JP2001507557A - 機械−電気エネルギー変換器及びかかるエネルギー変換器を含む計時器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低速で回転するエネルギー伝達のためのホイールを含む、機械−電気エネルギー変換器。この駆動用のホイールの歯は、発電機の回転子を平衡位置からシフトさせ、ホイールの周囲で振動させる。この変換器は速度増倍ギア列なしに、高い角速度を生成できる。

Description

【発明の詳細な説明】 機械−電気エネルギー変換器及びかかるエネルギー変換器を含む計時器 本発明の対象とするものは、機械的エネルギーを電気的エネルギーとする変換 器、及びこうした変換器を用いた計時器である。 携帯式の電気器具、及び電子クォーツ式の計時器は基本的に、エネルギー源と して電池又は蓄電池を用いている。これらの電池や蓄電池の本来的な欠点は、寿 命が限られていることである。この理由の故に、これらの電気的エネルギー源を 、機械的なエネルギー源、及び機械的エネルギーを電気的エネルギーとする変換 器によって置き換えようとすることは興味がある。 機械的エネルギーを電気的エネルギーとする変換器は公知である。ヨーロッパ 特許出願0 665 478号は、振動質量体(8)に固定された歯車(4)を含む、電子式腕 時計を開示している。この歯車は、プレートの周縁に配置された幾つかの回転子 を駆動する。国際特許出願PCT 89/06833においては、速度増倍ギア列を介して発 電機の回転子に結合された振動質量体を含む、電子式腕時計が開示されている。 言及したこれらの特許出願に記載されたエネルギー変換器は、何れも以下の欠 点を共通して有する。 −発電機の回転子の十分な回転速度を得るためには、かなりの速度増倍が行われ ねばならず、これによって空間が消費され、変換器のコストが増大する。 −速度増倍率が高いことによって、大きな摩擦損失が導入され、これによって変 換器の全体的な出力は低下する結果になる。 本発明の目的は、請求項１に規定した如き、新規な型式の変換器を提供するこ とにより、上述した欠点を克服することである。 本発明は、添付図面を参照して以下の説明を読むことにより、より良好に理解 されるものである。添付図面において、 図１は本発明による変換器の第１の実施形態の例を示す。 図２は図１の発電機の回転子の、歯付き回転子のそれぞれの位置に相関する位 置を示す。 図３は本発明による変換器の第２の実施形態を示す。 図４は本発明による変換器の使用の最初の例を示す。 図５は本発明による変換器の第２の使用の第２の例を示す。 図６は図５の例において用いた電磁ブレーキを示す。 図７は伝達ホイールの平均速度を測定するための装置を示す。 図８は本発明による変換器の第３の実施形態を示す。 図１は本発明による変換器の第１の実施形態を示している。この変換器は歯付 きホイール即ち歯車11を有し、これは振動質量体又はコイルばねの何れかである 機械的エネルギー源の影響の下に回転している。歯車11は、電磁発電機の回転子 13に固定されたピニオンを駆動する。この回転子は円筒形の永久磁石によって構 成されており、フェロニッケル材料からなる固定子に設けられた実質的に円筒形 のエアギャップに配置されている。この回転子により発生される磁束は、発電機 の巻線15に結合される。固定子のエアギャップの円筒形の表面には、半円筒形の 開口部16a及び16bが設けられていて、回転子に対する磁気抵抗偶力を与えるよう になっている。 図２は、歯車11のそれぞれの位置に相関する、発電機の回転子のそれぞれの位 置を示している。時間t=T1において、発電機の回転子のピニオンは歯車の歯１と ２の間に位置しており、歯車の歯は回転子に対して何の偶力も作用させていない 。回転子は磁気抵抗偶力の影響下に、軸線Ｒ上に位置している。時間t=T2におい て、歯車11は時計回り方向に回転しており、発電機の回転子のピニオンを駆動し て、当初の位置に対して角度α₀だけ移動させている。時間t=T3においては、こ の歯付き回転子の歯２は、発電機の回転子のピニオンとは最早係合していない。 回転子は係合を脱し、磁気抵抗偶力の影響の下に、その静止位置、即ち軸線Ｒの 周囲で振動する。回転子の慣性は非常に低いものとされるから、回転子は非常に 速い角速度（600rad/秒を越える角速度）を達成可能である。回転子のこの高周 波数での振動は、発電機の巻線15の端子において、高レベルの誘導電圧を得るこ とを可能にする。 この構成の興味ある点は、この発電機により供給される電気的エネルギーが、 ピニオン12から離脱した場合の回転子13の振動速度に依存する、という事実にあ る。回転子は自由振動する間はピニオン12から離脱しているから、その振動速度 はその慣性と、磁気抵抗偶力のみの関数となる。かくしてここでは回転子につ いて、高い振動角速度が得られ、それによって巻線15における誘導により、高電 圧を発生することが可能になる。この電圧は数ボルトにも達しうるものであるが 、現今の発電機では僅かに数分の１ボルトの電圧が達成可能であるに過ぎない。 かくして、機械的エネルギーを電気的エネルギーとするこの変換器の本来的な 特徴は、電気的エネルギーの生成が、従来技術の設計におけるように回転子が振 動質量体やコイルばねと機械的に係合している間にではなく、回転子が解放され ている間に行われるという事実に存する。 発電機の巻線15が負荷に接続されている場合には、回転子の振動運動は、負荷 電流の影響の下に、迅速に減衰される。このゆえに、時間t=T4において、回転子 は歯車11に対して、時間t=T1におけると同様の関係を有する。 本発明による機械−電気変換器は、歯車の低い平均速度から、速度増倍ギア列 なしに、発電機の回転子の高い瞬間速度を得ることを可能にすることが看取され よう。さらに、機械−電気変換に際しては、この発電機はそれ自身の機械的損失 を受けるだけであり、回転子は自由であって、全体として高い出力を得ることが 可能になる。 図３は本発明による変換器の第２の実施形態を示している。この図において、 歯車31はピニオン32aと32bのそれぞれによって、回転子33a及び33bに対して同時 に係合する。これらの回転子のそれぞれの静止位置はずれていて、歯車31に対す る反作用偶力の合計の変化が最小限となるようにしている。 図４は、本発明による変換器の使用の最初の例を示している。この例において は、コイルばね40が機械的エネルギーを変換器へと、伝達ホイール41を介して供 給している。この変換器の巻線45の端子において誘導された電圧は、整流器46に よって整流され、増倍される。変換された電気エネルギーは次いで、コンデンサ C1及びC2に蓄電される。このエネルギーは、負荷抵抗Rcの形で示した電気的装置 によって使用可能である。 図５は、本発明による変換器の使用の第２の例を示している。ここでは、エネ ルギー源が機械的な由来のものである電子的計時器の場合が示されている。エネ ルギー源50はコイルばねからなり、機械的エネルギーをホイール51を介して伝播 する。一般には時計針によって形成される表示手段52が、ホイール51に機械 的に接続されている。ホイール51はまた、整流器54へと電気的エネルギーを供給 する変換器53をも駆動し、整流器はこのエネルギーをコンデンサＣに蓄える。こ の蓄えられたエネルギーは、制御部材56と速度計測手段55に給電するように作用 する。電磁ブレーキ57は、その制動結合がホイールの平均回転速度の関数として 制御手段56により調節されており、ホイールを調節することが可能である。 図６は電磁ブレーキの実施例を示している。このブレーキは強磁性材料の磁気 回路61と、円筒形状の永久磁石回転子62と、回転子62により生成された磁束と結 合される巻線63により構成されている。 巻線63の端子は、制動抵抗回路網64と接続されている。制動抵抗の実効値は、 ブロック65からの制御信号により制御されるスイッチによって調節可能であり、 回転子62に対して作用される制動結合の変更を行うことができる。 図７は、本発明による変換器の伝達ホイールの、平均回転速度計測装置の実施 例を示している。この装置は、発電機の端子における電圧を測定する回路71を含 む。この電圧は、図2a,2b,2c及び2dにおける関連説明によれば、発電機からの回 転子のピニオンの離脱の各々の間に大きく変化するものであり、比較回路72の入 力へと供給される。比較回路72は、この電圧を基準電圧Urefと比較する。比較回 路72の出力は、測定電圧が基準電圧より大きいか小さいかに応じて、レベル１又 は０の論理信号を伝達する。この論理信号は、カウンタ73が論理信号がレベル０ からレベル１へと２回連続して遷移する間のクロックパルスの数を計数すること により、回転子のピニオンの２回の離脱の間の期間、即ち伝達ホイールの平均角 速度の逆数を判定することを可能とする。水晶発振器、整流回路及び分周回路か らなる時間基準74が、カウンタ73へとクロック信号CKを供給している。この時間 ベースには、図５のブロック54のコンデンサＣにより、電気的エネルギーが給電 されている。コンデンサＣに蓄えられる電気的エネルギーを節約するために、時 間基準74は永続的に給電されるのではなく、回転の平均速度を測定する段階の間 だけ給電される。時間基準に対する給電の制御は、スイッチ17によって確保され る。 図８に示された変換器の第３の実施形態は、コイルばね又は偏心質量体により 機械的に駆動される歯車61を含み、これは同じ固定子64に配置された２つの回 転子63a,63bのピニオン62a,62bと係合する。固定子は２つの脚部64a,64bを含み 、これらの周囲に巻線65a,65bが巻かれている。 この場合にも、歯車61による回転子63の駆動は同時には行われない。ピニオン 62a,62bの歯は静止位置において平行に配置されるが、歯車61の歯との係合は、 この歯車の異なる角度位置において行われる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 少なくとも１つの歯車を含む機械的エネルギー伝達手段と、この機械的エネ ルギー伝達手段により駆動される少なくとも１つの回転子を有する少なくとも １つの電磁的発電機を含む機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換手 段とからなる、機械−電気エネルギー変換器において、各々の電磁的発電機の 各々の回転子が外部偶力の不存在下における回転子の静止平衡位置を決定する 位置決め偶力を有すること、機械的エネルギー伝達手段による回転子の駆動が 回転子の限定的な角度α₀にわたってのみ有効であり、回転子は完全な回転を 行うことができないが静止平衡位置の周囲で振動することを特徴とするエネル ギー変換器。 2. 発電機の電圧を整流し増倍する手段と、発電機により生成された電気的エネ ルギーを蓄積する手段とを含むことを特徴とする、請求項１のエネルギー変換 器。 3. 発電機が永久磁石の回転子と、軟磁性材料の磁気回路と、回転子の磁石によ り生成された磁束と結合する巻線とにより構成されることを特徴とする、請求 項１又は２のエネルギー変換器。 4. 機械的エネルギー伝達手段による回転子の駆動が間欠的であり、機械的エネ ルギー伝達手段が回転子をその静止位置を越えて駆動し、回転子に対する機械 的駆動のための係合が遮断されると、変換器の磁気抵抗偶力の影響下に直ちに 回転子がその周囲で振動することにより静止位置へと高速で復帰することを特 徴とする、請求項１から３の何れか１のエネルギー変換器。 5. 電気的エネルギーの生成が回転子の自由振動の間に得られることを特徴とす る、請求項４のエネルギー変換器。 6. 歯車が、回転子の各々に固定された２つの歯を有するピニオンと係合するこ とを特徴とする、請求項５のエネルギー変換器。 7. それぞれの回転子が同じ歯車によって駆動される２つの発電機を含むことを 特徴とする、請求項５のエネルギー変換器。 8. 各々の発電機が同じ歯車と係合する幾つかの回転子を含むことを特徴とする 、請求項５又は６のエネルギー変換器。 9. 請求項１から８の何れか１によるエネルギー変換器を含む電気的装置。 10．変換器の機械的エネルギー変換手段と結合されたコイルばねと、時間基準を 供給する手段と、機械的エネルギー伝達ホイールの平均回転速度を測定する手 段と、伝達ホイールの平均回転速度を調節する手段と、伝達ホイールの平均回 転速度を表示する手段とからなる計時器により構成され、前記平均回転速度を 調節する手段が電磁ブレーキにより構成され、その平均制動結合が基準速度の 関数として制御部材により調節されることを特徴とする、請求項９の電気的装 置。 11．電磁ブレーキが永久磁石の回転子と、軟磁性材料の磁気回路と、回転子の磁 石により生成された磁束と結合する巻線とにより構成されており、ブレーキの 巻線の端子を値が可変の抵抗に接続することにより、平均制動結合が基準速度 の関数として制御部材により調節されることを特徴とする、請求項９又は10の 電気的装置。 12．伝達ホイールの平均回転速度を測定する前記手段が、発電機の端子における 電圧を測定する回路と、測定された電圧を基準電圧と測定し、測定電圧が基準 電圧を超えた場合に出力にレベル１の論理信号を供給し、逆の場合にレベル０ の論理信号を供給する回路と、レベル０からレベル１への論理信号の２回の連 続する遷移の間の時間を判定することを可能にする計数回路とからなることを 特徴とする、請求項９又は10の電気的装置。 13．前記計数回路が、水晶発振器、整流回路及び分周回路からなる時間基準を含 み、前記時間基準が永続的にではなくエネルギー伝達ホイールの回転の平均速 度を測定する段階の間だけ付勢されることを特徴とする、請求項12の電気的装 置。