CN101373938A - 压电发电器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压电发电器，由二个压电换能元件单元、一弹性体及多个固定元件所构成，该弹性体容置在该等压电换能元件单元间，该等固定元件可调整该等压电换能元件单元间的距离，通过调整该等压电换能元件单元的间距，经该弹性体的作用，使该等压电换能元件单元受到应力作用产生形变；利用此种预加应力方式，使压电换能元件单元在固定外力作用下产生最大电能输出。

Description

压电发电器结构

技术领域

本发明涉及一种压电发电器结构，特别是涉及一种对压电换能元件单元预加应力产生形变，使压电换能元件单元在固定外力作用下能产生最大电能输出的压电发电器结构。

背景技术

压电材料为电能与机械能间转换的材料，以锆钛酸铅及其衍生成份为代表，其所具有的压电特性也是目前机电转换效率最高者。压电材料应用于电压产生的代表为点火元件，使用弹簧存储机械能后瞬间撞击压电材料表面，利用压电特性将机械能转换成电能，产生的电压一般达到上万伏特的直流电压，经由一定间距的电极放电以点燃瓦斯气体，产生的电压与压电材料的电容与压电转换特性有关，由于需要高的输出电压以产生气体放电，因此压电材料以柱状为主，其电容值低因此可产生上万伏特的电压。虽然有高电压的输出，但电压持续时间短(毫秒以下)，无法以电能存储装置如电池或电容器来存储。降低压电材料的厚度可提高电容值，产生的电压因此降低，但电压持续的时间仍然不足以有效的充入电能存储装置中，此外，承受机械能作用时薄的压电材料因强度较弱，工作时会有机械破坏的风险。

进一步的电容量提高可经由多层的陶瓷结构来获得，在机械能量作用下，层与层间的机械结合强度，以及整体多层结构在工作时的稳定性，使薄化的压电材料应用在发电功能时，必须有适度的机械结构来强化压电材料机械耐力，同时使机械能量有比较稳定的输入。因此，良好的压电发电器设计，除高机电转换特性外，配合的机械结构是整体元件功能发挥的重要基础。

压电材料具有如图1的变形量(或称应变)与电压关系，在最大的斜率处代表压电材料具有最大的应变随输入电压变化，亦即在相同的驱动电压下可以产生最大的变形量，反之亦同，以相同的变形量驱动可以产生最大的电压输出，此时压电材料具有最高的机电能量转换效果。如果将压电材料预先施加固定量的形变，使其类似被驱动到图1曲线的最大斜率处(标示X点处)，此时再有形变输入会使压电材料产生更大的电压输出，对制作高机电转换率的压电发电器提供高功能设计的依据。使压电材料承受应力必先有一机械结构，稳定机械能量输入也需机械结构，因此，如果将两种需求的机械结构作整体设计，使其兼具预加应力与稳定机械能输入功能，将有利于高转换效率的压电发电器模块制作。

使用弹性体的回弹力，使其对压电材料产生预加应力的作用，在外加力量作用下，弹性体的缓冲特性使压电材料有更长时间的电压输出，有利于电能的撷取存储。

一般来说，压电发电器的基础组成为配合一机械结构的压电换能单元，利用机械结构提供外力作用方向的改变或作用时间的延长，使外力可以在压电换能单元造成变形，通过机电转换特性与电路接线使产生的电能导出。为增加转换的能量，机械结构常被设计具有高的灵敏度，随外力作用可迅速将变化传送到压电换能单元上。此外，将多数个压电单元相连接可提供更大的电能输出。不论何种设计，压电发电器均产生交流的电压，如此一来，作为电源应用就必须经过整流装置，因此在压电发电器中常含有整流的电子元件。

悬臂式结构为产生机械振动的基本结构，在悬臂上贴合压电片形成压电发电器，如专利WO0120760、JP11146663、JP2003061367，前者将压电片贴在微加工制作的悬臂上，后者使用悬臂带动压缩或拉伸压电片使其产生电压。

另外如专利JP9205781、US5751091、JP2004222414等使用类似悬臂结构，固定压电片与悬臂使机械振动传送至压电片产生电压，其中使用多层结构的压电片以增加产生的电能。

通过机械连动的传送装置，使其带动钢球类的硬物对压电片表面产生撞击，进而产生电压输出，如专利WO2004077652、US2006226739、JP2006129602、JP2005275852、JP2001231272、JP2006012465、JP2003116285与JP11275877，除机械连动装置外，其中并有设计缓冲撞击的膜、片或弹簧，利用缓冲撞击材料来延长撞击作用时间，使压电片产生足够长的电能输出时间。由于缓冲材料的反弹力，造成撞击力的来回摆动，因此能产生交流的电压输出。

综合既有专利可知，为提高电能的输出，一般多采用多数个压电单元串并联的结构来达成，不论结构设计如何，均为交流电压的输出，因此作电源的应用时需先经过整流电路的调整。

压电材料的机电转换特性也可通过施加偏压方式来提升，如专利US6201336，使用直流偏压来使压电材料有高的机电转换效率，在输出端以电路将直流偏压滤除。虽然直流偏压提高转换效率，但外加电池使压电发电器仍无法达到无电池的电源用途，因此实用性有限。

除直流偏压外，机械偏压或预施应变(变形)在压电片上，也同样具有提高压电片的机电转换效率功用，本发明即在设计预加应变于压电片的压电发电器结构，使压电转换能在预加变形情况下，达到更高的机电转换效率。此外，预加应变会使压电被偏压在特定的机电转换方向，使压电发电器受外力的作用只产生直流电压的输出，与传统压电发电器的交流电压输出再经整流成直流电压，本发明结构具有应用的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电发电器结构，提供预加应力于压电换能元件单元以产生形变，使压电换能元件单元在固定外力的作用下能产生最大电能输出。

本发明的压电发电器结构包含二个压电换能元件单元、一弹性体、以及多个固定元件。其中弹性体容置在该等压电换能元件单元间。固定元件用以固定该等压电换能元件单元以及该弹性体。利用在压电换能元件单元间置入弹性体与调整固定元件中的螺帽来施加压力的方式，对压电换能元件单元产生预加应力的作用，以提高该压电换能元件单元的压电转换效率。

每一压电换能元件单元可由单一的压电片贴合于金属片的上或下侧形成，也可以串联的方式在金属片的上下两侧贴合连接来提高电容量；压电片所贴附的金属片比该等压电片具更大面积，且在金属片的周围有多个贯通孔，以使固定元件穿过；每一固定元件皆有一固定轴，该固定轴的表面由一绝缘轴衬包覆着以隔绝电流，固定轴上套有一弹性元件、多个固定螺帽与多个绝缘垫片，弹性元件可为弹簧或弹片，用以支撑调节缓冲贯通于固定轴上的二压电换能元件单元，由于有了容置在压电换能元件单元间的弹性体与固定元件上的弹性元件的支撑，使得二压电换能元件单元间产生一初始距离，并使用固定螺帽将该等压电换能元件单元上的金属片固定，而多个绝缘垫片则是设置在弹性元件、固定螺帽与金属片之间，以防止电流造成短路。

压电换能元件单元与弹性体由贯穿通过金属片的多个固定元件固定，调整固定元件上固定螺帽的高度，缩短改变二压电换能元件单元的间距，使容置在其中的弹性体承受外力作用，利用弹性体的回弹力来提供应力，作用在该等压电换能元件单元上，使之得到对压电片预加应力的效果，在压电换能元件单元上产生形变，调整应变大小使其被应变偏压在最灵感状态(如图1X点的位置)，在这样的作用下，施加应力于已形变的该等压电换能元件单元，则可使该等压电换能元件单元发电，并提供较未预施加应力者高的电压输出。

由压电换能元件单元、固定元件与螺帽、弹性体等形成的压电发电器，工作时在外加应力作用下，弹性体的缓冲功能提供机械能存储与延长外力作用时间的效果，使压电发电器可产生更长时间的输出电压，以利电能的撷取存储。压电发电器的结构兼具预加应力与延长输出电压的作用，使压电发电器具有实用的价值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合所附附图做详细说明。

附图说明

图1是压电材料的应变Δ1与电压U关系图，其中标示X处为斜率最大处，即对应于相同值的应变输入可以产生最大的电压输出；

图2是依据本发明的压电发电器其中一实施例的结构图；

图3A是依据本发明的压电换能元件单元的立体图；

图3B是依据本发明的压电换能元件单元的侧视图；

图4是依据本发明的固定元件结构图；

图5是依据本发明的压电发电器结构承受应变作用示意图；

图6是依据本发明的压电发电器另一实施例的结构图；

图7是依据本发明的压电发电器又一实施例的结构图；

图8是本发明的压电换能元件单元间距改变对输出电压的影响的比较图；

图9是本发明的压电换能元件单元的间距固定时，上下压电换能元件单元串连相接与单一压电换能元件单元的输出电压比较图；

图10是使用单一压电换能元件单元在传统悬臂式结构与本发明结构在相同应力作用下的输出电压比较图；

图11是图10的本发明结构的输出电压经积分计算曲线涵盖面积图；

图12是图10的传统悬臂式结构的输出电压经积分计算曲线涵盖面积图；

图13显示使用单一压电换能元件单元的悬臂式结构与本发明结构在相同应力下的输出功率(横座标为负载电阻)。

主要元件符号说明

10-压电发电器

110、110＇-压电换能元件单元

111、111＇-压电片

112、112＇-压电片

121、121＇-金属片

131-贯通孔

141-导线

20-压电发电器

210-固定元件

211-固定轴

221、222、223、224-螺帽

231、232-绝缘垫片

241-弹性元件

251-绝缘轴衬

30-压电发电器

310-弹性体

60-压电发电器

610、610＇-压电换能元件单元

70-压电发电器

710、710＇-压电换能元件单元

具体实施方式

以下参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，但本案的技术手段并不限于所列举附图。

请参阅图2至图4所示，本发明提供的压电发电器结构10包含二压电换能元件单元110、110＇、多个固定元件210以及一弹性体310；其中，该弹性体310容置在该等压电换能元件单元110、110＇间；该等固定元件210用以固定该等压电换能元件单元110、110＇以及该弹性体310；其中该弹性体310可为塑胶、橡胶或其他金属材料，该弹性体310也可为球状物或弹簧体。

该压电换能元件单元110包含一金属片121以及至少一压电片111，该金属片121比该压电片111具更大面积，该压电片111贴附在该金属片121上，也可如图3B所示，以上下贴合的方式使二压电片111、112串联在该金属片121上，其中该等压电片111、112可为单层或多层结构的压电陶瓷材料，该金属片121上有多个贯通孔131(如图3A所示)，位于该金属片周围，使该等固定元件210穿过。

另一压电换能元件单元110＇的构造与压电换能元件单元110相同，包含一金属片121＇以及至少一压电片111＇，该金属片121＇比该压电片111＇具更大面积，该压电片111＇贴附在该金属片121＇上，也可如图3B所示，以上下贴合的方式使二压电片111＇、112＇串联在该金属片121＇上，同样的该等压电片111＇、112＇可为单层或多层结构的压电陶瓷材料。

如图4所示，该等固定元件210包含一固定轴211、一绝缘轴衬251、一弹性元件241、多个固定螺帽221、222、以及多个绝缘垫片231、232。其中绝缘轴衬251包覆在该固定轴211的表面；弹性元件241可为弹簧或弹片，被该固定轴211贯穿；固定螺帽221、222被该固定轴221贯穿，并将该等金属片121、121＇夹于该固定轴211两端；绝缘垫片231、232设置于该弹性元件241、该等固定螺帽221、222、223、224及该等金属片121、121＇之间，且被该固定轴211贯穿。

参照图2及图5，操作时首先调整该等固定元件210上的该等固定螺帽221、222、223、224来缩短该等压电换能元件单元110、110＇间的距离，使容置在该等压电换能元件单元110、110＇间的该弹性体310提供应力于该等压电换能元件单元110、110＇上，进而使该等压电换能元件单元110、110＇产生形变(如图5)；此时，施加一应力F于已形变的该等压电换能元件单元110、110＇上的压电片111、112、111＇、112＇，使该等压电片111、112、111＇、112＇有最大电压输出。

为了能更有效的利用产出的电压，压电发电器10更包含至少一条导线141，该导线141连接于该等压电换能元件单元110、110＇上的压电片111、112、111＇、112＇，导线141的连接方式可依不同需求作串联或并联，参照图3B，外接导线141连接压电片111、112、111＇、112＇使之与金属片121、121＇形成并联式的电路连结，当外加机械能量(应力或应变)时，上、下压电片111、112或111＇、112＇将产生相同的电极性，使导线141输出电压；利用导线141与金属片121、121＇形成的并联电路结构，可使压电换能元件单元110具有最大的电容值，能提供较低的等效阻抗，有利于高电流的输出；此外，导线141上更可装设一整流器(未图示)，将压电发电器10的输出做整流，以供有效利用。

在压电换能元件单元110、110＇上的金属片121、121＇的四周制作贯通孔131，作为固定压电换能元件单元110、110＇于固定元件210的用途，固定元件210结构如图4所示，为避免上下两压电换能元件单元110、110＇通过固定轴211短路，因此在螺帽221、222、223、224与固定轴211间存在绝缘轴衬251，螺帽221、222、223、224之间同时通过绝缘垫片231、232隔离，以确保压电换能元件单元110、110＇间的电性隔绝。上下压电换能元件单元110、110＇的螺帽221、222、223、224间存在一弹性元件241，调整螺帽221、222、223、224间距时，利用弹性元件241的反作用力来稳定螺帽221、222、223、224间距，避免压电发电器10在工作时，受外力振动而产生螺帽221、222、223、224松脱的问题。

参照图6，图6显示压电发电器另一态样的实施情形。其中压电发电器60中的压电换能元件单元610、610＇为圆形或椭圆形。

参照图7，图7显示压电发电器又一态样的实施情形。其中压电发电器70中的压电换能元件单元710、710＇为具有弧度的板状结构，此处特别要强调的是，上下压电换能元件单元710、710＇为反向装设，使之向内凹向弹性体310。

综上所述，本发明提供的压电换能元件单元受弹性体的预加形变作用，在外力作用下产生电压输出，如图8所示，其中使用上述的压电换能元件单元为输出，调整螺帽改变两压电换能元件单元间距(由15mm变化至5mm)，在相同的应力作用下，输出电压会随间距的缩小而增加，显示因预加形变于压电换能元件单元能提高输出电压的效果，亦即提高压电换能元件单元的机电转换效率，证实图1所预测的结果。

此外，在两压电换能元件单元间距为5mm时，将上下压电换能元件单元的输出电压以导线串联方式相连接，结果如图9所示，可以产生多一倍的最大输出电压，显示此种结构可以有效的将上下压电换能单元的电压相加，以产生最大的电压输出。

使用单一个压电换能元件单元在传统的悬臂式结构(未预施加应变)与本发明压电发电器结构在相同应力输入下的输出电压，如图10所示，经相同外力作用后悬臂式结构会产生上下振荡现象，因此会产生交流电压的输出，本发明压电发电器结构预施加应变使压电换能单元只能产生单一方向的形变，因此输出电压为直流性质，可以不需使用整流器即可产生直流电压。

如果将两种压电发电器的输出电压进行积分，取其与时间轴的面积值，此项曲线面积值将代表能量的大小。请参阅图11及图12所示，其中图11是图10的本发明结构的输出电压经积分计算曲线涵盖面积图，如果纵座标(输出电压)以y表示，而横座标(时间)以x表示，则计算曲线为

y＝-2914x²+440x-0.1

经积分后，得到面积为

$\∫\mathrm{ydx}={\∫}_0^{0.15}(-2914x^2+440x-0.1)\mathrm{dx}$

$=1.63$

图12是图10的传统悬臂式结构的输出电压经积分计算曲线涵盖面积图，如果纵座标输出电压以y表示，而横座标(时间)以x表示，则计算曲线为

y＝-871x²+102x+4.87

经积分后，得到面积为

$\∫\mathrm{ydx}={\∫}_0^{0.15}(-871x^2+102x+4.87)\mathrm{dx}$

$=0.9$

由上面计算结果显示，本发明的输出能量(电能)比传统悬臂式结构高出近一倍。

另外，由于能产生较大的电压输出，因此本发明结构提供的输出功率较传统悬臂式多一倍，如图13所示，随负载电阻减小，本发明结构的输出功率增加比传统悬臂式多，显示在预加应变情况下，本发明结构有较小的等效阻抗值。

综合上述实施例的结果，在预施加变形的作用下，压电换能元件单元可以产生直流的电压输出，其输出电压比未预施加变形者大，等效阻抗比比未预施加变形者小，因此在大负载情况(负载电阻低)下，预施加变形的压电发电器具有高一倍左右的电功率输出，使本发明结构更具有实用性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何其所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (12)

1.一种压电发电器，其包含：

二个压电换能元件单元；

弹性体，容置在该各压电换能元件单元间；

多个固定元件，固定该各压电换能元件单元以及该弹性体。

2.如权利要求1所述的压电发电器，其更包含至少一导线，连接该各压电换能元件单元。

3.如权利要求2所述的压电发电器，其中该各压电换能元件单元间连接方式为串联或并联。

4.如权利要求2所述的压电发电器，其更包含整流器，连接该导线。

5.如权利要求1所述的压电发电器，其中该弹性体为塑胶、橡胶或金属材料。

6.如权利要求1所述的压电发电器，其中该弹性体为球状物或弹簧体。

7.如权利要求1所述的压电发电器，其中每一压电换能元件单元包含：

金属片；

压电片，贴附在该金属片上，且该金属片比该压电片具更大面积；

多个贯通孔，位于该金属片周围，使该各固定元件穿过。

8.如权利要求7所述的压电发电器，其中该压电片为单层或多层结构的压电陶瓷材料。

9.如权利要求7所述的压电发电器，其中该压电片以串联方式贴合在该金属片上。

10.如权利要求7所述的压电发电器，其中每一固定元件，包含：

固定轴；

绝缘轴衬，包覆在该固定轴的表面；

弹性元件，被该固定轴贯穿；

多个固定螺帽，被该固定轴贯穿，将该金属片夹于该固定轴两端；

多个绝缘垫片，设置在该弹性元件、该各固定螺帽及该金属片之间，且被该固定轴贯穿。

11.如权利要求10所述的压电发电器，其中该弹性元件为弹簧或弹片。

12.一种压电发电的方法，利用权利要求1所述的该压电发电器所实施，该压电发电方法包含下列步骤：

a.以该各固定元件缩短该各压电换能元件单元间的距离，使容置在该各压电换能元件单元间的该弹性体提供应力于该各压电换能元件单元上，在该各压电换能元件单元产生形变；

b.施加应力于已形变的该各压电换能元件单元，使该各压电换能元件单元发电。

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