一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置的制作方法

本发明涉及能量转化及收集领域，具体涉及一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置。

背景技术：

振动能量是自然界中常见的能量形式。常用的振动能量采集装置有膜式、钹式、悬臂梁式。由于悬臂梁式振动能量采集具有结构简单、容易实现的优点，即使在较低的振动频率下也能保证高输出功率，所以悬臂梁式能量采集装置在振动能量采集中被广泛的关注。传统悬臂梁式振动能量采集装置的频带窄，降低了振动能量采集的效率。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，该能量收集装置包括振源、连接部、悬臂梁、刻痕、压电材料块、质量块；连接部固定在振源上，悬臂梁的一端固定在连接部上，悬臂式上设有多条刻痕，刻痕平行于悬臂梁的方向，刻痕始于悬臂梁的固定端，刻痕不贯穿整个悬臂梁，沿垂直于悬臂梁的方向，刻痕的体积逐渐增加，压电材料块设置在悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，压电材料块与外部能量采集电路连接，质量块设置在悬臂梁顶面靠近自由端的部位。

更进一步地，刻痕为沟槽。

更进一步地，沟槽的截面为楔形。

更进一步地，沿垂直于悬臂梁的方向，刻痕的长度逐渐增加。

更进一步地，沿垂直于悬臂梁的方向，刻痕的宽度逐渐增加。

更进一步地，沿垂直于悬臂梁的方向，刻痕的深度逐渐增加。

更进一步地，沿垂直于悬臂梁的方向，刻痕的长度相等，刻痕的宽度逐渐增加。

更进一步地，悬臂梁的材料为铝合金、硅、半导体材料、金刚石。

更进一步地，压电材料块的材料为压电陶瓷或聚偏氟乙烯。

更进一步地，连接部与振源之间采用螺栓连接，连接部的材料为铜。

本发明的有益效果：本发明提供了一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，该能量收集装置包括振源、连接部、悬臂梁、刻痕、压电材料块、质量块；连接部固定在振源上，悬臂梁的一端固定在连接部上，悬臂梁上设有多条刻痕，刻痕平行于悬臂梁的方向，刻痕始于悬臂梁的固定端，刻痕不贯穿整个悬臂梁，沿垂直于悬臂梁的方向，刻痕的体积逐渐增加，压电材料块设置在悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，压电材料块与外部能量采集电路连接，质量块设置在悬臂梁顶面靠近自由端的部位。本发明应用刻痕改变垂直于悬臂梁方向的杨氏模量分布，使得在垂直于悬臂梁方向具有多个杨氏模量，从而使得悬臂梁的振动频率变宽和实现宽频能量收集。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置的示意图。

图2是又一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置的示意图。

图中：1、振源；2、连接部；3、悬臂梁；4、刻痕；5、压电材料块；6、质量块。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置。如图1所示，该能量收集装置包括振源1、连接部2、悬臂梁3、刻痕4、压电材料块5、质量块6。连接部2固定在振源1上。优选地，连接部2与振源1之间采用螺栓连接。连接部2的材料为铜。悬臂梁3的一端固定在连接部2上。悬臂梁3的材料为铝合金、硅、半导体材料、金刚石。悬臂梁3上设有多条刻痕4，刻痕4平行于悬臂梁3的方向。刻痕4始于悬臂梁3的固定端，刻痕4不贯穿整个悬臂梁3，也就是刻痕4不到达悬臂梁3的自由端。刻痕4为沟槽。沟槽的截面为楔形。制备时，可以应用离子束刻蚀的方法制备沟槽，沟槽的截面可以为矩形或楔形。优选地，沟槽的截面为楔形，这样一来，沟槽对原始悬臂梁的损伤小，悬臂梁3的寿命长。沿垂直于悬臂梁3的方向，刻痕4的体积逐渐增加。刻痕4的体积是指刻痕4中空气的体积。当刻痕4为沟槽时，刻痕4的体积是指沟槽内空气的体积。压电材料块5设置在悬臂梁3顶面上靠近固定端的部位，压电材料块5与外部能量采集电路连接。图1中，在压电材料块5的下面，也设有刻痕4，压电材料块5覆盖刻痕，以在压电材料块5处，悬臂梁3产生弯曲。压电材料块5的材料为压电陶瓷或聚偏氟乙烯。质量块6设置在悬臂梁3顶面靠近自由端的部位。

应用时，振源1带动连接部2振动，连接部2带动悬臂梁3振动，在压电材料块5上产生异号电荷聚集，形成电势差，通过外部能量采集电路采集能量。本发明相当于应用刻痕4将悬臂梁3分成若干条，刻痕4的体积不同，也就是刻痕4的长度、宽度或深度不同，对悬臂梁每条杨氏模量的改变不同。也就是应用刻痕4改变垂直于悬臂梁3方向的杨氏模量分布，使得在垂直于悬臂梁3方向具有多个杨氏模量，悬臂梁每条之间相互耦合，从而使得悬臂梁3的振动频率变宽和实现宽频能量收集。

更进一步地，如图1所示，沿垂直于悬臂梁3的方向，刻痕4的长度逐渐增加。这样一来，在悬臂梁3长度方向上，悬臂梁每条的杨氏模量不同，悬臂梁每条的共振频率不同，相邻的条之间耦合，拓宽了悬臂梁3的振动频率。

更进一步地，沿垂直于悬臂梁3的方向，刻痕4的宽度逐渐增加。刻痕4宽度增加使得刻痕4对悬臂梁每条的杨氏模量改变更大，从而更进一步地拓宽了悬臂梁3的振动频率。

更进一步地，沿垂直于悬臂梁3的方向，刻痕4的深度逐渐增加。刻痕4深度增加使得刻痕4对悬臂梁每条的杨氏模量改变更大，从而更进一步地拓宽了悬臂梁3的共振频率。

在垂直于悬臂梁3的方向上，逐渐改变刻痕4的参数，以使得悬臂梁每条的杨氏模量逐渐变化，增强悬臂梁3相邻条之间的耦合。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，沿垂直于悬臂梁3的方向，刻痕4的长度相等，刻痕4的宽度逐渐增加。这样一来，悬臂梁每条中，各处的杨氏模量相同，增强了悬臂梁3相邻条之间的耦合，从而使得在悬臂梁3的固定端能够产生更大幅度的振动，压电材料块5产生更多的电能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于，包括：振源、连接部、悬臂梁、刻痕、压电材料块、质量块；所述连接部固定在所述振源上，所述悬臂梁的一端固定在所述连接部上，所述悬臂梁上设有多条所述刻痕，所述刻痕平行于所述悬臂梁的方向，所述刻痕始于所述悬臂梁的固定端，所述刻痕不贯穿整个所述悬臂梁，沿垂直于所述悬臂梁的方向，所述刻痕的体积逐渐增加，所述压电材料块设置在所述悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，所述压电材料块与外部能量采集电路连接，所述质量块设置在所述悬臂梁顶面靠近自由端的部位。

2.如权利要求1所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述刻痕为沟槽。

3.如权利要求2所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述沟槽的截面为楔形。

4.如权利要求3所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：沿垂直于所述悬臂梁的方向，所述刻痕的长度逐渐增加。

5.如权利要求4所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：沿垂直于所述悬臂梁的方向，所述刻痕的宽度逐渐增加。

6.如权利要求5所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：沿垂直于所述悬臂梁的方向，所述刻痕的深度逐渐增加。

7.如权利要求3所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：沿垂直于所述悬臂梁的方向，所述刻痕的长度相等，所述刻痕的宽度逐渐增加。

8.如权利要求1-7任一项所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述悬臂梁的材料为铝合金、硅、半导体材料、金刚石。

9.如权利要求8所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述压电材料块的材料为压电陶瓷或聚偏氟乙烯。

10.如权利要求9所述的具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述连接部与所述振源之间采用螺栓连接，所述连接部的材料为铜。

技术总结
本发明提供了一种具有刻痕的宽频悬臂梁能量收集装置，该能量收集装置包括振源、连接部、悬臂梁、刻痕、压电材料块、质量块；连接部固定在振源上，悬臂梁的一端固定在连接部上，悬臂式上设有多条刻痕，刻痕平行于悬臂梁的方向，刻痕始于悬臂梁的固定端，刻痕不贯穿整个悬臂梁，沿垂直于悬臂梁的方向，刻痕的体积逐渐增加，压电材料块设置在悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，压电材料块与外部能量采集电路连接，质量块设置在悬臂梁顶面靠近自由端的部位。本发明应用刻痕改变垂直于悬臂梁方向的杨氏模量分布，使得在垂直于悬臂梁方向具有多个杨氏模量，从而使得悬臂梁的振动频率变宽和实现宽频能量收集。

技术研发人员：不公告发明人
受保护的技术使用者：金华伏安光电科技有限公司
技术研发日：2020.07.16
技术公布日：2020.09.22