自動水栓
【課題】 本発明は、発電性能の低下を防止することができる水栓用発電機を提供する。
【解決手段】 本発明の一態様によれば、給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筒体と、前記給水流路内に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記動翼の周面および前記給水流入口側の面を覆うキャップと、前記キャップのうち前記動翼の周面に対向するよう配置され、前記動翼の周方向に向けて流入した水を噴出するノズルと、前記筒体内部の空間のうち、上流側より縮径して形成され、前記キャップを支持する支持段部と、前記キャップを前記支持段部に向けて圧着しつつ固定する固定部と、を備える。
【解決手段】 本発明の一態様によれば、給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筒体と、前記給水流路内に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記動翼の周面および前記給水流入口側の面を覆うキャップと、前記キャップのうち前記動翼の周面に対向するよう配置され、前記動翼の周方向に向けて流入した水を噴出するノズルと、前記筒体内部の空間のうち、上流側より縮径して形成され、前記キャップを支持する支持段部と、前記キャップを前記支持段部に向けて圧着しつつ固定する固定部と、を備える。
【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、蛇口の下に差し出された手をセンサで感知し、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、上述のセンサなどの回路の電力を補う装置も知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
特許文献１の自動水栓装置では、発電機の羽根車に向けて水を噴出するノズルが発電機のキャップに設けられており、発電機のキャップが水圧にて相手部材に押しつけられることによりノズルから羽根車に向かう指向性の強い水流を生み出し、発電に必要な吐水を確保している。但し、この構成では水が流れていないときなど、キャップに圧力がかかっていない場合などはキャップと相手部材との間に隙間が発生する可能性があるため、その隙間にごみが噛みこむ虞があった。ごみが噛みこんだ場合には、キャップと相手部材との間に噛みこんだごみの分の隙間が維持され、隙間から指向性の弱い水流が下流側へ流れ込む。この場合には、流れ込んだ指向性の弱い水流の分、ノズルから羽根車に向かう指向性の強い水流の量が減少して狙いの吐水が確保できなくなり、発電性能が低下することが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７２１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、キャップと相手部材との間でのごみ噛みを防ぐことで、狙いの吐水を確保し、発電量の低下を防止することが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、給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筒体と、前記給水流路内に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記動翼の周面および前記給水流入口側の面を覆うキャップと、前記キャップのうち前記動翼の周面に対向するよう配置され、前記動翼の周方向に向けて流入した水を噴出するノズルと、前記筒体内部の空間のうち、上流側より縮径して形成され、前記キャップを支持する支持段部と、前記キャップを前記支持段部に向けて圧着しつつ固定する固定部と、を備える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、キャップと相手部材との間でのごみ噛みを防ぐことで、狙いの吐水を確保し、発電量の低下を防止することができる水栓用発電機を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の取付例を表す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の模式断面図である。
【図４】マグネットを説明するための模式斜視図である。
【図５】ステータを説明するための模式斜視図である。
【図６】本実施の形態に係る発電機に備えられるキャップを説明するための模式斜視図である。
【図７】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図８】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図９】動翼１５にかかるトルクを表すグラフである。
【図１０】動翼羽根１９にかかるトルクを表すグラフである。
【図１１】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図の他の具体例を表す模式図である。
【図１２】「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。
【図１３】本発明の第二の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図１４】本発明の第三の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図１５】本発明の第三の実施の形態に係るパッキンの斜視図である。
【図１６】本発明の第四の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図１７】本発明の第四の実施の形態に係るパッキンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をする。
尚、各図面中、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係る発電機１の模式断面図である。
発電機１には、主として、給水流入口２０１、給水流出口２０２、給水流路２０３、筒体１３、キャップ１４、動翼１５、マグネットＭ、ステータ９が備えられ、これらは、ケース１２（図３を参照）の中に収容されている。
ここで、発電機１の説明をする前に、発電機１を備えた自動水栓装置３の説明をする。
【００１１】
図２は、本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置（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３は、本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の模式断面図である。
【００１２】
尚、図中の矢印は、流水の方向を示している。
【００１３】
自動水栓装置３は、例えば、図２に示すように洗面台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の上部に設けられ本体３ａの径外方向に延出する吐水部３ｂとを有する。
【００１４】
図３に示すように、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の近傍にはセンサ７が内蔵されている。また、自動水栓装置３の内部には、流入口５から流入し、配管４内を流れてきた給水を、吐水６へと導く給水流路１０が形成されている。本体３ａの内部には、その給水流路１０を開閉するための電磁弁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ための定流量弁５５が内蔵されている。また、水道等の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。尚、定流量弁５５、減圧弁、調圧弁は、必要に応じて適宜設けるようにすればよい。
【００１５】
定流量弁５５より下流の吐水部３ｂの内部には、発電機１が備えられている。また、本体３ａの内部には、発電機１で発電された電力を充電しておく充電器５６、センサ７の駆動や電磁弁８の開閉などを制御する制御部５７が設けられている。発電機１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、水道の元圧（一次圧）が、発電機１に直接作用することはない。そのため、発電機１は、それほど高い耐圧性を要求されず、このような配置は、信頼性やコストの点で有利である。
【００１６】
また、充電器５６と制御部５７とは、図示しない配線を介して接続されている。そして、充電器５６及び制御部５７は、本体３ａの上部であって、給水流路１０の最も上方の位置よりもさらに上方の位置に配置されている。そのため、給水流路１０を形成する流路管の外面に結露した水滴が、落下または流路管を伝って流れ落ちても、制御部５７が浸水することを防ぐことができ、制御部５７の故障を防止することができる。同様に、充電器５６も給水流路１０の上方に設けているため、充電器５６が浸水することを防ぎ、充電器５６の故障をも防止することができる。
【００１７】
発電機１に設けられたコイル５０（図５参照）と制御部５７とは、図示しない配線を介して接続され、コイル５０の出力が制御部５７を介して充電器５６に送られるようになっている。
【００１８】
なお、水栓用発電機１は、水栓装置３の水栓金具（本体３ａ及び吐水部３ｂ）の内部に設けられることに限らない。例えば、水栓装置３の水栓金具と、これよりも上流側に設けられた止水栓（元栓）１０５（図２参照）との間を接続する配管（流路）４に設けてもよい。
【００１９】
自動水栓装置３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、キッチン用水栓装置、リビングダイニング用水栓装置、シャワー用水栓装置、トイレ用水栓装置、洗面所用水栓装置などが挙げられる。また、本実施の形態に係る発電機１は、人体感知センサを用いた自動水栓装置３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装置、流量をカウントして止水する定量吐水水栓装置、設定時間を経過すると止水するタイマー水栓装置などにも適用させることができる。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ることもできる。
【００２０】
また、自動水栓装置３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１に流れる水流を分岐させて、発電機１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１に流すと、動翼１５の回転数が大きくなりすぎ、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、結果として発電量は増大しないからである。尚、水栓装置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５０ｋＰａ（キロパスカル）程度の低水圧である場合もあり得る。
【００２１】
次に、図１に戻って、発電機１について説明する。
筒体１３は、給水流出口２０２の側から順に、給水流出口を形成する小径部１３ａと、小径部１３ａより径の大きい大径部１３ｂと、小径部１３ａより延設され大径部１３ｂとの間を繋ぐフランジ部１３ｃと、大径部１３ｂのフランジ部１３ｃとは逆の端面に設けられた支持段部１３ｄと、支持段部１３ｄより給水流入口２０１側に伸び、大径部１３ｂより支持段部１３ｄの分だけ径の大きい外郭部１３ｅ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２、図３に図示される吐水部３ｂに配設される。この際、筒体１３（動翼１５）の回転軸（中心軸）が、流水の方向に対して略平行となるようにして配設される。また、筒体１３は、小径部１３ａを下流側に、大径部１３ｂを上流側に向けて配設される。
【００２２】
筒体１３の内部には、上流側から順に、給水流入口２０１、キャップ１４、動翼１５、軸受１７、給水流出口２０２が設けられている。また、給水流入口２０１と給水流出口２０２との間には、給水流路２０３が設けられている。軸受１７は小径部１３ａの内部に設けられ、キャップ１４及び動翼１５は大径部１３ｂおよび外郭部１３ｅの内部に設けられている。
【００２３】
外郭部１３ｅと大径部１３ｂとの境目には、給水流入口２０１側の外郭部より縮径して設けた支持段部１３ｄが設けられている。そして、その支持段部１３ｄは環状に形成され、この支持段部１３ｄの上にキャップ１４が、固定部であるスプリング形状のバネ８１によって支持段部１３ｄに押しつけられるよう付勢されつつ支持されている。尚、キャップ１４とキャップ１４の周面に設けられたノズル１８についての詳細は後述する。
【００２４】
キャップ１４の下流側には、動翼１５が設けられている。動翼１５は、円柱状を呈し、径内方向に突出した複数の突起状の動翼羽根１９が設けられている。周方向に見て隣り合う動翼羽根１９間の空間は、動翼流路７２として機能する。尚、動翼羽根１９についての詳細は後述する。
【００２５】
そして、後述する動翼リング１５ａの端面やマグネットＭと、筒体１３との間には動翼１５を回転可能とするための隙間が設けられ、この隙間がバイパス流路６０となる。
【００２６】
また、軸受１７に支持された中心軸２４が上流側に向けて突出するようにして設けられている。中心軸２４は、動翼１５と一体化しており、中心軸２４の両端部をキャップ１４と軸受１７とに支持させて、中心軸２４と一体化された動翼１５が軸受１７および筒体１３に対して回転可能とされている。尚、軸受１７と中心軸２４とを一体化し、中心軸２４が動翼１５のボス部１５ｂを挿通するようにして、、中心軸２４のまわりを動翼１５が回転するようにしてもよい。すなわち、動翼１５の回転軸が給水流路に対して略平行となるように、動翼羽根部を有する動翼１５を給水流路に設ければよい。ここでいう動翼１５の回転軸は、中心軸２４と同じである。
【００２７】
軸受１７は、筒体１３の小径部１３ａ内周面に設けられた回転規制用の突起によって、回転不能に小径部１３ａに嵌装されている。そして図示はないが、軸受１７は給水流路２０３と給水流出口２０２とを連通する連通穴を有しており、筒体１３内部の給水の流れが妨げられることはない。
【００２８】
筒体１３の大径部１３ｂの内部には、動翼羽根１９の下流側であって径外方側の側端面に設けられた動翼リング１５ａと、動翼リング１５ａの外周部に固定された円環状のマグネットＭとが収容されている。筒体１３の小径部１３ａの外側には、マグネットＭの下流側の径方向に略直角な方向の端面に対向させるようにしてステータ９が設けられている。
【００２９】
また、マグネットＭは、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間に設けている。このようにマグネットＭを配置させることによって、径方向の寸法が小さくても、発電量を確保できる発電機を設けることができる。その理由は、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間であって、ノズル１８の下流側である空間に、径方向に大きなマグネットＭを配置させることができるからである。
【００３０】
本実施の形態においては、ステータ９を、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面に対向配置させる構造のため、ステータ９をマグネットＭの径外方向に対向配置させる場合（「ラジアル配置」）に比べて、径方向寸法を小さくすることができる。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、発電量を増加させることができる。
【００３１】
また、筒体１３を樹脂などのような電気伝導度の低い材料で形成するものとすれば、金属で形成した場合と比べて渦電流損が低減できるので、発電量をさらに増加させることができる。この場合、磁束が通過する大径部１３ｂのみを樹脂などのような電気伝導度の低い材料で形成するようにしてもよい。
【００３２】
次に、マグネットＭとステータ９について説明をする。図４は、マグネットＭを説明するための模式斜視図である。図５は、ステータ９を説明するための模式斜視図である。図４に示すように、マグネットＭの径外方向の端面（外周面）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。
【００３３】
図５に示すように、ステータ９は、いずれも軟磁性体（例えば、圧延鋼）からなる第１ヨーク３１、第２ヨーク３２およびこれらに連接するインダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａと、これら第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、インダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０とを有する。
【００３４】
円環状に巻回されたコイル５０は、その内周面部、外周面部および径方向に略直角な方向の両端面部が、第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、インダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａ、第３ヨーク３３によって囲まれている。
【００３５】
第１ヨーク３１は、略円環状を呈し、コイル５０の内周面部を囲むようにして配置され、その径方向に略直角な方向の一端部には、径外方向に向けて、複数のヨーク３１ｂが一体的に設けられている。第１ヨーク３１において、コイル５０の内周面部に対向する部分と、ヨーク３１ｂとは、略直角となっている。ヨーク３１ｂは、コイル５０の周方向に沿って等間隔で配置されている。ヨーク３１ｂの一端は、さらにコイル５０の径方向に略直角な方向に延出してインダクタ３１ａを形成している。
【００３６】
第２ヨーク３２は、略円環状を呈し、コイル５０の外周面部を囲むようにして配置され、その径方向に略直角な方向の一端部には、複数のインダクタ３２ａが径方向に略直角な方向に向けて一体的に設けられている。インダクタ３２ａは、コイル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の各インダクタ３１ａの間に配置されるようになっている。すなわち、第１ヨーク３１のインダクタ３１ａと、第２ヨーク３２のインダクタ３２ａとが、コイル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。また、インダクタ３１ａ、３２ａは、コイル５０の外周面部を囲むようにして配置された部分（第２ヨーク３２）の直上に設けられ、コイル５０の中心から各インダクタ３１ａ、３２ａまでの距離は略同一となっている。
【００３７】
インダクタ３１ａ、３２ａは、径方向に略直角な方向に延出するようにして設けられ、その内周面（コイル５０の中心方向に位置する側の面）が、マグネットＭの外周面（径外方向の面）と対向するようになっている。また、ヨーク３１ｂは、コイル５０の一方の端面部と対向している。そのコイル５０の一方の端面部は、ヨーク３１ｂ及び筒体１３のフランジ部１３ｃを間に挟んで、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面と対向している。
【００３８】
ここで、発電機１の径方向の寸法を小さくしようとすれば、マグネットＭの径方向の寸法も小さくしなければならない。しかしその場合でも、マグネットＭの径方向に略直角な方向の寸法は小さくする必要がなく、また、場合によっては大きくすることもできる。
【００３９】
本実施の形態においては、インダクタ３１ａ、３２ａをマグネットＭの外周面に対向するように設けている。そのため、マグネットＭの外周面からの磁束をインダクタ３１ａ、３２ａを介してコイル５０に導くことができ、径方向寸法を小さくした場合でも、その影響を少なくすることができ、所定の発電量を確保することができる。
【００４０】
このように、発電量を確保したまま発電機１の径方向寸法の小型化を図ることができれば、例えば、発電機１が配設される自動水栓装置３の寸法をも小さくすることができる。その結果、自動水栓装置３の設置性、操作性などを向上させることができ、また、自動水栓装置３の外観デザインの採用に関する許容性をも向上させることができる。例えば、従来よりも細身の現代的なデザインを採用することができるようにもなる。
【００４１】
第３ヨーク３３は、リングプレート状を呈し、コイル５０の他方の端面部と対向して設けられる。また、第３ヨーク３３の外周側の一部が切り欠かれて、図示しないコイル配線の取り出し部が形成されている。
【００４２】
第３ヨーク３３は、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２におけるそれぞれのヨーク３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａが設けられた端部と反対側の端部に結合されている。第１ヨーク３１〜第３ヨーク３３によって囲まれた空間内に、コイル５０が収容され、コイル５０からの配線は、第３ヨーク３３の外周側に形成された図示しないコイル配線の取り出し部から外部に引き出されるようになっている。このように、コイル５０の配線は、第３ヨーク３３の外周側に形成された図示しないコイル配線の取り出し部を介して、外周側から外部に取り出されるので、内周側から取り出す場合に比べて、制御部５７までの配線の取りまわしが容易となる。
【００４３】
また、第３ヨーク３３には、例えば、凸状の位置決め部が設けられており、この位置決め部を、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２のそれぞれに形成された凹状の切り欠き部に係合させることで、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２は、それぞれ周方向の所定の位置に位置決めされる。これにより、インダクタ３１ａ、３２ａ間のピッチ精度を向上させることができる。尚、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るようにすることもできる。
【００４４】
また、第２ヨーク３２には切り欠き部３９ａが、第３ヨーク３３には切り欠き部３９ｂが設けられている。このように、各ヨーク３２、３３において、コイルの周面部を囲むようにして設けられた部分に、インダクタ３１ａ、３２ａが設けられた一端側から隣接するインダクタの間を切り欠いた切り欠き部３９ａ、３９ｂを間欠的に設けることで、各ヨーク３２、３３を周方向に磁気的に絶縁するようにしている。そして、各ヨーク３２、３３の周面に沿って形成される磁路のうち、発電に必要のない部分を削り取ることで、鉄損を抑制することができ発電量を増加させることができる。
【００４５】
尚、マグネットＭの下流側端面に対向させてステータ９が配置されている場合を説明したが、ステータ９は、マグネットＭの上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を配置させてもよい。
【００４６】
図６は、本実施の形態に係る発電機１に備えられるキャップ１４を説明するための模式斜視図である。
また、図７及び図８は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
尚、図１において説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４７】
図６（ａ）（ｂ）、図７に示すように、キャップ１４は、円柱体の一方の端面（上流側に位置する面）に円柱体と同心でかつ円柱体の径より小径の円柱であるバネ保持部１４ｃと、円柱体およびバネ保持部１４ｃと同心でバネ保持部１４ｃよりも小径でかつ高さの高いの円柱である円柱突起１４ｄと、を一体的に設けた階段形状を呈している。また、円柱体の他方の端面（下流側に位置する面）側には、端面より径の大きいフランジ部１４ａが設けられている。
なお、図６（ａ）で示している通り、キャップ１４は複数の部品で構成されていてもよく、例えばフランジ部１４ａを別体で組みつけたような構成であっても、本発明に含まれるものとする。
【００４８】
また、キャップ１４の内部には、フランジ部１４ａが設けられた側の端面に開口した円柱形状を呈した空間部１４ｂ（図１を参照）が設けられている。そして、空間部１４ｂには動翼１５の上流端側に設けられた動翼羽根１９が収納されている。キャップ１４の中心軸上であって、空間部１４ｂに面する側の面には動翼１５を挿通する中心軸２４の一端が支持されており、中心軸２４は円柱突起１４ｄの内部まで挿通している。
【００４９】
また、キャップ１４の周面のうち、フランジ部１４ａの給水流入口２０１側に隣接する位置には、空間部１４ｂに連通する３つのノズル１８が設けられている。これら３つのノズル１８は、動翼１５の周囲において１２０度の角度関係で、均等（等間隔）に配置されている。
なお、３つのノズル１８を配置する場合に、それぞれのノズルの周方向での配置角度は１２０度に限定されるものではなく、ノズル１８から噴出される水流が動翼１５の周方向において対称性を保つように配置されていればよい。すなわち、動翼１５の回転角に対する動翼１５のトルクのばらつきが小さくなるように、ノズル１８を配置することができる。
【００５０】
また、キャップ１４は、給水流出口側の端部を筒体１３の支持段部１３ｄに向けてスプリング形状のバネ８１によって付勢されて押しつけて固定されている。バネ８１の一端はキャップ１４のバネ保持部１４ｃに嵌装され、他端は筒体１３にＯリング５２を介して固定された給水流入口形成部材５１に嵌装されており、バネ８１はキャップ１４と給水流入口形成部材５１とによって狭持されている。
キャップ１４をバネ８１によって常に支持段部１３ｄに向けて押しつけているため、キャップ１４と支持段部１３ｄとの間に隙間が生じることがなく、ごみが噛みこむのを防いでいる。また、キャップ１４と支持段部１３ｄとの間に隙間が生じることがないため、給水流入口２０１から流入した水流全てをノズル１８から噴出させて動翼１５を回転させる水流を最大量確保することができ、発電量を高くすることができる。ノズル１８から噴出させた水流は、動翼１５を回転させるために指向性をもたせているため、発電に大きく寄与するが、隙間からキャップ１４の内部に流入した水流は、指向性を持っていないため、ノズル１８から噴出させた水流と比べて発電への寄与が小さい。そのため、隙間から水流の一部が流入することにより発電量が低下することを、防ぐ必要がある。
キャップ１４が複数の部品によって構成されている場合も同様のことがいえる。
【００５１】
図９（ａ）及び（ｂ）は、動翼１５がノズル１８からの水流により受けるトルクを表したグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は動翼１５の回転角（度）を表し、縦軸は動翼１５が受けるトルクを全回転角にわたって受けるトルクの平均で除した値を表す。図９（ａ）及び（ｂ）は、いずれも、動翼羽根１９の枚数が１１枚であり、３つのノズル１８を等間隔（１２０度ごとに）配置した場合を表す。ただし、図９（ａ）は、３つのノズル１８から等しい量の水流を噴出させた場合（流量比は、１：１：１である）を表し、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性が保たれている。一方、図９（ｂ）は、３つのノズル１８から噴出させる水量の流量比を４：１：１とした場合を表す。つまり、図９（ｂ）においては、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性は保たれていない。ここで、３つのノズル１８から噴出される水の流量の合計は、図９（ａ）の場合と図９（ｂ）の場合とで同一である。
【００５２】
図９（ｂ）をみると、動翼１５が受けるトルクは、回転角に応じて周期的に大きく変動していることが分かる。つまり、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性が保たれていない場合（図９（ｂ））には、動翼１５が受けるトルクが変動し、脈動しやすくなる。これに対して、図９（ａ）をみると、動翼１５が受けるトルクの変動ははるかに小さい。つまり、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性が保たれている場合（図９（ａ））には、動翼１５が受けるトルクの変動は抑制され、脈動が抑制されて円滑に回転することが分かる。
【００５３】
図１０（ａ）及び（ｂ）は、図９（ａ）及び（ｂ）のそれぞれのケースにおいて、１１枚の動翼羽根１９のそれぞれが水流により受けるトルクを表したグラフである。ここでも、横軸は動翼１５の回転角（度）を表し、縦軸は１枚の動翼羽根１９がノズル１８からの水流により受けるトルクを動翼１５の全体が全回転角にわたって受けるトルクの平均で除した値を表す。
【００５４】
図１０（ｂ）をみると、１枚の動翼羽根１９が受けるトルクは、回転角がおよそ４０度において、３つのノズル１８のうちで流量が多いノズル１８からの水流により最大で１程度まで急激に上昇し、それ以外の回転角度ではほぼゼロに近いトルクしか受けないことが分かる。つまり、３つのノズル１８から噴出される水の流量が均等でない場合には、それぞれの動翼羽根１９が受けるトルクの変動も極めて大きいことが分かる。このように不均一なトルクがかかることにより、動翼１５の脈動が生じやすくなる。
【００５５】
これに対して、図１０（ａ）をみると、動翼羽根１９のそれぞれは、３つのノズル１８からの均等な水流に対応して、回転角がおよそ４０度、１６０度、２８０度において、０．４６程度の均等なトルクを受けることが分かる。つまり、３つのノズル１８を均等に配置し、均等な水流を噴出させることにより、水流の対称性を保ち、動翼羽根１９は、回転角に応じた均等なトルクを受ける。その結果として、動翼１５を円滑に回転させ、脈動を抑制できる。なお、図１０（ａ）及び（ｂ）において、トルクにマイナスの値が表れているのは、動翼羽根１９が、水流によって回転方向とは逆向きの力を受けることによる。
【００５６】
以上、具体例を参照しつつ説明したように、３つ以上のノズルから噴出される水流の対称性が保たれていれば、動翼１５は円滑に回転し、脈動を抑制できる。ただし、水流は完全に対称である必要はなく、水圧によって動翼１５にかかる力が、動翼羽根１９での脈動を抑制できる程度に動翼１５の回転中心においてつり合っていればよい。したがって、３つのノズル１８の配置角度が等間隔となるように配置してもよいが、あるいは、動翼１９にかかる水圧が回転中心において概ねつりあう限りにおいて、３つのノズル１８の配置角度が等間隔から外れるように配置してもよい。またさらに、３つのノズル１８のうちのいずれか１つまたは２つを、複数の小さいノズルに分割してもよい。このような場合でも、動翼１５にかかる水圧が回転中心においてつりあい、動翼羽根１５での脈動を抑制することが可能である。またさらに、３つのノズル１８を等間隔に配置し、さらに噴出する水量が小さいノズルを付加したような場合も、動翼１５にかかる水圧が回転中心において概ねつり合う限りにおいて、本発明の範囲に包含される。以上の論理は、ノズル１８の数が３
つの場合に限定されるものではなく、後に図１１を例示して説明するように４つのノズル１８を設けた場合や、５つ以上のノズル１８を設けた場合においても同様である。
【００５７】
一方、キャップ１４の周面には、３つの柱３０１が設けられており、各々のノズル１８への流路を区画している。ノズル１８および柱３０１は、その下面がフランジ部１４ａの上面に接するようにしてキャップ周面の周方向に沿って等間隔に設けられている。そして、ノズル１８は、空間部１４ｂに収納された動翼羽根１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようにされている。
【００５８】
なお、フランジ部１４ａをキャップ１４と別体で設けてもよい。この場合には、フランジ部１４ａとキャップ１４を接合させることによって、ノズル１８を形成することができる。
【００５９】
このようなノズル１８によれば、回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、流れの方向を変えて、回転軸（中心軸）に対して略垂直な平面内において、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させることができる。
【００６０】
すなわち、動翼１５の回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、回転軸（中心軸）に対して略垂直な方向に、流れの方向を変えて、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させる複数のノズル１８が設けられている。そして、これら複数のノズル１８は、動翼１５の周囲に等間隔（均等）に配置されている。
【００６１】
このようにすれば、水流が給水流入口からそれぞれのノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができる。そのため、水流の変動による動翼羽根１９での脈動を抑制できる。なお、軸流式でない場合には、各ノズル１８までの水路の長さが均一ではないため、ノズル１８を動翼１５の周囲に均等に配置しても、水流が各ノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができない。
【００６２】
これに対して、本実施形態によれば、軸流式の流路形態において、動翼１５の周囲に複数のノズル１８を等間隔に配置することにより、水流が各ノズル１８を介して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にできる。その結果として、水流の変動による動翼羽根１９での脈動などを抑制できる。
【００６３】
またさらに、本実施形態によれば、３つ以上のノズル１８を動翼１５の周囲に均等（等間隔）に設けることで、各々の動翼羽根１９に対して噴流をばらつきを抑えて当てることができ、安定して動翼を回転させることができる。すなわち、動翼羽根１９に噴流が均等に当たらないと、各々の動翼羽根１９が受ける水圧が偏り、動翼１５が振動してしまうという問題が生じる。
【００６４】
例えば、ノズル１８の数を１つのみにした場合には、動翼１５に対して、片側のみから水圧がかかることとなる。この場合、動翼１５の回転軸に対して一方向からの力が加わるため、偏心しやすい。また、軸受けが一方向のみに向けて摩耗しやすく、使用するに従ってガタなどが生じやすくなる。また、ノズル１８に供給される水流の変動の影響を受けやすい。例えば、水流の脈動などによって、動翼１５の回転が不安定になったり、振動や騒音が発生しやすくなる。
【００６５】
一方、ノズル１８の数を２つにした場合も、それぞれのノズル１８から噴射される水流のバランスが少し偏っただけでも、動翼１５の回転軸が偏ってしまい、振動や騒音が発生しやすい。また、軸受けの片減りも生じやすくなる。
【００６６】
これに対して、３つ以上のノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に設けた場合には、動翼１５に噴射する水流を分散させることにより、より安定して回転させることができる。すなわち、ノズル１８を３つ以上設けた場合には、これらノズル１８に供給される水流が変動しても、それぞれのノズル１８から噴射される水流のバランスが偏ることを抑制できる。つまり、ノズル１８を３つ以上設けることにより、水流のばらつきも分散することができる。そして、これらノズル１８を等間隔に配置して水流を動翼１５に作用させることにより、動翼１５にかかる水圧の偏りを抑制し、常に安定して回転させ、振動や騒音の発生を抑制できる。また、軸受けの片減りも抑制できる。
【００６７】
また、３つ以上のノズル１８を設けることにより、製造上の寸法の誤差などの影響も吸収しやすくなる。例えば、キャップ１４を成型する際に生ずる寸法の誤差により、ノズル１８の位置がずれることなどがあり得る。ノズル１８の数を２つにした場合には、ノズル１８の位置がわずかにずれただけでも、動翼１５に対する水圧のバランスが偏りやすくなる。つまり、動翼１５の回転が偏心したり、振動や騒音などが生じやすくなる。
【００６８】
これに対して、３つ以上のノズル１８を設ける場合には、それぞれのノズル１８の位置がずれても、その影響は分散され、動翼１５に対する水圧のバランスの偏りも緩和される。つまり、製造上の寸法の誤差などによる影響も分散させ緩和できる。本実施形態において、ノズル１８の数は３つには限定されない。例えば、図１１に例示したように、４つのノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置しても、前述したような水圧の偏りの抑制などの各種の効果を得ることができる。またさらに、５つ以上のノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置することによっても、前述したような水圧の偏りの抑制などの効果を同様に得ることができる。
【００６９】
動翼羽根１９の上流側端面は動翼１５の天井部１５ｄに支持されており、下流側端面１９ａは動翼１５の羽根支持面１５ｃに支持されている（図１を参照）。そのため、動翼１５の径外方向の端面（外周面）においては、動翼羽根１９は支持されておらず、動翼１５の径外方向の端面（外周面）から内部に向けて流水が可能となっている。
【００７０】
図７に示すように、動翼羽根１９は曲線で構成されており、動翼１５の中心に向けてその先端が接近するような向きに湾曲している。動翼羽根１９の出口側先端１９ｂと動翼１５のボス部１５ｂとは離隔されており、動翼羽根１９の入口側から出口側に向けて動翼羽根１９に沿った円滑な水の流れが形成されるようになっている。そのため、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、図７及び図８に表したように、ノズル１８から噴出される水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。より具体的には、図８に表したように、水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円（破線）５１０とその接線５２０との接点において接線５２０に対して垂直な垂線５３０に対して、傾斜している。すなわち、水流６２ａの方向は、外接円５２０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、非平行かつ非垂直である。例えば、水流６２ａの方向は、外接円５１０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、４０度から８５度の間に設定することができる。
このようにすると、各ノズル１８から旋回流を形成するように水流が噴射される。その結果として、全てのノズル１８からの水流が、全体として旋回流を形成する。このため、動翼羽根１９の外周側から動翼１５の回転軸に向けて、動翼羽根１９に沿った円滑な水の流れを生じさせることができる。その結果として、動翼羽根１９に効率よく水流を作用させ、動翼１５を効率よく回転させることができる。
【００７２】
動翼羽根１９の枚数は、ノズル１８の数の整数倍とは異なる値となっている。例えば、図７に例示をしたものでは、動翼羽根１９の枚数を１１枚、ノズル１８の数を３つとしている。動翼羽根１９の枚数をノズル１８の数の整数倍とは異なる値とすれば、各動翼羽根１９への噴出時期をずらすことができるので、動翼１５の振動や騒音の発生を抑制することができる。
【００７３】
動翼羽根１９の出口側先端１９ｂは、動翼羽根１９の下流側端面を支持する羽根支持面１５ｃより動翼１５の内側に向けて突出するようにして設けられている。そのため、羽根支持面１５ｃの内側に設けられる流水路１５ｅ（図１を参照）の径方向寸法を大きくすることができるので、圧損を抑制することができる。また、動翼羽根１９の径方向長さを長くすることができるので、動翼羽根１９の面積を大きくすることができる。その結果、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
【００７４】
動翼羽根１９の下流側端面１９ａの位置（図１を参照）は、ノズル１８より下流側となるようにされている。そのため、ノズル１８から噴出された水流のうち、下流側に向けて拡散されたものをも動翼羽根１９に当てることができる。その結果、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
【００７５】
また、ノズルキャップ１４をスプリング形状のバネ８１で固定していることにより、動翼羽根１９が受ける水圧の偏り等による動翼１５の振動がいかなる方向に向いていようとも、その振動を抑える方向にバネ８１の弾性が作用し、振動を吸収するので、振動や騒音などを抑えることもできる。
【００７６】
説明の便宜上、マグネットＭの外周面からの磁束をインダクタ３１ａ、３２ａを介してマグネットＭの径方向に略直角な方向の端面に対向させるようにして設けられたコイル５０に導くようにしているが、コイル、マグネット、インダクタの配置はこれに限定されるわけではない。例えば、マグネットの径外方向にコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機であってもよいし、マグネットの径方向に略直角な方向の端面と対向させるようにしてコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機であってもよい。
【００７７】
図１２は、「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。
マグネットＭ１の径方向に略直角な方向の端面には、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。
【００７８】
ステータ９０は、いずれも軟磁性体（例えば、圧延鋼）からなる第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２、第３ヨーク１３３と、第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２に連接するインダクタ１３１ａ、１３２ａ、これら第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２、第３ヨーク１３３、インダクタ１３１ａ、１３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０ａとを有する。また、第３ヨーク１３３は、第１ヨーク１３１及び第２ヨーク１３２におけるそれぞれのインダクタ１３１ａ、１３２ａが設けられた端部と反対側の端部に結合されている。
コイル５０ａは、マグネットＭ１の径方向に略直角な方向の端面に対向して設けられ、インダクタ１３１ａ、１３２ａは、マグネットＭ１の径方向に略直角な方向に対向する部分を有して互いに離間して配設されている。
【００７９】
本実施の形態においても発電機の径方向寸法の小型化を図ることができる。そして、ノズル１８、動翼羽根１９などを前述のもののようにすれば、バイパス流路に流れ込むバイパス流を抑制することができる。
【００８０】
説明の便宜上、動翼の回転中心に対して略平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面内において、動翼羽根の径外方向から動翼羽根に向けて噴出させるノズルを説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。動翼の回転中心に対して略平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部に向けて噴出させるノズルを備えるものとすることもできる。
【００８１】
図１３は、本発明の第二の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、第一の実施の形態で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００８２】
発電機１ａに備えられるキャップ１４ａの周面には、空間部１４ｂに連通するノズル１８ａが３箇所設けられている。ノズル１８ａは、キャップ周面の周方向に沿って等間隔に設けられている。そして、ノズル１８ａは、空間部１４ｂに収納された動翼羽根１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようにされている。また、ノズル１８ａは、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、設けられている。このようなノズル１８ａによれば、回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根の径外方
向から動翼羽根に向けて噴出させることができる。図１３に示すものでは斜め上方から動翼羽根に向けて噴出させるようになっている。これによって、水圧を利用してキャップ１４を支持段部１３ｄに向けて押しつけることになるため、さらに確実にごみ噛みを防止することができ、発電性能の低下をより効果的に防止することができる。
【００８３】
また、この際、ノズル１８ａから噴出された水の方向は、動翼の回転軸に対して略垂直な平面に投影した場合において、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。
【００８４】
次に、本発明の実施の形態に係る発電機及び自動水栓装置の作用について説明をする。使用者が、図２、３に表した吐水口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により電磁弁８が開かれる。これにより、発電機１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、これをセンサ７が感知して、制御部５７により電磁弁８が閉じられ、自動的に水が止まる。
【００８５】
筒体１３内に流れ込んだ流水は、キャップ１４の給水流入口側の面に形成された円柱突起１４ｄからバネ保持部材１４ｂに向かう下りの段部形状をつたい流れて径外方向に拡散される。そして、図６（ａ）に表したように、中心軸２４に対して略平行な方向から流れてくる水流６２ａは、中心軸２４に対して略垂直な平面内において、ノズル１８から動翼羽根１９に向けて噴出される。
【００８６】
動翼羽根１９に向けて噴出された水は、動翼羽根１９の入口側から出口側に向けて動翼羽根１９に沿って動翼流路７２内を流れ、流水路１５ｅ、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。
【００８７】
一方、動翼羽根１９に向けて噴出された水の力により動翼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の径外方向の端面（外周面）は、図４に表すように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の径外方向の端面（外周面）に対向しているインダクタ３１ａ、３２ａ及びこれらに連接する第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５０に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル５０に起電力が生じ、発電が行われる。尚、図１２に例示をした場合においても同様にしてコイル５０ａに起電力が生ずる。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の駆動などに使用される。
【００８８】
図１４は、本発明の第三の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、第一、第二の実施の形態で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００８９】
第三の実施の形態においては、固定部としてバネ８１に代えてスペーサー８２を採用している。スペーサー８２は図１５に示すように、全体として中空の筒型形状でその側壁の一部が切りかかれた形状と成っている。側壁の一部を切り欠いた形状の切り欠き８４を設けることにより、全体として上下方向に弾性を有する。このような構成とすることでバネ８２と同様にキャップ１４を支持段部１３ｄ方向へ付勢しつつ支持することが可能となる。
【００９０】
また、中空の筒型形状であり、かつ側壁に切り欠き８４を設けることによって、上部から流入した湯水を左右の切り欠き８４から流出させることが可能となる。これにより、水の流れを大幅に妨げることなく、キャップを支持・固定することが可能となる。
【００９１】
図１６は、本発明の第三の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、第一〜第三の実施の形態で説明したものと同様の部分には同じ不動を付し、その説明は省略する。
【００９２】
第四の実施の形態においては、固定部としてスペーサー８３を採用している。このスペーサー８３は上部に設けられた上スペーサー８３ａと下スペーサー８３ｂの二つの部材からなる。
第三の実施の形態ではスペーサー８１全体を弾性をもった部材で構成したが、スペーサー自身を上下二つの部材で構成することによって、上スペーサー８３ａのみに弾性を持たせることで、バネ８１と同様にキャップ１４を支持段部１３ｄ方向へ付勢しつつ支持することが可能となる。
なお、下スペーサー８３ｂを硬質の材質で構成することによって、耐久性を向上させることが可能となっている。
【００９３】
このように、固定部はキャップ１４を支持段部１３ｄに向けて押しつけるよう固定する構造であればよく、例えば圧着気味に押しつけつつネジで固定するものであってもよい。ネジで固定する場合には、発電機の軸方向の長さを小さくすることができる。一方バネ８１で固定する場合には、発電機の径方向のスペースが小さくて済むため、発電機の大きさをコンパクトにすることができる。
【００９４】
以上、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、発電機１、自動水栓装置３などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも、本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００９５】
１発電機、１ａ発電機、３自動水栓装置、９ステータ、１３筒体、１４キャップ、１４ａフランジ部、１４ｂ空間部、１５動翼、１５ａ動翼リング、１５ｂボス部、１５ｃ羽根支持面、１５ｄ天井部、１５ｅ流水路、１８ノズル、１８ａノズル、１９動翼羽根、３１ａインダクタ、３２ａインダクタ、５０コイル、５０ａコイル、６０バイパス流路、６２ａ水流、９０ステータ、１３１ａインダクタ、１３２ａインダクタ、２０１給水流入口、２０２給水流出口、２０３給水流路、２０４障害物、３０１柱、Ｍマグネット、Ｍ１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、蛇口の下に差し出された手をセンサで感知し、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、上述のセンサなどの回路の電力を補う装置も知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
特許文献１の自動水栓装置では、発電機の羽根車に向けて水を噴出するノズルが発電機のキャップに設けられており、発電機のキャップが水圧にて相手部材に押しつけられることによりノズルから羽根車に向かう指向性の強い水流を生み出し、発電に必要な吐水を確保している。但し、この構成では水が流れていないときなど、キャップに圧力がかかっていない場合などはキャップと相手部材との間に隙間が発生する可能性があるため、その隙間にごみが噛みこむ虞があった。ごみが噛みこんだ場合には、キャップと相手部材との間に噛みこんだごみの分の隙間が維持され、隙間から指向性の弱い水流が下流側へ流れ込む。この場合には、流れ込んだ指向性の弱い水流の分、ノズルから羽根車に向かう指向性の強い水流の量が減少して狙いの吐水が確保できなくなり、発電性能が低下することが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７２１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、キャップと相手部材との間でのごみ噛みを防ぐことで、狙いの吐水を確保し、発電量の低下を防止することが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、給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筒体と、前記給水流路内に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、前記動翼の周面および前記給水流入口側の面を覆うキャップと、前記キャップのうち前記動翼の周面に対向するよう配置され、前記動翼の周方向に向けて流入した水を噴出するノズルと、前記筒体内部の空間のうち、上流側より縮径して形成され、前記キャップを支持する支持段部と、前記キャップを前記支持段部に向けて圧着しつつ固定する固定部と、を備える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、キャップと相手部材との間でのごみ噛みを防ぐことで、狙いの吐水を確保し、発電量の低下を防止することができる水栓用発電機を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の取付例を表す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の模式断面図である。
【図４】マグネットを説明するための模式斜視図である。
【図５】ステータを説明するための模式斜視図である。
【図６】本実施の形態に係る発電機に備えられるキャップを説明するための模式斜視図である。
【図７】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図８】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図９】動翼１５にかかるトルクを表すグラフである。
【図１０】動翼羽根１９にかかるトルクを表すグラフである。
【図１１】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図の他の具体例を表す模式図である。
【図１２】「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。
【図１３】本発明の第二の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図１４】本発明の第三の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図１５】本発明の第三の実施の形態に係るパッキンの斜視図である。
【図１６】本発明の第四の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
【図１７】本発明の第四の実施の形態に係るパッキンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をする。
尚、各図面中、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係る発電機１の模式断面図である。
発電機１には、主として、給水流入口２０１、給水流出口２０２、給水流路２０３、筒体１３、キャップ１４、動翼１５、マグネットＭ、ステータ９が備えられ、これらは、ケース１２（図３を参照）の中に収容されている。
ここで、発電機１の説明をする前に、発電機１を備えた自動水栓装置３の説明をする。
【００１１】
図２は、本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置（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３は、本発明の実施の形態に係る発電機を備えた自動水栓装置の模式断面図である。
【００１２】
尚、図中の矢印は、流水の方向を示している。
【００１３】
自動水栓装置３は、例えば、図２に示すように洗面台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の上部に設けられ本体３ａの径外方向に延出する吐水部３ｂとを有する。
【００１４】
図３に示すように、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の近傍にはセンサ７が内蔵されている。また、自動水栓装置３の内部には、流入口５から流入し、配管４内を流れてきた給水を、吐水６へと導く給水流路１０が形成されている。本体３ａの内部には、その給水流路１０を開閉するための電磁弁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ための定流量弁５５が内蔵されている。また、水道等の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。尚、定流量弁５５、減圧弁、調圧弁は、必要に応じて適宜設けるようにすればよい。
【００１５】
定流量弁５５より下流の吐水部３ｂの内部には、発電機１が備えられている。また、本体３ａの内部には、発電機１で発電された電力を充電しておく充電器５６、センサ７の駆動や電磁弁８の開閉などを制御する制御部５７が設けられている。発電機１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、水道の元圧（一次圧）が、発電機１に直接作用することはない。そのため、発電機１は、それほど高い耐圧性を要求されず、このような配置は、信頼性やコストの点で有利である。
【００１６】
また、充電器５６と制御部５７とは、図示しない配線を介して接続されている。そして、充電器５６及び制御部５７は、本体３ａの上部であって、給水流路１０の最も上方の位置よりもさらに上方の位置に配置されている。そのため、給水流路１０を形成する流路管の外面に結露した水滴が、落下または流路管を伝って流れ落ちても、制御部５７が浸水することを防ぐことができ、制御部５７の故障を防止することができる。同様に、充電器５６も給水流路１０の上方に設けているため、充電器５６が浸水することを防ぎ、充電器５６の故障をも防止することができる。
【００１７】
発電機１に設けられたコイル５０（図５参照）と制御部５７とは、図示しない配線を介して接続され、コイル５０の出力が制御部５７を介して充電器５６に送られるようになっている。
【００１８】
なお、水栓用発電機１は、水栓装置３の水栓金具（本体３ａ及び吐水部３ｂ）の内部に設けられることに限らない。例えば、水栓装置３の水栓金具と、これよりも上流側に設けられた止水栓（元栓）１０５（図２参照）との間を接続する配管（流路）４に設けてもよい。
【００１９】
自動水栓装置３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、キッチン用水栓装置、リビングダイニング用水栓装置、シャワー用水栓装置、トイレ用水栓装置、洗面所用水栓装置などが挙げられる。また、本実施の形態に係る発電機１は、人体感知センサを用いた自動水栓装置３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装置、流量をカウントして止水する定量吐水水栓装置、設定時間を経過すると止水するタイマー水栓装置などにも適用させることができる。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ることもできる。
【００２０】
また、自動水栓装置３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１に流れる水流を分岐させて、発電機１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１に流すと、動翼１５の回転数が大きくなりすぎ、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、結果として発電量は増大しないからである。尚、水栓装置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５０ｋＰａ（キロパスカル）程度の低水圧である場合もあり得る。
【００２１】
次に、図１に戻って、発電機１について説明する。
筒体１３は、給水流出口２０２の側から順に、給水流出口を形成する小径部１３ａと、小径部１３ａより径の大きい大径部１３ｂと、小径部１３ａより延設され大径部１３ｂとの間を繋ぐフランジ部１３ｃと、大径部１３ｂのフランジ部１３ｃとは逆の端面に設けられた支持段部１３ｄと、支持段部１３ｄより給水流入口２０１側に伸び、大径部１３ｂより支持段部１３ｄの分だけ径の大きい外郭部１３ｅ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２、図３に図示される吐水部３ｂに配設される。この際、筒体１３（動翼１５）の回転軸（中心軸）が、流水の方向に対して略平行となるようにして配設される。また、筒体１３は、小径部１３ａを下流側に、大径部１３ｂを上流側に向けて配設される。
【００２２】
筒体１３の内部には、上流側から順に、給水流入口２０１、キャップ１４、動翼１５、軸受１７、給水流出口２０２が設けられている。また、給水流入口２０１と給水流出口２０２との間には、給水流路２０３が設けられている。軸受１７は小径部１３ａの内部に設けられ、キャップ１４及び動翼１５は大径部１３ｂおよび外郭部１３ｅの内部に設けられている。
【００２３】
外郭部１３ｅと大径部１３ｂとの境目には、給水流入口２０１側の外郭部より縮径して設けた支持段部１３ｄが設けられている。そして、その支持段部１３ｄは環状に形成され、この支持段部１３ｄの上にキャップ１４が、固定部であるスプリング形状のバネ８１によって支持段部１３ｄに押しつけられるよう付勢されつつ支持されている。尚、キャップ１４とキャップ１４の周面に設けられたノズル１８についての詳細は後述する。
【００２４】
キャップ１４の下流側には、動翼１５が設けられている。動翼１５は、円柱状を呈し、径内方向に突出した複数の突起状の動翼羽根１９が設けられている。周方向に見て隣り合う動翼羽根１９間の空間は、動翼流路７２として機能する。尚、動翼羽根１９についての詳細は後述する。
【００２５】
そして、後述する動翼リング１５ａの端面やマグネットＭと、筒体１３との間には動翼１５を回転可能とするための隙間が設けられ、この隙間がバイパス流路６０となる。
【００２６】
また、軸受１７に支持された中心軸２４が上流側に向けて突出するようにして設けられている。中心軸２４は、動翼１５と一体化しており、中心軸２４の両端部をキャップ１４と軸受１７とに支持させて、中心軸２４と一体化された動翼１５が軸受１７および筒体１３に対して回転可能とされている。尚、軸受１７と中心軸２４とを一体化し、中心軸２４が動翼１５のボス部１５ｂを挿通するようにして、、中心軸２４のまわりを動翼１５が回転するようにしてもよい。すなわち、動翼１５の回転軸が給水流路に対して略平行となるように、動翼羽根部を有する動翼１５を給水流路に設ければよい。ここでいう動翼１５の回転軸は、中心軸２４と同じである。
【００２７】
軸受１７は、筒体１３の小径部１３ａ内周面に設けられた回転規制用の突起によって、回転不能に小径部１３ａに嵌装されている。そして図示はないが、軸受１７は給水流路２０３と給水流出口２０２とを連通する連通穴を有しており、筒体１３内部の給水の流れが妨げられることはない。
【００２８】
筒体１３の大径部１３ｂの内部には、動翼羽根１９の下流側であって径外方側の側端面に設けられた動翼リング１５ａと、動翼リング１５ａの外周部に固定された円環状のマグネットＭとが収容されている。筒体１３の小径部１３ａの外側には、マグネットＭの下流側の径方向に略直角な方向の端面に対向させるようにしてステータ９が設けられている。
【００２９】
また、マグネットＭは、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間に設けている。このようにマグネットＭを配置させることによって、径方向の寸法が小さくても、発電量を確保できる発電機を設けることができる。その理由は、動翼羽根１９と給水流出口２０２との間であって、ノズル１８の下流側である空間に、径方向に大きなマグネットＭを配置させることができるからである。
【００３０】
本実施の形態においては、ステータ９を、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面に対向配置させる構造のため、ステータ９をマグネットＭの径外方向に対向配置させる場合（「ラジアル配置」）に比べて、径方向寸法を小さくすることができる。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、発電量を増加させることができる。
【００３１】
また、筒体１３を樹脂などのような電気伝導度の低い材料で形成するものとすれば、金属で形成した場合と比べて渦電流損が低減できるので、発電量をさらに増加させることができる。この場合、磁束が通過する大径部１３ｂのみを樹脂などのような電気伝導度の低い材料で形成するようにしてもよい。
【００３２】
次に、マグネットＭとステータ９について説明をする。図４は、マグネットＭを説明するための模式斜視図である。図５は、ステータ９を説明するための模式斜視図である。図４に示すように、マグネットＭの径外方向の端面（外周面）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。
【００３３】
図５に示すように、ステータ９は、いずれも軟磁性体（例えば、圧延鋼）からなる第１ヨーク３１、第２ヨーク３２およびこれらに連接するインダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａと、これら第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、インダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０とを有する。
【００３４】
円環状に巻回されたコイル５０は、その内周面部、外周面部および径方向に略直角な方向の両端面部が、第１ヨーク３１、第２ヨーク３２、インダクタ３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａ、第３ヨーク３３によって囲まれている。
【００３５】
第１ヨーク３１は、略円環状を呈し、コイル５０の内周面部を囲むようにして配置され、その径方向に略直角な方向の一端部には、径外方向に向けて、複数のヨーク３１ｂが一体的に設けられている。第１ヨーク３１において、コイル５０の内周面部に対向する部分と、ヨーク３１ｂとは、略直角となっている。ヨーク３１ｂは、コイル５０の周方向に沿って等間隔で配置されている。ヨーク３１ｂの一端は、さらにコイル５０の径方向に略直角な方向に延出してインダクタ３１ａを形成している。
【００３６】
第２ヨーク３２は、略円環状を呈し、コイル５０の外周面部を囲むようにして配置され、その径方向に略直角な方向の一端部には、複数のインダクタ３２ａが径方向に略直角な方向に向けて一体的に設けられている。インダクタ３２ａは、コイル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の各インダクタ３１ａの間に配置されるようになっている。すなわち、第１ヨーク３１のインダクタ３１ａと、第２ヨーク３２のインダクタ３２ａとが、コイル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。また、インダクタ３１ａ、３２ａは、コイル５０の外周面部を囲むようにして配置された部分（第２ヨーク３２）の直上に設けられ、コイル５０の中心から各インダクタ３１ａ、３２ａまでの距離は略同一となっている。
【００３７】
インダクタ３１ａ、３２ａは、径方向に略直角な方向に延出するようにして設けられ、その内周面（コイル５０の中心方向に位置する側の面）が、マグネットＭの外周面（径外方向の面）と対向するようになっている。また、ヨーク３１ｂは、コイル５０の一方の端面部と対向している。そのコイル５０の一方の端面部は、ヨーク３１ｂ及び筒体１３のフランジ部１３ｃを間に挟んで、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面と対向している。
【００３８】
ここで、発電機１の径方向の寸法を小さくしようとすれば、マグネットＭの径方向の寸法も小さくしなければならない。しかしその場合でも、マグネットＭの径方向に略直角な方向の寸法は小さくする必要がなく、また、場合によっては大きくすることもできる。
【００３９】
本実施の形態においては、インダクタ３１ａ、３２ａをマグネットＭの外周面に対向するように設けている。そのため、マグネットＭの外周面からの磁束をインダクタ３１ａ、３２ａを介してコイル５０に導くことができ、径方向寸法を小さくした場合でも、その影響を少なくすることができ、所定の発電量を確保することができる。
【００４０】
このように、発電量を確保したまま発電機１の径方向寸法の小型化を図ることができれば、例えば、発電機１が配設される自動水栓装置３の寸法をも小さくすることができる。その結果、自動水栓装置３の設置性、操作性などを向上させることができ、また、自動水栓装置３の外観デザインの採用に関する許容性をも向上させることができる。例えば、従来よりも細身の現代的なデザインを採用することができるようにもなる。
【００４１】
第３ヨーク３３は、リングプレート状を呈し、コイル５０の他方の端面部と対向して設けられる。また、第３ヨーク３３の外周側の一部が切り欠かれて、図示しないコイル配線の取り出し部が形成されている。
【００４２】
第３ヨーク３３は、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２におけるそれぞれのヨーク３１ａ、ヨーク３１ｂ、インダクタ３２ａが設けられた端部と反対側の端部に結合されている。第１ヨーク３１〜第３ヨーク３３によって囲まれた空間内に、コイル５０が収容され、コイル５０からの配線は、第３ヨーク３３の外周側に形成された図示しないコイル配線の取り出し部から外部に引き出されるようになっている。このように、コイル５０の配線は、第３ヨーク３３の外周側に形成された図示しないコイル配線の取り出し部を介して、外周側から外部に取り出されるので、内周側から取り出す場合に比べて、制御部５７までの配線の取りまわしが容易となる。
【００４３】
また、第３ヨーク３３には、例えば、凸状の位置決め部が設けられており、この位置決め部を、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２のそれぞれに形成された凹状の切り欠き部に係合させることで、第１ヨーク３１及び第２ヨーク３２は、それぞれ周方向の所定の位置に位置決めされる。これにより、インダクタ３１ａ、３２ａ間のピッチ精度を向上させることができる。尚、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るようにすることもできる。
【００４４】
また、第２ヨーク３２には切り欠き部３９ａが、第３ヨーク３３には切り欠き部３９ｂが設けられている。このように、各ヨーク３２、３３において、コイルの周面部を囲むようにして設けられた部分に、インダクタ３１ａ、３２ａが設けられた一端側から隣接するインダクタの間を切り欠いた切り欠き部３９ａ、３９ｂを間欠的に設けることで、各ヨーク３２、３３を周方向に磁気的に絶縁するようにしている。そして、各ヨーク３２、３３の周面に沿って形成される磁路のうち、発電に必要のない部分を削り取ることで、鉄損を抑制することができ発電量を増加させることができる。
【００４５】
尚、マグネットＭの下流側端面に対向させてステータ９が配置されている場合を説明したが、ステータ９は、マグネットＭの上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を配置させてもよい。
【００４６】
図６は、本実施の形態に係る発電機１に備えられるキャップ１４を説明するための模式斜視図である。
また、図７及び図８は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
尚、図１において説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４７】
図６（ａ）（ｂ）、図７に示すように、キャップ１４は、円柱体の一方の端面（上流側に位置する面）に円柱体と同心でかつ円柱体の径より小径の円柱であるバネ保持部１４ｃと、円柱体およびバネ保持部１４ｃと同心でバネ保持部１４ｃよりも小径でかつ高さの高いの円柱である円柱突起１４ｄと、を一体的に設けた階段形状を呈している。また、円柱体の他方の端面（下流側に位置する面）側には、端面より径の大きいフランジ部１４ａが設けられている。
なお、図６（ａ）で示している通り、キャップ１４は複数の部品で構成されていてもよく、例えばフランジ部１４ａを別体で組みつけたような構成であっても、本発明に含まれるものとする。
【００４８】
また、キャップ１４の内部には、フランジ部１４ａが設けられた側の端面に開口した円柱形状を呈した空間部１４ｂ（図１を参照）が設けられている。そして、空間部１４ｂには動翼１５の上流端側に設けられた動翼羽根１９が収納されている。キャップ１４の中心軸上であって、空間部１４ｂに面する側の面には動翼１５を挿通する中心軸２４の一端が支持されており、中心軸２４は円柱突起１４ｄの内部まで挿通している。
【００４９】
また、キャップ１４の周面のうち、フランジ部１４ａの給水流入口２０１側に隣接する位置には、空間部１４ｂに連通する３つのノズル１８が設けられている。これら３つのノズル１８は、動翼１５の周囲において１２０度の角度関係で、均等（等間隔）に配置されている。
なお、３つのノズル１８を配置する場合に、それぞれのノズルの周方向での配置角度は１２０度に限定されるものではなく、ノズル１８から噴出される水流が動翼１５の周方向において対称性を保つように配置されていればよい。すなわち、動翼１５の回転角に対する動翼１５のトルクのばらつきが小さくなるように、ノズル１８を配置することができる。
【００５０】
また、キャップ１４は、給水流出口側の端部を筒体１３の支持段部１３ｄに向けてスプリング形状のバネ８１によって付勢されて押しつけて固定されている。バネ８１の一端はキャップ１４のバネ保持部１４ｃに嵌装され、他端は筒体１３にＯリング５２を介して固定された給水流入口形成部材５１に嵌装されており、バネ８１はキャップ１４と給水流入口形成部材５１とによって狭持されている。
キャップ１４をバネ８１によって常に支持段部１３ｄに向けて押しつけているため、キャップ１４と支持段部１３ｄとの間に隙間が生じることがなく、ごみが噛みこむのを防いでいる。また、キャップ１４と支持段部１３ｄとの間に隙間が生じることがないため、給水流入口２０１から流入した水流全てをノズル１８から噴出させて動翼１５を回転させる水流を最大量確保することができ、発電量を高くすることができる。ノズル１８から噴出させた水流は、動翼１５を回転させるために指向性をもたせているため、発電に大きく寄与するが、隙間からキャップ１４の内部に流入した水流は、指向性を持っていないため、ノズル１８から噴出させた水流と比べて発電への寄与が小さい。そのため、隙間から水流の一部が流入することにより発電量が低下することを、防ぐ必要がある。
キャップ１４が複数の部品によって構成されている場合も同様のことがいえる。
【００５１】
図９（ａ）及び（ｂ）は、動翼１５がノズル１８からの水流により受けるトルクを表したグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は動翼１５の回転角（度）を表し、縦軸は動翼１５が受けるトルクを全回転角にわたって受けるトルクの平均で除した値を表す。図９（ａ）及び（ｂ）は、いずれも、動翼羽根１９の枚数が１１枚であり、３つのノズル１８を等間隔（１２０度ごとに）配置した場合を表す。ただし、図９（ａ）は、３つのノズル１８から等しい量の水流を噴出させた場合（流量比は、１：１：１である）を表し、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性が保たれている。一方、図９（ｂ）は、３つのノズル１８から噴出させる水量の流量比を４：１：１とした場合を表す。つまり、図９（ｂ）においては、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性は保たれていない。ここで、３つのノズル１８から噴出される水の流量の合計は、図９（ａ）の場合と図９（ｂ）の場合とで同一である。
【００５２】
図９（ｂ）をみると、動翼１５が受けるトルクは、回転角に応じて周期的に大きく変動していることが分かる。つまり、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性が保たれていない場合（図９（ｂ））には、動翼１５が受けるトルクが変動し、脈動しやすくなる。これに対して、図９（ａ）をみると、動翼１５が受けるトルクの変動ははるかに小さい。つまり、３つのノズル１８から噴出される水流の対称性が保たれている場合（図９（ａ））には、動翼１５が受けるトルクの変動は抑制され、脈動が抑制されて円滑に回転することが分かる。
【００５３】
図１０（ａ）及び（ｂ）は、図９（ａ）及び（ｂ）のそれぞれのケースにおいて、１１枚の動翼羽根１９のそれぞれが水流により受けるトルクを表したグラフである。ここでも、横軸は動翼１５の回転角（度）を表し、縦軸は１枚の動翼羽根１９がノズル１８からの水流により受けるトルクを動翼１５の全体が全回転角にわたって受けるトルクの平均で除した値を表す。
【００５４】
図１０（ｂ）をみると、１枚の動翼羽根１９が受けるトルクは、回転角がおよそ４０度において、３つのノズル１８のうちで流量が多いノズル１８からの水流により最大で１程度まで急激に上昇し、それ以外の回転角度ではほぼゼロに近いトルクしか受けないことが分かる。つまり、３つのノズル１８から噴出される水の流量が均等でない場合には、それぞれの動翼羽根１９が受けるトルクの変動も極めて大きいことが分かる。このように不均一なトルクがかかることにより、動翼１５の脈動が生じやすくなる。
【００５５】
これに対して、図１０（ａ）をみると、動翼羽根１９のそれぞれは、３つのノズル１８からの均等な水流に対応して、回転角がおよそ４０度、１６０度、２８０度において、０．４６程度の均等なトルクを受けることが分かる。つまり、３つのノズル１８を均等に配置し、均等な水流を噴出させることにより、水流の対称性を保ち、動翼羽根１９は、回転角に応じた均等なトルクを受ける。その結果として、動翼１５を円滑に回転させ、脈動を抑制できる。なお、図１０（ａ）及び（ｂ）において、トルクにマイナスの値が表れているのは、動翼羽根１９が、水流によって回転方向とは逆向きの力を受けることによる。
【００５６】
以上、具体例を参照しつつ説明したように、３つ以上のノズルから噴出される水流の対称性が保たれていれば、動翼１５は円滑に回転し、脈動を抑制できる。ただし、水流は完全に対称である必要はなく、水圧によって動翼１５にかかる力が、動翼羽根１９での脈動を抑制できる程度に動翼１５の回転中心においてつり合っていればよい。したがって、３つのノズル１８の配置角度が等間隔となるように配置してもよいが、あるいは、動翼１９にかかる水圧が回転中心において概ねつりあう限りにおいて、３つのノズル１８の配置角度が等間隔から外れるように配置してもよい。またさらに、３つのノズル１８のうちのいずれか１つまたは２つを、複数の小さいノズルに分割してもよい。このような場合でも、動翼１５にかかる水圧が回転中心においてつりあい、動翼羽根１５での脈動を抑制することが可能である。またさらに、３つのノズル１８を等間隔に配置し、さらに噴出する水量が小さいノズルを付加したような場合も、動翼１５にかかる水圧が回転中心において概ねつり合う限りにおいて、本発明の範囲に包含される。以上の論理は、ノズル１８の数が３
つの場合に限定されるものではなく、後に図１１を例示して説明するように４つのノズル１８を設けた場合や、５つ以上のノズル１８を設けた場合においても同様である。
【００５７】
一方、キャップ１４の周面には、３つの柱３０１が設けられており、各々のノズル１８への流路を区画している。ノズル１８および柱３０１は、その下面がフランジ部１４ａの上面に接するようにしてキャップ周面の周方向に沿って等間隔に設けられている。そして、ノズル１８は、空間部１４ｂに収納された動翼羽根１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようにされている。
【００５８】
なお、フランジ部１４ａをキャップ１４と別体で設けてもよい。この場合には、フランジ部１４ａとキャップ１４を接合させることによって、ノズル１８を形成することができる。
【００５９】
このようなノズル１８によれば、回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、流れの方向を変えて、回転軸（中心軸）に対して略垂直な平面内において、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させることができる。
【００６０】
すなわち、動翼１５の回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、回転軸（中心軸）に対して略垂直な方向に、流れの方向を変えて、動翼羽根１９の径外方向から動翼羽根１９に向けて噴出させる複数のノズル１８が設けられている。そして、これら複数のノズル１８は、動翼１５の周囲に等間隔（均等）に配置されている。
【００６１】
このようにすれば、水流が給水流入口からそれぞれのノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができる。そのため、水流の変動による動翼羽根１９での脈動を抑制できる。なお、軸流式でない場合には、各ノズル１８までの水路の長さが均一ではないため、ノズル１８を動翼１５の周囲に均等に配置しても、水流が各ノズル１８を通過して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にすることができない。
【００６２】
これに対して、本実施形態によれば、軸流式の流路形態において、動翼１５の周囲に複数のノズル１８を等間隔に配置することにより、水流が各ノズル１８を介して動翼羽根１９に衝突するまでの距離を均一にできる。その結果として、水流の変動による動翼羽根１９での脈動などを抑制できる。
【００６３】
またさらに、本実施形態によれば、３つ以上のノズル１８を動翼１５の周囲に均等（等間隔）に設けることで、各々の動翼羽根１９に対して噴流をばらつきを抑えて当てることができ、安定して動翼を回転させることができる。すなわち、動翼羽根１９に噴流が均等に当たらないと、各々の動翼羽根１９が受ける水圧が偏り、動翼１５が振動してしまうという問題が生じる。
【００６４】
例えば、ノズル１８の数を１つのみにした場合には、動翼１５に対して、片側のみから水圧がかかることとなる。この場合、動翼１５の回転軸に対して一方向からの力が加わるため、偏心しやすい。また、軸受けが一方向のみに向けて摩耗しやすく、使用するに従ってガタなどが生じやすくなる。また、ノズル１８に供給される水流の変動の影響を受けやすい。例えば、水流の脈動などによって、動翼１５の回転が不安定になったり、振動や騒音が発生しやすくなる。
【００６５】
一方、ノズル１８の数を２つにした場合も、それぞれのノズル１８から噴射される水流のバランスが少し偏っただけでも、動翼１５の回転軸が偏ってしまい、振動や騒音が発生しやすい。また、軸受けの片減りも生じやすくなる。
【００６６】
これに対して、３つ以上のノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に設けた場合には、動翼１５に噴射する水流を分散させることにより、より安定して回転させることができる。すなわち、ノズル１８を３つ以上設けた場合には、これらノズル１８に供給される水流が変動しても、それぞれのノズル１８から噴射される水流のバランスが偏ることを抑制できる。つまり、ノズル１８を３つ以上設けることにより、水流のばらつきも分散することができる。そして、これらノズル１８を等間隔に配置して水流を動翼１５に作用させることにより、動翼１５にかかる水圧の偏りを抑制し、常に安定して回転させ、振動や騒音の発生を抑制できる。また、軸受けの片減りも抑制できる。
【００６７】
また、３つ以上のノズル１８を設けることにより、製造上の寸法の誤差などの影響も吸収しやすくなる。例えば、キャップ１４を成型する際に生ずる寸法の誤差により、ノズル１８の位置がずれることなどがあり得る。ノズル１８の数を２つにした場合には、ノズル１８の位置がわずかにずれただけでも、動翼１５に対する水圧のバランスが偏りやすくなる。つまり、動翼１５の回転が偏心したり、振動や騒音などが生じやすくなる。
【００６８】
これに対して、３つ以上のノズル１８を設ける場合には、それぞれのノズル１８の位置がずれても、その影響は分散され、動翼１５に対する水圧のバランスの偏りも緩和される。つまり、製造上の寸法の誤差などによる影響も分散させ緩和できる。本実施形態において、ノズル１８の数は３つには限定されない。例えば、図１１に例示したように、４つのノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置しても、前述したような水圧の偏りの抑制などの各種の効果を得ることができる。またさらに、５つ以上のノズル１８を動翼１５の周囲に等間隔に配置することによっても、前述したような水圧の偏りの抑制などの効果を同様に得ることができる。
【００６９】
動翼羽根１９の上流側端面は動翼１５の天井部１５ｄに支持されており、下流側端面１９ａは動翼１５の羽根支持面１５ｃに支持されている（図１を参照）。そのため、動翼１５の径外方向の端面（外周面）においては、動翼羽根１９は支持されておらず、動翼１５の径外方向の端面（外周面）から内部に向けて流水が可能となっている。
【００７０】
図７に示すように、動翼羽根１９は曲線で構成されており、動翼１５の中心に向けてその先端が接近するような向きに湾曲している。動翼羽根１９の出口側先端１９ｂと動翼１５のボス部１５ｂとは離隔されており、動翼羽根１９の入口側から出口側に向けて動翼羽根１９に沿った円滑な水の流れが形成されるようになっている。そのため、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、図７及び図８に表したように、ノズル１８から噴出される水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。より具体的には、図８に表したように、水流６２ａの方向は、動翼羽根１９の外接円（破線）５１０とその接線５２０との接点において接線５２０に対して垂直な垂線５３０に対して、傾斜している。すなわち、水流６２ａの方向は、外接円５２０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、非平行かつ非垂直である。例えば、水流６２ａの方向は、外接円５１０の接点における接線５２０の垂線５３０に対して、４０度から８５度の間に設定することができる。
このようにすると、各ノズル１８から旋回流を形成するように水流が噴射される。その結果として、全てのノズル１８からの水流が、全体として旋回流を形成する。このため、動翼羽根１９の外周側から動翼１５の回転軸に向けて、動翼羽根１９に沿った円滑な水の流れを生じさせることができる。その結果として、動翼羽根１９に効率よく水流を作用させ、動翼１５を効率よく回転させることができる。
【００７２】
動翼羽根１９の枚数は、ノズル１８の数の整数倍とは異なる値となっている。例えば、図７に例示をしたものでは、動翼羽根１９の枚数を１１枚、ノズル１８の数を３つとしている。動翼羽根１９の枚数をノズル１８の数の整数倍とは異なる値とすれば、各動翼羽根１９への噴出時期をずらすことができるので、動翼１５の振動や騒音の発生を抑制することができる。
【００７３】
動翼羽根１９の出口側先端１９ｂは、動翼羽根１９の下流側端面を支持する羽根支持面１５ｃより動翼１５の内側に向けて突出するようにして設けられている。そのため、羽根支持面１５ｃの内側に設けられる流水路１５ｅ（図１を参照）の径方向寸法を大きくすることができるので、圧損を抑制することができる。また、動翼羽根１９の径方向長さを長くすることができるので、動翼羽根１９の面積を大きくすることができる。その結果、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
【００７４】
動翼羽根１９の下流側端面１９ａの位置（図１を参照）は、ノズル１８より下流側となるようにされている。そのため、ノズル１８から噴出された水流のうち、下流側に向けて拡散されたものをも動翼羽根１９に当てることができる。その結果、羽根車効率を向上させることができ、水力エネルギーを効率よく電力に変換することができる。
【００７５】
また、ノズルキャップ１４をスプリング形状のバネ８１で固定していることにより、動翼羽根１９が受ける水圧の偏り等による動翼１５の振動がいかなる方向に向いていようとも、その振動を抑える方向にバネ８１の弾性が作用し、振動を吸収するので、振動や騒音などを抑えることもできる。
【００７６】
説明の便宜上、マグネットＭの外周面からの磁束をインダクタ３１ａ、３２ａを介してマグネットＭの径方向に略直角な方向の端面に対向させるようにして設けられたコイル５０に導くようにしているが、コイル、マグネット、インダクタの配置はこれに限定されるわけではない。例えば、マグネットの径外方向にコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機であってもよいし、マグネットの径方向に略直角な方向の端面と対向させるようにしてコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機であってもよい。
【００７７】
図１２は、「アキシャル配置」の発電機を説明するための模式分解図である。
マグネットＭ１の径方向に略直角な方向の端面には、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。
【００７８】
ステータ９０は、いずれも軟磁性体（例えば、圧延鋼）からなる第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２、第３ヨーク１３３と、第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２に連接するインダクタ１３１ａ、１３２ａ、これら第１ヨーク１３１、第２ヨーク１３２、第３ヨーク１３３、インダクタ１３１ａ、１３２ａで囲まれた空間内に配置されるコイル５０ａとを有する。また、第３ヨーク１３３は、第１ヨーク１３１及び第２ヨーク１３２におけるそれぞれのインダクタ１３１ａ、１３２ａが設けられた端部と反対側の端部に結合されている。
コイル５０ａは、マグネットＭ１の径方向に略直角な方向の端面に対向して設けられ、インダクタ１３１ａ、１３２ａは、マグネットＭ１の径方向に略直角な方向に対向する部分を有して互いに離間して配設されている。
【００７９】
本実施の形態においても発電機の径方向寸法の小型化を図ることができる。そして、ノズル１８、動翼羽根１９などを前述のもののようにすれば、バイパス流路に流れ込むバイパス流を抑制することができる。
【００８０】
説明の便宜上、動翼の回転中心に対して略平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面内において、動翼羽根の径外方向から動翼羽根に向けて噴出させるノズルを説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。動翼の回転中心に対して略平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根部の径外方向から動翼羽根部に向けて噴出させるノズルを備えるものとすることもできる。
【００８１】
図１３は、本発明の第二の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、第一の実施の形態で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００８２】
発電機１ａに備えられるキャップ１４ａの周面には、空間部１４ｂに連通するノズル１８ａが３箇所設けられている。ノズル１８ａは、キャップ周面の周方向に沿って等間隔に設けられている。そして、ノズル１８ａは、空間部１４ｂに収納された動翼羽根１９に向けて開口されており、その方向は、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようにされている。また、ノズル１８ａは、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、設けられている。このようなノズル１８ａによれば、回転軸（中心軸）に対して略平行な方向から流れてくる水を、動翼の回転中心に対して略垂直な平面と所定の角度をもって、動翼羽根の径外方
向から動翼羽根に向けて噴出させることができる。図１３に示すものでは斜め上方から動翼羽根に向けて噴出させるようになっている。これによって、水圧を利用してキャップ１４を支持段部１３ｄに向けて押しつけることになるため、さらに確実にごみ噛みを防止することができ、発電性能の低下をより効果的に防止することができる。
【００８３】
また、この際、ノズル１８ａから噴出された水の方向は、動翼の回転軸に対して略垂直な平面に投影した場合において、動翼羽根１９の外接円の接線方向よりは内側に向くようになる。
【００８４】
次に、本発明の実施の形態に係る発電機及び自動水栓装置の作用について説明をする。使用者が、図２、３に表した吐水口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により電磁弁８が開かれる。これにより、発電機１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、これをセンサ７が感知して、制御部５７により電磁弁８が閉じられ、自動的に水が止まる。
【００８５】
筒体１３内に流れ込んだ流水は、キャップ１４の給水流入口側の面に形成された円柱突起１４ｄからバネ保持部材１４ｂに向かう下りの段部形状をつたい流れて径外方向に拡散される。そして、図６（ａ）に表したように、中心軸２４に対して略平行な方向から流れてくる水流６２ａは、中心軸２４に対して略垂直な平面内において、ノズル１８から動翼羽根１９に向けて噴出される。
【００８６】
動翼羽根１９に向けて噴出された水は、動翼羽根１９の入口側から出口側に向けて動翼羽根１９に沿って動翼流路７２内を流れ、流水路１５ｅ、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。
【００８７】
一方、動翼羽根１９に向けて噴出された水の力により動翼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の径外方向の端面（外周面）は、図４に表すように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の径外方向の端面（外周面）に対向しているインダクタ３１ａ、３２ａ及びこれらに連接する第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５０に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル５０に起電力が生じ、発電が行われる。尚、図１２に例示をした場合においても同様にしてコイル５０ａに起電力が生ずる。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の駆動などに使用される。
【００８８】
図１４は、本発明の第三の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、第一、第二の実施の形態で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００８９】
第三の実施の形態においては、固定部としてバネ８１に代えてスペーサー８２を採用している。スペーサー８２は図１５に示すように、全体として中空の筒型形状でその側壁の一部が切りかかれた形状と成っている。側壁の一部を切り欠いた形状の切り欠き８４を設けることにより、全体として上下方向に弾性を有する。このような構成とすることでバネ８２と同様にキャップ１４を支持段部１３ｄ方向へ付勢しつつ支持することが可能となる。
【００９０】
また、中空の筒型形状であり、かつ側壁に切り欠き８４を設けることによって、上部から流入した湯水を左右の切り欠き８４から流出させることが可能となる。これにより、水の流れを大幅に妨げることなく、キャップを支持・固定することが可能となる。
【００９１】
図１６は、本発明の第三の実施の形態に係る発電機の模式断面図である。
尚、第一〜第三の実施の形態で説明したものと同様の部分には同じ不動を付し、その説明は省略する。
【００９２】
第四の実施の形態においては、固定部としてスペーサー８３を採用している。このスペーサー８３は上部に設けられた上スペーサー８３ａと下スペーサー８３ｂの二つの部材からなる。
第三の実施の形態ではスペーサー８１全体を弾性をもった部材で構成したが、スペーサー自身を上下二つの部材で構成することによって、上スペーサー８３ａのみに弾性を持たせることで、バネ８１と同様にキャップ１４を支持段部１３ｄ方向へ付勢しつつ支持することが可能となる。
なお、下スペーサー８３ｂを硬質の材質で構成することによって、耐久性を向上させることが可能となっている。
【００９３】
このように、固定部はキャップ１４を支持段部１３ｄに向けて押しつけるよう固定する構造であればよく、例えば圧着気味に押しつけつつネジで固定するものであってもよい。ネジで固定する場合には、発電機の軸方向の長さを小さくすることができる。一方バネ８１で固定する場合には、発電機の径方向のスペースが小さくて済むため、発電機の大きさをコンパクトにすることができる。
【００９４】
以上、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、発電機１、自動水栓装置３などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも、本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００９５】
１発電機、１ａ発電機、３自動水栓装置、９ステータ、１３筒体、１４キャップ、１４ａフランジ部、１４ｂ空間部、１５動翼、１５ａ動翼リング、１５ｂボス部、１５ｃ羽根支持面、１５ｄ天井部、１５ｅ流水路、１８ノズル、１８ａノズル、１９動翼羽根、３１ａインダクタ、３２ａインダクタ、５０コイル、５０ａコイル、６０バイパス流路、６２ａ水流、９０ステータ、１３１ａインダクタ、１３２ａインダクタ、２０１給水流入口、２０２給水流出口、２０３給水流路、２０４障害物、３０１柱、Ｍマグネット、Ｍ１マグネット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筒体と、
前記給水流路内に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、
前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、
前記動翼の周面および前記給水流入口側の面を覆うキャップと、
前記キャップのうち前記動翼の周面に対向するよう配置され、前記動翼の周方向に向けて流入した水を噴出するノズルと、
前記筒体内部の一部を縮径して形成され、前記キャップを支持する支持段部と、
前記キャップを前記支持段部に向けて圧着しつつ固定する固定部と、を備えることを特徴とする水栓用発電機。
【請求項２】
前記固定部は、前記キャップを前記支持段部に圧着するスプリング形状のバネであることを特徴とする、請求項１に記載された水栓用発電機。
【請求項３】
前記キャップのうち、前記バネが当接する面に、前記バネと嵌合固定するバネ保持部を設けたことを特徴とする、請求項２に記載された水栓用発電機。
【請求項１】
給水流入口と、給水流出口とを有し、内部に給水流路が形成された筒体と、
前記給水流路内に設けられ、動翼羽根を有し、前記給水流路に対して略平行な回転軸の周りに回転する動翼と、
前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
前記マグネットの回転により起電力を生ずるコイルと、
前記動翼の周面および前記給水流入口側の面を覆うキャップと、
前記キャップのうち前記動翼の周面に対向するよう配置され、前記動翼の周方向に向けて流入した水を噴出するノズルと、
前記筒体内部の一部を縮径して形成され、前記キャップを支持する支持段部と、
前記キャップを前記支持段部に向けて圧着しつつ固定する固定部と、を備えることを特徴とする水栓用発電機。
【請求項２】
前記固定部は、前記キャップを前記支持段部に圧着するスプリング形状のバネであることを特徴とする、請求項１に記載された水栓用発電機。
【請求項３】
前記キャップのうち、前記バネが当接する面に、前記バネと嵌合固定するバネ保持部を設けたことを特徴とする、請求項２に記載された水栓用発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１７７３６２（Ｐ２０１２−１７７３６２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２０３０（Ｐ２０１１−２１２０３０）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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