一種基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置。包括主軸和支梁，支梁上安裝壓電材料和質(zhì)量塊組成局域振子單元，主軸上安裝至少兩排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)，所述主軸上安裝至少兩排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)是指：同排中各局域振子單元等間距分布；各排的局域振子單元的間距相等；在主軸的橫截面上各排局域振子單元等間距分布。本發(fā)明利用壓電技術進行能量轉(zhuǎn)換，并采用聲子晶體技術實現(xiàn)發(fā)電裝置在振動環(huán)境中的寬頻高效發(fā)電。結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，并對壓電振動裝置的扭轉(zhuǎn)振動發(fā)電頻帶進行了有效的拓寬，無需主動控制、對工作環(huán)境的要求較低。可用于檢測旋轉(zhuǎn)機械運行狀況的無線傳感器等微電子產(chǎn)品的能量供應。
【專利說明】—種基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種發(fā)電裝置，具體地說是一種適用于在振動噪聲環(huán)境中的利用聲子晶體扭轉(zhuǎn)振動帶隙原理的寬頻振動發(fā)電裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著集成電路技術和微/納機電系統(tǒng)技術的發(fā)展，微電子產(chǎn)品被廣泛的應用于無線網(wǎng)絡節(jié)點、環(huán)境監(jiān)測、汽車、建筑等重要領域。目前微電子產(chǎn)品的發(fā)展受限于供能裝置的微型化和壽命期限等問題，因此發(fā)展新型的微電源技術十分重要。當前，微機電系統(tǒng)所采用的化學電源方案多數(shù)只適于短壽命周期，并且難以應對數(shù)量不斷增加的無線網(wǎng)絡節(jié)點，而基于壓電效應的振動發(fā)電裝置，雖然只能產(chǎn)生小級別的電力，但已能滿足微功耗系統(tǒng)要求，并其所利用的振動源無處不在，具備不受場地限制、活動性強等優(yōu)點，因此采用壓電振動發(fā)電裝置可以解決微機電系統(tǒng)的自我供能問題。
[0003]目前的研究較多的懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)面臨“共振頻率單一，發(fā)電效率低”的問題。為提高發(fā)電效率，拓寬發(fā)電頻帶，目前常用的方法有兩種:一、主動自調(diào)整法，即通過主動控制調(diào)節(jié)裝置的自身固有頻率從而適應環(huán)境振動頻率的變化；二、被動自調(diào)整法，即通過多個不同固有頻率的發(fā)電裝置組合達到拓寬頻帶的效果。兩種方法均有缺點，前者自身耗能大，后者裝置的尺寸及設計成本均顯著增加?！段靼步煌ù髮W學報》2010年2月第2期第44卷的中刊登的“多懸臂梁壓電振子頻率分析及發(fā)電實驗研究”中，提出了一種多懸臂梁壓電振子結(jié)構(gòu)，即屬于被動自調(diào)整范疇，將若干不同的懸臂梁振子串聯(lián)在同一基體上，從而將發(fā)電裝置的發(fā)電頻帶拓寬至56-65HZ，并提高了發(fā)電量。但是這種結(jié)構(gòu)是將不同的懸臂梁布置于同一基體上，懸臂梁的設計復雜，生產(chǎn)成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，能拓寬扭轉(zhuǎn)振動發(fā)電頻帶的基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0006]它包括主軸和支梁，支梁上安裝壓電材料和質(zhì)量塊組成局域振子單元，主軸上安裝至少兩排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)，所述主軸上安裝至少兩排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)是指:同排中各局域振子單元等間距分布；各排的局域振子單元的間距相等；在主軸的橫截面上各排局域振子單元等間距分布。
[0007]本發(fā)明還可以包括:
[0008]1、主軸上安裝3-4排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)。
[0009]2、主軸的橫截面為圓形。
[0010]4、主軸的橫截面為正方形。
[0011]5、所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁一側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。[0012]6、所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
[0013]7、所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部兩側(cè)的質(zhì)量塊。
[0014]本發(fā)明主要是針對微電子產(chǎn)品的電能供應而設計，利用壓電技術進行能量轉(zhuǎn)換，并采用聲子晶體技術實現(xiàn)發(fā)電裝置在振動環(huán)境中的寬頻高效發(fā)電。其原理是在主梁截面周向均布若干發(fā)電支梁(局域振子)，并在軸向方向等間距布置若干組這樣的單元，形成局域共振型聲子晶體軸結(jié)構(gòu)，通過局域振子的動力吸振以及相互間的耦合作用，產(chǎn)生不同中心頻率及不同帶寬的扭轉(zhuǎn)振動帶隙，將旋轉(zhuǎn)機械的扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)換為電能，最終實現(xiàn)利用扭轉(zhuǎn)振動的寬頻發(fā)電效果。
[0015]本發(fā)明是一種利用工作環(huán)境中機械扭轉(zhuǎn)振動發(fā)電的壓電發(fā)電裝置。方案是將若干相同的懸臂梁振子，等間距安裝在主梁上，構(gòu)成局域共振型聲子晶體結(jié)構(gòu)。利用局域共振型聲子晶體產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動帶隙，有效拓寬裝置發(fā)電頻帶的帶寬，提高裝置的發(fā)電效率。與【背景技術】中的串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明主要針對機械扭轉(zhuǎn)振動發(fā)電，在帶隙拓寬原理上具有根本不同，同時具備設計成本低、發(fā)電量高的特點。
[0016]總之本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，并對壓電振動裝置的扭轉(zhuǎn)振動發(fā)電頻帶進行了有效的拓寬，無需主動控制、對工作環(huán)境的要求較低?？捎糜跈z測旋轉(zhuǎn)機械運行狀況的無線傳感器等微電子產(chǎn)品的能量供應等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的基于扭轉(zhuǎn)振動帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置的一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是雙壓電片雙質(zhì)量塊局域振子的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明的基于扭轉(zhuǎn)振動帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置的第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明的基于扭轉(zhuǎn)振動帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置的第三種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5是雙壓電片單質(zhì)量塊局域振子三維示意圖。
[0022]圖6是單壓電片單質(zhì)量塊局域振子三維示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述。
[0024]本發(fā)明的基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置的組成主要包括主軸1、支梁2、質(zhì)量塊3、壓電材料4。主軸I用于與振動環(huán)境中的機座相連接或者直接作為機座，材料為硅、金屬或者彈性材料等；支梁2材料為硅或金屬；質(zhì)量塊3材料為銅、鎳等金屬；壓電材料4材料為壓電陶瓷或壓電薄膜。質(zhì)量塊3與壓電材料4通過粘結(jié)等合理工藝方式粘結(jié)在支梁2上，組成局域振子，局域振子作為單元通過焊接、嵌入連接等方式等間距安裝在主軸I上，從而組成聲子晶體軸結(jié)構(gòu)，各局域振子單元上的壓電材料的表面平行于主軸的軸線。局域振子與主軸等的結(jié)構(gòu)尺寸和聲子晶體的周期數(shù)目可以根據(jù)需要進行調(diào)整，該裝置將機械扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)化為電能后，通過整流器處理用于儲存或者供能。
[0025]根據(jù)局域振子單元焊接或嵌入連接安裝在主軸上的布局不同，可以構(gòu)成本發(fā)明的多種【具體實施方式】。
[0026]結(jié)合圖1，主軸的橫截面為圓形，沿主軸的軸向安裝3排局域振子單元，3排局域振子單元在圓形橫截面上為等間距分布，同一排中各局域振子單元之間的間距相等，不同排的局域振子單元之間的間距也相等，所有局域振子單元的結(jié)構(gòu)完全相同。
[0027]結(jié)合圖2、5或6，局域振子單元可以是以下三種形式中的一種:圖2給出的是雙壓電片雙質(zhì)量塊局域振子結(jié)構(gòu)，即局域振子單元包括支梁、粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料以及粘結(jié)在支梁端部兩側(cè)的質(zhì)量塊；圖5給出的是雙壓電片單質(zhì)量塊局域振子結(jié)構(gòu)，即局域振子單元包括支梁、粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料以及粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊；圖6給出的是單壓電片單質(zhì)量塊局域振子結(jié)構(gòu)，即局域振子單元包括支梁、粘結(jié)在支梁一側(cè)的壓電材料以及，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
[0028]結(jié)合圖3或圖4，它是在圖1所示的【具體實施方式】的基礎上，改變主軸上的局域振子單元的安裝排數(shù)所構(gòu)成的另外兩種【具體實施方式】。圖3給出的是周向均布雙振子的聲子晶體發(fā)電裝置；圖4是周向均布四振子的聲子晶體發(fā)電裝置。
[0029]當然也可以改變主軸的橫截面的形狀，例如將主軸的橫截面設計成正方形、等邊
三角形等。
[0030]實際使用時應考慮到以下幾種因素。
[0031](I).主梁及局域振子結(jié)構(gòu)。根據(jù)環(huán)境振動情況及設備電量需求，可以改變主梁或局域振子結(jié)構(gòu)，如圖3、4、5、6。為提高發(fā)電量可將雙壓電片改為單壓電片、單質(zhì)量塊改為雙質(zhì)量塊；當外界振動較為劇烈時，可以增加軸向支梁的數(shù)目，從而提高能量的利用率。
[0032](2).主軸及局域振子的材料。根據(jù)環(huán)境振動頻率不同，調(diào)整主軸及局域振子的組成材料，從而使設備的發(fā)電頻帶與外界環(huán)境頻率相匹配。
[0033](3).聲子晶體的周期數(shù)。根據(jù)幾何尺寸要求、發(fā)電量大小、頻帶范圍等可以調(diào)整聲子晶體的周期數(shù)目。
【權利要求】
1.一種基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，包括主軸和支梁，支梁上安裝壓電材料和質(zhì)量塊組成局域振子單元，其特征是:主軸上安裝至少兩排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)，所述主軸上安裝至少兩排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)是指:同排中各局域振子單元等間距分布；各排的局域振子單元的間距相等；在主軸的橫截面上各排局域振子單元等間距分布。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:主軸上安裝3-4排結(jié)構(gòu)相同的局域振子單元組成聲子晶體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:主軸的橫截面為圓形。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁一側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
5.根據(jù)權利要求3所述的基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部一側(cè)的質(zhì)量塊。
6.根據(jù)權利要求3所述的基于扭振帶隙的聲子晶體發(fā)電裝置，其特征是:所述局域振子單元包括支梁，粘結(jié)在支梁兩側(cè)的壓電材料，粘結(jié)在支梁端部兩側(cè)的質(zhì)量塊。
【文檔編號】H02N2/18GK103762892SQ201410022603
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權日:2014年1月17日
【發(fā)明者】舒海生, 董立強, 劉少剛, 趙丹, 李世丹, 林航, 劉偉, 王興國, 李曉剛, 梁善軍 申請人:哈爾濱工程大學