一种压电发电器，其包含： 二个压电换能元件单元； 弹性体，容置在该各压电换能元件单元间； 多个固定元件，固定该各压电换能元件单元以及该弹性体。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种压电发电器结构，特别是涉及一种对压电换能元件单元 预加应力产生形变，使压电换能元件单元在固定外力作用下能产生最大电能 输出的压电发电器结构。
技术介绍
压电材料为电能与机械能间转换的材料，以锆钛s吏铅及其衍生成份为代 表，其所具有的压电特性也是目前机电转换效率最高者。压电材料应用于电 压产生的代表为点火元件，使用弹簧存储机械能后瞬间撞击压电材料表面， 利用压电特性将机械能转换成电能，产生的电压 一般达到上万伏特的直流电 压，经由一定间距的电极放电以点燃瓦斯气体，产生的电压与压电材料的电 容与压电转换特性有关，由于需要高的输出电压以产生气体放电，因此压电 材料以柱状为主，其电容值低因此可产生上万伏特的电压。虽然有高电压的 输出，但电压持续时间短(毫秒以下)，无法以电能存储装置如电池或电容器 来存储。降低压电材料的厚度可提高电容值，产生的电压因此降低，但电压 持续的时间仍然不足以有效的充入电能存储装置中，此外，承受机械能作用 时薄的压电材料因强度较弱，工作时会有机械破坏的风险。进一 步的电容量提高可经由多层的陶瓷结构来获得，在机械能量作用 下，层与层间的机械结合强度，以及整体多层结构在工作时的稳定性，使薄 化的压电材料应用在发电功能时，必须有适度的机械结构来强化压电材料机 械耐力，同时使机械能量有比较稳定的输入。因此，良好的压电发电器设计， 除高机电转换特性外，配合的机械结构是整体元件功能发挥的重要基础。压电材料具有如图1的变形量(或称应变)与电压关系，在最大的斜率处 代表压电材料具有最大的应变随输入电压变化，亦即在相同的驱动电压下可 以产生最大的变形量，反之亦同，以相同的变形量驱动可以产生最大的电压 输出，此时压电材料具有最高的机电能量转换效果。如果将压电材料预先施加固定量的形变，使其类似被驱动到图1曲线的最大斜率处(标示x点处)，此时再有形变输入会使压电材料产生更大的电压输出，对制作高机电转换率 的压电发电器提供高功能设计的依据。使压电材料承受应力必先有 一机械结 构，稳定机械能量输入也需机械结构，因此，如果将两种需求的机械结构作 整体设计，使其兼具预加应力与稳定机械能输入功能，将有利于高转换效率 的压电发电器模块制作。使用弹性体的回弹力，使其对压电材料产生预加应力的作用，在外加力 量作用下，弹性体的緩沖特性使压电材料有更长时间的电压输出，有利于电能的撷取存储。一般来说，压电发电器的基础组成为配合一机械结构的压电换能单元， 利用机械结构提供外力作用方向的改变或作用时间的延长，使外力可以在压 电换能单元造成变形，通过机电转换特性与电路接线使产生的电能导出。为 增加转换的能量，机械结构常被设计具有高的灵敏度，随外力作用可迅速将 变化传送到压电换能单元上。此外，将多数个压电单元相连接可提供更大的 电能输出。不论何种设计，压电发电器均产生交流的电压，如此一来，作为 电源应用就必须经过整流装置，因此在压电发电器中常含有整流的电子元 件。悬臂式结构为产生机械振动的基本结构，在悬臂上贴合压电片形成压电发电器，如专利WO0120760、 JP11146663、 JP2003061367,前者将压电片贴 在微加工制作的悬臂上，后者使用悬臂带动压缩或拉伸压电片使其产生电 压。另外如专利JP9205781、 US5751091、 JP2004222414等使用类似悬臂结 构，固定压电片与悬臂使机械振动传送至压电片产生电压，其中使用多层结 构的压电片以增加产生的电能。通过机械连动的传送装置，使其带动钢球类的硬物对压电片表面产生撞 击，进而产生电压输出，如专利WO2004077652 、 US2006226739 、 JP2006129602、 JP2005275852、 JP2001231272、 JP2006012465、 JP2003116285 与JP11275877,除机械连动装置外，其中并有设计緩冲撞击的膜、片或弹簧， 利用緩冲撞击材料来延长撞击作用时间，使压电片产生足够长的电能输出时 间。由于缓冲材料的反弹力，造成撞击力的来回摆动，因此能产生交流的电 压输出。综合既有专利可知，为提高电能的输出， 一般多采用多数个压电单元串并联的结构来达成，不论结构设计如何，均为交流电压的输出，因此作电源 的应用时需先经过整流电路的调整。压电材料的机电转换特性也可通过施加偏压方式来提升，如专利US6201336,使用直流偏压来使压电材料有高的机电转换效率，在输出端以 电路将直流偏压滤除。虽然直流偏压提高转换效率，但外加电池使压电发电 器仍无法达到无电池的电源用途，因此实用性有限。除直流偏压外，机械偏压或预施应变(变形)在压电片上，也同样具有提 高压电片的机电转换效率功用，本专利技术即在设计预加应变于压电片的压电发 电器结构，使压电转换能在预加变形情况下，达到更高的机电转换效率。此 外，预加应变会使压电被偏压在特定的机电转换方向，使压电发电器受外力 的作用只产生直流电压的输出，与传统压电发电器的交流电压输出再经整流 成直流电压，本专利技术结构具有应用的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种压电发电器结构，提供预加应力于压电换能 元件单元以产生形变，使压电换能元件单元在固定外力的作用下能产生最大 电能输出。本专利技术的压电发电器结构包含二个压电换能元件单元、 一弹性体、以及 多个固定元件。其中弹性体容置在该等压电换能元件单元间。固定元件用以 固定该等压电换能元件单元以及该弹性体。利用在压电换能元件单元间置入 弹性体与调整固定元件中的螺帽来施加压力的方式，对压电换能元件单元产生预加应力的作用，以提高该压电换能元件单元的压电转换效率。每一压电换能元件单元可由单一的压电片贴合于金属片的上或下侧形 成，也可以串联的方式在金属片的上下两侧贴合连接来提高电容量；压电片 所贴附的金属片比该等压电片具更大面积，且在金属片的周围有多个贯通 孔，以使固定元件穿过；每一固定元件皆有一固定轴，该固定轴的表面由一 绝缘轴衬包覆着以隔绝电流，固定轴上套有一弹性元件、多个固定螺帽与多 个绝缘垫片，弹性元件可为弹簧或弹片，用以支撑调节緩沖贯通于固定轴上 的二压电换能元件单元，由于有了容置在压电换能元件单元间的弹性体与固 定元件上的弹性元件的支撑，使得二压电换能元件单元间产生一初始距离， 并使用固定螺帽将该等压电换能元件单元上的金属片固定，而多个绝缘垫片则是设置在弹性元件、固定螺帽与金属片之间，以防止电流造成短路。压电换能元件单元与弹性体由贯穿通过金属片的多个固定元件固定，调 整固定元件上固定螺帽的高度，缩短改变二压电换能元件单元的间距，使容 置在其中的弹性体承受外力作用，利用弹性体的回弹力来提供应力，作用在 该等压电换能元件单元上，使之得到对压电片预加应力的效果，在压电换能 元件单元上产生形变，调整应变大小使其被应变偏压在最灵感状态(如图IX 点的位置)，在这样的作用下，施加应力于已形变的该等压电换能元件单元， 则可使该等压电换能元件单元发电，并提供较未预施加应力者高的电压输 出。由压电换能元件单元、固定元件与螺帽、弹性体等形成的压电发电器， 工作时在外加应力作用下，弹性体的緩沖功能提供机械能存储与延长外力作 用时间的效果，使压电发电器可产生更本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种压电发电器，其包含： 二个压电换能元件单元； 弹性体，容置在该各压电换能元件单元间； 多个固定元件，固定该各压电换能元件单元以及该弹性体。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑世裕，陈云田，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：71
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