距离大于质量块半径；所述弯曲段的外端与质量块的外壁连接，弯曲段和直条段所形成的平面与质量块的轴截面重合。本发明还提出了一种基于前述弹性机构的层合磁电式宽频三维振动能量采集器。本发明的有益技术效果是：扩展了振动能量采集器对外部振动激励的响应范围，提高了振动能量采集器对能量进行采集时的采集效率。
【专利说明】 层合磁电式宽频三维振动能量采集器及其弹性机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种振动能量采集装置，尤其涉及一种层合磁电式宽频三维振动能量采集器及其弹性机构。
【背景技术】
[0002]随着MEMS技术的迅猛发展，微功率电子产品及微小型无线传感等也获得了长足的进步；为了满足微功率电子产品的自供能需求，微小型能量采集器的研究现已成为前沿执占。
[0003]振动能量是环境中普遍存在的一种能源，包括人为的，如汽车振动、各种工业机械振动等，以及自然存在的振动，如风致振动等，且振动能量具有能量密度大的优点；目前，切之可行的振动能量采集方式主要有静电式(electrostatic)、电磁式(electromagnetic)、压电式(piezoelectric)和磁电式(magnetoelectric)四种，在此基础上，研究者相继设计了许多振动能量采集器，如:静电式能量采集装置(中国发明专利CN1547312A、美国专利US7112911B2等)；电磁式能量采集装置(中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN1652440A、CN1604436A等)；压电式能量采集装置(中国发明专利CN2834010Y、CN201054553Y、美国专利US7345407B2等)；磁电式能量采集装置(中国发明专利 CN101404468A 等)。
[0004]抛开振动能量采集器的换能机制不谈，现有的振动能量采集器都存在着一个共同的问题，即只能对某一特定方向的振动能量进行采集，而实际环境中，振动方向通常具有多向性，甚至是三维的或随着时间不断变化的，传统采集装置对某一特定方向振动能量进行采集的方式就显得效率低下了，大大制约了振动能量采集器在工程实际中的应用。
【发明内容】
[0005]针对【背景技术】中的问题，本发明提出了一种弹性机构，其结构为:所述弹性机构由支座、多根弧形弹性梁和质量块组成；所述质量块的形状为圆柱形；所述弧形弹性梁由直条段和弯曲段组成，且直条段和弯曲段为整体结构；直条段的轴向与质量块的轴向平行，多根弧形弹性梁上的直条段沿质量块周向均匀分布，且直条段与质量块的中心轴之间的距离大于质量块半径；所述弯曲段的外端与质量块的外壁连接，弯曲段和直条段所形成的平面与质量块的轴截面重合。
[0006]前述结构的原理是:本发明的弹性机构中的弧形弹性梁由直条段和弯曲段组成，直条段使得弹性机构可以对质量块横截面范围内任意方向上的振动作出响应，弯曲段使得弹性机构可以对质量块轴向方向上的振动作出响应，这就使得弹性机构具备了响应多个维度振动的能力；相比于现有技术，本发明的方案可以使振动能量采集器的响应范围得到扩展，提高振动能量采集器采集能量的效率。
[0007]基于前述方案，本发明提出了一种层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其结构为:所述层合磁电式宽频三维振动能量采集器由弹性机构、基座、支架、两块永磁体和层状复合换能器组成；
所述弹性机构的结构为:所述弹性机构由支座、多根弧形弹性梁和质量块组成；所述质量块的形状为圆柱形；所述弧形弹性梁由直条段和弯曲段组成，且直条段和弯曲段为整体结构；直条段的轴向与质量块的轴向平行，多根弧形弹性梁上的直条段沿质量块周向均匀分布，且直条段与质量块的中心轴之间的距离大于质量块半径；所述弯曲段的外端与质量块的外壁连接，弯曲段和直条段所形成的平面与质量块的轴截面重合；
支座和支架都设置于基座上，第一永磁体设置于支架上，第二永磁体设置于质量块的外端面上，装置静止时，第一永磁体和第二永磁体位置相对形成闭合的气隙磁场，层状复合换能器设置于气隙磁场内第一永磁体的外端面上，层状复合换能器与第二永磁体之间留有间隙。
[0008]本发明的层合磁电式宽频三维振动能量采集器的工作原理是:第一永磁体和层状复合换能器与基座的相对位置保持固定，第二永磁体能在外部振动激励下发生振动，当外部振动激励作用到基座上后，层状复合换能器与永磁体磁路产生相对运动，层状复合换能器感受到变化的磁场从而导致压磁相发生相应的形变，该形变作用到层状复合换能器中的压电层上并产生电输出；本发明的层合磁电式宽频三维振动能量采集器即是利用前述的弹性机构所获得的一种新的振动能量采集器，得益于弹性机构对多个维度振动响应的能力，本发明的层合磁电式宽频三维振动能量采集器的响应维度也得到了扩展，能量采集的效率较闻。
[0009]优选地，所述第一永磁体和支架之间通过一连接块连接，所述连接块采用不导磁的材料制作。
[0010]为了提高装置的输出，本发明还作了如下改进:所述永磁体由两块磁铁拼接而成，其中第一磁铁的横截面为圆形，第二磁铁的横截面为圆环形，第一磁铁套接在第二磁铁的内孔中，且第一磁铁外端面极性和第二磁铁外端面的极性相反；装置静止时，第一永磁体上的第一磁铁与第二永磁体上的第一磁铁极性相反、位置相对，第一永磁体上的第二磁铁与第二永磁体上的第二磁铁极性相反、位置相对。采用前述改进后，就使得同一永磁体上的两块磁铁的交界处的磁场极性可以出现突变，在大大提高气隙磁场磁场梯度的同时，还使层状复合换能器与永磁体磁路产生相对运动时的磁场变化率得到了提高，最终使得层状复合换能器可以获得更大的电输出。
[0011]为了便于调节两个永磁体之间的间隙，本发明还作了如下改进:所述支架能在基座上滑动。
[0012]为了防止第二永磁体振动时碰撞到层状复合换能器，本发明还作了如下改进:所述第一永磁体外端面上设置有保护架，保护架外端与第二永磁体之间的间隙小于层状复合换能器与第二永磁体之间的间隙。
[0013]优选地，所述层状复合换能器由两层磁致伸缩材料层和一层压电材料层组成；两层磁致伸缩材料层分别层叠在压电材料层的上下侧。
[0014]为了进一步提高层状复合换能器的电输出，本发明还作了如下改进:所述磁致伸缩材料层由多块磁致伸缩材料片拼接而成，压电材料层两侧的磁致伸缩材料片数量相同且
位置——对应。
[0015]本发明的有益技术效果是:扩展了振动能量采集器对外部振动激励的响应范围， 提高了振动能量采集器对能量进行采集时的采集效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1、本发明的结构示意图；
图2、永磁体外端面示意图；
图3、层状复合换能器结构示意图；
图中各个标记所对应的部件分别为:支座1、弧形弹性梁2、直条段2-1、弯曲段2-2、质量块3、基座4、支架5、永磁体6、层状复合换能器7、磁致伸缩材料层7-1、压电材料层7-2、磁致伸缩材料片7-3、保护架8、第一磁铁9、第二磁铁10。
【具体实施方式】
[0017]一种弹性机构，其结构为:所述弹性机构由支座1、多根弧形弹性梁2和质量块3组成；所述质量块3的形状为圆柱形；所述弧形弹性梁2由直条段2-1和弯曲段2-2组成，且直条段2-1和弯曲段2-2为整体结构；直条段2-1的轴向与质量块3的轴向平行，多根弧形弹性梁2上的直条段2-1沿质量块3周向均匀分布，且直条段2-1与质量块3的中心轴之间的距离大于质量块3半径；所述弯曲段2-2的外端与质量块3的外壁连接，弯曲段2-2和直条段2-1所形成的平面与质量块3的轴截面重合。
[0018]一种层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其结构为:所述层合磁电式宽频三维振动能量采集器由弹性机构、基座4、支架5、两块永磁体6和层状复合换能器7组成；
所述弹性机构的结构为:所述弹性机构由支座1、多根弧形弹性梁2和质量块3组成；所述质量块3的形状为圆柱形；所述弧形弹性梁2由直条段2-1和弯曲段2-2组成，且直条段2-1和弯曲段2-2为整体结构；直条段2-1的轴向与质量块3的轴向平行，多根弧形弹性梁2上的直条段2-1沿质量块3周向均匀分布，且直条段2-1与质量块3的中心轴之间的距离大于质量块3半径；所述弯曲段2-2的外端与质量块3的外壁连接，弯曲段2-2和直条段2-1所形成的平面与质量块3的轴截面重合；
支座I和支架5都设置于基座4上，第一永磁体6设置于支架5上，第二永磁体6设置于质量块3的外端面上，装置静止时，第一永磁体6和第二永磁体6位置相对形成闭合的气隙磁场，层状复合换能器7设置于气隙磁场内第一永磁体(6)的外端面上,层状复合换能器7与第二永磁体6之间留有间隙。
[0019]进一步地，所述第一永磁体6和支架5之间通过一连接块连接，所述连接块采用不导磁的材料制作。
[0020]进一步地，所述永磁体6由两块磁铁拼接而成，其中第一磁铁的横截面为圆形，第二磁铁的横截面为圆环形，第一磁铁套接在第二磁铁的内孔中，且第一磁铁外端面极性和第二磁铁外端面的极性相反；装置静止时，第一永磁体6上的第一磁铁与第二永磁体6上的第一磁铁极性相反、位置相对，第一永磁体6上的第二磁铁与第二永磁体6上的第二磁铁极性相反、位置相对。
[0021]进一步地，所述支架5能在基座4上滑动。
[0022]进一步地，所述第一永磁体6外端面上设置有保护架，保护架外端与第二永磁体6之间的间隙小于层状复合换能器7与第二永磁体6之间的间隙。[0023]进一步地，所述层状复合换能器7由两层磁致伸缩材料层7-1和一层压电材料层7-2组成；两层磁致伸缩材料层7-1分别层叠在压电材料层7-2的上下侧。
[0024]进一步地，所述磁致伸缩材料层7-1由多块磁致伸缩材料片拼接而成，压电材料层7-2两侧的磁致伸缩材料片数量相同且位置一一对应。
【权利要求】
1.一种弹性机构，其特征在于:所述弹性机构由支座(1)、多根弧形弹性梁(2)和质量块(3)组成；所述质量块(3)的形状为圆柱形；所述弧形弹性梁(2)由直条段(2-1)和弯曲段(2-2)组成，且直条段(2-1)和弯曲段(2-2)为整体结构；直条段(2-1)的轴向与质量块(3)的轴向平行，多根弧形弹性梁(2)上的直条段(2-1)沿质量块(3)周向均匀分布，且直条段(2-1)与质量块(3)的中心轴之间的距离大于质量块(3)半径；所述弯曲段(2-2)的外端与质量块(3 )的外壁连接，弯曲段(2-2 )和直条段(2-1)所形成的平面与质量块(3 )的轴截面重合。
2.一种采用权利要求1所述弹性机构的层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其特征在于:所述层合磁电式宽频三维振动能量采集器由弹性机构、基座(4)、支架(5)、两块永磁体(6)和层状复合换能器(7)组成； 所述弹性机构的结构为:所述弹性机构由支座(1)、多根弧形弹性梁(2)和质量块(3)组成；所述质量块(3)的形状为圆柱形；所述弧形弹性梁(2)由直条段(2-1)和弯曲段(2-2)组成，且直条段(2-1)和弯曲段(2-2)为整体结构；直条段(2-1)的轴向与质量块(3)的轴向平行，多根弧形弹性梁(2)上的直条段(2-1)沿质量块(3)周向均匀分布，且直条段(2-1)与质量块(3)的中心轴之间的距离大于质量块(3)半径；所述弯曲段(2-2)的外端与质量块(3 )的外壁连接，弯曲段(2-2 )和直条段(2-1)所形成的平面与质量块(3 )的轴截面重合； 支座(1)和支架(5)都设置于基座(4)上，第一永磁体(6)设置于支架(5)上，第二永磁体(6)设置于质量块(3)的外端面上,装置静止时,第一永磁体(6)和第二永磁体(6)位置相对形成闭合的气隙磁场，层状复合换能器(7 )设置于气隙磁场内第一永磁体(6 )的外端面上，层状复合换能器(7)与第二永磁体(6)之间留有间隙。
3.根据权利要求2所述的层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其特征在于:所述第一永磁体(6)和支架(5)之间通过一连接块连接，所述连接块采用不导磁的材料制作。`
4.根据权利要求2所述的层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其特征在于:所述永磁体(6)由两块磁铁拼接而成，其中第一磁铁的横截面为圆形，第二磁铁的横截面为圆环形，第一磁铁套接在第二磁铁的内孔中，且第一磁铁外端面极性和第二磁铁外端面的极性相反；装置静止时，第一永磁体(6)上的第一磁铁与第二永磁体(6)上的第一磁铁极性相反、位置相对，第一永磁体(6 )上的第二磁铁与第二永磁体(6 )上的第二磁铁极性相反、位置相对。
5.根据权利要求2所述的层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其特征在于:所述支架(5)能在基座(4)上滑动。
6.根据权利要求2所述的层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其特征在于:所述第一永磁体(6)外端面上设置有保护架，保护架外端与第二永磁体(6)之间的间隙小于层状复合换能器(7)与第二永磁体(6)之间的间隙。
7.根据权利要求2所述的层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其特征在于:所述层状复合换能器(7 )由两层磁致伸缩材料层(7-1)和一层压电材料层(7-2 )组成；两层磁致伸缩材料层(7-1)分别层叠在压电材料层(7-2 )的上下侧。
8.根据权利要求7所述的层合磁电式宽频三维振动能量采集器，其特征在于:所述磁致伸缩材料层(7-1)由多块磁致伸缩材料片拼接而成，压电材料层(7-2)两侧的磁致伸缩材料片数量相同且位置一一对`应。
【文档编号】H01L41/053GK103684048SQ201410005554
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】余强模, 杨进, 岳喜海, 文玉梅, 李平, 白小玲 申请人:重庆大学