JP2013198272A - 小型発電機及び電子時計 - Google Patents

Abstract

【課題】人の動作で回転錘が旋回することにより発電する小型発電機の中で、高い電圧を確保しつつ、安価で、より小型化、薄型化した小型発電機及び電子時計を提供する。
【解決手段】小型発電機２０であって、人の動作で旋回運動する回転錘１と、回転錘１の軸芯を中心として円筒状に巻回されたコイル８と、回転錘１の軸芯に垂直な方向に延伸する回転錘１の面に備えた永久磁石２と、永久磁石２と所定間隔を隔てて回転錘１の軸方向に対向配置された第１磁極歯３と第２磁極歯４、及び、コイル８内を通り第１磁極歯３と第２磁極歯４とを接続する接続部５とを有する磁路形成部６とを備え、永久磁石２は、磁極が回転錘１の旋回面の周回り方向に交互になるように配設され、第１磁極歯３と第２磁極歯４は、櫛歯形状に形成されて相互に隙間をあけて交互に噛み合うように組み合わされて平板状に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転錘などによって得られる運動エネルギーにより発電する腕時計装置などの、小型の電子機器の動力源に適した小型発電機及び電子時計に関する。

電子腕時計のような小型で携帯に適した電子機器において、発電機を内蔵することによって電池の交換を無くし、あるいは電池自体を無くすことができる携帯型の電子機器が実用化されている。このような発電機は、永久磁石磁束とコイルによる電磁誘導作用により発電を行い、得られた交流電力を直流電力に変換して電子機器に供給する。一般に交流から直流への変換はダイオードが用いられる。ただし、ダイオードには内部損失があるため、その内部損失以上の高い電圧を発電することが要求され、様々なものが提案されている。

具体的に、従来の小型発電機としては、回転錘の運動で電子腕時計を動作させるための電力を得るために、歯車を組み合わせた増速機構によりロータを高速回転させ、ステータ鉄芯に巻回されたコイルに誘導起電力を発生させる発電機が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、他の例としては、回転錘の回転軸の外周に複数の永久磁石を磁極が周回り方向交互になるように配置して、永久磁石と対向する半径方向の外側にクローポール型の鉄芯（爪形の磁極片が折り曲げられた鉄芯）と、鉄芯に内嵌されるコイルとにより構成した小型発電機が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００８−７６３０１号公報 特公平２−３５５４７号公報

しかしながら、従来の小型発電機では、増速機構のための歯車を必要とするため、コストが増大する。しかも、当該小型発電機では、運針用ステップモータやステップモータで駆動する駆動輪列等の電子時計部品を、地板の上に発電機の構成部品と一緒に組立をしなければならない。つまり、当該組立には部品の調整等の高度な熟練技術が必要であるため、小型発電機の製造に手間と時間を要した。

他の例の小型発電機では、多極の永久磁石が回転軸に配置されるため、従来の小型発電機と比較して高倍率の増速を必要としないという利点がある。しかし、回転軸の半径方向に永久磁石とステータ鉄芯が対向配置されるので、磁石磁束を得るために軸方向長さを確保する必要が生じ、装置の厚みが増すという課題がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高電圧での発電が可能であり、しかも、安価で、より小型化／軽量化した小型発電機及び電子時計を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、小型発電機であって、人の動作で旋回運動する回転錘と、前記回転錘の軸芯を中心として円筒状に巻回されたコイルと、前記回転錘の軸芯と垂直な方向に延伸する前記回転錘の面に備わる永久磁石と、前記回転錘の軸方向に沿って、前記永久磁石と空隙を隔てた位置に対向配置された第１磁極歯及び第２磁極歯と、前記コイルの内周面を通り前記第１磁極歯と前記第２磁極歯とを接続する接続部とを有する磁路形成部と、を備え、前記永久磁石は、磁極が前記回転錘の旋回方向に沿って交互に変化するように配設され、前記第１磁極歯と前記第２磁極歯は、それぞれが櫛歯形状に形成された複数の歯部からなるとともに隣接する前記歯部同士が相互に隙間をあけて配置され、前記第１磁極歯の歯部と前記第２磁極歯の歯部とが交互に噛み合うように組み合わされて平板状に構成されることを要旨とする。

かかる特徴によれば、永久磁石の各磁極と対向する第１の磁極歯と第２の磁極歯が、永久磁石の旋回によって励磁される磁極が永久磁石の磁極ピッチ毎に交互に反転するため、コイルに鎖交する磁束の向きも反転する。そのため、回転錘の僅かな旋回運動であっても多数回のコイル鎖交磁束の反転が生じて、コイルは高い電圧を誘起することができる。例えば、永久磁石を３.２°の角度で交互に異なる磁極で着磁した場合、１円周３６０°を１１２極で着磁したこととなる。従来の小型発電機に用いられるような、２極に着磁された永久磁石に比べて５６倍の速度で磁極を切り替えることが可能になる。そのため、回転錘の回転を増速することなく高い電圧を得ることができる。また、回転錘の軸芯に垂直な方向に伸延する回転錘の面に永久磁石を備え、永久磁石と回転錘の軸方向に対向する位置に第１磁極歯及び前記第２磁極歯を備えている。そのため、回転錘の平面方向に広い面積で永久磁石と第１磁極歯及び前記第２磁極歯が対向することができて、永久磁石を厚くしなくても多くの磁石磁束をコイルに鎖交させることができる。そのため、小型発電機は、薄く形成することができるので、更なる小型化／軽量化が図れる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に記載の小型発電機において、前記第１磁極歯と前記第２磁極歯は、それぞれ複数の板材を積層して形成されていることを要旨とする。
かかる特徴によれば、磁極ピッチが小さい多極の磁極歯であっても、板厚の薄い板材を用いることでプレス抜き加工が可能となり磁極歯を安価に作製することができる。また、薄い板材を磁束が飽和しない厚みまで積層し、各板材表面を電気的に絶縁した電磁鋼板を使用することによって、うず電流を低減して、発電機の効率を良くすることができる。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１及び第２の特徴に記載の小型発電機において、前記永久磁石は、内角１８０°以下の扇形扁平状に形成されていることを要旨とする。
かかる特徴によれば、永久磁石は回転錘の錘としての機能を持つため、そのぶん回転錘の厚みを薄くすることができて、発電機を小型にすることができる。

本発明の第４の特徴は、電子時計において、本発明の第１から第３の特徴の何れかに記載の小型発電機と、前記小型発電機で発生した電気エネルギーに基づいて駆動する時計モジュールを備え、前記時計モジュールは、前記磁路形成部の内周側に収容されていることを要旨とする。
かかる特徴によれば、電子時計モジュールを専用工程で作製し、後から発電機を組み付けることができる。それによって、発電機内蔵の電子時計用ムーブメントを特別高度な組立技術を用いることなく、容易に製造でき、組立も簡単にできる。また、発電機の磁路形成部の内側に電子時計モジュールが収容されるため、時計を厚くすることがない。そのため、調和のとれた気品の良い時計外装品に組み付けることができる。

本発明に係る小型発電機によれば、人の腕の動きによる回転錘の回転からでも、高い電圧を確保しつつ、安価で、より小型化、軽量化した小型発電機及び電子時計を提供することができる。

第１実施形態に係る小型発電機を電子時計モジュールに取り付けた状態を示す断面図である。 図１に示す電子時計モジュールの分解斜視図である。 磁極歯の一部を拡大して示す平面図である。 小型発電機で発電を行う際の磁化状態についての説明図である。 第２実施形態における小型発電機を電子時計モジュールに取り付けた状態を示す断面図である。 第２実施形態における小型発電機を電子時計モジュールに取り付けた状態を示す斜視図である。 小型発電機を時計外装部品に組み付けた時の平面図である。

以下、本発明の小型発電機における好適な実施の形態（第１実施形態）について、図１から図３を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
はじめに、本実施形態に係る小型発電機及び当該小型発電機を搭載した電子時計の概要について述べる。
図１に、小型発電機２０を電子時計モジュール９に取り付けた状態の断面図を示す。また、図２に、図１に示す小型発電機２０の分解斜視面図を示す。

小型発電機２０は、人の動作で旋回運動する回転錘１と、回転錘１の軸芯を中心として円筒状に巻回されたコイル８と、回転錘１の軸芯に垂直な方向に延伸する回転錘の面に備えた永久磁石２と、永久磁石２の下部に配設された磁路形成部６と、を備える。磁路形成部６は、永久磁石２と所定間隔を隔てて回転錘の軸方向に対向配置された第１磁極歯３と第２磁極歯４、及び、コイル８を取り囲むように第１磁極歯３と第２磁極歯４とを接続する接続部５と、で構成される。また、永久磁石２は、磁極が回転錘の旋回面の周回り方向に亘って、交互に形成されるように配設される。また、第１磁極歯３と第２磁極歯４は、個々の歯が櫛歯形状に形成されて相互に隙間をあけて交互に噛み合うように組み合わされて構成される。

以上の構成を備えた小型発電機２０によると、永久磁石２の各磁極と対向する第１の磁極歯３と第２の磁極歯４が、永久磁石２の旋回によって励磁される磁極が永久磁石２の磁極ピッチ毎に交互に反転するため、コイルに鎖交する磁束の向きも反転する。そのため、回転錘１の僅かな旋回運動であっても多数回のコイル鎖交磁束の反転が生じて、コイル８は高い電圧を誘起することができる。例えば、永久磁石２を３．２°の角度で交互に異なる磁極で着磁した場合、１円周３６０°を１１２極で着磁したこととなる。従来の小型発電機に用いられるような、２極に着磁された永久磁石に比べて、５６倍の速度で磁極を切り替えることが可能になる。そのため、回転錘１の回転を増速することなく高い電圧を得ることができる。また、回転錘１の軸芯に垂直な方向に伸延する回転錘１の面に永久磁石２を備え、永久磁石２と回転錘１の軸方向に対向する位置に第１磁極歯及び前記第２磁極歯を備えている。そのため、回転錘１の平面方向に広い面積で永久磁石２と第１磁極歯及び前記第２磁極歯が対向することができて、永久磁石２を厚くしなくても多くの磁石磁束をコイル８に鎖交させることができる。そのため、小型発電機２０は、一層薄く形成することができる。

（２）実施形態の詳細
図１に示すように、回転錘１は、電子時計モジュール９にボールベアリングを備えた回転錘押さえ１０を介して回転自在に配設されている。回転錘１は回転錘押さえ１０に取り付いて径方向外側に伸びる円板状の回転錘内周部１ｂと、回転錘外周薄肉部１ｃ及び回転錘外周厚肉部１ａからなる。ここで、回転錘内周部１ｂは、非磁性材料ＳＵＳ３０４等で構成される。また、回転錘外周薄肉部１ｃ及び回転錘厚肉部１ａは磁性材料ＳＵＳ４３０等で構成される。また、図２に示すように、回転錘外周厚肉部１ａ、は内角１８０°以下の扇形の厚肉部を備えている。これによって、回転錘１の重心位置が回転中心から離間するようになっている。

永久磁石２は、円環形状からなり、回転錘外周厚肉部１ａ及び回転錘薄肉部１ｃの第１磁極歯３及び第２磁極歯４に対向する面に接着されて固定されている。永久磁石２は各種の永久磁石を使用することができる。永久磁石２の具体例としては、例えば、Ｎｄ（ネオジウム）・Ｆｅ（鉄）・Ｂ（ボロン）を主成分とするネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石などがある。
永久磁石２は、回転錘１の旋回面の周回り方向に交互に複数の磁極が着磁されている。

図３に、磁極歯の一部を拡大した平面図を示す。図３に示すように、第１磁極歯３及び第２磁極歯４は、電磁鋼板をプレス抜き加工等で形成した平板状であって、同一形状に加工した第１磁極歯３及び第２磁極歯４をそれぞれ２枚、厚み方向に重ねて積層されている。このように、第１磁極歯３と第２磁極歯４は、複数の板材を積層して形成されている。これにより、磁極ピッチが小さい多極の磁極歯であっても、板厚の薄い板材を用いることでプレス抜き加工が可能となり磁極歯を安価に作製することができる。また、薄い板材を磁束が飽和しない厚みまで積層し、各板材表面を電気的に絶縁した電磁鋼板を使用することによって、うず電流を低減して、小型発電機２０の効率を良くすることができる。

また、第１磁極歯３は、内周側に円環形状の基端部３ａを備えており、基端部３ａから外周に向かって櫛歯形状に形成された歯部３ｂが等しい角度ピッチで伸延してなる。一方、第２磁極歯４は、外周側に円環形状の基端部４ａを備えており、基端部４ａから内周に向かって櫛歯形状に形成された歯部４ｂが等しい角度ピッチで伸延してなる。第１磁極歯３及び第２磁極歯４の歯部３ｂ、４ｂは、等しい間隔で相互に隙間をあけて交互に噛み合うように配置されている。

また、本実施形態において、第１磁極歯３及び第２磁極歯４はそれぞれ６３本ずつ有する。そのため、第１磁極歯３及び第２磁極歯４を交互に噛み合うようにした場合、合計で１２６本の歯部が配置される。

第１磁極歯３の基端部３ａは、磁性体で形成された接続部５の円筒形状の内周部５ｃの一端部に内嵌して固定されている。内周部５ｃの他端部は、磁性体で形成された接続部５の円環形状の底部５ｂの内周側の面に固定されている。第２磁極歯４の基端部４ａは、磁性体で形成された接続部５の円筒形状の外周部５ａに外嵌して固定されている。外周部５ａの他端部は、底部５ｂの外周端部に固定されている。

一般的に、磁極歯を用いた発電機はコギングトルクが発生し、回転錘の効率の良い回転の妨げとなる。一般に、このコギングトルクは、鉄芯磁極歯数（歯部）が９のｎ倍（鉄芯磁極歯数（歯部）＝９×ｎ、ｎ＝鉄芯磁極歯数（歯部）／９）で、かつ永久磁石の磁極数が９±１のｎ倍（永久磁石の磁極数＝（９―１）×ｎ）のときに小さくなることが知られている。そこで、本実施形態の場合を確認すると、第１磁極歯３と第２磁極歯４の歯部の合計は１２６本であるため、ｎ＝鉄芯磁極歯数（歯部）／９＝１２６／９＝１４となる。よって、鉄芯磁極歯数（歯部）が９の１４倍であることがわかる。また、ｎ＝１４をあてはめて、永久磁石の磁極数を算出すると、永久磁石の磁極数＝（９―１）×１４＝１１２となる。よって、永久磁石の磁極数が９±１のｎ倍であることがわかる。これらのことから、本実施形態の小型発電機２０は、コギングトルクが小さくなって、回転錘の回転を高効率で行うことができる。

磁路形成部６は、外周部５ａと底部５ｂ、内周部５ｃからなる接続部５と、第１磁極歯３及び第２磁極歯４と、から構成される。ここで、接続部５は、底面を形成する円環形状の底部５ｂと、底部５ｂの内縁に連接され上方に向かって延伸した円筒形状の内周部５ｃと、底部５ｂの外縁に連接され上方に向かって延伸した円筒形状の内周部５ｃと、を備えて構成される。

磁路形成部６の内部には、コイルボビン７と当該コイルボビン７に巻回されたコイル８が収容されている。
底部５ｂの内周端部は、電子時計モジュール９に固定されており、図示しないがコイル８の巻線端末は、電子時計モジュール９内の整流回路を通して時計回路に接続されている。

（発電機の動作）
次いで、図４に基づいて、小型発電機２０の動作について説明する。図４は、小型発電機で発電を行う際の磁化状態についての説明図である。図４に矢印で示したように、永久磁石２の磁束は、Ｎ極→第２磁極歯４→接続部５→第１磁極歯３→Ｎ極と隣接するＳ極（図示しない）の方向に流れ、コイル８に鎖交する。一方、図４の状態から回転錘が角度２π（ｒａｄ）／永久磁石の磁極総数だけ回転すると、図４の状態で各第１磁極歯と第２磁極歯に存在していた磁極が、逆向きの永久磁石２の磁極と対向することになる。この状態で図４の矢印と逆向きの方向に、永久磁石２の磁束は、Ｎ極→第１磁極歯３→連結部５→第２磁極歯４→Ｎ極と隣接するＳ極の方向に流れ、コイル８に鎖交する。

以上のように発電機２０は、人の腕の動きに伴い、回転錘１、永久磁石２が旋回すると、コイルに鎖交する磁束の向きが交互に入れ替わることで発電される。
なお、第１磁極歯３及び第２磁極歯４は、電磁鋼板でなくても良く、磁性材料であれば良い。また、第１磁極歯３及び第２磁極歯４は、２枚の磁極歯を積層したが、１枚でも良く、また、複数枚を積層しても良い。

（３）第２実施形態
また、本発明の第２実施形態を図５から図６を参照して説明する。
図５に、第２実施形態における小型発電機を電子時計モジュールに取り付けた断面図を示す。また、図６に、別の実施形態における小型発電機を電子時計モジュールに取り付けた斜視図を示す。円板形状の回転錐１と円環形状の永久磁石２の代わりに、図５及び図６に示すような略扇形の回転錘１１と略扇形の永久磁石１２としても良い。特に、永久磁石１２は、内角１８０°以下の略扇形扁平状に形成されていることが好ましい。これにより、永久磁石１２は回転錘１１の錘としての機能を持つため、そのぶん回転錘１１の厚みを薄くすることができて、小型発電機２０をより小型にすることができる。

回転錘１１は、磁性材料ＳＵＳ４３０等で形成された回転錘外周部１１ａと、非磁性材料ＳＵＳ３０４等で形成された回転錘内周部１１ｂから構成されている。

このように構成したことによって、発電機を小型にすることができる。永久磁石１２のサマリウムコバルト磁石の比重が８．４であり、回転錘外周部１１ａの磁性材料ＳＵＳ４３０の比重は７．７である。そのため、永久磁石１２の比重は、回転錘１１ａの比重よりも大きい。そのため、回転錘１１は、体積を小さくしても同等の慣性モーメントを得ることができる。このことから、発電機を小型にすることができる。
本発明において示した全ての実施形態の小型発電機は、電子時計に用いることができる。

図７は時計外装部品３０に発電機２０を組み付けた時の平面図である。電子時計において、小型発電機２０と、小型発電機２０で発生した電気エネルギーに基づいて駆動する時計モジュール９を備える構成とする。また、時計モジュール９は、磁路形成部６の内周側に収容されている。これにより、例えば、電子時計モジュール９を専用工程で作製し、後から発電機を組み付けることができる。それによって、発電機内蔵の電子時計用ムーブメントを特別高度な組立技術を用いることなく、容易に製造でき、組立も簡単にできる。また、小型発電機２０の磁路形成部６の内側に電子時計モジュール９が収容されるため、時計を薄くすることができる。そのため、調和のとれた気品の良い時計外装品に組み付けることができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
たとえば、上記実施形態では、小型発電機を搭載した製品例として電子時計を例示したが、携帯電話などに用いてもよい。

１、１１ 回転錘
２、１２ 永久磁石
３ 第１磁極歯
３ａ、４ａ 基端部
３ｂ、４ｂ 歯部
４ 第２磁極歯
５ 接続部
５ａ 外周部
５ｂ 底部
５ｃ 内周部
６ 磁路形成部
７ コイルボビン
８ コイル
９ 電子時計モジュール
１０ 回転錘押さえ
２０ 小型発電機
３０ 時計外装部品

Claims (4)

1. 人の動作で旋回運動する回転錘と、
   前記回転錘の軸芯を中心として円筒状に巻回されたコイルと、
   前記回転錘の軸芯と垂直な方向に延伸する前記回転錘の面に備わる永久磁石と、
   前記回転錘の軸方向に沿って、前記永久磁石と空隙を隔てた位置に対向配置された第１磁極歯及び第２磁極歯と、前記コイルの内周面を通り前記第１磁極歯と前記第２磁極歯とを接続する接続部とを有する磁路形成部と、
   を備え、
   前記永久磁石は、磁極が前記回転錘の旋回方向に沿って交互に変化するように配設され、
   前記第１磁極歯と前記第２磁極歯は、それぞれが櫛歯形状に形成された複数の歯部からなるとともに隣接する前記歯部同士が相互に隙間をあけて配置され、前記第１磁極歯の歯部と前記第２磁極歯の歯部とが交互に噛み合うように組み合わされて平板状に構成されることを特徴とする小型発電機。
2. 前記第１磁極歯と前記第２磁極歯は、それぞれ複数の板材を積層して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の小型発電機。
3. 前記永久磁石は、内角１８０°以下の扇形扁平状に形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の小型発電機。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の小型発電機と、前記小型発電機で発生した電気エネルギーに基づいて駆動する時計モジュールと、を備え、
   前記時計モジュールは、前記磁路形成部の内周側に収容されていることを特徴とする電子時計。

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