JP2021004816A - Load calculation system - Google Patents

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柳沢 知之
Tomoyuki Yanagisawa
知之 柳沢
絢子 田淵
Ayako Tabuchi
絢子 田淵
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Abstract

To provide a load calculation system capable of highly accurately detecting a load of a rolling bearing with a simpler configuration.SOLUTION: A load calculation system 1 includes: a coil 20 in which a core material is fixed on the side surface orthogonal to the direction of a rotation shaft center Ax of a rolling bearing 10 and around which a conductor wire is wound; an exciting circuit 30 which applies an AC voltage of a predetermined frequency to the coil 20; and a current measuring circuit 40 which detects a current flowing through the conductor wire by applying an AC voltage; a voltage measuring circuit 50 for detecting the voltage generated in the conductor wire by applying the AC voltage; and an arithmetic device 60 for calculating a radial load R applied to the rolling bearing 10 based on the current and voltage.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、荷重算出システムに関する。 The present invention relates to a load calculation system.

転がり軸受に対するラジアル荷重を検出するため、転がり軸受の外輪の外周側にセンサを取り付ける方法が知られている(例えば、特許文献1)。 In order to detect a radial load on a rolling bearing, a method of attaching a sensor to the outer peripheral side of the outer ring of the rolling bearing is known (for example, Patent Document 1).

特開2017−026570号公報JP-A-2017-026570

荷重により変化するのはセンサとして機能するコイルのインダクタンスである。特許文献1ではインダクタンスの変化により生じる電圧の変化を参照して荷重を求めている。より高い精度で荷重を求めるためにはインダクタンスそのものを求めることが望ましいが、特許文献1に記載されている方法ではインダクタンスを求めることができない。 It is the inductance of the coil that functions as a sensor that changes with load. In Patent Document 1, the load is obtained by referring to the change in voltage caused by the change in inductance. In order to obtain the load with higher accuracy, it is desirable to obtain the inductance itself, but the method described in Patent Document 1 cannot obtain the inductance.

また、特許文献1に記載の方法では、外輪に対して軸受の径方向の外周側にセンサを取り付けるためのスペースが必要になる。また、特許文献1に記載の方法では、荷重の影響を受けないリファレンス用のセンサが必要になる。このように、特許文献1に記載の方法では、設計上の制約が多い。 Further, in the method described in Patent Document 1, a space for mounting the sensor on the outer peripheral side of the bearing in the radial direction with respect to the outer ring is required. Further, in the method described in Patent Document 1, a reference sensor that is not affected by the load is required. As described above, the method described in Patent Document 1 has many design restrictions.

本発明は、より簡易な構成でより高精度に転がり軸受の荷重を検出可能な荷重算出システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a load calculation system capable of detecting the load of a rolling bearing with higher accuracy with a simpler configuration.

上記の目的を達成するための本発明の荷重算出システムは、転がり軸受と、前記転がり軸受の回転軸方向と直交する側面に芯材が固定されて導線が巻回されたコイルと、前記コイルに所定の周波数の交流電圧を印加する励磁回路と、前記交流電圧の印加によって前記導線に流れた電流を検出する電流検出回路と、前記交流電圧の印加によって前記導線に生じた電圧を検出する電圧検出回路と、前記電流と前記電圧とに基づいて前記転がり軸受に加わるラジアル荷重を算出する演算装置とを備える。 The load calculation system of the present invention for achieving the above object includes a rolling bearing, a coil in which a core material is fixed on a side surface orthogonal to the rotation axis direction of the rolling bearing and a lead wire is wound around the rolling bearing, and the coil. An excitation circuit that applies an AC voltage of a predetermined frequency, a current detection circuit that detects the current that flows through the lead wire by applying the AC voltage, and a voltage detection that detects the voltage generated by the lead wire by applying the AC voltage. It includes a circuit and a computing device that calculates a radial load applied to the rolling bearing based on the current and the voltage.

従って、転がり軸受に加わる荷重に応じたコイルのインダクタンスを電流と電圧とに基づいて算出してインダクタンスに応じた荷重を導出することができる。すなわち、インダクタンスを電流と電圧から求めることができるため、より高精度にインダクタンス及びインダクタンスに応じた荷重を求めることができる。また、転がり軸受の径方向の外周側に圧力検出用のセンサ及びリファレンス用のセンサを設けるためのスペースを必要としない。 Therefore, the inductance of the coil corresponding to the load applied to the rolling bearing can be calculated based on the current and the voltage, and the load corresponding to the inductance can be derived. That is, since the inductance can be obtained from the current and the voltage, the inductance and the load corresponding to the inductance can be obtained with higher accuracy. Further, a space for providing a pressure detection sensor and a reference sensor on the outer peripheral side in the radial direction of the rolling bearing is not required.

本発明の荷重算出システムでは、前記コイルは複数設けられ、複数の前記コイルは、前記励磁回路に対して直列に接続される。 In the load calculation system of the present invention, a plurality of the coils are provided, and the plurality of the coils are connected in series with the excitation circuit.

従って、1つの励磁回路で複数のコイルを励磁することができる。また、このような複数のコイルに対する交流電流の印加タイミングを特に制御する必要なく、同時に複数のコイルを励磁することができる。 Therefore, it is possible to excite a plurality of coils with one excitation circuit. Further, it is not necessary to particularly control the timing of applying the alternating current to the plurality of coils, and the plurality of coils can be excited at the same time.

本発明の荷重算出システムでは、複数の前記コイルと、コイル毎に設けられた複数の前記励磁回路とを備え、複数の前記励磁回路による前記交流電圧の印加タイミングは同期する。 The load calculation system of the present invention includes a plurality of the coils and a plurality of the exciting circuits provided for each coil, and the application timings of the AC voltage by the plurality of the exciting circuits are synchronized.

従って、複数のコイルを個別に励磁することができる。このため、複数のコイルのいずれかに生じた電気的変化が他のコイルに影響を与える可能性をより低減することができる。また、複数の励磁回路が同期して個別にコイルを励磁する。このため、同一タイミングの荷重に応じた複数のコイルのインダクタンスを得ることができ、より高精度に荷重を求めることができる。 Therefore, a plurality of coils can be individually excited. Therefore, it is possible to further reduce the possibility that an electrical change occurring in any of the plurality of coils affects the other coils. In addition, a plurality of exciting circuits synchronize and individually excite the coil. Therefore, the inductances of a plurality of coils corresponding to the loads at the same timing can be obtained, and the load can be obtained with higher accuracy.

本発明によれば、より簡易な構成でより高精度に転がり軸受の荷重を検出することができる。 According to the present invention, the load of the rolling bearing can be detected with higher accuracy with a simpler configuration.

図1は、実施形態1の荷重算出システムの主要構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of the load calculation system of the first embodiment. 図2は、センサ付き転がり軸受の主要構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main configuration of a rolling bearing with a sensor. 図3は、センサ付き転がり軸受の主要構成の他の構成例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration example of the main configuration of the rolling bearing with a sensor. 図4は、実施形態2の荷重算出システムが備える2つのコイルのピッチ角度と転がり軸受が有する複数の転動体の所定のピッチ角度との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the pitch angles of the two coils included in the load calculation system of the second embodiment and the predetermined pitch angles of a plurality of rolling elements included in the rolling bearing. 図5は、2つのコイルの各々のインダクタンス及びその合成インダクタンスと、転がり軸受に対するラジアル荷重との関係を模式的に示すグラフである。FIG. 5 is a graph schematically showing the relationship between the inductance of each of the two coils and the combined inductance thereof and the radial load on the rolling bearing. 図6は、実施形態3の荷重算出システムの主要構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a main configuration of the load calculation system of the third embodiment. 図7は、実施形態4の荷重算出システムの主要構成を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing a main configuration of the load calculation system of the fourth embodiment.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. The requirements of each embodiment described below can be combined as appropriate. In addition, some components may not be used.

(実施形態1)
図1は、実施形態1の荷重算出システム1の主要構成を示すブロック図である。荷重算出システム1は、転がり軸受10と、コイル20と、励磁回路30と、電流測定回路40と、電圧測定回路50と、演算装置60とを備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of the load calculation system 1 of the first embodiment. The load calculation system 1 includes a rolling bearing 10, a coil 20, an excitation circuit 30, a current measurement circuit 40, a voltage measurement circuit 50, and a calculation device 60.

転がり軸受10は、回転軸Sを回転可能に軸支する。コイル20は、転がり軸受10に取り付けられる。コイル20は、転がり軸受10に加わるラジアル荷重Rの変化に応じてインピーダンスが変化する。転がり軸受10とコイル20は、センサ付き転がり軸受5を構成する。 The rolling bearing 10 rotatably supports the rotating shaft S. The coil 20 is attached to the rolling bearing 10. The impedance of the coil 20 changes according to a change in the radial load R applied to the rolling bearing 10. The rolling bearing 10 and the coil 20 constitute a rolling bearing 5 with a sensor.

図2は、センサ付き転がり軸受5の主要構成を示す断面図である。図2は、転がり軸受10の回転軸中心Ax及びコイル20を通る平面でセンサ付き転がり軸受5を切った場合の断面図である。転がり軸受10は、外輪11と、内輪12と、転動体13と、保持器14とを有する。外輪11と内輪12は、転動体13を挟んで相対的に回転可能に設けられる。転動体13は、複数設けられ、外輪11と内輪12の間で回転軸中心Axを中心とする円周方向に沿って並ぶ。転動体13を挟んで、外輪11が外周側に配置され、内輪12が内周側に配置される。保持器14は、円周方向に並ぶ複数の転動体13同士の間隔を保持する。実施形態では、転動体13の形状が球である玉軸受が採用されているが、これは転がり軸受10の形態の一例であってこれに限られるものでない。転がり軸受10は、転動体13の形状が円柱状のころ軸受又は針軸受であってもよい。また、転がり軸受10は、円すいころ軸受又は球面ころ軸受であってもよい。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main configuration of the rolling bearing 5 with a sensor. FIG. 2 is a cross-sectional view of the rolling bearing 5 with a sensor cut in a plane passing through the center Ax of the rotating shaft of the rolling bearing 10 and the coil 20. The rolling bearing 10 has an outer ring 11, an inner ring 12, a rolling element 13, and a cage 14. The outer ring 11 and the inner ring 12 are provided so as to be relatively rotatable with the rolling element 13 interposed therebetween. A plurality of rolling elements 13 are provided, and are arranged between the outer ring 11 and the inner ring 12 along the circumferential direction centered on the rotation axis center Ax. The outer ring 11 is arranged on the outer peripheral side and the inner ring 12 is arranged on the inner peripheral side with the rolling element 13 interposed therebetween. The cage 14 maintains the distance between the plurality of rolling elements 13 arranged in the circumferential direction. In the embodiment, a ball bearing in which the shape of the rolling element 13 is a sphere is adopted, but this is an example of the form of the rolling bearing 10 and is not limited to this. The rolling bearing 10 may be a roller bearing or a needle bearing in which the shape of the rolling element 13 is columnar. Further, the rolling bearing 10 may be a tapered roller bearing or a spherical roller bearing.

実施形態では、外輪11が固定され、内輪12及び回転軸Sが回転可能に軸支される構成であるが、内輪12及び回転軸Sが固定され、外輪11が回転可能に支持される構成であってもよい。実施形態の外輪11は、例えば軸受鋼のように、導電性且つ磁性を有する材料で構成されている。 In the embodiment, the outer ring 11 is fixed and the inner ring 12 and the rotating shaft S are rotatably supported, but the inner ring 12 and the rotating shaft S are fixed and the outer ring 11 is rotatably supported. There may be. The outer ring 11 of the embodiment is made of a conductive and magnetic material such as bearing steel.

図3は、センサ付き転がり軸受の主要構成の他の構成例を示す断面図である。コイル20は、芯材21と、導線22とを備える。芯材21は、外輪11の側面に芯材21の端部が密着するよう固定される。具体的には、例えば図2のように、外輪11と芯材21とを接着剤で固定する。また、図3のように、外輪11の一側面に取り付けられた固定部材25を用いてもよい。固定部材25は、例えば外径が外輪11と同様の、輪状の部材である。固定部材25には、コイル20が内側に挿入可能な孔25aが外輪11の側方に位置するよう設けられている。コイル20は、孔25aに対して機械的締結(例えば、圧入等)又は接着によって固定される。なお、図3に例示する固定部材25は、外輪11の一側面側に設けられた切欠11aに圧入される突出部25bを有し、圧入によって外輪11に固定されるが、接着によってもよい。コイル20が固定される外輪11の側面とは、回転軸中心Axと直交する外輪11の側面である。芯材21は、例えば鉄又は鉄を主材料とする合金若しくは化合物のように、中空のコイルに比して導線22の内側の透磁率をより高めることが可能な材料を用いて構成される。導線22は、芯材21に巻回される。導線22は、例えば銅線であるが、導電性を有する他の素材によって構成された導線であってもよい。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration example of the main configuration of the rolling bearing with a sensor. The coil 20 includes a core material 21 and a lead wire 22. The core material 21 is fixed so that the end portion of the core material 21 is in close contact with the side surface of the outer ring 11. Specifically, for example, as shown in FIG. 2, the outer ring 11 and the core material 21 are fixed with an adhesive. Further, as shown in FIG. 3, a fixing member 25 attached to one side surface of the outer ring 11 may be used. The fixing member 25 is, for example, a ring-shaped member having an outer diameter similar to that of the outer ring 11. The fixing member 25 is provided with a hole 25a into which the coil 20 can be inserted so as to be located on the side of the outer ring 11. The coil 20 is fixed to the hole 25a by mechanical fastening (for example, press fitting or the like) or adhesion. The fixing member 25 illustrated in FIG. 3 has a protruding portion 25b that is press-fitted into a notch 11a provided on one side surface side of the outer ring 11, and is fixed to the outer ring 11 by press-fitting, but may be adhered. The side surface of the outer ring 11 to which the coil 20 is fixed is the side surface of the outer ring 11 orthogonal to the center Ax of the rotation axis. The core material 21 is constructed by using a material capable of increasing the magnetic permeability inside the lead wire 22 as compared with a hollow coil, for example, iron or an alloy or compound containing iron as a main material. The lead wire 22 is wound around the core material 21. The conducting wire 22 is, for example, a copper wire, but may be a conducting wire made of another material having conductivity.

外輪11及び芯材21は、導電性を有する。このため、外輪11と芯材21とは電気的に連続している。従って、外輪11は、コイル20の芯材21の電気的特性に影響を与える。このような外輪11と芯材21を含むセンサ付き転がり軸受5は、転がり軸受10に対するラジアル荷重Rの変化に応じて外輪11に固定されているコイル20のインピーダンスが変化する特性を有する。ラジアル荷重Rの変化に応じてコイル20のインピーダンスが変化すると、励磁回路30から印加される交流電流によってコイル20に生じるインダクタンスが変化する。すなわち、ラジアル荷重Rとコイル20のインダクタンスとの間には相関がある。このため、コイル20のインダクタンスからラジアル荷重Rを求めることができる。 The outer ring 11 and the core material 21 have conductivity. Therefore, the outer ring 11 and the core material 21 are electrically continuous. Therefore, the outer ring 11 affects the electrical characteristics of the core material 21 of the coil 20. The rolling bearing 5 with a sensor including the outer ring 11 and the core material 21 has a characteristic that the impedance of the coil 20 fixed to the outer ring 11 changes according to the change of the radial load R with respect to the rolling bearing 10. When the impedance of the coil 20 changes according to the change of the radial load R, the inductance generated in the coil 20 changes due to the alternating current applied from the exciting circuit 30. That is, there is a correlation between the radial load R and the inductance of the coil 20. Therefore, the radial load R can be obtained from the inductance of the coil 20.

図1に示す励磁回路30は、導線22に所定の周波数の交流電圧を印加する。励磁回路30は、図示しない電源装置と接続され、当該電源装置から電力の供給を受けてコイル20の導線22に交流電流を印加する。電流測定回路40は、交流電圧の印加によって導線22に流れた電流を検出する。実施形態の電流測定回路40は、交流電流計として機能する回路である。電圧測定回路50は、交流電圧の印加によって導線22に生じた電圧を検出する。実施形態の電圧測定回路50は、交流電圧計として機能する回路である。コイル20の導線22と、励磁回路30と、電流測定回路40と、電圧測定回路50とは、導線Mを介して電気的に接続され、電気回路を構成している。演算装置60は、導線22に流れた電流と導線22に生じた電圧とに基づいてラジアル荷重Rを算出する。すなわち、演算装置60は、導線22に流れた電流と導線22に生じた電圧とに基づいてコイル20のインダクタンスを算出することで、求められたインダクタンスに対応するラジアル荷重Rを導出する。 The excitation circuit 30 shown in FIG. 1 applies an AC voltage having a predetermined frequency to the lead wire 22. The exciting circuit 30 is connected to a power supply device (not shown), receives power from the power supply device, and applies an alternating current to the lead wire 22 of the coil 20. The current measuring circuit 40 detects the current flowing through the lead wire 22 due to the application of the AC voltage. The current measurement circuit 40 of the embodiment is a circuit that functions as an AC ammeter. The voltage measuring circuit 50 detects the voltage generated in the lead wire 22 by applying the AC voltage. The voltage measuring circuit 50 of the embodiment is a circuit that functions as an AC voltmeter. The lead wire 22 of the coil 20, the exciting circuit 30, the current measuring circuit 40, and the voltage measuring circuit 50 are electrically connected via the lead wire M to form an electric circuit. The arithmetic unit 60 calculates the radial load R based on the current flowing through the conducting wire 22 and the voltage generated in the conducting wire 22. That is, the arithmetic unit 60 derives the radial load R corresponding to the obtained inductance by calculating the inductance of the coil 20 based on the current flowing through the conducting wire 22 and the voltage generated in the conducting wire 22.

励磁回路30によってコイル20に印加される交流電流によって導線22に流れる電流値Iと導線22に生じる電圧値Vとに基づいて、演算装置60は、式(1)を用いてコイル20のインピーダンスZを算出する。なお、電圧値Vは芯材21に巻回された導線22の両端間の電圧である。電圧測定回路50は、芯材21に巻回された導線22の両端間の電圧値Vを検出する。

Figure 2021004816
Based on the current value I flowing through the conducting wire 22 and the voltage value V generated in the conducting wire 22 by the alternating current applied to the coil 20 by the exciting circuit 30, the arithmetic unit 60 uses the equation (1) to determine the impedance Z of the coil 20. Is calculated. The voltage value V is the voltage between both ends of the lead wire 22 wound around the core material 21. The voltage measuring circuit 50 detects the voltage value V between both ends of the conducting wire 22 wound around the core material 21.
Figure 2021004816

励磁回路30からの交流電流の伝送路にコイル20があることで、電流値Iの自己誘導により電圧の位相に対して電流の位相が遅れる。このため、電流値Iと電圧値Vに位相差θが生じる。演算装置60は、電流値Iと電圧値Vの位相差θとインピーダンスZとに基づいて、式(2)を用いてインダクタンスLを算出する。式(2)のfは、交流電流の周波数(所定の周波数)を示す。例えば、f=128[khz]であるが、これに限られるものでなく、適宜変更可能である。位相差θの単位は、[度(°)]である。位相差θは、周波数(f)に応じて同一時間内に生じる電流値Iの変化と電圧値Vの変化に基づいて求められる。例えば、電流値Iの位相は、電圧値Vの位相に対して90度遅れる。

Figure 2021004816
Since the coil 20 is present in the AC current transmission line from the excitation circuit 30, the phase of the current is delayed with respect to the phase of the voltage due to the self-induction of the current value I. Therefore, a phase difference θ is generated between the current value I and the voltage value V. The arithmetic unit 60 calculates the inductance L using the equation (2) based on the phase difference θ of the current value I and the voltage value V and the impedance Z. F in the formula (2) represents the frequency of the alternating current (predetermined frequency). For example, f = 128 [khz], but the present invention is not limited to this, and can be changed as appropriate. The unit of the phase difference θ is [degree (°)]. The phase difference θ is obtained based on the change in the current value I and the change in the voltage value V that occur within the same time according to the frequency (f). For example, the phase of the current value I lags the phase of the voltage value V by 90 degrees.
Figure 2021004816

式(3)に示すように、インダクタンスLの値と、ラジアル荷重Rの値(Fr)との間には相関がある。式(3)のaは、ラジアル荷重Rに対するコイル20の感度に応じて設定される係数である。bは、インダクタンスLの初期値(Fr=0の場合に測定されるインダクタンス)である。a,bは、コイル20が設けられた転がり軸受10に対して加えられるラジアル荷重Rを変化させる事前の実験と測定の結果に基づいて定めることができる。演算装置60は、式(3)から導出される式(4)を用いて、インダクタンスLからラジアル荷重値Frを求めることができる。

Figure 2021004816
As shown in the equation (3), there is a correlation between the value of the inductance L and the value of the radial load R (Fr). A in the formula (3) is a coefficient set according to the sensitivity of the coil 20 with respect to the radial load R. b is an initial value of the inductance L (inductance measured when Fr = 0). a and b can be determined based on the results of prior experiments and measurements that change the radial load R applied to the rolling bearing 10 provided with the coil 20. The arithmetic unit 60 can obtain the radial load value Fr from the inductance L by using the equation (4) derived from the equation (3).
Figure 2021004816

式(3)では,a,bを用いた1次近似による補正式でインダクタンスLとラジアル荷重Rとの相関が示されているが、コイル20の構成条件によっては2次の補正式など条件に応じた補正式とすることができる。 In equation (3), the correlation between the inductance L and the radial load R is shown by the correction equation by first-order approximation using a and b, but depending on the configuration conditions of the coil 20, the condition such as the second-order correction equation may be used. The correction formula can be adjusted accordingly.

以上、演算装置60によるラジアル荷重Rの導出について説明したが、演算装置60は、上述の処理を行うための専用の回路であってもよいし、上述の処理内容を含むソフトウェア・プログラムを実行するコンピュータであってもよい。 Although the derivation of the radial load R by the arithmetic unit 60 has been described above, the arithmetic unit 60 may be a dedicated circuit for performing the above-mentioned processing, or executes a software program including the above-mentioned processing contents. It may be a computer.

なお、電流測定回路40によって検出された電流及び電圧測定回路50によって検出された電圧から演算装置60が電流値I及び電圧値Vを得るための仕組みについては、任意である。例えば、電流測定回路40によって測定された電流及び電圧測定回路50によって測定された電圧は、図示しないA/D変換器又は同様の機能を有する回路を用いてデジタル情報に変換されて演算装置60に入力されるか、係るA/D変換機能を演算装置60が含む。また、電流測定回路40、電圧測定回路50がそれぞれA/D変換機能を有し、デジタル化された電流値I、電圧値Vを演算装置60に出力する構成であってもよい。 The mechanism for the arithmetic unit 60 to obtain the current value I and the voltage value V from the current detected by the current measuring circuit 40 and the voltage detected by the voltage measuring circuit 50 is arbitrary. For example, the current measured by the current measuring circuit 40 and the voltage measured by the voltage measuring circuit 50 are converted into digital information by using an A / D converter (not shown) or a circuit having a similar function to the arithmetic unit 60. The arithmetic unit 60 includes an A / D conversion function to be input or related. Further, the current measurement circuit 40 and the voltage measurement circuit 50 may each have an A / D conversion function, and may be configured to output the digitized current value I and voltage value V to the arithmetic unit 60.

実施形態1によれば、転がり軸受10に加わるラジアル荷重Rに応じたコイル20のインダクタンスLを電流値Iと電圧値Vとに基づいて算出してインダクタンスLに応じたラジアル荷重Rを導出することができる。すなわち、インダクタンスLを電流値Iと電圧値Vから求めることができるため、より高精度にインダクタンスL及びインダクタンスLに応じたラジアル荷重Rを求めることができる。また、外輪11の径方向の外周側に圧力検出用のセンサ及びリファレンス用のセンサを設けるためのスペースを必要とせず、外輪11の回転軸中心Axが延びる方向にコイル20を設けることが可能であればラジアル荷重Rを求めることができる。また、リファレンス用のセンサ、ロードセル、ひずみゲージアンプ等を用いた高価なシステムを必要とせず、より簡易な構成でラジアル荷重Rを求めることができる。 According to the first embodiment, the inductance L of the coil 20 corresponding to the radial load R applied to the rolling bearing 10 is calculated based on the current value I and the voltage value V, and the radial load R corresponding to the inductance L is derived. Can be done. That is, since the inductance L can be obtained from the current value I and the voltage value V, the radial load R corresponding to the inductance L and the inductance L can be obtained with higher accuracy. Further, it is possible to provide the coil 20 in the direction in which the center Ax of the rotation axis of the outer ring 11 extends without requiring a space for providing the pressure detection sensor and the reference sensor on the outer peripheral side in the radial direction of the outer ring 11. If there is, the radial load R can be obtained. Further, the radial load R can be obtained with a simpler configuration without the need for an expensive system using a reference sensor, a load cell, a strain gauge amplifier, or the like.

(実施形態2)
図4は、実施形態2の荷重算出システム1Aが備える2つのコイル20のピッチ角度P2と転がり軸受10が有する複数の転動体13の所定のピッチ角度P1との関係を示す図である。転がり軸受10が有する複数の転動体13のうち円周方向に隣り合う2つの転動体13の回転軸中心Axを中心とするピッチ角度は、保持器14によって規定された所定のピッチ角度P1である。図4に示す例では、転動体13aと転動体13bが円周方向に隣り合っており、回転軸中心Axを中心とするピッチ角度が所定のピッチ角度P1である。転動体13aと転動体13bに限らず、転動体13bと転動体13cを含めて、図示しない円周方向に隣り合う2つの転動体13同士のピッチ角度は、所定のピッチ角度P1である。例えば、1つの転がり軸受10が有する転動体13の数が8である場合、所定のピッチ角度P1は、45度(°)である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the pitch angles P2 of the two coils 20 included in the load calculation system 1A of the second embodiment and the predetermined pitch angles P1 of the plurality of rolling elements 13 included in the rolling bearing 10. The pitch angle centered on the rotation axis center Ax of the two rolling elements 13 adjacent to each other in the circumferential direction among the plurality of rolling elements 13 included in the rolling bearing 10 is a predetermined pitch angle P1 defined by the cage 14. .. In the example shown in FIG. 4, the rolling elements 13a and the rolling elements 13b are adjacent to each other in the circumferential direction, and the pitch angle centered on the rotation axis center Ax is a predetermined pitch angle P1. The pitch angle between the two rolling elements 13 adjacent to each other in the circumferential direction, including the rolling elements 13b and the rolling elements 13c, is a predetermined pitch angle P1, not limited to the rolling elements 13a and the rolling elements 13b. For example, when the number of rolling elements 13 included in one rolling bearing 10 is 8, the predetermined pitch angle P1 is 45 degrees (°).

実施形態2では、1つの転がり軸受10に2つのコイル20が設けられている。図4では、回転軸中心Axを中心とする円周方向の配置が異なる2つのコイル20を区別する目的で、一方の符号の末尾にaを付し、他方の符号の末尾にbを付している。回転軸中心Axを中心として隣り合うコイル20aとコイル20bのピッチ角度P2は、所定のピッチ角度P1の半分の角度である。コイル20aとコイル20bは、回転軸中心Axを中心とする円周方向の配置が異なる点を除いて共通の構成であり、上述のコイル20と同様である。 In the second embodiment, one rolling bearing 10 is provided with two coils 20. In FIG. 4, for the purpose of distinguishing two coils 20 having different arrangements in the circumferential direction centered on the center Ax of the rotation axis, a is added to the end of one code and b is added to the end of the other code. ing. The pitch angle P2 of the coil 20a and the coil 20b adjacent to each other about the center Ax of the rotation axis is half the angle of the predetermined pitch angle P1. The coil 20a and the coil 20b have the same configuration as the coil 20 described above, except that the arrangement in the circumferential direction about the center Ax of the rotation axis is different.

図5は、2つのコイル20a,20bの各々のインダクタンスLa,Lb及びその合成インダクタンスLcと、転がり軸受10に対するラジアル荷重Rとの関係を模式的に示すグラフである。 FIG. 5 is a graph schematically showing the relationship between the respective inductances La and Lb of the two coils 20a and 20b and their combined inductance Lc and the radial load R on the rolling bearing 10.

転動体13は、外輪11と内輪12の相対的な回転に伴って回転軸中心Axを中心として円周方向に公転運動をする。このため、コイル20と転動体13との位置関係は、外輪11と内輪12の相対的な回転に伴って変化する。 The rolling element 13 revolves in the circumferential direction around the center Ax of the rotation axis as the outer ring 11 and the inner ring 12 rotate relative to each other. Therefore, the positional relationship between the coil 20 and the rolling element 13 changes with the relative rotation of the outer ring 11 and the inner ring 12.

実施形態の転動体13は、磁性体である。これは、転動体13の材料に軸受鋼等の磁性体が用いられるためである。コイル20と転動体13との位置関係が外輪11と内輪12の相対的な回転に伴って変化すると、転動体13がコイル20に与える磁気的な影響の度合いが変化する。このような磁気的な影響の度合いの変化によって、図5のインダクタンスLa,Lbのように、1つのコイル20の電流値Iと電圧値Vから求められるインダクタンスLは、サインカーブのような波形を描きながら、ラジアル荷重Rの増大(又は減少)に伴って全体的に増加(又は減少)していく。すなわち、1つのコイル20のインダクタンスLは、理想的にはラジアル荷重Rの増大(又は減少)に伴って一次関数的に増大(又は減少)するはずであるにも関わらず、転動体13がコイル20に与える磁気的な影響の度合いによってサインカーブのような波形を描きながら増大(又は減少)する。このように、転動体13とコイル20との位置関係の変化は、インダクタンスLとラジアル荷重Rとの関係に誤差をもたらす。 The rolling element 13 of the embodiment is a magnetic material. This is because a magnetic material such as bearing steel is used as the material of the rolling element 13. When the positional relationship between the coil 20 and the rolling element 13 changes with the relative rotation of the outer ring 11 and the inner ring 12, the degree of magnetic influence of the rolling element 13 on the coil 20 changes. Due to such a change in the degree of magnetic influence, the inductance L obtained from the current value I and the voltage value V of one coil 20 has a waveform like a sine curve as shown in the inductances La and Lb in FIG. While drawing, it increases (or decreases) as a whole as the radial load R increases (or decreases). That is, although the inductance L of one coil 20 should ideally increase (or decrease) linearly with an increase (or decrease) of the radial load R, the rolling element 13 is a coil. It increases (or decreases) while drawing a waveform like a sine curve depending on the degree of magnetic influence on 20. As described above, the change in the positional relationship between the rolling element 13 and the coil 20 causes an error in the relationship between the inductance L and the radial load R.

インダクタンスLa,Lbの各々が示すインダクタンスLとラジアル荷重Rとの関係は、波形の振幅分が正しいラジアル荷重Rを求めるうえでの誤差になってしまう。複数回のタイミングで電流値Iと電圧値Vを検出し、それぞれのタイミングの電流値Iと電圧値Vに基づいて算出されたインダクタンスLの移動平均線L1,L2を求め、その中間値としての合成インダクタンスLcを導出することで誤差の影響を低減することも可能である。しかしながら、この方法では電流値Iと電圧値Vを複数回検出するまでラジアル荷重Rの算出精度を上げることが難しいことによるタイムラグが生じることになる。すなわち、移動平均のみではラジアル荷重Rのセンシングに関する応答速度を向上させることが困難である。 The relationship between the inductance L and the radial load R indicated by each of the inductances La and Lb becomes an error in obtaining the correct radial load R for the amplitude of the waveform. The current value I and the voltage value V are detected at a plurality of timings, and the moving average lines L1 and L2 of the inductance L calculated based on the current value I and the voltage value V at each timing are obtained, and the intermediate values thereof are used. It is also possible to reduce the influence of error by deriving the combined inductance Lc. However, in this method, it is difficult to improve the calculation accuracy of the radial load R until the current value I and the voltage value V are detected a plurality of times, which causes a time lag. That is, it is difficult to improve the response speed related to the sensing of the radial load R only by the moving average.

これに対し、実施形態2によれば、回転軸中心Axを中心として隣り合うコイル20aとコイル20bのピッチ角度P2は、所定のピッチ角度P1の半分の角度である。このため、ピッチ角度P2の範囲内に転動体13の中心がある場合を考えると、コイル20aとコイル20bのうち一方から転動体13が遠ざかる場合、他方と転動体13とは近づく。コイル20aとコイル20bのうち一方と転動体13との距離が最短である場合、他方は、転動体13との距離が最長である。このようなコイル20a,20bと転動体13との位置関係によって、コイル20aとコイル20bのうち一方のインダクタンスLとラジアル荷重Rとの関係がインダクタンスLaのようになる場合、他方のインダクタンスLとラジアル荷重Rとの関係は、インダクタンスLbのようになる。従って、コイル20a,20bの各々のインダクタンスLa,Lbを足し合わせて2で割った合成インダクタンスLcは、インダクタンスLとラジアル荷重Rとの関係を示すグラフが実質的に理想的な一次直線を描く。 On the other hand, according to the second embodiment, the pitch angle P2 of the coil 20a and the coil 20b adjacent to each other about the center Ax of the rotation axis is half the angle of the predetermined pitch angle P1. Therefore, considering the case where the center of the rolling element 13 is within the range of the pitch angle P2, when the rolling element 13 moves away from one of the coil 20a and the coil 20b, the other and the rolling element 13 come close to each other. When one of the coil 20a and the coil 20b has the shortest distance to the rolling element 13, the other has the longest distance to the rolling element 13. When the relationship between the inductance L of one of the coils 20a and the coil 20b and the radial load R becomes like the inductance La due to the positional relationship between the coils 20a and 20b and the rolling element 13, the other inductance L and the radial The relationship with the load R is like the inductance Lb. Therefore, the combined inductance Lc, which is the sum of the inductances La and Lb of the coils 20a and 20b and divided by 2, draws a substantially ideal linear line in the graph showing the relationship between the inductance L and the radial load R.

以上、特筆した事項を除いて、実施形態2の荷重算出システム1Aは、実施形態1の荷重算出システム1と同様である。実施形態2によれば、回転軸中心Axを中心として隣り合うコイル20aとコイル20bのピッチ角度P2を所定のピッチ角度P1の半分の角度にすることで、転がり軸受10の回転の有無及び回転角度による影響を抑制してより高精度にラジアル荷重Rを導出することができる。すなわち、実施形態のセンサ付き転がり軸受5Aによれば、転動体13の位置に関わらず安定してラジアル荷重Rを求めるための情報を得ることができる。 As described above, the load calculation system 1A of the second embodiment is the same as the load calculation system 1 of the first embodiment, except for the matters specially mentioned. According to the second embodiment, by setting the pitch angle P2 of the coil 20a and the coil 20b adjacent to each other about the rotation axis center Ax to half the predetermined pitch angle P1, the presence or absence of rotation and the rotation angle of the rolling bearing 10 It is possible to derive the radial load R with higher accuracy by suppressing the influence of the above. That is, according to the rolling bearing 5A with a sensor of the embodiment, it is possible to obtain information for stably obtaining the radial load R regardless of the position of the rolling element 13.

(実施形態3)
図6は、実施形態3の荷重算出システム1Bの主要構成を示すブロック図である。実施形態3では、複数のコイル20は、演算装置60に対して直列に接続される。実施形態3の電流測定回路40と電圧測定回路50は、コイル20毎に設けられる。第1電流測定回路40aは、コイル20aの導線22に流れた電流を検出する。第2電流測定回路40bは、コイル20bの導線22に流れた電流を検出する。第1電圧測定回路50aは、コイル20aの導線22に生じた電圧を検出する。第2電圧測定回路50bは、コイル20bの導線22に生じた電圧を検出する。これら特筆した事項を除き、第1電流測定回路40a、第2電流測定回路40bは、実施形態1の電流測定回路40と同様であり、第1電圧測定回路50a、第2電圧測定回路50bは、実施形態1の電圧測定回路50と同様である。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a block diagram showing a main configuration of the load calculation system 1B of the third embodiment. In the third embodiment, the plurality of coils 20 are connected in series with the arithmetic unit 60. The current measurement circuit 40 and the voltage measurement circuit 50 of the third embodiment are provided for each coil 20. The first current measuring circuit 40a detects the current flowing through the lead wire 22 of the coil 20a. The second current measuring circuit 40b detects the current flowing through the lead wire 22 of the coil 20b. The first voltage measuring circuit 50a detects the voltage generated in the conducting wire 22 of the coil 20a. The second voltage measuring circuit 50b detects the voltage generated in the lead wire 22 of the coil 20b. Except for these special matters, the first current measuring circuit 40a and the second current measuring circuit 40b are the same as the current measuring circuit 40 of the first embodiment, and the first voltage measuring circuit 50a and the second voltage measuring circuit 50b are This is the same as the voltage measuring circuit 50 of the first embodiment.

実施形態3の励磁回路30は、導線Mを介して直列に接続された2つのコイル20に交流電流を印加する。図6では、コイル20aとコイル20bとが励磁回路30に対して直列に接続されている。励磁回路30は、コイル20aとコイル20bに交流電流を印加する。以上、特筆した事項を除いて、実施形態3の荷重算出システム1Bは、実施形態1の荷重算出システム1と同様である。 The excitation circuit 30 of the third embodiment applies an alternating current to two coils 20 connected in series via a lead wire M. In FIG. 6, the coil 20a and the coil 20b are connected in series with the excitation circuit 30. The exciting circuit 30 applies an alternating current to the coils 20a and 20b. As described above, the load calculation system 1B of the third embodiment is the same as the load calculation system 1 of the first embodiment, except for the matters specially mentioned.

実施形態3によれば、1つの励磁回路30で複数のコイル20を励磁することができる。また、このような複数のコイル20に対する交流電流の印加タイミングを特に制御する必要なく、同時に複数のコイル20を励磁することができる。 According to the third embodiment, one excitation circuit 30 can excite a plurality of coils 20. Further, it is not necessary to particularly control the timing of applying the alternating current to the plurality of coils 20, and the plurality of coils 20 can be excited at the same time.

(実施形態4)
図7は、実施形態4の荷重算出システム1Cの主要構成を示すブロック図である。実施形態4の荷重算出システム1Cは、複数のコイル20と、コイル20に設けられた複数の励磁回路30とを備える。また、実施形態4では、複数の励磁回路30による交流電圧の印加タイミングは同期する。なお、実施形態4の第1電流測定回路40a、第2電流測定回路40b及び第1電圧測定回路50a、第2電圧測定回路50bについては、実施形態3と同様である。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a block diagram showing a main configuration of the load calculation system 1C of the fourth embodiment. The load calculation system 1C of the fourth embodiment includes a plurality of coils 20 and a plurality of excitation circuits 30 provided on the coils 20. Further, in the fourth embodiment, the application timings of the AC voltage by the plurality of exciting circuits 30 are synchronized. The first current measurement circuit 40a, the second current measurement circuit 40b, the first voltage measurement circuit 50a, and the second voltage measurement circuit 50b of the fourth embodiment are the same as those of the third embodiment.

実施形態4の励磁回路30は、コイル20毎に設けられる。第1励磁回路30aは、コイル20aの導線22に所定の周波数の交流電圧を印加する。第2励磁回路30bは、コイル20bの導線22に所定の周波数の交流電圧を印加する。これら特筆した事項を除き、第1励磁回路30a、第2励磁回路30bは、実施形態1の励磁回路30と同様である。 The excitation circuit 30 of the fourth embodiment is provided for each coil 20. The first excitation circuit 30a applies an AC voltage having a predetermined frequency to the lead wire 22 of the coil 20a. The second excitation circuit 30b applies an AC voltage of a predetermined frequency to the lead wire 22 of the coil 20b. Except for these special matters, the first exciting circuit 30a and the second exciting circuit 30b are the same as the exciting circuit 30 of the first embodiment.

同期回路70は、第1励磁回路30aによるコイル20aの励磁タイミングと、第2励磁回路30bによるコイル20bの励磁タイミングとが同一のタイミングになるように第1励磁回路30aと第2励磁回路30bの動作を制御する同期処理を行う。具体的形態の一例として、同期回路70は、励磁タイミングの制御に用いられるクロックパルスを第1励磁回路30a及び第2励磁回路30bに出力するクロック回路を含む構成である。第1励磁回路30a及び第2励磁回路30bは、クロックパルスによるタイミング制御下で、それぞれ交流電流を出力する。以上、特筆した事項を除いて、実施形態4の荷重算出システム1Cは、実施形態1の荷重算出システム1と同様である。 In the synchronous circuit 70, the first exciting circuit 30a and the second exciting circuit 30b have the same timing so that the exciting timing of the coil 20a by the first exciting circuit 30a and the exciting timing of the coil 20b by the second exciting circuit 30b are the same. Performs synchronous processing to control the operation. As an example of a specific form, the synchronization circuit 70 includes a clock circuit that outputs a clock pulse used for controlling the excitation timing to the first excitation circuit 30a and the second excitation circuit 30b. The first excitation circuit 30a and the second excitation circuit 30b each output an alternating current under timing control by a clock pulse. As described above, the load calculation system 1C of the fourth embodiment is the same as the load calculation system 1 of the first embodiment, except for the matters specially mentioned.

実施形態4によれば、複数のコイル20を個別に励磁することができる。このため、複数のコイル20のいずれかに生じた電気的変化が他のコイル20に影響を与える可能性をより低減することができる。また、複数の励磁回路30が同期して個別にコイル20を励磁する。このため、同一タイミングのラジアル荷重Rに応じた複数のコイル20のインダクタンスLを得ることができ、より高精度にラジアル荷重Rを求めることができる。 According to the fourth embodiment, the plurality of coils 20 can be individually excited. Therefore, it is possible to further reduce the possibility that an electrical change generated in any of the plurality of coils 20 affects the other coils 20. Further, the plurality of exciting circuits 30 synchronize and individually excite the coil 20. Therefore, the inductances L of the plurality of coils 20 corresponding to the radial load R at the same timing can be obtained, and the radial load R can be obtained with higher accuracy.

実施形態2におけるコイル20a,20bに対する励磁は、実施形態3のように1つの励磁回路30で行ってもよいし、実施形態4のように個別の第1励磁回路30a、第2励磁回路30bで行ってもよい。 The excitation of the coils 20a and 20b in the second embodiment may be performed by one exciting circuit 30 as in the third embodiment, or by the individual first exciting circuit 30a and the second exciting circuit 30b as in the fourth embodiment. You may go.

実施形態3及び実施形態4における2つのコイル20は、実施形態2のように配置された2つのコイル20a,20bであってもよいし、他の配置関係にある2つのコイル20であってもよい。また、実施形態3及び実施形態4では、3つ以上のコイル20を設けてもよい。その場合、実施形態3では、3つ以上のコイル20が励磁回路30に対して直列に接続される。実施形態4では、3つ以上のコイル20にそれぞれ個別に励磁回路30が設けられ、3つ以上の励磁回路30が同期回路70の制御下で同期する。 The two coils 20 in the third and fourth embodiments may be the two coils 20a and 20b arranged as in the second embodiment, or the two coils 20 having other arrangement relationships. Good. Further, in the third embodiment and the fourth embodiment, three or more coils 20 may be provided. In that case, in the third embodiment, three or more coils 20 are connected in series with the excitation circuit 30. In the fourth embodiment, the excitation circuits 30 are individually provided for each of the three or more coils 20, and the three or more excitation circuits 30 are synchronized under the control of the synchronization circuit 70.

実施形態2、実施形態3及び実施形態4のように、複数のコイル20を備える構成では、転がり軸受10に加わるラジアル荷重R以外の荷重も測定可能になる。具体的には、外輪11に対してそれぞれ異なる位置に配置された複数のコイル20のインダクタンスLと、そのような複数のコイル20のインダクタンスLが得られるタイミングに転がり軸受10に加わっているラジアル荷重R、アキシアル荷重、モーメント荷重の有無及び大きさとの相関を予め測定する。測定結果を示すデータを演算装置60から参照可能に記憶、保持することで、演算装置60が算出した複数のコイル20のインダクタンスLと当該データとの照合によって、転がり軸受10に加わっているラジアル荷重R、アキシアル荷重及びモーメント荷重を導出することができる。 In the configuration including the plurality of coils 20 as in the second embodiment, the third embodiment and the fourth embodiment, it is possible to measure a load other than the radial load R applied to the rolling bearing 10. Specifically, the radial load applied to the rolling bearing 10 at the timing when the inductance L of the plurality of coils 20 arranged at different positions with respect to the outer ring 11 and the inductance L of the plurality of coils 20 are obtained. The correlation with R, axial load, presence / absence of moment load, and magnitude is measured in advance. By storing and holding the data indicating the measurement result in a referenceable manner from the arithmetic unit 60, the radial load applied to the rolling bearing 10 by collating the inductance L of the plurality of coils 20 calculated by the arithmetic unit 60 with the data. R, axial load and moment load can be derived.

1,1B,1C 荷重算出システム
10 転がり軸受
11 外輪
12 内輪
13 転動体
14 保持器
20 コイル
21 芯材
22 導線
30 励磁回路
30a 第1励磁回路
30b 第2励磁回路
40 電流測定回路
40a 第1電流測定回路
40b 第2電流測定回路
50 電圧測定回路
50a 第1電圧測定回路
50b 第2電圧測定回路
60 演算装置
70 同期回路
1,1B, 1C Load calculation system 10 Rolling bearing 11 Outer ring 12 Inner ring 13 Rolling element 14 Cage 20 Coil 21 Core material 22 Lead wire 30 Excitation circuit 30a First excitation circuit 30b Second excitation circuit 40 Current measurement circuit 40a First current measurement Circuit 40b Second current measurement circuit 50 Voltage measurement circuit 50a First voltage measurement circuit 50b Second voltage measurement circuit 60 Computing device 70 Synchronous circuit

Claims (3)

転がり軸受と、
前記転がり軸受の回転軸方向と直交する側面に芯材が固定されて導線が巻回されたコイルと、
前記コイルに所定の周波数の交流電圧を印加する励磁回路と、
前記交流電圧の印加によって前記導線に流れた電流を検出する電流検出回路と、
前記交流電圧の印加によって前記導線に生じた電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電流と前記電圧とに基づいて前記転がり軸受に加わるラジアル荷重を算出する演算装置とを備える
荷重算出システム。
Rolling bearings and
A coil in which a core material is fixed and a lead wire is wound on a side surface orthogonal to the direction of rotation of the rolling bearing.
An exciting circuit that applies an AC voltage of a predetermined frequency to the coil,
A current detection circuit that detects the current flowing through the lead wire by applying the AC voltage, and
A voltage detection circuit that detects the voltage generated in the lead wire by applying the AC voltage, and
A load calculation system including an arithmetic unit that calculates a radial load applied to the rolling bearing based on the current and the voltage.
前記コイルは複数設けられ、
複数の前記コイルは、前記励磁回路に対して直列に接続される
請求項1に記載の荷重算出システム。
A plurality of the coils are provided,
The load calculation system according to claim 1, wherein the plurality of the coils are connected in series with the excitation circuit.
複数の前記コイルと、
コイル毎に設けられた複数の前記励磁回路とを備え、
複数の前記励磁回路による前記交流電圧の印加タイミングは同期する
請求項1に記載の荷重算出システム。
With the plurality of the coils
It is equipped with a plurality of the excitation circuits provided for each coil.
The load calculation system according to claim 1, wherein the timing of applying the AC voltage by the plurality of excitation circuits is synchronized.
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