[发明专利]双自由度圆弧型压电能量收集器

说明书

技术领域

本发明涉及一种双自由度圆弧型压电能量收集器，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双自由度圆弧型压电能量收集器，该结构具有电势高，多阶频率小，多阶频率间距短。

圆弧压电能量收集器通过外界振动施加于质量块顶面或侧面，悬梁振动形变，压电层产生电势。圆弧型压电能量收集器在特定的弧度下输出高电势，且克服了直型压电能量收集器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，还可以吸收侧面方向的振动能量。本发明双自由度圆弧型压电能量收集器是基于圆弧型压电能量收集器的改进和优化，易于微型化、集成化，因而具有较大的研究价值。本发明不仅保留了圆弧型压电能量收集器输出高电势、吸收侧面与顶面振动能量的优点，还克服了多阶频率高，频率间距大的缺陷。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种双自由度圆弧型压电能量收集器，包括主悬臂梁和副悬臂梁，其中，

所述主悬臂梁包括一个主圆弧型薄片和一个主正方形薄片，所述主圆弧型薄片的一端与所述主正方形薄片连接；所述主圆弧型薄片上附着有主压电层，所述主正方形薄片上附着有主质量块；

所述副悬臂梁包括一个副圆弧型薄片和第一、第二副正方形薄片，其中，第一、第二副正方形薄片分别与所述副圆弧型薄片的两端连接；所述副圆弧型薄片上附着有副压电层，所述第一副正方形薄片附着在主质量块上且与所述主正方形薄片相对，所述第二副正方形薄片上附着有副质量块。

作为本发明的进一步技术方案，所述主圆弧型薄片的右端连接主正方形薄片，左端为固定端。

作为本发明的进一步技术方案，所述主悬臂梁和副悬臂梁均采用磷青铜材料制成。

作为本发明的进一步技术方案，所述主圆弧型薄片和副圆弧型薄片的内外径均分别为20mm、30mm，圆弧度为90度。

作为本发明的进一步技术方案，所述主压电层和副压电层的内外径均分别为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，所述主压电层和副压电层均为PZT-5H。

作为本发明的进一步技术方案，所述主质量块和副质量块均采用镍材料制成。

作为本发明的进一步技术方案，所述主质量块和副质量块的长、宽、高均分别为10mm、10mm、10mm。

本发明双自由度圆弧型压电能量收集器的创新点在于悬臂梁由圆弧型薄片部分与正方形薄片部分连接而成，压电层也为圆弧型状，均为非传统直型结构，通过叠加两个单自由度圆弧型压电能量收集器，固定双自由度圆弧型压电能量收集器的主悬臂梁，副圆弧型薄片可以连接第一副正方形薄片的四个侧面，将副圆弧型悬臂梁的底面与顶面翻转，并连接第一副正方形薄片的四个侧面，从而得到八种结构不同的双自由度圆弧型压电能量收集器。

因此，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、八种双自由度圆弧压电能量收集器与单自由度圆弧型压电能量收集器相比，两个压电层平均电势均高于0.1V，主、副压电层串接后的总电压均高于0.2V，均在一阶频率下电势最高；E型双自由度圆弧型压电能量收集器对比单自由度圆弧压电能量收集器，一阶频率下具有更高电势，主、副压电层串接后的总电压为6.8V；

2、八种双自由度圆弧压电能量收集器与单自由度圆弧型压电能量收集器相比，多阶频率显著降低；H型与C型的一阶频率最低，一阶频率为22Hz；A型与F型的一阶频率最高，一阶频率为43Hz；均低于单自由度圆弧型压电能量收集器的一阶频率，一阶频率为75Hz；