TWI424676B - 疊層壓電共振式發電機構 - Google Patents

Description

疊層壓電共振式發電機構

本發明一種疊層壓電共振式發電機構，係由雙晶片單元及框架所組成，其藉由複數雙晶片單元之疊層累加的結構，使所有雙晶片單元能向同一方向共振，因此可以產生電力之加乘放大的效果，形成足夠大之電力，以符合商業應用之條件，改善習知壓電材料發電量太小，不足以商業應用的缺點，並讓使用者能有更大之選擇彈性。

壓電效應是材料中一種機械能與電能互換的現象，壓電材料會有壓電效應是因晶格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應。一般材料因體積變化而產生電壓的效應稱為「正壓電效應」，而材料因受到電的刺激而改變材料體積的現象則稱做「逆壓電效應」，此效應通常具有可逆性，而具有此特性的材料統稱做壓電材料。一般壓電材料有陶瓷類的鈦酸鋇(BaTiO3)、泰酸鉛鋯(PZT)；單晶類的石英(水晶)、電氣石、羅德鹽、鉭酸鹽、鈮酸鹽；或是薄膜類的氧化鋯(ZnO)等。

習知利用壓電材料將機械能轉變為電能有兩個主要之缺點，第一、單一片之壓電材料由機械能所產生之電力相當微小，通常不足以作為商業之應用，而使其使用受到拘限。第二、若將許多片之壓電材料同時使用，以祈獲得更大之電力，由於每一片壓電材料之振動頻率不盡相同，相互抵消之結果，雖然使用了多片之壓電材料，亦無法產生如單一片壓電材料之電力的倍數加乘累加大小之電力，因此依然無法解決電力微小，無法承擔傳統商業應用所需電能大小之缺點，因而影響其使用上之選擇性。

本發明主要係針對前述習知壓電材料將機械能轉變為電能之缺點，所為之全新創作。

本發明之主要目的，係一種疊層壓電共振式發電機構，其利用複數雙晶片單元之疊層累加的結構，使所有雙晶片單元能以相同之頻率向同一方向共振，因此可以產生電力之加乘放大的效果，形成足夠大之電力，以符合商業應用之條件。

本發明之另一目的，係一種疊層壓電共振式發電機構，其藉由多組框架併立之共振結構型態，讓使用者可以依電能大小之需求選用框架的組數，而更具有選擇之彈性。

為了達成本發明，本發明一種疊層壓電共振式發電機構，係由雙晶片單元及框架所組成；其特徵為：該雙晶片單元包括：第一、二壓電材料，一金屬片，第一、二導電配重元件，及一電性連接線；該第一、二壓電材料係覆蓋在金屬片之上下兩表面，並讓金屬片在左、右兩端露出預定之長度；該框架係在左、右兩側之內面設置複數固定座；該固定座一端固定於框架內側面，另一端形成自由端，該自由端兩兩相面對；該框架用於容納雙晶片單元，將雙晶片單元之金屬片在左、右兩端露出預定長度的部分，分別組裝在框架左、右兩邊固定座之自由端，配合中央之第一、二導電配重元件而形成一紡錘狀之振動型態，得以將振動之機械能，透過第一、二壓電材料轉化為電能輸出者。

其中，該雙晶片單元能向同一方向共振；而該雙晶片單元將應變能轉變為交流電之電能，使用一組整流器即可有直流電的輸出。

為了詳細說明，特舉下述之實施例加以說明如下，惟，該等實施例並非用於限制本發明。

本發明一種疊層壓電共振式發電機構，係由雙晶片單元(Bimorph)(10)及框架(20)所組成。請參閱圖式第一圖所示，係該疊層壓電共振式發電機構之雙晶片單元(10)的立體示意圖。該雙晶片單元(10)包括：第一、二壓電材料(11)(12)，一金屬片(13)，第一、二導電配重元件(15)(16)，及一電性連接線(18)所組成。該金屬片(13)與第一、二壓電材料(11)(12)等寬，金屬片(13)之長度則比第一、二壓電材料(11)(12)長度稍長，而該金屬片(13)係被夾置於第一、二壓電材料(11)(12)之間。因為金屬片(13)比第一、二壓電材料(11)(12)增加了一預定之長度，所以金屬片(13)的左、右兩端分別露出第一、二壓電材料(11)(12)之外。亦即第一、二壓電材料(11)(12)係覆蓋在金屬片(13)之上下兩表面，僅讓金屬片(13)在左、右兩端露出預定之長度。該金屬片(13)係作為電極，較佳者可使用銅片。該第一、二導電配重元件(15)(16)係安置於第一、二壓電材料(11)(12)之中央，並以上、下兩方向夾置第一、二壓電材料(11)(12)，使整體之雙晶片單元(10)猶如一紡錘狀。該第一、二導電配重元件(15)(16)以一電性連接線(18)加以連接，並以該電性連接線(18)作為另一電極。

請同時參閱圖式第二、三、四圖所示，該第二圖係在框架內組裝單一組雙晶片單元(10)之立體示意圖，第三圖係在框架內組裝三組雙晶片單元(10)之立體示意圖，第四圖係在框架內組裝十組雙晶片單元(10)之立體示意圖，為了圖示之美觀，第三、四圖省略電性連接線(18)元件之表達。一框架(20)用於容納雙晶片單元(10)，該框架(20)之形狀較佳為長方形。於框架(20)之左、右兩側之內面設置複數固定座(22)，該固定座(22)一端固定於框架(20)內側面，另一端形成自由端，該固定座(22)之自由端兩兩相面對。將雙晶片單元(10)於其在左、右兩端露出預定長度之金屬片(13)的部分，分別組裝在左、右兩邊固定座(22)之自由端，其組裝之方式可為鑲入固定或夾持等型式。組裝完成後，該雙晶片單元(10)兩端被固定，配合中央之第一、二導電配重元件(15)(16)，整體形成一紡錘狀之振動結構型態，得以將振動之機械能，透過第一、二壓電材料(11)(12)轉化為電能，再藉由金屬片(13)及電性連接線(18)之電極輸出。其中，該第一、二導電配重元件(15)(16)具備了下述之功能：

1.　調整頻率不要過高，較易從環境較低頻振動獲得造成雙晶片單元(10)共振能量。

2.　將所有雙晶片單元(10)同一電極串起來(以電性連接線(18)串起複數雙晶片單元(10)之電極，而金屬片(13)則是另一電極)。

3.　以水平節點的形態使各組雙晶片單元(10)最小面積方式接觸。

4.　使所有雙晶片單元(10)能同時向同一方向振動。

因為第一、二導電配重元件(15)(16)具備上述之功能，因此所有雙晶片單元(10)能以相同之頻率向同一方向共振，使第一、二壓電材料(11)(12)所產生之電力得以疊層累加，輸出較大之電力，改善習知壓電材料發電量太小，不足以商業應用之缺點。另外，傳統的壓電材料使用上有易碎之缺點。本發明利用一金屬片(13)夾置於第一、二壓電材料(11)(12)之間，增加整體雙晶片單元(10)之強度，得以改善傳統壓電材料易碎之缺點。

請同時參閱圖式第五、六圖所示，該第五圖係單一組雙晶片單元(10)之共振彎曲模態的立體示意圖，第六圖係三組雙晶片單元(10)之共振彎曲模態的立體示意圖，為了圖示之美觀，第六圖省略電性連接線(18)元件之表達。由於本發明雙晶片單元(10)之紡錘狀振動型態結構，所以不管是單一雙晶片單元(10)，或是複數雙晶片單元(10)之疊層累加結構，皆可產生相同之共振頻率，因此透過第一、二壓電材料(11)(12)可產生電力之加乘放大的效果，而能符合商業應用之條件。舉例而言，三組雙晶片單元(10)可以產生單一組雙晶片單元(10)電力之三倍，十組雙晶片單元(10)即可產生單一組雙晶片單元(10)電力之十倍，以此累加放大。

請參閱圖式第七、八圖所示，第七圖係組裝有三組框架(20)之立體示意圖，第八圖係組裝有複數組框架(20)之立體示意圖，為了圖示之美觀，第七、八圖省略電性連接線(18)元件之表達。以前述之相同概念，將複數組框架(20)同時併靠組裝，則可產生更大之電力。舉例說明(但非用以限制本發明)，第七圖之單一框架(20)內組裝十組雙晶片單元(10)，三個相同框架(20)併靠組裝，可以產生三十倍單一組雙晶片單元(10)之電力。因此使用者即得以有選擇之彈性，例如腳踏車頭燈或車尾燈所需之電力較小，因此使用者可選用一組框架(20)十件雙晶片單元(10)(請參閱圖式第四圖)，其共振所產生之電力可以維持腳踏車騎乘時，車頭燈或車尾燈保持隨時恆亮之狀況。而汽車之車尾燈所需之電力較大，因此使用者則可選用三組框架(20)三十件雙晶片單元(10)(請參閱圖式第七圖)，其共振所產生之電力可以維持汽車開動時，汽車尾燈保持恆亮之狀況，以提高行車安全。若需更大之電力，則可選用更多組框架(20)併立之結構，如第八圖所示。因此可以將發電量很小之壓電材料，藉由本發明之結構，形成足夠大之電力，以符合各種商業用途之選用。

請參閱圖式第九圖所示，係複數雙晶片單元(10)只需一組整流即可有直流電的輸出之電路示意圖。該複數疊層之雙晶片單元(10)，因為振動之方向相同，所有的雙晶片單元(10)應變能轉變為交流電之電能，只需一組整流器(30)即可有直流電的輸出。因此除了節省元件成本之外，亦可使整體之裝置趨於簡單。

綜上所述，本發明疊層壓電共振式發電機構，藉由複數雙晶片單元之疊層累加結構，產生電力之加乘放大的效果，形成足夠大之電力，以符合商業應用之條件，合於產業上之利用性。而多組框架併立之方式，讓使用者可以依電能大小之需要選用框架的組數，使用上更具有選擇之彈性，其較習知技術更具有功效之增進，具有進步性。另本發明申請前並未見於刊物，其新穎性亦毋庸置疑。本發明合於專利法之規定，爰依法提出發明專利之申請，祈請惠予審查並賜予專利，實感德便。

(10)．．．雙晶片單元

(11)．．．第一壓電材料

(12)．．．第二壓電材料

(13)．．．金屬片

(15)．．．第一導電配重元件

(16)．．．第二導電配重元件

(18)．．．電性連接線

(20)．．．框架

(22)．．．固定座

(30)．．．整流器

第一圖係本發明疊層壓電共振式發電機構之雙晶片單元的立體示意圖。

第二圖係本發明疊層壓電共振式發電機構在框架內組裝單一組雙晶片單元之立體示意圖。

第三圖係本發明疊層壓電共振式發電機構，在框架內組裝三組雙晶片單元之立體示意圖。

第四圖係本發明疊層壓電共振式發電機構，在框架內組裝十組雙晶片單元之立體示意圖。

第五圖係本發明疊層壓電共振式發電機構，單一組雙晶片單元之共振彎曲模態的立體示意圖。

第六圖係本發明疊層壓電共振式發電機構，三組雙晶片單元之共振彎曲模態的立體示意圖。

第七圖係本發明疊層壓電共振式發電機構，組裝有三組框架之立體示意圖。

第八圖係本發明疊層壓電共振式發電機構，組裝有複數組框架之立體示意圖。

第九圖係本發明疊層壓電共振式發電機構，複數雙晶片單元只需一組整流即可有直流電的輸出之電路示意圖。

(10)．．．雙晶片單元

(11)．．．第一壓電材料

(12)．．．第二壓電材料

(13)．．．金屬片

(15)．．．第一導電配重元件

(16)．．．第二導電配重元件

(18)．．．電性連接線

(20)．．．框架

(22)．．．固定座

Claims (11)

1. 一種疊層壓電共振式發電機構，係由複數雙晶片單元及框架所組成；其中：該複數雙晶片單元包括：第一、二壓電材料，一金屬片，第一、二導電配重元件，及一電性連接線；該第一、二壓電材料係覆蓋在金屬片之上下兩表面，並讓金屬片在左、右兩端露出預定之長度；其特徵為：該框架容納複數雙晶片單元；該框架係在左、右兩側之內面設置複數固定座；該固定座一端固定於框架內側面，另一端形成自由端，該自由端兩兩相面對；該框架所容納之複數雙晶片單元，將每一雙晶片單元之金屬片在左、右兩端露出預定長度的部分，分別組裝在框架左、右兩邊固定座之自由端，配合中央之第一、二導電配重元件而形成一紡錘狀之振動型態，使該雙晶片單元能向同一方向共振，得以將振動之機械能，透過該複數第一、二壓電材料轉化為電能輸出者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該金屬片之寬度與第一、二壓電材料等寬，金屬片之長度則比第一、二壓電材料增加了一預定之長度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該金屬片係作為電極。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該金屬片較佳者可使用銅片。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該第一、二導電配重元件係以一電性連接線加以連接，並以該電性連接線作為另一電極。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該框架之形狀較佳為長方形。
7. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該雙晶片單元組裝在框架之方式可為鑲入固定或夾持之型式。
8. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該第一、二導電配重元件係設置於第一、二壓電材料之中央，並讓雙晶片單元能向同一方向振動者。
9. 如申請專利範圍第1項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該框架係複數組同時併靠組裝，以產生更大之電力。
10. 如申請專利範圍第1或9項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該框架及複數雙晶片單元選用之數量，係依據輸出電力之大小加以決定者。
11. 如申請專利範圍第1或9項所述之一種疊層壓電共振式發電機構，其中，該複數雙晶片單元將應變能轉變為交流電之電能，使用一組整流器即可有直流電的輸出。