CN106558907B - 一种终端充电装置和终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种终端充电装置和终端，包括：压电悬臂梁、整流单元、以及储能元件；所述压电悬臂梁包括支撑梁，以及设置在所述支撑梁表面的压电元件；整流单元设置为将压电悬臂梁产生的交流电流转换为直流电流，并通过所述直流电流将电能存储在所述储能元件中。通过上述技术方案，压电悬臂梁利用压电转换的方式将环境中随处存在的振动的机械能转化成电能，并存储在储能元件中，从而给终端提供电能，尤其是能够方便地给低功耗便携式电子产品之类的终端提供电能，该终端充电装置使用方便，不受环境的限制，能量转换效率高，压电材料安全无毒，不会对环境和人体造成危害。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备技术领域，尤指一种终端充电装置和终端。
背景技术
目在便携式终端设备中，续航供电问题一直是影响用户体验的痛点。频繁充电给用户带来众多不便，目前行之有效的解决方案太少。
现有的充电方案有固定充电器充电，无线充电，移动充电宝充电。其中，固定充电器是目前的主流，是目前终端产品的标配，但是，固定充电器需要连接电源插座，不能随处进行充电；无线充电方案目前还处在实验阶段，其充电效率、稳定性和易用性等还达不到市场化的要求。移动充电宝虽然能解决随身充电的问题，但随身携带大容量电池所带来的安全隐患仍然倍受用户重视。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种终端充电装置和终端，能够实现便携性并具有较高的安全性。
为了达到上述目的，本发明提出了一种终端充电装置，其特征在于，所述装置包括：压电悬臂梁、整流单元、以及储能元件；
所述压电悬臂梁包括支撑梁，以及设置在所述支撑梁表面的压电元件；
整流单元设置为将压电悬臂梁产生的交流电流转换为直流电流，并通过所述直流电流将电能存储在所述储能元件中。
优选地，所述支撑梁为片状金属梁，所述压电元件包括第一压电元件和第二压电元件；
所述第一压电元件和第二压电元件分别设置在所述金属梁的上表面和下表面。
优选地，所述压电悬臂梁的数目为多个，各个压电悬臂梁具有不同的振动方向。
优选地，所述压电悬臂梁的数目为4个，分别为第一压电悬臂梁、第二压电悬臂梁、第三压电悬臂梁、和第四压电悬臂梁；其中，
第一压电悬臂梁和第三压电悬臂梁设置为平行于底座，第二压电悬臂梁和第四压电悬臂梁设置为垂直于底座。
优选地，所述装置还包括：限制区以及设置在限制区内、能够自由移动的第一金属珠，
所述压电悬臂梁的一端固定设置有第二磁性件，所述第二磁性件与所述第一金属珠设置为相互间存在磁力，以通过第二磁性件与第一金属珠之间的磁力，使得在第一金属珠发生移动时，第二磁性件也发生移动，并带动所述压电悬臂梁发生振动。
优选地，所述压电悬臂梁还包括第一固定块和第二固定块，压电悬臂梁的一端固定在第一固定块和第二固定块之间，并且，第一固定块和第二固定块上分别设置有形状对应的凹槽，所述形状对应的凹槽组合成的凹部用于放置所述第二磁性件。
优选地，所述整流单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、和第四二极管；其中，
所述第一二极管的负极和第二二极管的负极相连；
所述第一二极管的正极连接至第一压电元件，所述第二二极管的正极连接至第二压电元件；
所述第三二极管的正极和第四二极管的正极相连；
所述第三二极管的负极连接至第一压电元件，所述第四二极管的负极连接至第二压电元件；
所述第一二极管的负极连接至储能元件的第一端，所述第三二极管的正极连接至储能元件的第二端。
优选地，所述压电元件沿厚度方向极化，
所述第一压电元件和第二压电元件的极化方向设置为相同，以使所述第一压电元件和第二压电元件并联连接；或，
所述第一压电元件和第二压电元件的极化方向设置为相反，以使所述第一压电元件和第二压电元件构成串联连接。
优选地，所述储能元件为储能电容。
优选地，第一压电元件和第二压电元件分别通过导电胶粘于所述金属梁的上表面和下表面。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种终端，所述终端包括上述任一项终端充电装置。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括：所述装置包括：压电悬臂梁、整流单元、以及储能元件；所述压电悬臂梁包括支撑梁，以及设置在所述支撑梁表面的压电元件；整流单元设置为将压电悬臂梁产生的交流电流转换为直流电流，并通过所述直流电流将电能存储在所述储能元件中。通过本发明的方案，压电悬臂梁利用压电转换的方式将环境中随处存在的振动的机械能转化成电能，并存储在储能元件中，从而给终端提供电能，尤其是能够方便地给低功耗便携式电子产品之类的终端提供电能，本发明实施例提供的终端充电装置使用方便，不受环境的限制，能量转换效率高，终端充电装置中采用的压电材料安全无毒，不会对环境和人体造成危害。
附图说明
下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1为本发明提出了一种终端充电装置的框图；
图2为本发明提出的另一种终端充电装置的结构示意图；
图3A为终端充电装置中盖子24的示意图；
图3B为终端充电装置中盖子24和方形外壳21的配合示意图；
图4为本发明提出的压电悬臂梁10的结构示意图；
图5为本发明提出的第二磁性件27的结构示意图；
图6为本发明提出的固定块的结构示意图；
图7为本发明提出的一个压电悬臂梁10对应的整流单元40的电路结构示意图；
图8为4个压电悬臂梁10对应的整流单元40的电路结构示意图；
图9为本发明实施例提供的终端充电装置的典型应用示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的各种方式可以相互组合。
参见图1，本发明提出了一种终端充电装置的框图，所述装置包括：压电悬臂梁10、整流单元40、以及储能元件50；所述压电悬臂梁包括支撑梁，以及设置在所述支撑梁表面的压电元件；所述压电悬臂梁10设置为在振动环境下产生电流。整流单元40设置为将压电悬臂梁10产生的交流电流转换为直流电流，并通过所述直流电流将电能存储在所述储能元件50中。
通过本发明的方案，压电悬臂梁利用压电转换的方式将环境中随处存在的振动的机械能转化成电能，并存储在储能元件中，从而给终端提供电能，尤其是给低功耗便携式电子产品之类的终端使用，本发明实施例提供的终端充电装置使用方便，不受环境的限制，能量转换效率高，终端充电装置中采用的压电材料安全无毒，不会对环境和人体造成危害。上述环境中的振动包括没有规律、也没有固定频率的振动。由于振动可能发生在各个方向，因此，压电悬臂梁10产生的电流会发生变化，为交流电流。
优选地，所述支撑梁为片状金属梁，所述压电元件包括第一压电元件和第二压电元件；所述第一压电元件和第二压电元件分别设置在所述金属梁的上表面和下表面。片状金属梁具有较好的韧性和抗疲劳性，能够提高压电转换器件的性能和使用寿命。
本发明实施例中，所述压电悬臂梁10的数目为多个，各个压电悬臂梁10具有不同的振动方向。
参见图2，为本发明提出的另一种终端充电装置的结构示意图，在图1所示的终端充电装置的基础上，终端充电装置还包括外壳21，外壳21为方形，压电悬臂梁10均设置在方形外壳21上。所述压电悬臂梁10的数目为4个，分别为第一压电悬臂梁11、第二压电悬臂梁12、第三压电悬臂梁13、和第四压电悬臂梁14。方形外壳21具有方形的外壁和圆形的内壁，4个压电悬臂梁10对称地设置在方形外壳21的内壁上。压电悬臂梁10的一端为悬空端，一端为固定端，悬空端固定连接有固定块，使得压电悬臂梁10在环境振动时相应的发生振动，方形外壳21的内壁上设置有凹槽，压电悬臂梁10的固定端通过凹槽固定在方形外壳21的内壁上。可以通过铆钉或螺丝将压电悬臂梁10的固定端固定在底座上。
其中，优选地，第一压电悬臂梁11和第三压电悬臂梁13设置为平行于底座，第二压电悬臂梁12和第四压电悬臂梁14设置为垂直于底座。上述四个压电悬臂梁10分别固定在方形外壳21的内壁上，压电悬臂梁10两两相对。
图3A为终端充电装置中盖子24的示意图，其中，方形盖子24能够固定在方形外壳21上，将终端充电装置中的其他部件封闭在方形外壳21中。可以理解，外壳21可以是其他形状，相应的，盖子24也可以是其他形状。
图3B为终端充电装置中盖子24和方形外壳21的配合示意图。其中，盖子24的四角设置有柱形的突出部241，方形外壳21的四角对应的设置有柱形槽部211，突出部241的直径大于或等于槽部211，通过将突出部241敲击进入槽部211中，可以固定盖子24和方形外壳21。可以理解，盖子24也可以通过其他方式固定在方形外壳21上。
参见图4，为本发明提出的压电悬臂梁10的结构示意图，所述压电悬臂梁10设置为振动环境下产生电流；其中，所述压电悬臂梁10包括片状金属梁16，以及分别设置在所述金属梁16的上表面和下表面的第一压电元件17和第二压电元件18。其中，第一压电元件17和第二压电元件18分别通过导电胶粘于所述金属梁16的上表面和下表面。如图4所示，优选地，压电悬臂梁10的固定端和悬空端分别设置有凹槽，悬空端的凹槽用于避免金属梁16挡住了第二磁性件27的放置位置，固定端的凹槽用于固定端与方形外壳21之间的连接。
其中，第一压电元件17和第二压电元件18均沿厚度方向极化。其中，厚度方向为垂直于压电悬臂梁10的薄片表面的方向，如图中Z1所示的方向。第一压电元件17和第二压电元件18的极化方向设置为相同，以使所述第一压电元件17和第二压电元件18并联连接；或，第一压电元件17和第二压电元件18的极化方向设置为相反，以使第一压电元件17和第二压电元件18构成串联连接。
当金属梁16发生振动时，金属梁16因振动而产生机械形变，贴在金属梁16上的第一压电元件17和第二压电元件18也会产生机械变形，由于第一压电元件17和第二压电元件18均沿厚度方向极化，因此机械形变会使得第一压电元件17和第二压电元件18的上下表面产生电压差，这个电压差使得连接第一压电元件17和第二压电元件18的回路中有电流产生，例如，通过整流二极管和储能元件组成的回路中有电流产生，从而将电能以电荷的形式存储在储能元件中。当机械形变的方向不同时，电压差的极性也不同，整流单元40能将这种极性变化的电流转换成固定方向的直流电流，从而将电能存储在极性不变的储能元件50中。
本发明实施例中，还设置有磁力组件，通过磁力组件也可以将环境中的振动转换为压电悬臂梁10的振动，磁力组件包括设置在底座22上的金属珠26和设置在压电悬臂梁10的一端固定设置有第二磁性件27，下面结合图2进行详细说明。
如图2所示，所述装置还包括：限制区25以及设置在限制区内、能够自由移动的第一金属珠26，所述压电悬臂梁10的一端固定设置有第二磁性件27，所述第二磁性件27与所述第一金属珠26设置为相互间存在磁力，以通过第二磁性件27与第一金属珠26之间的磁力，使得在第一金属珠26发生移动时，第二磁性件27也发生移动，并带动所述压电悬臂梁10发生振动。
其中，第一金属珠26可以是铁珠，第二磁性件27为磁铁块，第一金属珠26也可以是其他与第二磁性件27相配合能够发生磁力作用的金属珠。
其中，限制区25为固定在方形外壳21的底座22中间的柱形空腔，优选地，可以是圆柱形的空腔，第一金属珠26放置在圆柱形的凹槽中并可以自由滚动，方形盖子24通过铆钉固定在方形外壳21上的同时，也将第一金属珠16固定在圆柱形的凹槽中。柱形空腔和底座是一体化的，第一金属珠26放入后用方形盖子24(上盖子)封闭起来。圆柱形的空腔能够使得铁珠的运动更加顺畅。
当本发明提出的终端充电装置在一定的振动条件下(如正常行走、跑步、甩动等)，压电悬臂梁10端部的固定块感知外界环境中的振动，带动压电悬臂梁振动，压电悬臂梁在振动激励下输出电压。每一组压电悬臂梁在磁耦合作用下产生非线性振动，提高了压电发电机的工作带宽和输出功率。当振动来自Z方向时，如图2所示的第一压电悬臂梁和第三压电悬臂梁振动发电；当振动来自Y方向时，所示第二压电悬臂梁和第四压电悬臂梁振动发电；当振动来自X方向时，理论上压电悬臂梁不振动，但自由滚动的球状铁珠在滚动的时候能带动第二压电悬臂梁和第四压电悬臂梁振动发电；周围环境中的振动都可以分解到X、Y、Z三个轴上，由上述可见无论振动来自哪个方向,本发明都能够将振动机械能转化成电能输出。当外界环境中的振动微弱时，球形铁珠也能够感应振动而滚动，利用磁力作用而对压电悬臂梁末端固定块中的永磁铁产生作用力，带动压电悬臂梁振动从而产生电能。
下面对上述固定块进行详细说明，固定块需要具备一定的质量，从而能够带动压电悬臂梁，此外，需要通过固定块来将第二磁性件固定在压电悬臂梁10上。固定块包括第一固定块28和第二固定块29。
参见图5，为本发明提出的第二磁性件27的结构示意图，第二磁性件27为圆柱形的永磁铁，参见图6，为本发明提出的固定块的结构示意图，所述压电悬臂梁10还包括第一固定块28和第二固定块29，压电悬臂梁10的一端固定在第一固定块28和第二固定块29之间，并且，第一固定块28和第二固定块29上分别设置有形状对应的凹槽281和凹槽291，所述形状对应的凹槽281和凹槽291组合成的凹部用于放置所述第二磁性件27，其中，凹槽281和凹槽291的深度小于固定块的深度，该深度方向指平行于凹槽组成的柱形空腔的轴向的方向。
本发明实施例中，所述储能元件50为储能电容。
参见图7，为本发明提出的多个压电悬臂梁10中的任意一个对应的整流单元40的电路结构示意图，所述整流单元包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、和第四二极管D4；其中，
所述第一二极管D1的负极和第二二极管D2的负极相连；
所述第一二极管D1的正极连接至第一压电元件17，所述第二二极管D2的正极连接至第二压电元件18；
所述第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极相连；
所述第三二极管D3的负极连接至第一压电元件17，所述第四二极管D4的负极连接至第二压电元件18；
所述第一二极管D1的负极连接至储能元件50的第一端，所述第三二极管D3的正极连接至储能元件50的第二端。
参见图8，为所述压电悬臂梁10的数目为4个时，整流单元40的电路结构示意图，整流单元40包括4组如图6所示的整流单元。各个压电悬臂梁10中第一压电元件17和第二压电元件18之间产生的电流均通过对应的整流单元输出至储能元件50。可以看出，各个压电悬臂梁10为并联关系。
基于与上述实施例相同或相似的构思，本发明实施例还提供一种终端，所述终端包括本发明实施例提供的任一种终端充电装置。
从可实施性角度来看，本发明实施例提供的终端充电装置可以设置为各种尺寸：第一，大尺寸时放置于车上或者背包中，将收集到的电能供车载低功耗设备使用或者存储到备用电池中，供其它便携式低功耗电子设备使用；第二，中型尺寸可以当装饰配件随身带在身上，直接将收集到的电能补充给随身携带的便携式低功耗电子设备；第三，小尺寸时可以集成在便携式电子设备内部或者MEMS化集成在IC内部，使得将收集到的电能随时补充给低功耗电子设备或者直接给IC器件供给电能。
参见图9，为本发明实施例提供的终端充电装置的典型应用，计步器是步行或跑步时用来统计步数的传感器，这种场景下振动的机械能通常被人们忽略。采用本发明的终端充电装置将振动的机械能收集，并给计步器供电，计步器在工作状态下与处理器通讯。这种分布式不间断供电方式避免了传感器对电池电能的消耗。
需要说明的是，在本发明所示终端充电装置的结构的基础上，通过叠层复制，增加终端充电装置的数目，收集振动能的能力会增强。
需要说明的是，在本发明所示终端充电装置的结构的基础上，改变球形铁珠体积或运动轨道的尺寸，会改变振动能量收集性能。本发明实施例中，可以对限制区25的尺寸进行设置，例如圆柱形限制区25的直径进行设置，对使得振动能量收集性能最佳，可以通过实验测试的方式选取最合适的直径大小。此外，限制区25也可以设置为其他形状。
需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种终端充电装置，其特征在于，所述装置包括：压电悬臂梁、整流单元、以及储能元件；
所述压电悬臂梁包括支撑梁，以及设置在所述支撑梁表面的压电元件；
整流单元设置为将压电悬臂梁产生的交流电流转换为直流电流，并通过所述直流电流将电能存储在所述储能元件中；
所述装置还包括：限制区以及设置在限制区内、能够自由移动的第一金属珠，所述压电悬臂梁的一端固定设置有第二磁性件，所述第二磁性件与所述第一金属珠设置为相互间存在磁力，以通过第二磁性件与第一金属珠之间的磁力，使得在第一金属珠发生移动时，第二磁性件也发生移动，并带动所述压电悬臂梁发生振动。
2.根据权利要求1所述的终端充电装置，其特征在于，所述支撑梁为片状金属梁，所述压电元件包括第一压电元件和第二压电元件；
所述第一压电元件和第二压电元件分别设置在所述金属梁的上表面和下表面。
3.根据权利要求1所述的终端充电装置，其特征在于，所述压电悬臂梁的数目为多个，各个压电悬臂梁具有不同的振动方向。
4.根据权利要求3所述的终端充电装置，其特征在于，所述压电悬臂梁的数目为4个，分别为第一压电悬臂梁、第二压电悬臂梁、第三压电悬臂梁、和第四压电悬臂梁；其中，
第一压电悬臂梁和第三压电悬臂梁设置为平行于底座，第二压电悬臂梁和第四压电悬臂梁设置为垂直于底座。
5.根据权利要求1所述的终端充电装置，其特征在于，所述压电悬臂梁还包括第一固定块和第二固定块，压电悬臂梁的一端固定在第一固定块和第二固定块之间，并且，第一固定块和第二固定块上分别设置有形状对应的凹槽，所述形状对应的凹槽组合成的凹部用于放置所述第二磁性件。
6.根据权利要求2所述的终端充电装置，其特征在于，所述整流单元包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、和第四二极管；其中，
所述第一二极管的负极和第二二极管的负极相连；
所述第一二极管的正极连接至第一压电元件，所述第二二极管的正极连接至第二压电元件；
所述第三二极管的正极和第四二极管的正极相连；
所述第三二极管的负极连接至第一压电元件，所述第四二极管的负极连接至第二压电元件；
所述第一二极管的负极连接至储能元件的第一端，所述第三二极管的正极连接至储能元件的第二端。
7.根据权利要求2所述的终端充电装置，其特征在于，
所述压电元件沿厚度方向极化，
所述第一压电元件和第二压电元件的极化方向设置为相同，以使所述第一压电元件和第二压电元件并联连接；或，
所述第一压电元件和第二压电元件的极化方向设置为相反，以使所述第一压电元件和第二压电元件构成串联连接。
8.根据权利要求1所述的终端充电装置，其特征在于，所述储能元件为储能电容。
9.根据权利要求2所述的终端充电装置，其特征在于，第一压电元件和第二压电元件分别通过导电胶粘于所述金属梁的上表面和下表面。
10.一种终端，其特征在于，所述终端包括根据权利要求1～9中任一项所述的终端充电装置。
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