CN1219298A - 产生用于操作小电子设备的电能的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及产生操作小电子设备例如遥控器、袖珍计算器电动门锁等等的电能的方法和设备。根据本发明,至少从手动操作功能触发元件(34)的能量中得到操作小电子设备所必需的电能。根据本发明的电子设备中的电源包括一个机械/电子转换器(发生器)(10’),通过手动激活功能触发元件(34)提供动能。

Description

产生用于操作小电子设备的电能的方法和装置

本发明涉及根据权利要求1或者7前序部分的一种方法和设备，用于产生操作小电子设备的电能，例如摇控器、袖珍计算器、电动开门装置等等。

一般通过主电池或者蓄电池实现不依赖于网络的小电子设备的电源，例如遥控器、袖珍计算器、电动开门装置、表等。然而特别从生态学的观点来看，总是尝试另选替换的能源。为了提供表和计算器的能源，因此常常使用太阳能电池，其中这通过一个二次电池以蓄电池或者所谓的超电容的形式来缓冲。

另外还公开了通过发电机向自行车灯提供电流的方法，其中使用旋转的永磁铁，永磁铁感应出的交流电压直接施加在灯上。另外在WO94/02776中说明了一个手动操纵的信号发生器，一方面这个信号发生器被用作灯并且此外还可以发出一个声音信号，这个声音信号借助于一个压电转换器产生。这时使用一个并联谐振发生器，这个发生器通过压力泵使整个手都可以进行操作。

在这种现有技术中，缺点是对于电源或者电池或者蓄电池始终是必需的，或者在很小的电子设备中如遥控器、袖珍计算器等等已经公开的设备不能使用，这些公开的设备不能使用电池或者蓄电池工作，这些很小的电子设备仅通过手指按压来操作的。

由此基于本发明的任务是建立一种方法或者一个设备，用来产生操作小电子设备的电能，其中电池、蓄电池或者超级电容器的必要性大大的或者完全取消。

这个任务根据本发明通过权利要求1或者7的特征来解决。在另外的权利要求中说明本发明优选的实施例。

根据根据本发明的方法，操作电子设备必需的电能至少部分的从为了手动操作功能触发元件使用的能量中得到。例如如果小电子设备包括TV遥控器，那么一些或者所有功能键例如频道选择键可以被操作，通过按下这些功能键之一同时产生发生脉冲所必需的能量。因此这意味着在根据本发明的方法中为了产生能量，额外的杠杆操作、泵操作或者旋转操作不是必需的，而是为了产生能量，仅使用功能触发元件自己，例如一个频道选择键。

根据本发明，通过操作功能触发元件例如一个按键，小电子设备的一个机械变形可能出现在另一个位置上，例如在底上，并且使用这些机械变形能够产生电能。

根据本发明的供电设备一般具有全部数量的功能触发元件，如这例如在遥控器、袖珍计算器或者计算机键盘时的情况。这时每个功能触发元件可能被用于将机械能量转换为电能。在电视遥控器中，因此例如频道选择、静噪电路、时钟叠加、“开/关”等类似功能的键可能是机械/电器转换器(发生器)的操纵机构。对于连续变化的调整如音量、亮度、色饱和度等等，每当增量步进或递减步进时实施一次按键动作，这可能一般是必须的。然而这可能是轻而易举的，因为必需的按键力量很小。因此通过一个适合的编程，实现增加或者减少。在一个仅需要很小电流需要量的袖珍计算器中，对此仅两个按键和发生器耦合一般是足够的，例如接通和“=”或者“Enter”键。

本发明另外一个应用范围位于红外线控制灯的安装范围内。那么一个作为红外线发射者起作用的开关不需要附加的连线或者使用电池，这个开关被固定在墙上或者移动件上，以便于例如能够遥控开或者关一个天花板上的灯。

因此根据本发明的方法提供特别优点，即或者尽可能的或者完全的取消小电子设备提供电源的电池，因此减小了由于电池造成的环境负担。另外根据本发明的方法和使用太阳能电池的电源相反不依赖于日光。另外特别的优点是为了操作小电子设备必需的能量在操作功能触发键时立即可供使用，并且在不要实现充电一个电容器的条件下能够所谓的“冷启动”。使用根据本发明的方法，另外能够实现对使用电池工作的系统的一个最佳性能价格比的替代方法或者补充。这时在接收侧一般不需要变化，所以简单给出改型的可能性。

根据一个本发明优选的实施例，通过手动操作功能触发元件对储能器充电，为了操纵小电子设备的能量使用储能器所存储的能量。在这样一个储能器中，可以涉及一个振动弹簧，例如以振动衔铁的形式，或者涉及一种微型飞轮，这种飞轮通过操作功能触发元件实现振动。

特别在遥控器中，当为了发射信号的辐射，每个发射脉冲存在着一个尽可能恒定的、最大的幅度是优选的。根据本发明一个优选的实施形式，这里借助于从储能器发出的能量产生电能，这种电能在一个确定的持续时间中至少具有一个基本上恒定的输出功率。

为了操作小电子设备必需的电能优选的从在一次手动操作功能触发元件时获得的能量中得到。这意味着例如产生为了实施开关功能所必需的电能，借助于一个手指的一次操作就足够了。相反使用整个手按键或者一个“泵”也就是一个重复按下功能键不是必需的。

根据一个优选的实施例，通过手动操作功能触发元件把一个永久磁铁处于振动状态，并且沿着一个具有围绕铁心缠绕的线圈伸展。

在实现已经说明的方法的根据本发明的设备中，电源包括通过手动操作功能触发元件使用动能提供能量的机械/电子转换器(发生器)。

根据一个优选的实施形式，发生器至少具有一个永久磁铁，这个永久磁铁通过一个定子(衔铁)和一个线圈共同作用实现，永久磁铁可以被置于振动状态中或者被置于旋转运动状态中。

永久磁铁被适合的安排在一个固定在定子上的振动弹簧上，振动弹簧可以借助于一个可以偏转的断开弹簧被置于振动状态中。

下面根据附图示例性的详细说明本发明。这里：

图1a：根据本发明发生器的一个透视图；

图1b：图1a中磁铁结构的一个替换实施形式；

图1c：具有附加断开弹簧的图1b中磁铁结构的部分说明的侧视图；

图2：用于例如电视机或者无线电设备的嵌入根据本发明设备的一个红外线遥控器的一个透视、部分自由截取的视图；

图3：嵌入根据本发明设备的一个开关的一个透视、部分自由截取的视图；

图4a：在发生器中当电阻性负载时流过电流的图示说明，上述电流当操纵功能触发元件和发出一个控制脉冲序列时出现；

图4b：在一个存储电容器上出现的电压；

图4c：在它的宽度上被调制的发射脉冲，和

图5：一个结合根据本发明设备使用的控制电路的电流图。

在图1a中，可以看到一个为产生电能使用的发生器10，发生器10基本上包括一个U形定子11、一个围绕定子腿绕制的微长的线圈12以及一个震动弹簧13，线圈12具有连接导线16，在振动弹簧13的上面和下面分别固定一个永久磁铁14或15。两个连接导线16和一个控制电路32连接。

振动弹簧13被固定在定子11横向连接腿的一个末端上，并且在长腿间的中心上延伸，超过定子11的全部长度。在它前面空闲的端范围内具有小侧面长度的振动弹簧13在定子11空闲端或者爪11a之间穿过。

两个永久磁铁14、15具有一个相应于振动弹簧13宽度的长度，并且如下安排在振动弹簧13上：它们同样具有小的侧面长度，可以沿着定子11的爪11a的相互离开的端面伸展。位于上面的永久磁铁14具有一个指向定子11未被绕制的一侧的北极，而下面的永久磁铁15极性相反。

如果在说明的装置中，通过一次偏转将振动弹簧13处于运动状态中，那么产生一个渐渐消逝的机械振动，其中上面的永久磁铁14和下面的永久磁铁15在定子11的两个爪11a之间交替出现。通过永久磁铁14、15的这种运动，在线圈12中同样感应到一个渐渐消逝的电振荡。

下面进一步说明所感应到的电压的进一步电处理。

图1b说明一个根据本发明的发生器10’的一个替换实施形式的一个截面。这个实施形式还是具有一个U形的定子11以及一个没作说明的线圈。代替两个彼此相反的极化的磁铁14、15，这里提供单独的永久磁铁20，磁铁20沿着振动弹簧13纵向轴线极化。使用这种永久磁铁20，固定连接两个作为双楔构成的极靴。这种极靴21、22以下面方式传导电流：使用唯一的永久磁铁20实现相同的几何图形，如使用图1a的装置。永久磁铁20/极靴21、22的组合在它们一方面和振动弹簧13刚性连接。如果通过一次操作一个没作说明的功能触发元件使振动弹簧13处于振动状态，那么振动弹簧13和永久磁铁20和极靴21、22一起再次处于渐渐消逝的机械振动状态中，这将在线圈12中产生一个相应的电振荡。

在图1b中说明的发生器10’具有下面的优点：永久磁铁20和极靴21、22的组合和一个磁轭23一起可以作为捕获设备使用，如在图1c中说明的。如果断开弹簧24从它的被标出的静止位置向上按，那么永久磁铁20和极靴21、22根据永久磁铁20的矫顽力进行长时间的跟随并且这时振动弹簧弹性偏转，直到达到启动力。磁轭23可动地固定在断开弹簧24上，以致其在拆卸之前替代的固定在极靴21、22上。在振动弹簧24启动后，振动弹簧13暂时空闲，以便于能够处于所说的渐渐消逝的振动状态中。在大约200毫秒后这个振动渐渐消逝。因为一个功能触发键并且因此附属的断开弹簧24通过手指一般较长时间保持在受压状态中，所以在振动阶段振动弹簧13自由振动不被断开弹簧24干扰。这种触发形式表明简单设计、最小的磨损和丝毫没有的空闲路径。

断开弹簧24可以或者直接连接到按键或者通过机械装置间接操作。在两种情况下，根据实现的振动，它说明了机械输出位置。

图2简要说明了一个遥控器形式的小电子设备，例如在电视机设备或高保真设备的使用的遥控器。这个遥控器具有一个外壳30和一个安装在外壳30上面的键盘31，键盘31作为印刷电路板构成，是一个控制电路32的载体，具有一个红外线发射二级管33。图二中为了说明控制电路32，仅示例性说明在用线标出部分内的一些电子元件，然而这些元件是不可见的，并且位于外壳30的内部。在一般的方法中，功能触发元件以按键34的形式位于键盘31的底部。按键34可以通过手指按压手动操作。另外键盘31被装配在一个循环槽38中，能够垂直运动，这个槽位于外壳30的侧壁内侧上。

如果按下键34中的一个，那么一个电触点35和一个水平印制导线36连接。因此只要向控制电路32供电，那么在已经公开的方法中能够识别被按下的键34。另外通过手指按下键34，导轨38中的全部键盘31向下按。键盘31这种垂直运动通过两个平板方式、水平等臂杆41、42传输到安排在外壳30内部的发生器10‘的断开弹簧24上。这个等臂杆41、42从侧面向外延伸，直到外壳30的侧壁范围内，并且被放在托架导轨39上一个宽的内部范围内，托架导轨39以一个确定的距离从外壳30底部与侧壁平行向上延伸。在键盘31按下时，两个等臂杆41、42通过侧壁31a向下按下，侧壁31a被固定靠近侧壁范围内的键盘31的下面，因此实现了等臂杆41、42围绕着托架导轨39的翻转运动，这导致摇动臂41a、42a向内升高，这使它们互相指向的端范围的一部分断开弹簧24的空闲端，并且被提高。这时这样设置该装置：在操作每个键34时，总是出现一个近似相同的力并且一个近似相同的弯曲。释放的功能过程一振动弹簧13弹性弯曲直到启动，实现衰减振动-使用根据图1c中说明的功能过程识别。同样在释放时，通过断开弹簧24复位键盘31并且将等臂杆再次复位到静止位置。

图3说明根据一个开关例如自动开关根据本发明设备的另一个应用，通过一个红外线发射设备可以控制一个没作说明的接收设备，例如用于汽车的一个自动连锁系统或者一个电子车锁。

象看到的，发生器10’和控制电路32和发射二极管22被嵌入到一个钥匙手柄中。U形定子11的主平面这时基本上垂直延伸。断开弹簧24通过一个单独键24直接操作，因此振动弹簧13并且因此永久磁铁20开始在水平方向上振动。只要线圈12中开始有电流流动，那么控制电路32开始启动并且发出一个编码的红外线脉冲序列。

在图4a中说明在电阻性负载时在线圈12中感应出的电压，如果振动弹簧13或者永久磁铁14、15、20进行上面所说的渐渐消逝的振动。电压信号相应于一个说明过的渐渐消失的振动。由于开始时幅度高，所以通过适合的选择磁铁14、15或者20或者极靴21、22的厚度，可以达到下面的精度：感应出的电压开始时具有半波的形状，上述半波的持续时间比振动频率的半个周期短。因此尽管较大的幅度，仍然给出一个较小的电流并且较小的减弱了机械振动。在第二个衰减阶段，然后出现标准的正弦半波62，这对于一个部分补偿，导致在每个阶段发生器10、10’都发出功率。

一个另外的可能性，即尽可能的保持恒定的输出功率，在于适合的切割或者削尖磁铁14、15或者极靴21、22。

希望尽可能恒定的输出功率具有下面原因：目标是转换机械能量尽可能大的部分为电能并且这些被极为有效的应用于发射脉冲包中。

如果没有补偿瞬间功率，而是仅仅对大的存储电容器充电，那么这样导致的结果是：如果在这个电容上的电压低于工作所必需的值，那么还要存储大的能量，但是不能被使用。

在图4b中说明在一个被测量储能器电容上的电压曲线。存储电容器在世事例中通过电容73、74的串联电容实现，这两个电容可以从图5中看到。虚线画出的矩形说明所使用的能量。

根据图4c说明一个可能性，由发生器10、10’输出的功率怎样能够在一个预定的持续时间内保持恒定。为什么希望这样，因为像已经提到的，为了辐射一个发射信号，每个发射脉冲的一个尽可能恒定的、大的幅度时必需的。根据图4c的方法除了说明一个适合的设计振动弹簧/定子的几何结构还说明一个附加的方法，尽管衰减的机械幅度超过一个宽的范围，仍然能够维持一个恒定的电幅度。

在这个方法中，每个发射脉冲输出的功率通过一个脉冲宽度调制保持恒定。这个方法的原因是一个红外线一二极管的电流和因此发射的功率随着设置的电压快速增长。因为可用的电压不能够保持恒定，所以必须在脉冲持续时间内补偿能量。这时脉冲宽度必需几乎相反的和电压平方成比例的增长。因此这是合适的，即不仅通过适合的几何/机械而且通过电子工具补偿能流。

一般光电二极管位于接收侧，光电二极管作时间积分。因此最终一个短的高的发射脉冲和一个长的低的发射脉冲在光电二极管上得出同一个电压。

根据本发明方法的基本原理，在冲击操作一个键时，一个压电转换器将这些机械冲击能量仅仅转换为一个短的、窄的电功率峰，上述电功率峰在一个一定持续时间和恒定幅度的信号中不能有效转化。在根据本发明的方法中，相反机械冲击能量首先通过振动弹簧13中间存储，然后通过不同的措施以进一步恒定的功率的形式输出。

在图5中说明用于图2中说明的红外线遥控器的一个电路图。中间的元件是一个集成电路70，该电路优选的作为微处理器构成。使用这种电路70，单独键34的接点以矩阵形式连接。再次使用参考符号34表示在图2中说明的键34，导线36、37属于键34。属于电路70的始终振荡器不再额外说明。

从线圈12输出的信号通过倍压器装置中的两个二极管71、72对两个电容73、74充电。在电容器74的阴极上设置电路70上的电源电压，这个电压具有根据图4的曲线实现。红外线二极管33通过一个M0S晶体管由相应的栅极信号触发。导线76是为了触发电路70中的时间过程。

电路70的功能方法与在已经公开的以电池工作的遥控器中使用的IC相同，因此不再详细说明。

可以进一步在遥控技术中所有公开的调制方法和频率，其中例如仅一次发射每次按键时每个被编码的控制脉冲包。

替换已经说明的适时形式的方法是可能不提供唯一一个振动弹簧而是仅提供一个双振动器，这个双振荡器包括两个逆相性振荡的振动弹簧。如果振动弹簧不能被固定在一个足够大的底座上，那么一个这样的构造例如当应用在汽车钥匙时是可取的。此外这里通过外部元件(手指)很快减弱振动。相反一个双振动器通过内部耦合抵消振动，因此保持了发生器效率。

另外，在永久磁铁20和断开弹簧24之间的附着功能不能被形成磁场必需的永久磁铁采用，而是能被一个与此分离的永久磁铁采用。

另外，控制电路32可能使用一个所谓的双回路电源供电。在电一侧，因此存在两个供电系统：第一个供电系统用于向小功率的控制逻辑电路供电，其中电压总计大约为3至5伏。在释放振动弹簧后，可直接对这个第一个系统充电。因此保证使用键标识控制逻辑电路可以立即开始并且使用最小的延迟发出第一个脉冲。

第二个供电电路对较大的一个电容充电，并且使用较高的电流以便于驱动发射元件(IR二极管，压电转换器)。

对通过一个可手动操作键借助于手柄或者磁铁直接操作振动弹簧13和借助于断开弹簧24间接操作的替换，可以通过棘轮激活振动弹簧13或者断开弹簧24。当通过旋转运动或者移动将实现振动弹簧释放时，这是特别适合的。使用这种方法，例如还可能通过控制手柄遥控一个玩具车的速度和行驶方向。这时在控制手柄上，使用两个简单的绝对角度传感器，得到X-和Y-坐标。在每个变化中，出现一个脉冲，该脉冲发出新位置。使用近似的方法能够实现一个“无尾巴鼠标”。

Claims (12)

1、产生用于操作小电子设备的电能的方法，如遥控器、袖珍计算器、自动门锁等等，其中至少通过手动操作一个功能触发元件(34、52)特别是一个功能键(34)或者功能旋钮(52)触发一个控制或者开关功能，其特征在于，为了操作小电子设备所必需的电能至少部分的从为手动操作功能触发元件(34、52)所必需的能量中获得。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，为了操作小电子设备所必需的电能从一次手动操作特别是一次按下功能触发元件(34、52)时所带来的能量中获得。

3、根据权利要求1或者2的方法，其特征在于，通过手动操作功能触发元件(34、52)，对一个机械储能器(13)补充能量，该储能器(13)所存储的能量用于操作小电子设备。

4、根据权利要求3的方法，其特征在于，借助于从储能器(13)输出的机械能产生电能，该电能在一个预定的持续时间内至少基本上恒定的输出功率。

5、根据以上权利要求中任一个的方法，其特征在于，在单独操作功能触发元件(34、52)之间，在一个电储能元件中不保持能量。

6、根据以上权利要求中任一个的方法，其特征在于，在通过手动操作功能触发元件(34、52)得到机械能量后，接下来直接实现到电能的转换和电能输出，即没有时间延迟。

7、用于实现以上权利要求之一的方法的设备，具有至少一个可手动操作的功能触发元件(34、52)，其形式为一个功能键(34)、一个功能按钮、或者类似的手动触发一个控制功能或者开关功能的装置，

一个控制电路(32)，用于整理对于控制或者开关功能所必需的电信号，和一个用于能量提供的电源，其特征在于，

电源包括一个通过手动操作功能触发元件(34、52)提供动能的电转换器(发生器)(10、10’)。

8、根据权利要求7的设备，其特征在于，发生器(10、10’)至少具有一个使用一个定子(11)和一个线圈(12)共同作用的永久磁铁(14、15、20)，该永久磁铁可以被置为振动状态或者旋转运动状态。

9、根据权利要求7或者8的设备，其特征在于，永久磁铁(14、15、20)被安排在一个固定在定子(11)上的振动弹簧(13)上。

10、根据权利要求7至9中任一个的设备，其特征在于，功能触发元件包括一个功能触发件(34)，通过手指按压可以操作这个元件(34)。

11、根据权利要求7至10中任一个的设备，其特征在于，振动弹簧(13)借助于一个可偏转的断开弹簧(24)可以被置为振动状态，断开弹簧(24)具有一个安排在振动弹簧(13)上的永久磁铁(20)，直到振动弹簧(13)的一个预定偏转位置，断开弹簧(24)处于保持作用状态内，振动弹簧(13)超过磁铁的矫顽力后超出了偏转弹簧(24)的作用范围。

12、根据权利要求7至11中任一个的设备，其特征在于，功能触发元件(34、52)和一个发生器(10、10’)机械的耦合。

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