一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁，包括：基座和至少三個(gè)長度各不相同的壓電振子，其中：所述壓電振子長度尺寸從小到大依次為第一壓電振子、第三壓電振子、第二壓電振子；所述壓電振子由彈性基板、壓電薄片材料和自由端質(zhì)量塊組成；所述彈性基板表面粘貼有壓電薄片材料，長度方向一端布置有自由端質(zhì)量塊，另一端與基座連接；所述第一壓電振子、第二壓電振子和第三壓電振子自上而下相互平行安裝在基座上；該裝置作為發(fā)電器件，三個(gè)壓電振子具有不同的共振頻率，并且相互耦合實(shí)現(xiàn)多模態(tài)振動(dòng)，拓寬了壓電振子的共振頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)源頻率的良好匹配，提高壓電發(fā)電效率。
【專利說明】一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于小功率發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁。

【背景技術(shù)】
[0002]壓電材料發(fā)現(xiàn)以來，其發(fā)電特性廣泛用于各種特定場合，包括用其將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能的性質(zhì)形成的應(yīng)變測試器件、直接用撞擊壓電材料產(chǎn)生瞬時(shí)高電壓形成的各類點(diǎn)火器件和電子引信器件、利用壓電陶瓷形成的壓電懸臂梁彎曲發(fā)電供給各類電子器件所形成的電子供電器件等。而壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)作為一種最簡單的壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用，壓電懸臂梁用于發(fā)電一般有兩種工作狀態(tài)，一種是工作在非共振頻率下，由其受力產(chǎn)生的變形引起壓電陶瓷產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)合壓電效應(yīng)形成發(fā)電能力，另外一種是工作在其共振頻率下，此時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率大幅提高。但在一些特殊的場合下外界激勵(lì)時(shí)刻發(fā)生變化，環(huán)境中的振動(dòng)源振動(dòng)頻率往往不穩(wěn)定。
[0003]對(duì)于單懸臂梁的壓電振子不易實(shí)現(xiàn)與環(huán)境振動(dòng)源振動(dòng)頻率的良好匹配，這將導(dǎo)致壓電發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)化效率低下。目前所存在的并列放置的多懸臂梁結(jié)構(gòu)只是單純的從個(gè)數(shù)上增加了懸臂梁數(shù)量，未能建立起各懸壁梁之間的聯(lián)系，工作時(shí)只能保證個(gè)別懸臂梁達(dá)到最佳效果，這也導(dǎo)致壓電發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)化效率低下。因此，可以通過特殊懸臂梁參數(shù)及其布置方式的設(shè)計(jì)拓寬壓電發(fā)電懸臂梁的共振頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)裝置與振動(dòng)環(huán)境振動(dòng)源頻率的良好匹配，提高壓電發(fā)電效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決目前多壓電發(fā)電懸臂梁之間相互獨(dú)立導(dǎo)致的懸臂梁利用效率不高所引起的壓電發(fā)電裝置能量轉(zhuǎn)化效率低下的問題，提出了一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁結(jié)構(gòu)，該懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁由基座和至少三個(gè)長度各不相同的壓電振子組成，所述懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁的基座與振動(dòng)源固定，當(dāng)環(huán)境中的振動(dòng)源振動(dòng)頻率較低時(shí)，所述第二壓電振子趨于共振并激勵(lì)第一壓電振子和第三壓電振子振動(dòng)；當(dāng)環(huán)境中的振動(dòng)源振動(dòng)頻率較高時(shí)，所述第一壓電振子趨于共振并激勵(lì)第二壓電振子振動(dòng)進(jìn)而激勵(lì)第三壓電振子振動(dòng)；當(dāng)環(huán)境中的振動(dòng)源振動(dòng)頻率適中時(shí)，所述第三壓電振子趨于共振并激勵(lì)第二壓電振子振動(dòng)進(jìn)而激勵(lì)第一壓電振子振動(dòng)；三個(gè)壓電振子具有不同的共振頻率，并且相互耦合實(shí)現(xiàn)多模態(tài)振動(dòng)，拓寬了壓電振子的共振頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)源的頻率匹配，提高了壓電發(fā)電效率。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁，包括基座和至少三個(gè)長度各不相同的壓電振子，其中:
[0007]所述壓電振子長度尺寸從小到大依次為第一壓電振子、第三壓電振子、第二壓電振子；所述壓電振子由彈性基板、壓電薄片材料和自由端質(zhì)量塊組成；所述彈性基板表面粘貼有壓電薄片材料，長度方向一端布置有自由端質(zhì)量塊，另一端與基座連接；所述第一壓電振子、第二壓電振子和第三壓電振子自上而下相互平行安裝在基座上；安裝后所述第一壓電振子上的自由端質(zhì)量塊與第二壓電振子之間的間隙小于第一壓電振子上的自由端質(zhì)量塊在第一壓電振子共振條件下的振幅；安裝后所述第二壓電振子與第三壓電振子上的自由端質(zhì)量塊之間的間隙小于第三壓電振子上的自由端質(zhì)量塊在第三壓電振子共振條件下的振幅，以保證各壓電發(fā)電懸臂梁振動(dòng)時(shí)相互影響，實(shí)現(xiàn)多懸臂梁之間的振動(dòng)耦合。
[0008]所述壓電振子采用由一片壓電薄片材料粘貼在帶有自由端質(zhì)量塊的彈性基板上形成的單晶片壓電振子，或采用由兩片壓電薄片材料粘貼在帶有自由端質(zhì)量塊的彈性基板兩側(cè)形成的雙晶片壓電振子，采用雙晶片壓電振子可以提高系統(tǒng)的發(fā)電能力。
[0009]工作時(shí)，懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁的基座與振動(dòng)源固定，當(dāng)環(huán)境中的振動(dòng)源振動(dòng)頻率較低時(shí)，所述第二壓電振子趨于共振并激勵(lì)第一壓電振子和第三壓電振子振動(dòng)；當(dāng)環(huán)境中的振動(dòng)源振動(dòng)頻率較高時(shí)，所述第一壓電振子趨于共振并激勵(lì)第二壓電振子振動(dòng)進(jìn)而激勵(lì)第三壓電振子振動(dòng)；當(dāng)環(huán)境中的振動(dòng)源振動(dòng)頻率適中時(shí)，所述第三壓電振子趨于共振并激勵(lì)第二壓電振子振動(dòng)進(jìn)而激勵(lì)第一壓電振子振動(dòng)。三個(gè)壓電振子具有不同的共振頻率，并且相互耦合實(shí)現(xiàn)多模態(tài)振動(dòng)，拓寬了壓電振子的共振頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)源的頻率匹配，達(dá)到提高壓電發(fā)電效率的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁的整機(jī)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁是由基座I和至少三個(gè)長度各不相同的壓電振子2構(gòu)成，其中:
[0013]所述壓電振子2長度尺寸從小到大依次為第一壓電振子201、第三壓電振子203、第二壓電振子202 ;所述壓電振子2由彈性基板21、壓電薄片材料22和自由端質(zhì)量塊23組成；所述彈性基板21表面粘貼有壓電薄片材料22，長度方向一端通過粘接的方式布置有自由端質(zhì)量塊23，另一端通過粘接的方式與基座I連接；所述第一壓電振子201、第二壓電振子202和第三壓電振子203自上而下相互平行安裝在基座4上；安裝后所述第一壓電振子201上的自由端質(zhì)量塊231與第二壓電振子202之間的間隙小于第一壓電振子201上的自由端質(zhì)量塊231在第一壓電振子201共振條件下的振幅；安裝后所述第二壓電振子202與第三壓電振子203上的自由端質(zhì)量塊233之間的間隙小于第三壓電振子203上的自由端質(zhì)量塊233在第三壓電振子203共振條件下的振幅。
[0014]所述壓電振子2采用由一片壓電薄片材料22粘貼在帶有自由端質(zhì)量塊23的彈性基板21上形成的單晶片壓電振子。
[0015]使用時(shí)，該裝置布置在振動(dòng)環(huán)境中，將基座4與振動(dòng)源固定。
【權(quán)利要求】
1.一種懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁，包括:基座(I)和至少三個(gè)長度各不相同的壓電振子(2)，其中:所述壓電振子(2)長度尺寸從小到大依次為第一壓電振子(201)、第三壓電振子(203)、第二壓電振子(202);所述壓電振子(2)由彈性基板(21)、壓電薄片材料(22)和自由端質(zhì)量塊(23)組成；所述彈性基板(21)表面粘貼有壓電薄片材料(22)，長度方向一端布置有自由端質(zhì)量塊(23)，另一端與基座(I)連接；所述第一壓電振子(201)、第二壓電振子(202)和第三壓電振子(203)自上而下相互平行安裝在基座(4)上；安裝后所述第一壓電振子(201)上的自由端質(zhì)量塊(231)與第二壓電振子(202)之間的間隙小于第一壓電振子(201)上的自由端質(zhì)量塊(231)在第一壓電振子(201)共振條件下的振幅；安裝后所述第二壓電振子(202)與第三壓電振子(203)上的自由端質(zhì)量塊(233)之間的間隙小于第三壓電振子(203)上的自由端質(zhì)量塊(233)在第三壓電振子(203)共振條件下的振幅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂耦合壓電發(fā)電懸臂梁，其特征在于:所述壓電振子(2)采用由一片壓電薄片材料(22)粘貼在帶有自由端質(zhì)量塊(23)的彈性基板(21)上形成的單晶片壓電振子，或采用由兩片壓電薄片材料(22)粘貼在帶有自由端質(zhì)量塊(23)的彈性基板(21)兩側(cè)形成的雙晶片壓電振子。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104300831SQ201410617189
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】吳越, 涂前進(jìn), 李新波, 劉勇, 陳松, 楊志剛 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)