一種分塊懸臂梁結構的壓電地板裝置制造方法
【專利摘要】本發明一種分塊懸臂梁結構的壓電地板裝置屬于基于壓電材料的能量收集領域，涉及一種分塊懸臂梁結構的壓電地板裝置，將行人踩踏地板產生的勢能通過壓電片轉換電能裝置。該裝置中,不同形狀的整體式壓電地板由若干個六邊形壓電單元組成,每個六邊形壓電單元由蓋板、固定壓板、壓電片、基板、底板和螺釘組成。本發明是把周邊固定支撐方式的多邊形壓電結構通過分塊的方式變成長懸臂梁支撐方式來提高位移量和輸出功率值。應用于行人密集的地方，如火車站，地鐵站，步行街等地，通過連接LED和儲能元件的方式，在行走過程中給行人提供照明，此裝置重量輕、體積小、發電量大，具有廣泛應用的前景。
【專利說明】一種分塊懸臂梁結構的壓電地板裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于基于壓電材料的能量收集領域，涉及一種分塊懸臂梁結構的壓電地板裝置，將行人踩踏地板產生的勢能通過壓電片轉換電能裝置。
【背景技術】
[0002]目前壓電地板結構單元主要有圓盤形壓電結構、疊堆形壓電結構、拱形壓電結構、橋形壓電結構、鈸形壓電結構、懸臂梁等。目前大部分應用于研究的是周邊固定支撐方式的長方形和圓盤形壓電結構，如 2011 年 PisharodyHarikrishnan G 在 Innovative Smart GridTechnologies-1ndia ISGT India, IEEE PES 的第 244-247 頁中發表了題目為 “An optimaldesign for piezoelectric energy harvesting system，，論文。文章中描述了米用壓電圓盤結構制作壓電地毯。中國科學院上海硅酸鹽研究所的專利號201110283546.9，名稱為“一種壓電能量收集單元及其應用”的專利，該專利中采用了圓盤和長方形壓電結構能量收集單元。上述壓電結構技術相對成熟，輸出功率大，結構穩定，承載力大，但是由于方形和圓盤形壓電結構采用周邊固定支撐方式，因此，壓電材料變形小，沒有充分地發揮發電能力。

【發明內容】

[0003]本發明的目的克服現有技術的不足，發明一種分塊懸臂梁結構的壓電地板裝置，發明是將周邊固支或邊界自由支撐的圓盤壓電結構和方形壓電結構通過分塊成六邊形壓電單元的方式，取消相互的制約，使壓電片成為三角形懸臂梁壓電結構；在保持人的踩踏舒適度的前提下，充分利用懸臂梁易產生大撓度的優點來設計發電結構單元提高輸出功率。
[0004]本發明采用的技術方案是一種分塊式壓電懸臂梁的壓電地板裝置，其特征是，該裝置中，不同形狀的整體式壓電地板7由若干個六邊形壓電單元組成，每個六邊形壓電單元由蓋板1、固定壓板2、壓電片3、基板4、底板5和螺釘6組成；基板4安裝在具有內腔的底板5上,六個壓電片3分別粘接在六個基板4的前部三角形部分上,六個基板4以環繞的形式安裝在底板5上；壓板2安裝在基板4上面，使壓電片3成為三角形懸臂梁壓電結構；并通過螺釘6將壓板2、基板4和底板5固定在一起；下表面中心具有一個凸臺的蓋板I安裝在壓板2上面，并使下表面中心凸臺壓在六個壓電片3的三角形頂端。
[0005]本發明的效果和益處與現有技術相比，采用壓電片懸臂梁支撐方式，把整體式壓電結構通過三角形分塊的方式來消除相互制約，使得壓電片變形更大，在保持行走舒適度的前提下通過提高位移量來提高功率。本發明應用于行人密集的地方，比如火車站，地鐵站，步行街等地通過連接LED和儲能元件的方式，在行走過程中給行人提供照明，且此結構重量輕體積小發電量大具有廣泛應用的前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是六邊形壓電單元的結構圖。
[0007]圖2是去掉蓋板的六邊形壓電單元結構圖。[0008]圖3是去掉蓋板和壓板的六邊形壓電單元結構圖。其中:1_蓋板、2-固定壓板、3-壓電片、4-基板、5-底板、6-螺釘。
[0009]圖4是安裝有16個頂角為60度的正三角形壓單元的分布示意圖。其中:7_壓電地板。
[0010]圖5是壓電片和基板厚度相同的壓電地板輸出功率曲線圖。其中al-采用頂角為60度的壓電片三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，a2-頂角為90度的壓電片三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，a3-頂角為120度的壓電片三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，a4-圓盤形壓電結構輸出功率曲線圖。
[0011]圖6是自由端位移相同情況下的壓電地板輸出功率比較曲線圖。其中，bl_頂角為60度的三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，b2-頂角為90度的三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，b3-頂角為120度的三角形懸臂梁輸出功率曲線圖，b4-圓盤形壓電結構輸出功率曲線圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0013]壓電地板收集能量是通過利用壓電材料的正壓電效應，把機械能轉換成電能，通過壓電地板把人行走時產生的重力勢能轉換成電能，實時為地面上的LED燈提供電能進行照明。人踩踏所產生的力方向是垂直向下，把這個方向的作用力充分利用起來是設計發電地板的關鍵，因此，本發明的分塊懸臂梁結構的壓電地板能量收集裝置的工作原理是把整體式壓電結構通過分塊形成懸臂梁式壓電地板單元，壓電懸臂梁的形狀來說，近年來研究表明三角形形狀的功率密度比同樣底邊長和高度的長方形大，因此，本專利采用三角形懸臂梁作為分塊式壓電結構單元。不同形狀的整體式結構可以分塊成多個三角形分塊懸臂梁壓電結構，方形結構分成四個直角三角形懸臂梁壓電結構，三角形分成120度三角形懸臂梁壓電結構，六邊形分成六個正三角形懸臂梁壓電結構單元或者其他角度三角形結構，N多邊形可以分塊成底邊等于多邊形的斜邊長、頂角為360/N度的三角形，多個三角形壓電片和基板通過壓板固定在底板上，實時的給LED提供電能。壓電式地板單元結構的關鍵核心是保持人的踩踏舒適度，當人行走時踩踏舒適度范圍在O到3mm之間，因此，向下位移一般不超過3mm的情況下壓電懸臂梁結構產生充分的變形，來提高機電轉換效率。在附圖1、附圖2、附圖3中，該裝置中的六邊形壓電單元由蓋板1、壓板2、壓電片3、基板4、底板5和螺釘6組成。固定壓板2和基板4通過螺釘6固定在底板5上，蓋板I中心的凸起部分壓在壓電片頂端，當有踩踏時，蓋板I的凸起使得壓電片在底板5的內腔空間變形。
[0014]實施例1，采用六邊形壓電單元組成的壓電地板7:
[0015]頂角為60度、斜邊長為25mm的三角形結構的壓電片3和基板4的厚度分別為
0.2mm和0.4mm。壓電片3的材料要根據具體應用來選取。比如，可以選擇壓電單晶，如銀鎂酸鉛-鈦酸鉛PMN-PT、無鉛壓電材料、鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇NBBT等具有較好壓電性能或價格相對廉價的壓電片材料。可以選擇圓形、方形、三角形、六邊形等形狀按尺寸切割，把選取好的六個正三角形壓電片分別粘貼在六個基板4上,六個基板4以環繞的形式安裝在底板5上，裝上壓板2，并用螺釘6固定在底板5。基板4的材質和尺寸可以根據具體需要選取彈性好、可焊性好和抗疲勞性突出的材料，如磷青銅、猛鋼、不銹鋼等。為了使壓電片3產生充分的變形，底板5上具有內腔，固定壓板4采用絕緣、重量輕、有硬度的塑料材料，如選用ABS材料、SLA材料等。利用蓋板I上的凸起使六個壓電三角形懸臂梁同時產生變形，給外接的負載提供電能。圖4是16個六邊形壓電單元組成的壓電地板7，壓電地板尺寸為25cmX30cm,六邊形壓電單元覆蓋率達到90%。
[0016]實施例2，采用4個三角形懸臂梁圍成一個方形壓電單元:
[0017]頂角為90度、斜邊長為25mm的三角形結構的壓電片3和磷青銅基板4的厚度分別為0.17mm和0.34mm。4個90度三角形懸臂梁圍成一個方形為一個單元，制作90度三角形壓電結構單元包括懸臂梁壓電片，底板，壓板，蓋板，安裝方式如同實例I。同樣在25cmX 30cm地板上，可以鋪設20個方形壓電單元，覆蓋率達到84%。
[0018]實施例3，采用3個120度三角形懸臂梁圍成一個方形壓電單元:
[0019]頂角為120度、斜邊長為25mm的三角形結構壓電片3和磷青銅基板4的厚度分別為0.13mm和0.26mm。3個120度三角形壓電懸臂梁圍成一個方形壓電單元，安裝方式如同實例I。同樣在25cmX 30cm地板上可鋪設20個方形壓電單元，覆蓋率達到84%。
[0020]通過ANSYS軟件仿真比較不同結構的壓電地板在同樣厚度和同樣位移下的輸出功率曲線圖。圖4和圖5分別表示當IOOkg的行人踩踏20cmX20cm的地板時輸出功率曲線圖，頂角為60度、90度、120度以及圓盤壓電地板的壓電片3和基板4的厚度分別為
0.2/0.4mm，在承載IOOkg的行人時，承受的力分別為10.2NU5.3Ν、20.4Ν、61.2Ν。輸出功率曲線分別如圖5中al、a2、a3、a4所示，位移量分別為2.0OmmU.362mm、0.64mm、0.49mm。各個三角形自由端都發生2mm位移下，頂角為60度、90度、120度以及圓盤壓電結構單元的壓電片厚度和基板厚度分別為 0.2mm/0.4mm、0.1 7mm/0.34mm、0.13mm/0.26mm、0.125mm/0.25mm。
[0021]I)當壓電地板由16個六邊形壓電單元組成，每個六邊形壓電單元由6個斜邊長為25mm的頂角為60度的三角形懸臂梁圍成一個六邊形壓電單元，壓電片和基板厚度分別為0.2mm和0.4mm時產生的位移變量為2mm，輸出功率曲線分別是al和bl。
[0022]2)當壓電地板由16個四邊形壓電單元組成，每個四邊形壓電單元由4個斜邊長為25mm的頂角為90度的三角形懸臂梁圍成一個四邊形壓電單元，壓電片和基板厚度分別為0.2_和0.4mm時輸出功率曲線a2，位移變量為1.362_。當位移變量設定為2_，壓電片和基板厚度分別0.17mm和0.34_，此時輸出的功率曲線b2。
[0023]3)當壓電地板由16個三角形壓電單元組成，每個三角形壓電單元由三個斜邊長為25mm的頂角為120度的三角形懸臂梁圍成一個三角形壓電單元。壓電片和基板厚度分別為0.2mm和0.4mm時輸出功率曲線a3，位移變量為0.49mm。當位移變量設定為2mm，壓電片和基板厚度分別0.125mm和0.25mm時輸出的功率曲線b3。
[0024]4)當壓電地板由16個圓盤構成，每個圓盤中，基板半徑為25mm,壓電片半徑為20_。當壓電片和基板厚度分別為0.2_和0.4_時輸出功率曲線a4，位移變量為0.64mm ；當位移變量設定為2mm，壓電片和基板厚度分別0.13mm和0.26mm時輸出的功率曲線b4。
[0025]在同樣厚度下進行比較，16個六邊形壓電單元組成的壓電地板輸出功率al最大，16個圓盤結構單元輸出功率a4最小。在同樣位移量下比較三個三角形壓電單元構成的壓電地板輸出功率值bl、b2、b3相近,16個圓盤結構單兀的輸出功率b4最小。若發生同樣的踩踏下陷位移時，比較三個分塊三角形所用的壓電片和基板材料體積，頂角為120度三角形比較經濟。因此，在不同應用情況下可以選取不同形狀的壓電單元來制作壓電地板。
【權利要求】
1.一種分塊懸臂梁結構的壓電地板裝置，其特征是，該裝置中，不同形狀的整體式壓電地板(7)由若干個六邊形壓電單元組成，每個六邊形壓電單元由蓋板(I)、固定壓板(2)、壓電片(3)、基板(4)、底板(5)和螺釘(6)組成；基板(4)安裝在具有內腔的底板(5)上,六個壓電片(3)分別粘接在六個基板⑷的前部三角形部分上，六個基板⑷以環繞的形式安裝在底板5上；壓板(2)安裝在基板(4)上面，使壓電片(3)成為三角形懸臂梁壓電結構；并通過螺釘(6)將壓板(2)、基板(4)和底板(5)固定在一起；下表面中心具有一個凸臺的蓋板(I)安裝在壓板(2)上面，并使下表面中心凸臺壓在六個壓電片(3)的三角形頂端。
【文檔編號】H02N2/18GK104009669SQ201410255514
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】董維杰, 金海泉, 白鳳仙 申請人:大連理工大學