JP3582242B2 - 発電装置および電子機器 - Google Patents
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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によりローターを回転して発電を行う腕時計装置などの小型の電子機器の動力源として適した発電装置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のなくし、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１１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のローター１３に伝達する伝達手段である輪列機構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ー１３と、このローター１３を収納するステータ１４を備えており、ローター１３が回転するとステータ１４の出力用コイル１５に起電力が発生し、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】
図１２に発電装置１０の概略構成を示してある。この発電装置１０は、２極磁化された円盤状のローター１３と、このローター１３を回転可能に収納し、ローター１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出力するステーター１４を備えている。ステーター１４は、長い板状の磁性体からなるヨーク板２０と、このヨーク板２０と並列に配置され、ヨーク板２０の両端２１ａおよび２１ｂに接続された出力用コイル１５を備えている。ヨーク板２０のほぼ中央には、ローター１３を収納するための円形の開口２２が設けられており、ローター１３が所定のギャップ２３を保持しながら開口２２の内部で回転できるようになっている。ヨーク板２０の出力コイル１５の接続された端２１ａおよび２１ｂの方向を長手方向とすると、開口２２の周囲のヨーク板２０は、長手方向とほぼ直角な幅方向が狭くなっており、この狭くなった第１および第２のヨーク部２５および２６のそれぞれに外縁２７および２８から凹んだ外ノッチ３０および３１が形成されている。さらに、本例のヨーク板２０は、出力コイル１５に隣接する第２のヨーク部２６の側の外縁２８が直線的に構成されており、こちらの側を下側あるいは下ヨーク部と称することにする。また、下ヨーク部に対峙する第１のヨーク部（以降においては上ヨーク部）２５の側の外縁２８は、ヨーク板２０の中央部に開口２２が形成できる程度の幅を確保し、一方、周囲の長手方向の領域２４ａおよび２４ｂはヨーク板２０の幅を狭くしてスペースメリットがでるように開口２２の近傍が出力コイル１５を反対側に突出した湾曲に形成されている。
【０００４】
上下のヨーク部２５および２６は、磁性体部分の幅が狭くなっているために、磁路幅も狭くなっており、さらに、これらのヨーク部２５および２６に外ノッチ３０および３１が形成されているので、ヨーク部２５および２６は磁束密度が増加するとすぐに飽和する部分となっている。従って、上下のヨーク部２５および２６を設けることにより、ローター１３の回転によってヨーク板２０に励起される磁束を出力用コイル１５を横切る方向に広げることができ、ローター１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変えて出力できるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ローターを回転して発電を行う上記のような発電装置において発電効率を向上するためには、ローターの回転によって励起される出力コイルを横切る方向の磁束密度（鎖交磁束密度）を増やすことが望ましく、このためには、上下のヨーク部の磁路幅を狭くすることが考えられる。一方、上下のヨーク部の磁路幅を狭くするとすぐに磁束が飽和するので、コギング現象が強く現れ、ローターがスムーズに回転しなくなる。発電装置にトルクムラや回転ムラがあると、回転錘の運動エネルギーをローターに効率良く伝達することができず、また、機械的な損失が増加するのでローターの回転エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換できなくなる。従って、コギング現象の原因となるコギングトルク（無励磁保持トルク、ディテントトルク）はローターの回転角によって大きく変動せず、さらに、全体として小さいことが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明においては、外ノッチなどのヨーク部の形状による鎖交磁束密度およびコギングトルクの影響を把握し、鎖交磁束密度が大きく、一方、コギングトルクは小さな発電装置を提供することを目的としている。さらに、携帯型の装置などにコンパクトに収納可能な出力コイルと一体型の発電装置において、鎖交磁束密度を大きくでき、コギングトルクは小さくできる発電装置を提供することも目的としている。また、鎖交磁束密度が大きくコギングトルクを小さくすることによって発電効率の高い発電装置を実現し、発電装置と共に収納された処理装置の機能を何時でも何処でも充分に発揮させることが可能な携帯に適した電子機器を提供することも目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明において発明者らは外ノッチと上下ヨーク部の形状を幾つか変えながらコギングトルクと鎖交磁束密度の変化を測定することにより、外ノッチを一方のヨーク部にのみ設けることにより、コギングトルクを大幅に削減でき、鎖交磁束密度も高く保持できることを見いだした。すなわち、本発明の２極の永久磁石などを用いて構成された多極磁化された円盤状のローターと、円形の開口を有するヨーク板と、前記円形の開口を挟んで前記ヨーク板に接続された出力用コイルとを備え、前記ローターが前記円形の開口に回転可能に収納された発電装置であって、 前記ヨーク板の前記円形の開口の周辺部のうち、前記出力用コイルの接続された方向と異なる方向に対峙した部分が、幅の狭い第１および第２のヨーク部となっており、前記ヨーク板の前記第２のヨーク部の側の外縁は、前記出力コイルに対して直線的に構成されると共に、前記第２のヨーク部の側の外縁に沿って前記出力用コイルが配置され、前記ヨーク板の前記第１のヨーク部の側の外縁は前記ヨーク板の前記円形の開口の形成された領域が周囲の領域に対して広がるように湾曲しており、この第１のヨーク部の前記ヨーク部の外縁の側が凹んだ外ノッチが形成されていることを特徴とする。
この構成により、外ノッチの効果を有効に生かしながらコギングトルクを低減できることが判った。このため、コギングトルクがさらに小さく、鎖交磁束密度を高くできる発電装置を提供できる。このような発電装置は、第２のヨーク部の側の外縁に沿って出力用コイルを隣接して配置でき、さらに、第１のヨーク部の側の外縁が湾曲させることにより、コンパクトに発電装置を纏めることができるので携帯機器に適した発電装置に提供できるというメリットもある。
【０００９】
さらに、外ノッチの両側の第１のヨーク部の外縁を外側に突き出すことにより、コギングトルクは低減され、一方、鎖交磁束密度の低下はほとんど見られない。
【００１０】
従って、このようなローターおよびステータを備えた発電装置に対し、回転錘の回転運動を輪列などの伝達手段によって伝達することにより、効率良く回転エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。このため、腕時計装置などの携帯型の電子機器に収納できるコンパクトで発電能力の高い発電装置を提供できる。そして、このような発電装置と、この発電装置からの電力によって動作可能な処理装置と備えた電子機器においては、ユーザーの動きなどによって何時でも何処でも充分な電力が得られるので、電池交換などの心配なく処理装置の機能を充分に発揮させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。発明者らは図１２に基づき説明した発電装置１０において、ヨーク板２０に設けられた外ノッチ３０および３１と上下ヨーク部２５および２６の形状がコギングトルクと鎖交磁束密度に与える影響を調査するために、幾つかの形状のヨーク板２０を用いて発電装置１０を構成し、その動作をシミュレーションすることによりコギングトルクおよび鎖交磁束密度の変化を測定した。図１に、発明者らが構成した幾つかの代表的な発電装置１０の構成を示してある。なお、それぞれの発電装置１０の主要な構成は図１２に基づき説明した発電装置と同一であるので省略し、図１にはローター１３回りのヨーク板２０の構成を主に示してある。
【００１２】
上下ヨーク部の外ヨークの影響
（比較例１）
図１（ａ）に示した発電装置１０は、図１２に基づき説明した従来の発電装置であり、以降において基準となるモデルである。本例の発電装置１０をモデル１とする。本例の発電装置１０は、直径が約２ｍｍのローター１３を備えており、このローター１３が、約０．２ｍｍのギャップ２３が確保できるヨーク板２０の開口２２の内部で回転できるようになっている。このヨーク板２０の幅方向に図１２に基づき説明したような幅の狭い上下のヨーク部２５および２６が設けられており、ローター１３を中心としたほぼ対称な位置に外ノッチ３０および３１が形成されている。本例の上下のヨーク部２５および２６に形成された外ノッチ３０および３１は、半径Ｒが０．４ｍｍに設定されている。
【００１３】
図２に、このモデル１で得られたコギングトルクカーブを黒丸の破線５１で示してある。得られたコギングトルクカーブ５１は、ローターの回転角５０〜１５０度付近の１組の第１のピークと、０〜５０度および１３０〜１８０度付近にある１組の第２のピークによって主に構成されている。このコギングトルクカーブの傾向は、以降のモデルにおいても共通するので第１のピークを主ピークと呼び、第２のピークをサブピークと呼ぶことにする。モデル１で得れたコギングトルクカーブ５１は、主ピークが＋／−０．０１５ｇｆｃｍと大きく、回転角５０〜１５０度の付近で大きな回転ムラが発生することが判る。
【００１４】
図３に、このモデル１で得られた鎖交磁束密度を黒丸の破線６１で示してある。鎖交磁束密度はローターの回転角が８０〜１００度付近で最大値となり、モデル１では１５０００Ｇを越える非常に大きな鎖交磁束密度が得れること判る。
【００１５】
（実施例１）
図１（ｃ）に示した発電装置１０は、図１（ａ）のモデル１とほぼ同じであるが、上下のヨーク部２５および２６に形成された外ノッチ３０および３１は、半径Ｒが０．３ｍｍに設定されている。以降において、本例の発電装置１０をモデル２と呼ぶことにする。
【００１６】
図２に、このモデル２で得られたコギングトルクカーブを黒四角の実線５２で示してある。モデル２のコギングトルクカーブ５２は、モデル１と比較して主ピークの大きさが１／３程度に低下し、曲率も滑らかになっている。一方、サブピークの大きさはモデル１の２倍程度に増加している。このように、モデル２のコギングトルクカーブは全体として平均化され、主ピークの値は小さくなっている。従って、ローターの回転ムラはモデル１よりも小さくスムーズに回転することが判る。
【００１７】
図３に、このモデル２で得られた鎖交磁束密度を黒四角の実線６２で示してある。モデル２の鎖交磁束密度の最大値は１３０００Ｇ程度であり、モデル１よりも低下していることが判る。これは、外ノッチ３０および３１を小さくすることにより、磁路幅が大きくなるためであると考えられる。
【００１８】
（実施例２）
図１（ｅ）に示した発電装置１０は、図１（ａ）のモデル１と異なり、上下のヨーク部２５および２６に外ノッチを形成してないモデルである。以降において、本例の発電装置１０をモデル３と呼ぶことにする。
【００１９】
図２に、このモデル３で得られたコギングトルクカーブを黒三角の一点鎖線５３で示してある。モデル３のコギングトルクカーブ５３は、モデル２と比較して主ピークの大きさは低くなり曲率も滑らかになっているが、サブピークの大きさはモデル２よりも大きくなっている。従って、モデル２と同様にローターの回転ムラはモデル１よりも小さくスムーズに回転するが、モデル３とモデル２との差は大きくは現れないことが判る。
【００２０】
図３に、このモデル３で得られた鎖交磁束密度を黒三角の一点鎖線６３で示してある。モデル２の鎖交磁束密度の最大値は１１０００Ｇ程度であり、モデル２よりもさらに低下していることが判る。これは、外ノッチを設けていないため、上下のヨーク部２５および２６における磁束の絞り込みが小さく、ローターの回転により発生した磁束がローターと共に回転し、出力用コイル１５に作用していないためと考えられる。
【００２１】
（実施例３）
図１（ｂ）に示した発電装置１０は、図１（ａ）のモデル１とほぼ同様であるが、上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を形成し、下ヨーク部２６には外ノッチを形成してないモデルである。また、本例の発電装置においては、半径Ｒが０．４ｍｍの外ノッチ３０を形成してある。以降において、本例の発電装置１０をモデル１Ａと呼ぶことにする。
【００２２】
図２に、このモデル１Ａで得られたコギングトルクカーブを白丸の破線５４で示してある。モデル１Ａのコギングトルクカーブ５４は、モデル１と比較して主ピークの大きさは１／４以下と大幅に減少し曲率も滑らかになっている。これと共に、サブピークの大きさもモデル１とほぼ同様に小さな値を示す。従って、モデル１Ａのコギングトルクカーブ５４は上下の変動が小さく平均化されており、全体として非常に小さな値となっている。
【００２３】
図３に、このモデル１Ａで得られた鎖交磁束密度を白丸の破線６４で示してある。モデル１Ａの鎖交磁束密度の最大値は１３０００Ｇ程度であり、モデル１に続いて大きな値を示し、モデル２とほぼ同じ程度である。
【００２４】
（実施例４）
図１（ｄ）に示した発電装置１０は、図１（ｂ）のモデル２とほぼ同様であるが、上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を形成し、下ヨーク部２６には外ノッチを形成してないモデルである。また、本例の発電装置においては、半径Ｒが０．３ｍｍの外ノッチ３０を形成してある。以降において、本例の発電装置１０をモデル２Ａと呼ぶことにする。
【００２５】
図２に、このモデル２Ａで得られたコギングトルクカーブを白四角の実線５５で示してある。モデル２Ａのコギングトルクカーブ５４は、モデル２と比較しモデル１Ａと同程度まで主ピークの大きさが減少し曲率も滑らかになるが、サブピークの大きさはモデル２と同程度であり、モデル１Ａよりも大きな値を示す。従って、コギング現象はモデル２と比較すれば小さいが、モデル１Ａよりも大きく現れ、回転ムラもモデル２よりも小さくなるがモデル１Ａよりは大きくなることが判る。
【００２６】
図３に、このモデル２Ａで得られた鎖交磁束密度を白四角の実線６５で示してある。モデル２Ａの鎖交磁束密度の最大値は１２５００Ｇ程度であり、磁路幅が広い分、モデル１Ａおよびモデル２よりも小さな値を示す。
【００２７】
（実施例５）
図１（ｆ）に示した発電装置１０は、図１（ｅ）のモデル２とほぼ同様であるが、下ヨーク部２６にのみ外ノッチ３０を形成し、上ヨーク部２５には外ノッチを形成してないモデルである。また、本例の発電装置においては、半径Ｒが０．３ｍｍの外ノッチ３０を形成してある。以降において、本例の発電装置１０をモデル３Ａと呼ぶことにする。
【００２８】
図２に、このモデル３Ａで得られたコギングトルクカーブを白三角の一点鎖線５６で示してある。モデル３Ａのコギングトルクカーブ５５は、モデル３とほぼ同じ値を示し、主ピークの大きさがモデル３よりも若干大きくなる程度である。従って、サブピークの大きさはモデル３と同様に大きくなる。モデル１Ａと比較すると、主ピークの大きさではモデル３Ａの方が若干小さいが、サブピークの大きさはモデル１Ａがモデル３Ａの半分以下の値になる。従って、モデル１Ａの方がモデル３Ａに比較し、回転ムラが少なくスムーズに回転すると考えられる。
【００２９】
図３に、このモデル３Ａで得られた鎖交磁束密度を白三角の一点鎖線６６で示してある。下ヨーク部２６に外ノッチ３１を形成してある分、磁路幅が狭くなるので鎖交磁束密度は上昇するが、その最大値は１２０００Ｇ程度であり、モデル２Ａよりさらに小さな値となる。
【００３０】
以上のような結果より、上下ヨーク部２５および２６に設けられた外ノッチ３０および３１をモデル２のように小さくし、あるいは、モデル３のように外ノッチ３０および３１をなくすことにより、コギングトルクの主ピークは非常に小さくでき、コギングトルクを平均化できることが判る。しかしながら、両方の外ノッチを小さくすると、コギングトルクのサブピークは大きくなり、さらに、鎖交磁束密度は低下してしまう。特に、モデル３のように外ノッチを削除した場合は鎖交磁束密度は大きく低下してしまう。
【００３１】
これに対し、外ノッチ３０あるいは３１のいずれか一方を削除した場合は、モデル１Ａのようにコギングトルクの主ピークは大幅に低減され、サブピークの大きさも殆ど増加しない。従って、両方の外ノッチを削除したモデル３よりも全体としてコギングトルクは平均化され小さくなる。その一方、鎖交磁束密度はモデル１に比較すれば若干の低下は見られるものの、外ノッチ３０および３１を若干小さくして残したモデル２と同程度の鎖交磁束密度を得ることができる。
【００３２】
従って、コギングトルクを低減し、鎖交磁束密度をできるかぎり保持するには、上下のヨーク部２５および２６に設けられた外ノッチを小さくしたり、あるいは、上下のヨーク部２５および２６から外ノッチを無くすのではなく、モデル１Ａのように上下ヨーク部２５および２６のいずれか一方に外ノッチを通常の大きさで設けておくことが望ましいことが判る。
【００３３】
さらに、上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を設けたモデル２Ａと、下ヨーク部２６にのみの外ノッチ３１を設けたモデル３Ａを比較すると、コギングトルクの大きさはそれほど差はないと判断されるが、鎖交磁束密度を比較するとモデル２Ａの方が大きいことが判る。従って、ヨーク板２０の外側に膨らんだ上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を設けることにより、コギングトルクが小さく、トルクムラがなくローター１３の回転がスムーズであり、さらに、鎖交磁束密度の高い発電装置１０を実現できることが判る。このような発電装置１０は、ローター１３に回転錘などからの運動エネルギーを伝達し易く、さらに、ローター１３の回転エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができる。従って、非常に発電効率が高い発電装置１０を提供することができる。
【００３４】
外ノッチ周辺のヨーク形状の影響
（実施例６）
図４（ａ）に、上記の上ヨーク部に半径Ｒが０．３ｍｍの外ノッチ３０が形成されたモデル２Ａの発電装置において、上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の外縁２７を下ヨーク部２６の外縁２８と平行に、外ノッチ３０の部分の磁路幅が確保できるようにカットした発電装置１０を示してある。この発電装置をモデル２Ｂとする。
【００３５】
図５に、モデル２Ｂのコギングトルクカーブを黒四角の実線７２で示してある。また、図６に、モデル２Ｂの鎖交磁束密度を黒四角の実線７６で示してある。図５および図６には、モデル２Ａのコギングトルクカーブを黒三角の実線７１および７５で示してある。モデル２Ａとモデル２Ｂのコギングトルクカーブを比較すると、主ピークは両者とも殆ど変化がなく、サブピークにおいては、モデル２Ｂの方が値が若干大きく、また、急激に変化していることが判る。一方、図６に示した鎖交磁束密度については、モデル２Ａとモデル２Ｂで殆ど変化は見られない。
【００３６】
（実施例７）
図４（ｂ）に、上記のモデル２Ａの発電装置の上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の外縁２７をローター１３の中心を中心点とした円で、外ノッチ３０の磁路幅が確保できるようにカットした発電装置１０を示してあり、この発電装置をモデル２Ｃとする。
【００３７】
図５に、モデル２Ｃのコギングトルクカーブを黒丸の実線７３で示してある。また、図６に、モデル２Ｃの鎖交磁束密度を黒丸の実線７７で示してある。図５に同時に示したモデル２Ａおよびモデル２Ｂのコギングトルクカーブと比較すると、主ピークについては大きな差はないが、サブピークの差は明らかであり、サブピークの大きさがモデル２Ａの３倍程度に増加していることが判る。一方、図６に示した鎖交磁束密度については、モデル２Ａとモデル２Ｂと比較し、モデル２Ｃの値も殆ど変化は見られない。
【００３８】
（実施例８）
図４（ｃ）に、上記の上ヨーク部に半径Ｒが０．４ｍｍの外ノッチ３０が形成されたモデル１Ａの発電装置において、上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の外縁２７を下ヨーク部２６の外縁２８と平行に、外ノッチ３０の部分の磁路幅が確保できるようにカットした発電装置１０を示してあり、この発電装置をモデル１Ｂとする。
【００３９】
図５に、モデル１Ｂのコギングトルクカーブを白丸の実線７４で示してある。また、図６に、モデル２Ｃの鎖交磁束密度を白丸の実線７８で示してある。図５に同時に示したモデル２Ａ、モデル２Ｂおよびモデル２Ｃのコギングトルクカーブと比較すると、主ピークについては若干大きくなっているがそれほど大きな差はなく、これに対し、サブピークはモデル２Ｃよりさらに大きくなっていることが判る。一方、図６に示した鎖交磁束密度については、モデル２Ａ、モデル２Ｂおよびモデル２Ｃと比較し、若干大きくなっているもののそれほどの差は見られない。
【００４０】
以上の結果より、上記のモデル２Ａ、２Ｂおよび２Ｃでは、上ヨーク部２５の磁路幅は同じにして上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の面積を変化させることにより、コギングトルクの主ピークには大きな影響は現れないが、副ピークについては外ノッチ３０の周囲の上ヨーク部２５の面積が小さくなると共に非常に大きくなることが判る。副ピークに対する外ノッチの周辺の形状の影響は、モデル１Ｂの結果から判るように、外ノッチ３０の半径Ｒが大きい程、すなわち、磁路幅が狭いほど大きい。従って、コギングトルクを平均的に小さくするには、外ノッチの周辺のヨーク部の面積を十分に確保することが望ましいことが判る。また、外ノッチの周辺のヨーク部の面積を大きくしても、外ノッチ３０の部分の磁路幅は変わらないので鎖交磁束密度は確保できることが判る。
【００４１】
上記の実施例により、次のことが言える。コイルヨーク２０の鎖交磁束密度を確保するためには、ローター１３の上下に位置する上下ヨーク部２５および２６の磁路幅をできるだけ小さくすることが望ましい。しかしながら、これによりコギングトルクが増加するので、鎖交磁束密度の若干の低下は見られるが出力用コイル１５の側の下ヨーク部２６は無くすことが望ましい。これにより、ローター１３の全角度領域でコギングトルクが小さくでき、さらに、コイル鎖交磁束密度を高くすることができる。さらに、コギングトルクの副ピークを小さくしてコギングトルクを全体的にさらに小さくするには、外ノッチ３０の形成された上ヨーク部２５の外縁２７を外側に突き出して上ヨーク部２５の上部の面積を広く確保することが望ましい。
【００４２】
図７に、このような方針に基づいて設計された発電装置１０のローター回りを示してある。本例の発電装置１０においては、図９に実線で示すような主ピークが低く、サブピークもゆるやかなコギングトルクカーブを得ることができる。同時に破線で示した上下のヨーク部２５および２６に外ノッチが形成された従来の発電装置（モデル１）のコギングトルクカーブと比較すると、主ピークの大きさはほぼ１／４程度に削減されており、また、サブピークもほぼ半分程度の大きさになっている。一方、図１０に実線で示したように、鎖交磁束密度は１３０００Ｇ程度を確保することができ、同図に破線で示したモデル１よりも若干低下するとはいうものの十分に高い鎖交磁束密度を得ることができる。
【００４３】
これらの結果は、図８に示したようなローター１３によってヨーク２０に発生する２つの種類の磁束を考えることによって定性的に説明することができる。図８に示したタイプ１の磁束は、ローターに巻きついた状態の磁束であり、ローターが回転して上ヨーク部２５あるいは下ヨーク部２６の磁路幅の狭くなったところに入り込んでいくときにローター１３の運動を妨げる方向に作用し、逆に広い部分に出ていくときはその運動を促進する方向に力が働く。一方、タイプ２の磁束は、ヨーク２０に沿って延びた磁束であり、できるかぎり短くなろうとするのでローター１３が９０度方向、すなわち、ヨーク板２０の長手方向を向いたときが最も安定する。従って、ローター１３が９０度方向から離れる向きに回転するとそれを妨げる方向に作用し、一方、９０度方向に近づく向きに回転するとそれを促進する方向に作用する。
【００４４】
上下のヨーク部２５および２６にそれぞれ外ノッチ３０および３１が形成された従来のモデルであるモデル１について考えると、ローター１３の回転角が０度のとき、すなわち、ローター１３の極が幅方向を向いているときは、ローター１３によって形成された磁力線はコイルヨークにほとんど流れ込まず、タイプ１の磁束としてローター１３の周辺に巻きついている。ローター１３が回転すると、タイプ１の磁束が上下のヨーク部２５および２６の磁路幅の狭い部分に流入していくので、回転方向に対し反対側の力が発生する。一方、ローター１３が回転するにつれて、タイプ１の磁束の一部がタイプ２に遷移し、タイプ２の磁束による９０度方向に引っ張る力が働く。これらにより、回転角が０〜５０度程度の範囲では、若干マイナス側（引っ張る側）のコギングトルクが発生し、副ピークを形成する。
【００４５】
回転角が５０度を越えると、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移は減少し、その傾向は鎖交磁束密度の増加率が低下することから推測できる。回転角が５０度を越えるとタイプ２による９０度方向に引っ張る力が主体となる正のコギングトルクが増大し、回転角が７０度付近で主ピークを形成する。
【００４６】
さらに回転角が大きくなり７０度を越えると、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移は無くなり、タイプ２の磁束が回転角が９０度になるように縮むだけになるのでコギングトルクも減少する。そして、回転角が９０度において安定する。また、タイプ１の磁束は外ノッチ３０および３１の形成された磁路幅の狭いところに位置することになるが、エネルギー的な変化が殆ど起きないためにコギングトルクへの寄与は見られない。これらの考え方は回転角が９０度を越えた領域でも適用でき、コギングトルクの現れ方は反転するがほとんど同じ傾向を示す。
【００４７】
これに対し、両方の外ノッチを省いたモデル３においては、回転角が０〜５０度付近で上下の外ノッチがないためにタイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移量が少なく、タイプ２の磁束による９０度方向に引っ張る力が小さい。このため、タイプ１の磁束が狭い磁路に引き込まれることに対する反発する方向の力が主体となり、この結果、大きなサブピークが現れると考えられる。また、回転角が６０度付近でタイプ１からタイプ２の磁束への遷移が殆ど終わるが、タイプ２の磁束へのトータルの遷移量も少ないので、タイプ２の磁束による９０度方向に引っ張る力が小さい。このため、回転角７０度付近においても、タイプ１の回転方向に反発する力とタイプ２の９０度方向に引っ張る力が拮抗し、この結果、コギングトルクの主ピークの大きさも小さくなる。タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移量が小さくなることは、モデル１に比べて鎖交磁束密度が小さいことからも推測できる。
【００４８】
これらに対し、上下ヨーク部２５および２６の一方にのみ外ノッチを設けたモデル１Ａにおいては、コギングトルクのサブピークがモデル１と同程度になっている。このため、一方に外ノッチを設けることにより、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移が比較的早い段階から順調に起きていることが判る。従って、タイプ１の磁束による回転方向に反発する力と、遷移したタイプ２の磁束による９０度方向の力が拮抗し、サブピークの小さなコギングトルクカーブが得られる。一方、回転角が４０から９０度の範囲では、外ノッチの形成されていない方のヨーク部の磁路に引き込まれるタイプ１の磁束密度がモデル１と比較し、かなり大きい。このため、タイプ１の反発力によりタイプ２の９０度方向に引っ張る力を殆どキャンセルすることができるため、主ピークの小さなコギングトルクカーブを得ることができる。従って、トータルのコギングトルクカーブは滑らかであり、全体としてコギングトルクの小さな発電装置を得ることができる。また、鎖交磁束密度は、一方のヨーク部に外ノッチが設けられていることにより、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移は効率良く行われ、その結果、十分に大きな鎖交磁束密度を得ることができる。
【００４９】
上ヨーク部２５に外ノッチ３０が設けられたモデル２Ａと、下ヨーク部２６に外ノッチ３１が設けられたモデル３Ａを比較すると、モデル２Ａの方がサブピークが小さく、鎖交磁束密度も大きい。従って、上ヨーク部２５に設けられた外ノッチ３０の方がタイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移を促進する効果を備えているものと考えられる。これは、上ヨーク部２５と下ヨーク部２６の形状に起因するものと考えられ、上ヨーク部２５は面積が広くなるように盛り上げられているのに対し、下ヨーク部２６は直線的な磁路を形成してある。この傾向は、実施例７〜９にも現れており、外ノッチの周辺の面積を広くとることによりサブピークを小さくできている。従って、外ノッチの周辺の面積を広くとることにより、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移効率を高くでき、コギングトルクカーブのサブピークの値を小さくできることが判る。これは、外ノッチ周囲の面積変化率が大きくすることにより、外ノッチにおいて磁束が絞られやすくなり、磁気的なエネルギーが高まり易く、磁力線が切れやすくなるためと考えられる。
【００５０】
このように、本例においては、一方のヨーク部にのみ外ノッチを形成することにより、コギングトルクが平均的に小さく、鎖交磁束密度は高い発電装置を提供することができる。コギングトルクを平均化することにより、ローターのトルクムラがなくなるので、回転はスムーズとなり、また、トルク全体の値を小さくできるので、回転錘などの運動エネルギーの伝達効率を向上することができる。さらに、熱などに変換されて放失されるローターの機械的なエネルギー損失を低減することもできる。一方、鎖交磁束密度を高く保つことにより、出力用コイルを横切る磁束密度を大きくできるので、出力電力を大きくとることができる。従って、本例の発電装置により、発電効率が高く、さらに発電能力の十分な発電装置を提供することができる。また、ヨーク板２０に設ける外ノッチが一方だけで良くなるので、外ノッチを形成するヨーク板２０の加工上の手間や、外ノッチ同士の位置合わせ、面積の調整などの手間を省くこともできる。このため、発電装置を安価に提供することができるというメリットもある。もちろん、上記のモデルでは、半円形の外ノッチを例に説明しているが、外ノッチの形状は三角形や四角形あるいは楕円などであっても良く、上記と同様の結果が得られる。
【００５１】
出力電力をさらに増加するには、出力用コイル１５の周囲にスペースを確保し、コイルの巻数を増加することも可能である。例えば、下ヨーク部２６の幅をさらに削減して、隣接した出力用コイルの巻線の数を増やすスペースを確保することも有効であると考えられる。
【００５２】
本例の発電装置は、図１１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ー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採用することにより、人間の動きなどを捉えて効率良く発電を行い、電池の消費を抑制したり、あるいは電池その物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。
【００５３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、従来、ローターの両側のヨーク部に設けられていた外ノッチを片側にのみ設けることにより、コギングトルクを大幅に低減でき、それと共に十分な磁束密度が得られることを見いだした。従って、本発明の発電装置においては、一方の側に外ノッチを設けるといった非常に簡易な方法によりトルクムラなどによる機械的なロスを低減することができ、発電効率の高い発電装置を提供することができる。そして、こ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何時でも何処でも充分に発揮させることが可能な携帯型に適した電子機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において特性を調査した発電装置のモデルのローター回りを示す図である。
【図２】図１に示した各モデルで得られたコギングトルクカーブを示す図である。
【図３】図１に示した各モデルで得られた鎖交磁束密度を示す図である。
【図４】実施例において、さらに特性を調査した発電装置のモデルのローター回りを示す図である。
【図５】図４に示した各モデルで得られたコギングトルクカーブを示す図である。
【図６】図４に示した各モデルで得られた鎖交磁束密度を示す図である。
【図７】上記の実施例により設定された本発明に係る発電装置のローター回りの概要を示す図である。
【図８】図７に示す発電装置における磁束の分布状態を模式的に示す図である。
【図９】図７に示したモデルで得られたコギングトルクカーブを示す図である。
【図１０】図７に示したモデルで得られた鎖交磁束密度を示す図である。
【図１１】発電装置および発電装置を用いた電子機器の概要を示す図である。
【図１２】ローターおよびステーターを備えた発電装置の概要を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１・・電子機器
２・・整流回路
４・・供給部
５・・大容量キャパシタ
６・・処理装置
７・・計時装置
１０・・発電装置
１１・・回転錘
１２・・輪列
１３・・ローター
１４・・ステーター
１５・・出力用コイル
２０・・ヨーク板
２１・・コイルとの接続部
２２・・円形の開口
２３・・ギャップ
２４・・開口領域の両側（長手方向の領域）
２５・・上のヨーク部
２６・・下のヨーク部
２７・・上のヨーク部側のヨーク板の外縁
２８・・下のヨーク部側のヨーク板の外縁
３０・・上のヨーク部の外ノッチ
３１・・下のヨーク部の外ノッチ
【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によりローターを回転して発電を行う腕時計装置などの小型の電子機器の動力源として適した発電装置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のなくし、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１１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のローター１３に伝達する伝達手段である輪列機構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ー１３と、このローター１３を収納するステータ１４を備えており、ローター１３が回転するとステータ１４の出力用コイル１５に起電力が発生し、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】
図１２に発電装置１０の概略構成を示してある。この発電装置１０は、２極磁化された円盤状のローター１３と、このローター１３を回転可能に収納し、ローター１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出力するステーター１４を備えている。ステーター１４は、長い板状の磁性体からなるヨーク板２０と、このヨーク板２０と並列に配置され、ヨーク板２０の両端２１ａおよび２１ｂに接続された出力用コイル１５を備えている。ヨーク板２０のほぼ中央には、ローター１３を収納するための円形の開口２２が設けられており、ローター１３が所定のギャップ２３を保持しながら開口２２の内部で回転できるようになっている。ヨーク板２０の出力コイル１５の接続された端２１ａおよび２１ｂの方向を長手方向とすると、開口２２の周囲のヨーク板２０は、長手方向とほぼ直角な幅方向が狭くなっており、この狭くなった第１および第２のヨーク部２５および２６のそれぞれに外縁２７および２８から凹んだ外ノッチ３０および３１が形成されている。さらに、本例のヨーク板２０は、出力コイル１５に隣接する第２のヨーク部２６の側の外縁２８が直線的に構成されており、こちらの側を下側あるいは下ヨーク部と称することにする。また、下ヨーク部に対峙する第１のヨーク部（以降においては上ヨーク部）２５の側の外縁２８は、ヨーク板２０の中央部に開口２２が形成できる程度の幅を確保し、一方、周囲の長手方向の領域２４ａおよび２４ｂはヨーク板２０の幅を狭くしてスペースメリットがでるように開口２２の近傍が出力コイル１５を反対側に突出した湾曲に形成されている。
【０００４】
上下のヨーク部２５および２６は、磁性体部分の幅が狭くなっているために、磁路幅も狭くなっており、さらに、これらのヨーク部２５および２６に外ノッチ３０および３１が形成されているので、ヨーク部２５および２６は磁束密度が増加するとすぐに飽和する部分となっている。従って、上下のヨーク部２５および２６を設けることにより、ローター１３の回転によってヨーク板２０に励起される磁束を出力用コイル１５を横切る方向に広げることができ、ローター１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変えて出力できるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ローターを回転して発電を行う上記のような発電装置において発電効率を向上するためには、ローターの回転によって励起される出力コイルを横切る方向の磁束密度（鎖交磁束密度）を増やすことが望ましく、このためには、上下のヨーク部の磁路幅を狭くすることが考えられる。一方、上下のヨーク部の磁路幅を狭くするとすぐに磁束が飽和するので、コギング現象が強く現れ、ローターがスムーズに回転しなくなる。発電装置にトルクムラや回転ムラがあると、回転錘の運動エネルギーをローターに効率良く伝達することができず、また、機械的な損失が増加するのでローターの回転エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換できなくなる。従って、コギング現象の原因となるコギングトルク（無励磁保持トルク、ディテントトルク）はローターの回転角によって大きく変動せず、さらに、全体として小さいことが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明においては、外ノッチなどのヨーク部の形状による鎖交磁束密度およびコギングトルクの影響を把握し、鎖交磁束密度が大きく、一方、コギングトルクは小さな発電装置を提供することを目的としている。さらに、携帯型の装置などにコンパクトに収納可能な出力コイルと一体型の発電装置において、鎖交磁束密度を大きくでき、コギングトルクは小さくできる発電装置を提供することも目的としている。また、鎖交磁束密度が大きくコギングトルクを小さくすることによって発電効率の高い発電装置を実現し、発電装置と共に収納された処理装置の機能を何時でも何処でも充分に発揮させることが可能な携帯に適した電子機器を提供することも目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明において発明者らは外ノッチと上下ヨーク部の形状を幾つか変えながらコギングトルクと鎖交磁束密度の変化を測定することにより、外ノッチを一方のヨーク部にのみ設けることにより、コギングトルクを大幅に削減でき、鎖交磁束密度も高く保持できることを見いだした。すなわち、本発明の２極の永久磁石などを用いて構成された多極磁化された円盤状のローターと、円形の開口を有するヨーク板と、前記円形の開口を挟んで前記ヨーク板に接続された出力用コイルとを備え、前記ローターが前記円形の開口に回転可能に収納された発電装置であって、 前記ヨーク板の前記円形の開口の周辺部のうち、前記出力用コイルの接続された方向と異なる方向に対峙した部分が、幅の狭い第１および第２のヨーク部となっており、前記ヨーク板の前記第２のヨーク部の側の外縁は、前記出力コイルに対して直線的に構成されると共に、前記第２のヨーク部の側の外縁に沿って前記出力用コイルが配置され、前記ヨーク板の前記第１のヨーク部の側の外縁は前記ヨーク板の前記円形の開口の形成された領域が周囲の領域に対して広がるように湾曲しており、この第１のヨーク部の前記ヨーク部の外縁の側が凹んだ外ノッチが形成されていることを特徴とする。
この構成により、外ノッチの効果を有効に生かしながらコギングトルクを低減できることが判った。このため、コギングトルクがさらに小さく、鎖交磁束密度を高くできる発電装置を提供できる。このような発電装置は、第２のヨーク部の側の外縁に沿って出力用コイルを隣接して配置でき、さらに、第１のヨーク部の側の外縁が湾曲させることにより、コンパクトに発電装置を纏めることができるので携帯機器に適した発電装置に提供できるというメリットもある。
【０００９】
さらに、外ノッチの両側の第１のヨーク部の外縁を外側に突き出すことにより、コギングトルクは低減され、一方、鎖交磁束密度の低下はほとんど見られない。
【００１０】
従って、このようなローターおよびステータを備えた発電装置に対し、回転錘の回転運動を輪列などの伝達手段によって伝達することにより、効率良く回転エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。このため、腕時計装置などの携帯型の電子機器に収納できるコンパクトで発電能力の高い発電装置を提供できる。そして、このような発電装置と、この発電装置からの電力によって動作可能な処理装置と備えた電子機器においては、ユーザーの動きなどによって何時でも何処でも充分な電力が得られるので、電池交換などの心配なく処理装置の機能を充分に発揮させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。発明者らは図１２に基づき説明した発電装置１０において、ヨーク板２０に設けられた外ノッチ３０および３１と上下ヨーク部２５および２６の形状がコギングトルクと鎖交磁束密度に与える影響を調査するために、幾つかの形状のヨーク板２０を用いて発電装置１０を構成し、その動作をシミュレーションすることによりコギングトルクおよび鎖交磁束密度の変化を測定した。図１に、発明者らが構成した幾つかの代表的な発電装置１０の構成を示してある。なお、それぞれの発電装置１０の主要な構成は図１２に基づき説明した発電装置と同一であるので省略し、図１にはローター１３回りのヨーク板２０の構成を主に示してある。
【００１２】
上下ヨーク部の外ヨークの影響
（比較例１）
図１（ａ）に示した発電装置１０は、図１２に基づき説明した従来の発電装置であり、以降において基準となるモデルである。本例の発電装置１０をモデル１とする。本例の発電装置１０は、直径が約２ｍｍのローター１３を備えており、このローター１３が、約０．２ｍｍのギャップ２３が確保できるヨーク板２０の開口２２の内部で回転できるようになっている。このヨーク板２０の幅方向に図１２に基づき説明したような幅の狭い上下のヨーク部２５および２６が設けられており、ローター１３を中心としたほぼ対称な位置に外ノッチ３０および３１が形成されている。本例の上下のヨーク部２５および２６に形成された外ノッチ３０および３１は、半径Ｒが０．４ｍｍに設定されている。
【００１３】
図２に、このモデル１で得られたコギングトルクカーブを黒丸の破線５１で示してある。得られたコギングトルクカーブ５１は、ローターの回転角５０〜１５０度付近の１組の第１のピークと、０〜５０度および１３０〜１８０度付近にある１組の第２のピークによって主に構成されている。このコギングトルクカーブの傾向は、以降のモデルにおいても共通するので第１のピークを主ピークと呼び、第２のピークをサブピークと呼ぶことにする。モデル１で得れたコギングトルクカーブ５１は、主ピークが＋／−０．０１５ｇｆｃｍと大きく、回転角５０〜１５０度の付近で大きな回転ムラが発生することが判る。
【００１４】
図３に、このモデル１で得られた鎖交磁束密度を黒丸の破線６１で示してある。鎖交磁束密度はローターの回転角が８０〜１００度付近で最大値となり、モデル１では１５０００Ｇを越える非常に大きな鎖交磁束密度が得れること判る。
【００１５】
（実施例１）
図１（ｃ）に示した発電装置１０は、図１（ａ）のモデル１とほぼ同じであるが、上下のヨーク部２５および２６に形成された外ノッチ３０および３１は、半径Ｒが０．３ｍｍに設定されている。以降において、本例の発電装置１０をモデル２と呼ぶことにする。
【００１６】
図２に、このモデル２で得られたコギングトルクカーブを黒四角の実線５２で示してある。モデル２のコギングトルクカーブ５２は、モデル１と比較して主ピークの大きさが１／３程度に低下し、曲率も滑らかになっている。一方、サブピークの大きさはモデル１の２倍程度に増加している。このように、モデル２のコギングトルクカーブは全体として平均化され、主ピークの値は小さくなっている。従って、ローターの回転ムラはモデル１よりも小さくスムーズに回転することが判る。
【００１７】
図３に、このモデル２で得られた鎖交磁束密度を黒四角の実線６２で示してある。モデル２の鎖交磁束密度の最大値は１３０００Ｇ程度であり、モデル１よりも低下していることが判る。これは、外ノッチ３０および３１を小さくすることにより、磁路幅が大きくなるためであると考えられる。
【００１８】
（実施例２）
図１（ｅ）に示した発電装置１０は、図１（ａ）のモデル１と異なり、上下のヨーク部２５および２６に外ノッチを形成してないモデルである。以降において、本例の発電装置１０をモデル３と呼ぶことにする。
【００１９】
図２に、このモデル３で得られたコギングトルクカーブを黒三角の一点鎖線５３で示してある。モデル３のコギングトルクカーブ５３は、モデル２と比較して主ピークの大きさは低くなり曲率も滑らかになっているが、サブピークの大きさはモデル２よりも大きくなっている。従って、モデル２と同様にローターの回転ムラはモデル１よりも小さくスムーズに回転するが、モデル３とモデル２との差は大きくは現れないことが判る。
【００２０】
図３に、このモデル３で得られた鎖交磁束密度を黒三角の一点鎖線６３で示してある。モデル２の鎖交磁束密度の最大値は１１０００Ｇ程度であり、モデル２よりもさらに低下していることが判る。これは、外ノッチを設けていないため、上下のヨーク部２５および２６における磁束の絞り込みが小さく、ローターの回転により発生した磁束がローターと共に回転し、出力用コイル１５に作用していないためと考えられる。
【００２１】
（実施例３）
図１（ｂ）に示した発電装置１０は、図１（ａ）のモデル１とほぼ同様であるが、上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を形成し、下ヨーク部２６には外ノッチを形成してないモデルである。また、本例の発電装置においては、半径Ｒが０．４ｍｍの外ノッチ３０を形成してある。以降において、本例の発電装置１０をモデル１Ａと呼ぶことにする。
【００２２】
図２に、このモデル１Ａで得られたコギングトルクカーブを白丸の破線５４で示してある。モデル１Ａのコギングトルクカーブ５４は、モデル１と比較して主ピークの大きさは１／４以下と大幅に減少し曲率も滑らかになっている。これと共に、サブピークの大きさもモデル１とほぼ同様に小さな値を示す。従って、モデル１Ａのコギングトルクカーブ５４は上下の変動が小さく平均化されており、全体として非常に小さな値となっている。
【００２３】
図３に、このモデル１Ａで得られた鎖交磁束密度を白丸の破線６４で示してある。モデル１Ａの鎖交磁束密度の最大値は１３０００Ｇ程度であり、モデル１に続いて大きな値を示し、モデル２とほぼ同じ程度である。
【００２４】
（実施例４）
図１（ｄ）に示した発電装置１０は、図１（ｂ）のモデル２とほぼ同様であるが、上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を形成し、下ヨーク部２６には外ノッチを形成してないモデルである。また、本例の発電装置においては、半径Ｒが０．３ｍｍの外ノッチ３０を形成してある。以降において、本例の発電装置１０をモデル２Ａと呼ぶことにする。
【００２５】
図２に、このモデル２Ａで得られたコギングトルクカーブを白四角の実線５５で示してある。モデル２Ａのコギングトルクカーブ５４は、モデル２と比較しモデル１Ａと同程度まで主ピークの大きさが減少し曲率も滑らかになるが、サブピークの大きさはモデル２と同程度であり、モデル１Ａよりも大きな値を示す。従って、コギング現象はモデル２と比較すれば小さいが、モデル１Ａよりも大きく現れ、回転ムラもモデル２よりも小さくなるがモデル１Ａよりは大きくなることが判る。
【００２６】
図３に、このモデル２Ａで得られた鎖交磁束密度を白四角の実線６５で示してある。モデル２Ａの鎖交磁束密度の最大値は１２５００Ｇ程度であり、磁路幅が広い分、モデル１Ａおよびモデル２よりも小さな値を示す。
【００２７】
（実施例５）
図１（ｆ）に示した発電装置１０は、図１（ｅ）のモデル２とほぼ同様であるが、下ヨーク部２６にのみ外ノッチ３０を形成し、上ヨーク部２５には外ノッチを形成してないモデルである。また、本例の発電装置においては、半径Ｒが０．３ｍｍの外ノッチ３０を形成してある。以降において、本例の発電装置１０をモデル３Ａと呼ぶことにする。
【００２８】
図２に、このモデル３Ａで得られたコギングトルクカーブを白三角の一点鎖線５６で示してある。モデル３Ａのコギングトルクカーブ５５は、モデル３とほぼ同じ値を示し、主ピークの大きさがモデル３よりも若干大きくなる程度である。従って、サブピークの大きさはモデル３と同様に大きくなる。モデル１Ａと比較すると、主ピークの大きさではモデル３Ａの方が若干小さいが、サブピークの大きさはモデル１Ａがモデル３Ａの半分以下の値になる。従って、モデル１Ａの方がモデル３Ａに比較し、回転ムラが少なくスムーズに回転すると考えられる。
【００２９】
図３に、このモデル３Ａで得られた鎖交磁束密度を白三角の一点鎖線６６で示してある。下ヨーク部２６に外ノッチ３１を形成してある分、磁路幅が狭くなるので鎖交磁束密度は上昇するが、その最大値は１２０００Ｇ程度であり、モデル２Ａよりさらに小さな値となる。
【００３０】
以上のような結果より、上下ヨーク部２５および２６に設けられた外ノッチ３０および３１をモデル２のように小さくし、あるいは、モデル３のように外ノッチ３０および３１をなくすことにより、コギングトルクの主ピークは非常に小さくでき、コギングトルクを平均化できることが判る。しかしながら、両方の外ノッチを小さくすると、コギングトルクのサブピークは大きくなり、さらに、鎖交磁束密度は低下してしまう。特に、モデル３のように外ノッチを削除した場合は鎖交磁束密度は大きく低下してしまう。
【００３１】
これに対し、外ノッチ３０あるいは３１のいずれか一方を削除した場合は、モデル１Ａのようにコギングトルクの主ピークは大幅に低減され、サブピークの大きさも殆ど増加しない。従って、両方の外ノッチを削除したモデル３よりも全体としてコギングトルクは平均化され小さくなる。その一方、鎖交磁束密度はモデル１に比較すれば若干の低下は見られるものの、外ノッチ３０および３１を若干小さくして残したモデル２と同程度の鎖交磁束密度を得ることができる。
【００３２】
従って、コギングトルクを低減し、鎖交磁束密度をできるかぎり保持するには、上下のヨーク部２５および２６に設けられた外ノッチを小さくしたり、あるいは、上下のヨーク部２５および２６から外ノッチを無くすのではなく、モデル１Ａのように上下ヨーク部２５および２６のいずれか一方に外ノッチを通常の大きさで設けておくことが望ましいことが判る。
【００３３】
さらに、上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を設けたモデル２Ａと、下ヨーク部２６にのみの外ノッチ３１を設けたモデル３Ａを比較すると、コギングトルクの大きさはそれほど差はないと判断されるが、鎖交磁束密度を比較するとモデル２Ａの方が大きいことが判る。従って、ヨーク板２０の外側に膨らんだ上ヨーク部２５にのみ外ノッチ３０を設けることにより、コギングトルクが小さく、トルクムラがなくローター１３の回転がスムーズであり、さらに、鎖交磁束密度の高い発電装置１０を実現できることが判る。このような発電装置１０は、ローター１３に回転錘などからの運動エネルギーを伝達し易く、さらに、ローター１３の回転エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができる。従って、非常に発電効率が高い発電装置１０を提供することができる。
【００３４】
外ノッチ周辺のヨーク形状の影響
（実施例６）
図４（ａ）に、上記の上ヨーク部に半径Ｒが０．３ｍｍの外ノッチ３０が形成されたモデル２Ａの発電装置において、上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の外縁２７を下ヨーク部２６の外縁２８と平行に、外ノッチ３０の部分の磁路幅が確保できるようにカットした発電装置１０を示してある。この発電装置をモデル２Ｂとする。
【００３５】
図５に、モデル２Ｂのコギングトルクカーブを黒四角の実線７２で示してある。また、図６に、モデル２Ｂの鎖交磁束密度を黒四角の実線７６で示してある。図５および図６には、モデル２Ａのコギングトルクカーブを黒三角の実線７１および７５で示してある。モデル２Ａとモデル２Ｂのコギングトルクカーブを比較すると、主ピークは両者とも殆ど変化がなく、サブピークにおいては、モデル２Ｂの方が値が若干大きく、また、急激に変化していることが判る。一方、図６に示した鎖交磁束密度については、モデル２Ａとモデル２Ｂで殆ど変化は見られない。
【００３６】
（実施例７）
図４（ｂ）に、上記のモデル２Ａの発電装置の上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の外縁２７をローター１３の中心を中心点とした円で、外ノッチ３０の磁路幅が確保できるようにカットした発電装置１０を示してあり、この発電装置をモデル２Ｃとする。
【００３７】
図５に、モデル２Ｃのコギングトルクカーブを黒丸の実線７３で示してある。また、図６に、モデル２Ｃの鎖交磁束密度を黒丸の実線７７で示してある。図５に同時に示したモデル２Ａおよびモデル２Ｂのコギングトルクカーブと比較すると、主ピークについては大きな差はないが、サブピークの差は明らかであり、サブピークの大きさがモデル２Ａの３倍程度に増加していることが判る。一方、図６に示した鎖交磁束密度については、モデル２Ａとモデル２Ｂと比較し、モデル２Ｃの値も殆ど変化は見られない。
【００３８】
（実施例８）
図４（ｃ）に、上記の上ヨーク部に半径Ｒが０．４ｍｍの外ノッチ３０が形成されたモデル１Ａの発電装置において、上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の外縁２７を下ヨーク部２６の外縁２８と平行に、外ノッチ３０の部分の磁路幅が確保できるようにカットした発電装置１０を示してあり、この発電装置をモデル１Ｂとする。
【００３９】
図５に、モデル１Ｂのコギングトルクカーブを白丸の実線７４で示してある。また、図６に、モデル２Ｃの鎖交磁束密度を白丸の実線７８で示してある。図５に同時に示したモデル２Ａ、モデル２Ｂおよびモデル２Ｃのコギングトルクカーブと比較すると、主ピークについては若干大きくなっているがそれほど大きな差はなく、これに対し、サブピークはモデル２Ｃよりさらに大きくなっていることが判る。一方、図６に示した鎖交磁束密度については、モデル２Ａ、モデル２Ｂおよびモデル２Ｃと比較し、若干大きくなっているもののそれほどの差は見られない。
【００４０】
以上の結果より、上記のモデル２Ａ、２Ｂおよび２Ｃでは、上ヨーク部２５の磁路幅は同じにして上ヨーク部２５の外ノッチ３０の両側の面積を変化させることにより、コギングトルクの主ピークには大きな影響は現れないが、副ピークについては外ノッチ３０の周囲の上ヨーク部２５の面積が小さくなると共に非常に大きくなることが判る。副ピークに対する外ノッチの周辺の形状の影響は、モデル１Ｂの結果から判るように、外ノッチ３０の半径Ｒが大きい程、すなわち、磁路幅が狭いほど大きい。従って、コギングトルクを平均的に小さくするには、外ノッチの周辺のヨーク部の面積を十分に確保することが望ましいことが判る。また、外ノッチの周辺のヨーク部の面積を大きくしても、外ノッチ３０の部分の磁路幅は変わらないので鎖交磁束密度は確保できることが判る。
【００４１】
上記の実施例により、次のことが言える。コイルヨーク２０の鎖交磁束密度を確保するためには、ローター１３の上下に位置する上下ヨーク部２５および２６の磁路幅をできるだけ小さくすることが望ましい。しかしながら、これによりコギングトルクが増加するので、鎖交磁束密度の若干の低下は見られるが出力用コイル１５の側の下ヨーク部２６は無くすことが望ましい。これにより、ローター１３の全角度領域でコギングトルクが小さくでき、さらに、コイル鎖交磁束密度を高くすることができる。さらに、コギングトルクの副ピークを小さくしてコギングトルクを全体的にさらに小さくするには、外ノッチ３０の形成された上ヨーク部２５の外縁２７を外側に突き出して上ヨーク部２５の上部の面積を広く確保することが望ましい。
【００４２】
図７に、このような方針に基づいて設計された発電装置１０のローター回りを示してある。本例の発電装置１０においては、図９に実線で示すような主ピークが低く、サブピークもゆるやかなコギングトルクカーブを得ることができる。同時に破線で示した上下のヨーク部２５および２６に外ノッチが形成された従来の発電装置（モデル１）のコギングトルクカーブと比較すると、主ピークの大きさはほぼ１／４程度に削減されており、また、サブピークもほぼ半分程度の大きさになっている。一方、図１０に実線で示したように、鎖交磁束密度は１３０００Ｇ程度を確保することができ、同図に破線で示したモデル１よりも若干低下するとはいうものの十分に高い鎖交磁束密度を得ることができる。
【００４３】
これらの結果は、図８に示したようなローター１３によってヨーク２０に発生する２つの種類の磁束を考えることによって定性的に説明することができる。図８に示したタイプ１の磁束は、ローターに巻きついた状態の磁束であり、ローターが回転して上ヨーク部２５あるいは下ヨーク部２６の磁路幅の狭くなったところに入り込んでいくときにローター１３の運動を妨げる方向に作用し、逆に広い部分に出ていくときはその運動を促進する方向に力が働く。一方、タイプ２の磁束は、ヨーク２０に沿って延びた磁束であり、できるかぎり短くなろうとするのでローター１３が９０度方向、すなわち、ヨーク板２０の長手方向を向いたときが最も安定する。従って、ローター１３が９０度方向から離れる向きに回転するとそれを妨げる方向に作用し、一方、９０度方向に近づく向きに回転するとそれを促進する方向に作用する。
【００４４】
上下のヨーク部２５および２６にそれぞれ外ノッチ３０および３１が形成された従来のモデルであるモデル１について考えると、ローター１３の回転角が０度のとき、すなわち、ローター１３の極が幅方向を向いているときは、ローター１３によって形成された磁力線はコイルヨークにほとんど流れ込まず、タイプ１の磁束としてローター１３の周辺に巻きついている。ローター１３が回転すると、タイプ１の磁束が上下のヨーク部２５および２６の磁路幅の狭い部分に流入していくので、回転方向に対し反対側の力が発生する。一方、ローター１３が回転するにつれて、タイプ１の磁束の一部がタイプ２に遷移し、タイプ２の磁束による９０度方向に引っ張る力が働く。これらにより、回転角が０〜５０度程度の範囲では、若干マイナス側（引っ張る側）のコギングトルクが発生し、副ピークを形成する。
【００４５】
回転角が５０度を越えると、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移は減少し、その傾向は鎖交磁束密度の増加率が低下することから推測できる。回転角が５０度を越えるとタイプ２による９０度方向に引っ張る力が主体となる正のコギングトルクが増大し、回転角が７０度付近で主ピークを形成する。
【００４６】
さらに回転角が大きくなり７０度を越えると、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移は無くなり、タイプ２の磁束が回転角が９０度になるように縮むだけになるのでコギングトルクも減少する。そして、回転角が９０度において安定する。また、タイプ１の磁束は外ノッチ３０および３１の形成された磁路幅の狭いところに位置することになるが、エネルギー的な変化が殆ど起きないためにコギングトルクへの寄与は見られない。これらの考え方は回転角が９０度を越えた領域でも適用でき、コギングトルクの現れ方は反転するがほとんど同じ傾向を示す。
【００４７】
これに対し、両方の外ノッチを省いたモデル３においては、回転角が０〜５０度付近で上下の外ノッチがないためにタイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移量が少なく、タイプ２の磁束による９０度方向に引っ張る力が小さい。このため、タイプ１の磁束が狭い磁路に引き込まれることに対する反発する方向の力が主体となり、この結果、大きなサブピークが現れると考えられる。また、回転角が６０度付近でタイプ１からタイプ２の磁束への遷移が殆ど終わるが、タイプ２の磁束へのトータルの遷移量も少ないので、タイプ２の磁束による９０度方向に引っ張る力が小さい。このため、回転角７０度付近においても、タイプ１の回転方向に反発する力とタイプ２の９０度方向に引っ張る力が拮抗し、この結果、コギングトルクの主ピークの大きさも小さくなる。タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移量が小さくなることは、モデル１に比べて鎖交磁束密度が小さいことからも推測できる。
【００４８】
これらに対し、上下ヨーク部２５および２６の一方にのみ外ノッチを設けたモデル１Ａにおいては、コギングトルクのサブピークがモデル１と同程度になっている。このため、一方に外ノッチを設けることにより、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移が比較的早い段階から順調に起きていることが判る。従って、タイプ１の磁束による回転方向に反発する力と、遷移したタイプ２の磁束による９０度方向の力が拮抗し、サブピークの小さなコギングトルクカーブが得られる。一方、回転角が４０から９０度の範囲では、外ノッチの形成されていない方のヨーク部の磁路に引き込まれるタイプ１の磁束密度がモデル１と比較し、かなり大きい。このため、タイプ１の反発力によりタイプ２の９０度方向に引っ張る力を殆どキャンセルすることができるため、主ピークの小さなコギングトルクカーブを得ることができる。従って、トータルのコギングトルクカーブは滑らかであり、全体としてコギングトルクの小さな発電装置を得ることができる。また、鎖交磁束密度は、一方のヨーク部に外ノッチが設けられていることにより、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移は効率良く行われ、その結果、十分に大きな鎖交磁束密度を得ることができる。
【００４９】
上ヨーク部２５に外ノッチ３０が設けられたモデル２Ａと、下ヨーク部２６に外ノッチ３１が設けられたモデル３Ａを比較すると、モデル２Ａの方がサブピークが小さく、鎖交磁束密度も大きい。従って、上ヨーク部２５に設けられた外ノッチ３０の方がタイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移を促進する効果を備えているものと考えられる。これは、上ヨーク部２５と下ヨーク部２６の形状に起因するものと考えられ、上ヨーク部２５は面積が広くなるように盛り上げられているのに対し、下ヨーク部２６は直線的な磁路を形成してある。この傾向は、実施例７〜９にも現れており、外ノッチの周辺の面積を広くとることによりサブピークを小さくできている。従って、外ノッチの周辺の面積を広くとることにより、タイプ１の磁束からタイプ２の磁束への遷移効率を高くでき、コギングトルクカーブのサブピークの値を小さくできることが判る。これは、外ノッチ周囲の面積変化率が大きくすることにより、外ノッチにおいて磁束が絞られやすくなり、磁気的なエネルギーが高まり易く、磁力線が切れやすくなるためと考えられる。
【００５０】
このように、本例においては、一方のヨーク部にのみ外ノッチを形成することにより、コギングトルクが平均的に小さく、鎖交磁束密度は高い発電装置を提供することができる。コギングトルクを平均化することにより、ローターのトルクムラがなくなるので、回転はスムーズとなり、また、トルク全体の値を小さくできるので、回転錘などの運動エネルギーの伝達効率を向上することができる。さらに、熱などに変換されて放失されるローターの機械的なエネルギー損失を低減することもできる。一方、鎖交磁束密度を高く保つことにより、出力用コイルを横切る磁束密度を大きくできるので、出力電力を大きくとることができる。従って、本例の発電装置により、発電効率が高く、さらに発電能力の十分な発電装置を提供することができる。また、ヨーク板２０に設ける外ノッチが一方だけで良くなるので、外ノッチを形成するヨーク板２０の加工上の手間や、外ノッチ同士の位置合わせ、面積の調整などの手間を省くこともできる。このため、発電装置を安価に提供することができるというメリットもある。もちろん、上記のモデルでは、半円形の外ノッチを例に説明しているが、外ノッチの形状は三角形や四角形あるいは楕円などであっても良く、上記と同様の結果が得られる。
【００５１】
出力電力をさらに増加するには、出力用コイル１５の周囲にスペースを確保し、コイルの巻数を増加することも可能である。例えば、下ヨーク部２６の幅をさらに削減して、隣接した出力用コイルの巻線の数を増やすスペースを確保することも有効であると考えられる。
【００５２】
本例の発電装置は、図１１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ー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採用することにより、人間の動きなどを捉えて効率良く発電を行い、電池の消費を抑制したり、あるいは電池その物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。
【００５３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、従来、ローターの両側のヨーク部に設けられていた外ノッチを片側にのみ設けることにより、コギングトルクを大幅に低減でき、それと共に十分な磁束密度が得られることを見いだした。従って、本発明の発電装置においては、一方の側に外ノッチを設けるといった非常に簡易な方法によりトルクムラなどによる機械的なロスを低減することができ、発電効率の高い発電装置を提供することができる。そして、こ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何時でも何処でも充分に発揮させることが可能な携帯型に適した電子機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において特性を調査した発電装置のモデルのローター回りを示す図である。
【図２】図１に示した各モデルで得られたコギングトルクカーブを示す図である。
【図３】図１に示した各モデルで得られた鎖交磁束密度を示す図である。
【図４】実施例において、さらに特性を調査した発電装置のモデルのローター回りを示す図である。
【図５】図４に示した各モデルで得られたコギングトルクカーブを示す図である。
【図６】図４に示した各モデルで得られた鎖交磁束密度を示す図である。
【図７】上記の実施例により設定された本発明に係る発電装置のローター回りの概要を示す図である。
【図８】図７に示す発電装置における磁束の分布状態を模式的に示す図である。
【図９】図７に示したモデルで得られたコギングトルクカーブを示す図である。
【図１０】図７に示したモデルで得られた鎖交磁束密度を示す図である。
【図１１】発電装置および発電装置を用いた電子機器の概要を示す図である。
【図１２】ローターおよびステーターを備えた発電装置の概要を拡大して示す図である。
【符号の説明】
１・・電子機器
２・・整流回路
４・・供給部
５・・大容量キャパシタ
６・・処理装置
７・・計時装置
１０・・発電装置
１１・・回転錘
１２・・輪列
１３・・ローター
１４・・ステーター
１５・・出力用コイル
２０・・ヨーク板
２１・・コイルとの接続部
２２・・円形の開口
２３・・ギャップ
２４・・開口領域の両側（長手方向の領域）
２５・・上のヨーク部
２６・・下のヨーク部
２７・・上のヨーク部側のヨーク板の外縁
２８・・下のヨーク部側のヨーク板の外縁
３０・・上のヨーク部の外ノッチ
３１・・下のヨーク部の外ノッチ
Claims (4)
- 多極磁化された円盤状のローターと、
円形の開口を有するヨーク板と、
前記円形の開口を挟んで前記ヨーク板に接続された出力用コイルとを備え、
前記ローターが前記円形の開口に回転可能に収納された発電装置であって、
前記ヨーク板の前記円形の開口の周辺部のうち、前記出力用コイルの接続された方向と異なる方向に対峙した部分が、幅の狭い第１および第２のヨーク部となっており、
前記ヨーク板の前記第２のヨーク部の側の外縁は、前記出力コイルに対して直線的に構成されると共に、前記第２のヨーク部の側の外縁に沿って前記出力用コイルが配置され、
前記ヨーク板の前記第１のヨーク部の側の外縁は、前記ヨーク板の前記円形の開口の形成された領域が周囲の領域に対して広がるように湾曲しており、この第１のヨーク部の前記ヨーク部の外縁の側が凹んだ外ノッチが形成されていることを特徴とする発電装置。 - 請求項１において、前記外ノッチの両側の前記第１のヨーク部の外縁が外側に突き出ていることを特徴とする発電装置。
- 請求項１において、回転錘と、この回転錘の回転運動を前記ローターに伝達する伝達手段とを有することを特徴とする発電装置。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の発電装置と、前記出力用コイルから出力された電力によって動作可能な処理装置とを有することを特徴とする電子機器。
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| JP21765196A JP3582242B2 (ja) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | 発電装置および電子機器 |
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