一种压电式医院呼叫信号发生器的制作方法

本发明属于医用电子产品技术领域，具体涉及一种压电式医院呼叫信号发生器。

背景技术：

呼叫器分为有线呼叫器和无线呼叫器两种，在医院病房使用的床头呼叫器最常见的是有线呼叫器，因为有线呼叫器的安装必须布线，费时、费力，接收单位必须在固定地点，工作模式不灵活，维修、维护成本高等缺点，应用越来越少。目前的无线呼叫器，其信号发射器大多依靠12v电池供电，其能量有限，需要经常更换电池，浪费人力物力，且若废旧电池处理不当，极易造成严重的环境污染。为代替传统化学电池，满足类似于无线呼叫信号发射器等微功率、微小型电子产品的自供电需求，国内外学者相继提出了基于静电、电磁、热电及压电等原理的微小型能量捕获器(亦称微小型发电机或俘能器)，其中压电能量捕获器以其结构简单、无电磁干扰、能量密度大、易于实现微小化和集成化等优势而使其适用范围更广。但由于压电晶片为脆性材料，易因所受拉应力过大而破碎。因此，为使压电式供能装置在无线呼叫系统中得到实际应用，首先需解决的关键问题是提高其工作的可靠性。

技术实现要素：

本发明提出一种压电式医院呼叫信号发生器，本发明采用的实施方案是：壳体侧壁端部经螺钉安装有带通孔的上盖，上盖上经垫圈及螺钉安装有电路板，电路板上设有能量转换电路及信号发射系统；壳体侧壁上经螺钉安装有基座，基座上经压板及螺钉安装有一组压电振子，各压电振子之间由隔板隔开，压电振子是由基板和压电片粘接而成的弧形结构，基板的弯曲半径小于压电片的弯曲半径，压电片靠近基座安装、即压电片处于基板的下方；壳体底壁的方形沉槽中安装有导向杆，导向杆上自下而上依次压装有复位弹簧、下短刚性块、下柔性拨片、下长刚性块、中短刚性块、中柔性拨片、中长刚性块、上短刚性块、上柔性拨片、上长刚性块及按钮，按钮的小端通过上盖的通孔伸出，按钮的大端上表面顶靠在上盖的下表面上，下短刚性块、下柔性拨片、下长刚性块、中短刚性块、中柔性拨片、中长刚性块、上短刚性块、上柔性拨片、上长刚性块及按钮经螺钉连接在一起；各压电振子经不同的导线组与电路板相连；壳体底壁经螺钉连接在病床上。

非工作状态下，复位弹簧处于压缩状态，复位弹簧将下短刚性块、下柔性拨片、下长刚性块、中短刚性块、中柔性拨片、中长刚性块、上短刚性块、上柔性拨片、上长刚性块及按钮压在端盖上，此时压电振子不受外力作用、处于自然状态；当按下按钮时，下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片端部与压电振子的基板及长刚性块的边缘接触故弯曲刚度较大、变形小，拨动压电振子悬臂端并迫使压电振子产生弯曲变形，同时改变压电片上的应力分布状态，压电片上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；继续按压按钮，下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片与压电振子脱开，压电振子产生往复弯曲振动，进一步将机械能转换成电能；松开按钮即按钮复位时，复位弹簧将下短刚性块、下柔性拨片、下长刚性块、中短刚性块、中柔性拨片、中长刚性块、上短刚性块、上柔性拨片、上长刚性块及按钮压回，下短刚性块、中短刚性块、上短刚性块的尺寸较小，下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片端部与电片接触并与长刚性块边缘脱开，故刚度小、变形量大，易与压电振子脱开，压电振子变形小或无变形、不产生大的拉应力，同时实现再次激励，增大发电效果。

本发明中，各压电振子经不同的导线组与电路板相连，压电振子产生电能经电路板上的能量转换电路处理后用于信号发射系统，信号发射系统再将控制信号发射出去；为满足医院的低无线电辐射的要求，系统采用低辐射、低功率、高无线接收灵敏度、零电磁干扰的fm无线编码技术。

本发明中，为使压电振子具有最大的发电能力并避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子装配前的自然状态下压电片凸面上的半径最小值为其中h为压电振子厚度，e1、e2分别为基板和压电片的弹性模量，g31、t^*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。

为使下柔性拨片、中柔性拨片及上柔性拨片能在压电振子自由端变形量在达到许用值前脱开，下柔性拨片、中柔性拨片及上柔性拨片的外伸长度l应满足其中：f＝δk，e为压电振子的杨氏模量，eb为下柔性拨片、中柔性拨片及上柔性拨片的杨氏模量，i为压电振子的惯性矩，ib为下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片的惯性矩，d为压电振子与下柔性拨片、中柔性拨片及上柔性拨片重叠部分长度，δ、k分别为压电振子的弯曲变形量的许用值和弯曲刚度；本发明中，压电振子变形量的许用值为r为压电片凸面上的半径，l为压电振子可变形部分的长度。

本发明中，压电振子的变形特性由下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片与压电振子接触部分的刚度确定，在压电振子和下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片的结构及尺度确定时，可通过下长刚性块、中长刚性块、上长刚性块和下短刚性块、中短刚性块、上短刚性块的尺寸加以调整，下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片拨动与复位时刚度不同，实现发电效果较好的同时压电片不会产生大的拉应力，可靠性高；同时，以拨片拨动的方式激励，压电振子工作在一阶模态下，且由凸形向平直变形，压电片应力变化均匀，发电效果好。

优势与特色：可收集人按压按钮的机械能发电，无需附加电源，环境适应能力强；压电振子可确保工作在一阶模态下，压电片应力变化均匀，发电效果好，且系统发电效果易于通过长刚性块和短刚性块尺寸加以调节；通过下柔性拨片、中柔性拨片、上柔性拨片拨动与复位时刚度不同，实现工作中压电振子仅承受较小的反向变形，压电片承受拉应力较小，承受压应力在其许用值内，故可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中装置的结构剖面图；

图2是图1的a-a剖视图；

图3是按钮按下时装置的结构剖面图；

图4是按钮松开时装置的结构剖面图。

具体实施方式

壳体侧壁r端部经螺钉安装有带通孔的上盖a，上盖a上经垫圈d及螺钉安装有电路板c，电路板c上设有能量转换电路及信号发射系统；壳体侧壁r上经螺钉安装有基座s，基座s上经压板u及螺钉安装有一组压电振子b，各压电振子b之间由隔板t隔开，压电振子b是由基板b1和压电片b2粘接而成的弧形结构，基板b1的弯曲半径小于压电片b2的弯曲半径，压电片b2靠近基座s安装、即压电片b2处于基板b1的下方；壳体底壁q的方形沉槽中安装有导向杆x，导向杆x上自下而上依次压装有复位弹簧m、下短刚性块p、下柔性拨片o、下长刚性块n、中短刚性块k、中柔性拨片j、中长刚性块i、上短刚性块h、上柔性拨片g、上长刚性块f及按钮e，按钮e的小端e1通过上盖a的通孔伸出，按钮e的大端e2上表面顶靠在上盖a的下表面上，下短刚性块p、下柔性拨片o、下长刚性块n、中短刚性块k、中柔性拨片j、中长刚性块i、上短刚性块h、上柔性拨片g、上长刚性块f及按钮e经螺钉连接在一起；各压电振子b经不同的导线组与电路板c相连接；壳体底壁q经螺钉连接在病床上。

非工作状态下，复位弹簧m处于压缩状态，复位弹簧m将下短刚性块p、下柔性拨片o、下长刚性块n、中短刚性块k、中柔性拨片j、中长刚性块i、上短刚性块h、上柔性拨片g、上长刚性块f及按钮e压在端盖a上，此时压电振子b不受外力作用、处于自然状态；当按下按钮e时，下柔性拨片o、中柔性拨片j、上柔性拨片g端部与压电振子b接触部分刚度较大，拨动压电振子b悬臂端使压电振子b产生弯曲变形，同时改变压电片b2上的应力分布状态，压电片b2上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；继续按压按钮e，下柔性拨片o、中柔性拨片j、上柔性拨片g与压电振子b脱开，压电振子b产生往复弯曲振动，进一步将机械能转换成电能；松开按钮e，复位弹簧m将下短刚性块p、下柔性拨片o、下长刚性块n、中短刚性块k、中柔性拨片j、中长刚性块i、上短刚性块h、上柔性拨片g、上长刚性块f及按钮e压回，下短刚性块p、中短刚性块k、上短刚性块h的尺寸较小，下柔性拨片o、中柔性拨片j、上柔性拨片g端部与压电振子b接触部分刚度较小，易于通过压电振子b而不使压电片b2产生大的拉应力，同时实现再次激励，增大发电效果。

本发明中，各压电振子b经不同的导线组与电路板c相连，压电振子b产生电能经电路板c上的能量转换电路处理后用于信号发射系统，信号发射系统再将控制信号发射出去；为满足医院的低无线电辐射的要求，系统采用低辐射、低功率、高无线接收灵敏度、零电磁干扰的fm无线编码技术。

本发明中，为使压电振子b具有最大的发电能力并避免压电片b2因制作过程中拉应力过大而损坏，压电振子b装配前的自然状态下压电片b2凸面上的半径最小值为其中h为压电振子b的厚度，e1、e2分别为基板b1和压电片b2的弹性模量，g31、t^*分别为压电材料的介电常数、电压常数和许用拉应力。

为使下柔性拨片o、中柔性拨片j及上柔性拨片g能在压电振子b自由端变形量在达到许用值前脱开，下柔性拨片o、中柔性拨片j及上柔性拨片g的外伸长度l应满足其中：f＝δk，e为压电振子b的杨氏模量，eb为下柔性拨片o、中柔性拨片j及上柔性拨片g的杨氏模量，i为压电振子b的惯性矩，ib为下柔性拨片o、中柔性拨片j、上柔性拨片g的惯性矩，d为压电振子b与下柔性拨片o、中柔性拨片j及上柔性拨片g重叠部分长度，δ、k分别为压电振子b的弯曲变形量的许用值和弯曲刚度；本发明中，压电振子b变形量的许用值为r为压电片b2凸面上的半径，l为压电振子b可变形部分的长度。

本发明中，压电振子b的变形特性由下柔性拨片o、中柔性拨片j、上柔性拨片g与压电振子b接触部分的刚度确定，在压电振子b和下柔性拨片o、中柔性拨片j、上柔性拨片g的结构及尺度确定时，可通过下长刚性块n、中长刚性块i、上长刚性块f和下短刚性块p、中短刚性块k、上短刚性块h的尺寸加以调整，下柔性拨片o、中柔性拨片j、上柔性拨片g拨动与复位时刚度不同，实现发电效果较好的同时压电片b2不会产生大的拉应力，可靠性高；同时，以拨片拨动的方式激励，压电振子b工作在一阶模态下，且由凸形向平直变形，压电片b2应力变化均匀，发电效果好。