JP6524667B2 - ワイヤレスセンサ付き軸受 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレスセンサ付き軸受に関する。

軸受周囲の温度等の各種物理量をワイヤレスセンサにより検出し、検出情報を上位装置等の受信側装置に無線送信するワイヤレスセンサ付きの軸受が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
このようなワイヤレスセンサ付きの軸受では、軸受のシール外に空間を設け、その空間に、コイルと磁石とを用いた自己発電機能と、振動センサ、温度センサ等及び発信機等とを備えた制御基板が組み込まれている。

特開２００３−３０７４３５号公報 特開２００３−３０８５８８号公報

振動センサ、温度センサ等や発信機、また自己発電機能を実現するための回路等、ワイヤレスセンサを実現するための回路を一枚の制御基板に組み込むことによって、制御基板の組み付けや、制御基板に実装された各種回路の仕様変更や交換等の作業を容易に行うことができる。
しかしながら、検出センサによる測定項目が増加すると、その分、制御基板の基板面積も大きくなり、また、測定項目の変更等を行う度に、制御基板を取り外したり、制御基板を設計し直したりしなければならないため、検出センサによる測定項目が増加するほど、制御基板の交換や変更に伴う手間も増加する。
そのため、検出センサによる測定項目が多い場合であっても、測定項目の変更や追加等をより容易に行うことの可能なワイヤレスセンサ付きの軸受が望まれていた。

本発明の一態様によれば、軸受本体と、軸受本体に設けられ軸受本体に関する物理量を検出する検出センサと、軸受本体に設けられ検出センサによる検出情報を無線通信により送信する無線通信処理部と、軸受本体に設けられ検出センサ及び無線通信処理部に電力供給を行う発電部と、を備え、検出センサと無線通信処理部とはそれぞれ異なる基板に実装されて軸受本体に設けられ、検出センサが実装されたセンサ基板と、無線通信処理部が実装された無線通信基板とは、検出センサと無線通信処理部とを電気的に接続するコネクタを介して結合され、さらに、センサ基板及び無線通信基板を収納して軸受本体に固定するカバーを備え、カバーは、無線通信処理部での無線通信用のアンテナを、カバー表面から突出しないように収納する収納部を有し、アンテナと無線通信処理部とは、アンテナを収納部に収納することにより電気的に接続されるワイヤレスセンサ付き軸受が提供される。

本発明の一態様によれば、仕様変更等に伴い検出センサを交換する場合には、無線通信処理部等が実装された基板はそのままで、検出センサが実装された基板のみを交換すればよく、また検出センサの交換に伴い基板の設計変更を伴う場合であっても、無線通信処理部を除いて設計し直せばよいため、検出センサの交換に伴う交換作業を容易に行うことができると共に、検出センサが実装された基板の拡張を容易に行うことができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態におけるワイヤレスセンサ付き軸受の一例を示す分解斜視図、（ｂ）はセンサユニットの分解図、（ｃ）は軸受本体の要部を示す構成図である。 発電方法を説明するための説明図である。 アンテナの取り付け方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態におけるワイヤレスセンサ付き軸受の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載される。しかしながら、かかる特定の細部がなくても１つ以上の実施形態が実施できることは明らかである。他にも、図面を簡潔するために、周知の構造及び装置が略図で示されている。

図１は、本発明の一実施形態におけるワイヤレスセンサ付き軸受１の一例を示す概略構成図であって、（ａ）はワイヤレスセンサ付き軸受１の分解斜視図、（ｂ）はセンサユニットの分解図、（ｃ）は軸受本体の要部を示す概略構成図である。
このワイヤレスセンサ付き軸受１は、ワイヤレスセンサを、転がり軸受に組み込んだものである。なお、滑り軸受に組み込むことも可能である。

図１に示すように、ワイヤレスセンサ付き軸受１は、トーンリング２と、センサユニット３と、カバー４と、軸受本体５と、を備える。
軸受本体５の内輪５１の端面内周側と外輪５２の端面外周側とにそれぞれ溝５１ａ、５２ａが形成されており、内輪５１の端面内周側の溝５１ａに、円筒状のトーンリング２が取り付けられ、外輪５２の端面外周側の溝５２ａに、カバー４が取り付けられる。

トーンリング２は外周に周期的な凹凸が形成されている。
センサユニット３は、後述の検出センサや無線通信処理部等が実装されたセンサ基板３１及び無線通信基板３２と、複数のコイル３４からなるコイル部３５と、を備え、センサ基板３１及び無線通信基板３２と、コイル部３５とは、円環の一部をなすように円弧状に形成される。前記コイル３４は、例えば、図２に示すように磁石３３ａを２枚のヨーク３３で挟み込み、この磁石３３ａを挟み込んだヨーク３３の周りに導体ワイヤを巻いて形成される。

センサ基板３１には、温度、振動、回転数、湿度、ガス、超音波等を検出する各種センサが実装されている。無線通信基板３２には、電源管理機能、無線通信機能、信号処理機能等、各種センサで検出されたセンサ情報を上位装置等に無線通信により送信するための各種機能を実現するため回路が実装されている。そして、カバー４と無線通信基板３２、カバー４とヨーク３３、カバー４とコイル３４、はそれぞれ絶縁処理が施されており、短絡を防止するようになっている。

センサ基板３１にはコネクタ３１ａが設けられ、無線通信基板３２には、コネクタ３１ａと対をなすコネクタ３２ａが設けられ、コネクタ３１ａとコネクタ３２ａとを接続することによって、センサ基板３１上の後述の検出センサ１４と無線通信基板３２上の後述の無線通信処理部１５とが電気的に接続される。
図１（ｂ）に示すように、センサ基板３１と無線通信基板３２とは、スペーサ３１ｂを介してねじ止め等により固定することにより、センサ基板３１と無線通信基板３２との距離を一定に保ったままこれらが一体に固定されるようになっている。

トーンリング２はセンサユニット３の中空部に配置され、トーンリング２の外周の凹凸と、センサユニット３のコイル部３５とが対向するように配置される。
カバー４は、円筒状に形成され、円筒の一方の面は開放され、他方の面は円環状に形成されてカバー４の内側の面がセンサユニット３の取り付け面４１となっている。カバー４の開放面側が、軸受本体５の外輪５２の端面外周側に形成された溝５２ａに嵌め合わされて軸受本体５に固定される。

無線通信基板３２とコイル部３５は、取り付け面４１の円環に沿って隣接して配置され、ねじ止めなどにより固定される。センサ基板３１が固定された無線通信基板３２と、コイル部３５とを、取り付け面４１に固定した状態で、カバー４を軸受本体５の外輪５２の溝５２ａに嵌め合わせることによって、センサユニット３がカバー４と軸受本体５との間に収納されるようになっている。なお、カバー４の取りつけ方法としては、圧入、カシメ、或いは接着等の方法を適用することができる。

軸受本体５の内輪５１と外輪５２との間には複数の転動体５３が介在している。この転動体５３は、電食を防ぐためセラミック製の玉であることが望ましい。
外輪５２が固定され、内輪５１が回転することによって内輪５１と共にトーンリング２が回転し、トーンリング２とコイル３４とが相対的に回転することによって、図２に示すように、トーンリング２の外周の凹凸と向かい合うコイル３４の位置が変化する。このため、トーンリング２の外周の凹凸により、各コイル３４とトーンリング２の外周との距離が周期的に変化することによって、各コイル３４に生じる磁束密度が変化する。つまり、磁石３３ａを備えたヨーク３３とトーンリング２とが接近している場合には、磁石３３ａ、ヨーク３３、トーンリング２を通る磁束は大きく、ヨーク３３とトーンリング２とが離れている場合には、磁石３３ａ、ヨーク３３、トーンリング２を通る磁束が小さくなる。この磁束密度の変化が周期的に現れることにより、ヨーク３３の周りに導体ワイヤを巻いたコイル３４に正弦波の交流電圧が発生する。

この発生した交流電圧は、直流電圧に変換されてセンサユニット３の各部に動作電力として供給される。なお、ここでは、電磁誘導方式で発電を行う場合について説明しているが、静電誘導方式で発電させてもよく、発電方法はどのような手段であってもよい。また、ここでは、外輪５２を固定し、内輪５１を回転させる場合について説明したが、これに限るものではなく、内輪５１を固定し、外輪５２を回転させる場合であっても適用することができる。

一方、カバー４には、図３に示すように、無線通信により検出情報を送信するための、後述のアンテナ１５ａが取り付けられている。このアンテナ１５ａは、薄板上に形成されている。
図３（ａ）に示すように、カバー４の取り付け面４１には、略長方形の薄板上に形成されたアンテナ１５ａを嵌め込むための、上面視が略長方形の収納部としての貫通孔４ａが形成されている。カバー４の取り付け面４１の、無線通信基板３２が固定される側とは逆側の面をカバー４の表面としたとき、貫通孔４ａにアンテナ１５ａを嵌め込むことにより、図３（ｂ）に示すように、アンテナ１５ａが、カバー４の表面と面一、またはカバー４の表面よりも肉厚方向内側に納まった状態で固定されるようになっている。また、アンテナ１５ａを、貫通孔３４ａに嵌め込むことによって、アンテナ１５ａの接続端子（図示せず）と、無線通信基板３２に形成された後述の無線通信処理部１５のアンテナ接続端子（図示せず）とが電気的に接続されるようになっている。

このような構成とすることによって、アンテナ１５ａを、カバー４の表面から突出した状態とならずにカバー４に取り付けることができると共に、アンテナ１５ａを貫通孔３４ａに嵌め込むだけで、アンテナ１５ａと無線通信処理部１５とを電気的に接続することができるため、ワイヤレスセンサ付き軸受１の組み付け特性を向上させることができる。
なお、ここでは、アンテナ１５ａを、略長方形の薄板上に形成した場合について説明したが、アンテナ１５ａの形状はこれに限定されるものではなく、カバー４の貫通孔４ａに嵌め込むことでアンテナ１５ａをカバー４に固定することができれば、アンテナ１５ａ及び貫通孔３４ａの形状はどのような形状であってもよい。
また、ここでは、アンテナ１５ａの収納部として貫通孔４ａを形成した場合について説明したが、これに限るものではなく、収納部内に収納することでアンテナ１５ａをカバー４に固定することができると共に、アンテナ１５ａと無線通信処理部１５とを電気的に接続することができればどのような形状であってもよい。

図４は、ワイヤレスセンサ付き軸受１の一例を示すブロック図である。
ワイヤレスセンサ付き軸受１は、例えば発電部１１、充電回路１２、二次電池１３、検出センサ１４及び無線通信処理部１５を備える。
発電部１１で発電された交流電圧は、充電回路１２により直流電圧に変換されて、検出センサ１４及び無線通信処理部１５に給電されると共に、余剰分は二次電池１３に蓄電される。検出センサ１４及び無線通信処理部１５は充電回路１２及び二次電池１３からの給電を受けて動作する。図１におけるトーンリング２及びコイル部３５が発電部１１に対応する。

検出センサ１４は、例えば、このワイヤレスセンサが組み込まれる軸受本体５の回転数を検出する回転センサ、軸受本体５の周囲温度を検出する温度センサ、軸受本体５の振動を検出する振動センサ、軸受本体５の周囲湿度を検出する湿度センサ、軸受本体５の潤滑油の酸化劣化に伴って生じるガス状の炭化水素、硫化水素、アンモニア等を検出するガスセンサ、軸受において生じる摩擦音を検出する超音波センサ等の各種センサのうち、いずれか１つ又は複数のセンサを備える。

検出センサ１４による検出情報は、無線通信処理部１５によってアンテナ１５ａを介して無線通信により送信され、例えば上位装置等の受信側装置に設けられた無線受信部５０で受信される。
このような構成を有するワイヤレスセンサ付き軸受１において、センサ基板３１に設けられた検出センサ１４で検出される検出情報は、センサ基板３１のコネクタ３１ａ、無線通信基板３２のコネクタ３２ａを介して無線通信基板３２に設けられた無線通信処理部１５に出力され、無線通信処理部１５からアンテナ１５ａを介して無線通信により送信され、受信側装置の無線受信部５０で受信される。

検出センサ１４による測定項目が増減した、或いは測定項目が変更された等により検出センサ１４の仕様変更等を行う場合には、軸受本体５からカバー４を取り外し、無線通信基板３２からセンサ基板３１を取り外す。そして、検出センサ１４の仕様変更等を行った後、センサ基板３１を無線通信基板３２に取り付ける。
ここで、検出センサ１４と無線通信処理部１５とは異なる基板に実装されているため、検出センサ１４の仕様変更等を行う場合には、センサ基板３１を無線通信基板３２から取り外し、センサ基板３１についてのみ基板の設計変更や、検出センサ１４の仕様変更等を行えばよい。

仮に、検出センサ１４と無線通信処理部１５とが同一の制御基板に実装されているとき、検出センサ１４の仕様変更等を行う場合には、制御基板全体を設計変更したり、制御基板全体を取り外したりする必要があり、特に、検出センサ１４の測定項目が多いほど、制御基板を取り外したり設計変更したりする回数が増え、また、制御基板も大きくなり取り扱いが困難となるため、検出センサ１４の仕様変更等が困難である。

これに対し、本実施形態の一例におけるワイヤレスセンサ付き軸受１は、検出センサ１４と無線通信処理部１５とを異なる基板に実装しているため、検出センサ１４が実装されたセンサ基板３１についてのみ新しいセンサ基板に交換すればよく、また、センサ基板３１についてのみ仕様変更や設計変更を行えばよい。そして、センサ基板３１の各種センサは、コネクタ３１ａ、３２ａにより無線通信基板３２の無線通信処理部１５と電気的に接続されるため、配線等により接続する場合に比較して、無線通信基板３２からセンサ基板３１を容易に取り外すことができる。そのため、検出センサ１４の仕様変更、また、センサ基板３１の交換作業や基板の拡張などを容易に行うことができ、使い勝手を向上させることができる。また、検出センサ１４の仕様変更等を行う場合には、無線通信基板３２側は設計変更等を行う必要がないため、その分、仕様変更等に要する所要時間の短縮を図ることができると共に、設計に要するコスト削減等も図ることができる。

また、センサ基板３１と無線通信基板３２とを、コネクタ３１ａ、３２ａにより電気的に接合するだけでなく、スペーサ３１ｂを介してねじ止め等によっても固定しているため、センサ基板３１と無線通信基板３２とを、電気的及び物理的に結合された一体の基板として取り扱うことができる。つまり、検出センサ１４や無線通信処理部１５等のワイヤレスセンサを実現するための各種回路が一枚の基板に実装された場合と同等に取り扱うことができる。

そのため、無線通信基板３２を軸受本体５に固定することにより、検出センサ１４を軸受本体５に固定したことと同等となり、実際には、センサ基板３１と無線通信基板３２との２枚の基板からなるが、ワイヤレスセンサを実現するための各種回路が一枚の基板に実装されている場合と同様の手順で、軸受本体５への組み付けを行うことができる。つまり、センサ基板３１と無線通信基板３２との２つ基板にワイヤレスセンサを実現するための各種回路を分けて実装してはいるが、一枚の基板に実装した場合と同等の組み付けの操作性を確保することができる。そのため、センサ基板３１と無線通信基板３２の組み付けの操作性を確保しつつ、上述の、検出センサ１４の測定項目の変更等に伴う所要時間の短縮やコスト削減等を図ることができる。

なお、本発明の一実施形態におけるワイヤレスセンサ付き軸受１は、産業機械用軸受や車両用軸受等の各種軸受に適用することができると共に、軸受を備えた軸受側装置と、この軸受側装置から検出センサ１４の検出情報を受信する受信側装置とを備えた、管理装置やモニタリング装置等に適用することも可能である。
また、上記実施形態では、トーンリング２とコイル３４とを用いて発電を行う場合について説明したが、発電方法はこれに限るものではなく、他の発電方法であってもよい。

以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例又は実施形態も網羅すると解すべきである。

１ ワイヤレスセンサ付き軸受
２ トーンリング
３ センサユニット
４ カバー
１１ 発電部
１２ 充電回路
１３ 二次電池
１４ 検出センサ
１５ 無線通信処理部
１５ａ アンテナ
３１ センサ基板
３１ａ コネクタ
３２ 無線通信基板
３２ａ コネクタ
３３ ヨーク
３４ コイル
３５ コイル部
５１ 内輪
５２ 外輪
５１ａ、５２ａ 溝
５３ 転動体

Claims (5)

1. 軸受本体と、
   前記軸受本体に設けられ前記軸受本体に関する物理量を検出する検出センサと、
   前記軸受本体に設けられ前記検出センサによる検出情報を無線通信により送信する無線通信処理部と、
   前記軸受本体に設けられ前記検出センサ及び前記無線通信処理部に電力供給を行う発電部と、
   を備え、
   前記検出センサと前記無線通信処理部とはそれぞれ異なる基板に実装されて前記軸受本体に設けられ、
   前記検出センサが実装されたセンサ基板と、前記無線通信処理部が実装された無線通信基板とは、前記検出センサと前記無線通信処理部とを電気的に接続するコネクタを介して結合され、
   さらに、前記センサ基板及び前記無線通信基板を収納して前記軸受本体に固定するカバーを備え、
   前記カバーは、前記無線通信処理部での無線通信用のアンテナを、前記カバー表面から突出しないように収納する収納部を有し、
   前記アンテナと前記無線通信処理部とは、前記アンテナを前記収納部に収納することにより電気的に接続されるワイヤレスセンサ付き軸受。
2. 前記検出センサは、振動、温度、湿度、回転数のうちのいずれか１つ又は複数を検出する請求項１に記載のワイヤレスセンサ付き軸受。
3. 前記検出センサは、超音波センサ及びガスセンサのうちのいずれか１つを含む請求項１に記載のワイヤレスセンサ付き軸受。
4. 前記軸受本体は転がり軸受である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のワイヤレスセンサ付き軸受。
5. 前記軸受本体は滑り軸受である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のワイヤレスセンサ付き軸受。

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