CN108809039A - 一种基于刚柔结合结构的电磁式t型梁振动能量采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，包括自下而上依次设置的刚性支撑板(5)、磁铁(4)和刚柔结合板(2)；磁铁(4)紧贴刚性支撑板(5)设置，刚性支撑板(5)和刚柔结合板(2)之间均匀设置有若干铜柱(3)，使得磁铁(4)与刚柔结合板(2)留有间隙。该采集器采用动圈结构。线圈位于刚柔结合板刚性板部分，拾振梁采用聚酰亚胺T型梁设计，该设计能够延长拾振梁有效长度，进一步降低采集器谐振频率。相比于其他振动能量采集器，本发明初次将印制电路刚柔结合技术引入振动能量采集器，且该采集器相比于刚性梁采集器具有更低频率，T型梁设计可满足不同安装角度下的能量收集，因而具有更高采集效率。

Description

一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器
技术领域
本发明涉及一种能量采集器，具体涉及一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器。
背景技术
伴随着集成电路技术的快速发展，电子产品开始趋向微型化、无线化和低功率化。新型电子产品开始逐渐向可植入、可穿戴等新的领域发展。传统供电方式已不适用于这类低功耗、工作环境复杂的设备。而能量采集技术能够收集环境周围普遍存在的能量(如动能、机械能、热能、光能等)，将其转换为电能，代替传统电池为电子产品供电。
目前振动能量采集器主要分为压电式、静电式及电磁式。压电式振动能量采集器与静电式振动能量采集器能够输出较大电压，二者工艺均可与MEMS(Micro-electro-mechanical System)加工工艺兼容，体积较小。但压电式采集器可选结构较小，材料薄膜机械特性在加速度较高的环境中不稳定，输出电流小直接导致其输出功率较低。静电式振动能量采集器通常材料单一，并且需要外加电压初始充电，设计时需考虑到Pull-in吸合现象，因此设计难度较高。相比之下，电磁式振动能量采集器能够输出更大功率且其具有丰富的可选结构和弹簧材料库的优点。但目前电磁式振动能量采集器中横梁设计大多采用刚性梁，这直接导致采集器谐振频率较高，采集效率很难实现最大化。
发明内容
为了解决现有电磁式振动能量采集器梁高刚度导致的谐振频率过高而难以实现与外界环境共振达到输出功率及电压的最大化的问题，基于印制电路刚柔结合加工工艺，本发明提供了一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器。该采集器拾振线圈采用印制电路刚柔结合一体化加工工艺，能够实现低加速度振动环境下的能量采集，并具有较高采集效率。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，包括自下而上依次设置的刚性支撑板、磁铁和刚柔结合板；其中，
磁铁紧贴刚性支撑板设置，刚性支撑板和刚柔结合板之间均匀设置有若干铜柱，使得磁铁与刚柔结合板留有间隙。
本发明进一步的改进在于，刚性支撑板和刚柔结合板通过周向上设置的螺钉以及螺母串连在一起。
本发明进一步的改进在于，螺钉采用304不锈钢M2圆头十字螺钉。
本发明进一步的改进在于，刚柔结合板包括上部的刚性板和下部的柔性板，刚性板内部设置有线圈，柔性板内部设置有拾振片，该拾振片通过其周向均布的若干T型梁与柔性板连接。
本发明进一步的改进在于，刚柔结合板上还开设有导电孔，便于线圈两端的引出。
本发明进一步的改进在于，T型梁内置有铜线，连接线圈和柔性板上的导电孔，柔性板上的导电孔通过过孔与刚性板上的导电孔相连接，实现电压的引出。
本发明进一步的改进在于，刚性板和线圈均由刚性材料制成，采用刚性电路板加工工艺制成。
本发明进一步的改进在于，磁铁为钕铁硼N38永磁体。
本发明具有如下有益的技术效果：
结合印制电路刚柔结合加工技术，本发明提出了一种适用于低频振动环境下的振动能量采集器，该采集器引入了聚酰亚胺拾振梁，通过T型梁的设计有效延长梁有效长度，进一步降低了采集器谐振频率。且由于拾振梁为T型，其可沿垂直方向和水平方向拉伸，该采集器能够实现不同安装角度下的能量采集。当将其置于振动环境时，线圈将与磁铁产生相对位移，根据法拉第电磁感应定律，当通过线圈的磁通量发生变化时，线圈内部将产生感生电动势。从而实现振动能量至电能的转变达到能量收集的目的，并实现传感器节点无线供电。
有鉴于此，本文提出了将印制电路刚柔结合技术运用于振动能量采集中。具体来说，体现在刚柔结合板中。刚柔结合板的上部分采用刚性材料，下部分采用柔性材料。刚性材料的刚性板和线圈有助于器件的组装，柔性材料的T型梁和拾振片有利于增大器件振幅的大小。
该加工技术能够实现线圈及拾振单元一体化加工，简化了电磁式振动能量采集器组装步骤。由于引进了聚酰亚胺柔性梁，该采集器能够实现低加速度振动环境下的能量收集。同时T型梁的设计有利于延长拾振梁有效长度进一步降低采集器谐振频率，并能够实现不同安装角度下的能量采集。T型梁的横梁部分与柔性电路板相连接，竖梁部分与拾振片相连接。此设计在实现了提供相对位移作用的同时，还起到了很好的固定作用。且T型梁内部置有铜线，竖梁中的铜线通过过孔与线圈相连，横梁部分的铜线与刚柔结合板的导电孔相连接，从而实现信号的输出。
附图说明
图1是本发明电磁式T型梁振动能量采集器结构图。
图2为本发明电磁式T型梁振动能量采集器线圈设计图。
图3为本发明电磁式T型梁振动能量采集器在不同加速度谐振频率下的输出电压。
图中：1-螺钉，2-刚柔结合板，201-刚性板，202-柔性板，203-导电孔，204-线圈，205-T型梁，206-拾振片，3-铜柱，4-磁铁，5-刚性支撑板，6-螺母。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，结构如图1所示，包括螺钉1、刚柔结合板2磁铁4、铜柱3、刚性支撑板5和螺母6。其中，刚柔结合板2包括刚性板201，柔性板202，导电孔203、线圈204、T型梁205和拾振片206。板中线圈具体结构如图2所示，顶层线圈和底层线圈中心采用过孔连接，设计时需使两层线圈绕向相反，以此保证二者产生感应电动势的方向相同。线圈两端通过过孔连接至柔性板，最终穿过柔性板T型梁和导电孔相连。
所述螺钉1采用304不锈钢M2圆头十字螺钉，起到固定作用。
所述刚柔结合板2中双层线圈位于刚性FR4板中，线圈两端通过过孔由柔性T型梁引至刚柔结合板2中的导电孔203。最终可由导电孔203处引线进行取电。为保证机械对称性，加工时需在四个T型梁均分布相同的铜线，其中两个T型梁中铜线连接线圈两端，另外两个T型梁中铜线为牺牲铜线。
所述磁铁4为钕铁硼N38永磁体。钕铁硼磁铁剩磁较大且能够提供稳定的磁源，延长振动能量采集器的使用寿命。
所述铜柱3能够将磁铁4与刚柔结合板2间隔开。可通过安装不同高度的铜柱3对磁铁4与线圈2015间的距离进行调节，从而对采集器进行距离参数优化，使其输出功率最大化。磁铁4固定于钢性支撑板5上，最终通过螺母6将各个部分进行组合连接。
如图1和图2所示，刚柔结合板2的上部分为刚性板201，下部分为柔性板202，线圈204在刚性板201内部，柔性板202上方。刚性板201和线圈204均由刚性材料制成，采用刚性电路板加工工艺，而柔性板202和其上的T型梁205及用来连接T型梁205的拾振片206由均由柔性材料制成，采用柔性电路板加工工艺。此外，刚柔结合板2上还有导电孔203，便于线圈两端的引出。刚性板201内部放置有线圈204，线圈底部为拾振片206，拾振片206通过T型梁205与柔性版202相连接。T型梁205内置有铜线，连接线圈204和柔性板202上的导电孔203，柔性板202上的导电孔203通过过孔与刚性板201上的导电孔203相连接，实现电压的引出。
图3为刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器在其谐振频率(140Hz)，不同加速度(1g-9g)下的输出电压实验曲线。随着激振台加速度增加，T型梁采集器输出电压峰峰值不断增加。可以看到从激振台加速度为1g至5g，输出开路电压成线性增加，当激振台加速度超过5g，开路电压增加速率不断减小。当激振台提供加速度为1g(±0.5g)时，***输出电压峰峰值为6.09mV，当***提供加速度到达9g(±4.5g)时，***对外可输出电压峰峰值26.75mV。
综上所述，本发明提供的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，通过引入聚酰亚胺柔性梁和T型梁设计降低了采集器谐振频率，提高了采集器能量采集效率。

Claims (8)

1.一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，包括自下而上依次设置的刚性支撑板(5)、磁铁(4)和刚柔结合板(2)；其中，
磁铁(4)紧贴刚性支撑板(5)设置，刚性支撑板(5)和刚柔结合板(2)之间均匀设置有若干铜柱(3)，使得磁铁(4)与刚柔结合板(2)留有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，刚性支撑板(5)和刚柔结合板(2)通过周向上设置的螺钉(1)以及螺母(6)串连在一起。
3.根据权利要求2所述的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，螺钉(1)采用304不锈钢M2圆头十字螺钉。
4.根据权利要求1所述的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，刚柔结合板(2)包括上部的刚性板(201)和下部的柔性板(202)，刚性板(201)内部设置有线圈(204)，柔性板(202)内部设置有拾振片(206)，该拾振片(206)通过其周向均布的若干T型梁(205)与柔性板(202)连接。
5.根据权利要求3所述的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，刚柔结合板(2)上还开设有导电孔(203)，便于线圈(204)两端的引出。
6.根据权利要求4所述的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，T型梁(205)内置有铜线，连接线圈(204)和柔性板(202)上的导电孔(203)，柔性板(202)上的导电孔(203)通过过孔与刚性板(201)上的导电孔(203)相连接，实现电压的引出。
7.根据权利要求3所述的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，刚性板(201)和线圈(204)均由刚性材料制成，采用刚性电路板加工工艺制成。
8.根据权利要求1所述的一种基于刚柔结合结构的电磁式T型梁振动能量采集器，其特征在于，磁铁(4)为钕铁硼N38永磁体。
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