CN109860384B - 应变规驱动压电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应变规驱动压电装置，系利用一封装体包覆一压电元件与一柔性电路板。其中柔性电路板上间隔设置对应的的复数层第一应变规及复数层第二应变规，每一层第一应变规及每一层第二应变规位于柔性电路板的不同层面，利用导电胶予以串接每一层该第一应变规及每一层该第二应变规，压电元件设于柔性电路板上，且位于此些第一应变规及此些第二应变规的间，压电元件具有不对称形状的一第一电极层及一第二电极层，分别位于压电元件的一上表面与一下表面，于施加一应力于柔性电路板时，根据此些第一应变规及此些第二应变规的电阻值变化以产生一电压，电压驱动压电元件产生压电效应，并生成具有触觉回馈的输出电压，且具输出电压不为零的高精准度。

Description

应变规驱动压电装置
技术领域
本发明系有关一种应变规驱动压电装置，指一种可避免惠司登电桥电压输出为零的多层应变规设计的应变规驱动压电装置。
背景技术
随着科技蓬勃发展，为了扩增电子装置与用户之间的互动模式，目前有许多电子装置除了具有供用户输入的输入设备，例如实体或虚拟键盘，更另外增设触觉反馈的元件，其通常设置在靠近电子装置外壳的区域，并可使电子装置的部分区域产生振动，令用户藉由感受振动以达到反馈或互动的目的。一般而言，输入设备具有压力传感器，例如电容式、电阻式或应变规式的力感应器(force sensor)，藉由压力传感器侦测使用者的输入动作。而目前具有触觉反馈(haptic feedback)功能的电子装置，主要是在电子装置内配置致动器，并透过致动器产生振动。
然而，目前对于电子装置的产品设计趋于轻、薄、短、小等需求，而不论是使用何种类型的压力传感器及致动器，皆必须于电子装置内同时设置压力传感器及致动器此二种不同的零件，其分别占据不同的使用空间，与目前节省空间的设计趋势相违背，且须使用不同的零件更增加材料成本。因此，压电材料作为触觉反馈功能因应而生，压电材料的基本原理是材料本身因晶格原子间特殊排列，使得晶格结构拥有不对称中心的结晶材料而产生压电现象，换言之，压电材料是一种介电材料中以机械能与电能互换效应来转换电压以形成压电效应。其中，压电效应又可分为正压电效应与逆压电效应，当对压电材料施加压力或拉伸时，材料体内电偶极矩产生变形，而有生成电荷的能力称为正压电效应；反之，在压电材料施加电压，而产生机械形变则称为逆电效应。由于压电元件具有体积小、重量轻，高电能转换效率、高可靠度、高绝缘、与无电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)等众多优点，故为目前应用于触控装置的新宠儿材料，也为各产业积极投入研发的技术方向。
续就应用于触控装置的压电片，制作于压电片上、下表面的电极是对称的，且四个应变规是同时制作在金属电路板(MCPCB)的表层上，当手触压时，可让四个应变规同时受触压而产生电阻变化，以作为触觉回馈的输出电压，但此设计容易造成输出电压为零的风险存在，再者，在长期触压回馈运作下所造成的高温也容易使金属电路板裂解，应变规的电阻性与敏感度，均会随着温度而变化，进而发生量测错误，因此应变规的变形量与灵敏度在应用上备受考验，且封装制程也相当复杂，因此，如何改善复杂的封装制程及提高应变规灵敏度是亟待解决的问题。
有鉴于此，本发明遂针对上述先前技术的缺失，提出一种应变规驱动压电装置，以有效克服上述的该等问题。
发明内容
本发明的主要目的在提供一种应变规驱动压电装置，其于压电元件两侧设置独立的惠司登电桥，且分别在两个独立的惠司登电桥中的其中的一应变规设计在柔性电路板上，并以多层应变规串接而成，而惠司登电桥中的其余应变规设计于一外加电路板上，此设计可以确保电压输出不为零，同时能提高应变规灵敏度。
本发明的次要目的在提供一种应变规驱动压电装置，其利用压电元件上、下表面电极层的不对称设计，可区分内部极化方向以有效判断内部正电荷与负电荷的分布。
本发明的再一目的在提供一种应变规驱动压电装置，其在柔性电路板的不同层面设计应变规，再利用导电胶予以串接每一层应变规，且相邻层的应变规方向互相垂直，尺寸系最上层小于其他层，而其他层的尺寸相同，此设计可提升在X、Y、Z方向侦测变形量的灵敏度，应用于触控产品具有更精准的触控回馈，极具市场竞争优势。
为达以上的目的，本发明提供一种应变规驱动压电装置，包括一柔性电路板、一压电元件以及一封装体，封装体包覆压电元件与柔性电路板。柔性电路板上间隔设置对应的复数层第一应变规及复数层第二应变规，每一层第一应变规及每一层第二应变规位于柔性电路板的不同层面，利用导电胶予以串接每一层该第一应变规及每一层该第二应变规。压电元件设于柔性电路板上，且位于此些第一应变规及此些第二应变规之间，压电元件具有不对称形状的一第一电极层及一第二电极层，分别位于压电元件的一上表面与一下表面，于施加一应力于柔性电路板时，根据此些第一应变规及此些第二应变规的电阻值变化以产生一电压，电压驱动压电元件产生压电效应，并生成一输出电压。
其中，在柔性电路板上的每一层第一应变规及每一层第二应变规系利用金属导线绕制而成，且金属导线绕制方向与相邻层的方向互相垂直，每一层第一应变规及每一层第二应变规的尺寸系最上层小于其他层，而其他层的尺寸相同，如此可以增加施力时所侦测到形变量，进而提高灵敏度。
其中，柔性电路板电性连接于一外接电路板，外接电路板上包含对应的一第一惠司登电桥及一第二惠司登电桥，第一惠司登电桥包含三个第三应变规，且电性连接此些第一应变规以形成一全桥式电路，第二惠司登电桥包含三个第四应变规，且电性连接此些第二应变规以形成一全桥式电路，第一惠司登电桥及第二惠司登电桥的电压输出不为零。
其中，应变规所产生的电压非常微小，故更包括电性连接的一震动传感放大器、一微控制器、一压电式触觉驱动器以及一变压器，震动传感放大器系电性连接柔性电路板，系放大电压以产生一第一放大电压，微控制器根据第一放大电压以控制压电式触觉驱动器启动并转换第一放大电压以提供予变压器，由变压器再次放大为一第二放大电压，将其驱动压电元件以产生压电效应，并生成具有触觉回馈的输出电压。
其中，每一层第一应变规及每一层第二应变规系利用铜导线绕制而成，铜导线的线宽为38微米～42微米，铜导线的线距为38微米～42微米，铜导线的厚度为16微米～20微米，再利用铜导电胶予以串接每一层第一应变规及每一层第二应变规，此些第一应变规串接后累加的电阻值为960欧姆～1160欧姆，此些第二应变规串接后累加的电阻值为960欧姆～1160欧姆，使用较高的额定电阻可以减少激发电压产生的热量，较高的额定电阻也有助于减少讯号变量。
附图说明
图1为本发明的应变规驱动压电装置的立体结构示意图。
图2为图1沿A-A’剖面线的剖视图。
图3为本发明应用于柔性电路板上的多层应变规的放大示意图。
图4为本发明的多层第一应变规的放大示意图。
图5为本发明应用于柔性电路板上的应变规电路图。
图6为本发明的电路方块图。
附图标记：
10柔性电路板 11铜电极
12压电元件 13导电胶
122第一电极层 124第二电极层
14封装体 16第一应变规
18第二应变规 20导电胶
22外接电路板 24第一惠司登电桥
26第二惠司登电桥 28震动传感放大器
30微控制器 32压电式触觉驱动器
34变压器
具体实施方式
针对触控产品技术日益求精与需求广泛应用下，本发明乃亟思加以改良创新，并经多年苦心孤诣潜心研究后，研发出一种制程简单且具经济效益的应变规驱动压电装置。
请参阅图1，为本发明的应变规驱动压电装置的立体结构示意图。应变规驱动压电装置包括一柔性电路板(Flexible Printed Circuit，FPC)10、一压电元件12以及一封装体14。柔性电路板10包含间隔设置对应的复数层第一应变规16及复数层第二应变规18，每一层第一应变规16及每一层第二应变规18位于柔性电路板10的不同层面，压电元件12设于柔性电路板10上，且位于此些第一应变规16及此些第二应变规18之间，压电元件12具有不对称形状的一第一电极层122及一第二电极层124，分别位于压电元件12的一上表面与一下表面，最后，利用封装体14包覆压电元件12与柔性电路板10，即完成应变规驱动压电装置的封装制程。其中，于施加一应力于柔性电路板10时，根据此些第一应变规16及此些第二应变规18的电阻值变化以产生一电压，电压驱动压电元件12产生压电效应，并生成一输出电压，容后详述。其中，压电元件12系为陶瓷压电元件，第一电极层122及第二电极层124系为银电极层，第一电极层122及一第二电极层124设计为不对称形状，主要是于制作时可判断压电陶瓷内部极化方向，以区分压电陶瓷内的正电荷及负电荷分布，方便于后续驱动压电装置时，电线接法的准确性。
请参阅图2，为图1沿A-A’剖面线的剖视图。柔性电路板10包含间隔设置对应的复数层第一应变规16及复数层第二应变规18，每一层第一应变规16及每一层第二应变规18位于柔性电路板10的不同层面，压电元件12设于柔性电路板10上，且位于此些第一应变规16及此些第二应变规18之间，压电元件12具有不对称形状的一第一电极层122及一第二电极层124，分别位于压电元件12的一上表面与一下表面。其中，第一电极层122及一第二电极层124分别都利用铜电极11连接于柔性电路板10上，且铜电极11与第一电极层122、一第二电极层124之间系利用导电胶13贴合以形成电性连接，导电胶13中更具有复数导电粒子；最后，利用封装体14包覆压电元件12与柔性电路板10，即完成应变规驱动压电装置的封装制程。
由上述可得知，本发明采用一道封装制程即可以封装压电元件12的上、下表面的第一电极层122与第二电极层124以及柔性电路板10，制程简单化进而可降低生产成本。
请参阅图3，为本发明应用于柔性电路板上的多层应变规的放大示意图。每一层第一应变规16及每一层第二应变规18系利用金属导线绕制而成，最佳的金属导线系为铜导线，且金属导线绕制方向与相邻层的方向互相垂直，且每一层第一应变规16及每一层第二应变规18的面积尺寸系最上层小于其他层，而其他层的面积尺寸为相同；由于受限于柔性电路板10的尺寸问题，最上层第一应变规16的电阻值与其他层第二应变规18的电阻值会有差异，因此在此实施例中，是在柔性电路板10的不同层面上设计共有七层第一应变规16及七层第二应变规18，最后利用导电胶20予以串接每一层第一应变规16及每一层第二应变规18，导电胶20较佳为铜导电胶，因此可提升在X、Y、Z方向侦测柔性电路板10变形量灵敏度。
请参阅图4，为本发明的多层第一应变规的放大示意图。由于应变规的电阻值变化与铜导线的线路设计有关，如下公式：
L＝X*(Y/(W+S))………(1)
其中，L为铜导线总长，X为应变规长度，Y为应变规宽度，W为铜导线的线宽，S为铜导线的线距。
R＝σ*L/t*w………(2)
其中，σ为铜导线电阻率1.7*10-8Ω，R为铜导线电阻，t为铜导线的厚度，w铜导线的线宽。
由上公式(1)、(2)可推算应变规的电阻值，应变规为利用应变规中金属导线阻值的变化来量测应变量，就电阻的特性来说，电阻值会随着长度的改变而成正比的变化。于一实施例中，在柔性电路板10的制程上，本发明的应变规设计为此些第一应变规16的总电阻值为960Ω～1160Ω，铜导线的线宽为38微米～42微米，铜导线的线距为38微米～42微米，铜导线的厚度为16微米～20微米。容后述设计条件为例说明，第一层应变规的铜导线的长度为X＝20mm、铜导线的线宽为Y＝18mm，第二层至第七层应变规的尺寸加大，如铜导线的长度为X＝30mm、铜导线的线宽为Y＝18mm，铜导线的线宽为40微米，铜导线的线距为40微米，铜导线的厚度为18微米；由公式(1)和公式(2)可以算出第一应变规16的第一层(R1)电阻值为106Ω，第二层(R2)至第七层(R7)的电阻值分别皆为159Ω，累加后的此些第一应变规16的总电阻值为1060Ω。同理，第二应变规18的第一层(R1’)电阻值为106Ω，第二层(R2’)至第七层(R7’)的电阻值分别皆为159Ω，累加后的此些第二应变规18的总电阻值为1060Ω。
由于要量测电阻中的极小变化，则应变规组态必须使用惠司登桥接概念，本发明为了改善惠司登电桥呈现平衡状态，也就是电压输出为零的情况发生，请参阅图5，为本发明应用于柔性电路板上的应变规电路图，在此于一外接电路板22上设计了包含一第一惠司登电桥24及一第二惠司登电桥26，第一惠司登电桥24包含三个第三应变规R2、R3、R4，且电性连接此些第一应变规(R1)16，第二惠司登电桥26包含三个第四应变规R2’、R3’、R4’，且电性连接此些第二应变规18。其中，柔性电路板10电性连接于外接电路板22，详言的，此些第一应变规16及此些第二应变规18系设计在柔性电路板10的不同层面上，且位于压电元件12两侧，为了提升稳定度，使用高电阻值1060欧姆以减少因输入高压而产生的热量，而三个第三应变规R2、R3、R4及三个第四应变规R2’、R3’、R4’系最佳使用电阻值为1060欧姆的固定电阻值，且制作于外接电路板22上，不会因柔性电路板10受外力形变而产生电阻值改变。是以，本发明利用新颖惠司登电桥的电路设计能够确保第一惠司登电桥24及第二惠司登电桥26的电压输出不为零，同时能提高应变规灵敏度。更进一步而言，本发明选用柔性电路板10具有导热性佳，在局部受温摄氏400度下，能将热量迅速导开，不至于让柔性电路板10裂解，且柔性电路板10灵敏度较高，以及于一外加压力下，有较多变形量等诸多优点。为了让应变规驱动压电装置达到产品的轻薄短小，本发明的压电元件12的厚度范围是400μm至1000μm，在此实施例中，压电元件12的厚度为400μm。
续就应用应变规驱动压电装置而言，应变规所产生的电压非常微小，因此请参阅图6，本发明为本发明的电路方块图，应变规驱动压电装置更包括电性连接的一震动传感放大器28、一微控制器30、一压电式触觉驱动器32以及一变压器34，震动传感放大器28系电性连接柔性电路板10。若震动幅度要让用户有触觉回馈，较佳是采用外加1000伏特至2000伏特的电压，较高电压也可降低温度波动引起金属导线中的电阻变化；当施加一应力于柔性电路板10时，根据此些第一应变规16及此些第二应变规18的电阻值变化以产生一电压，此侦测到的电压非常微小，故利用震动传感放大器28放大电压以产生一第一放大电压，震动传感放大器28具有低偏压电流以及滤波来移除外来的高频噪声功能，接着微控制器30根据第一放大电压予以判断是否足够控制压电式触觉驱动器32启动，在此压电式触觉驱动器32可转换第一放大电压以提供予变压器34，其中转换第一放大电压可以作为再次的电压放大或提供脉波讯号，经由变压器34再次放大为一第二放大电压，例如达到默认的1000伏特至2000伏特的电压，将其驱动压电元件12以产生压电效应，如产生逆电压，并生成具有触觉回馈的输出电压。
综上所述，于压电元件两侧设置独立的惠司登电桥，且分别在两个独立的惠司登电桥中的其中的一应变规设计在柔性电路板上，并以多层应变规串接而成，其每一层应变规的金属导线绕制设计与高电阻值设计，均能够减少讯号传输时噪声的误判，进而提升应变规整体的灵敏度及稳定度，而惠司登电桥中的其余应变规设计于一外加电路板上，此设计可以确保电压输出不为零，应用于触控产品具有更精准的触控回馈，极具市场竞争优势。
唯以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明申请范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种应变规驱动压电装置，其特征在于，包括：
一柔性电路板，包含间隔设置对应的的复数层第一应变规及复数层第二应变规，每一层该第一应变规及每一层该第二应变规位于该柔性电路板的不同层面，利用导电胶予以串接每一层该第一应变规及每一层该第二应变规；
一压电元件，设于该柔性电路板上，且位于该些第一应变规及该些第二应变规之 间，该压电元件具有不对称形状的一第一电极层及一第二电极层，分别位于该压电元件的一上表面与一下表面，于施加一应力于该柔性电路板时，根据该些第一应变规及该些第二应变规的电阻值变化以产生一电压，该电压驱动该压电元件产生压电效应，并生成一输出电压；一封装体，其包覆该压电元件与该柔性电路板；以及
一外接电路板，该柔性电路板电性连接于该外接电路板，该外接电路板上包含对应的一第一惠司登电桥及一第二惠司登电桥。
2.如权利要求1所述的应变规驱动压电装置，其中每一层该第一应变规及每一层该第二应变规系利用金属导线绕制而成，且该金属导线绕制方向与相邻层的方向互相垂直。
3.如权利要求2所述的应变规驱动压电装置，其中最上层该第一应变规的面积尺寸小于其他层该第一应变规，而其他层的面积尺寸为相同，最上层该第二应变规的面积尺寸小于其他层该第二应变规，而其他层的面积尺寸为相同。
4.如权利要求2所述的应变规驱动压电装置，其中该金属导线系为铜导线，该铜导线的线宽为38微米～42微米，该铜导线的线距为38微米～42微米，该铜导线的厚度为16微米～20微米。
5.如权利要求1所述的应变规驱动压电装置，其中该第一惠司登电桥包含三个第三应变规，且电性连接该些第一应变规，该第二惠司登电桥包含三个第四应变规，且电性连接该些第二应变规，该第一惠司登电桥及该第二惠司登电桥的输出电压不为零。
6.如权利要求5所述的应变规驱动压电装置，更包括电性连接的一震动传感放大器、一微控制器、一压电式触觉驱动器以及一变压器，该震动传感放大器系电性连接该柔性电路板，系放大该电压以产生一第一放大电压，该微控制器根据该第一放大电压以控制该压电式触觉驱动器启动并转换该第一放大电压以提供予该变压器，由该变压器再次放大为一第二放大电压，将其驱动该压电元件以产生压电效应，并生成该输出电压。
7.如权利要求1所述的应变规驱动压电装置，其中该导电胶系为铜导电胶。
8.如权利要求1所述的应变规驱动压电装置，其中该压电元件系为一压电陶瓷元件。
9.如权利要求1所述的应变规驱动压电装置，其中该电极层系为银电极层。
10.如权利要求1所述的应变规驱动压电装置，其中该些第一应变规及该些第二应变规的电阻值分别为960欧姆～1160欧姆。
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