JP7014495B2 - 発電インソール - Google Patents

Description

本発明は、複数の圧電素子を用いて電力を生成する発電インソールに関する。

近年、周りの環境から微小なエネルギーを収穫（ハーベスト）して、電力に変換する環境発電技術が注目されている。この技術は、別名エネルギーハーベスティング技術ともいわれ、光・熱（温度差）・振動・電波など様々な形態で環境中に存在するエネルギーを電力に変換でき、充電・電池交換・燃料補給なしで長期間エネルギー供給が可能な電源として、ネットワークにつながるユビキタスネット社会の実現に必須の技術となっている。

例えば、特許文献１には、任意の形状・位置に複数に分割されて配置された圧電素子を有する発電部とそれぞれの起電力を利用して発熱する発熱部を有するように構成した靴に挿入して用いられる中敷きが開示されている。しかし、この中敷きでは、圧電シート上面と、抵抗シートの下面とが密着して導通されているため、抵抗シートが複数に分割されているとしても夫々の圧電シートの起電力はごく微弱である。そのため、抵抗シートを発熱させるだけの電力を供給することは実質的に困難である。

特許文献２および３には、歩行による運動エネルギーを内蔵した圧電素子から電力を回収して蓄電し、または外部へ電力供給する靴が開示されている。具体的には、特許文献２では、身体に密着して装着または靴の中敷に装着する圧電素子と整流蓄電部が分散して接続されているため、整流蓄電部を身体へ取り付けるのが面倒である。そのため、配線コードの取り回しが煩雑で靴や身体の動きにより配線や接続部が断線し易いなどの問題がある。また、特許文献３は、靴やサンダルなどの履物の内部に圧電素子を内蔵し、圧電素子に物理的歪を起こさせることで電気エネルギーを発生させ、発生した電気エネルギーを蓄電する蓄電池を内蔵し、その蓄電した電気エネルギーを外部に取り出す構造を備えた発電機能内蔵型の履物である。しかし、この履物に内蔵された圧電素子は１つであり、歩行の衝撃による歪で圧電素子から発生する電力はＬＥＤを瞬間的に点灯させる程度の起電力に過ぎない。そのため、外部に電力を供給できるまで蓄電池を充電するためには数百時間の歩行が必要であり実用性に乏しい。

特許文献４には発電手段を靴底部に備え、通信手段の電源が前記発電手段により供給されることを特徴とする靴に内蔵したＰＨＳ無線機から電波を発信するための発明が開示されている。しかし靴底踵部に配設された圧電素子の電力は微量であるためＰＨＳモジュールが所望のタイミングで基地局との相互データ通信を安定して行えない可能性がある。

特許文献５には、片持ち梁に配置された２０個の圧電素子による圧電式エネルギー回収デバイスが開示されている。しかし、このデバイスは、圧電素子の効率的な配置をＦＥＭに基づいたモデリング及びシミュレーションにより行ったものであるが具体的な電力回収方法が何ら例示されていないため実用性に乏しい。

特許文献６には、外力を受けることによって一側面で圧縮変形と引張変形とが生じる弾性を有する基材と、この基材の一側面側に沿って配置された圧電性膜と上部電極及び下部電極から構成された発電装置が開示されている。この発電装置において、上部電極及び下部電極は圧縮領域と引っ張り領域との境界で分割され、圧縮領域と引っ張り領域に発生した電荷が相殺しあうことなく、合成した電力を供給する。しかし、この発電装置は、基材の周囲が固定され、外力の作用する位置が一定である状態で弾性体（圧電素子）の分割位置を決定する必要があり、インソールのように変形自在な弾性体に適用することは難しい。さらに２つの圧電素子からの電力の位相を同期させて重畳した場合、出力する電圧は２倍になるがインピーダンスも２倍になるため電流が低下して出力電力が低下する問題がある。

特開２００２－２０９６０７号公報 特開２００４－０９６９８０号公報 特開２０１３－０７０９１８号公報 特開２００３－００８４５３号公報 特表２０１５－５０３２１８号公報 特開２０１４－２０４４６８号公報

ところで、靴またはインソールに圧電素子を使った発電装置や機械的な可動部分を有する発電装置を組み込んで歩行による振動によって発電しようとする場合、着地による衝撃の大きい靴の踵部分に発電装置を組み込む例が多い。この時、一般的な発電装置は、機械的な可動部分（メカ）と磁石やコイルが必要であるが、厚さの限定された靴底に組み込む発電装置は薄型のものに限られ、防水性も必要である。また、靴の踵に可動部分を有する発電装置を組み込んだ構造の場合、発電装置にメンテナンスの必要性が出たり、故障が発生したりする場合には靴自体を分解する必要が出るが、分解を可能とする靴は複雑な構造になるため実用的ではない。また、圧電素子にはＰＺＴに代表されるセラミック系とＰＶＤＦなどの有機樹脂フィルム系があるが、セラミック系圧電素子は靭性が低いため、歩行時に変形する靴底全体に配置するのは困難である。このためセラミック系圧電素子を割れない程度の大きさで組み込めるのは硬質な踵だけであり、発電量の増大は限定される。また、有機樹脂フィルムの圧電素子は曲げには強いものの、セラミック系圧電素子に比べて起電力が小さいため設置面積を大きくする必要があるが、本発明者の研究によれば、単に圧電素子を大面積化しても発電量が比例して増加しないばかりか、圧電素子の曲げ振動モードによっては発電量が低下してしまうことが確認されている。さらに、歩行スピードや路面状態、歩行者の歩き方の個人差によって靴やインソールが受ける運動エネルギーのリズムや衝撃力、着地時及び蹴り出し時の靴及びインソールの変形量及び変形パターンは千差万別である。このため特定の共振域を有する振動発電装置や特定の歩行パターンに合わせた発電装置では歩行による効率的な発電を行うことが難しい。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の圧電素子を用いて電力を生成する発電インソールにおいて、エネルギーの回収効率の向上を図ることである。

かかる課題を解決すべく、本発明は、可撓性基板と、複数の圧電素子と、複数の整流回路と、キャパシタと、複数の第１のスイッチ部とを有する発電システムを提供する。複数 の圧電素子は、可撓性基板に設けられている。複数の整流回路は、複数の圧電素子のそれぞれに設けられており、複数の圧電素子のそれぞれにて発生した交流電力を独立して整流する。キャパシタは、複数の整流回路によって充電される。複数の第１のスイッチ部のそ れぞれは、複数の整流回路のそれぞれと、キャパシタとの間に設けられ、複数の圧電素子 のそれぞれにて発生した電圧波形がπ／ｎ（ｎは圧電素子の個数）の位相差となるタイミ ングで開閉制御される。

ここで、本発明において、上記複数の圧電素子は、可撓性基板の撓み変形方向（可撓性基板において、撓み変形が順次発生する方向）に沿って分離して配置されていることが好ましい。この場合、上記複数の圧電素子のそれぞれが備える一方の電極は、撓み変形方向の長さが異なっていてもよい。また、上記複数の圧電素子は、第１の圧電素子と、可撓性基板における、第１の圧電素子が設けられている部位よりも撓み応力が大きな部位に設けられていると共に、第１の圧電素子の電極よりも撓み変形方向の長さが短い電極を備える第２の圧電素子とを有することが望ましい。

また、本発明において、キャパシタと、キャパシタの電力を供給すべき他の回路との間に設けられ、キャパシタの電圧に応じて開閉制御される第２スイッチ部をさらに設けてもよい。

また、本発明において、キャパシタの電力によって充電される蓄電装置と、蓄電装置に充電された電力を用いて動作する無線機とをさらに設けることが好ましい。

本発明によれば、それぞれの圧電素子における電力の発生間隔や電圧にバラつきが発生しても、圧電素子毎に整流回路が独立しているため、それぞれの圧電素子の電力出力が相互に干渉・相殺されることがない。これにより、複数の圧電素子によるキャパシタへの充填を効率的に行うことができるので、エネルギーの回収効率の向上を図ることができる。それとともに、複数の第１のスイッチ部の開閉制御によって、複数の圧電素子のそれぞれ にて発生した電圧波形の位相差をπ／ｎに設定することで、キャパシタの蓄電効率を最大 化できる。

可撓性基板の外観図 下部電極の形成パターン図 可撓性基板に下部電極を形成した状態図 圧電膜の形成パターン図 上部電極の形成パターン図 可撓性基板に上部電極までを形成した状態図 可撓性基板に整流蓄電回路を搭載した状態図 可撓性基板に整流蓄電回路を搭載した状態のａ－ａ断面図 クッション材で上下部を挟んだ完成状態図 発電インソール完成品のｂ－ｂ断面図 発電インソール完成品のｃ－ｃ断面図 第１の実施形態におけるｂ－ｂ断面の部分拡大図 第２の実施形態におけるｂ－ｂ断面の部分拡大図 整流蓄電回路をつま先または踵に搭載した配置例の説明図 整流蓄電回路をつま先または踵に搭載した配置例のｄ－ｄ断面図 第４の実施形態における整流蓄電回路の説明図 第５の実施形態における整流蓄電回路の説明図 比較例における２つの圧電素子からの整流波を合成した電圧比較グラフ 比較例における２つの圧電素子からの整流波を合成した負荷回路（蓄電池）の両端電圧比較グラフ 比較例における２つの圧電素子からの整流波を合成した負荷回路（蓄電池）の電力比較グラフ 比較例における２つの圧電素子からの整流波を合成した累積発電電力比較グラフ

（第１の実施形態）
本実施形態では、複数の圧電素子を用いて電力を生成する発電システムを靴のインソール（可撓性基板）に実装した例について説明する。図１に示すように、可撓性基板２は、靴のインソール（中敷き）形状に形成されており、可撓性、すなわち、外力によって撓む性質を有する。可撓性基板２の材質と厚みは特に制限されないが、絶縁性を有し、歩行による繰り返しの曲げ応力によって容易に破壊せず、適度な柔軟性と弾性が必要であり軽量なものが望ましい。本実施形態では、可撓性基板２としてポリプロピレン（厚さｔ＝１ｍｍ）を使用するが、これに制限されるものではなく、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアセタール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド（ナイロン）、ポリウレタン、ポリフェニレンサルファイド、エラストマー（ゴム）、シリコーンゴムなどを含めて、任意の材質を使用可能である。

図２に示すように、可撓性基板２の表面には、図示したパターンを有する下部電極３が形成されている。下部電極３の材質は特に制限されない。下部電極３のパターンは公知の技術により形成可能であり、例えば、薄い銅箔を貼り付けてエッチングで回路を形成する方法、真空蒸着法およびスパッタリング法等の気相成膜法、スクリーン印刷やインクジェット法等の印刷法を用いることができる。また、同図に示すように、可撓性基板２の一部、すなわち、土踏まず部分には収容凹部１０が形成されている。本実施形態では、可撓性基板２への密着性を上げるため、可撓性基板２の表面にプライマーを塗布した上で、導電塗料をスクリーン印刷法で印刷・塗布することによって、下部電極３が形成される。下部電極３は、可撓性基板２上において、インソールの長さ方向（図２のＸ方向）に沿って複数に分割して配置されている。これにより、分割された下部電極３のそれぞれによって、複数の独立した圧電素子が形成されることになる。個々の下部電極３は、導線部３ａにより引き回されて、１箇所の集電部３ｂに集約される。

靴の動きとしては、歩行の際は踵部の後端から順に母指球側に向かって靴底が地面に順次着地し、つぎに、つま先で地面を蹴り出す動作が繰り返される。この際、インソールには踵側からつま先側に向かって圧縮応力と曲げ応力が順次発生するが、この圧縮と曲げはインソールの長さ方向において均等な間隔で発生するものではない。このため、インソールの長さ方向における下部電極３の長さ（以下、「電極の長さ」という。）は一定ではなく、歩行時におけるインソールの撓み変形に合わせて後述する整流蓄電回路８に一定の間隔で電力が供給できるように決定される。

本実施形態では、短時間に大きな圧縮応力がかかる部分は短く、短時間で圧縮と曲げ応力が発生する土踏まず部分は長く、集中的に圧縮と曲げ応力が発生する母指球部分は短く形成されている。換言すれば、可撓性基板２上に設けられた２つの圧電素子に着目し、可撓性基板２において、第１の圧電素子が設けられた部位（例えば、土踏まず部分）よりも第２の圧電素子が設けられた部位（例えば、母指球部分）の方が撓み応力が大きい場合、第２の圧電素子の電極の長さは、第１の圧電素子のそれよりも短くなるように形成される。ただし、この下部電極３の配置パターンおよび電極の長さはこれに制限されるものではなく、インソールを挿入する靴の材質や形状、歩行以外のスポーツ等、特定の用途によっても最適化できることは言うまでもない。

なお、複数の圧電素子を配置する方向は、インソールの長さ方向（図２のＸ方向）に限定されるものではない。撓み変形が順次発生する可撓性基板において、複数の圧電素子は、当該撓み変形が順次発生する方向に沿って分離して配置されていればよい。これにより、可撓性基盤の撓み変形に合わせて、整流蓄電回路（後述）に安定して電力を供給することが可能となる。

図３は、可撓性基板２に下部電極３が形成された状態を示す。ここでは下部電極３のパターン形成と同時にアンテナ８ｄのパターンを形成しておくことで部品点数の削減と軽量化が可能である。

図４に示すように、下部電極３の上には、圧電膜４が図示したパターンで形成されている。圧電膜４としては、柔軟性のあるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の樹脂系圧電材料が好適であるが、これに制限されるものではない。圧電膜４の固定方法としては、樹脂系圧電フィルムを接着剤で貼り付けることも可能であるが、強い圧縮と曲げ応力が繰り返し作用するインソールでは圧電膜４が剥がれる虞があるため、本実施形態では、下部電極３と圧電膜４との密着力が強いＰＶＤＦのスプレーコーティング工法を用いている。スプレーコーティング工法は、被コーティング物である可撓性基板２上の下部電極３をプラス極(アース状態)に保ち、コーティング噴霧機の先端に付属している電極針にマイナス１ｋＶ～１００ｋＶの高電圧を供給して下部電極３とコーティング噴霧機との両極間に電界を形成保持する。つぎに、コーティング噴霧機の不活性気体噴出ノズルから不活性気体を被コーティング物に向けて噴射し、これと同時に誘電性溶液ノズルから溶媒にＰＶＤＦを溶解して得たＰＶＤＦ溶液を噴射し、このＰＶＤＦ溶液の液滴にマイナスの電荷を与えてコーティング噴霧機に付属する電極針を被下部電極３に対向し移動させながら微粒化噴霧を行う。これにより、下部電極３上に圧電膜４が形成される。スプレーコーティング工法によれば、圧電膜の形成と同時に分極を行うことができるという利点がある。ＰＶＤＦ延伸フィルムを下部電極３に接着剤で貼り付けた場合より圧電膜４の密着性が良いため発電効率が高いという利点もある。

図５に示すように、圧電膜４の上には、図示したパターンを有する上部電極５が形成されている。単一の上部電極５は、可撓性基板２の大半を覆っており、分割された個々の下部電極３に対して共通電極となっている。上部電極５の形成に際しては、導線部５ａも同時に形成される。上部電極５の形成方法は下部電極３と同様なので省略する。

図７および図８（図７のａ－ａ断面）に示すように、収容凹部１０は、可撓性基板２の土踏まず部分に形成されており、整流蓄電回路８が取り付けられている。この整流蓄電回路８は、整流回路８ａとキャパシタ８ｂ、制御部８ｃによって開閉されるスイッチ部８ｄと蓄電装置８ｅ及び無線機８ｆを一体に構成したもので、可撓性基板上２に形成されたアンテナ８ｇから電波を発信または受信する。

図９、図１０（図９のｂ－ｂ断面）、および、図１１（図９のｃ－ｃ断面）に示すように、整流蓄電回路８を取り付けた可撓性基板２の上面は、その全面を絶縁性の保護膜６で覆ってから弾性素材の上部インソール７ａ及び下部インソール７ｂで挟み込んで接着し発電インソール１が完成する。なお、上部インソール７ａ及び下部インソール７ｂは軟質で導電性のない材質であれば問題なく、布帛やポリウレタン、エラストマー、シリコーンなどの樹脂、クロロプレンゴム、皮革など公知の材料を使用することができる。

図１２は、図１１ｃ－ｃ断面の部分拡大図である。可撓性基板２の上には、下部電極３、圧電膜４、および、上部電極５が下から順に形成されている。そして、保護膜６によって上面が覆われ、上部インソール７ａ及び下部インソール７ｂによって上下から挟み込んで接着されている。

なお、整流蓄電回路９は、爪先部分に配置してもよいし、かかと部分に配置してもよい。これらの場合において、導線部５ａおよびアンテナ８ｇは、適宜の位置に配置すればよい。図１４は、つま先に整流蓄電回路９ａまたは踵部分に整流蓄電回路９ｂを配置した場合の平面を示し、図１５は、図１４のｄ－ｄ断面を示す。

本実施形態に係る発電インソール１は、左右両足に使うことも、片側だけに使うことも可能である。左右両足に発電インソール１を使用した場合、右と左に異なるセンサーおよび通信機能を持たせることが可能となる。例えば、右側で歩行位置をＧＰＳ計測し発信させ、左側では歩行者の周囲に設置されたビーコン情報を受信するなど、その用途と組み合わせは特に限定されるものではない。

また、発電インソール１は簡単に入れ替えが可能であるため、複数の発電インソール１に夫々が異なるセンサーおよび通信機能を搭載しておき、用途に応じて随時入れ替えをすることも簡単に行える。片足だけに発電インソール１を用いる場合、もう片側をダミーインソールにして重量を片方の発電インソール１と同じにしておけば、使用者に違和感を与えることがない。さらに、また、発電インソール１の外周部に圧電素子１１を搭載しない余白（リブ）を適宜な幅で設けておき、靴のサイズに合わせたカットラインを上部インソール７ａの余白範囲内に予め印刷しておけば、異なるサイズの靴に適した大きさに調整することを簡単に行うことができる。このことにより、靴のサイズごとに発電インソールのサイズを揃える必要がない。

（第２の実施形態）
本実施形態は、上述した第１の実施形態における可撓性基板２に導電性の材質を使用することで、下部電極３の形成を省略するものである。導電性の材質としては、導電ゴムが挙げられる。金属では鉄、ステンレス、アルミニウム、銅などの薄板も好適で、夫々の材質に応じた硬度と厚さによって選択されるが、これに制限されるものではない。

具体的には、まず、導電性のある可撓性基板２に圧電膜４がスプレーコーティングされる。具体的なコーティング方法は、上述した第１の実施形態と同じである。つぎに、圧電膜３の上に、第１の実施形態の下部電極３と同様のパターンで上部電極５が形成される。図１２に断面形状を示すように、第１の実施形態における分割された下部電極３の機能を第２の実施形態では上部電極５が果たすと共に、第１の実施形態における上部電極５の機能を第２の実施形態では導電性の可撓性基板２が果たすことになる。これにより、第２の実施形態において、一組の圧電素子１１ａは、導電性の可撓性基板２と、圧電膜４と、独立したパタ－ンで形成された上部電極５とによって構成される。それ以降の組立手順は、第１の実施形態と同様である。すなわち、整流蓄電回路８を取り付け、絶縁性の保護膜６で覆ってから弾性素材の上部インソール７ａ及び下部インソール７ｂで挟み込んで接着することによって、発電インソール１が完成する。

図１３にｃ－ｃ断面の部分拡大図を示すように、この構造によれば、下部電極３を形成されないため可撓性基板２の撓み変形がダイレクトに圧電膜４に伝わって圧電効率の向上を図ると共に、下部電極３の形成工数を削減することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、バイモルフ構造を採用した圧電素子１１に関する。圧電素子１１，１１ａのバイモルフ構造は、上述した第１及び第２の実施形態において、可撓性基板２および導電性可撓性基板２ａの片面にのみ形成された圧電素子１１，１１ａを可撓性基板２および導電性可撓性基板２ａの両面に形成するものである。その際、圧電素子の独立した形成パターン（第１の実施形態における下部電極３パターン、第２の実施形態における上部電極パターン５）は可撓性基板２や導電性可撓性基板２ａの表面と裏面に対向して対称に形成することが望ましい。

両面に対抗した圧電素子１１，１１ａから出力される電力は整流蓄電回路８を裏表に各１個搭載することで２倍の電力を出力することができ、蓄電装置８ｅの充電時間を短縮する、あるいは蓄電装置８ｅの蓄電量を大きくして無線機の稼働時間を延長することも可能になる。図１４に、第３の実施形態におけるｂ－ｂ断面の部分拡大図を示す。

（第４の実施形態）
つぎに、図１６を参照しつつ、可撓性基板２に組み込まれた整流蓄電回路８（発電システム）について説明する。ここで、圧電素子１１とは、図１２（断面拡大図）に示すように下部電極４と、圧電膜５と、上部電極６からなる一組を指すものとする。

この発電システムは、複数の圧電素子１１と、整流蓄電回路８とを主体に構成されている。整流蓄電回路８は、複数の整流回路８ａと、キャパシタ８ｂと、制御部８ｃと、スイッチ部８ｄと、蓄電装置８ｅと、無線機８ｆと、アンテナ８ｇとを有する。ここで、整流回路８ａは、複数の圧電素子１１のそれぞれに設けられており、圧電素子１１にて発生した交流電力を独立して整流する。キャパシタ８ｂは、複数の整流回路８ａに共通接続されており、複数の整流回路８ａからの出力によって充電される。

本実施形態では、複数の圧電素子１１が発電インソール１の撓み変形方向に沿って並んでいるが、下部電極４は夫々が独立しているため出力される電力も独立している。また、前述のように、可撓性基板２において、第１の圧電素子が設けられた部位よりも第２の圧電素子が設けられた部位の方が撓み応力が大きい場合、第２の圧電素子の電極の長さは、第１の圧電素子のそれよりも短くなるように形成されている。すなわち、圧電素子１１の下部電極４の長さは、歩行パターンに合わせて地面へ踵の着地からつま先の蹴り出しまでの間で、ほぼ均等な間隔で電力が出力されるように、その電極の長さが最適化されているため不等長となっている。発電の際は歩行者の歩行動作によって左右の靴が交互に繰り出され、靴は踵側からつま先側に順次接地し体重によって靴および発電インソール１が撓み変形する（図面省略）。

発電インソール１は踵側からつま先側に向かって圧電素子１１が順次撓み変形し、圧電素子１１から発生した交流電力は独立した整流回路８ａで交流から直流に整流してキャパシタ８ｂに充電する。その際、歩行の個人差や歩行パターンの変化によって、圧電素子１１からの電力発生間隔や電圧にバラつきが発生する場合があるが、各圧電素子１１に接続された整流回路８ａが独立しているため、各圧電素子１１の電力出力が相互に干渉して相殺されること無くキャパシタ８ｂへ効率的な充電が行われる。

つぎに、キャパシタ８ｂの電圧を監視する制御部８ｃによって開閉されるスイッチ部８ｄを経由してキャパシタ８ｂの電力が蓄電装置８ｅに蓄えられる。蓄電装置８ｅの充電には蓄電装置８ｅの充電電圧よりもキャパシタ８ｂの電圧が高い必要がある。制御部８ｃはキャパシタｂの電圧を監視し、キャパシタ８ｂの電圧が蓄電装置８ｅの充電に適した第１しきい値の電圧を超えるとスイッチ部８ｄを閉じて蓄電装置８ｅの充電を開始する。キャパシタ８ｂから蓄電装置８ｅへの充電が進み、キャパシタ８ｂの電圧が蓄電装置８ｅの充電に適さない第２しきい値の電圧より低下するとスイッチ部８ｄを開放して蓄電装置８ｅ充電を停止する。このようにキャパシタ８ｂの電圧を制御部８ｃで監視しながらスイッチ部８ｄを開閉することで蓄電装置８ｅを効率的に充電する。

蓄電装置８ｅに充電した電力によって蓄電装置８ｅに接続した無線機８ｆが通信を行う。無線機８ｆの種類は限定されないが、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、無線ＬＡＮ（ｗｉｆｉ）、ビーコンなど各種の通信装置を利用することができる。また、インソールに各種のセンサー、例えば温度、湿度、加速度等などのセンサーを内蔵してその情報を発信することも可能である。これらセンサーの情報の一時的な記憶のために情報を格納するメモリを蓄電装置８ｅに内蔵させることも可能である。さらに、また、蓄電装置８ｅにメモリバックアップのために１次電池や２次電池を搭載することも可能である。

本実施形態では、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ無線機から一定の歩行数ごとに電波を発信して歩行状態が周囲から確認できる機能を組み込んで発電インソールの稼働確認を行った（図面省略）。具体的には、歩行者の歩数が２～３歩ごとにＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線機から電波を発信し、その電波を周囲に設置したＢｌｕｅｔｏｏｔｈ受信機で受信し、歩行状態の確認ができた。

このように、発電インソール１に内蔵した圧電素子１１からの電力を効率的に蓄電装置８ｅに蓄えることが可能となり、安定して無線機８ｆを動作させることができる。また、本整流蓄電回路８は複数の圧電素子１１から独立して発電および整流を行うため、１つの圧電素子１１や整流回路８ａが故障しても直ちにセンサーや無線機が停止しないことも発電インソール１の信頼性や耐久性に寄与する。さらに本発明による発電インソール１は、使用者の歩行速度や足の運び方に個人差があっても安定した発電効率の維持が可能であるため、内蔵した無線機による安定した通信が可能となる。

（第５の実施形態）
本実施形態にかかる整流蓄電回路９において、圧電インソール１の圧電素子１１の構造と発電の順序は、上述した第４の実施形態と同様なので説明は省略する。歩行者の歩行動作によって踵側からつま先側に順次圧電素子１１から発生した交流電力は独立した整流回路９ａで交流から直流に整流し、整流回路８ａの出力電圧を監視する第１制御部８ｈによって開閉される第１スイッチ部８ｉを経由してキャパシタ８ｂが充電される。ここで、キャパシタ８ｂの充電にはキャパシタ８ｂの充電電圧よりも整流回路８ａの出力電圧が高い必要がある。第１制御部８ｈは整流回路８ａの出力電圧を監視し、夫々の圧電素子から出力される電圧が効率よくキャパシタ８ｂに蓄電できるように第１スイッチ部８ｉを開閉する。

本発明者の研究によれば、ｎ個の圧電素子があった場合、夫々の位相がπ／ｎｒａｄずれている場合にキャパシタへの蓄電効率が最大になることが確認されている。したがって圧電素子から出力された電圧のピーク値をとるタイミングを制御することにより、最適な位相のずれを発生するようにスイッチを開閉する。

つぎに、キャパシタ８ｂの電圧を監視する第２制御部８ｊによって開閉される第２スイッチ部８ｋを経由してキャパシタ８ｂの電力は蓄電装置８ｅに蓄えられ、蓄電装置８ｅの電力で無線機８ｆを動作させる。この第２制御部８ｊと第２スイッチ部８ｋおよび無線機８ｆの動作は実施例４の制御部８ｃとスイッチ部８ｄおよび無線機８ｆと同様なので説明は省略する。

本実施例の整流蓄電回路９によれば、圧電素子１１からの電圧が低い状態で蓄電装置８ｅの充電に適さない場合は、第２制御部にて第２スイッチ８ｋの接続を開放することで蓄電装置８ｅを効率的に充電することが可能になる。

（比較例）
キャパシタ８ｂへ充電する場合の整流方法について、実施例１の圧電素子配列例及び実施例４の整流回路と特許文献６（特開２０１４－２０４４６８号公報）の回路を比較する。なお、同じ条件で比較するため先に説明した本件実施例とは異なり、圧電素子１１および整流回路波はそれぞれ２つとし、一定の周期で繰り返し振動するものとして比較する。

図１８は圧電素子が２つで交流電圧の位相が９０度ズレている場合の整流回路からの出力電圧の比較グラフであり、Ａ波は特許文献６の整流回路からの出力波形で、Ｂ波は本件発明の整流回路から出力波形である。圧電素子の曲げモードが同じで圧電素子の出力は同一の前提である。１つの圧電素子から出力される交流電圧のピークを１０Ｖ、圧電素子の内部インピーダンスを１、負荷（キャパシタ）のインピーダンスを０．１とした場合、特許文献６によるＡ波は、２つの位相のズレを合わせて合成し整流した電圧は２０Ｖとなり、本件実施例による２つの位相のずれた出力を独立した整流回路で整流したＢ波は９０度位相にズレが有るため、合成した出力は電荷の相殺によりピーク電圧は１０Ｖより低めになる。しかし、キャパシタの両端電圧を図１９で比較するとＡ波よりＢ波のほうが高くなる。これは、Ａ波は２つの電力を直列で合成するためインピーダンスが２倍となり、キャパシタへ供給される実質的な発電量を比較すると図２０のようになる。これを圧電素子１１からの任意の容量のキャパシタへの累積チャージ量で比較すると図２１のようにその差は明らかである。さらに、特許文献６の発電装置は２つの圧電素子の発電位相ズレは９０度であることが前提であるが、本発明の整流蓄電回路であれば複数の圧電素子の発電位相ズレは一定である必要がないため、複数の圧電素子の発電位相ズレが多様なモードであっても効率的な整流と蓄電が可能である。

１ 発電インソール
２ 可撓性基板
２ａ 導電性可撓性基板
３ 下部電極
３ａ 導線部
３ｂ 集合部
４ 圧電膜
５ 上部電極
５ａ 導線部
６ 保護膜
７ａ 上部インソール
７ｂ 下部インソール
８ 整流蓄電回路
８ａ 整流回路
８ｂ キャパシタ
８ｃ 制御部
８ｄ スイッチ部
８ｅ 蓄電装置
８ｆ 無線機
８ｇ アンテナ
８ｈ 第１制御部
８ｉ 第１スイッチ部
８ｊ 第２制御部
８ｋ 第２スイッチ部
９，９ａ，９ｂ 整流蓄電回路
１０，１０ａ，１０ｂ 整流蓄電回路収容部
１１ 圧電素子

Claims (6)

1. 発電インソールにおいて、
   可撓性基板と、
   前記可撓性基板に設けられた複数の圧電素子と、
   前記複数の圧電素子のそれぞれに設けられ、前記複数の圧電素子のそれぞれにて発生した交流電力を独立して整流する複数の整流回路と、
   前記複数の整流回路によって充電されるキャパシタと、
   前記複数の整流回路のそれぞれと、前記キャパシタとの間に設けられ、前記複数の圧電 素子のそれぞれにて発生した電圧波形がπ／ｎ（ｎは圧電素子の個数）の位相差となるタ イミングで開閉制御される複数の第１スイッチ部と
   を有することを特徴とする発電インソール。
2. 前記複数の圧電素子は、前記可撓性基板の撓み変形方向に沿って分離して配置されていることを特徴とする請求項１に記載された発電インソール。
3. 前記複数の圧電素子のそれぞれが備える一方の電極は、前記撓み変形方向の長さが異なることを特徴とする請求項２に記載された発電インソール。
4. 前記複数の圧電素子は、
   第１の圧電素子と、
   前記可撓性基板における、前記第１の圧電素子が設けられている部位よりも撓み応力が大きな部位に設けられていると共に、前記第１の圧電素子の電極よりも前記撓み変形方向の長さが短い電極を備える第２の圧電素子と
   を有することを特徴とする請求項３に記載された発電インソール。
5. 前記キャパシタと、前記キャパシタの電力を供給すべき他の回路との間に設けられ、前記キャパシタの電圧に応じて開閉制御される第２スイッチ部と
   をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載された発電インソ ール。
6. 前記キャパシタの電力によって充電される蓄電装置と、
   前記蓄電装置に充電された電力を用いて動作する無線機と
   をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載された発電インソ ール。

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