JP3551027B2

JP3551027B2 - 発電装置、電子機器および電子時計

Info

Publication number: JP3551027B2
Application number: JP19621698A
Authority: JP
Inventors: 欣也松澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: JP2000032724A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転錘などによって得られる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置、および前記発電装置を有する電子機器および電子時計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
腕時計装置のような小型で携帯に適した電子機器において、発電装置を内蔵することによって電池の交換をなくし、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考案され実用化されている。図１に、その一例として発電装置１０を内蔵した腕時計装置１の概略構成を示してある。この携帯型電子機器（腕時計装置）１においては、腕時計装置のケース内で旋回運動を行う回転錘１１と、回転錘１１の回転運動を発電装置１０のロータ１３に伝達する伝達手段である輪列１２と、発電装置１０を備えている。発電装置１０は、２極の永久磁石を備えたディスク状のロータ１３と、このロータ１３を収納するステータ１４を備えており、ロータ１３が回転するとステータ１４のコイル１５に起電圧が発生し、交流出力が取り出せるようになっている。さらに、この携帯型電子機器は、発電装置１０から出力された交流を整流する整流回路２と、発電装置１０から得られた電力を蓄積するコンデンサ５などによって構成された供給部４と、この供給部４からの電力によって動作する計時装置７などの処理装置６を備えている。
【０００３】
上記の発電装置１０において多くの発電量を得るためには、コイル端により高い起電圧を発生させる必要がある。コイル端起電圧は、コイル巻数とコイル内磁束変化量と磁束変化速度に比例することが電磁誘導の法則として知られている。このため従来技術においては、コイル巻数を増やしたり、エネルギー密度の高い磁石をより多く使用したり、輪列の増速比を約１００倍という高い比率にして高い起電圧を得ていた。
【０００４】
しかしながら、従来技術の方法では、巻線体積や磁石体積、あるいは輪列体積が増大し、体積的に制約の大きい小型携帯機器などの発電装置としては限界に達しつつある。特に、増速比が高いことは、ロータ磁石とステータの間に働くコギングトルクやコイル電流が流れた時の電磁トルク、あるいはロータ回転軸の軸受けにかかる機械的な摩擦トルクを高い増速比で回転錘に伝えるため、大きなブレーキ力が発生し、結果的に発電機としての効率を下げることになる。しかしながら、増速比を下げるとコイル端起電圧が減少し、これもまた発電機の効率を下げることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明のうち請求項１ないし５記載の発明は、限られた小さい体積内で磁束変化速度を減少させることなく高い起電圧を確保して、発電量の大きい発電装置を提供することを目的としたものである。
【０００６】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５記載の発電量の大きい発電装置を有する電子機器を提供することを目的としたものである。
【０００７】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし５記載の発電量の大きい発電装置を有する電子時計を提供することを目的としたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、非磁性材料からなる回転軸と、該回転軸に固定され回転軸方向に着磁された永久磁石と、同数の極歯を有する歯車形状を成し、前記回転軸に対して極歯のピッチをずらして前記永久磁石を挟持して配置され、前記永久磁石の回転と同期して回転する一対のロータヨークと、を有するロータと、
前記ロータヨークの極歯に対向し、一対の前記ロータヨークの極歯の数より少ないステータ極を有するステータヨークと、このステータヨークの一部に捲回されるコイルと、を有するステータと、
を具備することを特徴とする発電装置。
【００１１】
上記構成によれば、簡単な方法で磁石を多極化でき輪列による増速比を下げることが可能となり、発電機の効率が高くなるという効果を有する。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項２記載の発電装置において、前記ロータヨークの極歯の先端が、前記永久磁石側に折曲されていることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、より確実に磁石の磁束をステータへ導くことが可能となり、発電機の効率が高くなるという効果を有する。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発電装置において、前記ステータ極の先端が、折曲されていることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、より確実に磁石の磁束をステータへ導くことが可能となり、発電機の効率が高くなるという効果を有する。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発電装置において、前記ロータヨークの極歯の先端が前記永久磁石側に折曲され、かつ、前記ステータ極の先端が折曲されていることを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、より確実に磁石の磁束をステータへ導くことが可能となり、発電機の効率が高くなるという効果を有する。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発電装置は、回転錘によって得られた動力を電気エネルギーに変換する発電装置であり、前記ロータは回転錘と同期して回転することを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、回転錘にかかるブレーキ力がちいさく、高効率な発電機を実現できるという効果を有する。
【００２０】
さらに、上記請求項６または請求項７の構成によれば、発電効率が高く、高出力が得られる発電装置と、この発電装置の電力によって動作可能な処理装置を搭載し、処理装置の機能を何処でも充分に発揮させることが可能な携帯に適した小型電子機器や電子時計を提供することが可能になるという効果を有する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発電装置の実施の形態を電子腕時計に応用した例を、図面に基づいて説明する。
【００２２】
〔実施例１〕
図２に、本発明の発電装置１０の平面図を示す。ロータ１３の永久磁石８は回転軸１７に対して径方向に６極に多極着磁されており、軟磁性材料からなる回転軸１７に固定されている。永久磁石８の磁極に対向するステータ極１８は２極であり、多極化された永久磁石８の極数の６より小さい値を取っている。したがって、６極すなわち３極対ある永久磁石８のうち１極対分の磁束がステータ１４を流れることになる。この場合、従来の発電装置の２極すなわち１極対に着磁された永久磁石８と同量の永久磁石８を用いたのではステータ１４を通る磁束量が減少してしまうため、永久磁石径を若干大きくし従来の２極ロータの磁束数と同等の磁束を確保した。輪列１２による回転錘１１に対するロータの増速比は２５倍とし、永久磁石８は３極対であるのでステータ１４内の交番磁束速度は２５倍と３極対の積で、回転錘１１の回転速度の７５倍となる。従来例では輪列１２による回転錘１１に対するロータ１３の増速比は９０倍で、永久磁石８は１極対なので、ステータ１４内の交番磁束速度は回転錘１１の回転速度の９０倍である。なお、コイル１５の巻数は従来例と同じ４２００ターンとした。以上のように、コイル１５の起電圧に影響する三つの要素であるコイル巻数、磁束数、交番磁束速度のうち、コイル巻数と磁束数を同等に設定し、回転錘速度に対するステータ内交番磁束速度を従来例の９０倍の８３％に相当する７５倍に設定したにも関わらず、発電機携帯時の単位時間当りの発電量は、従来例の０．８１６マイクロジュール（以下μＪ）に対して１．５５倍の１．２６７μＪを得た。これは、ロータ１３の永久磁石８とステータ１４の間に働くコギングトルクやコイル電流が流れた時の電磁トルク、あるいは回転軸１７の軸受けにかかる機械的な摩擦トルクが、輪列１２による増速比低減により従来例より小さい力として回転錘１１に作用しているためである。
【００２３】
また、電子時計などの様に体積的な制約が大きいシステムにとって、発電性能と並んで重要なことが構成の簡単さである。構成上重要なことは、本例のように、永久磁石８の磁極に対向するステータ極１８の数は、多極化された永久磁石８の極数より小さいことである。図３は６極磁石に４極のステータ極１８が対向しているケースを示している。このような構成も比較的容易であるが、ステータ極が６極となると構成が極めて困難であることがわかる。
【００２４】
〔実施例２〕
図４（ａ）および（ｂ）に、それぞれ本発明の発電装置１０の平面図およびＡＢ断面図を示す。この発電装置１０は、回転軸１７方向に２極着磁されたリング状または円筒状の永久磁石８と、軟磁性材料から成り、この永久磁石８と固着され、各々同数の極歯９を有する歯車形状を成し、回転軸１７に対して歯のピッチをずらして永久磁石８を挟むように配置されている一対のロータヨーク３と、磁路を構成するステータヨーク１６と、このステータヨーク１６の一部に捲回されたコイル１５から構成されている。永久磁石８とロータヨーク３からなるロータ１３は回転錘１１の動きに同期して回転する。
【００２５】
永久磁石８のＮ極から発生した磁束は、永久磁石８のＮ極側のロータヨーク３の歯車の極歯１８を通ってのステータ極９を介してステータヨーク１６を通り、さらに捲回されたコイル１５の内部を通り、ステータヨーク１６からステータ極１８を介して永久磁石８のＳ極側のロータヨーク３を通って永久磁石８のＳ極へ戻る。ロータ１３の回転が進み次のステップでは、前のステップでＮ極側のロータヨーク３に対向していたステータヨーク１６のステータ極１８がＳ極側のロータヨーク３と対向するため、コイル１５の内部の磁束の流れは前のステップとは逆方向になる。したがって、ロータ１３が一周するとロータヨーク３の極歯９の数と同数の周期の交番磁界がコイル１５内に生じてコイル１５端に起電圧が発生する。図４の例では、ロータヨーク３の極歯９の数は各々３個であるので、ロータ１３が一周する間に３周期の交流起電圧が発生する。本例では、ステータ１６の内部に流れる磁束数を従来例と同等となるように永久磁石量を設定した。輪列１２による回転錘１１に対するロータの増速比は２５倍とし、永久磁石８は３極対であるのでステータ１６内の交番磁束速度は２５倍と３極対の積で、回転錘速度の７５倍となる。従来例では輪列１２による回転錘１１に対するロータ１３の増速比は９０倍で、永久磁石８は１極対なのでステータ内の交番磁束速度は回転錘速度の９０倍である。なお、コイル巻数は従来例と同じ４２００ターンとした。以上のように、コイル起電圧に影響する三つの要素であるコイル巻数、磁束数、交番磁束速度のうち、コイル巻数と磁束数を同等に設定し、回転錘速度に対するステータ内交番磁束速度を従来例の９０倍の８３％に相当する７５倍に設定したにも関わらず、発電機携帯時の単位時間当りの発電量は、従来例の０．８１６μＪ（マイクロジュール）に対して１．５１倍の１．２３５μＪを得た。これは実施例１と同様に、ロータ１３の永久磁石８とステータ１４の間に働くコギングトルクやコイル電流が流れた時の電磁トルク、あるいはロータ１３の回転軸１７の軸受けにかかる機械的な摩擦トルクが、輪列１２による増速比低減により従来例より小さい力として回転錘１１に作用しているためである。
【００２６】
また、本実施例における構成の場合も、ロータヨーク３の磁極に対向するステータ極１８の数は、一対のロータヨーク３の極歯９の数より小さいことが、実施例１と同じ理由で重要である。
【００２７】
〔実施例３〕
図５（ａ）および（ｂ）に、それぞれ本発明の発電装置１０の平面図およびＡＢ断面図を示す。本例は、実施例２においてロータヨーク３の極歯９を永久磁石８側に折曲した構造を示すものである。このような構造にすることにより、ステータ極１８とロータヨーク３の極歯９の対向する面積が大きくなるため、永久磁石８の磁束を確実にステータ１４に通すことができる。また、３極対のうちステータ１４へ磁束を供給していない残りの２極対の磁束が、外部へ漏洩し難くなるという効果も有する。腕時計のように小さい体積内に様々な部品が収納されている装置においては磁気回路外部への漏洩磁束により時計が誤動作することがしばしばある。したがって、漏洩磁束が少ないことは極めて重要な効果である。
【００２８】
〔実施例４〕
図６（ａ）および（ｂ）に、それぞれ本発明の発電装置１０の平面図およびＡＢ断面図を示す。本例は、実施例２においてステータ極１８を折曲した構造を示すものである。体積的な制約などによりステータ１４の厚みが充分に取れない場合、このような構造にすることにより、永久磁石８の磁束を確実にステータ１４に通すことができる。
【００２９】
〔実施例５〕
図７（ａ）および（ｂ）に、それぞれ本発明の発電装置１０の平面図およびＡＢ断面図を示す。本例は、実施例２において、ロータヨーク３の極歯９の先端を永久磁石８側に折曲し、かつ、ステータ極１８の先端を折曲した構造を示すものである。このような構造にすることにより、ステータ極１８とロータヨーク３の極歯３の対向する面積が大きくなり、永久磁石８の磁束を確実にステータ１４に通すことができる。また、３極対のうちステータ１４へ磁束を供給していない残りの２極対の磁束が、外部へ漏洩し難くなるという効果も有する。さらに、体積的な制約などによりステータ１４の厚みが十分に取れない場合でも、永久磁石８の磁束を確実にステータ１４に通すことができる。
【００３０】
本例の発電装置は、図１に示した腕装着型の計時装置に限定されることはなく、ユーザーの脚部に装着されたり、さらに、車両に搭載され、その振動などによってロータを回転させて発電を行う機器などのように様々な機器に適応することができる。また、本発明の発電装置から電力を供給されて処理を行う処理装置として、上述した計時装置に限らず、例えばページャー、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳などの情報端末、ＩＣカード、ラジオ受信機などがあり、これらの携帯型機器に本発明の発電装置を適用することによって、これらの処理装置に対し十分な電力を供給することが可能である。そして、これらの携帯型の電子機器に本発明の発電装置を携帯することにより、人間の動きなどを捉えて効率よく発電を行い、電池の消耗を抑制したり、あるいは電池そのものを不要にすることも可能である。従って、ユーザーは電池切れを心配せずに、これらの携帯型機器を使用することができ、電池切れによってメモリーに記憶した内容が失われるなどのトラブルも未然に防止できる。さらに、電池や充電装置が容易に入手できない地域や場所、あるいは災害などによって電池の補充が困難な事態であっても電子機器の機能を発揮させることが可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の発電装置によれば、ロータの極数をステ−タの極数より多くなるよう多極化したので、輪列による機械的な増速比を小さくすることが可能となり、その結果、ロータ磁石とステータの間に働くコギングトルクやコイル電流が流れた時の電磁トルク、あるいはロータ回転軸の軸受けにかかる機械的な摩擦トルクが、比較的小さい力として回転錘に作用するためブレーキ力が小さくなり、効率の良い発電装置を提供することができる。
また、一極着磁のロータ磁石を簡便な方法で多極化した為、限られた小さい体積内で、磁束変化速度を減少させることなく高い起電力を確保して、発電量の大きい発電装置とすることができるので、携帯に適した小型電子機器や電子時計を提供することが可能になる。
【００３２】
さらに、本発明の高効率の発電装置を用いることにより、発電装置と共に収納された処理装置の機能をいつでもどこでも十分に発揮させることが可能な、電子腕時計に代表されるような携帯型電子機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の発電装置を示す図である。
【図２】本発明における発電装置を示す図である。
【図３】本発明におけるその他の発電装置を示す図である。
【図４】本発明におけるその他の発電装置を示す図で、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡＢ断面図である。
【図５】本発明におけるその他の発電装置を示す図で、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡＢ断面図である。
【図６】本発明におけるその他の発電装置を示す図で、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡＢ断面図である。
【図７】本発明におけるその他の発電装置を示す図で、（ａ）が平面図、（ｂ）がＡＢ断面図である。
【符号の説明】
１・・電子機器
２・・整流回路
３・・ロータヨーク
４・・供給部
５・・コンデンサ
６・・処理装置
７・・計時装置
８・・永久磁石
９・・極歯
１０・・発電装置
１１・・回転錘
１２・・輪列
１３・・ロータ
１４・・ステータ
１５・・コイル
１６・・ステータヨーク
１７・・回転軸
１８・・ステータ極

Claims

非磁性材料からなる回転軸と、該回転軸に固定され回転軸方向に着磁された永久磁石と、同数の極歯を有する歯車形状を成し、前記回転軸に対して極歯のピッチをずらして前記永久磁石を挟持して配置され、前記永久磁石の回転と同期して回転する一対のロータヨークと、を有するロータと、
前記ロータヨークの極歯に対向し、一対の前記ロータヨークの極歯の数より少ないステータ極を有するステータヨークと、このステータヨークの一部に捲回されるコイルと、を有するステータと、
を具備することを特徴とする発電装置。
請求項１記載の発電装置において、前記ロータヨークの極歯の先端が、前記永久磁石側に折曲されていることを特徴とする発電装置。
請求項１記載の発電装置において、前記ステータ極の先端が、折曲されていることを特徴とする発電装置。
請求項１記載の発電装置において、前記ロータヨークの極歯の先端が前記永久磁石側に折曲され、かつ、前記ステータ極の先端が折曲されていることを特徴とする発電装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発電装置は、回転錘によって得られた動力を電気エネルギーに変換する発電装置であり、前記ロータは前記回転錘と同期して回転することを特徴とする発電装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発電装置を有することを特徴とする電子機器。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発電装置を有することを特徴とする電子時計。