CN108111059B - 一种面内压电振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面内压电振动能量采集器，所述框(1)为左右对称结构，所述框架(1)中间部位设有质量块(5)，所述质量块(5)左、右端面分别连接屈曲梁(4)一端，所述屈曲梁(4)另一端各连接一个平面型弯张压电单元(6)，所述平面型弯张压电单元(6)另一端各连接框架(1)，所述框架(1)中间部位的前、后端面固定一对限制连接薄板(2)，所述限制连接薄板(2)为框架结构，所述质量块(5)位于限制连接薄板(2)的边框内；本发明结构新颖、简单，设计合理，利用弯张梁放大压电效应，提高了能量密度和可靠性；屈曲梁能实现的双稳态结构扩大了能量采集的频域；整体装置平面化的设计减小了体积，增强了可集成性，具有更好的工业价值。
Description
[技术领域]
本发明涉及振动能量采集技术领域，具体地说是一种面内压电振动能量采集器。
[背景技术]
随着微电子器件的发展，从环境中采集能量，转化为电能为微电子器件供电，是一种可以取代传统电池或者延长传统电池寿命的非常具有前景的方案。
目前大部分压电采集装置利用压电悬臂梁作为基本结构，通过弯曲模式进行发电，不仅机电耦合系数低，而且压电片在反复的弯曲中很容易性能退化甚至损坏。并且压电悬臂梁既需要一定的宽度粘贴压电片，也需要一定的空间振动，不利于扁平化集成。
利用弯张型结构可以将外激励力放大、叠加作用到压电片，从而等效压电常数可以被放大数百倍，提高了输出功率。尤其是，通过弯张型结构作用到压电片的力分布均匀，极大的提高了压电片的使用寿命和可靠性。但弯张型机构显著增加了发电单元的体积，不便于集成到便携式电子设备中使用。
综上，传统的能量采集器输出功率低、可靠性较差，尤其是体积大，难以集成到微电子系统中，对振动能量采集的工业应用造成了很大的阻碍。
[发明内容]
本发明的目的是要解决上述不足而提供一种面内压电振动能量采集器，克服了现有压电振动能量采集器体积大、输出功率低、可靠性低的问题。
为实现上述目的设计一种面内压电振动能量采集器，包括：框架1、限制连接薄板2、屈曲梁4、质量块5及平面型弯张压电单元6，所述框1为左右对称结构，所述框架1中间部位设有质量块5，所述质量块5左、右端面分别连接屈曲梁4一端，所述屈曲梁4另一端各连接一个平面型弯张压电单元6，所述平面型弯张压电单元6另一端各连接框架1，所述框架1中间部位的前、后端面固定一对限制连接薄板2，所述限制连接薄板2为框架结构，所述质量块5位于限制连接薄板2的边框内。
所述框架1中间部位设有定位板3，所述限制连接薄板2粘接在定位板3上。
所述框架1、定位板3、屈曲梁4及平面型弯张压电单元6均采用韧性良好的薄板加工而成。所述框架1、定位板3、屈曲梁4、质量块5及平面型弯张压电单元6为一体化扁平结构。
所述平面型弯张压电单元6包括：弯张梁一7、弯张梁二8、安装板9及压电片10，所述弯张梁一7、弯张梁二8的上、下端分别连接安装板9，所述压电片10粘接在安装板9上，所述弯张梁一7配合连接屈曲梁4，所述弯张梁二8配合连接框架1。所述弯张梁一、弯张梁二、安装板均采用弹性良好的薄板加工而成。
所述弯张梁一7与弯张梁二8为对称的梯形结构，所述弯张梁一7、弯张梁二8与安装板9之间的倾斜角α小于15度。
所述屈曲梁4与质量块5之间的夹角β小于90度。
本发明与现有技术相比，将振动能量采集器扁平化设计，并且利用面内振动进行能量采集，方便集成到微机电系统，促进压电振动能量采集的工业化应用；通过平面型弯张压电单元的设计，显著减小了器件体积、提高了压电片的输出功率和负载能力；同时，一体化屈曲双稳态结构可以在宽频范围产生大振幅双稳态突跳，能够增加能量采集器的适用范围并提高输出功率。
[附图说明]
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明中的平面型弯张压电单元的结构示意图；
图4为本发明一体化加工示意图；
图5为本发明的侧面示意图；
图6为本发明中屈曲双稳态示意图；
图7为本发明中作用力弯张放大示意图；
图中：1、框架，2、限制连接薄板，3、定位板，4、屈曲梁，5、质量块，6、平面型弯张压电单元，7、弯张梁一，8、弯张梁二，9、安装板，10、压电片。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如图1-图2所示，本发明包括：框架1、限制连接薄板2、定位板3、屈曲梁4、质量块5、平面型弯张压电单元6。所述框1为左右对称结构，所述框架1中间部位设有质量块5，所述质量块5左、右端面分别连接屈曲梁4一端，所述屈曲梁4另一端各连接一个平面型弯张压电单元6，所述平面型弯张压电单元6另一端各连接框架1，所述框架1中间部位的前、后端面固定一对限制连接薄板2，所述限制连接薄板2为框架结构，所述质量块5位于限制连接薄板2的边框内。所述框架、定位板、屈曲梁、平面型弯张压电单元均在韧性良好的薄板加工而成。
如图3、7所示，所述平面型弯张压电单元6包括：弯张梁一7、弯张梁二8、安装板9及压电片10，所述弯张梁一7、弯张梁二8的上、下端分别连接安装板9，所述压电片10粘接在安装板9上，所述弯张梁一7配合连接屈曲梁4，所述弯张梁二8配合连接框架1。所述弯张梁一、弯张梁二、安装板均采用弹性良好的薄板加工而成。所述弯张梁一7与弯张梁二8为对称的梯形结构，所述弯张梁一7、弯张梁二8与安装板9之间的倾斜角α小于15度。
如图4-图5所示，所述框架、定位板、屈曲梁、质量块、平面型弯张压电单元为一体化扁平结构。一体化扁平结构方便加工、集成到便携式电子设备，使用时摇动设备，即可实现自供能无线检测与传感。
如图6所示，面内压电振动能量采集器具有两个稳态。当面内压电振动能量采集器受到振动激励，质量块随之振动。如果激励大于一定临界值，质量块可以在两个稳态之间跳跃产生大振幅位移。双稳态特性使得面内压电振动能量采集器在宽频范围内产生较大位移，增加俘获的能量，具有更好的环境适应性。
如图7所示，屈曲梁的振动可以对平面型弯张压电单元产生作用力N，作用力N被弯张梁放大为两端的作用力T，作用力T使得压电片发生形变，因为压电效应而发电。这种弯张放大结构可以放大作用力，且倾斜角度越小，放大的倍数越大，从而提高输出功率，并且使得压电片受力更均匀，提高装置的使用寿命和可靠性。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种面内压电振动能量采集器，其特征在于，包括：框架(1)、限制连接薄板(2)、屈曲梁(4)、质量块(5)及平面型弯张压电单元(6)，所述框架(1)为左右对称结构，所述框架(1)中间部位设有质量块(5)，所述质量块(5)左、右端面分别连接屈曲梁(4)一端，所述屈曲梁(4)另一端各连接一个平面型弯张压电单元(6)，所述平面型弯张压电单元(6)另一端各连接框架(1)，所述框架(1)中间部位的前、后端面固定一对限制连接薄板(2)，所述限制连接薄板(2)为框架结构，所述质量块(5)位于限制连接薄板(2)的边框内。
2.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于：所述框架(1)中间部位设有定位板(3)，所述限制连接薄板(2)粘接在定位板(3)上。
3.根据权利要求2所述的能量采集器，其特征在于：所述框架(1)、定位板(3)、屈曲梁(4)及平面型弯张压电单元(6)均采用韧性良好的薄板加工而成；所述框架(1)、定位板(3)、屈曲梁(4)、质量块(5)及平面型弯张压电单元(6)为一体化扁平结构。
4.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于：所述平面型弯张压电单元(6)包括：弯张梁一(7)、弯张梁二(8)、安装板(9)及压电片(10)，所述弯张梁一(7)、弯张梁二(8)的上、下端分别连接安装板(9)，所述压电片(10)粘接在安装板(9)上，所述弯张梁一(7)配合连接屈曲梁(4)，所述弯张梁二(8)配合连接框架(1)。
5.根据权利要求4所述的能量采集器，其特征在于：所述弯张梁一(7)与弯张梁二(8)为对称的梯形结构，所述弯张梁一(7)、弯张梁二(8)与安装板(9)之间的倾斜角小于15度。
6.根据权利要求1所述的能量采集器，其特征在于：所述屈曲梁(4)与质量块(5)之间的夹角小于90度。
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