CN101981801A

CN101981801A - 压电发电装置

Info

Publication number: CN101981801A
Application number: CN2009801114204A
Authority: CN
Inventors: 中村仁宗; 竹岛哲夫; 高桥贤一; 西川雅永
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: EP2262094A4; EP2262094A1; CN101981801B; JPWO2009122703A1; WO2009122703A1; US8174168B2; US20110012479A1; JP5316533B2

Abstract

本发明提供一种具有简单结构且机械耐久性优越的压电发电装置。压电发电装置(1)具有发电元件(20)和封装部件(10)。发电元件(20)具有板状的压电元件(22)和金属板(21)。压电元件(22)具有彼此相面对的一对主面。金属板(21)与压电元件(22)的一主面接合。封装部件(10)具有支承部(12)和限制部(11)。支承部(12)以悬臂梁的形式支承发电元件(20)的端部。限制部(11)配置在金属板(21)的与压电元件(22)的相反侧。限制部(11)限制发电元件(20)向金属板(21)的外侧变位。

Description

压电发电装置

技术领域

本发明涉及一种压电发电装置，具体而言，涉及一种以悬臂梁形式安装的、具有单压电晶片(unimorph)结构的压电元件的压电发电装置。

背景技术

以往，作为检测汽车轮胎等空气压力的系统，轮胎空气压力监视系统(Tire Pressure Monitoring System：TPMS)广为人知。一般情况下，TPMS安装在轮胎内部，并具备检测空气压力以及温度的传感器和向配置在车辆侧部的无线电接收装置无线传送数据的通信装置。因此，在TPMS中需要配置用于向传感器等供给电力的电源。

作为在TPMS等中使用的电源，以往提出了各种发电装置。其中特别是利用了压电效应的压电发电装置作为比较容易实现小型化的结构，特别受到关注。

例如，作为在TPMS等中使用的压电发电装置，在专利文献1中公开了利用随着轮胎旋转而发生的轮胎的周期性变形进行发电的压电发电装置。图12是专利文献1所公开的发电装置-传感器单元110的分解立体图。图13是静止时的发电装置-传感器单元110的纵向剖视图。如图12以及图13所示，在发电装置-传感器单元110中，压电元件111配置在壳体112内。压电元件111具有压电陶瓷圆板114。在压电陶瓷圆板114的上方配置有致动器136。若轮胎旋转，离心力作用于致动器136，致动器136向压电陶瓷圆板114侧施力。由此，压电陶瓷圆板114弯曲。若轮胎的配置有发电装置-传感器单元110的部分接地，致动器136承受的离心力实质上为零。因此，压电陶瓷圆板114从致动器136承受的作用力变小。这样，因轮胎的旋转而施加在致动器136上的离心力周期性地变化。其结果是，压电陶瓷圆板114发生振动，在发电装置-传感器单元110中进行发电。

另外，在专利文献2中公开了图14所示的发电装置200。如图14所示，发电装置200具备压电元件211a、与压电元件211a接合且兼带取出电极的金属板211b。压电元件211a和金属板211b通过固定部213以悬臂梁的形式支承。

专利文献1：日本特表2006-501098号公报

专利文献2：日本特开平7-49388号公报

在专利文献1所记载的压电发电装置中结构复杂。因此，专利文献1所记载的压电发电装置不但制造困难，而且制造成本高。

另外，专利文献2所记载的发电机的结构具有比专利文献1所记载的压电发电装置简单。然而，在专利文献2所记载的发电机中，存在无法获得充分的机械强度的问题。因此，对于向压电元件施加较大的力的TPMS等用途，无法获得充分的机械耐久性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有简单的结构且机械耐久性优越的压电发电装置。

本发明的压电发电装置具备发电元件和封装部件。发电元件具有板状的压电元件和金属板。压电元件具有彼此相面对的一对主面。金属板与压电元件的一主面接合。封装部件具有支承部和限制部。支承部以悬臂梁的形式支承发电元件的端部。限制部配置在金属板的与压电元件的相反侧。限制部限制发电元件向金属板的外侧变位。

在本发明的一特定方面，封装部件具有作为支承部的侧壁部、作为限制部的底壁部、隔着发电元件与底壁部对置配置的顶板部，发电元件和底壁部之间的距离比发电元件和顶板部之间的距离短。

在本发明的另一特定方面，限制部具有抵接部，该抵接部与金属板的与发电元件的相反侧的面抵接

在本发明的另一特定方面，抵接部在发电元件的自由端侧的端部与金属板抵接。

在本发明的另一特定方面，抵接部对发电元件向压电元件侧施力。

在本发明的另一特定方面，压电发电装置还具有配置在封装部件和发电元件之间的缓冲部件。

在本发明的另一特定方面，压电发电装置还具有与压电元件的另一主面接合的导电层。

在本发明的另一特定方面，压电元件具有实质上由压电陶瓷构成的压电体。

本发明的压电发电装置也可以安装在轮胎的内周面侧。

(发明效果)

在本发明中，由于设有限制发电元件向金属板的外侧变位的限制部以抑制对压电元件施加大的拉伸应力，因此，能够实现结构简单、价格低廉且机械耐久性优越的压电发电装置。

附图说明

图1是第一实施方式的压电发电装置的剖视图。

图2是压电元件的剖视图。

图3是沿着图1的III-III向视图。

图4是用于说明轮胎旋转时施加在压电发电装置的力的概略说明图。

图5是用于说明轮胎旋转时施加在压电发电装置的力的概略说明图。

图6是表示处于振动状态的压电元件的剖视图。

图7是第二实施方式的压电发电装置的剖视图。

图8是第三实施方式的压电发电装置的剖视图。

图9是第四实施方式的压电发电装置的剖视图。

图10是第五实施方式的压电发电装置的剖视图。

图11是变形例的压电发电装置的剖视图。

图12是专利文献1所公开的发电装置-传感器单元的分解立体图。

图13是静止时的发电装置-传感器单元的纵向剖视图。

图14是表示专利文献2所公开的发电机的主要部分的结构图。

附图标记说明

1压电发电装置

2压电发电装置

3压电发电装置

4压电发电装置

5压电发电装置

10封装部件

11底壁部(限制部)

11b抵接部

12侧壁部(支承部)

13顶板部(限制部)

20发电元件

20b自由端侧的端部

21金属板

22压电元件

23压电体

24电极

25配重

30轮胎

30a轮胎的内周面

40缓冲部件

41导电层

具体实施方式

以下，通过边参照附图边说明本发明的具体实施方式，使本发明明确。

(第一实施方式)

图1是第一实施方式的压电发电装置1的剖视图。压电发电装置1安装在轮胎等旋转体上并随着旋转体的旋转而发电。压电发电装置1例如用作TPMS的电源等。

如图1所示，压电发电装置1具有发电元件20和封装部件10。发电元件20具有单压电晶片结构的压电元件22、金属板21、配重25。

如图1以及图2所示，压电元件22为板状，并具有第一主面22a和第二主面22b。如图3所示，压电元件22在俯视下形成为矩形。但是，对压电元件22的俯视下形状并无特殊限制。

如图2所示，压电元件22具备板状的压电体23和电极24a、24b。需要说明的是，在图1等中，省略了对图24a、24b的图示。

压电体23例如也可以是由压电陶瓷构成的构件。作为压电陶瓷的具体例子，例如，可列举出钛酸硅酸铅系陶瓷等。压电体23在厚度方向上被分极。

压电体23具有彼此相面对的第一主面23a和第二主面23b。在压电体23的第一主面23a上设有电极24a。另外，在压电体23的第二主面23b上设有电极24b。电极24a、24b通过金属、合金等导电材料形成。对电极24a、24b的形成方法无特殊限制。电极24例如能够通过导电膏的烧结、或者蒸镀、溅射或者镀敷等薄膜形成方法形成。

金属板21与压电元件22的第二主面22b接合。具体而言，金属板21与电极24b接合。金属板21和电极24b可以相互绝缘，也可相互不绝缘。

需要说明的是，对于压电元件22和金属板21的各自的厚度没有特殊的限制。压电元件22和金属板21的各自的厚度优选为可使压电发电装置1随着旋转体的旋转而使发电元件20产生振动的程度的厚度。

在本实施方式中，在压电元件22的一侧的端部20b安装有配重25。该配重25用于促进发电元件20的振动。在本发明中，也可不必设置该配置25。

发电元件20通过封装部件10以悬臂梁的形式支承。封装部件10由绝缘材料形成。作为封装部件10的材料，例如可以列举出绝缘性陶瓷等。

封装部件10具备作为限制部的底壁部11、作为支承部的侧壁部12、与底壁部11对置的顶板部13。通过这些底壁部11、侧壁部12、顶板部13形成配置发光元件20的空间14。

需要说明的是，在本实施方式中，底壁部11和侧壁部12一体地形成。顶板部13与侧壁部12以及底壁部11分体地形成。

作为支承部的侧壁部12以悬臂梁的形式支承发电元件20的长度方向上的一侧的端部20a。由此，在压电发电装置1静止的状态下，发电元件20与底壁部11及顶板部13大致并行地设置。

在本实施方式中，将发电元件20和底壁部11之间的距离L2设定为比发电元件20和顶板部13之间的距离L1短。需要说明的是，距离L2也可以为零。

以下，主要参照图4以及图5说明压电发电装置1的发电。需要说明的是，以压电发电装置1安装在轮胎30的内周面30a上为例进行说明。

如图4所示，在轮胎30的设有压电发电装置1的部分未接地时，随着轮胎30的旋转向压电发电装置1施加离心力。与此相对，如图5所示，在轮胎30的设有压电发电装置1的部分接地时，即使轮胎30旋转也不会向压电发电装置1施加离心力。因此，随着轮胎30的旋转，向压电发电装置1施加离心力的状态与不施加离心力的状态重复进行。其结果是，发电装置20发生振动，并能够利用压电效应从压缩元件22获取电力。

但是，与压缩应力相比，压电元件22对于拉伸应力较弱。具体而言，在施加了拉伸应力时，压电元件22表现为脆性。因此，例如，如图6(a)所示，发电元件20以向金属板21侧凸出的方式变位，即使向压电元件22施加压缩应力，压电元件22也不容易破损，与此相对，如图6(b)所示，发电元件20以向压电元件22侧凸出的方式变位，在向压电元件22施加拉伸应力时，压电元件22容易破损。这种倾向在压电体23实质上由压电陶瓷构成的情况下尤为显著。

例如，在图14所示的发电装置200中，压电元件211a和封装之间的距离和金属板211b和封装之间的距离大致相等。因此，压电元件211a和金属板211b可在向压电元件211a施加拉伸应力的方向和向压电元件211a施加压缩应力的方向的两个方向产生大幅变位。因此，在发电装置200中，压电元件211a和金属板211b在向压电元件211a施加拉伸应力的方向产生大幅变位，从而可能导致向压电元件211a施加大的拉伸应力。

与此相对，在本实施方式中，将发电元件20和底壁部11间的距离L2设定得比发电元件20和顶板部13间的距离L1短。因此，在本实施方式中，底壁部11作为限制部发挥功能，以限制发电元件20在向压电元件22施加拉伸应力的金属板21侧产生较大变位。因此，可抑制向压电元件22施加大的拉伸应力。因此，能够提高压电发电装置1的机械耐久性。

如上所述，在压电体23实质上由压电陶瓷构成的情况下，施加了拉伸应力时的压电元件22的脆性特别高。因此，在压电体23基本由压电陶瓷构成的情况下，本实施方式尤其有效。

需要说明的是，作为抑制发电元件20向对压电元件22施加拉伸应力的金属板22侧变位的其他方法，可以想到将发电元件20和底壁部11间的距离L2和发电元件20和顶板部13间的距离L1双方减小的方法。然而，若减小距离L1、L2双方，发电元件20的变位量也将变小。因此，出现发电量减少的倾向。

对此，在本实施方式中，虽然减小发电元件20和底壁部11间的距离L2，但是增大了发电元件20和顶板部13间的距离L1。因此，发电元件20可向压电元件22侧产生大的变位。因此，与将距离L1、L2双方都减小的情况下相比，能够使发电元件20的发电量较大。即，根据本实施方式，在提高压电发电装置1的机械耐久性的同时还能够获得较大的发电量。

另外，在发电元件20向对压电元件22施加拉伸应力侧变位的情况下和在发电元件20向对压电元件22施加压缩应力侧变位的情况下，在压电体23发生的电场的方向变成反向。因此，如在本实施方式中所述那样，通过使发电元件20不容易向对压电元件22施加拉伸应力侧变位，能够抑制压电体23的反电场的产生。因此，能够抑制压电元件22的去极。

从抑制去极的观点来看，发电元件20和底壁部11间的距离L2小为比较优选的方案。另外，从抑制发电元件20向对压电体23施加拉伸应力侧变位的观点来看也是，距离L2小为优选方案。但是，若距离L2减小，将出现发电元件20的变位被抑制而发电效率降低的倾向。因此，从获得高的发电效率的观点来看，距离L2在一定程度上长些为比较优选的方案。

以下，主要参照图7至图10详细地说明实施了本发明的实施方式的优选方式的其他例子。需要说明的是，在以下的说明中，对于具有与第一实施方式基本为相同的功能的部件赋予相同的符号，并省略对其说明。

(第二实施方式)

图7是第二实施方式的压电发电装置2的剖视图。

在实施方式第一实施方式中，对封装部件10以除底壁部11和侧壁部12还具有顶板部13为例进行说明。但是封装部件10不必具有顶板部13。

另外，发电元件20也可以与底壁部11抵接的方式配置。具体而言，如图7所示，发电元件20也可以金属板21与底壁部11的表面11a抵接的方式配置。

根据该结构，能够可靠地禁止发电元件20向对压电元件22施加拉伸应力的金属板21侧变位。因此，能够进一步提高压电发电装置2的机械耐久性。

另外，本实施方式的压电发电装置2与以下的第三实施方式所示的压电发电装置3相比其结构更简单，并能够容易且低价进行制造。

(第三实施方式)

图8是第三实施方式的压电发电装置3的剖视图。

在所述的第二实施方式中，以发电元件20整面抵接底壁部11为例进行了说明。但是，发电元件20可以在局部与底壁部11抵接。例如，发电元件20也可以在自由端侧的端部20b与底壁部11抵接。

在图6所示的实施方式中，发电元件20配置在底壁部11的表面11a的上方。发电元件20和表面11a之间隔着空气层。在底壁部11形成有凸状的抵接部11b。该抵接部11b与发电元件20的自由端侧的端部20b抵接。

需要说明的是，在将与发电元件20抵接的抵接部设置在底壁部的情况下，如本实施方式那样，抵接部优选以与发电元件的自由端侧的端部抵接的方式形成。这是因为能够有效地抑制发电元件向对压电体施加拉伸应力侧的变位。

(第四实施方式)

在所述第二实施方式中，以发电元件11抵接底壁部11为例进行了说明。但是，发电元件20也可以如图9所示的压电发电元件4那样与顶板部13抵接。即，既可以在底壁部11中安装在轮胎的内周面，也可以在顶板部13中安装在轮胎的内周面。

另外，如图9所示，封装部件10的与发电元件20抵接的表面也可以不平坦。在本实施方式中，顶板部13的表面13a具有随着远离侧壁部12的安装有发电元件20的部分向发电元件20弯曲的形状。因此，利用作为抵接部的顶板部13，将发电元件20向压电元件22侧施力。因此，成为始终对压电元件22施加压缩应力的状态。因此，能够可靠地禁止向压电元件22施加拉伸应力，从而能够提高压电发电装置4的机械耐久性。

(第五实施方式)

图10是第五实施方式的压电发电装置5的剖视图。如图10所示，也可以在发电元件20和封装部件10之间配置缓冲部件40a、40b。具体而言，缓冲部件40a配置在作为限制部的顶板部13和金属板21之间。缓冲部件40b配置在底壁部11的内侧的表面上。

通过配置缓冲部件40a、40b，能够抑制发电元件20和封装部件10间的直接碰撞。因此，能够进一步有效地减少施加在发电元件20上的力。因此，能够进一步提高压电发电装置5的机械耐久性。

需要说明的是，作为缓冲部件40，例如可以列举硅橡胶等。

另外，如图10所示，也可以进一步设置与压电元件22的金属板21的相反侧的表面接合的导电层41。即，也可以在电极24a的表面接合导电层41。通过这样配置，例如即使在压电元件22上产生裂缝等情况下，也能够更加可靠地确保电连接。

需要说明的是，对导电层41的材质无特殊限制。导电层41例如也可以是金属或者合金。

导电层41优选为比较厚的金属箔或合金箔。这是因为能够特别可靠地确保电连接。

(变形例)

在所述实施方式中，对压电元件22为矩形板状的例子进行了说明。但是，对压电元件22的平面形状并无特殊限制。如图11所示，压电元件22的平面形状例如也可以是圆形。

Claims

1.一种压电发电装置，其具有：

发电元件，其具有：具有彼此相面对的一对主面的板状的压电元件、与所述压电元件的一主面接合的金属板；

封装部件，其具有以悬臂梁的形式支承所述发电元件的端部的支承部、配置在所述金属板的与所述压电元件的相反侧并限制所述发电元件向所述金属板的外侧变位的限制部。

2.如权利要求1所述的压电发电装置，其中，

所述封装部件具有作为所述支承部的侧壁部、作为所述限制部的底壁部、隔着所述发电元件与所述底壁部对置配置的顶板部，

所述发电元件和所述底壁部之间的距离比所述发电元件和所述顶板部之间的距离短。

3.如权利要求1或2所述的压电发电装置，其中，

所述限制部具有抵接部，该抵接部与所述金属板的与所述发电元件的相反侧的面抵接。

4.如权利要求3所述的压电发电装置，其中，

所述抵接部在所述发电元件的自由端侧的端部与所述金属板抵接。

5.如权利要求3或4所述的压电发电装置，其中，

所述抵接部对所述发电元件向所述压电元件侧施力。

6.如权利要求1或2所述的压电发电装置，其中，

还具有配置在所述封装部件和所述发电元件之间的缓冲部件。

7.如权利要求1～6中任一项所述的压电发电装置，其中，

还具有与所述压电元件的另一主面接合的导电层。

8.如权利要求1～7中任一项所述的压电发电装置，其中，

所述压电元件具有实质上由压电陶瓷构成的压电体。

9.如权利要求1～8中任一项所述的压电发电装置，其中，

所述压电发电装置安装在轮胎的内周面侧。