JP6264404B2 - ワイヤレスセンサ付き軸受 - Google Patents

Description

この発明は、発電機構を有するワイヤレスセンサ付き軸受に関する。

ワイヤレスセンサ付き軸受の従来例としては、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されたワイヤレスセンサ付き軸受では、転がり軸受の軸受空間を密封するシールにセンサユニットを設けている。このセンサユニットは、転がり軸受の状態情報を検出するセンサと、このセンサが検出した情報を取り扱う情報取扱手段と、情報取扱手段およびセンサを駆動可能な発電機能を有する電源を有する。
つまり、特許文献１に記載された発明は、既存の転がり軸受のシールをセンサユニット付きのシールに交換するだけで、発電機能を有するワイヤレスセンサ付き軸受を得ることを目指したものと言える。

しかし、特許文献１には、電源に関して、熱発電素子であるゼーベック素子や振動発電素子であるエレクトレット素子を用いた発電機構が適用できると記載されている。これらの発電機構では、転がり軸受の使用初期の低速回転時には、シール表裏面での温度差やシールに生じる振動が小さいことから、必要な電力を得ることが難しい。
また、ワイヤレスセンサ付き軸受の発電機構については、例えば、特許文献２に、内輪よび外輪の一方に、周方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に配置された環状の磁石を固定し、この磁石と軸方向で対向する環状の導体を他方に固定し、磁石と導体との相対回転により起電力を生じさせる技術も開示されている。これらの環状の磁石および導体は、既存の転がり軸受の構成部品に追加で必要となるものである。

特開２０１２−１４９７１６号公報 特開２００３−９７５８２号公報

この発明の課題は、発電機能を有するワイヤレスセンサ付き軸受として、既存の転がり軸受の構成部品の交換などにより簡単に得られ、使用初期や低速回転時であっても必要な電力が得られてセンサ機能が発揮できるものを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様であるワイヤレスセンサ付き軸受は、下記の構成(1) 〜(7) を有する。
(1) 外周面に内輪軌道面を有する内輪と、前記内輪軌道面と対向配置される外輪軌道面を内周面に有する外輪と、前記内輪軌道面と前記外輪軌道面とで形成される軌道に配置された転動体と、を有する。
(2) 環状体からなる保持器であって、前記転動体を回転自在に保持するポケットを有し、前記ポケットは前記環状体の周面を貫通し、前記ポケットは前記環状体の周方向に複数個形成された保持器を有する。隣り合う前記ポケット間の部分に、軸方向に伸びる貫通穴が形成されている。
(3) 複数の磁石であって、前記保持器の前記貫通穴に偶数個ずつ、前記環状体の周方向で各磁石のＮ極とＳ極が隣り合うように固定された磁石を有する。
(4) 前記内輪と前記外輪との間を軸方向一端部で密封する第一シールであって、前記保持器に対して相対回転する第一シールと、前記第一シールの前記磁石との対向面に固定されたコイルと、前記内輪と前記外輪との間を軸方向他端部で密封する第二シールと、を有する。
(5) 前記内輪、前記外輪、および前記第一シールのいずれかに設置されたセンサを有する。
(6) 前記第一シールに形成された回路部であって、前記磁石と前記コイルとの相対回転による電磁誘導で前記コイルに生じた電流を電源供給部へ供給する電源回路と、前記センサで検出された検出情報から検出値を演算する演算回路と、演算結果を示す無線信号を作成する無線回路と、を備えた回路部を有する。
(7) 前記無線信号を送信するアンテナであって、前記第一シールに固定されたアンテナを有する。

この発明のワイヤレスセンサ付き軸受によれば、既存の転がり軸受の保持器とシールを交換するだけで簡単に得られ、使用初期や低速回転時であっても必要な電力が得られてセンサ機能が発揮できる。

実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受を示す断面図である。 実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受を構成する磁石、保持器、およびヨークを示す斜視図である。 実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受から第一シールを外した状態を示す斜視図（ａ）と、第一シールの芯金を示す斜視図（ｂ）である。 実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受が有する回路構成を示す模式図である。 保持器のポケット同士の間に磁石を一つずつ配置した場合（ａ）と磁石を二個ずつ配置した場合（ｂ）を比較して説明する図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
図１および図２に示すように、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０は、内輪１、 外輪２、ボール（転動体）３と、保持器４と、１６個（複数）の磁石５Ａ，５Ｂと、ヨーク６と、第一シール７と、第二シール７Ａを有する。
内輪１の外周面には、軸方向中央部に内輪軌道面１１が形成され、軸方向両端部にシール配置用の周溝１２が形成されている。外輪２の内周面には、軸方向中央部に外輪軌道面２１が形成され、軸方向両端部にシール取付溝２２が形成されている。内輪軌道面１１と外輪軌道面２１が対向配置され、内輪軌道面１１と外輪軌道面２１とで形成される軌道に、ボール３が配置されている。

図２に示すように、保持器４は環状体からなり、ボール３を回転自在に保持するポケット４１を有する。ポケット４１は保持器４の周面を貫通する。ポケット４１の保持器４の軸方向一端面４０が開放されている。つまり、保持器４は冠型保持器である。ポケット４１は保持器４の周方向に八個（複数個）形成されている。保持器４の隣り合うポケット４１間の部分（柱部）４２に、軸方向に伸びる貫通穴４３が形成されている。
貫通穴４３の内面は、保持器４の外周側の大径面４３ａと、内周側の小径面４３ｂと、保持器４の径方向に沿う一対の対向面４３ｃ，４３ｄとからなる。貫通穴４３は全ての柱部４２に一つずつ形成されている。保持器４の軸方向他端面に、軸方向に凹む円環状の凹部４４が形成されている。

保持器４の貫通穴（ポケット同士の間）４３の全てに、二個の磁石５Ａ，５Ｂが貼り合わされた磁石対５が、一つずつ配置されている。磁石５Ａ，５Ｂは同じ形状のネオジム磁石である。磁石対５は、各磁石５Ａ，５ＢのＮ極とＳ極が隣り合うように貼り合わされたものである。つまり、１６個（複数）の磁石５Ａ，５Ｂが、全ての貫通穴４３に二個（偶数個）ずつ、保持器４の軸方向に沿ってＮ極とＳ極が並び、保持器４の周方向で各磁石５Ａ，５ＢのＮ極とＳ極が隣り合うように配置されている。
磁石５Ａ，５Ｂの形状は、貼り合わされて磁石対５とされた状態で、保持器４の貫通穴４３の内面に対応する形状である。磁石対５は、貫通穴４３の大径面４３ａに対応する外面５１と、貫通穴４３の小径面４３ｂに対応する内面５２と、貫通穴４３の一対の対向面４３ｃ，４３ｄに対応する外面５３，５４と、保持器４の軸方向一端面４０側の軸方向一端面５５と、その反対側の面である軸方向他端面５６を有する。

磁石対５の軸方向一端面５５と軸方向他端面５６との距離（軸方向に沿った寸法）は、保持器４の軸方向寸法より大きい。そのため、図１および図３（ａ）に示すように、貫通穴４３に配置された磁石対５は保持器４の軸方向一端面４０から突出している。
図２に示すように、ヨーク６は円環状の金属板であって、保持器４の凹部４４に嵌合する寸法を有する。図１に示すように、ヨーク６は凹部４４に嵌合されて、貫通穴４３に配置された磁石対５の軸方向他端面５６に接触している。ヨーク６は電磁鋼等の比透磁率の高い材料で形成されている。

磁石対５およびヨーク６の劣化を防ぐために、磁石対５およびヨーク６の表面をフッ素ゴム被膜またはパリレン（ポリパラキシレンの通称）の蒸着膜で覆うことが好ましい。保持器４は６，６−ナイロン等の非磁性材料で形成されている。保持器４を射出成形で作製する際に、磁石対５とヨーク６を金型に配置して一体成形することが好ましい。射出成形された保持器４の貫通穴４３に磁石対５を入れて接着し、凹部４４にヨーク６を嵌めて接着してもよい。
第一シール７は、図１に示すように、芯金７１とゴム製のシール部７２とからなる。図１および図３（ｂ）に示すように、第一シール７の芯金７１の内側面（磁石対５との対向面）７１ａに、複数個のコイル８と一つの回路基板９が固定されている。芯金７１は電磁鋼等の比透磁率の高い材料で形成されている。芯金７１の内側面７１ａに絶縁膜が形成されている。

コイル８の芯金８１は電磁鋼等の比透磁率の高い材料で形成されている。コイル８と磁石対５の相対回転で生じる電磁誘導による発電量を向上させるために、コイル８は、薄膜コイルが積層されたものを使用してもよいし、直径が０．０１ｍｍ以下の金属線が巻かれたものを使用してもよい。
第一シール７は、図１に示すように、シール部７２の内周部を内輪１の周溝１２に配置し、シール部７２の外周部を外輪２のシール取付溝２２に弾性変形状態で嵌め入れることで、内輪１と外輪２との間に設置されている。つまり、第一シール７は外輪２に固定されている。

第二シール７Ａは、 図１に示すように、芯金７１Ａとゴム製のシール部７２とからなる通常のシールである。第二シール７Ａは、シール部７２の内周部を内輪１の周溝１２に配置し、シール部７２の外周部を外輪２のシール取付溝２２に弾性変形状態で嵌め入れることで、内輪１と外輪２との間に設置されている。つまり、第二シール７Ａは外輪２に固定されている。
回路基板（回路部）９は、図３（ｂ）および図４に示すように、電源回路９１と制御回路９２と無線回路９３とアンテナ９４を有する。制御回路９２上に、加速度センサ、温度センサ、回転センサ、および荷重センサの少なくともいずれかのセンサ９２ａが設けてある。電源回路９１は、電磁誘導でコイル８に生じた電流を、整流、平滑化して、電源供給部（センサ９２ａ、制御回路９２、無線回路９３）へ供給するとともに、蓄電する。そのために、電源回路９１は、整流回路、平滑回路、蓄電回路、蓄電用二次電池、および定電圧出力回路を備えている。

制御回路（演算回路）９２は、センサ９２ａで検出された情報Ｓ１を演算し、演算結果を示す信号Ｓ２と演算結果の送信周期を示す制御信号Ｓ３を、無線回路９３に出力する。無線回路９３は、制御回路９２からの演算結果を示す信号Ｓ２を、制御信号Ｓ３に従った送信周期で無線信号に変換して、アンテナ９４に出力する。アンテナ９４は、演算結果（センサ９２ａで検出された情報）を示す無線信号を所定周期で、外部に設けた受信端末に無線送信する。
上述のように、第一シール７の芯金７１の内側面７１ａに、複数個のコイル８と一つの回路基板９が固定されているが、さらにその上を保護カバーで覆うことが好ましい。これにより、コイル８、回路基板９、およびアンテナ９４が、軸受内部に充填されたグリースや使用時に生じる摩耗粉で汚染されることが防止できる。

この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０は、外輪２をハウジングに固定し、内輪１に軸を嵌合して使用される。この状態で軸を回転させた場合、内輪１が保持器４とともに回転し、外輪２に固定された第一シール７は回転しない（つまり、第一シール７と保持器４は相対回転する）ため、第一シール７に固定されたコイル８と、保持器４に固定された磁石対５との間に相対回転が生じる。
これに伴い、コイル８と磁石対５との相対回転による磁束密度変化で電磁誘導が生じ、この電磁誘導でコイル８に生じた電流が、電源回路９１で整流、平滑化されて、電源供給部（センサ９２ａ、制御回路９２、無線回路９３）へ供給されるとともに、二次電池に蓄電される。

この供給された電流により、センサ９２ａ、制御回路９２、および無線回路９３が駆動し、制御回路９２で、センサ９２ａで検出された情報Ｓ１が演算され、演算結果を示す信号Ｓ２と演算結果の送信周期を示す制御信号Ｓ３が、無線回路９３に出力される。これに伴い、無線回路９３で、制御回路９２からの演算結果を示す信号Ｓ２が、制御信号Ｓ３に従った送信周期で無線信号に変換されて、アンテナ９４に出力される。その結果、アンテナ９４から、センサ９２ａで検出された情報を示す信号が所定周期で、外部に設けた受信端末に無線送信される。

この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０は、既存の転がり軸受の内輪１および外輪２に対する新たな加工が不要である。また、既存の転がり軸受では二つ使用されている第二シール７Ａのうちの一つを、コイル８と回路基板９が固定された第一シール７に交換するとともに、既存の転がり軸受で使用されている冠型保持器を磁石対５付きの保持器４に交換することで簡単に得られる。
また、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０は、コイル８と磁石対５と間の電磁誘導で発電を行うため、熱発電素子であるゼーベック素子や振動発電素子であるエレクトレット素子を用いた発電を行うワイヤレスセンサ付き軸受では発電が困難であった、振動の少ない使用初期や、低速回転時であっても、必要な電力が得られてセンサ機能が発揮できる。

また、第一シール７にコイル８と回路基板９を固定するとともに、保持器４の柱部４２に貫通穴４３を設けて、この貫通穴４３に配置した磁石対５を第一シール７側に突出させているため、既存の転がり軸受と比較した軸受内部空間の低下量は少ない。
また、磁石対５の大部分が保持器４に埋め込まれた構造となっているため、コイル８に対して垂直磁場変化の強い磁石を使用することが可能となる。その結果、磁石の埋め込み量が少ない構造のものと比較して発電効率が高くなる。
また、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０は、回路基板９が、演算結果を示す信号をアンテナ９４が所定周期で、外部に設けた受信端末に無線送信するように構成されている。これにより、演算時および無線送信時以外には無線回路９３およびアンテナ９４が作動しないため、常時作動するように構成されているものと比較して、消費電力が低減できる。

なお、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０では、アンテナ９４が回路基板９の部品実装面に形成されているが、回路基板９の部品実装面とは反対面にアンテナを形成し、芯金７１とシール部７２に穴を設けて、アンテナを第一シール７から軸受外部に突出させてもよい。
また、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０では、保持器４の軸方向他端面に設けた凹部４４に円環状のヨーク６を配置しているが、凹部４４を設けず、貫通穴４３の軸方向他端面と同じ平面形状のヨークを用い、各貫通穴４３の軸方向他端面にヨークを配置してもよい。

また、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０では、一つの回路基板９に、電源回路９１と制御回路９２と無線回路９３とアンテナ９４が形成され、その回路基板９が芯金７１に固定されているが、電源回路９１と制御回路９２と無線回路９３とアンテナ９４が別々の基板に形成されていてもよい。さらに、電源回路９１と制御回路９２と無線回路９３とアンテナ９４は、芯金７１の内側面７１ａに形成された絶縁膜上に直接形成されていてもよい。
また、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０では、センサが制御回路９２上に（つまり、第一シール７の芯金７１に）形成されているため、既存の転がり軸受を構成する内輪１および外輪２に対する新たな加工が不要であり、外部に突起物が存在しない。

しかし、第一シール７が固定されている外輪２の軸方向端面、外周面、および内周面の少なくともいずれかの面に、センサを固定していもよい。第一シール７が内輪に固定されている場合は、内輪の軸方向端面、外周面、および内周面の少なくともいずれかの面にセンサを固定していもよい。また、上記いずれかの面に、センサを固定するための凹部を設けてもよい。
また、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０では、磁石５Ａ，５Ｂとして、ネオジム磁石を使用しているが、サマリウムコバルト磁石等の他の磁石を使用してもよい。

また、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０では、磁石対５が保持器４の軸方向一端面４０から突出しているが、磁石対５の軸方向一端面５５が保持器４の軸方向一端面４０と同じかこれより内側になっていてもよい。さらに、磁石対５の軸方向一端面５５を保持器４の軸方向一端面４０より内側とし、保持器４を合成樹脂の射出成形で作製する際に、軸方向一端面５５が合成樹脂で薄く覆われるように磁石対５を一体成形してもよい。つまり、コイル８と磁石対５と間で電磁誘導が生じる状態となっていればよい。
なお、合成樹脂で磁石対５の軸方向一端面５５が覆われている場合は、磁石対５は合成樹脂製被覆部を介してコイル８と対向する。

さらに、この実施形態では、磁石５Ａ，５Ｂを貼り合わせた磁石対５を貫通穴４３に配置しているが、磁石５Ａ，５Ｂを貼り合わせずに貫通穴４３に配置してもよい。また、磁石５Ａ，５Ｂを貼り合わせる際に、 珪素鋼板や鉄などの透磁率が高い磁性材料を挟むと、コイル８と磁石対５との間に生じる磁束の活用効率を高くすることができる。
さらに、保持器４のポケット４１同士の間に固定される磁石の数は、二個ずつに限らず複数個ずつであれば四個以上ずつであってもよい。

＜保持器のポケット同士の間に偶数個の磁石が固定されていることの利点＞
図５を用いて、保持器４の柱部（ポケット４１同士の間の部分）４２の貫通穴４３に磁石を一つずつ配置した場合(a) と、実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０のように、磁石を二個ずつ配置した場合(b) と、の違いを説明する。なお、図５において、ヨーク６は、(a) では隣り合う二つの貫通穴４３に渡って配置され、(b) では一つの貫通穴４３に一つずつ配置された例を示している。
いずれの例でも、コイル８のヨーク８２が、第一シール７の芯金７１の内側面７１ａ上に絶縁膜を介して固定されている。なお、絶縁膜を設けず、内側面７１ａ上に直接コイル８を固定して、芯金７１をコイル８のヨークとしてもよい。

(a) では、隣り合う二個の貫通穴４３に配置された二個の磁石５０と、二個の磁石５０に接触するヨーク６と、二個の磁石５０と対向するコイル８と、コイル８のヨーク８２との間に、磁気回路が形成される。(b) では、一つの貫通穴４３に配置された二個の磁石５Ａ，５Ｂと、二個の磁石５Ａ，５Ｂに接触するヨーク６と、二個の磁石５Ａ，５Ｂと対向するコイル８と、コイル８のヨーク８２との間に、磁気回路が形成される。
つまり、(a) では、二つの貫通穴４３に配置された二つの磁石５０を単位とした磁気回路が形成されるが、(b) では、一つの貫通穴４３に配置された二つの磁石５Ａ，５Ｂを単位とした磁気回路が形成される。よって、ワイヤレスセンサ付き軸受の全体として、(b) では(a) の二倍の数の磁気回路が形成される。

(a) と(b) にはそれぞれ利点と欠点がある。(a) の利点は、貫通穴４３に一つの磁石５０を配置するため、大きな磁石が使用できることで、一つの磁気回路による発電量が(b) よりも大きくなることである。(a) の欠点は、(b) と比較して磁気回路が大きく磁路も長いため、(b) よりも磁気抵抗が大きく、(b) よりも発電効率が低いことである。つまり、(b) の利点は、(a) と比較して磁気回路が小さく磁路も短いため、(a) よりも磁気抵抗が小さく、(a) よりも発電効率が高いことである。
また、(b) では、一つの柱部（ポケット同士の間の部分）４２の貫通穴４３に二つの磁石５Ａ，５Ｂからなる磁石対を配置するため、ポケット４１の数が奇数の場合でも、全ての柱部４２に磁石対を配置することで、効率よく磁気回路を形成することができる。これに対して、ポケット４１の数が奇数の場合に(a) を採用すると、一つの柱部４２に磁石５０を配置できないため、(b) と比較して磁気回路の形成効率が低くなる。

よって、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０によれば、軸受が一回転以上の回転をしない場合、例えば、所定角度範囲で揺動を繰り返すような動きをする場合でも発電が可能である。そのため、この実施形態のワイヤレスセンサ付き軸受１０は、ロボットアームやサーボモータなどに適用した場合でも、発電機能を発揮できる。

１ 内輪
１１ 内輪軌道面
１２ シール配置用の周溝
２ 外輪
２１ 外輪軌道面
２２ シール取付溝
３ ボール（転動体）
４ 保持器
４１ ポケット
４０ 保持器の軸方向一端面
４２ 柱部（ポケット同士の間の部分）
４３ 貫通穴
４４ 保持器の凹部
５ 磁石対
５Ａ 磁石
５Ｂ 磁石
６ ヨーク
７ 第一シール
７１ 第一シールの芯金
７１ａ 第一シールの芯金の内側面（磁石との対向面）
７２ シール部
７Ａ 第二シール
７１Ａ 第二シールの芯金
８ コイル
９ 回路基板（回路部）
９１ 電源回路
９２ 制御回路（演算回路、電源供給部）
９３ 無線回路（電源供給部）
９４ アンテナ
９２ａ センサ（電源供給部）
１０ ワイヤレスセンサ付き軸受

Claims (2)

1. 外周面に内輪軌道面を有する内輪と、
   前記内輪軌道面と対向配置される外輪軌道面を内周面に有する外輪と、
   前記内輪軌道面と前記外輪軌道面とで形成される軌道に配置された転動体と、
   環状体からなる保持器であって、前記転動体を回転自在に保持するポケットを有し、前記ポケットは前記環状体の周面を貫通し、前記ポケットは前記環状体の周方向に複数個形成され、隣り合う前記ポケット間の部分に、軸方向に伸びる貫通穴が形成された保持器と、
   複数の磁石であって、前記保持器の前記貫通穴に偶数個ずつ、前記環状体の周方向で各磁石のＮ極とＳ極が隣り合うように固定された磁石と、
   前記内輪と前記外輪との間を軸方向一端部で密封する第一シールであって、前記保持器に対して相対回転する第一シールと、
   前記第一シールの前記磁石との対向面に固定されたコイルと、
   前記内輪と前記外輪との間を軸方向他端部で密封する第二シールと、
   前記内輪、前記外輪、および前記第一シールのいずれかに設置されたセンサと、
   前記第一シールに形成された回路部であって、前記磁石と前記コイルとの相対回転による電磁誘導で前記コイルに生じた電流を電源供給部へ供給する電源回路と、前記センサで検出された検出情報から検出値を演算する演算回路と、演算結果を示す無線信号を作成する無線回路と、を有する回路部と、
   前記無線信号を送信するアンテナであって、前記第一シールに固定されたアンテナと、を有するワイヤレスセンサ付き軸受。
2. 前記保持器は、前記ポケットの前記環状体の軸方向一端面が開放されている冠型保持器である請求項１記載のワイヤレスセンサ付き軸受。

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