自供能开关部件的制作方法

专利名称：自供能开关部件的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于对灯、器具等供能的开关部件。更具体地，本发明涉及一种自供能闩锁继电器(latching relay)部件，其使用一个预应力压电元件以生成用于该闩锁继电器的激励信号。该压电元件和相关信号发生电路可以直接硬连线到该闩锁继电器或者可以耦合到一个用于向驱动该闩锁继电器的接收器发送RF信号的发送器。
背景技术：
用于对灯、器具等供能的开关和闩锁继电器在现有技术中是周知的。典型的电灯开关例如包括单极开关和三路开关。单极开关具有二个用于输入线(电源)和至电灯的输出线的热引线的端子。三路开关可以从二个不同的位置控制一个电灯。每个三路开关具有三个端子，一个公共端子和二个导丝钩(traveller)端子。典型的一对三路开关使用二个各具有二条电缆的接线盒，其中第一接线盒具有一条来自电源的输入线和一条至第二接线盒的输出线，并且第二接线盒具有来自第一接线盒的输入线和一条至电灯的输出线。
在这些开关方式的每一种方式中，都需要打孔、安装开关、连接接线盒以及布置电缆。打孔、安装开关以及连接接线盒可能是困难和耗时的。并且，布置电缆需要从固定器开始，使电缆穿过架构中的各个孔至电路中每个固定器，并且继续在各方向延伸以回到服务板。尽管理论上是简单的，但使电缆相配合可能是困难和耗时的。电缆在拖拉时常常扭结、纠缠或粘结，从而布置中需要在一些地方拉直。
技术上还周知远程驱动的开关/继电器。已知的远程驱动控制器包括桌面控制器、无线遥控器、定时器、运动检测器、语音驱动控制器以及计算机和相关软件。例如，远程驱动装置可包括插入到墙上电源插座的组件并且该插座中可插入设备的电源线。然后可以通过一个控制器接通和断开该设备。其它远程驱动装置包括拧入式灯组件，其中该组件拧入到一个灯座中，然后把一个灯泡拧入到该组件中。可以通过一个控制器接通和断开该灯并且可以使灯变暗或变亮。
用于上述组件的典型远程控制器的一个例子是射频(RF)基座收发器。借助这样的控制器，把一个基座插入到电源插座并且可以结合一个手持无线RF遥控器控制一组组件。可以使用RF中继器以把相配合的无线遥控器、开关以及安全系统传感器的范围增加到每个中继器150ft(英尺)。该基座对于所有的无线RF遥控器都是需要的，并且允许对几个灯和器具进行控制。手持无线遥控器中还需要电池。
除使用手持RF遥控器外，可以使用遥控墙开关。这些开关厚达3/4英寸，通过胶固定在所需位置上。结合一个基座单元(插入到110伏插座中)这种遥控墙开关可以控制相配合的模块或开关(接收器)。无线开关向基座单元发送RF信号，接着该基座单元沿着家中已有的110伏布线向配合的开关或组件发射信号。无线开关也需要电池。
这些遥控部件可以控制，例如，声频/视频设备例如电视、盒式录象机和立体声系统以及电灯和其它使用RF至红外(IR)基座的设备。这种RF遥控器可以通过向转换器发送专用的RF命令来控制声频/视频设备，其中该转换器把这些RF命令翻译成IR。接着把该IR命令发送到声频/视频设备。控制台响应来自红外遥控器的红外信号并且然后向相容的接收器发送等效命令。
常规墙开关的一个问题是必须布置从开关盒和灯以及从开关盒到服务面板中的电源的展接布线。
常规墙开关的另一个问题是必须对由多于一个的开关控制的灯布置附加布线。
常规墙开关的又一个问题是存在作为开关的输入和输出的高电压线。
常规墙开关的再一个问题是和至开关、从开关以及开关间的电线的初始安装关联的成本。
常规墙开关的另一个问题是与现有开关的重新规划，重新定位以及重新布线关联的成本和麻烦。
常规RF开关的一个问题是它们还需要外部电源，例如高电压交流电源或者电池。
常规RF开关的另一个问题是和更换电池关联的成本和麻烦。
常规RF开关的又一个问题是它们需要至各个组件以及基座单元的高电源。
常规交流型RF开关的再一个问题是对墙开关重新布线和重新定位进行重新规划的难度。
从而，需要提供一种克服现有技术的上述问题的开关和/或闩锁继电器部件。

发明内容
本发明提供一种使用一个电动的(electroactive)致动器的自供能开关或开关继电器部件。该致动器中的压电元件能在大的轴向位移下变形并且当受机械撞击变形时产生电场。该电动致动器充当一个用来生成致动闩锁/继电器机构的瞬时信号的机电发生器。从而该闩锁或继电器机构接通和断开例如灯和器具的电部件。
该电动致动器元件的机械致动装置应以足够大的力/加速度对该电动致动器元件施加压力以产生幅度和持读时间足够的电脉冲。例如，类似于灯开关的开关可以通过肘板、按扣动作或者滚筒机构施加压力。也可以利用更大的或者多个的电激致动器元件产生脉冲。
在一实施例中，通过手动的或机械的致动装置按压该电动致动器，并且该电动致动器产生的电信号直接施加到一个继电器开关上。在本发明的另一实施例中，安装一个用于变换由该电动致动器产生的脉冲的电路。在再一个实施例中，电动致动器的信号对一个RF发送器供电，该RF发送器向激励继电器的RF接收器发送RF信号。在又一个实施例，电动致动器的信号对一个发送器供电，该发送器向激励继电器的RF接收器发送脉冲式RF信号。可以编码数字化的RF信号(象车库门开启器(garge door opener)那样)以便只激励用该数字化RF信号编码的继电器。
从而，本发明的主要目的是提供一种开关或继电器部件，其中使用电动或压电元件来激励该部件。
本发明的另一个目的是提供一种特征是在不必附加布线的情况下安装开关的部件。
本发明的另一个目的是提供一种特征在于不必在对建筑结构打孔的情况下安装开关的部件。
本发明的一另一个目的是提供一种特征在于其中开关不需要例如120或220伏交流或电池的外部电输入的部件。
本发明的另一个目的是提供一种特征在于含有一个生成幅度足够的电信号以激励闩锁继电器的电动部件的部件。
本发明的另一个目的是提供一种特征在于含有一个生成幅度足够的电信号以激励用来激励闩锁继电器的射频发送器的电动部件的部件。
通过研究附图以及以下的说明，本发明的其它目的优点会变成清楚。


图1是一个示出本发明中使用的弯曲伸张压电制动器的结构细节的正视图；图2是一个示出本发明的变型中使用的替代型多层弯曲伸张压电制动器的结构细节的正视图；图3是一种机械地对一个致动器施加和除去力的部件的正视图；图4是图3的部件的正视图，示出一旦加力该致动器的变形；图5是图3的部件的正视图，示出一旦通过释放一个快速释放部件除去力该致动器的恢复；图6示意示出本发明的含有弯曲伸张压电致动器的开关部件；图7详细地示出图6的脉冲变换、音频发生器以及RF发生器子电路部分；图8是图7的调谐回路天线的平面图，示出处于使感应线圈横截面为最大的位置下的跨接线；以及图9是图7的调谐回路天线的平面图，示出处于使感应线圈横截面为最小的位置下的跨接线。
具体实施例方式
当受到应力或应变时，压电和电致伸缩材料(以下通称为“电动”部件)产生极化电场。该压电或电致伸缩材料产生的电场是所施加的造成机械应力或应变的力的函数。相反地，在施加的电场中电动部件历经尺寸改变。电动部件的尺寸改变(即伸长或缩短)是所施加电场的函数。由于其在这种电场下变形的特性，电动部件常常用作为驱动器，或“致动器”。这些电动部件或致动器还具有响应由于外加力造成的变形产生电场的可变能力。
现有电动部件包括直接或间接模式致动器，它们典型地利用材料尺寸的改变以得到位移，但是，在本发明中它们最好充当机电发生器。直接模式致动器典型地包括一块夹在于主表面上形成的一对电极之间的压电或电致伸缩陶瓷板(或者一组板)。这些部件通常具有足够大的压电和/或电致伸缩系数以在该陶瓷板中立产生所需的应变，但是，直接式模致动器具有只能获得非常小的位移(应变)的缺点，其应变最多为千分之几。相反，直接模式发生器-致动器要求施加大的力以便压电地生成用来激励闩锁继电器的幅度足够大的脉冲式瞬时电信号。
现有技术中已知的间接模式致动器通过借助外部结构获得应变放大而显示出比直接模式致动器能达到的要更大的位移和应变。间接模式致动器的一个例子是弯曲伸张换能器。弯曲伸张换能器是由压电陶瓷元件、金属壳和受压塑料、玻璃纤维或类似结构构成的复合结构。常规弯曲伸张部件的致动器移动通常是作为压电村料的膨胀结果出现的，其中该压电材料在横向的该部件的一个放大收缩段机械耦合。在运行中，它们显示出比直接模式致动器所能产生的幅度大几个数量级的应变和位移。
可以通过把间接模式致动器构建成“单压电晶片”或“双压电晶片”弯曲伸张致动器来提高间接模式致动器能达到的应变的幅度。典型的单压电晶片是由外部地和弹性金属箔连接的单个压电元件构成的凹形结构，并且当通电时其产生轴向弯曲或偏转。普通的单压电晶片可显示高达10％的应变。常规双压电晶片部件包括一个夹在二个压电元件之间的中间弹性金属薄片。电极连接到这些陶瓷元件的每个主表面上，并且该金属薄片和二个内部电极连接。由于在外加电压下一个陶瓷元件收缩而另一个陶瓷元件膨胀，所以双压电晶片显示出比类似单压电晶片更大的位移。双压电晶片可以显示出高达20％的应变。
在现有技术中已知的某些电动致动器应用中，为了提高电动材料的轴向偏转并且从而提高该电动材料能达到的应变，已经提出不对称应力偏置电动部件。在这样的部件中(其中包括例如“彩虹”致动器(如美国5,471,721号专利中公开那样)和其它弯曲伸张致动器)，这种不对称应力偏置产生一种曲线型结构，其典型地具有二个主表面，一个为凹形而另一个为凸形。
参照图1最近已经开发出并且在美国5,632,841号专利中公开一种称为“THUNDER”的带有改进的位移、应变和负载性能的单压电晶片致动器。THUNDER(它是薄层复合单压电晶片铁电体驱动器和传感器的首字母缩写词)是一种单压电晶片致动器，其中在高温下把一个预应力层接合到一个薄压电陶瓷片上，并且在该复合结构的冷却期间由于预应力层和陶瓷层热收缩速率的不同不对称应力偏置该陶瓷薄片。
THUNDER致动器12是一种复合结构，其构造在图1中示出。每个THUNDER致动器12是用一个电动件构成的，其最好包括一个PZT压电陶瓷层67，在该层67的二个相对的表面上电镀上层65和层65a。通过第一粘着层66把最好由钢、不锈钢、铍合金或其它金属基片构成的预应力层64附着至陶瓷层67的一面上的电镀表面65上。在该最简单的实施例中，粘着层66充当预应力层。该第一粘着层66最好是由美国NASA-Langley研究中心开发的并且在美国5,639,850号专利中公开的LaRCTM-SI材料。在陶瓷层67的相对一面上粘上最好也是由LaRC-SI材料构成的第二粘着层66a。在THUNDER致动器12的制造期间，同时把陶瓷层67、粘着层66以及预应力层64加热到高于该粘性材料的熔点的温度。实际中，典型地把组成THUNDER致动器的各个层(即陶瓷层67，粘着层66和66a以及预应力层64)作为一个复合结构放置到一个高压釜或一个对流烘箱内，并且通过对流缓慢加热，直至该结构的各层都达到高于粘性材料66的熔点但低于陶瓷层67的居里温度的某一温度。为了避免陶瓷层67的压电特性的破坏，希望把陶瓷层67的温度保持在该陶瓷层的居里温度之下。由于通常在慢速下对流地加热该多层结构，所有的层趋于约为相同温度。在任何情况下，由于粘着层66典型地位于另二层之间(即，陶瓷层67和预应力层64之间)，陶瓷层67和预应力层64通常非常接近相同的温度并且至少在该处理的加热工序期间和粘着层66、66a一样热。接着让THUNDER致动器12冷却。
在该处理的冷却工序期间(即粘着层66、66a再固化后)，由于粘着层66、66a以及预应力层64的材料热收缩系数要比陶瓷层67的系数大，故陶瓷层67变成由粘着层66、66a以及预应力层64压缩加压。同样，由于陶瓷层67一面上的叠层材料(例如第一预应力层64和第一粘着层66)的热收缩大于陶瓷层另一面上的叠层材料(例如第二粘着层66a)的热收缩，该陶瓷层按拱形变形，其中如图1和2中所示该拱形具有一个法向凸面12a和一个法向凹面12c。可以对陶瓷层67的一面或者二面类似地附着另外的一层或多层预应力层，以便例如提高陶瓷层67中的应力或者加固致动器12。另外，可以免掉由独立预应力层64构成的基片并且可以由粘着层66向陶瓷层67施加预应力。替代地，可以仅仅加热预压力层(组)64和粘着层(组)66并且在陶瓷层67处于较低温度下接合到陶瓷层67上，以便当冷却致动器12时在陶瓷层67中引入更大的压缩应力。
参照图2，一种替代的致动器12D可包括一个由多个彼此接合的薄PZT层67和67a构成的复合压电陶瓷层。层67和67a各由一层薄的厚度最好约为1密耳(1密耳＝1/1000英寸)数量级的压电材料构成。在每个主表面上分别对每个薄层67和67a电镀层65、65a和层65b、65c。接着利用诸如LaRC-SI的胶通过粘着层66a使各个层67和67a彼此接合。替代地并且为最佳地，可以通过把薄的压电材料片烧制在一起使薄层67和67a彼此接合。最少二层，但是最好至少四片压电材料被接合/烧制在一起。接着可以利用粘着层(组)66和66b把压电陶瓷层接合到预应力层(组)64上并且加热和冷却，以便如前面说明那样制作修改型THUNDER致动器12D。通过使修改型致动器12D中具有多个更薄的压电材料层67和67a，与由只具有单个较厚的陶瓷层67的THUNDER致动器12所生成的高电压低电流相比，该复合的陶瓷层产生较低的电压和较高的电流。
可以用弹性绝缘材料涂敷致动器12的凸面12a。这种绝缘涂层帮助防止该压电元件和其它导体、液体或人体的无意接触造成的无意识放电。该涂层还使该陶瓷元件更耐久并且抵抗撞击造成的破裂或损害。由于LaRC-SI是不导电的，致动器12的凸面12a上的粘着层67a可充当该绝缘层。替代地，该绝缘层可以用塑料、TEFLON(特氟隆)或其它耐用涂层构成。
可以通过一对电线14从致动器元件12回收或者对它引进电能。每条电线14附着在致动器元件12的相反一面的一端处。可以把电线14直接连接到面对着陶瓷层67的电镀层65和65a上(例如通过胶或者焊料20)，或者可以替代地把它们连接到预应力层(组)64。如前面讨论那样，最好通过不导电的LaRC-SI材料把预应力层64粘着到陶瓷层67上。当电线14和预应力层(组)64连接时，希望使预应力层64的表面变粗糙，从而预应力层64间断地穿过相应的粘着层66和66a，并且产生与对着陶瓷层67的相应电镀层65和65a的电接触。每条电线14的另一端最好和电脉冲变换电路10连接。
预应力弯曲伸张换能器12是合乎需要的，因为能够研制出这种寿命长、垂直位移相对大并且伴随着相对高的电压的换能器。但是，本发明可以用任何具有本文中所说明的性能和特征，即能够响应部件的变形产生电压的电动元件来实现。例如，本发明可以利用磁致伸缩部件或铁电体部件实现。换能器也不必是法向拱形的，而是可以包括法向平直的换能器，并且还可以包括堆叠的压电元件。
在运行中，如图4中所示，当对致动器12的凸面12a施加由箭头16所示的力时，该力使压电元件12变形。可以通过任何适当装置，例如通过手动直接对该压电致动器施加压力，或者通过其它机械装置把该力施加给该压电致动器12。该力最好由能够产生施加到和去除掉对致动器12的机械撞击的机械开关(例如，柱塞，撞针，肘板或滚柱开关)来施加。该机械撞击(或者对其的去除)应为足够大的力，以便使致动器12的凸面12a迅速变形并且在一个距离(大约10毫米)上加速，从而产生一个足够辐度的电信号来激励一个机电闩锁继电器。
参照图3、4和5一种用来施加机械力的适当装置的例子由开关板和插棒组件13构成。压电致动器的二端各在开关板18的凹槽44内可转动地就位。开关板18和包含在其中的致动器12形状相同，最好为长方形。在一替代实例中，可以把圆形致动器安放在圆形开关板的圆槽内。开关板18中的凹槽(组)44在致动器12为释放状态即不变形状态下时保持该致动器就位。凹槽44还足够深，以在致动器12完全变形下，即平直状态下，全部容纳致动器的端头或边缘。该插棒组件包括一个可枢轴转动地和一个铰链快速释放机构24连接的按钮22。快速释放机构24的另一端和轴26连接，该轴26和一对夹着致动器12的二面的板27和28连接。释放齿25沿着快速释放机构24的路径。
参照图4和图5在运行中，当按箭头16的方向按下按钮22时，快速释放机构24下推至轴26和板27、28上并使致动器12变形。当快速释放机构24到达释放齿25时，该快速释放机构24在它的铰链上枢轴地转动并且释放对轴26、板27和28以及致动器12的向下压力。由于预应力层64的基片的恢复力，致动器12在图5中所示的箭头30的方向快速回到它的不变形状态。其它可从致动器施加和/或释放力的手段包括扭转门钮，打开一个在门的侧壁中对致动器施加压力的门，在地面、地板或垫子上踩致动器，或者甚至对致动器坐下。
如前面所述，该外加力造成压电致动器变形。由于压电效应，压电元件12的该变形在致动器12的面12a和12c之间产生一个瞬时电压，该电压形成一个电能脉冲。另外，当从压电致动器12去掉该力时，该致动器恢复到它的原始拱形。这是因为和陶瓷67接合的基片或预应力层64在陶瓷67上施加压力，从而致动器12具有使致动器12回到它未变形的中性状态的弹性系数。在致动器12的恢复撞击下，陶瓷67回到不变形状态并且从而产生另一个极性相反的电脉冲。该向下(外加)或向上(恢复)撞击应在一个距离上产生一个足够大的力以建立所需的电脉冲。恢复撞击的持续时间并且从而产生的脉冲的持续时间取决于施加到致动器12上的力的大小，但最好在50-100毫秒的范围内。
在本发明的优选实施例中，一旦去除力时，即当致动器12恢复它的形状时，所生成的电脉冲是被使用的脉冲。这是因为例如通过手施加的向下力可能是前后不一致的，而致动器的恢复力是更可预计和更一致的力。另外，由于第二脉冲和第一脉冲的极性相反，快速施加第一和第二脉冲可能造成附属继电器简单地断开和接通。可以使用电滤波部件(例如二极管或零电压开关电路)使该继电器和第一脉冲隔离以便只使用第二脉冲。)参照图6和7经过和致动器12的各个面12a和12c连接的电线14电能脉冲从致动器传送到开关或继电器90。该电能脉冲的幅度足够大以使开关/继电器90从一个状态切换到另一个状态。替代地和优选地，该电脉冲首先通过脉冲变换电路10传送以便修改它的特征，即该电信号的电流、电压、频率和/或脉宽。
现参照图7电脉冲变换电路10大体上包括一个二极管电容阵列和一个稳压器U1。二极管D1的阳极和阴极分别和一条电线14连接。更具体地，阳极通过第一电线14和致动器12的凸面12a连接，并且阴极通过另一条线和致动器的凹面12c连接。这种连接只允许由致动器12恢复撞击中形成的电压脉冲通过二极管D1传送。
脉冲变换电路10还包括一个稳压器U1，它控制二极管D1下游的输入电脉冲。稳压器U1的输出信号最好为直流3.3伏。在二极管D1和稳压器U1之间可以设置一个或多个电容器C1、C2和C3。电容器C1、C2、和C3与二极管D1并联连接。该电容器C1、C2、和C3充当各滤波器以向稳压器U1提供更均匀的电压输入。电容器C1、C2、和C3还防止过度的峰值电压影响该电路的下游部件(例如稳压器U1)。稳压器的输出是电压不变、持续时间约为50-100毫秒(取决于施加到致动器12的负载)的脉冲。接着可以通过另一条线把脉冲变换电路10的输出电压信号传送到继电器开关90，以便把继电器开关90的状态从一种状态改变到另一种状态。
再次参照图6和7更优选地，用稳压器U1的输出对包含反相器阵列U2的音频发生器或编码器40供电，该音频发生器40产生脉冲式音频(tone)。该脉冲式音频调制利用调谐环形天线60发射RF信号的RF发生器部分50。该环形天线发射的信号由RF接收器70以及译码器80截取，译码器80产生继电器脉冲以激励继电器90。
稳压器U1的输出端和反相器阵列U2连接，后者充当电脉冲的编码器40，更具体地，用于输出电压脉冲(通常为3.3伏)的输出导体和六位反相器阵列U2的输入引线连接。该反相器阵列U2的6个反相器中的3个反相器U2A、U2B、U2C最好串联连接，并且不使用(接地)其它的反相器(未示出)。最后一个反相器U2C和决定反相器阵列U2的振荡频率的电阻器R2和电容器C5的串联组合并联连接。前二个串联连接的反相器U2A和U2B并联地与电阻器R1和电容器C5的串联组合并联。在操作中，通过第一电阻器R2对电容器C5充电。该电容器C5完全充电后，电压接着跟随电阻器R1，该电阻器触发每个反相器U2A、U2B和U2C以便串联地切换。该反相器U2A、U2B和U2C的切换循环产生由R2-C5组合的RC常数确定的方波输出。反相器U2A、U2B和U2C的串联连接为该串中的最后一个反相器U2C生成更快的切换信号并且从而产生整齐、尖锐的输出信号。这样，反相器阵列U2的输出是一串在0和一个正电压，最好为直流+3.3伏，之间振荡的方波，这串方波的持读时间由稳压器U1的输出电压脉冲的持续时间决定。通过选择适当的RC时间常数，可以确定出脉冲持续时间、所希望的脉宽并且从而确定方波的循环个数。在本发明的优选实施例中，R2约为1.2兆欧而电容器C5为220微微法拉。替代地，电容器C5是可调谐的以便调整反相器阵列U2的振荡频率。这些值提供脉宽为二分之一毫秒的长为一毫秒的方波，这大约等同于100个方波循环。
稳压器U1的直流输出和反相器阵列U2的方波输出连接到RF发生器50。该RF发生器50由通过双极晶体管(BJT)Q1和RF扼流圈二者与稳压源U1连接的振荡电路构成。更具体地，该振荡电路通过一个由彼此在其各自对应端连接(并联)的电感器L2和电容器C8构成的谐振电路组成。电容器C8或电感器L2或者二者都是可调的，以便调整该振荡电路的频率。电感器L1充当一个RF扼流圈，其中电感器L1的一端和稳压器U1的输出连接并且电感器L1的另一端和L2-C8振荡电路的第一接合点连接。RF扼流圈电感器L1最好是一个直径约为0.125英寸并约30圈的电感器并且最好连接到振荡电路电感器L2的回路上。L2-C8振荡电路的第二(即另一个)接合点和BJT Q1的集电极连接。BJT Q1的基极也通过电阻器R3连接到反相器阵列U2的输出端。电容器C7和BJTQ1的基极以及该振荡电路的第一接合点连接。另一个电容C9并联地和BJT Q1的集电极以及发射极连接。该电容器C9改进该振荡电路的反馈特性。BJT的发射极通过电阻器R4接地。BJT的发射极还通过和电阻器R4并联的电容器C10接地。和电阻器R4并联的电容器C10从该发射极在高频下提供更加稳定的导通路径。
现参照图8和9“RF发生器50和调谐环形天线60一起工作。在一优选实施例中，振荡电路的电感器L2充当该环形天线60。更优选地，电感器/环形天线L2由一个铜线的单矩形环构成并且具有一个和矩形环L2连接的较小的附加环或跨接线61。调整该较小环61相对于矩形环L2的形状和角度以便增大或减小电感器L2的外观直径从而调谐RF发生器50的RF传输频率。在一替代实施例中，一个独立的调谐天线可以和该振荡电路的第二接合点连接。
该电路中的其它滤波部件包括和反相器阵列U2的输入端连接的接地电容器C4以及和反相器阵列U2的输出端连接的接地电容器C6。
在操作中，稳压器U1的正电压输出和反相器阵列U2以及RF扼流圈电感器L1连接。该电压驱动反相器阵列U2产生方波输出，该方波输出通过电阻器R3和BJT Q1的基极连接。当方波电压为零时，BJT的基极保持不带电，从而电流不流过电感器L1。当方波电压为正时，BJT Q1的基极通过电阻器R3加电。当对BJT Q1的基极加电时，允许电流从集电极到发射极流过基极并且允许电流流过电感器L1。当方波回到零电压时，BJT Q1的基极重新不带电。
当电流流过扼流圈电感器L1时，振荡电路电容器C8充电。一旦振荡电路容器C8充电，该振荡电路开始在由电路的LC常数决定的频率下谐振。例如，对于具有7微微法的电容器和尺寸为0.7寸乘0.3英寸的单矩形环的电感器L2的振荡电路，其谐振频率为310兆赫。扼流电感器L1防止RF漏到该电路的上游部件(反相器阵列U2)中，因为扼流电感器L1的磁场改变产生一个对着来自该谐振电路的上游电流的电场。为了产生RF信号，电荷必须在RF范围的频率下振荡。这样，在振荡电路电感器/调谐环形天线L2中振荡的电荷产生优选为310兆赫的RF信号。由于反相器的方波输出使BJT Q1接通和断开，从环形天线60产生的信号包括持续时间为100毫秒、脉宽为0.5毫秒从而产生100个310兆赫的脉冲的脉冲式RF信号。
RF发生器50和天线60连同RF接收器70一起工作。更具体地，一个位于RF发射器60附近(150英尺内)的RF接收器70可以接收由RF发生器50发出的脉冲式RF信号。该RF接收器包括一个用来截取该脉冲式RF信号(音频)的接收天线70。该音频在接收天线70中产生一个脉冲式电信号-它是对充当译码器80的微处理器芯片的输入。译码器80滤掉除了RF信号之外的所有信号，该RF信号被编程为接收例如由RF发生器50生成的信号。一个外部电源也和微处理器芯片/译码器80连接。响应该截取的来自RF发生器50的音频，该译码器芯片产生脉冲式电信号。和该译码器80连接的外部电源放大该芯片产生的脉冲式电压输出信号。该放大后的(例如交流120伏)电压脉冲接着施加到常规继电器90以改变该继电器内的开关的状态。然后利用继电器开关状态的改变接通或断开带有双极开关的电气部件，或者在多状态开关的数个状态之间转换。可以添加零电压开关元件以确保继电器90在弯曲伸张换能器12的每次压下和恢复循环中只激励一次。
可以采用数个不同的RF开关部件以产生不同的音频以便控制若干被调谐以接收该音频的继电器。在一替代实施例中，可以编码并且可以编程数字化的RF信号(如车库门开启器那样)以便只启动用该数字化RF信号编码的继电器。
本发明是安全的，因为它不需要在房子中为每个开关布置交流120伏(在欧洲为220伏)的电线。替代地，只对器具或灯布置电压更高的交流架空线，并且通过自供电开关部件和继电器开关激励它们。本发明节约了与打孔以及对每个开关和在墙内布置电线相关的初始和重建的建设成本。本发明对于受到保护的历史建筑是特别有用的，因为这种建筑的墙是不许破坏后重建的。本发明在混凝土结构，例如采用混凝土板和/或灰泥结构的建筑中也是有用的并且不必在这些结构的墙和地板的表面上布线。
尽管上面的说明含有许多特殊规定，但它们不应构成对本发明的范围的限制，而只是作为本发明一种优选实施例的例子。许多其它修改是可能的，例如除了压电部件外，电动元件可包括磁致伸缩部件或铁电体部件。
除了拱形外，致动器通常可以是平直的而且仍是可变形的；可以把多个高变形的压电致动器放在、堆叠在和/或接合在另一个的顶部；可以彼此相邻地放置多个压电致动器以形成一个阵列。
还可以使用更大的或形状不同的THUNDER元件以产生更高的脉冲。
压电元件可以是弯曲伸张致动器或者是直接模式压电致动器。
可以在致动器和凹槽或开关板之间设置支承材料以减小一个元件对下一个元件或者对开关板的构件的摩擦和磨损。
可以采用其它对致动器施加压力的装置，包括简单地用手施压，滚筒、压力板、肘板、铰链、钮、滑块、扭转机构、释放闩锁、弹簧加载部件、脚踏板、游戏操纵台、通信激励和座位激励部件。
从而，本发明的范围不由示出的实施例决定，而是由后附权利要求书和其法定等同物决定。
权利要求
1.一种自供能开关部件，包括一个弯曲伸张换能器，所述弯曲伸张换能器包括具有相对的第一和第二电极主表面的第一电动部件；所述第一相对主表面大致上为凸形并且所述第二相对主表面大致上为凹形；和所述第一电动元件的所述第二主表面接合的预应力层；所述预应力层对所述电动部件施加压力；其中所述弯曲伸张换能器适应于一旦对所述弯曲伸张换能器施加力从第一状态变形到第二状态；并且其中一旦发生对所述第二状态的所述变形，所述弯曲伸张换能器适应于在所述第一电极主表面和所述第二电极主表面之间产生第一电势；电气上和所述第一电动部件的所述第一电极主表面连接的第一导体；电气上和所述第一电动部件的所述第二电极主表面连接的第二导体；电气上和所述第一、第二导体连接的信号传输装置，所述信号传输装置适应于响应所述第一电势产生第一信号；以及一个具有第一状态和第二状态的开关；所述开关和所述信号传输装置通信；所述开关适应于响应所述第一信号从所述第一状态改变到所述第二状态；所述开关适应于响应所述第一信号从所述第二状态改变到所述第一状态。
2.依据权利要求1的开关部件，其中所述信号传输装置包括把所述第一导体连接到所述开关的第一极的第三导体；以及把所述第二导体连接到所述开关的第二极的第四导体。
3.依据权利要求1的开关部件，还包括用于向所述弯曲伸张换能器施加力的压力施加装置，所述压力施加装置适应于施加足够大的力以使所述弯曲伸张换能器从所述第一状态变形到所述第二状态，从而产生所述第一电势。
4.依据权利要求1的开关部件，还包括一个具有输入端和输出端的稳压器；所稳压器的所述输入端电气上和所述第一、第二导体连接；所述稳压器的所述输出端电气上和所述信息号传输装置连接。
5.依据权利要求4的开关部件，还包括一个具有阳极和阴极与所述弯曲伸张换能器并联连接的二极管；所述二极管的所述阴极电气上和所述第一导体以及所述稳压器的所述输入端连接；所述二极管的所述阳极电气上和所述第二导体以及所述稳压器的所述输入端连接；其中所述二极管和所述第一电动部件的第一、第二电极主表面并联连接，并且第二导电部件和所述第二电极以及所述第四电极连接。
6.依据权利要求5的开关部件，其中所述信号传输装置包括射频发生器子电路。
7.依据权利要求6的开关部件，其中所述射频发生器子电路包括一个具有输出端和输出端的振荡器阵列；所述振荡器阵列的所述输入端和所述稳压器的所述输出端连接；一个BJT，其基极和所述振荡器阵列的所述输出端连接并且其发射极接地；以及一个具有第一和第二接合点的谐振子电路；所述谐振子电路的所述第一接合点和所述稳压器连接；所述谐振子电路的所述第二接合点和所述BJT的集电极连接。
8.依据权利要求7的开关部件，其中所述射频发生器子电路还包括一个串联地连接在所述稳压器的所述输出端和所述谐振子电路的所述第一接合点之间的射频扼流圈。
9.依据权利要求8的开关部件，其中所述谐振子电路包括具有第一和第二板的第一电容器；以及具有第一和第二端的第五导体的感应回路；所述第一电容器的所述第一板和所述第五导体的所述第一端连接，从而形成所述谐振子电路的所述第一接合点；所述第一电容器的所述第二板和所述第五导体的所述第二端连接，从而形成所述谐振子电路的所述第二接合点。
10.依据权利要求9的开关部件，其中所述振荡器阵列包括具有输入端和输出端的第一反相器；所述第一反相器的所述输出端电气上和所述BJT的所述基极连接；电气上和所述第一反相器的所述输出端连接的第一电阻器；以及串联连接在所述第一电阻器和所述第一反相器的所述输入端之间的第二电容器。
11.依据权利要求10的开关部件，其中所述振荡器阵列还包括具有输入端和输出端的第二反相器；所述第二反相器的所述输出端电气上和所述第一反相器的输入端连接；以及电气上和所述第二电容器以及所述第二反相器并联连接的第二电阻器。
12.依据权利要求11的开关部件，其中所述射频扼流圈包括一个电感器。
13.依据权利要求12的开关部件，还包括和所述第一以及第二导体连接且与所述二极管并联的第三电容器。
14.依据权利要求13的开关部件，其中所述谐振子电路还包括一条调谐跨接线，其包括具有各自与所述第五导体连接的第一端和第二端的第六导体；所述调谐跨接线适应于在所述第一端和所述第二端处枢轴地转动，从而相对于所述第五导体旋转。
15.依据利要求14的开关部件，其中所述弯曲伸张换能器还包括具有相对的第一第和第二电极主表面的第二电动部件；所述第一相对主表面大致是凸形的并且所述第二相对主表面大致是凹形的；所述第二电动部件的所述第二主表面和所述第一电动部件的所述第一主表面接合。
16.依据权利要求15的开关部件，其中所述第一和第二电动部件各由压电材料构成。
17.依据权利要求12的开关部件，其中所述信号传输装置还包括一个用于截取由所述射频发生器子电路生成的信号的接收器；以及电信号生成装置，用于响应由所述接收器截取的所述信号生成电信号，所述电信号生成装置电气上和所述接收器连接；其中所述开关适应于响应由所述电信号生成装置生成的所述电信号从所述第一状态改变到所述第二状态；并且其中所述开关适应于响应由所述电信号生成装置生成的所述电信号从所述第二状态改变到所述第一状态。
18.依据权利要求17的开关部件，其中所述电信号生成装置包括用于区分第一射频信号和由所述射频发生器子电路生成的所述信号的微处理器。
全文摘要
一种使用预应力弯曲伸张电动部件(12)的自供能开关部件，其产生用来激励闩锁继电器(90)的信号。该电动部件(12)具有一个能被压缩以产生电脉冲的凹面的压电元件。该弯曲伸张电动部件(12)以及关联的信号发生电路(10)可以直接硬接线到该闩锁继电器(90)，或可以与一个向接收器(70)发送RF信号的发送器(60)耦合，该接收器用以激活该闩锁继电器(90)。
文档编号H01L41/04GK1447977SQ01814303
公开日2003年10月8日 申请日期2001年7月13日 优先权日2000年7月13日
发明者克拉克·戴维斯·博伊德, 布拉德伯里·R·法塞 申请人:克拉克·戴维斯·博伊德, 布拉德伯里·R·法塞