CN102932717A - 能量转换模块 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种能量转换模块，其包含第一换能器及第二换能器，其中，该第二换能器设置于一第一平板与该第一换能器之间。

Description

能量转换模块

技术领域

本发明涉及一种换能器(transducer)，特别是涉及一种使用换能器以产生声波或触觉振动的能量转换模块。

背景技术

换能器为可将一种能量型态转换为另一种能量型态的能量转换装置，最常见的为机电式的换能器如马达或发电机，马达将输入的电能借由电磁感应而将机械能输出，一般常见的马达以旋转运动的方式将机械能输出，如有刷直流马达、伺服马达、步进马达等；其它比较少见的如线性马达，其将电能的输入直接转换成线性运动输出。若改变能量转换的方向，以机械能输入而转换成电能的输出，则所得的装置即称为发电机，常见的发电机形式为电力系统所用的单相或三相交流发电机。此外，换能器也可以智能材料(smart material)来设计实现，常见的智能材料如压电材料(piezoelectric material)、电活性聚合物(Electro-Active Polymer，EAP)、形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)、磁致伸缩材料(Magnetostrictive Material)、电致伸缩材料(ElectrostrictiveMaterial)等等。

图1显示一种传统能量转换装置，其中换能器10常以压电材料为之，如单压电芯片(unimorph)、双压电芯片(bimorph)、或多压电芯片(multimorph)，利用其逆压电效应(Reverse Piezoelectric Effect)的特性将输入的电信号转换成机械运动输出。一般常用的压电片形状为矩形或圆形(常用于制作蜂鸣片)，但也有可能以其它的形式呈现，视实际应用情况而定。若以输出的力量大小当成性能指针，则以多压电芯片最优，双压电芯片次之，而单压电芯片最差。若以成本来看，则压电芯片的价格与其压电材料的堆叠层数成正相关，因此若性能要求不高，基于成本考虑一般使用单压电芯片。

图1所显示的结构为一传统的震动传递装置(Vibration PropagationDevice)，借由驱动弹性换能器10，而换能器10的震动能量经由黏贴件12传递到上壳体14用以产生声波(acoustic wave)或触觉回馈(hapticfeedback)。然由于一般常用的换能器10的材料，其端点或边缘的摆幅及出力有限，致使其所能传递的震动能量有限，而这会造成触觉回馈的触感反应不明显，或使上壳体14所能产生的音压(Sound Pressure Level，SPL)过低。

因此，亟需提出一种新颖的能量转换模块，用以简化组装程序或增加惯性力量。

由此可见，上述现有的换能器在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的能量转换模块，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的换能器存在的缺陷，而提供一种新型结构的能量转换模块，所要解决的技术问题是提出一种能量转换模块，其较传统能量转换装置具有较好的声波或触觉振动效果，或可改善能量转换装置的组装程序。本发明实施例可用以增加振动摆幅或提升传递的惯性力，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的其包含：一第一换能器；及一第二换能器，其中，该第二换能器设置于一第一平板与该第一换能器之间。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的能量转换模块，其中所述的该第二换能器以嵌入方式设置于该第一平板的表面。

前述的能量转换模块，其中所述的该第二换能器以嵌入方式设置于该第一换能器的表面。

前述的能量转换模块，其中所述的该第一换能器具平面状。

前述的能量转换模块，其中所述的该第一换能器具曲面状。

前述的能量转换模块，其中所述的其更包含一块体，设于该第一换能器与一第二平板之间。

前述的能量转换模块，其中所述的其更包含一第三换能器，设置于该第一换能器与该第二平板之间。

前述的能量转换模块，其中所述的该第一平板或该第二平板为屏幕、触控面板、框架(frame)、基板或壳体(housing)。

前述的能量转换模块，其中所述的该第一换能器、该第二换能器或该第三换能器所使用的智能材料为压电材料、电活性聚合物(EAP)、形状记忆合金(SMA)、磁性收缩材料、音圈马达(voice coil motor)、偏轴转动质量马达(ERM motor)或线性共振致动器(LRA)。

前述的能量转换模块，其中所述的该压电材料为锆钛酸铅(PZT)。

前述的能量转换模块，其中所述的该第一换能器、该第二换能器或该第三换能器包含：一导电层；至少一第一智能材料层，形成于该导电层上表面；及至少一第一电极层，形成于该第一智能材料层上表面。

前述的能量转换模块，其中所述的该导电层为一金属板。

前述的能量转换模块，其中所述的该第一换能器为矩形、圆形、十字形或三叉星形。

前述的能量转换模块，其中所述的该十字形第二换能器具有一十字形导电层，两个第一智能材料层，垂直相交于该十字形导电层上，且使用绝缘件将两者隔离。

前述的能量转换模块，其中所述的该第一换能器、该第二换能器或该第三换能器更包含：至少一第二智能材料层，形成于该导电层的下表面；及至少一第二电极层，形成于该第二智能材料层的下表面。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种能量转换模块包含第一换能器及第二换能器，其中，第二换能器设置于第一平板与第一换能器之间。根据本发明另一实施例，能量转换模块还包含一块体，设于第一换能器与第二平板之间。根据本发明又一实施例，能量转换模块还包含一第三换能器，设置于第一换能器与第二平板之间。

借由上述技术方案，本发明能量转换模块至少具有下列优点及有益效果：提出一种新颖的能量转换模块，其较传统能量转换装置具有较好的声波或触觉振动效果，可改善能量转换装置的组装程序，本发明实施例可用以增加振动摆幅或提升传递的惯性力，以产生声波或触觉振动的能量转换模块，用以简化组装程序或增加惯性力量。

综上所述，本发明能量转换模块，其包含第一换能器及第二换能器，其中，该第二换能器设置于一第一平板与该第一换能器之间。本发明在技术上有显着的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1显示传统能量转换装置。

图2显示本发明实施例的能量转换模块的截面图。

图3A至图3D显示本发明实施例的各种能量转换模块的截面图。

图4A显示一种第一/第二换能器的详细截面图。

图4B显示另一种第一/第二换能器的详细截面图。

图5A至图5E例示各种形状的第一换能器的上视图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的能量转换模块其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图2显示本发明实施例的能量转换模块(transducer module)的截面图。在本实施例中，能量转换模块用以将电能转换为机械能，但不以此为限。本实施例的能量转换模块主要包含第一换能器(transducer，标示为P)21及第二换能器(标示为P’)23。其中，第二换能器23设置于第一平板25A与第一换能器21之间。第一换能器21与第二换能器23之间还可使用绝缘件(未显示于图式中)予以分隔。当施加一时变(time-varying)电场在第一换能器21时，由于第一换能器21本身的机电耦合的特性，第一换能器21会将时变电场转换成机械能而使其左右两端产生摆动。第一换能器21借由第二换能器23而与第一平板25A产生机械连结，当第一换能器21的左右两端产生上下摆动时，其所产生的惯性力将会借由第二换能器23而传至第一平板25A。若第一平板25A为一触控面板，则此惯性震动可用于在第一平板25A产生触觉回馈(haptic feedback)，借以提升在触控接口上的输入正确性或应用程序互动的拟真性。此外，由于声音的本质即是借由振动介质(如空气、水或金属)来传递，因此第一平板25A也可当成一平板喇叭(flat panel loudspeaker)的振动平面，借由驱动第一换能器21产生惯性力去敲击第一平板25A而产生声波(acoustic wave)。此外，可在驱动第一换能器21的同时也施加一时变电场在第二换能器23，使得第一换能器21与第二换能器23所产生的震动为同相(in phase，即建设性干涉)或接近同相(相位差很小)，则在第一平板25A所产生的震动量也会加大，进而提升触觉回馈或声波传递的效果。

如图3A所示，第二换能器23可使用嵌入方式设置于第一平板25A的表面，第二换能器23也可使用嵌入方式设置于第一换能器21的表面。图3A所示的第一换能器21具平面状，但是，也可具其它形状。例如，图3B显示另一能量转换模块的截面图，其第一换能器21具曲面状。图3A的动作原理与图2相同，差别仅在于第二换能器23的固定方式；图3B的动作原理与图2相同，差别仅在第一换能器21的几何形状。

图3C显示又一能量转换模块的截面图，其更包含一块体27及一第二平板25B，其中，块体27设置于第一换能器21与第二平板25B之间。若以第一平板25A为固定基座，则当对第一换能器21施以一时变电场时，第一换能器21的左右两端会上下摆动，且此上下摆动的惯性力会借由块体27而传递至第二平板25B。若第二平板25B为一触控板(touch pad)、触控屏幕(touch panel)或其它触控接口，则此震动可用来产生触觉回馈；此外，也可将第二平板25B当成平板喇叭的震动平板而用以产生声波。若在驱动第一换能器21的同时也施加一时变电场在第二换能器23，使得第一换能器21与第二换能器23所产生的震动为同相(in phase，即建设性干涉)或接近同相(相位差很小)，则在第二平板25B所产生的震动量也会加大，进而提升触觉回馈或声波传递的效果。上述块体27可置换为第三换能器(未图示)，当第一换能器21、第二换能器23、及第三换能器作用于第二平板25B的惯性力同相或接近同相，则在第二平板25B所产生的震动量会加大，进而提升触觉回馈或声波传递的效果。

图3D显示再一能量转换模块的截面图，其较图3C结构更包含一第三换能器(标示为P”)29，其也是设置于第一换能器21与第二平板25B之间。第一换能器21与第三换能器29之间还可使用绝缘件(未显示于图式中)予以分隔。在本实施例中，块体27与第二换能器23的设置位置靠近第一换能器21的一端，且第三换能器29的设置位置靠近第一换能器21的另一端。图3D的动作原理与图3C类似，差别在于图3D的第二换能器23及块体27位于第一换能器21的一端，且在第一换能器21的另一端上方多加一第三换能器29。当第一换能器21、第二换能器23、及第三换能器29通过块体27而作用于第二平板25B的惯性力同相或接近同相，则在第二平板25B所产生的震动量也会加大，进而提升触觉回馈或声波传递的效果。以下将详述图2及图3A-图3D所示各种能量转换模块的各个组成要件。

在本实施例中，部分或全部组成要件可制造为模块型态，以利快速组装。亦即，可将第一换能器21、第二换能器23、第一平板25A、块体27、第二平板25B及第三换能器29等组成要件的一部份制造为模块。本实施例各个组成要件之间的设置方式可使用一体成型、黏固、锁固、镙固或其它技术。第一平板25A或第二平板25B可以是屏幕、触控面板、框架(frame)、基板或壳体(housing)。块体27可以是空心或实心的，形状可为筒状、柱状或其它形状，且数目可以为一或多于一。

在本实施例中，第一换能器21、第二换能器23或第三换能器29所使用的智能材料可为压电(piezoelectric)材料(例如锆钛酸铅(leadzirconate titanate，PZT))、电活性聚合物(electroactive polymer，EAP)、形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)、磁性收缩材料(magnetostrictive material)、音圈马达(voice coil motor)、偏轴转动质量马达(eccentric rotating mass(ERM)motor)或线性共振致动器(linear resonant actuator，LRA)，但不限定于此。

图4A显示一种第一换能器21、第二换能器23或第三换能器29的详细截面图。以第一换能器21为例，其包含导电层210、第一智能材料层211A及第一电极层212A。其中，第一智能材料层211A形成于导电层210上表面，再于第一智能材料层211A上表面涂布第一电极层212A。导电层210及第一电极层212A分别作为驱动第一智能材料层211A所需的二电极，且该导电层210实施上为一种可供导电的薄层材料(如电极层)或板状材料(如金属板)；当导电层210为金属板时，可增加第一换能器21的坚韧性、耐用性，并可增加惯性力量，以产生声波或触觉回馈。图4A的第一换能器21使用单层的第一智能材料层211A，因此一般若采用压电材料，称为单压电芯片(unimorph)。此外，在实施上，第一换能器21可以采用二或多层第一智能材料层211A，以形成现有习知的多/积层(multi-layers)压电芯片。

图4B显示另一种第一换能器21或第二换能器23的详细截面图。以第一换能器21为例，其包含导电层210、第一智能材料层211A、第一电极层212A、第二智能材料层211B及第二电极层212B。其中，第一智能材料层211A形成于导电层210的上表面，再于第一智能材料层211A上表面涂布第一电极层212A。第二智能材料层211B形成于导电层210的下表面，再于第二智能材料层211B的下表面涂布第二电极层212B。导电层210作为第一/第二智能材料层211A/B的共电极，而第一/第二电极层212A/B分别作为驱动第一/第二智能材料层211A/B所需的电极。图4B的第一换能器21使用双层的第一/第二智能材料层211A/B，因此一般若采用压电材料，称为双压电芯片(bimorph)。此外，在实施上，第一换能器21的至少一侧可以采用二或多层第一智能材料层211A或者二或多层第二智能材料层211B，以形成现有习知的多/积层(multi-layers)压电芯片。

图5A至图5E例示各种形状的第一换能器21的上视图。其中，图5A显示一种矩形第一换能器21的上视图，其至少包含一矩形导电层210及一矩形第一智能材料层211A(未显示出一第一电极层212A)。图5显示一种圆形第一换能器21的上视图，其至少包含一圆形导电层210及一圆形第一智能材料层211A(未显示出第一电极层2312A)。图5C显示一种三叉星(tri-forked star)形第一换能器21的上视图，其至少包含三叉星形导电层210及三叉星形第一智能材料层211A(未显示出第一电极层212A)。图5D显示一种十字形第一换能器21的上视图，其至少包含导电层210及第一智能材料层211A(未显示出第一电极层212A)。

上述各种形状的第一换能器23以单压电芯片(unimorph)为例。实施上同样可增加第二智能材料层211B形成于导电层210的下表面，再于第二智能材料层211B的表面涂布第二电极层212B，形成前述双压电芯片(bimorph)。

图5E显示另一种十字形第一换能器21的上视图，在该十字形导电层210上，具有两个垂直相交成十字形的第一智能材料层211A，且使用绝缘件213将两者绝缘隔离，该绝缘件213可为绝缘层或绝缘体。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (15)

1.一种能量转换模块，其特征在于其包含：

一第一换能器；及

一第二换能器，其中，该第二换能器设置于一第一平板与该第一换能器之间。

2.如权利要求1所述的能量转换模块，其特征在于该第二换能器以嵌入方式设置于该第一平板的表面。

3.如权利要求1所述的能量转换模块，其特征在于该第二换能器以嵌入方式设置于该第一换能器的表面。

4.如权利要求1所述的能量转换模块，其特征在于该第一换能器具平面状。

5.如权利要求1所述的能量转换模块，其特征在于该第一换能器具曲面状。

6.如权利要求1所述的能量转换模块，其特征在于其更包含一块体，设于该第一换能器与一第二平板之间。

7.如权利要求6所述的能量转换模块，其特征在于其更包含一第三换能器，设置于该第一换能器与该第二平板之间。

8.如权利要求6所述的能量转换模块，其特征在于该第一平板或该第二平板为屏幕、触控面板、框架、基板或壳体。

9.如权利要求7所述的能量转换模块，其特征在于该第一换能器、该第二换能器或该第三换能器所使用的智能材料为压电材料、电活性聚合物、形状记忆合金、磁性收缩材料、音圈马达、偏轴转动质量马达或线性共振致动器。

10.如权利要求9所述的能量转换模块，其特征在于该压电材料为锆钛酸铅。

11.如权利要求7所述的能量转换模块，其特征在于该第一换能器、该第二换能器或该第三换能器包含：

一导电层；

至少一第一智能材料层，形成于该导电层上表面；及

至少一第一电极层，形成于该第一智能材料层上表面。

12.如权利要求11所述的能量转换模块，其特征在于该导电层为一金属板。

13.如权利要求1所述的能量转换模块，其特征在于该第一换能器为矩形、圆形、十字形或三叉星形。

14.如权利要求13所述的能量转换模块，其特征在于该十字形第二换能器具有一十字形导电层，两个第一智能材料层，垂直相交于该十字形导电层上，且使用绝缘件将两者隔离。

15.如权利要求11所述的能量转换模块，其特征在于该第一换能器、该第二换能器或该第三换能器更包含：

至少一第二智能材料层，形成于该导电层的下表面；及

至少一第二电极层，形成于该第二智能材料层的下表面。

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