発電機および時計

【課題】ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を大幅に図ることが可能となる発電機の提供。
【解決手段】この発明は、ローター１と、ステーター２とを備えた発電機であって、ローター１はローター磁石１１を有する。そして、ステーター２は、第１層２１１（２２１）、第２層２１２（２２２）、および第３層２１３（２２３）からなる構造にするとともに、その厚さＨ１をローター磁石１１の厚さＨ２に比べて厚くした。さらに、第２層２１２（２２２）は非磁性材料から構成し、第１層２１１（２２１）および第３層２１３（２２３）はそれぞれ透磁率が大きな軟磁性材料から構成した。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子時計などの時計に適用される発電機、およびその発電機を備える時計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、時計などに適用される発電機としては、ローターと、ローターを囲むステーターとを備え、ローターに設けたローター磁石が、ステーターの一部に形成される配置孔内に回転可能に配置されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、時計などに適用される発電機では、ステーターに巻かれているコイル（巻線）に所定の交流電圧を発生させるために、漏れ磁束を防止してステーターの内部に所定量の磁束を発生させる必要がある。また、ローターはゼンマイが解ける力を利用して回転させるようにしているので、ローターの回転動作の開始時に、ローターの回転を円滑に開始させるには、コギングトルクが小さいことが望まれる。
しかし、従来の発電機では、ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を図ることができるような構造になっておらず、その解決が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１４６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の幾つかの態様の目的は、ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を大幅に図ることができる発電機などを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、本発明の各態様は、以下のように構成される。
本発明の発電機の第１の態様は、ローターと、ステーターとを備えた発電機であって、前記ローターはローター磁石を有し、前記ステーターは、第１層、第２層、および第３層からなる構造にするとともに、当該厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くし、前記第２層は非磁性材料から構成し、前記第１層および前記第３層はそれぞれ透磁率が大きな軟磁性材料から構成する。
【０００６】
本発明の発電機の第２の態様は、第１の態様において、前記ステーターは、少なくとも前記ローター磁石を取り囲む部分について、前記第１層、前記第２層、および前記第３層からなる構造にした。
本発明の発電機の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記ステーターは、少なくとも前記ローター磁石を取り囲む部分について、当該厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くした。
【０００７】
本発明の発電機の第４の態様は、第１〜第３の態様の何れかにおいて、前記第２層の非磁性材料はアルミニウム、プラスチック、ガラス、およびステンレスのうちの何れ１つであり、前記第１層および前記第３層の軟磁性材料のそれぞれは金属ガラスである。
本発明の発電機の第５の態様は、第４の態様において、前記第１層および前記第３層の各々は、金属ガラスで一体に形成されたもの、金属ガラスの薄板を複数枚積層したもの、および粉末状の金属ガラスを焼結したもののうちの何れか１つである。
本発明の時計の態様は、発電機を備えた時計であって、前記発電機は、本発明の発電機の第１〜第５の態様のうちの何れかである。
このような構成の本発明の態様によれば、ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を大幅に図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す平面図である。
【図２】図１の主要部の断面図である。
【図３】実施形態の作用効果を説明する図である。
【図４】実施形態の効果を確認するためにシミュレーションを実施した際の発電機の構成例を示す平面図である。
【図５】図４の発電機の主要部の斜視図である。
【図６】比較例と実施例の内部構造の構成材料を説明する図である。
【図７】ローター角度を変化させた場合にそれ対応するコギングトルクの変化を示すシミュレーション結果であり、曲線ａが比較例の結果であり、曲線ｂが実施例の結果である。
【図８】最大透磁率の差と、この差に応じたコギングトルクおよびステーターの竿部の磁束密度の変化の関係を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（発電機の実施形態の構成）
図１は、本発明の発電機の実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１の実施形態の主要部の断面図である。
本発明の実施形態に係る発電機は、例えば時計に適用されるものであり、図１に示すように、ローター１と、ローター１が回転可能に配置されるステーター２と、ステーター２の一部に巻き回されるコイル３Ａ、３Ｂと、を備えている。
ローター１は、図１および図２に示すように、ローター磁石１１と、ローター磁石１１を取り付ける回転軸１２と、を備えている。
【００１０】
ローター磁石１１は、中央に貫通孔を有する円筒形（円板形）の永久磁石であり、所定の径と所定の厚さＨ２を有する。ローター磁石１１の貫通孔には、回転軸１２が取り付けられている。また、ローター磁石１１は、例えば２極の永久磁石であり、アルニコ磁石、フェライト磁石、ボンド磁石などが使用でき、必要な性能、例えば保持力、最大エネルギー積などの性能やコストなどによって選択される。
【００１１】
回転軸１２は、図示しない軸受けに回転可能に軸受けされている。また、回転軸１２は、図示しないゼンマイが解ける力を利用して回転するとともに、所定速度に調整されて回転するようになっている。
ステーター２は、図１に示すように、一対のステーター本体２１、２２と、継鉄２３とからなる。
ステーター本体２１、２２のそれぞれは、図２に示すように所定の厚さＨ１を有している。また、ステーター本体２１、２２の一端側には、ローター１を取り囲んで配置するために、ローター配置部２１Ａ、２２Ａを備えている（図２参照）。
【００１２】
ローター配置部２１Ａ、２２Ａには、図１に示すように半円弧状の切欠き部がそれぞれ設けられ、その切欠き部によってローター配置孔２４が形成されている。そして、ローター配置孔２４内に、ローター１が回転可能に配置されている。また、ステーター本体２１、２２の他端側は、継鉄２３で接続されている。ステーター本体２１、２２の一部には、コイル３Ａ、３Ｂが巻き回されている。
【００１３】
次に、ステーター２の内部構造やその厚さについて、図２を参照して説明する。
ステーター２を構成するステーター本体２１、２２のそれぞれは、少なくとも３層から構成される。すなわち、ステーター本体２１の全体は、第１層２１１、第２層２１２、および第３層２１３から構成される。同様に、ステーター本体２２の全体は、第１層２２１、第２層２２２、および第３層２２３から構成される。
第１層２１１、２２１および第３層２１３、２２３のそれぞれは、透磁率が大きな軟磁性材料から構成される。透磁率が大きな磁性材料としては、金属ガラス、パーマロイなどが使用される。また、金属ガラスとしては、コバルト基金属ガラスなどが使用される。一方、中間層である第２層２１２、２２２は、非磁性材料から構成される。非磁性材料としては、アルミニウム、プラスチック、ガラス、ステンレスなどが使用される。
【００１４】
ここで、第１層および第３層を構成する透磁率の大きな軟磁性材料と、中間層である第２層を構成する非磁性材料との組み合わせは、実施形態に係る発電機の目的、サイズ、用途などによって決定される。
そして、ステーター本体２１の第１層２１１、第２層２１２、および第３層２１３のそれぞれの厚さは、ｈ１、ｈ２、およびｈ３からなり、全体でＨ１の厚さを有している。同様に、ステーター本体２２の第１層２２１、第２層２２２、および第３層２２３のそれぞれの厚さは、ｈ１、ｈ２、およびｈ３からなり、全体でＨ１の厚さを有している。
【００１５】
また、ステーター本体２１、２２のそれぞれの厚さ（ローター配置孔２４の長さと同じ）Ｈ１は、ローター磁石１１の厚さＨ２よりも厚くなるように設定されている。さらに、第２層２１２、２２２のそれぞれの厚さｈ２は、例えばローター磁石１１の厚さＨ２と同じ程度に設定されている。また、第１層２１１の厚さｈ１と第３層２１３の厚さｈ３とは同じに設定され、同様に、第１層２２１の厚さｈ１と第３層２２３の厚さｈ３とは同じに設定されている。
【００１６】
次に、ステーター本体２１の第１層２１１、第３層２１３およびステーター本体２２の第１層２２１、第３層２２３のそれぞれは、上記のように透磁率が大きな軟磁性材料から構成されるので、その具体的な構造例について説明する。
第１の構造例は、それらの層がバルク状（塊状）の金属ガラスからなり、金属ガラスの溶融物を鋳造によって成形したものである。金属ガラスとしては、例えばコバルト基金属ガラス合金を使用する。
第２の構造例は、それらの層が金属ガラスからなる薄板を、複数枚積層して作成したものである。金属ガラスとしては、例えば上記と同様のものを使用する。
【００１７】
第３の構造例は、それらの層が粉末状の金属ガラスを焼結して作成したものである。金属ガラスとしては、例えば上記と同様のものを使用する。
このように構成される実施形態では、ゼンマイ（図示せず）が解ける力によってローター１が回転すると、この回転によってステーター２に巻き回されるコイル３Ａ、３Ｂに起電力が発生する。この起電力によって図示しない制御回路が動作し、制御回路はローター１の回転速度が一定になるように調整する。
【００１８】
（実施形態の作用効果）
次に、本発明の実施形態の作用効果について、図３を参照して説明する。
図３（Ａ）は、本発明の実施形態の作用効果を比較するための比較例である。この比較例は、ステーター２の構造が１層であって、その層が透磁率が大きな磁性材料である金属ガラスで構成されている。また、ローター本体２１、２２の厚さＨ１が、ローター磁石１１の厚さＨ２よりも厚く設定されている。
このような比較例では、図示のように、ローター磁石１１からの磁束はステーター２の厚み方向の上下に分散してステーター２にトラップ（捕促）されるようになる。このような磁束の分散のために、磁束の分散のない場合に比べてコギングトルクを低減できる。
【００１９】
また、ローター磁石１１からの磁束はステーター２の厚み方向の上下に分散してステーター２にトラップされるため、トラップのない場合に比べて漏れ磁束が減少する。このため、ステーター２の内部における総磁束量の減少を防止して、ステーター２の内部における磁束を確保できる。
このように、図３（Ａ）に示す比較例では、ステーター２の内部における磁束を確保してコギングトルクの低減化が可能であるが、コギングトルクのさらなる大幅な低減化を図ることが望まれる。
【００２０】
そこで、本発明の実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、ステーター２が３層からなり、その各層は以下のような構成を採用するようにした。すなわち、第１層２１１、２２１および第３層２１３、２２３のそれぞれは、透磁率が大きな軟磁性材料から構成される。一方、中間層である第２層２１２、２２２は、非磁性材料から構成される。
そして、この実施形態では、ローター磁石１１から第１層２１１と第３層２１３に向かって流れる磁束量を、第１層２１１と第３層２１３の飽和磁束量を超えない範囲で使用した場合には、以下のような顕著な作用効果が得られる。また、その飽和磁束量を超える範囲で使用する場合でも、実用上十分な効果が得られる。
【００２１】
すなわち、図示のように、ローター磁石１１からの磁束の大部分は、第１層２１１と第３層２１３に向かって流れ、第２層２１２に向かって流れるものは殆どない。従って、ローター磁石１１とステーター２との間の磁束密度を、図３（Ａ）の比較例に比べて大幅に低下させることができ、コギングトルクを大幅に低減できる。
また、ローター磁石１１からの磁束の殆どは、第１層２１１と第３層２１３に向かって流れてトラップされ、ステーター２の内部における磁束となる。このため、ローター磁石１１からの磁束の殆どをステーター２の内部の磁束として確保できる。
従って、本発明の実施形態によれば、ローター磁石１１からの磁束の殆どをステーター２の内部の磁束として確保しつつ、コギングトルクの大幅な低減化を実現できる。
【００２２】
（シミュレーションの結果）
次に、本発明の実施形態の上記の作用効果を確認するためにシミュレーションを行ったので、その結果について、図４〜図８を参照して説明する。
このシミュレーションは、時計の発電機に適用した場合であり、発電機は図４および図５に示すような外観構成とした。
そして、ステーター２の構造が図３（Ａ）に示すものに相当するものを比較例とし、ステーター２の構造が図３（Ｂ）に示す実施形態に相当するものを実施例とした。
また、比較例と実施例では、ステーター２の厚さＨ１は１．０〔ｍｍ〕とし、第１層および第３層の厚さｈ１、ｈ３はそれぞれ０．３〔ｍｍ〕とし、第３層の厚さｈは０．４〔ｍｍ〕とした。また、ローター磁石１１の厚さＨ２は０．３〔ｍｍ〕とし、ローター磁石１１とステーター２との間の空隙（エアギャップ）なども一定とし、その空隙は０．６５ｍｍ〕とした。
【００２３】
図６は、比較例と実施例の内部構造の構成材料を説明する図である。
比較例は、３層の全部が透磁率が大きな軟磁性材料である金属ガラスで構成されている。この例では、金属ガラスとして日立金属株式会社製の「Ｍｅｔｇｌａｓ２７１４Ａ（商品名）」が使用され、最大透磁率は「２０００００」である。
一方、実施例は、第１層と第３層は比較例と同じ構成材料で構成され、中間層である第２層は非磁性材料のステンレスで構成され、ステンレスの最大透磁率は「１００」である。
このような構成によれば、図６に示すように、第１層および第３層の最大透磁率と第２層の最大透磁率との差は、比較例の場合には「２０００００−２０００００＝０」となり、実施例の場合には「２０００００−１００＝１９９９００」となる。
【００２４】
このような条件で構成した比較例と実施例について、以下のようなシミュレーション結果を得ることができた。
図７は、ローター角度（ローター磁石１１の電気角）を変化させた場合にそれに対応するコギングトルクの変化を示すものであり、曲線ａが比較例の結果であり、曲線ｂが実施例の結果である。
図８は、最大透磁率の差（図６参照）と、この差に応じたコギングトルクおよびステーター２の竿部２５の磁束密度の変化の関係を示す結果であり、曲線ｃがコギングトルクを示し、曲線ｄが磁束密度を示す。
【００２５】
図７および図８によれば、実施例は、比較例に比べてコギングトルクを大幅に低減できることがわかり、この低減の程度は第１層および第３層の最大透磁率と第２層の最大透磁率との差が大きいほど大きなことがわかる。また、図８によれば、実施例と比較例では、ステーター２の竿部２５の磁束密度に変化がないことがわかる。
このため、実施例によれば、ローター磁石１１からの磁束の殆どをステーター２の内部の磁束として確保しつつ、コギングトルクの大幅な低減化を実現できる。
【００２６】
（発電機の他の実施形態）
（１）上記の実施形態では、ステーター本体２１、２２のそれぞれは、全体が３層構造として説明した。しかし、本発明では、ステーター２のうち、ローター磁石１１と対向する部分、すなわちローター配置部２１Ａ、２２Ａについてだけ３層構造にしても良い。言い換えると、本発明では、ステーター２のうち、少なくともローター配置部２１Ａ、２２Ａを３層構造にすれば良く、この場合にはローター配置部２１Ａ、２２Ａを除く部分は第１層または第３層と同様に透磁率が大きな軟磁性材料からなる。
【００２７】
（２）上記の実施形態では、ステーター本体２１、２２のぞれぞれは、全体が３層構造であって同じ厚さＨ１から構成するものとして説明した。しかし、本発明では、ローター配置部２１Ａ、２２Ａについてだけ３層構造であって、かつその厚さがＨ１になるように構成しても良い。この場合には、さらに、ローター配置部２１Ａ、２２Ａ以外の部分は、透磁率が大きな軟磁性材料によって１層で構成することも可能である。
（３）上記の実施形態では、ステーター２は一対のステーター本体２１、２２と継鉄２３とに分割されているが、これらを一体に形成するようにしても良い。この場合には、ステーター２は、その全体を３層構造に構成しても良く、あるいは、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの部分だけを３層構造に構成しても良い。
【００２８】
（時計の実施形態）
次に、本発明の時計の実施形態について説明する。
この実施形態に係る時計は、上記の実施形態に係る発電機、この発電機のローター１を回転させるためのゼンマイ（図示せず）、発電機が発生する起電力（電圧）によって駆動する制御回路（図示せず）など、を備えている。
このような構成の時計では、ゼンマイが解ける力によって発電機のローター１が回転すると、この回転によってステーター２に巻き回されるコイル３Ａ、３Ｂに起電力が発生する。この起電力によって制御回路が動作し、制御回路はローター１の回転速度が一定になるように調整する。
このように、実施形態に係る時計では、上述したようにコギングトルクが低減された発電機を備えるようにした。このため、ゼンマイの力によってローター１を回転させる際に、その回転の初期に必要な力を従来に比べて大幅に低減することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・ローター、２・・・ステーター、３Ａ、３Ｂ・・・コイル、１１・・・ローター磁石、１２・・・回転軸、２１、２２・・・ステーター本体、２１Ａ、２２Ａ・・・ローター配置部、２３・・・継鉄、２４・・・ローター配置孔、２１１、２２１・・・第１層、２１２、２２２・・・第２層、２１３、２２３・・・第３層

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターと、ステーターとを備えた発電機であって、
前記ローターはローター磁石を有し、
前記ステーターは、第１層、第２層、および第３層からなる構造にするとともに、当該厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くし、
前記第２層は非磁性材料から構成し、前記第１層および前記第３層はそれぞれ透磁率が大きな軟磁性材料から構成することを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記ステーターは、少なくとも前記ローター磁石を取り囲む部分について、前記第１層、前記第２層、および前記第３層からなる構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記ステーターは、少なくとも前記ローター磁石を取り囲む部分について、当該厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電機。
【請求項４】
前記第２層の非磁性材料はアルミニウム、プラスチック、ガラス、およびステンレスのうちの何れ１つであり、前記第１層および前記第３層の軟磁性材料のそれぞれは金属ガラスであることを特徴とする請求項１乃至請求３のうちの何れか１項に記載の発電機。
【請求項５】
前記第１層および前記第３層の各々は、金属ガラスで一体に形成されたもの、金属ガラスの薄板を複数枚積層したもの、および粉末状の金属ガラスを焼結したもののうちの何れか１つであること特徴とする請求項４に記載の発電機。
【請求項６】
発電機を備えた時計であって、
前記発電機は、請求項１乃至請求５のうちの何れか１項に記載の発電機であることを特徴とする時計。

【図１】