CN112825460B - 轻型化设计的压电式猎能装置及其电压信号应用系统 - Google Patents

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Abstract

一种轻型化设计的压电式猎能装置及其电压信号应用系统。压电式猎能装置用以产生电压信号到应用装置。压电式猎能装置包括多个弧形压电元件、多个刚性发泡棉及软性发泡棉结构。多个弧形压电元件，彼此相互并排排列，其中每一弧形压电元件贴附于单一刚性发泡棉上。软性发泡棉结构包括顶层发泡棉及底层发泡棉，包覆多个弧形压电元件及多个刚性发泡棉的外部；其中当软性发泡棉结构被压缩时，多个弧形压电元件同时产生形变，藉此产生电压信号；当软性发泡棉结构停止被压缩时，软性及刚性发泡棉共同对多个弧形压电元件提供恢复弹力。

Description

轻型化设计的压电式猎能装置及其电压信号应用系统
技术领域
本发明涉及一种轻型化设计的压电式猎能装置及其电压信号应用系统，特别涉及一种可以具有保护结构的轻型化设计的压电式猎能装置及其电压信号应用系统。
背景技术
随着时代的进步，电池成了不可或缺的元件，电池的续航力成为使用者重要的考量因素。为了要增加电子装置的使用时间，现已发展出多种利用环境自主发电的猎能装置。猎能装置简单的定义是搜集储存周遭环境的能量，并转变成电能，供连接设备使用。猎能装置能够搜集环境能量的来源，主要为光能、振动能、热能以及无线电波及电感能量4大类。
于现有技术中已经发展出一种具有压电元件的猎能装置。当压电元件受到外力挤压时，就会产生电力。如中国台湾申请案号第107132977号的专利申请案揭示的智慧型猎能装置。但现有技术中的猎能装置的结构是藉由金属外壳来保护，且压电元件要贴附于弧形弹性金属上，让弧形弹性金属提供弹力。如此一来猎能装置的重量就会增加，较不适合用于衣服、鞋子或随身的物品上。再者，压电元件本身也不具有适当的结构来保护，因此在长久的挤压状态下容易毁损。
因此，有必要发明一种新的轻型化设计的压电式猎能装置及其电压信号应用系统，以解决现有技术的缺失。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种轻型化设计的压电式猎能装置，其具有保护结构。
本发明的另一主要目的在于提供一种具有上述压电式猎能装置的电压信号应用系统。
为达成上述的目的，本发明的轻型化设计的压电式猎能装置用以产生电压信号。压电式猎能装置包括多个弧形压电元件、多个刚性发泡棉及软性发泡棉结构。多个弧形压电元件，彼此相互并排排列，其中每一弧形压电元件系贴附于单一刚性发泡棉上。软性发泡棉结构包括顶层发泡棉及底层发泡棉，包覆多个弧形压电元件及多个刚性发泡棉的外部；其中当软性发泡棉结构被压缩时，多个弧形压电元件同时产生形变，藉此产生电压信号；当软性发泡棉结构停止被压缩时，软性发泡棉结构及多个刚性发泡棉共同对多个弧形压电元件提供恢复弹力。
本发明的电压信号应用系统包括应用装置及压电式猎能装置。压电式猎能装置用以供应电压信号到应用装置。压电式猎能装置包括多个弧形压电元件、多个刚性发泡棉及软性发泡棉结构。多个弧形压电元件，彼此相互并排排列，其中每一弧形压电元件贴附于单一刚性发泡棉上。软性发泡棉结构包括顶层发泡棉及底层发泡棉，包覆多个弧形压电元件及该多个刚性发泡棉的外部；其中当软性发泡棉结构被压缩时，多个弧形压电元件同时产生形变，藉此产生电压信号；当软性发泡棉结构停止被压缩时，软性发泡棉结构及多个刚性发泡棉共同对多个弧形压电元件提供恢复弹力压电式猎能装置。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1本发明的电压信号应用系统的架构示意图；
图2A本发明的压电式猎能装置的第一实施例的分解示意图；
图2B本发明的压电式猎能装置的第一实施例的外观示意图；
图3A本发明的压电式猎能装置的第二实施例的分解示意图；
图3B本发明的压电式猎能装置的第二实施例的外观示意图；
图4A本发明的电压信号应用系统的第一应用装置的示意图；
图4B本发明的电压信号应用系统的第二应用装置的示意图。
其中，附图标记
电压信号应用系统1
应用装置2
压电式猎能装置10a、10b
软性发泡棉结构11
顶层发泡棉11a
底层发泡棉11b
刚性发泡棉12
弧形压电元件20
电线21
处理模块30
无线传输模块40
自行车脚踏板51
鞋子52、53
具体实施方式
为能更了解本发明的技术内容，特举较佳具体实施例说明如下。
以下请先参考图1本发明的智能型猎能装置的架构示意图。
本发明电压信号应用系统1用以产生信号以传输到应用装置2，亦可产生供应到应用装置2的电源信号。该电压信号应用系统1包括轻型化设计的压电式猎能装置10a、处理模块30及无线传输模块40。压电式猎能装置10a为压电感应方式发电，以产生电压信号。
在此请一并参考图2A本发明的压电式猎能装置的第一实施例的分解示意图及图2B本发明的压电式猎能装置的第一实施例的外观示意图。
于本发明的第一实施方式中，压电式猎能装置10a包括软性发泡棉结构11、多个刚性发泡棉12及多个弧形压电元件20。多个弧形压电元件20及多个刚性发泡棉12都设置于该软性发泡棉结构11内。压电式猎能装置10a的多个弧形压电元件20彼此互相并排排列，每个弧形压电元件20都会连接正负极的电线21，电线21可以再电性连接至处理模块30。弧形压电元件20可以为弧形压电陶瓷元件或是软性压电元件，软性压电元件的材质可以为聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride，PVDF)或PVDF与锆钛酸铅(Piezoelectric CeramicTransducer，PZT)的复材，但本发明并不限于此。且每片弧形压电元件20贴附于单一个刚性发泡棉12上，使多个刚性发泡棉12可以提供额外的恢复弹力。刚性发泡棉12的形状为片状弧形，可配合弧形压电元件20的弯曲弧度。刚性发泡棉12的材料系数系接近现有技术的弹性金属的材料系数。现有技术的弹性金属的杨式系数为195GPA，泊松比为0.27，密度为8000KG/m3。刚性发泡棉12的材料系数接近该些数值，例如数值差距约为百分之一以内，但本发明并不限于差距。所以刚性发泡棉12可以取代弧形压电元件20于现有技术中贴附的弧形金属结构，并大幅减低模块化后的压电式猎能装置10a的重量。若参考应用将压电式猎能装置10a置于鞋内(如图4B所示)，重量将为一显著考量标准。
软性发泡棉结构11则包括一顶层发泡棉11a及一底层发泡棉11b。顶层发泡棉11a的上部为单一个平面或弧面，下部为多个弧形。底层发泡棉11b的上部为多个丘状，下部为单一个平面或弧面。顶层发泡棉11a及底层发泡棉11b的形状皆配合弧形压电元件20的弯曲弧度。使得多个弧形压电元件20及多个刚性发泡棉12系夹合于顶层发泡棉11a及底层发泡棉11b之间。故压电式猎能装置10a的结构由上而下依序为顶层发泡棉11a、多个弧形压电元件20、多个刚性发泡棉12及底层发泡棉11b，可以呈现出一长方体形。
如此一来，当软性发泡棉结构11受到外力而被压缩时，多个弧形压电元件20及多个刚性发泡棉12系同时产生形变，而因压电的正压电效应(Direct PiezoelectricEffect)会产生该电压信号。需注意的是，刚性发泡棉12的硬度会比顶层发泡棉11a及底层发泡棉11b都还要硬，藉此刚性发泡棉12才能顺利变形。而当外力停止时，除了多个弧形压电元件20的弹力外，软性发泡棉结构11及多个刚性发泡棉12也可以提供额外的弹力让多个弧形压电元件20恢复原始形状。
接着请一并参考图3A本发明的压电式猎能装置的第二实施例的分解示意图及图3B本发明的压电式猎能装置的第二实施例的示意图。
于本发明的第二实施方式中，压电式猎能装置10b的顶层发泡棉11a及底层发泡棉11b之间可以包括交错的多层的弧形压电元件20及刚性发泡棉12。也就是顶层发泡棉11a及底层发泡棉11b之间具有许多层的弧形压电元件20及刚性发泡棉12的结构。当顶层发泡棉11a及底层发泡棉11b受到外力而被压缩时，多层的多个弧形压电元件20及多个刚性发泡棉12同时产生形变，而因压电的正电压效应会产生该电压信号。现有技术的压电式猎能装置是配制弧形弹性金属，所以当设置多层的压电元件时，不同层的弧形弹性金属容易彼此误触而导通。本发明由于不同层的弧形压电元件20之间设置的是刚性发泡棉12，所以不同层的弧形压电元件20被刚性发泡棉12隔离而不会因为彼此误触而导通。再者，相较于现有技术，本发明的第二实施方式的压电式猎能装置10b在相同厚度下能够容纳更多层的弧形压电元件20，可获得更大的发电量。
藉此，软性发泡棉结构11及刚性发泡棉12可以有效地支撑及保护弧形压电元件20，与帮助弧形压电元件20恢复成原来的形状。且软性发泡棉结构11及刚性发泡棉12相较于现有技术的金属外壳、弧形弹性金属或其他的填充材质也可以减轻重量。因此本发明不同于现有技术中压电元件贴附于金属片的技术，本发明用强度够能取代金属片的刚性发泡棉12来做为隔离与支撑压电元件20的填充材料，不但可以大幅减轻重量，在同样的有限空间，现有技术仅可能以单片压电元件贴附于金属片支架，支架下就成为闲置空间。本发明的刚性发泡棉12可填满整个区间，而多片压电元件20可装置于多层的刚性发泡棉12中。藉此，藉由并联弧形压电元件20的电性输出，发电量可以成比例增加。
如此一来，本发明的电压信号应用系统1可以用于各式的应用装置2。就如同图4A-4B所示，图4A本发明的电压信号应用系统的第一应用装置的示意图及图4B本发明的电压信号应用系统的第二应用装置的示意图。
于本发明的一实施方式中，压电式猎能装置10a或10b可以将尺寸设计为适合放于休闲运动鞋或自行车脚踏板，并以2Hz左右的操作方式推论，在一段时间内可产生约10mW的能量，但本发明并不限于此。藉此，压电式猎能装置10a或10b就可以应用于无线蓝芽通讯、身份认证、计步器、LED灯光显示、紧急支援信号等场合，配合厂商设置区域性信号接收器亦可实现定位追踪的应用，但本发明并不限于此。例如于本发明的第一应用装置或第二应用装置中，压电式猎能装置10a或10b设置于自行车脚踏板51或鞋子52、53内，以藉由按压压电式猎能装置10a或10b产生电力来供应应用装置2。例如可以将产生的电源信号用于无线通讯，以传输控制命令信号或数据至手机、计步器等，也可以用来点亮LED灯并展现不同模式供娱乐或特殊用途。
再者，电压信号应用系统1的处理模块30用以计算一电压信号产生的频率。无线传输模块40用以经由一无线传输路径连接至该应用装置2，例如蓝芽传输，但本发明并不限于此。其中当该电压信号产生的频率超过一阀值时，该处理模块产生一通知信号，以经由该无线传输路径传输至该应用装置2。如此一来，当应用装置2为警报器时，就可依压电式猎能装置10a或10b所设定的特别施压方式产生对应的电压信号并判读来判断是否有紧急状况。举例来说，当处理模块30计算电压信号的频率，若于设定时间内处理模块30判断电压信号的频率超过阀值，即处理模块30可由电压信号的波峰数量判断，如设定时间与设定数量为一秒内5波峰，即一秒内用单脚用力踩踏自行车脚踏板51或鞋子52、53的压电式猎能装置10a或10b五次后，处理模块30就产生通知信号。再利用无线传输模块40传送到应用装置2，让应用装置2发出紧急信号。但本发明的电压信号应用系统1并不仅限于上述的应用。
再者，应用装置2亦可具有射频识别系统信号接收器或门禁管理模块。电压信号应用系统1配合处理模块30与无线传输模块40，亦可产生射频识别系统(RFID)信号，使得应用装置2具有的射频识别系统信号接收器得以接收。以应用于鞋子52、53为例，双脚所穿的不同的鞋子52、53可视为组合式ID，鞋子52、53各自的ID于指定时间内均发送不同的射频识别系统信号到应用装置2的射频识别系统信号接收器，经应用装置2判别后，方予以身分认证。例如配合感应式安全照明灯，有别于传统灯具任何人经过均检测与照明，可配合本发明的电压信号应用系统1加上射频识别系统，只有当接受特定识别的信号封包，经应用装置2处理后，再进行安全照明。
另外，此射频识别系统信号也可以进一步使得应用装置2进行门禁管理。举例来说，可于指定范围内鞋子52、53踩踏特定频率信号。例如鞋子52不动而鞋子53一秒内踩踏两下，由于双脚的鞋子52、53是独立发射不同的射频识别系统信号，可经此分辨出不同的信号组合。藉由主动式发送一信号到应用装置2，可达到启动安全照明灯亦或开关大门的功效。再者，亦可配合区域性局部布置信号接受器，当鞋子52、53每一次踩踏均可发送一射频识别系统信号，可进行身份辨认的同时，也配合应用装置2的接收器进行区域性定位追踪。如此一来，本发明的压电式猎能装置10a或10b配合所设计的能源管理模块30，使得电压信号应用系统1不须额外供电而能实现自主性能源管理，以及可达到主动传输及接收信号的功能，能配合应用装置2以达成更广泛的应用。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种轻型化设计的压电式猎能装置，用以产生一电压信号，其特征在于，该压电式猎能装置包括：
多个弧形压电元件，彼此相互并排排列；
多个弧形刚性发泡棉，其中每一弧形刚性发泡棉配合单一弧形压电元的弯曲弧度，使每一弧形压电元件贴附于单一弧形刚性发泡棉上；以及
一软性发泡棉结构，包覆该多个弧形压电元件及该多个弧形刚性发泡棉的外部；其中当该软性发泡棉结构被压缩时，该多个弧形压电元件同时产生形变，藉此产生该电压信号；当该软性发泡棉结构停止被压缩时，该软性发泡棉结构及该多个弧形刚性发泡棉共同对该多个弧形压电元件提供一恢复弹力。
2.根据权利要求1所述的轻型化设计的压电式猎能装置，其特征在于，该软性发泡棉结构包括一顶层发泡棉及一底层发泡棉，该顶层发泡棉及该底层发泡棉内侧的形状皆配合该多个弧形压电元件的弯曲弧度，使得该多个弧形压电元件及该多个弧形刚性发泡棉夹合于该顶层发泡棉及该底层发泡棉之间。
3.根据权利要求2所述的轻型化设计的压电式猎能装置，其特征在于，该顶层发泡棉及该底层发泡棉之间具有多层的该多个弧形压电元件及该多个弧形刚性发泡棉。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的轻型化设计的压电式猎能装置，其特征在于，该多个弧形压电元件为弧形压电陶瓷元件。
5.根据权利要求1至3的任一项所述的轻型化设计的压电式猎能装置，其特征在于，该多个弧形压电元件为软性压电元件。
6.根据权利要求1至3的任一项所述的轻型化设计的压电式猎能装置，其特征在于，该压电式猎能装置设置于一鞋子或一自行车脚踏板内。
7.一种电压信号应用系统，其特征在于，包括：
一应用装置；以及
一压电式猎能装置，用以供应一电压信号到该应用装置，该压电式猎能装置包括：
多个弧形压电元件，彼此相互并排排列；
多个弧形刚性发泡棉，其中每一弧形刚性发泡棉配合单一弧形压电元的弯曲弧度，使每一弧形压电元件贴附于单一弧形刚性发泡棉上；以及
一软性发泡棉结构，包覆该多个弧形压电元件及多个弧形刚性发泡棉的外部；其中当该软性发泡棉结构被压缩时，该多个弧形压电元件同时产生形变，藉此产生该电压信号；当该软性发泡棉结构停止被压缩时，该软性发泡棉结构及该多个弧形刚性发泡棉共同对该多个弧形压电元件提供一恢复弹力。
8.根据权利要求7所述的电压信号应用系统，其特征在于，该软性发泡棉结构包括一顶层发泡棉及一底层发泡棉，该顶层发泡棉及该底层发泡棉内侧的形状皆配合该多个弧形压电元件的弯曲弧度，使得该多个弧形压电元件及该多个弧形刚性发泡棉夹合于该顶层发泡棉及该底层发泡棉之间。
9.根据权利要求8所述的电压信号应用系统，其特征在于，该顶层发泡棉及该底层发泡棉之间具有多层的该多个弧形压电元件及该多个弧形刚性发泡棉。
10.根据权利要求7至9的任一项所述的电压信号应用系统，其特征在于，该多个弧形压电元件为弧形压电陶瓷元件。
11.根据权利要求7至9的任一项所述的电压信号应用系统，其特征在于，该多个弧形压电元件为软性压电元件。
12.根据权利要求7至9的任一项所述的电压信号应用系统，其特征在于，该压电式猎能装置设置于一鞋子或一自行车脚踏板内。
13.根据权利要求12所述的电压信号应用系统，其特征在于，该电压信号应用系统更包括：
一处理模块，用以计算该电压信号产生的频率；以及
一无线传输模块，用以经由一无线传输路径连接至该应用装置，其中当该电压信号产生的频率超过一阈值时，该处理模块产生一通知信号，以经由该无线传输路径传输至该应用装置。
14.根据权利要求13所述的电压信号应用系统，其特征在于，该应用装置系为一警报器，以根据接收的该通知信号以产生一警报信号。
15.根据权利要求13所述的电压信号应用系统，其特征在于，该应用装置可为一射频识别系统信号接收器，该无线传输模块藉以根据不同的该压电式猎能装置产生的电压信号以得到不同的射频识别系统信号，该应用装置系接收不同的射频识别系统信号以作为组合式身份辨认。
16.根据权利要求13所述的电压信号应用系统，其特征在于，该应用装置更包括一门禁管理模块，用以根据该无线传输模块发送的该通知信号进行门禁管理。
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