CN101990717B - 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机械变形产生电能的弯曲换能器(1b)，其至少具有：一能变形的载体装置(2b)，在该载体装置上构成第一连接电极(4b)和第二连接电极(5b)；一固定在载体装置(2b)上的压电元件(3b)，该压电元件带有至少一个第一电极(17b)和一个第二电极(18b)；其中第一连接电极(4b)与压电元件(3b)的第一电极(17b)接触，而第二连接电极(5b)与压电元件(3b)的第二电极(18b)接触。在这里，所述第一连接电极(4b)和/或第二连接电极(5b)至少局部作为结构化的能导电的层施加在载体装置(2b)。特别是两个连接电极(4b，5b)可构成为一个共同的层的区域。还提供一种带有这种弯曲换能器的、具有自给自足的能量供给的电路模块。

Description

用于由机械变形产生电能的弯曲换能器

背景技术

压电式换能机构特别是用在传感技术和促动技术领域中。为了转换在变形的结构中产生的机械应力，通常将压电元件直接耦联到一个载体元件或载体结构上，其中载体结构也可以是一个第二压电元件(作为压电式双晶片已知)。在这里，压电元件具有两个用于向接口电子装置导入和导出电荷的电极。在这里，这些电极通常构成在大多扁平的压电元件的相对的侧面上。

例如DE 10 2005 062 872 A1公开了一种用于车轮的滚动识别的装置，其中一压电元件以在其相对的侧面上构成的电极在芯片载体上接触，其中压电元件的上电极经由键合线被接触并且芯片载体与压电元件和键合线浇注到模塑料中。因此，在这种用于测量加速度例如振动的传感器中可以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周围环境能量、特别是振动和变形产生电能，这也被称作能量收获。在这里能实现压电元件的弯曲变形，这些弯曲变形导致比在浇注到模塑料中的压电元件的例如在DE 10 2005062 872 A1中许用的机械应力明显更高的能量产生。

在不仅载体结构而且压电元件被固定地夹紧的弯曲换能器中，电接触可相对简单地实现，因为压电元件固定地与壳体连接。但对于这种结构通常需要使用一个足够大面积的并且因而昂贵的压电元件，其中该压电元件在壳体连接部上的区域仅经受相对小的机械的应力变化。

当压电元件不被固定地夹紧时，接触通常经由柔性的线材连接件实现。然而这些线材连接件同样遭受出现的机械应力并且相对于反复的变形仅具有有限的耐久性。

发明内容

按照本发明的弯曲换能器能实现压电元件与载体元件的简单而可靠的接触，特别是即便对于精密机械领域中的结构尺寸也是如此。弯曲换能器还适合于将传感技术和促动技术特别是也应用于能量获得，其中该弯曲换能器能用作单独的或者甚至自给自足的系统(例如传感器模块)的能量源。

按照本发明，弯曲换能器是指在机械变形、特别是不均匀的变形时吸收机械能并由此通过压电效应产生电能的装置。因此，在这里特别是绕一个或多个轴线的弯曲力矩能被吸收，必要时也吸收不同的单个弯曲力矩的叠加。

按照本发明可能的是，压电元件机械地固定在连接电极的结构上。由此可以省去附加的线材或弹簧接触。优点是较简单的可制造性和能装配性，以及特别是由于改善的稳定性而提高的可靠性。

优选地，两个连接电极作为一个共同的能导电的层的结构化的区域构成在载体的接收侧、即通常上侧上。结构化的能导电的层的构造可以例如借助光刻工艺和蚀刻工艺是实现。

优选地，载体面状地构成并且能弹性变形。压电元件优选在最大变形的区域内设置在载体上。

本发明的一种有利的改进方案规定，载体完全地或者部分地由能导电的材料例如金属制成，其中至少一个连接电极安装在一绝缘体、优选绝缘层上。

特别是也可以使用金属载体。例如由钢板或黄铜板构成的金属载体具有高的可偏转性，该可偏转性能实现安装的压电元件的高的压电电压。此外，它们在低的能量吸收和低的材料疲劳的情况下具有良好的弹性，从而载体能在弯曲元件的寿命时间期间保持耐久。

本发明的一种有利的构造方案规定，压电元件分成带有不同的优选相反的极性的多个、至少两个区段。在这里，该精确的构成可匹配于可预期的机械变形，从而能量也能由复杂的弯曲模型和在不同方向上的弯曲产生。

按照本发明在这里认识到，能以这样的方式实现紧凑的构造，即两个或更多个区段在其上侧经由一个共同的能导电的层相互接触，从而它们以适当的方式例如作为串联连接和/或并联连接相互接触。在这里，特别是串联连接对于提高输出电压是有利的。此外，单个区段或单个区段的串联连接可以首先分开地在载体的不同的连接接触部中被接触并且随后经由一个共同的例如带有二极管的电路用作供电装置。

即使在压电元件仅仅以一个具有一致的极性的区段构成时也能以这样的方式实现这样的紧凑的层构造，即一方面构成在压电元件的连接侧上的第一电极直接经由一个能导电的连接区域被接触并且另一方面第二电极不是仅构成在压电元件的与所述连接侧相对的上侧上，而是至少在一侧向的棱边区域上延伸并且也有利地延伸直到连接侧并在那里构成一个相对小的接触区域，该接触区域经由一个能导电的第二连接剂区域与载体装置的第二连接电极接触。

因此，在载体装置的连接电极与压电元件的电极之间的接触能完全地在一个能导电的连接剂层的区域上进行，优选由导电粘结剂或钎料构成。带有面状连接件部的该固定具有高的承载能力并且保证可靠的接触。这样的连接特别是也相对于振荡、振动和其他载荷是耐久的并且不具有传统的带有附加接触元件的键合线连接件或其他连接件的与此相关的缺点。

弯曲换能器因此可完全构成为由载体装置、压电元件、导电粘结剂或钎焊区域和电极或连接电极构成的、特别是包括在不变形状态下平面平行的多个层的层堆叠，并且因此构造成紧凑的和机械稳定的。

压电元件可特别是构成单件式的，必要时包括多个区段。此外，也可以在一个共同的载体装置上设置多个压电元件，例如以串联连接用于提高能达到的电压或者以并联连接用于提高电流强度。在此，这些压电元件可以在载体装置的不同区域中并且对于不同的弯曲方向例如接收弯曲应力。此外也可以设置带有多于两个电极、例如带有四个交叉设置的电极的压电元件，以便能在不同的弯曲载荷时产生能量。

此外，本发明涉及一种传感器模块，该传感器模块具有一个按照本发明的弯曲换能器作为供电装置的一部分；在这里，按照本发明的传感器模块可以特别在能量方面是自给自足的，例如带有用于中间储存和/或平滑所产生的电能的蓄能器。传感器模块特别是可以是轮胎传感器模块，特别是用于测量轮胎压力、温度和/或加速度、振动和/或变形。这样的按照本发明的轮胎传感器模块可以例如直接结合在按照本发明的轮胎的运行面中，例如以垂直的定向。

附图说明

图1示出一按照本发明的弯曲换能器的第一实施形式，包括单区段式构造的压电元件，

图2示出一按照本发明的弯曲换能器的第二实施形式，包括多区段式构造的压电元件，

图3示出示出一按照本发明的弯曲换能器的第三实施形式，包括单区段式构造的压电元件，

图4a示出按照包括能导电的载体装置的实施形式的在图2中的一个局部，

图4b示出按照包括不能导电的载体装置的实施形式的在图2中的一个局部，

图5以透视的剖视图示出一按照本发明的开关模块。

具体实施方式

一在图1中示出的弯曲换能器1a包括一能变形的载体2a和一压电元件3a。该载体2a具有面状的并且平面平行的形状并且是能弹性变形的；在这里，该载体以其两个相对的侧面区域14支承或夹紧在支撑元件13a上，从而能实现在这些支撑元件之间的变形、特别是弯曲变形。第一连接电极4a和第二连接电极5a作为结构化的、能导电的层、特别是金属层的一部分借助光刻工艺或蚀刻工艺施加在载体2a的上侧16a上，并且沿侧面的、侧向方向向外延伸。

压电元件3a也构成为面状的；它特别是由陶瓷材料制成并且在该实施形式中具有一致的极性方向P1。该压电元件在其用作连接侧的下侧上具有第一下电极17a并在其上侧上具有第一上电极18a，其中两个电极17a和18a例如作为金属层被施加。压电元件3a这样地在载体2a上设置在该载体的最大变形的区域内、即在其侧向中间的区域内，使得压电元件的极性方向P1垂直于载体2a定向。

压电元件3a以其下电极17a借助材料锁合的能导电的层7a、特别是能导电的粘接层7a或者也借助钎焊层7a机械地固定地与第一连接电极4a连接并接触。

上电极18a经由接触板12、特别是双重弯折的接触板与第二连接电极5a接触。

因此，机械稳定的堆叠系统由载体2a、粘接剂7a和压电元件3a形成。当载体2a在支撑元件13a之间受弯曲载荷时，压电元件3a相应地变形，其中由它产生的压电电压能经由连接电极4a和5a并且因而经由载体2a的上侧获取。

在图2的实施形式中，在一能弹性变形的、不导电的、面状的并且平面平行的载体2b的上侧16b上也构成第一连接电极4b和第二连接电极5b作为一结构化的能导电的层、特别是金属层的区域。因此，载体2b基本上与图1中的载体2a相当并且与之区别在于连接电极4b和5b的精确的结构化。

压电元件2b分成带有相反定向的极性P1和P2的一个第一区段8b和一个第二区段9b。在压电元件2b的上侧上施加一连续的能导电的层10b、特别是金属层10b，该层因而覆盖两个区段8b、9b的上侧并且相互接触。一结构化的能导电的层、特别是金属层施加在压电元件2b的下侧上并且这样地结构化，使得它构成一个第一电极17a和一个第二电极18b。在这里，一能导电的粘结剂层或钎焊层这样地施加到载体2b的上侧16b上，使得它在第一电极17b和第一连接电极4a之间构成一个能导电的材料锁合的第一粘结剂区域7b并在第二电极5b和第二连接电极5a之间构成一个能导电的材料锁合的第二粘接剂区域19b。

因此，压电元件3b的这两个区段8b和9b经由共同的金属层10b接触并且在连接电极4b和5b之间串联连接。

图3的实施形式的弯曲换能器1a具有一个与图1相当的单区段式压电元件3a，其中第二电极18a不仅构成在压电元件3a的上侧上，而且以棱边区域11a在侧面上延伸并且延伸直到压电元件的下侧或连接侧，在那里第二电极构成一个侧向与第一电极17a隔开距离的接触区域110a，该接触区域与第二连接电极5a接触。因此，在图3中也实现紧凑的层结构，在该层结构中两个连接电极4a和5a延伸直到压电元件3a的下面并且触点接触经由两个能导电的连接剂区域7a、19a实现。

在图1、2和3的所有实施形式中，载体2a或2b能可选地由能导电的材料或不能导电的材料构成。图4a和4b示出例如对于图2的两区段式实施形式的这两种构成，其中它们也能转用到图1和3。

在图4a中，载体2b由能导电的材料构成，特别是作为金属载体，例如由钢板或黄铜板构成，其在良好的弹性和低的材料疲劳的情况下具有高的偏转。在载体2b和连接电极4b和5b之间施加有一绝缘层6，该绝缘层防止在载体2b和连接电极4b和5b之间的电接触。但代替于此，金属载体2b也可以以这样的方式直接用作连接电极之一，即例如绝缘层6在电极17b下方空出并且连接剂区域7b直接施加到载体2b上，该载体因而形成第一连接电极，其中因而可以省去层4b。

在图4b的实施形式中，载体2a由不能导电的材料例如塑料或陶瓷制成，从而在这里相对于图4a省去绝缘层6并且连接电极4b和5b直接构成在载体2b的上侧或者说接收侧上。

本发明并不限于上述的电极结构。根据与应用、换能器结构(例如双晶片换能器)的依赖关系和弯曲线的走向，其他的电极结构可能是有利的。在这里，在压电元件上也可以例如构成有多于两个电极，例如以交叉形的布置用于在不同的或S形的弯曲走向时输出压电电压，其中各两个或多个电极便经由二极管电路连接。

所描述的弯曲换能器1a、1b特别是适合于用作供电装置，例如用于电路模块，其中另外的能量源例如电池可能是多余的。图5以横剖视图示出一个传感器模块21作为这样的电路模块的一种实施形式，该传感器模块具有一个包括一罐状的上壳体部分22a和一盖状或盘状的下壳体部分22b的壳体22，这两个壳体部分包围一个壳体内腔22c。在壳体内腔22c中接收有一个压电发电机(PEG)23和一个电路载体24，该电路载体带有由SMD-结构元件构成的这里仅简示的模块式电子装置25、27、35。视所使用的电路模块21而定，模块式电子装置25、27、35可具有不同的结构元件。在这里设有一用于接收压电电压并用于提供供电电压的供电电路25，优选地也设有用于在暂时不连续地运行时中间储存能量的蓄能器。在用作轮胎压力监测系统(TPMS)时，在例如构成为电路板的电路载体24上还安装一压力传感器27，作为结构元件35安装控制单元例如ASIC，为了天线的运行安装相关的HF构件例如振荡器以及必要时的HF-ASIC。在图5中简示的天线26例如可作为环形天线在电路载体24的外边缘上环绕；但天线26原则上例如也可在壳体22内或上、例如在壳体22的内壁上延伸或者压铸到壳体22中。当用作轮胎压力监测系统时，壳体22具有一个孔作为从外部的压力输入部。传感器模块21可以特别是以其对称轴线v在车辆轮胎的径向方向上被接收，从而载体2a或2b和压电元件3a或3b沿侧向方向x延伸。

压电发电机23具有一在壳体内腔22c中可运动地或者说可调整地被接收的质量元件20、作为金属弹簧元件的金属载体2a或2b以及压电元件3a或3b。载体2a或2b基本上构成为板簧并且根据图4a在其上侧具有绝缘层6，这里未示出的连接电极构成在该绝缘层上。

金属载体2a或2b置入上壳体部分22a的内壁22c的壳体槽46中。其端部14可被夹紧或者不被夹紧，由此能实现不同的频率和弯曲形状。在被夹紧地接收时，端部14在其上侧和下侧上固定地接收在壳体槽46中；在未被夹紧地接收时，端部根据图1至3以其下侧支承在支撑元件13a或13b上并且能向上弯曲。

传感器模块21可以特别是作为轮胎传感器模块用于测量轮胎压力、温度和/或加速度、振荡和振动。因此通过弯曲换能器可以将振荡和变形转化成能量并用于供电。

Claims (11)

1.用于由机械变形产生电能的弯曲换能器（1a，1b），该弯曲换能器至少具有：

一能变形的载体装置（2a，2b），在该载体装置上构成一第一连接电极（4a，4b）和一第二连接电极（5a，5b），

一固定在所述载体装置（2a，2b）上的压电元件（3a，3b），该压电元件带有至少一个第一电极（17a，17b）和一个第二电极（18a，18b），

其中，所述第一连接电极（4a，4b）与所述压电元件（3a，3b）的第一电极（17a，17b）接触，而所述第二连接电极（5a，5b）与所述压电元件（3a，3b）的第二电极（18a，18b）接触，

所述第一连接电极（4a，4b）和/或所述第二连接电极（5a，5b）作为至少一个结构化的能导电的层的区域施加在所述载体装置（2a，2b）上，

所述第一电极（17a，17b）和/或所述第二电极（18a，18b）材料锁合地借助一能导电的连接剂（7a，7b，19a，19b）机械地固定并接触在所述第一连接电极（4a，4b）和/或第二连接电极（5a，5b）上，和

两个连接电极（4a，4b；5a，5b）局部地构成在所述压电元件（3a，3b）下方并且在侧向上向外延伸，和

所述第一电极（17a，17b）材料锁合地借助一能导电的第一连接剂区域（7a，7b）机械地固定并接触在所述第一连接电极（4a，4b）上，和

所述第二电极（18a，18b）材料锁合地借助一能导电的第二连接剂区域（19a，19b）机械地固定并接触在所述第二连接电极（5a，5b）上，

其特征在于，所述压电元件（3b）至少具有带有不同定向的极性（P1，P2）的一个第一区段（8b）和一个第二区段（9b），

其中，在所述第一区段（8b）上构成所述第一电极（17a）而在所述第二区段（9b）上构成所述第二电极（18b），并且所述第一区段（8b）和所述第二区段（9b）电串联地连接。

2.根据权利要求1所述的弯曲换能器，其特征在于，所述第一连接电极（4a，4b）和所述第二连接电极（5a，5b）作为一个共同的结构化的能导电的层的区域施加在所述载体装置（2a，2b）上。

3.根据权利要求1或2所述的弯曲换能器，其特征在于，所述载体装置（2a，2b）具有能导电的材料，并且在所述载体装置（2a，2b）与所述第一和/或第二连接电极（4a，4b；5a，5b）之间构成有一绝缘件（6b）。

4.根据权利要求3所述的弯曲换能器，其特征在于，所述载体装置（2a，2b）完全由金属制成并且所述绝缘件施加在所述载体装置的接收侧上。

5.根据权利要求3所述的弯曲换能器，其特征在于，一个连接电极（4a，4b；5a，5b）构成在所述绝缘件（6）上，所述载体装置（2a，2b）用作另一个连接电极（4a，4b；5a，5b）并且与两个电极（17a，17b；18a，18b）之一接触。

6.根据权利要求1所述的弯曲换能器，其特征在于，所述载体装置（2a，2b）、所述连接剂（7a，7b，19a，19b）、所述电极（17a，17b；18a，18b）和所述压电元件（3a，3b）共同地构成为包括多个叠置的层的层系统。

7.根据权利要求1所述的弯曲换能器，其特征在于，所述电极（17a，17b；18a，18b）构成在所述压电元件（3b）的连接侧上，并且在所述压电元件（3b）的与所述连接侧相反的上侧上载有一能导电的层（10b），所述在所述压电元件（3b）的与所述连接侧相反的上侧上载有的、能导电的层使所述第一区段（8b）和所述第二区段（9b）电接触并串联连接。

8.根据权利要求1所述的弯曲换能器，其特征在于，所述能导电的连接剂是导电粘接剂或钎料，所述第一区段和第二区段具有相反的极性。

9.电路模块（21），该电路模块至少具有：

壳体（22）；

接收在该壳体中的压电式发电机（23），该发电机具有能在所述壳体（22）内部运动的质量元件（20）和根据权利要求1至8中任一项所述的弯曲换能器（1a，1b），其中，所述质量元件（10）和所述弯曲换能器（1a，1b）形成一个能振动的系统并且所述压电元件（3a，3b）在该能振动的系统的振动中能弹性变形；和

供电电路（25），用于接收在所述压电元件（3a，3b）机械变形时由该压电元件输出的压电电压并且用于给所述电路模块（21）供电。

10.根据权利要求9所述的电路模块，其特征在于，所述电路模块是能量自给自足的传感器模块。

11.根据权利要求10所述的电路模块，其特征在于，该传感器模块是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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