JP7415624B2 - 発電デバイスおよびセンサ付き軸受 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (14)
- 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、を有し、
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発電デバイス。 - 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。
- 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1または2に記載の発電デバイス。
- 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3のいずれか1項に記載の発電デバイス。 - 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4に記載の発電デバイス。 - 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5に記載の発電デバイス。 - 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5または6に記載の発電デバイス。
- 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7のいずれか1項に記載の発電デバイス。
- 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8に記載の発電デバイス。
- 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9のいずれか1項に記載の発電デバイス。
- 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10に記載の発電デバイス。
- 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11のいずれか1項に記載の発電デバイス。 - 軸受と、
請求項1から12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。 - 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13に記載のセンサ付き軸受。
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