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。