基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備姿態(tài)調(diào)整器的制造方法
【專利說明】
[技術(shù)領(lǐng)域]
[0001]本發(fā)明涉及微小型執(zhí)行器件和新型能源技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備姿態(tài)調(diào)整器。
[【背景技術(shù)】]
[0002]隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，便攜式電子設(shè)備的使用越來越普遍，它們小巧、輕便、功能強(qiáng)大，方便拿在手中，裝在口袋、錢包或提包中，因此越來越成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦斜夭豢缮俚奈锲?。諸如智能手機(jī)、平板電腦等移動電子設(shè)備以其強(qiáng)大的功能和優(yōu)越的便攜性，逐漸成為人們隨身攜帶的必需物品，然而這些電子設(shè)備可能會不小心從手中摔落或由于一些偶然因素而處于自由落體狀態(tài)。例如，放在柜臺或桌子上的電子設(shè)備由于外界的碰撞而滑落。當(dāng)電子設(shè)備摔落到地面時，其表面受到很大的沖擊，即使這些電子設(shè)備裝有保護(hù)套或其它保護(hù)裝備，也很有可能會發(fā)生嚴(yán)重的損壞。
[0003]大多數(shù)便攜式電子設(shè)備都有某些部位比其他部位耐沖擊，如果摔落時是這些耐摔的特定部位先著地那么很可能會減少電子設(shè)備的損傷。特別是現(xiàn)在流行的大屏幕的智能手機(jī)和平板電腦，其屏幕特別易碎，當(dāng)落地時屏幕先著地受到一定沖擊時就會損壞，如果換做電子設(shè)備外殼的某些金屬或塑料部位先著地的話，就不會那么容易損壞了。
[0004]為了保護(hù)便攜式電子設(shè)備摔落時免受沖擊損壞，美國專利US 8330305 B2、US2013/0073095 Al和US 2013/0257582 Al公布了在空中調(diào)整便攜式電子設(shè)備方向或在設(shè)備掉落過程中通過其他方式來保護(hù)易碎組件的機(jī)制。這幾項(xiàng)專利給出了多種解決方案，包括移動設(shè)備中某個配重型的組件來調(diào)整設(shè)備中心，或是在設(shè)備外殼某些地方彈出保護(hù)性支架，或是快速釋放出一罐空氣，又或是鎖住插入的耳機(jī)插頭或是采取其他的防護(hù)措施來對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，以上大部分方案在實(shí)際中很難應(yīng)用，其中較為現(xiàn)實(shí)的方法是通過帶有偏心質(zhì)量的振動電機(jī)調(diào)整電子設(shè)備空中姿態(tài)，避免易碎和重要元器件直接與地面相撞，但是振動電機(jī)耗能較大、提供的轉(zhuǎn)矩有限、高速旋轉(zhuǎn)可持續(xù)時間不長且易燒毀、并且不易微小型化，因此在實(shí)施上還存在很多困難。
[0005]另外，提高便攜式電子設(shè)備的續(xù)航能力也一直是一個亟待解決的問題，隨著微機(jī)電技術(shù)和集成電路的發(fā)展，電子電路的能耗越來越低，因此收集環(huán)境振動能量給低功耗電子器件供能成為近些年來的一大研宄熱點(diǎn)。利用壓電材料的壓電效應(yīng)進(jìn)行振動能量收集是其中比較常見且有效的振動能量收集方式，結(jié)合雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性振動能量收集，可以獲得較大的帶寬和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計(jì)可植入便攜式電子設(shè)備中的小型振動能量收集器為電子設(shè)備中的某些關(guān)鍵電子器件供電，以提高其總體續(xù)航能力、保障數(shù)據(jù)安全和應(yīng)急供電是非常必要的。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的就是要解決上述的不足而提供一種基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備姿態(tài)調(diào)整器，不僅可以收集外界的振動能量，還可以調(diào)整便攜式電子設(shè)備掉落過程中的空中姿態(tài)，使其耐摔部位先著地，以起到保護(hù)易碎部件的作用。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的設(shè)計(jì)一種基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備姿態(tài)調(diào)整器，包括屏蔽罩3和PCB底板4，所述PCB底板4連接在屏蔽罩3底端，所述屏蔽罩3內(nèi)封裝有基于雙穩(wěn)態(tài)突跳特性的姿態(tài)調(diào)整單元，所述姿態(tài)調(diào)整單元用于提供姿態(tài)調(diào)整力和收集振動能量，所述姿態(tài)調(diào)整單元包括框架5、雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6和壓電單元7，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6固定在框架5內(nèi)側(cè)，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6具有上凸和下凹兩個穩(wěn)定平衡狀態(tài)，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6的突跳形變產(chǎn)生用于姿態(tài)調(diào)整的彈性力，所述壓電單元7對稱粘接在雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6左右兩側(cè)，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6中間部位固定有永磁鐵8，所述永磁鐵8上下方均設(shè)有電磁鐵9，所述電磁鐵9固定在框架5上。
[0008]所述姿態(tài)調(diào)整單元通過管腳10固定在PCB底板4上，所述姿態(tài)調(diào)整單元設(shè)有至少兩個以上。
[0009]所述雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6為兩端固支屈曲梁、兩端簡支弧形梁或余弦彎曲梁，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6設(shè)有至少兩個以上，所述雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6采用彈簧鋼、高彈性模量鋁合金或高模量碳纖維制成。
[0010]所述壓電單元7為壓電陶瓷片、壓電晶片或壓電薄膜，所述壓電單元7用于傳感和發(fā)電。
[0011]所述永磁鐵8設(shè)有兩塊，所述永磁鐵8通過粘接或機(jī)械連接固定在雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6中間部位的上下兩側(cè)，所述永磁鐵8面向雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6外側(cè)的極性相反，所述永磁鐵8采用釹鐵硼、釤鈷或鋁鎳鈷制成，所述兩塊永磁鐵8同時作為執(zhí)行質(zhì)量塊。
[0012]所述電磁鐵9上下對稱布置，所述兩個電磁鐵9分別正對著永磁鐵8，所述電磁鐵9產(chǎn)生可控電磁力與永磁鐵8相互作用。
[0013]所述框架5采用覆銅板、環(huán)氧樹脂或金屬制成，所述框架5上印制有用于電能和信號傳輸?shù)募呻娐?，所述管腳10設(shè)置在框架底部兩邊，所述框架5通過管腳固定在PCB底板4上，所述管腳10用于電能、信號的傳輸。
[0014]所述屏蔽罩3采用不銹鋼或洋白銅制成，所述屏蔽罩3為固定式或可拆式結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)新穎、簡單，設(shè)計(jì)合理，充分利用了雙穩(wěn)態(tài)彈性梁的突跳特性，將其同時用于振動能量收集和電子設(shè)備的姿態(tài)調(diào)整，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于微小型化，集成化，使用壽命高，振動能量收集帶寬大、效率高，姿態(tài)調(diào)整力大，靈敏度高；此外，本發(fā)明所述姿態(tài)調(diào)整器便于植入任何便攜式電子設(shè)備和小型空中或水下機(jī)器人等需要姿態(tài)調(diào)整的設(shè)備中，移植性和擴(kuò)展性高，應(yīng)用前景廣泛。
[【附圖說明】]
[0016]圖1是本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明中姿態(tài)調(diào)整單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明中姿態(tài)調(diào)整單元的雙穩(wěn)態(tài)彈性梁兩個穩(wěn)態(tài)示意圖；
[0020]圖5是本發(fā)明應(yīng)用到智能手機(jī)中的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖6是本發(fā)明應(yīng)用到智能手機(jī)姿態(tài)調(diào)整的不同安裝方式示意圖；
[0022]圖7是本發(fā)明與智能手機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)組成的防摔保護(hù)系統(tǒng)組成圖；
[0023]圖8是本發(fā)明應(yīng)用到智能手機(jī)中工作模式切換流程圖；
[0024]圖9是本發(fā)明應(yīng)用到智能手機(jī)姿態(tài)調(diào)整的控制流程圖；
[0025]圖10是本發(fā)明調(diào)整智能手機(jī)空中姿態(tài)過程示意圖；
[0026]圖中:1、姿態(tài)調(diào)整器2、智能手機(jī)3、屏蔽罩4、PCB底板5、框架6、雙穩(wěn)態(tài)彈性梁7、壓電單元8、永磁鐵9、電磁鐵10、管腳。
[【具體實(shí)施方式】]
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作以下進(jìn)一步說明:
[0028]如附圖1所示，是本發(fā)明的外觀示意圖，其中屏蔽罩3采用0.2mm厚的不銹鋼或洋白銅為材料，可為固定式或可拆式，防止電磁干擾(EMI)、對智能手機(jī)內(nèi)部其它元件起屏蔽作用；PCB底板4集成信號采集及處理電路；管腳10將姿態(tài)調(diào)整單元固定于PCB底板4上并起到電能和信號傳輸?shù)墓δ堋?br>[0029]如附圖2所示，姿態(tài)調(diào)整器包括屏蔽罩3和PCB底板4，PCB底板4連接在屏蔽罩3底端，屏蔽罩3和PCB底板4內(nèi)封裝有基于雙穩(wěn)態(tài)突跳特性的姿態(tài)調(diào)整單元，該姿態(tài)調(diào)整單元設(shè)有至少兩個以上，如設(shè)置有三個，姿態(tài)調(diào)整單元用于提供姿態(tài)調(diào)整力和收集振動能量，每個姿態(tài)調(diào)整單元包括框架5、雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6和壓電單元7，雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6固定在框架5內(nèi)側(cè)，雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6具有上凸和下凹兩個穩(wěn)定平衡狀態(tài)，雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6的突跳形變產(chǎn)生用于姿態(tài)調(diào)整的彈性力，壓電單元7對稱粘接在雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6上左右兩側(cè)，雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6中間部位固定有永磁鐵8，永磁鐵8上下方均設(shè)有電磁鐵9，電磁鐵9固定在框架5上。
[0030]如附圖3和附圖4所示，圖4為雙穩(wěn)態(tài)彈性梁具有上凸穩(wěn)態(tài)I和下凹穩(wěn)態(tài)II ;附圖3中姿態(tài)調(diào)整單元主要運(yùn)動部件為中間部位固定有永磁鐵8的雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6，可以通過雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6的突跳形變產(chǎn)生用于姿態(tài)調(diào)整的彈性力；當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6從上凸穩(wěn)態(tài)I向下凹穩(wěn)態(tài)II突跳轉(zhuǎn)換時，雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6會給框架5作用一個向上的彈性力，此彈性力進(jìn)而傳遞給智能手機(jī)2內(nèi)姿態(tài)調(diào)整器I所在的部位，產(chǎn)生一個調(diào)整力矩，起到調(diào)整智能手機(jī)2空中姿態(tài)的功能。
[0031]該姿態(tài)調(diào)整單元可以有多個，可以是不同規(guī)格，可以通過控制不同的姿態(tài)調(diào)整單元提供不同量級的調(diào)整力，也可以收集不同頻率和振幅的振動能量，進(jìn)而增大了能量收集的帶寬和姿態(tài)調(diào)整的靈敏度。所述框架5用于固定雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6和電磁鐵9，框架5材料為覆銅板和環(huán)氧樹脂或金屬，上面印制有用于電能和信號傳輸?shù)募呻娐罚姶盆F9、壓電單元7的導(dǎo)線，框架5底部兩邊分別有四個管腳10，用于將框架5固定在PCB底板4上，并用于電能、信號的傳輸。
[0032]另外，固定在雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6中間部位的永磁鐵8為兩塊，分別布置于雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6中間部位的上下兩側(cè)，通過粘接或機(jī)械連接固定，兩塊永磁鐵8面向雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6外側(cè)的極性相反，固定于雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6上側(cè)的永磁鐵8上部為N極，固定于雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6下側(cè)的永磁鐵8下部為S極，兩塊永磁鐵8材料可為釹鐵硼Nd2Fel4B)、釤鈷(SmCo)、鋁鎳鈷(AlNiCo)等，永磁鐵8同時作為執(zhí)行質(zhì)量塊，其幾何形狀可為圓柱體、立方體等形狀。
[0033]姿態(tài)調(diào)整單元中對稱粘接在雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6上兩側(cè)的壓電單元7可同時作為傳感元件和發(fā)電元件。作為傳感元件時，由于壓電效應(yīng)，粘接在雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6上的壓電單元7會由于雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6的變形產(chǎn)生電信號，通過檢測兩個壓電單元7的輸出信號可以判斷雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6的變形狀態(tài)，進(jìn)而得以確定雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6中間節(jié)點(diǎn)的位置。獲得雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6中間節(jié)點(diǎn)的位置信息后，可以用于控制電磁力，進(jìn)而控制雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6的突跳，進(jìn)而控制姿態(tài)調(diào)整力。壓電單元7作為發(fā)電元件可將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電能，粘接在雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6上的壓電單元7由于雙穩(wěn)態(tài)彈性梁6的形變而變形，進(jìn)而由壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能，壓電單元7可以為壓電陶瓷片、壓電晶片或壓電薄膜等。
[0034]此外，設(shè)置在永磁鐵8上下并固定于框架5上下的電磁鐵9為兩個對