JP2003168182A

JP2003168182A - ワイヤレスセンサ

Info

Publication number: JP2003168182A
Application number: JP2001370090A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takizawa; 岳史滝澤; Ikunori Sakatani; 郁紀坂谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2003-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、電源の交換の頻度が少ないワイヤレ
スセンサを提供する。【解決手段】本発明のワイヤレスセンサ１は、検出部１
０と制御部１１と送信部１２と熱発電素子を含む電源８
とを備える。検出部１０は、振動や温度などの検出対象
を検出する。制御部１１は、検出部１０で検出された信
号を処理する。送信部１２は、この制御部１１に制御さ
れて無線で信号を送信する。電源８は、その熱発電素子
において温度差によって発電した電力を検出部１０と制
御部１１と送信部１２に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械、産業機
械、車両などに用いられる軸受、ボールねじ、リニアガ
イドなどの転がり装置の運転状態を監視するため、検出
対象を検出して無線で出力するワイヤレスセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】工作機械、産業機械、車両などには、回
転運動を円滑にする転がり軸受や、直線運動を円滑にす
るボールねじやリニアガイドなどの直動装置が設けられ
ている。転がり軸受や直動装置など、転動体を介して相
対運動する転がり装置には、それぞれの運転状態を監視
するために、別途用意されたセンサが取付けられる。

【０００３】センサは、転がり装置の運転状態を評価す
るために変位、回転、振動、温度などを検出する。各セ
ンサは、有線で、電源から電力が供給され、データ収集
装置あるいは記録装置などへ信号を出力する。

【０００４】また、センサに一次電池で電力を供給して
検出信号をワイヤレスで出力するワイヤレスセンサが、
発明者等により試みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電力の供給や信号の出
力が有線で行われるセンサは、このセンサから電源ある
いはデータ収集装置や記録装置などまで配線される。こ
のようなセンサは、取付けるときや、メンテナンスなど
でセンサの周辺を分解・組立する必要があるときなど、
配線することに伴なう時間と費用がかかる。また、固定
部と可動部とに跨って配線されると、センサの配線は、
繰返し捩れたり曲げられたりすることによって、断線す
る恐れがある。

【０００６】一次電池を電源として備えてワイヤレスで
出力するワイヤレスセンサは、前述のような断線を防止
することができる。しかし、このワイヤレスセンサは、
電源として一次電池を使用しているため、電力の消耗に
伴ない一次電池をいずれは交換しなければならない。

【０００７】そこで、本発明は、電源の交換の頻度が少
ないワイヤレスセンサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のワイヤレスセン
サは、検出対象を検出する検出部と、この検出部で検出
された信号を処理する制御部と、この制御部に制御され
て無線で信号を送信する送信部と、温度差によって発電
した電力を検出部、制御部、送信部に供給する電源とを
備える。

【０００９】また、検出部と制御部と送信部とに安定し
た電力を供給するために、電源が発電した電力を蓄電す
る二次電池を備える。そして、検出部と制御部と送信部
への電力の供給と、二次電池への蓄電と、二次電池から
の放電とを制御する電源制御部を備える。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態のワイヤ
レスセンサ１について、図１から図３を参照して説明す
る。図１に示すワイヤレスセンサ１は、スピンドルユニ
ット２に取付けられている。スピンドルユニット２は、
ハウジング３と、回転軸４と、軸受５とを備えている。
軸受５は、例えばアンギュラ玉軸受であって、回転軸４
の軸線に沿う方向に互いに鏡面対称の関係、いわゆる背
面組合せの関係、かつ、互いに離れて配置されている。
各軸受５は、ハウジング３と回転軸４の間に配置され、
回転軸４をハウジング３に対して回転可能に支持してい
る。

【００１１】ワイヤレスセンサ１は、図２に示すよう
に、ハウジング３に固定される固定板６と、この固定板
６に取付けられる本体７および電源８と、本体７および
電源８を覆う外殻９とを備えている。

【００１２】本体７は、図３に示すように、検出部１０
と制御部１１と送信部１２と電源制御部１３とを備えて
いる。また、本体７には、送信部１２に接続されている
アンテナ１４が外殻９を貫通して設けられている。検出
部１０は、検出対象となる振動や温度などを検出する。
制御部１１は、検出部１０で検出された信号を処理し、
適宜、送信部１２に対して送信指令信号を出力する。送
信部１２は、制御部１１の送信指令信号によって制御さ
れ、アンテナ１４から送信指令信号に基く情報などを無
線で出力する。電源制御部１３は、熱発電素子８によっ
て発電された電力を検出部１０、制御部１１、送信部１
２に供給する。

【００１３】電源８は、温度差によって発電する熱発電
素子を含み、この素子が発電した電力を検出部１０、制
御部１１、送信部１２に供給する。熱発電素子は、ワイ
ヤレスセンサ１の動作に必要な電力をゼーベック効果に
より発電することが可能な素子であればよい。熱発電素
子は、例えば、Ｐ型半導体とＮ型半導体を交互に直列接
続した要素を複数備えている。各要素は、熱発電素子の
第１の面にＰ型半導体とＮ型半導体とを接続したＰＮ接
合部が配置され、第１の面の裏面側となる第２の面に各
要素の両端部が配置されるように整列させて並べられて
いる。熱発電素子の第１の面と第２の面とをそれぞれ異
なる温度に保つと、安定して電力を発電する。各要素同
士は、直列に接続することで発電される電圧が大きくな
り、並列に接続することで発電される電流が大きくな
る。なお、各要素同士の接合部もまたＰ型半導体とＮ型
半導体を接合したＰＮ接合である。したがって、この熱
発電素子は、第１の面と第２の面のいずれか一方から入
熱し、他方から放熱するように配置する。以降、熱発電
素子の入熱される面を入熱面８ａ、放熱される面を放熱
面８ｂとする。

【００１４】一般にスピンドルユニットなど、機械装置
や車両の可動部は、運転中に摩擦などによって発熱す
る。そこで、図２に示すように熱発電素子は、入熱面８
ａをスピンドルユニット２側の固定板６に接して取付け
られる。固定板６と入熱面８ａの間に隙間が生じると伝
熱効率が低下するので、シリコーングリースや熱結合シ
ールなどを入熱面８ａと固定板６の間に充填することに
よって、熱伝導を良くすることが好ましい。

【００１５】以上のように取付けられた電源８は、スピ
ンドルユニット２に面する熱発電素子の入熱面８ａから
熱が供給されるとともに、放熱面８ｂから放熱する。熱
発電素子は、入熱面８ａと放熱面８ｂとの間に生じた温
度差によって発電する。なお、この熱発電素子の具体的
な一例として、ペルチェ素子が知られている。

【００１６】固定板６は、スピンドルユニット２が運転
中に発生する転がり摩擦などの熱を効率よく熱発電素子
８に伝えるために、スピンドルユニット２の外面２ａと
密着するように固定する。具体的には、固定板６とスピ
ンドルユニット２の外面２ａとの間に、シリコーングリ
ースや熱結合シールのなどを充填する、熱伝導性の大き
い樹脂を充填する、ガスケットなどを挟む、磨り合せ加
工を施す、など、熱伝導を良くするために、互いに接す
る面の接触面積が広くなるように、かつ、直接的に固定
することが好ましい。そして、固定板６には、例えば銅
やアルミニウムなど熱伝導率の大きい材質を使用するこ
とが好ましい。

【００１７】以上のように構成されたワイヤレスセンサ
１は、スピンドルユニット２が発生する熱を利用して発
電する熱発電素子を有した電源８を採用しているので、
この電源８を取替る必要がない。

【００１８】次に、本発明の第２の実施形態のワイヤレ
スセンサ２１について、図４及び図５を参照して説明す
る。なお、第１の実施形態のワイヤレスセンサ１と同じ
構成については、同一の符号を付してその説明を省略す
る。図４に示すワイヤレスセンサ２１は、固定板６と、
本体２２と、電源８と外殻９とアンテナ１４と、冷却部
材２３とを備えている。固定板６は、被検出対象となる
部位、例えば第１の実施形態で示したスピンドルユニッ
ト２の外面２ａに密着固定される。本体２２と電源８
は、固定板６に取付けられている。外殻９は、本体２２
と電源８を覆うように固定板６に取付けられている。ア
ンテナは、本体２２から外殻９を貫通して設けられてい
る。冷却部材２３は、電源８が有する熱発電素子の放熱
面８ｂに取付けられて、熱発電素子の放熱面８ｂの放熱
を促進させる。

【００１９】この冷却部材２３として、例えば、ヒート
シンクやヒートパイプなどがある。電源８の熱発電素子
から冷却部材２３への伝熱効率をよくするために、冷却
部材２３と放熱面８ｂの間にシリコーングリースや熱結
合シールなどを充填することで、熱伝導を良くするとよ
い。また、冷却部材２３を外殻９の外面９ａに露出させ
て設けると、効果的に熱発電素子の放熱面８ｂを冷却す
ることができる。熱発電素子の入熱面８ａと放熱面８ｂ
の温度差を維持するために、外殻９を熱絶縁部材とする
か、冷却部材２３と外殻９の間に互いを熱的に絶縁する
熱絶縁部材を介在させることが望ましい。

【００２０】図５に示すように、ワイヤレスセンサ２１
は、検出部１０、制御部１１、送信部１２、電源制御部
２４、二次電池２５、充電回路２６を本体２２に備えて
いる。電源制御部２４は、熱発電素子を含む電源８によ
って発電された電力を検出部１０、制御部１１、送信部
１２に供給するとともに、電源８で発電された電力のう
ちの余剰電力を二次電池２５に蓄電するように制御す
る。また、電源制御部２４は、電源８の電力が不足する
場合、その不足分を二次電池２５に蓄えた電力で補う。
充電回路２６は、二次電池２５に蓄電された電力の逆流
を防止するダイオードや、二次電池２５への過充電を防
止する機能などを備えている。

【００２１】以上のように構成されたワイヤレスセンサ
２１は、電源８の熱発電素子で発電された電力のうちの
余剰電力を二次電池２５に蓄電する。そして、熱発電素
子が発電する電力よりも大きい電力をワイヤレスセンサ
２１において必要とするときに、二次電池２５に蓄えた
電力を放電し、不足する電力を補う。したがって、ワイ
ヤレスセンサ２１は、安定した動作を維持することがで
きる。

【００２２】また、第１及び第２の実施形態のワイヤレ
スセンサ１，２１は、熱発電素子を有した電源８を使用
し、検出信号を無線で送信するので、電力を供給するた
めの配線や、検出した信号を出力するための配線が不要
である。したがって、頻繁に機械装置から脱着されるス
ピンドルユニットや加工ヘッドなどに設けられる振動や
温度などを検出するセンサとして、ワイヤレスセンサ
１，２１は、適している。また、転がり軸受の回転側
や、直動装置の可動側にも容易に適用することができ
る。

【００２３】なお、第１及び第２の実施形態において、
ワイヤレスセンサ１，２１をスピンドルユニット２のハ
ウジング３に取付けて説明したが、転がり軸受や直動装
置に直接取付けてもよい。電源８の熱発電素子の入熱面
８ａと放熱面８ｂの温度差が不充分で、必要とする電圧
に達しない場合、別途昇圧回路を設けるとよい。また、
ワイヤレスセンサ１，２１に一次電池を設け、電源８の
熱発電素子から出力される電力が安定するまでの間や、
二次電池２５に充分な電力が蓄電されるまでの間、電源
制御部１３，２４でこの一次電池から電力を供給するよ
うに制御すると、より安定した動作を得ることができ
る。

【００２４】

【発明の効果】本発明のワイヤレスセンサによれば、熱
発電素子を備える電源を用いたので、電源の交換の頻度
が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のワイヤレスセンサを
スピンドルユニットに取付けた状態を示す断面図。

【図２】図１中のＦ２部を拡大して示すワイヤレスセン
サの断面図。

【図３】図１のワイヤレスセンサのブロック図。

【図４】本発明の第２の実施形態のワイヤレスセンサを
示す断面図。

【図５】図４のワイヤレスセンサのブロック図。

【符号の説明】

１，２１…ワイヤレスセンサ８…電源１０…検出部１１…制御部１２…送信部２４…電源制御部２５…二次電池

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出対象を検出する検出部と、この検出部で検出された信号を処理する制御部と、この制御部に制御されて無線で信号を送信する送信部
と、温度差によって発電した電力を前記検出部、前記制御
部、前記送信部に供給する電源とを備えたことを特徴と
するワイヤレスセンサ。
【請求項２】前記電源が発電した電力を蓄電する二次電
池を備えることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレ
スセンサ。
【請求項３】前記検出部と前記制御部と前記送信部への
電力の供給と、前記二次電池への蓄電と、前記二次電池
からの放電とを制御する電源制御部を備えることを特徴
とする請求項２に記載のワイヤレスセンサ。