(57)【要約】【課題】外部の電源及び電池を必要とせず動作可能な発電機付きセンサ等を提供する。【解決手段】発電機付きセンサは、カバー１０と、カバー１０に対して相対的に移動可能に設けられた回転部３０と、カバー１０と回転部３０との相対的な位置関係の変動に基づいて発電する発電部と、発電した電力が供給される複数のセンサと、を備え、発電部は、回転部３０に設けられてＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラック３１と、カバー１０に設けられて磁気トラックと対向する位置に配置されたコイルを含むコイル基板２０と、を有し、センサは、カバー１０に固定され、変動による磁気トラックからの磁束密度の変化に応じた信号を出力するホールセンサを含み、複数のセンサは、信号の位相がそれぞれ異なる２つのホールセンサを含む。【選択図】図３
2020148676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部品と、
前記第１部品に対して相対的に移動可能に設けられた第２部品と、
前記第１部品と前記第２部品との相対的な位置関係の変動に基づいて発電する発電部と、
発電した電力が供給される複数のセンサと、を備え、
前記発電部は、
前記第１部品又は前記第２部品の一方に設けられてＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラックと、
前記第１部品又は前記第２部品の他方に設けられて前記磁気トラックと対向する位置に配置されたコイルを含む基板と、を有し、
前記センサは、前記第１部品又は前記第２部品の他方に固定され、前記変動による前記磁気トラックからの磁束密度の変化に応じた信号を出力するホールセンサを含み、
前記複数のセンサは、前記信号の位相がそれぞれ異なる２つの前記ホールセンサを含む
発電機付きセンサ。
【請求項２】
前記発電によって生じる電流を整流して前記複数のセンサに供給する整流器を備える
請求項１に記載の発電機付きセンサ。
【請求項３】
前記第２部品は、前記第１部品に対して回転軸を中心に相対的に回転し、
前記磁気トラックは、前記回転軸を中心とする円周方向に前記Ｎ極と前記Ｓ極とが並ぶ
請求項１又は２に記載の発電機付きセンサ。
【請求項４】
前記第１部品又は前記第２部品は、軸受の内輪に固定される
請求項３に記載の発電機付きセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載の発電機付きセンサと、
前記軸受とを備えるセンサ付き軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機付きセンサ及びセンサ付き軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体の回転角度を検出可能なセンサが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１２７６５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のセンサを含め、従来、物の動作に関するセンシングに用いられるセンサは、外部からの電力供給を受けて動作していた。外部からの電源供給では、ハーネスの取り回しを考慮する必要がある等、設計の自由度が低下する恐れがある。そこで、発電機能を有するセンサが求められていた。また、発電機能のためにセンサが大型化しないよう、よりコンパクトな構成が求められていた。
【０００５】
本発明は、発電機能を有しながらよりコンパクトな発電機付きセンサ及びセンサ付き軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための本発明の発電機付きセンサは、第１部品と、前記第１部品に対して相対的に移動可能に設けられた第２部品と、前記第１部品と前記第２部品との相対的な位置関係の変動に基づいて発電する発電部と、発電した電力が供給される複数のセンサと、を備え、前記発電部は、前記第１部品又は前記第２部品の一方に設けられてＮ極とＳ極とが並ぶ磁気トラックと、前記第１部品又は前記第２部品の他方に設けられて前記磁気トラックと対向する位置に配置されたコイルを含む基板と、を有し、前記センサは、前記第１部品又は前記第２部品の他方に固定され、前記変動による前記磁気トラックからの磁束密度の変化に応じた信号を出力するホールセンサを含み、前記複数のセンサは、前記信号の位相がそれぞれ異なる２つの前記ホールセンサを含む。
【０００７】
従って、磁気トラックとコイルとの相対的な位置関係の変動に応じて生じた電力でセンサを動作させることができる。従って、外部の電源及び電池を必要とせずセンサを動作させることができる。また、磁気トラックに応じた信号の位相が異なる２つのホールセンサによって、磁気トラックとコイルとの相対的な位置関係の変動に関するセンシングを行うことができる。また、発電に用いられる磁気トラックとコイルの相対的な位置関係をセンシングすることで、センシングに関する構成と発電に関する構成とを一体化できることから、よりコンパクトにすることができる。
【０００８】
本発明の発電機付きセンサでは、前記発電によって生じる電流を整流して前記複数のセンサに供給する整流器を備える。
【０００９】
従って、動作に直流電流を必要とするセンサを動作させることができる。
【００１０】
本発明の発電機付きセンサでは、前記第２部品は、前記第１部品に対して回転軸を中心に相対的に回転し、前記磁気トラックは、前記回転軸を中心とする円周方向に前記Ｎ極と前記Ｓ極とが並ぶ。
【００１１】
従って、回転する物に第２部品を設け、第１部品を固定することで外部の電源及び電池を必要とせずセンサを動作させることができる。
【００１２】
本発明の発電機付きセンサでは、前記第１部品又は前記第２部品は、軸受の内輪に固定される。
【００１３】
従って、軸受に外部の電源及び電池を必要とせず動作するセンサを設けることができる。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明のセンサ付き軸受は、上述の発電機付きセンサと、前記軸受とを備える。
【００１５】
従って、外部の電源及び電池を必要とせず動作するセンサを構成に含むセンサ付き軸受を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の発電機付きセンサ及びセンサ付き軸受によれば、外部の電源及び電池を必要とせず動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施形態１のセンサ付き軸受の斜視図である。
【図２】図２は、センサ付き軸受の分解斜視図である。
【図３】図３は、センサ付き軸受の分解斜視図である。
【図４】図４は、実施形態１の磁気トラックの構成例を示す平面図である。
【図５】図５は、軸受に対する発電機付きセンサの固定形態例を示す断面図である。
【図６】図６は、軸受のサイズ及び取付け治具の内径と、磁気トラック及び第１基板との関係の例を示す模式図である。
【図７】図７は、軸受のサイズ及び取付け治具の内径と、磁気トラック及び第１基板との関係の例を示す模式図である。
【図８】図８は、実施形態１の発電部の構成例を示す平面図である。
【図９】図９は、２つのホールセンサが検出する磁束密度の関係を示す模式的なグラフである。
【図１０】図１０は、２つのホールセンサが検出する磁束密度の関係に基づいたリサジュー図形である。
【図１１】図１１は、図８に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ’断面で第１基板を切断した場合の断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態１の第１基板と第２基板の配置及び構成の一例を示す平面図である。
【図１３】図１３は、回路基板の主要構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、直動方向に沿う直線状に連続する磁極対と相対移動可能に設けられた発電機付きセンサの主要構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
【００１９】
（実施形態１）
図１は、実施形態１のセンサ付き軸受１の斜視図である。図２及び図３は、センサ付き軸受１の分解斜視図である。図２は、センサ付き軸受１をカバー１０側から見た図である。図３は、センサ付き軸受１を軸受１２０側から見た図である。センサ付き軸受１は、発電機付きセンサ１００と、軸受１２０とを備える。軸受１２０の一方の側面に、発電機付きセンサ１００が取り付けられる。発電機付きセンサ１００は、カバー１０と、回転部３０と、回路基板４０と、バックカバー６０と、を備える。バックカバー６０はなくてもよく，別の方法で回路基板４０を保護してもよい。実施形態１の説明では、軸受１２０の外輪１２１が固定され、内輪１２２が外輪１２１に対して相対的に回転することを前提とする。
【００２０】
カバー１０は、環状の天板１２と、天板１２の周囲に接続された筒状の側板１１とを有する。カバー１０は、ケイ素鋼板、炭素鋼（ＪＩＳ規格  ＳＳ４００又はＳ４５Ｃ）、マルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ規格  ＳＵＳ４２０）又はフェライト系ステンレス（ＪＩＳ規格  ＳＵＳ４３０）のいずれかのような磁性を有する材料で形成される。カバー１０は磁性体でなくてもよい。この場合は外部に磁束を漏らさないために、第１基板４１の裏側に磁性体を設ける（バックヨークと呼称）ことが望ましい。
【００２１】
図３に示すように、回路基板４０は、天板１２の一方の面１２Ａに取り付けられている。一方の面１２Ａは、軸受１２０と対向する側の面である。回路基板４０は、第１基板４１と、第２基板４２とを有する。例えば、図１及び図２に示すように、天板１２に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルト１９Ｂが締結することで、第１基板４１と第２基板４２とが天板１２に固定される。図１及び図２に示すように、ボルト１９Ｂ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。
【００２２】
第１基板４１及び第２基板４２は、天板１２の一方の面１２Ａに取り付けられている。天板１２の中央には、貫通した開口部Ｈ１２が設けられている。第１基板４１は、開口部Ｈ１２を縁取るように配置されている円弧状の基板である。
【００２３】
第１基板４１には、軸受１２０側に設けられたコイル基板２０が積層されている（図８、図１１参照）。コイル基板２０は、カバー１０に対して軸受１２０側に設けられた回転部３０と対向する。回転部３０とコイル基板２０とは非接触である。
【００２４】
回転部３０は、磁気トラック３１と、環状の基材３３と、環状の取付け治具３５と、を有する。基材３３及び取付け治具３５は、金属製である。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。第１基板４１のコイル基板２０が設けられた面と、回転部３０の磁気トラック３１が設けられた面とは対向する。
【００２５】
図４は、実施形態１の磁気トラック３１の構成例を示す平面図である。磁気トラック３１は、軸受１２０の回転軸Ａｘを中心とする環状の部材である。磁気トラック３１は、Ｎ極３１ＮとＳ極３１Ｓとからなる磁極対３１１を複数有する。複数の磁極対３１１は、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向に並んでいる。Ｎ極３１Ｎ及びＳ極３１Ｓは、交互に配置されている。
【００２６】
実施形態１では、磁気トラック３１と基材３３とを合わせて、エンコーダマグネットという。例えば、エンコーダマグネットは、金属製の基材の一方の面にプラスチックマグネットが形成され、形成されたプラスチックマグネットの表面にＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが交互に着磁されることにより形成される。取付け治具３５は、エンコーダマグネットを、軸受１２０の内輪１２２に取り付けるために使用される。
【００２７】
図５は、軸受１２０に対する発電機付きセンサ１００の固定形態例を示す断面図である。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Ｈ３３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の他方の面側はバックカバー６０と対向する面側である。カバー１０と、バックカバー６０との間には、回転部３０、第１基板４１及び第２基板４２を設けるための空間が確保されている。図５では、ハウジング１７０によってシャフト１６０に対する軸受１２０の位置決め及び軸受１２０に対するカバー１０の位置決めがされている条件下で、ベアリングナット１６１によって取付け治具３５の一面側から回転部３０を軸受１２０に押し付けて位置決めしている例を示している。
【００２８】
図６及び図７は、軸受１２０のサイズ及び取付け治具３５の内径と、磁気トラック３１及び第１基板４１との関係の例を示す模式図である。実施形態１では、図６、図７で例示するように、同一径、同一形状の磁気トラック３１に対して取付け治具３５の形状や内径寸法を変化させることで、発電機付きセンサ１００を様々な軸受サイズに対応させることができる。図６に示す取付け治具３５Ａの内径Ｄ１は、図７に示す取付け治具３５Ｂの内径Ｄ２に比して小さい。図６に示す軸受１２０Ａのサイズは、図７に示す軸受１２０Ｂのサイズに比して小さい。また、磁気トラック３１の磁極対３１１の数や、磁気トラック３１のマグネット材料を変更することで、発電部５０の発電量を調整することもできる。また、実施形態１では、発電機付きセンサ１００を様々な軸受サイズに対応させるため、回転部３０をエンコーダマグネットと取付け治具３５と分離可能な構成としている。なお、軸受サイズが１種類に限定される場合は、エンコーダマグネットと取付け治具３５とを一体成形してもよい。この場合は、発電機付きセンサ１００の生産性が向上する。
【００２９】
図８は、実施形態１の発電部５０の構成例を示す平面図である。図８は、コイル基板２０に磁気トラック３１を重ねた状態を示している。図８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。フレキシブル基板２１の平面視による形状は、回転軸Ａｘを中心とする正円の環状である。
【００３０】
図８に示すように、コイルパターン２３は、平面視で第１方向に延びる複数の第１導電部２３１と、第１方向と平面視で交差する第２方向に延びる複数の第２導電部２３２と、を有する。第１方向は、例えば、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向である。第２方向は、例えば、回転軸Ａｘを中心とする円の径方向である。第１導電部２３１と第２導電部２３２は、交互に直列に接続されている。
【００３１】
コイルパターン２３は、絶縁体の所定の面上にパターニングされて設けられた導電体のパターンである。実施形態１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。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。
【００３２】
コイルパターン２３は、平面視で、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向に沿って凹凸が交互に並ぶように延設されている。この凹凸の凹部２３３にヨーク２５が１つずつ配置されている。ヨーク２５はなくても良い。ただし第１基板４１を取り付けるカバー１０又はコイルパターン２３の裏面のバックヨークにヨーク２５に相当する凸部を設け、第１基板４１側にそれに対応する穴を設けることで第１基板４１の位置決めと磁気の還流の効果を持たせることが可能である。
【００３３】
ヨーク２５を設ける場合、ヨーク２５は、平面視で、第１導電部２３１の一方の側に位置する第１ヨーク２５Ａと、第１導電部２３１の他方の側に位置する第２ヨーク２５Ｂとを有する。例えば、第１ヨーク２５Ａは、第１導電部２３１よりも回転軸Ａｘから遠い側に位置する。図８に示すように、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向において、隣り合う一方のヨーク２５（例えば、第１ヨーク２５Ａ）と他方のヨーク２５（例えば、第２ヨーク２５Ｂ）との間の中間に、第２導電部２３２が位置する。
【００３４】
円周方向に隣り合うヨーク２５の中心間の回転軸Ａｘを中心とした角度２５ｐと、円周方向に隣り合う第２導電部２３２の中心間の回転軸Ａｘを中心とした角度２３ｐは、等しい。また、磁気トラック３１において１つのＮ極３１Ｎが設けられる回転軸Ａｘを中心とした角度３１Ｌ１と、１つのＳ極３１Ｓが設けられる回転軸Ａｘを中心とした角度３１Ｌ１は、等しい。
【００３５】
また、磁気トラック３１において円周方向に隣り合うＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとの回転軸Ａｘを中心とした角度３１ｐ（図４参照）は、角度２５ｐと等しい。また、実施形態では、角度２５ｐ、角度２３ｐ、角度３１ｐ、角度３１Ｌ１、角度３１Ｌ１は全て等しい。
【００３６】
実施形態１では、回転軸Ａｘを中心に、コイル基板２０に対して磁気トラック３１が相対的に回転すると、第１ヨーク２５ＡがＮ極３１Ｎと対向するときは、第２ヨーク２５ＢはＳ極３１Ｓと対向する。また、第１ヨーク２５ＡがＳ極３１Ｓと対向するときは、第２ヨーク２５ＢはＮ極３１Ｎと対向する。第１ヨーク２５Ａ及び第２ヨーク２５Ｂは、磁気トラック３１の同一磁極と対向することはない。これにより、第１ヨーク２５Ａを通る磁束密度の変化の位相と、第２ヨーク２５Ｂを通る磁束密度の変化の位相は、１８０°ずれた状態となる。
【００３７】
上述したように、第１ヨーク２５Ａは、第１導電部２３１よりも回転軸Ａｘから遠い側に位置する。第２ヨーク２５Ｂは、第１導電部２３１よりも回転軸Ａｘに近い側に位置する。このため、第１ヨーク２５Ａを通る磁束密度の変化によってコイルパターン２３に生じる誘導電流と、第２ヨーク２５Ｂを通る磁束密度の変化によってコイルパターン２３に生じる誘導電流は、同じ方向に流れる。
【００３８】
コイル基板２０がカバー１０に固定され、磁気トラック３１が内輪１２２の回転に伴い相対的に回転すると、ヨーク２５と対向する磁極が交互に替わる。これにより、ヨーク２５を通る磁束密度が周期的に変化する。この磁束密度の周期的な変化に応じて、ヨーク２５の周りに位置するコイルパターン２３に電圧変化（例えば、正弦波の交流電圧）が発生する。このように、内輪１２２に設けられてＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが並ぶ磁気トラック３１を有する回転部３０と、カバー１０に設けられて磁気トラック３１と対向する位置に配置されてコイル（コイルパターン２３）が設けられた基板（第１基板４１）は、組み合わせによって発電部５０として機能する。ここで、カバー１０は、第１部品として機能する。また、回転部３０は、第２部品として機能する。第２部品は、第１部品に対して回転軸Ａｘを中心に相対的に回転する。
【００３９】
また、第１基板４１は、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２を備える。２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２は、コイル基板２０を挟んで回転部３０の反対側に設けられている。２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２は、電流が流れているときに磁場の影響を受けると起電力を生じる所謂ホール効果を利用して磁束密度の変化を検出するセンサである。２つのホールセンサＨＳ１、ＨＳ２は、カバー１０に固定された第１基板４１に対して、内輪１２２の回転と連動して回転角度が変位する磁気トラック３１からの磁束密度の変化を検出する。すなわち、磁気トラック３１からの磁束密度の変化に基づいて内輪１２２の回転角度等を検出する。
【００４０】
ホールセンサＨＳ１とホールセンサＨＳ２とは、同一タイミングで磁気トラック３１から受ける磁束密度がそれぞれ異なるように配置されている。具体的には、回転軸Ａｘを中心とする円周上においてホールセンサＨＳ１とホールセンサＨＳ２とを結ぶ円弧の長さは、同一円周上において隣接するヨーク２５の中心間を結ぶ円弧の長さの整数倍にならないよう配置されている。言い換えれば、回転軸Ａｘを中心とするホールセンサＨＳ１とホールセンサＨＳ２との間の角度は、回転軸Ａｘを中心としてＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが１つずつ設けられる範囲の角度の整数倍にならない。図８に示す平面視では、ホールセンサＨＳ２が２つのヨーク２５の中間に配置され、ホールセンサＨＳ１がヨーク２５と重なる位置に配置されている。
【００４１】
図９は、２つのホールセンサＨＳ１、ＨＳ２が検出する磁束密度の関係を示す模式的なグラフである。図９では、Ｎ極とＳ極のうち一方をプラス（＋）の磁束、他方をマイナス（−）の磁束としている。内輪１２２の回転に伴って回転部３０が回転すると、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２に対する磁気トラック３１からの磁束密度の位相が変化する。このように、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２は、内輪１２２の回転による磁気トラック３１からの磁束密度の変化に応じた信号を出力する。このとき、図８に示す配置のホールセンサＨＳ１，ＨＳ２の一方が検出する磁束密度の位相は、他方が検出する磁束密度の位相に対して９０度ずれる。このため、回転部３０の回転角度に応じて２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２から出力される信号同士の波形の関係は、図９の波形Ｗ１と波形Ｗ２との関係が示すように、位相が９０度ずれた関係になる。このように、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２は、信号の位相がそれぞれ異なる。
【００４２】
仮に、ホールセンサが１つしかない場合、１つしかないホールセンサが検出する磁束密度の初期値が磁束密度の最高値又は最低値であったとき、回転部３０がどちらに回転しても磁束密度の変化パターンが同一になってしまうため、回転方向を検出不可能になることがある。これに対し、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２を備えることで、少なくとも一方は磁束密度の初期値が磁束密度の最高値でも最低値でもない値になる。従って、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２を備えることで、より確実に回転部３０の回転方向を検出できる。
【００４３】
図１０は、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２が検出する磁束密度の関係に基づいたリサジュー図形である。図１０に示すように、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２のうち一方（例えば、ホールセンサＨＳ１）によって検出された磁束密度を第１磁束密度Ｕ（ｔ）とし、他方（例えば、ホールセンサＨＳ２）によって検出された磁束密度を第２磁束密度Ｖ（ｔ）として、一方を横軸に、他方を縦軸にしたリサジュー図形を想定する。ｎ回目の検出タイミング（ｎは、自然数）において２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２のうち一方（例えば、ホールセンサＨＳ１）によって検出された磁束密度に対応する信号を第１信号Ｕ（ｔｎ）とし、他方（例えば、ホールセンサＨＳ２）によって検出された磁束密度に対応する信号を第２信号Ｖ（ｔｎ）とする。図１０において、ｎ回目の検出タイミングにおける点ｎ（Ｕ（ｔｎ），Ｖ（ｔｎ））の位相θｎは、以下の式（１）のように表すことができる。
【数１】
2020148676.tif 000003
【００４４】
（ｎ＋１）回目の検出タイミングにおける点ｎ（Ｕ（ｔ（ｎ＋１）），Ｖ（ｔ（ｎ＋１）））の位相θ（ｎ＋１）は、上述の式（１）のｎに（ｎ＋１）を代入することで表すことができる。ここで、ｎ回目の検出タイミングと（ｎ＋１）回目の検出タイミングとの間の経過時間に変化した出力の位相をｄθとすると、ｄθは以下の式（２）のように表すことができる。
【数２】
2020148676.tif 000004
【００４５】
また、ｎ回目の検出タイミングと（ｎ＋１）回目の検出タイミングとの間の経過時間をｄｔとし、磁気トラック３１が有する３６０度範囲の磁極対３１１の数をＮとすると、回転部３０の回転速度、すなわち内輪１２２の回転速度［ｒｐｍ］は、以下の式（３）のように表すことができる。
【数３】
2020148676.tif 000005
【００４６】
このように、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２を備えることで、内輪１２２の回転方向、所定の時間（例えばｄｔ）あたりの回転角度の変化、回転速度を求めることが可能な情報を得られる。すなわち、ある時点（例えば、起動時）の２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２によって検出された磁束密度の位相に対応する信号の初期値を基準とした回転角度及び回転角度の検出や、回転速度の算出が可能になる。
【００４７】
図１１は、図８に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ’断面で第１基板４１を切断した場合の断面図である。実施形態１のコイル基板２０は、厚さ方向に積層された複数層のフレキシブル基板２１の各々に設けられた複数層のコイルパターン２３と、複数層のコイルパターン２３をカバーするよう設けられたヨーク２５とを含む。
【００４８】
図１１に示す例では、６層のフレキシブル基板２１Ａから２１Ｆを含むフレキシブル基板２１と、厚さ方向に積層された６層の平面コイル２３Ａから２３Ｆを含むコイルパターン２３と、を有する。平面コイル２３Ａから２３Ｆにおいて、厚さ方向で隣り合う平面コイル間にはフレキシブル基板２１が配置されている。また、フレキシブル基板２１Ｂから２１Ｆには貫通穴Ｈ２１が設けられている。貫通穴Ｈ２１に、ヨーク２５が埋め込まれている。
【００４９】
平面コイル２３Ａから２３Ｆの平面視による形状は、互いに同一である。例えば、図８に示したように、平面コイル２３Ａから２３Ｆは、それぞれ複数の第１導電部２３１と複数の第２導電部２３２とを有する。また、平面コイル２３Ａから２３Ｆは、例えば、コイルパターン２３の延設方向の両端部２８Ａ，２８Ｂにおいて、互いに接続されている。つまり、平面コイル２３Ａから２３Ｆは、互いに並列又は直列に接続されている。
【００５０】
また、フレキシブル基板２１Ｆ上には絶縁層２７が設けられている。コイルパターン２３のうち、最上層に位置する平面コイル２３Ｆは絶縁層２７で覆われている。なお、図１１に示す天板１２の一方の面１２Ａに対するフレキシブル基板２１、コイルパターン２３、絶縁層２７の位置関係を反転し、絶縁層２７側が回転部３０と対向するようにしてもよい。この場合、絶縁層２７を省略し、平面コイル２３Ｆが露出するようにしてもよい。また、フレキシブル基板２１及びコイルパターン２３は、単層であってもよい。コイル基板２０の積層数及び回転軸Ａｘを中心とした円弧の長さは必要な発電量に応じて適宜変更可能である。
【００５１】
また、コイルパターン２３は、整流回路４３と接続されている。実施形態１の整流回路４３は、ダイオードブリッジであるが、他の整流器を採用してもよい。また、整流回路４３は、ホールセンサＨＳ１及びホールセンサＨＳ２と接続されている。コイルパターン２３とホールセンサＨＳ１，ＨＳ２との間に整流回路４３が介在する電気的接続関係である。この電気的接続関係は、例えば、フレキシブル基板２１Ｆに設けられたパターン配線とコネクタ、整流回路４３に積層された絶縁層２９に設けられたホールセンサＨＳ１，ＨＳ２の端子に対応するコンタクトホール等によるものであるが、他の形態を取ってもよい。フレキシブル基板２１に生じた単層交流電力は、整流回路４３によって整流され、直流電流としてホールセンサＨＳ１，ＨＳ２に供給される。整流回路４３は、コイル基板２０と天板１２の一方の面１２Ａとの間に配置しても良いが、第１基板４１の厚みが増してしまう恐れもあるためホールセンサＨＳ１と同一平面に設置するのが望ましい。図１１では、整流回路４３は、絶縁層２７上に積層された回路として実装されている。ホールセンサＨＳ１は、整流回路４３を覆う絶縁層２９の上に積層される。ホールセンサＨＳ１は、天板１２の一方の面１２Ａに設けられた陥没穴１２Ｂの内側に入り込むように、絶縁層２９から天板１２の一方の面１２Ａ側に突出して設けられている。図示しないが、ホールセンサＨＳ２も、ホールセンサＨＳ１と同様、天板１２の一方の面１２Ａに設けられた陥没穴１２Ｂの内側に入り込むように設けられている。このように、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２は、第１基板４１を介してカバー１０に固定されている。
【００５２】
図１２は、実施形態１の第１基板４１と第２基板４２の配置及び構成の一例を示す平面図である。図１３は、回路基板４０の主要構成を示すブロック図である。図１２では、コイル基板２０の図示を省略した状態で第１基板４１の構成配置例を示している。上述のように、天板１２の一方の面１２Ａには、第１基板４１と第２基板４２とが取り付けられている。第２基板４２は、回転軸Ａｘを中心とした径方向の位置が、側板１１と第１基板４１との間である。すなわち、第２基板４２は、回転部３０と対向しない位置に設けられている。これによって、第２基板４２に対する回転部３０からの磁気的な影響を抑制している。なお磁気トラック３１からの磁束の影響が十分に小さい、又は磁気シールド等で保護されている場合には第２基板４２を回転部３０と対向させた位置に設置しても良い。
【００５３】
上述のように、第１基板４１には、整流回路４３が実装されている。また、図１２に示すように、第１基板４１と第２基板４２とは、配線ＣＬを介して接続されている。整流回路４３は、コイル基板２０から供給された単相交流電力を直流電圧に変換して、配線ＣＬを介して第２基板４２へ供給する。
【００５４】
第２基板４２には、センサ４４と、通信回路４５３（図１３参照）を有する制御部４５と、アンテナ４７とが実装されている。整流回路４３からの直流電力は、センサ４４及び制御部４５に供給される。センサ４４、制御部４５及びアンテナ４７は、別々のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップで構成されていてもよいし、それらの一部又は全部が１つのＩＣチップで構成されていてもよい。
【００５５】
また、カバー１０には、貫通孔が開けられている。この貫通孔は、樹脂などの非磁性材料で形成された非磁性蓋１７で密閉されている。後述するように、第２基板４２には、アンテナ４７が実装される。カバー１０は磁性を有するので、アンテナ４７からの電磁波をシールドする作用を有する。しかし、アンテナ４７は非磁性蓋１７と対向する位置に配置される。このため、アンテナ４７の電磁波ＷＶは、非磁性蓋１７を介して、通信部１５１へ到達することができる。
【００５６】
センサ４４は、第１基板４１から供給される直流電圧で動作するセンサ類を含む。図１２及び図１３に例示するセンサ４４は、加速度センサ４４１及び温度センサ４４２を有する。加速度センサ４４１は、軸受１２０の振動を検出する。温度センサ４４２は、軸受１２０の周囲温度を検出する。
【００５７】
実施形態１において、整流回路４３は、発電部５０の発電によってコイル基板２０に生じる電流を整流して複数のセンサ（２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２、加速度センサ４４１、温度センサ４４２等）に供給する整流器として機能する。また、図示しないが、センサ４４は、軸受１２０の周囲湿度を検出する湿度センサ、軸受１２０の潤滑油の酸化劣化に伴って生じるガス状の炭化水素、硫化水素、アンモニア等を検出するガスセンサ、軸受１２０において生じる摩擦音を検出する超音波センサ等を有してもよい。その場合、これらのセンサも複数のセンサに含まれる。
【００５８】
制御部４５は、センサ４４によって検出されたデータの記憶、アンテナ４７を介した当該データの外部送信等を行う。図１３に例示する制御部４５は、制御回路４５１と、記憶回路４５２と、通信回路４５３と、を有する。制御回路４５１は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）である。記憶回路４５２は、不揮発性メモリを有する。不揮発性メモリとして、ＮＡＮＤ型又はＮＯＲ型のフラッシュメモリが例示される。通信回路４５３は、制御回路４５１を構成するＣＰＵに含まれている。又は、通信回路４５３は、ＣＰＵとは別のＩＣチップで構成されていてもよい。
【００５９】
制御回路４５１は、記憶回路４５２と通信回路４５３とを制御する。例えば、制御回路４５１は、センサ４４によって検出された各種データをアナログデータからデジタルデータに変換する（すなわち、Ａ／Ｄ変換する）。また、制御回路４５１は、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータを記憶回路４５２に書き込む。制御回路４５１は、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータをキャッシュメモリに一時的に記憶し、一時的に記憶したデジタルデータを任意のタイミングで読み出して記憶回路４５２に書き込んでもよい。また、制御回路４５１は、記憶回路４５２からデジタルデータを読み出して、通信回路４５３に出力する。
【００６０】
通信回路４５３は、制御回路４５１の制御下で、アンテナ４７を介し、記憶回路４５２から読み出されたデジタルデータを外部に送信する。例えば、図１に示したように、通信回路４５３は、電磁波ＷＶの無線通信により、デジタルデータを外部に送信する。送信されたデジタルデータは、上位装置１５０の通信部１５１で受信される。通信部１５１で受信したデジタルデータは、コンピュータ１５２で処理される。このように、センサ付き軸受１は、デジタルデータを無線で送信することができるので、小型化が可能になる。なお、実施形態１において、通信回路４５３によるデジタルデータの外部への送信は、無線ではなく、有線であってもよい。
【００６１】
以上説明したように、実施形態１によれば、磁気トラック３１とコイル基板２０との相対的な位置関係の変動に応じて生じた電力で２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２、センサ４４等を動作させることができる。従って、外部の電源及び電池を必要としない。また、磁気トラック３１に応じた信号の位相が異なる２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２によって、磁気トラック３１とコイル基板２０との相対的な位置関係の変動に関するセンシングを行うことができる。すなわち、内輪１２２の回転角度の変化に関する情報を得られる。また、発電に用いられる磁気トラック３１とコイル基板２０の相対的な位置関係をセンシングすることで、センシングに関する構成と発電に関する構成とを一体化できることから、よりコンパクトにすることができる。
【００６２】
また、発電によって生じる電流を整流して２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２、センサ４４等に供給する整流回路４３を備える。従って、動作に直流電流を必要とするこれらのセンサを動作させることができる。
【００６３】
また、回転部３０は、カバー１０に対して回転軸Ａｘを中心に相対的に回転し、磁気トラック３１は、回転軸Ａｘを中心とする円周方向にＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが並ぶ。従って、内輪１２２のように回転する物に回転部３０を設け、カバー１０を固定することで外部の電源及び電池を必要とせず２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２、センサ４４等を動作させることができる。
【００６４】
さらに、回転部３０を発電と内輪１２２の回転角度のセンシングの両方に利用可能である。このため、発電と回転角度の検出との構成が個別に設けられる構成に比して発電機付きセンサ１００をコンパクトにできる。また、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２に限らず、整流回路４３を介してコイル基板２０から得られる電力を加速度センサ４４１、温度センサ４４２のような回転角度以外の情報を取得するためのセンサの動作にも利用することができる。従って、内輪１２２の回転角度に関する情報（位置情報）と「その他の情報（例えば、振動、温度に関する情報）」とを組み合わせて収集することがより容易になる。
【００６５】
さらに、第１基板４１は、コイル基板２０と２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２とを一体的に取り扱い可能に設けられた基板である。従って、これらの構成を個別に取り扱う場合に比して、事後の位相調整等が不要になるため、取り扱いがより容易になる。また、事後の位相調整が不要なことから、これらの構成を個別に取り扱う場合に比してコンパクトな構成にすることがより容易になる。しかも、２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２の電力は、コイル基板２０から得られることから、センサ用電源を新たに用意するような専用設計が不要になる。
【００６６】
さらに、第１基板４１にコイル基板２０及び２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２のような磁気トラック３１の磁場を利用するものを集中的に設け、磁場に関係がない又は磁場の影響が抑制されることが望ましい他の構成を別途設けることが可能になる（例えば、第２基板４２）。
【００６７】
なお、実施形態１では、内輪１２２に回転部３０が固定されているが、これは内輪１２２が回転することを想定したものであってこれに限られるものでない。内輪１２２が固定されて外輪１２１が回転可能に軸支される構成の場合、回転部３０を外輪１２１に固定するようにしてよい。その場合、カバー１０は、固定された内輪１２２と連結される。
【００６８】
また、実施形態１では、コイル基板２０を含む第１基板４１がカバー１０に固定され、磁気トラック３１が設けられた回転部３０がカバー１０に対して回転する構成であるが、逆であってもよい。すなわち、固定された磁気トラック３１に対してカバー１０が回転してもよい。
【００６９】
（実施形態２）
図１４は、直動方向ＳＶに沿う直線状に連続する磁極対９１と相対移動可能に設けられた発電機付きセンサ８１の主要構成を示す模式図である。磁極対９１は、Ｎ極９１ＮとＳ極９１Ｓとを含む。磁極対９１は、例えば発電機付きセンサ８１を直動可能に支持するレールＲに設けられる。
【００７０】
発電機付きセンサ８１は、少なくともコイルパターン８０と、整流回路４３と、２つのホールセンサＨＳ３，ＨＳ４とを備える。コイルパターン８０は、コイルパターン２３が直動方向ＳＶに沿い、ヨーク２５が直動方向ＳＶに直交し、かつ、磁極対９１が設けられたレールＲの面に沿う方向に沿って設けられたコイル基板２０の変形例である。実施形態２の整流回路４３は、実施形態１における整流回路４３と同様の機能を有する。２つのホールセンサＨＳ３，ＨＳ４は、実施形態１における２つのホールセンサＨＳ１，ＨＳ２と同様の機能を有する。ただし、２つのホールセンサＨＳ３，ＨＳ４は、図１４に示すように、直動方向ＳＶに沿う磁極対９１の配置周期により生じる磁場を前提として、ホールセンサＨＳ３が検出する磁束密度の位相と、ホールセンサＨＳ４が検出する磁束密度の位相とが異なるように配置されている。
【００７１】
また、図示しないが、発電機付きセンサ８１は、実施形態１の第２基板４２に設けられていたセンサ４４、制御部４５、アンテナ４７と同様の構成を備えていてもよい。
【００７２】
直動方向ＳＶに沿ってレールＲと発電機付きセンサ８１とが相対移動すると、コイルパターン８０に交流電力が生じる。当該交流電力は、整流回路４３によって整流され、直流電流としてホールセンサＨＳ３，ＨＳ４に供給される。ホールセンサＨＳ３が検出する磁束密度の位相と、ホールセンサＨＳ４が検出する磁束密度の位相とが異なることによって、レールＲと発電機付きセンサ８１との相対移動方向や相対移動速度を算出可能になる。
【符号の説明】
【００７３】
１      センサ付き軸受
１０    カバー（第１部品）
２０    コイル基板
２３    コイルパターン
３０    回転部（第２部品）
３１    磁気トラック
４１    第１基板
４２    第２基板
４３    整流回路
５０    発電部
１００  発電機付きセンサ
１２０  軸受
１２２  内輪
３１１  磁極対
ＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３，ＨＳ４  ホールセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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