(57)【要約】【課題】歩行等に伴う靴による３次元６自由度の運動を全て効率よく電気エネルギー変換に利用し、発電効率を上げながら、靴底に収納可能な構成・構造を実現することを目的としている。【解決手段】上記目的を達成するため、歩行に伴う圧縮、傾き、回転などの体重の複雑な移動によるエネルギーを有効に活用するため、パラレルリンク構造を靴底内で実現する。このリンクに収容される積層型圧電素子を有効に活用することを目的として、リンク長を長くとれるように、リンクを交差することも実現することとした。また、積層型圧電素子によるリンク構造を実現した。【選択図】図３
2018183552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電ユニットを収納する収納ケースを踵内あるいは靴底に設けた発電する靴において、該発電ユニットは、歩行などによる体重移動を積層型圧電素子により機械電気変換を行うものであって、
体重移動を伝達するにあたって複数のリンク（節）から成るリンク機構を構成し、
該リンク（節）内に該積層型圧電素子を具備し、
複数の該リンク（節）は点対偶で構成することを特徴とする多自由度発電靴
【請求項２】
両端に球状または半球状の金属製あるいはプラスチック製の端子を装着された積層型圧電素子をリンク（節）に組込むことを特徴とする請求項１に記載の多自由度発電靴
【請求項３】
複数のリンク（節）が交差しているパラレルリンクであることを特徴とする請求項１に記載の多自由度発電靴
【請求項４】
２つの積層型圧電素子を固定保持する筐体と該積層型圧電素子に二方向から接触する筐体で挟む形状でリンク（節）を構成する請求項１に記載の多自由度発電靴
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、照明機能、暖房機能、消臭機能、防湿機能などの機能付き靴における発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  人間の自然な活動に伴うエネルギーを拾得して、それを電源として利用する方法が種々考案されている。その中でも、発電量を大きくできること、持ち運びが簡便であることなどから、体重の加わる靴などの履物に発電装置を組み込む方式について広く開発検討が行われている。【０００３】  本発明は、靴の踵内あるいは靴底内に収納し、歩行に際して踵等の底面に繰返し加えられる垂直方向の押圧力を利用するものに関連している。この押圧力を電気エネルギーに変換する方式として、積層型圧電素子１ａそのものに加わる押圧力による該積層型圧電素子１ａからの起電電力を両端の電気端子２から取り出す方式（図１−（ａ））、磁石板３をクッション板４と組合せ、該磁石板３に加わる押圧力によるクッション板４の変形により、該磁石板３と基板面にコイル状の導線を形成したコイル基板５の距離変化を起こし、該コイル基板５に生ずる誘起電力を該コイル基板５の電気端子２から取り出す方式（図１−（ｂ））、先端に錘６を具備した片持ち梁７に加わる振動を該片持ち梁７の両面に貼付されたモノモルフあるいはバイモルフの圧電素子１ｂに外力として与え、該モノモルフあるいは該バイモルフの圧電素子１ｂの電気端子２から電気を取り出す方式（図１−（ｃ））などが利用されている。ここで発電量を増大させるため、実際にはこれらのユニットを直列あるいは並列に接続して利用されることになる。【０００４】  従来のこれらの方式では一定方向からの押圧あるいは振動によって発電が行われている。これらでは、機械電気変換に利用される力の加わる方向は限定されており、歩行に伴う３次元の動きを有効に活用しきれていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許２８７０３３０
【特許文献２】特許４２８５２３０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明は、人間の歩行による発電ニーズに対して、歩行等に伴う靴による３次元６自由度の運動を全て効率よく電気エネルギー変換に利用し、発電効率を上げながら、靴底に収納可能な構成・構造を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記目的を達成するため、歩行に伴う圧縮、傾き、回転などの体重の複雑な移動によるエネルギーを有効に活用するため、スチュワートプラットフォームのようなパラレルリンク構造を靴底内で実現する。【０００８】  図２に示すように縦方向の押圧力Ｆｐを２本の点対偶のリンク（節）８ａ，８ｂで受けるとき、該リンク（節）８ａ，８ｂを軸方向に圧縮するそれぞれの力Ｐ１とＰ２は次の式で表すことができる。
【数１】
2018183552.tif 000003
【数２】
2018183552.tif 000004
【数３】
2018183552.tif 000005
従って、α及びβの値が小さい程、Ｐ１＋Ｐ２を大きく取ることができる。具体的にはリンク（節）の長さｌ１及びｌ２に対してリンク（節）機構の高さＨを小さくすることが有効である。この原理を適用して、靴の踵内に収めることを可能にする構造を実現し、歩行などに依る行動から有効に発電を行うことが可能となる。【０００９】  また、同時に横方向の押圧力Ｆｓが働くとき、起電に寄与するＰ１は次の式で表すことができる。この場合もαの値が小さい程Ｐ１は大きくなる。即ち、この場合もｌ１に対してリンク（節）機構の高さＨを小さくすることが有効である。
【数４】
2018183552.tif 000006
【００１０】  本発明で採用するリンク（節）構造としては、ロボット等に利用されるパラレルリンクマニュピュレータに酷似しているが、これらの４つの数式で示したようにリンク（節）を大きく傾け、わずかな変位でリンク（節）に大きな押圧力が働くことを狙いとしており、ロボットマニュピュレータのように高速で大きな力を出せる構成とは全く異なった狙いを特徴とする寸法構成および構造構成を採用して有効な発電構造を作ることができる。【００１１】  これらの現象を利用するために機械電気変換には厚み方向の変位を利用する積層型圧電素子を使用し、複数のリンクにより体重移動を支える構造を採用する。また、引張力に脆弱である圧電素子を耐久性のある構造にするために、両端を固着しないこと、あるいは該積層型圧電素子の中間を固定することで該積層型圧電素子への引張力を回避することとした。
【発明の効果】
【００１２】  本発明に依れば、人間の自然な行為である歩行などから、その運動エネルギーを有効に電気エネルギーに変換することが可能になり、夜間、停電時、地下、工事中などでの照明、寒冷地、雪山などでの暖房、日常生活での消臭・防湿などから高齢者等の歩行補助にまで利用することが可能になる。【００１３】  ここでは靴の踵に収納することを目的として説明するが、例えば床に組込み、人の歩行移動による圧力変化を受けて発電することが可能なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ａは圧電素子を直接押圧する方式、ｂは磁石とコイルの距離変化による方式、ｃは振動を電気変換する従来方式の説明図である。
【図２】押圧力のリンク（圧電素子）にかかる荷重を説明する図である。
【図３】本発明の原理を説明する構造スケルトン図である。
【図４】本発明の具体的構成例の説明図である。
【図５】本発明におけるリンク長を大きくするリンク構成を説明する平面図と斜視図である。
【図６】本発明におけるリンク長を大きくすることを可能にするリンク構造を説明する平面図と斜視図である。
【図７】本発明における圧電素子を組み込むリンク構造説明図である。
【図８】本発明における靴底全面を有効に活用するリンク構造を説明する平面図と斜視図である。
【図９】本発明における圧電素子に引張力が発生しないリンク構造の説明図である。
【図１０】本発明の発電ユニットを安全靴の踵に収納した位置実施例の説明図である。
【図１１】本発明の発電ユニットの収納構造の一実施例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明の形態・実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】  本発明では、単に押圧力や振動を用いることではなく、靴底に加わる３軸６自由度の力を有効に活用する原理を図３において説明する。上底板であるベース９から下底板であるエンドプレート１０までを複数のリンク（節）１１〜１６で並列に連結し、この各リンク（節）１１〜１６に積層型圧電素子１ａを組込み、３軸６自由度の動きを電気変換し、例えば、そのままＬＥＤなどの照明に使用したり、蓄電池に充電し必要に応じて音響に利用したりするなどを可能とする。
【００１７】  ベース９とエンドプレート１０は６本のリンク（節）１１〜１６で連結され、各リンク（節）１１〜１６は伸縮可能で、かつ回転することが可能な６箇所の点対偶のジョイント（関節点）２１〜２６で接合されている。このベース９にｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸方向及び各軸に対する回転の力が加わると該外力に対応して６本のリンク（節）１１〜１６が伸縮する。該リンク（節）にそれぞれ積層型圧電素子１ａが組込まれ、該リンク（節）１１〜１６に押圧力が加わると該積層型圧電素子１ａは起電する。これらを各リンク（節）１１〜１６毎に収集して電力として活用する。
【００１８】  また、ｚ軸の縦方向に押圧力Ｆｐがかかると同時にｘ−ｙ面に横方向に押圧力Ｆｓが重畳されると、リンク（節）にかかる押圧力も増加し、起電力はそれだけ増加する。
【００１９】  なお、この電力収集に際して、各リンク（節）１１〜１６における積層型圧電素子１ａはリンク（節）１１〜１６毎に異なる起電状態にあるため、そのまま並列に接続するものではないことは勿論である。
【００２０】  図３では点対偶となる６本のリンク（節）をスライド可能な構造として、各リンク（節）に圧電素子を組み込んだが、本発明の使用目的である靴底などでは押圧力が支配的であり、引張力は軽微であるため、スライド構造を採用せず、直接圧電素子をリンク（節）に使用することも可能である。この場合は、点対偶とすべき箇所を幾何学的な固定とはせず、回転可能な押付嵌め合い構造とすることで可能となる。
【００２１】  図４は具体的な実装模式図である。ここでは点対偶を実現するジョイント（関節点）２１〜２６で６本のリンク（節）１１〜１６を接続するとともに、図２で説明したようにベース９とエンドプレート１０を近づけてリンク（節）を大きく傾けた構成して、積層型圧電素子１ａを軸方向に押圧する力を高めることとしている。
【００２２】  図５は、決められた収納スペースに収めながらリンク（節）に対する軸方向の押圧力を高めるためリンク（節）のジョイント（関節点）位置をリンク機構の中央を跨いだ位置にしてリンク（節）が交差した構造を説明するために、その構成を平面図と斜視図で表したスケルトン図である。
【００２３】  ６本のリンク（節）１１〜１６はベース９とエンドプレート１０を接続するに当たり、１２０°離れた位置から最も離れた相手方の位置とを結ぶことによりリンク（節）長を長くし、その傾きを大きくとっている。このことにより、寸法の制約条件内で長いリンクを収納することができ、大きな押圧力を得ることを可能にした。
【００２４】  ただし、図５のように点対象とすることはリンクが相互に重なり、実装は不可能である。そのため、ジョイント（関節点）位置を図６に示すように、リンク対称とならないように設置する。この説明図ではリンク（節）１１、１２、リンク（節）１３、１４、リンク（節）１５，１６の３組のリンク（節）構造として、それぞれ、太線、破線、実線で記載している。それぞれのリンク（節）の組は、例えばリンク（節）１１とリンク（節）１２は異なった長さにしており、平面図上で重なっている、例えばリンク（節）１２とリンク（節）１４、リンク（節）１６は高さの異なる位置にあり、重なることの無い構造にしている。
【００２５】  これら、図４、図６で説明した点対偶を実現するリンク（節）機構を実現するため、図７に示すように金属球４１，４２をボールベアリングのように埋め込んだ金属キャップ５１，５２を積層型圧電素子１ａの両端に装着し、該金属球４１，４２をベース９、エンドプレート１０に設けた半球形状の凹部に嵌めこむことで簡易に機構を構成することができる。
【００２６】  なお、図７に示したリンク（節）において、積層型圧電素子１ａの正負極の向きを直列になるように電気的に接続することによって、図６で示したリンク（節）の組を構成することで３組の発電ユニットとして使用することができる。これら３組のリンク（節）を全て直列接続することで、蓄電を容易にする構成も実現することができる。
【００２７】図８は、靴の踵部分ではなく、靴底全体を使用して体重移動を機械電気変換することを目的としたリンク機構を説明する平面図と斜視図によるスケルトン図である。図６と同様にリンク（節）位置を少しずらしてリンク（節）の衝突を防いでいるが、ここではエンドプレート１０を楕円形に形成してリンク（節）長を長くとれるようにしている。また、ここでは踵近辺に強い圧力が働くとして、リンク（節）１１、１２に働く押圧力を有効に圧電素子から電気変換するように構成している。このときリンク（節）１１、１２を強く押圧するためにはリンク（節）１４、１５と対抗する必要がある。このように体重移動をリンク（節）における押圧力として有効に活用するためにはベース９とエンドプレート１０が対抗する必要があり、靴として実用に供するためには緩衝材などの使用が必要となる。
【００２８】  本発明では、靴底に加わる３軸６自由度の力を電気変換するが、その際に用いる機械電気変換素子である圧電素子は一般的に押圧力には強いが引張力には弱い。普通の歩行では図３で説明したように押圧力が支配的であり、引張力の影響は軽微であるが、図８に示したような靴底全体を使用したり、スポーツなどの様に過激な動きに対応したりするときには、伸びや捻じれの影響が支配的になることもあり、その場合、積層型圧電素子１ａに引張力が生ずる。
【００２９】  これを回避するためには、常に押圧力のみが生ずる構造も必要である。図９は、このためのリンク構造である。概ね同じ長さの積層型圧電素子１ａを外ケース５３に中央部で固定し、該積層型圧電素子組を力の加わる方向にほとんど隙間の無いように内ケース５４で覆う構造とする。このような構造のため、加わる力の方向が押圧、引張のいずれの方法に加えられても何れか一方の積層型圧電素子１ａが押圧され、引張力が加わることは無い。
【実施例１】
【００３０】  図１０は具体的な安全靴の踵部分に本発明の発電ユニットを収納した一実施例である。安全靴の中底（ミッドソール）の底となる中板６２にかかる体重を、該中板６２と化粧面（表底接地部）６３との間に挟まれるアウトソール（表底）６４の変形として受け止める。該アウトソール（表底）６４の部分に図６で説明したリンク機構を収納した実施例である。該アウトソール（表底）６４内において該中板６２をベース９に対応した部位、化粧面（表底接地部）６３近傍をエンドプレート１０に対応した部位として、クッション性のあるアウトソール（表底）６４内において、体重移動による荷重負荷を６本の積層型圧電素子によるリンク（節）１１〜１６で押圧力として受け、機械電気変換を行う。この収納容積は５ｃｍ×５ｃｍ×２ｃｍ程度であり、高さ２ｃｍ内で４ｃｍ程度の長さの積層型圧電素子を組み合わせて使用できる。
【実施例２】
【００３１】  図１１は靴の踵部７０に収納する発電ユニット７１の収容構造の一実施例の説明図である。リンク（節）構成は図６で説明した機構構造を想定している。該発電ユニット７１は外部から密閉されて防水性を確保するとともに、体重を受けて変形する必要がある。図１１の構造では前後左右上下方向に１ｍｍ程度動くことを可能にし、かつ防水性を確保するため、上部７２・下部７３の２構造材を伸縮性に優れる発泡ゴムシート７４で接合部を実現し、これによって、内部構造を密閉し、防水性を確保している。
【産業上の利用可能性】
【００３２】  本発明は、発電する靴に係り、詳細には、圧電素子により発電するユニットと充電池とを収納する収納ケースを踵内に設け、歩行に際して踵の底面に繰返し加えられる６自由度の押圧力に応じて発電ユニットが発電して充電池に充電する発電する靴に関するものである。【００３３】  本発明により、照明機能、暖房機能、消臭機能、防湿機能などの機能を有する靴を容易に提供することができ、夜間、工事現場などから高齢者への補助にまで幅広く利用することが可能となる。【００３４】  また、本発明と同一構造を床下などに配置し、該床の上を歩行する人間、貨物等の圧力を受けて、発電に応用することも勿論可能である。
【符号の説明】
【００３５】  １ａ  積層型圧電素子
９    ベース
１０  エンドプレート
１１〜１６  リンク（節）
２１〜２６  ジョイント（関節点）
６１  半敷き
６２  中底
６３  アウトソール（表底設置部）
６４  ミッドソール（表底）
【図１】
2018183552.tif 000007
【図２】
2018183552.tif 000008
【図３】
2018183552.tif 000009
【図４】
2018183552.tif 000010
【図５】
2018183552.tif 000011
【図６】
2018183552.tif 000012
【図７】
2018183552.tif 000013
【図８】
2018183552.tif 000014
【図９】
2018183552.tif 000015
【図１０】
2018183552.tif 000016
【図１１】
2018183552.tif 000017