TW201308865A - 能量轉換模組 - Google Patents

Abstract

一種能量轉換模組，包含第一換能器及第二換能器。第一換能器以第一點直接或間接設置於第一平板上，且第二換能器設置於第一換能器的第二點。在一實施例中，更包含至少一質量塊，設置於第二換能器上。

Description

能量轉換模組

本發明係有關一種換能器（transducer），特別是關於一種使用換能器以產生聲波或觸覺振動的能量轉換模組。

換能器為可將一種能量型態轉換為另一種能量型態的能量轉換裝置，最常見的為機電式之換能器如馬達或發電機，馬達係將輸入之電能藉由電磁感應而將機械能輸出，一般常見之馬達係以旋轉運動之方式將機械能輸出，如有刷直流馬達、伺服馬達、步進馬達等﹔其它比較少見的如線性馬達，其乃將電能之輸入直接轉換成線性運動輸出。若改變能量轉換之方向，以機械能輸入而轉換成電能之輸出，則所得之裝置即稱為發電機，常見之發電機形式為電力系統所用之單相或三相交流發電機。此外，換能器亦可以智能材料（smart material）來設計實現，常見之智能材料如壓電材料（piezoelectric material）、電活性聚合物（Electro-Active Polymer, EAP）、形狀記憶合金（Shape Memory Alloy, SMA）、磁致伸縮材料（Magnetostrictive Material）、電致伸縮材料（Electrostrictive Material）等等。

第一圖顯示一種傳統能量轉換裝置，其中換能器10常以壓電材料為之，如單壓電晶片（unimorph）、雙壓電晶片（bimorph）、或多壓電晶片（multimorph），利用其逆壓電效應（Reverse Piezoelectric Effect）之特性將輸入之電訊號轉換成機械運動輸出。一般常用之壓電片形狀為矩形或圓形（常用於製作蜂鳴片），但也有可能以其它之形式呈現，視實際應用情況而定。若以輸出之力量大小當成性能指標，則以多壓電晶片最優，雙壓電晶片次之，而單壓電晶片最差。若以成本來看，則壓電晶片之價格與其壓電材料之堆疊層數成正相關，因此若性能要求不高，基於成本考量一般使用單壓電晶片。

第一圖所顯示之結構為一傳統之震動傳遞裝置（Vibration Propagation Device），藉由驅動彈性換能器10，而換能器10之震動能量經由黏貼件12傳遞到上殼體14用以產生聲波（acoustic wave）或觸覺回饋（haptic feedback）。常見之傳統做法係將換能器藉由黏貼或鎖固等方式固定於上殼體14下方，震動能直接由換能器10傳遞至上殼體14。然由於一般常用之換能器10之材料，其端點或邊緣之擺幅及出力有限，致使其所能傳遞之震動能量有限，而這會造成觸覺回饋之觸感反應不明顯，或使上殼體14所能產生之音壓（Sound Pressure Level, SPL）過低。

因此，亟需提出一種新穎的能量轉換模組，用以增加慣性力量。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種能量轉換模組，其較傳統能量轉換裝置具有較好的聲波或觸覺振動效果，或可改善能量轉換裝置的組裝程序。

根據本發明實施例，能量轉換模組包含第一換能器及第二換能器。其中，第一換能器以第一點直接或間接設置於第一平板上，且第二換能器設置於第一換能器的第二點。在一實施例中，更包含至少一質量塊，設置於第二換能器上。本發明實施例可用以增加振動擺幅、提升傳遞之慣性力，或可用以調整共振模態（resonant mode）。

第二A圖顯示本發明實施例的能量轉換模組（transducer module）之截面圖。在本實施例中，能量轉換模組係用以將電能轉換為機械能，但不以此為限。本實施例之能量轉換模組主要包含第一換能器（transducer，標示為P）21及第二換能器（標示為P’）23。其中，第一換能器21以第一點21A設置於第一平板25A上，第二換能器23則設置於第一換能器21的第二點21B。第一換能器21與第二換能器23之間還可使用絕緣件（未顯示於圖式中）予以分隔。

第二A圖所示的第一換能器21具平面狀；但是，也可具其他形狀。例如，第二B圖顯示另一能量轉換模組之截面圖，其第一換能器21具曲面狀。上述第一換能器21的第一點21A及第二點21B係為其二端點，但不限定於此。例如，第二C圖顯示另一能量轉換模組之截面圖，其以非端點之第一點21A設置於第一平板25A上。第二D圖顯示另一能量轉換模組之截面圖，其第一換能器21以非端點（例如中點）作為第一點21A設置於第一平板25A上，並於其至少一端點設置有至少一個第二換能器23。

第二A圖的第一換能器21以第一點21A直接設置於第一平板25A上，然而，也可藉由第一支撐體27A而間接設置於第一平板25A上，如第二E圖所示。換句話說，第一支撐體27A的二端分別耦接至第一平板25A及第一換能器21。類似的情形，第二D圖的第一換能器21以非端點（例如中點）之第一點21A直接設置於第一平板25A上；然而，也可藉由第一支撐體27A而間接設置於第一平板25A上，如第二F圖所示。無論第一換能器21係以端點之第一點21A間接設置於第一平板25A上（第二E圖）或者是以非端點之第一點21A設置於第一平板25A上（第二F圖），本發明實施例還可包含第二支撐體27B及第二平板25B，如第二G圖所示，將第二支撐體27B的二端分別耦接至第一換能器21及第二平板25B。

上述的各種能量轉換模組，還可於第二換能器23上設置至少一質量塊（標示為M）29。以下說明將以第二A圖所示架構為例，然而，第二B圖至第二G圖也同樣適用。第三A圖顯示本發明實施例的能量轉換模組之截面圖，質量塊29設置於第二換能器23的上表面。第三B圖顯示本發明另一能量轉換模組之截面圖，其質量塊29設置於第二換能器23的下表面。第三C圖顯示本發明又一能量轉換模組之截面圖，其質量塊29設置於第二換能器23的側端邊。

根據上述第二A-G圖及第三A-C圖所示之各種能量轉換模組，當第一換能器21受到電能驅動時，會產生振動及慣性力量，經傳遞給第一平板25A，使第一平板25A振動而推動空氣，因而產生聲波（acoustic wave）或產生觸覺回饋（haptic feedback）。當第一換能器21受到電能驅動時，可再選擇驅動第二換能器23以產生更大振動及慣性力量，傳遞給第一平板25A，因而產生更強烈之聲波或產生更強烈之觸覺回饋；或可用以增加振動模態（resonant mode）調整的選擇性；或者增加第一換能器21兩端的擺幅，進而增加傳遞的慣性力。當第一換能器21、第二換能器23受到電能驅動時，可再選擇使用質量塊29以增加第二換能器23的慣性質量，或可用以調整振動模態。相較於第一圖所示之傳統能量轉換裝置，本實施例具有較好的聲波或觸覺振動效果。以下將詳述第二A-G圖及第三A-C圖所示各種能量轉換模組的各個組成要件。

在本實施例中，部分或全部組成要件可製造為模組型態，以利快速組裝。例如，將第一換能器21及第二換能器23製造為模組，或者將第一換能器21、第二換能器23及質量塊29製造為模組，甚至可將第一支撐體27A、第二支撐體27B、第一平板25A及/或第二平板25B也和其他組成要件製造為模組。本實施例各個組成要件之間的設置方式可使用一體成型、黏固、鎖固、鏍固或其他技術。第一平板25A或第二平板25B可以是螢幕、觸控面板、框架（frame）、基板或殼體（housing）。第一支撐體27A或第二支撐體27B可以是空心或實心的，形狀可為筒狀、柱狀或其他形狀，且數目可以為一或多於一。質量塊29可使用各種形狀之各種材質，例如高密度材質（例如金屬）或高楊氏係數（Young’s modulus）材質（例如氧化鋯）。

在本實施例中，第一換能器21所使用的智能材料可為壓電（piezoelectric）材料（例如鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，PZT））、電活性聚合物（electroactive polymer，EAP）、形狀記憶合金（shape memory alloy, SMA）或磁性收縮材料（magnetostrictive material），但不限定於此。第二換能器23的材質可使用第一換能器21的材質，或者使用音圈馬達（voice coil motor）、偏軸轉動質量馬達（eccentric rotating mass (ERM) motor）或線性共振致動器（linear resonant actuator, LRA）。

第四A圖顯示一種第一換能器21或第二換能器23的詳細截面圖。以第二換能器23為例，其包含導電層230、第一智能材料層231A及第一電極層232A。其中，第一智能材料層231A形成於導電層230上表面，再於第一智能材料層231A上表面塗佈第一電極層232A。導電層230及第一電極層232A分別作為驅動第一智能材料層231A所需的二電極，且該導電層230實施上為一種可供導電之薄層材料(如電極層)或板狀材料(如金屬板)；當導電層230為金屬板時，可增加第二換能器23之堅韌性、耐用性，並可增加慣性力量，以產生聲波或觸覺回饋。第四A圖的第二換能器23使用單層的第一智能材料層231A，因此一般若採用壓電材料，稱為單壓電晶片（unimorph）。此外，於實施上，第二換能器23可以採用二或多層第一智能材料層231A，以形成習知的多/積層(multi-layers)壓電晶片。

第四B圖顯示另一種第一換能器21或第二換能器23的詳細截面圖。以第二換能器23為例，其包含導電層230、第一智能材料層231A、第一電極層232A、第二智能材料層231B及第二電極層232B。其中，第一智能材料層231A形成於導電層230的上表面，再於第一智能材料層231A上表面塗佈第一電極層232A。第二智能材料層231B形成於導電層230的下表面，再於第二智能材料層231B的下表面塗佈第二電極層232B。導電層230係作為第一/第二智能材料層231A/B的共電極，而第一/第二電極層232A/B分別作為驅動第一/第二智能材料層231A/B所需之電極。第四B圖的第二換能器23使用雙層的第一/第二智能材料層231A/B，因此一般若採用壓電材料，稱為雙壓電晶片（bimorph）。此外，於實施上，第二換能器23的至少一側可以採用二或多層第一智能材料層231A，以形成習知的多/積層(multi-layers)壓電晶片。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

10．．．換能器

12．．．黏貼件

14．．．上殼體

21．．．第一換能器

21A．．．第一點

21B．．．第二點

23．．．第二換能器

230．．．導電層

231A．．．第一智能材料層

231B．．．第二智能材料層

232A．．．第一電極層

232B．．．第二電極層

25A．．．第一平板

25B．．．第二平板

27A．．．第一支撐體

27B．．．第二支撐體

29．．．質量塊

P．．．第一換能器

P’．．．第二換能器

M．．．質量塊

第一圖顯示傳統能量轉換裝置。
第二A圖至第二G圖顯示本發明實施例的各種能量轉換模組之截面圖。
第三A圖至第三C圖顯示本發明實施例的各種能量轉換模組之截面圖。
第四A圖顯示一種第一/第二換能器的詳細截面圖。
第四B圖顯示另一種第一/第二換能器的詳細截面圖。

21．．．第一換能器

21A．．．第一點

21B．．．第二點

23．．．第二換能器

25A．．．第一平板

P．．．第一換能器

P’．．．第二換能器

Claims (16)

1. 一種能量轉換模組，包含：
   　　 一第一換能器，以第一點直接或間接設置於一第一平板上；及
   　　 一第二換能器，設置於該第一換能器的第二點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一點及該第二點為該第一換能器的二端點。
3. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一點為該第一換能器之一非端點，且該第二點為該第一換能器之一端點。
4. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器具平面狀。
5. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器具曲面狀。
6. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，更包含一第一支撐體，設於該第一點與該第一平板之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，更包含至少一質量塊，設置於該第二換能器上。
8. 如申請專利範圍第7項所述之能量轉換模組，其中該質量塊設置於該第二換能器的上表面、下表面或側端邊。
9. 如申請專利範圍第6項所述之能量轉換模組，更包含：
   　　 一第二平板；及
   　　 一第二支撐體，其二端分別耦接至該第一換能器及該第二平板。
10. 如申請專利範圍第9項所述之能量轉換模組，其中該第一平板或該第二平板為螢幕、觸控面板、框架（frame）、基板或殼體（housing）。
11. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器所使用之智能材料為壓電材料、電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金（SMA）或磁性收縮材料。
12. 如申請專利範圍第11項所述之能量轉換模組，其中該壓電材料為鋯鈦酸鉛（PZT）。
13. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第二換能器所使用之智能材料為壓電材料、電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金（SMA）、磁性收縮材料、音圈馬達（voice coil motor）、偏軸轉動質量馬達（ERM motor）或線性共振致動器（LRA）。
14. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器或第二換能器包含：
    一導電層；
    至少一第一智能材料層，形成於該導電層上表面；及
    至少一第一電極層，形成於該第一智能材料層上表面。
15. 如申請專利範圍第14項所述之能量轉換模組，其中該導電層為一金屬板。
16. 如申請專利範圍第14項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器或第二換能器更包含：
    至少一第二智能材料層，形成於該導電層的下表面；及
    至少一第二電極層，形成於該第二智能材料層的下表面。