WO2022153356A1 - 発電素子、磁気センサおよびエンコーダ - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a power generation element, a magnetic sensor, and an encoder that generate an electromotive force in a coil by reversing the magnetization direction of a magnetic material.
- the large Barkhausen effect is a phenomenon in which the magnetization direction is suddenly reversed in response to changes in the external magnetic field.
- a power generation element including a magnetic member made of a magnetic material that produces the large Barkhausen effect and a power generation coil made of a conductive wire around the magnetic member is known.
- this power generation element when an external magnetic field from the magnetic field generating portion is applied to the magnetic member and the magnetization direction of the magnetic member is reversed by the large bulkhausen effect, an electromotive force is generated in the power generation coil by electromagnetic induction.
- phase difference of the rotation phase of the magnet that generates the electromotive force in the power generation coil also increases. Therefore, in order to reduce the phase difference of the rotation phase of the magnet that generates the electromotive force in the power generation coil, a technique for increasing the external magnetic field applied to the magnetic member is required.
- Patent Document 1 by arranging cylindrical soft magnetic materials at both ends of the magnetic member, the demagnetizing field generated at the end of the magnetic member can be reduced and the uniformity of the magnetic flux generated in the magnetic member can be enhanced.
- the structure is disclosed.
- the present disclosure has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a power generation element capable of increasing the external magnetic field applied to the magnetic member while suppressing an increase in size as compared with the conventional case. ..
- the power generation element of the present disclosure includes a magnetic member made of a magnetic material that produces a large bulkhausen effect and a power generation coil in which magnetic flux passing through the magnetic member is interlinked.
- a magnetic member made of a magnetic material that produces a large bulkhausen effect
- a power generation coil in which magnetic flux passing through the magnetic member is interlinked.
- a virtual surface parallel to the above surface is used as the boundary surface, the first component portion on the side opposite to the magnetic field generating part from the boundary surface and the second component part on the side opposite to the magnetic field generating part from the boundary surface are formed. Have.
- the volume of the second component is larger than the volume of the first component.
- the power generation element according to the present disclosure has the effect of being able to increase the external magnetic field applied to the magnetic member while suppressing an increase in size as compared with the conventional case.
- Sectional drawing which shows an example of the structure of the power generation element which concerns on Embodiment 1.
- Top view showing an example of the arrangement between the power generation element and the magnetic field generating portion according to the first embodiment.
- the figure which shows typically an example of the relationship between the rotation phase of a magnetic field generation part and the magnetic flux density of a magnetic member with respect to a magnetic field generation part.
- FIG. 1 A perspective view showing an example of the configuration of the magnetic member of the power generation element and the coil for power generation according to the first embodiment. Sectional drawing which shows another example of the structure of the power generation element which concerns on Embodiment 1.
- FIG. 1 is a perspective view showing an example of the configuration of the power generation element according to the first embodiment.
- the direction from the magnetic collecting member 3 toward the magnetic field generating portion 11 is defined as the Z axis
- the two directions orthogonal to each other in the plane perpendicular to the Z axis are defined as the X axis and the Y axis.
- the direction from the magnetic field generating unit 11 toward the power generation element 100 is defined as the positive direction of the Z axis.
- the X-axis corresponds to the extending direction of the magnetic member 1.
- FIG. 1 also shows a magnetic field generating unit 11 that applies an external magnetic field 60 to the power generation element 100 together with the power generation element 100.
- the power generation element 100 includes a magnetic member 1, a power generation coil 2, and a magnetic collecting member 3.
- the magnetic member 1 is made of a magnetic material, that is, a magnetic material, which produces a large Barkhausen effect by changing the external magnetic field 60.
- the large Barkhausen effect is a phenomenon in which when the magnetic member 1 is magnetized, the magnetic domain wall inside the magnetic member 1 moves at one time, so that the magnetization direction is reversed in an extremely short time.
- the magnetic member 1 is a linear magnetic material extending in one direction.
- the linear shape includes a rod shape and a wire shape.
- the internal stress distribution and composition distribution are controlled so that the coercive force is different between the outer peripheral portion and the central portion in the cross section perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1.
- the magnetic coercive force of the outer peripheral portion of the magnetic member 1 is made of a material smaller than that of the central portion.
- a bicaloy alloy FeCoV alloy
- a permalloy alloy NiFe alloy
- an amorphous alloy or the like can be used.
- these alloy materials are subjected to wire drawing, twisting, bending, surface treatment and the like. Examples of the surface treatment include heat treatment, plating treatment, and chemical treatment.
- additives may be added to these alloy materials to control the coercive force.
- a magnetic member 1 having a configuration in which the coercive force is different between the outer peripheral portion and the central portion can be obtained by wire-drawing the bicaloy alloy into a wire shape and then twisting the wire.
- the cross-sectional shape perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1 is circular is shown, but the present invention is not limited to this.
- the cross-sectional shape perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1 may be an elliptical shape or a polygonal shape such as a quadrangle.
- the wire diameter of the magnetic member 1 is assumed to be 0.1 mm or more and 1 mm or less, and the length is 10 mm or more and 13 mm or less. This is an example, and the wire diameter of the magnetic member 1 is illustrated. And does not limit the length.
- the power generation coil 2 is a coil in which a conductive wire is wound around a magnetic member 1, and magnetic flux passing through the magnetic member 1 is interlinked.
- an electromotive force due to electromagnetic induction is generated at both ends of the power generation coil 2.
- the electromotive force generated in the power generation coil 2 is taken out and used.
- the case where the magnetic member 1 is arranged inside the power generation coil 2 is shown.
- an insulating coated conductive wire such as a copper wire, an aluminum wire, a gold wire, a silver wire, a copper alloy wire, or an aluminum alloy wire can be used.
- the wire diameter of the conductive wire is selected based on the diameter of the magnetic member 1 to be wound, the size of the power generation element 100, and the like.
- the power generation coil 2 is formed by winding an insulating coated conductive wire around a bobbin.
- the power generation coil 2 is formed by winding a conductive wire around a jig and tool, fixing it with an adhesive and a self-bonding wire, and then removing it from the jig and tool.
- a conductive wire having a wire diameter of 0.02 mm or more and 0.05 mm or less is used for the power generation coil 2 will be described, but this is an example and does not limit the wire diameter of the power generation coil 2. ..
- the magnetic collecting member 3 has an insertion portion 31 through which the magnetic member 1 is inserted, and is provided at both ends of the magnetic member 1 so as to come into contact with the magnetic member 1 inside the insertion portion 31. In other words, the magnetic collecting member 3 is provided so as to come into contact with the magnetic member 1 by inserting the magnetic member 1 into the insertion portion 31.
- the magnetic collecting member 3 is composed of a block-shaped member containing a soft magnetic material.
- the magnetic collecting member 3 is made of a soft magnetic material.
- the soft magnetic material is a material that easily reverses its magnetic poles and has a lower coercive force than the magnetic member 1. Further, it is desirable that the magnetic collecting member 3 is a material having a higher magnetic permeability and a higher saturation magnetic flux density than the magnetic member 1.
- the magnetic collecting member 3 is arranged so as to cover the periphery of a surface parallel to the extending direction of the magnetic member 1 at both ends of the magnetic member 1.
- the magnetic collecting member 3 has a magnetic collecting effect of collecting magnetic flux from the magnetic field generating unit 11.
- the magnetic collecting member 3 may be a soft magnetic material having a lower coercive force than the magnetic member 1.
- the soft magnetic material is a material selected from the group consisting of soft ferrite, permalloy, permendur, silicon steel, amorphous magnetic alloys, nanocrystal magnetic alloys and sendust. Further, it is desirable that the material used for the magnetic collecting member 3 is a material that can be accurately processed into a target shape and is inexpensive. Examples of the material used for such a magnetic collecting member 3 include a cold-rolled steel sheet. Further, the magnetic collecting member 3 may be a plastic material containing a soft magnetic material processed into particles. The magnetic collecting member 3 using this plastic material has a feature that it can be easily molded into various shapes by injection molding or the like.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the power generation element according to the first embodiment.
- FIG. 2 shows a cross section of the power generation element 100 cut at the position of the magnetic collecting member 3 perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1.
- the hatching of the magnetic collecting member 3 is omitted for the sake of clarity.
- the magnetic collecting member 3 has an insertion portion 31 through which the magnetic member 1 is inserted.
- the insertion portion 31 is a hole that penetrates the magnetic collecting member 3 in the thickness direction.
- the magnetic collecting member 3 comes into contact with the magnetic member 1 at a position opposite to the side where the magnetic field generating portion 11 is arranged in the hole forming the insertion portion 31.
- the insertion portion 31 is preferably curved along the outer shape of the magnetic member 1 in order to reduce the magnetic resistance due to the gap between the magnetic member 1 and the magnetic collecting member 3. That is, if the cross section of the magnetic member 1 is circular, it is desirable that the insertion portion 31 is also a circular hole.
- the magnetic collecting member 3 has the same diameter as the length of the insertion portion 31 in the Y-axis direction, passes through the center 52 of a virtual inscribed circle 51 inscribed in the insertion portion 31, and has a normal vector in the Z-axis direction.
- the virtual surface parallel to the virtual surface is the boundary surface 32, the first component 33 on the side opposite to the magnetic field generating unit 11 from the boundary surface 52 and the magnetic field generating unit 11 side from the boundary surface 32. It has a second component 34 and.
- the virtual inscribed circle 51 passes through a position where the magnetic member 1 contacts in the insertion portion 31. In the example of FIG. 2, the virtual inscribed circle 51 passes through the insertion portion 31 at a position opposite to the arrangement position of the magnetic field generating portion 11 and in contact with the magnetic member 1.
- the normal vector is a vector directed from the magnetic collecting member 3 in the direction in which the magnetic field generating portion 11 is arranged.
- the magnetic collecting member 3 has a structure in which the volume of the second component 34 is larger than the volume of the first component 33.
- the soft magnetic material described in Patent Document 1 has a shape symmetrical in the Z direction with the above-mentioned boundary surface 32 as a boundary, but the power generation element according to the first embodiment.
- the magnetic collecting member 3 of 100 has a shape asymmetrical in the Z direction with the above-mentioned boundary surface 32 as a boundary.
- the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 is larger than 1 and 4 or less, and is 1.3 or more and 2.6 or less. It is even more desirable to have. Within this range, the phase difference of the rotation phase of the magnetic field generating unit 11 that generates the electromotive force in the power generation coil 2 can be made smaller than before, and the magnetic flux density in the extending direction of the magnetic member 1 can be reduced. The distribution of can be made close to uniform.
- the thickness of the magnetic collecting member 3 is 1.0 mm or more and 1.5 mm or less
- the width is 1.0 mm or more and 2.5 mm or less
- the thickness and width are constant.
- the length of the first component 33 in the Z direction is 1.0 mm or more and 2.0 mm or less
- the length of the second component 34 is 1.1 mm or more and 2.5 mm or less.
- the length of the first component 33 and the length of the second component 34 are set so that the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 is greater than 1 and 4 or less.
- the size of the magnetic collecting member 3 shown here is an example, and does not limit the thickness, width, and length of the magnetic collecting member 3.
- the thickness may be changed, the width may be changed, or two or more of the thickness, the width, and the length may be changed between the first component 33 and the second component 34. ..
- the surface 35a of the magnetic collecting member 3 facing the magnetic field generating part 11 it is desirable to flatten the surface 35a of the magnetic collecting member 3 facing the magnetic field generating part 11. It is desirable that the surface 35b of the magnetic collecting member 3 opposite to the surface 35a facing the magnetic field generating portion 11 is also flat.
- the magnetic field generating unit 11 is a magnetic field generating source that is arranged around the magnetic member 1 and applies an external magnetic field 60 that changes to the magnetic member 1.
- the magnetic field generating unit 11 may have one or more sets of two magnetic poles, an N pole and an S pole, and may generate an external magnetic field 60 in the surroundings.
- the magnetic field generating unit 11 is a circular flat magnet that can rotate around the Z axis.
- the magnetic field generating unit 11 has two semicircular components, magnet components 111A and 111B.
- the magnet component 111A is a magnet whose surface facing the power generation element 100 is the north pole and the surface opposite to the power generation element 100 is the south pole.
- the magnet component 111B is a magnet having an S pole on the surface facing the power generation element 100 and an N pole on the opposite surface. That is, in the magnetic field generation unit 11, half of the surface of the disk-shaped magnet facing the power generation element 100 is the north pole, and the other half is the south pole. Then, the magnet can rotate about an axis passing through the center of the disk-shaped magnet.
- the magnetic field generating portion 11 has a diameter of 20 mm or more and 22 mm or less, and the distance between the magnetic member 1 and the magnetic field generating portion 11 is 6 mm or more and 9 mm or less.
- this is an example, and does not limit the diameter of the magnetic field generating portion 11 and the distance between the magnetic member 1 and the magnetic field generating portion 11.
- the magnetic field generation unit 11 may be an electromagnet as long as it can stably generate the external magnetic field 60.
- a permanent magnet a ferrite magnet, an alnico (Al—Ni—Co) magnet, a rare earth magnet, or the like can be used.
- rare earth magnets include neodymium magnets and samarium-cobalt magnets.
- FIG. 3 is a top view showing an example of the arrangement between the power generation element and the magnetic field generating unit according to the first embodiment.
- the boundary between the magnet constituent portion 111A and the magnet constituent portion 111B of the magnet in the XY plane is in the Y direction perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1 is shown.
- the magnetic field generating unit 11 applies an external magnetic field 60 to the power generation element 100 by rotating around the rotation center 112.
- the power generation element 100 is arranged at a position where the magnetic member 1 of the power generation element 100 is separated from the rotation center 112 of the magnetic field generation unit 11 by 5 mm or more in the radial direction.
- the external magnetic field 60 of the magnetic field generation unit 11 is compared with the rotation center 112 of the magnetic field generation unit 11 as described above.
- the position where the power generation element 100 is arranged becomes weaker.
- magnetic collecting members 3 having a volume ratio of the second component 34 to the first component 33 greater than 1 and 4 or less are arranged at both ends of the magnetic member 1. There is. Next, the function of the magnetic collecting member 3 will be described.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the relationship between the rotation phase of the magnetic field generating portion and the magnetic flux density of the magnetic member with respect to the magnetic field generating portion.
- the horizontal axis is the rotation phase of the magnetic field generating unit 11
- the vertical axis is the magnetic flux density of the magnetic member 1.
- the graph B12 of the magnetic collecting member 3 according to No. 1 is shown.
- the rotation phase of the magnetic field generating unit 11 that produces a large Barkhausen effect differs depending on the rotation direction.
- the large Barkhausen effect is generated at the rotation phase of ⁇ 1 with the poles of the magnetic field generating portion 11 as the boundary, but when it is counterclockwise, it is generated.
- a large Barkhausen effect is generated at ⁇ 1 at the boundary between the poles of the magnetic field generating unit 11.
- the outside of the magnetic field generation unit 11 is larger than the rotation center 112 of the magnetic field generation unit 11.
- the magnetic field 60 becomes weaker. Since the change of the external magnetic field 60 of the magnetic field generating unit 11 applied to the magnetic member 1 becomes gradual with respect to the rotation phase of the magnetic field generating unit 11, a magnetic field in which a large bulkhausen effect is generated depending on the rotation direction of the magnetic field generating unit 11.
- the rotational phase difference of the generating unit 11 also increases. That is, the rotational phase difference of the magnetic field generating unit 11 in which the electromotive force is generated also increases.
- the magnetic collecting member 3 since the second component 34 of the magnetic collecting member 3 is larger than the first component 33, the magnetic collecting member 3 is more concentrated than the conventional magnetic collecting member 3. The magnetic effect is enhanced and the magnetic flux passing through the magnetic member 1 is increased. Therefore, as shown in FIG. 4, when clockwise, a large Barkhausen effect occurs at ⁇ 2 where the rotation phase is smaller than ⁇ 1 with the poles of the magnetic field generating unit 11 as a boundary, and when it is counterclockwise, a magnetic field is generated. A large Barkhausen effect occurs at ⁇ 2 at the boundary between the poles of the portion 11.
- the rotational phase difference 2 ⁇ 2 of the magnetic field generating unit 11 in which the large Barkhausen effect is generated is reduced as compared with the rotational phase difference 2 ⁇ 1 of the conventional magnetic collecting member 3, and the electromotive force is generated.
- the rotational phase difference of the magnetic field generating unit 11 in which electric power is generated is also reduced.
- FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the relationship between the rotation phase of the magnetic field generating portion and the magnetic flux density of the magnetic member with respect to the magnetic field generating portion.
- the horizontal axis is the rotation phase of the magnetic field generating unit 11
- the vertical axis is the magnetic flux density of the magnetic member 1.
- FIG. 5 when the rotation phase of the magnetic field generating unit 11 is ⁇ , the magnetic flux density of the magnetic member 1 is increasing due to the external magnetic field 60 generated from the magnetic field generating unit 11.
- the rotation phase of the magnetic field generating unit 11 is ⁇ , the magnetic flux density of the magnetic member 1 is maximized by the external magnetic field 60 generated from the magnetic field generating unit 11.
- FIG. 5 schematically shows the state of the magnetic field generating unit 11 with respect to the power generation element 100 in ⁇ and ⁇ .
- FIG. 6 is a diagram schematically showing a state of magnetic flux passing through a magnetic member in a power generation element including a magnetic collecting member according to the first embodiment when the rotation phase of the magnetic field generating portion is ⁇ .
- FIG. 7 is a diagram schematically showing a state of magnetic flux passing through a magnetic member in a power generation element including a conventional magnetic collecting member when the rotation phase of the magnetic field generating portion is ⁇ .
- FIG. 8 is a diagram schematically showing a state of magnetic flux passing through a magnetic member in a power generation element having no magnetic collecting member when the rotation phase of the magnetic field generating portion is ⁇ . Note that in FIGS. 6 to 8, the power generation coil 2 is not shown. 6 to 8 schematically show how the magnetic flux 61 emitted from the magnetic field generating unit 11 returns to the magnetic field generating unit 11 when the rotation phase of the magnetic field generating unit 11 is ⁇ .
- most of the magnetic flux 61 emitted from the north pole of the magnetic field generating unit 11 is magnetic via the magnetic collecting member 3. It passes through the member 1 and enters the S pole of the magnetic field generating unit 11 from the magnetic collecting member 3.
- the volume of the second component 34 is larger than the volume of the first component 33 in this way, most of the magnetic flux 61 from the magnetic field generating unit 11 can pass through the magnetic collecting member 3. .. That is, as shown in FIGS. 7 and 8 described later, since there is almost no magnetic flux entering the magnetic member 1 from the middle of the extending direction of the magnetic member 1, the uniformity of the magnetic flux density is maintained in the extending direction of the magnetic member 1. Dripping.
- the magnetic flux 61 is focused on the magnetic collecting member 3 near the position where it comes out of the magnetic field generating unit 11. Therefore, in FIG. 6, a part of the magnetic flux enters the S pole of the magnetic field generating unit 11 from the magnetic collecting member 3 via the magnetic collecting member 3 arranged on the S pole side and without passing through the magnetic member 1. .. Since the magnetic flux 61 does not pass through the magnetic member 1, it does not affect the uniformity of the magnetic flux density in the magnetic member 1 sandwiched between the magnetic collecting members 3.
- the magnetic flux 61 emitted from the north pole of the magnetic field generating portion 11 draws a path that passes through the magnetic member 1 and returns to the south pole.
- the magnetic flux 61 in which the magnetic collecting member 3 exists in the vicinity of the path becomes the path passing through the magnetic collecting member 3, but is concentrated in the vicinity of the path.
- the magnetic flux 61 in which the magnetic member 3 does not exist enters the magnetic member 1 at any position between the magnetic collecting members 3.
- the magnetic flux 61 that has entered the magnetic member 1 goes to the S pole of the magnetic field generating unit 11 via the magnetic collecting member 3.
- the magnetic flux 61 since the second component 34 of the magnetic collecting member 3 is farther than the magnetic field generating unit 11 as compared with the case of FIG. 6, a part of the magnetic flux 61 does not pass through the magnetic collecting member 3 but is not passed through the magnetic collecting member 3.
- the magnetic member 1 is entered from a position in the middle of the extending direction of. That is, the magnetic flux 61 passing through the magnetic member 1 on the magnetic collecting member 3 side arranged on the N pole side is smaller than that in the case of FIG. As a result, the magnetic flux density becomes non-uniform in the extending direction of the magnetic member 1.
- the magnetic flux 61 emitted from the north pole of the magnetic field generating unit 11 draws a path that passes through the magnetic member 1 and returns to the south pole.
- the position where the magnetic flux 61 enters the magnetic member 1 changes according to the position where the magnetic flux 61 exits the magnetic field generating portion 11.
- the position where the magnetic flux 61 exits from the magnetic member 1 also changes depending on the position where the magnetic flux 61 enters the magnetic field generating portion 11. Therefore, the magnetic flux density becomes more non-uniform in the extending direction of the magnetic member 1 as compared with the case of FIG. 7.
- the magnetic field generation unit 11 depends on the rotation phase of the magnetic field generation unit 11.
- the magnetic flux density of the magnetic member 1 of the power generation element 100 becomes non-uniform due to the external magnetic field 60 of the above.
- the large Barkhausen effect is less likely to occur at the same time in the entire magnetic member 1, and there arises a problem that the power generation characteristics are deteriorated.
- FIG. 9 is a diagram showing an example of the distribution of the internal magnetic flux density when the rotation phases of the magnetic field generating portion are ⁇ and ⁇ for the magnetic member of the power generation element according to the first embodiment.
- FIG. 10 is a diagram showing an example of the distribution of the internal magnetic flux density when the rotation phases of the magnetic field generating portion are ⁇ and ⁇ in the magnetic member of the conventional power generation element.
- FIG. 11 is a diagram showing an example of the distribution of the internal magnetic flux density when the rotation phases of the magnetic field generating portion are ⁇ and ⁇ for the magnetic member of the power generation element that does not have the magnetic collecting member.
- the horizontal axis indicates the position of the magnetic member 1
- the vertical axis indicates the magnetic flux density at each position of the magnetic member 1.
- the distribution of the magnetic field generating unit 11 in the rotation phase ⁇ is indicated by the magnetic flux density B ⁇
- the distribution of the magnetic field generating unit 11 in the rotation phase ⁇ is indicated by the magnetic flux density B ⁇ .
- the cross-sectional views of the magnetic member 1 and the magnetic collecting member 3 are made to correspond to the magnetic flux density data at the upper part of the drawing. Is shown.
- the magnetic flux 61 from the magnetic field generating portion 11 passes through the magnetic collecting members 3 at both ends of the magnetic member 1. Therefore, as shown in FIG. 9, it can be said that the magnetic flux densities B ⁇ and B ⁇ are uniform in almost the entire magnetic member 1 in the region sandwiched by the magnetic collecting member 3 regardless of the rotation phase of the magnetic field generating unit 11.
- the magnetic flux densities B ⁇ and B ⁇ are high in the central portion of the magnetic member 1 in the extending direction as shown in FIG.
- the range in which the magnetic flux densities B ⁇ and B ⁇ increase is further narrowed, and when the magnetic flux densities deviate from the central portion, the magnetic flux densities sharply decrease toward both ends.
- the uniformity of the magnetic flux densities B ⁇ and B ⁇ inside the magnetic member 1 is greatly reduced at any rotation phase of the magnetic field generating unit 11. ..
- the magnetic flux densities B ⁇ and B ⁇ inside the magnetic member 1 including the magnetic collecting member 3 according to the first embodiment shown in FIG. 9 have different configurations in the shape and mode of the magnetic collecting member 3 in FIGS. 10 and 10. It can be seen that the region where the magnetic flux density is high is wider than the magnetic flux densities B ⁇ and B ⁇ shown in 11. That is, the uniformity of the magnetic flux densities B ⁇ and B ⁇ is high in the region of the magnetic member 1 sandwiched between the magnetic collecting members 3.
- FIG. 12 is a diagram showing an example of an electromotive force generated by a power generation element according to the first embodiment, a conventional power generation element, and a power generation element not provided with a magnetic collecting member.
- the horizontal axis represents time and the vertical axis represents electromotive force.
- FIG. 12 shows the electromotive forces VA, VB, and VC when the distribution of the magnetic flux density of the magnetic member 1 corresponds to the magnetic flux density shown in FIGS. 9 to 11.
- An electromotive force VA is induced at the magnetic flux density in the power generation element 100 including the magnetic collecting member 3 according to the first embodiment shown in FIG.
- the electromotive force VB is induced at the magnetic flux density in the power generation element 100 including the conventional magnetic collecting member 3 shown in FIG.
- the electromotive force VC is induced at the magnetic flux density in the power generation element 100 not provided with the magnetic collecting member 3 shown in FIG. Comparing the electromotive force VA, VB, and VC, the largest electromotive force VA is generated in the power generation element 100 provided with the magnetic collecting member 3 according to the first embodiment shown in FIG. 9, in which the region having a high magnetic flux density is the widest. Is confirmed.
- FIG. 13 is a diagram schematically showing a portion where the magnetization direction is reversed due to the large Barkhausen effect in the magnetic member of the power generation element including the magnetic collecting member according to the first embodiment.
- FIG. 14 is a diagram schematically showing a portion where the magnetization direction is reversed due to the large Barkhausen effect in the magnetic member of the power generation element including the conventional magnetic collecting member.
- FIG. 15 is a diagram schematically showing a portion where the magnetization direction is reversed due to the large Barkhausen effect in the magnetic member not provided with the magnetic collecting member.
- the regions with high magnetic flux densities inside each magnetic member 1 when the rotation phase ⁇ of the magnetic field generating portion 11 is indicated by arrows D.
- the magnetic flux density of the magnetic member 1 in the region sandwiched between the two magnetic collecting members 3 becomes constant.
- the arrow D is drawn in a wide range over almost the entire extending direction of the magnetic member 1, and the reversal of the magnetization direction due to the large Barkhausen effect is the two collections of the magnetic member 1. It is shown that it occurs stably in the entire region sandwiched between the members 3.
- the electromotive force of the power generation coil 2 due to electromagnetic induction becomes stable and large. Therefore, it is possible to obtain the power generation element 100 having a wide range in which the large Barkhausen effect is generated in the magnetic member 1.
- the arrows D are distributed only in a part of the magnetic member 1 as compared with FIG. Further, the distribution range of the arrow D is narrower in the magnetic member 1 not provided with the magnetic collecting member 3 than in the magnetic member 1 provided with the conventional magnetic collecting member 3. That is, the large Barkhausen effect in the conventional magnetic member 1 having the magnetic collecting member 3 and the magnetic member 1 not having the magnetic collecting member 3 occurs only in a part of the magnetic member 1 indicated by the arrow D. Therefore, it can be seen that the reversal of the magnetization direction becomes unstable and sufficient power generation characteristics cannot be obtained as the power generation element 100.
- FIG. 16 shows the volume ratio of the second component to the first component of the magnetic collecting member in the power generation element according to the first embodiment and the distribution of the rotational phase difference and the magnetic flux density of the magnetic field generating part where the electromotive force is generated.
- the horizontal axis represents the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 of the magnetic collecting member 3
- the vertical axis on the left side shows the rotational phase difference of the magnetic field generating unit 11 in which the electromotive force is generated.
- the index is shown, and the vertical axis on the right side shows the index showing the uniformity of the distribution of the magnetic flux density.
- the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 is referred to as a volume ratio.
- the index indicating the rotational phase difference of the magnetic field generating unit 11 in which the electromotive force is generated is the reciprocal of the rotational phase difference of the magnetic field generating unit 11 in which the electromotive force is generated when the rotational phase of the magnetic field generating unit 11 is ⁇ .
- an index showing the uniformity of the distribution of the magnetic flux density when the difference between the maximum value and the minimum value of the magnetic flux density between the magnetic collecting members 3 is used as the difference value, each of the difference values with respect to the difference value when the volume ratio is 1.
- the inverse of the difference in volume ratio is used. That is, the value obtained by dividing the difference value at each volume ratio by the difference value when the volume ratio is 1, is an index showing the uniformity of the distribution of the magnetic flux density.
- the distribution of the magnetic flux density is in the range where the volume ratio is larger than 1 and 4 or less, and the uniformity is improved as compared with the case where the volume ratio is 1.
- the uniformity of the distribution of the magnetic flux density of the magnetic member 1 among the magnetic collecting members 3 tends to be high. Then, in this case, an electromotive force value equal to or higher than a predetermined reference value can be obtained.
- the uniformity of the distribution of the magnetic flux density is equal to or higher than the threshold TB in FIG.
- the volume ratio is 1.3 or more and 2.6 or less shows particularly good performance as the power generation element 100.
- the length of the second component 34 in the Z direction is such that the second component 34 is the substrate. It cannot be larger than the state of contact.
- FIG. 17 is a perspective view showing an example of the configuration of the magnetic member of the power generation element and the power generation coil according to the first embodiment. The same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the magnetic member 1A is a sheet-shaped magnetic material.
- the magnetic member 1A has a structure in which at least two layers of materials having different coercive forces are laminated.
- the magnetic member 1A may have a configuration in which the upper and lower layers of the first layer are sandwiched between second layers having a coercive force different from that of the first layer. Further, the magnetic member 1A may cover the periphery of the first layer with a second layer having a coercive force different from that of the first layer.
- the power generation coil 2 is wound around the sheet-shaped magnetic member 1A. Also in this case, at both ends of the magnetic member 1A, the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 is larger than 1 and 4 or less, preferably 1.3 or more and 2.6 or less. 3 is arranged.
- the coercive force of the outer peripheral portion in the cross section perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1 is smaller than that of the central portion is shown, but the coercive force of the outer peripheral portion and the central portion may be different. It may be configured such that the coercive force of the outer peripheral portion is larger.
- FIG. 2 shows a case where the insertion portion 31 through which the magnetic member 1 of the magnetic collecting member 3 is inserted has a curved shape, but the present invention is not limited to this.
- FIG. 18 is a cross-sectional view showing another example of the configuration of the power generation element according to the first embodiment. The same components as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the insertion portion 31 is composed of a rectangular hole. Further, the holes forming the insertion portion 31 may have other shapes.
- the magnetic member 1 is arranged and used at a position 5 mm or more in the radial direction from the rotation center 112 of the magnetic field generating unit 11 has been described as an example, but the present invention is not limited to this.
- the magnetic member 1 may be arranged at a position separated from the rotation center 112 of the magnetic field generating portion 11 in the radial direction by a distance of less than 5 mm.
- FIG. 19 is a cross-sectional view showing another example of the configuration of the power generation element according to the first embodiment.
- the same components as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 is larger than 1, the surface 35a facing the magnetic field generation unit 11 may be curved.
- FIG. 20 is a partial side view showing another example of the configuration of the power generation element according to the first embodiment.
- the power generation element 100 is fixed on a substrate (not shown), but a terminal 15 is provided in the vicinity of the magnetic collecting member 3 of the power generation element 100 on the substrate.
- the terminal 15 is a terminal that is connected to the terminal line 21 of the power generation coil 2 and outputs the electromotive force generated by the power generation coil 2 to the outside.
- the terminal wire 21 is less likely to be caught by the magnetic collecting member 3 and is less likely to be broken. Therefore, the entanglement work efficiency in the vicinity of the magnetic collecting member 3 is improved, and the power generation element 100 having a stable and high output can be manufactured.
- FIG. 2 the case where the surface of the magnetic collecting member 3 opposite to the surface 35a facing the magnetic field generating portion 11 is flat is taken as an example, but the present invention is not limited to this.
- the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 is larger than 1, the surface 35b opposite to the surface 35a facing the magnetic field generating unit 11 is curved. You may be doing it.
- the power generation coil 2 is preferably arranged so as to surround the magnetic member 1 so that the change in magnetic flux due to the large Barkhausen effect of the magnetic member 1 is maximized. It is not limited to.
- FIG. 21 is a perspective view showing another example of the configuration of the power generation element according to the first embodiment. The same components as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. As shown in FIG. 21, the power generation coil 2 does not surround the magnetic member 1, but is arranged along the magnetic member 1 so that the magnetic field 62 generated by the magnetic member 1 passes through the power generation coil 2. May be good.
- a disk-shaped magnet is used for the magnetic field generating portion 11, but the present invention is not limited to this.
- the shape of the magnetic field generating portion 11 can be selected according to the application, and may be a block shape, a rod shape, or the like.
- the magnetic field generating portion 11 uses a magnet having a diameter of 20 mm or more and 22 mm or less, but the present invention is not limited to this, and a magnet having a diameter of less than 20 mm or a magnet having a diameter of more than 22 mm may be used. good.
- the power generation element 100 has the same diameter as the length of the insertion portion 31 in the Y-axis direction, passes through the center 52 of the virtual inscribed circle 51 inscribed in the insertion portion 31, and passes in the Z-axis direction.
- the virtual surface parallel to the virtual surface used as the normal vector is defined as the boundary surface 32, from the boundary surface 32 to the first component 33 on the opposite side of the magnetic field generating unit 11 and from the boundary surface 32.
- the volume ratio of the second component 34 to the first component 33 was made larger than 1.
- the distribution of the magnetic flux density in the region sandwiched between the magnetic collecting members 3 of the magnetic member 1 that produces the large Barkhausen effect can be made uniform regardless of the rotation phase of the magnetic field generating unit 11. Therefore, the large Barkhausen effect of the magnetic member 1 is likely to occur stably and all at once in each part of the magnetic member 1, and the reversal of the magnetization direction due to the large Barkhausen effect is stabilized. That is, by changing the size of the second component 34 that does not affect the increase in the size of the power generation element 100 without changing the size of the first component 33 that affects the increase in the size of the power generation element 100.
- a power generation element 100 capable of increasing the external magnetic field 60 applied to the magnetic member 1 while suppressing an increase in size as compared with the conventional case. Further, a power generation element 100 having a power generation characteristic with a small rotation phase difference of the magnetic field generation unit 11 in which an electromotive force is generated due to a large Barkhausen effect depending on the rotation direction of the magnetic field generation unit 11 can be obtained. As a result, electromotive force can be stably generated from the power generation coil 2 by electromagnetic induction.
- the electromotive force generated in the power generation element 100 can be used as a power source for driving an IC (Integrated Circuit).
- Embodiment 2 The basic structure of the power generation element 100 according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and the shape of the magnetic collecting member 3 is different from that of the first embodiment. Hereinafter, the configuration of the magnetic collecting member 3 different from that of the first embodiment will be described.
- FIG. 22 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the power generation element according to the second embodiment.
- the same components as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- FIG. 22 shows a cross section of the power generation element 100 cut at the position of the magnetic collecting member 3 perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1.
- the insertion portion 31 is a hole that penetrates the magnetic collecting member 3 in the thickness direction, and the magnetic member 1 is inserted into this hole.
- the magnetic collecting member 3 shown in FIG. 22 has an insertion portion 31a formed by a recess provided from a surface 35a facing the magnetic field generating portion 11 toward the first constituent portion 33. That is, the insertion portion 31a is U-shaped when viewed from the extending direction of the magnetic member 1, and a part of the surface 35a facing the magnetic field generating portion 11 is open. Further, FIG. 22 shows an example in which the surface 35b of the magnetic collecting member 3 opposite to the surface facing the magnetic field generating portion 11 is curved.
- the hole which is the insertion portion 31 is formed by drilling.
- the magnetic collecting member 3 shown in FIG. 22 can be manufactured by bending a cold-rolled steel sheet. Therefore, in the power generation element 100 according to the second embodiment, the production efficiency of the magnetic collecting member 3 can be improved and the manufacturing cost can be reduced as compared with the case of the first embodiment.
- the magnetic member 1 is limited to the power generation coil 2.
- the magnetic member 1 may be inserted into the insertion portion 31a formed of the recess from the opening direction of the surface 35a facing the magnetic field generation portion 11 of the magnetic collection member 3.
- Embodiment 3 The basic structure of the power generation element 100 according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment, and the shape of the magnetic collecting member 3 is different from that of the first embodiment. Hereinafter, the configuration of the magnetic collecting member 3 different from that of the first embodiment will be described.
- FIG. 23 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the power generation element according to the third embodiment.
- the same components as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- FIG. 23 shows a cross section of the power generation element 100 cut at the position of the magnetic collecting member 3 perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1.
- the magnetic collecting member 3 shown in FIG. 23 has an insertion portion 31b formed by a recess provided from a surface 35b on the side opposite to the surface 35a facing the magnetic field generating portion 11 toward the second component 34. That is, a part of the surface 35b opposite to the surface 35a facing the magnetic field generating portion 11 is open.
- the position where the magnetic member 1 comes into contact with the insertion portion 31 is a position opposite to the magnetic field generating portion 11 on the inner surface of the hole constituting the insertion portion 31.
- the position where the magnetic member 1 comes into contact with the insertion portion 31b is the position on the magnetic field generating portion 11 side of the recess constituting the insertion portion 31.
- the inscribed circle 51 passes through this position.
- FIG. 23 shows an example in which the surface 35a of the magnetic collecting member 3 facing the magnetic field generating portion 11 is flat.
- the magnetic collecting member 3 shown in FIG. 23 forms an insertion portion 31b by processing the rectangular cuboid member 3 so as to form a groove from the surface 35b of the rectangular cuboid member opposite to the surface 35a facing the magnetic field generating portion 11. can do. Therefore, in the power generation element 100 according to the third embodiment, the production efficiency of the magnetic collecting member 3 can be improved and the manufacturing cost can be reduced as compared with the case of the first embodiment.
- the magnetic member 1 is used as a power generation coil.
- the magnetic member 1 may be inserted into the insertion portion 31b formed of the recess from the opening direction of the surface 35b on the side opposite to the surface 35a facing the magnetic field generating portion 11 of the magnetic collecting member 3.
- the power generation element 100 having a stable and high output can be obtained, and the efficiency of the insertion work of the magnetic member 1 into the magnetic collecting member 3 is improved as compared with the case of the first embodiment. Can be improved.
- Embodiment 4 The basic structure of the power generation element 100 according to the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment, and the shape of the magnetic collecting member 3 is different from that of the first embodiment. Hereinafter, the configuration of the magnetic collecting member 3 different from that of the first embodiment will be described.
- FIG. 24 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the power generation element according to the fourth embodiment.
- the same components as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- FIG. 24 shows a cross section of the power generation element 100 cut at the position of the magnetic collecting member 3 perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1.
- FIG. 24 shows an example in which the first component 33 and the second component 34 are separably configured at the boundary surface 32. That is, the magnetic collecting member 3 has a first component 33 made of a soft magnetic material and a second component 34 made of a soft magnetic material. The surface of the first component 33 facing the second component 34 has a recess 311 constituting the insertion section 31, and the surface of the second component 34 facing the first component 33 has an insertion section. It has a recess 312 that constitutes 31. By joining the first component 33 and the second component 34 at the boundary surface 32, the insertion portion 31 is formed by the two recesses 311, 312.
- each of the recesses 311, 312 is processed so as to form a groove on one side surface of the first component 33 and the second component 34.
- the separable magnetic collecting member 3 is not limited to a configuration in which the first component 33 and the second component 34 are separated at the boundary surface 32.
- the magnetic collecting member 3 may be configured to include the insertion portion 31 and be separable into a member including the first constituent portion 33 and a member including the second constituent portion 34 on a surface parallel to the boundary surface 32. ..
- the magnetic collecting member 3 may be configured to include the insertion portion 31 and be separable into a member including the first constituent portion 33 and a member including the second constituent portion 34 on a plane parallel to the Z-axis direction. ..
- the magnetic member 1 When assembling the power generation element 100, the magnetic member 1 is passed through the power generation coil 2, the magnetic member 1 is installed in the recess 311 of the first component 33, and then the recess 312 of the second component 34 becomes the magnetic member 1.
- the second component 34 is brought into contact with the first component 33 so as to fit, and both are fixed.
- Embodiment 5 The basic structure of the power generation element according to the fifth embodiment is the same as that of the first and fourth embodiments, and the structure of the magnetic collecting member 3 is different from that of the first and fourth embodiments. Hereinafter, the configuration of the magnetic collecting member 3 different from the first and fourth embodiments will be described.
- FIG. 25 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the power generation element according to the fifth embodiment.
- the same components as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
- FIG. 25 shows a cross section of the power generation element 100 cut at the position of the magnetic collecting member 3 perpendicular to the extending direction of the magnetic member 1.
- the magnetic collecting member 3 has a first component 33a and a second component 34 that can be separated at the boundary surface 32.
- the second component 34 is made of a soft magnetic material, but the first component 33a is different from the fourth embodiment in that it is made of a non-magnetic material. That is, the magnetic collecting member 3 does not have to be entirely made of a soft magnetic material, and may include a soft magnetic material. However, in order for the magnetic flux from the magnetic field generating unit 11 to pass through the magnetic member 1 via one magnetic collecting member 3 and return to the magnetic field generating unit 11 from the other magnetic collecting member 3, the magnetic flux is collected. At least the second component 34 of the member 3 is made of a soft magnetic material.
- the magnetic member 1 has the same uniformity of magnetic flux density as in the first and fourth embodiments. can get.
- the other configurations are the same as those in the first and fourth embodiments.
- Embodiment 6 In the sixth embodiment, a case where the power generation element 100 shown in the first to fifth embodiments is applied to the magnetic sensor will be described.
- FIG. 26 is a perspective view schematically showing an example of the configuration of the magnetic sensor according to the sixth embodiment.
- the magnetic sensor 30 includes a power generation element 100 and a control unit 40.
- the power generation element 100 described in the first embodiment is used, but the power generation element 100 described in the second to fifth embodiments may be used.
- the magnetic sensor 30 detects a fluctuating external magnetic field 60 generated by the magnetic field generating unit 11.
- the magnetic field generation unit 11 applies an external magnetic field 60 to the power generation element 100.
- the magnetic field generating unit 11 is a disk-shaped magnet similar to that shown in FIG.
- the control unit 40 is connected to the power generation coil 2 of the power generation element 100, and detects the fluctuation of the external magnetic field 60 by detecting the induced electromotive force generated by the power generation coil 2.
- the control unit 40 is composed of an IC in one example.
- the external magnetic field 60 is uniformly applied to the magnetic member 1 in the region sandwiched by the magnetic collecting member 3 of the power generation element 100, and the magnetic flux density increases regardless of the position of the magnetic member 1 in the extending direction. It becomes uniform. That is, the distribution of the magnetic flux density in the extending direction of the magnetic member 1 becomes uniform. Then, when the magnetic flux density becomes equal to or higher than a predetermined threshold value, the magnetic flux is reversed due to the large Barkhausen effect. As described above, in the magnetic member 1 in the region sandwiched by the magnetic collecting member 3, the magnetic flux density is uniform, so that the reversal of the magnetic flux becomes steep. As a result, the voltage generated from the power generation coil 2 by electromagnetic induction becomes pulse-shaped. The control unit 40 detects this pulsed voltage.
- the magnetic sensor 30 of the sixth embodiment includes the power generation element 100 described in the first to fifth embodiments and the control unit 40.
- the power generation element 100 since the magnetic member 1 in the region sandwiched between the magnetic collecting members 3 has a uniform magnetic flux density, the reversal of the magnetic flux becomes steep, and the voltage generated by the power generation coil 2 becomes pulse-shaped.
- the control unit 40 By detecting this pulsed voltage by the control unit 40, it is possible to obtain a magnetic sensor 30 that notifies the fluctuation of the external magnetic field 60.
- the control unit 40 is operated by the electromotive force generated by the external magnetic field 60 that changes due to the rotation of the magnetic field generation unit 11. This makes it possible to provide a highly reliable magnetic sensor 30 without a power source.
- Embodiment 7 a case where the power generation element 100 shown in the first to fifth embodiments is applied to the encoder will be described.
- an encoder a reflective optical encoder will be given as an example.
- FIG. 27 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the reflective optical encoder according to the seventh embodiment.
- FIG. 27 shows an example in which the reflective optical encoder 70 is attached to the motor 80.
- the reflective optical encoder 70 includes a housing 71, a rotating shaft 72, a hub member 73, a scale plate 74, a magnetic field generating unit 11, a substrate 75, a light emitting unit 76, a light receiving unit 77, and no power supply. It includes a magnetic sensor 30 which is a sensor.
- the housing 71 is a member that covers the parts constituting the reflective optical encoder 70.
- the housing 71 has a cylindrical shape with one bottom surface open.
- the housing 71 has a first housing 71a forming one bottom surface of the cylinder and a second housing 71b forming a side surface of the cylinder.
- the first housing 71a is provided in contact with the motor 80.
- the second housing 71b has a surface extending in a direction parallel to the extending direction of the motor rotation shaft 81 of the motor 80, and is provided so as to surround the components constituting the reflective optical encoder 70.
- the rotating shaft 72 is connected to the motor rotating shaft 81 of the motor 80.
- the rotating shaft 72 is arranged so as to penetrate the first housing 71a.
- the hub member 73 is a disk-shaped member fixed to the other end of the rotating shaft 72, and is rotated by the rotation of the rotating shaft 72.
- the scale plate 74 has an optical pattern for detecting the rotation angle.
- the scale plate 74 has a disk shape and is attached to the hub member 73.
- the optical pattern has a high-reflecting portion having a high light reflectance and a low-reflecting portion having a low light reflectance, and is provided on a surface of the scale plate 74 opposite to the surface on which the hub member 73 is attached.
- the magnetic field generating portion 11 is a plurality of magnets attached to the surface of the hub member 73 opposite to the surface to which the scale plate 74 is attached.
- the magnetic field generator 11 is composed of two magnets having different magnetic poles on the side surface attached to the hub member 73.
- the substrate 75 is a plate-shaped member that covers the opening of the housing 71 and supports a part of the members constituting the reflective optical encoder 70.
- the light projecting unit 76 and the light receiving unit 77 are provided on a surface of the substrate 75 facing the scale plate 74.
- the light projecting unit 76 is a light emitting element that irradiates light toward the scale plate 74.
- the light receiving unit 77 is a light receiving element that receives light reflected by the optical pattern of the scale plate 74.
- An example of the light emitting unit 76 is a laser diode or a light emitting diode, and an example of the light receiving unit 77 is a photodiode.
- the magnetic sensor 30 is provided on the surface of the substrate 75 opposite to the surface facing the scale plate 74. Using the features of stable power supply and pulse output of the power generation element 100, the magnetic sensor 30 shown in FIG. 26, which is a combination of the power generation element 100 and the control unit 40, is used as a non-power generation sensor. Since the configuration of the magnetic sensor 30 has been described in the sixth embodiment, it will be omitted.
- the hub member 73, the scale plate 74, the magnetic field generating unit 11, the light emitting unit 76, and the light receiving unit 77 are surrounded by the housing 71 and the substrate 75.
- the reflective optical encoder 70 when the rotating shaft 72 is rotated, light is emitted from the light projecting unit 76, and the light receiving unit 77 detects a change in the amount of reflected light, which is the light reflected by the optical pattern on the scale plate 74. do. Thereby, the rotation angle and the rotation speed are detected. Further, the power generation element 100 generates power due to a change in the direction of the magnetic force emitted from the magnetic field generation unit 11 as the hub member 73 rotates. As a result, the number of rotations from the reference position is detected.
- the rotary shaft 72 is connected to the motor rotary shaft 81 of the motor 80, and rotates with the rotation of the motor rotary shaft 81. Therefore, the reflection type optical encoder 70 can detect the rotation angle, the rotation speed, and the rotation speed of the motor 80 by detecting the rotation angle, the rotation speed, and the rotation speed of the rotation shaft 72.
- FIG. 27 shows a case where the magnetic field generating portion 11 is provided on the side of the hub member 73 opposite to the surface on which the scale plate 74 is attached, the magnetic field generating portion 11 is provided between the hub member 73 and the scale plate 74. You may. In this case, the step of fixing the hub member 73 and the magnetic field generating portion 11 can be omitted, and the production efficiency can be improved. Further, the hub member 73 may be composed of the magnetic field generating unit 11. Since the magnetic field generating unit 11 has the function of the hub member 73, the number of parts constituting the reflective optical encoder 70 can be reduced, and the production efficiency can be improved.
- the material of the hub member 73 a material in which magnetic particles are dispersed in a plastic material or the like can be used. By using this material, the hub member 73 can be easily molded into various shapes by injection molding. Further, the hub member 73 is not limited to the configuration in which magnetic particles are dispersed in a plastic material or the like, and may be formed of a ferrite magnet, an alnico magnet, or a rare earth magnet material.
- the reflective optical encoder 70 according to the seventh embodiment includes the magnetic sensor 30 described in the sixth embodiment as a non-power supply sensor, it has an effect that a highly reliable encoder without a power supply can be provided. .. Further, in the above description, the reflection type optical encoder 70 has been mentioned as an example, but if the encoder has a magnetic sensor 30, the power generation element 100 shown in the first to fifth embodiments can be applied, and reflection can be applied. The same effect as that of the type optical encoder 70 can be obtained.
- the configuration shown in the above embodiments is an example, and can be combined with another known technique, can be combined with each other, and does not deviate from the gist. It is also possible to omit or change a part of the configuration.
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Abstract
発電素子は、大バルクハウゼン効果を生じる磁性材料によって構成される磁性部材と、磁性部材を通る磁束が鎖交する発電用コイルと、磁性部材が挿通される挿通部を有し、挿通部に磁性部材が挿通されることで磁性部材と接触するように磁性部材の両端部に設けられる軟磁性材料を含む2つの集磁部材と、を備える。集磁部材は、挿通部における磁性部材を挿通する方向である第1方向と、集磁部材から視て磁性部材に磁界を印加する磁界発生部が配置される方向である第2方向と、の両方に垂直な方向である第3方向の挿通部の長さと同じ直径を有し、かつ挿通部に内接する仮想的な内接円の中心を通り、第2方向を法線ベクトルとする仮想的な面と平行である仮想的な面を境界面とした場合に、境界面から磁界発生部とは反対側の第1構成部と、境界面から磁界発生部側の第2構成部と、を有する。第2構成部の体積は、第1構成部の体積よりも大きい。
Description
本開示は、磁性体の磁化方向の反転によってコイルに起電力を生じさせる発電素子、磁気センサおよびエンコーダに関する。
大バルクハウゼン効果は、外部磁界の変化に応じて磁化方向を急反転させる現象である。この大バルクハウゼン効果が生じる磁性材料からなる磁性部材と、磁性部材の周囲に導電性ワイヤからなる発電用コイルと、を備える発電素子が知られている。この発電素子では、磁界発生部からの外部磁界を磁性部材に印加して大バルクハウゼン効果により磁性部材の磁化方向を反転させると、電磁誘導によって発電用コイルに起電力が生じる。
しかしながら、磁界発生部として2極以上の磁石を用いた場合に、磁石を回転させると、大バルクハウゼン効果を生じる磁石の回転位相が、回転方向によって異なり、回転位相に位相差が発生してしまう。また、磁石の回転中心からラジアル方向に移動した位置に発電素子を配置する場合、磁石の外部磁界は、磁石の回転中心に比して発電素子が配置された位置の方が弱くなる。この場合、磁石の回転位相に対して、磁性部材に印加される磁石の外部磁界の変化が緩やかになるため、磁石の回転方向によって、大バルクハウゼン効果の生じる磁石の回転位相の位相差も増加してしまう。つまり、発電用コイルで起電力を発生させる磁石の回転位相の位相差も増加する。そこで、発電用コイルで起電力を発生させる磁石の回転位相の位相差を小さくするために、磁性部材に印加される外部磁界を大きくする技術が求められている。
特許文献1には、磁性部材の両端部に円筒状の軟磁性体を配置することによって、磁性部材の末端で生じる反磁界を軽減し、磁性部材に生じる磁束の均一性を高めることができる磁気構造体が開示されている。特許文献1に記載の磁気構造体を発電素子に適用することで、外部磁界の強度および極性に依存することなく安定して磁性部材に大バルクハウゼン効果を生じさせることができ、発電特性の変動の抑制が期待される。
ところで、特許文献1に記載の磁気構造体を発電素子に適用した場合には、円筒状の軟磁性体のサイズを単純に大きくすることによって、磁性部材に印加される外部磁界を大きくすることが可能と考えられる。しかしながら、発電素子が適用されるエンコーダなどの装置では、小型化が求められており、発電素子の小型化も検討する必要がある。つまり、特許文献1に記載の磁気構造体における円筒状の軟磁性体のサイズを単純に大きくする方法では、装置および発電素子の小型化の要望に応えることができないという問題があった。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、従来に比してサイズの増加を抑制しつつ磁性部材に印加される外部磁界を大きくすることができる発電素子を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の発電素子は、大バルクハウゼン効果を生じる磁性材料によって構成される磁性部材と、磁性部材を通る磁束が鎖交する発電用コイルと、磁性部材が挿通される挿通部を有し、挿通部に磁性部材が挿通されることで磁性部材と接触するように磁性部材の両端部に設けられる軟磁性材料を含む2つの集磁部材と、を備える。集磁部材は、挿通部における磁性部材を挿通する方向である第1方向と、集磁部材から視て磁性部材に磁界を印加する磁界発生部が配置される方向である第2方向と、の両方に垂直な方向である第3方向の挿通部の長さと同じ直径を有し、かつ挿通部に内接する仮想的な内接円の中心を通り、第2方向を法線ベクトルとする仮想的な面と平行である仮想的な面を境界面とした場合に、境界面から磁界発生部とは反対側の第1構成部と、境界面から磁界発生部側の第2構成部と、を有する。第2構成部の体積は、第1構成部の体積よりも大きい。
本開示にかかる発電素子は、従来に比してサイズの増加を抑制しつつ磁性部材に印加される外部磁界を大きくすることができるという効果を奏する。
以下に、本開示の実施の形態にかかる発電素子、磁気センサおよびエンコーダを図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態1.
<発電素子の構成>
図1は、実施の形態1に係る発電素子の構成の一例を示す斜視図である。図1において、集磁部材3から視て磁界発生部11に向かう方向をZ軸とし、Z軸に垂直な面内で互いに直交する2つの方向をX軸およびY軸とする。磁界発生部11から発電素子100に向かう方向をZ軸の正方向とする。X軸は、磁性部材1の延在方向に対応している。また、X軸方向は、第1方向に対応し、Z軸方向は、第2方向に対応し、Y方向は、第3方向に対応する。なお、図1では、発電素子100とともに、発電素子100に外部磁界60を印加する磁界発生部11も図示している。
<発電素子の構成>
図1は、実施の形態1に係る発電素子の構成の一例を示す斜視図である。図1において、集磁部材3から視て磁界発生部11に向かう方向をZ軸とし、Z軸に垂直な面内で互いに直交する2つの方向をX軸およびY軸とする。磁界発生部11から発電素子100に向かう方向をZ軸の正方向とする。X軸は、磁性部材1の延在方向に対応している。また、X軸方向は、第1方向に対応し、Z軸方向は、第2方向に対応し、Y方向は、第3方向に対応する。なお、図1では、発電素子100とともに、発電素子100に外部磁界60を印加する磁界発生部11も図示している。
発電素子100は、磁性部材1と、発電用コイル2と、集磁部材3と、を備える。磁性部材1は、外部磁界60の変化によって大バルクハウゼン効果を生じる磁性材料、すなわち磁性体によって構成される。大バルクハウゼン効果は、磁性部材1が磁化する際に、磁性部材1の内部の磁壁が一度に移動することによって、極めて短時間に磁化方向が反転する現象である。図1の例では、磁性部材1は、一方向に延在する線状の磁性材料である。線状には、棒状およびワイヤ状が含まれる。
大バルクハウゼン効果を生じさせるためには、内部応力分布、組成分布を制御して、磁性部材1の延在方向に垂直な断面における外周部と中心部とで保磁力が異なる構成とされる。一例では、磁性部材1の外周部の保磁力が中心部より小さい材料によって構成される。このような磁性部材1として、バイカロイ合金(FeCoV合金)、パーマロイ合金(NiFe合金)、アモルファス合金等を用いることができる。また、保磁力を制御するために、これらの合金材料に、伸線加工、ひねり加工、曲げ加工、表面処理等が施される。表面処理として、熱処理、メッキ処理、化学処理などが例示される。さらに、保磁力を制御するために、これらの合金材料に添加物を加えてもよい。
一例では、バイカロイ合金をワイヤ状に伸線加工した後、ひねり加工を施すことによって、外周部と中心部とで保磁力が異なる構成の磁性部材1が得られる。ここでは、磁性部材1の延在方向に垂直な断面形状が、円形である場合を示しているが、これに限定されるものではない。一例では、磁性部材1の延在方向に垂直な断面形状が、楕円形状であってもよいし、四角形等の多角形であってもよい。また、ここでは、磁性部材1の線径は、0.1mm以上1mm以下であり、長さは、10mm以上13mm以下であるものとして説明するが、これは例示であり、磁性部材1の線径および長さを限定するものではない。
発電用コイル2は、磁性部材1の周囲に導電性ワイヤが巻回されたコイルであり、磁性部材1を通る磁束が鎖交する。大バルクハウゼン効果によって磁性部材1での磁化の反転によって磁束が変化すると、発電用コイル2の両端に電磁誘導による起電力が生じる。発電用コイル2に生じた起電力は、外部に取り出されて使用される。図1の例では、発電用コイル2の内部に磁性部材1が配置される場合が示されている。発電用コイル2として、銅線、アルミニウム線、金線、銀線、銅合金線、アルミニウム合金線等の絶縁被覆された導電性ワイヤを用いることができる。導電性ワイヤの線径は、巻回される磁性部材1の直径、発電素子100の大きさ等に基づいて選択される。一例では、発電用コイル2は、絶縁被覆が施された導電性ワイヤをボビンに巻線して形成される。また、他の例では、発電用コイル2は、治工具に導電性ワイヤを巻回し、接着剤および自己融着線を用いて固定した後、治工具から取り外して形成される。ここでは、発電用コイル2の線径が0.02mm以上0.05mm以下の導電性ワイヤを用いる場合を説明するが、これは例示であり、発電用コイル2の線径を限定するものではない。
集磁部材3は、磁性部材1が挿通される挿通部31を有し、挿通部31の内部で磁性部材1と接触するように磁性部材1の両端部に設けられる。言い換えれば、挿通部31に磁性部材1が挿通されることで集磁部材3は磁性部材1と接触するように設けられている。集磁部材3は、軟磁性材料を含むブロック形状の部材によって構成される。ここでは、集磁部材3は、軟磁性材料からなるものとする。軟磁性材料は、磁極の反転等が容易に生じ、磁性部材1と比較して、低い保磁力を有する材料である。また、集磁部材3は、磁性部材1と比較して、透磁率および飽和磁束密度が高い材料であることが望ましい。実施の形態1では、集磁部材3は、磁性部材1の両端部で磁性部材1の延在方向に平行な面の周囲を覆うように配置されている。集磁部材3は、磁界発生部11からの磁束を集磁する集磁効果を有する。
集磁部材3は、上記したように、磁性部材1よりも保磁力が低い軟磁性材料であればよい。軟磁性材料は、ソフトフェライト、パーマロイ、パーメンジュール、ケイ素鋼、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金およびセンダストからなる群から選択される材料である。また、集磁部材3に用いられる材料は、目的とする形状に精度よく加工することができ、かつ安価である材料であることが望ましい。このような集磁部材3に用いられる材料として、冷間圧延鋼板が挙げられる。さらに、集磁部材3は、粒子状に加工した軟磁性材料を含有するプラスチック材料などであってもよい。このプラスチック材料を用いた集磁部材3では、射出成型等により種々の形状に容易に成形することができる特徴を有する。
図2は、実施の形態1に係る発電素子の構成の一例を示す断面図である。図2では、発電素子100を、集磁部材3の位置で、磁性部材1の延在方向に垂直に切った断面を示している。図2では、説明を分かりやすくするため、集磁部材3のハッチングを省略している。集磁部材3は、磁性部材1が挿通される挿通部31を有する。実施の形態1では、挿通部31は、集磁部材3を厚さ方向に貫通する孔である。集磁部材3は、挿通部31を形成する孔において、磁界発生部11の配置されている側と反対側の位置で磁性部材1と接する。挿通部31は、磁性部材1と集磁部材3との間の空隙による磁気抵抗を減らすため、磁性部材1の外形に沿う湾曲形状とすることが望ましい。すなわち、磁性部材1の断面が円形であれば、挿通部31も円形の孔であることが望ましい。
集磁部材3は、挿通部31のY軸方向の長さと同じ直径を有し、挿通部31に内接する仮想的な内接円51の中心52を通り、Z軸方向を法線ベクトルとする仮想的な面と平行である仮想的な面を境界面32とした場合、境界面52から磁界発生部11とは反対側の第1構成部33と、境界面32から磁界発生部11側の第2構成部34と、を有する。仮想的な内接円51は、磁性部材1が挿通部31内で接する位置を通る。図2の例では、挿通部31において磁界発生部11の配置位置とは反対側の位置で磁性部材1と接する位置を仮想的な内接円51は通る。図2の例では、法線ベクトルは、集磁部材3から磁界発生部11が配置される方向に向かうベクトルである。そして、集磁部材3は、第2構成部34の体積が第1構成部33の体積よりも大きくなる構造を有する。磁性部材1の延在方向に垂直な断面において、特許文献1に記載の軟磁性体は、上述の境界面32を境界としてZ方向に対称な形状であるが、実施の形態1に係る発電素子100の集磁部材3は、上述の境界面32を境界としてZ方向に非対称な形状である。
詳細は後述するが、実施の形態1では、集磁部材3において、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1より大きく4以下であり、1.3以上2.6以下であることがさらに望ましい。この範囲とすることで、発電用コイル2で起電力を発生させる磁界発生部11の回転位相の位相差を従来に比して小さくすることができるとともに、磁性部材1の延在方向における磁束密度の分布を均一に近いものとすることができる。ここでは、集磁部材3の厚さは、1.0mm以上1.5mm以下であり、幅は、1.0mm以上2.5mm以下であり、厚さおよび幅は一定であるとする。このときのZ方向における第1構成部33の長さは、1.0mm以上2.0mm以下であり、第2構成部34の長さは、1.1mm以上2.5mm以下であるとする。ただし、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1より大きく4以下となるように第1構成部33の長さおよび第2構成部34の長さが設定される。ここで示される集磁部材3のサイズは例示であり、集磁部材3の厚さ、幅および長さを限定するものではない。例えば、第1構成部33と第2構成部34とで、厚さを変えてもよいし、幅を変えてもよいし、厚さ、幅および長さのうち2つ以上を変えてもよい。
また、磁界発生部11から発生する外部磁界60の集磁効果を高くするため、集磁部材3の磁界発生部11に対向する面35aを平坦にすることが望ましい。集磁部材3の磁界発生部11に対向する面35aとは反対側の面35bも、平坦にすることが望ましい。
図1に戻り、磁界発生部11は、磁性部材1の周囲に配置され、磁性部材1に変化する外部磁界60を印加する磁界発生源である。磁界発生部11は、N極とS極との2つの磁極を1組以上有し、周囲に外部磁界60を発生させるものであればよい。図1の例では、磁界発生部11は、Z軸の回りに回転可能な円形の平板状の磁石である。図1の例では、磁界発生部11は、2つの半円状の構成部である磁石構成部111A,111Bを有する。磁石構成部111Aは、発電素子100に対向する面がN極であり、反対側の面がS極である磁石である。磁石構成部111Bは、発電素子100に対向する面がS極であり、反対側の面がN極である磁石である。つまり、磁界発生部11は、円板状の磁石の発電素子100に対向する面の半分がN極となり、残りの半分がS極となっている。そして、円板状の磁石の中心部を通る軸を中心に磁石は回転可能である。ここでは、磁界発生部11は、直径が20mm以上22mm以下であり、磁性部材1と磁界発生部11との距離は6mm以上9mm以下であるものとする。ただし、これは例示であり、磁界発生部11の直径および磁性部材1と磁界発生部11との距離を限定するものではない。
磁界発生部11としては、永久磁石を用いることが好ましい。ただし、安定して外部磁界60を発生することができるものであればよく、磁界発生部11が電磁石であってもよい。永久磁石としては、フェライト磁石、アルニコ(Al-Ni-Co)磁石、希土類磁石などを用いることできる。希土類磁石として、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石などが例示される。また、プラスチック材料に磁性材料粒子を含有させ、射出成型等により成形して磁石として用いることもできる。
図3は、実施の形態1に係る発電素子と磁界発生部との間の配置の一例を示す上面図である。ここでは、XY面内において、磁石の磁石構成部111Aと磁石構成部111Bとの境界が、磁性部材1の延在方向に垂直なY方向にある場合を示している。
磁界発生部11は、回転中心112を中心に回転することで発電素子100に外部磁界60を印加する。発電素子100は、磁界発生部11の回転中心112から発電素子100の磁性部材1がラジアル方向に5mm以上離れた位置に配置されている。磁界発生部11の回転中心112からラジアル方向に移動した位置に発電素子100を配置する場合、上記したように、磁界発生部11の外部磁界60は、磁界発生部11の回転中心112に比して発電素子100が配置される位置の方が弱くなる。そこで、実施の形態1に係る発電素子100では、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1より大きく4以下である集磁部材3を、磁性部材1の両端に配置している。次に集磁部材3の機能について説明する。
<集磁部材3による機能>
図4は、磁界発生部の回転位相と磁界発生部に対する磁性部材の磁束密度との関係の一例を模式的に示す図である。この図で、横軸は、磁界発生部11の回転位相であり、縦軸は磁性部材1の磁束密度である。また、この図では、集磁部材3において、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1である従来の集磁部材3のグラフB11と、体積比が1より大きい実施の形態1に係る集磁部材3のグラフB12と、を示している。
図4は、磁界発生部の回転位相と磁界発生部に対する磁性部材の磁束密度との関係の一例を模式的に示す図である。この図で、横軸は、磁界発生部11の回転位相であり、縦軸は磁性部材1の磁束密度である。また、この図では、集磁部材3において、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1である従来の集磁部材3のグラフB11と、体積比が1より大きい実施の形態1に係る集磁部材3のグラフB12と、を示している。
一般的に、磁界発生部11として2極以上の磁石を回転させると、大バルクハウゼン効果を生じる磁界発生部11の回転位相が、回転方向によって異なる。グラフB11に示されるように、従来の集磁部材3では、時計回りのときには、磁界発生部11の極間を境に回転位相がθ1で大バルクハウゼン効果が発生するが、反時計回りのときには、磁界発生部11の極間を境に-θ1で大バルクハウゼン効果が発生する。このように、磁界発生部11の回転方向によって、大バルクハウゼン効果の発生する磁界発生部11の回転位相に図4で示した2θ1分の位相差が発生してしまう。つまり、発電用コイル2に起電力を生じさせる磁界発生部11の回転位相に2θ1分の位相差が発生することとなる。エンコーダなどの装置で発電素子100が実際に使用される場合には、起電力の生じる磁界発生部11の回転位相が磁界発生部11の回転方向によってなるべく変わらない方が望ましい。
また、図3に示されるように、磁界発生部11の回転中心112からラジアル方向に移動した位置に発電素子100を配置する場合、磁界発生部11の回転中心112よりも磁界発生部11の外部磁界60が弱くなる。磁界発生部11の回転位相に対して、磁性部材1に印加される磁界発生部11の外部磁界60の変化が緩やかになるため、磁界発生部11の回転方向によって、大バルクハウゼン効果の生じる磁界発生部11の回転位相差も増加する。つまり、起電力の生じる磁界発生部11の回転位相差も増加する。
一方、実施の形態1に係る集磁部材3の場合には、集磁部材3の第2構成部34が第1構成部33よりも大きいため、従来の集磁部材3に比して、集磁効果が高まり、磁性部材1を通る磁束が増加する。そのため、図4に示されるように、時計回りのときには、磁界発生部11の極間を境に回転位相がθ1よりも小さいθ2で大バルクハウゼン効果が発生し、反時計回りのときには、磁界発生部11の極間を境に-θ2で大バルクハウゼン効果が発生する。このように、磁界発生部11の回転方向によって、大バルクハウゼン効果の発生する磁界発生部11の回転位相差2θ2は、従来の集磁部材3の回転位相差2θ1に比して減少し、起電力の生じる磁界発生部11の回転位相差も減少する。
図5は、磁界発生部の回転位相と磁界発生部に対する磁性部材の磁束密度との関係の一例を模式的に示す図である。図5でも、横軸は、磁界発生部11の回転位相であり、縦軸は磁性部材1の磁束密度である。図5に示されるように、磁界発生部11の回転位相がαのとき、磁界発生部11から発生する外部磁界60によって、磁性部材1の磁束密度が増加途中である。磁界発生部11の回転位相がβのとき、磁界発生部11から発生する外部磁界60によって、磁性部材1の磁束密度が最大となる。なお、図5では、αおよびβにおける発電素子100に対する磁界発生部11の状態を模式的に示している。
図6は、磁界発生部の回転位相がαのときの実施の形態1に係る集磁部材を備える発電素子における磁性部材を通る磁束の様子を模式的に示す図である。図7は、磁界発生部の回転位相がαのときの従来の集磁部材を備える発電素子における磁性部材を通る磁束の様子を模式的に示す図である。図8は、磁界発生部の回転位相がαのときの集磁部材を備えない発電素子における磁性部材を通る磁束の様子を模式的に示す図である。なお、図6から図8では、発電用コイル2の図示を省略している。図6から図8では、磁界発生部11の回転位相がαのときに、磁界発生部11から出る磁束61が、どのような経路で磁界発生部11に戻るのかを模式的に示している。
図6に示されるように、実施の形態1に係る集磁部材3を備える発電素子100では、磁界発生部11のN極から出た磁束61のほとんどは、集磁部材3を経由して磁性部材1を通り、集磁部材3から磁界発生部11のS極へと入る。このように、第2構成部34の体積を第1構成部33の体積よりも大きくすることで、磁界発生部11からのほとんどの磁束61が集磁部材3を経由するようにすることができる。つまり、後述する図7および図8のように、磁性部材1の延在方向の途中から磁性部材1に入る磁束がほとんどないため、磁性部材1の延在方向において、磁束密度の均一性が保たれる。なお、磁束61は、磁界発生部11から出る位置に近い集磁部材3に集磁される。そのため、図6で、一部の磁束は、S極側に配置される集磁部材3を経由し、磁性部材1を経ることなく、集磁部材3から磁界発生部11のS極へと入る。この磁束61は、磁性部材1を経ることがないので、集磁部材3に挟まれる磁性部材1における磁束密度の均一性に影響を与えない。
図7に示されるように、従来の集磁部材3を備える発電素子100では、磁界発生部11のN極から出た磁束61は、磁性部材1を通り、S極へと戻る経路を描く。ただし、図7の場合には、N極から出る磁束61のうち、経路の近傍に集磁部材3が存在する磁束61は、集磁部材3を経由する経路となるが、経路の近傍に集磁部材3が存在しない磁束61は、集磁部材3の間のいずれかの位置で磁性部材1に入る。磁性部材1に入った磁束61は、集磁部材3を経由して磁界発生部11のS極に向かう。このように、集磁部材3の第2構成部34が図6の場合に比して磁界発生部11よりも遠ざかるので、一部の磁束61は集磁部材3を経由せずに磁性部材1の延在方向の途中の位置から磁性部材1に入ることになる。つまり、N極側に配置されている集磁部材3側の磁性部材1を通る磁束61が、図6の場合に比して少なくなる。この結果、磁性部材1の延在方向において、磁束密度が不均一となる。
図8に示される集磁部材3を備えない発電素子100では、磁界発生部11のN極から出た磁束61は、磁性部材1を通り、S極へと戻る経路を描く。この場合、磁束61が磁性部材1に入る位置は、磁束61が磁界発生部11から出る位置に応じて変化する。また、磁束61が磁性部材1から出る位置も、磁束61が磁界発生部11に入る位置に応じて変化する。このため、磁性部材1の延在方向において、図7の場合に比して磁束密度がさらに不均一となる。
特に、図7および図8に示される発電素子100を、磁界発生部11の回転中心112からラジアル方向に移動した位置に配置する場合には、磁界発生部11の回転位相によって、磁界発生部11の外部磁界60により発電素子100の磁性部材1の磁束密度が不均一になる。これによって、大バルクハウゼン効果が磁性部材1の全体で同時に生じにくくなり、発電特性が低下する問題が発生する。
図9は、実施の形態1に係る発電素子の磁性部材について、磁界発生部の回転位相がαおよびβのときの内部の磁束密度の分布の一例を示す図である。図10は、従来の発電素子の磁性部材について、磁界発生部の回転位相がαおよびβのときの内部の磁束密度の分布の一例を示す図である。図11は、集磁部材を備えない発電素子の磁性部材について、磁界発生部の回転位相がαおよびβのときの内部の磁束密度の分布の一例を示す図である。これらの図において、横軸は、磁性部材1の位置を示し、縦軸は磁性部材1の各位置における磁束密度を示している。また、これらの図において、磁界発生部11の回転位相αにおける分布は磁束密度Bαで示され、磁界発生部11の回転位相βにおける分布は磁束密度Bβで示されている。図9から図11では、磁性部材1と磁束密度の分布との位置関係を理解し易くするため、図の上部に、磁性部材1および集磁部材3の断面図を磁束密度のデータと対応させて示している。
磁性部材1の両端部に配置した集磁部材3間の磁束密度が等しい状態を均一とし、磁束密度が等しくない状態を不均一と評価するとき、図6に示される実施の形態1に係る発電素子100では、磁界発生部11からの磁束61が磁性部材1の両端の集磁部材3を通過する。このため、図9に示されるように、磁界発生部11の回転位相によらず、集磁部材3で挟まれる領域の磁性部材1のほぼ全体で磁束密度Bα,Bβが均一であるといえる。
図7に示される従来の発電素子100では、集磁部材3が設けられているが、一部の磁束61は、集磁部材3を経由しない。このため、磁界発生部11の回転位相によっては、集磁部材3間の磁性部材1に均一な磁束密度が形成される範囲が、図6の場合に比して狭くなっていることが分かる。図10に示されるように、回転位相がβのときには、集磁部材3間の磁性部材1の磁束密度Bβは均一であるといえるが、回転位相がαのときには、集磁部材3間の磁性部材1の磁束密度Bαは不均一となる。特に、図7に示されるように、N極が配置される側の集磁部材3を経由する磁束61は少ないため、図10において、磁性部材1のN極が配置される側に対応する一方の端部では、磁束密度Bαが急激に低下している。
集磁部材3を備えない発電素子100では、図11に示されるように磁性部材1の延在方向の中央部では磁束密度Bα,Bβが高くなる。しかし、図10の場合に比して磁束密度Bα,Bβが高くなる範囲はさらに狭くなり、中央部を外れると両端部にかけて磁束密度は急激に低下する。このように、集磁部材3を備えない発電素子100では、磁界発生部11のどの回転位相においても、磁性部材1の内部の磁束密度Bα,Bβの均一性は大きく低下していることがわかる。
以上のように、図9に示される実施の形態1に係る集磁部材3を備える磁性部材1の内部の磁束密度Bα,Bβは、集磁部材3の形状態様の異なる構成の図10および図11に示される磁束密度Bα,Bβに比して磁束密度が高い領域が広くなっていることがわかる。すなわち、集磁部材3で挟まれる磁性部材1の領域で、磁束密度Bα,Bβの均一性が高くなっている。
図12は、実施の形態1に係る発電素子、従来の発電素子および集磁部材を備えない発電素子で生じる起電力の一例を示す図である。この図で、横軸は時間を示し、縦軸は起電力を示している。図12では、磁性部材1の磁束密度の分布が、図9から図11に示される磁束密度に対応するときの起電力VA,VB,VCを示している。図9に示される実施の形態1に係る集磁部材3を備える発電素子100における磁束密度では起電力VAが誘起される。図10に示される従来の集磁部材3を備える発電素子100における磁束密度では起電力VBが誘起される。図11に示される集磁部材3を備えない発電素子100における磁束密度では起電力VCが誘起される。起電力VA,VB,VCを比較すると、磁束密度の高い領域が最も広い、図9に示される実施の形態1に係る集磁部材3を備える発電素子100で最も大きな起電力VAを生じていることが確認される。
図13は、実施の形態1に係る集磁部材を備える発電素子の磁性部材における大バルクハウゼン効果によって磁化方向の反転が生じる部分を模式的に示す図である。図14は、従来の集磁部材を備える発電素子の磁性部材における大バルクハウゼン効果によって磁化方向の反転が生じる部分を模式的に示す図である。図15は、集磁部材を備えない磁性部材における大バルクハウゼン効果によって磁化方向の反転が生じる部分を模式的に示す図である。図13から図14では、磁界発生部11の回転位相αのときの各々の磁性部材1の内部の磁束密度の高い領域を矢印Dで示している。
実施の形態1に係る集磁部材3を備える磁性部材1では、磁界発生部11からの磁束のほとんどは、磁界発生部11のN極側の集磁部材3を経由して、磁性部材1を通り、S極側の集磁部材3から磁界発生部11へと戻る。このため、2つの集磁部材3に挟まれる領域の磁性部材1の磁束密度は一定となる。図13に示されるように、磁性部材1の延在方向のほぼ全体に渡る広い範囲に矢印Dが描かれており、大バルクハウゼン効果による磁化方向の反転が、磁性部材1の2つの集磁部材3に挟まれる領域の全体で安定して生じることを示している。これによって、この構成の発電素子100では電磁誘導による発電用コイル2の起電力も安定し大きくなる。従って、磁性部材1において大バルクハウゼン効果が生じる範囲が広い発電素子100を得ることができる。
従来の集磁部材3を備える磁性部材1では、磁界発生部11からの磁束61の一部はN極側の集磁部材3を経由して、磁性部材1を通り、S極側の集磁部材3から磁界発生部11へと戻るが、他の磁束61は、N極側の集磁部材3を経由せずに磁性部材1に入って、S極側の集磁部材3から磁界発生部11へと戻る。また、集磁部材3を備えない磁性部材1では、上記したように、磁界発生部11からの磁束61は、それぞれ異なる位置で磁性部材1に入り、それぞれ異なる位置で磁性部材1から磁界発生部11へと戻る。このように、図14および図15では、図13と比較して、磁性部材1の一部のみに矢印Dが分布している。また、従来の集磁部材3を備える磁性部材1よりも集磁部材3を備えない磁性部材1の方が矢印Dの分布する範囲が狭くなっている。つまり、従来の集磁部材3を備える磁性部材1および集磁部材3を備えない磁性部材1における大バルクハウゼン効果は、磁性部材1の矢印Dで示した一部でのみ生じる。従って、磁化方向の反転は不安定となり、発電素子100として十分な発電特性を得ることはできないことがわかる。
図16は、実施の形態1に係る発電素子における集磁部材の第1構成部に対する第2構成部の体積比と起電力の生じる磁界発生部の回転位相差および磁束密度の分布との間の関係の一例を示す図である。この図で、横軸は、集磁部材3の第1構成部33に対する第2構成部34の体積比を示し、左側の縦軸は、起電力の生じる磁界発生部11の回転位相差を示す指標を示し、右側の縦軸は、磁束密度の分布の均一性を示す指標を示す。なお、図16の説明において、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比は、体積比と称される。ここでは、起電力の生じる磁界発生部11の回転位相差を示す指標は、磁界発生部11の回転位相がαにおける、起電力の生じる磁界発生部11の回転位相差の逆数である。また、磁束密度の分布の均一性を示す指標として、集磁部材3間の磁束密度の最大値と最小値との差を差分値としたときに、体積比が1の場合の差分値に対する各体積比の差分値の逆数が用いられる。つまり、各体積比における差分値を体積比が1の場合の差分値で除した値が磁束密度の分布の均一性を示す指標となる。
図16に示されるように、体積比が1よりも大きければ大きいほど回転位相差が小さくなる傾向にある。つまり、回転位相差を小さくするためには、第1構成部33に対して第2構成部34の体積を大きくすることが望ましい。一方、磁束密度の分布は、体積比が1よりも大きく4以下の範囲で、体積比が1の場合に比して均一性が向上する。特に、体積比が1.3以上2.6以下の範囲において、集磁部材3間の磁性部材1の磁束密度の分布の均一性が高くなる傾向にある。そして、この場合に、予め定められた基準値以上の起電力の値が得られる。すなわち、基準値以上の起電力の値を得るためには、磁束密度の分布の均一性が図16の閾値TB以上であることが望ましい。回転位相差と磁束密度分布の均一性とを考慮すると、体積比が1.3以上2.6以下である場合が、発電素子100として特に良好な性能を示す。なお、発電素子100が図示しない基板に設けられるときの磁性部材1と基板との間の距離にもよるが、第2構成部34のZ方向の長さは、第2構成部34が基板と接触する状態よりも大きくすることはできない。
<発電素子100のその他の構成について>
上記した説明では、磁性部材1は、線状である場合を示したが、シート状であってもよい。図17は、実施の形態1に係る発電素子の磁性部材および発電用コイルの構成の一例を示す斜視図である。なお、図1と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図17の発電素子100では、磁性部材1Aは、シート状の磁性体である。磁性部材1Aは、保磁力が異なる少なくとも2層の材料が積層される構成を有する。一例では、磁性部材1Aは、第1層の上下を、第1層とは保磁力の異なる第2層で挟む構成でもよい。また、磁性部材1Aは、第1層の周囲を、第1層とは保磁力の異なる第2層で覆うようにしてもよい。シート状の磁性部材1Aの周囲に発電用コイル2が巻き回される。この場合にも、磁性部材1Aの両端には、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1よりも大きく4以下、好ましくは1.3以上2.6以下となる集磁部材3が配置される。
上記した説明では、磁性部材1は、線状である場合を示したが、シート状であってもよい。図17は、実施の形態1に係る発電素子の磁性部材および発電用コイルの構成の一例を示す斜視図である。なお、図1と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図17の発電素子100では、磁性部材1Aは、シート状の磁性体である。磁性部材1Aは、保磁力が異なる少なくとも2層の材料が積層される構成を有する。一例では、磁性部材1Aは、第1層の上下を、第1層とは保磁力の異なる第2層で挟む構成でもよい。また、磁性部材1Aは、第1層の周囲を、第1層とは保磁力の異なる第2層で覆うようにしてもよい。シート状の磁性部材1Aの周囲に発電用コイル2が巻き回される。この場合にも、磁性部材1Aの両端には、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1よりも大きく4以下、好ましくは1.3以上2.6以下となる集磁部材3が配置される。
また、上記した説明では、磁性部材1の延在方向垂直な断面における外周部の保磁力が中心部より小さい構成である場合を示したが、外周部と中心部との保磁力が異なっていればよく、外周部の保磁力の方が大きい構成であってもよい。
図2では、集磁部材3の磁性部材1を挿通する挿通部31が、湾曲形状である場合を示したが、これに限定されるものではない。図18は、実施の形態1に係る発電素子の構成の他の例を示す断面図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図18に示される例では、挿通部31が矩形状の孔で構成される。また、挿通部31を構成する孔は、他の形状であってもよい。
上記した発電素子100では、磁界発生部11の回転中心112から磁性部材1がラジアル方向に5mm以上離れた位置に配置して用いる場合を例に挙げたが、これに限定されるものではない。一例では、磁界発生部11の回転中心112から磁性部材1がラジアル方向に5mm未満の距離で離れた位置に配置されてもよい。
上記した発電素子100では、図2に示されるように、集磁部材3の磁界発生部11に対向する面35aが平坦な場合を例に挙げたが、これに限定されるものではない。図19は、実施の形態1に係る発電素子の構成の他の例を示す断面図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図19に示されるように、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1よりも大きければ、磁界発生部11に対向する面35aが湾曲していてもよい。
図20は、実施の形態1に係る発電素子の構成の他の例を示す一部側面図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。発電素子100は、一例では、図示しない基板上に固定されるが、基板上の発電素子100の集磁部材3の近傍には端子15が設けられる。端子15は、発電用コイル2の端末線21と接続され、発電用コイル2で生じた起電力を外部に出力する端子である。集磁部材3の近傍において、発電用コイル2の端末線21を端子15に絡げる場合に、図2に示される磁界発生部11側の面が湾曲していない集磁部材3に比して、図19に示される集磁部材3の方が、端末線21が集磁部材3に引っかかりにくく、断線しにくい。このため、集磁部材3の近傍での絡げ作業効率が向上し、安定して高い出力の発電素子100を製造することができる。
また、図2では、集磁部材3の磁界発生部11に対向する面35aとは反対側の面が平坦な場合を例に挙げたが、これに限定されるものではない。図19および図20に示されるように、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比が1よりも大きければ、磁界発生部11に対向する面35aとは反対側の面35bが湾曲していてもよい。
発電用コイル2の配置場所は、図1に示されるように、磁性部材1の大バルクハウゼン効果による磁束の変化が最も大きくなるように、磁性部材1を囲んで配置することが好ましいが、これに限定されるものではない。図21は、実施の形態1に係る発電素子の構成の他の例を示す斜視図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図21に示されるように、発電用コイル2は、磁性部材1を囲むのではなく、磁性部材1によって発生する磁界62が発電用コイル2を通るように、磁性部材1に沿って配置されてもよい。
上記した説明では、磁界発生部11には、円板形状の磁石を用いたが、これに限定されるものではない。磁性部材1に外部磁界60を印加できるものであれば、用途に応じた磁界発生部11の形状を選ぶことができ、ブロック形状、棒形状などでもよい。また、磁界発生部11には、直径が20mm以上22mm以下の磁石を用いたが、これに限定されるものではなく、直径が20mm未満であるもの、あるいは直径が22mmを超えるものを用いてもよい。
<発電素子100の効果>
実施の形態1に係る発電素子100では、挿通部31のY軸方向の長さと同じ直径を有し、挿通部31に内接する仮想的な内接円51の中心52を通り、Z軸方向を法線ベクトルとする仮想的な面と平行である仮想的な面を境界面32とした場合に、境界面32から磁界発生部11とは反対側の第1構成部33と、境界面32から磁界発生部11側の第2構成部34と、を有する集磁部材3において、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比を1よりも大きくした。これによって、大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材1の集磁部材3に挟まれる領域における磁束密度の分布を磁界発生部11の回転位相によらず、均一にすることができる。このため、磁性部材1の大バルクハウゼン効果が磁性部材1の各部で安定して一斉に生じやすくなり、大バルクハウゼン効果による磁化方向の反転を安定化する。つまり、発電素子100のサイズの増加に影響を与える第1構成部33のサイズを変更せずに、発電素子100のサイズの増加に影響を与えない第2構成部34のサイズを変更することによって、従来に比してサイズの増加を抑制しつつ磁性部材1に印加される外部磁界60を大きくすることができる発電素子100を得ることができる。また、磁界発生部11の回転方向による、大バルクハウゼン効果による起電力の生じる磁界発生部11の回転位相差の小さい発電特性を有する発電素子100が得られる。この結果、電磁誘導によって、発電用コイル2から安定して起電力を発生させることができる。
実施の形態1に係る発電素子100では、挿通部31のY軸方向の長さと同じ直径を有し、挿通部31に内接する仮想的な内接円51の中心52を通り、Z軸方向を法線ベクトルとする仮想的な面と平行である仮想的な面を境界面32とした場合に、境界面32から磁界発生部11とは反対側の第1構成部33と、境界面32から磁界発生部11側の第2構成部34と、を有する集磁部材3において、第1構成部33に対する第2構成部34の体積比を1よりも大きくした。これによって、大バルクハウゼン効果を生じる磁性部材1の集磁部材3に挟まれる領域における磁束密度の分布を磁界発生部11の回転位相によらず、均一にすることができる。このため、磁性部材1の大バルクハウゼン効果が磁性部材1の各部で安定して一斉に生じやすくなり、大バルクハウゼン効果による磁化方向の反転を安定化する。つまり、発電素子100のサイズの増加に影響を与える第1構成部33のサイズを変更せずに、発電素子100のサイズの増加に影響を与えない第2構成部34のサイズを変更することによって、従来に比してサイズの増加を抑制しつつ磁性部材1に印加される外部磁界60を大きくすることができる発電素子100を得ることができる。また、磁界発生部11の回転方向による、大バルクハウゼン効果による起電力の生じる磁界発生部11の回転位相差の小さい発電特性を有する発電素子100が得られる。この結果、電磁誘導によって、発電用コイル2から安定して起電力を発生させることができる。
安定的に起電力を発生する発電素子100を用いることで、発電素子100に発生した起電力を、IC(Integrated Circuit)を駆動する電源として用いることができる。
実施の形態2.
実施の形態2に係る発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、集磁部材3の形状が実施の形態1とは異なる。以下では、実施の形態1と異なる集磁部材3の構成について説明する。
実施の形態2に係る発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、集磁部材3の形状が実施の形態1とは異なる。以下では、実施の形態1と異なる集磁部材3の構成について説明する。
図22は、実施の形態2に係る発電素子の構成の一例を示す断面図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図22では、発電素子100を、集磁部材3の位置で、磁性部材1の延在方向に垂直に切った断面を示している。
図1および図2に示した実施の形態1での集磁部材3の構造においては、挿通部31が集磁部材3を厚さ方向に貫通する孔であり、この孔に磁性部材1を挿通していた。図22に示される集磁部材3は、磁界発生部11と対向する面35aから第1構成部33に向けて設けられる凹部によって構成される挿通部31aを有する。つまり、挿通部31aは、磁性部材1の延在方向から見た場合に、U字状であり、磁界発生部11と対向する面35aの一部が開口している。また、図22では、集磁部材3の磁界発生部11と対向する面とは反対側の面35bが湾曲している例が示されている。
図1および図3に示した集磁部材3では、挿通部31である孔は穴あけ加工によって形成される。一方、図22に示される集磁部材3では、冷間圧延鋼板を曲げ加工することによって製造することができる。このため、実施の形態2に係る発電素子100では、実施の形態1の場合に比して集磁部材3の生産効率を向上させることができるとともに、製造コストを低減させることができる。
また、発電素子100を組み立てる場合に、実施の形態1での発電素子100の構造では、磁性部材1を発電用コイル2および2つの集磁部材3の挿通部31のすべてに通す必要がある。これに対して、実施の形態2に係る発電素子100では、集磁部材3は、磁界発生部11に対向する面35aの一部が開口しているので、磁性部材1を発電用コイル2のみに通し、集磁部材3の磁界発生部11に対向する面35aの開口している方向から、凹部からなる挿通部31aに磁性部材1を挿入すればよい。これによって、安定的に高い出力の発電素子100を得ることができるとともに、磁性部材1の集磁部材3ヘの挿入作業の効率を実施の形態1に比して向上させることができる。
実施の形態3.
実施の形態3に係る発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、集磁部材3の形状が実施の形態1とは異なる。以下では、実施の形態1と異なる集磁部材3の構成について説明する。
実施の形態3に係る発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、集磁部材3の形状が実施の形態1とは異なる。以下では、実施の形態1と異なる集磁部材3の構成について説明する。
図23は、実施の形態3に係る発電素子の構成の一例を示す断面図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図23では、発電素子100を、集磁部材3の位置で、磁性部材1の延在方向に垂直に切った断面を示している。
図23に示される集磁部材3は、磁界発生部11と対向する面35aとは反対側の面35bから第2構成部34に向けて設けられる凹部によって構成される挿通部31bを有する。つまり、磁界発生部11と対向する面35aとは反対側の面35bの一部が開口している。図2に示した実施の形態1では、磁性部材1が挿通部31内で接する位置は、挿通部31を構成する孔の内面の磁界発生部11とは反対側の位置にあった。しかし、図23では、磁性部材1が挿通部31b内で接する位置は、挿通部31を構成する凹部の磁界発生部11側の位置となる。この位置を内接円51は通ることになる。また、図23では、集磁部材3の磁界発生部11と対向する面35aが平坦である例が示されている。
図23に示される集磁部材3は、直方体状の部材の、磁界発生部11に対向する面35aとは反対側の面35bから溝を形成するように加工することによって、挿通部31bを形成することができる。このため、実施の形態3に係る発電素子100では、実施の形態1の場合に比して集磁部材3の生産効率を向上させることができるとともに、製造コストを低減させることができる。
実施の形態3に係る発電素子100を組み立てる場合には、集磁部材3は、磁界発生部11に対向する面35aと反対側の面35bが開口しているので、磁性部材1を発電用コイル2のみに通し、集磁部材3の磁界発生部11に対向する面35aとは反対側の面35bの開口している方向から、凹部からなる挿通部31bに磁性部材1を挿入すればよい。これによって、実施の形態3では、安定的に高い出力の発電素子100を得ることができるとともに、磁性部材1の集磁部材3ヘの挿入作業の効率を実施の形態1の場合に比して向上させることができる。
実施の形態4.
実施の形態4に係る発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、集磁部材3の形状が実施の形態1とは異なる。以下では、実施の形態1と異なる集磁部材3の構成について説明する。
実施の形態4に係る発電素子100の基本構造は、実施の形態1と同じであり、集磁部材3の形状が実施の形態1とは異なる。以下では、実施の形態1と異なる集磁部材3の構成について説明する。
図24は、実施の形態4に係る発電素子の構成の一例を示す断面図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図24では、発電素子100を、集磁部材3の位置で、磁性部材1の延在方向に垂直に切った断面を示している。
図24に示される集磁部材3では、第1構成部33と第2構成部34とが分離可能である。図24では、第1構成部33と第2構成部34とが、境界面32で分離可能に構成されている例を示している。すなわち、集磁部材3は、軟磁性材料からなる第1構成部33と、軟磁性材料からなる第2構成部34と、を有する。第1構成部33の第2構成部34と対向する面には、挿通部31を構成する凹部311を有し、第2構成部34の第1構成部33と対向する面には、挿通部31を構成する凹部312を有する。第1構成部33と第2構成部34とを境界面32で接合することで、2つの凹部311,312によって挿通部31が形成される。また、それぞれの凹部311,312は、第1構成部33および第2構成部34の1つの側面に溝を形成するように加工される。これによって、実施の形態4に係る発電素子100では、穴あけ加工によって挿通部31を形成する実施の形態1の場合に比して、生産効率を向上させることができるとともに、製造コストを低減させることができる。なお、分離可能な集磁部材3は、第1構成部33と第2構成部34とが、境界面32で分離する構成に限られない。例えば、集磁部材3は、挿通部31を含み、境界面32と平行な面で第1構成部33を含む部材と第2構成部34を含む部材とに分離可能に構成されていてもよい。また、集磁部材3は、挿通部31を含み、Z軸方向と平行な面で第1構成部33を含む部材と第2構成部34を含む部材とに分離可能に構成されていてもよい。
発電素子100を組み立てる場合には、磁性部材1を発電用コイル2に通し、磁性部材1を第1構成部33の凹部311に設置した後、第2構成部34の凹部312が磁性部材1に嵌るように、第2構成部34を第1構成部33に接触させ、両者を固定する。これによって、実施の形態4では、安定的に高い出力の発電素子100を得ることができるとともに、磁性部材1の集磁部材3ヘの挿通作業の効率を実施の形態1の場合に比して向上させることができる。
実施の形態5.
実施の形態5にかかる発電素子の基本構造は、実施の形態1,4と同じであり、集磁部材3の構造が実施の形態1,4とは異なる。以下では、実施の形態1,4と異なる集磁部材3の構成について説明する。
実施の形態5にかかる発電素子の基本構造は、実施の形態1,4と同じであり、集磁部材3の構造が実施の形態1,4とは異なる。以下では、実施の形態1,4と異なる集磁部材3の構成について説明する。
図25は、実施の形態5に係る発電素子の構成の一例を示す断面図である。なお、上記した説明と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。図25では、発電素子100を、集磁部材3の位置で、磁性部材1の延在方向に垂直に切った断面を示している。
集磁部材3は、境界面32で分離可能な第1構成部33aおよび第2構成部34を有する。実施の形態5では、第2構成部34は軟磁性材料によって構成されるが、第1構成部33aは、非磁性材料によって構成される点が、実施の形態4とは異なる。つまり、集磁部材3は、全体が軟磁性材料で構成されている必要はなく、軟磁性材料を含んでいればよい。ただし、磁界発生部11からの磁束が、一方の集磁部材3を経由して磁性部材1を通り、他方の集磁部材3から磁界発生部11へと戻るようにするためには、集磁部材3の少なくとも第2構成部34は軟磁性材料で構成される。このように、第1構成部33aを非磁性材料としても、第2構成部34が軟磁性材料であれば、磁性部材1において実施の形態1,4の場合と同等の磁束密度の均一性が得られる。なお、その他の構成は、実施の形態1,4と同様である。
実施の形態5によっても、実施の形態4と同様の効果を得ることができる。
実施の形態6.
実施の形態6では、実施の形態1から5に示した発電素子100を磁気センサに適用する場合について説明する。
実施の形態6では、実施の形態1から5に示した発電素子100を磁気センサに適用する場合について説明する。
図26は、実施の形態6に係る磁気センサの構成の一例を模式的に示す斜視図である。磁気センサ30は、発電素子100と、制御部40と、を備える。図26では、実施の形態1で説明した発電素子100が用いられているが、実施の形態2から5で説明した発電素子100を用いてもよい。磁気センサ30は、磁界発生部11によって生じる変動する外部磁界60を検出する。磁界発生部11は、発電素子100に外部磁界60を印加する。ここでは、磁界発生部11は、図1に示されるものと同様に、円板状の磁石である。磁界発生部11は、発電素子100側の面の半分がN極であり、他の半分がS極であり、磁界発生部11は、中心を通るZ軸の回りに回転可能である。制御部40は、発電素子100の発電用コイル2と接続され、発電用コイル2で発生する誘導起電力を検知することで、外部磁界60の変動を検知する。制御部40は、一例ではICによって構成される。
磁界発生部11の回転によって、発電素子100の集磁部材3で挟まれる領域の磁性部材1には均一に外部磁界60が印加され、磁性部材1の延在方向における位置に依らず磁束密度が均一となる。すなわち、磁性部材1の延在方向における磁束密度の分布が均一となる。そして、磁束密度が予め定められた閾値以上になると、大バルクハウゼン効果によって磁束の反転が生じる。上記したように、集磁部材3で挟まれる領域の磁性部材1では、均一な磁束密度となるため、磁束の反転が急峻となる。この結果、電磁誘導によって発電用コイル2から発生する電圧がパルス状となる。制御部40によって、このパルス状の電圧が検知される。
実施の形態6の磁気センサ30は、実施の形態1から5で説明した発電素子100と、制御部40と、を有する。発電素子100では、集磁部材3に挟まれる領域の磁性部材1で、均一な磁束密度となるため、磁束の反転が急峻となり、発電用コイル2で発生する電圧がパルス状となる。このパルス状の電圧が制御部40で検知することで、外部磁界60の変動を知らせる磁気センサ30を得ることができる。また、磁界発生部11の回転によって変化する外部磁界60によって生じる起電力によって制御部40が動作される。これによって、無電源で信頼性の高い磁気センサ30を提供することができる。
実施の形態7.
実施の形態7では、実施の形態1から5に示した発電素子100をエンコーダに適用する場合について説明する。以下では、エンコーダとして、反射型光学式エンコーダを例に挙げる。
実施の形態7では、実施の形態1から5に示した発電素子100をエンコーダに適用する場合について説明する。以下では、エンコーダとして、反射型光学式エンコーダを例に挙げる。
図27は、実施の形態7に係る反射型光学式エンコーダの構成の一例を模式的に示す断面図である。図27では、反射型光学式エンコーダ70が、モータ80に取り付けられる例が示されている。反射型光学式エンコーダ70は、ハウジング71と、回転軸72と、ハブ部材73と、スケール板74と、磁界発生部11と、基板75と、投光部76と、受光部77と、無電源センサである磁気センサ30と、を備える。
ハウジング71は、反射型光学式エンコーダ70を構成する部品を覆う部材である。図27では、ハウジング71は、一方の底面が開口した筒状である。ハウジング71は、筒状の一方の底面を構成する第1ハウジング71aと、筒状の側面を構成する第2ハウジング71bと、を有する。第1ハウジング71aは、モータ80と接触して設けられる。第2ハウジング71bは、モータ80のモータ回転軸81の延在方向と平行な方向に延在する面を有し、反射型光学式エンコーダ70を構成する部品を囲むように設けられる。
回転軸72は、一方の端部がモータ80のモータ回転軸81と接続される。回転軸72は、第1ハウジング71aを貫通するように配置される。ハブ部材73は、回転軸72の他方の端部に固定される円板状の部材であり、回転軸72の回転によって回転する。スケール板74は、回転角度を検出する光学パターンを有する。スケール板74は、円盤型であり、ハブ部材73に取り付けられる。光学パターンは、光の反射率が高い高反射部と低い低反射部を有し、スケール板74のハブ部材73が取り付けられる面とは反対側の面に設けられる。磁界発生部11は、ハブ部材73のスケール板74が取り付けられる面とは反対側の面に取り付けられる複数の磁石である。一例では、磁界発生部11は、ハブ部材73に取り付けられる側の面における磁極が異なる2つの磁石によって構成される。
基板75は、ハウジング71の開口を覆うとともに、反射型光学式エンコーダ70を構成する一部の部材を支持する板状部材である。投光部76および受光部77は、基板75のスケール板74に対向する面上に設けられる。投光部76は、スケール板74に向かって光を照射する発光素子である。受光部77は、スケール板74の光学パターンで反射された光を受光する受光素子である。投光部76の一例は、レーザダイオードまたは発光ダイオードであり、受光部77の一例は、フォトダイオードである。
磁気センサ30は、基板75のスケール板74に対向する面とは反対側の面上に設けられる。発電素子100の安定した電源供給およびパルス出力という特徴を用い、発電素子100および制御部40を組み合わせた図26に示される磁気センサ30を無電源センサとして用いている。磁気センサ30の構成は、実施の形態6で説明したので省略する。
以上のように、ハブ部材73、スケール板74、磁界発生部11、投光部76および受光部77がハウジング71および基板75によって囲まれる。
反射型光学式エンコーダ70では、回転軸72の回転時に、投光部76から光を照射し、スケール板74上の光学パターンで反射された光である反射光の光量変化を受光部77で検出する。これによって、回転角度および回転速度が検出される。また、ハブ部材73の回転に伴って磁界発生部11から放出される磁力の方向変化によって発電素子100が発電する。これによって、基準位置からの回転数が検出される。回転軸72は、モータ80のモータ回転軸81と接続されており、モータ回転軸81の回転と共に回転する。このため、反射型光学式エンコーダ70は、回転軸72の回転角度、回転数および回転速度を検出することによって、モータ80の回転角度、回転数および回転速度を検出することができる。
なお、図27では、磁界発生部11は、ハブ部材73のスケール板74が取り付けられる面とは反対側に設けられる場合が示されているが、ハブ部材73とスケール板74との間に設けてもよい。この場合、ハブ部材73と磁界発生部11とを固定する工程を省略することができ、生産効率の向上を図ることができる。さらに、ハブ部材73を磁界発生部11で構成してもよい。磁界発生部11がハブ部材73の機能を有することで、反射型光学式エンコーダ70を構成する部品点数を削減することができ、生産効率を向上させることができる。この場合、ハブ部材73の材料としては、プラスチック材料などに磁性粒子を分散させたものを用いることができる。この材料を用いることで、射出成形によってハブ部材73を様々な形状に容易に成形することができる。また、ハブ部材73は、プラスチック材料などに磁性粒子を分散させて形成する構成に限らず、フェライト磁石、アルニコ磁石、または希土類磁石材料で形成してもよい。
実施の形態7に係る反射型光学式エンコーダ70は、実施の形態6で説明した磁気センサ30を無電源センサとして備えるので、無電源で信頼性の高いエンコーダを提供することができるという効果を有する。また、上記した説明では、反射型光学式エンコーダ70を例に挙げたが、磁気センサ30を有するエンコーダであれば、実施の形態1から5に示した発電素子100を適用することができ、反射型光学式エンコーダ70と同様の効果を得ることができる。
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1,1A 磁性部材、2 発電用コイル、3 集磁部材、11 磁界発生部、15 端子、21 端末線、30 磁気センサ、31,31a,31b 挿通部、32 境界面、33,33a 第1構成部、34 第2構成部、40 制御部、51 内接円、52 中心、60 外部磁界、61 磁束、62 磁界、70 反射型光学式エンコーダ、71 ハウジング、71a 第1ハウジング、71b 第2ハウジング、72 回転軸、73 ハブ部材、74 スケール板、75 基板、76 投光部、77 受光部、80 モータ、81 モータ回転軸、100 発電素子、111A,111B 磁石構成部、112 回転中心、311,312 凹部。
Claims (17)
- 大バルクハウゼン効果を生じる磁性材料によって構成される磁性部材と、
前記磁性部材を通る磁束が鎖交する発電用コイルと、
前記磁性部材が挿通される挿通部を有し、前記挿通部に前記磁性部材が挿通されることで前記磁性部材と接触するように前記磁性部材の両端部に設けられる軟磁性材料を含む2つの集磁部材と、
を備え、
前記集磁部材は、前記挿通部における前記磁性部材を挿通する方向である第1方向と、前記集磁部材から視て前記磁性部材に磁界を印加する磁界発生部が配置される方向である第2方向と、の両方に垂直な方向である第3方向の前記挿通部の長さと同じ直径を有し、かつ前記挿通部に内接する仮想的な内接円の中心を通り、前記第2方向を法線ベクトルとする仮想的な面と平行である仮想的な面を境界面とした場合に、前記境界面から前記磁界発生部とは反対側の第1構成部と、前記境界面から前記磁界発生部側の第2構成部と、を有し、
前記第2構成部の体積は、前記第1構成部の体積よりも大きいことを特徴とする発電素子。 - 前記発電用コイルは、前記磁性部材に巻回して配置されることを特徴とする請求項1に記載の発電素子。
- 前記発電用コイルは、前記磁性部材に沿って配置されていることを特徴とする請求項1に記載の発電素子。
- 前記磁性部材は、線状であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記集磁部材は、前記挿通部において前記磁界発生部の配置位置とは反対側の位置で前記磁性部材と接することを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記集磁部材は、前記磁界発生部と対向する面が平坦であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記集磁部材は、前記磁界発生部と対向する面が湾曲していることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記挿通部は、前記集磁部材を貫通する孔であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記挿通部は、前記磁界発生部と対向する面から前記第1構成部に向けて設けられる凹部であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記集磁部材は、前記磁界発生部と対向する面とは反対側の面から前記第2構成部に向けて設けられる凹部であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記集磁部材は、前記第1構成部を含む部材および前記第2構成部を含む部材に分離可能であることを特徴とする請求項1から10のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記第1構成部および前記第2構成部は、軟磁性材料で構成されることを特徴とする請求項11に記載の発電素子。
- 前記第1構成部は、非磁性材料で構成され、
前記第2構成部は、軟磁性材料で構成されることを特徴とする請求項11に記載の発電素子。 - 前記集磁部材は、冷間圧延鋼板からなることを特徴とする請求項1から11のいずれか1つに記載の発電素子。
- 前記軟磁性材料は、ソフトフェライト、パーマロイ、パーメンジュール、ケイ素鋼、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金およびセンダストからなる群から選択される材料であることを特徴とする請求項1から13のいずれか1つに記載の発電素子。
- 請求項1から15のいずれか1つに記載の発電素子と、
前記磁界発生部と、
を備えることを特徴とする磁気センサ。 - 請求項1から15のいずれか1つに記載の発電素子と、
前記磁界発生部と、
を備えることを特徴とするエンコーダ。
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