JP2019180183A - センサ付き発電ユニットおよびセンサ付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に組立可能なセンサ付き発電ユニットおよびセンサ付き軸受を提供する。【解決手段】第１部品と、前記第１部品に対して回転軸を中心に相対的に回転する第２部品と、第１部品と第２部品との相対的な回転に基づいて発電する発電部と、発電部が発電する電力によって充電される、充放電可能な蓄電部と、蓄電部に蓄電された電力が供給されるセンサと、を備え、発電部は、回転軸を中心とする円の円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラックと、磁気トラックと対向する位置に配置されるコイル基板と、を有し、コイル基板は、基板と、基板に設けられた平面コイルを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、センサ付き発電ユニットおよびセンサ付き軸受に関する。

特許文献１及び特許文献２には、軸受周囲の各種物理量をセンサにより検出し、検出情報を受信側装置へ無線送信するセンサ付きの軸受が記載されている。

特開２００３−３０７４３５号公報 特開２０１６−１３０５７７号公報

センサ付き軸受では、発電部で発電された電力がセンサや通信回路に供給される。センサ付き軸受の組立の容易化が望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、容易に組立可能なセンサ付き発電ユニットおよびセンサ付き軸受を提供することを目的とする。

一態様に係るセンサ付き発電ユニットは、第１部品と、前記第１部品に対して回転軸を中心に相対的に回転する第２部品と、前記第１部品と前記第２部品との相対的な回転に基づいて発電する発電部と、前記発電部が発電する電力によって充電される、充放電可能な蓄電部と、前記蓄電部に蓄電された電力が供給されるセンサと、を備え、前記発電部は、前記回転軸を中心とする円の円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラックと、前記磁気トラックと対向する位置に配置されるコイル基板と、を有し、前記コイル基板は、基板と、前記基板に設けられた平面コイルを有する。

これによれば、センサ付き発電ユニットを間座のように軸受に取り付けることによって、センサ付き軸受を構成することができる。例えば、センサ付き発電ユニットの第１部品を軸受の外輪に押圧して固定し、第２部品を軸受の内輪に押圧して固定することによって、センサ付き軸受を構成することができる。また、センサ付き発電ユニットを軸受に取り付ける前、または、取り外した後は、コイル基板と磁気トラックは、磁力で引き付け合って一体化することができる。コイル基板と磁気トラックとがばらばらにならないので、センサ付き発電ユニットの取扱いが容易である。

望ましい態様として、前記コイル基板は、前記平面コイルとして、前記基板の厚さ方向に積層された複数の平面コイルを有する。これによれば、平面コイルの積層数を変化させ発電量を調整することが可能である。

望ましい態様として、前記平面コイルは、第１方向に延びる複数の第１導電部と、前記第１方向と平面視で交差する第２方向に延びる複数の第２導電部と、を有し、前記第１導電部と前記第２導電部は交互に直列に接続されている。これによれば、平面コイルが第１導電部のみを有する場合と比べて、平面コイルの長さを長くすることができる。

望ましい態様として、前記第１方向は、前記回転軸を中心とする円の円周方向であり、前記第２方向は、前記回転軸を中心とする円の径方向である。これによれば、平面コイルの長さを長くすることができる。

望ましい態様として、前記コイル基板は、前記基板に設けられた複数のヨーク、をさらに有し、前記ヨークは、平面視で、前記第１導電部の一方の側に位置する第１ヨークと、前記第１導電部の他方の側に位置する第２ヨークと、を含み、前記回転軸を中心とする円の円周方向において、前記第１ヨークと前記第２ヨークは交互に配置されている。これによれば、第１ヨークを通る磁束密度の変化の位相と、第２ヨークを通る磁束密度の変化の位相とが１８０°ずれている場合、第１ヨークを通る磁束密度の変化によって第１導電部に生じる誘導電流と、第２ヨークを通る磁束密度の変化によって第１導電部に生じる誘導電流とを、同じ方向に流すことが可能である。

望ましい態様として、前記第１ヨークと前記第２ヨークとの間に前記第２導電部が配置されている。これによれば、第１ヨークを通る磁束密度の変化の位相と、第２ヨークを通る磁束密度の変化の位相とが１８０°ずれている場合、第１ヨークを通る磁束密度の変化によって第２導電部に生じる誘導電流と、第２ヨークを通る磁束密度の変化によって第２導電部に生じる誘導電流とを、同じ方向に流すことが可能である。

望ましい態様として、前記回転軸を中心とする円の円周方向において、隣り合う前記ヨークの中心間の距離は、隣り合う前記Ｎ極及び前記Ｓ極の中心間の距離と同じ長さである。これによれば、第１ヨークを通る磁束密度の変化の位相と、第２ヨークを通る磁束密度の変化の位相とを、１８０°ずらすことが可能である。

望ましい態様として、前記蓄電部に蓄電された電力と、前記センサで検出される物理量又は化学量に関する検出データとが供給される制御部、をさらに備え、前記制御部は、前記検出データを記憶する記憶回路と、前記記憶回路に記憶される前記検出データを外部に送信する通信回路と、を有する。これによれば、センサ付き発電ユニットは、周囲の各種物理量または化学量をセンサにより検出し、検出データを記憶するとともに、受信側の装置へ送信することができる。

本発明の一態様に係るセンサ付き軸受は、上記のセンサ付き発電ユニットと、前記センサ付き発電ユニットが取り付けられる軸受と、を備える。これによれば、容易に組立可能なセンサ付き軸受を構成することができる。

望ましい態様として、前記センサ付き発電ユニットと前記軸受とを収容する筐体と、前記第１部品を前記軸受の外輪に押圧して固定する第１固定部品と、前記第２部品を前記軸受の内輪に押圧して固定する第２固定部品と、を備える。これによれば、センサ付き発電ユニットの第１部品を軸受の外輪に押圧して固定し、第２部品を軸受の内輪に押圧して固定することによって、センサ付き軸受を構成することができる。

本発明によれば、容易に組立可能なセンサ付き発電ユニットおよびセンサ付き軸受を提供することができる。

図１は、本実施形態のセンサ付き軸受の斜視図である。 図２は、本実施形態のセンサ付き軸受の分解斜視図である。 図３は、本実施形態のセンサ付き軸受の分解斜視図である。 図４は、本実施形態のカバーとコイル基板の構成例を示す平面図である。 図５は、本実施形態の磁気トラックの構成例を示す平面図である。 図６は、本実施形態の発電部の構成例を示す平面図である。 図７は、本実施形態のセンサ付き発電ユニットにおける起電力の電圧と時間との関係を説明するための説明図である。 図８は、図６に示した平面図をＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ’線で切断した断面図である。 図９は、本実施形態のセンサ付き軸受の構成例を示す断面図である。 図１０は、図９の一部ｒｅ１を拡大して示す断面図である。 図１１は、本実施形態のセンサ付き軸受の基板に搭載されている回路の構成例を示す図である。 図１２は、センサ付き軸受の組立方法を工程順に示す断面図である。 図１３は、センサ付き軸受の組立方法を工程順に示す断面図である。 図１４は、センサ付き軸受の組立方法を工程順に示す断面図である。 図１５は、センサ付き軸受の組立方法を工程順に示す断面図である。

発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、本実施形態のセンサ付き軸受の斜視図である。図２及び図３は、本実施形態のセンサ付き軸受の分解斜視図である。図２はセンサ付き軸受１をカバー１０側から見た図であり、図３はセンサ付き軸受１を軸受１２０側から見た図である。図１から図３に示すように、センサ付き軸受１は、センサ付き発電ユニット１００と、軸受１２０とを備える。軸受１２０の一方の側面に、センサ付き発電ユニット１００が取り付けられる。図２及び図３に示すように、センサ付き発電ユニット１００は、カバー１０と、コイル基板２０と、回転部３０と、回路基板４０と、バックカバー６０と、を備える。

カバー１０は、リング状の天板１２と、天板１２の周囲に接続された筒状の側板１１とを有する。カバー１０は、ケイ素鋼板、炭素鋼（ＪＩＳ規格 ＳＳ４００又はＳ４５Ｃ）、マルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４２０）又はフェライト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４３０）のいずれかのような磁性を有する材料で形成される。

図３に示すように、回路基板４０は、天板１２の一方の面１２Ａに取り付けられている。一方の面１２Ａは、軸受１２０と対向する側の面である。回路基板４０は、電源基板４１と、センサ基板４２とを有する。例えば、図１及び図２に示すように、天板１２に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルト１９Ｂが締結することで、電源基板４１とセンサ基板４２とが天板１２に固定される。図１及び図２に示すように、ボルト１９Ｂは、カバー１０に取り付けられた状態で、カバー１０から突出しない長さを有する。

また、カバー１０には、貫通孔が開けられている。この貫通孔は、樹脂などの非磁性材料で形成された非磁性蓋１７で密閉されている。後述するように、センサ基板４２には、アンテナ４７（後述の図４参照）が実装される。カバー１０は磁性を有するので、アンテナ４７からの電磁波をシールドする作用を有する。しかし、アンテナ４７は非磁性蓋１７と対向する位置に配置される。このため、アンテナ４７の電磁波ＷＶは、非磁性蓋１７を介して、通信部１５１へ到達することができる。

コイル基板２０は、天板１２の一方の面１２Ａに取り付けられている。例えば、天板１２の中央には、貫通した開口部Ｈ１２が設けられている。開口部Ｈ１２の周囲には、他の部分よりも厚さが小さい段差部が設けられている。コイル基板２０は、この段差部に嵌め込まれることによって、天板１２に対して位置決めされている。また、天板１２の一方の面１２Ａと、コイル基板２０の表面は、面一（または、ほぼ面一）となっている。コイル基板２０は、例えば接着剤を介して天板１２の一方の面に固定されている。

図４は、本実施形態のカバーとコイル基板の構成例を示す平面図である。図４に示すように、天板１２の一方の面１２Ａには、電源基板４１とセンサ基板４２とが取り付けられている。電源基板４１とセンサ基板４２は、平面視で、側板１１とコイル基板２０との間に位置する。電源基板４１には、電源部４３が実装されている。電源部４３は、発電部５０（後述の図１１参照）から供給された単相交流電力を直流電圧に変換して、センサ基板４２へ供給する。なお、発電部５０は、コイル基板２０と磁気トラック３１とで構成される。

センサ基板４２には、センサ４４と、通信回路を有する制御部４５と、アンテナ４７とが実装されている。電源部４３からの直流電力は、センサ４４及び制御部４５に供給される。センサ４４、制御部４５及びアンテナ４７は、別々のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップで構成されていてもよいし、それらの一部又は全部が１つのＩＣチップで構成されていてもよい。また、センサ４４は、例えば、加速度センサ４４１と、温度センサ４４２及び角度センサ４４３を有する。

図４に示すように、コイル基板２０は、フレキシブル基板２１と、フレキシブル基板２１に設けられたコイルパターン２３と、フレキシブル基板２１に設けられた複数のヨーク２５と、を有する。フレキシブル基板２１の平面視による形状は、回転軸Ａｘを中心とする正円のリング状である。コイルパターン２３は、フレキシブル基板２１の厚さ方向に積層された複数の平面コイルを有する。平面コイルとは、絶縁体の所定の面上にパターニングされて設けられた導電体のパターンである。本実施形態においては、導電体のパターンが絶縁体の複数の面上に形成されている。これに限られず、導電体のパターンが絶縁体の１つの面上に形成されていてもよい。コイルパターン２３の断面視による構造は、後で図８を参照しながら説明する。コイルパターン２３のターン数は平面コイルの積層数に比例する。本実施形態では、センサ付き発電ユニット１００の用途によって、平面コイルの積層数を変化させ発電量を調整しても良い。

図４に示すように、コイルパターン２３の両端は、リード線１６を介して電源基板４１に接続される。なお、本実施形態において、コイルパターン２３と電源基板４１との接続は、リード線１６ではなく、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）コネクタを介して行われてもよい。または、コイル基板２０を延長して電源基板４１と直接接続されてもよい。ＦＰＣコネクタを使用した接続では、半田が不要となるので、センサ付き発電ユニット１００の生産性をさらに高めることができる。

図４に示すように、コイルパターン２３は、平面視で第１方向に延びる複数の第１導電部２３１と、第１方向と平面視で交差する第２方向に延びる複数の第２導電部２３２と、を有する。第１方向は、例えば、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向である。第２方向は、例えば、回転軸Ａｘを中心とする円の径方向である。第１導電部２３１と第２導電部２３２は、交互に直列に接続されている。

ヨーク２５は、平面視で、第１導電部２３１の一方の側に位置する第１ヨーク２５Ａと、第１導電部２３１の他方の側に位置する第２ヨーク２５Ｂとを有する。例えば、第１ヨーク２５Ａは、第１導電部２３１よりも回転軸Ａｘから遠い側に位置する。第２ヨーク２５Ｂは、第１導電部２３１よりも回転軸Ａｘから近い側に位置する。但し、第１ヨーク２５Ａと回転軸Ａｘとの距離と、第２ヨーク２５Ｂと回転軸Ａｘとの距離は、互いに同じ長さである。

例えば、コイルパターン２３は、平面視で、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向に沿って凹凸が交互に並ぶように延設されている。この凹凸の凹部２３３にヨーク２５が１つずつ配置されている。

図５は、本実施形態の磁気トラックの構成例を示す平面図である。図５に示すように、磁気トラック３１の平面視による形状は、回転軸Ａｘを中心とする正円のリング状である。磁気トラック３１は、Ｎ極３１ＮとＳ極３１Ｓとからなる磁極対３１１を複数有する。複数の磁極対３１１は、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向に並んでいる。Ｎ極３１Ｎ及びＳ極３１Ｓは、交互に配置されている。

図２及び図３に示したように、回転部３０は、磁気トラック３１と、リング状の基材３３と、リング状の取付け治具３５と、を有する。基材３３及び取付け治具３５は、金属製である。磁気トラック３１は、基材３３の一方の面側に設けられている。取付け治具３５は、基材３３の他方の面側に固定されている。取付け治具３５は、基材３３の他方の面側から、基材３３の中央に位置する貫通した開口部Ｈ３３を通って、基材３３の一方の面側に突き出ている。基材３３の一方の面側はカバー１０と対向する面側である。基材３３の他方の面側はバックカバー６０と対向する面側である。

本実施形態では、磁気トラック３１と基材３３とを合わせて、エンコーダマグネットという。例えば、エンコーダマグネットは、金属製の基材の一方の面にプラスチックマグネットが形成され、形成されたプラスチックマグネットの表面にＮ極とＳ極とが交互に着磁されることにより形成される。取付け治具３５は、エンコーダマグネットを、軸部１４０（後述の図９参照）に取り付けるために使用される。

本実施形態では、取付け治具３５の形状や内径寸法を変化させることで、センサ付き発電ユニット１００を様々な軸受サイズに対応させることができる。また、磁気トラック３１の磁極対３１１の数や、磁気トラック３１のマグネット材料を変更することで、発電部５０の発電量を調整することもできる。また、本実施形態では、センサ付き発電ユニット１００を様々な軸受サイズに対応させるため、回転部３０をエンコーダマグネットと取付け治具３５と分離可能な構成としている。なお、軸受サイズが１種類に限定される場合は、エンコーダマグネットと取付け治具３５とを一体成形してもよい。この場合は、センサ付き発電ユニット１００の生産性が向上する。

図６は、本実施形態の発電部の構成例を示す平面図である。図６は、コイル基板２０に磁気トラック３１を重ねた状態を示している。図６に示すように、回転軸Ａｘを中心（図４、図５参照）とする円の円周方向において、隣り合う一方のヨーク２５（例えば、第１ヨーク２５Ａ）と他方のヨーク２５（例えば、第２ヨーク２５Ｂ）との間の中間に、第２導電部２３２が位置する。回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向において、隣り合うヨーク２５の中心間の距離を２５ｐとし、隣り合う第２導電部２３２の中心間の距離を２３ｐとする。例えば、距離２３ｐと距離２５ｐは、互いに同じ長さである。

回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向において、Ｎ極３１Ｎの長さ３１Ｌ１と、Ｓ極３１Ｓの長さ３１Ｌ２は、互いに同じ長さである。また、Ｎ極３１Ｎの長さ３１Ｌ１と、Ｓ極３１Ｓの長さ３１Ｌ２は、ヨーク２５の中心間の距離２５ｐと同じ長さである。

図５に示すように、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向において、隣り合うＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとの中心間の距離を３１ｐとする。Ｎ極３１ＮとＳ極３１Ｓの中心間の距離３１ｐは、ヨーク２５の中心間の距離２５ｐと同じ長さになっている。

本実施形態では、回転軸Ａｘを中心に、コイル基板２０に対して磁気トラック３１が相対的に回転すると、第１ヨーク２５ＡがＮ極と対向するときは、第２ヨーク２５ＢはＳ極と対向する。また、第１ヨーク２５ＡがＳ極と対向するときは、第２ヨーク２５ＢはＮ極と対向する。第１ヨーク２５Ａ及び第２ヨーク２５Ｂは、磁気トラック３１の同一磁極と対向することはない。これにより、第１ヨーク２５Ａを通る磁束密度の変化の位相と、第２ヨーク２５Ｂを通る磁束密度の変化の位相は、１８０°ずれた状態となる。

上述したように、第１ヨーク２５Ａは、第１導電部２３１よりも回転軸Ａｘから遠い側に位置する。第２ヨーク２５Ｂは、第１導電部２３１よりも回転軸Ａｘに近い側に位置する。このため、第１ヨーク２５Ａを通る磁束密度の変化によってコイルパターン２３に生じる誘導電流と、第２ヨーク２５Ｂを通る磁束密度の変化によってコイルパターン２３に生じる誘導電流は、同じ方向に流れる。

図７は、本実施形態のセンサ付き発電ユニットにおける起電力の電圧と時間との関係を説明するための説明図である。図７の横軸は時間Ｔであり、縦軸は起電力の電圧Ｖｉである。コイル基板２０が固定され、磁気トラック３１が相対的に回転すると、ヨーク２５と対向する磁極が交互に替わる。これにより、ヨーク２５を通る磁束密度が周期的に変化する。この磁束密度の周期的な変化に応じて、ヨーク２５の周りに位置するコイルパターン２３に電圧変化（例えば、正弦波の交流電圧）が発生する。

図８は、図６に示した平面図をＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ’線で切断した断面図である。図８に示すように、コイルパターン２３は、厚さ方向に積層された複数の平面コイル２３Ａから２３Ｆを有する。例えば、コイル基板２０は、厚さ方向に積層された６層のフレキシブル基板２１Ａから２１Ｆと、厚さ方向に積層された６層の平面コイル２３Ａから２３Ｆと、を有する。平面コイル２３Ａから２３Ｆにおいて、厚さ方向で隣り合う平面コイル間にはフレキシブル基板２１が配置されている。また、フレキシブル基板２１Ｂから２１Ｆには貫通穴Ｈ２１が設けられている。貫通穴Ｈ２１に、ヨーク２５が埋め込まれている。

また、フレキシブル基板２１Ｆ上には絶縁性の保護膜２７が設けられている。コイルパターン２３のうち、最上層に位置する平面コイル２３Ｆは保護膜２７で覆われている。また、ヨーク２５の上面は保護膜２７から露出している。なお、図８では、ヨーク２５の上面が保護膜２７と面一となっている状態を示しているが、本実施形態では、ヨーク２５は保護膜２７から突き出ていてもよい。

平面コイル２３Ａから２３Ｆの平面視による形状は、互いに同一である。例えば、図６に示したように、平面コイル２３Ａから２３Ｆは、それぞれ複数の第１導電部２３１と複数の第２導電部２３２とを有する。また、平面コイル２３Ａから２３Ｆは、例えば、コイルパターン２３の延設方向の両端部において、互いに接続されている。つまり、平面コイル２３Ａから２３Ｆは、互いに並列に接続されている。

図９は、本実施形態のセンサ付き軸受の構成例を示す断面図である。図１０は、図９の一部ｒｅ１を拡大して示す断面図である。図９及び図１０に示すように、センサ付き軸受１は、センサ付き発電ユニット１００と、センサ付き発電ユニット１００が取り付けられる軸受１２０と、センサ付き発電ユニット１００と軸受１２０とを収容する筐体１３０と、センサ付き発電ユニット１００と軸受１２０とに通される軸部１４０と、を備える。また、センサ付き発電ユニット１００は、第１スペーサ１３１と、第２スペーサ１３３と、ベアリングナット１３５と、固定カバー１３７と、を備える。

軸受１２０は、外輪１２１と、内輪１２２と、転動体１２３とを有する。第１スペーサ１３１は、筐体１３０の内側面と外輪１２１との間に配置されている。第１スペーサ１３１は、外輪１２１と筐体１３０の内側面との間の隙間を埋めている。第２スペーサ１３３は、リング状の部材である。第２スペーサ１３３の中央の貫通穴には、軸部１４０が通されている。第２スペーサ１３３は、回転部３０の取付け治具３５に接触している。第２スペーサ１３３の外縁の直径（外径）は、カバー１０の開口部Ｈ１２（図２参照）の直径よりも小さい。このため、第２スペーサ１３３は、軸部１４０に通された状態で、カバー１０と接触することはない。

ベアリングナット１３５は、軸部１４０に螺合されている。ベアリングナット１３５は、第２スペーサ１３３を介して、取付け治具３５を内輪１２２側に押圧している。これにより、回転部３０は、内輪１２２に固定されている。固定カバー１３７は、図示しないねじによって筐体１３０に取り付けられている。固定カバー１３７は、カバー１０を外輪１２１側に押圧している。これにより、カバー１０は、外輪１２１に固定されている。図１０に示すように、カバー１０と、バックカバー６０との間には、スペースＳ１０が設けられている。スペースＳ１０に、電源基板４１及びセンサ基板４２（図４参照）が配置されている。

図１１は、本実施形態のセンサ付き軸受の基板に搭載されている回路の構成例を示す図である。図１１に示すように、センサ付き軸受１の回路基板４０（図３参照）に搭載されている回路４０Ａは、発電部５０と、電源部４３と、センサ４４と、制御部４５と、アンテナ４７と、を含む。発電部５０は、磁気トラック３１（図２参照）とコイル基板２０（図３参照）と、で構成される。また、電源部４３は、整流回路４３１と、平滑回路４３２と、蓄電回路４３３と、充放電可能な蓄電部４３４と、定電圧出力回路４３６と、を有する。

発電部５０は、単相交流電力を発電して電源部４３の整流回路４３１に出力する。整流回路４３１は、発電部５０で発電された単相交流電力を全波整流して直流電力へと変換し、直流電力を平滑回路４３２に出力する。整流回路４３１としてダイオードブリッジが例示されるが、本実施形態はこれに限定されない。平滑回路４３２は、整流回路４３１から出力された直流電力を平滑化して、直流電力から交流成分を低減する。そして、平滑回路４３２は、交流成分が低減された直流電力を蓄電回路４３３に出力する。蓄電回路４３３は、平滑回路４３２から出力された直流電力によって蓄電部４３４を充電する。定電圧出力回路４３６は、蓄電部４３４から出力される直流電力を一定電圧に調整して、センサ４４及び制御部４５に出力する。

センサ４４は、供給される直流電力を使用して、各種の物理量又は化学量を検出する。例えば、センサ４４は、軸受１２０（図２、図３参照）の振動を検出する加速度センサ４４１と、軸受１２０の周囲温度を検出する温度センサ４４２と、外輪１２１（図１０参照）に対する内輪１２２（図１０参照）の相対的な回転角度を検出する角度センサ４４３とを有する。

例えば、角度センサ４４３は、磁気トラック３１の側方に位置する。磁気トラック３１の側方から磁気が漏れ、漏れた磁気を角度センサ４４３が検出する。また、磁気トラック３１を有する回転部３０は内輪１２２に固定されている。角度センサ４４３は、内輪１２２と共に磁気トラック３１が回転することによって変化する磁束密度を検出することによって、外輪１２１に対する内輪１２２の回転角度を検出する。

また、図示しないが、センサ４４は、軸受１２０の周囲湿度を検出する湿度センサ、軸受１２０の潤滑油の酸化劣化に伴って生じるガス状の炭化水素、硫化水素、アンモニア等を検出するガスセンサ、軸受１２０において生じる摩擦音を検出する超音波センサ等を有してもよい。

制御部４５は、センサ４４によって検出されたデータを記憶したり、アンテナ４７を介して外部に送信したりする。例えば、制御部４５は、制御回路４５１と、記憶回路４５２と、通信回路４５３と、を有する。制御回路４５１は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。記憶回路４５２は、不揮発性メモリを有する。不揮発性メモリとして、ＮＡＮＤ型又はＮＯＲ型のフラッシュメモリが例示される。通信回路４５３は、制御回路４５１を構成するＣＰＵに含まれている。または、通信回路４５３は、ＣＰＵとは別のＩＣチップで構成されていてもよい。

制御回路４５１は、記憶回路４５２と通信回路４５３とを制御する。例えば、制御回路４５１は、センサ４４によって検出された各種データをアナログデータからデジタルデータに変換する（すなわち、Ａ／Ｄ変換する）。また、制御回路４５１は、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータを記憶回路４５２に書き込む。制御回路４５１は、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータをキャッシュメモリに一時的に記憶し、一時的に記憶したデジタルデータを任意のタイミングで読み出して記憶回路４５２に書き込んでもよい。また、制御回路４５１は、記憶回路４５２からデジタルデータを読み出して、通信回路４５３に出力する。

通信回路４５３は、制御回路４５１の制御下で、記憶回路４５２から読み出されたデジタルデータをアンテナ４７を介して外部に送信する。例えば、図１に示したように、通信回路４５３は、電磁波ＷＶの無線通信により、デジタルデータを外部に送信する。送信されたデジタルデータは、上位装置１５０の通信部１５１で受信される。通信部１５１で受信したデジタルデータは、コンピュータ１５２で処理される。このように、センサ付き軸受１は、デジタルデータを無線で送信することができるので、小型化が可能になる。なお、本実施形態において、通信回路４５３によるデジタルデータの外部への送信は、無線ではなく、有線であってもよい。

次に、センサ付き軸受１の組立方法を説明する。図１２から図１５は、センサ付き軸受の組立方法を工程順に示す断面図である。図１２に示すように、まず、組立装置（図示せず）は、筐体１３０に軸部１４０を取り付ける。また、これと前後して、組立装置は、第１スペーサ１３１を筐体１３０内に取り付ける。次に、組立装置は、軸受１２０を筐体１３０内に挿入する。

次に、図１３に示すように、組立装置は、筐体１３０内にセンサ付き発電ユニット１００を挿入する。そして、組立装置は、センサ付き発電ユニット１００を軸受１２０の側面に被せる。次に、図１４に示すように、組立装置は、第２スペーサ１３３を軸部１４０に通して、筐体１３０内に挿入する。

次に、図１５に示すように、組立装置は、ベアリングナット１３５を軸部１４０に螺合させる。軸部１４０に対してベアリングナット１３５が回転すると、ベアリングナット１３５は第２スペーサ１３３に接触する。さらに、ベアリングナット１３５が内輪１２２側に移動すると、第２スペーサ１３３は取付け治具３５を内輪１２２側に押圧して固定する。これにより、回転部３０は内輪１２２に固定される。その後、組立装置は、ねじ等を用いて、固定カバー１３７を筐体１３０に取り付ける。以上の工程を経て、センサ付き軸受１が完成する。なお、上記の説明では、組立装置が組立作業を行うことを説明したが、本実施形態では、組立作業の一部又は全部を作業者が行ってもよい。

以上説明したように、本実施形態に係るセンサ付き発電ユニット１００は、第１部品（例えば、カバー１０）と、カバー１０に対して回転軸Ａｘを中心に相対的に回転する第２部品（例えば、回転部３０）と、カバー１０と回転部３０との相対的な回転に基づいて発電する発電部５０と、発電部５０が発電する電力によって充電される、充放電可能な蓄電部４３４と、蓄電部４３４に蓄電された電力が供給されるセンサ４４と、を備える。発電部５０は、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向にＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが並ぶ磁気トラック３１と、磁気トラック３１と対向する位置に配置されるコイル基板２０と、を有する。コイル基板２０は、基板（例えば、フレキシブル基板２１）と、フレキシブル基板２１に設けられたコイルパターン２３（例えば、平面コイル２３Ａから２３Ｆ）を有する。

これによれば、センサ付き発電ユニット１００を間座のように軸受１２０に取り付けることによって、センサ付き軸受１を構成することができる。例えば、センサ付き発電ユニット１００のカバー１０を軸受１２０の外輪１２１に押圧して固定し、回転部３０を軸受１２０の内輪１２２に押圧して固定することによって、センサ付き軸受１を構成することができる。また、センサ付き発電ユニット１００を軸受１２０に取り付ける前、または、取り外した後は、コイル基板２０と磁気トラック３１は、磁力で引き付け合って一体化することができる。コイル基板２０と磁気トラック３１とがばらばらにならないので、センサ付き発電ユニット１００の取扱いが容易である。

本実施形態に係るセンサ付き発電ユニット１００によれば、フレキシブル基板２１にコイルパターン２３を実装したコイル基板２０を採用している。これにより、コイル基板２０の組立に複雑な技術は必要なく、組立が容易である。また、コイル基板２０は、部品点数が１つであるため、生産性にも優れている。コイル基板２０は磁気トラック３１と対向しているため、磁束変化が大きく発電の効率が高い。

本実施形態に係るセンサ付き軸受１によれば、センサ付き発電ユニット１００を軸受１２０に押し当てて使用する、間座タイプを採用している。軸受１２０に特別な加工を施すことなく、センサ付き軸受１を組み立てることができる。このため、センサ付き軸受１の製造コストを減らすことができ、また、軸受本来の性能も損なわずに済む。

センサ付き発電ユニット１００では、カバー１０内に回転部３０が収容され、背面側（軸受１２０が取り付けられる側）はバックカバー６０が配置されている。例えば、バックカバー６０は、センサ付き発電ユニット１００の内部を見えないように塞いでいる。バックカバー６０は、センサ付き発電ユニット１００の内部に異物等が侵入することを防ぐ、シールとしての役割も果たす。また、カバー１０は磁性を有する。カバー１０の一方の面１２Ａに取り付けられたコイル基板２０も磁性を有する。これにより、センサ付き発電ユニット１００を軸受１２０から外した時に、センサ付き発電ユニット１００がばらばらにならない（各部品が互いに分離しない）ようにすることができる。

このように、センサ付き発電ユニット１００では、カバー１０と回転部３０を磁力の力で固定し、カバー１０と回転部３０とがばらばらにならないようにしている。さらに、カバー１０の背面側をバックカバー６０で覆う構成(一体構成)となっている。これにより、センサ付き発電ユニット１００は、軸受１２０から取り外しされた状態でも、カバー１０と回転部３０は、ばらばらにはならない。また、センサ付き発電ユニット１００は、軸受１２０からを取り外しされた状態でも、センサ４４を含む回路基板４０及びコイル基板２０を外部に見せないようにすることができる。

１ センサ付き軸受
１０ カバー（第１部品の一例）
２０ コイル基板
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ、２１Ｆ フレキシブル基板
２３ コイルパターン
２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ、２３Ｅ、２３Ｆ 平面コイル
２５ ヨーク
２５Ａ 第１ヨーク
２５Ｂ 第２ヨーク
３０ 回転部（第２部品の一例）
３１ 磁気トラック
３１Ｎ Ｎ極
３１Ｓ Ｓ極
３３ 基材
３５ 取付け治具
４０ 回路基板
４０Ａ 回路
４１ 電源基板
４２ センサ基板
４３ 電源部
４４ センサ
４５ 制御部
４７ アンテナ
５０ 発電部
１００ センサ付き発電ユニット
１２０ 軸受
１２１ 外輪
１２２ 内輪
１２３ 転動体
１３１ 第１スペーサ
１３３ 第２スペーサ
１３５ ベアリングナット（第２固定部品の一例）
１３７ 固定カバー（第１固定部品の一例）
１５０ 上位装置
１５１ 通信部
１５２ コンピュータ
２３１ 第１導電部
２３２ 第２導電部
２３３ 凹部
４３４ 蓄電部
４３６ 定電圧出力回路
４４１ 加速度センサ
４４２ 温度センサ
４４３ 角度センサ
４５１ 制御回路
４５２ 記憶回路
４５３ 通信回路
Ａｘ 回転軸

Claims (10)

1. 第１部品と、
   前記第１部品に対して回転軸を中心に相対的に回転する第２部品と、
   前記第１部品と前記第２部品との相対的な回転に基づいて発電する発電部と、
   前記発電部が発電する電力によって充電される、充放電可能な蓄電部と、
   前記蓄電部に蓄電された電力が供給されるセンサと、を備え、
   前記発電部は、
   前記回転軸を中心とする円の円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラックと、
   前記磁気トラックと対向する位置に配置されるコイル基板と、を有し、
   前記コイル基板は、
   基板と、
   前記基板に設けられた平面コイルを有するセンサ付き発電ユニット。
2. 前記コイル基板は、
   前記平面コイルとして、前記基板の厚さ方向に積層された複数の平面コイルを有する、請求項１に記載のセンサ付き発電ユニット。
3. 前記平面コイルは、
   第１方向に延びる複数の第１導電部と、
   前記第１方向と平面視で交差する第２方向に延びる複数の第２導電部と、を有し、
   前記第１導電部と前記第２導電部は交互に直列に接続されている、請求項１又は２に記載のセンサ付き発電ユニット。
4. 前記第１方向は、前記回転軸を中心とする円の円周方向であり、
   前記第２方向は、前記回転軸を中心とする円の径方向である、請求項３に記載のセンサ付き発電ユニット。
5. 前記コイル基板は、
   前記基板に設けられた複数のヨーク、をさらに有し、
   前記ヨークは、平面視で、
   前記第１導電部の一方の側に位置する第１ヨークと、
   前記第１導電部の他方の側に位置する第２ヨークと、を含み、
   前記回転軸を中心とする円の円周方向において、前記第１ヨークと前記第２ヨークは交互に配置されている、請求項３又は４に記載のセンサ付き発電ユニット。
6. 前記第１ヨークと前記第２ヨークとの間に前記第２導電部が配置されている、請求項５に記載のセンサ付き発電ユニット。
7. 前記回転軸を中心とする円の円周方向において、
   隣り合う前記ヨークの中心間の距離は、
   隣り合う前記Ｎ極及び前記Ｓ極の中心間の距離と同じ長さである、請求項５又は６に記載のセンサ付き発電ユニット。
8. 前記蓄電部に蓄電された電力と、前記センサで検出される物理量又は化学量に関する検出データとが供給される制御部、をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記検出データを記憶する記憶回路と、
   前記記憶回路に記憶される前記検出データを外部に送信する通信回路と、を有する請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ付き発電ユニット。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ付き発電ユニットと、
   前記センサ付き発電ユニットが取り付けられる軸受と、を備えるセンサ付き軸受。
10. 前記センサ付き発電ユニットと前記軸受とを収容する筐体と、
    前記第１部品を前記軸受の外輪に押圧して固定する第１固定部品と、
    前記第２部品を前記軸受の内輪に押圧して固定する第２固定部品と、を備える請求項９に記載のセンサ付き軸受。

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