JP6419866B2 - エネルギー取得ソール - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも１つの圧電素子を備えた少なくとも１つのモジュールを含む、シューソールのためのシステムに関する。
多くの人にとって、スポーツは人生の不可欠な部分である。例えば、人々は、健康状態を向上させるため、また、健康的なライフスタイルを送るために、ランニングに出かける。スマートフォンの出現により、トレーニングを改善するために、さらには友人と例えばソーシャルネットワークを介して結果を共有するために、トレーニング中またはトレーニング後にトレーニング効率を監視することも当たり前になってきた。
この目的のために、ステップ数、移動した距離、歩調、ペース、速度などのようなデータを得るための様々な手法が知られている。例えば、スマートフォンは、スマートフォン内のＧＰＳセンサおよび／または運動センサなどの組み入れられたセンサを介して活動を監視するために使用され得るアプリを提供する。
他の手法は、人またはスポーツ衣料品、例えば靴のどこかに設置されるセンサを伴う。従来の手法は、上述のパラメータのうちの少なくともいくつかを測定するために、靴のソールのどこかに設置されるセンサを伴う。運動中または運動後、測定されたパラメータは、スマートフォンなどの監視デバイスに伝送され得る。
上述のセンサのほとんどは、所望のデータを測定することができるように、電池を含む。その結果、電池は時々空になり、新しい電池との交換を必要とする。一部のセンサのモデルでは、デバイス一式を交換することが必要な場合すらある。これらの解決法が環境に対して著しい負担となることは明かである。したがって、当業界によってさらなる手法が考えられてきた。
他のセンサの１つの例は、運動中にエネルギーを生成するための圧電素子を伴い、このエネルギーは、それぞれのセンサを作動させるために蓄積または使用され得る。
例えば、米国特許出願公開第２０１３／００２８３６８号明細書は、靴のための歩数計に関する。圧電素子を含む起電ユニットが、ユーザがその足を地面に降ろしたときに起電ユニットに加えられる圧力に応答して、電流を作り出す。電流は、ステップの計数を行うための外部の歩数計ユニットに提供される。
論文“Insole Pedometer With Piezoelectric Energy Harvester and 2V Organic Circuits” by Ishida et al., published in IEEE Journal of solid-state circuits, Vol. 48, No. 1, January 2013によって開示されている別の解決法は、圧電エネルギー取得装置（piezoelectric energy harvester）から成り、かつ、取得された電力を使用してステップ数を記録する疑似ＣＭＯＳ１４ビットステップカウンタを含む、シューインソール歩数計を説明している。歩行中に足によってインソールが押圧されるたびに、圧延されたポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ；ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）シートである圧電エネルギー取得装置が、パルスを生成する。同様にシューソールに含まれる他のＰＶＤＦロールが、有機回路のための電源として使用され得る。
米国特許出願公開第２０１４／００８８９１７号明細書もまた、エネルギー採取機能（energy scavenging functionality）を有するステップカウンタを開示している。この目的のために、ステップカウンタデバイスが、ユーザのステップを検出しかつ計数する。デバイスは、圧電タイプのものとされ得る変換器を含み、この変換器は、ユーザのステップに応答して電気的な変換信号を生成するように構成されている。エネルギー採取システムが、電気的な変換信号に応答して電源電圧を生成するために、変換器に結合される。処理ユニットが、電源電圧によって作動する。処理ユニットは、電気的な変換信号を検知して、ユーザのステップが発生したかどうかを判定し、その判定に応答してステップカウンタの値を増加させるように、さらに構成される。
上記の手法は、環境に対する悪影響を低減するのに多少貢献するが、実用上の観点からすると上記の手法には依然として様々な欠点がある。例えば、そのようなセンサは、製造に手間がかかり、比較的大きく、想定される様々な状況での使用にとって実際的でない場合がある。例えば、靴を使用していないとき、例えば軽い休憩中または運動の後で、センサまたは得られたデータを使用することができない可能性がある。
米国特許出願公開第２０１３／００２８３６８号明細書 米国特許出願公開第２０１４／００８８９１７号明細書
"Insole Pedometer With Piezoelectric Energy Harvester and 2V Organic Circuits" by Ishida et al., published in IEEE Journal of solid-state circuits, Vol. 48, No. 1, January 2013
したがって、本発明の根本的な目的は、作製が容易で、シューソールの内部に設置するのに都合良く小さく、運動家に優れた有用性を提供する、様々なパラメータを監視するために使用される改良された圧電センサシステムを提供することである。
この目的は、少なくとも１つのモジュールを有するシューソールのためのシステムによって少なくとも部分的に解決され、
このモジュールは、少なくとも１つのピエゾ素子（本明細書では、圧電素子とも呼ばれる）の機械的な変形に応じて電気信号を作り出すように構成された少なくとも１つの圧電素子を備える。電気信号は、シューソールの少なくとも１つの運動パラメータを抽出するための信号として使用されるように構成される。システムは、電気信号から得られた電気エネルギーを蓄積するように構成されている少なくとも第１のエネルギー蓄積装置および第２のエネルギー蓄積装置をさらに備え、第２のエネルギー蓄積装置は、第１のエネルギー蓄積装置が第１のエネルギー閾値に達した後でのみ荷電される。
圧電素子を含むモジュールの使用は、外部電源の必要性をなくすことなどの、様々な利点を提供する。それでもなお、それ自体のエネルギーをゼロから作り出すこと、つまりモジュールおよびシステムを使用できるようにするためには、システムおよびモジュールを作動させるために必要とされる最小量のエネルギーを作り出すために、靴の着用者の一定量の初期動作が必要である。その理由は、十分なエネルギーが利用可能な場合に限り、システムにおいて電気信号が処理されてパラメータが判定（および、例えば局所的に記憶）され得るからである。システム、またはシステムの少なくとも最も重要な部分を迅速に作動させるために使用され得る第１のエネルギー蓄積装置を設けることにより、システムの適切な働きが確保され得る。第１のエネルギー蓄積装置の蓄積サイズ（例えば、静電容量）は、基本機能（例えば、論理ＩＣおよび／または調整ＩＣなどの１つまたは複数の制御要素）を得るために可能な限り小さく保たれ得る。小さい静電容量を有することにより、キャパシタ内の電圧は、より速く上昇することになり（Ｕ＝Ｑ／Ｃ）、式中、Ｃは静電容量であり、Ｑは電荷であり、Ｕは電圧である。しかし、基本的な制御要素が作動し始めるときにそれらが追加の始動電力／電荷を必要とし、それによりキャパシタでの電圧降下が生じるので、静電容量は過度に小さくすることはできない。次いで、ステップ計数が、制御論理回路において（例えば、論理ＩＣにおいて）始まり得る。他方では、第１のエネルギー蓄積装置が第１のエネルギー閾値に達したとき（および、その閾値を上回り続けるとき）のみに荷電される第２のエネルギー蓄積装置をさらに設けることにより、さらなる機能が使用され得る。制御要素（例えば、調整ＩＣおよび論理ＩＣ）が作動しているときには、それらは一定量の電力／電荷を必要とする。追加の電力／電荷は、第２のエネルギー蓄積装置（例えば、キャパシタ）に荷電される。第２のエネルギー蓄積装置にエネルギーが蓄積される（例えば、キャパシタ電圧が一定のレベルに達する）と、制御要素（例えば、論理ＩＣ）は、遠隔伝送のためのマイクロコントローラまたは制御装置（例えば、ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）、ブルートゥース、ブルートゥーススマート、ＩｒＤＡ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、セルラーネットワーク、ＺｉｇＢｅｅ、Ｗｉｆｉ、または適切な規格を使用する他の制御装置）などの追加の制御要素をオンにすることを可能にすることができる。これらの要素は、一定量の電力／電荷を使用し、その電力／電荷は、第１のキャパシタから別の制御要素（例えば、調整ＩＣ）を介して供給される。１つの例では、第２のキャパシタは、ショットキー型ダイオードとされ得る帰還ダイオードを介して、第１のキャパシタを支持する。本明細書において、ソールという用語は、インソールまたはミッドソールを意味し得る。
システムはまた、電気信号から得られた電気エネルギーを蓄積するように構成されている第３のエネルギー蓄積装置を備え得る。
第３のエネルギー蓄積装置の容量は、運動家が活動を少しの間中断する必要があるとき、または活動後でも、データをシステムからスマートフォン、スマートウォッチ、タブレットコンピュータ、パーソナルコンピュータ、または他のデバイスなどの外部および遠隔のデバイスに伝送することができるように、第１および第２のエネルギー蓄積装置の容量よりも大きくされ得る。これは、その間に遠隔デバイスへのデータ伝送、ＬＥＤの作動、などのような必要性の低い他の側面にエネルギーが使用されているというリスクを冒すことなく、第１のエネルギー蓄積装置を使用することによりモジュールを準備するのに必要な時間が短縮されることが確実とされ得るので、有利である。したがって、別々に制御可能な蓄積デバイスを有する方が良い。第３のキャパシタのタイプは、スーパーキャパシタ、薄膜リチウム電池、または類似のものとすることができる。第３のエネルギー蓄積装置における漏れ電流は、電荷を数時間／数日保持するために、可能な限り少なくあるべきである。例えば、このことは、蓄積デバイス、例えばキャパシタの適切な選択によって達成され得る。例えば、一部のキャパシタは、他のキャパシタよりも少ない漏れを有し得る。１つの例では、第３のエネルギー蓄積装置はまた、製造工程中に工場で荷電され得る。しかし、別法として、またはさらに、第３のエネルギー蓄積装置は、使用中にも荷電され得る。１つの例では、第３のエネルギー蓄積装置は、第２のエネルギー蓄積装置が閾値電圧に達した後でのみ荷電される。
システムは、第１のエネルギー蓄積装置が、抽出された少なくとも１つの運動パラメータを処理するためのエネルギーを供給するように構成され、第２のエネルギー蓄積装置が、制御要素および／または無線周波機能のためのエネルギーを供給するように構成され、第３のエネルギー蓄積装置が、抽出された運動パラメータを伝送するためのエネルギーを供給するように構成されるように、提供され得る。１つの例では、エネルギー蓄積装置として３つのキャパシタが使用される場合、それぞれキャパシタの容量は、以下の通りとされ得る：第１のキャパシタ：４０〜１００μＦ；第２のキャパシタ：１００〜２００μＦ；第３のキャパシタ：２〜１５ｍＦ。
第３のエネルギー蓄積装置は、シューソールが動いておらずかつ圧電素子が変形していないときに運動パラメータを（例えば、遠隔デバイスに）伝送するためのエネルギーを供給するように、構成され得る。一例として、判定された運動パラメータは、スマートフォン、スマートウォッチ、タブレットコンピュータ、パーソナルコンピュータ、または別の適切なデバイスなどの遠隔デバイスに伝送され得る。遠隔デバイスにおいて（例えば、休憩中または運動後に）得られたデータを監視することは、有利かつ好都合であり得る。既知の解決法は、デバイスが、デバイスを使用している間にしか利用可能なエネルギーを生成しないので、そのようなデータへの簡便なアクセスを提供しない。休憩中または運動後しばらくの間にモジュールから遠隔デバイスにデータを伝送するのに十分なエネルギーを供給するためのエネルギー蓄積装置は、存在しない。しかし、この概念は、第２のエネルギー蓄積装置にも適用され得る。
システムはまた、制御要素を備えることができ、この制御要素は、エネルギー蓄積装置のエネルギーレベルを制御および／または監視するように構成される。本明細書において、制御要素という用語は、マイクロコントローラ、論理要素、プログラム可能論理要素、または他の能動ＩＣ構成要素を意味し得る。１つの例では、このシステムの主要制御要素は、プログラム可能論理回路を有する。制御要素は、システム、具体的にはモジュールを制御するのに有利な特性を有する。例えば、制御要素は、システム内の、具体的には圧電センサから種々のエネルギー蓄積装置へのエネルギーフローを制御することができる。制御要素はまた、ＲＦデバイス、例えばアンテナを作動させるように構成され得る。アンテナなどのＲＦデバイスを介したデータ伝送は、周期的に起こってもよく、または非周期的に起こってもよい。例えば、非周期的に伝送する状況では、データは、バッファが満杯のときにのみ、または、ユーザの特定の相互作用に応じてのみ（例えば、ボタンを押すことにより）伝送され得る。ユーザの特定の相互作用はまた、遠隔デバイスから（例えば、運動中または運動後の）リクエスト信号を受信することを伴い得る。これは、測定されるパラメータを絶えず監視する必要がない場合には、有利であり得る。以下でより詳細に説明するように、様々な目的のために様々な制御要素が使用され得る。
さらに、システムは、第１および第２のエネルギー蓄積装置へのエネルギーフロー、または存在するのであれば第１のエネルギー蓄積装置と第３のエネルギー蓄積装置との間および／または第２のエネルギー蓄積装置と第３のエネルギー蓄積装置との間でのエネルギーフローを制御するための、少なくとも１つの電力弁を備え得る。エネルギー蓄積装置の数に応じて、電力弁の数は異なっていてもよい。例えば、各エネルギー蓄積装置に対して専用の１つの電力弁が存在しても良い。電力弁は、第１のエネルギー蓄積装置を使用するタイミング、および第２のエネルギー蓄積装置を使用するタイミング、またはより一般的にはエネルギー蓄積装置のいずれかを使用するタイミングを、有利に制御することができる。このようにして、利用可能な資源の改善された運用および使用が得られ得る。
エネルギー蓄積装置は、キャパシタ、スーパーキャパシタ、薄膜リチウム電池、または他のタイプの適切なエネルギー蓄積装置とすることができる。当然ながら、それらのタイプの任意のものの様々な組合せが使用されてもよい。例えば、第１のエネルギー蓄積装置をキャパシタとし、第２のエネルギー蓄積装置を薄膜リチウム電池とすることができる。このようにして、それぞれのタイプのエネルギー蓄積装置の様々な特性および利点を適切に利用することができる。一例として、第１のタイプのエネルギー蓄積装置が、急速に荷電されるが蓄積したエネルギーを長時間保持することができない場合がある。別のエネルギー蓄積装置が、荷電されるのにより長い時間を必要とするがエネルギーをより長時間蓄積することができる場合がある。
システムは、圧電素子の電気信号から得られたエネルギーのみを使用することによって作動され得る。このようにして、システムは、自立したものとなり、外部電源から完全に独立する。これにより、構成要素のうちの任意のものへのアクセスを提供すること、または荷電または他の目的のためのプラグに対する外部インタフェースを維持することが必要とされないので、システムの密閉された構成を提供することが可能になる。システムを封止することにより、開口部（電池カバーのような）が必要とされないので、システムは耐水性となり、機械的構成はより単純になる。この構成の方法はまた、より単純なソールの構成を可能とする。本明細書において説明されるあらゆる実施形態は、密閉された構造として提供され得ることが、留意される。
圧電素子は、少なくとも２つの圧電板を含み得る。１つだけの圧電素子の板よりも多くの圧電素子の板を使用することにより、力を加えている間により多くのエネルギーを作り出すことが可能になる。圧電素子の板の全てが変形ししたがって電気信号を作り出すことができるので、２つ以上の圧電素子の板を使用することは、単一の板状圧電素子を使用することによって作り出され得るエネルギーよりも多くのエネルギーが必要とされる場合に、有利であり得る。
さらに、システムは、電気信号から得られたデータを伝送するためのアンテナを備えることができる。アンテナは、モジュールに組み入れられてもよいが、モジュールの外部に設けられてもよい。１つの例では、アンテナは、可撓性のものとされ、かつ、靴のインソール内部に形成され得る。外部アンテナを有することにより、より良好なデータの伝送が実現され得る。
モジュールは、エネルギー蓄積装置のうちの１つに蓄積される電気信号を処理するための整流器をさらに備えることができる。圧電素子からの電流は、交流電流（ＡＣ）であり、整流器は、ＡＣ電流を、エネルギー蓄積装置に供給される直流電流（ＤＣ）に変換する。したがって、整流器は、電流を使用すること、したがって両方向における圧電素子の変形から得られる電気エネルギーを使用することを可能にする。
システムは、無線周波デバイスをさらに備えることができ、この無線周波デバイスは、外部の遠隔デバイスにデータを伝送するように、かつ／または外部の遠隔デバイスに、および／またはからデータを受信するように、構成される。１つの例では、データは、ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）規格に従って伝送され得る。他に考えられる伝送規格は、Ｚｉｇｂｅｅ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、ブルートゥース、ブルートゥーススマート、ＩｒＤＡ、ＷｉＦｉ、セルラーネットワーク規格、または他の適切な規格を含み得る。
システムは、靴の特定の運動を測定するための追加のセンサ、例えば、距離、速度、ペース、運動時間を得るための加速度計、姿勢データを得るためのジャイロスコープ、磁気データを得るための磁力計、温度を測定するための温度センサ、ソール内の特定の点での圧力を得るための圧力センサ、位置および性能データ（速度、ペース、距離、時間）を得るためのＧＰＳ（または、Ｇａｌｉｌｅｏ、ＧＬＯＮＡＳＳ）を備えることができる。センサの様々な組合せが使用され得る。それぞれのセンサの動作を制御し、かつ、センサのうちのいくつかまたは全てのセンサのオンとオフとを選択的に切り替えることを可能にし得る、適切な制御要素が設けられ得る。例えば、位置または温度を頻繁に測定することが必要とされない場合がある。したがって、エネルギーを節約するために、それぞれの制御要素は、対応するセンサの動作を制御するように構成されてもよい。
システムは、測定および検出された全てのデータを保存するメモリを備えることができる。使用されるメモリには、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、および当業者に一般に知られている他のタイプのメモリが含まれる。
システムは、電池を備えることができ、この電池は、ピエゾ素子と一緒に使用され、かつ、作り出されるエネルギーが性能データの検出またはそれらのデータの伝送に十分でない場合の代替策としても使用され得る。
少なくとも１つの運動パラメータは、ステップカウント、歩調、加速度、速度、ペース、時間、距離、または事象検出（ウォーキングとジョギングとランニングと停止とを識別する）のうちの１つまたは複数に関し得る。電気信号は、靴の使用継続時間を判定するためにさらに使用され得る。これは、運動が検出されるたびに作動する内蔵タイマを用いて達成されてもよい。別の例では、少なくとも１つのピエゾ素子（または加速度計／ジャイロスコープ／磁力計）の作動時間が、靴の使用継続時間を判定するために累積され得る。これにより、取得されるエネルギーだけに基づく内蔵式のシステムを使用することによる、活動に関連するパラメータの容易な判定が可能になる。
モジュールは、モジュールを保護するための少なくとも１つの支持リングを備えることができる。支持リングは、構成要素を保護するために、カバーの動きを制限することができる。具体的には、支持リングは、圧電素子の板の過度の湾曲を防止することができる。
モジュールは、圧電素子を作動させるための少なくとも１つの押圧バーを備えることができる。そのような押圧バー（または手短に「バー」）を設けることにより、靴を使用している間の圧電素子の板の湾曲を促進することができる。当然ながら、バーは、縦長の形状、十字の形状、円の形状、および他のタイプの形状などの、様々な形状を有することができる。湾曲を向上させるために、２つ以上のバーを有すること、例えば、モジュールの上面に１つのバーを有しモジュールの底面に１つのバーを有することも、考えられる。モジュールの上面のバーの形状と底面のバーの形状は、異なっていてもよい。バーの材料は、様々なプラスチック材料、ゴム材料、または他の適切な材料で作られ得る。バーを全く有さずに、ピエゾ素子をアクティベータとして使用することも可能とされ得る。
モジュールは、電気信号を伝達するための少なくとも１つの黄銅製カバーを備えることができる。黄銅製カバーは、様々な機能を果たすことができる。一方では、黄銅製カバーは、圧電素子とモジュールの他の構成要素との間の電気的接続を提供し得る。これらの他の構成要素は、電子構成要素またはアンテナであり得る。この場合、少なくとも１つの黄銅製カバーは、保護物として使用されるだけではなく、導電要素としても使用され得る。プラスチック製カバーまたはゴム製カバーを使用することも考えられる。カバー材料が非導電性である場合、制御要素、センサ、およびピエゾ素子などの種々の構成要素間に柔軟な導電材料（例えば、電線または導電性テープ）を直接接続することにより、電気的接続が提供され得る。さらに、カバーを使用しないことも考えられる。カバーを使用しない場合、導電接着剤が使用され得る。例えば、導電接着剤は、３Ｍ ｃｏｍｐａｎｙによって提供され得る。従来の接地手段（ねじ、または締結具）を避けるために、導電性テープが使用されてもよい。さらに、それらは、向上された柔軟性を提供する。
少なくとも１つのモジュールの厚さは、５ｍｍ未満、好ましくは３ｍｍとされ得る。３ｍｍの厚さを有するモジュールを提供することにより、靴の他の部品の実質的な再構成を必要とすることなく、典型的なインソールにモジュールを容易に組み入れることができる。着用者のために靴の快適性を損なわないように、薄いモジュールを有することも有利である。
モジュールは、靴のインソール、ミッドソール、またはアウトソールの空洞もしくは凹部内に組み入れられてもよい。運動家の要求、靴の特性、およびモジュールの数のうちの１つまたは複数に応じて、モジュールのうちの１つまたは複数が靴またはシューソールの様々な部分に組み入れられてもよい。例えば、第１のモジュールがインソール内に設けられ、第２のモジュールがアウトソール内またはミッドソール内に設けられてもよい。
モジュールは、地面を踏みつけているときにモジュールに最大限の力が加えられるように、靴のソール（例えば、インソールまたはミッドソール）内に設置され得る。モジュールは、ソールの踵部領域および／または前足部領域内に配置され得る。靴およびシューソールそれぞれの使用中、靴またはシューソールの他方の部分よりも多くの圧力を受ける領域が存在し得る。例えば、踵部領域における圧力は、中足部セクション内における圧力よりも実質的に高くなり得る。また、前足部領域における圧力は、中足部領域における圧力よりも高くなり得る。どの領域が最も高い圧力を受けるかは、具体的な活動によって決まってもよく、例えば、それは、着用者がランニングをしているのかまたはバスケットボールをしているのかで違いを生じさせ得る。したがって、シューソール内にモジュールを設置し、かつ、それらの状況を考慮することにより、向上されたエネルギー効率を得ることができる。
モジュールは、地面を踏みつけているときにモジュールに最大限の力が加えられるように、靴のミッドソール内に設置され得る。モジュールは、ミッドソールの踵部領域および／または前足部領域内に配置され得る。靴およびシューミッドソールそれぞれの使用中、靴またはシューミッドソールの他方の部分よりも多くの圧力を受ける領域が存在し得る。例えば、踵部領域における圧力は、中足部セクションにおける圧力よりも実質的に高くなり得る。また、前足部領域における圧力は、中足部領域における圧力よりも高くなり得る。どの領域が最も高い圧力を受けるかは、具体的な活動によって決まってもよく、例えば、それは、着用者がランニングをしているのかまたはバスケットボールをしているのかで違いを生じさせ得る。したがって、シューミッドソール内にモジュールを設置し、かつ、それらの状況を考慮することにより、向上されたエネルギー効率を得ることができる。
以下において、以下の図面を参照しながら、本発明の可能な実施形態をさらに詳細に説明する。
１つの例による、エネルギー取得ボタンおよび電子装置を含むインソールの概略図である。 １つの例によるインソールの上面図（upper view）である。 １つの例によるエネルギー取得ボタンの側面概略図である。 １つの例によるエネルギー取得ボタンの概略図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびその動作の概略図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびその動作の概略図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびその動作の概略図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびその動作の概略図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびその動作の概略図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびその動作の概略図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびその動作の概略図である。 １つの例によるエネルギー取得ボタンの側面図である。 １つの例によるエネルギー取得ボタンの概念図である。 １つの例による、インソールおよびエネルギー取得ボタンの概略図である。 １つの例による、様々なセンサを含むエネルギー取得ボタンの概念図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびいくつかの圧力センサを備えるインソールの図である。 １つの例による、エネルギー取得ボタンおよびいくつかの圧力センサ、ならびに追加のセンサを備えるインソールの図である。 １つの例によるエネルギー取得ボタンの概略図である。
以下において、図面を参照して本発明の例示的な実施形態をさらに詳細に説明する。以下の例のうちのいくつかは、「エネルギー取得ボタン」に対して説明されるが、これは単にモジュールの例示的なタイプであることに留意すべきである。本発明は、他の方法、例えばモジュールが別のタイプの「エネルギー取得」モジュールとして提供される方法で実施されてもよい。したがって、本明細書においてなされる「エネルギー取得ボタン」へのいかなる言及も、特定の形状のボタンに限定されるものと理解されるべきではないことが、理解されるべきである。
図１は、靴のための例示的なインソールの側面図を示し、このインソールは、下方部分１００および上方部分１１０を備える。下方部分１００と上方部分１１０との間には、内部に圧電素子１２０、１３０、１４０が配置された３つのエネルギー取得ボタンが存在する。さらに、この例では、３つの圧電素子１２０、１３０、１４０は、２つの電子構成要素１５０、１６０によって制御される。例えば、電子構成要素１５０が圧電素子１２０を制御し、一方で電子構成要素１６０が圧電素子１３０、１４０を制御してもよい。圧電素子および電子構成要素を含む例示的なエネルギー取得ボタンについて、以下により詳細に説明する。
図２は、靴のためのインソールの上面図であり、このインソールは、圧電素子および電子構成要素を含むエネルギー取得ボタンをいくつか備える。この例では、圧電素子２１０を含む１つのエネルギー取得ボタンが、ソールの踵部領域内に配置され、圧電素子２２０、２３０、２４０を含む３つのエネルギー取得ボタンが、ソールの前足部領域内に配置される。圧電素子２５０を含む１つのエネルギー取得ボタンが、ソールの側方中足部領域内に配置される。さらに、圧電素子２１０、２２０、２３０、２４０、２５０を含む、示されたエネルギー取得ボタンは、２つの電子構成要素２６０、２７０によって制御される。圧電素子を含むエネルギー取得ボタンよりも少数の電子構成要素を有することは、動作のための電力の必要性を減少させ、また、ソール内の必要な空間を減少させるので、有利である。さらに、圧電センサを含むエネルギー取得ボタンの一部のみ、したがって電子構成要素の一部のみを、一度に使用することが可能である。１つの例では、踵部内の圧電センサ２１０を含むエネルギー取得ボタン、および電子構成要素２６０のみが、使用され得る。別の例では、電子構成要素２６０および２７０は、相互接続され得る。１つの例では、電子構成要素のうちの一方のみが、アンテナなどのデータ伝送手段を備える。これに関しては、以下でさらに詳細に説明される。
圧電センサを含むエネルギー取得ボタン、および電子構成要素は、エネルギー取得ボタンに含まれた圧電素子に最大限の力が加えられる一方で電子構成要素に加えられる力が可能な限り少なく保たれるように、ソール内に配置され得る。このようにして、電子デバイスを保護すると同時に、圧電素子の湾曲からの最善のエネルギー利得を確保することができる。
図３は、本発明の様々な例による例示的なエネルギー取得ボタン３００の側面図である。本明細書では、エネルギー取得ボタン３００は、支持リング３４０、および複数のフレキシブルプリント回路板（ＰＣＢ）３１０を備える。中間の圧電素子３２０は、それらに力が加えられたときに変形し得る。圧電素子は、エネルギー取得ボタン３００内の制御された移動距離３３０を有することができ、この制御された移動距離３３０は、支持リング３４０によって画定される。
図４は、本発明の様々な例による、別の例示的なエネルギー取得ボタン４００を示す（上述のように、「ボタン」という用語は、限定的な形で理解されるべきではない。むしろ、ボタンは、任意の適切な形状を有することができる）。エネルギー取得ボタン４００は、電子装置４１０と、エネルギー蓄積装置（例えば、キャパシタ、スーパーキャパシタ、薄膜リチウム電池、または他の適切なタイプのエネルギー蓄積装置）と、アンテナとを設置するための領域を含む、ハウジング４０５を備える。エネルギー取得ボタン４００はまた、圧電素子４３０を過度の湾曲から防ぐ（例えば、円形または楕円形の）円板要素４２０を含み得る。圧電素子４３０が配置される領域は、圧電素子４３０の湾曲を可能にするために、円板要素４２０に対して隆起され得る。圧電素子４３０は、フレキシブル回路または導電接着剤４４０を介して、制御要素およびエネルギー取得ボタン４００の（エネルギー蓄積装置、センサ、またはアンテナなどの）他の要素に接続され得る。１つの例では、エネルギー取得ボタン４００は、密閉された構成要素を提供するために、蓋を介して開閉され得る。
図５ａは、本発明の一例による、別の例示的なエネルギー取得ボタン５００の断面図を示す。この例では、エネルギー取得ボタン５００は、２つのカバー５０５、すなわち１つの上方カバーと１つの下方カバーとを備える。カバー５０５は、保護物として（例えば、頑丈なまたは耐水の構造を提供するために）使用され得る。導電性材料（例えば黄銅）、または銅層および導電接着剤を含むフレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）からカバーが作られている場合、カバー５０５は、同じくエネルギー取得ボタン５００に含まれ得る電子構成要素５４０に電力および／または信号を伝達するための導電要素としても機能し得る。示されたエネルギー取得ボタン５００は、エネルギー取得ボタン５００の中心にどちらもセラミックス上に配置された２つの圧電板５１０を備え、セラミックスは、側面まで延在して支持リング５３０に接続されている。支持リング５３０は、カバー５０５の動きを制限し、そのようにして圧電板の過度の湾曲を防止する。この例では、エネルギー取得ボタン５００の電子構成要素５４０は、完全にエネルギー取得ボタン５００内に設けられ、外部のエネルギー蓄積装置（例えば、電池）への接続部５５０のみが、外側に出される。別法として、またはさらに、より良好なデータ伝送特性を提供し得るアンテナがエネルギー取得ボタン５００の外側に出されることも考えられる。しかし、特定の構造によっては、アンテナは、エネルギー取得ボタン５００内に完全に組み入れられる場合もある。さらに、エネルギー取得ボタン５００の上方および下方の部品（カバー）はまた、１つまたは複数のバー５２０を含み得る。これらのバー５２０は、カバーから圧電板５１０まで延在し、したがって圧電板５１０を移動させかつ押圧し得る。示された例では、それぞれ上方の圧電板まで、下側から延在する１つのバーと、上側から延在する１つのバーとが存在する。しかし、他の構造を使用することも考えられる。例えば、バーの形状は異なっていてもよく、または、２つのバーの代わりに単一のバーのみが使用されてもよい。また、バーの特定の構造によっては、違う数のバーが使用され得る。
図５ｂは、エネルギー取得ボタン５００の上面図を示し、この図では、圧電素子および電子構成要素５４０のための保護を提供する支持リング５３０が見えるように、上方カバーは取り除かれている。圧電素子（この図には示されていない）を曲げることを可能にする上方のバー５２０も見られる。
続く図５ｃから５ｇ（その全てが図５ａと同様の断面図である）は、エネルギー取得ボタン５００の例示的な動作サイクルを示す。図５ｃでは、例えば靴の着用者の足が地面に接触するときに、エネルギー取得ボタン５００に圧力が加えられる（矢印によって示される）。この圧力は、バー５２０を介して圧電板５１０に伝達される。変形の結果として、湾曲した圧電板５１０のそれぞれにより電流５５５が生成される。この電流はまた、圧電素子の信号に相当する。１つの例では、この信号は、ステップ信号として、また、ステップカウンタの値を増加させるものとして解釈され得る。次いで、電流は、対応する制御要素（例えば、マイクロコントローラ、デジタル論理、または類似の構成要素）に転送され得るステップ信号として、エネルギー取得ボタン５００の電子構成要素に供給５６０される（図５ｄ）。その後、図５ｅに関して説明されるように、圧力が解放されると（例えば、靴が地面から持ち上げられると）、圧電素子の変形（安定状態への推移）の結果として、圧電素子により別の電流５７０が生成される。図５ｆに示されるように、このさらなる電流５７０も、電子構成要素に伝送５６０されて、さらに処理され得る。最後に、得られたステップ信号（エネルギー取得ボタン５００のマイクロコントローラによって処理されていてもよい）は、表示および／またはさらなる処理のための遠隔デバイス５９０（例えば、スマートフォン、スマートウォッチ、タブレットコンピュータ、パーソナルコンピュータ、または任意の他の適切なデバイス、サーバ、クラウド）に伝送５８０され得る。本発明は、圧電素子の信号を、センサ（例えば、ステップカウンタ）としても、遠隔デバイスへの伝送を含むエネルギー取得ボタン５００の電子構成要素の動作のためとしても、使用することを可能にする。この技法により、２回のステップ間の時間を検出することも可能であり、これは、「滞空時間（air time）」を検出するため（例えば、跳躍を判定するため）、または、ステップ頻度（例えば、ステップ／分）を検出するため、または、運動中の様々な事象を検出するため、つまり、靴の着用者がウォーキング、ランニング、ジョギング、短距離走…をしているのかどうかを少なくとも２回のステップ間の時間に基づいて検出するために使用することができ、これは、信号とルックアップ表とを比較することによって容易に行うことができる。この事象分類およびステップは、メモリに保存されて、リアルタイムでまたは運動（または、ソールの動作）の後で（ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）、ＺｉｇＢｅｅ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、ブルートゥース、ブルートゥーススマート、ＩｒＤＡ、ＷｉＦｉ、セルラーネットワーク規格、または他の適切な規格を介して）伝送され得る。メモリに（少なくとも一時的に）保存されるデータが既定の期間の後に遠隔デバイスに伝送されることが、電子装置に保存され得る。この遠隔デバイスは、スマートフォン、スマートウォッチ、タブレットコンピュータ、パーソナルコンピュータ、または任意の他の適切なデバイスもしくはサーバ／クラウドデバイスのいずれかであってもよい。
図６は、本発明によるエネルギー取得ボタン６００の一例の別の図である。エネルギー取得ボタン６００は、下方および上方の黄銅製カバー６１０、６２０を備える。黄銅製カバーのそれぞれは、圧電素子６５０が変形の結果として電流を生成するように、圧電素子６５０に圧力を加えるための押圧バー６４０を含む。エネルギー取得ボタン６００は、支持リング６３０によって保護される。したがって、圧電素子６５０は、亀裂および破断から保護され得る。支持リングは、液晶高分子（ＬＣＰ；ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌｙｍｅｒ）成形を使用して製造され得る。しかし、他のタイプの製造または成形も考えられ、当業者には広く知られている。エネルギー取得ボタン６００のさらなる部品は、明瞭性の理由から図６では省略されている。このようにして、必要な電子装置が統合された自己出力型ステップカウンタ（エネルギー取得ボタン６００）が提供され得る。エネルギー取得ボタン６００は、インソールに組み入れられ得るが、ミッドソール、さらにはアウトソールに組み入れられてもよい。特定の構造によっては、エネルギー取得ボタン６００のために空洞が必要とされる場合がある。
図７は、本発明の一例による、エネルギー取得ボタン７００の概略的なブロック図である。このブロック図は、圧電素子の二重機能性、すなわち、エネルギー取得のために使用されると同時にセンサ要素としても使用される圧電素子を示す。圧電素子７０５は、前述のように、湾曲に応じて電流を生成する。生成された電流は、交流電流（ＡＣ）であり、整流器７１０に伝送され得る。整流器７１０は、交流電流を直流電流（ＤＣ）に変換し、直流電流は、その後、エネルギー管理モジュール７２０のために使用され得る。エネルギー管理モジュール７２０は、マイクロコントローラ７３０を作動させるためおよびデータ分析のために使用され得る調整電流を生成する。さらに、圧電素子７０５によって生成された電流は、高インピーダンスブリッジ７４０および高インピーダンス比較器７５０を介したステップ計数または他の運動パラメータの抽出のために使用されてもよく、高インピーダンスブリッジ７４０および高インピーダンス比較器７５０は、その後のデータ分析のためにマイクロコントローラに供給される電圧パルスを生成する。高インピーダンスブリッジ７４０は、抵抗分圧器である。この抵抗分圧器は、検知目的のための電流フローを可能な限り低く保つために非常に高い抵抗性のものであることを必要とする。高インピーダンス比較器７５０は、２つの入力における電圧レベルを比較する構成要素である。通常、一方は基準電圧であり、もう一方は有効電圧（ピエゾ素子からの信号など）である。有効電圧が基準電圧を上回ると、比較器における出力電圧が高くなる。有効電圧が基準電圧よりも低いときは、比較器における出力は低い。
このようにして、エネルギー取得ボタン７００内の圧電素子は、異なる２つの機能、すなわち、エネルギー取得およびステップ計数のために使用され得る。しかし、本明細書で説明されるように、歩調（ステップを表す２つの信号間の時間）、速度（例えば、平均のステップ長およびステップ回数が分かっている場合であり、それらは場合によりエネルギー取得ボタン７００の電子装置に（ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）、Ｚｉｇｂｅｅ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、ブルートゥース、ブルートゥーススマート、ＩｒＤＡ、ＷｉＦｉ、セルラーネットワーク規格、または他の適切な規格を介して）接続されるモバイルデバイスを用いて、ユーザによって予め決定されるかまたは決定され得る）、他多数などの他のタイプの運動パラメータもまた、電流から抽出され得る。本明細書において、モバイルデバイスという用語は、上述の規格のうちの１つまたは複数を介して通信することが可能なポータブルハンドヘルドデバイスを意味する。モバイルデバイスには、スマートフォン、スマートウォッチ、タブレットＰＣ、モバイルコンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、携帯情報端末、ゲーム機、デジタルカメラ、ポケットベル、スマートカード、セル式携帯電話、携帯電話、および音楽プレーヤが含まれる。モバイルデバイスは、典型的には、表示部、（仮想）キーボード、処理装置、およびメモリを含む。しかし、モバイルデバイスのタイプによっては、そのような構成要素が全て含まれるとは限らない。本発明のエネルギー取得ボタン７００は、他の解決法（例えば、加速度計を基礎とするステップ検出）に比べて、電流消費量が少なく、またその構造が非常に単純である、低コストの解決法を可能とする。ステップ計数に対しては、上記の例によるエネルギー取得ボタン７００は、２つの抵抗器と１つのＭＯＳＦＥＴトランジスタとを必要とし、エネルギー取得に対しては、上記の例によるエネルギー取得ボタン７００は、整流器ブリッジ（４つのダイオード）と、エネルギー蓄積のための１つまたは複数のキャパシタとを必要とする。さらに、構成要素を制御するために、マイクロコントローラと論理ＩＣとが必要とされる。小型で軽量のエネルギー取得ボタン７００は、靴のインソール（または、靴の他の部品）に容易に組み入れることができる。
図８は、本発明の一例に一致するインソールへのエネルギー取得ボタン８００の例示的な実装を示す。図示のように、インソール８０５が、空洞８１０を備える。本明細書で説明されるようなエネルギー取得ボタン８００が、空洞内に配置され、空洞は、蓋８３０を使用して閉じられ得る。このようにして、エネルギー取得ボタン８００は、インソール内に容易に設置されて、少なくとも１つの運動パラメータを判定するために使用されることができ、したがって、圧電素子から取得されるエネルギーだけに依存する。しかし、エネルギー取得ボタン８００がインソール内に組み入れられる（すなわち、取り外すことができない）ことも考えられる。この例では、電子装置は、インソールの内側に接触して成形され得る。そして、インソールは、圧電素子を使用することにより（電力を生成するのと同じ要素を使用することにより）ステップを、ウォーキングおよび／またはランニングの歩調を、ランニングの速度および／または距離を、検出及び測定することができる。靴のソール内の他のセンサを使用しかつ作動させることも考えられる。例えば、他のセンサには、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、および／または位置センサ（例えば、ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、もしくはＧＬＯＮＡＳＳ）が含まれ得る。当然ながら、エネルギー取得ボタンの典型的な使用法に応じて、それらのセンサの様々な組合せも使用され得る。例えば、バスケットボールをするときに使用されるソールの場合、位置センサは、ランニングシューズに使用されるエネルギー取得ボタンの場合よりも必要とされなくなり得る。
本発明のエネルギー取得ボタン９００の一実施形態が、図９に示されている。エネルギー取得ボタン９００は、処理装置９０５と、圧電素子９１０（本明細書で説明されるようなもの）と、メモリ９５０（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＦＲＡＭメモリ、または類似の他の適切なメモリタイプ）と、エネルギー蓄積装置９６０（例えば、キャパシタ）、電池９７０（上記のようなもの）、送受信機または送信機ユニット９８０（例えば、ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）、Ｚｉｇｂｅｅ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、ブルートゥース、ブルートゥーススマート、ＩｒＤＡ、ＷｉＦｉ、セルラーネットワーク規格、または他の適切な規格）、および追加のセンサのうちの少なくとも１つまたは複数と、を備えることができ、少なくとも１つのセンサは、加速度計９２０、ジャイロスコープ９３０、磁力計９４０、圧力センサ９９０、および位置センサ９９５（例えば、ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、ＧＬＯＮＡＳＳ）のうちの１つである。他のタイプのセンサも使用され得る（図示せず）。本明細書で説明されるエネルギー取得ボタンは必ずしも図９に示されたセンサの全てを含むものではないことが、明らかにされるべきである。むしろ、それぞれの目的に応じて、センサのうちの１つまたはいくつかのみが含まれる場合もある。
図１０は、本明細書で説明されるエネルギー取得ボタン１０００のインソール内での１つの使用例を示す。エネルギー取得ボタン１０００は、いくつかの圧力センサ１０２０ａ〜ｅとの組合せで、ソール１０１０（例えば、ミッドソールまたはインソール）の踵部領域内に設置される。この例では、５つの圧力センサが存在し、それらの圧力センサは、例えば着用者のつま先により前足部領域に加えられる圧力を測定するように構成されている。圧力センサは、エネルギーを生成するための１つまたは複数の圧電素子と圧力センサを制御するための適切な制御要素とを含むエネルギー取得ボタン１０００によって、制御されかつ作動され得る。図１０におけるセンサおよびエネルギー取得ボタン１０００の数、タイプ、および配置は代表的なものではないことが、留意されるべきである。意図された特定の使用法に応じて他のタイプのセンサが使用されてもよく、ソール１０１０（ミッドソールまたはインソール）内での様々な位置が考えられ、様々な数のセンサも使用可能である。使用され得る１つの例示のエネルギー取得ボタン１０００は、参照番号９００により図９内で説明されている。
さらなる例が図１１に示されている。図示のように、インソールが、ソール１１１０の踵部領域内に配置されたエネルギー取得ボタン１１００を備える。先の図と同様に、５つの圧力センサ１１２０ａ〜ｅが、例えば着用者のつま先による前足部領域の圧力を測定するために、前足部領域内に配置されている。それに加えて、踵が地面に接触したときに着用者によって加えられる圧力を測定するために、踵部領域内に配置された別の圧力センサ１１２０ｆが存在する。センサ（例えば、位置センサ（例えば、ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ）、温度センサ、加速度計、磁力計、ジャイロスコープ、またはそれらの任意の組合せ、メモリ、電池）などの追加の電子要素１１３０が、インソールの中足部領域内に提供され得る。電子要素１１３０は、インソール（またはミッドソール）に取り外し不可能に固定されてもよく、または、インソール（またはミッドソール）内の空洞（穴など）内に取り外し可能に固定されてもよい。しかし、それぞれのセンサの数、タイプ、および位置は異なり得ることが、留意されるべきである。例えば、前足部領域内の圧力センサの数は、前足部領域全体の圧力のみが（各つま先による圧力とは対照的に）測定されるように、減らされ得る。
図１２は、本発明の一例によるエネルギー取得ボタン１２００の一例の別の図である。これまで説明してきたように、１つまたは複数の圧電素子１２０５が、変形の結果として電気信号または電流を作り出す。この電流は、ステップ検出などの、１つまたは複数の運動パラメータの判定１２１０のために使用され得る。次いで、電流は、圧電素子１２０５のＡＣ信号をＤＣ信号に変換する整流器１２２０に送られ得る。
第１のエネルギー蓄積装置が、最初に荷電される。第１のエネルギー蓄積装置内の電圧が一定のレベルを上回ると、第１のエネルギー蓄積装置は、電圧調整器１２６０（ＤＣＤＣ変換器／ＬＤＯ調整器）に電力を供給する。その直後、電圧調整器１２６０は、電力管理論理回路（例えば、電力管理ＩＣ）１２７０を起動させる。電力管理論理回路１２７０の機能は、エネルギー蓄積装置（例えば、キャパシタ）間の電力フローを管理すること、および、マイクロコントローラ１２８０に伝えられる電圧レベルを知ることである。電力管理論理回路１２７０は、１つの例では、２００ｍｓ毎にキャパシタ１２３０および１２３５内の電圧レベルを検査する。固有の特性に応じて、５０ｍｓ毎、１００ｍｓ毎、３００ｍｓ毎、または５００ｍｓ毎などの、電圧レベルを検査するための他の時間間隔も適用され得る。
電圧レベル検出法は、抵抗器ブリッジと共に使用されてもよく、抵抗器ブリッジは、キャパシタに接続された負荷開閉器構成要素と直列している。直流電圧測定法が使用されてもよい。
電圧レベルが一定の限度（例えば、４．２Ｖ）を上回ると、電力管理論理回路１２７０は、上回ったことを検出して、キャパシタ間の電力弁を開ける。
例えば、第１のエネルギー蓄積装置１２３０において電圧の限度を上回った場合、電力管理論理回路１２７０は、第１のエネルギー蓄積装置１２３０と第２の電力蓄積装置１２３５との間の電力弁を開ける。電力弁が開けられると、電流が第２のエネルギー蓄積装置１２３５へ流れる。それと同時に、第１の電力蓄積装置１２３０において電圧が降下し、そして電圧が一定の閾値（例えば、４．２Ｖ）を下回るとすぐに電力弁が閉じられる。同じことが、第２のエネルギー蓄積装置１２３５と第３のエネルギー蓄積装置１２４０との間でも起こる。
第２のエネルギー蓄積装置１２３５内の電圧レベルが十分に高くなると、電力管理論理回路１２７０は、そのことを検出して、マイクロコントローラを起動させるための割当量を与える。マイクロコントローラが起動されると、第１のエネルギー蓄積装置１２３０および第２のエネルギー蓄積装置１２３５内の電圧レベルは、降下し始める。レベルが一定の閾値を下回ると、このことは電力管理論理回路１２７０によって測定され得るが、制御信号がマイクロコントローラに送られ、マイクロコントローラはスリープ／低電力モードを開始する。電力制御は他の方法で行われてもよく、例えば、マイクロコントローラは、どの程度の電荷がエネルギー蓄積装置（例えば、キャパシタ）から消費されるかが正確に分かる場合には、一定の期間にわたってオン状態を保ってもよい。
マイクロコントローラがオン状態にあるときには、電流フローは、第１の電力蓄積装置１２３０から電圧調整器１２６０を介して継続する。第１の電力蓄積装置１２３０内の電圧レベルが、電力帰還要素１２４５（例えば、ショットキーダイオード）の閾値レベルを引いた第２の電力蓄積装置１２３５の電圧レベルよりも低い場合、電流フローは、第１のエネルギー蓄積装置１２３０を支持する第２のエネルギー蓄積装置１２３５からも入来する。
マイクロコントローラ１２８０はまた、その後のデータ伝送のためのアンテナ１２９０を作動させ得る。本明細書で説明される例によれば、データ伝送は、２つの方法で行われ得る。第１の方法は、運動中に使用者によりモバイルデバイスが運ばれることである。エネルギー取得ボタン１２００からのデータは、時折モバイルデバイスに送信される。例えば、データは、リアルタイムもしくは５０ｍｓ、５００ｍｓ、１ｓ、５ｓ、１０ｓ、３０ｓなどの間隔で、メモリが満杯のときのみ、またはユーザによる要求に応じて、送信され得る。データ伝送のための第２の方法は、エネルギー取得ボタン１２００がモバイルデバイスなしで使用される場合に実現され得る。データは、エネルギー取得ボタン１２００に接続または結合されるメモリ（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＦＲＡＭメモリ、または類似の他の適切なメモリタイプ）に集められる。運動の後、つまりエネルギー取得ボタン１２００またはセンサが信号を生成または受信しない一定の時間の後、記録は停止する。エネルギー取得ボタン１２００は、送信機または送受信機（例えば、ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）、Ｚｉｇｂｅｅ、近距離無線通信（ＮＦＣ）、ブルートゥース、ブルートゥーススマート、ＩｒＤＡ、ＷｉＦｉ、セルラーネットワーク規格、または他の適切な規格）を介して、ルータ、サーバコンピュータ、コンピュータ、上記で定義されたようなモバイルデバイス、または任意の他の適切な媒体に接続して、運動中に集められた記録されたデータを伝送する。そのような場合にマイクロコントローラがどのように機能し得るかの１つの例は、マイクロコントローラが送信機／送受信機の信号を検出して、第３のエネルギー蓄積装置１２４０と電力帰還要素１２５０との間の弁を開けることであり得る。その方法によれば、マイクロコントローラは、データ伝送のための十分な電力を提供する。第３のエネルギー蓄積装置１２４０からの電力は、電力帰還要素１２５０を介して第１のエネルギー蓄積装置１２３０に流れ得る。
さらに、第３のエネルギー蓄積装置１２４０からの電力は、システムの高速始動のような他の目的のためにも使用され得る。このようにして、エネルギー取得ボタン１２００は、自己取得エネルギーを基にしてそれ自体を管理することができる。それにもかかわらず、エネルギー取得ボタン１２００は、非常に低い電力消費量を有するように設計される。上述の電力蓄積装置は、低い電力漏洩量および小さい寸法を有するキャパシタ、スーパーキャパシタ、薄膜リチウム電池、または他の適切なタイプのエネルギー蓄積装置（例えば、任意の電池）のうちの１つまたは複数であってもよい。マイクロコントローラのファームウェア、およびアンテナは、それらが使用されていないときにはスリープモードになるように、設計され得る。これにより、より低い電力消費量と、より効率的なエネルギーの使用とが可能になる。
本明細書において、例えば図９に関して論じられた様々なセンサは、図１２に関して説明されたエネルギー取得ボタン１２００と共に使用され得ることが、指摘される。例えば、加速度計９２０、ジャイロスコープ９３０、磁力計９４０、圧力センサ９９０、および位置センサ９９５のうちのいずれか１つまたはそれらの組合せが、エネルギー取得ボタン１２００で使用され得る。１つの例では、センサは、エネルギー取得ボタン１２００の残りの部品を制御するようにも構成される制御要素１２８０によって制御される場合があり、また、センサは、それらを作動させるのに必要な電力を本明細書で説明されるようなエネルギー蓄積装置から得ることができる。
ここまで圧電素子に関して説明してきたが、機械的歪みから電流を作り出すことが可能な他のタイプの要素も本発明を実現するために使用され得ることが、留意される。したがって、作り出された電気エネルギーがセンサ信号およびシステムを作動させるためのエネルギーの両方として使用される、１つまたは複数のセンサを備える自立的なエネルギー取得ボタンを提供するという目的は、そのような他のタイプの要素（例えば、コイル内で移動するように構成された、永久磁化を有する本体を備えた電磁気タイプの要素であって、要素に圧力が加わることにより運動が作り出されるもの）によっても実現され得る。
以下において、本発明の理解を促進するために、さらなる例を説明する。
１． 少なくとも１つのモジュールを含むシューソールのためのシステムであって、モジュールが、
機械的な変形に応じて電気信号を生成するように構成された少なくとも１つのピエゾ素子
を備え、
電気信号が、シューソールの少なくとも１つの運動パラメータを抽出するための信号として使用されるように構成され、
モジュールがさらに、
電気信号から得られた電気エネルギーを蓄積するように構成されている少なくとも第１のエネルギー蓄積装置および第２のエネルギー蓄積装置
を備え、
第２のエネルギー蓄積装置が、第１のエネルギー蓄積装置が第１のエネルギー閾値に達した後でのみ荷電される、システム。
２． 電気信号から得られた電気エネルギーを蓄積するように構成されている第３のエネルギー蓄積装置をさらに備える、例１に記載のシステム。
３． 第１のエネルギー蓄積装置が、抽出された少なくとも１つの運動パラメータを処理するためのエネルギーを供給するように構成され、第２のエネルギー蓄積装置が、制御要素および／または無線周波機能のためのエネルギーを供給するように構成され、第３のエネルギー蓄積装置が、抽出された運動パラメータを伝送するためのエネルギーを供給するように構成される、例１または２に記載のシステム。
４． エネルギーが、シューソールが動いていないときに供給される、例３に記載のシステム。
５． 制御要素をさらに備え、制御要素が、エネルギー蓄積装置のエネルギーレベルを制御および／または監視するように構成される、例１から４のいずれか１つに記載のシステム。
６． 少なくとも第１および第２のエネルギー蓄積装置へのエネルギーフローを制御するための少なくとも１つの電力弁をさらに備える、例１から５のいずれか１つに記載のシステム。
７． エネルギー蓄積装置が、キャパシタ、スーパーキャパシタ、もしくは薄膜リチウム電池、またはそれらの組合せである、例１から６のいずれか１つに記載のシステム。
８． 電気信号から得られたエネルギーのみを使用することによって作動される、例１から７のいずれか１つに記載のシステム。
９． ピエゾ素子が、少なくとも２つのピエゾ板を含む、例１から８のいずれか１つに記載のシステム。
１０． 電気信号から得られたデータを伝送するためのアンテナをさらに備える、例１から９のいずれか１つに記載のシステム。
１１． モジュールが、エネルギー蓄積装置のうちの１つに蓄積される電気信号を処理するための整流器をさらに備える、例１から１０のいずれか１つに記載のシステム。
１２． 無線周波デバイスをさらに備え、無線周波デバイスが、ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）規格の下でデータを伝送するように構成される、例１から１１のいずれか１つに記載のシステム。
１３． 少なくとも１つの運動パラメータが、ステップカウント、ステップ頻度、ペース、歩調、加速度、速度、または距離のうちの１つまたは複数に関する、例１から１２のいずれか１つに記載のシステム。
１４． 少なくとも１つの運動パラメータが、メモリに保存される、例１から１３のいずれか１つに記載のシステム。
１５． 電気信号が、靴の使用継続時間を判定するためにさらに使用される、例１から１４のいずれか１つに記載のシステム。
１６． モジュールが、ピエゾ素子を作動させるための少なくとも１つの押圧バーを備える、例１から１５のいずれか１つに記載のシステム。
１７． 少なくとも１つのモジュールの厚さが、３ｍｍ未満である、例１から１６のいずれか１つに記載のシステム。
１８． モジュールが、靴のインソール、ミッドソール、またはアウトソールの空洞内に組み入れられる、例１から１７のいずれか１つに記載のシステム。
１９． 複数のモジュールを備え、モジュールが、地面を踏みつけているときにモジュールに最大限の力が加えられるように、靴のソール内に設置される、例１から１８のいずれか１つに記載のシステム。
２０． 複数のモジュールが、靴の踵部領域および／または前足部領域内に配置される、例１９に記載のシステム。
２１． 例１から２０のいずれか１つに記載のシステムを備える、シューソール。
２２． 例２１に記載のシューソールを備える、靴。
図に示されるかまたは上記で説明された構成要素の様々な配置の他に、図示または説明されていない構成要素およびステップも考えられる。同様に、いくつかの特徴および部分的組合せが有用であり、他の特徴および部分的組合せに関係なく用いられ得る。本発明の実施形態は、例示および非限定的な目的のために説明されてきたが、本特許の読者には代替的な実施形態が明らかになるであろう。したがって、本発明は、上記で説明されたまたは図示された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態および修正形態が作られ得る。
１００ 下方部分
１１０ 上方部分
１２０、１３０、１４０ 圧電素子
１５０、１６０ 電子構成要素
２１０、２２０、２３０、２４０、２５０ 圧電素子
２６０、２７０ 電子構成要素
３００ エネルギー取得ボタン
３１０ フレキシブルプリント回路板
３２０ 圧電素子
３３０ 制御された移動距離
３４０ 支持リング
４００ エネルギー取得ボタン
４０５ ハウジング
４１０ 電子装置
４２０ 円板要素
４３０ 圧電素子
４４０ 導電接着剤
５００ エネルギー取得ボタン
５０５カバー
５１０ 圧電板
５２０ バー
５３０ 支持リング
５４０ 電子構成要素
５５０ 接続部
５５５ 電流
５６０ 供給、伝送
５７０ 電流
５８０ 伝送
５９０ 遠隔デバイス
６００ エネルギー取得ボタン
６１０、６２０ 黄銅製カバー
６３０ 支持リング
６４０ 押圧バー
６５０ 圧電素子
７００ エネルギー取得ボタン
７０５ 圧電素子
７１０ 整流器
７２０ エネルギー管理モジュール
７３０ マイクロコントローラ
７４０ 高インピーダンスブリッジ
７５０ 高インピーダンス比較器
８００ エネルギー取得ボタン
８０５ インソール
８１０ 空洞
８３０ 蓋
９００ エネルギー取得ボタン
９０５ 処理装置
９１０ 圧電素子
９２０ 加速度計
９３０ ジャイロスコープ
９４０ 磁力計
９５０ メモリ
９６０ エネルギー蓄積装置
９７０ 電池
９８０ 送受信機または送信機ユニット
９９０ 圧力センサ
９９５ 位置センサ
１０００ エネルギー取得ボタン
１０１０ ソール
１０２０ａ〜ｅ 圧力センサ
１１００ エネルギー取得ボタン
１１１０ ソール
１１２０ａ〜ｆ 圧力センサ
１１３０ 電子要素
１２００ エネルギー取得ボタン
１２０５ 圧電素子
１２１０ 検出
１２２０ 整流器
１２３０ キャパシタ、第１の電力蓄積装置、第１のエネルギー蓄積装置
１２３５ キャパシタ、第２の電力蓄積装置、第２のエネルギー蓄積装置
１２４０ 第３のエネルギー蓄積装置
１２４５、１２５０ 電力帰還要素
１２６０ 電圧調整器
１２７０ 電力管理論理回路
１２８０ マイクロコントローラ
１２９０ アンテナ

Claims (22)

  1. 少なくとも１つのモジュールを含むシューソールのためのシステムであって、前記モジュールが、
    ａ．機械的な変形に応じて電気信号を生成するように構成された少なくとも１つのピエゾ素子
    を備え、
    ｂ．前記電気信号が、前記シューソールの少なくとも１つの運動パラメータを抽出するための信号として使用されるように構成され、
    前記モジュールがさらに、
    ｃ．前記電気信号から得られた電気エネルギーを蓄積するように構成されている少なくとも第１のエネルギー蓄積装置および第２のエネルギー蓄積装置
    を備え、
    ｄ．前記第２のエネルギー蓄積装置が、前記第１のエネルギー蓄積装置が第１のエネルギー閾値に達した後でのみ荷電される、システム。
  2. 前記電気信号から得られた電気エネルギーを蓄積するように構成されている第３のエネルギー蓄積装置をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記第１のエネルギー蓄積装置が、抽出された少なくとも１つの運動パラメータを処理するためのエネルギーを供給するように構成され、前記第２のエネルギー蓄積装置が、制御要素および／または無線周波機能のためのエネルギーを供給するように構成され、前記第３のエネルギー蓄積装置が、抽出された運動パラメータを伝送するためのエネルギーを供給するように構成される、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記エネルギーが、前記シューソールが動いていないときに供給される、請求項３に記載のシステム。
  5. 制御要素をさらに備え、前記制御要素が、エネルギー蓄積装置のエネルギーレベルを制御および／または監視するように構成される、請求項１から４のいずれか１つに記載のシステム。
  6. 少なくとも前記第１および第２のエネルギー蓄積装置へのエネルギーフローを制御するための少なくとも１つの電力弁をさらに備える、請求項１から５のいずれか１つに記載のシステム。
  7. 前記エネルギー蓄積装置が、キャパシタ、スーパーキャパシタ、もしくは薄膜リチウム電池、またはそれらの組合せである、請求項１から６のいずれか１つに記載のシステム。
  8. 前記電気信号から得られたエネルギーのみを使用することによって作動される、請求項１から７のいずれか１つに記載のシステム。
  9. 前記ピエゾ素子が、少なくとも２つのピエゾ板を含む、請求項１から８のいずれか１つに記載のシステム。
  10. 前記電気信号から得られたデータを伝送するためのアンテナをさらに備える、請求項１から９のいずれか１つに記載のシステム。
  11. 前記モジュールが、前記エネルギー蓄積装置のうちの１つに蓄積される前記電気信号を処理するための整流器をさらに備える、請求項１から１０のいずれか１つに記載のシステム。
  12. 無線周波デバイスをさらに備え、前記無線周波デバイスが、ブルートゥースローエネルギー（ＢＴＬＥ）規格の下でデータを伝送するように構成される、請求項１から１１のいずれか１つに記載のシステム。
  13. 前記少なくとも１つの運動パラメータが、ステップカウント、ステップ頻度、ペース、歩調、加速度、速度、または距離のうちの１つまたは複数に関連する、請求項１から１２のいずれか１つに記載のシステム。
  14. 前記少なくとも１つの運動パラメータが、メモリに保存される、請求項１から１３のいずれか１つに記載のシステム。
  15. 前記電気信号が、靴の使用継続時間を判定するためにさらに使用される、請求項１から１４のいずれか１つに記載のシステム。
  16. 前記モジュールが、前記ピエゾ素子を作動させるための少なくとも１つの押圧バーを備える、請求項１から１５のいずれか１つに記載のシステム。
  17. 前記少なくとも１つのモジュールの厚さが、３ｍｍ未満である、請求項１から１６のいずれか１つに記載のシステム。
  18. 前記モジュールが、靴のインソール、ミッドソール、またはアウトソールの空洞内に組み入れられる、請求項１から１７のいずれか１つに記載のシステム。
  19. 複数のモジュールを備え、モジュールが、地面を踏みつけているときにモジュールに最大限の力が加えられるように、靴のソール内に設置される、請求項１から１８のいずれか１つに記載のシステム。
  20. 前記複数のモジュールが、靴の踵部領域および／または前足部領域内に配置される、請求項１９に記載のシステム。
  21. 請求項１から２０のいずれか１つに記載のシステムを備える、シューソール。
  22. 請求項２１に記載のシューソールを備える、靴。
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