(57)【要約】【課題】発電効率の向上を図った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る動翼と、周方向に沿って交互にＮ極とＳ極とが着磁された円筒状を呈し、動翼と一体に回転可能なマグネットと、マグネットの軸方向の端面に対向して設けられたコイルと、マグネットの端面とコイルとの間で周方向に沿って互いに離間して配置された複数の極歯を有し、コイルを囲んで設けられた磁性体からなるヨークと、を備え、ヨークにおいて、コイルの周面部に対向する部分に、極歯が設けられた一端側から切り欠いたざぐり部を設けた。【選択図】図１
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【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、
周方向に沿って交互にＮ極とＳ極とが着磁された円筒状を呈し、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
前記マグネットの軸方向の端面に対向して設けられたコイルと、
前記マグネットの前記端面と前記コイルとの間で周方向に沿って互いに離間して配置された複数の極歯を有し、前記コイルを囲んで設けられた磁性体からなるヨークと、
を備え、
前記ヨークにおいて、前記コイルの周面部に対向する部分に、前記極歯が設けられた一端側から切り欠いたざぐり部を設けたことを特徴とする水栓用発電機。
【請求項２】
前記マグネットは、その回転中心を前記動翼の回転中心と一致させて前記動翼の径外方に設けられ、
前記動翼は、前記マグネットの内周面より内側を流れる水流の力により回転することを特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
【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（例えば特許文献１）。近年、自動水栓では節水効果をアピールしており、そのような自動水栓では発電に用いる流水量（水力エネルギー）が小さく、水力エネルギーから発電力へのエネルギー変換におけるわずかなエネルギー損失であっても低減したいという要求が強い。
【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】
【０００３】
本発明は、発電効率の向上を図った水栓用発電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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、周方向に沿って交互にＮ極とＳ極とが着磁された円筒状を呈し、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットの軸方向の端面に対向して設けられたコイルと、前記マグネットの前記端面と前記コイルとの間で周方向に沿って互いに離間して配置された複数の極歯を有し、前記コイルを囲んで設けられた磁性体からなるヨークと、を備え、前記ヨークにおいて、前記コイルの周面部に対向する部分に、前記極歯が設けられた一端側から切り欠いたざぐり部を設けた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】
【０００５】
本発明によれば、発電効率の向上を図った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】
【０００６】
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。
【０００７】
図２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３は、同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、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４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５は、同水栓用発電機におけるステータ９の平面図である。  
図６は、同水栓用発電機におけるステータ９の断面斜視図である。  
図７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。
【００１２】
本実施形態に係る水栓用発電機は、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３に表されるケース１２の中に収容されている。
【００１３】
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２、３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。
【００１４】
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。
【００１５】
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４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。
【００１６】
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４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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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４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。
【００２０】
図７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。
【００２１】
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。
【００２２】
図５、６に表されるように、ステータ９は、いずれも磁性体（例えば圧延鋼）からなる第１〜第３ヨーク３２〜３４と、これら第１〜第３ヨーク３２〜３４で囲まれた空間内に配置されるコイル３０とを有する。円筒状に巻回されたコイル３０は、その内周面部、外周面部および軸方向の両端面部が、第１〜第３ヨーク３２〜３４によって囲まれている。
【００２３】
第１ヨーク３２は、コイル３０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３２ａが径外方に向けて一体に設けられている。第１ヨーク３２において、コイル３０の内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、周方向に沿って等間隔で配置されている。
【００２４】
第２ヨーク３３は、コイル３０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３３ａが径内方に向けて一体に設けられている。第２ヨーク３３において、コイル３０の外周面部に対向する部分と、極歯３３ａとは、略直角になっている。極歯３３ａは、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３２の極歯３２ａの間に配置されている。すなわち、第１ヨーク３２の極歯３２ａと、第２ヨーク３３の極歯３３ａとが、周方向に沿って、交互に、且つ互いに離間して並んでいる。これら極歯３２ａ、３３ａは、コイル３０の一方の端面部に対向している。極歯３２ａ、３３ａは、コイル３０の一方の端面部に対向している。そのコイル３０の一方の端面部は、極歯３２ａ、３３ａ及び筒体１３を間に挟んで、マグネットＭの端面に対向している。
【００２５】
第３ヨーク３４は、コイル３０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し、第１ヨーク３２及び第２ヨーク３３のそれぞれの他端部（極歯３２ａ、３３ａが設けられた端部の反対側の端部）に結合されている。
【００２６】
第１ヨーク３２において、コイル３０の内周面部に対向する部分には、極歯３２ａが設けられた一端側から軸方向中央付近まで凹状に切り欠いたざぐり部３９が、周方向に沿って間欠的に形成されている。逆に言えば、極歯３２ａに一体に続いて設けられてコイル３０の内周面部に対向する部分３３ｂが、周方向に沿って間欠的に形成されている。ざぐり部３９は、第２ヨーク３３の極歯３３ａの位置に対応して周方向に間欠的に設けられている。
【００２７】
同様に、第２ヨーク３３において、コイル３０の外周面部に対向する部分には、極歯３３ａが設けられた一端側から軸方向中央付近まで凹状に切り欠いたざぐり部（図６は内周面側から見た図であるため見えない）が、周方向に沿って間欠的に形成されている。逆に言えば、極歯３３ａに一体に続いて設けられてコイル３０の外周面部に対向する部分が、周方向に沿って間欠的に形成されている。第２ヨーク３３のざぐり部は、第１ヨーク３２の極歯３２ａの位置に対応して周方向に間欠的に設けられている。
【００２８】
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。
【００２９】
使用者が、図２、３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。
【００３０】
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、図１及び図４に図示される具体例においては、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、図７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の端面に対向している極歯３２ａ、３３ａ及びこれらに一体な第１、第２ヨーク３２、３３の極性が変化していく。これにより、コイル３０に対する鎖交磁束の向きが変化し、コイル３０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。
【００３３】
図１０は、比較例に係るステータの断面斜視図である。
【００３４】
この比較例では、第１ヨーク１３２において、コイル３０の内周面部に対向する部分は、周方向に途切れなく連続して形成されている。同様に、第２ヨーク１３３において、コイル３０の外周面部に対向する部分は、周方向に途切れなく連続して形成されている。
【００３５】
第１ヨーク１３２（極歯３２ａを含む）と、第２ヨーク１３３（極歯３３ａを含む）とが互いに逆極性に磁化されることで、コイル３０を囲む鎖交磁路ａが形成されるが、この際、比較例の構成では、各ヨーク１３２、１３３の周面部において他方のヨークの極歯が対向している部分が自らの極性とは逆の極性（他方のヨークの極性）に磁化されやすく、各ヨークの周面に沿った磁路ｂが形成され、発電に寄与する鎖交磁路ａが弱まり発電量が低下する問題がある。
【００３６】
これに対して、本実施形態では、図６を参照して前述したように、各ヨーク３２、３３の周面部において他方のヨークの極歯の位置に対応して、周方向に間欠的にざぐり部３９を設けることで、各ヨーク３２、３３を周方向に磁気的に絶縁した。このため、各ヨーク３２、３３の周面に沿って形成される磁路を抑制して、コイル３０の発電に寄与する鎖交磁路ａが弱まることを防げる。この結果、発電量を向上できる。
【００３７】
ざぐり部３９の深さ（極歯３２ａ、３３ａが設けられた端部からの軸方向長さ）を、０（ｍｍ）、２（ｍｍ）、５（ｍｍ）、１０（ｍｍ）と変えて、発電量及びコイル効率をシミュレーションした。ここで、コイル効率は、入力（マグネットＭのトルク×回転数）に対する、出力（発電量）の割合（％）を表す。なお、ステータ９全体の軸方向寸法は、１０．５（ｍｍ）とした。ざぐり部３９の深さが０（ｍｍ）とは、ざぐり部３９を設けない図１０に表す比較例である。
【００３８】
図８は、ざぐり部３９の深さと発電量との関係を表すグラフ図である。横軸は、ざぐり部３９の深さ（ｍｍ）を、縦軸は、発電量（ｍＷ）を表す。  
図９は、ざぐり部３９の深さとコイル効率との関係を表すグラフ図である。横軸は、ざぐり部３９の深さ（ｍｍ）を、縦軸は、コイル効率（％）を表す。
【００３９】
これらの結果より、ざぐり部３９の深さを大きくすることで発電量を大きくすることができる。さらに、ざぐり部３９の深さを大きくすることで、コイル効率も向上させることができ、特に、節水効果をアピールした自動水栓のように発電に用いる水力エネルギーが比較的小さいものに、実施形態は非常に有効である。
【００４０】
発電機を備えた自動水栓の場合には、電磁弁や発電機を内蔵させる必要があるため、発電機をコンパクトにする必要がある。そして、発電機をコンパクトにするためには、発電機の効率を向上させる必要があり、本具体例のようにざぐり部を設けることの効果は大きい。また、発熱による効率低下を防止するためにもざぐり部を設けることは効果がある。
【００４１】
ざぐり部３９を、軸方向のすべてにわたって形成してもよいが、この場合、各ヨーク３２、３３は、極歯の数に対応して分割されてしまうので、部品点数や組み立て性を考慮すると、本具体例のように、ざぐり部３９を軸方向の途中までにとどめて、各ヨーク３２、３３のそれぞれがばらけてしまわないようにした方が望ましい。
【００４２】
また、本具体例では、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（アキシャル配置）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（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。さらに、本具体例の発電機は、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、本具体例の構造は、発電機の径方向寸法の小型化に有利なため、例えば図２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】
前述したように、「アキシャル配置」では、「ラジアル配置」よりもマグネット径を大きくとることができ、その分、原則として磁束が多くとれる。しかし、磁束の短絡の影響も大きく受ける。したがって、前述したざぐり部を設けることで磁束の短絡を防止できて、発電量を多くとれる。また、ざぐり部により放熱できるため、コイルの発熱によるエネルギー損失を防止できる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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】
【００４７】
【図１】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２】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３】同自動水栓装置の内部構成を表す模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係る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５】同水栓用発電機におけるステータの平面図である。
【図６】同水栓用発電機におけるステータの断面斜視図である。
【図７】同水栓用発電機におけるマグネットの斜視図である。
【図８】ざぐり部の深さと発電量との関係を表すグラフ図である。
【図９】ざぐり部の深さとコイル効率との関係を表すグラフ図である。
【図１０】比較例に係るステータの断面斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
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…コイル、３２…第１ヨーク、３２ａ…極歯、３３…第２ヨーク、３３ａ…極歯、３４…第３ヨーク、３９…ざぐり部、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
【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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