TWI400405B - 具導航功能之手電筒 - Google Patents

Description

具導航功能之手電筒

本發明係有關於一種具導航功能之手電筒，尤指一種兼具有手電筒照明功能及導航功能，讓使用者可以輕易得知北方的位置，而不會迷失方向進而達到導航功能。

目前市面上的LED手電筒只有一般照明效果，而傳統指北針又不方便與手電筒結合，所以本發明人乃設計一個LED手電筒內嵌電子羅盤並配合雷射模組，當手電筒指向北方時會將雷射模組開啟，讓使用者可以輕易得知北方的位置，而不會迷失方向進而達到導航功能。

為使本發明技術領域中具有通常知識者，能依據本發明所揭示的內容據以實施，以及本發明未為習知技術所揭露，具有新穎性及進步性等專利要件，茲將現有技術水平說明如后。

a)半導體雷射：

「雷射」是由英文laser音譯而來，而這英文名詞則是由light amplification by stimulated emission of radiation的字首所組成；中國大陸意譯為「激光」，顧名思義，即光可藉由激發放射而放大的一種裝置。雷射的發明可以追溯到1958年，物理學家夏樂(Arthur L. Schawlow)和湯里士(Charles H. Townes)在《物理評論》(Physical Review)上發表一篇名為＜紅外線與光學鎂射＞(Infrared and Optical Masers)的論文，從而開創了一個新的科學領域，並產生了一個具數十億美元產值的新工業，二人先後都獲得諾貝爾物理學獎。

自1960年美國物理學家梅曼(Theodore Malman)首先利用光與共振腔產生雷射光以來，雷射幾乎成為各種領域應用上不可或缺的工具。我們可利用雷射來進行對準定位、量測精確的距離、物體表面的加工、切割與電鍍等工作；而雷射在資訊產品的應用則有光纖通訊、顯示器、消費性的雷射影碟與唱片等；在醫療上，有雷射手術與雷射除斑等。所以，雷射科技將成為廿一世紀的閃耀之星。

半導體雷射或稱雷射二極體具有體積輕巧、效益高、消耗功率小、使用壽命長、以及容易由電流大小來調制其輸出功率、調制頻率可達十億赫茲等特性。這些特性使它廣泛應用於資訊處理、光纖通訊、家電用品及精密測量上。而且，因製作精細、技術層次高，對於整體光電產業而言，具有舉足輕重的地位，也是關鍵性元件。

b)雷射二極體的特性：

雷射二極體的注入電流必須大於臨界電流密度，才能滿足居量反轉條件而發出雷射光。臨界電流密度與接面溫度有關，並且間接影響效益。高溫操作時，臨界電流提高，效益降低，甚至損壞元件。當雷射二極體注入電流在臨界電流密度以下時，發光機制主要是自發放射，光譜分散較廣，頻寬大約在100到500埃(奈米，原子直徑的數量級就是幾個)之間。但當電流密度超過臨界值時，就開始產生振盪，最後只剩下少數幾個模態，而頻寬也減小到30埃以下。而且，雷射二極體的消耗功率極小，以雙異質結構雷射為例，最大的額定電壓通常低於2伏特，輸入電流則在15到100毫安培之間，消耗功率往往不到一瓦特，而輸出功率達數十毫瓦特以上。雷射二極體的特色之一，是能直接從電流調制其輸出光的強弱。因為輸出光功率與輸入電流之間多為線性關係，所以雷射二極體可以採用類比或數位電流直接調制輸出光的強弱，省掉昂貴的調制器，使二極體的應用更加經濟實惠。

c)電子羅盤：

電子羅盤，也叫數字羅盤，是利用地磁場來定北極的一種方法。古代稱為羅經，現代利用先進加工工藝生產的磁阻傳感器為羅盤的數字話提供了有力的幫助。現在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的電子羅盤。雖然GPS在導航、定位、測速、定向方麵有著廣泛的應用，但由於其信號常被地形、地物遮擋，導致精度大大降低，甚至不能使用。尤其在高樓林立城區和植被茂密的林區，GPS信號的有效性僅為60%。並且在靜止的情況下，GPS也無法給出航向信息。為彌補這一不足，可以采用組合導航定向的方法。電子羅盤產品正是為滿足用戶的此類需求而設計的。它可以對GPS信號進行有效補償，保證導航定向信息100%有效，即使是在GPS信號失鎖後也能正常工作，做到“丟星不丟向”。電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤，平面電子羅盤要求用戶在使用時必須保持羅盤的水平，否則當羅盤發生傾斜時，也會給出航向的變化而實際上航向並沒有變化。雖然平面電子羅盤對使用時要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平的話，平面羅盤是一種性價比很好的選擇。三維電子羅克服了平面電子羅盤在使用中的嚴格限制，因為三維電子羅盤在其內部加入了傾角傳感器，如果羅盤發生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償，這樣即使羅盤發生傾斜，航向數據依然準確無誤.有時為了克服溫度漂移，羅盤也可內置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

總結一下，典型的數字羅盤具有一下特點：

1.三軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。

2.高速高精度a/d轉換。

3.內置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。

4.內置微處理器計算傳感器與磁北夾角。

5.具有簡單有效的用戶標校指令。

6.具有指向零點修正功能。

7.外殼結構防水，無磁。

電子羅盤的原理是測量地球磁場，如果在使用的環境中有除了有地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時，那麼電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了。

電子羅盤可以檢測接收設備與地球南北極之間的角度，從而獲得接收設備的方向。它的缺點是精度很低，而且容易受到磁性物體的影響。主要有基於霍耳效應(hall-effect)的電子羅盤和磁通門(flux-gate)羅盤。

如圖5所示，霍耳效應的原理大致是：在導電材料的薄平面上經過一個電流(見圖5中的x)，那麼在與電流垂直的方向上將產生一個hall bar和電磁場(y)，同時在電流路徑和電磁場的某個角度上產生霍耳電勢(z)。在基於霍耳效應的元件裡，將霍耳電勢放大並經過比較器輸出數字信號。霍耳效應常用於二維定位感應(binary position sensing)，還有另外一種用於絕對定位的類比霍耳感應則用的比較少。總的來說，基於霍耳效應的感測器內部沒有移動的結構，這是它相比其他感測器的一個優點，特別是跟MEMS感測器相比這種傳感器具有更加長的使用壽命。

如圖6所示的磁通門羅盤，係包含一個交流電磁場系統，當存在一個外部磁場(directed outside magnetic field)的作用下這個系統將失去平衡。這種失衡的狀態將在系統的線圈上產生一個電壓，從這個電壓的相位和振幅可以反映出系統的相對方位。在圖中的α即為與地球南北極所形成的角度偏差(angular deviation)，Uex為激勵電壓(excitation voltage)，Uo為輸出電壓，1、2、3分別為電磁場線圈的磁芯。

本發明之主要目的，在提供一種可使導航模組簡單、有效地建置在手電筒上，使手電筒兼具有照明及導航雙重功能，讓使用者攜帶手電筒時，能方便且輕易地得知北方的位置，不會迷失方向進而達到導航功能之技術。

達成上述目的之技術手段，其基本構造係包括有一手電筒照明模組，該手電筒照明模組包括有一發光模組、一第一開關、一電源裝置及一本體，該本體供該發光模組、該第一開關及該電源裝置設置的手電筒本體，該發光模組包括有至少一發光元件，該電源裝置供應該發光模組所需電源，該第一開關用以控制供應至該發光模組之電源的啟閉，以控制該發光元件之亮滅。本發明之技術手段的特徵，係該本體上更設計有一電子式航向指示模組，該電子式航向指示模組一併由該電源裝置供應所需電源，並包括有一第二開關，該第二開關用以控制該電子式航向指示模組之啟閉，當該電子式航向指示模組開啟時可對使用者進行方向之指示。

請參看圖1所示，本發明在研發設計一種具導航功能之手電筒，其一種具體實施例中的基本構造，係包括有一手電筒照明模組10，該手電筒照明模組10包括有一發光模組11、一第一開關13、一電源裝置14及一本體15，該本體15為一個供該發光模組11、該第一開關13及該電源裝置14設置的手電筒本體，該發光模組11包括有至少一發光元件12，該電源裝置14供應該發光模組11之發光元件12發亮所需的電源，該第一開關13用以控制供應至該發光模組11之電源的啟閉，以控制該發光元件12之亮滅。本發明一種較佳實施例中，該發光元件12為發光二極體LED，且數量為複數個。

如圖1所示，本發明之技術特徵，係該本體15上更設計有一電子式航向指示模組20，該電子式航向指示模組20一併由該電源裝置14供應所需電源，並包括有一第二開關21，該第二開關21用以控制該電子式航向指示模組20之啟閉，當該電子式航向指示模組20開啟時可對使用者進行方向之指示。

如圖1所示，本發明一種更具體的實施例中，該電子式航向指示模組20係包括有：一電子羅盤22；一方向選擇旋鈕23，其可供使用者旋轉以選擇一指定方向；一雷射模組24；及一微控制器25，其與該電子羅盤22、該方向選擇旋鈕23及該雷射模組24電性連接；以該第二開關21啟動該微控制器25，接收方向選擇旋鈕23的指定方向之方向值，控制使電子羅盤22及雷射模組24運轉，令電子羅盤22測量地磁之X軸與Y軸之變化量，並計算出一頭向角度，當該頭向角度之方向為該方向選擇旋鈕23之指定方向一致時，發出紅色鐳射光。

請參看圖1及圖2所示，本發明一種較佳實施例中，該微控制器25晶片內寫入有一主程式，該主程式之流程係當系統啟動時，先將該微控制器25、該微控制器25之I/O及該電子羅盤22初始化，並將該電子羅盤22重置以獲得最正確的資料，再進行主程式迴圈如下：擷取方向選擇旋鈕23之方向數據；再命令電子羅盤22測量地磁之X軸與Y軸之變化量，接著等待30ms讓電子羅盤22計算數據，等待30ms結束後讀取電子羅盤22測得的X軸與Y軸之值並計算之，以求得一頭向角度；及當求得該頭向角度後，判斷其頭向角度是否在方向選擇旋鈕23的方向值之正負3度範圍內，若是，令雷射模組24啟動發出紅色雷射光，若否，則關閉雷射模組24。

如圖1所示，其顯示本發明所設計的一種具導航功能之LED手電筒之系統架構，整個系統使用一顆DC7.4V鋰電池做為電源，開關1為控制LED之亮滅，第二開關21為雷射指北功能之手電筒功能開關，當第二開關21打開始，將電源裝置14、微控制器25、電子羅盤22與雷射模組24連接並啟動指北功能。方向選擇旋鈕23為一個可360旋轉之旋鈕，將所指定之方向的方向值輸入至微控制器25。

如圖2所示，其為本發明之微控制器晶片內主程式之流程圖。當系統啟動時，將微控制器25、I/O、與電子羅盤22初始化，之後將電子羅盤22重置以獲得最正確的資料。接下來是主程式迴圈，圖取方向選擇旋鈕23之方向數據，再命令電子羅盤22測量地磁之X軸與Y軸之變化量以計算出頭向角度，接著等待30ms讓電子羅盤22計算數據，等待30ms結束後讀取電子羅盤22所測量的X軸與Y軸之值並計算之。當讀取到頭向角度後，判斷頭向角度是否在方向選擇旋鈕23方向值之正負3度範圍內，若是，令雷射模組24啟動發出紅色雷射光，若否，則關閉雷射模組24。以上步驟為主程式迴圈之流程。

如圖3所示，為本發明之硬體正面之示意圖。本圖為硬體之正面示意圖，以下茲就各單元做說明。

A：LED發光模組11，負責照明功能。

B：雷射模組24，當方向為方向選擇旋鈕23之方向時，發出紅色鐳射光。

C：方向選擇旋鈕23，可供使用者旋轉以選擇一指定方向。

D：LED手電筒功能按鈕式第一開關13，控制LED發光模組11的亮與滅。

E：啟動微控制器25，感測方向與控制雷射模組24。

F：為電路板之基板26，將上述所有模組放置在該基板26上。如圖4所示，為本發明之硬體背面示意圖。以下茲就各單元做說明。

G：電子電路區域，電子羅盤22與微控制器25之位置。

H：電池區域，放置鋰電池之位置。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，舉凡依據下列申請專利範圍所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明之機構，除上述優點外，並深具產業之利用性，可有效改善習用所產生之缺失，而且所具體界定於申請專利範圍之特徵，未見於同類物品，故而具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

10．．．手電筒照明模組

11．．．發光模組

12．．．發光元件

13．．．第一開關

14．．．電源裝置

15．．．本體

20．．．航向指示模組

21．．．第二開關

22．．．電子羅盤

23．．．方向選擇旋鈕

24．．．雷射模組

25．．．微控制器

26．．．基板

圖1系統架構圖；

圖2軟體流程圖；

圖3硬體正面示意圖；

圖4硬體反面示意圖；

圖5習知霍爾效應原理示意圖；及

圖6習知磁通門羅盤示意圖。

10‧‧‧手電筒照明模組

11‧‧‧發光模組

12‧‧‧發光元件

13‧‧‧第一開關

14‧‧‧電源裝置

20‧‧‧航向指示模組

21‧‧‧第二開關

22‧‧‧電子羅盤

23‧‧‧方向選擇旋鈕

24‧‧‧雷射模組

25‧‧‧微控制器

Claims (3)

1. 一種具導航功能之手電筒，其包括有一手電筒照明模組，該手電筒照明模組包括有一發光模組、一第一開關、一電源裝置及一本體，該本體為一個供該發光模組、該第一開關及該電源裝置設置的手電筒本體，該發光模組包括有至少一發光元件，該電源裝置供應該發光模組所需電源，該第一開關用以控制供應至該發光模組之電源的啟閉，以控制該發光元件之亮滅，其中，該本體上加設有一電子式航向指示模組，該電子式航向指示模組由該電源裝置供應所需電源，並包括有一第二開關，該第二開關用以控制該電子式航向指示模組之啟閉，當該電子式航向指示模組開啟時可對使用者進行方向之指示，該電子式航向指示模組包括有：一電子羅盤，用以測量地磁之X軸與Y軸之變化量，以測得一頭向角度；一方向選擇旋鈕，可供一使用者旋轉以選擇一指定方向；一雷射模組，當該頭向角度之方向與該方向選擇旋鈕之指定方向一致時，發出紅色鐳射光；及一微控制器，其與該電子羅盤、該方向選擇旋鈕及該雷射模組電性連接，該第二開關用以啟動該微控制器，該微控制器接收該方向選擇旋鈕之該指定方向的方向值，並控制該電子羅盤及該雷射模組運轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具導航功能之LED手電筒，其中，該微控制器晶片內寫入有一主程式，該主程式之流程係當系統啟動時，先將該微控制器、該微控制器之I/O、與該電子羅盤初始化， 並將該電子羅盤重置已獲得最正確的資料，再進行主程式迴圈如下：擷取該方向選擇旋鈕之該方向值數據；再命令該電子羅盤測量地磁之X軸與Y軸之變化量，接著等待30ms讓該電子羅盤計算數據，等待30ms結束後讀取該電子羅盤X軸與Y軸之值並計算之，以求得該頭向角度；及當求得該頭向角度後，判斷該頭向角度是否在該方向選擇旋鈕之方向值之正負3度範圍內，若是，令該雷射模組啟動發出紅色雷射光，若否，則關閉該雷射模組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具導航功能之LED手電筒，其中，該發光元件為發光二極體LED，且數量為複數個。