JP7358964B2 - センサ付き軸受および計測システム - Google Patents

Description

本発明は、センサ付き軸受および計測システムに関する。

従来、装置の異常検知を目的とし、回転機器の状態が正常状態であるか異常状態であるかを示す情報を収集する場面が増えている。回転機器の異常は、主に温度や振動に表れる。
車軸軸受の異常診断を行う異常診断装置として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、１回転ごとに１パルスが出力される回転同期信号をトリガとして振動データのサンプリングを行い、その振動データを処理して車軸軸受の異常診断を行う技術である。

特許第４５６９４３７号公報

ところで、装置の異常診断を精度良く行なうためには、異常発生源の近くにセンサデバイスを配置する必要がある。そして、そのためには、センサデバイスの省電力化や小型化が必要である。しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、センサデバイスの省電力化や小型化については言及されていない。
そこで、本発明は、省電力化および小型化を実現することができる計測システム、およびそれを利用したセンサ付き軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一つの態様のセンサ付き軸受は、軸受と、前記軸受に関する物理量を計測する第１のセンサと、前記軸受の動作１サイクルごとにパルス信号を出力する第２のセンサと、前記第２のセンサが出力する前記パルス信号をトリガとして、前記第１のセンサをオン状態に制御して計測を開始させ、前記第１のセンサによる計測が終了した後に当該第１のセンサをオフ状態に制御する制御部と、を備える。
このように、計測に必要なときだけＯＮするように第１のセンサのＯＮ、ＯＦＦを切り替えることが可能であるため、省電力化を実現することができる。また、デバイス内部で生成した信号をトリガとすることができるので、筐体外部からの信号入力が不要であり、小型化を実現することができる。したがって、例えば軸受の内輪と外輪との狭い空間にも格納可能であり、同一筐体でセンサデバイスを構築することが可能になる。

また、上記のセンサ付き軸受において、前記制御部は、前記第２のセンサが出力する前記パルス信号を１回目に検出したとき、前記第１のセンサをオン状態に制御し、前記第２のセンサが出力する前記パルス信号を２回目に検出したとき、前記第１のセンサによる計測を開始してもよい。
この場合、軸受の動作１サイクルごとに発生するパルス信号を利用して、自動的に第１のセンサによる計測を開始することができる。そのため、計測者側の手間を省くことができ、省人化を実現することができる。

さらに、上記のセンサ付き軸受において、前記制御部は、前記１回目に前記パルス信号を検出してから所定の待機時間が経過した後に、前記２回目の前記パルス信号を検出してもよい。この場合、第１のセンサをオン状態に切り替える制御が行われた後、所定の待機時間が経過した後に計測を開始することができる。そのため、適切な計測が可能となる。
また、上記のセンサ付き軸受において、前記待機時間は、前記第１のセンサのウェイクアップ時間よりも長く設定されていてもよい。この場合、第１のセンサをオン状態に切り替える制御が行われた後、当該センサが確実に立ち上がってから計測を開始することができる。例えば第１のセンサが複数種類のセンサを含む場合であっても、すべてのセンサが確実に立ち上がってから計測を開始することができ、適切な計測が可能となる。

さらにまた、上記のセンサ付き軸受において、前記第２のセンサは、Ｚ相信号を出力するＺ相検出センサであってもよい。この場合、既存の原点検出信号をトリガ信号として使用することが可能である。そのため、トリガ信号を新たに用意する必要がない。
また、上記のセンサ付き軸受において、前記第２のセンサは、ホールセンサであってもよい。この場合、簡易な構成で適切に軸受の動作１サイクルごとにパルス信号を出力することができる。
さらに、上記のセンサ付き軸受において、前記第２のセンサの更新周期は、前記軸受の動作１サイクルの周期よりも短くてもよい。この場合、第２のセンサは、軸受の動作１サイクルごとに適切にパルス信号を出力することができる。したがって、信号検出もれを防止することができ、適切なタイミングで第１のセンサを制御することができる。

また、上記のセンサ付き軸受において、前記第１のセンサは、前記軸受の振動を計測する加速度センサ、および前記軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を計測する角度センサの少なくとも一方を含んでいてもよい。この場合、軸受のどの位置（角度）でどのような振動が生じているかを把握することができる。
さらに、上記のセンサ付き軸受は、前記軸受の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて発電し、前記第１のセンサ、前記第２のセンサおよび前記制御部に電力を供給する発電部をさらに備えていてもよい。この場合、外部からの電源供給が不要な自己発電機能を有するセンサ付き軸受において、消費電力を抑えつつ、軸受に関する物理量を計測することができる。

また、本発明の一つの態様の計測システムは、動作部を有する機器に関する物理量を計測する第１のセンサと、前記動作部の動作１サイクルごとにパルス信号を出力する第２のセンサと、前記第２のセンサが出力する前記パルス信号をトリガとして、前記第１のセンサをオン状態に制御して計測を開始させ、前記第１のセンサによる計測が終了した後に当該第１のセンサをオフ状態に制御する制御部と、を備える。
このように、計測に必要なときだけＯＮするように第１のセンサのＯＮ、ＯＦＦを切り替えることが可能であるため、省電力化を実現することができる。また、デバイス内部で生成した信号をトリガとすることができるので、計測システム外部からの信号入力が不要であり、小型化を実現することができる。したがって、例えば小型のデバイス筐体にも格納可能であり、同一筐体でセンサデバイスを構築することが可能になる。

本発明の一つの態様によれば、センサデバイスの省電力化および小型化を実現することができる。

図１は、本実施形態における計測システムの概要を示す図である。 図２は、計測データの取得処理手順を示すフローチャートである。 図３は、計測処理を示すタイミングチャートである。 図４は、Ｚ相検出センサの更新周期を説明する図である。 図５は、センサ付き軸受の構成を示す分解斜視図である。 図６は、センサ付き軸受の構成を示す分解斜視図である。 図７は、カバーとコイル基板の構成例を示す平面図である。 図８は、回路基板の構成例である。 図９は、センサ付き軸受の適用例である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

本実施形態では、回転機器に関する物理量を計測する計測システムについて説明する。
本実施形態における計測システムは、センサデバイス内部で発生する信号をトリガとして、回転機器に関する物理量を計測する計測用センサを必要なときだけオン状態とするともに、自動的に当該センサによる計測を開始することができるシステムである。
この計測システムは、例えば、センサ付き軸受に適用することができる。当該センサ付き軸受は、軸受と、軸受に関する物理量を検出する第１のセンサと、軸受の動作１サイクルごとにパルス信号を出力する第２のセンサと、を備える。また、当該センサ付き軸受は、パルス信号をトリガとして、第１のセンサをオン状態として計測を開始させ、第１のセンサによる計測が終了した後に当該第１のセンサをオフ状態に制御する制御部を備える。ここで、上記物理量は、軸受の回転角度や軸受の振動を示す加速度等とすることができる。つまり、第１のセンサは、軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を検出する角度センサや、軸受の振動を検出する加速度センサとすることができる。また、第２のセンサは、例えば、１回転ごとに原点位置信号（Ｚ相信号）を出力するホールセンサとすることができる。

まず、計測システムの概要について、図１を参照しながら説明する。
ここでは、計測システム２００が、軸受に関する物理量として軸受の振動（加速度）と位置（回転角度）と示す計測データを取得する場合について説明する。
計測システム２００は、制御部２１０と、計測部２２０と、を備える。
制御部２１０は、マイクロコンピュータ（マイコン）により構成することができる。制御部２１０は、ＣＰＵ２１１を備える。また、制御部２１０は、内部メモリを備えることもできる。計測部２２０は、加速度センサ２２１と、角度センサ２２２と、ホールセンサ２２３と、を備える。加速度センサ２２１および角度センサ２２２は、軸受に関する物理量を計測するための計測用センサ（第１のセンサ）である。ホールセンサ２２３は、原点検出用のＺ相信号であるパルス信号を出力するＺ相検出センサ（第２のセンサ）である。

ＣＰＵ２１１は、内部メモリや計測用センサ２２１、２２２の初期化を行い、ホールセンサ２２３からのＺ相信号を計測開始トリガとして、計測用センサ２２１、２２２による計測を開始する。具体的には、ＣＰＵ２１１は、計測開始トリガ生成までに２回Ｚ相を検出する。ＣＰＵ２１１は、１回目のＺ相検出で計測用センサ２２１、２２２をオフ状態からオン状態に切り替え、２回目のＺ相検出を計測開始トリガとして、計測用センサ２２１、２２２による計測を開始する。

計測が開始されると、加速度センサ２２１および角度センサ２２２は、センサ内部において、それぞれ定められた更新周期で計測値を更新し、保持する。ＣＰＵ２１１は、加速度センサ２２１および角度センサ２２２から所定のタイミングで計測値を取得し、内部メモリ等に保存する。計測が終了すると、ＣＰＵ２１１は、計測用センサ２２１、２２２をオフ状態に切り替える。つまり、計測用センサ２２１、２２２は、計測に必要なときだけオン状態とされ、それ以外の期間はオフ状態とされる。
なお、制御部２１０は、ＤＭＡコントローラ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＤＭＡＣ）を備えていてもよい。この場合、ＤＭＡＣは、ＤＭＡトリガを入力すると、ＣＰＵ２１１を介さずに、加速度センサ２２１および角度センサ２２２がそれぞれ保持する最新の計測値（センサデータ）を内部メモリ等に転送するＤＭＡ転送を行う。このようにＤＭＡ転送によりデータ取得およびデータ格納を行うことで、ＣＰＵ２１１の負荷を軽減することができる。

また、上記の内部メモリに保存される計測データは、計測用センサ２２１、２２２から得られるバイナリデータ（生データ）であってもよい。この場合、データ記録時に、例えば１６進数表記から１０進数表記への変換などのデータ処理が不要であり、高速なデータ格納が可能である。また、データ処理による負荷を軽減させることができるとともに、消費電力を低減させることができる。
また、計測用センサ２２１、２２２から取得した計測データは、制御部２１０の外部に設けられた外部メモリに保存するようにしてもよい。外部メモリは、例えばＳＲＡＭ等により構成することができる。なお、外部メモリは、ＮＡＮＤ型またはＮＯＲ型のフラッシュメモリ等であってもよい。

図２は、計測データの取得処理の手順を示すフローチャートである。
この図２に示す処理は、例えばユーザが電源をオン状態とするなど、制御部２１０に電力が供給されたタイミングで開始される。なお、図２に示す処理が開始される前は、加速度センサ２２１および角度センサ２２２はオフ状態である。
まずステップＳ１において、ＣＰＵ２１１は、加速度センサ２２１および角度センサ２２２を初期化する。

次にステップＳ２において、ＣＰＵ２１１は、Ｚ相を検出したか否かを判定する。そして、Ｚ相が検出されていない場合にはＺ相を検出するまで待機し、Ｚ相を検出したと判定するとステップＳ３に移行する。
ステップＳ３では、ＣＰＵ２１１は、計測用センサ２２１および２２２に電力を供給するよう制御して、計測用センサ２２１および２２２をオン状態にする。

ステップＳ４では、ＣＰＵ２１１は、ステップＳ３において計測用センサ２２１および２２２をオン状態としてから所定の待機時間ｔｗが経過しており、かつＺ相を検出したか否かを判定する。ここで、待機時間ｔｗは、計測用センサ２２１および２２２のウェイクアップ時間（Ｔｕｒｎ－ｏｎ－ｔｉｍｅ）の長い方よりも長い時間に設定する。つまり、加速度センサ２２１のウェイクアップ時間がｔ_to1、角度センサ２２２のウェイクアップ時間がｔ_to2である場合、待機時間ｔｗは、ｔｗ＞ｔ_to1かつｔｗ＞ｔ_to2に設定する。ここで、ウェイクアップ時間とは、センサに電源が供給されてから当該センサが適切に計測を開始できる状態となるまでの時間であり、各センサの仕様に応じて、例えば４０ｍｓ～１００ｍｓに設定されている。

そして、ＣＰＵ２１１は、このステップＳ４において、待機時間ｔｗが経過していないか、または待機時間ｔｗが経過しているがＺ相を検出していない場合には、そのまま待機する。一方、ＣＰＵ２１１は、待機時間ｔｗが経過し、かつＺ相を検出したと判定した場合にはパルス信号を出力し、当該パルス信号を検知することで、計測開始トリガが入力されたと判断してステップＳ５に移行する。
ステップＳ５では、ＣＰＵ２１１は、計測用センサ２２１および２２２による計測を開始する。

ステップＳ６では、ＣＰＵ２１１は、ステップＳ５における計測開始から所定の計測時間ｔｍが経過したか否かを判定する。ここで、計測時間ｔｍは、例えば１秒とすることができる。なお、計測時間ｔｍは、計測データを記録するメモリの容量や消費電力との兼ね合いによって適宜設定することができる。
そして、ＣＰＵ２１１は、計測開始から上記の計測時間ｔｍが経過していないと判定した場合には、そのまま計測を継続し、計測開始から上記の計測時間ｔｍが経過したと判定した場合には、ステップＳ７に移行する。

なお、マイコンの選定によってはＣＰＵの動作を止めた状態（低消費電力モード）でＤＭＡを実施できる場合がある。したがって、上述したように制御部２１０がＤＭＡＣを備えており、ＤＭＡＣによりセンサデータの取得を行うことが可能な場合は、計測時間ｔｍの経過をマイコン内のタイマによって監視し、監視中はＣＰＵの動作を止めておいてもよい。ＣＰＵの動作を止めることで、より低消費電力で計測システムを構築することができる。

ステップＳ７では、ＣＰＵ２１１は、計測用センサ２２１および２２２への電力供給を停止するよう制御して、計測用センサ２２１および２２２をオフ状態にする。
ステップＳ８では、ＣＰＵ２１１は、メモリに保存された計測データを外部へ送信し、図２の処理を終了する。
なお、連続して計測を行う場合には、ステップＳ８において計測データを送信した後、ステップＳ２に戻ってもよい。この場合、ステップＳ８において計測データを送信した後、ステップＳ２に戻るまでの間に、所定の待機時間を設けてもよい。

以下、計測データの取得処理の流れについて、図３を参照しながら詳細に説明する。なお、この図３において、加速度センサ２２１をセンサ１、角度センサ２２２をセンサ２としている。
上述した図２に示す処理が開始され、ＣＰＵ２１１による計測用センサの初期化が完了すると、ＣＰＵ２１１はＺ相の入力待機状態となる。そして、図３の時刻Ｔ１においてＺ相を検出すると、これをＺ相認識１回目として、各計測用センサ（センサ１、センサ２）をオン状態にする。すると、各計測用センサは、それぞれ所定のウェイクアップ時間ｔ_to1、ｔ_to2を経て、計測可能な状態へ移行する（ステップ１）。

そして、ＣＰＵ２１１は、時刻Ｔ１から、すべてのセンサのウェイクアップ時間ｔ_to1、ｔ_to2に対して「ウェイクアップ時間＜ｔｗ」となる待機時間ｔｗが経過した後、２回目のＺ相入力を受け付ける。つまり、１回目のＺ相入力を受け付けた後（時刻Ｔ１以降）、待機時間ｔｗが経過するまでに検出したＺ相入力は無視し、時刻Ｔ２においてＺ相を検出すると、これをＺ相認識２回目とする。この時刻Ｔ２では、ＣＰＵ２１１は、計測用センサによる計測を開始する（ステップ２）。
計測用センサによる計測は、所定の計測時間ｔｍ継続して行う。つまり、ＣＰＵ２１１は、計測開始（時刻Ｔ２）から計測時間ｔｍが経過した時刻Ｔ３において計測を終了し、計測用センサをオフ状態とする。そして、ＣＰＵ２１１は、計測データを外部装置に送信する。

このように、ＣＰＵ２１１は、Ｚ相入力をトリガとして、計測用センサのＯＮ／ＯＦＦ制御と、計測開始／終了の制御とを行う。
ここで、図４に示すように、Ｚ相検出センサ（ホールセンサ２２３）の更新周期は、軸受の動作１サイクルの周期（Ｚ相が入力されるべき周期）よりも十分に短く設定されているものとする。
Ｚ相検出センサの更新周期は、Ｚ相がＨレベルになる条件をみたしているかどうかを確認する周期であり、この周期が軸受の動作１サイクルの周期よりも長く設定されていると、Ｚ相を取り漏らしてしまうことになる。したがって、Ｚ相検出センサの更新周期は、可能な限り短いものを選ぶとＺ相信号の検出漏れのリスクを抑えることができるため、好ましい。ただし、更新周期が短いほど、Ｚ相検出センサの消費電力は増加するので、使用条件に応じて適宜選定するものとする。つまり、省電力化の観点においては、単純に更新周期の短いＺ相検出センサを選定すればよいわけではないことに注意が必要である。

このようにして計測システム２００により送信された計測データは、例えば送信先の外部装置において、軸受の異常診断に用いられる。例えば、加速度データと角度データとが一対一で対応した計測データを取得するようにすれば、その計測データをもとに、回転中どの角度でどのような振動が起きているのかを把握することができ、異常発生箇所（角度）を特定することができる。

以上説明したように、本実施形態における計測システム２００は、軸受の動作１サイクルごとに発生するパルス信号をトリガとして、計測用センサをオン状態に制御して計測を開始させ、計測用センサによる計測が終了した後に当該計測用センサをオフ状態に制御する。具体的には、計測システム２００は、上記パルス信号としてＺ相信号を用い、軸受の１回転ごとに出力されるＺ相を検出する。そして、計測システム２００は、Ｚ相を１回目に検出したとき、計測用センサをオン状態に制御し、Ｚ相を２回目に検出したとき、計測用センサによる計測を自動的に開始する。

このように、計測用センサのＯＮ、ＯＦＦの切り替えを制御するので、計測の直前まで計測用センサをＯＦＦにしておき、必要なときだけセンサをＯＮするようにすることができる。計測用センサを細かくＯＮ／ＯＦＦすることができるので、省電力化を図ることができる。
また、デバイス内部で生成した信号をトリガとすることができるので、別途外部からのトリガ信号の入力が不要であり、そのための外部端子との接続コネクタが不要となるため、小型化を実現することができる。したがって、小型のデバイス筐体であっても同一筐体内に計測システム２００を格納することが可能である。

また、原点検出用のＺ相信号を計測開始トリガとして活用できるため、センサデバイス単体で計測を開始できる。外部からの計測開始信号を必要とすることなく、自動的に計測を開始することができるので、計測者側の手間を省くことができ、省人化を実現することができる。
このように、省電力化、デバイス小型化、計測開始自動化（省人化）を実現することができるので、異常発生源の近くにデバイスを配置することができ、ノイズの影響を抑えた診断が可能になる

また、原点検出用のＺ相信号を計測開始トリガとしているため、毎回同じ位置（回転角度）で計測を開始することができる。したがって、複数回計測を行った場合には、計測データを容易に重ね合わせ、機械的に平均化するなどの処理が可能となる。これにより、異常箇所特定の信頼性が向上する。さらに、省電力化、小型化を狙う中で、搭載・使用できるメモリには限りがあるが、上述したように同じ位置から計測できることは、過不足なく計測データを取得するうえで有利である。
さらに、回転機器における既存のＺ相検出センサからのＺ相信号（原点検出信号）をトリガとして使用するので、トリガ信号を新たに用意する必要がない。

また、１回目にＺ相を検出してから所定の待機時間ｔｗが経過した後に、２回目のＺ相を検出するので、計測用センサをオン状態に切り替える制御が行われた後、計測用センサが適切に動作可能な状態となってから計測を開始することができる。ここで、待機時間ｔｗをすべての計測用センサのウェイクアップ時間よりも長い時間に設定すれば、すべての計測用センサが確実に立ち上がってから計測を開始することができる。
さらに、Ｚ相検出センサの更新周期は、軸受の動作１サイクルの周期よりも短く設定する。これにより、Ｚ相検出センサは、軸受の動作１サイクルごとに適切にパルス信号を出力することができる。したがって、信号検出もれを防止することができ、適切なタイミングで計測用センサを制御することができる。

（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。
図５および図６は、上述した計測システム２００を備えるセンサ付き軸受１の構成を示す分解斜視図である。図５は、センサ付き軸受１をカバー１０側から見た図であり、図６は、センサ付き軸受１を軸受１２０側から見た図である。
センサ付き軸受１は、センサ付き発電ユニット１００と、軸受１２０と、を備える。センサ付き発電ユニット１００は、軸受１２０の一方の側面に取り付けられる。センサ付き発電ユニット１００は、カバー１０と、コイル基板２０と、回転部３０と、回路基板４０と、を備える。センサ付き発電ユニット１００が有する基板は、ポッティング剤などにより保護されている。なお、センサ付き発電ユニット１００は、基板上の電子回路の保護を目的として、バックカバーを備えていてもよい。この場合、バックカバーは、例えば、センサ付き発電ユニット１００における軸受１２０に対向する面側（図５および図６の回転部３０と軸受１２０との間）に設置することができる。
また、ここでは、センサ付き軸受１は、図５および図６に示すようにセンサ付き発電ユニット１００と軸受１２０とが別体である軸受－センサ別体型デバイスである場合について説明するが、軸受側に追加工を施し、軸受にカバーを圧入するなどして軸受－センサ一体型デバイスとしてもよい。

カバー１０は、リング状の平板部材であり、例えば、ケイ素鋼板、炭素鋼（ＪＩＳ規格 ＳＳ４００またはＳ４５Ｃ）、マルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４２０）またはフェライト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４３０）などのような磁性を有する材料により形成される。
このカバー１０の軸受１２０と対向する側の面には、図６に示すように、回路基板４０が取り付けられている。回路基板４０は、電源基板４１と、センサ基板４２とを備える。電源基板４１およびセンサ基板４２は、例えばカバー１０に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルトが締結することで、当該カバー１０に固定される。この場合、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、電源基板４１およびセンサ基板４２は、必要に応じて任意に分割または一体化することができる。

また、カバー１０には、貫通孔が開けられており、この貫通孔は、樹脂などの不導体材料で形成された蓋１７で密閉されている。後述するように、センサ基板４２には、アンテナ４７（後述の図７参照）が実装される。カバー１０は導体で製作されているので、アンテナ４７からの電磁波をシールドする作用を有する。しかしながら、アンテナ４７は蓋１７と対向する位置に配置され、これにより、アンテナ４７の電磁波は、蓋１７を介して、外部の通信部へ到達することができる。

コイル基板２０は、カバー１０の軸受１２０と対向する側の面に取り付けられている。コイル基板２０は、例えば接着剤を介してカバー１０に固定されている。
図７は、カバー１０とコイル基板２０の構成例を示す平面図である。コイル基板２０は、フレキシブル基板２１と、フレキシブル基板２１に設けられたコイルパターン２３と、フレキシブル基板２１に設けられた複数のヨーク２５と、を有する。なお、ヨーク２５の設置は任意である。フレキシブル基板２１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。コイルパターン２３は、フレキシブル基板２１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２３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、センサ付き発電ユニット１００の用途によって、平面コイルの積層数を変化させ発電量を調整してもよい。
また、コイルパターン２３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。この凹凸の凹部にヨーク２５が１つずつ配置されている。コイルパターン２３は、後述するエンコーダマグネットの磁気変化を検出できる位置に角度センサを配置するため、一部円形を欠けさせる形状となってもかまわない。

また、電源基板４１とセンサ基板４２とは、平面視で、コイル基板２０よりも例えば外周側に取り付けられている。電源基板４１には、電源部４３が実装されている。電源部４３は、発電部５０（後述の図８参照）から供給された単相交流電力を直流電圧に変換して、センサ基板４２へ供給する。

センサ基板４２には、センサ４４と、制御回路部４５と、アンテナ４７とが実装されている。センサ４４は、例えば、加速度センサ４４１と、温度センサ４４２と、角度センサ４４３と、ホールセンサ４４４と、を有する。なお、センサ４４、制御回路部４５およびアンテナ４７は、別々のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップで構成されていてもよいし、それらの一部または全部が１つのＩＣチップで構成されていてもよい。

また、図７では簡略化しているが、コイルパターン２３の両端は、リード線１６を介して電源基板４１に接続される。なお、本実施形態において、コイルパターン２３と電源基板４１との接続は、リード線１６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、コイル基板２０を延長して電源基板４１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、センサ付き発電ユニット１００の生産性をさらに高めることができる。

図５および図６に戻って、回転部３０は、リング状の磁気トラック３１と、リング状の基材３３と、リング状の取付け治具３５と、Ｚ相用小型磁石３６と、を有する。基材３３および取付け治具３５は、磁性を持つ金属材料であることが望ましい。
磁気トラック３１は、基材３３の一方の面側に設けられている。基材３３は、磁気トラック３１の外形よりも大きく、Ｚ相用小型磁石３６は、基材３３の一方の面側において磁気トラック３１よりも外周側に設けられている。なお、Ｚ相用小型磁石３６およびそれに対応するホールセンサ４４４を含むセンサ基板４２は、磁気トラック３１の内側に配置されていてもよい。
取付け治具３５は、基材３３の他方の面側に固定されている。取付け治具３５は、基材３３の他方の面側から、基材３３の中央に位置する貫通した開口部を通って、基材３３の一方の面側に突き出ている。基材３３の一方の面側はカバー１０と対向する面側である。基材３３の他方の面側は軸受１２０と対向する面側である。
なお、磁気トラック３１は、基材３３に対して着脱可能な構成であってもよい。また、磁気トラック３１は、軸受１２０に設けられていてもよい。この場合、例えば、磁気トラック３１は、軸受１２０に形成された溝に圧入されていてもよい。

本実施形態では、磁気トラック３１と基材３３とを合わせて、エンコーダマグネットという。例えば、エンコーダマグネットは、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。取付け治具３５は、エンコーダマグネットを、センサ付き発電ユニット１００と軸受１２０とに通される軸部に取り付けるために使用される。

磁気トラック３１は、Ｎ極３１ＮとＳ極３１Ｓとからなる磁極対３１１を複数有する。複数の磁極対３１１は、磁気トラック３１の円周方向に並んでいる。Ｎ極３１ＮおよびＳ極３１Ｓは、交互に配置されている。
また、磁気トラック３１における隣り合うＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとの中心間の距離は、コイル基板２０における隣り合うヨーク２５の中心間の距離と同じ長さになっている。

本実施形態では、回転軸Ａｘ（図７参照）を中心に、コイル基板２０に対して磁気トラック３１が相対的に回転すると、隣り合うヨーク２５のうち一方のヨーク２５がＮ極と対向するときは、他方のヨーク２５はＳ極と対向する。また、一方のヨーク２５がＳ極と対向するときは、他方のヨーク２５はＮ極と対向する。つまり、コイル基板２０の隣り合うヨーク２５は、磁気トラック３１の同一磁極と対向することはない。これにより、一方のヨーク２５を通る磁束密度の変化の位相と、他方のヨーク２５を通る磁束密度の変化の位相は、１８０°ずれた状態となる。

このように、コイル基板２０に対して磁気トラック３１が相対的に回転すると、ヨーク２５と対向する磁極が交互に替わる。これにより、ヨーク２５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、ヨーク２５の周りに位置するコイルパターン２３に電圧変化（例えば、正弦波の交流電圧）が発生する。

図８は、センサ付き軸受１が備える回路基板４０の構成例を示す図である。回路基板４０は、上述したように、電源基板４１と、センサ基板４２と、を備える。ここで、センサ基板４２は、角度センサ基板４２ａと、制御基板４２ｂと、を備える。
電源基板４１は、整流回路４３ａを備える。この整流回路４３１は、電源部４３（図７参照）に含まれる。

発電部５０は、磁気トラック３１（図５参照）とコイル基板２０（図６参照）と、を備える。発電部５０は、軸受１２０の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて発電し、センサ基板４２に電力を供給する。
発電部５０は、単相交流電力を発電して整流回路４３１に出力する。整流回路４３１は、発電部５０で発電された単相交流電力を全波整流して直流電力へと変換する。整流回路４３１としてダイオードブリッジが例示されるが、本実施形態はこれに限定されない。整流回路４３１から出力された直流電力は、不図示の平滑回路により平滑化され安定した電源となる。その後、不図示の蓄電回路および蓄電器に蓄電される。蓄電器に蓄電された直流電力は、不図示の定電圧出力回路により一定電圧に調整された後、センサ基板４２に出力される。

センサ基板４２の角度センサ基板４２ａには、角度センサ４４３と、ホールセンサ４４４とが実装されている。また、センサ基板４２の制御基板４２ｂには、加速度センサ４４１と、マイコン４５１と、ＤＣ－ＤＣコンバータ４５２と、無線モジュール（送信部）４５３と、が実装されている。マイコン４５１、ＤＣ－ＤＣコンバータ４５２および無線モジュール４５３は、制御回路部４５（図７参照）に含まれる。
加速度センサ４４１および角度センサ４４３は、ＤＣ－ＤＣコンバータ４５２を介して電源基板４１から供給される直流電力を使用して、加速度や回転角度を検出する。ＤＣ－ＤＣコンバータ４５２は、マイコン４５１が備えるＣＰＵの制御下で、加速度センサ４４１および角度センサ４４３に電源基板４１から供給される直流電力を供給する。

角度センサ４４３は、磁気トラック３１に対向するように角度センサ基板４２ａに実装されている。磁気トラック３１を有する回転部３０は軸受１２０の内輪に固定されており、角度センサ４４３は、軸受１２０の内輪と共に磁気トラック３１が回転することによって変化する磁束密度を検出することによって、軸受１２０の外輪に対する内輪の回転角度を検出する。
なお、角度センサ４４３の種類は、インクリメンタル型であってもよいし、アブソリュート型であってもよい。

ホールセンサ４４４は、ＤＣ－ＤＣコンバータ４５２を介して電源基板４１から供給される直流電力を使用して、Ｚ相を検出する。Ｚ相用小型磁石３６に対向するように角度センサ基板４２ａに実装されている。Ｚ相用小型磁石３６を有する回転部３０は軸受１２０の内輪に固定されており、ホールセンサ４４４は、軸受１２０の内輪と共にＺ相用小型磁石３６が回転することによって変化する磁束密度を検出することによって、Ｚ相を検出する。

マイコン４５１は、特に図示しないが、ＣＰＵや内部メモリを備える。また、マイコン４５１は、ＤＭＡＣを備えていてもよい。マイコン４５１は、センサ４４から取得した計測値を内部メモリ等に書き込む。
ここで、マイコン４５１は、図１の制御部２１０に対応している。また、センサ４４が図１の計測部２２０に対応している。

無線モジュール４５３は、マイコン４５１が備えるＣＰＵの制御下で、内部メモリ等に記憶されたデータを外部に送信する。この無線モジュール４５３は、図７のアンテナ４７を備える。例えば、無線モジュール４５３は、無線通信によりデータを外部装置に送信する。送信されたデータは、外部装置の通信部で受信され、処理される。
なお、本実施形態では、センサ付き軸受１と外部装置とが無線通信を行う場合について説明したが、センサ付き軸受１と外部装置との間で通信可能な構成であれば、その通信規格は問わない。つまり、センサ付き軸受１から外部装置へのデータ送信は、有線通信により行ってもよい。

上述したように、本実施形態における計測システム２００は、省電力化、小型化、計測開始自動化を実現することができ、小型のデバイス筐体内にも格納可能である。したがって、本計測システム２００は、上記のような磁気エンコーダを利用したセンサ付き軸受１において、軸受の内輪と外輪との狭い空間にも格納可能で、同一筐体でセンサデバイスを構築することが可能になる。また、外部からの電源供給の無い自己発電機能を有するデータ無線送信型のデバイスにも適用可能である。
このように、自己発電機能を有するデータ無線送信型のセンサ付き軸受１に適用した計測システム２００は、自己発電機能により生成された微小な電力を用いて、所望のタイミングで適切に軸受に関する物理量を計測し、外部装置へ無線送信することが可能である。
なお、ここでは、自己発電機能を有するセンサ付き軸受１に適用する場合について説明したが、電源は外部給電であってもよい。

さらに、上述したセンサ付き軸受１は、例えば水車の軸受部に適用することができる。
図９は、センサ付き軸受１を備えるペルトン水車３００の構成を示す図である。
ペルトン水車３００は、羽根車（ランナ）３１１を備える。ランナ３１１の外周には、多数個の羽根（バケット）３１２が設けられている。
また、ペルトン水車３００は、複数個（図９では、２個）のノズル３２１を備える。各ノズル３２１内には、ニードル弁３２２が進退移動可能に配置されている。ニードル弁３２２によってノズル３２１の開度を制御し、ノズル３２１の先端から水を噴射すると、羽根３１２がその水を受け、羽根車３１１が回転する。ペルトン水車３００は、この羽根車３１１の回転によって発電する。

羽根車３１１の回転中は、各羽根３１２に水が当たることで軸受に振動が発生する。このとき、ペルトン水車３００が備える複数の羽根３１２のうちのいずれかに何らかの異常が発生している場合、その羽根３１２に水が当たったときの振動レベルは、他の羽根３１２に水が当たったときの振動レベルとは異なる。
したがって、ペルトン水車３００の軸受部に上述したセンサ付き軸受１を設置して、軸受の振動と回転位置（角度）とを対応付けた計測データを取得し、取得した計測データを解析することで、どの羽根３１１に異常が発生しているかを特定することができる。例えば、４番目の羽根３１２に異常が発生していると特定された場合、異常が発生している４番目の羽根３１２のみを修理、交換することができ、メンテナンスのコストを低減させることができる。

（変形例）
上記実施形態においては、Ｚ相検出センサとしてホールセンサを用いる場合について説明したが、Ｚ相検出センサの種類は上記に限定されない。Ｚ相検出センサは、回転機器の動作１サイクル（１回転）ごとに１パルスを出力するセンサであればよく、例えば光学式フォトセンサを用いることもできる。

さらに、上記実施形態においては、回転機器が軸受である場合について説明したが、回転機器は、例えば歯車であってもよい。この場合にも、歯車の振動を計測する加速度センサや、歯車の回転角度を計測する角度センサをマイコンにつなぐことで、歯車の振動と回転位置（角度）とを含む計測データを取得する計測システムを構成することができる。この場合、取得された計測データをもとに、歯車のどの歯に異常が発生しているかといった診断も可能となる。
また、上記実施形態においては、軸受に関する物理量として、軸受の振動を示す加速度や軸受の回転位置（角度）を用いる場合について説明したが、物理量は振動（加速度）や位置（角度）に限定されない。例えば、物理量を計測する計測用センサとして、軸受において生じる摩擦音を検出する超音波センサを用いることもできる。

また、上記実施形態においては、計測用センサとして加速度センサと角度センサとを用いる場合について説明したが、計測用センサは、１種類であってもよいし、３種類以上であってもよい。

さらに、上記実施形態においては、計測データを軸受の異常診断に用いる場合について説明したが、計測データの使用方法は問わない。つまり、計測データは、異常診断以外にも使用可能である。
例えば、上述したセンサ付き軸受１をロボットアームの関節部に適用した場合、ロボットアームがどの角度であるときに振動が発生するかを特定することができる。したがって、この場合には、振動が発生しない軌道を描いてアーム先端が移動するようにティーチングするようにしてもよい。

なお、上記の計測システムの構成は、１回転する回転機器に適用されるものではなく、例えば決まった場所（Ｚ相に相当する場所）を揺動する回転機器にも適用可能である。
また、上記の計測システムの構成は、回転機器に限って適用されるものではなく、動作部を有する機器、例えば直動機構にも適用可能である。直動機構に適用した場合、その機器に関する物理量として水平方向の位置等を計測することができる。

１…センサ付き軸受、１００…センサ付き発電ユニット、１２０…軸受、２００…計測システム、２１０…制御部、２１１…ＣＰＵ、２２０…計測部、２２１…加速度センサ、２２２…角度センサ、２２３…ホールセンサ

Claims (10)

1. 軸受と、
   前記軸受に関する物理量を計測する第１のセンサと、
   前記軸受の動作１サイクルごとにパルス信号を出力する第２のセンサと、
   前記第２のセンサが出力する前記パルス信号をトリガとして、前記第１のセンサをオン状態に制御して計測を開始させ、前記第１のセンサによる計測が終了した後に当該第１のセンサをオフ状態に制御する制御部と、を備えることを特徴とするセンサ付き軸受。
2. 前記制御部は、
   前記第２のセンサが出力する前記パルス信号を１回目に検出したとき、前記第１のセンサをオン状態に制御し、
   前記第２のセンサが出力する前記パルス信号を２回目に検出したとき、前記第１のセンサによる計測を開始することを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き軸受。
3. 前記制御部は、
   前記１回目に前記パルス信号を検出してから所定の待機時間が経過した後に、前記２回目の前記パルス信号を検出することを特徴とする請求項２に記載のセンサ付き軸受。
4. 前記待機時間は、前記第１のセンサのウェイクアップ時間よりも長く設定されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ付き軸受。
5. 前記第２のセンサは、Ｚ相信号を出力するＺ相検出センサであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
6. 前記第２のセンサは、ホールセンサであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
7. 前記第２のセンサの更新周期は、前記軸受の動作１サイクルの周期よりも短いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
8. 前記第１のセンサは、前記軸受の振動を計測する加速度センサ、および前記軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を計測する角度センサの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
9. 前記軸受の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて発電し、前記第１のセンサ、前記第２のセンサおよび前記制御部に電力を供給する発電部をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
10. 動作部を有する機器に関する物理量を計測する第１のセンサと、
    前記動作部の動作１サイクルごとにパルス信号を出力する第２のセンサと、
    前記第２のセンサが出力する前記パルス信号をトリガとして、前記第１のセンサをオン状態に制御して計測を開始させ、前記第１のセンサによる計測が終了した後に当該第１のセンサをオフ状態に制御する制御部と、を備えることを特徴とする計測システム。

Images