CN110661450B - 微分几何特征非线性化的压电振子 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微分几何特征非线性化的压电振子，其特征在于，包括:支座；振子本体，呈悬臂状，振子本体的一端安装于支座，振子本体包括第一压电层、中间层和第二压电层，并且第一压电层、中间层和第二压电层在与振子本体的延伸方向垂直的方向上依次层叠，第一压电层和第二压电层由压电材料制成，中间层由导电材料制成，振子本体的延伸路径为非线性的空间曲线；质量块，安装于振子本体的自由末端，质量块用于在外部激励下带动振子本体一起振动。质量块在外部激励下带动振子本体一起振动，第一压电层和第二压电层因压电效应而产生电势差，从而能够将外部激励转换为电能，且振子本体更加容易产生非线性共振，能量收集效率更高。

Description

微分几何特征非线性化的压电振子

技术领域

本发明涉及压电发电技术领域，尤其涉及的是一种微分几何特征非线性化的压电振子。

背景技术

振动式压电发电机的结构简单、能量密度大、并能较好的实现微型化，是目前振动式微型发电机研究的热点之一。但是目前振动式压电发电机的输出功率依然在多个领域受限，其中由于线性压电发电机所采用的线性压电振子的共振频带狭窄，而外部的环境的激励往往会在宽带范围内发生时变，导致线性压电振子经常难以满足共振状态，造成了能量收集效率的大大降低。

因此，还需要提供一种新的压电振子以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种能量收集效率较高的微分几何特征非线性化的压电振子。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种微分几何特征非线性化的压电振子，其特征在于，包括:支座；振子本体，呈悬臂状，所述振子本体的一端安装于所述支座，所述振子本体包括第一压电层、中间层和第二压电层，并且所述第一压电层、所述中间层和所述第二压电层在与所述振子本体的延伸方向垂直的方向上依次层叠，所述第一压电层和所述第二压电层由压电材料制成，所述中间层由导电材料制成，所述振子本体的延伸路径为非线性的空间曲线；质量块，安装于所述振子本体的自由末端，所述质量块用于在外部激励下带动所述振子本体一起振动。

优选地，所述第一压电层和所述第二压电层的结构关于所述中间层对称。

优选地，所述振子本体的截面形状为矩形、三角形、圆形和椭圆形中的一种。

优选地，所述支座包括第一压块、第二压块和螺栓，所述中间层位于所述第一压块和所述第二压块之间，所述螺栓用于将所述第一压块和所述第二压块锁合以压紧所述中间层。

优选地，所述中间层与所述第一压电层或所述第二压电层通过导电胶粘合。

优选地，所述中间层由金属制成，所述第一压电层和所述第二压电层由压电陶瓷制成。

优选地，所述振子本体还包括两个导电层，两个所述导电层分别设于所述第一压电层和所述第二压电层的外表面。

优选地，所述导电层是导电薄膜。

优选地，所述导电层与所述第一压电层或所述第二压电层通过导电胶粘合。

优选地，所述振子本体的延伸路径为空间圆柱螺旋线、空间余弦线、空间椭圆曲线、空间抛物线中的一种。

与现有技术相比，本发明主要有以下有益效果：

所述质量块在外部激励下带动所述振子本体一起振动，所述第一压电层和所述第二压电层因压电效应而产生电势差，从而能够将外部激励转换为电能，由于所述振子本体的延伸路径为非线性的空间曲线，故而更加容易产生超谐共振、亚谐共振、组合共振和多重共振等非线性共振，所述压电振子的能量收集效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中所涉及的压电振子的结构示意图；

图2是本发明中所涉及的支座10的结构示意图。

图3是本发明中所涉及的振子本体的截面图；

图4是本发明中所涉及的振子本体的延伸路径为空间圆柱螺旋线的示意图；

图5是本发明中所涉及的振子本体的延伸路径为空间余弦线的示意图；

图6是本发明中所涉及的振子本体的延伸路径为空间椭圆曲线的示意图；

图7是本发明中所涉及的振子本体的延伸路径为空间抛物线的示意图。

附图标记：

100-压电振子，10-支座，20-振子本体，21-第一压电层，22-中间层，23-第二压电层，24-导电层，30-质量块。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是本发明中所涉及的压电振子100的结构示意图。

如图1所示，本发明较佳实施例提供的一种压电振子100，其包括:支座10、振子本体20和质量块30。振子本体20的一端安装于支座10，质量块30安装于振子本体20的自由末端。在图1中，支座10是简化的结构示意图。

图2是本发明中所涉及的支座10的结构示意图。

在本实施例中，支座10用于支撑振子本体20。如图2所示，支座10包括第一压块11、第二压块12和螺栓13，中间层22位于第一压块11和第二压块12之间，两个螺栓13用于将第一压块11和第二压块12锁合以压紧中间层22。第一压块11和第二压块12可以由绝缘的刚性材料制成，例如塑料或陶瓷。优选地，第一压块11和第二压块12由透明塑料制成。

图3是本发明中所涉及的振子本体20的截面图。

在本实施例中，振子本体20用于将外部激励转换为电能。振子本体20呈悬臂状，振子本体20的一端安装于支座10。振子本体20具有非线性化的微分几何特征。如图3所示，振子本体20包括：第一压电层21、中间层22、第二压电层23、导电层24。第一压电层21、中间层22和第二压电层23在与振子本体20的延伸方向垂直的方向上依次层叠，第一压电层21和第二压电层23由压电材料制成，中间层22由导电材料制成。中间层22可以作为第一压电层21和第二压电层23的共用电极。两个导电层24分别设于第一压电层21和第二压电层23的外表面。优选地，第一压电层21和第二压电层23由压电晶体或压电陶瓷制成。中间层22由金属制成，例如镍合金、青铜或紫铜。由此，能够提高振子本体20的机械性能，延长振子本体20在振动中的工作寿命。优选地，第一压电层21和第二压电层23的结构关于中间层22对称，在与振子本体20的延伸方向垂直的截面上，振子本体20具有对称的机械结构。由此，有助于振子本体20在外部激励下产生共振，提高能量收集效率。此外，第一压电层21和第二压电层23的结构关于中间层22对称，在振动过程中，中间层23所受力可以为零。优选地，振子本体20垂直安装于支座10，即在振子本体20与支座10的连接处，振子本体20的延伸方向与支座10垂直。由此，能够提高振子本体20与支座10连接的机械强度，从而能够延长振子本体20在振动中的工作寿命。若振子本体20与支座10的连接处存在锐角，则会产生应力集中，可能会缩短振子本体20的工作寿命。优选地，导电层24是导电薄膜，从而能够减轻振子本体20的重量，有助于延长振子本体20的工作寿命，也能够提高振子本体20产生的电荷的移动速度，提高能量收集效率。导电层24可以由共聚物聚偏氟乙烯制成。振子本体20的截面形状为矩形、三角形、圆形和椭圆形中的一种，振子本体20的截面形状还可以是多边形，例如正六边形或正八变形。优选地，振子本体20的截面形状是矩形，由此，能够令振子本体20具有匀称的机械结构，从而有助于振子本体20在外部激励下产生共振，提高能量收集效率。中间层22与第一压电层21或第二压电层22通过导电胶粘合。导电层24与第一压电层21或第二压电层22通过导电胶粘合。导电胶可以是RTP一801室温固化胶粘剂或环氧树脂胶。

在本实施例中，质量块30安装于振子本体20的自由末端，质量块30用于在外部激励下带动振子本体20一起振动。外部激励是指环境的振动，可以是短暂接触的机械振动，也可以是声波。质量块30可以由绝缘的刚性材料制成，例如陶瓷或塑料。质量块30还可以是已经做了绝缘保护的金属。质量块30可以粘接于振子本体20的自由末端。

在本实施例中，压电振子100的工作原理是：随着环境的振动,质量块30将受到惯性力的作用，引起振子本体20变形，进而引起压电层内应变和应力的变化；由于压电效应，第一压电层21和第二压电层23之间将产生变化的电势差，两个导电层24作为引出电极，可以为负载供电。质量块30的振动带起振子本体20的变形，导致压电材料发生极化，产生了向两极移动的正负电荷，即极化。当环境振动频率等于振子本体20的固有频率时，将引起振子本体20的共振,压电层应力和应变的变化最大，从而使发电机输出电压的变化达到最大。在一些情况下，振子本体20的振动方向与极化方向有关。结构非线性化作为一种非线性压电发电研究的重要手段，往往可以在不限制特殊的压电材料、不添加外部的非线性力或运动的情况下，拓宽压电发电机的共振频率。本申请拟将非线性化共振的设计理论应用于压电发电机理中，设计出具有非线性化微分几何特征的弯曲悬臂梁结构，得到共振频带优化的压电振子100。由于外部激励的多样性，导致牵引曲线的参数方程选择更多也更丰富，同时弯曲悬臂梁的截面形状也可灵活多变，因此形成的压电振子100通过结构微分几何特征非线性化实现了共振频带控制。本非线性压电振子100体积小、质量轻、几何结构多变，可广泛应用在微小压电发电领域。

相对于本申请所涉及的微分几何特征非线性化的压电振子100，线性压电发电机构所采用的压电振子的结构简单，可以利用质量-弹簧-阻尼组成的单/多自由度模型或者欧拉-伯努利方程快速完成求解，但是线性压电振子的共振频带狭窄，而外部环境的激励往往会在宽带范围内发生时变，导致线性压电振子经常难以满足共振状态，无法获得良好的性能输出。为改善以上性能，拓宽共振频带，方法之一就是在线性压电振子上外加非线性磁场(永磁铁或者电磁铁)。但是，外加非线性磁场之后，要求解力-电-磁多场耦合关系以及涉及龙格库塔等数值计算方法较为繁琐，计算比较困难，因此本申请提出将压电振子非线性化而不是外加非线性力或非线性场。本申请拟通过压电振子自身微分几何特征的非线性化，设计得到适用于多振动模型的非线性压电振子。该非线性压电振子的形状通过截面曲线沿着牵引曲线扫描而得到，这里提到的牵引曲线为任意的三维光滑曲线，而非平面曲线。三维曲线方向灵活，截面图形丰富多变，可为圆形、椭圆形、四边形等；同时，相较于要解决增加非线性场的力-电-磁多场耦合关系，解决建立力-电耦合关系的方程相对更简单。

在本实施例中，振子本体20可以是通过空间的一条任意曲线进行构型的简单实体。优选地，振子本体20的延伸路径为非线性空间曲线。相较于传统的直线式悬臂结构的压电振子，本申请所涉及的振子本体20的形状更为灵活，其延伸路径为非线性空间曲线，从而更加容易产生超谐共振、亚谐共振、组合共振和多重共振等非线性共振，能量收集效率更高。振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线可以称为牵引曲线，其参数方程可以表示为：

其中，t为运动参数变量。参数方程的不同，会使振子本体20的结构形状产生明显差异；同时振子本体20的截面形状多变，可为矩形、三角形、圆形等等；通过牵引曲线参数方程以及截面形状的选择，在振动的外部激励条件下，可以得到能在不同方向上形成超谐共振、亚谐共振、组合共振和多重共振等非线性共振的压电振子20。该牵引曲线的选择通常与外部激励密切相关。相较于传统的直线式悬臂结构的压电振子，其形状更为灵活，更加容易产生超谐共振、亚谐共振、组合共振和多重共振等非线性共振，能量收集效率更高。本申请所涉及的微分几何特征非线性化的压电振子100，采用了空间曲线的构型方式，其结构简单、重量轻、截面形状多变、体积小，在微型压电发电装置领域的应用更加丰富。故而，本申请所涉及的压电振子100可广泛应用于微型振动式压电发电机中，实现高效的压电发电效应。

在本实施例中，振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线可以为空间圆柱螺旋线、空间余弦线、空间椭圆曲线、空间抛物线中的一种。

图4是本发明中所涉及的振子本体20的延伸路径为空间圆柱螺旋线的示意图。图4(a)是振子本体20的延伸路径为空间圆柱螺旋线的结构示意图；图4(b)是对振子本体20施加的压电方向沿着圆柱螺旋线的半径方向的示意图；图4(c)是对振子本体20施加的压电方向垂直于圆柱螺旋线的半径方向的示意图。

如图4(a)所示，振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线为圆柱螺旋线，其参数方程为：

-π≤t≤-2π/5。其中：m为牵引圆柱螺旋线的螺旋半径，m＝15；t为运动参数变量，-π≤t≤0；n为牵引圆柱螺旋线的螺距参数，n＝4。振子本体20的截面形状为矩形。

如图4(b)所示，振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线为圆柱螺旋线，且压电方向沿着圆柱螺旋线的半径方向。R表示圆柱螺旋线的半径方向，F表示压电方向。

如图4(c)所示，振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线为圆柱螺旋线，且压电方向垂直于圆柱螺旋线的半径方向。R表示圆柱螺旋线的半径方向，F表示压电方向。

图5是本发明中所涉及的振子本体20的延伸路径为空间余弦线的示意图。

如图5所示，振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线为空间余弦线，其参数方程为

-π≤t≤π。振子本体20的截面形状为矩形。

图6是本发明中所涉及的振子本体20的延伸路径为空间椭圆曲线的示意图。

如图6所示，振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线为空间椭圆曲线，参数方程为：

-π≤t≤π。振子本体20的截面形状为矩形。

图7是本发明中所涉及的振子本体20的延伸路径为空间抛物线的示意图。

如图7所示，振子本体20的延伸路径所形成的空间曲线为空间抛物线，参数方程为：

-π≤t≤π。振子本体20的截面为矩形。

在本实施例中，振子本体20可以是通过空间的一条任意曲线进行构型的简单实体。相较于传统的直线式悬臂结构的压电振子，本申请所涉及的振子本体20的形状更为灵活，其延伸路径为空间曲线，从而更加容易产生超谐共振、亚谐共振、组合共振和多重共振等非线性共振，能量收集效率更高。

显然，以上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，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微分几何特征非线性化的压电振子，其特征在于，包括：

支座；

振子本体，呈悬臂状，所述振子本体的一端安装于所述支座，所述振子本体包括第一压电层、中间层和第二压电层，并且所述第一压电层、所述中间层和所述第二压电层在与所述振子本体的延伸方向垂直的方向上依次层叠，所述第一压电层和所述第二压电层由压电材料制成，所述中间层由导电材料制成，所述振子本体的延伸路径为非线性的空间曲线；所述中间层作为所述第一压电层和所述第二压电层的共用电极；

质量块，安装于所述振子本体的自由末端，所述质量块用于在外部激励下带动所述振子本体一起振动；

还包括两个导电层，两个所述导电层分别设于所述第一压电层和所述第二压电层的外表面；

所述非线性的空间曲线基于以下公式确定：

其中，c为所述非线性的空间曲线；t为运动参数变量；x为x轴方向的运动曲线；y为x轴方向的运动曲线；z为x轴方向的运动曲线。

2.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，

所述第一压电层和所述第二压电层的结构关于所述中间层对称。

3.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，

所述振子本体的截面形状为矩形、三角形、圆形和椭圆形中的一种。

4.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，

所述支座包括第一压块、第二压块和螺栓，所述中间层位于所述第一压块和所述第二压块之间，所述螺栓用于将所述第一压块和所述第二压块锁合以压紧所述中间层。

5.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，

所述中间层与所述第一压电层或所述第二压电层通过导电胶粘合。

6.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，

所述中间层由金属制成，所述第一压电层和所述第二压电层由压电晶体或压电陶瓷制成。

7.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，

所述导电层是导电薄膜。

8.根据权利要求7所述的压电振子，其特征在于，

所述导电层与所述第一压电层或所述第二压电层通过导电胶粘合。

9.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，

所述振子本体的延伸路径为空间圆柱螺旋线、空间余弦线、空间椭圆曲线、空间抛物线中的一种。

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