[发明专利]一种S型压电悬臂梁振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及振动应用和电力技术领域，尤其涉及一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，属于将振动环境下产生的机械能转化为电能并加以收集供微电子器件使用的技术领域。

背景技术

随着微机电加工技术和无线技术的不断进步，嵌入式系统、无线传感器网络、智能可穿戴设备以及各种可植入微型传感器等电子设备已进入微型化、集成化和低功耗时代。然而，供能技术已成为制约上述电子器件进一步发展的瓶颈。传统的化学电池存在体积较大、寿命有限、需要定期人工更换等各种缺陷，难以满足新一代微型器件的供能要求。因此，新的供能技术已经成为亟待解决的研究问题。

从环境中获取能量已逐步发展成为一种新的技术思路。环境中广泛存在的机械动能、太阳能、风能等等都可以作为供能来源。其中的振动能量广泛存在于工业现场和周围环境中，并且没有类似太阳能、风能一样的自然条件制约。加之压电能量回收技术的迅速发展，使得从振动环境中回收能量并直接转化为低功耗微型电子元件供电具有广阔的应用前景。

对此国内外学者开展了大量的研究，其中基于压电效应的振动环境能量采集方式因具有结构紧凑、无电磁干扰、能量密度较高等优点而成为国内外研究的重点。压电式振动能量采集装置常采用的振动结构有悬臂梁结构、圆形结构、钹形结构等形式。其中传统的悬臂梁结构是能量采集器中最常用的形式，其结构简单，较容易实现。但是也有其缺点：若降低谐振频率则需通过增加悬臂梁长度，但悬臂梁过长不利于器件的微型化。此外，现有能量采集器多为固定频率的工作方式，即能量采集器只能工作在较窄的单一频率范围之内，而环境中的振源频率可能在某一范围内随时波动，或者有多个振动频率，这时若能量采集器的谐振频率与环境振源的频率不能较好地匹配，则采集的能量会大大降低，整体的输出功率也会急剧减小，难以保证微电子器件的正常工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种能够适应较宽的环境振源频率波动范围，提高能量采集器的实用性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种S型压电悬臂梁振动能量采集器，其特征在于：包括支座和固定安装在支座上的S型悬臂梁，所述S型悬臂梁由基板段、弯曲段以及自由段构成；所述基板段以及自由段的表面安装有压电元件，用于将悬臂梁振动产生的能量转换成电能；所述自由段的末端安装有质量块，用于调节悬臂梁的谐振频率与振动幅值。

进一步的，所述S型压电悬臂梁与末端质量块控制系统振动模态与频率，形成一个比较宽的工作频带。

进一步的，所述弯曲段的刚度大，形变小，可减小能量损耗，能很好的将自由段振动产生的弯矩传递到基板段，使基板段产生近似等应变，提高基板段上的压电元件的能量转换效率。

进一步的，所述基板段、弯曲段以及自由段为一体的，构成S型金属基板。

进一步的，所述S形压电悬臂梁振动能量采集器是由自由段振动产生能量，而上下两块自由段是对称起振的，所产生的作用力相互抵消，对支座没有附加作用力，运行稳定性高。

进一步的，所述压电元件可以根据实际需要选用PZT、PVDF或PMNPT压电材料，在垂直方向上极化，表面镀有电极。

本发明的优点在于：

1.本发明的S型压电悬臂梁振动能量采集器能够有效降低能量采集器的各阶谐振频率，扩大了工作频率带宽，从而适应环境振源的频率波动，提高了输出功率的稳定性。

2.本发明的S形压电悬臂梁振动能量采集器是由自由段2振动产生能量，而上下两块自由段2是对称起振的，所产生的作用力相互抵消，对支座1没有附加作用力，运行稳定性高。

3.本发明的S形压电悬臂梁振动能量采集器的由自由段2上下振动产生的弯矩通过刚度较大的弯曲段3传递到基板段4，在基板段4上产生近似等应变，提高了压电元件5的能量转换效率。

4.本发明的S型压电悬臂梁振动能量采集器结构简单紧凑、加工制作成本较低、无电磁干扰、相比传统的化学电池更具有环保无污染的优点，并在一定程度上可满足结构小型化、集成化的要求。

附图说明

图1为本发明一种S型压电悬臂梁振动能量采集器结构示意图。

图2为本发明结构的一阶模态仿真图。

图3为本发明结构的二阶模态仿真图。

附图标记含义为：1为支座，2为自由段，3为弯曲段，4为基板段，5为压电元件，6为质量块。

注：附图中相同的结构只标注了一次，但是可以存在多个；如自由段2有2个，弯曲段3有2个，压电元件5有4个，质量块6有2个。