(57)【要約】【課題】小型軽量の転がり軸受でも回転子や固定子からなる発電機を用いずに有効に発電可能とすること。【解決手段】複数の転動体１１を間に介在して互いに同心に配置された一対の軌道部材９，１０のうちの少なくとも一方に、熱電変換機能を有する熱電変換素子１４を設けた構成。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心に配置された固定側と可動側一対の軌道部材間に複数の転動体が介在配置された転がり軸受であって、
前記両軌道部材の少なくとも一方に、熱電変換機能を有する熱電変換素子を設けていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の転がり軸受において、
前記熱電変換素子に作用する温度差により発電された電力を負荷に供給可能に、前記熱電変換素子と前記負荷とを接続していることを特徴とする転がり軸受。
【請求項３】
請求項２に記載の転がり軸受において、
前記負荷は、軸受に備えられる電気装置であることを特徴とする転がり軸受。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受において、
前記熱電変換素子は、前記一対の軌道部材のうち固定側軌道部材に装着されていることを特徴とする転がり軸受。
【請求項５】
請求項４に記載の転がり軸受において、
前記熱電変換素子は、前記固定側軌道部材の軸受負荷が作用する側面箇所に設けられていることを特徴とする転がり軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機能を有する転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両などを支持する大型の転がり軸受には当該軸受の動作を利用して発電させる発電機を備えたものが知られる（例えば特許文献１参照。）。その一方、小型の転がり軸受ではそのような発電機を備えたものは市場では見受けにくい。この場合、発電機は回転子（ロータ）と固定子（ステータ）とから構成されている。回転子や固定子は機械構造部品であり比較的大きく重量があるため、小型軽量志向とする転がり軸受の場合では、そのような既存の発電機をそのまま適用することは難しいことがその理由の１つに挙げられる。しかしながら、転がり軸受は小型であっても、回転動作による熱エネルギーを電気エネルギに有効に変換利用できるはずであるから、このエネルギを有効利用できる転がり軸受が要求される。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２２５０７８号公報（全頁、全図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、比較的小型の転がり軸受において、格別な発電機の機械部品を構成する回転子や固定子無しに発電機能を備えた転がり軸受を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る転がり軸受は、同心に配置された固定側と可動側一対の軌道部材間に複数の転動体が介在配置された転がり軸受であって、前記両軌道部材の少なくとも一方に、熱電変換機能を有する熱電変換素子を設けていることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る転がり軸受によれば、熱電変換素子が軌道部材に設けられていることで、例えば転がり軸受を使用することに伴う発熱によって生じる軌道部材と外気や固定部材などとの間の温度差などを有効利用して熱電変換素子において発電することができる。
【０００７】
好ましい１つの実施態様では、前記熱電変換素子に作用する温度差により発電された電力を負荷に供給可能に、前記熱電変換素子と前記負荷とを接続している。この場合、熱電変換素子で発電された電力が負荷に供給されるので、負荷を作動させることができる。その発電電力は、例えば、負荷として転がり軸受の温度検出や振動検出などを行うセンサや、その検出結果を表示できる計測系（アンプ、計測表示）などを作動させるのに利用できる。
【０００８】
好ましい１つの実施態様では、前記負荷は、軸受に備えられる電気装置である。この場合、例えば転がり軸受の温度センサや振動センサなど、軸受に備えられる電気装置に対して、熱電変換素子からの発電電力を供給できるので、熱電変換素子を電気装置の駆動用電源あるいは補助電源として用いることができることになって、別途駆動用の電源を不要あるいはその電源容量を小容量にできる。
【０００９】
好ましい１つの実施態様では、前記熱電変換素子は、前記一対の軌道部材のうち固定側軌道部材に装着されている。この場合、熱電変換素子で発電された電力は固定側軌道部材が設けられる固定部材側に供給可能である。
【００１０】
好ましい１つの実施態様では、前記熱電変換素子は、前記固定側軌道部材の軸受負荷が作用する側面箇所に設けられている。この場合、軸受負荷が作用することで発熱しやすくなっている側面箇所に設けられることで熱電変換素子により効率的に熱起電力を発生することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。図１から図４に本発明に係る実施形態を示す。図１は、本発明に係る転がり軸受を備えるファンモータを示す縦断側面図、図２は、図１における要部としての転がり軸受の片半分を示す断面図、図３は、熱電変換素子の構造を示す概略説明図、図４は、熱電変換素子の素子両面の温度差と熱起電力との関係の一例を示すグラフである。
【００１２】
図１を参照して、ファンモータの回転軸を支持するための転がり軸受などが図示されている。ここで、１はファンモータの全体を示す。このファンモータ１において、２はフレーム、３はプロペラ、４は電動モータ、５は電動モータ４の回転子、６は電動モータ４の固定子、７は回転中心軸、８は回転中心軸７を固定子６に対して回転自在に支持するための転がり軸受を示す。固定子６は永久磁石からなり、フレーム２に固定されている。回転子５は電気子巻線からなり、回転中心軸７と一体回転する。転がり軸受８は、回転中心軸７に対して軸方向２箇所に振り分け配置された１対の玉軸受である。
【００１３】
図２を参照して転がり軸受８は、回転中心軸７に外嵌される一つの軌道部材としての内輪９と、固定子６に内嵌される他の軌道部材としての外輪１０と、回転中心軸７の軸心周りに同心配置された内輪９と外輪１０との間の環状空間に周方向で等間隔に配置された複数個の玉１１と、転動体としてのこれらの玉１１を保持する保持器１２と、前記環状空間を軸方向両端側それぞれで外部と仕切るシール部材１３とによって構成されている。
【００１４】
そして、一方の転がり軸受８の外輪１０の軸方向での一側面には、本実施形態の特徴である熱電変換素子１４が周方向で全周にわたって接着剤による接着等で付設されている。
【００１５】
図３を参照して熱電変換素子１４を詳しく説明すると、この熱電変換素子１４は、対向する一対のセラミック板１５，１６間にそれぞれ異なる材質の２種の熱電変換部１７，１８を交互に並べている。隣合う２種の熱電変換部１７，１８は、セラミック板１５，１６の互いの対向面側に層状に形成した接合用金属層１９に接続されている。接合用金属層１９は、隣合う２種の熱電変換部１７，１８の一組ごとに区画されて他の組に対する接合用金属層１９とは絶縁されている。また、対向する接合用金属層１９，１９同士は、互いに熱電変換部１７，１８一つ分横に位置ずれした状態で配置されているから、各接合用金属層１９を通してすべての熱電変換部１７，１８…が電気的に直列に接続されている。その両端の熱電変換部１８，１８が接合された接合用金属層１９，１９は、リード線などが接続される外部への電力取り出し用の電極部２０，２０となっている。熱電変換部１７，１８には、例えばナトリウムコバルト酸化物や、ビスマス・テルル（Ｂｉ２Ｔｅ３）、鉛テルル（ＰｂＴｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）などの合金系材料を用いている。なお、このような熱電変換部１７，１８に用いる材料としては、熱電変換機能を有するものであれば各種材料を利用できるのであって、特に限定されるものでない。この熱電変換素子１４では、一方のセラミック板１５側と他方のセラミック板１６側とにおいて温度差があると、電極部２０，２０間に熱起電力が発生する。したがって、電極部２０，２０間を閉じた回路にすると、その回路に直流電流が流れることになり、回路中に負荷（この例では抵抗負荷）２１を設けると、負荷２１を作動させることで電力が消費される。
【００１６】
上記転がり軸受８に付設された熱電変換素子１４は、外輪１０への接着面が吸熱側となっている。熱電変換素子１４の接着面とは反対側の外気にさらされる面は廃熱あるいは放熱側となっている。したがって、ファンモータ１の使用に伴って電動モータ４が発熱し、これの熱で転がり軸受８の特に外輪１０が発熱した場合、外輪１０と外輪１０近傍の空気との間に温度差が生じ、これによって熱電変換素子１４のセラミック板１５側と他方のセラミック板１６側とに温度差が発生して熱起電力が発生する。この場合、熱電変換素子１４の電極部２０，２０間を抵抗などの負荷２１を介して閉じた回路にしておくことにより、吸熱側となっている面から吸熱がなされるとともに、廃熱もしくは放熱側の面からは廃熱もしくは放熱がなされるため、外輪１０における廃熱もしくは放熱を促進させることができる。なお、図４に、熱電変換素子１４の両面の温度差℃（横軸）と熱起電力ｍＶ（縦軸）との関係をグラフとして示している。この熱電変換素子１４の場合、例えば吸熱側と廃熱側との温度差が１００℃から１５０℃の範囲など、所定の温度差の範囲で用いることが望ましい。
【００１７】
また、熱電変換素子１４の電極部２０，２０間に例えばＬＥＤなどの負荷２１を介装しておけば、その負荷２１に対して熱起電力による発電電力を供給でき、その負荷２１を駆動することができる。また、熱電変換素子１４の電極部２０，２０間に蓄電池などを介装してその蓄電池に熱起電力による発電電力を充電することも可能である。
【００１８】
次に、本発明に係る別の実施の形態について説明する。
【００１９】
図５は本発明に係る転がり軸受の一例を示している。この転がり軸受２２の外輪２５における軸方向一側の側面には、熱起電力発生用の熱電変換素子２９を付設している。この熱電変換素子２９を覆うように固定側の外輪２５（この場合、内輪２３が回転側である）に一体のセンサハウジング３０を環状に設けている。センサハウジング３０は熱伝導性の高い部材に構成されており、熱電変換素子２９の廃熱側の面部分がセンサハウジング３０に接触した状態となっている。熱電変換素子２９の吸熱側の面部分は外輪２５の側面に接着されている。また、センサハウジング３０には外輪２５における温度検出用の温度センサ３１や振動検出用の振動センサ３２、回転数検出用の回転センサ３５、磁気リング３６を駆動し、その検出信号を外部へ出力する回路３３、各センサ３１，３２や回路３３に対する主電源としての電池３４を設けている。各センサ３１，３２，３５，３６や回路３３への電力供給は、小型の電池３４からの電力供給と、熱電変換素子２９からの発電電力の供給とによって行われる。その電力供給の制御回路も回路３３に備えられている。この場合、熱電変換素子２９は、電池３４の補助電源として用いられる。ここで、回路３３などが熱電変換素子２９からの電力供給が行われる負荷に相当する。なお、各センサ３１，３２，３５，３６の検出信号を外部へ電気信号として出力するため外部機器と電気的に接続するコネクタ（図示せず）をセンサハウジング３０の外部に設けている。なお、この場合、外部機器への前記検出信号の出力はワイヤレス、すなわち無線送信によって行われてもよい。特に、電気的な接続コネクタを用いないワイヤレス型では外部との電力供給、系統が遮断されているため、主電源となる電池３４の補助電源としてより効果的である。
【００２０】
熱電変換素子２９は、転がり軸受２２の使用に伴う転がり軸受２２の発熱による外輪２５の温度と、センサハウジング３０の温度とに差が生じることによって熱起電力を発生し、その発生した電力は回路３３へ供給される。したがって、電池３４だけで回路３３へ電力供給するよりも多く電力供給できるから、電池３４の使用寿命を延ばすこともできるし、電池３４を起電力容量の小さいものに変更することも可能となる。
【００２１】
なお、外部機器の一例として、温度センサ３１による検出結果に基づいて転がり軸受２２がどのような温度範囲にあるか表示する表示装置３７を示している。この表示装置３７の構成としては、転がり軸受２２が適正温度範囲にある状態と、適正温度範囲から段階的に高温側に外れたある温度範囲ごとの状態との表示がそれぞれ異なる発光色のＬＥＤで表示できるようにしたものでもよい。
【００２２】
本発明は、転がり軸受３８の外輪３９の発熱を利用した熱起電力を発生させるのに、図６を参照して、外輪３９を嵌合する例えばハウジングなどの固定部材４０側に環状溝４１を形成し、その環状溝４１に熱電気変換素子４２を装着した構成にしてもよい。この場合、図示されているように、熱電変換素子４２の吸熱側部分を外輪３９の外周面に接触させておき、廃熱側部分を環状溝４１の底部分に接触させておく。
【００２３】
上記実施の形態では、固定輪側に熱電変換素子を設けたものを示したが、回転輪側に熱電変換素子を設けてその回転輪に設けた熱電変換素子の吸熱側部分と廃熱側部分との間に生じた温度差によって熱起電力を発生するように構成してもよい。この場合、その熱起電力を外部へ取り出すために、スリップリングを利用してもよい。
【００２４】
上記実施の形態ではラジアル軸受について本発明を示したが、アキシャル軸受に本発明を適用しても良い。
【００２５】
本発明の転がり軸受は、空気を介して熱伝導を図ることができない真空中においても発熱した状態の転がり軸受からの放熱を熱電変換素子によって行うことができるから、例えば薄膜を形成する真空蒸着装置などの各種装置における軸受にも有効利用できる。
【００２６】
本発明に係る転がり軸受は、玉軸受に限定されるものでなく、ころ軸受や針状ころ軸受などにも適用できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係る転がり軸受によれば、熱電変換素子が軌道部材に設けられていることで、例えば転がり軸受を使用することに伴う発熱によって生じる軌道部材と外気や固定部材などとの間の温度差などを有効利用して熱電変換素子において発電することができる。その発電により、転がり軸受において熱がこもらないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る転がり軸受を備えるファンモータを示す縦断側面図
【図２】図１における要部としての転がり軸受の片半分を示す断面図
【図３】熱電変換素子の構造を示す概略説明図
【図４】熱電変換素子の素子両面の温度差と熱起電力との関係の一例を示すグラフ
【図５】本発明の別の実施の形態に係る転がり軸受の片半分を示す断面図
【図６】本発明の更に別の実施の形態に係る転がり軸受の片半分を示す断面図
【符号の説明】
９，１０    軌道部材
１１        転動体
１４        熱変換素子
【図１】
2004332859.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004332859.tif 000005
【図４】
2004332859.tif 000006
【図５】
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【図６】
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