一种自供电遥控装置

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一种自供电遥控装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种应用发电单元的手持遥控装置。特别地，本发明涉及该遥控装置的构造和架构和该发电单元的构造和架构。
背景技术
[0002]遥控装置被广泛地应用在多种应用中。当前，手持遥控装置用于控制家中的各种电器。它们也同可能不方便连线或连线在审美上是不合适的车辆、工业设备和其他装置一起使用。常用的手持遥控器传统地由电池供电，但是电池供电系统中所固有的是当电池的电量已耗尽时不可操作性的问题。电池供电装置也可以被电池液泄露损坏。此外，大量的废旧电池被弃置到环境中，对这些具有有害成分的电池的处置引发真正的健康和环境问题。
[0003]为了缓解以上提到的问题，手持遥控器生产商最近试验用机械供电遥控器。具体的，机械能是来自用户按压按钮，通过使用压电能量发生器，这种机械能被转换成电能。然而，一些问题限制了这种遥控器的实用性。
[0004] (I)通过用户按压按钮产生的能量是相当有限的，且往往不足以在延长的使用期给遥控器供电。重复的按压按钮也是乏味的，且会令用户感觉不舒适。
[0005] (2)构造该下按压按钮机制需要复杂的机械构造，因此增加制造成本。
[0006] (3)因为压电能量传感器的阻抗高，所以难以取得一个与电路的负载匹配的阻抗，因此产生的电能不能有效的传输给负载，在这种情况下，负载是编码装置和无线发射器。
[0007] (4)制造压电单元的材料目前是由有毒的含铅陶瓷材料制成，当压电单元或遥控器最终被处置时，所述有毒的含铅陶瓷材料本身就包含环境污染物。
[0008]发射射频信号所需要的电能的量取决于一些因素，尤其例如，数字信号的长度，射频信号的频率，所需的范围，传输介质的地形，和接收器的灵敏度。基于目前可用的射频发射器IC和编码器1C，在50米范围内的典型的发射所需的能量大概是100yJ。同样的，发射红外信号所需的电能的量也取决于许多因素。基于目前的技术，在大概5米范围内的红外发射需要的能量是350yJ。因此，需要一种压电供电的遥控器，该遥控器能实现这些需求而无需用户费力地用力。
[0009]压电供电装置的设计和制造的持续改善，正在提高这些装置的效率和实际使用，但仍有进一步改善这些装置的设计和架构的巨大空间。
发明内容
[0010]本发明旨在提供一种新且有用的遥控装置。
[0011]概括地，本发明提供一种手持遥控装置，该手持遥控装置由来自用户摇动该装置产生的能量供电。可移动体位于该遥控装置内，且随着该遥控装置被摇动，当该移动体撞击压电能量传感器时，产生电能。与现今的用户必须重复地按压按钮以给装置充电的压电供电装置不同，本发明的摇动操作允许用户以人体工学和舒适的方式施加更大的力在该遥控装置上。此外，本发明可以有比传统的压电供电装置更少的移动部件，因此这种简化的结构减少了制造成本。
[0012]本发明的第二个方面旨在通过在单个传感器中使用多个压电层，提高压电传感器的效率，其中，各个层机械地串联层压，且电气地并联连接。这种结构允许更好地与典型负载阻抗匹配。这种配置也减少了传感器的输出电压，使得当连接到储能电路时通常不需要降压变压器。
[0013]本发明的第三个方面旨在通过使用弯曲的陶瓷盘(ceramnic disk)进一步提高压电传感器的效率。这允许陶瓷的弯曲模式(bending-mode)变形以产生额外的电能。
[0014]本发明的第四个方面旨在通过使传感器在垂直于冲击方向的平面上受压缩应力，提高该压电传感器的耐用性。
[0015]本发明的第五个方面提出，在压电传感器的构造中使用无毒的压电材料，这样缓解与当前由有毒的含铅陶瓷材料制成的商用压电单元有关的环境问题。
附图说明
[0016]当结合附图阅读下面对本发明实施例的描述时，可以更容易确定本发明的优点，其中:
[0017]图1(a)和1(b)为显示本发明第一实施例具有发电单元的遥控装置的图。
[0018]图2为显示连接到发电单元的输出端的降压变压器的电路图。
[0019]图3为显示本发明第二实施例的图，该第二实施例具有包括额外的第二压电能量传感器的发电单元。
[0020]图4为第二降压变压器电路的电路图，该第二降压变压器电路在本发明实施例中可以用作替代图2中的降压变压器使用。
[0021]图5为本发明第三实施例的图，该第三实施例具有带弯曲的压电传感器的发电单
J L ο
[0022]图6为本发明第四实施例的图，该第四实施例具有带多层压电传感器的发电单元。
[0023]图7为示意显示可用于本发明的一些实施例的配置的电路图，包括多个层直接连接到储存电容器而无需降压变压器的压电传感器。
[0024]图8为显示本发明第二实施例中两个制造的发电单元的照片，其中一发电单元处于组装状态和另一发电单元处于未组装状态。
[0025]图9为显示本发明第一实施例中当用户摇动遥控装置时储存在储存电容器中的能量积累的图。
[0026]图10为显示在如图4中所示的配置中储存在储存电容器中的能量的积累的图。
[0027]图11为显示本发明第一和第三实施例中由平的压电传感器和弯曲的压电传感器产生的电能的图。
[0028]图12为显示本发明第一和第四实施例中由单层压电传感器和多层压电传感器产生的电能的图。
具体实施方式
[0029] 实施例1:
[0030]现将参考图1(a)和1(b)描述本发明的实施例。在此，遥控装置I包括发电单元2、电能存储装置3、电压调节单元4、控制单元6(在本实施例中是数字编码器)和无线信号发射器7，控制单元6连接到安装在该遥控器外壳的前面板上的至少一输入装置5(在本实施例中是按钮)。
[0031]发电单元包括限制在壳体10中的腔内的可移动体8和附着在壳体10上的压电能量传感器9，可移动体8至少有3克重。在本实施例中，可移动体8连接到壳体的带有弹性材料体11的一端，所述弹性材料体优选地是弹簧。可移动体8可以是不锈钢球。在静态时，如图1 (a)中所示，由于来自弹簧的压缩应力，可移动体挤压压电传感器。
[0032]压电传感器9由无铅压电材料制成，且为陶瓷盘形式，其两电极层涂覆在相对的表面上。压电传感器用例如环氧树脂的粘合剂12粘合在壳体的一端。优选的是，压电传感器被环氧树脂包围，以使得在固化过程中由于环氧树脂的收缩，压缩应力被施加于压电陶瓷盘上。此外，例如金属板的保护层13可以粘合在压电传感器9的表面上，该表面被可移动体8碰撞。
[0033]当用户沿着遥控装置I的纵轴，也就是该装置的外壳长度方向摇动该装置时，可移动体8在弹簧的协助下摆动。当可移动体8移向弹簧时，来自可移动体8的动能被转换成弹性势能并储存在压缩的弹簧中，如图1(b)所示。当弹簧推离开可移动体8时，储存在压缩的弹簧中的弹性势能重新被转换回动能。此外，因为用户现在也在以相反方向摇动装置I，所以用户正在可移动体8运动的相反方向加速装置I。因此，在弹簧的压缩应力和装置I在相反方向由用户造成的加速下，可移动体8相对于装置I加速了。
[0034]本实施例中是球的可移动体8现在以高速返回并碰撞压电传感器9。球的动量造成压电材料上有张力，且这样通过压电效应产生电能。产生的电能储存在电能储存装置3中，电能储存装置3转而供电给控制单元6和无线信号发射器7。
[0035] 在本实施例中还有电压调节单元4，如图1(a)和1(b)所示，电压调节单元4包括电压监测器14，开关15和电压调节器16。电压调节单元4连接到电能储存装置3的输出端，并执行两个功能:第一，它确保在连接储存电容器22和电压调节器16的开关15关闭之前，储存在电能储存装置3的储存电容器中的电能有足够电压，第二，电压调节器16组件本身提供恒定供应电压以使得控制单元6(数字编码器)和无线信号发射器7能够正常运作。
[0036]接下来，当用户启动手动输入，例如按压遥控装置I的输入装置5上的按钮，本实施例中是数字编码器的控制单元6将执行编码操作并产生输出至无线信号发射器7。然后，无线信号发射器7根据从控制单元6接收到的发出发出无线信号。
[0037]无线信号发射器7可以包括但不限于，射频(‘RF’)发射器或红外发射器。遥控器应用的信号的射频发射在本领域中是众所周知的。相对于红外发射，射频发射的优势包括低能耗，相对较长的传输距离，和非视距信号传播。利用射频发射器的无线信号发射器7能够利用合适的编码器和天线实现。所述编码器根据遥控装置I上的按钮的状态产生数字信号。来自所述编码器的数字信号调制射频发射器的射频输出信号。射频发射器的输出通常地连接到天线(没有示出)以获得射频输出信号的有效辐射。然后射频输出信号被位于附近的相应的射频接收器接收。
[0038]可选的，在成本起决定性作用、更短的发射距离可行或无线信号需要局限在空间内的应用场合下，红外发射器的使用可以被认为是更合适的。发射无线信号的电路在本领域是众所周知的。例如，通过利用合适的编码器集成电路(‘1C’)和晶体管来控制红外发光二极管(‘LED’)的开启-关闭闪烁能够实现红外信号的发射。试图发送的信息被编码成红外二极管的闪烁形式，然后由位于附近的相应的红外检测器和解码器集成电路接收。
[0039]现在将描述制作压电盘的方法。在这里，压电陶瓷盘有一个无铅组分:(1-x)1(0.5似().5吣0311^吣03(‘1(顺-1^’)(^是范围在0到0.1之间的值。1(顺-1^陶瓷盘由原材料K2CO3，Na2CO3，Nb2O5和Li2CO3通过固态反应过程制备。由于碳酸盐粉末对水分敏感，它们在使用前首先被干燥，之后按公式(l-x)KQ.5NaQ.5Nb03-xLiNb03(x=0到0.1)计重，随后在超声波照射下在乙醇中散开形成泥浆(slurry)。泥浆在干燥和碾磨后，混合粉末在850°C下焙烧以形成KNN-LN的钙钛矿相。在球碾磨且与聚乙烯醇缩丁醛(‘PVB’)混合作为粘结剂后，焙烧粉末被单轴向压成盘，并在空气中1050°C下烧结。烧结后获得的陶瓷盘样品有8.6毫米的直径和
0.8毫米的厚度。然后抛光陶瓷盘的两个主要的表面，并在550°C下涂上银浆以形成两个电极。具有电极的样品在120°C下以40kV/cm极化30分钟。对于(l-x)KQ.5Na().5Nb03-xLiNb03，其中1=0.06的盘，可获得的压电系数(133为184?(:/^。
[0040] 可选的，压电陶瓷盘有无铅组分:Ba0.85Ca0.UZrth1Tith9O3(BCZT) JCZT的陶瓷盘由原粉末BaCO3BaZrO3，CaCO3和T12通过与上面描述相似的固态反应过程制备。BCZT的焙烧温度为1350 °C，最后的烧结温度为1450 °C。在电极涂覆和电极极化后，BCZT陶瓷盘可获得的压电系数d33为323PC/N。
[0041] 应当注意的是，无铅压电陶瓷盘通常具有很高的电阻抗。因此，一旦被可移动体8碰撞，陶瓷盘通常产生高电压但小电流的电力输出。图2示出了电能储存装置的构造。为了降低电压和提高产生在压电传感器9中的电能的利用效率，电能储存装置3中可以包含降压变压器20。如图2所示，压电传感器9的输出连接到变压器20的输入端，变压器20然后输出降低了的电压给一对二极管21和储存电容器22。降压变压器20电路改善了发电单元2和电能储存装置3之间的阻抗匹配。来自降压变压器20电路的输出的交流电(‘AC’)然后由一对二极管21整流。连接到二极管的储存电容器22允许电荷的积累，其中，电容器中的一个电容器在交流电的正向积累电荷，而另一个电容器在负向积累电荷。两个储存电容器22串联，两个储存电容器22两端的输出电压是每个储存电容器积累的电压之和。
[0042]与现有技术中已知的现有实施例中四个二极管全波桥式整流电力存储电路连接到单一电容器相比，图2中所示的实施例具有以下优点:在恒定的输入电压下使存储电容器积累的能量加倍，减少2个电能存储电路所需的二极管数量(从4个到2个)，并因为二极管的正向电压降落减少了能量损失。
[0043] 实施例2:
[0044]本发明的另一个实施例如图3所示，其中可移动体8没有连接到任一弹性材料，且具有两个压电能量传感器9，而不是一个。在用户摇动遥控装置I时，位于发电单元2的壳体10中的腔内的可移动体8相对于壳体10加速。当移动体8撞击附着在壳体10的两端上的两个压电传感器9中的任一个时，产生电能。然后，电能存储在电能储存装置3，且根据需要供电给控制单元6和无线信号发射器7。
[0045]图4示出了当利用两个压电传感器41时，电能储存装置3的一种可能的电路图。每一个压电传感器41连接到各自的降压变压器42，每一降压变压器42连接到一对二极管43。这两对二极管都连接到同一对储存电容器44。以同样的方式，该对储存电容器在要增加更多的压电传感器时能够连接到多个降压变压器。
[0046] 实施例3:
[0047]如图5所示，除了利用具有凸顶表面51和凹底表面52的压电陶瓷盘外，本实施例与实施例2相似。压电传感器9被放置成使得可移动体8撞击陶瓷盘的凸顶表面51。所述曲面提供了压电陶瓷盘上用于产生额外的电能弯曲变形模式。压电陶瓷盘的凹底表面52利用一例如环氧树脂的粘合层能结合到固体的底部。为了保护陶瓷盘，陶瓷盘的各端覆盖有环氧树月旨12。由于在固化过程中环氧树脂体积收缩，这造成保护压缩应力被施加到陶瓷盘上。
[0048] 实施例4:
[0049] 在本实施例中，遥控装置I具有两个压电传感器9，如图6所示，每一个压电传感器9包括压电材料62的多个薄层，所述多个薄层层压在一起但是串联连接。优选的，压电传感器包括薄压电无铅陶瓷的多层。压电材料62的多层被称为压电多层。使用压电多层的目的是减少压电传感器9的阻抗并提高能量产生效率。因为更低的阻抗改善了发电单元2和电能储存装置3间的阻抗匹配，所以产生的能量也会更有效率地传输给电能储存装置3。为了显著地降低压电多层传感器的阻抗，压电薄层需具有优选低于ΙΟΟμπι的厚度，且多层应由层压电材料62的至少5层，优选超过10层构成。压电陶瓷多层能用本领域是公知的陶瓷金属(作为电极层)共烧方法生成。在以高温共烧之前，陶瓷金属多层可由陶瓷流延成型(tape-casting) 过程形成，之后交替层压具有印刷电极的陶瓷流廷。然后，电极交叉，奇数层连接到共用端，同时所有偶数层连接到第二个共用端。因此，各个压电层被机械地串联层压，同时电气地并联连接。由于这种构造使得压电能量传感器的阻抗能够降低。
[0050] 一般而言，压电材料的厚度越小，压电层的数量越多，传感器的阻抗和电压输出减少得越多。当压电陶瓷层的厚度处于毫米或亚毫米范围内时，一次碰撞产生的电压可大约为100V。但是通过使用多压电层，每一个层厚度在ΙΟμπι范围内，输出电压能减少到仅为几伏特，但是电压和电流的特性显著改善。因此，当使用多压电层，如图2和图4中所示的降压变压器不是必需的。如图7所示，多层压电陶瓷传感器能通过一对整流二极管72直接连接到电能储存电容71。
[0051 ] 其它实施例:
[0052]应当注意的是，在其它实施例中，可移动体8能是球、圆柱体，或具有两个球形凸出表面61的圆柱体，如图6所示。本领域技术人员应知的是，可移动体的形状和质量可被配置成在发电单元2的物理约束范围内最大化能量产生效率。
[0053] 实验结果:
[0054]图8示出了本发明的发电单元的两个制作原型。制作单元源自实施例2。其中一个发电单元以组装好的形式呈现，另一个则以没有组装的形式呈现。也显示了两种类型的可移动体，不锈钢球和铜丸。在测试实验中，在仅具有一个压电传感器(如图2所示)的一个实施例中由储存电容器收集的能量如图9所示。电能储存装置中的每一个电容器具有1yF的电容。在储存电容器中得到总共400μJ能量。在不同的测试中，在具有两个压电传感器(如图4所示)的一个实施例中由储存电容器收集的能量如图10所示。在该实施例中，总共得到超过530yJ的能量。
[0055]图11是数值模拟的结果的图，显示在可移动体碰撞之后平的和稍微弯曲的KNN压电盘二者产生的能量差别。结果显示，相比于使用平的KNN盘，诸如图3所示的压电传感器9的KNN盘，当使用具有凸顶表面51和凹底表面52(如图5所示)的弯曲KNN盘时有实质改进。这是因为当使用弯曲压电陶瓷时激发了额外的弯曲变形模式。
[0056]图12显示了比较厚度为0.8mm的单个KNN厚盘的压电传感器与具有10个薄层但总厚度相同的KNN多层压电传感器二者所产生的能量的数值模拟的结果。本测试中使用300 Ω的负载电阻。多层压电传感器和单层压电传感器在无穷大电阻(开路)时都产生同样的能量。然而，如图12所示，当考虑有穷大负载阻抗的因素时，多层压电传感器的效率显著更好。该模拟也显示了尖峰电压从单层压电传感器的〜200V减少到多层压电传感器的〜20V。如上所讨论，多层压电传感器具有减小的阻抗，而这提供了与负载的更好的阻抗匹配。此外，多层压电传感器的较低输出电压使得无需使用降压变压器。