JP4140062B1

JP4140062B1 - 水栓用発電機

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Publication number: JP4140062B1
Application number: JP2007191352A
Authority: JP
Inventors: 剛清水; 真畠山; 正宏黒石; 尚幸小野寺; 知子佐藤
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: US20090026769A1; US7608936B2; WO2009013878A1; EP2173021A1; JP2009027893A; CN101689794A; TW200905073A

Abstract

【課題】発電効率を向上させることができる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回転中心を有し、前記給水流路に設けられた動翼と、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、端面に対向して設けられたコイルと、前記コイルとの間で配置された複数のインダクタと、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、を有するステータと、を備え、前記ヨークの前記インダクタが設けられた側の一端のうち、前記インダクタの先端近傍に位置する部分は、前記マグネットの磁気誘導可能エリアから相対的に遠ざかるようにされており、少なくとも前記動翼の一部である動翼上流側部分を囲むようにして設けられた前記マグネットの内周面、または、前記マグネットの内周面と前記動翼との間に設けられた動翼リングの内周面より内側を流れる水流の力により前記動翼が回転すること、を特徴とする水栓用発電機が提供される。
【選択図】図１

Description

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。

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）。

このような発電機には、永久磁石の径方向の外側にインダクタを介してコイルを配設した「ラジアル配置」の発電機（例えば、特許文献１の図４を参照）と、永久磁石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インダクタを介してコイルを配設した「アキシャル配置」の発電機（例えば、特許文献１の図５を参照）とがあるが、径方向の寸法が小さい発電機を必要とするような用途においては、「ラジアル配置」の発電機よりも「アキシャル配置」の発電機を用いる方が好ましい。
ここで、「アキシャル配置」の発電機に用いられる永久磁石においては、その径方向に略直角な方向の端面をＮ極とＳ極とに交互に着磁させるようにしているが、隣接する磁極の直下にあるインダクタ近傍のヨーク部分との間で磁路短絡が起きると、コイルを周回するような鎖交磁路の形成が阻害されコイル効率、発電量などが低下するという問題が生じる。

近年、自動水栓装置では節水効果が重要視されており、そのような自動水栓装置では発電に用いることのできる流水量（水力エネルギー）が少なく、水力エネルギーから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。
特開２００４−３３６９８２号公報

本発明は、発電効率を向上させることができる水栓用発電機を提供する。

本発明の一態様によれば、給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心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環状を呈し、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、前記マグネットの径方向に略直角な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インダクタと、前記インダクタに連接し、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、を有するステータと、を備え、少なくとも前記動翼の一部である動翼上流側部分を囲むようにして設けられた前記マグネットの内周面、または、前記動翼と前記マグネットとを一体化させる動翼リングの内周面より内側を流れる水流の力により前記動翼が回転し、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、前記インダクタが設けられた一端側であって、前記インダクタの先端近傍に位置する部分を径方向に略直角な方向に切り欠いた切り欠き部を設けることで、前記ヨークの前記インダクタが設けられた側の一端のうち、前記インダクタの先端近傍に位置する部分が前記マグネットの磁気誘導可能エリアから相対的に遠ざかるようにされていること、を特徴とする水栓用発電機が提供される。

本発明によれば、発電効率を向上させることができる水栓用発電機が提供される。

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している。

図１は、本発明の実施の形態に係る発電機１を説明するための模式断面図である。
図４は、発電機１における予旋回静翼１４、動翼１５、軸受１７を説明するための模式斜視図である。尚、図４（ａ）は、動翼リング１５ａを備えない場合、図４（ｂ）は、動翼リング１５ａを備えた場合を例示するものである。
図１に示すように、発電機１には、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、封止部材５１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。尚、予旋回静翼１４の上方、封止部材５１の下方に描かれた矢印は、流水の方向を示している。

ここで、発電機１の説明をする前に、発電機１を備えた発電機付自動水栓装置の説明をする。
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）の取付例を説明するための模式図である。
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を説明するための模式断面図である。
尚、図中の矢印は、流水の方向を示している。

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、水道水などの流入口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。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。
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、吐水口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、吐水量が一定となるように制限をするための定流量弁５５が内蔵されている。また、水道などの元圧が使用圧よりも高い場合に、これを減圧するための図示しない減圧弁または調圧弁が電磁弁８よりも上流側に内蔵されるようにすることもできる。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。

吐水部３ｂの内部であって、定流量弁５５の下流側の給水流路１０には、発電機１が備えられている。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ための充電器５６、センサ７の駆動や電磁弁８の開閉などを制御するための制御部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。

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ることがあっても、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ぐことができ、充電器５６の故障をも防止することができる。

また、発電機１に設けられたコイル３０（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３０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。
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。

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。
また、自動水栓装置３において、吐出流量を、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するようにすることもできる。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するようにすることが望ましい。また、トイレ用水栓のように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ようにすることが望ましい。このような場合、給水管からのすべての水流を発電機１へ流すようにすると、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おそれが懸念され、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０．０５（ＭＰａ）程度の低水圧となる場合もあり得る。

次に、図１、図４に戻って、発電機１について説明する。
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、図３に図示される吐水部３ｂに配設される。この際、筒体１３の中心軸方向が、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を上流側に、大径部１３ｂを下流側に向けて配設される。

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。

大径部１３ｂの下流端の開口は、Ｏリング５２を介して、封止部材５１により液密になるよう塞がれている。封止部材５１の内部には段付き孔が設けられている。そして、その段部５１ａは環状に形成され、この段部５１ａの上に軸受１７が支持されている。

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、円錐体を一体的に設けた形状を呈している。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。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、回転はしない。

予旋回静翼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、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。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。

軸受１７は、封止部材５１の段付き孔に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とを備え、リング部材２１と軸支持部２２とは、放射状に設けられた連結部材２３によって結合されている。各連結部材２３の間は、閉塞されておらず貫通しているため、筒体１３内部の給水の流れが妨げられることはない。
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、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。尚、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とに固定し、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。
すなわち、給水流路に対して略平行な回転中心を有し、回転中心のまわりに回転可能に給水流路に設けられた動翼羽根部を有する動翼１５とすればよい。

筒体１３の大径部１３ｂの内部には、動翼流路７２を囲むようにして、動翼羽根部１９の外周部に固定された円環状のマグネットＭが収容されている。また、筒体１３の小径部１３ａの外側には、マグネットＭの上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。

図４（ａ）において、２点鎖線で表されたマグネット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。
また、図４（ｂ）において、１点鎖線で表された動翼リング１５ａ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、動翼リング１５ａの外周面には２点鎖線で表されたマグネットＭの内周面が固定されている。動翼リング１５ａは必ずしも必要ではないが、設けられていた方がより強固に動翼１５とマグネットＭとを一体化させることができる。

そして、旋回流が形成されることで外側に向けて拡散しようとする水流を、動翼リング１５ａの内周面、または、動翼リング１５ａが設けられていない場合はマグネットＭの内周面により案内することができるので、無駄になる水力エネルギーを減らすことができ、エネルギーの変換を効率よく行わせることができる。この場合、動翼１５の径方向に略直角な方向の全域にわたって動翼リング１５ａの内周面、または、動翼リング１５ａが設けられていない場合はマグネットＭの内周面が設けられている必要はなく、少なくとも動翼１５の上流側に設けられているようにすればよい。
すなわち、少なくとも動翼１５の一部である動翼上流側部分を囲むようにして設けられたマグネットＭの内周面、または、マグネットＭの内周面と動翼１５との間に設けられた動翼リング１５ａの内周面より内側を流れる水流の力により動翼１５が回転するようになっている。

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（「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。

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させるものとすれば、金属で形成した場合と比べて渦電流損を低減させることができるので、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させるようにしてもよい。
次に、マグネットＭとステータ９について説明をする。
図５は、マグネットＭの模式斜視図である。
図６は、比較例に係るステータの模式斜視断面図である。
図７は、本発明の実施の形態に係る発電機におけるステータ９の模式平面図である。
図８は、本発明の実施の形態に係る発電機におけるステータ９の模式斜視断面図である。

図５に示すように、マグネットＭ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。
筒体１３の小径部１３ａ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。尚、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。

図６に示すステータは、本発明者が発明をするに至った過程で検討を加えたものであり、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。この場合、マグネットＭの内径とステータの内径、マグネットＭの外径とステータの外径とがほぼ同一とされている。

ここで、第１ヨーク１３２に連接するインダクタ３２ａと、第２ヨーク１３３に連接するインダクタ３３ａとに対向して設けられたマグネットＭにより、インダクタ３２ａ、インダクタ３３ａが磁化されるので、コイル３０を囲む鎖交磁路ａが形成されることになる。

この際、比較例の構成では、各インダクタ３２ａ、３３ａの周面が途切れなく連続して形成されているため、各インダクタ３２ａ、３３ａの先端近傍のヨーク部分１３２ａ、１３３ａまでもが磁化されやすく、ヨークのこの部分（ヨーク部分１３２ａ、１３３ａ）が隣接するインダクタの極性とは逆の極性に磁化されることで、隣接するインダクタとの間で磁路短絡ｂが形成されるようになる。そして、この磁路短絡ｂが形成された場合には、発電に寄与する鎖交磁路ａの形成が阻害されてコイル効率、発電量などが低下するという問題がある。

本発明者は検討の結果、各インダクタの先端近傍における磁化が起きないように、ヨークのインダクタが設けられた側の一端のうち、インダクタの先端近傍に位置する部分を、後述するマグネットＭの磁気誘導可能エリア４１から相対的に遠ざけるようにすれば、短絡磁路の形成が阻害されるのでコイル効率の向上、発電量の増加などを図ることができるとの知見を得た。
そのようにするためには、例えば、ヨークにおいて、コイルの周面部に対向する部分に、インダクタが設けられた一端側であって、前記インダクタの先端近傍に位置する部分を切り欠いた切り欠き部（空間）を設けるようにすればよい。

図７、図８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〜第３ヨーク３２〜３４及びこれらに連接するインダクタ３２ａ、３３ａと、これら第１〜第３ヨーク３２〜３４、インダクタ３２ａ、３３ａで囲まれた空間内に配置されるコイル３０とを有する。

ステータ９は、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面に対向して設けられたコイル３０と、マグネットＭの端面とコイル３０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インダクタ３２ａ、３３ａと、インダクタ３２ａ、３３ａに連接し、コイル３０を囲んで設けられた軟磁性体からなる第１〜第３ヨーク３２〜３４とを有している。

円環状に巻回されたコイル３０は、その内周面部、外周面部および径方向に略直角な方向の両端面部が、第１〜第３ヨーク３２〜３４、インダクタ３２ａ、３３ａによって囲まれている。

第１ヨーク３２は、コイル３０の内側に配置された略円環状を呈し、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が径外方に向けて一体的に設けられている。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、インダクタ３２ａとは、略直角となるようになっている。インダクタ３２ａは、周方向に沿って等間隔で配置されている。

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環状を呈し、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３３ａが径内方に向けて一体的に設けられている。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、インダクタ３３ａとは、略直角となるようになっている。インダクタ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に連接されたインダクタ３２ａの間に配置されている。すなわち、第１ヨーク３２に連接されたインダクタ３２ａと、第２ヨーク３３に連接されたインダクタ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。また、これらインダクタ３２ａ、３３ａは、コイル３０の一方の端面部に対向している。そして、そのコイル３０の一方の端面部は、インダクタ３２ａ、３３ａ及び筒体１３を間に挟んで、マグネットＭの端面と対向している。

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、その形状は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（インダクタ３２ａ、３３ａが連接された端部とは反対側の端部）に結合されている。

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には、インダクタ３２ａが設けられた一端側から径方向に略直角な方向に凹状に切り欠いた切り欠き部３９が、周方向に沿って間欠的に形成されている。言い換えれば、コイル３０の内周面部に対向する部分にはインダクタ３２ａと一体的に設けられた連結部３２ｂが、周方向に沿って間欠的に形成されている。切り欠き部３９は、第２ヨーク３３に連接されたインダクタ３３ａの先端位置に対応して周方向に間欠的に設けられている。

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、インダクタ３３ａが設けられた一端側から径方向に略直角な方向に凹状に切り欠いた切り欠き部４０が、周方向に沿って間欠的に形成されている。言い換えれば、コイル３０の外周面部に対向する部分にはインダクタ３３ａと一体的に設けられた連結部３３ｂが、周方向に沿って間欠的に形成されている。切り欠き部４０は、第１ヨーク３２に連接されたインダクタ３２ａの先端位置に対応して周方向に間欠的に設けられている。

次に、切り欠き部について説明をする。
図９は、インダクタ先端近傍のヨーク部分の磁化について説明をするための模式斜視分解図である。
図１０は、ステータ部分の模式斜視断面図である。
尚、図７、図８と同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図９に示すように、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面には、周方向に沿ってインダクタと同じ間隔でＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。そのため、マグネットＭの端面と対向するようにして設けられたインダクタ３２ａ、３３ａに、直上のマグネットＭの磁極と反対の磁極が発生する。例えば、マグネットＭのＳ極の直下のインダクタにはＮ極が発生する。

この場合、図６で説明をしたように、マグネットＭにより磁気が誘導される範囲（磁気誘導可能エリア）４１にヨーク（軟磁性体）があると、その部分が磁化されてインダクタに発生した磁極と同じ磁極が発生する。すなわち、図６で説明をしたステータにおいては、インダクタ３２ａ、３３ａの先端近傍のヨーク部分１３２ａ、１３３ａにも磁極が発生することになる。この際、隣接するインダクタ３２ａ、３３ａには反対の磁極が発生しているので、隣接するインダクタ３２ａ、３３ａとの間で磁路短絡が形成され発電に寄与する鎖交磁路ａの形成が阻害されるようになる。
尚、磁気誘導可能エリア４１は、マグネットＭにより軟磁性体を磁化することができる領域、あるいは、マグネットＭにより軟磁性体に磁極を発生させることができる領域ということもできる。

また、図１０に示すように、磁化されたインダクタにより磁気が誘導される範囲４２が付加されるので、マグネットＭの強さやインダクタの磁化状態によっては、インダクタ３２ａ、３３ａの先端近傍のより広い範囲のヨーク部分に磁極が発生することにもなる。本明細書においては、磁気誘導可能エリア４１に磁化されたインダクタにより磁気が誘導される範囲４２を付加した範囲を、実質的な磁気誘導可能エリア４３と呼ぶことにする。

尚、磁気誘導可能エリア（マグネットＭにより磁気が誘導される範囲）４１と比べて、磁化されたインダクタにより磁気が誘導される範囲４２は狭いので、一般的には磁気誘導可能エリア４１を考慮すればよい。
また、説明の便宜上、ステータの外周面側で説明をしたがステータの内周面側についても同様である。

本実施の形態においては、図８、図９、図１０に示すように、各ヨーク３２、３３の周面部において他方のヨークのインダクタの先端位置に対応して、周方向に間欠的に切り欠き部３９、４０を設けることで、磁気誘導可能エリア４１、実質的な磁気誘導可能エリア４３に軟磁性体が存在しないようにしている。ここで、空気の透磁率は軟磁性体の数千分の１程度であるためわずかに切り欠き部３９、４０を設けるだけでも、切り欠き部３９、４０の直下に位置する軟磁性体領域３９ｂ、４０ｂが磁化されにくくなる。より具体的には、インダクタ３２ａの上に磁極のＮがあり、インダクタ３３ａの上に磁極のＳがある場合を考える。このとき、インダクタ３２ａは、Ｓ極に磁化され、インダクタ３３ａはＮ極に磁化される。しかし、インダクタ３３ａの直下に位置する軟磁性体領域３９ｂは、空気である切り欠き部３９を介しているため、Ｎ極にほとんど磁化されることはない。そのため、インダクタ３２ａから、軟磁性体領域３９ｂに向かう磁路短絡がほとんど形成されることがなくなる。また、インダクタ３３ａから、軟磁性体領域４０ｂに向かう磁路短絡も同様にほとんど形成されることがなくなる。よって、発電に寄与する鎖交磁路ａの形成が阻害されるのを抑制することができる。その結果、コイル効率の向上、発電量の増加を図れることになる。

次に、切り欠き部の深さＨ（インダクタ３２ａ、３３ａが設けられた端部からの径方向に略直角な方向の長さ、図８を参照）について説明をする。
図１１は、切り欠き部３９の深さＨと発電量との関係を表すグラフ図である。横軸は、切り欠き部３９の深さＨ（ｍｍ）を、縦軸は、発電量（ｍＷ）を表す。
図１２は、切り欠き部３９の深さＨとコイル効率との関係を表すグラフ図である。横軸は、切り欠き部３９の深さＨ（ｍｍ）を、縦軸は、コイル効率（％）を表す。

図１１、図１２は、切り欠き部３９の深さＨ（インダクタ３２ａ、３３ａが設けられた端部からの径方向に略直角な方向の長さ）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ものである。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。尚、ステータ９全体の径方向に略直角な方向の寸法は、１０．５（ｍｍ）とした。切り欠き部３９の深さＨが０（ｍｍ）とは、切り欠き部３９を設けない図６に示した比較例の場合である。

これらの結果より、切り欠き部３９の深さＨを大きくすることで発電量を増加させることができ、また、コイル効率も向上させることができることがわかる。
尚、説明の便宜上、切り欠き部３９に関して説明をしたが、切り欠き部４０に関しても同様である。

また、図１１、図１２からは、切り欠き部を設けるものとすれば、磁気誘導可能エリア４１、実質的な磁気誘導可能エリア４３の一部に軟磁性体が存在していても発電量の増加、コイル効率の向上に効果があることがわかる。これは、僅かな切り欠き部を設けるようにするだけでも空気により大幅に磁気抵抗が増加するため、切り欠き部の直下の軟磁性体領域は磁化されにくくなり、その分、磁路短絡の形成を抑制することができるようになるからであると考えられる。例えば、図１３に示すように、図８で説明をした切り欠き部３９、４０より深さｈの浅い切り欠き部３９ａ、４０ａとすることでも磁路短絡の形成を抑制することができる。

ここで、磁路短絡の形成を抑制するという観点からは、少なくとも磁気誘導可能エリア４１に軟磁性体が存在しないような深さの切り欠き部を設けるようにすることが好ましい。この磁気誘導可能エリア４１は、マグネットＭの強さの影響を受ける。すなわち、マグネットＭが強い磁石であるほど磁気誘導可能エリア４１は広くなる。また、マグネットＭの端面とインダクタとの間の寸法が短いほど磁化されるヨークの径方向に略直角な方向の寸法が長くなる。

そのため、発電機の用途などに基づいて決定されるマグネットＭの強さや配設位置などにより磁化されるヨークの範囲も変わるので、厳密には、切り欠き部の深さも個別具体的に決定するようにすることが好ましい。

また、切り欠き部を深くするとコイルを周回する鎖交磁路の磁気抵抗が増加するので、多くの磁束を通過させる方が好ましいような用途においては、切り欠き部を浅くする方が好ましい。また、切り欠き部が浅ければヨークの強度も高くなるので、組立性を向上させることもできる。また、切り欠き部の深さがインダクタの厚み程度であれば、インダクタの曲げ加工用の逃げなどと兼用させることもできるので、切り欠き部を別途加工する工程を省くこともできる。

また、本発明者の得た知見によれば、少なくとも水栓用発電機においては、マグネットＭの端面とインダクタとの間の寸法より深い深さを有する切り欠き部を設けるようにすれば、磁路短絡の形成を効果的に抑制することができる。

前述した「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することができ、その分、原則として磁束も多くすることができる。しかし、前述した磁路の短絡の影響も大きく受けるので、前述した切り欠き部を設けることで磁路の短絡を抑制して、発電量やコイル効率を改善させることができる。また、切り欠き部による放熱も図ることができるので、コイルの発熱によるエネルギー損失を抑制することもできる。

また、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、本実施の形態のように切り欠き部を設けることの効果は大きい。また、切り欠き部を設けることは発熱による効率低下を抑制することにも効果がある。

以上の場合は、マグネットＭの内径とステータの内径、マグネットＭの外径とステータの外径とがほぼ同一の場合であるが、前述の切り欠き部は両者の内径、外径が同一でない場合においても設けた方が好ましい場合がある。

次に、ヨークのインダクタが設けられた側の一端を、マグネットＭの磁気誘導可能エリア４１から相対的に遠ざけるようにする他の実施形態について説明をする。

図１４は、マグネットＭの内径がステータの内径よりも大きく、かつ、マグネットＭの外径がステータの外径よりも小さい場合を説明するための模式斜視断面図である。
また、図１５は、図１４を上方から見たときの模式平面図であり、図１６は図１５におけるＡ−Ａ矢視断面図、図１７は図１５におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。

本実施の形態においては、マグネットＭの内径をステータの内径よりも大きくし、かつ、マグネットＭの外径をステータの外径よりも小さくすることで、ヨークのインダクタが設けられた側の一端のうち、インダクタの先端近傍に位置する部分がマグネットＭの磁気誘導可能エリア４１から相対的に遠ざかるようにされている。

前述したように、マグネットＭの径方向に略直角な方向の端面には、周方向に沿ってインダクタと同じ間隔でＮ極とＳ極とが交互に着磁されているため、多少のふくらみはあるもののマグネットＭによる磁界はマグネットＭの径方向に略直角な方向に形成される。そのため、磁気誘導可能エリア４１にヨーク２３２、２３３が直接含まれるようなことがない。
この場合、図１５〜図１７に示したように、インダクタの先端部がマグネットＭの内周または外周から出ないようにすれば、短絡磁路の形成を大幅に抑制することができる。この理由としては、マグネットＭが発生する磁束をインダクタで十分に受け取りつつ、インダクタによる磁気誘導可能エリアの拡大を押さえることができるためである。

本実施の形態によれば、切り欠き部を別途設ける必要がなく単純な構造で磁路短絡の形成を抑制することができる。そのため、製造性の観点からは有利である。

図１８は、マグネットＭの内径とステータの内径とがほぼ同一で、マグネットＭの外径がステータの外径よりも小さい場合を説明するための模式斜視断面図である。

このような場合においては、図８や図１３の場合と同様に、ヨーク２３３ａに連接するインダクタ２３３ｃの先端近傍のヨーク２３２ａに切り欠き部２３９を設ければよい。

すなわち、本実施の形態においては、マグネットＭの外径をステータの外径よりも小さくし、かつ、ヨークのうちの、マグネットＭの内周面側に位置する部分に備えられたヨーク２３２ａにインダクタ２３２ｃが設けられた一端側であって、インダクタ２３３ｃの先端近傍に位置する部分を切り欠いた切り欠き部２３９を設けることで、ヨーク２３２ａのインダクタ２３２ｃが設けられた側の一端のうち、インダクタ２３３ｃの先端近傍に位置する部分がマグネットＭの磁気誘導可能エリア４１から相対的に遠ざかるようにされている。

この場合、図１７の場合と同様に、ヨーク２３２ａに連接するインダクタ２３２ｃの先端部がマグネットＭの外周から出ないようにすることが好ましい。

本実施の形態においては、図１４で説明をしたものと比べて、マグネットＭの内径を小さくするようにしている。このように、マグネットＭを内側に拡大することで、マグネットＭを回転させるのに必要なトルクを抑えつつ、マグネットＭの表面積を大きくすることができる。その結果、回転させるのに必要なトルクを抑えつつ、マグネットＭから発生する磁束量を増加させることができる。

図１９は、マグネットＭの外径とステータの外径とがほぼ同一で、マグネットＭの内径がステータの内径よりも大きい場合を説明するための模式斜視断面図である。

このような場合においては、図８や図１３の場合と同様に、ヨーク２３２ｂに連接するインダクタ２３２ｄの先端近傍のヨーク２３３ｂに切り欠き部２４０を設ければよい。

すなわち、本実施の形態においては、マグネットＭの内径をステータの内径よりも大きくし、かつ、ヨークのうちの、マグネットＭの外周面側に位置する部分に備えられたヨーク２３３ｂにインダクタ２３３ｄが設けられた一端側であって、インダクタ２３２ｄの先端近傍に位置する部分を切り欠いた切り欠き部２４０を設けることで、ヨーク２３３ｂのインダクタ２３３ｄが設けられた側の一端のうち、インダクタ２３２ｄの先端近傍に位置する部分がマグネットＭの磁気誘導可能エリア４１から相対的に遠ざかるようにされている。

この場合、図１６の場合と同様に、ヨーク２３３ｂに連接するインダクタ２３３ｄの先端部がマグネットＭの内周から出ないようにすることが好ましい。

本実施の形態においては、図１４で説明をしたものと比べて、マグネットＭの外径を大きくするようにしている。このように、マグネットＭの外径を大きくするものとすれば、僅かに径を大きくするだけで表面積を大幅に大きくすることができ、マグネットＭから発生する磁束量をその分増加させることができる。また、外側で磁束量を確保する分、マグメットＭは内側に拡大する必要がないため、動翼羽根部の径を大きくすることができ、水力エネルギーを有効に回転エネルギーに変換することができる。

次に、本発明の実施の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。

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に図示される実施の形態においては、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。

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。本実施の形態では、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。

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５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インダクタ３２ａ、３３ａ及びこれらに連接する第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、発電が行われる。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。

以上、本発明の実施の形態について説明をした。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。

本発明の実施の形態に係る発電機を説明するための模式断面図である。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説明するための模式図である。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を説明するための模式断面図である。発電機における予旋回静翼、動翼、軸受を説明するための模式斜視図である。マグネットの模式斜視図である。比較例に係るステータの模式斜視断面図である。本発明の実施の形態に係る発電機におけるステータの模式平面図である。本発明の実施の形態に係る発電機におけるステータの模式斜視断面図である。インダクタ先端近傍のヨーク部分の磁化について説明をするための模式斜視分解図である。ステータ部分の模式斜視断面図である。切り欠き部の深さと発電量との関係を表すグラフ図である。切り欠き部の深さとコイル効率との関係を表すグラフ図である。深さの浅い切り欠き部を有するステータを例示するための模式斜視断面図である。マグネットの内径がステータの内径よりも大きく、かつ、マグネットの外径がステータの外径よりも小さい場合を説明するための模式斜視断面図である。図１４を上方から見たときの模式平面図である。図１５におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図１５におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。マグネットの内径とステータの内径とがほぼ同一で、マグネットの外径がステータの外径よりも小さい場合を説明するための模式斜視断面図である。マグネットの外径とステータの外径とがほぼ同一で、マグネットの内径がステータの内径よりも大きい場合を説明するための模式斜視断面図である。

符号の説明

１発電機、９ステータ、１３筒体、１４予旋回静翼、１５動翼、１５ａ動翼リング、３０コイル、３２第１ヨーク、３２ａインダクタ、３３第２ヨーク、３３ａインダクタ、３４第３ヨーク、３９切り欠き部、３９ａ切り欠き部、４０切り欠き部、４０ａ切り欠き部、４１磁気誘導可能エリア、４３実質的な磁気誘導可能エリア、５１封止部材、２３２ヨーク、２３２ａヨーク、２３２ｂヨーク、２３３ヨーク、２３３ａヨーク、２３３ｂヨーク、２３９切り欠き部、２４０切り欠き部、Ｍマグネット

Claims

給水流路に対して略平行な回転中心を有し、前記回転中心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環状を呈し、前記動翼と一体に回転可能なマグネットと、
前記マグネットの径方向に略直角な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インダクタと、前記インダクタに連接し、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、を有するステータと、
を備え、
少なくとも前記動翼の一部である動翼上流側部分を囲むようにして設けられた前記マグネットの内周面、または、前記動翼と前記マグネットとを一体化させる動翼リングの内周面より内側を流れる水流の力により前記動翼が回転し、
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、前記インダクタが設けられた一端側であって、前記インダクタの先端近傍に位置する部分を径方向に略直角な方向に切り欠いた切り欠き部を設けることで、前記ヨークの前記インダクタが設けられた側の一端のうち、前記インダクタの先端近傍に位置する部分が前記マグネットの磁気誘導可能エリアから相対的に遠ざかるようにされていること、を特徴とする水栓用発電機。
前記マグネットの内径を前記ステータの内径よりも大きくし、かつ、前記マグネットの外径を前記ステータの外径よりも小さくすることで、前記ヨークの前記インダクタが設けられた側の一端のうち、前記インダクタの先端近傍に位置する部分が前記マグネットの磁気誘導可能エリアから相対的に遠ざかるようにされていること、を特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
前記マグネットの外径を前記ステータの外径よりも小さくするとともに、前記ヨークのうちの、前記マグネットの内周面側に位置する部分において、前記インダクタが設けられた一端側であって、前記インダクタの先端近傍に位置する部分を切り欠いた切り欠き部を設けることで、前記ヨークの前記インダクタが設けられた側の一端のうち、前記インダクタの先端近傍に位置する部分が前記マグネットの磁気誘導可能エリアから相対的に遠ざかるようにされていること、を特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。
前記マグネットの内径を前記ステータの内径よりも大きくするとともに、前記ヨークのうちの、前記マグネットの外周面側に位置する部分において、前記インダクタが設けられた一端側であって、前記インダクタの先端近傍に位置する部分を切り欠いた切り欠き部を設けることで、前記ヨークの前記インダクタが設けられた側の一端のうち、前記インダクタの先端近傍に位置する部分が前記マグネットの磁気誘導可能エリアから相対的に遠ざかるようにされていること、を特徴とする請求項１記載の水栓用発電機。