JP3601331B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼンマイ等の機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを徐々に取り出しながら発電し外部に供給する電源装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、ゼンマイ等に蓄積された機械エネルギを徐々に取り出しながら発電し外部に供給する電源装置が知られている。
【０００３】
このような電源装置においては、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くすることが必要であり、そのために、いろいろと工夫がなされている。例えば、特開平８−７５８７４号公報の発電装置によれば、電源の電圧を検出して、その電圧が高いとき、昇圧段数を高くするか、コイル両端をショートさせるかにより、ゼンマイの解放スピードを遅くしてエネルギを保存している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の発電装置では、昇圧段数を高くするためには、昇圧段数を切り替えるための多くのコンデンサが必要となるので、コストが高くつくという問題がある。
【０００５】
また、コイル両端をショートさせる場合では、流れた電流は熱になるのみで、電気エネルギとして有効に使えないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、コストを安くできるとともに、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くできる電源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置は、機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、この発電部からの電力を充電して外部に供給する蓄電部と、この蓄電部からの供給電圧に基づいて前記発電部の回転速度をチョッパリングにより前記発電部にブレーキを掛けて制御するチョッパ制御回路とを有し、前記チョッパリングの周波数が、前記発電部の起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電源装置では、発電部をゼンマイ等の機械エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギで駆動し、蓄電部からの供給電圧に基づいて発電部にチョッパ制御回路によりブレーキをかけることでロータ等の機械エネルギ源の解放速度を調速する。このため、例えば、ゼンマイを巻き上げた直後のように、機械エネルギが大きく、蓄電部からの電圧も高くなる場合には、ブレーキ量を大きくして発電部の回転が押さえられる。また、ゼンマイが解放されて機械エネルギが小さくなって蓄電部からの供給電圧が低くなった場合には、ブレーキ量を小さくあるいは無くして発電部の回転速度を高めて供給電圧を高くする。
【０００９】
この際、発電部の回転制御（ブレーキ制御）は、発電部のコイル両端を短絡可能なスイッチをオン・オフすることなどでチョッパリングすることで行っている。チョッパリングすることで、スイッチをオンした時には、発電部にショートブレーキが掛かり、かつ発電部のコイルにエネルギーがたまる。一方で、スイッチをオフすると、発電部が動作し、前記コイルにたまっていたエネルギー分が含まれるため、起電圧が高まる。このため、発電部をチョッパリングで制御すると、ブレーキ時の発電電力の低下を、スイッチオフ時の起電圧の高まり分で補填でき、発電電力を一定以上に保ちながら制動トルクを増加できる。
【００１０】
従って、蓄電部の供給電圧に基づいて発電部をチョッパリング制御することにより、必要な供給電圧を確保しつつ、ブレーキを掛けてゼンマイ等の機械エネルギの解放スピードを抑えることができるため、機械エネルギを有効利用できて持続時間の長い電源装置を構成することができる。その上、チョッパリングによって昇圧できるため、昇圧用の多数のコンデンサを設ける必要が無く、コストを低減できる。
【００１１】
また、チョッパリングの周波数が、発電部の起電圧波形の周波数を超えるものであり、起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍である。
【００１２】
チョッパリング周波数が起電圧波形の周波数より小さいと、起電圧を高める効果が小さくなるため、起電圧波形の周波数を超えることが好ましく、５倍以上であることがより好ましい。
【００１３】
チョッパリング周波数が起電圧波形の１００倍を越えると、チョッパリングするためにＩＣの消費電力が増大し、発電する電力が多くなるため、チョッパリング周波数は起電圧波形の１００倍以下であることが好ましい。さらに、チョッパリング周波数は起電圧波形の５倍〜１００倍であれば、デューティーサイクルの変化率に対するトルク変化率が一定に近くなり、制御も容易になる。
【００１４】
また、前記チョッパ制御回路は、前記蓄電部からの供給電圧が基準電圧と比較して高いときはブレーキデューティ比を大きくし、低いときはブレーキデューティ比を小さくすることが好ましい。例えば、発電部の出力端子間に設けられたスイッチの断続を、このスイッチに印可するチョッパ信号で制御する際に、そのチョッパ信号のデューティ比を供給電圧の大きさで変えれば、電圧の大きさに応じてデューティ比を可変することができ、ブレーキ量を最適に制御できるため、電源装置の持続時間をより一層長くすることができる。
【００１５】
さらに、電源装置において、前記発電部の第１および第２の出力端子と前記蓄電部との間には、前記発電部の出力と同期する第１および第２のスイッチがそれぞれ設けられ、前記第１のスイッチは、前記発電部の第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタと、この第１の電界効果型トランジスタに並列に接続されて前記チョッパ制御回路で断続される第２の電界効果型トランジスタとで構成され、前記第２のスイッチは、前記発電部の第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタと、この第３の電界効果型トランジスタに並列に接続されて前記チョッパ制御回路で断続される第４の電界効果型トランジスタとで構成されていることが好ましい。
【００１６】
このような本発明によれば、例えば、発電器の第１の出力端子の極性がプラス「＋」、第２の出力端子の極性がマイナス「−」（第１の出力端子よりも低電位）になると、第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタ（Ｐｃｈの場合）がオン状態となり、第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタ（Ｐｃｈの場合）がオフ状態となる。このため、発電器からの交流出力信号は、第１の出力端子、第１の電界効果型トランジスタ、コンデンサ等の蓄電部、第２の出力端子の経路で流れて整流される。
【００１７】
また、第２の出力端子がプラス、第１の出力端子がマイナス（第２の出力端子よりも低電位）になると、第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタがオン状態となり、第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタがオフ状態となる。このため、出力信号は、第２の出力端子、第３の電界効果型トランジスタ、コンデンサ等の蓄電部、第１の出力端子の経路で流れて整流される。
【００１８】
この際、第２，４の各電界効果型トランジスタは、そのゲートにチョッパリング信号が入力されることなどでオン、オフ状態を繰り返している。そして、第２，４の各電界効果型トランジスタは、第１，３の各電界効果型トランジスタがオン状態であれば、第２，４の各電界効果型トランジスタのオン、オフ状態に関係なく電流が流れるが、第１，３の電界効果型トランジスタがオフ状態の場合には、第２，４の各電界効果型トランジスタがチョッパ信号でオン状態とされると電流が流れる。従って、オフ状態の第１，３の電界効果型トランジスタの一方に並列接続された第２，４の各電界効果型トランジスタがチョッパ信号でオン状態にされると、第１，２のスイッチの両方がオン状態となり、各交流出力端子が短絡される。
【００１９】
これにより、交流出力信号の電圧をチョッパリングで高めることができるとともに、整流制御は、各交流出力端子にゲートが接続された第１，３の電界効果型トランジスタで行っているので、コンパレータ等を用いる必要がなく、構成が簡単となって部品点数を少なくでき、かつコンパレータの消費電力による充電効率の低下も防止できる。さらに、交流出力端子の電圧を利用して第１，３の電界効果型トランジスタのオン、オフを制御しているので、各交流出力端子の極性に同期して各電界効果型トランジスタを制御することができ、整流効率を向上することができる。その上、ブレーキを発電部の全波に渡って掛けられるため、ブレーキ量を大きくでき、より持続時間を長くできる。
【００２０】
また、電源装置において、蓄電部は、セラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサであることが好ましい。
【００２１】
このような蓄電部を構成するコンデンサとしては、電解コンデンサ等を用いてもよいが、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサを用いれば、繰り返し充放電での性能劣化を少なくでき、電源装置の信頼性を高くでき、かつ製品寿命もより長くすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電源装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
本実施形態の電源装置１００は、図１に示すように略円盤状に形成され、図２に示すように、ゼンマイ１ａ、香箱歯車１ｂ、香箱真１ｃ及び香箱蓋１ｄからなる香箱車１を備えている。ゼンマイ１ａは、外端が香箱歯車１ｂ、内端が香箱真１ｃに固定される。香箱真１ｃは、地板２から立設された軸にネジ５で固定されて回転できないようになっている。この地板２には、円板状の文字板４が取り付けられており、この文字板４には、ゼンマイ１ａの巻き量が表示されている。
【００２４】
香箱歯車１ｂの回転は、二番車７に伝達され、さらに三番車８、四番車９、五番車１０、六番車１１、ロータ１２へと順次伝達されて増速されている。なお、三番車８〜ロータ１２は地板２および輪列受け３に軸支され、二番車７は地板２および７番受け１１３に軸支されている。
【００２５】
二番車７の軸７ａには、ゼンマイ１ａを巻くことができ、かつ、そのゼンマイ１ａの残り量を表示する残量表示針１４が取り付けられている。そして、この軸７ａには、香箱歯車１ｂに噛合する歯が形成されている。さらに、軸７ａには、リング状に形成されかつ三番車８に噛合する歯７ｂが軸７ａに嵌合されている。
【００２６】
この電源装置１００は、ロータ１２およびコイルブロック１２１，１３１を含み構成される発電機２０を備えている。ロータ１２は、ロータかな１２ａ、ロータ磁石１２ｂを備えて構成される。
【００２７】
コイルブロック１２１，１３１は、ステータ（コア、磁心）１２３，１３３にコイル１２４，１３４を巻線して構成されたものである。ステータ１２３，１３３は、ロータ１２に隣接して配置されるコアステータ部１２２，１３２と、前記コイル１２４，１３４が巻回されるコア巻線部１２３ｂ、１３３ｂと、互いに連結されるコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａとが一体に形成されて構成されている。
【００２８】
前記各ステータ１２３，１３３つまり各コイル１２４，１３４は互いに平行に配置されている。そして、前記ロータ１２は、コアステータ部１２２，１３２側において、その中心軸が各コイル１２４，１３４間に沿った境界線Ｌ上に配置され、コアステータ部１２２，１３２が前記境界線Ｌに対して左右対称となるように構成されている。ここで、各コイル１２４，１３４の巻数は同数とされている。本実施形態においては、巻数が同数とは、完全に同数の場合だけではなく、コイル全体からは無視できる程度の誤差、例えば数百ターン程度の違いまでをも含むものである。
【００２９】
各ステータ１２３，１３３のロータ１２が配置されたステータ孔１２２ａ，１３２ａには、図２に示すように、位置決め部材６０が配置されている。そして、図１に示すように、各ステータ１２３，１３３の長手方向の中間部分つまりコアステータ部１２２，１３２およびコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａ間に、偏心ピンからなる位置決め治具５５を配置している。
【００３０】
位置決め治具５５は、ビスに類似するが、その軸心を偏心させて地板２に回動可能に軸支したものである。そして、位置決め治具５５の平小ネジ状の頭部でステータ１２３，１３３の上面を押えつつこれを回動することで、各ステータ１２３，１３３のコアステータ部１２２，１３２を位置決め部材６０に当接させ、その位置合わせを正確にかつ簡単に行うことができる。また、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの側面同士を確実に接触させることができる。
【００３１】
なお、位置決め治具５５は、鉄等の金属材で構成されている。また、例えば、位置決め部材６０が設けられていない場合等には、ステータ１２３，１３３の位置を微調整する際に、前記位置決め治具５５を用いてもよい。位置決め後は、ステータ１２３，１３３をビス２１等を用いて固定すればよい。
【００３２】
なお、各ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａは、その側面が当接されて互いに連結されている。また、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの下面は、各コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａに跨って配置された図略のヨークに接触されている。これにより、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａでは、各コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの側面部分を通る磁気導通経路と、コア磁気導通部の下面およびヨークを通る磁気導通経路との２つの磁気導通経路が形成され、ステータ１２３，１３３は環状の磁気回路を形成している。各コイル１２４，１３４は、ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａからコアステータ部１２２，１３２に向かう方向と同方向に巻線されている。
【００３３】
これらの各コイル１２４，１３４の端部は、ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａ上に設けられた図示しないコイルリード基板に接続されている。
【００３４】
このように構成された電源装置１００を使用している場合、各コイル１２４，１３４に外部磁界Ｈ（図１）が加わると、外部磁界Ｈは平行に配置された各コイル１２４，１３４に対して同方向に加わるため、各コイル１２４，１３４の巻線方向に対しては外部磁界Ｈは互いに逆方向に加わることになる。このため、外部磁界Ｈによって各コイル１２４，１３４で発生する起電圧は互いに打ち消し合うように働くため、その影響を軽減できる。
【００３５】
次に、このような電源装置１００の制御回路について、図３〜６を参照して説明する。
【００３６】
図３には、本実施形態の機能を示すブロック図が示されている。
【００３７】
発電機２０は、増速輪列７〜１１を介してゼンマイ１ａによって駆動され、誘起電力を発生して電気的エネルギを供給する。この発電機２０からの交流出力は、全波整流、半波整流、トランジスタ整流等からなる整流器３５を通して整流され、蓄電部であるコンデンサ３６に充電される。
【００３８】
コンデンサ３６には、プラスおよびマイナスの各出力端子３６ａ，３６ｂが設けられ、この各出力端子３６ａ，３６ｂから外部の機器に電力を供給できるように構成されている。
【００３９】
そして、コンデンサ３６から供給される電圧は、コンパレータ等からなる比較器３７によって、予め、基準電圧が設定された基準電圧発生回路３８からの電圧と比較され、この比較器３７からの信号が後述するチョッパ制御回路１８０に出力されるようになっている。なお、コンデンサ３６は、繰り返し充、放電しても性能の劣化がないように、セラミックコンデンサあるいはフィルムコンデンサであることが好ましい。
【００４０】
また、本実施形態では、整流器３５を含むブレーキ回路７０を発電機２０に設けている。具体的には、図４にも示すように、発電機２０の出力端である第１の出力端子ＭＧ１、第２の出力端子ＭＧ２を短絡させてショートブレーキを掛ける第１および第２のスイッチ７１，７２によりブレーキ回路７０が構成されている。
【００４１】
本実施形態では、第１のスイッチ７１は、第２の出力端子ＭＧ２にゲートが接続されたＰｃｈの第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６と、後述するチョッパ制御回路１８０からのチョッパ信号（チョッパパルス）ＣＨ３がゲートに入力される第２の電界効果型トランジスタ７７とが並列に接続されて構成されている。
【００４２】
また、第２のスイッチ７２は、第１の出力端子ＭＧ１にゲートが接続されたＰｃｈの第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８と、チョッパ制御回路１８０からのチョッパ信号（チョッパパルス）ＣＨ３がゲートに入力される第４の電界効果型トランジスタ７９とが並列に接続されて構成されている。
【００４３】
そして、発電機２０に接続された２つのダイオード７５，７５、第１のスイッチ７１、第２のスイッチ７２により整流器（簡易同期チョッパ整流器）３５が構成されている。なお、ダイオード７５としては、一方向に電流を流す一方向性素子であればよく、その種類は問わない。特に、ダイオード７５として降下電圧Ｖｆが小さいショットキーバリアダイオードを用いれば、電源装置１００に、起電圧が小さくて小型の発電機２０を用いることができる。
【００４４】
前記ブレーキ回路７０は、チョッパ制御回路１８０により制御されている。
【００４５】
このチョッパ制御回路１８０は、比較器３７の出力つまりコンデンサ３６の電圧が基準電圧よりも大きいか否かを表す信号によって、矩形波パルスであるチョッパ信号ＣＨ３のデューティ比を変えるように構成されている。そして、チョッパ制御回路１８０からの出力ＣＨ３は、第２，４の電界効果型トランジスタ７７、７９のゲートに入力されるようになっている。
【００４６】
すなわち、チョッパ出力ＣＨ３がＬレベルの間は、トランジスタ７７，７９はオン状態に維持され、発電機２０がショートされてブレーキが掛かる。一方、チョッパ出力ＣＨ３がＨレベルの間は、トランジスタ７７，７９はオフ状態に維持され、発電機２０にはブレーキが加わらない。このように、出力ＣＨ３からのチョッパ信号によって発電機２０をチョッパリング制御することができる。
【００４７】
次に、本実施形態における動作を図５のタイミングチャートと、図６のフローチャートとを参照して説明する。
【００４８】
発電機２０が作動し始めると、コンデンサ３６からの供給電圧と、基準電圧発生回路３８からの基準電圧（例えば３Ｖ）とが、比較器３７で比較される（Ｓ１１）。
【００４９】
そして、コンデンサ３６からの供給電圧Ｖｓｓが基準電圧３Ｖより大きい場合には、図５に示すように、Ｌレベル信号（ブレーキオン時間）の期間が徐々に長くなるように、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比（トランジスタ７７，７９をオンしている比率）が徐々に大きくされる（Ｓ１２）。従って、基準周期におけるブレーキオン時間が長くなり、発電機２０に対してはブレーキオン制御が行われるが、一定周期でブレーキがオフされるためにチョッパリング制御が行われ、発電電力の低下を抑えつつ制動トルクを向上することができる。
【００５０】
一方、コンデンサ３６からの電圧Ｖｓｓが基準電圧（３Ｖ）以下の場合には、、Ｈレベル信号（ブレーキオフ時間）の期間が徐々に長くなるように、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比が徐々に小さくされる（Ｓ１３）。従って、基準周期におけるブレーキオン時間が短くなり、発電機２０に対しては、ブレーキ量の小さな、つまり発電電力を優先したブレーキオフ制御が行われる。この際、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比の可変割合は、実施時に適宜設定すればよい。
【００５１】
なお、整流器３５では、次のようにして発電機２０で発電した電荷を電源回路３６に充電している。すなわち、第１の端子ＭＧ１の極性が「＋」で第２の端子ＭＧ２の極性が「−」の時には、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオンされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオフされる。このため、発電機２０で発生した誘起電圧の電荷は、図４に示す「▲５▼→▲６▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ３６に充電される。
【００５２】
一方、第１の端子ＭＧ１の極性が「−」で第２の端子ＭＧ２の極性が「＋」に切り替わると、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオフされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオンされる。このため、図４に示す「▲８▼→▲７▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼→▲５▼」の回路によってコンデンサ３６が充電される。
【００５３】
なお、各々の状態で、チョッパパルスにより発電機２０の両端が短絡され、開放されると、コイルの両端に高電圧が誘起され、この高い充電電圧によってコンデンサ３６を充電することで充電効率が向上する。
【００５４】
このようなチョッパリング制御による発電電流と発電機回転スピードとの関係が、図７に表示されている。この図７に示すように、チョッパリング制御によるデータ８１は、チョッパリング制御を行わない従来のデータ８２と比較して緩やかな曲線状となっている。このため、例えば所定の発電電流Ａを得るのに、チョッパリング制御では、回転数Ｂ１で足りるが、従来ではＢ１よりも大きなＢ２の回転数を必要としている。つまり、チョッパリング制御によればゼンマイ１ａの解放速度を遅くできて持続時間が長くなり、機械エネルギの有効活用が可能となる。
【００５５】
このような本実施形態によれば次のような効果がある。
【００５６】
１）発電機２０のブレーキ制御をチョッパリング制御により行っているので、ブレーキ時の発電電力の低下を、スイッチオフ時の起電圧の高まり分で補填でき、発電電力を一定以上に保ちながら制動トルクを増加できる。このため、発電機２０の両端を短絡した際の電流を熱として消費せずに有効利用できるので、機械エネルギを有効に利用することができ、ゼンマイ１ａ（機械エネルギ蓄積手段）の持続時間を長くでき、電源装置１００を長時間動作することができる。
【００５７】
その上、チョッパリングによって昇圧できるため、一般的な昇圧回路のように多数のコンデンサを設ける必要がなく、コストも低減できる。
【００５８】
２）ブレーキ量の調整を、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比を変えることで行っているので、充電電圧（発電電圧）を低下させることなくブレーキ（制動トルク）を大きくすることができる。特に、ブレーキオン時にはデューティ比の大きなチョッパ信号を用いて制御しているので、充電電圧の低下を抑えながら制動トルクを大きくすることができ、システムの安定性を維持しながら、効率的なブレーキ制御を行うことができる。これにより、電源装置１００の持続時間もより長くすることができる。
【００５９】
３）ブレーキオフ制御時にも、デューティ比の小さなチョッパ信号によりチョッパ制御しているので、ブレーキをオフしている間の充電電圧をより向上することができる。つまり、発電機２０の全波に対してチョッパブレーキを掛けることができるため、半波に対してのみ掛ける場合に比べてブレーキ量を大きくすることができ、持続時間をより長くできる。
【００６０】
４）ブレーキ量の調整は、電圧が３Ｖ以上か、３Ｖ以下であるかのみで設定され、ブレーキ時間等を別途設定する必要もないため、比較器３７をシンプルな構成にでき、部品コストや製造コストを低減でき、電源装置１００を安価に提供できる。
【００６１】
その上、コンデンサ３６の供給電圧に応じてデューティ比を複数段階に切り換えることができるため、発電電圧つまり発電機２０のロータ１２の回転速度に応じてブレーキ量を最適に制御できるため、電源装置１００をより効果的に制御できて持続時間をより一層長くすることができる。
【００６２】
５）発電機２０の整流制御は、各端子ＭＧ１，ＭＧ２にゲートが接続された第１，３の電界効果型トランジスタ７６，７８で行っているので、コンパレータ等を用いる必要が無く、構成が簡単になり、かつコンパレータの消費電力による充電効率の低下も防止できる。さらに、発電機２０の端子電圧を利用して電界効果型トランジスタ７６，７８のオン、オフを制御しているので、発電機２０の端子の極性に同期して各電界効果型トランジスタ７６，７８を制御することができ、整流効率を向上することができる。また、チョッパリング制御される第２，４の電界効果型トランジスタ７７，７９を各トランジスタ７６，７８に並列に接続することで、チョッパリング制御を独立して行うことができ、かつ構成も簡易にできる。従って、構成が簡易で、発電機２０の極性に同期しながらチョッパ整流を行える整流器（簡易同期チョッパ整流器）３５を提供することができる。
【００６３】
６）ゼンマイ１ａによって発電機２０や残量表示針１４を回転駆動しているので、従来の電池式電源装置やＡＣ電源式電源装置に比べて、電池交換や電源コード等を不要にでき、使い勝手のよい電源装置にすることができる。
【００６４】
特に、本実施形態では、発電機２０で発電された電力でチョッパ制御回路１８０を駆動しているため、各種電池を設ける必要が無く、電池交換が必要無く、電源装置１００の使い勝手を向上することができる。
【００６５】
７）電池が無いために、電源装置１００を廃棄する際に電池を取り除く必要が無く、廃棄作業も容易に行える。さらに、太陽電池や熱発電素子のような高価な電池を設ける必要がないため、電源装置１００を安価に提供できる。
【００６６】
８）ステータ１２３，１３３が同一形状であるため、同一部品を表裏にして組立てることができ、部品を共用でき、部品数を削減できる。このため、製造コストや部品コストを低減でき、取り扱いも容易にできる。
【００６７】
その上、同一形状のステータ１２３，１３３を左右対称に配置し、かつ各ステータ１２３，１３３のコイル１２４，１３４の巻回数が同じであるため、電源装置１００の外部に発生するＡＣノイズ等による磁束は二本のコイル１２４，１３４内を同数流れ、これによって外部ノイズの影響をキャンセルすることができ、ノイズに強い電源装置１００を形成できる。
【００６８】
次に、図８に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。
【００６９】
本実施形態では、前記第１実施形態の整流器３５にさらに昇圧用のコンデンサ７３を追加した整流器３５’を用いたものである。この実施形態においては、前記第１実施形態の整流回路３５と同一部品には同一符号を付すとともに、その詳細な説明は省略または簡略化し、異なる部分の説明をする。
【００７０】
図８に示すように、本実施形態の整流器３５’は、前記第１実施形態の整流器３５の第１の端子側のダイオード７５に替えて、昇圧用コンデンサ７３とダイオード７４とが配置されている。そして、発電機２０に接続されたダイオード７４，７５、第１のスイッチ７１、第２のスイッチ７２および昇圧用コンデンサ７３により整流器（簡易同期昇圧チョッパ整流器）３５’が構成されている。
【００７１】
このような整流器（簡易同期昇圧チョッパ整流器）３５’では、次のようにして発電機２０で発電した電荷を電源回路３６に充電している。すなわち、第１の端子ＭＧ１の極性が「＋」で第２の端子ＭＧ２の極性が「−」の時には、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオンされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオフされる。このため、発電機２０で発生した誘起電圧の電荷は、図８に示す「▲５▼→▲４▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ７３に充電されるとともに、「▲５▼→▲６▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ３６に充電される。
【００７２】
一方、第１の端子ＭＧ１の極性が「−」で第２の端子ＭＧ２の極性が「＋」に切り替わると、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオフされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオンされる。このため、図８に示す「コンデンサ７３→▲５▼→▲８▼→▲７▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼」の回路によって、発電機２０で発生した誘起電圧と、コンデンサ７３の充電電圧とが加えられた電圧でコンデンサ３６が充電される。その他の制御や作用効果は前記第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００７３】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態の１）〜８）の作用効果を奏することができる。
【００７４】
その上、９）昇圧用コンデンサ７３を備えた簡易同期昇圧チョッパ整流器３５’を用いているので、発電機２０の発電起電圧を低く設定することができる。このため、発電機２０のコイル１２４，１３４の巻数を低減でき、発電機２０の小型化や鉄損の低減、ゼンマイ１ａの小型化を実現できる。これにより、電源装置１００を小型化でき、かつ小さいトルクで動作するためにゼンマイ１ａ等の機械エネルギ蓄積手段の寿命を向上できて電源装置１００の持続時間もより一層長くすることができる。
【００７５】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００７６】
例えば、発電機２０としては、コアのある発電機以外に、電力消費量の多いとき、図９に示すように、コアのない電源装置（コアレス発電機）９５を用いてもよい。電源装置９５は、ロータ９０の上下に取り付けられた１対のほぼ円筒形のバックヨーク９１と、その内側に取り付けられたディスク状の磁石９２を備えており、これらの間に基板９５の上に形成されたコイル９３を持ったステータ９４を挟み込んで構成されている。ステータ９４を形成する磁気回路に鉄損を発生するステータコイルがないため、損失を小さくすることができる。また、この発電器は、磁束に対し巻数を少なくできるため、コイル抵抗による損失も少なく、大電流を取り出しやすい。ただし、ステータ９４の両側にロータが配置されるため、装置に組み込む際には若干の厚みが必要となる。従って、ある程度の厚みが許容される電源装置には好適となる。
【００７７】
また、ステータは、一体型のものなどでもよく、ステータの形状、構造などは実施にあたって適宜設定すればよい。
【００７８】
さらに、機械エネルギ蓄積手段としては、ゼンマイ１ａに限らず、板ばねや重りなどを用いてもよく、要するに機械エネルギ（弾性エネルギや位置エネルギなど）を蓄積できるものであればよい。また、ゼンマイ１ａ等の機械的エネルギ蓄積手段に機械的エネルギを入力する手段としては、前記残量表示針１４やそれ以外の手巻き装置を用いてもよいし、回転錘などを用いた自動巻き装置を用いてもよい。
【００７９】
また、交流発電機に限らず、直流発電機を用いてもよい。直流発電機の場合、例えば、ブラシモータを回転する場合にも、電圧を検出して判断すればよい。なお、直流発電機の場合には、整流回路は無くてもよい。
【００８０】
また、前記実施形態では、電源装置１００に残量表示針１４を設けて電源として利用できる持続時間を指示していたが、例えば、発電機２０にブレーキを掛けない状態でもコンデンサ３６で必要な電圧が得られなくなった際に電気的なブザーや表示針１４が原点に戻ることで作動されるハンマーでベルを叩くことなどでアラームを鳴らして電源装置の出力が低下することを知らせてもよいし、音を鳴らす代わりに、ランプなどを点灯させたりしてもよい。さらに、電源装置１００がコンピュータや携帯電話などの各種機器に組み込まれている場合には、電圧低下時にその機器のスイッチを自動的にオフするように作動してもよい。
【００８１】
さらに、前記チョッパ制御回路によって前記スイッチ７１，７２を断続するチョッパリング周波数は、実施に当たって適宜設定すればよいが、発電機２０の起電圧波形の５倍以上の周波数であることが好ましく、起電圧波形の５倍〜１００倍であることがより好ましい。
【００８２】
チョッパリング周波数が起電圧波形の５倍よりも小さいと、起電圧を高める効果が小さくなるため、起電圧波形の５倍以上であることが好ましい。
【００８３】
また、チョッパリング周波数が起電圧波形の１００倍を越えると、チョッパリングするためにＩＣの消費電力が増大し、発電する電力が多くなるため、チョッパリング周波数は起電圧波形の１００倍以下であることが好ましい。さらに、チョッパリング周波数は起電圧波形の５倍〜１００倍であれば、デューティーサイクルの変化率に対するトルク変化率が一定に近くなり、制御も容易になる。
【００８４】
また、蓄電部としてはコンデンサ３６に限らず、二次電池等を用いてもよい。
【００８５】
さらに、本発明の電源装置１００は、一次電池（単一〜単四等の乾電池やボタン型電池）と同じ形状にして電池の代わりに用いてもよい。また、各種時計、携帯型の血圧計、携帯電話機、ページャ、万歩計、電卓、携帯用パーソナルコンピュータ、電子手帳、携帯ラジオ等の電源として組み込んでも使用してもよい。
【００８６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の電源装置によれば、コストを安くできるとともに、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における電源装置を示す平面図である。
【図２】本実施形態の電源装置の要部を示す断面図である。
【図３】本実施形態における電源装置の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図４】本実施形態の制御回路の構成を示す回路図である。
【図５】本実施形態のチョッパ制御のタイミングチャートである。
【図６】本実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態の発電電流と発電機の回転スピードとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態の制御回路の構成を示す回路図である。
【図９】本発明の変形形態の電源装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 香箱車
１ａ ゼンマイ
１ｂ 香箱歯車
２ 地板
４ 文字板
７ 二番車
８ 三番車
９ 四番車
１０ 五番車
１１ 六番車
１２ ロータ
１２ａ ロータかな
１２ｂ ロータ磁石
１４ 残量表示針
２０ 発電部である発電機
３５ 整流器
３６ 蓄電部であるコンデンサ
３７ 比較器
３８ 基準電圧発生回路
７０ ブレーキ回路
７１，７２ スイッチ
７３ 昇圧用コンデンサ
７４，７５ ダイオード
７７〜７９ 電界効果型トランジスタ
１００ 電源装置
１２１，１３１ コイルブロック
１２２ａ，１３２ａ ステータ孔
１２２，１３２ コアステータ部
１２３，１３３ ステータ
１２３ａ，１３３ａ コア磁気導通部
１２３ｂ，１３３ｂ コア巻線部
１２４，１３４ コイル
１８０ チョッパ制御回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼンマイ等の機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを徐々に取り出しながら発電し外部に供給する電源装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、ゼンマイ等に蓄積された機械エネルギを徐々に取り出しながら発電し外部に供給する電源装置が知られている。
【０００３】
このような電源装置においては、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くすることが必要であり、そのために、いろいろと工夫がなされている。例えば、特開平８−７５８７４号公報の発電装置によれば、電源の電圧を検出して、その電圧が高いとき、昇圧段数を高くするか、コイル両端をショートさせるかにより、ゼンマイの解放スピードを遅くしてエネルギを保存している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の発電装置では、昇圧段数を高くするためには、昇圧段数を切り替えるための多くのコンデンサが必要となるので、コストが高くつくという問題がある。
【０００５】
また、コイル両端をショートさせる場合では、流れた電流は熱になるのみで、電気エネルギとして有効に使えないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、コストを安くできるとともに、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くできる電源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置は、機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、この発電部からの電力を充電して外部に供給する蓄電部と、この蓄電部からの供給電圧に基づいて前記発電部の回転速度をチョッパリングにより前記発電部にブレーキを掛けて制御するチョッパ制御回路とを有し、前記チョッパリングの周波数が、前記発電部の起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電源装置では、発電部をゼンマイ等の機械エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギで駆動し、蓄電部からの供給電圧に基づいて発電部にチョッパ制御回路によりブレーキをかけることでロータ等の機械エネルギ源の解放速度を調速する。このため、例えば、ゼンマイを巻き上げた直後のように、機械エネルギが大きく、蓄電部からの電圧も高くなる場合には、ブレーキ量を大きくして発電部の回転が押さえられる。また、ゼンマイが解放されて機械エネルギが小さくなって蓄電部からの供給電圧が低くなった場合には、ブレーキ量を小さくあるいは無くして発電部の回転速度を高めて供給電圧を高くする。
【０００９】
この際、発電部の回転制御（ブレーキ制御）は、発電部のコイル両端を短絡可能なスイッチをオン・オフすることなどでチョッパリングすることで行っている。チョッパリングすることで、スイッチをオンした時には、発電部にショートブレーキが掛かり、かつ発電部のコイルにエネルギーがたまる。一方で、スイッチをオフすると、発電部が動作し、前記コイルにたまっていたエネルギー分が含まれるため、起電圧が高まる。このため、発電部をチョッパリングで制御すると、ブレーキ時の発電電力の低下を、スイッチオフ時の起電圧の高まり分で補填でき、発電電力を一定以上に保ちながら制動トルクを増加できる。
【００１０】
従って、蓄電部の供給電圧に基づいて発電部をチョッパリング制御することにより、必要な供給電圧を確保しつつ、ブレーキを掛けてゼンマイ等の機械エネルギの解放スピードを抑えることができるため、機械エネルギを有効利用できて持続時間の長い電源装置を構成することができる。その上、チョッパリングによって昇圧できるため、昇圧用の多数のコンデンサを設ける必要が無く、コストを低減できる。
【００１１】
また、チョッパリングの周波数が、発電部の起電圧波形の周波数を超えるものであり、起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍である。
【００１２】
チョッパリング周波数が起電圧波形の周波数より小さいと、起電圧を高める効果が小さくなるため、起電圧波形の周波数を超えることが好ましく、５倍以上であることがより好ましい。
【００１３】
チョッパリング周波数が起電圧波形の１００倍を越えると、チョッパリングするためにＩＣの消費電力が増大し、発電する電力が多くなるため、チョッパリング周波数は起電圧波形の１００倍以下であることが好ましい。さらに、チョッパリング周波数は起電圧波形の５倍〜１００倍であれば、デューティーサイクルの変化率に対するトルク変化率が一定に近くなり、制御も容易になる。
【００１４】
また、前記チョッパ制御回路は、前記蓄電部からの供給電圧が基準電圧と比較して高いときはブレーキデューティ比を大きくし、低いときはブレーキデューティ比を小さくすることが好ましい。例えば、発電部の出力端子間に設けられたスイッチの断続を、このスイッチに印可するチョッパ信号で制御する際に、そのチョッパ信号のデューティ比を供給電圧の大きさで変えれば、電圧の大きさに応じてデューティ比を可変することができ、ブレーキ量を最適に制御できるため、電源装置の持続時間をより一層長くすることができる。
【００１５】
さらに、電源装置において、前記発電部の第１および第２の出力端子と前記蓄電部との間には、前記発電部の出力と同期する第１および第２のスイッチがそれぞれ設けられ、前記第１のスイッチは、前記発電部の第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタと、この第１の電界効果型トランジスタに並列に接続されて前記チョッパ制御回路で断続される第２の電界効果型トランジスタとで構成され、前記第２のスイッチは、前記発電部の第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタと、この第３の電界効果型トランジスタに並列に接続されて前記チョッパ制御回路で断続される第４の電界効果型トランジスタとで構成されていることが好ましい。
【００１６】
このような本発明によれば、例えば、発電器の第１の出力端子の極性がプラス「＋」、第２の出力端子の極性がマイナス「−」（第１の出力端子よりも低電位）になると、第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタ（Ｐｃｈの場合）がオン状態となり、第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタ（Ｐｃｈの場合）がオフ状態となる。このため、発電器からの交流出力信号は、第１の出力端子、第１の電界効果型トランジスタ、コンデンサ等の蓄電部、第２の出力端子の経路で流れて整流される。
【００１７】
また、第２の出力端子がプラス、第１の出力端子がマイナス（第２の出力端子よりも低電位）になると、第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタがオン状態となり、第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタがオフ状態となる。このため、出力信号は、第２の出力端子、第３の電界効果型トランジスタ、コンデンサ等の蓄電部、第１の出力端子の経路で流れて整流される。
【００１８】
この際、第２，４の各電界効果型トランジスタは、そのゲートにチョッパリング信号が入力されることなどでオン、オフ状態を繰り返している。そして、第２，４の各電界効果型トランジスタは、第１，３の各電界効果型トランジスタがオン状態であれば、第２，４の各電界効果型トランジスタのオン、オフ状態に関係なく電流が流れるが、第１，３の電界効果型トランジスタがオフ状態の場合には、第２，４の各電界効果型トランジスタがチョッパ信号でオン状態とされると電流が流れる。従って、オフ状態の第１，３の電界効果型トランジスタの一方に並列接続された第２，４の各電界効果型トランジスタがチョッパ信号でオン状態にされると、第１，２のスイッチの両方がオン状態となり、各交流出力端子が短絡される。
【００１９】
これにより、交流出力信号の電圧をチョッパリングで高めることができるとともに、整流制御は、各交流出力端子にゲートが接続された第１，３の電界効果型トランジスタで行っているので、コンパレータ等を用いる必要がなく、構成が簡単となって部品点数を少なくでき、かつコンパレータの消費電力による充電効率の低下も防止できる。さらに、交流出力端子の電圧を利用して第１，３の電界効果型トランジスタのオン、オフを制御しているので、各交流出力端子の極性に同期して各電界効果型トランジスタを制御することができ、整流効率を向上することができる。その上、ブレーキを発電部の全波に渡って掛けられるため、ブレーキ量を大きくでき、より持続時間を長くできる。
【００２０】
また、電源装置において、蓄電部は、セラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサであることが好ましい。
【００２１】
このような蓄電部を構成するコンデンサとしては、電解コンデンサ等を用いてもよいが、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサを用いれば、繰り返し充放電での性能劣化を少なくでき、電源装置の信頼性を高くでき、かつ製品寿命もより長くすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電源装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
本実施形態の電源装置１００は、図１に示すように略円盤状に形成され、図２に示すように、ゼンマイ１ａ、香箱歯車１ｂ、香箱真１ｃ及び香箱蓋１ｄからなる香箱車１を備えている。ゼンマイ１ａは、外端が香箱歯車１ｂ、内端が香箱真１ｃに固定される。香箱真１ｃは、地板２から立設された軸にネジ５で固定されて回転できないようになっている。この地板２には、円板状の文字板４が取り付けられており、この文字板４には、ゼンマイ１ａの巻き量が表示されている。
【００２４】
香箱歯車１ｂの回転は、二番車７に伝達され、さらに三番車８、四番車９、五番車１０、六番車１１、ロータ１２へと順次伝達されて増速されている。なお、三番車８〜ロータ１２は地板２および輪列受け３に軸支され、二番車７は地板２および７番受け１１３に軸支されている。
【００２５】
二番車７の軸７ａには、ゼンマイ１ａを巻くことができ、かつ、そのゼンマイ１ａの残り量を表示する残量表示針１４が取り付けられている。そして、この軸７ａには、香箱歯車１ｂに噛合する歯が形成されている。さらに、軸７ａには、リング状に形成されかつ三番車８に噛合する歯７ｂが軸７ａに嵌合されている。
【００２６】
この電源装置１００は、ロータ１２およびコイルブロック１２１，１３１を含み構成される発電機２０を備えている。ロータ１２は、ロータかな１２ａ、ロータ磁石１２ｂを備えて構成される。
【００２７】
コイルブロック１２１，１３１は、ステータ（コア、磁心）１２３，１３３にコイル１２４，１３４を巻線して構成されたものである。ステータ１２３，１３３は、ロータ１２に隣接して配置されるコアステータ部１２２，１３２と、前記コイル１２４，１３４が巻回されるコア巻線部１２３ｂ、１３３ｂと、互いに連結されるコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａとが一体に形成されて構成されている。
【００２８】
前記各ステータ１２３，１３３つまり各コイル１２４，１３４は互いに平行に配置されている。そして、前記ロータ１２は、コアステータ部１２２，１３２側において、その中心軸が各コイル１２４，１３４間に沿った境界線Ｌ上に配置され、コアステータ部１２２，１３２が前記境界線Ｌに対して左右対称となるように構成されている。ここで、各コイル１２４，１３４の巻数は同数とされている。本実施形態においては、巻数が同数とは、完全に同数の場合だけではなく、コイル全体からは無視できる程度の誤差、例えば数百ターン程度の違いまでをも含むものである。
【００２９】
各ステータ１２３，１３３のロータ１２が配置されたステータ孔１２２ａ，１３２ａには、図２に示すように、位置決め部材６０が配置されている。そして、図１に示すように、各ステータ１２３，１３３の長手方向の中間部分つまりコアステータ部１２２，１３２およびコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａ間に、偏心ピンからなる位置決め治具５５を配置している。
【００３０】
位置決め治具５５は、ビスに類似するが、その軸心を偏心させて地板２に回動可能に軸支したものである。そして、位置決め治具５５の平小ネジ状の頭部でステータ１２３，１３３の上面を押えつつこれを回動することで、各ステータ１２３，１３３のコアステータ部１２２，１３２を位置決め部材６０に当接させ、その位置合わせを正確にかつ簡単に行うことができる。また、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの側面同士を確実に接触させることができる。
【００３１】
なお、位置決め治具５５は、鉄等の金属材で構成されている。また、例えば、位置決め部材６０が設けられていない場合等には、ステータ１２３，１３３の位置を微調整する際に、前記位置決め治具５５を用いてもよい。位置決め後は、ステータ１２３，１３３をビス２１等を用いて固定すればよい。
【００３２】
なお、各ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａは、その側面が当接されて互いに連結されている。また、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの下面は、各コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａに跨って配置された図略のヨークに接触されている。これにより、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａでは、各コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの側面部分を通る磁気導通経路と、コア磁気導通部の下面およびヨークを通る磁気導通経路との２つの磁気導通経路が形成され、ステータ１２３，１３３は環状の磁気回路を形成している。各コイル１２４，１３４は、ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａからコアステータ部１２２，１３２に向かう方向と同方向に巻線されている。
【００３３】
これらの各コイル１２４，１３４の端部は、ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａ上に設けられた図示しないコイルリード基板に接続されている。
【００３４】
このように構成された電源装置１００を使用している場合、各コイル１２４，１３４に外部磁界Ｈ（図１）が加わると、外部磁界Ｈは平行に配置された各コイル１２４，１３４に対して同方向に加わるため、各コイル１２４，１３４の巻線方向に対しては外部磁界Ｈは互いに逆方向に加わることになる。このため、外部磁界Ｈによって各コイル１２４，１３４で発生する起電圧は互いに打ち消し合うように働くため、その影響を軽減できる。
【００３５】
次に、このような電源装置１００の制御回路について、図３〜６を参照して説明する。
【００３６】
図３には、本実施形態の機能を示すブロック図が示されている。
【００３７】
発電機２０は、増速輪列７〜１１を介してゼンマイ１ａによって駆動され、誘起電力を発生して電気的エネルギを供給する。この発電機２０からの交流出力は、全波整流、半波整流、トランジスタ整流等からなる整流器３５を通して整流され、蓄電部であるコンデンサ３６に充電される。
【００３８】
コンデンサ３６には、プラスおよびマイナスの各出力端子３６ａ，３６ｂが設けられ、この各出力端子３６ａ，３６ｂから外部の機器に電力を供給できるように構成されている。
【００３９】
そして、コンデンサ３６から供給される電圧は、コンパレータ等からなる比較器３７によって、予め、基準電圧が設定された基準電圧発生回路３８からの電圧と比較され、この比較器３７からの信号が後述するチョッパ制御回路１８０に出力されるようになっている。なお、コンデンサ３６は、繰り返し充、放電しても性能の劣化がないように、セラミックコンデンサあるいはフィルムコンデンサであることが好ましい。
【００４０】
また、本実施形態では、整流器３５を含むブレーキ回路７０を発電機２０に設けている。具体的には、図４にも示すように、発電機２０の出力端である第１の出力端子ＭＧ１、第２の出力端子ＭＧ２を短絡させてショートブレーキを掛ける第１および第２のスイッチ７１，７２によりブレーキ回路７０が構成されている。
【００４１】
本実施形態では、第１のスイッチ７１は、第２の出力端子ＭＧ２にゲートが接続されたＰｃｈの第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６と、後述するチョッパ制御回路１８０からのチョッパ信号（チョッパパルス）ＣＨ３がゲートに入力される第２の電界効果型トランジスタ７７とが並列に接続されて構成されている。
【００４２】
また、第２のスイッチ７２は、第１の出力端子ＭＧ１にゲートが接続されたＰｃｈの第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８と、チョッパ制御回路１８０からのチョッパ信号（チョッパパルス）ＣＨ３がゲートに入力される第４の電界効果型トランジスタ７９とが並列に接続されて構成されている。
【００４３】
そして、発電機２０に接続された２つのダイオード７５，７５、第１のスイッチ７１、第２のスイッチ７２により整流器（簡易同期チョッパ整流器）３５が構成されている。なお、ダイオード７５としては、一方向に電流を流す一方向性素子であればよく、その種類は問わない。特に、ダイオード７５として降下電圧Ｖｆが小さいショットキーバリアダイオードを用いれば、電源装置１００に、起電圧が小さくて小型の発電機２０を用いることができる。
【００４４】
前記ブレーキ回路７０は、チョッパ制御回路１８０により制御されている。
【００４５】
このチョッパ制御回路１８０は、比較器３７の出力つまりコンデンサ３６の電圧が基準電圧よりも大きいか否かを表す信号によって、矩形波パルスであるチョッパ信号ＣＨ３のデューティ比を変えるように構成されている。そして、チョッパ制御回路１８０からの出力ＣＨ３は、第２，４の電界効果型トランジスタ７７、７９のゲートに入力されるようになっている。
【００４６】
すなわち、チョッパ出力ＣＨ３がＬレベルの間は、トランジスタ７７，７９はオン状態に維持され、発電機２０がショートされてブレーキが掛かる。一方、チョッパ出力ＣＨ３がＨレベルの間は、トランジスタ７７，７９はオフ状態に維持され、発電機２０にはブレーキが加わらない。このように、出力ＣＨ３からのチョッパ信号によって発電機２０をチョッパリング制御することができる。
【００４７】
次に、本実施形態における動作を図５のタイミングチャートと、図６のフローチャートとを参照して説明する。
【００４８】
発電機２０が作動し始めると、コンデンサ３６からの供給電圧と、基準電圧発生回路３８からの基準電圧（例えば３Ｖ）とが、比較器３７で比較される（Ｓ１１）。
【００４９】
そして、コンデンサ３６からの供給電圧Ｖｓｓが基準電圧３Ｖより大きい場合には、図５に示すように、Ｌレベル信号（ブレーキオン時間）の期間が徐々に長くなるように、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比（トランジスタ７７，７９をオンしている比率）が徐々に大きくされる（Ｓ１２）。従って、基準周期におけるブレーキオン時間が長くなり、発電機２０に対してはブレーキオン制御が行われるが、一定周期でブレーキがオフされるためにチョッパリング制御が行われ、発電電力の低下を抑えつつ制動トルクを向上することができる。
【００５０】
一方、コンデンサ３６からの電圧Ｖｓｓが基準電圧（３Ｖ）以下の場合には、、Ｈレベル信号（ブレーキオフ時間）の期間が徐々に長くなるように、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比が徐々に小さくされる（Ｓ１３）。従って、基準周期におけるブレーキオン時間が短くなり、発電機２０に対しては、ブレーキ量の小さな、つまり発電電力を優先したブレーキオフ制御が行われる。この際、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比の可変割合は、実施時に適宜設定すればよい。
【００５１】
なお、整流器３５では、次のようにして発電機２０で発電した電荷を電源回路３６に充電している。すなわち、第１の端子ＭＧ１の極性が「＋」で第２の端子ＭＧ２の極性が「−」の時には、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオンされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオフされる。このため、発電機２０で発生した誘起電圧の電荷は、図４に示す「▲５▼→▲６▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ３６に充電される。
【００５２】
一方、第１の端子ＭＧ１の極性が「−」で第２の端子ＭＧ２の極性が「＋」に切り替わると、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオフされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオンされる。このため、図４に示す「▲８▼→▲７▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼→▲５▼」の回路によってコンデンサ３６が充電される。
【００５３】
なお、各々の状態で、チョッパパルスにより発電機２０の両端が短絡され、開放されると、コイルの両端に高電圧が誘起され、この高い充電電圧によってコンデンサ３６を充電することで充電効率が向上する。
【００５４】
このようなチョッパリング制御による発電電流と発電機回転スピードとの関係が、図７に表示されている。この図７に示すように、チョッパリング制御によるデータ８１は、チョッパリング制御を行わない従来のデータ８２と比較して緩やかな曲線状となっている。このため、例えば所定の発電電流Ａを得るのに、チョッパリング制御では、回転数Ｂ１で足りるが、従来ではＢ１よりも大きなＢ２の回転数を必要としている。つまり、チョッパリング制御によればゼンマイ１ａの解放速度を遅くできて持続時間が長くなり、機械エネルギの有効活用が可能となる。
【００５５】
このような本実施形態によれば次のような効果がある。
【００５６】
１）発電機２０のブレーキ制御をチョッパリング制御により行っているので、ブレーキ時の発電電力の低下を、スイッチオフ時の起電圧の高まり分で補填でき、発電電力を一定以上に保ちながら制動トルクを増加できる。このため、発電機２０の両端を短絡した際の電流を熱として消費せずに有効利用できるので、機械エネルギを有効に利用することができ、ゼンマイ１ａ（機械エネルギ蓄積手段）の持続時間を長くでき、電源装置１００を長時間動作することができる。
【００５７】
その上、チョッパリングによって昇圧できるため、一般的な昇圧回路のように多数のコンデンサを設ける必要がなく、コストも低減できる。
【００５８】
２）ブレーキ量の調整を、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比を変えることで行っているので、充電電圧（発電電圧）を低下させることなくブレーキ（制動トルク）を大きくすることができる。特に、ブレーキオン時にはデューティ比の大きなチョッパ信号を用いて制御しているので、充電電圧の低下を抑えながら制動トルクを大きくすることができ、システムの安定性を維持しながら、効率的なブレーキ制御を行うことができる。これにより、電源装置１００の持続時間もより長くすることができる。
【００５９】
３）ブレーキオフ制御時にも、デューティ比の小さなチョッパ信号によりチョッパ制御しているので、ブレーキをオフしている間の充電電圧をより向上することができる。つまり、発電機２０の全波に対してチョッパブレーキを掛けることができるため、半波に対してのみ掛ける場合に比べてブレーキ量を大きくすることができ、持続時間をより長くできる。
【００６０】
４）ブレーキ量の調整は、電圧が３Ｖ以上か、３Ｖ以下であるかのみで設定され、ブレーキ時間等を別途設定する必要もないため、比較器３７をシンプルな構成にでき、部品コストや製造コストを低減でき、電源装置１００を安価に提供できる。
【００６１】
その上、コンデンサ３６の供給電圧に応じてデューティ比を複数段階に切り換えることができるため、発電電圧つまり発電機２０のロータ１２の回転速度に応じてブレーキ量を最適に制御できるため、電源装置１００をより効果的に制御できて持続時間をより一層長くすることができる。
【００６２】
５）発電機２０の整流制御は、各端子ＭＧ１，ＭＧ２にゲートが接続された第１，３の電界効果型トランジスタ７６，７８で行っているので、コンパレータ等を用いる必要が無く、構成が簡単になり、かつコンパレータの消費電力による充電効率の低下も防止できる。さらに、発電機２０の端子電圧を利用して電界効果型トランジスタ７６，７８のオン、オフを制御しているので、発電機２０の端子の極性に同期して各電界効果型トランジスタ７６，７８を制御することができ、整流効率を向上することができる。また、チョッパリング制御される第２，４の電界効果型トランジスタ７７，７９を各トランジスタ７６，７８に並列に接続することで、チョッパリング制御を独立して行うことができ、かつ構成も簡易にできる。従って、構成が簡易で、発電機２０の極性に同期しながらチョッパ整流を行える整流器（簡易同期チョッパ整流器）３５を提供することができる。
【００６３】
６）ゼンマイ１ａによって発電機２０や残量表示針１４を回転駆動しているので、従来の電池式電源装置やＡＣ電源式電源装置に比べて、電池交換や電源コード等を不要にでき、使い勝手のよい電源装置にすることができる。
【００６４】
特に、本実施形態では、発電機２０で発電された電力でチョッパ制御回路１８０を駆動しているため、各種電池を設ける必要が無く、電池交換が必要無く、電源装置１００の使い勝手を向上することができる。
【００６５】
７）電池が無いために、電源装置１００を廃棄する際に電池を取り除く必要が無く、廃棄作業も容易に行える。さらに、太陽電池や熱発電素子のような高価な電池を設ける必要がないため、電源装置１００を安価に提供できる。
【００６６】
８）ステータ１２３，１３３が同一形状であるため、同一部品を表裏にして組立てることができ、部品を共用でき、部品数を削減できる。このため、製造コストや部品コストを低減でき、取り扱いも容易にできる。
【００６７】
その上、同一形状のステータ１２３，１３３を左右対称に配置し、かつ各ステータ１２３，１３３のコイル１２４，１３４の巻回数が同じであるため、電源装置１００の外部に発生するＡＣノイズ等による磁束は二本のコイル１２４，１３４内を同数流れ、これによって外部ノイズの影響をキャンセルすることができ、ノイズに強い電源装置１００を形成できる。
【００６８】
次に、図８に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。
【００６９】
本実施形態では、前記第１実施形態の整流器３５にさらに昇圧用のコンデンサ７３を追加した整流器３５’を用いたものである。この実施形態においては、前記第１実施形態の整流回路３５と同一部品には同一符号を付すとともに、その詳細な説明は省略または簡略化し、異なる部分の説明をする。
【００７０】
図８に示すように、本実施形態の整流器３５’は、前記第１実施形態の整流器３５の第１の端子側のダイオード７５に替えて、昇圧用コンデンサ７３とダイオード７４とが配置されている。そして、発電機２０に接続されたダイオード７４，７５、第１のスイッチ７１、第２のスイッチ７２および昇圧用コンデンサ７３により整流器（簡易同期昇圧チョッパ整流器）３５’が構成されている。
【００７１】
このような整流器（簡易同期昇圧チョッパ整流器）３５’では、次のようにして発電機２０で発電した電荷を電源回路３６に充電している。すなわち、第１の端子ＭＧ１の極性が「＋」で第２の端子ＭＧ２の極性が「−」の時には、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオンされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオフされる。このため、発電機２０で発生した誘起電圧の電荷は、図８に示す「▲５▼→▲４▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ７３に充電されるとともに、「▲５▼→▲６▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ３６に充電される。
【００７２】
一方、第１の端子ＭＧ１の極性が「−」で第２の端子ＭＧ２の極性が「＋」に切り替わると、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオフされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオンされる。このため、図８に示す「コンデンサ７３→▲５▼→▲８▼→▲７▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼」の回路によって、発電機２０で発生した誘起電圧と、コンデンサ７３の充電電圧とが加えられた電圧でコンデンサ３６が充電される。その他の制御や作用効果は前記第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００７３】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態の１）〜８）の作用効果を奏することができる。
【００７４】
その上、９）昇圧用コンデンサ７３を備えた簡易同期昇圧チョッパ整流器３５’を用いているので、発電機２０の発電起電圧を低く設定することができる。このため、発電機２０のコイル１２４，１３４の巻数を低減でき、発電機２０の小型化や鉄損の低減、ゼンマイ１ａの小型化を実現できる。これにより、電源装置１００を小型化でき、かつ小さいトルクで動作するためにゼンマイ１ａ等の機械エネルギ蓄積手段の寿命を向上できて電源装置１００の持続時間もより一層長くすることができる。
【００７５】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００７６】
例えば、発電機２０としては、コアのある発電機以外に、電力消費量の多いとき、図９に示すように、コアのない電源装置（コアレス発電機）９５を用いてもよい。電源装置９５は、ロータ９０の上下に取り付けられた１対のほぼ円筒形のバックヨーク９１と、その内側に取り付けられたディスク状の磁石９２を備えており、これらの間に基板９５の上に形成されたコイル９３を持ったステータ９４を挟み込んで構成されている。ステータ９４を形成する磁気回路に鉄損を発生するステータコイルがないため、損失を小さくすることができる。また、この発電器は、磁束に対し巻数を少なくできるため、コイル抵抗による損失も少なく、大電流を取り出しやすい。ただし、ステータ９４の両側にロータが配置されるため、装置に組み込む際には若干の厚みが必要となる。従って、ある程度の厚みが許容される電源装置には好適となる。
【００７７】
また、ステータは、一体型のものなどでもよく、ステータの形状、構造などは実施にあたって適宜設定すればよい。
【００７８】
さらに、機械エネルギ蓄積手段としては、ゼンマイ１ａに限らず、板ばねや重りなどを用いてもよく、要するに機械エネルギ（弾性エネルギや位置エネルギなど）を蓄積できるものであればよい。また、ゼンマイ１ａ等の機械的エネルギ蓄積手段に機械的エネルギを入力する手段としては、前記残量表示針１４やそれ以外の手巻き装置を用いてもよいし、回転錘などを用いた自動巻き装置を用いてもよい。
【００７９】
また、交流発電機に限らず、直流発電機を用いてもよい。直流発電機の場合、例えば、ブラシモータを回転する場合にも、電圧を検出して判断すればよい。なお、直流発電機の場合には、整流回路は無くてもよい。
【００８０】
また、前記実施形態では、電源装置１００に残量表示針１４を設けて電源として利用できる持続時間を指示していたが、例えば、発電機２０にブレーキを掛けない状態でもコンデンサ３６で必要な電圧が得られなくなった際に電気的なブザーや表示針１４が原点に戻ることで作動されるハンマーでベルを叩くことなどでアラームを鳴らして電源装置の出力が低下することを知らせてもよいし、音を鳴らす代わりに、ランプなどを点灯させたりしてもよい。さらに、電源装置１００がコンピュータや携帯電話などの各種機器に組み込まれている場合には、電圧低下時にその機器のスイッチを自動的にオフするように作動してもよい。
【００８１】
さらに、前記チョッパ制御回路によって前記スイッチ７１，７２を断続するチョッパリング周波数は、実施に当たって適宜設定すればよいが、発電機２０の起電圧波形の５倍以上の周波数であることが好ましく、起電圧波形の５倍〜１００倍であることがより好ましい。
【００８２】
チョッパリング周波数が起電圧波形の５倍よりも小さいと、起電圧を高める効果が小さくなるため、起電圧波形の５倍以上であることが好ましい。
【００８３】
また、チョッパリング周波数が起電圧波形の１００倍を越えると、チョッパリングするためにＩＣの消費電力が増大し、発電する電力が多くなるため、チョッパリング周波数は起電圧波形の１００倍以下であることが好ましい。さらに、チョッパリング周波数は起電圧波形の５倍〜１００倍であれば、デューティーサイクルの変化率に対するトルク変化率が一定に近くなり、制御も容易になる。
【００８４】
また、蓄電部としてはコンデンサ３６に限らず、二次電池等を用いてもよい。
【００８５】
さらに、本発明の電源装置１００は、一次電池（単一〜単四等の乾電池やボタン型電池）と同じ形状にして電池の代わりに用いてもよい。また、各種時計、携帯型の血圧計、携帯電話機、ページャ、万歩計、電卓、携帯用パーソナルコンピュータ、電子手帳、携帯ラジオ等の電源として組み込んでも使用してもよい。
【００８６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の電源装置によれば、コストを安くできるとともに、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における電源装置を示す平面図である。
【図２】本実施形態の電源装置の要部を示す断面図である。
【図３】本実施形態における電源装置の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図４】本実施形態の制御回路の構成を示す回路図である。
【図５】本実施形態のチョッパ制御のタイミングチャートである。
【図６】本実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態の発電電流と発電機の回転スピードとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態の制御回路の構成を示す回路図である。
【図９】本発明の変形形態の電源装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 香箱車
１ａ ゼンマイ
１ｂ 香箱歯車
２ 地板
４ 文字板
７ 二番車
８ 三番車
９ 四番車
１０ 五番車
１１ 六番車
１２ ロータ
１２ａ ロータかな
１２ｂ ロータ磁石
１４ 残量表示針
２０ 発電部である発電機
３５ 整流器
３６ 蓄電部であるコンデンサ
３７ 比較器
３８ 基準電圧発生回路
７０ ブレーキ回路
７１，７２ スイッチ
７３ 昇圧用コンデンサ
７４，７５ ダイオード
７７〜７９ 電界効果型トランジスタ
１００ 電源装置
１２１，１３１ コイルブロック
１２２ａ，１３２ａ ステータ孔
１２２，１３２ コアステータ部
１２３，１３３ ステータ
１２３ａ，１３３ａ コア磁気導通部
１２３ｂ，１３３ｂ コア巻線部
１２４，１３４ コイル
１８０ チョッパ制御回路
Claims (3)
- 機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、
この発電部から電力を充電して外部に供給する蓄電部と、
この蓄電部からの供給電圧に基づいて前記発電部の回転速度をチョッパリングにより前記発電部にブレーキを掛けて制御するチョッパ制御回路とを有し、
前記チョッパリングの周波数が、前記発電部の起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍であることを特徴とする電源装置。 - 請求項１に記載の電源装置において、
前記チョッパ制御回路は、前記蓄電部からの供給電圧が基準電圧と比較して高いときはブレーキデューティ比を大きくし、低いときはブレーキデューティ比を小さくすることを特徴とする電源装置。 - 請求項１または２に記載の電源装置において、
前記蓄電部は、セラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサであることを特徴とする電源装置。
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