專利名稱：壓電發(fā)電器結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓電發(fā)電器結構，特別是涉及一種對壓電換能元件單元 預加應力產生形變，使壓電換能元件單元在固定外力作用下能產生最大電能 輸出的壓電發(fā)電器結構。
背景技術：
壓電材料為電能與機械能間轉換的材料，以鋯鈦s吏鉛及其衍生成份為代 表，其所具有的壓電特性也是目前機電轉換效率最高者。壓電材料應用于電 壓產生的代表為點火元件，使用彈簧存儲機械能后瞬間撞擊壓電材料表面， 利用壓電特性將機械能轉換成電能，產生的電壓 一般達到上萬伏特的直流電 壓，經由一定間距的電極放電以點燃瓦斯氣體，產生的電壓與壓電材料的電 容與壓電轉換特性有關，由于需要高的輸出電壓以產生氣體放電，因此壓電 材料以柱狀為主，其電容值低因此可產生上萬伏特的電壓。雖然有高電壓的 輸出，但電壓持續(xù)時間短(毫秒以下)，無法以電能存儲裝置如電池或電容器 來存儲。降低壓電材料的厚度可提高電容值，產生的電壓因此降低，但電壓 持續(xù)的時間仍然不足以有效的充入電能存儲裝置中，此外，承受機械能作用 時薄的壓電材料因強度較弱，工作時會有機械破壞的風險。
進一 步的電容量提高可經由多層的陶瓷結構來獲得，在機械能量作用 下，層與層間的機械結合強度，以及整體多層結構在工作時的穩(wěn)定性，使薄 化的壓電材料應用在發(fā)電功能時，必須有適度的機械結構來強化壓電材料機 械耐力，同時使機械能量有比較穩(wěn)定的輸入。因此，良好的壓電發(fā)電器設計， 除高機電轉換特性外，配合的機械結構是整體元件功能發(fā)揮的重要基礎。
壓電材料具有如圖1的變形量(或稱應變)與電壓關系，在最大的斜率處 代表壓電材料具有最大的應變隨輸入電壓變化，亦即在相同的驅動電壓下可 以產生最大的變形量，反之亦同，以相同的變形量驅動可以產生最大的電壓 輸出，此時壓電材料具有最高的機電能量轉換效果。如果將壓電材料預先施
加固定量的形變，使其類似被驅動到圖1曲線的最大斜率處(標示x點處)，
此時再有形變輸入會使壓電材料產生更大的電壓輸出，對制作高機電轉換率 的壓電發(fā)電器提供高功能設計的依據。使壓電材料承受應力必先有 一機械結 構，穩(wěn)定機械能量輸入也需機械結構，因此，如果將兩種需求的機械結構作 整體設計，使其兼具預加應力與穩(wěn)定機械能輸入功能，將有利于高轉換效率 的壓電發(fā)電器模塊制作。
使用彈性體的回彈力，使其對壓電材料產生預加應力的作用，在外加力 量作用下，彈性體的緩沖特性使壓電材料有更長時間的電壓輸出，有利于電
能的擷取存儲。
一般來說，壓電發(fā)電器的基礎組成為配合一機械結構的壓電換能單元， 利用機械結構提供外力作用方向的改變或作用時間的延長，使外力可以在壓 電換能單元造成變形，通過機電轉換特性與電路接線使產生的電能導出。為 增加轉換的能量，機械結構常被設計具有高的靈敏度，隨外力作用可迅速將 變化傳送到壓電換能單元上。此外，將多數個壓電單元相連接可提供更大的 電能輸出。不論何種設計，壓電發(fā)電器均產生交流的電壓，如此一來，作為 電源應用就必須經過整流裝置，因此在壓電發(fā)電器中常含有整流的電子元 件。
懸臂式結構為產生機械振動的基本結構，在懸臂上貼合壓電片形成壓電
發(fā)電器，如專利WO0120760、 JP11146663、 JP2003061367,前者將壓電片貼 在微加工制作的懸臂上，后者使用懸臂帶動壓縮或拉伸壓電片使其產生電 壓。
另外如專利JP9205781、 US5751091、 JP2004222414等使用類似懸臂結 構，固定壓電片與懸臂使機械振動傳送至壓電片產生電壓，其中使用多層結 構的壓電片以增加產生的電能。
通過機械連動的傳送裝置，使其帶動鋼球類的硬物對壓電片表面產生撞 擊，進而產生電壓輸出，如專利WO2004077652 、 US2006226739 、 JP2006129602、 JP2005275852、 JP2001231272、 JP2006012465、 JP2003116285 與JP11275877,除機械連動裝置外，其中并有設計緩沖撞擊的膜、片或彈簧， 利用緩沖撞擊材料來延長撞擊作用時間，使壓電片產生足夠長的電能輸出時 間。由于緩沖材料的反彈力，造成撞擊力的來回擺動，因此能產生交流的電 壓輸出。
綜合既有專利可知，為提高電能的輸出， 一般多采用多數個壓電單元串
并聯的結構來達成，不論結構設計如何，均為交流電壓的輸出，因此作電源 的應用時需先經過整流電路的調整。
壓電材料的機電轉換特性也可通過施加偏壓方式來提升，如專利
US6201336,使用直流偏壓來使壓電材料有高的機電轉換效率，在輸出端以 電路將直流偏壓濾除。雖然直流偏壓提高轉換效率，但外加電池使壓電發(fā)電 器仍無法達到無電池的電源用途，因此實用性有限。
除直流偏壓外，機械偏壓或預施應變(變形)在壓電片上，也同樣具有提 高壓電片的機電轉換效率功用，本發(fā)明即在設計預加應變于壓電片的壓電發(fā) 電器結構，使壓電轉換能在預加變形情況下，達到更高的機電轉換效率。此 外，預加應變會使壓電被偏壓在特定的機電轉換方向，使壓電發(fā)電器受外力 的作用只產生直流電壓的輸出，與傳統(tǒng)壓電發(fā)電器的交流電壓輸出再經整流 成直流電壓，本發(fā)明結構具有應用的優(yōu)勢。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電發(fā)電器結構，提供預加應力于壓電換能 元件單元以產生形變，使壓電換能元件單元在固定外力的作用下能產生最大 電能輸出。
本發(fā)明的壓電發(fā)電器結構包含二個壓電換能元件單元、 一彈性體、以及 多個固定元件。其中彈性體容置在該等壓電換能元件單元間。固定元件用以 固定該等壓電換能元件單元以及該彈性體。利用在壓電換能元件單元間置入 彈性體與調整固定元件中的螺帽來施加壓力的方式，對壓電換能元件單元產
生預加應力的作用，以提高該壓電換能元件單元的壓電轉換效率。
每一壓電換能元件單元可由單一的壓電片貼合于金屬片的上或下側形 成，也可以串聯的方式在金屬片的上下兩側貼合連接來提高電容量；壓電片 所貼附的金屬片比該等壓電片具更大面積，且在金屬片的周圍有多個貫通 孔，以使固定元件穿過；每一固定元件皆有一固定軸，該固定軸的表面由一 絕緣軸襯包覆著以隔絕電流，固定軸上套有一彈性元件、多個固定螺帽與多 個絕緣墊片，彈性元件可為彈簧或彈片，用以支撐調節(jié)緩沖貫通于固定軸上 的二壓電換能元件單元，由于有了容置在壓電換能元件單元間的彈性體與固 定元件上的彈性元件的支撐，使得二壓電換能元件單元間產生一初始距離， 并使用固定螺帽將該等壓電換能元件單元上的金屬片固定，而多個絕緣墊片
則是設置在彈性元件、固定螺帽與金屬片之間，以防止電流造成短路。
壓電換能元件單元與彈性體由貫穿通過金屬片的多個固定元件固定，調 整固定元件上固定螺帽的高度，縮短改變二壓電換能元件單元的間距，使容 置在其中的彈性體承受外力作用，利用彈性體的回彈力來提供應力，作用在 該等壓電換能元件單元上，使之得到對壓電片預加應力的效果，在壓電換能 元件單元上產生形變，調整應變大小使其被應變偏壓在最靈感狀態(tài)(如圖IX 點的位置)，在這樣的作用下，施加應力于已形變的該等壓電換能元件單元， 則可使該等壓電換能元件單元發(fā)電，并提供較未預施加應力者高的電壓輸 出。
由壓電換能元件單元、固定元件與螺帽、彈性體等形成的壓電發(fā)電器， 工作時在外加應力作用下，彈性體的緩沖功能提供機械能存儲與延長外力作 用時間的效果，使壓電發(fā)電器可產生更長時間的輸出電壓，以利電能的擷取 存儲。壓電發(fā)電器的結構兼具預加應力與延長輸出電壓的作用，使壓電發(fā)電 器具有實用的價值。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施 例并配合所附附圖做詳細說明。
圖1是壓電材料的應變A1與電壓U關系圖，其中標示X處為斜率最大
處，即對應于相同值的應變輸入可以產生最大的電壓輸出； 圖2是依據本發(fā)明的壓電發(fā)電器其中一實施例的結構圖； 圖3A是依據本發(fā)明的壓電換能元件單元的立體圖； 圖3B是依據本發(fā)明的壓電換能元件單元的側視圖； 圖4是依據本發(fā)明的固定元件結構圖； 圖5是依據本發(fā)明的壓電發(fā)電器結構承受應變作用示意圖； 圖6是依據本發(fā)明的壓電發(fā)電器另一實施例的結構圖； 圖7是依據本發(fā)明的壓電發(fā)電器又一實施例的結構圖； 圖8是本發(fā)明的壓電換能元件單元間距改變對輸出電壓的影響的比較
圖9是本發(fā)明的壓電換能元件單元的間距固定時，上下壓電換能元件單 元串連相接與單一壓電換能元件單元的輸出電壓比較圖10是使用單一壓電換能元件單元在傳統(tǒng)懸臂式結構與本發(fā)明結構在
相同應力作用下的輸出電壓比較圖11是圖IO的本發(fā)明結構的輸出電壓經積分計算曲線涵蓋面積圖； 圖12是圖10的傳統(tǒng)懸臂式結構的輸出電壓經積分計算曲線涵蓋面積
圖13顯示使用單一壓電換能元件單元的懸臂式結構與本發(fā)明結構在相 同應力下的輸出功率(橫座標為負載電阻)。 主要元件符號說明 10-壓電發(fā)電器
110、 110'-壓電換能元件單元
111、 iir-壓電片
112、 112'-壓電片
121、 12r-金屬片
131-貫通孔
141-導線
20-壓電發(fā)電器
210- 固定元件
211- 固定軸
221、 222、 223、 224-螺帽
231、 232-絕緣墊片
241-彈性元件
251-絕緣軸村
30-壓電發(fā)電器
310-彈性體
60-壓電發(fā)電器
610、 610'-壓電換能元件單元 70-壓電發(fā)電器
710、 710'-壓電換能元件單元
具體實施例方式
以下參照隨附的附圖來描述本發(fā)明為達成目的所使用的技術手段與功
效，而以下附圖所列舉的實施例僅為輔助說明，但本案的技術手段并不限于 所列舉附圖。
請參閱圖2至圖4所示，本發(fā)明提供的壓電發(fā)電器結構10包含二壓電 換能元件單元110、 110'、多個固定元件210以及一彈性體310;其中，該彈 性體310容置在該等壓電換能元件單元110、 IIO'間；該等固定元件210用 以固定該等壓電換能元件單元110、 110'以及該彈性體310;其中該彈性體 310可為塑膠、橡膠或其他金屬材料，該彈性體310也可為球狀物或彈簧體。
該壓電換能元件單元110包含一金屬片121以及至少一壓電片111,該 金屬片121比該壓電片lll具更大面積，該壓電片lll貼附在該金屬片121 上，也可如圖3B所示，以上下貼合的方式使二壓電片111、 112串聯在該金 屬片121上，其中該等壓電片111、 112可為單層或多層結構的壓電陶瓷材 料，該金屬片121上有多個貫通孔131(如圖3A所示)，位于該金屬片周圍， 使該等固定元件210穿過。
另一壓電換能元件單元110'的構造與壓電換能元件單元IIO相同，包含 一金屬片121'以及至少一壓電片lll',該金屬片121'比該壓電片iir具更大 面積，該壓電片lll'貼附在該金屬片121'上，也可如圖3B所示，以上下貼
合的方式使二壓電片nr、 U2'串聯在該金屬片121'上，同樣的該等壓電片 iir、 112'可為單層或多層結構的壓電陶瓷材料。
如圖4所示，該等固定元件210包含一固定軸211、 一絕緣軸襯251、 一彈性元件241、多個固定螺帽221、 222、以及多個絕緣墊片231、 232。其 中絕緣軸襯251包覆在該固定軸211的表面；彈性元件241可為彈簧或彈片， 被該固定軸211貫穿；固定螺帽221、 222 ^L該固定軸221貫穿，并將該等 金屬片121、 121'夾于該固定軸211兩端；絕緣墊片231、 232設置于該彈性 元件241、該等固定螺帽221、 222、 223、 224及該等金屬片121、 121'之間， 且^f皮該固定軸211貫穿。
參照圖2及圖5，搡作時首先調整該等固定元件210上的該等固定螺帽 221、 222、 223、 224來縮短該等壓電換能元件單元110、 110'間的距離，使 容置在該等壓電換能元件單元110、 110'間的該彈性體310提供應力于該等 壓電換能元件單元110、 IIO'上，進而使該等壓電換能元件單元110、 110' 產生形變(如圖5);此時，施加一應力F于已形變的該等壓電換能元件單 元110、 110'上的壓電片111、 112、 lll'、 112'，使該等壓電片111、 112、iir、 112'有最大電壓輸出。
為了能更有效的利用產出的電壓，壓電發(fā)電器io更包含至少一條導線
141，該導線141連接于該等壓電換能元件單元110、 110'上的壓電片111、 112、 lll'、 112',導線141的連接方式可依不同需求作串聯或并聯，參照圖 3B，外接導線141連接壓電片111、 112、 lll'、 112'使之與金屬片121、 121' 形成并聯式的電路連結，當外加機械能量(應力或應變)時，上、下壓電片 111、 112或111'、 112'將產生相同的電極性，使導線141輸出電壓；利用導 線141與金屬片121、 121'形成的并聯電路結構，可使壓電換能元件單元110 具有最大的電容值，能提供較低的等效阻抗，有利于高電流的輸出；此外， 導線141上更可裝設一整流器(未圖示)，將壓電發(fā)電器IO的輸出做整流，以 供有效利用。
在壓電換能元件單元110、 110'上的金屬片121、 121'的四周制作貫通孔 131,作為固定壓電換能元件單元110、 110'于固定元件210的用途，固定元 件210結構如圖4所示，為避免上下兩壓電換能元件單元110、 110'通過固 定軸211短路，因此在螺帽221、 222、 223、 224與固定軸211間存在絕緣 軸村251,螺帽221 、 222、 223 、 224之間同時通過絕緣墊片231 、 232隔離， 以確保壓電換能元件單元110、 110'間的電性隔絕。上下壓電換能元件單元 110、 110'的螺帽221、 222、 223、 224間存在一彈性元件241 ，調整螺帽221、
222、 223、 224間距時，利用彈性元件241的反作用力來穩(wěn)定螺帽221 、 222、
223、 224間距，避免壓電發(fā)電器IO在工作時，受外力振動而產生螺帽221、 222、 223、 224*〉脫的問題。
參照圖6，圖6顯示壓電發(fā)電器另一態(tài)樣的實施情形。其中壓電發(fā)電器 60中的壓電換能元件單元610、 610'為圓形或橢圓形。
參照圖7，圖7顯示壓電發(fā)電器又一態(tài)樣的實施情形。其中壓電發(fā)電器 70中的壓電換能元件單元710、 710'為具有弧度的板狀結構，此處特別要強 調的是，上下壓電換能元件單元710、 710'為反向裝設，使之向內凹向彈性 體310。
綜上所述，本發(fā)明提供的壓電換能元件單元受彈性體的預加形變作用， 在外力作用下產生電壓輸出，如圖8所示，其中使用上述的壓電換能元件單 元為輸出，調整螺帽改變兩壓電換能元件單元間距(由15mm變化至5mm), 在相同的應力作用下，輸出電壓會隨間距的縮小而增加，顯示因預加形變于 壓電換能元件單元能提高輸出電壓的效果，亦即提高壓電換能元件單元的機 電轉換效率，證實圖l所預測的結果。
此外，在兩壓電換能元件單元間距為5mm時，將上下壓電換能元件單 元的輸出電壓以導線串聯方式相連接，結果如圖9所示，可以產生多一倍的 最大輸出電壓，顯示此種結構可以有效的將上下壓電換能單元的電壓相加， 以產生最大的電壓輸出。
使用單一個壓電換能元件單元在傳統(tǒng)的懸臂式結構(未預施加應變)與本 發(fā)明壓電發(fā)電器結構在相同應力輸入下的輸出電壓，如圖10所示，經相同 外力作用后懸臂式結構會產生上下振蕩現象，因此會產生交流電壓的輸出， 本發(fā)明壓電發(fā)電器結構預施加應變使壓電換能單元只能產生單一方向的形 變，因此輸出電壓為直流性質，可以不需使用整流器即可產生直流電壓。
如果將兩種壓電發(fā)電器的輸出電壓進行積分，取其與時間軸的面積值，
此項曲線面積值將代表能量的大小。請參閱圖11及圖12所示，其中圖11
是圖10的本發(fā)明結構的輸出電壓經積分計算曲線涵蓋面積圖，如果縱座標
(輸出電壓)以y表示，而橫座標(時間)以x表示，則計算曲線為 "-2914x2 +440x-0.1
經積分后，得到面積為
JV血=f5(—2914x2 +440x —O.l)血 =1.63
圖12是圖10的傳統(tǒng)懸臂式結構的輸出電壓經積分計算曲線涵蓋面積 圖，如果縱座標輸出電壓以y表示，而橫座標(時間)以x表示，則計算曲線 為
_y = _871x2 +102x + 4.87 經積分后，得到面積為
=f"(-871x2 +102x + 4.87)^ =0.9
由上面計算結果顯示，本發(fā)明的輸出能量(電能)比傳統(tǒng)懸臂式結構高出 近一倍。
另外，由于能產生較大的電壓輸出，因此本發(fā)明結構提供的輸出功率較 傳統(tǒng)懸臂式多一倍，如圖13所示，隨負載電阻減小，本發(fā)明結構的輸出功 率增加比傳統(tǒng)懸臂式多，顯示在預加應變情況下，本發(fā)明結構有較小的等效 阻抗值。
綜合上述實施例的結果，在預施加變形的作用下，壓電換能元件單元可 以產生直流的電壓輸出，其輸出電壓比未預施加變形者大，等效阻抗比比未 預施加變形者小，因此在大負載情況(負載電阻低)下，預施加變形的壓電發(fā) 電器具有高 一倍左右的電功率輸出，使本發(fā)明結構更具有實用性。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 其所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可 作任意的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種壓電發(fā)電器，其包含二個壓電換能元件單元；彈性體，容置在該各壓電換能元件單元間；多個固定元件，固定該各壓電換能元件單元以及該彈性體。
2. 如權利要求1所述的壓電發(fā)電器，其更包含至少一導線，連接該各壓 電換能元件單元。
3. 如權利要求2所述的壓電發(fā)電器，其中該各壓電換能元件單元間連接 方式為串聯或并聯。
4. 如權利要求2所述的壓電發(fā)電器，其更包含整流器，連接該導線。
5. 如權利要求1所述的壓電發(fā)電器，其中該彈性體為塑膠、橡膠或金屬 材料。
6. 如權利要求1所述的壓電發(fā)電器，其中該彈性體為球狀物或彈簧體。
7. 如權利要求1所述的壓電發(fā)電器，其中每一壓電換能元件單元包含 金屬片；壓電片，貼附在該金屬片上，且該金屬片比該壓電片具更大面積； 多個貫通孔，位于該金屬片周圍，使該各固定元件穿過。
8. 如權利要求7所述的壓電發(fā)電器，其中該壓電片為單層或多層結構的 壓電陶瓷材料。
9. 如權利要求7所述的壓電發(fā)電器，其中該壓電片以串聯方式貼合在該 金屬片上。
10. 如權利要求7所述的壓電發(fā)電器，其中每一固定元件，包含 固定軸；絕緣軸襯，包覆在該固定軸的表面； 彈性元件，被該固定軸貫穿；多個固定螺帽，被該固定軸貫穿，將該金屬片夾于該固定軸兩端； 多個絕緣墊片，設置在該彈性元件、該各固定螺帽及該金屬片之間，且 被該固定軸貫穿。
11. 如權利要求10所述的壓電發(fā)電器，其中該彈性元件為彈簧或彈片。
12. —種壓電發(fā)電的方法，利用權利要求1所述的該壓電發(fā)電器所實施，該壓電發(fā)電方法包含下列步驟a. 以該各固定元件縮短該各壓電換能元件單元間的距離，使容置在該各 壓電換能元件單元間的該彈性體提供應力于該各壓電換能元件單元上，在該 各壓電換能元件單元產生形變；b. 施加應力于已形變的該各壓電換能元件單元，使該各壓電換能元件單 元發(fā)電。
全文摘要
本發(fā)明公開一種壓電發(fā)電器，由二個壓電換能元件單元、一彈性體及多個固定元件所構成，該彈性體容置在該等壓電換能元件單元間，該等固定元件可調整該等壓電換能元件單元間的距離，通過調整該等壓電換能元件單元的間距，經該彈性體的作用，使該等壓電換能元件單元受到應力作用產生形變；利用此種預加應力方式，使壓電換能元件單元在固定外力作用下產生最大電能輸出。
文檔編號H02N2/18GK101373938SQ200710146829
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月24日 優(yōu)先權日2007年8月24日
發(fā)明者鄭世裕, 陳云田 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院