JP2008175383A - センサ付き転動装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの取付位置に制約がなく耐久性がありかつ転動装置における温度異常や振動や破損の検知性を向上できるセンサ付き転動装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】この温度センサ付き軸受２０は、外輪２２と内輪２１との間に複数の転動体２４が配設され、温度センサ１０を備え、温度センサは、耐熱性樹脂からなるフィルム状の基板と、基板に形成された膜状の温度センサ部と、温度センサ部を覆うように設けられた耐熱性樹脂からなるフィルム状のカバーと、温度センサ部の一部がカバーの表面に露出する配線取付部と、を有し、基板またはカバーが軸受部分２７に接するように取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受、または、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリング等の直動装置等のセンサ付き転動装置及びその製造方法に関する。

従来、回転部品を支持する一般的な軸受装置は、一度組み込まれると定期的な検査がないため、温度異常に起因する不具合が発生したときに始めて内部を検査することが多かった。また、鉄道車両や風車等に用いられる軸受の場合は、一定期間使用した後に、軸受装置やその他の部分について分解し検査が行われる。したがって、温度異常に起因する不具合を事前に予測することが難しかった。上記温度異常の検知ため、下記特許文献１ではチップ型の積層サーミスタを用いた温度センサを軸受に付与している。
特開２００２−１３０２６３号公報

しかしながら、上述したように、従来の方法であると温度異常に起因する不具合が生じるまで異常を検知することが難しく、また、特許文献１のように、積層サーミスタを温度センサに用いると、複雑な形状に加工することが困難であり、取付位置が限定され、また、サーミスタ本体はセラミックからなるため強い衝撃に対して割れが発生するおそれがあり、更には、製造工程が多くなり、コストがかかり一般用の軸受まで応用することが難しかった。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、センサの取付位置に制約がなく耐久性がありかつ転動装置における温度異常や振動や破損の検知性を向上できるセンサ付き転動装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるセンサ付き転動装置は、センサを備える転動装置であって、前記センサは、耐熱性樹脂からなるフィルム状の基板と、前記基板に形成された膜状のセンサ部と、前記センサ部を覆うように設けられた耐熱性樹脂からなるフィルム状のカバーと、前記センサ部の一部が前記カバーの表面に露出する配線取付部と、を有し、前記転動装置の一部に接するように取り付けられたことを特徴とする。

このセンサ付き転動装置によれば、センサは、フィルム状の基板に形成した膜状のセンサ部とフィルム状のカバーの表面に露出する配線取付部とから構成され、従来のチップ型積層サーミスタよりも薄く可撓性があり、かつ、小型に構成可能であるので、センサの取付位置に制約がなくなる。従って、センサを転動装置のいかなる部分にも組み込み可能であるため、温度や振動や破損（変形）等の検知のレスポンスがよく、温度や振動や破損（変形）等の検知性が向上したセンサ付き転動装置を実現できる。また、膜状のセンサ部をカバーで覆うので、センサの劣化のおそれが少なく、また、センサ全体が可撓性のある構造なので、割れのおそれもない。このため、耐久性のあるセンサ付き転動装置を実現できる。

上記センサ付き転動装置において前記センサは温度センサまたはひずみゲージであることで、温度センサとして温度異常を検知でき、ひずみゲージとして振動や破損を検知できる。

また、前記センサは温度センサ及びひずみゲージの両方の機能を有するように構成できる。例えば、同一センサからの出力変動において、比較的短い周期のセンサ出力変動を振動として検出し、それ以上の長い周期のセンサ出力変動を温度変動として検出できる。

なお、センサをひずみゲージとして用いる場合、前記センサを少なくとも２つ設け、一方をひずみゲージとし、他方を前記ひずみゲージの温度補償に用いることで、環境温度変動の影響を抑えた検知が可能となる。

また、前記センサ部は箔状の金属からなることが好ましい。これにより、箔状の金属の抵抗値変化を検出することで温度や振動等を検出することができる。

また、前記基板及び前記カバーはポリイミド樹脂からなることが好ましく、耐熱性を充分に得ることができる。

また、前記転動装置は、転がり軸受、または、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリングなどの直動装置であることが好ましい。

本発明によるセンサ付き軸受は、上述のセンサ付き転動装置が外輪と内輪との間に転動体が配設された転がり軸受であり、前記センサが軸受部分に接するように取り付けられたことを特徴とする。これにより、転がり軸受の温度異常、軸受の剥離、摩耗、潤滑剤劣化等に伴う異常振動の検出が可能となる。

上記センサ付き軸受において前記センサは、固定側の軌道輪の転走面に形成した凹部に取り付けられることが好ましい。また、前記センサは、固定側の軌道輪の転走面近傍に取り付けられることが好ましい。

また、固定側の軌道輪に取り付けられたシールを備え、前記シールに前記温度センサが取り付けられるようにしてもよい。この場合、前記シールが芯金部と弾性部とを備え、前記芯金部に前記温度センサが取り付けられてもよい。

また、前記配線取付部に電気接続された配線を通して外部に導出する配線導出部を固定側の軌道輪に備えることが好ましい。この配線導出部としては、例えば、固定側の軌道輪の内面から側面に形成した貫通孔、固定側の軌道輪に形成した貫通孔、固定側の軌道輪外面に形成した溝、固定側の軌道輪内面に形成した溝、シールに形成した貫通孔、シールに形成した溝等であってよい。

本発明によるもう１つのセンサ付き転動装置は、多数の転動体が循環路を通して転動しながら直動部材を案内する転動装置であって、前記循環路の近傍にひずみゲージを取り付けたことを特徴とする。

このセンサ付き転動装置によれば、多数の転動体が転動する循環路の近傍で微小変形が生じたとき、その微小変形を検知し、破損を事前に検知し破損を免れることができる。なお、ひずみゲージの取り付け位置は、転動体が繰り返し衝突する部分で変形が生じ易いので、かかる衝突部分が好ましい。

本発明によるセンサ付きボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有し、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された複数のボールを介して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ送って前記ボールを循環させるボール戻し路と、前記ボール転動路と前記ボール戻し路との間の前記ボールの移動を案内するボール案内部材と、を備えるボールねじであって、前記ボール案内部材にひずみゲージを取り付けたことを特徴とする。

このセンサ付きボールねじによれば、ボールねじにおける異常振動や破損（変形）等の検出が可能となり、ボール案内部材においてボールの循環によりボールが繰り返して衝突することでボール案内部材が微小変形したとき、その微小変形を検知し、破損を事前に検知し破損を免れることができる。

また、前記ボール案内部材を前記ナットに固定する固定部材を更に備える場合、前記ボール案内部材及び前記固定部材の両方またはいずれか一方にセンサを取り付けることができる。

なお、上記センサ付きボールねじにおいてセンサは、ボール案内部材や固定部材の外面（ボール転動面の反対側）に貼り付けたり、または、凹凸がないように凹状にした部分に埋め込むようにしてもよい。

本発明によるセンサ付き転動装置の製造方法は、上述のセンサ付き転動装置を製造する方法であって、耐熱性樹脂からなるフィルムに多数の膜状のセンサ部を半導体製造プロセスにより形成し、前記フィルムを耐熱性樹脂からなる別のフィルムで覆い、前記別のフィルムにおいて前記各センサ部の一部に対応する部分を半導体製造プロセスにより除去することで前記センサ部の一部が前記カバーの表面に露出する配線取付部を形成し、前記フィルム及び前記別のフィルムを前記センサ部毎にカットし、前記センサを得てから、前記転動装置の一部に取り付けることを特徴とする。

このセンサ付き転動装置の製造方法によれば、フィルム上の多数のセンサ部と、その上を覆う別のフィルムに露出する配線取付部と、を半導体製造プロセスによりそれぞれ形成してから、フィルム及び別のフィルムをセンサ部毎にカットしてセンサを多数得ることができるので、従来のチップ型積層サーミスタよりも薄く可撓性があり、かつ、小型のセンサを容易に量産できる。このため、センサ付き転動装置の製造コストを低減でき、センサ付き転動装置を安価に提供できる。

なお、上記センサ付き転動装置の製造方法において、前記配線取付部を形成してから、前記配線取付部に電気配線を取り付け、その後、上記カットを行うことが好ましい。また、別のフィルムは接着性であることが好ましい。

本発明によるもう１つのセンサ付き転動装置の製造方法は、上述のセンサ付き転動装置を製造する方法であって、前記転動装置の一部に前記フィルム状の基板を直接形成し、前記基板に膜状のセンサ部を形成することを特徴とする。

このセンサ付き転動装置の製造方法によれば、転動装置の一部にフィルム状基板を直接形成することで、接着剤で貼り付ける場合と比べて、接着剤層がないので、温度やひずみの検出感度が向上する。また、接着剤層がないので、センサが剥がれ難く、センサの信頼性が向上し、更なる小型化が可能となる。

本発明のセンサ付き転動装置によれば、センサの取付位置に制約がなく耐久性がありかつ転動装置における温度異常や振動や破損の検知性を向上できる。

また、本発明のセンサ付き転動装置の製造方法によれば、小型のセンサを容易に量産できるため、センサ付き転動装置の製造コストを低減でき、センサ付き転動装置を安価に提供できる。また、転動装置の一部にフィルム状基板を直接形成することで、接着剤層がないので、温度やひずみの検出感度が向上し、また、センサが剥がれ難く、センサの信頼性が向上し、更なる小型化が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

〈第１の実施の形態〉

図１は第１の実施の形態の温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。

図１に示すように、温度センサ付き軸受２０は、外周面に転走面２１ａを有する内輪２１と、内周面に転走面２２ａを有する外輪２２と、外輪２２と内輪２１との間に配置された転動体である複数の玉２４と、複数の玉２４を均等位置に保持するための保持器２３と、軸受温度を検知するための温度センサ１０と、を備える。

軸受２０は、内輪回転の場合のシールの付いた転がり軸受であり、両側にシール３０，３３を備える。シール３０は、外周に鈎部を有するリング状の芯金３１と、その外側に合成ゴムを一体に加硫成形してなる弾性体３２と、から構成され、その機能上から、芯金３１の鈎部以外とその外側の弾性体３２とからなる円環状の主部３４と、芯金３１の鈎部とその外側の弾性体とからなり外輪２２内周面の止め溝２５に係止される加締部３５と、芯金３１の内周側の弾性体からなり内輪５の外周面の受け溝２６に接触されるリップ部３６と、に分けられる。

シール３０は、リップ部３６を内輪２１の外周面の受け溝２６に接触させた状態で、加締部３５を弾性変形させながら外輪２２の内周面の止め溝２５に押し込むことによって、軸受２０の外輪２２と内輪２１との間に配設される。シール３３もシール３０と同じ構造であり、同様に外輪２２と内輪２１との間に配設される。このようなシール３０，３３の一般的な材料は、芯金としてはＳＰＣＣやＳＥＣＣなどの鋼板が使用され、リップ等を形成する弾性体としてはニトリルゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の合成ゴムが使用される。なお、シール３０，３３は、図１のような接触ゴムシールに限らず、非接触ゴムシール、非接触鋼板などであってもよい。

固定側の外輪２２には、転走面２２ａに温度センサ１０のための凹部２７を設け、外輪２２の内周面の凹部２７から外輪２２の側面へと貫通する貫通孔Ｐを配線導出部として設けている。

温度センサ１０は、固定側の外輪２２の転走面２２ａに設けた凹部２７に取り付けられるとともに、温度センサ１０から延びる一対の電気配線１１が貫通孔Ｐを通して外輪２２の側面から外部へと導出される。なお、温度センサ１０は凹部２７に嵌め込みや耐熱性接着剤で取り付けることができる。

上述の温度センサ１０について図２，図３を参照して説明する。図２は、温度センサのフィルム基板の上に形成した温度センサ部を示す平面図（ａ）及びフィルム基板の上に設けたフィルムカバーを示す平面図（ｂ）である。図３は、図２（ｂ）の配線取付部に電気配線を電気接続した温度センサを図２（ｂ）のIII-III線に沿って切断してみた図である。

図２（ａ）、（ｂ）、図３のように、温度センサ１０は、耐熱性及び可撓性を有するポリイミド樹脂（ＰＩ）からなるフィルム基板１２と、フィルム基板１２上に形成された白金等からなる膜状の温度センサ部１３と、温度センサ部１３が形成されたフィルム基板１２を覆うように配置された同種のポリイミド樹脂からなるフィルムカバー１４と、を備え、全体として平面が矩形状で厚さが薄くかつ可撓性のある構成となっている。

膜状の温度センサ部１３は、図２（ａ）のように、全体の幅ａでかつ幅ｂの帯状部から構成され、幅ｂの帯状部は全体の帯状長さを長く確保するために複数箇所で折り返されている。膜状の温度センサ部１３の図の左右端下側に位置する幅ｂの帯状部の両端に、一対の配線取付部１５，１５が幅ｂよりも広幅に設けられている。

フィルム基板１２を覆うフィルムカバー１４には、図２（ａ）の一対の配線取付部１５，１５に対応する位置に、図３のように孔１６が形成されることで、図２（ｂ）のように一対の配線取付部１５，１５がフィルムカバー１４の表面に露出している。一対の配線取付部１５，１５に、一対の電気配線１１が電気接続される。

なお、一対の電気配線１１は温度測定装置に接続され、温度変化により変化する温度センサ部１３の抵抗値に基づいて温度測定が行われる。

上述のように、温度センサ１０は、フィルム基板１２に形成した膜状の温度センサ部１３とフィルムカバー１４の表面に露出する配線取付部１５とから構成されるため、従来のチップ型積層サーミスタよりも薄く可撓性があり、かつ、小型であるので、温度センサ１０の取付位置に制約がなくなる。従って、温度センサ１０を軸受のいかなる部分にも組み込み可能であり、図１の温度センサ付き軸受２０では、軸受内部の外輪２２の転走面２２ａに形成した凹部２７に組み込むことで、温度検知のレスポンスが良好となり、温度異常の検知性を向上できる。

また、膜状の温度センサ部１３をフィルムカバー１４で覆うので、温度センサ１０の劣化のおそれが少なく、また、温度センサ１０全体が可撓性のある構造なので、割れのおそれもない。このため、耐久性のある温度センサ付き軸受を実現できる。

次に、図１の温度センサの配置位置を変えた温度センサ付き軸受二例について図４，図５を参照して説明する。図４は図１の温度センサの配置位置を変えた温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。図５は図１の温度センサの配置位置を更に変えた温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。

図４，図５に示す温度センサ付き軸受２０Ａ，２０Ｂは図１の温度センサ付き軸受２０と基本構成が同一であるので、同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、温度センサ付き軸受２０Ａは、温度センサ１０を固定側の外輪２２の内周面２２ｂであって転走面２２ａの近傍に取り付けたものである。外輪２２の内周面２２ｂから外輪２２の側面へと貫通する貫通孔Ｓを配線導出部として設けている。

温度センサ１０は、外輪２２の転走面２２ａの近傍に取り付けられるとともに、温度センサ１０から延びる一対の電気配線１１が貫通孔Ｓを通して外輪２２の側面から外部へと導出される。

図４の温度センサ付き軸受２０Ａによれば、図１の温度センサ付き軸受２０と同様の作用効果を奏し、温度検知のレスポンスが良好となり、温度異常の検知性を向上でき、また、耐久性のある温度センサ付き軸受を実現できる。

図５に示す温度センサ付き軸受２０Ｂは、温度センサ１０をシール３３の芯金３１の内面３１ａに取り付けたものである。シール３３には、芯金３１と弾性体３２を貫通する貫通孔Ｔを配線導出部として設けている。

温度センサ１０は、シール３３の芯金３１の内面３１ａに取り付けられるとともに、温度センサ１０から延びる一対の電気配線１１がシール３３の貫通孔Ｓを通してシール３３の主部３４へと導出される。

図５の温度センサ付き軸受２０Ｂによれば、図１の温度センサ付き軸受２０と同様の作用効果を奏し、温度検知のレスポンスが良好となり、温度異常の検知性を向上でき、また、耐久性のある温度センサ付き軸受を実現できる。

次に、図１，図４の配線導出部の位置を変えた変形例について図６を参照して説明する。図６は、図１，図４の配線導出部の位置を変えた変形例を説明するための要部断面図である。

図６に示す配線導出部としての貫通孔Ｒは、図１の外輪２２の転走面２２ａに形成された凹部２７から図の上方に延びて外輪２２の外周面２２ｃへと貫通するものである。図１のように凹部２７に温度センサ１０を取り付けた場合、一対の電気配線１１を貫通孔Ｒを通して外輪２２の外周面２２ｃへと導出できる。

また、図６のように、貫通孔Ｒに連結するように配線導出部として溝Ｑを外輪２２の外周面２２ｃに外輪２２の側面まで延びるように形成してもよい。貫通孔Ｒから導出された電気配線１１を溝Ｑを通して外輪２２の側面へと導出できる。

また、図６の配線導出部としての貫通孔Ｕは、図１の外輪２２の転走面２２ａの近傍の内周面２２ｂから図の上方に延びて外輪２２の外周面２２ｃへと貫通するものである。図４のように外輪２２の転走面２２ａの近傍の内周面２２ｂに温度センサ１０を取り付けた場合、一対の電気配線１１を貫通孔Ｕを通して外輪２２の外周面２２ｃへと導出できる。

以上のように、図１〜図５の温度センサ付き軸受２０，２０Ａ，２０Ｂによれば、温度センサ１０が薄く小型で可撓性を有し、温度センサ１０の取り付け位置が限定されないので、軸受のいかなる部分にも組み込むことが可能であり、所望の軸受内部位置に取り付けることができる。このため、温度検知のレスポンスが速く、軸受において温度異常に起因する不具合が生じることを事前に予測できる予測可能性が向上する。

また、温度センサは、割れが生じなく劣化が少なくて耐久性に優れるため、温度センサ自体の寿命が長くなり、更に、半導体製造工程を利用することにより一括形成でき容易に量産可能であり、小形で量産性に優れて製造コストを低減できるため、温度センサ付き軸受を低コストで提供可能となる。

なお、上述の温度センサ付き軸受は、各種用途の転がり軸受に適用可能であるが、特に、自動車の電装部品、エンジン補機であるオルタネータや中間プーリ、カーエアコン用電磁クラッチ、水ポンプ、ハプユニット、ガスヒートポンプ用電磁クラッチ、コンプレッサ、リニアガイド装置、ボールねじ等に適用して好ましい。

次に、本発明を実施例１により更に具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。

図２，図３と同様の温度センサを次の半導体製造工程と同様の工程により製造した。図７を参照して説明する。図７は、本実施例において図２，図３の温度センサを製造するための工程（ａ）乃至（ｉ）を説明するための概略図である。

図７（ａ）のように、フィルムＰＩ（東レ・デュポン（株）製カプトン）からなるフィルム基板１２上に厚さ約２μｍのフォトレジスト（東京応化（株）製OFPR800LB）４１をスピンコートにより塗布し、９０℃で２分間プレべーク処理を行った。

図７（ｂ）のように、その後、図２（ａ）のような温度センサ部１３のパターニングを行ったマスク４２を用いて方向ｓから露光（ユニオン光学（株）製EMA-400）した。

次に、図７（ｃ）のように、現像液（東京応化（株）製MND3）を用いて現像し、最後に超純水で６０秒間リンスした。これにより、フォトレジスト４１にマスク４２のパターンに対応したパターンを形成した。

図７（ｄ）のように、その後、スパッタリング法にて厚さ約２５０ｎｍの白金膜４３を形成してから、図７（ｅ）のように、アセトンによりリフトオフ法を用いてフィルム基板１２上の残留フォトレジストを除去した。図７（ｅ）の白金膜４３が図２（ａ）の温度センサ部１３を構成する。

次に、図７（ｆ）のように、接着剤フィルム（デュポン（株）製パイララックス）を用いて同種のＰＩフィルム１４でフィルム基板１２に接着してカバーし、このフィルムカバー１４にフォトレジスト４４をスピンコートし、プレべークした。

次に、図７（ｇ）のように、図３の孔１６に対応したパターニングを行ったマスク４５を用いて方向ｎから露光した。次に、図７（ｈ）のように、現像し、リンスを行うことにより、フォトレジスト４４にマスク４５のパターンに対応したパターンを形成した。

次に、図７（ｉ）のように、ＰＩフィルム１４をエッチング剤（東レエンジニアリング（株）製TPE3000）を用いてエッチングし、その後、アセトンにて残留フォトレジストを除去した。これにより、フィルムカバー１４に図３の孔１６を形成し、図２（ｂ）のように、温度センサ部１３の配線取付部１５がフィルムカバー１４に露出する。

その後、図３のように、配線取付部１５に電気配線１１を取り付けてから、個別の温度センサにカットした。

例えば、図８のように、比較的広めのＰＩフィルムＦに、上述の図７（ａ）〜（ｉ）のような半導体製造工程を経て多数の温度センサ１０を形成してから、縦横の切断線ｍ，ｎに沿ってカットすることで、多数の温度センサ１０を簡単に量産することができ、製造コストを低減できる。

上述のようにして製造された温度センサ１０は、図２（ａ）の温度センサ部１３の全体幅ａ：２００μｍ、帯状部の幅ｂ：３０μｍ、図２（ａ）の温度センサ１０の幅Ｘ：２５０μｍ、長さＹ：２５０μｍ、図３の厚さＺ：７５μｍの寸法であったが、この寸法は一例であり、必要に応じて変えることができる。

上述のようにして製造された温度センサ１０を図１の軸受２０と同様の位置Ａ（凹部２７）に接着で取り付けた。同様に温度センサ１０を図１の破線で示すように軸受２０の外輪２２の外周面２２ｃの位置Ａ’に接着で取り付け、位置Ａ，Ａ’の温度をそれぞれ測定した。

測定条件は以下の通りである。
軸受：日本精工（株）製の６２０３（呼び番号）単列深溝玉軸受
回転数：１０，０００ｒｐｍ
回転時間：１時間

上記のように測定した時間による温度（抵抗値）変化を図９に示す。図９から分かるように、図１の軸受の外輪２２の転走面２２ａに組み込んだ位置Ａの温度センサの方が、従来の軸受の外面の位置Ａ’で測定した場合に比べて非常にレスポンスが速く正確な温度を迅速に得ることができる。

〈第２の実施の形態〉

図１０は第２の実施の形態のひずみゲージ付きボールねじの要部を示す要部断面図である。

図１０に示すように、ひずみゲージ付きボールねじ４０は、螺旋状のねじ溝４１ａを外周面に有するねじ軸４７と、ねじ軸４７のねじ溝４１ａに対向する螺旋状のねじ溝４２ａを内周面に有しねじ軸４７に螺合される円筒状のナット４２と、ねじ軸４７のねじ溝４１ａとナット４８のねじ溝４２ａとで形成される螺旋状のボール転動路５７に転動自在に装填された複数のボール４９と、を備える。ボール４９を介してねじ軸４７に螺合されているナット４８とねじ軸４７とを相対回転運動させると、ボール４９の転動を介してねじ軸４７とナット４８とが軸方向に相対移動する。なお、ねじ溝４１ａ，４２ａの断面形状は、円弧状でもよいしゴシックアーク状でもよい。

また、ナット４８には、軸方向に延びる孔からなるボール戻し路４６が形成されており、ボール戻し路４６の両端がボール転動路５７の始点及び終点の近傍にそれぞれ配されることで、ボール転動路５７とボール戻し路４６とによりボール４９の循環路が形成される。

ボール４９は、ボール転動路５７内を移動しつつねじ軸４７の回りを複数回回ってボール転動路５７の終点に至ると、ボール戻し路４６の一方の端部からボール戻し路４６内に移動し、ボール戻し路４６の中を通ってボール戻し路４６の他方の端部からボール転動路５７の始点に戻される。このように、循環路においてボール転動路５７内を転動するボール４９がボール戻し路４６により無限に循環するので、ねじ軸４７とナット４８とは継続的に相対移動することができる。

ボール転動路５７の終点においては、ボール転動路５７からボール戻し路４６へボール４９が移動し、ボール転動路５７の始点においては、ボール戻し路４６からボール転動路５７へボール４９が移動するが、このボール４９の移動を円滑に行うために、ボール転動路５７の終点及び始点（ボール戻し路４６へと続く）には上記のようなボール４９の移動を案内するボール案内部材５０，５０がそれぞれ配されている。

図１０のように、ボール案内部材５０は、ボール転動路５７とボール戻し路４６とが連続するとともにボール４９の移動方向が変化する転動面５０ａに位置する。このため、ボール４９は転動面５０ａでボール案内部材１０に繰り返し衝突する。そこで、転動面５０ａの反対側のボール案内部材５０の外面（軸方向の端面）にセンサ５１を貼り付けることで、ボール案内部材１０の微小な変形を検知するようにしている。

また、ボールねじ４０の使用時にひずみが殆ど発生しないナット４８の図１０の右側の端面４８ａに温度補償のためにダミーのセンサ５９が貼り付けられている。

センサ５１の平面図を図１１（ａ）に、側面図を図１１（ｂ）に示す。センサ５１は、図１１（ａ）、（ｂ）のように、耐熱性及び可撓性を有するポリイミド樹脂（ＰＩ）からなるフィルム基板５２と、フィルム基板５２上に形成された白金等の金属からなる膜状のひずみゲージ部５３と、ひずみゲージ部５３が形成されたフィルム基板５２を覆うように配置された同種のポリイミド樹脂からなるフィルムカバー５４と、を備え、全体として平面が矩形状で厚さが薄くかつ可撓性のある構成となっている。フィルムカバー５４は図１１（ｂ）のように接着層５６を含み、接着層５６でフィルム基板５２に接着されている。

センサ５１の膜状のひずみゲージ部５３は、図１１（ａ）のように、全体の幅ａでかつ幅ｂの帯状部から構成され、幅ｂの帯状部は全体の帯状長さを長く確保するために複数箇所で折り返されている。膜状のひずみゲージ部５３の図の左右端下側に位置する幅ｂの帯状部の両端に、一対の配線取付部５５，５５が幅ｂよりも広幅に設けられている。

また、センサ５１は、図２の温度センサ１０とほぼ同様の構成であり、フィルムカバー５４には、配線取付部１５，１５に対応する位置に、図３と同様の孔１６が形成されることで、配線取付部５５，５５がフィルムカバー５４の表面に露出し、配線取付部１５，１５に、一対の電気配線が電気接続される。

なお、センサ５９は、センサ５１と同様に構成され、センサ５１と同じ抵抗値を有するひずみゲージである。

ボール案内部材５０が外力等によりひずむと、センサ５１のひずみゲージ部５３が抵抗変化するが、この抵抗変化を検知することでひずみを検出できる。また、センサ５１を図１２のようにブリッジ回路に組み込むことでひずみ測定の精度が向上し、センサ５９により温度補償をすることで測定精度が更に向上する。

図１２に上述のセンサ５１，５９を用いたひずみ検出用のブリッジ回路を示す。図１２のように、センサ５１，５９，及びセンサ５１，５９と同じ抵抗値を有する抵抗６０，６１によりブリッジ回路を構成し、外部電源６２から電圧を加え、ボール案内部材５０がひずむことによるセンサ５１のひずみゲージ部５３の抵抗変化を外部検出器６３で検出する。この場合、センサ５１，５９が環境温度の変動によりその抵抗値が変化しても、センサ５１，５９の温度変動による抵抗値変動分が打ち消しあい、温度変動を補償することができる。

なお、センサ５１にＩＣタグを取り付け無線で外部にデータを送るようにしてもよく、これにより、外部電源６２や外部検出器６３への外部配線を省略化でき、配線のための加工が不要となる。

以上のように、本実施の形態のひずみゲージ付きボールねじ４０によれば、ボール転動路５７とボール戻し路４６とが連続する転動面５０ａの反対側のボール案内部材５０の外面に取り付けたセンサ５１が微小ひずみゲージとして機能し、ボール案内部材５０におけるボール４９の衝突の繰り返しによるボール案内部材５０のわずかな劣化やそれに基づく微小変形を検知することができ、ボールねじの破損を事前に検知し防止できる。

また、センサ５１が薄く小型で可撓性を有し、センサ５１の取り付け位置が限定されないので、ボールねじのいかなる部分にも組み込むことが可能であり、所望の位置に取り付けることができ、変形の生じ易い部分に取り付けて変形による破損を精度よく検知できる。また、膜状のひずみゲージ部５３をフィルムカバー５４で覆うので、センサの劣化のおそれが少なく、また、センサ全体が可撓性のある構造であるから、割れのおそれもなく、このため、耐久性のあるひずみゲージ付きボールねじを実現できる。

次に、上述のセンサ５１をボール案内部材５０を固定するための固定部材に取り付けた例について図１３，図１４を参照して説明する。図１３は、図１０のナット４８の端面を図１０の軸方向Ｂからみた図である。図１４は図１３のＡ−Ａ線方向に切断してみた断面図である。

図１４に示すように、ボール案内部材５０は、ボール４９をボール転動路５７から掬い上げるタング部７２と、掬い上げられたボール４９の進行方向を転換してボール戻し路４６に案内する案内路７１と、を有する。

図１３，図１４のように、ナット４８の軸方向両端面にはボール案内部材５０の外形形状に合った形状の凹部７３，７３が設けられ、凹部７３の底面にボール戻し路４６の端部が開口し、タング部７２及び案内路７１を凹部７３の底面に向けて、ボール案内部材５０が凹部７３に嵌め込まれている。タング部７２は、リード角に沿いかつボール転動路５７内に突出するように配され、また、案内路７１は、ボール転動路５７の終点又は始点とボール戻し路４６の端部とを連結するように配されている。

凹部７３に嵌め込まれたボール案内部材５０の外面上には、固定部材７０が配置され、ボール案内部材５０は固定部材７０とナット４８（凹部７３の底面）とで挟まれている。凹部７３の内面のうち側面（軸方向に平行な面）には、固定部材７０の外縁部７０ａを挿入可能な溝部７４が形成されており、溝部７４に固定部材７０の外縁部７０ａが差し込まれることで、固定部材７０はナット４８に固定され、これによりボール案内部材５０がナット４８に固定される。

図１４のように、固定部材７０の外面にセンサ５１を貼り付け、図１２と同様のブリッジ回路を構成することで、固定部材７０におけるひずみを精度よく検知し、ボール案内部材５０におけるボール４９の衝突の繰り返しによるボール案内部材５０や固定部材７０のわずかな劣化やそれに基づく微小変形を検知することができ、ボールねじの破損を事前に検知し防止できる。

なお、図１０，図１４において、ボールねじの停止時におけるひずみ初期値との比較により破壊前の変形を精度よく検出することができる。この場合、例えば、別途設けた温度センサで環境温度を検出し、補正した上で比較することが好ましい。

また、図１０，図１１において、センサ取り付け後の表面に凹凸が生じないようにセンサ取り付け面に凹みを設け、センサを凹み内に埋め込むようにしてもよい。

次に、本発明を実施例２により更に具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。

図１１と同様のセンサを次の工程により製造した。まず、フィルムＰＩ（東レ・デュポン（株）製カプトン）からなるフィルム基板上に厚さ約２μｍのフォトレジスト（東京応化（株）製OFPR800LB）をスピンコートにより塗布し、９０℃で２分間プレべーク処理を行った。その後、図１１（ａ）のようなひずみゲージ部５３のパターニングを行ったマスクを用いて露光（ユニオン光学（株）製EMA-400）し、現像液（東京応化（株）製MND3）を用いて現像し、最後に超純水で６０秒間リンスした。その後、スパッタリング法にて厚さ約２５０ｎｍの白金膜を形成してから、アセトンによりリフトオフ法を用いてフィルム基板上の残留フォトレジストを除去した。上記白金膜が図１１（ａ）のひずみゲージ部５３を構成する。次に、接着剤フィルム（デュポン（株）製パイララックス）を用いて同種のＰＩフィルムでフィルム基板に接着しカバーした。

上述のようにして製造されたセンサ５１は、図１１（ａ）のひずみゲージ部５３の全体幅ａ：１３０μｍ、帯状部の幅ｂ：２０μｍ、図１１（ｂ）のセンサ５１の厚さＺ：７５μｍの寸法であったが、この寸法は一例であり、必要に応じて変えることができる。

なお、図７（ｆ）〜（ｈ）と同様の工程で、フィルムカバー５４に図３と同様の孔１６を形成し、配線取付部５５に電気配線を取り付けることができる。また、孔の代わりに配線取付部５５の近傍においてフィルムカバー５４の面を削り、電気配線を取り付けてもよい。

また、本実施例においても、図８と同様に、比較的広めのＰＩフィルムＦを用いてその上に多数のひずみゲージ部５３を形成することで、多数のセンサ５１を効率的に製造することができる。

また、白金膜等の金属膜は、スパッタリング法に限定されず、例えば、インクジェット法により形成してもよい。かかるインクジェット法による金属膜の形成は、例えば特開２００３−２０９３４１号公報に記載されている。同様に、実施例１においても白金膜等の金属膜をインクジェット法により形成してもよい。

また、センサ５１は、エポキシ系接着剤等で図１０，図１４のボール案内部材５０や固定部材７０等の被検出面に貼り付けることができるが、例えば図１５のようにして被検出面にＰＩフィルムを直接形成し、その上に、ひずみゲージ部を形成するようにしてもよい。

すなわち、図１５（ａ）のようにボール案内部材５０や固定部材７０等の被検出面８０をアセトンにより超音波洗浄してから、フォトレジストをスピンコートにより塗布し、プレべーク処理を行い、図１５（ｂ）のようにフォトレジスト８１を形成する。その後、図１１（ａ）のようなひずみゲージ部５３のパターニングを行ったマスクを用いて露光し、現像液を用いて現像し、最後に超純水でリンスすることで、図１５（ｃ）のようにフォトレジスト８１にマスクのパターンに対応したパターンを形成する。

次に、ＲＦマグネトロンスパック装置を用いアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中にてスパッタリングを行い、図１５（ｄ）のように被検出面８０上にＰＩ薄膜８２を形成する。その後、リフトオフ法を用いて被検出面８０上の残留フォトレジストを除去することで、図１５（ｅ）のように、被検出面８０上に図１１（ａ）のひずみゲージ部５３のパターンに対応したＰＩ薄膜８２を形成する。

次に、図１５（ｅ）のＰＩ薄膜８２の上に、インクジェット式パターニング装置を用いてインクジェットノズルにより例えば銀ぺーストを塗布することで微細なひずみゲージ部５３のパターンを形成する。そして、ひずみゲージ部５３を焼成しセンサ５１を得ることができる。なお、センサ５１の実装場所によっては、センサの配線をもパターニングしてもよい。また、図２，図３の温度センサ１０を上述と同様にして形成してもよい。

上述のように、被検出面にＰＩフィルムを直接形成し、その上に、ひずみゲージ部を形成することで、センサの小型化が可能となるとともに、センサの被検出面への密着性が向上できる。このため、接着剤層がないので、温度や歪が伝わり易く、検出感度を向上でき、また、剥がれ難くなり、信頼性が向上する。

なお、スパッタリングをする被検出面８０の材質は、金属に限定されず、ポリアセタールやナイロン等の樹脂であってもよく、また、被検出面８０は絶縁皮膜処理をした金属面等であってもよい。

以上の図２，図３の温度センサ１０と、図１１のセンサ５１とは、基本形状が同一であり、温度センサ１０はひずみゲージとしても機能でき、センサ５１は温度センサとしても機能できる。したがって、図１，図４，図５の転がり軸受において、温度のみならず、軸受の剥離、磨耗、潤滑剤劣化等に伴う異常振動の検出にも有効である。例えば、１０ｍｓｅｃ以下等の比較的短い周期の変動により異常振動の検出を行い、それ以上の比較的長い周期の変動で温度の検出を行うことで、温度とひずみを同じセンサでほぼ同時に検出することができる。また、図１０，図１４においても同様に、ひずみのみならず、温度をも検出することができる。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれら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各種の変形が可能である。例えば、図１では、転がり軸受の内輪を回転側としたが、外輪を回転側としてもよく、この場合は、固定側の内輪に温度センサを同様に取り付け、配線導出部を設けることで同様の作用効果を得ることができる。

また、図１，図４，図５の軸受は単列深溝玉軸受であったが、本発明はこれに限定されず、他の種類の転がり軸受であってもよいことは勿論である。

また、図１０では、直動装置としてボールねじを例にして説明したが、本発明は、これに限定されず、直動装置として、リニアガイド、直動ベアリング、ボールスプライン等であってもよく、これらの直動装置におけるボール転動の循環路の近傍等の変形の生じ易い部分にセンサを取り付けることで、そのひずみゲージの機能により、破損前に異常な変形を検知できる。

本実施の形態の温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。 図１の温度センサのフィルム基板の上に形成した温度センサ部を示す平面図（ａ）及びフィルム基板の上に設けたフィルムカバーを示す平面図（ｂ）である。 図２（ｂ）の配線取付部に電気配線を電気接続した温度センサを図２（ｂ）のIII-III線に沿って切断してみた図である。 図１の温度センサの配置位置を変えた温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。 図１の温度センサの配置位置を更に変えた温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。 図１，図４の配線導出部の位置を変えた変形例を説明するための要部断面図である。 実施例１において図２，図３の温度センサを製造するための工程（ａ）乃至（ｉ）を説明するための概略図である。 実施例１において温度センサを量産する構成を説明するための比較的広めのフィルムの平面図である。 実施例１で測定した時間による温度（抵抗値）変化を示すグラフである。 第２の実施の形態のひずみゲージ付きボールねじの要部を示す要部断面図である。 図１０のセンサ５１の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 図１０のセンサ５１，５９を用いたひずみ検出用のブリッジ回路を示す図である。 図１０のナット４８の端面を図１０の軸方向Ｂからみた図である。 図１３のＡ−Ａ線方向に切断してみた断面図である。 実施例２において被検出面にＰＩフィルムを直接形成する工程（ａ）乃至（ｅ）を示す図である。

符号の説明

１０ 温度センサ
１１ 電気配線
１２ フィルム基板
１３ 温度センサ部
１４ フィルムカバー、フィルム
１５ 配線取付部
１６ 孔
２０ 温度センサ付き軸受
２０Ａ，２０Ｂ 温度センサ付き軸受
２１ 内輪
２１ａ 転走面
２２ 外輪
２２ａ 転走面
２２ｂ 内周面
２２ｃ 外周面
２４ 玉（転動体）
３０，３３ シール
３１ 芯金
３１ａ 内面
３２ 弾性体
Ｑ 溝（配線導出部）
Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕ 貫通孔（配線導出部）
４０ ひずみゲージ付きボールねじ
４７ ねじ軸
４８ ナット
４９ ボール（転動体）
５０ ボール案内部材
５０ａ 転動面
５１ センサ
５２ フィルム基板
５３ ひずみゲージ部
５４ フィルムカバー
５５ 配線取付部
７０ 固定部材
８０ 被検出面

Claims (17)

1. センサを備える転動装置であって、前記センサは、耐熱性樹脂からなるフィルム状の基板と、前記基板に形成された膜状のセンサ部と、前記センサ部を覆うように設けられた耐熱性樹脂からなるフィルム状のカバーと、前記センサ部の一部が前記カバーの表面に露出する配線取付部と、を有し、前記転動装置の一部に接するように取り付けられたことを特徴とするセンサ付き転動装置。
2. 前記センサは温度センサまたはひずみゲージである請求項１に記載のセンサ付き転動装置。
3. 前記センサは温度センサ及びひずみゲージの両方の機能を有する請求項１に記載のセンサ付き転動装置。
4. 前記センサ部は箔状の金属からなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ付き転動装置。
5. 前記基板及び前記カバーはポリイミド樹脂からなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ付き転動装置。
6. 前記転動装置は、転がり軸受、または、ボールねじ、リニアガイド、直動ベアリングなどの直動装置である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ付き転動装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ付き転動装置が外輪と内輪との間に転動体が配設された転がり軸受であり、前記センサが軸受部分に接するように取り付けられたことを特徴とするセンサ付き軸受。
8. 前記センサは、固定側の軌道輪の転走面に形成した凹部に取り付けられた請求項７に記載のセンサ付き軸受。
9. 前記センサは、固定側の軌道輪の転走面の近傍に取り付けられた請求項７または８に記載のセンサ付き軸受。
10. 固定側の軌道輪に取り付けられたシールを備え、前記シールに前記センサが取り付けられた請求項７乃至９のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
11. 前記シールが芯金部と弾性部とを備え、前記芯金部に前記センサが取り付けられた請求項１０に記載のセンサ付き軸受。
12. 前記配線取付部に電気接続された電気配線を通して外部に導出する配線導出部を固定側の軌道輪に備える請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
13. 多数の転動体が循環路を通して転動しながら直動部材を案内する転動装置であって、前記循環路の近傍にひずみゲージを取り付けたことを特徴とするセンサ付き転動装置。
14. 螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有し、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された複数のボールを介して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ送って前記ボールを循環させるボール戻し路と、前記ボール転動路と前記ボール戻し路との間の前記ボールの移動を案内するボール案内部材と、を備えるボールねじであって、
    前記ボール案内部材にひずみゲージを取り付けたことを特徴とするセンサ付きボールねじ。
15. 前記ボール案内部材を前記ナットに固定する固定部材を更に備え、
    前記ボール案内部材及び前記固定部材の少なくとも一方にセンサを取り付けた請求項１４に記載のセンサ付きボールねじ。
16. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ付き転動装置を製造する方法であって、
    耐熱性樹脂からなるフィルムに多数の膜状のセンサ部を半導体製造プロセスにより形成し、
    前記フィルムを耐熱性樹脂からなる別のフィルムで覆い、前記別のフィルムにおいて前記各センサ部の一部に対応する部分を半導体製造プロセスにより除去することで前記センサ部の一部が前記カバーの表面に露出する配線取付部を形成し、
    前記フィルム及び前記別のフィルムを前記センサ部毎にカットし、前記センサを得てから、前記転動装置の一部に取り付けることを特徴とするセンサ付き転動装置の製造方法。
17. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ付き転動装置を製造する方法であって、
    前記転動装置の一部に前記フィルム状の基板を直接形成し、前記基板に膜状のセンサ部を形成することを特徴とするセンサ付き転動装置の製造方法。

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