一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及振动应用和电力技术领域，尤其涉及一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器。
【背景技术】
[0002]现在化学电池是微型传感器、集成电路、MEMS和便携式电子设备等主要的供电电源，但电池容量寿命有限，需要定期更换，势必对系统应用带来不便，尤其对于发展日益迅速的医疗健康监测和嵌入式智能系统来说，电池供电的这种局限性更为明显。此外，大量使用电池会带来材料浪费和环境污染等问题。因此，寻求可持续的供电方法来代替电池供电是突破系统寿命瓶颈的关键技术。
[0003]振动是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙，小至离子，都在时刻不停的振动。从物理学克制，许多形式的物理现象，如声、热、电磁、光等都包含振动。在人们的日常生活中，振动现象也屡见不鲜:心脏的跳动、耳膜和声带的振动，都是人体不可以缺少的生理活动，人的视觉靠光的刺激，而光本质上也是一种电磁振动。所以说振动能量是一个取之不尽，用之不竭的能源。如何高效采集振动能量是摆在现代科研人员要解决的关键问题。
[0004]振动式能量采集器近年来备受关注，是一种高效、清洁无污染的新型能量采集技术。它是利用压电陶瓷晶片的压电效应将环境的振动能量转换为电能，为便携式微功率电器或无线传感器等小型电子设备供电，是一种替代化学电池的最佳供电方式，解决了已自给自足方式供能自身的问题。根据能量转换原理的不同，获取电能的有效方法可利用电磁式、静电式和压电式等三类，而传统压电能量采集器普遍存在着工作频率单一、频带窄等问题，而环境中的振动频带较宽，且随机性较大。当环境中振动频率稍稍骗了压电振动能量采集器的谐振频率时，压电振动能量采集器的采集和转换效率就会显著降低，不利于对环境振动能量进行高效的采集与转换。所以构建新型工作频带宽的压电能量采集器装置仍是一个富有挑战的课题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供了一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，结构上采用了直角型悬臂梁装置，使得能量采集器能够有更宽的工作频带，从而有效提高能量采集效率。
[0006]—种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，包括支座和安装在支座上的水平金属基板，水平金属基板靠近支座端的安装有压电陶瓷晶片，水平金属基板另一端粘结有垂直金属基板，水平金属基板与垂直金属基板相互垂直构成直角型悬臂梁结构，垂直金属基板的另一端安装有质量块。
[0007]进一步的，所述的质量块可以沿垂直和水平方向复合振动。
[0008]进一步的，所述水平金属基板与垂直金属基板的长度比例为2:1。
[0009]更进一步的，所述水平金属基板长度为50mm，垂直金属基板的长度为25mm。
[0010]进一步的，所述质量块的重量为40g。。
[0011]进一步的，所述压电陶瓷晶片通过粘结胶层粘结在水平金属基板的外表面。
[0012]进一步的，所述水平金属基板与垂直金属基板为一体成型的相互垂直金属基板。
[0013]下面对本发明做进一步的说明:
[0014]本发明涉及种一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，它包括支座、压电陶瓷晶片、水平金属基板、垂直金属基板、质量块组成；水平金属基板的左端固定在支座上，压电陶瓷晶片粘接在水平金属基板上靠近左边固定端的外表面；垂直金属基板垂直粘接在水平金属基板右端，构成直角型；质量块设置在垂直金属基板上端。
[0015]当此直角型压电悬臂梁振动能量采集器安装在无线传感器或微功率电器上时，环境中的振动会引发此采集器质量块的振动，使质量块不停的振动引发水平金属基板上压电陶瓷晶片发生形变，使压电悬臂梁发电结构实现振动能转换为电能。
[0016]本发明采用上述技术方案与现有技术相比，可以达到下列效果:
[0017]1.现有典型的压电振动能量采集器是末端带有质量块的压电悬臂梁结构，它工作频率单一、频带较窄、采集能量效率低。通过在传统水平悬臂梁结构中增加一个垂直辅助悬臂梁，组成直角型悬臂梁结构，通过控制直角型悬臂梁辅助梁结构水平金属基板、垂直金属基板的长度使悬臂梁的一阶、二阶模态的固有频率间距缩小，使两者串联起来形成一个宽频谐振带。传统水平悬臂梁单结构一、二阶模态的固有频率间距较大，即f2^ 6.27f i，两者串联起来不利于形成宽频带。本装置通过在传统水平悬臂梁结构中增加一个垂直辅助悬臂梁，组成直角型悬臂梁结构，通过控制直角型悬臂梁辅助梁结构参数，水平方向金属基板长度为50mm，垂直方向金属基板长度为25mm，使悬臂梁的一阶、二阶模态的固有频率间距缩小，使两者串联起来形成一个宽频谐振带，即f2^ 2f 1D
[0018]2.质量块的作用是降低悬臂梁压电振子结构的固有频率。因为常见的振动源频率小于数千赫兹通过控制直角型悬臂梁辅助梁结构质量块的质量，降低直角型压电悬臂梁压电振子结构的固有频率，使能量采集器的固有频率与外界振动频率相匹配，提高振动能向电能转换效率。本发明通过在水平悬臂梁末端增加垂直结构，利用两者弹性耦合作用，增加一个质量块构成直角型压电悬臂梁振动能量采集器，有效拓宽工作频带，提高了能量采集效率。发明人经过大量实验发现，采用水平方向金属基板长度为50_，垂直方向金属基板长度为25mm，质量块的重量为40g时能量采集效率最好。
[0019]3.传统的电磁式转换电能装置，结构相对复杂，体积相对较大，而本发明提出的直角型压电悬臂梁振动能量采集器，结构简单、体积小，有利于在微型传感器等系统的集成和微型化。
[0020]4.本发明可以用来给微型传感器、电子器件取代部分化学电池，摆脱定期更换电源的束缚，实现长期不用更换电源的可持续工作。
【附图说明】
[0021]图1为本发明所述直角型压电悬臂梁振动能量采集器的平面结构示意图，1-支座、2-压电陶瓷晶片、3-金属基板、4-金属基板、5-质量块。
[0022]图2为本发明所述直角型压电悬臂梁振动能量采集器中压电片发电结构示意图，2-压电陶瓷晶片、3-金属基板、6-粘结胶层
【具体实施方式】
[0023]以下结合说明书附图对本发明装置作进一步的详细说明。
[0024]参照图1，本发明提出的直角型压电悬臂梁振动能量采集器由支座1、压电陶瓷晶片2、水平金属基板3、垂直金属基板4、质量块5组成。水平金属基板3的左端固定在支座1上；所述压电陶瓷晶片2通过粘结胶层6粘接固定在水平金属基板3靠近左边固定端的外表面处，垂直金属基板4的两端与质量块5和水平金属基板3相连；质量块5固定于垂直金属基板4上端处。水平金属基板3与垂直金属基板4相互垂直构成直角型悬臂梁结构，通过控制直角型悬臂梁辅助梁结构水平金属基板3、垂直金属基板4的长度使悬臂梁的一阶、二阶模态的固有频率间距缩小，使两者串联起来形成一个宽频谐振带；因为常见的振动源频率小于数千赫兹通过控制直角型悬臂梁辅助梁结构质量块5的质量，优选的，水平方向金属基板3长度为50mm，垂直方向金属基板4长度为25mm，质量块5的重量为40g时能量采集效率最好。
[0025]降低直角型压电悬臂梁压电振子结构的固有频率，使能量采集器的固有频率与外界振动频率相匹配，提高振动能向电能转换效率。
[0026]图2为直角型压电悬臂梁振动能量采集器中压电片发电结构，压电陶瓷晶2片通过粘结胶层6粘在水平金属基板3上。
[0027]当本直角型压电悬臂梁振动能量采集器在工作环境下，环境中的振动引发水平金属基板3的振动，从而使压电陶瓷晶片2产生电能，质量块5和垂直金属基板4组成的垂直悬臂梁装置拓宽的工作频带，利用压电体在外力作用下产生电荷的特性来构造压电装置，当压电振子(即直角型悬臂梁结构)受到外力作用而发生弯曲振动时，引起压电陶瓷晶片2的形变，从而使压电陶瓷晶片2上下产生电势差，并输出电压，显著提高了振动能向电能的转换效率。
【主权项】
1.一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，包括支座(1)和安装在支座(1)上的水平金属基板(3)，其特征在于:水平金属基板(3)靠近支座(1)端的安装有压电陶瓷晶片(2)，水平金属基板(3)另一端粘结有垂直金属基板(4)，水平金属基板(3)与垂直金属基板(4)相互垂直构成直角型悬臂梁结构，垂直金属基板(4)的另一端安装有质量块(5)。2.根据权利要求1所述的直角型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于:所述的质量块(5)可以沿垂直和水平方向。3.根据权利要求1或2所述的直角型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于:所述水平金属基板(3)与垂直金属基板(4)的长度比例为2:1。4.根据权利要求3所述的直角型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于:所述水平金属基板(3)长度为50mm，垂直金属基板(4)的长度为25mm。5.根据权利要求1或2或3所述的直角型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于:所述质量块(5)的重量为40g。6.根据权利要求1所述的直角型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于:所述压电陶瓷晶片(2)通过粘结胶层粘结在水平金属基板(3)的外表面。7.根据权利要求1所述的直角型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于:所述水平金属基板(3)与垂直金属基板(4)为一体成型的相互垂直金属基板。
【专利摘要】本发明涉及振动应用和电力技术领域，尤其涉及一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，包括支座和安装在支座上的水平金属基板，水平金属基板靠近支座端的安装有压电陶瓷晶片，水平金属基板另一端粘结有垂直金属基板，水平金属基板与垂直金属基板相互垂直构成直角型悬臂梁结构，垂直金属基板的另一端安装有质量块。本采集器通过在水平悬臂梁的末端增加一辅助的垂直悬臂梁构成直角型悬臂梁，通过控制水平悬臂梁和垂直悬臂梁的结构尺寸和质量块质量达到控制系统前两阶模态频率的间距，形成一个比较宽的工作频带,实现对环境振动能量进行高效的采集与转换。
【IPC分类】H02N2/18
【公开号】CN105305879
【申请号】CN201510654196
【发明人】张伟, 王光庆
【申请人】浙江工商大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月10日