CN110518833B - 一种正四棱柱状多方向压电能量收集器 - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种正四棱柱状多方向压电能量收集器，包括悬臂梁、固定端、质量块，所述悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端设为固定端，所述悬臂梁的侧面且靠近固定端的一端依次设有第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层；所述第一压电层与第三压电层法向方向与Y轴方向相同，所述第二压电层与第四压电层法向方向与Z轴方向相同；本发明提高了压电能量收集器的能量转换效率。结构简单，制造成本低，易于通过MEMS工艺实现产品的微型化与集成化，压电层之间可通过两两并联的方式提高能量收集器的输出电流。

Description

一种正四棱柱状多方向压电能量收集器
技术领域
本发明涉及一种正四棱柱状多方向压电能量收集器，属于压电能量收集技术领域。
背景技术
振动能量广泛的存在于自然界中，如果能够从环境中提取，转换存储这种能量便可实现微型低功耗类设备的长久供电。为了能够充分地利用环境中的振动能量，人们便提出了压电能量收集技术。
当压电材料受到外力作用而变形时，会发生极化现象，在其两个相对表面上会出现正负相反的两种电荷。压电能量收集技术是利用压电材料的压电效应将外界环境中存在的振动机械能转换为电能进行存储利用。压电式能量收集器具有结构简单的特点，易于集成化、微型化。
但目前的压电式能量收集器的结构大多存在着仅能有效转换单一振动方向能量，对于其他方向能量转换效率低的缺点，如一种压电能量收集器及其制作方法（中国专利公开号CN105932906A）。外界中存在的振动能量的振动方向不都是固定不变的，仅转换单一方向的振动能量对于能量收集器的能量转换效率会造成较大影响。
现有的多方向压电能量收集器结构大多是将多个悬臂梁通过不同位置的阵列组合与叠加来实现多个方向振动能量的收集，如六维压电式能量收集器（中国专利公开号CN207603482U）、一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置（中国专利公开号CN106856380A）等。但是这种方法无疑增加了器件结构的空间复杂度，难以进行能量收集器的微型化与集成化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种正四棱柱状多方向压电能量收集器，以解决现有技术中多方向压电能量收集器结构的空间复杂度高，难以进行能量收集器的微型化与集成化的缺陷。
一种正四棱柱状多方向压电能量收集器，包括悬臂梁、固定端、质量块，所述悬臂梁一端与所述质量块连接，另一端设为固定端，所述悬臂梁的侧面且靠近固定端的一端依次设有第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层；所述第一压电层与第三压电层法向方向与Y轴方向相同，所述第二压电层与第四压电层法向方向与Z轴方向相同。
优选地，所述悬臂梁受到Y轴方向的振动激励时，第一压电层与第三压电层表面产生极化电荷；受到Z轴方向的振动激励时，第二压电层与第四压电层表面产生极化电荷。
优选地，所述悬臂梁为正四棱柱状，梁宽与梁高相等，采用材料为磷青铜。
优选地，所述第一压电层与第三压电层极化方向一致，第二压电层与第四压电层极化方向一致。
优选地，所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层长度相同、厚度为0.3mm、采用材料为PZT-5H。
优选地，所述第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层的长度不小于悬臂梁长度的三分之一。
优选地，所述质量块为立方体状，采用材料为金属镍。
优选地，所述质量块的边长大于悬臂梁的截面边长。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1.该能量收集器的悬臂梁为正四棱柱状结构，可在同谐振频率下吸收运动方向相互垂直的振动能量，提高了压电能量收集器的能量转换效率。
2.与现有多方向压电能量收集器相比，该能量收集器的结构简单，制造成本低，易于通过MEMS工艺实现产品的微型化与集成化。
3.与现有多方向压电能量收集器相比，该能量收集器单悬臂梁上可设置四个压电层，压电层之间可通过两两并联的方式提高能量收集器的输出电流。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的悬臂梁的截面图；
图3是本发明结构侧视图。
图中：1-悬臂梁、2-固定端、3-质量块、4-第一压电层、5-第二压电层、6-第三压电层、7-第四压电层。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
由图1-图3所示，公开了一种正四棱柱状多方向压电式能量收集器，由以下几个部分组成：悬臂梁1、固定端2、质量块3、第一压电层4、第二压电层5、第三压电层6、第四压电层7组成。悬臂梁1为一正四棱柱状金属块，其四个侧面依次粘连第一压电层4、第二压电层5、第三压电层6、第四压电层7。其中第一压电层4与第三压电层6相对，且其法向方向与Y轴相同；第二压电层5与第四压电层7相对，且其法向方向与Z轴相同。悬臂梁1一端为质量块3，另一端为固定端2，悬臂梁侧面所附着的压电层紧靠固定端2。
其中第一压电层4、第二压电层5、第三压电层6、第四压电层7所附着的区域形状为矩形，且其宽度与悬臂梁1宽度相同，其长度不小于悬臂梁1长度的三分之一，第一压电层4、第二压电层5、第三压电层6、第四压电层7逆时针依次设在悬臂梁1的表面，并且靠近固定端2的一端，厚度为0.3mm。悬臂梁1采用材料为延展性良好的磷青铜。质量块3所采用的材料为金属镍，用于降低谐振频率，增大悬臂梁1的位移。第一压电层4、第二压电层5、第三压电层6、第四压电层7采用材料为PZT-5H，其中第一压电层4与第三压电层6的极化方向相同，第二压电层5与第四压电层7的极化方向相同。
工作原理：悬臂梁1结构选用正四棱柱状结构，使悬臂梁1的高度与宽度相等，同时悬臂梁1的四个侧面都粘贴有压电层。当悬臂梁1受到来自Y轴方向的振动激励时，第一压电层4与第三压电层6便产生正压电效应，在压电层左右表面产生极化电荷；当悬臂梁1收到来自Z轴方向的振动激励时，第二压电层5与第四压电层7便产生正压电效应，在压电层上下表面产生极化电荷。该能量收集器可在同谐振频率下吸收来自Y轴与Z轴方向的振动能量，且两方向的压电片工作时相互独立，因此可将法向方向为Y轴的压电层与法向方向为Z轴的压电层进行并联，提高压电式能量收集器的输出电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种正四棱柱状多方向压电能量收集器，其特征在于，包括悬臂梁（1）、固定端（2）、质量块（3），所述悬臂梁（1）一端与所述质量块（3）连接，另一端设为固定端（2），所述悬臂梁（1）的侧面且靠近固定端（2）的一端依次设有第一压电层（4）、第二压电层（5）、第三压电层（6）、第四压电层（7）；所述第一压电层（4）与第三压电层（6）法向方向与Y轴方向相同，所述第二压电层（5）与第四压电层（7）法向方向与Z轴方向相同；
所述悬臂梁（1）受到Y轴方向的振动激励时，第一压电层（4）与第三压电层（6）表面产生极化电荷；受到Z轴方向的振动激励时，第二压电层（5）与第四压电层（7）表面产生极化电荷；
所述悬臂梁（1）为正四棱柱状，梁宽与梁高相等，采用材料为磷青铜；
所述第一压电层（4）与第三压电层（6）极化方向一致，第二压电层（5）与第四压电层（7）极化方向一致；
所述第一压电层（4）、第二压电层（5）、第三压电层（6）、第四压电层（7）长度相同、厚度为0.3mm、采用材料为PZT-5H。
2.根据权利要求1所述的正四棱柱状多方向压电能量收集器，其特征在于，所述第一压电层（4）、第二压电层（5）、第三压电层（6）、第四压电层（7）的长度不小于悬臂梁（1）长度的三分之一。
3.根据权利要求1所述的正四棱柱状多方向压电能量收集器，其特征在于，所述质量块（3）为立方体状，采用材料为金属镍。
4.根据权利要求1所述的正四棱柱状多方向压电能量收集器，其特征在于，所述质量块（3）的边长大于悬臂梁（1）的截面边长。
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