本發(fā)明涉及電子器件及能量收集領(lǐng)域，具體地，涉及一種將電磁式能量收集與電容式能量收集相結(jié)合的按鍵能量收集裝置、方法及按鍵和鍵盤。
背景技術(shù)：
鍵盤是經(jīng)過系統(tǒng)安排操作一臺機器或設(shè)備的一組功能鍵(如打字機、電腦鍵盤)，也是組成鍵盤樂器的一部分，如鋼琴、數(shù)位鋼琴或電子琴等的鍵盤。目前，敲擊鍵盤作為進行無紙化辦公及音樂演奏的重要方式，產(chǎn)生了大量的機械能。
為實現(xiàn)對敲擊鍵盤產(chǎn)生的機械能的利用，現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)生一些鍵盤按鍵能量收集的方法，其中最為主要的是壓電式能量收集方法、電容式能量收集方法以及電磁式能量收集等。但是，這些能量收集方法對能量的收集較為單一，通常只能單一地采用其中的一種方式進行能量收集，效率不高，并且這些能量收集裝置各有不足，比如壓電式能量收集器所需要的壓電材料較為昂貴且制作復(fù)雜，成本相對較高，電容式能量收集器需要單獨設(shè)置預(yù)充電源，應(yīng)用性較低。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種按鍵能量收集裝置、方法及按鍵和鍵盤，用于解決目前的鍵盤能量收集方法中存在的能量收集單一、成本較高、應(yīng)用性較低等問題。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種按鍵能量收集裝置，該按鍵能量收集裝置包括：磁體元件，其與所述按鍵的按鍵外殼聯(lián)動；上電容板和下電容板，其中所述上電容板與所述按鍵外殼聯(lián)動；以及線圈元件，其與所述上電容板或所述下電容板電連接，并設(shè)置在所述磁體元件的空間磁場分布區(qū)域內(nèi)。
優(yōu)選地，該按鍵能量收集裝置還包括：儲能元件，其與所述線圈元件電連接，還與所述上電容板和/或所述下電容板電連接。
優(yōu)選地，所述上電容板與所述下電容板中的一者與所述線圈元件及所述儲能元件電連接，且另一者被設(shè)置為零電位點。
優(yōu)選地，所述下電容板與所述線圈元件及所述儲能元件電連接，所述上電容板被設(shè)置為零電位點。
優(yōu)選地，所述儲能元件為儲能電容。
優(yōu)選地，所述儲能元件包括第一儲能元件和第二儲能元件，其中第一儲能元件與所述線圈元件電連接，第二儲能元件與所述上電容板和/或所述下電容板電連接。
優(yōu)選地，所述儲能元件與所述線圈元件之間以及所述儲能元件與電連接的上電容板和/或下電容板之間設(shè)置有用于單向?qū)ǖ亩O管。
優(yōu)選地，所述上電容板和下電容板之間的空間距離為1mm至5mm。
優(yōu)選地，所述磁體元件為永久電磁鐵。
優(yōu)選地，所述磁體元件固定在所述按鍵外殼的內(nèi)表面。
優(yōu)選地，所述上電容板固定在用于支撐所述按鍵外殼的支撐桿上。
優(yōu)選地，所述線圈元件放置在用于支撐所述按鍵的支撐面的上表面，所述下電容板固定在所述支撐面的下表面，其中所述支撐面設(shè)置在用于支撐所述按鍵外殼的支撐桿的下方。
優(yōu)選地，所述線圈元件為多匝平面線圈。
本發(fā)明還提供了一種按鍵能量收集方法，該按鍵能量收集方法采用上述的按鍵能量收集裝置，且包括：磁體元件和上電容板隨按鍵外殼動作而運動，其中磁體元件的運動使按鍵內(nèi)的空間磁場發(fā)生瞬態(tài)變化，上電容板的運動使兩上電容板之間的空間距離發(fā)生相對變化；線圈元件在所述空間磁場中產(chǎn)生瞬態(tài)電動勢；以及上電容板和下電容板基于相對變化的空間距離和所述線圈元件產(chǎn)生的瞬態(tài)電動勢產(chǎn)生電量。
本發(fā)明還提供了一種按鍵，該按鍵包括上述的按鍵能量收集裝置。
本發(fā)明還提供了一種鍵盤，該鍵盤包括多個上述的按鍵。
優(yōu)選地，所述鍵盤為計算機鍵盤、打字機鍵盤或鋼琴鍵盤。
通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的技術(shù)效果是：
1、本發(fā)明能夠有效利用手指敲擊按鍵的脈沖激勵振動機械能，并且利用電磁切割磁感線及可變電容的混合方式，可實現(xiàn)基于電磁與電容的混合式按鍵能量收集，其能量收集效率相比單純的電磁式能量收集或者電容式能量收集大為提高。
2、本發(fā)明采用的電磁式能量收集易獲得較大密度的感應(yīng)電流，其產(chǎn)生的瞬態(tài)電動勢可作為可變電容的初始電動勢，故不需要額外的外接電源為可變電容提供初始電動勢。
3、本發(fā)明的按鍵能量收集裝置及按鍵的制作方便且多樣，比如可通過負載電阻及多匝平面線圈電阻值來調(diào)節(jié)收集能量大小，從而可實現(xiàn)最大平均能量收集輸出及收集能量高效率轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：
圖1是本發(fā)明的實施方式中的按鍵能量收集裝置及按鍵的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的實施方式中的多匝平面線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的實施方式中的電磁能量收集的等效電路圖；
圖4是本發(fā)明的實施方式中的按鍵能量收集方法的流程示意圖。
附圖標(biāo)記說明
1磁體元件2按鍵外殼
3上電容板4下電容板
5線圈元件6儲能元件
7支撐桿8支撐面
9傾斜固定支架8緩沖層
11、二極管
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
在本發(fā)明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如“上、下、左、右”通常是指相應(yīng)輪廓的上、下、左和右，“內(nèi)、外”是指相應(yīng)輪廓的內(nèi)和外。
現(xiàn)有的壓電式、電容式和電磁式能量收集器對能量的收集較為單一，其中電容式能量收集器更是需要單獨設(shè)置預(yù)充電源，使得其應(yīng)用性較低。據(jù)此，本發(fā)明的技術(shù)方案提出了將電磁式能量收集與電容式能量收集相結(jié)合的策略，以提出一種新的按鍵能量收集方案。
為使本發(fā)明的技術(shù)方案更清楚，下面結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明的實施方式。
如圖1所述，本發(fā)明的實施方式提供了一種按鍵能量收集裝置(圖1也同時示出了包括該按鍵能量收集裝置的按鍵的結(jié)構(gòu))，該按鍵能量收集裝置包括：磁體元件1，其與所述按鍵的按鍵外殼2聯(lián)動；上電容板3和下電容板4，其中所述上電容板3與所述按鍵外殼2聯(lián)動；以及線圈元件5，其與所述上電容板3或所述下電容板4電連接，并設(shè)置在所述磁體元件1的空間磁場分布區(qū)域內(nèi)。其中，所述按鍵外殼2可以是本領(lǐng)域中所稱的鍵帽，所述電連接優(yōu)選為采用導(dǎo)線實現(xiàn)。
本實施方式中，所述按鍵能量收集裝置還優(yōu)選為包括：儲能元件6，其與所述線圈元件5電連接，還與所述上電容板3和/或所述下電容板4電連接。通過該儲能元件6可以儲存線圈元件5以及上電容板3和/或下電容板4產(chǎn)生的電量。
進一步地，本實施方式中的按鍵可采用本領(lǐng)域的常規(guī)按鍵結(jié)構(gòu)。為配合上述按鍵能量收集裝置中各元件的安裝，本實施方式的按鍵優(yōu)選為包括：按鍵外殼2：支撐桿7，連接在所述按鍵外殼2下方，用于支撐所述按鍵外殼2；以及支撐面8，設(shè)置在所述支撐桿7下方，用于支撐所述按鍵(這里指支撐整個按鍵整體)。其中，所述支撐桿7分為左支撐桿和右支撐桿(左支撐桿和右支撐桿的位置分別如圖1中所示)。
此外，該按鍵還可以包括傾斜固定支架9，其設(shè)置在按鍵外殼2下方(具體位置可參考圖1)，用于防止按鍵外殼2傾倒。該傾斜固定支架也分為左支架和右支架，兩支架位置如圖1所示。另外，在敲擊按鍵外殼時，支撐桿7向下運動會對所述支撐面8造成沖擊，甚至?xí)p壞支撐面8。因此，本實施方式中還在所述支撐桿7下端與所述支撐面8之間設(shè)置有緩沖層10，該緩沖層10優(yōu)選為緩沖膠膜，以有效地對脈沖激勵的按鍵進行緩沖，進而防止支撐桿對支撐面8的沖擊損壞。
基于上述的按鍵結(jié)構(gòu)，本實施方式的一方面，通過所述磁體元件1、所述線圈元件5以及所述儲能元件6的結(jié)合，實現(xiàn)了電磁式能量收集。具體地，該電磁式能量收集的過程包括：在敲擊按鍵時，受手指瞬間脈沖激勵作用而動作的按鍵外殼2會帶動與之聯(lián)動的磁體元件1以相同的振動模態(tài)運動；磁體元件1的運動使得按鍵內(nèi)的空間磁場(即在按鍵內(nèi)的磁體元件的周圍空間分布的電磁場)發(fā)生瞬態(tài)變化，而線圈元件5在瞬態(tài)變化的空間磁場中做相對切割磁感線運動，產(chǎn)生瞬態(tài)電動勢，線圈元件5再將因瞬態(tài)電動勢而產(chǎn)生的部分電量傳輸給所述儲能元件6進行存儲。
如圖2所示，給出了電磁式能量收集部分的等效電路，該電路中r、l分別表示線圈元件自身的電阻和電感，v為電源，線圈元件5在瞬態(tài)變化的空間磁場中產(chǎn)生瞬態(tài)電動勢(該瞬態(tài)電動勢也可理解為瞬態(tài)電流)，即相當(dāng)于形成一個電源v，而c為電容，代表儲能元件。
進一步地，結(jié)合上述進行電磁式能量收集的過程，為保證磁體元件1能在較長時間內(nèi)產(chǎn)生空間磁場，所述磁體元件1優(yōu)選為永久電磁鐵，更為優(yōu)選為ndfeb永久電磁鐵。另外，所述磁體元件1的位置需與按鍵外殼2的位置相對固定，且還需要離線圈元件5的位置較近(磁體元件1離線圈元件5位置越近，線圈元件5產(chǎn)生瞬態(tài)電動勢的效果越好)，因此，所述磁體元件1優(yōu)選為固定在所述按鍵外殼2的內(nèi)表面。
本實施方式的另一方面，通過所述上電容板3、所述下電容板4、所述線圈元件5以及所述儲能元件6的結(jié)合，實現(xiàn)了電容式能量收集。具體地，該電容式能量收集的過程包括：在敲擊按鍵時，受手指瞬間脈沖激勵作用而動作的按鍵外殼2會帶動與之聯(lián)動的上電容板3以相同的振動模態(tài)運動，使上電容板與下電容板之間的空間距離發(fā)生相對變化；同時，線圈元件5將因瞬態(tài)電動勢而產(chǎn)生的另一部分電量傳輸至與線圈元件5電連接的上電容板3或下電容板4，作為相應(yīng)電容板的初始電動勢；上電容板和下電容板基于相對變化的空間距離和獲得的初始電動勢產(chǎn)生電量，并將產(chǎn)生的電量傳輸至與之電連接的儲能元件6進行存儲。
需說明的是，所述上電容板3和所述下電容板4均為電容極板，其位置優(yōu)選為相對平行，在獲得初始電動勢的情況下，可以形成平板電容器，從而在兩個電容板上均可以產(chǎn)生電量。優(yōu)選地，所述上電容板3與所述下電容板4的材料為金屬，更為優(yōu)選地，所述金屬為鎳、鋁或其合金。另外，本實施方式不限制兩個電容板的相對大小。
另外，所述上電容板3要與所述按鍵外殼聯(lián)動，故其位置應(yīng)與所述按鍵外殼2相對固定，因此本實施方式優(yōu)選為將所述上電容板3固定在支撐桿7上。此外，為保證上電容板3和下電容板4均能收集到足夠多的電量，可恰當(dāng)保持上電容板3與下電容板4之間的空間距離，該空間距離優(yōu)選為1mm至5mm之間的任意數(shù)據(jù)。
結(jié)合本實施方式的兩個方面，利用線圈元件5在在瞬態(tài)變化的空間磁場中產(chǎn)生的瞬態(tài)電動勢作為相應(yīng)電容板的初始電動勢，從而克服了現(xiàn)有電容式能量收集器需要單獨設(shè)置預(yù)充電源的缺陷，并能同時實現(xiàn)電磁式能量收集和電容式能量收集。
結(jié)合上文，線圈元件5對于電磁式能量收集和電容式能量收集都至關(guān)重要，其是實現(xiàn)電磁式能量收集與電容式能量收集的關(guān)鍵元件，從而線圈元件5的選擇與安裝尤為重要。本實施方式中，所述線圈元件5優(yōu)選為多匝平面線圈，多匝平面線圈導(dǎo)電性好，且在電磁場中易于產(chǎn)生瞬態(tài)電動勢。同時，多匝平面線圈還易于植入至按鍵內(nèi)，能很好地與常規(guī)的按鍵結(jié)構(gòu)進行配合安裝，如圖3所示，即示出了本實施方式的多匝平面線圈的幾何結(jié)構(gòu)，圖中黑色部分表示線圈，該結(jié)構(gòu)的多匝平面線圈一端電連接儲能元件6，另一端電連接下電容板4，且易于安裝在支撐面8上。
所述線圈元件5，特別是其為多匝平面線圈時，還需要考慮其在按鍵中的放置。本實施方式中可利用支撐面8來放置線圈元件5，將線圈元件5放置在所述支撐面8的上表面，其中該線圈元件5可以固定在支撐面8上，也可以可拆卸地植入至支撐面8上。需說明的是，在多個按鍵構(gòu)成的鍵盤中，多個按鍵可使用同一支撐面8，以使該支撐面8用于支撐整個鍵盤。
進一步地，為保證電容板上電量的傳輸與存儲，本實施例中優(yōu)選為僅使所述上電容板3與所述下電容板4中的一者與所述線圈元件5及所述儲能元件6電連接，而另一者則被設(shè)置為零電位點。據(jù)此，可以避免兩個電容板上產(chǎn)生的電荷互相抵消，使得非零電位點的電容板上的多余電量傳輸至儲能元件6進行存儲。
結(jié)合上述鍵盤結(jié)構(gòu)以及線圈元件5的位置，本實施方式中優(yōu)選地將所述下電容板4與所述線圈元件5及所述儲能元件6電連接，而將所述上電容板3設(shè)置為零電位點，這是因為對于放置在支撐面8上的線圈元件5，不易通過導(dǎo)線實現(xiàn)其與固定在支撐桿7上、并與按鍵外殼2聯(lián)動的上電容板3的電連接，且動作的上電容板容易使導(dǎo)線斷開或接觸不良，從而影響電量的傳輸。
同樣地，也可利用所述支撐面8來放置下電容板4，將下電容板4固定在所述支撐面8的下表面，如此所述線圈元件5和所述下電容板4分別固定在所述支撐面8的上、下表面，使兩者位置相對固定，易于實現(xiàn)兩者之間的電連接，并有利于保持兩個電容板之間的平行。
進一步地，本實施方式中，所述儲能元件6優(yōu)選為儲能電容。通過儲能電容儲存的電量可在后續(xù)用于給按鍵對應(yīng)的鍵盤中的傳感器供電。此外，也可以不通過儲能元件供電，而使線圈元件以及上電容板和/或下電容板直接與相應(yīng)的傳感器電連接，從而實現(xiàn)由線圈元件以及上電容板和/或下電容板直接向電連接的傳感器供電。此時，可將所有被供電的傳感器視為一負載電阻，能量收集的大小可通過負載電阻消耗的功率來測算，即可通過負載電阻的電阻值來調(diào)節(jié)收集的能量的大小，從而實現(xiàn)最大平均能量收集輸出及收集能量高效率轉(zhuǎn)換。需說明的是，當(dāng)外輸平均功率最大時，負載電阻值應(yīng)與線圈元件5的電阻值接近。
進一步地，如圖1所示，所述儲能元件6優(yōu)選為包括第一儲能元件和第二儲能元件，其中第一儲能元件的一端與所述線圈元件5電連接，第二儲能元件的一端與所述上電容板3和/或所述下電容板4電連接，還可以將第一儲能元件和第二儲能元件的另一端接地，設(shè)置為零電位點。此外，除采用兩個儲能元件的形式外，也可選擇多個儲能元件6配置為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。
進一步地，本實施方式還可以在所述儲能元件6與所述線圈元件5之間以及所述儲能元件6與電連接的上電容板3和/或下電容板4之間設(shè)置有具有單向?qū)ǖ亩O管11，該二極管11使得符合單向?qū)ㄒ?guī)則的電量才能傳輸至所述儲能元件6進行存儲。
基于與上述的按鍵能量收集裝置相同的發(fā)明思路，本發(fā)明的另一實施方式還提出了一種按鍵能量收集方法，該按鍵能量收集方法采用上述的按鍵能量收集裝置，如圖4所示，該按鍵能量收集方法包括：
步驟s1，磁體元件1和上電容板3隨按鍵外殼2動作而運動。
其中磁體元件1的運動使按鍵內(nèi)的空間磁場發(fā)生瞬態(tài)變化，上電容板3的運動使兩上電容板3之間的空間距離發(fā)生相對變化。
步驟s2，線圈元件在所述空間磁場中產(chǎn)生瞬態(tài)電動勢。
其中線圈元件因瞬態(tài)電動勢產(chǎn)生的一部分電量傳輸至儲能元件6進行存儲，另一部分電量傳輸至與該線圈元件電連接的上電容板3和/或下電容板4，作為相應(yīng)電容板的初始電動勢。
步驟s3，上電容板和下電容板基于相對變化的空間距離和所述線圈元件產(chǎn)生的瞬態(tài)電動勢產(chǎn)生電量。
上述方法中，線圈元件產(chǎn)生的一部分電量傳輸給與該線圈元件電連接的上電容板3和/或下電容板4，以作為電容板的初始電動勢，使能兩個平行電容板在初始電動勢和相應(yīng)變化的空間距離的影響下，產(chǎn)生電量。
上述方法的各步驟的具體實施細節(jié)與上一實施方式中的按鍵能量收集裝置相同或相近，在此不再贅述。
基于與上述的按鍵能量收集裝置及按鍵能量收集方法相同的發(fā)明思路，本發(fā)明的另一實施方式還提供了一種按鍵，該按鍵包括上述相應(yīng)實施方式中的按鍵能量收集裝置。此外，該按鍵還可以進一步包括上述的外殼2、傾斜固定支架9、支撐桿7、支撐面8等部件。
此外，本發(fā)明的另一實施方式還進一步提供了一種鍵盤，該鍵盤包括多個上述的具有按鍵能量收集裝置的按鍵。該鍵盤能夠?qū)崿F(xiàn)電磁式能量收集和電容式能量收集，可廣泛應(yīng)用于多個場景，如計算機鍵盤、打字機鍵盤或鋼琴鍵盤等。
綜上所述，本發(fā)明的實施方式中的能量收集裝置、方法、按鍵及鍵盤具有以下幾個方面的特點：
1、本發(fā)明能夠有效利用手指敲擊按鍵的脈沖激勵振動機械能，并且利用電磁切割磁感線及可變電容的混合方式，可實現(xiàn)基于電磁與電容的混合式按鍵能量收集，其能量收集效率相比單純的電磁式能量收集或者電容式能量收集大為提高。
2、本發(fā)明采用的電磁式能量收集易獲得較大密度的感應(yīng)電流，其產(chǎn)生的瞬態(tài)電動勢可作為可變電容的初始電動勢，故不需要額外的外接電源為可變電容提供初始電動勢。
3、本發(fā)明的按鍵能量收集裝置及按鍵的制作方便且多樣，比如可通過負載電阻及多匝平面線圈電阻值來調(diào)節(jié)收集能量大小，從而可實現(xiàn)最大平均能量收集輸出及收集能量高效率轉(zhuǎn)換。
以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。