(57)【要約】【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。ステーター２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。そのローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１は、スターター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定し、かつ、ローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚く設定するようにした。【選択図】図２
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【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、
前記ステーターには、前記ローターを取り囲んで配置するローター配置部を設け、
前記ステーターは、前記ローター配置部の厚さを他の部分よりも厚くし、
かつ、前記ローター配置部の厚さを、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発電機。
【請求項２】
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、
前記ステーターには、前記ローターを取り囲んで配置するローター配置部を設け、当該ローター配置部の厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くし、
かつ、前記ローター配置部の前記ローターと対向する部分の厚さ方向の中間部に、周方向に向けて凹溝を形成するようにしたことを特徴とする発電機。
【請求項３】
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、
前記ステーターには、前記ローターを取り囲んで配置するローター配置部を設け、当該ローター配置部の厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くし、
かつ、前記ローター配置部の前記ローターと対向する部分の厚さ方向の断面を、前記ローター配置部の端縁が前記ローター磁石に近接するように湾曲させて形成するようにしたことを特徴とする発電機。
【請求項４】
前記ローター磁石は２極の永久磁石からなり、前記ステーターはバルク状の金属ガラスからな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】
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４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。
【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、前記ステーターには、前記ローターを取り囲んで配置するローター配置部を設け、前記ステーターは、前記ローター配置部の厚さを他の部分よりも厚くし、かつ、前記ローター配置部の厚さを、前記ローター磁石の厚さに比べて厚くした。
本発明の発電機の第２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、前記ステーターには、前記ローターを取り囲んで配置するローター配置部を設け、当該ローター配置部の厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くし、かつ、前記ローター配置部の前記ローターと対向する部分の厚さ方向の中間部に、周方向に向けて凹溝を形成するようにした。
【０００６】
本発明の発電機の第３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、前記ステーターには、前記ローターを取り囲んで配置するローター配置部を設け、当該ローター配置部の厚さを前記ローター磁石の厚さに比べて厚くし、かつ、前記ローター配置部の前記ローターと対向する部分の厚さ方向の断面を、前記ローター配置部の端縁が前記ローター磁石に近接するように湾曲させて形成するようにした。
本発明の発電機の第４の態様は、第１〜第３の態様において、前記ローター磁石は２極の永久磁石からなり、前記ステーターはバルク状の金属ガラスからなる。
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４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図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の発電機の第１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】第１実施形態の作用効果を比較例と比較して説明する図である。
【図４】第１実施形態の構成に関連して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】ローター角度とトルクの関係を示し、ローター配置部の幅を変化させた場合における、それらの関係を示すシミュレーション結果である。
【図７】曲線ａは、図６の結果に基づいて求めたローター配置部の幅とコギングトルクの関係を示し、曲線ｂはローター配置部の幅とステーターの竿部の磁束密度の関係を示す図である。
【図８】本発明の発電機の第２実施形態の主要部の断面図である。
【図９】本発明の発電機の第３実施形態の主要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
（発電機の第１実施形態）
図１は、本発明の発電機の第１実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１の第１実施形態の主要部の断面図である。
本発明の第１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。
【０００９】
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Ｈ３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、サマリウムコバルト磁石、ネオジム鉄ボロン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。
【００１０】
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の一端側には、ローター１を取り囲んで配置するために、所定の厚さＨ１と所定の幅Ｌ１を有するローター配置部２１Ａ、２２Ａを備えている（図１および図２参照）。ローター配置部２１Ａ、２２Ａは、ローター１と対向する部分が平面形状で半円弧状に形成され、これによりローター配置孔２４が形成されている。
【００１１】
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。
ステーター本体２１、２２および継鉄２３の各々は、例えばバルク状（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ことができる。
【００１２】
ここで、ステーター２は、図１の例で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はバルク状の金属ガラスから構成する。
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。
【００１３】
次に、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａの構成について、図１および図２を参照して説明する。
ステーター２（ステーター本体２１、２２）では、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さ（ローター配置孔２４の長さと同じ）Ｈ１が、それ以外の部分の厚さＨ２よりも厚くなるように設定されている（図２参照）。また、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１は、ローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚くなるように設定されている（図２参照）。
また、上記のように、ローター配置部２１Ａ、２２Ａは、その厚さＨ１がローター本体２１、２２の他の部分の厚さＨ２に比べて厚くなっている。このため、ローター配置部２１Ａ、２２Ａは、その上下に突出する突出部２１０Ａ、２２０Ａを有する（図１および図２参照）。この突出部２１０Ａ、２２０Ａは、平面形状が所定の幅Ｌ１を有する円弧状からなる。従って、ローター配置部２１Ａ、２２Ａは、幅がＬ１であって長さがＨ１からなる、ほぼ半円筒状の２つの半円筒体から構成されているともいえる。
【００１４】
（第１実施形態の作用効果）
次に、第１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、第１実施形態の作用効果を比較するための第１比較例であって、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１が、ステーター２の他の部分の厚さと同じであって、かつ、ローター磁石１１の厚さＨ３よりも薄く設定した場合である。
この場合には、磁束の方向は図示のようになり、ローター磁石１１からステーター２に至る磁束の一部は漏れ磁束となる。ステーター２の厚みが薄い場合、磁束が集中するため、磁束密度は高くコギングトルクも高くなる。このため、その漏れ磁束の分だけ、ローター磁石１１とステーター２との間の磁束が減少して磁束密度が低下するとともに、ステーター２の内部における総磁束量が減少する。
【００１５】
このため、図３（Ａ）の場合には、発電機のコギングトルクが減少するが、その分発電機の発電能力が低下してしまうという不具合がある。
図３（Ｂ）は、第１実施形態の作用効果を比較するための第２比較例であって、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１が、ステーター２の他の部分の厚さと同じであって、かつ、ローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚く設定した場合である。
この場合には、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。このように磁束の分散によって、ステーター２とローター磁石１１との間の空隙（エアギャップ）の磁束密度が図３（Ａ）の場合よりも低くなるので、コギングトルクを低減できる。
【００１６】
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、漏れ磁束が減少するようになる。従って、ステーター２の内部における総磁束量は図３（Ａ）の場合よりも増加するので、発電効率が低下することはない。
このため、図３（Ｂ）の場合には、発電効率を低下させることなく、発電機のコギングトルクを低減できる。しかし、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１がステーター２の他の部分の厚さと同じであるので、ステーター２のサイズが大きく、そのサイズを小さくすることが望まれる。
【００１７】
そこで、第１実施形態では、ステーター２の小型化を図るために、以下の構成を採用している。すなわち、図３（Ｃ）に示すように、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１を、ステーター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定し、かつ、ローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚く設定するようにした。
この場合には、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その突出部２１０Ａでトラップされるようになる。このように磁束の分散によって、ローター磁石１１とローター配置部２１Ａ、２２Ａとの間の空隙の磁束密度は図３（Ｂ）の場合と同等になり、コギングトルクを低減できる。
【００１８】
また、ローター磁石１１からの磁束はローター配置部２１Ａの厚み方向の上下に分散してその突出部２１０Ａでトラップされるため、漏れ磁束が減少するようになる。従って、ステーター２の内部における総磁束量は図３（Ｂ）の場合と同等になり、発電効率が低下することはない。
このため、図３（Ｃ）で示す第１実施形態の場合には、図３（Ｂ）の場合と同様に、発電効率を低下させることなく、発電機のコギングトルクを低減できる。しかも、第１実施形態の場合には、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａだけの厚さＨ１を、ステーター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定できるので、図３（Ｂ）の場合に比べてステーター２の小型化を図ることができる。
【００１９】
（シミュレーションの結果）
第１実施形態では、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１を、スターター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定し、かつ、ローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚く設定するようにした。
しかし、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１を、ステーター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定するだけでは、上記の発電機の作用効果を確保しつつ、ステーター２の小型化を図るためには必ずしも十分ではない。
【００２０】
すなわち、上記の設定条件の下において、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの突出部２１０Ａ、２２０Ａの幅Ｌ１、言い換えるとローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１を狭くしても発電機として十分な性能を得ることができれば、ローター配置部２１Ａ、２２Ａのサイズを小さくし、ステーター２を小型化できると考えられる。
そこで、上記の設定条件の下で、さらにローター配置部２１、２２Ａの幅Ｌ１を変化させ、これにより発電機の特性を確認するための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７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に示すような構成とした。
【００２１】
そして、ステーター２の磁気特性（材料）は日立金属社製Metglas２７１４A(商品名)を使用し、ローター磁石１１の磁気特性（材料）は（Ｓｍ２  Ｃｏ１７）を使用した。また、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１は１．０〔ｍｍ〕で一定とし、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａ以外の厚さＨ２は０．５〔ｍｍ〕で一定とした。さらに、ローター磁石１１の厚さＨ３は０．３〔ｍｍ〕で一定とし、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）なども一定とした。なお、空隙は０．６５ｍｍ〕とした。
このような条件の下で、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１を、１．７０〔ｍｍ〕、０．８９〔ｍｍ〕、０．５１〔ｍｍ〕、および０．１１〔ｍｍ〕と順次変化させ、以下のようなシミュレーション結果を得た。
【００２２】
図６は、ローター角度（ローター磁石１１の電気角）とトルクの関係を示し、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１を変化させた場合における、それらの関係を示す結果である。
図７の曲線ａは、図６の結果に基づいて求めた、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１の変化とコギングトルクの関係を示している。図７の曲線ｂは、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１を変化させた場合に、その変化とステーター２の竿部２５の磁束密度の変化の関係を示す結果である。
図６および図７の曲線ａによれば、コギングトルクの値は、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１を狭くするほど小さくなることがわかる。そして、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１を０．１１〔ｍｍ〕と最も小さくした場合には、その幅が１．７０〔ｍｍ〕に比べてコギングトルクを５０％低減できる。
【００２３】
図７の曲線ｂによれば、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１を減少させても、ステーター２の竿部２５の磁束密度は殆ど変化せずにほぼ一定値を維持することができ、発電能力（発電効率）に変化がないことがわかる。
従って、図６および図７に示すシミュレーション結果によれば、以下のことを推定できる。
すなわち、第１実施形態のように、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２２Ａの厚さＨ１を、スターター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定し、かつ、ローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚く設定した場合に、発電効率を低下させることなく、発電機のコギングトルクを低減できる。
【００２４】
しかも、第１実施形態の場合において、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１（突出部２１０Ａ、２２０Ａの幅Ｌ１に相当）を狭くするほどコギングトルクを低減でき、このときに発電効率を低下させることがない。このため、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１は、ローター２が製造可能な範囲で狭くしても、上記の効果が実現可能である。
ここで、ローター配置部２１Ａ、２２Ａの幅Ｌ１が相当に狭い場合には（例えば０．１〔ｍｍ〕程度）、そのような構成のステーター２（ステーター本体２１、２２）を作成するのは困難である。しかし、第１実施形態では、ステーター２を、金属ガラスの溶融物を鋳造によって成形した、バルク状の金属ガラスで構成するので、容易に作成できるという利点がある。
【００２５】
（発電機の第２実施形態）
図８は、本発明の発電機の第２実施形態の主要部の断面図である。
この第２実施形態に係る発電機は、図１および図２に示す第１実施形態の構成を基本にし、第１実施形態のローター配置部２１Ａ、２２Ａの構成を、図８に示すローター配置部２１Ｂ、２２Ｂの構成に置き換えたものである。
この第２実施形態では、ローター配置部２１Ｂ、２２Ｂの厚さＨ１を、ステーター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定し、かつ、ローター配置部２１Ｂ、２２Ｂの厚さＨ１をローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚くしている。
さらに、ローター配置部２１Ｂ、２２Ｂのローター１と対向する部分の厚さ方向の中間部には、周方向に向けて凹溝２１０Ｂ、２２０Ｂを形成するようにした。
【００２６】
このように構成する第２実施形態では、ローター磁石１１からの磁束はローター配置部２１Ｂの厚み方向の上下に分散し、凹溝２１０Ｂを除く部分でトラップされるようになる。このため、第１実施形態と同様の作用効果を実現できる。
なお、第２実施形態では、ローター配置部２１Ｂ、２２Ｂの厚さＨ１を、ステーター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定するようにした。これに代えて、厚さＨ１、Ｈ２を同じにするとともに、厚さＨ１をローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚くするようにしても良い。
【００２７】
（発電機の第３実施形態）
図９は、本発明の発電機の第３実施形態の主要部の断面図である。
この第３実施形態に係る発電機は、図１および図２に示す第１実施形態の構成を基本にし、第１実施形態のローター配置部２１Ａ、２２Ａの構成を、図９に示すローター配置部２１Ｃ、２２Ｃの構成に置き換えたものである。
この第３実施形態では、ローター配置部２１Ｃ、２２Ｃの厚さＨ１を、ステーター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定し、かつ、ローター配置部２１Ｃ、２２Ｃの厚さＨ１をローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚くしている。
また、ローター配置部２１Ｃ、２２Ｃのローター１と対向する部分の厚さ方向の断面を、ローター配置部２１Ｃ、２２Ｃの上下両端の端縁がローター磁石１１に近接するように湾曲させて形成している。
【００２８】
このように構成する第３実施形態では、ローター磁石１１からの磁束はローター配置部２１Ｃの厚み方向の上下に分散し、ローター配置部２１Ｃの上下の端縁（両端の端縁）でトラップされるようになる。このため、第１実施形態と同様の作用効果を実現できる。
なお、第３実施形態では、ローター配置部２１Ｃ、２２Ｃの厚さＨ１を、ステーター２の他の部分の厚さＨ２よりも厚く設定するようにした。これに代えて、厚さＨ１、Ｈ２を同じにするとともに、厚さＨ１をローター磁石１１の厚さＨ３よりも厚くするようにしても良い。
【００２９】
（発電機の実施形態の変形例）
本発明の発電機の第２実施形態ではローター配置部２１Ｂ、２２Ｂを図８のように構成し、その第２実施形態ではローター配置部２１Ｃ、２２Ｃを図９のように構成した。
しかし、本願発明では、ローター配置部のローター１と対向する部分の形状については、ローター磁石１１からの磁束がローター配置部の厚み方向の上下に分散し、第１実施形態と同様の効果が実現できれば、その形状は問わない。
【００３０】
（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、上記の第１〜第３実施形態に係る発電機のうちの１つの発電機、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】
【００３１】
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、２１０Ａ、２２０Ａ・・・突出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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