CN104536534B - 基于双稳态结构的电子设备姿态调整器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，包括屏蔽罩(3)和PCB底板(4)，屏蔽罩(3)内封装有姿态调整单元，姿态调整单元包括框架(5)、双稳态弹性梁(6)和压电单元(7)，双稳态弹性梁(6)固定在框架(5)内侧，双稳态弹性梁(6)具有上凸和下凹两个稳定平衡状态，压电单元(7)对称粘接在双稳态弹性梁(6)左右两侧，双稳态弹性梁(6)中间部位固定有永磁铁(8)，永磁铁(8)上下方均设有电磁铁(9)，电磁铁(9)固定在框架(5)上；本发明不仅可以收集外界的振动能量，还可以调整便携式电子设备掉落过程中的空中姿态，使其耐摔部位先着地，以起到保护易碎部件的作用。
Description
[技术领域]
本发明涉及微小型执行器件和新型能源技术领域，具体地说是一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器。
[背景技术]
随着移动互联网技术的发展，便携式电子设备的使用越来越普遍，它们小巧、轻便、功能强大，方便拿在手中，装在口袋、钱包或提包中，因此越来越成为人们日常生活和工作中必不可少的物品。诸如智能手机、平板电脑等移动电子设备以其强大的功能和优越的便携性，逐渐成为人们随身携带的必需物品，然而这些电子设备可能会不小心从手中摔落或由于一些偶然因素而处于自由落体状态。例如，放在柜台或桌子上的电子设备由于外界的碰撞而滑落。当电子设备摔落到地面时，其表面受到很大的冲击，即使这些电子设备装有保护套或其它保护装备，也很有可能会发生严重的损坏。
大多数便携式电子设备都有某些部位比其他部位耐冲击，如果摔落时是这些耐摔的特定部位先着地那么很可能会减少电子设备的损伤。特别是现在流行的大屏幕的智能手机和平板电脑，其屏幕特别易碎，当落地时屏幕先着地受到一定冲击时就会损坏，如果换做电子设备外壳的某些金属或塑料部位先着地的话，就不会那么容易损坏了。
为了保护便携式电子设备摔落时免受冲击损坏，美国专利US 8330305 B2、US2013/0073095 A1和US 2013/0257582 A1公布了在空中调整便携式电子设备方向或在设备掉落过程中通过其他方式来保护易碎组件的机制。这几项专利给出了多种解决方案，包括移动设备中某个配重型的组件来调整设备中心，或是在设备外壳某些地方弹出保护性支架，或是快速释放出一罐空气，又或是锁住插入的耳机插头或是采取其他的防护措施来对设备进行保护，以上大部分方案在实际中很难应用，其中较为现实的方法是通过带有偏心质量的振动电机调整电子设备空中姿态，避免易碎和重要元器件直接与地面相撞，但是振动电机耗能较大、提供的转矩有限、高速旋转可持续时间不长且易烧毁、并且不易微小型化，因此在实施上还存在很多困难。
另外，提高便携式电子设备的续航能力也一直是一个亟待解决的问题，随着微机电技术和集成电路的发展，电子电路的能耗越来越低，因此收集环境振动能量给低功耗电子器件供能成为近些年来的一大研究热点。利用压电材料的压电效应进行振动能量收集是其中比较常见且有效的振动能量收集方式，结合双稳态结构进行非线性振动能量收集，可以获得较大的带宽和较高的能量转换效率。设计可植入便携式电子设备中的小型振动能量收集器为电子设备中的某些关键电子器件供电，以提高其总体续航能力、保障数据安全和应急供电是非常必要的。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，不仅可以收集外界的振动能量，还可以调整便携式电子设备掉落过程中的空中姿态，使其耐摔部位先着地，以起到保护易碎部件的作用。
为实现上述目的设计一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，包括屏蔽罩3和PCB底板4，所述PCB底板4连接在屏蔽罩3底端，所述屏蔽罩3内封装有基于双稳态突跳特性的姿态调整单元，所述姿态调整单元用于提供姿态调整力和收集振动能量，所述姿态调整单元包括框架5、双稳态弹性梁6和压电单元7，所述双稳态弹性梁6固定在框架5内侧，所述双稳态弹性梁6具有上凸和下凹两个稳定平衡状态，所述双稳态弹性梁6的突跳形变产生用于姿态调整的弹性力，所述压电单元7对称粘接在双稳态弹性梁6左右两侧，所述双稳态弹性梁6中间部位固定有永磁铁8，所述永磁铁8上下方均设有电磁铁9，所述电磁铁9固定在框架5上。
所述姿态调整单元通过管脚10固定在PCB底板4上，所述姿态调整单元设有至少两个以上。
所述双稳态弹性梁6为两端固支屈曲梁、两端简支弧形梁或余弦弯曲梁，所述双稳态弹性梁6设有至少两个以上，所述双稳态弹性梁6采用弹簧钢、高弹性模量铝合金或高模量碳纤维制成。
所述压电单元7为压电陶瓷片、压电晶片或压电薄膜，所述压电单元7用于传感和发电。
所述永磁铁8设有两块，所述永磁铁8通过粘接或机械连接固定在双稳态弹性梁6中间部位的上下两侧，所述永磁铁8面向双稳态弹性梁6外侧的极性相反，所述永磁铁8采用钕铁硼、钐钴或铝镍钴制成，所述两块永磁铁8同时作为执行质量块。
所述电磁铁9上下对称布置，所述两个电磁铁9分别正对着永磁铁8，所述电磁铁9产生可控电磁力与永磁铁8相互作用。
所述框架5采用覆铜板、环氧树脂或金属制成，所述框架5上印制有用于电能和信号传输的集成电路，所述管脚10设置在框架底部两边，所述框架5通过管脚固定在PCB底板4上，所述管脚10用于电能、信号的传输。
所述屏蔽罩3采用不锈钢或洋白铜制成，所述屏蔽罩3为固定式或可拆式结构。
本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，充分利用了双稳态弹性梁的突跳特性，将其同时用于振动能量收集和电子设备的姿态调整，其结构简单紧凑，便于微小型化，集成化，使用寿命高，振动能量收集带宽大、效率高，姿态调整力大，灵敏度高；此外，本发明所述姿态调整器便于植入任何便携式电子设备和小型空中或水下机器人等需要姿态调整的设备中，移植性和扩展性高，应用前景广泛。
[附图说明]
图1是本发明的外部结构示意图；
图2是本发明的内部结构示意图；
图3是本发明中姿态调整单元的结构示意图；
图4是本发明中姿态调整单元的双稳态弹性梁两个稳态示意图；
图5是本发明应用到智能手机中的实施例结构示意图；
图6是本发明应用到智能手机姿态调整的不同安装方式示意图；
图7是本发明与智能手机内部系统组成的防摔保护系统组成图；
图8是本发明应用到智能手机中工作模式切换流程图；
图9是本发明应用到智能手机姿态调整的控制流程图；
图10是本发明调整智能手机空中姿态过程示意图；
图中：1、姿态调整器 2、智能手机 3、屏蔽罩 4、PCB底板 5、框架 6、双稳态弹性梁7、压电单元 8、永磁铁 9、电磁铁 10、管脚。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图1所示，是本发明的外观示意图，其中屏蔽罩3采用0.2mm厚的不锈钢或洋白铜为材料，可为固定式或可拆式，防止电磁干扰(EMI)、对智能手机内部其它元件起屏蔽作用；PCB底板4集成信号采集及处理电路；管脚10将姿态调整单元固定于PCB底板4上并起到电能和信号传输的功能。
如附图2所示，姿态调整器包括屏蔽罩3和PCB底板4，PCB底板4连接在屏蔽罩3底端，屏蔽罩3和PCB底板4内封装有基于双稳态突跳特性的姿态调整单元，该姿态调整单元设有至少两个以上，如设置有三个，姿态调整单元用于提供姿态调整力和收集振动能量，每个姿态调整单元包括框架5、双稳态弹性梁6和压电单元7，双稳态弹性梁6固定在框架5内侧，双稳态弹性梁6具有上凸和下凹两个稳定平衡状态，双稳态弹性梁6的突跳形变产生用于姿态调整的弹性力，压电单元7对称粘接在双稳态弹性梁6上左右两侧，双稳态弹性梁6中间部位固定有永磁铁8，永磁铁8上下方均设有电磁铁9，电磁铁9固定在框架5上。
如附图3和附图4所示，图4为双稳态弹性梁具有上凸稳态Ⅰ和下凹稳态Ⅱ；附图3中姿态调整单元主要运动部件为中间部位固定有永磁铁8的双稳态弹性梁6，可以通过双稳态弹性梁6的突跳形变产生用于姿态调整的弹性力；当双稳态弹性梁6从上凸稳态Ⅰ向下凹稳态Ⅱ突跳转换时，双稳态弹性梁6会给框架5作用一个向上的弹性力，此弹性力进而传递给智能手机2内姿态调整器1所在的部位，产生一个调整力矩，起到调整智能手机2空中姿态的功能。
该姿态调整单元可以有多个，可以是不同规格，可以通过控制不同的姿态调整单元提供不同量级的调整力，也可以收集不同频率和振幅的振动能量，进而增大了能量收集的带宽和姿态调整的灵敏度。所述框架5用于固定双稳态弹性梁6和电磁铁9，框架5材料为覆铜板和环氧树脂或金属，上面印制有用于电能和信号传输的集成电路，包括电磁铁9、压电单元7的导线，框架5底部两边分别有四个管脚10，用于将框架5固定在PCB底板4上，并用于电能、信号的传输。
另外，固定在双稳态弹性梁6中间部位的永磁铁8为两块，分别布置于双稳态弹性梁6中间部位的上下两侧，通过粘接或机械连接固定，两块永磁铁8面向双稳态弹性梁6外侧的极性相反，固定于双稳态弹性梁6上侧的永磁铁8上部为N极，固定于双稳态弹性梁6下侧的永磁铁8下部为S极，两块永磁铁8材料可为钕铁硼Nd2Fe14B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)等，永磁铁8同时作为执行质量块，其几何形状可为圆柱体、立方体等形状。
姿态调整单元中对称粘接在双稳态弹性梁6上两侧的压电单元7可同时作为传感元件和发电元件。作为传感元件时，由于压电效应，粘接在双稳态弹性梁6上的压电单元7会由于双稳态弹性梁6的变形产生电信号，通过检测两个压电单元7的输出信号可以判断双稳态弹性梁6的变形状态，进而得以确定双稳态弹性梁6中间节点的位置。获得双稳态弹性梁6中间节点的位置信息后，可以用于控制电磁力，进而控制双稳态弹性梁6的突跳，进而控制姿态调整力。压电单元7作为发电元件可将机械振动转换为电能，粘接在双稳态弹性梁6上的压电单元7由于双稳态弹性梁6的形变而变形，进而由压电效应产生电能，压电单元7可以为压电陶瓷片、压电晶片或压电薄膜等。
此外，设置在永磁铁8上下并固定于框架5上下的电磁铁9为两个对称布置的电磁铁，分别正对着双稳态弹性梁6中间部位固定的永磁铁8，并固定在框架5上，产生可控电磁力与所述永磁铁8相互作用，通过施加不同的电磁力的吸引或排斥可使双稳态弹性梁发生两个稳态之间的突跳或单个稳态内的弹跳，进而产生不同方向的弹性调整力或同方向重复的弹性调整力，所述电磁铁9响应较快，适合实时调节手机空中姿态。
控制调整力产生的具体原理如下：如果需要产生向上的调整力时，控制图3中上面的电磁铁9产生对固定于双稳态弹性梁6上侧的永磁铁8的排斥力，推动其过中间位置，这个过程中由于力的相互作用，是不会产生姿态调整力的；当双稳态弹性梁6的中间节点达到中间位置时，此时上面的电磁铁9停止工作，双稳态弹性梁6会自动发生突跳，当双稳态弹性梁6快达到下凹的稳态时，下面的电磁铁9产生吸引固定于双稳态弹性梁6下侧的永磁铁8的电磁力，一直到双稳态弹性梁6达到稳定平衡，这个过程中，会产生向上的调整力；然后下面的电磁铁9缓慢释放对下侧永磁铁8的吸引力，最后双稳态梁6保持下凹稳态Ⅱ，此过程也不会产生调整力；如果需要继续产生向上的调整力，则控制下面的电磁铁9产生对固定于双稳态弹性梁6下侧的永磁铁8的排斥力，推动其向上运动，当双稳态弹性梁6中间节点即将达到中间突跳位置时，下面的电磁铁9停止工作，此时双稳态弹性梁6不会发生突跳，而会跳回原来的稳态，在跳回过程中，会产生向上的调整力；如果要产生向下的调整力，同理亦然。
如附图5所示，为本发明的基于双稳态结构的电子设备姿态调整器1应用于智能手机2中的实施例，将本发明作为一个执行器件安装在智能手机2内部。
如附图6所示，为姿态调整器1在智能手机2中的安装方式，可根据具体电子设备的尺寸、重量、重心位置以及内部空间合理选择安装的个数和位置，以期获得最优的调整力矩，此图只是示意，安装方式不局限于此。
如附图7所示，整个智能手机防摔保护系统包括：传感器、姿态调整器、处理器、存储器、电源管理模块和电源，利用一系列传感器来检测出设备是否处于自由落体状态，并且判断出设备与地面之间的相对位置，与传感器器配套工作的处理器，协助判断设备是否处于自由落体状态，包括设备的空中姿态、掉落的速度、距离地面有多远以及预计设备撞击地面的时间等，姿态调整器提供姿态调整力，存储器存储传感器获取的各种信息及预先制定的姿态调整程序，电源管理模块管理姿态调整器收集的振动能量及对其的供电。
如附图8所示，是姿态调整器1在智能手机2中工作时的两种工作模式切换的流程图，当智能手机2正常使用时，内置的姿态调整器1工作在振动能量收集模式，收集的电能可用于手机内部电子器件的使用，能量收集原理为：永磁铁8作为质量块在外界机械振动激励下为双稳态弹性梁6发生弹性突跳提供所需的惯性力，进而可通过压电效应将机械能转换为电能；通过智能手机2内部的传感器检测手机的姿态，当检测出智能手机2处于自由落体状态时，姿态调整器1即进入姿态调整工作模式，通过电磁铁9施加可控电磁力驱动永磁铁8，使随之运动的双稳态弹性梁6发生弹性突跳，进而为电子设备空中姿态调整提供调整力矩。
如附图9所示，当姿态调整器进入姿态调整工作模式时，启动姿态调整程序，根据获得的姿态、高度、速度等信息通过一定的算法计算分析是否需要调整设备姿态以及调整设备姿态所需的调整力矩，当确认调整时，姿态调整器执行，从而旋转设备改变其姿态，选择并不重要的部位作为着陆点，减少或避免对设备易损组件的冲击。姿态调整的执行过程通过程序设置为间断执行，可以节约能源，并且对硬件要求较低。
如附图10所示，给出了一例调整智能手机空中姿态的示意图，如果以A姿态落地很有可能会摔碎屏幕，进行了姿态调整后，可以让较耐摔的手机底部先着地，使手机的易碎屏幕得到保护，具体实际的智能手机的耐摔部位可通过试验测试得出，也可以在设计生产手机时专门加固某一部位作为摔落冲击面，并不限于手机底部。
本发明中，提供姿态调整力和收集振动能量的姿态调整单元可以有多个且规格可以不同，该姿态调整单元拥有较大的能量收集带宽和姿态调整灵敏度，可以通过控制不同的姿态调整单元提供不同量级的姿态调整力，也可以收集不同频率和振幅的振动能量，进而增大了能量收集的带宽和姿态调整的灵敏度。框架材料为覆铜板和环氧树脂或金属，上面印制有用于电能和信号传输的集成电路，包括电磁铁、压电单元的导线，框架底部两边分别有四个管脚，用于将框架固定在PCB底板上，并用于电能、信号的传输。固定在框架内侧的双稳态弹性梁为两端固支屈曲梁、两端简支弧形梁或余弦弯曲梁，三个双稳态弹性梁可以是不同尺寸、不同材料。双稳态弹性梁材料选用高弹性模量和疲劳强度材料，可以为弹簧钢、高弹性模量铝合金、高模量碳纤维等，双稳态弹性梁具有上凸和下凹两个稳定平衡状态。
根据该配置，本发明所述的电子设备姿态调整器可具有两种工作模式，在振动能量收集工作模式下，该质量块在外界机械振动激励下为双稳态弹性梁发生弹性突跳提供所需的惯性力，进而可通过压电效应将机械能转换为电能；当检测出电子设备处于自由落体状态时，进入姿态调整工作模式，通过施加可控电磁力驱动永磁铁，使随之运动的双稳态弹性梁发生弹性突跳，进而为电子设备空中姿态调整提供调整力矩。
本发明属于微小型执行器件和新型能源技术领域，具体涉及基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，这种利用双稳态结构突跳特性的姿态调整器可植入便携式电子设备中，不仅可以利用环境的振动能量发电，也可以产生一定的弹性调整力，实现电子设备掉落过程中空中姿态的调整，起到保护电子设备易碎或重要组件的作用。
该电子设备姿态调整器内置于便携式电子设备，由于所述压电单元具有传感和发电两种功能，而使该姿态调整器拥有两种工作模式，不仅可以用于振动能量的收集，还可以在电子设备意外掉落时用于调整设备在空中的姿态，选择并不重要或耐摔部位作为着陆点，以保护电子设备的易碎组件。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，其特征在于：包括屏蔽罩(3)和PCB底板(4)，所述PCB底板(4)连接在屏蔽罩(3)底端，所述屏蔽罩(3)内封装有基于双稳态突跳特性的姿态调整单元，所述姿态调整单元用于提供姿态调整力和收集振动能量，所述姿态调整单元包括框架(5)、双稳态弹性梁(6)和压电单元(7)，所述双稳态弹性梁(6)固定在框架(5)内侧，所述双稳态弹性梁(6)具有上凸和下凹两个稳定平衡状态，所述双稳态弹性梁(6)的突跳形变产生用于姿态调整的弹性力，所述压电单元(7)对称粘接在双稳态弹性梁(6)左右两侧，所述双稳态弹性梁(6)中间部位固定有永磁铁(8)，所述永磁铁(8)上下方均设有电磁铁(9)，所述电磁铁(9)固定在框架(5)上，所述永磁铁(8)设有两块，所述永磁铁(8)通过粘接或机械连接固定在双稳态弹性梁(6)中间部位的上下两侧，所述永磁铁(8)面向双稳态弹性梁(6)外侧的极性相反，所述永磁铁(8)采用钕铁硼、钐钴或铝镍钴制成，所述两块永磁铁(8)同时作为执行质量块。
2.如权利要求1所述的基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，其特征在于：所述姿态调整单元通过管脚(10)固定在PCB底板(4)上，所述姿态调整单元设有至少两个以上。
3.如权利要求2所述的基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，其特征在于：所述双稳态弹性梁(6)为两端固支屈曲梁、两端简支弧形梁或余弦弯曲梁，所述双稳态弹性梁(6)设有至少两个以上，所述双稳态弹性梁(6)采用弹簧钢、高弹性模量铝合金或高模量碳纤维制成。
4.如权利要求3所述的基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，其特征在于：所述压电单元(7)为压电陶瓷片、压电晶片或压电薄膜，所述压电单元(7)用于传感和发电。
5.如权利要求4所述的基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，其特征在于：所述电磁铁(9)上下对称布置，所述两个电磁铁(9)分别正对着永磁铁(8)，所述电磁铁(9)产生可控电磁力与永磁铁(8)相互作用。
6.如权利要求5所述的基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，其特征在于：所述框架(5)采用覆铜板、环氧树脂或金属制成，所述框架(5)上印制有用于电能和信号传输的集成电路，所述管脚(10)设置在框架底部两边，所述框架(5)通过管脚固定在PCB底板(4)上，所述管脚(10)用于电能、信号的传输。
7.如权利要求6所述的基于双稳态结构的电子设备姿态调整器，其特征在于：所述屏蔽罩(3)采用不锈钢或洋白铜制成，所述屏蔽罩(3)为固定式或可拆式结构。
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