專利名稱：壓電產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及壓電產(chǎn)生裝置，它使用壓電陶瓷元件組成。
相關(guān)技術(shù)的說明作為機械能和電能之間的換能器，壓電材料具有一系列的應(yīng)用。大量的無機和有機材料為已知的具有壓電效應(yīng)的材料，以及現(xiàn)代實際使用的是壓電陶瓷，例如PZT(鋯鈦酸鉛)。壓電陶瓷元件是一種器件，它具有的壓電性能是對多晶體施加高電壓的直流電而引起的，從而產(chǎn)生殘余的極化。由于壓電陶瓷元件可以根據(jù)成分改變基本的壓電常數(shù)，壓電陶瓷元件具有廣泛的應(yīng)用。鋯鈦酸鉛陶瓷的壓電陶瓷元件特別具有成分比和添加劑的寬闊的選擇范圍，以及具有一系列的應(yīng)用。
圖7示出普通的壓電產(chǎn)生裝置。此壓電產(chǎn)生裝置是由丙烯酸或類似材料的襯底32與壓電陶瓷元件板31接合而成，以及襯底32的兩端用硬質(zhì)材料(如金屬)制造的夾頭33固定。隨后，一個鋼球35墜落在壓電陶瓷元件板31上，從而借助對壓電陶瓷元件板31的碰撞施加機械沖擊能，以及在包括襯底32的壓電陶瓷元件板31上激勵撓性振動，從而拾取電能。
盡管上述PZT壓電陶瓷元件預(yù)期在實際中使用，但產(chǎn)生的功率量很小。因此，壓電陶瓷元件缺乏實際使用仍是問題。由于襯底32和壓電陶瓷元件板31是不同的材料，在襯底32和壓電陶瓷元件板31的接合面上難以定位一個振動中心點(一個沒有膨脹和收縮的位置)。如果此中心出現(xiàn)在壓電陶瓷元件板31內(nèi)，由于產(chǎn)生對介質(zhì)極化的消除而使壓電產(chǎn)生的效率減少。
本發(fā)明的概要針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種壓電產(chǎn)生裝置，它具有優(yōu)異的壓電產(chǎn)生效率和簡化的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種壓電產(chǎn)生裝置，它具有優(yōu)異的壓電產(chǎn)生效率，它有可能顯著地改進具有單層結(jié)構(gòu)的壓電產(chǎn)生裝置的壓電產(chǎn)生效率，從而簡化這種壓電產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)，使其緊湊至可在多種用途中使用以及以低成本制造。
為實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種壓電產(chǎn)生裝置，該壓電產(chǎn)生裝置具有借助接合壓電陶瓷元件與金屬板形成的壓電陶瓷體，可以用施加碰撞載荷到上述壓電陶瓷元件和上述金屬板之一來產(chǎn)生電，其特征在于包括一種結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)上述金屬板的厚度使上述金屬板的撓曲量與上述壓電陶瓷元件的撓曲量平衡，以及在上述壓電陶瓷元件和上述金屬板的接合的條件下，把振動中心點設(shè)在位于上述壓電陶瓷元件和上述金屬板的接合界面上。壓電產(chǎn)生效率顯著地改進，壓電產(chǎn)生裝置具有優(yōu)異的壓電產(chǎn)生效率，可以獲得有效的小功率產(chǎn)生，以及使其緊湊和達到以低成本制造，因為部件的數(shù)目減少。
優(yōu)選地，壓電陶瓷體被襯墊材料支承。這樣，壓電陶瓷體的振動保持長時間，從而壓電產(chǎn)生效率獲得改進。
優(yōu)選地，所述的壓電產(chǎn)生裝置還具有保護板，該保護板連接至上述壓電陶瓷體的拍打表面上。這樣，壓電陶瓷裝置有效地被保護免遭壓電陶瓷體的碰撞載荷。
優(yōu)選地，壓電陶瓷元件是由鋯鈦酸鉛陶瓷材料制成的，鋯鈦酸鉛陶瓷材料被用作壓電陶瓷元件，這使得壓電產(chǎn)生裝置的應(yīng)用領(lǐng)域加寬以及裝置可有效地在實際中使用。
附圖的簡要說明
圖1的示意圖示出按照本發(fā)明的一個實施例的壓電產(chǎn)生裝置；圖2是相同的充電器裝置的電路圖；圖3的示意圖示出按照本發(fā)明的另一實施例使用一個壓電陶瓷板的壓電產(chǎn)生裝置；圖4的示意圖示出按照本發(fā)明的另一實施例的風(fēng)鈴形壓電產(chǎn)生裝置；
圖5的示意圖示出按照本發(fā)明的另一實施例的使用一個彈簧元件的壓電產(chǎn)生裝置；圖6的示意圖示出按照本發(fā)明的另一實施例的壓電產(chǎn)生裝置；以及圖7的示意圖示出普通的壓電產(chǎn)生裝置。
最佳實施例的詳細說明本發(fā)明將根據(jù)附圖中所示的實施例予以說明。
參見圖1，壓電陶瓷板1設(shè)置在圓筒形容器8的兩端側(cè)面，容器8堵塞住兩端，當(dāng)鋼球4拍打這些壓電陶瓷板1時，產(chǎn)生了電。襯墊板3使用粘接材料6粘接在容器8的一個側(cè)壁上，以及壓電陶瓷板1使用粘接材料6僅粘接在襯墊板3的中心，與上述相同，在容器8的另一側(cè)壁粘接壓電陶瓷板1，以及因而使兩個壓電陶瓷板1彼此面對面。在每個壓電陶瓷板1面對的表面的中心固定保護板2。在兩個壓電陶瓷板1之間設(shè)置一個管子7，以及鋼球4可以在管子7內(nèi)自由地滾動。
壓電陶瓷板1是通過接合兩個板形的壓電陶瓷元件1a和1b形成的，兩個板形的壓電陶瓷元件1a和1b具有一致的形狀(相同材料，相同形狀和相同厚度)以及陶瓷元件1a和1b彼此帶有相反的介電極化的極性。由于一致性形成的陶瓷元件1a和1b接合，圍繞作為中心點的(在此位置它不會膨脹和收縮)的接合表面產(chǎn)生撓曲振動。在此情況下，如果在一側(cè)的陶瓷元件1a膨脹，在另一側(cè)的陶瓷元件1b收縮，以及輸出電壓的極性是相同方向，以及在電產(chǎn)生結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷元件1a和1b是串聯(lián)的。
當(dāng)撓曲振動已產(chǎn)生，以接合面為中心，膨脹和收縮的兩種動作在一個壓電陶瓷元件上進行(1a或1b上)以及有效地實現(xiàn)產(chǎn)生電，而沒有取消極化。產(chǎn)生的電流作為電能通過導(dǎo)線9被拾取。
在此情況下，兩個壓電陶瓷元件1a和1b是分層的或?qū)盈B的，但每個壓電陶瓷元件1a或1b可以以分層或?qū)盈B的形式形成。在分層的結(jié)構(gòu)中，一組薄的壓電陶瓷板(在此情況下極化的極性是相同的)接合和分層，這樣形成一個壓電陶瓷元件1a或1b。這樣一來，因為是分層的結(jié)構(gòu)，如果壓電陶瓷板是用具有彈性性能的粘接劑接合的，例如，由缺乏強度材料制成的壓電陶瓷板基于粘接劑的彈性作用而變得易于彎曲，以及保持彎曲強度。此陶瓷板由于薄的厚度變得抗彎曲。壓電陶瓷板1的外形不受限制，可選擇圓形、橢圓形、三角形、四邊形、多邊形、或類似形狀。
襯墊板3可以用軟材料合成樹脂、橡膠或海綿制造。使用襯墊板3以及使用粘接劑5把壓電陶瓷板1固定在襯墊板3的中心的原因是為了防止壓電陶瓷板1的振動減少。當(dāng)壓電陶瓷板1振動時，支承壓電陶瓷板1的元件成為壓電陶瓷板1的振動的減少因素。為了消除此減少因素，壓電陶瓷板1應(yīng)根據(jù)情況更多地自由使用襯墊板3。
由于使用襯墊板3，壓電陶瓷板1的自然振動可保持長時間，產(chǎn)生效率獲得改進，襯墊元件還可以吸收施加在壓電陶瓷板1上的沖擊。保護板2是由金屬、合成樹脂或類似材料制成，它保護壓電陶瓷板1免遭鋼球4拍打。
如果壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在預(yù)定的運動條件的環(huán)境下，利用風(fēng)力、波浪或人力動作，鋼球4上、下滾動和拍打壓電陶瓷板1的左、右側(cè)面，從而由碰撞施加沖擊能。隨后在壓電陶瓷板1上激勵振動，陶瓷板1重復(fù)地膨脹和收縮，以及因此壓電陶瓷板1產(chǎn)生交流電。
在上述實施例中，由于鋼球4作為位于管子7內(nèi)的拍打器，拍打壓電陶瓷板1，材料和形狀不局限于鋼球，其它的柱形、蛋形或類似的結(jié)實的材料也可以使用。也不局限于管子7，只要元件與拍打器可以自由地移動，這種情況可以借助拍打器沿軌道移動實現(xiàn)。彈簧元件(安排成向上或向下)可以用于代替管子7。在這種構(gòu)成中，彈簧元件的一端固定，鋼球4可以配合在彈簧的另一端，因此鋼球借助彈簧元件的向左和向右搖擺而拍打壓電陶瓷板1的兩個側(cè)面。
圖2示出與上述的壓電產(chǎn)生裝置一起使用的充電器裝置的電路圖，此產(chǎn)生裝置用來充電。充電器裝置包括PZT1和PZT2作為兩個壓電陶瓷板1，整流二極管D1-D6，存儲電的電容器C，開關(guān)SW和發(fā)光二極管L1-L3。PZT1產(chǎn)生的電被二極管D1-D3全波整流，而PZT2產(chǎn)生的電是被二極管D4-D6全波整流。這些以全波形狀整流的電充入電容器C。隨后電容器C借助開關(guān)SW的操作放電以及接通發(fā)光二極管L1-L3。
圖3示出使用壓電陶瓷板1的壓電產(chǎn)生裝置的一個實施例。此壓電產(chǎn)生裝置具有圓筒形容器12，其兩端封堵，襯墊元件11設(shè)置在容器中心部分的上內(nèi)表面和下內(nèi)表面處，以及壓電陶瓷板1(1a和1b)被襯墊元件11支承，并嚙合在襯墊元件11的凹槽內(nèi)。保護板2固定在壓電陶瓷板1的兩個側(cè)面上。管子7設(shè)置在壓電陶瓷板1相應(yīng)的兩個側(cè)面，以及在管子7設(shè)置可自由活動的內(nèi)部鋼球4。襯墊元件11的材料與襯墊板3的材料相同，以及其它元件與上述相同。
如果壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在預(yù)定的運行條件的環(huán)境下，鋼球在管子7內(nèi)上、下滾動，以及交替地拍打壓電陶瓷板1，從而在壓電陶瓷板1上激勵振動，壓電陶瓷板1重復(fù)地膨脹和收縮，因此壓電陶瓷板1產(chǎn)生交流電電流。
圖4示出風(fēng)鈴形狀的壓電產(chǎn)生裝置的一個實施例。在此壓電產(chǎn)生裝置中，壓電陶瓷板1固定在杯形容器14內(nèi)周邊的兩個位置(也可能是3個或更多位置)，并彼此面對面。當(dāng)固定時，襯墊板3粘接在容器14的內(nèi)周邊，以及壓電陶瓷板1僅使用粘接劑5粘接在襯墊板3的中心。隨后，壓電陶瓷板1也安裝在容器14的面對的表面上。保護板2粘接在兩個壓電陶瓷板1的面對的表面的中心。
隨后，鋼球4用細索15懸掛在容器14內(nèi)，以及由鋼球4懸掛一個平板元件16。每個元件的材料如同上述。如果壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在有風(fēng)的環(huán)境下，鋼球搖擺和拍打壓電陶瓷板1，以及因而壓電陶瓷板1產(chǎn)生交流電。
圖5示出使用彈簧元件的壓電產(chǎn)生裝置的一個實施例。在此壓電產(chǎn)生裝置中，鋼球4是使用彈簧元件18懸掛的。一個襯墊板3設(shè)置在它的下面，壓電陶瓷板1僅使用粘接劑5固定在襯墊板3的中心，以及保護板2固定在壓電陶瓷板1的中心。每個元件的材料如同上述。如果壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在預(yù)定的運動條件的環(huán)境下，鋼球4借助彈簧元件18的膨脹和收縮運動重復(fù)地拍打壓電陶瓷板1，以及因而壓電陶瓷板1被振動激勵，從而產(chǎn)生電。
另外，壓電產(chǎn)生裝置可以用風(fēng)扇形狀實現(xiàn)。在這個風(fēng)扇形壓電產(chǎn)生裝置中，壓電陶瓷板1使用襯墊板3和粘接劑5如上所述固定在徑向形成表面上。隨后，風(fēng)扇利用例如風(fēng)力轉(zhuǎn)動，以及轉(zhuǎn)動的壓電陶瓷板1被鋼球4一個接一個地拍打，鋼球4可活動地固定在這種彈簧元件的一端。可考慮有一系列不同于上述的壓電產(chǎn)生裝置。
因此，按照上述實施例的壓電產(chǎn)生裝置可以改進壓電產(chǎn)生效率，方法是借助形成帶有分層的板形壓電陶瓷元件，以及可以有效地作為充電器或者光發(fā)射裝置的電源。由于壓電產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟，壓電產(chǎn)生裝置期待實際的使用。例如，如果壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在自行車或靴子上，以及使接通發(fā)光二極管，它可以用作夜間存在的識別工具。如果壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在電池供電的手表或移動電話上，壓電產(chǎn)生裝置可用于代替電池，或可以用于測量電池的失效。再者，還期望壓電產(chǎn)生裝置可用作利用波浪的俯仰和滾動接通浮標。
圖6示出按照本發(fā)明的壓電產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)。壓電產(chǎn)生裝置具有金屬襯底20與壓電陶瓷器件板22連接，在此實施例中，壓電陶瓷器件板的兩端的每一端用軟元件23比如雙面粘接帶固定在襯墊元件21上。當(dāng)然，軟元件23和襯墊元件21也可以設(shè)置在金屬襯底20的側(cè)面以及壓電陶瓷器件板22的側(cè)面可以被鋼球24拍打。
金屬襯底20的設(shè)置使其撓曲量與壓電陶瓷元件22的撓曲量平衡，方法是調(diào)節(jié)金屬襯底的厚度，以及在壓電陶瓷元件22和金屬襯底20連接的情形下，振動的中心點L設(shè)成位于壓電陶瓷元件22和金屬襯底20的接合界面上。
因此，在此實施例中，由于鋼球撞擊一個金屬襯底20，施加碰撞產(chǎn)生的沖擊能至壓電陶瓷器件22，以及從而激勵撓曲振動至包括金屬襯底20的壓電陶瓷體A沒有使產(chǎn)生在壓電陶瓷器件22內(nèi)的振動被取消，因此，大多數(shù)撓曲振動集中在接合界面上，在這里存在振動的中心點L，可以作為電能引出。產(chǎn)生的電流作為電能通過導(dǎo)線29被拾取。
在此實施例中，保護板(圖中未示出)由比如金屬或合成樹脂制成，可以固定在其上，以便提高耐久性，如果鋼球24是拍打在壓電陶瓷體22上。
由于壓電陶瓷板1的外形不受限制，圓形、橢圓形、三角形、四邊形、多邊形或類似形狀可以選擇作為前視圖。
襯墊元件21可以由軟材料制造，比如合成樹脂、橡膠或海綿。使用這種襯墊元件21，可以防止減少壓電陶瓷體A的振動。當(dāng)壓電陶瓷體A振動時，支承壓電陶瓷體A的元件變成壓電陶瓷體A的振動減少的因素。為了消除減少振動的因素，優(yōu)選地，壓電陶瓷體A借助使用襯墊元件21而處于盡可能自由的條件。
借助使用襯墊元件21，由于壓電陶瓷體A的自然振動保持長的時間，壓電產(chǎn)生效率獲得改進。襯墊元件21還吸收施加在壓電陶瓷體A上的沖擊。
如果這種壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在利用風(fēng)力、波浪或人力動作的運動條件的環(huán)境下，碰撞產(chǎn)生的沖擊能施加在壓電陶瓷體A上。隨后在壓電陶瓷體上振動被激勵，壓電陶瓷體A反復(fù)地膨脹和收縮，以及因此壓電陶瓷體A產(chǎn)生交流電。
如果使用壓電產(chǎn)生裝置以及某人想要用產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的電充電，充電器裝置(圖中未示出)具有PZT作為壓電陶瓷元件22，必須數(shù)量的整流二極管，存儲電用的一個電容器，一開關(guān)，以及必須數(shù)量的發(fā)光二極管。PZT產(chǎn)生的電被二極管全波整流。以全波形狀整流的電進入電容器。隨后電容器借助開關(guān)的操作放電，以及接通發(fā)光二極管。
按照上述實施例的壓電產(chǎn)生裝置，由于壓電陶瓷元件22是單層的，這里不必擔(dān)心在壓電陶瓷元件中產(chǎn)生的振動被取消，以及大多數(shù)撓曲振動產(chǎn)生在圍繞振動中心點L的接合面上，它可以有效地作為電能被抽出，壓電產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)顯著地簡化，整個裝置可以緊湊，以及制造費用可以減少，因而實際應(yīng)用獲得發(fā)展。例如，如果這種壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在自行車或靴子上，以及接通發(fā)光二極管，它可以作為夜間存在的識別工具。如果壓電產(chǎn)生裝置設(shè)置在電池供電的手表或移動電話上，壓電產(chǎn)生裝置可用于代替電池，或可用于測量電池的失效。另外，還期望壓電產(chǎn)生裝置可用作利用波浪的俯仰和滾動接通浮標。再者，還可以設(shè)計連續(xù)充電的、直至達到預(yù)定的電壓，當(dāng)電壓達到預(yù)定的電壓值時，充電的電能在一個沖程中放電。
權(quán)利要求
1.一種壓電產(chǎn)生裝置，該壓電產(chǎn)生裝置具有借助接合壓電陶瓷元件(22)與金屬板(20)形成的壓電陶瓷體，可以用施加碰撞載荷到上述壓電陶瓷元件(22)和上述金屬板(20)之一來產(chǎn)生電，其特征在于包括一種結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)上述金屬板的厚度使上述金屬板(20)的撓曲量與上述壓電陶瓷元件(22)的撓曲量平衡，以及在上述壓電陶瓷元件(22)和上述金屬板(20)的接合的條件下，把振動中心點設(shè)在位于上述壓電陶瓷元件和上述金屬板的接合界面上。
2.按照權(quán)利要求1的壓電產(chǎn)生裝置，其特征在于上述壓電陶瓷體被襯墊元件(21)支承。
3.按照權(quán)利要求1的壓電產(chǎn)生裝置，其特征在于所述的壓電產(chǎn)生裝置還具有保護板，該保護板連接至上述壓電陶瓷體的拍打表面上。
4.按照權(quán)利要求1的壓電產(chǎn)生裝置，其特征在于上述壓電陶瓷元件是由鋯鈦酸鉛陶瓷材料制造的。
全文摘要
一種壓電產(chǎn)生裝置，該壓電產(chǎn)生裝置具有借助接合壓電陶瓷元件(22)與金屬板(20)形成的壓電陶瓷體，可以用施加碰撞載荷到上述壓電陶瓷元件(22)和上述金屬板(20)之一來產(chǎn)生電，其特征在于包括一種結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)上述金屬板的厚度使上述金屬板(20)的撓曲量與上述壓電陶瓷元件(22)的撓曲量平衡，以及在上述壓電陶瓷元件(22)和上述金屬板(20)的接合的條件下，把振動中心點設(shè)在位于上述壓電陶瓷元件和上述金屬板的接合界面上。
文檔編號H02N2/18GK1681140SQ200410011579
公開日2005年10月12日 申請日期2000年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月12日
發(fā)明者梅田干雄, 坂井康弘 申請人:Usc株式會社