TWI500465B - 複合式壓電系統 - Google Patents

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Description

複合式壓電系統
本發明是關於一種複合式壓電系統，尤其是利用兩個壓電元件同時產生振動與發電的壓電系統。
壓電效應是指一種由電能與機械能的轉換，此現象於1880年由居里兄弟所發現，直到1947年由S.Roberts學者所發現直流電場對鈦酸鋇(BaTiO3)陶瓷剩餘極化量之影響，就此啟了陶瓷材料在壓電特性方面的應用與探討。
正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。當對壓電材料施以物理壓力時，材料體內之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產生等量正負電荷，以保持原狀。這種由於形變而產生電極化的現象稱為「正壓電效應」。
逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。當在壓電材料表面施加電場(電壓)，因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為「逆壓電效應」。
通常壓電元件的應用，一般都是單純地以機械能轉為電能，或者以電能轉為機械能；然而壓電元件既然可以利用電壓產生振動，又可以利用振動(造成形變)產生電力，如此一來在一個系統中設計兩個壓電元件，一個作為振動 源，另一個作為電力源，利用振動的特性產生電力當可有不同的應用變化。
本發明之主要目的係提供一種將兩個壓電元件分別達成不同功能的複合式壓電系統。
為達到上述之目的，本發明提供一種複合式壓電系統，其包括一第一壓電元件、一質量塊、一第二壓電元件以及一微結構輸出端。
第一壓電元件藉由一電源供電產生振盪。質量塊(proof mass)位於該第一壓電元件與該第二壓電元件之間。質量塊傳導該第一壓電元件的振盪至第二壓電元件，以使第二壓電元件產生電力。一微結構輸出端位於該第二壓電元件相對於質量塊的另一側，以傳導輸出該第二壓電元件所產生的電力。
在第一實施例中，微結構輸出端是適用於微放電加工，以輸出1~8瓦(W)的輸出功率，電流峰值為14~130毫安培(mA)，且該振盪的頻率為1K~500KHz。
在第二實施例中，該微結構輸出端是適用於電刺激超音波，以輸出3~4瓦(W)的輸出功率，電流峰值為30~100毫安培(mA)，且該振盪的頻率為10~150KHz。
在第二實施例，複合式壓電系統最好包含一驅動控制器，其與該第一壓電元件電性相連，以使該第一壓電元件 產生數個共振頻率。該些共振頻率包括1MHz、1.26MHz及1.5MHz。
請先參考圖1，本發明的複合式壓電系統1包括一第一壓電元件11、一質量塊13、一第二壓電元件12以及一微結構輸出端17。第一壓電元件11藉由一電源100供電產生振盪。也就是利用逆壓電效應，對第一壓電元件11施加電場(電壓)，因電場作用時電偶極矩會被拉長，使第一壓電元件11產生抵抗變化，沿著電場方向伸長的機械形變，以產生振盪。由於壓電元件的振盪原理為熟悉本項技術者所知悉，故未在此多贅述。
質量塊(proof mass)13位於第一壓電元件11與第二壓電元件12之間。質量塊13傳導第一壓電元件11的振盪至第二壓電元件12，以使第二壓電元件12產生電力。也就是利用正壓電效應，振盪所產生的物理壓力(位移)施加在第二壓電元件12時，第二壓電元件12之電偶極矩會因壓縮而變短，於表面上產生等量正負電荷，以保持原狀，而產生電力。
第一壓電元件11產生振動X =A sinωt ，則第二壓電元件12產生振動，兩者的相對位移D =A '-A 。其公式為：
其中K S 為彈簧係數；C 為阻尼係數；m2 為第二壓電元件12之質量；為第二壓電元件12之共振頻率。
第二壓電元件12因相對位移振動而產生正壓電效應，產生之電流及功率算式為：；P out =i 2 R load
其中Kme 為機械耦合係數；V bmf 為反電動勢(V bmf =K me D )；R load 負載之電阻；R in 為材料之阻抗。
微結構輸出端17位於第二壓電元件12相對於質量塊13的另一側，以傳導輸出該第二壓電元件12所產生的電力。以下分成兩個實施例進一步說明。
請參考圖2，在第一實施例中，微結構輸出端17是適用於微放電加工，以輸出1~8瓦(W)的輸出功率，電流峰值為14~130毫安培(mA)，且該第一壓電元件11的振盪頻率約為1MHz。
微放電加工原理是利用金屬導體可以導電的特性，一極接電極工具(在此例為微結構輸出端17)，另一極接上欲被加工的工作件90，在此二金屬電極間施以工作電壓，並將此二電極置於加工液或是介電液(dielectric fluid)91中，產生一定的絕緣效果，當此二電極靠近至一微小間距(約數40~50μm)時，極間會因電場(electric field)的作用，而使介電液91的絕緣性被破壞，因兩端電極超過電極與工件之間耐電壓，可使兩端產生電離現象，進而產生放電柱，產生放電行為，再藉由放電所引發的熱作用(電離、熔融、蒸發)及力學作用(放電、爆發力)，將金屬去除而達到加工(例如 切割)的目的。
由於微放電加工在形成放電加工時，會腐蝕工作件90表面形成放電痕，被腐蝕的工作件90遇到介電液91時會冷卻成融屑，遇到介電液91冷卻形成再鑄層。為了避免這種情形，第一壓電元件11提供的振盪產生無數細小的真空氣泡，在震盪過程中受壓破裂時，會因為加速度而產生強大的衝擊力(局部壓力甚至可達數千個大氣壓)，即產生空穴效應(cavitation)現象，藉此可排除工作件90表面與細縫死角黏附的髒汙。此振動波不只可以加速雜屑的速度，還可以避免雜屑附著於刀具電極上，造成二次放電亦或者是放電異常、刀具的大量磨損的情狀。另外，還可以減少融屑依附在工作件90表面而形成再鑄層。利用此一加工法，其尺寸精度、形狀精度和孔的表面粗糙度明顯較優，可加工孔徑可達到φ10μm、深度0.5~10mm，尺寸精度為±0.005~±0.01mm，表面粗糙度(Ra)為3.2~0.10μm的微細孔。
在第二實施例中，該微結構輸出端是適用於電刺激超音波，以輸出3~4瓦(W)的輸出功率，電流峰值為30~100毫安培(mA)，且該振盪的頻率為10~150KHz。
請參考圖3，其與圖1的差異在於，第二實施例的複合式壓電系統1還包含一驅動控制器26。驅動控制器26與第一壓電元件21電性相連，以使第一壓電元件21產生數個共振頻率。該些共振頻率包括1MHz、1.26MHz及1.5MHz。由於利用驅動控制器(例如波形產生器及調節器與放大器等電 路)產生交錯的數個共振頻率為已知的技術，故不在此多贅述。
請參考圖4，相類似於第一實施例，第二實施例的第一壓電元件21藉由電源100供電產生振盪，並利用驅動控制器26產生數個共振頻率。經ANSYS分析可得1MHz、1.26MHz、1.5MHz三組共振頻率點，使用跳頻控制(Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS)之技術予以結合，可達到如圖5之效果。因此將1MHz、1.26MHz、1.5MHz三種頻率之弦波，利用微處理器控制弦波輸出的頻率週期性跳頻達到FM(Frequency Modulation)效果。
第二實施例的第二壓電元件22，則類似於第一實施例，是作為放電之用。如此一來，本發明的第二實施例可為電療使用的電刺激超音波，不僅藉由第一壓電元件21提供振動，還可藉由第二壓電元件22提供電療所需的電力，透過微結構輸出端27輸出電力。
雖然本發明已經透過舉例以及較佳實施例的介紹進行了清楚的描述，但是應該了解的是，本發明並不限於這些描述的內容。相反地，本發明企圖涵蓋不同的修改跟相似的安排以及流程，並且附加的申請專利範圍因此應該以最廣的方式進行解讀，以涵蓋所有這類的修改以及相似的安排與流程。
1、2‧‧‧複合式壓電系統
11、21‧‧‧第一壓電元件
13、23‧‧‧質量塊
12、22‧‧‧第二壓電元件
17、27‧‧‧微結構輸出端
100‧‧‧電源
90‧‧‧工作件
91‧‧‧介電液
圖1顯示複合式壓電系統的方塊示意圖。
圖2為複合式壓電系統第一實施例的示意圖。
圖3顯示複合式壓電系統較佳實施例的方塊示意圖。
圖4為複合式壓電系統第二實施例的示意圖。
圖5為第二實施例中，以三組共振頻率點使用跳頻控制(Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS)之技術予以結合的效果。
1‧‧‧複合式壓電系統
11‧‧‧第一壓電元件
13‧‧‧質量塊
12‧‧‧第二壓電元件
17‧‧‧微結構輸出端
100‧‧‧電源

Claims (5)

  1. 一種複合式壓電系統，其包括：一第一壓電元件，其藉由一電源供電產生振盪；一質量塊(proof mass)，其位於該第一壓電元件之一側；一第二壓電元件，該質量塊位於該第一壓電元件與該第二壓電元件之間，並藉由該質量塊傳導該第一壓電元件的振盪至該第二壓電元件，以使該第二壓電元件產生電力；以及一微結構輸出端，其位於該第二壓電元件之另一側，以傳導輸出該第二壓電元件所產生的電力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式壓電系統，其中該微結構輸出端是適用於微放電加工，以輸出1~8瓦(W)的輸出功率，電流峰值為14~130毫安培(mA)，且該振盪的頻率為1~500KHz。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之複合式壓電系統，其中該微結構輸出端是適用於電刺激超音波，以輸出3~4瓦(W)的輸出功率，電流峰值為30~100毫安培(mA)，且該振盪的頻率為10~150KHz。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之複合式壓電系統，進一步包含一驅動控制器，其與該第一壓電元件電性相連，以使該第一壓電元件產生數個共振頻率。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之複合式壓電系統，其中該些共振頻率包括1MHz、1.26MHz及1.5MHz。
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