用于自行车零件的压电传感器的制造方法
【专利说明】用于自行车零件的压电传感器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于并且要求20149月8日提交的在先的美国专利申请N0.14/479，379的优先权的权益，该在先的美国专利申请的整个内容通过参考被并入于此。
技术领域
[0003]本发明涉及一种压电材料、包括该压电材料的压电传感器、包括压电传感器的自行车零件、自行车曲柄轴、自行车曲柄臂、以及用于制造压电材料的方法。
【背景技术】
[0004]当机械力施加于其时产生电力的压电元件(piezoelement)是众所周知的。EP1978342公开了布置在自行车的曲柄组件中以检测施加于曲柄组件的力的压电元件的例子。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种压电材料、包括该压电材料的压电传感器、包括压电传感器的自行车零件、自行车曲柄轴、自行车曲柄臂、以及用于制造压电材料的方法。
[0006]本发明的一方面提供一种包括铁电颗粒和粘接树脂的压电材料。铁电颗粒相对于铁电颗粒和粘接树脂的总质量的比率为40质量百分数或更大和98质量百分数或更小。
[0007]在一些实现中，铁电颗粒相对于铁电颗粒和粘接树脂的总质量的比例为40mass%或更大以及90mass %或更小。
[0008]在一些实现中，铁电颗粒相对于铁电颗粒和粘接树脂的总质量的比率为80质量百分数或更小。
[0009]在一些实现中，铁电颗粒的平均颗粒直径为2 μ??或更大和10 μ??或更小。
[0010]在一些实现中，铁电颗粒通过烧结、然后粉碎所得的烧结物而形成。
[0011 ] 在一些实现中，压电材料具有20 μ m或更大和200 μ m或更小的厚度。
[0012]本发明的另一方面提供一种包括压电材料和耦合到压电材料的两个电极的压电传感器。
[0013]在一些实现中，所述两个电极包括耦合到压电材料的外表面的外电极和耦合到压电材料的内表面的内电极，以将压电材料夹在二者之间。
[0014]在一些实现中，内电极包括通过间隙彼此间隔开的多个内子电极。
[0015]在一些实现中，外电极包括通过间隙彼此间隔开的多个外子电极。
[0016]根据某些实施例的压电传感器包括如上所述的压电材料和耦合到压电材料的外表面的一个或多个输出电极。
[0017]在一些实现中，一个或多个输出电极包括通过间隙彼此间隔开的多个外子电极。
[0018]在一些实现中，压电材料包括用作对于将被感测的物品的耦合表面的内表面。
[0019]本发明的另一方面提供一种包括压电传感器的自行车零件。
[0020] 本发明的另一方面提供一种其上布置压电传感器的自行车曲柄轴。
[0021 ] 本发明的另一方面提供一种其上布置压电传感器的自行车踏板轴。
[0022]本发明的另一方面提供一种其上布置压电传感器的自行车曲柄臂。
[0023]本发明的另一方面提供一种包括具有发电特性的铁电膜的自行车零件。
[0024]在一些实现中，铁电膜包括铁电颗粒和粘接树脂的混合物。
[0025]在一些实现中，铁电膜中铁电颗粒相对于铁电颗粒和粘接树脂的总质量的比率为40质量百分数或更大和90质量百分数或更小。
[0026]在一些实现中，自行车零件包括形成在自行车零件的主体的表面上的绝缘膜、形成在绝缘膜上的第一电极、连接到第一电极的铁电膜、以及连接到铁电膜的第二电极。
[0027]在一些实现中，自行车零件包括:轴体；绝缘膜，其形成在轴体的表面上；多个输出电极，其彼此通过间隙相隔，并且围绕轴体布置在绝缘膜上；以及铁电膜，其连接到输出电极。输出电极中的相邻的输出电极之间的间隙被填充铁电膜。公共电极连接到铁电膜。
[0028]在一些实现中，轴体是从如下组中选出的:曲柄轴、曲柄臂、踏板轴、框架、把手、立管、轮毂轴、轮毂壳、辐条、座管和座轨。
[0029]在一些实现中，铁电膜包括基本上平行于轴体的内表面和外表面。输出电极与铁电膜的内表面紧密接触，公共电极与铁电膜的外表面紧密接触。
[0030]在一些实现中，第一电极被构造为将根据铁电膜产生的电能的输出信号输出到信号处理器。
[0031]在一些实现中，使用铁电膜产生的电力来操作信号处理器。
[0032]在一些实现中，信号处理器包括执行无线通信的无线单元。
[0033]本发明的一方面是电源，其包括根据权利要求1所述的压电材料，其被配置为当对所述压电材料施加机械力时产生电力，以及一个或多个电极，耦合到所述压电材料以输出所述电力。
[0034]本发明的另一方面是用于制造压电材料的方法。该方法包括:烧结包含铁电体的原始颗粒；粉碎在烧结中获得的烧结物以获得铁电颗粒；以及混合铁电颗粒和粘接树脂，以使得铁电颗粒相对于铁电颗粒和粘接树脂的总质量的比率为40质量百分数或更大和90质量百分数或更小。
[0035]在一些实现中，在粉碎中粉碎的铁电颗粒的平均颗粒直径为2 μπι或更大和10 μ m或更小。
[0036]在一些实现中，烧结的烧结温度为1100°C或更大和1200°C或更小。
[0037]根据结合附图进行的以下描述，本发明的其它方面和优点将变得清楚，附图以举例的方式例示本发明的原理。
【附图说明】
[0038]本发明连同其目的和优点可通过参照以下对目前优选的实施例的描述连同附图来最好地理解，其中:
[0039]图1是示出铁电颗粒的比率和输出电压的关系的曲线图；
[0040]图2是示出铁电颗粒的比率和粘接强度的关系的曲线图；
[0041]图3是包括压电传感器的自行车曲柄轴的示意图；
[0042]图4A是沿着图3中的线A-A截取的曲柄轴的截面图；
[0043]图4B和4C示出了根据修改示例的自行车曲柄轴的截面图；
[0044]图5是包括压电传感器的自行车曲柄臂的示意图；
[0045]图6A至6F是例示用于制造包括压电传感器的自行车曲柄轴的方法的示意图；
[0046]图7A是设有压电传感器的自行车踏板的平面图，图7B是该自行车踏板的部分剖面侧视图；和
[0047]图8A是压电传感器芯片的平面图，图8B是沿着线B_B截取的压电传感器芯片的截面图，图8C是压电传感器芯片的侧视图。
【具体实施方式】
[0048]【压电材料】
[0049]压电材料是在极化处理之前的情况下的构件。
[0050]压电材料包含包括铁电体(以下，称为铁电颗粒)和粘接树脂的颗粒。
[0051]铁电颗粒通过粉碎铁电烧结物而获得。
[0052]铁电体的例子包括例如锆钛酸铅、钛酸钡和钛酸锶。压电材料包含包括这些铁电体中的至少一个的铁电颗粒。具体地说，压电材料包含包括锆钛酸铅的铁电颗粒。
[0053]为了使压电材料的输出电压稳定，优选的是，铁电颗粒均匀地分散在铁电材料中。这是因为铁电颗粒的不均匀分散使输出电压的振幅增大，这是由力施加于压电材料的方式(施加于压电材料的力的方向和位置)的改变而导致的。
[0054]优选地，铁电颗粒的平均颗粒直径大于或等于2 μπι且小于或等于10 μ m。当铁电颗粒的平均颗粒直径小于2 μπι时，压电特性劣化。当铁电颗粒的平均颗粒直径大于10 μπι时，铁电颗粒和粘接树脂之间的粘接力减小。
[0055]平均颗粒直径为中间值大小D50。例如，对于沿着任何沿压电材料的截面延伸的线段存在的铁电颗粒，铁电颗粒的直径被测量为该颗粒沿着该线段的长度。
[0056]粘接树脂的例子包括环氧树脂、丙烯酸树脂、改性酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂和聚酰胺树脂。此外，还可以使用紫外线固化树脂或热固性树脂中的任何一个。
[0057]压电材料可以具有被预先确定为使得压电材料的物理强度、灵敏度和输出电压以令人满意的方式平衡的厚度。压电材料的优选厚度大于或等于20 μπι且小于或等于200 μπι。
[0058]压电材料可以粘接到或固定到工件以检测在工件中由外力产生的应变或应力。当压电材料的厚度小于20 μπι时，压电材料可能因从工件传送到压电材料的力而被撕裂。
[0059]优选的是，压电材料的厚度大得使使用压电材料的压电传感器的输出电压增大。然而，当压电材料太大时，以下问题发生。
[0060]当压电材料的厚度大于200 μπι时，压电材料的刚性变高。在这种情况下，重复地施加于压电材料的力可以在铁电颗粒和粘接树脂之间形成间隙，并且增加压电材料中的空隙的数量和体积。这可能降低压电材料的防潮性。因此，优选的是，压电材料的厚度为200 μ m或更小。
[0061]在压电材料中，优选的是，铁电颗粒相对于铁电颗粒和粘接树脂的总质量的比率(以下，称为“铁电颗粒的比率”)的下限值被选为40质量百分数或更大，更优选地，被选为60质量百分数或更大。优选的是，铁电颗粒的比率的上限值被选为98质量百分数或更小，更优选地，被选为90质量百分数或更小，进一步优选地，被选为80质量百分数或更小。铁电颗粒的比率