ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
PIEZOELECTRIC GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к пьезоэлектрическим генераторам и может быть использовано в устройствах с малым потреблением энергии, например в устройствах аварийного питания мобильных телефонов и в электронных замках.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен пьезоэлектрический генератор, содержащий приводной механизм в виде ротора и пьезоэлемент в виде статора, на котором закреплены один или несколько дисковых биморфных пьезоэлементов. С помощью закрепленных на роторе роликов осуществляется круговая деформация пьезоэлемента. Данное устройство построено с использованием вращающихся частей, что снижает надежность и ресурс изделия (RU 2113757 С1, опубликован 20.06.1998).
Известен также пьезоэлектрический генератор, выполненный в виде пьезозажигалки для прикуривания, содержащий приводной рычаг, установленный с возможностью воздействия на пьезоэлемент посредством приводного устройства, выполненного в виде пружинного ударного механизма. Данное устройство обеспечивает осуществление одного цикла воздействия на пьезоэлемент и соответственно позволяет генерировать энергию, достаточную для получения одного искрового разряда. Использование варианта этого механизма, позволяющего при одном нажатии на приводной рычаг осуществлять ряд ударов по пьезоэлементу, позволяет повысить объем генерируемой энергии, но сопряжено со снижением ресурса и технической надежности устройства (RU 2217662 С2, опубликован 27.11.2003).
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является пьезоэлектрический генератор, выполненный в виде зажигалки для поджога газа в газовых плитах. Устройство содержит подвижный приводной рычаг, установленный с возможностью безударного воздействия на пенал с пьезоэлектрическими элементами посредством приводного устройства, выполненного в виде рычажного механизма. Однократное воздействие на приводной рычаг позволяет получить серию искровых разрядов, что свидетельствует о значительном объеме генерируемой энергии. Все же, величина электроэнергии, генерируемой данным устройством, недостаточна для некоторых применений, например, для аварийного питания мобильного телефона (RU 92002101 А, опубликован 30.10.1994).
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание простого по конструкции, надежного пьезоэлектрического генератора с высокой отдачей электрической энергии при однократном механическом воздействии на приводной рычаг.
Технический результат, позволяющий решить эту задачу - преобразование поступательного перемещения приводного рычага в пульсирующее циклическое воздействие на пьезоэлемент.
Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом генераторе, содержащем приводной рычаг, установленный с возможностью воздействия на пьезоэлемент посредством приводного устройства, в соответствии с формулой изобретения, последнее выполнено в виде вибромеханизма, преобразующего перемещение рычага в пульсирующее воздействие на пьезоэлемент, причем рычаг может быть связан с вибромеханизмом посредством амортизирующей пружины или заводного пружинного механизма, а вибромеханизм может быть выполнен автоколебательным.
Признаками, отличительными от наиболее близкого аналога, являются:
- приводное устройство выполнено в виде вибромеханизма;
- вибромеханизм преобразует перемещение приводного рычага в пульсирующее воздействие на пьезоэлемент;
- приводной рычаг может быть связан с вибромеханизмом посредством амортизирующей пружины;
- приводной рычаг может быть связан с вибромеханизмом посредством заводного пружинного механизма.
ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее изобретение поясняется описанием примера конкретного выполнения и чертежами,
где на фиг.1 изображена условная кинематическая схема пьезоэлектрического генератора и положение его элементов;
на фиг.2 показан пьезоэлектрический генератор с дополнительными функциональными элементами, введенными в соответствии с альтернативными признаками формулы изобретения.
Генератор содержит пьезоэлемент 1 (фиг.1), выполненный в виде пьезопластины (пакета из нескольких пьезопластин), закрепленной одним концом в корпусе 2, и снабженный электрическими выводами (не показаны). На корпусе поворотно установлен приводной рычаг 3 с рукояткой 4 на конце. Вибромеханизм образован установленными подвижно пружинным лепестком 5 и толкателем 6. Лепесток 5 размещен в направляющих 7 с возможностью взаимодействия своим первым концом 8 с приводным рычагом 3. Второй конец 9 лепестка 5 отжат возвратной пружиной 10 в сторону приводного рычага 3. Толкатель 6 размещен на свободном конце поворотно установленного рычага 11 с возможностью взаимодействия одним концом с боковой поверхностью лепестка 5, выполненной рифленой, а другим концом - с незакрепленным концом пьезоэлемента 1. Обращенный к лепестку 5 конец толкателя 6 оснащен роликом 12, предназначенным для исключения трения между толкателем 6 и лепестком 5.
В этой конструкции первый конец 8 лепестка 5 в соответствии с альтернативным признаком формулы изобретения выполняет функцию жесткой связи рычага 3 с вибромеханизмом.
Отличия конструкции, показанной на фиг.2, заключаются в следующем.
На первом конце 8 лепестка 5 (фиг.2) в соответствии с альтернативным признаком формулы изобретения установлена выполненная в виде пружинной отгибки лепестка 5 амортизирующая пружина 14, предназначенная для снижения вибрации на приводном рычаге 3 и для его перемещения в темпе, не связанном с работой вибромеханизма. Приводной рычаг 3 в соответствии с альтернативным признаком формулы изобретения может быть также связан с вибромеханизмом посредством заводного пружинного механизма (не показан), позволяющего накапливать в устройстве механическую энергию впрок.
Для снижения усилия на ручке 4, а также между элементами вибромеханизма, последнему, в соответствии с п.2 формулы изобретения, приданы свойства колебательной системы путем введения в конструкцию дополнительных элементов - пружинного элемента 15 и инерционной массы 16, связанных с толкателем 6, а также демпфирующей пружины 17 между толкателем 6 и пьезоэлементом 1.
Ролик 13 на конце толкателя 6 снабжен по периферии выступами, отвечающими впадинам рифленой поверхности лепестка.
Устройство работает следующим образом.
Для приведения устройства в действие нажимают на ручку 4 (фиг.1) приводного рычага 3. Он поворачивается, нажимая на конец 8 лепестка 5. Лепесток 5, преодолевая действие возвратной пружины 10, перемещается в направляющих 7 и под воздействием перекатывающегося по его рифленой поверхности ролика 12 изгибается, циклически нажимая на толкатель 6. Тот передает пульсирующее усилие на незакрепленный конец пьезоэлемента 1, в результате чего на выводах пьезоэлемента 1 появляется меняющее знак электрическое напряжение, которое поступает на выпрямительную схему и схему накопления заряда (не показаны).
При снятии усилия с ручки 4 лепесток 5 и рычаг 4 под действием возвратной пружины 10 возвращаются в исходное положение. При этом процесс генерации электроэнергии повторяется вновь.
Очевидно, что в случае отсутствия необходимости в генерации электроэнергии на обратном ходе приводного рычага 3 конструкция может быть модифицирована таким образом, что взаимодействие лепестка 5 и толкателя 6 на этом этапе происходить не будет.
Функционирование конструкции, показанной на фиг.2, имеет ряд следующих особенностей.
Вибрацию на приводном рычаге 3 (фиг.2) гасит амортизирующая пружина 14. Если последняя имеет невысокую жесткость, перемещение приводного рычага 3 можно производить в ускоренном темпе, при этом вибромеханизм будет функционировать под действием сжатой амортизирующей пружины 14.
Если приводной рычаг 3 связан с вибромеханизмом посредством заводного пружинного механизма, устройство позволяет накапливать механическую энергию "впрок" - в темпе, не связанном с темпом передачи энергии от вибромеханизма к пьезоэлементу 1. При этом темп работы вибромеханизма определяется частотой его автоколебаний, определяемой жесткостью пружинного элемента 15 и величиной инерционной массы 16, а усилие на рычаге 3 благодаря накоплению энергии в вибромеханизме меньше, чем в механизме, показанном на фиг.1. Соответственно меньше и износ элементов конструкции. Демпфирующая пружина 17 и амортизирующая пружина 14 ослабляют связь колебательной системы (15, 16) с внешними «жесткими» подсистемами - пьезоэлементом 1 и приводным рычагом 3, что обеспечивает условия для накопления энергии в колебательной системе (15, 16). Следует отметить, что благодаря наличию демпфирующей пружины 17 рифленая часть лепестка 5 может быть выполнена жесткой.
Наличие выступов на внешней поверхности ролика 13 позволяет ему при перемещении лепестка 5 "шагать" выступами по впадинам рифленой части лепестка 5, поворачиваясь в них как в локальных центрах поворота. Благодаря этому снижается износ взаимодействующих поверхностей ролика 13 и лепестка 5.
Таким образом, предложенная конструкция, обладая простотой и надежностью, обеспечивает генерирование значительного объема электроэнергии при однократном механическом воздействии на приводной рычаг 3.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Изобретение может быть использовано в устройствах с малым потреблением энергии, например, в устройствах аварийного питания мобильных телефонов и в электронных замках, оснащенных поворотной ручкой: нажатие на ручку, приводящую в действие пьезоэлектрический генератор, обеспечит получение электрической энергии, достаточной для запитывания электронной схемы и срабатывания электромеханизма замка.