具有能量采集功能的懸臂梁壓電電的制造方法
【專利摘要】一種懸臂梁壓電電機(jī)，特別是具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)。該電機(jī)由三個相互垂直正交的懸臂梁壓電振子組成T型結(jié)構(gòu)。壓電振子1為垂直懸臂梁，壓電振子2為水平懸臂梁，壓電振子3為豎直懸臂梁，其右端安裝摩擦接觸頭。當(dāng)給壓電振子1和3施加兩個同頻、同幅且相位相差90°的正弦交流電壓時，壓電振子1產(chǎn)生左、右彎曲振動，壓電振子3產(chǎn)生前、后彎曲振動；壓電振子1和壓電振子3兩者產(chǎn)生的振動合成后，使摩擦接觸頭301產(chǎn)生橢圓運動軌跡，并驅(qū)動與其相接觸的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)或直線運動；同時，壓電振子2在壓電振子1左、右彎曲振動的激勵下作上、下彎曲變形振動，導(dǎo)致壓電振子2的壓電陶瓷產(chǎn)生交流電壓，實現(xiàn)振動能量的采集功能。
【專利說明】具有能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲波電機(jī)制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)，是一種集壓電驅(qū)動與壓電發(fā)電一體化的機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電電機(jī)是一種利用壓電陶瓷元件的逆壓電效應(yīng)使壓電振子產(chǎn)生形變，并驅(qū)動與之相接觸的轉(zhuǎn)子實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或直線運動的精密驅(qū)動器。它廣泛應(yīng)用在精密器械、生物醫(yī)療、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括環(huán)行、板狀、桿狀等，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計都比較復(fù)雜。由于壓電電機(jī)的發(fā)展歷史較短以及該種電機(jī)的應(yīng)用前景，迫切需要結(jié)構(gòu)靈活多樣的壓電電機(jī)以滿足不同場合的應(yīng)用需求。懸臂梁作為一種最基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用來制作壓電電機(jī)非常簡便。
[0003]壓電電機(jī)在運行過程中，由于壓電振子的振動形變使得結(jié)構(gòu)能耗較大，導(dǎo)致電機(jī)性能下降，能源浪費嚴(yán)重。利用壓電陶瓷元件的正壓電效應(yīng)采集壓電電機(jī)運行過程中的振動能量，把耗散的振動能量轉(zhuǎn)換成直流電壓后，實現(xiàn)給后續(xù)的負(fù)載電子器件供電具有較大的應(yīng)用價值。
[0004]國內(nèi)外有較多的專利申請涉及壓電振動能量采集器，典型的壓電能量采集器結(jié)構(gòu)主要是懸臂梁單晶片或懸臂梁雙晶片壓電振子，這些壓電振子結(jié)構(gòu)的諧振頻帶比較窄，難以獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。為提高壓電能量采集器的能量轉(zhuǎn)換效率、增加壓電能量采集器的有效頻帶寬度，目前出現(xiàn)了由多個壓電振子構(gòu)成能量采集器，如，中國發(fā)明專利201210088945.4提出了一種非接觸激勵的多維振動能量采集器，可實現(xiàn)任意方向、低頻及大振幅的振動能量采集；中國發(fā)明專利201010601354.3提出了一種多個懸臂梁壓電振子構(gòu)成蒲公英狀的能量采集器，可實現(xiàn)縱向振動和一個水平方向的振動能量采集；中國發(fā)明專利200810021618.0提出一種立方體-球壓電能量采集器，等等。通常僅當(dāng)環(huán)境振動方向與懸臂梁壓電振子水平中性面垂直時，才會引起懸臂梁產(chǎn)生彎曲振動產(chǎn)生電能，而對于其他振動方向的能量，懸臂梁不產(chǎn)生電能，這就嚴(yán)重降低了能量采集器的輸出效率和使用范圍。為了能夠采集多方向的振動能量，常用的方法是采用多個壓電振子分布在不同振動方向上，正如上述專利所述。現(xiàn)有多方向振動能量采集器存在幾個問題:1.由于壓電振子數(shù)目的增多，導(dǎo)致能量采集器的結(jié)構(gòu)與制作工藝比較復(fù)雜，后續(xù)電路設(shè)計繁瑣；2.只能采集彎曲振動產(chǎn)生的能量，不能采集扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)，是一種壓電驅(qū)動與壓電發(fā)電集成一體化的新型器件，可實現(xiàn)精密驅(qū)動和多向振動及扭轉(zhuǎn)振動能量采集等功能。
[0006]本發(fā)明采用的實施方案是:所述的壓電電機(jī)由三個夾心式懸臂梁壓電振子組成，每個懸臂梁壓電振子由金屬基板、壓電晶片和質(zhì)量塊粘接而成。壓電振子(I)為垂直懸臂梁，其底部通過緊固機(jī)構(gòu)與基礎(chǔ)(4)固定，在其頂端安裝有質(zhì)量塊(101);質(zhì)量塊(101)在垂直懸臂梁(I)的位置可以改變；壓電振子(2)為水平懸臂梁，其右端固定在懸臂梁(I)頂端質(zhì)量塊(101)左端面中心位置，其左端安裝有質(zhì)量塊(201);壓電振子(3)為豎直懸臂梁，其左端固定在懸臂梁(I)頂端質(zhì)量塊(101)右端面中心位置，其右端安裝有接觸頭(301),壓電振子(3)與壓電振子(I)、壓電振⑵相互垂直正交。
[0007]本發(fā)明實施方式中，當(dāng)給壓電振子(I)和(3)施加兩個同頻、同幅且相位相差90°的正弦交流電壓時，壓電振子(I)產(chǎn)生左、右彎曲振動，壓電振子(3)產(chǎn)生前、后彎曲振動；壓電振子(I)和壓電振子(3)兩者產(chǎn)生的振動合成后，使接觸頭(301)產(chǎn)生橢圓運動軌跡，并驅(qū)動與其相接觸的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)或直線運動；同時，壓電振子(2)在壓電振子(I)左‘右彎曲振動的激勵下作上下的彎曲振動，從而使壓電振子(2)產(chǎn)生彎曲變形，該變形促使壓電振子(2)產(chǎn)生交流電壓，實現(xiàn)振動能量的采集功能。
[0008]本發(fā)明實施方式中，當(dāng)壓電振子(I)和壓電振子(3)未受外界電壓激勵時，三個壓電振子組成T型正交垂直結(jié)構(gòu)，垂直懸臂梁壓電振子(I)的中性面與X軸垂直，水平懸臂梁壓電振子(2)的中性面與y軸垂直，豎直懸臂梁壓電振子(3)的中性面與z軸垂直。當(dāng)基礎(chǔ)(4)作x，y，z三個方向中的任意一個或多個方向的振動時，都會產(chǎn)生其他幾個方向的耦合振動，促使懸臂梁壓電振子⑴產(chǎn)生沿X軸、懸臂梁壓電振子⑵產(chǎn)生沿y軸、懸臂梁壓電振子沿Z軸的彎曲振動,從而實現(xiàn)X，y, Z三個方向振動能量的采集功能。
[0009]本發(fā)明實施方式中，豎直懸臂梁壓電振子(3)與垂直懸臂梁壓電振子(I)正交垂直，當(dāng)基礎(chǔ)(4)產(chǎn)生繞y軸方向的扭轉(zhuǎn)振動時，引起垂直懸臂梁壓電振子(I)產(chǎn)生繞y軸的扭轉(zhuǎn)變形，該扭轉(zhuǎn)變形促使豎直懸臂梁壓電振子(3)產(chǎn)生沿z軸的彎曲振動，最終實現(xiàn)對基礎(chǔ)(4)扭轉(zhuǎn)振動能量的采集功能。
[0010]本發(fā)明的特點及優(yōu)勢在于:1.利用3個懸臂梁壓電振子正交垂直的組成方式，可實現(xiàn)壓電驅(qū)動和多方向的壓電能量采集與轉(zhuǎn)換等功能；2.結(jié)構(gòu)和制作工藝非常簡單，后續(xù)電路設(shè)計也簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明中壓電電機(jī)的三維立體視圖；
[0012]圖2是圖1的正視圖；
[0013]圖3是圖1的俯視圖；
【具體實施方式】
[0014]如圖1、2、3所示，壓電振子(I)為垂直懸臂梁，其底部通過緊固機(jī)構(gòu)固定在基礎(chǔ)
(4)上，其頂端安裝有質(zhì)量塊(101);壓電振子(2)為水平懸臂梁，其右端固定在懸臂梁(I)頂端質(zhì)量塊(101)左端面中心位置，其左端安裝有金屬質(zhì)量塊(201);壓電振子(3)為豎直懸臂梁，其左端固定在懸臂梁(I)頂端質(zhì)量塊(101)右端面中心位置，其右端安裝接觸頭(301)，懸臂梁(3)與懸臂梁(I)、懸臂梁(2)正交垂直組成T型結(jié)構(gòu)。
[0015]兩片極化方向相反的壓電陶瓷通過環(huán)氧樹脂黏結(jié)在壓電振子(I)、壓電振子(2)和壓電振子(3)的基體上，形成夾心結(jié)構(gòu)。
[0016]為了高效地采集基礎(chǔ)(4)的低頻振動能量，壓電振子(I)頂端的質(zhì)量塊(101)的垂直位置是可調(diào)的，通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊(101)在壓電振子(I)的垂直位置，使壓電振子(I)的諧振頻率與基礎(chǔ)(4)的振動頻率一致。
[0017]當(dāng)給壓電振子⑴和(3)施加兩個同頻、同幅且相位相差90°的正弦交流電壓時，壓電振子⑴產(chǎn)生左、右彎曲振動，壓電振子⑶產(chǎn)生前、后彎曲振動；壓電振子(I)和壓電振子(3)兩者產(chǎn)生的振動合成后，使接觸頭(301)產(chǎn)生橢圓運動軌跡，并驅(qū)動與其相接觸的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)或直線運動；同時，壓電振子(2)在壓電振子(I)左、右彎曲振動的激勵下作上下的彎曲振動，從而使壓電振子(2)產(chǎn)生彎曲變形，該變形促使壓電振子(2)產(chǎn)生交流電壓，實現(xiàn)振動能量的采集功能。
[0018]當(dāng)壓電振子⑴和壓電振子(3)未受外界電壓激勵時，壓電振子(I)、⑵和(3)組成T型正交垂直結(jié)構(gòu)，垂直懸臂梁壓電振子(I)的中性面與X軸垂直，水平懸臂梁壓電振子(2)的中性面與y軸垂直，豎直懸臂梁壓電振子(3)的中性面與z軸垂直，當(dāng)基礎(chǔ)(4)作X, y, z三個方向中的任意一個或多個方向的振動時，都會產(chǎn)生其他幾個方向的耦合振動，促使懸臂梁壓電振子(I)產(chǎn)生沿X軸、懸臂梁壓電振子(2)產(chǎn)生沿y軸、懸臂梁壓電振子沿z軸的彎曲振動，從而實現(xiàn)X，y, z三個方向振動能量的采集功能。
[0019]在自然狀態(tài)下，壓電振子(I)、壓電振子(2)和壓電振子(3)保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)基礎(chǔ)作沿X或y方向的往復(fù)振動時，壓電振子(I)、壓電振子(2)和壓電振子(3)的相對靜止?fàn)顟B(tài)被破壞，垂直壓電振子(I)由于基礎(chǔ)振動及其頂端質(zhì)量塊(101)的慣性作用，其頂端沿X軸作往復(fù)彎曲振動；水平壓電振子(2)由于其左端質(zhì)量塊(201)的慣性作用產(chǎn)生沿y軸的彎曲振動；同時，由于振動的耦合作用，水平壓電振子(2)產(chǎn)生的沿y軸的彎曲振動使得壓電振子(I)產(chǎn)生沿X方向的振動，而垂直壓電振子(I)的沿y軸的彎曲振動也使得壓電振子⑵產(chǎn)生沿y方向的振動。
[0020]當(dāng)基礎(chǔ)作沿z方向的往復(fù)振動時，豎直壓電振子(3)由于其右端接觸頭(301)的慣性作用產(chǎn)生平行于z軸的彎曲振動，垂直壓電振子(I)產(chǎn)生繞y軸的扭轉(zhuǎn)振動；當(dāng)基礎(chǔ)作繞y軸的扭轉(zhuǎn)振動時，豎直壓電振子(3)由于其右端質(zhì)量塊(301)的慣性作用產(chǎn)生平行于z軸的彎曲振動。
【權(quán)利要求】
1.具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)，其特征在于:所述的壓電電機(jī)由三個夾心式懸臂梁壓電振子組成，每個懸臂梁壓電振子由金屬基板、壓電晶片和金屬質(zhì)量塊粘接而成。壓電振子(I)為垂直懸臂梁，其底部通過緊固機(jī)構(gòu)與基礎(chǔ)(4)固定，在其頂端安裝有質(zhì)量塊(101);質(zhì)量塊(101)在垂直懸臂梁(I)的位置可以改變；壓電振子(2)為水平懸臂梁，其右端固定在懸臂梁(I)頂端質(zhì)量塊(101)左端面中心位置，其左端安裝有質(zhì)量塊(201);壓電振子3為豎直懸臂梁，其左端固定在懸臂梁(I)頂端質(zhì)量塊(101)右端面中心位置，其右端安裝有接觸頭(301)，壓電振子(3)與壓電振子(I)、壓電振(2)相互垂直正交。當(dāng)給壓電振子(I)和(3)施加兩個同頻、同幅且相位相差90°的正弦交流電壓時，壓電振子⑴產(chǎn)生左、右彎曲振動，壓電振子(3)產(chǎn)生前、后彎曲振動；壓電振子⑴和壓電振子(3)兩者產(chǎn)生的振動合成后，使接觸頭(301)產(chǎn)生橢圓運動軌跡，并驅(qū)動與其相接觸的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)或直線運動；同時，壓電振子(2)在壓電振子(I)左、右彎曲振動的激勵下作上、下的彎曲振動，從而使壓電振子⑵產(chǎn)生彎曲變形，該變形促使壓電振子⑵的壓電陶瓷產(chǎn)生交流電壓，從而實現(xiàn)振動能量的采集功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)，其特征在于:當(dāng)壓電振子(I)和壓電振子(3)未受外界電壓激勵時，它們也可以用來采集基礎(chǔ)(4)的振動能量，且壓電振子(I)頂端的質(zhì)量塊(101)的垂直位置可以調(diào)整，以便壓電振子(I)的諧振頻率與基礎(chǔ)(4)的振動頻率一致，實現(xiàn)最大效率的能量采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有振動能量采集功能的懸臂梁壓電電機(jī)，其特征在于:三個壓電振子組成T型正交垂直結(jié)構(gòu)，可以采集基礎(chǔ)(4)作x、y、z三個方向的橫向振動及基礎(chǔ)(4)作扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的能量。
【文檔編號】H02N2/18GK103560693SQ201310473346
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】王光慶 申請人:浙江工商大學(xué)