TW201314979A - 換能器與能量轉換模組 - Google Patents

Abstract

一種換能器，其導電層上具有一ㄇ形開縫，ㄇ形開縫之開口朝向擺動端，其目的在於加強換能器的觸覺回饋效果、聲音輸出效果，或可用以調整共振模態。本發明亦揭露具有換能器的能量轉換模組。

Description

換能器與能量轉換模組

  本發明係有關一種換能器(transducer)，以及一種使用換能器的能量轉換模組。

  換能器是一種能量轉換裝置，用於將一種能量型態轉換為另一種能量型態。常見的換能器例如馬達或發電機，其中馬達將輸入的電能，藉由電磁感應，轉換為機械能輸出，而發電機則是將輸入的機械能轉換成電能。

  此外，能量轉換亦可利用智能材料(smart material)實現。當給予一外部刺激(stimuli)，例如應力、溫度、電、磁場、pH、溼度等，會造成智能材料的一或多個性質改變；利用此特性，可達成能量轉換的目的。常見的智能材料例如壓電材料(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。

  利用智能材料製成的換能器可應用於許多產品，例如定位元件、感應器、噴墨印表機等。以壓電材料為例，通常利用其逆壓電效應(Converse Piezoelectric Effect)的特性設計換能器；當給予一電場，壓電材料會在電場正交方向膨脹或收縮，如此可將電能轉換成機械能，反之亦然。

  為了提高輸出能量或反應(response)值，可將智能材料堆疊或串聯。以壓電材料為例，多壓電晶片(multimorph)具有最大輸出能量，雙壓電晶片(bimorph)次之，單壓電晶片(unimorph)最小；然而，使用壓電材料愈多，成本也愈高，組裝也愈複雜。

  再者，傳統壓電元件之觸覺回饋效果及聲音輸出效果有限，或無法任意調整共振模態；因此，亟需一種革新的架構，可加強换能器的觸覺回饋效果、聲音輸出效果，或可用以調整共振模態。

  鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種換能器或能量轉換模組，可在低成本條件下，提高能量轉換效率。

  本發明第一實施例提供一種換能器，其導電層一端為固定端，另端為擺動端；於該導電層上具有ㄧㄇ形開縫，該ㄇ形開縫之開口朝向擺動端。

  本發明第二實施例提供一種換能器，其以導電層之中央區段為固定端，兩邊緣端為擺動端；於固定端兩側之導電層上各具有ㄧㄇ形開縫，其開口分別朝向同側的擺動端。

  本發明第三實施例提供一種能量轉換模組，其結合第一實施例或第二實施例所述的換能器以及至少一平板。藉此，可加強觸覺回饋效果、聲音輸出之效果，或可調整共振模態(resonant mode)。

  本發明實施例揭露一種換能器與具有換能器的能量轉換模組。換能器包含有導電層、智能材料層與電極層。導電層的一端為固定端，另一端為擺動端；或中央區段為固定端，兩端為擺動端。導電層上具有開縫，其開口朝向擺動端，而智能材料層設置於開縫與固定端之間，以及開縫與擺動端之間的導電層上。電極層形成於各智能材料層上。

  在本說明書中，「中央區段」係指一物件的中央位置或其鄰近位置。

  其中，智能材料層可包含，但不限於，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)、磁性收縮材料(magnetostrictive material)、pH感應聚合物(pH-sensitive polymers)、溫感聚合物(temperature-responsive polymers)等或其組合。

  此外，換能器、智能材料層與開縫的形狀，可以是規則或不規則的，例如矩形、圓形、多邊形，或其組合。較佳地，換能器的形狀近似矩形，開縫的形狀近似ㄇ形或U形。

  以下各實施例的換能器以電能轉換為機械能為例，但不限於此。

  圖1A與圖1B顯示本發明第一實施例的換能器10，其中圖1A為俯視圖，圖1B為剖視圖。如圖1A與1B，換能器10包含一導電層30E，其具有兩端，A端與C端，其中C端為固定端、A端為擺動端。導電層30E還具有一個ㄇ形開縫100，其開口朝向擺動端A。此外，第一智能材料層101，設置於ㄇ形開縫100與固定端C之間的導電層30E上；第二智能材料層102，設置於ㄇ形開縫100與擺動端A之間的導電層30E上；第一電極層101E，位於第一智能材料層101上；第二電極層102E，位於第二智能材料層102上。

  當電能供應於導電層30E、第一電極層101E、第二電極層102E，第一作動區B1為第一智能材料層101的作動區段，第二作動區B2為第二智能材料層102的作動區段，而ㄇ型開縫100的目的是在第二作動區B2形成擺動端A及自由端D。

  當給予驅動訊號於第一電極層101E與導電層30E時，第一智能材料層101會於第一作動區B1產生擺動，且其擺動由固定端C延伸放大至擺動端A，使其做上下擺盪運動M1， M1的上下擺盪會使擺動端A產生一往復的慣性力F1，而擺動端A往復的慣性力F1會給予固定端C產生往復的慣性力F1’，因為換能器的結構(導電層30E、第一智能材料層101、第二智能材料層102、第一電極層101E、第二電極層102E)具有可撓性，少許力量會轉成換能器結構的彎矩，故F1’的值會小於但趨近F1的值。

  同時，當給予驅動訊號於第二電極層102E與導電層30E時，第二智能材料層102會在第二作動區B2產生振動，第二智能材料層102會以擺動端A做為支點，於自由端D產生一往復的上下擺盪運動運動M2，M2的上下擺盪會使擺動端A產生一個往復的慣性力F2，而擺動端A往復的慣性力F2會給予固定端C產生往復的慣性力F2’，因為換能器的結構(導電層30E、第一智能材料層101、第二智能材料層102、第一電極層101E、第二電極層102E)具有可撓性，少許力量會轉成換能器結構的彎矩，故F2’小於但趨近於F2。

  藉此，換能器10於固定端C的總輸出力為F1’+ F2’。　 實施上，可分別給予第一智能材料層101與第二智能材料層102不同的驅動訊號，使固定端C產生不同的慣性合力組合，以加強換能器的觸覺回饋效果、聲音輸出效果，或可用以調整共振模態。

  圖2A與圖2B顯示本發明第二實施例的換能器10，其中圖2A為俯視圖，圖2B為剖視圖。如圖2A與2B，換能器10包含一導電層30E，其兩端作為擺動端A，以及一中央區段作為固定端C。導電層30E還具有兩個ㄇ形開縫100，其開口分別朝向同側擺動端A。此外，一第一智能材料層101，設置於兩ㄇ形開縫100之間的導電層30E上；兩第二智能材料層102，分別設置於兩ㄇ形開縫100與兩擺動端A之間的導電層30E上；一第一電極層101E，位於第一智能材料層101上；兩第二電極層102E，分別位於兩第二智能材料層102上。

  當電能供應於導電層30E、第一電極層101E、第二電極層102E，第一作動區B1為第一智能材料層101的作動區段，第二作動區B2為第二智能材料層102的作動區段，而ㄇ型開縫100的目的是在第二作動區B2形成擺動端A及自由端D。

  當給予驅動訊號於第一電極層101E與導電層30E時，第一智能材料層101會於第一作動區B1產生擺動，且其擺動由固定端C向兩側延伸放大至兩擺動端A，使其做上下擺盪運動M1， M1的上下擺盪會使兩擺動端A產生一往復的慣性力F1，而兩擺動端A往復的慣性力F1會給予固定端C產生往復的慣性力F1’，因為換能器的結構(導電層30E、第一智能材料層101、第二智能材料層102、第一電極層101E、第二電極層102E)具有可撓性，少許力量會轉成換能器結構的彎矩，故F1’的值會小於但趨近F1的值。

  同時，當給予驅動訊號於第二電極層102E與導電層30E時，第二智能材料層102會在第二作動區B2產生振動，第二智能材料層102會以擺動端A做為支點，於自由端D產生一往復的上下擺盪運動M2，M2的上下擺盪會使擺動端A產生一個往復的慣性力F2，而擺動端A往復的慣性力F2會給予固定端C產生往復的慣性力F2’，因為換能器的導電層30E等具有可撓性，少許力量會轉成換能器結構的彎矩，故F2’的值小於但趨近於F2的值。

  藉此，換能器10於固定端C的總輸出力為F1’+2 F2’。實施上，可分別給予第一智能材料層101與第二智能材料層102不同的驅動訊號，使固定端C產生不同的慣性合力組合，以加強換能器的觸覺回饋效果、聲音輸出效果，或可用以調整共振模態。

  於實施上，第一實施例的換能器10也可以採用二或多層的智能材料層。圖3顯示一種具有兩層智能材料層換能器10的剖視圖。接續如圖1B的結構，換能器10尚包含：位於導電層30E下方，且位置對應於第一智能材料層101的第三智能材料層103；位於第三智能材料層103下方的第三電極層103E；位於導電層30E下方，且位置對應於第二智能材料層102的第四智能材料層104；以及位於第四智能材料層104下方的第四電極層104E。同理，可以相同方法形成具有多層智能材料層的換能器10。

  此外，為了進一步增加慣性力、增加振動幅度，或調整共振模態(resonant mode)，可於換能器10的適當位置，增加至少一質量塊。圖4A至4B分別顯示圖1B與圖3的換能器10，可於第二電極層102E與第四電極層104E的適當位置，增加至少一質量塊120。質量塊120可使用各種形狀的各種材質，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。注意質量塊120的位置與數量，並不限於圖中所示。

  增加質量塊120因改變整體結構的質量，進而改變其自然共振頻率，且質量塊120增加了第二智能材料層102與第四智能材料層104的質量負載，當訊號驅動第二智能材料層102與第四智能材料層104時，第二智能材料層102與第四智能材料層104會以擺動端A作為支點，在自由端D形成上下往復擺動，質量塊102的配置，會對自由端D增加負擔，但又要維持在自由端D的往復運動，因此質量塊102的負載會增加擺動端A的慣性力，擺動端A的慣性力就會附加給固定端C，因此質量塊120可以增加固定端C的慣性力輸出。

    於實施上，第二實施例的換能器10也可以採用二或多層的智能材料層。圖5顯示一種具有兩層智能材料層換能器10的剖視圖。接續如圖2B的結構，換能器10尚包含：位於導電層30E下方，且對應於第一智能材料層101的第三智能材料層103；位於第三智能材料層103下方的第三電極層103E；位於導電層30E下方，且分別對應於兩第二智能材料層102的兩第四智能材料層104；以及分別位於兩第四智能材料層104下方的兩第四電極層104E。同理，可以相同方法形成具有多層智能材料層的換能器10。

    此外，為了進一步增加慣性力、增加振動幅度，或調整共振模態(resonant mode)，可於換能器10的適當位置，增加至少一質量塊。圖6A至6B分別顯示圖2B與圖5的換能器10，可於第二電極層102E與第四電極層104E的適當位置，增加至少一質量塊120。質量塊120可使用各種形狀的各種材質，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。注意質量塊120的位置與數量，並不限於圖中所示。

    圖7A至圖7B顯示一種換能器10的上視圖，其可歸類於本發明第二實施例的變形，此處換能器10以單壓電、雙壓電或多層壓電晶片為例，但不限於此。此外，符號S表示實作上可能的固定區域或者一支撐件。於本實施例，換能器10的形狀為十字形，導電層30E的中央區段為固定端，且具有四個擺動端A，以及四個ㄇ形開縫100，其開口分別朝向四個擺動端A。此外，如果是單壓電晶片，第一電極層101E 與其下方的第一智能材料101設置於四個ㄇ形開縫100之間的導電層30E上，且每個開縫100與擺動端A之間設置一第二電極層102E與其下方的第二智能材料層102。此外，如圖7B所示，換能器10可具有質量塊120，且質量塊120的數量與位置不限於圖中所示。

    圖8A至圖8C顯示數種換能器10的上視圖，其可歸類於本發明第二實施例的變形，此處換能器10以單壓電、雙壓電或多層壓電晶片為例，但不限於此。於本實施例，換能器10的形狀為圓形，其導電層30E的中央區段作為固定端C、邊緣可視為擺動端A。導電層30E具有多個ㄇ形開縫100，其開口分別朝向擺動端A。此外，如果是單壓電晶片，第一電極層101E 與其下方的第一智能材料101設置於多個ㄇ形開縫100與固定端C之間的導電層30E上，且每個開縫100與擺動端A之間設置一第二電極層102E與其下方的第二智能材料層102。此外，換能器10可於適當位置，設置至少一質量塊120(未圖示)。

    利用本發明各實施例的換能器，可應用於一種能量轉換模組，以提升其能量轉換效率。

    圖9A至9D顯示本發明第三實施例的能量轉換模組1。在本實施例，能量轉換模組1主要包含換能器10與第一平板11。其中，換能器10可包含本發明第一實施例的各種換能器，例如圖1A至圖1B、圖3、圖4A至圖4B所示的換能器10。換能器10以固定端C固定於第一平板11，且兩者具有一夾角θ；在本文中，「固定」的方式可包含，但不限於，黏固、嵌入、頂抵、鎖固、鏍固、焊接，或其他本領域所知悉的方法。實作上，換能器10可以是平面狀，如圖9A與圖9B所示，但也可以是彎曲狀，如圖9C與圖9D所示。於本實施例，換能器10具有至少一開縫100(參見相關實施例，例如圖1A)其開口朝向擺動端A。第一平板11可以是螢幕、觸控面板、框架(frame)、基板或殼體(housing)。於本實施例，當換能器10受到電能驅動時，由於固定端C固定，擺動端A的振動會使固定端C產生慣性力量，使第一平板11振動而推動空氣，因而產生聲波(acoustic wave)或產生觸覺回饋(haptic feedback)。

    圖10A至10D顯示本發明第四實施例的能量轉換模組1。本實施例可視為第三實施例的變化，兩者差別在於，本實施例利用支撐件12A，或支撐件12A/B，使換能器10的固定端C，固定於第一平板11，或第一平板11與第二平板13。其中，支撐件12A的第一端固定於第一平板11，而第二端固定於換能器10的固定端C；支撐件12B的第一端固定於換能器10的固定端C，而第二端固定於第二平板13。於本發明，支撐件12A/B可以是任何材質，例如金屬、聚合物；結構可以是空心或實心；形狀可為筒狀、柱狀或其他形狀；且數目可以為一或多個。在一些實施例，支撐件12A/B的至少其中之ㄧ可以是一阻尼器(damper)，其可以為彈性體，例如彈簧、彈性橡膠；在另一實施例，支撐件12A/B的至少其中之ㄧ可以是智能材料。此外，如圖10A與圖10B，第一平板11與支撐件12A，以及第二平板13與支撐件12B，可以是分開製作；如圖10C與圖10D，第一平板11與支撐件12A，以及第二平板13與支撐件12B，可以是一體成型。

    圖11A與11B顯示本發明第五實施例的能量轉換模組1。在本實施例，能量轉換模組1主要包含換能器10與第一平板11。其中，換能器10可包含本發明第二實施例的各種換能器，例如圖2A至圖2B、圖5、圖6A至圖6B、圖7A至圖7B、圖8A至圖8C所示的換能器10。換能器10的中央區段作為固定端C，固定於第一平板11。實作上，換能器10可以是彎曲狀，如圖11A所示，但也可以是平板曲折狀，如圖11B所示。於本實施例，換能器10具有至少兩開縫101(參見相關實施例，例如圖2A)其開口分別朝向換能器10的擺動端A。第一平板11可以是螢幕、觸控面板、框架、基板或殼體。於本實施例，當換能器10受到電能驅動時，由於中央區段C固定，換能器10於兩邊緣區段的振動會使中央區段C產生慣性力量，使第一平板11振動而推動空氣，因而產生聲波或產生觸覺回饋。

    圖12A至12D顯示本發明第六實施例的能量轉換模組1。本實施例可視為第五實施例的變化，兩者差別在於，本實施例利用支撐件12A，或支撐件12A/B，使換能器10的中央區段，固定於第一平板11，或第一平板11與第二平板13之間。其中，支撐件12A的第一端固定於第一平板11，而第二端固定於換能器10的中央區段；支撐件12B的第一端固定於換能器10的中央區段，而第二端固定於第二平板13。關於支撐件12A/B的細節可參照先前說明。此外，如圖12A與圖12B，第一平板11與支撐件12A，以及第二平板13與支撐件12B，可以是分開製作；如圖12C與圖12D，第一平板11與支撐件12A，以及第二平板13與支撐件12B，可以是一體成型。

    以上，本發明實施例的能轉換模組，藉由具有開縫結構的換能器，以及質量塊的配置，以加強換能器的觸覺回饋效果、聲音輸出效果，或可用以調整共振模態。

    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。

1．．．能量轉換模組

10．．．換能器

11．．．第一平板

12A/B．．．支撐件

13．．．第二平板

30E．．．導電層

100．．．ㄇ形開縫

101．．．第一智能材料層

101E．．．第一電極層

102．．．第二智能材料層

102E．．．第二電極層

103．．．第三智能材料層

103E．．．第三電極層

104．．．第四智能材料層

104E．．．第四電極層

A．．．擺動端

B1．．．第一作動區

B2．．．第二作動區

C．．．固定區

D．．．自由端

F1/F2/F1’/F2’．．．慣性力

M1/M2．．．振動

S．．．固定區域/支撐件

θ．．．夾角

圖1A與圖1B顯示本發明第一實施例之換能器。

圖2A與圖2B顯示本發明第二實施例之換能器。

圖3顯示根據本發明第一實施例之一種雙壓電晶片。

圖4A至4B顯示圖1B與圖3的實施例中，增加了至少一質量塊。

圖5顯示根據本發明第二實施例之一種雙壓電晶片。

圖6A至6B顯示圖2B與圖5的實施例中，增加了至少一質量塊。

圖7A至圖7B顯示數種換能器，歸類於本發明第二實施例。

圖8A至圖8C顯示數種換能器，歸類於本發明第二實施例。

圖9A至9D顯示本發明第三實施例的能量轉換模組。

圖10A至10D顯示本發明第四實施例的能量轉換模組。

圖11A與11B顯示本發明第五實施例的能量轉換模組。

圖12A至12D顯示本發明第六實施例的能量轉換模組。

10．．．換能器

30E．．．導電層

100．．．ㄇ形開縫

101E．．．第一電極層

102E．．．第二電極層

A．．．擺動端

B1．．．第一作動區

B2．．．第二作動區

C．．．固定區

D．．．自由端

Claims (18)

1. 一種換能器，包含：
   一導電層，該導電層之一端為一固定端，另一端為一擺動端，且該導電層具有一開縫，該開縫之開口朝向該擺動端。
   
   
2. 如申請專利範圍第1項所述之換能器，尚包含：
   　 一第一智能材料層，設置於該固定端與該開縫之間的該導電層上；
   　 一第二智能材料層，設置於該開縫與該擺動端之間的該導電層上；
   　 一第一電極層，位於該第一智能材料層上；以及
   　 一第二電極層，位於該第二智能材料層上。
   
   
3. 如申請專利範圍第2項所述之換能器，其中該第一智能材料層與該第二智能材料層所在區域，分別形成一第一作動區與一第二作動區。
   
   
4. 如申請專利範圍第2項所述之換能器，該第一智能材料層與該第二智能材料層的材質包含壓電材料或電活性聚合物。
   
   
5. 如申請專利範圍第2項所述之換能器，其中該換能器更包含：
   　 一第三智能材料層，位於該導電層下方，且對應於該第一智能材料層；
   　 一第三電極層，位於該第三智能材料層下方；
   　 一第四智能材料層，位於該導電層下方，且對應於該第四智能材料層；以及
   　 一第四電極層，位於該第四智能材料層下方。
   
   
6. 一種換能器，包含：
   一導電層，該導電層之一中央區段為一固定端，兩端為兩擺動端，且該導電層具有兩開縫，該兩開縫之開口分別朝向該兩擺動端。
   
   
7. 如申請專利範圍第6項所述之換能器，尚包含：
       一第一智能材料層，設置於該固定端與該兩開縫之間的該導電層上；
       兩第二智能材料層，分別設置於兩該開縫與兩該擺動端之間的該導電層上；
       一第一電極層，位於該第一智能材料層上；
       兩第二電極層，分別位於該兩第二智能材料層上。
   
   
8. 如申請專利範圍第7項所述之換能器，其中該第一智能材料層與該第二智能材料層所在區域，分別形成兩第一作動區與兩第二作動區。
   
   
9. 如申請專利範圍第7項所述之換能器，該第一智能材料層與該第二智能材料層的材質包含壓電材料或電活性聚合物。
   
   
10. 如申請專利範圍第7項所述之換能器，其中該換能器更包含：
        一第三智能材料層，位於該導電層下方，且對應於該第一智能材料層；
        一第三電極層，位於該第三智能材料層下方；
        兩第四智能材料層，位於該導電層下方，且分別對應於兩該第二智能材料層；以及
        兩第四電極層，分別位於兩該第四智能材料層下方。
    
    
11. 一種能量轉換模組，包含：
        一第一平板；以及
        一換能器，該換能器包含ㄧ導電層，該導電層之中央區段為一固定端，該導電層之兩端為兩擺動端，或者，該導電層之一端為一固定端，另一端為一擺動端；
        其中，該導電層更包含至少ㄧ開縫，該開縫之開口朝向該擺動端。
    
    
12. 如申請專利範圍第11項所述之能量轉換模組，尚包含：
        一第一智能材料層，設置於該固定端與該開縫之間的該導電層上；
        至少一第二智能材料層，設置於該開縫與該擺動端之間的該導電層上；
        一第一電極層，位於該第一智能材料層上；以及
        至少一第二電極層，分別位於該至少一第二智能材料層上。
    
    
13. 如申請專利範圍第12項所述之能量轉換模組，其中該第一智能材料層與該第二智能材料層包含壓電材料或電活性聚合物。
    
    
14. 如申請專利範圍第12項所述之能量轉換模組，其中該換能器更包含：
        一第三智能材料層，位於該導電層下方，且對應於該第一智能材料層；
        一第三電極層，位於該第三智能材料層下方；
        至少一第四智能材料層，位於該導電層下方，且分別對應於該至少一第二智能材料層；以及
        至少第四電極層，分別位於該至少一第四智能材料層下方。
    
    
15. 如申請專利範圍第11項所述之能量轉換模組，其中該第一平板為螢幕、觸控面板、框架(frame)、基板或殼體(housing)。
    
    
16. 如申請專利範圍第15項所述之能量轉換模組，其中該換能器利用一第一支撐件與該第一平板固定。
    
    
17. 如申請專利範圍第16項所述之能量轉換模組，其中該換能器利用一第二支撐件與一第二平板固定，其中該第二平板為螢幕、觸控面板、框架、基板或殼體。
    
    
18. 如申請專利範圍第17項所述之能量轉換模組，其中該第一支撐件與該第二支撐件的至少其中之一包含一智能材料或一阻尼器。