CN106849748A - 压电发电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电发电器，包括基座、簧片以及压电元件。基座具有一刚性部与一弹性部。刚性部的弹性小于弹性部的弹性。簧片具有相对的一第一表面与一第二表面以及相对的一第一侧与一第二侧。第一侧固定于刚性部，第二侧固定于弹性部。簧片呈弧形。压电元件附着于簧片上并适于与簧片一起变形。簧片未受按压时第一表面为凸面。簧片受按压而使第一表面从凸面变成凹面时，使簧片复位的弹性恢复力会作用在簧片上。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电器，且特别是涉及一种压电发电器。
背景技术
压电材料受到外加应力而产生应变的同时会产生电荷堆积的特性，因此能将机械能转换成电能。但是，必需在所输入的机械能有变化时才能产生电能输出，因此压电材料的能量转换效率与外加机械能的大小及变化速度相关。就压电材料应用于发电器而言，为了避免过多的机械能损耗而导致最终的能量转换效率不佳，现有技术将机械能输入装置与压电发电单元整合成单一单元，如美国专利申请案US 2010/244629 A1。请参照图1，现有的压电发电器50是在簧片52上贴有压电元件54，使用者可以直接按压簧片52来使压电元件54变形并发电。压电发电器50的结构简单且无过多的机械能损失。但是，簧片52的两侧都固定在刚性的基座56上，因此簧片52的结构过于刚硬。当簧片52受到按压时，微小的机械能将难以使两侧都固定在刚性的基座56上的簧片52产生较大的形变，也就无法产生较大的电能。
发明内容
本发明提供一种压电发电器，可解决现有技术的压电发电器的发电量不足的问题。
本发明的压电发电器包括基座、簧片以及压电元件。基座具有刚性部与弹性部。刚性部的弹性小于弹性部的弹性。簧片具有相对的第一表面与第二表面以及相对的第一侧与第二侧。第一侧固定于刚性部，第二侧固定于弹性部。簧片呈弧形。压电元件附着于簧片上并适于与簧片一起变形。簧片未受按压时第一表面为凸面。簧片受按压而使第一表面从凸面变成凹面时，使簧片复位的弹性恢复力会作用在簧片上。
在本发明的一实施例中，簧片在靠近第一侧的位置具有曲率转折线。
在本发明的一实施例中，压电元件位于第二侧与曲率转折线之间。簧片未受按压时，簧片在第二侧与曲率转折线之间的部分的曲率半径小于簧片在第一侧与曲率转折线之间的部分的曲率半径。
在本发明的一实施例中，刚性部具有水平部与垂直部。第一侧固定于水平部。弹性部位于垂直部。
在本发明的一实施例中，刚性部为L型板，弹性部为垂直板，垂直板连接L型板。
在本发明的一实施例中，簧片的材料为铜或不锈钢。
在本发明的一实施例中，簧片呈矩形。
在本发明的一实施例中，第一侧与第二侧为短边。
在本发明的一实施例中，压电元件为陶瓷压电元件或聚氟化二乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电元件。
在本发明的一实施例中，压电元件附着于第一表面与第二表面至少其中之一。
在本发明的一实施例中，压电元件的厚度小于等于1mm。
在本发明的一实施例中，压电元件的面积大于簧片的面积的一半。
在本发明的一实施例中，弹性部为弹簧、有机中空发泡体或感压胶体(Pressure Sensitive Adhesive,PSA)。
在本发明的一实施例中，压电发电器更包括缓冲件，配置于基座上，用以避免簧片受按压时第二表面直接接触基座。
基于上述，在本发明的压电发电器中，因为簧片的第二侧固定于弹性部，所以较小的按压力量就可以让簧片产生较大的形变量，进而提高压电元件所产生的电量。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1为现有技术的压电发电器的示意图；
图2至图6为本发明一实施例的压电发电器的作动状态的分解示意图；
图7为图2的压电发电器发电时所产生的电压与时间曲线图；
图8为图1的压电发电器发电时所产生的电压与时间曲线图；
图9为图2的压电发电器发电时经稳压后的电力输出时间曲线图；
图10为图1的压电发电器发电时经稳压后的电力输出时间曲线图；
图11为图2的压电发电器的上视示意图；
图12为本发明另一实施例的压电发电器的示意图。
符号说明
50：现有的压电发电器
52：簧片
54：压电元件
56：基座
100、300：压电发电器
110、310：基座
112、312：刚性部
112A：水平部
112B：垂直部
114、314：弹性部
120：簧片
122：第一表面
124：第二表面
126：第一侧
128：第二侧
130、330：压电元件
140：缓冲件
L10：曲率转折线
具体实施方式
图2至图6是本发明一实施例的压电发电器的作动状态的分解示意图。请参照图2，本实施例的压电发电器100包括一基座110、一簧片120以及一压电元件130。基座110具有一刚性部112与一弹性部114。刚性部112的弹性小于弹性部114的弹性。簧片120具有相对的一第一表面122与一第二表面124以及相对的一第一侧126与一第二侧128。第一侧126固定于刚性部112，第二侧128固定于弹性部114。簧片120呈弧形。压电元件130附着于簧片120上并适于与簧片120一起变形。簧片120未受按压时第一表面122为凸面。簧片120受按压而使第一表面122从凸面变成凹面时，使簧片120复位的弹性恢复力会作用在簧片120上。
由于簧片120的第二侧128固定于较容易产生形变的弹性部114，因此当簧片120受按压而变形的时候，簧片120可轻易产生较大的变形量。连带地，随着簧片120一起变形的压电元件130也会将变形时的机械能的变化转换为电能。相较于现有技术的簧片的两侧都被固定在刚性的基座上，本实施例的簧片120可在受到相同按压力量的条件下获得较大的变形量。在本实施例的簧片120受按压而使第一表面122从凸面变成凹面之后，一旦施加的外力移除，簧片120的弹性恢复力使簧片120迅速地复位，也就是第一表面122从凹面恢复为凸面。甚至，因为弹性部114对于簧片120的拘束较小，第一表面122有可能在凹面与凸面之间来回变换数次后才稳定地恢复为凸面，而在这期间压电元件130都可将机械能的变化转换为电能。
以下参照附图说明本实施例的压电发电器100的作动状态变化。请参照图2，首先，压电发电器100处于未受力的状态。接着在簧片120受按压时，簧片120将会产生变形，其中第一表面122会从凸面逐渐变成平面，如图3。然后簧片120持续受按压而变形，第一表面122从平面变成凹面，如图4。在此，基座110的形状是被设计为允许簧片120在最大弹性形变时也不会碰触到基座110，或是被设计为限制簧片120不得超出最大弹性形变范围，以避免簧片120产生永久变形而不会复位。之后，移除按压簧片120力量，弹性恢复力会作用在簧片120上而使簧片120开始迅速复位，第一表面122从凹面变成平面，而压电元件130也同时产生电能，如图5。接着，簧片120继续复位，第一表面122从平面变成凸面，而压电元件130也继续产生电能，如图6。
图7是图2的压电发电器发电时所产生的电压与时间曲线图。图8是图1的压电发电器发电时所产生的电压与时间曲线图。以图2的压电发电器100与图1的压电发电器50进行实验。从压电单元130的正中央位置施加最大不超过5N的力量，以推拉力计的凸点直接按压压电单元130的正中央位置，力量读值从0N开始至5N后停止并立刻移除推拉力计。采用图2的架构的实施例及采用图1的架构的对照例的样品尺寸为，簧片的长度为8.5cm，宽为4cm，厚度为0.01cm，材料为黄铜。压电单元为压电陶瓷薄片，长度为7.5cm，宽为4cm，厚度为0.01cm。图2的架构的实施例中，将原本为平板状的簧片弯折后固定于L型基座。基座的刚性部的材料为压克力，厚度达0.5cm。以示波器直接连结压电单元的正负两极而不接其他负载，量测其电压与时间关系图。图7显示本实施例的电压输出波型主要有两个循环，第一个循环的电压半峰值最大约为12V，而第二个循环的电压半峰值明显较第一个循环的电压峰值为高，为23V。反观图8的对照例的电压与时间关系图，仅出现一个上下波的循环，对照例的电压半波峰值在5N最大力量作用下仅8V。此一比较结果显示，由于两端都为刚性的固定端的对照例的簧片的刚性过强，5N这样的微小力量无法使对照例的簧片产生大幅度的变形，以致电压峰值明显偏低。实施例的簧片则是一端固定于刚性部，一端连结于弹性部。在5N的力量作用下，簧片可以产生最大变形量，致使簧片上的压电单元也能有最大的变形量，从而得到很大的电压输出。
图9是图2的压电发电器发电时经稳压后的电力输出时间曲线图。图10是图1的压电发电器发电时经稳压后的电力输出时间曲线图。与图7及图8的实验架构基本相同，但图9及图10的压电单元先连接一个整流稳压电路后再连接示波器，其中整流稳压电路的等效负载将近2KΩ。整流稳压电路固定为输出5V的直流电。图9的结果显示本实施例的压电发电器所输出的电压在经过整流稳压电路后可以持续输出5V的直流电将近0.1秒，此一输出特性足以供应许多实际生活中所需的电源供应，例如LED指示或RF无线信号发送等。反观图10的对照例的电压输出不到0.01秒就衰落下来，难以应用在实际生活中。
以下说明本发明的其他可选择性技术方案，但本发明不局限于此。
请参照图2，本实施例中，簧片120被固定在基座110上时，弧形的簧片120可能已经是受力而被弯曲的状态，也就是被施加有预应力，因此储存有弹性位能。如此，有助于簧片120在被按压后迅速复位。但是，也可以将簧片120设计为被固定在基座110上时处于未受力的状态，也就是将簧片120取下而不受力的状态时簧片120也呈现相同的弧形。此外，基座110的刚性部112具有一水平部112A与一垂直部112B，也就是刚性部112大致上呈L型。簧片120的第一侧126固定于刚性部112的水平部112A。弹性部114位于刚性部112的垂直部112B。本实施例的弹性部114可以是弹簧、有机中空发泡体、感压胶体或是由其他适当的弹性材料所构成。刚性部112的材料例如是压克力或其他适当的刚性材料。簧片120的材料可以是铜、不锈钢或其他具有较大的弹性恢复力的材料。压电元件130为陶瓷压电元件、聚氟化二乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)压电元件或其他适当的压电元件。本实施例的压电元件130同时附着于第一表面122与第二表面124，具有增加输出的电能的作用。压电元件130的厚度例如小于等于1mm，以避免造成簧片120不易变形。
请再参照图4，本实施例的压电发电器100可更包括一缓冲件140，配置于基座110上，用以避免簧片120受按压时第二表面124直接接触基座110而受损。此外，缓冲件140也有助于簧片120在受按压而变形后复位。
图11是图2的压电发电器的上视示意图。请参照图2与图11，本实施例的簧片120在靠近第一侧126的位置具有一曲率转折线L10。换言之，簧片120在第二侧128与曲率转折线L10之间的部分的曲率半径不同于簧片120在第一侧126与曲率转折线L10之间的部分的曲率半径。簧片120未受按压时，簧片120在第二侧128与曲率转折线L10之间的部分的曲率半径例如是小于簧片120在第一侧126与曲率转折线L10之间的部分的曲率半径。簧片120在第一侧126与曲率转折线L10之间的部分具有在簧片120变形后提供较大的弹性恢复力的作用。此外，簧片120在靠近第二侧128的位置也可以具有一曲率转折线(未标示)。本实施例的压电元件130位于第二侧128与曲率转折线L10之间。而簧片120在第二侧128与曲率转折线L10之间的部分的面积大于簧片120在第一侧126与曲率转折线L10之间的部分的面积。压电元件130的面积例如大于簧片120的面积的一半。压电元件130的面积越大，理论上输出的电能也会越大。本实施例的簧片120大致上呈矩形，而第一侧126与第二侧128为短边，如此有助于簧片120获得较大的变形量。
图12是本发明另一实施例的压电发电器的示意图。请参照图12，本实施例的压电发电器300与图2的压电发电器100相似，在此仅说明差异处。本实施例的基座310的刚性部312为L型板，弹性部314为一垂直板，垂直板连接L型板。基座310可以是一体成型的。簧片120的第一侧126固定于刚性部312，第二侧128固定于弹性部314。当然，本发明的基座的形状还可以做其他适当变化，只要能提供簧片足够的变形空间即可。本实施例的压电元件330仅附着于簧片120的第一表面122。本实施例的压电发电器300依旧可以达成输出较大电能的目的。
综上所述，在本发明的压电发电器中，采用了具有弹性部的基座，且簧片的其中一侧固定于弹性部，所以只需要较小的按压力量就可以让簧片产生较大的形变量，且变形持续的时间也较长。因此，压电元件所产生的电量较大，且持续时间较长，能够真正被应用在生活中。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何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，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (14)
1.一种压电发电器，包括：
基座，具有刚性部与弹性部，其中该刚性部的弹性小于该弹性部的弹性；
簧片，具有相对的第一表面与第二表面以及相对的第一侧与第二侧，其中该第一侧固定于该刚性部，该第二侧固定于该弹性部，该簧片呈弧形；以及
压电元件，附着于该簧片上并适于与该簧片一起变形，其中该簧片未受按压时该第一表面为凸面，该簧片受按压而使该第一表面从凸面变成凹面时，使该簧片复位的弹性恢复力会作用在该簧片上。
2.如权利要求1所述的压电发电器，其中该簧片在靠近该第一侧的位置具有曲率转折线。
3.如权利要求2所述的压电发电器，其中该压电元件位于该第二侧与该曲率转折线之间，该簧片未受按压时，该簧片在该第二侧与该曲率转折线之间的部分的曲率半径小于该簧片在该第一侧与该曲率转折线之间的部分的曲率半径。
4.如权利要求1所述的压电发电器，其中该刚性部具有水平部与垂直部，该第一侧固定于该水平部，该弹性部位于该垂直部。
5.如权利要求1所述的压电发电器，其中该刚性部为L型板，该弹性部为垂直板，该垂直板连接该L型板。
6.如权利要求1所述的压电发电器，其中该簧片的材料为铜或不锈钢。
7.如权利要求1所述的压电发电器，其中该簧片呈矩形。
8.如权利要求7所述的压电发电器，该第一侧与该第二侧为短边。
9.如权利要求1所述的压电发电器，其中该压电元件为陶瓷压电元件或聚氟化二乙烯压电元件。
10.如权利要求1所述的压电发电器，其中该压电元件附着于该第一表面与该第二表面至少其中之一。
11.如权利要求1所述的压电发电器，其中该压电元件的厚度小于等于1mm。
12.如权利要求1所述的压电发电器，其中该压电元件的面积大于该簧片的面积的一半。
13.如权利要求1所述的压电发电器，其中该弹性部为弹簧、有机中空发泡体或感压胶体。
14.如权利要求1所述的压电发电器，还包括缓冲件，配置于该基座上，用以避免该簧片受按压时该第二表面直接接触该基座。
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