CN101591994A - 微功耗无源电子锁头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由固定锁头体、旋转锁芯、电子控制电路部件组成的微功耗无源电子锁头，旋转锁芯中安装有电子控制电路板并与之电连接的微型电动机和定位开关，微型电动机驱动的限位凸轮用于限制或开放锁定弹子在固定锁头体和旋转锁芯之间的位移运动，达到禁止或许可锁芯扭转开启或闭锁的目的。采用有源电子锁钥匙及以微型电动机作为执行元件工作的无源电子锁头，机电转换效率高，功耗特低，更环保，可直接取代、替换、升级传统机械锁具中的核心关键部件——机械锁头。

Description

微功耗无源电子锁头
所属技术领域
本发明属于电子锁具领域。
背景技术
采用市电或电池与锁体内电路直接连接供电的电子锁具，我们统称为“有源电子锁”。目前广泛应用的IC卡、ID卡、指纹识别等传统的“有源电子锁”，每把锁均需安装4-6枚5号电池，电池工作寿命一般为3-12个月，有源电子锁使用中不仅消耗大量电池，也增加了经常检查、更换电池等维护工作，因电池接触不良、电子元器件长期处在通电状态易老化而产生的故障，也影响到电子锁具的可靠性和寿命。采用市电供电的电子锁具，不仅使用范围受到限制，长年的待机功耗也不容小觑，给安装、使用、维护带来诸多不便，均不利于环保。
1999年，ZL99203695.X《电子锁钥匙》专利公开了基本的有源“电子锁钥匙”技术方案，钥匙内不仅含有产生开锁密码的IC芯片，更将电子锁的工作电池移植到了电子钥匙内，该项专利技术结合ZL99207205.0《电控锁电子定位装置》、ZL99202022.0《电动锁脱扣装置》(世界知识产权组识专利号：WO0042278；美国专利号：US6,502,870；欧洲专利号：EP1167663；澳大利亚专利号：AU752034B)成套专利技术，开发出了一系列使用有源“电子锁钥匙”工作的低功耗“无源电子锁”，“无源电子锁”易安装、易使用、省电环保，可靠性和使用寿命明显优于“有源电子锁”，但以上成套专利技术尚不能开发出体积小到一般通用机械锁头大小，能直接取代、替换“机械锁头”的“无源电子锁头”。
2000年，美国US6,615,625《电子锁定系统》(Electronic Locking System)专利(中国专利号：ZL01804076.4、ZL200710108769.5)公开了一种采用有源“电子锁钥匙”技术，开发出了体积为一般机械锁头大小的“无源电子锁头”，并推向了市场。
其不足之处：
1、由于该锁头选用了线性电磁螺线管作为执行元件，断电后线性电磁螺线管的柱塞(开、闭锁用限位衔铁)无定位自锁功能(断电后压簧即刻将柱塞自动复位)，因此，线性电磁螺线管必须通电吸住柱塞，开锁通电时间长达1秒钟左右(即等待钥匙扭转锁芯到一定角度的时间)，消耗了较多电能，其机电转换效率低，因此，只能选用较大体积、较大容量的电池安装在有源电子钥匙内，才能保证电池有上千次的开锁寿命，导致有源电子钥匙体积偏大。
2、因断电后柱塞无自锁功能，以致锁芯旋转角度不宜大于360°(一般防盗门用锁头要求锁芯旋转720°以上)，若要达到旋转多圈的要求，将消耗数十倍的开锁电能，已无实用价值，因此，局限了锁头的通用化范围。
3、因锁芯内电子控制电路中的微处理器(MCU)无法识别锁芯中销钉和柱塞的动态及静态机械位置，也就无法真正识别锁头的开、闭合状态，因此，不能满足通过有线网络、无线网络实现远程监控等智能化、安全性更高的要求。
2004年，ZL200410037420.3《智能无源电子锁头》专利公开了一种采用有源“电子锁钥匙”技术的“无源电子锁头”的实施方案。其不足之处是：由于仍选用线性电磁螺线管技术(电磁铁)作为执行元件，对机械动作元件的动、静态位置无识别能力，仍存在ZL01804076.4专利技术中的3点不足，该专利中没有阐述防止外力冲击误开锁的相关措施，若在锁头上施加冲击力，会导致动齿阖依惯性轴向窜动与被动齿阖咬合，这样，用锤子或重物打击锁头即可能开锁。
发明内容
发明目的：
提供一种克服上述现有技术不足的微功耗无源电子锁头，即机电转换效率更高、更省电，锁芯能任意旋转多圈，抗冲击、通用化、智能化、安全性更高、更环保的微功耗无源电子锁头，以取代、替换、升级传统机械锁具的核心和关键部件--机械锁头，拓展机电一体化锁具的应用领域和市场。
技术解决方案：
本发明涉及一种微功耗无源电子锁头，由固定锁头体、旋转锁芯和电子控制部件等组成。旋转锁芯1中安装有电子控制电路板13并与之电连接的微型电动机14、第一定位开关15、第二定位开关16，以及限位凸轮5、锁定弹子8，第一定位开关15、第二定位开关16分别设置在锁定弹子8和限位凸轮5的旁边，随其位移运动而发出开关量信息，微型电动机14输出轴上安装了限位凸轮5，闭锁时锁定弹子8被限位凸轮5的凸面5c，即最大直径处顶住而不能作轴向位移运动，锁定弹子8阻塞在旋转锁芯与固定锁头体之间，使两者不能相对扭转；电子控制电路板13发出开锁指令，限位凸轮5的凹面5b转动至与锁定弹子8相对，锁定弹子8随锁芯扭转而轴向移动，不再阻塞在固定锁头体与旋转锁芯之间，旋转锁芯可相对固定锁头体转动开锁；由步进式微型电动机14驱动的限位凸轮5标定位置有光反射面5a，光反射面5a与光电反射型第二定位开关16位置相对时，将获得标定位置信息，亦可用永磁体，或凸点取代光反射面5a，驱动磁控，或机电开关同样可获得标定位置信息，供电子控制电路板13处理，以确定驱动限位凸轮5的旋转角度，限位凸轮5每旋转90°，可分别阻止或开放锁定弹子8的轴向位移运动，即获得闭锁或开启锁头的基本功能；锁定弹子8上的臂杆8a驱动第一定位开关15，以获得锁定弹子8轴向位移运动位置的信息，供电子控制电路板13处理，进而判断电子锁芯是否被扭转开启。
优点及效果：
1.用步进式微型电动机或旋转螺线管(又名：旋转电磁铁，其基本工作原理与步进式微型电动机等同，其结构更简单)作为执行元件驱动无负荷的限位凸轮方案，比用线性电磁螺线管驱动有负荷(压簧)柱塞方案的机电转换效率高许多，驱动电流更小，开、闭锁通电时间只需数十毫秒，其工作功耗比线性电磁螺线管方案降低1个数量级以上，这意味相同容量的电池，其开锁次数(电池寿命)为线性电磁螺线管方案锁头的十倍以上，开、闭锁功耗甚微，因此，可使用更小体积、容量的电池，以适应省、小、轻、薄，更环保的现代潮流。
2.微型电动机转轴上的限位凸轮转动位置有自动识别、定位、自锁功能，不会因断电而改变位置，在不消耗电能状态下，锁芯能任意旋转多圈。
3.没有线性电磁螺线管柱塞样式可轴向惯性运动零件，因此，在锁头上任何方向施加冲击力都不会导致误开锁。
4.因电子锁芯内的微处理器可判断限位凸轮及锁定弹子的动、静态位置，及感知周边环境信息等功能，因此，可派生出能接入有线或无线通信网络，使之具有实时远程监控等智能化程度更高、功能更强大的新型电子锁头，应用面更广阔。
5.电子锁芯的通用化、标准化程度高，机械零部件少、结构紧凑、体积小，容易配套嵌入传统的、各种外形尺寸的锁头体中，制成独立的“无源电子锁头”，直接取代、替换、升级传统机械锁具的核心关键部件--机械锁头，形成无源电子锁具系列化产品。
附图说明
图1锁头透视图；
图2钥匙透视图；
图3钥匙插入锁头透视图；
图4钥匙分解透视图；
图5锁头第一实施例分解透视图；
图6锁头第一实施例组装剖视图；
图7锁头第一实施例闭锁状态，即图6的A-A截面剖视图；
图8锁头第一实施例开锁状态，即图6的A-A截面剖视图；
图9锁头第一实施例闭锁状态第二实施例A-A截面剖视图；
图10锁头第一实施例开锁状态第二实施例A-A截面剖视图；
图11锁头第二实施例组装剖视图；
图12锁头第二实施例闭锁状态，即图11的A-A截面剖视图；
图13锁头第二实施例开锁状态，即图11的A-A截面剖视图；
图14基本的钥匙与锁头电路框图；
图15微处理器钥匙与锁头电路框图；
图16可联网监控锁头剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
锁头透视图，如图1所示，典型的圆筒形电子锁头由旋转锁芯1、前盖2、锁头体3组成，前盖2与锁头体3可采用过盈配合、粘、焊接等工艺组装，3个接触电极11与绝缘衬套12镶嵌在旋转锁芯1上。当锁头与不同品种的机械锁具配套时，前盖和锁头体外形及结构可作相应改变，前盖与锁头体的配合也有多种方法，其配套及配合方法与一般传统机械锁头基本相同。
钥匙透视图，如图2所示，由盖21、底盒22和套筒23组合而成的一种电子钥匙外观造型。
钥匙插入锁头透视图，如图3所示，电子钥匙32插入电子锁头31的样式，其配合关系与一般机械圆筒钥匙锁等同。
钥匙分解透视图，如图4所示，底盒22上镶嵌了套筒23，套筒23内镶嵌了由绝缘体24隔离的3个弹性电极25，底盒内装入电子控制电路板26、电池27，由盖21封闭成一体。
锁头第一实施例分解透视图，如图5所示，分解后的电子锁头，能清晰看到前盖2、锁头体3、旋转锁芯1、端盖4等零部件的相对透视位置，可折弯的柔性电子控制电路板13上装配了第一定位开关15、第二定位开关16和其他电子元器件，3个接触电极11穿过绝缘衬套12将镶嵌在旋转锁芯1上，还有带有臂杆8a的锁定弹子8、压簧7将装入导向孔10a中；待安装在微型电动机14传动轴上的限位凸轮5上有光反射面5a、凸面5c、凹面5b，端盖4可用紧固件9与旋转锁芯1结合为一体，端盖4上的偏芯柱4a是拨动配套锁具上其他连动机械构件的接口，锁头体3上的定位孔3b同时也是锁定弹子8的限位孔，封盖3a用于封闭定位孔3b，旋转锁芯1前端凹槽内镶嵌了防水、防尘密封圈6。
锁头第一实施例组装剖视图，如图6所示，图中示出了各电子与机械零部件的组装位置，包括：前盖2、锁头体3、旋转锁芯1、端盖4等，安置在旋转锁芯1空腔内的柔性电子控制电路板13上安装了第一定位开关15、第二定位开关16和其他电子元器件，镶嵌在旋转锁芯1前端的3个接触电极11穿过绝缘衬套12与电子控制电路板13电气连接，电子控制电路板13中央的空间装入微型电动机14；导向孔10a中安装了压簧7、锁定弹子8，锁定弹子8上的臂杆8a驱动第一定位开关15；由微型电动机14驱动的限位凸轮5在端盖4中可自由转动，限位凸轮5与光电反射型第二定位开关16相对标定位置的表面有2处光反射面5a，以便电子控制电路识别后控制限位凸轮5的转动角度，当限位凸轮5每转动90°，凸面5c、凹面5b将交替出现，顶住和放开锁定弹子8的运动路径，进而达到禁止和许可电子锁芯扭转，即开、闭锁可控的基本功能。本实施例中的微型电动机14选用了步进式微型电动机，因此，可由电子控制电路精确控制其旋转角度，第二定位开关16所获取的开关量信号，还用于识别限位凸轮5上的2个正交位置，即光反射面5a，克服因各种因素导致的步进式微型电动机失步而导致限位凸轮5滞留在不希望的非正交位置，为再次旋转时使限位凸轮5修正到同步正交位置，第二定位开关16起到检测限位凸轮5旋转时的起始或终止点的重要作用；与锁定弹子8同步动作的第一定位开关15可获取锁定弹子8位置的开关量信号，以便控制电路识别锁芯是否被扭转开启或处于闭锁或待闭锁状态，利用第二定位开关16与第一定位开关15信号的和、差关系，还可进一步获得锁头状态的其他信息，供电子控制电路判断和处理，进一步说明可参见图14及文字说明。本图中还示出了防水、防尘密封圈6、封盖3a及定位孔3b、偏芯柱4a的相对位置。
锁头第一实施例闭锁状态，即图6的A-A截面剖视图，如图7所示，锁头处于闭锁状态，相关机械零部件：锁头体3、端盖4、限位凸轮5、锁定弹子8、压簧7、封盖3a所处的相对位置，闭锁时，锁定弹子8受压簧7的作用部分球面嵌入了定位孔3b中，锁定弹子8被限位凸轮5的凸面5c顶住而不能作轴向位移运动，其球面阻塞在旋转锁芯与固定锁头体之间并被定位，使两者不能相对转动。
锁头第一实施例开锁状态，即图6的A-A截面剖视图，如图8所示，锁头处于开锁状态，锁芯扭转90°后，相关机械零部件：锁头体3、端盖4、限位凸轮5、锁定弹子8、压簧7、封盖3a所处的相对位置，此图相对于图7中的限位凸轮5已被微型电动机旋转了90°，使凹面5b转至与锁定弹子8相对，扭转锁芯时，锁定弹子8作轴向位移离开定位孔3b，使之与固定锁头体之间不被阻塞，两者能作任意圈数的相对转动。
锁头第一实施例闭锁、开锁状态第二实施例A-A截面剖视图，如图9、10所示，其工作原理、标号及说明相同，请参见图7、图8说明文字，而锁头中阻塞和非阻塞锁定弹子8的实施方案与美国US5,823,030《锁头系统》(CylinderLock System)专利和US6,155,089《机电式锁头》(Electromechanical CylinderLock)专利所公开方案等同，与图7、图8中公开的方案对比：1、在锁头体3上开圆形定位孔(即图7、8中3b)，在开、闭锁基准位置的定位手感优于上述专利公开的方案；2、比US5,823,030专利推荐的开V形定位槽(即图10中标注的3c)方案更容易加工，但采用V形定位槽亦可配合使用弧形滑动面的锁定弹子。
锁头第二实施例组装剖视图，如图11所示，此实施例的基本结构和工作原理与第一实施例是等同的，只是将1个带臂杆的锁定弹子8换成了1至2个球形锁定弹子8d，增加的行程弹子8e取代锁定弹子8上臂杆的功能，即行程弹子8e与锁定弹子8d同步位移离开各自的定位孔时，由行程弹子8e驱动第一定位开关15动作。而凸轮55的外径比第一实施例中的凸轮5要大一些。
锁头第二实施例闭锁状态A-A截面剖视图，如图12所示，锁头处于闭锁状态相关机械零部件：端盖4、限位凸轮55、锁定弹子8d所处的相对位置，锁定弹子8d安置在端盖4的导向孔10b中，锁定弹子8d被限位凸轮55的凸面顶住，阻塞在旋转锁芯与固定锁头体之间并被定位。
锁头第二实施例开锁状态A-A截面剖视图，如图13所示，锁头处于开锁状态，限位凸轮55先旋转90°，转旋锁芯而后扭转了90°，相关机械零部件：端盖4、限位凸轮55、锁定弹子8d所处的相对位置。
基本的钥匙与锁头电路框图，如图14所示，图左部为基本的有源电子钥匙电路方案，即ZL99203695.X《电子锁钥匙》专利公开的技术方案，钥匙内的电池51和密码芯片ID-52分别与3个电极25相连；当钥匙上的3个电极25与图右部锁头上的3个电极11接触后，钥匙上的电源送达锁头内电路，同时通过电阻R-53将电源反馈至钥匙中的密码芯片ID-52，使微处理器MCU-55经过数据电极能读取到钥匙中的ID，当MCU-55中设定的ID与密码芯片52中的ID一致，同时行程开关K1-15为闭合状态，即锁定弹子的球面嵌入到锁头体的定位孔中时，光电反射型定位开关K2-16检测到限位凸轮5上的光反射信号，MCU-55发出开锁指令，通过步进电机驱动IC-57驱动步进式微型电动机14旋转90°，限位凸轮5上的凹面与锁定弹子相对，开放锁定弹子允许作轴向位移运动，锁头处于开锁状态，旋转锁芯可自由扭转；当K1-15为闭合状态，即锁定弹子的球面嵌入到锁头体的定位孔中时，K2-16又检测不到限位凸轮上的光反射信号，MCU-55才会发出闭锁指令，通过步进电机驱动IC-57驱动步进式微型电动机14又旋转90°，此时，限位凸轮的凸面，即最大直径位置顶住锁定弹子，阻止其作轴向位移运动，锁芯无法扭转，锁头进入了闭锁状态；若K1-15为开启状态，则说明锁芯已被扭转，锁定弹子已离开了定位孔，MCU-55则不会发出驱动步进式微型电动机14旋转的指令。锁头中亦可安装发光二极管LED-54用于指示锁头执行工作时的状态。
本实施例中所引用的密码芯片ID-52可选用Dallas Semiconductor公司(DALLAS品牌)于20世纪90年代中推出，广泛应用于电子锁具的DS1990或DS1994等1-Wire系列单片IC，前者仅有一个64位ID，除ID用于密码识别开锁外，其他附加功能较简单，而后者不仅有一个64位ID，还包含有实时时钟和可擦写存储器，可长期保存若干次与开、闭锁时间、锁头及钥匙编号数据等多项功能；锁头中的MCU-55可选用自带可擦写数据存储器的8位微处理器，即可记录并保存若干相关数据，通过钥匙获得的数据可用计算机系统读取，写入及读取数据方法在该公司产品技术手册中有详尽介绍，此处不再复述。
微处理器钥匙与锁头电路框图，如图15所示，其基本工作原理与图14内容描述的等同，众所周知，钥匙中亦可采用微处理器MCU-60、实时时钟62、可擦写存储器FRAM-61等芯片，组成一个典型的最小单片机系统，以取代图14中的多功能单片密码芯片ID-52(DS1994)，该系统可自行设置密码ID，记录并保存多次开、闭锁时间等相关数据基本功能外，亦可扩展其他附加功能，钥匙及锁头中FRAM-61容量的大小，决定了与时间相关的开、闭锁记录在钥匙和锁头中数据量的多少，其记录的数据也可用计算机系统读取，LED-63与蜂呜器64用于提示多项执行状态或功能，开关K3-65用于设定钥匙是发送开锁还是闭锁指令，这在用于控制旋转多圈的锁头中是必要的。需要时还可从锁头中微处理器MCU-60上引出通信监控接口59，接入有、无线通信网络，实现高级“有源电子锁”才具有的远程实时监控等智能化程度更强的功能。传感元器件66可根据需要选用，若要检测破坏性外力冲击信息，可选用加速度传感芯片，若要检测环境温度信息，可选用温度传感芯片等，连接到锁头内的MCU-60上进行处理。图中标号与图14中相同的元器件，其功能亦相同。上面简要的阐述了典型的由多片IC组成的最小单片机系统基本组成及工作原理，若选用单片MCU内集成了较大容量可擦写数据存储器和实时时钟的微处理器芯片，用于钥匙和锁头中，其电路结构将更为简洁，显然，控制电路部件中的元器件组合方式有多种选择，按实际需要的实用功能亦可作适当增、減，但其基本结构及工作方式並未脱离ZL99203695.X《电子锁钥匙》专利公开的技术方案。
可联网监控锁头剖视图，如图16所示，在端盖4上开一个出线孔4b，即可将联网监控接口导线17从电子控制电路板13上引出实现单独监控或联网，不仅可获得实时远程监控等高级常规功能外，还可实现双重控制开锁功能，如：通过网络可集中控制开锁，这项特色功能在某些应用场合(如：火灾发生时)是非常重要的，即便网络“瘫痪”，有源“电子锁钥匙”仍可开锁。因微功耗无源电子锁头开、闭锁功耗极低，可大大增加通过网络集中遥控开锁的距离。而目前由网络监控、分布式半集中供电的“有源电子锁系统”，一旦网络出现故障或停电，用无源的IC卡类的电子钥匙是无法开锁的，否则需要在锁的附近配置大量的分布式后备电池，增加了系统的复杂性，维护成本甚高，更不利于环保。
在限位凸轮上标定位置镶嵌永磁体去驱动磁控开关(如：霍尔效应开关、干簧管等)，或在限位凸轮上标定位置形成凸点去驱动机电式开关的方法，与采用光电反射型开关获得定位开关量信息的方法是等同的。单片微处理器的软件编程、数据读写、联网通信、电路硬件结构、步进式微电动机及旋转螺线管的工作原理，在相关中等专业教科书及技术文献中均有详述，为一般从事电子技术、单片计算机技术、自动控制技术人员所知晓，无需赘述。
本实施例中所列其他未标示型号之电子元器件，有众多品牌、品种可供选择，均为市场上已有产品，不作任何限定。

Claims (10)

1、一种微功耗无源电子锁头，主要由固定锁头体、旋转锁芯、电子控制电路部件组成，其特征是：旋转锁芯(1)内安装有电子控制电路板(13)并与之电连接的微型电动机(14)或旋转螺线管，微型电动机(14)或旋转螺线管驱动限位凸轮(5)旋转，由电子控制电路发出相关指令，使限位凸轮(5)旋转至限制或开放锁定弹子(8)的位置，从而控制旋转锁芯处于闭锁或开锁状态。
2、根据权利要求1所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：限位凸轮(5)每旋转1周，其外表面包括至少一个凸面(5c)与一个锁定弹子(8)相对，限制锁定弹子(8)移动。
3、根据权利要求1或2所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：限位凸轮(5)每旋转1周，其外表面包括至少一个凹面(5b)与一个锁定弹子相对，开放锁定弹子(8)移动。
4、根据权利要求1或2或3所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：在锁定弹子(8)或行程弹子(8e)的旁边设置了与电子控制电路板(13)电连接的第一定位开关(15)，锁定弹子(8)或行程弹子(8e)的位移驱动第一定位开关(15)，即获得该位置供电子控制电路处理的开关量信息。
5、根据权利要求1或2或3所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：限位凸轮(5)上包括至少一个光反射面(5a)或永磁体或凸点，电子控制电路板(13)电连接光电反射型第二定位开关(16)或磁控定位开关或机电定位开关，当光反射面(5a)与光电反射型第二定位开关(16)位置相对时，或永磁体与磁控定位开关位置相对时，或凸点与机电定位开关位置相对时，即获得该位置供电子控制电路处理的开关量信息。
6、根据权利要求1或2所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：锁定弹子(8)移动或被凸面(5c)顶住时，锁定弹子(8)下端的部分球面或滑动面可嵌入固定锁头体上相对应的定位孔(3b)中。
7、根据权利要求1或2或3所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：锁定弹子(8)也可采用至少一个以上的球形弹子。
8、根据权利要求1所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：电子控制电路板(13)上可电连接导线(17)从旋转锁芯(1)的尾端引出，用于连接外部控制电路或网络。
9、根据权利要求1所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：电子控制电路板(13)上可电连接传感元器件，用来感知和处理周边环境信息。
10、根据权利要求1或4或5或8或9所述的微功耗无源电子锁头，其特征是：电子控制电路板(13)采用的是柔性印制电路板(FPC)，成形后安装在旋转锁芯(1)内部的有限空间内。
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