JP2023062586A - wireless communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線通信システムに関する。 The present invention relates to wireless communication systems.
振動センサ、加速度センサ、回転センサ、温度センサ等の各種センサを含むワイヤレスセンサユニットを内蔵し、各種センサにより取得したデータを無線通信により出力するワイヤレスセンサ付き軸受が提案されている(例えば、特許文献1)。このようなワイヤレスセンサ付き軸受を適用した回転機械において、ワイヤレスセンサユニットで測定したデータを外部に送付する技術として、回転機械の金属筐体の内外の電波を中継する無給電中継器を設けた無線通信システムが開示されている(例えば、特許文献2)。 Wireless sensor bearings have been proposed that incorporate wireless sensor units that include various sensors such as vibration sensors, acceleration sensors, rotation sensors, temperature sensors, etc., and that output data acquired by the various sensors via wireless communication (see, for example, patent documents 1). As a technology for transmitting the data measured by the wireless sensor unit to the outside of a rotary machine to which such a bearing with a wireless sensor is applied, a non-powered repeater is installed to relay radio waves inside and outside the metal housing of the rotary machine. A communication system has been disclosed (eg, Patent Document 2).
無給電中継器を用いた無線通信システムでは、高い電界強度を維持するために電波の伝搬損失を抑制する必要がある。上記従来技術では、回転機械の金属筐体に挿通した無給電中継器の端子部と受信アンテナとを同軸ケーブルで接続して、無給電中継器の受信アンテナをワイヤレスセンサユニットの送信アンテナに対向して配置し、ワイヤレスセンサユニットの送信アンテナと無給電中継器の受信アンテナとの間で生じる近傍界の電磁結合作用を利用して、ワイヤレスセンサユニットから放射される電波の伝搬損失の抑制効果を高めている。あるいは、回転機械の金属筐体の内外の電波を中継する第1の無給電中継器とワイヤレスセンサユニットとの間で電波の送信方向を変えて中継する第2の無給電中継器を設け、回転機械の金属筐体に挿通した第1の無給電中継器の端子部と受信アンテナとを同軸ケーブルで接続して、第1の無給電中継器の受信アンテナを第2の無給電中継器の送信アンテナに対向して配置し、第2の無給電中継器の送信アンテナと第1の無給電中継器の受信アンテナとの間で生じる近傍界の電磁結合作用を利用して、第2の無給電中継器から放射される電波の伝搬損失の抑制効果を高めている。このような態様の無線通信システムをモータや減速機等の回転機械に適用する場合、金属筐体の内部における同軸ケーブルの取り回しや第2の無給電中継器の配置は、金属筐体の内部の構造や反射等によるマルチパスフェージング現象により制限される場合がある。 In wireless communication systems using parasitic repeaters, it is necessary to suppress propagation loss of radio waves in order to maintain high field strength. In the prior art described above, the terminals of the parasitic repeater inserted through the metal housing of the rotating machine and the receiving antenna are connected with a coaxial cable, and the receiving antenna of the parasitic repeater faces the transmitting antenna of the wireless sensor unit. By using the near-field electromagnetic coupling between the transmitting antenna of the wireless sensor unit and the receiving antenna of the parasitic repeater, the effect of suppressing the propagation loss of the radio waves emitted from the wireless sensor unit is enhanced. ing. Alternatively, a second parasitic repeater that changes the transmission direction of radio waves and relays them is provided between a first parasitic repeater that relays radio waves inside and outside the metal housing of the rotating machine and the wireless sensor unit. The terminal part of the first parasitic repeater inserted through the metal housing of the machine and the receiving antenna are connected with a coaxial cable, and the receiving antenna of the first parasitic repeater is used for transmission of the second parasitic repeater. The second parasitic repeater is arranged opposite to the antenna and utilizes the near-field electromagnetic coupling effect generated between the transmitting antenna of the second parasitic repeater and the receiving antenna of the first parasitic repeater. It enhances the effect of suppressing the propagation loss of radio waves emitted from the repeater. When applying the wireless communication system of this aspect to a rotary machine such as a motor or a speed reducer, the routing of the coaxial cable inside the metal housing and the placement of the second parasitic repeater are It may be limited by multipath fading phenomena due to structures, reflections, etc.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、電界強度の低下を抑制しつつ、回転機械の内部構造に依らず広く適用可能な無線通信システムを提供すること、を目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a wireless communication system that can be widely applied regardless of the internal structure of a rotating machine while suppressing a decrease in electric field strength. .
上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る無線通信システムは、第1筐体と第2筐体とが嵌め合わされた金属筐体の内部と外部との間で無線通信を行う無線通信システムであって、前記第1筐体に取り付けられたワイヤレスセンサユニットと、前記第2筐体に取り付けられ、前記金属筐体の内部と外部との間に設けられた第1の無給電中継器と、前記第1筐体に取り付けられ、前記ワイヤレスセンサユニットから送信された電波を前記第1の無給電中継器に中継する第2の無給電中継器と、を備え、前記第2の無給電中継器の受信アンテナは、第1基板に設けられた導体で構成され、前記第2の無給電中継器の送信アンテナは、前記第1基板とは異なる第2基板に設けられた導体で構成され、前記第1基板と前記第2基板とが略平行に近接配置され、前記第1の無給電中継器の受信アンテナは、前記第1筐体と前記第2筐体とが嵌め合わされたとき、前記第2基板の水平面の延長平面上に配置される。 To achieve the above object, a wireless communication system according to one aspect of the present invention provides a wireless communication system for performing wireless communication between the inside and the outside of a metal housing in which a first housing and a second housing are fitted together. In a communication system, a wireless sensor unit attached to the first housing, and a first parasitic relay attached to the second housing and provided between the inside and the outside of the metal housing. and a second parasitic repeater attached to the first housing for relaying radio waves transmitted from the wireless sensor unit to the first parasitic repeater, The receiving antenna of the feeding repeater is composed of a conductor provided on a first substrate, and the transmitting antenna of the second parasitic repeater is composed of a conductor provided on a second substrate different from the first substrate. and the first substrate and the second substrate are arranged substantially parallel and close to each other, and the receiving antenna of the first parasitic repeater is arranged when the first housing and the second housing are fitted together. , on an extension plane of the horizontal plane of the second substrate.
上記構成によれば、電界強度の低下を抑制しつつ、回転機械の内部構造に依らず広く適用可能な無線通信システムが得られる。 According to the above configuration, it is possible to obtain a wireless communication system that can be widely applied regardless of the internal structure of the rotating machine while suppressing a decrease in electric field strength.
無線通信システムの望ましい態様として、前記第1基板と前記第2基板とを略平行に保持する樹脂部材を備えることが好ましい。 As a preferred aspect of the wireless communication system, it is preferable to include a resin member that holds the first substrate and the second substrate substantially parallel to each other.
無線通信システムの望ましい態様として、前記ワイヤレスセンサの送信アンテナは、基板に設けられた導体で構成され、前記第1基板は、前記ワイヤレスセンサユニットの送信アンテナが設けられた基板に略平行に配置されていることが好ましい。 As a desirable aspect of the wireless communication system, the transmission antenna of the wireless sensor is composed of a conductor provided on a substrate, and the first substrate is arranged substantially parallel to the substrate provided with the transmission antenna of the wireless sensor unit. preferably.
無線通信システムの望ましい態様として、前記第1の無給電中継器の受信アンテナと前記第1の無給電中継器の送信アンテナとが一体化されて前記第2筐体に取り付けられていることが好ましい。 As a preferred aspect of the wireless communication system, it is preferable that the receiving antenna of the first parasitic repeater and the transmitting antenna of the first parasitic repeater are integrated and attached to the second housing. .
無線通信システムの望ましい態様として、前記第1の無給電中継器の受信アンテナは、前記第1の無給電中継器の送信アンテナと同軸ケーブルで接続され、前記第2筐体に取り付けられていることが好ましい。 As a preferred aspect of the wireless communication system, the receiving antenna of the first parasitic repeater is connected to the transmitting antenna of the first parasitic repeater with a coaxial cable and attached to the second housing. is preferred.
本発明によれば、電界強度の低下を抑制しつつ、回転機械の内部構造に依らず広く適用可能な無線通信システムが得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a wireless communication system that can be widely applied regardless of the internal structure of a rotating machine while suppressing a decrease in electric field intensity.
以下、発明を実施するための形態(以下、実施形態という)につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, it demonstrates in detail, referring drawings for the form (henceforth embodiment) for implementing invention. In addition, the present invention is not limited by the following embodiments. In addition, components in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that fall within a so-called equivalent range. Furthermore, the constituent elements disclosed in the following embodiments can be combined as appropriate.
まず、本実施形態に係るワイヤレスセンサが適用される例として、ワイヤレスセンサ付き軸受について説明する。 First, a bearing with a wireless sensor will be described as an example to which the wireless sensor according to the present embodiment is applied.
図1は、ワイヤレスセンサ付き軸受の斜視図である。図2は、ワイヤレスセンサ付き軸受の分解斜視図である。図3は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、発電部と凸部とを含む部分の断面図である。図4は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、発電部と凹部とを含む部分の断面図である。図5は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、センサ基板を含む部分の断面図である。図1に示すワイヤレスセンサ付き軸受1は、図2に示すように、ワイヤレスセンサユニット5と、トーンリング30と、軸受本体(第1軸受)20とを有している。
FIG. 1 is a perspective view of a bearing with wireless sensor. FIG. 2 is an exploded perspective view of the bearing with wireless sensor. FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion of the wireless sensor-equipped bearing including a power generating portion and a convex portion. FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion of the wireless sensor-equipped bearing including a power generating portion and a recess. FIG. 5 is a cross-sectional view of a portion of the bearing with wireless sensor including the sensor substrate. The wireless sensor-equipped
図3から図5に示すように、軸受本体(第1軸受)20は、外輪21と、内輪22と、転動体23とを有する転がり軸受である。外輪21と内輪22は、回転軸Ax(図1参照)を中心に相対的に回転する。以下、内輪22が回転輪として説明するが、内輪22と外輪21とが相対回転していれば、どちらが回転していてもよい。
As shown in FIGS. 3 to 5, the bearing body (first bearing) 20 is a rolling bearing having an
カバー10は、円環状の天板12と、天板12の周囲に接続され、筒状の側板11とを有する。カバー10は、ケイ素鋼板、炭素鋼(JIS規格 SS400又はS45C)、マルテンサイト系ステンレス(JIS規格 SUS420)又はフェライト系ステンレス(JIS規格 SUS430)のいずれかのような磁性を有する材料で形成される。
The
図2に示すように、ワイヤレスセンサユニット5において、複数の発電部3と基板40とが、天板12の一方の面12Aに取り付けられている。一方の面12Aは、軸受本体(第1軸受)20と対向する側の面である。基板40は、電源基板41と、センサ基板42とを有している。
As shown in FIG. 2 , in the
例えば、図1及び図2に示すように、天板12に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルト19Aが締結することで、発電部3は、天板12に固定される。同様に、天板12に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルト19Bが締結することで、電源基板41とセンサ基板42とが、天板12に固定される。図1に示すように、ボルト19A及びボルト19Bは、カバー10に取り付けられた状態で、カバー10から突出しない長さを有している。
For example, as shown in FIGS. 1 and 2 , the
トーンリング30には、外径側に突出する凸部31と、凸部31よりも内径側に凹む凹部32とが周方向に交互に設けられている。トーンリング30は、軸受本体(第1軸受)20側に突出する筒状突起33を内周側に有している。トーンリング30は、ケイ素鋼板、炭素鋼(JIS規格 SS400又はS45C)、マルテンサイト系ステンレス(JIS規格 SUS420)又はフェライト系ステンレス(JIS規格 SUS430)のいずれかのような磁性を有する材料で形成される。
The
発電部3は、永久磁石13と、ヨーク14と、コイル15とを有している。永久磁石13は、天板12に接するように固定されている。ヨーク14は、永久磁石13に接するように固定されている。ヨーク14は、永久磁石13に磁気的に接続されていればよく、直接接続されていなくてもよい。ヨーク14は、ケイ素鋼板、NiFe合金などの磁性を有する材料で形成されている。ヨーク14の内部における磁束量が増えるように、ヨーク14は、カバー10の材質と同等以上の透磁率を有する材料が用いられていることが望ましい。ヨーク14がケイ素鋼板であると、透磁率が高くなり、ヨーク14内に磁束が通りやすくなる。
The
コイル15は、導線がヨーク14を巻回するいわゆるマグネットワイヤである。隣り合う発電部3のコイル15同士は、直列に接続され、直列接続された複数の発電部3のコイル15から引き出された配線が電源基板41に接続されている。
The
図3に示すように、側板11の一端が外輪21の外周に設けられた溝21Aに嵌め込まれ固定される。筒状突起33は、内輪22の内周に設けられた溝22Aに嵌め込まれ固定されている。これにより、図3及び図4に示すように、ヨーク14の内周側端面及び天板12の内周側端面がトーンリング30の凸部31又は凹部32に対向する位置に配置される。そして、カバー10及びトーンリング30は、軸受本体(第1軸受)20への取り付けが容易である。
As shown in FIG. 3, one end of the
永久磁石13の磁界により磁束Mfが、ヨーク14、トーンリング30の凸部31又は凹部32、カバー10の天板12を通る。このため、永久磁石13、ヨーク14、トーンリング30の凸部31又は凹部32、カバー10の天板12が磁気回路となる。
The magnetic field of the
また、図5に示すように、凸部31の外周側端面31IFの一部には、トーンリング30よりも強い磁性を示す磁性体311が取り付けられている。例えば、凸部31の外周側端面31IFには、磁性体の形状と大きさに対応した凹部が設けられている。この凹部に磁性体311は嵌め込まれている。磁性体311と、磁性体311の周囲の外周側端面31IFは、面一又はほぼ面一となっている。磁性体311は、例えば、硬磁性体の永久磁石である。トーンリング30において、磁性体311の取り付け箇所は1箇所のみである。外輪21に対して内輪22が相対的に1回転(360°回転)する毎に、磁性体311は角度センサ443に最も近づく。角度センサ443は、例えばホール素子を含む。
Further, as shown in FIG. 5, a
図6は、ワイヤレスセンサ付き軸受における起電力の電圧と時間との関係を説明するための説明図である。ここで、図6の横軸は時間Tであり、縦軸は起電力の電圧Viである。外輪21が固定され、内輪22が回転することによって内輪22と共にトーンリング30が回転し、トーンリング30と発電部3とが相対的に回転する。ヨーク14にとっては、内周側端面から図3に示す凸部31の外周側端面31IFまでのエアギャップと、内周側端面から図4に示す凹部32の外周側端面32IFまでのエアギャップと、が交互に入れ替わる。
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the voltage of the electromotive force and the time in the bearing with wireless sensor. Here, the horizontal axis of FIG. 6 is the time T, and the vertical axis is the voltage Vi of the electromotive force. When the
このように、トーンリング30の外周の凸部31と凹部32とにより、発電部3のヨーク14とトーンリング30の外周との距離が周期的に変化する。これにより、発電部3に生じる磁束Mfの密度が変化する。永久磁石13を備えたヨーク14とトーンリング30とが接近している場合には、永久磁石13、ヨーク14、トーンリング30を通る磁束Mfは大きく、ヨーク14とトーンリング30とが離れている場合には、永久磁石13、ヨーク14、トーンリング30を通る磁束Mfが小さくなる。この磁束Mfの密度変化に応じて、ヨーク14の周りにマグネットワイヤを巻いたコイル15に電圧変化が発生する。
In this manner, the distance between the
すなわち、ヨーク14と凸部31の外周側端面31IFとが最も近づいたときに、図3に示す磁束Mfが大きくなり、図6に示す起電力の電圧V1が電源基板41に供給される。ヨーク14と凹部32の外周側端面32IFとが最も遠ざかるときに、図4に示す磁束Mfが小さくなり、図6に示す起電力の電圧V2が電源基板41に供給される。
That is, when the
図7は、ワイヤレスセンサユニットの平面図である。図7に示すように、電源基板41には、電源部43が実装されている。電源部43は、発電部3から供給された単相交流電力を直流電圧に変換して、センサ基板42へ供給する。センサ基板42には、センサ44と、通信回路を有する制御部45と、送信アンテナ47とが実装されている。電源部43からの直流電力は、センサ44及び制御部45に供給される。センサ44、制御部45及び送信アンテナ47は、別々のIC(Integrated Circuit)チップで構成されていてもよいし、それらの一部又は全部が1つのICチップで構成されていてもよい。また、センサ44は、例えば、加速度センサ441と、温度センサ442及び角度センサ443を有する。なお、センサ44は、上述した加速度センサ441、温度センサ442、角度センサ443のうちの何れか1つ、又は2つでも良いし、その他の物理量を計測するセンサであっても良い。
FIG. 7 is a plan view of the wireless sensor unit. As shown in FIG. 7 , a
図8は、カバーの斜視図である。図8に示すように、カバー10には、貫通孔12Hが開けられている。貫通孔12Hは、図1に示すように、樹脂などの非磁性材料で形成された非磁性蓋17で密閉されている。上述したように、カバー10は、軸受本体(第1軸受)20側に送信アンテナ47を備えている。ここで、カバー10は、磁性を有しているので、送信アンテナ47からの電磁波をシールドする作用を有している。このため、図7に示すように、軸受本体(第1軸受)20の回転軸Zr方向(図1における回転軸Ax方向)からみた平面視において、送信アンテナ47が非磁性蓋17と重なるように配置されている。すなわち、カバー10の送信アンテナ47に対向する部分には、非磁性蓋17が設けられている。このため、送信アンテナ47の電磁波WVは、非磁性蓋17を介して軸受本体(第1軸受)20の回転軸Zr(Ax)方向に放射され、通信部151へ到達することができる。
FIG. 8 is a perspective view of the cover. As shown in FIG. 8, the
また、図8に示すように、天板12の一方の面12Aに、発電部3を配置するための複数の凹部18が設けられている。例えば、複数の凹部18の各々は、コイル15を配置するための第1凹部18Aと、永久磁石13を配置するための第2凹部18Bとを有する。一方の面12Aを基準面としたとき、第1凹部18Aは第2凹部18Bよりも深い。
Further, as shown in FIG. 8, one
制御部45は、センサ44によって検出された各種データをアナログデータからデジタルデータに変換(例えば、A/D変換)して記憶する機能を有する。また、制御部45は、送信アンテナ47を介して記憶したデジタルデータを外部に送信する機能を有する。制御部45は、電源部43から供給される直流電力を使用して動作する。
The
ワイヤレスセンサユニット5から送信されたデジタルデータは、図1に示す上位装置150の通信部151で受信される。通信部151で受信したデジタルデータは、コンピュータ152で処理される。このように、ワイヤレスセンサ付き軸受1は、デジタルデータを無線で送信することができるので、小型化が可能になる。
Digital data transmitted from the
本実施形態に係るワイヤレスセンサとしては、上述したワイヤレスセンサ付き軸受1の他に、軸受の近傍に設ける間座タイプのワイヤレスセンサモジュールも存在する。以下、上述したワイヤレスセンサ付き軸受1やワイヤレスセンサモジュールのようなワイヤレスセンサを用いた無線通信システムについて説明する。なお、以下の説明では、図1から図8において説明したワイヤレスセンサ付き軸受1及び上位装置150の構成と実質的に同一の構成部が含まれる。
As the wireless sensor according to the present embodiment, in addition to the wireless sensor-equipped
本実施形態では、ワイヤレスセンサ付き軸受を備えたモータにおける無線通信システムの具体的な適用例について説明する。図9は、ワイヤレスセンサ付き軸受を備えたモータの内部構成の一例を示す図である。なお、上述した構成と同じ構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。また、本実施形態に係る無線通信システムを適用する回転機械は、モータに限らず、例えば、ワイヤレスセンサ付き軸受を備えた減速機であっても良い。 In this embodiment, a specific application example of a wireless communication system in a motor equipped with a bearing with a wireless sensor will be described. FIG. 9 is a diagram showing an example of the internal configuration of a motor having a bearing with a wireless sensor. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the same structure part as the structure mentioned above, and the overlapping description is abbreviate|omitted. Moreover, the rotating machine to which the wireless communication system according to the present embodiment is applied is not limited to a motor, and may be, for example, a reduction gear provided with a bearing with a wireless sensor.
モータ50は、基本構成として、金属筐体51、ロータ52、ステータ53、及び出力シャフト54を備えている。
The
ロータ52及び出力シャフト54は、モータ50の金属筐体51及びステータ53に対して回転自在に保持される。ワイヤレスセンサ付き軸受1は、モータ50の回転制御対象100が機械的に接続される出力シャフト54の負荷側に設けられている。本実施形態において、モータ50の回転制御対象100(以下、「負荷」とも称する)は、例えばポンプや減速機等の回転機械である。
The
ワイヤレスセンサユニット5は、負荷側の軸受本体(第1軸受)20の回転軸Ax方向内側に設けられる。ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47は、センサ基板42上に設けられた導体で構成される。送信アンテナ47は、例えば、パターンアンテナ、マイクロストリップパッチアンテナ、及びチップアンテナのいずれか1つで構成される。
The
本開示のワイヤレスセンサユニット5は、上述したように、軸受本体(第1軸受)20に設けられたカバー10に覆われて構成される。カバー10は、磁性を有する材料で形成され、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47から送信される電波は、カバー10に設けられた貫通孔12Hを密閉する非磁性蓋17を介して、軸受本体(第1軸受)20の回転軸Ax方向に放射される。図9に示す構造のモータ50にワイヤレスセンサ付き軸受1を適用する場合、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47は、電波の最大放射方向を回転軸Ax方向内側に向けて配置される。このため、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47から放射される電波の強度は、センサ基板42の垂直方向において最大となる。従って、図9に示す構成のモータ50にワイヤレスセンサ付き軸受1を適用する場合、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47から送信される電波を金属筐体51の外部に取り出すためのシステムが必要となる。
The
以下、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47から送信される電波を金属筐体51の外部に取り出すことが可能な無線通信システムについて説明する。
A wireless communication system capable of extracting radio waves transmitted from the transmitting
図10は、比較例の第1例に係る無線通信システムの適用例を示す図である。図9と同じ構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。図10に示す比較例の第1例において、無線通信システムは、ワイヤレスセンサユニット5と、無給電中継器60とを含む。
FIG. 10 is a diagram illustrating an application example of a wireless communication system according to a first comparative example. The same components as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. In a first comparative example shown in FIG. 10 , the wireless communication system includes a
無給電中継器60を構成する各要素は、ワイヤレスセンサ付き軸受1が設けられる出力シャフト54の負荷側の第1空間Aに設けられるが、一般に、モータの内部空間は狭く、金属筐体内部の構造体によって配置が制限される。
Each element constituting the
図10に示す例において、無給電中継器60は、金属筐体51の上面に設けられた孔に端子部62が挿通されている。すなわち、ワイヤレスセンサユニット5からの電波の放射方向と、無給電中継器60の端子部62が挿通される金属筐体51の孔の穿孔方向とが異なっている。
In the example shown in FIG. 10 , the
無給電中継器60の送信アンテナ61は、金属筐体51の外側に設けられている。送信アンテナ61は、例えば、ダイポールアンテナやモノポールアンテナ等で構成することができる。
A
無給電中継器60の受信アンテナ65は、例えば樹脂製のアンテナ基板64上に設けられた導体で構成され、金属筐体51の内側に設けられている。受信アンテナ65は、例えば、パターンアンテナ又はマイクロストリップパッチアンテナで構成することができ、アンテナ基板64の垂直方向において受信感度が最大となる。図10に示す比較例の第1例において、無給電中継器60の受信アンテナ65は、最大感度方向がワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47の最大放射方向と略一致する位置に配置される。
The receiving
端子部62とアンテナ基板64とは、例えば同軸ケーブル63で接続されている。すなわち、送信アンテナ61と受信アンテナ65とは、端子部62及び同軸ケーブル63を介して接続されている。アンテナ基板64と同軸ケーブル63との接続は、例えば、SMAコネクタやU.FLコネクタで接続される。同軸ケーブル63は、例えば、これらSMAコネクタやU.FLコネクタに適合した、直径1.37mm程度の同軸ケーブルである。
The
図10に示すように、無給電中継器60の受信アンテナ65は、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47に対向して配置されている。これにより、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47の最大放射方向と無給電中継器60の受信アンテナ65の最大感度方向とが略一致する。
As shown in FIG. 10 , the receiving
また、無給電中継器60の受信アンテナ65は、電波の基本波の波長をλとしたとき、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47との距離dがλ/2π以下となる位置に配置することで、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47と無給電中継器60の受信アンテナ65との間で生じる近傍界の電磁結合作用を利用することができる。但し、受信アンテナ65と送信アンテナ47の対向配置により回転軸Ax方向のサイズは大きくなる。
Further, the
図11は、比較例の第2例に係る無線通信システムの適用例を示す図である。図11に示す比較例の第2例において、無線通信システムは、ワイヤレスセンサユニット5と、第1の無給電中継器60と、第2の無給電中継器80とを含む。
FIG. 11 is a diagram illustrating an application example of a wireless communication system according to a second comparative example. In the second example of the comparative example shown in FIG. 11, the wireless communication system includes a
第1の無給電中継器60は、図10に示す無給電中継器60に対応する。図11に示す例では、金属筐体51の内部に、第2の無給電中継器80を設けている。この第2の無給電中継器80により、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47から放射される電波の放射方向を変えて、第1の無給電中継器60に送信する構成としている。
The first
第2の無給電中継器80の受信アンテナ85、及び、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81は、例えば樹脂製のアンテナ基板84上に設けられた導体で構成される。図11に示す比較例の第2例において、受信アンテナ85及び送信アンテナ81は、例えば、パターンアンテナ又はマイクロストリップパッチアンテナで構成され、アンテナ基板84の垂直方向において受信感度が最大となる。第2の無給電中継器80は、受信アンテナ85の最大感度方向がワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47の最大放射方向と略一致し、かつ、送信アンテナ81の最大放射方向が第1の無給電中継器60の受信アンテナ65の最大感度方向と略一致する位置に配置される。受信アンテナ85と送信アンテナ81とは、それぞれ別の基板上に設けられ、各基板が互いに同軸ケーブルで接続される態様であっても良い。
The receiving
図11に示すように、第2の無給電中継器80の受信アンテナ85は、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47に対向して配置されている。これにより、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47の最大放射方向と第2の無給電中継器80の受信アンテナ85の最大感度方向とが略一致する。
As shown in FIG. 11 , the receiving
また、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81は、第1の無給電中継器60の受信アンテナ65に対向して配置されている。これにより、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81の最大放射方向と第1の無給電中継器60の受信アンテナ65の最大感度方向とが略一致する。
Also, the transmitting
また、第2の無給電中継器80の受信アンテナ85は、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47との距離d1がλ/2π以下となる位置に配置することで、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47と第2の無給電中継器80の受信アンテナ85との間で生じる近傍界の電磁結合作用を利用することができる。
Further, the receiving
また、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81と第1の無給電中継器60の受信アンテナ65とは、電波の基本波の波長をλとしたとき、互いの距離d2がλ/2π以下となる位置に配置することで、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81と第1の無給電中継器60の受信アンテナ65との間で生じる近傍界の電磁結合作用を利用することができる。
Further, the distance d2 between the transmitting
上述したように、図10に示す比較例の第1例及び図11に示す比較例の第2例では、金属筐体51の内部のワイヤレスセンサ付き軸受1が設けられる出力シャフト54の負荷側の第1空間Aにおいて、無給電中継器(第1の無給電中継器)60の送信アンテナ61と受信アンテナ65とは、端子部62及び同軸ケーブル63を介して接続されている。このような態様において、同軸ケーブル63の取り回しや、図11に示す比較例の第2例における第2の無給電中継器80の配置は、金属筐体51やロータ52やステータ53の構造体(例えば、金属筐体51に設けられるリブや、ステータ53の巻線、あるいはロータ52の磁石等)により制限される。特に、図11に示す比較例の第2例では、第2の無給電中継器80が略L字型の構造体となるため、無線通信システムを適用可能な回転機械が制限される。また、狭い金属筐体51の内部(第1空間A)に無給電中継器(第1の無給電中継器)60の受信アンテナ65や第2の無給電中継器80を組み付けることとなるため、モータ50の組み立て作業性が悪化する可能性がある。
As described above, in the first example of the comparative example shown in FIG. 10 and the second example of the comparative example shown in FIG. In the first space A, a transmitting
以下、回転軸Ax方向のサイズを小さくすることによる適用範囲の拡大及び組み立て作業性の向上を可能とする実施形態に係る無線通信システムについて説明する。 Hereinafter, a wireless communication system according to an embodiment that can expand the application range and improve assembly workability by reducing the size in the direction of the rotation axis Ax will be described.
図12は、実施形態に係る無線通信システムを適用したモータの具体例を示す図である。なお、図11と同じ構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。 FIG. 12 is a diagram showing a specific example of a motor to which the wireless communication system according to the embodiment is applied. 11 are assigned the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
図12に示す具体例において、モータ50(回転機械)の金属筐体51は、第1筐体51a及び第2筐体51bで構成されている。実施形態に係る無線通信システムは、図11に示す比較例の第2例に対し、第2の無給電中継器80の態様が異なっている。
In the specific example shown in FIG. 12, the
図12に示す構成において、第2の無給電中継器80の受信アンテナ85は、例えば樹脂製のアンテナ基板84a(第1基板)に設けられた導体で構成されている。第2の無給電中継器80の受信アンテナ85は、例えば、スパイラルアンテナ、パッチアンテナ、マイクロストリップラインアンテナ等が例示される。第2の無給電中継器80の受信アンテナ85は、スパイラルアンテナ、パッチアンテナ、マイクロストリップラインアンテナに限定されず、アンテナ基板84a(第1基板)の垂直方向において受信感度が最大となるアンテナであることが好ましい。
In the configuration shown in FIG. 12, the receiving
また、図12に示す構成において、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81は、例えばテフロン(登録商標)系のリジッド基板で構成されるアンテナ基板84b(第2基板)に設けられた導体で構成されている。第2の無給電中継器80の送信アンテナ81は、例えば、パッチアンテナやマイクロストリップラインアンテナ等が例示される。第2の無給電中継器80の送信アンテナ81は、パッチアンテナやマイクロストリップラインアンテナに限定されず、アンテナ基板84b(第2基板)の水平面内において無指向性のアンテナであることが好ましい。
In the configuration shown in FIG. 12, the transmitting
第2の無給電中継器80の受信アンテナ85が設けられるアンテナ基板84a(第1基板)と、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81が設けられるアンテナ基板84b(第2基板)とは、互いに略平行に近接配置される。これにより、図11に示す比較例の第2例の構成に対し、第2の無給電中継器80の回転軸Ax方向のサイズを小さくすることができ、本開示に係る無線通信システムの適用範囲を拡大することができる。
The
図13は、実施形態に係る第2の無給電中継器の概略構造図である。図13に示す例では、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81が設けられるアンテナ基板84a(第1基板)と第2の無給電中継器80の受信アンテナ85が設けられるアンテナ基板84b(第2基板)とが、互いに略平行となるように、樹脂製のブラケット87(樹脂部材)に嵌め込まれている。なお、ブラケット87(樹脂部材)は、アンテナ基板84a(第1基板)とアンテナ基板84b(第2基板)との双方の導体(銅箔パターン)の絶縁が維持される態様であれば良い。これにより、アンテナ基板84a(第1基板)とアンテナ基板84b(第2基板)とが、互いに略平行に近接配置した状態で保持される。
FIG. 13 is a schematic structural diagram of a second parasitic repeater according to the embodiment. In the example shown in FIG. 13, an
送信アンテナ81と受信アンテナ85とは、ブラケット87に設けられた伝送路88で接続されている。図13に示す例において、伝送路88は、例えば同軸ケーブルであっても良いし、導波管であっても良い。また、伝送路88は、ブラケット87に棒状あるいは板状の導体を埋め込み、当該導体で送信アンテナ81と受信アンテナ85とが接続される態様であっても良い。この場合、導体は鋭角の屈曲部を設けず、緩やかな曲線で形成される態様であることが好ましい。
The transmitting
図14は、図12に示すモータを構成する第1ユニット及び第2ユニットの具体例を示す構造図である。図12に示す態様のモータ50は、図14に示すように、第1ユニット50a及び第2ユニット50bで構成される。
14 is a structural diagram showing a specific example of the first unit and the second unit that constitute the motor shown in FIG. 12. FIG. The
第1ユニット50aは、第1筐体51aに出力シャフト54が挿通されたワイヤレスセンサ付き軸受1が組み込まれている。第2の無給電中継器80は、例えば、樹脂製の軸受押さえ部材55を介して第1筐体51aに取り付けられている。
The
ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47の最大放射方向と第2の無給電中継器80の受信アンテナ85の最大感度方向とが一致(図12のb矢示方向)するように、樹脂製の非磁性蓋17を隔てて、第2の無給電中継器80の受信アンテナ85が設けられたアンテナ基板84a(第1基板)をワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47が設けられた基板に略平行に配置し、第2の無給電中継器80の受信アンテナ85をワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47との距離がλ/2π以下となる位置に配置することで、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47と第2の無給電中継器80の受信アンテナ85との間で生じる近傍界の電磁結合作用を利用することができ、ワイヤレスセンサユニット5の送信アンテナ47から放射される電波の伝搬損失を抑制することができる。
A resin-made non-magnetic antenna is attached so that the maximum radiation direction of the transmitting
第2ユニット50bは、第2筐体51bに設けられたシャフト孔54aに沿って軸受本体(第2軸受)20aが取り付けられている。第1の無給電中継器60は、第2筐体51bに設けられた孔に挿通されている。
The
第1筐体51aに組み込まれた出力シャフト54の端部をシャフト孔54aに挿通し、第1筐体51aと第2筐体51bとが回転軸Ax方向に嵌め合わされることによって、モータ50が構成される。
The end of the
上述した構成において、第1の無給電中継器60の受信アンテナ65は、図12に示すように、第1筐体51aと第2筐体51bとが嵌め合わされた状態において、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81が設けられるアンテナ基板84b(第2基板)の水平面の延長平面(図12のa矢示方向を含む面)上に取り付けられている。上述したように、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81を、アンテナ基板84b(第2基板)の水平面内において無指向性のアンテナとし、アンテナ基板84b(第2基板)の水平面の延長平面(図12のa矢示方向を含む面)上に第1の無給電中継器60の受信アンテナ65を配置することで、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81から放射される電波の金属筐体51内の反射等によるマルチパスフェージング現象が抑制される。これにより、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81から放射される電波の伝搬損失を抑制することができる。
In the configuration described above, the receiving
また、上述した構成において、第2の無給電中継器80の受信アンテナ85が設けられるアンテナ基板84a(第1基板)と送信アンテナ81が設けられるアンテナ基板84b(第2基板)とを略平行に配置することで、図11に示す比較例の第2例よりも第2の無給電中継器80をコンパクト化することができる。
In the above-described configuration, the
さらに、上述した構成において、第1の無給電中継器60は、受信アンテナ65と送信アンテナ61とが端子部62を介して一体化され、第2筐体51bに設けられた孔に挿通された状態で、第1筐体51aと第2筐体51bとが嵌め合わされ、モータ50が構成される。このような構成により、図10に示す比較例の第1例及び図11に示す比較例の第2例よりも組み立て作業性を向上することができる。また、同軸ケーブル63の配線作業も不要となる。
Furthermore, in the configuration described above, the first
(変形例)
図15は、実施形態の第1変形例に係る無線通信システムの適用例を示す図である。図12では、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81が設けられるアンテナ基板84b(第2基板)の水平面の延長平面(a矢示方向を含む面)上に、受信アンテナ65と送信アンテナ61とが端子部62を介して一体化された第1の無給電中継器60を設けた例を示したが、図15に示すように、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81が設けられるアンテナ基板84b(第2基板)の水平面の延長平面(a矢示方向を含む面)とはずれた位置に第1の無給電中継器60を挿通する孔を設け、第1の無給電中継器60の送信アンテナ61と受信アンテナ65とが端子部62及び同軸ケーブル63を介して接続され、第1の無給電中継器60の受信アンテナ65が設けられたアンテナ基板64は、例えば、樹脂製のアンテナ取り付け部材56を介して第2筐体51bに取り付けられる態様であっても良い。
(Modification)
FIG. 15 is a diagram illustrating an application example of the wireless communication system according to the first modification of the embodiment. In FIG. 12, a receiving
図16は、実施形態の第2変形例に係る無線通信システムの適用例を示す図である。図16では、負荷側の第1空間Aを回転軸Ax方向から透視した図を例示している。 FIG. 16 is a diagram illustrating an application example of the wireless communication system according to the second modified example of the embodiment. FIG. 16 illustrates a perspective view of the first space A on the load side from the direction of the rotation axis Ax.
第1の無給電中継器60の受信アンテナ65は、図15及び図16に示すように、第1筐体51aと第2筐体51bとが嵌め合わされた状態において、第2の無給電中継器80の送信アンテナ81が設けられるアンテナ基板84b(第2基板)の水平面の延長平面(a矢示方向を含む面)上に取り付けられていれば良く、第1の無給電中継器60の送信アンテナ61を挿通する挿通孔の位置や、第1の無給電中継器60の受信アンテナ65の周方向位置によって限定されない。
The receiving
また、図15及び図16に示す態様では、第1の無給電中継器60の受信アンテナ65が設けられたアンテナ基板64がアンテナ取り付け部材56を介して第2筐体51bに取り付けられた状態で、第1筐体51aと第2筐体51bとが嵌め合わされ、モータ50が構成される。このような構成により、図12から図14に示す実施形態に係る無線通信システムと同様に、図10に示す比較例の第1例及び図11に示す比較例の第2例よりも組み立て作業性を向上することができる。図10、図11ともに、ロータ52の挿入経路上にアンテナ基板64、受信アンテナ65が存在しているので、図14の様な組立方法は採用できない。したがって、ロータ52は右方から挿入するしかないが、回転制御対象100との連結態様に工夫がいる。
15 and 16, the
上述した実施形態及び変形例の構成により、電界強度の低下を抑制しつつ、回転機械の内部構造に依らず広く適用可能な無線通信システムが得られる。 With the configurations of the above-described embodiments and modifications, it is possible to obtain a wireless communication system that can be widely applied regardless of the internal structure of a rotating machine while suppressing a decrease in electric field intensity.
なお、本開示では、金属筐体51の内部のワイヤレスセンサ付き軸受1が設けられる出力シャフト54の負荷側の第1空間Aに無線通信システムを設けた態様について説明したが、第2空間Bの軸受本体(軸受20a)をワイヤレスセンサ付き軸受とし、第2空間Bに無線通信システムを設けた態様であっても良いし、第1空間A及び第2空間Bのそれぞれに無線通信システムを設けた態様であっても良い。
In the present disclosure, a mode in which the wireless communication system is provided in the first space A on the load side of the
また、上述で使用した図は、本開示に関して定性的な説明を行うための概念図であり、これらに限定されるものではない。また、上述の実施形態は本開示の好適な実施の一例ではあるが、これに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。 Also, the diagrams used above are conceptual diagrams for qualitatively explaining the present disclosure, and are not limited to these. In addition, although the above-described embodiment is an example of the preferred implementation of the present disclosure, it is not limited to this, and various modifications can be implemented without departing from the gist of the present disclosure.
1 ワイヤレスセンサ付き軸受
5 ワイヤレスセンサユニット
10 カバー
17 非磁性蓋
20 軸受本体(第1軸受)
20a 軸受本体(第2軸受)
21 外輪
22 内輪
40 基板
41 電源基板
42 センサ基板
43 電源部
44 センサ
45 制御部
47 送信アンテナ(ワイヤレスセンサユニット)
50 モータ(回転機械)
50a 第1ユニット
50b 第2ユニット
51 金属筐体
51a 第1筐体
51b 第2筐体
52 ロータ
53 ステータ
54 出力シャフト
54a シャフト孔
55 軸受押さえ部材
56 アンテナ取り付け部材
60 無給電中継器(第1の無給電中継器)
61 送信アンテナ(無給電中継器、第1の無給電中継器)
62 端子部
63 同軸ケーブル
64 アンテナ基板
65 受信アンテナ(無給電中継器、第1の無給電中継器)
80 第2の無給電中継器
81 送信アンテナ(第2の無給電中継器)
84a,84b アンテナ基板
85 受信アンテナ(第2の無給電中継器)
87 ブラケット(樹脂部材)
88 伝送路
100 回転制御対象
150 上位装置
151 通信部
152 コンピュータ
441 加速度センサ
442 温度センサ
443 角度センサ
A 第1空間
B 第2空間
Ax 回転軸
20a bearing body (second bearing)
21
50 motor (rotating machine)
50a
61 transmitting antenna (parasitic repeater, first parasitic repeater)
62
80 second
84a,
87 bracket (resin member)
88
Claims (5)
前記第1筐体に取り付けられたワイヤレスセンサユニットと、
前記第2筐体に取り付けられ、前記金属筐体の内部と外部との間に設けられた第1の無給電中継器と、
前記第1筐体に取り付けられ、前記ワイヤレスセンサユニットから送信された電波を前記第1の無給電中継器に中継する第2の無給電中継器と、
を備え、
前記第2の無給電中継器の受信アンテナは、第1基板に設けられた導体で構成され、
前記第2の無給電中継器の送信アンテナは、前記第1基板とは異なる第2基板に設けられた導体で構成され、
前記第1基板と前記第2基板とが略平行に近接配置され、
前記第1の無給電中継器の受信アンテナは、前記第1筐体と前記第2筐体とが嵌め合わされたとき、前記第2基板の水平面の延長平面上に配置される
無線通信システム。 A wireless communication system for performing wireless communication between the inside and the outside of a metal housing in which a first housing and a second housing are fitted together,
a wireless sensor unit attached to the first housing;
a first parasitic repeater attached to the second housing and provided between the inside and the outside of the metal housing;
a second parasitic repeater attached to the first housing for relaying radio waves transmitted from the wireless sensor unit to the first parasitic repeater;
with
the receiving antenna of the second parasitic repeater is composed of a conductor provided on the first substrate,
the transmitting antenna of the second parasitic repeater is composed of a conductor provided on a second substrate different from the first substrate,
the first substrate and the second substrate are arranged close to each other in a substantially parallel manner;
A receiving antenna of the first parasitic repeater is arranged on an extension plane of a horizontal plane of the second substrate when the first housing and the second housing are fitted together.
請求項1に記載の無線通信システム。 The wireless communication system according to claim 1, further comprising a resin member that holds the first substrate and the second substrate substantially parallel.
前記第1基板は、前記ワイヤレスセンサユニットの送信アンテナが設けられた基板に略平行に配置されている
請求項1又は2に記載の無線通信システム。 The transmitting antenna of the wireless sensor unit is composed of a conductor provided on a substrate,
3. The wireless communication system according to claim 1, wherein the first substrate is arranged substantially parallel to the substrate provided with the transmitting antenna of the wireless sensor unit.
請求項1から3の何れか一項に記載の無線通信システム。 4. The receiving antenna of the first parasitic repeater and the transmitting antenna of the first parasitic repeater are integrated and attached to the second housing. A wireless communication system as described.
請求項1から3の何れか一項に記載の無線通信システム。 4. The receiving antenna of the first parasitic repeater is connected to the transmitting antenna of the first parasitic repeater with a coaxial cable and attached to the second housing. A wireless communication system according to any one of the preceding paragraphs.
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