(57)【要約】【課題】圧電材料に歪みを発生させたときに生ずる電気エネルギーを利用して発光させる発光ユニットおよびそれを用いた発光靴において、従来の圧電発電を利用した場合に比べ、より輝度が高く視認性に優れた発光ユニットおよびそれを用いた発光靴を提供すること。【解決手段】靴底の踵部分に取り付けられた発光ユニット１１に備えられたボタン２を介して、内部の圧電バイモルフ１により発生させた、不規則で低レベルの電力を、整流素子３により整流して、いったん、コンデンサ４に蓄電し、踵の踏みつけあるいは踵が地面から離れるなどの動きに連動した特定のタイミングでスイッチ５によるスイッチングを行い、それまでに充電した電気を一気に放出するように発光ダイオード６に供給して、発光させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反復的に加えられる荷重または衝撃によって発電する圧電素子と、この圧電素子の出力を蓄える蓄電装置と、この蓄電装置からの電力によって発光する発光体と、この発光体に間欠的に電力を供給するための、前記荷重または衝撃に対する特定のタイミングでスイッチングを行なうスイッチとを備えることを特徴とする発光ユニット。
【請求項２】
前記圧電素子は２枚の圧電素子が中間層を挟んで構成された圧電バイモルフ構造を有し、前記荷重または衝撃の時間変化により発電することを特徴とする請求項１記載の発光ユニット。
【請求項３】
前記圧電素子は１枚の圧電素子を弾性板などに貼り付けて構成された圧電ユニモルフ構造を有し、前記荷重または衝撃の時間変化により発電することを特徴とする請求項１記載の発光ユニット。
【請求項４】
前記圧電素子は２枚の圧電素子が中間層を挟んで構成された圧電バイモルフ構造を有し、片持ち支持されて、前記荷重または衝撃により自由端側が弾かれることで発電することを特徴とする請求項２記載の発光ユニット。
【請求項５】
前記圧電素子は１枚の圧電素子を弾性板などに貼り付けて構成された圧電ユニモルフ構造を有し、片持ち支持されて、前記荷重または衝撃により自由端側が弾かれることで発電することを特徴とする請求項３記載の発光ユニット。
【請求項６】
前記スイッチは機械的接点からなり、前記荷重または衝撃による力の大きさあるいは変位量が設定したしきい値を越えると接点が機械的かつ電気的に繋がるように構成された請求項１から５のいずれか１項に記載の発光ユニット。
【請求項７】
前記スイッチは電気的接点からなり、前記荷重または衝撃による力の大きさあるいは変位量が設定したしきい値を越えると接点が電気的に繋がるように構成された請求項１から５のいずれか１項に記載の発光ユニット。
【請求項８】
前記発光体は、発光のしきい値電圧より低い電圧においては電流が流れない発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発光ユニット。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の発光ユニットを用いた発光靴であって、前記荷重または衝撃は、歩行、走行などに伴ない、靴底に生じる踏みつけの荷重または衝撃であり、前記スイッチングは足の動きに連動した特定のタイミングで行われることを特徴とする発光靴。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械的入力によって圧電素子を歪ませ、このとき、圧電効果によって発生する電力を利用して発光素子を点灯させる発光ユニットおよびそれを用いた発光靴に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から夜間などに歩行または走行に伴って自己発光して視認性を向上させた発光靴が実用化されている。従来この種の発光手段を備えた靴は、靴底の踵側に発光ダイオード等の発光体を配置し、歩行あるいは走行時の靴底の踏みつけ荷重を利用してスイッチングを行い内蔵電池から通電し発光させる構造になっている。
【０００３】
この他にも振動センサや、衝撃センサでスイッチングを行い発光する靴や発光体を靴底以外の場所に装着するような靴など多種多様な提案がなされている。
【０００４】
しかし、従来の発光靴では、歩行時に継続した発光状態を得ようとすると、電池の寿命が短くなり頻繁に電池を交換しなければならないという問題があった。この問題を解決するため、圧電素子に衝撃、加圧などの力を与えることによって発生する電力を利用して発光体を発光させる靴の発明が開示されている。
【０００５】
例えば、特開平６−２０９８０７号公報には、靴底踵部に圧電素子とこの圧電素子の電力によって発光する靴を開示している。これは、平面状あるいは棒状の圧電素子を、離間した２つの支持材上に掛け渡し、靴底の踵部に埋設し歩く度に踵部に加わる加圧力で圧電素子の中央部分を撓ませ、圧電素子に電圧を発生させ発光素子を発光させる構造になっている。
【０００６】
また、特開２００１−３０８４０５号公報には、ハウジング内に圧電素子を片持ち支持し、自由端側に重りを付けることにより、同ハウジングが衝撃や振動を受けると固定端を介して自由端についている重りが振動し電圧を発生させ、発光体を発光させる発明が開示されている。この発明では、圧電素子が片持ち支持され、自由端の自由振動が妨げられないため発電効率がよいという特徴がある。
【０００７】
しかしながら、前述の圧電素子を利用した発光靴の発明では、記載されている方法で実際に発光靴を製作した場合に、夜間に充分な視認性を得ることができない。これは、実際の歩行で発生する踏みつけ荷重や衝撃が不規則で、かつ、ゆっくりとした加圧の場合があり、現在考え得る最も効率の良い圧電素子および発光体を使用したとしても、単位時間当たりの入力エネルギーが小さいため出力される電力も小さく充分な視認性が得られる発光強度を得にくいという問題があった。
【０００８】
また、人間の歩き方によって不規則に変わる、踏みつけ加圧力、衝撃、あるいは振動に合わせて発光するため、毎回、発光形態が異なり製品としてのイメージが悪いという問題もあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は圧電材料に歪みを発生させたときに生ずる電気エネルギーを活用して発光させる発光ユニットおよびそれを用いた発光靴において、輝度が高く視認性に優れる発光ユニットおよびそれを用いた発光靴を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光ユニットは、反復的に加えられる荷重または衝撃によって発電する圧電素子と、この圧電素子の出力を蓄える蓄電装置と、この蓄電装置からの電力によって発光する発光体と、この発光体に間欠的に電力を供給するための、前記荷重または衝撃に対する特定のタイミングでスイッチングを行なうスイッチとを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、前記圧電素子は２枚の圧電素子が中間層を挟んで構成された圧電バイモルフ構造を有し、前記荷重または衝撃の時間変化を利用して発電する構成とすることができる。
【００１２】
また、前記圧電素子は１枚の圧電素子を弾性板などに貼り付けて構成された圧電ユニモルフ構造を有し、前記荷重または衝撃の時間変化を利用して発電する構成とすることができる。
【００１３】
また、前記圧電素子は２枚の圧電素子が中間層を挟んで構成された圧電バイモルフ構造を有し、片持ち支持されて、前記荷重または衝撃により自由端側が弾かれることで発電する構成とすることができる。
【００１４】
また、前記圧電素子は１枚の圧電素子を弾性板などに貼り付けて構成された圧電ユニモルフ構造を有し、片持ち支持されて、前記荷重または衝撃により自由端側が弾かれることで発電する構成とすることができる。
【００１５】
また、前記スイッチは機械的接点からなり、前記荷重または衝撃による力の大きさあるいは変位量が設定したしきい値を越えると接点が機械的かつ電気的に繋がるように構成することができる。
【００１６】
また、前記スイッチは電気的接点からなり、前記荷重または衝撃による力の大きさあるいは変位量が設定したしきい値を越えると接点が電気的に繋がるように構成することができる。
【００１７】
そして、前記発光体は、発光のしきい値電圧より低い電圧においては電流が流れない発光ダイオードとすることができる。
【００１８】
また、本発明の発光靴は、前記いずれかの発光ユニットを用いた発光靴であって、前記荷重または衝撃は、歩行、走行などに伴ない靴底に生じる、踏みつけの荷重または衝撃であり、前記スイッチングは足の動きに連動した特定のタイミングで行われることを特徴とする発光靴である。
【００１９】
本発明の作用としては、圧電素子により発生させた不規則かつ低レベルの電力を一度コンデンサなどに蓄電し、踵の踏みつけあるいは踵が地面から離れるなどの動きに連動した特定のタイミングでスイッチングを行い、それまで充電した電気を一気に放出することで、充分な発光輝度を有する発光ユニットおよびそれを用いた発光靴が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態に係る発光ユニットの内部を透視して示す斜視図である。この発光ユニット１１が実際の使用状態では、靴底の踵部分に埋め込まれるような形で使用される。
【００２１】
図１において、１は圧電バイモルフであり、この外形寸法は長さ３５ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚み０．７ｍｍであり、厚み０．２ｍｍの圧電セラミックス板２枚で厚み０．３ｍｍのカーボンファイバーを挟みこむような形で構成されている。
【００２２】
この圧電バイモルフ１は片持ち支持され、その自由端側に押し込み変位を与えることによって圧電バイモルフ１の裏表の電極間に電圧が発生し、圧電バイモルフ１に取り付けたリード線間で電気として取り出すことができる。
【００２３】
使用した圧電セラミックスはＮＥＣトーキン（株）製Ｎ−１０材である。この比誘電率は５４４０、圧電定数はｇ３１＝−６×１０−３　Ｖ・ｍ／Ｎである。
【００２４】
なお、本実施の形態では圧電バイモルフを用いたが、圧電素子１枚と真鍮板などを貼り合わせて構成した圧電ユニモルフ構造も使用可能である。また、圧電ユニモルフを片持ち支持して、踏みつけ時に自由端側が弾かれることで、効率のよい発電が行われる。
【００２５】
２は圧電バイモルフ１に変位を与えるためのボタンであり、実際の使用状態では歩行時などの踏みつけにより踵でボタンを押すような位置に配置される。図６は、本実施の一形態における発光靴の概略図であり、１１は発光ユニット、１２はボタン、１３は発光ダイオードである。
【００２６】
図１に戻って説明を続ける。ボタン２を押し込むことにより、圧電バイモルフ１が撓み電圧を発生する。本実施の形態では踵の踏みつけ荷重の時間変化で圧電バイモルフを撓ませ発電する構造としたが、踵にかかる荷重をカム、フック、バネなどを利用して圧電バイモルフの自由端側を弾く機構にすることもできる。
【００２７】
３は、圧電バイモルフから発生する交流電圧を整流する整流素子である。交流電力が圧電バイモルフに接続されたリード線を介して入力され、整流された電力が４のコンデンサに出力されている。
【００２８】
整流素子３には、樹脂モールドパッケージ化された整流用ＩＣが主として用いられている。本実施の形態では樹脂モールドパッケージタイプの整流用ＩＣを用いたが、これに限定するものではない。
【００２９】
４は圧電バイモルフが発生した電気を一時的に蓄えるコンデンサである。本実施の形態では４．７μＦのアルミ電解コンデンサを用いた。コンデンサの種類は問わないが、静電容量は発光形態を決定する要素となるため圧電バイモルフが発生する電力とのバランスを考えて設定する必要がある。
【００３０】
５はボタン２の押し込みによってスイッチングを行うスイッチである。本実施の形態では、ボタン２が最大限押し込まれた状態、つまり、実際の使用状態では足が地面と接し踵に最も体重がかかった状態で回路を接続するよう配置した。
【００３１】
その接点部分には一般のリモコンなどで用いられている導電ゴムが使用され、発光ユニット１１の底面部において、半円形状の導電ゴムが隙間を空けて配置され、両方の半円状の導電ゴムは、それぞれ、コンデンサ４の＋端子と発光ダイオード６のアノードにリード線を介して接続されている。
【００３２】
また、圧電バイモルフ１の下面には円形の導電ゴムが配置されており圧電バイモルフ１が撓み、圧電バイモルフ下面の円形の導電ゴムが本体底面部の半円状の２枚の導電ゴムと接触するとコンデンサ４の＋端子と、発光ダイオードのアノードが接続される。
【００３３】
これにより、コンデンサ４に蓄えられていた電荷が発光ダイオード６に一気に供給され発光ダイオード６が発光する。
【００３４】
本実施の形態では、スイッチ５として導電ゴムを用いた機械的接点を使用したが、例えばリン青銅板などの金属を用いた接点でも使用可能である。
【００３５】
また、機械的接点ではなく、圧力センサや歪みゲージなどの入力により特性や抵抗が変わる部品を利用してトランジスタなどの電気接点でスイッチングする方法も利用可能である。なお、発光ダイオード６にはスタンレー（株）製ＥＦＲ５３６６Ｘを使用した。
【００３６】
図２に、本実施の形態の電気回路図を示す。ここで、符号１，３，４，５，６については、図１の実際の部品に対応した符号と共用した。
【００３７】
次に、歩行動作に対応して、圧電バイモルフによる発電から発光ダイオードの発光までを、図３を参照しながら、順を追って説明する。ここで、図３は、踵にかかる荷重、各端子間の電圧変化、および発光ダイオードの発光強度における歩行動作に伴う時間変化を示す図である。
【００３８】
まず、歩行が開始され、踵が地面に接し、踏み込まれると、図１のボタン２が押し込まれ、圧電バイモルフ１が撓み、発電が行われる。発生した電気は、整流素子３を通してコンデンサ４に蓄えられる。さらに、踵の踏みつけが進み体重が踵にかかると圧電素子下面に取り付けた導電ゴムと本体下面に取り付けた導電ゴム間が接触し、スイッチ５の接点が閉じ、コンデンサ４の＋端子と発光ダイオード６のアノードが導通され発光ダイオード６が発光する。
【００３９】
このとき、発光後も、図３に示すように、コンデンサには発光ダイオードの発光可能な最低電圧が維持されたままの状態になる。これは発光ダイオードが発光可能なしきい値電圧以下では電流が流れず、実質的には発光ダイオードのアノード・カソード端子間が開放状態になるためであり、本実施の形態で使用したスタンレー（株）製ＥＦＲ５３６６Ｘの場合は約１．５Ｖの電圧がコンデンサ両端に維持された状態になる。
【００４０】
さらに歩行が進み踵にかかっていた体重が徐々に開放されていくと、圧電バイモルフの撓みも徐々に元の状態に戻っていく。これにより、導電ゴムの接点で短絡されていたコンデンサの＋端子と発光ダイオードのアノード間が開いて、発光ダイオードは消灯し、コンデンサが充電される状態に戻る。
【００４１】
撓みが元に戻るとき、圧電バイモルフからは踏み込んだときとは正負が逆の電圧が発生する。この電気も踏み込まれていくときと同様、整流素子を通して整流されコンデンサに充電される。さら歩行が進み、踵が完全に離れると発電は行われなくなる。
【００４２】
再び踵が踏み込まれると、発電が開始され、前記と同様にしてコンデンサに充電が行われる。そして、再び踵に全体重がかかる状態になると前記接点が接触して、コンデンサの＋端子と発光ダイオードのアノード間が導通しコンデンサに充電されていた電荷が一気に開放され発光ダイオードが発光する。このときの発光は、前記のコンデンサに残留した電荷の量、踵が離れるときの素子撓み解放時の発電量、および踵が踏み込まれるときの素子撓み時の発電量が重畳されて、発光が起こるので、１歩目より高い輝度で発光する。
【００４３】
これ以降の歩行では同様の動作で発電発光が繰り返され、踵に体重がかかった際に１歩当たり１回ずつの発光が行われる。
【００４４】
本実施の形態では、靴の踵部分が地面に着き、体重が最もかかったときに発光する形態としたが、スイッチの構成を工夫し踵が離れたときに発光するようにしたり、ジャンプの着地時などある一定以上の荷重がかからないと発光しないようにすること等も可能であり、用途に応じて設定することで様々な応用が可能である。
【００４５】
次に、本発明の圧電素子を使用した発光靴と、従来の方法での圧電素子を使用した発光靴の発光輝度の比較を行った結果について説明する。まず、図４に発光輝度の測定方法を示す。
【００４６】
靴の踵部分に取り付けた発光ダイオード６から３ｍｍの距離に７のフォトダイオードを取り付け、歩行時の発光を受光する。フォトダイオード７は、浜松ホトニクス（株）製Ｓ１３６６−８ＢＱである。これを、８のフォトセンサアンプで増幅し９のオシロスコープで電圧出力として観測し、事前に設定したフォトセンサアンプ８の電圧出力−輝度の係数をかけて、それぞれの発光靴の輝度の相対比較を行った。ここで、フォトセンサアンプ８は浜松ホトニクス（株）製Ｃ２７１９、オシロスコープ９は岩崎通信機（株）製ＤＳ−８８１２である。
【００４７】
図５にその測定結果を示す。まず、（１）金属球などを圧電素子に衝突させて発光する方法では、瞬間的な輝度は高いものの持続時間が短い。金属球の衝突だけでは入力エネルギーが小さく視認性の高い発光は難しいことを示している。
【００４８】
次に、（２）圧電素子を片持ち支持し自由端先端に荷重を掛け撓ませ発電する方法でコンデンサへの充電を行うが、スイッチングを行わない場合（図５では、圧電バイモルフを撓ませて発電発光する発光靴として示した場合）では発光時間は長いものの充分な輝度が得られない。
【００４９】
これは、歩行時の踏みつけ荷重のような形態で時間変化する入力においては、圧電素子から発光に必要な電圧が得られず、発電されていながら高輝度での発光ができずエネルギーを無駄に消費している状態になっている。
【００５０】
これら従来の方法に対し、（３）本発明の方法では２倍以上の輝度と発光時間が得られている。これは、ゆっくりと変化する入力であるが、比較的大きなエネルギーを持つ踏みつけの荷重が歩行過程で時間変化するエネルギーであることを利用して発電し、一時充電して、特定のタイミングで一気に開放することで得られ、発電エネルギーを効率的かつ効果的に発光に変換していることによるものである。
【００５１】
ところで、本発明の発光ユニットは、発光靴だけでなく、例えば、反復的な荷重または衝撃が加えられて特定のタイミングで発光する玩具などにも用いることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の圧電発電を利用した発光靴は、踏みつけの荷重が歩行過程で時間変化するエネルギーであることを利用して発電し、効率的かつ効果的に発光に変換して、夜間などに充分な視認性が得られる発光をもたらすという効果を有する。
【００５３】
また、本発明の発光ユニットおよびそれを用いた発光靴は、踵の踏みつけ時などに設定したタイミングで発光するという点でも実用的で、商品としてのイメージも良い。
【００５４】
また、本発明によって、電池などを使用しないで、圧電発電による、耐久性に優れた発光靴の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態における発光ユニットの内部を透視して示す斜視図。
【図２】本発明の実施の一形態における発光ユニットの電気回路図。
【図３】踵にかかる荷重、各端子間の電圧変化および発光ダイオードの発光強度における歩行に伴う時間変化を示す図。
【図４】発光ダイオードの輝度測定方法を示す図。
【図５】圧電発電を利用した発光靴の輝度測定結果を比較して示す図。
【図６】本発明の実施の一形態における発光靴の概略図。
【符号の説明】
１　　圧電バイモルフ
２，１２　　ボタン
３　　整流素子
４　　コンデンサ
５　　スイッチ
６，１３　　発光ダイオード
７　　フォトセンサ
８　　フォトセンサアンプ
９　　オシロスコープ
１１　　発光ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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