基于双稳态结构的电子设备姿态调整器的制造方法

文档序号:8223141阅读:405来源:国知局
基于双稳态结构的电子设备姿态调整器的制造方法
【专利说明】
[技术领域]
[0001]本发明涉及微小型执行器件和新型能源技术领域,具体地说是一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器。
[【背景技术】]
[0002]随着移动互联网技术的发展,便携式电子设备的使用越来越普遍,它们小巧、轻便、功能强大,方便拿在手中,装在口袋、钱包或提包中,因此越来越成为人们日常生活和工作中必不可少的物品。诸如智能手机、平板电脑等移动电子设备以其强大的功能和优越的便携性,逐渐成为人们随身携带的必需物品,然而这些电子设备可能会不小心从手中摔落或由于一些偶然因素而处于自由落体状态。例如,放在柜台或桌子上的电子设备由于外界的碰撞而滑落。当电子设备摔落到地面时,其表面受到很大的冲击,即使这些电子设备装有保护套或其它保护装备,也很有可能会发生严重的损坏。
[0003]大多数便携式电子设备都有某些部位比其他部位耐冲击,如果摔落时是这些耐摔的特定部位先着地那么很可能会减少电子设备的损伤。特别是现在流行的大屏幕的智能手机和平板电脑,其屏幕特别易碎,当落地时屏幕先着地受到一定冲击时就会损坏,如果换做电子设备外壳的某些金属或塑料部位先着地的话,就不会那么容易损坏了。
[0004]为了保护便携式电子设备摔落时免受冲击损坏,美国专利US 8330305 B2、US2013/0073095 Al和US 2013/0257582 Al公布了在空中调整便携式电子设备方向或在设备掉落过程中通过其他方式来保护易碎组件的机制。这几项专利给出了多种解决方案,包括移动设备中某个配重型的组件来调整设备中心,或是在设备外壳某些地方弹出保护性支架,或是快速释放出一罐空气,又或是锁住插入的耳机插头或是采取其他的防护措施来对设备进行保护,以上大部分方案在实际中很难应用,其中较为现实的方法是通过带有偏心质量的振动电机调整电子设备空中姿态,避免易碎和重要元器件直接与地面相撞,但是振动电机耗能较大、提供的转矩有限、高速旋转可持续时间不长且易烧毁、并且不易微小型化,因此在实施上还存在很多困难。
[0005]另外,提高便携式电子设备的续航能力也一直是一个亟待解决的问题,随着微机电技术和集成电路的发展,电子电路的能耗越来越低,因此收集环境振动能量给低功耗电子器件供能成为近些年来的一大研宄热点。利用压电材料的压电效应进行振动能量收集是其中比较常见且有效的振动能量收集方式,结合双稳态结构进行非线性振动能量收集,可以获得较大的带宽和较高的能量转换效率。设计可植入便携式电子设备中的小型振动能量收集器为电子设备中的某些关键电子器件供电,以提高其总体续航能力、保障数据安全和应急供电是非常必要的。
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【发明内容】
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[0006]本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器,不仅可以收集外界的振动能量,还可以调整便携式电子设备掉落过程中的空中姿态,使其耐摔部位先着地,以起到保护易碎部件的作用。
[0007]为实现上述目的设计一种基于双稳态结构的电子设备姿态调整器,包括屏蔽罩3和PCB底板4,所述PCB底板4连接在屏蔽罩3底端,所述屏蔽罩3内封装有基于双稳态突跳特性的姿态调整单元,所述姿态调整单元用于提供姿态调整力和收集振动能量,所述姿态调整单元包括框架5、双稳态弹性梁6和压电单元7,所述双稳态弹性梁6固定在框架5内侧,所述双稳态弹性梁6具有上凸和下凹两个稳定平衡状态,所述双稳态弹性梁6的突跳形变产生用于姿态调整的弹性力,所述压电单元7对称粘接在双稳态弹性梁6左右两侧,所述双稳态弹性梁6中间部位固定有永磁铁8,所述永磁铁8上下方均设有电磁铁9,所述电磁铁9固定在框架5上。
[0008]所述姿态调整单元通过管脚10固定在PCB底板4上,所述姿态调整单元设有至少两个以上。
[0009]所述双稳态弹性梁6为两端固支屈曲梁、两端简支弧形梁或余弦弯曲梁,所述双稳态弹性梁6设有至少两个以上,所述双稳态弹性梁6采用弹簧钢、高弹性模量铝合金或高模量碳纤维制成。
[0010]所述压电单元7为压电陶瓷片、压电晶片或压电薄膜,所述压电单元7用于传感和发电。
[0011]所述永磁铁8设有两块,所述永磁铁8通过粘接或机械连接固定在双稳态弹性梁6中间部位的上下两侧,所述永磁铁8面向双稳态弹性梁6外侧的极性相反,所述永磁铁8采用钕铁硼、钐钴或铝镍钴制成,所述两块永磁铁8同时作为执行质量块。
[0012]所述电磁铁9上下对称布置,所述两个电磁铁9分别正对着永磁铁8,所述电磁铁9产生可控电磁力与永磁铁8相互作用。
[0013]所述框架5采用覆铜板、环氧树脂或金属制成,所述框架5上印制有用于电能和信号传输的集成电路,所述管脚10设置在框架底部两边,所述框架5通过管脚固定在PCB底板4上,所述管脚10用于电能、信号的传输。
[0014]所述屏蔽罩3采用不锈钢或洋白铜制成,所述屏蔽罩3为固定式或可拆式结构。
[0015]本发明同现有技术相比,结构新颖、简单,设计合理,充分利用了双稳态弹性梁的突跳特性,将其同时用于振动能量收集和电子设备的姿态调整,其结构简单紧凑,便于微小型化,集成化,使用寿命高,振动能量收集带宽大、效率高,姿态调整力大,灵敏度高;此外,本发明所述姿态调整器便于植入任何便携式电子设备和小型空中或水下机器人等需要姿态调整的设备中,移植性和扩展性高,应用前景广泛。
[【附图说明】]
[0016]图1是本发明的外部结构示意图;
[0017]图2是本发明的内部结构示意图;
[0018]图3是本发明中姿态调整单元的结构示意图;
[0019]图4是本发明中姿态调整单元的双稳态弹性梁两个稳态示意图;
[0020]图5是本发明应用到智能手机中的实施例结构示意图;
[0021]图6是本发明应用到智能手机姿态调整的不同安装方式示意图;
[0022]图7是本发明与智能手机内部系统组成的防摔保护系统组成图;
[0023]图8是本发明应用到智能手机中工作模式切换流程图;
[0024]图9是本发明应用到智能手机姿态调整的控制流程图;
[0025]图10是本发明调整智能手机空中姿态过程示意图;
[0026]图中:1、姿态调整器2、智能手机3、屏蔽罩4、PCB底板5、框架6、双稳态弹性梁7、压电单元8、永磁铁9、电磁铁10、管脚。
[【具体实施方式】]
[0027]下面结合附图对本发明作以下进一步说明:
[0028]如附图1所示,是本发明的外观示意图,其中屏蔽罩3采用0.2mm厚的不锈钢或洋白铜为材料,可为固定式或可拆式,防止电磁干扰(EMI)、对智能手机内部其它元件起屏蔽作用;PCB底板4集成信号采集及处理电路;管脚10将姿态调整单元固定于PCB底板4上并起到电能和信号传输的功能。
[0029]如附图2所示,姿态调整器包括屏蔽罩3和PCB底板4,PCB底板4连接在屏蔽罩3底端,屏蔽罩3和PCB底板4内封装有基于双稳态突跳特性的姿态调整单元,该姿态调整单元设有至少两个以上,如设置有三个,姿态调整单元用于提供姿态调整力和收集振动能量,每个姿态调整单元包括框架5、双稳态弹性梁6和压电单元7,双稳态弹性梁6固定在框架5内侧,双稳态弹性梁6具有上凸和下凹两个稳定平衡状态,双稳态弹性梁6的突跳形变产生用于姿态调整的弹性力,压电单元7对称粘接在双稳态弹性梁6上左右两侧,双稳态弹性梁6中间部位固定有永磁铁8,永磁铁8上下方均设有电磁铁9,电磁铁9固定在框架5上。
[0030]如附图3和附图4所示,图4为双稳态弹性梁具有上凸稳态I和下凹稳态II ;附图3中姿态调整单元主要运动部件为中间部位固定有永磁铁8的双稳态弹性梁6,可以通过双稳态弹性梁6的突跳形变产生用于姿态调整的弹性力;当双稳态弹性梁6从上凸稳态I向下凹稳态II突跳转换时,双稳态弹性梁6会给框架5作用一个向上的弹性力,此弹性力进而传递给智能手机2内姿态调整器I所在的部位,产生一个调整力矩,起到调整智能手机2空中姿态的功能。
[0031]该姿态调整单元可以有多个,可以是不同规格,可以通过控制不同的姿态调整单元提供不同量级的调整力,也可以收集不同频率和振幅的振动能量,进而增大了能量收集的带宽和姿态调整的灵敏度。所述框架5用于固定双稳态弹性梁6和电磁铁9,框架5材料为覆铜板和环氧树脂或金属,上面印制有用于电能和信号传输的集成电路,包括电磁铁9、压电单元7的导线,框架5底部两边分别有四个管脚10,用于将框架5固定在PCB底板4上,并用于电能、信号的传输。
[0032]另外,固定在双稳态弹性梁6中间部位的永磁铁8为两块,分别布置于双稳态弹性梁6中间部位的上下两侧,通过粘接或机械连接固定,两块永磁铁8面向双稳态弹性梁6外侧的极性相反,固定于双稳态弹性梁6上侧的永磁铁8上部为N极,固定于双稳态弹性梁6下侧的永磁铁8下部为S极,两块永磁铁8材料可为钕铁硼Nd2Fel4B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)等,永磁铁8同时作为执行质量块,其几何形状可为圆柱体、立方体等形状。
[0033]姿态调整单元中对称粘接在双稳态弹性梁6上两侧的压电单元7可同时作为传感元件和发电元件。作为传感元件时,由于压电效应,粘接在双稳态弹性梁6上的压电单元7会由于双稳态弹性梁6的变形产生电信号,通过检测两个压电单元7的输出信号可以判断双稳态弹性梁6的变形状态,进而得以确定双稳态弹性梁6中间节点的位置。获得双稳态弹性梁6中间节点的位置信息后,可以用于控制电磁力,进而控制双稳态弹性梁6的突跳,进而控制姿态调整力。压电单元7作为发电元件可将机械振动转换为电能,粘接在双稳态弹性梁6上的压电单元7由于双稳态弹性梁6的形变而变形,进而由压电效应产生电能,压电单元7可以为压电陶瓷片、压电晶片或压电薄膜等。
[0034]此外,设置在永磁铁8上下并固定于框架5上下的电磁铁9为两个对
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