JP2005092555A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワイヤレスで動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能でありながら、給電用電磁波とセンサ信号の混信の恐れがなく、またコンパクトで軽量な構成とできるワイヤレスセンサシステムを提供する。
【解決手段】 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４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４は、検出対象を検出するセンサ部６と、このセンサ部６の出力するセンサ信号を電磁波で送信するセンサ信号送信部９と、上記センサ部６およびセンサ信号送信部９を駆動する動作電力を電磁波で受信する電力受信部８とを備える。センサ信号受信機５は、センサ信号受信部１３と給電電力送信部１２とを備える。センサ信号送信部９とセンサ信号受信部１３との間で送受するセンサ信号の電磁波の周波数ｆ２は、１ＭＨｚ〜数百ＭＨｚのＭＨｚ単位の周波数帯とする。給電電力送信部１２と電力受信部８との間で送受する給電用の電磁波の周波数ｆ１は、数ＧＨｚ等のＧＨｚ単位以上の周波数帯である
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種の検出信号、例えば機械設備の軸受の回転数や温度、あるいは自動車における車輪回転数やタイヤ空気圧などの検出信号を無線で受信するようにしたワイヤレスセンサシステム、ワイヤレスセンサ付軸受装置、およびワイヤレスセンサ付車輪用軸受装置に関する。

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、各部の温度、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いる。送信機は、小型電池を備えたものとされている。

例えば、自動車においては、そのタイヤ空気圧の減少を検出し、パンクの早期検出やタイヤバーストの予知を行うことにより安全性向上を図るために、タイヤ空気圧センサの装着が義務付けられようとしている。一般に、この種の空気圧センサは、その検出信号を電磁波によりワイヤレスで車体に伝送するものがほとんどであり、送信機と小型電池とを一体とした構造とすることで動作電力を確保している。

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、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、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（例えば特許文献１）が提案されている。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、車体から回転数センサへ電力供給を行うことなく、コンパクトに構成されている（例えば特許文献２）。
特開２００２−１５１０９０ 特開２００２−５５１１３

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。車輪用軸受装置やタイヤ空気圧の検出に適用する場合は、センサ重量増加によるホイールのアンバランス発生などの問題点も生じる。
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１０Ｋｍ／ｈ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単独で適用することができない。
このように、ワイヤレスセンサシステムでは、その電源の確保が課題となっている。特に、センサが複数設けられる場合、その各センサやセンサ信号送信部の電源確保が、より一層難しくなっている。

そこで、ワイヤレスセンサユニットに対して給電をワイヤレスで行うことを考えたが、ワイヤレスセンサユニットのセンサ信号送信部から送信するセンサ信号と、給電用の電磁波との混信の恐れがある。また、ワイヤレス給電を行う場合、センサ信号の送受に比べて大きな電力の取り出しが必要であり、効率の良い給電が必要となる。アンテナを大型化すれば、ワイヤレス給電の効率の向上が図れるが、アンテナによってワイヤレスセンサユニットの全体が大型化する。

この発明の目的は、ワイヤレスで動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能でありながら、給電用電磁波とセンサ信号の混信の恐れがなく、またコンパクトで軽量な構成とできるワイヤレスセンサシステムを提供することである。
この発明の他の目的は、センサ部を有し、そのセンサ部に対してワイヤレスで動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能でありながら、給電用電磁波とセンサ信号の混信の恐れがなく、またコンパクトで軽量な構成とできるワイヤレスセンサ付軸受装置、およびワイヤレスセンサ付車輪用軸受装置を提供することである。

この発明の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（６，６Ａ〜６Ｅ）と、このセンサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）が出力するセンサ信号を電磁波で送信するセンサ信号送信部（９，９Ａ，９Ｂ）と、上記センサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）およびセンサ信号送信部を駆動する動作電力を電磁波で受信する電力受信部（８，８Ａ，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（４，４Ａ，４Ｂ）と、上記センサ信号送信部（９，９Ａ，９Ｂ）から送信されたセンサ信号を受信するセンサ信号受信部（１３，１３Ａ）と、上記電力受信部（８，８Ａ，８Ｂ）へ動作電力を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、上記センサ信号送信部（９，９Ａ，９Ｂ）とセンサ信号受信部（１３，１３Ａ）との間で送受するセンサ信号の電磁波の周波数（ｆ２，ｆ３）がＭＨｚ単位の周波数帯であり、上記給電電力送信部（１２）と電力受信手段（８，８Ａ，８Ｂ）との間で送受する給電用の電磁波の周波数（ｆ１）がＧＨｚ単位以上の周波数帯であることを特徴とする。ここで言うＭＨｚ単位の周波数帯は、１ＭＨｚ以上で数百ＭＨｚまでの周波数帯である。また、給電用の電磁波は、１ＧＨｚ以上であれば良く、例えば数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚの周波数帯であっても良い。センサ信号の電磁波は、例えば周波数変調により信号成分を乗せたものとする。

この構成によると、センサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）、およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）は、動作電力がワイヤレスで供給されるので、センサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）等の動作電力として電池や発電機をセンサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）等に付加する必要がなく、コンパクトで軽量に構成でき、電池交換が不要なためメンテナンスも容易となる。自己発電を行うものと異なり、設置機器の動作状態にかかわらずに何時でも検出および送受信が可能である。
また、ワイヤレスでセンサ信号の送信および給電を行うが、センサ信号の電磁波をＭＨｚ単位の周波数帯とし、給電用の電磁波をＧＨｚ単位以上の周波数帯とし、両電磁波の周波数帯を大きく異ならせているため、センサ信号と給電用電磁波との混信の恐れがない。センサ信号は、ＭＨｚ単位の周波数帯としているが、ＭＨｚ単位の周波数帯であれば、電波法の規制を受けることなく周波数を高くすることができる。特に、３２２ＭＨｚ以下の周波数では比較的強い電界強度にすることができるので、周波数変調において、周波数偏移を十分に得ることができると共に、信号伝送を確実なものにする事ができる。さらに、微弱電波を使用することで、センサ信号送信部の送信電力を小さくすることができるため、給電電力を小さくすることができる。
ワイヤレス給電用電磁波の周波数は、センサ信号に比べて高い周波数帯としているため、センサ信号用電磁波との混信防止だけでなく、指向性を高くすることができて、効率の良い給電を行うことができると共に、小型のアンテナ部品を使用することができて、ワイヤレスセンサユニット（４，４Ａ，４Ｂ）の小型化を図ることができる。

この発明のワイヤレスセンサ付軸受装置は、検出対象を検出するセンサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）と、このセンサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）の出力するセンサ信号を電磁波で送信するセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）と、上記センサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９Ｂ）を駆動する動作電力を電磁波で受信する電力受信部（８，８Ａ，８Ｂ）とを軸受（３３，５１，５２）に設けたワイヤレスセンサ付軸受装置であって、上記センサ信号送信部（９，９Ａ，９Ｂ）が送信するセンサ信号の電磁波がＭＨｚ単位の周波数帯であり、上記電力受信部（８，８Ａ，８Ｂ）で受信する給電用の電磁波がＧＨｚ単位の周波数帯であることを特徴とする。
この構成によると、センサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）およびセンサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）は、動作電力がワイヤレスで供給されるので、センサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）等の動作電力として電池や発電機をセンサ部（６，６Ａ〜６Ｅ）等に付加する必要がない。そのため、コンパクトで軽量に構成でき、電池交換が不要なためメンテナンスも容易となる。自己発電を行うものと異なり、設置機器の動作状態にかかわらずに何時でも検出および送受信が可能である。また、センサ信号の電磁波をＭＨｚ単位の周波数帯とし、給電用の電磁波をＧＨｚ単位以上の周波数帯とし、両電磁波の周波数帯を大きく異ならせているため、センサ信号と給電用電磁波との混信の恐れがない。ワイヤレス給電は、センサ信号に比べて高い周波数帯としているため、小型のアンテナ部品を使用することができ、そのためワイヤレスセンサ付軸受装置のより一層の小型化が図れる。

この発明のワイヤレスセンサ付軸受装置は、上記軸受装置を車輪用軸受装置（３３）としたものであっても良い。すなわち、上記転がり軸受が、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っても良い。
車輪用軸受装置（３３）に適用した場合、センサ信号送信部（９Ａ，９Ｂ，９）および電力受信部（８，８Ａ，８Ｂ））に対して送受するセンサ信号受信部（１３，１３Ａ）や給電電力送信部（１２）をタイヤハウス等の車体側に設置することで、タイヤハウスと車輪用軸受装置（３３）間のハーネスを無くすことができて、飛び石によるハーネスの断線による故障が回避でき、また軽量化が図れる。また、車輪用軸受装置（３３）は、路面上に晒されて各種の面で厳しい環境化にあるため、センサ信号と給電用電磁波の周波数を大きく異ならせたことによる混信防止が効果的である。さらに、車輪用軸受装置（３３）の場合、周辺にナックル等があってセンサ類の配置空間が制限されるため、給電用電磁波をＧＨｚ単位以上の周波数帯としてアンテナを小型化を可能としたことによるコンパクト化の効果が、より有効に発揮される。

この発明の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と、このセンサ部の出力するセンサ信号を電磁波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電磁波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から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において、上記センサ信号送信部とセンサ信号受信部との間で送受するセンサ信号の電磁波がＭＨｚ単位の周波数帯であり、上記給電電力送信部と電力受信部との間で送受する給電用の電磁波がＧＨｚ単位以上の周波数帯であることを特徴とするものであるため、ワイヤレスで動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能でありながら、給電用電磁波とセンサ信号の混信の恐れがなく、またコンパクトで軽量な構成とできる。
この発明のワイヤレスセンサ付軸受装置は、ワイヤレスで動作電力の供給とセンサ信号の送信が可能でありながら、給電用電磁波とセンサ信号の混信の恐れがなく、またコンパクトで軽量な構成とできる。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１に示すように、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４と、このワイヤレスセンサユニット４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４は、機械設備やその他種々の機器に設置される。

ワイヤレスセンサユニット４は、検出対象を検出するセンサ部６と、このセンサ部６が出力するセンサ信号を電磁波で送信するセンサ信号送信部９と、上記センサ部６およびセンサ信号送信部９を駆動する動作電力を電磁波で受信する電力受信部８とを備える。センサ信号送信部９および電力受信部８により、送受信ユニット７が構成される。センサ部６は、どのような検出対象の検出を行うものであっても良く、例えば回転、温度、振動、荷重、トルク、または軸受の予圧等を検出対象とするセンサが用いられる。
センサ信号受信機５は、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ信号送信部９から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、電力受信部８へ動作電力を送信する給電電力送信部１２とを備える。

センサ信号送信部９とセンサ信号受信部１３との間のセンサ信号の送受は、周波数ｆ２の電磁波で行われ、給電電力送信部１２と電力受信部８との間の動作電力の送受は、センサ信号の周波数ｆ２とは異なる周波数ｆ１の電磁波で行われる。この場合に、上記センサ信号の電磁波の周波数ｆ２は、ＭＨｚ（メガヘルツ）単位の周波数帯、例えば１ＭＨｚ以上で数百ＭＨｚまでの周波数帯とされる。給電用の電磁波の周波数ｆ１は、ＧＨｚ（ギガヘルツ）単位以上の周波数帯とされ、例えば数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚの周波数帯とされる。センサ信号の電磁波は、例えば周波数変調により信号成分を乗せたものとする。

図２は回路構成例を示す。ワイヤレスセンサユニット４における電力受信部８は、アンテナ２２、ＬＣ回路２３等からなる同調回路１０と、ダイオード２４、コンデンサ２５等からなる検波整流回路１１とで構成される。センサ信号送信部９は、アンテナ１９、ＬＣ回路２０、半導体スイッチング素子２１などを有する。センサ信号送信部９は、ＦＭ変調回路（図示せず）を有するものであっても良い。
センサ信号受信機５の給電電力送信部１２は、高周波発信部２６および送信回路部２７からなる。送信回路部２７は、アンテナ２８、ＬＣ回路２９、半導体スイッチング素子３０などからなる。センサ信号受信部１３は、同調回路３７と検波部３８とを有する。同調回路３７は、アンテナ３９、ＬＣ回路４０などからなる。センサ信号受信部１３は、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ信号送信部９がＦＭ変調を行うものである場合、ＦＭ復調回路（図示せず）が設けられる。

この構成のワイヤレスセンサシステムによると、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ部６およびセンサ信号送信部９は、動作電力がワイヤレスで供給されるので、センサ部６等の動作電力として電池や発電機をセンサ部６等に付加する必要がなく、コンパクトで軽量に構成でき、電池交換が不要なためメンテナンスも容易となる。自己発電を行うものと異なり、設置機器の動作状態にかかわらずに何時でも検出および送受信が可能である。
ワイヤレスでセンサ信号の送信および給電を行うが、センサ信号の電磁波の周波数ｆ２をＭＨｚ単位の周波数帯とし、給電用の電磁波の周波数ｆ１をＧＨｚ単位以上の周波数帯として両電磁波の周波数帯を大きく異ならせているため、センサ信号と給電用電磁波との混信の恐れがない。

センサ信号は、ＭＨｚ単位の周波数帯としているが、ＭＨｚ単位の周波数帯であれば、電波法の規制を受けることなく周波数を高くすることができる。例えば、センサ信号の送信に３００ＭＨｚ帯域の微弱電波を使用し、周波数変調して送信する。３００ＭＨｚ帯域の微弱電波で信号送信すると、電波法の規制を受けることが無く、周波数を高くすることができる。特に、３２２ＭＨｚ以下の周波数では比較的強い電界強度にすることができるので、周波数変調において周波数偏移を十分に得ることができると共に、信号伝送を確実なものにする事ができる。さらに、微弱電波を使用することで、センサ信号送信部９の送信電力を小さくすることができるため、給電電力を小さくすることができる。ワイヤレス給電は、有線による給電に比べて効率が悪いため、給電電力が小さくできることは、省エネルギの効果が大きい。

ワイヤレス給電用電磁波の周波数ｆ１は、センサ信号に比べて高い周波数帯としているため、センサ信号用電磁波との混信防止だけでなく、指向性を高くすることができて、効率の良い給電を行うことができる。また、小型のアンテナ部品を使用することができて、ワイヤレスセンサユニット４の小型化を図ることができる。ワイヤレス給電用電磁波の周波数ｆ１は、例えば、２．４ＧＨｚのＩＳＭ帯を使用しても良い。ＩＳＭ帯は、産業科学医療用周波数帯であり、世の中に広く開放されて普及しているため、部品を安価に入手することができる。そのため、ワイヤレスセンサシステムの低価格化が可能になる。

図３，図４は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、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とを備えた例である。ワイヤレスセンサユニットの個数は特に制限がないが、同図は２個の場合を示している。ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂ、およびセンサ信号受信機５の構成は、特に説明する事項を除いて、図１，図２に示す実施形態のワイヤレスセンサユニット４およびセンサ信号受信機５と同じである。

各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂは、それぞれセンサ部６Ａ，６Ｂと、送受信ユニット７Ａ，７Ｂとからなる。センサ部６Ａ，６Ｂは、検出対象の検出を行う手段である。送受信ユニット７Ａ，７Ｂは、それぞれ電力受信部８Ａ，８Ｂと、センサ信号送信部９Ａ，９Ｂとでなる。

図４に示すように、電力受信部８Ａ，８Ｂは、所定の給電用周波数ｆ１の電磁波から、同調回路１０Ａ，１０Ｂと検波整流回路１１Ａ，１１Ｂにより動作電力を得る手段である。得られた動作電力は、センサ部６Ａ，６Ｂとセンサ信号送信部９Ａ，９Ｂの駆動に用いられる。電力受信部８Ａ，８Ｂは、アンテナ２２、ＬＣ回路２３等からなる同調回路１０Ａ，１０Ｂと、ダイオード２４、コンデンサ２５等からなる検波整流回路１１Ａ，１１Ｂとで構成される。
センサ信号送信部９Ａ，９Ｂは、センサ部６Ａ，６Ｂが検出した信号を給電用周波数ｆ１とは異なる固有周波数ｆ２，ｆ３の電磁波のセンサ信号としてそれぞれ送信する手段である。センサ信号送信部９Ａ，９Ｂは、アンテナ１９、ＬＣ回路２０、半導体スイッチング素子２１などからなる。

給電用周波数ｆ１とセンサ信号送信用周波数ｆ２，ｆ３とは互いに大きく異なる周波数帯であることが好ましく、上記実施形態と同じく、例えば給電用周波数ｆ１は数ＧＨｚ等のＧＨｚ単位の周波数帯とされ、センサ信号用の周波数ｆ２，ｆ３は、数百ＭＨｚ等のＭＨｚ単位の周波数帯とされる。

センサ信号受信機５は、上記給電用周波数ｆ１の電磁波を送信する給電電力送信部１２と、上記複数のワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂの送信する各固有周波数ｆ２，ｆ３のワイヤレスセンサ信号を受信可能なセンサ信号受信部１３とを有する。給電電力送信部１２は、高周波発信部２６と送信部２７とでなり、送信部２７は、アンテナ２８、ＬＣ回路２９、半導体スイッチング素子３０などからなる。センサ信号受信部１３は、上記各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対応する複数（図示の例では２つ）の受信回路１３ａからなる。各受信回路１３ａは各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂの送信する固有周波数ｆ２，ｆ３にそれぞれ対応した単一周波数の受信回路であって、それぞれ同調回路３７と検波部３８とを有する。同調回路３７は、アンテナ３９、ＬＣ回路４０などからなる。

センサ信号受信機５から送信される給電用電磁波の偏波面と、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂから送信されるセンサ信号用電磁波の偏波面とは互いに異ならせてある。周波数の違いに加えて、偏波面を互いに異ならせることで、給電用電磁波のセンサ信号用電磁波への影響がより確実に回避され、信号分離が向上する。また、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂから送信されるセンサ信号用電磁波の偏波面同士も互いに異ならせてある。これにより各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂから送信されるセンサ信号用電磁波の混信回避，信号分離の向上が得られる。

この構成のワイヤレスセンサシステムの場合、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。給電用周波数ｆ１はＧＨｚ単位の周波数帯とし、またセンサ信号送信用周波数ｆ２，ｆ３はＭＨｚとして大きく周波数を異ならせているので、混信の恐れがない。また、給電用周波数ｆ１はＧＨｚ単位の周波数帯としているため、電力受信部８Ａ，８Ｂのアンテナ２２が小さくでき、ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂの全体のコンパクト化が得られる。

図５はこの発明の他の実施形態におけるセンサ信号受信機５Ａの構成を示す。この実施形態は、図４に示した第１の実施形態において、センサ信号受信機５を同図の構成としたものである。ワイヤレスセンサユニットには図３，図４の実施形態と同じものが用いられる。この例では、センサ信号受信機５Ａにおけるセンサ信号受信部１３Ａが、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂ（図４）の送信する固有周波数ｆ２，ｆ３にそれぞれ対応した単一周波数の複数の同調回路３７Ａ，３７Ｂと、これら複数の同調回路３７Ａ，３７Ｂの出力を時分割で切替えて検波する１つの切替え検波部４１とで構成されている。切替え検波部４１は、検波部４２と、両同調回路３７Ａ，３７Ｂを時分割で切替えて検波部４２に接続する切替部４３とでなる。その他の構成は第１の実施形態におけるセンサ信号受信機５と同じである。

この実施形態の場合、切替え検波部４１の切替部４３が同調回路３７Ａを検波部４２に切替え接続したときに、その同調回路３７Ａが受信する回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａからの周波数ｆ２の信号を検波部４２が検波する。切替え検波部４１の切替部４３が同調回路３７Ｂを検波部４２に切替え接続したときは、その同調回路３７Ｂが受信するワイヤレスセンサユニット４Ｂからの周波数ｆ３の信号を検波部４２が検波する。
この実施形態の場合、複数（ここでは２つ）のワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂから送信される固有周波数ｆ２，ｆ３の電磁波を、センサ信号受信機５Ａでは１つの検波部４２により区別して検波できるので、ワイヤレスセンサユニットの数が多い場合でもセンサ信号受信機５Ａの構成を簡略化できる。

なお、図５の実施形態において、複数の同調回路３７Ａ，３７Ｂを設ける代わりに、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂ（図４）の送信する固有周波数に対応して、同調周波数を可変し得る単一の同調回路を設けても良い。その場合、センサ信号受信部１３Ａは、この可変の同調回路の固有周波数を切替部により時分割で切替えて、検波部４２で検波する回路とする。

つぎに、この実施形態のワイヤレスセンサシステムを自動車に適用した例を、図６，図７と共に説明する。この実施形態は、車輪３１の回転数とタイヤ空気圧を検出するものである。図６に示すように、車輪３１は、車輪用軸受装置３３を介して車体３４に回転自在に支持されている。車輪用軸受装置３３は、車輪支持部材となる外方部材１と、回転部材となる内方部材２との間に複列の転動体３を介在させたものである。外方部材１は、車体３４から下方に突出したサスペンションに、ナックル（図示せず）を介して支持されている。内方部材２は、一端の外周に車輪取付フランジ２ａを有するハブ輪２Ａと等速ジョイント１５の外輪１５ａを組み合わせたものとされ、ハブ輪２Ａの車輪取付フランジ２ａに車輪３１が取付けられている。車輪３１の車輪用軸受装置３３の内方部材２は、等速ジョイント１５を介して車軸１６に連結されている。

外方部材１と内方部材２間の環状空間の一端部には、車輪３１の回転数を検出するためのワイヤレスセンサユニット４Ａが設置されている。また、車輪３１には、そのタイヤ空気圧を検出するためのワイヤレスセンサユニット４Ｂが設置されている。車体３４の例えばタイヤハウス３４ａには、前記各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、かつ各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂからのセンサ信号を受信するセンサ信号受信機５が設置されている。各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂは、図４と共に前述した構成のものである。センサ信号受信機５は、図４と共に説明したもの、または図５と共に説明したものである。

回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａのセンサ部６Ａ、つまり回転センサとなるセンサ部６Ａは、図６のように内方部材２に装着された磁気エンコーダ１７と、この磁気エンコーダ１７に対峙して外方部材１に装着される磁気センサ１８とで構成される。磁気エンコーダ１７は、円周方向に並べて磁極Ｎ，Ｓを設けた多極磁石からなる。磁石にはフェライト系、希土類系のゴム磁石、プラスチック磁石、焼結磁石を使用しても良い。磁気センサ１８は、磁気抵抗型センサ、つまり磁気抵抗素子（「ＭＲ素子」とも呼ばれる）を用いたセンサからなり、車輪３１の回転に伴う磁気エンコーダ１７の磁極変化を検出してインクリメンタルなパルス信号をセンサ信号として出力する。磁気センサ１８は、磁気抵抗型センサの他にホール効果型センサや、ＭＩセンサ、フラックスゲート型磁界センサ等であっても良い。回転センサは、多極磁石と磁気センサとの組み合わせであると、小型で分解能等の精度の良い回転センサが構成できる。また、磁気抵抗型の磁気センサはセンサ素子の抵抗値を大きくすることで消費電電力を小さくできるので、配線に比べて給電効率の悪いワイヤレス給電に組み合わせるセンサとして好ましい。
タイヤ空気圧検出用のワイヤレスセンサユニット４Ｂは、例えば図７に示すようにタイヤホイール３５の一部に装着される。タイヤ空気圧検出用のワイヤレスセンサユニット４Ｂにおけるセンサ部６Ｂ（図３）は、タイヤ３６の空気圧を検出するセンサである。

図６にもとづき動作を説明する。車体３４に設置されたセンサ信号受信機５の給電電力送信部１２（図３）から送信される給電用電磁波は、回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａおよびタイヤ空気圧検出用のワイヤレスセンサユニット４Ｂの各電力受信部８Ａ，８Ｂで受信され検波整流されることで、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに動作電力が得られる。

車輪用軸受装置３３に設置された回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａでは、そのセンサ部６Ａによって車輪の回転数が検出される。すなわち、車輪３１の回転に伴う内方部材２側の磁気エンコーダ１７の磁極変化を、外方部材１側のホイール回転センサの磁気センサ１８が検出し、インクリメンタルな検出信号を出力する。この検出信号は、センサ信号送信部９Ａによって周波数ｆ２の電磁波を搬送波としてワイヤレス送信される。この電磁波は、センサ信号受信機５のセンサ信号受信部１３における２つの受信回路のうち、ワイヤレスセンサユニット４Ａに対応する受信回路で受信・検波されて、車輪回転数に関するセンサ信号として出力される。

また、車輪３１のタイヤホイール３５に設置されたタイヤ空気圧検出用のワイヤレスセンサユニット４Ｂでは、そのセンサ部６Ｂによってタイヤ空気圧が検出される。その検出信号は、センサ信号送信部９Ｂによって周波数ｆ３の電磁波を搬送波としてワイヤレス送信される。この電磁波は、センサ信号受信機５のセンサ信号受信部１３における２つの受信回路のうち、ワイヤレスセンサユニット４Ｂに対応する受信回路で受信・検波されて、タイヤ空気圧に関するセンサ信号として出力される。

このように、このワイヤレスセンサシステムでは、車体３４に設置されるセンサ信号受信機５から各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対して電磁波として電力をワイヤレスで供給すると共に、各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂから電磁波として送信されるセンサ信号を受信するようにしているので、電池をセンサの電源とする従来例のような電池切れ等の問題がない。また、検出されるタイヤ空気圧や車輪回転数などの検出結果をワイヤレス信号として確実に伝送でき、かつ各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂにおけるセンサ部６Ａ，６Ｂをコンパクトで安価に構成できる。電池交換が不要なためメンテナンスも容易となる。

磁気センサ１８をセンサ部６Ａとして持つ回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａの場合、車輪３１の回転により動作電力を発電する自己発電型のものでないので、停止に近い車輪回転時でも回転数検出を確実に行うことができ、低摩擦係数路での停止寸前のＡＢＳ作動や発進時・超低速時のトラクション制御など、より高度な制御による走行安定性を実現できる。
また、タイヤ空気圧センサをセンサ部６Ｂとして持つワイヤレスセンサユニット４Ｂの場合、動作電力のための電池がないことから、重量低減によるホイールバランスを確保することができる。

なお、図６に示す車輪用軸受装置３３は、第４世代型のものであるが、この発明は、各世代型の車輪用軸受装置に適用でき、例えば図８に示す第３世代型の車輪用軸受装置に適用することができる。同図の例では、内方部材２は、ハブ輪２Ａとその一端の外周に嵌合した内輪２Ｂとでなり、ハブ輪２Ａおよび内輪２Ｂに、各列の軌道面が形成される。両軌道面に対向する軌道面は、図６に示す例と同様に、外方部材１の内周に設けられる。ハブ輪２Ａの内周には、等速ジョイント１５の外輪１５ａに設けられた軸部が嵌合し、内方部材２と等速ジョント外輪１５ａとが結合される。
回転数検出用のワイヤレスセンサユニット４Ａのセンサ部（回転センサ）６Ａは、内方部材２に装着された磁気エンコーダ１７と、この磁気エンコーダ１７に対峙して外方部材１に装着される磁気センサ１８とで構成される。磁気エンコーダ１７は、内方部材２に装着されたシール構成部品となるスリンガに設けられている。同図の例におけるその他の構成は、図６，図７に示した実施形態と同様である。

なお、図６，図８等に示す車輪用軸受装置３３において、複数のワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂを、例えば図８に一点鎖線で示すように、車輪用軸受装置３３の外方部材１に設けても良い。その場合に、一つのワイヤレスセンサユニット４Ａは、例えば回転センサをセンサ部６Ａとするものとし、他の一つのワイヤレスセンサユニット４Ｂは、温度センサまたは振動センサをセンサ部６Ｂとしても良い。

図９は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、複数の転がり軸受 ５１，５２を有する機械設備５３において、上記複数の転がり軸受５１，５２の各々に、図３，図４に示す実施形態におけるワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂを設置したものである。機械設備５３は、例えばローラコンベヤまたはベルトコンベヤ等のコンベヤラインであって、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、上記転がり軸受５１，５２によって回転自在に支持されている。各転がり軸受５１，５２は、内輪５４，外輪５５の間に転動体５６を介在させ、シール５８を設けたものであり、深溝玉軸受等からなる。各転動体５６は保持器５７により保持されている。

一つの転がり軸受５１に設置されたワイヤレスセンサユニット４Ａは、回転検出用のものであり、センサ部６Ａが、内軸５４に装着された磁気エンコーダ１７と、この磁気エンコーダ１７に対峙して外輪５５に装着された磁気センサ１８とで構成される。他の転がり軸受５２に設置されたワイヤレスセンサユニット４Ｂは、センサ部６Ｂが、軸受５２における回転の他の検出対象、例えば温度または振動等を検出するセンサとされている。

センサ信号受信機５は、機械設備５３において、両軸受５１，５２に設置された各ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに対してセンサ信号の受信および動作電力の送信が可能な適宜の位置に設置される。この実施形態において、特に説明した事項を除き、図３，図４に示した実施形態と同じ構成である。

この構成の場合、機械設備５３における複数の転がり軸受５１，５２においてワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂにより検出したセンサ信号が、共通のセンサ信号受信機５によって受信でき、また両ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂに共通のセンサ信号受信機５から電力供給することができる。
同図の実施形態は、ワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂが２個である場合につき説明したが、機械設備５３における３個以上の転がり軸受にワイヤレスセンサユニットを設置し、共通のセンサ信号受信機５によりセンサ信号の受信、およびワイヤレス給電を行うようにしても良い。

図１０は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態に係る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４を一つし、このワイヤレスセンサユニット４に複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅを設けたものである。ワイヤレスセンサユニット４は、上記複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅと、センサ信号送信部９と、電力受信部８とを有する。センサ信号送信部９は、上記複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を送信するものとしてある。複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅの出力は、信号まとめ手段６０により、センサ信号送信部９により送信可能なように処理される。信号まとめ手段６０は、各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号が、受信側で区別して受信できるように信号を処理するものであれば良く、例えば、各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を時分割してセンサ信号送信部９に送信させるものとされる。信号まとめ手段６０は各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を重畳するものであっても良い。電力受信部８は、受信した電力を、各センサ部６Ｃ〜６Ｅ、センサ信号送信部９、および信号まとめ手段６０に給電する。センサ信号送信部９、電力受信部８、および信号まとめ手段６０により、送受信ユニット７が構成される。なお、信号まとめ手段６０は、センサ信号送信部９の一部として設けられたものであっても、またセンサ信号送信部９とは別に設けられたものであっても良い。

センサ信号受信機５は、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ信号送信部７から送信される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４の電力受信部８へ電力をワイヤレスで供給する給電電力送信部１２とを有する。センサ信号受信部１３は、ワイヤレスセンサユニット４のセンサ信号送信部９より送信される各センサ部６Ｃ〜６Ｅのセンサ信号を、信号まとめ手段６０の処理形態に対応して、区別して受信可能なものとされる。センサ信号送信部９とセンサ信号受信部１３との間、および給電電力送信部１２と電力受信部８との間の信号または電力の送受は、ワイヤレスで行えるものであれば良く、例えば電磁波が用いられる。

各センサ部６Ｃ〜６Ｅは、同じ種類の検出対象（例えばいずれも温度）を検出するものであっても、それぞれ異なる検出対象を検出するもの、例えばそれぞれ回転、温度、振動を検出するものであっても良い。
なお、図３の例のように複数設けられるワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂのうちの一つを、図１０の例のように複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅが設けられたものとしても良い。その場合も、信号まとめ手段６０を設けることが好ましい。

図１１は、図１０の実施形態における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概念構成を示す。この例では、複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｅ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。ワイヤレスセンサユニット４の送信ユニット７、並びに温度センサおよび振動センサとなるセンサ部６Ｄ，６Ｅは、車輪用軸受装置の外方部材となる外方部材１にそれぞれ設置されている。回転センサとなるセンサ部６Ｃは、内方部材２と外方部材１との間の回転検出が可能なように、外方部材１に設置されている。センサ信号受信機５はタイヤハウス（同図には図示せず）内、または車体の何処かに設置されている。
この構成の場合、車輪用軸受装置３３に一つのワイヤレスセンサユニット４を設置するだけで、車輪回転数、温度、および振動の検出が行える。しかも、ワイヤレスセンサユニット４にワイヤレス給電でき、このためタイヤハウスと車輪用軸受間のハーネスを無くすことができて、飛び石によるハーネスの断線による故障が回避でき、また軽量化が図れる。また、複数のセンサ部６Ｃ〜６Ｄを有することにより、軸受のインテリジェント化を図ることができ、自動車制御の高度化を図ることができる。さらに、温度等の軸受情報から、軸受の故障診断を行うことができる。

図１２は、図１１に示した車輪用軸受装置の具体的構造例を示す。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。
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４が設置されている。ワイヤレスセンサユニット４におけるセンサ部６Ｃ〜６Ｅは、車輪用軸受装置３３における外部から遮断された密閉空間内にあり、電力受信部８およびセンサ信号送信部９は、軸受の外部に設置されている。具体的には、ワイヤレスセンサユニット４は、回路ボックス８１とセンサ設置部８２とが一体化されて一体化ユニットを構成しており、回路ボックス８１は外方部材１の外面に設置されている。センサ設置部８２は、外方部材１に設けられた径方向の孔を通って軸受空間内に臨んでいる。回路ボックス８１に上記の電力受信部８およびセンサ信号送信部９が設置され、センサ設置部８２に、センサ部６Ｃ〜６Ｅが設けられている。センサ部６Ｃは回転センサを構成する磁気センサ１８と、この磁気センサ１８に対向する磁気エンコーダ１７とでなり、そのうちの磁気センサ１８がセンサ設置部８２に設けられている。磁気エンコーダ１７は、内方部材２の外周に設けられている。この車輪用軸受装置３３は、外方部材１と内方部材２との間の軸受空間を密閉するシール８３，８４が両端に設けられている。センサ部６Ｃ〜６Ｅは、この密閉空間内に位置し、また両列の転動体３の列間に位置する。

このように、センサ部６Ｃ〜６Ｅが軸受における外部から遮断された密閉空間内にあると、外部の塵埃、異物、水等から守られるので、センサ部６Ｃ〜６Ｅの信頼性と耐久性が向上する。特に、車輪用軸受装置３３の場合は、路面における異物や塩泥水を被り易い環境下にあるため、密閉空間内に設けられることによる信頼性，耐久性の向上効果がより効果的となる。電力受信部８およびセンサ信号送信部９は、軸受の外部にある方が、ワイヤレスによる送受の面で好ましい。
なお、図１２は第４世代型の車輪用軸受装置３３に適用した場合につき説明したが、第３世代型など、他の世代型の軸受装置において、上記と同様にセンサ部６Ｃ〜６Ｅを軸受内の外部から遮断された密閉空間に設置し、電力受信部８およびセンサ信号送信部９を軸受外部に設置しても良い。また、ワイヤレスセンサユニット４は、センサ部を一つのみ有するものであっても良く、また複数のセンサ部を有していて、一部のセンサ部が軸受外に配置されるものであっても良い。例えば、同図の車輪用軸受装置３３に設置するワイヤレスセンサユニット４は、図３の実施形態におけるいずれか一つのワイヤレスセンサユニット４Ａ，４Ｂであって良い。

なお、上記各実施形態では、いずれもセンサ信号受信機５を一つとしたが、センサ信号受信機５を複数設けても良い。センサ信号受信機５を複数設ける場合に、各センサ信号受信機５は、同じワイヤレスセンサユニットのセンサ信号送信部のセンサ信号を受信するものとしても良く、また異なる複数のワイヤレスセンサユニットのセンサ信号送信部のセンサ信号を受信するものとしても良い。また、センサ信号受信部と、給電電力送信部とは、必ずしも同じセンサ信号受信機５に設けられたものでなくても良く、両者を離して設置しても良い。また、センサ信号の受信をそれぞれ別個のセンサ信号受信機で行い、複数のワイヤレスセンサユニットに対して同じ給電電力送信部１２でワイヤレス給電を行うようにしても良い。

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。

この発明の第１の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムの概略構成を示すブロック図である。 同システムの回路構成例を示す回路図である。 この発明の他の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムの概略構成を示すブロック図である。 同システムの回路構成例を示す回路図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムにおけるセンサ信号受信機の概略構成を示す回路図である。 これらの実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた車輪用軸受装置の断面図である。 同ワイヤレスセンサシステムのタイヤ空気圧用ワイヤレスセンサユニットが装着された車輪の一部を示す断面図である。 上記実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた車輪用軸受装置の他の例の断面図である。 同実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムを備えた他の機械設備の例を示す断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるワイヤレスセンサシステムの概略構成を示すブロック図である。 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概念構成を示す説明図である。 同車輪用軸受装置の具体例の断面図である。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
４，４Ａ，４Ｂ…ワイヤレスセンサユニット
５，５Ａ…センサ信号受信機
６Ａ，６Ｂ…センサ部
８，８Ａ，８Ｂ…電力受信部
９，９Ａ，９Ｂ…センサ信号送信部
１０Ａ，１０Ｂ…同調回路
１１Ａ，１１Ｂ…検波整流回路
１２…給電電力送信部
１３，１３Ａ…センサ信号受信部
３７Ａ，３７Ｂ…同調回路
４１…切替え検波部
４２…検波部
４３…切替部

Claims (4)

1. 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電磁波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電磁波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から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において、上記センサ信号送信部とセンサ信号受信部との間で送受するセンサ信号の電磁波がＭＨｚ単位の周波数帯であり、上記給電電力送信部と電力受信部との間で送受する電力給電用の電磁波がＧＨｚ単位以上の周波数帯であることを特徴とするワイヤレスセンサシステム。
2. 請求項１において、センサ信号の電磁波は周波数変調により信号成分を乗せたものとするワイヤレスセンサシステム。
3. 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電磁波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電磁波で受信する電力受信部とを軸受に設けたワイヤレスセンサ付軸受装置であって、上記センサ信号送信部が送信するセンサ信号の電磁波がＭＨｚ単位の周波数帯であり、上記電力受信部で受信する給電用の電磁波がＧＨｚ単位の周波数帯であることを特徴とするワイヤレスセンサ付軸受装置。
4. 請求項３において、上記軸受装置が、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。
   

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