CN108616227B - 一种环形阵列式的压电俘能器装置 - Google Patents

Abstract

一种环形阵列式的压电俘能器装置，属于节能技术及再生环保新能源领域。是一种将环境振动能转化为电能的装置；结构包括支座，悬臂基板，压电片，电极及质量块，将压电悬臂基板环形阵列在结构四周，并将其固定在支座上，通过支座接收环境的振动激励，使悬臂板产生振动变形，从而使粘贴在悬臂板上的压电片产生变形获取能量，在结构的中间部位为质量块，质量块粘接在四个悬臂板的自由端，起到降低结构固有频率及增大变形的作用。该结构设计紧凑，适用于空间较小的微机电系统中。

Description

一种环形阵列式的压电俘能器装置

技术领域

本发明涉及一种环形阵列式的压电俘能器装置，通过收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术

近年来，微机电系统(MEMS)在各个领域高速发展，孕育出无线传感器网络的概念。随着信息技术的不断发展，对无线传感器的需求迅速增长；与此同时，对为这些无线传感器元件提供电能的电源也提出了新的要求。对于传统的电池，当电池耗尽时，无线传感器就必须更换电池。有些情况下，由于这些设备的位置非常远或传感器本身布置在非常难以接近的位置，对传感器简单地更换电池可能成为一个非常昂贵甚至不可能的任务。基于这些原因，对各种俘能器及自供电系统的研究在迅速增加。因此，利用环境振动产生能量为电子设备供电是很有必要的。

采用悬臂板结构设计的压电俘能器改进方向一直是拥有更低的固有频率及更宽的频宽，所以设计出更有效的结构可以提高俘能效率。中国发明申请(公开号CN202210762U)公开了一种交错压电梁型俘能器，俘能结构由多个压电双晶片梁串联而成，其中相邻的两个压电梁分别布置在外部支座的左右两侧，通过此排列方式提高了输出功率密度；中国发明申请(公开号CN102931878A)公开了一种多悬臂宽频MEMS压电俘能器，俘能结构由俘能器中线位置的主悬臂梁及多个平均对称分布的次悬臂梁组成，各个次悬臂梁采用相同的多层矩型结构，次悬臂梁一端与主悬臂梁连接为固定端，另一端为梁的自由端，在自由端的下层固定了长方体状的硅质量块，这种结构设计使俘能器前6阶固有频率较低且非常接近，使俘能器在较宽的一段频率内都可以俘获振动能量，扩大了带宽，提高了俘能器对环境的敏感性。中国发明申请(CN105515442B)公开了一种臼型压电俘能器，俘能结构为一个回环型结构主梁与多个悬臂副梁，主梁一侧开有缺口，通过改变缺口两侧主梁长度的比例，能够有效的改变压电俘能器的各阶谐振频率，适应环境振动源的频率变化，提高输出功率。由此可见设计俘能器的结构对俘能效果有很大的影响。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种新型的高效率的环形阵列式悬臂板结构压电俘能器，既能降低俘能器的固有频率，又能增大该系统受激时的发电量，且与周围环境匹配的振动频率范围变广。本发明旨在此结构基础上，寻求压电材料的最佳铺设方式及比例。

实现本发明的技术方案是，发明一种环形阵列式悬臂板结构压电俘能器，包括支座(10)、四个悬臂基板、四个压电片及质量块(9)；支座(10)为一长方形环框架，四个压电悬臂基板依次分别固定到支座(10)的长方形环框架四个侧壁上，形成围绕长方形环框架框内侧面的长方形环形阵列，排布在支座(10)的框内，四个均采用一端与支座(10)固定形成一体，另一端悬空为自由端，四个悬臂基板环形阵列排布各端的排布依次为固定端、自由端、固定端、自由端、固定端、自由端、固定端、自由端，形成环形结构；四个悬臂基板的板面均在同一平面内；四个悬臂基板的固定端与支座(10)的下底面固定成一体；每个悬臂基板的上表面均黏贴有一个压电片，压电片的长度方向与悬臂基板的长度方向一致，从悬臂基板的固定端向自由端延伸，压电片的长度小于悬臂基板的长度，压电片的宽度与悬臂基板的宽度一样，压电片长度方向的两侧面与悬臂基板长度方向的两侧面齐平；

质量块(9)为长方形板，四个角每个角均有沿一个侧面延长的长方条，任意相邻两个角的长方条相互垂直(延长方向为长度方向，即任意相邻两个角的长方条长度方向垂直)，对角上的两个长方条平行；四个角的长方条与质量块(9)的长方形板在同一平面；质量块(9)位于支座(10)的框内，质量块(9)的四个长方条与四个悬臂基板的自由端固定在一起，每个长方条对应一个悬臂基板，固定在对应悬臂基板的自由端上表面，质量块(9)的长方形板通过长方条与悬臂基板自由端固定而悬空。

质量块(9)的长方形板和长方条是一体成型的。

本发明通过支座接收环境的振动激励，使悬臂板产生振动变形，从而使粘贴在悬臂板上的压电片产生变形获取能量，在结构的中间部位为质量块，质量块通过长方条粘接在四个悬臂板的自由端，起到降低结构固有频率的作用。通过改变四个悬臂基板的长度组合来调节结构固有频率，得到更宽的共振频率带。

对于降低环形阵列式悬臂板结构的固有频率问题上，本发明采用的实验方案是在四个悬臂基板自由端加上质量块(9)，且悬臂基板和质量块(9)所选材料一致，可采用普通铝制板，四个悬臂基板上铺设黏贴的压电片材料使用的是PVDF压电薄膜。

本发明从可优化的三个方面考察系统发电量大小及系统固有频率与质量块大小、压电层铺设面积、悬臂基板长度组合的关系。首先选取了三种悬臂基板长度组合，相对的一对悬臂基板记为第一悬臂基板(2)和第二悬臂基板(6)分别为14mm，15mm，16mm，另一相对的一对悬臂基板记为第三悬臂基板(4)和第四悬臂基板(8)始终为14mm；通过对比三种模式的固有频率及带宽选取最优长度组合，在此基础上选择质量块(9)的厚度，如选取了5种不同厚度，在满足结构许用挠度及许用应力的情况下，选择减低结构固有频率最佳选择，即最后调整压电层的长度或为为悬臂基板总长度/总面积的百分比，如选择用9种不同大小的压电层，设定的压电片的尺寸比例分别为悬臂基板总面积的0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，通过测定系统的输出电压大小来选择最优铺设面积。附图1为该发电装置的立体图，图2是该发明装置的俯视图，图3是该发明装置的剖视图，实验中将装置安装在激振器上，给予一定量激励，便可测得系统输出电压，以及通过扫频可以测得系统的固有频率；通过收集实验数据，图4是本发明装置加载不同厚度质量块的固有频率对比图，图5是本发明装置中第一悬臂基板、第二悬臂基板采用不同长度时的结构固有频率对比图，图6绘制了本发明装置中压电层铺设面积比例不同时的结构输出电压对比图；由图4和图5及图6可以得到以下结论：

1，改变结构中的悬臂基板长度对系统的前三阶固有频率有较为明显的影响，随着第一悬臂基板(2)、第二悬臂基板(6)长度变长，结构前三阶固有频率都有所降低，且第二阶与第三阶差距变大，使得结构共振频率带有所加宽，所以结构使用第一悬臂基板(2)、第二悬臂基板(6)为16mm，第三悬臂基板(4)、第四悬臂基板(8)为14mm。第一悬臂基板(2)、第二悬臂基板(6)、第三悬臂基板(4)、第四悬臂基板(8)的厚度均为0.14mm。

2，结构加上质量块(9)后固有频率大大降低，但在质量块厚度(即长方形板的厚度，垂直长方形板的方向尺度)为2mm之后，加大质量块厚度对结构固有频率影响效果不再明显，对于2mm的质量块(9)，整体结构的固有频率比较小，而且在系统的承载范围内，所以本发明中，结构中的质量块厚度选择为2mm。质量块采用正方形状，边长为10mm，且质量块(9)与悬臂基板的连接处突出一个长为3mm宽为1mm长方体条接部分，质量块厚度为2mm。

3，随着压电层铺设面积增大，系统的输出电压没有呈现线性变化，压电层铺设面积比例为0.5时系统输出电压最大，故本发明中压电层铺设面积选择比例为0.5。

通过实验结论可以选择出一种最佳结构方案：即第一悬臂基板(2)、第二悬臂基板(6)为16mm，第三悬臂基板(4)、第四悬臂基板(8)为14mm，结构中的质量块(9)厚度选择为2mm，压电层铺设面积选择比例为0.5。图1为本俘能器装置的整体结构三维图。

对于悬臂悬臂板长度组合的问题上，加长某一对边组的悬臂基板长度可以使整体结构固有频率降低并使带宽变宽，但同时会是结构整体结构变大，占用更多的空间，所以在实际情况中，要根据分配的空间大小来调整悬臂基板长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明中的压电结构采用环形阵列方式，在结构中间部位可以放置质量不一的质量块，在有效降低结构固有频率的基础上可以根据环境振动频率的大小来调节整个俘能器的固有频率，使得俘能效率得以提高。2、本发明发电装置中的四个压电悬臂梁设计为长度不一的形式，通过这种设计可以使结构的前三阶固有频率比较靠近，使得结构能够俘获能量的频率带宽变宽，能够引用到更多的环境中。3、现有的发明专利中，以悬臂梁为振子的压电发电装置有很多，悬臂梁具有频率低的特点，但以悬臂板为压电发电装置还比较少，但悬臂板压电发电装置相比悬臂梁为振子的压电发电装置，由于其压电层铺设面积大的优点，且结构中的四个悬臂板串联连接，发电效率会大大提高。4、本发明采用环形阵列方式，相比于对称排列及一端排列的结构方式，在压电面积相同的情况下，本发明的结构更加紧凑，更加适用于空间较小的微机电系统中。

附图说明

图1是本发明一种环形阵列式的压电俘能器装置的立体图；

图2是本发明一种环形阵列式的压电俘能器装置的俯视图及剖面F；

图3是本发明一种环形阵列式的压电俘能器装置的剖面图及局部视图；

图4是本发明装置加载不同厚度质量块的固有频率对比图；

图5是本发明装置中悬臂基板不同长度时的结构固有频率对比图；

图6是本发明装置中压电层铺设面积比例不同时的结构输出电压对比图；1第一压电层、2第一悬臂基板、3第三压电层、4第三悬臂基板、5第二压电层、6第二悬臂基板、7第四压电层、8第四悬臂基板、9质量块、10支座、11延长的长方条。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明并不限于以下实施例。

如图1所示，本发明是一种环形阵列式的压电俘能器装置，该装置主要包括四个悬臂基板：第一悬臂基板2、第二悬臂基板6、第三悬臂基板4、第四悬臂基板8，四个压电层，质量块9以及支座10；悬臂基板采用铝制材料板，所述悬臂基板为长方形板，厚度为0.14mm，与外部固定支座10一体成型；每个悬臂基板的自由端都粘接着同一个正方形质量块9；且质量块9与悬臂基板的连接处突出一个长为3mm宽为1mm的长方条连接部分，以确保质量块可以粘接在每一个悬臂基板的自由端。四个压电层是由压电材料PVDF做成的长方形薄膜，第一压电层1、第二压电层5长为8mm，宽为2mm；第三压电层3、第四压电层7长为7mm、宽为2mm，铺设于悬臂基板上层且靠近固定端铺设。

该压电发电装置受到外界机械振动激励发生共振，首先外界的振动引起支架及四个悬臂基板的振动，悬臂基板产生形变会引起四个压电层的变形，压电层发生形变时会因压电效应产生电能；通过的电极及此后应用中设计的电路将产生的电能供应给其他零件，实现应用。

综上所述：本发明环形阵列式的压电俘能器装置，通过合理的设计阵列的悬臂基板的长度组合，使结构的共振频率降低且共振带宽变宽，又通过加载质量块使结构的固有频率进一步降低，可以更容易受外界振动影响发生共振，并在此基础上选取了压电层最佳铺设面积，使该压电装置受到外界振动激励产生的电压也很大，在环境振动激励下使整体结构发生随机共振，发电效率明显提高。

本发明的环形阵列式的压电俘能器装置可用于微机电产品，如无线传感器内部供电、飞行器及卫星元器件等，也可用于运动发电，如人行走时放置在鞋底上的压电装置，铺设在公路路面上的压电装置等。

Claims (4)

1.一种环形阵列式悬臂板结构压电俘能器，其特征在于，包括支座(10)、四个悬臂基板、四个压电片及质量块(9)；支座(10)为一长方形环框架，四个压电悬臂基板依次分别固定到支座(10)的长方形环框架四个侧壁上，形成围绕长方形环框架框内侧面的长方形环形阵列，排布在支座(10)的框内，四个均采用一端与支座(10)固定形成一体，另一端悬空为自由端，四个悬臂基板环形阵列排布各端的排布依次为固定端、自由端、固定端、自由端、固定端、自由端、固定端、自由端，形成环形结构；四个悬臂基板的板面均在同一平面内；四个悬臂基板的固定端与支座(10)的下底面固定成一体；每个悬臂基板的上表面均黏贴有一个压电片，压电片的长度方向与悬臂基板的长度方向一致，从悬臂基板的固定端向自由端延伸，压电片的长度小于悬臂基板的长度，压电片的宽度与悬臂基板的宽度一样，压电片长度方向的两侧面与悬臂基板长度方向的两侧面齐平；

质量块(9)为长方形板，四个角每个角均有沿一个侧面延长的长方条，任意相邻两个角的长方条相互垂直，即延长方向为长度方向，即任意相邻两个角的长方条长度方向垂直，对角上的两个长方条平行；四个角的长方条与质量块(9)的长方形板在同一平面；质量块(9)位于支座(10)的框内，质量块(9)的四个长方条与四个悬臂基板的自由端固定在一起，每个长方条对应一个悬臂基板，固定在对应悬臂基板的自由端上表面，质量块(9)的长方形板通过长方条与悬臂基板自由端固定而悬空；

质量块(9)的长方形板和长方条是一体成型的；

且悬臂基板和质量块(9)所选材料一致，采用普通铝制板，四个悬臂基板上铺设黏贴的压电片材料使用的是PVDF压电薄膜。

2.按照权利要求1所述的一种环形阵列式悬臂板结构压电俘能器，其特征在于，相对的一对悬臂基板记为第一悬臂基板(2)和第二悬臂(6)长度均为16mm，另一相对的一对悬臂基板记为第三悬臂基板(4)和第四悬臂基板(8)长度均为14mm；悬臂基板的厚度均为0.14mm。

3.按照权利要求1所述的一种环形阵列式悬臂板结构压电俘能器，其特征在于，压电片的面积均为对应悬臂基板面积的0.5。

4.按照权利要求1所述的一种环形阵列式悬臂板结构压电俘能器，其特征在于，质量块采用正方形状，边长为10mm，且质量块(9)与悬臂基板的连接处突出一个长为3mm宽为1mm长方体条接部分，质量块厚度为2mm。