CN102185520A - 遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，属于新能源和自发电技术领域。上壳体和下壳体通过端部的一对连接销轴铰接、并可相对转动，所述上壳体的顶部安装有一组按键开关、内部设有两个圆弧形限位面，该两个圆弧形限位面之间设有连接座，该连接座上通过螺钉安装有电路板，所述下壳体分别设有连接耳和支座，发电元件为1~10个悬臂梁压电振子，该悬臂梁压电振子一端通过压块用螺钉固定在上壳体的安装座上，另一端浮压在下壳体的支座上。优点在于：结构简单、易于制作、可靠性高、发电能力强，符合遥控器的操作习惯。

Description

遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置

技术领域

本发明属于新能源和自发电技术领域，具体涉及一种手动按压式的等曲率悬臂梁压电发电装置，用于多按键遥控器供电。

背景技术

灯具开关在现代生活中已不可或缺，任何家庭及办公场所都需采用。因现有墙壁固定式灯具开关通过导线与灯具联接、需墙内布线，故建筑与装修成本高、且一旦安装位置确定便难以改变。近年来，随着组合灯具日益普及，灯具开关也逐步由以往墙壁固定式开关向便携式、可移动式遥控器过渡。目前的灯具遥控器基本都由电池供电，电池电能耗尽时无法使用，同时废弃电池也会造成环境污染。为此人们先后提出了多种基于电磁或压电发电供电的灯具遥控开关、遥控器。

电磁发电装置的能量转换效率相对较高，但因其采用磁铁和线圈的相对运动产生电能，故结构复杂、体积相对较大；此外，电磁发电装置在发电的同时也会产生电磁干扰，从而影响遥控器的可靠性和准确性，不适用于体积小、可靠性高的应用领域。因此，尽管国内以申报了多种电磁发电供电的遥控器，如中国专利201020190448.1、200920003419.7和01255765.X 等，但至今尚无产品开发和实际应用。与之相比，压电发电装置利用薄片型压电振子的弯曲变形将机械能转换成电能，具有结构简单、体积小，易于实现结构微小化和集成化、成本低、无电磁干扰等特点，更适合遥控器等低功耗发射系统应用。

目前，国内已申请了较多的压电发电的无电池遥控器、遥控开关。中国专利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，所利用的都是单个压电振子，其一次发电操作所产生的能量根本无法满足遥控器的功率需求，而只能采用多次发电、累积储能的方法供电，不符合遥控器的操作习惯。因此，发明人曾提出了两种拨动式的压电自供电遥控器：中国发明专利200810051579.9、200810051157.1，利用一次激励后压电振子所产生的多次自由振动发电并累积能量，但后来的开发实践表明，上述两种遥控开关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而无法可靠地拨动压电振子并顺利复位、可靠性较差，且所采用的悬臂梁压电振子在弯曲变形中其固定端产生的电压较高、而自由端产生的电压为零，故总体发电能力较弱；专利200810051157.1和200820072434.2通过转动拨齿拨动压电振子，其结构及运动过程较复杂，微小的摩擦磨损即可导致拨齿失效，不能正常拨动压电振子和复位，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，这种结构的发电装置易于制作、并可产生足够的能量用于遥控器供电。不足之处在于：                                                

只能用于单个灯具的控制，由于结构的原因，不便安装多个开关按键，同样存在运动式触发机构部件因摩擦磨损而失效的问题，

操作过程中会产生较大的振动噪音。

发明内容

本发明提出一种遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，用于多按键灯具遥控器供电，以解决现有压电发电供电遥控器因发电量低、操作不便、结构不合理等原因而难于推广应用的问题。

本发明采用的技术方案是：上壳体和下壳体通过端部的一对连接销轴铰接、并可相对转动，所述上壳体的顶部安装有一组按键开关、内部设有两个圆弧形限位面，该两个圆弧形限位面之间设有连接座，该连接座上通过螺钉安装有电路板，所述下壳体分别设有连接耳和支座，发电元件为1~10个悬臂梁压电振子，该悬臂梁压电振子一端通过压块用螺钉固定在上壳体的安装座上，另一端浮压在下壳体的支座上。

所述悬臂梁压电振子由金属基板和压电陶瓷晶片粘接而成，所述的金属基板及压电陶瓷晶片分别通过导线组二与电路板上的电源电路相连，该电源电路再通过导线组一与安装于上壳体的按键开关以及遥控器发射系统的电路连接。

发电元件为2~10个悬臂梁压电振子时，各悬臂梁压电振子的金属基板和压电陶瓷晶片分别通过导线并联、且各悬臂梁压电振子之间采用绝缘性弹性薄膜隔开。

发电元件为两个并联的悬臂梁压电振子，每个悬臂梁压电振子之间利用弹性绝缘薄膜隔开，悬臂梁压电振子和绝缘薄膜的一端通过螺钉和压块固定在上壳体的安装座上，另一端浮压在下壳体的支座上，所述两个悬臂梁压电振子上的压电陶瓷晶片和金属基板分别通过导线一 和导线二联接，再经导线组二与印刷电路板上的电源电路相连，该电源电路通过导线组一与按键开关相连。

为确保压电晶片不损坏的最小圆弧限位面曲率半径由压电振子结构尺寸及材料参数确定，即

，式中： 

， 

，

，

、分别为陶瓷和基板的厚度；

，

、

分别为陶瓷和基板的杨氏模量；

为陶瓷的机电耦合系数，

为压电陶瓷材料的许用拉应力。

悬臂梁压电振子由金属基板两侧粘接压电陶瓷晶片构成的三层结构。

悬臂梁压电振子和圆弧限位面亦可设置于下壳体上。

在本发明中，按下所述按键开关时,按键开关接通、并通过上壳体带动压电振子一起沿连接上下壳体的转轴旋转，压电振子的自由端受下壳体支座的反作用力而发生弯曲变形，并随上壳体转动逐渐贴附在上壳体的圆弧限位面上，至此完成发电过程及遥控器的操作控制过程。释放去除后，按键开关断开，压电振子在其自身弹性力的作用恢复变形、并带动上壳体反转复位。

鉴于目前已申请专利中压电发电供电遥控器所存在的一系列问题和弊端，本发明提出一种发电能力较强、适于多个灯具控制、符合常规遥控器操作习惯的等曲率悬臂梁压电发电装置。因该发电装置采用圆弧面控制压电振子的变形形状，使其长度方向上任一截面上的变形曲率相等，即各截面应力及发电能量相同、且可采用多个薄片式压电振子同步工作，故发电能力大大提高，一次按压两个压电振子所产生的能量即可满足现有商品遥控器发射系统功率需求，按压按键时同步完成发电和遥控器信息发射控制的全过程。此外，因该发电装置采用等曲率圆弧面限位，压电振子不会因变形过大而损毁，且无运动机构，故此可靠性较好、操作过程中无噪音，利用一组按键开关可进行多个灯具的控制，可采用手持及固定于墙壁上两种使用方法。

本发明特点及优势在于：

利用圆弧限位面使悬臂梁压电振子产生等曲率的弯曲变形，长度方向各截面应力及发电量相同，随圆弧限位面曲率半径减小增加；比之于单纯悬臂支撑发电装置，压电振子应力相同时其发电量

可提高=4.17；发电量相同时，压电振子的实际应力可降低

；可通过设计合理的圆弧限位面曲率半径R避免压电振子因应力过大而破损。

易于实现多个压电振子的联合发电，压电振子间靠挤压传递动力，无需其他辅助机构或复杂的运动机构、操作过程中无噪音。

通过按压按键开关带动壳体使压电振子弯曲变形，同步完成发电、供电及开关控制的全过程，符合遥控器的操作习惯。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，为自然状态下的结构示意图；

图2是图1的I部放大图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4是图1的B-B剖视图；

图5是本发明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和下壳体9通过端部的一对连接销轴103铰接、并可相对转动，所述上壳体1的顶部安装有一组按键开关2、内部设有两个圆弧形限位面101，该两个圆弧形限位面之间设有连接座102，该连接座上通过螺钉安装有电路板4，所述下壳体9分别设有连接耳901和支座902，发电元件为1~10个悬臂梁压电振子8，该悬臂梁压电振子一端通过压块6用螺钉固定在上壳体的安装座104上，另一端浮压在下壳体的支座901上。

所述悬臂梁压电振子由金属基板802和压电陶瓷晶片801粘接而成，所述的金属基板及压电陶瓷晶片分别通过导线组二5与电路板4上的电源电路相连，该电源电路再通过导线组一3与安装于上壳体的按键开关2以及遥控器发射系统的电路连接。

发电元件为2~10个悬臂梁压电振子时，各悬臂梁压电振子的金属基板802和压电陶瓷晶片801分别通过导线并联、且各悬臂梁压电振子之间采用绝缘性弹性薄膜7隔开。

发电元件为两个并联的悬臂梁压电振子8，每个悬臂梁压电振子之间利用弹性绝缘薄膜7隔开，悬臂梁压电振子8和绝缘薄膜7的一端通过螺钉和压块6固定在上壳体1的安装座104上，另一端浮压在下壳体9的支座902上，所述两个悬臂梁压电振子8上的压电陶瓷晶片801和金属基板802分别通过导线一10 和导线二11联接，再经导线组二5与印刷电路板4上的电源电路相连，该电源电路通过导线组一3与按键开关2相连。

为确保压电晶片不损坏的最小圆弧限位面曲率半径由压电振子结构尺寸及材料参数确定，即

，式中： ， 

，

，

、

分别为陶瓷和基板的厚度；，

、分别为陶瓷和基板的杨氏模量；

为陶瓷的机电耦合系数，为压电陶瓷材料的许用拉应力。

悬臂梁压电振子可由金属基板两侧粘接压电陶瓷晶片构成的三层结构。

悬臂梁压电振子和圆弧限位面亦可设置于下壳体上。

当外力推动按键开关2向下运动时，按键开关2接通、且带动上壳体1以及压电振子8一起绕转轴103转动，所述悬臂梁压电振子8在上壳体1的转动力及下壳体支座902反作用力的共同作用下发生弯曲变形、并将机械能转换成电能。随所述上壳体1转角的增加，压电振子8逐渐与上壳体的圆弧限位面101接触、输出电压逐渐升高，直至悬臂梁压电振子8全部贴靠在圆弧限位面101上，此时上壳体1停止转动、压电振子输出电压达到最大值，如图2所示，至此完成整个发电过程。当外力去除即释放按键开关2后，压电振子8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绕转轴103沿逆时针方向旋转，直至复位至触发前状态，如图1所示。

本发明压电发电装置发电量的计算方法、以及发电量提高和应力降低幅度计算方法，与单纯一端固定悬臂梁发电装置相比：

发电量计算公式： 

发电量提高幅度：

；

压电振子应力降低幅度：

；

其中：

， 

，，、

分别为陶瓷和基板的厚度；

，、

分别为陶瓷和基板的杨氏模量；

为陶瓷的机电耦合系数。

Claims (7)

1.一种遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，其特征在于：上壳体和下壳体通过端部的一对连接销轴铰接、并可相对转动，所述上壳体的顶部安装有一组按键开关、内部设有两个圆弧形限位面，该两个圆弧形限位面之间设有连接座，该连接座上通过螺钉安装有电路板，所述下壳体分别设有连接耳和支座，发电元件为1~10个悬臂梁压电振子，该悬臂梁压电振子一端通过压块用螺钉固定在上壳体的安装座上，另一端浮压在下壳体的支座上。

2.根据权利要求1所述的遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，其特征在于，所述悬臂梁压电振子由金属基板和压电陶瓷晶片粘接而成，所述的金属基板及压电陶瓷晶片分别通过导线组二与电路板上的电源电路相连，该电源电路再通过导线组一与安装于上壳体的按键开关以及遥控器发射系统的电路连接。

3.根据权利要求1所述的遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，其特征在于，发电元件为2~10个悬臂梁压电振子时，各悬臂梁压电振子的金属基板和压电陶瓷晶片分别通过导线并联、且各悬臂梁压电振子之间采用绝缘性弹性薄膜隔开。

4.根据权利要求3所述的遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，其特征在于，发电元件为两个并联的悬臂梁压电振子，每个悬臂梁压电振子之间利用弹性绝缘薄膜隔开，悬臂梁压电振子和绝缘薄膜的一端通过螺钉和压块固定在上壳体的安装座上，另一端浮压在下壳体的支座上，所述两个悬臂梁压电振子上的压电陶瓷晶片和金属基板分别通过导线一 和导线二联接，再经导线组二与印刷电路板上的电源电路相连，该电源电路通过导线组一与按键开关相连。

5.根据权利要求1或2所述的遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，其特征在于， 悬臂梁压电振子由金属基板两侧粘接压电陶瓷晶片构成的三层结构。

6.根据权利要求1或2或3所述的遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，其特征在于，为确保压电晶片不损坏的最小圆弧限位面曲率半径由压电振子结构尺寸及材料参数确定，即                                                

，式中： 

， 

，

，

、分别为陶瓷和基板的厚度；

，

、分别为陶瓷和基板的杨氏模量；

为陶瓷的机电耦合系数，

为压电陶瓷材料的许用拉应力。

7.根据权利要求4所述的遥控器用等曲率悬臂梁压电发电装置，其特征在于，为确保压电晶片不损坏的最小圆弧限位面曲率半径由压电振子结构尺寸及材料参数确定，即

，式中： ， 

，

，

、

分别为陶瓷和基板的厚度；，

、

分别为陶瓷和基板的杨氏模量；

为陶瓷的机电耦合系数，

为压电陶瓷材料的许用拉应力。

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