CN111641350A - 一种基于剪切压电模式的弯张换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，能够实现高效地把机械能转化为电能。该结构换能器中的压电单元处于剪切应力作用下，克服了在传统悬臂梁型换能器压电单元的拉伸受力中短寿命的问题，同时由于压电单元的剪切压电模式d15或d24或d36压电系数远高于d33和d31压电系数，可以实现换能器更大的电学信号输出；本发明的剪切压电模式换能器还具有结构简单、小型化、易集成、制造成本低的优势。
Description
技术领域
本发明属于压电器件领域，具体涉及一种基于剪切压电模式的弯张换能器。
背景技术
压电材料由于其独特的机电耦合特性具有换能器的属性，可以实现机械能与电能的相互转化，在加速度计、传感器、水下声呐、无损检测等领域有着重要作用。压电弯张换能器是利用钹式结构实现对压电材料输入应力的放大，可以有效地提高换能器的电学输出情况。
现在研究者所设计的弯张换能器主要是利用压电材料的d33或d31压电模式，当材料发生伸缩变形时产生电荷输出。而剪切压电模式是指由剪切应力引起的电荷输出的情况，具体包括d36、d24与d15剪切压电模式。与传统的压电陶瓷d33或d31压电模式(压电系数约500pC/N～700pC/N)相比，压电陶瓷的d15压电模式的压电系数约900pC/N、压电单晶的d24、d36与d15压电模式的压电系数可达2500pC/N，因而在换能器领域具有显著优势。
但是目前针对剪切压电模式换能器的研究主要是基于悬臂梁式结构提出的，例如一种典型的剪切压电模式悬臂梁式换能器的结构如下：把d15型压电材料的下表面直接附着于金属悬臂梁上、上表面处于自由状态，依靠梁的上下振动给压电材料下表面施加剪切应力，利用其d15压电模式实现电荷输出，但是在该结构中由于压电材料上表面处于悬空状态无法充分实现剪切应力的传递。此外，根据宾州州立大学Kenji Uchino教授的理论推导，弯张结构的机电耦合系数约30％，远高于悬臂梁结构(10％)。
基于以上剪切压电模式和弯张结构在换能器中的优势，我们提出了该基于剪切压电模式的弯张换能器来实现换能器的更优异的输出性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于剪切压电模式的弯张换能器，解决了现有压电换能器的问题：(1)在现有的基于d33或d31模式压电弯张换能器中，压电材料性能低于剪切模式压电材料；(2)在现有的悬臂梁式剪切压电模式换能器中，受限于压电材料的力学边界状态，剪切应力无法充分传递压电材料上。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，包括质量块、弹性元件、一对压电单元和基板，其中，所述压电单元固定在基板上；所述弹性元件固定在压电单元的上表面；所述质量块固定在弹性元件的中间位置；所述压电元件为d15、d36或d24剪切压电模式的压电材料。
优选地，所述采用d15剪切压电模式和d24剪切压电模式的压电材料结构相同，其中，其极化方向沿x轴方向，其电极面沿z轴方向。
优选地，所述采用d36剪切压电模式的压电材料的极化方向沿y轴方向，其电极面沿y轴方向。
优选地，所述压电元件由单片压电陶瓷或压电单晶制备而成。
优选地，所述压电元件由多个压电陶瓷或压电单晶堆叠构成；且多个压电陶瓷或单晶采用串联或并联方式连接。
优选地，所述弹性元件为桥型结构。
优选地，所述桥型结构的侧边与x轴之间设置有倾角，所述该倾角为0°-45°。
优选地，所述压电单元与基板之间、所述压电单元和弹性元件之间、以及弹性元件与质量块之间均通过粘接方式连接。
优选地，多个弯张换能器呈阵列结构布置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，能够实现高效地把机械能转化为电能。该结构换能器中的压电单元处于剪切应力作用下，克服了在传统悬臂梁型换能器压电单元的拉伸受力中短寿命的问题，同时由于压电单元的剪切压电模式d15或d24或d36压电系数远高于d33和d31压电系数，可以使得输出电流更大；本发明的剪切压电模式换能器还具有结构简单、小型化、易集成、制造成本低的优势。
进一步的，桥型结构的弯张效果可以有效的实现输入力信号的放大，获得更大的电信号输出；当正应力施加于桥型弹性元件顶部中心位置时，经过桥型弹性元件放大后转换成沿压电单元上表面的剪切应力。
进一步的，将桥型结构的侧边与x轴方向之间的倾角设置为0°-45°，实现由质量块沿z轴压力引起的施加在压电单元上剪切应力的放大作用。
进一步的，对于d15或d24模式的压电单元，剪切应力会使得压电单元的1面和3面(或2面和3面)产生剪切变形，由于压电单元的极化方向与剪切应力方向平行，进而激励其d15或d24压电模式，从而使得电极面产生电输出，实现机械能和电能高效转换过程。
进一步的，对于d36模式压电单元，剪切应力会使得压电单元的1面和2面产生剪切变形，由于压电单元的极化方向与剪切应力方向垂直，进而激励其d36压电模式使得在电极面上产生电输出，从而实现高效机电转换。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是d15或d24剪切模式压电单元结构示意图；
图3是d36剪切模式压电单元结构示意图；
图4是剪切压电模式下多个压电单元电学并联结构示意图；
图5是剪切压电模式下多个压电单元电学串联结构示意图；
图6是本发明所制备实物结构尺寸。
图7是本发明实物在不同振动加速度下输出电压、电流和功率的测试结果；
其中，1、质量块2、弹性元件3、压电单元4、基板5、极化方向。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的目的在于提出一种基于剪切压电模式的弯张换能器，如图1所示，包括质量块1、弹性元件2、压电单元3和基板4，其中，所述压电单元3固定在基板4上；所述弹性元件2固定在压电单元3的上表面；所述质量块1固定在弹性元件2的顶部中间位置。
当外加沿z轴方向正压力与质量块1上时，经弹性元件2传递给压电单元3，由于压电单元3的底部固定于基板4上，所以压电单元的上表面受到弹性元件沿x轴的张力变为剪切力，压电单元会发生如图1虚线所示的剪切应力作用，进而因为压电元件的剪切压电效应而产生电信号输出。
所述的弹性元件2呈桥型结构，其结构底部与x轴成α角度，所述α为0°-45°；可以实现对质量块1所示z轴压力的放大作用，其放大倍数为1/tanα。由于该弹性元件是力传递的重要部件，所以需要采用高弹性材料，如热处理后的铍铜、弹簧钢等。
所述换能器的各个部件装配均采用环氧树脂等胶黏剂粘合制成，在预应力加载的条件下完成各组件的装配和胶黏剂的固化步骤。
所述压电元件3可以由单片压电陶瓷(包括锆钛酸铅基压电陶瓷、钛酸钡基压电陶瓷、钛酸铋钠基压电陶瓷、铌酸钾钠基压电陶瓷等)或压电单晶(铌镁酸铅-锆钛酸铅基弛豫铁电单晶、铌锌酸铅-锆钛酸铅基弛豫铁电单晶、铌铟酸铅-铌镁酸铅-锆钛酸铅基弛豫铁电单晶等)、或多片压电陶瓷或压电单晶构成，压电元件的结构如图2或图3所示，其中，图2是d15(或d24)剪切压电模式的结构示意图，沿x轴方向镀电极极化后打磨去除原有电极，再沿z轴方向采用离子溅射的方式镀电极，形成电极面5，需要注意的是，镀电极时压电材料的温度要低于其居里温度的一半，避免压电材料在该过程中退极化；图3是d36剪切压电模式的结构示意图，其极化方向沿y轴方向，在y轴方向采用离子溅射或银浆烧结的方式镀电极，形成电极面5。
当采用多个压电元件叠层方式时，其结构如图4或图5所示，其中，图4是采用电学上并联的方式把每个压电元件的电极引出来，可以实现输出电流的放大效果，且电流放大倍数与层数成正比；图5是采用电学上串联的方式把每个压电元件的电极引出来，可以实现输出电压放大效果，且电压放大倍数与层数成正比。
所述弹性元件2是指弹簧钢或热处理后的铍铜等高弹性、高强度弹性材料，经过弯折后形成桥型结构，该结构由中心平面、底部平面和侧面连接斜面组成。
所述质量块1是指黄铜、不锈钢等高密度材料。
所述基板4是指聚甲基丙烯酸甲酯等绝缘性高、弹性系数低的材料。
多个剪切弯张换能器可以组成换能器阵列，当安装在两块平行版之间，换能器单元在电路上成并联或串联，通过阵列的方式可以大面积实现对机械能转化为电能。
实施例
如图6所示，为实际剪切压电模式弯张换能器的结构与尺寸，该结构采用聚丙烯酸甲酯作为基板、退火铍铜作为桥型弹性元件，分别采用d15剪切压电模式的商业软性锆钛酸铅基压电陶瓷和沿[111]方向极化的铌铟酸铅-铌镁酸铅-锆钛酸铅基弛豫铁电单晶单片作为压电单元，对其在0.5到3.0个重力加速度下，电压、电流和功率输出情况如图7所示，在100到1200Hz振动频率范围内，可以观察到在谐振响应、3.0个重力加速度(即沿z轴方向施加0.25N压力)时，单晶和陶瓷在该剪切压电模式弯张换能器的输出电压最大峰峰值分别为21.6V和17.8V。在3.0个重力加速度条件时，分别在换能器两端连接不同阻值的负载电阻，可以看到单晶换能器在最佳匹配阻抗是输出功率和电流值分别为13.78mW/cm3、0.6mA，分别是压电陶瓷换能器的5.5倍和3倍。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，包括质量块(1)、弹性元件(2)、压电单元(3)和基板(4)，其中，所述压电单元(3)固定在基板(4)上；所述弹性元件(2)固定在压电单元(3)的上表面；所述质量块(1)固定在弹性元件(2)的中间位置；所述压电元件(3)为采用d15、d36或d24剪切压电模式的压电材料制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，所述采用d15剪切压电模式和d24剪切压电模式的压电材料结构相同，其中，其极化方向沿x轴方向，其电极面沿z轴方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，所述采用d36剪切压电模式的压电材料的极化方向沿y轴方向，其电极面沿y轴方向。
4.根据权利要求1所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，所述压电元件(3)由单片压电陶瓷或压电单晶材料制备而成。
5.根据权利要求1所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，所述压电元件(3)由多个压电陶瓷或单晶压电材料堆叠构成；且多个压电陶瓷或单晶采用串联或并联方式连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，所述弹性元件(2)为桥型结构。
7.根据权利要求6所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，所述桥型结构的底部与x轴之间设置有倾角，所述该倾角为0°-45°。
8.根据权利要求1所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，所述压电单元(3)与基板(4)之间、所述压电单元(3)和弹性元件(2)之间、以及弹性元件(2)与质量块(1)之间均通过粘接方式连接。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于剪切压电模式的弯张换能器，其特征在于，多个弯张换能器呈阵列结构布置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200908 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |