TWI718289B - 包含磁電轉換器之發電機及相關製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一發電裝置，其包括：一轉換器(200)，其設有兩個電端子，能夠將一磁場(B)之變化轉換成該兩個電端子間之電位差，該轉換器包含一第一層及一第二層之一堆疊，該第一層由定義出一參考平面之一各向異性磁致伸縮材料製成，且該第二層由一壓電材料製成；該第一層在該參考平面中具有至少一形變主軸(4,5)，且該第二層在平行於該參考平面而由該第二層所定義之平面中具有一極化軸；且該第一層之形變主軸(4,5)與該第二層之極化軸對齊在15°以內。在該參考平面中產生所述磁場(B)之一來源(300)，所述磁場(B)之強度不足以使該第一層之材料磁性飽和。該磁場源(300)及該轉換器(200)可相對於彼此旋轉，使得所述磁場(B)之定向在該參考平面中有所變化。

Description

包含磁電轉換器之發電機及相關製造方法
本發明與用於能源回收之裝置有關。詳細而言，本發明涉及一種能夠將磁能變化轉換為電位差(電壓)之發電裝置及轉換器，及其相關製造方法。該磁電轉換器包括一磁致伸縮材料與壓電材料之層堆疊。
磁致伸縮一般是指一磁能與一機械能之間的可逆交換。磁致伸縮效應最為人所知的是焦耳效應。一磁棒在磁場影響下，若其磁致伸縮係數是正數，該磁棒尺寸會伸長，若為負磁致伸縮係數則會縮短。在沒有磁場的情況下，磁棒理論上會恢復到原先尺寸。若磁場縱長擴張，該磁棒為了維持固定體積，寬度會代償性收縮。
當磁場線使得磁致伸縮材料製成的磁棒磁性飽和，不管材料是各向同性、或各向異性，磁棒都會沿著平行於磁場線的軸線產生最大形變。當各向異性磁致伸縮材料的磁棒沒有達到磁性飽和，則會有一形變主軸，這是磁棒的固有特性且取決於材料的晶體結構的定向。形變主軸的意思是，在平行於該軸線的磁場存在的情況下，具有最大形變的軸線。在本說明書中，「形變主軸」與「磁化主軸」係指相同的軸，因此會交互使用於本說明書。
壓電效應是在機械應變(mechanical constraint)影響下產生電荷的現象。壓電材料中，鋯鈦酸鉛(PZT，一種鉛、鋯及鈦合金)尤其受重視。當鋯鈦酸鉛安裝有兩個電極時，可透過將鋯鈦酸鉛加熱至而明顯低於其居禮溫度之溫度，而使其預極化(pre-polarised)，在此期間一電壓會施加於前述電極。然後該材料的極化軸便會建立在從一個電極到另一個電極的方向上。詳言之，此極化現象會決定哪個電極在回應施加到壓電材料的應變時會有過剩電荷。若一鋯鈦酸鉛(PZT)材料層的頂面與底面互相平行，極化軸可被定向成垂直於頂面及底面，因為每一面各有一電極存在。或者，可經由在該材料層其中至少一面上使用指叉式電極，而使極化軸定向成平行於頂面與底面。在後者的情況下，極化軸平行於頂面及底面之平面，且垂直於形成指叉式電極的傳導材料的「指叉部分」。為了將應變或形變轉換為電極端子處的電位差，有兩種特定模式可供選擇，取決於形變是垂直於極化軸(稱為d31 模式)或平行於極化軸(稱為d33 模式)。
習知技術(參見T. Lafont 等人之文章 “Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting”, Journal of Micromechanics and Microengineering, no. 22, 2012)所包括之發電裝置設有磁力線平行於一參考平面之一磁場源，以及能夠將磁場變化轉換為兩個電端子間的電位差(電壓)之一磁電轉換器。該轉換器包括一機電轉換器，其設有一壓電層能將機械形變轉換為在連接到其電極之兩個電端子間的電位差。該轉換器亦包括一磁致伸縮材料層，其沿著前述參考平面設置且固定於機電轉換器，能將磁場變化轉換為施加於機電轉換器之一機械形變。
針對在轉換器上方旋轉的永久磁鐵(用於在參考平面中定向磁場)，該文章要求使用一各向同性磁致伸縮材料，尤其是鐵矽硼(FeSiB，一種含鐵、矽及硼的合金)。在此情況下，磁致伸縮材料層的形變主軸會遵循參考平面中磁場的定向，不會對永久磁鐵的旋轉產生力矩。
然而，此材料之磁致伸縮係數非常低，導致該轉換器的轉換效率也低。轉換器之轉換效率的定義為，相對於要回收能量之給定變化(磁場變化)所產生的電力量(亦即兩個電端子間的電位差)。
磁致伸縮係數最高的已知材料都是各向異性(例如鋱鏑鐵合金(terfenol)，成分為鋱鏑鐵，是一種鐵與稀土元素的合金)。根據我們所了解的最新習知技術，尤其是WO2015/059421 及WO2015/059422，發電裝置多使用這類材料。
這些磁致伸縮材料需要足夠強大的磁場來達到磁性飽和，如此才能在各向同性形變的磁場中運作。磁場源的大尺寸，也讓發電裝置的尺寸無法保持小巧。
本發明的一個目的是提出一種解決習知技術部分或全部問題之裝置及方法。本發明的另一目的是針對小型發電裝置，提出一有效率的磁電轉換器。換言之，本發明意在縮減具有固定效率的發電裝置之佔用空間；或在給定固定佔用空間的情況下提高發電裝置的效率。
本發明首先涉及一發電裝置，其包括： Ÿ一轉換器，其設有兩個電端子，能夠將一磁場變化轉換成該兩個電端子間之電位差，該轉換器包含一層堆疊，其第一層由各向異性磁致伸縮材料製成並定義一參考平面，且其第二層由一壓電材料製成；該第一層在該參考平面中具有至少一形變主軸，該第二層在平行於該參考平面而由該第二層所定義之平面中具有一極化軸；且該第一層之形變主軸與該第二層之極化軸對齊在15°以內；及 Ÿ在該參考平面中產生所述磁場之一來源，所述磁場之強度不足以使該第一層材料磁性飽和。 根據本發明，磁場源與發電裝置的轉換器可以相對於彼此旋轉，使得所述磁場之定向在該參考平面中有所變化。
根據本發明，該磁場源可具有較小尺寸，因為該發電裝置需要的磁場強度，低於使各向異性磁致伸縮材料磁性飽和所需強度，所以能滿足減少佔用空間的需求。由各向異性磁致伸縮材料製成的該第一層，係選自磁致伸縮係數最高的各向異性磁致伸縮材料，這有利於轉換靈敏度。轉換靈敏度會因該第一層的形變主軸與該第二層的極化軸受到控制的對齊而最大化。在平行於第一層的變形主軸的磁場存在的情況下，最大形變會沿著第二層的極化軸(與該形變主軸對齊在15°以內。)傳遞到該第二壓電層，亦即對於產生電荷具高效率之組構。根據本發明，該發電裝置因而能提供節省空間及轉換效率的雙重優點。
不論單獨或組合實施，本發明的有利特點包括： Ÿ該磁場源定義出所述磁場在其中運作之一殼體，且該轉換器置於該殼體中； Ÿ及該磁場源為一海爾貝克磁性滾筒(Halbach cylinder)。
該磁場源的此種組構可使發電裝置的尺寸更小。
本發明亦涉及一各向異性磁致伸縮材料層，其在該層所定義的參考平面中具有至少一形變主軸，該層明顯設有至少一標記或至少一識別裝置，以標示出一形變主軸。
該第一層之形變主軸與該第二層之極化軸可對齊在15°以內，是因為本發明所構思之磁致伸縮材料層：事實上，該磁致伸縮材料層包含完成受控制對齊所需之識別裝置。
不論單獨或組合實施，本發明的有利特點包括： Ÿ該標記為該層之一平坦部分、或一邊緣缺口、或一切邊、或該層一表面上之一刻印； Ÿ該各向異性磁致伸縮材料層具有兩個形變主軸，一主要軸及一次要軸，且其中該標記或該識別裝置標出該主要軸。
本發明亦涉及一層堆疊，其包含： Ÿ如前述之由一各向異性磁致伸縮材料製成的一第一層；及 Ÿ由一壓電材料製成之一第二層，其在與該第一層所定義之平面平行並由該第二層所定義之平面中具有一第一極化軸， 且該第一極化軸以一第二標記標出。該第一極化軸與該形變主軸對齊在15°以內。
不論單獨或組合實施，本發明的有利特點包括： Ÿ該層堆疊之該第一層及該第二層間設有一黏著劑層； Ÿ該第二層在其至少一表面上或在其邊上設有金屬電極； Ÿ該極化軸與該形變主軸對齊在10°以內； Ÿ該極化軸與該形變主軸對齊在5°以內； Ÿ該層堆疊設有由一壓電材料製成之一第三層，該第三層在由其所定義之平面中具有一第二極化軸，該第一層設置在該第二層與該第三層之間，且該第二極化軸與該形變主軸對齊在15°以內； Ÿ該第一層由一各向異性磁致伸縮材料製成，在該層所定義之平面中，具有一主要形變軸及一次要形變軸； Ÿ該第二層由一壓電材料製成，其第一極化軸與該主要形變軸對齊在15°以內； Ÿ該第三層由一壓電材料製成，其第二極化軸與該次要形變軸對齊在15°以內； Ÿ所述之壓電材料包括鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、鈦酸鋇(BaTiO3)或氮化鋁(AlN)； Ÿ所述之磁致伸縮材料包括鋱鐵鏑合金(terfenol-D)、鐵鎵合金(galfenol)、铽鐵合金(terbium iron)或鐵鈷合金(iron-cobalt)。
本發明亦涉及一轉換器，能夠將一磁場變化轉換成該兩個電端子間之電位差(電壓)，其包括前述之一層堆疊。
不論單獨或組合實施，本發明的有利特點包括，該轉換器具有： Ÿ兩個電端子； Ÿ與該層堆疊組裝在一起之一印刷電路層，以連接該層堆疊之至少一壓電材料層到所述兩個電端子； Ÿ設置在該層堆疊與該印刷電路層間之一緩衝層，該緩衝層之材料具有聲波吸收的特性。
本發明也涉及一種用於處理各向異性磁致伸縮材料層之方法，值得注意的是該方法包括： Ÿ在該層定義之參考平面中找出一形變主軸之步驟； Ÿ在該層製作一標記以標出該形變主軸之步驟。
不論單獨或組合實施，在本發明的有利特點中，找出該形變主軸的步驟包括： Ÿ將該層置於被定向在該參考平面之一磁場中； Ÿ測量將該參考平面中之該層旋轉至數個角位置之所需扭矩； Ÿ判定代表最大扭矩之至少一角位置以找出該形變主軸。
本發明亦涉及一製作層堆疊的製造方法，該方法包括： Ÿ提供各向異性磁致伸縮材料之一第一層的步驟； Ÿ在該第一層定義之參考平面中找出至少一形變主軸的步驟； Ÿ提供壓電材料製成之一第二層，使該第二層在其所定義之一平面中，具有以一第二標記標示之一第一極化軸的步驟； Ÿ對齊該第一層之形變主軸與該第二層之第一形變軸的步驟；及 Ÿ組裝該第一層與該第二層以產生所述層堆疊的步驟。
不論單獨或組合實施，依照本發明， Ÿ製作一層堆疊的方法包括： 。提供一壓電材料製成之一第三層，使該第三層在其定義之一平面中，具有以一第三標記標示出之一第二極化軸的步驟； 。對齊該第一層之形變主軸與該第三層之第二極化軸的步驟； 。組裝該第一層與該第三層，使該第一層設置在該第二層與該第三層之間的步驟； Ÿ一壓電材料所製成之該第二層及第三層，分別在其至少一表面上設有金屬電極； Ÿ該組裝步驟涉及在待組裝之至少一表面上塗佈黏著劑並壓合該些表面。
最後，本發明涉及一種用於組裝發電裝置之方法，該方法包括： Ÿ製作一層堆疊，其中該層堆疊之第一層定義出一參考平面； Ÿ使用一印刷電路層組裝所述層堆疊，以連接至少一壓電材料層與兩個電端子，以形成磁電轉換器； Ÿ將該轉換器置於一磁場源定義之一殼體中，該磁場源有一磁場運作其中，且有部分磁場線包含在所述參考平面中。
圖1繪示依照本發明之一發電裝置400。該發電裝置400設有一磁場源300及能夠將一磁場B之變化轉換成電端子間電位差之一磁電轉換器200。該轉換器200設有兩個電端子202,203及一層堆疊100，該層堆疊100包含由磁致伸縮材料製成的一第一層10及由壓電材料製成的一第二層20，而該第一層定義出一參考平面(x,y)。該磁場B的一部分平行於該參考平面(x,y)。該磁場源300及該轉換器200可相對於彼此旋轉，使得該磁場B之定向在該參考平面中有所變化。
依照本發明，為了限制該發電裝置400的佔用空間(例如縮減至大約1立方公分)，該磁場源300的尺寸會縮小，因此產生相對低強度的磁場B，亦即，其強度不足以使該第一層10的材料磁性飽和。舉例來說，該磁場強度可為大約0.3特士拉(Tesla)或在0.1及0.6特士拉之間。本發明之優點為，選定磁致伸縮材料使其具有高磁致伸縮係數，例如高於100 ppm。這可能意味著使用結晶形式之鋱鐵鏑合金、鐵鎵合金、鋱鐵合金或鐵鈷合金。在非飽和磁化狀態下，這些材料為各向異性，因此具有一或多個形變主軸。
依照本發明之一有利面向，為了滿足縮小體積的要求，磁場源300具有一殼體，所述磁場B在該殼體中運作，且該轉換器200置於該殼體中。舉例來說，該磁場源300可為一固定磁鐵，例如海爾貝克磁性滾筒。
為了增強該轉換效率，且/或縮小該發電裝置400的佔用空間，將該磁致伸縮材料在非飽和狀態時的各向異性特質納入考量是有利的。依照本發明，該發電裝置值得注意之處在於，由磁致伸縮材料製成之該第一層10之形變主軸，與由壓電材料製成之該第二層20之極化軸對齊。因此可以確定，該第一層10之任何形變會造成該第二層20形變，從而在該第二層20中產生最大量大電荷，並在該轉換器200之電端子202,203處產生最大電位差。不過，該第一層10之形變主軸之資料通常不容易獲得，如申請人所做的初步實驗所示。
初步發現 為了獲得磁致伸縮材料層10，首先使用一已知方法，例如自立式區域熔煉法(Free-Standing Zone Melt, FSZM)或「改良式布里奇曼法」(Brigman)，製作磁致伸縮材料之磁棒1。如圖2a所示，該磁棒1的縱軸3與該磁棒1的形變主軸(鋱鐵鏑合金棒的軸＜112＞)對齊。根據習知技術，通常會在平行於該軸之一平面中製作各層。然而，根據本發明之一面向，由磁致伸縮材料製成之第一層10最好使用磁棒1的切片製作，如圖2b所示。該磁棒1的大部分因而用於製作多個切片層10, 10’, 10”等等。每一切片可以打磨、拋光、沖壓、磨邊等方式處理，做出所需類型與尺寸的一層10。因此，一磁致伸縮材料的磁棒1可供應數個切片層10, 10’, 10”，其表面實質上平行於一參考平面(x,y)。為了標示出源自該磁棒1的每一層10, 10’, 10”之定向，在該磁棒1製作完成後及切片前，一定向平坦部分可沿著該磁棒1之縱軸形成在該磁棒1上。
為描述以本方法所獲得之該些切片層10, 10’, 10”之特性，並說明該些切片層的各向異性性質的影響，申請人在對應於各個角位置(相對於該平坦部分成0°～360°)的不同位置，在施加平行於各方向之一均勻磁場之期間，測量一鋱鐵鏑合金層10中產生磁化之程度。磁化程度係透過測量該層10在一線圈中受到振動之該線圈端點上所產生的電壓而確定。當時該磁場強度是2 千奧斯特(kilo-Oersted, kOe)，並不足以使該材料磁性飽和。如圖3a所示，一鋱鐵鏑合金層10有兩個磁化主軸4,5，其磁化程度比其他方向都高。軸4為主要磁化軸，其磁化程度最高，高於次要軸5的磁化程度。在材料為鋱鐵鏑合金的情況下，該主要軸4與結晶軸＜111＞對齊，該次要軸5與結晶軸＜110＞對齊。我們亦能觀察到，對於該些主軸4,5以外的其他方向而言，鋱鐵鏑合金的磁化程度降低達15%-20%。
對取自同一鋱鐵鏑合金磁棒1的數個層 10, 10’, 10”重複相同測量程序後，申請人發現，該些層10, 10’, 10”的磁化主軸的定向各層互不相同。如圖3b所示，相對於在該磁棒1上形成的定向平坦部分，每一層10, 10’, 10”之磁化主軸4,5位置都不一樣。因此，通常的標記方法，例如在該磁棒1製作完成後，進行切片前，於該磁棒1上做出平坦部分或缺口，並無法讓人辨識出該些層10, 10’, 10”之磁化主軸。
磁致伸縮 材料層的處理 為解決此問題，並提供一層10的對齊組裝，本發明規定了磁致伸縮材料製成之該層10的處理方法。該層10可來自磁致伸縮材料製成之一磁棒1之切片，如前文所述。該處理方法首先包括在該第層10所定義之一參考平面中，亦即平行於該層10兩表面11a及11b之平面，找出至少一磁化主軸4,5(圖4a)。
作為示例，找出磁化主軸的步驟包括：根據該參考平面中之給定方向定出該層10在一磁場b中的位置。因該層10可自由旋轉，故能跟著該磁場b的方向，自然地將其磁化主軸4,5當中一者與該磁場b的方向對齊，此位置對應於一第一穩定位置(圖4b中稱為P1)；測量將該參考平面中之該層10旋轉至數個接續角位置所需之扭矩。舉例來說，可測量使該層10從一第一穩定位置P1(圖4c)旋轉至一第二穩定位置P2所需之扭矩(圖4c)；確定代表最大扭矩之至少一角位置，以找出磁化主軸。該些穩定位置用來辨識出該些磁化主軸。脫離代表該主要磁化軸4之穩定位置P1所需力量，大於脫離代表該次要磁化軸5之穩定位置P2所需力量：若該層10之平面中有數個磁化主軸，此扭矩差讓人能區別這些主軸。
根據一第二示例，找出該磁化主軸的階段可包括找出該層10之結晶軸，例如使用一X射線量測法。
根據一第三示例，可應用圖3a所述方法，測量每一層10在各個角位置的磁化程度，找出磁化主軸。
該層10的處理亦可包括在該層10上製作一標記12，以標出至少一磁化主軸4,5之步驟。本發明有利的是，可在該層邊緣上以一標記12，如一平坦部分(如圖5所示)、一線條、一刻印(例如以化學或雷射蝕刻作成)或一缺口等等，標示出該主要磁化軸4的位置。
該標記12可視情況直接置於該磁化主軸上，或放置在相對於該軸設置之一有角度位置(如90°, 45°, 30°…)。在任何情況下，無論此標記12的形式或位置如何，都是用來標示出該層10之一磁化主軸4,5。
此處理步驟結束時，我們會有一各向異性磁致伸縮材料層10，其在該層10所定義的平面中具有至少一磁化主軸4,5，以及標示出一形變主軸4,5位置之至少一標記12。
作為替代方案，製作一標記12的步驟可以一磁性定向(magnetic orientation)方法取代，該方法將在製作構成轉換器的堆疊的內容中詳述之。
轉換器所包含的層堆疊 如圖1所示，該轉換器200包括一層堆疊，該堆疊由磁致伸縮材料製成之一初始層10及壓電材料製成之一第二層20組合而成。根據本發明之一面向，基於已討論之轉換效率原因，該第一層10之一形變主軸4,5與該第二層之極化軸對齊在15°內。
該層堆疊100的製作方法涉及提供一層10，其設有至少一標記12以標示出一形變主軸4,5(圖6a)。該方法也包括提供一壓電材料所製成之一第二層20，使該第二層20在其所定義之一平面中具有以一第一極化軸21(圖6b)之步驟。該第二層20之至少一表面設有電極，以指叉式電極23,24較佳。在此情況下，其極化軸21平行於該第二層20表面之平面，且垂直於形成該些指叉式電極23,24之傳導材料之指叉部分。因此，該壓電材料層20被優選地製作成以d33模式操作，該模式有利地比d31模式更靈敏，有助於改進該轉換器的效率。
依照一第一選項，該些電極23,24可使用與該第二層20表面接觸之一導電材料製成；每一電極的多個指叉部分可以半圓的一段連結，如圖6b所式，尤其是當該第二層20為圓形時。
依照一第二選項，各電極的指狀部分可使用一導電元件，例如一導線，兩兩相連在該第二層的表面上或其切邊上：此組構讓指狀部分的尺寸得以增加(例如擴大到該第二層20邊緣)，從而在該第二層20的更大表面積上擴大有效電荷收集的部分。
依照一第三選項，該些電極23,24可使用設置於該第二層20厚度中之導電材料製成：存在於第二層20表面上的每一電極指狀部分，可延伸到該層的厚度中且形成一傳導材料通透刃部(through blade)。可參考，舉例而言，用於製作「多層式壓電堆疊」(multi-layer piezoelectric stacks)之技術，以根據此第三選項製作該第二層20。此組構用於使電荷收集效率最大化，因其使用了第二層20的整個厚度。作為本發明之非限制特徵，此第三選項可包含前述第一及第二選項所述連接每一電極之指狀部分之任何方式。
該第二層20之電極23,24之形狀係用於辨識該極化軸21，且可構成一標記(稱為該第二標記)。為了容易找出相關連標記22的位置，也可以特意局部修改至少一電極23,24之形狀。也可選擇在該第二層20上製作一平坦部分、一線條或一缺口來代表該第二標記22以標示出極化軸。
用於製作該層堆疊100之方法涉及一對齊步驟，其將該第一層10之形變主軸4,5(以主要軸4為佳)與該第二層20之極化軸21加以對齊；在本說明的其餘部分，為了更加明確，該極化軸21會被稱為「第一極化軸」。詳細而言，此對齊步驟會使用分別設置於該第一層10及該第二層20之標記12,22來進行。標記12,22被安排成能讓該形變主軸(尤其是該主要形變主軸4)與該第一極化軸21對齊在15°以內。
因為該主要磁化軸4,5及該第一極化軸21被包含在實質上相互平行之平面中(分別為該第一層10所定義之參考平面，以及該第二層20所定義之平面)，對齊此二軸在於限制它們在參考平面的平面視圖中所形成之角度。換言之，根據本發明，這些軸投射到參考平面上所形成的角度小於15°，且此結果歸功於該對齊步驟。在本說明的其餘部分，該些軸被對齊「在精確度_°內」、「在_°內」、或「優於_°」等描述，應解釋為該些軸投射到參考平面上所形成之一角度相當於小於_°。
本發明有利之處在於，該形變主軸與該極化軸被對齊在精確度10°或甚至5°以內。
根據一變化例，該形變主軸與該極化軸的對齊步驟，可經由該層10上的標記12與該些電極23,24之指叉部分兩者間的光學對齊而完成，因為該極化軸21可從中被識別出來：在此變化例下，該些電極23,24之指叉部分構成該第二標記22。
根據另一變化例，該形變主軸4,5的對齊步驟可基於一磁性定向之使用：根據圖4a～4c所述指示，磁致伸縮材料層10可受一磁場影響而自由轉動，因而會自動將該形變主軸4,5之一與施加於該層平面中之磁場對齊。此位置可以諸如用於夾持住該層10之一裝置維持住，以對齊該層20之極化軸，直到下個組裝階段。在此變化例下，在該層10與該第二層20組裝前，標示出一主要形變主軸之該第一標記12並不實際存在該層10上，而是由包含夾持該第一層10之裝置之一識別裝置取代。
該層堆疊100之製作方法涉及組裝該第一層10與該第二層20之步驟。該組裝步驟可包括在該第一層10或該第二層20之要組裝的至少一表面上塗佈一薄膜或一圈之黏著劑40。此塗佈黏著劑的階段可在對齊步驟前完成，然後進行對齊步驟，使得要組裝的表面(其中至少一者包含黏著劑)不彼此接觸。
圖7a～7f 呈現組裝步驟之一示例：將該黏著劑40薄膜塗佈在該第二層20上(圖7a)；然後將該第一層10與第二層20面對面排列，以將該主要形變軸4與該第一極化軸21對齊在15°內(圖7b)。此外，該組裝步驟包括使該第一層10及該第二層20要組裝的表面互相接觸(圖7c)。為了在該二層的接觸面得到一均勻黏著劑層40’，可在維持該主要形變軸4與該第一極化軸21對齊優於15°的同時，施加均勻的壓力使兩層結合在一起。
該層堆疊100因此包含磁致伸縮材料製成之該第一層10以及組裝在一起的壓電材料製成之該第二層20，後者具有電極23,24在其至少一表面上。該層堆疊100特別之處在於，該第一層10之形變主軸4,5(以該主要形變軸4為佳)與於該第二層20之第一極化軸21之錯位小於15°。本發明有利的是，此錯位甚至小於10°或甚至5°。
根據一變化例，製作該層堆疊101之方法涉及提供一壓電材料製成之一第三層，使該第三層在其定義之一平面中具有一極化軸31，且該極化軸31可選擇性以一第三標記32標示之(圖6c)。本發明有利之處在於，該第三層30之至少一表面具有指叉式電極33,34，且該極化軸31平行於該些表面之平面並垂直於形成該些指叉式電極33,34之導電材料之指叉部分。
該製作方法也涉及將該第一層10之形變主軸4,5(以主要形變軸4為佳，但作為替代方案可選擇次要形變軸5)與該第三層30之極化軸31加以對齊之步驟。為明確起見，該極化軸稱為「第二極化軸」以相對於該第二層20之第一極化軸。此對齊步驟的完成，舉例而言，可使用分別設置於該第一層10及該第三層30的該些標記12,32。標記12,32的安排，能讓該形變主軸(尤其是該主要形變軸4)與該第二極化軸31之對齊優於15°。前述對齊步驟的其他方法，當然也可加以運用。
最後，該製作方法涉及組裝該層堆疊100與該第三層的步驟，從而使該第一層10設置於該第二層20與該第三層30之間。組裝過程係在塗佈一黏著劑薄膜41且設置該些標記12,32以對齊一形變主軸4,5與該第二極化軸31之後，在該第一層10的自由面(相反於接合該第二層20的那面)與該第三層30的其中一面進行。作為一示例，一黏著劑薄膜41塗佈在該第三層30之一表面，如圖7d所示。該製作方法是用於組裝該第一層10與第三層30，以使一形變主軸4,5與該第二極化軸31之對齊優於15°。本發明有利的是，這兩個軸的錯位小於10°或甚至5°。
該層堆疊101因此包含磁致伸縮材料製成的該第一層10，其設置於壓電材料製成之該第二層20與該第三層30之間，後兩者各在其至少一表面上設有電極23,24 (圖7f)。該層堆疊101特別之處在於，該第一層10之形變主軸4,5(較佳者為該主要形變軸4)分別與該第二層20之第一極化軸21及該第三層30之第二極化軸31對齊在15°內。
根據本發明提出之該層堆疊101之一有利製作方法，該第一層10之該形變主軸4,5(以該主要形變軸4為佳)分別與該第二層20之第一極化軸21及該第三層30之第二極化軸31對齊之精確度在2°內。
組裝步驟使用的黏著劑，可基於對該層堆疊100,101某些特性有利之目的，而選擇不同材料類型材料。有些黏著材料的黏彈行為，有利於吸收該些壓電材料層20,30與該磁致伸縮材料層10間之熱膨脹差。為將該第一層10之形變有效率地移轉到該第二層20及第三層30，比較硬及比較剛性的黏著材料為優選。僅容許各層間最小滑動的一接合界面，可以組裝層的共燒結方式製作，或以不用額外黏著材料之直接接合方式製作。
作為非限制性示例，壓電材料可選自鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、鈦酸鋇(BaTiO3)或氮化鋁(AlN)。
磁電轉換器 根據本發明，該磁電轉換器200能夠將一磁場B之變化轉換成兩個電端子202,203間之電位差。該磁電轉換器200包含前述該些層堆疊100,101之一。
如圖8a～8c所示，使用諸如一印刷電路板(PCB)層或一支撐層50，可使一電端子202電性連接至該些指叉式電極23,33其中之一，並使另一電端子203連接至該些指叉式電極24,34其中之一。該印刷電路板層50，舉例而言，可使用塗佈在該層堆疊100,101之第二層20或第三層30之自由面上之一層黏著劑42，進行組裝(圖8a)。
如圖8a所示，該支撐層50背面可包含該些電端子202,203，其正面接合至該些層堆疊100,101。這些電端子202,203之後可連接到該發電裝置400的其他部件。
該些指叉式電極23,24,33,34之端子與該印刷電路板50接點(其可連接至將經受電位差的二個電端子)兩者間的電性連接，可使用塗佈在該轉換器200的切邊上之導電膠條43而建立，前述切邊詳言之為該些層堆疊100,101之切邊及該支撐層50之切邊或邊緣。所謂「切邊」是指連結各層主要表面之側表面，而該些主要表面皆平行於該些圖中的參考面(x,y)。該些層的邊緣代表一主要面上的周邊部分。該第一磁致伸縮材料層10之切邊已先被一電絕緣材料膜44包覆，以防止該些導電膠條43因為接觸到該第一層10而短路(圖8c)。
作為替代方案，該些指叉式電極23,24,33,34與該印刷電路板50接點(其可連接至將經受電位差的二個電端子)兩者間之電性連接，可以使用打線接合(wire bonding)而建立。線材可以從包含該些電極23,24之該第二層20(及/或第三層)表面或其切邊，連結到該支撐層50之一表面或其切邊。
作為替代方案，該些指叉式電極23,24,33,34與該印刷電路板50接點(其可連接至將經受電位差的二個電端子) 兩者間的電性連接，可以使用貫穿該層堆疊100,101的導電路徑而建立。
該印刷電路板50層可有利地具有類似於該層堆疊100,101之形狀，例如圓形。根據一變化例，該層可以接合至一第二印刷電路板層，其包含收集在該些電極23,24,33,34上所產生電荷之切換功能，儲存這些電荷或處理所引發的電訊號之功能。
根據另一有利變化例，該印刷電路板50層本身可包含至少一個切換功能，以收集在該些電極23,24,33,34上產生的電荷。其亦至少包含儲存該些電極23,24,33,34上所產生電荷之功能。亦可至少包含處理由該些電極23,24,33,34上所產生之電荷而引發之電訊號的功能。
再根據另一有利變化例，該層堆疊100,101及該支撐層50間可設置一緩衝層，其包含具聲波吸收特性之至少一材料。該緩衝層會以一黏著劑層而與該層堆疊100,101及該支撐層50組裝起來。
在該轉換器200中，該緩衝層的功能為吸收聲波，該聲波可能來自在收回該轉換器200電端子上的電荷時(電荷收集會在下文發電裝置的說明中詳述)，該第二(及/或第三)壓電材料層20,30所發生之形狀及/或壓力的遽然改變。每次收集電荷，這些聲波會以聽得見的咔嗒聲形式出現，這在某些應用情況中可能是一種妨害。該緩衝層用於吸收或至少大幅降低這些聲音，從而消除或減弱這種噪音的煩惱。
作為非限制性示例，該緩衝層可有利地由多孔材料製成，尤其是具有開放氣孔的材料。例如，可使用諸如聚氨基甲酸酯泡沫塑料(polyurethane foam) 之一種材料。
發電裝置 為了製作該發電裝置400，該磁電轉換器200會被置於由一磁場源300定義的殼體中，一磁場B在該磁場源300中運作，其部分磁場線被包含在該轉換器200之第一磁致伸縮材料層10所定義之一參考平面中。因此能製作一體積特別小巧的發電裝置400。該磁場源300及該轉換器200可相對於彼此旋轉，這樣，所述磁場B之定向在該參考平面中便有所變化。因此，該轉換器200會被一磁場B穿透，該磁場B以均勻且在該參考平面(x,y)中被定向成一初始方向
Figure 02_image001
者為佳。此磁場之變化旨在被轉換成該轉換器200之兩個電端子202,203間之電位差。
本發明有利之處在於，可將該轉換器置於該磁場源300之殼體中，使得該磁場之初始方向
Figure 02_image001
平行於磁致伸縮材料製成之第一層10之一形變主軸(以主要軸4為佳)。
如圖9a所示，在磁場
Figure 02_image001
的作用下，磁致伸縮材料製成之該第一層10被磁化，且沿著該主要形變軸4經受最大形變。此形變代表該層堆疊100,101在該參考平面中沿著該主要形變軸4之最大擴張，以及在該參考平面(x,y)中沿著該次要軸5之最大收縮(即一負擴張，以下稱為「最小擴張」)。在圖9a中，該第一層10之形變，以該轉換器200沿著該主要形變軸4方向的橢圓形狀表示。此形變施加於該第二層20(以及第三層30，如果有的話)且代表該轉換器200的初始狀態。
為了產生一磁場變化，可透過旋轉該磁場源及/或該轉換器，將磁場定向從初始方向
Figure 02_image001
順時針轉到一方向
Figure 02_image003
(如圖9b所示)。這樣，該轉換器200之層堆疊100,101會從其初始狀態改變成一第二狀態，其中：由於該磁場B沿著該主要形變軸4之分量減小，該第一層會沿著該主要形變軸4收縮，並從最大擴張變成較小的中度擴張；該第一層也會沿著該次要形變軸5擴張，並從最小擴張(最大收縮)變成較大的中度擴張。
該磁場變化(基於旋轉其方向)從而引發該第一層10形變之變化。該第一層10也將那些變化傳遞到一同組裝於該層堆疊100,101之第二層20(而且很可能到第三層30)。
如果將該磁場的定向繼續由方向
Figure 02_image003
順時針轉到方向
Figure 02_image005
(如圖9c所示)，該層堆疊會從第二狀態改變成一第三狀態，其中：該第一層會再次沿著該主要形變軸4收縮，從中度擴張變成最小擴張(最大收縮)；因該磁場與該次要形變軸軸5對齊，該第一層會沿著該次要形變軸5擴張，從中度擴張變成最大擴張。
因此，該磁場B在初始位置及第三位置之間的變化，引發了第一層10的形變變化，此一形變變化又傳遞到該第二層20(而且很可能到第三層30)。由壓電材料製成之該第二層20及該第三層30以d33模式運作，意思是該極化軸存在該層平面中，因此該層材料中會產生電荷，以回應同一平面中的形變。
根據本發明所提出之一有利組構，就該轉換器200而言，由壓電材料製成之該第二層20及該第三層30之第一極化軸21及第二極化軸31，皆與該第一層10之主要形變軸4緊密對齊(優於15°)。因此，從所述初始狀態到所述第三狀態，該第二層20及第三層30會分別沿著其第一極化軸21及第二極化軸31經受最大形變，從最大擴張變成最小擴張(最大收縮)。因此，一最大量電荷(例如負電荷)可累積在該些指叉式電極(例如23,33)其中之一上，並可在該發電裝置之該些電端子202,203其中之一上，以諸如一電容裝置加以收集。
該磁場變化之初始序列(從
Figure 02_image001
到
Figure 02_image005
)，除了使該轉換器200從其初始狀態變成第三狀態，亦可在該些電端子202,203間產生電位差：依照本發明之該轉換器200組構，此電位差為最大電位差，且可在體積精簡之發電裝置400組構中保證良好效率。
在第三狀態完成電荷收集後，該兩個電端子202,203間之電位差歸零，且該轉換器200此時處於一第四狀態，其被視為一新的初始狀態。該磁場之順時針變化(從
Figure 02_image005
到
Figure 02_image007
)會讓該層堆疊100,101從第四狀態變為一第五狀態，其中：因該磁場與該主要形變軸4對齊，該第一層沿著該主要軸4擴張，從最小擴張變成最大擴張。該第一層會沿著該次要軸5收縮，從最大擴張變成最小擴張(最大收縮)。
從第四初始狀態到第五狀態，該第二層20(以及第三層30，如果有的話)會沿著其各自的極化軸21,31經受最大形變，從最小擴張狀態變成最大擴張狀態。因此，一最大量電荷(例如正電荷)可累積在該些指叉式電極24,34上，並可在該發電裝置之另一電端子202,203上加以收集。
因此，本發明提出縮小體積之一發電裝置400，其具有一高效率磁電轉換器200，而該轉換器效率之獲得，在於無法使各向異性磁致伸縮材料磁性飽和之一低強度磁場組構。
根據本發明，發電裝置400也具有堅固耐用及強化穩定性之優點。事實上，在磨損及可靠性測試期間受到重複的形變循環時，該轉換器200在特定條件下表現出增強的機械強度，優於第一磁致伸縮材料層10在一磁飽和模式下運作之轉換器。在磁場飽和模式時，在給定次數(例如10的6次方)之形變循環後，磁致伸縮/壓電材料層堆疊可能會到達其機械破裂極限。相形之下，依照本發明，就形變循環而言，轉換器之壽命可增加10到1000倍。此外，依照本發明，低磁場強度限制了可能施加到轉換器的雜散扭矩幅度，雜散扭矩傾向於將優先形變軸置於與磁場一致的位置。
操作範例 根據本發明之一操作範例，晶態鋱鐵鏑合金層10從具有一縱軸＜112＞之一磁棒1製成。該層10為，舉例而言，1公釐厚且直徑為 2公分。
如前所述，代表主要磁化軸4,5 之晶向＜111＞ 及 ＜110＞，不會直接標示在該磁棒1上，因為其定向在同一磁棒1內會變動。接著依照本發明所述方法，處理該磁致伸縮材料層10，以為每一磁致伸縮材料層10找出主要磁化軸4,5，且由一操作模式來製作一標記12以標示出該些軸。經此程序後，該層10的切邊上會有諸如一缺口12(以下稱為第一缺口)，其深度為數百微米，從該層的一面延伸到另一面。該缺口12的位置係沿著每一層10之主要磁化軸4方向。作為替代方案，該缺口12可以一平坦部分、一線條或在該層10一表面上之一刻印代替。
接著，組裝鋯鈦酸鉛(PZT)材料之一第二層20及一第三層30，製作該層堆疊101。
舉例而言，每一鋯鈦酸鉛層可為直徑2公分，100微米厚。此時，每個第二層20及第三層30在其各自表面上具有指叉式電極23,24,33,34。這類組構在應對一形變時有助於提高電荷產生效率。這些電極做成梳子形狀，而且梳齒部分垂直於該材料的極化軸。該第二層20與該第三層30之極化軸21,31，可分別以第二缺口22及第三缺口32標示在鋯鈦酸鉛材料的第二層20與第三層30。一非導電之黏著劑40薄膜，塗佈在該第二層20之待接合表面上，然後將該第一層10面對面放置其上。使用允許測微移動(micrometric movements)之一裝置，對齊第一缺口12與第二缺口22。然後施加壓力將該第一層10與第二層20接合，並使該黏著劑薄膜40均勻分佈在兩者之間。該對齊之精確度讓該主要形變軸4與(該第二層20之)第一極化軸21兩者間的錯位少於15°。這樣便製作出層堆疊100。
接著，將一非導電之黏著劑40薄膜塗佈在該第三層30的待接合表面上，然後在其上放置該層堆疊100，塗佈黏著劑之第三層30表面，面對面接合到該第一層10之自由面。該第一缺口12(或第二缺口22)與該第三缺口32可使用與前述相同之裝置加以對齊。然後施加壓力將要組裝之兩表面接合，並使該黏著劑薄膜均勻分佈在接合界面處。該對齊之精確度讓該主要形變軸4與該第三層30之第二極化軸31之對齊能夠優於15°。
接著，將直徑2公分，數百微米厚之一印刷電路板層50之一待接合表面以黏著劑(黏著劑層42)包覆，以將其接合至諸如該第三層30之自由面。
放置一黏著劑44薄膜或其他非導電材料之薄膜，以保護並絕緣該第一鋱鐵鏑合金層10之切邊。接著沉積導電材料條43(如導電膠)，以將該印刷電路層50之該些電端子202,203電性連接至該些鋯鈦酸鉛層20,30之指叉式電極23,24,33,34。
接著，透過使用一旋轉方向磁場(rotating directional field)施加磁場B變化，該磁電轉換器200可在該些電端子202,203間產生一電位差。該發電裝置400以設有一磁場源300較佳，該磁場源300定義出有一磁場運作其中之一殼體。該磁電轉換器200安裝於此殼體中，被所述磁場環繞。該轉換器200與該磁場源300間之一旋轉運動，用於產生該磁場變化。
本發明有利之處為，鋱鐵鏑合金用作該轉換器200之該第一層(10)材料，因該材料在該參考平面(x,y)中具有二形變主軸4,5：因此，根據本發明所述之該發電裝置400 結構，對於進行四分之一旋轉後的電荷收集序列是極有成效的。
當然，在該參考平面中只有單一形變主軸的各向異性磁致伸縮材料，也可以採用。
本發明不限於本說明書所述之製作方法，而且，該些製作方式可加以變化而不會脫離申請專利範圍所定義之本發明範圍。
1‧‧‧磁棒3‧‧‧縱軸4‧‧‧主要軸5‧‧‧次要軸10‧‧‧第一層10’、10’’、10’’’‧‧‧切片層11a、11b‧‧‧表面12‧‧‧標記20‧‧‧第二層21‧‧‧極化軸22‧‧‧第二標記23、24‧‧‧電極30‧‧‧第三層31‧‧‧第二極化軸32‧‧‧第三標記33、34‧‧‧電極40、40’、41、41’、42‧‧‧黏著劑43‧‧‧導電膠條44‧‧‧電絕緣材料膜50‧‧‧印刷電路板層100、101‧‧‧層堆疊200‧‧‧磁電轉換器202、203‧‧‧電端子300‧‧‧磁場源400‧‧‧發電裝置B、b‧‧‧磁場
本發明的更多有利特點與優點，在閱讀以下詳細說明並參考所附圖示時將更為彰顯，其中： -圖1繪示根據本發明之一發電裝置之方塊圖； -圖2a及2b繪示製作一磁致伸縮材料層之示例； -圖3a繪示一磁致伸縮材料層受到可變方向磁場影響之磁化映射圖，該磁化取決於該層晶體結構之定向； -圖3b繪示在數層磁致伸縮材料間，一磁化主軸的定向變化圖； -圖4a～4c繪示根據本發明之一種用於處理磁致伸縮材料層之方法； -圖5繪示根據本發明之一磁致伸縮材料層； -圖6a～6c繪示根據本發明用於製作一層堆疊之一磁致伸縮材料層與多個壓電材料層； -圖7a～7f繪示根據本發明之一種用於製作層堆疊之方法； -圖8a～8c繪示根據本發明之一種用於製作轉換器結構之方法； -圖9a～9c繪示根據本發明之小型發電裝置運作圖。
4‧‧‧形變主軸
5‧‧‧形變主軸
200‧‧‧轉換器
300‧‧‧磁場源

Claims (15)

  1. 一層堆疊(100,101)，其包含：˙各向異性磁致伸縮材料製成之一第一層(10)，在該第一層(10)所定義，稱為參考平面之平面中，具有至少一形變主軸(4,5)，該第一層在其一邊緣或切邊上具有至少一標記(12)，例如一平坦部分或邊緣缺口，或該第一層在其一表面上具有一刻印，或該第一層具有標出一形變主軸(4,5)之至少一識別裝置；及˙由一壓電材料製成之一第二層(20)，其在與該參考平面平行並由該第二層(20)所定義之平面中具有一第一極化軸(21)，且該第一極化軸以一第二標記(22)標出；該第一極化軸(21)與該形變主軸(4,5)對齊在15°以內。
  2. 如申請專利範圍第1項之層堆疊(100,101)，其中該第二層(20)在其至少一表面上或在其切邊上設有金屬電極(23,24)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之層堆疊(100,101)，其設有由一壓電材料製成之一第三層(30)，該第三層在由其所定義之平面中具有一第二極化軸(31)，其中該第一層(10)設置在該第二層(20)與該第三層(30)之間，且該第二極化軸(31)與該形變主軸(4,5)對齊在15°以內。
  4. 如申請專利範圍第3項之層堆疊(100,101)，其中：˙由一各向異性磁致伸縮材料製成之該第一層(10)在其所定義之平面中具有一主要形變軸(4)及一次要形變軸(5)；˙由一壓電材料製成之該第二層(20)，其第一極化軸(21)與該主要形變軸(4)對齊在15°以內；且 ˙由一壓電材料製成之該第三層(30)，其第二極化軸(31)與該次要形變軸(5)對齊在15°以內。
  5. 如申請專利範圍第1項之層堆疊(100,101)，其中所述壓電材料包括鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、鈦酸鋇(BaTiO3)或氮化鋁(AlN)。
  6. 如申請專利範圍第1項之層堆疊(100,101)，其中所述磁致伸縮材料包括鋱鐵鏑合金(terfenol-D)、鐵鎵合金(galfenol)、铽鐵合金(terbium iron)或鐵鈷合金(iron-cobalt)。
  7. 一種能夠將一磁場(B)之變化轉換成兩個電端子(202,203)間之電位差之轉換器(200)，其包括如申請專利範圍第1至6項中任一項之層堆疊(100,101)。
  8. 如申請專利範圍第7項之轉換器(200)，其設有與該層堆疊(100,101)組裝之一印刷電路層(50)，以連結該層堆疊之至少一壓電材料層與所述兩個電端子(202,203)。
  9. 一種發電裝置(400)，其包括：˙如申請專利範圍第7或8項之設有兩個電端子(202,203)之一轉換器(200)，˙在參考平面中產生磁場(B)之一來源(300)；該磁場源(300)及該轉換器(200)可相對於彼此旋轉，使得所述磁場(B)之定向在該參考平面中有所變化，所述磁場(B)之強度不足以使第一層(10)之材料磁性飽和。
  10. 如申請專利範圍第9項之發電裝置(400)，其中該磁場源(300)定義出所述磁場(B)在其中運作之一殼體，且該轉換器(200)置於該殼體中。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之發電裝置(400)，其中該磁場源(300)為一海爾貝克磁性滾筒(Halbach cylinder)。
  12. 一種用於製作一層堆疊(100,101)之方法，該方法包括：˙提供一各向異性磁致伸縮材料所製成之一第一層(10)之步驟；˙在該第一層(10)所定義之一參考平面中找出至少一形變主軸(4,5)之步驟；˙提供一壓電材料所製成之一第二層(20)，使該第二層(20)在由其所定義之一平面中具有以一第二標記(22)標出之一第一極化軸(21)之步驟；˙將該第一層之形變主軸(4,5)與該第二層(20)之第一極化軸(21)對齊在15°以內之步驟；及˙組裝該第一層(10)與該第二層(20)以產生所述層堆疊(100,101)之步驟。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中所述找出至少一形變主軸(4,5)之步驟之後，接著是在該第一層(10)製作一標記(12)以標出該形變主軸(4,5)之步驟。
  14. 如申請專利範圍第12或13項之方法，其中所述找出該形變主軸(4,5)之步驟包括：˙將該第一層(10)置於被定向成朝著該參考平面之一磁場(B)中；˙測量將該參考平面中之該第一層(10)旋轉至數個角位置所需之扭矩；及˙確定代表最大扭矩之至少一角位置以找出該形變主軸(4,5)。
  15. 一種用於組裝一發電裝置(400)之方法，該方法包括：˙依照申請專利範圍第12至14項中任一項之方法製作一層堆疊(100,101)，其中該層堆疊之第一層(10)定義出一參考平面； ˙使用一印刷電路層(50)組裝該層堆疊(100,101)，以將至少一壓電材料層(20,30)與兩個電端子(202,203)連結，以形成磁電轉換器(200)；及˙將該轉換器(200)置於一磁場源(300)所定義之一殼體中，該磁場源(300)有一磁場(B)在其中運作且有部分磁場線包含在所述參考平面中。
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