CN101686023A - 用于由机械变形产生电能的弯曲换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由变形产生电能的弯曲换能器装置，以及一种具有这类弯曲换能器的电路模块。按照本发明的弯曲换能器(1)至少包括压电元件(3)、用于接触该压电元件(3)的第一接触元件(7)和可弹性变形的、能够振动的、导电的支承结构(2)，其中，导电的支承结构(2)具有用于支承结构(2)的夹入的第一夹入区域(6a)和第二夹入区域(6b)，压电元件(3)这样地设置和构造在支承结构(2)上，使得通过支承结构(2)的变形能够使压电元件(3)变形并且通过支承结构(2)形成或接触用于获取由压电元件(3)的变形产生的电压的第一电极，第一接触元件(7)在第一夹入区域(6a)和第二夹入区域(6b)以外与支承结构(2)导电地连接。

Description

用于由机械变形产生电能的弯曲换能器

技术领域

本发明涉及一种用于由机械变形产生电能的弯曲换能器。

背景技术

为了由机械变形产生电能，可以使用压电式换能器装置、如弯曲换能器。弯曲换能器除了压电元件之外一般还包括支承结构，压电元件牢固地设置在支承结构上。机械变形可以通过支承结构、例如通过支承结构的振动耦合到压电元件中。在此，该支承结构本身可以是第二压电元件。为了获取由压电元件的变形产生的电压，可以在压电元件上设置电极，这些电极又可以通过接触元件接触。压电式换能器装置尤其可以应用在传感器技术和致动器技术领域中。

而例如DE 10 2005 062 872 A1描述了一种用于识别车轮滚动的装置，在该装置中，压电元件以构造在其相对的侧面上的电极接触到芯片载体上，其中，压电元件的上电极通过引线键合(Drahtbond)接触，并且芯片载体与压电元件和引线键合浇铸在模塑料(mold compound)中。在这种用于测量加速度如振动的传感器中能够以低的耗费实现可靠的接触。

此外，压电材料也越来越多地用于由外界能量、尤其是振动和变形产生电能，这也称为能量收获。在此能够实现压电元件的弯曲变形，与浇铸在模塑料中的压电元件的、例如在DE 10 2005 062 872 A1中所许用的机械应力相比，所述弯曲变形导致产生明显更高的能量。

对于支承结构和压电元件都牢固地被夹紧的弯曲换能器，压电元件的电接触可以相对简单地实现，因为压电元件牢固地与壳体连接。但是这种结构一般需要使用面积足够大的并因此成本高的压电元件。此外尤其是压电元件与壳体接合的区域受到机械应力，这会降低换能器的使用寿命。

在压电元件并不是牢固地被夹紧时，一般通过柔性的导线连接来实现接触。但是这种导线连接同样受到所产生的机械负荷并且在面对反复变形时仅具有有限的耐用性。

DE 10 2007 006 994 A1公开了一种电路模块，尤其用在汽车轮胎中，该电路模块具有一个用于由机械变形产生电能的弯曲换能器。该电路模块所含有的弯曲换能器包括可弹性变形的、能够振动的支承结构和压电元件。该支承结构具有第一夹入区域和第二夹入区域，该支承结构借助这些夹入区域支承在电路模块的壳体中。压电元件这样地设置和构造在支承结构上，使得通过由振动引起的支承结构变形可以使压电元件变形。压电元件在其上侧和下侧以导电层覆层，所述导电层作为下电极或上电极。一方面，支承结构通过构造成金属弹簧装置而可以用于电接触并且尤其是接触下电极。另一方面，构造在压电元件上侧的上电极可以通过其它接触装置、如导线、柔性电路板或柔性金属板接触。

发明内容

按照本发明的用于由机械变形产生电能的弯曲换能器包括至少一个可弹性变形的、能够振动的、导电的支承结构，该支承结构直接形成第一电极或接触第一电极。该支承结构在两个夹入区域中被接收，其中，第一接触元件在夹入区域以外与支承结构导电地连接。

接触元件具有如下用途：能够建立支承结构尤其与负载、例如电子装置的电连接。通过使第一接触元件在两个夹入区域以外与支承结构导电地连接，能够减小这种接触元件对包括支承结构和压电元件的能够振动的系统的影响。这不仅对于支承结构的牢固夹紧而且对于支承结构的松弛夹入都是可行的。在此，松弛夹入指的是没有机械力施加在支承结构上的夹入。例如当支承结构的夹入区域支承在足够大的容纳部中时就是这种情况。

本发明的特别有利的改进方案规定，弯曲换能器附加地具有第二接触元件，该第二接触元件与用于获取由压电元件的变形产生的电压的第二电极导电地连接，或者第二接触元件本身形成这样的第二电极，其中，该第二接触元件相对于第一接触元件这样地设置和构造，使得第一和第二接触元件之间在支承结构振动时在第一和第二电极的接触区域中基本不产生相对运动。

第一和第二接触元件的这种用于获取由压电元件的变形产生的电压的结构减少了在支承结构振动时由接触元件施加在支承结构和压电元件上的机械应力，这样的结构防止所述的相对运动。因此可以使接触元件对能够振动的系统的影响保持很小。

按照本发明的弯曲换能器尤其能够用作在能量方面自给自足的电路模块的供电装置的组成部分，其中，弯曲换能器构造成用于产生压电电压的、能够振动的系统。这能够省去附加的能源、如电池。这样的电路模块例如可以构造成轮胎传感器模块，例如用于测量轮胎内压和/或温度和/或加速度。

附图说明

下面借助于通过多幅图所示的实施例详细阐述本发明。附图中：

图1示出按照本发明的弯曲换能器的第一实施方式，该弯曲换能器是按照本发明的第一电路模块的组成部分；

图2示出第一电路模块；

图3示出弯曲换能器的第二实施方式，该弯曲换能器是第二电路模块的组成部分；

图4示出第二电路模块；

图5示出弯曲换能器的第三实施方式；和

图6示出第三电路模块，该第三电路模块具有按照第三实施方式的弯曲换能器。

在附图中，相同的和相互对应的构件配有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出按照本发明的弯曲换能器1的第一实施方式。该弯曲换能器是第一电路模块20(见图2)的组成部分并且设置在该电路模块壳体的壳体底板21上。

该电路模块20被构造成在能量上自给自足的传感器模块，其中，弯曲换能器1构成用于产生压电电压的、能够振动的系统并且是电路模块20的供电装置的组成部分。在该实施例中，电路模块被构造成用于测量轮胎内压的轮胎传感器模块。替代地，例如构造成用于测量温度或加速度的轮胎传感器模块也是可行的。除了弯曲换能器1和壳体底板21以外，电路模块20还具有支撑环22，在该支撑环22上放置具有不同电子元件的电路板23。弯曲换能器1安置在支撑环22和壳体底板21之间，电路板23与壳体底板21相对地固定在支撑环22上。在图2中没有示出配属于电路模块20的壳体盖。

弯曲换能器1由变形产生电能。该弯曲换能器1包括压电元件3、第一接触元件7、第二接触元件8和可弹性变形的、能够振动的、导电的支承结构2。该支承结构2具有梁状区域5，该梁状区域5具有第一端部区域6a和与第一端部区域6a相对的第二端部区域6b。第一端部区域6a构成第一夹入区域6a，第二端部区域6b构成第二夹入区域6b。

在该实施例中，夹入区域6a、6b被构造成镰刀状的，支承结构2通过这些夹入区域6a、6b松弛地夹入到壳体底板21和配属于电路模块20的支撑环22之间。所述松弛夹入通过如下方式建立：壳体底板21和支撑环22构成一个槽，该槽在其尺寸上选择为稍大于夹入区域6a和6b的尺寸，使得支承结构2不能离开这样构成的槽，但是也没有机械力施加到支承结构2上。替代地，支承结构2的牢固夹紧也是可行的。但是由此可能影响弯曲换能器1的振动特性，例如弹簧常数。

压电元件3设置在梁状区域5上并且在第一端部区域6a和第二端部区域6b之间，但是并不覆盖夹入区域6a、6b。通过支承结构2因振动引起的变形，压电元件3随之变形。该压电元件3被构造成带的形状。该压电元件3在上侧和下侧具有导电的金属层，这些金属层形成第一电极和构成反电极的第二电极，用于获取由压电元件3的变形而产生的电压。

支承结构2具有第一翼形区域9a，该第一翼形区域9a与梁状区域5通过配属于支承结构2的第一短臂10a连接。此外，支承结构2具有第二翼形区域9b，该第二翼形区域9b与梁状区域5通过配属于支承结构2的第二短臂10b连接。两个翼形区域9a、9b和短臂10a、10b相互镜像对称地构造，其中，镜像轴线由梁状区域5构成。在此，短臂10a、10b设置在梁状区域5的中间高度上。梁状区域5端部处的夹入区域6a、6b同样镜像对称地构造。

第一接触元件7借助第一翼形区域9a导电地与支承结构2连接。在该实施例中，第一接触元件具有接触区域12a，该接触区域12a在其轮廓上相应于翼形区域9a，并且通过大面积的钎焊连接固定在该翼形区域9a上。替代地，例如通过导电粘接剂的连接尤其也是可行的。支承结构2与压电元件3的第一电极导电地连接。在这种情况下，第一电极利用导电的粘接剂固定在支承结构2上。如果使用自身不形成第一电极的压电元件3，则这样的电极尤其也可以由支承结构2形成。

第二接触元件8具有接触区域12b，该接触区域12b在其轮廓上相应于第二翼形区域9b的轮廓。接触区域12b通过电绝缘的粘接剂固定在第二翼形区域9b上。一接触指11从接触区域12b伸出，该接触指11在第二短臂10b上方延伸地与压电元件3的第二电极电接触。因此，通过第一和第二接触元件7、8能够获取压电元件3的由机械变形而产生的电压。

如上所述，压电元件3并未覆盖支承结构2的整个梁状区域5，而是仅覆盖该梁状区域5的中间区段。因为弯曲应力从夹入区域向着梁中间增加，所以边缘区域在产生电荷或能量方面的贡献是非常小的。由此节省了压电材料。另一方面，元件3的非常脆的压电材料不在夹入区域中，这能够实现可靠性更高的弯曲换能器1。

通过使第一接触元件7在第一夹入区域6a和第二夹入区域6b之外与支承结构导电地连接，可以将支承结构2的(在此通过夹入区域6a、6b的)夹入构造成柔性的。特别有利的是，第一和第二接触元件7、8固定在稳定的支承结构2的翼形区域上，这些翼形区域用于固定振动质量4。因此翼形区域9a、9b承担双重功能。此外，弯曲换能器1的对称构造、尤其是第一和第二接触元件7、8的对称构造以及压电元件3在梁状区段5的中间区域中(即在最大振幅的区域中)的接触导致第一和第二接触元件7、8之间在支承结构2振动时在压电元件3的第一和第二电极的接触区域中基本不产生相对运动。通过这种方式在很大程度上排除由接触元件7、8的耦接而引起的不期望的机械应力耦合。尤其是由此使压电元件3受到的负荷更小。因而实现可靠性高的弯曲换能器1。

除了大面积的接触区域12a、12b以外，接触元件7、8还具有长的、细的弹簧元件13a、13b。这些弹簧元件13a、13b的端部这样地成形或弯曲，使得它们直接通向电路模块20的电路板23上的相应接触面。通过这种方式能够实现这些接触元件7、8直接在电路板23上的直接钎焊，其中，第二接触元件8也可以通过接触指11钎焊在压电元件3的第二电极上。但是在图2所示的电路模块20中，弹簧元件13a的端部14a尚待与电路板23电连接。替代地，接触元件7、8的导电粘接，或者弹簧接触销的使用也是可行的。

在该实施例中，支承结构2通过弹簧板构成，在此通过由弹簧钢制成的弹簧板构成。对于第一和第二接触元件7、8使用青铜板。青铜提供如下优点：青铜是可钎焊的并且具有良好的弹簧特性和高的抗疲劳强度。替代地，第一和/或第二接触元件7、8例如也可以由弹簧钢制成。支承结构、第一和第二接触元件尤其可以使用不同的材料。

支承结构2优选只包括那些具有“载体特性”的元件，即有助于机械稳定性的元件。在该实施例中，支承结构2将机械特性以及形成电极接触集于一身。作为整体式构造的替代，支承结构2也可以由多个元件组成，例如包括多个层。因此例如可行的是，支承结构包括不导电层并且包括导电层，不导电层确定机械特性，导电层导致支承结构的导电性。

在该实施例中，支承结构2、第一接触元件7、第二接触元件8和压电元件3都被构造成面状的、壁厚小的平面元件并且被设置成使得弯曲换能器1具有面状的、大致平坦的形状。这同样适用于振动质量4。通过这种方式能够实现非常紧凑的弯曲换能器1，其仅需要占用很小的空间，这对于小的电路模块20是有利的，如图2所示。

图3示出弯曲换能器31的第二实施方式，该弯曲换能器31是在图4中部分示出的电路模块50的组成部分。第二弯曲换能器31和第二电路模块50与第一弯曲换能器1或电路模块20类似地构造，从而以下基本上只描述不同之处。

与第一实施方式相应，弯曲换能器31具有压电元件33、第一接触元件37和可弹性变形的、能够振动的、导电的支承结构32。导电的支承结构32包括用于支承结构32的夹入的第一夹入区域36a和第二夹入区域36b。压电元件33这样地设置和构造在支承结构32上，使得通过支承结构32的由振动引起的变形可以使压电元件33变形，其中，通过支承结构32形成或接触第一电极，该第一电极用于获取由压电元件33的变形产生的电压。但是与第一实施方式不同的是，第一接触元件37在第一夹入区域36a中与支承结构32导电地连接。

在夹入区域36a中，支承结构32振动时的振幅最小。因此，由第一接触元件37引起的向支承结构32中的机械应力耦合非常小，尤其是当支承结构32不是松弛地、而是牢固地被夹入时。

有利的是，第一接触元件被构造成弹簧板，其中，为了减小机械应力耦合，有利的是弹簧板被设计得非常薄、细且在需要时构造成曲折形的。在弯曲换能器31的第二实施方式中，特别有利的是第一接触元件37与支承结构32构造成一体，因为这在制造上不费事并且保证高的可靠性。在这种情况下，支承结构32和第一接触元件37由单块弹簧板制成。

弯曲换能器31包括第二接触元件38，该第二接触元件38与压电元件33的第二电极导电地连接，以便获取由压电元件33变形所产生的电压，其中，第二接触元件在此借助第二接触元件38的接触指41与压电元件33的端部区域导电地连接。

在该实施例中，第二接触元件同样构造成弹簧板。第二接触元件借助钎焊连接固定在压电元件33的第二电极上。替代地，例如借助导电粘接剂的连接也是可行的。压电元件33的第二电极在压电元件的端部区域中由第二接触元件38电接触，这提供了如下优点：压电元件33在该区域中的振幅最小，由此减小了由第二接触元件38引起的机械应力耦合。

第一接触元件具有接触面44a，第二接触元件具有接触面44b，这些接触面能够实现第一和第二接触元件37、38与负载的接触。接触面44a通过细的短臂与支承结构32的夹入区域36a连接，接触面44b通过曲折形弯曲的、细的短臂与接触指41连接。第二接触元件38的曲折形的、相对长的短臂减少了由接触指41在支承结构32-压电元件33这一系统中引起的机械应力耦合。

这些接触面44a、44b可以牢固地夹入到第二电路模块50的壳体54中。在与弯曲换能器31平行设置的电路板53上相应地设置对应接触面。这些对接接触面例如通过弹簧接触销45与接触面44a、44b连接。替代地，例如与电路板33的引线键合连接也是可行的。弯曲换能器1和电路板53通过支撑环52相互分开，其中，支撑环52与电路模块50的、在此未示出的壳体底板构成用于夹紧弯曲换能器31的支承。作为弹簧板的替代，对于第一和/或第二接触元件37、38可以使用螺旋弹簧。在这种情况下，螺旋弹簧可以要么固定在电路板和压电元件上，要么与弹簧接触销类似地通过压力接触夹紧在电路板和压电元件之间。螺旋弹簧由于弹簧特性而可以跟随支承结构32和压电元件33的偏转，其中，螺旋弹簧形成不间断的电接触。作为另一种选择也可以使用柔性的电路板。

相应于弯曲换能器1的第一实施方式，支承结构32还具有第一和第二翼形区域39a、39b，它们通过第一短臂40a和第二短臂40b与支承结构2的梁状区域35连接。在梁状区域35的中间区域中设置有带状的压电元件33。振动质量34固定在翼形区域39a、39b上。

图5示出弯曲换能器61的第三实施方式以及电路模块80的第三实施方式，该电路模块80包括作为供电装置的组成部分的第三弯曲换能器61。弯曲换能器61和电路模块80与上述实施方式相似地构造，因此下面基本上仅描述不同之处。

用于由变形产生电能的弯曲换能器61包括至少一个可电变形的、能够振动的、导电的支承结构62和一个压电元件63，其中，压电元件63这样设置和构造在支承结构62上，使得通过支承结构62的由振动引起的变形可以使压电元件63变形。与上述实施方式不同，该压电元件63至少包括具有相反极性的第一压电区域79a和第二压电区域79b，其中，支承结构形成第一压电区域79a的第二电极和第二压电区域79b的第一电极之间的电接触。替代地，支承结构也可以形成用于第一压电区域79a和第二压电区域79b的共有电极。

在该实施方式中，有利的是不需要与支承结构62导电地连接以便获取压电元件63上的电压的接触元件，这样的接触元件能够通过这种方式使机械应力输入耦合到支承结构62中和压电元件63中。

弯曲换能器61还包括第一接触元件67以及第二接触元件68，第一接触元件67接触第一压电区域79a的第一电极，第二接触元件68接触第二压电区域79b的第二电极。替代地，也可以通过第一和/或第二接触元件自身形成第一压电区域79a的第一电极或第二压电区域79b的第二电极。

第一和第二接触元件67、68由柔性的电路板材料构成，在这里是柔性的塑料薄膜，该塑料薄膜以印制导线75a或75b覆层，所述印制导线在于接触面74a或74b中终止。

柔性电路板的优点是，它们可以自由地敷设在壳体中、在这里敷设在电路模块80的壳体中并由此可以被柔性地引向电路模块80的、具有传感器电极的、在这里刚性的电路板83。使用柔性电路板的另一优点是，电子元件可以直接设置在柔性的电路板载体上。

第一和第二接触元件67、68不仅借助钎焊连接固定在压电元件63上而且借助钎焊连接固定在电路板83上。替代地，例如粘接连接也是可行的。替代地，同样可行的是，对于第一和/或第二接触元件67、68使用导线、弹簧板或螺旋弹簧。

与上述实施方式相应，支承结构62具有梁状区域65以及第一翼形区域69a和第二翼形区域69b，该梁状区域65具有两个镰刀形的端部区域66a、66b，这些翼形区域通过第一短臂70a或第二短臂70b在梁状区域65的中间高度上与梁状区域65连接。振动质量64借助粘接连接固定在翼形区域69a、69b上。

电路模块80除了电路板83以外还具有壳体底板81和支撑环82，在电路板上安装有电子元件。弯曲换能器61设置在壳体底板81上，电路板83设置在弯曲换能器61上方并且由支撑环82支承。该支撑环82在此与壳体底板一体地构成。与电路模块的第一实施方式相应，配属于电路模块80的(未示出的)壳体盖构成用于支承结构62的夹入区域66a、66b的支承，其中，支承结构62可以松弛地或者作为替代也可以牢固地被夹入。

对于上述的所有实施方式，在接触元件相应设计7、8、37、38、67、68的情况下，振动质量4、34、64可以固定在支承结构2、32、62的翼形区域9a、9b、39a、39b、69a、69b的上侧、下侧和/或两侧上。振动质量4、34、64的形状可以在很大程度上与电路模块20、50、80的壳体形状自由地匹配，例如可以构造成正方形或柱形的。

Claims (13)

1.一种用于由变形产生电能的弯曲换能器(1)，至少包括压电元件(3)、用于接触该压电元件(3)的第一接触元件(7)和能弹性变形的、能够振动的、导电的支承结构(2)，

其中，导电的支承结构(2)具有用于所述支承结构(2)夹入的第一夹入区域(6a)和第二夹入区域(6b)，

其中，压电元件(3)这样地设置和构造在支承结构(2)上，使得通过支承结构(2)的变形能够使压电元件(3)变形并且通过支承结构(2)形成或接触用于获取由压电元件(3)的变形产生的电压的第一电极，

其中，第一接触元件(7)在第一夹入区域(6a)和第二夹入区域(6b)以外与支承结构(2)导电地连接。

2.如权利要求1所述的弯曲换能器，其中，支承结构(2)具有梁状区域(5)，该梁状区域(5)具有第一端部区域(6a)和与第一端部区域(6a)相对置的第二端部区域(6b)，第一端部区域(6a)形成第一夹入区域(6a)，第二端部区域(6b)形成第二夹入区域(6b)，并且，压电元件(3)设置在梁状区域(5)上并且在第一和第二端部区域(6a、6b)之间。

3.如权利要求2所述的弯曲换能器，其中，支承结构(2)具有第一翼形区域(9a)，该第一翼形区域(9a)通过配属于支承结构(2)的第一短臂(10a)与梁状区域(5)连接，并且，第一接触元件(7)借助第一翼形区域(9a)与支承结构(2)导电地连接。

4.如上述权利要求中任一项所述的弯曲换能器，其中，压电元件(3)被构造成带的形状，并且压电元件(3)在上侧和下侧具有能够导电的、优选金属的覆层，这些覆层形成用于获取由压电元件(3)的变形产生的电压的第一电极和第二电极。

5.如上述权利要求中任一项所述的弯曲换能器，附加地具有第二接触元件(8)，该第二接触元件(8)与用于获取由压电元件(3)的变形产生的电压的第二电极导电地连接，或者该第二接触元件(8)构成这样的第二电极，其中，所述第二接触元件(8)相对于第一接触元件(7)这样地设置和构造，使得在第一和第二接触元件(7、8)之间在支承结构(2)振动时在第一和第二电极的接触区域中基本不产生相对运动。

6.如权利要求2至5中任一项所述的弯曲换能器，其中，支承结构(2)具有第二翼形区域(9b)，该第二翼形区域(9b)与梁状区域(5)通过配属于支承结构(2)的第二短臂(10b)连接，并且，第二接触元件(8)不导电地与第二翼形区域(9b)连接。

7.如权利要求5或6中任一项所述的弯曲换能器，其中，第二接触元件(8)具有接触指(11)，借助该接触指(11)电接触第二电极。

8.如权利要求7所述的弯曲换能器，其中，第一短臂(10a)、第二短臂(10b)和接触指(11)设置在梁状区域(5)的同一高度上，优选设置在第一和第二夹入区域(6a、6b)之间的中间。

9.如权利要求5至8中任一项所述的弯曲换能器，其中，第一和第二接触元件(7、8)和/或第一和第二短臂(10a、10b)和/或第一和第二翼形区域(9a、9b)和/或第一和第二端部区域(6a、6b)基本对称地构造和相对布置。

10.如上述权利要求中任一项所述的弯曲换能器，其中，第一接触元件(7)和/或必要时第二接触元件(8)是导电的板、优选是青铜板。

11.如上述权利要求中任一项所述的弯曲换能器，其中，振动质量(4)固定在第一翼形区域(9a)和/或第二翼形区域(9b)上。

12.如上述权利要求中任一项所述的弯曲换能器，其中，支承结构(2)、第一接触元件(7)、必要时第二接触元件(8)和/或压电元件(3)都构造成面状的且平坦的元件并且这样地设置，使得弯曲换能器(1)具有面状的、基本平坦的形状。

13.一种具有供电装置的电路模块(20)，其中，该供电装置包括如权利要求1至12中任一项所述的弯曲换能器(1)并且该弯曲换能器(1)构成能够振动的、用于产生压电电压的系统，该电路模块(20)构造成在能量方面自给自足的传感器模块，尤其构造成用于测量轮胎内压和/或温度和/或加速度的轮胎传感器模块。

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