[發(fā)明專利]具有能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310473346.9
• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN103560693B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王光慶
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工商大學(xué)
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00;H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超聲波電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)，是一種集壓電驅(qū)動與壓電發(fā)電一體化的機(jī)構(gòu)。?

背景技術(shù)

壓電電機(jī)是一種利用壓電陶瓷元件的逆壓電效應(yīng)使壓電振子產(chǎn)生形變，并驅(qū)動與之相接觸的轉(zhuǎn)子實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動的精密驅(qū)動器。它廣泛應(yīng)用在精密器械、生物醫(yī)療、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)行、板狀、桿狀等，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計都比較復(fù)雜。由于壓電電機(jī)的發(fā)展歷史較短以及該種電機(jī)的應(yīng)用前景，迫切需要結(jié)構(gòu)靈活多樣的壓電電機(jī)以滿足不同場合的應(yīng)用需求。懸臂梁作為一種最基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用來制作壓電電機(jī)非常簡便。?

壓電電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于壓電振子的振動形變使得結(jié)構(gòu)能耗較大，導(dǎo)致電機(jī)性能下降，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。利用壓電陶瓷元件的正壓電效應(yīng)采集壓電電機(jī)運(yùn)行過程中的振動能量，把耗散的振動能量轉(zhuǎn)換成直流電壓后，實現(xiàn)給后續(xù)的負(fù)載電子器件供電具有較大的應(yīng)用價值。?

國內(nèi)外有較多的專利申請涉及壓電振動能量采集器，典型的壓電能量采集器結(jié)構(gòu)主要是懸臂梁單晶片或懸臂梁雙晶片壓電振子，這些壓電振子結(jié)構(gòu)的諧振頻帶比較窄，難以獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。為提高壓電能量采集器的能量轉(zhuǎn)換效率、增加壓電能量采集器的有效頻帶寬度，目前出現(xiàn)了由多個壓電振子構(gòu)成能量采集器，如，中國發(fā)明專利201210088945.4提出了一種非接觸激勵的多維振動能量采集器，可實現(xiàn)任意方向、低頻及大振幅的振動能量采集；中國發(fā)明專利201010601354.3提出了一種多個懸臂梁壓電振子構(gòu)成蒲公英狀的?能量采集器，可實現(xiàn)縱向振動和一個水平方向的振動能量采集；中國發(fā)明專利200810021618.0提出一種立方體-球壓電能量采集器，等等。通常僅當(dāng)環(huán)境振動方向與懸臂梁壓電振子水平中性面垂直時，才會引起懸臂梁產(chǎn)生彎曲振動產(chǎn)生電能，而對于其他振動方向的能量，懸臂梁不產(chǎn)生電能，這就嚴(yán)重降低了能量采集器的輸出效率和使用范圍。為了能夠采集多方向的振動能量，常用的方法是采用多個壓電振子分布在不同振動方向上，正如上述專利所述。現(xiàn)有多方向振動能量采集器存在幾個問題：1.由于壓電振子數(shù)目的增多，導(dǎo)致能量采集器的結(jié)構(gòu)與制作工藝比較復(fù)雜，后續(xù)電路設(shè)計繁瑣；2.只能采集彎曲振動產(chǎn)生的能量，不能采集扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的能量。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)，是一種壓電驅(qū)動與壓電發(fā)電集成一體化的新型器件，可實現(xiàn)精密驅(qū)動和多向振動及扭轉(zhuǎn)振動能量采集等功能。?

本發(fā)明采用的實施方案是：所述的壓電電機(jī)由三個夾心式懸臂梁壓電振子組成，每個懸臂梁壓電振子由金屬基板、壓電晶片和質(zhì)量塊粘接而成。壓電振子(1)為垂直懸臂梁，其底部通過緊固機(jī)構(gòu)與基礎(chǔ)(4)固定，在其頂端安裝有質(zhì)量塊(101)；質(zhì)量塊(101)在垂直懸臂梁(1)的位置可以改變；壓電振子(2)為水平懸臂梁，其右端固定在懸臂梁(1)頂端質(zhì)量塊(101)左端面中心位置，其左端安裝有質(zhì)量塊(201)；壓電振子(3)為豎直懸臂梁，其左端固定在懸臂梁(1)頂端質(zhì)量塊(101)右端面中心位置，其右端安裝有接觸頭(301)，壓電振子(3)與壓電振子(1)、壓電振(2)相互垂直正交。?

本發(fā)明實施方式中，當(dāng)給壓電振子(1)和(3)施加兩個同頻、同幅且相位相差90°的正弦交流電壓時，壓電振子(1)產(chǎn)生左、右彎曲振動，壓電振子(3)產(chǎn)生前、后彎曲振動；壓電振子(1)和壓電振子(3)兩者產(chǎn)生的振動合成后，使接觸頭(301)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動軌跡，并驅(qū)動與其相接觸的轉(zhuǎn)子作?旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動；同時，壓電振子(2)在壓電振子(1)左‘右彎曲振動的激勵下作上下的彎曲振動，從而使壓電振子(2)產(chǎn)生彎曲變形，該變形促使壓電振子(2)產(chǎn)生交流電壓，實現(xiàn)振動能量的采集功能。?

本發(fā)明實施方式中，當(dāng)壓電振子(1)和壓電振子(3)未受外界電壓激勵時，三個壓電振子組成T型正交垂直結(jié)構(gòu)，垂直懸臂梁壓電振子(1)的中性面與x軸垂直，水平懸臂梁壓電振子(2)的中性面與y軸垂直，豎直懸臂梁壓電振子(3)的中性面與z軸垂直。當(dāng)基礎(chǔ)(4)作x,y,z三個方向中的任意一個或多個方向的振動時，都會產(chǎn)生其他幾個方向的耦合振動，促使懸臂梁壓電振子(1)產(chǎn)生沿x軸、懸臂梁壓電振子(2)產(chǎn)生沿y軸、懸臂梁壓電振子沿z軸的彎曲振動，從而實現(xiàn)x,y,z三個方向振動能量的采集功能。?