专利名称：动能发光装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及光电子技术及产品领域，特别是涉及一种动能发光装置。
背景技术：
利用动能提供能量实际上已经有了相当长的应用历史。如手摇式发电机，压电点火器，摩擦式自行车灯等，但是以上的应用方式都需要特定人工方式去带动特定的装置才能工作。对于如何更高效、方便地利用动能提供的能量，国外目前正在积极展开这方面的研究和应用。
荷兰Delft科技大学的一个研究小组展开一个称为“Personal EnergySystem”的研究计划，开展人体能应用的研究[参考文献R.J.Kuipers，″Engineering a human powered mp3 player″，Graduation report，，DelftUniversity of Technology，Delft，2003.]，他们分析考察了人体能的各种产生可能利用方式，包括呼吸、身体热能、血液流动、手臂运动、打字以及行走后发现人体的行走是最方便和最有应用潜力的一种方式，研究指出正常人的正常行走可以产生5-8瓦的寄生能量输出。此外值得一提的是美国麻省理工大学媒体实验室(MIT Media Laboratory)展开的利用人体行走寄生能的项目[参考文献M.Van den Berg and R.A.Van Limmeren，″Trends in energy and powersupply of mobile phones″，Technical report 164，Delft University of Technology，Delft.]，它们制成了分别利用压电原理和电磁感应原理的发电装置放置在鞋跟，驱动安置在鞋内的小型无线编码发射装置，实现无线身份识别的鞋子原型。
利用动能从原理上可以有电磁、静电、压电三种机电转换方式可供选择，综合国外已有利用动能的技术，总的趋势是采用各种新型压电材料作为换能器件，通过对瞬间、无序电能的调理、存储实现电能的有序输出。让鞋类、服装、玩具具备发光效果不仅能增加产品的新颖性，而且具备警示的效果，是一个简单有效增加产品附加值的方法。随着电子设备的小型化、集成化、低功耗化，市面上出现了大量的装有“可穿戴电子发光装置”的产品，如发光鞋、发光服装、发光眼镜等，形成了一个巨大的产业群。现有技术需要为每一个电子发光装置配备小型电池作为驱动能源，不仅限制了产品的使用寿命，而且丢弃后对环境会造成巨大的污染。
发明内容本发明的目的是提供一种利用日常行动时的寄生能源，无需特定人工操作方式的新型动能发光装置。
本发明产品解决的关键问题包括以下几个方面1、压电发电换能器的设计和开发。选取合适的压电材料物理特性、电气特性等，及基于人体动力学原理设计和安置转换器件，制成适用于不同工作方式的压电发电换能器。
2、开关型变换、存储技术研究。该部分研究的目的是实现无序电能的有序释放，设计以电容作为储能元件的变换、存储器。通过系统建模和仿真技术确定压电发电换能器件参数和后续充放电电路参数，使系统工作于共振状态，最大限度提高换能、存储效率。得到持续或间歇的稳定电压输出。
为解决以上问题，本发明采取的技术方案是提供一种动能发光装置，其包括相连接的压电发电换能器和发光元件。该发光元件为发光二极管。该压电发电换能器以PZT(Lead ZirconateTitanate，锆钛酸铅)压电陶瓷为换能材料，该换能材料以31方式工作，两片压电体反向极化串联粘合在FRP(Fiber Reinforce plastics，玻璃纤维强化塑料)电路板上，构成双晶压电发电换能器，可采取自由冲击、强制振动、自由振动的工作模式之一。
该动能发光装置进一步包括与压电发电换能器相连接的变换存储器，以及与变换存储器及发光元件相连接的控制发光时序的闪灯序列控制部件。该变换存储器包括整流器、储能元件、SCR(Silicon Controlled Rectifier，可控硅)可控硅电路、稳压器，储能元件为电容。
对于以上技术方案进一步详细说明如下1、压电发电换能器的设计压电发电换能器是本发明最为关键的部件，针对不同的应用，本发明的压电发电换能器以PZT压电陶瓷作为转换材料。针对材料的物理、电气特性，对PZT压电陶瓷采用了弹性梁结构，并通过适当的设计，使之具有较高的转换效率。
由于PZT陶瓷具有很大的d33，因此其最有效工作方式本应当是通过33方式压缩来获得，但通过以下的分析我们得到，这种工作方式只能获得很少的有效能量，因为ΔH=FHAY]]>式中，F是外力，H是承力高度，A是受力面积，Y是弹性模量。对PZT陶瓷Y通常高达4.9×1010N/m2，因此需要巨大的力量才能使之发生压缩形变。而工作于31方式容易得多，因为材料本身脆硬的特点，未经处理的PZT在这个方向上只能承受很小的形变。通常最大表面应变不超过5×104。表面应变如下式定义S=xtLc2]]>式中x表示形变量，t为悬梁臂厚度，Lc为梁的长度。这样，一块厚0.002的PZT薄片设置在长20cm的悬梁臂上其最大弹性位移可以是x=S·Lc2t=(5·10-4)(0.2m)20.00002m=1cm]]>可见这种结构具有很大的应用潜力。采用弹性梁结构后针对不同的应用可以设定3种不同的工作模式自由冲击、强制振动、自由振动。这几种方式可以开发出适用于玩具等通过振动发电的压电发电换能器件。
2、变换、存储电路的设计利用压电发电换能器输出的电能有两种方式，一种是直接连接LED等发光器件，另一种方式是通过变换、存储实现有序释放。无论那种功率输出方式，均可以用如下的功率输出模型来表示I0＝V/(Z0+ZL)
ZL＝Z0时，W01=Z0V4Z02=V4Z0]]>ZL=Z050]]>时，W02≅V50Z0]]>从以上分析看出，阻抗匹配对功率的输出起着至关重要的作用，由于PZT和PVDF(PolyvinylideneFluioride，聚偏二氟乙烯)材料有很大的内阻(数百k)，因此负载也需要较大的内阻与之匹配。为了实现能量的有序释放，本发明采用了变换存储器。
变换存储器的变换、存储电路包括整流器、储能元件、SCR可控硅电路、稳压芯片，从压电发电换能器出来的电压通过整流后由储能元件存储、释放，再通过SCR可控硅电路对压电发电换能器的高阻抗进行相应的匹配和实现开关控制，再联接稳压芯片输出持续或间歇的稳定电压，实现开关变换，最后驱动发光器件发光。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果采用改性压电陶瓷(PZT)作为压电换能材料，可以方便的针对不同应用设计压电发电换能器件。根据动力学原理设计和放置转换器件，针对不同应用对换能器件灵活设置自由冲击、强制振动、自由振动的不同工作模式。
并且可通过系统建模和仿真技术确定压电发电换能器件参数和后续充放电电路参数，使系统工作于共振状态，最大限度提高换能效率。
为了实现无序电能的有序释放，设计以电容作为储能元件的直流-直流开关变换器。通过该变换器可以得到持续或间歇的稳定电压输出，驱动控制芯片实现LED的多种闪烁效果。
本发明动能发光装置无需特定人工操作方式即能利用寄生能源发光，可靠性高，而且重量轻、体积小、低成本，具有相对高的电量输出和便利的电能传输性，能用于制鞋、服装、玩具等传统行业中。通过本发明产品的开发应用能解决发光产品因电池容量限制带来的寿命问题，而且符合绿色环保理念，是有源发光闪灯产品的更新换代产品。
图1是本发明动能发光装置的框架结构示意图；图2是本发明变换存储器的功率输出模型示意图；图3是本发明变换存储器的变换、存储电路方框图；图4是本发明实施例一发光鞋的整体示意图；图5是本发明PZT压电发电换能器的示意图；图6是本发明PZT压电发电换能器的剖面示意图；图7是本发明实施例一发光鞋的基本电路连接图8是本发明实施例一发光鞋带时序闪动发光的电路图；图9是本发明实施例二振动发光钥匙扣的示意图；图10是本发明实施例三振动发光跳跳球的示意图。
具体实施方式通过计算，一个68公斤重的人以每秒2步的频率快步行走时，仅发生5cm做功形变就能产生高达67W的能量。只要能将这部分寄生能量的很小部分取出就能驱动很多低功耗的便携设备，因此利用动能具有很大的潜力和可能。动能转换为电能可以通过压电效应来实现。具有压电效应的压电材料在受到外力发生形变时能在表面产生电荷。常见的压电材料有PZT压电陶瓷和PVDF偏氟乙烯压电膜，他们具有体积小、重量轻、成本低的特点，适合于压电发电换能器的设计和制作。但是，通过换能器以后得到的是杂乱、无序的电能，只有通过变换存储后才能有效的驱动发光器件。
本发明动能发光装置的总体框架结构如图1所示。从动能的发生到人眼最后感受到发光器件的发光动作，中间经过了三个关键部件，它们共同完成机电转换、电能变换、存储、发光器件的驱动几大功能。进行功能分块后不仅要分别对这几大功能模块进行研究，使每部分具有高的工作效率(η2，η4，η6)，还要对各部件之间的耦合，匹配进行设计，使之达到最高的转换效率(η1，η3，η5，η7)。
η1由机械结构决定的外部能量到压电材料的传递效率η2压电材料的机电转换效率η3压电发电换能器的能量输出效率η4能量变换、存储效率η5变换存储器的能量输出效率η6驱动器及其发光元件的光电转换效率η7人的视觉对光的感知效率(主要是指人眼对不同色彩和发光时间产生的不同认知度)本发明动能发光装置的压电发电换能器以PZT压电陶瓷作为转换材料，针对材料的物理、电气特性，采用了弹性梁结构的PZT压电陶瓷，并通过适当的设计，使之具有较高的转换效率。这种结构具有很大的应用潜力，可设定不同工作模式自由冲击、强制振动、自由振动。
请参阅图2和图3，本发明动能发光装置的变换存储器包括整流器、储能元件、SCR可控硅电路、稳压芯片，从压电发电换能器出来的电压通过整流后由储能元件存储、释放，再通过SCR可控硅电路对压电发电换能器的高阻抗进行相应的匹配和实现开关控制，再联接稳压芯片输出持续或间歇的稳定电压，实现开关变换，最后驱动发光器件发光。该变换存储器的功率输出均可用如图2所示的功率输出模型来表示，其中换能器、负载作纯电阻电路考虑，Zo为换能器等效电阻，ZL为负载等效电阻，Wo为输出功率。
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明实施例1动能发光鞋请参阅图4～7，本实施例应用在发光鞋上，将PZT压电发电换能器1置于鞋后跟部，使之工作于强制振动方式，连接反相并联的两组发光二极管2。行走时，脚后跟迫使换能器强制振动，发出跟行走频率一致的交流电，交替点亮反相并联的发光二极管组2。装置整体示意图见图4，PZT压电发电换能器结构见图5和图6，其包括相结合的弹性壳体11和刚性壳体15，壳体内设有电极12、PZT陶瓷13、基板14和缓冲材料16，其电路连接请参见图7。
本实施例可以在电路部分增加变换、存储、闪灯序列控制三个环节，将无序的电能通过变换、存储和稳压后驱动闪灯芯片控制LED按照一定的时序进行闪动，从而进一步增加发光鞋的美观和趣味性。
带时序闪动的发光鞋电路如图8所示从压电发电变换器出来的电压通过整流桥D1进行全波整流后对电容C1进行充电。Q1和Q2组成一个临界反馈的SCR电路，该电路针对压电发电换能器的高阻抗进行了相应的匹配。初始状态Q1和Q2是关闭的，当C1充电至超过12.6伏(该值由其纳管D2和Q1共同决定)，Q1导通，激活Q2(同时锁定Q1)。这样C1进入放电过程。U1是一个低功率稳压集成电路，通过它可以提供稳定的+5伏电压供闪灯控制芯片驱动发光器件使用。当C1放电至低于4.5伏时，U1的低电线导通，通过C3发出一个负脉冲使Q1截止，依次翻转Q2，终止C1的放电过程。的动能通过压电发电换能器转换成电能后持续给C1充电，该充放电过程就会周而复始进行，提供给负载间歇的恒定电压。)实施例2振动发光钥匙扣请参阅图9，本实施例压电发电变换器工作于自由冲击状态。通过钥匙扣内钢质小球33对压电元件31的自由冲击，实现对振动能量的变换，点亮钥匙扣外部的LED32。
实施例3振动发光跳跳球请参阅图10，本实施例压电发电变换器工作于自由振动状态。压电发电变换器41长度略小于内壳直径，使之能在内壳自由运动。通过压电发电变换器41与透明刚性塑料内壳43内壁的自由碰撞、摩擦使之发生自由振动，实现对振动能量的变换，点亮压电发电变换器41上安装的发光二极管42，外面包裹以透明弹性橡胶层44，为传统玩具跳跳球增加发光效果。
权利要求
1.一种动能发光装置，其特征在于，其包括相连接的压电发电换能器和发光元件。
2.如权利要求1所述的动能发光装置，其特征在于，该压电发电换能器以PZT压电陶瓷为换能材料。
3.如权利要求2所述的动能发光装置，其特征在于，该压电发电换能器的PZT压电陶瓷换能材料以31方式工作，两片压电体反向极化串联粘合在FRP电路板上，构成双晶压电发电换能器。
4.如权利要求1所述的动能发光装置，其特征在于，该压电发电换能器采取以下工作模式之一自由冲击、强制振动、自由振动。
5.如权利要求1所述的动能发光装置，其特征在于，该发光元件为发光二极管。
6.如权利要求1所述的动能发光装置，其特征在于，其进一步包括与压电发电换能器相连接的变换存储器。
7.如权利要求6所述的动能发光装置，其特征在于，其进一步包括与变换存储器以及发光元件相连接的控制发光时序的闪灯序列控制部件。
8.如权利要求1所述的动能发光装置，其特征在于，该变换存储器包括整流器、储能元件、SCR可控硅电路、稳压器，储能元件为电容。
全文摘要
本发明公开了一种动能发光装置，其包括相连接的压电发电换能器和发光元件，该发光元件为发光二极管。该压电发电换能器以PZT压电陶瓷为换能材料，该动能发光装置进一步包括与压电发电换能器相连接的变换存储器，以及与变换存储器及发光元件相连接的控制发光时序的闪灯序列控制部件。本发明动能发光装置利用寄生能源发光，可靠性高，而且重量轻、体积小、低成本，具有相对高的电量输出和便利的电能传输性。
文档编号H02J15/00GK1835375SQ200610033639
公开日2006年9月20日 申请日期2006年2月16日 优先权日2006年2月16日
发明者李海生 申请人:广东省科学院自动化工程研制中心