专利名称：基于双音叉变幅谐振结构磁电换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及--种能把机械振动能转换成电能的技术，尤其涉及一种基于双音叉变幅谐振 结构磁电换能器。
背景技术：
从上世纪70年代起，研究工作者就对磁电转换技术进行着不懈的研究；目前国内外的研 究主要集中在超磁致伸縮和不同的压电材料的复合结构，以及不同的材料、不同层叠数、工 作模式、耦合模式、复合休积比、频率等条件下的磁电转换特性，希望通过材料自身特性提 高磁电转化效率。由于现有材料自身特性的限制，复合材料结构的品质因素低，能量转换过 程中的损耗较高，如果不改变磁-机-电能量转化过程的能量收集和传递方式，很难通过材料 直接复合进一步大幅度提高磁电效应，并制作出高灵敏、高效率的磁电换能器。此外，高品 质因素和宽频带的矛盾限制了磁电换能器的应用领域。
发明内容
本发明提出了一种基于双音叉变幅谐振结构磁电换能器，它由固定杆、两个振动能量相 互耦合的聚能器组成；单个聚能器的平面外型为中心对称图形；聚能器的重心位置固定在固 定杆上，且聚能器的两个振动臂分列于固定杆两侧；两个聚能器同侧的两个振动臂构成音叉 的臂，两个聚能器沿固定杆两侧的四个振动臂形成双音叉谐振结构。
组成双音叉谐振结构的两个聚能器，包括两块基板、"磁一机"转换部分和"机一电"转 换部分；单块基板外型为中心对称图形，两块基板拼接在一起构成两个音义；"磁一机"转换 部分和"机一电"转换部分分别固定在基板上的相应位置，且互相绝缘；
"磁一机"转换部分结构为或者由贴于两基板同侧的两片相同极性的超磁致伸缩材料片 构成；或者由分贴于其中一基板两侧的两片不同极性的超磁致伸縮材料片构成；或者由贴于 任一基板的一侧的超磁致伸缩材料片构成；超磁致伸縮材料片贴于基板的重心位置；
"机一电"转换部分结构为或者由贴于基板上应力最大处的压电片构成；或者由采用压 电材料的基板构成。
木发明的有益技术效果是在音叉谐振作用下，由于振动能量共振，品质因数大幅提高， 增强振动幅度、应力和应变，实现更高效的磁电转换效率。同时，由于采用聚能器结构，汇 聚振动能量，可以进一步改善磁电转化效率。
图1、本发明结构具体实施例方式
发明人通过研究压电材料、超磁致伸縮材料和聚能结构特性对磁电转换效率的影响，发 现了磁、机、电能量转化过程中的能量汇聚、累积机理，并进一歩研究出了本发明的基于双 音叉变幅谐振结构磁电换能器，该换能器结构由固定杆1、两个振动能量相互耦合的聚能器 组成；单个聚能器的平面外型为中心对称图形；聚能器的重心位置固定在固定杆1上，且聚 能器的两个振动臂2-l (即基板2-2纵向上的突出部)分列于固定杆l两侧；两个聚能器同侧 的两个振动臂2-1构成音叉的臂，两个聚能器沿固定杆1两侧的四个振动臂2-1形成双音叉 谐振结构。所谓"音叉"，即该结构在制作加工时必须满足各个振动臂的振动频率相等、相 位同相。因此，两个聚能器同侧和异侧的振动臂的尺寸应当完全相同，两个聚能器之间间距 应当确保其振动同相。所以聚能器和固定杆l的制作、加工条件十分苛刻。
组成双音叉谐振结构的两个聚能器的结构如下它包括两块基板2-2、"磁—机"转换部分 和"机—电"转换部分；单块基板2-2外型为中心对称图形，两块基板2-2拼接在一起构成两个 音叉;"磁一机"转换部分和"机一电"转换部分分别罔定在基板2-2上的相应位置，且互相绝缘；
"磁一机"转换部分结构为或者由贴于两基板2-2同侧的两片相同极性的超磁致伸縮材 料片2-3构成；或者由分贴于其中一基板2-2两侧的两片不同极性的超磁致伸縮材料片2-3构 成；或者由贴于任一基板2-2的一侧的超磁致伸縮材料片2-3构成；超磁致伸縮材料片2-3贴 于基板2-2的重心位置；
"机一电"转换部分结构为或者由贴于基板2-2的振动端2-1上应力最大处的压电片2-4 构成；或者由采用压电材料的基板2-2构成。
其中，"磁一机"转换部分采用分贴于两基板2-2同侧的两片相同极性的超磁致伸縮材料 片2-3的结构时，它与其它两种"磁一机"转换部分结构的不同之处在于，由超磁致伸縮材料 片2-3引起的基板2-2振动的形式不同，同侧的两片相同极性的超磁致伸縮材料片2-3使基板 2-2发生产生伸縮振动，而其它两种结构引起的基板2-2振动为弯曲振动或扭曲振动。
工作原理参见图l，图中所示结构，采用"日"字型框架中间的横梁作为固定杆l;聚能 器(也叫变幅杆)外型为类似菱形的形状，两个聚能器并列固定在固定杆1上，两聚能器同 侧的振动臂2-l构成音叉的"U"型臂，两聚能器两侧的四个振动臂2-l就形成两个音叉；以两 片极性相反的超磁致伸縮材料片2-3分贴于同一聚能器两侧的结构为例，当电磁激励时，左 边的聚能器两面分别拉伸和压縮，产生弯曲振动或扭曲振动，引起整个双音叉共振，并且在 同侧的两个振动臂2-l间来回振荡，直至完全衰减。
对于聚能器弯曲或扭曲振动，可以通过增加基板2-2的厚度，使纵向尺寸明显减小，而 基本不改变聚能器的聚能特性和放大增益，利用空间超强的工频电磁波辐射，在有限的体积 内，可产生更强的功率输出。由于该结构是将变幅结构和谐振结构原理结合组成谐振变幅结构，在保证结构共振的同时，还可以进一步汇聚振动能量，并且放大振动幅度、应力和应变， 得到比传统压电和超磁致伸縮复合结构强得多的输出。
本发明结构还可扩展成阵列双音叉变幅谐振结构，可进一步提高磁电响应，使磁电响应 达到10V/Oe以上。
权利要求
1、一种基于双音叉变幅谐振结构磁电换能器，其特征在于它由固定杆(1)、两个振动能量相互耦合的聚能器组成；单个聚能器的平面外型为中心对称图形；聚能器的重心位置固定在固定杆(1)上，且聚能器的两个振动臂(2-1)分列于固定杆(1)两侧；两个聚能器同侧的两个振动臂(2-1)构成音叉的臂，两个聚能器沿固定杆(1)两侧的四个振动臂(2-1)形成双音叉谐振结构。
2、 根据权利要求1所述的基于双音叉变幅谐振结构磁电换能器，其特征在于组成双音 叉谐振结构的两个聚能器，包括两块基板(2-2)、"磁一机"转换部分和"机一电"转换部 分；单块基板(2-2)外型为中心对称图形，两块基板(2-2)拼接在一起构成两个音义；"磁 一机"转换部分和"机一电"转换部分分别固定在基板(2-2)上的相应位置，且互相绝缘；"磁一机"转换部分结构为或者由贴于两基板(2-2)同侧的两片相同极性的超磁致伸 縮材料片(2-3)构成；或者由分贴于其中一基板(2-2)两侧的两片不同极性的超磁致伸縮 材料片(2-3)构成；或者由贴于任一基板(2-2)的一侧的超磁致伸缩材料片(2-3)构成； 超磁致伸缩材料片(2-3)贴于基板(2-2)的重心位置；"机一电"转换部分结构为或者由贴于基板(2-2)上应力最大处的压电片(2-4)构 成；或者由采用压电材料的基板(2-2)构成。
全文摘要
本发明公开了一种基于双音叉变幅谐振结构磁电换能器，它由固定杆、两个振动能量相互耦合的聚能器组成；单个聚能器的平面外型为中心对称图形；聚能器的重心位置固定在固定杆上，且聚能器的两个振动臂分列于固定杆两侧；两个聚能器同侧的两个振动臂构成音叉的臂，两个聚能器沿固定杆两侧的四个振动臂形成双音叉谐振结构。本发明的有益技术效果是在音叉谐振作用下，由于振动能量共振，品质因数大幅提高，增强振动幅度、应力和应变，实现更高效的磁电转换效率。同时，由于采用聚能器结构，汇聚振动能量，可以进一步改善磁电转化效率。
文档编号H02N2/18GK101594076SQ20091010421
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者文玉梅, 平 李 申请人:重庆大学