JP2021125966A - 発電デバイスおよびセンサ付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】多極磁石とコイルとの間のギャップをできるだけ小さくし、発電能力を向上することができる発電デバイス、およびそれを備えるセンサ付き軸受を提供する。【解決手段】発電デバイスは、第１方向にＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラック（多極磁石）３１と、磁気トラック３１に対向して配置されるコイル基板２０と、を備え、磁気トラック３１とコイル基板２０との第１方向への相対的な移動に基づいて発電する。コイル基板２０は、コイルパターン（平面コイル）２３が設けられたフレキシブル基板２１により構成されており、コイルパターン２３が設けられ磁気トラック３１と対向する位置に配置されるコイル巻線部２０ａと、コイル巻線部２０ａから延出されコイル巻線部２０ａの外縁で磁気トラック３１から離間する方向に屈曲された延出部２０ｂと、を有する。【選択図】 図４

Description

本発明は、発電デバイスおよびセンサ付き軸受に関する。

特許文献１には、発電部の薄型化のために、コイル基板としてコイルパターン（平面コイル）が設けられたフレキシブル基板を用いた発電ユニットが開示されている。この発電ユニットでは、面一のコイル基板を、カバーに設けられた段差部（凹部）に嵌め込み、接着剤によって固定するようにしている。
上記のような固定方法は、ねじや両面テープ等を用いた固定方法とは異なり、たわみや表面の浮きといった問題を抑制できるため、多極磁石とコイルとの間のギャップを最小化するような設計を検討できる。そして、この設計は、デバイスの自己発電能力向上に寄与することになる。

特開２０１９−１８０１８３号公報

上記特許文献１に記載の技術においては、コイル基板に対向配置される回転物（回転部）の径はコイル基板の径と同等である。このように、回転物の径が比較的小さい場合、コイル基板および回転物の径方向外側に、（１）発電した電圧を外部に引き出すための配線やはんだ分の厚み、（２）コイル基板を取り付けるためのねじ頭分の厚み（信頼性向上のためにねじ固定を併用する場合）等を逃がせるスペースがある。そのため、多極磁石とコイルとの間のギャップを最小化する設計が可能である。
しかしながら、例えば、コイル基板の外側にＺ相検出センサを設置し、当該センサで回転の原点を検出する場合、回転物の径が上記センサに対応させてＺ相用磁石を配置する分だけ大きくなる。この場合、上記の（１）や（２）等を逃がすスペースがなく、回転物との接触を回避するためには多極磁石とコイルとの間のギャップを広げるしかない。ところが、多極磁石とコイルとの間のギャップを広げると、発電能力が低下してしまう。

そこで、本発明は、多極磁石とコイルとの間のギャップをできるだけ小さくし、発電能力を向上することができる発電デバイス、およびそれを備えるセンサ付き軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一つの態様の発電デバイスは、第１方向にＮ極とＳ極とが並ぶ多極磁石と、前記多極磁石に対向して配置されるコイル基板と、を備え、前記多極磁石と前記コイル基板との前記第１方向への相対的な移動に基づいて発電する発電デバイスであって、前記コイル基板は、平面コイルが設けられたフレキシブル基板により構成されており、前記平面コイルが設けられ前記多極磁石と対向する位置に配置されるコイル巻線部と、前記コイル巻線部から延出され当該コイル巻線部の外縁で前記多極磁石から離間する方向に屈曲された延出部と、を有する。

これにより、コイル基板に設けられる部材のうち平面コイル以外の厚みをもつ部材（例えば、配線、はんだ、ねじ頭など）を、コイル巻線部に対して多極磁石から離間する位置に設けられた延出部に配置することができる。したがって、コイル基板に対して相対的に移動する多極磁石側部材がコイル巻線部よりも大きい場合であっても、上記の厚みをもつ部材を多極磁石側部材から逃がし、干渉を回避する構造とすることができる。その結果、コイル巻線部と多極磁石とのギャップを縮めることができ、発電能力を向上させることができる。

また、上記の発電デバイスにおいて、前記延出部に、前記多極磁石と前記コイル基板とによって発電された電力を出力するための出力端子が形成されていてもよい。この場合、多極磁石側部材と接触の可能性のある配線やはんだを、多極磁石側部材から適切に逃がすことができる。
さらに、上記の発電デバイスにおいて、前記延出部に、前記コイル基板を取り付けるための取付穴が形成されていてもよい。この場合、コイル基板を取り付け先部材にねじ固定する場合であっても、多極磁石側部材と接触の可能性のあるねじ頭を、多極磁石側部材から適切に逃がすことができる。
また、上記の発電デバイスにおいて、前記取付穴は、長手方向を前記延出部の延出方向に一致させた長穴であってもよい。この場合、延出部の延出方向の寸法のずれ等を長穴によって吸収し、コイル基板を取り付け先部材に適切に取り付けることができる。

さらに、上記の発電デバイスにおいて、前記コイル基板の前記コイル巻線部は平板状とされ、前記延出部は、前記コイル巻線部の外縁で前記多極磁石から離間する方向に屈曲する第１の屈曲部と、前記第１の屈曲部よりも前記延出部の先端側で、前記延出部の先端部を前記コイル巻線部と平行にする方向に屈曲する第２の屈曲部と、を有していてもよい。
このように、延出部に多極磁石から離す方向の段を設けてクリアランスを設けることができる。コイル巻線部から１段ずらした面に平面コイル以外の厚みをもつ部材（例えば、配線、はんだ、ねじ頭など）を配置することができるので、上記の厚みをもつ部材を多極磁石側部材から適切に逃がす構造とすることができる。

また、上記の発電デバイスは、前記コイル基板が取り付けられる取り付け先部材をさらに備え、前記取り付け先部材は、前記多極磁石に対向し、前記延出部の前記第２の屈曲部よりも先端側が固定される第１面と、前記第１面よりも前記多極磁石側に設けられ、前記コイル巻線部が固定される第２面と、を有し、前記取り付け先部材の前記第１面には、前記多極磁石と前記コイル基板とによって発電された電力が供給される回路基板が固定されていてもよい。
このように、コイル巻線部が固定される面から１段ずらした面に、コンデンサやダイオードといった厚みをもつ電子部品を備える回路基板を配置することができるので、当該回路基板を多極磁石側部材から適切に逃がすことができる。

さらにまた、上記の発電デバイスにおいて、前記第１の屈曲部および前記第２の屈曲部により形成される前記延出部の段差は、前記第１面と前記第２面との間に形成される前記取り付け先部材の段差よりも低くてもよい。この場合、延出部を取り付け先部材に取り付けた際の延出部の浮き上がりを防止し、多極磁石を含む多極磁石側部材との接触を回避することができる。
また、上記の発電デバイスにおいて、前記取り付け先部材の段差は、前記第１面に固定される部品の厚みよりも高くてもよい。この場合、取り付け先部材の第１面に固定される部品の逃げを確実に確保することができる。

また、上記の発電デバイスにおいて、前記延出部の屈曲された部分の幅は、当該延出部の他の部分の幅よりも狭くてもよい。この場合、延出部の折り曲げたい箇所を曲げやすい構造とすることができる。したがって、延出部が意図しない箇所で変形することを抑制することができる。
さらに、上記の発電デバイスにおいて、前記延出部の屈曲された部分の幅方向両端部に、半円弧状の切り欠きが対向して設けられていてもよい。この場合、延出部の折り曲げたい箇所を容易に曲げやすい構造とすることができる。また、半円弧状の切り欠きとすることで、延出部を折り曲げた際の応力を緩和することができる。

また、上記の発電デバイスにおいて、前記延出部の屈曲された部分の剛性は、当該延出部の他の部分の剛性よりも低くてもよい。この場合、延出部の折り曲げたくない箇所の剛性を高めて曲げにくい構造とすることができる。したがって、延出部が意図しない箇所で変形することを抑制することができる。
さらに、上記の発電デバイスにおいて、前記延出部の前記他の部分に、べた塗りの導体パターンが設けられていてもよい。この場合、延出部の折り曲げたくない箇所の剛性強化とＧＮＤエリアの確保による回路動作の安定化とを実現することができる。

また、上記の発電デバイスにおいて、前記第１方向は、所定の回転軸を中心とする円の円周方向であり、前記多極磁石と前記コイル基板とは、前記回転軸を中心に相対的に回転移動可能に構成されていてもよい。
この場合、多極磁石とコイル基板との相対的な回転移動に基づいて発電する発電デバイスとすることができる。

さらに、本発明の一つの態様のセンサ付き軸受は、軸受と、上記のいずれかの発電デバイスと、前記軸受の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて前記発電デバイスが発電した電力が供給されるセンサと、を備える。これにより、自己発電能力が向上されたセンサ付き軸受とすることができる。
また、上記のセンサ付き軸受において、前記センサは、前記軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を計測する角度センサ、およびＺ相信号を出力するＺ相検出センサの少なくとも一方を含んでいてもよい。このように、コイルの外側にセンサを設置する場合など、回転部の径が大きくなる場合でも、コイル巻線部と多極磁石とのギャップを縮めることができ、発電能力を向上させることができる。

本発明の一つの態様によれば、多極磁石とコイルとの間のギャップをできるだけ小さくすることができ、発電デバイスの発電能力向上を実現することができる。

図１は、センサ付き軸受の構成を示す分解斜視図である。 図２は、センサ付き軸受の構成を示す分解斜視図である。 図３は、カバーとコイル基板と回路基板との構成例を示す平面図である。 図４は、コイル基板の構成例を示す斜視図である。 図５は、コイル基板の取り付け例である。 図６は、コイル基板の取り付け先部材の段差を示す図である。 図７は、コイル基板の段さを示す図である。 図８は、コイル基板の接触例を示す図である。 図９は、切り欠き部の一例である。 図１０は、剛性強化用のべた塗りパターンの一例である。 図１１は、回路基板の構成例である。 図１２は、コイル基板の別の例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

図１および図２は、本実施形態における発電デバイスを備えるセンサ付き軸受１の構成を示す分解斜視図である。図１は、センサ付き軸受１をカバー１０側から見た図であり、図２は、センサ付き軸受１を軸受１２０側から見た図である。
図１および図２に示すように、センサ付き軸受１は、本実施形態における発電デバイスを備える発電ユニット１００と、軸受１２０と、を備える。発電ユニット１００は、軸受１２０の一方の側面に取り付けられる。

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、を備える。発電ユニット１００が有する基板は、ポッティング剤などにより保護されている。なお、発電ユニット１００は、基板上の電子回路の保護を目的として、バックカバーを備えていてもよい。この場合、バックカバーは、例えば、発電ユニット１００における軸受１２０に対向する面側（図１および図２の回転部３０と軸受１２０との間）に設置することができる。
また、ここでは、センサ付き軸受１は、図１および図２に示すように発電ユニット１００と軸受１２０とが別体である軸受−センサ別体型デバイスである場合について説明するが、軸受側に追加工を施し、軸受にカバーを圧入するなどして軸受−センサ一体型デバイスとしてもよい。

カバー１０は、リング状の平板部材であり、例えば、ケイ素鋼板、炭素鋼（ＪＩＳ規格 ＳＳ４００またはＳ４５Ｃ）、マルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４２０）またはフェライト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４３０）などのような磁性を有する材料により形成される。
このカバー１０の軸受１２０と対向する側の面には、図２に示すように、回路基板４０が取り付けられている。回路基板４０は、電源基板４１と、センサ基板４２と、制御基板４３と、を備える。電源基板４１、センサ基板４２および制御基板４３は、例えばカバー１０に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルトが締結することで、当該カバー１０に固定される。この場合、ボルトは、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。なお、電源基板４１、センサ基板４２および制御基板４３は、必要に応じて任意に分割または一体化することができる。

また、カバー１０には、貫通孔が開けられており、この貫通孔は、樹脂などの不導体材料で形成された蓋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３参照）が実装される。カバー１０は導体で製作されているので、アンテナ４７からの電磁波をシールドする作用を有する。しかしながら、アンテナ４７は蓋１７と対向する位置に配置され、これにより、アンテナ４７の電磁波は、蓋１７を介して、外部の通信部へ到達することができる。
コイル基板２０は、カバー１０の軸受１２０と対向する側の面に取り付けられている。

図３は、カバー１０とコイル基板２０と回路基板４０（電源基板４１、センサ基板４２、制御基板４３）との構成例を示す平面図である。
図３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。なお、ヨーク２５の設置は任意である。フレキシブル基板２１は、絶縁性を有する材料（例えば、ポリイミド、液晶ポリマー等）により構成され、回転軸Ａｘを中心とする正円のリング状のコイル巻線部２０ａと、コイル巻線部２０ａから径方向外側に延出した延出部２０ｂと、を備える。

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（例えば、銅箔）のパターンである。コイルパターン２３は、フレキシブル基板２１のコイル巻線部２０ａに設けられている。
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。ただし、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のターン数は平面コイルの積層数に比例する。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よい。なお、発電電力向上のためには、複数積層された平面コイルを直列接続することが好ましいが、これに限定されるものではなく、並列接続してもよい。

また、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。この凹凸の凹部にヨーク２５が１つずつ配置されている。なお、本実施形態では、後述するエンコーダマグネットの磁気変化を検出できる位置に角度センサを配置するため、コイルと角度センサとの物理的干渉を回避するために、コイル巻線部２０ａおよびコイルパターン２３を、図３に示すように一部円形を欠けさせる形状としてもよい。
また、延出部２０ｂには、ねじ止め穴（取付穴）２０ｃを形成することができる。この場合、コイル基板２０は、ねじ止め穴２０ｃを介してねじ２７によってカバー１０に固定されてもよい。延出部２０ｂの形状等については後で詳述する。なお、コイル基板２０は、例えば接着剤を介してカバー１０に固定されてもよい。また、コイル基板２０は、ねじと接着剤とを併用してカバー１０に固定されてもよい。

また、電源基板４１とセンサ基板４２と制御基板４３とは、平面視で、コイル基板２０よりも例えば外周側に取り付けられている。
電源基板４１には、整流回路４１１（後述の図１１参照）を含む電源部（不図示）が実装されている。当該電源部は、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および制御基板４３へ供給する。

センサ基板４２には、角度センサ４２１と、ホールセンサ４２２と、が実装されている。ホールセンサ４２２は、後述するＺ相用小型磁石３６が近傍を通過する毎に、１つのパルスを生成する。つまり、ホールセンサ４２２は、軸受１２０が１回転する毎に１パルス（Ｚ相信号）を生成するＺ相検出センサとして機能する。
制御基板４３には、制御回路部４５と、アンテナ４７と、加速度センサ４４１と、温度センサ４４２とが実装されている。
なお、上記の各センサ、制御回路部４５およびアンテナ４７は、別々のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップで構成されていてもよいし、それらの一部または全部が１つのＩＣチップで構成されていてもよい。

また、コイル基板２０の１つの延出部２０ｂには、交流電圧出力端子（パッド）２０ｄが設けられている。コイルパターン２３の両端は、当該延出部２０ｂに設けられた交流電圧引き出し用のパターン（不図示）を介してパッド２０ｄに接続され、パッド２０ｄから、例えばリード線（不図示）を介して電源基板４１に接続されている。
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、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１および図２に戻って、回転部３０は、リング状の磁気トラック３１と、リング状の基材３３と、リング状の取付け治具３５と、Ｚ相用小型磁石３６と、を有する。基材３３および取付け治具３５は、磁性を持つ金属材料であることが望ましい。
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。基材３３は、磁気トラック３１の外形よりも大きく、Ｚ相用小型磁石３６は、基材３３の一方の面側において磁気トラック３１よりも外周側に設けられている。なお、Ｚ相用小型磁石３６およびそれに対応するホールセンサ４２２を含むセンサ基板４２は、磁気トラック３１の内側に配置されていてもよい。
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の他方の面側は軸受１２０と対向する面側である。
なお、磁気トラック３１は、基材３３に対して着脱可能な構成であってもよい。また、磁気トラック３１は、軸受１２０に設けられていてもよい。この場合、例えば、磁気トラック３１は、軸受１２０に形成された溝に圧入されていてもよい。

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、発電ユニット１００と軸受１２０とに通される軸部に取り付けるために使用される。

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、磁気トラック３１の円周方向（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およびＳ極３１Ｓは、交互に配置されている。
また、磁気トラック３１における隣り合うＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとの中心間の距離は、コイル基板２０における隣り合うヨーク２５の中心間の距離と同じ長さになっている。

本実施形態では、回転軸Ａｘ（図３参照）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、隣り合うヨーク２５のうち一方のヨーク２５がＮ極と対向するときは、他方のヨーク２５はＳ極と対向する。また、一方のヨーク２５がＳ極と対向するときは、他方のヨーク２５はＮ極と対向する。つまり、コイル基板２０の隣り合うヨーク２５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、一方のヨーク２５を通る磁束密度の変化の位相と、他方のヨーク２５を通る磁束密度の変化の位相は、１８０°ずれた状態となる。

このように、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、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。
磁気トラック３１を有する回転部３０は軸受１２０の内輪に固定されており、軸受１２０の内輪が回転すると、軸受１２０の中で電磁誘導による発電が行われる。この発電は自己発電である。なお、磁気トラック３１とコイル基板２０との組み合わせが、本実施形態における発電デバイスに対応し、後述の図１１における発電部５０に対応している。

図４は、コイル基板２０の構成例を示す斜視図である。なお、図４では、説明の都合上、コイルパターン２３を露出させているが、実際は保護や外部とのショート防止を目的として、パッド２０ｄ以外はレジスト等により表面が覆われているため外部には露出していない。
この図４に示すように、コイル基板２０は、コイルパターン２３が設けられたリング状のコイル巻線部２０ａと、第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆを有する延出部２０ｂと、を備える。第１の屈曲部２０ｅは、コイル巻線部２０ａの外縁において、延出部２０ｂを回転部３０から離間する方向に屈曲させる。第２の屈曲部２０ｆは、第１の屈曲部２０ｅよりも延出部２０ｂの先端側で、延出部２０ｂの先端部をコイル巻線部２０ａと平行となるように屈曲させる。つまり、延出部２０ｂには、第１の屈曲部２０ｅと第２の屈曲部２０ｆとによって段差が形成されている。

図５に示すように、カバー１０の第１面（回転部３０に対向する面）１０ａにおいて、カバー１０の中央に設けられた開口部１０ｂの周囲には、第１面１０ａから回転部３０側に突出する突出部１１が設けられている。これらカバー１０および突出部１１が、コイル基板２０が取り付けられる取り付け先部材に対応している。コイル基板２０は、延出部２０ｂを第１面１０ａに配置し、コイル巻線部２０ａを突出部１１における回転部３０に対向する面（第２面）に配置して、ねじ２７により固定されている。

なお、本実施形態では、カバー１０と突出部１１との２つの部材により取り付け先部材を構成する場合について説明するが、取り付け先部材の構成は上記に限定されない。例えば、取り付け先部材は１つの部材により構成されていてもよいし、３つ以上の部材により構成されていてもよい。
また、本実施形態では、第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆの角度を９０°または略９０°とする場合について説明するが、当該角度は、取り付け先部材の形状に応じて任意に設定可能である。

図６に示すように、カバー１０および突出部１１からなる取り付け先部材は、図５の回転部３０（磁気トラック３１）に対向して延出部２０ｂが固定される第１面１０ａと、第１面１０ａよりも図５の回転部３０（磁気トラック３１）側に設けられてコイル巻線部２０ａが固定される第２面１０ｃと、を有する。
そして、図６に示す第１面１０ａと第２面１０ｃとの間に形成される段差ａは、図７に示す第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆにより形成される延出部２０ｂの段差ｂよりも大きい（ａ＞ｂ）。ここで、ａ＞ｂとは、両者に極端に差をつけるという意味ではなく、公差を設ける際にａ＞ｂとなるように設定することを意味する。なお、高さａと高さｂとは等しくてもよい（ａ＝ｂ）。また、特に図示しないが、突出部１１において、屈曲部２０ｅと接触する角には面取りを施すことが望ましい。

コイル基板２０を構成するフレキシブル基板２１は、極めて薄く、自在に曲げられる材料により構成されているため、単にフレキシブル基板２１の一部を折り曲げて段をつけようとしても、意図しないところで変形するおそれがある。例えば、コイル基板２０の段差の高さｂが突出部１１の高さａよりも大きいと、図８に示すように、コイル基板２０が意図しないところで盛り上がってしまい、対向する磁気トラック３１などに接触するおそれがある。

上述したようにコイル基板２０の段差の寸法を規定することで、折り曲げたくない箇所の変形（折り曲げ）を防止することができる。
また、延出部２０ｂに設けられたねじ止め穴２０ｃは、例えば、コイル基板２０の径方向（延出部２０ｂの延出方向）に長手方向を一致させた長穴とすることができる。このように、ねじ止め穴２０ｃを長穴により構成することで、上記の高さａと高さｂとの差分を適切に吸収することができる。

また、コイル基板２０において、曲がりやすい点、曲がりにくい点を意図的に設けることで、折り曲げたくない箇所の変形（折り曲げ）を防止するようにしてもよい。例えば、図９に示すように、第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆの幅方向両端部に切り欠き部２０ｇを設けてもよい。つまり、第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆにおける延出部２０ｂの幅を、延出部２０ｂの他の部分の幅よりも狭くするようにしてもよい。これにより、第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆの剛性を他の部分よりも小さくして曲げやすくすることができる。
なお、切り欠き部２０ｇの形状は、図９に示すような半円弧状に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。ただし、延出部２０ｂを折り曲げた際の応力緩和のため、切り欠き部２０ｇの形状は半円弧状であることが好ましい。

さらに、図１０に示すように、第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆ以外の延出部２０ｂに、べた塗りパターン２０ｈを設けてもよい。ここで、べた塗りパターン２０ｈとしては、例えば、コイルパターン２３を形成する際に用いる銅箔を用いることができる。
本来、回路動作の安定化のためにＧＮＤエリアを広くする目的でべた塗り状態の導体パターンを設ける。上記のように、コイル基板２０における変形をさせたくない部分にべた塗りパターン２０ｈを設けることで、フレキシブル基板２１に薄い銅版が入っている状態を擬似的に再現することができる。これにより、折り曲げたくない部分の剛性を高めることができる。
なお、べた塗りパターン２０ｈは、剛性を高めることができればよく、銅箔により構成される場合に限定されない。また、図６および図７に示す寸法の規定、図９に示す屈曲部の切り欠き部２０ｇ、ならびに図１０に示す剛性強化用のべた塗りパターン２０ｈは、任意に組み合わせて適用可能である。

図１１は、センサ付き軸受１が備える回路基板４０の構成例を示す図である。
図１１に示すように、回路基板４０は、電源基板４１と、センサ基板４２と、制御基板４３と、を備える。
電源基板４１は、整流回路４１１を備える。
発電部５０は、上述したように、磁気トラック３１（図５参照）とコイル基板２０（図６参照）と、を備える発電デバイスである。発電部５０は、軸受１２０の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて発電し、センサ基板４２および制御基板４３に電力を供給する。

発電部５０は、単相交流電力を発電して整流回路４１１に出力する。整流回路４１１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する。整流回路４１１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。整流回路４１１から出力された直流電力は、不図示の平滑回路により平滑化され安定した電源となり、その後、不図示の蓄電回路および蓄電器に蓄電される。蓄電器に蓄電された直流電力は、不図示の定電圧出力回路により一定電圧に調整された後、制御基板４３に出力される。

制御基板４３には、加速度センサ４４１と、温度センサ４４２と、マイコン４５１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５２と、無線モジュール（送信部）４５３と、が実装されている。マイコン４５１、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５２および無線モジュール４５３は、制御回路部４５（図３参照）に含まれる。
加速度センサ４４１および温度センサ４４２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５２を介して電源基板４１から供給される直流電力を使用して、加速度や温度を検出する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４５２は、マイコン４５１が備えるＣＰＵの制御下で、加速度センサ４４１および温度センサ４４２に電源基板４１から供給される直流電力を供給する。

センサ基板４２には、角度センサ４２１と、ホールセンサ４２２と、が実装されている。角度センサ４２１およびホールセンサ４２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４５２を介して電源基板４１から供給される直流電力を使用して、回転角度やＺ相を検出する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４５２は、マイコン４５１が備えるＣＰＵの制御下で、角度センサ４２１およびホールセンサ４２２に電源基板４１から供給される直流電力を供給する。

角度センサ４２１は、磁気トラック３１に対向するようにセンサ基板４２に実装されている。磁気トラック３１を有する回転部３０は軸受１２０の内輪に固定されており、角度センサ４２１は、軸受１２０の内輪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、軸受１２０の外輪に対する内輪の回転角度を検出する。
なお、角度センサ４２１の種類は、インクリメンタル型であってもよいし、アブソリュート型であってもよい。

ホールセンサ４２２は、Ｚ相用小型磁石３６に対向するようにセンサ基板４２に実装されている。Ｚ相用小型磁石３６を有する回転部３０は軸受１２０の内輪に固定されており、ホールセンサ４２２は、軸受１２０の内輪と共にＺ相用小型磁石３６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、Ｚ相を検出する。

マイコン４５１は、特に図示しないが、ＣＰＵや内部メモリを備える。また、マイコン４５１は、ＤＭＡＣを備えていてもよい。マイコン４５１は、各センサから取得した計測値を内部メモリ等に書き込む。例えば、マイコン４５１は、軸受１２０の回転角度計測と同期して振動データを計測することができる。

無線モジュール４５３は、マイコン４５１が備えるＣＰＵの制御下で、内部メモリ等に記憶されたデータを外部に送信する。この無線モジュール４５３は、図３のアンテナ４７を備える。例えば、無線モジュール４５３は、無線通信によりデータを外部装置に送信する。送信されたデータは、外部装置の通信部で受信され、処理される。
なお、本実施形態では、センサ付き軸受１と外部装置とが無線通信を行う場合について説明したが、センサ付き軸受１と外部装置との間で通信可能な構成であれば、その通信規格は問わない。つまり、センサ付き軸受１から外部装置へのデータ送信は、有線通信により行ってもよい。

以上説明したように、本実施形態における発電デバイスは、第１方向にＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラック（多極磁石）３１と、磁気トラック３１に対向して配置されるコイル基板２０と、を備え、磁気トラック３１とコイル基板２０との第１方向への相対的な移動に基づいて発電する。ここで、上記第１方向は、図３に示す回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向であり、磁気トラック３１とコイル基板２０とは、回転軸Ａｘを中心に相対的に回転移動可能に構成されている。
コイル基板２０は、コイルパターン（平面コイル）２３が設けられたフレキシブル基板２１により構成されており、コイルパターン２３が設けられ磁気トラック３１と対向する位置に配置されるコイル巻線部２０ａと、コイル巻線部２０ａから延出され当該コイル巻線部２０ａの外縁で磁気トラック３１から離間する方向に屈曲された延出部２０ｂと、を有する。より具体的には、延出部２０ｂは、コイル巻線部２０ａの外縁で磁気トラック３１から離間する方向に屈曲する第１の屈曲部２０ｅと、第１の屈曲部２０ｅよりも延出部２０ｂの先端側で、延出部２０ｂの先端部をコイル巻線部２０ａと平行にする方向に屈曲する第２の屈曲部２０ｆと、を有する。

そして、延出部２０ｂには、コイル基板２０を取り付け先部材（カバー１０および突出部１１）に取り付けるためのねじ止め穴２０ｃや、磁気トラック３１とコイル基板２０とによって発電された電力を出力するための交流電圧出力端子（パッド）２０ｄを形成することができる。
また、発電された電力が供給される回路基板４０は、取り付け先部材における延出部２０ｂが固定される面（第１面１０ａ）に固定することができる。

このように、コイル基板２０は、コイル巻線部２０ａが存在する面からずらした面（段つき部）に延出部２０ｂを有する。したがって、コイル基板２０に設けられる部材のうち、コイルパターン２３以外の厚みをもつ部材（例えば、配線、はんだ、ねじ頭など）を、コイル巻線部２０ａに対して回転部３０から離間する位置に配置することができる。また、コンデンサやダイオードといった厚みをもつ部品が実装された回路基板４０も、コイル巻線部２０ａが存在する面からずらした面に配置することができる。
すなわち、回転部３０から離す方向に段を設けてクリアランスを設けることで、回転部３０との接触のおそれのある配線、はんだ、止めねじ、電子部品といった厚みを持つ部材を逃がすことができる。そのため、コイルの外側にＺ相検出センサを設ける場合など、回転部３０の径が大きくなる場合でも、磁気トラック３１とコイル基板２０との間のギャップを縮めることができる。これにより、発電電力（発電効率）を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、角度センサ４２１を磁場範囲内に設置するためにコイルパターン２３の一部を欠けさせているが、磁気トラック３１の外径をコイルパターン２３の外径よりも大きくして、角度センサをコイルの外側に配置することもできる。この場合にも、回転部３０の径が大きくなるため、上記のように段付きのコイル基板２０を用いることで、上述した効果が得られる。

また、図７に示す延出部２０ｂの段差ｂは、図６に示すカバー１０および突出部１１からなる取り付け先部材の段差ａよりも低くすることができる。これにより、延出部２０ｂを取り付け先部材に取り付けた際の延出部２０ｂが意図しないところで曲がったり浮き上がったりすることを防止し、延出部２０ｂと回転部３０との接触を回避することができる。さらに、延出部２０ｂにねじ止め穴２０ｃを設ける場合には、このねじ止め穴２０ｃを、長手方向を延出部２０ｂの延出方向に一致させた長穴とすることで、取り付け先部材の段差ａと延出部２０ｂの段差ｂとの差分を吸収させることができ、コイル基板２０を取り付け先部材に適切にねじ固定することができる。

また、図６に示す取り付け先部材の段差ａは、回路基板４０などの第１面１０ａに固定される部品の厚みよりも高くすることができる。これにより、取り付け先部材の第１面１０ａに固定される部品の逃げを確実に確保し、コイル巻線部２０ａの表面よりも回転部３０側には部品が何も突出されていない状態とすることができる。したがって、回転部３０の径が大きくなる場合でも、磁気トラック３１とコイル基板２０との間のギャップを最小にする設計が狙える。これにより、発電電力（発電効率）をより向上させることができる。

さらに、図９に示すように、延出部２０ｂの屈曲された部分（第１の屈曲部２０ｅ、第２の屈曲部２０ｆ）の幅方向両端部に半円弧状の切り欠き部２０ｇを対向して設け、この部分の幅を、延出部２０ｂの他の部分の幅よりも狭くするようにしてもよい。この場合、延出部２０ｂの折り曲げたい箇所を曲げやすい構造とすることができる。したがって、延出部２０ｂが意図しない箇所で変形することを効果的に抑制することができる。

また、図１０に示すように、延出部２０ｂの屈曲された部分（第１の屈曲部２０ｅ、第２の屈曲部２０ｆ）以外にべた塗りパターン２０ｈを設け、延出部２０ｂの屈曲された部分（第１の屈曲部２０ｅ、第２の屈曲部２０ｆ）の剛性を、当該延出部２０ｂの他の部分の剛性よりも低くするようにしてもよい。この場合、延出部２０ｂの折り曲げたくない箇所の剛性を高めて曲げにくい構造とすることができる。したがって、この場合にも、延出部２０ｂが意図しない箇所で変形することを効果的に抑制することができる。

（変形例）
上記実施形態においては、コイル基板２０のリング状のコイル巻線部２０ａから、第１の屈曲部２０ｅおよび第２の屈曲部２０ｆを介して延出部２０ｂが延出している場合について説明したが、コイル基板２０の形状は上記に限定されない。例えば、突出部１１が平面状の側面を有する場合、図１２に示すように、延出部２０ｂを突出部１１の側面に固定することもできる。つまり、第２の屈曲部２０ｆを設けなくてもよい。この場合、突出部１１の側面に、延出部２０ｂをねじ２７により固定してもよい。また、特に図示しないが、突出部１１の側面に固定された延出部２０ｂに、交流電圧引き出し線やはんだを設けてもよい。この場合にも、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
なお、図１２では、延出部２０ｂを９０°に屈曲させた例を示しているが、延出部２０ｂを屈曲させる角度は上記に限定されるものではなく、突出部１１の側面の形状に応じて任意に設定可能である。

さらに、上記実施形態においては、コイル基板２０の延出部２０ｂに、ねじ止め穴２０ｃを設ける場合について説明したが、コイル基板２０をねじ止めしない場合（例えば接着剤により固定する場合）には、ねじ止め穴２０ｃは不要である。
また、上記実施形態においては、コイル基板２０が２つの延出部２０ｂを有する場合について説明したが、延出部２０ｂの数、位置、形状、大きさは任意に変更可能である。

また、上記実施形態においては、Ｚ相検出センサとしてホールセンサを用いる場合について説明したが、Ｚ相検出センサの種類は上記に限定されない。Ｚ相検出センサは、回転機器の動作１サイクル（１回転）ごとに１パルスを出力するセンサであればよく、例えば光学式フォトセンサを用いることもできる。

さらに、上記実施形態においては、回転機器が軸受である場合について説明したが、回転機器は、例えば歯車であってもよい。この場合、例えば歯車に磁気トラック３１を固定し、磁気トラック３１に対向するように上述したコイル基板２０を配置するようにしてもよい。歯車に磁気トラック３１を固定した場合、磁気トラック３１の外側に歯車の歯が存在することになり、回転部の径は大きくなる。しかしながら、上述した段付きのコイル基板２０を用いることで、磁気トラック３１とコイル基板２０との間のギャップを小さくすることができ、発電能力を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、発電ユニット１００を回転機器に適用する場合について説明したが、例えば直動機構にも適用可能である。つまり、コイル基板２０のコイル巻線部２０ａおよびコイル基板２０に対向配置される多極磁石の形状はリング状に限定されず、直線方向に配置されていてもよい。

１…センサ付き軸受、１０…カバー、１１…突出部、２０…コイル基板、２０ａ…コイル巻線部、２０ｂ…延出部、２０ｃ…ねじ止め穴、２０ｄ…交流電圧出力端子、２０ｅ…第１の屈曲部、２０ｆ…第２の屈曲部、２０ｇ…切り欠き部、２０ｈ…べた塗りパターン、２１…フレキシブル基板、２３…コイルパターン、２５…ヨーク、２７…ねじ、３０…回転部、３１…磁気トラック、３６…Ｚ相用小型磁石、４０…回路基板、４１…電源基板、４２…センサ基板、４３…制御基板、１００…発電ユニット、１２０…軸受、４２１…角度センサ、４２２…ホールセンサ、４４１…加速度センサ、４４２…温度センサ

Claims (15)

1. 第１方向にＮ極とＳ極とが並ぶ多極磁石と、
   前記多極磁石に対向して配置されるコイル基板と、を備え、
   前記多極磁石と前記コイル基板との前記第１方向への相対的な移動に基づいて発電する発電デバイスであって、
   前記コイル基板は、
   平面コイルが設けられたフレキシブル基板により構成されており、
   前記平面コイルが設けられ前記多極磁石と対向する位置に配置されるコイル巻線部と、
   前記コイル巻線部から延出され当該コイル巻線部の外縁で前記多極磁石から離間する方向に屈曲された延出部と、を有することを特徴とする発電デバイス。
2. 前記延出部に、前記多極磁石と前記コイル基板とによって発電された電力を出力するための出力端子が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電デバイス。
3. 前記延出部に、前記コイル基板を取り付けるための取付穴が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電デバイス。
4. 前記取付穴は、長手方向を前記延出部の延出方向に一致させた長穴であることを特徴とする請求項３に記載の発電デバイス。
5. 前記コイル基板の前記コイル巻線部は平板状とされ、
   前記延出部は、
   前記コイル巻線部の外縁で前記多極磁石から離間する方向に屈曲する第１の屈曲部と、
   前記第１の屈曲部よりも前記延出部の先端側で、前記延出部の先端部を前記コイル巻線部と平行にする方向に屈曲する第２の屈曲部と、を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発電デバイス。
6. 前記コイル基板が取り付けられる取り付け先部材をさらに備え、
   前記取り付け先部材は、
   前記多極磁石に対向し、前記延出部の前記第２の屈曲部よりも先端側が固定される第１面と、
   前記第１面よりも前記多極磁石側に設けられ、前記コイル巻線部が固定される第２面と、を有し、
   前記取り付け先部材の前記第１面には、前記多極磁石と前記コイル基板とによって発電された電力が供給される回路基板が固定されていることを特徴とする請求項５に記載の発電デバイス。
7. 前記第１の屈曲部および前記第２の屈曲部により形成される前記延出部の段差は、
   前記第１面と前記第２面との間に形成される前記取り付け先部材の段差よりも低いことを特徴とする請求項６に記載の発電デバイス。
8. 前記取り付け先部材の段差は、前記第１面に固定される部品の厚みよりも高いことを特徴とする請求項６または７に記載の発電デバイス。
9. 前記延出部の屈曲された部分の幅は、当該延出部の他の部分の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の発電デバイス。
10. 前記延出部の屈曲された部分の幅方向両端部に、半円弧状の切り欠きが対向して設けられていることを特徴とする請求項９に記載の発電デバイス。
11. 前記延出部の屈曲された部分の剛性は、当該延出部の他の部分の剛性よりも低いことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発電デバイス。
12. 前記延出部の前記他の部分に、べた塗りの導体パターンが設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の発電デバイス。
13. 前記第１方向は、所定の回転軸を中心とする円の円周方向であり、
    前記多極磁石と前記コイル基板とは、前記回転軸を中心に相対的に回転移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の発電デバイス。
14. 軸受と、
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の発電デバイスと、
    前記軸受の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて前記発電デバイスが発電した電力が供給されるセンサと、を備えることを特徴とするセンサ付き軸受。
15. 前記センサは、前記軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を計測する角度センサ、およびＺ相信号を出力するＺ相検出センサの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１４に記載のセンサ付き軸受。

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