JP5434577B2 - 変位センサ装置及び転がり軸受装置 - Google Patents
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Description
一方、フレキシブルプリント基板と呼ばれる柔軟で薄い基板の平面上に、渦巻状のコイルを構成し、インダクタとしたものが提案されている(例えば、特許文献1,2参照。)。このような平面コイルの構造は、積層鋼板にコイルを巻く構造に比べて、軽量・コンパクト化に大きく寄与するものと期待される。
また、フレキシブルプリント基板には、コイルと電気的に接続される電子部品も実装可能である。このような電子部品は、コイルの設けられていない箇所の、フレキシブルプリント基板の内面上に実装される。こうして、コイル及び必要な電子部品による電子回路を搭載したフレシキブルプリント基板を支持部によって保持した、薄く、コンパクトな変位センサ装置を作製することができる。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、検出対象物の変位を検出する機能を確保しつつ、検出対象物と電子部品との接触を防止する変位センサ装置及びこれを用いた転がり軸受装置を提供することを目的とする。
一方、フレキシブルプリント基板の回路基板部は、支持部の内周側ではなく外周側にあるので装着が容易である。また、装着のために支持部の外周面に加工を施すことは、内周面に加工を施すことよりも容易である。さらに、回路基板部と検出対象物との間に支持部があるので、回路基板部に検出対象物が接触することを防止し、また、グリース・金属摩耗粉等による回路基板部の汚損を防止することができる。
この場合、回路基板部は外周側にあっても、コイル基板部は内周側への折り返しによって検出対象物に近接して対向させることができる。
この場合、フレキシブルプリント基板を単に支持部の外周側の所定位置に装着すれば、窓を通じてコイルを内方へ向けて露出させることができる。
この場合、コイルが設けられた基板部分を平板の平面に沿わせることで、検出の精度を安定させることができる。
この場合、電子部品は、平面部上で、曲げずに支持されるので、半田のはがれを防止することができる。
この場合、フレキシブルプリント基板を鍔状部で位置決めすることができ、基板の装着が容易である。
この場合、引出し部も含めて基板全体が一方向に長い単純な形状となるので、基板材料から効率よく作製することができる。すなわち、歩留まりが良い。
このような転がり軸受装置における変位センサ装置は、検出対象物である回転体の変位を検出する機能を確保しつつ、回転体と電子部品との接触を防止することができる。
図1は、本発明の変位センサ装置に使用する平面コイルの原理を説明する図である。この平面コイル1は、(a)に示すように、フレキシブルプリント基板(FPC)2上に、導電部を渦巻状に形成して成るコイル3を設けたものである。このような平面コイル1は、例えばポリイミド製の基板に銅やアルミニウム等の金属箔が貼着されたフレキシブルプリント基板からエッチングを行って、渦巻のパターンを残すことにより製作することができる。なお、コイル3の渦巻中心の端部は、例えばスルーホールで裏面へ導出することができる。コイル3は、渦巻のターン数(渦を巻いている回数)、コイルの断面積、コイルの長さ等に依存するインダクタンスLを有するが、ターン数は2乗で関与するため、最も支配的な要素である。従って、ターン数を確保することによって、所望のインダクタンスを得ることが可能である。
図2は、LC回路の周波数特性の一例を示すグラフである。周波数特性は、例えば自己共振周波数f1でピークとなる実線の曲線であるが、自己共振周波数が低下してf2になると、周波数特性は破線の曲線となる。この結果、LC回路に一定の発振周波数f0を供給している場合において、LC回路の出力(振幅)は、V1からV2に変化する。このようにして、ギャップの変化を出力の変化として検出することができる。
次に、上記のような平面コイル1を複数個使用した基板形センサの原理的構成について説明する。
図4の(a)は、基板形センサ10の展開図である。この基板形センサ10においては、フレキシブルプリント基板2上に、4個のコイル3(総称符号)が2段に、合計8個設けられている。なお、図ではコイル3を簡略化して同心円のように描いているが、実際は、図1や図3に示したような渦巻である(以下、同様。)。
X方向変位:(X1+,X1−)、(X2+,X2−)
Z方向変位:(Z1+,Z1−)、(Z2+,Z2−)
各コイル3における2つの巻端(図示せず。)は、フレキシブルプリント基板2の表裏両面の導電路6を経て、端子電極部2aに導出されている。
各コイルは前述のように等価的にはLC回路であり、発振回路13から抵抗14を介して所定の発振周波数f0の交流信号が供給される。LC回路の出力はインピーダンス変換を行うバッファ回路(電圧フォロワ回路)15を経て、差動増幅回路16に入力される。
また、コイル3の導電部と回転体12との間にキャパシタンスが現れるので、別途、回路部品としてのコンデンサを用意することなく、LC回路を構成することができる。
また、1つの基板に必要数のコイル3を設けることができ、それによって、僅か1枚のフレキシブルプリント基板2に必要な機能を集約し、検出対象物の変位を非接触で検出することができる。
次に、転がり軸受装置の固定輪と回転輪との間に取り付けられる第1実施形態に係る変位センサ装置について説明する。
図8は、転がり軸受装置の一種であるハブユニットの断面図である。このハブユニット100は車両に取り付けられるものであり、取り付けた状態では、図8における右側が車両のアウター側(車両の外側)であり、左側が車両のインナー側(車両の内側)である。図8において、ハブユニット100の中心軸Cに沿った方向をY方向とし、これに直交する紙面に垂直な方向をX方向とし、Y方向及びX方向の双方に直交する鉛直方向をZ方向とする。従って、このハブユニット100が自動車に取り付けられた状態においてX方向は車輪の前後水平方向となり、Y方向は車輪の左右水平方向(軸方向)となり、Z方向は上下方向となる。
このハブユニット100において、外輪101は、車体側の固定部材に固定される固定輪である。また、内軸102と内輪部材103とは、外輪101に転動体105を介して回転自在に支持された回転輪である。外輪101、内軸102及び内輪部材103は、互いに同軸(中心軸C)に配置されている。
一方、止め代部22bは、フレキシブルプリント基板22を支持部21(図10)に固定するにあたっての、ねじやリベット等の止め具23(図10)による固定の用に供する部位である。各止め代部22bには、丸孔hが形成されている。
なお、ポケット21a,21bの配置は、電子部品を収容するか否かにかかわらず、回点対称な配置を基本形とする。これにより、支持部21の熱膨張及び、コイル3の磁場を、径方向の対向部間で均一にすることができる。
次に、第2実施形態に係る変位センサ装置について説明する。なお、例えば転がり軸受装置に取り付けられる変位センサ装置である点は、第1実施形態と同様である。
図12〜14は、第2実施形態に係る変位センサ装置20を示す図であり、図12はフレキシブルプリント基板22の展開図、図13は、支持部21及びフレキシブルプリント基板22の斜視図、図14は、フレキシブルプリント基板22を支持部21に装着することにより完成した状態の変位センサ装置20を示す斜視図である。なお、図12において、フレキシブルプリント基板22に搭載する電子回路は第1実施形態と同様であるので、回路図は省略している。
一方、電子部品Eは逆に、外方に向けられた状態にあるので、検出対象物(図8の主軸部102a)との接触を避けるには好適な配置である。従って、検出対象物の変位を検出する機能を確保しつつ、検出対象物と電子部品との接触を防止することができる。
一方、回路基板部22eは外周側にあっても、コイル基板部22dは内周側への折り返しによって検出対象物に近接して対向させることができる。折り返されたコイル基板部22dは、樹脂モールドによってグリース・金属摩耗粉等による直接の汚損を防止することができる。
また、電子部品Eが、平面部21e(図13)上で、曲げずに支持されることによって、半田のはがれを防止することができる。
次に、第3実施形態に係る変位センサ装置について説明する。なお、例えば転がり軸受装置に取り付けられる変位センサ装置である点は、第1実施形態と同様である。
図15〜17は、第3実施形態に係る変位センサ装置20を示す図である。まず、図15は支持部21を示す図であり、(a)は側面図、(b)は、(a)におけるB−B線断面図である。
図において、フレキシブルプリント基板22は、コイル3及びセンサ回路要素を含むベルト状の回路基板部22fと、長手方向の一端部(図の左端)から少し幅を狭くして延伸するように形成された引出し部22cとを一体に有するものである。また、コイル3が設けられている面を表面側とすると、コイル3の裏面側には平板24(例えば薄い金属板)が接着されている。平板24の2箇所に設けられた貫通孔24aは、フレキシブルプリント基板22の孔22gと同じ位置にある。裏面側における、斜線を付した3つの領域a2には、電子部品(図示せず。)が実装される。
図において、フレキシブルプリント基板22は、コイル3が窓21pに来るように、また、領域a2が平面部21n(図15)の真上にくるように、支持部21の筒体部21tに巻き付けられる(但し、引出し部22cを除く。)。このとき、一対の鍔状部21sの存在は、フレキシブルプリント基板22の、軸方向への位置決めに寄与するので、装着が容易である。そして、ねじやリベット等の止め具25を平板21の貫通孔24a(図16)から挿入して支持部21の取り付け孔21rに固定する。
図17の(c)に示すように、コイル3は窓21pから内方へ露出している。また、支持部21の径方向に互いに対向するコイル3同士の距離は、支持部21の内径(直径)と同じである。
また、電子部品が、支持部21の平面部21n(図15)上で、曲げずに支持されることによって、半田のはがれを防止することができる。
また、窓を設けるコイル装着部21mは径方向の厚さが平面部21qにのみ必要で中央には必要が無いので、薄くすることができる。しかも、このような支持部21は、第1実施形態のような(図10)軸方向端面から止め具23を固定する孔21dを必要としない。従って、第3実施形態の構成は、支持部21全体の薄肉化にも寄与する。
次に、第4実施形態に係る変位センサ装置について説明する。この変位センサ装置は、例えばスピンドル装置に取り付けられる点で、既述の各実施形態とは異なる。
図18〜20は、第4実施形態に係る変位センサ装置20を示す図である。まず、図18の(a)、(b)は、フレキシブルプリント基板22の両面図である。なお、フレキシブルプリント基板22に搭載される電子回路は第1実施形態と同様であるので、回路図は省略している。
支持部21は、全体としては概ねリング状の物体(リング体)であるが、詳細には、一対の端面部21uと、これらを軸方向に繋ぐ4本の支柱部21vとによって構成されている。端面部21uは、外周が円形で、内周が四角形の四隅を丸めたような形状となっている。支柱部21vは、端面部21uの周方向に90度間隔で配置されている。支柱部21vの内面(内方へ向いている面)は平面である。周方向における支柱部21vの間の空間は、フレキシブルプリント基板22やそこに実装された電子部品を受け入れるポケット空間でもある。
円筒部21wの1箇所には孔21xが形成されており、引出し部22cは、この孔21xから周方向へ引き出される。(c)に示すように、円筒部21wにフレキシブルプリント基板22の四隅が当接した状態が取付の定位置であるようにすれば、装着時の位置決めが容易である。
また、フレキシブルプリント基板22を四角形にして装着することで、八角形よりも簡素な形となる。さらに、電子部品を実装する平面を容易に確保することができる。
なお、上記各実施形態における変位センサ装置20は、転がり軸受装置やスピンドル装置のみならず、検出対象となる物体(特に回転体)の変位を検出する装置として広く使用可能である。
また、このような変位センサ装置は、回転体以外の検出対象物にも適用可能である。例えば、軸方向へ移動する直動軸部材の径方向への微小な変位を検出する場合に、適用可能である。このような場合の支持部は、必ずしもリング状でなくてもよく、直動軸部材の外形状に合わせた枠状であってもよい。
また、上記各実施形態において、フレキシブルプリント基板22のコイル3は、2個1組で周方向へ4等配に設けられているが、これは出力の必要性に対応したもので、コイルの数や配置は、図示したものに限定されない。
Claims (8)
- 検出対象物の変位を非接触で検出する変位センサ装置であって、
前記検出対象物のまわりを取り囲むフレキシブルプリント基板と、
前記フレキシブルプリント基板に設けられ、導電部を渦巻状に形成して成り、渦巻面が前記検出対象物と対向するコイルと、
前記フレキシブルプリント基板上に実装され、前記コイルと電気的に接続された電子部品と、
前記コイルを内方に向けて露出させ、かつ、前記電子部品を外方に向けた状態で、前記フレキシブルプリント基板を沿わせて支持する全体としてリング状若しくは枠状の支持部とを備え、
前記フレキシブルプリント基板は前記支持部の外周側に装着されるベルト状の回路基板部を有し、当該回路基板部が前記支持部の外周側に装着された状態で前記コイルが前記支持部を介して前記内方に向けて露出する状態となることを特徴とする変位センサ装置。 - 前記フレキシブルプリント基板は、前記回路基板部の長手方向と直交する方向に細片状に突出して形成され、前記コイルが設けられた複数のコイル基板部を有し、
各コイル基板部を前記支持部の内周側に折り返すことにより前記コイルを内方に向けて露出させている請求項1記載の変位センサ装置。 - 前記コイルが配置される箇所の前記支持部には内外貫通の窓が形成されていることにより、当該窓を通じて、前記コイルを内方へ向けて露出させている請求項1記載の変位センサ装置。
- 前記窓に前記コイルを臨ませる箇所での前記フレキシブルプリント基板の外側に沿わせるように平板が取り付けられている請求項3記載の変位センサ装置。
- 前記支持部の外周側の複数箇所に平面部が形成され、当該平面部に前記電子部品が配置される請求項2又は3に記載の変位センサ装置。
- 前記支持部はリング状であり、その軸方向両端に鍔状部が設けられている請求項2〜5のいずれか1項に記載の変位センサ装置。
- 前記フレキシブルプリント基板は展開するとベルト状であり、その一端から長手方向へ電子回路の引出し部が形成されている請求項1記載の変位センサ装置。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の変位センサ装置を固定輪側に取り付けて、前記検出対象物としての回転体の変位を検出する転がり軸受装置。
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