TW201308866A - 能量轉換模組 - Google Patents
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Abstract
一種能量轉換模組，包含第一換能器及第二換能器，其中，該第二換能器設置於一第一平板與該第一換能器之間。
Description
本發明係有關一種換能器（transducer），特別是關於一種使用換能器以產生聲波或觸覺振動的能量轉換模組。
換能器為可將一種能量型態轉換為另一種能量型態的能量轉換裝置，最常見的為機電式之換能器如馬達或發電機，馬達係將輸入之電能藉由電磁感應而將機械能輸出，一般常見之馬達係以旋轉運動之方式將機械能輸出，如有刷直流馬達、伺服馬達、步進馬達等﹔其它比較少見的如線性馬達，其乃將電能之輸入直接轉換成線性運動輸出。若改變能量轉換之方向，以機械能輸入而轉換成電能之輸出，則所得之裝置即稱為發電機，常見之發電機形式為電力系統所用之單相或三相交流發電機。此外，換能器亦可以智能材料（smart material）來設計實現，常見之智能材料如壓電材料（piezoelectric material）、電活性聚合物（Electro-Active Polymer, EAP）、形狀記憶合金（Shape Memory Alloy, SMA）、磁致伸縮材料（Magnetostrictive Material）、電致伸縮材料（Electrostrictive Material）等等。
第一圖顯示一種傳統能量轉換裝置，其中換能器10常以壓電材料為之，如單壓電晶片（unimorph）、雙壓電晶片（bimorph）、或多壓電晶片（multimorph），利用其逆壓電效應（Reverse Piezoelectric Effect）之特性將輸入之電訊號轉換成機械運動輸出。一般常用之壓電片形狀為矩形或圓形（常用於製作蜂鳴片），但也有可能以其它之形式呈現，視實際應用情況而定。若以輸出之力量大小當成性能指標，則以多壓電晶片最優，雙壓電晶片次之，而單壓電晶片最差。若以成本來看，則壓電晶片之價格與其壓電材料之堆疊層數成正相關，因此若性能要求不高，基於成本考量一般使用單壓電晶片。
第一圖所顯示之結構為一傳統之震動傳遞裝置（Vibration Propagation Device），藉由驅動彈性換能器10，而換能器10之震動能量經由黏貼件12傳遞到上殼體14用以產生聲波（acoustic wave）或觸覺回饋（haptic feedback）。然由於一般常用之換能器10之材料，其端點或邊緣之擺幅及出力有限，致使其所能傳遞之震動能量有限，而這會造成觸覺回饋之觸感反應不明顯，或使上殼體14所能產生之音壓（Sound Pressure Level, SPL）過低。
因此，亟需提出一種新穎的能量轉換模組，用以簡化組裝程序或增加慣性力量。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種能量轉換模組，其較傳統能量轉換裝置具有較好的聲波或觸覺振動效果，或可改善能量轉換裝置的組裝程序。本發明實施例可用以增加振動擺幅或提升傳遞之慣性力。
根據本發明實施例，能量轉換模組包含第一換能器及第二換能器，其中，第二換能器設置於第一平板與第一換能器之間。
根據本發明另一實施例，能量轉換模組還包含一塊體，設於第一換能器與第二平板之間。根據本發明又一實施例，能量轉換模組還包含一第三換能器，設置於第一換能器與第二平板之間。
第二圖顯示本發明實施例的能量轉換模組（transducer module）之截面圖。在本實施例中，能量轉換模組係用以將電能轉換為機械能，但不以此為限。本實施例之能量轉換模組主要包含第一換能器（transducer，標示為P）21及第二換能器（標示為P’）23。其中，第二換能器23設置於第一平板25A與第一換能器21之間。第一換能器21與第二換能器23之間還可使用絕緣件（未顯示於圖式中）予以分隔。當施加一時變(time-varying)電場於第一換能器21時，由於第一換能器21本身之機電耦合的特性，第一換能器21會將時變電場轉換成機械能而使其左右兩端產生擺動。第一換能器21藉由第二換能器23而與第一平板25A產生機械連結，當第一換能器21之左右兩端產生上下擺動時，其所產生之慣性力將會藉由第二換能器23而傳至第一平板25A。若第一平板25A為一觸控面板，則此慣性震動可用於在第一平板25A產生觸覺回饋（haptic feedback），藉以提升在觸控介面上之輸入正確性或應用程式互動之擬真性。此外，由於聲音的本質即是藉由振動介質（如空氣、水或金屬）來傳遞，因此第一平板25A亦可當成一平板喇叭（flat panel loudspeaker ）的振動平面，藉由驅動第一換能器21產生慣性力去敲擊第一平板25A而產生聲波（acoustic wave）。此外，可於驅動第一換能器21的同時亦施加一時變電場於第二換能器23，使得第一換能器21與第二換能器23所產生之震動為同相（in phase，即建設性干涉）或接近同相（相位差很小），則於第一平板25A所產生之震動量亦會加大，進而提升觸覺回饋或聲波傳遞的效果。
如第三A圖所示，第二換能器23可使用嵌入方式設置於第一平板25A的表面，第二換能器23也可使用嵌入方式設置於第一換能器21的表面。第三A圖所示的第一換能器21具平面狀，但是，也可具其他形狀。例如，第三B圖顯示另一能量轉換模組之截面圖，其第一換能器21具曲面狀。第三A圖之作動原理與第二圖相同，差別僅在於第二換能器23的固定方式；第三B圖之作動原理與第二圖相同，差別僅在第一換能器21的幾何形狀。
第三C圖顯示又一能量轉換模組之截面圖，其更包含一塊體27及一第二平板25B，其中，塊體27設置於第一換能器21與第二平板25B之間。若以第一平板25A為固定基座，則當對第一換能器21施以一時變電場時，第一換能器21之左右兩端會上下擺動，且此上下擺動之慣性力會藉由塊體27而傳遞至第二平板25B。若第二平板25B為一觸控板（touch pad）、觸控螢幕（touch panel）或其它觸控介面，則此震動可用來產生觸覺回饋；此外，亦可將第二平板25B當成平板喇叭之震動平板而用以產生聲波。若於驅動第一換能器21的同時亦施加一時變電場於第二換能器23，使得第一換能器21與第二換能器23所產生之震動為同相（in phase，即建設性干涉）或接近同相（相位差很小），則於第二平板25B所產生之震動量亦會加大，進而提升觸覺回饋或聲波傳遞的效果。上述塊體27可置換為第三換能器（未圖示），當第一換能器21、第二換能器23、及第三換能器作用於第二平板25B之慣性力同相或接近同相，則於第二平板25B所產生之震動量會加大，進而提升觸覺回饋或聲波傳遞的效果。
第三D圖顯示再一能量轉換模組之截面圖，其較第三C圖結構更包含一第三換能器（標示為P’’）29，其也是設置於第一換能器21與第二平板25B之間。第一換能器21與第三換能器29之間還可使用絕緣件（未顯示於圖式中）予以分隔。在本實施例中，塊體27與第二換能器23的設置位置靠近第一換能器21的一端，且第三換能器29的設置位置靠近第一換能器21的另一端。第三D圖之作動原理與第三C圖類似，差別在於第三D圖的第二換能器23及塊體27位於第一換能器21之一端，且於第一換能器21之另一端上方多加一第三換能器29。當第一換能器21、第二換能器23、及第三換能器29透過塊體27而作用於第二平板25B之慣性力同相或接近同相，則於第二平板25B所產生之震動量亦會加大，進而提升觸覺回饋或聲波傳遞的效果。以下將詳述第二圖及第三A-D圖所示各種能量轉換模組的各個組成要件。
在本實施例中，部分或全部組成要件可製造為模組型態，以利快速組裝。亦即，可將第一換能器21、第二換能器23、第一平板25A、塊體27、第二平板25B及第三換能器29等組成要件的一部份製造為模組。本實施例各個組成要件之間的設置方式可使用一體成型、黏固、鎖固、鏍固或其他技術。第一平板25A或第二平板25B可以是螢幕、觸控面板、框架（frame）、基板或殼體（housing）。塊體27可以是空心或實心的，形狀可為筒狀、柱狀或其他形狀，且數目可以為一或多於一。
在本實施例中，第一換能器21、第二換能器23或第三換能器29所使用的智能材料可為壓電（piezoelectric）材料（例如鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，PZT））、電活性聚合物（electroactive polymer，EAP）、形狀記憶合金（shape memory alloy, SMA）、磁性收縮材料（magnetostrictive material）、音圈馬達（voice coil motor）、偏軸轉動質量馬達（eccentric rotating mass (ERM) motor）或線性共振致動器（linear resonant actuator, LRA），但不限定於此。
第四A圖顯示一種第一換能器21、第二換能器23或第三換能器29的詳細截面圖。以第一換能器21為例，其包含導電層210、第一智能材料層211A及第一電極層212A。其中，第一智能材料層211A形成於導電層210上表面，再於第一智能材料層211A上表面塗佈第一電極層212A。導電層210及第一電極層212A分別作為驅動第一智能材料層211A所需的二電極，且該導電層210實施上為一種可供導電之薄層材料(如電極層)或板狀材料(如金屬板)；當導電層210為金屬板時，可增加第一換能器21之堅韌性、耐用性，並可增加慣性力量，以產生聲波或觸覺回饋。第四A圖的第一換能器21使用單層的第一智能材料層211A，因此一般若採用壓電材料，稱為單壓電晶片（unimorph）。此外，於實施上，第一換能器21可以採用二或多層第一智能材料層211A，以形成習知的多/積層(multi-layers)壓電晶片。
第四B圖顯示另一種第一換能器21或第二換能器23的詳細截面圖。以第一換能器21為例，其包含導電層210、第一智能材料層211A、第一電極層212A、第二智能材料層211B及第二電極層212B。其中，第一智能材料層211A形成於導電層210的上表面，再於第一智能材料層211A上表面塗佈第一電極層212A。第二智能材料層211B形成於導電層210的下表面，再於第二智能材料層211B的下表面塗佈第二電極層212B。導電層210係作為第一/第二智能材料層211A/B的共電極，而第一/第二電極層212A/B分別作為驅動第一/第二智能材料層211A/B所需之電極。第四B圖的第一換能器21使用雙層的第一/第二智能材料層211A/B，因此一般若採用壓電材料，稱為雙壓電晶片（bimorph）。此外，於實施上，第一換能器21的至少一側可以採用二或多層第一智能材料層211A或者二或多層第二智能材料層211B，以形成習知的多/積層(multi-layers)壓電晶片。
第五A圖至第五E圖例示各種形狀之第一換能器21的上視圖。其中，第五A圖顯示一種矩形第一換能器21的上視圖，其至少包含一矩形導電層210及一矩形第一智能材料層211A（未顯示出一第一電極層212A）。第五B圖顯示一種圓形第一換能器21的上視圖，其至少包含一圓形導電層210及一圓形第一智能材料層211A（未顯示出第一電極層2312A）。第五C圖顯示一種三叉星（tri-forked star）形第一換能器21的上視圖，其至少包含三叉星形導電層210及三叉星形第一智能材料層211A（未顯示出第一電極層212A）。第五D圖顯示一種十字形第一換能器21的上視圖，其至少包含導電層210及第一智能材料層211A（未顯示出第一電極層212A）。
上述各種形狀的第一換能器23係以單壓電晶片（unimorph）為例。實施上同樣可增加第二智能材料層211B形成於導電層210的下表面，再於第二智能材料層211B的表面塗佈第二電極層212B，形成前述雙壓電晶片（bimorph）。
第五E圖顯示另一種十字形第一換能器21的上視圖，於該十字形導電層210上，具有兩個垂直相交成十字形的第一智能材料層211A，且使用絕緣件213將兩者絕緣隔離，該絕緣件213可為絕緣層或絕緣體。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10．．．換能器
12．．．黏貼件
14．．．上殼體
21．．．第一換能器
210．．．導電層
211A．．．第一智能材料層
211B．．．第二智能材料層
212A．．．第一電極層
212B．．．第二電極層
213．．．絕緣件
23．．．第二換能器
25A．．．第一平板
25B．．．第二平板
27．．．塊體
29．．．第三換能器
P．．．第一換能器
P’．．．第二換能器
P’’．．．第三換能器
第一圖顯示傳統能量轉換裝置。
第二圖顯示本發明實施例的能量轉換模組之截面圖。
第三A圖至第三D圖顯示本發明實施例的各種能量轉換模組之截面圖。
第四A圖顯示一種第一/第二換能器的詳細截面圖。
第四B圖顯示另一種第一/第二換能器的詳細截面圖。
第五A圖至第五E圖例示各種形狀之第一換能器的上視圖。
第二圖顯示本發明實施例的能量轉換模組之截面圖。
第三A圖至第三D圖顯示本發明實施例的各種能量轉換模組之截面圖。
第四A圖顯示一種第一/第二換能器的詳細截面圖。
第四B圖顯示另一種第一/第二換能器的詳細截面圖。
第五A圖至第五E圖例示各種形狀之第一換能器的上視圖。
21．．．第一換能器
23．．．第二換能器
25A．．．第一平板
P．．．第一換能器
P’．．．第二換能器
Claims (15)
- 一種能量轉換模組，包含：
一第一換能器；及
一第二換能器，其中，該第二換能器設置於一第一平板與該第一換能器之間。 - 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第二換能器以嵌入方式設置於該第一平板的表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第二換能器以嵌入方式設置於該第一換能器的表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器具平面狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器具曲面狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，更包含一塊體，設於該第一換能器與一第二平板之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之能量轉換模組，更包含一第三換能器，設置於該第一換能器與該第二平板之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之能量轉換模組，其中該第一平板或該第二平板為螢幕、觸控面板、框架（frame）、基板或殼體（housing）。
- 如申請專利範圍第7項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器、該第二換能器或該第三換能器所使用之智能材料為壓電材料、電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金（SMA）、磁性收縮材料、音圈馬達（voice coil motor）、偏軸轉動質量馬達（ERM motor）或線性共振致動器（LRA）。
- 如申請專利範圍第9項所述之能量轉換模組，其中該壓電材料為鋯鈦酸鉛（PZT）。
- 如申請專利範圍第7項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器、該第二換能器或該第三換能器包含：
一導電層；
至少一第一智能材料層，形成於該導電層上表面；及
至少一第一電極層，形成於該第一智能材料層上表面。 - 如申請專利範圍第11項所述之能量轉換模組，其中該導電層為一金屬板。
- 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器為矩形、圓形、十字形或三叉星形。
- 如申請專利範圍第13項所述之能量轉換模組，其中該十字形第二換能器具有一十字形導電層，兩個第一智能材料層，垂直相交於該十字形導電層上，且使用絕緣件將兩者隔離。
- 如申請專利範圍第11項所述之能量轉換模組，其中該第一換能器、該第二換能器或該第三換能器更包含：
至少一第二智能材料層，形成於該導電層的下表面；及
至少一第二電極層，形成於該第二智能材料層的下表面。
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