CN203573428U - 一种自动驱动的门铃装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自动驱动门铃装置，其包括：扬声器，其用于在开关控制下发声；开关，其用于控制扬声器发声；电源，用于向扬声器供电；其中，所述电源包括纳米发电机，其在开关的机械作用下产生电流以供给扬声器。所述纳米发电机自上而下依次包括上导电层、聚合物薄膜层和下导电层，其中在开关的机械作用下上导电层和聚合物薄膜层相互摩擦接触，进而产生电流。本实用新型提供的上述自动驱动的门铃，通过纳米发电机作为门铃呼叫系统开关及电源，解决了现有门铃呼叫系统对电源的依赖和使用上的限制，有着广泛的应用范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及门铃技术领域，尤其涉及一种自动驱动的门铃装置。
背景技术
2006年，美国佐治亚理工学院的王中林研究组首次提出了纳米发电机的理念，开辟了能源转化和应用的一个新的范畴。此后，各种类型的纳米发电机不断被研制出来，研究势头方兴未艾。摩擦纳米发电机作为纳米发电机的一种典型应用，其基本原理是：依靠摩擦电电势的充电泵效应，将两种镀有金属电极的两个高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物薄膜之间发生相互摩擦，从而产生电荷分离并形成电势差。而分别位于两层聚合物薄膜外表面的两个金属极板作为发电机的电能输出端，通过静电感应可以在表面生成感应电荷。感应电荷在摩擦电电势驱动下流经外电路即可形成电流。这在自动驱动的门铃系统方面具有很大的应用潜力。传统的门铃使用的是普通干电池供电，这种门铃系统的最大缺点就是需要经常跟换电池，其造成了使用的繁琐和环境的不友好性。随着能源匮乏和环境可持续发展，具有自供电功能的门铃系统迫在眉睫，具有良好的社会效益和经济效益。
实用新型内容
鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种自动驱动的门铃，以解决门铃对电源的依赖问题。
根据本实用新型，提供了一种自动驱动门铃装置，其包括：
扬声器，其用于在开关控制下发声；
开关，其用于控制扬声器发声；
电源，用于向扬声器供电；
其中，所述电源包括纳米发电机，其在开关的机械作用下产生电流以供给扬声器。
其中，所述纳米发电机自上而下依次包括上导电层、聚合物薄膜层和下导电层，其中在开关的机械作用下上导电层和聚合物薄膜层相互摩擦接触，进而产生电流。
其中，所述自动驱动门铃装置为按压式自动驱动门铃，其中所述开关位于所述上导电层的上表面，且开关和聚合物薄膜层之间设置有弹簧，聚合物薄膜层位于下导电层的上表面，通过按压和释放开关使得上导电层和聚合物薄膜层之间发生接触-分离式摩擦，进而通过上导电层和下导电层向外输出电流。
其中，所述自动驱动门铃装置为推拉式自动驱动门铃；其中，所述聚合物薄膜层两个相对的表面分别接触设置有上导电层和下导电层，并且与所述下导电层相对固定，所述开关设置在上导电层的一端，上导电层的另一端设置有弹簧，弹簧另一端设置有挡板；当推拉所述开关时，开关带动所述上导电层与聚合物薄膜层之间产生滑动摩擦并且二者的接触面积发生变化，进而通过上导电层和下导电层向外输出电流。
从上述技术方案可以看出，本实用新型专利具有以下几个有益的效果：
(1)由纳米发电机自动产生电脉冲信号，不需外接电源，解决了现有门铃系统对电源的依赖；
(2)纳米发电机的主要材料由聚合物薄膜构成，聚合物薄膜的工艺简单，成本低廉，环境友好，适合工业化生产。
附图说明
图1是本实用新型第一实施例中按压式自动驱动的门铃结构示意图；
图2是本实用新型第二实施例中滑动式自动驱动的门铃结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未描述的实现方式，为本领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本实用新型提供了一种自动驱动的门铃。其中，该自动驱动的门铃终端采用纳米发电机为其供电，该纳米发电机能将外力驱动转换为电输出，输出至门铃终端系统。
在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种按压式自动驱动的门铃。图1示出了本实用新型该实施例提供的自动驱动的门铃结构图。如图1所示，该门铃包括电源、开关和扬声器；该电源包括一摩擦纳米发电机，其自下而上包括：下导电层、聚合物薄膜层和上导电层。所述开关位于上导电层的上表面，且开关基板与所述聚合物薄膜层上表面之间设置有弹簧，下导电层和所述聚合物薄膜层下表面相互接触设置。所述上导电层和下导电层分别引出两条导线，分别连接至扬声器。如图1所示，当按压开关时，所述纳米发电机受到纵向外力的按压，上导电层在外力作用下克服弹簧弹力，与聚合物薄膜层发生接触摩擦，当外力撤去时，上导电层与聚合物薄膜层产生纵向分离，在该接触-分离过程中纳米发电机的下导电层和上导电层之间产生一电压脉冲，作为驱动信号，输出至扬声器，以驱动门铃发音。
在本实用新型的另一个示例性实施例中，提供了一种推拉式自动驱动的门铃。图2示出了本实用性该另一示例型实施例提供的自动驱动的门铃结构图。如图2所示，该门铃包括电源、开关和扬声器；该电源为一摩擦纳米发电机，其自下而上包括：下导电层、聚合物薄膜层和上导电层，并且所述下导电层与聚合物薄膜层相对固定。上导电层和聚合物薄膜层上表面相接触设置，且上导电层的一端设置有弹簧，弹簧另一端设置有挡板，上导电层的另一端连接有所述开关；所述下导电层与所述聚合物薄膜层的下表面相接触设置，所述上导电层和下导电层分别引出两条导线，分别连接至扬声器。当推拉所述开关时，开关带动所述上导电层横向滑动，上导电层在外力作用下克服弹簧弹力，与聚合物薄膜层发生滑动摩擦并且二者的接触面积发生变化，当外力撤去时，上导电层与聚合物薄膜层产生横向分离，该过程中纳米发电机的下导电层和上导电层之间产生一电压脉冲，作为驱动信号，输出至扬声器，以驱动门铃发音。
具体地，当上导电层与聚合物薄膜层产生摩擦时，上导电层带正电，聚合物薄膜纳米结构层带负电。当上导电层与聚合物薄膜层分离时，由于静电感应使得下导电层带正电，所以可产生由上导电层流向下导电层的电流。当上导电层与聚合物薄膜层再次贴合时，由于静电感应使得上导电层带正电，所以可产生由下导电层流向上导电层的电流。
本实用新型定义下导电层流向上导电层的电流为正向电流，上导电层流向下导电层的电流为反向电流，且扬声器只在正向电流时工作并发音，则每当开关按下一次时，门铃即可发音一次。
下导电层和上导电层为导电材料制备的薄膜，可选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜中的任意一种，更优选金属薄膜，例如铂膜、铝膜、金膜、铜膜。优选地，下导电层的厚度介于5nm～1200nm之间，上导电层的厚度介于10nm～100nm之间。
聚合物薄膜层的厚度可介于1μm～200μm之间；面积介于0.1×0.1mm～20mm×20mm。在本实用新型优选的实施例中，聚合物薄膜层的厚度介于2μm～10μm之间，面积介于5mm×5mm～10mm×10mm之间。
聚合物薄膜层的材料可以选择一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本实用新型保护范围的限制性因素，因为在本实用新型的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
在选择上述聚合物薄膜层的材料时，可以根据摩擦电极序进行选择。本实用新型中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。例如，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)与金属材料铝箔接触时，铝箔带正电，即得电子能力较弱，高分子材料聚四氟乙烯(Teflon)带负电，即得电子能力较强。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。
通过实验发现，发生摩擦的两种材料之间得电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备聚合物薄膜层，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。
为了提高本发明发电机的输出性能，优选在所述聚合物薄膜层面向上导电层的表面，和/或，所述导电层面向聚合物薄膜层的表面，全部或部分分布有微米或纳米量级的微结构，以增加摩擦层和电极层的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度。该微结构包括纳米结构、微米结构及前述任意一种或两种结构构成的阵列结构，优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列。例如，在聚四氟乙烯薄膜表面采用电感耦合等离子体刻蚀方法制备纳米线阵列，首先在聚四氟乙烯表面用溅射仪沉积一定厚度的金，之后，将聚四氟乙烯薄膜放入电感耦合等离子体刻蚀机中，对沉积有金的一面进行刻蚀，通入O2、Ar和CF4气体，对流量和压强进行控制，保持一定的工作温度，产生等离子体并加速，进行刻蚀，得到基本垂直于绝缘薄膜层聚四氟乙烯纳米棒阵列。
至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型自动驱动的门铃有了清楚的认识。
此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
综上所述，本实用新型提供一种自动驱动的门铃，通过纳米发电机作为门铃呼叫系统开关及电源，解决了现有门铃呼叫系统对电源的依赖和使用上的限制，有着广泛的应用范围。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种自动驱动门铃装置，其包括：
扬声器，其用于在开关控制下发声；
开关，其用于控制扬声器发声；
电源，用于向扬声器供电；
其中，所述电源包括纳米发电机，其在开关的机械作用下产生电流以供给扬声器。
2.如权利要求1所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述纳米发电机自上而下依次包括上导电层、聚合物薄膜层和下导电层，其中在开关的机械作用下上导电层和聚合物薄膜层相互摩擦接触，进而产生电流。
3.如权利要求2所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述自动驱动门铃装置为按压式自动驱动门铃，其中所述开关位于所述上导电层的上表面，且开关和聚合物薄膜层之间设置有弹簧，聚合物薄膜层位于下导电层的上表面，通过按压和释放开关使得上导电层和聚合物薄膜层之间发生接触-分离式摩擦，进而通过上导电层和下导电层向外输出电流。
4.如权利要求2所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述自动驱动门铃装置为推拉式自动驱动门铃；其中，所述聚合物薄膜层两个相对的表面分别接触设置有上导电层和下导电层，并且与所述下导电层相对固定，所述开关设置在上导电层的一端，上导电层的另一端设置有弹簧，弹簧另一端设置有挡板；当推拉所述开关时，开关带动所述上导电层与聚合物薄膜层之间产生滑动摩擦并且二者的接触面积发生变化，进而通过上导电层和下导电层向外输出电流。
5.如权利要求2-4任一项所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，在所述开关的机械作用下，通过所述上导电层和下导电层向外输出正向电流或反向电流，且扬声器仅在产生正向电流时发声。
6.如权利要求2-4任一项所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述聚合物薄膜层面向上导电层的表面，和/或所述上导电层面向所述聚合物薄膜层的表面，全部或部分分布有微米或纳米量级的微结构。
7.如权利要求6所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述聚合物薄膜层的厚度介于1μm～200μm之间；面积介于0.1×0.1mm～20mm×20mm之间。
8.如权利要求2-4任一项所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，上导电层和下导电层均为导电材料制备的薄膜。
9.如权利要求8所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述导电材料制备的薄膜为金属薄膜或铟锡氧化物薄膜。
10.如权利要求9所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述金属薄膜为铂膜、铝膜、金膜、铜膜中的任一项。
11.如权利要求10所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述下导电层的厚度介于5nm～1200nm之间，上导电层的厚度介于10nm～100nm之间。
12.如权利要求6所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述微结构包括纳米结构、微米结构及前述任意一种或两种结构构成的阵列结构。
13.如权利要求12所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述微结构包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，及其前述结构中的任意一种或几种形成的阵列结构。
14.如权利要求12所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，所述阵列结构包括线状、立方体状、或者四棱锥形状的阵列结构。
15.如权利要求2-4、9-14任一项所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，根据摩擦电极序选择所述聚合物薄膜层和上导电层的材质。
16.如权利要求15所述的自动驱动门铃装置，其特征在于，选择在所述摩擦电极序中相距较远的两种材料作为所述聚合物薄膜层和上导电层的材质。
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