TW201611361A - 用於自行車組件之壓電感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種壓電材料，其含有鐵電粒子及一黏結樹脂。該等鐵電粒子相對於該等鐵電粒子與該黏結樹脂之總質量的比率為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%。

Description

用於自行車組件之壓電感測器
本發明係關於壓電材料、包括壓電材料之壓電感測器、包括壓電感測器之自行車組件、自行車曲柄軸、自行車曲柄臂及用於製造壓電材料之方法。
本案係基於並請求於2014年9月8日提出申請之美國專利第14/479,379號申請案之優先權，該申請案之全部內容以參考方式併入本案。
在施加有機械力時產生電力之壓電元件(壓電式元件)係廣泛已知的。EP1978342揭示配置於自行車之曲柄總成中以偵測施加至曲柄總成之力的壓電元件之實例。
本發明之目標為提供壓電材料、包括壓電材料之壓電感測器、包括壓電感測器之自行車組件、自行車曲柄軸、自行車曲柄臂及用於製造壓電材料之方法。
本發明之一個態樣提供一種包含鐵電粒子及黏結樹脂之壓電材料。鐵電粒子相對於鐵電粒子與黏結樹脂之總質量的比率為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%。
在一些實施中，鐵電粒子相對於鐵電粒子與黏結樹脂之總質量的比率為40質量%或大於40質量%及90質量%或小於90質量%。
在一些實施中，鐵電粒子相對於鐵電粒子與黏結樹脂之總質量的比率為80質量%或小於80質量%。
在一些實施中，鐵電粒子之平均粒徑為2μm或大於2μm及10μm或小於10μm。
在一些實施中，鐵電粒子係藉由燒結及接著磨碎所得燒結物而形成。
在一些實施中，鐵電材料具有20μm或大於20μm及200μm或小於200μm之厚度。
本發明之另一態樣提供一種包括壓電材料及耦接至壓電材料之兩個電極的壓電感測器。
在一些實施中，該兩個電極包含一外部電極耦接至該壓電材料之一外表面及一內部電極耦接至該壓電材料之一內表面，以將該壓電材料夾在其等中間。
在一些實施中，該內部電極包含彼此以間隙隔開的複數個內部子電極。
在一些實施中，該外部電極包含彼此以間隙隔開的複數個外部子電極。
根據一特定實施態樣之一壓電感測器，包含前述壓電材料及一或多個輸出電極耦接至該壓電材料之一外表面。
在一些實施中，該一或多個輸出電極包含彼此以間隙隔開的複數個外部子電極。
在一些實施中，該壓電材料包含一內表面，作為待感測之一物品的一耦接表面。
本發明之另一態樣提供一種自行車組件，其包括壓電感測器。
本發明之另一態樣提供一種自行車曲柄軸，其上配置有壓電感測器。
本發明之另一態樣提供一種自行車踏板軸，其上配置有壓電感測器。
本發明之另一態樣提供一種自行車曲柄臂，其上配置有壓電感測器。
本發明之另一態樣提供一種包括具有電力產生特性之鐵電膜的自行車組件。
在一些實施中，鐵電膜包括鐵電粒子與黏結樹脂之混合物。
在一些實施中，鐵電膜中鐵電粒子相對於鐵電粒子與黏結樹脂之總質量的比率為40質量%或大於40質量%及90質量%或小於90質量%。
在一些實施中，自行車組件包括：絕緣膜，其形成於自行車組件之主體之表面上；第一電極，其形成於絕緣膜上；鐵電膜，其連接至第一電極；及第二電極，其連接至鐵電膜。
在一些實施中，自行車組件包括：軸主體；絕緣膜，其形成於軸主體之表面上；複數個輸出電極，其彼此藉由間隙間隔開且環繞軸主體而配置於絕緣膜上；及鐵電膜，其連接至輸出電極。輸出電極中之鄰近者之間的間隙係以鐵電膜填充。共同電極連接至鐵電膜。
在一些實施中，軸主體為選自由以下組成之群組：曲柄軸、曲柄臂、踏板軸、框架、把手、柄、輪轂軸、輪轂殼、輪輻、座墊支柱及鞍座軌。
在一些實施中，鐵電膜包括實質上平行於軸主體之內表面及外表面。輸出電極與鐵電膜之內表面緊密接觸，且共同電極與鐵電膜之外表面緊密接觸。
在一些實施中，第一電極經結構設計以根據由鐵電膜產生之電能將輸出信號輸出至信號處理器。
在一些實施中，信號處理器係使用由鐵電膜產生之電力來操 作。
在一些實施中，信號處理器包括執行無線通信之無線單元。
本發明之一態樣為一電源供應器，包含根據請求項1之壓電材料，其經組態以在施加機械力於其上時產生電力，及一或多個電極耦接至壓電材料以輸出電力。
本發明之另一態樣為一種用於製造壓電材料之方法。該方法包括：燒結含有鐵電物質之原始粒子；磨碎在燒結中獲得之燒結物以獲得鐵電粒子；及混合鐵電粒子與黏結樹脂以使得鐵電粒子相對於鐵電粒子與黏結樹脂之總質量之比率為40質量%或大於40質量%及90質量%或小於90質量%。
在一些實施中，在磨碎中磨碎的鐵電粒子之平均粒徑為2μm或大於2μm及10μm或小於10μm。
在一些實施中，燒結係在1100℃或高於1100℃及1200℃或低於1200℃之燒結溫度下執行。
本發明之其他態樣及優點將自結合隨附圖式進行以藉由實例說明本發明之原理的以下描述而變得顯而易見。
2‧‧‧自行車曲柄軸
4‧‧‧臂主體
6‧‧‧曲柄軸主體
8‧‧‧壓電感測器
10‧‧‧信號處理器
12‧‧‧無線單元
14‧‧‧絕緣膜
16‧‧‧輸出電極
18‧‧‧鐵電膜
18a‧‧‧內表面
18b‧‧‧外表面
20‧‧‧共同電極
24‧‧‧通信電路
26‧‧‧天線
30‧‧‧自行車曲柄臂
32‧‧‧臂主體
34‧‧‧絕緣膜
36‧‧‧鐵電膜
38‧‧‧電極
40‧‧‧遮罩
42‧‧‧曲柄臂
50‧‧‧自行車踏板
52‧‧‧踏板軸
54‧‧‧踏板主體
56‧‧‧軸承
58‧‧‧接線
58a‧‧‧接線板
60‧‧‧壓電感測器晶片
62‧‧‧第一電極
64‧‧‧第二電極
66‧‧‧電極部分
68‧‧‧電極部分
參考目前較佳實施例之以下描述連同隨附圖式可最好地理解本發明連同其目標及優點，其中：圖1為展示鐵電粒子之比率與輸出電壓之關係的圖表；圖2為展示鐵電粒子之比率與黏結強度之關係的圖表；圖3為包括壓電感測器之自行車曲柄軸的示意圖；圖4A為沿圖3中之線A-A截得之曲柄軸的橫截面圖；圖4B及圖4C展示根據變化例之自行車曲柄軸之橫截面圖；圖5為包括壓電感測器之自行車曲柄臂的示意圖；圖6A至圖6F為說明用於製造包括壓電感測器之自行車曲柄軸之 方法的示意圖；圖7A為具備壓電感測器之自行車踏板之平面圖，且圖7B為自行車踏板之部分剖視側視圖；及圖8A為壓電感測器晶片之平面圖，圖8B為沿線B-B截得的壓電感測器晶片之橫截面圖，且圖8C為壓電感測器晶片之側視圖。
[壓電材料]
壓電材料為在極化製程(poling process)之前的情形中的成分。
壓電材料含有包括鐵電物質之粒子(在下文中被稱作鐵電粒子)及黏結樹脂。
鐵電粒子係藉由磨碎鐵電燒結物而獲得。
鐵電物質之實例包括(例如)鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇及鈦酸鍶。壓電材料含有包括此等鐵電物質中之至少一者的鐵電粒子。詳言之，壓電材料含有包括鋯鈦酸鉛之鐵電粒子。
為使壓電材料之輸出電壓穩定，鐵電粒子較佳均勻地分散於鐵電材料中。此係因為鐵電粒子之非均勻分散由於力施加至壓電材料之方式(施加至壓電材料之力的方向及位置)的改變而增加輸出電壓之振幅。
較佳地，鐵電粒子之平均粒徑大於或等於2μm及小於或等於10μm。當鐵電粒子之平均粒徑小於2μm時，壓電特性惡化。當鐵電粒子之平均粒徑大於10μm時，在鐵電粒子與黏結樹脂之間的黏結力減小。
平均粒徑為中等大小D50。對於沿任何區段(沿壓電材料之橫截面延伸)存在的鐵電粒子，例如，鐵電粒子之直徑經量測為沿線段的粒子之長度。
黏結樹脂之實例包括環氧樹脂、丙烯酸系樹脂、改性醯亞胺樹 脂、聚醯亞胺樹脂及聚醯胺樹脂。此外，亦可使用紫外線固化樹脂或熱固樹脂中之任一者。
壓電材料可具有預定厚度，使得以滿意方式平衡壓電材料之實體強度、敏感度及輸出電壓。壓電材料之較佳厚度大於或等於20μm及小於或等於200μm。
壓電材料可黏附或固定至工件以偵測由外力在工件中產生的應力或應變。當壓電材料之厚度小於20μm時，壓電材料可由自工件傳輸至壓電材料的力撕裂。
壓電材料之厚度較佳為大的以增加使用壓電材料之壓電感測器的輸出電壓。然而，在壓電材料之厚度過大時發生以下問題。
當壓電材料之厚度大於200μm時，壓電材料之剛度變高。在此狀況下，重複施加至壓電材料之力可形成在鐵電粒子與黏結樹脂之間的間隙且增加壓電材料中空隙之數目及體積。此可降低壓電材料之抗濕性。因此，壓電材料之厚度較佳為200μm或小於200μm。
在壓電材料中，鐵電粒子相對於鐵電粒子與黏結樹脂之總質量的比率(在下文中被稱作「鐵電粒子之比率」)之下限值較佳經選擇為40質量%或大於40質量%且進一步較佳經選擇為60質量%或大於60質量%。鐵電粒子之上限值比率較佳經選擇為98質量%或小於98質量%，更佳經選擇為90質量%或小於90質量%且進一步較佳經選擇為80質量%或小於80質量%。可自此等上限及下限之任一組合選擇鐵電粒子之比率。
現將參看圖1描述鐵電粒子之比率與輸出電壓的關係。
具有各種鐵電粒子比率的樣本經製備以得到較佳鐵電粒子比率。每一樣本係藉由在具有5mm寬度、30mm長度及1mm厚度之SUS板上順序地堆疊具有30μm厚度之絕緣膜、具有3μm厚度之第一電極、具有100μm厚度之鐵電膜(壓電材料)及具有3μm厚度之第二電極 而形成。絕緣膜係由氧化鋁形成。網板印刷經執行以形成第一電極及第二電極。鐵電膜係由藉由混合鐵電粒子與環氧樹脂使得鋯鈦酸鉛之含量比率為所要質量比率而獲得的壓電材料膏形成。
鐵電粒子之比率在10質量%至98質量%之範圍內變化。
在室溫、1kV/cm電解質強度及3分鐘施加時間條件下，對鐵電膜執行極化製程。
輸出電壓係藉由將預定負載施加至每一樣本以三點彎曲測試儀來量測。更具體言之，支撐樣本之支撐點之間的距離經設定為25mm。在支撐點之間的中間點處將0.98N(100gf)之負載施加至樣本。在此情形下，量測最大輸出電壓，且最大輸出電壓在圖1上被用曲線描繪為樣本的輸出電壓之代表值。
如自圖1顯而易見，與當鐵電粒子之比率小於40質量%時相比，當鐵電粒子之比率為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%時，輸出電壓變高。當鐵電粒子之比率在40質量%或大於40質量%及50質量%或小於50質量%的範圍內時，相對於鐵電粒子之比率的增加速率，輸出電壓之增加速率為顯著大的。
當鐵電粒子之比率在50質量%或大於50質量%及90質量%或小於90質量%的範圍內時，詳言之，當鐵電粒子之比率在60質量%或大於60質量%及90質量%或小於90質量%的範圍內時，輸出電壓維持在高位準。此外，輸出電壓之改變速率相對於鐵電粒子之比率的改變為小的。
因此，當鐵電粒子之比率在60質量%或大於60質量%及90質量%或小於90質量%的範圍內時，即使鐵電粒子之比率歸因於製造誤差而在鐵電膜之間不同，輸出電壓在鐵電膜之間仍細微地變化。因此，可獲得所要或滿意之輸出電壓。
鐵電粒子之比率與鐵電膜中每單位體積鐵電粒子之量(在下文中 被稱作「鐵電粒子之數密度」)相關。因此，可認為輸出電壓相對於鐵電粒子之數密度的特性類似於圖1中說明之特性。更具體言之，當鐵電膜中之鐵電粒子的數密度在對應於40質量%至50質量%的鐵電粒子比率的範圍(在下文中此範圍被稱作「特定密度範圍」)內時，相對於鐵電粒子之數密度的增加速率，輸出電壓之增加速率變得顯著大。
鐵電膜中之鐵電粒子具有偏倚分佈，且鐵電粒子之數密度不均勻。當鐵電膜中之鐵電粒子的數密度在特定密度範圍外變化時，輸出電壓在鐵電膜中實質上細微地變化。然而，當鐵電膜中之鐵電粒子的數密度在特定密度範圍內變化時，輸出電壓在鐵電膜中實質上極大地變化。即使施加負載至鐵電膜所藉以的方向稍微改變，鐵電膜中之輸出電壓的變化仍將極大改變輸出電壓。因此，針對該負載不可獲得穩定輸出電壓。自此觀點來看，鐵電粒子之數密度較佳經設定為在特定密度範圍外。更具體言之，鐵電粒子之比率較佳經設定為在40質量%至50質量%外。
尚未知曉造成圖1中說明之特性(亦即，鐵電元件之輸出電壓與40質量%之鐵電粒子之比率大不相同)的原因。然而，認為鐵電粒子之密度的增加(鐵電粒子之數密度的增加)引起鐵電粒子之間的鐵電物質之相互影響，且該相互影響改良壓電元件之壓電特性。
現將參看圖2描述鐵電粒子之比率與黏結強度的關係。
圖2中之三個特性曲線分別對應於含有不同類型之黏結樹脂的三種類型之壓電材料。圖2中之實線說明使用環氧樹脂製備為黏結樹脂的壓電材料之量測值。圖2中之單虛線說明使用丙烯酸系樹脂製備為黏結樹脂的壓電材料之量測值。圖2中之雙虛線說明使用改性醯亞胺樹脂製備為黏結樹脂的壓電材料之量測值。
藉由進行分層測試來量測黏結強度。按以下方式調整用於分層測試中之試樣。首先，將壓電膏(在稍後描述之混合步驟中獲得的膏) 應用至不鏽鋼支撐板以形成壓電材料層，且將壓電材料層乾燥及加熱以製備試樣。壓電材料膏中的鐵電粒子之比率自10質量%改變至95質量%以針對每一比率檢查黏結強度。用於試驗中之鋯鈦酸鉛的平均粒徑具有4μm之D50值。經乾燥及加熱之壓電材料層具有約100μm之厚度及5mm×5mm之大小。在分層測試中，藉由黏結劑將接線附著至壓電材料層之上表面且在壓電材料層自支撐板開始分層時以測量儀(量測工具)拉動接線以量測抗拉強度(黏結強度)。當以測量儀器拉動接線時，在垂直於支撐板及壓電材料層所黏附的表面之方向上拉動接線。
如圖2中所展示，壓電材料層之黏結強度根據黏結樹脂之類型而不同且按丙烯酸系樹脂、環氧樹脂及改性醯亞胺樹脂之次序而變高。
在此等樹脂中之任一者中，當鐵電粒子之比率變得大於80質量%時黏結強度具有減小之趨勢。此外，當鐵電粒子之比率大於90質量%時，黏結強度變得小於或等於最大強度(在每一比率下的最高黏結強度)的一半。認為此係因為由壓電材料層(壓電材料膏之模製產物)與支撐板之間的接觸表面中的黏結劑佔據之面積隨鐵電粒子之比率變高而增加。
如圖2中所展示，改性醯亞胺較佳用作黏結樹脂。此外，鐵電粒子之比率較佳小於或等於90質量%，且鐵電粒子之比率進一步較佳小於或等於80質量%。
現將描述本實施例中之壓電材料之主要效應。
鐵電粒子之比率較佳為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%。在此組態中，包括壓電材料之壓電感測器之輸出電壓高於包括鐵電粒子之比率小於40質量%的壓電材料之壓電感測器。鐵電粒子之比率特定而言較佳為60質量%或大於60質量%及90質量%或小於90質量%，此組態顯著地增加包含壓電材料之壓電感測器的輸出電壓。
在壓電材料中，鐵電粒子之比率較佳為90質量%或小於90質量%，且鐵電粒子之比率進一步較佳為80質量%或小於80質量%。此情形導致壓電材料的黏結強度大於鐵電粒子之比率大於90質量%之壓電材料。
[用於製造壓電材料之方法]
一種用於製造壓電材料之方法包括預處理步驟、燒結步驟、磨碎步驟、混合步驟、模製步驟及硬化步驟。
在預處理步驟中，藉由壓機或其類似者將含有鐵電物質(壓電材料)之原始粒子與黏合劑樹脂的混合物模製成生胚膜且接著使其經歷脫黏製程。原始粒子中含有的鐵電物質可為鈦酸鋯、鈦酸鋇、鈦酸鍶或其類似物。
在燒結製程中，使經歷脫黏製程之生胚膜燒結。
較佳燒結溫度為1100℃或高於1100℃及1200℃或低於1200℃。此係因為燒結反應在燒結溫度低於1100℃時變得難以發生，且燒結物之密度在燒結溫度高於1200℃時減小。
在磨碎步驟中，磨碎在燒結步驟中所獲得之燒結物以獲得鐵電粒子(鐵電粒子)。舉例而言，藉由球磨機使用陶瓷珠粒來磨碎燒結物，使得鐵電粒子的平均粒徑在2μm或大於2μm及10μm或小於10μm之範圍內。陶瓷珠粒可為氧化鋯珠粒(Zr2O3珠粒)。
在混合步驟中，將鐵電粒子(鐵電粉末)與黏結樹脂混合。該混合將鐵電粒子之比率設定為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%之預定比率。鐵電粒子之比率進一步較佳為60質量%或大於60質量%及90質量%或小於90質量%。
模製步驟形成在混合步驟中所獲得之壓電材料膏的模製產物。舉例而言，藉由執行網板印刷、以刀片應用壓電材料膏或以壓電材料裝填模具，將壓電膏模製成具有預定形狀(例如，膜、薄片、長方體 或圓柱體)。
在硬化步驟中，使在模製製程中所獲得之模製產物硬化。該硬化經由根據黏結樹脂之類型的製程使黏結樹脂硬化。
舉例而言，當黏結樹脂具有熱固性特性時，對黏結樹脂加熱且使其硬化。當黏結樹脂具有光固化特性時，以紫外線輻照黏結樹脂且使其硬化。
[壓電感測器]
壓電感測器包括上文所描述之壓電材料及位於壓電材料之對置表面上的兩個電極(第一電極及第二電極)。該等電極中之一者可經劃分成複數個區段。舉例而言，該等電極中之一者可藉由複數個輸出電極形成。
壓電感測器係藉由對添加有兩個電極之壓電材料執行極化製程(電極劃分製程)而獲得。
電極可由(例如)導電金屬材料(諸如，銅、銀、銀鈀合金、鎳、鋁、金或鉑)形成。
壓電感測器具有下文所描述之優點。
壓電感測器之壓電材料經設定，使得鐵電粒子之比率為40質量%或大於40質量%。與當比率為40質量%或小於40質量%時相比，此壓電感測器輸出高輸出電壓(參看圖1)。因此，壓電感測器之S/N比率得以改良。在自壓電感測器輸出之輸出信號中，S/N比率係指輸出信號(其在機械應變施加至曲柄軸主體時被輸出)與雜訊之比率。
壓電感測器具有高輸出(例如，圖1中之2V或高於2V)且因此可用作用於操作其他電子裝置的電源供應器。亦即，壓電感測器可用作將踩踏自行車踏板之力轉換成電力之發電機。
[自行車曲柄軸]
現將參看圖3及圖4A描述自行車曲柄軸2之一個實例。曲軸臂之 臂主體4耦接至圖3中展示的自行車曲柄軸2之兩個末端。自行車曲柄軸2經結構設計為自行車組件之一部分。
自行車曲柄軸2包括具有旋轉軸線C之曲柄軸主體6、壓電感測器8及處理自壓電感測器8輸出之輸出信號的信號處理器10。曲柄軸主體6為自行車組件的主體之一個實例。
如圖4A中所展示，壓電感測器8包括覆蓋曲柄軸主體6之絕緣膜14、複數個輸出電極16(第一電極)、鐵電膜18及覆蓋鐵電膜18之共同電極20(第二電極)。共同電極20連接至接地(例如，曲柄軸主體6)。
絕緣膜14係由(例如)氧化鋁或其類似物形成。絕緣膜14經形成為具有20μm至50μm之厚度。
輸出電極16(第一電極)及共同電極20(第二電極)係由銅、銀、銀鈀合金、鎳、鋁、金或鉑形成。輸出電極16係藉由執行(例如)網板印刷或濺鍍而形成。當執行濺鍍時，電極經形成為具有50nm至100nm之厚度。
輸出電極16彼此藉由間隙間隔開且環繞旋轉軸線C而配置於絕緣膜14上。圖4A中所展示之實例包括三個輸出電極16。然而，可存在任何數目個輸出電極。輸出電極16各自經結構設計以根據由鐵電膜18產生之電能將輸出信號輸出至信號處理器10。圖4A中輸出電極16之群組可被視為內部電極，圖4A中輸出電極16之每一者可被視為內部子電極，共同電極20可被視為外部電極。
鐵電膜18覆蓋輸出電極16。鄰近輸出電極16之間的間隙(輸出電極16之間的溝槽)係由鐵電膜18填充。
舉例而言，鐵電膜18包括實質上平行於曲柄軸主體6之旋轉軸線C的內表面18a及外表面18b。輸出電極16與鐵電膜18之內表面18a緊密接觸，且共同電極20與鐵電膜18之外表面18b緊密接觸。
鐵電膜18包括鐵電粒子及黏結樹脂。鐵電粒子之比率較佳為40 質量%或大於40質量%，且鐵電粒子之比率進一步較佳為60質量%或大於60質量%。另外，鐵電粒子之比率較佳為98質量%或小於98質量%，鐵電粒子之比率更佳地為經選擇為90質量%或小於90質量%，且鐵電粒子之比率進一步較佳為80質量%或小於80質量%。
信號處理器10係由輸出信號之電力來操作。亦即，壓電感測器8亦充當信號處理器10之電源供應器。信號處理器10包括無線單元12。無線單元12與自行車資訊處理器建立無線通信以將壓電感測器8之輸出信號傳輸至自行車資訊處理器。自行車資訊處理器可為(例如)基於施加至自行車曲柄軸2之應力來計算踏板之踩踏力的計算器或基於應力來計算電力輔助自行車之輔助力的計算器。
無線單元12包括：信號形成電路，其將壓電感測器8之至少輸出信號轉換成傳輸信號；通信電路24，其控制通信；及天線26，其傳輸該傳輸信號。
自行車曲柄軸2按以下方式操作。
當藉由踩踏自行車踏板之力來旋轉自行車曲柄軸2時，在曲柄軸主體6處產生機械應變(例如，扭轉應力)。鐵電膜18根據在曲柄軸主體6處產生之機械應變產生電能。壓電感測器8根據電能將來自輸出電極16之輸出信號輸出至無線單元12。輸出信號藉由無線單元12傳輸至自行車資訊處理器。
自行車曲柄軸2包括壓電感測器8，該壓電感測器包括鐵電粒子之比率為40質量%或大於40質量%的鐵電膜18(壓電材料)。因此，由機械應變獲得高輸出。
在圖4B之變化例中，共同電極20是形成於覆蓋曲柄軸主體6之絕緣膜14上。鐵電膜18是形成於共同電極20上。輸出電極16是形成於鐵電膜18之外表面18b上。輸出電極16可被絕緣囊封樹脂覆蓋。在圖4B之變化例中，輸出電極16經定位較接近於壓電感測器8之最外表面， 此可促進輸出電極16及信號處理器10之間的電連接，共同電極20可被視為內部電極，圖4B中輸出電極16之群組可被視為外部電極，圖4B中輸出電極16之每一者可被視為外部子電極。
絕緣膜14及共同電極20可被省略。舉例而言，如圖4C所示，鐵電膜18覆蓋曲柄軸主體6。輸出電極16是形成於鐵電膜18之外表面18b上，鐵電膜18之內表面18a作為對曲柄軸主體6之耦接表面。曲柄軸2(其可由例如金屬之導電材料製成)具有共同電極之作用。
[自行車曲柄臂]
現將描述自行車曲柄臂30之一個實例。自行車臂30經結構設計為自行車組件之一部分。
自行車曲柄臂30包括臂主體32、壓電感測器8及信號處理器10。信號處理器10包括無線單元12。信號處理器10位於臂主體32之內側(曲柄軸主體6所定位之側)。信號處理器10包括無線單元12。臂主體32為自行車組件的主體之一個實例。
壓電感測器8包括：絕緣膜34，其形成於臂主體32之表面上；及兩個電極38(第一電極及第二電極)，其物理及電性地耦接至鐵電膜36之兩個末端。兩個電極38及鐵電膜36位於絕緣膜34上。較佳以與鐵電膜18相同之方式設定鐵電膜36中之鐵電粒子之比率。
自行車曲柄臂30按以下方式操作。
當藉由踩踏自行車踏板之力來旋轉自行車曲柄臂30時，在臂主體32處產生機械應變(例如，彎曲應力)。壓電感測器8之鐵電膜36根據在臂主體32處產生之機械應變產生電能。壓電感測器8經由無線單元12根據電能輸出輸出信號。輸出信號藉由無線單元12傳輸至自行車資訊處理器。
自行車曲柄臂30包括在臂主體32上的包括鐵電膜36(壓電材料)之壓電感測器8，在該鐵電膜中鐵電粒子之比率為40質量%或大於40質 量%。因此，由機械應變獲得高輸出。
[用於製造自行車曲柄軸之方法]
現將參看圖6描述用於製造配置於曲柄軸上之壓電感測器8之方法。圖6A至圖6F為沿圖3中之線A-A截得的橫截面圖。
圖6A為曲柄軸主體6之橫截面圖。當形成壓電感測器8時，絕緣膜14如圖6B中所展示環繞曲柄軸主體6之旋轉軸線C而形成。絕緣膜14係由諸如氧化鋁或陶瓷之非導電物質形成。絕緣膜14較佳係薄的。絕緣膜14可(例如)藉由CVD膜形成製程形成，藉由陶瓷黏結劑形成，或經由網板印刷形成。CVD膜形成製程將允許形成具有均勻厚度之膜。陶瓷黏結劑將允許絕緣膜14易於藉由經歷曲面印刷而形成。
接著，如6C中所展示，在除形成輸出電極16之處外的部分處將遮罩40應用至絕緣膜14。此外，如圖6D中所展示，應用導電膏且使其熱硬化以形成輸出電極。導電膏含有自銅粒子、銀粒子、銀鈀合金粒子、鎳粒子、金粒子及鉑粒子之群組中選擇的至少一者。輸出電極16亦可藉由執行濺鍍而形成。
如圖6E中所展示，在移除遮罩40之後，應用壓電材料膏以形成鐵電膜18。在壓電材料膏中，鐵電粒子之比率為40質量%或大於40質量%及90質量%或小於90質量%。使壓電膏硬化以形成鐵電膜18。接著，如圖6F中所展示，形成共同電極20以覆蓋鐵電膜18。藉由應用或濺鍍導電膏或執行類似操作而形成共同電極20。儘管圖式中未展示，但以此方式形成之壓電感測器8較佳由絕緣囊封樹脂完全覆蓋。囊封樹脂係以與絕緣膜14相同之方式形成。
在上文所描述之製造方法中，絕緣膜14、輸出電極16、鐵電膜18、共同電極20及囊封樹脂順序地堆疊於曲柄軸主體6上。鐵電膜18位於輸出電極16與共同電極20之間。輸出電極16及共同電極20可位於在鐵電膜18之厚度方向上的表面中之僅一者上。在此狀況下，輸出電 極16及共同電極20兩者位於絕緣膜14與鐵電膜18之間。替代地，輸出電極16及共同電極20兩者位於鐵電膜18與囊封樹脂之間。
上文所描述之製造方法並不包括彎曲步驟。因此，積聚於壓電感測器8中之殘餘應力為零或小的。此情形限制鐵電膜18與輸出電極16之間以及鐵電膜18與共同電極20之間的將由殘餘應力產生之分層。
在壓電感測器8之製造方法中，例如，可形成薄片狀壓電感測器8且將其黏附至曲柄軸主體6。在此狀況下，輸出電極16、鐵電膜18、共同電極20及絕緣膜順序地堆疊於樹脂膜上以形成薄片狀壓電感測器8。接著，用黏結材料將薄片狀壓電感測器8及曲柄軸主體6彼此黏附。樹脂膜較佳係由耐熱及絕緣樹脂(例如，聚醯亞胺樹脂)形成。當由耐熱及絕緣樹脂形成樹脂膜時，輸出電極16、鐵電膜18及共同電極20可以與上文所描述相同之方式形成。
[自行車踏板軸]
現將參看圖7A及圖7B描述自行車踏板軸之一個實例(在下文中被稱作「踏板軸52」)。自行車踏板50包括踏板軸52及踏板主體54，該踏板主體可繞踏板軸52之軸線旋轉。自行車踏板50為自行車組件。踏板軸52經結構設計為自行車組件之一部分。
圖7A及圖7B中所展示之自行車踏板50為所謂的卡式踏板(clipless pedal)。踏板主體54包括固持以可移除方式配置於承座上之夾具的固持機構。軸承56位於踏板軸52與踏板主體54之間。以與上文所描述之曲柄軸2相同之方式，將壓電感測器8配置於踏板軸52上。壓電感測器8之製造方法類似於上文所描述之曲柄軸的製造方法。壓電感測器8配置於踏板軸52上，例如，配置於耦接曲柄臂42之末端與踏板軸52之支撐踏板主體54的部分之間。信號處理器10配置於曲柄臂42上。信號處理器10藉由接線58及接線板58a連接至壓電感測器8，該接線及該接線板延伸穿過形成於踏板軸52中之空腔及曲柄臂42中用於耦接踏板軸52 之孔。
[壓電感測器晶片]
現將參看圖8A至圖8C描述為壓電感測器8之一個實施例的壓電感測器晶片60之一個實例。
壓電感測器晶片60基本上具有與上文所描述之壓電感測器8相同的組態。壓電感測器晶片60包括鐵電膜18以及第一電極62及第二電極64，該第一電極及該第二電極配置於鐵電膜18的表面中之一者上。第一電極62及第二電極64分別形成於鐵電膜18之一個末端及另一末端上。第一電極62及第二電極64各自嵌入於鐵電膜18中，且第一電極62及第二電極64之表面與鐵電膜18之表面相連。第一電極62及第二電極64分別包括在鐵電膜18中延伸之電極部分66及68。電極部分66及68係平坦的。連接至第一電極62之電極部分66在重疊位置處與連接至第二電極64之電極部分68對置。鐵電膜18位於電極部分66與68之間。如圖8A中所展示，複數個電極部分66及68可連接至第一電極62及第二電極64。在此狀況下，第一電極62之第二部分66經配置以與第二電極64之電極部分68重疊。
參看圖8A至圖8C，壓電感測器晶片60為所謂的堆疊型壓電感測器。鐵電膜18之厚度為20μm或大於20μm及50μm或小於50μm。當使用壓電感測器晶片60時，壓電感測器晶片60藉由黏結材料黏附至偵測受試者。當偵測受試者導電時，絕緣黏結劑可用於黏結。替代地，可在偵測受試者上形成絕緣膜之後執行黏結。第一電極62及第二電極64係由與上文所描述之輸出電極16及共同電極20相同的材料形成。
本發明不限於上文所描述之實施例(及實施例之一或多種形式)。舉例而言，實施例可如下文所描述而修改。
在實施例中，壓電材料之組態應用於偵測自行車曲柄軸2或自行車曲柄臂30之機械應變的壓電感測器8之鐵電膜18及36的組態。然 而，實施例中之壓電材料的組態之應用範圍不以此方式限制。上述壓電材料之組態亦可應用於在用於剛性體之耐久性測試機器中使用的壓電感測器8之鐵電膜、在量測高架橋之振動之量測裝置中使用的壓電感測器8之鐵電膜或其類似者。
在實施例中，如上文所描述，壓電感測器8亦可用作發電機。舉例而言，充當安裝於旋轉主體(諸如，自行車曲柄軸2或自行車曲柄臂30)上之發電機的壓電感測器8可藉由整流電路或旋轉耦接連接器連接至自行車燈、電池、資訊處理器或其類似者。
不存在對實施例中之壓電感測器8的形式及大小的特定限制。舉例而言，壓電感測器8可經形成為薄片狀。薄片狀壓電感測器8可(例如)配置於自動售票亭中且用作振動發電機。
壓電感測器不限於與曲柄軸2、曲柄臂30、或踏板軸52使用，壓電感測器可設置在或固定地附接至例如框架、把手、柄、輪轂軸、輪轂殼、輪輻、座墊支柱及鞍座軌之其他自行車組件之軸本體。
壓電材料或壓電感測器較佳可設置在或固定地附接至例如曲柄軸6之待感測之物品，然而，黏結劑、膠黏劑及其類似物可被施加至壓電材料或壓電感測器上，以增加壓電材料之黏結強度。更具體而言，在壓電材料中鐵電粒子之比率為大於90質量%時，壓電材料可能展現弱黏結強度。此情況下，施加黏結劑、膠黏劑及其類似物於壓電材料或壓電感測器上可補正該弱黏結強度。
對於熟習此項技術者應顯而易見的是，在不背離本發明之精神或範疇的情況下，本發明可以許多其他特定形式來體現。舉例而言，可自實施例(或其一或多個態樣)中揭示的組件中省去一些組件或將其組合。應參考所附申請專利範圍之範疇及均等物來判定本發明之範疇。此外，前述描述使用質量%，其為SI單位。然而，在重力起作用之位置處，質量%可由wt%替換。此替換將獲得相同結果。
2‧‧‧自行車曲柄軸
4‧‧‧臂主體
6‧‧‧曲柄軸主體
8‧‧‧壓電感測器
10‧‧‧信號處理器
12‧‧‧無線單元
24‧‧‧通信電路
26‧‧‧天線

Claims (31)

  1. 一種壓電材料，其包含鐵電粒子及一黏結樹脂，其中該等鐵電粒子相對於該等鐵電粒子與該黏結樹脂之一總質量的一比率為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%。
  2. 如請求項1之壓電材料，，其中該等鐵電粒子相對於該等鐵電粒子與該黏結樹脂之該總質量的該比率為40質量%或大於40質量%及90質量%或小於90質量%。
  3. 如請求項1之壓電材料，其中該等鐵電粒子相對於該等鐵電粒子與該黏結樹脂之該總質量的該比率為80質量%或小於80質量%。
  4. 如請求項1之壓電材料，其中該等鐵電粒子之一平均粒徑為2μm或大於2μm及10μm或小於10μm。
  5. 如請求項4之壓電材料，其中該等鐵電粒子係藉由燒結及接著磨碎一所得燒結物而形成。
  6. 如請求項1之壓電材料，其中該壓電材料具有20μm或大於20μm及200μm或小於200μm之一厚度。
  7. 一種壓電感測器，其包含：如請求項1之壓電材料；及兩個電極，其耦接至該壓電材料。
  8. 如請求項7之壓電感測器，其中該兩個電極包含一外部電極，其耦接至該壓電材料之一外表面；及一內部電極，其耦接至該壓電材料之一內表面，以將該壓電材料夾在其等中間。
  9. 如請求項8之壓電感測器，其中該內部電極包含彼此藉由間隙隔開的複數個內部子電極。
  10. 如請求項8之壓電感測器，其中該外部電極包含彼此藉由間隙隔開的複數個外部子電極。
  11. 一種壓電感測器，包含：如請求項1之壓電材料；及一或多個輸出電極，耦接至該壓電材料之一外表面。
  12. 如請求項11之壓電感測器，其中該一或多個輸出電極包含彼此藉由間隙隔開的複數個外部子電極。
  13. 如請求項11之壓電感測器，其中該壓電材料包含一內表面，作為待感測之一物品的一耦接表面。
  14. 一種自行車組件，其包含如請求項7之壓電感測器。
  15. 一種自行車曲柄軸，其上配置有如請求項7之壓電感測器。
  16. 一種自行車踏板軸，其上配置有如請求項7之壓電感測器。
  17. 一種自行車曲柄臂，其上配置有如請求項7之壓電感測器。
  18. 一種自行車組件，其包含具有電力產生特性之一鐵電膜。
  19. 如請求項18之自行車組件，其中該鐵電膜包括鐵電粒子與一黏結樹脂之一混合物。
  20. 如請求項18之自行車組件，其中該鐵電膜中該等鐵電粒子相對於該等鐵電粒子與該黏結樹脂之一總質量的一比率為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%。
  21. 如請求項18之自行車組件，其包含：一絕緣膜，其形成於該自行車組件之主體之一表面上；一第一電極，其形成於該絕緣膜上；該鐵電膜，其連接至該第一電極；及一第二電極，其連接至該鐵電膜。
  22. 如請求項18之自行車組件，其包含：一軸主體；一絕緣膜，其形成於該軸主體之一表面上；複數個輸出電極，其彼此藉由間隙間隔開且環繞該軸主體而 配置於該絕緣膜上；該鐵電膜，其連接至該等輸出電極，其中在該等輸出電極中之鄰近者之間的該等間隙係以該鐵電膜填充；及一共同電極，其連接至該鐵電膜。
  23. 如請求項22之自行車組件，其中該軸主體為選自由以下組成之群組：一曲柄軸、一曲柄臂、一踏板軸、一框架、一把手、一柄、一輪轂軸、一輪轂殼、一輪輻、一座墊支柱及一鞍座軌。
  24. 如請求項22之自行車組件，其中該鐵電膜包括實質上平行於該軸主體之一內表面及一外表面，且該等輸出電極與該鐵電膜之該內表面緊密接觸，且該共同電極與該鐵電膜之該外表面緊密接觸。
  25. 如請求項21之自行車組件，其中該第一電極經結構設計以根據由該鐵電膜產生之電能將一輸出信號輸出至一信號處理器。
  26. 如請求項25之自行車組件，其中該信號處理器係使用由該鐵電膜產生之電力來操作。
  27. 如請求項25之自行車組件，其中該信號處理器包括執行無線通信之一無線單元。
  28. 一種電源供應器，包含：如請求項1之壓電材料，其中該壓電材料經組態以在一機械力施加在其上時產生電力；及一或多個電極，耦接至該壓電材料以輸出該電力。
  29. 一種用於製造一壓電材料之方法，該方法包含：燒結含有一鐵電物質之原始粒子；磨碎在該燒結中獲得之一燒結物以獲得鐵電粒子；及混合該等鐵電粒子與一黏結樹脂以使得該等鐵電粒子相對於 該等鐵電粒子與該黏結樹脂之一總質量的一比率為40質量%或大於40質量%及98質量%或小於98質量%。
  30. 如請求項29之製造一壓電材料之方法，其中在該磨碎中磨碎的該等鐵電粒子之一平均粒徑為2μm或大於2μm及10μm或小於10μm。
  31. 如請求項29之製造一壓電材料之方法，其中該燒結係在1100℃或高於1100℃及1200℃或低於1200℃之一燒結溫度下執行。
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