TWI453961B - 雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器 - Google Patents

Description

雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器

本發明係有關於一種壓電式變壓器之技術，特別是有關於一種雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器。

近年來，利用壓電材料製造而成的壓電變壓器已逐漸在技術上產生突破，在變壓器市場上占有一席之地。壓電變壓器的原理是藉由壓電特性(Piezoelectric Effect)轉換電能與機械能使電壓改變來達到變壓目的。更具體地說，傳統的壓電變壓器是利用壓電材料之電能與力學能的力電耦合效應，將輸入電壓經由致動器激起變壓器結構產生機械超音波振動，再將機械振動之能量轉為電能而產生電壓。為了使壓電變壓器產生機械振動，其振動模態可以採用各種不同的方式，例如橫向振動模態(transverse vibration mode)、縱向振動模態(longitudinal vibration mode)、厚度振動模態(Thickness vibration mode)或是徑向振動模態(Radial Vibration Mode)等。相較於傳統的電磁線圈式變壓器而言，無論何種型式的壓電變壓器，都具有體積小、重量輕、高輸出電壓、高轉換效率、以及不受電磁干擾等優點。

然而，壓電變壓器的主要缺點之一，在於其工作頻率過高(往往超過100kHz)，必須將輸入訊號的頻率提高至所需的工作頻率，才能使壓電變壓器運作。為了提高輸入訊號的頻率，一般實務上的做法是在壓電變壓器本身的結構上搭配變流器以及控制電路，或是加裝震盪裝置等附加裝置。這些附加裝置會造成系統體積與重量的增加，提高整個變壓器系統的複雜度以及成本，同時使得應用範圍受限。另外，附加裝置的複雜結構也可能阻礙變壓器之熱傳導功能，使得變壓器的性能降低，甚至有損壞之疑慮。

有鑑於上述的缺失，本發明人尋求提出一種新型壓電變壓器之結構，用以解決上述習知技術的缺點。

本發明之一目的係提供一種雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，採用雙邊固定式懸臂樑結構，藉此即可在不添加任何附加裝置的情況下，降低壓電變壓器的工作頻率。

為達成上述目的及其它目的，本發明之一形態係提供一種雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其包含：一雙邊固定懸臂樑結構、一致動裝置、一感測裝置、以及一電阻。該雙邊固定懸臂樑結構係具有第一固定端與第二固定端，該雙邊固定懸臂樑結構包含一基板層以及一壓電層，其中該壓電層具有一基板表面以及一外表面，該基板表面係貼附於該基板層上，且該基板層以及該壓電材料層之兩端分別固定於該第一固定端以及該第二固定端。該致動裝置係設置於該第一固定端，該感測裝置係設置於該第二固定端，且該電阻係串聯於該感測裝置。

上述本發明一形態之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器中，該致動裝置可包含第一致動電極與第二致動電極，該第一致動電極係位於該第一固定端之該壓電層之該基板表面側，且該第二致動電極係位於該第一固定端之該壓電層之該外表面側。此外，該感測裝置也可包含第一感測電極與第二感測電極，該第一感測電極係位於該第二固定端之該壓電層之該基板表面側，且該第二感測電極係位於該第二固定端之該壓電層之該外表面側。上述各個致動電極以及感測電極均可以導電金屬塗佈於該壓電層之方式而形成。

與習知技術相較，本發明之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，係利用雙邊固定懸臂樑結構之共振特性，使得在不使用變流器、控制電路、或是震盪裝置等附加裝置的情況下，得以降低壓電變壓器的工作頻率。故藉由本發明任一形態之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，可以達到維持系統體積與重量的小型化，而不增加變壓器系統的複雜度以及成本，同時不影響其熱傳導性能等各種功效。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本創作做一詳細說明，說明如後：

請參考第一圖，係本發明一實施例之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器之示意圖。第一圖中，該雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器包含：一雙邊固定懸臂樑結構100、一致動裝置200、一感測裝置300、以及一電阻400。同時，該雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器係連接於一電源裝置500。以下分別說明各元件之具體結構。

雙邊固定懸臂樑結構100係為一雙邊固定式懸臂樑(Clamped-clamped beam)，兩邊均為固定端，即具有第一固定端110與第二固定端120。該雙邊固定懸臂樑結構100包含一基板層130以及一壓電層140，形成一複層結構。其中，該壓電層140具有一基板表面142以及一外表面144。第一圖中，壓電層140之上表面為外表面144，下表面則為基板表面142。基板表面142係貼附於該基板層130上，且該基板層130以及該壓電層140之兩端(即第一圖中之左右兩端)分別固定於該第一固定端110以及該第二固定端120，而構成雙邊固定懸臂樑結構100。

上述雙邊固定懸臂樑結構100中，基板層130之材質可採用一般常見之基板材質，例如矽材料。壓電層140之材質可採用一般常見之壓電材料，例如PZT-5A壓電材料。

另外，如第一圖所示，致動裝置200係設置於該第一固定端110，而感測裝置300係設置於該第二固定端120，且電阻400係串聯於該感測裝置300。具體而言，第一圖中之致動裝置200係包含第一致動電極210與第二致動電極220，而感測裝置300則包含第一感測電極310與第二感測電極320。以下分別說明致動裝置200與感測裝置300中各電極之結構。

致動裝置200中，第一致動電極210係位於第一固定端110之壓電層140之基板表面142側，也就是第一圖中壓電層140之下表面，貼附於基板層130與壓電層140之間。第二致動電極220則係位於第一固定端110之壓電層140之外表面144側，也就是第一圖中壓電層140之上表面。電源裝置500係連接於致動裝置200，也就是與第一致動電極210以及第二致動電極220串聯而形成回路。

同樣地，感測裝置300與致動裝置200的結構類似，第一感測電極310係位於第二固定端120之壓電層140之基板表面142側，也就是第一圖中壓電層140之下表面，貼附於基板層130與壓電層140之間。第二感測電極320則係位於第二固定端120之壓電層140之外表面144側，也就是第一圖中壓電層140之上表面。電阻400係串聯於該感測裝置300，也就是與第一感測電極310以及第二感測電極320串聯而形成回路。

上述致動裝置200以及感測裝置300中，第一致動電極210、第二致動電極220、第一感測電極210與第二感測電極320之電極結構均可以導電金屬塗佈於壓電層140而形成。然而，各電極也可採用其他金屬或非金屬之導電材料，同時其結構也可採用其他形式，不限於塗佈之塗層結構。

上述第一圖中之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，係利用設置於第一固定端110的致動裝置200通電後進行致動，以激盪雙邊固定懸臂樑結構100產生共振，而透過力電耦合效應，由第二固定端120設置的感測裝置300汲取振動能量而轉換回電能訊號，同時感測裝置300所串聯的電阻400則將變壓器提供的電能消耗。由於雙邊固定懸臂樑結構100為雙邊固定式結構，因此可使得其共振頻率大幅降低。

請再參見第二圖，係本發明另一實施例之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器中第一固定端110之局部示意圖。由於第二圖中僅顯示第一固定端110，因此第二圖之實施例僅顯示雙邊固定懸臂樑結構100以及致動裝置200之元件，其中雙邊固定懸臂樑結構100包含基板層130以及壓電層140，而致動裝置200係包含第一致動電極210與第二致動電極220。此外，第二圖之致動裝置200中，致動電極係透過導電金屬層230連接至電極接點240，同時第一固定端110的固定方式係由鋁片700在上下兩側夾持而進行固定，以確保固定端的固定。

第二圖之實施例與第一圖之實施例最大之差異，在於第二圖中雙邊固定懸臂樑結構100更包含一接合層600，用以接合該基板層130與該壓電層140，以確保雙邊固定懸臂樑結構100之複層材料穩定性。該接合層600之材質可為任何接合性強之材料，例如一般常見用以接合之環氧樹脂，或是任何其他接合材料。

在此必須說明，由於雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器之雙邊固定式懸臂樑結構100可為對稱之雙邊固定式結構，因此，雖然第二圖中僅顯示第一固定端110之局部示意圖，但第二固定端120之結構也可依需求採用與第一固定端110完全對稱之類似結構。當然，第一固定端110以及第二固定端120之結構也可採用任何其他固定結構，並不受本實施例之限制。

本發明人根據第二圖所示之實施例對雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器之結構分別進行數學模型、有限元素法分析，以及樣品實驗，以測試其實際運作之共振頻率效能。實驗中，基板層130之材質採用矽材料，其密度為2300 kg/m³ ，楊氏係數為160GPa；壓電層140之材質採用PZT-5A壓電材料，其密度為7800 kg/m³ ，楊氏係數為75GPa；接合層600之材質採用環氧樹脂。此外，雙邊固定式懸臂樑結構100之長度為80mm，寬度為10mm，壓電層140之厚度為250μm，基板層130之厚度為500μm，壓電常數為-210 pm/V，介電常數則為15.3 nF/m。用以固定的鋁片700厚度則為2mm。

根據上述參數所設計之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，針對進行之各種分析方式所得到的結果如下：數學模型所得出之共振頻率為624.1Hz、有限元素法分析所得出之共振頻率為621.6Hz，而以上述尺寸進行樣品實驗，量測得到之共振頻率為618.5Hz。三種驗證方法所得出之共振頻率誤差值均在1%之內，結果互相吻合。

根據以上驗證結果，可得證本發明之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，可在不添加任何附加裝置的情況下，將壓電變壓器的工作頻率降低至1kHz以下，相較於原本習知壓電變壓器的工作頻率(往往超過100kHz)而言，可謂大幅降低。因此，本發明之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，可在不使用變流器、控制電路、或是震盪裝置等附加裝置的情況下，降低壓電變壓器的工作頻率。藉由本發明任一形態之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，可以達到維持系統體積與重量的小型化，而不增加變壓器系統的複雜度以及成本，同時不影響其熱傳導性能等各種功效。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，較佳實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與各實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。

100．．．雙邊固定懸臂樑結構

110．．．第一固定端

120．．．第二固定端

130．．．基板層

140．．．壓電層

142．．．基板表面

144．．．外表面

200．．．致動裝置

210．．．第一致動電極

220．．．第二致動電極

230．．．導電金屬層

240．．．電極接點

300．．．感測裝置

310．．．第一感測電極

320．．．第二感測電極

400．．．電阻

500．．．電源裝置

600．．．接合層

700．．．鋁片

第一圖係本發明一實施例之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器之示意圖。

第二圖係本發明另一實施例之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器中第一固定端之局部示意圖。

100．．．雙邊固定懸臂樑結構

110．．．第一固定端

120．．．第二固定端

130．．．基板層

140．．．壓電層

142．．．基板表面

144．．．外表面

200．．．致動裝置

210．．．第一致動電極

220．．．第二致動電極

300．．．感測裝置

310．．．第一感測電極

320．．．第二感測電極

400．．．電阻

500．．．電源裝置

Claims (9)

1. 一種雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，係使該壓電變壓器之共振頻率低於1k赫茲(Hz)，包含：一雙邊固定懸臂樑結構，具有第一固定端與第二固定端，該雙邊固定懸臂樑結構包含一基板層以及一壓電層，其中該壓電層具有一基板表面以及一外表面，該基板表面係貼附於該基板層上，且該基板層以及該壓電層之兩端分別固定於該第一固定端以及該第二固定端：一致動裝置，設置於該第一固定端；一感測裝置，設置於該第二固定端；以及一電阻，串聯於該感測裝置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該致動裝置包含第一致動電極與第二致動電極，該第一致動電極係位於該第一固定端之該壓電層之該基板表面側，且該第二致動電極係位於該第一固定端之該壓電層之該外表面側。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該第一致動電極以及該第二致動電 極係以導電金屬塗佈於該壓電層而形成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該感測裝置包含第一感測電極與第二感測電極，該第一感測電極係位於該第二固定端之該壓電層之該基板表面側，且該第二感測電極係位於該第二固定端之該壓電層之該外表面側。
5. 如申請專利範圍第4項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該第一感測電極以及該第二感測電極係以導電金屬塗佈於該壓電層而形成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該基板層之材質係為矽。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該壓電層之材質係為PZT-5A壓電材料。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該基板層與該壓電層之間更包含一接合層，用以接合該基板層與該壓電層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之雙邊固定式懸臂樑壓電變壓器，其中該接合層之材質係為環氧樹脂。