JP3677955B2

JP3677955B2 - 回転速度制御装置およびこれを備えた機器

Info

Publication number: JP3677955B2
Application number: JP21073397A
Authority: JP
Inventors: 泰治橋本; 和博土屋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH1155976A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粘性流体を用いた回転速度制御装置およびこれを備えた機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蓄積した機械エネルギを回転速度を制御しながら開放し、時計などとして使用する装置が幾つか提案されており、例えば特開昭５９−１３５３８８号や特公平３−３７５２号にはゼンマイに蓄積された機械エネルギを輪列を用いて発電機に伝達し、この発電機によって機械エネルギから変換された電気エネルギーで水晶発振器及び電子回路を駆動し、電子回路で発電機の制動量を調整する事で、回転速度を制御する技術が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような回転速度制御装置を用いた機器は機械エネルギの蓄積装置、例えば手動または重錘を用いたエネルギ補給装置によってゼンマイへのエネルギ蓄積を行い、このゼンマイより供給されるエネルギにより発電機を駆動し発電を行い、水晶振動子や制御用ＩＣを駆動する。制御用ＩＣは水晶振動子の出力を基準信号として発電機の回転速度を制御する事で、回転速度を一定に保つ事ができる。
【０００４】
この様な回転速度制御装置を使用する事で、１次電池や２次電池の不要な精度の高い時計等を得る事ができる。
【０００５】
しかしながらこのような回転速度制御装置は、水晶振動子駆動ブロック、水晶振動子出力から基準信号を作成するブロック、発電機回転速度検出ブロック、基準信号と回転速度比較ブロック、発電機回転速度制御ブロックなどの多くのブロックを必要とする。また発電機回転速度制御ブロックの回路は発電機から発生する大きな電流を直接制御する必要があり、制御用のＩＣは複雑で大規模となる。そのためこのような回転速度制御装置やこれを使用した機器は複雑であり、コストが高いと言う課題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するため本発明においては以下のような手段を用いる。
【０００７】
本発明の回転速度制御装置は、機械エネルギを蓄えるゼンマイからなる駆動源と、前記駆動源によって駆動される電気粘性流体と、前記電気粘性流体の回転速度を調速するために必要な電気エネルギを発生させる電圧発生手段と、前記電気粘性流体に印加する電圧を調整する電圧調整手段とを有することを特徴とする。本発明によれば、ＥＲ流体に印加される電圧を、前記駆動源の発生トルクに応じて変化させる手段がゼンマイの両端の回転差を検出する事が可能となるため、力センサ等を用いることなく、簡単な回路構成で一定の回転速度制御を実現することができる。また、本発明によれば、簡易で低いコストの１次電池の不要な精度の高い回転速度制御装置を得る事ができる。
【０００８】
また、本発明の回転速度制御装置は、前記電圧発生手段は前記駆動源によって駆動される交流前記輪列によって駆動される発電機であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の回転速度制御装置は、前記電気粘性流体に電圧を印加する電極が複数対である事を特徴とする。調速装置内のＥＲ流体に電界を印加する電極を、複数対積層した構成とする事で、低い電圧でＥＲ流体の粘性抵抗を有効に制御することができる。
【００１７】
本発明の機器は、請求項１から４のいずれかに記載の回転速度制御装置を有する事を特徴とする。
【００１８】
これらの手段により、本発明によって簡易で低いコストの１次電池の不要な精度の高い回転速度制御装置やこれを用いた機器を得る事ができる。
【００１９】
【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。図１に本発明の実施例に係る回転速度制御装置を備えた時計装置の概要を示してある。本例の時計装置３０は、格納したＥＲ流体４に電圧を印加可能なように電極５を形成した調速装置３と、着磁ロータ６、ステータ７、発電コイル８を備えた発電装置２０と、着磁ロータ６が回転して得られた交流電流を整流する整流回路９と、整流された電流を蓄積する蓄電手段１１と、蓄電手段１１の電圧を調速装置３に調整して印加する電圧調整手段１３と、駆動輪列２によって調速装置３、発電装置２０と結合され、これらを駆動する機械エネルギーを供給するゼンマイ１５を格納した香箱１と、このゼンマイ１５の発生力に応じて電圧調整手段１３を制御する制御手段４０からなっている。なおＥＲ流体４は、液晶やイオン交換樹脂等を有機溶媒に分散させたものなど、印加する電界によりその流体の粘性抵抗が変化するものであればよい。制御手段４０はゼンマイ１５のたわみをその内端と外端の回転差で表せるように構成された制御輪列１６と、この制御輪列１６によって電圧調整手段１３の可変抵抗器１４の抵抗値を変化させる巻き上げ量指示針１７からなっている。また本例では、時計装置を駆動するためのエネルギー源にゼンマイを用いているが、重り等を吊るし、その落下時のエネルギや、空気を容器に圧縮して注入し、それが吹き出す時のエネルギを用いるなど、輪列を駆動する機械エネルギーを供給できるものであればよい。また蓄電手段１１にはコンデンサ１２を用いているが、２次電池などの電力蓄積能力を備えたものであれば良い。さらに整流回路９は、本例のようにダイオード１０を用いた半波整流に限定されず、全波整流回路であっても良く、インバータなどを用いた整流回路であってももちろん良い。
【００２０】
図１では本例の時計装置を概念図を用いて示してあるが、駆動輪列２および調速装置３などは、整流回路９、蓄電手段１１と平面的に重なる様に配置されており、装置全体の小型化が図られている。
【００２１】
駆動輪列２には不図示の針が取り付けられており、これを用いて時刻を表示する事ができる。
【００２２】
ここでＥＲ流体を用いた調速装置の原理について説明する。図１において香箱１のゼンマイ１５に蓄積された機械エネルギは定常状態において、駆動輪列２や軸受け等の摩擦、調速装置３内のＥＲ流体４の粘性抵抗、発電機２０の磁気損失と発電電力などに消費されているが、簡単のためゼンマイの発生トルクとＥＲ流体の粘性抵抗のみに着目し、説明を行う。
【００２３】
図５に示すように、ゼンマイ１５からの駆動トルクは短い時間の間では、直線６１の様に回転速度に関係なくほぼ一定である。ＥＲ流体４に電圧を印加しない状態で回転速度を変化させると、調速装置３の負荷トルクは６５の様に回転速度にほぼ比例する。これは流体が本来持っている粘性抵抗のためである。しかしながら、回転数に応じた電圧を印加すると、このトルクは曲線６２または６６の様になる。曲線の傾きは、回転速度に対する印加電圧の比例定数が大きいほど大きくなる。これは直線６５に対し、ＥＲ流体４の印加電圧により粘性抵抗が変化する効果が上乗せされるためである。
【００２４】
このような特性によって調速機３は、何らかの外乱によって回転速度が一時的に変化すると通常の粘性抵抗増加分の他に電圧変化分の効果が働き、すばやく安定点に復帰するため、電圧を印加しない場合よりも回転安定性が高い。
【００２５】
また、一般に流体の粘性抵抗は図８の曲線９０に示すように温度によって変化する。しかしながらＥＲ流体は上述した様な回転速度に対する電圧変化分の効果があるので、回転速度の温度による変動は通常の流体よりも小さくなる。さらに後述する様に、通常は回転速度に比例してＥＲ流体に印加する電圧を、温度変化分を補正した値にする事によって、より安定した回転速度制御を行う事ができる。
【００２６】
ここまではゼンマイのトルクが一定である前提で述べた。しかしながら、ゼンマイトルクが変動しても、変動分をＥＲ流体に印加する電圧により補正することで回転速度を一定に保つことができる。図６の曲線６７に示した様にゼンマイ１５の発生トルクは、ゼンマイを巻上げ輪列を駆動し始めてからの経過時間に応じて、それがほどけるため徐々に低下する。すなわちゼンマイのトルクは図５における直線６１から直線６３に変化し、回転速度は６４Ａから６４Ｂに低下する。この時、後述する様に電圧調整手段１３により、ＥＲ流体４の回転速度とトルクの関係を６６に補正する事で回転速度を一定に保ち続ける事ができる。なお、温度変化に対するＥＲ流体の粘性負荷トルクの変動や、ゼンマイ駆動トルクの変動による回転速度の変動が使用目的に対して問題にならない場合はこれらの補正を行う必要がない事はもちろんである。その場合もＥＲ流体の回転速度に対する負荷トルクの特性は図５の曲線６２、６６に示す様に、直線６５に対しＥＲ流体４の印加電圧により粘性抵抗が変化する効果が上乗せされるため、前述したトルクの変動に対する回転速度の変動は回転速度に対応した電圧を印加しない場合よりも小さくなる。
【００２７】
これらの補正を実現するために、図１に示す様に、ＥＲ流体４を格納しＥＲ流体４に電圧を印加可能なように電極５を形成した調速装置３と、発電装置２０と、発電装置２０が発電した交流電流を整流する整流回路９と、整流された電流を蓄積する蓄電手段１１と、蓄電手段１１の電圧を調速装置３に調整して印加する電圧調整手段１３と、駆動輪列２によって調速装置３、発電装置２０と結合され、これらを駆動する機械エネルギーを供給するゼンマイ１５を格納した香箱１と、このゼンマイ１５の発生力に応じて電圧調整手段１３を制御する制御手段４０が必要となる。
【００２８】
以下調速装置３と電圧調整手段１３、制御手段４０の構成について詳細に説明する。
【００２９】
本例の調速装置３は図２に示したように、ＥＲ流体４を格納し不図示の駆動輪列２とかみあう駆動用歯車５２と共に回転する外円筒５１と、外円筒５１を支える軸受け５６ａ、５６ｂと、地板５４に固定され回転しない内円筒５３からなっている。また内円筒５３は地板から絶縁板５５によって絶縁されており、電圧調整手段１３の出力電圧が印加される様な構成となっている。回転する外円筒５１は駆動輪列２と常に噛み合っているため、駆動輪列２もしくは香箱１を地板５４に電気的に接続する事により、外円筒５１もブラシ等を介さずに地板５４に接続することができる。またＡ−Ａ’における調速装置３の断面図を図３に示す。外円筒５１と内円筒５３の間には円板状の電極５７、５８が、互いに接触しないように構成されている。外円筒５１が回転すると外円筒５１に形成されている電極５８も回転し、回転しない内円筒５３に形成されている電極５７との間に満たされているＥＲ流体４によって、粘性抵抗が働く。なお５０１は外円筒５１と共に回転し、ＥＲ流体４が外部に流出しないように封止している絶縁体のパッキンである。
【００３０】
この粘性抵抗は電極５７、５８間の電圧により変化するが、図４の曲線６０に示すように直線ではない。印加電界Ｅに対する粘性抵抗の変化の大きい領域６０２が、領域６０１、６０３よりも望ましい。図３に示すように、電極５７、５８を円板状とし外円筒５１と内円筒５３に互い違いに取り付ける電極を積層した構成とする事により電極間の距離を自在に設定することが可能となるので時計内で実現可能な低い電圧でも、電界ＥをＥＲ流体の粘性抵抗を有効に制御することができる領域６０２に設定することが可能となる。
【００３１】
次に図７を参照して本例の電圧調整手段１３と制御手段４０について説明する。制御手段４０は、ゼンマイ１５の内端に直結された内端車７０、内端車７０と巻き上げ量指示車７５を結合する輪列７１、７３からなる内端伝達系８０と、ゼンマイ１５の外端に直結された外端車７２と、外端車７２と巻き上げ量指示車７５を結合する輪列７４の外端伝達系８１をからなる。２つの伝達系はゼンマイ１５からの減速比が同じで巻き上げ指示車７５を逆方向に駆動するように設定されている。このため巻き上げ量指示針１７は一定範囲よりも外に移動することはなく、ゼンマイの巻き上げ量、すなわちゼンマイの発生トルクに対応した位置を示すようになる。
【００３２】
さらに可変抵抗機１４の両端には発電装置２０の出力を整流し、蓄電しているコンデンサ１２が接続されている。このため回転速度に比例した電圧が検出素子等の手段を設けることなく可変抵抗機１４の両端に印加されることとなる。
【００３３】
今、ゼンマイ１５の外端車７２を不図示のリュウズ等で巻き上げる場合を考える。この時外端伝達系８１は矢印８３の方向に回転し、巻き上げ指示車７５を時計回りに回転させる。この時、巻き上げ量指示車７５に直結し、先端に可変抵抗器１４から電圧を取り出すための電極７８を持つ巻き上げ量指示針１７も左側に移動し、電極７８に出力される電圧は高くなる。この結果調速装置３に印加される電圧も高くなる。この時図５において巻上げ後の高いゼンマイトルク６１に対するＥＲ流体４の粘性抵抗によるトルクは曲線６２となり、回転速度は６４Ａとなる。
【００３４】
一方、ゼンマイ１５は発電機を駆動しながら徐々にほどけて行く。この時内端伝達系８０は矢印８２の方向に回転し、巻き上げ指示車７５を反時計回りに回転させる。この時、巻き上げ量指示針１７は右側に移動し、電極７８には徐々に低い電圧が印加されてゆく事となる。この結果、調速装置３にも徐々に低い電圧が印加される。ゼンマイがほどけて、トルクが図５の直線６３まで下がった時、ＥＲ流体４への印加電圧も下がっているので、粘性抵抗によるトルクは曲線６６となり、回転速度は、やはり６４Ａに保たれる。このようにして力センサ等を用いることなく、簡単な回路構成で一定の回転速度制御を実現することができる。
【００３５】
さらに、この巻き上げ指示針を文字側から見る事ができるようにする事により、この時計があとどの程度持続するかを知る事ができユーザーの利便性も向上する。
【００３６】
また、図７に示したように巻き上げ量指示針１７と電極７８はバイメタル７７で結合されている。前述したように、一般に流体の粘性抵抗は図８の曲線９０に示すように温度変化によって変化する。しかしながら温度変化によってバイメタル７７が変形すると、それに伴い電極７８の位置が変化するため、ＥＲ流体に印加される電圧が温度に応じて補正され、ゼンマイのトルク変動に対する時と同様に回転速度を適正に保つことができる。
【００３７】
なお、前述したように電圧調整手段１３、制御手段４０、バイメタル７７は、温度変化に対するＥＲ流体の粘性負荷トルクの変動や、ゼンマイ駆動トルクの変動による回転速度の変動が使用目的に対して問題にならない場合は省略する事ができる。
【００３８】
この様に、図１に示した本例の回転速度制御装置を備えた時計装置３０は調速装置３にＥＲ流体４を用い、このＥＲ流体４に印加する電圧に、駆動輪列２で調速装置３と機械エネルギーの供給源であるゼンマイ１５と結合された発電装置２０で発電された電力を、ゼンマイ１５のトルクに応じて補正した電圧で印加する事により、複雑な電子回路によることのない、低コストで精度の高い回転速度制御を行う事ができる。また図３に示す様に、調速装置３においてＥＲ流体４に電圧を印加する電極５７、５８を円板状とし外円筒５１と内円筒５３に互い違いに取り付ける構成とする事により、低い電圧においてもＥＲ流体４の粘性抵抗トルクの変化を大きくする事が可能となり、時計内で実現可能な低い電圧でＥＲ流体４を直接制御することができる。さらに巻き上げ量指示針１７と電極７８をバイメタル７７で結合する事により、ＥＲ流体４の温度変化に対する粘性抵抗変化を補正する事ができ、より高精度の回転速度制御が可能となる。
【００３９】
上記実施例では、ＥＲ流体４を格納する調速装置３に円筒形の容器を使用し、内円筒５３を固定して外円筒５１を回転させたが、外円筒５１を固定し内円筒５３を回転させてもよい事はもちろんである。
【００４０】
さらに調速装置３の形状も円筒のみでなく図９に示したような円板状の調速装置１００で、地板５４に固定された下円板１０１と、下円板１０１に取り付けられた同心円状の電極１０３と、駆動輪列２によって駆動される上円板１０２と、上円板１０２に取り付けられ、電極１０３に接触しないよう電極１０３の中間のピッチで構成された電極１０４を持ち、これらの間にＥＲ流体４を格納した構成でもよい。
【００４１】
なお５０２、５０３はＥＲ流体４が外部に流出しないように封止している絶縁体のパッキンである。また円筒状の調速装置３と同様に調速装置内のＥＲ流体に電界を印加する電極を積層した構成とする事で、電圧調整手段１３からの低い電圧でＥＲ流体の粘性抵抗を有効に制御することができる。この様な調速装置１００は前述した円筒状の調速装置３に対し、調速装置の薄型化に有利である。
【００４２】
前記実施例では回転速度を一定に保つ制御の実現方法を述べたが、ＥＲ流体に印加する電圧を制御することにより、任意の回転数を実現することができる。図１０にこのような回転速度制御装置を用いた警告装置を示す。
【００４３】
本例の警告装置１２０は、ＥＲ流体４を格納した調速装置３と、着磁ロータ１２６、ステータ１２７、発電コイル１２８を備えた発電装置１４０と、着磁ロータ１２６が回転して得られた電力によって発光する発光素子１２９と、輪列１２２によって発電装置１４０や、発光素子１２９の光を反射する反射板１３１と結合され、これらを駆動する機械エネルギーを供給するゼンマイ１３５を格納した香箱１２１からなっている。また本例では、時計装置を駆動するためのエネルギー源にゼンマイを用いているが、重り等を吊るし、その落下時のエネルギや、空気を容器に圧縮して注入し、それが吹き出す時のエネルギを用いるなど、輪列を駆動する機械エネルギーを供給できるものであればよい。
【００４４】
このように構成された警告装置１２０は周囲が明るい昼間は、太陽電池１３０の発生電圧がＥＲ流体４に印加されるため粘性抵抗が大きく回転しないが、夜間、太陽電池１３０の発生電圧が低下するとＥＲ流体の粘性抵抗が小さくなり、回転を開始する。この時発電装置１４０も回転するため、この発生電力によって発光素子１２９が点灯する。さらに輪列１２２の回転によって反射板１３１も駆動されるため、光が反射・明滅し警告装置として機能する。
【００４５】
この様に、本例の回転速度制御装置を備えた警告装置１２０は調速装置３にＥＲ流体４を用い、このＥＲ流体４に印加する電圧に、太陽電池１３０の発生電圧を用い、駆動輪列１２２により調速装置３と機械エネルギーの供給源であるゼンマイ１３５と結合された発電装置１４０で発電された電力を、発光素子１２９の発光に用いる事で電源の必要がなく、夜間に自動点滅する警告装置を得る事ができる。またこの警告装置は太陽電池の電力を蓄積し夜間発光するものの様に、２次電源が必要ではないため、２次電源の劣化による故障もなく、半永久的に使用が可能である。
【００４６】
また、本発明は上記の実施例で説明した時計装置・警告装置に限定するものではない。回転速度の制御が必要なタイマー、温度・湿度等の記録計、太陽・星の追尾装置、レコードプレーヤー、オルゴール、ゼンマイ駆動の模型・人形などの遊具等にも適用が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ＥＲ流体に印加される電圧を、前記駆動源の発生トルクに応じて変化させる手段がゼンマイの両端の回転差を検出する事が可能となるため、力センサ等を用いることなく、簡単な回路構成で一定の回転速度制御を実現することができる。また、本発明によれば、簡易で低いコストの１次電池の不要な精度の高い回転速度制御装置を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る回転速度制御装置を備えた時計装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す回転速度制御装置の構成を示す図である。
【図３】図２に示す回転速度制御装置の構成を拡大して示す断面図である。
【図４】ＥＲ流体の印加電界に対する粘性抵抗の変化を表す図である。
【図５】図１に示す回転速度制御装置の回転速度制御原理を、ゼンマイの発生トルクとＥＲ流体の粘性抵抗によるトルクの関係から表した図である。
【図６】図１に示すゼンマイの、経過時間によるトルク変化を示す図である。
【図７】図１に示す電圧調整手段を制御する制御手段の構成を示す図である。
【図８】流体の温度に対する粘性抵抗の変化を表す図である。
【図９】回転速度制御装置の他の構成を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係る回転速度制御装置を備えた警告装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１・・香箱
２・・駆動用輪列
３・・調速装置
４・・ＥＲ流体
５・・電極
６・・着磁ロータ
７・・ステータ
８・・発電コイル
９・・整流回路
１０・・ダイオード
１１・・蓄電手段
１２・・コンデンサ
１３・・電圧調整手段
１４・・可変抵抗器
１５・・ゼンマイ
１６・・制御輪列
１７・・巻き上げ量指示針
１８・・時刻指示針
２０・・発電装置
３０・・時計装置
４０・・制御手段
５１・・外円筒
５２・・駆動用歯車
５３・・内円筒
５４・・地板
５６・・軸受け
５７、５８・・電極
６０・・ＥＲ流体の粘性抵抗と印加電界の関係
６１、６３・・ゼンマイ発生トルクと回転速度の関係
６２、６５、６６・・ＥＲ流体の粘性抵抗トルクと回転速度の関係
６７・・ゼンマイ発生トルクと経過時間の関係
７０・・内端車
７２・・外端車
７６・・巻き上げ量指示針
７７・・バイメタル
７８・・電極
１００・・円板状の調速装置
１２０・・ＥＲ流体を用いた警告装置

Claims

機械エネルギを蓄えるゼンマイからなる駆動源と、
前記駆動源によって駆動される電気粘性流体と、
前記電気粘性流体の回転速度を調速するために必要な電気エネルギを発生させる電圧発生手段と、
前記電気粘性流体に印加する電圧を調整する電圧調整手段とを有することを特徴とする回転速度制御装置。
請求項１において、前記電圧発生手段は前記駆動源によって駆動される交流発電機であることを特徴とする回転速度制御装置。
請求項１または２のいずれかにおいて、前記電気粘性流体に印加される電圧を、前記駆動源の発生トルクに応じて変化させる手段を持つことを特徴とする回転速度制御装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記電気粘性流体に電圧を印加する電極が複数対であることを特徴とする回転速度制御装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の回転速度制御装置を有することを特徴とする機器。