JPH085758A - ゼンマイ式発電機を備えた電子制御メカウオッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】発電機のヒステリシス損失を低減することによ
り、機械エネルギから電気エネルギへの変換効率を向上
させ、持続時間の長い電子制御メカウオッチを実現す
る。 【構成】香箱車１内に納められたゼンマイ１ａの回転
は、輪列を構成する二番車７から六番車１１を経由して
ロータ１２に伝えられる。ここで、発電機（ロータ１
２、ステータ１５、コイルブロック１６等で構成）の磁
気回路を形成するステータ体１５ａ及び磁心１６ａを、
１０（Ｏｅ）着磁後の保磁力が０．０５（Ｏｅ）以下の
材料にすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ゼンマイが開放する時
の機械エネルギを発電機で電気エネルギに変換し、その
電気エネルギにより制御回路を駆動し、発電機の回転周
期を制御することにより、輪列に固定される指針を正確
に駆動するウオッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】発電機を搭載したウオッチとして、特開
昭５２−８４７７４号公報に記載される発電装置付電子
時計が知られている。

【０００３】また、ゼンマイから輪列を介して駆動され
る発電機の電気エネルギにより回路を駆動し、発電機の
コイルに流れる電流値を制御することにより正確に時刻
を表示するウオッチ（以下電子制御メカウオッチと称
す。）として、特公平３−３７１５２号公報、特開昭５
９−１３５３８８号公報、特開昭５９−１１６０７８号
公報、特開昭６１−９５２７２号公報に記載されるもの
が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発電装
置付電子時計は、発電した電力を一旦蓄える二次電池に
寿命があり、交換及び廃棄処理の課題を有している。ま
た、回転錘の位置エネルギを電気エネルギに変換する発
電機と、その電気エネルギにより指針を駆動するモータ
を必要とするため、部品点数が増加しコストアップする
と共に、回路を作動させる電気エネルギとモータを駆動
する電気エネルギを発電しなければならず、時計を作動
するために大きな機械エネルギを入力しなければならな
い。

【０００５】これに対し、電子制御メカウオッチは、指
針の駆動はゼンマイを動力源とするためモータが不要で
あり、部品点数が少なく安価であるという特徴がある。
その上、電子回路を作動させるのに必要な僅かな電気エ
ネルギを発電するだけでよく、少ない入力エネルギで時
計を作動できる。

【０００６】しかし、電子制御メカウオッチは以下の課
題を有している。すなわち、ゼンマイから供給される機
械エネルギは、ヒステリシス損失及び渦電流損失からな
る磁気損失、電気損失、及び発電電力として消費される
が、このうちヒステリシス損失の割合が非常に大きいこ
とである。

【０００７】ここで、効率をゼンマイから供給される機
械エネルギに対する発電電力の割合として定義する。そ
して、一般的に効率は定速回転する発電機では充電され
るコンデンサ電圧により変化し、あるコンデンサ電圧値
をピークにそれより高くても低くても効率は低下するこ
とが知られている。

【０００８】ウオッチの場合、電子回路を作動させるた
めには少なくとも１Ｖで０．１μＡの電力が必要にな
る。これが発電電力に相当する。また、ゼンマイから発
電機までの増速比をあまり大きくせずに持続時間を長く
するためには、発電機の回転数をできるだけ小さくした
い。このため、発電機の起電圧は必要とするコンデンサ
電圧１Ｖより僅かに高い設定になり、最大効率点よりコ
ンデンサ電圧が高く、効率が悪いと考えられる。ちなみ
に、ウォッチに搭載できる一般的な発電機で、１Ｖで
０．１μＡの発電をするときのの各損失は、ヒステリシ
ス損失が１μＷ、渦電流損失が０．１μＷ、電気損失が
０．２μＷであった。従って、この発電機の効率を計算
すると７％になる。また、全体の７０％がヒステリシス
損失で失われていることがわかる。

【０００９】仮に、ヒステリシス損失を低減するため
に、磁気回路に流れる磁束量を減らせば、起電圧１Ｖを
確保するために、発電機をより高速で回さなければなら
ない。これに伴い、発電機の１回の回転でのヒステリシ
ス損失は減少するが、回転数が増加したためトータルの
ヒステリシス損失量はあまり減少しない。また、同じ１
Ｖ程度の起電圧を発生するためには同程度の渦電流損失
トルクが必要になり、回転数が高くなった分だけ渦電流
損失は増加する。従って、磁気損失トータルではほとん
ど変化しない。

【００１０】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るものであって、発電機の磁気回路のヒステリシス損失
を削減し、機械エネルギから電気エネルギへの変換効率
を向上させることにより、動作持続時間の長い電子制御
メカウオッチを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のゼンマイ式発電
機を備えた電子制御メカウオッチは、ゼンマイの機械エ
ネルギを輪列を介して電気エネルギに変換する発電機を
備え、指針を前記輪列と結合したウオッチにおいて、発
電機の磁気回路は少なくとも、永久磁石を有するロー
タ、永久磁石と対向するステータ、磁心にコイル線を巻
いたコイルブロックにより形成されると共に、前記ステ
ータと前記磁心は共に１０（Ｏｅ）着磁後の保磁力が
０．０５（Ｏｅ）以下であることを特徴とする。

【００１２】また、ステータと磁心の材料はＰＣパーマ
ロイまたはスーパーマロイであることが望ましい。

【００１３】

【作用】本発明は、電子制御メカウォッチ固有の特徴を
活かすようなゼンマイ式発電機を構成することにより、
電子制御メカウォッチの動作持続時間の長時間化を図っ
たものである。

【００１４】上述したように、電子制御メカウォッチの
特徴は以下のようである。すなわち、 ・指針を駆動するモータが不要である。このため、必要
な電力は電子回路を動作させるためのものだけでよい
（小発電電力で済む） ・指針が輪列に結合しているためゼンマイトルクは一定
でなければならないが、長時間持続させるために、ゼン
マイの有する発電エネルギを時間をかけてゆっくり放出
する必要がある（小発電電力、長時間動作）。

【００１５】これに対して、発電装置付電子時計は電子
制御メカウォッチよりもはるかに大電力が必要となる。
このため、発電装置付電子時計の発電機は発電効率より
も発電電力量を重視しているが、電子制御メカウォッチ
の場合は発電電力量よりも発電効率が重要である。

【００１６】そこで、本発明は、このことに基づいて発
電効率の改善を図ったものである。そのため、発電機の
磁気回路を構成するステータ及び磁心のヒステリシスル
ープの面積を小さくするような磁気特性を発揮するよう
に構成する。これにより、ヒステリシス損失の低減が可
能となるものである。

【００１７】

【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。

【００１８】図１は本発明に係る電子制御メカウオッチ
の要部を示す平面図であり、図２及び図３はその断面図
であり、図４は発電及び制御概念を示すブロック図であ
る。

【００１９】まず電子制御メカウオッチの構成を説明す
る。１は香箱車であり、ゼンマイ１ａ、香箱歯車１ｂ、
香箱真１ｃ及び香箱蓋１ｄから構成される。ゼンマイ１
ａ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と輪列受３に支持され、角穴車
４と一体で回転する様に角穴ネジ５により固定される。
角穴車４は時計方向には回転するが、反時計方向には回
転しない様にこはぜ６と噛み合っている。なお、角穴車
４を時計方向に回転しゼンマイを巻く方法については、
メカウオッチの自動巻または手巻機構と同様であり、本
発明はそれを限定するものではないため、ここでは説明
を省略する。

【００２０】香箱歯車１ｂの回転は７倍に増速され二番
車７、順次６．４倍増速して三番車８、９．３７５倍増
速して四番車９、３倍増速して五番車１０、１０倍増速
して六番車１１、１０倍増速してロータ１２へと、合計
１２６，０００倍の増速をする。二番車７には筒かな７
ａ、筒かな７ａには分針１３、四番車９には秒針１４が
固定されている。従って、二番車７を１ｒｐｈ、四番車
９を１ｒｐｍで回転させるためには、ロータ１２は５ｒ
ｐｓで回転する様に制御すればよい。このときの香箱歯
車１ｂは、１／７ｒｐｈとなる。

【００２１】発電機は、ロータ１２、ステータ１５、コ
イルブロック１６から構成される。ロータ１２は、ロー
タ磁石１２ａ、ロータかな１２ｂ、ロータ慣性円板１２
ｃから構成される。ロータ慣性円板１２ｃは、香箱車１
からの駆動トルク変動に対しロータ１２の回転数変動を
少なくするためのものである。ステータ１５は、ステー
タ体１５ａに４万ターンのステータコイル１５ｂを巻線
したものである。コイルブロック１６は、磁心１６ａに
１１万ターンのコイル１６ｂを巻線したものである。こ
こで、ステータ体１５ａと磁心１６ａはＰＣパーマロイ
でる。また、ステータコイル１５ｂとコイル１６ｂは各
々の発電電圧を加えた出力電圧がでる様に直列に接続さ
れている。

【００２２】次に、図４により充電及び制御概念の１例
について説明する。破線でかこった部分がＩＣ３１であ
る。発電機２０の交流の出力をダイオード２１及び２２
によりコンデンサ２３に充電する側と、可変抵抗手段２
４側とに分割する。コンデンサ２３に１Ｖの電圧が蓄え
られると、発振回路３０は水晶振動子２９を駆動し、分
周回路２６に時間情報を送る。演算回路２５は分周回路
２６の信号と発電器２０の回転数を検出する周期検出手
段２７を比較し、可変抵抗制御手段２８により可変抵抗
手段２４を制御する。仮に発電器２０の回転周期が小さ
ければ、可変抵抗手段２４の抵抗値を小さくし、電磁ブ
レーキ量を大きくすることにより、正規の周期に戻すこ
とができる。ここで、ＩＣ３１の消費電流は０．１μＡ
以下にしてあるため、ロータ１２が５ｒｐｓで回転する
ときの発電能力１Ｖで０．１μＡより消費電力が小さ
く、コンデンサ２３の電圧は１Ｖを下回ることはない。

【００２３】次に本実施例におけるトルク的な作動原理
を説明する。図５はゼンマイトルクＴｚとゼンマイの巻
込角度ｎとの関係を示すグラフである。図中に記載のＴ
ｎ４５ｇｃｍは発電に必要なトルクであり、その内訳
は、主に輪列の軸受や歯車で失われるの摩擦伝達損失ト
ルクと発電機での磁気損失トルクの和Ｔｓ３３ｇｃｍ、
発電機及び充電回路での電気損失トルクＴｅ８ｇｃｍ、
回路で消費される電気エネルギ０．１μＷに相当する発
電に必ず必要なトルクＴｇ４ｇｃｍである。Ｔｂ１５０
ｇｃｍはブレーキをかけるときに発生するＴｎに上乗せ
される最大ブレーキトルクである。Ｔｎ＋Ｔｂは発電機
でゼンマイを制動するときの最大トルクであり、それ以
上の制動トルクを発生することはできない。ここで、各
トルクは増速輪列による増速比１２６０００によりゼン
マイ周りに換算した値である。

【００２４】ＴｚはＴｎより大きく、かつＴｎ＋Ｔｂよ
り小さいことが、このシステムの成り立つ必要条件であ
る。従って、ｎ＝０からＴｚがＴｎと一致するｎ＝６．
５までの領域ではゼンマイを定速で解くことができ、ウ
ォッチの動作持続時間に相当する。この時、ＴｚがＴｎ
より大きい分の電磁ブレーキをかければよい。従って、
発電に寄与するゼンマイの総エネルギは４５ｇｃｍ×
６．５巻で０．１８Ｊとなり、４５ｇｃｍより大きい分
は発電に寄与しない。ｎ＝６．５からＴｚが０となるｎ
＝８までの領域では、回路が作動するのに必要なエネル
ギをゼンマイから供給することができなくなり、回路が
停止し、正確な時刻を指示できない。

【００２５】次に、磁気回路を構成する材料として用い
られるＰＣパーマロイとＰＢパーマロイの特性について
述べる。

【００２６】図６は、本実施例のロータ１２の回転数に
対する磁気損失トルクＴｓの関係の測定結果をしめすグ
ラフである。実線は磁心１６ａの材料が本実施例のＰＣ
パーマロイであり、破線は発電装置付電子時計等で一般
的に使用されるＰＢパーマロイである。なお、ステータ
体１５ａとしては共にＰＣパーマロイを使用した。

【００２７】ＰＣパーマロイとＰＢパーマロイの違い
は、速度依存性の無い損失トルクとして表れるヒステリ
シス損失トルクが、ＰＣパーマロイは２９ｇｃｍに対し
て、ＰＢパーマロイは４０ｇｃｍとＰＣパーマロイの方
が約３０％低いことである。これは、ＰＣパーマロイの
方がＰＢパーマロイより保磁力が小さいことによるヒス
テリシスループの面積が小さいためである。ちなみに、
１０（Ｏｅ）着磁後の保持力は、ＰＣパーマロイは０．
０１（Ｏｅ）程度、ＰＢパーマロイは０．１（Ｏｅ）程
度であり、約１０倍の違いがある。また、傾きはほぼ同
じであり、ＰＣパーマロイとＰＢパーマロイでは、渦電
流損失に差がないことを示している。この時、ロータ１
２が５ｒｐｓで回転する時の渦電流損失トルクは共に４
ｇｃｍである。

【００２８】また、飽和磁束密度はＰＢパーマロイがＰ
Ｃパーマロイの約２倍である。通常のクオーツウオッチ
のステッピングモータは、駆動回路からの出力パルスに
より、多くの磁束を磁心に流す必要がある。発電装置付
電子時計は、発電機の１回の回転で大電力を発電する必
要がため、比較的大きな磁束を磁心に流さなければなら
ない。ここで、磁心材料の飽和磁束密度が小さいと、磁
心断面積を大きくしなければならず、スペース効率が悪
い。

【００２９】一方、発電機としてみた場合、ヒステリシ
スループが小さい材料の方が損失は少ないが、起電圧を
コンデンサ電圧に比べてかなり高い設定にできれば、発
電効率に対するヒステリシス損失の与える影響度はそれ
ほど大きくない。従って、クオーツウオッチのモータや
発電装置付電子時計の発電機には総合的にＰＢパーマロ
イが適している。

【００３０】これに対し、電子制御メカウオッチでは、
常時少量の電力しか発電しないため、ヒステリシス損失
の発電効率に与える影響度が大きい。また、大きな電力
を発電しない分、磁心に流す磁束量も小さいくてよい。
ちなみに、図６に示す本実施例の発電機でロータ１２を
５ｒｐｓで回転する時、ヒステリシス損失は０．７μ
Ｗ、渦電流損失は０．１μＷであり、別の実験から電気
損失は０．２μＷ、発電電力は０．１μＷであり、入力
エネルギは１．１μＷ必要である。従って、発電効率は
約９％になる。ここで、磁心材料をＰＢパーマロイにす
ると、図６に示すように、ヒステリシス損失は１μＷと
なり、入力エネルギは１．４μＷ必要たなり、発電効率
は約７％となる。従って、電子制御メカウオッチにはＰ
Ｃパーマロイが適していることがわかる。

【００３１】図７は図５及び図６の結果に基づいた磁心
材料の保磁力Ｈｃとウォッチの動作持続時間ｔとの関係
を示すグラフである。図５で記載した発電に寄与するゼ
ンマイの総エネルギ０．１８Ｊに対し、入力エネルギは
ＰＣパーマロイで１．１μＷ、ＰＢパーマロイで１．４
μＷとなる。そして、総エネルギを入力エネルギで割れ
ば、動作持続時間がＰＣパーマロイで４５時間、ＰＢパ
ーマロイで３６時間と計算される。また、ヒステリシス
損失は、ヒステリシスループの面積により決定されるた
め、保磁力の２乗に比例する。従って、ＰＣパーマロイ
とＰＢパーマロイの中間の保磁力の材料を使用すれば、
図７に示す様な曲線になると計算される。

【００３２】ここで、ウオッチの動作持続時間について
簡単に説明する。一般的な人は夜６時にウオッチをはず
し朝８時に手に付けると考えると、１４時間の持続時間
があれば時計は止まることなく動き続ける。しかし、１
日付けない日があるとすれば、３８時間の持続時間が最
低限必要になる。これによって、昔からある一般的なメ
カウオッチの持続時間は４２時間程度に設定されてい
る。従って、電子制御メカウオッチも４２時間の持続時
間を確保するためには、図７に示すように、保磁力が
０．０５（Ｏｅ）以下である必要がある。

【００３３】ここまで、磁気回路を形成する部材の材料
として、ＰＣパーマロイで説明してきたが、スーパーマ
ロイでも同様の効果があるのは言うまでもなく、保磁力
が０．０５（Ｏｅ）以下の材料であれば、パーマロイ材
料である必然性はない。また、磁気回路を形成する部品
として、ロータ、ステータ及びコイルブロックで記載し
たが、コイルブロックを２個使用したり、二体型のステ
ータを用いたり、本発明で規定する保磁力以上の他の部
品を磁気回路に含んでも、同様の効果がある。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば以下
のような効果を有する。

【００３５】すなわち、電子制御メカウオッチの発電機
の磁気回路を形成するステータ及び磁心の保磁力を０．
０５（Ｏｅ）以下とすることにより、ヒステリシスルー
プの面積が小さく、ヒステリシス損失の低減が可能にな
り、持続時間の長い電子制御メカウオッチが実現でき
る。

【００３６】特に、ウォッチの実用性を十分考慮した動
作持続時間を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す、電子制御メカウオ
ッチの要部を示す平面図。

【図２】 図１の断面図。

【図３】 図１の断面図。

【図４】 図１に使用する充電及び制御概念の１例を示
すブロック図。

【図５】 電子制御メカウオッチのゼンマイトルクと巻
き込み角度を示すグラフ。

【図６】 図１の、ロータの回転数に対する磁気損失ト
ルクＴｓの関係の測定結果を示すグラフ。

【図７】 保磁力Ｈｃとウォッチの動作持続時間ｔの関
係を示すグラフ。

【符号の説明】

１． 香箱車 １ａ．ゼンマイ ２． 地板 ３． 輪列受 １２． ロータ １２ａ．ロータ磁石 １３． 分針 １４． 秒針 １５． ステータ １５ａ．ステータ体 １５ｂ．ステータコイル １６． コイルブロック １６ａ．磁心 １６ｂ．コイル ２０． 発電機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ゼンマイの機械エネルギを輪列を介して
   電気エネルギに変換する発電機を備え、指針を前記輪列
   と結合したウオッチにおいて、 前記発電機の磁気回路は少なくとも、永久磁石を有する
   ロータ、前記永久磁石と対向するステータ、磁心にコイ
   ル線を巻いたコイルブロックにより形成されると共に、
   前記ステータと前記磁心は共に１０（Ｏｅ）着磁後の保
   磁力が０．０５（Ｏｅ）以下であることを特徴とするゼ
   ンマイ式発電機を備えた電子制御メカウオッチ。
2. 【請求項２】 請求項１に於いて、前記ステータと前記
   磁心の材料はＰＣパーマロイまたはスーパーマロイであ
   ることを特徴とするゼンマイ式発電機を備えた電子制御
   メカウオッチ。