JP2023061179A

JP2023061179A - 発電素子、回転検出素子及びエンコーダ

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Publication number: JP2023061179A
Application number: JP2021171014A
Authority: JP
Inventors: 静香上田; Shizuka Ueda; 諭山代; Satoshi Yamashiro; 嘉智中村; Yoshitomo Nakamura; 政範二村; Masanori Nimura; 勇治久保; Yuji Kubo
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-05-01

Abstract

【課題】磁性線材の組み立てばらつきの影響を軽減して出力の安定化を図った発電素子を得ること。【解決手段】発電素子１０は、磁極の移動により磁化反転する磁性線材１と、磁性線材１の磁化反転に伴って生じる磁界の変化量を電圧に変換する発電部２と、磁性線材１の両端部を支持するとともに、磁極の磁場を集磁する磁性体３とを備え、磁性線材１と磁性体３との間には、非磁性層が設けられており、磁性線材１と磁性体３とは、非磁性層を介して接している。【選択図】図２

Description

本開示は、磁性線材を備えた発電素子、発電素子を搭載した回転検出素子及びエンコーダに関する。

回転を検出するエンコーダには、磁性線材を利用して回転を検出するエンコーダがある。特許文献１には、磁性線材の両端の各々と磁石とを結ぶ磁束誘導用の磁性体を設けたエンコーダが開示されている。特許文献１に開示されるエンコーダは、磁性線材の両端に設置した一対の磁性体により磁石の磁束を磁性線材へ誘導することで、発電素子の出力を安定させることを試みている。特許文献１に開示されるエンコーダは、磁性体に溝部を設け、溝部に磁性線材を配置している。

国際公開第２０１９／１８８８５９号

しかしながら、特許文献１に開示されるエンコーダは、磁性体により磁石の磁束を磁性線材へ誘導しているものの、磁性体と磁性線材との間の磁界の流れが、磁性線材の組み立てばらつきに起因する微細な位置の変動によって変化する。すなわち、組み立てばらつきにより磁性線材の位置が溝部の幅方向の中央からずれて、溝部の両側壁の一方のみに磁性線材が接する状態になると、発電素子の出力の安定性が損なわれる。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、磁性線材の組み立てばらつきの影響を軽減して出力の安定化を図った発電素子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る発電素子は、磁極の移動により磁化反転する磁性線材と、磁性線材の磁化反転に伴って生じる磁界の変化量を電圧に変換する発電部と、磁性線材の両端部を支持するとともに、磁極の磁場を集磁する磁性体とを備える。磁性線材と磁性体との間には、非磁性層が設けられている。

本開示によれば、磁性線材の組み立てばらつきの影響を軽減して出力の安定化を図った発電素子を得られるという効果を奏する。

実施の形態１に係るエンコーダの構成を示す図実施の形態１に係る発電素子の斜視図実施の形態１に係る発電素子の側面図実施の形態１に係る発電素子の断面図実施の形態３に係る発電素子の断面図実施の形態４に係る発電素子の断面図実施の形態５に係る発電素子の断面図実施の形態６に係る発電素子の断面図実施の形態７に係る発電素子の磁性線材の側面図実施の形態８に係る発電素子の断面図実施の形態９に係る発電素子の溝部の底部の拡大図実施の形態１０に係る発電素子の断面図実施の形態１１に係る発電素子の断面図実施の形態１２に係る発電素子の断面図実施の形態１３に係る発電素子の断面図実施の形態１４に係る発電素子の断面図実施の形態１５に係る発電素子の断面図

以下に、実施の形態に係る発電素子、回転検出素子及びエンコーダを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るエンコーダの構成を示す図である。実施の形態１に係るエンコーダ１００は、回転検出素子４０と、回転検出基板３０とを備える。回転検出素子４０は、発電素子１０と、回転盤２０とを備える。回転盤２０は、一対以上のＳ極及びＮ極を含む磁極５を有し、回転可能に支持されている。回転盤２０は、着磁された磁性体であってもよいし、非磁性体の円盤に複数の磁石を設置したものであってもよい。回転盤２０が回転することよって発電素子１０に起電力が生じ、回転検出基板３０に電流が流れ、回転が検出される。

図２は、実施の形態１に係る発電素子の斜視図である。図３は、実施の形態１に係る発電素子の側面図である。図４は、実施の形態１に係る発電素子の断面図である。図４は、図３中のIV-IV線に沿った断面を示している。発電素子１０は、回転盤２０の磁極５の移動により磁化反転する磁性線材１と、磁性線材１の磁化反転に伴って生じる磁界の変化量を電圧に変換する発電部２と、磁性線材１の両端部を支持するとともに、磁極５の磁場を集磁する磁性体３とを備える。発電部２は、磁性線材１に巻き付けられて配置される高密度コイルである。磁性体３には溝部３１が形成されている。磁性線材１は、溝部３１に配置されている。

図４に示すように、磁性体３の周囲には、非磁性層３ａが形成されている。非磁性層３ａは、めっき、樹脂のディッピング又は塗装といった方法で形成することができる。磁性線材１と、磁性体３とが非磁性層３ａを介して接触することにより、磁性線材１と磁性体３との距離は、非磁性層３ａの厚さ分の距離に維持される。

非磁性層３ａは、ある程度までは、厚いほど磁性線材１の組み立てばらつきの影響を軽減でき、シグナル及びノイズのうちノイズが低減されてシグナルノイズ比が大きくなる。一方で、非磁性層３ａが厚すぎると磁性体３が磁性線材１に与える集磁効果が弱まり磁性線材１を通る磁束が減少するため、シグナル及びノイズのうちシグナルが低減されてシグナルノイズ比が小さくなる。シグナル及びノイズのうちのどちらが低減されるかは、磁極５の位置、磁極５の特性、磁性体３の形状、磁性体３の特性、磁性線材１の形状及び磁性線材１の特性によって変わるため、シグナルノイズ比に基づいて非磁性層３ａの厚さを決定するとよい。非磁性層３ａは、めっき、樹脂のディッピング又は塗装といった方法で形成することにより、生産性を高め、かつ磁性線材１の組み立てばらつきの影響を軽減して出力の安定化を図れる。

なお、溝部３１の表面に微小凹凸を形成することで、非磁性層３ａと磁性体３との接触面積を増やし、非磁性層３ａが磁性体３から剥離しにくくすることができる。非磁性層３ａが磁性体３から剥離しにくいことにより、不良率を低減できるとともに、磁性線材１の組み立てばらつきを軽減して出力の安定性を高めることができる。溝部３１の表面の微小凹凸は、磁性体３をプレス加工で製造することにより、溝部３１の表面をプレス加工面とすることで形成できる。なお、溝部３１の表面の微小凹凸は、他の方法で形成してもよい。

実施の形態１に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を軽減して出力を安定させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る発電素子１０は、非磁性層３ａが磁性体３の全面には設けられておらず、溝部３１及び外周部分に設けられている点で、実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。非磁性層３ａを溝部３１及び外周部分に限定して設けることにより、押し出し加工後に非磁性層３ａを形成してから、個片化する方法で非磁性層３ａが部分的に設けられた磁性体３を形成できる。非磁性層３ａを形成してから個片化することにより、非磁性層３ａが形成された磁性体３の生産性を高めることができる。なお、非磁性層３ａをめっき加工で形成する場合には、非磁性層３ａを形成してから押し出し加工を行うことができる。

実施の形態２に係る発電素子１０は、実施の形態１に係る発電素子１０と同様に、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を軽減して出力を安定させることができる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る発電素子の断面図である。実施の形態３に係る発電素子１０は、非磁性層３ａが溝部３１のみに設けられている点で、実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。実施の形態３に係る発電素子１０は、非磁性層３ａの形成に用いる材料の使用量を低減することができ、発電素子１０の製造コストを低減できる。また、実施の形態３に係る発電素子１０は、実施の形態１に係る発電素子１０と同様に磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る発電素子の断面図である。実施の形態４に係る発電素子１０は、磁性線材１と磁性体３との間に非磁性層である非磁性フィルム３ｃが配置されている点で実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。非磁性フィルム３ｃは、粘着性を持つフィルムであってもよいし、粘着性を持たないフィルムであってもよい。非磁性フィルム３ｃに粘着性を持たせると、磁性線材１又は磁性体３に非磁性フィルム３ｃを接着することで、非磁性フィルム３ｃの位置ずれを防止することができる。実施の形態４に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが、非磁性フィルム３ｃを介して接触するため、実施の形態１に係る発電素子１０と同様に、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態５．
図７は、実施の形態５に係る発電素子の断面図である。実施の形態５に係る発電素子１０は、磁性体３が曲げ加工部３２を備える点で、実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。磁性体３は、一面に非磁性層３ａが形成された後に曲げ加工を施すことによって、溝部３１に非磁性層３ａが設けられている。溝部３１は、磁性線材１の線径と同等の幅であるため、溝部３１の形成後に非磁性層３ａを形成することは難易度が高い。実施の形態５に係る発電素子１０は、非磁性層３ａを形成してから曲げ加工で溝部３１を形成するため、溝部３１に非磁性層３ａが設けられた磁性体３を容易に形成することができる。実施の形態５に係る発電素子１０は、実施の形態１に係る発電素子１０と同様に磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態６．
図８は、実施の形態６に係る発電素子の断面図である。実施の形態６に係る発電素子１０は、磁性体３には非磁性層３ａが設けられておらず、磁性線材１に非磁性層１ａが設けられている点で、実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。非磁性層１ａは、めっき、樹脂のディッピング又は塗装といった方法で形成することができる。めっき、樹脂のディッピング又は塗装といった方法で非磁性層１ａを形成することにより、生産性を高めることができる。実施の形態６に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層１ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態７．
図９は、実施の形態７に係る発電素子の磁性線材の側面図である。実施の形態７に係る発電素子１０は、磁性線材１には、磁性体３と接する端部にのみ非磁性層１ａが形成されている点で、実施の形態６に係る発電素子１０と相違する。

磁性線材１に非磁性層１ａを設けると、非磁性層１ａによって磁性線材１に圧縮応力又は引張応力が加わり、磁性線材１の性能が不安定になる可能性がある。実施の形態７に係る発電素子１０は、磁性線材１の端部にのみ非磁性層１ａが形成されているため、磁性線材１に加わる応力を低減できる。実施の形態７に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層１ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態８．
図１０は、実施の形態８に係る発電素子の断面図である。実施の形態８に係る発電素子１０は、溝部３１の底部が湾曲面となっている点で、実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。実施の形態８に係る発電素子１０は、磁性体３の溝部３１の底部が湾曲面となっているため、溝部３１の底部の非磁性層３ａの厚さが均一である。溝部３１の底部の非磁性層３ａの厚さが均一であるため、磁性線材１と磁性体３との磁気的な距離のばらつきを低減し、出力の安定性を向上させることができる。さらに、実施の形態８に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態９．
図１１は、実施の形態９に係る発電素子の溝部の底部の拡大図である。実施の形態９に係る発電素子１０は、溝部３１の底部がＶ字状になっている点で、実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。実施の形態１０に係る発電素子１０では、Ｖ字状の溝部３１の底部に２箇所で磁性線材１が非磁性層３ａに接している。

Ｖ字状の頂点付近では、溝部３１の幅が漸減するため非磁性層３ａの厚さが不均一になるが、Ｖ字状の頂点付近では磁性線材１が非磁性層３ａに接触しないため、非磁性層３ａの厚さが不均一な部分が存在しても、磁性線材１の位置決め精度には影響を及ぼしにくい。したがって、実施の形態９に係る発電素子１０は、磁性線材１の位置決め精度を高めることができる。さらに、実施の形態９に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態１０．
図１２は、実施の形態１０に係る発電素子の断面図である。実施の形態１０に係る発電素子１０は、磁性体３が環状である点で実施の形態１に係る発電素子１０と相違する。非磁性層３ａは、磁性体３の下部のみに形成されている。

磁性体３が環状であるため、磁性体３を棒材に吊り下げた状態で非磁性層３ａを形成することができる。また、磁性体３を棒材に吊り下げて保持及び運搬することができるため、発電素子１０の組立時の部品の取り回しが容易であり、生産性が向上する。なお、ここでは外形が角丸長方形状の磁性体３を例にしているが、磁性体３の外形は、円形状、楕円形状又は長方形状であってもよい。実施の形態１０に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態１１．
図１３は、実施の形態１１に係る発電素子の断面図である。実施の形態１１に係る発電素子１０は、磁性体３全体に非磁性層３ａが形成されている点で実施の形態１０に係る発電素子１０と相違する。

磁性体３の外形を上下対称にするとともに、磁性体３全体に非磁性層３ａを形成することにより、組立時に磁性体３の上下を区別する作業が不要になり、組み立て間違いを防止することができる。さらに、磁性体３の外形が円形であれば、左右の区別も不要となるため、組み立て作業の効率をさらに高めることができる。実施の形態１１に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

実施の形態１２．
図１４は、実施の形態１２に係る発電素子の断面図である。実施の形態１２に係る発電素子１０は、非磁性層１ａが磁性線材１よりも弾性率の小さい材料で形成されている。非磁性層１ａは、磁性線材１の全周に同じ厚さで形成されている。また、磁性線材１及び非磁性層１ａの直径が、溝部３１の幅よりも大きくなっている。磁性線材１及び非磁性層１ａは、非磁性層１ａが変形した状態で溝部３１に嵌め込まれている。すなわち、磁性線材１と磁性体３との間で非磁性層１ａが圧縮されている。

実施の形態１２に係る発電素子１０は、非磁性層１ａの復元力によるセルフアライメント効果によって磁性線材１が溝部３１の幅方向の中央に配置される。このため、実施の形態１２に係る発電素子１０は、磁性線材１の組み立て精度を高めることができる。さらに、実施の形態１２に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層１ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

なお、ここでは磁性体３の溝部３１に磁性線材１を嵌め込む構造について説明したが、磁性体３の穴部に磁性線材１を嵌め込む構造であってもよい。磁性体３の穴部に磁性線材１を嵌め込むことにより、磁性線材１には、全方向から復元力が作用するため、上下左右の各方向でセルフアライメント効果が得られ、磁性線材１の位置決め精度を高めることができる。

実施の形態１３．
図１５は、実施の形態１３に係る発電素子の断面図である。実施の形態１３に係る発電素子１０は、非磁性層３ａが磁性体３よりも弾性率の小さい材料で形成されている。溝部３１における非磁性層３ａ同士の隙間は、磁性線材１の直径よりも小さくなっている。磁性線材１は、非磁性層３ａが変形した状態で溝部３１に嵌め込まれている。すなわち、磁性線材１と磁性体３との間で非磁性層３ａが圧縮されている。

実施の形態１３に係る発電素子１０は、非磁性層３ａの復元力によるセルフアライメント効果によって磁性線材１が溝部３１の幅方向の中央に配置される。このため、実施の形態１３に係る発電素子１０は、磁性線材１の組み立て精度を高めることができる。さらに、実施の形態１３に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

なお、非磁性層３ａは、磁性体３の全面に形成してもよいし、溝部３１のうち磁性線材１と接する箇所に部分的に形成してもよい。

実施の形態１４．
図１６は、実施の形態１４に係る発電素子の断面図である。実施の形態１４に係る発電素子１０は、磁性体３が二つの凹形状部材３４で構成されており、二つの凹形状部材３４の窪み３５同士が突き合わされて境界部に穴部３３が形成されている。凹形状部材３４の窪み３５の部分には、非磁性層３ａが形成されている。

穴部３３における二つの凹形状部材３４の非磁性層３ａ同士の間隔は、磁性線材１の直径よりも小さくても良い。一般に、窪みの部分には、穴の部分よりも容易に高精度の厚さで非磁性層を形成することができる。実施の形態１４に係る発電素子１０は、二つの凹形状部材３４の窪み３５同士が突き合わされて境界部に穴部３３が形成されているため、穴部３３に高精度の厚さで非磁性層３ａを形成できる。実施の形態１４に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層３ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

また、非磁性層３ａを磁性体３よりも弾性率の小さい材料で形成するとともに、穴部３３における二つの凹形状の部材の非磁性層３ａ同士の間隔を磁性線材１の直径よりも大きくしてもよい。磁性線材１を凹形状部材３４の窪み３５の部分に配置した状態で凹形状部材３４同士を密着させることで、非磁性層３ａが変形し、穴部３３の中央に磁性線材１が嵌め込まれる。すなわち、磁性線材１と磁性体３との間で非磁性層３ａが圧縮される。このようにすることで、非磁性層３ａの復元力によるセルフアライメント効果によって磁性線材１を穴部３３の中央に配置することができる。

実施の形態１５．
図１７は、実施の形態１５に係る発電素子の断面図である。実施の形態１５に係る発電素子１０は、磁性体３が二つの凹形状部材３４で構成されており、二つの凹形状部材３４の窪み３５同士が突き合わされて境界部に穴部３３が形成されている。磁性線材１には、非磁性層１ａが形成されている。

穴部３３の大きさは、磁性線材１及び非磁性層１ａの直径よりも小さくても良い。実施の形態１５に係る発電素子１０は、磁性体３と磁性線材１とが非磁性層１ａを介して接触するため、磁性線材１の組み立てばらつきの影響を低減して出力の安定化を図ることができる。

また、非磁性層１ａを磁性線材１よりも弾性率の小さい材料で形成するとともに、穴部３３の大きさを磁性線材１及び非磁性層１ａの直径よりも大きくしてもよい。磁性線材１を凹形状部材３４の窪み３５の部分に配置した状態で凹形状部材３４同士を密着させることで、非磁性層１ａが変形し、穴部３３の中央に磁性線材１が嵌め込まれる。すなわち、磁性線材１と磁性体３との間で非磁性層１ａが圧縮される。このようにすることで、非磁性層３ａの復元力によるセルフアライメント効果によって磁性線材１を穴部３３の中央に配置することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１磁性線材、１ａ，３ａ非磁性層、２発電部、３磁性体、３ｃ非磁性フィルム、５磁極、１０発電素子、２０回転盤、３０回転検出基板、３１溝部、３２曲げ加工部、３３穴部、３４凹形状部材、３５窪み、４０回転検出素子、１００エンコーダ。

Claims

磁極の移動により磁化反転する磁性線材と、
前記磁性線材の磁化反転に伴って生じる磁界の変化量を電圧に変換する発電部と、
前記磁性線材の両端部を支持するとともに、前記磁極の磁場を集磁する磁性体とを備え、
前記磁性線材と前記磁性体との間には、非磁性層が設けられていることを特徴とする発電素子。
前記磁性体には、溝部が設けられており、前記磁性線材は、前記溝部内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
前記溝部の底部はＶ字形状であり、前記溝部の底部のＶ字形状をなす二つの面によって、前記非磁性層を介して前記磁性線材が支持されていることを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
前記溝部の底部は湾曲面であり、前記磁性線材は、前記非磁性層を介して前記湾曲面に接することを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
前記磁性体には、穴部が設けられており、前記磁性線材は、前記穴部内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
前記磁性体は、二つの凹形状部材で構成されており、二つの前記凹形状部材の窪み同士が突き合わされて境界部に前記穴部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発電素子。
前記非磁性層は、低弾性材料で形成されており、前記磁性線材と前記磁性体との間で前記非磁性層が圧縮されていることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の発電素子。
前記非磁性層は、前記磁性体の表面に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発電素子。
前記非磁性層は、前記溝部のみに形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の発電素子。
前記磁性体のうち前記非磁性層が形成される部分に微小凹凸が形成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の発電素子。
前記非磁性層は、前記穴部のみに形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の発電素子。
前記非磁性層は、前記磁性線材の表面に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発電素子。
前記非磁性層は、前記磁性体と接する部分のみに設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の発電素子。
前記非磁性層は、塗膜、樹脂膜又はめっき膜であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の発電素子。
前記非磁性層は、前記磁性体と前記磁性体との間に挟み込まれた非磁性フィルムであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発電素子。
請求項１から１５のいずれか１項に記載の発電素子と、
一対以上のＳ極及びＮ極を含む前記磁極を有し、回転可能に支持された回転盤とを備えたことを特徴とする回転検出素子。
請求項１６に記載の回転検出素子と、
前記回転盤の回転に伴って前記発電素子に生じた起電力により流れる電流を検出する回転検出基板とを備えたことを特徴とするエンコーダ。