專利名稱：壓電發(fā)電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種壓電發(fā)電模塊，特別是一種平板式的壓電發(fā)電模塊，可應(yīng)用于多層面的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨石油價格高漲，再生或潔凈能源成為新的能源發(fā)展方向，其中以太陽能、風(fēng)能與生質(zhì)能源的技術(shù)開發(fā)為主，又以太陽能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展最迅速。唯現(xiàn)有的再生能源開發(fā)均遭受原料與制造成本高的問題，導(dǎo)致在無政府補助獎勵下無法生存，如何降低再生能源的發(fā)電成本一直是相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)的重點。機械能是一種值得考量的能源，它始終存在于地球環(huán)境中，例如風(fēng)力，浪潮變化都是機械能潛在發(fā)展的來源之一。此外，凡移動的物體也會有機械能產(chǎn)生，因此機械能為地球上到處存在的能源。只是，機械能表現(xiàn)的形態(tài)隨時間有相當(dāng)大的變化，不易獲得穩(wěn)定的機械能來源。有關(guān)機械能的利用，目前有懸臂式結(jié)構(gòu)的壓電片，其懸臂均以固定于一不會移動的墻面上，將機械能透過墻面送至壓電片。請參考專利JPll 146663、JP2003061367，即揭露在懸臂上貼合壓電片形成壓電發(fā)電器，以懸臂式結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生機械震動，帶動壓電片壓縮或拉伸來產(chǎn)生電壓。W00120760專利也同樣揭示將壓電片貼于微加工制作的懸臂上。另外，如專利JP9205781、US5751091、JP2004222414等使用類似懸臂結(jié)構(gòu)之外，也使用多層結(jié)構(gòu)的壓電片以增加產(chǎn)生的電能。專利WO2OO4O3O949, EP1762403, MXPAO5OO344I、W02006009775, US2005280334, US2004108724、US69092M、US6655035、US6194815等揭示對非直線運動的機械力，亦可設(shè)計機械結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)換作用力方向，使其連續(xù)作用壓電片產(chǎn)生電壓，如，使用旋轉(zhuǎn)造成的扭力的致動器，將旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成使壓電片產(chǎn)生連續(xù)彎曲變形的作用力，以產(chǎn)生電壓的輸出。專利W09625769、US5578889、US5M8177、JP2001180575 等則揭露對水流類的流體動能，透過浮標(biāo)的上下浮動作為機械能傳送結(jié)構(gòu)，如，因浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的隨波擺動導(dǎo)壓電片變形產(chǎn)生電壓輸出。專利US64M079，揭示使用線狀結(jié)構(gòu)，受流體帶動產(chǎn)生扭動也可傳送機械能到壓電片上，如使其產(chǎn)生電壓輸出。專利JP2003152238與US2005225207，使用帶狀的貼合壓電片結(jié)構(gòu)，經(jīng)過對滾的圓筒產(chǎn)生的壓力，受連續(xù)壓力作用產(chǎn)生電壓輸出，其中使用多片壓電片貼合于具彈性的膠帶上，滾軸旋轉(zhuǎn)時可以產(chǎn)生連續(xù)的電壓輸出。專利JP2002218769、US20030146676、AU6020101等則揭露使用軟基材，利用外力
作用使基材變形，導(dǎo)致附著的壓電片變形產(chǎn)生電壓輸出。專利JP2003315363、JP2001339963、JP7245970等揭露多數(shù)個壓電片并貼或堆迭為增加電能輸出的方式，如透過金屬片與接線對壓電片形成串并聯(lián)電路連接，以提供大的電壓或電流輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種壓電發(fā)電模塊，包括一上蓋；一下蓋；一機電轉(zhuǎn)換單元，該機電轉(zhuǎn)換單元系為一金屬片或一導(dǎo)電片，金屬片或?qū)щ娖N有復(fù)數(shù)個壓電片，機電轉(zhuǎn)換單元并電性連接一輸出端；一氣墊，設(shè)置于該些壓電片下方，以提供該些壓電片形變空間；及復(fù)數(shù)個突起物，固定于上蓋的內(nèi)表面，并設(shè)置于該些壓電片上方，每一突起物受力端接觸面積大于施力于壓電片上的接觸面積，以當(dāng)壓電發(fā)電模塊受到一外力時，達到壓力放大的效果。其中，氣墊材質(zhì)選自橡膠、硅膠或塑膠、泡棉、保麗龍球或發(fā)泡塑膠粒其中的一種。 本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊可以包括多個氣墊，該些氣墊為球型氣墊。并且，壓電發(fā)電模塊的下蓋具有一凹槽以容置該些球型氣墊及機電轉(zhuǎn)換單元。此外，突起物的外型可以是為一錐形體、一柱狀體或為一半圓球體，其中突起物最佳為剛性系數(shù)大約0. 7以上的剛性材料。本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊也可以是平板式的，且上蓋及下蓋的材質(zhì)為彈性材質(zhì)，選用可以任意撓曲的橡膠或塑膠材質(zhì)，使壓電發(fā)電模塊可受任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊來輸出電流。本發(fā)明平板式壓電發(fā)電模塊，更包括多個機電轉(zhuǎn)換單元，選擇以串聯(lián)、并聯(lián)及其任意組合其中的一種方式相互連接。平板式壓電發(fā)電模塊，更包括一整流器，整流器電性連接于輸出端，使壓電片所產(chǎn)生的電能輸出至整流器。本發(fā)明平板式壓電發(fā)電模塊更包括一充電裝置，整流器電性連接于充電裝置，使整流后的直流電儲存至充電裝置。輸出端也可以電性連接于一負載電路，使機電轉(zhuǎn)換單元受外力所產(chǎn)生的電能輸出至整流器后，即可提供電流給負載電路。關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以藉由以下的本發(fā)明實施例及附圖得到進一步的了解。


圖IA至圖IC分別顯示本發(fā)明實施例壓電發(fā)電模塊俯視、前視及右側(cè)視的剖面示意圖；圖2顯示本發(fā)明實施例的機電轉(zhuǎn)換單元的示意圖；圖3A至圖3C分別顯示本發(fā)明另一實施例壓電發(fā)電模塊俯視、前視及右側(cè)視的剖面示意圖；圖4A及圖4B分別顯示本發(fā)明不同實施例壓電發(fā)電模塊前視的剖面示意圖；及圖5顯示本發(fā)明壓電發(fā)電模塊的功能方塊圖。主要元件符號說明1壓電發(fā)電模塊10:上蓋 101上蓋內(nèi)表面 11:下蓋 110凹槽12、12a、12b機電轉(zhuǎn)換單元
120金屬片 122:壓電片 123輸出端 13:氣墊 124電路板 125:電子元件 14突起物122、122a、122b壓電片
15防水膜層 16:整流器 17充電裝置 18:負載電路 19墊板
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文依本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊，特舉較佳實施例，并配合所附相關(guān)圖式，作詳細說明如下，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊1并未使用懸臂式結(jié)構(gòu)來壓縮或拉伸壓電片，而是開發(fā)另一種新的結(jié)構(gòu)，使壓電發(fā)電模塊內(nèi)的壓電片產(chǎn)生形變，以輸出電流。請參照圖IA至圖1C，分為本發(fā)明實施例壓電發(fā)電模塊的俯視、右側(cè)視及前視剖面示意圖。壓電發(fā)電模塊1包括一上蓋10、一下蓋11、一機電轉(zhuǎn)換單元12、一氣墊13、及復(fù)數(shù)個突起物14。本發(fā)明實施例的壓電發(fā)電模塊1系為一平板式壓電發(fā)電模塊，且上蓋10及下蓋11 的材質(zhì)為彈性材質(zhì)，選用可以任意撓曲的橡膠或塑膠材質(zhì)，比如硅膠、乳膠、聚氨脂(PU) 等高分子聚合物，使平板式壓電發(fā)電模塊可受任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊來輸出電流， 其結(jié)構(gòu)及原理將于后文中詳述。請參照圖2，為本發(fā)明機電轉(zhuǎn)換單元12的示意圖。機電轉(zhuǎn)換單元12包括一金屬片 120，其中至少有一面貼有復(fù)數(shù)個壓電片122。機電轉(zhuǎn)換單元12并電性連結(jié)一輸出端123， 以將壓電片122形變的后所產(chǎn)生的電能輸出。在本發(fā)明實施例中，為了使輸出電能增加，在金屬片120的上下兩面各貼合復(fù)數(shù)個壓電片122。在另一實施例中，金屬片120也可以被取代為導(dǎo)電片，比如以塑膠材質(zhì)的平板表面鍍導(dǎo)電層。此外，本發(fā)明的機電轉(zhuǎn)換單元12利用電路板124，如圖2所示，以將該些壓電片122以串聯(lián)或并聯(lián)相接，并將該些壓電片因形變而產(chǎn)生的電流輸出至輸出端123。本發(fā)明的另一較佳實施例如圖3A至3C所示，選擇使用多個電子元件125將該些壓電片122做電性連接，如圖3A所示。利用電子元件125的好處是，壓電片具有較大的變形空間，并提高壓電發(fā)電模塊1壓電轉(zhuǎn)換的靈敏度。另外，由于一般壓電片122系為陶瓷材料所制，壓電片122的面積若是太大，在受到撓曲力時還是很容易碎裂，特別在本案中，為了使平板式的壓電發(fā)電模塊1可以盡量輕薄，同時，又能保護壓電片122不會因為受外應(yīng)力過大而碎裂，本發(fā)明實施例中，壓電片122
5的面積大約11至13mm2，且彼此之間，相距一預(yù)定距離。并且，每一壓電片122長寬比范圍大約1至10，以利于使壓電片122彎曲產(chǎn)生形變。由于在本發(fā)明實施例的壓電發(fā)電模塊1是平板式的，為了使機電轉(zhuǎn)換單元12受力的后，壓電片122還能在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生足夠的形變量，本發(fā)明在壓電片122下方設(shè)置一氣墊13，以提供壓電片122形變的空間。除此之外，也可以保護陶瓷材料所制成的壓電片 122，使之不容易因為應(yīng)力過大而裂開。在本實施例中，使用了復(fù)數(shù)個氣墊13，氣墊13為一氣墊球，當(dāng)然，為了調(diào)整彈性系數(shù)，可以控制球體內(nèi)部的氣泡率，或者也可以是一空心球殼。此處所指氣墊13的外型僅是為方便說明的一實施例而已，它不限于圖示形狀，其它形狀也是可行的。復(fù)數(shù)個氣墊13目的是用以產(chǎn)生一回復(fù)力，因此，具有彈性的小彈簧自然也是可被選擇的替代物之一。下蓋11 具有一凹槽110，多個球型氣墊13鋪設(shè)于下蓋11的凹槽110內(nèi)，機電轉(zhuǎn)換單元12迭置于氣墊13上。氣墊13的材質(zhì)選自橡膠、硅膠、泡棉、保麗龍球或發(fā)泡塑膠粒其中的一種。復(fù)數(shù)個突起物14，設(shè)置于上蓋10的內(nèi)表面101，使上蓋10與下蓋11結(jié)合時，機電轉(zhuǎn)換單元12位于突起物14及氣墊13之間。當(dāng)壓電發(fā)電模塊1受到一外力時，突起物14 可以使機電轉(zhuǎn)換單元12上多個壓電片122同時受力，并增加每一受力點單位面積所受的壓力，使這些壓電片122同時輸出電能，有效提高壓電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明實施例的突起物14是錐形體，頂點朝下，即下尖上平，當(dāng)然，尖端處不能太尖銳，在本發(fā)明實施例中，錐形體尖端處具有圓角或鑲以小珠子為最佳，并且，突起物14最好是由剛性系數(shù)大約0. 7以上的剛性材料所制備。如圖IB及圖IC所示，突起物14的特征是接近上蓋10 (即受力端)的上表面積要大于施力于機電轉(zhuǎn)換單元12接觸點的下表面積，以產(chǎn)生壓力放大的效果。上表面積/ 下表面積比愈大，則放大效果愈佳。突起物14可以任意習(xí)知的固定方式固定于上蓋10內(nèi)表面101，也可以和上蓋10 —體成型。在一較佳實施中，前述的突起物14在本發(fā)明一實施例中也可以是四分之三球體或半圓球體，然而，只要上表面積大于施力接觸點的下表面積即可，并不限于本發(fā)明的實施例所述的形狀，當(dāng)然，當(dāng)突起物14為半圓球體時，會具有最佳的效果，如圖4A。每一突起物 14和壓電片122的接觸點僅有一點，除了可以產(chǎn)生壓力放大的效果之外，由于其形狀較為圓滑，因此當(dāng)上蓋受外力沖擊時，對于壓電片122的損傷比較小，可以延長本發(fā)明壓電發(fā)電模塊的使用壽命。本發(fā)明的突起物14可以選擇使用多個并列的半圓柱體，也能達到相同的效果，其他具有通常知識者可輕易推知的形狀及變化，也應(yīng)包含在本發(fā)明范圍內(nèi)，在此并不一一描述。另一方面，突起物14為半圓球體，可以使多層壓電發(fā)電模塊垂直迭加，以提高單位面積壓電轉(zhuǎn)換的效率，如圖4B所示。只要在上下兩組機電轉(zhuǎn)換單元1 及12b之間新增一墊板19，其材質(zhì)如同上蓋10或下蓋11 一般選用可以任意撓曲的橡膠或塑膠材質(zhì)，比如 硅膠、乳膠、PU等高分子聚合物。墊板19下表面同樣具有復(fù)數(shù)個半圓球體突起物14，除了提供上層壓電片12 的變形空間，同時也對下層的壓電片122b施加壓力，提供壓力放大的效果。本發(fā)明采用多個突起物14相較于僅采用單一突起物的設(shè)計還有另一個優(yōu)點，也就是每一受力的壓電片，力電耦合的關(guān)系仍位于線性變化區(qū)內(nèi)，使應(yīng)力能更有效的被轉(zhuǎn)換成電能輸出。單一突起物的設(shè)計雖然可以使單位面積的受力增加，但由于其應(yīng)力皆集中于同一壓電片上，而壓電片輸出的電流并不會隨著變形量的加大而無限度的增加，最終仍會達到飽和，此時，即便繼續(xù)對壓電片施力使之產(chǎn)生變形，也無法再提供更多的電流。當(dāng)然，依照實際應(yīng)用需求及輸入機械能的大小，可任意改變機電轉(zhuǎn)換單元12及壓電片122的個數(shù)，以及機電轉(zhuǎn)換單元11的排列方式，選擇以串聯(lián)、并聯(lián)及其任意組合其中的一種方式相互連接，來提高轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能。本發(fā)明實施例中，為了使壓電發(fā)電模塊1可以應(yīng)用于戶外，或者是一些濕氣較重的環(huán)境中，壓電發(fā)電模塊1封裝時更包括一防水膜層15 包覆壓電發(fā)電模塊1，以防止水氣滲入，造成機電轉(zhuǎn)換單元12受損。請參照圖5，為本發(fā)明壓電發(fā)電模塊1的功能方塊圖。輸出端123可以電性連接于一整流器16，使該些壓電片所產(chǎn)生的電能輸出至該整流器16。整流器16可再連接于一充電裝置17，以儲存整流器16輸出的直流電。充電裝置17可以是一電容或者是一充電電池。整流器16也可以電性連接一負載電路18，比如一發(fā)光元件，使機電轉(zhuǎn)換單元12受外力所產(chǎn)生的電能輸出至整流器16后，即可提供電流給該負載電路18。本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊具有下列優(yōu)點(1)使用氣墊提供壓電片變形空間，相較于習(xí)知懸臂式結(jié)構(gòu)的壓電片，本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊可以使壓電片在有限的空間的內(nèi)產(chǎn)生形變，輸出電流，因此，壓電發(fā)電模塊的體積可以縮小，甚至制備成平板狀結(jié)構(gòu)。(2)利用多個突起物，可以使多個壓電片同時受力，放大對壓電片所施加的壓力， 達到提高壓電轉(zhuǎn)換效率的效果。(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有彈性，可以依照需求將多個機電轉(zhuǎn)換單元垂直迭加，形成多層結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電模塊，提高單位面積壓電轉(zhuǎn)換的效率。(4)應(yīng)用廣泛，不論采用何種任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊等施力方式，皆可使本發(fā)明的壓電發(fā)電模塊輸出電能。比如設(shè)計為平板狀結(jié)構(gòu)時，加大面板后設(shè)置于高處，兩端固定，可藉由風(fēng)力使平板式壓電發(fā)電模塊面板產(chǎn)生彎折，使壓電片變形來產(chǎn)生電能。而在包覆防水膜層之后，平板式壓電發(fā)電模塊也可以利用潮汐，來產(chǎn)生電能。另外，也可使用于行進車輛這類機械能變動大的地板或路面，作為行人或行進車輛運用的發(fā)電地板或發(fā)電馬路，可有效地由路面回收行進間車輛對路面作用的機械能。除了上述應(yīng)用方式之外，由于本發(fā)明的平板式壓電發(fā)電模塊可被撓曲變形來產(chǎn)生電力，又可擴張其應(yīng)用的層面及范圍。本發(fā)明雖以較佳實例闡明如上，然其并非用以限定本發(fā)明精神與發(fā)明實體僅止于上述實施例。凡熟悉此項技術(shù)者，當(dāng)可輕易了解并利用其它元件或方式來產(chǎn)生相同的功效。 是以，在不脫離本發(fā)明的精神與范疇內(nèi)所作的修改，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的壓電發(fā)電模塊包括一上蓋；一下蓋；一機電轉(zhuǎn)換單元，所述的機電轉(zhuǎn)換單元系為一金屬片或一導(dǎo)電片，所述的金屬片或?qū)щ娖N有復(fù)數(shù)個壓電片，所述的機電轉(zhuǎn)換單元并電性連接一輸出端；一氣墊，設(shè)置于所述的壓電片下方，以提供所述的壓電片形變空間；及復(fù)數(shù)個突起物，固定于所述的上蓋的內(nèi)表面，并設(shè)置于所述的壓電片上方，每一突起物受力端接觸面積大于施力于所述的壓電片的接觸面積，用以當(dāng)所述的壓電發(fā)電模塊受到一外力時，達到壓力放大的效果。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的氣墊材質(zhì)選自橡膠、硅膠、 泡棉、保麗龍球或發(fā)泡塑膠粒其中的一種。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的壓電發(fā)電模塊更包括多個氣墊，所述的氣墊系為氣墊球，其特征在于，所述的下蓋具有一凹槽以容置所述的氣墊球及所述的機電轉(zhuǎn)換單元。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的壓電片長寬比大約1至10， 有利于使所述的壓電片彎曲產(chǎn)生形變。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的突起物的外型為一錐形體、 一半圓球體或一半圓柱體，其中所述的突起物為剛性系數(shù)大約0. 7以上的剛性材料。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的機電轉(zhuǎn)換單元更包括一電路板或多個電子元件，以將所述的壓電片以串聯(lián)或并聯(lián)相接，并將所述的壓電片因形變而產(chǎn)生的電流輸出至所述的輸出端。
7.如權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的壓電發(fā)電模塊更包括一第二機電轉(zhuǎn)換單元，所述的第二機電轉(zhuǎn)換單元貼有復(fù)數(shù)個第二壓電片；及一墊板，所述的墊板下表面具有復(fù)數(shù)個半圓球體突起物，所述的墊板設(shè)置于所述的機電轉(zhuǎn)換單元上方，所述的第二機電轉(zhuǎn)換單元放置于所述的墊板上方，當(dāng)所述的上蓋受力時， 所述的墊板提供所述的第二壓電片的變形空間，并以所述的半圓球體突起物對所述的機電轉(zhuǎn)換單元施力，同時提供壓力放大的效果。
8.如權(quán)利要求7所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的壓電發(fā)電模塊系為一平板式壓電發(fā)電模塊，且所述的上蓋、所述的下蓋及所述的墊板的材質(zhì)為彈性材質(zhì)，使所述的平板式壓電發(fā)電模塊可受任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊來使所述的壓電發(fā)電模塊輸出電流。
9.如權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的壓電發(fā)電模塊更包括一整流器、一電容或一充電電池，所述的整流器電性連接于所述的輸出端及所述的電容或所述的充電電池，使所述的壓電片所產(chǎn)生的電能輸出至所述的整流器后，儲存至所述的電容，或?qū)λ龅某潆婋姵爻潆姟?br> 10.如權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電模塊，其特征在于，所述的輸出端電性連接于一負載電路，使所述的機電轉(zhuǎn)換單元受外力所產(chǎn)生的電能輸出至所述的整流器后，即可提供電流給所述的負載電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電發(fā)電模塊，包括一上蓋；一下蓋；一機電轉(zhuǎn)換單元，該機電轉(zhuǎn)換單元系為一金屬片，金屬片貼有復(fù)數(shù)個壓電片，機電轉(zhuǎn)換單元并電性連接一輸出端；一氣墊，設(shè)置于該些壓電片下方，以提供該些壓電片形變空間；及復(fù)數(shù)個突起物，固定于上蓋的內(nèi)表面，并設(shè)置于該些壓電片上方，每一突起物受力端接觸面積大于施力于壓電片上的接觸面積，以當(dāng)壓電發(fā)電模塊受到一外力時，達到壓力放大的效果。
文檔編號H01L41/053GK102468421SQ20111020551
公開日2012年5月23日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者葉健生, 葉威廷, 念家富, 陳一天, 陳春翰 申請人:翰陽應(yīng)用材料科技股份有限公司