CN102144355A

CN102144355A - 压电发电装置

Info

Publication number: CN102144355A
Application number: CN2009801350940A
Authority: CN
Inventors: 藤本克己
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: US8013497B2; JPWO2010029715A1; WO2010029715A1; EP2325997A4; US20110148256A1; JP5257454B2; EP2325997B1; EP2325997A1; CN102144355B

Abstract

本发明提供一种压电板难以产生裂纹、具有高耐久性的压电发电装置。压电发电装置(1)包括支承体(10)、压电元件(20)、以及偏置压缩应力施加构件(30)。压电元件(20)配置在支承体(10)上。压电元件(20)具有在厚度方向进行极化的压电板(21)、以及设置于压电板(21)的表面的第一及第二电极(22、23)。偏置压缩应力施加构件(30)在压电元件(20)的上侧由支承体(10)支承。偏置压缩应力施加构件(30)对压电元件(20)施加压电板(21)的厚度方向的偏置压缩应力，使得压电板(21)中的压缩应力大小因从外部施加的应力变化而变化。

Description

压电发电装置

技术领域

本发明涉及压电发电装置，详细而言，涉及安装于例如汽车或自行车的轮胎等、通过施加加速度或形变进行振动的利用压电效应发电的压电发电装置。

背景技术

以往，已知有通过施加加速度或形变等进行振动的利用压电效应发电的压电发电装置。在利用这些压电发电装置作为电源的情况下，无需电池等其他电源。因而，作为用于施加振动或形变用途的各种传感器的电源等，适用上述压电发电装置。

下述专利文献1中揭示了上述压电发电装置的一个示例。图9是表示专利文件1中记载的压电发电装置的立体图。如图9所示，压电发电装置100具有压电变换振动器101。压电变换振动器101具有金属板102、粘贴于金属板102的两个主面的压电板103、104。压电变换振动器101的底端部固定于静止板105。在压电变换振动器101的前端部安装有重物106。

在上述专利文献1中记载的压电发电装置100中，通过对压电发电装置100施加加速度或形变等，使得压电变换振动器101进行振动，利用压电效应进行发电。因此，若压电变换振动器101进行振动，则对各压电板103、104交替地施加压缩应力和拉伸应力。

专利文献1：日本专利特开平10-174462号公报

发明内容

然而，压电板一般具有对拉伸应力的刚性比对压缩应力的刚性要低的特征。因此，在对压电板103、104施加拉伸应力的压电发电装置100中，存在压电板103、104容易产生裂纹的问题。因而，压电板103、104容易在使用过程中发生损坏，压电发电装置100的耐久性较低。

本发明的目的在于提供一种压电板难以产生裂纹、具有高耐久性的压电发电装置。

本发明所涉及的压电发电装置包括支承体、压电元件、以及偏置压缩应力施加构件。压电元件配置在支承体上。压电元件具有在厚度方向进行极化的压电板、以及设置于压电板表面的第一及第二电极。偏置压缩应力施加构件在压电元件的上侧由支承体支承。偏置压缩应力施加构件对压电元件施加压电板厚度方向的偏置压缩应力，使得压电板中的压缩应力大小因从外部施加的应力变化而变化。

在本发明的一个特定情况下，支承体由弹性体构成。在该结构中，通过从外部施加应力，使支承体发生弹性变形，从而使偏置压缩应力施加构件对压电元件施加的偏置压缩应力的大小发生变化。因此，外部应力的变化可有效地传送到压电元件。因而，能提高发电效率。

在本发明的另一特定情况下，偏置压缩应力施加构件由弹簧构成。

在本发明的又一特定情况下，偏置压缩应力施加构件由板簧构成，板簧在沿板簧面方向的第一方向上的两端部由支承体支承。该结构在外部应力的大小仅在第一方向发生变化的情况下特别有效。

在本发明的又一特定情况下，板簧在沿板簧面方向的第二方向上的两端部进一步由支承体支承。该结构在外部应力的大小在第一及第二方向都发生变化的情况下特别有效。

在本发明的又一特定情况下，支承体由弹性体构成，该支承体具有支承压电元件的支承部、和分别从支承部沿第二方向的两端部朝压电元件的相反侧延伸的腿部，该腿部固定于安装有压电发电装置的被安装构件上。根据该结构，可吸收因腿部的弹性变形而引起的第二方向上被安装构件的变形。因此，只有第一方向上被安装构件的变形被传送到基底部11。因而，能提高压电板的压缩应力变化的各向异性。

在本发明的又一特定情况下，第二方向与第一方向垂直。

在本发明的又一特定情况下，压电发电装置包括具有弹性板的单层压电型的压电振动器，该弹性板具有对置的第一及第二主面，且仅在第一主面粘贴有压电元件，支承体支承压电振动器周缘部的弹性板侧，将压电振动器的中央部与支承体隔开。根据该结构，能使对压电板施加的压缩应力的大小发生更大的变化。因而，能提高发电效率。

在本发明的又一特定情况下，偏置压缩应力施加构件对压电振动器的比由支承体支承的部分更靠近中央的部分施加偏置压缩应力。

在本发明的又一特定情况下，压电板的平面形状是圆形。根据该结构，由于能提高压电元件的振动效率，因此，能得到高发电效率。

在本发明的又一特定情况下，弹性板的平面形状是圆形。根据该结构，由于能进一步提高压电元件的振动效率，因此，能得到更高的发电效率。

在本发明的又一特定情况下，压电发电装置还包括配置在支承体与压电元件之间、压电元件与偏置压缩应力施加构件之间的至少一方的缓冲构件。根据该结构，由于可抑制对压电元件施加较大的应力，因此，可抑制压电元件发生损伤。

根据本发明所涉及的压电发电装置，由于通过偏置压缩应力施加构件对压电元件施加压电板厚度方向的偏置压缩应力，使得压电板中的压缩应力大小因从外部施加的应力变化而变化，因此，可抑制压电板中产生拉伸应力，因而，能实现压电板难以产生裂纹、具有高耐久性的压电发电装置。

附图说明

图1是从斜侧面观察实施方式1所涉及的压电发电装置时的简要立体图。

图2是利用图1所示的切开线Ⅱ-Ⅱ切开后的压电发电装置的简要剖视图。

图3是从斜侧面观察实施方式2所涉及的压电发电装置时的简要立体图。

图4是实施方式2所涉及的压电发电装置的简要侧视图。

图5是从斜侧面观察实施方式3所涉及的压电发电装置时的简要立体图。

图6是利用图5所示的切开线Ⅵ-Ⅵ切开后的压电发电装置的简要剖视图。

图7是实施方式4所涉及的压电发电装置的剖视图。

图8是实施方式4中的压电元件的立体图。

图9是表示专利文件1中记载的压电发电装置的立体图。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的具体实施方式，由此阐明本发明。

(实施方式1)

在本实施方式中，说明在对压电发电装置施加的外部应力的大小仅在预定的一个方向(图1中的长度方向Y)变化的情况下所适用的压电发电装置的示例。具体而言，本实施方式的压电发电装置例如将后述基底部11的Z1侧的表面安装于轮胎的内表面，用作为轮胎的气压检测传感器的电源等。

图1是从斜侧面观察实施方式1所涉及的压电发电装置时的简要立体图。图2是利用图1所示的切开线Ⅱ-Ⅱ切开后的压电发电装置的简要剖视图。如图1及图2所示，压电发电装置1包括支承体10、压电元件20、作为偏置压缩应力施加构件的板簧30、第一及第二缓冲构件41、42。

压电元件20具有压电板21。压电板21只要是能产生压电效应的构件即可，无特别限定。压电板21例如也可以是由锆钛酸铅类压电陶瓷形成的构件。

压电板21在厚度方向Z上进行极化。如图2所示，在压电板21的第一及第二主面21a、21b上设置有第一及第二电极22、23。如图1所示，第一及第二电极22、23与第一及第二端子电极24、25相连接。由压电板21产生的电力从该第一及第二端子电极24、25导出。

第一及第二电极22、23以及第一及第二端子电极24、25例如可由Ag或Cu等适合的导电材料形成。例如，第一及第二电极22、23以及第一及第二端子电极24、25可通过Ag糊料等导电性金属糊料的涂布、烧接来形成。

压电元件20和板簧30由支承体10支承。在本实施方式中，支承体10由高韧性高刚性陶瓷、塑料、金属等弹性构件一体形成。另外，在利用高韧性高刚性陶瓷形成支承体10、利用导电性金属糊料形成第一及第二电极22、23的情况下，优选同时进行支承体10的烧成和导电性糊料的烧接。

支承体10包括作为支承部的基底部11、和第一及第二爪部12a、12b。基底部11配置在压电元件20的厚度方向Z的Z1侧。压电元件20由该基底部11支承。此外，基底部11兼具作为压电发电装置1的安装部的功能。即，如图2所示，压电发电装置1通过将该基底部11的Z1侧的表面固定于轮胎等被安装构件9而安装在被安装构件9上。

第一爪部12a与基底部11在长度方向Y的Y1侧的端部相连接。而第二爪部12b与基底部11在长度方向Y的Y2侧的端部相连接。第一及第二爪部12a、12b分别从基底部11朝厚度方向Z的Z2侧延伸。即，在厚度方向Z上，第一及第二爪部12a、12b分别从基底部11朝压电元件20侧延伸。

第一及第二爪部12a、12b分别包括连接部14a、14b和卡紧部13a、13b。卡紧部13a、13b通过连接部14a、14b与基底部11相连接。在卡紧部13a、13b设置有朝Z1侧突出的突出部15a、15b。通过该突出部15a、15b，支承板簧30沿作为第一方向的长度方向Y的两端部30a、30b的Z2侧。

如图2所示，板簧30在压电元件20的上侧Z2通过支承体10来支承。板簧30以在压电元件侧成为凸状的方式形成为弓状。通过该板簧30，对压电板21施加朝压电板21的厚度方向Z的支承体侧Z1的应力(偏置压缩应力)。由此，在未对压电发电装置1施加应力的状态下，成为对压电板21施加了压缩应力的状态。

详细而言，作为偏置压缩应力施加构件的板簧30像后述的那样，对压电元件20施加压电板21的厚度方向Z的偏置压缩应力，使得压电板21中的压缩应力大小因从外部对压电发电装置1施加的应力变化而变化。

另外，板簧30例如可由表面形成有金属膜的强韧性高刚性陶瓷、磷青铜、SUS(Stainless Used Steel：不锈钢)等金属形成。

在本实施方式中，在支承体10与压电元件20之间配置有第一缓冲构件41，并且，在压电元件20与板簧30之间配置有第二缓冲构件42。第一及第二缓冲构件41、42例如由PET片材、特氟纶(注册商标)片材、硅胶片材、聚酰亚胺片材等构成。

接下来，说明压电发电装置1的发电方式。如上所述，在未对压电发电装置1施加应力的状态下，通过板簧30对压电元件20施加压电板21的厚度方向Z的偏置压缩应力。若通过对压电发电装置1施加外部应力使图2所示的被安装构件9变形等，从而使支承体10的基底部11变形，则板簧30的作用力发生变化，压电板21中的压缩应力大小发生变化。

具体而言，当发生了基底部11在长度方向Y上的两端部相对于中央部向Z2侧相对位移的变形时，伴随着基底部11的变形，第一及第二爪部12a、12b向Z2侧相对地位移。由此，板簧30的两端部30a、30b也向Z2侧相对地位移，从而板簧30的作用力变小。其结果是，压电板21中的压缩应力变小。

另外，由于压电元件20被板簧30和支承体10夹持，因此，即使在板簧30的作用力成为零的情况下，实质上也不会对压电板21施加拉伸应力。

另一方面，当发生了基底部11在长度方向Y上的两端部相对于中央部向Z1侧相对位移的变形时，伴随着基底部11的变形，第一及第二爪部12a、12b向Z1侧相对地位移。由此，板簧30的两端部30a、30b也向Z1侧相对地位移，从而板簧30的作用力变大。其结果是，压电板21中的压缩应力变大。

这样，伴随着板簧30的作用力的变化，压电板21中的压缩应力大小发生变化。由此，利用压电效应产生电力。

如上所述，在本实施方式中，由于通过板簧30对压电板21施加偏置压缩应力，因此，可抑制对抗拉伸应力较弱的压电板21施加拉伸应力。因而，能有效地抑制压电板21产生裂纹。其结果是，能实现高耐久性。从实现更高耐久性的观点来看，优选将板簧30安装于支承体10，从而通过板簧30始终对压电板21施加应力。

在本实施方式中，支承体10由弹性体构成。所以，由于被安装构件9的振动、变形通过支承体10有效地传送到压电元件20，因此，能使对压电板21施加的压缩应力的大小发生更大的变化。因而，能提高发电效率。

此外，在本实施方式中，在支承体10与压电元件20之间、以及压电元件20与板簧30之间分别配置缓冲构件41、42。因此，由于可抑制对压电元件20施加较大的应力，因此，可有效地抑制压电元件20发生损伤。

另外，在本实施方式中，说明了第一电极22设置于第一主面21a、第二电极23设置于第二主面21b的示例。但是，在本发明中，第一及第二电极22、23的配置只要是可导出压电板21的电力的位置即可，无特别限定。例如，也可以将第一及第二电极22、23两者都设置于第一及第二主面21a、21b中的一个主面。在该情况下，优选在第一及第二主面21a、21b中未设置有第一及第二电极22、23侧的主面，进一步设置相对电极。

在本实施方式中，说明了使用板簧作为偏置压缩应力施加构件的示例。但是，在本发明中，偏置压缩应力施加构件只要是能对压电板施加应力的构件即可，无特别限定，例如，也可以由压缩螺旋弹簧等板簧以外的弹簧、或者橡胶等弹簧以外的弹性体构成。

在本实施方式中，虽然说明了支承体由弹性构件构成的示例，但是，支承体也可以由刚体构成。在该情况下，也与上述实施方式同样，可抑制对压电板施加拉伸应力。但是，在该情况下，由于难以通过支承体对压电板21施加应力，因此，优选对偏置压缩应力施加构件附加重物等。

下面，详细说明本发明的优选方式的不同示例。另外，在下面的说明中，用通用的标号来参照与上述实施方式1实质上具有共同功能的构件，并省略说明。

(实施方式2)

在本实施方式中，说明在对压电发电装置施加的外部应力的大小在长度方向Y和宽度方向X都变化的情况下所适用的压电发电装置的示例。具体而言，本实施方式的压电发电装置例如将后述基底部11的Z1侧的表面安装在鞋底的鞋跟部分、鞋尖部分等，用作为与锂电池等主电源一起使用的便携式电话备用电源等。

图3是从斜侧面观察实施方式2所涉及的压电发电装置时的简要立体图。图4是实施方式2所涉及的压电发电装置的简要侧视图。在本实施方式中，板簧30在长度方向Y上的两端部、和在与长度方向Y垂直的宽度方向X上的两端部都由支承体10支承。具体而言，支承体10除具有第一及第二爪部12a、12b之外，还具有第三及第四爪部12c、12d。

第三爪部12c与基底部11在宽度方向X的X1侧的端部相连接。另一方面，第四爪部12d与基底部11在宽度方向X的X2侧的端部相连接。第三及第四爪部12c、12d分别从基底部11朝厚度方向Z的Z2侧延伸。即，在厚度方向Z上，第三及第四爪部12c、12d分别从基底部11朝压电元件20侧延伸。

第三及第四爪部12c、12d分别包括连接部14c、14d和卡紧部13c、13d。卡紧部13c、13d通过连接部14c、14d与基底部11相连接。在卡紧部13c、13d设置有朝Z1侧突出的突出部15c、15d。通过该突出部15c、15d，支承板簧30沿作为第二方向的宽度方向X的两端部30c、30d的Z2侧。

这样，在本实施方式中，由于板簧30在长度方向Y上的两端部、和在宽度方向X上的两端部都通过支承体10支承，因此，能将长度方向Y上基底部11的变形和宽度方向X上基底部11的变形都有效地传送到压电板21。从将长度方向Y上基底部11的变形和宽度方向X上基底部11的变形都更有效地传送到压电板21的观点来看，优选使第一及第二电极22、23以及压电板21的平面形状为圆形。

(实施方式3)

图5是从斜侧面观察实施方式3所涉及的压电发电装置时的简要立体图。图6是利用图5所示的切开线Ⅵ-Ⅵ切开后的压电发电装置的简要剖视图。

本实施方式所涉及的压电发电装置除了支承体的结构之外，具有与上述实施方式1所涉及的压电发电装置相同的结构。在本实施方式所涉及的压电发电装置中，支承体10除具有基底部11以及第一及第二爪部12a、12b之外，还具有多对腿部16a、16b。具体而言，如图5所示，多对腿部16a、16b分别从基底部11沿宽度方向X的两端部朝压电元件20的相反侧Z1延伸。腿部16a、16b固定于压电发电装置1的被安装构件。

这样，通过在基底部11沿宽度方向X的两端部设置腿部16a、16b，可吸收宽度方向X上被安装构件9的变形。因此，仅长度方向Y上被安装构件9的变形可传送到基底部11。因而，能提高压电板21的压缩应力变化的各向异性。

(实施方式4)

图7是实施方式4所涉及的压电发电装置的剖视图。图8是实施方式4中的压电元件的立体图。另外，在图7中，用实线表示的压电振动板8表示偏置压缩应力变小时的状态，虚线表示偏置压缩应力较大的初始状态。

如图7所示，支承体10包括基底部11。在基底部11形成有环状的支承突起部11a。通过该支承突起部11a，支承压电振动器8的周边部。

压电振动器8是仅在弹性板7的第一及第二主面7a、7b中的第一主面7a粘贴压电元件20的所谓单层压电型的压电振动器。弹性板7由适合的弹性构件构成。弹性板7例如可由强韧性高刚性陶瓷或金属等构成。

压电振动器8配置成使得弹性板7朝向支承体10侧，压电振动器8的周缘部的弹性板7侧由支承突起部11a支承。因此，压电振动器8的中央部与支承体10隔开。

支承体10包括与上述基底部11相连接的环状的爪部12。爪部12由形成为筒状的连接部14、从连接部14朝内侧延伸的环状的卡紧部13构成。配置于压电振动器8的压电元件20侧的板簧30的周缘部的与压电元件20的相反侧，通过支承体10的卡紧部13卡紧。

在板簧30的大致中央部形成有朝压电振动器8侧延伸的突出部30e。通过该突出部30e，压电振动器8的比由支承体10支承的部分更靠近中央的部分被按压向支承体10侧。

在本实施方式的压电发电装置1a中，若对压电发电装置1a施加振动、应力，则因支承体10的变形、板簧30的自重，引起由板簧30对压电元件20施加的偏置压缩应力的大小发生变化。其结果是，压电板21中的压缩应力的大小发生变化，利用压电效应产生电力。

在本实施方式中，通过板簧30也可有效地抑制对压电板21施加拉伸应力。因而，能有效地抑制压电板21产生裂纹。其结果是，能实现高耐久性。

此外，在本实施方式中，由于在压电振动器8的中央部的上下形成空间，因此，能使压电振动器8进行较大的振动。因而，能实现高发电效率。

此外，在本实施方式中，使弹性板7、压电板21以及第一及第二电极22、23的平面形状为圆形。因而，可进一步提高压电振动器8的振动效率，能实现更高的发电效率。

标号说明

1、1a…压电发电装置

7…弹性板

7a…弹性板的第一主面

7a…弹性板的第二主面

8…压电振动器

9…被安装构件

10…支承体

11…基底部

11a…支承突起部

12…爪部

12a…第一爪部

12b…第二爪部

12c…第三爪部

12d…第四爪部

13、13a～13d…卡紧部

14、14a～14d…连接部

15a～15d…突出部

16a、16b…腿部

20…压电元件

21…压电板

21a…压电板的第一主面

21b…压电板的第二主面

22…第一电极

23…第二电极

24、25…端子电极

30…板簧

30a～30d…板簧的端部

30e…突出部

41…第一缓冲构件

42…第二缓冲构件

Claims

1.一种压电发电装置，其特征在于，包括：

支承体；

压电元件，该压电元件配置在所述支承体上，具有在厚度方向进行极化的压电板、以及设置于所述压电板表面的第一及第二电极；以及

偏置压缩应力施加构件，该偏置压缩应力施加构件在所述压电元件的上侧由所述支承体支承，对所述压电元件施加所述压电板的厚度方向的偏置压缩应力，使得所述压电板中的压缩应力大小因从外部施加的应力变化而变化。

2.如权利要求1所述的压电发电装置，其特征在于，

所述支承体由弹性体构成。

3.如权利要求1或2所述的压电发电装置，其特征在于，

所述偏置压缩应力施加构件由弹簧构成。

4.如权利要求3所述的压电发电装置，其特征在于，

所述偏置压缩应力施加构件由板簧构成，所述板簧在沿所述板簧面方向的第一方向上的两端部由所述支承体支承。

5.如权利要求4所述的压电发电装置，其特征在于，

所述板簧在沿所述板簧面方向的第二方向上的两端部进一步由所述支承体支承。

6.如权利要求4所述的压电发电装置，其特征在于，

所述支承体由弹性体构成，并具有支承所述压电元件的支承部、和分别从所述支承部沿第二方向的两端部朝所述压电元件的相反侧延伸的腿部，该腿部固定于安装有所述压电发电装置的被安装构件上。

7.如权利要求5或6所述的压电发电装置，其特征在于，

所述第二方向与所述第一方向垂直。

8.如权利要求1至7的任一项所述的压电发电装置，其特征在于，

包括具有弹性板的单层压电型的压电振动器，该弹性板具有对置的第一及第二主面，且仅在所述第一主面粘贴有所述压电元件，

所述支承体支承所述压电振动器的周缘部的所述弹性板侧，使得所述压电振动器的中央部与所述支承体隔开。

9.如权利要求8所述的压电发电装置，其特征在于，

所述偏置压缩应力施加构件对所述压电振动器的比由所述支承体支承的部分更靠近中央的部分施加所述偏置压缩应力。

10.如权利要求8或9所述的压电发电装置，其特征在于，

所述压电板的平面形状是圆形。

11.如权利要求10所述的压电发电装置，其特征在于，

所述弹性板的平面形状是圆形。

12.如权利要求1至11的任一项所述的压电发电装置，其特征在于，

还包括配置在所述支承体与所述压电元件之间、所述压电元件与所述偏置压缩应力施加构件之间的至少一方的缓冲构件。