CN107332464A - 一种压电式无线门铃信号发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电式无线门铃信号发射器，属日用电子产品技术领域。壳体的主壁端部经螺钉连接有端盖，端盖由带通孔的盖板以及定位环构成，定位环外圈靠近壳体的主壁的内壁安装；主壁上设有环台，其上经压环及螺钉压装有一组压电振子，压电振子安装前为平直结构，压电振子由基板及压电片粘接而成，压电片靠近环台安装；底板的主体上经螺钉及垫圈安装有电路板，其上设有能量转换电路及信号发射系统，主体上设有套筒，套筒内安装有导向轴，导向轴上从右至左依次压装有复位弹簧、小刚性块、柔性拨片及按钮，柔性拨片为带有豁口的圆台形壳体，小刚性块的直径小于按钮大端的直径，按钮的小端通过端盖的通孔安装。
Description
技术领域
本发明属于日用电子产品技术领域，具体涉及一种压电式无线门铃信号发射器。
背景技术
门铃在日常生活中随处可见，它可以发出声音提醒主人有客到访。常见的门铃可分为有线门铃和无线门铃，但有线门铃发射器与接收器之间依靠电线连接，布线比较麻烦，安装不便，很可能需要凿墙等，因而近几年逐渐淡出市场，无线门铃逐渐成为了未来的发展趋势。目前的无线门铃即日常生活中经常见到的门铃，其信号发射器大多依靠12V电池供电，其能量有限，需要经常更换电池，浪费人力物力，且若废旧电池处理不当，极易造成严重的环境污染。为代替传统化学电池，满足类似于无线门铃信号发射器等微功率、微小型电子产品的自供电需求，国内外学者相继提出了基于静电、电磁、热电及压电等原理的微小型能量捕获器(亦称微小型发电机或俘能器)，其中压电能量捕获器以其结构简单、无电磁干扰、能量密度大、易于实现微小化和集成化等优势而使其适用范围更广。但由于压电晶片为脆性材料，易因所受拉应力过大而破碎。因此，为使压电式供能装置在无线门铃信号传递系统中得到实际应用，首先需解决的关键问题是提高其工作的可靠性。
发明内容
本发明提出一种压电式无线门铃信号发射器，本发明采用的实施方案是：壳体的主壁端部经螺钉连接有端盖，端盖由带通孔的盖板以及定位环构成，定位环外圈靠近壳体的主壁的内壁安装；主壁上设有环台，其上经压环及螺钉压装有一组压电振子，压电振子安装时为平直结构，压电振子由基板及压电片粘接而成，压电片靠近环台安装；底板的主体上经螺钉及垫圈安装有电路板，其上设有能量转换电路及信号发射系统，主体上设有套筒，套筒内安装有导向轴，导向轴上从右至左依次压装有复位弹簧、小刚性块、柔性拨片及按钮，柔性拨片为带有豁口的圆台形壳体，小刚性块的直径小于按钮大端的直径，按钮的小端通过端盖的通孔安装，小刚性块、柔性拨片及按钮的大端经螺钉连接在一起，按钮的大端的左端面顶靠在端盖上；装置主体通过端盖经螺钉安装于门体内。
压电振子为扇形或长方形悬臂梁，压电振子经导线组与电路板相连，压电振子产生电能，经过电路板上的能量转换电路将电能转换为信号发射系统可用的电能，再通过信号发射系统发出门铃信号，压电振子安装时为平直结构，压电振子为长方形时，其工作时自由端变形量的许用值为其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Em，hm为基板的厚度，H为压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的悬臂长度。
为使柔性拨片能在压电振子自由端变形量在达到许用值前脱开，柔性拨片为平直结构时，其外伸长度应满足其中：ω＝FL3/(3EI)，E和Eb分别为压电振子和柔性拨片的杨氏模量，I和Ib分别为压电振子和柔性拨片的惯性矩，d为压电振子与柔性拨片重叠部分长度。
非工作状态下，复位弹簧处于压缩状态，将小刚性块、柔性拨片及按钮压在端盖上，压电振子不发生弯曲变形，压电片上应力分布状态不变；当按下按钮时，按钮大端大面压在柔性拨片上，柔性拨片端部与压电振子接触部分刚度较大，拨动压电振子悬臂端使压电振子产生弯曲变形，同时改变压电片上的应力分布状态，压电片上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；继续按压按钮，柔性拨片通过压电振子；松开按钮，复位弹簧将小刚性块、柔性拨片及按钮压回，小刚性块的直径较小，柔性拨片端部与压电振子接触部分刚度较小，易于通过压电振子而不使压电片产生大的拉应力，同时实现再次激励，增大发电效果；当柔性拨片将压电振子自由端压到极限位置时，压电振子自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子的变形特性由柔性拨片与压电振子接触部分的刚度确定，在压电振子和柔性拨片的结构及尺度确定时，可通过按钮大端直径和小刚性块的直径加以调整，使柔性拨片拨动与复位时的刚度不同，实现发电效果较好的同时压电片不会产生大的拉应力，可靠性高；同时，以拨片拨动的方式激励，压电振子工作在一阶模态下，发电效果好。
优势与特色：可收集人按压按钮的机械能发电，无需附加电源，环境适应能力强；压电振子可确保工作在一阶模态下，发电效果好，且系统发电效果易于通过按钮大端直径和小刚性块直径调节；通过柔性拨片拨动与复位时的刚度不同，实现工作中压电振子仅承受较小的反向变形，压电片承受拉应力较小，承受压应力在其许用值内，故可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中装置的结构剖面图；
图2是按钮按下时装置的结构剖面图；
图3是按钮松开时装置的结构剖面图；
图4是图1中采用矩形压电振子时的A-A剖视图；
图5是图1中采用扇形压电振子时的A-A剖视图。
具体实施方式
壳体f的主壁f1端部经螺钉连接有端盖a，端盖a由带通孔的盖板a2以及定位环a1构成，定位环a1外圈靠近壳体f的主壁f1的内壁安装；主壁f1上设有环台f2，其上经压环d及螺钉压装有一组压电振子g，压电振子g安装时为平直结构，压电振子g由基板g1及压电片g2粘接而成，压电片g2靠近环台安装；底板h的主体h1上经螺钉及垫圈l安装有电路板m，其上设有能量转换电路及信号发射系统，主体h1上设有套筒h2，套筒h2内安装有导向轴i，导向轴i上从右至左依次压装有复位弹簧j、小刚性块k、柔性拨片c及按钮b，柔性拨片c为带有豁口的圆台形壳体，小刚性块k的直径小于按钮b大端b2的直径，按钮b的小端b1通过端盖a的通孔安装，小刚性块k、柔性拨片c及按钮b的大端b2经螺钉连接在一起，按钮b的大端b2的左端面顶靠在端盖a上；装置主体通过端盖a经螺钉安装于门体e内。
压电振子g为扇形或长方形悬臂梁，压电振子g经导线组与电路板m相连，压电振子g产生电能，经过电路板m上的能量转换电路将电能转换为信号发射系统可用的电能，再通过信号发射系统发出门铃信号，压电振子g安装时为平直结构，压电振子g为长方形时，其工作时自由端变形量的许用值为其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板g1的厚度，H为压电振子g总厚度，Em和Ep分别为基板g1和压电片g2材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子g的悬臂长度。
为使柔性拨片c能在压电振子g自由端变形量在达到许用值前脱开，柔性拨片c为平直结构时，其外伸长度l应满足其中：ω＝FL3/(3EI)，E和Eb分别为压电振子g和柔性拨片c的杨氏模量，I和Ib分别为压电振子g和柔性拨片c的惯性矩，d为压电振子g与柔性拨片c重叠部分长度。
非工作状态下，复位弹簧j处于压缩状态，将小刚性块k、柔性拨片c及按钮b压在端盖a上，压电振子g不发生弯曲变形，压电片g2上应力分布状态不变；当按下按钮b时，按钮b大端b2大面压在柔性拨片c上，柔性拨片c端部与压电振子g接触部分刚度较大，拨动压电振子g悬臂端使压电振子g产生弯曲变形，同时改变压电片g2上的应力分布状态，压电片g2上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；继续按压按钮b，柔性拨片c通过压电振子g；松开按钮b，复位弹簧j将小刚性块k、柔性拨片c及按钮b压回，小刚性块k的直径较小，柔性拨片c端部与压电振子g接触部分刚度较小，易于通过压电振子g而不使压电片g2产生大的拉应力，同时实现再次激励，增大发电效果；当柔性拨片c将压电振子g自由端压到极限位置时，压电振子g自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片g2上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子g的变形特性由柔性拨片c与压电振子g接触部分的刚度确定，在压电振子g和柔性拨片c的结构及尺度确定时，可通过按钮b大端b2直径和小刚性块k的直径加以调整，使柔性拨片拨动与复位时的刚度不同，实现发电效果较好的同时压电片g2不会产生大的拉应力，可靠性高；同时，以拨片拨动的方式激励，压电振子g工作在一阶模态下，发电效果好。
Claims (1)
1.一种压电式无线门铃信号发射器，其特征在于：壳体的主壁端部经螺钉连接有端盖，端盖由带通孔的盖板以及定位环构成，定位环外圈靠近壳体的主壁的内壁安装；主壁上设有环台，其上经压环及螺钉压装有一组压电振子，压电振子安装时为平直结构，压电振子由基板及压电片粘接而成，压电片靠近环台安装；底板的主体上经螺钉及垫圈安装有电路板，其上设有能量转换电路及信号发射系统，主体上设有套筒，套筒内安装有导向轴，导向轴上从右至左依次压装有复位弹簧、小刚性块、柔性拨片及按钮，柔性拨片为带有豁口的圆台形壳体，小刚性块的直径小于按钮大端的直径，按钮的小端通过端盖的通孔安装，小刚性块、柔性拨片及按钮的大端经螺钉连接在一起，按钮的大端的左端面顶靠在端盖上；柔性拨片应在压电振子自由端变形量在达到许用值前脱开。
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