(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子を用いた発電装置に使用する、振動や衝突により圧電素子を発電させる重錘を、従来のものより効率よく発電でき、環境により腐食しにくい材質とする。【解決手段】圧電素子３を用いた発電装置１０に使用する重錘１を、タングステンと鉄族金属の合金、または、タングステンと鉄族金属と銅の合金にて製造する。鉄材や鉛材からなる重錘よりも効率よく発電でき、省スペースとでき、環境も汚染しない。また、タングステン材からなる重錘と比較して安価に製造でき、使用環境による腐食にも強い重錘が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｗ（タングステン）を９０〜９９質量％と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを合計で１〜１０質量％とを有するタングステン合金からなる、
圧電素子を用いた発電装置の重錘部。
【請求項２】
前記Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの合計量の一部をＣｕと置換した組成を有し、置換後のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの合計量が１質量％以上である請求項１に記載の圧電素子を用いた発電装置の重錘部。
【請求項３】
鉄族金属のうちＮｉを少なくとも０．５質量％以上含む、請求項１または請求項２のいずれかに１項に記載の圧電素子を用いた発電装置の重錘部。
【請求項４】
表面に金属または合金のメッキ層を有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電素子を用いた発電装置の重錘部。
【請求項５】
圧電素子と共にリードに取り付けられ、振動により圧電素子を発電させる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子を用いた発電装置の重錘部。
【請求項６】
圧電素子へ衝突することで圧電素子が発電する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子を用いた発電装置の重錘部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に係り、それに加わる圧縮力や引っ張り力、衝突エネルギーなど外部環境によって引き起こされた発電機本体の加速度の時間変化から発電する圧電素子を用いた、圧電素子にて発電する振動発電装置の重錘部に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度を用いて発電する振動エネルギーや衝突エネルギー変換の方式としては、従来回転運動を行う内部質量を用いた振動発電型腕時計や、ばねで支持された内部質量の運動により発電を行う方式が提案されている。これらのような振動発電技術は共振状態の有無に関わらず周知である。
この他にも、機械的共振器を用いた可変容量振動発電装置の提案や、振動発電装置と加速度計を融合した装置の提案がある。
【０００３】
圧電素子を用いた発電装置は、基材などを支点とし、支点から圧電素子を備えたリードが伸び、その先端部に重錘を有する構造となることがある。また、同様に、枠内に移動や回転可能な重錘を有し、それらが枠の一端にぶつかった際の圧電素子への衝撃にて発電する構造を有すこともある。
【０００４】
これらの重錘は、限られたスペースにて圧電素子に衝撃や伸び、縮みなどの応力を与える必要があることから、それらのエネルギーを高めるために高密度の材料が用いられている。
【０００５】
たとえば、特許文献１には、圧電変換機を用いる際に、棒状先端部の重錘の形状によって振幅を制限し、圧電素子の屈曲を制限して破壊を防ぐ技術が開示されている。重錘は、運動エネルギーを効率よく生かすために鉛などの高密度材料が用いられている。
【０００６】
特許文献２には、自動車などのタイヤの異常検出装置として、タイヤの振動を電力に変換する、圧電素子を用いた振動発電装置が開示されている。圧電素子は固定端と自由端を有しており、自由端側に重錘が連結されている。重錘はある程度質量を付与しえる材料とすることが記載されている。
【０００７】
特許文献３には、圧電素子と衝突部材を有し、外力で衝突部材が圧電部材に衝突して発生し、その電力により車両が所定領域に侵入したことを報知する車両報知装置が示されている。衝突部材は鉄やタングステンが使用されるのが好ましいことの記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−１９４６７７号公報
【特許文献２】特開２００７−２８２３５５号公報
【特許文献３】特開２００３−２３３８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献には、圧電素子を用いた発電装置に用いる重錘には、ある程度の質量がある必要があるとの記載がある。各部品を配置するスペースは狭くて済む方が好ましいために、密度の高い鉄やタングステンによる重錘が開示されている。
【００１０】
鉄の密度は７．９ｇ／ｃｍ３程度であり、タングステンは同１９．２であり、密度の高いタングステンを使用する方が、前述の発電装置のスペース的が小さくて済むようになるために有利となる。
【００１１】
ところが、タングステンは、密度は十分であるが、材料として以下の問題点がある。
（１）破壊靭性値が十分でないために、繰り返しの使用や、部品の一部にクラックなどが生じた際に亀裂が進行して、破壊に至りやすい
（２）焼結体の製造が、通電焼結、熱間鍛造、線引きの工程を経るために、単純棒材形状以外は製造が難しい。また、できたとしても材料的な製造コストが高くなる
（３）タングステンは難切削材であるために、加工にコストがかかる
（４）タングステンは酸化しやすく、使用環境中での耐久性に問題がある
本発明は、タングステンと同等の機能を有する重錘を、上記の課題を解決したうえで提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
圧電素子を用いた発電装置に用いる重錘を、タングステンと鉄族金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）との合金、または、タングステンと鉄族金属と銅（Ｃｕ）との合金のいずれかとすることにより、前記の問題点を解決した。
【発明の効果】
【００１３】
タングステンと鉄族金属との合金、または、タングステンと鉄族金属と銅との合金のいずれかの合金を、圧電素子を用いた発電装置用重錘として用いることで、以下に説明する効果がある。
【００１４】
タングステンと鉄族金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）の合金、または、タングステンと鉄族金属と銅との合金は、緻密で純粋なタングステンと比べると若干低いが、ほぼ同等の密度を持つ。鉄族金属の質量分率が１０質量％以下であれば、１７ｇ／ｃｍ３程度の密度を有する。発電の効率上、合金中のタングステンの比率は９０質量％以上、より好ましくは９４質量％以上が好ましい。
【００１５】
鉄族金属はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの総称であるが、これらは１種または２種以上を合計で１〜１０質量％以下添加することが好ましい。１質量％未満であると重錘全体を十分に合金化するのに不足する場合があり、１０質量％を超えると合金の密度が下がりすぎる場合があるためである。Ｎｉの添加は、耐酸化性に大きく寄与するために、１質量％以上添加することが好ましい。前記範囲とすることにより、十分に重錘全体を合金化することができ、また、１７ｇ／ｃｍ３以上と十分な密度とすることができる。
【００１６】
また、さらにＣｕを添加することで、合金を製造する際の焼結温度が低下し、製造コストを低減できるという効果が得られる。
【００１７】
前記のタングステン合金は、重錘として使用する場合は、単体のタングステンと比較して以下（ａ）〜（ｃ）に示す代表的な特徴がある。
（ａ）タングステンの破壊靭性値ＪＩＣは１５ＭＰａ・ｍ１／２程度であるが、前記合金の破壊靭性値ＪＩＣは４５ＭＰａ・ｍ１／２程度である。このために、タングステンと比較してクラックが進展しにくく、衝撃などで破壊する可能性が大きく減少する。
（ｂ）タングステンの製造方法は一般的に以下の工程にて製造する。
（工程１）タングステン粉末混合工程、プレス成形工程、焼結工程、塑性加工工程、
塑性加工して初めて、緻密なタングステンとなる。ここから、所望の形状に機械加工または電気加工を行う必要がある。
【００１８】
これに対して、前記合金は以下の工程で製造する。
【００１９】
（工程２）粉末混合工程、プレス成型工程、焼結工程、機械あるいは電気加工工程
両者を比較すれば、コスト的に有利なのが後者であることは明らかである。最も大きな相違点は、焼結工程である。タングステンは極めて難焼結材料であり、１８００℃以上での高温焼結が必要である。塑性加工で得られる形状も比較的単純な形状に限られる。これに対し、前記合金は焼結が容易であり、１２００〜１５００℃程度の還元雰囲気で焼結が可能である。また、成形段階で中間加工を行い、焼結後の加工を大幅に減らすことも可能である。
（ｃ）タングステンは大気中の酸素により酸化しやすいが、前記合金はタングステンと比較して酸化しにくい。そのために重錘としての使用も、比較的高い耐久性が得られる。
【００２０】
さらに、この鉄族金属の一部をＣｕと置換した組成の合金とすることにより、非磁性材とする効果も得られた。また、Ｃｕの添加量は、鉄族金属の一部を置換する方法で、前記合金の１〜６質量％とするのが適当である。この範囲で添加することで、焼結温度をさらに下げることができ、製造コストの削減に寄与する。
合金を以上に述べた範囲の組成とすることで、十分な密度を持ち、破壊靭性値が十分のために破壊しにくく、製造コストもタングステンと比較して有利で、酸化しにくい圧電素子を用いた発電装置用重錘が得られる。重錘は、その振動により圧電素子を伸縮させる振動素子や、重錘と圧電素子との衝突により発電する衝突素子などとして使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】重錘の振動により、圧電素子にて発電する発電装置の模式図
【図２】重錘の圧電素子への衝突により発電して発行する装置の模式図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、圧電素子を用いた発電装置に用いる重錘を、タングステンと鉄族金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）の合金、あるいは、タングステンと鉄族金属と銅との合金としたものである。
【００２３】
これらの合金は、以下の方法にて得られる。
【００２４】
平均粒子径が０．５〜１０μｍのタングステン粉末と、平均粒子径が２〜１０μｍ程度の鉄族金属粉末を準備する。Ｃｕを添加する場合は、２〜２０μｍ程度の粒径の粉末を合わせて準備する。
【００２５】
これらを乾式または湿式で均一となるように混合する。乾式混合としてはＶブレンダー、らいかい機、ミキサーなど公知の方法で混合する。湿式混合の場合は、ボールミル、スターミルなど公知の方法で混合する。混合は各粉末が均質となるように、装置に応じて設定する。湿式混合の場合は、粉末の乾燥を必要とする。静置乾燥してケーキとし、そのあとに篩を行う方法と、スプレードライヤーを用いて造粒する方法のいずれかとするのが一般的である。乾式混合の場合は、そのまま混合粉としてもよいし、成形バインダーを添加してもよい。
【００２６】
成形用のバインダーを添加する場合は、前記混合工程か、造粒工程にて成形バインダーを０．５〜３質量％程度添加する。
【００２７】
続いて、得られた粉末のプレス成形を行う。プレス成形は金型プレスや冷間静水圧プレス機にて１０〜３００ＭＰａの圧力で行いプレス体を得る。
【００２８】
プレス体に必要ならば中間加工を行う。中間加工は切削、サンドペーパーや砥粒による研磨などを行ってもよい。
【００２９】
続いて、成形バインダーを添加した場合には脱脂処理を行う。この工程は成形バインダーが十分に気化して成形体から完全に除去できるような温度、雰囲気にて行う。
【００３０】
その後に焼結を行う。焼結は非酸化雰囲気中、１２００〜１５００℃程度にまで加熱する。雰囲気は窒素ガス中、真空中、水素ガス中、不活性ガス中などから選択できる。
【００３１】
脱脂処理と焼結は一度の炉への投入で連続的に行ってもよい。以上の工程にて焼結体を得る。
【００３２】
得られた焼結体はタングステン（Ｗ）と鉄族金属、または、タングステンと鉄族金属とＣｕを以下に示す割合で含んでおり、合金化している。
【００３３】
タングステン：焼結体の９０〜９９質量％
鉄族金属：焼結体の１〜１０質量％
Ｃｕ：焼結体の１〜６質量％に相当する量を、前記鉄族金属から置換した量（ただし置換した場合でも、鉄族金属の下限は１質量％）
この際に、好ましい気孔率は５％以下、より好ましくは２％以下である。
【００３４】
得られた焼結体に、必要であれば機械加工（切削、研削、鍛造、圧延など）や電気加工を施して所望の形状とすることで、重錘部分が完成する。
【００３５】
たとえば、重錘を衝突部材として使用する場合には、表面を転がりまたは移動の際に支障がない（滑らかに転がる、滑らかに移動する）程度とすれば十分である。
【００３６】
また、図１に示すように、支点から金属などのリード部材が片持ち梁のように伸び、その中ほどに圧電素子、先端に重錘が設けられる構造の場合は、金属などの部材と接合する必要がある。この場合は、金属などの部材とネジやボルトなどによる機械的な接合、溶接、ロー付、接着剤による接合、両者の形状の凹凸にて振幅によって外れないようにする構造、焼嵌めや冷やし嵌めなど公知の手段で接合することができる。
【００３７】
さらに、金属などの部材と接合前、接合後にかかわらず、重錘部の表面にニッケル、金、銀、ニッケルメッキ、スズメッキ、クロムメッキや合金メッキを施すことも可能である。メッキを施すことにより、重錘部分はより酸化などの化学変化を起こすことなく、メンテナンスなしで長期間使用できるようになる。
【００３８】
以上に述べた方法で、本発明の発電装置の重錘部を得ることができる。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
出発原料として、純度９９．５％で平均粒子径４μｍのタングステン粉末９０質量％と、純度９９．９％で平均粒子径６μｍのＮｉ粉末６％と、純度９９．９％で平均粒子径４μｍのＦｅ粉末４％と準備した。
【００４０】
これらの粉末を、らいかい機を用いて２時間混合し、成形バインダーとしてセチルアルコールをタングステン、Ｎｉ、Ｆｅ粉末の合計質量に対して１外部質量％と、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を同じく１外部質量％添加してさらに１時間混合して混合粉末を得た。
混合粉末を１軸成形の金型プレス機に投入し、２００ＭＰａの圧力にてプレス成形し、直方体の成形体を得た。
成形体を水素雰囲気炉に投入し、６００℃にて脱脂処理をした後、１３００℃にて焼結を行い、焼結体を得た。
焼結体を観察したところ、タングステン量の比較的少ない合金マトリクス中に、タングステン量の比較的多い球状の合金が分散した組織を有する合金であった。合金の気孔率は１％未満であった。
この焼結体を試料Ｎｏ．１とする。
【００４１】
得られた試料Ｎｏ．１の焼結体を、鉄道用橋梁の亀裂センサおよびセンサ信号を発信するための無線機と接続した、発電装置の振動子として使用した。このシステムは、橋梁の複数個所に設けられた疲労亀裂などの異常を感知するセンサからの信号が、発電装置から給電のあるときにのみ無線機に送信され、無線機は走行中の鉄道車両に無線送信する。鉄道車両は信号の受信により、橋梁の亀裂など異常を察知する。鉄道車両の通過時に生じた振動に伴い、振動子（重錘）として焼結体試料Ｎｏ．１が振動する。この振動により、圧電素子が伸縮して、発電装置が発電する。
【００４２】
このシステムは、鉄道車両通過時の振動により発電装置が発電するために、電池とその交換が不要となり、システムが劣化するまでメンテナンスが不要である。
【００４３】
試料Ｎｏ．１の焼結体を用いた振動子は密度が十分に高いために、発電を十分に行うことが可能であった。また、空気中の水分や酸素との反応が少ないために、長期間屋外に設置した際にも、表面酸化や粉塵の発生がなく、良好に使用可能であった。
【００４４】
次に、試料Ｎｏ．１と表１中に示す試料Ｎｏ.２〜１５および比較試料Ｎｏ.１００〜Ｎｏ．１０３について同様の試験を行った。試料Ｎｏ.２〜１５の試料は本発明の範囲内の試料であり、組成を表１に示す組成にそれぞれ変えたものである。組成および焼結条件以外は試料Ｎｏ．１と同様である。また、比較試料Ｎｏ．１０１はタングステン材料、比較試料Ｎｏ．１０２は鉄材、比較試料Ｎｏ．１０３は鉛材を用いたものである。
【００４５】
【表１】
2015122951.tif 000003
表１中で「*」の付いた試料は、本発明の範囲外の比較試料である
【００４６】
試験の結果、Ｎｏ.２〜１５はいずれも、試料Ｎｏ．１と同様に振動子としての使用における発電が十分であり、長期間の使用後も表面酸化や粉塵の発生が起こっておらず良好であった。また、欠けやクラックの発生なども生じていなかった。
【００４７】
これに対し、比較試料Ｎｏ．１０１のタングステン材を用いた振動子は、発電量は本発明の試料と同様に十分であったが、空気中の酸素や水分との反応で表面に黄変が生じていた。使用を続けると酸化物粉塵が発生した。これは、タングステン表面が酸素と反応して酸化タングステンに変化しているためで、長期間の使用には問題が生じると考える。また、使用時に繰り返される振動により、固定部分に微細なクラックが観察された。これは、破壊靱性値が十分でないことに起因していると考えられ、やはり長期間の使用には問題が生じると考える。なお、製造については、前述のように本発明の合金よりも大きなコストがかかっていた。
【００４８】
比較試料Ｎｏ．１０２は鉄材を用いた振動子であるが、発電量は試料Ｎｏ．１〜１５と比較して明らかに小さいものであった。また、使用時に表面に錆が生じており、長期間の使用には適さないと考える。
【００４９】
比較試料Ｎｏ．１０３は鉛材を用いた振動子であるが、発電量は試料Ｎｏ．１〜６と比較してやや小さい程度であった。使用時の変形や表面変化、クラックなどは生じていなかったが、鉛が有害物質であり、使用後の処理に問題が残る。
（実施例２）
実施例１にて使用した試料および比較試料の形状のみを変更して円柱状とし、図１に示すように、一端面側に基材５側から伸びたリード７を接合し、リード７の動きに応じてリード７に被覆する様に設けられた圧電素子３により発電する、発電装置１０の重錘１とした。タイヤの振動により重錘１が基材に対して動き、その際に圧電素子３が発電する。
この発電装置とセンサーモジュール、信号発生器とを接続し、自動車タイヤ空気圧モニタリングシステムとして使用した。センサが感知したタイヤ空気圧を信号発生器が自動車本体に送信することで、タイヤの空気圧を自動車側が受信して、走行中でもタイヤの状態を知ることができる。
【００５０】
このシステムは、自動車のタイヤの回転により圧電素子発電装置が発電するために、電池自体とその交換が不要となり、劣化したタイヤを交換するまでシステムをメンテナンスする必要がない。
【００５１】
試料Ｎｏ．１〜１５の焼結体を重錘として場合は、焼結体の密度が高いために十分な発電量が得られた。また、空気中の水分や酸素との反応が少ないために、長期間屋外に設置した際にも、表面酸化や粉塵の発生がなく、良好に使用できた。
【００５２】
また、自動車のタイヤ内に設けるために、システムは小型化できるほど好ましい。本発明の重錘を用いた発電装置は、たとえば鉄材や鉛材を使用した場合と比較して、小型化しても同様に発電できた。
【００５３】
また、本発明の範囲外の比較試料は。いずれも実施例１と同様の問題が生じた。
（実施例３）
歩行者の腕部分に巻き付けるバンド状の発光装置で、歩行に伴い発光する夜間用発光装置に用いた例を示す。この発光装置は、発光部９と発電部を有しており、発電部の内部には、両端に圧電部材３を有した筒８の内部に移動可能な円柱状の衝突素子１が設けられている。要部の模式図を図２に示す。
【００５４】
この衝突素子１が、歩行による腕の動きにより圧電部材３に衝突し、その際に発生した電気にてＬＥＤ素子９からなる発光部を点灯させる。
【００５５】
この発電部の衝突素子として、実施例１に示した試料Ｎｏ．１〜１５の試料を円柱状としたものを用いた。
【００５６】
試験の結果、Ｎｏ.１〜１５はいずれも衝突素子としての使用における発電が十分であり、長期間の使用後も表面酸化や粉塵の発生が起こっておらず良好であった。また、欠けやクラックなども生じていなかった。
【００５７】
このバンドは、腕部分に巻き付けるために小型の方がより好ましい。本発明の、衝突して発電する重錘を用いた発電装置は小型化しても、たとえば鉄材や鉛材を使用した発電装置と同様に発電できた。
【符号の説明】
【００５８】
１  重錘（振動子、衝突素子）
３  圧電素子
５  基材
７  片持ち梁（リード）
７−１  ７の支点
８  筒
９  ＬＥＤ素子
１０  圧電素子発電装置
２０  バンド状発光装置
【図１】
2015122951.tif 000004
【図２】
2015122951.tif 000005