專利名稱：基于雙音叉變幅諧振結(jié)構(gòu)磁電換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及--種能把機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，尤其涉及一種基于雙音叉變幅諧振 結(jié)構(gòu)磁電換能器。
背景技術(shù)：
從上世紀(jì)70年代起，研究工作者就對(duì)磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行著不懈的研究；目前國(guó)內(nèi)外的研 究主要集中在超磁致伸縮和不同的壓電材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及不同的材料、不同層疊數(shù)、工 作模式、耦合模式、復(fù)合休積比、頻率等條件下的磁電轉(zhuǎn)換特性，希望通過(guò)材料自身特性提 高磁電轉(zhuǎn)化效率。由于現(xiàn)有材料自身特性的限制，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因素低，能量轉(zhuǎn)換過(guò) 程中的損耗較高，如果不改變磁-機(jī)-電能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的能量收集和傳遞方式，很難通過(guò)材料 直接復(fù)合進(jìn)一步大幅度提高磁電效應(yīng)，并制作出高靈敏、高效率的磁電換能器。此外，高品 質(zhì)因素和寬頻帶的矛盾限制了磁電換能器的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于雙音叉變幅諧振結(jié)構(gòu)磁電換能器，它由固定桿、兩個(gè)振動(dòng)能量相 互耦合的聚能器組成；單個(gè)聚能器的平面外型為中心對(duì)稱圖形；聚能器的重心位置固定在固 定桿上，且聚能器的兩個(gè)振動(dòng)臂分列于固定桿兩側(cè)；兩個(gè)聚能器同側(cè)的兩個(gè)振動(dòng)臂構(gòu)成音叉 的臂，兩個(gè)聚能器沿固定桿兩側(cè)的四個(gè)振動(dòng)臂形成雙音叉諧振結(jié)構(gòu)。
組成雙音叉諧振結(jié)構(gòu)的兩個(gè)聚能器，包括兩塊基板、"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分和"機(jī)一電"轉(zhuǎn) 換部分；單塊基板外型為中心對(duì)稱圖形，兩塊基板拼接在一起構(gòu)成兩個(gè)音義；"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換 部分和"機(jī)一電"轉(zhuǎn)換部分分別固定在基板上的相應(yīng)位置，且互相絕緣；
"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)為或者由貼于兩基板同側(cè)的兩片相同極性的超磁致伸縮材料片 構(gòu)成；或者由分貼于其中一基板兩側(cè)的兩片不同極性的超磁致伸縮材料片構(gòu)成；或者由貼于 任一基板的一側(cè)的超磁致伸縮材料片構(gòu)成；超磁致伸縮材料片貼于基板的重心位置；
"機(jī)一電"轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)為或者由貼于基板上應(yīng)力最大處的壓電片構(gòu)成；或者由采用壓 電材料的基板構(gòu)成。
木發(fā)明的有益技術(shù)效果是在音叉諧振作用下，由于振動(dòng)能量共振，品質(zhì)因數(shù)大幅提高， 增強(qiáng)振動(dòng)幅度、應(yīng)力和應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)更高效的磁電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，由于采用聚能器結(jié)構(gòu)，匯 聚振動(dòng)能量，可以進(jìn)一步改善磁電轉(zhuǎn)化效率。


圖1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例方式
發(fā)明人通過(guò)研究壓電材料、超磁致伸縮材料和聚能結(jié)構(gòu)特性對(duì)磁電轉(zhuǎn)換效率的影響，發(fā) 現(xiàn)了磁、機(jī)、電能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量匯聚、累積機(jī)理，并進(jìn)一歩研究出了本發(fā)明的基于雙 音叉變幅諧振結(jié)構(gòu)磁電換能器，該換能器結(jié)構(gòu)由固定桿1、兩個(gè)振動(dòng)能量相互耦合的聚能器 組成；單個(gè)聚能器的平面外型為中心對(duì)稱圖形；聚能器的重心位置固定在固定桿1上，且聚 能器的兩個(gè)振動(dòng)臂2-l (即基板2-2縱向上的突出部)分列于固定桿l兩側(cè)；兩個(gè)聚能器同側(cè) 的兩個(gè)振動(dòng)臂2-1構(gòu)成音叉的臂，兩個(gè)聚能器沿固定桿1兩側(cè)的四個(gè)振動(dòng)臂2-1形成雙音叉 諧振結(jié)構(gòu)。所謂"音叉"，即該結(jié)構(gòu)在制作加工時(shí)必須滿足各個(gè)振動(dòng)臂的振動(dòng)頻率相等、相 位同相。因此，兩個(gè)聚能器同側(cè)和異側(cè)的振動(dòng)臂的尺寸應(yīng)當(dāng)完全相同，兩個(gè)聚能器之間間距 應(yīng)當(dāng)確保其振動(dòng)同相。所以聚能器和固定桿l的制作、加工條件十分苛刻。
組成雙音叉諧振結(jié)構(gòu)的兩個(gè)聚能器的結(jié)構(gòu)如下它包括兩塊基板2-2、"磁—機(jī)"轉(zhuǎn)換部分 和"機(jī)—電"轉(zhuǎn)換部分；單塊基板2-2外型為中心對(duì)稱圖形，兩塊基板2-2拼接在一起構(gòu)成兩個(gè) 音叉;"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分和"機(jī)一電"轉(zhuǎn)換部分分別罔定在基板2-2上的相應(yīng)位置，且互相絕緣；
"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)為或者由貼于兩基板2-2同側(cè)的兩片相同極性的超磁致伸縮材 料片2-3構(gòu)成；或者由分貼于其中一基板2-2兩側(cè)的兩片不同極性的超磁致伸縮材料片2-3構(gòu) 成；或者由貼于任一基板2-2的一側(cè)的超磁致伸縮材料片2-3構(gòu)成；超磁致伸縮材料片2-3貼 于基板2-2的重心位置；
"機(jī)一電"轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)為或者由貼于基板2-2的振動(dòng)端2-1上應(yīng)力最大處的壓電片2-4 構(gòu)成；或者由采用壓電材料的基板2-2構(gòu)成。
其中，"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分采用分貼于兩基板2-2同側(cè)的兩片相同極性的超磁致伸縮材料 片2-3的結(jié)構(gòu)時(shí)，它與其它兩種"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)的不同之處在于，由超磁致伸縮材料 片2-3引起的基板2-2振動(dòng)的形式不同，同側(cè)的兩片相同極性的超磁致伸縮材料片2-3使基板 2-2發(fā)生產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，而其它兩種結(jié)構(gòu)引起的基板2-2振動(dòng)為彎曲振動(dòng)或扭曲振動(dòng)。
工作原理參見(jiàn)圖l，圖中所示結(jié)構(gòu)，采用"日"字型框架中間的橫梁作為固定桿l;聚能 器(也叫變幅桿)外型為類似菱形的形狀，兩個(gè)聚能器并列固定在固定桿1上，兩聚能器同 側(cè)的振動(dòng)臂2-l構(gòu)成音叉的"U"型臂，兩聚能器兩側(cè)的四個(gè)振動(dòng)臂2-l就形成兩個(gè)音叉；以兩 片極性相反的超磁致伸縮材料片2-3分貼于同一聚能器兩側(cè)的結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)電磁激勵(lì)時(shí)，左 邊的聚能器兩面分別拉伸和壓縮，產(chǎn)生彎曲振動(dòng)或扭曲振動(dòng)，引起整個(gè)雙音叉共振，并且在 同側(cè)的兩個(gè)振動(dòng)臂2-l間來(lái)回振蕩，直至完全衰減。
對(duì)于聚能器彎曲或扭曲振動(dòng)，可以通過(guò)增加基板2-2的厚度，使縱向尺寸明顯減小，而 基本不改變聚能器的聚能特性和放大增益，利用空間超強(qiáng)的工頻電磁波輻射，在有限的體積 內(nèi)，可產(chǎn)生更強(qiáng)的功率輸出。由于該結(jié)構(gòu)是將變幅結(jié)構(gòu)和諧振結(jié)構(gòu)原理結(jié)合組成諧振變幅結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)共振的同時(shí)，還可以進(jìn)一步匯聚振動(dòng)能量，并且放大振動(dòng)幅度、應(yīng)力和應(yīng)變， 得到比傳統(tǒng)壓電和超磁致伸縮復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)得多的輸出。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)還可擴(kuò)展成陣列雙音叉變幅諧振結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高磁電響應(yīng)，使磁電響應(yīng) 達(dá)到10V/Oe以上。
權(quán)利要求
1、一種基于雙音叉變幅諧振結(jié)構(gòu)磁電換能器，其特征在于它由固定桿(1)、兩個(gè)振動(dòng)能量相互耦合的聚能器組成；單個(gè)聚能器的平面外型為中心對(duì)稱圖形；聚能器的重心位置固定在固定桿(1)上，且聚能器的兩個(gè)振動(dòng)臂(2-1)分列于固定桿(1)兩側(cè)；兩個(gè)聚能器同側(cè)的兩個(gè)振動(dòng)臂(2-1)構(gòu)成音叉的臂，兩個(gè)聚能器沿固定桿(1)兩側(cè)的四個(gè)振動(dòng)臂(2-1)形成雙音叉諧振結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙音叉變幅諧振結(jié)構(gòu)磁電換能器，其特征在于組成雙音 叉諧振結(jié)構(gòu)的兩個(gè)聚能器，包括兩塊基板(2-2)、"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分和"機(jī)一電"轉(zhuǎn)換部 分；單塊基板(2-2)外型為中心對(duì)稱圖形，兩塊基板(2-2)拼接在一起構(gòu)成兩個(gè)音義；"磁 一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分和"機(jī)一電"轉(zhuǎn)換部分分別固定在基板(2-2)上的相應(yīng)位置，且互相絕緣；"磁一機(jī)"轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)為或者由貼于兩基板(2-2)同側(cè)的兩片相同極性的超磁致伸 縮材料片(2-3)構(gòu)成；或者由分貼于其中一基板(2-2)兩側(cè)的兩片不同極性的超磁致伸縮 材料片(2-3)構(gòu)成；或者由貼于任一基板(2-2)的一側(cè)的超磁致伸縮材料片(2-3)構(gòu)成； 超磁致伸縮材料片(2-3)貼于基板(2-2)的重心位置；"機(jī)一電"轉(zhuǎn)換部分結(jié)構(gòu)為或者由貼于基板(2-2)上應(yīng)力最大處的壓電片(2-4)構(gòu) 成；或者由采用壓電材料的基板(2-2)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙音叉變幅諧振結(jié)構(gòu)磁電換能器，它由固定桿、兩個(gè)振動(dòng)能量相互耦合的聚能器組成；單個(gè)聚能器的平面外型為中心對(duì)稱圖形；聚能器的重心位置固定在固定桿上，且聚能器的兩個(gè)振動(dòng)臂分列于固定桿兩側(cè)；兩個(gè)聚能器同側(cè)的兩個(gè)振動(dòng)臂構(gòu)成音叉的臂，兩個(gè)聚能器沿固定桿兩側(cè)的四個(gè)振動(dòng)臂形成雙音叉諧振結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是在音叉諧振作用下，由于振動(dòng)能量共振，品質(zhì)因數(shù)大幅提高，增強(qiáng)振動(dòng)幅度、應(yīng)力和應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)更高效的磁電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，由于采用聚能器結(jié)構(gòu)，匯聚振動(dòng)能量，可以進(jìn)一步改善磁電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號(hào)H02N2/18GK101594076SQ20091010421
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者文玉梅, 平 李 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)