一種自供電遙控裝置的製作方法

2023-08-01 04:35:16 2

專利名稱：一種自供電遙控裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用發電單元的手持遙控裝置。特別地，本發明涉及該遙控裝置的構造和架構和該發電單元的構造和架構。
背景技術：
遙控裝置被廣泛地應用在多種應用中。當前，手持遙控裝置用於控制家中的各種電器。它們也同可能不方便連線或連線在審美上是不合適的車輛、工業設備和其他裝置一起使用。常用的手持遙控器傳統地由電池供電，但是電池供電系統中所固有的是當電池的電量已耗盡時不可操作性的問題。電池供電裝置也可以被電池液洩露損壞。此外，大量的廢舊電池被棄置到環境中，對這些具有有害成分的電池的處置引發真正的健康和環境問題。為了緩解以上提到的問題，手持遙控器生產商最近試驗用機械供電遙控器。具體的，機械能是來自用戶按壓按鈕，通過使用壓電能量發生器，這種機械能被轉換成電能。然 而，一些問題限制了這種遙控器的實用性。(I)通過用戶按壓按鈕產生的能量是相當有限的，且往往不足以在延長的使用期給遙控器供電。重複的按壓按鈕也是乏味的，且會令用戶感覺不舒適。(2)構造該下按壓按鈕機制需要複雜的機械構造，因此增加製造成本。(3)因為壓電能量傳感器的阻抗高，所以難以取得一個與電路的負載匹配的阻抗，因此產生的電能不能有效的傳輸給負載，在這種情況下，負載是編碼裝置和無線發射器。(4)製造壓電單元的材料目前是由有毒的含鉛陶瓷材料製成，當壓電單元或遙控器最終被處置時，所述有毒的含鉛陶瓷材料本身就包含環境汙染物。發射射頻信號所需要的電能的量取決於一些因素，尤其例如，數位訊號的長度，射頻信號的頻率，所需的範圍，傳輸介質的地形，和接收器的靈敏度。基於目前可用的射頻發射器IC和編碼器1C，在50米範圍內的典型的發射所需的能量大概是100 μ J0同樣的，發射紅外信號所需的電能的量也取決於許多因素。基於目前的技術，在大概5米範圍內的紅外發射需要的能量是350 μ J。因此，需要一種壓電供電的遙控器，該遙控器能實現這些需求而無需用戶費力地用力。壓電供電裝置的設計和製造的持續改善，正在提高這些裝置的效率和實際使用，但仍有進一步改善這些裝置的設計和架構的巨大空間。

發明內容
本發明旨在提供一種新且有用的遙控裝置。概括地，本發明提供一種手持遙控裝置，該手持遙控裝置由來自用戶搖動該裝置產生的能量供電。可移動體位於該遙控裝置內，且隨著該遙控裝置被搖動，當該移動體撞擊壓電能量傳感器時，產生電能。與現今的用戶必須重複地按壓按鈕以給裝置充電的壓電供電裝置不同，本發明的搖動操作允許用戶以人體工學和舒適的方式施加更大的力在該遙控裝置上。此外，本發明可以有比傳統的壓電供電裝置更少的移動部件，因此這種簡化的結構減少了製造成本。本發明的第二個方面旨在通過在單個傳感器中使用多個壓電層，提高壓電傳感器的效率，其中，各個層機械地串聯層壓，且電氣地並聯連接。這種結構允許更好地與典型負載阻抗匹配。這種配置也減少了傳感器的輸出電壓，使得當連接到儲能電路時通常不需要降壓變壓器。本發明的第三個方面旨在通過使用彎曲的陶瓷盤(ceramnic disk)進一步提高壓電傳感器的效率。這允許陶瓷的彎曲模式(bending-mode)變形以產生額外的電能。本發明的第四個方面旨在通過使傳感器在垂直於衝擊方向的平面上受壓縮應力，提高該壓電傳感器的耐用性。本發明的第五個方面提出，在壓電傳感器的構造中使用無毒的壓電材料，這樣緩解與當前由有毒的含鉛陶瓷材料製成的商用壓電單元有關的環境問題。


當結合附圖閱讀下面對本發明實施例的描述時，可以更容易確定本發明的優點，其中圖1(a)和1(b)為顯示本發明第一實施例具有發電單元的遙控裝置的圖。圖2為顯示連接到發電單元的輸出端的降壓變壓器的電路圖。圖3為顯示本發明第二實施例的圖，該第二實施例具有包括額外的第二壓電能量傳感器的發電單元。圖4為第二降壓變壓器電路的電路圖，該第二降壓變壓器電路在本發明實施例中可以用作替代圖2中的降壓變壓器使用。圖5為本發明第三實施例的圖，該第三實施例具有帶彎曲的壓電傳感器的發電單
J Li ο圖6為本發明第四實施例的圖，該第四實施例具有帶多層壓電傳感器的發電單
J Li ο圖7為示意顯示可用於本發明的一些實施例的配置的電路圖，包括多個層直接連接到儲存電容器而無需降壓變壓器的壓電傳感器。圖8為顯示本發明第二實施例中兩個製造的發電單元的照片，其中一發電單元處於組裝狀態和另一發電單元處於未組裝狀態。圖9為顯示本發明第一實施例中當用戶搖動遙控裝置時儲存在儲存電容器中的能量積累的圖。圖10為顯示在如圖4中所示的配置中儲存在儲存電容器中的能量的積累的圖。圖11為顯示本發明第一和第三實施例中由平的壓電傳感器和彎曲的壓電傳感器產生的電能的圖。圖12為顯示本發明第一和第四實施例中由單層壓電傳感器和多層壓電傳感器產生的電能的圖。
具體實施例方式實施例I :
現將參考圖I (a)和I (b)描述本發明的實施例。在此，遙控裝置I包括發電單元2、電能存儲裝置3、電壓調節單元4、控制單元6 (在本實施例中是數字編碼器)和無線信號發射器7，控制單元6連接到安裝在該遙控器外殼的前面板上的至少一輸入裝置5 (在本實施例中是按鈕)。發電單元包括限制在殼體10中的腔內的可移動體8和附著在殼體10上的壓電能量傳感器9，可移動體8至少有3克重。在本實施例中，可移動體8連接到殼體的帶有彈性材料體11的一端，所述彈性材料體優選地是彈簧。可移動體8可以是不鏽鋼球。在靜態時，如圖1(a)中所示，由於來自彈簧的壓縮應力，可移動體擠壓壓電傳感器。壓電傳感器9由無鉛壓電材料製成，且為陶瓷盤形式，其兩電極層塗覆在相對的表面上。壓電傳感器用例如環氧樹脂的粘合劑12粘合在殼體的一端。優選的是，壓電傳感器被環氧樹脂包圍，以使得在固化過程中由於環氧樹脂的收縮，壓縮應力被施加於壓電陶瓷盤上。此外，例如金屬板的保護層13可以粘合在壓電傳感器9的表面上，該表面被可移動體8碰撞。 當用戶沿著遙控裝置I的縱軸，也就是該裝置的外殼長度方向搖動該裝置時，可移動體8在彈簧的協助下擺動。當可移動體8移向彈簧時，來自可移動體8的動能被轉換成彈性勢能並儲存在壓縮的彈簧中，如圖1(b)所示。當彈簧推離開可移動體8時，儲存在壓縮的彈簧中的彈性勢能重新被轉換回動能。此外，因為用戶現在也在以相反方向搖動裝置1，所以用戶正在可移動體8運動的相反方向加速裝置I。因此，在彈簧的壓縮應力和裝置I在相反方向由用戶造成的加速下，可移動體8相對於裝置I加速了。本實施例中是球的可移動體8現在以高速返回並碰撞壓電傳感器9。球的動量造成壓電材料上有張力，且這樣通過壓電效應產生電能。產生的電能儲存在電能儲存裝置3中，電能儲存裝置3轉而供電給控制單元6和無線信號發射器7。在本實施例中還有電壓調節單元4，如圖I (a)和I (b)所示，電壓調節單元4包括電壓監測器14，開關15和電壓調節器16。電壓調節單元4連接到電能儲存裝置3的輸出端，並執行兩個功能第一，它確保在連接儲存電容器22和電壓調節器16的開關15關閉之前，儲存在電能儲存裝置3的儲存電容器中的電能有足夠電壓，第二，電壓調節器16組件本身提供恆定供應電壓以使得控制單元6 (數字編碼器)和無線信號發射器7能夠正常運作。接下來，當用戶啟動手動輸入，例如按壓遙控裝置I的輸入裝置5上的按鈕，本實施例中是數字編碼器的控制單元6將執行編碼操作並產生輸出至無線信號發射器7。然後，無線信號發射器7根據從控制單元6接收到的發出發出無線信號。無線信號發射器7可以包括但不限於，射頻(『RF』 )發射器或紅外發射器。遙控器應用的信號的射頻發射在本領域中是眾所周知的。相對於紅外發射，射頻發射的優勢包括低能耗，相對較長的傳輸距離，和非視距信號傳播。利用射頻發射器的無線信號發射器7能夠利用合適的編碼器和天線實現。所述編碼器根據遙控裝置I上的按鈕的狀態產生數位訊號。來自所述編碼器的數位訊號調製射頻發射器的射頻輸出信號。射頻發射器的輸出通常地連接到天線(沒有示出)以獲得射頻輸出信號的有效輻射。然後射頻輸出信號被位於附近的相應的射頻接收器接收。可選的，在成本起決定性作用、更短的發射距離可行或無線信號需要局限在空間內的應用場合下，紅外發射器的使用可以被認為是更合適的。發射無線信號的電路在本領域是眾所周知的。例如，通過利用合適的編碼器集成電路(『1C』)和電晶體來控制紅外發光二極體(『LED』)的開啟-關閉閃爍能夠實現紅外信號的發射。試圖發送的信息被編碼成紅外二極體的閃爍形式，然後由位於附近的相應的紅外檢測器和解碼器集成電路接收。現在將描述製作壓電盤的方法。在這裡，壓電陶瓷盤有一個無鉛組分(I-X)K0.5Na0.5Nb03-xLiNb03( 『KNN-LN』 )。x是範圍在O到O. I之間的值。KNN-LN陶瓷盤由原材料K2CO3, Na2CO3, Nb2O5和Li2CO3通過固態反應過程製備。由於碳酸鹽粉末對水分敏感，它們在使用前首先被乾燥，之後按公式(I-X)Ka5Naa5NbO3-XLiNbO3U=O到O. I)計重，隨後在超聲波照射下在乙醇中散開形成泥漿(slurry)。泥漿在乾燥和碾磨後，混合粉末在850°C下焙燒以形成KNN-LN的鈣鈦礦相。在球碾磨且與聚乙烯醇縮丁醛(『PVB』 )混合作為粘結劑後，焙燒粉末被單軸向壓成盤，並在空氣中1050°C下燒結。燒結後獲得的陶瓷盤樣品有8. 6毫米的直徑和O. 8毫米的厚度。然後拋光陶瓷盤的兩個主要的表面，並在550°C下塗上銀漿以形成兩個電極。具有電極的樣品在120°C下以40kV/cm極化30分鐘。對於(l_x)Ka5Naa5NbO3-XLiNbO3，其中χ=0· 06的盤，可獲得的壓電係數d33為184pC/N。可選的，壓電陶瓷盤有無鉛組分=Baa85Caai5ZraiTia9O3(BCZT)。BCZT的陶瓷盤由原·粉末BaCO3BaZrO3, CaCO3和TiO2通過與上面描述相似的固態反應過程製備。BCZT的焙燒溫度為1350°C，最後的燒結溫度為1450°C。在電極塗覆和電極極化後，BCZT陶瓷盤可獲得的壓電係數d33為323PC/N。應當注意的是，無鉛壓電陶瓷盤通常具有很高的電阻抗。因此，一旦被可移動體8碰撞，陶瓷盤通常產生高電壓但小電流的電力輸出。圖2示出了電能儲存裝置的構造。為了降低電壓和提高產生在壓電傳感器9中的電能的利用效率，電能儲存裝置3中可以包含降壓變壓器20。如圖2所示，壓電傳感器9的輸出連接到變壓器20的輸入端，變壓器20然後輸出降低了的電壓給一對二極體21和儲存電容器22。降壓變壓器20電路改善了發電單元2和電能儲存裝置3之間的阻抗匹配。來自降壓變壓器20電路的輸出的交流電(『AC』)然後由一對二極體21整流。連接到二極體的儲存電容器22允許電荷的積累，其中，電容器中的一個電容器在交流電的正相積累電荷，而另一個電容器在負相積累電荷。兩個儲存電容器22串聯，兩個儲存電容器22兩端的輸出電壓是每個儲存電容器積累的電壓之和。與現有技術中已知的現有實施例中四個二極體全波橋式整流電力存儲電路連接到單一電容器相比，圖2中所示的實施例具有以下優點在恆定的輸入電壓下使存儲電容器積累的能量加倍，減少2個電能存儲電路所需的二極體數量(從4個到2個)，並因為二極體的正向電壓降落減少了能量損失。實施例2 本發明的另一個實施例如圖3所示，其中可移動體8沒有連接到任一彈性材料，且具有兩個壓電能量傳感器9，而不是一個。在用戶搖動遙控裝置I時，位於發電單元2的殼體10中的腔內的可移動體8相對於殼體10加速。當移動體8撞擊附著在殼體10的兩端上的兩個壓電傳感器9中的任一個時，產生電能。然後，電能存儲在電能儲存裝置3，且根據需要供電給控制單元6和無線信號發射器7。圖4示出了當利用兩個壓電傳感器41時，電能儲存裝置3的一種可能的電路圖。每一個壓電傳感器41連接到各自的降壓變壓器42，每一降壓變壓器42連接到一對二極體43。這兩對二極體都連接到同一對儲存電容器44。以同樣的方式，該對儲存電容器在要增加更多的壓電傳感器時能夠連接到多個降壓變壓器。實施例3 如圖5所不,除了利用具有凸頂表面51和凹底表面52的壓電陶瓷盤外,本實施例與實施例2相似。壓電傳感器9被放置成使得可移動體8撞擊陶瓷盤的凸頂表面51。所述曲面提供了壓電陶瓷盤上用於產生額外的電能彎曲變形模式。壓電陶瓷盤的凹底表面52利用一例如環氧樹脂的粘合層能結合到固體的底部。為了保護陶瓷盤，陶瓷盤的各端覆蓋有環氧樹脂12。由於在固化過程中環氧樹脂體積收縮，這造成保護壓縮應力被施加到陶瓷盤上。實施例4 在本實施例中，遙控裝置I具有兩個壓電傳感器9，如圖6所示，每一個壓電傳感器9包括壓電材料62的多個薄層，所述多個薄層層壓在一起但是串聯連接。優選的，壓電傳 感器包括薄壓電無鉛陶瓷的多層。壓電材料62的多層被稱為壓電多層。使用壓電多層的目的是減少壓電傳感器9的阻抗並提高能量產生效率。因為更低的阻抗改善了發電單元2和電能儲存裝置3間的阻抗匹配，所以產生的能量也會更有效率地傳輸給電能儲存裝置3。為了顯著地降低壓電多層傳感器的阻抗，壓電薄層需具有優選低於IOOym的厚度，且多層應由層壓電材料62的至少5層，優選超過10層構成。壓電陶瓷多層能用本領域是公知的陶瓷金屬(作為電極層)共燒方法生成。在以高溫共燒之前，陶瓷金屬多層可由陶瓷流延成型(tape-casting)過程形成，之後交替層壓具有印刷電極的陶瓷流廷。然後，電極交叉，奇數層連接到共用端，同時所有偶數層連接到第二個共用端。因此，各個壓電層被機械地串聯層壓，同時電氣地並聯連接。由於這種構造使得壓電能量傳感器的阻抗能夠降低。一般而言，壓電材料的厚度越小，壓電層的數量越多，傳感器的阻抗和電壓輸出減少得越多。當壓電陶瓷層的厚度處於毫米或亞毫米範圍內時，一次碰撞產生的電壓可大約為100V。但是通過使用多壓電層，每一個層厚度在10 μ m範圍內，輸出電壓能減少到僅為幾伏特，但是電壓和電流的特性顯著改善。因此，當使用多壓電層，如圖2和圖4中所示的降壓變壓器不是必需的。如圖7所示，多層壓電陶瓷傳感器能通過一對整流二極體72直接連接到電能儲存電容71。其它實施例應當注意的是，在其它實施例中，可移動體8能是球、圓柱體，或具有兩個球形凸出表面61的圓柱體，如圖6所示。本領域技術人員應知的是，可移動體的形狀和質量可被配置成在發電單元2的物理約束範圍內最大化能量產生效率。實驗結果圖8示出了本發明的發電單元的兩個製作原型。製作單元源自實施例2。其中一個發電單元以組裝好的形式呈現，另一個則以沒有組裝的形式呈現。也顯示了兩種類型的可移動體，不鏽鋼球和銅丸。在測試實驗中，在僅具有一個壓電傳感器(如圖2所示)的一個實施例中由儲存電容器收集的能量如圖9所示。電能儲存裝置中的每一個電容器具有IOyF的電容。在儲存電容器中得到總共400 μ J能量。在不同的測試中，在具有兩個壓電傳感器(如圖4所示)的一個實施例中由儲存電容器收集的能量如圖10所示。在該實施例中，總共得到超過530 μ J的能量。圖11是數值模擬的結果的圖，顯示在可移動體碰撞之後平的和稍微彎曲的KNN壓電盤二者產生的能量差別。結果顯示，相比於使用平的KNN盤，諸如圖3所示的壓電傳感器9的KNN盤，當使用具有凸頂表面51和凹底表面52 (如圖5所示)的彎曲KNN盤時有實質改進。這是因為當使用彎曲壓電陶瓷時激發了額外的彎曲變形模式。圖12顯示了比較厚度為O. 8mm的單個KNN厚盤的壓電傳感器與具有10個薄層但總厚度相同的KNN多層壓電傳感器二者所產生的能量的數值模擬的結果。本測試中使用300 Ω的負載電阻。多層壓電傳感器和單層壓電傳感器在無窮大電阻(開路)時都產生同樣的能量。然而，如圖12所示，當考慮有窮大負載阻抗的因素時，多層壓電傳感器的效率 顯著更好。該模擬也顯示了尖峰電壓從單層壓電傳感器的 200V減少到多層壓電傳感器的 20V。如上所討論，多層壓電傳感器具有減小的阻抗，而這提供了與負載的更好的阻抗匹配。此外，多層壓電傳感器的較低輸出電壓使得無需使用降壓變壓器。
權利要求
1.一種自供電遙控裝置，包括 發電單元，其中所述發電單元包括殼體和限制在所述殼體內的可移動體，所述可移動體配置成當所述殼體受用戶動作驅動時相對於所述殼體移動，第一壓電能量傳感器包括附著在所述殼體和配置為被所述可移動體撞擊的壓電材料，藉由所述可移動體與所述第一壓電能量傳感器之間的碰撞，從所述可移動體的動能產生電能； 電能儲存裝置，用於接收所述發電單元的能量； 輸入裝置，用於接收用戶操作的手動輸入； 控制單元，用於根據所述手動輸入執行編碼操作以產生輸出；以及 無線信號發射器，由所述電能儲存裝置供電且用於基於所述輸出而發射信號。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述可移動體通過用於推動所述可移動體移朝向所述第一壓電能量傳感器的彈性材料連接到所述殼體的一端；在所述可移動體開始擠壓所述第一壓電能量傳感器時，搖動所述遙控裝置促使所述彈性材料變形並儲存彈性能量，且在所述可移動體移向所述第一壓電能量傳感器時，所述彈性能量被轉換成所述可移動體的動能以在撞擊所述第一壓電能量傳感器時產生電能。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中，所述彈性材料為彈簧。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中第二壓電能量傳感器附接到所述殼體。
5.根據前面任一項權利要求所述的裝置，其中所述第一壓電能量傳感器具有凸頂表面和凹底表面，其中所述凸頂表面用於被所述可移動體碰撞。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中，所述壓電傳感器的所述凹底表面用粘合層結合到所述殼體。
7.根據前面任一項權利要求所述的裝置，其中所述第一壓電能量傳感器包括所述壓電材料的多個層。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述壓電傳感器包括多個壓電陶瓷層。
9.根據權利要求7所述的裝置，其中所述壓電傳感器包括多個壓電聚合物層。
10.根據權利要求7所述的裝置，其中壓電材料的每一層具有低於IOOym的厚度。
11.根據前面任一項權利要求所述的裝置，其中所述第一壓電能量傳感器在垂直於所述可移動體撞擊所述壓電傳感器的方向的平面上經受壓縮應力。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中所述第一壓電能量傳感器上的所述壓縮應力由所述第一壓電能量傳感器周圍的粘合材料所產生。
13.根據前面任一項權利要求所述的裝置，進一步包括設置在所述第一壓電能量傳感器的表面上的保護層。
14.根據前面任一項權利要求所述的裝置，進一步包括連接到所述發電單元的輸出的降壓變壓器。
15.根據前面任一項權利要求所述的裝置，其中所述電能儲存裝置包括多個二極體和多個電容器，所述多個電容器中的至少一個電容器配置成在充電電流的正相期間積累電荷，同時所述多個電容器中的至少一個電容器在充電電流的負相期間積累電荷，且所述多個電容器配置成連續釋放電荷。
16.根據前面任一項權利要求所述的裝置，進一步包括連接到所述電能儲存裝置的電壓調節單元。
17.根據前面任一項權利要求所述的裝置，其中所述電壓調節單元包括電壓監測器組件，開關組件，和電壓調節器組件。
18.根據前面任一項權利要求所述的裝置，其中所述無線信號發射器為射頻發射器。
19.根據權利要求1-17中任一項所述的裝置，其中所述無線信號發射器為紅外發射器。
20.根據權利要求I所述的裝置，其中所述壓電材料為無鉛壓電陶瓷。
21.根據權利要求20所述的裝置，其中所述無鉛壓電陶瓷具有為(1-x)Ka5Naa5NbO3-XLiNbO3 的成分，其中 x=0 到 0. I。
22.根據權利要求20所述的裝置，其中所述無鉛壓電陶瓷具有約為Ba0.85Ca0.15Zr0. Ji0.903 (BCZT)的成分。
全文摘要
本發明提出一種自供電遙控裝置。用戶搖動該遙控裝置以便產生電能供該裝置運行。該遙控裝置具有可移動體，例如鋼球，它可在較大殼體內自由移動。當用戶搖動該遙控裝置，所述鋼球碰撞所述殼體的邊，撞擊安裝於殼體內的壓電傳感器。然後，發出的電經過降壓變壓器，被二極體整流，然後用來給例如電容器的儲電介質充電。所述電容器利用此電能給編碼器和無線信號發射器供電。當用戶壓下該遙控裝置上的按鈕，所述編碼器根據按下的所述按鈕執行編碼操作，發射經編碼的信號給所述無線信號發射器，且所述無線信號發射器將所述經編碼的信號從該遙控裝置發射出去。
文檔編號G08C23/04GK102780418SQ20121014434
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者姚奎, 張磊, 王庭鏘, 陳志強, 陳金耀 申請人:新加坡科技研究局