JP2020008527A - ひずみゲージ、センサモジュール、軸受機構 - Google Patents

Abstract

【課題】複数方向のひずみを精度よく検出することが可能なひずみゲージを提供する。【解決手段】可撓性を有する基材１０と、基材１０の一方の側に直線状に形成された複数の抵抗部３１、３２とを有し、抵抗部３１、３２はアルファクロムを主成分とし、各々の抵抗部３１，３２が同一面上で交差して互いに導通し、互いに直交している。【選択図】図１

Description

本発明は、ひずみゲージ、センサモジュール、軸受機構に関する。

測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみを検出するひずみゲージが知られている。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体は、例えば、絶縁樹脂からなる基材上に形成されている。

複数のひずみゲージを互いのグリッド方向が交差するように積層し、複数方向のひずみを検出することも可能である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−３１３２６号公報

しかしながら、複数のひずみゲージを互いのグリッド方向が交差するように積層すると、積層時の位置ずれ等により測定誤差を生じていた。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、複数方向のひずみを精度よく検出することが可能なひずみゲージを提供することを目的とする。

本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材の一方の側に直線状に形成された複数の抵抗部と、を有し、各々の前記抵抗部が同一面上で交差して互いに導通している。

開示の技術によれば、複数方向のひずみを精度よく検出することが可能なひずみゲージを提供できる。

第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図である。 第２の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する模式図である。 第２の実施の形態に係るセンサモジュールの使用方法を例示する模式図である。 第３の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第４の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する模式図である。 第５の実施の形態に係る軸受機構を例示する斜視図である。 第５の実施の形態に係る軸受機構を例示する断面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図２は、第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。図１及び図２を参照するに、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０（抵抗部３１及び３２）と、端子部４１、４２、４３、及び４４とを有している。

なお、本実施の形態では、便宜上、ひずみゲージ１において、基材１０の抵抗体３０が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体３０が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体３０が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

基材１０は、抵抗体３０等を形成するためのベース層となる絶縁性の部材であり、可撓性を有する。基材１０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ〜５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１０の厚さが５μｍ〜２００μｍであると、抵抗体３０のひずみ感度誤差を少なくすることができる点で好ましい。

基材１０は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１０は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。

但し、基材１０が可撓性を有する必要がない場合には、基材１０に、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ_２Ｎ_３、Ａｌ_２Ｏ_３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３）等の材料を用いても構わない。

抵抗体３０は、基材１０上に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体３０は、基材１０の上面１０ａに直接形成されてもよいし、基材１０の上面１０ａに他の層を介して形成されてもよい。

抵抗体３０は、抵抗部３１及び３２を含んでいる。すなわち、抵抗体３０は、抵抗部３１及び３２の総称であり、抵抗部３１及び３２を特に区別する必要がない場合には抵抗体３０と称する。なお、図１では、便宜上、抵抗部３１及び３２を梨地模様で示している。

抵抗部３１は、基材１０の上面１０ａに、長手方向をＸ方向に向けて直線状に形成された薄膜である。抵抗部３２は、長手方向をＹ方向に向けて直線状に形成された薄膜である。抵抗部３１と抵抗部３２とは、同一面上で直交して互いに導通している。抵抗部３１と抵抗部３２とは、例えば、各々の長手方向の略中央部で交わるようにパターニングすることができる。

抵抗体３０は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成することができる。すなわち、抵抗体３０は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ（銅ニッケル）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。

ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。

抵抗体３０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ〜２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体３０を構成する結晶の結晶性（例えば、α−Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましい。又、抵抗体３０の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。抵抗体３０の幅は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．１μｍ〜１０００μｍ（１ｍｍ）程度とすることができる。

例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、安定な結晶相であるα−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、抵抗体３０がα−Ｃｒを主成分とすることで、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０質量％以上を占めることを意味するが、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体３０はα−Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。なお、α−Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

端子部４１は、抵抗部３１の一端部から延在しており、平面視において、抵抗部３１よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４３は、抵抗部３１の他端部から延在しており、平面視において、抵抗部３１よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４１及び４３は、ひずみにより生じる抵抗部３１の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４１及び４３の上面を、端子部４１及び４３よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３１と端子部４１及び４３とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。なお、端子部４１及び４３の平面形状は円形状には限定されず、矩形状等であってもよい。

端子部４２は、抵抗部３２の一端部から延在しており、平面視において、抵抗部３２よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４４は、抵抗部３２の他端部から延在しており、平面視において、抵抗部３２よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４２及び４４は、ひずみにより生じる抵抗部３２の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４２及び４４の上面を、端子部４２及び４４よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３２と端子部４２及び４４とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。なお、端子部４２及び４４の平面形状は円形状には限定されず、矩形状等であってもよい。

抵抗体３０を被覆し端子部４１〜４４を露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層６０（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層６０を設けることで、抵抗体３０に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層６０を設けることで、抵抗体３０を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０は、端子部４１〜４４を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

カバー層６０は、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂から形成することができる。カバー層６０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層６０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ〜３０μｍ程度とすることができる。

ひずみゲージ１において、抵抗部３１はＸ方向のひずみを抵抗値の変化として検出し、一対の電極である端子部４１及び４３から出力することができる。又、抵抗部３２はＹ方向のひずみを抵抗値の変化として検出し、一対の電極である端子部４２及び４４から出力することができる。

但し、抵抗部３１と抵抗部３２とが図１に示すように同一面上で直交しているのは一例であり、抵抗部３１と抵抗部３２とは、直線状に形成されて同一面上で交差していればよい。この場合、抵抗部３１及び抵抗部３２は、各々の長手方向のひずみを検出することができる。例えば、抵抗部３１は長手方向をＸ方向に向けて直線状に形成し、抵抗部３２は長手方向をＸ方向に対して４５度傾けて直線状に形成することができる。

なお、抵抗部３１が検出したひずみと抵抗部３２が検出したひずみに基づいて、演算により、抵抗部３１及び３２の長手方向とは異なる方向のひずみを求めることができる。

ひずみゲージ１を製造するためには、まず、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに図１に示す平面形状の抵抗体３０及び端子部４１〜４４を形成する。抵抗体３０及び端子部４１〜４４の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体３０と端子部４１〜４４とは、同一材料により一体に形成することができる。

抵抗体３０及び端子部４１〜４４は、例えば、抵抗体３０及び端子部４１〜４４を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗体３０及び端子部４１〜４４は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。

ゲージ特性を安定化する観点から、抵抗体３０及び端子部４１〜４４を成膜する前に、下地層として、基材１０の上面１０ａに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により膜厚が１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の機能層を真空成膜することが好ましい。なお、機能層は、機能層の上面全体に抵抗体３０及び端子部４１〜４４を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗体３０及び端子部４１〜４４と共に図１に示す平面形状にパターニングされる。

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体３０の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗体３０の酸化を防止する機能や、基材１０と抵抗体３０との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。

基材１０を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体３０がＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗体３０の酸化を防止する機能を備えることは有効である。

機能層の材料は、少なくとも上層である抵抗体３０の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。

上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜することができる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１０の上面１０ａをＡｒでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。

但し、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０の上面１０ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。

機能層の材料と抵抗体３０及び端子部４１〜４４の材料との組合せは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、機能層としてＴｉを用い、抵抗体３０及び端子部４１〜４４としてα−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜することが可能である。

この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１〜４４を成膜することができる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１〜４４を成膜してもよい。

これらの方法では、Ｔｉからなる機能層がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα−Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。なお、機能層がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮ（窒化チタン）が含まれる場合がある。

なお、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、抵抗体３０の結晶成長を促進する機能、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗体３０の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗体３０との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。

このように、抵抗体３０の下層に機能層を設けることにより、抵抗体３０の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体３０を作製できる。その結果、ひずみゲージ１において、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗体３０に拡散することにより、ひずみゲージ１において、ゲージ特性を向上することができる。

抵抗体３０及び端子部４１〜４４を形成後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１〜４４を露出するカバー層６０を設けることで、ひずみゲージ１が完成する。カバー層６０は、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１〜４４を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。カバー層６０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１〜４４を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。

このように、ひずみゲージ１では、抵抗部３１及び３２は、各々が直線状に形成されて同一面上で交差して互いに導通している。これにより、抵抗部３１及び３２を順次ブリッジ回路に接続することで、抵抗部３１及び３２の抵抗値の変化に基づいて、抵抗部３１及び３２の各々の長手方向のひずみを検出することができる。すなわち、ひずみゲージ１により、２方向のひずみを検出可能な多軸ゲージを実現できる。

なお、従来、２方向のひずみを検出する場合には、例えば、２つのひずみゲージを作製し、互いのグリッド方向が交差するように両者を積層していたが、積層時の位置ずれや、各々のひずみゲージの積層方向の位置の差により測定誤差を生じていた。これに対して、ひずみゲージ１では抵抗部３１及び３２を同一面上に同時にパターニングするため、製造工程を簡略化できると共に、位置ずれ等による測定誤差を生じ難くすることができる。

又、ひずみゲージ１では抵抗部３１及び３２を同一面上にパターニングするため、複数のひずみゲージを貼り付ける構造に比べて小型化することができる。その結果、所望の測定位置に容易に貼り付けることができる。

又、ひずみゲージ１において、特に、抵抗体３０がＣｒ混相膜から形成されている場合は、抵抗体３０がＣｕ−ＮｉやＮｉ−Ｃｒから形成されている場合と比べ、ひずみに対する抵抗値の感度（同一のひずみに対する抵抗体３０の抵抗値の変化量）が大幅に向上する。抵抗体３０がＣｒ混相膜から形成されている場合、ひずみに対する抵抗値の感度は、抵抗体３０がＣｕ−ＮｉやＮｉ−Ｃｒから形成されている場合と比べ、おおよそ５〜１０倍程度となる。そのため、抵抗体３０をＣｒ混相膜から形成することで、ひずみを精度よく検出することが可能となる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態のひずみゲージに選択回路を搭載したセンサモジュールの例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図３は、第２の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する模式図である。図３では、ひずみゲージ１（図１及び図２参照）を簡略化し、端子部４１〜４４のみを図示している。

図３を参照するに、センサモジュール５は、ひずみゲージ１と、選択回路２とを有している。

選択回路２は、例えば、スイッチＳＷ_１及びＳＷ_２と、入力端子Ｉ_１〜Ｉ_４と、出力端子Ｏ_１及びＯ_２と、制御端子ＣＮＴと、電源端子ＶＤＤ及びＶＳＳ（正極端子及び負極端子）とを備えたＩＣである。電源端子ＶＤＤ及びＶＳＳには、センサモジュール５の外部から所定電圧の電源が供給される。制御端子ＣＮＴ、並びに出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、センサモジュール５の外部と電気的に接続可能である。選択回路２は、例えば、ひずみゲージ１の基材１０の上面１０ａ側又は下面１０ｂ側に実装することができる。

選択回路２において、入力端子Ｉ_１及びＩ_３は、抵抗部３１の一対の電極である端子部４１及び４３に接続されている。又、入力端子Ｉ_２及びＩ_４は、抵抗部３２の一対の電極である端子部４２及び４４に接続されている。

スイッチＳＷ_１及びＳＷ_２は、制御端子ＣＮＴに外部から入力されるＨ／Ｌ信号に応じて連動して切り替わるスイッチである。

例えば、制御端子ＣＮＴに外部からＨ信号が入力されると、ＳＷ_１は入力端子Ｉ_１と出力端子Ｏ_１とを接続し、ＳＷ_２は入力端子Ｉ_３と出力端子Ｏ_２とを接続する（図３に示す状態）。この場合、出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、抵抗部３１の一対の電極である端子部４１及び４３に接続され、出力端子Ｏ_１及びＯ_２を介して抵抗部３１の抵抗値を測定可能となる。

一方、制御端子ＣＮＴに外部からＬ信号が入力されると、ＳＷ_１は入力端子Ｉ_２と出力端子Ｏ_１とを接続し、ＳＷ_２は入力端子Ｉ_４と出力端子Ｏ_２とを接続する。この場合、出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、抵抗部３２の一対の電極である端子部４２及び４４に接続され、出力端子Ｏ_１及びＯ_２を介して抵抗部３２の抵抗値を測定可能となる。

図４は、第２の実施の形態に係るセンサモジュールの使用方法を例示する模式図である。図４を参照するに、センサモジュール５は、センサモジュール５の外部に配置された測定部７に接続することができる。

測定部７は、ブリッジ回路７１と、アナログフロントエンド部７２と、制御部７３とを有している。

ブリッジ回路７１は、３辺が固定抵抗Ｒ_１、Ｒ_２、及びＲ_３で構成され、他の１辺がセンサモジュール５の選択回路２の出力端子Ｏ_１及びＯ_２に接続されている。又、ブリッジ回路７１の一対の対角点間には、直流電圧Ｖが印加されている。この構成により、ブリッジ回路７１の他の一対の対角点間は、選択回路２において選択された抵抗部３１又は３２のひずみに応じたアナログの電圧が出力される。ブリッジ回路７１から出力された電圧は、アナログフロントエンド部７２に入力される。

なお、ここでは、ひずみゲージ１とブリッジ回路７１との接続を１ゲージ２線式としているが、これには限定されない。

アナログフロントエンド部７２は、例えば、増幅器、アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路）、外部通信機能（例えば、Ｉ^２Ｃ等のシリアル通信機能）等を備えている。アナログフロントエンド部７２は、温度補償回路を備えていてもよい。アナログフロントエンド部７２は、ＩＣ化されていてもよいし、個別部品により構成されていてもよい。

アナログフロントエンド部７２において、ブリッジ回路７１から出力された電圧は、増幅器で増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路によりデジタル信号に変換され、出力される。アナログフロントエンド部７２が温度補償回路を備えている場合には、温度補償されたデジタル信号が出力される。

制御部７３は、センサモジュール５の選択回路２の制御端子ＣＮＴにＨ信号又はＬ信号を入力し、スイッチＳＷ_１及びＳＷ_２を切り替えることができる。制御部７３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含む構成とすることができる。

この場合、制御部７３の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。但し、制御部７３の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、制御部７３は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。

このように、センサモジュール５の選択回路２の制御端子ＣＮＴに外部から入力されるＨ信号又はＬ信号により、選択回路２のスイッチＳＷ_１及びＳＷ_２を切り替えることができる。これにより、ひずみゲージ１の抵抗部３１の抵抗値、抵抗部３２の抵抗値を選択的に測定することができる。すなわち、Ｘ方向のひずみとＹ方向のひずみを選択的に測定することができる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１の実施の形態よりもひずみの検出方向を増やしたひずみゲージの例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図５は、第３の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。なお、第３の実施の形態に係るひずみゲージの断面形状は図２と同様であるため、図示を省略する。図５を参照するに、ひずみゲージ１Ａは、抵抗部と一対の端子部との組が２組から４組に増えた点が、ひずみゲージ１（図１及び図２参照）と相違する。すなわち、ひずみゲージ１Ａは、４方向のひずみを検出可能な多軸ゲージである。

ひずみゲージ１Ａにおいて、抵抗体３０Ａは、基材１０上に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体３０Ａは、基材１０の上面１０ａに直接形成されてもよいし、基材１０の上面１０ａに他の層を介して形成されてもよい。抵抗体３０Ａの材料、厚さ、製造方法等は、抵抗体３０と同様とすることができる。

抵抗体３０Ａは、抵抗部３１、３２、３３、及び３４を含んでいる。すなわち、抵抗体３０Ａは、抵抗部３１、３２、３３、及び３４の総称であり、抵抗部３１、３２、３３、及び３４を特に区別する必要がない場合には抵抗体３０Ａと称する。なお、図５では、便宜上、３１、３２、３３、及び３４を梨地模様で示している。

抵抗部３１は、基材１０の上面１０ａに、長手方向をＸ方向に向けて直線状に形成された薄膜である。抵抗部３２は、長手方向をＹ方向に向けて直線状に形成された薄膜である。抵抗部３３は、基材１０の上面１０ａに、長手方向をＸ方向とのなす角θ_１が−４５度となる方向に向けて直線状に形成された薄膜である。抵抗部３４は、基材１０の上面１０ａに、長手方向をＸ方向とのなす角θ_２が＋４５度となる方向に向けて直線状に形成された薄膜である。なお、ここでは反時計回りを正の角度としている。

抵抗部３１、３２、３３、及び３４は、同一面上で交差して互いに導通している。抵抗部３１、３２、３３、及び３４は、例えば、各々の長手方向の略中央部で交わるようにパターニングすることができる。すなわち、抵抗部３１、３２、３３、及び３４は、各々が直線状に形成されて同一面上で交差して互いに導通しており、隣接する抵抗部同士のなす角が４５度である。

端子部４５は、抵抗部３３の一端部から延在しており、平面視において、抵抗部３３よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４７は、抵抗部３３の他端部から延在しており、平面視において、抵抗部３３よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４５及び４７は、ひずみにより生じる抵抗部３３の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４５及び４７の上面を、端子部４５及び４７よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３３と端子部４５及び４７とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。なお、端子部４５及び４７の平面形状は円形状には限定されず、矩形状等であってもよい。

端子部４６は、抵抗部３４の一端部から延在しており、平面視において、抵抗部３４よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４８は、抵抗部３４の他端部から延在しており、平面視において、抵抗部３４よりも拡幅して略円形状に形成されている。端子部４６及び４８は、ひずみにより生じる抵抗部３４の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のフレキシブル基板やリード線等が接合される。端子部４６及び４８の上面を、端子部４６及び４８よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗部３４と端子部４６及び４８とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。なお、端子部４６及び４８の平面形状は円形状には限定されず、矩形状等であってもよい。

抵抗体３０Ａを被覆し端子部４１〜４８を露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層６０（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層６０を設けることで、抵抗体３０Ａに機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層６０を設けることで、抵抗体３０Ａを湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０は、端子部４１〜４８を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

ひずみゲージ１Ａにおいて、抵抗部３１はＸ方向のひずみを抵抗値の変化として検出し、一対の電極である端子部４１及び４３から出力することができる。又、抵抗部３２はＹ方向のひずみを抵抗値の変化として検出し、一対の電極である端子部４２及び４４から出力することができる。抵抗部３３はＸ方向とのなす角θ_１が−４５度となる方向のひずみを抵抗値の変化として検出し、一対の電極である端子部４５及び４７から出力することができる。抵抗部３４はＸ方向とのなす角θ_２が＋４５度となる方向のひずみを抵抗値の変化として検出し、一対の電極である端子部４６及び４８から出力することができる。

このように、ひずみゲージ１Ａでは、抵抗部３１、３２、３３、及び３４は、各々が直線状に形成されて同一面上で交差して互いに導通しており、隣接する抵抗部同士のなす角が４５度である。これにより、抵抗部３１、３２、３３、及び３４を順次ブリッジ回路に接続することで、抵抗部３１、３２、３３、及び３４の抵抗値の変化に基づいて、抵抗部３１、３２、３３、及び３４の各々の長手方向のひずみを検出することができる。又、抵抗部３１、３２、３３、及び３４のひずみの検出結果に基づいて、主ひずみの大きさ及び方向を演算により知ることができる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第３の実施の形態のひずみゲージに選択回路を搭載したセンサモジュールの例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図６は、第４の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する模式図である。図６では、ひずみゲージ１Ａ（図５参照）を簡略化し、端子部４１〜４８のみを図示している。

図６を参照するに、センサモジュール５Ａは、ひずみゲージ１Ａと、選択回路２Ａとを有している。

選択回路２Ａは、例えば、スイッチＳＷ_１及びＳＷ_２と、入力端子Ｉ_１〜Ｉ_８と、出力端子Ｏ_１及びＯ_２と、制御端子ＣＮＴ_１及びＣＮＴ_２と、電源端子ＶＤＤ及びＶＳＳ（正極端子及び負極端子）とを備えたＩＣである。電源端子ＶＤＤ及びＶＳＳには、センサモジュール５Ａの外部から所定電圧の電源が供給される。制御端子ＣＮＴ_１及びＣＮＴ_２、並びに出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、センサモジュール５Ａの外部と電気的に接続可能である。選択回路２Ａは、例えば、ひずみゲージ１Ａの基材１０の上面１０ａ側又は下面１０ｂ側に実装することができる。

選択回路２Ａにおいて、入力端子Ｉ_１及びＩ_５は、抵抗部３１の一対の電極である端子部４１及び４３に接続されている。又、入力端子Ｉ_２及びＩ_６は、抵抗部３２の一対の電極である端子部４２及び４４に接続されている。又、入力端子Ｉ_３及びＩ_７は、抵抗部３３の一対の電極である端子部４５及び４７に接続されている。又、入力端子Ｉ_４及びＩ_８は、抵抗部３４の一対の電極である端子部４６及び４８に接続されている。

スイッチＳＷ_３及びＳＷ_４は、制御端子ＣＮＴ_１及びＣＮＴ_２に外部から入力されるＨ／Ｌ信号の組合せに応じて連動して切り替わるスイッチである。

例えば、制御端子ＣＮＴ_１に外部からＨ信号、制御端子ＣＮＴ_２に外部からＨ信号が入力されると、ＳＷ_３は入力端子Ｉ_１と出力端子Ｏ_１とを接続し、ＳＷ_４は入力端子Ｉ_５と出力端子Ｏ_２とを接続する（図６に示す状態）。この場合、出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、抵抗部３１の一対の電極である端子部４１及び４３に接続され、出力端子Ｏ_１及びＯ_２を介して抵抗部３１の抵抗値を測定可能となる。

又、制御端子ＣＮＴ_１に外部からＨ信号、制御端子ＣＮＴ_２に外部からＬ信号が入力されると、ＳＷ_３は入力端子Ｉ_２と出力端子Ｏ_１とを接続し、ＳＷ_４は入力端子Ｉ_６と出力端子Ｏ_２とを接続する。この場合、出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、抵抗部３２の一対の電極である端子部４２及び４４に接続され、出力端子Ｏ_１及びＯ_２を介して抵抗部３２の抵抗値を測定可能となる。

又、制御端子ＣＮＴ_１に外部からＬ信号、制御端子ＣＮＴ_２に外部からＨ信号が入力されると、ＳＷ_３は入力端子Ｉ_３と出力端子Ｏ_１とを接続し、ＳＷ_４は入力端子Ｉ_７と出力端子Ｏ_２とを接続する。この場合、出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、抵抗部３３の一対の電極である端子部４５及び４７に接続され、出力端子Ｏ_１及びＯ_２を介して抵抗部３３の抵抗値を測定可能となる。

又、制御端子ＣＮＴ_１に外部からＬ信号、制御端子ＣＮＴ_２に外部からＬ信号が入力されると、ＳＷ_３は入力端子Ｉ_４と出力端子Ｏ_１とを接続し、ＳＷ_４は入力端子Ｉ_８と出力端子Ｏ_２とを接続する。この場合、出力端子Ｏ_１及びＯ_２は、抵抗部３４の一対の電極である端子部４６及び４８に接続され、出力端子Ｏ_１及びＯ_２を介して抵抗部３４の抵抗値を測定可能となる。

センサモジュール５Ａの使用方法は、制御部７３が選択回路２Ａの制御端子ＣＮＴ_１及びＣＮＴ_２を制御する点を除いて、図４を参照して説明した方法と同様である。

このように、センサモジュール５Ａの選択回路２Ａの制御端子ＣＮＴ_１及びＣＮＴ_２に外部から入力されるＨ／Ｌ信号の組合せにより、選択回路２ＡのスイッチＳＷ_３及びＳＷ_４を切り替えることができる。これにより、ひずみゲージ１Ａの抵抗部３１の抵抗値、抵抗部３２の抵抗値、抵抗部３３の抵抗値、抵抗部３４の抵抗値を選択的に測定することができる。すなわち、Ｘ方向のひずみ、Ｙ方向のひずみ、Ｘ方向とのなす角が±４５度となる方向のひずみを選択的に測定することができる。

〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態では、ひずみゲージを有する軸受機構の例を示す。なお、第５の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図７は、第５の実施の形態に係る軸受機構を例示する斜視図である。図８は、第５の実施の形態に係る軸受機構を例示する断面図である。

図７及び図８を参照するに、軸受機構１００は、回転軸１１０（シャフト）と、軸受１２０（ベアリング）と、ひずみゲージ１とを有している。回転軸１１０は、軸受１２０により回転可能に支持されている。軸受１２０の側壁には、ひずみゲージ１が貼り付けられている。

軸受１２０の側壁にひずみゲージ１を貼り付けることで、軸受１２０の振動を検出することができる。軸受１２０の寿命は、本来の転がり疲労寿命以外にも、振動に大きく影響を受ける。軸受１２０にひずみゲージ１を貼り付けて振動検出を行うことで、ひずみゲージ１による振動検出の結果に基づいて軸受１２０の寿命を予測することが可能となる。

更に、ひずみゲージ１から得た振動情報をフィードバックすることで、軸受１２０を使用した様々な製品への悪影響を回避することが可能となる。特に、ひずみゲージ１は２軸ゲージであるため、回転軸１１０に対して垂直な方向の振動成分と、回転軸１１０の方向の振動成分とを同時に検出可能である。その結果、軸受１２０について、より精度の高い寿命予測が可能となる。

又、ひずみゲージ１に代えてひずみゲージ１Ａを用いることもできる。軸受機構１００がアンバランスであれば回転軸１１０に対して垂直な方向に振動しやすく、アライメントが狂っていれば回転軸１１０の方向に振動が発生する。

振動は異常の種類によって発生する方向に特徴があるため、垂直（Vertical）と水平（Horizontal）と軸（Axial）の３方向についてそれぞれ測定することが好ましい。ひずみゲージ１Ａを用いることで、３方向の振動検出を同時に行うことが可能となるため、振動源を切り分ける能力を大幅に向上することができる。

このように、軸受機構１００において、軸受１２０の側壁にひずみゲージ１又は１Ａを貼り付けて、軸受１２０の振動検出を行うことにより、軸受１２０に発生する振動の異常モードを精度良く検出することができる。

なお、ひずみゲージ１又は１Ａに代えて、センサモジュール５又は５Ａを用いてもよい。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、センサモジュール５又は５Ａに、ブリッジ回路７１を取り込んでも構わない。又、センサモジュール５又は５Ａに、ブリッジ回路７１及びアナログフロントエンド部７２を取り込んでも構わない。この場合、例えば、ブリッジ回路７１とアナログフロントエンド部７２をＩＣ化し、基材１０の上面１０ａ又は下面１０ｂに実装することができる。

又、多軸ゲージにおいて、抵抗部の本数は２本や４本には限定されず、３本や５本以上であっても構わない。

１、１Ａ ひずみゲージ、２、２Ａ 選択回路、５、５Ａ センサモジュール、７ 測定部、１０ 基材、１０ａ 基材の上面、１０ｂ 基材の下面、３０、３０Ａ 抵抗体、３１〜３４ 抵抗部、４１〜４８ 端子部、６０ カバー層、７１ ブリッジ回路、７２ アナログフロントエンド部、７３ 制御部、１００ 軸受機構、１１０ 回転軸、１２０ 軸受

Claims (15)

1. 可撓性を有する基材と、
   前記基材の一方の側に直線状に形成された複数の抵抗部と、を有し、
   各々の前記抵抗部が同一面上で交差して互いに導通しているひずみゲージ。
2. 複数の前記抵抗部は、互いに直交する抵抗部を含む請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 複数の前記抵抗部は、互いのなす角が４５度である抵抗部を含む請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
4. 各々の前記抵抗部は、Ｃｒ混相膜から形成されている請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
5. 各々の前記抵抗部は、アルファクロムを主成分とする請求項４に記載のひずみゲージ。
6. 各々の前記抵抗部は、アルファクロムを８０重量％以上含む請求項５に記載のひずみゲージ。
7. 各々の前記抵抗部は、窒化クロムを含む請求項５又は６に記載のひずみゲージ。
8. 各々の前記抵抗部の下層に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層を有する請求項１乃至７の何れか一項に記載のひずみゲージ。
9. 前記機能層は、各々の前記抵抗部の結晶成長を促進する機能を有する請求項８に記載のひずみゲージ。
10. 各々の前記抵抗部の両端部に、一対の電極が形成されている請求項１乃至９の何れか一項に記載のひずみゲージ。
11. 請求項１０に記載のひずみゲージと、選択回路と、を有し、
    前記選択回路は、
    各々の前記抵抗部の一対の前記電極に接続された入力端子と、
    前記入力端子に接続された各々の前記抵抗部の一対の前記電極の中から、何れか１つの前記抵抗部の一対の前記電極を選択して一対の出力端子に接続するスイッチと、を備えているセンサモジュール。
12. 前記選択回路は、前記基材の一方の側又は他方の側に実装されている請求項１１に記載のセンサモジュール。
13. 一対の前記出力端子が１辺に接続され、他の３辺が固定抵抗で構成されたブリッジ回路を有する請求項１１又は１２に記載のセンサモジュール。
14. 前記ブリッジ回路から出力されたアナログの電圧を増幅し、デジタル信号に変換して出力するアナログフロントエンド部を有する請求項１３に記載のセンサモジュール。
15. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載のひずみゲージ、又は請求項１１乃至１４の何れか一項に記載のセンサモジュールと、
    回転軸と、
    前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、を有し、
    前記ひずみゲージ又は前記センサモジュールにより前記軸受の振動を検出する軸受機構。

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