CN102158126A - 基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置 - Google Patents

基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置，属于新能源和发电技术领域。上壳体端部固定连接销轴、电路板与上壳体内部支座固定连接，压板通过螺钉与上壳体内部固定连接，上表面安装有开关按钮，下壳体上设有连接耳，导向板通过螺钉与下壳体固定连接，施力销轴与导向板内部滑动连接，1-10个中空压电换能器位于下壳体内，压板与施力销轴压接，施力销轴与导电橡胶压块粘接、导电橡胶压块与中空压电换能器中的压电振子粘接，上壳体和下壳体通过连接销轴与连接耳上的孔铰接。优点在于：通过按压壳体上的按钮带动壳体使压电振子发电，并同时完成开关控制，符合灯具开关的操作习惯。

Description

基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置，用于灯具遥控开关供电。
背景技术
利用压电发电装置构造无电池遥控器及灯具开关的专利国内早有申请，但因发电装置结构及发电能力等方面的存在一定的不足和弊端，至今尚无成功的推广应用。例如，中国发明专利200520111441.5和00817016.9 分别介绍了两种基于打击、撞击方式的压电发电装置，中国发明专利 200520008424.9介绍了一种利用按键为压电元件施力的发电装置及其遥控器。上述专利中，利用的都是单个压电振子，其一次发电操作产生的能量根本无法满足遥控器发射系统的功率需求，而只能采用多次发电存储累积的方法供电，不符合遥控器、尤其是固定式灯具开关的操作习惯。因此，发明人曾提出了两种拨动式压电自供电的遥控器:中国发明专利200810051579.9、200810051157.1，但随后的开发实践表明，上述自供电遥控器的发电操作方案难以实现：专利200810051579.9 的按钮因缺少必要的导向限位无法可靠地拨动压电振子并顺利复位、可靠性较差；专利200810051157.1和200820072434.2通过转动拨齿拨动悬臂梁压电振子，其结构及运动过程复杂，微小的摩擦磨损即可导致拨齿失效，且制造成本较高。针对上述拨动式压电发电装置的不足，发明人再次提出一种新的拨动式发电装置:中国专利 201010165882.9，实践表明，该结构发电装置易于加工制作、并可产生足够的电能用于遥控器发射系统供电，不足之处是难以实现多个灯具的控制,无法设个多个按键、一个开关仅能控制一个灯，且同样存在运动式触发机构部件因摩擦磨损而失效、以及拨动过程中产生噪音等问题。
发明内容
本发明提供一种基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置，用于固定式灯具遥控开关供电，以解决现有压电发电方案因发电能力弱、操作不便或结构不合理等原因而难于推广应用等问题。
本发明采取的技术方案是：上壳体端部固定连接销轴、电路板与上壳体内部支座固定连接，压板通过螺钉与上壳体内部固定连接，上表面安装有开关按钮，下壳体上设有连接耳，导向板通过螺钉与下壳体固定连接，施力销轴与导向板内部滑动连接，1-10个中空压电换能器位于下壳体内，压板与施力销轴压接，施力销轴与导电橡胶压块粘接、导电橡胶压块与中空压电换能器中的压电振子粘接，上壳体和下壳体通过连接销轴与连接耳上的孔铰接。
所述中空压电换能器由导电橡胶支撑环、两个圆形金属片及两个圆形压电晶片构成，所述压电晶片粘接于所述金属片上构成压电振子，金属片镶嵌于导电橡胶支撑环的环槽内；不同中空压电换能器的金属片过导线一连接，同一个中空压电换能器的压电晶片由导线二经金属片上的孔连接；金属片和压电晶片再经导线组一与电路板上的电源电路连接，该电源电路再通过导线组二与开关按钮相连。
对于本发明所提出的基于中空压电换能器的发电装置，所用压电振子中陶瓷的直径和厚度过大或过小都会是发电量降低，存在最佳的半径比:压电晶片半径与金属板半径之比和厚度比:压电晶片厚度与压电振子总厚度之比,使发电量最大。陶瓷晶片直径与金属板直径相等时，陶瓷晶片边缘处受拉应力、而中心部分受压应力，分别产生正、副电荷，互相抵消，故使发电能力降低。所用压电振子的最佳半径比和厚度比由发电量                                                
Figure 231947DEST_PATH_IMAGE001
公式求得：即
Figure 700975DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 559472DEST_PATH_IMAGE003
。式种，
Figure 331118DEST_PATH_IMAGE004
为发电量，
Figure 406391DEST_PATH_IMAGE005
定义为半径比，
Figure 917924DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 395042DEST_PATH_IMAGE007
分别为金属基板半径和压电晶片半径；
Figure 337590DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 401624DEST_PATH_IMAGE009
定义为厚度比，、
Figure 42613DEST_PATH_IMAGE011
分别为压电晶片和金属基板厚度；
Figure 156062DEST_PATH_IMAGE012
为压电材料的机电耦合系数；
Figure 205927DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 56334DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 383410DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 526815DEST_PATH_IMAGE016
、分别为基板和压电材料的杨氏模量，、
Figure 902585DEST_PATH_IMAGE019
分别为基板和压电材料的泊松比；
Figure 983936DEST_PATH_IMAGE020
Figure 742814DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 308924DEST_PATH_IMAGE022
分别为压电-金属复合层的等效弯曲刚度、等效杨氏模量及等效泊松比；
Figure 233761DEST_PATH_IMAGE023
 为压电振子所受外力。
在本发明中，按下所述按钮时,按钮接通、并带动上壳体及其内部的电路板和压板沿着端部销轴转动，同时，随上壳体转动的压板推动施力销轴运动，施力销轴再通过导电橡胶压块迫使压电振子发生弯曲变形；随上壳体的持续转动，压电振子的变形量逐渐增加，直至上壳体内的压板接触到下壳体上的导向板，此为发电过程；释放按纽、外力去除后，按钮断开，压电振子在其自身弹性力的作用恢复变形、并通过导电橡胶压块、施力销轴和压板推上壳体回转至初始位置。
本发明的特点及优势在于：
Figure 984549DEST_PATH_IMAGE024
所用空型换能器由两个压电振子串接而成，发电装置由多个中空换能器串联而成，无需任何辅助机构即可使各压电振子同时发电；
Figure 106088DEST_PATH_IMAGE025
所用压电振子自身结构采用优化方法获得，机电能量转换效率较高；
Figure 101989DEST_PATH_IMAGE026
采用导电橡胶制作固定压电振子的金属基板的支撑环、和用于换能器间传递动力的压块，机械及电路连接简单、压电振子不易损坏、操作无噪音；
Figure 382797DEST_PATH_IMAGE027
通过按压壳体上的按钮带动壳体使压电振子发电，并同时完成开关控制，符合灯具开关的操作习惯。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，是在自然状态下的结构示意图；
图2是本发明中的发电装置部分的俯视图；
图3是本发明在发电过程结束后的结构剖面示意图。
具体实施方式
上壳体1端部固定连接销轴102、电路板5与上壳体内部支座101固定连接，压板2通过螺钉与上壳体1内部固定连接，上表面安装有开关按钮3，下壳体7上设有连接耳701，导向板12通过螺钉与下壳体7固定连接，施力销轴13与导向板12内部滑动连接，1-10个中空压电换能器8位于下壳体7内，压板2与施力销轴13压接，施力销轴13与导电橡胶压块10粘接、导电橡胶压块与中空压电换能器8中的压电振子粘接，上壳体1和下壳体7通过连接销轴102与连接耳701上的孔铰接。
所述中空压电换能器8由导电橡胶支撑环801、两个圆形金属片802及两个圆形压电晶片803构成，所述压电晶片803粘接于所述金属片802上构成压电振子，金属片802镶嵌于导电橡胶支撑环801的环槽内；不同中空压电换能器的金属片802通过导线一9连接，同一个中空压电换能器的压电晶片803由导线二11经金属片801上的孔804连接；金属片802和压电晶片803再经导线组一6与电路板5上的电源电路连接，该电源电路再通过导线组二4与开关按钮3相连。
对于本发明所提出的基于中空压电换能器的发电装置，所用压电振子中陶瓷的直径和厚度过大或过小都会是发电量降低，存在最佳的半径比:压电晶片半径与金属板半径之比和厚度比:压电晶片厚度与压电振子总厚度之比,使发电量最大。陶瓷晶片直径与金属板直径相等时，陶瓷晶片边缘处受拉应力、而中心部分受压应力，分别产生正、副电荷，互相抵消，故使发电能力降低。所用压电振子的最佳半径比和厚度比由发电量
Figure 179852DEST_PATH_IMAGE001
公式求得：即
Figure 417716DEST_PATH_IMAGE002
、。式种，为发电量，
Figure 54999DEST_PATH_IMAGE005
定义为半径比， 、 分别为金属基板半径和压电晶片半径；
Figure 600359DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 739217DEST_PATH_IMAGE009
定义为厚度比，
Figure 948743DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 588672DEST_PATH_IMAGE011
分别为压电晶片和金属基板厚度；为压电材料的机电耦合系数；
Figure 270591DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 465949DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 145454DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 985234DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 590528DEST_PATH_IMAGE017
分别为基板和压电材料的杨氏模量，
Figure 771717DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 363235DEST_PATH_IMAGE019
分别为基板和压电材料的泊松比；
Figure 182156DEST_PATH_IMAGE020
Figure 479057DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 383428DEST_PATH_IMAGE022
分别为压电-金属复合层的等效弯曲刚度、等效杨氏模量及等效泊松比；
Figure 404736DEST_PATH_IMAGE023
 为压电振子所受外力。
压电振子可为金属基板粘接两个压电晶片构成三层结构。
当外力推动开关按钮3向下运动时，按钮3接通、且带动上壳体1以及其内部的电路板5及压板2一起绕转轴102转动；同时，压板2推动施力销轴13运动，并通过导电橡胶压块10迫使中空型压电换能器8上的压电振子发生弯曲变形，进而将机械能转换成电能；所产生的电能经导线组6传递到电路板5；当所述上壳体1转动至使压板2与导向板12上的环形凸起完全接触后，如图3所示，上壳体1停止转动，发电过程结束；同时，电路板4上的电源电路通过对所按下的开关按钮的位置判断发出相应的遥控器控制信号，即同步完成了发电与信号发射的全过程。当外力从开关按纽3上移除后，中空型压电换能器8上的压电振子及导电橡胶压块10在其自身弹性力的作用下恢复原来的形状、并推动上壳体1逆时针方向反转，直至复位至触发前状态，如图1所示。
本发明中，一次按压操作的发电量为各个压电振子单独发电量之和，单个压电振子的发电量由下式计算而得，即：
Figure 343742DEST_PATH_IMAGE004
。式中，
Figure 789373DEST_PATH_IMAGE005
称为直径比，
Figure 56407DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 379941DEST_PATH_IMAGE007
分别为金属基板半径和压电晶片半径；
Figure 674918DEST_PATH_IMAGE008
，称为厚度比，、
Figure 913285DEST_PATH_IMAGE011
分别为压电晶片和金属基板的厚度；
Figure 561304DEST_PATH_IMAGE012
为压电材料的机电耦合系数；，
Figure 858872DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 258630DEST_PATH_IMAGE015
为弹性模量比，
Figure 902101DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 860436DEST_PATH_IMAGE017
分别为基板和压电材料的杨氏模量，
Figure 713991DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 792806DEST_PATH_IMAGE019
分别为基板和压电材料的泊松比；
Figure 916882DEST_PATH_IMAGE020
Figure 813163DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 392829DEST_PATH_IMAGE022
分别为压电-金属复合层的等效弯曲刚度、等效杨氏模量和等效泊松比；
Figure 275335DEST_PATH_IMAGE023
为压电振子所受外力。

Claims (4)

1.一种基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置，其特征在于：上壳体端部固定连接销轴、电路板与上壳体内部支座固定连接，压板通过螺钉与上壳体内部固定连接，上表面安装有开关按钮，下壳体上设有连接耳，导向板通过螺钉与下壳体固定连接，施力销轴与导向板内部滑动连接，1-10个中空压电换能器位于下壳体内，压板与施力销轴压接，施力销轴与导电橡胶压块粘接、导电橡胶压块与中空压电换能器中的压电振子粘接，上壳体和下壳体通过连接销轴与连接耳上的孔铰接。
2.根据权利要求1所述的基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置，其特征在于，中空压电换能器由导电橡胶支撑环、两个圆形金属片及两个圆形压电晶片构成，所述压电晶片粘接于所述金属片上构成压电振子，金属片镶嵌于导电橡胶支撑环的环槽内；不同中空压电换能器的金属片过导线一连接，同一个中空压电换能器的压电晶片由导线二经金属片上的孔连接；金属片和压电晶片再经导线组一与电路板上的电源电路连接，该电源电路再通过导线组二与开关按钮相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于中空压电换能器的灯具开关用发电装置，其特征在于，所用压电振子的最佳半径比和厚度比由发电量                                                
Figure 356945DEST_PATH_IMAGE001
公式求得：即
Figure 925592DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 363526DEST_PATH_IMAGE003
。
4.式种，
Figure 656580DEST_PATH_IMAGE004
为发电量，
Figure 755248DEST_PATH_IMAGE005
定义为半径比，
Figure 993331DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 547590DEST_PATH_IMAGE007
分别为金属基板半径和压电晶片半径；
Figure 896532DEST_PATH_IMAGE008
，定义为厚度比，
Figure 868478DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 405639DEST_PATH_IMAGE011
分别为压电晶片和金属基板厚度；
Figure 56807DEST_PATH_IMAGE012
为压电材料的机电耦合系数；
Figure 363023DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 552696DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 78618DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 769362DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 71030DEST_PATH_IMAGE017
分别为基板和压电材料的杨氏模量，
Figure 60633DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 572386DEST_PATH_IMAGE019
分别为基板和压电材料的泊松比；
Figure 568286DEST_PATH_IMAGE020
Figure 583515DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 380570DEST_PATH_IMAGE022
分别为压电-金属复合层的等效弯曲刚度、等效杨氏模量及等效泊松比；
Figure 612575DEST_PATH_IMAGE023
 为压电振子所受外力。
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