一種雙穩態雙模式的振動能量采集器的制作方法

本發明涉及能量采集領域，更具體地，涉及一種雙穩態雙模式的振動能量采集器。

背景技術：

隨著電子信息技術和機電技術的發展，人們對便攜式電子設備的需求與日俱增，然而便攜設備的便攜性和續航時間越來越受到供電電池的限制，傳統化學電池具有供電壽命短、體積大、質量大、污染環境等問題。能量采集成為人們研究的一大熱點。能量采集器的能量來源主要包括：熱能、太陽能、風能、機械能等。現有技術中的懸臂式壓電采集器就是將人類行走或運動時的機械能轉換成電能，為無線傳感器和小功率的便攜設備提供電能。

現有技術所提供的懸臂式壓電能量采集器的結構如圖1、2所示，由壓電懸臂1和質量塊2組成，其中壓電懸臂1由壓電材料制成。當壓電材料受到一定方向的外力時，其內部會產生電極化現象，上下表面出現正負相反的電荷，而且電荷的面密度與施加的作用力成正比。當外力消失時，電荷會消失，壓電材料又會恢復到原來的不帶電的狀態。常用的壓電材料包括PZT(鋯鈦酸鉛)壓電陶瓷、PVDF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜等。并且，當能量采集器達到諧振頻率的時候，產生的電能是最多的。但是，由于該能量采集器僅僅是通過外力對壓電材料的作用來進行能量采集的，其采集能量的效率不高；且該能量采集器的諧振頻率很高，如圖3所示，當壓電懸臂的規格為21mm(長)×14mm(寬)×0.16(厚)mm，質量塊的重量為0.06g的時候，其諧振頻率大概是75Hz，而人體運動所產生的振動頻率只有幾Hz至十幾Hz，因此該能量采集器佩戴在人體上時，由于振動頻率的限制導致其無法以較高的效率進行能量采集。如果想要降低這種類型能量采集器的諧振頻率，就需要增加壓電懸臂的尺寸，這對能量采集器的耐用性和集成性產生不利影響。

技術實現要素：

本發明為解決以上現有技術提供的能量采集器采集能量效率不高的難題，提供了一種同時工作在兩種能量采集模式的振動能量采集器，該能量采集器的輸出功率與現有技術相比得到了提高。

為實現以上發明目的，采用的技術方案是：

一種雙穩態雙模式的振動能量采集器，包括壓電懸臂，所述壓電懸臂的左端固定，所述能量采集器還包括有固定在壓電懸臂右端頂面上的第一磁鐵和固定在第一磁鐵上方的第二磁鐵，所述第二磁鐵與第一磁鐵在垂直方向上留有間距，第二磁鐵上套取有線圈。

振動能量采集器的具體工作原理如下：

當發生振動時，壓電懸臂受到外力的作用，此時，壓電懸臂內部會產生電極化現象，上下表面出現正負相反的電荷。此外，由于在振動的過程中壓電懸臂的右端會發生上下移動，此時套取在第二磁鐵上的線圈做切割磁感線運動，產生電能。通過對出現的電荷的收集以及產生的電能的收集可以達到能量采集的目的。因此，本發明所提供的能量采集器具有兩個能量采集模式，分別為壓電能量采集模式和電磁感應能量采集模式。兩個能量采集模式的能量采集器能夠以較高的效率對振動能量進行采集，與現有技術相比，機械能的轉化率得到了提高。并且，磁鐵之間的相互作用可以增大壓電懸臂的振幅，增大壓電材料的形變，從而增加上下電極表面的電荷面密度。

優選地，所述能量采集器還包括有固定在壓電懸臂右端底面上的第三磁鐵和固定在第三磁鐵下方的第四磁鐵，所述第三磁鐵與第四磁鐵在垂直方向上留有間距，第四磁鐵上套取有線圈；第二磁鐵與第一磁鐵相互吸引；第三磁鐵與第四磁鐵相互排斥。通過增設第三磁鐵和第四磁鐵，使得在發生振動時能量采集器能夠以雙倍規模做切割磁感線運動，實現更大功率能量的采集。同時，通過增設第三磁鐵和第四磁鐵，磁鐵之間的相互作用力使得能量采集器具有雙穩態，所謂的雙穩態中的一個穩態是指壓電懸臂自由振動后到達的穩態，另一穩態是指磁鐵的吸引力、排斥力使壓電懸臂達到的一種穩態。研究表明，能量采集器在外界振動頻率與器件自然頻率相同時，能量采集器能量轉換率最高。雙穩態結構可以有效拓寬能量采集器的工作頻帶寬度，從而增加振動機械能的轉化率。

優選地，所述壓電懸臂包括一右端開設有開口槽的板狀件和第一條狀件、第二條狀件、第三條狀件、第四條狀件，第一條狀件、第二條狀件、第三條狀件、第四條狀件從后到前依次水平設置在開口槽內；其中第一條狀件的右端與板狀件連接，第一條狀件的左端與第二條狀件的左端連接，第二條狀件的右端與第三條狀件的右端連接，第三條狀件的左端與第四條狀件的左端連接，第四條狀件的右端與板狀件連接；板狀件的左端固定設置；所述第一磁鐵、第三磁鐵分別設置在第二條狀件、第三條狀件連接處的頂面和底面上；所述板狀件、第一條狀件、第二條狀件、第三條狀件、第四條狀件均由壓電材料制成。

第一條狀件的右端與板狀件連接，第一條狀件的左端與第二條狀件的左端連接，第二條狀件的右端與第三條狀件的右端連接，第三條狀件的左端與第四條狀件的左端連接，第四條狀件的右端與板狀件連接，這樣設置的原因在于，使得壓電懸臂能夠具有足夠的彈性，因此在受到振動時，第一磁鐵、第三磁鐵能夠發生更大程度的振動幅度，實現對更多磁感線的切割，從而增大輸出功率。

優選地，所述第一磁鐵、第二磁鐵、第三磁鐵和第四磁鐵設置在同一垂直方向上。

優選地，所述壓電懸臂由鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或聚偏氟乙烯壓電薄膜制成。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明所提供的能量采集器具有兩個能量采集模式，分別為壓電能量采集模式和電磁感應能量采集模式。兩個能量采集模式的能量采集器能夠以較高的效率對振動能量進行采集，與現有技術相比，機械能的轉化率得到了提高。

附圖說明

圖1為現有技術提供的能量收集器的結構示意圖。

圖2為現有技術提供的能量收集器的立體示意圖。

圖3為現有技術提供的能量收集器的輸出功率與振動頻率的關系示意圖。

圖4為本發明提供的能量收集器的結構示意圖。

圖5為壓電懸臂的結構示意圖。

圖6為壓電懸臂的立體示意圖。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的闡述。

實施例1

如圖4所示，本實施例提供的振動能量采集器包括壓電懸臂1和固定在壓電懸臂1右端頂面上的磁鐵2和固定在磁鐵2上方的磁鐵3，所述壓電懸臂1的左端固定，所述磁鐵3與磁鐵2在垂直方向上留有間距，磁鐵3上套取有線圈4。

振動能量采集器的具體工作原理如下：

當發生振動時，壓電懸臂1受到外力的作用，此時，壓電懸臂1內部會產生電極化現象，上下表面出現正負相反的電荷。此外，由于在振動的過程中壓電懸臂1的右端會發生上下移動，此時套取在磁鐵3上的線圈4做切割磁感線運動，產生電能。通過對出現的電荷的收集以及產生的電能的收集可以達到能量采集的目的。因此，本發明所提供的能量采集器具有兩個能量采集模式，分別為壓電能量采集模式和電磁感應能量采集模式。兩個能量采集模式的能量采集器能夠以較高的效率對振動能量進行采集，與現有技術相比，振動機械能的轉化率得到了提高。

實施例2

進一步地，如圖4所示，本實施例提供的能量采集器在實施例1的基礎上，還包括有固定在壓電懸臂1右端底面上的磁鐵5和固定在磁鐵5下方的磁鐵6，所述磁鐵5與磁鐵6在垂直方向上留有間距，磁鐵6上套取有線圈4；磁鐵3與磁鐵2相互吸引；磁鐵5與磁鐵6相互排斥。通過增設磁鐵5和磁鐵6，使得在發生振動時能量采集器能夠以雙倍規模做切割磁感線運動，實現更大功率能量的采集。同時，通過增設磁鐵5和磁鐵6，能夠降低能量采集器的諧振頻率。并且磁鐵之間的相互作用力使得能量采集器具有雙穩態，所謂的雙穩態中的一個穩態是指壓電懸臂1自由振動后到達的穩態，另一穩態是指磁鐵的吸引力、排斥力使壓電懸臂1達到的一種穩態。研究表明，能量采集器在外界振動頻率與器件自然頻率相同時，能量采集器能量轉換率最高。雙穩態結構可以有效拓寬能量采集器的工作頻帶寬度，從而增加振動機械能的轉化率。

實施例3

本實施例對實施例1、實施例2的能量采集器的壓電懸臂1具體結構進行了限定，所述壓電懸臂1采用了曲折型的結構，如圖5、6所示，本實施例中，壓電懸臂1包括一右端開設有開口槽111的板狀件11和條狀件12、條狀件13、條狀件14、條狀件15，條狀件12、條狀件13、條狀件14、條狀件15從后到前依次水平設置在開口槽111內；其中條狀件12的右端與板狀件11連接，條狀件12的左端與條狀件13的左端連接，條狀件13的右端與條狀件14的右端連接，條狀件14的左端與條狀件15的左端連接，條狀件15的右端與板狀件11連接；板狀件11的左端固定設置；所述磁鐵2、磁鐵5分別設置在條狀件13、條狀件14連接處的頂面和底面上；所述板狀件11、條狀件12、條狀件13、條狀件14、條狀件15均由壓電材料制成。

條狀件12的右端與板狀件11連接，條狀件12的左端與條狀件13的左端連接，條狀件13的右端與條狀件14的右端連接，條狀件14的左端與條狀件15的左端連接，條狀件15的右端與板狀件11連接，這樣設置的原因在于，使得壓電懸臂1能夠具有足夠的彈性，因此在受到振動時，磁鐵2、磁鐵5能夠發生更大程度的振動幅度，實現對更多磁感線的切割，從而增大輸出功率。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。