本發(fā)明涉及一種發(fā)電器，且特別是涉及一種壓電發(fā)電器。

背景技術(shù)：

壓電材料受到外加應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變的同時會產(chǎn)生電荷堆積的特性，因此能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。但是，必需在所輸入的機(jī)械能有變化時才能產(chǎn)生電能輸出，因此壓電材料的能量轉(zhuǎn)換效率與外加機(jī)械能的大小及變化速度相關(guān)。就壓電材料應(yīng)用于發(fā)電器而言，為了避免過多的機(jī)械能損耗而導(dǎo)致最終的能量轉(zhuǎn)換效率不佳，現(xiàn)有技術(shù)將機(jī)械能輸入裝置與壓電發(fā)電單元整合成單一單元，如美國專利申請案US 2010/244629 A1。請參照圖1，現(xiàn)有的壓電發(fā)電器50是在簧片52上貼有壓電元件54，使用者可以直接按壓簧片52來使壓電元件54變形并發(fā)電。壓電發(fā)電器50的結(jié)構(gòu)簡單且無過多的機(jī)械能損失。但是，簧片52的兩側(cè)都固定在剛性的基座56上，因此簧片52的結(jié)構(gòu)過于剛硬。當(dāng)簧片52受到按壓時，微小的機(jī)械能將難以使兩側(cè)都固定在剛性的基座56上的簧片52產(chǎn)生較大的形變，也就無法產(chǎn)生較大的電能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種壓電發(fā)電器，可解決現(xiàn)有技術(shù)的壓電發(fā)電器的發(fā)電量不足的問題。

本發(fā)明的壓電發(fā)電器包括基座、簧片以及壓電元件?；哂袆傂圆颗c彈性部。剛性部的彈性小于彈性部的彈性?；善哂邢鄬Φ牡谝槐砻媾c第二表面以及相對的第一側(cè)與第二側(cè)。第一側(cè)固定于剛性部，第二側(cè)固定于彈性部?；善驶⌒巍弘娫街诨善喜⑦m于與簧片一起變形?；善词馨磯簳r第一表面為凸面。簧片受按壓而使第一表面從凸面變成凹面時，使簧片復(fù)位的彈性恢復(fù)力會作用在簧片上。

在本發(fā)明的一實施例中，簧片在靠近第一側(cè)的位置具有曲率轉(zhuǎn)折線。

在本發(fā)明的一實施例中，壓電元件位于第二側(cè)與曲率轉(zhuǎn)折線之間?；善? 未受按壓時，簧片在第二側(cè)與曲率轉(zhuǎn)折線之間的部分的曲率半徑小于簧片在第一側(cè)與曲率轉(zhuǎn)折線之間的部分的曲率半徑。

在本發(fā)明的一實施例中，剛性部具有水平部與垂直部。第一側(cè)固定于水平部。彈性部位于垂直部。

在本發(fā)明的一實施例中，剛性部為L型板，彈性部為垂直板，垂直板連接L型板。

在本發(fā)明的一實施例中，簧片的材料為銅或不銹鋼。

在本發(fā)明的一實施例中，簧片呈矩形。

在本發(fā)明的一實施例中，第一側(cè)與第二側(cè)為短邊。

在本發(fā)明的一實施例中，壓電元件為陶瓷壓電元件或聚氟化二乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電元件。

在本發(fā)明的一實施例中，壓電元件附著于第一表面與第二表面至少其中之一。

在本發(fā)明的一實施例中，壓電元件的厚度小于等于1mm。

在本發(fā)明的一實施例中，壓電元件的面積大于簧片的面積的一半。

在本發(fā)明的一實施例中，彈性部為彈簧、有機(jī)中空發(fā)泡體或感壓膠體(Pressure Sensitive Adhesive,PSA)。

在本發(fā)明的一實施例中，壓電發(fā)電器更包括緩沖件，配置于基座上，用以避免簧片受按壓時第二表面直接接觸基座。

基于上述，在本發(fā)明的壓電發(fā)電器中，因為簧片的第二側(cè)固定于彈性部，所以較小的按壓力量就可以讓簧片產(chǎn)生較大的形變量，進(jìn)而提高壓電元件所產(chǎn)生的電量。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附的附圖作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的壓電發(fā)電器的示意圖；

圖2至圖6為本發(fā)明一實施例的壓電發(fā)電器的作動狀態(tài)的分解示意圖；

圖7為圖2的壓電發(fā)電器發(fā)電時所產(chǎn)生的電壓與時間曲線圖；

圖8為圖1的壓電發(fā)電器發(fā)電時所產(chǎn)生的電壓與時間曲線圖；

圖9為圖2的壓電發(fā)電器發(fā)電時經(jīng)穩(wěn)壓后的電力輸出時間曲線圖；

圖10為圖1的壓電發(fā)電器發(fā)電時經(jīng)穩(wěn)壓后的電力輸出時間曲線圖；

圖11為圖2的壓電發(fā)電器的上視示意圖；

圖12為本發(fā)明另一實施例的壓電發(fā)電器的示意圖。

符號說明

50：現(xiàn)有的壓電發(fā)電器

52：簧片

54：壓電元件

56：基座

100、300：壓電發(fā)電器

110、310：基座

112、312：剛性部

112A：水平部

112B：垂直部

114、314：彈性部

120：簧片

122：第一表面

124：第二表面

126：第一側(cè)

128：第二側(cè)

130、330：壓電元件

140：緩沖件

L10：曲率轉(zhuǎn)折線

具體實施方式

圖2至圖6是本發(fā)明一實施例的壓電發(fā)電器的作動狀態(tài)的分解示意圖。請參照圖2，本實施例的壓電發(fā)電器100包括一基座110、一簧片120以及一壓電元件130。基座110具有一剛性部112與一彈性部114。剛性部112的彈性小于彈性部114的彈性?；善?20具有相對的一第一表面122與一第二表面124以及相對的一第一側(cè)126與一第二側(cè)128。第一側(cè)126固定于剛性部112，第二側(cè)128固定于彈性部114?；善?20呈弧形。壓電元件130附著于簧片120上并適于與簧片120一起變形?；善?20未受按壓時第一表 面122為凸面。簧片120受按壓而使第一表面122從凸面變成凹面時，使簧片120復(fù)位的彈性恢復(fù)力會作用在簧片120上。

由于簧片120的第二側(cè)128固定于較容易產(chǎn)生形變的彈性部114，因此當(dāng)簧片120受按壓而變形的時候，簧片120可輕易產(chǎn)生較大的變形量。連帶地，隨著簧片120一起變形的壓電元件130也會將變形時的機(jī)械能的變化轉(zhuǎn)換為電能。相較于現(xiàn)有技術(shù)的簧片的兩側(cè)都被固定在剛性的基座上，本實施例的簧片120可在受到相同按壓力量的條件下獲得較大的變形量。在本實施例的簧片120受按壓而使第一表面122從凸面變成凹面之后，一旦施加的外力移除，簧片120的彈性恢復(fù)力使簧片120迅速地復(fù)位，也就是第一表面122從凹面恢復(fù)為凸面。甚至，因為彈性部114對于簧片120的拘束較小，第一表面122有可能在凹面與凸面之間來回變換數(shù)次后才穩(wěn)定地恢復(fù)為凸面，而在這期間壓電元件130都可將機(jī)械能的變化轉(zhuǎn)換為電能。

以下參照附圖說明本實施例的壓電發(fā)電器100的作動狀態(tài)變化。請參照圖2，首先，壓電發(fā)電器100處于未受力的狀態(tài)。接著在簧片120受按壓時，簧片120將會產(chǎn)生變形，其中第一表面122會從凸面逐漸變成平面，如圖3。然后簧片120持續(xù)受按壓而變形，第一表面122從平面變成凹面，如圖4。在此，基座110的形狀是被設(shè)計為允許簧片120在最大彈性形變時也不會碰觸到基座110，或是被設(shè)計為限制簧片120不得超出最大彈性形變范圍，以避免簧片120產(chǎn)生永久變形而不會復(fù)位。之后，移除按壓簧片120力量，彈性恢復(fù)力會作用在簧片120上而使簧片120開始迅速復(fù)位，第一表面122從凹面變成平面，而壓電元件130也同時產(chǎn)生電能，如圖5。接著，簧片120繼續(xù)復(fù)位，第一表面122從平面變成凸面，而壓電元件130也繼續(xù)產(chǎn)生電能，如圖6。

圖7是圖2的壓電發(fā)電器發(fā)電時所產(chǎn)生的電壓與時間曲線圖。圖8是圖1的壓電發(fā)電器發(fā)電時所產(chǎn)生的電壓與時間曲線圖。以圖2的壓電發(fā)電器100與圖1的壓電發(fā)電器50進(jìn)行實驗。從壓電單元130的正中央位置施加最大不超過5N的力量，以推拉力計的凸點直接按壓壓電單元130的正中央位置，力量讀值從0N開始至5N后停止并立刻移除推拉力計。采用圖2的架構(gòu)的實施例及采用圖1的架構(gòu)的對照例的樣品尺寸為，簧片的長度為8.5cm，寬為4cm，厚度為0.01cm，材料為黃銅。壓電單元為壓電陶瓷薄片，長度為7.5cm，寬為4cm，厚度為0.01cm。圖2的架構(gòu)的實施例中，將原本為平 板狀的簧片彎折后固定于L型基座?；膭傂圆康牟牧蠟閴嚎肆?，厚度達(dá)0.5cm。以示波器直接連結(jié)壓電單元的正負(fù)兩極而不接其他負(fù)載，量測其電壓與時間關(guān)系圖。圖7顯示本實施例的電壓輸出波型主要有兩個循環(huán)，第一個循環(huán)的電壓半峰值最大約為12V，而第二個循環(huán)的電壓半峰值明顯較第一個循環(huán)的電壓峰值為高，為23V。反觀圖8的對照例的電壓與時間關(guān)系圖，僅出現(xiàn)一個上下波的循環(huán)，對照例的電壓半波峰值在5N最大力量作用下僅8V。此一比較結(jié)果顯示，由于兩端都為剛性的固定端的對照例的簧片的剛性過強(qiáng)，5N這樣的微小力量無法使對照例的簧片產(chǎn)生大幅度的變形，以致電壓峰值明顯偏低。實施例的簧片則是一端固定于剛性部，一端連結(jié)于彈性部。在5N的力量作用下，簧片可以產(chǎn)生最大變形量，致使簧片上的壓電單元也能有最大的變形量，從而得到很大的電壓輸出。

圖9是圖2的壓電發(fā)電器發(fā)電時經(jīng)穩(wěn)壓后的電力輸出時間曲線圖。圖10是圖1的壓電發(fā)電器發(fā)電時經(jīng)穩(wěn)壓后的電力輸出時間曲線圖。與圖7及圖8的實驗架構(gòu)基本相同，但圖9及圖10的壓電單元先連接一個整流穩(wěn)壓電路后再連接示波器，其中整流穩(wěn)壓電路的等效負(fù)載將近2KΩ。整流穩(wěn)壓電路固定為輸出5V的直流電。圖9的結(jié)果顯示本實施例的壓電發(fā)電器所輸出的電壓在經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路后可以持續(xù)輸出5V的直流電將近0.1秒，此一輸出特性足以供應(yīng)許多實際生活中所需的電源供應(yīng)，例如LED指示或RF無線信號發(fā)送等。反觀圖10的對照例的電壓輸出不到0.01秒就衰落下來，難以應(yīng)用在實際生活中。

以下說明本發(fā)明的其他可選擇性技術(shù)方案，但本發(fā)明不局限于此。

請參照圖2，本實施例中，簧片120被固定在基座110上時，弧形的簧片120可能已經(jīng)是受力而被彎曲的狀態(tài)，也就是被施加有預(yù)應(yīng)力，因此儲存有彈性位能。如此，有助于簧片120在被按壓后迅速復(fù)位。但是，也可以將簧片120設(shè)計為被固定在基座110上時處于未受力的狀態(tài)，也就是將簧片120取下而不受力的狀態(tài)時簧片120也呈現(xiàn)相同的弧形。此外，基座110的剛性部112具有一水平部112A與一垂直部112B，也就是剛性部112大致上呈L型。簧片120的第一側(cè)126固定于剛性部112的水平部112A。彈性部114位于剛性部112的垂直部112B。本實施例的彈性部114可以是彈簧、有機(jī)中空發(fā)泡體、感壓膠體或是由其他適當(dāng)?shù)膹椥圆牧纤鶚?gòu)成。剛性部112的材料例如是壓克力或其他適當(dāng)?shù)膭傂圆牧稀；善?20的材料可以是銅、不銹鋼 或其他具有較大的彈性恢復(fù)力的材料。壓電元件130為陶瓷壓電元件、聚氟化二乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電元件或其他適當(dāng)?shù)膲弘娫?。本實施例的壓電元?30同時附著于第一表面122與第二表面124，具有增加輸出的電能的作用。壓電元件130的厚度例如小于等于1mm，以避免造成簧片120不易變形。

請再參照圖4，本實施例的壓電發(fā)電器100可更包括一緩沖件140，配置于基座110上，用以避免簧片120受按壓時第二表面124直接接觸基座110而受損。此外，緩沖件140也有助于簧片120在受按壓而變形后復(fù)位。

圖11是圖2的壓電發(fā)電器的上視示意圖。請參照圖2與圖11，本實施例的簧片120在靠近第一側(cè)126的位置具有一曲率轉(zhuǎn)折線L10。換言之，簧片120在第二側(cè)128與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間的部分的曲率半徑不同于簧片120在第一側(cè)126與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間的部分的曲率半徑。簧片120未受按壓時，簧片120在第二側(cè)128與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間的部分的曲率半徑例如是小于簧片120在第一側(cè)126與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間的部分的曲率半徑?；善?20在第一側(cè)126與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間的部分具有在簧片120變形后提供較大的彈性恢復(fù)力的作用。此外，簧片120在靠近第二側(cè)128的位置也可以具有一曲率轉(zhuǎn)折線(未標(biāo)示)。本實施例的壓電元件130位于第二側(cè)128與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間。而簧片120在第二側(cè)128與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間的部分的面積大于簧片120在第一側(cè)126與曲率轉(zhuǎn)折線L10之間的部分的面積。壓電元件130的面積例如大于簧片120的面積的一半。壓電元件130的面積越大，理論上輸出的電能也會越大。本實施例的簧片120大致上呈矩形，而第一側(cè)126與第二側(cè)128為短邊，如此有助于簧片120獲得較大的變形量。

圖12是本發(fā)明另一實施例的壓電發(fā)電器的示意圖。請參照圖12，本實施例的壓電發(fā)電器300與圖2的壓電發(fā)電器100相似，在此僅說明差異處。本實施例的基座310的剛性部312為L型板，彈性部314為一垂直板，垂直板連接L型板?；?10可以是一體成型的?；善?20的第一側(cè)126固定于剛性部312，第二側(cè)128固定于彈性部314。當(dāng)然，本發(fā)明的基座的形狀還可以做其他適當(dāng)變化，只要能提供簧片足夠的變形空間即可。本實施例的壓電元件330僅附著于簧片120的第一表面122。本實施例的壓電發(fā)電器300依舊可以達(dá)成輸出較大電能的目的。

綜上所述，在本發(fā)明的壓電發(fā)電器中，采用了具有彈性部的基座，且簧 片的其中一側(cè)固定于彈性部，所以只需要較小的按壓力量就可以讓簧片產(chǎn)生較大的形變量，且變形持續(xù)的時間也較長。因此，壓電元件所產(chǎn)生的電量較大，且持續(xù)時間較長，能夠真正被應(yīng)用在生活中。

雖然結(jié)合以上實施例公開了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。