CN102124643A

CN102124643A - 压电发电装置

Info

Publication number: CN102124643A
Application number: CN2009801268382A
Authority: CN
Inventors: 藤本克己; 堀口睦弘
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP5136644B2; EP2312740A4; US20110121685A1; US8058774B2; WO2010007735A1; EP2312740A1; JPWO2010007735A1; CN102124643B; EP2312740B1

Abstract

为了得到由设置状况的影响造成的谐振频率的波动难以发生、从而发电效率的波动难以发生的压电发电装置，本发明提供一种压电发电装置(1)，其中，在第一、第二主面上分别形成有第一电极(4b)以及第二电极(4c)的压电元件(4)从第一主面侧与振动板(3)相贴，振动板(3)具有：设置在相贴有压电元件(4)的振动板主体部(3g)的一侧的第一弯曲部(3a)、和设置在另一侧的第二弯曲部(3b)，并在比设置有第一、第二弯曲部(3a、3b)的部分的更外侧由支撑构件(2)来支撑振动板(3)，且以两端来支撑由压电元件(4)以及振动板主体部(3g)构成的振动体。

Description

压电发电装置

技术领域

本发明涉及通过加入加速度或变形来振动、并通过压电效应来进行发电的压电发电装置，更详细地说，涉及具有具备压电陶瓷体的压电元件固定在振动板上的构造的压电发电装置。

背景技术

在现有技术中，通过加入加速度或变形等来振动、并通过压电效应来进行发电的压电发电装置是公知的。当将这些压电发电装置用作电源时，没有必要使用电池等其他电源。因此，作为在加入振动或变形的用途中所使用的各种传感器的电源，优选使用上述压电发电装置。

下述专利文献1公开了上述压电发电装置的一例。图6是示意地表示专利文献1中记载的压电发电装置的部分切离正面截面图。

压电发电装置101具有由硅构成的基板102。在基板102的上面形成有圆孔102a。另外，在基板102的上面形成有电极104。并固定有圆板状的压电元件103，以封闭圆孔102a。压电元件103具有：由聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)构成的压电板103a、形成在压电板103a的上面的第一电极103b、和形成在下面的第二电极103c。

第二电极103c与电极104电连接。另外，在基板102的上面，与电极104隔开的位置形成有电极105。第一电极103b通过接合线(bondingwire)106与电极105电连接。

在压电元件103的上面固定有重物107。在压电发电装置101中，若加入伴随加速度或变形的振动，则固定有重物107的部分朝着箭头方向振动。并从第一、第二电极103b、103c中取出基于此振动的电荷。

另外，在专利文献1中，作为上述压电发电装置101的变形例，针对两端支撑型的压电发电装置进行了讲述。其中，虽然未图示，但是记载了两端支撑型的压电发电装置具有与图6的压电发电装置101几乎相同的截面构造的内容。即，压电发电装置101利用了平面形状为圆形的压电元件103，以封闭圆孔102a，而当为两端支撑型的压电发电元件时，是对矩形的压电元件的两端进行与图6相同的固定，以两端来进行支撑。

专利文献1：JP特开平7-107752号公报

在现有技术中，用悬臂(cantilever)支撑压电元件来形成压电发电装置是公知的，但有这样的问题：在该压电发电装置中，加入加速度等进行振动时，此时振动的谐振频率易波动。

对此，考虑若利用以两端来支撑压电元件的压电发电装置，则能够使振动的谐振频率的波动减小。但是，实际上，在为具有图6所示截面构造的压电发电装置、且以两端支撑着压电元件的构造中，设置状况导致谐振频率会波动，发电效率还是易波动。

发明内容

本发明正是为了消除上述现有技术的缺点，是具有以两端来支撑压电元件而形成的构造的压电发电装置，其目的在于，提供一种压电发电装置及其制造方法，其可使由设置状况等引起的谐振频率的波动难以发生，从而使发电效率的波动进一步减少。

根据本发明，提供一种压电发电装置，其以两端来支撑由所述压电元件以及所述振动板主体部组成的振动部分，该压电发电装置包括：压电陶瓷体，其具有相互对置的第一、第二主面；压电元件，其具有分别形成在压电陶瓷体的第一、第二主面上的第一、第二电极；和振动板，其从第一或者第二主面侧层叠有所述压电元件；其中，所述振动板具有：振动板主体部，其层叠有所述压电元件；第一弯曲部，其设置在该振动板主体部的其中一侧；和第二弯曲部，其设置在相反侧，且与第一弯曲部一起夹着压电元件；所述压电发电装置还包括支撑构件，该支撑构件在比所述振动板的设置有第一、第二弯曲部的部分更外侧的部分支撑所述振动板，在该压电发电装置中，以两端来支撑由所述压电元件以及所述振动板主体部构成的振动部分。

在本发明的压电发电装置的一种特定情形中，隔着所述压电元件对称地设置有所述第一、第二弯曲部。在这种情况下，由于提高了压电元件的支撑构造的对称性，故能够进一步减少因压电元件的设置状况造成的谐振频率的波动。

在本发明的压电发电装置的其他特定情形中，所述振动板由陶瓷构成，通过与所述压电元件一体焙烧而形成。在这种情况下，能够利用一体焙烧技术高效率且廉价地提供本发明的压电发电装置。特别是当支撑构件由陶瓷构成、通过与振动板一体焙烧而形成时，由于不仅是压电元件以及振动体，连支撑构件也通过一体焙烧而形成，故能够进一步提高制造效率，且能够提供更廉价的压电发电装置。

在本发明的压电发电装置的进一步的其他的特定情形中，还包括安装在所述压电元件上的质量负载(mass load)构件。在这种情况下，能够增大在加入加速度或变形等时的振动，并由此能够提高发电效率。

本发明的压电发电装置的制造方法是本发明的压电发电装置的制造方法，包括：准备将多个压电元件以及多个支撑构件与母体(mother)的振动板一体化而形成的构造的工序；以及切断该构造来得到各个压电元件的工序。

在本发明的压电发电装置的制造方法的一种特定情形中，通过陶瓷一体焙烧技术来准备将所述母体的振动板、所述多个压电元件、和所述多个支撑构件一体化而形成的所述构造。因此，在得到母体的上述构造之际，利用陶瓷一体焙烧技术，能够同时得到母体的振动板、多个压电元件、以及多个支撑构件，故能够提高制造效率，能够降低压电发电装置的成本。

根据本发明的压电发电装置，振动板具有第一、第二弯曲部，并由第一、第二弯曲部以两端来支撑由压电元件以及振动主体部构成的振动体，故相比具有一端支撑构造的压电发电装置，能够使谐振频率的波动减小。此外，由第一、第二弯曲部进行支撑，从而由设置状况造成的谐振频率的波动也难以发生。因此，能够使发电效率的波动减小。

根据本发明的制造方法，在准备了具有母体的振动板、多个压电元件、以及多个支撑构件的母体的上述构造后，通过在厚度方向上切断该母体的构造来得到各个压电发电装置，故能够高效率地得到谐振频率以及发电效率的波动较少的本发明的压电发电装置，能够降低压电发电装置的成本。

附图说明

[图1]图1(a)、(b)是表示本发明的第一实施方式的压电发电装置的正面截面图以及外观的立体图。

[图2]图2是表示在本发明的压电发电装置中、在对质量负载构件进行层叠前的状态的立体图。

[图3]图3是用于说明本发明的一实施方式的压电发电装置的内部构造的部分截面立体图。

[图4]图4是从本发明的一实施方式的压电发电装置的下方看的立体图。

[图5]图5是用于说明为得到本发明的一实施方式的压电发电装置而准备的母体的构造的立体图。

[图6]图6是表示现有技术的压电发电装置的一例的部分切离正面截面图。

符号说明：

1：压电发电装置

2：支撑构件

2a：基底(base)

2b～2e：侧壁

3：振动板

3a：弯曲部

3b：弯曲部

3c：连结部

3d：第一部分

3e：第二部分

3f：第三部分

3g：振动板主体部

4：压电元件

4a：压电板

4b，4c：第一电极，第二电极

5：粘合材料

6：质量负载构件

11：压电元件集合体

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边说明本发明的具体实施方式，来阐明本发明。

图1(a)以及(b)是表示本发明的一实施方式的压电发电装置的正面截面图以及外观的立体图。

压电发电装置1具有由陶瓷构成的支撑构件2。即，支撑构件2具有：矩形板状的基底2a、以及自基底2a的外周缘起向上方延伸的多个侧壁2b～2e。

侧壁2b与侧壁2d相互对置，侧壁2c与侧壁2e相互对置。将连接侧壁2b、2d的方向设置得比连接侧壁2c、2e的方向长。

按照在相对置的侧壁2b、2b间延伸的方式设置有振动板3。振动板3在本实施方式中由陶瓷构成，通过与支撑构件2一体焙烧而形成。振动板3的一端与侧壁2b的内面连结，另一端与侧壁2b的相反侧的侧壁2d连结。

将上述支撑构件2的宽度方向尺寸、即连接侧壁2c、2e的方向的尺寸设置得比2c、2e间的尺寸短。因此，如图2所示，在由支撑构件2的侧壁2b～2e包围的空间的宽度方向中央配置有上述振动板3。

振动板3具有第一、第二弯曲部3a、3b。第一弯曲部3a具有：第一部分3d，其与支撑构件2的侧壁2b的内面连结，且自在水平方向上延伸的连结部3c的内侧端起向上方延伸；第二部分3e，其自第一部分3d的上端起向水平方向内侧延伸；以及第三部分3f，其自第二部分3e的内侧端起向下方延伸。同样地，第二弯曲部3b也具有第一部分3d、第二部分3e、以及第三部分3f。并按照连结第一弯曲部3a的第三部分3f的下端与第二弯曲部3b的第三部分3f的下端的方式，配置在水平方向上延伸的振动板主体部3g。在此振动板主体部3g的下面相贴有压电元件4。

此外，在本发明中，压电元件在振动板上层叠、相贴，但在此，所谓的“相贴”，如上所述，包括通过一体焙烧而一体化的构造，而不局限于必须用粘着剂或粘合剂而固定的构造。

上述振动板主体部3g是平坦的板状部分，如图2所示，长度方向与支撑构件2的长度方向一致。

上述第一、第二弯曲部3a、3b夹着压电元件4对称地进行配置。

另一方面，压电元件4具有：作为压电陶瓷体的压电板4a、设置在压电板4a的上面的第一电极4b、和设置在压电板4a的下面的第二电极4c。

压电板4a在本实施方式中由锆钛酸铅(lead zirconate titanate，PZT)类压电陶瓷构成。不过，压电板4a也可以由其他压电陶瓷形成。

另外，第一、第二电极4b、4c在本实施方式中通过导电性金属膏的涂敷·烘焙而形成。此导电性金属膏的烘焙在压电板4a的焙烧时进行。另外，在本实施方式中，压电板4a的焙烧利用与支撑构件2以及3的一体焙烧技术来进行。

上述压电板4a，在本实施方式中，在厚度方向上进行极化处理。

关于压电板4a中的极化方向，不特别限定在厚度方向上，也可以在其他方向上进行极化。

在振动板主体部3g的上面，经由粘合材料5，搭载有质量负载构件6。作为粘合材料5，可以用玻璃膏(glass paste)等合适的粘合材料，但在本实施方式中，粘合材料5以及质量负载构件6由同一材料构成，且通过一体焙烧对它们进行粘合。

质量负载构件6，只要在振动板主体部3g上能负载质量，就可以用合适的材料来形成，但考虑到能够负载足够的质量，优选金属或陶瓷等。在本实施方式中，质量负载构件6由与粘合材料5以及振动板3相同的陶瓷构成。

质量负载构件6的平面形状如图1(b)以及图3所示，具有大致H字状的形状。即，形成质量负载构件6，以使其具有比通过粘合材料5进行粘合的部分大的面积。由此，能够在振动板主体部3g中负载更大的质量。

质量负载构件6具有大致H字状的形状，其不仅占据了位于上述振动板主体部3g的上方的部分，还在支撑构件2的矩形框状的开口内占据了除了设置有上述弯曲部3a、3b的部分之外的区域的几乎全部。即，形成质量负载构件6，以使其到达上述弯曲部3a、3b的侧方。通过使用这样的大面积的质量负载构件6，能够在振动板主体部3g上负载大的质量。

不过，质量负载构件6的平面形状不局限于此，可以仅在位于振动板主体部3g的上方的部分中设置质量负载构件6，另外，还可以将质量负载构件6设置为：仅位于振动板主体部3g的上方和其宽度方向两侧。

本实施方式的压电发电装置1固定在加入振动或变形的部分。此固定通过将支撑构件2的外表面的任意的部分固定到设置部分来实施。若从设置部分加入振动或变形亦或加速度，则由弯曲部3a、3b支撑的振动板主体部3g以及压电元件4如图1(a)的箭头所示进行振动。即，沿图1(a)的上下方向进行振动。另外，由于在振动板主体部3g上搭载有质量负载构件6，故得到更大的振幅。因此，通过上述振动，基于压电效应，就从电极4b、4c中取出更大的功率。

然而，由于由上述振动板主体部3g以及压电元件4构成的振动体是以两端来进行支撑的，此外，经由第一、第二弯曲部3a、3b来进行支撑，故难以受到由设置状况造成的影响。即，通过作为上述弹力支撑构造的弯曲部3a、3b来缓和由固定有支撑构件2的设置部分造成的影响，故由设置状况造成的影响难以波及振动部分。因此，包含振动板主体部3g以及压电元件4的振动部分的谐振频率难以根据设置状况而进行波动。因此，能够提供发电效率的波动少的压电发电装置1。

特别是第一、第二弯曲部3a、3b夹着压电元件4对称地进行配置，故谐振频率的波动更难发生。不过，第一、第二弯曲部3a、3b也可以非对称地进行配置。

接下来，说明上述压电发电装置1的制造方法的一例。

在上述压电发电装置1的制造时，如上所述，通过利用一体焙烧技术，能够提高制造效率，降低成本。更具体地，通过一体焙烧技术能够得到由一体焙烧技术将支撑构件2、振动板3、以及压电元件4多个连结起来的母体的构造。在得到这样的母体的构造后，在各个压电元件4的支撑构件2的矩形的开口部，如图5的立体图所示，分别经由粘合材料来粘合质量负载构件6。这样，能够得到图5所示的母体的压电元件集合体11。按照将此母体的压电元件集合体11分割成各个压电元件4的方式，沿厚度方向切断母体的构造。这样，能够得到通过一体焙烧技术使母体的振动板、多个压电元件、和多个支撑构件一体化的母体的构造，并通过在后面工序中进行切断来得到多个压电发电装置1，故能够实现制造效率的提高以及成本的下降。

此外，虽然利用一体焙烧技术来形成支撑构件2以及振动板3以及压电元件4，但构成它们的陶瓷材料没有必要必须相同。即，构成支撑构件2的陶瓷、构成振动板3的陶瓷、以及构成压电元件4的压电板4a的陶瓷没有必要相同。最好按照各自的要求特性来使用合适的陶瓷材料。例如，支撑构件2优选使用诸如三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)等机械强度和电绝缘性好的陶瓷来形成。关于振动板3，虽在一定程度上较薄，但具有足够的机械强度，优选使用例如三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)等能够实现弯曲部3a、3b的弹力支撑构造的、粘性好的陶瓷。

作为构成压电板4a的陶瓷，除了上述的锆钛酸铅类压电陶瓷以外，优选使用压电性好的合适的压电陶瓷。另外，关于构成上述第一、第二电极4b、4c的材料，不受特别限制，能够使用含有铝(Al)、铜(Cu)、铂(Pt)、银-钯(Ag-Pd)合金等合适的金属的导电膏。

不过，当由相同的陶瓷材料构成振动板3以及支撑构件2时，优选能够通过一体焙烧技术使两者更强固地一体化。

另外，在本发明中，具有经由第一、第二弯曲部以两端来支撑与上述压电元件4相贴的振动板主体部3g的特征，故可以在分别形成振动板3和压电元件4后，使用适当的粘合剂来进行相贴。同样，关于支撑构件2和振动板3，也可以在预先所形成的支撑构件2中，使用适当的粘合剂来固定振动板3。

因此，支撑构件2以及振动板3可以由陶瓷以外的材料形成。例如，支撑构件2可以由合成树脂或金属形成，而振动板3也可以由金属或合成树脂形成。

Claims

1.一种压电发电装置，包括：

压电元件，其具有：具有相互对置的第一主面和第二主面的压电陶瓷体、以及分别形成在压电陶瓷体的第一主面、第二主面上的第一电极、第二电极；和

振动板，其从第一主面侧或者第二主面侧层叠有所述压电元件，

所述振动板包括：层叠有所述压电元件的振动板主体部；设置在该振动板主体部的一侧的第一弯曲部；以及与第一弯曲部一起夹着压电元件并设置在相反侧的第二弯曲部，

所述压电发电装置还包括支撑构件，该支撑构件在比所述振动板的设置有第一弯曲部、第二弯曲部的部分更靠外侧的部分支撑所述振动板，

在该压电发电装置中，以两端来支撑由所述压电元件以及所述振动板主体部构成的振动部分。

2.如权利要求1所述的压电发电装置，其中，

隔着所述压电元件对称地设置所述第一弯曲部和所述第二弯曲部。

3.如权利要求1或2所述的压电发电装置，其中，

所述振动板由陶瓷构成，并通过与所述压电元件一体焙烧而形成。

4.如权利要求3所述的压电发电装置，其中，

所述支撑构件由陶瓷构成，并通过与所述振动板一体焙烧而形成。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的压电发电装置，其中，

还包括安装在所述压电元件上的质量负载构件。

6.一种压电发电装置的制造方法，是权利要求1～5中任意一项所述的压电发电装置的制造方法，

该压电发电装置的制造方法包括：

准备将多个压电元件以及多个支撑构件与母体的振动板一体化而形成的构造的工序；和

切断所述构造来得到各个压电发电装置的工序。

7.如权利要求6所述的压电发电装置的制造方法，其中，

通过陶瓷一体焙烧技术来准备将所述母体的振动板、所述多个压电元件、和所述多个支撑构件一体化而形成的所述构造。