[發(fā)明專利]高性能圓弧型壓電式能量收集器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711361801.0
• 申請(qǐng)日: 2017-12-18
• 公開（公告）號(hào): CN107947635A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱宇宬;王德波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué);南京郵電大學(xué)南通研究院有限公司
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18;H01L41/113
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司32200
• 代理人: 劉莎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高性能圓弧型壓電式能量收集器，屬于能量收集技術(shù)領(lǐng)域，以及微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

壓電能量收集技術(shù)是將周圍環(huán)境中無法直接利用的機(jī)械波，通過壓電效應(yīng)的方式轉(zhuǎn)換為可以被利用的能量。在傳統(tǒng)的直型壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)中，外界振動(dòng)施加于質(zhì)量塊頂端，懸梁振動(dòng)形變，壓電層產(chǎn)生壓電效應(yīng)。相比于其他形式的能量收集模式，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的能量收集器更易于微型化、集成化，因而具有較大的研究?jī)r(jià)值。

從單一的直型壓電懸臂梁振動(dòng)能量采集器(中國(guó)專利公開號(hào)：CN105305879A)，到雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合懸臂梁壓電發(fā)電裝置(中國(guó)專利公開號(hào)：CN102790549A)，均是以傳統(tǒng)直型壓電式能量收集器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)各類壓電式振動(dòng)能量收集器，通過優(yōu)化擴(kuò)展該傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來提高振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高性能圓弧型壓電式能量收集器，，在一些特定弧度下具有電勢(shì)高，其特殊的圓弧結(jié)構(gòu)能夠吸收頂面與側(cè)面方向的振動(dòng)能量。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種高性能圓弧型壓電式能量收集器，包括懸臂梁，所述懸臂梁有一個(gè)圓弧形薄片和一個(gè)正方形薄片連接而成，所述圓弧形薄片上附著有壓電層，所述正方形薄片上附著有質(zhì)量塊。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述圓弧形薄片的右端連接正方形薄片，左端為固定端。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述懸臂梁采用磷青銅材料制成。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述圓弧形薄片的內(nèi)外徑分別為20mm、30mm，圓弧度為90度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述壓電層的內(nèi)外徑分別為20mm、30mm，厚度為0.3mm，圓弧度為90度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述壓電層為PZT-5H。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述質(zhì)量塊采用鎳材料制成。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述質(zhì)量塊的長(zhǎng)、寬、高分別為10mm、10mm、10mm。

本發(fā)明與傳統(tǒng)的直型壓電能量收集器相比，具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1、與傳統(tǒng)直型能量收集器相比，圓弧型壓電能量收集器在不同弧度下具有優(yōu)勢(shì)電勢(shì)，在特定弧度下具有超高電勢(shì)；弧度為210度的圓弧型壓電能量收集器的電勢(shì)最高；弧度為50度、80度、90度、110度、120度、190度、200度、210度的特定弧度具有超高電勢(shì)；

2、與傳統(tǒng)直型能量收集器相比，該能量收集器的一階頻率偏大；弧度為30度的圓弧型壓電式能量結(jié)構(gòu)的一階諧振頻率最大；

3、與傳統(tǒng)直型能量收集器相比，該能量收集器并不受激勵(lì)方向的制約，能夠接受頂面與側(cè)面的激勵(lì)。其中弧度為90度的圓弧型壓電能量器的激勵(lì)方向?yàn)轫斆鏁r(shí)，一階頻率的電勢(shì)高；激勵(lì)方向?yàn)閭?cè)面時(shí)，二、三階頻率的電勢(shì)高。

附圖說明

圖1是90度弧度的圓弧型壓電能量收集器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是90度弧度的圓弧型壓電能量收集器的電勢(shì)與頻率關(guān)系圖。

圖3是直型壓電能量收集器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是20度到320度弧度的圓弧型壓電器的電勢(shì)與頻率關(guān)系圖。

圖5是不同弧度的圓弧壓電器相對(duì)的直型壓電器的電勢(shì)與頻率關(guān)系圖。

圖6是不同弧度的圓弧壓電器與其相對(duì)直型壓電器的一階諧振頻率對(duì)比圖。

圖7是不同弧度的圓弧形壓電器與其相對(duì)直型壓電器的電勢(shì)對(duì)比圖。

圖8是單一側(cè)面激勵(lì)下90度弧度的圓弧型壓電器的電勢(shì)與頻率關(guān)系圖。

圖中，1-圓弧型薄片，2-正方形薄片，3-壓電層，4-質(zhì)量塊，5-固定端。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

相比較于傳統(tǒng)直型壓電式懸臂梁結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供的圓弧型壓電能量收集器，在特定的弧度下可以輸出超高電勢(shì)，且克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)于能量吸收方向的單一性，不僅可以吸收頂面的振動(dòng)能量，而且還可以吸收側(cè)面方向的振動(dòng)能量，且具有易于集成化、微型化等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明圓弧型壓電能量收集器由以下幾個(gè)部分組成：懸臂梁，它由一個(gè)一定弧度的圓弧型薄片與正方形薄片連接而成；壓電層，附著在圓弧型薄片上；質(zhì)量塊，附著在正方形薄片上。該結(jié)構(gòu)的梁基板采用延展性較好的磷青銅材料；壓電層選擇PZT-5H；質(zhì)量塊采用鎳材料。