多方向寬頻帶能量採集器的製造方法
2023-09-23 02:54:45 1
多方向寬頻帶能量採集器的製造方法
【專利摘要】一種多方向寬頻帶能量採集器，其結構為：所述能量採集器由支架和設置於支架上的電輸出部組成；所述支架由固定座、彈性連接梁和質量塊組成；彈性連接梁一端與固定座固定連接，彈性連接梁另一端與質量塊連接；所述彈性連接梁橫截面為圓形；以支架為基礎，可搭配多種電輸出部，從而獲得振動感應原理相似的多種能量採集器；本發明的有益技術效果是：提出了一種新思路的振動能量採集裝置，該裝置對振動的方向適應性很好，並且具備寬頻特性。
【專利說明】多方向寬頻帶能量採集器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能量採集裝置，尤其涉及一種多方向寬頻帶能量採集器。
【背景技術】
[0002]當前，無線傳感節點供電的主要來源仍然是電池，但由於其使用壽命、尺寸、以及高的維護和更換費用，實際應用中並不是最理想的選擇，為此，人們極其渴望為微型器件研究新的能量源以代替電池。能量採集器是一種能夠採集環境能量並將其轉換為電能的新型電源，正受到越來越廣泛的重視。
[0003]由於環境中的振動能量無處不在，振動能量採集器成為可自我維持電源研究中的一大熱點。1996年Williams和Yates第一次提出振動能量採集中振動能轉化為電能的通用模型，隨後該模型由El-Hami和Williams進行了完善和發展，目前，將振動能量轉換為電能的工作方式主要有三種:電磁式、靜電式和壓電式。在此基礎上，研究者相繼設計了許多振動能量採集器，如:電磁式能量採集裝置(中國發明專利CN1877973A、CN101075773A、CN1652440A、CN1604436A、CN101110545A、CN1603155A 等)，靜電式能量採集裝置(中國發明專利CN1547312A、美國專利US7112911B2)，壓電式能量採集裝置(中國發明專利CN2834010Y、CN201054553Y、CN101017989A、美國專利 US7345407B2)。
[0004]但以上各類方式的振動能量採集器均只能響應一個方向的振動能量，當環境振動的方向隨著時間改變時，其他方向的振動能量幾乎不能被這些傳統的採集裝置收集，這樣採集裝置的採集效率和功率密度較低。
【發明內容】
[0005]針對【背景技術】中的問題，本發明提出了一種多方向寬頻帶能量採集器，其結構為:所述能量採集器由支架和設置於支架上的電輸出部組成；所述支架由固定座、彈性連接梁和質量塊組成；彈性連接梁一端與固定座固定連接，彈性連接梁另一端與質量塊連接；所述彈性連接梁橫截面為圓形；
所述電輸出部採用如下三種並列可選方案:
方案一:所述電輸出部採用壓電薄膜，壓電薄膜裹覆在彈性連接梁表面；
方案二:所述電輸出部採用第一磁鐵和感應線圈，第一磁鐵與質量塊外端面連接，感應線圈與第一磁鐵間隔一定距離設置，且感應線圈的位置與固定座相對靜止；
方案三:所述電輸出部採用兩塊電極，第一電極與質量塊外端面連接，第二電極與第一電極間隔一定距離設置，且第二電極的位置與固定座相對靜止，兩塊電極的極性面相對。
[0006]本發明的原理是:當外部振動激勵作用到支架上後，彈性連接梁隨之發生彈性振動，質量塊對振動具有增幅作用；當採用方案一的電輸出部時，壓電薄膜會隨著彈性連接梁發生形變，從而產生電輸出；當電輸出部採用方案二時，第一磁鐵會隨著彈性連接梁的振動而往復運動，相當於用感應線圈往復切割第一磁鐵的磁力線，從而在感應線圈上產生交流輸出；當採用方案三與前述支架結合時，第一電極實質上形成了一動電極，第二極電極實質上形成了一靜電極，基於現有的MEMS技術(如CN1547312A)，隨著彈性連接梁的振動，同樣可以獲得電輸出；方案三的換能方式也叫靜電換能。
[0007]另外，與現有技術相比，本發明還有一個顯著特點，即彈性連接梁橫截面為圓形；彈性連接梁在本發明中起感應外部振動的作用，我們暫且將其定義為彈性件，現有的振動能量採集裝置中一般都存在起相似功能的彈性件，為了增加能量採集器的受能方向，本領域技術人員設計了各種橫截面的彈性件，但其受能方向都相當有限；而採用本發明方案後，即將彈性連接梁的橫截面設置為圓形後，彈性連接梁可以在其橫截面上任意角度的徑向位置處進行振動，大大擴展了彈性連接梁對振動方向的適應性，並且隨著方向的擴展，彈性連接梁還能對不同方向上的振動同時進行感應，從而使振動非線性化，基於現有的振動理論，這種非線性化的振動最終可以使裝置獲得寬頻特性；除此之外，相比於現有的各種非圓形橫截面的彈性件，圓形結構更易加工。
[0008]在前述方案一的基礎上，為了增加彈性連接梁對外部振動激勵的敏感性，本發明還作了如下改進:所述方案一中，還設置有第二磁鐵和第三磁鐵；第二磁鐵與質量塊外端面連接，第三磁鐵與第二磁鐵間隔一定距離設置，第三磁鐵的位置與固定座相對靜止，第二磁鐵和第三磁鐵同極相對。其原理是:由於第二磁鐵和第三磁鐵同極相對，第二磁鐵和第三磁鐵之間存在斥力，並且由於第三磁鐵的位置相對固定，故裝置靜止時，彈性連接梁在第二磁鐵所受斥力的作用下處於蓄能狀態，當裝置感應到外部振動後，彈性連接梁與各種外部作用力之間的平衡更容易被打破，即使很小的振動也能觸發彈性連接梁發生振動，從而提高裝置的敏感性；同理，這種通過磁鐵斥力提高裝置敏感性的方案也可應用於方案二中，具體方案為:所述方案二中，還設置有第四磁鐵；第四磁鐵設置於感應線圈外側，且第四磁鐵和感應線圈之間留有間隙，第四磁鐵和第一磁鐵同極相對，第四磁鐵的位置與固定座相對靜止。
[0009]在前述方案三的基礎上，發明人還對電極提出了如下優選方案:所述方案三中，電極形狀為環形電極或條形電極。
[0010]針對方案一中的壓電薄膜，如果採用整塊壓電薄膜將彈性連接梁包裹，雖然也能實現本發明方案，但由於壓電薄膜的形變延展量畢竟有限，這就相當於對彈性連接梁的形變量也施加了限制，對彈性連接梁的振動存在負面作用，為了克服此問題，本發明還作了如下改進:所述方案一中，壓電薄膜為多塊，多塊壓電薄膜沿彈性連接梁軸向分布，單塊壓電薄膜將對應位置處的彈性連接梁周向表面覆蓋。採用多塊壓電薄膜後，由於相鄰壓電薄膜之間存在間隙，從彈性連接梁全長來看，在振動時彈性連接梁可以獲得更大的彎曲幅度範圍，而不必受限於壓電薄膜的形變延展量，從而提高裝置效率。
[0011]本發明的有益技術效果是:提出了一種新思路的振動能量採集裝置，該裝置對振動的方向性適應性很好，並且具備寬頻特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1、方案一結構示意圖一(圖中所示結構即為加裝了第二磁鐵和第三磁鐵以及採用多塊壓電薄膜時的結構)；
圖2、方案一結構示意圖二 (本圖與圖1不同之處在於壓電薄膜為整塊)；
圖3、方案二結構示意圖； 圖4、方案三結構示意圖一(圖中所示電極即為條形電極)；
圖5、方案三結構示意圖二(圖中所示電極即為環形電極)。
【具體實施方式】
[0013]一種多方向寬頻帶能量採集器，其結構為:所述能量採集器由支架和設置於支架上的電輸出部組成；所述支架由固定座1、彈性連接梁2和質量塊3組成；彈性連接梁2 —端與固定座I固定連接，彈性連接梁2另一端與質量塊3連接；所述彈性連接梁2橫截面為圓形；
所述電輸出部採用如下三種並列可選方案:
方案一:所述電輸出部採用壓電薄膜4，壓電薄膜4裹覆在彈性連接梁2表面；
方案二:所述電輸出部米用第一磁鐵5和感應線圈6,第一磁鐵5與質量塊3外端面連接，感應線圈6與第一磁鐵5間隔一定距離設置，且感應線圈6的位置與固定座I相對靜止;
方案三:所述電輸出部採用兩塊電極7，第一電極7與質量塊3外端面連接，第二電極7與第一電極7間隔一定距離設置，且第二電極7的位置與固定座I相對靜止，兩塊電極(7)的極性面相對。
[0014]進一步地，所述方案一中，還設置有第二磁鐵5和第三磁鐵5 ;第二磁鐵5與質量塊3外端面連接，第三磁鐵5與第二磁鐵5間隔一定距離設置，第三磁鐵5的位置與固定座I相對靜止，第二磁鐵5和第三磁鐵5同極相對。
[0015]進一步地，所述方案二中，還設置有第四磁鐵5 ;第四磁鐵5設置於感應線圈6外偵牝且第四磁鐵5和感應線圈6之間留有間隙，第四磁鐵5和第一磁鐵5同極相對，第四磁鐵5的位置與固定座I相對靜止。
[0016]進一步地，所述方案三中，電極7形狀為環形電極或條形電極。
[0017]進一步地，所述方案一中，壓電薄膜4為多塊，多塊壓電薄膜4沿彈性連接梁2軸向分布，單塊壓電薄膜4將對應位置處的彈性連接梁2周向表面覆蓋。
【權利要求】
1.一種多方向寬頻帶能量採集器，其特徵在於:所述能量採集器由支架和設置於支架上的電輸出部組成；所述支架由固定座(I)、彈性連接梁(2)和質量塊(3)組成；彈性連接梁(2)—端與固定座(I)固定連接，彈性連接梁(2)另一端與質量塊(3)連接；所述彈性連接梁(2)橫截面為圓形； 所述電輸出部採用如下三種並列可選方案: 方案一:所述電輸出部採用壓電薄膜(4)，壓電薄膜(4)裹覆在彈性連接梁(2)表面； 方案二:所述電輸出部米用第一磁鐵(5)和感應線圈(6),第一磁鐵(5)與質量塊(3)夕卜端面連接，感應線圈(6)與第一磁鐵(5)間隔一定距離設置，且感應線圈(6)的位置與固定座(I)相對靜止； 方案三:所述電輸出部採用兩塊電極(7)，第一電極(7)與質量塊(3)外端面連接，第二電極(7)與第一電極(7)間隔一定距離設置，且第二電極(7)的位置與固定座(I)相對靜止，兩塊電極(7)的極性面相對。
2.根據權利要求1所述的多方向寬頻帶能量採集器，其特徵在於:所述方案一中，還設置有第二磁鐵(5 )和第三磁鐵(5 );第二磁鐵(5 )與質量塊(3 )外端面連接，第三磁鐵(5 )與第二磁鐵(5)間隔一定距離設置，第三磁鐵(5)的位置與固定座(I)相對靜止，第二磁鐵(5)和第三磁鐵(5)同極相對。
3.根據權利要求1所述的多方向寬頻帶能量採集器，其特徵在於:所述方案二中，還設置有第四磁鐵(5);第四磁鐵(5)設置於感應線圈(6)外側，且第四磁鐵(5)和感應線圈(6)之間留有間隙，第四磁鐵(5)和第一磁鐵(5)同極相對，第四磁鐵(5)的位置與固定座(I)相對靜止。
4.根據權利要求1所述的多方向寬頻帶能量採集器，其特徵在於:所述方案三中，電極(7)形狀為環形電極或條形電極。
5.根據權利要求1或2所述的多方向寬頻帶能量採集器，其特徵在於:所述方案一中，壓電薄膜(4)為多塊，多塊壓電薄膜(4)沿彈性連接梁(2)軸向分布，單塊壓電薄膜(4)將對應位置處的彈性連接梁(2)周向表面覆蓋。
【文檔編號】H02N1/06GK103532433SQ201310530588
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月1日 優先權日:2013年11月1日
【發明者】楊進, 嶽喜海, 文玉梅, 李平, 餘強模 申請人:重慶大學