水栓用発電機
【課題】ヨークの磁化性能をより細かく調整できる水栓用発電機を提供する。
【解決手段】給水流路に対して略平行な中心軸のまわりに回転可能に給水流路に設けられた動翼と、動翼と一体に回転可能なマグネットと、マグネットに対向して設けられたコイルと、マグネットとコイルとの間でコイルの周方向に互いに離間して並んで配置された複数の極歯を有するとともに、コイルを囲んで設けられたヨークと、を備え、ヨークは、複数のヨーク部材を結合してなり、前記複数のヨーク部材の少なくともいずれかは他と異なる材料を含む。
【解決手段】給水流路に対して略平行な中心軸のまわりに回転可能に給水流路に設けられた動翼と、動翼と一体に回転可能なマグネットと、マグネットに対向して設けられたコイルと、マグネットとコイルとの間でコイルの周方向に互いに離間して並んで配置された複数の極歯を有するとともに、コイルを囲んで設けられたヨークと、を備え、ヨークは、複数のヨーク部材を結合してなり、前記複数のヨーク部材の少なくともいずれかは他と異なる材料を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給水の流れを利用して発電する水栓用発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、蛇口の下に手を差し出すことによって、これをセンサが感知し、蛇口から水を自動的に吐水する自動水栓装置が知られている。また、そのような自動水栓装置の流路に小型発電機を配設し、この発電機で得られた電力を蓄電しておき、上述のセンサ等の回路の電力を補う装置も知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、外周面が着磁されたマグネットと、マグネットの外周面に対向するように周方向に等間隔に配置された複数の極歯を有する外ステータコアと、外ステータコアの極歯と同様にマグネットの外周面に対向すると共に外ステータコアの極歯と交互に周方向に等間隔に配置された複数の極歯を有する内ステータコアと、コイルと、を備えた発電機が開示されている。
【０００４】
水栓用発電機は水まわりで使用されるため、外ステータコア及び内ステータコアに適した材料としては、ある程度限定されてしまう。そのような条件下で、外ステータコアと内ステータコアとを同材料から構成すると、コイルを鎖交する磁束の流れを形成するためのヨークとして機能する外ステータコア及び内ステータコアにおける磁化性能（透磁率）の調整自由度が、前記限定された材料の選択数に制限されて小さくなり、設置場所の水道水圧や発電機の用途などに応じた細かな仕様要求に柔軟に対応できない。
【特許文献１】特開２００２−８９４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ヨークの磁化性能をより細かく調整できる水栓用発電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、給水流路に対して略平行な中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットに対向して設けられたコイルと、前記マグネットと前記コイルとの間で前記コイルの周方向に互いに離間して並んで配置された複数の極歯を有するとともに、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、を備え、前記ヨークは、複数のヨーク部材を結合してなり、前記複数のヨーク部材の少なくともいずれかは他と異なる材料を含むことを特徴とする水栓用発電機が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ヨークの磁化性能をより細かく調整できる水栓用発電機が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面中、同一の構成要素には同一の符号を付している。
【０００９】
図４は、本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置（以下、単に自動水栓装置とも称する）の取付例を表す模式図である。
図５は、同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。
【００１０】
本実施形態に係る自動水栓装置３は、例えば洗面台２などに取り付けられる。自動水栓装置３は、配管４を介して、水道水等の流入口５に接続されている。自動水栓装置３は、円筒状の本体３ａと、この本体３ａの径外方向に延出して本体３ａの上部に設けられた吐水部３ｂとを有する。吐水部３ｂの先端には、吐水口６が形成され、さらにこの吐水口６の近傍にセンサ７が内蔵されている。
【００１１】
自動水栓装置３の内部には、流入口５から流入し配管４を流れてきた給水を、吐水口６へと導く給水流路１０が形成されている。自動水栓装置３の本体３ａの内部には、その給水流路１０を開閉する電磁弁８が内蔵され、さらに電磁弁８の下流側には、吐水量を一定に制限する定流量弁５５が内蔵されている。また、水道元圧が使用圧よりも高すぎる場合に減圧するための減圧弁または調圧弁（図示省略）が、電磁弁８より上流側に内蔵されている。なお、定流量弁５５、減圧弁、調圧弁は、必要に応じて適宜設けられる。
【００１２】
定流量弁５５より下流の吐水部３ｂの内部には、水栓用発電機１１が内蔵されている。本体３ａの内部には、水栓用発電機１１で発電された電力を充電しておく充電器５６、センサ７の駆動と電磁弁８の開閉を制御する制御部５７が設けられている。水栓用発電機１１は、電磁弁８及び定流量弁５５よりも下流側に配設されているため、水道元圧（一次圧）が、水栓用発電機１１に直接作用しない。したがって、水栓用発電機１１は、それほど高い耐圧性を要求されず、信頼性やコストの点で有利である。
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る水栓用発電機におけるヨーク３０の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の反対側から見た斜視図である。
図２（ａ）は、同ヨーク３０の中央切断斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の反対側から見た中央切断斜視図である。
図３（ａ）は、同ヨーク３０における第３ヨーク３３の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の反対側から見た斜視図である。
図６は、同水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
図７は、同水栓用発電機における予旋回静翼１４、動翼１５、軸受１７の斜視図である。
図８は、同水栓用発電機におけるマグネットＭの斜視図である。
【００１４】
本実施形態に係る水栓用発電機は、図６に表されるように、主として、筒体１３、予旋回静翼１４、動翼１５、マグネットＭ、ステータ９を備え、これらは、図５に表されるケース１２の中に収容されている。
【００１５】
筒体１３は、小径部１３ａと大径部１３ｂとからなる段付き形状を呈し、その内部が給水流路に連通した状態で、図４、５に図示される吐水部３ｂに内蔵され、筒体１３の中心軸方向は、流水方向に対して略平行になるよう設置される。筒体１３は、小径部１３ａを上流側に、大径部１３ｂを下流側に向けて配置される。
【００１６】
筒体１３の内部には、上流側から順に、予旋回静翼１４、動翼１５、軸受１７が設けられている。予旋回静翼１４は小径部１３ａの内部に設けられ、動翼１５及び軸受１７は大径部１３ｂの内部に設けられている。
【００１７】
予旋回静翼１４は、円柱体の一方の端面（上流側に位置する面）に、円錐体を一体に設けた形状を呈する。予旋回静翼１４の周面には、径外方向に突出した複数の突起状の静翼羽根部１８が設けられている。図７に表すように、静翼羽根部１８は、予旋回静翼１４の軸中心に対して右方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。周方向に見て隣り合う静翼羽根部１８間の空間は、静翼流路７１として機能する。予旋回静翼１４は、筒体１３に対して固定され、回転しない。
【００１８】
予旋回静翼１４に対して間隙を隔てて、予旋回静翼１４の下流側に動翼１５が設けられている。動翼１５は、円柱状を呈し、その周面には径外方向に突出した複数の突起状の動翼羽根部１９が設けられている。図７に表すように、動翼羽根部１９は、静翼羽根部１８とは逆に、軸中心に対して左方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。周方向に見て隣り合う動翼羽根部１９間の空間は、動翼流路７２として機能する。動翼１５は、給水流路に対して略平行な中心軸２４を介して、筒体１３に対して固定された軸受１７上に支持されている。動翼１５は、中心軸２４のまわりに回転可能となっている。
【００１９】
軸受１７は、筒体１３の内周面に対して固定されたリング部材２１と、このリング部材２１の中心に設けられた軸支持部２２とが、放射状に設けられた連結部材２３によって結合されてなる。連結部材２３間は、閉塞せず貫通しているため、筒体１３内部の給水の流れを妨げない。
【００２０】
軸受１７の軸支持部２２には、動翼１５の軸中心に固定された中心軸２４が回転可能に支持されている。中心軸２４の先端部は、動翼１５から突出して予旋回静翼１４に嵌め込まれている。中心軸２４の先端部と予旋回静翼１４とは、互いに固定されておらず、筒体１３に対して固定された予旋回静翼１４に対して中心軸２４は回転可能になっている。あるいは、中心軸２４の両端部をそれぞれ軸支持部２２と予旋回静翼１４に固定させ、その中心軸２４に対して回転可能に動翼１５を嵌め込む構成としてもよい。
【００２１】
筒体１３の大径部１３ｂの内部に、動翼流路７２を囲むように動翼羽根部１９に固定された円筒状のマグネットＭが収容されている。図７において２点鎖線で表されるマグネットＭの内周面は、動翼羽根部１９の径外方側の側端面に固定されている。
【００２２】
図８に表すように、マグネットＭの軸方向の端面には、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。
【００２３】
筒体１３の大径部１３ｂの外側には、マグネットＭの上流側端面に対向させてステータ９が配置されている。なお、ステータ９は、マグネットＭの下流側端面に対向させて配置してもよく、あるいは、マグネットＭの上流側及び下流側の両端面にそれぞれ対向させて１対のステータ９を配置してもよい。
【００２４】
ステータ９は、ヨーク３０（図１）と、このヨーク３０で囲まれた空間内に収容されたコイル線５０（図２において１点鎖線で表す）とからなる。円筒状に巻回されたコイル線５０は、その内周面部、外周面部および軸方向の両端面部が、ヨーク３０によって囲まれている。ヨーク３０は、いずれも磁性体からなる第１〜第３ヨーク（ヨーク部材）３１〜３３を結合してなる。
【００２５】
第１ヨーク３１は、コイル線５０の内側に配置された略円筒状を呈し、その軸方向の一端部には、複数の極歯３１ａが径外方に向けて一体に設けられている。第１ヨーク３１において、コイル線５０の内周面部に対向する部分と、極歯３１ａとは、略直角になっている。極歯３１ａは、コイル線５０の周方向に沿って等間隔で配置されている。
【００２６】
第２ヨーク３２は、コイル線５０の外周面部を囲むように配置された略円筒状を呈し、その軸方向の一端部には、複数の極歯３２ａが径内方に向けて一体に設けられている。第２ヨーク３２において、コイル線５０の外周面部に対向する部分と、極歯３２ａとは、略直角になっている。極歯３２ａは、コイル線５０の周方向に沿って等間隔で配置されるとともに、第１ヨーク３１の極歯３１ａの間に配置されている。すなわち、第１ヨーク３１の極歯３１ａと、第２ヨーク３２の極歯３２ａとが、コイル線５０の周方向に沿って、交互に、且つ互いに離間して並んでいる。
【００２７】
極歯３１ａ、３２ａは、コイル線５０の一方の端面部に対向している。そのコイル線５０の一方の端面部は、極歯３１ａ、３２ａ及び筒体１３のフランジ部１３ａを間に挟んで、マグネットＭの端面に対向している。
【００２８】
第３ヨーク３３は、コイル線５０の他方の端面部に対向して設けられたリングプレート状を呈する。第３ヨーク３３の内周側には、内周側段部３３ａが環状に形成されている。第３ヨーク３３の外周側には、外周側段部３３ｂが環状に形成されている。内周側段部３３ａ及び外周側段部３３ｂには、それぞれ、凸状の位置決め部３４が設けられている。また、第３ヨーク３３の一部は切り欠かれて、コイル線取り出し部３５が形成されている。
【００２９】
第３ヨーク３３は、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２におけるそれぞれ極歯３１ａ、３２ａが設けられた端部の反対側の端部に結合される。具体的には、第３ヨーク３３の内周側段部３３ａに、第１ヨーク３１の端部（図１、２においては下端部）が係合し、第３ヨーク３３の外周側段部３３ｂに、第２ヨーク３２の端部（図１、２においては下端部）が係合する。第１〜第３ヨーク３１〜３３によって囲まれた空間内に、コイル線５０が収容され、コイル線５０は、第３ヨーク３３に形成されたコイル線取り出し部３５を介して外部に引き出される。
【００３０】
第３ヨーク３３には、例えば凸状の位置決め部３４が設けられており、この位置決め部３４を、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２のそれぞれに形成された凹状の切り欠きに係合させることで、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２は、それぞれ周方向に位置決めされる。これにより、極歯３１ａ、３２ａ間の所定ピッチを精度良く確保できる。なお、第３ヨーク３３に凹状の位置決め部を、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２のそれぞれに凸状の位置決め部を設けてもよい。
【００３１】
次に、本実施形態に係る水栓用発電機及び自動水栓装置の作用について説明する。
【００３２】
使用者が、図４、５に表される吐水口６の下に手をかざすと、これをセンサ７が感知して、制御部５７が電磁弁８を開にする。これにより、水栓用発電機１１の筒体１３の内部に流水が供給され、筒体１３の内部を流れた水は吐水口６から吐水される。使用者が、吐水口６の下から手を遠ざけると、電磁弁８が閉となり、自動で水が止まる。
【００３３】
筒体１３内に流れ込んだ流水は、予旋回静翼１４の円錐体表面を流れて径外方向に拡散され、本具体例においては、軸中心に対して右方向に旋回するような旋回流となって、静翼羽根部１８間の静翼流路７１を流れる。
【００３４】
静翼流路７１を流れた旋回流は、動翼流路７２に流入し、動翼羽根部１９の上側の傾斜面に衝突する。本具体例では、動翼流路７２に流入する旋回流は、軸中心に対して右方向に旋回した流れなので、動翼羽根部１９に対して右方向の力が作用し、動翼１５は右回りに回転する。そして、マグネットＭの内周面より内側の動翼流路７２を流れた流水は、軸受１７の内側を通過して、筒体１３内部を抜け、吐水口６へと至る。
【００３５】
動翼１５が回転すると、これに固定されたマグネットＭも回転する。マグネットＭの端面は、前述したようにＮ極とＳ極とが周方向（回転方向）に沿って交互に着磁されているため、マグネットＭが回転すると、マグネットＭの端面に対向している極歯３１ａ、３２ａ及びこれらに一体な第１、第２ヨーク３１、３２の極性が変化していく。これにより、コイル線５０に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル線５０に起電力が生じ、発電する。発電した電力は、充電器５６へと充電された後、例えば、電磁弁８、センサ７、制御部５７の駆動に使用される。
【００３６】
水栓用発電機は水まわりで使用されるため、このような使用条件下において、ヨーク３０に適した材料としては、ある程度限定されてしまう。ヨーク３０の材料を変えることでヨーク３０の磁化性能（透磁率）を調整することができるが、ヨーク３０を単一材料からなる１つの磁性体から構成してしまうと、磁化性能（透磁率）の調整の自由度が、ヨーク３０に用いる材料の選択数となり、前記したように限られた材料選択数では、ヨーク３０の磁化性能（透磁率）の調整の自由度が小さく、設置場所の水道水圧や発電機の用途などに応じた細かな仕様要求に柔軟に対応できない。
【００３７】
本実施形態では、コイル線５０を囲むヨーク３０を単一材料からなる１つの磁性体から構成するのではなく、３つに分かれた磁性体である第１〜第３ヨーク３１〜３３の結合体として構成している。そして、各ヨーク３１〜３３の材料は、すべて同じではなく、第１〜第３ヨーク３１〜３３のうち少なくとも１つは、他と異なる材料を含むようにする。具体的には、例えば、ヨーク３１を他とは異なる材料により形成する。このようにすると、各ヨーク３１〜３３を構成する磁性体の材料自体を変えることに加えて、どの材料を用いたヨークどうしをどう組み合わせるかや、どのヨークにはどの材料を用いるかなどによって、材料自体の選択肢は少なくても、ヨーク３０を単一材料からなる１つの磁性体から構成した場合に比べて、ヨーク３０全体としての磁化性能（透磁率）をより細かく調整することができる。これにより、例えば設置場所の水道水圧や発電機の用途などに応じて、柔軟にコイル出力を設定することができ、発電機の性能を無駄なく有効に発揮させることができる。
【００３８】
周方向に交互にＮ極とＳ極とが着磁された前記マグネットＭによって、互いに逆極性に磁化される隣り合う極歯３１ａと極歯３２ａとを別材料で構成すると、極歯３１ａとマグネットＭとの間に生じる磁気吸引力と、極歯３２ａとマグネットＭとの間に生じる磁気吸引力と、が異なることになり、その結果、マグネットＭの回転にガタツキを生じやすくなり、騒音や回転軸の摩耗等の問題を引き起こす可能性がある。したがって、極歯３１ａ、３２ａをそれぞれ一端部に有する第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２は、同材料から構成することが望ましい。
【００３９】
それぞれ極歯３１ａ、３２ａを有する第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２を、透磁率が高い、保磁力が小さい等、磁化性能に優れた、例えば、パーマロイ、電磁ステンレス、ケイ素鋼等で構成した場合には、コイル出力を大きくすることができる。
【００４０】
特に、電磁ステンレスは、電気抵抗が高いので渦電流損失が低減できる、保磁力が小さいので磁化の方向転換が効率的である、耐食性がよい、などの利点がある。また、ケイ素鋼は、電気抵抗が高いので渦電流損失が低減できる、保磁力が小さいので磁化の方向転換が効率的である、透磁率が高いので発電量が大きい、などの利点がある。
【００４１】
それぞれ極歯３１ａ、３２ａを有する第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２を、例えば低炭素鋼（ＪＩＳ（Japan Industry Standard）記号：Ｓ１０Ｃ、Ｓ１５Ｃ）など、それほど磁化性能に優れない材料で構成した場合には、例えば供給水圧が高い地域においてマグネットＭ及びこれと一体に回転する動翼１５が必要以上に発電するのを防ぐことができる。回転軸や軸受の摩耗や、騒音を抑える観点からは、回転体（動翼１５及びマグネットＭ）の回転数を、例えば３０００（ｒｐｍ）プラスマイナス１０００（ｒｐｍ）程度に抑えることが望ましい。
【００４２】
前述した各具体例においては、ステータ９を、マグネットＭの軸方向に対向配置させた構造のため、ステータ９をマグネットＭの径外方向に対向配置させた場合に比べて、径方向寸法を小さくすることができる。さらに、各具体例において、発電機は、流水方向に対して回転軸２４を略平行にして動翼１５が設けられ、マグネットＭは、その動翼１５と回転中心を一致させて動翼１５の径外方に設けられ、動翼１５は、マグネットＭの内側を流れる水流の力により回転される、いわゆる軸流式の発電機である。したがって、回転軸を流水方向に対して略垂直にして配置された羽根車を用い、その羽根車の回転軸に連結されて羽根車と共に回転するマグネット及びこのマグネットの外周面に対向するコイルを、流路の外側に出っ張るようにして設ける水車式構造に比べて径方向寸法をさくすることができる。このように、各具体例における構造は、発電機の径方向寸法の小型化に有利なため、例えば図４に表される円筒状の吐水部３ｂの中に内蔵させても吐水部３ｂの細くスッキリとしたデザイン性を損ねない。また、動翼１５の径外方にステータ９を配置しない分、動翼１５の径方向寸法の拡大が図れ、発電効率を向上させることができる。
【００４３】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００４４】
本発明の水栓金具は、生活空間において好適に使用される。使用目的としては、例えば、キッチン用水栓金具、リビングダイニング用水栓金具、シャワー用水栓金具、トイレ用水栓金具、洗面所用水栓金具などが挙げられる。また、人体検知センサを用いた自動水栓金具に限らず、例えば、手動スイッチのオン／オフによるワンタッチ水栓金具、流量をカウントして止水する定量吐水水栓金具、設定時間を経過すると止水するタイマー水栓金具などにも適用できる。また、発電された電力を、例えば、ライトアップ、アルカリイオン水や銀イオン含有水などの電解機能水の生成、流量表示（計量）、温度表示、音声ガイドなどに用いてもよい。
【００４５】
本実施形態に係る水栓金具において、吐出流量は、例えば、毎分１００リットル以下、望ましくは毎分３０リットル以下に設定されている。特に、洗面所用水栓においては、毎分５リットル以下に設定されていることが望ましい。また、トイレ用水栓のような吐出流量が比較的多い場合には、給水管から、発電機１１に流れる水流を分岐させて、発電機１１を流れる流量を毎分３０リットル以下に調整することが望ましい。これは、給水管からのすべての水流を発電機１１に流すと、動翼１５の回転数が大きくなり、騒音や軸摩耗が増大する可能性が懸念され、また、回転数が増大しても適正回転数以下でなければ、渦電流やコイル熱によるエネルギー損失が生じるため、発電量は増大しないからである。また、水栓金具が取り付けられる水道管の給水圧としては、例えば、日本においては０．０５（ＭＰａ）程度の低水圧である場合もあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る水栓用発電機におけるヨークの斜視図である。
【図２】図１に表すヨークの中央切断斜視図である。
【図３】図１に表すヨークにおける第３ヨークの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置の取付例を表す模式図である。
【図５】同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
【図７】同水栓用発電機における予旋回静翼、動翼、軸受の斜視図である。
【図８】同水栓用発電機におけるマグネットの斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
３…自動水栓装置、７…センサ、８…電磁弁、９…ステータ、１１…水栓用発電機、１４…予旋回静翼、１５…動翼、１７…軸受、１８…静翼羽根部、１９…動翼羽根部、２４…中心軸、３０…ヨーク、３１…第１ヨーク、３１ａ…極歯、３２…第２ヨーク、３２ａ…極歯、３３…第３ヨーク、３３ａ…内周側段部、３３ｂ…外周側段部、３４…位置決め部、３５…コイル線取り出し部、４３〜８３…第３ヨーク、５０…コイル線、５５…定流量弁、５６…充電器、５７…制御部、７１…静翼流路、７２…動翼流路、Ｍ…マグネット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給水の流れを利用して発電する水栓用発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、蛇口の下に手を差し出すことによって、これをセンサが感知し、蛇口から水を自動的に吐水する自動水栓装置が知られている。また、そのような自動水栓装置の流路に小型発電機を配設し、この発電機で得られた電力を蓄電しておき、上述のセンサ等の回路の電力を補う装置も知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、外周面が着磁されたマグネットと、マグネットの外周面に対向するように周方向に等間隔に配置された複数の極歯を有する外ステータコアと、外ステータコアの極歯と同様にマグネットの外周面に対向すると共に外ステータコアの極歯と交互に周方向に等間隔に配置された複数の極歯を有する内ステータコアと、コイルと、を備えた発電機が開示されている。
【０００４】
水栓用発電機は水まわりで使用されるため、外ステータコア及び内ステータコアに適した材料としては、ある程度限定されてしまう。そのような条件下で、外ステータコアと内ステータコアとを同材料から構成すると、コイルを鎖交する磁束の流れを形成するためのヨークとして機能する外ステータコア及び内ステータコアにおける磁化性能（透磁率）の調整自由度が、前記限定された材料の選択数に制限されて小さくなり、設置場所の水道水圧や発電機の用途などに応じた細かな仕様要求に柔軟に対応できない。
【特許文献１】特開２００２−８９４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ヨークの磁化性能をより細かく調整できる水栓用発電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、給水流路に対して略平行な中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットに対向して設けられたコイルと、前記マグネットと前記コイルとの間で前記コイルの周方向に互いに離間して並んで配置された複数の極歯を有するとともに、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、を備え、前記ヨークは、複数のヨーク部材を結合してなり、前記複数のヨーク部材の少なくともいずれかは他と異なる材料を含むことを特徴とする水栓用発電機が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ヨークの磁化性能をより細かく調整できる水栓用発電機が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面中、同一の構成要素には同一の符号を付している。
【０００９】
図４は、本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置（以下、単に自動水栓装置とも称する）の取付例を表す模式図である。
図５は、同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。
【００１０】
本実施形態に係る自動水栓装置３は、例えば洗面台２などに取り付けられる。自動水栓装置３は、配管４を介して、水道水等の流入口５に接続されている。自動水栓装置３は、円筒状の本体３ａと、この本体３ａの径外方向に延出して本体３ａの上部に設けられた吐水部３ｂとを有する。吐水部３ｂの先端には、吐水口６が形成され、さらにこの吐水口６の近傍にセンサ７が内蔵されている。
【００１１】
自動水栓装置３の内部には、流入口５から流入し配管４を流れてきた給水を、吐水口６へと導く給水流路１０が形成されている。自動水栓装置３の本体３ａの内部には、その給水流路１０を開閉する電磁弁８が内蔵され、さらに電磁弁８の下流側には、吐水量を一定に制限する定流量弁５５が内蔵されている。また、水道元圧が使用圧よりも高すぎる場合に減圧するための減圧弁または調圧弁（図示省略）が、電磁弁８より上流側に内蔵されている。なお、定流量弁５５、減圧弁、調圧弁は、必要に応じて適宜設けられる。
【００１２】
定流量弁５５より下流の吐水部３ｂの内部には、水栓用発電機１１が内蔵されている。本体３ａの内部には、水栓用発電機１１で発電された電力を充電しておく充電器５６、センサ７の駆動と電磁弁８の開閉を制御する制御部５７が設けられている。水栓用発電機１１は、電磁弁８及び定流量弁５５よりも下流側に配設されているため、水道元圧（一次圧）が、水栓用発電機１１に直接作用しない。したがって、水栓用発電機１１は、それほど高い耐圧性を要求されず、信頼性やコストの点で有利である。
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る水栓用発電機におけるヨーク３０の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の反対側から見た斜視図である。
図２（ａ）は、同ヨーク３０の中央切断斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の反対側から見た中央切断斜視図である。
図３（ａ）は、同ヨーク３０における第３ヨーク３３の斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の反対側から見た斜視図である。
図６は、同水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
図７は、同水栓用発電機における予旋回静翼１４、動翼１５、軸受１７の斜視図である。
図８は、同水栓用発電機におけるマグネットＭの斜視図である。
【００１４】
本実施形態に係る水栓用発電機は、図６に表されるように、主として、筒体１３、予旋回静翼１４、動翼１５、マグネットＭ、ステータ９を備え、これらは、図５に表されるケース１２の中に収容されている。
【００１５】
筒体１３は、小径部１３ａと大径部１３ｂとからなる段付き形状を呈し、その内部が給水流路に連通した状態で、図４、５に図示される吐水部３ｂに内蔵され、筒体１３の中心軸方向は、流水方向に対して略平行になるよう設置される。筒体１３は、小径部１３ａを上流側に、大径部１３ｂを下流側に向けて配置される。
【００１６】
筒体１３の内部には、上流側から順に、予旋回静翼１４、動翼１５、軸受１７が設けられている。予旋回静翼１４は小径部１３ａの内部に設けられ、動翼１５及び軸受１７は大径部１３ｂの内部に設けられている。
【００１７】
予旋回静翼１４は、円柱体の一方の端面（上流側に位置する面）に、円錐体を一体に設けた形状を呈する。予旋回静翼１４の周面には、径外方向に突出した複数の突起状の静翼羽根部１８が設けられている。図７に表すように、静翼羽根部１８は、予旋回静翼１４の軸中心に対して右方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。周方向に見て隣り合う静翼羽根部１８間の空間は、静翼流路７１として機能する。予旋回静翼１４は、筒体１３に対して固定され、回転しない。
【００１８】
予旋回静翼１４に対して間隙を隔てて、予旋回静翼１４の下流側に動翼１５が設けられている。動翼１５は、円柱状を呈し、その周面には径外方向に突出した複数の突起状の動翼羽根部１９が設けられている。図７に表すように、動翼羽根部１９は、静翼羽根部１８とは逆に、軸中心に対して左方向にねじれつつ、上流側から下流側に向けて傾斜している。周方向に見て隣り合う動翼羽根部１９間の空間は、動翼流路７２として機能する。動翼１５は、給水流路に対して略平行な中心軸２４を介して、筒体１３に対して固定された軸受１７上に支持されている。動翼１５は、中心軸２４のまわりに回転可能となっている。
【００１９】
軸受１７は、筒体１３の内周面に対して固定されたリング部材２１と、このリング部材２１の中心に設けられた軸支持部２２とが、放射状に設けられた連結部材２３によって結合されてなる。連結部材２３間は、閉塞せず貫通しているため、筒体１３内部の給水の流れを妨げない。
【００２０】
軸受１７の軸支持部２２には、動翼１５の軸中心に固定された中心軸２４が回転可能に支持されている。中心軸２４の先端部は、動翼１５から突出して予旋回静翼１４に嵌め込まれている。中心軸２４の先端部と予旋回静翼１４とは、互いに固定されておらず、筒体１３に対して固定された予旋回静翼１４に対して中心軸２４は回転可能になっている。あるいは、中心軸２４の両端部をそれぞれ軸支持部２２と予旋回静翼１４に固定させ、その中心軸２４に対して回転可能に動翼１５を嵌め込む構成としてもよい。
【００２１】
筒体１３の大径部１３ｂの内部に、動翼流路７２を囲むように動翼羽根部１９に固定された円筒状のマグネットＭが収容されている。図７において２点鎖線で表されるマグネットＭの内周面は、動翼羽根部１９の径外方側の側端面に固定されている。
【００２２】
図８に表すように、マグネットＭの軸方向の端面には、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。
【００２３】
筒体１３の大径部１３ｂの外側には、マグネットＭの上流側端面に対向させてステータ９が配置されている。なお、ステータ９は、マグネットＭの下流側端面に対向させて配置してもよく、あるいは、マグネットＭの上流側及び下流側の両端面にそれぞれ対向させて１対のステータ９を配置してもよい。
【００２４】
ステータ９は、ヨーク３０（図１）と、このヨーク３０で囲まれた空間内に収容されたコイル線５０（図２において１点鎖線で表す）とからなる。円筒状に巻回されたコイル線５０は、その内周面部、外周面部および軸方向の両端面部が、ヨーク３０によって囲まれている。ヨーク３０は、いずれも磁性体からなる第１〜第３ヨーク（ヨーク部材）３１〜３３を結合してなる。
【００２５】
第１ヨーク３１は、コイル線５０の内側に配置された略円筒状を呈し、その軸方向の一端部には、複数の極歯３１ａが径外方に向けて一体に設けられている。第１ヨーク３１において、コイル線５０の内周面部に対向する部分と、極歯３１ａとは、略直角になっている。極歯３１ａは、コイル線５０の周方向に沿って等間隔で配置されている。
【００２６】
第２ヨーク３２は、コイル線５０の外周面部を囲むように配置された略円筒状を呈し、その軸方向の一端部には、複数の極歯３２ａが径内方に向けて一体に設けられている。第２ヨーク３２において、コイル線５０の外周面部に対向する部分と、極歯３２ａとは、略直角になっている。極歯３２ａは、コイル線５０の周方向に沿って等間隔で配置されるとともに、第１ヨーク３１の極歯３１ａの間に配置されている。すなわち、第１ヨーク３１の極歯３１ａと、第２ヨーク３２の極歯３２ａとが、コイル線５０の周方向に沿って、交互に、且つ互いに離間して並んでいる。
【００２７】
極歯３１ａ、３２ａは、コイル線５０の一方の端面部に対向している。そのコイル線５０の一方の端面部は、極歯３１ａ、３２ａ及び筒体１３のフランジ部１３ａを間に挟んで、マグネットＭの端面に対向している。
【００２８】
第３ヨーク３３は、コイル線５０の他方の端面部に対向して設けられたリングプレート状を呈する。第３ヨーク３３の内周側には、内周側段部３３ａが環状に形成されている。第３ヨーク３３の外周側には、外周側段部３３ｂが環状に形成されている。内周側段部３３ａ及び外周側段部３３ｂには、それぞれ、凸状の位置決め部３４が設けられている。また、第３ヨーク３３の一部は切り欠かれて、コイル線取り出し部３５が形成されている。
【００２９】
第３ヨーク３３は、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２におけるそれぞれ極歯３１ａ、３２ａが設けられた端部の反対側の端部に結合される。具体的には、第３ヨーク３３の内周側段部３３ａに、第１ヨーク３１の端部（図１、２においては下端部）が係合し、第３ヨーク３３の外周側段部３３ｂに、第２ヨーク３２の端部（図１、２においては下端部）が係合する。第１〜第３ヨーク３１〜３３によって囲まれた空間内に、コイル線５０が収容され、コイル線５０は、第３ヨーク３３に形成されたコイル線取り出し部３５を介して外部に引き出される。
【００３０】
第３ヨーク３３には、例えば凸状の位置決め部３４が設けられており、この位置決め部３４を、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２のそれぞれに形成された凹状の切り欠きに係合させることで、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２は、それぞれ周方向に位置決めされる。これにより、極歯３１ａ、３２ａ間の所定ピッチを精度良く確保できる。なお、第３ヨーク３３に凹状の位置決め部を、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２のそれぞれに凸状の位置決め部を設けてもよい。
【００３１】
次に、本実施形態に係る水栓用発電機及び自動水栓装置の作用について説明する。
【００３２】
使用者が、図４、５に表される吐水口６の下に手をかざすと、これをセンサ７が感知して、制御部５７が電磁弁８を開にする。これにより、水栓用発電機１１の筒体１３の内部に流水が供給され、筒体１３の内部を流れた水は吐水口６から吐水される。使用者が、吐水口６の下から手を遠ざけると、電磁弁８が閉となり、自動で水が止まる。
【００３３】
筒体１３内に流れ込んだ流水は、予旋回静翼１４の円錐体表面を流れて径外方向に拡散され、本具体例においては、軸中心に対して右方向に旋回するような旋回流となって、静翼羽根部１８間の静翼流路７１を流れる。
【００３４】
静翼流路７１を流れた旋回流は、動翼流路７２に流入し、動翼羽根部１９の上側の傾斜面に衝突する。本具体例では、動翼流路７２に流入する旋回流は、軸中心に対して右方向に旋回した流れなので、動翼羽根部１９に対して右方向の力が作用し、動翼１５は右回りに回転する。そして、マグネットＭの内周面より内側の動翼流路７２を流れた流水は、軸受１７の内側を通過して、筒体１３内部を抜け、吐水口６へと至る。
【００３５】
動翼１５が回転すると、これに固定されたマグネットＭも回転する。マグネットＭの端面は、前述したようにＮ極とＳ極とが周方向（回転方向）に沿って交互に着磁されているため、マグネットＭが回転すると、マグネットＭの端面に対向している極歯３１ａ、３２ａ及びこれらに一体な第１、第２ヨーク３１、３２の極性が変化していく。これにより、コイル線５０に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル線５０に起電力が生じ、発電する。発電した電力は、充電器５６へと充電された後、例えば、電磁弁８、センサ７、制御部５７の駆動に使用される。
【００３６】
水栓用発電機は水まわりで使用されるため、このような使用条件下において、ヨーク３０に適した材料としては、ある程度限定されてしまう。ヨーク３０の材料を変えることでヨーク３０の磁化性能（透磁率）を調整することができるが、ヨーク３０を単一材料からなる１つの磁性体から構成してしまうと、磁化性能（透磁率）の調整の自由度が、ヨーク３０に用いる材料の選択数となり、前記したように限られた材料選択数では、ヨーク３０の磁化性能（透磁率）の調整の自由度が小さく、設置場所の水道水圧や発電機の用途などに応じた細かな仕様要求に柔軟に対応できない。
【００３７】
本実施形態では、コイル線５０を囲むヨーク３０を単一材料からなる１つの磁性体から構成するのではなく、３つに分かれた磁性体である第１〜第３ヨーク３１〜３３の結合体として構成している。そして、各ヨーク３１〜３３の材料は、すべて同じではなく、第１〜第３ヨーク３１〜３３のうち少なくとも１つは、他と異なる材料を含むようにする。具体的には、例えば、ヨーク３１を他とは異なる材料により形成する。このようにすると、各ヨーク３１〜３３を構成する磁性体の材料自体を変えることに加えて、どの材料を用いたヨークどうしをどう組み合わせるかや、どのヨークにはどの材料を用いるかなどによって、材料自体の選択肢は少なくても、ヨーク３０を単一材料からなる１つの磁性体から構成した場合に比べて、ヨーク３０全体としての磁化性能（透磁率）をより細かく調整することができる。これにより、例えば設置場所の水道水圧や発電機の用途などに応じて、柔軟にコイル出力を設定することができ、発電機の性能を無駄なく有効に発揮させることができる。
【００３８】
周方向に交互にＮ極とＳ極とが着磁された前記マグネットＭによって、互いに逆極性に磁化される隣り合う極歯３１ａと極歯３２ａとを別材料で構成すると、極歯３１ａとマグネットＭとの間に生じる磁気吸引力と、極歯３２ａとマグネットＭとの間に生じる磁気吸引力と、が異なることになり、その結果、マグネットＭの回転にガタツキを生じやすくなり、騒音や回転軸の摩耗等の問題を引き起こす可能性がある。したがって、極歯３１ａ、３２ａをそれぞれ一端部に有する第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２は、同材料から構成することが望ましい。
【００３９】
それぞれ極歯３１ａ、３２ａを有する第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２を、透磁率が高い、保磁力が小さい等、磁化性能に優れた、例えば、パーマロイ、電磁ステンレス、ケイ素鋼等で構成した場合には、コイル出力を大きくすることができる。
【００４０】
特に、電磁ステンレスは、電気抵抗が高いので渦電流損失が低減できる、保磁力が小さいので磁化の方向転換が効率的である、耐食性がよい、などの利点がある。また、ケイ素鋼は、電気抵抗が高いので渦電流損失が低減できる、保磁力が小さいので磁化の方向転換が効率的である、透磁率が高いので発電量が大きい、などの利点がある。
【００４１】
それぞれ極歯３１ａ、３２ａを有する第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２を、例えば低炭素鋼（ＪＩＳ（Japan Industry Standard）記号：Ｓ１０Ｃ、Ｓ１５Ｃ）など、それほど磁化性能に優れない材料で構成した場合には、例えば供給水圧が高い地域においてマグネットＭ及びこれと一体に回転する動翼１５が必要以上に発電するのを防ぐことができる。回転軸や軸受の摩耗や、騒音を抑える観点からは、回転体（動翼１５及びマグネットＭ）の回転数を、例えば３０００（ｒｐｍ）プラスマイナス１０００（ｒｐｍ）程度に抑えることが望ましい。
【００４２】
前述した各具体例においては、ステータ９を、マグネットＭの軸方向に対向配置させた構造のため、ステータ９をマグネットＭの径外方向に対向配置させた場合に比べて、径方向寸法を小さくすることができる。さらに、各具体例において、発電機は、流水方向に対して回転軸２４を略平行にして動翼１５が設けられ、マグネットＭは、その動翼１５と回転中心を一致させて動翼１５の径外方に設けられ、動翼１５は、マグネットＭの内側を流れる水流の力により回転される、いわゆる軸流式の発電機である。したがって、回転軸を流水方向に対して略垂直にして配置された羽根車を用い、その羽根車の回転軸に連結されて羽根車と共に回転するマグネット及びこのマグネットの外周面に対向するコイルを、流路の外側に出っ張るようにして設ける水車式構造に比べて径方向寸法をさくすることができる。このように、各具体例における構造は、発電機の径方向寸法の小型化に有利なため、例えば図４に表される円筒状の吐水部３ｂの中に内蔵させても吐水部３ｂの細くスッキリとしたデザイン性を損ねない。また、動翼１５の径外方にステータ９を配置しない分、動翼１５の径方向寸法の拡大が図れ、発電効率を向上させることができる。
【００４３】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００４４】
本発明の水栓金具は、生活空間において好適に使用される。使用目的としては、例えば、キッチン用水栓金具、リビングダイニング用水栓金具、シャワー用水栓金具、トイレ用水栓金具、洗面所用水栓金具などが挙げられる。また、人体検知センサを用いた自動水栓金具に限らず、例えば、手動スイッチのオン／オフによるワンタッチ水栓金具、流量をカウントして止水する定量吐水水栓金具、設定時間を経過すると止水するタイマー水栓金具などにも適用できる。また、発電された電力を、例えば、ライトアップ、アルカリイオン水や銀イオン含有水などの電解機能水の生成、流量表示（計量）、温度表示、音声ガイドなどに用いてもよい。
【００４５】
本実施形態に係る水栓金具において、吐出流量は、例えば、毎分１００リットル以下、望ましくは毎分３０リットル以下に設定されている。特に、洗面所用水栓においては、毎分５リットル以下に設定されていることが望ましい。また、トイレ用水栓のような吐出流量が比較的多い場合には、給水管から、発電機１１に流れる水流を分岐させて、発電機１１を流れる流量を毎分３０リットル以下に調整することが望ましい。これは、給水管からのすべての水流を発電機１１に流すと、動翼１５の回転数が大きくなり、騒音や軸摩耗が増大する可能性が懸念され、また、回転数が増大しても適正回転数以下でなければ、渦電流やコイル熱によるエネルギー損失が生じるため、発電量は増大しないからである。また、水栓金具が取り付けられる水道管の給水圧としては、例えば、日本においては０．０５（ＭＰａ）程度の低水圧である場合もあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る水栓用発電機におけるヨークの斜視図である。
【図２】図１に表すヨークの中央切断斜視図である。
【図３】図１に表すヨークにおける第３ヨークの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る発電機付自動水栓装置の取付例を表す模式図である。
【図５】同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る水栓用発電機の内部を表す模式断面図である。
【図７】同水栓用発電機における予旋回静翼、動翼、軸受の斜視図である。
【図８】同水栓用発電機におけるマグネットの斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
３…自動水栓装置、７…センサ、８…電磁弁、９…ステータ、１１…水栓用発電機、１４…予旋回静翼、１５…動翼、１７…軸受、１８…静翼羽根部、１９…動翼羽根部、２４…中心軸、３０…ヨーク、３１…第１ヨーク、３１ａ…極歯、３２…第２ヨーク、３２ａ…極歯、３３…第３ヨーク、３３ａ…内周側段部、３３ｂ…外周側段部、３４…位置決め部、３５…コイル線取り出し部、４３〜８３…第３ヨーク、５０…コイル線、５５…定流量弁、５６…充電器、５７…制御部、７１…静翼流路、７２…動翼流路、Ｍ…マグネット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水流路に対して略平行な中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼と、
前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
前記マグネットに対向して設けられたコイルと、
前記マグネットと前記コイルとの間で前記コイルの周方向に互いに離間して並んで配置された複数の極歯を有するとともに、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、
を備え、
前記ヨークは、複数のヨーク部材を結合してなり、
前記複数のヨーク部材の少なくともいずれかは他と異なる材料を含むことを特徴とする水栓用発電機。
【請求項２】
前記複数のヨーク部材のうち少なくとも１つは、電磁ステンレスからなることを特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
【請求項３】
前記複数のヨーク部材のうち少なくとも１つは、ケイ素鋼からなることを特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
【請求項１】
給水流路に対して略平行な中心軸のまわりに回転可能に前記給水流路に設けられた動翼と、
前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
前記マグネットに対向して設けられたコイルと、
前記マグネットと前記コイルとの間で前記コイルの周方向に互いに離間して並んで配置された複数の極歯を有するとともに、前記コイルを囲んで設けられたヨークと、
を備え、
前記ヨークは、複数のヨーク部材を結合してなり、
前記複数のヨーク部材の少なくともいずれかは他と異なる材料を含むことを特徴とする水栓用発電機。
【請求項２】
前記複数のヨーク部材のうち少なくとも１つは、電磁ステンレスからなることを特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
【請求項３】
前記複数のヨーク部材のうち少なくとも１つは、ケイ素鋼からなることを特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−５４４２７（Ｐ２００８−５４４２７Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２８３２０（Ｐ２００６−２２８３２０）
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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