CN103828219A

CN103828219A - 压电发电元件

Info

Publication number: CN103828219A
Application number: CN201280046441.4A
Authority: CN
Inventors: 龟田英太郎; 藤本克己; 西胁俊树; 北村诚; 藤野裕人
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JPWO2013069516A1; JP5958521B2; JP5692408B2; EP2750281A4; US20140252918A1; JP2015035953A; US9350273B2; CN103828219B; EP2750281B1; EP2750281A1; WO2013069516A1

Abstract

本发明提供小型的压电发电元件。压电发电元件1具备：压电元件10，其具有位于第一方向x的一侧x1的第一面10a、和位于第一方向x的另一侧x2并与第一面10a对置的第二面10b；限位器20；以及杆30。限位器20具有与第一面10a抵接的第一抵接面21a。杆30具有包括与第二面10b抵接的第二抵接面31a的抵接部31、和配置在比第二面10b靠近一侧x1的位移部32。杆30被设置成能够以沿第二方向y延伸的旋转轴为中心相对于限位器20相对旋转。杆30被设置成在位移部32以旋转轴为中心相对于限位器20相对旋转时第二抵接面31a按压第二面10b。

Description

压电发电元件

技术领域

本发明涉及具备压电元件的压电发电元件。

背景技术

以往，作为小型的发电元件，已知有具备压电元件的压电发电元件（例如参照专利文献1）。压电发电元件由压电元件、和在施加了振动等的外力时对压电元件施加应力的部件构成，因此能够使构造简化，从而能够实现小型化。因此，例如期待应用于安装于轮胎的内部的轮胎气压监控系统（Tire Pressure Monitoring System：TPMS）用无线机的电源等的广泛的用途。

专利文献1：日本特开2008-54450号公报

近年来，由于在电子设备、家具、建筑物的门等的各种部件安装压电发电元件，所以压电发电元件进一步小型化的要求增大。

发明内容

本发明以提供小型的压电发电元件为主要目的。

本发明的第一压电发电元件具备压电元件、限位器以及杆。压电元件具有第一面和第二面。第一面位于第一方向的一侧。第二面位于第一方向的另一侧。第二面与第一面对置。限位器具有第一抵接面。第一抵接面与第一面抵接。杆具有抵接部和位移部。抵接部包括第二抵接面。第二抵接面与第二面抵接。位移部配置在比第二面靠近第一方向的一侧。杆被配置为能够以沿相对于第一方向垂直的第二方向延伸的旋转轴为中心相对于限位器相对旋转。上述杆被设置成在位移部以旋转轴为中心相对于限位器相对旋转时第二抵接面按压第二面。

在本发明的压电发电元件的一特定的方面，杆被限位器支承为能够旋转。

在本发明的第一压电发电元件的另外的特定的方面，抵接部与旋转轴之间的最短距离比位移部与旋转轴之间的最短距离短。

在本发明的压电发电元件的其他的特定的方面，压电发电元件还具备施力部件。在杆相对于限位器相对旋转时，该施力部件向与旋转方向相反的方向对杆施力。

在本发明的第一压电发电元件的另一其他的特定的方面，施力部件对位移部施力。

在本发明的第一压电发电元件的又一另外的特定的方面，压电发电元件还具备驱动机构，该驱动机构使驱动杆以旋转轴为中心旋转多次。

本发明的第二压电发电元件具备压电体和应力施加部件。应力施加部件对压电体施加应力。本发明的第二压电发电元件还具备驱动机构。在压电发电元件被施加了外力时，该驱动机构以使应力施加部件对压电体多次施加应力的方式驱动应力施加部件。

根据本发明，能够提供小型的压电发电元件。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的压电发电元件的简要立体图。

图2是本发明的第一实施方式的压电发电元件的简要俯视图。

图3是本发明的第一实施方式的压电发电元件的简要侧视图。

图4是本发明的第一实施方式的压电发电元件的简要主视图。

图5是本发明的第二实施方式的压电发电元件的简要立体图。

图6是本发明的第二实施方式的压电发电元件的简要侧视图。

图7是本发明的第三实施方式的压电发电元件的简要侧视图。

图8是本发明的第三实施方式的压电发电元件的简要立体图。

图9是本发明的第三实施方式的压电发电元件的简要分解立体图。

图10是本发明的第三实施方式的变形例的压电发电元件的简要立体图。

图11是本发明的第三实施方式的变形例的压电发电元件的简要分解立体图。

具体实施方式

以下，对实施本发明的优选的方式的一个例子进行说明。其中，下述的实施方式只不过是例示。本发明不完全局限于下述的实施方式。

另外，在下述的实施方式等中参照的各附图中，对于实际具有相同的功能的部件用相同的附图标记进行参照。另外，下述的实施方式等中参照的各附图是示意地记载的附图，附图所描绘的物体的尺寸的比率等有时与现实的物体的尺寸的比率等不同。在附图相互间，也存在物体的尺寸比率等也不同的情况。具体的物体的尺寸比率等应参酌以下的说明进行判断。

（第一实施方式）

图1是本发明的第一实施方式的压电发电元件1的简要立体图。图2是本发明的第一实施方式的压电发电元件1的简要俯视图。图3是本发明的第一实施方式的压电发电元件1的简要侧视图。图4是本发明的第一实施方式的压电发电元件1的简要主视图。在图1～图4中，标注由x轴、与x轴正交的y轴、以及与x轴以及y轴正交的z轴构成的直角坐标系的x-y-z轴。此处，x轴方向为第一方向，y轴方向为第二方向，z轴方向为第三方向。

压电发电元件1具备压电元件10、限位器20、以及杆30。

压电元件10具有压电体和电极。压电体例如能够由锆钛酸铅（PZT）等构成。电极只要能够取出压电体中产生的电力，便也可以任意配置。电极例如也可以为一对以夹持压电体的方式配置。另外，一对电极各自也可以由多个电极构成。

在本实施方式中，压电元件10为柱状。更具体而言，压电元件10为四棱柱状。压电元件10具有第一面10a和第二面10b。第一面10a与第二面10b在x轴方向相互对置。第一面10a位于x轴方向的x1侧。第二面10b位于x轴方向的x2侧。此外，压电元件10也可以由层叠多个压电体层与多个内部电极而成的层叠型压电体构成。另外，压电元件10具有对置的两个面即可，也可以不为柱状，而为平板状等其他的形状。

限位器20具有抵接部21、支承部22、连接部23、以及轴24。抵接部21配置在第一面10a的x轴方向的x1侧。抵接部21具有第一抵接面21a。第一抵接面21a与第一面10a对置，并与第一面10a抵接。

支承部22配置在第二面10b的x轴方向的x2侧。支承部22利用连接部23与抵接部21连接。连接部23配置在压电元件10的z轴方向的z2侧。

在支承部22设置有沿y轴方向延伸的轴24。利用该轴24将杆30支承为能够以轴24为中心旋转。因此，杆30能够以沿相对于作为第一方向的x轴方向垂直的作为第二方向的y轴方向延伸的旋转轴为中心相对于限位器20相对旋转。

杆30具有抵接部31、位移部32、以及连接部33。抵接部31配置在第二面10b的x轴方向的x2侧。抵接部31在y轴方向配置在限位器20的内部。抵接部31具有第二抵接面31a。第二抵接面31a与第二面10b对置，并与第二面10b抵接。

位移部32配置在比第二面10b靠近x轴方向的x1侧。具体而言，在本实施方式中，位移部32配置在比第一面10a靠近x轴方向的x1侧。位移部32在y轴方向配置在限位器20的内部。位移部32的z轴方向的z1侧的端部位于比抵接部21的z轴方向的z1侧的端部靠近z1侧。因此，能够容易地对位移部32施加向z轴方向的z2侧的力。

位移部32通过连接部33与抵接部31连接。连接部33配置在压电元件10的z轴方向的z2侧。

在压电发电元件1中，若在操作者操作杆30、或压电发电元件1被施加了振动、外力等时，对杆30的位移部32施加向z轴方向的z2侧的力而杆30以旋转轴（轴24的中心轴）为中心相对于限位器20相对旋转，则随着该旋转，抵接部31的第二抵接面31a也以旋转轴为中心旋转。因此，抵接部31的第二抵接面31a朝向x轴方向的x1侧按压压电元件10的第二面10b。详细而言，第二抵接面31a朝向x轴方向的x1侧且z轴方向的z2侧按压第二面10b。因此，压电元件10被施加应力。其结果是，在压电元件10中，通过压电效果产生电力。

在压电发电元件1设置有施力部件40（参照图3）。在杆30以第二抵接面31a朝向x轴方向的x1侧按压第二面10b的方式相对于限位器20相对旋转时，施力部件40向与该杆30的旋转方向相反的方向对杆30详细而言对杆30的位移部32施力。因此，利用该施力部件40辅助旋转的杆30返回原来的位置。此外，施力部件40例如能够由弹簧等构成。

如以上说明那样，在压电发电元件1中，杆30的位移部32配置在比第二面10b靠近x轴方向的x1侧（第一面10a侧）。而且，杆30的连接部33配置在压电元件10的z轴方向的z2侧。因此，在压电发电元件1中，在x轴方向，杆30的至少一部分的位置与压电元件10的位置重叠。因此，在压电发电元件1中，能够减小x轴方向（第一方向）的尺寸。

另外，在压电发电元件1中，以抵接部31与旋转轴之间的最短距离比位移部32与旋转轴之间的最短距离短的方式设置有轴24。因此，根据该原理，第二抵接面31a对压电元件10的按压力增大。因此，能够实现压电发电元件1的进一步小型化、高发电效率化。

而且，在压电发电元件1中，利用限位器20将杆30支承为能够旋转。因此，不必将支承杆30的部件与限位器20分别设置。因此，能够实现压电发电元件1的进一步小型化。

在压电发电元件1中，由于设置有施力部件40，所以若对杆30的位移部32施加向z轴方向的z2侧的应力，则杆30能够多次摆动。另外，利用施力部件40缩短杆30复位至原来的位置所需要的时间。因此，能够实现压电发电元件1的发电量的增大。

特别是，在本实施方式中，由于施力部件40被配置成针对位于从旋转轴分离的位置的位移部32施力，所以进一步缩短杆30复位至原来的位置所需要的时间。因此，能够实现压电发电元件1的发电量的进一步增大。

以下，对本发明的优选的实施方式的其他的例子进行说明。在以下的说明中，对于与上述第一实施方式实际具有共通的功能的部件参照共通的附图标记，并省略说明。

（第二实施方式）

图5是本发明的第二实施方式的压电发电元件2的简要立体图。图6是本发明的第二实施方式的压电发电元件2的简要侧视图。

本发明的第二实施方式的压电发电元件2在具有作为驱动机构的滑动部件50的方面，与第一实施方式的压电发电元件1不同。滑动部件50在将沿作为第一方向的x轴方向的应力施加于压电发电元件2时，使杆30以旋转轴为中心旋转。

具体而言，滑动部件50被设置成能够相对于限位器20以及杆30在作为第一方向的x轴方向位移。滑动部件50相对于限位器20以及杆30被配置在z轴方向的z1侧。滑动部件50具有多个向z轴方向的z2侧突出的凸部50a。多个凸部50a被设置成与设置在位移部32的棒状部件32a在x轴方向重叠。棒状部件32a被设置成沿y轴方向延伸。多个凸部50a分别具有一对相对于x轴方向倾斜的倾斜面50a1、50a2。倾斜面50a1相对于x轴方向（滑动部件50的位移方向）的倾斜角、与倾斜面50a2相对于x轴方向的倾斜角可以相同，也可以不同。例如，倾斜面50a2相对于x轴方向的倾斜角也可以比倾斜角50a1相对于x轴方向的倾斜角大。

此外，在本实施方式中，倾斜面50a1、50a2分别可以为平面状，也可以为曲面状。例如，具有多个凸部50a的滑动部件50的轮廓的横截面形状也可以是例如正弦曲线等那样地具有至少一部分由曲线构成的波状的部分。

然而，在专利文献1所记载的压电发电元件中，在压电发电元件被施加一次外力时，对压电体仅施加一次应力。因此，为了得到多的发电量，需要使压电体大幅度变形。因此，由于施加于压电体的应力增大，所以压电体易破损。

与此相对地，在压电发电元件2中，设置有作为驱动机构的滑动部件50，在压电发电元件2被施加一次外力时，该滑动部件以作为应力施加部件的杆30对于压电元件10施加多次应力的方式驱动杆30。在压电发电元件2中，若对压电发电元件2施加沿x轴方向的振动、外力，则滑动部件50相对于限位器20以及杆30在x轴方向相对位移。此时，若多个凸部50a的至少一个在x轴方向横切棒状部件32a，则利用该凸部50a向z2侧按压棒状部件32a。通过滑动部件50在x轴方向位移的大小，多个凸部50a在x轴方向横切棒状部件32a，由此利用多个凸部50a向z2侧多次按压棒状部件32a。因此，在滑动部件50沿x轴方向位移一次的期间，多次操作杆30。于是，在压电发电元件2中，即使通过杆30旋转一次而施加于压电元件10的应力的大小较小，也通过利用滑动部件50使杆30旋转多次而对压电元件10多次施加应力，因此能够作为整体得到较大的发电量。因此，不必对压电元件10一次施加大的应力，便能够得到较大的发电量。特别是，在滑动部件50连接有由弹簧等构成的弹性部件51，因此在滑动部件50被施加应力时，滑动部件50在x轴方向位移的次数增多。因此，能够实现优秀的发电效率以及更大的发电量。

另外，在压电发电元件2中，不仅在施加沿z轴方向的振动、外力时产生电力，在施加沿x轴方向的振动、外力时也产生电力。

（第三实施方式）

图7是本发明的第三实施方式的压电发电元件3的简要侧视图。图8是本发明的第三实施方式的压电发电元件3的简要立体图。图9是本发明的第三实施方式的压电发电元件3的简要分解立体图。

在本发明的第三实施方式的压电发电元件3中，在限位器20直接连接有杆30。即，限位器20与杆30形成为一体。在压电发电元件3中，在位移部32设置有轴63。另一方面，在限位器20以能够旋转的方式安装有凸轮61。凸轮61俯视的情况下为非圆形。具体而言，凸轮61俯视下大致为多边形形状，更具体而言，大致为矩形形状。凸轮61的外周面与轴63的外周面抵接。在凸轮61的中央部以无法旋转的方式固定有轴62。在轴62的外周面设置有齿轮。在轴62的z轴方向的一侧，配置有作为驱动机构的滑动部件50。滑动部件50具有多个向z轴方向的一侧突出的凸部50a，并被设置成能够在x轴方向位移。多个凸部50a形成为与设置在轴62的外周面的齿轮啮合。

在压电发电元件3中，若滑动部件50沿x轴方向位移，则与轴62一并地凸轮61也旋转。此处，凸轮61的形状为非圆形，因此伴随着凸轮61的旋转轴63沿z轴方向摆动。与此相伴地，固定有轴63的杆30以位于限位器20与杆30之间的连接部分附近的旋转轴C为中心旋转，抵接部31的第二抵接面31a朝向x轴方向的x1侧按压压电元件10的第二面10b。因此，对压电元件10施加应力。其结果是，在压电元件10中，通过压电效果产生电力。

因此，在压电发电元件3中，在施加了沿x轴方向的直线的振动、外力的情况下，也产生电力。另外，若滑动部件50沿x轴方向位移一次，则杆30多次连续摆动，因此能够连续产生电力。

此外，在本实施方式中，对在滑动部件50设置多个凸部50a且在轴62的外周面设置齿轮的例子进行了说明，但这些都不是必须的。也可以利用滑动部件50与轴62之间产生的摩擦力使凸轮61旋转。

（第三实施方式的变形例）

图10是本发明的第三实施方式的变形例的压电发电元件4的简要立体图。图11是本发明的第三实施方式的变形例的压电发电元件4的简要分解立体图。

本变形例的压电发电元件4在具有变速机构70的方面，与第三实施方式的压电发电元件3不同。变速机构70由多个齿轮构成，是使凸轮61的旋转速度相对于滑动部件50的位移速度即减速比变化的机构。由于设置有变速机构70，从而能够调整施加于压电元件10的振动的频率等。

附图标记说明：1、2、3、4…压电发电元件；10…压电元件；10a…第一面；10b…第二面；20…限位器；21…抵接部；21a…第一抵接面；22…支承部；23…连接部；24…轴；30…杆；31…抵接部；31a…第二抵接面；32…位移部；32a…棒状部件；33…连接部；40…施力部件；50…滑动部件；50a…凸部；50a1、50a2…倾斜面；61…凸轮；62、63…轴；70…变速机构。

Claims

1.一种压电发电元件，其中，具备：

压电元件，其具有位于第一方向的一侧的第一面、和位于第一方向的另一侧并与所述第一面对置的第二面；

限位器，其具有与所述第一面抵接的第一抵接面；以及

杆，其具有包括与所述第二面抵接的第二抵接面的抵接部、和配置在比所述第二面靠近所述第一方向的一侧的位移部，所述杆被设置成能够以沿相对于所述第一方向垂直的第二方向延伸的旋转轴为中心相对于所述限位器相对旋转，

所述杆被设置成在所述位移部以所述旋转轴为中心相对于所述限位器相对旋转时所述第二抵接面按压所述第二面。

2.根据权利要求1所述的压电发电元件，其中，

所述杆被所述限位器支承为能够旋转。

3.根据权利要求1或2所述的压电发电元件，其中，

所述抵接部与所述旋转轴之间的最短距离比所述位移部与所述旋转轴之间的最短距离短。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的压电发电元件，其中，

还具备施力部件，在所述杆相对于所述限位器相对旋转时，所述施力部件向与所述旋转方向相反的方向对所述杆施力。

5.根据权利要求4所述的压电发电元件，其中，

所述施力部件对所述位移部施力。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的压电发电元件，其中，

还具备驱动机构，所述驱动机构使所述杆以所述旋转轴为中心旋转多次。

7.一种压电发电元件，具备压电体和对所述压电体施加应力的应力施加部件，其中，

所述压电发电元件具备驱动机构，在所述压电发电元件被施加了外力时，所述驱动部以使所述应力施加部件对所述压电体多次施加应力的方式驱动所述应力施加部件。