[发明专利]高性能圆弧型压电式能量收集器

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能圆弧型压电式能量收集器，属于能量收集技术领域，以及微电子机械系统的技术领域。

背景技术

压电能量收集技术是将周围环境中无法直接利用的机械波，通过压电效应的方式转换为可以被利用的能量。在传统的直型压电悬臂梁结构中，外界振动施加于质量块顶端，悬梁振动形变，压电层产生压电效应。相比于其他形式的能量收集模式，这种结构简单的能量收集器更易于微型化、集成化，因而具有较大的研究价值。

从单一的直型压电悬臂梁振动能量采集器(中国专利公开号：CN105305879A)，到双稳态复合悬臂梁压电发电装置(中国专利公开号：CN102790549A)，均是以传统直型压电式能量收集器为基础设计各类压电式振动能量收集器，通过优化扩展该传统结构来提高振动能量转换效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能圆弧型压电式能量收集器，，在一些特定弧度下具有电势高，其特殊的圆弧结构能够吸收顶面与侧面方向的振动能量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种高性能圆弧型压电式能量收集器，包括悬臂梁，所述悬臂梁有一个圆弧形薄片和一个正方形薄片连接而成，所述圆弧形薄片上附着有压电层，所述正方形薄片上附着有质量块。

作为本发明的进一步技术方案，所述圆弧形薄片的右端连接正方形薄片，左端为固定端。

作为本发明的进一步技术方案，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。

作为本发明的进一步技术方案，所述圆弧形薄片的内外径分别为20mm、30mm，圆弧度为90度。

作为本发明的进一步技术方案，所述压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。

作为本发明的进一步技术方案，所述压电层为PZT-5H。

作为本发明的进一步技术方案，所述质量块采用镍材料制成。

作为本发明的进一步技术方案，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。

本发明与传统的直型压电能量收集器相比，具有以下显著的优点：

1、与传统直型能量收集器相比，圆弧型压电能量收集器在不同弧度下具有优势电势，在特定弧度下具有超高电势；弧度为210度的圆弧型压电能量收集器的电势最高；弧度为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电势；

2、与传统直型能量收集器相比，该能量收集器的一阶频率偏大；弧度为30度的圆弧型压电式能量结构的一阶谐振频率最大；

3、与传统直型能量收集器相比，该能量收集器并不受激励方向的制约，能够接受顶面与侧面的激励。其中弧度为90度的圆弧型压电能量器的激励方向为顶面时，一阶频率的电势高；激励方向为侧面时，二、三阶频率的电势高。

附图说明

图1是90度弧度的圆弧型压电能量收集器的几何结构示意图。

图2是90度弧度的圆弧型压电能量收集器的电势与频率关系图。

图3是直型压电能量收集器的几何结构示意图。

图4是20度到320度弧度的圆弧型压电器的电势与频率关系图。

图5是不同弧度的圆弧压电器相对的直型压电器的电势与频率关系图。

图6是不同弧度的圆弧压电器与其相对直型压电器的一阶谐振频率对比图。

图7是不同弧度的圆弧形压电器与其相对直型压电器的电势对比图。

图8是单一侧面激励下90度弧度的圆弧型压电器的电势与频率关系图。

图中，1-圆弧型薄片，2-正方形薄片，3-压电层，4-质量块，5-固定端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

相比较于传统直型压电式悬臂梁结构，本发明提供的圆弧型压电能量收集器，在特定的弧度下可以输出超高电势，且克服了传统结构对于能量吸收方向的单一性，不仅可以吸收顶面的振动能量，而且还可以吸收侧面方向的振动能量，且具有易于集成化、微型化等优点。

本发明圆弧型压电能量收集器由以下几个部分组成：悬臂梁，它由一个一定弧度的圆弧型薄片与正方形薄片连接而成；压电层，附着在圆弧型薄片上；质量块，附着在正方形薄片上。该结构的梁基板采用延展性较好的磷青铜材料；压电层选择PZT-5H；质量块采用镍材料。