JP5576679B2 - 履物 - Google Patents

Description

衝撃を受けて発電する発電装置とこれを用いた表示灯及びこの表示灯を用いた履物に関する。

現在、加えられた力を電圧に変換する圧電体と金属板を貼り合わせた圧電素子が広く利用されている。また、圧電素子の圧電体に直接衝撃を加え、発電させる方法がいくつか提案されている（例えば特許文献１および特許文献２）。

特開２０００−２８７４６４号公報 特開２０１０−１６３２１号公報

上記特許文献１および特許文献２に記載された発明では、圧電体に直接衝撃を加えるため、長期間の使用によって圧電素子が損傷してしまうことが考えられる。また、これらの発明では、一回の衝撃により圧電素子から複数の周期（周波数）の異なる電圧（振動波）が発生し、これらの振動波が互いに干渉し合う等して発生電圧が発生後すぐに急激に減衰してしまい、変換効率が低くなるという欠点がある。

上記事情に鑑み、本発明は、圧電素子を損傷させることなく、衝撃を効率よく変換して発電する発電装置と、この発電装置を用いた表示灯と、この表示灯を用いた履物を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の発電装置は、
圧電体が層状に設けられ、厚さ方向に定常波に近似した形に撓むことが自在な圧電振動板と、
上記圧電振動板を取り囲むケースとを備え、
上記ケースが、
上記圧電振動板に向けて力が加わる加圧方向の、その圧電振動板よりも上流側に設けられ、その力を受ける被加圧部と、
上記圧電振動板の中央部分が定常波にいう腹となるようにその圧電振動板が厚さ方向に撓むように、その圧電振動板の、その圧電振動板が撓んだ際に定常波にいう節となる部分を支持する支持部とを有するものであり、
上記圧電振動板が、
上記被加圧部とは上記加圧方向に空間をあけて配置されたものであることを特徴とする。

本発明の発電装置によれば、外部からの力を受けて、圧電振動板が共振することにより、振動が増幅されて一定時間周期的な振動が発生する。この振動により効率的かつ持続的に電荷を発生させて発電するものである。

なお、上記ケースが、振動を拘束しないための空気の出入口になる開口を有するものであることが好ましい。

ここで、上記発電装置は、
上記圧電振動板が、
上記加圧方向に対して垂直方向に拡がる姿勢で配置されたものであってもよい。

この発電装置によれば、圧電振動板が最も振動しやすい位置で衝撃を受けるため、より効率よく発電することができる。

また、上記発電装置は、
上記圧電振動板が円板状のものであり、加えられた力によって生じる上記圧電振動板の屈曲振動によりその圧電体の厚さが変化することに基づいて、電圧を発生するものであることが好ましい。

本発明の表示灯は、
上記発電装置に発光手段を電気的に接続したことを特徴とする。

本発明の表示灯によれば、発電装置を衝撃が生じる場所に設置して、発光手段を点灯させることができる。

ここで、上記表示灯は、
上記発光手段が、発光ダイオードであってもよい。

この表示灯によれば、消費電力の低い発光ダイオードを用いることで、発電した電力を効率よく利用することができる。

また、上記表示灯は、
上記発光手段が、並列に接続された複数の発光ダイオードであって、
上記複数の発光ダイオードのうちのいずれか一つが、他の発光ダイオードとは正負の向きが反対に接続されたものであってもよい。

また、上記表示灯は、
上記発光ダイオードと直列に接続された抵抗素子を有するものであってもよい。

この表示灯によれば、発電装置から供給される電圧が、発光ダイオードの定格電圧以上の電圧であっても、この抵抗素子の働きによって発光ダイオードが破壊されないようにすることができる。

さらに、上記表示灯は、
上記発光ダイオードと並列に接続された蓄電手段を有するものであってもよい。

この表示灯によれば、蓄電手段に電荷を蓄えておくことができるため、この電荷を利用して、例えば発光ダイオードを長時間点灯させたり、より高出力の発光ダイオードを点灯させたりすることができる。

加えて、上記表示灯は、
上記発電装置が複数設けられ、
上記蓄電手段が、容量の異なる蓄電素子を複数の発電装置ごとに設けたものであってもよい。

この表示灯によれば、容量の異なる蓄電素子を使い分けることによって、複数の発光ダイオードの発光態様（例えば表示時間、表示タイミング等）を異ならせたりすることができる。

さらに加えて、上記表示灯は、
上記発電装置から出力された電流を整流し、上記発光手段に直流電流を出力する整流回路を備えたものであってもよい。

この表示灯によれば、発電装置から生じる交流電圧を直流電圧に変換することができるため、より効率よく発光手段を点灯させることができる。

本発明の履物は、
上記表示灯を取り付けたことを特徴とする。

本発明の履物によれば、足が地面につく衝撃によって発光手段を点灯させることができるため、夜間等の視認しにくい状況で使用者の存在を気付かせて事故を防止することができる。また、履物の意匠性を高めることもできる。

ここで、上記履物は、
上記発電装置が収納されその発電装置の周囲を囲む第２のケースを備え、
上記第２のケースが、上記発電装置が移動可能な空間が設けられているものであってもよい。

この履物によれば、足を地面につける以外の衝撃であっても電力に変換することができるため、発光手段をより長時間点灯させることができる。

ここで、上記第２のケースは、履物の底部をくり抜いた空間を確定する壁によって形成されたものであってもよい。また、上記第２のケースは、上記発電装置が、上記圧電振動板の厚さ方向に移動可能な空間が設けられたものであってもよい。

また、上記履物は、
上記発電装置が、この履物を履いた人の踵骨の下方に位置するヒール部に設けられたものであってもよい。

この履物によれば、歩行の際に受ける最大の衝撃を利用することができる。

さらに上記履物は、
上記発電装置が、この履物を履いた人の足裏が接する接触面よりも下方の位置に設けられたものであってもよい。

この履物によれば、使用者の足裏によって加えられる力を利用することができる。

本発明の発電装置によれば、圧電素子を損傷させることなく、衝撃を効率よく変換して発電する発電装置と、この発電装置を用いた表示灯と、この表示灯を用いた履物を提供することができる。

圧電ユニモルフ振動子を示す図である。 圧電ユニモルフ振動子に電圧を印加したときに生じる変化を示す断面図である。 本実施形態の発電装置を示す断面図である。 衝撃が加えられたときの発電装置の状態を示す図である。 発電装置の圧電ユニモルフ振動子が振動している状態を示す図である。 （ａ）は、圧電ユニモルフ振動子のセラミック層に直接衝撃を加えた場合に生じる電圧を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態の発電装置に衝撃を加えた場合に生じる電圧を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の表示灯の一実施形態である発光装置を示す回路図であり、（ｂ）は、（ａ）の発光装置の第１変形例を示す回路図である。 （ａ）は、図７（ａ）の発光装置の第２変形例を示す回路図であり、（ｂ）は、図７（ａ）の発光装置の第３変形例を示す回路図である。 整流回路を使用した場合と使用しない場合を比較した図である。 図７（ａ）に示す発光装置の第４変形例を示す回路図である。 （ａ）は、本発明の履物の一実施形態であるサンダルを示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すサンダルに埋め込まれた発光装置を示す図である。 発光装置のコンデンサにかかる電圧を測定した結果を表にして示す図である。 （ａ）はサンダルに発電装置を収納するケースを設けた様子を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示すサンダルを履いて歩行した際に生じる電圧を示すグラフである。 歩行時の足の位置に対応する発電のタイミングを示す図である。

以下、図面を用いて本発明の発電装置の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である発電装置１に用いられる圧電ユニモルフ振動子１１を示す図である。この圧電ユニモルフ振動子１１は、本発明の圧電振動板の一例に相当するものである。図１（ａ）には、この圧電ユニモルフ振動子１１を上から見た様子が示されている。この図に示す圧電ユニモルフ振動子１１は、直径２０ｍｍの真ちゅう（ブラス）製の円形の金属板層１１２と、この金属板層１１２よりも一回り小さい直径１５ｍｍの円形のセラミック層１１１と、それぞれの層に設けられた電極端子１１３，１１４を備えている。このセラミック層１１１は、圧電効果を有する厚さ２００μｍのセラミックの両面に８００℃で焼き付けられた厚さ約２μｍの銀膜１１１１を備えている。セラミック層１１１は、本発明の圧電体の一例に相当するものである。図１（ｂ）には、図１（ａ）に示す圧電ユニモルフ振動子１１を横から見た様子が示されている。金属板層１１２は、厚さ２００μｍのものであり、この金属板層１１２にセラミック層１１１が接着されている。なお、金属板層１１２の厚さは１００μｍ以上３００μｍ以下であればよく、場合によっては３００μｍ以上の厚さであってもよい。また、セラミック層１１１の厚さは１００μｍ以上３００μｍ以下であればよく、セラミック層１１１は金属板層１１２と同程度の厚さであることが好ましい。また、銀膜１１１１は３μｍ以下であればよい。

まず、図１（ａ）に示す圧電ユニモルフ振動子１１に電圧を印加した場合について説明する。

図２は、圧電ユニモルフ振動子１１に電圧を印加したときに生じる変化を示す断面図である。図１（ａ）に示すセラミック層１１１を挟み込んだ銀膜１１１１を介して電圧を印加すると、セラミック層１１１は圧電効果によって伸縮する。

図２（ａ）には、金属板層１１２からセラミック層１１１に対して電圧を印加した場合に、圧電ユニモルフ振動子１１が、セラミック層１１１が設けられた側を凸にして反る様子が示されている。金属板層１１２からセラミック層１１１に向かって電圧を印加すると、セラミック層１１１は主として厚みが収縮し、その結果、図中の左右方向に伸びる（図中の矢印参照）。これに対して金属板層１１２は変形せず、図中の左右方向の長さはそのままである。すなわち、図中の左右方向において、セラミック層１１１と金属板層１１２との間に長さの差が生じるため、圧電ユニモルフ振動子１１には、セラミック層１１１が設けられた側を凸にした反りが生じることになる。

一方、図２（ｂ）には、金属板層１１２とは反対側からセラミック層１１１に対して電圧を印加した場合に、圧電ユニモルフ振動子１１が、金属板層１１２が設けられた側を凸にして反る様子が示されている。金属板層１１２とは反対側からセラミック層１１１に対して電圧を印加した場合には、上記図２（ａ）の場合とは逆に、セラミック層１１１は図中の左右方向に縮む変形をする（図中の矢印参照）ため、圧電ユニモルフ振動子１１には、金属板層１１２が設けられた側を凸にした反りが生じることになる。以下、圧電ユニモルフ振動子１１において、セラミック層１１１が設けられた側を凸にした反りと金属板層１１２が設けられた側を凸にした反りとが交互に繰り返されることを、屈曲振動と称する。

上記圧電ユニモルフ振動子１１は、電圧を印加すると反りが生じるものであるが、反対に圧電ユニモルフ振動子１１に反りが生じるように外力を加え、電圧を生じさせることが可能である。本実施形態の発電装置は、加えられる外力を利用して圧電ユニモルフ振動子１１に反りを生じさせて、発電するものである。以降、この発電装置の詳細について説明する。

図３は、本実施形態の発電装置１を示す断面図である。この発電装置１は、図の上方向から下方向に向かって衝撃を受けて発電するものであり、外殻１２と、その外殻１２内部に設けられた支持部１３と、この支持部１３に接着された圧電ユニモルフ振動子１１とを備えている。外殻１２は、本発明のケースの一例に相当するものであり、その内部に圧電ユニモルフ振動子１１が、衝撃が加わる方向（図中の矢印参照）に対して垂直方向に拡がる姿勢で配置されているものである。この外殻１２には、圧電ユニモルフ振動子１１が振動できるように、この圧電ユニモルフ振動子１１の上下に十分な空間が設けられている。また、外殻１２はその上面に孔１２１が開いており、圧電ユニモルフ振動子１１が振動しても、この孔から空気が出入りできるため、振動を妨げることはない。なお、外殻１２は、この孔１２１を開けずに全体を密閉したものであってもよい。この外殻１２の上面は、本発明の被加圧部の一例に相当するものである。図示は省略するが、圧電ユニモルフ振動子１１の２つの電極端子１１３，１１４には、外部と接続できるように配線されている。

この図３において、圧電ユニモルフ振動子１１は発電装置１内部で振動できるように、金属板層１１２の周縁部分（図中では金属板層１１２の両端部分）で支持部１３に接着されている。より詳細には、圧電ユニモルフ振動子１１の中央部分を腹とする定常波が発生するように、この定常波の節となる部分が接着されている。なお、圧電ユニモルフ振動子１１のセラミック層１１１の周縁部分も上記定常波の節となり得る部分であり、セラミック層１１１の周縁部分を接着したものであってもよい。以下、図４および図５を用いて発電装置１の動作について説明する。

図４は、発電装置１に衝撃が加えられたときの発電装置１の状態を示す図であり、図５は、発電装置１の圧電ユニモルフ振動子１１が振動している状態を示す図である。図４（ａ）には、図の下方向に向かう衝撃が発電装置１に加えられる様子が示されている。この図における矢印は、発電装置１に衝撃を加える方向を示すものである。図４（ｂ）には、衝撃が加えられた発電装置１の様子が示されている。発電装置１に衝撃が加えられると、まず、発電装置１の外殻１２が振動し、内部の支持部１３も外殻１２の動きに合わせて振動する。このとき、圧電ユニモルフ振動子１１は、慣性の法則により中央部分が静止しようとするものの、支持部１３と接着している部分は支持部１３に合わせて振動する。すなわち、圧電ユニモルフ振動子１１は、上下に反るように外力を加えられることになり（図４（ｂ）の矢印参照）、この変形に応じて電圧が生じる。

変形した圧電ユニモルフ振動子１１は、元の形状に戻ろうとするが、この戻る際の力に、振動により加えられる外力が同調すると、いわゆる共振状態となる。この共振状態では、圧電ユニモルフ振動子１１は連続して反る力を得て振動する。より具体的には、圧電ユニモルフ振動子１１の固有の振動（共振）が、外力による衝撃がトリガーとなって起こる。この共振状態になると、発電装置１からは、連続して電圧が生じることになる。図５には、この共振によって圧電ユニモルフ振動子１１が上下に振動している様子が示されている。この図において、圧電ユニモルフ振動子１１は、その中央部分を腹とする定常波が発生している状態である。

さらに、本実施形態の発電装置１は、衝撃が加えられると、この衝撃に含まれる衝撃のうち、圧電ユニモルフ振動子１１の固有の振動数と一致する振動数の衝撃と共振して、発電することも可能である。このため、圧電ユニモルフ振動子１１のセラミック層１１１または金属板層１１２の厚さを調整したり、直径を調整したりすることで、衝撃の振動数と一致する共振振動数へ調整することができる。すなわち、加えられる衝撃の振動数にあわせて適切な発電装置１を製造することができる。

上記説明した圧電ユニモルフ振動子１１のセラミック層１１１に直接衝撃を加え、発電させることも可能である。しかし、直接衝撃を受けると破損しやすく、長期間の使用に耐えられない。本実施形態の発電装置１は、外殻１２によって圧電ユニモルフ振動子１１のセラミック層１１１に直接衝撃が加えられないよう保護するとともに、セラミック層１１１に間接的に外力を加えるため、長期間使用することができる。

また、圧電ユニモルフ振動子１１を例えば平面に設置した状態でその圧電ユニモルフ振動子１１に衝撃を加えても、圧電ユニモルフ振動子１１は十分に振動することができず、エネルギーの変換効率が低くなる。また、圧電ユニモルフ振動子１１に横から衝撃を加えた場合も、圧電ユニモルフ振動子１１は十分に振動することができず、エネルギーの変換効率が低くなる。上述したように本実施形態の発電装置１は、圧電ユニモルフ振動子１１が振動して、その中央部分を腹とする定常波が発生するように、この定常波の節となる部分を接着したものである。この構成によって圧電ユニモルフ振動子１１が振動しやすく、衝撃を受けた際に共振状態になりやすいため、効率よく衝撃を変換して発電することができる。しかも、圧電ユニモルフ振動子１１は円形であるため、エネルギー変換効率が良好な径方向の振動を利用した屈曲振動により発電がなされる。すなわち、加えられた力によって生じるセラミック層１１１の屈曲振動によりそのセラミック層１１１の厚さが変化することに基づいて発電がなされる。

図６（ａ）は、圧電ユニモルフ振動子１１のセラミック層１１１に直接衝撃を加えた場合に生じる電圧を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態の発電装置１に衝撃を加えた場合に生じる電圧を示すグラフである。この図６（ａ）には、直接衝撃を加えた場合に生じる電圧が減衰してしまうことが示されている。この結果に対して、（ｂ）には、（ａ）のように電圧が減衰せず、効率よく電圧が発生していることが示されている。すなわち、この図６（ｂ）には、一回の衝撃により約１．８ｋＨｚの共振周波数で電圧（定在波振動）が繰り返し発生していることが示されている。なお、図中で、丸に囲まれた＋および−は、発生電圧の正負を示しており、丸に囲まれた０は、電圧が０Ｖであることを示している。

なお、上記説明した発電装置１に使用した圧電ユニモルフ振動子１１は、金属板層１１２の片面にセラミック層１１１を貼り付けた、いわゆるユニモルフタイプのものであったが、これに限らず、例えば金属板層１１２の両面にセラミック層１１１を設けた、いわゆるバイモルフタイプのものであってもよい。また、圧電素子の素材は一般的なチタン酸ジルコン酸鉛に特に限定されるものではなく、例えば、水晶、鉛系リラクサ圧電単結晶、チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリ等の素材を用いたものであってもよい。さらに金属板層１１２には、金属以外にも例えばアクリルやテフロン（登録商標）等の樹脂を用いたものであってもよい。さらに、圧電セラミック層は、その内部に内部電極をもつ積層型から構成されていてもよい。

ここまで、本発明の発電装置の実施形態について説明した。次に、本発明の表示灯の実施形態について説明する。

図７（ａ）は、本発明の表示灯の一実施形態である発光装置２を示す回路図である。この発光装置２は、上述した発電装置１と、ＬＥＤ２１とを備えており、発電装置１が衝撃を受けて発電すると、その電力によってＬＥＤ２１が発光するものである。なお、発光装置２に用いる発光素子はＬＥＤに限らず、例えばフィラメントを用いるものであってもよい。

図７（ｂ）は、（ａ）の発光装置２の第１変形例を示す回路図である。この発光装置２は、ＬＥＤ２１と抵抗２２が直列に接続されたものである。このため、発電装置１からＬＥＤ２１の定格電圧以上の電圧が生じた場合でも、ＬＥＤ２１が破壊されることを防ぐことができる。

図８（ａ）は、図７（ａ）の発光装置２の第２変形例を示す回路図である。この発光装置２は、２個のＬＥＤ２１が逆接続で並列に接続されたものである。発電装置１は、図６（ｂ）に示すように振動する電圧が交互に発生するもの、すなわち交流電圧を発生させるものである。ＬＥＤを並列に逆接続すると、ＬＥＤのもつ整流性により正負の電圧が加わってもそれぞれのＬＥＤを発光させることができる。なお、これらのＬＥＤ２１と直列に抵抗を接続して、定格電圧以上の電圧が生じた場合にＬＥＤ２１が破壊されることを防止してもよい。

図８（ｂ）は、図７（ａ）の発光装置２の第３変形例を示す回路図である。この発光装置２は、図７（ｂ）に示す第１変形例の回路図に、ダイオードブリッジによる全波整流回路２４が挿入されたものである。発電装置１は、前述した通り交流電圧を発生するものである。これに対してＬＥＤ２１は、正の電圧が印加されると発光するもの、すなわち直流電圧が印加されると発光するものである。このため、発電装置１から負の電圧が発生しているときには、ＬＥＤ２１を適切に点灯させることができない。

図９は、整流回路２４を使用した場合と使用しない場合を比較した図である。この図９（ａ）には、発電装置１から生じた交流電圧の一例が示されている。また、その一部が負の電圧になっていることが示されている。図９（ｂ）には、発電装置１の交流電圧を整流回路２４により変換し、出力された直流電圧の一例が示されている。この電圧は、全て正の電圧である。図９（ｂ）に示されるように、上記挿入された整流回路２４によれば、発電装置１から発生した交流電圧が直流電圧に変換されるため、ＬＥＤ２１を適切に点灯させることができる。

図１０は、図７（ａ）の発光装置２の第４変形例を示す回路図である。この発光装置２は、図８（ｂ）に示す第３変形例の回路図に、コンデンサ２３が挿入されたものである。発電装置１で生じた電荷をこのコンデンサ２３に蓄えておくことで、蓄えた電荷を利用して例えばＬＥＤ２１の発光時間を長くしたりすることができる。また、発光装置２に発電装置１を複数用意し、それぞれの発電装置１に容量の異なるコンデンサを接続すれば、例えば連続的な発光態様でＬＥＤ２１を点灯させることができる。

また、図１０に示す発光装置２には、整流回路２４も挿入されている。この図１０に示す発光装置２によれば、整流回路２４によって変換される直流電圧によってＬＥＤ２１を効率よく点灯させることができ、コンデンサ２３に蓄えた電荷によってＬＥＤ２１を長時間点灯させたりすることもでき、さらには、抵抗２２によってＬＥＤ２１に過剰な電圧がかかることを防ぐこともできる。

ここまで、本発明の表示灯の実施形態について説明した。最後に、本発明の履物の実施形態について説明する。

図１１（ａ）は、本発明の履物の一実施形態であるサンダル３を示す側面図である。このサンダル３はソール３１が木製のものであり、このソール３１内部には、図１０に示す第４変形例の発光装置２が設けられている。この発光装置２の発電装置１は、ソール３１のうち、このサンダル３を履いた人（使用者）の踵の下にくるヒール部３１１であって、かつ使用者の足裏が接する接触面３００よりも下方の位置に設けられている。また、この図では、ＬＥＤ２１は、サンダル３の後ろから飛び出すように配置されているが、発光面を後方に向けてソール３１内に埋め込むようにして配置されたものであってもよい。図１１（ｂ）は、（ａ）に示すサンダル３に設けられた発光装置２を示す図である。

サンダル３を履いて歩行すると、足を地面に着いたときの衝撃が発光装置２の発電装置１に伝わり、電力が生じてＬＥＤ２１が発光する。夜間の視認しにくい状況でこのサンダル３を使用すると、歩くたびにＬＥＤ２１が発光するため、後方から接近する者に対して注意を喚起することができ、交通事故を軽減することが期待できる。また、交通安全を目的とするものに限らず、デザインの一部として上記発光装置２を用いてもよい。しかも、発電装置１を備えているため電池交換が不要であり、ＬＥＤ２１の寿命がくるまで長期間にわたって使用することができる。なお、この発光装置２には、上述した全ての変形例が使用できる。また、本実施形態ではソール３１が木製のサンダルについて説明したが、例えばゴム製のサンダルのように他の素材のものであってもよい。また、例えば運動靴や長靴のように他の種類の履物であってもよい。

ここで、図１２を用いて、上記説明したサンダル３のコンデンサ２３に蓄えられる電荷の一例を説明する。同図は、サンダル３に設けられた図１０に示す発光装置２のコンデンサ２３にかかる電圧の測定結果を表にして示す図である。

図１２（ａ）には、両足にサンダル３を履いて、１０歩だけ歩いたとき、すなわち各足がそれぞれ５回着地したときに、片方の足の発光装置２のコンデンサ２３にかかる電圧を測定した結果が示されている。ここでは、発光装置２のＬＥＤ２１として、定格電圧が２Ｖ程度のＬＥＤを用い、コンデンサ２３として、１０μＦの容量のコンデンサを用いている。なお、測定値のばらつきを考慮して、上記手順での測定を合計５回行い、平均値を算出した。図１２（ａ）の縦の項目には、測定回数および平均値の欄が設けられている。

コンデンサ２３の容量と、図１２（ａ）に示された電圧の平均値を用いて、コンデンサ２３に蓄えられた電荷を計算すると、１０μＦ×６４８ｍＶ＝６．４８μＣとなる。すなわち、歩行時の着地１回につき、約１．３μＣの電荷が蓄えられることになる。なお、この容量１０μＦのコンデンサにかかる電圧が変化しなくなるまで（ＬＥＤ２１の発生電圧に達するまで）、すなわちコンデンサ２３へのチャージが完了するまでのサンダル３の着地回数を測定したところ、１４回着地した時点でチャージが完了し、ＬＥＤ２１が発光することがわかった。

図１２（ｂ）は、発電装置１のコンデンサ２３を、容量１００μＦのコンデンサに変更して、図１２（ａ）と同様の測定を行った結果を示す図である。この図１２（ｂ）に示された電圧の平均値と、コンデンサ２３の容量から、コンデンサ２３に蓄えられた電荷を計算すると、１００μＦ×７２ｍＶ＝７．２μＣとなる。すなわち、歩行時の着地１回につき、約１．４μＣの電荷が蓄えられることになる。この容量１００μＦのコンデンサ２３へのチャージが完了するまでのサンダル３の着地回数を測定したところ、１４３回着地した時点でチャージが完了し、ＬＥＤ２１が発光することがわかった。

図１２（ｃ）は、発電装置１のコンデンサ２３を、容量２２０μＦのコンデンサに変更して、図１２（ａ）と同様の測定を行った結果を示す図である。この図１２（ｃ）に示された電圧の平均値と、コンデンサ２３の容量から、コンデンサ２３に蓄えられた電荷を計算すると、２２０μＦ×３０ｍＶ＝６．６μＣとなる。すなわち、歩行時の着地１回につき、約１．３μＣの電荷が蓄えられることになる。この容量２２０μＦのコンデンサ２３へのチャージが完了するまでのサンダル３の着地回数を測定したところ、２８０回着地した時点でチャージが完了し、ＬＥＤ２１が発光することがわかった。

この図１２に示すように、サンダル３はＬＥＤ２１を発光させつつ、コンデンサ２３へ電荷を蓄えることができる。この蓄えた電荷によって、ＬＥＤ２１を長時間発光させることができる。より詳細に説明すれば、コンデンサの容量が１０μＦの場合には、Ｑ＝ＣＶ（ここで、Ｑ、Ｃ、Ｖはそれぞれ電荷、静電容量、電圧を表す。）の式を用いて、１４回着地×１．３μＣ＝１０μＦ×ＶよりＶ（発生電圧）は１．８Ｖになる。また、コンデンサの容量が１００μＦの場合には、１４３回着地×１．４μＣ＝１００μＦ×ＶよりＶ（発生電圧）は２．０Ｖになる。さらに、コンデンサの容量が２２０μＦの場合には、２８０回着地×１．３μＣ＝２２０μＦ×ＶよりＶ（発生電圧）は１．７Ｖになる。以上の結果から、図１２（ａ）〜（ｃ）に示す測定結果では、発生電圧は１．７〜２．０Ｖとなり、コンデンサへの充電は、コンデンサの容量が大きいほど充電までの歩数が多く必要にはなるが、その容量が大きいほどＬＥＤを長時間点灯させることができる。

ここで、ソール３１（特にヒール部３１１）のクッション性を高めた場合には、発生電圧の大きさは同程度であるものの、電圧発生持続時間（以下、発電時間と称することがある）は短くなる傾向にあり、クッション性が低い場合に比べて高い場合には、発生電圧が早く減衰してしまうことがある。コンデンサをうまく使用すれば、ＬＥＤの点灯時間を長くすることができる可能性もあるが、これを改善すべく、次の構成を考えた。

図１３（ａ）は、図１１（ｂ）に示す発光装置２に、発電装置１を収納するケース３２を設けた様子を示す図である。このケース３２は、図１１（ａ）に示すソール３１の内部をくり抜いて形成された内周壁によって構成されたものである。このケース３２によって、ソール３１の密閉した空間内に発電装置１が収められる。図１３（ａ）には、このケース３２と発電装置１との間に設けられた空間Ｓが示されている。

発電装置１は、このケース３２に固定されていないため、サンダル３を使用するとケース３２の内部を動き回り、このケース３２を構成する内周壁に何回か繰り返し衝突する。すなわち、足を下ろしたときに限らず、例えば足を地面から上げたとき等の様々な動きによって、発電装置１に何回か繰り返し衝撃を加えることができると同時に発電装置１に力が直接加わり、サンダル３のクッション性の大小によらず、一定の発電量が得られる。なお、繰り返しの回数は、受ける衝撃の度合いや、発電装置１の外殻１２の素材、およびケース３２の素材などによって異なる。ここで、図１３（ｂ）を用いて、発電装置１から発生する電圧について説明する。同図は、図１３（ａ）に示す発電装置１から発生する電圧を示す図である。

図１３（ｂ）には、発電装置１に加えられた１回目の衝撃による発電が約５ｍｓかけて減衰している様子が示されている。言い換えれば、約５ｍｓの間は発電していることになる。なお、上述した図９（ａ）にも、約５ｍｓかけて減衰している様子が示されている。この約５ｍｓの間、発電装置１は１回目の衝撃によってケース３２内を移動し、２回目の衝撃を受けて発電する。図１３（ｂ）には、この２回目の衝撃による発電が、５ｍｓの辺りで起きていることが示されている。すなわち、左足を例にあげて説明すれば、図１３（ｂ）に示す（１）の期間は、左足の着地によって発電している期間（１回目の衝撃によって発電している期間）であり、（２）の期間は、その着地による共振振動によって発電している期間であり、（３）の期間は、左足のサンダル内における、発電装置１とケース３２との２回目の衝突によって発電している期間になる。

以上説明したように、発電装置１は１回の衝撃で約５ｍｓの間発電する。ここで、図１３（ａ）に示すケース３２の空間Ｓを適切な大きさに調整することで、新たな衝撃の都度発生する振動波（電圧）が互いに干渉しないようにして、電圧が減衰したとき（発電が終了したとき）に合わせて新たな衝撃を発生させることができ、発電装置１により効率的かつ持続的な発電が可能となる。この結果、ＬＥＤ２１をより長く発光させることができる。以下、このケース３２の空間Ｓを適切な大きさに調整したサンダル３を使用した場合について説明する。

図１４は、歩行時の足の位置に対応する発電のタイミングを示す図である。

図１４（ａ）には、歩行時の左足Ｌおよび右足Ｒの位置が示されている。また、図１４（ｂ）には、歩行による発電時間と一歩当たりの時間が、（ａ）の足の位置に合わせて示されている。なお、（ｂ）に示す発電時間については、点線の楕円で囲んだ部分の詳細が拡大図によって示されている。

図１４（ａ）に示されるＡ１は、左足Ｌが着地した直後の足の位置を示している。このとき、左足Ｌが着地したことにより、発電装置１がケース３２内を移動して衝突し、発電装置１が発電する（図１４（ｂ）に示す１回目発電の矢印参照）。なお、上記説明したとおり、１回の衝撃に対する電圧発生持続時間は約５ｍｓである。

その後、左足Ｌは、Ａ２、Ａ３、Ａ４の姿勢になる。このＡ１からＡ４までの動作が右足Ｒの一歩である。この一歩に要する時間は、人間の歩行速度を考慮すると短くても５００ｍｓくらいはあり、１回の衝撃に対する電圧発生持続時間よりも十分長い。この右足Ｒが一歩を踏み出している間（Ａ１〜Ａ４の間）に、左足側の発電装置１はケース３２内で着地の衝撃により数回往復移動し、繰り返し発電する（図１４（ｂ）に示す２回目発電以降の矢印参照）。

次に、Ａ４以降の動作について説明する。Ａ４の姿勢、すなわち右足Ｒが着地した直後にも、発電装置１に衝撃が加わり、発電装置１は発電する。このときケース３２内で跳ね返った発電装置１に再度衝撃が加わり、１回目の衝撃から５ｍｓ経過後に再び発電する。その後、右足Ｒは着地したまま、Ａ５、Ａ６に示すように左足Ｌが前方に移動して着地し、再度Ａ１の姿勢になる。このＡ４の姿勢から再度Ａ１の姿勢になるまでが左足Ｌの一歩である。この左足Ｌの一歩の間にも、右足Ｒに履いたサンダルに設けられた発電装置１はケース３２内を数回往復し、繰り返し発電する。なお、上述のごとく一歩に要する時間は５００ｍｓ程度と長いため、一歩の間に発電装置１がケース３２内で繰り返し衝突することにより生じた振動波（Ｎ回目発電による電圧）と、次の一歩の着地の衝撃により生じた振動波（１回目発電による電圧）とが干渉することはない。

このように、図１３（ａ）に示す構造をもったサンダルでは、かなりの時間、継続して発電がなされ、その結果、ＬＥＤ２１を長時間発光させることができる。また、コンデンサ２３や整流回路２４を組み合わせることにより、ＬＥＤ２１をより長時間発光させることができる。

１ 発電装置
１１ 圧電ユニモルフ振動子
１１１ セラミック層
１１１１ 銀膜
１１２ 金属板層
１１３，１１４ 電極端子
１２ 外殻
１３ 支持部
２ 発光装置
２１ ＬＥＤ
２２ 抵抗
２３ コンデンサ
２４ 整流回路
３ サンダル
３１ ソール
３１１ ヒール部
３２ ケース

Claims (1)

1. 発電装置に発光手段を電気的に接続した表示灯を取り付けた履物であって、
   前記発電装置は、
   圧電体が層状に設けられ、厚さ方向に定常波に近似した形に撓むことが自在な圧電振動板と、
   前記圧電振動板を取り囲むケースとを備え、
   前記ケースが、
   前記圧電振動板に向けて力が加わる加圧方向の、該圧電振動板よりも上流側に設けられ、該力を受ける被加圧部と、
   前記圧電振動板の中央部分が定常波にいう腹となるように該圧電振動板が厚さ方向に撓むように、該圧電振動板の、該圧電振動板が撓んだ際に定常波にいう節となる部分を支持する支持部とを有するものであり、
   前記圧電振動板が、
   前記被加圧部とは前記加圧方向に空間をあけて配置されたものであり、
   さらにこの履物は、
   前記発電装置が収納され該発電装置の周囲を囲む第２のケースを備え、
   前記第２のケースは、
   前記発電装置が移動可能な空間が設けられていることを特徴とする履物。