JPH10108450A - エネルギー変換装置、ステッピングモーター、計時装置、発電装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステーター内のローターを回転して発電する
発電装置などのエネルギー変換装置において、ローター
のコギングトルクを非正弦状にしてそれぞれの用途に適
したエネルギー変換装置を提供する。 【解決手段】 発電装置１０のローター１３を楕円状と
し、中心軸１３ａを中心に円形の収納部２２の内部で回
転する。楕円状のローター１３は、短軸方向が磁化方向
１３ｂとなっているので、ローター１３の磁化方向１３
ｂとヨーク部２４ａおよび２４ｂとの間のギャップ２３
ａが、ローター１３の磁化方向１３ｂに直交する方向１
３ｃと磁気飽和部２６ａおよび２６ｂとの間のギャップ
２３ｂより長くなる。このため、ローター１３に巻きつ
いたタイプ１の磁束の影響がコギングトルクに強く現
れ、回転の初期にピークを持った発電装置に適したコギ
ングトルクを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
電を行う発電装置、あるいは、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ステッピングモーターに
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１９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ー１４を
備えており、ローター１３が回転するとステーター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２０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に開いた収納部２２が設けられてお
り、ローター１３が一定のギャップ２３を保持しながら
回転軸１３ａを中心に収納部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の方向が出力コイル１５に
繋がる磁路を形成するための幅の広いヨーク部２４ａお
よび２４ｂである。これに対し、収納部２２の周囲のヨ
ーク部２４ａおよび２４ｂとほぼ直角な幅方向は狭く、
さらに、この部分にヨーク板の外縁から凹んだ外ノッチ
２５ａおよび２５ｂを設けることにより、磁路幅が狭く
磁束密度が増加するとすぐに飽和する磁束飽和部２６ａ
および２６ｂが形成されている。従って、ローター１３
が回転すると、磁束飽和部２６ａおよび２６ｂによって
磁束をヨーク部２４ａおよび２４ｂの方向に広げること
ができ、ローター１３の回転エネルギーを電気エネルギ
ーに変えて出力コイル１５から出力できるようになって
いる。

【０００４】また、このようなローター１３およびステ
ーター１４を備えた発電装置１０とほぼ同様の構成で、
２極のステッピングモーターを構成することが可能であ
り、そのようなステッピングモーターでは、発電装置１
０の出力コイル１５に相当する駆動コイルに駆動パルス
を供給することによりローター１３を所定のタイミング
で回転駆動することができる。これにより、小型で薄い
ステッピングモーターを提供できるので、上述した腕時
計装置１の計時装置７における運針機構などに用いられ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ロータ
ーを回転して発電を行う発電装置や、ローターを駆動し
て運針などを行うステッピングモータといった、機械エ
ネルギーを電気エネルギーに変換したり、電気エネルギ
ーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換装置にお
いては、ヨーク部の磁束密度を上げて変換効率を上げる
ために急速に磁気を飽和できるように磁路幅の狭い磁気
飽和部を設けるようにしている。一方、磁気飽和部にお
いて磁気が急速に飽和するようになるとコギング現象が
強く現れ、ローターの回転角度に応じてほぼ正弦波状に
トルクが変動し、回転ムラが発生する。このようなトル
ク変動は、ローターを回転させるための機械的な損失が
増加するので、ローターを介して行われる機械エネルギ
ーから電気エネルギー、あるいは電気エネルギーから機
械エネルギーへのエネルギー変換の効率が低下する要因
となる。このため、ローターの収納部の内側に内ノッチ
を設け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）を全体に小さくす
るなどの対策がとられている。

【０００６】一方、コギングトルクは正弦波状に変化す
るので、これを利用することも可能である。例えば、最
初の抵抗成分を上回る駆動トルクが得られれば、コギン
グトルクが正に転じ、回転方向に引力として作用する加
速成分によってローターの軸摩擦などの抵抗成分に逆ら
ってローターを所定の角度まで回転させることができ
る。これに対し、コギングトルクを単に小さくしてしま
うと、コギングトルクの加速成分を有効に用いることが
できなくなってしまい、コギングトルクを減少するとス
テッピングモーターにおける回転ミスや逆転が起きる頻
度が増加することがある。また、コギングトルクを減少
すると安定点がばらつきやすくなるので、１ステップア
ングル毎に確実に回転することを要求されるステッピン
グモーターとしては安定した性能が得られなくなる。

【０００７】さらに、回転錘の回転エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する発電装置においては、回転錘が停止
する直前の微弱なトルクを有効に利用することを考える
と、ローターの回転初期にコギングトルクのピークをも
ってきたほうがローターの回転数を多くでき、発電効率
を向上できる。

【０００８】このように、ローターの回転を用いてエネ
ルギー変換装置においては、コギングトルクを正弦波状
から変形することにより、機械−電気エネルギー変換
時、あるいは電気−機械エネルギー変換時の効率を向上
できる。そこで、本発明においては、コギングトルクを
非正弦波状にできるエネルギー変換装置を提供すること
を目的としている。そして、電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換するステッピングモーターにおいては、起
動性が良く、回転ミスの少ない安定した性能と低消費電
力のステッピングモーターを提供することを目的として
いる。また、機械エネルギーを電気エネルギーに変換す
る発電装置においては、回転錘などのローターを駆動す
る駆動系の小さな機械エネルギーでも電気エネルギーに
変換できる発電効率の高い発電装置を提供することを目
的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、本発明におい
ては、ローターとステーターの磁場の２つの異なる相互
作用に着目し、これらの作用によるコギングトルクへの
影響を制御することにより、非正弦波状のコギングトル
クを備えたエネルギー変換装置を実現している。すなわ
ち、本発明のステーターと、このステーターに対し相対
的に回転する多極磁化されたローターとを有するエネル
ギー変換装置においては、ステーターが、ローターを回
転可能に収納する中空の収納部と、磁路幅が広くコイル
に接続されるヨーク部と、磁路幅の狭い磁気飽和部とを
備えており、これらヨーク部および磁気飽和部は収納部
の周囲に交互に形成されており、さらに、ローターの回
転角によってローターとヨーク部および磁気飽和部との
間の距離が変化することを特徴としている。ローターと
ヨーク部あるいは磁気飽和部との間の距離を変化させる
ことは、ローターの回転軸に垂直な断面、および、収納
部の回転軸に垂直な断面の少なくともいずれか一方を非
円形にすることによって可能である。

【００１０】ローターがステーターの収納部内を回転す
るエネルギー変換装置は、ローターによってヨーク部お
よび磁気飽和部に生ずる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１にエネル
ギー変換装置の例として、図２０に示した発電装置を模
式的に示してある。この発電装置１０は、ステーター１
４の収納部２２に２極磁化された円盤状のローター１３
が回転可能に収納されており、収納部２２の図面上の左
右が磁路幅が広くコイル１５に繋がったヨーク部２４ａ
および２４ｂが構成され、図面上の上下に外ノッチ２５
ａおよび２５ｂによって磁路幅がさらに狭くなった磁気
飽和部２６ａおよび２６ｂが構成されている。このよう
に、ヨーク部と磁気飽和部が交互に形成されたステータ
ー内でローターを回転すると、図２に示すようなほぼ正
弦波状のコギングトルクが得られる。図３に、図２に示
したコギングトルクの原因となると考えられる磁束の様
子を模式的に示してある。

【００１１】図３に示したタイプ１の磁束は、ローター
１３に巻きついた状態の磁束であり、ローター１３が回
転して磁路幅の狭くなった磁気飽和部２６ａおよび２６
ｂ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、逆に磁路幅の広いヨーク部２４ａおよび
２４ｂに出ていくときはローター１３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、ヨーク部２
４ａおよび２４ｂに沿ってコイル１５に向かって延びた
磁束であり、できるかぎり短くなろうとする。このた
め、ローター１３の磁化方向１３ｂがヨーク部２４ａお
よび２４ｂの方向を向いたときが最も安定する。従っ
て、ローター１３の磁化方向１３ｂがヨーク部２４ａお
よび２４ｂ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、ヨーク部２４ａおよび２４ｂ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。

【００１２】従って、ステーター１４が無励磁の状態で
は、ローター１３は、タイプ１の磁束による力とタイプ
２の磁束による力が釣り合った角度で停止する。例え
ば、図３に示した発電装置１０においてローター１３が
反時計方向に回転しようとすると、タイプ１の磁束が磁
気飽和部２６ａおよび２６ｂに入り込む際の斥力と、タ
イプ２の磁束がヨーク部２４ａおよび２４ｂにおいてで
きるだけ短くなろうとする引力が釣り合った角度で停止
する。反時計方向にローター１３を回転すると、図２に
示すように、ローターの回転角θが０度から増加するに
つれてタイプ１による斥力が増加し、負（回転方向に対
し斥力あるいは反力となる方向）のコギングトルクが発
生する。さらに、ローター１３が反時計方向に回転する
と、タイプ２の磁束が伸びるため、タイプ１の磁束が狭
い磁路に入り込む抵抗に加えて、タイプ２の磁束による
抵抗が加わる。このため、ローターの回転角θがほぼ４
５度でコギングトルクは負のピークに達する。

【００１３】この状態で回転が進むと、タイプ１の磁束
が磁路の広いヨーク部２４ａおよび２４ｂに出てくる。
このため、ローターの回転角θが４５度から増加するに
つれてタイプ１の磁束による力が回転方向に対し引力
（正の方向）として働き、コギングトルクは減少する。
さらに、回転が進むと、ローターの回転角θが９０度近
傍において、タイプ２の磁束が急激に変化し、反転した
磁束がヨーク部２４ａおよび２４ｂに現れて縮もうとす
るので回転方向に対し引力として働き、コギングトルク
は正に転じる。さらに、タイプ２の磁束が縮もうとする
ので、ローターの回転角θが１３５度付近でコギングト
ルクは正のピークに達する。さらに回転が進むとタイプ
１の磁束が抵抗となるので、コギングトルクは減少し、
回転角θが１８０度付近でローター１３に加わる力が平
衡になる安定点に達する。

【００１４】このように、本発明の発明者らは、コギン
グトルクがタイプ１およびタイプ２の２つの磁束によっ
てほぼ正弦的に変化することを定性的に説明できること
を見いだした。さらに、タイプ１およびタイプ２の磁束
の強度を制御することによって、コギングトルクのロー
ターの角度依存性を自由に制御できることも見いだし
た。例えば、タイプ１の磁束密度をタイプ２の磁束密度
より小さくすることにより、タイプ２の磁束による影響
がコギングトルクに大きく現れる。従って、タイプ１の
磁束が斥力となって大きくコギングトルクに影響するロ
ーターの回転角θが０度〜４５度程度、および、１３５
度〜１８０度程度の範囲ではコギングトルクの変化を緩
やかにでき、それと共にコギングトルク自体の値も減少
できる。これに対し、タイプ２の磁束の影響が大きく現
れるローターの回転角θが４５度〜１３５度の範囲で
は、コギングトルクの変動を大きくでき、ピークも９０
度に近い位置に移動できる。従って、起動時のトルクが
小さくなり、コギングトルクカーブに囲われた面積も小
さくなるのでローターを回転するためのトータルの回転
エネルギーも小さくできる。その一方で、コギングトル
クのピークの大きさはそれほど変化せず、４５度〜１３
５度の変化が急になるので、この間のコギングトルクに
よる加速を用いて確実にローターを回転させることがで
きる。このため、回転に必要がエネルギーが小さくて中
立点（不安定点）となる９０度近傍でのローターの止ま
りのない、小さな消費電力で高出力が得られるステッピ
ングモーターに適したコギングトルクが得られる。

【００１５】このようなコギングトルクを得るには、ロ
ーターが回転したときに、ローターの磁化方向とヨーク
部との間の距離を、ローターの磁化方向に直交する方向
と磁気飽和部との間の距離より短くしてタイプ１の磁束
による影響を弱めることが望ましい。このためには、ロ
ーターにおいては、回転軸に垂直な断面の磁化方向をそ
れに直交する方向に比べて長くし、収納部においては、
回転軸に垂直な断面をほぼ円形にすることができる。あ
るいは、ローターの回転軸に垂直な断面はほぼ円形と
し、収納部の回転軸に垂直な断面を、回転軸から磁気飽
和部までの距離を回転軸からヨーク部までの距離より長
くしても良い。

【００１６】一方、タイプ２の磁束密度をタイプ１の磁
束密度より小さくすることにより、タイプ２の磁束によ
るコギングトルクの影響を弱めることができる。この場
合もコギングトルクカーブに囲われた面積を小さくでき
るので、トータルの回転エネルギーを小さくすることが
できる。また、タイプ１の磁束が斥力となって大きくコ
ギングトルクに影響するローターの回転角θが０度〜４
５度程度、および、１３５度〜１８０度程度の範囲では
コギングトルクの変化が大きくなり、タイプ２の磁束の
影響が大きく現れるローターの回転角θが４５度〜１３
５度の範囲では、コギングトルクの変動を小さくでき
る。従って、コギングトルクのピークの大きさは殆ど変
わらずに位置が０度および１８０度の方向に移動でき
る。このため、安定点がばらつかず、所定の位置で確実
にローターが停止するステッピングモーターに適したコ
ギングトルクカーブが得られ、回転に必要な入力エネル
ギーを小さくできるので、消費電力を低くすることがで
きる。

【００１７】このようなコギングトルクを得るには、ロ
ーターが回転したときに、ローターの磁化方向とヨーク
部との間の距離を、ローターの磁化方向に直交する方向
と磁気飽和部との間の距離より長くすることが望まし
い。このためには、ローターは、回転軸に垂直な断面を
磁化方向がその方向に直交する方向に比べて短くし、収
納部の回転軸に垂直な断面はほぼ円形にすることができ
る。また、ローターの回転軸に垂直な断面をほぼ円形と
し、収納部の回転軸に垂直な断面を、回転軸から磁気飽
和部までの距離が回転軸からヨーク部までの距離より短
くすることができる。

【００１８】このような起動性が良くて消費電力が少な
く、さらに、確実に回転するステッピングモーター、あ
るいは、消費電力が少なく安定した位置で確実に停止す
る運針に適したステッピングモーターと、一定の時間間
隔で時間信号を出力する時間信号発生手段と、この時間
信号によりステッピングモーターの駆動コイルに駆動パ
ルスを供給する駆動手段とを用いることにより、比較的
大型の計時装置から腕時計のような小型で軽量の計時装
置に至る様々なタイプの低消費電力で運針が確実に行わ
れる計時装置を提供することができる。

【００１９】さらに、タイプ２の磁束密度をタイプ１の
磁束密度より小さくすることにより、タイプ２の磁束に
よるコギングトルクの影響を弱めることができ、タイプ
１の磁束が斥力となって大きくコギングトルクに影響す
るローターの回転角θが０度〜４５度程度、および、１
３５度〜１８０度程度の範囲ではコギングトルクの変化
が大きく、タイプ２の磁束の影響が大きく現れるロータ
ーの回転角θが４５度〜１３５度の範囲では、コギング
トルクの変動を小さくできる。従って、ピークも０度お
よび１８０度の方向に移動できるので、発電装置に適し
たコギングトルクが得られる。このコギングトルクにお
いては、起動時のトルクの立ち上がりが速く、その後の
トルク変動は小さく緩やかとなるので、回転錘などの小
さな運動エネルギーを活かしてローターを回転させ電気
エネルギーに変換することができる。

【００２０】このようなコギングトルクを得るには、上
記のステッピングモーターと同様に、ローターが回転し
たときに、ローターの磁化方向とヨーク部との間の距離
を、ローターの磁化方向に直交する方向と磁気飽和部と
の間の距離より長くすることが望ましい。このために
は、ローターは、回転軸に垂直な断面を磁化方向がその
方向に直交する方向に比べて短くし、収納部の回転軸に
垂直な断面はほぼ円形にすることができる。また、ロー
ターの回転軸に垂直な断面をほぼ円形とし、収納部の回
転軸に垂直な断面を、回転軸から磁気飽和部までの距離
が回転軸からヨーク部までの距離より短くすることがで
きる。

【００２１】このような発電効率が高く、微弱な運動エ
ネルギーからも発電可能な発電装置を用いて、その出力
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
を設けることにより、電池がなくても機能を発揮できる
腕などに装着可能な小型で携帯に適した電子機器を構成
することができ、何時でも何処でも使用できる電子機器
を提供することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】

〔第１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４に、本発明のエネルギー
変換装置を発電装置に適応した例を模式的に示してあ
る。本例の発電装置１０は、上記にて説明した発電装置
とほぼ同じ構成であり、ステーター１４の収納部２２に
２極磁化された円盤状のローター１３が回転可能に収納
されている。さらに、この収納部２２の図面上の左右に
は、磁路幅が広く出力コイル１５に繋がったヨーク部２
４ａおよび２４ｂが構成されており、また、図面上の上
下に外ノッチ２５ａおよび２５ｂによって磁路幅がさら
に狭くなった磁気飽和部２６ａおよび２６ｂが構成され
ている。従って、本例の発電装置１０を図１９に基づき
説明したような携帯型の電子機器の発電装置として採用
することができ、回転錘１１によってローター１３を回
転させることにより回転錘１１の捉えた運動エネルギー
を電気エネルギーに変換して計時装置７などを作動させ
ることができる。

【００２３】本例の発電装置１０は、ローター１３の中
心軸１３ａに垂直な断面が楕円状であり、その短軸およ
び長軸の中心を回転の中心１３ａとしてほぼ円形の収納
部２２の内部で回転するように構成されている。楕円状
のローター１３は、その短軸方向に沿って磁化されてお
り、短軸方向が磁化方向１３ｂとなっている。従って、
図４に示すように、ローター１３が回転すると、ロータ
ー１３の磁化方向１３ｂとヨーク部２４ａおよび２４ｂ
との間の距離（ギャップ２３ａ）が、ローター１３の磁
化方向１３ｂに直交する方向１３ｃと磁気飽和部２６ａ
および２６ｂとの間の距離（ギャップ２３ｂ）より長く
なっている。このため、上述したように、ヨーク部２４
ａおよび２４ｂに伸びるタイプ２の磁束の影響を弱める
ことができ、ローター１３に巻きついたタイプ１の磁束
の影響がコギングトルクに残るようにできるので、発電
装置に適したコギングトルクを得ることができる。

【００２４】図５に、本例の発電装置１０のコギングト
ルクを実線で示し、従来の発電装置のコギングトルクを
一点鎖線で示してある。本図から判るように、本例の発
電装置１０のコギングトルクのピークはローターの回転
角θが０度および１８０度の方向にずれており、非正弦
波のコギングトルクが得られていることが判る。従っ
て、本例の発電装置においては、回転錘の僅かな動きで
もローター１３はコギングトルクのピークを越えて回転
を始めるので、微弱な運動エネルギーを電気エネルギー
に変換することができ、発電効率の高い発電装置を提供
できる。

【００２５】図６に、図１９の電子装置において回転錘
１１が回転した場合に得られる半波整流の波形を示して
ある。回転錘が回転を開始すると、徐々に回転速度が増
すので起電力も大きくなる。そして、回転の終わりで
は、徐々に回転速度が低下するので起電力も弱くなる。
しかしながら、回転錘の動きの少ない状態では、起電力
として得られる最後の１山を得られるか否かによりトー
タルの発電量に約１０％程度の差が生ずる。本例の発電
装置１０においては、コギングトルクを非正弦状にして
ピークを回転の非常に早い段階に持ってきている。この
ため、回転錘が止まる直前のトルクの減少した状態の中
でも、まだ比較的大きなトルクの残った時刻ｔ１にコギ
ングトルクのピークを越えることができる。従って、回
転錘が止まる寸前の微小な運動エネルギーによってロー
ター１３を回転させることができるので、回転錘の運動
エネルギーをより有効に活かした発電効率の高い発電を
行うことができる。図１９に示した携帯用電子機器１
は、ユーザーの腕の動きなどを捉えて発電を行うように
なっているので、回転錘の微小な動きであっても発電を
効率良く行えることが重要であり、本例の発電装置１０
はこのような用途に非常に適している。

【００２６】さらに、本例の発電装置１０においては、
ローター１３の磁化方向１３ｂとヨーク部２４ａおよび
２４ｂとのギャップ２３ａが大きくなっているので、タ
イプ２の磁束の影響が小さい。従って、コギングトルク
の値は全体的に小さくなっており、ローター１３は回転
し易く、機械的な損失の少ないエネルギー変換効率の高
い発電装置である。

【００２７】図７に、本発明の発電装置１０の異なる例
を模式的に示してある。本例の発電装置１０はローター
１３がほぼ円形であり、収納部２２の回転軸１３ａに垂
直な断面がヨーク部２４ａおよび２４ｂの方向に長い楕
円状になっている。このような発電装置１０において
も、ローター１３の磁化方向１３ｂとヨーク部２４ａお
よび２４ｂとの間のギャップ２３ａが、ローター１３の
磁化方向１３ｂに直交する方向１３ｃと磁気飽和部２６
ａおよび２６ｂとの間のギャップ２３ｂより長くなる。
このため、上述したように、タイプ２の磁束の影響を弱
め、ローター１３に巻きついたタイプ１の磁束の影響を
コギングトルクに強く現せられるので、発電装置に適し
たコギングトルクを得ることができる。

【００２８】本例の発電装置１０は、図１９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。

【００２９】〔第２の実施の形態〕図８に、本発明のエ
ネルギー変換装置をステッピングモーター３０として用
いて運針を行う計時装置７の概要を示してある。本例の
計時装置７は、ステッピングモーター３０と、このステ
ッピングモーター３０を駆動する制御装置４０と、ステ
ッピングモーター３０の動きを伝達する輪列５０、およ
び輪列５０によって運針される秒針６１、分針６２およ
び時針６３を備えている。本例のステッピングモーター
３０は、制御装置４０から供給される駆動パルスによっ
て磁力を発生する駆動コイル１６と、この駆動コイル１
６によって励磁されるステーター１４と、さらに、ステ
ーター１４の収納部２２で回転するローター１３を備え
ている。このローター１３は上述した発電装置と同様に
２極の永久磁石によって構成されており、ＰＭ型（永久
磁石回転型）のステッピングモーター３０となってい
る。

【００３０】ステッピングモーター３０の概略構成は上
述した発電装置とほぼ同様であり、模式的には図９にも
示してあるように、ステーター１４には、駆動コイル１
６で発生した磁力によって異なった磁極がローター１３
の回りのそれぞれのヨーク部２４ａおよび２４ｂに発生
するように外ノッチ２５ａおよび２５ｂを用いて磁気飽
和部２６ａおよび２６ｂが設けられている。また、ロー
ター１３の回転方向を規定するために、ステーター１２
の内周の適当な位置に内ノッチ１８が設けられており、
これによってコギングトルクの安定点を適当に定め、ヨ
ーク部２４ａおよび２４ｂを反転磁化したときにロータ
ー１３が所定の方向に回転するようにしている。

【００３１】ステッピングモーター３０のローター１３
の回転は、図８に示すように、かなを介してローター１
３に噛合された五番車５１、四番車５２、三番車５３、
二番車５４、日の裏車５５および筒車５６からなる輪列
５０によって各針に伝達される。四番車５２の軸には秒
針６１が接続され、二番車５４には分針６２が接続さ
れ、さらに、筒車５６には時針６３が接続されており、
ロータ１３の回転に連動してこれらの各針によって時刻
が表示される。輪列５０には、さらに、年月日などの表
示を行うための伝達系など（不図示）を接続することも
もちろん可能である。

【００３２】本例の計時装置７は、ステッピングモータ
ー３０の回転によって運針を行い時刻を表示するため
に、ステッピングモーター３０には所定の時間信号に従
って出力された駆動パルスが供給される。このようなス
テッピングモーター３０を制御する本例の制御装置４０
は、水晶振動子などの基準発振を分周して１Ｈｚなどの
適当な時間信号を生成する時間信号発生回路４１と、時
間信号などから駆動パルスを成形してスッテピングモー
ター３０の駆動コイル１６に供給する駆動回路４２を備
えている。この駆動回路４２からはさらに、消磁用のパ
ルスや回転検出用のパルスなどもステッピングモーター
３０に供給される。

【００３３】図９に模式的に示してあるように、本例の
ステッピングモーター３０は、ローター１３の中心軸１
３ａに垂直な断面が楕円状であり、その短軸および長軸
の中心を回転の中心１３ａとしてほぼ円形の収納部２２
の内部で回転するように構成されている。楕円状のロー
ター１３は、その長軸方向に沿って磁化されており、長
軸方向が磁化方向１３ｂとなっている。従って、図９に
示すように、ローター１３が回転すると、ローター１３
の磁化方向１３ｂとヨーク部２４ａおよび２４ｂとの間
の距離（ギャップ２３ａ）が、ローター１３の磁化方向
１３ｂに直交する方向１３ｃと磁気飽和部２６ａおよび
２６ｂとの間の距離（ギャップ２３ｂ）より短くなって
いる。このため、上述したように、ローター１３に巻き
ついたタイプ１の磁束の影響が減り、ヨーク部２４ａお
よび２４ｂに伸びたタイプ２の磁束の影響がコギングト
ルクに強く残すことができる。従って、低消費電力で高
出力のステッピングモーターに適したコギングトルクを
得ることができる。

【００３４】図１０に、本例のステッピングモーター３
０のコギングトルクを実線で示し、従来のスッテピング
モーターのコギングトルクを一点鎖線で示してある。本
図から判るように、本例のステッピングモーター３０の
コギングトルクのピークはローターの回転角θが９０度
の方向に近づいており、非正弦波のコギングトルクが得
られている。従って、本例のスッテピングモーター３０
においては、回転初期のコギングトルクが低いため起動
性が良く、その一方、ピークの大きさはほとんど変わら
ずに不安定点となる回転角θが９０度近辺に移動する。
このため、ローターの不安定領域をコギングトルクの慣
性を用いて通過しやすいので安定した回転を得ることが
できる。この結果、ローターを回転するために必要な回
転エネルギーは小さくて良く、起動性が良く安定した回
転が得られる高出力のステッピングモーターを得ること
ができる。

【００３５】図１１に示すように、スッテピングモータ
ーのローター１３には、軸の摩擦や伝達歯車の負荷など
により抵抗Ｒが常に発生する。従って、コギングトルク
Ｔｃを単に小さくして破線で示すようなカーブＴｃ’に
すると、抵抗Ｒよりトルクの小さな不安定範囲Ｗが広が
ってしまうことになる。従って、ローターの回転角が９
０度を越してコギングトルクＴｃが正に転じても抵抗Ｒ
によりローター１３が１８０度まで回転せずに９０度で
止まってしまう可能性が大きくなる。例えば、図１２
（ａ）に示した位置からローター１３が時計方向に回転
する場合、本来、１８０度回転すべきところが、実線で
示すように回転角θが９０度で停止する可能性がある。
このような状態で、図１２（ｂ）に示すように、次の駆
動パルスがステーター１４に供給されてヨーク部２４ａ
および２４ｂの磁極が反転すると、本来はローター１３
が時計方向に回転するところ、ローター１３が反時計方
向に逆転する結果となり、２秒の運針遅れが発生する。

【００３６】これに対し、図１３に拡大して示すよう
に、本例のステッピングモーター３０のコギングトルク
Ｔｃのカーブは、ピークが９０度方向にずれており、コ
ギングトルクＴｃが抵抗Ｒより小さくなる不安定範囲Ｗ
が非常に狭くできる。従って、上記のように駆動パルス
によってローター１３の得た駆動力が小さい場合であっ
て、不安定領域Ｗで停止する可能性は非常に小さく、正
に転じたコギングトルクによって所定の回転角、本例に
おいては１８０度、ローター１３を回転させることがで
きる。

【００３７】さらに、本例のスッテピングモーター３０
は、ローター１３の磁化方向に垂直な方向１３ｃと、磁
気飽和部２６ａおよび２６ｂとのギャップ２３ｂが大き
くなっているので、タイプ１の磁束の影響が小さい。従
って、コギングトルクカーブで囲われる回転に必要なエ
ネルギーの値を従来よりも小さくすることができ、特
に、タイプ１の影響を低減することにより、起動時のコ
ギングトルクの変動を非常に小さくすることができる。
このため、起動特性が良く、安定して回転し、さらに、
低消費電力のステッピングモーターを提供することがで
きる。

【００３８】図１４ないし図１６に、本発明のステッピ
ングモーター３０の異なった例を模式的に示してある。
図１４に示すステッピングモーター３０は、ローター１
３の回転軸１３ａに垂直な断面がほぼ長方形であり、こ
の長方形の長手方向に磁化されている。また、図１５に
示すステッピングモーター３０は、ローター１３の回転
軸１３ａに垂直な断面が１方向に長い多角形（８角形）
であり、長手方向に磁化されている。従って、上記のス
テッピングモーターと同様にローター１３の磁化方向１
３ｂとヨーク部２４ａおよび２４ｂとの間のギャップ２
３ａが、ローター１３の磁化方向１３ｂに直交する方向
１３ｃと磁気飽和部２６ａおよび２６ｂとの間のギャッ
プ２３ｂより短くできる。さらに、図１６に示したステ
ッピングモーター３０においては、ローター１３の中心
軸１３ａに垂直な断面がほぼ円形であり、収納部２２の
回転軸１３ａに対する断面が磁気飽和部２６ａおよび２
６ｂの方向に長い楕円状になっている。このようなステ
ッピングモーター３０においても、ローター１３の磁化
方向１３ｂとヨーク部２４ａおよび２４ｂとの間のギャ
ップ２３ａを、ローター１３の磁化方向１３ｂに直交す
る方向１３ｃと磁気飽和部２６ａおよび２６ｂとの間の
ギャップ２３ｂより短くできる。このため、上述したよ
うに、ローター１３に巻きついたタイプ１の磁束の影響
が薄れ、ヨーク部２４ａおよび２４ｂに伸びるタイプ２
の磁束の影響が強く現れ、低消費電力で高出力のステッ
ピングモーターに適したコギングトルクを得ることがで
きる。従って、これらのステッピングモーターは、低消
費電力で大型の針を運針することができるので、比較的
大型の計時装置の動力源として適している。

【００３９】〔第３の実施の形態〕図１７に、本発明の
エネルギー変換装置をステッピングモーター３０として
用た上記と異なった例を示してある。本例のステッピン
グモーター３０も上記と同様に計時装置の運針用に用い
ることが可能であり、計時装置の詳しい説明は以下では
省略する。本例のステッピングモーター３０も、ロータ
ー１３の中心軸１３ａに垂直な断面が楕円状であり、そ
の短軸および長軸の中心を回転の中心１３ａとしてほぼ
円形の収納部２２の内部で回転するように構成されてい
る。本例の楕円状のローター１３は、その短軸方向に沿
って磁化されており、短軸方向が磁化方向１３ｂとなっ
ている。従って、図１７に示すように、ローター１３が
回転すると、ローター１３の磁化方向１３ｂとヨーク部
２４ａおよび２４ｂとの間の距離（ギャップ２３ａ）
が、ローター１３の磁化方向１３ｂに直交する方向１３
ｃと磁気飽和部２６ａおよび２６ｂとの間の距離（ギャ
ップ２３ｂ）より長くなる。このため、上記の実施の形
態のステッピングモータと異なり、ヨーク部２４ａおよ
び２４ｂに伸びたタイプ２の磁束の影響が減り、コギン
グトルクローター１３に巻きついたタイプ１の磁束の影
響を強く残すことができる。従って、低消費電力で、停
止位置の安定したステッピングモーターに適したコギン
グトルクを得ることができる。

【００４０】図１８に、本例のステッピングモーター３
０のコギングトルクを実線で示し、従来のスッテピング
モーターのコギングトルクを一点鎖線で示してある。本
図から判るように、本例のステッピングモーター３０の
コギングトルクのピークはローターの回転角θが０度お
よび１８０度の安定点の方向に近づいた非正弦波のコギ
ングトルクとなっている。従って、安定点の近傍におい
て、回転角θの変動に対するコギングトルクの変動が大
きくなり、ローター１３を安定点で停止させる力が強く
なる。このため、油の粘性抵抗や軸摩擦などの摩擦負荷
に対して強く、ローター１３を安定点で確実に停止させ
ることが可能となり、安定点のばらつきの少ないステッ
ピングモーターを実現できる。さらに、本例のステッピ
ングモーター３０においても、コギングトルクのピーク
の大きさはそれほど変化ないが、コギングトルクカーブ
に囲われた面積は非常に小さくなり、ローター１３を回
転するために必要なエネルギーが削減されていることが
判る。従って、本例のステッピングモーター３０によ
り、低消費電力で、安定点のバラツキの少ないステッピ
ングモーター３０を得ることができる。

【００４１】なお、このようなコギングトルクカーブ
は、上記の発電装置で図７に基づき説明したように、ほ
ぼ円形のローター１３を、回転軸１３ａに垂直な断面が
ヨーク部２４ａおよび２４ｂの方向に長い楕円状になっ
ている収納部２２に収納したステッピングモーターなど
でも得られることはもちろんである。このような低消費
電力で安定点のばらつきの少ないステッピングモーター
は、低消費電力で確実に運針することができるので、比
較的小型の腕時計などの計時装置の動力源として適して
いる。

【００４２】なお、上記の例においては、計時装置７の
動力源として用いられているステッピングモーターを例
に説明しているが、これに限定されず、本発明のステッ
ピングモーターは気圧計や高度計などの計器や、小型の
展示台の駆動源などのステッピングモーターとしても適
用可能であり、本発明により、省電力で、起動特性に優
れた高出力のスッピングモーターや、確実に回転し安定
点で止まる信頼性の高いステッピングモーターを提供す
ることができる。

【００４３】また、上記の例では、計時装置に好適な２
相のステッピングモータや発電装置を例に本発明を説明
しているが、３相以上のステッピングモータや発電装置
に対しても本発明を同様に適用できることはもちろんで
ある。また、上記の例では、ステーターに対しローター
が回転する発電装置あるいはステッピングモーターとい
ったエネルギー変換装置を例に説明しているが、ロータ
ーに対しステーターが回転するエネルギー変換装置であ
っても良いことはもちろんである。

【００４４】

【発明の効果】このように、本発明においては、ロータ
ーによって発生するステーターのタイプ１およびタイプ
２の２つの磁場によるコギングトルクへの影響に着目
し、タイプ１およびタイプ２の磁束の影響を制御するこ
とにより、非正弦波状のコギングトルクを備えたエネル
ギー変換装置を実現し、用途に適した特性を備えたエネ
ルギー変換装置を提供できるようにしている。このた
め、本発明のステッピングモーターにおいては、ロータ
ーの磁化方向とヨーク部との距離を、磁化方向に直交す
る方向と磁気飽和部との距離よりも短くしてタイプ１の
磁束の影響を弱めることにより、起動性が良く、さら
に、所定のステップアングルを確実に回転できる高出力
のステッピングモーターを提供できる。また、ローター
の磁化方向とヨーク部との距離を、磁化方向に直交する
方向と磁気飽和部との距離よりも長くしてタイプ２の磁
束の影響を弱めることにより、低消費電力で安定点のば
らつきが少なく信頼性の高いステッピングモーターも提
供することができる。

【００４５】さらに、本発明の発電装置においては、ロ
ーターの磁化方向とヨーク部との距離を、磁化方向に直
交する方向と磁気飽和部との距離よりも長くしてタイプ
２の磁束の影響を弱めることにより、回転錘などの機械
エネルギー供給系の停止際の微弱なトルクでもローター
が回転できる発電効率の高い発電装置を提供することが
できる。

【００４６】このように、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、さらに、処理装
置として本発明のステッピングモーターを用いた省電力
タイプで確実に運針を行え、また、指針の精度の高い信
頼性の高い計時装置を搭載することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の説明のために従来の発電装置を模式的
に示す図である。

【図２】図１に示した発電装置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に示した発電装置で発生する磁束の様子を
模式的に示す図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態に係る発電装置を模
式的に示す図である。

【図５】図４に示した発電装置で得られたコギングトル
クカーブを示す図である。

【図６】回転錘の回転によって発電された電力の変化を
示す図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態に係る発電装置の異
なる例を模式的に示す図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係るステッピング
モーターを備えた計時装置の概略構成を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態に係るステッピング
モーターを模式的に示す図である。

【図１０】図９に示したステッピングモーターで得られ
たコギングトルクカーブを示す図である。

【図１１】コギングトルクカーブと、ローターの軸抵抗
などの抵抗成分Ｒとの関係を示す図である。

【図１２】ローターが回転ミスのために逆転する様子を
示す図である。

【図１３】図９に示したステッピングモーターのコギン
グトルクカーブと、ローターの軸抵抗などの抵抗成分Ｒ
との関係を示す図である。

【図１４】本発明の第２の実施の形態に係るステッピン
グモーターの異なる例を模式的に示す図である。

【図１５】本発明の第２の実施の形態に係るステッピン
グモーターのさらに異なる例を模式的に示す図である。

【図１６】本発明の第２の実施の形態に係るステッピン
グモーターのさらに異なる例を模式的に示す図である。

【図１７】本発明の第３の実施の形態に係るステッピン
グモーターを模式的に示す図である。

【図１８】図１７に示したステッピングモーターで得ら
れたコギングトルクカーブを示す図である。

【図１９】発電装置を備えた携帯型電子機器の概要を示
す図である。

【図２０】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 １３ａ・・ローターの回転軸 １３ｂ・・磁化方向 １３ｃ・・磁化方向に直交する方向 １４・・ステーター １５・・出力コイル １６・・駆動コイル １８・・内ノッチ ２０・・ヨーク板 ２１・・コイルとの接続部 ２２・・収納部 ２３・・ギャップ ２４・・ヨーク部 ２５・・外ノッチ ２６・・磁気飽和部 ３０・・ステッピングモーター ４０・・制御装置 ４１・・時間信号発生回路 ４２・・駆動回路 ５０・・運針用の輪列

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステーターと、このステーターに対し相
   対的に回転する多極磁化されたローターとを有し、 前記ステーターは、前記ローターを回転可能に収納する
   中空の収納部と、磁路幅が広くコイルに接続されるヨー
   ク部と、磁路幅の狭い磁気飽和部とを備え、これらヨー
   ク部および磁気飽和部は前記収納部の周囲に交互に形成
   されており、 前記ローターの回転角によって前記ローターと前記ヨー
   ク部および前記磁気飽和部との間の距離が変化すること
   を特徴とするエネルギー変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記ローターの回転
   軸に垂直な断面、および、前記収納部の前記回転軸に垂
   直な断面の少なくともいずれか一方が非円形であること
   を特徴とするエネルギー変換装置。
3. 【請求項３】 ステーターと、このステーターに対し相
   対的に回転する多極磁化されたローターとを有し、 前記ステーターは、前記ローターを回転可能に収納する
   中空の収納部と、磁路幅が広く駆動コイルに接続される
   ヨーク部と、磁路幅の狭い磁気飽和部とを備え、これら
   ヨーク部および磁気飽和部は前記収納部の周囲に交互に
   形成されており、 前記ローターが回転したときに、前記ローターの磁化方
   向と前記ヨーク部との間の距離が、前記ローターの前記
   磁化方向に直交する方向と前記磁気飽和部との間の距離
   より短いことを特徴とするステッピングモーター。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記ローターの回転
   軸に垂直な断面は、前記磁化方向が、この磁化方向に直
   交する方向に比べて長く、 前記収納部の前記回転軸に垂直な断面はほぼ円形である
   ことを特徴とするステッピングモーター。
5. 【請求項５】 請求項３において、前記ローターの回転
   軸に垂直な断面はほぼ円形であり、 前記収納部の前記回転軸に垂直な断面は、前記回転軸か
   ら前記磁気飽和部までの距離が前記回転軸から前記ヨー
   ク部までの距離より長いことを特徴とするステッピング
   モーター。
6. 【請求項６】 ステーターと、このステーターに対し相
   対的に回転する多極磁化されたローターとを有し、 前記ステーターは、前記ローターを回転可能に収納する
   中空の収納部と、磁路幅が広く駆動コイルに接続される
   ヨーク部と、磁路幅の狭い磁気飽和部とを備え、これら
   ヨーク部および磁気飽和部は前記収納部の周囲に交互に
   形成されており、 前記ローターが回転したときに、前記ローターの磁化方
   向と前記ヨーク部との間の距離が、前記ローターの前記
   磁化方向に直交する方向と前記磁気飽和部との間の距離
   より長いことを特徴とするステッピングモーター。
7. 【請求項７】 請求項６において、前記ローターの回転
   軸に垂直な断面は、前記磁化方向が、この磁化方向に直
   交する方向に比べて短く、 前記収納部の前記回転軸に垂直な断面はほぼ円形である
   ことを特徴とするステッピングモーター。
8. 【請求項８】 請求項６において、前記ローターの回転
   軸に垂直な断面はほぼ円形であり、 前記収納部の前記回転軸に垂直な断面は、前記回転軸か
   ら前記磁気飽和部までの距離が前記回転軸から前記ヨー
   ク部までの距離より短いことを特徴とするステッピング
   モーター。
9. 【請求項９】 請求項３ないし８のいずれかに記載のス
   テッピングモーターと、一定の時間間隔で時間信号を出
   力する時間信号発生手段と、この時間信号により前記ス
   テッピングモーターの駆動コイルに駆動パルスを供給す
   る駆動手段とを有することを特徴とする計時装置。
10. 【請求項１０】 ステーターと、このステーターに対し
    相対的に回転する多極磁化されたローターとを有し、 前記ステーターは、前記ローターを回転可能に収納する
    中空の収納部と、磁路幅が広く出力コイルに接続される
    ヨーク部と、磁路幅の狭い磁気飽和部とを備え、これら
    ヨーク部および磁気飽和部は前記収納部の周囲に交互に
    形成されており、 前記ローターが回転したときに、前記ローターの磁化方
    向と前記ヨーク部との間の距離が、前記ローターの前記
    磁化方向に直交する方向と前記磁気飽和部との間の距離
    より長いことを特徴とする発電装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記ローターの
    回転軸に垂直な断面は、前記磁化方向が、この磁化方向
    に直交する方向に比べて短く、 前記収納部の前記回転軸に垂直な断面はほぼ円形である
    ことを特徴とする発電装置。
12. 【請求項１２】 請求項１０において、前記ローターの
    回転軸に垂直な断面はほぼ円形であり、 前記収納部の前記回転軸に垂直な断面は、前記回転軸か
    ら前記磁気飽和部までの距離が前記回転軸から前記ヨー
    ク部までの距離より短いことを特徴とする発電装置。
13. 【請求項１３】 請求項１０ないし１２のいずれかに記
    載の発電装置と、前記出力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。