WO2024075465A1 - 発電素子、発電システムおよびエンコーダ - Google Patents

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WO2024075465A1
WO2024075465A1 PCT/JP2023/032654 JP2023032654W WO2024075465A1 WO 2024075465 A1 WO2024075465 A1 WO 2024075465A1 JP 2023032654 W JP2023032654 W JP 2023032654W WO 2024075465 A1 WO2024075465 A1 WO 2024075465A1
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WO
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magnetic
generating element
magnetic field
power generating
power generation
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PCT/JP2023/032654
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English (en)
French (fr)
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慎一 堤
雄 西谷
優紀 田中
和哉 片山
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train

Definitions

  • This disclosure relates to a power generation element, a power generation system, and an encoder, and in particular to a power generation element that utilizes the large Barkhausen effect, and a power generation system and an encoder that include the same.
  • encoders for detecting motor rotation etc. that use a power generating element that utilizes the Large Barkhausen effect to detect rotation without using a battery are known (for example, Patent Document 1).
  • a power generating element has, for example, a configuration in which a coil is wound around a magnetic member that generates the Large Barkhausen effect.
  • a magnetic member that generates the Large Barkhausen effect experiences a sudden change in magnetic flux density due to a change in the external magnetic field, and the sudden change in magnetic flux density generates electric power in the coil wound around the magnetic member.
  • the encoder uses an electric signal generated by this electric power to detect motor rotation etc.
  • the present disclosure has been made to solve these problems, and aims to provide a power generation element that can reduce the variability in the amount of power generated, as well as a power generation system and an encoder that are equipped with the same.
  • the power generating element includes a magnetic member composite in which the magnetic members are bundled together, each of which has a large Barkhausen effect in response to a change in an external magnetic field, and a coil wound around the magnetic member composite.
  • Each of the magnetic members has a first magnetically sensitive portion and a second magnetically sensitive portion that is softer magnetic than the first magnetically sensitive portion.
  • the first magnetically sensitive portion is magnetized along the winding axis direction of the coil, and the magnetization direction does not change with changes in the direction of the external magnetic field.
  • the magnetic members include a first magnetic member in which the first magnetically sensitive portion is magnetized in a first direction, and a second magnetic member in which the first magnetically sensitive portion is magnetized in a second direction opposite to the first direction.
  • a power generation system includes a power generation element according to the above aspect, and a magnetic field application unit that applies a magnetic field to the power generation element and repeatedly reverses the direction of the magnetic field applied to the power generation element, and the power generation element generates power by reversing the direction of the magnetic field by the magnetic field application unit.
  • An encoder includes the power generation system of the above aspect, and the power generation element outputs the generated power by reversing the direction of the magnetic field by the magnetic field application unit.
  • This disclosure provides a power generation element that can reduce variation in the amount of power generated, as well as a power generation system and an encoder that include the same.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic BH curve of a magnetic member that produces a large Barkhausen effect.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an encoder according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a top view of a magnet in the encoder according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a power generating element according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a schematic BH curve of the first magnetic member according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a schematic BH curve of the second magnetic member according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram in which the BH curve of the first magnetic member shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a circuit used for measuring the amount of power generated by the power generating element.
  • FIG. 9 is a diagram showing the measurement results of the magnitude of power generation of the power generating element in Measurement Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the magnitude of power generation of the power generating element in Measurement Example 2.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the arrangement of a plurality of magnetic members in the magnetic member composite body according to the embodiment.
  • the magnetic member that produces the large Barkhausen effect is, for example, a composite magnetic wire, such as a Wiegand wire, in which the magnetic properties differ between the central portion and the peripheral portion in the radial direction.
  • a composite magnetic wire such as a Wiegand wire
  • the magnetic properties differ between the central portion and the peripheral portion in the radial direction.
  • the Wiegand wire one of the central portion and the peripheral portion is soft magnetic and the other is hard magnetic.
  • Figure 1 shows an example of a schematic BH curve of a magnetic member that produces the Great Barkhausen effect.
  • Figure 1 shows an example of a composite magnetic wire in which the outer periphery is softer than the central part as the magnetic member.
  • Figure 1 also shows a case in which the direction of the applied magnetic field changes in the longitudinal direction of the wire.
  • Figure 1 (1) to (6) also show schematic magnetic members with the magnetization direction indicated by arrows.
  • the dashed arrows indicate the magnetization direction of the outer periphery, which is soft magnetic
  • the solid arrows indicate the magnetization direction of the central part, which is hard magnetic. Note that in Figure 1, the arrows indicating the magnetization direction only indicate the magnetization direction, and the magnetization direction is indicated by arrows of the same size regardless of the magnitude of magnetization.
  • the magnetic flux density of the magnetic member changes suddenly, and power (power generation pulse) is generated in the coil wound around the magnetic member.
  • power power generation pulse
  • the magnetization direction of the central part is also reversed, as shown in (4) of Figure 1, and the magnetic member is magnetized in the opposite direction to (1) of Figure 1.
  • the direction of the magnetic field is changed as shown in (ii) of FIG. 1, and at the point surrounded by the dashed line Jb where the change in the magnetic field exceeds a threshold value, the magnetization direction of the outer periphery is suddenly reversed as shown in (5) and (6) of FIG. 1.
  • the power generation element can be used as an encoder.
  • the magnetization direction of the magnetic member is reversed twice with one round trip change in the direction of the magnetic field, so two power generation pulses are generated.
  • the power generated by the power generating pulse may vary. For example, when detecting 5,000 power generating pulses, a power generating pulse may be detected that has a difference of 10 times the standard deviation (so-called 10 ⁇ ) or more from the average power generating power.
  • this disclosure aims to provide a power generation element that can reduce the variation in the amount of power generated, and a power generation system and encoder that include the same.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily an exact illustration. Therefore, the scale and the like are not necessarily the same in each figure. Furthermore, in each figure, the same reference numerals are used for configurations that are substantially the same as in other figures, and duplicate explanations are omitted or simplified.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of the encoder 1 according to this embodiment.
  • FIG. 3 is a top view of the magnet 10 in the encoder 1 according to this embodiment.
  • the magnetic material composite 110 and coil 130 housed in the housing 190 of the power generating element 100 are shown in dashed lines.
  • FIG. 3 omits illustrations of the magnet 10, the rotating shaft 30, and the magnetic material composite 110 and coil 130 in the power generating element 100.
  • the encoder 1 shown in FIG. 2 is, for example, a rotary encoder used in combination with a motor such as a servo motor.
  • the encoder 1 is, for example, an absolute encoder that uses a power generation method.
  • the encoder 1 detects the rotation angle, amount of rotation, and number of rotations of a rotating shaft 30 of, for example, a motor, based on an electrical signal generated by a power generation element 100.
  • the encoder 1 includes a power generation system 5 including a magnet 10, a rotating plate 20, a substrate 40, and the power generation element 100, a control circuit 50, and a memory 60.
  • the power generation element 100 in the power generation system 5 generates power due to changes in the magnetic field formed by the magnet 10 as the magnet 10 rotates, and outputs the generated power as an electrical signal.
  • the rotating plate 20 is a plate-like member that rotates together with the rotating shaft 30, which is a drive unit of a motor or the like.
  • the center of one main surface of the rotating plate 20 is attached to the end of the rotating shaft 30 in the axial direction of the rotating shaft 30 (the direction in which the rotating shaft 30 extends).
  • the rotating plate 20 extends in a direction perpendicular to the axial direction of the rotating shaft 30.
  • the rotating plate 20 rotates around a rotation axis A that passes through the center of the rotating shaft 30 and extends along the axial direction of the rotating shaft 30.
  • the rotational movement of the rotating shaft 30 is synchronized with the rotational movement of the rotating device.
  • the planar shape of the rotating plate 20 is, for example, circular.
  • the rotating plate 20 is, for example, made of metal, resin, glass, ceramic, etc.
  • the rotating shaft 30 is rod-shaped, such as cylindrical.
  • the axis of the rotating shaft 30 and the rotation axis A are aligned.
  • the magnet 10 is an example of a magnetic field application unit that applies an external magnetic field to the power generating element 100.
  • the magnet 10 can also be said to be a magnetic field generating source that forms an external magnetic field for the power generating element 100.
  • the magnet 10 repeatedly reverses the direction of the magnetic field applied to the power generating element 100.
  • the magnet 10 is, for example, a plate-shaped magnet.
  • the magnet 10 faces the rotating plate 20 and is located on the main surface opposite the rotation axis 30 of the rotating plate 20.
  • a pair of magnets 10 is provided on the same main surface of the rotating plate 20.
  • the thickness direction of the rotating plate 20 and the thickness direction of the magnet 10 are the same and are the axial direction of the rotation axis 30.
  • the pair of magnets 10 rotate together with the rotating plate 20 around the rotation axis 30 as the center of rotation (i.e., the rotation axis A is the rotation axis).
  • the pair of magnets 10 rotate due to the rotation of the rotation axis 30, and the relative positional relationship between the pair of magnets 10 and the power generating element 100 changes, and the magnetic field from the pair of magnets 10 applied to the power generating element 100 also changes.
  • the rotation direction of the pair of magnets 10 is, for example, both clockwise and counterclockwise, but may be only one of clockwise and counterclockwise.
  • the pair of magnets 10 are arranged side by side with a gap between them on the same main surface of the rotating plate 20, sandwiching the rotation axis A of the rotating shaft 30.
  • the rotation axis A of the rotating shaft 30 is located between the pair of magnets 10, forming a space.
  • the pair of magnets 10 are also arranged symmetrically with respect to the rotation axis A.
  • the pair of magnets 10 have the same shape.
  • the pair of magnets 10 are arranged along the rotation direction of the rotating shaft 30.
  • the planar shape of each of the pair of magnets 10 is an arc shape along the rotation direction of the rotating shaft 30. Only one of the pair of magnets 10 may be provided on the main surface of the rotating plate 20.
  • the magnets 10 may also be magnets of other shapes, such as donut-shaped, disk-shaped, or rod-shaped magnets, as long as the magnetic field applied to the power generating element 100 can be changed.
  • the magnets 10 are, for example, permanent magnets, but may also be electromagnets.
  • each of the pair of magnets 10 are aligned in the direction in which the pair of magnets 10 are lined up.
  • the order of the south and north poles of each of the pair of magnets 10 is the same. In other words, each of the pair of magnets 10 is magnetized in the direction in which the pair of magnets 10 are lined up. Therefore, each of the pair of magnets 10 generates a magnetic field that is aligned in the direction in which the pair of magnets 10 are lined up.
  • one magnet 10 has a south pole arranged facing the rotation axis A, and the other magnet 10 has a north pole arranged facing the rotation axis A. Therefore, when the pair of magnets 10 rotate with the rotation of the rotation shaft 30 and the positions of the pair of magnets 10 are swapped, the direction of the magnetic field formed by the pair of magnets 10 is reversed. The rotation of such a pair of magnets 10 changes the magnetic field applied to the power generating element 100. Specifically, the rotation of the pair of magnets 10 repeatedly reverses the direction of the magnetic field applied to the power generating element 100.
  • the substrate 40 is positioned facing the surface of the rotating plate 20 on which the magnet 10 is arranged, with a gap between the rotating plate 20 and the magnet 10.
  • the rotating shaft 30, rotating plate 20, magnet 10, and substrate 40 are arranged in this order along the axial direction of the rotating shaft 30.
  • the substrate 40 does not rotate together with the magnet 10 and rotating plate 20.
  • the substrate 40 is plate-shaped with its thickness direction aligned in the axial direction of the rotating shaft 30.
  • the planar shape of the substrate 40 is, for example, circular. For example, when viewed from the axial direction of the rotating shaft 30, the centers of the rotating shaft 30, rotating plate 20, and substrate 40 are aligned and are located at the rotation axis A.
  • the substrate 40 is, for example, a wiring board, on which electronic components such as the power generating element 100, the control circuit 50, and the memory 60 are mounted.
  • the control circuit 50 and the memory 60 are mounted on the main surface of the substrate 40 facing the magnet 10
  • the power generating element 100 is mounted on the main surface of the substrate 40 opposite the main surface facing the magnet 10.
  • the substrate 40 is, for example, fixed to a case that constitutes part of the encoder 1 or a motor, etc.
  • the power generating element 100 is located on the main surface of the substrate 40 opposite the main surface facing the magnet 10. Therefore, when viewed from the power generating element 100, the substrate 40 is arranged in the same direction as the magnet 10.
  • the power generating element 100 is aligned with the magnet 10 and the rotating plate 20 along the axial direction of the rotation shaft 30.
  • the direction indicated by the arrow Z in which the magnet 10 and the rotating plate 20 are aligned with the power generating element 100 may be referred to as the "alignment direction".
  • the alignment direction is parallel to the axial direction of the rotation shaft 30 and parallel to a direction perpendicular to the main surface 11 of the magnet 10.
  • the power generating element 100 does not rotate with the magnet 10 and the rotating plate 20.
  • the power generating element 100 is provided on the other side of the substrate 40 as viewed from the rotating plate 20 in the axial direction of the rotating shaft 30.
  • the power generating element 100 is not overlapped with the rotation axis A, but is positioned offset from the rotation axis A.
  • the power generating element 100 overlaps with a position through which the magnet 10 passes when it rotates.
  • the power generating element 100 also extends along the main surface of the substrate 40 so as to extend tangentially to the direction of rotation of the magnet 10.
  • the power generating element 100 generates power by changing the magnetic field formed by the magnet 10 as the magnet 10 rotates, specifically by reversing the direction of the magnetic field, and outputs the generated power.
  • the winding axis direction of the coil 130 of the power generating element 100 is the direction in which the power generating element 100 extends.
  • the winding axis direction of the coil 130 is the direction indicated by the arrow X in the figure.
  • the winding axis direction of the coil 130 indicated by the arrow X in the figure may be referred to simply as the "winding axis direction".
  • the power generating element 100 includes, for example, a magnetic material composite 110, a coil 130, terminals 181 and 182, and a housing 190.
  • the magnetic material composite 110 is a composite structure in which multiple magnetic materials, each of which produces a large Barkhausen effect, are bundled together, and a power generation pulse is generated in the coil 130 wound around the magnetic material composite 110. Details of the magnetic material composite 110 and the coil 130 will be described later.
  • the arrangement of the power generation element 100 is not particularly limited, and the power generation element 100 may be positioned in an area where the magnetic field generated by the magnet 10 is applied, and may be positioned so that a power generation pulse is generated by reversing the direction of the magnetic field caused by the rotation of the rotating shaft 30.
  • Terminals 181 and 182 are members for electrically connecting the power generating element 100 and the substrate 40. Terminals 181 and 182 are located at the end of the power generating element 100 that faces the substrate 40. The magnet 10 is arranged in the direction of terminals 181 and 182 when viewed from the power generating element 100. Terminal 181 is electrically connected to one end of the conductor that constitutes the coil 130, and terminal 182 is electrically connected to the other end of the conductor. In other words, the coil 130 and the substrate 40 are electrically connected via terminals 181 and 182.
  • the housing 190 houses and supports the magnetic member composite 110 and the coil 130.
  • the magnetic member composite 110 and the coil 130 are embedded in, for example, resin or the like within the housing 190.
  • the housing 190 also houses a portion of the terminals 181 and 182.
  • the power generating element 100 does not have ferrite beads at the end of the magnetic member composite 110 in the winding axis direction, for example, and the housing 190 does not house ferrite beads.
  • a typical power generating element has ferrite beads arranged at the end of a magnetic member such as a Wiegand wire, for example, but the power generating element 100 can generate stable power as described below even without the ferrite beads, and the power generating element 100 can be made smaller and less expensive.
  • the housing 190 is open toward the magnet 10 in the power generating element 100, for example.
  • the housing 190 is fixed to the substrate 40 by, for example, a fixing member or the like.
  • the control circuit 50 is located on the main surface of the substrate 40 facing the magnet 10.
  • the control circuit 50 is electrically connected to the power generating element 100.
  • the control circuit 50 acquires electrical signals such as power generating pulses generated by the power generating element 100, and detects (calculates) the rotation angle, amount of rotation, number of rotations, etc. of the rotating shaft 30 of a motor, etc. based on the acquired electrical signals.
  • the control circuit 50 is, for example, an IC (integrated circuit) package, etc.
  • the memory 60 is located on the main surface of the substrate 40 facing the magnet 10.
  • the memory 60 is connected to the control circuit 50.
  • the memory 60 is a non-volatile memory such as a semiconductor memory that stores the results detected by the control circuit 50.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of the power generating element 100 according to this embodiment.
  • FIG. 4 shows a cross section taken along a plane passing through the winding axis R1 of the coil 130 and perpendicular to the rotation axis A.
  • terminals 181, 182, and housing 190 are omitted from FIG. 4.
  • the power generating element 100 includes a magnetic material composite 110 and a coil 130.
  • the magnetic member composite 110 has a plurality of magnetic members 120.
  • the plurality of magnetic members 120 are bundled together.
  • the positions of both ends of each of the plurality of magnetic members 120 in the winding axis direction are aligned with each other.
  • the multiple magnetic members 120 are bundled together so that their relative positions do not change. There are no particular limitations on the method for bundling the multiple magnetic members 120, and the multiple magnetic members 120 are bundled together by, for example, fixing them to each other by adhesive, bonding, welding, or the like.
  • the multiple magnetic members 120 may also be bundled together by being supported by the housing 190, or may be bundled together by the coil 130 or a band (not shown), etc.
  • the magnetic member 120 is a magnetic member that generates a large Barkhausen effect due to changes in the external magnetic field generated by the magnet 10 or the like.
  • the magnetic member 120 has a first magnetically sensitive portion 121 and a second magnetically sensitive portion 122 that has magnetic properties different from those of the first magnetically sensitive portion 121.
  • the second magnetically sensitive portion 122 has a lower coercive force and is soft magnetic than the first magnetically sensitive portion 121.
  • the magnetic member 120 is, for example, an elongated member whose longitudinal direction is the winding axis direction of the coil 130.
  • the cross-sectional shape of the magnetic member 120 cut in the radial direction is, for example, circular or elliptical, but may be other shapes such as rectangular or polygonal. In the winding axis direction, the length of the magnetic member 120 is, for example, longer than the length of the coil 130.
  • the magnetic member 120 is, for example, a composite magnetic wire such as a Wiegand wire, which has different magnetic properties between the central portion and the outer peripheral portion in the radial direction.
  • the central portion in the radial direction is the first magnetically sensitive portion 121 having a relatively high magnetic coercive force
  • the outer peripheral portion in the radial direction is the second magnetically sensitive portion 122 having a relatively low magnetic coercive force.
  • the first magnetically sensitive portion 121 and the second magnetically sensitive portion 122 each extend in the winding axis direction.
  • the first magnetically sensitive portion 121 and the second magnetically sensitive portion 122 are both elongated and extend in the winding axis direction.
  • the first magnetically sensitive portion 121 is wire-shaped and extends in the winding axis direction
  • the second magnetically sensitive portion 122 is cylindrical and extends in the winding axis direction.
  • the second magnetically sensitive portion 122 covers the surface that is the outer periphery of the first magnetically sensitive portion 121 when viewed from the winding axis direction, in other words, the surface that extends along the winding axis direction.
  • the first magnetically sensitive portion 121 and the second magnetically sensitive portion 122 are arranged in a direction intersecting (for example, perpendicular to) the winding axis direction, that is, in the radial direction of the magnetic member 120.
  • the magnetic member 120 is not limited to such a shape, and may be any magnetic member that generates a large Barkhausen effect by having the first magnetically sensitive portion 121 and the second magnetically sensitive portion 122 with different magnetic properties.
  • the center portion may be the second magnetically sensitive portion 122
  • the outer peripheral portion may be the first magnetically sensitive portion 121.
  • the magnetic member 120 may be a magnetic member having a structure in which thin films with different magnetic properties are laminated, for example.
  • the coercive force may not change suddenly between the first magnetically sensitive portion 121 and the second magnetically sensitive portion 122, and the coercive force may change gradually near the boundary between the first magnetically sensitive portion 121 and the second magnetically sensitive portion 122.
  • an intermediate layer having a coercive force between the coercive force of the first magnetic sensitive part 121 and the coercive force of the second magnetic sensitive part 122 may be present between the first magnetic sensitive part 121 and the second magnetic sensitive part 122.
  • the first magnetism-sensitive part 121 is magnetized along the winding axis direction.
  • the first magnetism-sensitive part 121 is magnetized by application of a magnetic field of 500 Oe or more.
  • the first magnetism-sensitive part 121 may be magnetized by application of a magnetic field of 1000 Oe or more, or may be magnetized by application of a magnetic field of 3000 Oe or more.
  • the magnetization direction of the first magnetism-sensitive part 121 does not change with a change in the direction of an external magnetic field formed by the magnet 10 or the like.
  • the magnetization direction and magnetization state of the first magnetism-sensitive part 121 do not substantially change with a change in the direction of the external magnetic field.
  • the first magnetism-sensitive part 121 may be saturated magnetized.
  • Oe is a unit of magnetic field strength called Oersted
  • 1 Oe (1/4 ⁇ ) ⁇ 10 3 A/m.
  • ⁇ is the circular constant.
  • the multiple magnetic members 120 include a first magnetic member 120a and a second magnetic member 120b.
  • the first magnetic member 120a and the second magnetic member 120b have opposite magnetization directions. As shown in FIG. 4, the first magnetic member 120a is magnetized in a first direction indicated by an arrow B1. On the other hand, the second magnetic member 120b is magnetized in a second direction indicated by an arrow B2, which is opposite to the first direction.
  • the number of first magnetic members 120a and the number of second magnetic members 120b included in the multiple magnetic members 120 are the same. In the example shown in FIG. 4, the number of each of the first magnetic members 120a and the second magnetic members 120b is one, but the multiple magnetic members 120 may include multiple first magnetic members 120a and multiple second magnetic members 120b. This increases the magnetic flux change of the magnetic member composite 110, thereby increasing the amount of power generated by the power generating element 100.
  • the first magnetic member 120a and the second magnetic member 120b are bundled together in a plane perpendicular to the arrangement direction, aligned in a direction perpendicular to the winding axis direction.
  • the coil 130 is a coil in which the conducting wire constituting the coil 130 is wound around the magnetic member composite 110. Specifically, the coil 130 passes through the center of the magnetic member composite 110 and is wound along a winding axis R1 that extends in the longitudinal direction of the magnetic member composite 110 (the multiple magnetic members 120).
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a schematic BH curve of the first magnetic member 120a.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a schematic BH curve of the second magnetic member 120b.
  • the magnetization directions of the first magnetic member 120a and the second magnetic member 120b are shown by solid and dashed arrows, respectively, as in FIG. 1.
  • the arrows showing the magnetization direction only show the magnetization direction, and the magnetization direction is shown by arrows of the same size regardless of the magnitude of the magnetization.
  • FIG. 7 is a diagram in which the BH curve of the first magnetic member 120a shown in FIG. 5 and the BH curve of the second magnetic member 120b shown in FIG. 6 are superimposed.
  • the magnetization direction of the first magnetic-sensitive part 121 does not change, so the first magnetic-sensitive part 121 and the second magnetic-sensitive part 122 are magnetized in opposite directions. Therefore, when the direction of the magnetic field changes as shown in FIG. 5(i), the magnetization direction of the second magnetic-sensitive part 122 reverses to become the same as the magnetization direction of the first magnetic-sensitive part 121, as shown in FIG. 5(2). In this case, a sudden reversal of the magnetization direction of the second magnetic-sensitive part 122, such as the area surrounded by the dashed line Ja in FIG. 1, is unlikely to occur, so a large Barkhausen jump does not occur.
  • the magnetization direction of the second magnetic-sensitive part 122 does not change due to the influence of the first magnetic-sensitive part 121 until the magnetic field changes to a certain extent.
  • the magnetization direction of the second magnetic-sensitive part 122 suddenly reverses, as shown in FIG. 5(3) and (4). This causes a sudden change in the magnetic flux density of the first magnetic member 120a (i.e., a large Barkhausen jump occurs), and power (power generation pulse) is generated in the coil 130 wound around the magnetic member composite body 110.
  • the first magnetically sensitive portion 121 is completely magnetized and the magnetization direction does not change, so a large Barkhausen jump occurs at one location surrounded by the dashed line Jb with one round-trip change in the direction of the magnetic field, and one power generation pulse is generated in the coil 130. Therefore, unlike conventional magnetic members, there is no variation between the two power generation pulses that occur with one round-trip change in the direction of the magnetic field. This reduces the variation in the power generation of the power generation element 100.
  • the first magnetically sensitive portion 121 is not completely magnetized, there is a possibility that there is an area in the first magnetically sensitive portion 121 that is difficult to magnetize by the external magnetic field formed by the magnet 10, etc., but since the first magnetically sensitive portion 121 is completely magnetized, this area is also magnetized, and the change in the magnetic flux density of the first magnetic member 120a in the large Barkhausen jump can be increased. Therefore, a stable power generation pulse can be generated by the large Barkhausen jump caused by the first magnetic member 120a.
  • the first magnetically sensitive portion 121 is completely magnetized and the magnetization direction does not change, so one large Barkhausen jump occurs with one round trip change in the direction of the magnetic field, generating one power generation pulse in the coil 130. Therefore, for the same reason as the first magnetic member 120a, a stable power generation pulse can also be generated by the large Barkhausen jump caused by the second magnetic member 120b.
  • the large Barkhausen jump occurs at the location surrounded by the dashed line Jb in the first magnetic member 120a
  • the large Barkhausen jump occurs at the location surrounded by the dashed line Ja in the second magnetic member 120b.
  • the magnetization direction of the second magnetic-sensitive portion 122 does not change due to the influence of the first magnetic-sensitive portion 121 until the magnetic field changes to a certain extent.
  • the magnetization direction of the second magnetic-sensitive portion 122 suddenly reverses, as shown in FIG. 6(2) and (3).
  • the magnetization direction of the first magnetic sensitive part 121 does not change, so the first magnetic sensitive part 121 and the second magnetic sensitive part 122 are magnetized in opposite directions. Therefore, when the direction of the magnetic field changes as shown in (ii) of FIG. 6, the magnetization direction of the second magnetic sensitive part 122 reverses to be the same as the magnetization direction of the first magnetic sensitive part 121, as shown in (1) of FIG. 6. In this case, a sudden reversal of the magnetization direction of the second magnetic sensitive part 122 is unlikely to occur, so a large Barkhausen jump does not occur.
  • first magnetic member 120a and the second magnetic member 120b only one large Barkhausen jump occurs for each of them with one round-trip change in the direction of the magnetic field.
  • the large Barkhausen jump occurs at different times, as shown in FIG. 7. Therefore, in the magnetic member composite 110, as with the conventional magnetic member shown in FIG. 1, two large Barkhausen jumps occur with one round-trip change in the direction of the magnetic field.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a circuit used to measure the magnitude of power generation of the power generating element.
  • the power generating element 100 and the magnet 10 were arranged so as to have the positional relationship shown in FIG. 2 and FIG. 3, and the direction of the magnetic field from the magnet 10 applied to the power generating element 100 was repeatedly changed.
  • the magnetic member 120 used had the first magnetic sensitive portion 121 magnetized by applying a magnetic field of 5000 Oe.
  • the power generating element 100 was connected to a circuit as shown in FIG. 8. Specifically, the output of the power generating element 100 was connected to a full-wave rectifier circuit connected to a capacitor C and a resistor R.
  • the voltage V of the power generation pulse generated by the power generating element 100 after rectification was measured every time the direction of the external magnetic field was reversed, and the voltage V x time in the power generation pulse was defined as the magnitude of power generation.
  • the magnitude of power generation was measured 2500 times, and the average and minimum values of the magnitude of power generation measured 2500 times were derived.
  • the distance between the magnet 10 and the magnetic member composite 110 was measured based on the distance at which the magnetic field applied to the magnetic member composite 110 was 20 Oe. After that, the magnet 10 and the magnetic member composite 110 were brought closer to each other, shortening the distance by 1 mm at a time, and when the distance was shortened by 3 mm or 5 mm, the magnet 10 and the magnetic member composite 110 were turned back, and the distance was increased by 1 mm at a time and returned to the original distance.
  • Measurement Example 1 the measurement under the condition of shortening the distance by 3 mm from the reference distance and turning back
  • Measurement Example 2 the measurement under the condition of shortening the distance by 5 mm from the reference distance and turning back
  • the magnetic field applied to the magnetic member composite 110 is determined by the distance between the magnet 10 and the magnetic member composite 110, the magnetic field applied to the magnetic member composite 110 becomes larger as the distance becomes shorter. Therefore, in Measurement Examples 1 and 2, the magnetic field applied to the magnetic member composite 110 is gradually increased to a predetermined magnitude and then returned to the original magnetic field magnitude, while the magnitude of power generation is measured.
  • FIG. 9 is a diagram showing the measurement results of the magnitude of power generation of the power generating element 100 in Measurement Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the magnitude of power generation of the power generating element 100 in Measurement Example 2.
  • the horizontal axis indicates the difference in distance between the magnet 10 and the magnetic member composite 110 relative to the reference distance.
  • the vertical axis indicates the magnitude of power generation measured by the above method. E1 on the vertical axis is the guideline magnitude of power generation at which an electrical signal can be stably detected.
  • the circle plots indicate the average magnitude of power generation, and the triangle plots indicate the minimum magnitude of power generation.
  • FIGS. 9 the circle plots indicate the average magnitude of power generation, and the triangle plots indicate the minimum magnitude of power generation.
  • the plots connected by a solid line indicate the measurement results up to the point where the distance was shortened and the device turned back, and the plots connected by a dashed line indicate the measurement results after the device turned back.
  • the unit of the magnitude of power generation is arbitrary unit (a.u.).
  • the power generating element 100 can be used under conditions where a magnetic field of 60 Oe or more is applied to the magnetic material composite 110. For example, stable power generation is possible in an environment with a constant external magnetic field.
  • a magnetic field of 60 Oe or more is applied to the magnetic material composite 110.
  • stable power generation is possible in an environment with a constant external magnetic field.
  • by increasing the magnetic field applied when magnetizing the first magnetism-sensitive part 121 it is possible to make it difficult for the magnetization state of the first magnetism-sensitive part 121 to change.
  • Methods for stabilizing the magnetized state of the first magnetic-sensitive portion 121 of the magnetic member 120 include, for example, (1) increasing the length of the magnetic member 120, and (2) increasing the coercive force of the magnetic member 120 (first magnetic-sensitive portion 121).
  • the effect of the demagnetizing field of the magnetic member 120 when an external magnetic field is applied is reduced.
  • the magnetized state of the first magnetic-sensitive portion 121 is stabilized.
  • the demagnetizing field coefficient is likely to be 0.01 or less. Note that the demagnetizing field coefficient also changes depending on the thickness of the magnetic member 120, so the length of the magnetic member 120 may be set so that the demagnetizing field coefficient is 0.01 or less depending on the thickness of the magnetic member 120.
  • the coercive force of the magnetic member 120 (first magnetic-sensitive part 121) is increased, so that the magnetization state of the first magnetic-sensitive part 121 is less likely to change even if the external magnetic field becomes stronger.
  • an external magnetic field of the same magnitude as the environment in which the power generating element 100 is operated is applied to the magnetic material composite 110 manufactured under specified conditions. If the magnetization state of the first magnetically sensitive part 121 does not change due to the application of the external magnetic field, the power generating element 100 is manufactured using the magnetic material composite 110 as is. On the other hand, if the magnetization state of the first magnetically sensitive part 121 changes due to the application of the external magnetic field, the power generating element 100 is manufactured using the magnetic material composite 110 remanufactured by applying the above method (1) or (2).
  • the magnitude of power generation of the power generating element 100 may be measured as described above, or the BH curve of the magnetic material composite 110 or the magnetic material 120 may be measured. By using such a method, a power generating element 100 that can generate power more stably can be manufactured.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the arrangement of the plurality of magnetic members 120 in the magnetic member composite 110.
  • FIG. 11 shows examples of the arrangement of the first magnetic member 120a and the second magnetic member 120b when the number of the magnetic members 120 is 2, 4, 6, and 8.
  • FIG. 11 also shows the arrangement of the first magnetic member 120a and the second magnetic member 120b when the plurality of magnetic members 120 are viewed along the winding axis direction.
  • a dot pattern is applied to the second magnetic member 120b.
  • the more the arrangement is shown on the left side the better the power generation stability of the power generating element 100.
  • the multiple magnetic members 120 are arranged in a matrix with the column direction being the direction away from the magnet 10 that forms the external magnetic field, when viewed, for example, along the winding axis direction. Note that the multiple magnetic members 120 may have only one row or column. In other words, the multiple magnetic members 120 may be arranged in a line.
  • the power generation stability of the power generating element 100 is better when the multiple magnetic members 120 are arranged so that the first magnetic members 120a and the second magnetic members 120b are alternately arranged (for example, the arrangement of the first magnetic members 120 from the left side when the number of magnetic members 120 is four or more). This is because the repulsion between the magnetic poles of the first magnetic sensitive portion 121 magnetized in the opposite directions in the first magnetic member 120a and the second magnetic member 120b is suppressed, and the magnetization state of the first magnetic sensitive portion 121 is stabilized. In this case, for example, in all combinations of two adjacent magnetic members 120 in the multiple magnetic members 120, one magnetic member 120 is the first magnetic member 120a and the other magnetic member 120 is the second magnetic member 120b. In the multiple magnetic members 120, for example, the first magnetic members 120a and the second magnetic members 120b are not adjacent to each other in either the row direction or the column direction.
  • the power generation stability of the power generating element 100 is better when the number of first magnetic members 120a and second magnetic members 120b is an even number than when the number is an odd number. This is because it is easier to arrange multiple magnetic members 120 in such a way that the symmetry of the magnetization state of the entire magnetic member composite 110 is easily maintained.
  • the power generation stability of the power generating element 100 is better when the number of magnetic members 120 arranged in the column direction (direction away from the magnet 10) is less than or equal to the number of magnetic members 120 arranged in the row direction. This is because the number of magnetic members 120 arranged in the direction away from the magnet 10 is small (it does not exceed the number of magnetic members 120 arranged in the row direction), and differences in the magnitude of the magnetic field applied to the multiple magnetic members 120 are less likely to occur. Also, the number of magnetic members 120 arranged in the column direction may be less than the number of magnetic members 120 arranged in the row direction.
  • the power generating element includes a magnetic member composite 110 in which the magnetic members 120 are bundled together, each of which has a plurality of magnetic members 120 that generate a large Barkhausen effect in response to a change in an external magnetic field, and a coil 130 wound around the magnetic member composite 110.
  • Each of the magnetic members 120 has a first magnetic-sensitive portion 121 and a second magnetic-sensitive portion 122 that is softer magnetic than the first magnetic-sensitive portion 121.
  • the first magnetic-sensitive portion 121 is magnetized along the winding axis direction of the coil 130, and the magnetization direction does not change with a change in the direction of the external magnetic field.
  • the magnetic members 120 include a first magnetic member 120a in which the first magnetic-sensitive portion 121 is magnetized in a first direction, and a second magnetic member 120b in which the first magnetic-sensitive portion 121 is magnetized in a second direction opposite to the first direction.
  • the magnetization direction of the first magnetic-sensitive part 121 is constant regardless of the direction of the external magnetic field.
  • the magnetization direction of the second magnetic-sensitive part 122 changes suddenly to the opposite direction to the magnetization direction of the first magnetic-sensitive part 121, resulting in only one large Barkhausen jump. Therefore, unlike conventional magnetic members, there is no difference in the magnetization state of the first magnetic-sensitive part 121 in each of the two large Barkhausen jumps in one round trip change in the direction of the external magnetic field, and the magnitude of the power generation pulse does not vary.
  • the multiple magnetic members 120 of the magnetic member composite 110 include a first magnetic member 120a and a second magnetic member 120b in which the magnetization directions of the first magnetic sensitive portion 121 are opposite to each other, so that the magnetic member composite 110 can perform two large Barkhausen jumps with one round trip change in the direction of the external magnetic field, and the number of times the power generating element generates electricity can be maintained at the same number as when conventional magnetic members are used.
  • the power generating element according to the second aspect of the present disclosure is the power generating element according to the first aspect, and the multiple magnetic members 120 include multiple first magnetic members 120a and multiple second magnetic members 120b.
  • the power generating element according to the third aspect of the present disclosure is the power generating element according to the second aspect, and the multiple magnetic members 120 are arranged so that the first magnetic members 120a and the second magnetic members 120b are arranged alternately.
  • the power generating element according to the fourth aspect of the present disclosure is the power generating element according to the second or third aspect, in which the number of first magnetic members 120a and second magnetic members 120b is an even number.
  • the power generating element according to the fifth aspect of the present disclosure is a power generating element according to any one of the second to fourth aspects, in which the multiple magnetic members 120 are arranged in a matrix with the column direction being the direction away from the magnet 10 that forms the external magnetic field when viewed along the winding axis direction, and the number of magnetic members 120 arranged in the column direction is less than or equal to the number of magnetic members 120 arranged in the row direction.
  • the number of magnetic members 120 arranged in the direction away from the magnet 10 is small (it does not exceed the number of magnetic members 120 arranged in the row direction), and differences in the magnitude of the magnetic field applied to the multiple magnetic members 120 are unlikely to occur. This allows the power generating element to generate power more stably.
  • the power generating element according to the sixth aspect of the present disclosure is a power generating element according to any one of the first to fifth aspects, and does not include a ferrite bead disposed at the end of the magnetic member composite 110 in the winding axis direction.
  • the power generation system includes a power generation element according to any one of the first to sixth aspects, and a magnet 10 that applies a magnetic field to the power generation element and repeatedly reverses the direction of the magnetic field applied to the power generation element.
  • the power generation element generates power by reversing the direction of the magnetic field by the magnet 10.
  • a power generation system that includes the above-mentioned power generation elements can be realized that can reduce variation in the amount of power generated.
  • the power generation system according to the eighth aspect of the present disclosure is the power generation system according to the seventh aspect, in which the magnitude of the magnetic field applied to the magnetic member composite 110 of the power generation element is 20 Oe or more and 60 Oe or less.
  • the magnetization state of the first magnetically sensitive portion 121 is less affected by the applied magnetic field, allowing the power generating element to generate power more stably.
  • the encoder according to the ninth aspect of the present disclosure includes the power generation system according to the seventh or eighth aspect.
  • the power generation element outputs the power generated by reversing the direction of the magnetic field by the magnet 10.
  • the power generation element outputs power with reduced variation in the amount of power generated, making it possible to improve the detection accuracy of the encoder.
  • the power generating element 100 does not include ferrite beads, but this is not limited to the above.
  • the power generating element 100 may include ferrite beads at the ends of the magnetic member composite 110 to increase the magnetic collecting force from the magnet 10.
  • the power generating element 100 includes a magnetic member composite 110 in which multiple magnetic members 120 are bundled together, but this is not limited to the above.
  • the power generating element 100 may include one magnetic member 120 instead of the magnetic member composite 110.
  • the number of times power is generated by the power generating element 100 may be increased by increasing the number of magnetic poles of the magnet 10 that rotates together with the rotating shaft 30.
  • the position of the power generating element 100 is fixed, and the magnet 10 rotates due to the rotation of the rotating shaft 30, thereby repeatedly reversing the direction of the magnetic field applied to the power generating element 100, but this is not limited to the above.
  • the position of the magnet 10 may be fixed, and the power generating element 100 may rotate due to the rotation of the rotating shaft 30, thereby repeatedly reversing the direction of the magnetic field applied to the power generating element 100.
  • the power generation element, power generation system, and encoder disclosed herein are useful for devices and equipment that rotate or move linearly, such as motors.

Landscapes

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Abstract

発電量のばらつきを低減可能な発電素子等を提供する。発電素子（１００）は、各々が外部磁界の変化によって大バルクハウゼン効果を生じる複数の磁性部材（１２０）を有し、複数の磁性部材（１２０）が束ねられている磁性部材複合体（１１０）と、磁性部材複合体（１１０）に巻回されたコイル（１３０）と、を備える。複数の磁性部材（１２０）の各々は、第１感磁性部（１２１）と、第１感磁性部（１２１）よりも軟磁性である第２感磁性部（１２２）と、を有する。第１感磁性部（１２１）は、コイル（１３０）の巻回軸方向に沿って磁化しており、外部磁界の方向の変化によって磁化方向が変化しない。複数の磁性部材（１２０）は、第１感磁性部（１２１）が第１方向に磁化した第１磁性部材（１２０ａ）と、第１感磁性部（１２１）が第１方向とは逆方向の第２方向に磁化した第２磁性部材（１２０ｂ）と、を含む。

Description

発電素子、発電システムおよびエンコーダ
　本開示は、発電素子、発電システムおよびエンコーダに関し、特に大バルクハウゼン効果を利用した発電素子、それを備えた発電システムおよびエンコーダに関する。
　従来、モータの回転等を検出するためのエンコーダにおいて、バッテリを用いずに回転を検出するために、大バルクハウゼン効果を利用した発電素子が用いられたエンコーダが知られている（例えば、特許文献１）。このような発電素子は、例えば、大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材にコイルが巻回された構成を有する。大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材は、外部磁界の変化によって磁束密度が急激に変化するため、磁束密度の急激な変化により磁性部材に巻回されたコイルに電力が生じる。エンコーダは、このような電力による電気信号を用いて、モータの回転等を検出する。
特開２０１２－１９８０６７号公報
　上述のエンコーダにおいて、発電素子によって発電される電力のばらつきが大きい場合には、精度良くモータの回転等を検出できない場合が生じる。
　本開示は、このような問題を解決するためになされたものであり、発電量のばらつきを低減可能な発電素子、それを備えた発電システムおよびエンコーダを提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係る発電素子は、各々が外部磁界の変化によって大バルクハウゼン効果を生じる複数の磁性部材を有し、前記複数の磁性部材が束ねられている磁性部材複合体と、前記磁性部材複合体に巻回されたコイルと、を備える。前記複数の磁性部材の各々は、第１感磁性部と、前記第１感磁性部よりも軟磁性である第２感磁性部と、を有する。前記第１感磁性部は、前記コイルの巻回軸方向に沿って磁化しており、前記外部磁界の方向の変化によって磁化方向が変化しない。前記複数の磁性部材は、前記第１感磁性部が第１方向に磁化した第１磁性部材と、前記第１感磁性部が前記第１方向とは逆方向の第２方向に磁化した第２磁性部材と、を含む。
　また、本開示の他の一態様に係る発電システムは、上記態様の発電素子と、前記発電素子に磁界を印加し、かつ、前記発電素子に印加される前記磁界の向きを繰り返し反転させる磁界印加部と、を備え、前記発電素子は、前記磁界印加部による前記磁界の向きの反転により発電する。
　また、本開示の他の一態様に係るエンコーダは、上記態様の発電システムを備え、前記発電素子は、前記磁界印加部による前記磁界の向きの反転により発電した電力を出力する。
　本開示によれば、発電量のばらつきを低減可能な発電素子、それを備えた発電システムおよびエンコーダを提供できる。
図１は、大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材の模式的なＢＨ曲線の例を示す図である。 図２は、実施の形態に係るエンコーダの概略構成を示す断面図である。 図３は、実施の形態に係るエンコーダにおける磁石の上面図である。 図４は、実施の形態に係る発電素子の概略構成を示す断面図である。 図５は、実施の形態に係る第１磁性部材の模式的なＢＨ曲線の例を示す図である。 図６は、実施の形態に係る第２磁性部材の模式的なＢＨ曲線の例を示す図である。 図７は、図５に示される第１磁性部材のＢＨ曲線と図６に示される第２磁性部材のＢＨ曲線とを重ね合わせた図である。 図８は、発電素子の発電量の測定に用いた回路を示す模式図である。 図９は、測定例１における発電素子の発電の大きさの測定結果を示す図である。 図１０は、測定例２における発電素子の発電の大きさの測定結果を示す図である。 図１１は、実施の形態に係る磁性部材複合体における複数の磁性部材の配置を説明するための図である。
　（本開示の一態様を得るに至った経緯）
　上述の大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材には、例えば、ウィーガンドワイヤなどの、径方向における中心部分と外周部分とで磁気特性の異なる複合磁気ワイヤが用いられる。ウィーガンドワイヤでは、中心部分および外周部分のうちの一方が軟磁性であり他方が硬磁性である。
　ここで、大バルクハウゼン効果について説明する。図１は、大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材の模式的なＢＨ曲線の例を示す図である。図１では、外周部分が中心部分よりも軟磁性である複合磁気ワイヤを磁性部材として用いた例が示されている。また、図１は、ワイヤの長手方向において、印加される磁界の方向が変化する場合の図である。また、図１の（１）から（６）には、磁化の方向を矢印で示した磁性部材が模式的に示されている。破線の矢印が軟磁性である外周部分の磁化の方向を示しており、実線の矢印が硬磁性である中心部分の磁化の方向を示している。なお、図１において、磁化の方向を示す矢印は、磁化の方向のみを示しており、磁化の大きさとは関係なく同じ大きさの矢印で磁化の方向が示されている。
　磁性部材の長手方向に沿って一定以上の大きさの磁界が磁性部材に印加されると、図１の（１）に示されるように、磁性部材の中心部分および外周部分は、同じ方向に磁化される。図１の（ｉ）のように磁界の方向が変化しても、ある程度の磁界の変化までは、硬磁性の中心部分の影響で軟磁性の外周部分の磁化方向は変化しない。磁界の変化が閾値を超えた破線Ｊａで囲まれた箇所で、図１の（２）および（３）に示されるように、軟磁性の外周部分の磁化方向が一気に反転する。この現象は大バルクハウゼンジャンプとも呼ばれる。これにより、磁性部材の磁束密度が急激に変化し、磁性部材に巻回されたコイルに電力（発電パルス）が生じる。さらに磁界を変化させると、図１の（４）に示されるように、中心部分の磁化方向も逆転し、図１の（１）とは逆方向に磁性部材が磁化される。この場合も、図１の（ｉｉ）のように磁界の方向を変化させ、磁界の変化が閾値を超えた破線Ｊｂで囲まれた箇所で、図１の（５）および（６）に示されるように、外周部分の磁化方向が一気に反転する。これにより、磁性部材の磁束密度が急激に変化し、磁性部材に巻回されたコイルに再び電力（発電パルス）が生じる。このような発電パルスを検出することで、発電素子をエンコーダに利用することができる。図１に示される例の場合、１往復の磁界の方向の変化で、磁性部材の磁化方向が２回反転するため、２回の発電パルスが生成する。
　このような磁性部材を用いる発電素子において、繰り返し発電パルスを検出する場合に、発電パルスにおける発電電力がばらつく場合が生じる。例えば、５０００回の発電パルスを検出した場合、発電電力の平均値に対して、標準偏差の１０倍（いわゆる１０σ）以上の差がある発電電力の発電パルスが検出される場合もある。
　そこで、本開示では、上記問題を鑑み、発電量のばらつきを低減可能な発電素子、それを備えた発電システムおよびエンコーダを提供することを目的とする。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。また、各図において、他の図と実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。
　また、本明細書において、平行などの要素間の関係性を示す用語、および、矩形などの要素の形状を示す用語、ならびに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
　（実施の形態）
　以下、実施の形態に係るエンコーダ１、発電システム５および発電素子１００について説明する。
　［構成］
　まず、本実施の形態に係るエンコーダ１、発電システム５および発電素子１００の構成を説明する。
　図２は、本実施の形態に係るエンコーダ１の概略構成を示す断面図である。図３は、本実施の形態に係るエンコーダ１における磁石１０の上面図である。なお、図２において、発電素子１００の筐体１９０に収容されている磁性部材複合体１１０およびコイル１３０が破線で模式的に示されている。また、見やすさのため、図３においては、磁石１０、回転軸３０ならびに発電素子１００における磁性部材複合体１１０およびコイル１３０以外の図示は省略されている。
　図２に示されるエンコーダ１は、例えば、サーボモータ等のモータと組み合わせて用いられるロータリーエンコーダである。また、エンコーダ１は、例えば、発電方式のアブソリュートエンコーダである。エンコーダ１は、発電素子１００が生成する電気信号に基づいて、例えばモータ等の回転軸３０の回転角、回転量および回転数等を検出する。エンコーダ１は、磁石１０、回転板２０、基板４０および発電素子１００を備える発電システム５と、制御回路５０と、メモリ６０と、を備える。エンコーダ１では、発電システム５における発電素子１００が、磁石１０が回転することによる、磁石１０によって形成される磁界の変化によって発電し、発電した電力を電気信号として出力する。
　回転板２０は、モータ等の駆動部である回転軸３０とともに回転する板状の部材である。回転板２０の一方の主面の中央部は、回転軸３０の軸方向（回転軸３０が延びる方向）における回転軸３０の端部に取り付けられている。回転板２０は、回転軸３０の軸方向と直交する方向に延びる。回転板２０は、回転軸３０の中心を通り回転軸３０の軸方向に沿って延びる回転軸線Ａを回転軸として回転する。回転軸３０の回転動作は、回転する機器の回転動作に同期している。回転板２０の平面視形状は、例えば、円形である。回転板２０は、例えば、金属製、樹脂製、ガラス製またはセラミック製等である。
　回転軸３０は、円柱状等の棒状である。回転軸３０の軸心と回転軸線Ａとは、一致している。
　磁石１０は、発電素子１００に対して外部磁界を印加する磁界印加部の一例である。磁石１０は、発電素子１００に対して外部磁界を形成する磁界発生源であるとも言える。磁石１０は、発電素子１００に印加される磁界の向きを繰り返し反転させる。磁石１０は、例えば、板状の磁石である。磁石１０は、回転板２０と対向し、回転板２０の回転軸３０とは反対の主面上に位置する。本実施の形態においては、一対の磁石１０が回転板２０の同一主面上に設けられている。回転板２０の厚み方向および磁石１０の厚み方向は同じであり、回転軸３０の軸方向である。一対の磁石１０は、回転板２０と共に回転軸３０を回転中心として（つまり、回転軸線Ａを回転軸として）回転する。回転軸３０の回転により、一対の磁石１０が回転することで、一対の磁石１０と発電素子１００との相対的な位置関係が変化し、発電素子１００に印加される一対の磁石１０からの磁界も変化する。一対の磁石１０の回転方向は、例えば、時計回りおよび反時計回りの両方であるが、時計回りおよび反時計回りのいずれか一方のみであってもよい。
　一対の磁石１０は、回転軸３０の回転軸線Ａを挟み、かつ、回転板２０の同一主面上で間隔を空けて並んで配置されている。つまり、一対の磁石１０の間には、回転軸３０の回転軸線Ａが位置し、空間が形成されている。また、一対の磁石１０は、回転軸線Ａを挟んで対称に配置されている。一対の磁石１０は、相互に同形状である。
　一対の磁石１０は、回転軸３０の回転方向に沿って配置されている。一対の磁石１０の各々の平面視形状は、回転軸３０の回転方向に沿う円弧状である。なお、一対の磁石１０のうちの一方のみが回転板２０の主面上に設けられていてもよい。また、磁石１０は、発電素子１００に印加する磁界を変化させることができれば、ドーナツ状、円盤状または棒状の磁石等、他の形状の磁石であってもよい。また、磁石１０は、例えば、永久磁石であるが、電磁石であってもよい。
　一対の磁石１０の各々のＮ極およびＳ極は、一対の磁石１０が並ぶ方向に沿って並んでいる。一対の磁石１０それぞれのＳ極とＮ極との並び順は同じである。つまり、一対の磁石１０の各々は、一対の磁石１０が並ぶ方向に着磁されている。そのため、一対の磁石１０の各々は、一対の磁石１０が並ぶ方向に沿った磁界を発生させる。
　一対の磁石１０のうち、一方の磁石１０において回転軸線Ａに面してＳ極が配置され、他方の磁石１０において回転軸線Ａに面してＮ極が配置される。そのため、回転軸３０の回転によって、一対の磁石１０が回転して、一対の磁石１０の位置が互いに入れ替わると、一対の磁石１０が形成する磁界の向きは反転する。このような一対の磁石１０が回転することにより、発電素子１００に印加される磁界が変化する。具体的には、一対の磁石１０が回転することにより、発電素子１００に印加される磁界の向きが繰り返し反転する。
　基板４０は、回転板２０の磁石１０を配置した面に対し、回転板２０および磁石１０と間隔を空けて対向するように位置する。つまり、回転軸３０の軸方向に沿って、回転軸３０、回転板２０、磁石１０および基板４０は、この順で並ぶ。基板４０は、磁石１０および回転板２０とともに回転しない。基板４０は、回転軸３０の軸方向を厚み方向とする板状である。基板４０の平面視形状は、例えば、円形状である。例えば、回転軸３０の軸方向から見た場合に、回転軸３０、回転板２０および基板４０それぞれの中心は一致し、回転軸線Ａの位置である。
　基板４０は、例えば、配線基板であり、発電素子１００、制御回路５０およびメモリ６０等の電子部品等が実装される。図２に示される例では、基板４０の磁石１０と対向する主面に制御回路５０およびメモリ６０が実装されており、基板４０の磁石１０と対向する主面とは反対側の主面に発電素子１００が実装されている。基板４０は、例えば、エンコーダ１またはモータ等の一部を構成するケースに固定される。
　発電素子１００は、基板４０の磁石１０と対向する主面とは反対側の主面上に位置する。そのため、発電素子１００からみて基板４０は、磁石１０と同じ方向に配置される。発電素子１００は、回転軸３０の軸方向に沿って、磁石１０および回転板２０と並んでいる。以降、磁石１０および回転板２０と発電素子１００とが並ぶ、矢印Ｚで示される方向を「並び方向」と称する場合がある。本実施の形態においては、並び方向は、回転軸３０の軸方向に平行および磁石１０の主面１１に垂直な方向に平行である。発電素子１００は、磁石１０および回転板２０と共に回転しない。
　発電素子１００は、回転軸３０の軸方向において回転板２０からみて基板４０の向こう側に設けられている。発電素子１００は、回転軸３０の軸方向から見た場合に、回転軸線Ａと重ならず、回転軸線Ａとずれた位置に配置されている。発電素子１００は、回転軸３０の軸方向から見た場合に、磁石１０が回転した際に通る位置と重なる。また、発電素子１００は、磁石１０の回転方向の接線方向に延びるように、基板４０の主面に沿って延在する。
　発電素子１００は、磁石１０が回転することによる、磁石１０によって形成される磁界の変化、具体的には磁界の向きの反転によって発電し、発電した電力を出力する。発電素子１００のコイル１３０の巻回軸方向が、発電素子１００が延在する方向である。コイル１３０の巻回軸方向は、図中の矢印Ｘで示される方向である。以降、図中の矢印Ｘで示されるコイル１３０の巻回軸方向を、単に「巻回軸方向」と称する場合がある。
　発電素子１００は、例えば、磁性部材複合体１１０と、コイル１３０と、端子１８１、１８２と、筐体１９０とを備える。
　磁性部材複合体１１０は、それぞれが大バルクハウゼン効果を生じる複数の磁性部材が束ねられた複合構造体であり、磁性部材複合体１１０に巻回されたコイル１３０に発電パルスが生じる。磁性部材複合体１１０およびコイル１３０の詳細については後述する。なお、発電素子１００の配置は、特に制限されず、発電素子１００は、磁石１０によって発生する磁界が印加される領域に位置し、回転軸３０が回転することによる磁界の向きの反転によって発電パルスを生成するように配置されればよい。
　端子１８１、１８２は、発電素子１００と基板４０とを電気的に接続するための部材である。端子１８１、１８２は、発電素子１００において基板４０に面する端部に位置する。発電素子１００からみて端子１８１、１８２の方向に、磁石１０が配置されている。端子１８１は、コイル１３０を構成する導線の一端に電気的に接続され、端子１８２は当該導線の他端に電気的に接続される。つまり、コイル１３０と基板４０とは、端子１８１、１８２を介して電気的に接続されている。
　筐体１９０は、磁性部材複合体１１０およびコイル１３０を収容し、これらを支持している。磁性部材複合体１１０およびコイル１３０は、例えば、筐体１９０内で樹脂等に包埋されている。また、筐体１９０は、端子１８１、１８２の一部を収容する。また、発電素子１００は、例えば、巻回軸方向における磁性部材複合体１１０の端部にフェライトビーズを備えておらず、筐体１９０は、フェライトビーズを収容していない。一般的な発電素子は、例えば、ウィーガンドワイヤ等の磁性部材の端部に配置されるフェライトビーズを備えるが、発電素子１００は、フェライトビーズを備えていなくても、後述するように安定的な発電が可能であり、発電素子１００の小型化および低コスト化が可能である。筐体１９０は、例えば、発電素子１００において磁石１０に向かって開口している。筐体１９０は、例えば、固定部材等によって、基板４０に固定されている。
　制御回路５０は、基板４０の磁石１０に対向する主面上に位置する。制御回路５０は、発電素子１００と電気的に接続されている。制御回路５０は、発電素子１００が生成する発電パルス等の電気信号を取得し、取得した電気信号に基づいて、モータ等の回転軸３０の回転角、回転量および回転数等を検出（算出）する。制御回路５０は、例えば、ＩＣ（集積回路）パッケージ等である。
　メモリ６０は、基板４０の磁石１０に対向する主面上に位置する。メモリ６０は、制御回路５０と接続されている。メモリ６０は、制御回路５０が検出した結果を保存する半導体メモリ等の不揮発メモリである。
　次に、本実施の形態に係る発電素子１００の詳細について説明する。
　図４は、本実施の形態に係る発電素子１００の概略構成を示す断面図である。図４は、コイル１３０の巻回軸Ｒ１を通るように、かつ回転軸線Ａに垂直な面で切断した場合の断面を示している。なお、見やすさのため、図４において、端子１８１、端子１８２および筐体１９０の図示は省略されている。
　図４に示されるように、発電素子１００は、磁性部材複合体１１０と、コイル１３０とを備える。
　磁性部材複合体１１０は、複数の磁性部材１２０を有する。磁性部材複合体１１０において、複数の磁性部材１２０は束ねられている。複数の磁性部材１２０のそれぞれは、巻回軸方向における両端の位置が互いに揃っている。
　複数の磁性部材１２０は、互いの位置関係が変化しないように束ねられる。複数の磁性部材１２０を束ねる方法は特に制限されず、複数の磁性部材１２０は、例えば、接着、接合または溶接等により互いが固定されることで束ねられる。また、複数の磁性部材１２０は、それぞれが筐体１９０に支持されることで束ねられていてもよく、コイル１３０または図示されていないバンド等によって束ねられていてもよい。
　磁性部材１２０は、磁石１０等が形成する外部磁界の変化によって大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材である。磁性部材１２０は、第１感磁性部１２１と、第１感磁性部１２１と磁気特性の異なる第２感磁性部１２２と、を有する。第２感磁性部１２２は、第１感磁性部１２１よりも保磁力が低く軟磁性である。磁性部材１２０は、例えば、コイル１３０の巻回軸方向が長手方向である長尺状の部材である。磁性部材１２０の径方向に切断した断面形状は、例えば、円状または楕円状であるが、矩形状または多角形状等の他の形状であってもよい。巻回軸方向において、磁性部材１２０の長さは、例えば、コイル１３０の長さより長い。
　磁性部材１２０は、例えば、ウィーガンドワイヤ等の径方向における中心部分と外周部分とで異なる磁気特性を有する複合磁気ワイヤである。本実施の形態では、磁性部材１２０において、例えば、径方向の中心部分は相対的に保磁力が高い第１感磁性部１２１であり、径方向の外周部分は相対的に保磁力が低い第２感磁性部１２２である。第１感磁性部１２１および第２感磁性部１２２は、それぞれ、巻回軸方向に延在する。第１感磁性部１２１および第２感磁性部１２２は、共に巻回軸方向に延びる長尺状である。詳細には、第１感磁性部１２１は、巻回軸方向に延びるワイヤ状であり、第２感磁性部１２２は、巻回軸方向に延びる筒状である。第２感磁性部１２２は、巻回軸方向から見た場合の第１感磁性部１２１の外周となる表面、言い換えると、巻回軸方向に沿って延びる表面を被覆する。第１感磁性部１２１と第２感磁性部１２２とは、巻回軸方向と交差（例えば直交）する方向、つまり、磁性部材１２０の径方向に並ぶ。なお、磁性部材１２０は、このような形状に限らず、異なる磁気特性の第１感磁性部１２１と第２感磁性部１２２とを有することで大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材であればよい。例えば、磁性部材１２０において、中心部分が第２感磁性部１２２であり、外周部分が第１感磁性部１２１であってもよい。また、磁性部材１２０は、例えば、磁気特性の異なる薄膜が積層された構造を有する磁性部材であってもよい。また、第１感磁性部１２１と第２感磁性部１２２との間で急激に保磁力が変化していなくてもよく、第１感磁性部１２１と第２感磁性部１２２との境界近傍では徐々に保磁力が変化していてもよい。また、例えば、第１感磁性部１２１の保磁力と第２感磁性部１２２の保磁力との間の保磁力を有する中間層が第１感磁性部１２１と第２感磁性部１２２との間に存在していてもよい。
　第１感磁性部１２１は、巻回軸方向に沿って磁化している。例えば、第１感磁性部１２１は、５００Ｏｅ以上の磁場が印加されたことにより磁化されている。第１感磁性部１２１は、１０００Ｏｅ以上の磁場が印加されたことにより磁化されてもよく、３０００Ｏｅ以上の磁場が印加されたことにより磁化されてもよい。第１感磁性部１２１は、磁石１０等が形成する外部磁界の方向の変化によって磁化方向が変化しない。例えば、第１感磁性部１２１は、発電素子１００に６０Ｏｅ以下の外部磁界が印加されている場合に、外部磁界の方向の変化によって磁化方向および磁化状態が実質的に変化しない。また、第１感磁性部１２１は、飽和着磁していてもよい。なお、ここでＯｅはエルステッド（oersted）という磁界の強さの単位であり、１Ｏｅ＝（１／４π）・１０３Ａ／ｍである。なお、πは円周率である。
　複数の磁性部材１２０は、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとを含む。第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとは磁化方向が逆向きである。図４に示されるように、第１磁性部材１２０ａは、矢印Ｂ１で示される第１方向に磁化している。一方、第２磁性部材１２０ｂは、矢印Ｂ２で示される、第１方向とは逆方向の第２方向に磁化している。
　複数の磁性部材１２０に含まれる第１磁性部材１２０ａの数と第２磁性部材１２０ｂの数とは同じである。図４で示される例では、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂそれぞれの数は、１つであるが、複数の磁性部材１２０は、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂをそれぞれ複数含んでいてもよい。これにより、磁性部材複合体１１０の磁束変化が大きくなるため、発電素子１００の発電量を増大できる。
　図４で示される例では、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとは、並び方向に垂直な面において、巻回軸方向に直交する方向に沿って並んで束ねられている。
　コイル１３０は、コイル１３０を構成する導線が磁性部材複合体１１０に巻回されているコイルである。具体的には、コイル１３０は、磁性部材複合体１１０の中心を通り、磁性部材複合体１１０（複数の磁性部材１２０）の長手方向に延びる巻回軸Ｒ１に沿って巻回されている。
　［磁性部材複合体の磁気特性］
　次に、磁性部材複合体１１０における大バルクハウゼン効果について説明する。図５は、第１磁性部材１２０ａの模式的なＢＨ曲線の例を示す図である。図６は、第２磁性部材１２０ｂの模式的なＢＨ曲線の例を示す図である。図５および図６にはそれぞれ、図１と同様に、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂにおける磁化の方向がそれぞれ実線および破線の矢印で示されている。なお、図５および図６において、磁化の方向を示す矢印は、磁化の方向のみを示しており、磁化の大きさとは関係なく同じ大きさの矢印で磁化の方向が示されている。また、図７は、図５に示される第１磁性部材１２０ａのＢＨ曲線と図６に示される第２磁性部材１２０ｂのＢＨ曲線とを重ね合わせた図である。
　図５の（１）に示されるように、第１磁性部材１２０ａでは、第１感磁性部１２１の磁化方向と逆方向の磁界が印加されても、第１感磁性部１２１の磁化方向は変化しないため、第１感磁性部１２１と第２感磁性部１２２とは逆方向に磁化する。そのため、図５の（ｉ）のように磁界の方向が変化すると、図５の（２）に示されるように、第２感磁性部１２２の磁化方向が第１感磁性部１２１の磁化方向と同じになるように反転する。この場合には、図１の破線Ｊａで囲まれた箇所のような、第２感磁性部１２２の磁化方向の急激な反転が生じにくいため、大バルクハウゼンジャンプは生じない。
　一方、図５の（２）に示される状態から、図５の（ｉｉ）のように磁界の方向が変化すると、ある程度の磁界の変化までは、第１感磁性部１２１の影響で第２感磁性部１２２の磁化方向は変化しない。磁界の変化が閾値を超えた破線Ｊｂで囲まれた箇所で、図５の（３）および（４）に示されるように、第２感磁性部１２２の磁化方向が一気に反転する。これにより、第１磁性部材１２０ａの磁束密度が急激に変化し（つまり、大バルクハウゼンジャンプが生じ）、磁性部材複合体１１０に巻回されたコイル１３０に電力（発電パルス）が生じる。
　従来の磁性部材では、図１に示されるように、１往復の磁界の方向の変化で、破線Ｊａおよび破線Ｊｂでそれぞれ囲まれた２箇所で大バルクハウゼンジャンプが生じ、コイルに２回の発電パルスが生成する。そのため、２回の発電パルスは、逆方向の磁界の変化に起因するため、磁性部材の磁化状態に偏りが生じると、２回の発電パルスの発電量にもばらつきが生じる。例えば、外部磁界の影響で、図１の（２）における硬磁性部の磁化の大きさと、図１の（５）における硬磁性部の磁化の大きさとが異なると、大バルクハウゼンジャンプにおける磁束密度の変化量が、破線Ｊａで囲まれた箇所と破線Ｊｂで囲まれた箇所とで差が生じる。
　これに対して、第１磁性部材１２０ａでは、第１感磁性部１２１が完全に磁化されていて、磁化方向が変化しないため、１往復の磁界の方向の変化で、破線Ｊｂで囲まれた１箇所で大バルクハウゼンジャンプが生じ、コイル１３０に１回の発電パルスが生成する。そのため、従来の磁性部材のように、１往復の磁界の方向の変化で生じる２回の発電パルスの間のばらつきが生じない。よって、発電素子１００の発電電力のばらつきを低減できる。また、第１感磁性部１２１が完全に磁化されていない場合には、磁石１０等が形成する外部磁界では磁化しにくい領域が第１感磁性部１２１に存在する可能性があるものの、第１感磁性部１２１が完全に磁化されていることで、当該領域も磁化され、大バルクハウゼンジャンプでの第１磁性部材１２０ａの磁束密度の変化を大きくできる。よって、第１磁性部材１２０ａによる大バルクハウゼンジャンプによって、安定した発電パルスを生成できる。
　また、図６に示されるように、第２磁性部材１２０ｂでも、第１磁性部材１２０ａと同様に、第１感磁性部１２１が完全に磁化されていて、磁化方向が変化しないため、１往復の磁界の方向の変化で、１回の大バルクハウゼンジャンプが生じて、コイル１３０に１回の発電パルスが生成する。そのため、第１磁性部材１２０ａと同様の理由で、第２磁性部材１２０ｂによる大バルクハウゼンジャンプによっても、安定した発電パルスを生成できる。ただし、第１磁性部材１２０ａでは破線Ｊｂで囲まれた箇所で大バルクハウゼンジャンプが生じたのに対して、第２磁性部材１２０ｂでは破線Ｊａで囲まれた箇所で大バルクハウゼンジャンプが生じる。
　具体的には、図６の（１）に示されるように、第２磁性部材１２０ｂに第１感磁性部１２１の磁化方向と同じ方向に磁場が印加された状態から、図６の（ｉ）のように磁界の方向が変化すると、ある程度の磁界の変化までは、第１感磁性部１２１の影響で第２感磁性部１２２の磁化方向は変化しない。磁界の変化が閾値を超えた破線Ｊａで囲まれた箇所で、図６の（２）および（３）に示されるように、第２感磁性部１２２の磁化方向が一気に反転する。これにより、第２磁性部材１２０ｂの磁束密度が急激に変化し（つまり、大バルクハウゼンジャンプが生じ）、磁性部材複合体１１０に巻回されたコイル１３０に電力（発電パルス）が生じる。このように、図５の（ｉ）と図６の（ｉ）とでは、磁界の方向の変化は同じであるが、第１磁性部材１２０ａでは大バルクハウゼンジャンプが生じないのに対して、第２磁性部材１２０ｂでは大バルクハウゼンジャンプが生じる。
　第２磁性部材１２０ｂでは、図６の（４）に示されるように、第１感磁性部１２１の磁化方向と逆方向の磁界が印加されても、第１感磁性部１２１の磁化方向は変化しないため、第１感磁性部１２１と第２感磁性部１２２とは逆方向に磁化する。そのため、図６の（ｉｉ）のように磁界の方向が変化すると、図６の（１）に示されるように、第２感磁性部１２２の磁化方向が第１感磁性部１２１の磁化方向と同じになるように反転する。この場合には、第２感磁性部１２２の磁化方向の急激な反転が生じにくいため、大バルクハウゼンジャンプは生じない。このように、図５の（ｉｉ）と図６の（ｉｉ）とでは、磁界の方向の変化は同じであるが、第１磁性部材１２０ａでは大バルクハウゼンジャンプが生じるのに対して、第２磁性部材１２０ｂでは大バルクハウゼンジャンプが生じない。その結果、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとでは、それぞれ１回の磁束密度の変化の安定した大バルクハウゼンジャンプが生じるため、従来の磁性部材に比べて安定した発電が可能となり、発電量がばらつきにくい発電素子１００を実現できる。
　また、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂでは、１往復の磁界の方向の変化で、それぞれ１回ずつしか大バルクハウゼンジャンプが生じないが、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとで第１感磁性部１２１の磁化方向が逆方向であるために、図７に示されるように、異なるタイミングで大バルクハウゼンジャンプが生じる。よって、図１で示される従来の磁性部材と同様に、磁性部材複合体１１０では、１往復の磁界の方向の変化で、２回の大バルクハウゼンジャンプが生じていることになる。
　［外部磁界の影響について］
　次に、本実施の形態に係る発電素子１００を用いて発電する場合の外部磁界の影響について説明する。具体的には、発電素子１００と磁石１０との距離を変えることによって外部磁界の大きさを変化させた場合の発電の大きさを測定した結果について説明する。
　図８は、発電素子の発電の大きさの測定に用いた回路を示す模式図である。発電素子１００の発電の大きさの測定においては、図２および図３に示されるような位置関係になるように発電素子１００と磁石１０とを配置して、発電素子１００に印加する磁石１０からの磁界の方向を繰り返し変化させた。この際、磁性部材１２０には、５０００Ｏｅの磁界を印加することで第１感磁性部１２１を磁化させた磁性部材１２０を用いた。また、図８に示されるような回路に発電素子１００を接続した。具体的には、発電素子１００の出力を、キャパシタＣおよび抵抗Ｒに接続された全波整流回路に接続した。外部磁界の向きの反転ごとに発電素子１００による発電パルスの整流後電圧Ｖを測定し、発電パルスにおける電圧Ｖ×時間を発電の大きさとした。発電の大きさは、２５００回測定し、測定された２５００回の発電の大きさの平均値および最低値を導出した。
　また、磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離ついては、磁性部材複合体１１０に印加される磁界の大きさが２０Ｏｅとなる距離を基準として測定を開始した。その後、磁石１０と磁性部材複合体１１０とを近づけて１ｍｍずつ距離を短くしていき、３ｍｍまたは５ｍｍ短くした時点で引き返し、１ｍｍずつ距離を長くして再び元の距離に戻した。以下では、基準の距離から３ｍｍ短くして引き返した条件で測定した場合を測定例１とし、基準の距離から５ｍｍ短くして引き返した条件で測定した場合を測定例２とする。磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離により磁性部材複合体１１０に印加される磁界の大きさが決定するため、距離が短いほど磁性部材複合体１１０に印加される磁界が大きくなる。そのため、測定例１および測定例２では、磁性部材複合体１１０に印加される磁界を所定の大きさまで徐々に大きくした後に元の磁界の大きさに戻す操作を行いながら発電の大きさを測定しているとも言える。
　図９は、測定例１における発電素子１００の発電の大きさの測定結果を示す図である。図１０は、測定例２における発電素子１００の発電の大きさの測定結果を示す図である。図９および図１０において、横軸は、基準の距離に対する磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離の差を示す。図９および図１０において、縦軸は、上記の方法で測定された発電の大きさを示す。また、この縦軸におけるＥ１は、電気信号を安定的に検出できる目安の発電の大きさである。また、図９および図１０において、丸のプロットは、発電の大きさの平均値を示し、三角のプロットは発電の大きさの最低値を示す。また、図９および図１０において、実線でつながれたプロットは、距離を短くして引き返すまでの測定結果を示し、破線でつながれたプロットは引き返した後の測定結果を示す。なお、図９および図１０において、発電の大きさの単位は、任意単位（arbitrary unit、ａ．ｕ．）である。
　図９および図１０に示されるように、測定例１および測定例２のどちらにおいても、磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離を近づけて引き返す前（実線でつながれたプロット）では、発電の大きさの平均値（丸のプロット）と最低値（三角のプロット）とにほとんど差が無く、発電素子１００の発電量のばらつきが小さいことがわかる。また、発電の大きさがＥ１を下回ることもなかった。これは、上述のように、１往復の磁界の方向の変化で、１つの磁性部材１２０につき、従来のような２回ではなく、１回の大バルクハウゼンジャンプが生じて発電が安定化するためであると考えられる。
　また、図９に示されるように、磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離を基準の距離から３ｍｍ短くしたのちに引き返した測定例１では、磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離を短くして引き返した後（破線でつながれたプロット）も発電の大きさの平均値（丸のプロット）と最低値（三角のプロット）とにほとんど差が無く、かつ、引き返す前後での発電の大きさにもほとんど差がなかった。磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離が基準の距離から３ｍｍ短い距離の場合に磁性部材複合体１１０に印加される磁界の大きさは、６０Ｏｅであった。そのため、磁性部材複合体１１０に印加される磁界の大きさが２０Ｏｅ以上６０Ｏｅ以下である場合には、磁界の大きさが変動しても発電素子１００が安定的に発電可能である。
　一方、図１０に示されるように、磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離を基準の距離から５ｍｍ短くしたのちに引き返した測定例２では、磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離を短くして引き返した後（破線でつながれたプロット）は、磁界の大きさが小さくなるほど発電の大きさの平均値（丸のプロット）と最低値（三角のプロット）との差が大きくなり、発電素子１００の発電量にばらつきが生じた。また、磁石１０と磁性部材複合体１１０との距離を短くして引き返した後（破線でつながれたプロット）は、引き返す前（実線でつながれたプロット）よりも発電の大きさが低下した。これは、所定の大きさ以上の磁界が磁性部材複合体１１０の磁性部材１２０に印加されることで、磁化していた第１感磁性部１２１の磁化状態に変化が生じ、より小さい磁界の条件では発電素子１００の発電の大きさおよび安定性が低下したと考えられる。ただし、発電素子１００は、磁性部材複合体１１０に６０Ｏｅ以上の磁界が印加される条件では使用できないわけではなく、例えば、一定の外部磁界の環境であれば、安定して発電は可能である。また、第１感磁性部１２１の磁化させる際に印加する磁界を大きくすることで、第１感磁性部１２１の磁化状態を変化させにくくすることもできる。
　また、第１感磁性部１２１の磁化状態を安定化しやすい磁性部材１２０を用いて発電素子１００を製造することで、発電素子１００を安定的に動作させることが可能な外部磁界の範囲を大きくすることができる。磁性部材１２０の第１感磁性部１２１の磁化状態を安定化させる方法としては、例えば、（１）磁性部材１２０の長さを長くする方法、および、（２）磁性部材１２０（第１感磁性部１２１）の保磁力を高くする方法などが挙げられる。
　（１）の方法では、磁性部材１２０の長さが長くなることで、外部磁界が印加された磁性部材１２０の反磁界による影響が小さくなる。その結果、第１感磁性部１２１の磁化状態が安定化する。例えば、磁性部材１２０の長さを７ｍｍ以上にすることで、第１感磁性部１２１の磁化状態が安定化しやすい。磁性部材１２０の長さを７ｍｍ以上にすることで、反磁界係数が０．０１以下になりやすい。なお、反磁界係数は磁性部材１２０の太さでも変化するため、磁性部材１２０の太さに応じて、反磁界係数が０．０１以下になるような磁性部材１２０の長さにしてもよい。
　また、（２）の方法では、磁性部材１２０（第１感磁性部１２１）の保磁力が高まることで、外部磁界が大きくなっても、第１感磁性部１２１の磁化状態が変化しにくくなる。
　例えば、発電素子１００の製造において、所定の条件で作製した磁性部材複合体１１０に対して、発電素子１００を動作させる環境と同じ大きさの外部磁界を印加する。外部磁界の印加によって第１感磁性部１２１の磁化状態に変化が無ければ、そのままの磁性部材複合体１１０を用いて発電素子１００を製造する。一方、外部磁界の印加によって第１感磁性部１２１の磁化状態に変化がある場合には、上記の（１）または（２）の方法を適用して作製し直した磁性部材複合体１１０を用いて発電素子１００を製造する。第１感磁性部１２１の磁化状態の変化の判定には、上記のように発電素子１００の発電の大きさを測定してもよいし、磁性部材複合体１１０または磁性部材１２０のＢＨカーブを測定してもよい。このような方法により、より安定的に発電できる発電素子１００を製造できる。
　［磁性部材の配置］
　次に、磁性部材複合体１１０における複数の磁性部材１２０の配置について説明する。図１１は、磁性部材複合体１１０における複数の磁性部材１２０の配置を説明するための図である。具体的には、図１１には、磁性部材１２０の数が２、４、６および８である場合の第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂの配置の例が示されている。また、図１１では、複数の磁性部材１２０を巻回軸方向に沿って見た場合の第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂの配置が示されている。また、図１１では、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとを区別するため、第２磁性部材１２０ｂには網点の模様を付している。また、図１１において、左側に示されている配置ほど発電素子１００の発電安定性が良好である。
　図１１に示されるように、複数の磁性部材１２０は、例えば、巻回軸方向に沿って見た場合に、外部磁界を形成する磁石１０から離れる方向を列方向とする行列状に配置される。なお、複数の磁性部材１２０の行および列の一方は１つであってもよい。つまり、複数の磁性部材１２０は、ライン状に並んでいてもよい。
　また、図１１に示されるように、複数の磁性部材１２０は、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとが交互に並ぶように配置（例えば、磁性部材１２０の数が４以上の場合の左側から２つまでの例の配置）される方が、発電素子１００の発電安定性が良好である。これは、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとで逆方向に磁化している第１感磁性部１２１の磁極同士の反発が抑制され、第１感磁性部１２１の磁化状態が安定化するためである。この場合、例えば、複数の磁性部材１２０における全ての隣接する２つの磁性部材１２０の組み合わせで、一方の磁性部材１２０が第１磁性部材１２０ａであり、他方の磁性部材１２０が第２磁性部材１２０ｂである。複数の磁性部材１２０において、例えば、行方向および列方向のいずれにおいても、第１磁性部材１２０ａ同士、および第２磁性部材１２０ｂ同士は隣り合わない。
　また、図１１に示されるように、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂがそれぞれ複数である場合（磁性部材１２０の数が４以上の場合）、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂのそれぞれの数は偶数である方が、奇数である場合よりも発電素子１００の発電安定性が良好である。これは、磁性部材複合体１１０全体の磁化状態の対称性が保ちやすい複数の磁性部材１２０の配置が容易になるためである。
　また、図１１に示されるように、列方向（磁石１０から離れる方向）に並ぶ磁性部材１２０の数は、行方向に並ぶ磁性部材１２０の数以下である方が発電素子１００の発電安定性が良好である。これは、磁石１０から離れる方向に並ぶ磁性部材１２０の数が少なく（行方向に並ぶ磁性部材１２０の数を超えることがなく）、複数の磁性部材１２０同士で印加される磁界の大きさに差が生じにくいためである。また、列方向に並ぶ磁性部材１２０の数は、行方向に並ぶ磁性部材１２０の数より少なくてもよい。
　［まとめ］
　以上のように、本開示の第１態様に係る発電素子は、各々が外部磁界の変化によって大バルクハウゼン効果を生じる複数の磁性部材１２０を有し、複数の磁性部材１２０が束ねられている磁性部材複合体１１０と、磁性部材複合体１１０に巻回されたコイル１３０と、を備える。複数の磁性部材１２０の各々は、第１感磁性部１２１と、第１感磁性部１２１よりも軟磁性である第２感磁性部１２２と、を有する。第１感磁性部１２１は、コイル１３０の巻回軸方向に沿って磁化しており、外部磁界の方向の変化によって磁化方向が変化しない。複数の磁性部材１２０は、第１感磁性部１２１が第１方向に磁化した第１磁性部材１２０ａと、第１感磁性部１２１が第１方向とは逆方向の第２方向に磁化した第２磁性部材１２０ｂと、を含む。
　このように、磁性部材複合体１１０が有する磁性部材１２０の第１感磁性部１２１が磁化されていることにより、外部磁界の方向によらず第１感磁性部１２１の磁化方向が一定になる。その結果、１往復の外部磁界の方向の変化でも、第２感磁性部１２２の磁化方向が第１感磁性部１２１の磁化方向とは逆向きになるように急激に変化することによって生じる大バルクハウゼンジャンプが１回になる。そのため、従来の磁性部材のような、１往復の外部磁界の方向の変化での２回の大バルクハウゼンジャンプそれぞれでの第１感磁性部１２１の磁化状態に差が生じて、発電パルスの大きさがばらつくことが生じない。その結果、大バルクハウゼンジャンプによってコイル１３０に生じる発電パルスの大きさが安定化する。よって、発電量のばらつきを低減可能な発電素子を実現できる。また、磁性部材複合体１１０の複数の磁性部材１２０は、第１感磁性部１２１の磁化方向が互いに逆向きである第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとを含むため、磁性部材複合体１１０としては、１往復の外部磁界の方向の変化で２回の大バルクハウゼンジャンプが可能であり、発電素子の発電回数も従来の磁性部材を用いた場合と同じ回数を維持できる。
　本開示の第２態様に係る発電素子は、第１態様に係る発電素子であって、複数の磁性部材１２０は、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂをそれぞれ複数含む。
　これにより、大バルクハウゼンジャンプにおける磁束密度の変化を大きくできる。そのため、発電素子は、発電量を増大させて、より安定的に発電が可能になる。
　本開示の第３態様に係る発電素子は、第２態様に係る発電素子であって、複数の磁性部材１２０は、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとが交互に並ぶように配置される。
　これにより、第１磁性部材１２０ａと第２磁性部材１２０ｂとで逆方向に磁化している第１感磁性部１２１の磁極同士の反発が抑制され、第１感磁性部１２１の磁化状態が安定化する。そのため、発電素子は、より安定的に発電が可能になる。
　本開示の第４態様に係る発電素子は、第２態様または第３態様に係る発電素子であって、第１磁性部材１２０ａおよび第２磁性部材１２０ｂのそれぞれの数は偶数である。
　これにより、磁性部材複合体１１０全体の磁化状態の対称性が保ちやすい複数の磁性部材１２０の配置が容易になる。そのため、発電素子は、より安定的に発電が可能になる。
　本開示の第５態様に係る発電素子は、第２態様から第４態様のいずれか１つに係る発電素子であって、複数の磁性部材１２０は、巻回軸方向に沿って見た場合に、外部磁界を形成する磁石１０から離れる方向を列方向とする行列状に配置され、複数の磁性部材１２０において、列方向に並ぶ磁性部材１２０の数は、行方向に並ぶ磁性部材１２０の数以下である。
　これにより、磁石１０から離れる方向に並ぶ磁性部材１２０の数が少なく（行方向に並ぶ磁性部材１２０の数を超えることがなく）、複数の磁性部材１２０同士で印加される磁界の大きさに差が生じにくい。そのため、発電素子は、より安定的に発電が可能になる。
　本開示の第６態様に係る発電素子は、第１態様から第５態様のいずれか１つに係る発電素子であって、巻回軸方向における磁性部材複合体１１０の端部に配置されるフェライトビーズを備えない。
　これにより、発電素子の小型化および低コスト化が可能になる。
　本開示の第７態様に係る発電システムは、第１態様から第６態様のいずれか１つに係る発電素子と、当該発電素子に磁界を印加し、かつ、当該発電素子に印加される磁界の向きを繰り返し反転させる磁石１０と、を備える。当該発電素子は、磁石１０による磁界の向きの反転により発電する。
　これにより、上記の発電素子を備えるため、発電量のばらつきを低減可能な発電システムを実現できる。
　本開示の第８態様に係る発電システムは、第７態様に係る発電システムであって、上記発電素子の磁性部材複合体１１０に印加される磁界の大きさは、２０Ｏｅ以上６０Ｏｅ以下である。
　これにより、第１感磁性部１２１の磁化状態が印加される磁界によって影響を受けにくくなるため、発電素子がより安定的に発電できる。
　また、本開示の第９態様に係るエンコーダは、第７態様または第８態様に係る発電システムを備える。上記発電素子は、磁石１０による磁界の向きの反転により発電した電力を出力する。
　これにより、発電量のばらつきが低減可能な上記発電素子の電力が出力されるため、エンコーダの検出精度を高めることが可能になる。
　（その他の実施の形態）
　以上、本開示に係る発電素子、発電システムおよびエンコーダについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　上記実施の形態では、発電素子１００は、フェライトビーズを備えていなかったがこれに限らない。発電素子１００は、磁石１０からの集磁力を高めるために、磁性部材複合体１１０の端部にフェライトビーズを備えていてもよい。
　また、上記実施の形態では、発電素子１００は、複数の磁性部材１２０が束ねられた磁性部材複合体１１０を備えたが、これに限らない。１往復での磁界の方向の変化での発電回数が減ってもよい用途の場合には、発電素子１００は、磁性部材複合体１１０の代わりに１つの磁性部材１２０を備えていてもよい。例えば、回転軸３０と共に回転する磁石１０の磁極の数を増やすことで、発電素子１００の発電回数を増やしてもよい。
　また、上記実施の形態では、発電素子１００の位置が固定され、磁石１０が回転軸３０の回転によって回転することで、発電素子１００に印加される磁界の向きが繰り返し反転したが、これに限らない。磁石１０の位置が固定され、発電素子１００が回転軸３０の回転によって回転することで、発電素子１００に印加される磁界の向きが繰り返し反転してもよい。
　また、例えば、上記実施の形態では、モータと組み合わせて用いられるロータリーエンコーダを例にとって説明したが、これに限らない。本開示の技術は、リニアエンコーダにも適用することができる。
　本開示に係る発電素子、発電システムおよびエンコーダは、モータ等の回転または直線移動する機器や装置等に有用である。
１　エンコーダ
５　発電システム
１０　磁石
２０　回転板
３０　回転軸
４０　基板
５０　制御回路
６０　メモリ
１００　発電素子
１１０　磁性部材複合体
１２０　磁性部材
１２０ａ　第１磁性部材
１２０ｂ　第２磁性部材
１２１　第１感磁性部
１２２　第２感磁性部
１３０　コイル
１８１、１８２　端子
１９０　筐体

Claims (9)

  1. 　各々が外部磁界の変化によって大バルクハウゼン効果を生じる複数の磁性部材を有し、前記複数の磁性部材が束ねられている、磁性部材複合体と、
    　前記磁性部材複合体に巻回されたコイルと、を備え、
    　前記複数の磁性部材の各々は、第１感磁性部と、前記第１感磁性部よりも軟磁性である第２感磁性部と、を有し、
    　前記第１感磁性部は、前記コイルの巻回軸方向に沿って磁化しており、前記外部磁界の方向の変化によって磁化方向が変化せず、
    　前記複数の磁性部材は、前記第１感磁性部が第１方向に磁化した第１磁性部材と、前記第１感磁性部が前記第１方向とは逆方向の第２方向に磁化した第２磁性部材と、を含む、
    　発電素子。
  2. 　前記複数の磁性部材は、前記第１磁性部材および前記第２磁性部材をそれぞれ複数含む、
    　請求項１に記載の発電素子。
  3. 　前記複数の磁性部材は、前記第１磁性部材と前記第２磁性部材とが交互に並ぶように配置される、
    　請求項２に記載の発電素子。
  4. 　前記第１磁性部材および前記第２磁性部材のそれぞれの数は偶数である、
    　請求項２に記載の発電素子。
  5. 　前記複数の磁性部材は、前記巻回軸方向に沿って見た場合に、前記外部磁界を形成する磁界発生源から離れる方向を列方向とする行列状に配置され、
    　前記複数の磁性部材において、列方向に並ぶ磁性部材の数は、行方向に並ぶ磁性部材の数以下である、
    　請求項２に記載の発電素子。
  6. 　前記巻回軸方向における前記磁性部材複合体の端部に配置されるフェライトビーズを備えない、
    　請求項１に記載の発電素子。
  7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の発電素子と、
    　前記発電素子に磁界を印加し、かつ、前記発電素子に印加される前記磁界の向きを繰り返し反転させる磁界印加部と、を備え、
    　前記発電素子は、前記磁界印加部による前記磁界の向きの反転により発電する、
    　発電システム。
  8. 　前記発電素子の前記磁性部材複合体に印加される前記磁界の大きさは、２０Ｏｅ以上６０Ｏｅ以下である、
    　請求項７に記載の発電システム。
  9. 　請求項７に記載の発電システムを備え、
    　前記発電素子は、前記磁界印加部による前記磁界の向きの反転により発電した電力を出力する、
    　エンコーダ。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000287470A (ja) * 1999-03-30 2000-10-13 Akira Matsushita 複合磁性体の起電力発生装置
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