用来在诸如胎压监测系统里进行能量收集的压电组件的制作方法

专利名称：用来在诸如胎压监测系统里进行能量收集的压电组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量收集(energy harvesting)的压电组件，诸如 可以用于胎压监测系统电源。
背景技术：
压电能量收集设备可以广泛应用于众多范围。这种能量收集 设备可以利用压电材料的一种或多种特性，例如，压电材料若有材料变形 便会产生电压。在一些情况下，可以使用压电能量收集设备以代替电池， 例如，不方便、非常困难和/或异常昂贵替换电池的情况下，有一个或多 个作用力施加到压电材料，从而使材料变形以产生一个电压的情况下。胎 压监测系统(tire pressure monitoring system)就是压电能量收集设备的一 个示例应用。但是，在复杂环境下(如在胎压监测系统情况下的汽车轮 胎)使用压电能量收集设备可能会产生有关可靠性、尺寸、重量、成本、 制造和/或产生适当电压方面的困难。


在权利要求部分特别指出并清楚地说明了本发明主题。但 是，其结构和/或运行方法，与其目的、特征和/或优点，通过附图并参考
以下的详细描述可以被更好地理解，其中图la描述一个示例压电元件因为压縮力而产生电压；图lb描述一个示例压电元件因为使压电材料弯曲和/或伸长的 一个作用力而产生电压；图2描述一个压电组件示范实施例的侧面图；图3描述一个压电组件的另一个示范实施例的侧面图4描述一个压电组件的另一个示范实施例的侧面图； 图5a描述一个包括压电组件的传感器组件的一个示范实施例 的俯视图；图5b描述图5a示范实施例的侧面图； 图6a描述一个包括压电组件的传感器组件的另一个示范实施 例的俯视图；图6b描述图6a示范实施例的侧面图；图7描述一个包括压电组件的示例传感器组件的示范实施例侧 面图；图8描述一个包括压电组件的示例传感器组件的另一个示范实 施例的侧面图；图9描述一个包括压电组件的示例传感器组件的另一个示范实 施例的侧面图；图10是一种在压电元件上产生电压的方法的示范实施例的流 程图；图ll是一个示例测试数据的示意图，描述了一个示例压电组 件经受的加速度和该压电组件产生的电荷之间关系；图12是一个示例测试数据的示意图，描述了当组件随时间循 环加速时由该压电组件产生的电压；图13是一个示例测试数据的示意图，描述了当组件随时间循 环加速时由该压电组件产生的电荷；
图14是一个示例测试数据的示意图，描述了单模式和双模式 压电能量聚集结构的电荷产生能力的差别；图15是一个示例测试数据的示意图，描述了单模式和双模式 压电能量聚集结构的电压产生能力的差别；和 图16描述一个安装到汽车轮胎的胎压监测系统的示范实施例。参照以下结合附图的详细描述，其构成本说明书的一部分， 其中，同样的号码是指同一部件以显示对应或类似的元件。为了便于说 明，将会理解，在附图内描述的元件不一定是依照实际尺寸描绘。例如， 为了便于说明，相对其它元件， 一些元件的尺寸可能被放大。此外，将会 理解，可以利用其它实施例，并对其作出结构和/或逻辑方面的改变，而 没有脱离本发明的范围。也应该注意到，诸如上、下、顶、底等的方向和 参考可以用来便于讨论附图，但不是意在限制本发明的应用。所以，以下 的详细描述不是限制性的，而是属于由所附权利要求及其等价物定义的权 利范围之内。
发明详述 在以下的详细描述里，阐述了许多具体细节以便于完整理解 本发明。但是，本领域技术人员将会理解，没有这些具体细节也可以实施 本发明。另外，不会详细描述已知的方法、过程、组件和/或电路。在说明书里，"一个实施例"是指实施例里描述的一个特别 特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例内。因此，在说明书的 各个地方出现的"在一个实施例里"不一定都是指同一实施例。而且，这 个特别特征、结构或特性可以以任何适当方式合并在一个或多个实施例 里。在此，"和/或"可能是指"和"，可能是指"或"，可能是 指"排它性的或"，可能是指"一个"，可能是指"一些，但不是全部"，可能是指"两者都不"，和/或可能是指"两者都是"，尽管本发 明范围并不受限于此方面。图la描述一个示例的压电元件110，其因为压力(F) IOI而产 生电压V。通常，压电材料的一个特性是当有一个作用力时而产生一个电 压穿过材料。作用力导致压电材料的尺寸发生变化，这种尺寸上的变化会 降低阳离子和阴离子的分离(分别是正负电离子)，其构成压电材料上的 结晶体结构。降低阳离子和阴离子之间的分离会导致产生电压。类似地， 一个施加到压电材料的电压会引起材料尺寸上发生变化。如图la所示，作 用力F 101导致压电元件110压縮。但是，压縮力仅仅是一个例子，显示作 用力如何被施加到压电元件上。 一个因为压縮作用力而产生电压的压电组 件可被看作是在"压縮"模式上运行。
图lb是描述因作用力(F) 103而产生电压的示例压电元件 110，该作用力使压电材料弯曲和/或伸长。如以上所述的压縮力， 一个使 压电元件伸展和/或伸长的作用力可以引起压电材料结晶体结构的阳离子 和阴离子之间的间隔发生变化，从而相应地可以产生电压。 一个因为使压 电材料发生弯曲和/或伸长的力而产生电压的压电组件可被看作是在"拉 伸"模式上运行。 如上所述，在复杂环境下(诸如在胎压监测系统情况下的汽 车轮胎)使用压电能量收集设备可能会产生有关可靠性、尺寸、重量、成 本、制造和/或产生适当电压方面的困难。 通常， 一个在能量收集应用里广泛使用的压电组件的示范实 施例可以包括一个或多个既可以在压縮模式上又可以在拉伸模式上运作的 压电元件。§卩，对一个或多个实施例，该一个或多个压电元件因为施加到 该一个或多个压电元件上的压縮力可以产生一个或多个电压，并且还可以 因为使该一个或多个压电元件弯曲和/或伸长的作用力而产生一个或多个 电压。通过在压縮和拉伸运作模式上运行，与单运作模式相比，可以产生 更大的能量收集能力。比单模式方式更有可能的优势可以包括但不限于， 成本、可靠性、效率和/或尺寸。
图2是一个可以用于能量收集应用里的压电组件200的示范实 施例的侧面图。在此例子里，组件200包括一个主体205，其包括一个空心 结构，如图2所示。主体205包含一个上内面206和一个下内面207，如图2 所示。主体205也包括一个内端面208。当然，这仅是一个主体结构的例 子，本发明的范围并不受限于此方面。在一个实施例里，压电组件200的 总尺寸大约是30mm x 10mm x 10mm，尽管本发明的范围并不受限于此方 面。此示范实施例的组件200包括一个横杆210，其有一端被固定 到内端面208。在一个或多个实施例里，横杆210可以是一部分主体205, 而在其它实施例里，横杆210可以是一个独立元件，其以某种方式被固定 到内端面208。在一个实施例里，横杆210可以延伸至少一半到内端面208 内和至少一半到主体205内，尽管本发明的范围并不受限于此方面。再 者，在一个实施例里，在与固定到内端面208—端相反的另一端，横杆210 包括一个质量块215。根据横杆210的振动特征，可以选择质量块215的特 性。即，质量块215的特性可以至少部分地确定横杆210如何对施加的加速 度作出发应。例如，可以选择质量块215的特性以调整横杆210的谐振频 率。在此示范实施例里，组件200还包括一个压电元件230和一个 压电元件231。尽管在此例子里显示了两个压电元件，依照本发明，其它 实施例可以包括少于或多于两个压电元件。在此例子里，压电元件230可 以被固定在横杆210朝向上内面206的一侧，而压电元件231可以被固定在 横杆210朝向下内面207的一侧。此外，在一个实施例里，主体205包括分 别从上内面206和下内面207延伸出来的限制件220和221。限制件220和221 可以限制横杆210的运动，也可以提供一个平台以使压电元件230和231可 以被压縮。再者，在此示范实施例里，限制件220和221可以充当支点，如 果施加垂直力到横杆210，横杆210可以围绕支点弯曲。此外，在此例子 里，横杆210的弯曲可能导致一个或两个压电元件230和23i发生弯曲和/或 伸长。
在此示范实施例里，限制件210可以是一部分主体205。但 是，其它实施例也是可能的，其中限制件220和221并不是主体205的一部 分，而是单独形成的元件，其可以由与主体205相同或类似的材料形成， 也可以不是由与主体205相同或类似的材料形成。在一个实施例里，主体 205可以是一种塑料材料，尽管本发明范围并不受限于此方面。选择一种 用于主体205的材料的考虑因素可能包括诸如成本、耐久性、易于制造、 重量和/或导电性。在一个实施例里，主体205可以包括一种相对轻便、不 导电的材料，如塑料。在一个或多个实施例里，主体可能包含聚对苯二甲 酸丁二醇酯(PBT)。在另一个实施例里，主体可能包含聚对苯二甲酸乙 二酯(PET)。但是，这些仅是示例的主体材料，所以本发明范围并不受 限于此方面。在一个实施例里，压电组件200的总重量大约是30g，尽管本 发明范围并不受限于此方面。如上所述，如果压电元件受到一个压縮力，可以在元件上产 生一个电压。而且，如果压电元件受到弯曲，可以在元件上产生另一个电 压。在示例的压电组件200里，主体205可能受到各种加速度，取决于具体 应用。在一些应用里，诸如胎压检测系统，主体205可能受到振动。这些 振动传递到横杆210，结果横杆210会发生振动和/或振荡。由于横杆210的 振动/振荡，压电元件230和231会分别相对受到限制件220和221的压縮， 从而产生第一电压，而压电元件230和231可能由于横杆210的前后弯曲而 发生弯曲，从而产生第二电压。因此，示例压电组件200可以被看作是在 压縮和拉伸运作模式上运作。 在图2未显示电导线(如电线)，其可以被连接到压电元件 230和231的一边或多边。例如，电导线可以将产生的电压连接到一个能量 存储电路(也未在图2内显示)。 在此示范实施例里，横杆210可以是由一种导电金属材料制 成。钢和/或铝是两种可以用来形成横杆210的示例材料，尽管本发明范围 并不受限于此方面。当然，非金属材料的横杆210的实施例也是可能的。 在一个实施例里，横杆210可以是一种导电的金属材料，而横杆210可以充 l压曳元件230和231的一个接地路径。在一个实施例里，压电元件230和231通过一种导电环氧树脂而被固定在横杆210上，尽管本发明范围并不受 限于此方面。而且，在一个实施例里，限制件220和221可以，至少部分 地，是一种电绝缘材料以避免每个压电元件的两边之间发生短路，而主体 205和横杆210应该是由导电材料制成。在此所述的示范实施例里，以上讨论的压电元件，如元件230 和231，可以是一种或多种陶瓷压电材料。此外，在一个或多个实施例 里，压电元件可以是由片状(bulk)压电材料制成，尽管本发明范围并不 受限于这些方面。在一个或多个实施例里，如在胎压检测系统里，可以根 据其能力来选择压电材料以抵挡汽车轮胎内部存在的恶劣条件，其中压电 组件可能被连接到安装轮胎的车轮边缘。轮胎内部的温度可以大约在 -40一到125— C的范围。至少一些片状陶瓷压电材料可以展现其抵挡这些 温度条件的特性。但是，片状陶瓷仅是一种示例类型的压电材料，所以本 发明范围并不受限于此方面。 如在此使用的，在有关压电材料中使用的"片状"是指一种 压电材料类型，其厚度大约大于500纳米。而且，在一个实施例里，片状 陶瓷材料可以是锆钛酸铅(lead zirconate titanate) (PZT)，或可以是 PZT4 禾Q/或PZT5h，尽管本发明范围并不受限于此方面。在一个实施例 里，压电元件的总面积可能大约是10mm x 10mm。但是，这仅是一个示 例面积，本发明范围并不受限于此方面。 在图2描述的压电组件200的示范实施例仅是一个元件和材料 的示例配置，其它实施例也是可能的，包括但不限于以下讨论的其它范 例。
图3描述一个示范实施例压电组件300的侧面图。在此例子 里，组件300包括一个主体305，其包括一个具有如图3所述的开口端的空 心结构。主体305包括一个上内面306和一个下内面307，如图3所示。主体 305也包括一个内端面308。当然，这仅是一个主体结构的范例，本发明范 围并不受限于此方面。
在此示范实施例里，组件300包括一个横杆310，其有一端被 固定到内端面308。在一个或多个实施例里，横杆310可以是一部分主体 305，而在其它实施例里，横杆310可以是一个单独元件，以某些方式固定 在内端面308上。在一个实施例里，横杆310可以延伸至少一半到内端面 308和至少一半到主体305内，尽管本发明范围并不受限于此方面。在如图 3所述的例子里，横杆310可以延伸至少穿出主体305。再者，在此示范实 施例里，横杆310是一个大锥形形状，如图3所示。当然，横杆310可以是 任何形状，所以本发明范围并不受限于此方面。此外，在一个或多个实施 例里，根据横杆310的期望振动特性可以选择横杆310的形状。在此示范实施例里，组件300还包括一个压电元件330和一个 压电元件331。尽管在此例子里显示了两个压电元件，本发明的其它实施 例可能包含少于或多于两个压电元件。在此例子里，压电元件330被固定 在横杆310朝向上内面306的一侧，而压电元件331被固定在横杆310朝向下 内面307的一侧。此外，与以上图2所述的一个或多个实施例相反，此例子 里的组件300没有包括限制件。相反，上内面306和下内面307可以担当限 制件，限制横杆310的运动范围，并提供表面以使压电元件330和331可以 被压縮。此外，在此例子里，横杆310的弯曲会导致一个或两个压电元件 330和331发生弯曲和/或伸长。在一个实施例里，主体305可以是一种塑料材料，尽管本发明 范围并不受限于此方面。如以上所述的其它实施例，选择一种用于主体 305的材料的考虑因素可能包括诸如成本、耐久性、易于制造、重量和/或 导电性。在一个实施例里，主体305可以是一种相对轻便、不导电的材 料，如塑料。
如以上图2所述的示范实施例，因为传递到主体305的加速 度，横杆310可能发生振动和/或振荡。横杆310振动/振荡的结果就是，压 电元件330和331因为抵着主体305的内面而被压縮，从而产生第一电压， 而压电元件230和231由于横杆的前后弯曲也可以发生弯曲，从而产生第二 电压。电压可以通过一个或多个电导线(图中未显示)被连接到一个能量 査储电路(图中未显示)。和以上所述的组件20^—样，示例压电元件300可以被看作是在压縮和拉伸运作模式上运行。 在此示范实施例里，横杆310可以是由一种导电金属材料制 成，如钢和/或铝，尽管本发明范围并不受限于此方面。当然，非金属材 料的横杆310的实施例也是可能的。在一个实施例里，横杆310可以包含一 种导电金属材料，而横杆310充当压电元件330和331的一个接地路径。在 一个实施例里，压电元件330和331可以通过一种导电环氧树脂粘胶而被固 定在横杆310上，尽管本发明范围并不受限于此方面。图4描述另一个示范实施例的压电组件400的侧面图。在此例 子里，组件400保留以上图3所述的示范实施例的至少一些特性。在此例子 里，组件400包括一个主体405，其与以上所述主体305有相同的结构，尽 管在此例子里，主体405包含两部分。此外，尽管图4所述的例子显示主体 405已经包含两个分离的部分，在一个或多个实施例里这两部分可以是一 个单个装置。 组件400还包括一个横杆410。横杆410包含以上横杆310所述 的一些或所有特性，尽管本发明范围并不受限于这些方面。此外，在此例 子里，横杆410被固定在主体405的两端。再者，在此示范实施例里，组件400包括四个压电元件(元件 430-433)，而不是以合图3所述的两个元件。但是，本发明实施例可以包 括少于或多余四个压电元件，本发明范围并不受限于此方面。通过提高压 电元件的数量，至少在一些情况下可以增加产生的电压。
图5a描述一个示范实施例包括压电组件200的传感器组件500 的俯视图。图5b是传感器组件500的侧面图。传感器组件500可以是任何类 型的传感器组件。在一个或多个实施例里，传感器组件500包括一个胎压 监测系统，尽管本发明范围并不受限于此方面。在一个实施例里，传感器 组件500的尺寸是40mmx30mmx20mm，重量大约小于50g。但是，这些 仅是一些示例的尺寸，本发明范围并不受限于此方面。
此例子里的压电组件200可以是一个类似于以上图2所述的组 件，尽管本发明范围并不受限于此方面。传感器组件500包括一个印刷电 路板(PCB) 530，压电组件200安装在其上面。尽管示例组件500包含一 个印刷电路板作为基板，使用任何基板材料包括但不限于塑料和/或金属 的其它实施例也是可能的。在此例子里，PCB 530可以包括连接到组件 500的各种部件的信号走线(signal trace)。例如，PCB 530可以包括将压 电组件200连接到能量存储组件510的走线。在另一个实施例里，压电组件 200可以通过一个或多个电导线511连接到能量存储组件510。但是，这些 仅是将组件200收集的能量如何被转移到能量存储组件510的例子，所以本 发明范围并不受限于此方面。 能量存储组件510可以包括任何类型的能量存储设备和/或电 路。在一个示范实施例里，能量存储组件510可以至少部分包括一个电容 器。在另一个实施例里，能量存储组件510可以包括一个可再充电的电 池。但是，这些仅是能量存储设备和/或电路的例子，本发明范围并不受 限于这些方面。
此例子里的组件500也包括一个传感器520。在一个实施例 里，传感器520可以包括一个胎压传感器。但是，胎压传感器仅是一个示 例的传感器类型，本发明范围并不受限于此方面。传感器组件500也可以 包括一个处理器530。处理器530可以包含任何能够执行指令的设备，包括 但不限于一个微控制器。此外，组件500可以包括一个无线发射机(Tx) 540以传输传 感器信息到一个远程接收器。在胎压检测系统的例子里，组件500可以被 安装到车轮的一个位置上，以感应安装到车轮上的轮胎内的气压。传感器 520测量获得的信息可以由处理器530进行处理，和/或被传输到远程接收 器，在一个或多个实施例里，远程接收器可以位于轮胎的外面。在一个实施例里，处理器530能够执行指令，该指令可以指示 处理器以执行与胎压监测系统有关的各种功能。当然，这仅是一个由处理 il^O执行的指令类型的例子，本发明迤围并不受限于这些顿。在一个或多个实施例里，处理器530的指令可以被存储在一个机器可读媒介内， 尽管本发明范围并不受此限制。在一个实施例里，指令可以被存在组件 500上的一个非易失性存储设备内(图中未显示)。尽管图5a描述了示例传感器组件500，其具有特定组成部分和 部件配置，如压电组件200安装在PCB 530上，但对各种可能的应用，使 用任何组件和/或配置的其它各种实施例是可能的。在此描述的胎压检测 系统仅是一个示例系统，本发明范围并不受限于此方面。此外，压电组件 200的位置仅是一个示例位置，其它配置也是可能的，例如安装在PCB下 面或以下所述的其它基板的下端。 图6a描述另一个示范实施例包含压电组件200的传感器组件 600的俯视图。图6b是组件600的侧面图。至少在一些方面，组件600拥有 以上图5a和5b所述的传感器组件500的一些特性，包括诸如传感器520、发 射机540和处理器530。但是，对示例组件600，如图6b所述，压电组件200 可以被安装到PCB 630的下面。在一个示范实施例里，和组件500—样， 传感器组件600可以包括一个胎压检测组件，其至少包含一部分胎压检测 系统。与以上图5a和5b所示的配置相比，将压电组件200安置在PCB 630的下端可以提供至少一个优势，其中可以减小PCB 630的尺寸，同样 可以减小组件600的整体面积。此外，更小的PCB尺寸可以允许更轻便的 实施，这在一些情况下是很有优势的。当然，以上所述的组件600的各种 部件配置，包括压电组件200，仅是一个示例结构，本发明范围并不受限 于这些方面。此外，压电组件200的方向仅是一个示例方向，在其它实施 例里其它方向也是可能的。将组件200安置在PCB 630下端的另一个可能优势是在PCB内 使用通孔(丛PCB—侧传递到另一侧的电连接)的可能性，以将组件200 连接到能量存储组件510，尽管本发明范围并不受限于此方面。 一 「oo6oi 图MM^:示例压ElMMoo的示例传感器组件7oo邀侧面图。至少在一些方面，组件700拥有以上图6a和图6b所述的传感器组件600 的一些特性，包括诸如传感器520、发射机540和处理器530。但是，在图 6a和6b内，压电组件200以横向方式位于PCB 630的下端。在示例组件700 的例子里，压电组件200相对于PCB 630纵向放置。SP，组件200的较长尺 寸与PCB 630的较长尺寸一致。以这种方式放置组件200的一个可能优势 是可以进一步减小PCB 630的尺寸，或如果期望的话可以增加组件200的 尺寸。当然，本发明范围并不受限于这些方面。此外，和组件500和600— 样，在一个示范实施例里，传感器组件700可以包括一个胎压监测组件， 其可以包含至少一部分胎压监测系统。 图8描述包含示例压电组件300的示例传感器组件800的侧面 图。在一个实施例里，传感器组件800可以拥有以上所述的组件500、 600 和/或700的至少一些特性，包括诸如能量存储组件510、处理器530、传感 器520和/或发射机540。但是，在此例子里，压电组件包括以上图3所述的 组件300。此例子里的组件300可以位于图8所述的PCB 630的下端。在一 个示范实施例里，组件800可以包含一个胎压监测系统。图9描述包含压电组件900的示例传感器组件900的侧面图。在 一个实施例里，传感器组件900可以拥有以上所述的组件500、 600、 700和 /或800的至少一些特性，包括诸如能量存储组件510、处理器530、传感器 520和/或发射机540。但是，在此例子里，压电组件包括以上图4所述的组 件400。此例子里的组件400可以位于图9所述的PCB 630的下端。在一个 示范实施例里，组件900可以包含一个胎压监测系统，尽管本发明范围并 不受限于此方面。 在一个或多个实施例里，以上所述的任何压电组件可以还包 括一个外罩(为清晰描述本发明，在图中未显示)，其可以覆盖主体、横 杆和压电元件。在一个示范实施例里，外罩可已包含一种金属材料。在另 一个实施例里，外罩可已包含一种塑料材料。但是，这些仅是外罩材料的 例子，本发明范围并不受此限制。
『00641 图1^Z1种在能量收集压电元件J^生电压的方法的示范实施例的流程图。在模块ioio，压电元件可以被弯曲以产生第一电压，而在 模块1020，压电元件可以被压縮以产生第二电压。在模块1030，第一和第 二电压可以被施加到一个能量存储电路。在一个实施例里，弯曲压电元件 可以是传递一个加速度到横杆，其导致横杆发生振动和/或振荡。在此实 施例里，压电元件可以被固定在横杆上，由于振动而产生的横杆弯曲可以 导致压电元件发生弯曲，从而导致第一产生电压。同样，在此示范实施例里，压縮压电元件可以是将压电元件 抵向主体或限制件而产生压縮，或许如以上图2所述。但是，这些仅是弯 曲和/或压縮压电元件的例子，本发明范围并不受此限制。本发明实施例 可以包括少于或多于所有的模块1010-1030。此外，模块1010-1030的次序 仅是一个示例次序，本发明范围并不受此限制。图ll是一个示例的初步测试数据的示意图，描述了一个压电 组件经受的加速度和该压电组件产生的电荷之间关系。在此，示例的初步 测试数据测试下的压电组件包括一个类似于以上图2披露的组件。使用的 压电材料包括PZT4和PZT5h，压电材料的总面积是10mm x 10mm。类似 于图2所示的压电组件的尺寸是30mmx 10mmx 10mm，重量大约是30g。为了进行测试，如图11的例子和以下讨论的图12-15描述的示 例数据，压电组件被安装到一个传统的低频振动平台。振动平台被用来将 加速度传递到压电组件。在图11-13的例子里，振动平台的输入大约是 20-60Hz，传递加速度到的压电组件大约是0-2g。测试条件是当部分胎压 监测系统被安装到汽车车轮上、压电组件在轮胎内运行时可能经历的近似 条件。但是，在此讨论的和在图11-15内显示的测试数据仅是从依照在此 所述的实施例而采用的一个原型收集的初步数据。在此不对测试数据的准 确性进行说明。然而，初步测试数据可以有助认识在此所述实施例的至少 一些好处和优势。如从图ll所看到的，在大约12 111/82的最大加速度上，测量到 的由压电组件产生的电荷大约是15000pC。
图12是其他示例测试数据的示意图，描述了当组件随时间循 环加速时(加速度1210)由压电组件产生的电压1220。此例子里的测试条 件等同于以上图ll例子所述的测试条件。如检査图12所看到的，在12m/s2 的最大加速度上，测量到的最大产生电压大约是4V。 图13是另一个示例测试数据的示意图，描述了当组件随时间 循环加速时(加速度1310)由压电组件产生的电荷1320。而且，此数据的 测试条件等同于以上图11和12所述的那些测试条件。如从图13所示，在大 约12 m/^的最大加速度上，测量到的由压电组件产生的电荷大约是
15000pC。图14是示例测试数据的示意图，描述了在单模式压电能量收 集结构和双模式压电能量收集结构的电荷产生能力之间的差别。在此例子 里，单模式结构就是只利用一种压电元件运作模式的结构。例如，单模式 结构可以通过伸长和/或弯曲压电元件而收集产生的能量，而不是通过压 縮压电元件。以上图2-10所述的示范实施例是双模式结构，它们可以从两 种运作模式(压縮和伸长)收集能量。
在此测试里，振动平台在一个大约50Hz的频率上振荡。正如 通过图14所看到的，单模式结构1410测试到的最大电荷低于10000pC，而 双模式结构1420测量到的最大电荷大约是20000pC。当然，这些数据仅是 近似值。但是，很明显，使用双模结构比单模式结构可以极大地提高电荷 产生量。图15是另一个示例测试数据的示意图，描述了在单模式压电 能量收集结构和双模式压电能量收集结构的电压产生能力之间的差别。如 通过15所看到的，单模式结构1510测量到的最大电压大约是1.8V，而双模 式结构1520测量到的最大电压大约是8V。而且，尽管这些数据仅是近似 值，但是很明显，使用双模式结构比单模式结构可以极大地提高电压产生
「00741 图16描述一个安装到汽车车轮1610上6M压监测系统(TPMS) 1620的示范实施例，其中车轮1610包括一个轮圈1630和一个轮 肩1640。在此示范实施例里，TPMS 1620可以包括一个如以上图5-9所述 的示例传感器组件实施例。在此示范实施例里，TPMS 1620可以被固定到 轮圈1630上，轮胎可以被安装到轮圈上(为了清晰描述本发明，图中未作 显示)，轮肩1640为车轮1610和轮胎之间提供一个密封。运行时，TPMS 1620可以随车轮1610转动，而各种加速度可以被传递到TPMS 1620内的压 电组件。TPMS 1620内的压电组件可以如以上所述的任何实施例进行运作 以产生足够电压供给TPMS 1620的电路。TPMS 1620可以持续或周期性地 测量轮胎内的气压，并可以传输测量信息给一个位于轮胎外面某个位置的 接收器。TPMS 1620仅仅是一个可以从所述压电组件实施例受益的应用例 子。如之前所述，在此所述的一个或多个实施例的压电组件可以被广泛应 用。 在之前的描述里，已经描述了本发明的各个方面。为了便于 说明，具体的号码、系统和/或构造都是为了完整理解本发明。但是，本 领域技术人员应该明白没有这些具体细节也可以实施本发明。另外，可以 忽略和/或简化已知的特征，以便能够清晰描述本发明。尽管已经在此描 述和/或说明了某些特征，本领域技术人员可以作出许多改进、替换、改 变和/或等同。所以，将会明白，所附的权利要求是意在覆盖在本发明精 神范围内的所有改进和/或改变。
权利要求
1.一种装置，包括一个主体；一个横杆，包括第一端和第二端，第一端被固定到主体上，横杆还包含面对主体的第一侧，横杆将会产生弯曲以对应传递到主体的加速度；和第一压电元件，被固定到横杆的第一侧，压电元件产生第一电压以对应横杆的弯曲，并产生第二电压以对应第一压电元件抵向主体的压缩。
2. 根据权利要求l所述的装置，其中主体包括一个上内面、 一个下内面、和第一内端面，其中横杆被固定到第一内端面，且其中横杆的第一侧朝向上内面。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中横杆包括朝向主体下内面的第二 侧，还包括被固定在横杆第二侧上的第二压电元件，第二压电元件产生第 三电压以对应横杆弯曲，并产生第四电压以对应第二压电元件抵向主体的 压縮。
4. 根据权利要求3所述的装置，其中主体还包括第一限制件，其被固定到上内面，其中第一限制件位于第一压电元件 和上内面之间；和第二限制件，其被固定到下内面，其中第二限制件位于第二压电元件 和下内面之间。
5. 根据权利要求3所述的装置，其中第一和第二压电元件是由片状 (bulk)压电材料制成。
6. 根据权利要求5所述的装置，其中第一和第二压电元件是由陶瓷压 电材料制成。
7. 根据权利要求6所述的装置，还包括一种能量存储电路，其被连接 到第一和第二压电元件，能量存储电路接收由第一压电元件产生的第一和 第二电压和由第二压电元件产生的第三和第四电压。
8. 根据权利要求7所述的装置，还包括一个连接到能量存储电路的胎 压传感器电路，其中所述装置被安装到轮胎内的汽车车轮上，横杆发生弯 曲以对应车轮传递的加速度。
9. 根据权利要求8所述的装置，还包括在横杆第二端上的一个质量块。
10. 根据权利要求9所述的装置，其中横杆是由金属制成。
11. 根据权利要求10所述的装置，其中主体是由金属制成。
12. 根据权利要求10所述的装置，其中主体是由塑料制成。
13. —种系统，包括 一个传感器；一个连接到传感器的无线发射机，无线发射机发射由传感器产生的信息；一个连接到传感器和无线发射机的能量存储电路；和 一个连接到能量存储电路的压电组件，压电组件包括一个主体，一个横杆，包含第一端和第二端，第一端被固定到主体上，横杆 还包括朝向主体的第一侧，横杆产生弯曲以对应传递到主体的加速 度，和第一压电元件，其被固定到横杆的第一侧，第一压电元件产生第 一电压以对应横杆弯曲，并产生第二电压以对应第一压电元件抵向主体而产生的压縮。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中传感器包括一个胎压传感器， 无线发射机发射由胎压传感器产生的压力信息。
15. 根据权利要求13所述的系统，其中主体包括一个上内面、 一个下内面和第一内端面，其中横杆被固定到第一内端面，其中横杆的第一侧朝向上内面。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中横杆包括朝向主体下内面的第 二侧，还包括被固定到横杆第二侧的第二压电元件，第二压电元件产生第 三电压以对应横杆的弯曲，并产生第四电压以对应第二压电元件抵向主体 而产生的压縮。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中主体还包括第一限制件，其被固定到上内面，其中第一限制件位于第一压电元件和上内面之间；和第二限制件，其被固定到下内面，其中第二限制件位于第二压电元件和下内面之间。
18. 根据权利要求16所述的系统，其中第一和第二压电元件是由片状压电材料制成。
19. 根据权利要求18所述的系统，其中第一和第二压电元件是由陶瓷 压电材料制成。
20.根据权利要求19所述的系统，还包括在横杆第二端上的一个质量块。
21. 根据权利要求20所述的系统，其中横杆是由金属制成。
22. 根据权利要求21所述的系统，其中主体是由金属制成，并且其中 第一和第二限制件包括绝缘材料。
23. 根据权利要求21所述的系统，其中主体是由塑料制成。
24. —种方法，包括弯曲 一个压电元件以产生第一 电压； 压縮压电元件以产生第二电压；和 施加第一和第二电压到一个能量存储电路。
25. 根据权利要求24所述的方法，还包括将能量存储电路里存储的能 量施加到一个传感器。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中所述将能量电路里存储的能量 施加到传感器包括将能量电路里存储的能量施加到一个胎压传感器。
27. —种装置，包括用来弯曲一个压电元件以产生第一电压的装置；用来压縮压电元件以产生第二电压的装置；和用来施加第一和第二电压到一个能量存储电路的装置。
28. 根据权利要求27所述的装置，还包括用来将能量存储电路里存储 的能量施加到一个传感器的装置。
29.根据权利要求28所述的装置，其中用来将能量电路里存储的能量 施加到传感器的所述装置包括将能量电路里存储的能量施加到一个胎压传 感器的装置。
30. —种车轮装置，包括 一个车轮；和一个胎压监测传感器，其被固定到车轮上，使得如果轮胎被安装到车轮上，胎压监测传感器暴露在轮胎气压下，其中胎压监测传感器包括一个包含压电元件的压电组件，当车轮传递加速度到压电组件 上，压电元件发生弯曲而产生电压，并当车轮传递加速度到压电组件 上，压电元件发生压縮而产生另一个电压。
全文摘要
本发明涉及可以在诸如胎压监测系统的电源里使用的能量收集压电组件，包括一个主体；一个横杆，其包括第一端和第二端，第一端被固定到主体上，横杆还包含面对主体的第一侧，横杆将会产生弯曲以对应传递到主体的加速度；和第一压电元件，其被固定到横杆的第一侧，压电元件产生第一电压以对应横杆的弯曲，并产生第二电压以对应第一压电元件抵向主体的压缩。其中主体包括一个上内面、一个下内面、和第一内端面，其中横杆被固定到第一内端面，且其中横杆的第一侧朝向上内面。
文档编号H01L41/113GK101615652SQ20091000439
公开日2009年12月30日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年2月22日
发明者仲镇华, 沈文龙, 高子阳 申请人:香港应用科技研究院有限公司