具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷的柔性可穿戴自供电照明设备，以节约能源。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的基于压电陶瓷的柔性可穿戴自供电照明设备通过收集使用者运动时产生的机械能，并经过压电效应把机械能转化为电能，为照明装置供电，从而在夜间提供照明。本发明的整体结构图如图1所示，包括照明装置1、压电陶瓷发电装置及处理电路。

具体地，所述压电陶瓷发电装置用于利用压电陶瓷发电片3的压电效应将使用者运动时产生的机械能转换为电能。

所述处理电路分别与所述压电陶瓷发电装置及所述照明装置1连接；所述处理电路用于将所述压电陶瓷发电装置输出的电能处理后为所述照明装置1供电。

进一步地，所述压电陶瓷发电装置包括压电陶瓷发电片3和带有弧度的金属板7。

具体地，所述压电陶瓷发电片3与所述处理电路连接；所述压电陶瓷发电片3用于将使用者运动时产生的机械能转换为电能。

具体地，图2为本发明的压电陶瓷发电片3的结构示意图。如图2所示，所述压电陶瓷发电片3由压电陶瓷片31及其所附着的电极板32组成。所述压电陶瓷片31所在的一侧为所述压电陶瓷发电片3的内侧，所述电极板32所在的一侧为所述压电陶瓷发电片3的外侧。

其中，所述压电陶瓷片31及所述电极板32分别与所述处理电路连接。所述电极板32的材质为铜、镍或银。

在本实施例中，所述电极板优选为铜板。由于压电陶瓷为脆性材料，因此制造时就已经附着在铜板上，并以此作为一个电极。其中，所述压电陶瓷片的大小为60mm×30mm×0.2mm，所述铜板的大小为80mm×33mm×0.2mm。

现有的压电材料品种很多，性能各异，主要有压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料、玻璃陶瓷和弛豫电单晶体等。其中，压电陶瓷具有优异的压电性能，应用也最为广泛。

压电陶瓷具有多方面的适应性，在物理和化学性质上，比一般压电材料也要好得多，并且可以做成任何需要的形状和大小，同时，可以自由选择其极化方向，加工成本较低。作为换能元件，可以通过改变压电陶瓷的化学成分组成或添加杂质改变其各方面的性能，以适应各种不同的用途。

因此，本发明采用压电陶瓷作为柔性可穿戴自供电照明设备的换能元件，其压电效应原理如下：

当对压电陶瓷施加一个与极化方向平行的压力F，如图9所示，压电陶瓷将产生压缩形变(如图9中虚线所示)，压电陶瓷内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。当压力撤消后，压电陶瓷恢复原状(这是一个膨胀过程)，压电陶瓷内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。

相反的，若在压电陶瓷上加一个与极化方向相同的电场，如图10所示，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，压电陶瓷内的正、负束缚电荷之间的距离也增大，也就是说，压电陶瓷沿极化方向产生伸长形变(如图10中虚线所示)。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则压电陶瓷沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。

表1几种型号的压电陶瓷的压电介电性能

表1为几种不同型号的压电陶瓷的压电介电性能表，其中机电耦合系数K是表示压电体中机械能与电能之间相互耦合程度的一个参数，是衡量压电性能优劣的一个综合物理量。它的定义为：K²＝通过正压电效应转换的电能÷输入的机械能。机电耦合系数K值主要由压电材料的种类确定，压电材料的机电耦合系数在不同需要场合有不同的追求，当制作压电发电装置时，机电耦合系数越大越好。

相对介电常数ε反映材料的介电性质或极化性质。不同用途的压电元件对相对介电常数要求也不相同。通常压电元件在高频状态工作时，相对介电常数ε要小，反之要大一些。

压电应变常数d是表示当在压电陶瓷上施加电压时，它就会产生某种变形，反映这种电学量与变形量(或力学量)之间的关系的就是压电应变常数。其定义(无外力作用时)为：d＝电场强度梯度引起的应变之差÷电场强度梯度。d值越大，表明电-机转换性能越好。

参见表1，压电陶瓷中的PZT-5具有高机电耦合系数、高压电应变常数和高电阻率，各机电参数具有良好的时间稳定性和温度稳定性，故优选压电陶瓷PZT-5作为本发明的压电陶瓷片。

为了使压电陶瓷发电装置在较小的激励强度、较宽的频率范围内都具有发电能力，可以采用多个压电陶瓷片并联或串联的压电振子结构方式。

图11(左)为并联方式，压电陶瓷片的负电荷集中在中间极上，其输出电容C'为单片电容C的两倍，但输出电压U'等于单片电压U，极板上电荷量q'为单片电荷量q的两倍，即q'＝2q，U'＝U，C'＝2C。

图11(右)为串联方式，压电陶瓷片的正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间极板上产生的负电荷与下一压电陶瓷片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q'等于单片电荷q，而输出电压U'为单片电压U的二倍，总电容C'为单片电容C的一半，即q'＝q，U'＝2U，C'＝C/2。

从而可知，若采用并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合；若采用串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。

由于压电陶瓷的内阻很大，输出电流很小，所以本装置采用多片压电陶瓷发电片并联的方式，以提高压电陶瓷发电片输出的电流。

此外，由于铜板刚度低，受力易变形，而变形大则易导致压电陶瓷片破碎，因此需要外加一个金属板以保护压电陶瓷片。在本实施例中，所述金属板7紧贴于所述压电陶瓷发电片3的外侧。所述金属板7自身带有弧度，还用于为所述压电陶瓷发电片3提供预弯度。

作为本实施例的一个具体实施方式，所述金属板7为合金钢板或普通钢板。其中，普通钢板的刚度较低，通过挤压产生电能所需的力较小，故优选为金属板7的材质。但并不以此为限制，可以根据实际情况进行调整。

可选地，所述压电陶瓷发电装置还包括橡胶层8；所述橡胶层8紧贴于所述压电陶瓷发电片3的内侧；所述橡胶层8用于将所述压电陶瓷发电片3固定在所述金属板7上。此外，所述橡胶层8还用于保护所述压电陶瓷发电片3，防止变形过程中对所述压电陶瓷发电片3的表面造成损伤。

所述金属板7、压电陶瓷发电片3及橡胶层8的层次关系如图3所示，其中，橡胶层8紧贴压电陶瓷片31的一侧，压电陶瓷片31的另一侧附着在电极板32的一面上，电极板32的另一面与金属板7相贴合。

可选地，所述电极板32与所述金属板7之间用橡胶进行贴合。

进一步地，所述压电陶瓷发电装置还包括外壳4与压力传动机构5。所述外壳4用于在内部放置所述压电陶瓷发电片3、所述金属板7及所述橡胶层8；所述压力传动机构5贯穿所述外壳4的底面与所述金属板7接触，用于根据使用者运动时产生的压力使所述压电陶瓷发电片3产生形变。

具体地，本发明提供了两种压力传动机构5的具体结构：

实施例1：所述压力传动机构5为圆柱形的压板(如图4所示)。

实施例2：所述压力传动机构5为A字形的压杆(如图5所示)。

针对以上两种具体结构，结合附图进行详细说明：

实施例1

如图4所示，所述压力传动机构5为压板，所述压板贯穿所述外壳4的底面与所述金属板7的中心接触；所述压板受压时挤压所述压电陶瓷发电片3；相对应地，所述外壳4的两侧设有狭缝；所述压电陶瓷发电片3受压伸展时由所述狭缝探出。

以本发明佩戴于使用者的肘部为例，所述压板放置在使用者的手肘肘尖外侧的位置。压电陶瓷发电片3与自身带有弧度的金属板7紧密贴合并一起固定在外壳4内。使用者走动时，手臂自然摆动，肘尖挤压压板，对压电陶瓷发电片3施加力，使压电陶瓷发电片3由弯曲开始伸展，压电陶瓷发电片3与金属板7向外壳4两侧的狭缝伸出。同时，压电陶瓷发电片3产生压电效应并发电，产生的电能经过处理电路处理后，最终输送到照明装置1使其发光。

实施例2

如图5所示，所述压力传动机构5为压杆，相对应地，所述外壳4为箱体。所述压杆的两条侧边贯穿所述外壳4的底面与所述金属板7的两侧接触；所述压电陶瓷发电片3固定在所述压杆的两条侧边之间；所述压杆的顶角受压时带动两条侧边向外伸展，所述压电陶瓷发电片3舒张；压力消失时，所述压杆的两条侧边向内收缩，所述压电陶瓷发电片3重新弯曲。

以本发明佩戴于使用者的肘部为例，肘部压电装置利用压杆传动，改变力的方向，正常状况下压电陶瓷发电片3弯曲，B点向下施加力，通过压杆将力传递到A点，A点向两侧运动。压电陶瓷发电片3舒张，B点压力消失，通过自身弹性形变，压电陶瓷发电片3重新弯曲，此为一个运动发电周期。压电陶瓷发电片3产生压电效应并发电，产生的电能经过处理电路处理后，最终输送到照明装置1使其发光。

在本实施例中，所述处理电路安装于柔性电路板2上。柔性电路(Flex Circuits，又称为Membranous Circuits)是一种将电子元件安装在柔性基板上组成的特殊电路，柔性基板的材质通常为如聚酰亚胺塑料、聚醚醚酮或透明导电涤纶等高分子材料。它的特点包括重量轻、厚度薄、柔软可弯曲等。

此外，考虑到柔性电路板2的使用寿命较低，还可将柔性电路板2置换为微型PCB板植入，以扩大体积为代价来延长使用寿命。

进一步地，所述柔性可穿戴自供电照明设备还包括尼龙布；所述尼龙布用于包裹所述柔性电路板2，以进一步保护柔性电路板2，延长使用寿命。

进一步地，所述柔性可穿戴自供电照明设备还包括绑带6；所述绑带6用于将所述压电陶瓷发电装置固定在使用者的关节处；所述照明装置1、所述压电陶瓷发电装置及所述处理电路均设置在所述绑带6上。

优选地，所述绑带6为具有收缩舒张能力的松紧带。

进一步地，如图6所示，所述照明装置1安装于所述外壳4的上方。所述照明装置1优选为Led灯。

优选地，所述外壳4及所述压力传动机构5均为硬塑材质。

进一步地，如图7所示，所述处理电路包括整流电路、滤波电路、稳压电路及储能电路。

具体地，所述整流电路与所述压电陶瓷发电装置连接；所述整流电路用于将所述压电陶瓷发电装置产生的脉冲交流电转化为直流电。

所述滤波电路与所述整流电路连接；所述滤波电路用于将所述直流电中的脉冲成分滤除，以得到平滑的直流电。

所述稳压电路与所述滤波电路连接；所述稳压电路用于对所述平滑的直流电进行稳压，以得到稳定的直流电。

所述储能电路分别与所述稳压电路及所述照明装置1连接；所述储能电路用于存储所述稳定的直流电，并为所述照明装置1供电。

优选地，所述照明装置1的照明亮度与所述储能电路存储的电量成正相关。即存储的电能越多，所述照明装置1的照明亮度越高，以在夜间起到监督运动的作用。

更进一步地，所述储能电路包括电容及电池。具体地，所述电容与所述稳压电路连接；所述电容用于进行一次储能；所述电池分别与所述电容及所述照明装置1连接；所述电池用于进行二次储能并为所述照明装置1供电。

作为本实施例的一种具体实施方式，所述电容为容量为1F的超级电容，所述电池为锂蓄电池。

对于压力发电，最大的难题是电能的存储。采用压电陶瓷发电片3产生的电能是正负交替变化的交流脉冲电，对于这种电能是很难进行存储的，因为电流很微弱且方向不稳定，而现有的电能存储技术一般用于直流储电。所以首先要把交流脉冲电经过处理后变成直流电，再进行存储。

由于压电陶瓷发电装置产生的是交流电，因此在存储前，必须采用整流电路进行整流。在连续周期性激励的情况下，压电陶瓷发电装置产生的交流信号近似于正弦信号。压电陶瓷发电装置输出的交流电经整流后变成直流，此时的直流电的电压不稳定，存在交流谐波分量。滤波电路由电容组成，它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉冲成分滤除，以得到比较平滑的直流电。经过整流滤波后电压接近于直流电压，但由于电压值的稳定性很差。因此，还必须有稳压电路，以维持输出的直流电压的基本稳定。

作为本实施例的一种具体实施方式，本发明采用的整流电路为全波整流电路。因为压电陶瓷发电装置的输出电流微弱，全波整流电路能把正弦交流电的正、负两个半波都利用起来，输出电压的脉动度小，整流效率高。全波整流电路是在半波整流电路的基础上加以改进而得到的，是利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使两个二极管在正半周和负半周内轮流导电，而且二者流过负载的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。其中桥式整流电路为典型应用。

其他整流方案如单相波整流存在脉动度大，利用效率低的问题；倍压整流电路存在输出电流低，需要并联多个压电陶瓷发电片的问题。故采用全波整流电路作为最合适的整流方案。

大部分用电设备对电源都有电压、功率大小和稳定性等严格要求。在本发明中，压电陶瓷发电装置产生的电能瞬时功率相对较小，不能直接为照明装置提供能量。但是设备在使用过程中的发电是时刻存在的，只要使用者在运动，压电陶瓷发电装置就可以输出电能，而照明装置只是在照明不足的情况下需要点亮，所以需要在利用压电陶瓷发电装置产生的电量之前先进行电荷的累积。因此，高效的收集、储存能量的方法就成为压电陶瓷发电装置的输出电能要解决的关键问题。

普通电解电容具有充电速率快和充电电路简单的优点，可以在压电陶瓷发电量极小的情况下快速充电，但由于存储容量小、自由状态下易漏电等缺点，只能为微电子设备提供短暂性、间歇性的能量。超级电容具有容量大、寿命长、过电压不击穿和自由状态下不漏电等优点，可以代替普通电容作为一种连续、稳定的电源。适合作为压电陶瓷发电装置第一级的电荷收集。锂电池具有能量密度高、生命周期长和容量保持性好的特点，适合作为第二级的能量存储。

因此，在本实施例中，采用一个1F的超级电容作为第一级的电荷收集储能元件，采用锂电池作为第二级能量存储元件。

处理电路的整体电路图如图8所示，处理电路的输入为压电陶瓷发电片的输出电压，是交变电压。经过整流桥D3整流和电容C3、C1滤波后，变为直流电压。稳压电路选用MAX666芯片。MAX666为美国MAXIN公司生产的微功耗、低压差CMOS线性稳压集成电路，其输入电压范围为2～16.5V，输出电压既可为5V固定输出又可为1.3～16V可调式输出，最大输出电流为40mA，MAX666的各管脚引线的功能简介如表2所示。在本实施例中，MAX666芯片的输出电压为3.7V。稳压后的直流电依次经超级电容C2及锂电池储能后，为照明装置(即图8中的Led灯)供电。

表2 MAX666的管脚引线功能简介

与现有技术相比，本发明提供的基于压电陶瓷的柔性可穿戴自供电照明设备具备以下优点：

1.现有的可穿戴照明设备需要外部电源提供能源，不符合环保理念，本发明利用压电陶瓷的压电效应，将使用者运动时的机械能转换为电能，不需要外部电源供能，比通常的可穿戴照明设备更为环保。

2.压电陶瓷产生的电流为不稳定交流电。为此，本发明使用全波整流电路，将交流电转变为直流电，再串联电容和稳压芯片Max666，将不稳定电流进行整流后储能，为照明装置提供稳定的电压电流。

3.现有照明产品亮度控制简单或没有，本发明用于运动照明，照明亮度与运动强度成正相关。压电陶瓷将手腕、手肘或其他关节摆动时的机械能转化为电能，运动时强度越大，产生的机械能越多，转化生成的电能越多，照明装置也更亮，因此可以起到监督运动强度的作用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。