(57)【要約】【課題】人間の歩行時の運動エネルギーを有効利用し、なおかつ、人体の動作に支障のないように身体の一部に装着したうえで、各種携帯用電気機器、及び携帯用情報端末、或いは商用二次電池に電力を供給する携帯用歩行発電装置を提供することを目的としている。【解決手段】靴の中に設置した靴の中敷１に、使用者の歩行運動に伴う衝撃に起因する圧力変化、及び屈伸による応力を受けて変形することで電力を発生するピエゾフィルム６、及びピエゾケーブル３を内蔵し、発電部装置とする。発生した電力は接続用ケーブル９を通じて、腰部などの電力を出力、活用するのに都合の良い場所に設置する蓄電、及び電力出力部装置に送られる。該蓄電、及び電力出力部装置は基本的に整流手段であるダイオードブリッジ１０Ａ、１０Ｂと、蓄電池１１、電力出力端子１２によって構成する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力を与えて変形させると電荷を発生する現象である圧電効果を得られる材料に、柔軟性に優れた圧電性高分子を用い、歩行、及び走行時に関係する運動エネルギーを利用するのに最適と思われる人体の部位に設置する該圧電性高分子による、起電力を得る手段を有した発電部と、発電部で得た電力を活用するのに最適と思われる人体の部位に装着する、前記起電力を得る手段によって得た電力を整流する整流手段と、前記整流された電力を蓄積する蓄電手段と、前記蓄電手段による蓄電を経て安定した電力を出力供給する出力手段を備えた蓄電、及び電力出力部とで構成され、該発電部と該蓄電、及び電力出力部とが電気的に接続されたことを特徴とする携帯用歩行発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の携帯用歩行発電装置における起電力を得る手段として、靴の中敷に圧電性高分子を内蔵し、人間の歩行、及び走行時に足裏と履物の接地面の両方から掛かる、衝撃に起因する圧力変化による変形をおこして圧電効果を発生させること、及び圧電性高分子の柔軟性に優れた特性を活用し、足裏の足指の付け根付近の屈伸の動きに該圧電性高分子を追従させて、伸長、及び圧縮変形による圧電効果を発生させることを特徴とする携帯用歩行発電装置。
【請求項３】
請求項１記載の携帯用歩行発電装置における起電力を得る手段として、衣類の適所に圧電性高分子を内蔵して、人間が歩行、走行、及び屈伸運動を行う際に関係する腰や、股関節、膝といった関節を起点とした人体の屈伸、及び伸縮の動きに該圧電性高分子を追従させて伸長、及び圧縮変形による圧電効果を発生させることを特徴とする携帯用歩行発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電装置に係り、特に各種携帯用電気機器、及び携帯用情報端末、或いは商用二次電池に対して、主に歩行運動を行うことで電力を供給する携帯用歩行発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の携帯用歩行発電装置として、特許出願、及び実用新案出願されたものには、履物の一部に着用者の体重に起因する圧力を起電力に変換する発電装置、蓄電手段、電力出力手段を履物に内蔵した、先行技術文献番号「特開昭６３−１４５６０１」の「発電装置を具えた履物」や、「特開平６−１４１５２４」の「充電靴」があり、その他、踏み圧をクランクを介して垂直方向の回転運動に変換し、回転式発電機を駆動させる「実用登録３０６７２５０」の「発電靴」、踏み圧をねじシャフトと圧縮ばねによって水平方向の回転運動に変換し、歯車により回転力を伝達して回転式発電機を駆動させる「実開平６−２１３６３」の「ダイナモシューズ」、踏み圧を利用して空気ポンプを作動させて空気流を起こし、当該空気流によってタービンを回転させて回転式発電機を駆動させる「特開２０００−２３６９０４」の「発電機能付き靴」、履物の踵部に内臓された磁気歪素子に歩行、及び走行時に生じる衝撃に起因する振動、及び圧力変化を伝達して当該磁気歪素子を変形させて磁界を変化させ、該磁界の変化をコイルを通すことにより誘導起電力を発生させる「特開平９−１６３７７１」の「発電方法及び装置並びに携帯用発電装置」など、発電手段も多岐にわたる。
【０００３】
そして、その発電手段に圧電素子による起電力を利用するものも存在し、上記「特開平６−１４１５２４」の請求項２や、「特開平１１−２９０４０４」の「歩行補助具」の発電手段に用いられている。
【０００４】
上記までの従来の携帯用歩行発電装置は、そのほとんどが履物の、踵部を主とする底部に発電手段、及び蓄電手段を内蔵し、該履物の一部に電力出力手段、或いは充電手段を有している。これらは、携帯可能で歩行活動に起因する発電装置の形態のひとつの総称として、発電手段を備えた履物と呼べる。
【０００５】
これら発電手段を備えた履物は、発電装置、及び蓄電手段を内蔵する為に必要な高さを持つ空間を、履物底部を上げ底にすることや、踵部を高めにすることで確保している。また、履物底部は材質の選択や構造次第で、内蔵させた該発電装置、及び該蓄電手段の破損防止と、人間工学的に人体を保護する機能を両立させられる可能性が高く、履物自体は人体の足裏に密着、或いは追従させることができることから、人間の歩行、及び走行を阻害することは無い。携帯用歩行発電装置として実現できる条件を備え持った道具として、履物は最適であったと推測できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の携帯用歩行発電装置、とりわけ発電手段を備えた履物を実現させるうえで、幾つかの問題点を指摘できる。
【０００７】
その一つに、発電装置の破損防止、及び人体の保護を兼用する履物底部の構造の難しさがある。底部が薄ければクッション性を損ないやすく、歩行、及び走行時の衝撃により、発電装置や蓄電手段は精密である程、或いは構成部品の材質が硬質、かつ脆い程、破損しやすくなってしまう。また、使用者である人体にも、地面、及び内蔵される該発電装置、及び該蓄電手段から受ける衝撃が緩衝されきれず伝わり、悪影響を及ぼすこともありえる。そして、履物底部を厚くすれば、履物の自重が増加することによる使用者の足にかかる負荷、及び疲労度は増し、歩行時のバランスのとりにくさによる歩き難さへとつながる。このことから履物底部の構造如何によっては、実用的な履物として中途半端なものとなりやすく、事故が起きる可能性もありえるという問題点がある。
【０００８】
次に、使用者の要望に応じて、ビジネスシューズ、登山靴、スニーカーといった用途、目的、環境に即した多種多様の履物の形態を有する携帯式歩行発電装置を用意することが可能か、そして、個人的嗜好にも対応して、既存の履物を発電手段を備えた履物として後加工、改造することや、オーダーメイドなどの特別受注生産にも対応することが可能かという、本当に使用者が希望する履物の形状や性能を持った携帯用歩行発電装置を提供することがどこまで実現可能なのかという問題点がある。
【０００９】
以上のとおり、履物本来の目的を維持させたうえで発電手段を付加させることは、とてもデリケートなバランスの上で成り立つものとなり、携帯用歩行発電装置の提供者があらゆる用途、目的に即した履物の種類を用意できる程の経験、知識、技術、生産施設を有さなければならず、該発電手段を備えた履物を実現させる為には履物メーカーの協力が不可欠となる。そして、その場合にも発電手段を備えた履物を生産する為に費やす工程数、ひいては生産コストは履物のみの場合と比較して増加することはあっても、減少することはありえない。
【００１０】
他に、発電手段を備えた履物が有する電力の出力手段と、電力を供給する対象となる種携帯用電気機器、及び携帯用情報端末、或いは商用二次電池とを結ぶ手段として、大抵の場合、足下から延びる電気ケーブルなどが必需となるが、該発電手段を備えた履物を使用する際に使用者が当該電気ケーブルの存在を疎ましく感じる場合や、特に女性がスカートなどを着用して当該携帯用歩行発電装置を使用する場合は、足下から延びるケーブルが美的外観を損なうといった生理的、心情的な問題点もある。
【００１１】
本発明の課題は、上記までの発電手段を備えた履物の有する問題点を、履物自体に発電手段を内蔵させる以外の方法をとることで解決し、人間の歩行時の運動エネルギーを有効利用し、なおかつ、人体の動作に支障のないように身体の一部に装着したうえで、各種携帯用電気機器、及び携帯用情報端末、或いは商用二次電池に電力を供給する携帯用歩行発電装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の手段は、次の通りである。
【００１３】
請求項１記載の発明は、外力を与えて変形させると電荷を発生する圧電素子に柔軟性に優れた圧電性高分子を用い、歩行、及び走行時に関係する運動エネルギーを利用するのに最適と思われる人体の部位に設置する該圧電性高分子による起電力を得る手段を有した発電部と、発電部で得た電力を活用するのに最適と思われる人体の部位に装着する、前記起電力を得る手段によって得た電力を整流する整流手段と、前記整流された電力を蓄積する蓄電手段と、前記蓄電手段による蓄電を経て安定した電力を出力供給する出力手段を備えた蓄電、及び電力出力部とで構成され、該発電部と該蓄電、及び出力部とが電気的に接続されていることを特徴としている。
【００１４】
上記の圧電性高分子には代表的なものにポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）がある。ポリフッ化ビニリデンは優れた柔軟性、加工性、耐衝撃性、耐水性、科学的安定性を兼ね備えており、セラミックス系圧電材料、すなわち圧電セラミックスの代表的な材質であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と比較した場合、およそ２０倍に及ぶ高耐電圧性と、およそ１０倍の高い電圧出力を得られるといった特徴を有する。
【００１５】
圧電セラミックスではなく、圧電性高分子を使用することの利点は、高い高耐電圧性と電圧出力の他、その柔軟性と耐衝撃性にあり、圧電セラミックスでは不可能な人体の伸縮の動きに追従させて曲げの力が働いても、圧電セラミックスでは破損してしまう衝撃力を加えても、問題無く電圧を発生する。
【００１６】
また、圧電性高分子は軽く、柔らかで、特定の固有振動数を持ちにくいことから、特別な保護手段無しでも人体が圧電性高分子から受ける装着時の異物感や衝撃の反動といったダメージは少なく抑えられる。さらに、衝撃吸収用の高弾性体を配置、組み合わせれば、人体を歩行、及び走行に係る衝撃から保護する機能を付加することが容易にできる。
【００１７】
圧電性高分子は成形する際にフィルム状に薄膜化することが容易にできる。しかし、圧電効果で発生する電力は静電気に似ており、電極が無ければ発生した電力を取り出すことはできない為、表面、裏面に各々全面にわたる導電性の皮膜層を設けて電極とし、無用な電荷の漏れ防止に、全体を絶縁体の保護皮膜で被ったシート状のものを発電機関として使用する。また、同様の構造のものがピエゾフィルムと呼称され、両面の電極や保護皮膜を含めても４０μｍ〜２００μｍの厚さのものが製造されている。
【００１８】
上記圧電性高分子の持つ特徴を応用して、芯線と編み線間の絶縁体に該圧電性高分子を使用した同軸ケーブルを作ると、該同軸ケーブルに衝撃や伸張の力を与えた場合、力の大きさに比例した電圧変位が生じ、起電力を得られる。この場合は、芯線と編み線が電力を取り出す電極となる。こちらも同様の構造のものがピエゾケーブルと呼称され、製造されている。
【００１９】
上記のピエゾフィルムは、複数枚を積層しても発電装置を数ｍｍの厚さに抑えることができる。また、上記ピエゾケーブルは外径３ｍｍ程度である。この為、靴の中敷、及び衣類の一部に内蔵することが可能となる。
【００２０】
また、ピエゾケーブルは今後の技術の向上により、更に細い外径のものや、布のように編み込んだピエゾクロスとでも呼べるものの出現も予測できる。
【００２１】
そして、請求項２記載の発明は、請求項１記載の携帯用歩行発電装置において記した起電力を得る手段として、靴の中敷に圧電性高分子を内蔵して、人間の歩行、及び走行時に足裏と履物の接地面の両方から掛かる、衝撃に起因する圧力変化による変形をおこして圧電効果を発生させること、及び圧電性高分子の柔軟性に優れた特性を活用し、足裏の足指の付け根付近の屈伸の動きに該圧電性高分子を追従させて、伸長、及び圧縮変形による圧電効果を発生させることを特徴とする。
【００２２】
上記の靴の中敷の形態を持った携帯用歩行発電装置があれば、該携帯用歩行発電装置の使用者は、自分の所持する行動の用途、及び目的にかなった履物を履いたうえで発電を行うことが可能となり、その他の発電手段を備えた履物が有する問題点のほとんどを解決できる。
【００２３】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の携帯用歩行発電装置において記した起電力を得る手段として、衣類の適所に圧電性高分子を内蔵して、人間が歩行、走行、及び屈伸運動を行う際に関係する腰や、股関節、膝といった関節を起点とした人体の屈伸、及び伸縮の動きに該圧電性高分子を追従させて伸長、及び圧縮変形による圧電効果を発生させることを特徴とする。
【００２４】
衣類の一部に発電機関を内蔵した携帯用歩行発電装置の対象となる衣類の種類は、歩行に関係する部分、少なくとも腰下から足のつま先までを発電装置の設置の範囲とするものの為、具体的には靴下、アンダーパンツ、スパッツ、タイツ、ストッキング、スラックス、ジャンプスーツ（ツナギ服）などが思い浮かぶ。これら衣類に発電機関を内蔵することで、不用意に長い接続用ケーブルは必要なくなり、足下から延びるケーブルに係る問題点を解決できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例にもとづき、図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、請求項２記載の発明の携帯用歩行発電装置に適用する実施例の、起電力を得る手段を靴の中敷に内蔵した構造を有する携帯用歩行発電装置の構成概要図であり、発電部である靴の中敷１は、あらかじめ靴の中に設置した状態で使用することを前提条件としている。尚、本図では右足用のみで左足用は略しているが、左右両足用にて構成することにより実用度は高まる。
【００２７】
上記の条件を満たしたうえで人体に装着し、歩行等の運動を開始すると、踵を地面に着地させた瞬間、靴底を土台として人体の踵裏から加わる圧力、及び衝撃力は衝撃吸収用の高弾性体２が受け止め、変形しつつ横方向の力へと変換されて放射状に拡散し、高弾性体２の周囲を密着して取り囲んだピエゾケーブル３を伸長する力として伝達される。その結果、圧電効果が発生し、発生した電圧はピエゾケーブル３の芯線側電極４と編み線側電極５から起電力として取り出される。
【００２８】
上記にてピエゾケーブル３に変形の為の力を入力すると、電圧０Ｖから変形率に比例した電圧変位が生じるが、そのままの変形状態を保持すると電極を通して放電し、次第に０Ｖまで降下してゆく。踵が地商から離れた瞬間に、高弾性体２とピエゾケーブル３は外力を受けない変形前の形状へと復元し、このとき、先の発生した電圧と同等に近い逆極性の電位を生じさせる。そして、次に変形する為の力が入力されなければ、次第に０Ｖまで降下してゆく。以上の一連の行程を連続して繰り返すことにより、脈動する交流波形の電力を得る事ができる。
【００２９】
一方、人の歩行は、踵から着地し、踏み出す時はつま先で地面を蹴り、左右の足でこれを繰り返して進む。地面を蹴る瞬間、人の足は足の指の付け根を起点にして、くの字形に屈伸している。この瞬間に足の指の付け根付近に掛かる圧力、及び曲げの応力をピエゾフィルム６で受けることで、ピエゾフィルム６は伸長、及び圧縮変形して圧電効果を引き起こす。その結果として発生した電圧は導電性皮膜による表側電極７と裏側電極８から起電力として取り出される。
【００３０】
ピエゾフィルム６は変形すると、電圧０Ｖから面積と厚みによって決まる一定の電圧まで上昇し、そのままの変形状態を保持すると次第に０Ｖへと降下してゆく。そして、該変形した状態から変形前の初期の形状へ復元する過程にて、先の発生した電圧と同等に近い逆極性の電位を生じ、次に変形するための力が入力されなければ次第に０Ｖまで降下してゆく。以上の一連の行程を連続して繰り返すことにより、脈動する交流波形の電力を得る事ができる。
【００３１】
ピエゾケーブル３の電極４、５、及びピエゾフィルム６に接する電極７、８から取り出された電力は、配線や、接続されているケーブル９を通じて各々が整流手段としてのダイオードブリッジ１０Ａ、及び１０Ｂを経て整流された直流波形の電力として合流し、蓄電手段としての蓄電池１１にて蓄電された後に、電力を出力する手段としての出力端子１２から電力を各種携帯用電気機器、及び携帯用情報端末、或いは商用二次電池に供給することができる。
【００３２】
次に、図２は請求項３記載の、起電力を得る手段を衣類の一部に内蔵した構造を持つ携帯用歩行発電装置に適用する実施例の構成概要図であり、本図では一例としてスパッツタイプを表している。
【００３３】
人体１００に、発電機関を内蔵する本体であるスパッツ１０１を装着して、歩行等の運動を開始すると、人体１００の股関節を起点とする胴体、臀部、足の付け根の連動した動きは、スパッツ１０１の左右の適所に、人体１００に密着するように配置されたピエゾフィルム１０２Ａ、及びピエゾフィルム１０２Ｂを各々に伸長、及び圧縮変形させる力として作用する。その際、ピエゾフィルム１０２Ａ、或いは１０２Ｂは圧電効果を引き起こし、ピエゾフィルム１０２Ａに発生した電圧は、接する表側電極１０３Ａと裏側電極１０４Ａから、ピエゾフィルム１０２Ｂに発生した電圧は、接する表側電極１０３Ｂと裏側電極１０４Ｂから起電力として取り出される。
【００３４】
歩行の動作として、踏み出すために前方に振り出した左右どちらかの足が地面に着地し、もう一方の足を振り出した時の重心移動と、体勢、及び慣性を保つ為に人体の後方へと移行してゆくと、ピエゾフィルム１０２Ａ、或いはピエゾフィルム１０２Ｂは、先に入力された力よる変形から外力を受けない初期の形状へと復元し、さらに先程と逆方向の変形へと移行する。上記からの一連の歩行の行程を繰り返すことで、脈動する交流波形の電力を得る事ができる。
【００３５】
ピエゾフィルム１０２Ａに接する表側電極１０３Ａと裏側電極１０４Ａ、ピエゾフィルム１０２Ｂに接する表側電極１０３Ｂと裏側電極１０４Ｂから各々取り出された電力は、配線や接続用ケーブル１０５を通じて、各々が整流手段としてのダイオードブリッジ１０６Ａ、及び１０６Ｂを経て整流された直流波形の電力として合流し、蓄電手段としての蓄電池１０７にて蓄電された後、電力を出力する手段としての電力出力端子１０８から電力を各種携帯用電気機器、及び携帯用情報端末、或いは商用二次電池に供給することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明を実施することにより、これまで看過されてきた人間の歩行、及び走行時に足裏と履物の接地面に掛かる衝撃力や圧力、或いは人体の関節を起点とする屈伸等の曲げの力を有効利用して電力を得る手段を得ることができる。
【００３７】
そして、靴の中敷、及び衣類の形態を持つ、これら本発明の携帯用歩行発電装置は、発電部と蓄電、及び電力出力部を分散して身体に装着することにより、従来の携帯用歩行発電装置のほとんどが採用する、履物に発電装置、蓄電手段、電力出力手段を内蔵した形態のものよりも軽量で、単純な構造となり、部品交換も容易となって使用寿命が延びる。
【００３８】
さらに、これら本発明の携帯用歩行発電装置の使用者は、電力の供給設備、及び施設の無い場所においても電力を入手できる手段を得ることが可能となり、屋外の業務、レジャー、過酷な環境での活動など多様な目的、及び環境下での使用にも、履物を変えたり、着衣を工夫することにより対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】起電力を得る手段を靴の中敷に内蔵した構造を有する携帯用歩行発電装置の構成概要図である。
【図２】起電力を得る手段を着衣の一部に内蔵した構造を有する携帯用歩行発電装置の実施例の構成概要図である。
【符号の説明】
１　靴の中敷
２　衝撃吸収用高弾性体
３　ピエゾケーブル
４、５、７、８、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０４Ａ、１０４Ｂ　電極
６、１０２Ａ、１０２Ｂ　ピエゾフィルム
９、１０５　接続用ケーブル
１０Ａ、１０Ｂ、１０６Ａ、１０６Ｂ　ダイオードブリッジ
１１、１０７　蓄電池
１２、１０８　電力出力端子
１００　人体
１０１　スパッツ
【図１】
2004096980.tif 000003
【図２】
2004096980.tif 000004