WO2012157305A1

WO2012157305A1 - 小型発電装置、及び携帯型電子機器

Info

Publication number: WO2012157305A1
Application number: PCT/JP2012/053873
Authority: WO
Inventors: 鈴木　誠; 文晴岩崎; 潤篠原; 木下　伸治; 尾崎　徹; 考応柳▲瀬▼
Original assignee: セイコーインスツル株式会社
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2012-11-22
Also published as: EP2712067B1; KR20140038964A; US9621008B2; JP5751623B2; US20140091659A1; JP2012244733A; CN103534909B; CN103534909A; EP2712067A4; EP2712067A1

Abstract

小型発電装置１は、表面中央に配置された回転ダイヤル３１が配置され、これを指で廻すことで、その回転力が少なくとも１つの中間歯車を介して、小型発電装置１の内部に配設されたインナーロータ型の発電部６のロータを回転することで発電が行われ、携帯型電子機器用の電源を充電する。小型発電装置１は、回転ダイヤル３１の回転力を回転部３に伝達するために中間歯車を備えているが、この中間歯車の軸の少なくとも１つを、発電部６のステータコア６６に円環状に複数配設されたコア巻線６７の間に設けている。このように、小型発電装置１では、中間歯車の軸を、インナーロータ型発電機のステータコア内部に設けることで、平面サイズを小さくしている。

Description

小型発電装置、及び携帯型電子機器

　本発明は、小型発電装置、及び携帯型電子機器に係り、例えば、手回しにより発電する小型の発電機に関する。

　無線通信機能により通話やメールを行う携帯電話などの無線通信機器や、保存した音楽データを再生したり文字情報を表示したりする再生装置などの、各種の携帯型電子機器が広く普及している。これら携帯型電子機器は全てが蓄電池を備えており、蓄電池からの電力により無線通信や再生処理が行われている。
　このため、一般には家庭用電源に接続することで蓄電池を充電した状態で携帯型電子機器を使用したり、予備用の外部電源として小型蓄電池を接続して使用したりしているが、何れにしても、外出先での使用電力が多くなり所定以上の電力を使用すると通信できなくなるという問題がある。
　かかる問題を解決するために、小型の発電機を装備した携帯電話機（特許文献１）や、携帯電話機等に接続可能な携帯用手動発電機（特許文献２）が従来から提案されている。

　しかし、従来から提案されている発電機は、何れも携帯型電子機器で使用する充分な発電量を得られるものではなく、また、充分な小型、薄型の発電機ではなかった。

特開平１０－１９０７９３特開２００１－１３６７０７

　本発明は、小型で、所定機能を使用するのに充分な発電能力を備えた小型発電装置、携帯型電子機器を提供することを目的とする。

（１）請求項１に記載の発明では、インナーロータ型の小型発電装置であって、複数のコア巻線を備えた円環状のステータと、被動歯車が配設されたロータ軸と、円環状の永久磁石を備え、前記ステータの内側に配置されるロータと、駆動歯車を備え、発電時にユーザにより回転される回転部と、前記回転部の回転による前記駆動歯車の回転を、中間歯車により、前記ロータ軸の被動歯車に伝動する伝動部と、を備え、前記中間歯車の少なくとも１つの回転軸を、前記ステータ内で前記ロータの外側に配設したことを特徴とする小型発電装置を提供する。
（２）請求項２に記載の発明では、前記中間歯車の少なくとも１つの回転軸は、前記ロータのコア巻線とコア巻線との間に配設されている、ことを特徴とする請求項１に記載の小型発電装置を提供する。
（３）請求項３に記載の発明では、前記回転部と、前記ステータの間に配設された受け板を備え、前記駆動歯車の回転軸、前記中間歯車の少なくとも１つの回転軸、及び前記ロータ軸は、前記受け板に支承されている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の小型発電装置を提供する。
（４）請求項４に記載の発明では、前記回転部は、前記ステータと平行に配設され、前記駆動歯車と同心の円環状凹部が形成された回転ダイヤルを備え、前記駆動歯車は前記円環状凹部の内側の内周面に形成された外歯歯車である、ことを特徴とする請求項３に記載の小型発電装置を提供する。
（５）請求項５に記載の発明では、前記回転部は、前記ステータと平行に配設され、前記駆動歯車と同心の円形凹部が形成された回転ダイヤルを備え、前記駆動歯車は前記円形凹部に形成された内歯歯車である、ことを特徴とする請求項３に記載の小型発電装置を提供する。
（６）請求項６に記載の発明では、前記回転ダイヤルの外径よりも内側に、前記ステータ、前記ロータ、前記伝動部が配設されていることを特徴とする請求項４、又は請求項５に記載の小型発電装置を提供する。
（７）請求項７に記載の発明では、請求項１から請求項６のうちの何れか１の請求項に記載された小型発電装置と、前記小型発電装置で発電された電力を蓄電する蓄電手段と、を備えたことを特徴とする携帯型電子機器を提供する。

　本発明によれば、インナーロータ型の小型発電装置において、駆動歯車の回転を被動歯車に伝動する中間歯車の少なくとも１つの回転軸を、ステータ内でロータの外側に配設したので、小型で、所定機能を使用するのに充分な発電能力を備えることができる。

小型発電装置を搭載した携帯電話の外観構成図である。小型発電装置の断面図である。小型発電装置の断面図で各部の該当箇所についての説明図である。小型発電装置を正面からみた状態（ａ）と、回転部を取り除いた状態（ｂ）の説明図である。小型発電装置を正面からみて、回転部と受け部を取り除いた状態の説明図である。小型発電装置における発電部の斜視図、及び着磁状態を示す斜視図である。極数を変えた場合のステータコアの形状を表した説明図である。各極数のステータコアを使用した場合の発電電力を求めた説明図である。第２実施形態における小型発電装置の断面図である。第２実施形態における小型発電装置を正面からみた状態の説明図である。小型発電装置の受け板に関する第１変形例、第２変形例の説明図である。小型発電装置の受け板に関する第３変形例の説明図である。小型発電装置の受け板に関する第４変形例の説明図である。

　以下、本発明の小型発電装置及び携帯型電子機器における好適な実施の形態について、図１から図１３を参照して詳細に説明する。
（１）実施形態の概要
　図１は、小型発電装置１を搭載した携帯電話（携帯型電子機器）１００の外観構成図である。この図１に示されるように、スマートホンのように表示部や操作部が全面に配置された携帯型電子機器１００の場合、小型発電装置１は、主として筐体１０１の裏面に配設される。

　小型発電装置１は、表面中央に配置された回転ダイヤル３１が配置され、その表面に放射状に形成された複数の回転ダイヤル凸部３３に手や指をかけて廻すことができる。
　この回転ダイヤル３１を廻すことで、その回転力が少なくとも１つの中間歯車を介して、小型発電装置１の内部に配設されたインナーロータ型の発電部６のロータを回転することで発電が行われ、携帯型電子機器１００用の電源を充電し、又は予備用の電源（例えば、二次電池や大容量キャパシタ等）を充電する。
　この小型発電装置１は、回転動力を伝達する歯車の比や、小型発電装置１のサイズにもよるが、回転ダイヤル３１を１分程度回転することで、携帯電話であれば、待受状態（電話やメールの着信監視と、着信があった場合の着信処理）を１０分維持できる程度の発電が可能である。即ち、回転ダイヤル３１の回転により、ロータ部の永久磁石６５が３０００ｒｐｍ～７０００ｒｐｍで回転し、この回転数で３Ｖ～５Ｖの電圧と充電に十分な電流を供給することができる。

　本実施形態の小型発電装置１は、３ｃｍ～５ｃｍ角、６ｍｍ～１０ｍｍ厚のサイズ内に形成され、小型化、薄型化が実現されている。
　そして、小型化、薄型化のための構成として、小型発電装置１は、回転ダイヤル３１の回転力を回転部３に伝達するために中間歯車を備えているが、この中間歯車の軸の少なくとも１つを、発電部６のステータコア６６に円環状に複数配設されたコア巻線６７の間に設けている。このように、本実施形態では、中間歯車の軸を、インナーロータ型発電機のステータコア内部に設けることで、平面サイズを小さくしている。

　また、回転ダイヤル３１の外径（外周）よりも内側に発電に必要な全ての構成部品（回転軸を支持する受け部４、回転を伝動する伝動部５、発電部６）を配置しているので、平面サイズを小さくすることができる。
　そして、回転ダイヤル３１のダイヤル軸３２と、発電部６のロータ軸６１を同一軸線上でなく、平面的にずれて配置（離間配置）しているので、両軸を共通の受け板４２で支えることができ、全体の厚みを薄くすることができる。

（２）実施形態の詳細
　図２は第１実施形態における小型発電装置１の各軸に沿った断面図である。
　図３は、小型発電装置を構成する各部の場所を明確にするために、図２の該当箇所を黒く塗りつぶしたものである。
　図４は小型発電装置を正面からみた状態（ａ）と、回転部を取り除いた状態（ｂ）を表したものである。
　図２、３に示すように、小型発電装置１は、収容部２、回転部３、受け部４、伝動部５、発電部６で構成されている。

　小型発電装置１は図４に示されるように、３ｃｍ～５ｃｍの方形形状に形成されており、４隅がネジ２４で止められている。
　なお、図２に示す断面図では、各軸を通る折れ線に沿った断面を表す（右側の図）と共に、ネジ２４によるネジ止め状態を左側の図で表している。

　収容部２は、図３（ａ）に示すように、小型発電装置１の回転部３～発電部６の各部を内側に収容する筐体である。
　収容部２は、ベース２１、中板２２、カバー２３、及びこれらを固定するネジ２４で構成されている。ベース２１、中板２２、及びカバー２３は同一の四角形状であり、それぞれの四隅には、中心軸が同一となる位置に、ネジ２４で固定するためのネジ穴が形成されている。

　ベース２１には、その中心（対角線の交点）からずれた位置にロータ軸６１を軸支するための軸受孔が貫通している。
　そしてベース２１の中心上には回転ダイヤル３１のダイヤル軸３２が配置されるので、このダイヤル軸３２と、ロータ軸６１は互いにずれた位置に配置されることになる。このため、共通の受け板４２を使用して両軸３２、６１を同一平面上で軸支することができ、厚みを薄くすることが可能になる。

　ベース２１には、ロータ軸６１用の軸受孔を中心とする半径ｒ１の円形形状の第１凹部２１ａが形成されており、この第１凹部２１ａの底部には、さらに軸受孔を同心とする半径ｒ２（＜ｒ１）の第２凹部２１ｂが形成されている。
　この第１凹部２１ａ、第２凹部２１ｂにより発電部６の収納部が形成される。
　また、第１凹部２１ａの底面と、第２凹部２１ｂの周面とにより、環状のベース段部２１ｃが形成され、このベース段部２１ｃ上にステータコア６６が載置される。

　また、第２凹部２１ｂに形成された円形の底面には、その内周面から中心方向所定距離の位置に中間歯車の軸である伝動軸５１を軸支するための軸受孔が貫通している。
　これにより、ステータコア６６のコア巻線６７とコア巻線６７との間（ステータコア６６の内部）に伝動軸５１が配設されるので、小型発電装置１の平面サイズを小さくすることができる（図５（ａ）参照）。

　なお、図５（ｂ）に示されるように、環状部６６ａの内側の一部を切り欠いた切り欠き部６６ｃを設け、この切り欠き部６６ｃに伝動軸５１の一部が収まるように伝動軸５１を配設するようにしてもよい。
　また、図示しないが、伝動軸５１の直径が環状部６６ａの幅よりも小さい場合には、環状部６６ａに伝動軸５１の貫通孔を設け、該貫通孔を貫通させた伝動軸５１をベース２１に配設するようにしてもよい。この場合、伝動軸５１は、ベース２１のベース段部２１ｃに配設した含油軸受５２に軸支されることになる。
　さらに、伝動軸５１を軸支する含油軸受５２を環状部６６ａに設けることで、伝動軸５１を環状部６６ａ上に配設するようにしてもよい。

　ベース２１の、第１凹部２１ａ以外の部分には支柱４１用の支柱孔が３カ所形成されている。
　ベース２１の第１凹部２１ａが形成された上部側には、中板２２が配設される。
　中板２２は、方形形状で、その中心に回転ダイヤル３１の最大外径よりも僅かに小さい径の円形孔が設けられている。
　中板２２には、ベース２１と当接する側の面に、円径孔内部から外部に貫通する貫通凹部２２ａが設けられている。ベース２１の上面と貫通凹部２２ａとにより、収容部２の側面に内部から外部に貫通する貫通孔が形成される。
　この貫通凹部２２ａには発電部６による発電電力を取り出すための基板６９が配置される。このため貫通凹部２２ａの深さは基板６９の厚さ程度である。

　なお、中板２２とベース２１を一体形成し、発電電力を外部に取り出すための基板６９や配線を通すための貫通孔を側面や、底面に設けるようにしてもよい。この場合には、第１凹部２１ａの上部に、さらに回転ダイヤル３１用の円形凹部を形成する。この円形凹部の中心は回転ダイヤル３１の中心と一致させる。

　ベース２１の上部には、カバー２３が配設される。
　カバー２３は、小型発電装置１単独で製品化される場合には、ベース２１、中板２２と同一の方形形状であるが、例えば、携帯電話やスマートホン、音データ再生装置などの携帯型電子機器に組み込まれる場合には、当該携帯型電子機器の筐体を形成するカバーを使用するようにしてもよい。

　カバー２３は、断面逆Ｌ字形状の円環形状に形成され、押さえ部２３ｃを構成する円環状部と、その外周に立てられた周壁部とから構成されている。
　すなわち、カバー２３は、回転ダイヤル３１の最大外径よりも僅かに大きい径の円形の凹部２３ａが、その中心に形成されている。そして、この円形の凹部２３ａ底面中央には、回転ダイヤル３１の最大外径よりも僅かに小さい径の円形のダイヤル孔２３ｂが形成されている。そして、凹部２３ａの残された底部により回転ダイヤル３１を押さえる押さえ部２３ｃが形成されている。

　回転部３は、図３（ｂ）に示されるように、小型発電装置１の中央上部に配置され、発電の際にユーザが回転操作を行うための部材である。
　回転部３の上面には、ユーザが回転操作をする際に指が掛かるように、回転ダイヤル凸部３３が形成されている。回転ダイヤル凸部３３は、図４（ａ）に示されるように、放射線状に複数本（本実施形態では１０本）設けられている。
　本実施形態では、回転ダイヤル凸部３３を放射状に複数本形成することで、回転ダイヤル３１の強度を上げることができ、その分回転ダイヤル３１を薄く形成することができる。

　回転部３の内側中心には、滑り軸受用の軸穴が形成されており、ダイヤル軸３２で軸支されている。
　回転部３の内側面には、ダイヤル軸３２の軸心と同心円状に、環状凹部３４が形成されている。この環状凹部３４の内周壁には駆動歯車３５が形成されている。
　駆動歯車３５は、環状凹部３４の内周壁に成形・焼結等により一体形成されているが、リング状に別途形成した駆動歯車３５を環状凹部３４の内周壁に固定するようにしてもよい。
　この駆動歯車３５を介して回転ダイヤル３１の回転駆動力が伝達される。

　回転部３の外周端部は、全周にわたって肉薄の環状係止部３６が形成されている。この環状係止部３６は、所定隙間を以てカバー２３の押さえ部２３ｃでカバーされることで回転ダイヤル３１が外れないようになっている。
　この環状係止部３６の内側面、即ち、回転ダイヤル３１のベース２１側の面の外周側には、全周にわたって環状の摺動凸部３７が形成されており、この摺動凸部３７が中板２２と接触している。そして、回転ダイヤル３１を回転させると、この摺動凸部３７と中板２２の接触部が摺動する。
　このように回転ダイヤル３１は、中心がダイヤル軸３２で受け板４２に支えられ、受け板４２に面した底面の外周側が中板２２に支えられているので、回転ダイヤル３１の強度を上げることができ、その分回転ダイヤル３１を薄く形成することができる。

　受け部４は、図３（ｃ）に示されるように、収容部２と回転部３の間に配設され、小型発電装置１の各軸（ダイヤル軸３２、伝動軸５１、ロータ軸６１）を軸支するための部材である。
　受け部４は、３本の支柱４１と受け板４２、及びネジ４３で構成されている。
　支柱４１は、図２に示されるように、ベース２１に形成された３カ所の支柱孔に打ち込みにより固定されている。
　図４（ｂ）は、小型発電装置１を上からみた図４（ａ）の状態から回転ダイヤル３１を取り外した状態を表している。３本の支柱４１は、中板２２の内側で、受け部４及び伝動部５と重ならない位置にベース２１に設置されている（図４（ｂ）における、支柱４１に付けられているネジ４３を参照）。３本の支柱４１は、その３点の略中心部分に、ダイヤル軸３２の軸心が位置するように配置されることで、回転ダイヤル３１の回転の際に生じる力を安定的に受けるようになっている。
　なお、支柱４１は、外周面にネジを形成することでベース２１にネジ止めするようにしてもよい。

　ベース２１に固定された３本の支柱４１の他の端部には、３辺が外側に湾曲した略三角形状の受け板４２が配置され、ネジ４３で支柱４１に固定されている。
　受け板４２には、それぞれ対応する位置に、ダイヤル軸３２用の固定穴４２ａ、ロータ軸６１用の軸穴、伝動軸５１用の軸穴が形成されている。
　そして、図２に示されるように、ダイヤル軸３２が受け板４２から上方向にが配置され、ロータ軸６１が受け板４２から下方向に配設されることで、両軸を同一の受け板４２で固定及び軸支することができ、その結果小型発電装置１を薄くすることができる。
　ダイヤル軸３２は、ダイヤル軸３２の軸受部分の下側が固定穴部分に打ち込みにより固定されている。ただし、溶接固定、ネジ固定等の他の方法により固定するようにしてもよい。

　伝動部５は、図３（ｄ）に示されるように、回転ダイヤル３１の回転を発電部６のロータ軸６１に伝達するための部材である。
　伝動部５は、伝動軸５１、含油軸受５２、含油軸受５３、第２中間歯車５４、第１中間歯車５５により構成されている。
　伝動軸５１は、一端が含油軸受５２によってベース２１に軸支され、他端側が含油軸受５３によって受け板４２に軸支されている。
　伝動軸５１の含油軸受５３側は、図２及び図４（ｂ）に示されるように、受け板４２を突き抜けており、その端部に第１中間歯車５５がスプラインにより、又はキーと溝によって固定されている。

　この第１中間歯車５５は、回転ダイヤル３１の環状凹部３４内に位置し、駆動歯車３５と歯合している（図２、図４（ａ）参照）。
　また、伝動軸５１の両軸支部間には第２中間歯車５４が一体形成されており、この第２中間歯車５４は、ロータ軸６１に形成された被動歯車６２と歯合している（図２、図５（ａ）参照）。なお、第２中間歯車５４は伝動軸５１と別体で形成し、キーと溝や、スプラインにより伝動軸５１に取り付けるようにしてもよい。

　発電部６は、図３（ｅ）に示されるように、収容部２内に収容されて、伝動部５を介して回転ダイヤル３１による回転力を受けて永久磁石を回転することで発電する部材である。
　発電部６は、ロータ部とステータ部、及び基板６９から構成されている。発電部６は、ステータコア、インナーロータ型の発電機であり、永久磁石の磁極数とステータコアの凸極数は同数の１０極となっている。
　図２及び図６（ａ）に示されるように、ロータ部は、ロータ軸６１、被動歯車６２、含油軸受６３ａ、６３ｂ、磁気保持部材６４、永久磁石６５で構成される。また、ステータ部は、ステータコア６６とコア巻線６７とから構成される。

　ロータ軸６１は、一端が含油軸受６３ａによってベース２１に軸支され、他端が含油軸受６３ｂによって受け板４２に軸支されている。
　ロータ軸６１の受け板４２側の外周面には、第２中間歯車５４と歯合する被動歯車６２が一体形成されている。この被動歯車６２についても、別体で形成して、スプラインにより、又はキーと溝によってロータ軸６１に固定するようにしてもよい。

　ロータ軸６１のベース２１側には円板状の磁気保持部材６４が取り付けられている。磁気保持部材６４は、軽量化のために複数の（図６（ａ）では５個）の貫通孔が設けられている。
　磁気保持部材６４の外周端は段差が形成され、この段差部分にリング状の永久磁石６５が固定されている。
　永久磁石６５は、リング状に一体で成形・焼結するか、磁極毎に個別の磁石をリング状に配置するようにしてもよい。本実施形態の永久磁石６５は、粉末状の磁性材料を型に嵌めて熱処理して焼結しているが、樹脂（ボンド）と共に熱処理して樹脂形成や圧縮形成するようにしてもよい。
　このリング状に形成された磁性材を、ロータ軸６１に固定した磁気保持部材６４に取り付け、この状態で外周面側から着磁することで、永久磁石６５を形成する。着磁された永久磁石６５は、径方向内方から外方に向けて磁場配向され磁極数に分割されたセグメント磁石となる。

　永久磁石６５の磁性材料としては、希土類磁石が多用されており、希土類磁石の中でも等方性の磁性材料であるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系や、Ｓｍ－Ｆｅ－Ｎ系ボンド磁石を使用してもよいが、本実施形態では、ロータ部が小型化しても充分な磁力が得られるようにするために、異方性の磁石を用いている。
　即ち、磁性材料として、ラジアル方向の肉厚が薄くても多くの磁束量を発生でき、かつ保磁力が大きいＳｍ－Ｃｏ（サマリウム－コバルト）系磁性材料を使用する。この場合、Ｓｍ－Ｃｏ系磁性材料で異方性を持つ場合には、これを磁場配向によって磁性材料全体の磁気の軸をそろえた後、着磁を行うことにより、肉厚が薄くても多くの磁束量を発生させることができる。

　永久磁石６５は、図６（ａ）に示すように磁極数が１０極となるように形成される。なお、図６（ａ）に表示したＳ、Ｎの表示は、コア巻線６７と対向する側の極を表示したもので、それぞれの反対側（中心側）は逆の極になっている。
　このような永久磁石６５は、着磁ヨーク６８を使用して次のようにして着磁される。

　図６（ｂ）は、着磁ヨーク６８ａによりロータ部を着磁する状態を表した斜視図である。
　この図６（ｂ）に示されるように、着磁ヨーク６８ａは、永久磁石６５の極数（本実施形態では１０極）と同数の張出部が、環状部から中心方向に向けて形成され、この張出部に大電流に耐えうる太さの着磁コイル６８ｂが巻回されている。
　着磁ヨーク６８ａは、磁性材６５ｂ（永久磁石６５）を強力に磁化（フル着磁）するために、磁性材６５ｂの４倍程度の厚さに形成されている。
　この着磁ヨーク６８ａの内側に、磁気保持部材６４と環状の磁性材（着磁後に永久磁石６５になる部材）６５ａをロータ軸６１に固定したロータ部を配置する。これにより、磁性材６５ａの外周面には、着磁コイル６８ｂが対向配置される。
　この状態で着磁コイル６８ｂに大電流を流すことで、磁性材６５ａがフル着磁され、径方向内から外方向に磁場配向された１０極の永久磁石６５が形成される。

　一方、ステータ部を構成するステータコア６６は、図２、図６（ａ）に示されるように、環状部６６ａと、張出部６６ｂとから構成されている。
　図６（ａ）に示されるように、円環状の環状部６６ａには、内周面から中心方向に向けて複数の張出部６６ｂが配設されている。
　張出部６６ｂは、所定の極数に合わせて設けられるが、本実施形態では所定の極数として永久磁石６５の極数と同数を採用しているので、極数１０とするために張出部６６ｂを１０個設けている。
　張出部６６ｂは、環状部６６ａから中心方向に延設するとともに、更に、端部において周方向両側に延設した形状になっている。張出部６６ｂの先端部は、永久磁石６５の外周面と所定距離の空隙を介して対抗している。そして、張出部６６ｂの中心方向に延設した部分にコア巻線６７が巻回されるようになっている。

　１０本の張出部６６ｂの先端で形成されるステータコア６６の内周の径（以下、内径という）は、小型発電装置１を小型化するための好ましいサイズとして１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で選択され、より好ましくは１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲で選択される。
　一方、ステータコア６６の厚さは０．８ｍｍ以上１．４ｍｍ以下の範囲で選択される。
　そして、ステータコア６６の極数ｎ（張出部６６ｂ、コア巻線６７の数）は、ステータコア６６の内径が１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下の場合８極～１２極、好ましくは１０極、内径が１５ｍｍより大きく２０ｍｍ以下の場合１０極～１４、好ましくは１２極が選択される。
　本実施形態では、内径１３ｍｍ、外径２２ｍｍ、厚さ１ｍｍで、１０極のステータコア６６を使用している。

　ここで、ステータコア６６における極数選択の理由について図７、８を参照して説明する。
　図７は、張出部６６ｂの数（極数）を変えた場合のステータコア６６の形状を表したものである。
　この図７では、各々のステータコア６６にスロットを４～１６設けることで、４極、６極、８極、１０極、１２極、１４極、及び１６極のステータコア６６の形状を表している。
　いずれのステータコア６６も、発電の条件を統一するために、内径を１３ｍｍ、外径を２２ｍｍ、厚さ（積厚）を１ｍｍにしている。また、各ステータコア６６のスロット幅（隣り合う張出部６６ｂの先端部と先端部との幅）は、巻き線処理に必要な所定幅が必要となるため、全ステータコア６６とも同じ幅にしてある。

　図８は、図７に示した各ステータコア６６を使用した場合の発電電力を求めたものである。
　図８では、図７に示した各形状のステータコア６６に巻き線を施し、それぞれ内部に同一寸法のロータを配置して、５０００ｒｐｍで回転させた場合の電力を表している。
　一般に極数が増えるほど高電力を得ることができるが、小型化によりステータコア６６の内径を１３ｍｍにした場合、図８に示されるように、極数１０の発電電力が最も高く、１０極の次に極数が少ない８極が２番目、１０極の次に極数が多い１２極が３番目となっている。

　このように、単純に極数が増加することで発電電力が増加するわけではなく、その理由は次のように考えられる。
　すなわち、ステータコア６６のサイズを考慮しなければ、同一速度で永久磁石を回転した場合、磁石の磁極数が多い程、コア巻線６７に鎖交する磁束の速度は速くなり、発電電力が高くなる。
　しかし、ステータコア６６の小型化に伴い、張出部６６ｂ（コア極数）が多くなるほどコア巻線６７の断面積（コア断面積）が小さくなり、磁束が飽和してしまう。このため、コア巻線６７の断面当たりの磁束は、極数が増加する程小さくなってしまう。
　このため、内径が１０ｍｍ～２０ｍｍという小型のステータコア６６を使用した場合には、その内径サイズの範囲に応じて採用可能な極数、および最適な極数ｎが存在することになる。

　このように、ステータコア６６の内径が１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以下のインナーロータ型発電機では、最適極数ｎの場合の発電電力が最も高く、ｎよりも極数が少なくなるに従い発電電力は低下し、また、ｎよりも極数が多い場合も多くなるに従い発電電力が低下することがわかる。
　最適極数ｎは、ステータコア６６の内径により決まり、内径が１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以下ではｎ＝１０であり、極数８～１２の範囲で実用に耐え得る発電が得られる。
　一方、内径が１５ｍｍより大きく２０ｍｍ以下ではｎ＝１２であり、極数１０～１４の範囲で実用に耐え得る発電が得られる。

　ステータコア６６は、環状部６６ａと張出部６６ｂとが一体となった形状の、絶縁コーティング等によって絶縁処理した薄い板材を使用し、これを複数枚積層固定することで製造される。具体的には、積層ケイ素鋼板でステータコア６６が形成される。
　なお、ステータコア６６は、インナーロータ型の発電機における各種素材、形状を採用することができる。例えば、別体として製造した張出部６６ｂを環状部６６ａに固定するようにしてもよい。

　各張出部６６ｂにはコア巻線６７が直列に巻き付けられている。
　本実施形態ではインナーロータの外周にステータコア６６を配置する構造なので、コア巻線６７は、環状部６６ａの内側に放射上に複数配置することができ、これにより個々のコア巻線６７のサイズを小さくしながら、コイル長さ（巻き線の長さ）を長く巻くことができるので、大きな発電量を発生させることができる。

　ステータ部を構成する基板６９は、図５（ａ）に示されるように、収容部２外部から貫通凹部２２ａを通り、２つのコア巻線６７上に配置されている。
　基板６９には、２本の配線が印刷等により設けられており、直列に巻き付けたコア巻線６７の両端がそれぞれ２本の配線に接続されることで、発電部６による発電電力を外部に取り出すようになっている。
　基板６９の図示しない側は、小型発電装置１が携帯電話等の携帯型電子機器に組み込まれている場合、当該携帯型電子機器の二次電池や、予備用電源（二次電池や大容量キャパシタ等）に接続される。
　なお、予備用の外部電源として小型発電装置１を使用する場合には、基板６９に変えて、各種機器に接続する端子を備えた配線を使用するようにしてもよい。

　以上の通り構成された小型発電装置１の組立手順について次に説明する。
（１）まずベース２１に３本の支柱４１を固定する。
（２）次に、ベース２１のベース段部２１ｃに、発電部６のステータコア６６を配置する。この際、ステータコア６６に取り付けた基板６９が中板２２の貫通凹部２２ａに一致するように位置決めする。
（３）また、永久磁石６５、磁気保持部材６４が固定されたロータ軸６１の下端を、含油軸受６３ａでベース２１に軸支する。
（４）次に、含油軸受５２で伝動軸５１をベース２１に軸支し、第２中間歯車５４をロータ軸６１の被動歯車６２に歯合させる。
（５）次に、ダイヤル軸３２を固定した受け板４２に、含油軸受６３ｂでロータ軸６１の上端を軸支し、また含油軸受５３で伝動軸５１の上部を軸支し、ネジ４３で受け板４２を支柱４１に固定する。
（６）次に、受け板４２の上側から、伝動軸５１に第１中間歯車５５を取り付ける。
（７）次に、中板２２をベース２１上に載置する。この状態で、基板６９が貫通凹部２２ａから外部に出た状態となる。
（８）次に、回転ダイヤル３１を中板２２上に載せ、ダイヤル軸３２に回転ダイヤル３１を軸支する。
（９）最後に、カバー２３を中板２２に載せ、ベース２１、中板２２、カバー２３の四隅をネジ２４でネジ止めする。

　以上のように構成された小型発電装置１による発電の操作について次に説明する。
　発電する場合、ユーザは回転ダイヤル凸部３３に指を掛けて回転ダイヤル３１を回転させる。
　回転ダイヤル３１が回転すると、その回転は駆動歯車３５と歯合する第１中間歯車５５を介して伝動軸５１に伝動される。伝動軸５１の回転は、更に第２中間歯車５４と歯合する被動歯車６２を介してロータ軸６１に伝動され、永久磁石６５を回転する。
　このように、回転ダイヤル３１の回転は、各歯車の歯数比により回転数が増速されてロータ部の永久磁石６５を回転（３０００ｒｐｍ～７０００ｒｐｍの範囲）することで、３Ｖから５Ｖの電圧と充電に十分な電流を供給することが可能になる。
　発電部６での発電電力は、基板６９の配線を介して、電源に充電されることになる。

　次に、小型発電装置１における第２の実施形態について説明する。
　この第２実施形態の小型発電装置１では、回転ダイヤル３１の回転動力の伝達経路について第１実施形態とは異なっている。すなわち、上記した第１の実施形態では２段歯車機構を構成する駆動歯車３５、第１中間歯車５５、及び第２中間歯車５４、被動歯車６２の全てを平歯車により構成したが、第２の実施形態では、内歯歯車を回転ダイヤル３１に設けたものである。

　以下、第２実施形態の詳細について、第１実施形態と異なる点を中心に、図９、図１０を参照して説明する。
　この小型発電装置１では、外周の全面にわたって周壁部３８が形成されるように、回転ダイヤル３１ｂの内側に、ダイヤル軸３２を中心とする円形の凹部を設け、周壁部３８の内周面に駆動内歯歯車３５ｂが形成されている。この周壁部３８は、中板２２の円形孔内に配置される。
　そして、周壁部３８には、その外周全面にわたって環状係止部３６ｂが形成され、この環状係止部３６ｂの底面が中板２２と摺動することで、回転ダイヤル３１ｂの外周部が支持される。

　第２実施形態の伝動軸５１には、回転ダイヤル３１ｂの駆動内歯歯車３５ｂからロータ軸６１の被動歯車６２に回転を直接伝動する中間歯車５４ｂが形成されている。
　即ち、伝動軸５１に形成された中間歯車５４ｂは、回転ダイヤル３１ｂの周壁部３８内側に形成された駆動内歯歯車３５ｂと歯合すると共に、ロータ軸６１に形成された被動歯車６２と歯合することで、アイドルギア（遊び歯車）として機能する。

　図９、１０に示すように、第２実施形態においても中間歯車５４ｂの伝動軸５１が、ステータコア６６の内側（ロータ部の外側）、具体的にはステータコア６６のコア巻線６７とコア巻線６７との間に配設されることで、小型発電装置１の平面サイズを小さくしている。
　なお、第２実施形態においても、図１０に示されるように、基板６９の一部を除き、回転ダイヤル３１ｂの最大径の内側に、受け部４、伝動部５、発電部６の全てが構成されている。

　また第２実施形態の伝動軸５１は、端部が受け板４２に含油軸受５３で軸支されている。
　このように、第２実施形態では、伝動軸５１の端部が受け板４２から突き抜け、当該端部に第１中間歯車５５を固定している第１実施形態と異なり、第１中間歯車５５が不要である分だけ回転ダイヤル３１ｂを薄くすることができる。その結果、小型発電装置１全体の厚みを小さくすることができる。

　また、第１実施形態では、回転ダイヤル３１を回転する際の回転操作を補助する構造として、ダイヤル軸３２を中心とする放射上の回転ダイヤル凸部３３を複数設けたが、第２実施形態では、回転ダイヤル凹部３３ｂを採用している。
　回転ダイヤル凹部３３ｂは、円形の窪みが１つ回転ダイヤル３１ｂに設けられており、ユーザは、この窪み部分に指をかけて回転ダイヤル３１ｂを回転するようになっている。
　なお、第１実施形態における回転ダイヤル３１において、回転ダイヤル凸部３３に変えて回転ダイヤル３１を採用するようにしてもよい。また、逆に第２実施形態の回転ダイヤル３１ｂにおいて、第１実施形態の回転ダイヤル凸部３３を採用するようにしてもよい。

　次に説明した第１実施形態、第２実施形態の変形例について図１１～図１３を参照して説明する。
　この変形例は、小型発電装置１の受け部４を変形したものである。以下の説明では第１実施形態を例に説明するが、上述した第２実施形態に対しても同様に適用することができる。

　説明した両実施形態の小型発電装置１では、図４（ｂ）に示されるように、ダイヤル軸３２、ロータ軸６１、及び伝動軸５１の３軸を受け板４２で軸支しており、この受け板４２をベース２１に固定するための支柱４１がすべてステータコア６６の外部に配置されている。
　本変形例のうち変形例１～３については、複数本の支柱４１のうち、少なくとも１本の支柱４１を、ステータコア６６の内側（ロータ部の外側）に配置してベース２１に固定したものである。
　なお、各変形例では、ダイヤル軸３２、ロータ軸６１、及び伝動軸５１の配置は第１実施形態、第２実施形態と同じであるが、異なる位置に配置するようにしてもよい。ただし小型発電装置１の小型化のため、伝動軸５１はステータコア６６内に配置する。

　第１変形例では、図１１（ａ）に示すように、３本のうちの１本の支柱４１ａをコア巻線６７とコア巻線６７の間に配置している。図１１（ａ）に示した例では、支柱４１ｃについては第１実施形態と同じ位置に配置しているが、支柱４１ｂについてはステータコア６６の外側ではあるが、第１実施形態よりもステータコア６６の近傍に配置している。
　このように、複数配設する支柱４１ａ～４１ｃのうち支柱４１ａをステータコア６６内に配置することで、受け板４２を小さくすることができ、小さくなった分だけ軽量化することができる。また、小型発電装置１の平面サイズも小さくすることができる。

　第２変形例では、図１１（ｂ）に示すように、全ての支柱４１ａ～４１ｃをステータコア６６の内部に配設したものである。
　これにより、３本の支柱４１ａ～４１ｃと伝動軸５１の合計４本がステータコア６６内に配置されることになる。
　そして、第２変形例では、全１０個のコア巻線６７のうち、支柱４１ｃと支柱４１ａの間及び支柱４１ｃと支柱４１ｂの間にはそれぞれ３つのコア巻線６７が配置され、支柱４１ａと支柱４１ｂの間には４つのコア巻線６７が配置されることで、バランスよく受け板４２を支えることができる。そして、支柱４１ａと支柱４１ｂに対する伝動軸５１のバランスも良くするために、支柱４１ａと支柱４１ｂの間に、それぞれ２つのコア巻線６７を置いて伝動軸５１を配置している。
　また第２変形例では、３本の支柱４１ａ～４１ｃを全てステータコア６６内に配置することで、受け板４２をステータコア６６の外周面内に収めることができる。

　次に第３変形例について、図１２を参照して説明する。
　この第３変形例も、３本の支柱４１ａ～４１ｃの全てをコア巻線６７とコア巻線６７との間に配置している。
　この第３変形例では、ステータコア６６の径を大きくすることで、支柱４１をコア巻線６７とコア巻線６７の間に配置している。このように、ステータコア６６を大きくすることで、より多くの巻き数に増やし、高電圧を得ることができる。
　なお、コア巻線６７の巻き方について直列となる波巻きの場合について説明したが、第３変形例の場合、張出部６６ｂを長くすることができるので、重ね巻きの構成を採用するようにしてもよい。

　第１、第２実施形態及び第１、第２変形例では、基板６９の一部を除いて、回転ダイヤル３１の外周面内に回転部３、受け部４、伝動部５が配置される場合について説明したが、第３変形例に示すように、ステータコア６６の一部が、回転ダイヤル３１の外周面から出ている構造としてもよい。
　このように、回転ダイヤル３１よりも外側にステータコア６６をはみ出す構造とする場合には、両者の軸方を結ぶ仮想線分を収容部２の対角線と一致させることで、第１実施形態における小型発電装置１と同サイズにすることができる。即ち収容部２の頂点方向にはみ出すように、ステータコア６６を大きくすることで、全体の大型化を回避することができる。
　なお、図１２に示した変形例では、全ての支柱４１ａ～４１ｃがコア巻線６７とコア巻線６７の間に配置される場合について示したが、何れか１本が配置される構成でもよい。

　説明した変形例１～３では、少なくとも１本の支柱４１を、コア巻線６７とコア巻線６７の間に配置する場合について説明したが、環状部６６ａ上に配設するようにしてもよい。
　この場合、支柱４１は、環状部６６ａ自体に固定される場合でも、環状部６６ａとベース２１を貫通して固定されるようにしてもよい。

　次に第４変形例について図１３を参照して説明する。
　説明した第１実施形態及び上記変形例では、何れも支柱４１をベース２１に固定し、中板２２の内側で、受け板４２を支柱４１に固定する構成であるのに対し、この第４変形例では、支柱４１を無くし、収容部２で支持固定するものである。
　この第４変形例においても、ダイヤル軸３２、ロータ軸６１、伝動軸５１の支持位置は第１実施形態と同じである。

　第４変形例では、図１３に示すように、受け板４５の外形を収容部２と同じ外形とし、中板２２とカバー２３との間に配置する。この受け板４５は、収容部２と同様に四隅にネジ穴が形成され、ネジ２４により、収容部２と共に固定される。
　このように第４変形例では、支柱４１がないので、製造部品点数を削減することができ、製造工程も簡略化することができる。
　この第４変形例では、回転ダイヤル３１の摺動凸部３７は受け板４５面上を摺動することになる。

　なお、説明した第１実施形態や変形例の受け板４２に比べて、受け板４５の外形の面積が大きくなるが、ダイヤル軸３２、支柱４１、ロータ軸６１を支持する強度上の問題がない範囲で、受け板４５に貫通孔を設ける（内部を削る）ようにしてもよい。

　また、ダイヤル軸３２、支柱４１、ロータ軸６１を含む面積の中央支持板部と、中板２２と平面視形状がほぼ同一の環状部と、中央支持板部と環状部を３カ所以上で連結する連結部からなる受け板４５としてもよい。
　例えば、受け板４５の中央支持板部の形状を図４（ｂ）に示した受け板４２と同一形状とし、この中央支持板部から回転ダイヤル３１の軸心からネジ４３を結ぶ線分の方向に延ばした３本の連結部により環状部と連結した構造としてもよい。

　なお、図１３で示した第４変形例では、受け板４５の厚さ分だけ中板２２を薄くすることで、説明した第１実施形態や変形例と同じ厚さの小型発電装置１としている。
　これに対して、中板２２と受け板４５とを一体形成するようにしてもよい。
　また、中板２２を省略し、ベース２１の厚さを中板２２を含めた厚さに形成し、その厚さ分だけ第１凹部２１ａを深くするようにしてもよい。

　以上説明した実施形態及び変形例によれば次のような効果を得ることができる。
（１）円環状に複数配置したコア巻線６７と、当該コア巻線６７の内周に永久磁石６５を配置し、この永久磁石６５を回転させる為の歯車列から構成され、この歯車列の少なくとも１個の歯車の回転軸（伝動軸５１）を、前記複数配置のコア巻線６７の間に配置した。このように、コア巻線６７の間に歯車の回転軸を配置する事により、平面サイズを小さくすることができる。
（２）また、コア巻線６７を円環の放射状に複数配置することで、個々のコア巻線６７のサイズを小さくしながら、全体のコイル長さを長く巻くことができるため、大きな発電量を発生させることができる。
（３）回転ダイヤル３１の軸心と、発電部６におけるロータ部の軸心とが同一ではないので、回転ダイヤル３１とロータ部の回転支持部に用いる保持部材（ダイヤル軸３２、含油軸受６３ａ）が、平面的にずれていることで、厚み方向の干渉を避けられるため、厚みを薄くすることができる。
（４）さらに、アウターロータ型の発電部の場合、永久磁石を保持する磁気保持部材（ロータ底）がステータの上部／下部に配設されるために装置が厚くなるのに対し、本実施形態では、インナーロータ型を採用することで永久磁石６５と磁気保持部材６４をステータコア６６の内部に配設することができ、装置の厚さを薄くすることができる。
（５）また、第４変形例を除いて、説明した実施形態及び変形例では、３本の支柱４１を結ぶ三角形内に、駆動歯車３５のダイヤル軸３２と、被動歯車６２のロータ軸６１が配置されていることで、受け板４２によって両軸を安定的に支えることができる。
（６）アウターロータ型の発電機の場合、リング状に成形したラジアル異方性磁石の内側から着磁する必要があるが、小径の場合に着磁ヨークを内側に配設することが困難であるため、磁力の強い異方性磁石を使うことが難しい。
　しかし、本実施形態のインナーロータ構造は磁場配向した分割磁石をロータに接着固定した後、その外周に着磁ヨーク６８ａを配置して着磁することが容易であるため、フル着磁が可能であり、磁力の強い異方性磁石を使うことで、大きな電力を得ることができる。

　以上、本発明の小型発電装置における実施形態及び変形例について説明したが、本発明は説明した内容に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において各種の変形を行うことが可能である。
　例えば、説明した実施形態では、基板６９用の貫通凹部２２ａを中板２２に設けたが、中板２２を環状の平板とし、貫通凹部をベース２１の上面に設けるようにしてもよい。これにより、基板６９が配設されたステータコア６６をベース２１に取り付けるので、基板６９の位置決めが容易になる。

　また、説明した実施形態では、支柱４１を３本設ける構成としたが、４本以上設けるようにしてもよい。
　また、第１実施形態では回転ダイヤル３１に回転ダイヤル凸部３３を設け、第２実施形態では回転ダイヤル凹部３３ｂを設ける場合について説明したが、回転ダイヤル３１表面に多角形穴を設け、レバーを差込んで廻す構成としてもよい。この場合、多角形穴は回転ダイヤル３１のできるだけ外周側に設けることで弱い力で回転することができる。なお、径方向の異なる位置（回転中心からの距離が異なる位置）に複数の多角形穴を設けることで、外側の多角形穴にレバーを差し込んで大きな円周上を小さな力で廻すか、それとも中心側に差し込んで小さな円周上を大きな力で廻すかをユーザの好みに応じて選択できるようにしてもよい。

　また、回転ダイヤル３１を回転支持部として、説明した実施形態では、回転ダイヤル３１に軸穴を形成し、この軸穴にダイヤル軸３２を勘合する場合について説明したが、回転ダイヤル３１から軸を出し、この軸を受け板４２、４５に設けた軸穴に挿入するようにしてもよい。この場合の軸穴には含油軸受を介するようにしてもよい。

　１　小型発電装置
　２　収容部
　２１　ベース
　２１ａ　第１凹部
　２１ｂ　第２凹部
　２１ｃ　ベース段部
　２２　中板
　２２ａ　貫通凹部
　２３　カバー
　２３ａ　凹部
　２３ｂ　ダイヤル孔
　２３ｃ　押さえ部
　２４　ネジ
　３　回転部
　３１、３１ｂ　回転ダイヤル
　３２　ダイヤル軸
　３３　回転ダイヤル凸部
　３３ｂ　回転ダイヤル凹部
　３４　環状凹部
　３５　駆動歯車
　３５ｂ　駆動内歯歯車
　３６、３６ｂ　環状係止部
　３７　摺動凸部
　３８　周壁部
　４　受け部
　４１　支柱
　４２　受け板
　４３　ネジ
　４５　受け板
　５　伝動部
　５１　伝動軸
　５２、５３　含油軸受
　５４　第２中間歯車
　５４ｂ　中間歯車
　５５　第１中間歯車
　６　発電部
　６１　ロータ軸
　６２　被動歯車
　６３ａ、６３ｂ　含油軸受
　６４　磁気保持部材
　６５　永久磁石
　６６　ステータコア
　６６ａ　環状部
　６６ｂ　張出部
　６６ｃ　切り欠き部
　６７　コア巻線
　６８ａ　着磁ヨーク
　６８ｂ　着磁コイル
　６９　基板
　１００　携帯型電子機器
　１０１　筐体

Claims

　インナーロータ型の小型発電装置であって、
　複数のコア巻線を備えた円環状のステータと、
　被動歯車が配設されたロータ軸と、円環状の永久磁石を備え、前記ステータの内側に配置されるロータと、
　駆動歯車を備え、発電時にユーザにより回転される回転部と、
　前記回転部の回転による前記駆動歯車の回転を、中間歯車により、前記ロータ軸の被動歯車に伝動する伝動部と、を備え、
　前記中間歯車の少なくとも１つの回転軸を、前記ステータ内で前記ロータの外側に配設したことを特徴とする小型発電装置。
　前記中間歯車の少なくとも１つの回転軸は、前記ロータのコア巻線とコア巻線との間に配設されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の小型発電装置。
　前記回転部と、前記ステータの間に配設された受け板を備え、
　前記駆動歯車の回転軸、前記中間歯車の少なくとも１つの回転軸、及び前記ロータ軸は、前記受け板に支承されている、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の小型発電装置。
　前記回転部は、前記ステータと平行に配設され、前記駆動歯車と同心の円環状凹部が形成された回転ダイヤルを備え、
　前記駆動歯車は前記円環状凹部の内側の内周面に形成された外歯歯車である、
ことを特徴とする請求項３に記載の小型発電装置。
　前記回転部は、前記ステータと平行に配設され、前記駆動歯車と同心の円形凹部が形成された回転ダイヤルを備え、
　前記駆動歯車は前記円形凹部に形成された内歯歯車である、
ことを特徴とする請求項３に記載の小型発電装置。
　前記回転ダイヤルの外径よりも内側に、前記ステータ、前記ロータ、前記伝動部が配設されている
ことを特徴とする請求項４、又は請求項５に記載の小型発電装置。
　請求項１から請求項６のうちの何れか１の請求項に記載された小型発電装置と、
　前記小型発電装置で発電された電力を蓄電する蓄電手段と、
を備えたことを特徴とする携帯型電子機器。