JP2006064094A - 発電機付き転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で自己発電することのできるセンサ付き転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】外輪３０側に取り付けられた永久磁石６と、内輪３２に取り付けられた歯車形状の磁性体リング５と、を磁気センサ７、発電コイル３を挟んで対向させて配置する。磁性体リング５の凸部５Ａが対応位置Ｐにくるときに発電コイル３に通る磁束が存在する第１状態となり、凹部５Ｂが対向位置Ｐにくるときに発電コイル３に通る磁束が第１状態のときよりも減少する第２状態となり、これら第１、第２状態の切換えにより発電コイル３に起電力を発生する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自己発電機構を備えた発電機付き転がり軸受装置に関する。

自動車の車輪や産業機械の回転軸等を回転自在に支持するとともにその回転速度を検出する為の回転速度検出機構が付いた転がり軸受装置にさらに発電機の機能を付与した装置が開示されている。この装置は、内輪に固定された多極磁石と、外輪に固定された磁気センサ及び発電コイルを収容した円環状の磁性体リングを備えている（特許文献１参照）。
特開２００３−２６２６４５号公報（図３）

しかしながら、上記特許文献１の転がり軸受装置は、櫛歯状の成型品を組み合わせて磁性体リングを構成していることや、この磁性体リング内に発電コイルや磁気センサ等を設け、さらに多極磁石を設けることでその構成が複雑となっているので製造作業が煩雑である。また、内輪とともに回転する永久磁石の磁束の変化を電力として取りだしているが、この磁束の変化が小さく発電効率が悪いという問題がある。

本発明は、このような実情に鑑み、簡易な構成で自己発電することのできる発電機付き転がり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、互いに転動体を介して相対回転自在な対をなす軌道輪と、このうち一方の軌道輪側に取り付けられた永久磁石と、他方の軌道輪側に取り付けられかつ前記永久磁石と対向する磁性体リングと、前記永久磁石と前記磁性体リングとの間に配置された発電コイルと、を備え、前記磁性体リングはその外周に凸部と凹部とが交互に形成され、前記磁性体リングの凸部が前記永久磁石と対向するときに、前記発電コイルに通る磁束が存在する第１状態となり、前記磁性体リングの凹部が前記永久磁石と対向するときに、前記発電コイルに通る磁束が前記第１状態のときよりも減少する第２状態となり、前記両軌道輪の相対回転に伴う前記第１、第２状態の切り換えにより前記発電コイルに起電力を発生させることを特徴とする。

この場合、相対回転する軌道輪のうち、一つの軌道輪とともに回転する磁性体リングの外周に形成された凸部と凹部により、永久磁石と当該磁性体リングとの間隔が狭い（凸部が対向）第１状態と当該間隔の広い（凹部が対向）第２状態が交互に構成される。そして、第１状態では発電コイルに通る磁束が存在し、第２状態では発電コイルに通る磁束が第１状態のときよりも減少する。従って、この磁気回路の切り換えにより発電コイルを通る磁束の変化が起こり、この発電コイルに起電力を発生させることができる。

また、前記第２状態のとき、発電コイルを通る磁束が多いほど磁束の変化が小さくなり発電効率が低下する。そのため、上記の本発明において、前記第２状態のときに、前記発電コイルを通る磁束を減少させるように磁束を誘導するヨークが設けられていることが好ましい。この場合、永久磁石と磁性体リングとの間隔が広い第２状態のときに、発電コイルを通る磁束がさらに減少されるので、第１、第２磁気回路の切換えによる磁束の変化をより大きくすることができる。これにより発電効率を向上することができる。

また、上記の本発明において、前記第１状態における前記磁性体リングを通る磁束を誘導するヨークが設けられていることが好ましい。
この場合、第１状態における磁束が磁性体リングの方へ収束されるので発電コイルを通る磁束がより多くなる。これにより、第１、第２磁気回路の切換えによる磁束の変化をさらに大きくして発電効率をさらに向上することができる。

さらに、上記転がり軸受装置に軌道輪の速度検知機構を具備させてもよい。この速度検知機構を具備する場合、前記永久磁石と前記磁性体リングとの間に磁気センサが配置され、前記ヨークは前記第２状態のときに当該磁気センサを通る磁束を第１状態よりも減少させるように配置されていることが好ましい。
第１、第２磁気回路の切換えによる磁束の変化を磁気センサが検知するのであるが、当該第２磁気回路における磁気センサを通る磁束をより減少させることで当該磁気センサの検知精度が向上する。

本発明によれば、永久磁石と歯車形状をなす磁性体リングとの間に発電コイルを設けた簡易な構成で自己発電することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態のセンサ付き転がり軸受装置１は、図１に示すように、外輪３０（静止輪）と、回転軸３１に嵌合された内輪３２（回転輪）と、これら内輪３２と外輪３０との間に設けた複数の転動体３３と、当該内外輪３２，３０の一端部に設けられたセンサユニット２、及び発電コイル３とから構成されている。外輪内周面３０ａには外輪軌道３０ｂが形成されており、この外輪軌道３０ｂに対向するように内輪外周面３２ａに内輪軌道３２ａが形成されている。そして、転動体３３により外輪３０と内輪３２とが互いに相対回転自在となっており軸受装置１を構成している。また、センサユニット２は、外輪３０に固定された検知部４と、被検知部として内輪３２に固定された磁性体リング５とからなっている。検知部４は、円環状の永久磁石６と、この永久磁石６と磁性体リング５との間に配置された磁気センサ７と、永久磁石６に沿わせるように配置されたヨーク８とを備えており、磁気センサ７と磁性体リング５との間に発電コイル３が配置されている。

図１において、軸受装置１に設けられたセンサユニット２の外側及び外径側（図１右側及び上側）は、断面ほぼコの字型のカバー部材９で被われている。このカバー部材９の外径側の軸受装置１に当接するところに角部９ａが形成されており、この角部９ａが外輪３０の内側端部に嵌合されて当該カバー部材９が外輪３０に対して位置決めされている。
永久磁石６はカバー部材９に接触した状態でセンサユニット２内に固定されており、磁極Ｓ、Ｎが内径側及び外径側に形成されている。発電コイル３を設けているために永久磁石６と磁性体リング５との間隔が大きくなっており、そのため強力な磁場を作る磁気特性の高い永久磁石６が採用されている。また、この永久磁石６の内径側（図１下側）には磁気センサ７が配置されており、この磁気センサ７によって永久磁石６からでた磁束の変化が検知され回転速度信号として出力される。なお、この磁気センサ７にはホール素子が内蔵されたホールＩＣが採用されているが、これに限定されるものではない。

被検知部としての磁性体リング５は、検知部４の径内側でかつ永久磁石６と非接触状態で径方向に対向している。磁性体リング５は、図２（ｂ）等に示すように、内輪外周面３２ａ端部に当該端部からその一部を突出させた状態で外嵌されている。また、図に示すように磁性体リング５の外周面は小径部分と大径部分とからなる段付き形状、すなわち当該磁性体リング５は周縁に凸部５Ａと凹部５Ｂとが交互に設けられた歯車形状をなしている。従って、この磁性体リング５が回転することにより、永久磁石６と対向する位置Ｐ（以下、対向位置という）に凸部５Ａと凹部５Ｂとが交互に通過されて磁性体リング５と永久磁石６との間隔が変化する。
従って、永久磁石６と磁性体リング５との間隔が狭い（凸部５Ａが対向）第１状態と当該間隔の広い（凹部が対向）第２状態が交互に構成される。そして、第１状態では磁束Ｍ１が発電コイル３に通る第１磁気回路が主に形成され、第２状態では発電コイル３に通る磁束Ｍ２が通らない第２磁気回路が主に形成される。従って、第２状態では第１状態のときよりも発電コイル３に通る磁束が減少する。なお、磁性体リング５は、フェライト系のステンレス鋼などの防錆性を有する磁性体が用いられているが、これに限定するものではなくその他の磁性体を用いることができる。

発電コイル３は磁気センサ７と磁性体リング５との間に非接触状態で配置されている。この発電コイル３はプリント基板Ｂの一部として構成されているものであり、同プリント基板Ｂには交流電圧から直流電圧に変換するための整流回路１４がさらに形成されている。従って、図２（ｂ）では便宜上、発電コイル３を模式的に図示しているが、実際には図２（ａ）のように薄いプリント基板Ｂ上で渦巻き形状をなすものである。このように、本実施形態は、発電コイル３を磁気センサ７と磁性体リング５との間に配置するという非常に簡易な構成となっている。

ヨーク８は、径内方向に延びる立方形状をなしており、内外輪３２，３０で形成された軸受空間と前記検知部４とを仕切るようにセンサユニット２の内側（図１左側）に設けられている。また、このヨーク８の径外側の端面８ａがカバー部材９の端部内面に固定されており、そこから永久磁石６に沿うように配置されている。このヨーク８の配置、すなわち当該ヨーク８と永久磁石６との間隔は前記第２状態のときに、磁束を誘導して発電コイル３に通る磁束をさらに減少させるように設定されている。また、ヨーク８と永久磁石６との間隔は磁気センサ７を通る磁束が第１状態よりも第２状態の方が減少するように設定されており、磁気回路の切換えによる磁束の変化を大きくして当該磁気センサ７の検知精度を向上している。
また、ヨーク８の径内側の先端８ｂは磁気センサ７及びプリント基板Ｂを越えて磁性体リング５の凹部５Ｂに近い位置まで延ばされており、第１磁気回路における磁性体リング５を通る磁束を誘導するような長さで構成されている。

さらに、カバー部材９の内側には二次電池１０、送信機１１、送信アンテナ１２が組み込まれている。二次電池１０は発電した電力をこれに溜めて磁気センサ７や送信機１１の電源とされ、送信機１１と送信アンテナ１２は、磁気センサ７の検出信号等を電波として送信するものである。従って、図のように発電コイル３のあるプリント基板Ｂは導線１３を介して二次電池１０等（図では二次電池及び送信機を一体として示している）へ繋がっている。また、磁気センサ７で検出された信号は、導線１３で送信機１１に送られるようになっており、この送信機１１から送信アンテナ１２を介して装置１外の受信機へワイヤレスで送信される。また、センサユニット２の検知部４内には樹脂Ｒが充填されており二次電池１０、送信機１１、送信アンテナ１２が位置決めされるとともに当該検知部４内に固定されている。

次に、上記軸受装置１の回転速度検知及び発電機能を説明する。軸受装置１に設けられた前記センサユニット２は磁気センサ７により内輪３２の回転数を検知するのと同時に、同内輪３２の回転により発電コイル３に起電力を発生させるものである。
内輪３２の回転に伴ってこれに外嵌された磁性体リング５が回転すると、この磁性体リング５の凸部５Ａと凹部５Ｂとが永久磁石６の対向位置Ｐを交互に通過する。従って、図３（ａ）、（ｂ）に示すように凹部５Ｂが対向位置Ｐにくる第２状態では永久磁石６と磁性体リング５との間隔が広がり、図２（ａ）、（ｂ）に示すように凸部５Ａが対向位置Ｐにくる第１状態ではそれとは反対に当該間隔が狭まる。すなわち磁性体リング５の回転によって、永久磁石６と磁性体リング５との間隔が変化し第１状態と第２状態が交互に構成されることになる。

そして、第１状態では永久磁石６からでた磁束Ｍ１は磁気センサ７及び発電コイル３を通って凸部５Ａから磁性体リング５に入る第１磁気回路が主となり、第２状態では磁束Ｍ２は磁気センサ７及び発電コイル３を逸れてヨーク８に入る第２磁気回路が主となる。従って、第１状態よりも第２状態の方が発電コイル３を通る磁束が減少する。これにより、内輪３２の回転によって第１、第２状態が切り換えられて発電コイル３を通る磁束の変化が起こる。磁束の変化が起こると発電コイル３に起電力が生じこれが磁気センサ７等の電源となる。

また、永久磁石６に沿うように配置されたヨーク８を設けているため、第２状態のときに発電コイル３に通る磁束をより減少させることができ、第１、第２磁気回路の切換えによる磁束の変化をより大きして発電効率を向上することができる。また、第１状態において、第１磁気回路における磁性体リング５を通った後の磁束を誘導するように、ヨーク８の先端８ｂが磁性体リング５まで延ばされているので、第１磁気回路における磁束が磁性体リング５の方へ収束されて発電コイル３を通る磁束がより多くなる。これにより、第１、第２磁気回路の切換えによる磁束の変化をさらに大きくして発電効率をさらに向上することができる。

また、磁性体リング５の凹部５Ｂの深さ、永久磁石６と凹部５Ｂ底面（若しくは凸部５Ａ上面）との間隔、永久磁石６とヨーク８との間隔は、第１、第２磁気回路が効率良く切り替わって磁束の変化が大きくなるように設定されるが、効率良く切り換えるには磁性体リング５やヨーク８を構成する素材の特性や永久磁石６の磁気特性等も関係している。従って、各部材の配置、素材にはそれらを考慮して最適な寸法、素材が選択される。例えば、第２磁気回路が形成されているときに、磁束Ｍ２がヨーク８の方へ入るようにするために永久磁石６にヨーク８を近付ければよいのであるが、あまり近すぎると第１磁気回路が形成されているときに磁束Ｍ１がヨーク８側へ残ってしまい磁束の変化が大きくならないようなことがおこるからである。なお、本実施形態では、ヨーク８の径内側の先端８ｂは磁性体リング５の凹部５Ｂに近い位置まで延ばされているが、当該先端８ｂを磁性体リング５の凸部５Ａ（対向位置Ｐから一つずれたところの凸部）に近い位置にくるようにしてもよい。この場合、第１磁気回路における磁束は当該凸部５Ａから出て当該先端８ｂに入るようになり、磁束がより収束されるので発電効率が向上する。

また、発電コイル３における起電力は交流となっているため整流回路１４で直流に変換され、この電力を二次電池１０に溜めて磁気センサ７、送信機１１の電源とする。従って、別に電源を設ける必要がなくコンパクトな構成となる。また、磁気センサ７で検出された信号は送信機１１、送信アンテナ１２を介してワイヤレスで送信できるので、軸受装置１からハーネスを導出する必要が無く、当該軸受装置１の組み立てに手間がかからず、軸受装置１と外部機器との断線という問題も起こらない。

以上説明したように、磁性体リング５が設けられた内輪３２が回転軸３１と一体に回転すると、これに伴って発電コイル３を通る磁束Ｍ１、Ｍ２が変化し起電力が生じ、この電力を電源として使用することができる。従って、永久磁石６と磁性体リング５との間に磁気センサ７を設けた従来の回転速度検知機構に、発電コイル３を設けるという簡易な構成で自己発電を行うことができ、さらにヨーク８を設けることによりその発電効率を向上することができる。これにより、製造作業に手間がかからず製造コストを下げることができ、小型で効率の良い発電ができる。

上記実施形態は例示であって制限的なものではない。永久磁石６やヨーク８、磁性体リング５の形状を変更してもよく、軸受装置１に他のセンサ機器をさらに組み込んで発電した電力をこれらの電源としてもよい。また、本発明は上記実施形態の転がり軸受に限らずあらゆるタイプの転がり軸受に適用することができる。

センサ付き転がり軸受装置の一実施形態を示す断面図である。 （ａ）は、第１磁気回路が形成されているときの同拡大図であり、（ｂ）は、同模式図である。 （ａ）は、第２磁気回路が形成されているときの同拡大図であり、（ｂ）は、同模式図である。

符号の説明

１ センサ付き転がり軸受装置
２ センサユニット
３ 発電コイル
５ 磁性体リング
６ 永久磁石
７ 磁気センサ
８ ヨーク
１０ 二次電池
１４ 整流回路
３２ 内輪
Ｐ 対向位置
Ｍ１、Ｍ２ 磁束

Claims (4)

1. 互いに転動体を介して相対回転自在な対をなす軌道輪と、このうち一方の軌道輪側に取り付けられた永久磁石と、他方の軌道輪側に取り付けられかつ前記永久磁石と対向する磁性体リングと、前記永久磁石と前記磁性体リングとの間に配置された発電コイルと、を備え、
   前記磁性体リングは、その外周に凸部と凹部とが交互に形成され、
   前記磁性体リングの凸部が前記永久磁石と対向するときに、前記発電コイルに通る磁束が存在する第１状態となり、
   前記磁性体リングの凹部が前記永久磁石と対向するときに、前記発電コイルに通る磁束が前記第１状態のときよりも減少する第２状態となり、
   前記両軌道輪の相対回転に伴う前記第１、第２状態の切り換えにより前記発電コイルに起電力を発生させることを特徴とする発電機付き転がり軸受装置。
2. 前記第２状態のときに、前記発電コイルを通る磁束を減少させるように磁束を誘導するヨークが設けられている請求項１に記載の発電機付き転がり軸受。
3. 前記第１状態における前記磁性体リングを通る磁束を誘導するヨークが設けられている請求項１又は２に記載の発電機付き転がり軸受装置。
4. 前記永久磁石と前記磁性体リングとの間に磁気センサが配置され、前記ヨークは前記第２状態のときに当該磁気センサを通る磁束を前記第１状態よりも減少させるように配置されている請求項２又は３に記載の発電機付き転がり軸受装置

Images