一种基于扭振带隙的声子晶体发电装置制造方法
【专利摘要】本发明提供的是一种基于扭振带隙的声子晶体发电装置。包括主轴和支梁，支梁上安装压电材料和质量块组成局域振子单元，主轴上安装至少两排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构，所述主轴上安装至少两排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构是指：同排中各局域振子单元等间距分布；各排的局域振子单元的间距相等；在主轴的横截面上各排局域振子单元等间距分布。本发明利用压电技术进行能量转换，并采用声子晶体技术实现发电装置在振动环境中的宽频高效发电。结构简单、制造方便，并对压电振动装置的扭转振动发电频带进行了有效的拓宽，无需主动控制、对工作环境的要求较低。可用于检测旋转机械运行状况的无线传感器等微电子产品的能量供应。
【专利说明】—种基于扭振带隙的声子晶体发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种发电装置，具体地说是一种适用于在振动噪声环境中的利用声子晶体扭转振动带隙原理的宽频振动发电装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着集成电路技术和微/纳机电系统技术的发展，微电子产品被广泛的应用于无线网络节点、环境监测、汽车、建筑等重要领域。目前微电子产品的发展受限于供能装置的微型化和寿命期限等问题，因此发展新型的微电源技术十分重要。当前，微机电系统所采用的化学电源方案多数只适于短寿命周期，并且难以应对数量不断增加的无线网络节点，而基于压电效应的振动发电装置，虽然只能产生小级别的电力，但已能满足微功耗系统要求，并其所利用的振动源无处不在，具备不受场地限制、活动性强等优点，因此采用压电振动发电装置可以解决微机电系统的自我供能问题。
[0003]目前的研究较多的悬臂梁发电结构面临“共振频率单一，发电效率低”的问题。为提高发电效率，拓宽发电频带，目前常用的方法有两种:一、主动自调整法，即通过主动控制调节装置的自身固有频率从而适应环境振动频率的变化；二、被动自调整法，即通过多个不同固有频率的发电装置组合达到拓宽频带的效果。两种方法均有缺点，前者自身耗能大，后者装置的尺寸及设计成本均显著增加。《西安交通大学学报》2010年2月第2期第44卷的中刊登的“多悬臂梁压电振子频率分析及发电实验研究”中，提出了一种多悬臂梁压电振子结构，即属于被动自调整范畴，将若干不同的悬臂梁振子串联在同一基体上，从而将发电装置的发电频带拓宽至56-65HZ，并提高了发电量。但是这种结构是将不同的悬臂梁布置于同一基体上，悬臂梁的设计复杂，生产成本高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种结构简单、制造方便，能拓宽扭转振动发电频带的基于扭振带隙的声子晶体发电装置。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]它包括主轴和支梁，支梁上安装压电材料和质量块组成局域振子单元，主轴上安装至少两排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构，所述主轴上安装至少两排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构是指:同排中各局域振子单元等间距分布；各排的局域振子单元的间距相等；在主轴的横截面上各排局域振子单元等间距分布。
[0007]本发明还可以包括:
[0008]1、主轴上安装3-4排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构。
[0009]2、主轴的横截面为圆形。
[0010]4、主轴的横截面为正方形。
[0011]5、所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁一侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。[0012]6、所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。
[0013]7、所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部两侧的质量块。
[0014]本发明主要是针对微电子产品的电能供应而设计，利用压电技术进行能量转换，并采用声子晶体技术实现发电装置在振动环境中的宽频高效发电。其原理是在主梁截面周向均布若干发电支梁(局域振子)，并在轴向方向等间距布置若干组这样的单元，形成局域共振型声子晶体轴结构，通过局域振子的动力吸振以及相互间的耦合作用，产生不同中心频率及不同带宽的扭转振动带隙，将旋转机械的扭转振动转换为电能，最终实现利用扭转振动的宽频发电效果。
[0015]本发明是一种利用工作环境中机械扭转振动发电的压电发电装置。方案是将若干相同的悬臂梁振子，等间距安装在主梁上，构成局域共振型声子晶体结构。利用局域共振型声子晶体产生的扭转振动带隙，有效拓宽装置发电频带的带宽，提高装置的发电效率。与【背景技术】中的串联结构相比，本发明主要针对机械扭转振动发电，在带隙拓宽原理上具有根本不同，同时具备设计成本低、发电量高的特点。
[0016]总之本发明的整体结构简单、制造方便，并对压电振动装置的扭转振动发电频带进行了有效的拓宽，无需主动控制、对工作环境的要求较低。可用于检测旋转机械运行状况的无线传感器等微电子产品的能量供应等。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的基于扭转振动带隙的声子晶体发电装置的一种实施方式的结构示意图。
[0018]图2是双压电片双质量块局域振子的结构示意图。
[0019]图3是本发明的基于扭转振动带隙的声子晶体发电装置的第二种实施方式的结构示意图。
[0020]图4是本发明的基于扭转振动带隙的声子晶体发电装置的第三种实施方式的结构示意图。
[0021]图5是双压电片单质量块局域振子三维示意图。
[0022]图6是单压电片单质量块局域振子三维示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
[0024]本发明的基于扭振带隙的声子晶体发电装置的组成主要包括主轴1、支梁2、质量块3、压电材料4。主轴I用于与振动环境中的机座相连接或者直接作为机座，材料为硅、金属或者弹性材料等；支梁2材料为硅或金属；质量块3材料为铜、镍等金属；压电材料4材料为压电陶瓷或压电薄膜。质量块3与压电材料4通过粘结等合理工艺方式粘结在支梁2上，组成局域振子，局域振子作为单元通过焊接、嵌入连接等方式等间距安装在主轴I上，从而组成声子晶体轴结构，各局域振子单元上的压电材料的表面平行于主轴的轴线。局域振子与主轴等的结构尺寸和声子晶体的周期数目可以根据需要进行调整，该装置将机械扭转振动转化为电能后，通过整流器处理用于储存或者供能。
[0025]根据局域振子单元焊接或嵌入连接安装在主轴上的布局不同，可以构成本发明的多种【具体实施方式】。
[0026]结合图1，主轴的横截面为圆形，沿主轴的轴向安装3排局域振子单元，3排局域振子单元在圆形横截面上为等间距分布，同一排中各局域振子单元之间的间距相等，不同排的局域振子单元之间的间距也相等，所有局域振子单元的结构完全相同。
[0027]结合图2、5或6，局域振子单元可以是以下三种形式中的一种:图2给出的是双压电片双质量块局域振子结构，即局域振子单元包括支梁、粘结在支梁两侧的压电材料以及粘结在支梁端部两侧的质量块；图5给出的是双压电片单质量块局域振子结构，即局域振子单元包括支梁、粘结在支梁两侧的压电材料以及粘结在支梁端部一侧的质量块；图6给出的是单压电片单质量块局域振子结构，即局域振子单元包括支梁、粘结在支梁一侧的压电材料以及，粘结在支梁端部一侧的质量块。
[0028]结合图3或图4，它是在图1所示的【具体实施方式】的基础上，改变主轴上的局域振子单元的安装排数所构成的另外两种【具体实施方式】。图3给出的是周向均布双振子的声子晶体发电装置；图4是周向均布四振子的声子晶体发电装置。
[0029]当然也可以改变主轴的横截面的形状，例如将主轴的横截面设计成正方形、等边
三角形等。
[0030]实际使用时应考虑到以下几种因素。
[0031](I).主梁及局域振子结构。根据环境振动情况及设备电量需求，可以改变主梁或局域振子结构，如图3、4、5、6。为提高发电量可将双压电片改为单压电片、单质量块改为双质量块；当外界振动较为剧烈时，可以增加轴向支梁的数目，从而提高能量的利用率。
[0032](2).主轴及局域振子的材料。根据环境振动频率不同，调整主轴及局域振子的组成材料，从而使设备的发电频带与外界环境频率相匹配。
[0033](3).声子晶体的周期数。根据几何尺寸要求、发电量大小、频带范围等可以调整声子晶体的周期数目。
【权利要求】
1.一种基于扭振带隙的声子晶体发电装置，包括主轴和支梁，支梁上安装压电材料和质量块组成局域振子单元，其特征是:主轴上安装至少两排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构，所述主轴上安装至少两排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构是指:同排中各局域振子单元等间距分布；各排的局域振子单元的间距相等；在主轴的横截面上各排局域振子单元等间距分布。
2.根据权利要求1所述的基于扭振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:主轴上安装3-4排结构相同的局域振子单元组成声子晶体结构。
3.根据权利要求1或2所述的基于扭振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:主轴的横截面为圆形。
4.根据权利要求3所述的基于扭振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁一侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。
5.根据权利要求3所述的基于扭振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部一侧的质量块。
6.根据权利要求3所述的基于扭振带隙的声子晶体发电装置，其特征是:所述局域振子单元包括支梁，粘结在支梁两侧的压电材料，粘结在支梁端部两侧的质量块。
【文档编号】H02N2/18GK103762892SQ201410022603
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】舒海生, 董立强, 刘少刚, 赵丹, 李世丹, 林航, 刘伟, 王兴国, 李晓刚, 梁善军 申请人:哈尔滨工程大学