JP5195336B2

JP5195336B2 - Displacement sensor device and rolling bearing device

Info

Publication number: JP5195336B2
Application number: JP2008292143A
Authority: JP
Inventors: 伸幸利藤; 信綱本橋
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: JP2010117307A

Description

本発明は、検出対象物の変位を検出する変位センサ装置に関し、特に、そのセンサの構造に関する。 The present invention relates to a displacement sensor device that detects the displacement of an object to be detected, and more particularly to the structure of the sensor.

近年、自動車の分野において、走行の際の運転制御を行うために、車輪に作用する荷重の情報が必要とされている。かかる情報を得るため、車輪用の転がり軸受装置（ハブユニット）に変位センサ装置が設けられている（例えば、特許文献１参照）。 In recent years, in the field of automobiles, information on loads acting on wheels has been required in order to perform operation control during traveling. In order to obtain such information, a displacement sensor device is provided in a wheel rolling bearing device (hub unit) (see, for example, Patent Document 1).

このような転がり軸受装置においては、車体側の固定軌道輪に転動体を介して、可動軌道輪である内軸が回転自在に支持され、この内軸に車輪が取り付けられる。複数個（一対二組で軸方向へ二列に設けられる。）の変位センサ装置は、内軸の端部の外周に対向して設けられており、車輪に荷重が作用した際に発生する内軸の径方向・軸方向の変位を、インダクタンスの変化として出力する。そして、これらの変位センサ装置に接続された信号処理回路は、インダクタンスの変化に基づいて、変位を示す信号を生成し、当該信号をＥＣＵ（電子制御ユニット）に提供する。これによってＥＣＵは、車輪に作用する荷重を求めることができる。 In such a rolling bearing device, an inner shaft that is a movable raceway is rotatably supported by a fixed raceway on the vehicle body via a rolling element, and a wheel is attached to the inner shaft. A plurality of displacement sensor devices (provided in pairs and two pairs in the axial direction) are provided opposite to the outer periphery of the end portion of the inner shaft, and are generated when a load is applied to the wheel. Outputs the radial and axial displacement of the shaft as a change in inductance. And the signal processing circuit connected to these displacement sensor apparatuses produces | generates the signal which shows a displacement based on the change of an inductance, and provides the said signal to ECU (electronic control unit). Thereby, the ECU can determine the load acting on the wheel.

特開２００７−１２７２５３号公報JP 2007-127253 A

上記のような従来の変位センサ装置におけるセンサ（検知部）としては、積層鋼板にコイルを巻回したものが使用される。具体的には、リング状に形成された積層鋼板の周方向９０度ごとに合計４個のコイルを巻回したものを１セットとして、これが、軸方向に２セット設けられる。すなわち、全体で、積層鋼板２リングと、コイル８個が必要であった。しかしながら、このようなセンサの構造は、体積・重量が大きく、構成部品数も多いので、材料コストが高く、組立工数も多くなる。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、軽量・コンパクトで簡素な構造のセンサ及びこれを備えた変位センサ装置を提供することを目的とする。 As a sensor (detection part) in the conventional displacement sensor device as described above, a coil in which a laminated steel sheet is wound is used. Specifically, a set of a total of four coils wound every 90 degrees in the circumferential direction of the laminated steel sheet formed in a ring shape is provided as two sets in the axial direction. That is, as a whole, two laminated steel plates and eight coils were required. However, the structure of such a sensor is large in volume and weight and has a large number of components, so that the material cost is high and the number of assembly steps increases.
In view of the conventional problems, it is an object of the present invention to provide a sensor having a light weight, a compact and simple structure, and a displacement sensor device including the sensor.

（１）本発明は、金属製の検出対象物の変位を非接触で検出する変位センサ装置であって、全体として所定の立体形状を成すフレキシブルプリント基板と、前記フレキシブルプリント基板を支持し、かつ、前記立体形状を維持する支持部と、前記フレキシブルプリント基板上の複数箇所において導電部を渦巻状に形成して成り、渦巻面が前記検出対象物と対向するコイルと、前記コイルのインダクタンス及び前記コイルと前記検出対象物との間に現れるキャパシタンスによって構成されるＬＣ回路を交流信号で駆動したときの出力信号を抽出する信号処理回路とを備え、前記支持部は金属製である。 (1) The present invention is a displacement sensor device that detects a displacement of a metal detection object in a non-contact manner, supports a flexible printed circuit board having a predetermined three-dimensional shape as a whole, the flexible printed circuit board, and A support portion that maintains the three-dimensional shape; a conductive portion formed in a spiral shape at a plurality of locations on the flexible printed circuit board; a coil having a spiral surface facing the detection object; an inductance of the coil; and A signal processing circuit for extracting an output signal when an LC circuit constituted by a capacitance appearing between the coil and the detection object is driven by an AC signal; and the support portion is made of metal .

上記のように構成された変位センサ装置においては、コイルのインダクタンスを、フレキシブルプリント基板上に形成された渦巻のターン数によって確保することができるので、コイルの厚さ寸法の増大を抑制することができる。
また、フレキシブルプリント基板は変形容易であり、検出対象物の表面に自在に近接させることができる。近接によって、コイルの導電部と検出対象物との間にキャパシタンスが現れるので、別途、回路部品としてのコンデンサを用意することなく、ＬＣ回路を構成して交流信号で駆動することができる。検出対象物の変位は、インダクタンス及びキャパシタンスの等価的な変化に基づくＬＣ回路の自己共振特性に基づいて検出可能である。
また、１つの基板に必要数のコイルを設けることができ、それによって、僅か１枚のフレキシブルプリント基板に必要な機能を集約することができる。
また、支持部が金属製であることにより、機械的強度を容易に確保することができるので、例えば樹脂製に比べて薄肉の支持部とすることができる。このことは、コンパクト化に寄与する。なお、支持部が金属製であっても、高周波信号でＬＣ回路を駆動することにより、変位検出に影響がないことが確認された。 In the displacement sensor device configured as described above, since the inductance of the coil can be ensured by the number of turns of the spiral formed on the flexible printed circuit board, the increase in the thickness dimension of the coil can be suppressed. it can.
Moreover, the flexible printed circuit board is easily deformable and can be freely brought close to the surface of the detection target. Since the capacitance appears between the conductive portion of the coil and the detection target due to the proximity, the LC circuit can be configured and driven by an AC signal without preparing a capacitor as a separate circuit component. The displacement of the detection target can be detected based on the self-resonance characteristic of the LC circuit based on equivalent changes in inductance and capacitance.
In addition, a necessary number of coils can be provided on one board, and thereby, functions necessary for only one flexible printed board can be integrated.
Moreover, since mechanical strength can be easily ensured because a support part is metal, it can be set as a thin support part compared with resin, for example. This contributes to downsizing. It was confirmed that even when the support portion is made of metal, displacement detection is not affected by driving the LC circuit with a high-frequency signal.

（２）また、上記変位センサ装置において、検出対象物は回転体であり、コイルは、回転体の軸方向に直交する方向に２個１組で設けられていてもよい。
この場合、回転体の径方向への変位を正確に検出することができる。 (2) In the displacement sensor device, the detection target may be a rotating body, and the coils may be provided in pairs in a direction orthogonal to the axial direction of the rotating body.
In this case, the displacement of the rotating body in the radial direction can be accurately detected.

（３）また、上記変位センサ装置において、支持部は円筒状であり、その円筒面の片面に、展開された状態では平面状であるフレキシブルプリント基板が、円筒状に丸められた状態で密着している構成としてもよい。
この場合、支持部によって、フレキシブルプリント基板を円筒状に保持することができる。 (3) Further , in the displacement sensor device, the support portion is cylindrical, and a flexible printed circuit board that is flat when deployed is in close contact with the cylindrical surface in a rolled state. It is good also as composition which has.
In this case, the flexible printed circuit board can be held in a cylindrical shape by the support portion.

（４）一方、本発明は、金属製の回転体の径方向及び軸方向への変位を非接触で検出する変位センサ装置であって、円筒状の支持部と、前記支持部の円筒面の片面に密着している円筒状のフレキシブルプリント基板と、前記フレキシブルプリント基板上で、前記回転体の軸方向に直交する方向に２個１組で設けられ、その各々は、導電部を渦巻状に形成して成り、渦巻面が前記検出対象物と対向する径方向変位検出用のコイルと、前記フレキシブルプリント基板上で、螺旋を描くように周方向に巻回される一対の軸方向変位検出用のコイルと、前記各コイルのインダクタンス及び前記各コイルと前記回転体との間に現れるキャパシタンスによって構成されるＬＣ回路を交流信号で駆動したときの出力信号を抽出する信号処理回路とを備えたものである。 (4) On the other hand, the present invention is a displacement sensor device that detects the displacement in the radial direction and the axial direction of a metal rotating body in a non-contact manner, and includes a cylindrical support portion and a cylindrical surface of the support portion. A cylindrical flexible printed circuit board that is in close contact with one surface, and two sets are provided on the flexible printed circuit board in a direction perpendicular to the axial direction of the rotating body. A coil for detecting radial displacement whose spiral surface is opposed to the object to be detected and a pair of axial displacement detection wound on the flexible printed circuit board in a circumferential direction so as to draw a spiral. And a signal processing circuit for extracting an output signal when an LC circuit constituted by an inductance of each coil and a capacitance appearing between each coil and the rotating body is driven by an AC signal. It is.

上記のように構成された変位センサ装置においては、径方向変位検出用のコイルのインダクタンスを、フレキシブルプリント基板上に形成された渦巻のターン数によって確保することができるので、当該コイルの厚さ寸法の増大を抑制することができる。
また、フレキシブルプリント基板は変形容易であり、回転体の表面に自在に近接させることができる。近接によって、当該コイルの導電部と回転体との間にキャパシタンスが現れるので、別途、回路部品としてのコンデンサを用意することなく、ＬＣ回路を構成して交流信号で駆動することができる。回転体の径方向の変位は、インダクタンス及びキャパシタンスの等価的な変化に基づくＬＣ回路の自己共振特性に基づいて検出可能である。さらに、一対の軸方向変位検出用のコイルをそれぞれ、回転体に設けられたターゲットに対向させれば、軸方向への変位も同様にして検出することができる。
また、１つの基板に必要数のコイルを設けることができ、それによって、僅か１枚のフレキシブルプリント基板に必要な機能を集約することができる。 In the displacement sensor device configured as described above, the inductance of the coil for detecting radial displacement can be ensured by the number of turns of the spiral formed on the flexible printed circuit board. Can be suppressed.
Moreover, the flexible printed circuit board is easily deformable and can be freely brought close to the surface of the rotating body. Since the capacitance appears between the conductive portion of the coil and the rotating body due to the proximity, the LC circuit can be configured and driven by an AC signal without separately preparing a capacitor as a circuit component. The radial displacement of the rotating body can be detected based on the self-resonance characteristics of the LC circuit based on equivalent changes in inductance and capacitance. Further, if the pair of coils for detecting the axial displacement are respectively opposed to the targets provided on the rotating body, the displacement in the axial direction can be detected in the same manner.
In addition, a necessary number of coils can be provided on one board, and thereby, functions necessary for only one flexible printed board can be integrated.

（５）また、上記変位センサ装置において、フレキシブルプリント基板は、展開された状態では平面状であり、円筒状に丸められた状態で、支持部の円筒面の片面に密着しているものであり、かつ、展開された状態でのフレキシブルプリント基板上の２箇所にはそれぞれ、一端から他端へ複数条の導電ラインが形成されており、丸められた状態では、一端における複数条の導電ラインと他端における複数条の導電ラインとが互いに１条ずれて接続されることによって、軸方向変位検出用のコイルが形成されている構造であってもよい。
この場合、展開された状態で単純な形状の導電ラインを容易に形成することができ、フレキシブルプリント基板を丸めることで軸方向変位検出用のコイルを形成することができる。 (5) In the displacement sensor device, the flexible printed circuit board is flat when deployed, and is in close contact with one surface of the cylindrical surface of the support portion in a state of being rolled into a cylindrical shape. And, in two places on the flexible printed circuit board in the unfolded state, a plurality of conductive lines are formed from one end to the other end, and in a rolled state, a plurality of conductive lines at one end A structure in which a coil for axial displacement detection is formed by connecting a plurality of conductive lines at the other end with a shift from each other by one line may be employed.
In this case, a conductive line having a simple shape can be easily formed in a developed state, and a coil for detecting axial displacement can be formed by rounding the flexible printed circuit board.

（６）また、本発明は、回転体を回転自在に支持し、当該回転体の変位を非接触で検出するための、上記（１）又は（４）の変位センサ装置を備えた転がり軸受装置である。
この場合、コンパクトな転がり軸受装置を提供することができる。特に、従来は搭載不可能であった転がり軸受装置の内外輪間のような狭い場所にも、変位センサ装置のセンサ部分である基板形センサを搭載することができる。 (6) Further , the present invention provides a rolling bearing device including the displacement sensor device according to the above (1) or (4) for rotatably supporting the rotating body and detecting the displacement of the rotating body in a non-contact manner. der Ru.
In this case, it is possible to provide a compact rolling bearing device. In particular, a substrate type sensor that is a sensor portion of a displacement sensor device can be mounted in a narrow place between the inner and outer rings of a rolling bearing device that could not be mounted conventionally.

本発明によれば、機能を集約した、軽量・コンパクトで簡素な構造の基板形センサを含む変位センサ装置を提供することができる。また、このような基板形センサを搭載した転がり軸受装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the displacement sensor apparatus containing the board | substrate type | mold sensor of the light weight, compact and simple structure which concentrated the function can be provided. Further, it is possible to provide a rolling bearing device equipped with such a substrate type sensor.

図１は、本発明の変位センサ装置に用いられる基板形センサの基本的要素となる平面コイルの原理を説明する図である。この平面コイル１は、（ａ）に示すように、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）２上に、導電部を渦巻状に形成して成るコイル３を設けたものである。このような平面コイル１は、例えば、銅やアルミニウム等の金属箔が貼着されたフレキシブルプリント基板からエッチングを行って、渦巻のパターンを残すことにより製作することができる。なお、コイル３の渦巻中心の端部は、例えばスルーホールで裏面へ導出することができる。コイル３は、渦巻のターン数（渦を巻いている回数）、コイルの断面積、コイルの長さ等に依存するインダクタンスＬを有するが、ターン数は２乗で関与するため、最も支配的な要素である。従って、ターン数を確保することによって、所望のインダクタンスを得ることが可能である。 FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of a planar coil that is a basic element of a substrate type sensor used in a displacement sensor device of the present invention. As shown in FIG. 1A, the planar coil 1 is provided with a coil 3 formed by forming a conductive portion in a spiral shape on a flexible printed circuit board (FPC) 2. Such a planar coil 1 can be manufactured, for example, by etching from a flexible printed circuit board to which a metal foil such as copper or aluminum is adhered, leaving a spiral pattern. In addition, the edge part of the spiral center of the coil 3 can be derived | led-out to the back surface by a through hole, for example. The coil 3 has an inductance L that depends on the number of turns of the spiral (the number of times the spiral is wound), the cross-sectional area of the coil, the length of the coil, and the like. Is an element. Therefore, it is possible to obtain a desired inductance by securing the number of turns.

（ｂ）は、平面コイル１を、変位の検出対象物４と近接対向させた状態を示す斜視図である。検出対象物４は金属製（例えば鉄系金属）であり、導電性を有する。コイル３のインダクタンスは、この検出対象物４によって影響を受ける。また、交流信号に対して、コイル３のパターンと検出対象物４との間に、パターン面積や相互間の距離に依存したキャパシタンスが現れる。従って、このような平面コイル１は、等価的に、（ｃ）に示すような並列のＬＣ回路となる。ここで、インダクタンスＬやキャパシタンスＣの値は、検出対象物４と平面コイル１とのギャップによって変化する。 FIG. 2B is a perspective view showing a state in which the planar coil 1 is brought close to and opposed to the displacement detection object 4. The detection object 4 is made of metal (for example, iron-based metal) and has conductivity. The inductance of the coil 3 is affected by the detection object 4. Further, with respect to the AC signal, a capacitance depending on the pattern area and the distance between them appears between the pattern of the coil 3 and the detection target 4. Therefore, such a planar coil 1 is equivalent to a parallel LC circuit as shown in FIG. Here, the values of the inductance L and the capacitance C change depending on the gap between the detection object 4 and the planar coil 1.

上記ギャップが増大すると、交流信号に対するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に低下し、逆に、ギャップが減少すると、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に上昇する。従って、ギャップの変化により、ＬＣ回路の自己共振周波数ｆ（＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）^1/2））が変化する。
図２は、ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。周波数特性は、例えば自己共振周波数ｆ１でピークとなる実線の曲線であるが、自己共振周波数が低下してｆ２になると、周波数特性は破線の曲線となる。この結果、ＬＣ回路に一定の発振周波数ｆ０を供給している場合において、ＬＣ回路の出力（振幅）は、Ｖ１からＶ２に変化する。このようにして、ギャップの変化を出力の変化として検出することができる。 When the gap increases, both the inductance L and the capacitance C with respect to the AC signal decrease, and conversely, when the gap decreases, both the inductance L and the capacitance C increase. Therefore, the self-resonant frequency f (= 1 / (2π (L · C) ^1/2 )) of the LC circuit changes due to the change in the gap.
FIG. 2 is a graph showing an example of frequency characteristics of the LC circuit. The frequency characteristic is, for example, a solid curve that peaks at the self-resonant frequency f1, but when the self-resonant frequency decreases to f2, the frequency characteristic becomes a dashed curve. As a result, when the constant oscillation frequency f0 is supplied to the LC circuit, the output (amplitude) of the LC circuit changes from V1 to V2. In this way, a change in gap can be detected as a change in output.

図３は、コイル３の巻き方の他の例（実用的な例）を示す斜視図である。この例では、フレキシブルプリント基板２の表裏両面に、コイル３が設けられ、スルーホールの導電路５を介して互いに接続されている。なお、図を見易くするために２つのコイル３を互いに上下に引き離して表しているが、実際には、薄いフレキシブルプリント基板２を挟んで背中合わせになっている。 FIG. 3 is a perspective view showing another example (practical example) of winding the coil 3. In this example, the coils 3 are provided on both the front and back surfaces of the flexible printed circuit board 2 and are connected to each other through a conductive path 5 of a through hole. In order to make the drawing easier to see, the two coils 3 are shown as being separated from each other up and down, but actually, they are back-to-back with the thin flexible printed circuit board 2 interposed therebetween.

２つのコイル３は、同じ方向（例えば上方）から見ると互いに逆の渦巻であるが、電流という視点から見ると、同じ方向に巻いている。すなわち、仮に、上のコイル３の外側の巻端から電流が流れ込むとすると、電流は右巻きに渦の中心へ向かい、下のコイル３に抜けると、今度は、右巻きに渦の外側へ向かい、下のコイル３の外側の巻端に達する。従って、電流は常に右巻きに流れており、右巻きのターン数が累積される。電流が逆に流れるときは、電流は常に左巻きに流れ、左巻きのターン数が累積される。このようにして、厚さ方向には極めて薄い平面コイル１でありながら、コイル３は全体として多くのターン数を確保することができる。従って、所望のインダクタンスを容易に得ることができる。 The two coils 3 are spirals opposite to each other when viewed from the same direction (for example, above), but are wound in the same direction when viewed from the viewpoint of current. That is, if a current flows from the outer winding end of the upper coil 3, the current turns rightward to the center of the vortex, and when it flows out to the lower coil 3, this time turns rightward toward the outside of the vortex. The outer winding end of the lower coil 3 is reached. Therefore, the current always flows in the clockwise direction, and the number of clockwise turns is accumulated. When the current flows in reverse, the current always flows counterclockwise and the number of counterclockwise turns is accumulated. In this way, the coil 3 can secure a large number of turns as a whole, although the planar coil 1 is extremely thin in the thickness direction. Therefore, a desired inductance can be easily obtained.

次に、上記のような平面コイル１を、平面にとどまらせず、曲面に適用した本願発明の第１実施形態に係る変位センサ装置について説明する。
図４の（ａ）は、変位センサ装置に用いられる基板形センサ１０の展開図である。この基板形センサ１０においては、フレキシブルプリント基板２上に、４個のコイル３（総称符号）が２段に、合計８個設けられている。なお、図ではコイル３を簡略化して同心円のように描いているが、実際は、図１や図３に示したような渦巻である（以下、同様。）。 Next, a description will be given of a displacement sensor device according to the first embodiment of the present invention in which the planar coil 1 as described above is applied not to a plane but to a curved surface.
FIG. 4A is a development view of the substrate-type sensor 10 used in the displacement sensor device. In this substrate-type sensor 10, a total of eight coils 3 (generic symbols) are provided in two stages on the flexible printed circuit board 2. In the drawing, the coil 3 is simplified and drawn like a concentric circle. However, the coil 3 is actually a spiral as shown in FIGS. 1 and 3 (the same applies hereinafter).

ここで、各コイル個別の符号は、後述の回転体の軸方向をＹ方向とした場合に、Ｙ方向に直交し、かつ、互いに直交するＸ方向・Ｚ方向に対応し、数字はＹ軸上の組番号、＋、−はＸ，Ｚ方向の組を表している。すなわち、変位を検出するためのコイルの組み合わせは、以下のようになる。
Ｘ方向変位：（Ｘ１＋，Ｘ１−）、（Ｘ２＋，Ｘ２−）
Ｚ方向変位：（Ｚ１＋，Ｚ１−）、（Ｚ２＋，Ｚ２−）
各コイル３における２つの巻端（図示せず。）は、フレキシブルプリント基板２の表裏両面の導電路６を経て、端子電極部２ａに導出されている。 Here, the individual codes for the coils correspond to the X direction and Z direction orthogonal to the Y direction and orthogonal to each other when the axial direction of the rotating body described later is the Y direction. The combination number, +,-represents a set in the X and Z directions. That is, the combination of coils for detecting displacement is as follows.
X-direction displacement: (X1 +, X1-), (X2 +, X2-)
Z-direction displacement: (Z1 +, Z1-), (Z2 +, Z2-)
Two winding ends (not shown) in each coil 3 are led to the terminal electrode portion 2a through the conductive paths 6 on both the front and back surfaces of the flexible printed board 2.

このような基板形センサ１０を円筒状に丸めると、（ｂ）に示すようになり、コイルＸ１＋及びＸ１−、並びに、Ｘ２＋及びＸ２−は、それぞれ、Ｘ方向に２個１組の存在となる。また、コイルＺ１＋及びＺ１−、並びに、Ｚ２＋及びＺ２−は、それぞれ、Ｚ方向に２個１組の存在となる。また、上段側及び下段側の各４個のコイルは、周方向の位相９０度ごとに配置されている。 When such a substrate-type sensor 10 is rolled into a cylindrical shape, it becomes as shown in (b), and the coils X1 + and X1-, and X2 + and X2- each exist in pairs in the X direction. . In addition, the coils Z1 + and Z1-, and Z2 + and Z2- each form a set of two in the Z direction. In addition, each of the four coils on the upper side and the lower side is arranged every 90 degrees in the circumferential direction.

図５は、丸めた状態のフレキシブルプリント基板２を支持し、かつ、その円筒形状を維持すべく、円筒状の支持部１１（基板形センサ１０の一部材）の内周面上に取り付ける状態を示す斜視図である。内周面にフレキシブルプリント基板２を固定するには、例えば、耐熱樹脂接着剤を使用することができる。支持部１１は、樹脂製であってもよいが、ここでは金属製とする。金属製の場合、機械的強度を容易に確保することができるので、樹脂製に比べて薄肉の支持部とすることができる。このことは、コンパクト化に寄与する。なお、支持部が金属製であっても、高周波信号（１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ）でＬＣ回路を駆動することにより、変位検出に影響がないことが確認された。 FIG. 5 shows a state in which the flexible printed circuit board 2 in a rolled state is supported and attached to the inner peripheral surface of the cylindrical support portion 11 (one member of the substrate type sensor 10) in order to maintain the cylindrical shape. It is a perspective view shown. In order to fix the flexible printed circuit board 2 to the inner peripheral surface, for example, a heat-resistant resin adhesive can be used. The support portion 11 may be made of resin, but here it is made of metal. In the case of being made of metal, the mechanical strength can be easily ensured, so that the support portion can be made thinner than that of resin. This contributes to downsizing. Even when the support portion is made of metal, it was confirmed that the displacement detection is not affected by driving the LC circuit with a high-frequency signal (100 kHz to 500 kHz).

支持部１１の内周面に固定されたフレキシブルプリント基板２の内側には、径方向の微小な隙間を確保して、検出対象物としての回転体１２が挿入される。この回転体１２とは例えば自動車の車軸である。その場合、支持部１１は転がり軸受装置の固定輪に取り付けられ、可動輪に回転体（車軸）１２が取り付けられている。そして、上記の隙間は、転がり軸受装置によって維持される。 On the inner side of the flexible printed circuit board 2 fixed to the inner peripheral surface of the support portion 11, a rotating body 12 as a detection target is inserted with a small radial gap. The rotating body 12 is, for example, an automobile axle. In that case, the support portion 11 is attached to a fixed wheel of the rolling bearing device, and a rotating body (axle) 12 is attached to the movable wheel. And said clearance gap is maintained by the rolling bearing apparatus.

図６の（ａ）は、支持部１１の図示を省略して、フレキシブルプリント基板２の内側に回転体１２が挿通されている状態を示している。（ｂ）は、これを回転体１２の軸方向から見た図である。フレキシブルプリント基板２と回転体１２の表面との間には径方向へのギャップ（例えば３ｍｍ程度）があり、このギャップの変化によって、前述のインダクタンスＬ，キャパシタンスＣが変化する。従って、車輪に荷重が作用した際に発生する車軸の径方向の変位を、前述の出力の変化として検出することができる。 FIG. 6A shows a state where the support 11 is omitted and the rotating body 12 is inserted inside the flexible printed circuit board 2. (B) is the figure which looked at this from the axial direction of the rotary body 12. FIG. There is a radial gap (for example, about 3 mm) between the flexible printed circuit board 2 and the surface of the rotating body 12, and the above-described inductance L and capacitance C change due to the change in the gap. Accordingly, the radial displacement of the axle that occurs when a load is applied to the wheel can be detected as the change in output described above.

図７は、変位センサ装置２０の回路構成の一例を示す回路図である。変位センサ装置２０は、基板形センサ１０に搭載されたコイル３の他、信号処理回路１７を備えている。各コイルは前述のように等価的にはＬＣ回路であり、発振回路１３から抵抗１４を介して所定の発振周波数ｆ０の交流信号が供給される。ＬＣ回路の出力はインピーダンス変換を行うバッファ回路（電圧フォロワ回路）１５を経て、差動増幅回路１６に入力される。 FIG. 7 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of the displacement sensor device 20. The displacement sensor device 20 includes a signal processing circuit 17 in addition to the coil 3 mounted on the substrate type sensor 10. Each coil is equivalently an LC circuit as described above, and an AC signal having a predetermined oscillation frequency f0 is supplied from the oscillation circuit 13 via the resistor 14. The output of the LC circuit is input to the differential amplifier circuit 16 through a buffer circuit (voltage follower circuit) 15 that performs impedance conversion.

差動増幅回路１６は、対を成す２つのＬＣ回路からの信号電圧の差をとることで信号の線形化を行い、かつ、増幅を行う。線形化によって、回転体１２の径方向への変位を正確に検出することができる。すなわち、軸方向に直交する方向にコイルを２個１組で設け、出力の差をとることで、回転体１２の径方向への変位を正確に検出することができる。差動増幅後の信号は、Ｘ方向の２出力（Ｘ１，Ｘ２）と、Ｚ方向の２出力（Ｚ１，Ｚ２）として出力される。これらの４出力に基づいて、ＥＣＵ（図示せず。）は車輪に作用する荷重を求める。また、同じ方向の２出力に基づいて、モーメント荷重を求めることができる。
なお、信号処理回路１７は、基板形センサ１０とは別に設けられるが、フレキシブルプリント基板２の空きスペースに実装することも可能である。 The differential amplifier circuit 16 linearizes and amplifies the signal by taking the difference between the signal voltages from the two LC circuits forming a pair. By the linearization, the displacement of the rotating body 12 in the radial direction can be accurately detected. That is, it is possible to accurately detect the displacement of the rotating body 12 in the radial direction by providing a pair of two coils in a direction orthogonal to the axial direction and taking a difference in output. The signals after differential amplification are output as two outputs (X1, X2) in the X direction and two outputs (Z1, Z2) in the Z direction. Based on these four outputs, the ECU (not shown) calculates the load acting on the wheels. Further, the moment load can be obtained based on the two outputs in the same direction.
The signal processing circuit 17 is provided separately from the board-type sensor 10, but can be mounted in an empty space of the flexible printed board 2.

以上のように、第１実施形態に係る変位センサ装置２０によれば、コイル３のインダクタンスを、フレキシブルプリント基板２上に形成された渦巻のターン数によって確保することができるので、コイルの厚さ寸法の増大を抑制することができる。
また、フレキシブルプリント基板２は変形容易であり、回転体１２の表面に自在に近接させることができる。近接によって、コイル３の導電部と回転体１２との間にキャパシタンスが現れるので、別途、回路部品としてのコンデンサを用意することなく、ＬＣ回路を構成することができる。
また、１つの基板に必要数のコイル３を設けることができ、それによって、僅か１枚のフレキシブルプリント基板２に必要な機能を集約することができる。 As described above, according to the engagement ging position sensor device 20 in the first embodiment, the inductance of the coil 3, it is possible to secure the number of turns of the spiral formed on the flexible printed circuit board 2, the coil An increase in the thickness dimension can be suppressed.
Moreover, the flexible printed circuit board 2 is easily deformable and can be freely brought close to the surface of the rotating body 12. Since the capacitance appears between the conductive portion of the coil 3 and the rotating body 12 due to the proximity, the LC circuit can be configured without separately preparing a capacitor as a circuit component.
In addition, a necessary number of coils 3 can be provided on one substrate, whereby the necessary functions can be integrated into only one flexible printed circuit board 2.

次に、第２実施形態に係る変位センサ装置について説明する。
図８の（ａ）は、当該変位センサ装置に用いられる基板形センサ１０の展開図である。図４との違いは、Ｙ方向（軸方向）の変位検出用のコイルが追加された点である。すなわち、展開された状態を示す（ａ）において、第１実施形態と同様の径方向変位検出用となる８個のコイル３に対して上下方向（Ｙ方向）の外側の２箇所にはそれぞれ、左右の一端から他端へ複数条（この図では４条）の導電ラインＹ＋，Ｙ−（総称符号７）が形成されている。これらの導電ラインＹ＋，Ｙ−はフレキシブルプリント基板２の長手方向に完全に平行ではなく、左端と右端とで１条分ずれるように斜めになっている。従って、（ｂ）に示すように丸めると、拡大図部分に示すように、１条ずれて突き合わせた形となる。この状態で各導電ラインＹ＋，Ｙ−の端部同士を互いに接続すると、螺旋を描くように周方向に巻回される上下一対の軸方向変位検出用のコイル７が出来上がる。 Next, a displacement sensor device according to the second embodiment will be described.
FIG. 8A is a development view of the substrate-type sensor 10 used in the displacement sensor device. The difference from FIG. 4 is that a coil for detecting displacement in the Y direction (axial direction) is added. That is, in (a) showing the deployed state, the two outer portions in the vertical direction (Y direction) with respect to the eight coils 3 for radial displacement detection similar to those in the first embodiment are respectively provided. A plurality of (four in this figure) conductive lines Y +, Y- (general symbol 7) are formed from one end to the other on the left and right. These conductive lines Y + and Y− are not completely parallel to the longitudinal direction of the flexible printed circuit board 2 and are inclined so as to be shifted by one line between the left end and the right end. Therefore, when it is rounded as shown in (b), as shown in the enlarged view part, it becomes a shape that is shifted by one line and butted. When the ends of the conductive lines Y + and Y− are connected to each other in this state, a pair of upper and lower axial displacement detection coils 7 wound in the circumferential direction so as to draw a spiral are completed.

上記のような第２実施形態の変位センサ装置における基板形センサ１０は、第１実施形態と同様に、円筒状の支持部１１（図５参照。）に取り付けることができる。支持部１１の内周面に固定された基板形センサ１０の内側には、径方向の微小な隙間を確保して、検出対象物としての回転体が挿入される。 The substrate type sensor 10 in the displacement sensor device of the second embodiment as described above can be attached to the cylindrical support portion 11 (see FIG. 5), as in the first embodiment. On the inner side of the substrate-type sensor 10 fixed to the inner peripheral surface of the support portion 11, a rotating body as a detection target is inserted with a minute radial gap.

図９は、このような基板形センサ１０を用いてＹ方向の変位検出を行う構成を示す斜視図である。この場合、回転体１２にはＹ方向の変化をつけるターゲットが必要であり、例えば図示のような段差によって、ターゲットとすることができる。一対のコイル７はそれぞれ、上下の段差部の周りに配置される。これにより、回転体１２のＹ方向の変位は、コイル７に関与するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣに影響を与えるので、同様に、ＬＣ回路の出力の変化として検出することができる。 FIG. 9 is a perspective view showing a configuration for detecting displacement in the Y direction using such a substrate-type sensor 10. In this case, the rotating body 12 needs a target for changing in the Y direction. For example, the rotating body 12 can be a target by a step as shown in the figure. Each of the pair of coils 7 is disposed around the upper and lower stepped portions. Thereby, since the displacement of the rotating body 12 in the Y direction affects the inductance L and the capacitance C involved in the coil 7, it can be similarly detected as a change in the output of the LC circuit.

図１０は、第２実施形態に係る変位センサ装置２０の回路構成の一例を示す回路図である。この回路では、図７の回路構成に加えて、Ｙ方向の変位検出を行うために、信号処理回路１７にバッファ回路１５及び差動増幅回路１６が追加されている。これにより、Ｙ方向の出力Ｙが得られる。 FIG. 10 is a circuit diagram illustrating an example of a circuit configuration of the displacement sensor device 20 according to the second embodiment. In this circuit, in addition to the circuit configuration of FIG. 7, a buffer circuit 15 and a differential amplifier circuit 16 are added to the signal processing circuit 17 in order to detect displacement in the Y direction. Thereby, an output Y in the Y direction is obtained.

以上のように、第２実施形態に係る変位センサ装置２０によれば、第１実施形態と同様の作用効果の他、Ｙ方向の変位検出を行うことができる。また、そのためのコイル７は、丸められたフレキシブルプリント基板２上の周方向への巻回によってターン数を確保することができる。
また、１つの基板に必要数の径方向変位検出用のコイル３及び軸方向の変位検出用のコイル７を設けることができ、それによって、僅か１枚のフレキシブルプリント基板２に必要な機能を集約することができる。 As described above, according to the engagement ging position sensor device 20 in the second embodiment, other similar effects as the first embodiment, it is possible to perform the Y-direction displacement detector. Moreover, the coil 7 for that purpose can secure the number of turns by winding in the circumferential direction on the rounded flexible printed circuit board 2.
In addition, the required number of radial displacement detection coils 3 and axial displacement detection coils 7 can be provided on a single substrate, thereby consolidating the necessary functions on only one flexible printed circuit board 2. can do.

なお、上記各実施形態の変位センサ装置おける基板形センサ１０は、円筒状の支持部１１に取り付けられるものとしたが、円筒に限らず、多角形状の角筒（例えばボックス状の４角筒）である支持部に取り付けることも可能である。
また、上記各実施形態の変位センサ装置おける基板形センサ１０は、円筒状の支持部１１の内周面に取り付けられるものとしたが、内周面に限らず、回転体が外周側にある場合には、支持部の外周面に取り付けることも可能である。 In addition, although the board | substrate type sensor 10 in the displacement sensor apparatus of each said embodiment shall be attached to the cylindrical support part 11, it is not restricted to a cylinder, A polygonal square tube (For example, a box-shaped square tube) It is also possible to attach to the support part.
Moreover, although the board | substrate type sensor 10 in the displacement sensor apparatus of each said embodiment shall be attached to the internal peripheral surface of the cylindrical support part 11, when not only an internal peripheral surface but a rotary body exists in an outer peripheral side. It is also possible to attach to the outer peripheral surface of the support part.

上記各実施形態の変位センサ装置おける基板形センサ１０又は変位センサ装置２０は、例えば、自動車の車輪を回転自在に支持する転がり軸受装置に搭載することができる。
図１１は、転がり軸受装置の一種であるハブユニットの断面図である。このハブユニット１００は車両に取り付けられるものであり、取り付けた状態では、図１１における右側が車両のアウター側（車両の外側）であり、左側が車両のインナー側（車両の内側）である。図１１において、ハブユニット１００の中心軸Ｃに沿った方向をＹ方向とし、これに直交する紙面に垂直な方向をＸ方向とし、Ｙ方向及びＸ方向の双方に直交する鉛直方向をＺ方向とする。従って、このハブユニット１００が自動車に取り付けられた状態においてＸ方向は車輪の前後水平方向となり、Ｙ方向は車輪の左右水平方向（軸方向）となり、Ｚ方向は上下方向となる。 The substrate type sensor 10 or the displacement sensor device 20 in the displacement sensor device of each of the above embodiments can be mounted on, for example, a rolling bearing device that rotatably supports a wheel of an automobile.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a hub unit which is a kind of rolling bearing device. The hub unit 100 is attached to a vehicle, and in the attached state, the right side in FIG. 11 is the outer side of the vehicle (the outside of the vehicle), and the left side is the inner side of the vehicle (the inside of the vehicle). In FIG. 11, the direction along the central axis C of the hub unit 100 is defined as the Y direction, the direction perpendicular to the paper surface orthogonal thereto is defined as the X direction, and the vertical direction perpendicular to both the Y direction and the X direction is defined as the Z direction. To do. Therefore, in a state where the hub unit 100 is attached to the automobile, the X direction is the front-rear horizontal direction of the wheel, the Y direction is the left-right horizontal direction (axial direction) of the wheel, and the Z direction is the vertical direction.

このハブユニット１００は、主たる構造部分として、外輪１０１、内軸１０２、内輪部材１０３、ナット１０４、及び、転動体１０５を備えている。外輪１０１は、筒状部１０１ａと、この筒状部１０１ａの一部の外周面から径方向外方へ伸びたフランジ部１０１ｂとを有している。このフランジ部１０１ｂは、車体側の固定部材（図示せず。）に固定され、これによってハブユニット１００が車体に固定される。内軸１０２は、外輪１０１内に挿通される主軸部１０２ａと、車両アウター側にあって径方向外方へ延びるフランジ部１０２ｂとを有している。このフランジ部１０２ｂが、車輪のホイールやブレーキディスクの取付部となる。なお、主軸部１０２ａは、前述の回転体１２（図５，図９）に相当する部分である。 The hub unit 100 includes an outer ring 101, an inner shaft 102, an inner ring member 103, a nut 104, and a rolling element 105 as main structural parts. The outer ring 101 has a cylindrical portion 101a and a flange portion 101b extending radially outward from a part of the outer peripheral surface of the cylindrical portion 101a. The flange portion 101b is fixed to a fixing member (not shown) on the vehicle body side, whereby the hub unit 100 is fixed to the vehicle body. The inner shaft 102 has a main shaft portion 102a that is inserted into the outer ring 101, and a flange portion 102b that extends on the outer side of the vehicle and extends radially outward. The flange portion 102b serves as a mounting portion for a wheel or a brake disk of the wheel. The main shaft portion 102a is a portion corresponding to the above-described rotating body 12 (FIGS. 5 and 9).

内軸１０２の車両インナー側には、筒状の内輪部材１０３が外嵌され、さらに、内軸１０２の端部に形成された雄ねじ部１０２ｄにナット１０４が螺着されることにより、内輪部材１０３が内軸１０２に固定されている。転動体１０５は、周方向に複数個配置された玉からなる複列の構成となっている。各列の玉は保持器（図示せず。）によって周方向に所定間隔で保持されている。
このハブユニット１００において、外輪１０１は、車体側の固定部材に固定される固定軌道輪である。また、内軸１０２と内輪部材１０３とは、外輪１０１に転動体１０５を介して回転自在に支持された回転軌道輪である。外輪１０１、内軸１０２及び内輪部材１０３は、互いに同軸（中心軸Ｃ）に配置されている。 A cylindrical inner ring member 103 is fitted on the inner side of the inner shaft 102 on the vehicle inner side, and a nut 104 is screwed onto a male screw portion 102d formed on the end of the inner shaft 102, whereby the inner ring member 103 is fitted. Is fixed to the inner shaft 102. The rolling element 105 has a double-row configuration including a plurality of balls arranged in the circumferential direction. The balls in each row are held at predetermined intervals in the circumferential direction by a cage (not shown).
In the hub unit 100, the outer ring 101 is a fixed race that is fixed to a fixing member on the vehicle body side. Further, the inner shaft 102 and the inner ring member 103 are rotating raceways that are rotatably supported by the outer ring 101 via rolling elements 105. The outer ring 101, the inner shaft 102, and the inner ring member 103 are arranged coaxially (center axis C).

このように構成されたハブユニット１００において、図５の基板形センサ１０又は図９の基板形センサ１０を、支持部１１（図５）と共に、外輪１０１の内周面上に取り付けることにより、内軸１０２の変位を検出することができる。
この場合、基板形センサ１０等を搭載しつつも、コンパクトなハブユニット１００を提供することができる。すなわち、従来は搭載不可能であった転がり軸受装置の内外輪間のような狭い場所にも、基板形センサを搭載することができるようになる。 In the hub unit 100 configured as described above, the substrate type sensor 10 of FIG. 5 or the substrate type sensor 10 of FIG. 9 is attached to the inner peripheral surface of the outer ring 101 together with the support portion 11 (FIG. 5), thereby The displacement of the shaft 102 can be detected.
In this case, it is possible to provide a compact hub unit 100 while mounting the substrate type sensor 10 or the like. That is, the substrate type sensor can be mounted in a narrow place between the inner and outer rings of the rolling bearing device, which could not be mounted conventionally.

なお、本発明の変位センサ装置は、転がり軸受装置に限らず種々の装置の変位検出に用いることができる。また、ターゲットを周期的に検出すれば、変位検出に基づいて速度検出や回転数検出も行うことができる。
また、本発明の変位センサ装置における検出対象物は回転体に限られるものではなく、軸動型の機器や、往復動の機器等、種々の機器における変位検出を行うことができる。 Note that displacement of the sensor device of the present invention can be used for displacement detection of the various devices is not limited to the rolling bearing device. If the target is detected periodically, speed detection and rotation speed detection can be performed based on the displacement detection.
The detection object in displacement of the sensor device of the present invention is not limited to the rotating body can be performed with an axial driving type devices, equipment, etc. of reciprocating, the displacement detection in various devices.

本発明の変位センサ装置に用いられる基板形センサの基本的要素となる平面コイルの原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the plane coil used as the fundamental element of the board | substrate type sensor used for the displacement sensor apparatus of this invention. ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the frequency characteristic of LC circuit. コイルの巻き方の他の例（実用的な例）を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other example (practical example) of how to wind a coil. 第１実施形態に係る変位センサ装置に用いられる基板形センサの展開図及び円筒状に丸めた状態の斜視図である。It is the expanded view of the board | substrate type sensor used for the displacement sensor apparatus which concerns on 1st Embodiment, and the perspective view of the state rounded to the cylindrical shape. 丸めた状態のフレキシブルプリント基板を、円筒状の支持部の内周面上に取り付ける状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which attaches the flexible printed circuit board of the rolled state on the internal peripheral surface of a cylindrical support part. （ａ）は、支持部の図示を省略して、フレキシブルプリント基板の内側に回転体が挿通されている状態を示し、（ｂ）は、これを回転体の軸方向から見た図である。(A) abbreviate | omits illustration of a support part and shows the state by which the rotary body is penetrated inside the flexible printed circuit board, (b) is the figure which looked at this from the axial direction of the rotary body. 第１実施形態に係る変位センサ装置の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of the displacement sensor apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第２実施形態に係る変位センサ装置に用いられる基板形センサの展開図及び円筒状に丸めた状態の斜視図である。It is the expanded view of the board | substrate type sensor used for the displacement sensor apparatus which concerns on 2nd Embodiment, and the perspective view of the state rounded to the cylindrical shape. 図８の基板形センサを用いてＹ方向の変位検出を行う構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure which detects the displacement of a Y direction using the board | substrate type sensor of FIG. 第２実施形態に係る変位センサ装置の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of the displacement sensor apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 転がり軸受装置の一種であるハブユニットの断面図である。It is sectional drawing of the hub unit which is a kind of rolling bearing apparatus.

Explanation of symbols

２フレキシブルプリント基板
３コイル
７コイル
１０基板形センサ
１１支持部
１２回転体（検出対象物）
１７信号処理回路
２０変位センサ装置
１００ハブユニット（転がり軸受装置） 2 Flexible Printed Circuit Board 3 Coil 7 Coil 10 Substrate Sensor 11 Supporting Unit 12 Rotating Body (Detection Object)
17 Signal Processing Circuit 20 Displacement Sensor Device 100 Hub Unit (Rolling Bearing Device)

Claims

A displacement sensor device for detecting a displacement of a metal detection object in a non-contact manner,
A flexible printed circuit board having a predetermined three-dimensional shape as a whole;
A support part for supporting the flexible printed circuit board and maintaining the three-dimensional shape;
A coil is formed by forming a conductive portion in a spiral shape at a plurality of locations on the flexible printed circuit board, and the spiral surface faces the detection object;
A signal processing circuit for extracting an output signal when an LC circuit constituted by an inductance of the coil and a capacitance appearing between the coil and the detection object is driven by an AC signal ;
The displacement sensor device, wherein the support portion is made of metal .

The detection object is a rotating body,
The displacement sensor device according to claim 1, wherein the coils are provided in pairs in a direction perpendicular to the axial direction of the rotating body.

The said support part is cylindrical, The said flexible printed circuit board which is planar when it is unfolded in the one surface of the cylindrical surface is closely_contact | adhered in the state rolled round cylindrically. Displacement sensor device.

A displacement sensor device that detects displacement in a radial direction and an axial direction of a metal rotating body in a non-contact manner,
A cylindrical support,
A cylindrical flexible printed circuit board that is in close contact with the cylindrical surface of the support;
On the flexible printed circuit board, two sets are provided in a direction perpendicular to the axial direction of the rotating body, each of which is formed by forming a conductive portion in a spiral shape, and the spiral surface faces the detection object. A coil for detecting radial displacement,
On the flexible printed circuit board, a pair of axial displacement detection coils wound in the circumferential direction so as to draw a spiral,
A signal processing circuit for extracting an output signal when an LC circuit constituted by an inductance of each coil and a capacitance appearing between each coil and the rotating body is driven by an AC signal;
A displacement sensor device comprising:

The flexible printed circuit board is flat when deployed, and is in close contact with one surface of the cylindrical surface of the support in a rolled state, and
A plurality of conductive lines are formed from one end to the other end at two locations on the flexible printed circuit board in the unfolded state. In a rolled state, the plurality of conductive lines and the other end are formed at one end. 5. The displacement sensor device according to claim 4, wherein the coil for detecting axial displacement is formed by connecting the plurality of conductive lines to each other while being shifted by one line .

A rolling bearing device comprising the displacement sensor device according to claim 1 or 4 for supporting a rotating body rotatably and detecting a displacement of the rotating body in a non-contact manner .