CN107359820B - 一种按压拨动式无源门铃 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种按压拨动式无源门铃，属日用电子产品技术领域。壳体的外壁端部连接有带通孔的端盖，端盖上设有定位环，定位环外圈靠近壳体外壁的内壁安装；外壁上设有环台，环台上经压环压装有一组压电振子，压电振子是由基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，压电片靠近环台安装；底壁上及垫圈安装有电路板，电路板上设有能量转换电路及信号发射系统，底壁上设有套筒，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，其中：柔性拨片为圆形且设有豁口，小刚性块直径小于按钮大端直径，按钮小端通过端盖通孔安装，按钮大端左端面顶靠在端盖上；装置主体通过端盖安装于门体内。
Description
技术领域
本发明属于日用电子产品技术领域，具体涉及一种按压拨动式无源门铃。
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、电磁及压电等原理的微小型能量捕获器，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
本发明提出一种按压拨动式无源门铃，本发明采用的实施方案是：壳体的外壁端部经螺钉连接有带通孔的端盖，端盖上设有定位环，定位环外圈靠近壳体的外壁的内壁安装；外壁上设有环台，环台上经压环及螺钉压装有一组压电振子，压电振子是由基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，压电片靠近环台安装；底壁上经螺钉及垫圈安装有电路板，电路板上设有能量转换电路及信号发射系统，底壁上设有套筒，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，其中：柔性拨片为圆形且设有豁口，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，按钮的大端的左端面顶靠在端盖上，小刚性块、柔性拨片及按钮的大端经螺钉连接在一起；装置主体通过端盖经螺钉安装于门体内；压电振子经导线组与电路板相连，压电振子产生的电能，经过电路板上的能量转换电路转换处理后用于信号发射系统，信号发射系统再发出门铃信号。
本发明中，压电振子安装前的自然状态下为预弯结构，且基板的弯曲半径小于压电片的弯曲半径，为使压电振子具有最大的发电能力并避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子装配前的自然状态下压电片凸面上的半径最小值为其中H为压电振子的厚度，E1、E2分别为基板和压电片的弹性模量，g31、T*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力；压电振子e为预弯结构时，变形量的许用值为R为压电片e2凸面上的半径，L为压电振子e可变形部分的长度。
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，其外伸长度l应满足其中：F＝δK，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，δ、K分别为压电振子的许用变形量和弯曲刚度。
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与压电振子接触的刚度不同，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，且由凸形向平直变形，压电片应力变化均匀，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，压电片应力变化均匀，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的直径加以调节；最关键的是，通过柔性拨片拨动与复位过程中的刚度不同，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门铃装置的结构剖面图；
图2是按钮按下时门铃装置的结构剖面图；
图3是按钮松开时门铃装置的结构剖面图；
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的外壁f1端部经螺钉连接有带通孔的端盖a1，端盖a1上设有定位环a2，定位环a2外圈靠近壳体f的外壁f1的内壁安装；外壁f1上设有环台f2，环台f2上经压环b及螺钉压装有一组压电振子e，压电振子e是由基板e1和压电片e2粘接而成的悬臂梁结构，压电片e2靠近环台安装；底壁g1上经螺钉及垫圈x安装有电路板k，电路板k上设有能量转换电路及信号发射系统，底壁g1上设有套筒g2，套筒g2内安装有导向轴h，导向轴h上从右至左依次压装有复位弹簧i、小刚性块j、柔性拨片c及按钮d，其中：柔性拨片c为圆形且设有豁口c1，小刚性块j的直径小于按钮d大端d2的直径，按钮d的小端d1通过端盖a1的通孔安装，按钮d的大端d2的左端面顶靠在端盖a1上，小刚性块j、柔性拨片c及按钮d的大端d2经螺钉连接在一起；装置主体通过端盖a1经螺钉安装于门体m内；压电振子e经导线组与电路板m相连，压电振子e产生的电能，经过电路板m上的能量转换电路转换处理后用于信号发射系统，信号发射系统再发出门铃信号。
本发明中，压电振子e安装前的自然状态下为预弯结构，基板e1的弯曲半径小于压电片e2的弯曲半径，为使压电振子e具有最大的发电能力并避免压电片e2因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子e装配前的自然状态下压电片e2凸面上的半径最小值为其中H为压电振子e的厚度，E1、E2分别为基板e1和压电片e2的弹性模量，g31、T*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力；压电振子e为预弯结构时变形量的许用值为R为压电片e2凸面上的半径，L为压电振子e可变形部分的长度。
为使柔性拨片c能在压电振子e自由端变形量在达到许用值前脱开，其外伸长度l应满足其中：F＝δK，E和Eb分别为压电振子e和柔性拨片c的杨氏模量，I和Ib分别为压电振子e和柔性拨片c的惯性矩，d为压电振子e与柔性拨片c重叠部分长度，δ、K分别为压电振子e的许用变形量和弯曲刚度。
非工作状态下，复位弹簧i处于压缩状态，将小刚性块j、柔性拨片c及按钮d压在端盖a1上，压电振子e不发生弯曲变形，压电片e2上应力分布状态不变；当按下按钮d时，按钮d大端d2大面压在柔性拨片c上，柔性拨片c端部与压电振子e接触部分刚度较大，拨动压电振子e悬臂端使压电振子e产生弯曲变形，同时改变压电片e2上的应力分布状态，压电片e2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d，柔性拨片c通过压电振子e；松开按钮d，复位弹簧i将小刚性块j、柔性拨片c及按钮d压回，小刚性块j的直径较小，柔性拨片c端部与压电振子e接触部分刚度较小，易于通过压电振子e而不使压电片e2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e自由端压到极限位置时，压电振子e自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片e2上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子e的变形特性由柔性拨片c与压电振子e接触部分的刚度确定，在压电振子e和柔性拨片c的结构及尺度确定时，可通过按钮d大端d2直径和小刚性块j的直径加以调整，使柔性拨片c拨动与复位时与压电振子e接触的刚度不同，实现发电效果较好的同时压电片e2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e工作在一阶模态下，且由凸形向平直变形，压电片e2应力变化均匀，发电效果好。
Claims (1)
1.一种按压拨动式无源门铃，其特征在于：壳体的外壁端部经螺钉连接有带通孔的端盖，端盖上设有定位环，定位环外圈靠近壳体的外壁的内壁安装；外壁上设有环台，环台上经压环及螺钉压装有一组压电振子，压电振子是由基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，压电片靠近环台安装，压电振子安装前为预弯结构且基板的弯曲半径小于压电片的弯曲半径；底壁上经螺钉及垫圈安装有电路板，电路板上设有能量转换电路及信号发射系统，底壁上设有套筒，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，其中：柔性拨片为圆形且设有豁口，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，按钮的大端的左端面顶靠在端盖上，小刚性块、柔性拨片及按钮的大端经螺钉连接在一起；按下按钮时柔性拨片端部与基板接触，柔性拨片顶靠在按钮大端的端面上、悬臂的可变形部分短、刚度大，迫使压电振子弯曲变形发电，柔性拨片在压电振子变形量达到许用值前与压电振子脱开；按钮复位时柔性拨片端部与压电片接触，柔性拨片与按钮大端的端面脱离、悬臂的可变形部分长、刚度小，压电振子变形小或无变形；压电振子产生的电能经过电路板上的能量转换电路转换处理后用于信号发射系统，信号发射系统再发出门铃信号。
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