CN108566119A - 一种多自由度上变频压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度上变频压电俘能器。该变频压电俘能器包括：壳体、摆动装置、压电陶瓷材料和基底梁；摆动装置、压电陶瓷材料和基底梁均设置于壳体内部；摆动装置包括弹簧及金属球；弹簧一端与壳体顶部固定连接，另一端与金属球连接，用于牵引金属球在多个方向上摆动；基底梁包括多块竖直基底梁和一块水平基底梁，竖直基底梁布置于摆动装置的四周；水平基底梁设置于摆动装置的底部，与竖直基底梁垂直；金属球在摆动时，可敲击到布置于摆动装置四周和底部的多块基底梁；每个基底梁的外表面上均黏贴有压电陶瓷材料。该发明能提高振动能量的利用率，使压电陶瓷材料与外界环境形成共振，实现在共振的同时提高输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及压电俘能器技术领域，特别是一种多自由度上变频压电俘能器。
背景技术
微电子器件主要通过外部电源及化学电池这两种方式供电。外部电源供电线路复杂，需要定期维护，安装及维护成本高，且其无法适用于无源、无线等环境。化学电池需要定期更换，能量密度低，易造成环境污染。因此，寻找一种节能而不受环境限制的绿色能源就成了当务之急。
日常生活中振动源普遍存在，振动能是一种绿色无污染的能源，将振动能量收集并储存起来，可用于解决微电子器件的能量来源问题。目前的振动俘能途径有压电俘能、电磁俘能等。传统压电俘能器多为单悬臂梁结构，结构单一、工作频带窄、能量利用率低；传统压电俘能器谐振频率也较高，而环境中振动频率多为低频(100Hz以下)，难以达到共振并输出较高能量。
发明内容
本发明的目的是提供了一种多自由度上变频压电俘能器，能提高振动能量的利用率，拓宽工作频带，使压电陶瓷材料与外界环境形成共振，实现在共振的同时提高输出功率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多自由度上变频压电俘能器，包括：壳体、摆动装置、压电陶瓷材料和基底梁；所述摆动装置、所述压电陶瓷材料和所述基底梁均设置于所述壳体内部；所述摆动装置包括弹簧及金属球；所述弹簧一端与壳体顶部固定连接，另一端与所述金属球连接，用于牵引所述金属球在多个方向上摆动；所述基底梁包括多块竖直基底梁和一块水平基底梁，所述竖直基底梁布置于所述摆动装置的四周，与所述壳体的顶部垂直固定连接；所述水平基底梁设置于所述摆动装置的底部，与所述壳体一侧的壁面水平固定连接；与所述竖直基底梁垂直；所述金属球在摆动时，可敲击到所述布置于所述摆动装置四周和底部的多块基底梁；每个所述基底梁的外表面上均黏贴有所述压电陶瓷材料；所述压电陶瓷材料包括压电片、上电极和下电极，所述下电极设置于紧贴基底梁的一侧；所述压电片设置于所述上电极与所述下电极之间；所述压电陶瓷材料的上、下电极上分别设置有上电极引线和下电极引线，所述压电陶瓷材料的上电极和下电极产生的电荷分别通过所述上电极引线和下电极引线输出。
可选的，所述基底梁与所述压电陶瓷材料均为矩形，且所述压电陶瓷材料在长度方向上短于所述基底梁。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种多自由度上变频压电俘能器，改变了传统俘能器的单一结构，充分利用环境中的振动能，为提高俘能器的发电量，在多个自由度布置有基底梁，提高了振动能量的利用率；同时采用上变频方式，将金属球的摆动与基底梁的振动有机结合，使金属球在摆动时敲击基底梁，提高压电陶瓷材料的振动频率，使压电陶瓷材料与外界环境形成共振。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种多自由度上变频压电俘能器的整体结构图；
图2为本发明实施例一种多自由度上变频压电俘能器的整体结构的正视图；
图3为本发明实施例一种多自由度上变频压电俘能器的整体结构的仰视图。
其中，图中标号为：壳体1、弹簧2、压电陶瓷材料3、基底梁4、金属球5、压电片6、上电极7、下电极8、上电极引线9、下电极引线10。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供了一种多自由度上变频压电俘能器，能提高振动能量的利用率，使压电陶瓷材料与外界环境形成共振，实现在共振的同时提高输出功率。
本发明公开的一种多自由度上变频压电俘能器克服了传统结构的俘能器能量利用率低、输出功率不足的缺点，在体积参数不变的条件下提高输出功率。在多个自由度布置有压电陶瓷材料，充分利用环境振动能量；采用了上变频方式，利用小球的摆动提高压电陶瓷材料振动频率，使其更易与外界环境发生共振，提高输出电压。与传统外部电源及化学电池供电方式相比，本发明公开的一种多自由度上变频压电俘能器具有突出优点：结构简单，安装方便，无需复杂线路，无需定期维护或更换；利用环境中的振动能，无污染、可持续；适用于无源、无线等特殊或恶劣环境，环境适用性强。随着无线传感系统、智能控制系统、单兵可穿戴系统等的发展，可解决微小型电子设备的供能问题，可在空间有限、环境恶劣、振动条件下应用。着眼于收集并利用振动能，使其为机械设备上的传感器等微小器件供电。本发明具有良好的应用前景。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种多自由度上变频压电俘能器的整体结构图，图2为本发明实施例一种多自由度上变频压电俘能器的整体结构的正视图；图3为本发明实施例一种多自由度上变频压电俘能器的整体结构的仰视图。如图1-3所示，一种多自由度上变频压电俘能器，包括：壳体1、摆动装置、压电陶瓷材料3和基底梁4；所述摆动装置、所述压电陶瓷材料3和所述基底梁4均设置于所述壳体1内部；
所述摆动装置包括弹簧2及金属球5；所述弹簧2一端与壳体1顶部固定连接，另一端与所述金属球5连接，用于牵引所述金属球5在多个方向上摆动；
所述基底梁4包括多块竖直基底梁和一块水平基底梁，所述竖直基底梁布置于所述摆动装置的四周，与所述壳体1的顶部垂直固定连接；所述水平基底梁设置于所述摆动装置的底部，与所述壳体1一侧的壁面水平固定连接；与所述竖直基底梁垂直；所述金属球5在摆动时，可敲击到所述布置于所述摆动装置四周和底部的多块基底梁4；
每个所述基底梁4的外表面上均黏贴有所述压电陶瓷材料3；所述压电陶瓷材料3包括压电片6、上电极7和下电极8，所述下电极8设置于紧贴基底梁4的一侧；所述压电片6设置于所述上电极7与所述下电极8之间；所述压电陶瓷材料3的上、下电极上分别设置有上电极引线9和下电极引线10，所述压电陶瓷材料3的上电极7和下电极8产生的电荷分别通过所述上电极引线9和下电极引线10输出。
所述基底梁4与所述压电陶瓷材料3均为矩形，且所述压电陶瓷材料3在长度方向上短于所述基底梁4。
具体实施方式一，如图1所示，基底梁4包括四块竖直基底梁和一块水平基底梁，4块竖直基底梁布置于摆动装置的四周，与壳体1的顶部垂直固定连接；水平基底梁设置于所述摆动装置的底部，与壳体1一侧的壁面水平固定连接；与竖直基底梁垂直；金属球5在摆动时，可敲击到所述布置于所述摆动装置四周和底部的五块基底梁。
具体工作过程为：振动环境中，对于多自由度上变频压电俘能器，壳体1产生振动，壳体1的振动带动各自由度的基底梁4及其上的压电陶瓷材料3振动，由于正压电效应的存在，压电陶瓷材料3的上、下电极产生相应的正负电荷。同时，弹簧2带动金属球3摆动，金属球3摆动时敲击各个自由度的基底梁4，提高基底梁4的振动频率。同时，压电陶瓷材料3的上电极7和下电极8产生的电荷分别通过所述上电极引线9和下电极引线10输出。
具体实施方式二，本实施方式与具体实施方式一的区别是布置于摆动装置四周的竖直基底梁为多块，只要满足均匀布置于摆动装置四周即可。其它与具体实施方式一相同。
本发明在结构上进行了创新，改变了传统俘能器的单一结构，充分利用环境中的振动能。为提高俘能器的发电量，在多个自由度布置有基底梁，提高了振动能量的利用率；同时采用上变频方式，将金属球的摆动与基底梁的振动有机结合，使金属球在摆动时敲击基底梁，提高压电陶瓷材料的振动频率，使压电陶瓷材料与外界环境形成共振，俘能效果最好；具有绿色无污染、能量密度大、无电磁干扰、可靠性高、环境适应性强、维护成本低、易于加工、易于实现微小型化等优点。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种多自由度上变频压电俘能器，其特征在于，包括：壳体、摆动装置、压电陶瓷材料和基底梁；所述摆动装置、所述压电陶瓷材料和所述基底梁均设置于所述壳体内部；
所述摆动装置包括弹簧及金属球；所述弹簧一端与壳体顶部固定连接，另一端与所述金属球连接，用于牵引所述金属球在多个方向上摆动；
所述基底梁包括多块竖直基底梁和一块水平基底梁，所述竖直基底梁布置于所述摆动装置的四周，与所述壳体的顶部垂直固定连接；所述水平基底梁设置于所述摆动装置的底部，与所述壳体一侧的壁面水平固定连接；与所述竖直基底梁垂直；所述金属球在摆动时，可敲击到所述布置于所述摆动装置四周和底部的多块基底梁；
每个所述基底梁的外表面上均黏贴有所述压电陶瓷材料；所述压电陶瓷材料包括压电片、上电极和下电极，所述下电极设置于紧贴基底梁的一侧；所述压电片设置于所述上电极与所述下电极之间；所述压电陶瓷材料的上、下电极上分别设置有上电极引线和下电极引线，所述压电陶瓷材料的上电极和下电极产生的电荷分别通过所述上电极引线和下电极引线输出。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度上变频压电俘能器，其特征在于，所述基底梁与所述压电陶瓷材料均为矩形，且所述压电陶瓷材料在长度方向上短于所述基底梁。
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