JP2015198464A - 電子時計 - Google Patents

Abstract

【課題】エレクトレットを用いた回転型の発電装置を搭載した電子時計を左右どちらの腕に装着した場合においても、発電能力に差が無く、等しくその姿勢の変化に高い感受性を有するものとすること。【解決手段】回転可能に支持され、重心が回転中心から偏った回転電極と、前記回転電極と対向して設けられる固定電極と、前記回転電極をその回転運動に関し弾性的に支持する弾性部材と、を有し、前記回転電極と前記固定電極のいずれかの表面にエレクトレット膜が設けられ、前記回転電極の重心の回転中心に対する向きは、１１時から１時の間にあるか、又は、５時から７時の間にある電子時計１。【選択図】図５

Description

本発明は、発電機能付き電子時計に関する。

腕時計等の小型の携帯型電子時計において、電池の交換の手間を省くべく、発電機能を搭載することが行われる。そのような電子時計に用いられる発電機構としては種々のものがあるが、エレクトレットを用いた振動発電の原理を用いたものが提案されている。

特許文献１には、携帯型電気機器に用いられる発電装置であって、渦巻きバネにより支持された回動錘と一体に回転する電極をエレクトレット膜に対向配置したものが記載されている。

特開２０１３−５９１４９号公報

上述のエレクトレットを用いた回転型の発電装置は、腕時計に搭載され、携帯中における当該電子時計の姿勢の変化により発電をすることが意図される。同文献記載の発電装置における回動錘の中立位置は、左腕に腕時計を装着した歩行者の腕の振り上げ角度範囲の中間点にある時に鉛直下方となる向き、すなわち、回動軸からみて２時付近の方向に配置される。

本発明の課題は、エレクトレットを用いた回転型の発電装置を搭載した電子時計を左右どちらの腕に装着した場合においても、発電能力に差が無く、等しくその姿勢の変化に高い感受性を有するものとすることである。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）回転可能に支持され、重心が回転中心から偏った回転電極と、前記回転電極と対向して設けられる固定電極と、前記回転電極をその回転運動に関し弾性的に支持する弾性部材と、を有し、前記回転電極と前記固定電極のいずれかの表面にエレクトレット膜が設けられ、前記回転電極の重心の回転中心に対する向きは、１１時から１時の間にあるか、又は、５時から７時の間にある電子時計。

（２）（１）において、前記電子時計の３時方向が鉛直下向きである場合と、９時方向が鉛直下向きである場合における、前記弾性部材に作用する反トルクの絶対値が実質等しい電子時計。

（３）（１）又は（２）において、前記弾性部材を発電機ケースに固定する固定部の位置は、前記回転電極の重心の向きに関し、前記回転電極の回転中心に対し反対側となる位置である電子時計。

上記（１）又は（２）の側面によれば、エレクトレットを用いた回転型の発電装置を搭載した電子時計を左右どちらの腕に装着した場合においても、発電能力に差が無く、等しくその姿勢の変化に高い感受性を有するものとすることができる。

上記（３）の側面によれば、一般的なヒゲゼンマイを弾性部材として使用できる。

本発明の実施形態に係る電子時計の平面図である。 本発明の実施形態に係る電子時計の断面図である。 発電機構の作動原理を説明する概略回路図である。 発電機構の発電機ケース内に納められた主要な機構の斜視図である。 渦巻きバネが自由長にある場合のエレクトレット電極と電子時計の向きの関係を示す図である。 電子時計が使用者の右腕に装着された状態を示す図である。 電子時計が使用者の左腕に装着された状態を示す図である。 エレクトレット電極に錘を設ける別の構造を示す図である。 エレクトレット電極に錘を設ける別の構造を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る電子時計１の平面図である。電子時計１はその姿勢の変化による運動エネルギーを電力として取り出すものであることから、腕時計であることが望ましい。

電子時計１は図示のとおり指針式の時計であり、時針、分針、秒針が電子時計１の中央に配置された指針軸２を回転中心として、同軸に設けられている。しかしながら指針の数や配置はこれに限定されるものでなく任意であるし、また液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを利用して情報を表示するいわゆるデジタル式のものであってもよく、これらを組み合わせたものであってもよい。なお、以降の記述では電子時計１における方向を３時の方向、６時の方向といった具合に時刻により示すことがあるが、この表現は電子時計が図示の通りのほぼ中央に指針軸２を持つアナログ時計である場合に即した表現であり、指針軸２の位置が異なるデザインの時計や、デジタル式の時計についても同表現に準じてその方向を示すものとして用いる。

電子時計１は、ケース４の内部に後述する発電機構、ムーブメント及び蓄電デバイスを収容しており、それらの機構は文字板３の背後に配置され覆い隠されている。図１に例示した文字板３のデザインも任意であり、文字板３自体を透明なものとしたり省略したりしてケース４内部の機構を視認できるようにする、いわゆるスケルトン仕様としてもよい。その場合、本実施形態では後述するように文字板３のすぐ背後に発電機構が配置されているため、電子時計１の使用者はかかる発電機構を視認することとなる。しかしながら、ケース４の内部に収容される各機構の配置も又任意である。

図２は、本実施形態に係る電子時計１の断面図である。ケース４内には、ムーブメント５が収容されており、ムーブメント５の上側に発電機構６、文字板３がこの順に配置されている。また、ムーブメント５の下側には、蓄電デバイス７が取り付けられている。これらの機構は、ケース４に下側から挿入され、裏蓋８によりケース４内に固定される。また、文字板３の中央からはムーブメント５から延びる指針軸２が発電機構６を貫通して突出しており、各指針が取り付けられる。ケース４の上側には、ガラス等の透明な風防９が取り付けられ、各指針や文字板を保護している。

本実施形態では、発電機構６の平面視における外径はほぼムーブメント５のものと等しく、発電機構６とムーブメント５とが電子時計１の高さ方向に積み重ねられる構造となっているが、この構造は必須のものではない。発電機構６とムーブメント５の上下の配置を逆転させてもよいし、発電機構６をムーブメント５の一部として組み込むようにしてもよい。

以降、各部材について簡単に説明すると、文字板３は、発電機構６の上面に設けられ、その表面に時字を始めとする各種の表示を設けることにより、電子時計１の使用者が指針が指す時刻を読み取ることができるようにするものである。文字板３の材質は特に限定されず、合成樹脂や貝殻や岩石等の天然材料、各種金属を用いてよい。

ムーブメント５は、指針を駆動するための輪列とモータ、時刻を計時する水晶振動子を含む時計回路、電子時計１全体を制御するコントローラ等を地板と呼ばれる枠に一体に組み付けたものである。ムーブメント５は、ムーブメント５に取り付けられた蓄電デバイス７から電力を得て動作する。蓄電デバイス７は、ムーブメント５に電力を供給すると同時に、発電機構６により発電された電力を蓄積するものであり、ここでは、ボタン型のリチウム二次電池である。しかしながら、蓄電デバイス７の形状や種類は特に限定されるものではなく、各種二次電池以外にも、リチウムイオンキャパシタ等の電気二重層コンデンサを使用してもよい。

発電機構６は、エレクトレットを用いた回転型の発電装置であり、電子時計１の姿勢の変化、すなわち、使用者の腕に着用された状態における、歩行時の腕の動きによる振動のエネルギーをエレクトレット電極１２の回転振動として取り出し、対向電極１３より電気的エネルギーとして回収するものである。そのため、エレクトレット電極１２の外周の一部には、錘１７が設けられ、エレクトレット電極１２の重心の位置はその回転中心から偏っている。

なお、本実施形態では、エレクトレット電極１２は発電機ケース１６に回転支持された中空軸１８に固定されることにより指針軸２と同軸に回転可能に支持されている。また、エレクトレット電極１２と発電機ケース１６との間には、軸周りの回転運動を弾性的に支持する弾性部材である渦巻きバネ１１が取り付けられている。渦巻きバネ１１の内周端はエレクトレット電極１２に、また外周端は発電機ケース１６に取り付けられたバネ持ち部１０に固定される。なお、この構成は一例であり、エレクトレット電極１２が自由回転可能に支持されていればその支持方法や回転軸の位置は限定されない。

図３は、発電機構６の作動原理を説明する概略回路図である。図示のように、エレクトレット電極１２と対向電極１３は、所定のわずかな間隔をあけて平行となるように対向して配置されており、両者は、その面内の方向に相対的にある程度の移動ができるように支持されている。本実施形態では、対向電極１３が固定され、エレクトレット電極１２がその面内で回転振動するように支持されている。

エレクトレット電極１２の対向電極１３側の面には、エレクトレット膜１４が所定の帯電状態となるように形成されている。図示の例では、エレクトレット膜１４の対向電極１３側が負電荷を持つように帯電している。そして、エレクトレット膜１４及び対向電極１３は平面形状が実質的に等しい縞形状であり、両者の相対移動により、エレクトレット膜１４と対向電極１３が正対する状態とそうでない状態が入れ替わる。

これにより、対向電極１３がエレクトレット膜１４に正対している状態では、エレクトレット膜１４の表面電荷に誘導されて対向電極１３に反対極性の電荷が蓄積される（図示の例では、正電荷が対向電極１３に蓄積される）。その後、エレクトレット電極１２が移動し、エレクトレット膜１４が対向電極１３に正対しない状態となると、対向電極１３に誘導され蓄積された電荷が掃き出され、整流回路１５により整流されて蓄電デバイス７に蓄積される。ムーブメント５等の負荷は、こうして蓄電デバイス７に蓄積された電力を使用して駆動される。

ここで、エレクトレット膜１４の材料には、帯電しやすい材料を用い、例えば負電荷に帯電する材料としては酸化珪素や、フッ素樹脂等がある。かかる材料の具体的な一例として、旭硝子株式会社製のフッ素樹脂であるＣＹＴＯＰ（登録商標）が挙げられる。さらに、その他にもエレクトレット膜１４の材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルクロライド、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルデンジフルオライド、ポリビニルフルオライド等の高分子材料や、前述の酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等の無機材料も使用することができる。

図４は、発電機構６の発電機ケース１６内に納められた主要な機構の斜視図である。図示のように、回転の中心となる中空軸１８に取り付けられたエレクトレット電極１２は、放射状に多数のスリットが設けられており、周方向に縞形状に形成されている。また、エレクトレット電極１２のすぐ下側には所定の間隙を開けて対向電極１３が配置され、エレクトレット電極１２の対向電極１３と対向する面（図中下面）にはエレクトレット膜１４が形成される。さらにエレクトレット電極１２の外周の一部分には錘１７が設けられ、エレクトレット電極１２の重心の位置がその回転中心から偏るようになされている。なお、この錘１７はエレクトレット電極１２に後から取り付けてもよいし、エレクトレット電極１２の形状の一部として設けてもよい。

なお、図示の構造においてエレクトレット電極１２と対向電極１３を入れ替えてもよいが、対向電極１３は図３に示した整流回路１５への配線が必要であることから、固定するようにした方が発電機構６の構造が簡素なものとなる。いずれにせよ、本実施形態では、エレクトレット電極１２は回転支持される電極である回転電極であり、対向電極１３は固定される電極である固定電極である。

そして、エレクトレット電極１２は、弾性部材である渦巻きバネ１１によりその回転に関して弾性的に支持されるが、渦巻きバネ１１の内周端は中空軸１８に固定され、外周端はバネ持ち部１０により図示しない発電機ケース１６に固定される。バネ持ち部１０の構造は特に限定するものではないが、例えば、渦巻きバネ１１の端部を挟み把持する柱状のピンである。

この構造により、エレクトレット電極１２は、その回転運動に関し単振動系を構成する。そして、姿勢の変化による重力加速度や外部から作用する加速度が錘１７に作用することにより、エレクトレット電極１２が回転すると、渦巻きバネ１１は巻き上げられ又は巻き出されることとなるから、渦巻きバネ１１とエレクトレット電極１２は対向電極１３に対し回転振動を始める。このエレクトレット電極１２の回転振動により対向電極１３に誘導される電荷を回収し整流することにより発電機構６は発電を行う。

ここで、エレクトレット電極１２に錘１７を設ける位置、すなわち、エレクトレット電極１２の回転中心に対する重心の向きは、渦巻きバネ１１が自由長にある場合において、電子時計１の１２時方向又は６時方向とする。図５は、渦巻きバネ１１が自由長にある場合のエレクトレット電極１２と電子時計１の向きの関係を示す図である。エレクトレット電極１２は、同図左側に示した向きで、同図右側に示した電子時計１に収容される。すなわち、この例では、錘１７は１２時方向となる位置に取り付けられ、エレクトレット電極１２の重心の向きは、１２時方向である。

この配置の意味について図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、電子時計１が使用者の右腕に装着された状態を示している。同図右側に示すように、右腕が自然に垂れ下っていると、電子時計１は、その９時の向きが概ね鉛直下方を向くことになる。このとき、同図左側に示すように、エレクトレット電極１２は錘１７が鉛直下方、すなわち９時の向きを向くように回転するから、矢印で示したように、概ね９０°反時計回りに回転することになる。従って、この状態で渦巻きバネ１１は概ね９０°だけ巻き上げられ又は巻き出される。

図６Ｂは、電子時計１が使用者の左腕に装着された状態を示している。同図右側に示すように、左腕が自然に垂れ下っていると、電子時計１は、その３時の向きが概ね鉛直下方を向くことになる。この場合では、同図左側に示すように、エレクトレット電極１２は錘１７が鉛直下方、すなわち３時の向きを向くように回転するから、矢印で示したように、概ね９０°時計回りに回転することになる。従って、この状態においても渦巻きバネ１１は概ね９０°だけ巻き出され又は巻き上げられる。

すなわち、錘１７が１２時の位置に取り付けられ、エレクトレット電極１２の重心の向きが１２時方向であると、電子時計１が右腕に装着された場合と左腕に装着された場合のいずれにおいても、渦巻きバネ１１は等しく概ね９０°だけ巻き上げられ又は巻き出されることになるから、使用者が腕を自然に垂らした状態で渦巻きバネ１１の反トルクの絶対値は概ね等しい。これにより、電子時計１を右腕に装着した場合と左腕に装着した場合のいずれにおいても、発電機構６の状態は同等となり、その発電能力に差異を生じることが無い。なお、ここで使用者が電子時計１を右腕に付けた場合と、左腕に付けた場合において、腕を自然に垂らした際の渦巻きバネ１１の反トルクの絶対値は厳密に一致している必要はなく、使用者の体型による個人差の影響も受けるため、その差異が５０％以内であればよく、この差異が小さいほど、例えば２０％以内であればより好ましい。

さらに、この配置にはさらなる効果が期待できる。ここで、発電機構６に外部からの振動が入力された時、渦巻きバネ１１が自由長、すなわち弛緩状態にあるときはその振動を拾って振動を開始しにくい傾向にあるのに対し、渦巻きバネ１１が緊張状態にある時は、振動に対し鋭敏に反応し速やかに振動を開始する傾向がある。そのため、上述したように、使用者が電子時計１を装着した腕を自然に垂らした状態で渦巻きバネ１１が巻き上げられ又は巻き出された状態となる本実施形態の配置は、外部からの振動に対する感受性が高まるのである。

なお、以上の効果は、錘１７を１２時の位置でなく６時の位置に設け、渦巻きバネ１１が自由長にある場合において、エレクトレット電極１２の重心の向きを６時方向とした場合にも同様に奏功する。また、エレクトレット電極１２の重心の向きは、厳密に１２時又は６時の向きでなくとも上述の効果を概ね得ることができる。したがって、エレクトレット電極１２の重心の向きが、１１時から１時の間にあるか、または、５時から７時の間にあればよい。

なお、エレクトレット電極１２に錘１７を設ける構造は、図４に示したものに限定されない。例えば、図７Ａに示すように、エレクトレット電極１２の外周部の上面に錘１７を貼付する等して固定してもよい。或いは、図７Ｂに示すように、エレクトレット電極１２が取り付けられる中空軸１８に別途錘１７を固定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、図４に示されるように、平面視におけるバネ持ち部１０の位置は、錘１７の位置、すなわち、エレクトレット電極１２の重心の方向に関して、その回転中心に対し反対側となる位置に設けられる。これは、一般に時計の調速機に用いられる渦巻きバネであるヒゲゼンマイは、その支持端がテンプとの接続端に対し、回転中心からみて反対側となる形状であるため、かかる設計のヒゲゼンマイを渦巻きバネ１１として使用しやすいためである。また、錘１７が図７Ａや図７Ｂに示した構造である場合、バネ持ち部１０を錘１７から離れた位置に配置することで、両者の干渉を避けることもできる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、この実施形態に示した具体的な構成は一例として示したものであり、本発明の技術的範囲をこれに限定することは意図されていない。当業者は、これら開示された実施形態を適宜変形してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

１ 電子時計、２ 指針軸、３ 文字板、４ ケース、５ ムーブメント、６ 発電機構、７ 蓄電デバイス、８ 裏蓋、９ 風防、１０ バネ持ち部、１１ 渦巻きバネ、１２ エレクトレット電極、１３ 対向電極、１４ エレクトレット膜、１５ 整流回路、１６ 発電機ケース、１７ 錘、１８ 中空軸。

Claims (3)

1. 回転可能に支持され、重心が回転中心から偏った回転電極と、
   前記回転電極と対向して設けられる固定電極と、
   前記回転電極をその回転運動に関し弾性的に支持する弾性部材と、
   を有し、
   前記回転電極と前記固定電極のいずれかの表面にエレクトレット膜が設けられ、
   前記回転電極の重心の回転中心に対する向きは、１１時から１時の間にあるか、又は、５時から７時の間にある電子時計。
2. 前記電子時計の３時方向が鉛直下向きである場合と、９時方向が鉛直下向きである場合における、前記弾性部材に作用する反トルクの絶対値が実質等しい請求項１に記載の電子時計。
3. 前記弾性部材を発電機ケースに固定する固定部の位置は、前記回転電極の重心の向きに関し、前記回転電極の回転中心に対し反対側となる位置である請求項１又は２に記載の電子時計。

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