JPH0738029B2 - 小型発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は電子時計の電源として用いることのできるよう
な小型発電装置に関するものである。

［従来技術］ 従来電子時計等の携帯電子機器のエネルギー源は電池が
ほとんどすべてであった。この電池はその持つ容量と時
計体の消費電流とから決まる電池寿命があり電池交換の
わずらわしさが常につきまとうものであった。そこでこ
の欠点を解消する為に例えば時計内部に発電機構を設け
る試みがなされている。その試みは従来特開昭50−1786
6号のごとくであり発電効率も悪く、サイズも大きくな
り又耐久性にも問題があり実用化にいたっていない。

［目的］ 本発明は以上の様な欠点を解消し、きわめて発電効率の
高い、サイズ的にも自由度の高いしかも耐久性の優れた
発電装置を提供しようとするものである。

［実施例］ 本発明の実施例を図によって説明する。尚小型発電装置
が組み込まれる携帯機器の例として腕時計を用いた。

第１図は本発明を有効に活用した水晶腕時計のシステム
の概念を示すブロック図である。１は回転トルクを生じ
せしめる手段であり回転中心と重心とが偏心したアンバ
ランス車で構成される手段である。この回転手段１の回
転運動を増速輪列２により増速し発電機構としての変換
器A3のローターを回転させ交流電流を生じせしめる。こ
の交流を整流回路４により整流し蓄電手段５に蓄電す
る。本実施例ではこの蓄電手段として大容量コンデンサ
ーである電気二重層コンデンサーを用いている。この大
容量コンデンサーを電源として、時間標準である水晶を
含む制御回路６やこの制御回路６に制御された駆動回路
７が作動する。駆動回路７によりエネルギーを供給され
て変換器B8が動作し、この変換器B8の動きが減速輪列９
により指針10に伝えられ時が表示される。

第２図は発電機構としての変換器A3の説明図である。永
久磁石20aを含むローター20をかこむ様にステーター21
が配置されている。コイル22は磁心22aに巻かれており
磁心22aとステーター21とはネジ23により固着されてい
る。このローター20が回転する事によりコイルには次式
で表される起動力Ｅと電流Ｉが生じる。

N :コイルの巻数 φ：磁心22aを通る磁束数 t :時間 R :コイルの抵抗 W :ローター20の回転速度 L :コイルのインダクタンス この起動力はほぼsinカーブを持つ交流である。又ロー
ター20とそれをかこむステーター21の穴とが同心円であ
りほぼ全周にわたりロータ磁石をかこんでいる。これに
よりローターのある場所に止まっていようとする力（引
きトルク）を最小にする事ができる。このような形状の
ステータが引きトルクを下げることの説明をもう少し詳
しく説明する。ステーター21は２つの極片部分21aと21b
とそれぞれの極片部分をつなぐ細い部分21cでローター
磁石20aを囲むように形成される。例えばロータ磁石20a
のＮ磁極が一方のステータ極片21aからの他方のステー
タ極片21bに向かって回転しステータ極片間をつなぐ細
い部分21cの近傍に至ったとき、一部の磁束が細い部分2
1cを介して他方のステータ極片21bの方に洩れ流れるこ
とになる。これは言い換えるならば、最初の一方の側の
ステータ極片21aに残る磁束が少なくなることを意味
し、結果的にロータを磁気的安定点に戻そうとする最大
引きトルクがその分小さくなることになる。例えば細い
部分21cがなく空隙を構成するようなステーター（例え
ば特開昭52−80871号公報の第１図に開示されているス
テーター）の場合には空隙部の磁気抵抗が著しく大きく
なるためローター磁極がその空隙を越えるまで磁束は最
初の側のステーター極片に残ろうとするようになり、結
果的に引きトルクが著しく大きくなってしまうが、本発
明の構成では細い部分21cから他方のステータ極片21bに
磁束が洩れるので引きトルクが格段に下がることにな
る。その為、アンバランス車が小さくても容易にロータ
ーが起動開始させられるようになる。

また最初の最大引きトルクを越えてローターが回転を開
始するとアンバランス車は慣性もあって回転を継続する
が、回転の後半になりエネルギーが少なくなって引きト
クルを越えられない地点でアンバランス車は停止する。
従って引きトルクが小さい方がローターの回転角度を広
げることができることになる。本発明の構成では上述の
ごとく引きトルクが小さいので、その分アンバランス車
はより後の方まで回転することができ、回転角度を広げ
て発電量を充分確保できるものである。特にアンバラン
ス車とロータとの間は増速輪列で接続されるので、アン
バランス車の回転角度の僅かな増加もローターでは数回
転にも相当することになり、小型発電装置にとっての影
響はかなり大きく、発電効率を高めるポイントとなる。

尚、磁束の漏れが磁束の変化量ｄφを減ずることになる
ので起動力Ｅも下がることが予想されるが、実際には引
きトルクが小さくなるためロータの回転速度が早くな
り、磁束の変化速度1/dtが大きくなるため起動力Ｅは実
質的に下がることはない。

第３図は回転手段１から増速輪列２を介して変換器A3に
いたるまでの機構の説明用の断面図である。31が回転中
心と重心とを偏心させたアンバランス車で、32が地板、
33が受である。アンバランス車31のアンバランスにより
生じる回転運動が増速輪列31a、34、及びローターかな2
0bによりローター磁石20aの回転運動になる。22bはコイ
ルリード基板でありコイルの端末処理がなされ、このコ
イルリード基板22bと回転基板35とが接触しコイルに誘
起された電力が回路に伝えられる。

前記したごとくローターの引きトルクが小さければアン
バランス車31のアンバランス量も小さくてよい。起動の
最低条件は （ローター引きトルク）＜（アンバランス車のアンバラ
ンストルク） となる。

次に本発明の目的である小型化と発電効率を高めるため
の整流回路の構成について述べる。

第４図は従来の整流回路４の説明図である。整流回路は
41、42、43、44の４つのダイオードで構成されている。
５は蓄電手段であり本実施例では大容量コンデンサーで
ある電気二重層コンデンサーを用いている。コイル22に
細線45で示す電力が誘起されると電流は細線で示す様に
流れコンデンサー５に蓄電される。又破線46で示す様に
流れるとこれも45の時と同様の方向でコンデンサー５に
蓄電される。

一般に半波整流に対して全波整流は効率がよいと考えら
れるが、これを本発明が対象とするようなアンバランス
車でローター磁石を回転させる小型発電装置に用いた場
合状況はかなり異なる。即ち、ロータ磁石が回転してい
るときは発電すると同時に、コイルに流れる発電電流
（誘起電流）によりロータの回転を妨げようとする電磁
ブレーキをも発生させることになる。当然この電磁ブレ
ーキはアンバランス車の駆動エネルギーを見かけ上減ら
すことになり、あたかも一回り小さなアンバランス車を
使っているのと同じ状態にしてしまう。全波整流はロー
ターの回転の全域においてこの電磁ブレーキが作用する
ことになるので、アンバランス車が回転のより早い時点
で引きトルクを越えられなくなり停止してしまう。この
結果アンバランス車の回転角度が狭められ発電効率を極
端に劣化させてしまうという問題である。

本発明では従来効率が悪いとされていた半波整流を用い
ることによりこの問題を解決した。第５図にその実施例
を示す。第５図は本発明による充電回路の説明図であ
る。アンバランス車51による回転力を増速輪列52でロー
ター53に伝える。ローター53の回転により生じた磁界の
変化がステーター54を介してコイル55に伝わりコイル両
端に誘起電圧が発生する。57は蓄電手段であるコンデン
サーであり、コイル55で生じた電力をO₁、O₂を通じて蓄
えて時計体56へその電力を供給する。このコンデンサー
57の耐圧電圧以上の過充電防止回路がリミッター58であ
る。

59は半波整流の作用をするダイオードである。また59
は、コイル55に交流電力が発生していない時にコンデン
サー57に蓄えられた電力がコイル55を通じて失われる事
を防止する逆流防止用ダイオードの役割も兼ねている。

半波整流回路を用いた場合と全波整流を用いた場合の発
電の違いを第６図により説明する。

第６図は蓄電手段57に流れ込む電流波形を示しており、
第４図に示した従来の全波整流回路と第５図に示した本
発明による１つのダイオード59による半波整流とを比較
して示したものである。60が基準線である。61が従来の
整流回路での発生電流、62は本発明での発生電流、63は
従来の全波整流回路での電圧ドロップによるロス分であ
り、64は本発明による半波整流回路での電圧ドロップに
よるロス分である。蓄電手段に蓄えられる電荷量は従来
は61と63とに包まれた面積分であり本発明によるものは
62と64とに包まれた面積分である。この面積比較ではほ
とんど差はなく蓄電性能は同等である。従来の全波整流
に比べ半波整流を用いても蓄電性能に差のない理由を次
に述べる。半波整流でカットされている期間（第６図で
は66に示す）はコイル22に電流が流れず、したがってロ
ーターに加わる電磁ブレーキトルクが小さい為アンバラ
ンス車の動きが速くなる。すなわち66の期間のエネルギ
ーはアンバランス車の運動エネルギーとして蓄えられ発
電時に解放される。したがって61に比べ62のピーク値も
大になっているのである。又整流ロスもダイオード２個
が１個になり半分となる事も有利に働いている。この結
果半波整流にしたにもかかわらずその発電及び蓄電性能
は全波整流に比べ悪くならないのである。

また半波整流を用いた場合前記のごとく磁気ブレーキが
少ない分アンバランス車の運動エネルギーをより高い状
態で回転させられるので、その分全波整流の場合よりア
ンバランス車の回転角度を大きくとることができ、ロー
ターを余分に回して発電量を稼ぐものである。このよう
にローターの回転速度が速くなることを回転角度を広げ
られることにより半波整流にもかかわらず全波整流した
のと遜色のない発電量が確保でき、アンバランス車の駆
動エネルギーを保持させることにより、ローターの回転
角度を確実に広げ発電効率を高めたものである。特にア
ンバランス車とロータとの間の増速比率はきわめて大き
いのでアンバランス車の回転角度の僅かな増加もロータ
ーの大きな回転につながり、小型発電装置にとって発電
効率への影響はかなり大きなものとなる。かかる本発明
の構成によれば、腕時計を携帯した者がデスクワーク等
の僅かの動きをしてもアンバランス車が直ちに起動し、
アンバランス車の傾きをローターの有効な回転につなげ
るので、時計を動かすのに十分な電力が確実に蓄積され
る。

またもちろん全波整流が４個のダイオードを使用するの
に対して半波整流は１個のダイオードで済むので小型携
帯機器に必要なスペース効率の点でも格段に有利となる
ことはいうまでもない。素子の少ない分信頼性の管理も
容易になる。

第１図における蓄電手段５から先の制御回路６、駆動回
路７、変換器B8、減速輪列９、指針10は従来と同じもの
でよく周知の機構が用いられている。

本実施例の発電装置ではローター磁石は厚肉円筒型であ
り加工はきわめて簡単であり、希土類磁石等あらゆる磁
石を使用することができる。又磁石の磁束をステータ
ー、磁心という高透磁率材により磁気回路を構成し取り
出している為コイルを鎖交する磁束数φがきわめて大き
くなっている。従ってこの面からも発電効率が大幅に高
くなっている。また本実施例では磁石とコイルをレイア
ウト上切りはなして配置し、磁石とコイルを平板状ステ
ーターで磁気的に結合するので組み込みが容易であると
ともに薄型の発電装置となる。また各要素を分散配置で
きる事から時計全体のレイアウトを考えて他の構成部
品、例えば輪列や回路等のスキマへ自由に配置できその
スペース効率はきわめて良い。

又本実施例では蓄電手段として大容量コンデンサーを用
いている。コンデンサーは電池等の様な化学反応でなく
物理現象であり蓄電手段そのものの寿命がきわめて長
く、本実施例によるシステムによれば従来のゼンマイ式
の時と同様な寿命が得られ、もちろん電池交換のごとく
わずらわしさもなく、しかも水晶時計等高い精度の時計
が実現できる。

又ダイオードをリミッターより発電装置側に配した事に
より半波整流の電流カット時の悪影響をも吸収して充電
効率を向上させている。

回転手段としてのアンバランス車のアンバランス部31b
は本構造のみでなく他ももちろん可能である。例えば第
３図において受33の上に配置をすればアンバランス量を
大きくとる事がたやすく行える。

蓄電手段５については本実施例では大容量コンデンサを
用いたが充電可能な電源であれば何でもかまわない。例
えば近年充電可能なリチウム電池や固体電解質電池等も
実用化されつつあり、これらも電池そのものの容量も大
きく長期信頼性も高く本発明に適した電源である。又銀
電池はその長期信頼性に若干問題はあるが蓄電手段とし
て使用も可能である。

又第１図における蓄電手段以降の制御回路から表示手段
である指針までの構成は針表示の例で示したものである
が、表示手段が針でなくLCD等のデジタル表示でもかま
わない。

［効果］ 以上のように本発明の構成によれば上述の如くステータ
ー極片間を細い部分でつなげることにより生じる磁束の
洩れを巧みに利用するとともに半波整流回路を用いるこ
とにより、小型のアンバランス車の使用を可能にして発
電装置全体を腕時計のような小型携帯機器に組み込める
程度に小型化できたものである。また同時に、小型のア
ンバランス車を用いているにもかかわらず小型携帯機器
の僅かな動きでも確実にアンバランス車ひいてはロータ
を起動させ、且つアンバランス車の回転角度を確実に広
げ発電効果を高めたものであり、実用化可能な小型発電
装置を提供したものである。本発明の小型発電装置を腕
時計に組み込んだ場合、デスクワーク等の僅かな動きで
あっても時計を駆動するのに十分な発電・蓄電が可能と
なったものであり、日常生活で使用できる小型発電装置
を提供したものである。

又、本発明の発電装置は磁石とコイルをレイアウト上切
りはなして配置し、磁石とコイルを平板状ステーターで
磁気的に結合するので組み込みが容易であるとともに薄
型の発電装置となる。また各要素を分散配置できる事か
ら携帯機器のレイアウトを考えて他の構成部品、例えば
回路部品等のスキマへ自由に配置できそのスペース効率
はきわて良い。更に半波整流を用いることにより素子の
数を減らして小スペース化にも寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシステムの概念を示すブロック図。 第２図は発電機構の説明図。 第３図は輪列部の断面図。 第４図は従来の整流回路の説明図。 第５図は本発明による充電回路の説明図。 第６図は蓄電電流波形図。 １……回転手段 ２……増速手段 ３……発電機構 ４……整流回路 ５……蓄電手段 20、53……ローター 21、54……ステーター 22、55……コイル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転中心と重心が偏心したアンバランス車
   と、 コイル、板状のステーター、永久磁石を備えたローター
   より成り、前記ローターの回転運動により発電する機械
   −電気変換器と、 前記アンバランス車の回転を増速して前記ローターに伝
   達する増速輪列と、 前記機械−電気変換器により発生した交流電流を整流す
   る整流手段と、 前記整流手段により整流された電流を蓄電する蓄電手段
   とを有し、 高透磁率材より成る前記ステーターは前記ローターと同
   心円状の穴を有し二つの極片部分が極片部分間における
   引きトルクを減少させるよう接続されて前記ローターの
   全周を取り囲むように形成し、 且つ、前記整流手段を半波整流回路により構成したこと
   を特徴とする小型発電装置。