用于制作振動能量采集器的彈性梁及振動能量采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種振動能量采集器，尤其涉及一種用于制作振動能量采集器的彈性梁及振動能量采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線傳感器技術(shù)的發(fā)展，為無線傳感器供能的技術(shù)也成為了研宄熱點，振動能量采集器就是其中的典型；現(xiàn)有的振動能量采集器，其組成部分按功能劃分一般可分為振動感應(yīng)部和電輸出部兩個主要部分，振動感應(yīng)部的主要作用是對振動能量進(jìn)行采集(或感應(yīng))并將振動能傳遞給電輸出部，振動感應(yīng)部的性能直接決定了振動能量采集器的能量采集效率；第201310530588.7號中國專利申請公開了一種多方向?qū)掝l帶能量采集器，相比于其他結(jié)構(gòu)的能量采集器，這種能量采集器的結(jié)構(gòu)相對簡單，僅由彈性梁和質(zhì)量塊就構(gòu)成了振動感應(yīng)部；前述專利申請是本發(fā)明的發(fā)明人早期的研宄成果，隨著研宄的深入，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)前述方案還存在一些缺陷，尤其是其彈性梁的性能還不夠理想:其彈性梁(即前述專利申請中的“彈性連接梁”)為一細(xì)長的桿狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的彈性梁雖然能夠?qū)U的周向上的振動進(jìn)行響應(yīng)，但卻無法對桿的軸向上的振動進(jìn)行響應(yīng)，并且為了保證振動效率，桿的直徑比較小，導(dǎo)致桿的周向面上可利用的空間十分狹小，無法粘貼尺寸較大的壓電薄膜，并且由于桿的直徑較小，卷裹在桿上的壓電薄膜的形變量十分有限，不利于電輸出；另外，現(xiàn)有技術(shù)中有的彈性梁直接采用彈簧，采用彈簧時，彈簧的外周面幾乎沒有可以供壓電薄膜粘貼的空間，并且彈簧的軸向與水平方向平行時，若彈簧剛度不夠，彈簧將會在重力作用下向下彎曲，容易與其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉或碰撞，若彈簧剛度較大，又會對彈簧的振動幅度造成負(fù)面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出一種用于制作振動能量采集器的彈性梁，其創(chuàng)新在于:所述彈性梁為筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體為直筒或錐筒；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體展平后為平面帶狀結(jié)構(gòu)；所述彈性梁采用彈性材料制作。
[0004]本發(fā)明的原理是:形成本發(fā)明彈性梁的筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體與彈簧結(jié)構(gòu)十分相似，但其上的實心部分的外周面寬度卻遠(yuǎn)大于普通彈簧，從振動性能來看，這種結(jié)構(gòu)的彈性梁除了可以對周向振動進(jìn)行拾取外，還能對軸向振動進(jìn)行響應(yīng)，相比于桿狀結(jié)構(gòu)的彈性梁，本發(fā)明對振動方向的適應(yīng)性更廣；并且由于該結(jié)構(gòu)的彈性梁具有多模態(tài)振動的特點，因此能夠響應(yīng)多個頻率點的振動，將其制作為振動能量采集器后，就可以使振動能量采集器具備更高的能量采集效率；相比于彈簧結(jié)構(gòu)的彈性梁，本發(fā)明的彈性梁的周向面上可利用的空間更大，其與壓電薄膜結(jié)合時，可供較大尺寸的壓電薄膜粘貼，并且也更利于壓電薄膜發(fā)生形變，提高振動能量采集器的電輸出。
[0005]優(yōu)選地，所述平面帶狀結(jié)構(gòu)軸向上各個位置處的寬度相同。采用這種結(jié)構(gòu)的彈性材料所制作出的筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體，其周向面上不同位置處的實心部分寬度相同，便于加工制作。
[0006]優(yōu)選地，所述平面帶狀結(jié)構(gòu)為變寬度結(jié)構(gòu)，平面帶狀結(jié)構(gòu)的寬度沿其軸向單向變化。采用這種結(jié)構(gòu)的彈性材料所制作出的筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體，其周向面上不同位置處的實心部分寬度按螺旋方向逐漸遞減，其中，寬度較寬的一端用于約束固定，寬度較窄的一端作為自由端，這種結(jié)構(gòu)的筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體的振動效果更好。
[0007]—種采用前述彈性梁的振動能量采集器，其創(chuàng)新在于:所述振動能量采集器由基座、彈性梁、配重塊和多片壓電薄膜組成；所述彈性梁為筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體為直筒或錐筒；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體展平后為直帶狀結(jié)構(gòu)，直帶狀結(jié)構(gòu)軸向上各個位置處的寬度相同；所述彈性梁采用彈性材料制作；所述基座上設(shè)置有與彈性梁內(nèi)徑匹配的凸臺，彈性梁內(nèi)端套接在凸臺外；所述配重塊為與彈性梁內(nèi)徑匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)體，彈性梁外端套接在配重塊外；所述多片壓電薄膜或者粘貼在彈性梁的外周面上，或者粘貼在彈性梁的內(nèi)周面上，或者多片壓電薄膜同時粘貼在彈性梁的外周面和內(nèi)周面上。
[0008]此振動能量采集器的工作原理是:當(dāng)外部振動激勵作用到基座上時，彈性梁也隨之振動，彈性梁外端的配重塊在慣性的作用下，與基座發(fā)生相對位移，從而增強(qiáng)彈性梁的振動幅度，振動過程中，彈性梁上的各個位置均會發(fā)生彈性形變，粘貼在彈性梁上的壓電薄膜也隨之變形，從而產(chǎn)生電輸出；
優(yōu)選地，所述配重塊采用永磁體材料制作；所述配重塊的外側(cè)設(shè)置有永磁體，所述永磁體與配重塊的端面相對，永磁體和配重塊之間留有間隙。振動時，永磁體和基座之間無相對位移，在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于同性相斥或者異性相吸，彈性梁處于蓄能狀態(tài)，這就大大地增加了彈性梁的靈活性，即使十分微小的振動也能打破平衡，使彈性梁有效地振動起來。
[0009]基于前述彈性梁，本發(fā)明還提出了如下結(jié)構(gòu)的振動能量采集器，其創(chuàng)新在于:所述振動能量采集器由基座、彈性梁、永磁體二、永磁體三和磁致伸縮壓電層合磁電換能器組成；所述彈性梁為筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體為直筒或錐筒；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體展平后為直帶狀結(jié)構(gòu)，直帶狀結(jié)構(gòu)軸向上各個位置處的寬度相同；所述彈性梁采用彈性材料制作；所述基座上設(shè)置有與彈性梁內(nèi)徑匹配的凸臺，彈性梁內(nèi)端套接在凸臺外；所述永磁體二為與彈性梁內(nèi)徑匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)體，彈性梁外端套接在永磁體二外；所述永磁體三設(shè)置于永磁體二的外側(cè)，永磁體三與永磁體二端面相對，永磁體三和永磁體二的相對面極性相反；所述磁致伸縮壓電層合磁電換能器的外端與永磁體三的內(nèi)端面連接，磁致伸縮壓電層合磁電換能器位于永磁體二和永磁體三之間，磁致伸縮壓電層合磁電換能器內(nèi)端與永磁體二之間留有間隙。
[0010]此方案與前述的壓電薄膜方案不同在于電輸出方式，在此方案中，磁致伸縮壓電層合磁電換能器位于永磁體三和永磁體二所構(gòu)成的閉合磁路中，彈性梁振動時，永磁體三與基座之間無相對位移，永磁體二除了用于形成閉合磁路外還起到了增強(qiáng)振幅的作用，當(dāng)永磁體二在彈性梁的帶動下發(fā)生位移時，就會引起磁致伸縮壓電層合磁電換能器周圍磁場變化，從而形成電輸出；
基于前述彈性梁，本發(fā)明還提出了如下結(jié)構(gòu)的振動能量采集器，其創(chuàng)新在于:所述振動能量采集器由基座、彈性梁、永磁體四和感應(yīng)線圈組成；所述彈性梁為筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體為直筒或錐筒；所述筒狀螺旋結(jié)構(gòu)體展平后為直帶狀結(jié)構(gòu)，直帶狀結(jié)構(gòu)軸向上各個位置處的寬度相同；所述彈性梁采用彈性材料制作；所述基座上設(shè)置有與彈性梁內(nèi)徑匹配的凸臺，彈性梁內(nèi)端套接在凸臺外；所述永磁體四為與彈性梁內(nèi)徑匹配的圓柱形結(jié)構(gòu)體，彈性梁外端套接在永磁體四外；所述感應(yīng)線圈設(shè)置于永磁體四的外側(cè)，感應(yīng)線圈和永磁體四之間留有間隙。
[0011]此方案的電輸出原理是:振動時，基座與感應(yīng)線圈之間無相對位移，當(dāng)永磁體四在彈性梁的傳動作用下發(fā)生往復(fù)振動時，相當(dāng)于感應(yīng)線圈在切割磁力線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)線圈就會產(chǎn)生電輸出。
[0012]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:提出了一種新結(jié)構(gòu)的彈性梁，相比于現(xiàn)有的彈性結(jié)構(gòu)，這種彈性梁對振動方向和振動頻率點的適應(yīng)性更廣，由此獲得的振動能量采集器具備更好的能量采集效率。
【附圖說明】
[0013]圖1、采用等寬度平面帶狀結(jié)構(gòu)時的彈性梁結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2、采用變寬度平面帶狀結(jié)構(gòu)時的彈性梁結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3、采用壓電薄膜時的振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4、圖3方案加裝了永磁體后的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5、采用磁致伸縮壓電層合磁電換能器時的振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6、采用電磁感應(yīng)