CN104900797A - 一种压电振子 - Google Patents
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Abstract
本申请压电振子包括折叠层状弹性体，该弹性体包括至少三个相互平行的弹性梁单元，每相邻两个所述弹性梁单元之间通过刚性连接件连接，弹性体两端的所述弹性梁单元均通过刚性连接件连接有刚性质量块。在任意一个或多个弹性梁单元的表面设置有压电材料层，并且在压电材料层上设置有电极引线，用于引出电流。应用本申请的压电振子时，将任意一端的刚性质量块固定在振源上，振源的振动将通过质量块传递至弹性梁单元，引起弹性梁单元产生一阶弯曲形变振动、二阶弯曲形变振动和一阶扭转形变振动，三个振动模态的振动频率存在一定比例关系，从而在一阶共振频率附近较宽的频率范围内产生多个共振模态，扩大了压电振子的频率响应范围。
Description
技术领域
本申请涉及压电应用技术领域，更具体地说，涉及一种压电振子。
背景技术
压电振子主要功能是将采集到的工业生产、生活环境中的振动能转换为电能，然后为其它微功耗电子元器件供电。
若要采集环境中的振动能量，往往需要振动能量转换器，也即压电振子的共振频率接近或者等于环境的振动频率，从而提高能量转换效率。本案发明人通过对现有压电振子进行研究，发现现有的压电振子仅存在一阶振动模态，也即其工作频率在一阶共振频率附近，其响应范围非常窄。若振源频率发生变化，现有压电振子的谐振频率无法适应这种变化，将会引起压电振子的能量转换效率急剧降低，无法有效完成能量的转换。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种压电振子，用于解决现有压电振子频率响应范围窄，在振源频率发生变化时，无法有效完成能量转换的问题。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种压电振子，包括：
折叠层状弹性体，所述折叠层状弹性体包括至少三个相互平行的弹性梁单元，每相邻两个所述弹性梁单元之间通过刚性连接件连接，所述折叠层状弹性体两端的所述弹性梁单元均通过刚性连接件连接有刚性质量块，任意一个或多个所述弹性梁单元的表面设置有压电材料层，压电材料层设置有电极引线。
优选地，所述折叠层状弹性体两端的所述弹性梁单元所分别连接的刚性质量块相互平行设置。
优选地，所述折叠层状弹性体为金属材料的折叠层状弹性体，所述折叠层状弹性体上未设置压电材料层的表面涂覆有绝缘漆。
优选地，所述弹性梁单元表面设置的压电材料层为绝缘分割的若干个压电材料层区域，各个压电材料层区域均设置有电极引线。
优选地，所述压电材料层为均匀分布的四个压电材料层区域。
优选地，所述弹性梁单元的个数为3个。
优选地，所述压电材料层通过薄导电胶层粘贴在所述弹性梁单元的表面。
优选地，所述压电材料层为压电陶瓷或压电单晶，其极化方向沿厚度方向。
优选地，所述弹性梁单元、所述刚性连接件与所述刚性质量块为一体成型结构。
优选地，所述刚性质量块与所述弹性梁单元均为矩形形状。
从上述的技术方案可以看出，本申请实施例提供的压电振子包括折叠层状弹性体，该弹性体包括至少三个相互平行的弹性梁单元，每相邻两个所述弹性梁单元之间通过刚性连接件连接，弹性体两端的所述弹性梁单元均通过刚性连接件连接有刚性质量块。在任意一个或多个弹性梁单元的表面设置有压电材料层，并且在压电材料层上设置有电极引线，用于引出电流。应用本申请的压电振子时，将任意一端的刚性质量块固定在振源上，振源的振动将通过质量块传递至弹性梁单元，从而引起弹性梁单元产生一阶弯曲形变振动、二阶弯曲形变振动和一阶扭转形变振动，三个振动模态的振动频率存在一定比例关系，从而可以在一阶共振频率附近较宽的频率范围内产生多个机械共振模态，有效扩大了压电振子的频率响应范围，提高能量转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种压电振子的结构示意图；
图2为本申请实施例公开的设置有压电材料层的弹性梁单元的侧视图；
图3为本申请实施例公开的一种压电材料层区域分割平面示意图；
图4为本申请实施例公开的压电振子一阶模态示意图；
图5为本申请实施例公开的压电振子二阶模态示意图；
图6为本申请实施例公开的压电振子三阶模态示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1-图3可知，本申请实施例公开的压电振子包括：
折叠层状弹性体1，所述折叠层状弹性体1包括至少三个相互平行的弹性梁单元11，每相邻两个所述弹性梁单元11之间通过刚性连接件12连接，所述折叠层状弹性体1两端的所述弹性梁单元11均通过刚性连接件12连接有刚性质量块2，任意一个或多个所述弹性梁单元11的表面设置有压电材料层13，压电材料层13设置有电极引线14。
其中，弹性梁单元11、刚性连接件12和刚性质量块2可以通过一体化加工成型。当然，还可以通过焊接等其它方式组成。
本实施例中可以选择对每一个弹性梁单元11均设置压电材料层13，也可以选择对部分弹性梁单元11设置压电材料层13。对于设置压电材料层13的弹性梁单元11来说，其可以在弹性梁单元11的上下两个表面的任意一个或两个表面设置压电材料层13。
可选的，压电材料层13通过薄导电胶层粘贴在所述弹性梁单元11的表面。压电材料层13可以为压电陶瓷或压电单晶，其极化方向沿厚度方向。
本申请实施例提供的压电振子包括折叠层状弹性体，该弹性体包括至少三个相互平行的弹性梁单元，每相邻两个所述弹性梁单元之间通过刚性连接件连接，弹性体两端的所述弹性梁单元均通过刚性连接件连接有刚性质量块。在任意一个或多个弹性梁单元的表面设置有压电材料层，并且在压电材料层上设置有电极引线，用于引出电流。应用本申请的压电振子时，将任意一端的刚性质量块固定在振源上，振源的振动将通过质量块传递至弹性梁单元，从而引起弹性梁单元产生一阶弯曲形变振动、二阶弯曲形变振动和一阶扭转形变振动，三个振动模态的振动频率存在一定比例关系，从而可以在一阶共振频率附近较宽的频率范围内产生多个机械共振模态，有效扩大了压电振子的频率响应范围，提高能量转换效率。
为了便于了解本申请压电振子的工作过程，本实施例中仅以弹性梁单元11的个数为3个，刚性质量块2和弹性梁单元11均为矩形为例进行说明，参见图4—6：
为了便于表述，我们以压电振子长度方向为x轴，压电振子厚度方向为y轴，压电振子高度方向为z轴，o点为压电振子的刚性质量块2的中心点。
图4所示为压电振子的第一阶模态振型，当刚性质量块2在xz平面内，x坐标非0处受到z轴方向的力时，压电振子在xz平面内左右摇摆，以图4中标记的弹性梁单元11来说，其会产生弯曲形变振动，进而带动设置其上的压电材料层形变，从而产生电流。
图5所示为压电振子的第二阶模态振型，当刚性质量块2在xz平面内，x坐标为0处受到z轴方向的力时，压电振子在xz平面内上下振动，以图5中标记的弹性梁单元11来说，其会产生二阶弯曲形变振动，进而带动设置其上的压电材料层形变，从而产生电流。
图6所示为压电振子的第三阶模态振型，当刚性质量块2在yz平面内，y坐标非0处受到z轴方向的力时，压电振子在yz平面内左右摇摆，以图6中标记的弹性梁单元11来说，其会产生一阶扭转形变振动，进而带动设置其上的压电材料层形变，从而产生电流。
对于上述示例的三种模态振型而言，各模型的固有频率比例关系大致为1:1.4:2.1。通过调整压电振子的体积，使得一阶模态振型的固有频率保持在环境振源最低频率附近(约为1Hz)即可。
可选的，为了保证折叠层状弹性体1的弹性，可以选择金属材质作为折叠层状弹性体1。
进一步，在折叠层状弹性体1为金属材料时，为了安全起见，可以将折叠层状弹性体1上，未设置压电材料层13的表面涂覆绝缘漆。
再进一步，当折叠层状弹性体1为金属材料时，若对于某一个弹性梁单元11其上下表面均设置了压电材料层13，则可以以弹性梁单元11作为上下两个压电材料层13的公共电极端。
可选的，对于上下两个刚性质量块2来说，其可以设置为相互平行结构。当然，对于刚性质量块2和弹性梁单元11来说，其也可以是相互平行结构。
进一步参见图3所示，对于压电材料层13来说，其可以通过绝缘分割，划分为多个区域，图3所示的为4区域形式。对于每一个压电材料层区域来说，均需要设置电极引线。具体做法可以通过对压电材料层一侧的电极面进行电电极腐蚀，分割为图3所示的形状，另一侧电极面均匀涂抹导电胶后将其固定在弹性梁单元的表面。
通过对压电材料层进行区域划分，可以避免压电材料层产生的电荷被部分中和掉，造成总电荷降低，影响输出电流量。以图5和图6所示的两种模态振型为例，在图5的工作状态下，此时弹性梁单元沿x长度方向上会出现应力分布相反的区域，进而产生的电荷正负相反，如果不进行区域划分，则会出现部分电荷被相互中和的情况。在图6的工作状态下，此时弹性梁单元沿x长度方向会出现应力分布相反的区域，沿厚度y方向也会出现应力分布相互的区域，如果不进行区域划分，则同样会出现部分电荷被相互中和的情况。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种压电振子，其特征在于，包括：
折叠层状弹性体，所述折叠层状弹性体包括至少三个相互平行的弹性梁单元，每相邻两个所述弹性梁单元之间通过刚性连接件连接，所述折叠层状弹性体两端的所述弹性梁单元均通过刚性连接件连接有刚性质量块，任意一个或多个所述弹性梁单元的表面设置有压电材料层，压电材料层设置有电极引线。
2.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述折叠层状弹性体两端的所述弹性梁单元所分别连接的刚性质量块相互平行设置。
3.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述折叠层状弹性体为金属材料的折叠层状弹性体，所述折叠层状弹性体上未设置压电材料层的表面涂覆有绝缘漆。
4.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述弹性梁单元表面设置的压电材料层为绝缘分割的若干个压电材料层区域，各个压电材料层区域均设置有电极引线。
5.根据权利要求4所述的压电振子，其特征在于，所述压电材料层为均匀分布的四个压电材料层区域。
6.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述弹性梁单元的个数为3个。
7.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述压电材料层通过薄导电胶层粘贴在所述弹性梁单元的表面。
8.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述压电材料层为压电陶瓷或压电单晶，其极化方向沿厚度方向。
9.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述弹性梁单元、所述刚性连接件与所述刚性质量块为一体成型结构。
10.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述刚性质量块与所述弹性梁单元均为矩形形状。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105515442A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-04-20 | 国网江西省电力科学研究院 | 一种臼型压电俘能器 |
| CN107508497A (zh) * | 2017-08-28 | 2017-12-22 | 佛山市顺德区中山大学研究院 | 一种折叠型的振动能量采集器 |
| CN107547005A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-01-05 | 苏州迈客荣自动化技术有限公司 | 一种新型压电陶瓷致动器 |
| CN109217727A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-15 | 北京信息科技大学 | 折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置 |
| CN109980992A (zh) * | 2017-12-28 | 2019-07-05 | 华北电力大学 | 一种多谐振振动能量采集装置 |
| CN112019088A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-12-01 | 重庆大学 | 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1197548A (zh) * | 1995-08-25 | 1998-10-28 | 三井化学株式会社 | 压电振子部件、压电振子支撑结构和压电振子安装方法 |
| CN1576785A (zh) * | 2003-07-25 | 2005-02-09 | 精工爱普生株式会社 | 压电振动片及其支撑结构、压电振子及振动型压电陀螺仪 |
| CN102495914A (zh) * | 2011-10-31 | 2012-06-13 | 中南大学 | 一种实现宽频响应的二自由度压电振子的设计方法 |
| CN103944448A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-07-23 | 南京邮电大学 | 一种压电悬臂梁俘能器 |
| CN104270034A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-07 | 吉林大学 | 一种曲面压电发电悬臂梁 |
-
2015
- 2015-06-10 CN CN201510315555.XA patent/CN104900797B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1197548A (zh) * | 1995-08-25 | 1998-10-28 | 三井化学株式会社 | 压电振子部件、压电振子支撑结构和压电振子安装方法 |
| CN1576785A (zh) * | 2003-07-25 | 2005-02-09 | 精工爱普生株式会社 | 压电振动片及其支撑结构、压电振子及振动型压电陀螺仪 |
| CN102495914A (zh) * | 2011-10-31 | 2012-06-13 | 中南大学 | 一种实现宽频响应的二自由度压电振子的设计方法 |
| CN103944448A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-07-23 | 南京邮电大学 | 一种压电悬臂梁俘能器 |
| CN104270034A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-01-07 | 吉林大学 | 一种曲面压电发电悬臂梁 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105515442A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-04-20 | 国网江西省电力科学研究院 | 一种臼型压电俘能器 |
| CN105515442B (zh) * | 2015-12-04 | 2017-12-12 | 国网江西省电力科学研究院 | 一种臼型压电俘能器 |
| CN107508497A (zh) * | 2017-08-28 | 2017-12-22 | 佛山市顺德区中山大学研究院 | 一种折叠型的振动能量采集器 |
| CN107547005A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-01-05 | 苏州迈客荣自动化技术有限公司 | 一种新型压电陶瓷致动器 |
| CN109980992A (zh) * | 2017-12-28 | 2019-07-05 | 华北电力大学 | 一种多谐振振动能量采集装置 |
| CN109217727A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-15 | 北京信息科技大学 | 折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置 |
| CN112019088A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-12-01 | 重庆大学 | 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 |
| CN112019088B (zh) * | 2020-09-10 | 2024-03-15 | 重庆大学 | 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 |
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