TW201810744A - 包含磁電轉換器之發電機及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種磁電轉換器(200)，其能夠將一磁場(B)之變化轉換成兩個電端子(202,203)間之電位差(電壓)；該轉換器包含： o 一支撐層(50)，其包含該兩個電端子(202,203)； o 設置在該支撐層(50)上，包含一第一層(10)及一第二層(20)之一層堆疊，該第一層(10)由一磁致伸縮材料製成並定義出一參考平面，該第二層(20)由一壓電材料製成且在平行於該參考平面而由該第二層(20)所定義之平面中具有一第一極化軸(21)；該第二層(20)包含複數個電極(23, 24)；及 o 將該些電極(23, 24)電性連結至該些電端子(202,203)之裝置。
Description
本發明與能源回收用裝置有關。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。該磁電轉換器包括磁致伸縮材料與壓電材料之一層堆疊。
磁致伸縮效應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。一鐵磁棒在磁場影響下，若其磁致伸縮係數是正數，該磁棒尺寸會伸長，若磁致伸縮係數為負數則會縮短。在沒有磁場的情況下，鐵磁棒理論上會恢復到原先形狀。若鐵磁棒在磁場方向上縱向擴張，為了維持其體積實質上恆定，鐵磁棒橫向上會出現收縮。
壓電效應則指在機械力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)尤其為人所知。當鋯鈦酸鉛安裝兩個電極時，可透過將鋯鈦酸鉛加熱至明顯低於其居禮溫度之溫度，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會因應施加於該壓電材料之機械力而出現過剩電荷。就包含相互平行頂面與底面之一鋯鈦酸鉛材料層而論，極化軸可被定向成垂直於頂面及底面之方向，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」。為了將機械力/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)。
從習知技術得知(參見WO 2015/059421或T. Lafont 等人之文章 “Magnetostrictive-piezoelectric composite structures for energy harvesting”, Journal of Micromechanics and Microengineering, no. 22, 2012)，發電裝置包含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之一磁電轉換器。該轉換器首先包括一機電換能器，其設有一壓電材料層，能將機械形變轉換為連接至該層電極之兩個電端子間之電位差。該轉換器亦包括一磁致伸縮材料層，其在前述參考平面上被固定於機電換能器且沒有任何自由度，該磁致伸縮材料層能夠能將磁場變化轉換為施加於該機電換能器之一機械形變。
然而，習知技術並未提出簡單、高效率且體積小巧之發電機組構。
本發明之一目的是提出一磁電轉換器，其適合於製造簡單、效率高且體積小巧的發電機。
本發明首先涉及能將磁場變化轉換為兩個電端子間之電位差(電壓)之一磁電轉換器，該轉換器包括： 包含該兩個電端子之一支撐層； 設置於該支撐層上之一層堆疊，包括定義其參考平面由一磁致伸縮材料所製成之一第一層； 設置於該支撐層上之一層堆疊，其第一層由一磁致伸縮材料所製成且定義出一參考平面，其第二層由一壓電材料製成，並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第一極化軸；該第二層包含電極；及 用於將該些電極電性連接至該些電端子之裝置。
根據本發明，該轉換器之轉換效能與所述層堆疊之特性有關。該支撐層與該連接裝置的存在容許大幅縮小佔用空間。
不論單獨或組合實施，本發明提出之轉換器的有利特點包括： • 所述層堆疊在該第一層與第二層之間包含一接合層； • 該第二層之金屬電極是設置於其至少一表面上或其邊緣之指叉式電極； • 該層堆疊包括由一壓電材料製成之一第三層，該第三層在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，該第二極化軸與該第一極化軸垂直或對齊在15°內； • 該第三層之金屬電極是設置於其至少一表面上之指叉式電極； • 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)； • 所述之磁致伸縮材料包括結晶態或燒結之鋱鐵鏑合金(Terfenol-D)、鐵鎵合金(Galfenol)、铽鐵合金(terbium iron) 鐵鈷合金(iron-cobalt)、鐵鎳合金(iron-nickel)或非晶質鐵矽硼合金(FeSiB)； • 該層堆疊與支撐層的形狀為圓形； • 該磁電轉換器的直徑小於3公分，且其直徑對厚度的比例大於3； • 該支撐層是一印刷電路； • 該印刷電路包括至少一個切換功能，以收集在該些電極上產生的電荷； • 該印刷電路包括儲存該些電極上所產生電荷之至少一功能； • 該印刷電路包括處理該些電極上所產生電荷而引發之電訊號之至少一功能； • 連接該些電端子及電極之電性連接裝置，包括設置於該層堆疊邊緣上及該支撐層邊緣或外緣上之至少兩個導電黏著材料條； • 該第一層邊緣與該些導電黏著材料條，以一絕緣黏著材料層隔開； • 連接該些電端子及電極之電性連接裝置，包括至少兩個打線接合線材； • 連接該些電端子及電極之電性連接裝置，包括該層堆疊中之至少兩個導電貫穿孔；及 • 該轉換器包括一緩衝層，其材料具有聲波吸收特性，且被設置於該層堆疊及該支撐層之間。
本發明也涉及一發電裝置，其包括： • 如上所述之一磁電轉換器；及 • 在所述參考平面上產生一磁場之一來源； 該磁場源與該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得以變化。
不論單獨或組合實施，本發明所述之發電裝置的有利特點包括： • 該磁場源定義出所述磁場運行其中之一殼體；該轉換器置於該殼體中；及 • 該磁場源為一海爾貝克磁性滾筒(Halbach cylinder)。
最後，本發明涉及一種用於製作磁電轉換器之方法，其包括： • 提供一磁致伸縮材料之第一層之步驟； • 提供一壓電材料製成之第二層，使該第二層在其所定義平面中具有一第一極化軸，並使該第二層包含電極之步驟；及 • 組裝該第一層與該第二層，以形成所述層堆疊之步驟。
不論單獨或組合實施，本發明所述製作方法的有利特點包括： • 該磁致伸縮材料轉換器製造方法，包括提供提供一壓電材料製成之第三層，使該第三層在其所定義平面中具有一第二極化軸，並使該第三層包含電極之步驟； • 該磁電轉換器製造方法，包括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之步驟； • 該組裝步驟包括塗佈一接合層，例如黏著劑，在待組裝之至少一表面上，並使所述表面互相接觸；及 • 該磁電轉換器製造方法，包括組裝該層堆疊與一支撐層，以將至少一壓電材料層之該些電極連結至兩個電端子之步驟。
圖1繪示依照本發明之一發電裝置400的概括圖。該發電裝置400包括一磁場源300及能夠將一磁場B之變化轉換成電端子202,203間電位差(電壓)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，該層堆疊由包含定義出一參考平面(x,y)之一磁致伸縮材料第一層10，以及一壓電材料第二層20所組成。該磁場B的部分磁場線平行於該參考平面(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的整體尺寸(例如縮減至大約1立方公分)，該磁場源300的尺寸是小的。該磁場強度舉例而言可為大約0.3特士拉(Tesla)或在0.1及0.6特士拉之間。選定磁致伸縮材料使其具有高於30ppm之磁致伸縮係數。該磁致伸縮材料可以是結晶態或燒結之鋱鐵鏑合金(Terfenol-D)、鐵鎵合金(Galfenol)、铽鐵合金(terbium iron)或鐵鈷合金(iron-cobalt)或非晶質鐵矽硼合金(FeSiB)。在該參考平面(x,y)中一磁場B之影響下，該磁致伸縮材料第一層(10)會沿著平行於所述磁場B之軸線經受形變。
根據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。
形成該轉換器之層堆疊
從圖1繪示所見，該轉換器200包括一層堆疊，其由一磁致伸縮材料第一層10及一壓電材料第二層20所形成。
因此，用於製作一層堆疊100的方法包括提供一磁致伸縮材料第一層10。該方法也包括提供一壓電材料第二層20，且使該第二層20在其所定義之一平面中具有一極化軸21(稱為「第一極化軸」)之步驟。該第二層20之至少一表面包含電極，以指叉式電極23,24較佳(圖2a)。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。
根據一第一變化例，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；每個電極的多個指叉部分可以圓弧的一段連結，如圖2a所示，尤其是當第二層20為圓形時。
根據一第二變化例，各電極的指狀部分可使用一導電元件，例如一打線接合，成對相連在該第二層20的表面上或其邊緣上：此組構尤其能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的更大表面積上擴展有效電荷收集的部分。
根據一第三變化例，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厚度中，而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之技術，以根據此第三變化例製作該第二層20。此組構使電荷收集效率最大化變得可能，因其使用了第二層20的整個厚度。此第三變化例可包含前述第一及第二變化例所述每個電極之指狀部分之連接模式中任一者。
用於製作該層堆疊100之方法，包括組裝該第一層10與該第二層20之步驟。該組裝步驟首先可包括分別在該第一層10或該第二層20待組裝之至少一表面上塗佈一薄膜或一圈黏著劑40。
圖3a～3f 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3a)；然後將該第一層10與第二層20相對排列(圖3b)。該組裝步驟接著包括使第一層10及該第二層20的待組裝表面互相接觸(圖3c)。為了在該二層之接觸面得到一均勻黏著劑層40’，可施加均勻壓力使兩層結合在一起。
這樣，該層堆疊100便由與該壓電材料第二層20連結之磁致伸縮材料第一層10形成，該第二層在其至少一表面上設有電極23,24。
根據一變化例，該層堆疊101製作方法包括提供一壓電材料第三層30，使該第三層30在其所定義之一平面中具有一極化軸31(稱為該「第二極化軸」) 之步驟(圖2b)。本發明有利的是，該第三層之至少一表面包括指叉式電極33,34，且該極化軸31平行於所述表面之平面，且特別是垂直於形成該些指叉式電極33,34之導電材料的指狀部分。
該製作方法也包括組裝該層堆疊100及該第三層30之一步驟，以使該第一層10設置於該第二層20及第三層30之間。該組裝係在塗佈一黏著劑薄膜41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其中一面之間進行。作為一示例，該黏著劑薄膜41係塗佈在該第三層30之一表面，如圖3d所示。本發明有利的是，組裝的進行可使得所述第一極化軸21與該第二極化軸31對齊或垂直，例如在15°內。根據另一有利組構，該第一極化軸21相對於該第二極化軸31之定位之精確度甚至可以優於5°。該第一極化軸21與該第二極化軸31被包含在實質上平行的平面(分別是該第二層定義之平面及該第三層定義之平面)中，此二軸之對齊在於限制它們在平面視圖中(該些層之平面中)相對於彼此所形成之角度。換言之，就是這些軸在投射到該些層其中之一所定義平面上所形成的角度小於15°(或5°)。
以此方式形成之該層堆疊由設置在該壓電材料第二層20與第三層30間之該磁製伸縮材料第一層10所組成，各壓電材料層在其至少一表面上(圖3f)設有電極 23, 24, 33, 34。
組裝步驟期間使用的黏著劑，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。為確保該第一層10之形變有效地移轉到該第二層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，可以各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
根據本發明之磁電轉換器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(電壓)。該磁電轉換器200包含前述該些層堆疊100,101任一者。
如圖4a～4c所示，使用一支撐層50可使一電端子202電性連接到該些指叉式電極23,33其中之一，並使另一電端子203連接至另外的指叉式電極24,34其中之一。舉例而言，此支撐層50可包括一印刷電路(亦稱為PCB，代表「印刷電路板」)。該支撐層50，舉例而言，可透過一黏著劑層42接合至該層堆疊100,101之第二層20或第三層30之自由面 (圖4a)。如圖4a所示，該支撐層50背面可包含電端子202,203，其正面則與該層堆疊100,101組裝在一起。這些電端子202,203之後可連接到該其他部件，以製造該發電裝置400。
該些指叉式電極23,24,33,34與該支撐層50之接點(可連接至會經受電位差的二個電端子)間的電性連接，可透過設置在該轉換器200邊緣上，詳言之為在該層堆疊100,101之邊緣上及該支撐層50邊緣或外緣上，之導電膠條43而建立。所謂「邊緣」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示的參考平面(x,y)。該些層的外緣對應於一主要面上的周邊部分。該磁致伸縮材料第一層10之邊緣已先被一電絕緣材料膜44包覆，詳言之是為了防止該些導電膠條43因為接觸到該第一層10而短路(圖4c)。
作為替代方案，該些指叉式電極23,24,33,34與該支撐層50接點之間的電性連接，可以使用打線接合(wire bonding)而建立。其線材可以從包含該些電極之第二層20(及/或第三層)表面或其邊緣，連結到該支撐層50之一表面或邊緣。
作為替代方案，該些指叉式電極23,24,33,34與該支撐層50之接點間的電性連接，可透過貫穿該層堆疊100,101的導電貫孔而建立。
該支撐層50可有利地具有類似該層堆疊100,101之形狀，例如圓形。根據一變化例，該層可以連接至一第二印刷電路，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，儲存這些電荷之功能及/或處理所引發的電訊號之功能。
根據另一有利變化例，該支撐層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)上所產生的電荷。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)上產生之電荷所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，其包含至少一種具聲波吸收特性之材料。該緩衝層係以一黏著劑薄膜先與該層堆疊100,101組裝，再與該支撐層50組裝。
在該轉換器200中，該緩衝層的作用為吸收聲波，該聲波可能來自在回收該轉換器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更詳細解說)，該第二(及/或第三)壓電材料層20,30所發生之形狀及/或應力狀態的遽然改變。每次回收電荷，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。該緩衝層可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。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可被置於由一磁場源300定義的殼體中，一磁場B運作其中，其部分磁場線被包含在該轉換器200之磁致伸縮材料第一層10定義之一參考平面中。該轉換器200有利地具有圓形形狀，其直徑小於3公分，且其直徑對厚度的比例大於3。因此能形成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，使得所述磁場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，該轉換器會被置於該磁場源300之殼體中，使得該磁場之初始方向平行或垂直於分別為該壓電材料第二層20與第三層30之該第一極化軸21及/或該第二極化軸31。
如圖5a所示，在磁場作用下，該磁致伸縮材料第一層10被磁化，且沿著平行於該磁場之Y軸經受形變。此形變對應於該層堆疊100,101在該參考平面中沿著該軸y(根據圖5a所繪示例，該軸y平行於該極化軸21, 31)之一擴張，以下稱為「最大擴張」。在此同時，該層堆疊100,101在該參考平面(x,y)中沿著x軸經受一收縮(即一負擴張)，以下稱為「最小擴張」。如圖5a所示，該第一層10的形變以轉換器200沿著y軸之橢圓化概要呈現。此形變適用於該第二層20(以及第三層30，如果有的話)且對應於該轉換器200的初始狀態。
為了產生一磁場變化，可透過旋轉該磁場源300，將磁場定向從，舉例而言，初始方向順時針轉到一方向(如圖5b所示)。作為替代方案，可使該轉換器200旋轉。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y軸之分量減小，該第一層10會沿著y軸收縮，並從最大擴張變成較小的中度擴張； 該第一層10也會沿著x軸擴張，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將那些變化傳遞到在該層堆疊100,101中與其連接之第二層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從該方向順時針轉到一方向(如圖5c所示)，該層堆疊100,101會從該第二狀態改變成一第三狀態，其中： 該第一層會沿著y軸更加收縮，從中度擴張變成最小擴張(最大收縮)； 因該磁場與x軸對齊，該第一層會沿著x軸擴張，從中度擴張變成最大擴張。
該磁場B在初始位置及第三位置之間的變化，因而引發了第一層10的形變變化，又傳遞到該第二層20(而且很可能到第三層30)。該壓電材料第二層20及第三層30以d33模式運作，亦即因該極化軸在該層的平面中，因此會對相同平面中的形變敏感而產生電荷。
根據本發明所述之一有利組構，就該轉換器200而言，從所述初始狀態到第三狀態，該第二層20及該第三層30會沿著其極化軸21,31 經受最大形變，從一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(從到)，使該轉換器200從其初始狀態變成第三狀態，因此可在該些電端子202,203間產生電位差：依照本發明之該轉換器200組構，此電位差是極大的，因此可在發電裝置400之一小型組構中，保證該轉換器200具有良好效率。
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此時再次處於一第四狀態，被視為一新的初始狀態。該磁場變化從順時針方向變化到，會讓該層堆疊100,101從一初始第四狀態變為一第五狀態，其中： 因該磁場與y軸對齊，該第一層會沿著y軸擴張，從最小擴張變成最大擴張； 該第一層會沿著x軸收縮，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)可累積在另一側指叉式電極24,34，並可在該發電裝置之另一側電端子上加以收集。
因此，本發明提出縮小體積之一發電裝置400，其包括一高效率磁電轉換器200，該磁場源300與該轉換器200相對於彼此每轉動四分之一圈便能夠產生大量電荷。
在一些情況下，該磁場源300被有利地選定成使得普遍存在其殼體中之均勻磁場強度，低於使該第一層10之磁致伸縮材料達到磁性飽和所需強度。因此根據本發明，發電裝置400具有改良之堅固耐用優點。因為該磁致伸縮材料第一層10運作時不是處於磁性飽和模式，所以該轉換器200對於形變循環展現出較大機械抵抗力。相較於在磁性飽和模式下運作的發電裝置轉換器，就形變循環而言，根據本發明所述轉換器200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，因為當轉換器的磁性材料不是各向同性時，雜散扭矩傾向於將優先形變軸置於與磁場一致的位置。
實施示例
根據本發明之一實施示例，所述層堆疊101由一鋱鐵鏑合金(Terfenol-D)製成之第一層10，以及分別與該第一層的兩面組裝之鋯鈦酸鉛(PZT)製成之第二層及第三層所組成。該層10舉例而言為圓形、1公釐厚且直徑為 2公分。每一鋯鈦酸鉛層舉例而言厚度100微米且直徑為 2公分。在此實施示例中，第二層20及第三層30分別在其每一表面上具有指叉式電極23,24,33,34。這種組構在回應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。鋯鈦酸鉛製成之第二層20與第三層30分別在其所定義之平面上包含一第一極化軸21及第二極化軸31。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。接著施加壓力使該第一層10與第二層20相互接觸，並使黏著劑40均勻分佈於接觸面，這樣便製作出層堆疊100。
接著，將一非導電之黏著劑41層塗佈在該第三層30的待接合表面上，然後在其上放置該層堆疊100，該第一層10之自由面正對第三層30塗佈黏著劑那面，該第一極化軸21與該第二極化軸31的對齊，舉例而言，可以透過電極梳狀部分23,24與33,34的光學對齊來完成。或是給每個電極一種方便定位的局部標記，也可能達成此一對齊。
然後施加壓力使塗佈黏著劑的表面互接觸，並使黏著劑40均勻分佈於接觸面。對齊之精確度可讓該兩個極化軸21,31對齊優於15°。作為替代方案，如上所述，在該層堆疊101中，該些極化軸可相對於彼此被定位成90°。
接著，將直徑2公分、數百微米厚之一印刷電路層50(該支撐層)之一待接合表面塗上黏著劑(黏著劑層42)，以將其接合至諸如該第三層30之自由面。
設置一黏著劑44薄膜或其他非導電材料之薄膜，以保護並絕緣隔離該鋱鐵鏑合金第一層10之邊緣。接著設置導電材料條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，透過諸如使用具有旋轉方向的磁場來施加磁場B的變化，而使該磁電轉換器200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；該磁場之強度被有利地選定成低於使該磁致伸縮材料第一層10達到磁性飽和的強度。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間之一相對旋轉運動，用於產生該磁場之變化。
本發明不限於本說明書所述之實施方式，而且，該些實施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。
10‧‧‧第一層
20‧‧‧第二層
21‧‧‧極化軸
23、24‧‧‧電極
30‧‧‧第三層
31‧‧‧第二極化軸
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‧‧‧磁場
20‧‧‧第二層
21‧‧‧極化軸
23、24‧‧‧電極
30‧‧‧第三層
31‧‧‧第二極化軸
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‧‧‧磁場
本發明的其他有利特點與優點，在參考隨附圖示與以下詳細說明時呈現，其中： • 圖1繪示根據本發明之一發電裝置之概括圖； • 圖2a及2b繪示壓電材料製成之一第二層與第三層，其根據本發明適合用於所述磁電轉換器； • 圖3a～3f繪示根據本發明之一種用於製作磁電轉換器之層堆疊之方法； • 圖4a～4c繪示根據本發明之一種用於製作轉換器之方法； • 圖5a～5c繪示根據本發明之一小體積發電裝置之運作概括圖。
Claims (24)
- 一種磁電轉換器(200)，其能夠將一磁場(B)之變化轉換成兩個電端子(202,203)間之電位差；該轉換器包含： • 一支撐層(50)，其包含該兩個電端子(202,203)； • 設置在該支撐層(50)上，包含一第一層(10)及一第二層(20)之一層堆疊(100, 101)，該第一層(10)由一磁致伸縮材料製成並定義出一參考平面，該第二層(20)由一壓電材料製成且在平行於該參考平面而由該第二層(20)所定義之平面中具有一第一極化軸(21)；該第二層(20)包含複數個電極(23, 24)；及 • 將該些電極(23, 24)電性連結至該些電端子(202,203)之裝置。
- 如申請專利範圍第1項之磁電轉換器(200)，其中該層堆疊(100, 101)包含設置在該第一層(10)與該第二層(20)間之一接合層(40)。
- 如申請專利範圍第1或2項之磁電轉換器(200)，其中該第二層(20)之金屬電極(23, 24)為存在於該第二層(20)至少一表面上或邊緣上之指叉式電極。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之磁電轉換器(200)，其中該層堆疊(101)包含由一壓電材料製成之一第三層(30)，該第三層(30)在由其所定義之平面中具有一第二極化軸(31)，且該第一層(10)設置在該第二層(20)與該第三層(30)之間；該第二極化軸(31)與該第一極化軸(21)對齊或相交在15°以內。
- 如申請專利範圍第4項之磁電轉換器(200)，其中該第三層(30)之金屬電極(33, 34) 為存在於該三層(30)至少一表面上之指叉式電極。
- 如申請專利範圍第1至5項中任一項之磁電轉換器(200)，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)。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之磁電轉換器(200)，其中所述磁致伸縮材料包括結晶或燒結之鋱鐵鏑合金(terfenol-D)、鐵鎵合金(galfenol)、鋱鐵合金(terbium iron)、鐵鈷合金(iron-cobalt)、鐵鎳合金(iron-nickel)或非晶質鐵矽硼合金(FeSiB)。
- 如申請專利範圍第1至7項中任一項之磁電轉換器(200)，其中該層堆疊(100, 101)及該支撐層(50)具有圓形形狀。
- 如申請專利範圍第8項之磁電轉換器(200)，其具有小於3公分之直徑及大於3之直徑厚度比。
- 如申請專利範圍第1至9項中任一項之磁電轉換器(200)，其中該支撐層(50)為一印刷電路。
- 如申請專利範圍第10項之磁電轉換器(200)，其中該印刷電路(50)包含收集在該些電極(23, 23, 33, 34)上所產生電荷之至少一切換功能。
- 如申請專利範圍第10或11項之磁電轉換器(200)，其中該印刷電路(50)包含儲存在該些電極(23, 23, 33, 34)上所產生電荷之至少一功能。
- 如申請專利範圍第10至12項中任一項之磁電轉換器(200)，其中該印刷電路(50)包含處理該些電極(23, 23, 33, 34)上產生之電荷所引發之電信號之至少一功能。
- 如申請專利範圍第1至13項中任一項之磁電轉換器(200)，其中將該些電極(23, 24)電性連結至該些電端子(202,203)之裝置包含設置在該層堆疊(100, 101)邊緣上及該支撐層(50)邊緣上之至少兩個導電膠條(43)。
- 如申請專利範圍第14項之磁電轉換器(200)，其中該第一層(10)之邊緣以一層絕緣黏著材料(44)與該些導電膠條(43)分開。
- 如申請專利範圍第1至13項中任一項之磁電轉換器(200)，其中將該些電極(23, 24)電性連結至該些電端子(202,203)之裝置包含至少兩個接合打線。
- 如申請專利範圍第1至13項中任一項之磁電轉換器(200)，其中將該些電極(23, 24)電性連結至該些電端子(202,203)之裝置包含該層堆疊(100, 101)中之至少兩個導電貫孔。
- 如申請專利範圍第1至17項中任一項之磁電轉換器(200)，其包含一緩衝層，該緩衝層之材料具聲波吸收特性，且該緩衝層設置在該層堆疊(100,101)與該支撐層(50)之間。
- 一種發電裝置(400)，其包括： • 如申請專利範圍第1至18項中任一項之磁電轉換器(200)；及 • 在該參考平面中產生一磁場(B)之一來源(300)； 其中該磁場源(300)及該轉換器(200)可相對於彼此旋轉，以改變該參考平面中所述磁場(B)之定向。
- 如申請專利範圍第19項之發電裝置(400)，其中該磁場源(300)定義出所述磁場(B)在其中普遍存在之一殼體，且該轉換器(200) 置於該殼體中。
- 如申請專利範圍第19或20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)。
- 一種用於製作一磁電轉換器(200)之方法，該方法包括： • 提供一磁致伸縮材料製成之一第一層(10)之步驟； • 提供一壓電材料製成之一第二層(20)，使該第二層(20)在由其所定義之一平面中具有一第一極化軸(21)並使該層包含複數個電極(23, 24)之步驟； • 將該第一層(10)與該第二層(20) 組裝以形成一層堆疊(100,101)之步驟；及 • 將該層堆疊(100,101)與一支撐層(50) 組裝以將至少一壓電材料層(20, 30)之電極連結至兩個電端子(202,203)之步驟。
- 如申請專利範圍第22項之磁電轉換器(200)製作方法，該方法包括： • 提供由一壓電材料製成之一第三層(30)，使該第三層(30)在由其所定義之平面中具有一第二極化軸(31)並使該層包含複數個電極(33, 34)之步驟；及 • 組裝該第三層(30)與該第一層(10)，使該第一層(10)設置在該第二層(20)與該第三層(30)間之步驟。
- 如申請專利範圍第22或23項之磁電轉換器(200)製作方法，其中所述組裝步驟包括在該些層(10,20,30)之待組裝之至少一表面上塗佈黏著劑並使該些表面互相接觸。
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