(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料の板厚ｄ（ｍ）は、
その軟磁性材料のヒステリシス損係数をｋh、渦損係数をｋe、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000025
で求められる厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＣパーマロイ材であり、
このＰＣパーマロイの板厚ｄ（ｍ）は、ＰＣパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000026
で求められる厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はスーパーマロイ材であり、
このスーパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、スーパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000027
で求められる厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＤパーマロイ材であり、
このＰＤパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＤパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000028
で求められる厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＢパーマロイ材であり、
このＰＢパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＢパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000029
で求められる厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項６】
永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料の板厚ｄ（ｍ）は、
その軟磁性材料のヒステリシス損係数をｋh、渦損係数をｋe、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000030
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000031
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1よりも大きな基準値Ｗ2を設定し、前記式(6)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＣパーマロイであり、
このＰＣパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＣパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000032
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000033
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1の1.088倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(7)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項８】
請求項６に記載の発電装置において、
前記発電装置は外力で回転する回転錘を駆動源とするものであり、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＣパーマロイであり、
このＰＣパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＣパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000034
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000035
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1の1.760倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(7)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項９】
請求項６に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はスーパーマロイであり、
このスーパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、スーパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000036
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000037
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1の2.355倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(8)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の発電装置において、
前記発電装置は外力で回転する回転錘を駆動源とするものであり、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はスーパーマロイであり、
このスーパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、スーパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000038
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000039
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1の3.634倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(8)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項１１】
請求項６に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＤパーマロイであり、
このＰＤパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＤパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000040
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000041
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1の2.729倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(9)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方は、前記板厚ｄに設定された軟磁性材料を単層あるいは積層して構成されていることを特徴とする発電装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の発電装置において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料は積層構造であり、積層構造を形成する各層材料は最小厚みが0.05mm以上に設定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の発電装置と、この発電装置により発生させた電気エネルギにより作動される処理装置とを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の発電装置と、この発電装置により発生させた電気エネルギにより時刻表示の駆動が行われる処理装置とを備えることを特徴とする電子制御式時計。
【請求項１６】
永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、磁気回路の板厚を設定する板厚設定方法であって、
前記軟磁性材料のヒステリシス損係数をｋh、渦損係数をｋe、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000042
によって板厚ｄを設定することを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【請求項１７】
永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、磁気回路の板厚を設定する板厚設定方法であって、
前記軟磁性材料のヒステリシス損係数をｋh、渦損係数をｋe、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000043
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000044
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1よりも大きな基準値Ｗ2を設定し、前記式(6)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに板厚dを設定することを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の発電装置における磁気回路の板厚設定方法において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＣパーマロイであり、
このＰＣパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＣパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000045
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000046
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものでなければ前記最小値Ｗ1の1.088倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものであれば前記最小値Ｗ1の1.760倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(7)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の発電装置における磁気回路の板厚設定方法において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はスーパーマロイであり、
このスーパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、スーパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000047
で求められる厚さｄを、
0003558078.tif 000048
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものでなければ前記最小値Ｗ1の2.355倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものであれば前記最小値Ｗ1の3.634倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(8)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の発電装置における磁気回路の板厚設定方法において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＤパーマロイであり、
このＰＤパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＤパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、
0003558078.tif 000049
で求められる厚さdを、
0003558078.tif 000050
に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1の2.72倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(9)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【請求項２１】
請求項１７に記載の発電装置における磁気回路の板厚設定方法において、
前記最小値Ｗ1を与える板厚ｄ、前記ステータまたは磁心に要求される全体厚さＤとして、前記板厚ｄが全体厚さＤを超える場合には前記板厚Ｄの単層構造とし、前記板厚ｄが全体厚さＤより小さい場合には前記板厚ｄの層を含む複数の板材による全体厚さＤの積層構造とすることを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【請求項２２】
請求項１７に記載の発電装置における磁気回路の板厚設定方法において、
前記積層構造とする際に、前記最小値Ｗ1を与える板厚ｄの層を含んで全体厚さＤとなる複数の板材の組合せを複数通り設定し、各組合せの中に鉄損Ｗが前記基準値Ｗ2以下のものがあればこれを採用し、なければ前記板厚ｄの層より鉄損が大きな板厚の層を含んで全体厚さＤとなる複数の板材の組合せを複数通り設定し、各組合せの中に鉄損Ｗが前記基準値Ｗ2以下のものがあればこれを採用することを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【請求項２３】
請求項２１または請求項２２に記載の発電装置における磁気回路の板厚設定方法において、
前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料は積層構造であり、積層構造を形成する各層材料を最小厚みが0.05mm以上に設定することを特徴とする発電装置における磁気回路の板厚設定方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、発電装置、それを用いた電子機器、電子制御式時計および発電装置における磁気回路の板厚設定方法に関する。さらに詳しくは、発電装置における鉄損を減少して高効率化を図る技術に関するものである。
背景技術
時計や携帯電話機、携帯型情報機器等の小型、携帯型の電子機器は、通常電池から供給される電力で駆動されるが、近年、回転錘やゼンマイでロータを回転させて発電する発電装置を組み込むことで、電池交換を不要にするとともに取り扱い性や環境に配慮した電子機器が知られている。
このような携帯型の電子機器では、近年、様々な機能が組み込まれることもあり、発電量の増加が求められている。この際、発電装置を大型化して発電量を増加させることは、電子機器の携帯性を低下させるため採用できない。
このため、発電装置を高効率化（発電量増加）するには、発電装置の磁気回路の鉄損（ヒステリシス損、渦電流損）を低減することが求められている。
本発明の目的は、発電装置の磁気回路の鉄損を低減できて発電装置を高効率化できる発電装置、およびこの発電装置を備えた電子機器、電子制御式時計、さらには発電装置における磁気回路の板厚設定方法を提供することにある。
発明の開示
本発明の発電装置は、永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料の板厚ｄ（ｍ）は、その軟磁性材料のヒステリシス損係数をｋh、渦損係数をｋa、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、次の式(1)で求められる厚さに設定されていることを特徴とする。
0003558078.tif 000002
ここで、式(1)の原理について説明する。なお、以下の説明は、ＰＣパーマロイ材を例にとったものであり、他の材料の場合には係数等が一部異なるが、原理およびこれに基づく式としては材料に拘らず同じである。
発電装置の鉄損Ｗは、ヒステリシス損Ｗhと渦電流損Ｗeとを加算したものである。ここで、ヒステリシス損Ｗhおよび渦電流損Ｗeは以下のように求めることができる。
（Ａ）ヒステリシス損Ｗh
単位体積当たりの１サイクルのヒステリシス損についてはSteinmetzが電磁鋼板において実験的に次式を導いている。
0003558078.tif 000003
ここで、Ｗh：ヒステリシス損(J/m3)、ｋh：比例定数、Ｂm：最大振幅磁束密度(T)、η：比例定数である。
さらに材料の結晶粒の大きさと直流保磁力とがほぼ反比例の関係あることは一般に良く知られていることであり、このことはヒステリシス損が板厚に反比例することを示している。この事実を考慮すると次式が得られ、これをヒステリシス損として定義できる。
0003558078.tif 000004
ここで、ｋh：比例定数（ヒステリシス損係数）、ｄ：板厚(m)である。
（Ｂ）渦電流損
ここでは異常渦電流損係数の概念に基づいて鉄損を定式化する。異常渦電流損係数を用いて渦電流損を表現すると次式のようになる。
0003558078.tif 000005
すなわち、古典理論による渦電流損式に、実験により求める異常渦電流損係数ｋaeを掛けた形となる。ここで、ｋae:異常渦電流損係数、Ｗe:渦電流損(J/m3)、ρ：抵抗率(Ω・m)、ｆ：周波数(Hz)、ｄ：板厚(m)、Ｂm：最大振幅磁束密度(T)である。
（Ｃ）比例定数の算出
板厚と最大振幅磁束密度を振って直流磁気特性を測定してヒステリシス損を計算し、それらの結果から先のＷhの式のｋhとηを近似的に求めると次式に示すようになる。
0003558078.tif 000006
また、板厚と最大振幅磁束密度、周波数を振って交流磁気特性を測定し、それらの結果から先のＷeの式のｋaeを近似的に求めると次式に示すようになる。
0003558078.tif 000007
このＷeの式および先のＷhの式において、ヒステリシス損係数ｋh＝1.72×10-3、渦損係数ｋe＝2.63×10-3とすると、鉄損Ｗ＝Ｗh＋Ｗeは次式(6)で表される。
0003558078.tif 000008
ここで、Ｗh：ヒステリシス損(J/m3)、Ｗe：渦電流損(J/m3)、ｋh：ヒステリシス損係数、ｄ：板厚(m)、Ｂm：最大振幅磁束密度(T)、ｋe：渦損係数、ρ：抵抗率(Ω・m)、ｆ：周波数(Hz)である。
この式(6)により鉄損Ｗを最小にする板厚ｄが求まることになり、ｄを与える式として整理すると前述した式(1)となる。
このような本発明において、パーマロイ等の軟磁性材料で構成されるステータや磁心（コア）の材質によって決められるヒステリシス損係数ｋh、渦損係数ｋe、ρ(Ω・m)や、発電装置の設計で設定される周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)を、前述した式(1)に代入することで、鉄損Ｗを最小にする板厚ｄを算出することができる。
このため、この板厚ｄでステータや磁心を設計すれば、発電装置の鉄損を減少でき、発電装置の高効率化（発電量増加）を達成できる。
また、ヒステリシス損係数ｋhや渦損係数ｋeは、予め実験により求めておく必要があるが、発電装置に用いられるパーマロイ材の種類は通常４種類程度（スーパーマロイ（Supermalloy）、ＰＣパーマロイ、ＰＤパーマロイ、ＰＢパーマロイ等）であり、各種類毎にヒステリシス損係数ｋhや渦損係数ｋeを予め求めておくことができる。
従って、発電装置を設計する際には、選択した軟磁性材料によって決まるヒステリシス損係数ｋh、渦損係数ｋe、抵抗率ρや、要求される性能によって設計時に設定される最大振幅磁束密度Ｂm、周波数ｆを前記式(1)に代入することで、鉄損Ｗを最小にできる最適な板厚ｄを容易に求めることができ、高効率の発電装置を容易に設計、製造することができる。
そして、これにより、発電装置の発電量の増加や、発電装置の小型化を実現でき、この発電装置が組み込まれる各種の電子機器や電子制御式時計において、多機能化や小型、軽量化を実現できる。
本発明において、前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料はＰＣパーマロイ材であり、このＰＣパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＣパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、次式で求められる厚さに設定されていることが好ましい。
0003558078.tif 000009
このような構成によれば、特に発電装置のステータとして利用されることが多いＰＣパーマロイ材が用いられた際に、一層容易に最適な板厚ｄを求めることができる。
同様に、スーパーマロイ材の場合は次式となる。
0003558078.tif 000010
同様に、ＰＤパーマロイ材の場合は次式となる。
0003558078.tif 000011
同様に、ＰＢパーマロイ材の場合は次式となる。
0003558078.tif 000012
各々の構成によれば、特に発電装置のステータや磁心として利用されることが多いスーパーマロイ材、磁心として利用されることが多いＰＤパーマロイ材およびＰＢパーマロイ材に対して、一層容易に最適な板厚ｄを求めることができる。
本発明の発電装置は、永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料の板厚ｄ（ｍ）は、その軟磁性材料のヒステリシス損係数ｋh、渦損係数ｋe、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、次の式(1)で求められる厚さｄを、式(6)に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1よりも大きな基準値Ｗ2を設定し、前記式(6)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることを特徴とする。
0003558078.tif 000013
0003558078.tif 000014
このような本発明によれば、加工上や強度上等の制約で板厚ｄを鉄損が最小値Ｗ1となる厚さに設定できない場合であっても、鉄損Ｗが所定の基準値Ｗ2、例えば鉄損最小値Ｗ1の所定倍の値や、鉄損最小値Ｗ1に所定の定数を加えた値など（材質や利用状況等で異なる）で設定された基準値Ｗ2以下となるように、板厚範囲を設定することができる。従って、鉄損以外の他の条件（強度等）を満足しつつ、鉄損が小さな高効率の発電装置を設計、製造することができる。
このような基準値Ｗ2としては、鉄損の最小値Ｗ1の所定倍の値として設定することができる。この値は、軟磁性材料の種類や用途等に応じて最適な値が異なることがあり、実験あるいは経験則等に基づいて適切な設定を採用することが望ましい。
例えば、本発明の発電装置を利用する機器が、運動エネルギを定常的に供給できるゼンマイ等を発電用の駆動源としている場合と、外力で回転する回転錘を駆動源としている場合とでは、その設定も変えることが望ましい。  すなわち、電子制御式の腕時計や過搬式の小型電子機器では、発電装置の駆動源として外力で回転する回転錘を用いるものがある。これらの機器では、例えば腕時計であれば装着者の歩行等に伴う運動、自動車等に設置された機器であれば走行に伴う振動により、回転錘を回転させ、この回転運動を駆動エネルギとして利用するものがある。このような回転錘の駆動は瞬発的に大きくなる等、一般的なモータあるいはゼンマイ等の定常的な駆動力を発生する駆動源とは利用条件が大きく異なる。
用途等が同じであっても、基準値Ｗ2は軟磁性材料の材質（ＰＣパーマロイ、スーパーマロイ、ＰＤパーマロイ等）によって異なる。
例えば、前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料としてＰＣパーマロイを用いる場合、このＰＣパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＣパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)として、次の式(2)で求めれる厚さｄを、式(7)に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1の1.088倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(7)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることが好ましい。
0003558078.tif 000015
このような構成によれば、発電装置のステータとして利用されることが多いＰＣパーマロイ材の場合に、適切な板厚範囲を簡単に求めることができる。
なお、発電装置が外力で回転する回転錘を用いる場合において、軟磁性材料としてＰＣパーマロイを用いる場合には、最小値Ｗ1の1.760倍となる基準値Ｗ2を設定することが望ましい。
同様に、軟磁性材料としてスーパーマロイを用いる場合、次の式(3)および式(8)を用い、最小値Ｗ1の2.355倍となる基準値Ｗ2を設定することが望ましい。
0003558078.tif 000016
このような構成によれば、発電装置にステータとして利用されることが多いスーパーマロイ材の場合に、適切な板厚範囲を簡単に求めることができる。
なお、発電装置が外力で回転する回転錘を用いる場合において、軟磁性材料としてスーパーマロイを用いる場合には、最小値Ｗ1の3.634倍となる基準値Ｗ2を設定することが望ましい。
同様に、軟磁性材料としてＰＤパーマロイを用いる場合、次の式(4)および式(9)を用い、最小値Ｗ1の2.729倍となる基準値Ｗ2を設定することが望ましい。
0003558078.tif 000017
このような構成によれば、発電装置の磁心として利用されることが多いＰＤパーマロイ材の場合に、適切な板厚範囲を簡単に求めることができる。
ここで、前記ステータおよび磁心の少なくとも一方は、前記板厚ｄに設定された軟磁性材料を単層あるいは積層して構成されていることが好ましい。
このように構成すれば、各板を鉄損が小さくなるような板厚に設定でき、かつ適宜枚数積層することで、必要な磁束数や強度等を確保することができる。
積層構造を採用する場合、全体厚みが同じでも積層数が増す等により各層厚みが小さく（薄く）なる。ここで、各層材料の厚みが小さすぎると、取扱いが困難になるとともに、断面積の減少により飽和磁束密度に問題が生じる可能性がある。
このため、本発明においては、積層構造を採用する場合には、各層材料の最小厚みに制約を設けることが望ましいことが解った。具体的な値としては、実験結果あるいは経験則等に基づいて次のような設定が採用できる。
例えば、前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料は積層構造であり、積層構造を形成する各層材料は最小厚みが0.05mm以上に設定されていることが好ましい。
本発明の電子機器は、前記発電装置を、この発電装置により発生させた電気エネルギにより作動される処理装置とを備えることを特徴とするものである。このような電子機器といては、例えば、携帯電話、ＰＨＳ（簡易型携帯電話）、自動車や家屋等のキー（ライトやキーレスエントリー等の処理装置を含むキー)、ラジオ、パーソナルコンピュータ、電卓、ＩＣカード等が利用できる。特に、本発明は、小型で携帯に適した電子機器に適用できる。
また、本発明の電子制御式時計は、前記発電装置と、この発電装置により発生させた電気エネルギにより時刻表示の駆動が行われる処理装置とを備えることを特徴とするものである。
これらの電子機器や電子制御式時計によれば、発電装置を高効率化できるため、発電量を増加して多機能化を図ったり、発電装置を小型化して電子機器や電子制御式時計の小型、軽量化を実現できる。
本発明の磁気回路の板厚設定方法は、永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、磁気回路の板厚を設定する板厚設定方法であって、前記軟磁性材料のヒステリシス損係数ｋh、渦損係数ｋe、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、次の式(1)によって板厚ｄを設定することを特徴とするものである。
0003558078.tif 000018
このような本発明によれば、鉄損Ｗを最小限にできる板厚ｄを容易に求めることができ、高効率の発電装置を容易に設計、製造することができる。
なお、本発明の板厚設定方法においては、先に発電装置の説明で述べた通り、軟磁性材料の種類に応じた板厚ｄを与える式(2)〜式(5)を用いることができる。
本発明の板厚設定方法は、永久磁石を有するロータと、磁気回路を構成する軟磁性材料からなるステータおよび磁心と、前記磁心に捲回されたコイルとを備えた発電装置において、磁気回路の板厚を設定する板厚設定方法であって、ヒステリシス損係数をｋh、渦損係数をｋe、抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)とした場合、次の式(1)で求められる厚さｄを、式(6)に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小値Ｗ1よりも大きな基準値Ｗ2を設定し、前記式(6)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに板厚ｄを設定することを特徴とする。
0003558078.tif 000019
このような本発明によれば、加工上や強度上等の制約で板厚ｄを鉄損が最小値Ｗ1となる厚さに設定できない場合であっても、鉄損Ｗが所定の基準値Ｗ2、例えば鉄損最小値Ｗ1の所定倍の値や、鉄損最小値Ｗ1に所定の定数を加えた値など（材質や利用状況等で異なる）で設定された基準値Ｗ2以下となるように、板厚範囲を設定することができる。従って、鉄損以外の他の条件（強度等）を満足しつつ、鉄損が小さな高効率の発電装置を設計、製造することができる。
このような基準値Ｗ2としては、鉄損の最小値Ｗ1の所定倍の値として設定することができる。この値は、軟磁性材料の種類や用途等に応じて最適な値が異なることがあり、実験あるいは経験則等に基づいて適切な設定を採用することが望ましい。
用途等が同じであっても、基準値Ｗ2は軟磁性材料の材質（ＰＣパーマロイ、スーパーマロイ、ＰＤパーマロイ等）によって異なる。
例えば、前記ステータおよび磁心の少なくとも一方を構成する軟磁性材料としてＰＣパーマロイを用いる場合、このＰＣパーマロイ材の板厚ｄ（ｍ）は、ＰＣパーマロイ材の抵抗率をρ(Ω・m)、周波数をｆ(Hz)、最大振幅磁束密度をＢm(T)として、前記式(2)で求められる厚さｄを、前記式(7)に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものでなければ前記最小値Ｗ1の1.088倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものであれば前記最小値Ｗ1の1.760倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(7)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることが望ましい。
同様に、軟磁性材料としてスーパーマロイを用いる場合、前記式(3)と前記式(8)を用いて最小値Ｗ1を求め、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものでなければ前記最小値Ｗ1の2.355倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記発電装置が外力で回転する回転錘を駆動源とするものであれば前記最小値Ｗ1の3.634倍となる基準値Ｗ2を設定し、前記式(7)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲を求め、この範囲内の厚さに設定されていることが望ましい。
同様に、軟磁性材料としてＰＤパーマロイを用いる場合、前記式(4)と前記式(9)を用い、最小値Ｗ1の2.729倍となる基準値Ｗ2を設定することが望ましい。
本発明の板厚設定方法において、前記ステータまたは磁心に用いる軟磁性材料は単層でも積層体でもよい。このような層構造の設定にあたっては、次の手順を利用することができる。
すなわち、前記最小値Ｗ1を与える板厚ｄ、前記ステータまたは磁心に要求される全体厚さＤとして、前記板厚ｄが全体厚さＤを超える場合には前記板厚Ｄの単層構造とし、前記板厚ｄが全体厚さＤより小さい場合には前記板厚ｄの層を含む複数の板材による全体厚さＤの積層構造とすることが望ましい。
最小鉄損のものを単層で構成できれば製造においても簡略化が可能である。
前記積層構造とする際に、前記最小値Ｗ1を与える板厚ｄの層を含んで全体厚さＤとなる複数の板材の組合せを複数通り設定し、各組合せの中に鉄損Ｗが前記基準値Ｗ2以下のものがあればこれを採用し、なければ前記板厚ｄの層より鉄損が大きな板厚の層を含んで全体厚さＤとなる複数の板材の組合せを複数通り設定し、各組合せの中に鉄損Ｗが前記基準値Ｗ2以下のものがあればこれを採用することが望ましい。組合せの中に基準値Ｗ2以下のものが多数あれば、その中で最小の鉄損を与えるものを選択すればよい。
このような手順により、適切な層構造を有しかつ用途に適した鉄損を備えた板厚の軟磁性材料を設定することができる。
なお、このような層構造の設定においても、前述した各層材料の最小厚みに制約を設けることが望ましい。具体的な板厚等は、前述した発電装置の説明の通りであるのでここでは省略する。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施形態における電子制御式機械時計の構成を示すブロック図である。
図２は図１の実施形態の電子制御式機械時計の要部を示す概略斜視図である。
図３は図１の実施形態のＰＣ材を用いたステータにおける鉄損と板厚との関係を示すグラフである。
図４は図１の実施形態のスーパーマロイ材を用いたステータにおける鉄損と板厚との関係を示すグラフである。
図５は本発明の他の実施形態における発電装置を示す概略斜視図である。
図６は図５の実施形態のスーパーマロイ材を用いたステータにおける鉄損と板厚との関係を示すグラフである。
図７は図５の実施形態のＰＣ材を用いたステータにおける鉄損と板厚との関係を示すグラフである。
図８は図５の実施形態のＰＢ材を用いた磁心における鉄損と板厚との関係を示すグラフである。
図９は図５の実施形態のＰＤ材を用いた磁心における鉄損と板厚との関係を示すグラフである。
図１０は図５の変形例において磁心にＰＣ材を用いた際の鉄損と板厚との関係を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用した発電装置を備える電子機器である電子制御式機械時計１の概要を示すブロック図である。また、図２には、その要部を示す斜視図である。
電子制御式機械時計１は、ゼンマイ２ａからの機械的エネルギを増速輪列５を介して発電機（発電装置）２０に伝え、発電機２０を駆動する。発電機２０は、誘起電力を発生して電気的エネルギを出力する。この発電機２０からの交流出力は、昇圧整流、全波整流、半波整流、トランジスタ整流等からなる整流回路６１を通して昇圧、整流され、電源回路となるコンデンサ６０に充電供給される。
このコンデンサ６０から供給される電力によって回転制御装置５０が駆動される。この回転制御装置５０は、発振回路５１、発電機２０の回転検出回路５２、発電機２０の制御回路５３を備えて構成され、ワンチップＩＣで実現されている。
発振回路５１は時間標準源である水晶振動子５１Ａを用いて発振信号を出力し、この発振信号は適宜分周されて基準信号として制御回路５３に入力される。
一方、回転検出回路５２は、発電機２０の出力などに基づいてその回転を検出し、回転検出信号を出力する。
制御回路５３は、回転検出回路５２の回転検出信号および発振回路５１からの基準信号を比較し、その差に応じて発電機２０の速度を調整する信号を発電機２０に出力している。この信号によって発電機２０の調速機構が動作し、発電機２０は基準信号に同期するように調速される。
なお、発電機２０の調速方法は、例えば、発電機２０の各端子間を閉ループさせてショートブレーキを掛けてブレーキ制御したり、発電機２０に可変抵抗等を接続して発電機２０のコイルに流れる電流値を変えることでブレーキ制御するように構成されている。
そして、発電機２０が一定速度に調速されることで、発電機２０の回転に連動する増速輪列５に取り付けられた指針１０が決められた速度で駆動され、時刻を表示するようにされている。
より具体的には、図２に示すように、ゼンマイ２ａ（図２では図示せず）の機械的エネルギにより香箱車２の香箱歯車２ｂが回転し、二番車６、三番車７、四番車８、五番車９からなる増速輪列５を介してロータ２１へ伝達される。ここで、二番車６には分針１１が、四番車８には秒針１２が、図示しない筒車には時針がそれぞれ固定され、これらの時針、分針１１、秒針１２で指針１０が構成されている。
発電機２０は、永久磁石を有するロータ２１、ステータ（コア、磁心）２２、コイル２３を備えている。ステータ２２は、同一形状の一対のコ字型ステータとされ、その磁心部分の外周の同一巻回数のコイル２３を巻線し、両コイル２３間は直列接続されている。
ステータ２２の一端部には、半円状のステータ孔が形成され、ロータ２１が配置されている。また、ステータ２２の他端部は、その側端面が互いに密着されているとともに、各他端部に跨って連結板２４が密着固定されている。
各ステータ２２および連結板２４は、ＰＣパーマロイ材等の軟磁性材料で構成され、２枚の板材を積層した二枚積層タイプとされている。そして、このコイル２３が巻かれた磁心が一体化されたステータ２２の各板厚ｄを設定する際に本発明が適用されている。
なお、本実施形態において、磁心はステータ２２に一体化されているので、板厚の設定は同時に行われることになる。また、連結板２４の板厚設定も同様に行われる。以下、本発明に基づく板厚設定について説明する。
本実施形態において、ステータ２２には、各種のパーマロイ材（ＰＣ、スーパーマロイ、ＰＢ、ＰＤ）を用いる。各パーマロイ材の特性は下記の表１に示す通りである。なお、表１におけるヒステリシス損係数ｋh、渦損係数ｋeは予め実験により求めたものである。また、スーパーマロイはJIS規格ではパーマロイＣに属し、その中で最も透磁率の高い材料として位置付けられているものである。
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例えば、ステータ２２をＰＣパーマロイ材で構成している場合、本発明に基づいて板厚を設定すると、先ず、前述した式(1)に、ヒステリシス損係数ｋh、渦損係数ｋe、抵抗率ρを代入し、さらに電子制御式機械時計１の設定周波数ｆ（本実施形態では８Hz）と、最大振幅磁束密度（交番最大磁束密度）Ｂm（本実施形態では0.2T）とを代入し、これらにより板厚ｄは約0.38mmと算出される。
また、前述した式(6)にこれらの数値を代入し、鉄損Ｗと板厚ｄとの関係を求めると、図３に示すようなグラフになる。このグラフからも、板厚ｄが約0.38mm部分で鉄損Ｗが最小値Ｗ1（約0.635J/m3）であることが分かる。
これらの版厚の計算は、例えばＰＣパーマロイ材であれば前述した式(2)を利用することで、この材料に応じた定数が予め組込み済なので、計算をより簡単にできる。同時に、スーパーマロイ材であれば式(3)、ＰＤ材であれば式(4)、ＰＢ材であれば式(5)を利用すればよい。
ところで、図３のグラフからは、鉄損が最小となる板厚ｄよりも板厚が小さくなると鉄損が大幅に上昇し、一方で板厚が大きくなると鉄損は徐々に大きくなる特性を有することが分かる。そして、鉄損がある程度大きくなっても、従来よりも鉄損が小さくできる範囲を見出すことができる。
このような範囲は、先に式(1)で求めた厚さｄを、前述した式(6)に代入して鉄損Ｗ(J/m3)の最小値Ｗ1を求め、この最小Ｗ1よりも大きな基準値Ｗ2を設定し、前記式(6)と鉄損基準値Ｗ2とから、鉄損が基準値Ｗ2以下となる板厚範囲として設定することができる。
各種実験等の結果、ＰＣ材では、最小値Ｗ1の1.088倍の基準値Ｗ2以下の鉄損となるように版厚を設定すれば、従来品よりも鉄損を少ない設定にできることが解っている。同様に、スーパーマロイ材では2.355倍、ＰＤ材では2.729倍が好適であることが解っている。
以上より、ステータ２２をＰＣ材で構成している場合、基準値Ｗ2を0.692J/m3に設定し、鉄損Ｗをこの基準値Ｗ2以下の鉄損にする板厚ｄということで、約0.30〜0.55mmの範囲で設定すればよいことが分かる。
なお、基準値Ｗ2の設定は材質や用途等に応じて適宜選択すべきである。
例えば、基準値Ｗ2は最小値Ｗ1の約２倍（１〜1.2 J/m3)程度と大きくしてもよく、この場合には本実施形態のステータ２２の板厚ｄは約0.1〜１mmの範囲にすればよく、あるいは鉄損Ｗが0.8J/m3以下になる約0.2〜0.75mmの範囲に設定してもよい。一方、鉄損を小さく抑える必要がある場合等、基準値Ｗ2は最小値Ｗ1の1.05倍つまり鉄損Ｗが0.66 J/m3程度になる厚さ約0.30〜0.50mmの範囲に設定してもよく、前述のように基準値Ｗ2を用いずに最小値Ｗ1を与える厚さ約0.38mmに設定してもよい。
一方、実際の板厚ｄの設定は、ステータ２２や磁心の強度、重量、寸法、加工性や製造効率、製造コスト等を考慮して上記範囲内に設定される。
例えば、磁心はコイル２３を数千ターン捲回するので、サイズ（板厚や幅寸法）もできるだけ小さいほうがよい。このため、断面積がとれない場合には、ある程度の鉄損を犠牲にしても、ＰＢ材やＰＤ材等の飽和磁束密度が高い材料を用いて磁束を確保することが望ましい。一方、ステータ２２としては、ある程度の厚さ（断面積）が確保できるため、磁束密度よりも鉄損に配慮して所定の磁束を確保することが望ましい。つまり、透磁率が高くヒステリシス損が抑えられる材料、電気抵抗率が小さく渦損が抑えられる材料ということで、ＰＣまたはスーパーマロイ材が好ましい。このスーパーマロイ材について図３と同様のグラフを描くと図４に示すようなグラフになる。
なお、本実施形態の発電機２０では、ステータ２２と磁心とが一体化されているため、ステータ２２の材質および板厚の設定にあたっては、ステータおよび磁心に要求される性能などの各条件を考慮して最終的な設定が行われる。
例えば、磁束数確保などのために複数の板を積層することも必要になり、このために材質の選択に加えて積層構造の選択が行われる。
本実施形態において、ステータ２２の構造は、例えば次のような手順で設定される。
先ず、前記最小値Ｗ1を与える板厚ｄ、ステータ２２に要求される全体厚さＤとして、前記板厚ｄが全体厚さＤを超える場合には前記板厚Ｄの単層構造とし、前記板厚ｄが全体厚さＤより小さい場合には前記板厚ｄの層を含む複数の板材による全体厚さＤの積層構造とする。
具体的数値をあてはめてみると、ステータ２２の設計上、全体厚さＤ＝0.5mmを確保したい場合、厚さ0.5mmの単層（0.5*1）のＰＣ材の鉄損は基準値Ｗ2＝0.692J/m3以下であり、そのまま単層でステータ２２として採用することができる。但し、積層構造についても選択可能性の確認を行う。
前記積層構造とする場合には、前記最小値Ｗ1を与える板厚ｄの層を含んで全体厚さＤとなる複数の板材の組合せを複数通り設定し、各組合せの中に鉄損Ｗが前記基準値Ｗ2以下のものがあればこれを採用し、なければ前記板厚ｄの層より鉄損が大きな板厚の層を含んで全体厚さＤとなる複数の板の組合せを複数通り設定し、各組合せの中に鉄損Ｗが前記基準値Ｗ2以下のものがあればこれを採用することが望ましい。組合せの中に基準値Ｗ2以下のものが多数あれば、その中で最小の鉄損を与えるものを選択する。
具体的数値をあてはめてみると、最小鉄損となる板厚は、前述のように計算上は0.38mmであるが、0.05mm刻みが現実的であるため0.4mmとする。この0.4mmでも図３のグラフでは最小鉄損であると認められる。前述の0.05mm刻みの元では、この0.4mm板厚を含む全体厚み0.5mmの組合せは0.4mmが1枚と0.1mmが1枚（(0.4*1)+(0.1*1)と略記）だけとなる。一方、鉄損が0.4mm板厚に近いものとしては、単体での鉄損が基準値Ｗ2以下となる厚さ0.35mm、0.3mm、および単体での鉄損が基準値Ｗ2以下から僅かに外れる厚さ0.25mmがあり、0.35mmと0.15mmとを各1枚、0.3mmを1枚と0.2mmを1枚、0.25mmを2枚の組合せが可能である。ＰＣ材における組合せの例と、各々の組合せにおける鉄損の実測値とを表２に示す。
0003558078.tif 000021
表２の通り、(0.4*1)+(0.1*1)、(0.35*1)+(0.15*1)、(0.3*1)+(0.2*1)の組合せは、0,3mmから0.4mmの板材単体では鉄損が基準値Ｗ2以下に入るが、積層した状態では各々の鉄損が基準値Ｗ2を超えており、採用できない。しかし、(0.25*2)の組合せは、0.25mm単体では鉄損が基準値Ｗ2の範囲から僅かに外れるが、積層した状態では鉄損が基準値Ｗ2の範囲内と認められるから、採用することができる。
以上から、ステータ２２としては、(0.5*1)単層と(0.25*2)の組合せが採用できることが解る。特に、(0.5*1)単層は(0.25*2)の組合せより鉄損が小さいうえ、単層であるため製造においても簡略化が可能といえる。
従って、以上の設定手順によれば、板厚0.5mmの単層ＰＣ板が最良であり、板厚0.25mmのＰＣ板を２枚積層したものがこれに次いで好適という結果が得られる。
同様に、スーパーマロイ材における組合せの例と、各々の組合せにおける鉄損の実測値は表３のようになる。
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表３で、(0.5*1)から(0.25*2)までの組合せ設定は、前述した表２（ＰＣ材の例）と同じである。更に、スーパーマロイ材の場合、基準値Ｗ2以下となる板厚の範囲が広く、0.038mmから0.75mmにおよぶ。そこで、0.1mm、0.15mm、0.2mmの板厚のものを使った組合せ例を追加している。
表３によれば、スーパーマロイ材で構成する場合には全ての組合せが基準値Ｗ2以内となり、採用可能である。中でも、鉄損の最小値Ｗ1を示す板厚Ｄ＝0.2mmを含む(0.15*2)+(0.2*1)の組合せがステータ２２としても最小鉄損を示しており、磁気特性を優先する場合にはこの組合せを採用することが望ましいといえる。
しかし、板厚0.20mmを１枚と板厚0.15mmを２枚という板厚の異なる要素の積層が必要になるため、組立加工性は低下する。このため、鉄損の絶対値が元々小さいスーパーマロイ材を用いた場合には、板厚0.25mmの場合でも鉄損Ｗは0.31(J/m3)しかないことを考慮し、組立可能性を優先して板厚0.25mmを２枚積層する組合せを選択するようにしてもよい。
一般的に、スーパーマロイ材はヒステリシス損係数が更に一桁小さい等、ＰＣ材よりも磁気特性に優れるとされている。前述したＰＣ材と比較しても、同じ周波数（ｆ＝８Hz）、最大振幅磁束密度（Ｂm＝0.2Ｔ）とすると最小鉄損を約0.3(J/m3)と約半分にでき、各板厚においても全般的に鉄損が小さくなっていて磁気特性に優れていることが分かる。また、最小鉄損時の板厚ｄは、約0.2mmであり、ＰＣ材の場合の半分の厚さであることが分かる。従って、スーパーマロイを用いれば、鉄損をより減少でき、かつ板厚も少なくできるため、より薄型でかつ高効率の発電機を実現できる。
なお、これらの積層用の板材の選択にあたっては、機械的強度確保のため、材料毎に最小厚み制限を設けることが望ましい。
例えば、ＰＣパーマロイ材を用いる場合には最小厚みが0.15mm、スーパーマロイ材では0.10mm、ＰＣパーマロイでは0.25mmとなるように最小厚みの制限値を設けることが望ましい。
このような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1)ステータ２２に使用する材料と、発電機２０の周波数、最大振幅磁束密度が決まっていれば、ステータ（磁心）２２の板厚ｄを前述の式(1)を用いて簡単に算出することができる。このため、従来であれば、試作を繰り返して最適な寸法を算出しなければならなかったのに比べて、鉄損が小さな発電機２０を簡単に設計、製造することができ、発電機２０の高効率化も容易に実現できる。
(2)前述した式(6)に基づき、板厚と鉄損との関係を明らかにできるため、他の条件によって板厚を最小鉄損となる板厚に設定できない場合でも、適宜板材を積層することなどによって他の条件を満足しつつ、できるだけ鉄損の小さな発電機２０を容易に構成することができる。
(3)さらに、ステータ２２の材質によって異なるヒステリシス損係数ｋhや、渦損係数ｋeは、予め実験等で求めておくことができるため、ステータ２２の材質を変えた場合の鉄損と板厚との関係も容易に算出することができる。このため、発電機２０を設計する際に、最適な材料の選定と、その板厚設定を極めて容易に行うことができ、設計効率も向上することができる。
(4) 発電機２０の鉄損を削減できて高効率化することができるため、ゼンマイ２ａによってロータ２１を回転させて発電する際のエネルギのロスを減少でき、所定の電力を発電するために必要な機械的エネルギも減少できるため、ゼンマイ２ａの持続時間も延長することができ、長時間持続可能な時計１にすることができる。
また、従来と同じ持続時間でよい場合には、必要となる機械的エネルギを削減できるため、ゼンマイ２ａつまりは時計１を小型、薄型化できる。
図５には、本発明の他の実施形態が示されている。
本実施形態の発電機（発電装置）７０は、腕の動きによって回転する片重りの回転錘７１を備えたものである。すなわち、発電機７０は、前記回転錘７１と、この回転錘７１から運動エネルギを伝達する伝達機構としての歯車７２，７３と、歯車７３によって回転されるロータ７４と、ロータ７４が配置されるロータ穴を有するステータ７５と、このステータ７５およびロータ７４と磁気回路を構成する磁心７６と、磁心７６に巻回された発電用コイル７７とから構成されている。
このような発電機７０において、ステータ７５や磁心（コア）７６の板厚は、その材質、周波数、最大振幅磁束密度が決まっていれば、本発明に基づいて鉄損Ｗが最小となる厚さを求めることができる。
発電機７０のステータ７５において、平均周波数f＝50（Hz）、最大振幅磁束密度Ｂm＝0.65（T）と設定することができる。ステータ７５としては、スーパーマロイ材およびＰＣ材が利用可能である。
先ず、ステータ７５にスーパーマロイ材を利用する場合、式(1)および式(6)からその鉄損の最小値Ｗ1は約5.259(J/m3)であり、その時の板厚ｄ＝0.1mmである。この際の鉄損Ｗと板厚ｄとの関係は、図６のグラフに表示されるようになる。従って、他の条件などで鉄損が最小となる板厚に設定できない場合には、このグラフに基づいて最小に近い他の板厚を設定すればよい。
例えば、鉄損の基準値Ｗ2を19.114J/m3（最小値Ｗ1の約3.634倍）とし、この基準値Ｗ2以下の鉄損にする場合には、板厚ｄは約0.01〜0.5mmの範囲で設定すればよい。
ステータ７５の全体厚さＤ＝0.5mmにする場合は、下記の表４から板厚0.1mmを5枚積層するか板厚0.05mmを10枚積層する場合が鉄損最小になる。但し、板厚0.05mmのスーパーマロイ材は薄いために組立や取扱いが困難であり、生産性の向上が難しいため、ここでは板厚0.1mmを5枚積層する組合せが最適といえる。
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次に、ステータ７５にＰＣパーマロイ材を利用する場合、式(1)および式(6)からその鉄損の最小値Ｗ1は約10.86(J/m3)であり、その時の板厚ｄ＝0.15mmである。この際の鉄損Ｗと板厚ｄとの関係は、図７のグラフに表示されるようになる。そして、鉄損の基準値Ｗ2を19.114J/m3（最小値Ｗ1の約1.760倍）とし、この基準値Ｗ2以下の鉄損にする場合には、板厚ｄは約0.05〜0.45mmの範囲で設定すればよい。
ステータ７５の全体厚さＤ＝0.5mmにする場合は、下記の表５から板厚0.15mmを2枚と0.2mmを1枚とを積層する組合せが最適といえる。
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このように、ステータ７５の厚さや積層構造など、各種の条件を考慮しながら、鉄損の小さな発電機７０を設計、製造することができ、発電機７０の高効率化も実現できる。このため、このような発電機７０が組み込まれる時計などの電子機器の小型化や持続時間の延長を実現することができる。
このような発電機７０において、ステータ７５や磁心（コア）７６の板厚は、その材質、周波数、最大振幅磁束密度が決まっていれば、本発明に基づいて鉄損Ｗが最小となる厚さを求めることができる。
発電機７０の磁心７６としては、ＰＢ材（ＰＢパーマロイ材）、ＰＤ材（ＰＤパーマロイ材）が用いられる。ＰＢ材については、平均周波数f＝50（Hz）、最大振幅磁束密度Ｂm＝0.9（T）と設定することができる。ＰＤ材については、平均周波数f＝50（Hz）、最大振幅磁束密度Ｂm＝0.75（T）と設定することができる。
ＰＢ材やＰＤ材は、鉄損が大きい点ではＰＣ材に比べて劣るが、コイル７７を多数捲回して厚くなるために、サイズ（断面積）を小さくしたい磁心７６においては、ＰＣ材に比べて飽和磁束密度が大きいＰＢ材やＰＤ材を利用するほうが望ましい。
図８，図９から分かるように、鉄損Ｗの最小値は約５０〜８０(J/m3)であり、ＰＣ材に比べると大きい。また、ＰＢ材、ＰＤ材ともに、ある程度の板厚（例えば、0.2mm）以下では板厚が小さくなるに従って鉄損Ｗは急激に大きくなるが、その厚さ以上になると、ＰＣ材のように鉄損Ｗが上昇せずに殆ど変化せず、ほぼ一定の値を維持する。従って、このような特性を考慮して設計すれば、鉄損Ｗを減少しつつ、他の条件を満足する磁心７６を設計、製造することができる。
従って、発電機７０においては、磁心７６は、板厚0.5mmのＰＤ材を１枚利用して構成することが最も好ましい。一方、ステータ７５は、板厚0.15mmのＰＣ材２枚と、板厚0.2mmのＰＣ材１枚とを組み合わせて構成してもよいが、板厚0.05mmのスーパーマロイ材を１０枚積層して構成することが最も好ましい。
なお、本発明な前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本発明の発電装置が組み込まれる計時装置は、腕時計に限らず、置き時計、クロック等の各種時計や、時計機能以外に携帯電話機、ページャ、電卓、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯ラジオ等の機能を有するものでもよい。この際、時刻を表示する処理装置としては、前記実施形態のような指針１０に限らず、時刻をデジタル表示する液晶表示装置などを利用してもよい。
さらに、本発明の発電装置は、計時装置に組み込まれるものに限らず、携帯型の血圧計、携帯電話機、ＰＨＳ、ページャ、万歩計、電卓、ノートパソコン等のパーソナルコンピュータ、電子手帳、ＰＤＡ（小型情報端末、「Personal Digital Assistant」）、携帯ラジオ、玩具、ＩＣカード、自動車や家屋用のキー等の各種の電子機器にも適用することができる。要するに電力を消費する電子機器であれば広く適用できる。特に、ステータや磁心の板厚を鉄損が小さくなるように設計できるため、持続時間が長く、ゼンマイ２ａや回転錘７１等も小型化できて非常に小型の発電装置とすることができるため、携帯用に小型化された各種電子機器に最適である。
このような携帯用の電子機器では、従来、乾電池や充電器が用いられていたが、本発明の発電装置を組み込めば、電池が無くても電子機器内の電子回路や機構系等の処理装置を動作させることができ、電池交換を不要にでき、環境にも配慮できる。その上、回転錘やゼンマイを組み込むことで、手動で発電できるため、充電器のような充電作業を不要にでき、災害時やアウトドア、外出時等でも電子機器を作動させることができる。
さらに、上記発電機２０，７０において、材質や周波数、最大振幅磁束密度は適宜変更してよく、これらを変更した場合でも前述した手順で鉄損Ｗと板厚ｄとを順次設定すればよい。
例えば、図１０には、前述した図５の実施形態におけるステータ７５として、基本的に図７と同条件だが周波数だけを１００Hzと倍にした時の例が示されている。この図１０を図７と比較して分かるように、周波数が増えると鉄損も比例して増加する。但し、全体的な傾向、例えば、最小鉄損の板厚が約0.12〜0.16mm程度と同様であり、板厚の増加に伴って増加する鉄損の割合（グラフの傾斜角度）等も殆ど一致していることが分かる。
従って、特に回転錘７１でロータ７４を駆動する発電機７０では、ロータ７４の回転が一定速度だはないため、周波数の変化を考慮して設計することも重要である。
このように、本発明によれば、実際に試作品を作ることなく、鉄損を減少できるステータや磁心の板厚を算出することができるため、設計効率を向上でき、開発期間も短縮できて、高効率の発電機を容易に製造できる点で非常に有効であることが分かる。
産業上の利用可能性
本発明は、発電装置およびその磁気回路の板厚設定方法に関し、携帯電話機、携帯型情報機器等の小型、携帯型の各種電子機器あるいは電子制御式時計などの発電装置として利用できる。
【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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【図１０】
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