JP2004127276A - ワイヤレスセンサシステムおよびワイヤレスセンサ付軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　検出対象を、振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧とするセンサシステムでありながら、軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ何時でも通信が可能なワイヤレスセンサシステムを提供する。
【解決手段】　このワイヤレスセンサシステムは、ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂとセンサ信号受信機５とを備える。ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂは、検出対象を検出するセンサ部６Ａ，６Ｂと、このセンサ部６Ａ，６Ｂの出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部９Ａ，９Ｂと、上記センサ部６Ａ，６Ｂおよびセンサ信号送信部９Ａ，９Ｂを駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部８Ａ，８Ｂとを備える。センサ信号受信機５は、センサ信号受信部１３と給電電力送信部１２とを有する。上記センサ部６Ａ，６Ｂとして、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つを設ける。
【選択図】　　　図１

Description

　この発明は、各種のセンサ信号、例えば各種機械設備や自動車における車輪用軸受装置に設けられたセンサの信号をワイヤレスで送信するようにしたワイヤレスセンサシステムおよびワイヤレスセンサ付軸受装置に関する。

　自動車や、各種産業機械等において、種々のセンサを設けることで、各部の温度、振動等の各種の検出対象を検出し、機器の制御や状態管理等に用いられている。このようなセンサの出力は、一般的には有線で検出信号を送信するが、適切な配線場所が得難い場合がある。そのような場合に、検出信号を電磁波で送信するようにしたワイヤレスセンサシステムが用いられている。送信機は、小型電池を備えたものとされている。

　また、一方で、回転センサにより車輪回転数を検出して車両の制動制御を行うＡＢＳ（Anti-lock Brake System）では、センサ電線の破損の防止や、組立コストの低減を図るために、電池を電源として回転センサの検出信号を電磁波などとして送信するワイヤレス式のもの（例えば特許文献１）が提案されている。この種の回転センサの代表例では、多極の回転発電機を利用して、自己発電によるセンサ用電力および送信機用電力の供給と回転数検出を同時に行うことで、車体から回転数センサへ電力供給を行うことなく、コンパクトに構成されている（例えば特許文献２）。
特開２００２−１５１０９０ 特開２００２−５５１１３

　上記の電池を電源としたワイヤレスセンサシステムでは、電池に寿命があり、消耗に応じて電池交換の必要があって、電池の寿命管理が煩わしい。電池の処分に伴う環境の問題もある。
　上記の自己発電を行うものは、回転センサを兼用するものであり、回転検出以外の検出対象、例えば温度検出等の場合には適用することができない。
　このように、ワイヤレスセンサシステムでは、その電源の確保が課題となっている。特に、回転センサ以外のセンサでは、その各センサやセンサ信号送信部の電源確保が、より一層難しくなっている。

　この発明の目的は、検出対象を、振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧とするセンサシステムでありながら、軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ何時でも通信が可能なワイヤレスセンサシステムを提供することである。
　この発明の他の目的は、上記検出対象を検出する複数のワイヤレスセンサユニットに対して動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能で、ワイヤレスセンサユニットを軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ何時でも通信が可能なシステムとすることである。
　この発明のさらに他の目的は、上記いずれかの検出対象の検出が可能で、かつセンサ部に対する動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能であって、軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ何時でも通信が可能なワイヤレスセンサ付軸受装置、およびワイヤレスセンサ付車輪用軸受装置を提供することである。

　この発明ワイヤレスセンサシステムは、検出対象を検出するセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）と、これらセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）と、上記センサ部（６Ａ〜６Ｅ）およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（８Ａ，８Ｂ，８）と、上記センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）で送信されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信部（１３，１３Ａ）と、上記電力受信部（８Ａ，８Ｂ，８）へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部（１２）とを備える。上記センサ部（６Ａ〜６Ｅ）は、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、および軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つとする。センサ信号および動作電力のワイヤレスの送受信は、電磁波による他に、磁気結合や、光、超音波等を用いた送受信であっても良く、ワイヤレスで送受信できれば良い。
　この構成によると、センサ部（６Ａ〜６Ｅ）、およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）は、動作電力がワイヤレスで供給されるので、センサ部（６Ａ〜６Ｅ）等の動作電力として電池や発電機をセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）等に付加する必要がなく、コンパクトで軽量に構成でき、電池交換が不要なためメンテナンスも容易となる。検出対象が、振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧であり、発電手段をセンサ部に兼用させることができないが、ワイヤレス給電によって配線を不要化できる。また、自己発電を行うものと異なり、適用機器の動作状態にかかわらずに何時でも検出および送受信が可能である。

　この発明における他のワイヤレスセンサシステムは、検出対象を検出する複数のセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）と、これらセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）と、上記センサ部（６Ａ〜６Ｅ）およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（８Ａ，８Ｂ，８）と、上記センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）で送信されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信部（１３）と、上記電力受信部（８Ａ，８Ｂ，８）へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部（１２）とを備え、上記センサ部（６Ａ〜６Ｅ）に、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする。
　この構成の場合、複数設けられる各センサ部（６Ａ〜６Ｅ）に対して、動作電力がワイヤレスで供給でき、かつセンサ信号もワイヤレスで送信できる。

　センサ部（６Ａ〜６Ｅ）を複数設ける場合に、上記センサ信号受信部（１３）は、上記センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）により送信される複数のセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）のセンサ信号の受信が可能なものとし、上記給電電力送信部（１２）は、上記センサ信号受信部（１３）を有するセンサ信号受信機（５，５Ａ）に設けられたものとしても良い。
　この構成の場合、複数のセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）からのセンサ信号の受信と、ワイヤレスの給電電力の送信を共通のセンサ信号受信機（５，５Ａ）から行うものとしたため、ワイヤレスセンサシステムの全体が簡単な構成となる。

　この発明において、複数のワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）を設け、それぞれのワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）が、上記センサ部（６Ａ，６Ｂ）、センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ）、および電力受信部（８Ａ，８Ｂ）を有するものとしても良い。ワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）は、これらセンサ部（６Ａ，６Ｂ）、センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ）、および電力受信部（８Ａ，８Ｂ）が、１組のものとして取扱えるものであれば良いが、一体物として取扱可能とされたものであっても良い。例えば、ワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）は、上記センサ部（６Ａ，６Ｂ）、センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ）、および電力受信部（８Ａ，８Ｂ）が共通の筐体や基盤等に設けられたものであっても良く、また例えばセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ）および電力受信部（８Ａ，８Ｂ）が一体化された送受信ユニットとされ、センサ部（６Ａ，６Ｂ）はその送受信ユニットに配線接続されたものとしても良い。
　この構成の場合、複数設けられる各ワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）が、それぞれセンサ部（６Ａ，６Ｂ）、センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ）、および電力受信部（８Ａ，８Ｂ）を有し、独立してセンサ信号送信および電力受信が行えるため、これらワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）を互いに離して設置でき、ワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）の配置の自由度が高く得られる。

　この発明において、実施形態に対応する図１０に示すように、上記センサ部（６Ｃ〜６Ｅ）、センサ信号送信部（９）、および電力受信部（８）を有する一つのワイヤレスセンサユニット（４）を設け、このワイヤレスセンサユニット（４）に上記センサ部（６Ｃ〜６Ｅ）を複数設け、上記センサ信号送信部（９）はこれら複数のセンサ部（６Ｃ〜６Ｅ）のセンサ信号を送信するものとしても良い。
　この構成の場合、複数のセンサ部（６Ｃ〜６Ｅ）のセンサ信号を一つのセンサ信号送信部（９）で送信できるため、構成がより一層簡単で、コンパクト化される。

　この発明のワイヤレスセンサシステムは、上記センサ部（６Ｃ〜６Ｅ）を軸受に設置したものであっても良い。また、実施形態に対応する図４または図５に示すように、ワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）を複数設ける場合に、それら複数のワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）を、機械設備（５３）における各々異なる軸受（５１，５２）に設置しても良い。上記機械設備（５３）は、工場内に設置される機械、例えば産業機械や工作機械、運搬機械等であっても良く、また鉄道車両または自動車等であっても良い。上記軸受（５１，５２）は転がり軸受等である。例えば、上記機械設備（５３）がコンベヤラインであって、各ワイヤレスセンサユニット（４Ａ，４Ｂ）を設置する軸受（５１，５２）が、個々のコンベヤの駆動ローラ支持用軸受等であっても良い。

　この発明のワイヤレスセンサ付軸受装置は、軸受に、検出対象を検出するセンサ部（６Ａ，６Ｂ）と、このセンサ部（６Ａ，６Ｂ）の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ）と、上記センサ部（６Ａ，６Ｂ）およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ）を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（８Ａ，８Ｂ）とを設け、上記センサ部が、上記軸受の振動を検出する振動センサ、上記軸受の温度を検出する温度センサ、上記軸受に作用する荷重を検出する荷重センサ、上記軸受にかかるトルクを検出するトルクセンサ、および上記軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つであることを特徴とする。
　この構成の軸受によると、検出対象を、振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧としながら、センサ部（６Ａ，６Ｂ）に対して動作電力の供給とセンサ信号の受信が可能であって、軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ軸受が停止状態であっても通信が可能である。センサ信号受信部（１３）により受信したセンサ信号として得られる振動、温度、荷重、トルク、予圧等の検出結果は、例えば軸受の異常検出や寿命管理等に利用される。

　この発明における車輪用軸受装置（３３）は、複列の軌道面を有する外方部材（１）と、上記軌道面に対向する軌道面を有する内方部材（２）と、対向する両列の軌道面間に介在した複数の転動体（３）とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置（３３）において、
　検出対象を検出するセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）と、これらセンサ部（６Ａ〜６Ｅ）の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）と、上記センサ部（６Ａ〜６Ｅ）およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（８Ａ，８Ｂ，８）と、上記センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）で送信されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信部（１３）と、上記電力受信部（８Ａ，８Ｂ，８）へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部（１２）とを備え、上記センサ部（６Ａ〜６Ｅ）として、上記軸受の振動を検出する振動センサ、上記軸受の温度を検出する温度センサ、上記軸受に作用する荷重を検出する荷重センサ、上記軸受にかかるトルクを検出するトルクセンサ、および上記軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする。
　この構成の車輪用軸受装置（３３）によると、検出対象を振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧としながら、センサ部（６Ａ，６Ｂ）に対して動作電力の供給とセンサ信号の受信が可能であって、軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ軸受が停止状態であっても通信が可能なものとなる。

　この発明のワイヤレスセンサシステムは、検出対象を検出するセンサ部と、これらセンサ部の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部と、上記センサ部およびセンサ信号送信部を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部と、上記センサ信号送信部で送信されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信部と、上記電力受信部へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部とを備え、上記センサ部が、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、および軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つであるため、検出対象を、振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧とするセンサシステムでありながら、センサ部に対する動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能であって、軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ何時でも通信が可能なテステムとできる。

　この発明のワイヤレスセンサ付軸受装置およびワイヤレスセンサ付車輪用軸受装置は、検出対象を、振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧としながら、センサ部に対する動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能であって、軽量，コンパクトな構成とでき、またメンテナンスが容易で、かつ軸受動作状態にかかわらずに何時でも通信が可能なものとなる。

　この発明の第１の実施形態を図面と共に説明する。図１に示すように、このワイヤレスセンサシステムは、ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂと、このワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対してワイヤレスで電力を供給しかつ各センサ信号を受信するセンサ信号受信機５とを備える。ワイヤレスセンサユニットの個数は特に制限がないが、図１は２個の場合を示している。

　各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂは、それぞれセンサ部６Ａ，６Ｂと、送受信部７Ａ，７Ｂとからなる。センサ部６Ａ，６Ｂは、検出対象の検出を行う手段であって、複数設けられるセンサ部６Ａ，６Ｂに、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、および軸受の予圧を検出する予圧センサのうちの少なくとも一つを含む。残りのセンサ部６Ａ，６Ｂは、回転センサであっても良い。送受信部７Ａ，７Ｂは、それぞれ電力受信部８Ａ，８Ｂと、センサ信号送信部９Ａ，９Ｂとでなる。

　図２に示すように、電力受信部８Ａ，８Ｂは、所定の給電用周波数ｆ１の電磁波から、同調回路１０Ａ，１０Ｂと検波整流回路１１Ａ，１１Ｂにより動作電力を得る手段である。得られた動作電力は、センサ部６Ａ，６Ｂとセンサ信号送信部９Ａ，９Ｂの駆動に用いられる。電力受信部８Ａ，８Ｂは、アンテナ２２、ＬＣ回路２３等からなる同調回路１０，１０Ｂと、ダイオード２４、コンデンサ２５等からなる検波整流回路１１Ａ，１１Ｂとで構成される。
　センサ信号送信部９Ａ，９Ｂは、センサ部６Ａ，６Ｂが検出した信号を給電用周波数ｆ１とは異なる固有周波数ｆ２，ｆ３の電磁波のセンサ信号としてそれぞれ送信する手段である。センサ信号送信部９Ａ，９Ｂは、アンテナ１９、ＬＣ回路２０、半導体スイッチング素子２１などからなる。

　センサ信号受信機５は、上記給電用周波数ｆ１の電磁波を送信する給電電力送信部１２と、上記複数のワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂの送信する各固有周波数ｆ２，ｆ３のワイヤレスセンサ信号を受信可能なセンサ信号受信部１３とを有する。給電電力送信部１２は、高周波発信部２６と送信部２７とでなり、送信部２７は、アンテナ２８、ＬＣ回路２９、半導体スイッチング素子３０などからなる。センサ信号受信部１３は、上記各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対応する複数（図示の例では２つ）の受信回路１３ａからなる。各受信回路１３ａは各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂの送信する固有周波数ｆ２，ｆ３にそれぞれ対応した単一周波数の受信回路であって、それぞれ同調回路３７と検波部３８とを有する。同調回路３７は、アンテナ３９、ＬＣ回路４０などからなる。

　この構成のワイヤレスセンサシステムによると、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂは動作電力がワイヤレスで供給されるので、センサ動作電力として電池や発電機をセンサに付加する必要がなく、コンパクトで軽量に構成できる。電池交換が不要なためメンテナンスも容易となる。しかも、検出対象として、振動、温度、荷重、トルク、または軸受の予圧を検出することができる。また、複数のワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対して共通のセンサ信号受信機５からワイヤレスの電力供給とワイヤレスセンサ信号の受信とを行うようにしたため、ワイヤレスセンサシステムの全体が簡素な構成となる。

　図３はこの発明の他の実施形態におけるセンサ信号受信機５Ａの構成を示す。この実施形態は、図２に示した第１の実施形態において、センサ信号受信機５Ａを同図の構成としたものである。ワイヤレスセンサユニットには第１の実施形態と同じものが用いられる。この例では、センサ信号受信機５Ａにおけるセンサ信号受信部１３Ａが、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂ（図２）の送信する固有周波数ｆ２，ｆ３にそれぞれ対応した単一周波数の複数の同調回路３７Ａ，３７Ｂと、これら複数の同調回路３７Ａ，３７Ｂの出力を時分割で切替えて検波する１つの切替え検波部４１とで構成されている。切替え検波部４１は、検波部４２と、両同調回路３７Ａ，３７Ｂを時分割で切替えて検波部４２に接続する切替部４３とでなる。その他の構成は第１の実施形態におけるセンサ信号受信機５と同じである。

　この実施形態の場合、切替え検波部４１の切替部４３が同調回路３７Ａを検波部４２に切替え接続したときに、その同調回路３７Ａが受信する回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａからの周波数ｆ２の信号を検波部４２が検波する。切替え検波部４１の切替部４３が同調回路３７Ｂを検波部４２に切替え接続したときは、その同調回路３７Ｂが受信するワイヤレスセンサユニット４Ｂからの周波数ｆ３の信号を検波部４２が検波する。
　この実施形態の場合、複数（ここでは２つ）のワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂから送信される固有周波数ｆ２，ｆ３の電磁波を、センサ信号受信機５Ａでは１つの検波部４２により区別して検波できるので、ワイヤレスセンサユニットの数が多い場合でもセンサ信号受信機５Ａの構成を簡略化できる。

　なお、図３の実施形態において、複数の同調回路３７Ａ，３７Ｂを設ける代わりに、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂ（図２）の送信する固有周波数に対応して、同調周波数を可変し得る単一の同調回路を設けても良い。その場合、センサ信号受信部１３Ａは、この可変の同調回路の固有周波数を切替部により時分割で切替えて、検波部４２で検波する回路とする。

　つぎに、この実施形態のワイヤレスセンサシステムを、機械設備に適用した例を図４と共に説明する。この例は、複数の転がり軸受　５１，５２を有する機械設備５３において、上記複数の転がり軸受５１，５２の各々に、図１，図２に示す実施形態におけるワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂを設置したものである。機械設備５３は、例えばローラコンベヤまたはベルトコンベヤ等のコンベヤラインであって、搬送ローラまたはベルト駆動ローラ等の軸となる回転軸５９が、上記転がり軸受５１，５２によって回転自在に支持されている。各転がり軸受５１，５２は、内輪５４，外輪５５の間に転動体５６を介在させ、シール５８を設けたものであり、深溝玉軸受等からなる。各転動体５６は保持器５７により保持されている。

　一つの転がり軸受５１に設置されたワイヤレスセンサユニット４Ａは、回転検出用のものであり、センサ部６Ａが、内輪５４に装着された磁気エンコーダ１７と、この磁気エンコーダ１７に対峙して外輪５５に装着されたホールセンサやＭＲセンサ等の磁気センサ１８とで構成される。他の転がり軸受５２に設置されたワイヤレスセンサユニット４Ｂは、センサ部６Ｂが、軸受５２における回転の他の検出対象、例えば温度または振動等を検出するセンサとされている。センサ部６Ｂは、内輪５４および外輪５５のうちの固定側の軌道輪（図示の例では外輪５５）に取付けられている。センサ部６Ｂは、上記の他に、荷重、トルク、または軸受の予圧を検出するセンサであっても良い。
　また、転がり軸受５１に設置するセンサ６Ａを回転センサとする代わりに、図５に示すように、いずれのセンサ部６Ａ，６Ｂも、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、および軸受５１，５２の予圧を検出する予圧センサのうちのいずれかとしても良い。

　センサ信号受信機５は、機械設備５３において、両軸受５１，５２に設置された各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対してセンサ信号の受信および動作電力の送信が可能な適宜の位置に設置される。この実施形態において、特に説明した事項を除き、図１，図２に示した実施形態と同じ構成である。

　この構成の場合、機械設備５３における複数の転がり軸受５１，５２においてワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂにより検出したセンサ信号が、共通のセンサ信号受信機５によって受信でき、また両ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに共通のセンサ信号受信機５から電力供給することができる。
　同図の実施形態は、ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂが２個である場合につき説明したが、機械設備５３における３個以上の転がり軸受にワイヤレスセンサユニットを設置し、共通のセンサ信号受信機５によりセンサ信号の受信、およびワイヤレス給電を行うようにしても良い。

　図６は、センサ部６Ａ，６Ｂの一つとして、予圧センサを用いたワイヤレスセンサ付軸受装置の一例を示す。この軸受６１は、内輪６４と外輪６５との間に転動体６６を介在させた転がり軸受であって、予圧手段７０によって予圧されている。転動体６６は保持器６７により保持されている。この軸受６１は、複列の円すいころ軸受からなり、内輪６４が軸６９の外周に嵌合する。予圧手段７０は、軸６９の段部６９ａと、軸６９の雄ねじ部に螺合したナット６２と間で、内輪間座６３を介して内輪６４を軸方向に挟み付けることにより、軸受６１に予圧を与えるものとされている。上記内輪間座６３に、軸受の予圧を検出する予圧センサからなるセンサ部６Ａが設けられている。このセンサ部６Ａは、例えば図１の実施形態に示すワイヤレスセンサシステムにおけるワイヤレスセンサユニット４Ａに設けられたものである。上記予圧センサは、例えば圧電素子を用いた荷重センサ、または磁歪式の荷重センサ等からなり、間座６３に作用する軸方向荷重を検出するものとされる。
　なお、この実施形態では、内輪６４が回転側となり、回転する間座６３にワイヤレスセンサユニット４Ａを設置しているが、内輪６４が固定側であっても良い。また、外輪６５側の間座（図示せず）等に、ワイヤレスセンサユニット４Ａおよびそのセンサ部６Ａを設置しても良い。さらに、両内輪間の間座にセンサ部６Ａを設けてもよい。

　つぎに、この実施形態のワイヤレスセンサシステムを自動車に適用した例を、図７と共に説明する。この車輪用軸受装置３３は、静止側部材となる外方部材１と、回転側部材となる内方部材２との間に複列の転動体３を介在させたものである。外方部材１は、車体３４から下方に突出したサスペンションに、ナックル（図示せず）を介して支持されている。内方部材２は、ハブ輪２Ａとその一端の外周に嵌合した内輪２Ｂとでなり、ハブ輪２Ａおよ内輪２Ｂに各列の軌道面が形成されている。外方部材１は一体の部材であり、上記両軌道面に対向する軌道面が設けられている。ハブ輪２Ａには、等速ジョイント１５の外輪１５ａに設けられた軸部が嵌合し、内方部材２と等速ジョイント外輪１５ａとが結合されている。なお、この車輪用軸受装置３３は、第３世代型のものである。

　この車輪用軸受装置３３の外方部材１に複数のワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂが設置されている。例えば、外方部材１と内方の内方部材２の環状空間の一端部に、車輪３１の回転数を検出するためのセンサ部６Ａを持つワイヤレスセンサユニット４Ａが設置されている。外方部材１に設置された他のワイヤレスセンサユニット４Ｂは、センサ部６Ｂが振動センサまたは温度センサからなるものとされる。センサ部６Ｂは、上記の他に荷重センサ、トルクセンサ、または予圧センサであっても良い。車体３４の例えばタイヤハウス３４ａには、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対してワイヤレスで電力を供給し、かつ各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂからのセンサ信号を受信するセンサ信号受信機５が設置されている。各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂは、図１，２と共に前述した構成のものである。センサ信号受信機５は、図２と共に説明したもの、または図３と共に説明したものである。

　回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａのセンサ部６Ａは、内方部材２に装着された磁気エンコーダ１７と、この磁気エンコーダ１７に対峙して外方部材１に装着される磁気センサ１８とで構成される。磁気エンコーダ１７は、内方部材２に装着されたシール構成部品となるスリンガに設けられている。磁気エンコーダ１７は、円周方向に並べて磁極Ｎ，Ｓを設けた多極磁石からなる。磁気センサ１８はホールセンサやＭＲセンサ等の磁気センサからなり、車輪３１の回転に伴う磁気エンコーダ１７の磁極変化を検出してインクリメンタルなパルス信号をセンサ信号として出力する。
　他のワイヤレスセンサユニット４Ｂのセンサ部６Ｂは、例えば熱電対からなる温度センサ、または圧電素子等を利用した振動センサ等である。

　動作を説明する。車体３４に設置されたセンサ信号受信機５の給電電力送信部１２（図１）から送信される給電用電磁波は、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂの電力受信部８Ａ，８Ｂ（図１）で受信され検波整流されることで、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに動作電力が得られる。
　車輪用軸受装置３３に設置された各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂでは、そのセンンサ部６Ａによって車輪の回転数が検出され、またセンサ部４Ｂによって、車輪用軸受装置３３の温度または振動、あるいは荷重、トルク、または予圧が検出される。この検出したセンサ信号は、ワイヤレスセンサユニット４Ａではセンサ信号送信部９Ａ（図１）によって周波数ｆ２の電磁波を搬送波としてワイヤレス送信される。ワイヤレスセンサユニット４Ｂではセンサ信号送信部９Ａ（図１）によって周波数ｆ３の電磁波を搬送波としてワイヤレス送信される。これらの電磁波は、センサ信号受信機５のセンサ信号受信部１３（図１）における２つの受信回路のうち、対応する周波数の受信回路で受信・検波されて、車輪回転数の検出信号、または温度、振動、あるいは荷重、トルク、予圧の信号として出力される。車輪回転数はＡＢＳ装置の制御等に用いられ、温度，振動，予圧等の検出信号は、車輪用軸受装置３３の異常検出や状態管理等に利用される。荷重やトルク等の検出信号は、車両の走行姿勢の制御等に用いられる。

　このように、このワイヤレスセンサシステムでは、車体３４に設置されるセンサ信号受信機５から各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対して電磁波として電力をワイヤレスで供給すると共に、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂから電磁波として送信されるセンサ信号を受信するようにしているので、電池をセンサの電源とする従来例のような電池切れ等の問題がない。また、検出される各センサ信号をワイヤレス信号として確実に伝送でき、かつ各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂにおけるセンサ部６Ａ，６Ｂをコンパクトで安価に構成できる。電池交換が不要なためメンテナンスも容易となる。
　また、自己発電型のものと異なり、停止に近い車輪回転時でも各センサ部６Ａ，６Ｂの動作およびそのセンサ信号の送信が行える。なお、シールで密封された軸受内部にワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂを設けてもよい。また、センサ部６Ａ，６Ｂのみ軸受内部に挿入するようにしてもよい。

　図８は、車輪用軸受装置３３における他の実施形態を示す。この実施形態は、ワイヤレスセンサユニット４Ａに備えられるセンサ部６Ａをトルクセンサとした例を示す。このトルクセンサとなるセンサ部６Ａは、内方部材２の外周に設けられた磁歪材からなる被検出部７１と、この被検出部７１に対応して外方部材２に設けられたトルク検出部７２とでなる。トルク検出部７２は、被検出部７１の磁気的特性の変化を検出することで、内方部材２の取付けられる駆動軸の作用トルクを検出するものである。被検出部７１の磁歪材としては、鉄とアルミニウムの合金等が用いられる。トルク検出部７２は、被検出部７１を周回するように外方部材１に取付けられたコイルで構成される。被検出部７１は、例えば図９に示すように、磁歪材からなる円筒状体７３に、軸方向に対して所定角度θ１，θ２だけ傾斜して延びる複数の傾斜溝７４を、２列に円周方向に並べて形成したものとされる。両列の傾斜角度θ１，θ２を逆方向としてある。このように傾斜溝７４を設けることで感度が向上し、また両列の傾斜角度θ１，θ２を逆方向としたことによって、軸に作用した捩じりトルクの大きさの他に、方向を知ることができる。この場合に、トルク検出部７２のコイルの出力は、検出回路（図示せず）で処理され、ワイヤレスセンサユニット４Ａのセンサ信号送信部９Ａ（図１）より送信される。

　なお、図８の例におけるワイヤレスセンサユニット４Ａは、例えば図１，図２に示す実施形態のワイヤレスセンサシステムのものであるが、この車輪用軸受装置３３に他のワイヤレスセンサユニット４Ｂ（図８には図示せず）を設置し、そのセンサ部６Ｂを、振動、温度、荷重、または予圧等の検出対象を検出するセンサとしても良い。

　図１０は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態に係るワイヤレスセンサシステムは、ワイヤレスセンサユニット４を一つし、このワイヤレスセンサユニット４に複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅを設けたものである。ワイヤレスセンサユニット４は、上記複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅと、センサ信号送信部９と、電力受信部８とを有する。センサ信号送信部９は、上記複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を送信するものとしてある。複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅの出力は、信号まとめ手段６０により、センサ信号送信部９により送信可能なように処理される。信号まとめ手段６０は、各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号が、受信側で区別して受信できるように信号を処理するものであれば良く、例えば、各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を時分割してセンサ信号送信部９に送信させるものとされる。信号まとめ手段６０は各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を重畳するものであっても良い。信号まとめ手段６０、センサ信号送信部９の一部として設けられたものであっても、またセンサ信号送信部９とは別に設けられたものであっても良い。電力受信部８は、受信した電力を、各センサ部６Ｃ〜６Ｅ、センサ信号送信部９、および信号まとめ手段６０に給電する。センサ信号送信部９、電力受信部８、および信号まとめ手段６０により、送信ユニット７が構成される。

　センサ信号受信機５は、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ信号送信部９から送信されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信部１３と、ワイヤレスセンサユニット４の電力受信部８へ電力をワイヤレスで供給する給電電力送信部１２とを有する。センサ信号受信部１３は、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ信号送信部９より送信される各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を、信号まとめ手段６０の処理形態に対応して、区別して受信可能なものとされる。センサ信号送信部９とセンサ信号受信部１３との間、および給電電力送信部１２と電力受信部８との間の信号または電力の送受は、ワイヤレスで行えるものであれば良く、例えば電磁波が用いられる。

　各センサ部６Ｃ〜６Ｅは、同じ種類の検出対象（例えばいずれも温度）を検出するものであっても、それぞれ異なる検出対象を検出するもの、例えばそれぞれ回転、温度、振動等を検出するものであっても良い。
　なお、図１の例のように複数設けられるワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂのうちの一つを、図１０の例のように複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅが設けられたものとしても良い。その場合も、信号まとめ手段６０を設けることが好ましい。

　図１１は、図１０の実施形態におけるワイヤレスセンサシステムを適用した車輪用軸受装置３３の一例を示し、外方部材１にワイヤレスセンサユニット４が設置されている。この例では、複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅは、それぞれ回転センサ、温度センサ、および振動センサとされている。センサ部６Ｄ，６Ｅとして、上記の代わりに、予圧センサや、荷重センサ、トルクセンサ等を設けても良い。
　回転センサとなるセンサ部６Ｃは、内方部材２の外周に取付けられた多極磁石からなる磁気エンコーダ１７と、この磁気エンコーダ１７に対向して外方部材１の内周に取付けられたホールセンサやＭＲセンサ等の磁気センサ１８とでなる。外方部材１の外周に、送受信ユニット７が取付けられている。送受信ユニット７は、ボックス内に回路素子等を収めたものであり、送受信ユニット７と各センサ部６Ｃ〜６Ｅとは配線（図示せず）で接続されている。

　この車輪用軸受装置３３は、第４世代型のものであり、内方部材２は、ハブ輪２Ａと等速ジョイント１５の外輪１５ａとで構成され、これらハブ輪２Ａおよび等速ジョイント外輪１５ａに内方部材２側の各列の軌道面が形成されている。車輪用軸受装置３３におけるその他の機械構造的な構成は、図７と共に前述した第３世代型の車輪用軸受装置３３と同じである。なお、図１１の例において、車輪用軸受装置３３を図７等に示すような第３世代型のものとしても良い。

　この構成の場合、車輪用軸受装置３３に一つのワイヤレスセンサユニット４を設置するだけで、車輪回転数、温度、および振動等の検出が行える。しかも、ワイヤレスセンサユニット４にワイヤレス給電でき、配線系が簡素となる。

　図１２は、図１０の実施形態におけるワイヤレスセンサシステムを適用した車輪用軸受装置３３の他の例を示す。この例では、ワイヤレスセンサユニット４における各センサ部６Ｃ，６Ｄを、いずれも同じ検出対象種類のセンサとしたものであり、荷重センサとしている。この荷重センサからなるセンサ部６Ｃ，６Ｄは、外方部材１におけるフランジ１ａに設けられた各ボルト挿入孔８１の周囲に設けられている。ボルト挿入孔８１は、外方部材１をナックル８２に取付けるボルト８３を挿入する孔である。複数のセンサ部６Ｃ，６Ｄは、例えば軸受中心に対する上下または左右に離れた箇所のボルト挿通孔８１に設置される。各荷重センサとなる６Ｃ，６Ｄは、荷重により電気的特性の変化する荷重感知体として、磁歪素子または圧電素子を用いたものとされている。
　各センサ部６Ｃ，６Ｄは、外方部材の外周に取付けられた送受信ユニット７に配線（図示せず）で接続されている。送受信ユニット７は、上記と同じくボックス内に回路素子等を収めたものである。
　なお、図では２つセンサ部６Ｃ，６Ｄを示したが、ボルト挿入孔８１の本数に応じた個数のセンサ部を設けても良い。また、センサ信号受信機５は、図１２では図示を省略しているが、図７の例等と同様にタイヤハウス内等に設置される。

　この構成の場合、各センサ部６Ｃ，６Ｄの検出した荷重検出信号であるセンサ信号が、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ信号送信部９（図１）から送信され、センサ信号受信機５（図７）のセンサ信号受信部１３（図１）で受信される。受信された各ボルト孔位置の荷重値から、車輪用軸受装置３３の外方部材１に作用する荷重の大きさが検出され、また複数のセンサ部６Ｃ，６Ｄが離れて設けられていることから、荷重の作用方向の傾きが検出される。これより、車両がカーブを走行するときや斜面を走行するときの車輪の負荷状態が検出でき、車両の姿勢制御等の情報として上記各荷重センサの信号を用いることができる。また、荷重センサとなる各センサ部６Ｃ，６Ｄやセンサ信号送信部９（図１）の動作電力が、上記各実施形態と同様に、ワイヤレスで給電でき、配線系が不要となる。

　なお、上記各実施形態では、いずれもセンサ信号受信機５を一つとしたが、センサ信号受信機５を複数設けても良い。センサ信号受信機５を複数設ける場合に、各センサ信号受信機５は、同じワイヤレスセンサユニットのセンサ信号送信部のセンサ信号を受信するものとしても良く、また異なる複数のワイヤレスセンサユニットのセンサ信号送信部のセンサ信号を受信するものとしても良い。また、センサ信号受信部と、給電電力送信部とは、必ずしも同じセンサ信号受信機５に設けられたものでなくても良く、両者を離して設置しても良い。また、センサ信号の受信をそれぞれ別個のセンサ信号受信機で行い、複数のワイヤレスセンサユニットに対して同じ給電電力送信部１２でワイヤレス給電を行うようにしても良い。
　また、上記実施形態は、いずれもワイヤレスの送受信を電磁波で行うようにしたが、この発明は、センサ信号および動作電力のいずれについても、ワイヤレスで送受信できれば良く、例えば、電磁結合、光、超音波等で送受信を行うものとしても良い。　　　　　　

　この発明は、車輪用軸受装置の他、各種産業機械、工作機械、運搬機械等において、各部の軸受や、その他の部位の検出対象のワイヤレス検出に適用することができる。

この発明の第１の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムの概略構成を示すブロック図である。 同システムの回路構成例を示す回路図である。 この発明の他の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムにおけるセンサ信号受信機の概略構成を示す回路図である。 第１の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた機械設備の一例を示す断面図である。 同実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた機械設備の他の例を示す断面図である。 同実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた軸受装置一例を示す断面図である。 同実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた車輪用軸受装置の一例を示す断面図である。 同実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた車輪用軸受装置の他の例を示す断面図である。 （Ａ）はそのセンサ部となるトルクセンサの具体例を示す破断側面図、（Ｂ）同センサ部の磁歪部材の破断正面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムの概略構成を示すブロック図である。 同ワイヤレスセンサシステムを適用した車輪用軸受装置の一例の断面図である。 同ワイヤレスセンサシステムを適用した車輪用軸受装置の他の例の断面図である。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
４，４Ａ，４Ｂ…ワイヤレスセンサユニット
５，５Ａ…センサ信号受信機
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ…センサ部
８，８Ａ，８Ｂ…電力受信部
９，９Ａ，９Ｂ…センサ信号送信部
１０Ａ，１０Ｂ…同調回路
１１Ａ，１１Ｂ…検波整流回路
１２…給電電力送信部
１３，１３Ａ…センサ信号受信部
３７Ａ，３７Ｂ…同調回路
４１…切替え検波部
４２…検波部
４３…切替部
５１，５２…軸受
５３…機械設備
３３…車輪用軸受装置

Claims (9)

1. 　検出対象を検出するセンサ部と、このセンサ部が出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部と、上記センサ部およびセンサ信号送信部を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部と、上記センサ信号送信部で送信されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信部と、上記電力受信部へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部とを備え、上記センサ部が、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、および軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つであることを特徴とするワイヤレスセンサシステム。
2. 　検出対象を検出する複数のセンサ部と、これらセンサ部が出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部と、上記センサ部およびセンサ信号送信部を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部と、上記センサ信号送信部で送信されるセンサ信号を受信するセンサ信号受信部と、上記電力受信部へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部とを備え、上記センサ部に、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とするワイヤレスセンサシステム。
3. 　請求項２において、上記センサ信号受信部は、上記センサ信号送信部により送信される複数のセンサ部のセンサ信号の受信が可能なものであり、上記給電電力送信部は、上記センサ信号受信部を有するセンサ信号受信機に設けられたものであるワイヤレスセンサシステム。
4. 　請求項２または請求項３において、複数のワイヤレスセンサユニットを設け、各ワイヤレスセンサユニットが、それぞれ上記センサ部、センサ信号送信部、および電力受信部を有するものとしたワイヤレスセンサシステム。
5. 　請求項２または請求項３において、上記センサ部、センサ信号送信部、および電力受信部を有する一つのワイヤレスセンサユニットを設け、このワイヤレスセンサユニットに、上記センサ部を複数設け、上記センサ信号送信部はこれら複数のセンサ部のセンサ信号を送信するものとしたワイヤレスセンサシステム。
6. 　請求項２ないし請求項５のいずれかにおいて、上記センサ部を軸受に設置したワイヤレスセンサシステム。
7. 　請求項６において、複数のワイヤレスセンサユニットを、機械設備における各々異なる軸受に設置したワイヤレスセンサシステム。
8. 　軸受に、検出対象を検出するセンサ部と、このセンサ部の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部と、上記センサ部およびセンサ信号送信部の動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部とを設けたワイヤレスセンサ付軸受装置であって、上記センサ部が、上記軸受の振動を検出する振動センサ、上記軸受の温度を検出する温度センサ、上記軸受に作用する荷重を検出する荷重センサ、上記軸受にかかるトルクを検出するトルクセンサ、および上記軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つであることを特徴とするワイヤレスセンサ付軸受装置。
9. 　複列の軌道面を有する外方部材と、上記軌道面に対向する軌道面を有する内方部材と、対向する両列の軌道面間に介在した複数の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置において、
   　検出対象を検出するセンサ部と、このセンサ部の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部と、上記センサ部およびセンサ信号送信部の動作電力をワイヤレスで受信する電力受信手段とを設け、上記センサ部が、上記軸受の振動を検出する振動センサ、上記軸受の温度を検出する温度センサ、上記軸受に作用する荷重を検出する荷重センサ、上記軸受にかかるトルクを検出するトルクセンサ、および上記軸受の予圧を検出する予圧センサ、のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とするワイヤレスセンサ付車輪用軸受装置。
   

Images