JP7155846B2 - 回転装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転装置に関する。

軸受の軸方向に加えられる力を計測可能な軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１には、ホールＩＣを使用して、転動体の公転速度を検出することが記載されている。

特開２００８－１９９３３号公報

ホールＩＣを駆動するためには、電源が必要となる。このため、ホールＩＣを備える軸受は、出力配線のほかに電源配線を必要とし、構成が複雑になりがちである。また、転動体を保持する保持器は振れ回りをする。振れ回りとは、回転中心を変化させながら回転することである。保持器が振れ回りをすると、保持器に対するホールＩＣの相対的な位置が変動し、ホールＩＣの出力値の誤差が大きくなる可能性がある。このため、ホールＩＣの出力値が荷重変動によるものか、振れ回りによるものかは判別し難い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構成が簡単で、加えられる荷重を精度良く検出することが可能な回転装置を提供することを目的とする。

一態様に係る回転装置は、第１部品と、前記第１部品に対して回転軸を中心に相対的に回転する第２部品と、前記第１部品と前記第２部品との間に配置される複数の転動体と、前記第１部品と前記第２部品との間に配置され、前記複数の転動体を保持する保持器と、前記第１部品に対する前記保持器の相対的な回転に基づいて第１信号を出力する第１センサと、を備え、前記第１センサは、前記保持器に固定され、前記回転軸を中心とする円の円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第１磁気トラックと、前記第１部品に固定され、前記第１磁気トラックと全周にわたり対向する第１コイル基板と、を有する。

第１コイル基板が全周にわたり第１磁気トラックと対向するので、第１センサが出力する第１信号には、振れ回りの影響が打ち消される。このため、振れ回りの影響による誤差が少なくなり、第１センサが出力する第１信号は、アキシアル荷重に応じた出力となる。その結果、第１センサが出力する第１信号に基づいて検出された、軸受に加えられるアキシアル荷重の精度は、向上する。

また、第１信号は、電磁誘導による発電で生成されるので、回転装置は、その構成を簡単にすることができる。

望ましい態様として、前記第１部品と前記第２部品との相対的な回転に基づいて第２信号を出力する第２センサ、をさらに備え、前記第２センサは、前記第２部品に固定され、前記回転軸を中心とする円の円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第２磁気トラックと、前記第１部品に固定され、前記第２磁気トラックと対向する第２コイル基板と、を有する。これによれば、制御装置２は、上述の第１信号Ｖ１と、第２センサ２０Ｂが出力する第２信号Ｖ２とに基づいて、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重を精度良く検出することができる。

望ましい態様として、前記第１コイル基板と前記第２コイル基板との間に配置されるセンサ筐体、をさらに備え、前記第１コイル基板と前記第２コイル基板は前記センサ筐体を介して前記第１部品にそれぞれ固定される。これによれば、第１コイル基板と第２コイル基板とを第１部品に別々に固定する場合と比べて、第１部品に必要な加工を最小限に留めることができる。

望ましい態様として、前記センサ筐体は金属製である。これによれば、センサ筐体の透磁率を高めることができ、第１磁気基板及び第２磁気基板の各磁束を効率的に還流させることができる。

望ましい態様として、前記第１コイル基板と前記第２コイル基板とを互いに連結する連結器具、をさらに備える。これによれば、センサ筐体３０に対する第１コイル基板２５Ａ及び第２コイル基板２５Ｂの取り付けが容易となる。

望ましい態様として、前記第２センサを介して前記第１磁気トラックの反対側に位置する蓋体、をさらに備え、前記第２磁気トラックは、前記蓋体を介して前記第２部品に固定される。これによれば、第２磁気トラックの第２部品への取り付けが容易である。

望ましい態様として、前記第１部品と前記第２部品との間に加えられる前記回転軸方向の力を、前記第１信号と前記第２信号とに基づいて算出する演算回路、をさらに備える。これによれば、センサ付き軸受１に接続される演算回路１４０がアキシアル荷重を算出することができる。

本発明によれば、構成が簡単で、加えられる荷重を精度良く検出することが可能な回転装置を提供することができる。

図１は、実施形態に係るセンサ付き軸受の構成例を示す斜視図である。 図２は、実施形態に係るセンサ付き軸受の構成例を示す分解斜視図である。 図３は、実施形態に係るセンサ付き軸受の構成例を示す断面図である。 図４は、第１コイル基板の構成例を示す平面図である。 図５は、本実施形態の第１磁気基板の構成例を示す平面図である。 図６は、実施形態に係る第１センサの構成例を示す平面図である。 図７は、第１センサが出力する電気信号の波形の一例を示すグラフである。 図８Ａは、図６に示した平面図をＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ’線で切断した断面図である。 図８Ｂは、図６に示した平面図をＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ’線で切断した断面図の他の例である。 図９は、実施形態に係る回転装置の構成例を示すブロック図である。 図１０は、第１回転速度とアキシアル荷重との関係を模式的に示すグラフである。 図１１は、第１回転速度と第２回転速度との関係を模式的に示すグラフである。

発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、実施形態に係るセンサ付き軸受の構成例を示す斜視図である。図２は、実施形態に係るセンサ付き軸受の構成例を示す分解斜視図である。図３は、実施形態に係るセンサ付き軸受の構成例を示す断面図である。図３は、図１をＩＩＩ－ＩＩＩ’線を通るＸ－Ｚ平面で切断した断面を示している。図１から図３に示すように、センサ付き軸受１は、カバー１０と、第１センサ２０Ａと、センサ筐体３０と、第２センサ２０Ｂと、連結器具５０と、軸受１２０とを備える。軸受１２０の一方の側面に、カバー１０と、第１センサ２０Ａと、センサ筐体３０と、第２センサ２０Ｂと、連結器具５０とがそれぞれ配置されている。

カバー１０は、リング状の天板１１と、天板１１の中央部に位置する開口部に接続された筒状の内側板１２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。天板１１には雌ねじ穴１３が設けられている。例えば、雌ねじ穴１３に非磁性材料のボルト（図示せず）が締結することで、カバー１０を任意の部材に取り付けることができる。ボルトは、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する。なお、カバー１０は、磁性をもたない材料で形成されていてもよい。

第１センサ２０Ａは、センサ筐体３０と軸受１２０との間に配置されている。第１センサ２０Ａは、第１磁気基板２１Ａと、第１コイル基板２５Ａと、を有する。第１磁気基板２１Ａと第１コイル基板２５Ａは、一定の距離だけ離隔した状態で、互いに対向して配置されている。

第１コイル基板２５Ａは、センサ筐体３０に取り付けられている。例えば、センサ筐体３０の中央部には、貫通した開口部Ｈ３０が設けられている。また、センサ筐体３０において、軸受１２０と対向する面側には、溝部３１Ａが設けられている。溝部３１Ａは、開口部Ｈ３０の周囲に設けられている。また、センサ筐体３０の側面には、連結器具５０を挟み込むための切欠き部３２が設けられている。第１コイル基板２５Ａは、溝部３１Ａに嵌め込まれ、かつ連結器具５０が取り付けられることによって、センサ筐体３０に対して位置決めされている。なお、第１コイル基板２５Ａは、接着剤（図示せず）を介して溝部３１Ａの底面に固定されていてもよい。

また、本実施形態では、図３に示すように、第１コイル基板２５Ａと溝部３１Ａの底面との間に、透磁板３５が配置されていてもよい。透磁板３５は、例えば鉄又は珪素鋼板などで構成されている。透磁板３５は、磁束を効率的に還流させることができる。なお、渦電流による損失を抑制するため、透磁板３５は、その板厚方向又は板厚方向と直交する方向において、絶縁材を介した積層構造となっていてもよい。これにより、軸受１２０の回転トルク増大を防止することができる。

図４は、第１コイル基板の構成例を示す平面図である。図４に示すように、第１コイル基板２５Ａは、基材２６と、基材２６に設けられたコイルパターン２７と、基材２６に設けられた複数の穴２８とを有する。基材２６は、リジッド基板である。また、基材２６はフレキシブル基板であってもよい。基材２６の平面視による形状は、回転軸Ａｘ（ａｘｉｓ）を中心とする正円のリング状である。

コイルパターン２７は、基材２６の厚さ方向に積層された複数の平面コイルを有する。平面コイルとは、絶縁体の所定の面上にパターニングされて設けられた導電体のパターンである。本実施形態においては、導電体のパターンが絶縁体の複数の面上に形成されている。これに限られず、導電体のパターンが絶縁体の１つの面上に形成されていてもよい。コイルパターン２７の断面視による構造は、後で図８Ａを参照しながら説明する。コイルパターン２７のターン数は平面コイルの積層数に比例する。本実施形態では、センサ付き軸受１の用途によって、平面コイルの積層数を変化させ、第１コイル基板２５Ａから出力される正弦波の交流電圧（図７参照）の振幅（信号強度）を調整してもよい。

図４に示すように、基材２６は、リングの外側へ突出した突出部２６１を有する。基材２６の突出部２６１に、コイルパターン２７の一方の端部２７５と他方の端部２７６とがそれぞれ設けられている。一方の端部２７５と他方の端部２７６は、それぞれ図示しないリード線を介して後述の制御装置２（図９参照）に接続される。なお、本実施形態において、コイルパターン２７と制御装置２との接続は、リード線ではなく、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）コネクタを介して行われてもよい。または、第１コイル基板２５Ａは、その一部（例えば、突出部２６１）を延長して制御装置２と直接接続されてもよい。ＦＰＣコネクタを使用した接続では、半田が不要となるので、センサ付き軸受１の生産性をさらに高めることができる。

図４に示すように、コイルパターン２７は、平面視で第１方向に延びる複数の第１導電部２７１と、第１方向と平面視で交差する第２方向に延びる複数の第２導電部２７２と、を有する。第１方向は、例えば、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向である。第２方向は、例えば、回転軸Ａｘを中心とする円の径方向である。第１導電部２７１と第２導電部２７２は、交互に直列に接続されている。

穴２８は、平面視で、第１導電部２７１の一方の側に位置する第１穴２８１と、第１導電部２７１の他方の側に位置する第２穴２８２とを有する。例えば、第１穴２８１は、第１導電部２７１よりも回転軸Ａｘから遠い側に位置する。第２穴２８２は、第１導電部２７１よりも回転軸Ａｘから近い側に位置する。但し、第１穴２８１と回転軸Ａｘとの距離と、第２穴２８２と回転軸Ａｘとの距離は、互いに同じ長さである。

例えば、コイルパターン２７は、平面視で、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向に沿って凹凸が交互に並ぶように延設されている。コイルパターン２７は、ミアンダパターンとも呼ばれる。穴２８と、第２導電部２７２とは円周方向に交互に１つずつ配置されている。

図５は、本実施形態の第１磁気基板の構成例を示す平面図である。図５に示すように、第１磁気基板２１Ａは、リング状の基材２１１と、基材２１１の一方の面側に設けられた磁気トラック２１２と、を有する。基材２１１の一方の面は、第１コイル基板２５Ａ（図２参照）と対向する面である。基材２１１は、金属製である。

図５に示すように、磁気トラック２１２の平面視による形状は、回転軸Ａｘを中心とする正円のリング状である。磁気トラック２１２は、Ｎ極２１ＮとＳ極２１Ｓとからなる磁極対を複数有する。Ｎ極２１ＮとＳ極２１Ｓとは、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向に並んでいる。Ｎ極２１Ｎ及びＳ極２１Ｓは、交互に配置されている。第１磁気基板２１Ａは、金属製の基材の一方の面にプラスチックマグネットが形成され、形成されたプラスチックマグネットの表面にＮ極とＳ極とが交互に着磁されることにより形成される。

図６は、実施形態に係る第１センサの構成例を示す平面図である。図６は、第１コイル基板２５Ａに磁気トラック２１２を重ねた状態を示している。図６に示すように、回転軸Ａｘを中心（図４、図５参照）とする円の円周方向において、隣り合う一方の穴２８（例えば、第１穴２８１）と他方の穴２８（例えば、第２穴２８２）との間の中間に、第２導電部２７２が位置する。回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向において、隣り合う穴２８の中心間の距離を２８ｐとし、隣り合う第２導電部２７２の中心間の距離を２７ｐとする。例えば、距離２７ｐと距離２８ｐは、互いに同じ長さである。

回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向において、Ｎ極２１Ｎの長さ２１Ｌ１と、Ｓ極２１Ｓの長さ２１Ｌ２は、互いに同じ長さである。また、Ｎ極２１Ｎの長さ２１Ｌ１と、Ｓ極２１Ｓの長さ２１Ｌ２は、それぞれ、穴２８の中心間の距離２８ｐと同じ長さである。

図５に示すように、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向において、隣り合うＮ極２１ＮとＳ極２１Ｓとの中心間の距離を２１ｐとする。Ｎ極２１ＮとＳ極２１Ｓの中心間の距離２１ｐは、穴２８の中心間の距離２８ｐと同じ長さになっている。

本実施形態では、回転軸Ａｘを中心に、第１コイル基板２５Ａに対して第１磁気基板２１Ａが相対的に回転する。第１コイル基板２５Ａの第１穴２８１が、磁気トラック２１２のＮ極２１Ｎと対向するとき、第１コイル基板２５Ａの第２穴２８２は磁気トラック２１２のＳ極２１Ｓと対向する。また、第１穴２８１がＳ極２１Ｓと対向するとき、第２穴２８２はＮ極２１Ｎと対向する。第１穴２８１及び第２穴２８２は、磁気トラック２１２の同一磁極と対向することはない。これにより、第１穴２８１を通る磁束密度の変化の位相と、第２穴２８２を通る磁束密度の変化の位相は、１８０°ずれた状態となる。

上述したように、第１穴２８１は、第１導電部２７１よりも回転軸Ａｘから遠い側に位置する。第２穴２８２は、第１導電部２７１よりも回転軸Ａｘに近い側に位置する。このため、第１穴２８１を通る磁束密度の変化によってコイルパターン２７に生じる誘導電流と、第２穴２８２を通る磁束密度の変化によってコイルパターン２７に生じる誘導電流は、同じ方向に流れる。

第１磁気基板２１Ａは、軸受１２０の保持器１２４に取り付けられている。例えば、図示しない接着剤を介して、第１磁気基板２１Ａの基材２１１が保持器１２４の側面に取り付けられている。保持器１２４の側面は、回転軸Ａｘと直交する面である。

図７は、第１センサが出力する電気信号の波形の一例を示すグラフである。図７の横軸は時間Ｔであり、縦軸は電気信号の電圧Ｖｉである。第１コイル基板２５Ａは、センサ筐体３０（図２参照）に固定されている。第１コイル基板２５Ａに対して磁気トラック２１２が相対的に回転すると、穴２８と対向する磁極が交互に替わる。これにより、穴２８を通る磁束密度が周期的に変化する。この磁束密度の周期的な変化に応じて、穴２８の周りに位置するコイルパターン２７に電圧変化（例えば、正弦波の交流電圧）が発生する。以下、第１コイル基板２５Ａから出力される正弦波の交流電圧を、第１信号Ｖ１ともいう。

図８Ａは、図６に示した平面図をＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ’線で切断した断面図である。図８Ａに示すように、コイルパターン２７は、厚さ方向に積層された複数の平面コイル２７Ａから２７Ｆを有する。例えば、第１コイル基板２５Ａは、厚さ方向に積層された６層の基材２６Ａから２６Ｆと、厚さ方向に積層された６層の平面コイル２７Ａから２７Ｆと、を有する。平面コイル２７Ａから２７Ｆにおいて、厚さ方向で隣り合う平面コイル間には基材２６が配置されている。

また、基材２６Ｆ上には絶縁性の保護膜２９が設けられている。コイルパターン２７のうち、最上層に位置する平面コイル２７Ｆは保護膜２９で覆われている。基材２６Ｂから２６Ｆと、保護膜２９に穴２８が連続して設けられている。

平面コイル２７Ａから２７Ｆの平面視による形状は、互いに同一である。例えば、図６に示したように、平面コイル２７Ａから２７Ｆは、それぞれ複数の第１導電部２７１と複数の第２導電部２７２とを有する。また、平面コイル２７Ａから２７Ｆは、例えば、コイルパターン２７の延設方向の両端部において、互いに接続されている。つまり、平面コイル２７Ａから２７Ｆは、互いに並列に接続されている。なお、本実施形態において、平面コイル２７Ａから２７Ｆの接続は並列に限定されない。平面コイル２７Ａから２７Ｆは、互いに直列に接続されていてもよい。平面コイル２７Ａから２７Ｆを直列に接続することで、出力電圧を増加させることができる。

図８Ｂは、図６に示した平面図をＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ’線で切断した断面図の他の例である。図８Ｂに示すように、厚さ方向で隣り合う平面コイル同士では、第１導電部２７１と接続される径方向の位置が交互に異なるようにしてもよい。例えば、平面コイル２７Ａが第１導電部２７１と径方向内側に接続され、平面コイル２７Ｂが第１導電部２７１と径方向外側に接続される。これにより、厚さ方向で隣り合う平面コイル２７Ａと平面コイル２７Ｂとは、円周方向に１８０°位相がずれることになる。

第２センサ２０Ｂは、センサ筐体３０とカバー１０との間に配置されている。第２センサ２０Ｂは、第１センサ２０Ａと同様の構成を有する。

例えば、図２に示すように、第２センサ２０Ｂは、第２磁気基板２１Ｂと、第２コイル基板２５Ｂとを有する。第２磁気基板２１Ｂと第２コイル基板２５Ｂは、一定の距離だけ離隔した状態で、互いに対向して配置されている。図５に示すように、第２磁気基板２１Ｂは、第１磁気基板２１Ａと同一の構成を有する。第２磁気基板２１Ｂは、リング状の基材２１１と、基材２１１に設けられた磁気トラック２１２と、を有する。また、図４に示すように、第２コイル基板２５Ｂは、第１コイル基板２５Ａと同一の構成を有する。第２コイル基板２５Ｂは、基材２６と、基材２６に設けられたコイルパターン２７と、基材２６に設けられた複数の穴２８とを有する。第２コイル基板２５Ｂの断面構造は、図８Ａ又は図８Ｂに示した第１コイル基板２５Ａの断面構造と同一である。

本実施形態では、回転軸Ａｘを中心に、第２コイル基板２５Ｂに対して第２磁気基板２１Ｂが相対的に回転する。第２コイル基板２５Ｂの第１穴２８１が、磁気トラック２１２のＮ極２１Ｎと対向するとき、第２コイル基板２５Ｂの第２穴２８２は磁気トラック２１２のＳ極２１Ｓと対向する。また、第１穴２８１がＳ極２１Ｓと対向するとき、第２穴２８２はＮ極２１Ｎと対向する。第１穴２８１及び第２穴２８２は、磁気トラック２１２の同一磁極と対向することはない。これにより、第２センサ２０Ｂにおいても、第１穴２８１を通る磁束密度の変化の位相と、第２穴２８２を通る磁束密度の変化の位相は、１８０°ずれた状態となる。

第２磁気基板２１Ｂは、カバー１０に取り付けられている。例えば、カバー１０が磁性を有する材料で構成されている場合、カバー１０と第２磁気基板２１Ｂは、磁力で引き付け合って一体化することができる。このため、カバー１０に対する第２磁気基板２１Ｂの取付けには、接着剤を用いてもよいし、接着剤を用いなくてもよい。接着剤を用いない場合は、接着剤の塗布工程を省略することができるので、センサ付き軸受１の組立コストの低減が可能である。

第２コイル基板２５Ｂは、センサ筐体３０に取り付けられている。例えば、センサ筐体３０において、カバー１０と対向する面側には、溝部３１Ｂ（図２参照）が設けられている。溝部３１Ｂは、開口部Ｈ３０（図２参照）の周囲に設けられている。第２コイル基板２５Ｂは、溝部３１Ｂに嵌め込まれ、かつ連結器具５０が取り付けられることによって、センサ筐体３０に対して位置決めされている。なお、第２コイル基板２５Ｂは、接着剤（図示せず）を介して溝部３１Ｂの底面に固定されていてもよい。また、本実施形態では、図３に示すように、第２コイル基板２５Ｂと溝部３１Ｂの底面との間にも、透磁板３５が配置されていてもよい。

連結器具５０は、第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂとを互いに連結すると共に、センサ筐体３０の切欠き部３２に嵌め込まれる。例えば、連結器具５０は、第１コイル基板２５Ａの突出部２６１（図４参照）と、第２コイル基板２５Ｂの突出部２６１とを連結すると共に、センサ筐体３０の切欠き部３２に嵌め込まれる。切欠き部３２に嵌め込まれた連結器具５０は、切欠き部３２の側面に両側から挟まれることによって、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向への移動が規制される。これにより、第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂ及び連結器具５０は、センサ筐体３０に固定される。

図３に示すように、軸受１２０は、外輪１２１と、内輪１２２と、複数の転動体１２３と、保持器１２４とを有する。保持器１２４は、外輪１２１と、内輪１２２との間に配置されている。保持器１２４は、外輪１２１及び内輪１２２のいずれにも固定されていない。保持器１２４は、回転軸Ａｘを中心に、外輪１２１及び内輪１２２に対してそれぞれ回転可能である。また、転動体１２３は球状の玉でもよい。保持器１２４は、複数の転動体１２３をそれぞれ回転可能に保持する。

例えば、外輪１２１は、静止輪であり、センサ付き軸受１の筐体（図示せず）に固定される。また、内輪１２２は、回転輪であり、軸受１２０が支持する軸部（ｓｈａｆｔ）に固定される。

図９は、実施形態に係る回転装置の構成例を示すブロック図である。図９に示すように、実施形態に係る回転装置３は、センサ付き軸受１と、センサ付き軸受１と信号線を介して接続される制御装置２と、を有する。信号線として、例えば、リード線又はＦＰＣコネクタが挙げられる。

制御装置２は、Ａ／Ｄ変換回路１３０と、演算回路１４０と、記憶回路１５０とを有する。演算回路１４０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置とを備える。演算回路１４０の後述する各機能は、ＣＰＵの演算処理によって実現される。また、Ａ／Ｄ変換回路１３０はＣＰＵに内蔵されていてもよいし、ＣＰＵとは別の電子部品であってもよい。記憶回路１５０は、例えば、ＮＡＮＤ型又はＮＯＲ型のフラッシュメモリである。制御装置２には、Ａ／Ｄ変換回路１３０と、演算回路１４０と、記憶回路１５０とを動作させるために、図示しない電源が接続される。

Ａ／Ｄ変換回路１３０は、センサ付き軸受１から制御装置２に入力される電気信号をアナログデータからデジタルデータに変換する。例えば、Ａ／Ｄ変換回路１３０は、第１Ａ／Ｄ変換部１３０Ａと、第２Ａ／Ｄ変換部１３０Ｂとを有する。第１Ａ／Ｄ変換部１３０Ａには、第１センサ２０Ａの第１コイル基板２５Ａが出力する第１信号Ｖ１が入力される。第１信号Ｖ１は、正弦波の交流電圧である。第１Ａ／Ｄ変換部１３０Ａは、入力される第１信号Ｖ１をアナログデータからデジタルデータに変換する。第１Ａ／Ｄ変換部１３０Ａは、デジタルデータに変換した第１信号Ｖ１を、後述する第１周期計測部１４１Ａに出力する。

同様に、第２Ａ／Ｄ変換部１３０Ｂには、第２センサ２０Ｂの第２コイル基板２５Ｂが出力する第２信号（例えば、正弦波の交流電圧）Ｖ２が入力される。第２Ａ／Ｄ変換部１３０Ｂは、入力される第２信号Ｖ２をアナログデータからデジタルデータに変換する。第２Ａ／Ｄ変換部１３０Ｂは、デジタルデータに変換した第２信号Ｖ２を、後述する第２周期計測部１４１Ｂへ出力する。

演算回路１４０は、第１周期計測部１４１Ａと、第２周期計測部１４１Ｂと、第１速度算出部１４２Ａと、第２速度算出部１４２Ｂと、速度比算出部１４３と、荷重算出部１４４と、を有する。

第１周期計測部１４１Ａは、第１Ａ／Ｄ変換部１３０Ａが出力する第１信号Ｖ１のデジタルデータに基づいて、第１信号Ｖ１の周期を計測する。第２周期計測部１４１Ｂは、第２Ａ／Ｄ変換部１３０Ｂが出力する第２信号Ｖ２のデジタルデータに基づいて、第２信号Ｖ２の周期を計測する。

第１速度算出部１４２Ａは、第１周期計測部１４１Ａが計測した周期に基づいて、第１コイル基板２５Ａに対する第１磁気基板２１Ａの回転速度（以下、第１回転速度ともいう）Ｎ１を算出する。第１回転速度Ｎ１は、静止輪に対する保持器１２４（図３参照）の回転速度であり、例えば、保持器１２４の回転速度である。保持器１２４と共に転動体１２３（図３参照）も回転軸Ａｘを中心に回転する。このため、第１回転速度Ｎ１は転動体１２３の公転速度と言い換えることもできる。なお、第１回転速度Ｎ１及び後述の第２回転速度Ｎ２は、それぞれ単位時間当たりの回転数で示される。

第２速度算出部１４２Ｂは、第２周期計測部１４１Ｂが計測した周期に基づいて、第２コイル基板２５Ｂに対する第２磁気基板２１Ｂの回転速度（以下、第２回転速度ともいう）Ｎ２を算出する。例えば、第２回転速度Ｎ２は、静止輪に対する回転輪の回転速度であり、例えば、内輪１２２（図３参照）の回転速度である。

速度比算出部１４３は、第１回転速度Ｎ１と第２回転速度Ｎ２との比（以下、速度比ともいう）ＳＲを算出する。例えば、速度比ＳＲは、第１回転速度Ｎ１に対する第２回転速度Ｎ２の値で示される。ＳＲ＝Ｎ２／Ｎ１である。

荷重算出部１４４には、第１速度算出部１４２Ａから第１回転速度Ｎ１が入力される。また、荷重算出部１４４には、速度比算出部１４３から速度比ＳＲが入力される。荷重算出部１４４には、第２速度算出部１４２Ｂから第２回転速度Ｎ２が入力される。また、荷重算出部１４４は、記憶回路１５０に格納されているデータを読み出す。

記憶回路１５０には、保持器１２４（図３参照）と内輪１２２（図３参照）の回転数比とアキシアル荷重Ｆとの関係を示すデータ、あるいは保持器１２４の回転数、内輪１２２の回転数とアキシアル荷重Ｆの関係を示すデータが格納されている。荷重算出部１４４は、速度比算出部１４３の結果と記憶回路１５０のデータを使用してアキシアル荷重Ｆを算出する。

アキシアル荷重Ｆとは、外輪１２１（図３参照）と内輪１２２との間に加えられる、回転軸Ａｘ方向の力のことである。上記のデータは、センサ付き軸受１の設計者が行う実験又はシミュレーションにより、複数の速度比ＳＲ１、ＳＲ２、ＳＲ３…（図１０参照）ごとに予め求められ、記憶回路１５０に格納される。

荷重算出部１４４は、第１速度算出部１４２Ａから入力される第１回転速度Ｎ１と、速度比算出部１４３から入力される速度比ＳＲと、記憶回路１５０から読み出すデータとに基づいて、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆを算出する。算出されたアキシアル荷重Ｆの値は、演算回路１４０の外部へ出力される。

図１０は、第１回転速度とアキシアル荷重との関係を模式的に示すグラフである。図１０の横軸は、軸受１２０（図３参照）に加えられるアキシアル荷重Ｆを示す。また、図１０の縦軸は、保持器１２４（図３参照）の回転速度（第１回転速度）Ｎ１を示す。図１０に示すように、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆが大きくなるにしたがって、保持器１２４の回転速度Ｎ１は増加する傾向がある。これは、軸受１２０にアキシアル荷重Ｆが加えられると、外輪１２１、内輪１２２及び転動体１２３がそれぞれ弾性変形し、外輪１２１（図３参照）と転動体１２３との接触角と、転動体１２３と内輪１２２との接触角とが変化するからである。接触角の変化により、保持器１２４の回転速度Ｎ１が変化する。

また、保持器１２４の回転速度（第１回転速度）Ｎ１は、内輪１２２の回転速度（第２回転速度）Ｎ２の影響も受ける。図１１は、第１回転速度と第２回転速度との関係を模式的に示すグラフである。図１１の横軸は、第２回転速度Ｎ２を示す。図１１の縦軸は、第１回転速度Ｎ１を示す。軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆが一定の場合、図１１に示すように、第２回転速度Ｎ２が大きくなると、第１回転速度Ｎ１も大きくなる。つまり、速度比ＳＲに対して、第１回転速度Ｎ１は傾きを有する。これは、内輪１２２が回転すると、内輪１２２と接触する転動体１２３も回転方向の力を受けるからである。

このため、図１０に示すように、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆと保持器１２４の回転速度（第１回転速度）Ｎ１との関係は、内輪１２２の回転速度（第２回転速度）Ｎ２によって異なる。例えば、内輪１２２の回転速度（第２回転速度）Ｎ２－１、Ｎ２－２、Ｎ２－３は、Ｎ２－１＜Ｎ２－２＜Ｎ２－３の関係にある。軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆが同一の大きさであっても、上記の内輪１２２の回転速度（第２回転速度）Ｎ２が大きいほど、保持器１２４の回転速度Ｎ１は大きくなる。

本実施形態では、図１０に示したように、アキシアル荷重Ｆと保持器１２４の回転速度Ｎ１との関係が、複数の速度比ＳＲ１、ＳＲ２、ＳＲ３…ごとに予め求められる。そして、複数の速度比ＳＲ１、ＳＲ２、ＳＲ３…ごとに求められた、アキシアル荷重Ｆと保持器１２４の回転速度Ｎ１との関係が、記憶回路１５０（図９参照）に予め格納される。

荷重算出部１４４は、記憶回路１５０に予め格納されたデータを読み出し、読み出したデータに保持器１２４の回転速度（第１回転速度）Ｎ１と、速度比ＳＲとを照合する。これにより、荷重算出部１４４は、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆを算出することができる。

なお、荷重算出部１４４は、第１速度算出部１４２Ａの算出結果である第１回転速度Ｎ１と、速度算出部１４２Ｂの算出結果である第２回転速度Ｎ２と、記憶回路１５０に格納されているデータとを使用して、（速度比を算出せずに直接）荷重を算出してもよい。

以上説明したように、実施形態に係る回転装置３は、センサ付き軸受１と、センサ付き軸受１に接続された制御装置２と、を備える。センサ付き軸受１は、第１部品（例えば、外輪１２１）と、外輪１２１に対して回転軸Ａｘを中心に相対的に回転する第２部品（例えば、内輪１２２）と、外輪１２１と内輪１２２との間に配置される複数の転動体１２３と、外輪１２１と内輪１２２との間に配置され、複数の転動体１２３を保持する保持器１２４と、外輪１２１に対する保持器１２４の相対的な回転に基づいて第１信号Ｖ１を出力する第１センサ２０Ａと、を備える。第１センサ２０Ａは、保持器１２４に固定され、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向にＮ極２１ＮとＳ極２１Ｓとが並ぶ第１磁気トラック（例えば、磁気トラック２１２を有する第１磁気基板２１Ａ）と、例えば、センサ筐体３０により外輪１２１に固定され、第１磁気基板２１Ａと対向する第１コイル基板２５Ａと、を有する。これによれば、制御装置２は、第１センサ２０Ａが出力する第１信号Ｖ１に基づいて、第１回転速度Ｎ１を算出することができる。そして、制御装置２は、第１回転速度Ｎ１に基づいて、センサ付き軸受１の軸受１２０に加えられるアキシアル荷重を検出することができる。

第１信号Ｖ１は、電磁誘導によって第１コイル基板２５Ａで生じる正弦波など周期的に変化する電圧である。第１信号Ｖ１は、電磁誘導による発電で生成される。このため、センサ付き軸受１は、第１信号Ｖ１を生成するための電源と、この電源に接続する配線とを必要としない。これにより、センサ付き軸受１は、その構成を簡単にすることができる。

第１コイル基板２５Ａは、第１磁気基板２１Ａの全てのＮ極２１Ｎ及びＳ極２１Ｓと常に対向することができる。これにより、センサ付き軸受１は、保持器１２４が振れ回りする（回転中心を変化させながら回転する）場合でも、この振れ回りが第１信号Ｖ１の電圧波形に影響しないようにすることができる。これにより、回転装置３は、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重を精度良く検出することができる。

また、センサ付き軸受１は、外輪１２１と内輪１２２との相対的な回転に基づいて第２信号Ｖ２を出力する第２センサ２０Ｂ、をさらに備える。第２センサ２０Ｂは、内輪１２２に固定され、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向にＮ極２１ＮとＳ極２１Ｓとが並ぶ第２磁気トラック（例えば、磁気トラック２１２を有する第２磁気基板２１Ｂ）と、外輪１２１に固定され、第２磁気基板２１Ｂと対向する第２コイル基板２５Ｂと、を有する。これによれば、制御装置２は、上述の第１信号Ｖ１と、第２センサ２０Ｂが出力する第２信号Ｖ２とに基づいて、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重を精度良く検出することができる。

例えば、制御装置２の演算回路１４０は、第１回転速度Ｎ１に基づいて、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆの概算値を算出することができる。また、演算回路１４０は、第１信号Ｖ１と第２信号Ｖ２とに基づいて、第１回転速度Ｎ１と第２回転速度Ｎ２との速度比ＳＲを算出することができる。そして、演算回路１４０は、速度比ＳＲに基づいて、アキシアル荷重Ｆの概算値を補正することができる。

また、センサ付き軸受１は、第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂとの間に配置されるセンサ筐体３０、をさらに備える。第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂは、センサ筐体３０を介して外輪１２１にそれぞれ固定される。これによれば、第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂとを外輪１２１に別々に固定する場合と比べて、外輪１２１に必要な加工を最小限に留めることができる。また、第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂとを、同一種類のコイル基板を用いて互いに背中合わせに配置することができる。第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂとに、それぞれ別種類のコイル基板を用いなくてもよいので、センサ付き軸受１の製造コストの抑制に寄与することができる。

また、センサ筐体３０は金属製である。これによれば、センサ筐体３０の透磁率を高めることができ、第１磁気基板２１Ａ及び第２磁気基板２１Ｂの各磁束を効率的に還流させることができる。なお、センサ筐体３０を構成する金属は、透磁率を高める観点から、鉄又は珪素鋼板であることが好ましい。

なお、本実施形態では、センサ筐体３０は金属製に限定されない。例えば、センサ筐体３０が樹脂製であってもよい。この場合、第１コイル基板２５Ａの一方の面、又は、第２コイル基板２５Ｂの一方の面に金属の基材が配置されていれば、第１磁気基板２１Ａ及び第２磁気基板２１Ｂの各磁束を還流させることができる。

また、センサ付き軸受１は、第１コイル基板２５Ａと第２コイル基板２５Ｂとを互いに連結する連結器具５０、をさらに備える。これによれば、センサ筐体３０に対する第１コイル基板２５Ａ及び第２コイル基板２５Ｂの取り付けが容易となる。

また、センサ付き軸受１は、第２センサ２０Ｂを介して第１磁気基板２１Ａの反対側に位置する蓋体（例えば、カバー１０）、をさらに備える。第２磁気基板２１Ｂは、カバー１０を介して内輪１２２に固定される。これによれば、第２磁気基板２１Ｂの内輪１２２への取り付けが容易である。

また、回転装置３は、外輪１２１と内輪１２２との間に加えられる回転軸Ａｘ方向の力（軸受１２０に加えられるアキシアル荷重）を、第１信号Ｖ１と第２信号Ｖ２とに基づいて算出する演算回路１４０、をさらに備える。これによれば、センサ付き軸受１に接続される演算回路１４０がアキシアル荷重を算出することができる。

本実施形態に係る回転装置３は、主軸方向（回転軸Ａｘ方向）の荷重計測が必要な製品に好適に適用される。このような製品の一例として、飛行機やドローン、工作機器が示される。例えば、飛行機やドローンのプロペラの主軸が、軸受１２０の回転輪である内輪１２２に固定されてもよい。また、工作機器の主軸が、軸受１２０の回転輪である内輪１２２を固定されてもよい。

（変形例）
上記の実施形態では、保持器１２４の側面に磁気トラック２１２を有する第１磁気基板２１Ａが固定されることを説明した。しかしながら、本実施形態において、保持器１２４と第１磁気基板２１Ａは一体化されていてもよい。例えば、保持器１２４の側面に磁気トラック２１２が着磁されていてもよい。このような構成であって、上記の実施形態と同様の効果を奏する。

また、上記の実施形態では、外輪１２１が静止輪で、内輪１２２が回転輪であることを説明した。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。本実施形態では、外輪１２１が回転輪で、内輪１２２が静止輪であってもよい。この場合、カバー１０が外輪１２１に固定されてもよい。また、第１コイル基板２５Ａ及び第２コイル基板２５Ｂが取り付けられるセンサ筐体３０は、内輪１２２に固定されてもよい。

また、上記の実施形態では、制御装置２の演算回路は、第１回転速度Ｎ１と速度比ＳＲとに基づいて、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆを算出することを説明した。例えば、制御装置２は、第１回転速度Ｎ１に基づいてアキシアル荷重Ｆの概算値を算出し、算出した概算値を速度比ＳＲに基づいて補正することを説明した。しかしながら、本実施形態は、これに限定されない。例えば、速度比ＳＲが一定であることが予想される場合、制御装置２の演算回路１４０は、第１回転速度Ｎ１に基づいて、軸受１２０に加えられるアキシアル荷重Ｆを算出してもよい。この場合、演算回路１４０は、速度比ＳＲの算出と、速度比ＳＲに基づく概算値の補正とを省くことができるので、アキシアル荷重Ｆの算出速度を高めることができる。

また、上記の実施形態では、第１コイル基板２５Ａ、又は、第２コイル基板２５Ｂに設けられた穴２８を、位置決め用に用いてもよい。例えば、第１コイル基板２５Ａ（または、第２コイル基板２５Ｂ）をセンサ筐体３０上に直接設置する場合、センサ筐体３０において、第１コイル基板２５Ａ（または、第２コイル基板２５Ｂ）が有する複数の穴２８に対応する位置に突起を設けてもよい。突起が穴２８に嵌合することによって、センサ筐体３０に対して第１コイル基板２５Ａ（または、第２コイル基板２５Ｂ）が位置決めされる。センサ筐体３０が磁性をもつ場合は、複数の穴２８に嵌合したセンサ筐体３０の突起が磁束を効率よく還流させる。

また、上記の実施形態では、第１コイル基板２５Ａ（または、第２コイル基板２５Ｂ）の一方の面に金属の基材を設置してもよい。この場合、金属の基材において、第１コイル基板２５Ａ（または、第２コイル基板２５Ｂ）が有する複数の穴２８に対応する位置に突起を設けてもよい。突起が穴２８に嵌合することによって、第１コイル基板２５Ａ（または、第２コイル基板２５Ｂ）に対して金属の基材が位置決めされる。また、複数の穴２８に嵌合した金属の突起が磁束を効率よく還流させる。

１ センサ付き軸受
２ 制御装置
３ 回転装置
１０ カバー
２０Ａ 第１センサ
２０Ｂ 第２センサ
２１Ａ 第１磁気基板
２１Ｂ 第２磁気基板
２５Ａ 第１コイル基板
２５Ｂ 第２コイル基板
２７ コイルパターン
２８ ヨーク
３０ センサ筐体
５０ 連結器具
１２０ 軸受
１２１ 外輪
１２２ 内輪
１２３ 転動体
１２４ 保持器
２１１ 基材
２１２ 磁気トラック
Ａｘ 回転軸

Claims (6)

1. 第１部品と、
   軸部材と一体回転するとともに、前記第１部品に対して回転軸を中心に相対的に回転する第２部品と、
   前記第１部品と前記第２部品との間に配置される複数の転動体と、
   前記第１部品と前記第２部品との間に配置され、前記複数の転動体を保持する保持器と、
   前記第１部品に対する前記保持器の相対的な回転に基づいて第１信号を出力する第１センサと、
   前記第１部品と前記第２部品との相対的な回転に基づいて第２信号を出力する第２センサと、を備え、
   前記第１センサは、
   前記保持器に固定され、前記回転軸を中心とする円の円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第１磁気トラックと、
   前記第１部品に固定され、前記第１磁気トラックと全周にわたり対向する第１コイル基板と、を有し、
   前記第２センサは、
   前記第２部品に固定され、前記回転軸を中心とする円の円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第２磁気トラックと、
   前記第１部品に固定され、前記第２磁気トラックと対向する第２コイル基板と、を有する回転装置。
2. 前記第１コイル基板と前記第２コイル基板との間に配置されるセンサ筐体、をさらに備え、
   前記第１コイル基板と前記第２コイル基板は前記センサ筐体を介して前記第１部品にそれぞれ固定される、請求項１に記載の回転装置。
3. 前記センサ筐体は金属製である、請求項２に記載の回転装置。
4. 前記第１コイル基板と前記第２コイル基板とを互いに連結する連結器具、をさらに備える請求項１から３のいずれか１項に記載の回転装置。
5. 前記第２部品に固定される蓋体、をさらに備え、
   前記第２磁気トラックは、前記蓋体を介して前記第２部品に固定される、請求項１から４のいずれか１項に記載の回転装置。
6. 前記第１部品と前記第２部品との間に加えられる前記回転軸に沿った方向の力を、前記第１信号と前記第２信号とに基づいて算出する演算回路、をさらに備える請求項１から５のいずれか１項に記載の回転装置。

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