JP2910753B2 - 発電装置付電子時計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は発電装置を電源とし
て用いた発電装置付電子時計に関するものであ。 【０００２】 【従来の技術】従来電子時計等の携帯電子機器のエネル
ギー源は電池がほとんどすべてであった。この電池はそ
の持つ容量と時計体の消費電流とから決まる電池寿命が
あり電池交換のわずらわしさが常につきまとうものであ
った。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかし、この欠点を解
消する為に例えば時計内部に発電機構を設ける試みがな
されている。その試みは従来特開昭５０−１７８６６号
のごとくであり発電効率も悪く、サイズも大きくなり又
耐久性にも問題があり実用化にいたっていない。そこ
で、この様な欠点を解消し、きわめて発電効率の高い、
サイズ的にも自由度の高いしかも耐久性の優れた発電装
置を提供しようとするものである。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明の発電装置付電子
時計は、回転中心と重心が偏心したアンバランス車と、
コイル、該コイルが巻かれた磁心、前記磁心と固定され
前記磁心とは別体のステータ一、永久磁石を傭えたロー
ターを具備し、前記ロータ一の回転運動により発電する
機械―電気変換器と、前記アンバランス車の回転を増速
して前記ローターに伝達する増速輪列と、前記機械―電
気変換器により発生した交流電流を整流する整流手段
と、前記整流手段により整流された電流を蓄電する蓄電
手設とを有し、前記ステータは、一方の磁片部分と他方
の磁片部分とそれらの磁片部分をつなぐ細い部分でロー
タ磁石を平面的に囲むように形成されており、前記細い
部分は、前記ロータ磁石が前記一方の磁片部分から他方
の磁片部分に向かって回転する際、磁束が前記細い部分
を通る位置に配置されており、更に、前記磁心と固定さ
れる前記ステータの箇所は前記磁片部分の端部であるこ
とにより、前記磁石と前記コイルとは平面上分離して配
置されてなることを特徴とする。 【０００５】 【発明の実施の形態】本発明の実施例を図によって説明
する。尚小型発電装置が組み込まれる携帯機器の例とし
て腕時計を用いた。 【０００６】図１は本発明を有効に活用した水晶腕時計
のシステムの概念を示すブロック図である。１は回転ト
ルクを生じせしめる手段であり回転中心と重心とが偏心
したアンバランス車て構成される手段である。この回転
手段１の回転運動を増速輪列２により増速し発電機構と
しての変換器Ａ３のロータ一を回転させ交流電流を生じ
せしめる。この交流を整流回路４により整流し畜電手段
５に蓄電する。本実施例ではこの蓄電手段として大容量
コンデンサ一である電気二重層コンデンサーを用いてい
る。この大容量コンデンサーを電源として、時間標準で
ある水晶を含む制御回路６やこの制御回路６に制御され
た駆動回路７が作動する。駆動回路７によりエネルギー
を供給されて変換器Ｂ８が動作し、この変換器Ｂ８の動
きが減速輪列９により指針１０に伝えられ時が表示され
る。 【０００７】図２は発電機構としての変換器Ａ３の説明
図である。永久磁石２０ａを含むローター２０をかこむ
様にステーター２１が配置されている。コイル２２は磁
心２２ａに巻かれており磁心２２ａとステータ一２１と
はネジ２３により固着されている。このローター２０が
回転する事によりコイルには次式で表される起動力Ｅと
電流Ｉが生じる。 【０００８】 【発明の効果】以上のように本発明の構成によれば、回
転中心と重心が偏心したアンバランス車と、コイル、板
状のステータ一、永久磁石を傭えたローターより成り、
前記ロータ一の回転運動により発電する機械一電気変換
器と、前記アンバランス車の回転を増速して前記ロータ
ーに伝達する増速輪列と、前記機械一電気変換器により
発生した交流電流を整流する整流手段と、前記整流手段
により整流された電流を蓄電する蓄電手設とを有し、前
記アンバランス車は前記増速輪列を構成する１つの歯車
と同軸に配置されてなることにより、時計体の薄型化を
可能とした発電装置付電子時計を提供することができ
る。 【０００９】この起動力はほぼｓｉｎカーブを持つ交流
である。又ローター２０とそれをかこむステータ一２１
の穴とが同心円でありほぼ全周にわたりロータ磁石をか
こんでいる。これによりロータ一のある場所に止まって
いようとする力（引き卜ルク）を最小にする事ができ
る。このような形状のステータが引き卜ルクを下げるこ
との説明をもう少し詳しく説明する。ステーター２１は
２つの極片部分２１ａと２１ｂとそれぞれの極片部分を
つなぐ細い部分２１Ｃでローター磁石２０ａを平面的に
囲むように形成される。例えばロータ磁石２０ａのＮ磁
極が一方のステータ極片２１ａからの他方のステータ極
片２１ｂに向かって回転しステータ極片間をつなぐ細い
部分２１ｃの近傍に至ったとき、一部の磁束が細い部分
２１ｃを介して他方のステータ極片２１ｂの方に洩れ流
れることになる。これは言い換えるならば、最初の一方
の側のステータ極片２１ａに残る磁束が少なくなること
を意味し、結果的にロータを磁気的安定点に戻そうとす
る最大引きトルクがその分小さくなることになる。例え
ば細い部分２１ｃがなく空隙を構成するようなステータ
ー（例えば特開昭５２−８０８７１号公報の第１図に開
示されているステ−ター）の場合には空隙部の磁気抵抗
が著しく大きくなるためロータ一磁極がその空隙を超え
るまで磁束は最初の側のステーター極片に残ろうとする
ようになり、結果的に引きトルクが著しく大きくなって
しまうが、本発明の構成では細い部分２１ｃから他方の
ステータ極片に２１ｂに磁束が洩れているので引きトル
クが格段に下がることになる。その為、アンバランス車
が小さくても容易にローターが起動開始させられるよう
になる。 【００１０】また最初の最大引きトルクを越えてロータ
ーが回転を開始するとアンバランス車は慣性もあって回
転を継続するが、回転の後半になりエネルギーが少なく
なって引きトクルを越えられない地点でアンバランス車
は停止する。従って引き卜ルクが小さい方がローターの
回転角度を広げることができることになる。本発明の構
成では上述のごとく引き卜ルクが小さいので、その分ア
ンバランス車はより後の方まで回転することができ、回
転角度を広げて発電量を充分確保できるものである。特
にアンバランス車とロータとの間は増速輪列て接続され
るので、アンバランス車の回転角度の僅かな増加もロー
タ一では数回転にも相当することになり、小型発電装置
にとっての影響はかなり大きく、発電効率を高めるポイ
ントとなる。 尚、磁束の漏れが磁束の変化量ｄφを減
ずることになるので起動力Ｅも下がることが予想される
が、実際には引き卜ルクが小さくなるためロータの回転
速度が早くなり、磁束の変化速度１／ｄｔが大きくなる
ため起動力Ｅは実質的に下がることはない。又、ステー
タ２１は、磁心２２ａとは別体であり、ステータ２１の
各ステータ磁片２１ａ、２１ｂの外端部で磁心２２ａと
固定されている。従って、前記永久磁石２０ａと前記コ
イル２２とは平面上分離して配置することができる。 【００１１】図３は回転手段１から増速輪列２を介して
変換器Ａ３にいたるまでの機構の説明用の断面図であ
る。３１が回転中心と重心とを偏心させたアンバランス
車で、３２が地板、３３が受である。アンバランス車３
１のアンバランスにより生じる回転運動が増速輪列３１
ａ、３４、及びローターかな２０ｂによりロータ一磁石
２０ａの回転運動になる。２２ｂはコイルリード基板で
ありコイルの端未処理がなされ、このコイルリード基板
２２ｂと回路基板３５とが接触しコイルに誘起された電
力が回路に伝えられる。 【００１２】前記したごとくローターの引き卜ルクが小
さければアンバランス車３１のアンバランス量も小さく
てよい。起動の最低条件は （ロータ一引き卜ルク）＜（アンバランス車のアンバラ
ンス卜ルク） となる。 【００１３】次に本発明の目的である小型化と発電効率
を高めるための整流回路の構成について述べる。 【００１４】図４は全波整流回路４の説明図である。整
流回路は４１．４２．４３．４４の４つのダイオードで
構成されている。５は蓄電手段であり本実施例では大容
量コンデンサーである電気二重層コンデンサーを用いて
いる。コイル２２に細線４５で示す電力が誘起されると
電流は細線で示す様に流れコンデンサー５に畜電され
る。又破線４６で示す様に流れるとこれも４５の時と同
様の方向でコンデンサー５に蓄電される。 【００１５】一般に半波整流に対して全波整流は効率が
よいと考えられるが、これを本発明が対象とするような
アンバランス車でローター磁石を回転させる小型発電装
置に用いた場合状況はかなり異なる。即ち、ロータ磁石
が回転しているときは発電すると同時に、コイルに流れ
る発電電流（誘起電流）によりロータの回転を妨げよう
とする電磁ブレーキをも発生させることになる。当然こ
の電磁ブレーキはアンバランス車の駆動エネルギーを見
かけ上滅らすことになり、あたかも一回り小さなアンバ
ランス車を使っているのと同じ状態にしてしまう。全波
整流はロータ一の回転の全域においてこの電磁ブレーキ
が作用することになるので、アンバランス車が回転のよ
り早い時点で引きトルクを越えられなくなり停止してし
まう。この結果アンバランス車の回転角度が狭められ発
電効率を極端に劣化させてしまうという問題である。 【００１６】本発明の実施例では従来効率が悪いとされ
ていた半波整流を用いることによりこの問題を解決し
た。図５にその実施例を示す。図５はその実施例による
充電回路の説明図である。アンバランス車５１による回
転力を増速輪列５２でローター５３に伝える。ローター
５３の回転により生じた磁界の変化がステーター５４を
介してコイル５５に伝わりコイル両端に誘起電圧が発生
する。５７は蓄電手段であるコンデンサーであり、コイ
ル５５で生じた電力を０₁ 、０₂ を通じて蓄えて時計体
５６へその電力を供給する。このコンデンサー５７の耐
圧電圧以上の過充電防止回路がリミッタ一５８である。 【００１７】５９は半波整流の作用をするダイオードで
ある。また５９は、コイル５５に交流電力が発生してい
ない時にコンデンサー５７に蓄えられた電力がコイル５
５を通じて失われる事を防止する逆流防止用ダイオード
の役割も兼ねている。半波整流回路を用いた場合と全波
整流を用いた場合の発電の違いを図６により説明する。 【００１８】図６は蓄電手段５７に流れ込む電流波形を
示しており、図４に示した全波整流回路と図５に示した
本発明の実施例による１つのダイオート５９による半波
整流とを比較して示したものである。６０が基準録であ
る。６１が全波整流回路での発生電流、６２は本実施例
の半波整流回路での発生電流、６３は全波整流回路での
電圧ドロップによるロス分であり、６４は本実施例によ
る半波整流回路での電圧ドロップによるロス分である。
蓄電手般に蓄えられる電荷量は全波整流では６１と６３
とに包まれた面積分であり本実施例によるものは６２と
６４とに包まれた面積分である。この面積比較ではほと
んど差はなく蓄電性能は同等である。全波整流に比べ半
波整流を用いても蓄電性能に差のない理由を次に述べ
る。半波整流でカットされている期間（図６では６６に
示す）はコイル２２に電流が流れず、したがってロ一タ
一に加わる電磁ブレーキトルクが小さい為アンバラン車
の動きが速くなる。すなわち６６の期間のエネルギーは
アンバランス車の運動エネルギーとして蓄えられ発電時
に解放される。したがって６１に比べ６２のピーク値も
大になっているのである。又整流ロスもダイオード２個
が１個になり半分となる事も有利に働いている。この結
果半波整流にしたにもかかわらずその発電及び蓄電性能
は全波整流に比べ悪くならないのである。 【００１９】また半波整流を用いた場合前記のごとく磁
気ブレーキが少ない分アンバランス車の運動エネルギー
をより高い状態で回転させられるので、その分全波整流
の場合よりアンバランス車の回転角度を大きくとること
ができ、ロ一ターを余分に回して発電量を稼ぐものであ
る。このようにロータ一の回転速度が速くなることを回
転角度を広げられることにより半波整流にもかかわらず
全波整流したのと遜色電量が確保でき、アンバランス車
の駆動エネルギーを保持させることにより、ローターの
回転角度を確実に広げ発電効率を高めたものである。特
にアンバランス車とロータとの間の増速比率はきわめて
大きいのでアンバランス車の回転角度の僅かな増加もロ
ータ一の大きな回転につながり、小型発電装置にとって
発電効率への影響はかなり大きなものとなる。かかる本
発明の構成によれば、腕時計を携帯した者がデスクワー
ク等の僅かな動きをしてもアンバランス車が直ちに起動
しアンバランス車の傾きをローターの有効な回転につな
げるので、時計を動かすのに十分な電力が確実に蓄積さ
れる。 【００２０】またもちろん全波整流が４個のダイオード
を使用するのに対して半波整流は１個のダイオートで済
むので小型携帯機器に必要なスべース効率の点でも格段
に有利となることはいうまでもない。素子の少たい分信
頼性の管理も容易になる。 【００２１】図１における蓄電手段５から先の制御回路
６、駆動回路７、変換器Ｂ８、減速輪列９、指針１０は
従来と同じものでよく周知の機構が用いられている。 【００２２】本実施例の発電装置ではロータ一磁石は厚
肉円筒型であり加工はきわめて簡単であり、希土類磁石
等あらゆる磁石を使用することができる。又磁石の磁束
をステータ一、磁心という高透磁率材により磁気回路を
構成し取り出している為コイルを鎖交する磁束数φがき
わめて大きくなっている。従ってこの面からも発電効率
が大幅に高くなっている。また本実施例では磁石とコイ
ルをレイアウト上切りはなして配置し、磁石とコイルを
平板状ステーターで磁気的に結合するので組み込みが容
易であるとともに薄型の発電装置となる。また各要素を
分散配置できる事から時計全体のレイアウトを考えて他
の構成部品、例えば輪列や回路等のスキマへ自由に配置
できそのスぺース効率はきわめて良い。 【００２３】又本実施例では畜電手段として大容量コン
デンサーを用いている。コンデンサーは電池等の様な化
学反応でなく物理現象であり蓄電手段そのものの寿命が
きわめて長く、本実施例によるシステムによれば従来の
ゼンマイ式の時と同様な寿命が得られ、もちろん電池交
換のごとくわずらわしさもなく、しかも水晶時計等高い
精度の時計が実現できる。 【００２４】又ダイオードをリミッターより発電装置側
に配した事により半波整流の電流カット時の悪影響をも
吸収して充電効率を向上させている。 【００２５】回転手段としてのアンバランス車のアンバ
ランス部３１ｂは本構造のみでなく他ももちろん可能で
ある。例えば図３において受３３の上に配置をすればア
ンバランス量を大きくとる事がたやすく行える。 【００２６】蓄電手段５については本実施例では大容量
コンデンサを用いたが充電可能な電源であれば何でもか
まわない。例えば近年充電可能なリチウム電池や団体電
解質電池等も実用化されつつあり、これらも電池そのも
のの容量も大きく長期信頼性も高く本発明に適した電源
である。又銀電池はその長期信頼性に若干問題はあるが
蓄電手段として使用も可能である。 【００２７】 【００２８】 【発明の効果】以上のように本発明の構成によれば上述
の如くステータ一極片間を細い部分でつなげることによ
り生じる磁束の洩れを巧みに利用することにより、小型
のアンバランス車の使用を可能にして発電装置全体を腕
時計のような小型携帯機器に組み込める程度に小型化で
きたものである。また同時に、小型のアンバランス車を
用いているにもかかわらず小型携帯機器の僅かな動きで
も確実にアンバランス車ひいてはロータを起動させ、且
つアンバランス車の回転角度を確実に広げ発電効果を高
めたものであり、実用化可能な小型発電装置を堤供した
ものである。本発明の小型発電装置を腕時計に組み込ん
だ場合、デスクワーク等の僅かな動きであっても時計を
駆動するのに十分な発電・蓄電が可能となったものであ
り、日常生活で使用できる小型発電装置を堤供したもの
である。 【００２９】又、本発明の発電装置は、磁心とステータ
とを別体で構成されているものであり、その磁心と固定
されるステータの箇所は前記磁片部分の端部であること
により、磁石と磁心に巻かれたコイルをレイアウト上切
りはなして配置し、磁石とコイルとステータ一が別体で
あることと相まって、組み込みが容易であるとともに薄
型の発電装置となる。また各要素を分散配置できる事か
ら携帯機器のレイアウトを考えて他の構成部品、例えば
回路部品等のスキマへ自由に配置できそのスぺース効率
はきわて良い。加えて、ステータとは別体の磁心にコイ
ルを巻くので、ステータに妨げられずに容易に巻くこと
ができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明のシステムの概念を示すプロック図。 【図２】発電機構の説明図。 【図３】輪列部の断面図。 【図４】全波整流回路の説明図。 【図５】本発明の実施例による充電回路の説明図。 【図６】蓄電電流波形図。 【符号の説明】 １・・・・回転手段 ２・・・・増速手段 ３・・・・発電機構 ４・・・・整流回路 ５・・・・蓄電手段 ２０，５３・・ロータ一 ２１，５４・・ステーター ２２，５５・・コイル

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．回転中心と重心が偏心したアンバランス車と、 コイル、該コイルが巻かれた磁心、前記磁心と固定され
   前記磁心とは別体のステータ一、永久磁石を傭えたロー
   ターを具備し、前記ロータ一の回転運動により発電する
   機械―電気変換器と、 前記アンバランス車の回転を増速して前記ローターに伝
   達する増速輪列と、 前記機械―電気変換器により発生した交流電流を整流す
   る整流手段と、 前記整流手段により整流された電流を蓄電する蓄電手設
   とを有し、 前記ステータは、一方の磁片部分と他方の磁片部分とそ
   れらの磁片部分をつなぐ細い部分でロータ磁石を平面的
   に囲むように形成されており、前記細い部分は、前記ロ
   ータ磁石が前記一方の磁片部分から他方の磁片部分に向
   かって回転する際、磁束が前記細い部分を通る位置に配
   置されており、 更に、前記磁心と固定される前記ステータの箇所は前記
   磁片部分の端部であることにより、前記磁石と前記コイ
   ルとは平面上分離して配置されてなることを特徴とする
   発電装置付電子時計。