WO2005029436A1

WO2005029436A1 - ワイヤレスセンサシステムおよびワイヤレスセンサ付軸受装置

Info

Publication number: WO2005029436A1
Application number: PCT/JP2004/013353
Authority: WO
Inventors: Koichi Okada; Masatoshi Mizutani; Norihiko Sasaki
Original assignee: Ntn Corporation
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2005-03-31
Also published as: DE112004001732T5

Abstract

　外乱ノイズの影響を受け難くてセンサ信号の信頼性が向上し、かつ電源系を含めて軽量，コンパクトな構成とでき、また何時でも通信が可能なワイヤレスセンサシステムと、これを備えた軽量，コンパクトな構成のワイヤレスセンサ付軸受装置とを提供する。このワイヤレスセンサシステムは、ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂとセンサ信号受信機５とを備える。ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂは、検出対象を検出するセンサ部６Ａ，６Ｂと、そのセンサ信号をディジタル化するディジタル化手段７と、センサ信号送信部９Ａ，９Ｂとをそれぞれ有する。

Description

明細書

ワイヤレスセンサシステムおよびワイヤレスセンサ付軸受装置

技術分野

[0001] この発明は、各種のセンサ信号、例えば各種機械設備や、自動車における車輪用軸受装置に設けられた回転数等の検出信号をワイヤレスで送信するようにしたワイヤレスセンサシステム、および同システムを用いた車輪用軸受装置等のワイヤレスセンサ付軸受装置に関する。

背景技術

[0002] 自動車や、各種産業機械等において、種々のセンサを設けることで、軸受ゃ他の各部の回転速度、温度、振動等の各種の検出対象を検出し、機器の制御や状態管理等に用いられている。このようなセンサの出力は、一般的には有線で検出信号を送信するが、適切な配線場所が得難い場合がある。そのような場合に、検出信号を電磁波で送信するようにしたワイヤレスセンサシステムが用いられて、る。送信機は、小型電池を備えたものとされている。

[0003] また、一方で、回転センサにより車輪回転数を検出して車両の制動制御を行う ABS

(Anti-lock Brake System)では、タイヤハウジング内でのセンサ電線の破損による事故の防止や組立コストの低減を図るために、車輪と車体との間のハーネスを無くし、回転センサとしてその検出信号を電磁波などとして送信するワイヤレス式のものが提案されている（特開 2002-151090公報)。この種の回転センサの代表例では、多極の回転発電機を利用して、自己発電によるセンサ用電力および送信機用電力の供給と回転数検出を同時に行うことで、車体力回転センサへ電力供給を行うことなぐコンパクトに構成されてヽる（特開 2002— 55113公報)。

[0004] また、特開 2003— 146196公報はワイヤレス送信する回転センサ付き車輪用軸受において、自己診断回路を設けた発明であり、センサおよび無線送信機の電力供給力回転センサを兼ねた発電機で行われることを前提としている力ワイヤレス給電を行うことにつ、ても触れられて、る。

特開 2003— 58976公報にはセンサ信号をディジタルィ匕して送信することが提案されている。電源としては、電池または発電機が用いられる。

[0005] 上記の電池を電源としたワイヤレスセンサシステムでは、電池に寿命があり、消耗に応じて電池交換の必要があって、電池の寿命管理が煩わしい。電池の処分に伴う環境の問題もある。

上記の自己発電を行う回転センサでは、車輪が回転して初めて発電が行われるため、 ABSの動作領域である約 lOKmZh以上では安定に動作するものの、停止に近い超低速では検出が不安定になる場合がある。また、回転検出以外の検出対象、例えば温度検出等の場合には適用することができない。

また、ワイヤレス給電では、配線による給電や発電機に比べて効率が良くないため、給電のために大きな電力を送信する必要がある。しかし、給電不良を考慮して常に大電力を送信し続けるのは、システム全体の消費電力が大きくなつてしまうと、う問題点がある。

このように、ワイヤレスセンサシステムでは、その安定した電源の確保が課題となつている。

[0006] 一方、ワイヤレスセンサシステムでは、ワイヤレス送信されるセンサ信号が外乱ノィズの影響を受け易ぐシステムの信頼性の面で、今一つ不十分である。例えば、特開 2003— 146196号公報に開示のものは、ワイヤレス給電を行うため、常時電源が得られる力上記のセンサ信号の外乱の問題がある。また、複数のワイヤレスセンサュニットが設けられる場合、各ワイヤレスセンサユニットを識別するために、ワイヤレスセンサユニット毎にセンサ信号送信周波数を変え、その周波数に対応した複数の受信回路を設ける必要があった。ワイヤレス給電用の電磁波は、無変調の電磁波とすることが簡単である。しかし、その場合、給電用電磁波とセンサ信号用の電磁波との混信を避けるために、給電用電磁波とセンサ信号用電磁波とで周波数を異ならせたり、偏波面を互、に異ならせる等の処理をする必要がある。

特開 2003— 58976号公報に開示のものは、センサ信号をディジタル化して送信するため、外乱の影響を受け難くなるという利点が得られるが、電源として電池または発電機が用いられるため、上記の各例と同様な課題がある。

このように、ワイヤレスセンサシステムでは、その電源の確保、およびセンサ信号の信頼'性が課題となっている。

発明の開示

[0007] この発明の目的は、外乱ノイズの影響を受け難くてセンサ信号の信頼性が向上し、かつ電源系を含めて軽量，コンパクトな構成とでき、また何時でも通信が可能なワイャレスセンサシステムと、これを備えた軽量，コンパクトな構成のワイヤレスセンサ付軸受装置とを提供することである。

この発明の他の目的は、ワイヤレス給電が不安定なときでも安定したセンサ出力を得ることができ、かつ省電力を図ることのできるワイヤレスセンサシステムと、これを備えた軽量，コンパクトな構成のワイヤレスセンサ付軸受装置とを提供することである。

[0008] この発明の第 1構成に力かるワイヤレスセンサシステムは、検出対象を検出するセンサ部（6A, 6B)と、このセンサ部（6A, 6B)の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部（9A, 9B)と、上記センサ部（6A, 6B)およびセンサ信号送信部（9A, 9B)を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（8A, 8B )をそれぞれ有する 1つまたは複数のワイヤレスセンサユニット（4A, 4B)と、上記センサ信号送信部（9A, 9B)力送信されたセンサ信号を受信するセンサ信号受信部（ 13)と、上記電力受信部（8A, 8B)へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部（12)とを備えたワイヤレスセンサシステムにおいて、上記ワイヤレスセンサュ-ット (4A, 4B)に、上記センサ部（6A, 6B)の出力するセンサ信号をディジタルィ匕するディジタル化手段（7)を設け、上記センサ信号送信部（9A, 9B)はこのディジタルィ匕されたセンサ信号を送信する。

この構成〖こよると、ディジタルィ匕手段（7)によりセンサ信号をディジタルィ匕して送信するため、外乱の影響を受け難くなり、システムの信頼性が向上する。また、動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（8A, 8B)を設けたので、センサ部（6A, 6B) およびセンサ信号送信部（9A, 9B)の電源として一次電池や発電機を設ける必要がなぐワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)をコンパクトで軽量に構成できる。電池交換が不要なため、メンテナンスも容易になる。また、発電機を用いるものと異なり、回転時に限らず、いつでも検出が可能である。

[0009] 上記第 1構成のワイヤレスセンサシステムにおいて、上記ワイヤレスセンサユニット（ 4A, 4B)が複数であり、上記センサ信号受信部（13)は、上記複数のワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)より送信される複数のセンサ部（6A, 6B)のセンサ信号の受信が可能なものであっても良い。

この構成の場合、複数のワイヤレスセンサユニット（4A, 4B)のセンサ信号を一つのセンサ信号受信部（13)で受信できるため、ワイヤレスセンサシステムの全体が簡素な構成となる。

[0010] 上記第 1構成のワイヤレスセンサシステムにおいて、上記給電電力送信部（12)は、上記センサ信号受信部（13)を有するセンサ信号受信機 (5)に設けられたものであつて良い。

給電電力送信部（12)とセンサ信号受信部（13)は、それぞれ別に離れて設けても良いが、一つのセンサ信号受信機（5)にまとめて設けることで、システムの構成が簡易なものとなる。

[0011] 上記第 1構成のワイヤレスセンサシステムは、上記ワイヤレスセンサユニット（4A, 4 B)が、上記センサ部（6A, 6B)として複数のセンサ（6a— 6c)を有するものであっても良い。これら複数のセンサ（6a— 6c)は、互いに同種類の検出対象を検出するものであっても、また異種の検出対象を検出するものであっても良い。

この構成の場合、複数のセンサ（6a— 6c)のセンサ信号を一つのセンサ信号送信部（9A, 9B)で送信できるため、複数の検出対象の検出を可能としながら、簡単な構成で済み、コンパクトィヒされる。

[0012] 上記第 1構成のワイヤレスセンサシステムにお、て、上記センサ部（6A, 6B)を構成するセンサが、回転センサ、振動センサ、温度センサ、加速度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、および軸受の予圧センサのうちの少なくとも一つであっても良い。検出対象が回転検出信号、荷重、トルク、加速度等である場合は、例えば軸受を設置した機器の回転制御やその他の各種の制御が行える。検出対象が温度，振動，軸受の予圧である場合は、軸受の故障や、状態管理、寿命管理等が行える。

[0013] また、上記第 1構成のワイヤレスセンサシステムにおいて、上記センサ部（6A, 6B) の一つが回転センサを有し、この回転センサが、パルサリング（17)とこのパルサリングに対畤して設けられた磁気抵抗型の磁気センサ（18)であっても良、。磁気抵抗素子型の磁気センサは、抵抗値を大きくすることで、消費電力を小さくすることができるので、ワイヤレス給電を行うには有利である。

[0014] この場合に、上記回転センサが、パルスを発生する手段であって、上記ディジタル化手段 (7)でディジタル化された信号が上記パルスの周期を示す信号であっても良い。

回転センサの出力がパルス列である場合、パルスの周期信号をディジタルィ匕出力とすることで、センサ信号のディジタル化処理が容易に行える。

[0015] 上記第 1構成において、上記センサ部（6A, 6B)の一つが回転センサである場合に、その回転センサが、位相の異なる 2つ以上のパルスを発生する手段であっても良い。その場合、上記ディジタルィ匕手段（7)でディジタルィ匕された信号は、ノルスの周期と回転方向を示す信号であっても良い。

回転方向の検出が行えると、制御の高度化が図れ、また制御可能な種類が増加する。この場合に、周期信号に回転方向を示す信号を付加することで、少ないビット数で回転速度と方向との両方を送信することができる。

[0016] 上記第 1構成において、上記のようにワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)を複数設ける場合に、各ワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)が、上記センサ信号送信部（9A, 9B)によりセンサ信号に加えて、各々のワイヤレスセンサユニット（4A, 4B)の識別信号を送信するものとしても良い。

また、ワイヤレスセンサユニット（4A, 4B)力センサ部（6A, 6B)として複数のセンサを有する場合に、センサ信号に加えて、センサ部（6A, 6B)を構成する各々のセンサの識別番号を送信するものとしても良い。

センサ信号をディジタル化することで、各ワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)毎の識別番号を容易に送信できるようになり、単一周波数の電磁波で複数のワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)を識別できるようになるので、システム構成が簡単になる。個々のワイヤレスセンサユニット（4A, 4B)のセンサ部（6A, 6B)が複数のセンサを持つ場合に、そのセンサの識別番号を付加するときは、各々のセンサの識別が容易で確実になる。

[0017] 上記第 1構成のワイヤレスセンサシステムにおいて、上記センサ信号送信部（9A, 9B)は、センサ信号をスペクトラム拡散通信で送信するものであっても良い。

スペクトラム拡散方式で送信する場合は、無変調波の連続波である電力送信用電磁波との識別が容易となり、システムの信頼性が向上する。また、スペクトラム拡散方式でセンサ信号を送信することで、センサ信号の送信と給電に同一周波数帯の電磁波を使用することができ、アンテナ等に同一の高周波部品が使用できて、コスト低下が図れる。

[0018] 上記第 1構成に力かるワイヤレスセンサシステム付軸受装置は、上記第 1構成のヮィャレスセンサシステムにおけるワイヤレスセンサユニット（4A, 4B)を軸受に搭載したものである。上記軸受は、例えば外方部材、内方部材、およびこれら外内の部材の間に複数の転動体が介在した転がり軸受である。

この構成の場合、軸受にセンサ部（6A, 6B)、センサ信号送信部（9A, 9B)、および電力受信部（8A, 8B)を搭載することで、軸受の知能化を図り、また配線系の簡素化を図り、軽量，コンパクトな構成としながら、ディジタルィ匕手段 (7)を設けたことで、外乱の影響を受け難くなり、センサ信号の信頼性が向上する。

[0019] 上記第 1構成のワイヤレスセンサシステム付軸受装置において、上記センサ部（6A , 6B)を構成するセンサの一つ力軸受の予圧センサであっても良い。この場合、軸受の予圧が監視できて、軸受寿命等に影響の大き!、予圧の不良への対処が迅速に行える。

[0020] 上記第 1構成のワイヤレスセンサシステム付軸受装置において、上記転がり軸受が、複列の軌道面を有する外方部材と、上記軌道面に対向する軌道面を有する内方部材と、対向する両列の軌道面間に介在した複数の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置であって良い。

この構成の場合、車輪用軸受装置の知能化を図り、また車輪と車体間のハーネスを無くしながら、センサ信号の信頼性の向上による制御の信頼性向上、安全性向上が図れる。

[0021] この発明の第 2構成に力かるワイヤレスセンサシステムは、検出対象を検出するセンサ部（6A, 6B)と、このセンサ部（6A, 6B)が出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部（9A, 9B)と、上記センサ部（6A, 6B)およびセンサ信号送信部（9A, 9B)を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（8A, 8B )とをそれぞれ有する 1つまたは複数のワイヤレスセンサユニット（4A, 4B)と、上記センサ信号送信部（9A, 9B)力送信されたセンサ信号を受信するセンサ信号受信部 (13)と、上記電力受信部（8A, 8B)へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部（12)とを備えたワイヤレスセンサシステムであって、上記電力受信部（8A, 8B) の受信電力を蓄える蓄電手段（27)を上記ワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)に設けている。上記蓄電手段（27)としてはキャパシタまたは二次電池を用いる。センサ信号および動作電力の送受信は、電磁波による他に、磁気結合や、光波、赤外線、超音波等を用いた送受信であっても良ぐワイヤレスで送受信できれば良、。

この構成〖こよると、動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部（8A, 8B)を設けたので、センサ部（6A, 6B)およびセンサ信号送信部（9A, 9B)の電源として一次電池や発電機を設ける必要がなぐワイヤレスセンサユニット (4A, 4B)をコンパクトで軽量に構成できる。電池交換が不要なため、メンテナンスも容易になる。また、電力受信部（8A, 8B)の受信電力を蓄えるキャパシタまたは二次電池等の蓄電手段（27 )を設けたので、通常時に電力受信部 (8A, 8B)で受信した余剰電力を蓄電手段 (2 7)に蓄えておき、ワイヤレス給電の不安定なときに、そのキャパシタまたは二次電池に蓄えられている電力をセンサ部（6A, 6B)やセンサ信号送信部（9A, 9B)の駆動に用いることができる。そのため、ワイヤレス給電の不安定に備えて大電力を常時送信する必要がなくなり、ワイヤレスセンサシステムの消費電力を少なくすることができる。蓄電手段（27)としてキャパシタを用いる場合、このようなワイヤレス給電の不安定を解消できる程度の容量を持つものを用いる。二次電池を用いる場合であっても、ワイャレス給電の不安定を補える程度の蓄電容量のもので足りるため、一次電池を用いる場合よりも小型，軽量のもので済み、また電池交換も不要である。

上記第 2構成に力かるワイヤレスセンサ付軸受装置は、上記第 2構成のワイヤレスセンサシステムを、内方部材、外方部材、およびこれら内外の部材の間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受に搭載したワイヤレスセンサ付き軸受装置であって、上記電力受信部（8A, 8B)の受信電力を蓄えるキャパシタまたは二次電池等の蓄電手段（27)を上記転がり軸受に設けている。この構成の場合、軸受にセンサ部（6A, 6B)、センサ信号送信部（9A, 9B)、および電力受信部（8A, 8B)を搭載することで、軸受の知能化を図り、また配線系の簡素化を図り、軽量，コンパクトな構成としながら、上記キャパシタまたは二次電池等の蓄電手段（27)を設けたことで、安定した電源が確保でき、ワイヤレス給電の電力消費を少なくできる。

[0023] 上記第 2構成のワイヤレスセンサ付軸受装置にぉ、て、上記センサが、検出対象として、転がり軸受の回転、温度、振動、加速度、荷重、トルク、および軸受予圧のうちの少なく 1種の検出対象を検出するものとしても良い。

検出対象が回転検出信号、加速度、荷重、トルク等である場合は、軸受を設置した機器の回転制御やその他の各種の制御が行える。検出対象が温度，振動，軸受の予圧である場合は、軸受の故障や、状態管理、寿命管理等が行える。

[0024] また、上記第 2構成のワイヤレスセンサ付軸受装置において、上記転がり軸受が、複列の軌道面を有する外方部材と、上記軌道面に対向する軌道面を有する内方部材と、対向する両列の軌道面間に介在した複数の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置であって良い。

この構成の場合、車輪用軸受装置の知能化を図り、また車輪と車体間のハーネスを無くしながら、センサ部（6A, 6B)やセンサ信号送信部（9A, 9B)に安定して給電できて、制御の安定が図れ、し力もワイヤレス給電の消費電力が少なくて済む。図面の簡単な説明

[0025] この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は同一部分を示す。

[図 1]この発明の第 1実施形態に力かるワイヤレスセンサシステムの概念構成を示すブロック図である。

[図 2]そのディジタルィ匕手段の内部構成例のブロック図である。

[図 3] (A)は同ワイヤレスセンサシステムにおけるセンサ部の回転センサの例の説明図、（B)はその出力パルスの波形図、（C)はディジタルィ匕手段の変形例となる内部構成例のブロック図である。

[図 4]同ワイヤレスセンサシステムを適用した軸受装置の例を示す縦断面図である。

[図 5]同ワイヤレスセンサシステムを適用した車輪用軸受装置の一例を示す縦断面図である。

[図 6]同ワイヤレスセンサシステムを適用した車輪用軸受装置の他の例を示す縦断面図である。

[図 7]同ワイヤレスセンサシステムを適用した車輪用軸受装置のさらに他の例を示す断面図である。

[図 8]この発明の第 2実施形態に力かるワイヤレスセンサシステムの概念構成を示すブロック図である。発明を実施するための最良の形態

[0026] この発明の第 1実施形態に力かるワイヤレスセンサシステムを図 1と共に説明する。

このワイヤレスセンサシステムは、複数のワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bと、これら複数のワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bに対してワイヤレスで電力を供給しかつ各センサ信号を受信するセンサ信号受信機 5とを備える。ワイヤレスセンサユニットの個数は特に制限がなぐ 1個であっても、 3個以上であっても良いが、図 1は 2個の場合を示している。

[0027] 各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bは、それぞれ検出対象を検出するセンサ部 6A , 6Bと、このセンサ部 6A, 6Bが出力するセンサ信号をディジタル信号に変換するデイジタルィ匕手段 7と、そのディジタルィ匕されたセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部 9A, 9Bと、ワイヤレスで送信された駆動電力を受信する電力受信部 8 A, 8Bと、電源回路 10とを備える。

[0028] センサ部 6A, 6Bは、それぞれ一つのセンサからなるものであっても、また複数のセンサを有するものであっても良い。センサ部 6A, 6Bを構成するセンサは、例えば回転センサ、加速度センサ、温度センサ、振動センサ、荷重センサ、トルクセンサ、軸受の予圧を検出する予圧センサ等である。

[0029] 電源回路 10は、電力受信部 8A, 8Bで受信した電力をセンサ部 6A, 6B,ディジタル化手段 7、およびセンサ信号送信部 9A, 9Bに給電する回路である。電源回路 10 は、受信電力を蓄えるキャパシタ、 2次電池、およびそれらの充電回路 (いずれも図示せず）を有して、ても良、。

[0030] センサ信号受信機 5は、各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bのセンサ信号送信部 9 A, 9B力も送信されたセンサ信号を受信するセンサ信号受信部 13と、ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bの電力受信部 8A, 8Bへ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部 12とを備えている。

センサ信号送信部 9A, 9Bとセンサ信号受信部 13間、および給電電力送信部 12と動作電力受信部 8A, 8B間の送受は、電磁波により行うものであっても、また光波、赤外線、超音波によるもの、あるいは磁気結合により行うものであっても良い。

給電電力送信部 12は、例えば無変調波の連続波である電磁波とされる。電力受信部 8A, 8Bは、ワイヤレス給電を電磁波で行うものである場合、同調回路と、検波整流回路等により構成される。

ワイヤレス送信するセンサ信号と給電電力の周波数は、例えば互いに異なる周波数とされ、複数設けられる各センサ信号も、互いに異なる周波数とされる。ここでは、給電電力の周波数を flとし、各センサ信号の周波数を f2 , f3としている。センサ信号と給電電力の周波数は、同じ周波数としても良ぐその場合、後述のようにセンサ信号をスペクトラム拡散通信で送信するものとする。

[0031] ディジタルィ匕手段 7は、例えば図 2のようにデータ切替器 7a,データ変換部 7b、および信号処理部 7cを有するものとされる。データ切替器 7aは、センサ部 6A(6B)に複数のセンサ 6a, 6b, 6cを有する場合に設けられ、各センサ 6a, 6b, 6cから入力するデータを切り換えてデータ変換部 7bに伝える。同図の例において、複数設けたられた各センサ 6a— 6cは、それぞれ回転センサ、温度センサ、および振動センサとされている。データ切替器 7aによる切替えは、例えばタイマにより定期的に切替えるものとされ、または適宜の切替指令に応答して切替えるものとされる。

データ変換部 7bは、入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換する。

[0032] 信号処理部 7cは、共通のセンサ信号受信部 13 (図 1)に対して複数のワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bを設ける場合に、ワイヤレスセンサユニット 4A, 4B毎の識別番号を付加する。ワイヤレスセンサユニットが一つの場合は、識別番号は不要である。また、信号処理部 7cは、同じワイヤレスセンサユニット 4A, 4B内のセンサ部 6A, 6B に複数のセンサ 6a— 6cを有する場合に、各センサ 6a— 6cを識別する識別番号を付加する。これらワイヤレスセンサユニット識別番号およびセンサ識別番号は、送信するセンサ信号に付加する。信号処理部 7cは、さらに、誤り訂正符号などの冗長ビットを付加するものとしても良い。

[0033] このディジタルィ匕手段 7でディジタル化された信号を、センサ信号送信部 9A, 9Bから、所定の周波数 fl, f 2の電磁波等でワイヤレス送信する。この送信は、上記のように電磁波による他に、光波、赤外線、超音波、または磁気結合によって行うものとしても良い。

[0034] センサ信号送信部 9A, 9Bによる送信は、例えばスペクトラム拡散通信で行う。その方式として、周波数ホッピング方式、直接拡散方式等が使用される。

センサ信号送信部 9A, 9Bは、時分割で各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4B毎に順番に送信するものとしても良い。また、センサ信号受信機 5に設けられた通信要求送信部（図示せず)力ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bにデータ通信の要求指令を出し、指令を受けたワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bがセンサ信号を送信するものとしても良い。このように時分割や要求指令による場合、各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bから送信する周波数が同じであっても、混信することなく通信を行うことができる。また、各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bが上記の識別番号を付加して送信するものであると、複数のワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bの信号を識別することができる。

[0035] スペクトラム拡散通信は、外乱や干渉に強いので、無変調波の連続波である電力送信用電磁波と同じ周波数帯の電波を使用しても、十分な信頼性を確保することができる。同一周波数帯の電磁波を使用することで、電力受信部 8A, 8Bとセンサ信号送信部 9A, 9Bとで、アンテナ等の部品につき、同一の高周波部品が使用できるので、部品コストを下げることができる。

[0036] また、各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bにセンサ信号送信用電磁波の周波数を決め、センサ信号受信機 5のセンサ信号受信部 13が、各ワイヤレスセンサユニット 4 A, 4Bの固有周波数に対応した個別受信部（図示せず)を有するものとしても良い。 [0037] センサ信号送信部 9A, 9Bは、センサ信号の送信を、搬送波に ASK (Amplitude Shift Keying)や、 FSK (Frequency Shift Keying) 、 PSK (Phase Shift Keying)、または QPSK (Quadrature PSK)等のディジタル変調をかけて行うものとしても良い。

[0038] この構成のワイヤレスセンサシステムによると、各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4B は、動作電力がワイヤレスで供給されるので、センサ部 6A, 6Bやセンサ信号送信部 9A, 9Bの電源として一次電池や発電機を設ける必要がなぐワイヤレスセンサュ- ット 4A, 4Bをコンパクトで軽量に構成できる。電池交換が不要なため、メンテナンスも容易になる。また、発電と異なり、常時、通信が可能になる。

また、ディジタルィ匕手段 7によりセンサ信号をディジタルィ匕して送信するため、外乱の影響を受け難くなり、システムの信頼性が向上する。センサ信号をディジタル化することで、各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4B毎の識別番号を容易に送信できるようになり、単一周波数の電磁波で複数のワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bを識別できるようになるので、システム構成が簡単になる。個々のワイヤレスセンサユニット 4A, 4B のセンサ部 6が複数のセンサ 6a— 6cを持つ場合に、そのセンサ 6a— 6cの識別番号を付加するときは、センサ 6a— 6cの識別も容易になる。

ディジタル化されたセンサ信号を、スペクトラム拡散方式で送信する場合は、無変調波の連続波である電力送信用電磁波との識別が容易となり、システムの信頼性が向上する。また、スペクトラム拡散方式でセンサ信号を送信することで、センサ信号の送信と給電に同一周波数帯の電波を使用することができ、部品の共通化によりコスト低下が図れる。

[0039] つぎに、第 1実施形態のワイヤレスセンサシステムを適用したワイヤレスセンサ付軸受装置の一例を図 4と共に説明する。複数の軸受 51, 52にワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bがそれぞれ搭載されており、 1つのセンサ信号受信機 5が、各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bにワイヤレスで給電およびセンサ信号の受信を行う。上記複数の転がり軸受 51, 52は、機械設備 53の各部に設置されたものである。機械設備 53は、例えばローラコンペャまたはベルトコンペャ等のコンペャラインであって、搬送ローラまたはベルト駆動ローラ等の軸となる回転軸 59が、上記軸受 51, 52によって回転自在に支持されている。軸受 51, 52は、転がり軸受であって、内輪 54,外輪 55との間に転動体 56を介在させ、シール 58を設けたものである。各転動体 56は、保持器 5 7に保持されている。上記内輪 54および外輪 55は、それぞれ請求項で言う内方部材および外方部材となる。センサ信号受信機 5は、軸受 51, 52と離れた所に設置される。

[0040] 各軸受 51, 52に設置されたワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bのうちの一つのワイヤレスセンサユニット 4Aのセンサ部 6Aは回転センサとされ、他の軸受 52に設置されたワイヤレスセンサユニット 4Bのセンサ部 6Bは、回転以外の検出対象を検出するセンサ、例えば、温度センサ、振動センサ、加速度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、軸受の予圧センサ等である。これらのセンサを取付けて軸受 51, 52の状態を検出することで、軸受 51, 52の故障診断や工場ライン監視等に使用することができる。

[0041] 各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bは識別番号が付されていて、その識別番号を付加して送信する。各ワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bのセンサ部 6A, 6Bに複数のセンサを有する場合は、その各センサの識別番号を付加してセンサ信号を送信するようにする。

[0042] 回転センサとなるセンサ部 6Aは、パルサリング 17と、それに対向して取付けられている磁気センサ 18とで構成される。パルサリング 17は、円周方向に磁極が並ぶ多極に着磁された磁石、またはギヤ一状の凹凸を施した磁性体リングなど、周方向に周期的な変化を有するものである。磁気センサ 18が、パルサリング 17の周方向の周期的な磁気的変化を検出して、内輪 54と外輪 55の相対回転を検出し、回転信号を出力する。この回転信号はパルス列である力パルス列の周期データをディジタル化手段 7 (図 1)でディジタルィ匕して送信する。磁気センサ 18は磁界センサであり、磁気抵抗素子型センサ（「MRセンサ」と呼ばれる）以外に、ホール素子型センサ、フラックスゲート型磁気センサ、 Mlセンサ等のアクティブ磁気センサを使用することができる。

[0043] 磁気センサ 18は、例えば図 3 (A)に示すようにパルサリング 17の周方向の磁気的変化の周期に対して位相が略 90° 離れたところに 2力所配置して回転方向を検出し、周期データ以外に回転方向データを送信するようにしても良い。この場合、同図（B )のように位相が略 90° ずれた 2つのパルス列 (A相， B相）の回転信号力各磁気センサ 18, 18からそれぞれ出力される。回転方向の検出は、例えば図 3 (C)に示すように、ディジタルィ匕手段 7に設けられた回転方向検出部 7dにより、上記 2つのパルス列の回転信号を比較して行われる。上記パルス列からその周期 Tのデータを得る処理は、例えばデータ変換部 7bにより行うようにする。この周期データに、上記回転方向データを信号処理部 7cで纏める処理を行う。

[0044] 上記磁気センサ 18は、磁気抵抗素子型のものであることが好ましい。磁気抵抗素子型磁気センサは、抵抗値を大きくすることで、消費電力を小さくすることができるので、ワイヤレス給電を行うには有利である。

[0045] このワイヤレスセンサ付軸受装置によると、センサ部 6A, 6Bによって、軸受 51, 52 の知能化を図り、またセンサ信号および給電のワイヤレス化によって配線系の簡素化を図れる。また、センサ信号をディジタルィ匕して送信するため、外乱の影響を受け難くなり、システムの信頼性が向上する。

[0046] 図 5は、第 1実施形態のワイヤレスセンサシステムを自動車の車輪用軸受装置に適用した実施形態を示す。この車輪用軸受装置 33は、複列の軌道面を有する外方部材 1と、上記軌道面に対向する軌道面を有する内方部材 2と、対向する両列の軌道面間に介在した複数の転動体 3とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するものである。同図の車輪用軸受装置 33は第 4世代型のものであり、内方部材 2は、ハブ輪 2Aと等速ジョイント 15の外輪 15aとで構成され、これらハブ輪 2Aおよび等速ジョイント外輪 15aに、内方部材 2側の各列の軌道面が形成されている。

[0047] この車輪用軸受装置 33の外方部材 1に、一つのワイヤレスセンサユニット 4Aが設置されている。図 1における他のワイヤレスセンサユニット 4Bは、省略されても良ぐまた車輪用軸受装置 33とは別に、例えば、車輪にタイヤ空気圧検出用として設置しても良い。

ワイヤレスセンサユニット 4Aは、センサ部 6Aを構成する一つのセンサとして回転センサ 6Aaを有している。この回転センサ 6Aaは、ノレサリング 17と、それに対向して取付けられている磁気センサ 18とで構成される。パルサリング 17は、円周方向に磁極が並ぶ多極に磁ィ匕された磁石、またはギヤ一状の凹凸を施した磁性体リングなど、周方向に周期的な変化を有するものである。磁気センサ 18が、パルサリング 17の周方向の周期的な磁気的変化を検出して、内方部材 2と外方部材 1の相対回転を検出し、回転信号を出力する。この回転信号はパルス列である力パルスの周期データをディジタルィ匕して送信する。磁気センサ 18は磁界センサであり、磁気抵抗素子型センサ以外に、ホール素子型センサ、フラックスゲート型磁気センサ、 Mlセンサ等のアクティブ磁気センサを使用することができる。磁気センサ 18は、パルサリング 17の周方向の磁気的変化の周期に対して位相が略 90° 離れたところに 2力所配置して回転方向を検出し、周期データ以外に回転方向データを送信しても良い。

[0048] ワイヤレスセンサユニット 4Aは、回路ボックス部 24とセンサ設置部 23とが一体化されてユニットとなったものであり、回路ボックス部 24は外方部材 1の外面に設置されている。センサ設置部 23は、外方部材 1に設けられた径方向の孔を通って軸受内空間に臨んでいる。回路ボックス部 24内に、図 1の電力受信部 8Aやセンサ信号送信部 9 Aで構成される通信機能部、ディジタル化手段 7、および電源回路 10が設けられ、センサ設置部 23に上記磁気センサ 18が設置されている。センサ設置部 23には、上記センサ部 6Aを構成する他のセンサとして、回転以外の別の情報を検出するセンサ 2 2が設置されている。このセンサ 22は、例えば温度センサ、振動センサ、荷重センサ、予圧センサ等である。

[0049] センサ信号受信機 5は、車体側に取付けられる。例えば車体のタイヤハウス内等に取付けられる。センサ信号受信機 5で受信したセンサ信号は、車体に設けられた車両全体を制御する電気制御ユニット (ECU)に送られ、各種制御や異常監視などに使用される。

回転センサ 6Aaは、パルサリング 17と磁気センサ 18とで回転を検出し、ワイヤレスで給電しているので、 O速まで回転を検出することができ、アンチロックブレーキシステムやトラクシヨンコントロール等に使用することができ、自動車制御の高度化を図ることができる。回転方向を検出することで、ヒルホールドコントロール、例えば上り動作時の後退検出やその逆の検出に対応する制御等に使用することができる。

他のセンサ 22により、荷重センサや温度センサなど、回転以外の検出も行うことで、軸受のインテリジェント化ができ、軸受の故障診断や各種自動車制御に使用することができる。

[0050] このように、このように車輪用軸受装置 33に適用した場合は、車輪用軸受装置 33 の知能化を図り、またセンサ信号のワイヤレス送信とワイヤレス給電の併用により、車輪と車体間のハーネスを無くしながら、センサ信号のディジタルィ匕によって信頼性の高い自動車制御が行える。

[0051] 図 6は、第 1実施形態のワイヤレスセンサシステムを他の形式の車輪用軸受装置 33 に適用した例を示す。この車輪用軸受装置 33は、第 3世代型のものであり、内方部材 2が、ハブ輪 2Aと、その一端の外周に嵌合した内輪 2Bとで構成され、ハブ輪 2A および内輪 2Bの外周に、内方部材 2側の各列の軌道面が形成されている。等速ジョイント 15は、その外輪 15aに設けられた軸部がハブ輪 2A内に挿通され、ハブ輪 2A にナットで結合されている。

ワイヤレスセンサユニット 4Aは、外方部材 1の端部に取付けられている。ワイヤレスセンサユニット 4Aのセンサ部 6Aは、回転センサ 6Aaで構成され、内方部材 2に取付けられたセパルサリング 17と、このパルサリング 17に対向して設けられた磁気センサ 18を有する。パルサリング 17は、多極の磁石等力もなる。パルサリング 17は、外方部材 1と内方部材 2の間の軸受空間を密封するシールの構成部品に設けられている。磁気センサ 18は、磁気抵抗型センサまたはホール素子型センサ等が用いられる。その他の構成は図 3に示す例と同様である。

[0052] 図 7は、第 1実施形態のワイヤレスセンサシステムをさらに他の形式の車輪用軸受装置 33に適用した例を示す。この車輪用軸受装置 33は、第 3世代型の従動輪用のものである。この例では、軸受端部を覆うカバー 25に、ワイヤレスセンサユニット 4Aが取付けられている。ワイヤレスセンサユニット 4Aは、センサ部 6Aとして、パルサリング 17と磁気センサ 18と力もなる回転センサ 6Aaを有して、る。カバー 25に設けられた孔に磁気センサ 18を有するセンサ部 6Aの先端が挿入され、回路ボックス 24がカバ一 25の外面に設置されている。この実施形態における他の構成は、図 6に示す例と同様である。なお、内輪 2Bはハブ輪 2Aの端部を力しめて形成された力しめ部 100 により、ハブ輪 2Aと結合されている。

[0053] 図 8は、この発明の第 2実施形態に力かるワイヤレスセンサシステムである。第 2実施形態のワイヤレスセンサシステムは、第 1実施形態のディジタルィ匕手段 7を備えていない。また、第 1実施形態の電源回路 10に代えて、ワイヤレスで送信された駆動電力を受信する電力受信部 8A, 8Bを含めた電源部 20を備えている。その他の構成は第 1実施形態と同一である。

[0054] 電源部 20は、電力受信部 8A, 8Bの受信電力をセンサ部 6A, 6Bおよびセンサ信号送信部 9A, 9Bに給電する手段であって、受信した電力のうち、余剰電力を蓄える蓄電手段 27と、蓄電手段 27に充電する充電回路 21とを有する。蓄電手段 27は、キャパシタまたは二次電池とされる。キャパシタを用いる場合、ワイヤレス給電の不安定を補える程度の大電力を蓄電可能なものが好ましい。電力受信部 8A, 8Bは、ワイヤレス給電を電磁波で行うものである場合、同調回路と、検波整流回路等により構成される。

[0055] この構成のワイヤレスセンサシステムによると、電力受信部 8A, 8Bの受信電力を蓄える蓄電手段 27を設けたので、通常時、つまりワイヤレス給電の安定時に電力受信部 8A, 8Bで受信した余剰電力が蓄電手段 27に蓄えられ、ワイヤレス給電の不安定なときに、蓄電手段 7に蓄えられている電力がセンサ部 6A, 6Bやセンサ信号送信部 9A, 9Bの駆動に用いられる。そのため、ワイヤレス給電の不安定に備えて給電電力送信部 12から大電力を常時送信する必要がなくなり、ワイヤレスセンサシステムの消費電力を少なくすることができる。また、複数のワイヤレスセンサユニット 4A, 4Bに対して共通のセンサ信号受信機 5からワイヤレスの電力供給とワイヤレスセンサ信号の受信とを行うようにしたため、ワイヤレスセンサシステムの全体が簡素な構成となる。

[0056] 第 2実施形態のワイヤレスセンサシステムを上述した図 4の軸受に適用してワイヤレスセンサ付軸受装置とすることができる。

このワイヤレスセンサ付軸受装置によると、センサ部 6A, 6Bによって、軸受 51, 52 の知能化を図り、またセンサ信号および給電のワイヤレス化によって配線系の簡素化を図りながら、キャパシタ，二次電池等の蓄電手段 27を設けたことにより、安定した電源が確保できる。そのため、ワイヤレス給電の不良の場合に備えて大電力を常時送信する必要がなくなり、ワイヤレスセンサシステムの消費電力を小さくすることができる

[0057] また、第 2実施形態のワイヤレスセンサシステムを上述した図 5の車輪用軸受に適用してワイヤレスセンサ付車輪用軸受装置とすることができる。このように車輪用軸受装置 33に適用した場合は、車輪用軸受装置 33の知能化を図り、また車輪と車体間のハーネスを無くしながら、図 8のように蓄電手段 27を設けたことにより、センサ部 6Aやセンサ信号送信部 9Aに安定して給電できて、制御の安定が図れ、し力もワイヤレス給電の消費電力が少なくて済む。すなわち、ワイヤレス給電の不安定に備えて大電力を常時送信する必要が無くなり、ワイヤレスセンサシステムの消費電力を小さくすることができる。このことは、燃費の向上につながる。

[0058] さらに、第 2実施形態のワイヤレスセンサシステムを上述した図 6および図 7の車輪用軸受に適用してワイヤレスセンサ付車輪用軸受装置とすることができる。

[0059] この発明は、車輪用軸受装置の他、各種産業機械、工作機械、運搬機械等において、各部の軸受や、その他の部位の検出対象のワイヤレス検出に適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 検出対象を検出するセンサ部と、このセンサ部の出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部と、上記センサ部およびセンサ信号送信部を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部をそれぞれ有する 1つまたは複数のヮィャレスセンサユニットと、上記センサ信号送信部力送信されたセンサ信号を受信するセンサ信号受信部と、上記電力受信部へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部とを備えたワイヤレスセンサシステムであって、上記ワイヤレスセンサュ- ットに、上記センサ部の出力するセンサ信号をディジタルィ匕するディジタルィ匕手段を設け、上記センサ信号送信部はこのディジタル化されたセンサ信号を送信するワイヤレスセンサシステム。

[2] 請求項 1において、上記ワイヤレスセンサユニットが複数であり、上記センサ信号受信部は、上記複数のワイヤレスセンサユニットより送信される複数のセンサ部のセンサ信号の受信が可能なものであるワイヤレスセンサシステム。

[3] 請求項 1にお、て、上記給電電力送信部は、上記センサ信号受信部を有するセンサ信号受信機に設けられたものであるワイヤレスセンサシステム。

[4] 請求項 1にお、て、上記ワイヤレスセンサユニットは、上記センサ部を構成する複数のセンサを有するワイヤレスセンサシステム。

[5] 請求項 1にお、て、上記センサ部を構成するセンサ力回転センサ、加速度センサ

、振動センサ、温度センサ、荷重センサ、トルクセンサ、および軸受の予圧センサのうちの少なくとも一つであるワイヤレスセンサシステム。

[6] 請求項 1において、上記センサ部の一つが回転センサを有し、この回転センサが、パルサリングとこのパルサリングに対畤して設けられた磁気抵抗型の磁気センサであるワイヤレスセンサシステム。

[7] 請求項 6において、上記回転センサが、パルスを発生する手段であり、上記ディジタルィ匕手段でディジタル化された信号が上記パルスの周期を示す信号であるワイヤレスセンサシステム。

[8] 請求項 6において、上記回転センサが、位相の異なる 2つ以上のパルスを発生する手段であり、上記ディジタルィ匕手段でディジタルィ匕された信号は、パルスの周期と回転方向を示す信号であるワイヤレスセンサシステム。

[9] 請求項 2において、各ワイヤレスセンサユニットが、上記センサ信号送信部によりセンサ信号に加えて、各々のワイヤレスセンサユニットの識別信号を送信するものとしたワイヤレスセンサシステム。

[10] 請求項 4において、ワイヤレスセンサユニットが、センサ信号に加えて、センサ部を構成する各々のセンサの識別番号を送信するものとしたワイヤレスセンサシステム。

[11] 請求項 1において、上記センサ信号送信部は、センサ信号をスペクトラム拡散通信で送信するワイヤレスセンサシステム。

[12] 請求項 1に記載のワイヤレスセンサシステムにおけるワイヤレスセンサユニットを軸受に搭載したワイヤレスセンサシステム付軸受装置。

[13] 請求項 12において、上記センサ部を構成するセンサの一つが、軸受の予圧センサであるワイヤレスセンサシステム付軸受装置。

[14] 請求項 12において、上記転がり軸受が、複列の軌道面を有する外方部材と、上記軌道面に対向する軌道面を有する内方部材と、対向する両列の軌道面間に介在した複数の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置であるワイヤレスセンサ付軸受装置。

[15] 検出対象を検出するセンサ部と、このセンサ部が出力するセンサ信号をワイヤレスで送信するセンサ信号送信部と、上記センサ部およびセンサ信号送信部を駆動する動作電力をワイヤレスで受信する電力受信部とをそれぞれ有する 1つまたは複数のワイヤレスセンサユニットと、上記センサ信号送信部力送信されたセンサ信号を受信するセンサ信号受信部と、上記電力受信部へ動作電力をワイヤレスで送信する給電電力送信部とを備えたワイヤレスセンサシステムであって、上記電力受信部の受信電力を蓄えるキャパシタまたは二次電池等の蓄電手段を上記ワイヤレスセンサュ-ットに設けたワイヤレスセンサシステム。

[16] 請求項 15に記載のワイヤレスセンサシステムを、内方部材、外方部材、およびこれら内外の部材の間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受に搭載したワイヤレスセンサ付き軸受装置であって、上記電力受信部の受信電力を蓄えるキャパシタまたは二次電池等の蓄電手段を上記転がり軸受に設けたワイヤレスセンサ付軸受装置

[17] 請求項 16において、上記センサが、上記検出対象として、転がり軸受の回転、温度、振動、加速度、荷重、トルク、軸受予圧のうちの少なく 1種の検出対象を検出するものであるワイヤレスセンサ付軸受装置。

[18] 請求項 16において、上記転がり軸受が、複列の軌道面を有する外方部材と、上記軌道面に対向する軌道面を有する内方部材と、対向する両列の軌道面間に介在した複数の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置であるワイヤレスセンサ付軸受装置。