鞋垫式压电发电的制造方法
【专利摘要】本发明提出一种鞋垫式压电发电机，包括：上保护层和下保护层，上保护层位于下保护层之上，上保护层和下保护层均为鞋垫形状；至少一个压电发电单元，至少一个压电发电单元位于上保护层和下保护层之间，每个压电发电单元包括：上齿层和下齿层，上齿层位于下齿层之上，上齿层的下表面包括交替排列的上齿条和上齿槽，下齿层的上表面包括交替排列的下齿槽和下齿条，上齿条与下齿槽相对并且上齿槽与下齿条相对；和压电薄膜，压电薄膜位于上齿层和下齿层之间；以及电源管理模块，电源管理模块位于上保护层和下保护层之间，电源管理模块与各个压电发电单元中的压电薄膜相连。本发明的鞋垫式压电发电机，结构简单、脚感舒适、适用于普通鞋子。
【专利说明】鞋垫式压电发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种鞋垫式压电发电机。
【背景技术】
[0002]日常生活中，人体时时刻刻都在消耗能量，并将能量耗散在环境中。利用这一特点，人们已经设计出各类可穿戴的、用于收集人体能量的器件。其中，能够收集人体运动产能的鞋内发电机是一个重要方向。目前，典型的鞋内发电机有采用压电陶堆叠的鞋内压电发电机、利用压电陶瓷和压电薄膜制作的复合式鞋内发电机和静电发电机等。此类鞋内发电机虽然起到了能量收集的作用，但均具有普适性差、舒适性差、结构复杂且耐久性不足的缺点，不利于鞋内发电机的市场化、商品化。
【发明内容】
[0003]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0004]为此，本发明的目的在于提出一种具有良好舒适性、普遍适用于各类鞋子的鞋垫式压电发电机。
[0005]在本发明的一个实施例中，鞋垫式压电发电机，包括:上保护层和下保护层，所述上保护层位于所述下保护层之上，所述上保护层和所述下保护层均为鞋垫形状；至少一个压电发电单元，所述至少一个压电发电单元位于所述上保护层和所述下保护层之间，每个所述压电发电单元包括:上齿层和下齿层，所述上齿层位于所述的下齿层之上，所述上齿层的下表面包括交替排列的上齿条和上齿槽，所述下齿层的上表面包括交替排列的下齿槽和下齿条，所述上齿条与所述下齿槽相对并且所述上齿槽与所述下齿条相对；和压电薄膜，所述压电薄膜位于所述上齿层和所述下齿层之间；以及电源管理模块，所述电源管理模块位于所述上保护层和所述下保护层之间，所述电源管理模块与所述至少一个压电发电单元中的所述压电薄膜相连。
[0006]在本发明的一个实施例中，所述鞋垫式压电发电机包括两个所述压电发电单元，两个所述压电发电单元分别位于所述鞋垫式压电发电机中前脚掌对应位置和后脚跟对应位置，并且所述电源管理模块位于所述鞋垫式压电发电机中的足弓对应位置。
[0007]在本发明的一个实施例中，电源管理模块具体包括:整流模块，所述整流模块与所述压电薄膜相连，用于将交流电整流为直流电；储能模块，所述储能模块与所述整流模块相连，用于储存电能；和输出控制模块，所述输出控制模块与所述储能模块相连，用于控制电能输出。
[0008]在本发明的一个实施例中，所述压电薄膜的材料为聚偏氟乙烯。
[0009]在本发明的一个实施例中，所述压电薄膜的厚度范围为10?1000 iim。
[0010]在本发明的一个实施例中，所述压电薄膜的压电应变常数满足d31>10pC/N并且d33>10pC/N。
[0011]在本发明的一个实施例中，所述压电薄膜的弹性极限大于lOMpa。[0012]在本发明的一个实施例中，所述上齿层和所述下齿层的材料为软质材料。
[0013]在本发明的一个实施例中，所述上齿条和所述下齿条的截面为梯形、三角形、弓形或矩形。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述上齿层和所述下齿层之间包括多层压电薄膜，所述多层压电薄膜堆叠放置且并联连接，所述堆叠放置的各个所述压电薄膜的表面绝缘。
[0015]根据本发明实施例的鞋垫式压电发电机，结构简单、脚感舒适、适用于普通鞋子。
[0016]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0018]图1是本发明实施例的鞋垫式压电发电机的俯视图示意图；
[0019]图2是图1所示的鞋垫式压电发电机的A-A截面的主视图；
[0020]图3是图1所述的鞋垫式压电发电机的压电发电单元的结构示意图；
[0021]图4a是本发明实施例的鞋垫式压电发电机受力时压电发电单元的状态示意图；
[0022]图4b是本发明实施例的鞋垫式压电发电机未受力时压电发电单元的状态示意图；
[0023]图5是本发明实施例的鞋垫式压电发电机中压电单元和电源管理模块的布局示意图；
[0024]图6是本发明实施例的鞋垫式压电发电机中电源管理模块的框架图；
[0025]图7a是本发明实施例的具有三角形齿单元的压电发电单元的结构示意图；
[0026]图7b是本发明实施例的具有矩形齿单元的压电发电单元的结构示意图；和
[0027]图8是本发明实施例的鞋垫式压电发电机中具有弓形齿单元的上齿层、下齿层的齿单元示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0029]根据本发明实施例的鞋垫式压电发电机，可以包括:上保护层1、下保护层2、至少一个压电发电单元3和电源管理模块4。其中，如图1所示，上保护层I位于下保护层2之上，上保护层I和下保护层2均为鞋垫形状。如图2所示，至少一个压电发电单元3和电源管理模块4位于上保护层I和下保护层2之间，并且电源管理模块4与至少一个压电发电单元3相连。需要说明的是，本领域技术人员还可以根据需要灵活在鞋垫式压电发电机中合适位置添加固定附件以固定各个部件。
[0030]如图3所示，每个压电发电单元3具体包括:上齿层31、下齿层32和压电薄膜33。上齿层31位于下齿层32之上。上齿层31的下表面包括交替排列的上齿条31a和上齿槽31b。下齿层32的上表面包括交替排列的下齿槽32a和下齿条32b。上齿条31a与下齿槽32a相对并且上齿槽31b与下齿条32b相对。一个齿槽和一个齿条构成一个齿单兀。压电薄膜33位于上齿层31和下齿层32之间，压电薄膜33与电源管理模块4相连。
[0031]为使本领域更好地理解本发明，下面对本发明述实施例的鞋垫式压电发电机工作过程介绍如下:
[0032]图4a是足部着地、鞋垫式压电发电机受力时，压电发电单元的状态的示意图。在运动时，足部对鞋垫不断施加周期性的外力。足部着地后，足底压力由足跟向前掌移动。当足部着地后，由于足底压力的作用，鞋垫表面受力，上齿层31和下齿层32啮合，位于上齿层31和下齿层32间的压电薄膜33在左、右方向发生拉伸变形、在上、下方向发生压缩变形。由于压电薄膜33的材料具有压电效应,压电薄膜33的表面产生电荷,产生的电荷被电源管理模块4收集并储存。
[0033]图4b是足部离地、鞋垫式压电发电机未受力时，压电发电单元的状态的示意图。在足部离地的过程中，足底压力减小，鞋垫表面压力减小。压电薄膜33在自身张力的作用下推动上齿层31和下齿层32分离，压电薄膜33在左、右向发生的拉伸应变和上、下方向发生的压缩应变逐步减小至初值，并伴随在压电薄膜33的表面产生异号电荷(相对于足部着地时的情况)，产生的电荷被电源管理模块4整流、收集并储存。当足部完全离地后，鞋垫式压电发电机不再输出电荷，直至下次足部着地。伴随周期性的外力，本发明实施例的鞋垫式压电发电机输出周期性的电荷，产生的电荷被电源管理模块4收集并储存。根据负载需要，电源管理模块4可以将电能输出。
[0034]在本发明的一个实施例中，如图5所示，鞋垫式压电发电机可以包括两个压电发电单元3。两个压电发电单元3分别位于鞋垫式压电发电机中前脚掌对应位置和后脚跟对应位置，并且电源管理模块4位于鞋垫式压电发电机中的足弓对应位置。
[0035]根据上述实施例的鞋垫是压电发电机，根据足部的结构和运动特点的设计布局，符合人体工学的特征。另外，本发明实施例的鞋垫式压电发电机整体采用柔性材料制作，鞋垫式的外形且厚度与一般鞋垫相仿，具有良好的舒适性。
[0036]在本发明的一个实施例中，如图6所示电源管理模块4具体包括:整流模块41、储能模块42和输出控制模块43。
[0037]其中，整流模块41，整流模块41与压电薄膜33相连，用于将交流电整流为直流电。储能模块42与整流模块41相连，用于储存电能。输出控制模块43与储能模块42相连，用于控制电能输出。需要说明的是，电源管理模块4可由技术人员根据需要灵活选用集成电路芯片、储能元件、贴片元器件、柔性电路板组成，具体细节本文不赘述。
[0038]根据上述实施例的鞋垫式压电发电机的电源管理模块4不仅实现了能量收集、储存和输出的功能，而且具备低功耗、微体积、可弯曲的特点。
[0039]此外，为保证本发明实施例的鞋垫式发电机具有良好的舒适性，对齿单元的齿形结构的形状做了特殊的设计。除图3、图4a和图4b所示的梯形齿形结构和弓形齿形结构夕卜，还可以为三角形齿形结构或矩形齿形结构，分别如图7a和图7b所示。
[0040]根据上述实施例的鞋垫式压电发电机的结构设计，当上齿条(上齿槽)和下齿槽(下齿条)啮合时，使压电薄膜工作在弹性范围内，既保证压电薄膜不发生塑性形变、增强系统的耐久性，又保证压电薄膜的产能效率高。
[0041]在本发明的一个实施例中，上保护层I和下保护层2可以采用织物，使其更加柔软、耐磨、舒适。
[0042]在本发明的一个实施例中，上齿层31和下齿层32的制作材料为软质材料，如硅胶、橡胶、高密度海绵等等。由于这些材料具有弹性好、易于获得、成本较低的优点，因此使得制作本发明的鞋垫式压电发电机制作方便，经济实用。
[0043]在本发明的一个实施例中，压电薄膜33的材料可以为聚偏氟乙烯(PolyVinylidene Fluoride,PVDF)。PVDF主要是指偏氟乙烯均聚物或者偏氟乙烯与其他少量含氟乙烯基单体的共聚物，PVDF树脂兼具氟树脂和通用树脂的特性，除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性能外,还具有压电性、介电性、热电性等特殊性能。采用此种材料使得本发明的鞋垫式发电机具有耐磨，使用长久的优点。
[0044]在本发明的一个实施例中，压电薄膜33的厚度范围为10?IOOOii m。保证了本发明的鞋垫式压电机与一般鞋垫的厚度相仿，具有良好的舒适性。
[0045]在本发明的一个实施例中，压电薄膜33的压电应变常数满足d31>10pC/N，并且d33>10pC/N。d31是压电薄膜33在左、右方向上发生拉伸变形，在其表面产生的电荷量的度量参数。d33是压电薄膜33在上、下方向发生压缩变形，在其表面产生的电荷量的度量参数。选择在此范围内的压电应变常数保证了本发明的鞋垫式压电机能产生有足够大的电荷量。
[0046]在本发明的一个实施例中，压电薄膜33的弹性极限大于lOMpa。该实施例的鞋垫式发电机在运动过程中，不会因压力过大而发生塑性形变，耐用性好。
[0047]在本发明的实施例中选用压电薄膜的材料具有厚度尽可能薄、压电应变常数尽可能高、弹性极限尽可能高的特性。并将多层压电薄膜并联使用，从而增加输出电荷。
[0048]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。
[0049]在本发明的一个实施例中鞋垫式压电发电机的上保护层和下保护层的制作材料为织物，上齿层和下齿层采用硅胶制作。压电薄膜采用8层厚度为30 y m的、由聚偏氟乙烯材料制作而成的压电薄膜并联而成。PVDF的杨氏模量为2500MPa，弹性极限为50MPa，压电应变常数d33=-21X10_12C/N、d31=17X10_12C/N，相对介电常数为10。上齿层和下齿层的齿单元形状为弓形，长L=10mm、夹角a =39°，如图8所示。足跟处和前掌的面积分别近似为50 X 60mm2、80 X 90mm2，足跟处和前掌处的压电发电单元中分别有6对和9对齿单元，结合图5。用户每走一步，可产生130 y C的电荷。若电源管理电路中储能模块的储能元件为
2.2iiF的电容，则电容电压上升59V，能量增加3.84mJ。若人的步频为I?2Hz，则鞋垫式压电发电机的功率可达3.84?7.68mW，可满足某些消费电子的能量需求。
[0050]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0051]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。[0052]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0054]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
[0055]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种鞋垫式压电发电机，其特征在于，包括: 上保护层和下保护层，所述上保护层位于所述下保护层之上，所述上保护层和所述下保护层均为鞋垫形状； 至少一个压电发电单元，所述至少一个压电发电单元位于所述上保护层和所述下保护层之间，每个所述压电发电单元包括: 上齿层和下齿层，所述上齿层位于所述下齿层之上，所述上齿层的下表面包括交替排列的上齿条和上齿槽，所述下齿层的上表面包括交替排列的下齿槽和下齿条，所述上齿条与所述下齿槽相对并且所述上齿槽与所述下齿条相对；和 压电薄膜，所述压电薄膜位于所述上齿层和所述下齿层之间；以及 电源管理模块，所述电源管理模块位于所述上保护层和所述下保护层之间，所述电源管理模块与所述各个压电发电单元中的所述压电薄膜相连。
2.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述鞋垫式压电发电机包括两个所述压电发电单元，两个所述压电发电单元分别位于所述鞋垫式压电发电机中前脚掌对应位置和后脚跟对应位置，并且所述电源管理模块位于所述鞋垫式压电发电机中的足弓对应位置。
3.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，电源管理模块具体包括: 整流模块，所述整流模块与所述压电薄膜相连，用于将交流电整流为直流电； 储能模块，所述储能模块与所述整流模块相连，用于储存电能；和 输出控制模块，所述输出控制模块与所述储能模块相连，用于控制电能输出。
4.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述压电薄膜的材料为聚偏氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述压电薄膜的厚度范围为 10 ?1000 Ii m。
6.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述压电薄膜的压电应变常数满足 d31>10pC/N 并且 d33>10pC/N。
7.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述压电薄膜的弹性极限大于lOMpa。
8.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述上齿层和所述下齿层的材料为软质材料。
9.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述上齿条和所述下齿条的截面为梯形、三角形、弓形或矩形。
10.根据权利要求1所述的鞋垫式压电发电机，其特征在于，所述上齿层和所述下齿层之间包括多层压电薄膜，所述多层压电薄膜堆叠放置且并联连接，所述堆叠放置的各个所述压电薄膜的表面绝缘。
【文档编号】H02N2/18GK103580535SQ201310513591
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】尤政, 赵精晶, 赵嘉昊 申请人:清华大学