一种压电发电鞋的制作方法

本发明属于生活用品领域，涉及发电鞋，具体涉及一种压电发电鞋。

背景技术：

日常生活中，人们处于行走状态的时候，时时刻刻都在消耗能量并将这些能量耗散在环境中。目前已经出现一些鞋子，利用鞋子内部的转化装置在将人体行走时的动能转化为电能。但是这些鞋子的转化装置往往采用复杂的机械结构，机械传动易磨损和出故障。若这些鞋子能将转化的电能存储并适用于手机、mp3等低功率的电子设备进行充电，则这些鞋子将会受到人们的青睐和具有广泛的市场前景。

现有技术公开了一种压电发电鞋子，包括鞋底，所述鞋底前脚掌处设置有两片以上的压电陶瓷片，所述鞋底后跟处的内腔中设置有整流滤波模块和储能放电模块，所述鞋底跟上设置有通用异步收发传输器转接口，所述压电陶瓷片并联接入整流滤波模块，所述整流滤波模块与储能放电模块连接，所述通用异步收发传输器转接口与储能放电模块连接。

现有技术中还公开了一种将机械能转换为电能的多功能发电鞋，包括整体框架结构，和安装在该整体框架结构内的压电发电装置、电磁感应发电装置、光能发电装置、整流稳压超级电容电路、加热装置、计步器装置、自动系鞋带装置、电量显示装置、感光照明装置，各部件相互配合能够将人体耗散的机械能收集并转换成为电能。本发明提供的多功能发电鞋具有发电量大、重量轻、结构稳定、成本低。

虽然现有技术中已经公开了发电鞋子，但是现有技术中的发电鞋子对鞋底压力的利用率太低，压电陶瓷片布局不合理，难以高效发电。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足与缺陷，本发明的目的在于提供一种压电发电鞋，解决现有技术中的压电发电鞋子的力电转换效率低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种压电发电鞋子，包括鞋底，所述的鞋底从前端至后端依次设置有与人体脚掌对应的趾骨区、跖骨区、足弓区和足跟区；所述的趾骨区包括位于鞋底内侧的第一趾骨区和位于鞋底外侧的第二至第五趾骨区；所述的跖骨区包括位于鞋底内侧的第一和第二跖骨区和位于鞋底外侧的第三至第五跖骨区；所述的足弓区包括位于鞋底内侧的内足弓区和位于鞋底外侧的外足弓区；

所述的第一趾骨区、第一和第二跖骨区、第三至第五跖骨区、外足弓区和足跟区内均安装有压垫片；所述的第一和第二跖骨区内的压垫片的厚度大于等于足跟区内的压垫片的厚度；所述的足跟区内的压垫片的厚度大于第三至第五跖骨区内的压垫片的厚度；所述的第三至第五跖骨区内的压垫片的厚度大于等于第一趾骨区内的压垫片的厚度；所述的第一趾骨区的压电片的厚度大于外足弓区内的压垫片的厚度。

本发明还具有如下技术特征：

所述的压垫片采用基于d33换能模式的压电陶瓷制成。

所述的第一和第二跖骨区内的压垫片的厚度为足跟区内的压垫片的厚度的1～1.5倍；所述的足跟区内的压垫片的厚度为第三至第五跖骨区内的压垫片的厚度的1.5～2倍；所述的第三至第五跖骨区内的压垫片的厚度为第一趾骨区内的压垫片的厚度的1～1.5倍；所述的第一趾骨区的压电片的厚度为外足弓区内的压垫片的厚度的1.5～2倍；。

所述的第二至第五趾骨区内安装有整流滤波模块和储能放电模块，所述压垫片并联接入整流滤波模块，所述整流滤波模块与储能放电模块连接。

所述的储能放电模块上设置有通用异步收发传输器转接口。

所述的内足弓区的宽度为外足弓区宽度的2倍。

所述的鞋底采用弹性材料制成。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(ⅰ)本发明的发电鞋根据鞋底不同分区收到压强大小不同的生理特性，布设不同厚度的发电片，布局合理，能够最大程度地实现力电转换，提高发电鞋的力电转换效率。

(ⅱ)本发明的各压电片近似矩形或圆形，可根据需要多层布设或多个小压电片拼装，因而压电片数量众多，发电量大。

(ⅲ)本发明的发电鞋构造简单，易于生产，机械能损失少，最大程度的利用使用者行走过程中的荷载。

附图说明

图1是本发明的鞋底分区和亚垫片的布设结构示意图。

图2是实施例1的压电发电鞋的结构示意图。

图3是实施例2的压电发电鞋的结构示意图。

图4是人体足底压强分布示意图。。

图5是各种压电片的力-电转换模式示意图。

图中各个标号的含义为：1-第一趾骨区，2-第二至第五趾骨区，3-第一和第二跖骨区，4-第三至第五跖骨区，5-内足弓区，6-外足弓区，7-足跟区，8-鞋底，9-有压垫片，10-高鞋跟，11-压电换能装置，12-整流滤波模块，13-储能放电模块；1101-刚性壳体，1102-承压盖板，1103-传力机构，1104-基于d15换能模式的压电换能机构。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是，根据申请人的大量测试和研究表明，对于一般正常人而言，足底各部位压强的大小排列顺序如图4所示，从大到小依次是所述的第一和第二跖骨区3＞足跟区7＞第三至第五跖骨区4＞第一趾骨区1＞外足弓区6＞第二至第五趾骨区2。

需要说明的是：所述的压垫片采用基于d33换能模式的压电陶瓷制成，即采用d33换能模式的压电发电片，所述的基于d15换能模式的压电换能机构中采用的压电俘能器记为第二压电片，第二压电片采用基于d15换能模式的压电陶瓷制成，即采用d15换能模式的压电发电片，均为已知的市售产品。d15和d33换能模式的指的是：某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应。

依据压电材料电荷产生特性的不同，如图5所示，可将正压电效应的力-电转换模式分为三种类型：

(a)d31模式，沿电轴x方向施加作用力f，在与光轴z垂直的平面上产生电荷；

(b)d33模式，沿光轴z方向施加作用力f，在与光轴z垂直的平面上产生电荷；

(c)d15模式，沿f方向施加剪切力f，在与电轴x垂直的平面上产生电荷。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例：

遵从上述技术方案，本实施例给出一种压电发电鞋，如图1和图2所示，包括鞋底8，所述的鞋底8从前端至后端依次设置有与人体脚掌对应的趾骨区、跖骨区、足弓区和足跟区7；所述的趾骨区包括位于鞋底8内侧的第一趾骨区1和位于鞋底8外侧的第二至第五趾骨区2；所述的跖骨区包括位于鞋底8内侧的第一和第二跖骨区3和位于鞋底8外侧的第三至第五跖骨区4；所述的足弓区包括位于鞋底8内侧的内足弓区5和位于鞋底8外侧的外足弓区6；

本实施例中，鞋底8分区的划分和确定基于人体脚掌的生理学特性进行分区，对于本领域的一般技术人员而言，在本申请的分区方式的指导下即可实现上述分区。

所述的第一趾骨区1、第一和第二跖骨区3、第三至第五跖骨区4、外足弓区6和足跟区7内均安装有压垫片9；所述的第一和第二跖骨区3内的压垫片9的厚度大于等于足跟区7内的压垫片9的厚度；所述的足跟区7内的压垫片9的厚度大于第三至第五跖骨区4内的压垫片9的厚度；所述的第三至第五跖骨区4内的压垫片9的厚度大于等于第一趾骨区1内的压垫片9的厚度；所述的第一趾骨区1的压电片的厚度大于外足弓区6内的压垫片9的厚度。

所述的压垫片9采用基于d33换能模式的压电陶瓷制成。

作为本实施例的一种优选方案，所述的第一和第二跖骨区3内的压垫片9的厚度为足跟区7内的压垫片9的厚度的1～1.5倍；所述的足跟区7内的压垫片的厚度为第三至第五跖骨区4内的压垫片9的厚度的1.5～2倍；所述的第三至第五跖骨区4内的压垫片9的厚度为第一趾骨区1内的压垫片9的厚度的1～1.5倍；所述的第一趾骨区1的压电片9的厚度为外足弓区6内的压垫片9的厚度的1.5～2倍；。

作为本实施例的一种进一步方案，所述的第二至第五趾骨区2内安装有整流滤波模块12和储能放电模块13，所述压垫片9并联接入整流滤波模块12，所述整流滤波模块12与储能放电模块13连接。优选的，所述的储能放电模块13上设置有通用异步收发传输器转接口。其中，整流滤波模块、储能放电模块和通用异步收发传输器转接口均为现有技术中已知的产品，在本申请技术方案的指导下，本领域技术人员进行常规连接和布设即可实现。在第二至第五趾骨区2布设上述部件，是因为第二至第五趾骨区2的鞋底8对应受到的压强相对最小，能够保护上述部件，也能够将受到压强较大的区域预留出来设置压电片9，提高力电转换效率。

作为本实施例的一种具体方案，内足弓区5的宽度为外足弓区6宽度的2倍。为保证内足弓区5的柔韧性，保证鞋子的舒适性，结合内足弓区5区基本不受力，因此在内足弓区5不布设压电片9.

作为本实施例的一种具体方案，鞋底8采用弹性材料制成。即普通鞋子采用的常规弹性材料即可。

本发明的压电发电鞋使用时，当走路时，人体踩踏地面与抬脚的往复过程，鞋子与地面产生摩擦，位于鞋底8的压电片9受到挤压变形产生产生电能，产生的电能被输送到整流滤波模块12整流滤波后存储到储能放电模块13，本发明获得的电能可根据需要使用，例如用于对鞋子进行加热或制冷，使人在行走时给人体以舒适的行走环境，并且通过走路产生的电能还可以通过usb接口和/或通用异步收发传输器转接口对外界用电设备输出电能。

实施例2：

本实施例给出一种压电发电鞋，如图1和图3所示，该压电发电鞋与实例1基本相同，本实施例中的方案作为实施例1的进一步可选择方案，使用者可以根据需要选择设置或者不设置。具体的，足跟区7的鞋底8底部设置有高鞋跟10，高鞋跟10内设置有压电换能装置11，所述的压电换能装置11包括设置在高鞋跟10内的刚性壳体1101和盖合在刚性壳体1101上的承压盖板1102，所示的承压盖板1102设置在足跟区7内替换压垫片，所述的刚性壳体1101内还安装有传力机构1103和基于d15换能模式的压电换能机构1104；所述的传力机构1103能够将施加在承压盖板1102上的轴向荷载转换为径向荷载传递给基于d15换能模式的压电换能机构1104。

其中：高鞋跟10内设置的压电换能装置11采用申请公布号为cn107681919a的中国专利“一种基于d15换能模式的路用压电发电装置”中公开的基于d15换能模式的路用压电发电装置的等比例缩小的结构，工作原理和方式与该中国专利一致。传力机构1103也采用申请公布号为cn107681919a的中国专利中的传力机构的等比例缩小的结构。基于d15换能模式的压电换能机构1104也采用申请公布号为cn107681919a的中国专利中的基于d15换能模式的压电换能机构的等比例缩小的结构。

本实施例摒弃了单一压电模式，采用基于d15和d33的两种换能模式的压电发电装置。将使用者行走过程中的重力势能和由于摩擦冲击消耗的动能通过发电鞋转化为电能，进一步充分提高了发电鞋中的压电片力-电转换效率。