一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器制造技术

本发明专利技术涉及一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器，用于解决现有悬臂梁式压电能量收集器只能收集单个方向振动能量，在复杂的多向振动环境中能量转换效率低的问题。该装置包括底座和固定安装在底座上的压电悬臂梁结构，采用交错分布的多组末端斜向上和斜向下贴触圆盘的悬臂梁设计。多个压电材料安装在悬臂梁支撑基板上，构成中心对称结构，通过圆盘可将不同方向振动能传递压电材料，从而可实现任意方向振动能量的俘获。本发明专利技术可通过替换调整悬臂梁支撑基板和末端质量块来改变装置的固有频率，使其更易与环境发生共振。本发明专利技术能够在多变的振动环境中取得更好的俘能效果，解决了传统单一压电悬臂梁对不同向激励俘获效率低的问题。一压电悬臂梁对不同向激励俘获效率低的问题。一压电悬臂梁对不同向激励俘获效率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器


[0001]本专利技术涉及振动应用及电力领域，尤其针对环境中不同方向振动能量收集，属于将环境中不同方向上的振动源产生的机械能转化为电能并进行收集供微电子器件使用的


技术介绍

[0002]随着微机电系统发展越来越快，物联网传感技术、无线传感网络、智能可穿戴设备以及各种便捷携带式装置都向着微型化、易集成和消耗低的方向发展，然而装置的供能成为制约微型装置发展的重要问题。传统的化学电池体积较大、供能时间有限、并且需要人为的更换难以满足微型器件的实际工作需求。因此微型装置的能源供给已经成为急需迫切解决的问题。
[0003]从环境中获取环保能源为微型装置供给能源是一种理想的解决方法。环境中广泛存在机械能、太阳能、风能、潮汐能等环保能源，但太阳能、风能、潮汐能受到自然条件的限制很大，当外界环境发生改变时，则太阳能、风能、潮汐能等许多的环保能源会发生很大的变化，严重影响对微型装置的供能需求，而振动能广泛存在于日常的环境中，并且基本不受环境的影响，存在形式比较稳定。随着现代科技的发展，压电振动能量回收受到很大的重视，其相关的技术快速发展，从振动中获取机械能转化为电能为低功耗微型装置供电具有很好的应用前景。
[0004]振动能量收集技术的研究引起了国内外学者的广泛关注，振动能收集的方式有静电式、压电式、电容式三种。压电式因其具有结构紧凑、转换效率高等优点成为国内外研究的重点。压电式振动能量收集装置因其类型的不同分为悬臂梁式、圆盘式、钹式等，悬臂梁式结构分为弓形结构、重叠结构、H型结构、梯形结构、磁力双稳态结构。悬臂梁式压电振动能量收集装置最常见的结构，该结构具有结构简单、易于其他微型装置耦合的特点。但其在使用时装置的工作频带只能在某一频率附近，在装置中可采取增加质量块和改变悬臂梁长度的方法来改变装置的谐振频率，达到与环境振源共振。日常环境中的振源具有随机性，且其作用方向也不确定，若振动能量收集器的谐振频率与环境频率不能很好的匹配时则会使得能量收集装置的收集效率大大下降，无法达到装置预期设想的工作状态，难以保证对微型装置的能量需求，无法保证微电子器件的正常工作。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本专利技术针对现有多方向振动能收集技术的不足，提出一种可实现多方向振动能量收集装置，提高振动能量收集装置的工作效率。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器，技术方案具体如下。
[0009]一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器，包括底座和固定安装在底座上的压电悬臂梁结构；
[0010]底座包括一体化设计的支座(1)、弹簧(3)和圆盘(2)，三者中心同轴，其中，支座(1)采用具有一定厚度的圆形设计，弹簧(3)的一端与支座(1)的圆心处固定连接，弹簧(3)的另一端与圆盘(2)固定连接，弹簧(3)垂直于支座(1)所在平面；圆盘(2)可响应于环境中的振动，在任意方向发生自由位移；
[0011]压电悬臂梁结构包括安装在支座(1)上的n组悬臂梁，其中n≥2，所有安装点均位于支座(1)的外周处；每一组悬臂梁包括上下2个悬臂梁，安装点围绕支座(1)圆心中心对称，并且上下2个悬臂梁的末端分别设计为末端倾斜向下贴触圆盘(2)和末端倾斜向上贴触圆盘(2)；所有悬臂梁的安装点在支座(1)的外周等间隔分布，且倾斜向下贴触的末端与倾斜向上贴触的末端采用交错分布的布局；每个悬臂梁包括支撑基板(4)和安装在支撑基板表面的压电材料(5)；
[0012]当环境中有振动发生时，圆盘(2)响应不同方向振源发生相应位移，与对应的一个或多个悬臂梁贴触点发生挤压，将接收到的激励传递到悬臂梁的压电材料(5)，压电材料(5)再将接收到的机械能转换成电能，实现不同方向振动能量收集。
[0013]优选地，每个悬臂梁的自由端安装了质量块(6)，用于调节装置的谐振频率。
[0014]优选地，所述质量块(6)为可拆卸安装，其尺寸与质量均可根据需要替换。
[0015]优选地，所述压电材料(5)选用PZT或PVDF，在垂直方向上极化，表面镀电极。
[0016]优选地，所述悬臂梁的末端倾斜向下贴触圆盘(2)或倾斜向上贴触圆盘(2)，倾斜角度均设为45度。
[0017]优选地，所述支撑基板(4)与支座(1)通过螺栓(7)实现可拆卸连接，可通过替换不同厚度的支撑基板(4)来调节装置的谐振频率。
[0018](三)有益效果
[0019]相对于现有技术而言，本专利技术提供的一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器具备显著积极的技术效果，具体表现在如下方面：
[0020](1)本专利技术采用的多组倾斜交错压电悬臂梁结构独特设计可以有效降低能量收集装置各阶谐振频率，扩大工作频带，减弱因环境振源的频率发生改变对装置输出功率的影响，且装置的支座不会产生形变，提高了装置工作的稳定性。
[0021](2)本专利技术的装置在收到外激励时，支座上的圆盘可将振动传递到不同的悬臂梁上再等效作用压电材料上，实现不同方向振动机械能的转换。在悬臂梁的支撑基板末端安装质量块，其尺寸和质量可拆卸替换，支撑基板的厚度可替换，能够调节装置的固有频率，使其更易根据实际需要与环境振源谐发生共振。
[0022](3)现有技术中，存在通过在压电材料上添加振动连接件和在压电材料上添加磁场来达多方向宽频带的技术方案，但是，上述方案设计结构相对复杂，装置整体的可拆卸性能较差。相对而言，本专利技术结构简单，易拆卸，工作频带易于调整，具备多方向、宽频域的工作特性，可实现对环境中不同方向振动机械能的高效收集。
[0023](4)本专利技术具有结构紧凑、成本低、不受外界干扰、环保无污染的优点，可在一定程度上满足微型化的要求。
附图说明
[0024]图1为本专利技术一实施例的结构示意图。
[0025]图2为用于末端倾斜向上贴触圆盘的悬臂梁结构示意图。
[0026]图3为用于末端倾斜向下贴触圆盘的悬臂梁结构示意图。
[0027]图中，附图标记及其对应技术部件名称分别为：支座
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1、圆盘
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2、弹簧
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3、支撑基板
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4、压电材料
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5、质量块
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6、螺栓
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7。
具体实施方式
[0028]下面结合附图及实施案例进一步说明本专利技术，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。
[0029]图1为本专利技术的一个实施例的结构示意图，一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器，包括底座和固定安装在底座上的压电悬臂梁结构；
[0030]底座包括一体化设计的支座1、弹簧3和圆盘2，三者中心同轴，其中，支座1采用具有一定厚度的圆形设计，弹簧3的一端与支座1的圆心处固定连接，弹簧3的另一端与圆盘2固定连接，弹簧3垂直于支座1所在平面；圆盘2可响应于环境中的振动，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多方向压电悬臂梁振动能量收集器，包括底座和固定安装在底座上的压电悬臂梁结构；底座包括一体化设计的支座(1)、弹簧(3)和圆盘(2)，三者中心同轴，其中，支座(1)采用具有一定厚度的圆形设计，弹簧(3)的一端与支座(1)的圆心处固定连接，弹簧(3)的另一端与圆盘(2)固定连接，弹簧(3)垂直于支座(1)所在平面；圆盘(2)可响应于环境中的振动，在任意方向发生自由位移；压电悬臂梁结构包括安装在支座(1)上的n组悬臂梁，其中n≥2，所有安装点均位于支座(1)的外周处；每一组悬臂梁包括上下2个悬臂梁，安装点围绕支座(1)圆心中心对称，并且上下2个悬臂梁的末端分别设计为末端倾斜向下贴触圆盘(2)和末端倾斜向上贴触圆盘(2)；所有悬臂梁的安装点在支座(1)的外周等间隔分布，且倾斜向下贴触的末端与倾斜向上贴触的末端采用交错分布的布局；每个悬臂梁包括支撑基板(4)和安装在支撑基板表面的压电材料(5)；当环境中有振动发生时，圆盘(2)响应不同方向振源发生相应位移，与对应的一个或多个悬臂梁贴触...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢坤，王伟杰，董万静，刘博胤，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：