专利名称：压电产生装置的制作方法
技术领域：
本发明的背景本发明的领域本发明涉及压电产生装置，它使用压电陶瓷元件组成。
相关技术的说明作为机械能和电能之间的换能器，压电材料具有一系列的应用。大量的无机和有机材料为已知的具有压电效应的材料，以及现代实际使用的是压电陶瓷，例如PZT(锆钛酸铅)。压电陶瓷元件是一种器件，它具有的压电性能是对多晶体施加高电压的直流电而引起的，从而产生残余的极化。由于压电陶瓷元件可以根据成分改变基本的压电常数，压电陶瓷元件具有广泛的应用。锆钛酸铅陶瓷的压电陶瓷元件特别具有成分比和添加剂的宽阔的选择范围，以及具有一系列的应用。
图7示出普通的压电产生装置。此压电产生装置是由丙烯酸或类似材料的衬底32与压电陶瓷元件板31接合而成，以及衬底32的两端用硬质材料(如金属)制造的夹头33固定。随后，一个钢球35坠落在压电陶瓷元件板31上，从而借助对压电陶瓷元件板31的碰撞施加机械冲击能，以及在包括衬底32的压电陶瓷元件板31上激励挠性振动，从而拾取电能。
尽管上述PZT压电陶瓷元件预期在实际中使用，但产生的功率量很小。因此，压电陶瓷元件缺乏实际使用仍是问题。由于衬底32和压电陶瓷元件板31是不同的材料，在衬底32和压电陶瓷元件板31的接合面上难以定位一个振动中心点(一个没有膨胀和收缩的位置)。如果此中心出现在压电陶瓷元件板31内，由于产生对介质极化的消除而使压电产生的效率减少。
本发明的概要针对上述问题，本发明的目的是提供一种压电产生装置，它具有优异的压电产生效率和简化的结构。
本发明的另一目的是提供一种压电产生装置，它具有优异的压电产生效率，它有可能显著地改进具有单层结构的压电产生装置的压电产生效率，从而简化这种压电产生装置的结构，使其紧凑至可在多种用途中使用以及以低成本制造。
为了解决这些技术问题，按照本发明的第一方面，提供一种压电产生装置，包括由两个板形压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，它们是分层的和以反极化彼此接合的，其中借助拍打压电陶瓷板的至少一个表面产生电。
在上述方面，由于这种结构是使用由两个板形压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，它们是分层的和彼此接合的，以及它是拍打以产生电，获取一种具有优异的压电产生效率和有效的小功率产生的压电产生装置的努力已经实现。
按照本发明的第二方面，提供一种压电产生装置，包括由两个板形压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，它们是分层的和以反极化彼此接合的，以及衬垫材料接合到压电陶瓷板的一个表面的中心，其中借助拍打压电陶瓷板的另一表面产生电。
按照本发明的第三方面，提供一种压电产生装置，包括由两个板形压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，它们是分层的和以反极化彼此接合的，以及衬垫材料，用于分别支承压电陶瓷板的两端，其中借助拍打压电陶瓷板的至少一个表面产生电。
按照本发明的第四方面，提供一种按照第二方面的压电产生装置，它具有两个压电陶瓷板，每个与衬垫材料接合，彼此面对面地排列，以及还具有在压电陶瓷板之间设置的硬拍打器，以及它在压电陶瓷板之间向前和向后移动，从而拍打每个压电陶瓷板。
按照本发明的第五方面，提供一种按照第三方面的压电产生装置，包括压电陶瓷板，被衬垫材料设置和支承，以及还具有硬拍打器，设置在压电陶瓷板的至少一个侧面，以及在压电陶瓷板的间隙内向前和向后移动，从而拍打压电陶瓷板。
在第二至第五方面，由于此结构是使用被衬垫材料支承的分层的压电陶瓷板，压电陶瓷板的振动可以保持长时间，从而使产生效率获得改进。
此外，按照本发明的第六方面，提供一种按照第一至第五方面中任一项的压电产生装置，在其中两个压电陶瓷元件制成相同的形状。在此方面，由于分层的压电陶瓷板是使用具有一致形状的压电陶瓷板制成的，压电陶瓷元件的膨胀和收缩是性能适应的，因此压电产生效率获得改进。
按照本发明的第七方面，提供一种按照第一至第六方面中任一项的压电产生装置，在其中压电陶瓷板具有保护板与拍打部分连接，以及借助拍打保护板产生电。在此方面，由于保护板与压电陶瓷板的拍打部分连接，压电陶瓷板有效地被保护免遭拍打。
按照本发明的第八方面，提供一种按照第一至第七方面中任一项的压电产生装置，在其中两个压电陶瓷元件中的每个是由一组压电陶瓷元件以分层的形式接合制成的。在此方面，由于每个压电陶瓷元件是以分层接合形状使用，压电陶瓷元件的强度可以有效地保持。
按照本发明的第九方面，提供一种按照第一至第八方面中任一项的压电产生装置，在其中使用锆钛酸铅陶瓷作为压电陶瓷元件。在此方面，由于使用锆钛酸铅陶瓷作为压电陶瓷元件，作为产生装置的应用领域在实际使用中变得广阔和有效。
按照本发明的第十方面，提供一种压电产生装置，包括借助接合压电陶瓷元件与金属板形成的压电陶瓷体，它可以用施加碰撞载荷到压电陶瓷元件或金属板上的方法产生电，它是一个技术前提，在这里结构使金属板的挠曲量与压电陶瓷元件的挠曲量平衡，方法是调节金属板的厚度，以及在压电陶瓷元件和金属板的接合的条件下，把振动中心点设在位于压电陶瓷元件和金属板的接合界面上。
在第十方面，由于结构使金属的挠曲量与压电陶瓷元件的挠曲量平衡，方法是调节金属板的厚度，以及在压电陶瓷元件和金属板的接合的条件把振动中心点设在位于压电陶瓷元件和金属板的接合界面上，压电产生效率显著地改进，压电产生装置具有优异的压电产生效率，可以获得有效的小功率产生，以及使其紧凑和达到以低成本制造，因为部件的数目减少。
按照本发明的第十一方面，提供一种按照第十方面的压电产生装置，在其中陶瓷体被衬垫元件支承。
在第十一方面，由于使用的结构中陶瓷体被衬垫材料支承，压电陶瓷体的振动保持长时间，从而压电产生效率获得改进。
按照本发明的第十二方面，提供一种按照第十或十一方面的压电产生装置，它还具有粘接在压电陶瓷体的拍打表面上的保护板，以及从而耐火性获得改进。
在第十二方面，由于保护板粘接在陶瓷体的拍打表面上，压电陶瓷装置有效地被保护免遭压电陶瓷体的碰撞载荷。
按照本发明的第十三方面，提供一种按照第十至第十一任何方面的压电产生装置，在其中压电陶瓷元件是由锆钛酸铅陶瓷材料制成的。
在第十三方面，锆钛酸铅陶瓷材料被用作压电陶瓷元件，产生装置的应用领域加宽以及装置可有效地在实际中使用。
附图的简要说明
图1的示意图示出按照本发明的一个实施例的压电产生装置；图2是相同的充电器装置的电路图；图3的示意图示出按照本发明的另一实施例使用一个压电陶瓷板的压电产生装置；图4的示意图示出按照本发明的另一实施例的风铃形压电产生装置；图5的示意图示出按照本发明的另一实施例的使用一个弹簧元件的压电产生装置；图6的示意图示出按照本发明的另一实施例的压电产生装置；以及图7的示意图示出普通的压电产生装置。
最佳实施例的详细说明本发明将根据附图中所示的实施例予以说明。
参见图1，压电陶瓷板1设置在圆筒形容器8的两端侧面，容器8堵塞住两端，当钢球4拍打这些压电陶瓷板1时，产生了电。衬垫板3使用粘接材料6粘接在容器8的一个侧壁上，以及压电陶瓷板1使用粘接材料6仅粘接在衬垫板3的中心，与上述相同，在容器8的另一侧壁粘接压电陶瓷板1，以及因而使两个压电陶瓷板1彼此面对面。在每个压电陶瓷板1面对的表面的中心固定保护板2。在两个压电陶瓷板1之间设置一个管子7，以及钢球4可以在管子7内自由地滚动。
压电陶瓷板1是通过接合两个板形的压电陶瓷元件1a和1b形成的，两个板形的压电陶瓷元件1a和1b具有一致的形状(相同材料，相同形状和相同厚度)以及陶瓷元件1a和1b彼此带有相反的介电极化的极性。由于一致性形成的陶瓷元件1a和1b接合，围绕作为中心点的(在此位置它不会膨胀和收缩)的接合表面产生挠曲振动。在此情况下，如果在一侧的陶瓷元件1a膨胀，在另一侧的陶瓷元件1b收缩，以及输出电压的极性是相同方向，以及在电产生结构中压电陶瓷元件1a和1b是串联的。
当挠曲振动已产生，以接合面为中心，膨胀和收缩的两种动作在一个压电陶瓷元件上进行(1a或1b上)以及有效地实现产生电，而没有取消极化。产生的电流作为电能通过导线9被拾取。
在此情况下，两个压电陶瓷元件1a和1b是分层的或层叠的，但每个压电陶瓷元件1a或1b可以以分层或层叠的形式形成。在分层的结构中，一组薄的压电陶瓷板(在此情况下极化的极性是相同的)接合和分层，这样形成一个压电陶瓷元件1a或1b。这样一来，因为是分层的结构，如果压电陶瓷板是用具有弹性性能的粘接剂接合的，例如，由缺乏强度材料制成的压电陶瓷板基于粘接剂的弹性作用而变得易于弯曲，以及保持弯曲强度。此陶瓷板由于薄的厚度变得抗弯曲。压电陶瓷板1的外形不受限制，可选择圆形、椭圆形、三角形、四边形、多边形、或类似形状。
衬垫板3可以用软材料合成树脂、橡胶或海绵制造。使用衬垫板3以及使用粘接剂5把压电陶瓷板1固定在衬垫板3的中心的原因是为了防止压电陶瓷板1的振动减少。当压电陶瓷板1振动时，支承压电陶瓷板1的元件成为压电陶瓷板1的振动的减少因素。为了消除此减少因素，压电陶瓷板1应根据情况更多地自由使用衬垫板3。
由于使用衬垫板3，压电陶瓷板1的自然振动可保持长时间，产生效率获得改进，衬垫元件还可以吸收施加在压电陶瓷板1上的冲击。保护板2是由金属、合成树脂或类似材料制成，它保护压电陶瓷板1免遭钢球4拍打。
如果压电产生装置设置在预定的运动条件的环境下，利用风力、波浪或人力动作，钢球4上、下滚动和拍打压电陶瓷板1的左、右侧面，从而由碰撞施加冲击能。随后在压电陶瓷板1上激励振动，陶瓷板1重复地膨胀和收缩，以及因此压电陶瓷板1产生交流电。
在上述实施例中，由于钢球4作为位于管子7内的拍打器，拍打压电陶瓷板1，材料和形状不局限于钢球，其它的柱形、蛋形或类似的结实的材料也可以使用。也不局限于管子7，只要元件与拍打器可以自由地移动，这种情况可以借助拍打器沿轨道移动实现。弹簧元件(安排成向上或向下)可以用于代替管子7。在这种构成中，弹簧元件的一端固定，钢球4可以配合在弹簧的另一端，因此钢球借助弹簧元件的向左和向右摇摆而拍打压电陶瓷板1的两个侧面。
图2示出与上述的压电产生装置一起使用的充电器装置的电路图，此产生装置用来充电。充电器装置包括PZT1和PZT2作为两个压电陶瓷板1，整流二极管D1-D6，存储电的电容器C，开关SW和发光二极管L1-L3。PZT1产生的电被二极管D1-D3全波整流，而PZT2产生的电是被二极管D4-D6全波整流。这些以全波形状整流的电充入电容器C。随后电容器C借助开关SW的操作放电以及接通发光二极管L1-L3。
图3示出使用压电陶瓷板1的压电产生装置的一个实施例。此压电产生装置具有圆筒形容器12，其两端封堵，衬垫元件11设置在容器中心部分的上内表面和下内表面处，以及压电陶瓷板1(1a和1b)被衬垫元件11支承，并啮合在衬垫元件11的凹槽内。保护板2固定在压电陶瓷板1的两个侧面上。管子7设置在压电陶瓷板1相应的两个侧面，以及在管子7设置可自由活动的内部钢球4。衬垫元件11的材料与衬垫板3的材料相同，以及其它元件与上述相同。
如果压电产生装置设置在预定的运行条件的环境下，钢球在管子7内上、下滚动，以及交替地拍打压电陶瓷板1，从而在压电陶瓷板1上激励振动，压电陶瓷板1重复地膨胀和收缩，因此压电陶瓷板1产生交流电电流。
图4示出风铃形状的压电产生装置的一个实施例。在此压电产生装置中，压电陶瓷板1固定在杯形容器14内周边的两个位置(也可能是3个或更多位置)，并彼此面对面。当固定时，衬垫板3粘接在容器14的内周边，以及压电陶瓷板1仅使用粘接剂5粘接在衬垫板3的中心。随后，压电陶瓷板1也安装在容器14的面对的表面上。保护板2粘接在两个压电陶瓷板1的面对的表面的中心。
随后，钢球4用细索15悬挂在容器14内，以及由钢球4悬挂一个平板元件16。每个元件的材料如同上述。如果压电产生装置设置在有风的环境下，钢球摇摆和拍打压电陶瓷板1，以及因而压电陶瓷板1产生交流电。
图5示出使用弹簧元件的压电产生装置的一个实施例。在此压电产生装置中，钢球4是使用弹簧元件18悬挂的。一个衬垫板3设置在它的下面，压电陶瓷板1仅使用粘接剂5固定在衬垫板3的中心，以及保护板2固定在压电陶瓷板1的中心。每个元件的材料如同上述。如果压电产生装置设置在预定的运动条件的环境下，钢球4借助弹簧元件18的膨胀和收缩运动重复地拍打压电陶瓷板1，以及因而压电陶瓷板1被振动激励，从而产生电。
另外，压电产生装置可以用风扇形状实现。在这个风扇形压电产生装置中，压电陶瓷板1使用衬垫板3和粘接剂5如上所述固定在径向形成表面上。随后，风扇利用例如风力转动，以及转动的压电陶瓷板1被钢球4一个接一个地拍打，钢球4可活动地固定在这种弹簧元件的一端。可考虑有一系列不同于上述的压电产生装置。
因此，按照上述实施例的压电产生装置可以改进压电产生效率，方法是借助形成带有分层的板形压电陶瓷元件，以及可以有效地作为充电器或者光发射装置的电源。由于压电产生装置结构简单和经济，压电产生装置期待实际的使用。例如，如果压电产生装置设置在自行车或靴子上，以及使接通发光二极管，它可以用作夜间存在的识别工具。如果压电产生装置设置在电池供电的手表或移动电话上，压电产生装置可用于代替电池，或可以用于测量电池的失效。再者，还期望压电产生装置可用作利用波浪的俯仰和滚动接通浮标。
图6示出按照本发明的压电产生装置的结构。压电产生装置具有金属衬底10与压电陶瓷器件板22连接，在此实施例中，压电陶瓷器件板的两端的每一端用软元件23比如双面粘接带固定在衬垫元件21上。当然，软元件23和衬垫元件11也可以设置在金属衬底20的侧面以及压电陶瓷器件板22的侧面可以被钢球24拍打。
金属衬底20的设置使其挠曲量与压电陶瓷元件12的挠曲量平衡，方法是调节金属衬底的厚度，以及在压电陶瓷元件22和金属衬底20连接的情形下，振动的中心点L设成位于压电陶瓷元件22和金属衬底20的接合界面上。
因此，在此实施例中，由于钢球撞击一个金属衬底20，施加碰撞产生的冲击能至压电陶瓷器件22，以及从而激励挠曲振动至包括金属衬底20的压电陶瓷体A没有使产生在压电陶瓷器件22内的振动被取消，因此，大多数挠曲振动集中在接合界面上，在这里存在振动的中心点L，可以作为电能引出。产生的电流作为电能通过导线29被拾取。
在此实施例中，保护板(图中未示出)由比如金属或合成树脂制成，可以固定在其上，以便提高耐久性，如果钢球24是拍打在压电陶瓷体22上。
由于压电陶瓷板1的外形不受限制，圆形、椭圆形、三角形、四边形、多边形或类似形状可以选择作为前视图。
衬垫元件21可以由软材料制造，比如合成树脂、橡胶或海绵。使用这种衬垫元件21，可以防止减少压电陶瓷体A的振动。当压电陶瓷体A振动时，支承压电陶瓷体A的元件变成压电陶瓷体A的振动减少的因素。为了消除减少振动的因素，优选地，压电陶瓷体A借助使用衬垫元件21而处于尽可能自由的条件。
借助使用衬垫元件21，由于压电陶瓷体A的自然振动保持长的时间，压电产生效率获得改进。衬垫元件21还吸收施加在压电陶瓷体A上的冲击。
如果这种压电产生装置设置在利用风力、波浪或人力动作的运动条件的环境下，碰撞产生的冲击能施加在压电陶瓷体A上。随后在压电陶瓷体上振动被激励，压电陶瓷体A反复地膨胀和收缩，以及因此压电陶瓷体A产生交流电。
如果使用压电产生装置以及某人想要用产生装置产生的电充电，充电器装置(图中未示出)具有PZT作为压电陶瓷元件22，必须数量的整流二极管，存储电用的一个电容器，一开关，以及必须数量的发光二极管。PZT产生的电被二极管全波整流。以全波形状整流的电进入电容器。随后电容器借助开关的操作放电，以及接通发光二极管。
按照上述实施例的压电产生装置，由于压电陶瓷元件22是单层的，这里不必担心在压电陶瓷元件中产生的振动被取消，以及大多数挠曲振动产生在围绕振动中心点L的接合面上，它可以有效地作为电能被抽出，压电产生装置的结构显著地简化，整个装置可以紧凑，以及制造费用可以减少，因而实际应用获得发展。例如，如果这种压电产生装置设置在自行车或靴子上，以及接通发光二极管，它可以作为夜间存在的识别工具。如果压电产生装置设置在电池供电的手表或移动电话上，压电产生装置可用于代替电池，或可用于测量电池的失效。另外，还期望压电产生装置可用作利用波浪的俯仰和滚动接通浮标。再者，还可以设计连续充电的、直至达到预定的电压，当电压达到预定的电压值时，充电的电能在一个冲程中放电。
权利要求
1.一种压电产生装置，包括由两个板形压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，这些陶瓷元件是分层的和以反极化彼此接合的，其中借助拍打上述压电陶瓷板的两个表面的至少一个表面产生电。
2.一种压电产生装置，包括由两个板形压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，它们是分层的和以反极化彼此接合的，以及衬垫元件连接至上述压电陶瓷板的一个表面的中心，其中借助拍打上述压电陶瓷板的另一表面产生电。
3.一种压电产生装置，包括由两个板形压电陶瓷元件形成的压电陶瓷板，它们是分层的和以反极化彼此接合的，以及衬垫材料用于分别地支承上述压电陶瓷板的两端，其中借助拍打上述压电陶瓷板的至少一个表面产生电。
4.一种按照权利要求2的压电产生装置，其特征在于包括两个上述压电陶瓷板，各与上述衬垫材料接合，彼此面对面地排列，以及还包括硬拍打器，设置在上述压电陶瓷板之间以及在上述压电陶瓷板之间往复运动，从而拍打每个上述压电陶瓷板。
5.一种按照权利要求3的压电产生装置，其特征在于包括上述压电陶瓷板，用上述衬垫材料支承和设置，它还包括硬拍打器，设置在上述压电陶瓷板的至少一个侧面上，以及相对于上述压电陶瓷板往复运动，从而拍打上述压电陶瓷板。
6.按照权利要求1的压电产生装置，其特征在于上述两个压电陶瓷板制成相同的形状。
7.按照权利要求1的压电产生装置，其特征在于上述压电陶瓷板具有保护板，连接至拍打部分，其中借助拍打上述保护板产生电。
8.按照权利要求1的压电产生装置，其特征在于上述两个压电陶瓷元件中的每个是由一组压电陶瓷元件以分层形式制成的。
9.按照权利要求1的压电产生装置，其特征在于使用锆钛酸铅陶瓷作为上述压电陶瓷元件。
10.一种压电产生装置，它具有借助接合压电陶瓷元件与金属板形成的压电陶瓷体，它可以用施加碰撞载荷到一个上述压电陶瓷元件或上述金属板上的方法产生电，其特征在于一种结构使上述金属板的挠曲量与上述压电陶瓷元件的挠曲量平衡，方法是调节上述金属板的厚度以及在上述压电陶瓷元件和上述金属板接合的条件下使振动中心点设在位于上述压电陶瓷元件和上述金属板的接合界面上。
11.按照权利要求10的压电产生装置，其特征在于上述压电陶瓷体被衬垫元件支承。
12.按照权利要求10的压电产生装置，它还包括保护板，连接至上述压电陶瓷体的拍打表面。
13.按照权利要求10的压电产生装置，其特征在于上述压电陶瓷元件是由锆钛酸铅陶瓷材料制造的。
全文摘要
一种结构，包括由两个板形的压电陶瓷元件(1a、1b)形成的压电陶瓷板(1)，它们是分层的和以反极化彼此接合的，其中借助用硬拍打器(4)拍打压电陶瓷板的一面或两面，从而激励在压电陶瓷板中的挠曲振动来产生电。优选地，该结构由衬垫元件(3、11)支承和承载着一个保护板(2)，因此，获得优异的产生效率。
文档编号H01L41/113GK1409889SQ00817051
公开日2003年4月9日 申请日期2000年11月10日 优先权日1999年11月12日
发明者梅田干雄, 坂井康弘 申请人:Usc株式会社