JP7378586B2 - 発電素子、これを用いた磁気センサ、エンコーダおよびモータ - Google Patents
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Description
この大バルクハウゼン効果が生じる磁性体の周囲に導電性ワイヤからなる発電用コイルを設け、外部磁界を印加して大バルクハウゼン効果により磁化方向を反転させると、電磁誘導により発電用コイルに起電力を生じる発電素子を得ることができる。
しかし、磁性体に軟磁性体を取り付ける場合、一般に軟磁性体に貫通穴を形成し、磁性体を挿入することで行うが、穴の内径及び磁性体の外径にばらつきが生じると、軟磁性体と磁性体との間の空隙による磁気抵抗が変動し、磁性体に生じる磁束が不安定となり、発電特性の安定性も低下するという問題があった。
実施の形態1に係る発電素子を図1~図16を用いて説明する。
<発電素子の構成>
図1は、本実施の形態1に係る発電素子100の構成を示している。
磁性体1の周囲に導電性ワイヤからなる発電用コイル2が巻回され、磁性体1の両端部には軟磁性材料からなる軟磁性体3が、磁性体1の周囲に接し、磁性体1を挟み押圧した状態で配置されている。
磁性体1の近傍には、磁性体1に磁界を印加する、例えば磁石である磁界発生源12が配置され、周囲に磁界11が発生している。
そこで、バイカロイ合金を0.1mm~1mmのワイヤ状に伸線加工した後、ひねり加工を施して外周部と中心部とで保磁力が異なる構成の磁性体1を得る。
磁性体1の大バルクハウゼン効果により、磁性体1の内部の磁束が変化すると、発電用コイル2を通る磁束が変化する。そのため、発電用コイル2に電磁誘導による起電力が発生し、発電素子100として機能することができる。
発電用コイル2の線径は0.02mm~0.05mmとして用いた。
N極とS極の2つの磁極を磁界発生源12として用い、磁界11を生じさせる。N極とS極の2つの磁極を磁界発生源12として一組以上用い、磁界11を発生させることもできる。磁界11は、磁性体1に印加される。
軟磁性体3とは、磁極の反転等が容易に生じ、本実施の形態1で用いる磁性体1と比較して、高い透磁率及び飽和磁束密度を示す。
図1の模式図と図2の断面図に示したように、ブロック形状の軟磁性体3には断面形状がV字形の溝15が形成されている。磁性体1は、このV字形の溝15と嵌合して決められた位置に配置され、上下から2つの軟磁性体3に押圧された状態、すなわち、軟磁性体3に形成されたV字形の溝15の壁面が磁性体1を押圧した状態で保持されている。
2つのブロック形状の軟磁性体3を対向させ、溝15が形成された部分以外の対向する軟磁性体3の面は、接触している。この接触する面に接着剤16を塗布して硬化することにより、磁性体1を押圧した状態を維持する。
図3~図5は、発電素子100について、各々の磁性体1の長手方向に切断した断面模式図を示しており、各々の磁界発生源12から生じる磁界が、磁性体1の内部にどのように分布しているかを示している。図3は、磁性体1の両端部に軟磁性体3が押圧され、接して配置された発電素子100の断面模式図であり、図5は磁性体1の両端部に軟磁性体3を有しない場合の発電素子100の断面模式図を示している。
磁性体1の両端部に配置した軟磁性体3の間の磁束密度が等しい状態を均一、磁束密度が等しくない状態を不均一と評価する時、磁性体1の両端部に軟磁性体3が押圧して配置された発電素子100を示した図3では、磁性体1のほぼ全体が均一であると言える。磁性体1に軟磁性体3を押圧せず、空隙を有して配置された発電素子100を示した図4では、均一な磁界が形成される範囲が狭くなっていることがわかる。さらに、図5に示した軟磁性体3を用いない発電素子100では、磁性体1の内部の磁界の均一性は大きく低下していることがわかる。
磁性体1が軟磁性体3に押圧された構成の磁束密度8Aは、軟磁性体3の配置態様の異なる構成の磁束密度8B、8Cより磁束密度が高い領域が広くなっていることがわかる。
磁束密度の高い領域が最も広い磁束密度8Aで最も大きな起電力9Aを生じていることを確認することができる。
図8は、図3に断面模式図を示した、軟磁性体3で押圧して配置された構成であり、磁性体1のほぼ全体に渡る広い範囲に矢印10が記載されており、大バルクハウゼン効果による磁化方向の反転が、磁性体1の全体で安定して生じることを示している。そのため、この構成の発電素子では電磁誘導による発電用コイル2の起電力も安定し大きくなる。
本実施の形態1の発電素子100について、ここまでに説明した構成及び材料以外に用いることができる構成及び材料をまとめて説明する。
本実施の形態1の磁性体1には、バイカロイ合金の他に、パーマロイ合金(NiFe合金)、アモルファス合金等を用いることができる。また、保磁力を制御するために、伸線加工、ひねり加工の他に、曲げ加工、熱処理及びメッキ処理、化学処理などの表面処理を用いることができる。
磁性体1の形状は、本実施の形態1ではワイヤ状としたが、図11に示すように、シート状の磁性体22であっても発電用コイル2を巻回して用いることができる。
また、発電用コイル2には、線径が0.02mm~0.05mmの線材を導電性ワイヤとして用いたが、これに限定されるものではなく、巻回する磁性体1の直径、発電素子100の大きさ等に基づいて発電用コイル2を構成する導電性ワイヤの線径を選ぶことができる。
永久磁石としては、フェライト磁石、ネオジム磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石など希土類磁石を用いることできる。また、プラスチック材料に磁性材料粒子を含有させ、射出成型等により成形して磁石として用いることもできる。
本実施の形態1で示した発電素子100、110では、軟磁性体3が、大バルクハウゼン効果を生じる磁性体1を押圧し接触して配置されているため、磁性体1と軟磁性体3の間の磁気抵抗は小さくすることができる。そのため、磁界発生源12によって印加される磁界11を安定して磁性体1に与えることができ、大バルクハウゼン効果による磁化方向の反転を安定化し、電磁誘導によって、発電用コイル2から安定して起電力を発生させることができる。
また、大バルクハウゼン効果によって生じる磁界11の変動が急峻であり、電磁誘導によって発電用コイル2から発生する電力がパルス状となることを利用し、パルス電圧により磁界11の発生を知らせる磁気センサとして用いることができる。
さらに、発電素子100の安定した電源供給とパルスという特徴を用い、図15に示すように、発電素子100とIC23などと組み合わせ、発電素子100でパルス状に発生する電力を電源としてIC23が動作し、同時に発電素子100のパルスの発生をIC23で検出する無電源磁気センサ50として用いることができ、図16に断面模式図を示した反射型光学式エンコーダ200を得ることもできる。
反射型光学式エンコーダ200は、モータ51に取り付けられている。モータ51のモータ回転軸52と同軸に回転軸53が接続され、回転軸53には円盤型のスケール板55が取付けられたハブ部材54が固定されている。
基板60、周囲に配置したハウジング61及び回転軸53が貫通するハウジング62でスケール板55の周囲を覆い、基板60の外面には無電源磁気センサ50、内面には矢印49で示した照射光を発する投光部57と矢印56で示した反射光を受ける受光部58が配置されている。
ハブ部材54は、プラスチック材料などに磁性粒子を分散させて形成する構成に限らず、フェライト、アルニコ(Al-Ni-Co)、または希土類で形成しても良い。
本実施の形態2に記載の発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、軟磁性体3により磁性体1を押圧して配置する構造が異なっている。
図17に、発電素子100の磁性体1に軟磁性体4を取付けた部分について、磁性体1に直交する方向で切断した断面図を示している。
ここで、溝15の形状、接着剤16の種類は、実施の形態1と同様に、軟磁性体4が磁性体1を押圧して保持することができる形状及び材料であれば用いることができる。
また、発電素子100の磁気センサ及びエンコーダへの応用も可能とすることができる。
本実施の形態3に記載の発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、軟磁性体3により磁性体1を押圧して配置する構造が異なっている。
図18に、発電素子100の磁性体1に軟磁性体24を取付けた部分について、磁性体1に直交する方向で切断した断面図を示している。
ここで、嵌入溝27は、軟磁性体24が磁性体1を押圧して保持することができる形状及び材料であれば用いることができる。例えば、図19に示すように、ブロック状の軟磁性体25でも嵌入溝27を形成して用いることができる。この場合、嵌入溝27の底部の内径は、磁性体1の外径よりも小さく形成する。
また、発電素子100の磁気センサ及びエンコーダへの応用も可能とすることができる。
本実施の形態4に記載の発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、軟磁性体3により磁性体1を押圧して配置する構造が異なっている。
図20に、発電素子100の磁性体1に軟磁性体4を取付けた部分について、磁性体1に直交する方向で切断した断面図を示している。
ここで、溝15の形状、接着剤21の種類は、実施の形態1と同様に、軟磁性体4が磁性体1を押圧して保持することができる形状及び材料であれば用いることができる。例えば、図20の場合、接着剤21が硬化する際、収縮し、磁性体1を軟磁性体4の溝壁面に押圧することができる。なお、図21のように、治具Qで、磁性体1を軟磁性体4に押圧した状態で、接着剤21を塗布し、硬化させることで、磁性体1を軟磁性体4に押圧した状態で保持させてもよい。また、図22に示すように、U字形状の軟磁性体26にU字形状の内側部分である嵌入溝27を形成し、嵌入した磁性体1を接着剤21で保持するとともに、押圧する構造であってもよい。
また、発電素子100の磁気センサ及びエンコーダへの応用も可能とすることができる。
本実施の形態5に記載の発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、磁性体1への軟磁性体3の取り付け構造が異なっている。
図23に、発電素子100の磁性体1に軟磁性体5を配置する部分を説明する斜視図を示している。
図24に示すように、軟磁性体5の挿入穴13の上面側及び底面側には、挿入穴13の中央部分から外側に向かって開口部分が大きくなる、テーパ部14が形成されている。
以上の結果、大バルクハウゼン効果による磁化方向の変化が安定し、電磁誘導によって、発電用コイル2で安定的に起電力を発生させることができる。
また、発電素子100の磁気センサ及びエンコーダへの応用も可能とすることができる。
本実施の形態6で用いる軟磁性体6は、ソフトフェライト、パーマロイ等からなる軟磁性材料のみから構成されるのではなく、軟磁性材料を細かく粒子状に加工した軟磁性材料粒子を接着剤等のプラスチック材料に添加する点を特徴としている。
また、発電素子120の磁気センサ及びエンコーダへの応用も可能とすることができる。
本実施の形態7の発電素子130では、図26の模式図で示すように、軟磁性体7は、ソフトフェライト、パーマロイ等の軟磁性材料を線材化し、磁性体1に巻回して用いることを特徴としている。
軟磁性体7の加工において、巻回した軟磁性体7の内径を、磁性体1の外径よりも小さく形成することで、磁性体1に取付けた時に、軟磁性体7で押圧し配置することができる。
また、発電素子130の磁気センサ及びエンコーダへの応用も可能とすることができる。
また、発電素子130の磁気センサ及びエンコーダへの応用も可能とすることができる。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Claims (21)
- 外周部の保磁力と中心部の保磁力とが異なり、大バルクハウゼン効果を生じる磁性体と、
前記磁性体に巻回して配置された発電用コイルと、
前記磁性体の両端部に、前記磁性体の前記外周部に接するとともに、前記磁性体を押圧するように形成され、前記磁性体よりも透磁率及び飽和磁束密度が大きい軟磁性体と、
を備えた発電素子。 - 外周部の保磁力と中心部の保磁力とが異なり、大バルクハウゼン効果を生じる磁性体と、
前記磁性体に沿って配置された発電用コイルと、
前記磁性体の両端部に、前記磁性体の前記外周部に接するとともに、前記磁性体を押圧するように形成され、前記磁性体よりも透磁率及び飽和磁束密度が大きい軟磁性体と、
を備えた発電素子。 - 前記軟磁性体は、
貫通する挿入穴を有し、
前記磁性体の両端部が前記挿入穴に各々圧入されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発電素子。 - 前記挿入穴は、開口部分の内径が、中央部分の内径よりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の発電素子。
- 前記磁性体は、
しまり嵌めにより前記軟磁性体に圧入されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の発電素子。 - 前記磁性体は、
焼き嵌めにより前記軟磁性体に圧入されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の発電素子。 - 前記軟磁性体は、対向する面で前記磁性体を押圧できる形状に構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発電素子。
- 外周部の保磁力と中心部の保磁力とが異なり、大バルクハウゼン効果を生じる磁性体と、
前記磁性体に巻回して、または前記磁性体に沿って配置された発電用コイルと、
前記磁性体の両端部に、前記磁性体に接するとともに、前記磁性体を押圧するように形成された軟磁性体と、
を備え、
前記軟磁性体は、対向する面で前記磁性体を押圧できる形状に構成されており、
前記軟磁性体は、前記磁性体を挟んで対向するブロック形状に形成され、前記対向する面の前記磁性体を押圧する箇所に前記磁性体の外径よりも小さい径の溝が形成されており、前記溝以外の対向面は接触している発電素子。 - 外周部の保磁力と中心部の保磁力とが異なり、大バルクハウゼン効果を生じる磁性体と、
前記磁性体に巻回して、または前記磁性体に沿って配置された発電用コイルと、
前記磁性体の両端部に、前記磁性体に接するとともに、前記磁性体を押圧するように形成された軟磁性体と、
を備え、
前記軟磁性体は、前記磁性体を挟んで非磁性体と対向して配置され、前記軟磁性体の面と前記非磁性体の面とで前記磁性体が押圧されている発電素子。 - 前記軟磁性体および前記非磁性体はブロック形状に形成され、前記磁性体を押圧する箇所に前記磁性体の外径よりも小さい径の溝が形成されており、前記溝以外の対向面は接触していることを特徴とする請求項9に記載の発電素子。
- 接触している対向面は接着剤により接着されていることを特徴とする請求項8又は請求項10に記載の発電素子。
- 前記軟磁性体の断面がU字形状であり、前記U字形状の底部の内径が前記磁性体の外径に等しいかあるいは小さいことを特徴とする請求項1、2および7のいずれか1項に記載の発電素子。
- 大バルクハウゼン効果を生じる磁性体と、前記磁性体に巻回して配置された発電用コイルと、前記磁性体の両端部に、前記磁性体に接するとともに、前記磁性体を押圧するように形成された軟磁性体とを備え、前記軟磁性体の断面がU字形状であり、前記U字形状の底部の内径が前記磁性体の外径に等しいかあるいは小さいことを特徴とする発電素子。
- 前記U字形状の先端部両端の間の距離が前記U字形状の底部の径よりも小さく形成されており、前記磁性体を前記先端部両端の間に挿入したときに生じる弾性力により前記磁性体が押圧されることを特徴とする請求項12または13に記載の発電素子。
- 外周部の保磁力と中心部の保磁力とが異なり、大バルクハウゼン効果を生じる磁性体と、
前記磁性体に巻回して、または前記磁性体に沿って配置された発電用コイルと、
前記磁性体の両端部に、前記磁性体に接するとともに、前記磁性体を押圧するように形成された軟磁性体と、
を備え、
前記軟磁性体は、前記磁性体に巻回されている発電素子。 - 外周部の保磁力と中心部の保磁力とが異なり、大バルクハウゼン効果を生じる磁性体と、
前記磁性体に巻回して、または前記磁性体に沿って配置された発電用コイルと、
前記磁性体の両端部に、前記磁性体に接するとともに、前記磁性体を押圧するように形成された軟磁性体と、
を備え、
前記軟磁性体は、軟磁性材料粒子をブラスチック材料に分散した構造である発電素子。 - 前記軟磁性体は、冷間圧延鋼板からなることを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の発電素子。
- 前記軟磁性体は、ソフトフェライトからなることを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の発電素子。
- 請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の発電素子と、
前記磁性体に磁界を印加する磁界発生源と、
を備えた磁気センサ。 - 請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の発電素子と、
前記磁性体に磁界を印加する磁界発生源と、
を備えたエンコーダ。 - 請求項20に記載のエンコーダを備えたモータ。
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