JP4530888B2 - アンテナ付軸受のアンテナ取付け構造 - Google Patents

Description

この発明は、ＩＣタグ付軸受やセンサ付軸受において、ＩＣタグの情報やセンサの検出信号を無線で送信するためのアンテナを備えたアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造に関する。

機械部品にＩＣタグを内蔵することで、機械部品の識別やトレーサビリティ管理などを行うことが、ＩＣタグの利用例として進んでいる。ＩＣタグは、ＩＣチップとアンテナからなり、ＩＣタグリーダ／ライタから電波でＩＣタグに情報を書き込んだり、ＩＣタグに蓄えられているＩＤ情報を読み出すというように使用される。
このような機能を有するＩＣタグを利用した機械部品の一例として、外輪の端面にＩＣタグを取付けたＩＣタグ付軸受（特許文献１）や、ＩＣタグとセンサを組み合わせた部品を外輪の端面に取付け、トレーサビリティ管理と異常監視とを行うようにしたＩＣタグ・センサ付軸受（特許文献２）が提案されている。これらの軸受では、ＩＣタグのアンテナが外輪の端面に配置される。

一方、電波を利用したワイヤレスセンサを機械部品に内蔵して、センサの検出信号を外部に送信し、機械部品の異常監視などを行うようにしたものがある。この場合には、無線送信のためのアンテナの設置が必要である。このようなセンサ付機械部品の一例として、内外輪間の環状空間の端部を密封するシールにワイヤ等の導体からなる線状アンテナを埋め込んだアンテナ付車輪用軸受が提案されている（特許文献３）。
特開２００４−２６３７２４号公報 特開２００５−０２４４４１号公報 特開２００３−２７８７８２号公報

しかし、特許文献１，２のように外輪の端面にアンテナを取付ける構成では、ハウジング等へ軸受を組み込む際にアンテナが妨げにならないように、外輪に凹部等の加工を施す必要があり、アンテナの効率にも悪影響を及ぼす恐れがある。
これに対して、特許文献３のようにアンテナをシールに埋め込んだ構成では、軸受の組込みの妨げにならないようにアンテナを取付けることができる。しかし、上述のように、シールに導体を埋め込んだだけの構造のアンテナでは、アンテナが小型化されるため、利得が悪くなり通信距離が落ちるという問題がある。また、シールが芯金付きの場合には、金属物であるシール芯金にアンテナが近接配置されるため、芯金に発生する渦電流の影響や鏡像効果によってアンテナの効率がさらに悪くなり、通信距離が落ちてしまうという問題がある。

この発明の目的は、アンテナの効率が良好で通信距離を大きくでき、またハウジング等へ軸受を組み込む際にアンテナが妨げにならないアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造を提供することである。

この発明のアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造は、互いに転動体を介して相対回転自在な内方部材および外方部材と、これら内方部材および外方部材間の環状空間を密封するシールとを有し、上記シールにアンテナを埋め込んだアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造であって、上記アンテナが渦巻き状に形成されたループアンテナであり、上記シールは、リング状の金属物である芯金と、この芯金の軸受外側を向く一側面に固着される弾性体とでなり、上記芯金の前記一側面に、磁性体プレートを接着、蒸着、またはスパッタリングのいずれかにより固定し、この磁性体プレートの表面に上記アンテナを配置し上記弾性体で覆ったことを特徴とする。
この構成によると、アンテナを渦巻き状に形成されたループアンテナとしたので、シールに埋め込んだアンテナでありながら、導体の長さを十分に得て、アンテナの効率が良好となり，通信距離を大きいものとできる。また、アンテナはシールに埋め込んだため、従来のシール埋め込みタイプのものと同様に、ハウジング等へ軸受を組み込む際にアンテナが妨げにならない。

ループアンテナは、その背面に金属物が直に存在すると、そこに発生する渦電流によりアンテナの効率が著しく低下して通信不能となる。しかし、シール芯金とループアンテナの間に磁性体プレートを介在させると、ループアンテナと鎖交する磁束が磁性体プレートを通り、シール芯金にほとんど届かなくなるため、シール芯金に発生する渦電流が小さくなる。その結果、アンテナの効率を落とすことなく、外部との無線通信が可能となる。

この発明における上記各構成の場合に、上記アンテナをシールに円周方向に沿って複数個配置してアレーアンテナとしても良い。アレーアンテナを構成する個々のアンテナは、ループアンテナであっても、パッチアンテナであっても良い。
シールに埋め込むためにアンテナを小型化すると、それだけアンテナの利得が小さくなり通信距離が短くなる。しかし、アンテナをシールの円周方向に複数個配置してアレーアンテナを構成することにより、アンテナ利得を稼ぐことができる。

この発明において、上記アレーアンテナを構成する個々のアンテナがループアンテナであって、各々のループアンテナに流れる電流の向きが同じになる向きにこれら各アンテナを接続しても良い。これにより、アンテナ利得を稼ぐことができる。

これらの発明において、上記軸受が車輪用軸受であっても良い。車輪用軸受は、例えば複列の転走面を内周に有する外方部材と、上記各転走面に対向する転走面を有する内方部材と、外方部材と内方部材の対向する転走面間に介在した複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するものである。
車輪用軸受は、知能化した高機能軸受として、アンチロックブレーキシステムの制御のための回転検出や、その他の目的でセンサ類を設け、その検出信号を車体側へ伝えることが望まれる。この場合に、ハーネスを簡素化するため、ワイヤレス送信が好ましいが、路面に晒されてノイズの生じやすい厳しい環境下にある。したがって、この発明のアンテナ付軸受におけるアンテナの効率が良好という利点が、効果的に発揮される。

この発明のアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造は、互いに転動体を介して相対回転自在な内方部材および外方部材と、これら内方部材および外方部材間の環状空間を密封するシールとを有し、上記シールにアンテナを埋め込んだアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造であって、上記アンテナが渦巻き状に形成されたループアンテナであり、上記シールは、リング状の金属物である芯金と、この芯金の軸受外側を向く一側面に固着される弾性体とでなり、上記芯金の前記一側面に、磁性体プレートを接着、蒸着、またはスパッタリングのいずれかにより固定し、この磁性体プレートの表面に上記アンテナを配置し上記弾性体で覆ったため、アンテナの効率が良好となり通信距離を大きくでき、またハウジング等へ軸受を組み込む際にアンテナが妨げにならない。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。このアンテナ付軸受１は図１（Ａ）に断面図で示すように、転動体４を介して互いに相対回転自在な内方部材２および外方部材３と、これら内方部材２および外方部材３間の環状空間の両端を密封する一対のシール５，６とを備えた転がり軸受であって、一方のシール６にＩＣタグ８を設けたものである。このアンテナ付軸受１は深溝玉軸受からなり、転動体４は保持器７で保持されている。

ＩＣタグ８は、ＩＣチップ９とアンテナ１０からなり、電波によりＩＣチップ９に情報を書き込んだり、ＩＣチップ９に蓄えられているＩＤ情報を読み出すことにより、軸受１の識別やトレーサビリティ管理を可能としたものである。図３に示すように、ＩＣチップ９は、中央処理装置（以下、ＣＰＵと言う）１１、メモリ１２、およびＲＦ回路１３を有し、ＲＦ回路１３に前記アンテナ１０が接続される。

図２に拡大して示すように、ＩＣタグ８が設けられるシール６は、リング状の芯金１４と、その軸受外側を向く一側面に固着されるゴム等の弾性体１５とでなる。芯金１４の軸受外側を向く一側面にＩＣタグ８のＩＣチップ９とアンテナ１０が配置され、前記弾性体１５で覆われている。これにより、アンテナ１０はシール６に埋め込んだ状態で取付けられる。
シール芯金１４とアンテナ１０との間には、磁性体プレート１６が介在する。磁性体プレート１６は、フェライトや強磁性体金属を含有するゴム，プラスチックのシートや、フェライトやアモルファスの薄膜シートなど、透磁率が大きく電気抵抗が高い強磁性体シートからなり、接着あるいは蒸着やスパッタリングなどによりシール芯金１４の一側面に固定される。
アンテナ１０は、図１（Ｂ）に示すように、渦巻き状のループアンテナからなり、その渦巻きはシール６の全周に沿わせて複数回巻いた形状とされている。

この構成のセンサ付軸受１によると、ＩＣタグ８のアンテナ１０と外部のＩＣタグリーダ／ライタ（図示せず）との無線通信により、ＩＣタグ８におけるＩＣチップ９のメモリ１２に格納された軸受１のＩＤ情報等を読み出したり、外部の１Ｃリーダ／ライタから所定の情報をメモリ１２に書き込むことで、軸受１の識別やトレーサビリティ管理などが行われる。
ループアンテナからなるアンテナ１０による送受信には、主に短波およびそれ以下の周波数の電波が使用され、電磁結合によって通信が行われる。

ここでは、上記アンテナ１０を渦巻き状に形成されたループアンテナとしているので、シール６に埋め込んだアンテナでありながら、導体の長さが十分に得られ、アンテナ１０の効率が良好で通信距離を大きくできる。また、アンテナ１０をシール６に埋め込んでいることから、アンテナ１０が軸受１の組込みに妨げになることはない。

ループアンテナ１０は、その背面に金属物であるシール芯金１４が直に存在すると、そこに発生する渦電流によりアンテナ１０の効率が著しく低下して通信不能となる。しかしここではシール芯金１４とループアンテナ１０の間に磁性体プレート１６を介在させているので、ループアンテナ１０と鎖交する磁束が磁性体プレート１６を通り、シール芯金１４にほとんど届かなくなるため、シール芯金１４に発生する渦電流が小さくなる。その結果、アンテナ１０の効率を落とすことなく、外部のＩＣタグリーダ／ライタと通信することができる。

なお、この実施形態では、ループアンテナ１０がＩＣタグ８のアンテナである場合について説明したが、これに限らず、図４に示すように、軸受に設置した温度センサ、振動センサ、回転センサなどのワイヤレスセンサ１７の検出信号の送信や、ワイヤレスセンサ１７の電源受信を、アンテナ１８および信号の変調・復調を行うＲＦ回路１９を介して行うワイヤレスセンサシステムにおいて、前記アンテナ１０およびその取付け構造を採用しても良い。この場合、電波によるワイヤレスセンサ１７への無線給電に替えて、軸受に別に搭載した発電機、バッテリー、電池などでワイヤレスセンサ１７へ電源供給するものであっても良い。

また、図１では、ループアンテナ１０の渦巻きを、シール６の全周に沿わせて複数回巻いた形状としたが、アンテナ利得をさほど必要としない場合には、図５のようにシール６の円周方向の一部にループアンテナ１０の渦巻きを形成しても良い。さらには、図６のように、シール６の円周方向に沿ってループアンテナ１０を複数個配置し、各々のループアンテナ１０に流れる電流の向きが同じになる向きに、これら各アンテナ１０を接続してアレーアンテナとすることで、アンテナ利得を稼ぐようにしても良い。

参考提案例を図７ないし図１０に示す。このアンテナ付軸受２１は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用の車輪用軸受に適用したものである。なお、図７において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向外側寄りとなる側（同図中の左側）をアウトボード側と言い、車両の中央寄りとなる側（同図中の右側）をインボード側と呼ぶ。
この車輪用軸受２１は、内周に複列の転走面２３ａを形成した外方部材２３と、これら転走面２３ａにそれぞれ対向する転走面２２ａを形成した内方部材２２と、これら複列の転走面２２ａ，２３ａ間に介在させた複列の転動体２４とを備える。このアンテナ付軸受２１は、複列のアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体２４はボールからなり、各列毎に保持器２７で保持されている。内外の部材２２，２３間に形成される環状空間のアウトボード側およびインボード側の各開口端部は、それぞれシール２５，２６で密封されていて、インボード側のシール２６にＩＣタグ８Ａが設けられている。

外方部材２３は、固定側の部材となるものであって、車体の懸架装置（図示せず）におけるナックル等に取付けるフランジ２３ｂが外周に設けられている。
内方部材２２は、回転側の部材となるものであって、外周に車輪取付フランジ２２ｂを有するハブ輪２２Ａと、このハブ輪２２Ａのインボード側端の外周に嵌合した別体の内輪２２Ｂとからなる。ハブ輪２２Ａには等速ジョイントの片方の継手部材となる外輪（図示せず）が連結される。ハブ輪２２Ａおよび内輪２２Ｂに、各列の転走面２２ａがそれぞれ形成される。

図９に拡大断面図で示すように、図７におけるインボード側のシール２６は、内輪２２Ｂの外周に嵌合するスリンガ２８と、このスリンガ２８に対向して外方部材２３の内周に嵌合する芯金２９と、この芯金２９に一体に固着された弾性部材３０とで構成される。前記ＩＣタグ８Ａは、前記スリンガ２８に設けられる。スリンガ２８は、円筒部２８ａと立板部２８ｂとでなる断面Ｌ字状とされ、その円筒部２８ａを内輪２２Ｂの外周に嵌合することにより、内方部材２２の外周に固定される。スリンガ立板部２８ｂのインボード側に向く側面には、弾性部材３１が固着される。弾性部材３０には、スリンガ２８に先端が接触する３つのシールリップ３０ａ，３０ｂ，３０ｃが形成されている。芯金２９は、円筒部２９ａと立板部２９ｂとでなる断面Ｌ字状とされ、円筒部２９ａで外方部材２３の内周に嵌合して取付けられる。

このアンテナ付車輪用軸受２１をインボード側から見た側面図を図８に示す。同図のように、前記ＩＣタグ８ＡはＩＣチップ９とアンテナ１０Ａからなる。アンテナ１０Ａはパッチアンテナからなり、前記スリンガ２８の円周方向に沿ってパッチアンテナ１０Ａを複数個配置し、これら各アンテナ１０Ａを接続することでアレーアンテナとされている。パッチアンテナ１０Ａは、先の実施形態で用いられたループアンテナ１０よりも高周波の電磁波（ＵＨＦ帯またはそれ以上）に使用される。

図１０（Ａ），（Ｂ）は、前記パッチアンテナ１０Ａの基本構成を示す平面図および正面図である。このパッチアンテナ１０Ａは、誘電体基板３４の両面に薄い導体パターン３５，３６を形成して構成される。片面の導体パターン３５は、全面グランド状（いわゆるべたグランド状）に形成され、もう片面の導体パターン３６はパッチとして形成され、誘電体基板３４による波長短縮効果を利用して小型化される。パッチとされる導体パターン３６の寸法は、使用する電波の波長によって決まる。

上記シール２６のスリンガ２８に設けられるパッチアンテナ１０Ａでは、弾性部材３１が図１０における誘電体基板３４の役割を担い、図９のように弾性部材３１とスリンガ立板部２８ｂとの間にグランドパターン３２（図１０の導体パターン３５に相当）が、弾性部材３１のインボード側を向く面にパッチパターン３３（図１０の導体パターン３６に相当）が、それぞれ銅パターンの接着や蒸着などにより形成されている。この場合、グランドパターン３２は省略して、スリンガ立板部２８ｂをグランドパターン３２に兼用しても良い。

このセンサ付車輪用軸受２１においても、ＩＣタグ８Ａのアンテナ１０Ａと外部のＩＣタグリーダ／ライタ（図示せず）との無線通信により、ＩＣタグ８Ａに格納された軸受２１のＩＤ情報等を読み出したり、外部の１Ｃタグリーダ／ライタから所定の情報をＩＣタグ８Ａに書き込むことで、軸受２１の識別やトレーサビリティ管理などが行われる。

上記アンテナ１０Ａはパッチアンテナであるが、パッチアンテナはその特性として、グランドパターン３２を充分大きくすることで、電波がパッチパターン３３の配置面方向にのみ放射される。グランドパターン３２側に金属物があってもグランドパターン３２側に電波が放射されないので、その金属物の影響を受けることがない。その結果、アンテナ１０Ａの効率が良好で通信距離を大きくできる。また、グランドパターン３２に接触している金属（スリンガ２８）はアンテナ１０Ａのグランドパターン３２を大きくすることと同じ効果を上げるので、アンテナ１０Ａの性能がさらに良くなる可能性がある。また、このアンテナ付軸受は、シール２５にアンテナ１０Ａを埋め込むことから、アンテナ１０Ａが軸受１の組込みに妨げになることはない。

シール２５に埋め込むためにアンテナ１０Ａを小型化すると、それだけアンテナ１０Ａの利得が小さくなり通信距離が短くなるが、この参考提案例ではパッチアンテナ１０Ａを図８のようにシール２６の円周方向に複数個配置してアレーアンテナを構成しているので、アンテナ利得を稼ぐことができる。

この参考提案例では、シール２６にＩＣタグ８Ａのパッチアンテナ１０Ａを埋め込んだ例を示したが、回転センサなどのワイヤレスセンサを搭載した車輪用軸受において、センサの検出信号の無線送信やセンサへの無線給電に、前記取付構造のパッチアンテナ１０Ａを用いても良い。

また、上記各実施形態では、アンテナ１０をシール６に埋め込んだ例を示したが、上記と同じ構造のアンテナ１０を軸受の外方部材や内方部材の端面に設けても良く、この場合にも、アンテナの効率が良好で通信距離を大きくできるという効果を発揮することができる。これら外方部材や内方部材の端面にアンテナを１０を設ける場合も、アレイアンテナとするなど、上記各実施形態で説明した構成を採用することができる。

（Ａ）はこの発明の第１の実施形態にかかるアンテナ付軸受の断面図、（Ｂ）は同軸受の側面図である。 同軸受の部分拡大断面図である。 同軸受に設けられるＩＣタグのブロック図である。 同軸受におけるアンテナの適用が可能なワイヤレスセンサシステムのブロック図である。 同軸受におけるアンテナの他の構成例を示す側面図である。 同軸受におけるアンテナのさらに他の構成例を示す側面図である。 参考提案例にかかるアンテナ付車輪用軸受の断面図である。 同軸受の側面図である。 同軸受の部分拡大断面図である。 （Ａ）は同軸受に設けられるパッチアンテナの基本構成を示す平面図、（Ｂ）は同正面図である。

符号の説明

１…アンテナ付軸受
２…内方部材
３…外方部材
４…転動体
５，６…シール
１０，１０Ａ…アンテナ
１４…芯金
１６…磁性体プレート
２１…アンテナ付車輪用軸受
２２…内方部材
２３…外方部材
２４…転動体
２５，２６…シール

Claims (4)

1. 互いに転動体を介して相対回転自在な内方部材および外方部材と、これら内方部材および外方部材間の環状空間を密封するシールとを有し、上記シールにアンテナを埋め込むアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造であって、
   上記アンテナが渦巻き状に形成されたループアンテナであり、
   上記シールは、リング状の金属物である芯金と、この芯金の軸受外側を向く一側面に固着される弾性体とでなり、
   上記芯金の前記一側面に、磁性体プレートを接着、蒸着、またはスパッタリングのいずれかにより固定し、この磁性体プレートの表面に上記アンテナを配置し上記弾性体で覆ったことを特徴とするアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造。
2. 請求項１において、上記アンテナをシールに円周方向に沿って複数個配置してアレーアンテナとしたアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造。
3. 請求項２において、上記アレーアンテナを構成する個々のアンテナがループアンテナであって、各々のループアンテナに流れる電流の向きが同じになる向きにこれら各アンテナを接続したアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、上記軸受が車輪用軸受であるアンテナ付軸受のアンテナ取付け構造。

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