一種具有能量采集功能的懸臂梁壓電電的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種具有能量采集功能的懸臂梁壓電電機,屬于超聲波電機制造【技術(shù)領(lǐng)域】。所述的壓電電機由壓電振子A(1)、壓電振子B(2)和壓電振子C(3)組成T型結(jié)構(gòu)。壓電振子A(1)為垂直懸臂梁,其底部通過緊固機構(gòu)與基礎(chǔ)(4)固定,在其頂端安裝有質(zhì)量塊A(101);壓電振子B(2)為水平懸臂梁,其右端固定在壓電振子A(1)頂端質(zhì)量塊A(101)左端面中心位置,其左端安裝質(zhì)量塊B(201);壓電振子C(3)為豎直懸臂梁,其左端固定在壓電振子A(1)頂端質(zhì)量塊A(101)右端面中心位置,其右端安裝有接觸頭(301);壓電振子C(3)與壓電振子A(1)、壓電振子B(2)相互垂直正交。
【專利說明】一種具有能量采集功能的懸臂梁壓電電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于超聲波電機制造【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種具有能量采集功能的懸臂梁壓電電機,是一種集壓電驅(qū)動與壓電發(fā)電一體化的機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電電機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。由于壓電電機的發(fā)展歷史較短以及該種電機的應(yīng)用前景,迫切需要結(jié)構(gòu)靈活多樣的壓電電機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械結(jié)構(gòu),用來制作壓電電機非常簡便。
[0003]壓電電機在運行過程中,由于壓電振子的振動形變使得結(jié)構(gòu)能耗較大,導(dǎo)致電機性能下降,能源浪費嚴(yán)重。利用壓電陶瓷元件的正壓電效應(yīng)采集壓電電機運行過程中的能量,把耗散的能量轉(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。
[0004]國內(nèi)外有較多的專利申請涉及壓電能量采集器,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能量采集器,可實現(xiàn)任意方向、低頻及大振幅的能量采集;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?,F(xiàn)有多方向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。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型提出一種具有能量采集功能的懸臂梁壓電電機,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)動和振動能量采集等功能。
[0006]本實用新型采用的實施方案是:所述的壓電電機由壓電振子A⑴、壓電振子B⑵和壓電振子C(3)組成T型結(jié)構(gòu)。壓電振子A⑴、B⑵和C(3)均由金屬基板、壓電晶片和質(zhì)量塊粘結(jié)而成的復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu)。壓電振子A(I)為垂直懸臂梁,它底部通過緊固機構(gòu)與基礎(chǔ)(4)固定,頂端安裝質(zhì)量塊A(IOl);質(zhì)量塊A(IOl)在壓電振子A(I)的垂直位置可以改變。壓電振子B(2)為水平懸臂梁,它右端固定在壓電振子A(I)頂端質(zhì)量塊A(IOl)左端面中心位置,左端安裝有質(zhì)量塊B(201)。壓電振子C(3)為豎直懸臂梁,它左端固定在壓電振子A(I)頂端質(zhì)量塊A(IOl)右端面中心位置,右端安裝有接觸頭(301)。壓電振子C(3)與壓電振子A(I)、壓電振子B (2)相互垂直正交。
[0007]本實用新型實施方式中,當(dāng)給壓電振子A(I)和C(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A(I)產(chǎn)生左、右彎曲振動,壓電振子C(3)產(chǎn)生前、后彎曲振動;壓電振子A(I)和壓電振子C(3)兩者產(chǎn)生的振動合成后,使接觸頭(301)產(chǎn)生橢圓運動軌跡,并驅(qū)動與其相接觸的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)或直線運動;同時,壓電振子B(2)在壓電振子A(I)左、右彎曲振動的激勵下作上、下彎曲振動,從而使壓電振子B(2)產(chǎn)生彎曲變形,該變形促使壓電振子B (2)產(chǎn)生交流電壓,實現(xiàn)振動能量的采集功能。
[0008]本實用新型實施方式中,當(dāng)壓電振子A(I)和壓電振子C(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),壓電振子A (I)的中性面與X軸垂直,壓電振子B (2)的中性面與y軸垂直,壓電振子C(3)的中性面與z軸垂直。當(dāng)基礎(chǔ)⑷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,促使壓電振子A(I)產(chǎn)生沿X軸、壓電振子B(2)產(chǎn)生沿y軸、壓電振子C(3)沿z軸的彎曲振動,從而實現(xiàn)X, y, z三個方向能量的采集功能。
[0009]本實用新型實施方式中,壓電振子C(3)與壓電振子A(I)正交垂直,當(dāng)基礎(chǔ)⑷產(chǎn)生繞I軸方向的扭轉(zhuǎn)振動時,引起壓電振子A(I)產(chǎn)生繞y軸的扭轉(zhuǎn)變形,該扭轉(zhuǎn)變形促使壓電振子C(3)產(chǎn)生沿z軸的彎曲振動,最終實現(xiàn)對基礎(chǔ)(4)扭轉(zhuǎn)能量的采集功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型中懸臂梁壓電電機三維實體圖;
[0011]圖2是本實用新型中懸臂梁壓電電機的正視圖;
[0012]圖3是本實用新型中懸臂梁壓電電機的俯視圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1、2、3所示,所述的壓電電機由壓電振子A(l)、壓電振子B(2)和壓電振子C(3)組成T型結(jié)構(gòu)。壓電振子A(I)為垂直懸臂梁,它底部通過緊固機構(gòu)與基礎(chǔ)(4)固定,頂端安裝質(zhì)量塊A(IOl);質(zhì)量塊A(IOl)在壓電振子A(I)的垂直位置可以改變。壓電振子B(2)為水平懸臂梁,它右端固定在壓電振子A(I)頂端質(zhì)量塊A(IOl)左端面中心位置,左端安裝有質(zhì)量塊B(201)。壓電振子C(3)為豎直懸臂梁,它左端固定在壓電振子A(I)頂端質(zhì)量塊A(IOl)右端面中心位置,右端安裝有接觸頭(301)。壓電振子C(3)與壓電振子A(l)、壓電振子B(2)相互垂直正交。
[0014]為了高效地采集基礎(chǔ)(4)的低頻能量,壓電振子A(I)頂端的質(zhì)量塊A(IOl)的垂直位置是可調(diào)的,通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊A(IOl)在壓電振子A(I)的垂直位置,使壓電振子A(I)的諧振頻率與基礎(chǔ)(4)的振動頻率一致。
[0015]當(dāng)給壓電振子A(I)和C(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A (I)產(chǎn)生左、右彎曲振動,壓電振子C (3)產(chǎn)生前、后彎曲振動;壓電振子八(1)和壓電振子C(3)兩者產(chǎn)生的振動合成后,使接觸頭(301)產(chǎn)生橢圓運動軌跡,并驅(qū)動與其相接觸的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)或直線運動;同時,壓電振子B(2)在壓電振子A(I)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B (2)產(chǎn)生彎曲變形,該變形促使壓電振子B (2)產(chǎn)生交流電壓,實現(xiàn)能量的采集與轉(zhuǎn)換功能。
[0016]當(dāng)壓電振子A(I)和壓電振子C(3)未受外界電壓激勵時,壓電振子A(I)、壓電振子B(2)和壓電振子C(3)組成T型正交垂直結(jié)構(gòu);壓電振子A(I)的中性面與X軸垂直,壓電振子B(2)的中性面與y軸垂直,壓電振子C(3)的中性面與z軸垂直,當(dāng)基礎(chǔ)⑷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A(I)產(chǎn)生沿X軸、壓電振子B(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三個方向能量的采集功能。
[0017]在自然狀態(tài)下,壓電振子A(l)、壓電振子B(2)和壓電振子C(3)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)基礎(chǔ)作沿X或y方向的往復(fù)振動時,壓電振子A(l)、壓電振子B(2)和壓電振子C(3)的相對靜止?fàn)顟B(tài)被破壞,壓電振子A (I)由于基礎(chǔ)振動及其頂端質(zhì)量塊A(IOl)的慣性作用,其頂端沿X軸作往復(fù)彎曲振動;壓電振子B(2)由于其左端質(zhì)量塊B(201)的慣性作用產(chǎn)生沿y軸的彎曲振動;同時,由于振動的耦合作用,壓電振子B(2)產(chǎn)生的沿y軸的彎曲振動使得壓電振子A(I)產(chǎn)生沿X方向的振動,而壓電振子A(I)的沿y軸的彎曲振動也使得壓電振子B (2)產(chǎn)生沿y方向的振動。
[0018]當(dāng)基礎(chǔ)作沿z方向的往復(fù)振動時,壓電振子C(3)由于其右端接觸頭(301)的慣性作用產(chǎn)生平行于z軸的彎曲振動,壓電振子A(I)產(chǎn)生繞y軸的扭轉(zhuǎn)振動;當(dāng)基礎(chǔ)作繞y軸的扭轉(zhuǎn)振動時,壓電振子C(3)由于其右端質(zhì)量塊(301)的慣性作用產(chǎn)生平行于z軸的彎曲振動。
【權(quán)利要求】
1.一種具有能量采集功能的懸臂梁壓電電機,其特征在于:所述的壓電電機由壓電振子A(l)、壓電振子B(2)和壓電振子C(3)組成T型結(jié)構(gòu),壓電振子A(I)為垂直懸臂梁,其底部通過緊固機構(gòu)與基礎(chǔ)(4)固定,在其頂端安裝有質(zhì)量塊A(IOl);壓電振子B(2)為水平懸臂梁,其右端固定在壓電振子A(I)頂端質(zhì)量塊A(IOl)左端面中心位置,其左端安裝質(zhì)量塊B(201);壓電振子C(3)為豎直懸臂梁,其左端固定在壓電振子A(I)頂端質(zhì)量塊A(IOl)右端面中心位置,其右端安裝有接觸頭(301);壓電振子C(3)與壓電振子A(l)、壓電振子B(2)相互垂直正交。
【文檔編號】H02N2/00GK203645575SQ201320627295
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】王光慶 申請人:浙江工商大學(xué)