JP2022037304A - Machine component with sensor and manufacturing method for machine component with sensor - Google Patents

Machine component with sensor and manufacturing method for machine component with sensor Download PDF

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寛 須増
Hiroshi Sumasu
雅也 瀬川
Masaya Segawa
航也 吉田
Kouya Yoshida
修弘 内田
Sanehiro Uchida
貴仁 稗田
Takahito Hieda
直樹 谷
Naoki Tani
聡 丹野
Satoshi Tanno
力 上岡
Tsutomu Kamioka
良太郎 瀬尾
Ryotaro Seo
裕二 林
Yuji Hayashi
浩一郎 松久
Koichiro Matsuhisa
寛司 大原
Kanji Ohara
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Abstract

To join a sensor and a machine component together with greater strength while preventing the breakage of the sensor.SOLUTION: Provided is a machine component with a sensor, comprising: a machine component including a metal detection object; a sensor for detecting strain; and a metal plate for propagating the strain of the detection object to the sensor. The sensor includes a metal joint on the surface on the metal plate side, and the metal plate is in the state of being fixed to the detection object by welding, solid phase bonding or soldering material. The joint is in the state of being solid phase bonded to the metal plate, and the solid phase bondable temperature of the metal plate and the joint is lower than the solid phase bondable temperature when the detection object and the joint are solid phase bonded.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、センサ付き機械部品及びセンサ付き機械部品の製造方法に関する。 The present invention relates to a mechanical part with a sensor and a method for manufacturing a mechanical part with a sensor.

機械部品(例えば、転がり軸受)にひずみセンサを取り付けて、機械部品の状態検知を行う技術が知られている。例えば、特許文献1には、転がり軸受の外輪に配設されるひずみゲージが開示されている。特許文献1のひずみゲージは、外輪の外周面に形成されている切欠きの底面に直接又は基材を介して接着することにより固定される。 A technique is known in which a strain sensor is attached to a mechanical component (for example, a rolling bearing) to detect the state of the mechanical component. For example, Patent Document 1 discloses a strain gauge disposed on an outer ring of a rolling bearing. The strain gauge of Patent Document 1 is fixed to the bottom surface of the notch formed on the outer peripheral surface of the outer ring directly or by adhering it via a base material.

特許文献2には、車輪用軸受の外方部材に設けられるセンサユニットが開示されている。特許文献2のセンサユニットは、ひずみセンサとセンサ取付部材とを有する。ひずみセンサは、センサ取付部材に接着剤(段落0028)又は印刷及び焼成により貼り付けられている。センサ取付部材は、外方部材の外周に接着剤、ボルト又は溶接により取り付けられる。 Patent Document 2 discloses a sensor unit provided on an outer member of a wheel bearing. The sensor unit of Patent Document 2 has a strain sensor and a sensor mounting member. The strain sensor is attached to the sensor mounting member by adhesive (paragraph 0028) or printing and firing. The sensor mounting member is mounted on the outer circumference of the outer member by adhesive, bolt or welding.

ひずみセンサとしては、例えば金属薄膜を利用するストレインゲージや、半導体(例えば、シリコン)に不純物をドーピングした半導体ひずみゲージが知られている。例えば、特許文献3には、半導体ひずみセンサーチップとベース板とを金属はんだにより接合し、ベース板と測定対象物とをスポット溶接又はボルトにより固着する技術が開示されている。 As the strain sensor, for example, a strain gauge using a metal thin film and a semiconductor strain gauge obtained by doping a semiconductor (for example, silicon) with impurities are known. For example, Patent Document 3 discloses a technique in which a semiconductor strain sensor chip and a base plate are joined by metal solder, and the base plate and an object to be measured are fixed by spot welding or bolts.

特開2018-145998号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-145998 特開2007-239848号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-239848 特開2009-264976号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-264976

センサにより機械部品に発生するひずみを検出する際、機械部品のひずみを感度良く検出するための方法として、機械部品のうち荷重が大きく掛かる部分(すなわち、応力が大きく発生する部分)にセンサを接合することが考えられる。しかしながら、このように構成すると機械部品とセンサとの接合領域に発生する応力も大きくなるため、当該接合領域には高い強度が要求される。 When detecting the strain generated in a machine part by a sensor, as a method for detecting the strain of the machine part with high sensitivity, the sensor is joined to the part of the machine part where a large load is applied (that is, the part where a large stress is generated). It is conceivable to do. However, with such a configuration, the stress generated in the joint region between the mechanical component and the sensor also increases, so that the joint region is required to have high strength.

ここで、従来のセンサと機械部品との接合法としては、接着剤による接着(例えば、特許文献1)、ボルトによる機械的な接合や、溶接(例えば、特許文献2)が挙げられる。しかしながら、接着剤による接着では接合強度が弱く、接着部分に大きな応力が発生すると短時間のうちに接着部分が変質したり、破損したりするおそれがある。機械部品に生じるひずみが一定でも、接着部分が変質すると、センサによる検出値が変化してしまうため、正確な検出の妨げとなる。 Here, examples of the conventional method for joining a sensor and a mechanical component include bonding with an adhesive (for example, Patent Document 1), mechanical joining with bolts, and welding (for example, Patent Document 2). However, in the case of bonding with an adhesive, the bonding strength is weak, and if a large stress is generated in the bonded portion, the bonded portion may be deteriorated or damaged in a short time. Even if the strain generated in the machine part is constant, if the bonded portion is altered, the value detected by the sensor will change, which hinders accurate detection.

また、機械的な接合ではボルトを挿入するためのスペースを確保する必要が生じ、センサ付きの機械部品が大型化及び重量化してしまう。また、ボルトを締める際にセンサに偏った圧力が加えられることで、センサが破損するおそれがある。より高い強度で接合するために、溶接はより好ましい接合方法ではあるが、溶接時に接合部分は機械部品を構成する金属の溶解温度以上となるため、センサが高温環境下で破損するおそれがある。 Further, in mechanical joining, it is necessary to secure a space for inserting bolts, and mechanical parts with sensors become large and heavy. Further, when the bolt is tightened, an unbalanced pressure is applied to the sensor, which may damage the sensor. Welding is a more preferable joining method in order to join with higher strength, but since the joint portion becomes higher than the melting temperature of the metal constituting the machine part at the time of welding, the sensor may be damaged in a high temperature environment.

そこで、発明者らは固相接合という接合法に着目した。固相接合法を用いれば、溶接とは異なり、機械部品を構成する金属の溶解温度未満の温度環境下で、センサと機械部品とを接合することができる。しかしながら、機械部品を構成する金属の溶解温度が比較的高い場合(例えば、炭素鋼、クロム鋼等の鋼鉄)、センサと機械部品との固相接合が可能な最低温度(固相接合可能温度)は依然として高温となるため、固相接合によってもセンサは破損するおそれがある。 Therefore, the inventors focused on a joining method called solid-phase joining. When the solid phase bonding method is used, unlike welding, the sensor and the machine component can be bonded in a temperature environment lower than the melting temperature of the metal constituting the machine component. However, when the melting temperature of the metal constituting the mechanical component is relatively high (for example, steel such as carbon steel or chrome steel), the lowest temperature at which the sensor and the mechanical component can be solid-phase bonded (solid-phase bonding temperature). Is still hot, so solid-phase bonding can also damage the sensor.

そこで、本発明は、センサの破損を防止しつつ、より高い強度でセンサと機械部品とが接合しているセンサ付き機械部品及びセンサ付き機械部品の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a mechanical component with a sensor and a mechanical component with a sensor in which the sensor and the mechanical component are joined with higher strength while preventing the sensor from being damaged.

(1)本発明に係るセンサ付き機械部品は、金属製の検出対象を含む機械部品と、ひずみを検出するセンサと、前記検出対象のひずみを前記センサへ伝達する金属板と、を備え、前記センサは、前記金属板側の面に金属製の接合部を有し、前記金属板は、前記検出対象に溶接、固相接合又はろう材により固定された状態にあり、前記接合部は、前記金属板に固相接合された状態にあり、前記金属板と前記接合部との固相接合可能温度は、前記検出対象と前記接合部とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い、センサ付き機械部品である。 (1) The mechanical component with a sensor according to the present invention includes a mechanical component including a metal detection target, a sensor for detecting strain, and a metal plate for transmitting the strain of the detection target to the sensor. The sensor has a metal joint on the surface on the metal plate side, and the metal plate is in a state of being fixed to the detection target by welding, solid phase bonding, or a brazing material, and the joint is said. It is in a state of being solid-phase bonded to a metal plate, and the solid-phase bonding possible temperature between the metal plate and the bonding portion is higher than the solid-phase bonding possible temperature when the detection target and the bonding portion are solid-phase bonded. Low, mechanical parts with sensors.

このように構成することで、センサの破損を防止しつつ、より高い強度でセンサと検出対象とを間接的に接合することができる。 With such a configuration, it is possible to indirectly join the sensor and the detection target with higher strength while preventing the sensor from being damaged.

(2)好ましくは、前記金属板と前記接合部との固相接合可能温度は、前記金属板が前記検出対象に溶接されている場合には、前記金属板と前記検出対象との溶接可能温度よりも低く、前記金属板が前記検出対象に固相接合されている場合には、前記金属板と前記検出対象との固相接合可能温度よりも低く、前記金属板が前記検出対象に前記ろう材により固定されている場合には、前記ろう材の融点よりも低い。 (2) Preferably, the solid-phase bonding temperature between the metal plate and the joint portion is the weldable temperature between the metal plate and the detection target when the metal plate is welded to the detection target. When the metal plate is solid-phase bonded to the detection target, the temperature is lower than the solid-phase bonding possible temperature between the metal plate and the detection target, and the metal plate is the detection target. When fixed by a material, it is lower than the melting point of the brazing material.

このように構成することで、金属板と検出対象とをより接合強度の高い接合法(溶接、固相接合又は高融点ろう材によるろう接)により接合する場合であっても、センサが高温になることを防止することができるため、センサが破損することを防止することができる。 With this configuration, the sensor can be heated to a high temperature even when the metal plate and the detection target are joined by a joining method with higher joining strength (welding, solid phase joining, or brazing with a high melting point brazing material). Since it is possible to prevent the sensor from becoming damaged, it is possible to prevent the sensor from being damaged.

(3)好ましくは、前記金属板と前記接合部との当接部分に形成されている反応層は、全率固溶型又は2相分離型である。このように構成することで、反応層に金属化合物が含まれることを防止することができ、金属板と接合部との接合強度をより高くすることができる。 (3) Preferably, the reaction layer formed at the contact portion between the metal plate and the joint portion is a total solid solution type or a two-phase separation type. With such a configuration, it is possible to prevent the reaction layer from containing the metal compound, and it is possible to further increase the bonding strength between the metal plate and the bonding portion.

(4)好ましくは、前記センサは、不純物を拡散することにより所定面に複数の抵抗体が形成されている単結晶半導体の基板を有する。このようにセンサとして単結晶半導体拡散型のひずみセンサを採用することで、金属製のストレインゲージや、多結晶半導体製のひずみゲージを用いる場合と比べて、ひずみの検出感度を高くすることができる。一方で、センサは、ストレインゲージ等を用いる場合と比べて熱により破損しやすくなる課題がある。これに対し、本発明ではセンサと検出対象との間に金属板を介在させて接合することで、当該課題を解決することができる。 (4) Preferably, the sensor has a single crystal semiconductor substrate in which a plurality of resistors are formed on a predetermined surface by diffusing impurities. By adopting a single crystal semiconductor diffusion type strain sensor as a sensor in this way, it is possible to increase the strain detection sensitivity as compared with the case of using a metal strain gauge or a polycrystalline semiconductor strain gauge. .. On the other hand, the sensor has a problem that it is easily damaged by heat as compared with the case where a strain gauge or the like is used. On the other hand, in the present invention, the problem can be solved by joining the sensor and the detection target with a metal plate interposed therebetween.

(5)好ましくは、前記単結晶半導体は、シリコンであり、前記所定面は、前記シリコンの(110)面であり、複数の前記抵抗体は、それぞれ結晶方位<001>方向に離れた状態で、結晶方位<110>方向に延び、前記センサは、前記結晶方位<110>方向を前記検出対象のひずみを検出する目的方向に向けている。このように構成することで、目的方向のひずみをより感度よく検出することができる。 (5) Preferably, the single crystal semiconductor is silicon, the predetermined surface is the (110) surface of the silicon, and the plurality of resistors are separated from each other in the crystal orientation <001> direction. The sensor extends in the crystal orientation <110> direction, and the sensor points the crystal orientation <110> direction toward the target direction for detecting the strain of the detection target. With this configuration, strain in the target direction can be detected with higher sensitivity.

(6)好ましくは、前記単結晶半導体は、シリコンであり、前記所定面は、前記シリコンの(110)面であり、複数の前記抵抗体は、それぞれ結晶方位<110>方向に離れた状態で、前記結晶方位<110>方向に延び、前記センサは、前記結晶方位<110>方向を前記検出対象のひずみを検出する目的方向に向けている。このように構成することで、目的方向のひずみをより感度よく検出することができる。 (6) Preferably, the single crystal semiconductor is silicon, the predetermined surface is the (110) surface of the silicon, and the plurality of resistors are separated from each other in the crystal orientation <110> direction. The sensor extends in the direction of the crystal orientation <110>, and the sensor directs the direction of the crystal orientation <110> toward the target direction for detecting the strain of the detection target. With this configuration, strain in the target direction can be detected with higher sensitivity.

(7)好ましくは、前記接合部は、前記所定面側から平面視すると、前記基板のうち複数の前記抵抗体を挟んで位置する少なくとも2箇所を前記金属板に固定し、前記所定面の反対側のうち複数の前記抵抗体の反対側に対応する所定領域は、前記金属板と非固定の状態である。このように構成することで、接合部の耐久寿命をより長くしつつ、検出対象から伝わるひずみを金属板を介して複数の抵抗体へ効率的に伝えることができる。 (7) Preferably, when the joint portion is viewed in a plan view from the predetermined surface side, at least two positions of the substrate sandwiching the plurality of resistors are fixed to the metal plate, and the opposite of the predetermined surface. A predetermined region of the side corresponding to the opposite side of the plurality of resistors is in a non-fixed state with the metal plate. With such a configuration, it is possible to efficiently transmit the strain transmitted from the detection target to a plurality of resistors via the metal plate while extending the durable life of the joint portion.

(8)本発明に係るセンサ付き機械部品の製造方法は、金属製の検出対象を含む金属部品に、ひずみを検出するセンサを取り付けるセンサ付き機械部品の製造方法であって、前記センサの一方側の面に設けられている金属製の接合部と、前記検出対象のひずみを前記センサへ伝達する金属板と、を固相接合する工程と、前記金属板と、前記検出対象と、を溶接、固相接合又はろう材により固定する工程と、を備え、前記金属板と前記接合部との固相接合可能温度は、前記検出対象と前記接合部とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い、センサ付き機械部品の製造方法である。 (8) The method for manufacturing a mechanical component with a sensor according to the present invention is a method for manufacturing a mechanical component with a sensor in which a sensor for detecting strain is attached to a metal component including a metal detection target, and is one side of the sensor. A step of solid-phase joining a metal joint provided on the surface of the surface and a metal plate that transmits the strain of the detection target to the sensor, and welding the metal plate and the detection target. The step of solid-phase bonding or fixing with a brazing material is provided, and the solid-phase bonding possible temperature between the metal plate and the bonding portion is the solid-phase bonding when the detection target and the bonding portion are solid-phase bonded. It is a method of manufacturing mechanical parts with sensors, which is lower than the temperature.

このように構成することで、センサの破損を防止しつつ、より高い強度でセンサと検出対象とを間接的に接合することができる。 With such a configuration, it is possible to indirectly join the sensor and the detection target with higher strength while preventing the sensor from being damaged.

本発明によれば、センサの破損を防止しつつ、より高い強度でセンサと機械部品とが接合しているセンサ付き機械部品及びセンサ付き機械部品の製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a mechanical component with a sensor and a mechanical component with a sensor in which the sensor and the mechanical component are joined with higher strength while preventing damage to the sensor.

実施形態に係るセンサ付き機械部品の側面図である。It is a side view of the machine part with a sensor which concerns on embodiment. 図1の矢印IIから見たセンサ付き機械部品を部分的に示す平面図である。It is a top view which shows the mechanical part with a sensor partially as seen from the arrow II of FIG. 図2の矢印IIIにより示す切断線により切断した断面を部分的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section partially cut by the cutting line shown by the arrow III of FIG. 図2の矢印IVにより示す切断線により切断した断面を部分的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view partially showing a cross section cut by a cutting line indicated by an arrow IV in FIG. 2. 実施形態に係るセンサユニットを製造する様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state of manufacturing the sensor unit which concerns on embodiment. 実施形態に係るセンサユニットを製造する様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state of manufacturing the sensor unit which concerns on embodiment. 変形例に係るセンサ付き機械部品の説明図である。It is explanatory drawing of the machine part with a sensor which concerns on the modification. 変形例に係るセンサ付き機械部品の説明図である。It is explanatory drawing of the machine part with a sensor which concerns on the modification. 変形例に係るセンサ付き機械部品の説明図である。It is explanatory drawing of the machine part with a sensor which concerns on the modification. 変形例に係るセンサ付き機械部品の説明図である。It is explanatory drawing of the machine part with a sensor which concerns on the modification.

<実施形態>
以下、本発明の実施形態に係るセンサ付き機械部品を、図面を参照して説明する。また、図面にはXYZ座標系を適宜示す。本実施形態において、機械部品は転がり軸受である。なお、機械部品は、滑り軸受であってもよいし、リンク機構、ベルト機構、軸、ねじ、ばね、ギア等、各種の装置において機械的な動作を行うその他の部品であってもよい。
<Embodiment>
Hereinafter, the mechanical parts with sensors according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings also show the XYZ coordinate system as appropriate. In this embodiment, the mechanical component is a rolling bearing. The mechanical component may be a sliding bearing, or may be another component that mechanically operates in various devices such as a link mechanism, a belt mechanism, a shaft, a screw, a spring, and a gear.

<センサ付き機械部品の全体構成>
図1は、実施形態に係るセンサ付き機械部品1の側面図である。センサ付き機械部品1は、転がり軸受2と、センサユニット3とを備える。転がり軸受2は、外輪21と、内輪22と、複数の転動体23と、転動体23を保持する保持器(図示省略)を有する。
<Overall configuration of machine parts with sensors>
FIG. 1 is a side view of a mechanical component 1 with a sensor according to an embodiment. The mechanical component 1 with a sensor includes a rolling bearing 2 and a sensor unit 3. The rolling bearing 2 has an outer ring 21, an inner ring 22, a plurality of rolling elements 23, and a cage (not shown) for holding the rolling elements 23.

本開示において、転がり軸受2の中心線C1(以下、「軸受中心線C1」と称する)に沿う方向が、転がり軸受2の軸方向であり、単に「軸方向」と称する。軸方向には、軸受中心線C1に平行な方向(X方向)も含まれる。軸受中心線C1に直交する方向が、転がり軸受2の径方向であり、単に「径方向」と称する。軸受中心線C1を中心として転がり軸受2(第1実施形態では内輪22)が回転する方向が、転がり軸受2の周方向であり、単に「周方向」と称する。 In the present disclosure, the direction along the center line C1 of the rolling bearing 2 (hereinafter referred to as "bearing center line C1") is the axial direction of the rolling bearing 2, and is simply referred to as "axial direction". The axial direction also includes a direction parallel to the bearing center line C1 (X direction). The direction orthogonal to the bearing center line C1 is the radial direction of the rolling bearing 2, and is simply referred to as the "diameter direction". The direction in which the rolling bearing 2 (inner ring 22 in the first embodiment) rotates about the bearing center line C1 is the circumferential direction of the rolling bearing 2, and is simply referred to as the "circumferential direction".

外輪21は、軸受鋼により形成されている環状の固定輪である。本実施形態において、軸受鋼としては、高炭素クロム軸受鋼(例えば、JIS規格に定めるSUJ2又はSUJ3)を採用するが、その他の鋼であってもよい。例えば、浸炭軸受鋼、炭素鋼、クロム鋼、ステンレス鋼であってもよい。 The outer ring 21 is an annular fixed ring formed of bearing steel. In the present embodiment, the bearing steel is a high carbon chromium bearing steel (for example, SUJ2 or SUJ3 specified in JIS standard), but other steels may be used. For example, carburized bearing steel, carbon steel, chrome steel, or stainless steel may be used.

外輪21は、内周面21aと外周面21bとを有する。外輪21の内周面21aには、径方向外方に凹む外輪軌道が形成されている。外輪21の外周面21b側はハウジング(図示省略)に固定される。また、外輪21の外周面21bには、センサユニット3が取り付けられている。 The outer ring 21 has an inner peripheral surface 21a and an outer peripheral surface 21b. An outer ring track that is concave outward in the radial direction is formed on the inner peripheral surface 21a of the outer ring 21. The outer peripheral surface 21b side of the outer ring 21 is fixed to a housing (not shown). Further, a sensor unit 3 is attached to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21.

内輪22は、軸受鋼により形成されている環状の回転輪である。内輪22は、内周面22aと外周面22bとを有する。内輪22の内周面22a側は回転軸(図示省略)に固定される。内輪22の外周面22bには、径方向内方に凹む内輪軌道が形成されている。複数の転動体23は、軸受鋼により形成されている玉である。複数の転動体23は、外輪21の外輪軌道と、内輪22の内輪軌道とそれぞれ点接触している状態で、外輪軌道及び内輪軌道上を転動する。すなわち、外輪軌道及び内輪軌道は、複数の転動体23が転がる走路となる。 The inner ring 22 is an annular rotating ring formed of bearing steel. The inner ring 22 has an inner peripheral surface 22a and an outer peripheral surface 22b. The inner peripheral surface 22a side of the inner ring 22 is fixed to a rotation shaft (not shown). An inner ring track recessed inward in the radial direction is formed on the outer peripheral surface 22b of the inner ring 22. The plurality of rolling elements 23 are balls formed of bearing steel. The plurality of rolling elements 23 roll on the outer ring track and the inner ring track in a state where the outer ring track of the outer ring 21 and the inner ring track of the inner ring 22 are in point contact with each other. That is, the outer ring track and the inner ring track are runways on which a plurality of rolling elements 23 roll.

なお、内輪22及び転動体23を形成する軸受鋼は、それぞれ外輪21と同じ鋼であってもよいし、外輪21と異なる鋼であってもよい。内輪22の形状は環状に限られず、例えば中実構造を有する内軸(例えば、ハブ軸)であってもよい。外輪21が回転輪であり、内輪22が固定輪であってもよい。複数の転動体23は、「ころ」であってもよい。本実施形態の転がり軸受2は、単列式であるが、複列式であってもよい。 The bearing steel forming the inner ring 22 and the rolling element 23 may be the same steel as the outer ring 21, or may be different from the outer ring 21. The shape of the inner ring 22 is not limited to an annular shape, and may be, for example, an inner shaft having a solid structure (for example, a hub shaft). The outer ring 21 may be a rotating wheel and the inner ring 22 may be a fixed ring. The plurality of rolling elements 23 may be "rollers". The rolling bearing 2 of the present embodiment is a single row type, but may be a double row type.

本実施形態に係るセンサユニット3は、金属製の検出対象に取り付けられ、当該検出対象のひずみを検出する。本実施形態において、金属製の検出対象は、軸受鋼製の外輪21である。より具体的には、センサユニット3は、外輪21の外周面21bに取り付けられている。なお、センサユニット3は、内輪22の内周面22aに取り付けられてもよい。この場合、金属製の検出対象は、軸受鋼製の内輪22となる。 The sensor unit 3 according to the present embodiment is attached to a metal detection target and detects the strain of the detection target. In the present embodiment, the detection target made of metal is the outer ring 21 made of bearing steel. More specifically, the sensor unit 3 is attached to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21. The sensor unit 3 may be attached to the inner peripheral surface 22a of the inner ring 22. In this case, the detection target made of metal is the inner ring 22 made of bearing steel.

また、本実施形態では、外輪21の全体が軸受鋼により形成されているが、外輪21の一部が軸受鋼以外の材料(例えば、樹脂)により形成されていてもよい。外輪21のうちセンサユニット3が取り付けられる領域が、軸受鋼により形成されていればよく、当該領域を有する外輪21を本開示では「軸受鋼製の外輪21」と称する。 Further, in the present embodiment, the entire outer ring 21 is made of bearing steel, but a part of the outer ring 21 may be made of a material other than the bearing steel (for example, resin). The region of the outer ring 21 to which the sensor unit 3 is attached may be formed of bearing steel, and the outer ring 21 having the region is referred to as "bearing steel outer ring 21" in the present disclosure.

<センサユニットの構成>
図2は、図1の矢印IIから見たセンサ付き機械部品1を部分的に示す平面図である。図3は、図2の矢印IIIにより示す切断線により切断した断面を部分的に示す断面図である。図4は、図2の矢印IVにより示す切断線により切断した断面を部分的に示す断面図である。図2から図4において、X方向が軸方向に対応し、Y方向が周方向に対応し、Z方向が径方向に対応する。センサユニット3は、ひずみを検出するセンサ4と、外輪21(検出対象)のひずみをセンサ4へ伝達する金属製の中間部材5と、を有する。
<Sensor unit configuration>
FIG. 2 is a plan view partially showing the mechanical component 1 with a sensor as seen from the arrow II of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view partially showing a cross section cut by a cutting line indicated by an arrow III in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view partially showing a cross section cut by the cutting line indicated by the arrow IV of FIG. In FIGS. 2 to 4, the X direction corresponds to the axial direction, the Y direction corresponds to the circumferential direction, and the Z direction corresponds to the radial direction. The sensor unit 3 has a sensor 4 for detecting the strain, and a metal intermediate member 5 for transmitting the strain of the outer ring 21 (detection target) to the sensor 4.

図2を参照する。センサ4は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用するひずみセンサである。センサ4は、単結晶半導体の基板41と、複数の接合部44と、を有する。本実施形態において、基板41を形成する単結晶半導体は、シリコンである。なお、単結晶半導体としては、ゲルマニウムであってもよいし、化合物半導体(例えば、ガリウム化合物、インジウム化合物)であってもよい。 See FIG. The sensor 4 is a strain sensor that utilizes the piezoresistive effect of a semiconductor. The sensor 4 has a single crystal semiconductor substrate 41 and a plurality of junctions 44. In the present embodiment, the single crystal semiconductor forming the substrate 41 is silicon. The single crystal semiconductor may be germanium or a compound semiconductor (for example, a gallium compound or an indium compound).

基板41は、シリコンの(110)面を表面41aとし、図3に示すように表面41aとは反対側の裏面41bを中間部材5に向けている。基板41の表面41aには、不純物を拡散することにより複数本の抵抗体42が形成されている。本実施形態の抵抗体42は、p型シリコンであるが、n型シリコンであってもよい。また、表面41aには、抵抗体42における抵抗値の変化を測定するための電極43が設けられている。電極43は、図示省略する配線と接続し、当該配線はセンサ付き機械部品1の外部の測定機器と接続している。これにより、抵抗体42における抵抗値の変化が外部の測定機器により検知される。 In the substrate 41, the (110) surface of silicon is the surface 41a, and as shown in FIG. 3, the back surface 41b on the opposite side of the surface 41a is directed toward the intermediate member 5. A plurality of resistors 42 are formed on the surface 41a of the substrate 41 by diffusing impurities. The resistor 42 of the present embodiment is p-type silicon, but may be n-type silicon. Further, the surface 41a is provided with an electrode 43 for measuring a change in the resistance value of the resistor 42. The electrode 43 is connected to a wiring (not shown), and the wiring is connected to an external measuring device of the mechanical component 1 with a sensor. As a result, the change in the resistance value of the resistor 42 is detected by an external measuring device.

複数本の抵抗体42は、それぞれ結晶方位<001>方向に離れた状態で、結晶方位<110>方向に延びている。ここで、シリコンの(110)面に形成されている抵抗体42は、<110>方向のピエゾ抵抗効果(ひずみ伝達感度)が極大となり、<110>方向に垂直な<100>方向のピエゾ抵抗効果が極小となる。このため、抵抗体42が延びる<110>方向と、ひずみを検出する目的方向とを一致させることで、より感度よく目的方向のひずみを検出することができる。 The plurality of resistors 42 extend in the crystal orientation <110> direction in a state of being separated from each other in the crystal orientation <001> direction. Here, the resistor 42 formed on the (110) plane of silicon has a maximum piezoresistive effect (strain transmission sensitivity) in the <110> direction, and has a piezoresistive effect in the <100> direction perpendicular to the <110> direction. The effect is minimal. Therefore, by matching the <110> direction in which the resistor 42 extends with the target direction for detecting the strain, the strain in the target direction can be detected more sensitively.

本実施形態の基板41は、<110>方向を転がり軸受2の軸方向と一致させているため、転がり軸受2の軸方向のひずみをより感度よく検出することができる。なお、目的方向が例えば周方向である場合、基板41の<110>方向を転がり軸受2の周方向と一致させればよい。 Since the substrate 41 of the present embodiment matches the <110> direction with the axial direction of the rolling bearing 2, the strain in the axial direction of the rolling bearing 2 can be detected more sensitively. When the target direction is, for example, the circumferential direction, the <110> direction of the substrate 41 may be aligned with the circumferential direction of the rolling bearing 2.

図3を参照する。基板41の裏面41bには、複数(例えば、4個)の接合部44が設けられている。接合部44は、スパッタにより基板41の裏面41bに形成された薄膜である。本実施形態の接合部44を構成する薄膜材料は、金属であり、より具体的には金である。なお、接合部44は、蒸着により基板41の裏面41bに形成されてもよいが、基板41と接合部44との接合力をより強くするために、スパッタにより形成されることが好ましい。 See FIG. A plurality of (for example, four) joints 44 are provided on the back surface 41b of the substrate 41. The joint portion 44 is a thin film formed on the back surface 41b of the substrate 41 by sputtering. The thin film material constituting the joint portion 44 of the present embodiment is a metal, and more specifically, gold. The joint portion 44 may be formed on the back surface 41b of the substrate 41 by thin film deposition, but is preferably formed by sputtering in order to further strengthen the bonding force between the substrate 41 and the joint portion 44.

接合部44は、中間部材5に固相接合されている。より具体的には、接合部44は、中間部材5に固相拡散接合により固定されている。接合部44と中間部材5との固相拡散接合については、後述する。 The joint portion 44 is solid-phase bonded to the intermediate member 5. More specifically, the joint portion 44 is fixed to the intermediate member 5 by solid phase diffusion bonding. The solid phase diffusion bonding between the bonding portion 44 and the intermediate member 5 will be described later.

接合部44は、図2のように径方向(すなわち、基板41を表面41aから裏面41bへ向かう方向)に平面視すると、抵抗体42及び電極43と重ならない位置に設けられている。このような構成により、中間部材5と固相接合する際に、抵抗体42及び電極43にダメージが与えられることを防止することができる。 The joint portion 44 is provided at a position where it does not overlap with the resistor 42 and the electrode 43 when viewed in a plan view in the radial direction (that is, the direction in which the substrate 41 is directed from the front surface 41a to the back surface 41b) as shown in FIG. With such a configuration, it is possible to prevent the resistor 42 and the electrode 43 from being damaged when solid-phase bonding is performed with the intermediate member 5.

また、接合部44は、径方向に平面視すると、基板41のうち抵抗体42を挟んで位置する少なくとも2箇所(本実施形態では4箇所)を中間部材5に固定している。さらに、図3及び図4に示すように、基板41の裏面41bのうち抵抗体42の反対側に対応する所定領域R1は、中間部材5に対して非固定の状態となっている。 Further, when viewed in a plan view in the radial direction, the joint portion 44 fixes at least two locations (four locations in the present embodiment) of the substrate 41 located across the resistor 42 to the intermediate member 5. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the predetermined region R1 corresponding to the opposite side of the resistor 42 in the back surface 41b of the substrate 41 is in a non-fixed state with respect to the intermediate member 5.

ここで、「非固定の状態」とは、所定領域R1が接合部44により直接中間部材5に固定されていない状態を意味する。図3及び図4に示すように、所定領域R1と中間部材5とが径方向に隙間を空けている状態は、非固定の状態である。なお、接合部44が所定領域R1を避けた位置において基板41を中間部材5に固定していれば、所定領域R1は中間部材5に接していてもよい。この場合、外輪21が軸方向及び周方向の少なくとも一方にひずむと、中間部材5は、所定領域R1に摺接しながら伸張又は収縮する。このような状態も、所定領域R1は中間部材5に対して「非固定の状態」であると称する。すなわち、「非固定の状態」には、所定領域R1と中間部材5とが隙間を空けて離れている状態と、隙間を有さないものの所定領域R1と中間部材5とが接合されていない状態とを含む。本実施形態において、所定領域R1と中間部材5とは、隙間を空けて離れている。 Here, the "non-fixed state" means a state in which the predetermined region R1 is not directly fixed to the intermediate member 5 by the joint portion 44. As shown in FIGS. 3 and 4, the state in which the predetermined region R1 and the intermediate member 5 have a radial gap is a non-fixed state. If the substrate 41 is fixed to the intermediate member 5 at a position where the joint portion 44 avoids the predetermined region R1, the predetermined region R1 may be in contact with the intermediate member 5. In this case, when the outer ring 21 is distorted in at least one of the axial direction and the circumferential direction, the intermediate member 5 expands or contracts while sliding in contact with the predetermined region R1. Such a state is also referred to as a "non-fixed state" with respect to the intermediate member 5 in the predetermined region R1. That is, in the "non-fixed state", the predetermined region R1 and the intermediate member 5 are separated from each other with a gap, and the predetermined region R1 and the intermediate member 5 are not joined even though there is no gap. And include. In the present embodiment, the predetermined region R1 and the intermediate member 5 are separated from each other with a gap.

また、接合部44は、径方向に平面視すると、円形、楕円形、長円形、又は卵形を有する。換言すると、接合部44は、径方向に平面視すると、非多角形であり、角を有さない。このため、中間部材5がひずむ際に接合部44に生じる応力が一点(例えば、角)に集中することを防止することができる。これにより、接合部44が中間部材5から剥がれることを防止することができる。 Further, the joint portion 44 has a circular shape, an elliptical shape, an oval shape, or an oval shape when viewed in a plan view in the radial direction. In other words, the joint portion 44 is non-polygonal and has no corners when viewed in a radial direction. Therefore, it is possible to prevent the stress generated in the joint portion 44 when the intermediate member 5 is distorted from concentrating on one point (for example, a corner). This makes it possible to prevent the joint portion 44 from peeling off from the intermediate member 5.

<中間部材の詳細>
中間部材5は、金属板51と、溶接ビード52とを有する。金属板51は、銅製の薄板であり、厚みは、例えば数百~数十um(マイクロメートル)である。金属板51のうち、径方向外側に向く面を表面51aとし、外周面21bに向く面を裏面51bとする。金属板51の表面51aには、センサ4の接合部44が固相接合により固定されている。
<Details of intermediate members>
The intermediate member 5 has a metal plate 51 and a weld bead 52. The metal plate 51 is a thin plate made of copper, and has a thickness of, for example, several hundreds to several tens of um (micrometers). Of the metal plate 51, the surface facing outward in the radial direction is referred to as the front surface 51a, and the surface facing the outer peripheral surface 21b is referred to as the back surface 51b. The bonding portion 44 of the sensor 4 is fixed to the surface 51a of the metal plate 51 by solid phase bonding.

金属板51の軸方向の側面51cは、外輪21の外周面21bに溶接(例えば、レーザー溶接)により固定されている。溶接の際、金属板51及び外輪21が溶融して溶接ビード52が形成され、溶接ビード52により金属板51と外輪21とが固定される。金属板51は、外周面21bと平行な方向(軸方向又は周方向)に弾性を有し、外輪21が軸方向や周方向にひずむと、それに伴って金属板51も外輪21と同様にひずむ。これにより、金属板51は、外輪21のひずみをセンサ4に伝達することができる。 The axial side surface 51c of the metal plate 51 is fixed to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by welding (for example, laser welding). At the time of welding, the metal plate 51 and the outer ring 21 are melted to form a weld bead 52, and the metal plate 51 and the outer ring 21 are fixed by the weld bead 52. The metal plate 51 has elasticity in a direction parallel to the outer peripheral surface 21b (axial direction or circumferential direction), and when the outer ring 21 is distorted in the axial direction or the circumferential direction, the metal plate 51 is also distorted in the same manner as the outer ring 21. .. As a result, the metal plate 51 can transmit the strain of the outer ring 21 to the sensor 4.

ここで、中間部材5は、2つの機能を有する。1つは、上記したように、外輪21のひずみをセンサ4に伝達する機能である。もう1つは、センサ4の破損を防止しつつ、センサ4を外輪21により高い強度で接合するためのバッファとしての機能である。センサ4は、検出対象のひずみを感度良く検出するために、検出対象のうち荷重が大きく掛かる部分に接合される場合がある。このように構成すると、検出対象とセンサ4との接合領域に発生する応力も大きくなるため、当該接合領域には高い強度が要求される。 Here, the intermediate member 5 has two functions. One is a function of transmitting the strain of the outer ring 21 to the sensor 4 as described above. The other is a function as a buffer for joining the sensor 4 to the outer ring 21 with higher strength while preventing the sensor 4 from being damaged. The sensor 4 may be joined to a portion of the detection target where a large load is applied in order to detect the strain of the detection target with high sensitivity. With such a configuration, the stress generated in the joint region between the detection target and the sensor 4 also increases, so that the joint region is required to have high strength.

ここで、接合強度が比較的高い接合方法としては、溶接、固相接合又は高融点ろう材によるろう接が挙げられる。固相接合は、接合領域に圧力を印加しつつ加熱を行うことで、接合領域を固体状態のまま接合する接合方法であり、例えば、固相拡散接合、摩擦撹拌接合又は超音波圧接等が挙げられる。 Here, examples of the joining method having a relatively high joining strength include welding, solid phase joining, and brazing with a high melting point brazing material. Solid-phase bonding is a bonding method in which a bonding region is bonded in a solid state by heating while applying pressure to the bonding region. Examples thereof include solid-phase diffusion welding, friction stir welding, and ultrasonic pressure welding. Be done.

例えば、センサ4の接合部44を溶接により外輪21の外周面21bに接合するためには、外輪21を構成する軸受鋼が溶解する最低温度(溶接可能温度)以上の温度(例えば、摂氏1400度以上)で作業する必要があり、接合時にセンサ4が高温に耐えられずに破損するおそれがある。 For example, in order to join the joint portion 44 of the sensor 4 to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by welding, the temperature is equal to or higher than the minimum temperature (weldable temperature) at which the bearing steel constituting the outer ring 21 melts (for example, 1400 degrees Celsius). It is necessary to work in the above), and the sensor 4 may not be able to withstand the high temperature and may be damaged at the time of joining.

また、外輪21を構成する材料を、軸受鋼よりも溶接可能温度が低い金属材料(例えば、銅等)にすれば、接合時にセンサ4に与えられる熱も低くなるためセンサ4は破損しにくくなる。しかしながら、このように溶接可能温度が低い金属材料により外輪21を構成すると、外輪21自体の機械的強度が低くなり、転がり軸受2の性能が低下する。このため、転がり軸受2(機械部品)の性能を維持するには、外輪21(検出対象)を構成する金属材料は、溶接可能温度がある程度高い(例えば、摂氏1400度以上)金属材料とする必要がある。 Further, if the material constituting the outer ring 21 is a metal material having a weldable temperature lower than that of the bearing steel (for example, copper or the like), the heat given to the sensor 4 at the time of joining is also low, so that the sensor 4 is less likely to be damaged. .. However, when the outer ring 21 is made of a metal material having a low weldable temperature as described above, the mechanical strength of the outer ring 21 itself is lowered, and the performance of the rolling bearing 2 is lowered. Therefore, in order to maintain the performance of the rolling bearing 2 (mechanical component), the metal material constituting the outer ring 21 (detection target) must be a metal material having a weldable temperature high to some extent (for example, 1400 degrees Celsius or higher). There is.

センサ4の接合部44をろう接により外輪21の外周面21bに接合する場合、ろう材の融点が高いと、接合強度を高くできる一方で、接合時にセンサ4が高温に耐えられずに破損するおそれがある。また、ろう材の融点が低いと(例えば、はんだ等)、接合時のセンサ4の破損は防止し得るが、接合強度が弱くなる。このため、ろう接では、接合強度を高くすることと、センサ4の破損を防止することの両立が困難である。また、低融点のろう材はヤング率が比較的低いため、外輪21のひずみに応じてろう材が変形することにより、外輪21のひずみがセンサ4の抵抗体42に伝わりにくくなり、センサ4の検出感度が低下するおそれがある。 When the joining portion 44 of the sensor 4 is joined to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by brazing, if the melting point of the brazing material is high, the joining strength can be increased, but the sensor 4 cannot withstand the high temperature and is damaged at the time of joining. There is a risk. Further, when the melting point of the brazing material is low (for example, solder or the like), damage to the sensor 4 at the time of joining can be prevented, but the joining strength is weakened. Therefore, in brazing, it is difficult to achieve both high bonding strength and prevention of damage to the sensor 4. Further, since the brazing material having a low melting point has a relatively low Young's modulus, the brazing material is deformed according to the strain of the outer ring 21, so that the strain of the outer ring 21 is less likely to be transmitted to the resistor 42 of the sensor 4, and the sensor 4 has a relatively low Young's modulus. The detection sensitivity may decrease.

センサ4の接合部44を固相接合により外輪21の外周面21bに接合する場合、外輪21を構成する軸受鋼の溶解温度(溶接可能温度)の半分程度の温度で作業可能である。しかしながら、外輪21を構成する軸受鋼の溶解温度が高温であるため、接合部44と外周面21bとを固相接合するために必要な最低温度(固相接合可能温度)も依然として高温(例えば、摂氏700度以上)となり、接合時にセンサ4が破損するおそれがある。 When the joint portion 44 of the sensor 4 is joined to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by solid phase joining, the work can be performed at a temperature about half of the melting temperature (weldable temperature) of the bearing steel constituting the outer ring 21. However, since the melting temperature of the bearing steel constituting the outer ring 21 is high, the minimum temperature (solid phase bonding possible temperature) required for solid phase bonding between the joint portion 44 and the outer peripheral surface 21b is still high (for example,). (700 degrees Celsius or higher), and the sensor 4 may be damaged during joining.

そこで、本実施形態に係るセンサユニット3は、センサ4と外輪21との間に、接合部44との固相接合可能温度が、外輪21(検出対象)と接合部44とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い金属板51を介在させる。そして、接合部44と金属板51とを固相接合し、金属板51と外輪21(検出対象)とを溶接する。これにより、センサ4の破損を防止しつつ、金属板51を介してセンサ4を外輪21により高い強度で接合することができる。 Therefore, in the sensor unit 3 according to the present embodiment, the temperature at which the outer ring 21 (detection target) and the joint portion 44 can be solid-phase bonded is set between the sensor 4 and the outer ring 21 at a temperature at which the joint portion 44 can be solid-phase bonded. A metal plate 51 having a temperature lower than the solid phase bonding temperature in the case is interposed. Then, the joint portion 44 and the metal plate 51 are solid-phase bonded, and the metal plate 51 and the outer ring 21 (detection target) are welded. As a result, the sensor 4 can be joined to the outer ring 21 with higher strength via the metal plate 51 while preventing the sensor 4 from being damaged.

換言すれば、接合部44の材料と、金属板51の材料との組み合わせは、接合部44を外輪21と固相接合する場合よりも、接合部44を金属板51と固相接合する場合の方が、固相接合可能温度を低くすることが可能となる特定の組み合わせとなる。 In other words, the combination of the material of the joint portion 44 and the material of the metal plate 51 is the case where the joint portion 44 is solid-phase bonded to the metal plate 51 rather than the case where the joint portion 44 is solid-phase bonded to the outer ring 21. This is a specific combination that makes it possible to lower the temperature at which solid phase bonding is possible.

本実施形態において、接合部44は金の薄膜であり、金属板51は銅板であり、接合部44と金属板51は固相拡散接合により接合される。この場合、接合部44と外輪21とを固相接合する場合の固相接合可能温度は摂氏700度程度であり、接合部44と金属板51との固相接合可能温度は摂氏200度程度である。このため、センサ4が高温により破損することを防止しつつ、接合強度の高い固相接合により接合部44と金属板51とを接合することができる。 In the present embodiment, the joint portion 44 is a thin film of gold, the metal plate 51 is a copper plate, and the joint portion 44 and the metal plate 51 are joined by solid-phase diffusion bonding. In this case, the solid-phase bonding temperature when the bonding portion 44 and the outer ring 21 are solid-phase bonded is about 700 degrees Celsius, and the solid-phase bonding temperature between the bonding portion 44 and the metal plate 51 is about 200 degrees Celsius. be. Therefore, the bonding portion 44 and the metal plate 51 can be bonded by solid-phase bonding having high bonding strength while preventing the sensor 4 from being damaged by high temperature.

なお、接合部44及び金属板51をそれぞれ構成する材料の種類は、上記の組み合わせに限られない。金属板51と接合部44との固相接合可能温度が、外輪21と接合部44とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低ければ、その他の組み合わせであってもよい。例えば、接合部44は、銀、銅、ニッケル、錫又はアルミニウムの薄膜であってもよい。また、金属板51は、金、銀、ニッケル、錫又はアルミニウムの板であってもよいし、銅板の表面にこれらのいずれかの金属をメッキ加工したものであってもよい。 The types of materials constituting the joint portion 44 and the metal plate 51 are not limited to the above combinations. Other combinations may be used as long as the temperature at which the metal plate 51 and the bonding portion 44 can be solid-phase bonded is lower than the temperature at which the outer ring 21 and the bonding portion 44 can be solid-phase bonded. For example, the joint 44 may be a thin film of silver, copper, nickel, tin or aluminum. Further, the metal plate 51 may be a plate of gold, silver, nickel, tin or aluminum, or the surface of the copper plate may be plated with any of these metals.

また、接合部44と金属板51は固相拡散接合以外の固相接合法により接合されてもよい。例えば、接合部44と金属板51は、摩擦撹拌接合により接合されてもよいし、超音波圧接により接合されてもよい。 Further, the bonding portion 44 and the metal plate 51 may be bonded by a solid phase bonding method other than solid phase diffusion bonding. For example, the joint portion 44 and the metal plate 51 may be joined by friction stir welding or by ultrasonic pressure welding.

溶接ビード52には、金属板51及び外輪21以外に、溶接ビード52の母材となる金属材料が含まれていてもよい。例えば、溶接ビード52の母材となる金属材料を金属板51と外輪21との間に位置させている状態で、レーザの照射を行い、金属板51、外輪21及び母材を溶融させて溶接ビード52を形成するようにしてもよい。 In addition to the metal plate 51 and the outer ring 21, the weld bead 52 may contain a metal material that is a base material of the weld bead 52. For example, in a state where the metal material to be the base material of the welding bead 52 is positioned between the metal plate 51 and the outer ring 21, laser irradiation is performed to melt the metal plate 51, the outer ring 21, and the base material for welding. The bead 52 may be formed.

図2のように平面視すると、金属板51の軸方向(X方向)及び周方向(Y方向)の幅は、基板41の同方向の幅よりもそれぞれ大きい。そして、金属板51において、基板41を目的方向(本実施形態では、軸方向)に挟んで位置する少なくとも2箇所が、外輪21に固定されている。さらに、図3及び図4に示すように、金属板51の裏面51bのうち抵抗体42及び接合部44の反対側に対応する所定領域R2は、外輪21の外周面21bに対して非固定の状態となっている。 When viewed in a plan view as shown in FIG. 2, the widths of the metal plate 51 in the axial direction (X direction) and the circumferential direction (Y direction) are larger than the widths of the substrate 41 in the same direction. Then, in the metal plate 51, at least two locations where the substrate 41 is sandwiched between the target direction (in the present embodiment, the axial direction) are fixed to the outer ring 21. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the predetermined region R2 corresponding to the opposite side of the resistor 42 and the joint portion 44 of the back surface 51b of the metal plate 51 is not fixed to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21. It is in a state.

ここで、所定領域R2は、外輪21のうちひずみがより強く生じる部分に対向させることで、金属板51をより大きくひずませることができる。しかしながら、当該部分にはより大きな応力が発生するため、溶接ビード52が当該部分に位置すると、中間部材5の耐久寿命が短くなるおそれがある。 Here, the predetermined region R2 can distort the metal plate 51 more greatly by facing the portion of the outer ring 21 where the strain is more strongly generated. However, since a larger stress is generated in the portion, if the weld bead 52 is located in the portion, the durable life of the intermediate member 5 may be shortened.

本実施形態では、溶接ビード52は、当該部分を避けて位置する。すなわち、所定領域R2は、外輪21の外周面21bと非固定の状態である。このため、溶接ビード52自体は、応力によりひずみにくくなり、中間部材5の耐久寿命をより長くすることができる。また、金属板51は、表面51a側から平面視すると、基板41を目的方向に挟んで位置する少なくとも2箇所が溶接ビード52により外周面21bに固定されている。このため、金属板51は、外輪21の目的方向のひずみをより好適に追従して変形し、外輪21の外周面21bから伝わるひずみをセンサ4へ効率的に伝えることができる。 In the present embodiment, the weld bead 52 is located so as to avoid the portion. That is, the predetermined region R2 is not fixed to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21. Therefore, the weld bead 52 itself is less likely to be distorted by stress, and the durable life of the intermediate member 5 can be further extended. Further, when the metal plate 51 is viewed in a plan view from the surface 51a side, at least two positions sandwiching the substrate 41 in the target direction are fixed to the outer peripheral surface 21b by the welding beads 52. Therefore, the metal plate 51 can more preferably follow and deform the strain of the outer ring 21 in the target direction, and efficiently transmit the strain transmitted from the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 to the sensor 4.

なお、本実施形態において、所定領域R2と外周面21bとの間に隙間はほとんど無いものの、溶接ビード52は所定領域R2を避けて形成されているため、所定領域R2と外周面21bとは直接接合されていない。 In the present embodiment, although there is almost no gap between the predetermined region R2 and the outer peripheral surface 21b, the weld bead 52 is formed so as to avoid the predetermined region R2, so that the predetermined region R2 and the outer peripheral surface 21b are directly connected to each other. Not joined.

<センサユニットの製造方法>
センサユニット3の製造方法の一例について、図5及び図6を参照して説明する。図5及び図6は、本実施形態に係るセンサユニット3を製造する様子を示す説明図である。図5(a)、(b)及び図6は、図4と同じ断面によりセンサ4及び金属板51を示している。
<Manufacturing method of sensor unit>
An example of a method for manufacturing the sensor unit 3 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. 5 and 6 are explanatory views showing how the sensor unit 3 according to the present embodiment is manufactured. 5 (a), (b) and FIG. 6 show the sensor 4 and the metal plate 51 in the same cross section as in FIG.

はじめに、図5(a)に示すように、基板41の表面41aにp型不純物を拡散することにより抵抗体42を形成する。次に、基板41の裏面41bにスパッタリング法により金の薄膜(例えば、厚み数十~数百um(マイクロメートル))を成膜することで、接合部44を形成する。スパッタリング法では、材料粒子(本実施形態では、金)を基板41の裏面41bに高速・高エネルギーで衝突させることで、基板41の裏面41bをわずかに破壊して金が裏面41bに食い込む状態となる。このため、スパッタリング法によれば、高い密着力で接合部44を基板41の裏面41bに形成することができる。なお、所望の密着力が得られるのであれば、接合部44は、基板41の裏面41bにイオンプレーティング法により形成されてもよいし、蒸着法により形成されてもよい。 First, as shown in FIG. 5A, the resistor 42 is formed by diffusing p-type impurities on the surface 41a of the substrate 41. Next, a gold thin film (for example, a thickness of several tens to several hundreds um (micrometers)) is formed on the back surface 41b of the substrate 41 by a sputtering method to form a joint portion 44. In the sputtering method, the material particles (gold in the present embodiment) are made to collide with the back surface 41b of the substrate 41 at high speed and high energy, so that the back surface 41b of the substrate 41 is slightly destroyed and the gold bites into the back surface 41b. Become. Therefore, according to the sputtering method, the joint portion 44 can be formed on the back surface 41b of the substrate 41 with a high adhesion force. The joint portion 44 may be formed on the back surface 41b of the substrate 41 by an ion plating method or by a thin-film deposition method as long as a desired adhesion force can be obtained.

続いて、図5(b)に示すように、接合部44と金属板51の表面51aとを当接させ、接合部44と金属板51の表面51aとの当接部分を加熱及び加圧する。これにより、接合部44と金属板51とを固相拡散接合(「熱圧着」ともいう。)により固定する。すなわち、接合部44と金属板51のそれぞれを構成する金属の融点よりも低い温度において、接合部44と金属板51との間における金属の拡散を生じさせることで、接合部44と金属板51とを接合する。 Subsequently, as shown in FIG. 5B, the joint portion 44 and the surface 51a of the metal plate 51 are brought into contact with each other, and the contact portion between the joint portion 44 and the surface 51a of the metal plate 51 is heated and pressurized. As a result, the joint portion 44 and the metal plate 51 are fixed by solid phase diffusion bonding (also referred to as “thermocompression bonding”). That is, at a temperature lower than the melting point of the metal constituting each of the joint portion 44 and the metal plate 51, the metal diffuses between the joint portion 44 and the metal plate 51, thereby causing the joint portion 44 and the metal plate 51 to diffuse. And join.

図5(c)は、図5(b)における接合部44と金属板51の表面51aとの当接部分を含む領域R3の拡大図である。当該当接部分には、固相拡散接合により反応層6が形成されている。反応層6は、全率固溶型又は2相分離型の層である。すなわち、接合部44を構成する金属と、金属板51を構成する金属との間で、金属間化合物が形成されないか、形成されるとしてもわずかであり、反応層6の大半は全率固溶型又は2相分離型の層により形成されている。 5 (c) is an enlarged view of the region R3 including the contact portion between the joint portion 44 and the surface 51 a of the metal plate 51 in FIG. 5 (b). A reaction layer 6 is formed at the contact portion by solid phase diffusion bonding. The reaction layer 6 is a total rate solid-dissolved type or two-phase separated type layer. That is, an intermetallic compound is not formed or, if any, is formed between the metal constituting the joint portion 44 and the metal constituting the metal plate 51, and most of the reaction layer 6 is completely solid-solved. It is formed by a mold or a two-phase separated type layer.

ここで、反応層6がどのような型の層となるかは、接合部44を構成する材料と、金属板51を構成する材料との組み合わせにより決まる。本実施形態では、接合部44は金であり、金属板51は銅であるため、金と銅とで金属間化合物が形成され難く、反応層6は全率固溶型又は2相分離型となる。金属間化合物は、金属の固溶体と比べて脆弱であるため、反応層6において金属間化合物が形成されると、反応層6が全率固溶型又は2相分離型となる場合と比べて、接合部44と金属板51との接合強度が低くなる。このため、接合部44及び金属板51を構成する金属において、反応層6に金属化合物が含まれることを防止するために、反応層6が全率固溶型又は2相分離型となる組み合わせを採用する。 Here, what type of layer the reaction layer 6 becomes is determined by the combination of the material constituting the joint portion 44 and the material constituting the metal plate 51. In the present embodiment, since the joint portion 44 is gold and the metal plate 51 is copper, it is difficult for an intermetallic compound to be formed between gold and copper, and the reaction layer 6 is a solid-state type or a two-phase separation type. Become. Since the intermetallic compound is more fragile than the solid solution of metal, when the intermetallic compound is formed in the reaction layer 6, the reaction layer 6 becomes a solid solution type or a two-phase separation type as compared with the case where the reaction layer 6 becomes a solid solution type or a two-phase separation type. The joint strength between the joint portion 44 and the metal plate 51 is lowered. Therefore, in the metal constituting the joint portion 44 and the metal plate 51, in order to prevent the reaction layer 6 from containing the metal compound, a combination in which the reaction layer 6 is a total solid solution type or a two-phase separation type is used. adopt.

例えば、接合部44として金を用いる場合、金属板51としては、銅板、ニッケルによりめっきされた銅板、金板、ニッケル板を用いることができる。また、接合部44として銅を用いる場合、金属板51としては銅板、銅によりめっきされた金属板を用いることができる。また、接合部44としてニッケルを用いる場合、金属板51としては、ニッケル板、ニッケルによりめっきされた金属板を用いることができる。これらのいずれの組み合わせでも、反応層6は全率固溶型又は2相分離型となる。 For example, when gold is used as the joint portion 44, a copper plate, a copper plate plated with nickel, a gold plate, or a nickel plate can be used as the metal plate 51. When copper is used as the joint portion 44, a copper plate or a metal plate plated with copper can be used as the metal plate 51. When nickel is used as the joint portion 44, a nickel plate or a metal plate plated with nickel can be used as the metal plate 51. In any combination of these, the reaction layer 6 is either a solid-soluble type or a two-phase separated type.

次に、接合部44と金属板51との固相接合の方法をより具体的に説明する。
図6は、固相接合装置7にセンサ4と金属板51とが格納されている様子を示している。固相接合装置7は、固相接合(より具体的には、固相拡散接合)を行うための装置である。固相接合装置7は、第1プレート71と、第2プレート72と、レーザ照射部73とを有する。
Next, a method of solid-phase bonding between the bonding portion 44 and the metal plate 51 will be described more specifically.
FIG. 6 shows a state in which the sensor 4 and the metal plate 51 are housed in the solid phase bonding device 7. The solid phase bonding device 7 is a device for performing solid phase bonding (more specifically, solid phase diffusion bonding). The solid phase bonding apparatus 7 has a first plate 71, a second plate 72, and a laser irradiation unit 73.

第1プレート71と第2プレート72は、互いに隙間Gp1を空けて対向している。そして、第1プレート71に金属板51の裏面51bを当接させ、第2プレート72に基板41の表面41aを当接させている状態で、隙間Gp1にセンサ4及び金属板51が格納される。第2プレート72は固定盤(図示省略)に固定され、第1プレート71は第2プレート72に離接する方向に移動可能な可動盤(図示省略)に固定されている。固相接合装置7は、可動盤により第1プレート71を第2プレート72に近づける方向に押さえつけることで、隙間Gp1に格納されている接合部44と金属板51との当接部分を加圧することができる。 The first plate 71 and the second plate 72 face each other with a gap Gp1. Then, the sensor 4 and the metal plate 51 are stored in the gap Gp1 in a state where the back surface 51b of the metal plate 51 is in contact with the first plate 71 and the surface 41a of the substrate 41 is in contact with the second plate 72. .. The second plate 72 is fixed to a fixed plate (not shown), and the first plate 71 is fixed to a movable plate (not shown) that can move in a direction in which the second plate 72 is separated from and detached from the second plate 72. The solid phase bonding apparatus 7 presses the first plate 71 in a direction closer to the second plate 72 by a movable plate, thereby pressurizing the contact portion between the bonding portion 44 and the metal plate 51 stored in the gap Gp1. Can be done.

レーザ照射部73は、加熱用のレーザL1を、隙間Gp1に向けて照射する。第1プレート71は、レーザL1の波長に対して透過性を有する(例えば、透過率90%以上)。このため、レーザ照射部73は、レーザL1を第1プレート71を介して金属板51に照射することができる。レーザL1は、金属板51に吸収されることで熱エネルギーに変換されるため、レーザL1の照射により金属板51を加熱することができる。そして、金属板51からの熱伝導により接合部44と金属板51との当接部分を加熱することができる。 The laser irradiation unit 73 irradiates the heating laser L1 toward the gap Gp1. The first plate 71 has transparency with respect to the wavelength of the laser L1 (for example, the transmittance is 90% or more). Therefore, the laser irradiation unit 73 can irradiate the metal plate 51 with the laser L1 via the first plate 71. Since the laser L1 is absorbed by the metal plate 51 and converted into heat energy, the metal plate 51 can be heated by irradiation with the laser L1. Then, the contact portion between the joint portion 44 and the metal plate 51 can be heated by heat conduction from the metal plate 51.

すなわち、固相接合装置7は、第1プレート71及び第2プレート72により接合部44と金属板51との当接部分を加圧している状態で、レーザ照射部73により当該当接部分を加熱することができる。当該当接部分は、固相接合装置7により加圧及び加熱されることで、固相拡散接合する。 That is, in the solid phase bonding apparatus 7, the contact portion between the joint portion 44 and the metal plate 51 is pressurized by the first plate 71 and the second plate 72, and the contact portion is heated by the laser irradiation portion 73. can do. The contact portion is subjected to solid phase diffusion bonding by pressurizing and heating with the solid phase bonding device 7.

レーザL1の波長は、金属板51の吸収率の波長特性に応じて適宜選択される。例えば、レーザL1の波長は、近赤外領域(780nm以上2500nm)である。これにより、レーザL1が有する光エネルギーを効率よく金属板51に吸収させて、金属板51を加熱することができる。レーザL1の波長は、より具体的には1000nmである。 The wavelength of the laser L1 is appropriately selected according to the wavelength characteristic of the absorptivity of the metal plate 51. For example, the wavelength of the laser L1 is in the near infrared region (780 nm or more and 2500 nm). As a result, the light energy of the laser L1 can be efficiently absorbed by the metal plate 51 to heat the metal plate 51. More specifically, the wavelength of the laser L1 is 1000 nm.

金属板51の裏面51bは、レーザL1の波長に対する吸収率がより高い金属によりめっき加工することが好ましい。レーザL1の波長が1000nmの場合、金属板51は、裏面51bがニッケルによりめっきされた銅板であることが好ましい。このように構成することで、より効率的に金属板51を加熱することができる。さらに、ニッケルの融点(摂氏1455度)は、銅の融点(摂氏1085度)よりも軸受鋼の融点(摂氏1400度~1500度程度)に近いため、金属板51を全面(少なくとも、裏面51b及び側面51c)がニッケルによりめっきされた銅板とすることで、金属板51と外輪21との溶接による接合強度をより高くすることができる。 The back surface 51b of the metal plate 51 is preferably plated with a metal having a higher absorption rate with respect to the wavelength of the laser L1. When the wavelength of the laser L1 is 1000 nm, the metal plate 51 is preferably a copper plate whose back surface 51b is plated with nickel. With this configuration, the metal plate 51 can be heated more efficiently. Further, since the melting point of nickel (1455 degrees Celsius) is closer to the melting point of bearing steel (about 1400 to 1500 degrees Celsius) than the melting point of copper (1085 degrees Celsius), the entire surface of the metal plate 51 (at least the back surface 51b and the back surface 51b) By using a copper plate whose side surface 51c) is plated with nickel, the bonding strength between the metal plate 51 and the outer ring 21 can be further increased.

ここで、基板41のうち接合部44が形成されている部分には、固相拡散接合の際に固相接合装置7から高い圧力が印加されるため、当該部分に複数の抵抗体42及び電極43等、センサ4の機能に寄与する構造(パターン)が形成されていると、当該構造にダメージが生じるおそれがある。本実施形態では、接合部44は、圧力の印加方向(すなわち、表面41aから裏面41bに向かう方向)に平面視すると、複数の抵抗体42及び電極43と重ならない位置に形成されている。このため、複数の抵抗体42及び電極43へのダメージを防止しつつ、接合部44と金属板51とを固相接合することができる。 Here, since high pressure is applied from the solid phase bonding device 7 to the portion of the substrate 41 where the junction 44 is formed during solid phase diffusion bonding, a plurality of resistors 42 and electrodes are applied to the portion. If a structure (pattern) that contributes to the function of the sensor 4 such as 43 is formed, the structure may be damaged. In the present embodiment, the joint portion 44 is formed at a position where it does not overlap with the plurality of resistors 42 and the electrodes 43 when viewed in a plan view in the pressure application direction (that is, the direction from the front surface 41a to the back surface 41b). Therefore, the joint portion 44 and the metal plate 51 can be solid-phase bonded while preventing damage to the plurality of resistors 42 and the electrodes 43.

接合部44と金属板51とが固相拡散接合により固定された後、金属板51は外輪21の外周面21bに溶接により固定される。以上により、センサユニット3が製造される。 After the joint portion 44 and the metal plate 51 are fixed by solid phase diffusion bonding, the metal plate 51 is fixed to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by welding. As described above, the sensor unit 3 is manufactured.

<センサ付き機械部品の作用効果>
本実施形態に係るセンサ付き機械部品1は、軸受鋼製の外輪21(検出対象)を含む転がり軸受2(機械部品)と、ひずみを検出するセンサ4と、外輪21のひずみをセンサ4へ伝達する金属板51と、を備える。センサ4は、裏面41b(金属板51側の面)に金属製(本実施形態では、金)の接合部44を有する。金属板51は、外輪21に溶接され、接合部44は、金属板51に固相接合され、金属板51と接合部44との固相接合可能温度は、外輪21と接合部44とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い。
<Effects of machine parts with sensors>
The mechanical component 1 with a sensor according to the present embodiment transmits the rolling bearing 2 (mechanical component) including the outer ring 21 (detection target) made of bearing steel, the sensor 4 for detecting strain, and the strain of the outer ring 21 to the sensor 4. A metal plate 51 and a metal plate 51 are provided. The sensor 4 has a metal (gold in this embodiment) joint 44 on the back surface 41b (the surface on the metal plate 51 side). The metal plate 51 is welded to the outer ring 21, the joint portion 44 is solid-phase bonded to the metal plate 51, and the temperature at which the metal plate 51 and the joint portion 44 can be solid-phase-bonded is such that the outer ring 21 and the joint portion 44 are solidified. It is lower than the temperature at which solid-phase bonding is possible when phase bonding is performed.

金属板51をセンサ4と外輪21の間に介在させることで、センサ4の破損を防止しつつ、より高い強度でセンサ4と外輪21とを間接的に接合することができる。 By interposing the metal plate 51 between the sensor 4 and the outer ring 21, the sensor 4 and the outer ring 21 can be indirectly joined with higher strength while preventing the sensor 4 from being damaged.

また、本実施形態において、金属板51と接合部44との固相接合可能温度は、金属板51と外輪21との溶接可能温度よりも低い。このように構成することで、金属板51と外輪21とをより接合強度の高い接合法(溶接)により接合する場合であっても、センサ4が高温になることを防止することができるため、センサ4が破損することを防止することができる。 Further, in the present embodiment, the temperature at which the metal plate 51 and the joint portion 44 can be joined in a solid phase is lower than the temperature at which the metal plate 51 and the outer ring 21 can be welded. With this configuration, even when the metal plate 51 and the outer ring 21 are joined by a joining method (welding) having a higher joining strength, it is possible to prevent the sensor 4 from becoming hot. It is possible to prevent the sensor 4 from being damaged.

また、本実施形態において、金属板51と接合部44との当接部分に形成されている反応層6は、全率固溶型又は2相分離型である。このように構成することで、反応層6に金属化合物が含まれることを防止することができ、金属板51と接合部44との接合強度をより高くすることができる。 Further, in the present embodiment, the reaction layer 6 formed at the contact portion between the metal plate 51 and the joint portion 44 is a total solid solution type or a two-phase separation type. With such a configuration, it is possible to prevent the reaction layer 6 from containing the metal compound, and it is possible to further increase the bonding strength between the metal plate 51 and the bonding portion 44.

また、本実施形態において、センサ4は、不純物を拡散することにより表面41a(所定面)に複数の抵抗体42が形成されている単結晶半導体の基板41を有する。このようにセンサ4として単結晶半導体拡散型のひずみセンサを採用することで、金属製のストレインゲージや、多結晶半導体製のひずみゲージを用いる場合と比べて、ひずみの検出感度を高くすることができる。一方で、センサ4は、ストレインゲージ等を用いる場合と比べて熱により破損しやすくなる課題がある。これに対し、本実施形態ではセンサ4と外輪21との間に金属板51を介在させて接合することで、当該課題を解決することができる。 Further, in the present embodiment, the sensor 4 has a single crystal semiconductor substrate 41 in which a plurality of resistors 42 are formed on the surface 41a (predetermined surface) by diffusing impurities. By adopting the single crystal semiconductor diffusion type strain sensor as the sensor 4 in this way, the strain detection sensitivity can be increased as compared with the case of using a metal strain gauge or a polycrystalline semiconductor strain gauge. can. On the other hand, the sensor 4 has a problem that it is easily damaged by heat as compared with the case where a strain gauge or the like is used. On the other hand, in the present embodiment, the problem can be solved by joining the sensor 4 and the outer ring 21 with a metal plate 51 interposed therebetween.

また、本実施形態において、単結晶半導体は、シリコンであり、表面41a(所定面)は、シリコンの(110)面であり、複数の抵抗体42は、それぞれ結晶方位<001>方向に離れた状態で、結晶方位<110>方向に延び、センサ4は、結晶方位<110>方向を外輪21のひずみを検出する目的方向(本実施形態では、軸方向)に向けている。このように構成することで、目的方向のひずみをより感度よく検出することができる。 Further, in the present embodiment, the single crystal semiconductor is silicon, the surface 41a (predetermined surface) is the (110) surface of silicon, and the plurality of resistors 42 are separated from each other in the crystal orientation <001> direction. In the state, it extends in the crystal orientation <110> direction, and the sensor 4 directs the crystal orientation <110> direction to the target direction (axial direction in the present embodiment) for detecting the strain of the outer ring 21. With this configuration, strain in the target direction can be detected with higher sensitivity.

ここで、裏面41b(所定面の反対側)のうち複数の抵抗体42の反対側に対応する所定領域R1は、金属板51のうちひずみがより強く生じる部分に対向させることで、ひずみをより感度良く検出することができる。しかしながら、当該部分にはより大きな応力が発生するため、例えば接合部44を裏面41bの全面に設ける構成のように、接合部44が当該部分に位置すると、接合部44の耐久寿命が短くなるおそれがある。 Here, the predetermined region R1 corresponding to the opposite side of the plurality of resistors 42 in the back surface 41b (opposite side of the predetermined surface) is opposed to the portion of the metal plate 51 where the strain is stronger, so that the strain is further increased. It can be detected with good sensitivity. However, since a larger stress is generated in the portion, if the joint 44 is located in the portion as in a configuration in which the joint 44 is provided on the entire surface of the back surface 41b, the durable life of the joint 44 may be shortened. There is.

本実施形態では、接合部44は、当該部分を避けて位置する。すなわち、所定領域R1は、金属板51と非固定の状態である。このため、接合部44自体は、応力によりひずみにくくなり、接合部44の耐久寿命をより長くすることができる。また、接合部44は、表面41a(所定面)側から平面視すると、基板41のうち複数の抵抗体42を挟んで位置する少なくとも2箇所を金属板51に固定する。このため、外輪21の外周面21bから伝わるひずみを金属板51を介して複数の抵抗体42へ効率的に伝えることができる。 In the present embodiment, the joint portion 44 is located so as to avoid the portion. That is, the predetermined region R1 is not fixed to the metal plate 51. Therefore, the joint portion 44 itself is less likely to be distorted by stress, and the durable life of the joint portion 44 can be further extended. Further, when viewed in a plan view from the surface 41a (predetermined surface) side, the joint portion 44 fixes at least two positions of the substrate 41 sandwiching the plurality of resistors 42 to the metal plate 51. Therefore, the strain transmitted from the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 can be efficiently transmitted to the plurality of resistors 42 via the metal plate 51.

<変形例>
以上、本発明の実施形態に係るセンサ付き機械部品1を説明した。しかしながら、本発明の実施に関してはこれに限られず、種々の変形を行うことができる。以下、本発明の実施形態に係る変形例について、説明する。なお、以下の説明において、実施形態から変更のない部分については同じ符号を付し、説明を省略する。
<Modification example>
The mechanical component 1 with a sensor according to the embodiment of the present invention has been described above. However, the implementation of the present invention is not limited to this, and various modifications can be made. Hereinafter, a modified example according to the embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same reference numerals will be given to the parts that are not changed from the embodiments, and the description thereof will be omitted.

<金属板と外輪との接合法の変形例>
実施形態に係る金属板51は、溶接により外輪21の外周面21bに固定されている。しかしながら、金属板はその他の接合法により外周面に固定されてもよい。
<Modified example of joining method between metal plate and outer ring>
The metal plate 51 according to the embodiment is fixed to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by welding. However, the metal plate may be fixed to the outer peripheral surface by another joining method.

図7は、変形例に係るセンサ付き機械部品の説明図である。図7(a)及び図7(b)は、いずれも図4と同様の断面により、センサ付き機械部品を示している。図7(a)は、金属板53と外輪21とが固相接合されているセンサ付き機械部品1aを示している。図7(b)は、金属板55と外輪21とがろう接されているセンサ付き機械部品1bを示している。 FIG. 7 is an explanatory diagram of a mechanical component with a sensor according to a modified example. 7 (a) and 7 (b) both show a mechanical component with a sensor in the same cross section as in FIG. FIG. 7A shows a mechanical component 1a with a sensor in which the metal plate 53 and the outer ring 21 are solid-phase bonded. FIG. 7B shows a mechanical component 1b with a sensor in which the metal plate 55 and the outer ring 21 are brazed to each other.

図7(a)を参照する。センサ付き機械部品1aは、転がり軸受2と、センサユニット3aとを備える。センサユニット3aは、センサ4と、中間部材5aと、を有する。中間部材5aは、外周面21b側の面に複数のパッド54を有する金属板53である。パッド54は、例えば金属板53の軸方向両外側に位置する辺部分に形成されている。金属板53は、銅製の薄板である。 See FIG. 7 (a). The mechanical component 1a with a sensor includes a rolling bearing 2 and a sensor unit 3a. The sensor unit 3a includes a sensor 4 and an intermediate member 5a. The intermediate member 5a is a metal plate 53 having a plurality of pads 54 on the outer peripheral surface 21b side. The pad 54 is formed, for example, on the side portions of the metal plate 53 located on both outer sides in the axial direction. The metal plate 53 is a thin copper plate.

パッド54は、金属板53のうちパッド54以外の部分を削ることで、金属板53と継ぎ目なく一体的に形成されている。なお、パッド54は、金属板53に対しスパッタ等の薄膜形成法により形成されていてもよい。パッド54は、外輪21の外周面21bに固相接合(例えば、固相拡散接合、摩擦攪拌接合又は超音波圧接)により固定されている。金属板53(銅板)と外輪21(軸受鋼)との固相接合可能温度は、摂氏700度程度である。 The pad 54 is seamlessly and integrally formed with the metal plate 53 by scraping a portion of the metal plate 53 other than the pad 54. The pad 54 may be formed on the metal plate 53 by a thin film forming method such as sputtering. The pad 54 is fixed to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by solid phase bonding (for example, solid phase diffusion welding, friction stir welding or ultrasonic pressure welding). The temperature at which the metal plate 53 (copper plate) and the outer ring 21 (bearing steel) can be solid-phase bonded is about 700 degrees Celsius.

センサ付き機械部品1aにおいて、金属板53と接合部44との固相接合可能温度(例えば、摂氏200度程度)は、金属板53(具体的には、パッド54)と外輪21との固相接合可能温度(摂氏700度程度)よりも低い。このように構成することで、金属板53と外輪21とをより接合強度の高い接合法(固相接合)により接合する場合であっても、センサ4が高温になることを防止することができるため、センサ4が破損することを防止することができる。 In the mechanical component 1a with a sensor, the temperature at which the metal plate 53 and the joint portion 44 can be joined in a solid phase (for example, about 200 degrees Celsius) is the solid phase between the metal plate 53 (specifically, the pad 54) and the outer ring 21. It is lower than the joinable temperature (about 700 degrees Celsius). With this configuration, it is possible to prevent the sensor 4 from becoming hot even when the metal plate 53 and the outer ring 21 are joined by a joining method (solid phase joining) having a higher joining strength. Therefore, it is possible to prevent the sensor 4 from being damaged.

図7(b)を参照する。センサ付き機械部品1bは、転がり軸受2と、センサユニット3bとを備える。センサユニット3bは、センサ4と、中間部材5bと、を有する。中間部材5bは、金属板55と、ろう材56とを含む。金属板55のうち軸方向両外側に位置する2辺は、それぞれろう材56により外輪21の外周面21bにろう接されている。金属板55は、銅製の薄板である。 See FIG. 7 (b). The mechanical component 1b with a sensor includes a rolling bearing 2 and a sensor unit 3b. The sensor unit 3b includes a sensor 4 and an intermediate member 5b. The intermediate member 5b includes a metal plate 55 and a brazing material 56. Two sides of the metal plate 55 located on both outer sides in the axial direction are brazed to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21 by the brazing filler metal 56, respectively. The metal plate 55 is a thin copper plate.

ろう材56は、より高い強度で金属板55を外周面21bに固定するために、例えば、金ろう、銀ろう、銅ろう、アルミニウムろう等の高融点(例えば、融点が摂氏450度以上)のろう材を用いる。このため、金属板55と接合部44との固相接合可能温度(例えば、摂氏200度程度)は、ろう材56の融点よりも低い。このように構成することで、金属板55と外輪21とをより接合強度の高い接合法(高融点ろう接)により接合する場合であっても、センサ4が高温になることを防止することができるため、センサ4が破損することを防止することができる。 The brazing filler metal 56 has a high melting point (for example, a melting point of 450 degrees Celsius or higher) such as gold brazing, silver brazing, copper brazing, and aluminum brazing, in order to fix the metal plate 55 to the outer peripheral surface 21b with higher strength. Use brazing material. Therefore, the solid-phase bonding temperature (for example, about 200 degrees Celsius) between the metal plate 55 and the bonding portion 44 is lower than the melting point of the brazing filler metal 56. With this configuration, even when the metal plate 55 and the outer ring 21 are joined by a joining method with higher joining strength (high melting point brazing), it is possible to prevent the sensor 4 from becoming hot. Therefore, it is possible to prevent the sensor 4 from being damaged.

<外輪の変形例>
図8は、変形例に係るセンサ付き機械部品1cの説明図である。図8は、図4と同様の断面により、センサ付き機械部品1cを示している。上記の実施形態では、センサユニット3は外周面21bの径方向外側に固定されている。これに対し、本変形例に係る転がり軸受2aは、外輪21の外周面21bに溝部24を設け、溝部24の底面にセンサユニット3を固定する。具体的には、溝部24の底面に、金属板51を溶接する。溝部24は、外周面21bの全周にわたって設けられていてもよいし、センサユニット3を固定する部分にのみ設けられていてもよい。
<Deformation example of outer ring>
FIG. 8 is an explanatory diagram of the mechanical component 1c with a sensor according to the modified example. FIG. 8 shows the mechanical component 1c with a sensor having the same cross section as that of FIG. In the above embodiment, the sensor unit 3 is fixed to the outer side in the radial direction of the outer peripheral surface 21b. On the other hand, in the rolling bearing 2a according to the present modification, the groove portion 24 is provided on the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21, and the sensor unit 3 is fixed to the bottom surface of the groove portion 24. Specifically, the metal plate 51 is welded to the bottom surface of the groove portion 24. The groove portion 24 may be provided over the entire circumference of the outer peripheral surface 21b, or may be provided only in a portion where the sensor unit 3 is fixed.

センサユニット3は、溝部24内に完全に収容され、外周面21bよりも径方向外方へ突出しない。このような構成により、転がり軸受2aの外輪21を図示省略するハウジングに固定する際、センサユニット3がハウジングに干渉することを防止することができる。このため、センサユニット3が設けられていない転がり軸受と同程度の組付け性を確保することができる。 The sensor unit 3 is completely housed in the groove 24 and does not project radially outward from the outer peripheral surface 21b. With such a configuration, it is possible to prevent the sensor unit 3 from interfering with the housing when the outer ring 21 of the rolling bearing 2a is fixed to the housing (not shown). Therefore, it is possible to secure the same level of assembling property as that of a rolling bearing in which the sensor unit 3 is not provided.

<センサユニットの変形例>
図9は、変形例に係るセンサ付き機械部品1dの説明図である。図9は、図4と同様の断面により、センサ付き機械部品1dを示している。センサ付き機械部品1dは、転がり軸受2と、センサユニット3cと、を備える。センサユニット3cは、センサ4と、中間部材5cと、を有する。中間部材5cは、金属板51と、溶接ビード52aと、を有する。
<Modification example of sensor unit>
FIG. 9 is an explanatory diagram of the mechanical component 1d with a sensor according to the modified example. FIG. 9 shows the mechanical component 1d with a sensor having the same cross section as that of FIG. The mechanical component 1d with a sensor includes a rolling bearing 2 and a sensor unit 3c. The sensor unit 3c includes a sensor 4 and an intermediate member 5c. The intermediate member 5c has a metal plate 51 and a weld bead 52a.

上記の実施形態では、金属板51の側面51cが外輪21の外周面21bに溶接され、溶接ビード52は金属板51の側面51cに形成されている。そして、金属板51の裏面51b(外輪21側の面)と、外周面21bとはほとんど隙間が無い状態で対向している。また、センサ4は金属板51の表面51a(径方向外側の面)に固定されている。すなわち、径方向外側から、センサ4、金属板51及び外輪21の順に並んでいる。 In the above embodiment, the side surface 51c of the metal plate 51 is welded to the outer peripheral surface 21b of the outer ring 21, and the weld bead 52 is formed on the side surface 51c of the metal plate 51. The back surface 51b (the surface on the outer ring 21 side) of the metal plate 51 and the outer peripheral surface 21b face each other with almost no gap. Further, the sensor 4 is fixed to the surface 51a (the outer surface in the radial direction) of the metal plate 51. That is, the sensor 4, the metal plate 51, and the outer ring 21 are arranged in this order from the outside in the radial direction.

これに対し、本変形例では、金属板51のうち外周面21bと対向する裏面51bが、外周面21bに溶接されており、溶接ビード52aは裏面51bと外周面21bの間に形成されている。そして裏面51bと外周面21bとの間には隙間Gp2が存在する。そして、センサ4は、金属板51の裏面51bに固定され、隙間Gp2に位置している。すなわち、径方向外側から、金属板51、センサ4及び外輪21の順に並んでいる。隙間Gp2の径方向の幅は、センサ4の厚みよりも大きい。このため、センサ4の基板41の表面41aは、外周面21bと隙間を空けて位置している。 On the other hand, in this modification, the back surface 51b of the metal plate 51 facing the outer peripheral surface 21b is welded to the outer peripheral surface 21b, and the weld bead 52a is formed between the back surface 51b and the outer peripheral surface 21b. .. And there is a gap Gp2 between the back surface 51b and the outer peripheral surface 21b. The sensor 4 is fixed to the back surface 51b of the metal plate 51 and is located in the gap Gp2. That is, the metal plate 51, the sensor 4, and the outer ring 21 are arranged in this order from the outside in the radial direction. The radial width of the gap Gp2 is larger than the thickness of the sensor 4. Therefore, the surface 41a of the substrate 41 of the sensor 4 is located with a gap from the outer peripheral surface 21b.

本変形例において、センサ4は金属板51と外周面21bとの隙間Gp2に位置するため、外周面21bよりも径方向外側が砂塵や鉄粉等の異物を含む空気にさらされる場合であっても、センサ4(特に、抵抗体42や電極43)には異物が付着しにくい。このため、異物の付着によりセンサ4の感度が変化したり、センサ4が破損したりすることを防止することができる。 In this modification, since the sensor 4 is located in the gap Gp2 between the metal plate 51 and the outer peripheral surface 21b, the sensor 4 is exposed to air containing foreign matter such as dust and iron powder on the radial outer side of the outer peripheral surface 21b. However, foreign matter is unlikely to adhere to the sensor 4 (particularly, the resistor 42 and the electrode 43). Therefore, it is possible to prevent the sensitivity of the sensor 4 from being changed or the sensor 4 from being damaged due to the adhesion of foreign matter.

<センサユニットの変形例>
図10は、変形例に係るセンサ付き機械部品1eの説明図である。図10は、図2と同様の平面により、センサ付き機械部品1eを示している。センサ付き機械部品1eは、転がり軸受2と、センサユニット3dと、を備える。センサユニット3dは、センサ4aと、中間部材5と、を有する。センサ4aは、基板41と複数の接合部44とを有する。基板41の表面41aには、複数本の抵抗体42aと電極43とが形成されている。
<Modification example of sensor unit>
FIG. 10 is an explanatory diagram of the mechanical component 1e with a sensor according to the modified example. FIG. 10 shows the mechanical component 1e with a sensor by the same plane as that of FIG. The mechanical component 1e with a sensor includes a rolling bearing 2 and a sensor unit 3d. The sensor unit 3d includes a sensor 4a and an intermediate member 5. The sensor 4a has a substrate 41 and a plurality of joints 44. A plurality of resistors 42a and electrodes 43 are formed on the surface 41a of the substrate 41.

上記の実施形態では、図2に示すように複数本の抵抗体42がそれぞれ結晶方位<001>方向に離れた状態で、結晶方位<110>方向に延びている。これに対し、本変形例に係る複数本の抵抗体42aは、結晶方位<110>方向に離れた状態で、結晶方位<110>方向に延びている。このように構成する場合であっても、抵抗体42aが延びる<110>方向と、ひずみを検出する目的方向とを一致させることで、より感度よく目的方向のひずみを検出することができる。 In the above embodiment, as shown in FIG. 2, the plurality of resistors 42 extend in the crystal orientation <110> direction in a state of being separated from each other in the crystal orientation <001> direction. On the other hand, the plurality of resistors 42a according to the present modification extend in the crystal orientation <110> direction in a state of being separated in the crystal orientation <110> direction. Even in such a configuration, by matching the <110> direction in which the resistor 42a extends with the target direction for detecting the strain, the strain in the target direction can be detected more sensitively.

<その他>
なお、図1に示すように、本実施形態においてセンサ付き機械部品1は1個のセンサユニット3を備えるが、本発明の実施に関してはこれに限られず、1個の転がり軸受(機械部品)に複数のセンサユニット3が設けられてもよい。
<Others>
As shown in FIG. 1, in the present embodiment, the mechanical component 1 with a sensor includes one sensor unit 3, but the present invention is not limited to this, and one rolling bearing (mechanical component) is used. A plurality of sensor units 3 may be provided.

上記の実施形態において、転がり軸受2がラジアルコンタクトの玉軸受である場合について説明した。しかしながら、転がり軸受2は、アキシアルコンタクトの玉軸受、アンギュラコンタクトのラジアル玉軸受、又はアンギュラコンタクトのスラスト玉軸受であってもよい。 In the above embodiment, the case where the rolling bearing 2 is a ball bearing of radial contact has been described. However, the rolling bearing 2 may be an axial contact ball bearing, an angular contact radial ball bearing, or an angular contact thrust ball bearing.

以上のとおり開示した実施形態及び変形例はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明のセンサ付き機械部品は、図示する形態に限られず、本発明の範囲内において他の形態であってもよい。 The embodiments and modifications disclosed as described above are exemplary in all respects and are not restrictive. That is, the mechanical component with a sensor of the present invention is not limited to the illustrated form, and may be another form within the scope of the present invention.

1、1a、1b、1c、1d、1e:センサ付き機械部品
2、2a:転がり軸受 21:外輪 21a:内周面
21b:外周面 22:内輪 22a:内周面
22b:外周面 23:転動体 24:溝部
3、3a、3b、3c、3d:センサユニット
4、4a:センサ 41:基板 41a:表面
41b:裏面 42、42a:抵抗体 43:電極
44:接合部 5、5a、5b:中間部材
51、53、55:金属板 51a:表面 51b:裏面
51c:側面 52、52a:溶接ビード 54:パッド
56:ろう材 6:反応層 7:固相接合装置
71:第1プレート 72:第2プレート 73:レーザ照射部
C1:中心線 R1:所定領域 R2:所定領域
R3:領域 Gp1:隙間 Gp2:隙間
L1:レーザ
1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e: Mechanical parts with sensors 2, 2a: Rolling bearing 21: Outer ring 21a: Inner peripheral surface 21b: Outer peripheral surface 22: Inner ring 22a: Inner peripheral surface 22b: Outer peripheral surface 23: Rolling element 24: Grooves 3, 3a, 3b, 3c, 3d: Sensor unit 4, 4a: Sensor 41: Substrate 41a: Front surface 41b: Back surface 42, 42a: Resistor 43: Electrode 44: Joint portion 5, 5a, 5b: Intermediate member 51, 53, 55: Metal plate 51a: Front surface 51b: Back surface 51c: Side surface 52, 52a: Weld bead 54: Pad 56: Wax material 6: Reaction layer 7: Solid phase bonding device 71: First plate 72: Second plate 73: Laser irradiation unit C1: Center line R1: Predetermined area R2: Predetermined area R3: Area Gp1: Gap Gp2: Gap L1: Laser

Claims (8)

金属製の検出対象を含む機械部品と、
ひずみを検出するセンサと、
前記検出対象のひずみを前記センサへ伝達する金属板と、
を備え、
前記センサは、前記金属板側の面に金属製の接合部を有し、
前記金属板は、前記検出対象に溶接、固相接合又はろう材により固定された状態にあり、
前記接合部は、前記金属板に固相接合により固定された状態にあり、
前記金属板と前記接合部との固相接合可能温度は、前記検出対象と前記接合部とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い、
センサ付き機械部品。
Machine parts including metal detection targets and
A sensor that detects strain and
A metal plate that transmits the strain to be detected to the sensor,
Equipped with
The sensor has a metal joint on the surface on the metal plate side.
The metal plate is in a state of being fixed to the detection target by welding, solid phase bonding, or a brazing material.
The joint portion is in a state of being fixed to the metal plate by solid phase bonding.
The solid-phase bonding temperature between the metal plate and the bonding portion is lower than the solid-phase bonding temperature when the detection target and the bonding portion are solid-phase bonded.
Machine parts with sensors.
前記金属板と前記接合部との固相接合可能温度は、
前記金属板が前記検出対象に溶接されている場合には、前記金属板と前記検出対象との溶接可能温度よりも低く、
前記金属板が前記検出対象に固相接合されている場合には、前記金属板と前記検出対象との固相接合可能温度よりも低く、
前記金属板が前記検出対象に前記ろう材により固定されている場合には、前記ろう材の融点よりも低い、
請求項1に記載のセンサ付き機械部品。
The temperature at which a solid phase bond can be formed between the metal plate and the joint portion is
When the metal plate is welded to the detection target, the temperature is lower than the weldable temperature between the metal plate and the detection target.
When the metal plate is solid-phase bonded to the detection target, the temperature is lower than the temperature at which the metal plate and the detection target can be solid-phase bonded.
When the metal plate is fixed to the detection target by the brazing material, it is lower than the melting point of the brazing material.
The mechanical component with a sensor according to claim 1.
前記金属板と前記接合部との当接部分に形成されている反応層は、全率固溶型又は2相分離型である、
請求項1又は請求項2に記載のセンサ付き機械部品。
The reaction layer formed at the contact portion between the metal plate and the joint portion is a total solid solution type or a two-phase separation type.
The mechanical component with a sensor according to claim 1 or 2.
前記センサは、不純物を拡散することにより所定面に複数の抵抗体が形成されている単結晶半導体の基板を有する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のセンサ付き機械部品。
The sensor has a single crystal semiconductor substrate in which a plurality of resistors are formed on a predetermined surface by diffusing impurities.
The mechanical component with a sensor according to any one of claims 1 to 3.
前記単結晶半導体は、シリコンであり、
前記所定面は、前記シリコンの(110)面であり、
複数の前記抵抗体は、それぞれ結晶方位<001>方向に離れた状態で、結晶方位<110>方向に延び、
前記センサは、前記結晶方位<110>方向を前記検出対象のひずみを検出する目的方向に向けている、
請求項4に記載のセンサ付き機械部品。
The single crystal semiconductor is silicon, and the single crystal semiconductor is silicon.
The predetermined surface is the (110) surface of the silicon.
The plurality of resistors extend in the crystal orientation <110> direction while being separated from each other in the crystal orientation <001> direction.
The sensor directs the crystal orientation <110> direction to a target direction for detecting the strain of the detection target.
The mechanical component with a sensor according to claim 4.
前記単結晶半導体は、シリコンであり、
前記所定面は、前記シリコンの(110)面であり、
複数の前記抵抗体は、それぞれ結晶方位<110>方向に離れた状態で、前記結晶方位<110>方向に延び、
前記センサは、前記結晶方位<110>方向を前記検出対象のひずみを検出する目的方向に向けている、
請求項4に記載のセンサ付き機械部品。
The single crystal semiconductor is silicon, and the single crystal semiconductor is silicon.
The predetermined surface is the (110) surface of the silicon.
The plurality of resistors extend in the crystal orientation <110> direction while being separated from each other in the crystal orientation <110> direction.
The sensor directs the crystal orientation <110> direction to a target direction for detecting the strain of the detection target.
The mechanical component with a sensor according to claim 4.
前記接合部は、前記所定面側から平面視すると、前記基板のうち複数の前記抵抗体を挟んで位置する少なくとも2箇所を前記金属板に固定し、
前記所定面の反対側のうち複数の前記抵抗体の反対側に対応する所定領域は、前記金属板と非固定の状態である、
請求項4から請求項6のいずれか1項に記載のセンサ付き機械部品。
When the joint portion is viewed in a plan view from the predetermined surface side, at least two positions of the substrate sandwiching the plurality of resistors are fixed to the metal plate.
Of the opposite sides of the predetermined surface, the predetermined regions corresponding to the opposite sides of the plurality of resistors are in a non-fixed state with the metal plate.
The mechanical component with a sensor according to any one of claims 4 to 6.
金属製の検出対象を含む金属部品に、ひずみを検出するセンサを取り付けるセンサ付き機械部品の製造方法であって、
前記センサの一方側の面に設けられている金属製の接合部と、前記検出対象のひずみを前記センサへ伝達する金属板と、を固相接合する工程と、
前記金属板と、前記検出対象と、を溶接、固相接合又はろう材により固定する工程と、
を備え、
前記金属板と前記接合部との固相接合可能温度は、前記検出対象と前記接合部とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い、
センサ付き機械部品の製造方法。
It is a method of manufacturing a mechanical part with a sensor that attaches a sensor to detect strain to a metal part including a metal detection target.
A step of solid-phase joining a metal joint provided on one surface of the sensor and a metal plate that transmits the strain to be detected to the sensor.
A step of fixing the metal plate and the detection target by welding, solid phase bonding, or brazing material.
Equipped with
The solid-phase bonding temperature between the metal plate and the bonding portion is lower than the solid-phase bonding temperature when the detection target and the bonding portion are solid-phase bonded.
How to manufacture machine parts with sensors.
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