JP2007292678A - 接地付センサ軸受及び回路基板の接地パターンと筐体との接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外来ノイズの多い厳しい電磁環境下であってもセンサ軸受の電子回路の誤動作や破壊を防止すると同時に、内蔵回路から外部への不要輻射や外部配線へのノイズの重畳を防止することが可能な接地付センサ軸受を提供する。
【解決手段】軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路３１とを内蔵し、且つセンサ部の筐体２１に導電性筐体を使用するセンサ軸受であって、前記電子回路３１の基板にノイズ除去素子４１を備えたフレームグランド回路４０を設け、前記電子回路３１の電源／信号グランド３２ｃ及び電源３２ａをそれぞれ前記フレームグランド回路４０を介して前記センサ部の筐体２１と電気的に接続する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種センサなどの電子回路を内蔵した軸受のＥＭＣ（電磁両立性）性能を向上させるための技術に関し、特に、センサ付軸受のアース構造及びセンサ付軸受に内蔵される回路基板の接地パターンと筐体との接続方法に関する。

転がりまたはすべり軸受において、それが使用される用途により、軸受の温度、回転速度、回転角度または振動等を検出するために、各種センサを内蔵した軸受（以下、「センサ軸受」と称する）が使用されている（例えば特許文献１、２を参照）。

図７は、従来のセンサ軸受の一般的な構造を示す外観図であり、図７（Ａ）は車軸方向から見た図、図７（Ｂ）は同図（Ａ）の側面図である。図７に示されるセンサ軸受は、鉄道車両の車軸や自動車用自動変速機の回転軸などに適用される転がり軸受（又はすべり軸受）であり、軸受部１０は、いずれか一方が回転輪で他方が静止輪となる軸受外輪１１と軸受内輪１２（本例では軸受内輪１２が回転輪）などから構成されている。センサ部２０は、各種物理量の測定を行うためのセンサとその周辺電子回路、及びそれらを搭載するための電子回路基板（以下、「プリント基板」と称する）などから構成され、これらのセンサ機器類は、環状のセンサ筐体２１内に格納されている。また、センサ部２０は、センサ筐体２１又はそれを覆うカバーを介して静止輪（本例では軸受外１１）に結合固定されている。なお、車軸の回転速度等を検出するための回転センサを備えたセンサ軸受の場合は、被検出部材としての多極磁石が回転輪（本例では軸受内輪１２）に結合固定されている。

このようなセンサ軸受は、ケーブル導出部２２から筐体外部に導出される信号／電源ケーブル２３を介して、外部の制御系等（図示せず）と接続され、例えばセンサ部２０のＣＰＵで判定した軸受部の異常診断結果等のデータが、外部コンピュータ等に送出されるようになっている。

図８は、図７に示したセンサ軸受のセンサ部の構成を示す回路ブロック図である。センサチップやＩＣチップ等からなるセンサ／信号処理回路部品３１（以下、「センサ／電子回路ブロック」と称する）は、電源線３２ａと信号出力線３２ｂでそれぞれ電源端子３３Ａと信号出力端子３３Ｂに電気的に接続されると共に、信号及び電源のリターン経路としてのグランド線３２ｃでグランド端子３３Ｃ（以下、「電源／信号グランド端子」と称する）と電気的に接続されている。そして、センサ筐体２１内に格納された電子回路部品３１は、これらの端子３２ａ〜３２ｃを介してケーブル２３経由で、外部電源や外部機器と接続されると共に接地されるようになっている。
特開平１１−３２６３５５号公報 特開平１１−３０３８６０号公報

上述したようなセンサ軸受は、物理量の検出素子たるセンサ及びこれに付随する周辺電子回路（図８中のセンサ／電子回路ブロック３１）と、センサ軸受の固定側となる軸受外輪１１（又は軸受内輪１２）とが一体として構成され、またセンサ軸受の最終使用形態としては、軸受外輪１１が装置等のハウジングに収められる。そして、軸受を取付ける装置等のハウジングは一般的に保護接地（アース）に接続されるため、センサが取付けられた軸受外輪１１は、接地されることになる。

しかしながら、従来のセンサ軸受に内蔵される電子回路は、図８に示したように、信号及び電源のリターン経路としてのグランド端子３３Ｃはあったが、接地（アース）端子がなかった。そのため、センサ軸受に内蔵している電子回路は接地されず、保護接地（アース）から電気的に浮いた状態になっている。この場合、特に外来ノイズが多い環境下において、電源線や信号線に重畳するノイズによって電子回路の誤動作や破壊が生じることがある。

電源線や信号線に重畳する外来ノイズの発生原因は、例えば信号線あるいは電源・グランド線に近接した他のケーブル、装置、あるいは空間を伝播する電磁波や静電気などがある。また、センサ軸受に内蔵する電子回路に高速のクロック信号などがあると、外部空間に対して不要輻射（電磁波）を発生したり、電源に対してノイズを重畳したりして、他の電子機器に障害を与えることがある。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、外来ノイズの多い厳しい電磁環境下であってもセンサ軸受の電子回路の誤動作や破壊を防止すると同時に、内蔵回路から外部への不要輻射や外部配線へのノイズの重畳を防止することが可能な接地付センサ軸受を提供することにある。また、その接地付センサ軸受を実現すると共に、センサ軸受に内蔵される回路基板の接地パターンとセンサ筐体とを簡便に接続することができる方法を提供することにある。

本発明は、接地付センサ軸受、及びその接地付センサ軸受における回路基板の接地パターンと筐体との接続方法に関するものであり、本発明の上記目的は、接地付センサ軸受の発明に関しては、軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路とを内蔵し、且つセンサ部の筐体に導電性筐体を使用するセンサ軸受であって、前記電子回路の基板にノイズ除去素子を備えたフレームグランド回路を設け、前記電子回路の電源／信号グランド及び電源をそれぞれ前記フレームグランド回路を介して前記センサ部の筐体と電気的に接続する構成とすることによって達成される。さらに、本発明の上記目的は、前記ノイズ除去素子が、前記ノイズ除去素子が、高周波フィルタとしてのコンデンサと抵抗とからなることによって一層効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、方法の発明に関しては、軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路とを内蔵し、且つセンサ部の筐体に導電性筐体を使用するセンサ軸受における回路基板と筐体との接続方法であって、前記電子回路の電源／信号グランド及び電源と前記導電性筐体とをそれぞれノイズ除去素子を介して接続するフレームグランド回路を前記電子回路の基板に設けると共に、前記フレームグランド回路のアースパターン部に導電性パッドを設け、更に前記筐体の導電部に前記プリント基板に向けた突出部を設け、この突出部と前記導電性パッドとを接触させて導通させることによって達成される。或いは、軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路とを内蔵し、且つセンサ部の筐体に導電性筐体を使用するセンサ軸受における回路基板と筐体との接続方法であって、前記電子回路の電源／信号グランド及び電源と前記導電性筐体とをそれぞれノイズ除去素子を介して接続するフレームグランド回路を前記電子回路の基板に設けると共に、前記フレームグランド回路のアースパターン部にばね性コンタクトを実装し、このばね性コンタクトと前記センサ部の筐体の導電部とを接触させて導通させることによって達成される。さらに、本発明の上記目的は、前記センサ部の筐体を、前記軸受部を構成する軸受外輪及び軸受内輪のうちの固定側となる軸受輪にかしめて電気的に導通させることによって一層効果的に達成される。

本発明の接地付センサ軸受によれば、電子回路の電源／信号グランド及び電源をそれぞれノイズ除去素子を備えたフレームグランド回路を介して導電性のセンサ筐体と電気的に接続する構成としているので、電源や信号と電源のグランドに重畳したノイズをアースに逃がすことが可能となる。そのため、外来ノイズが多い環境下においても、センサ軸受の電子回路の破壊や誤動作の防止を図ると同時に、センサ軸受から外部環境に対しての不要輻射やノイズの発生を防止して信頼性の高いセンサ軸受を提供することができる。

また、本発明の接地付センサ軸受における回路基板の接地パターンと筐体との接続方法によれば、上記信頼性の高いセンサ軸受を提供することができると共に、フレームグランドのパターンを簡便にセンサ筐体に接続することができる。更にセンサ部の筐体を固定側となる軸受輪にかしめて電気的に導通させる構造とすることにより、システムのコンパクト化を図ることが可能となる。

本発明では、センサ軸受に内蔵される電子回路の基板に接地（フレームグランド）回路を設け、電源線及びグランド線に対してコンデンサなどを用いて接続し、この接地回路の接地パターンをセンサ軸受のアースとなるセンサ筐体に接続する構造とすることで、外来ノイズや内蔵回路からのノイズを除去して、各種のノイズに起因する電子回路部の誤動作や破壊を防止するようにしている。さらに、センサ筐体に導電性材料を用いてこれを例えばかしめや嵌め込みなどの方法により、静止輪（例えば軸受外輪）と接合して固定し、電気的導通を確保するようにしている。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、軸受部の構成は、一般的なセンサ軸受と同様のため説明を省略し、以下の実施の形態においては、本発明に係るセンサ部の構成を主体として説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における接地付センサ軸受のセンサ部の構成例を図８に対応させて示す回路ブロック図であり、図８と同一構成箇所は同符号を付して説明を簡略化または省略する。

本発明に係るセンサ軸受は、鉄道車両や自動車用自動変速機や機械全般に使用されるセンサ軸受であり、軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路から成るセンサ／電子回路ブロック３１を内蔵し、且つセンサ筐体２１（図７（Ｂ）に例示したセンサ部の筐体２１）に導電性筐体を使用するセンサ軸受である。

第１の実施形態では、センサチップやＩＣチップ等からなるセンサ／電子回路ブロック３１に、フレームグランド回路４０を設け、電源線３２ａ及び電源／信号グランド線３２ｃに対してノイズ除去素子４１を用いて接続する構成としている。また、フレームグランド回路４０のグランド線４１ａを、センサ軸受のアースとなる導電性のセンサ筐体２１に接続する形態としている。電源とフレームグランドとの間、及び電源／信号グランドとフレームグランドとの間に組み込まれるノイズ除去素子４１は、例えば高周波フィルタとしてのコンデンサと抵抗とから構成される。

図２は、上記第１の実施形態におけるプリント基板のパターン例を示している。本例では、センサ／電子回路ブロック３１を実装したプリント基板３０に、フレームグランドの回路パターンを設け、電源とフレームグランド、及び電源／信号グランドとフレームグランドとをそれぞれノイズ除去素子４１（本例ではバイパスコンデンサ４１ａ）を介して接続した構成としている。また、プリント基板３０のフレームグランドのパターン４１Ａ上に、センサ筐体と接触可能なパッド（導電性露出部）４２を設け、導電性のセンサ筐体部と接触させる構造とすることにより電気的導通を図り、結果としてＥＭＣ性能を向上させるようにしている。

なお、ノイズ除去素子４１としての各バイパスコンデンサ４１ａの容量は、想定されるノイズの周波数及び許容される電源／信号グランド３２ｃとフレームグランド４１ａ間の漏れ電流により決定する。また、電源／信号グランド３２ｃとフレームグランド４１ａ間に絶縁耐圧が要求されない場合は、コンデンサ４１ａではなく、ショートとしても良い。また、ノイズ除去素子４１は、コンデンサ４１ａに直列に抵抗を接続する構成とすることで、電源線や信号線に重畳するノイズを除去すると共に、電源／信号グランド３２ｃとフレームグランド４１ａ間の漏れ電流を抑制するようにしても良い。また、コンデンサ４１ａに蓄積される電荷が問題となる場合は、コンデンサ４１ａと並列に抵抗を接続して、時間とともに放電する回路としても良い。
（第２の実施形態）
図３及び図４は、本発明に係る接地付センサ軸受の第２の実施形態を図１及び図２に対応させて示すブロック図であり、第１の実施形態と同一構成箇所は、同符号を付して説明を簡略化または省略する。

第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、フレームグランド端子４１Ｂを付加したものであり、フレームグランドのパターン４１Ａをハーネスによりセンサ軸受外部に引き出すようにしても良い。また、図３のようにケーブルにシールドケーブル２４を使用し、外部に引き出したフレームグランド線４１ａを接続する構成としても良い。
（第３の実施形態）
次に、プリント基板の接地パターン（フレームグランドパターン）とセンサ筐体との接続方法について、具体例を示して説明する。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係る接地付センサ軸受における回路基板の接地パターンと筐体との接続形態の第１の例を示す模式図であり、図５（Ａ）は本発明に係る接地付センサ軸受を車軸方向から見た図、図５（Ｂ）は同図（Ａ）をＸ−Ｘ線矢印方向から見た構造図、図５（Ｃ）は同図（Ｂ）中のＡ部の拡大図である。

第１の実施形態においては、プリント基板の接地パターンに導電性パッドを設け、その導電性パッドとセンサ筐体２１とを接触させるようにした例を示したが、図５（Ｃ）に示すように、センサ筐体２１の導電部に、プリント基板３０に向けた突出部２１Ａを設け、この突出部２１Ａと導電性パッド４２とを接触部Ｃで接触させて導通させる形態とするのが好ましい。

本例では、図５（Ａ）に示すように、センサ筐体２１に格納されるプリント基板３０は環状に形成されており、センサ筐体の突出部２１Ａは、プリント基板３０の両端部に設けたら２つの導電性パッドと対応する位置にそれぞれ設けられている。また、センサ筐体２１の環状部の外周面と、固定側となる軸受輪（本例では接地される外輪１１）の内周面とが結合固定されるようになっている。

なお、他の実施の形態においても同様であるが、センサ筐体２１を、固定側となる軸受輪にかしめて電気的に導通させるようにするのが好ましい。また、センサ筐体の突出部２１Ａに穴を設け、この部分をかしめ又はねじ止めなどの方法により締結することにより接触信頼性を向上させて、電気的に接続するようにしても良い。
（第４の実施形態）
図６は、本発明に係る接地付センサ軸受における回路基板の接地パターンと筐体との接続形態の第２の例を図５（Ｃ）に対応させて示す一部断面構造図である。

プリント基板の接地パターンをセンサ筐体に接続する方法として、第３の実施形態ではセンサ筐体に突出部を設けて接続する例を示したが、第４の実施形態においては、センサ筐体に突出部を設けずに、ばね性コンタクト４３を用いて接続する形態としている。

例えば図６に示すように、第４の実施形態では、フレームグランド回路の接地パターン部４１Ａにばね性コンタクト４３を実装し、このばね性コンタクト４３とセンサ筐体２１の導電部とを接触部Ｃで接触させて導通させる形態としている。

詳しくは、プリント基板３０の接地パターン部４１Ａに、ばね性コンタクト４３（ばね性のある導電性部品）を半田付け接合などによって設け、ばね性コンタクト４３の接触部Ｃで、プリント基板３０のフレームグランドパターン４１Ａとセンサ筐体２１とを電気的に接続する構成とする。

また、接触信頼性を高めるために、図５（Ｃ）に示したような突出部２１Ａをセンサ筐体２１に設けた上で、ばね性コンタクト４３を使用するようにしても良い。なお、ばね性コンタクト４３は、プリント基板３０側ではなく、センサ筐体２１側に設けるようにしても良い。

なお、上述した実施の形態では、鉄道車両や自動車用自動変速機等に使用されるセンサ軸受を例として説明したが、これらのセンサ軸受のに限るものでなく、本発明に係る接地付センサ軸受は、船舶を含めて乗物や機械全般に適用することができる。また、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されるものではない。

本発明に係る接地付センサ軸受の第１の実施形態におけるセンサ部の構成を示す回路ブロック図である。 第１の実施形態におけるプリント基板のパターンを示す模式図である。 本発明に係る接地付センサ軸受の第２の実施形態におけるセンサ部の構成を示す回路ブロック図である。 第２の実施形態におけるプリント基板のパターンを示す模式図である。 本発明に係る接地付センサ軸受における回路基板の接地パターンと筐体との接続形態の第１の例を示す模式図である。 本発明に係る接地付センサ軸受における回路基板の接地パターンと筐体との接続形態の第２の例を示す模式図である。 従来のセンサ軸受の一般的な構造を示す外観図である。 図７に示したセンサ軸受のセンサ部の構成を示す回路ブロック図である。

符号の説明

１０ 軸受部
１１ 軸受外輪
１２ 軸受内輪
２０ センサ部
２１ センサ筐体
２１Ａ センサ筐体突出部
２２ ケーブル導出部
２３ ケーブル
２４ シールド
２５，３０ プリント基板
２５Ａ プリント基板保持部
３１ センサ／電子回路ブロック（センサ／信号処理回路部品）
３２ａ 電源線
３２Ａ 電源パターン
３２ｂ 信号出力線
３２Ｂ 信号出力パターン
３２ｃ 電源／信号グランド線
３２Ｃ 電源／信号グランドパターン
３３Ａ 電源端子
３３Ｂ 信号出力端子
３３Ｃ 電源／信号グランド端子
４０ フレームグランド回路
４１ ノイズ除去素子
４１ａ フレームグランド線
４１Ａ フレームグランドパターン
４１Ｂ フレームグランド端子
４２ 導電露出部（センサ筐体接触用パッド）
４３ ばね性コンタクト

Claims (5)

1. 軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路とを内蔵し、且つセンサ部の筐体に導電性筐体を使用するセンサ軸受であって、前記電子回路の基板にノイズ除去素子を備えたフレームグランド回路を設け、前記電子回路の電源／信号グランド及び電源をそれぞれ前記フレームグランド回路を介して前記センサ部の筐体と電気的に接続する構成としていることを特徴とする接地付センサ軸受。
2. 前記ノイズ除去素子が、高周波フィルタとしてのコンデンサと抵抗とからなることを特徴とする請求項１に記載の接地付センサ軸受。
3. 軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路とを内蔵し、且つセンサ部の筐体に導電性筐体を使用するセンサ軸受における回路基板と筐体との接続方法であって、前記電子回路の電源／信号グランド及び電源と前記導電性筐体とをそれぞれノイズ除去素子を介して接続するフレームグランド回路を前記電子回路の基板に設けると共に、前記フレームグランド回路のアースパターン部に導電性パッドを設け、更に前記筐体の導電部に前記プリント基板に向けた突出部を設け、この突出部と前記導電性パッドとを接触させて導通させることを特徴とするセンサ軸受における回路基板と筐体との接続方法。
4. 軸受部の温度、回転速度、回転角度、振動等の物理量を測定するための少なくとも１つ以上のセンサとこれに付随する電子回路とを内蔵し、且つセンサ部の筐体に導電性筐体を使用するセンサ軸受における回路基板と筐体との接続方法であって、前記電子回路の電源／信号グランド及び電源と前記導電性筐体とをそれぞれノイズ除去素子を介して接続するフレームグランド回路を前記電子回路の基板に設けると共に、前記フレームグランド回路のアースパターン部にばね性コンタクトを実装し、このばね性コンタクトと前記センサ部の筐体の導電部とを接触させて導通させることを特徴とするセンサ軸受における回路基板と筐体との接続方法。
5. 前記センサ部の筐体を、前記軸受部を構成する軸受外輪及び軸受内輪のうちの固定側となる軸受輪にかしめて電気的に導通させることを特徴とする請求項３又は４に記載のセンサ軸受における回路基板と筐体との接続方法。

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