用于模拟蜡烛明火的系统的制作方法

本实用新型总体上涉及一种用于模拟能够包含用户特定期望的蜡烛明火的方法和系统。特别地，本实用新型涉及一种借助于一体结构设计来模拟蜡烛明火的可见光图案和相关运动的方法和系统，所述一体结构设计包括：包含在其中以模拟火焰的电子和机械控制单元，以及用于将光从至少一个光源引导到火焰显示器的光学装置。

背景技术：

蜡烛明火遵循基本物理学原理，其中它的火焰被看作是火的可见、气体部分。它由在稀薄区域中发生的高度放热反应导致。当蜡烛被点燃时，烛蜡中的燃料分子被允许蒸发。在该状态下，它们然后可以容易地与空气中的氧反应，在随后的放热反应中释放足够的热量以蒸发更多的燃料，因而维持固定的火焰。火焰中足够的能量将在一些瞬态反应中间体中激发电子，导致可见光的发出，原因是这些物质释放它们过量的能量。在火焰中发生的化学动力学过程是非常复杂的，并且通常涉及大量的化学反应和中间物质，其中大多数是自由基。

蜡烛明火模拟的挑战在于保真度，要表现出以不同火焰燃烧的蜡烛具有许多不同含义和功能的微妙概念。蜡烛燃烧的方式可以具有隐藏的意义，因为它们在不同的情境下(例如，礼仪情境、仪式情境、象征性情境和功利性情境或同时的所有情境)可以发亮光或发暗光。

在本技术领域中已经存在一些类似的模拟烛。例如，在美国专利6,616,308中，提供了由具有透光性质的诸如石蜡的半透明材料制成的仿烛装置。所述仿烛装置包括光漫射体，光漫射体具有永久性外表面、在光漫射体内的腔以及在腔内的小的高密度光源，所述外表面包括具有通过熔化而看上去降低的凹陷中心部分的上表面，所述小的高密度光源从凹陷中心部分的底部下方的照射比光漫射体的其它表面更亮。它可以具有能够在白天时间关闭光的光感测功能和允许三到四个不同光级的闪烁电路，所述光级以伪随机方式变化，以便提供与被柔和气流干扰的烛火相似的光输出的真实变化。由于本专利的光源体放置在腔中的表面附近并且来自小区域，因此要求光源极亮，以使得光可以在烛体各处漫射。它也可以仅仅通过在一个或多个低频振荡器下改变到LED的电流来改变光源的亮度水平。然而，烛火的光图案不能由该装置模拟。

在美国专利7,837,355中，提供了一种产生闪烁火焰效应的装置，其包括壳体，所述壳体包含有时变电磁场驱动机构来驱动在两端具有磁体的第一钟摆构件，以便与该机构相互作用来产生第一钟摆运动，接着与具有磁体的第二钟摆构件相互作用，以便对从第二钟摆构件延伸的火焰轮廓产生磁耦合效应。光源适于将光传输到火焰轮廓。第一和第二钟摆构件的运动的方向、幅度和频率受各种因素限制，包括：重力、用于驱动机构的时变电磁场的幅度和频率、第一和第二钟摆构件上的磁体的取向、第一和第二钟摆构件的质量、形状和尺寸、干预钟摆的运动的任何附加元件、作用于钟摆的运动的空气阻力等。为了驱动火焰轮廓的运动，该装置需要驱动机构、两个钟摆和任何其它中间元件之间的复杂的相互作用，这使其在制造和操作上变得复杂。

在美国专利8,070,319(其是美国专利7,837,355的部分继续申请)中，进一步提供了具有一个钟摆构件的单级实施例以及两级壳体的实施例，该两级壳体具有壳体容纳的照明组件和侧壁磁体，用于成形和实现火焰体或第二钟摆构件的运动。根据单级实施例的一个实现方式，可以具有能够彼此配准的一个或超过一个的光源。当火焰轮廓在正常操作中与连接的钟摆构件一起移动时，其相对于光源的角度和反射光的强度以复杂的动力学方式连续地改变。在两级实施例中，壳体容纳的照明组件可以提供围绕火焰轮廓上的点的尺寸/形状的光束。除了由于时变磁场驱动机构产生的与下部或第一钟摆构件的相互作用而导致的动力学运动之外，侧壁磁体被配置成将第二动力学运动提供给上部钟摆构件。可以在磁体的数量、磁体在壳体中相对于上部钟摆构件的位置、磁体的形状等方面修改侧壁磁体，以便产生与动态磁场相互作用的静态磁场，从而产生火焰体的期望运动。在该专利的两级实施例中的附加照明组件和侧壁磁体可以提供更类似于实际开放火焰的增强照明效果和运动模式，但是问题在于仍然受到原始设计的磁场驱动机构固有的因素的限制。该专利中的新实施例在结构上仍然复杂，导致制造和操作的复杂性。

在美国专利8,342,712(其是美国专利8,070,319的部分继续申请)中，还提供了一种光引擎控制器，以控制在火焰轮廓的相对侧或在其相同侧提供光的至少两个照明装置/组件。所述至少两个照明装置/组件可以提供相同或不同颜色的光，或者可以是单色或多色光源。光引擎控制器可以控制来自照明装置/组件的光的亮度或强度，并且提供驱动或控制信号。控制器可以包括处理器和电源，其中处理器可以管理包含火焰照明程序的存储器，所述火焰照明程序可由处理器执行，以使处理器从照明装置/组件传输用于驱动或操作光源的各种效果的控制信号。根据该专利的不同实施例的程序的模拟算法似乎更集中于改变两个照明装置/组件的亮度/强度，以便随时间产生期望的着色效果。尽管控制器被说成可由手动控制替换，但是似乎预先安装在控制器中的程序或手动控制并不能够提供相应的可见光图案来与火焰体相对于流动通过火焰体的气流的往复运动一致。换句话说，在该系列的美国专利中变化的着色效果和火焰体的运动之间没有关联。

因此，本领域中，存在着一种还未得到满足的需求，即，需要一种无焰烛，其能够通过感测和响应于无焰烛周围的气流变化，而模拟具有不同火焰图案的燃烧的蜡烛。

技术实现要素：

因此，本实用新型的一个目的是通过具有一体结构设计的无焰烛系统来模拟蜡烛明火的可见光图案和相关运动，所述一体结构设计包括：包含在其中以模拟蜡烛明火的电子和机械单元，以及用于将至少一个光源引导到火焰显示器的光学装置。

本实用新型公开了一种用于模拟蜡烛明火的系统，所述系统包括保持器和基座，所述保持器包括陀螺悬浮单元、光学装置、第一光源、火焰显示器、配重和基于机电的致动器；所述基座包括第二光源、处理器和电源，其中所述陀螺悬浮单元包括安装在所述保持器的侧壁上的至少一个外平衡环和与所述光学装置物理地安装以实现正交旋转轴线的至少一个内平衡环；所述光学装置的一端与所述火焰显示器物理地连接，并且所述光学装置的另一端与所述配重物理地连接；所述基于机电的致动器定位在所述配重下方以及在所述光学装置和所述第二光源之间的空间处；所述第一光源安装在所述保持器的侧壁处，向所述火焰显示器提供侧向照明，而所述第二光源定位在所述基座上，通过所述光学装置向所述火焰显示器提供向上照明，使得显示在所述火焰显示器上的火焰图像的强度是来自所述第一光源和所述第二光源的所述照明的组合；所述基于机电的致动器、所述第一光源和所述第二光源由从所述处理器生成的脉冲宽度调制信号调制，使得所述基于机电的致动器的动态运动与来自所述第一光源和所述第二光源的组合照明的亮度的变化模式一致。

所述光学装置可以包括用于将来自所述第二光源的照明引导到所述火焰显示器的凸透镜和光导。

所述光导可以由包括丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂和/或其它光学照明材料的光学级材料制成。

所述其它光学照明材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯。

所述基于机电的致动器可以由双金属材料制成。

所述双金属材料可以包括由镍和钛的不同晶体结构构成的、以线形式配置的镍-钛合金。

所述基于机电的致动器可以对所述陀螺悬浮单元施加致动力以干扰所述陀螺悬浮单元的平衡，以便产生朝着所述火焰显示器的三轴锥形钟摆运动。

所述处理器可以包括受控信号发生器，用于控制电流的开关占空比以生成脉冲宽度调制信号，以便调制所述基于机电的致动器、所述第一光源和所述第二光源。

本实用新型还公开了一种用于模拟蜡烛明火的系统，所述系统包括保持器和基座，所述保持器包括光学装置、第一光源、火焰显示器、配重和基于机电的致动器；所述基座包括第二光源、处理器和电源，其中所述光学装置的一端与所述火焰显示器物理地连接，并且所述光学装置的另一端与所述配重物理地连接；所述基于机电的致动器定位在所述配重上方并且能够沿着从所述光学装置延伸的突起水平地移动，以便为所述光学装置和所述火焰显示器提供旋转动态运动；所述第一光源安装在所述保持器的侧壁处，向所述火焰显示器提供侧向照明，而所述第二光源定位在所述基座上，通过所述光学装置向所述火焰显示器提供向上照明，使得显示在所述火焰显示器上的火焰图像的强度是来自所述第一光源和所述第二光源的所述照明的组合；所述基于机电的致动器、所述第一光源和所述第二光源由从所述处理器生成的脉冲宽度调制信号调制，使得所述基于机电的致动器的动态运动与来自所述第一光源和所述第二光源的组合照明的亮度的变化模式一致。

所述光学装置可以包括用于将来自所述第二光源的照明引导到所述火焰显示器的凸透镜和光导。

所述光导可以由包括丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂和/或其它光学照明材料的光学级材料制成。

所述其它光学照明材料可以包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯。

所述基于机电的致动器可以由双金属材料制成。

所述双金属材料可以包括由镍和钛的不同晶体结构构成的、以线形式配置的镍-钛合金。

所述光学装置可以配置成具有突起，所述突起允许所述线形式的基于机电的致动器沿着所述突起水平移动，以便产生朝着所述火焰显示器的两轴锥形钟摆运动。

所述处理器可以包括受控信号发生器，用于控制电流的开关占空比以生成脉冲宽度调制信号，以便调制所述基于机电的致动器、所述第一光源和所述第二光源。

在本实用新型中提供了两个实现方式实施例。

在第一实现方式实施例中，本实用新型的系统包括：用于容纳陀螺悬浮结构、基于机电的致动器、第一光源、用于引导来自第二光源的光的光学装置以及配重的保持器；以及用于容纳处理器、电源和所述第二光源的基座。所述陀螺悬浮结构包括具有正交旋转轴线的两个旋转轮，其中每个旋转轮具有一个其自身就自由到呈现任何取向的旋转轴线。在实施例中，所述陀螺悬浮结构包括具有彼此相互垂直的枢轴线的外平衡环和内平衡环。所述外平衡环安装在所述保持器上以围绕其自身平面中的轴线枢转，并且具有一个旋转自由度。所述内平衡环安装在所述陀螺悬浮结构的所述外平衡环中，从而围绕其自身平面中的垂直于所述外平衡环的枢轴线的轴线枢转，并且所述内平衡环具有两个旋转自由度，其模拟开放空间中的蜡烛明火运动。

在本实用新型的第一实现方式实施例中，陀螺悬浮结构被配置为框架以驱动烛火形状片材或薄膜或显示器的运动，以便显示由两个光源中的一个直接生成的、或从来自光学装置的引导光源间接生成的、或其组合生成的模拟火焰图案。烛火显示器在一端连接到所述光学装置，而所述光学装置的另一端是来自第二光源的光的接收端，所述第二光源定位在容纳处理器和电源的基座上。来自第二光源的光的接收端包括凸透镜，用于生成将透射通过光学装置的更加聚焦的光。在优选实施例中，光学装置包括由光学级材料(例如，丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂和/或其它光学照明材料)制成的光导。在其它实施例中，第一和第二光源是尺寸、形状、颜色和亮度变化的发光二极管(LED)。第一和/或第二光源的亮度变化可以通过使用脉冲宽度调制(PWM)数字地控制。优选地，通过使用内置在所述处理器中的受控信号发生器来改变第一和/或第二光源的亮度。第一光源优选地安装在保持器的内侧壁上，以从火焰显示器的旁侧提供光；而第二光源定位在基座上，以通过光导内部的全内反射向火焰体提供向上的光信号。在第一实现方式实施例中，基于机电的致动器配置成通过干扰陀螺悬浮结构的平衡向火焰体提供动态运动。在优选实施例中，基于机电的致动器呈线的形式，并且两端在彼此相对的位置作为枢轴安装在保持器的侧壁上。基于机电的致动器由当温度改变时能够收缩和膨胀的双金属材料制成。用于所述双金属材料的合适的候选材料之一是，以线形式并且与镍和钛的不同晶体结构组合构建的镍-钛合金。在0.076mm直径的线的样品尺寸中，对于200mA的通过电流，其能够在1秒内在长度上缩短约5％。在电流被切断以允许其温度冷却之后，它能够返回其原始长度。通过使用这样的双金属材料来制造基于机电的致动器并且向致动器施加开关占空比类型的电流，线状结构的长度可以变化，以便干扰陀螺悬浮结构的平衡。由基于机电的致动器施加的致动力的程度和频率可以取决于施加到基于机电的致动器的电流的振荡频率和幅度。为了提供这样的开关占空比类型的电流，处理器包括受控信号发生器，从而操纵由电源向基于机电的致动器生成的电流的开关占空比。在优选实施例中，用于控制到基于机电的致动器的电流的开关占空比的随机数发生器是用于数字地控制第一和/或第二光源的亮度的相同发生器。换句话说，流过基于机电的致动器的电流允许往复线性运动，该往复线性运动与显示在由处理器的相同信号发生器管理的火焰体上的可见光图案一致。在其它实施例中，用于控制到基于机电的致动器的电流的开关占空比的信号发生器不同于用于数字地控制第一和/或第二光源的亮度的信号发生器。在第一实现方式实施例中，基于机电的致动器定位在配重下方，而该配重接近于接收来自第二光源的光的光学装置的端部。

在本实用新型的第二实现方式实施例中，除了没有陀螺悬浮结构，系统包括与第一实现方式实施例中相同的电子和机械部件。另一个结构差异是，根据第二实现方式实施例的保持器中的基于机电的致动器相对于基座的位置相对高于根据第一实现方式实施例的位置。在第二实现方式实施例中的基于机电的致动器优选地位于配重上方。在基于机电的致动器呈线形式并且其两端安装在保持器侧壁上的彼此相对位置中的实施例中，与根据本实用新型的第一实现方式实施例的、通过陀螺悬浮结构与基于机电的致动器的组合实现的三轴锥形钟摆运动相比，光学装置被配置成具有附加突起，该附加突起允许线沿着突起水平运动，以便实现朝着火焰显示器的两轴钟摆运动模式。

附图说明

图1是根据本实用新型的第一实现方式实施例的、示出其结构的无焰烛的剖视透视图。

图2是根据本实用新型的第二实现方式实施例的、示出其结构的无焰烛的剖视透视图。

图3是根据本实用新型的第一实现方式实施例的、示出其结构的无焰烛的另一剖视透视图。

图4是根据本实用新型的第二实现方式实施例的、示出其结构的无焰烛的另一剖视透视图。

图5是示出根据本实用新型的实施例的、用于LED光源的电子控制单元的电路图。

图6A是显示根据本实用新型的实施例的示意图，其显示使用光导来引导来自LED光源的光的基本原理。

图6B是显示根据本实用新型的实施例的示意图，其显示将LED的工作模型插入到光导中以形成光学装置。

具体实施方式

参考如图1中所示的本实用新型的第一实现方式的实施例，无焰烛系统包括保持器105和基座111。保持器105用作壳体，并且包括火焰显示器101、光学装置102、陀螺悬浮单元103、配重104、第一光源106和基于机电的致动器107。基座111包括电源108、处理器109和第二光源110。光学装置102的一端物理地连接到火焰显示器101，并且光学装置的另一端与配重104物理地连接。基于机电的致动器107定位在配重104下方，并且在光学装置102和第二光源110之间的空间处。陀螺悬浮单元103分别物理地安装在光学装置102和保持器105的侧壁上，并且因此其作用得像是包含光学装置102的框架。所述陀螺悬浮单元103包括外平衡环和内平衡环，其是具有正交旋转轴线的两个旋转轮。外平衡环安装在保持器105上并且其呈现任何取向的运动自由度。由于它也提供用于支撑内平衡环的枢转轴线，因此如此形成的双自由度的相互垂直运动是本实用新型的主要特征之一，通过该主要特征陀螺悬浮单元103适于驱动火焰显示器101。在操作中，根据本实用新型的第一实现方式实施例的陀螺悬浮单元103能够实现圆锥形的立体角类型的钟摆形状，其用于通过其周围的气流来模拟蜡烛明火运动。

基于机电的致动器107是本实用新型中的另一个关键的创新特征。它利用诸如镍钛合金(也称为镍钛诺)的双金属线的性质，该镍钛合金通过利用来自镍和钛金属的晶体结构的组合而构建。这些结构变化的解释在于原子级，其形状由于固体中的晶体结构的重排而变化。当施加约200mA的电流时，其能够“收缩”大约5％，然后一旦它冷却，或者当其与电源断开时，能够“膨胀”以再次返回其全长。由开关占空比类型的电流启动的致动器107的“来回”旋转动态运动可以干扰陀螺悬浮单元103的平衡。该开关占空比类型的电流可以由专用电子控制器控制。另一个创新特征是通过使用光导技术以及传统的光投射原理来实现烛火。第一光源106(优选为LED)通过使用用于控制火焰的亮度的脉冲宽度调制(PWM)技术数字控制，并且通过使用根据运动控制生成的同步控制信号产生其闪烁效应。第二光源110(也优选为LED)与光学装置102(优选为光导)关联，以将来自第二光源的LED光向上输送到火焰显示器101的下部分。图3显示光导102的结构的放大图。在接收来自第二光源110的光的端部，光导102包括凸透镜102a，用于在将光传输到光导102中之前寻求产生聚焦光。光导102由丙烯酸树脂材料制成，并且可以通过保持光通量的全内反射(如图6A中所示)或通过将LED光源耦合到光导中(如图6B中所示)而保证光传输有效性。来自光源的光借助于全内反射通过光导传输。光导被设计成由诸如丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂或其它光学照明材料(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚苯乙烯(PS)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))的光学级材料制成。

图2显示本实用新型的第二实现方式实施例，其是第一实现方式实施例的简化版本，其中有限的双自由度运动在基于机电的致动线107中是有效的、专用松弛。根据第二实现方式实施例的系统不包括如第一实现方式实施例中的所述陀螺悬浮单元103。因此，基于机电的致动器107起到如第一实现方式实施例中的陀螺悬浮单元的作用，以在火焰显示器上施加动态运动，但由于配置，运动自由度被限制为双度。在第二实现方式实施例中，基于机电的致动器107的两端作为枢轴安装在保持器105的侧壁处。如图4中所示，光学装置102被配置成具有围绕致动器线107的中途的突起102b，以便允许致动器107沿着突起102b水平运动，导致两轴钟摆运动模式。

为了控制光源106,110的亮度并且将基于机电的致动器107的“来回”动态运动与光源的亮度的变化一致，处理器109包括集成电路(IC)(例如8引脚IC)，其具有用于生成控制信号(例如，可编程脉冲宽度调制(PWM)信号)的信号发生器，以启用或禁用根据本实用新型的优选实施例的基于机电的致动器107。

图5显示处理器109的8引脚IC的电路图：

引脚1：用于电源108，与作为电压调节器的电容器连接以在装置的操作期间稳定电压；

引脚2至引脚4：用于装置的可膨胀特征；

引脚5：用于提供可编程PWM信号，其又使晶体管网络能够通过开关占空比类型的电流启用/禁用基于机电的致动器107的合金线；

引脚6：用于施加下拉信号以驱动第一光源106，并且与用于过电流保护的电阻器连接；

引脚7：用于施加下拉信号以驱动第二光源110，并与用于过电流保护的电阻器连接；

引脚8：作为系统的公共接地。

通过本实用新型的信号发生器，基于用于生成控制信号(例如，伪随机数、伪噪声序列、快速数字计数器和白化序列)的线性反馈移位寄存器(LFSR)来控制LED光源的亮度及其振荡的量。由于所传送的平均功率与调制占空比成比例，因此脉冲串被设计为具有足够高的调制率并被滤波以产生蜡烛明火的期望效果。

尽管已针对各种实施例描述了前述实用新型，但是这样的实施例不是限制性的。本领域的普通技术人员将理解许多变化和修改。这样的变化和修改被认为包括在所附权利要求的范围内。