JP2022138176A - チップ付き機械部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 チップの破損を抑制する。【解決手段】 外面が所定方向にひずむ機械部品と、前記外面に、第１接合部と、前記第１接合部と前記所定方向に離れた位置に設けられた第２接合部とにより固定されている金属板と、前記金属板上の面に、第３接合部と、前記第３接合部と前記所定方向に離れた位置に設けられた第４接合部とにより固定されているチップと、を備え、前記第１接合部と前記第２接合部との間の前記所定方向の長さは、所定の条件を満たす、チップ付き機械部品。【選択図】 図１

Description

本発明は、チップ付き機械部品に関する。

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。

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２には、半導体ひずみセンサ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。

特開２０１８－１４５９９８号公報 特開２００９－２６４９７６号公報

例えば感度の高いひずみセンサチップは、許容ひずみ量が小さく、より大きなひずみが入力されると破損するおそれがある。このため、機械部品に発生するひずみを検出する際、機械部品のうち荷重が大きく掛かる「ひずみ領域」には、感度の高いセンサチップを設けることができず、このような領域には、従来、感度が低い代わりに許容ひずみ量が大きいセンサチップを設置していた。このため、ひずみ領域において発生するより小さなひずみを検出することができなかった。

また、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）化の流れを受けて、機械部品に通信機能や記憶機能を有する小型チップを搭載するニーズが高まっている。このようなチップは、例えば半導体を含んでおり、より大きなひずみが入力されると破損するおそれがある。このため、従来、このようなチップは、機械部品のうちひずみ領域に設置することができず、チップ設置の自由度が制限されていた。

そこで、本発明は、チップの破損を抑制することができるチップ付き機械部品を提供することを目的とする。

本開示のチップ付き機械部品は、外面が所定方向にひずむ機械部品と、前記外面に、第１接合部と、前記第１接合部と前記所定方向に離れた位置に設けられた第２接合部とにより固定されている金属板と、前記金属板上の面に、第３接合部と、前記第３接合部と前記所定方向に離れた位置に設けられた第４接合部とにより固定されているチップと、を備え、前記第１接合部と前記第２接合部との間の前記所定方向の長さは、以下の式（１）を満たす、チップ付き機械部品である。

ただし、
ｄ１ ：前記第１接合部と前記第２接合部との間の前記所定方向の長さ
ｄ２ ：前記第３接合部と前記第４接合部との間の前記所定方向の長さ
ｔ１ ：前記金属板の厚み
ｔ２ ：前記チップの厚み
Ｅ１ ：前記金属板のヤング率
Ｅ２ ：前記チップのヤング率
ε ：前記外面の前記所定方向への最大ひずみ
σ ：前記チップの前記所定方向への引張破壊強度

本発明によれば、チップの破損を抑制することができる。

実施形態に係るチップ付き機械部品の側面図である。 図１の矢印ＩＩから見たチップ付き機械部品を部分的に示す平面図である。 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。 実施形態に係るチップユニットの各部のサイズを説明する図である。 図５のチップユニットをバネとみなした模式図である。 実施形態に係るチップユニットを製造する様子を示す説明図である。 実施形態に係るチップユニットを製造する様子を示す説明図である。 変形例に係るチップ付き機械部品の説明図である。 変形例に係るチップ付き機械部品の説明図である。 変形例に係るチップ付き機械部品の説明図である。 変形例に係るチップ付き機械部品の説明図である。

［発明の実施形態の説明］
本発明の実施形態には、その要旨として、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）本開示のチップ付き機械部品は、外面が所定方向にひずむ機械部品と、前記外面に、第１接合部と、前記第１接合部と前記所定方向に離れた位置に設けられた第２接合部とにより固定されている金属板と、前記金属板上の面に、第３接合部と、前記第３接合部と所定方向に離れた位置に設けられた第４接合部とにより固定されているチップと、を備え、前記第１接合部と前記第２接合部との間の前記所定方向の長さは、以下の式（１）を満たす、チップ付き機械部品。

ただし、
ｄ１ ：前記第１接合部と前記第２接合部との間の前記所定方向の長さ
ｄ２ ：前記第３接合部と前記第４接合部との間の前記所定方向の長さ
ｔ１ ：前記金属板の厚み
ｔ２ ：前記チップの厚み
Ｅ１ ：前記金属板のヤング率
Ｅ２ ：前記チップのヤング率
ε ：前記外面の前記所定方向への最大ひずみ
σ ：前記チップの前記所定方向への引張破壊強度

式（１）を満たすように、チップ付き機械部品を構成することで、チップと金属板とで外面のひずみを分担することにより、チップに過大なひずみが入力されることを防止することができる。この結果、チップが破損することを抑制することができる。

（２）好ましくは、前記第３接合部及び前記第４接合部は、前記金属板上の面に固相接合された状態にある。このように構成することで、チップを金属板上により高い強度で固定することができる。

（３）好ましくは、前記金属板は、前記外面に溶接、固相接合又はろう材により固定された状態にあり、前記第３接合部及び前記第４接合部と前記金属板との固相接合可能温度は、前記第３接合部及び前記第４接合部と前記外面とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い。

このように構成することで、第３接合部及び前記第４接合部は、外面に固相接合される場合よりも低い温度で金属板に固相接合される。これにより、接合時にチップが高温になることを防止することができるため、接合時にチップが破損することを抑制することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、実施形態に係るチップ付き機械部品について、図面を参照して説明する。

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。

＜チップ付き機械部品の全体構成＞
図１は、実施形態に係るチップ付き機械部品１の側面図である。チップ付き機械部品１は、転がり軸受２と、チップユニット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、複数の転動体２３を保持する保持器（図示省略）を有する。

本開示において、転がり軸受２の中心線Ｃ１に沿う方向は、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、中心線Ｃ１に平行な方向（Ｘ方向）も含まれる。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。中心線Ｃ１を中心として転がり軸受２の回転輪（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。

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。

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、チップユニット３が取り付けられている。

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。

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。

チップユニット３は、転がり軸受２の外面に取り付けられるユニットである。本実施形態において、外面は外輪２１の外周面２１ｂである。なお、チップユニット３は、内輪２２の内周面２２ａに取り付けられてもよい。

＜チップユニットの構成＞
図２は、図１の矢印ＩＩから見たチップ付き機械部品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。

図２を参照する。チップユニット３は、チップ４と、中間部材５と、を有する。

中間部材５は、金属板５１と、第１接合部５２１と、第２接合部５２２とを有する。金属板５１は、第１接合部５２１及び第２接合部５２２により外周面２１ｂに固定されている。第２接合部５２２は、第１接合部５２１と軸方向に離れて設けられている。より具体的には、金属板５１の軸方向の両側面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。第１接合部５２１及び第２接合部５２２は、溶接の際に、金属板５１及び外輪２１が溶融することで形成される溶接ビードである。

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側に向く面を裏面５１ｂ（図３）とする。金属板５１の表面５１ａには、チップ４に含まれる後述の第３接合部４４１及び第４接合部４４２が固相接合により固定されている。

金属板５１は、外周面２１ｂと平行な方向（軸方向及び周方向）に弾性を有し、外周面２１ｂが例えば軸方向にひずむと、それに伴って金属板５１は弾性変形する。これにより、金属板５１は、外周面２１ｂのひずみをチップ４に伝達することができる。

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、チップ４の同方向の幅よりもそれぞれ大きい。そして、チップ４は、所定方向（本実施形態では、軸方向）において第１接合部５２１及び第２接合部５２２の間に位置する。さらに、図３及び図４に示すように、金属板５１の裏面５１ｂのうち後述の抵抗体４２、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

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、第１接合部５２１又は第２接合部５２２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。

本実施形態では、第１接合部５２１及び第２接合部５２２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、第１接合部５２１及び第２接合部５２２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、後述の基板４１を所定方向に挟んで位置する少なくとも２箇所が、それぞれ第１接合部５２１及び第２接合部５２２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の所定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チップ４へ効率的に伝えることができる。

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、第１接合部５２１及び第２接合部５２２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。

チップ４は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用してひずみを検出するセンサである。チップ４は、基板４１と、複数の第３接合部４４１と、複数の第４接合部４４２を有する。基板４１は、単結晶半導体の基板である。単結晶半導体は、例えばシリコンである。なお、単結晶半導体は、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。

基板４１は、シリコンの（１１０）面を表面４１ａとし、表面４１ａとは反対側の裏面４１ｂ（図３）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、当該配線はチップ付き機械部品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。

複数本の抵抗体４２は、それぞれ結晶方位＜１００＞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、ひずみを検出する所定方向とを一致させることで、より感度よく所定方向のひずみを検出することができる。

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、所定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。

図２から図４を参照する。基板４１の裏面４１ｂには、複数（本実施形態では２個）の第３接合部４４１と、複数の（本実施形態では２個）の第４接合部４４２とが設けられている。複数の第３接合部４４１をそれぞれ区別する場合、周方向一方側（図２の左側）の第３接合部４４１を「第３接合部４４１ａ」と称し、周方向他方側（図２の右側）の第３接合部４４１を「第３接合部４４１ｂ」と称する。第３接合部４４１ａ，４４１ｂは、周方向に離れて位置し、軸方向については同じ位置にある。

また、複数の第４接合部４４２を区別する場合、周方向一方側（図２の左側）の第４接合部４４２を「第４接合部４４２ａ」と称し、周方向他方側（図２の右側）の第４接合部４４２を「第４接合部４４２ｂ」と称する。第４接合部４４２ａ，４４２ｂは、周方向に離れて位置し、軸方向については同じ位置にある。第３接合部４４１ａと第４接合部４４２ａは、軸方向に離れて位置し、周方向については同じ位置にある。第３接合部４４１ｂと第４接合部４４２ｂは、軸方向に離れて位置し、周方向については同じ位置にある。このため、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）から平面視すると、第３接合部４４１ａ，４４１ｂと第４接合部４４２ａ，４４２ｂは、それぞれ長方形の頂点上に位置する。

第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。本実施形態の第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。図３及び図４では、説明のために第３接合部４４１及び第４接合部４４２の厚みを極端に厚く記載しているが、実際の第３接合部４４１及び第４接合部４４２の厚みは、基板４１の厚みと比べて十分薄い。

第３接合部４４１及び第４接合部４４２は、金属板５１に固相接合されている。より具体的には、第３接合部４４１及び第４接合部４４２は、金属板５１の表面５１ａに固相拡散接合により固定されている。第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１の表面５１ａとの固相拡散接合については、後述する。

第３接合部４４１及び第４接合部４４２は、径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。すなわち、第３接合部４４１及び第４接合部４４２は、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（図３，４）には設けられておらず、所定領域Ｒ１以外の領域に設けられている。このような構成により、金属板５１と固相接合する際、第３接合部４４１及び第４接合部４４２が高温になることに起因する抵抗体４２及び電極４３へのダメージを抑制することができる。

複数の第３接合部４４１は、抵抗体４２の軸方向一方側（図２の上側）に位置する。複数の第４接合部４４２は、抵抗体４２の軸方向他方側（図２の下側）に位置し、複数の第３接合部４４１と軸方向に離れている。すなわち、径方向に平面視すると、第３接合部４４１及び第４接合部４４２は、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）を金属板５１に固定している。さらに、図３及び図４に示すように、裏面４１ｂの所定領域Ｒ１は、金属板５１に対して非固定の状態となっている。

ここで、「非固定の状態」とは、所定領域Ｒ１が第３接合部４４１及び第４接合部４４２により直接、金属板５１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と金属板５１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、所定領域Ｒ１は金属板５１と接していてもよい。この場合、外周面２１ｂが軸方向にひずむと、金属板５１の表面５１ａ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は金属板５１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と金属板５１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と金属板５１とが接合されていない状態（所定領域Ｒ１の外に第３接合部４４１及び第４接合部４４２が位置する）とを含む。本実施形態において、所定領域Ｒ１と金属板５１とは、隙間を空けて離れている。

また、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、金属板５１がひずむ際に第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２が金属板５１の表面５１ａから剥がれることを防止することができる。

〈中間部材の機能〉
ここで、中間部材５は、３つの機能を有する。１つ目は、外周面２１ｂのひずみをチップ４に伝達する機能である。金属板５１は、チップ４よりも高い弾性を有するため、外周面２１ｂの変形に応じて伸縮しやすい。このため、外周面２１ｂのひずみをチップ４により精度良く伝達することができる。

２つ目は、チップ４と中間部材５とで外周面２１ｂのひずみを分担することにより、チップ４に過大なひずみが入力されることを防止する機能である。当該機能については、後述する。

３つ目は、チップ４の破損を防止しつつ、チップ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。チップ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、検出対象とチップ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。

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。

例えば、チップ４の第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、接合時にチップ４が高温に耐えられずに破損するおそれがある。

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、接合時にチップ４に与えられる熱も低くなるためチップ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。

チップ４の第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、接合時にチップ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）、接合時のチップ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、チップ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のひずみがチップ４の抵抗体４２に伝わりにくくなり、チップ４の検出感度が低下するおそれがある。

チップ４の第２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、第２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、接合時にチップ４が破損するおそれがある。

そこで、本実施形態に係るチップユニット３は、チップ４と外輪２１との間に、第３接合部４４１及び第４接合部４４２との固相接合可能温度が、外輪２１（検出対象）と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、チップ４の破損を防止しつつ、金属板５１を介してチップ４を外輪２１により高い強度で接合することができる。

換言すれば、第３接合部４４１及び第４接合部４４２の材料と、金属板５１の材料との組み合わせは、第３接合部４４１及び第４接合部４４２を外輪２１と固相接合する場合よりも、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

本実施形態において、第３接合部４４１及び第４接合部４４２は金の薄膜であり、金属板５１は銅板であり、第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１は固相拡散接合により接合される。この場合、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、チップ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第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１とを接合することができる。

なお、第３接合部４４１及び第４接合部４４２と、金属板５１と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と第３接合部４４１及び第４接合部４４２との固相接合可能温度が、外輪２１と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

また、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

第１接合部５２１及び第２接合部５２２には、金属板５１及び外輪２１以外に、溶接ビード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ることで、第１接合部５２１及び第２接合部５２２を形成するようにしてもよい。

＜チップユニットのサイズ＞
次に、中間部材５が持つ、チップ４に過大なひずみが入力されることを防止する機能を説明する。前述のとおり、中間部材５は、外周面２１ｂのひずみをチップ４に伝達する機能を有する。チップ４には単結晶半導体の基板が含まれているため、チップ４の破壊強度を超えるようなひずみが入力されるとチップ４が破壊されるおそれがある。特に、本実施形態では、第３接合部４４１及び第４接合部４４２が金属板５１に固相接合によって強固に接合されているため、金属板５１から入力されるひずみは第３接合部４４１及び第４接合部４４２によりほとんど減じられることなく基板４１に伝達される。このため、チップ４が破壊されるおそれがより高い。

このため、本実施形態では、チップ４の破壊強度を超えるようなひずみがチップ４に入力されることを防止するために、チップ４のサイズ及びチップ４の破壊強度に応じて、中間部材５のサイズが選択される。

図５は、チップユニット３の各部のサイズを説明する図である。図５中の（ａ）は図２を簡略化して示すチップユニット３の平面図であり、図５中の（ｂ）は図４を簡略化して示すチップユニット３の断面図である。

以下、外輪２１の外周面２１ｂが軸方向（所定方向であり、図５のＸ方向）にひずむ場合に、チップ４の軸方向の引張破壊強度を超えるひずみがチップ４に入力されることを防止するために必要な中間部材５のサイズを説明する。なお、外周面２１ｂが周方向（図５のＹ方向）にひずむ場合に、チップ４の周方向の引張破壊強度を超えるひずみがチップ４に入力されることを防止するために必要な中間部材５のサイズは、上記の軸方向における考え方と同様であるため、説明を省略する。

第１接合部５２１と第２接合部５２２との間の軸方向の長さをｄ１［ｍｍ］、第３接合部４２１と第４接合部４２２との間の軸方向の長さをｄ２［ｍｍ］、第３接合部４２１ａと第３接合部４２１ｂとの間の周方向の長さをｄ３［ｍｍ］、金属板５１の厚みをｔ１［ｍｍ］、チップ４の厚みをｔ２［ｍｍ］、金属板５１の軸方向のヤング率をＥ１［ＧＰａ］、チップ４の軸方向のヤング率をＥ２［ＧＰａ］とする。なお、第４接合部４２２ａと第４接合部４２２ｂとの間の周方向の長さもｄ３［ｍｍ］となる。

図６は、図５（ｂ）のチップユニット３をバネとみなした模式図である。チップユニット３は、チップ４に相当する第１バネＳＰ１、金属板５１のうちチップ４が接続されている領域に相当する第２バネＳＰ２、金属板５１のうちチップ４が接続されていない領域に相当する２つの第３バネＳＰ３を有する。第１バネＳＰ１と第２バネＳＰ２は、第３接合部４４１及び第４接合部４４２により並列に接続されることで、並列バネＳＰ４となる。２つの第３バネＳＰ３と並列バネＳＰ４は、直列に接続されている。

ここで、並列バネＳＰ４は、チップユニット３のうち径方向に平面視した際にチップ４が位置する領域（チップ搭載領域）に相当するバネであり、２つの第３バネＳＰ３を合成した直列バネＳＰ５は、チップ４が位置しない領域（チップ非搭載領域）に相当するバネである。

はじめに、チップユニット３の各箇所におけるバネ定数ｋを算出する。バネ定数ｋは、バネの伸縮方向のヤング率Ｅ、伸縮方向と直交する面の断面積Ｓ、伸縮方向の長さｄを用いて、ｋ＝Ｅ・Ｓ／ｄにより算出される。このため、並列バネＳＰ４（チップ搭載領域）の軸方向のバネ定数ｋ１と、直列バネＳＰ５（チップ非搭載領域）の軸方向のバネ定数ｋ２は、それぞれ以下の数式３、数式４により表される。

次に、チップ搭載領域に軸方向に加えられる最大荷重Ｐ１は、チップユニット３の軸方向の最大変形量ΔＬ１と、チップユニット３の軸方向のバネ定数Ｋを用いて、以下の数式５により算出される。

ここで、チップユニット３は、チップ搭載領域に相当する並列バネＳＰ４（バネ定数ｋ１）とチップ非搭載領域に相当する直列バネＳＰ５（バネ定数ｋ２）とが軸方向に直列に接続している合成バネとみなすことができる。このため、バネ定数Ｋは、以下の数式６により表される。

また、チップユニット３の軸方向の最大変形量ΔＬ１は、金属板５１の軸方向の最大変形量と等しいため、外周面２１ｂの軸方向への最大ひずみεと、第１接合部５２１と第２接合部５２２との間の長さｄ１とを用いて、以下の数式７により表される。

数式５へ、数式６、７を代入し、さらに数式３、４を代入すると、以下の数式８となる。

次に、チップ４に軸方向に加えられる最大荷重Ｐ２は、チップ搭載領域の軸方向の最大変形量ΔＬ２と、チップ４の軸方向のバネ定数ｋ３を用いて、以下の数式９により算出される。

ここで、チップ搭載領域の軸方向の最大変形量ΔＬ２は、チップ搭載領域に掛かる最大荷重Ｐ１とチップ搭載領域のバネ定数ｋ１により、ΔＬ２＝Ｐ１／ｋ１で表される。また、チップ４のバネ定数ｋ３は、ｋ３＝（ｄ３／ｄ２）Ｅ２・ｔ２で表される。このため、チップ４に軸方向に加えられる最大荷重Ｐ２は、以下の数式１０により表される。

そして、数式１０へ数式３及び数式８を代入して、以下の数式１１が導出される。

次に、チップ４が破壊される軸方向の荷重Ｐ３は、チップ４の軸方向の引張破壊強度σ［ＧＰａ］と、軸方向と直交する面の断面積であるｔ１・ｄ３［ｍｍ＾２］とにより、以下の数式１２により表される。

チップ４の破壊を防止するためには、チップ４に入力される軸方向の最大荷重Ｐ２が、チップ４が破壊される軸方向の荷重Ｐ３を下回ればよい。すなわち、Ｐ３＞Ｐ２を満たすように、チップユニット３が設計されればよい。具体的には、Ｐ３＞Ｐ２に上記の数式１１を代入することで、数式１３を経て、右辺にｄ１を有する数式１４が導出される。

以上により、上記の数式１４を満たすように、チップユニット３を構成することで、チップ４の破壊を防止することができる。

第１接合部５２１と第２接合部５２２との間の長さｄ１が長いほど、数式１４を満たしやすい。また、第３接合部４４１と第４接合部４４２との間の長さｄ２が短いほど、数式１４を満たしやすい。この意味合いとして、図６に示すようにチップユニット３に入力されるひずみは、チップ搭載領域（並列バネＳＰ４）とチップ非搭載領域（直列バネＳＰ５）とで分担される。すなわち、チップ非搭載領域がより大きくひずませることで、チップ搭載領域に入力されるひずみを少なくすることができる。この結果、チップ４が破壊されることを防止することができる。このように、中間部材５は、その寸法を数式１４を満たすように構成することで、チップ４の破壊を防止する機能を有する。

ここで、チップ４の厚みｔ２、ヤング率Ｅ２及び引張破壊強度σは、チップ４を選定する時点ですでに決定されている場合が多い。このため、金属板５１よりも先にチップ４を選定すると、ｔ２，Ｅ２，σを既知の値として扱うことができる。また、外周面２１ｂの軸方向への最大ひずみεは転がり軸受２に依存する値であり、εも既知の値として扱うことができる。また、金属板５１のヤング率Ｅ１は、金属板５１の材質に依存する。前述のとおり、金属板５１は第３接合部４４１及び第４接合部４４２と比較的低温にて固相接合をするために、金属板５１の材質はある程度制限されている。

以上により、チップ４、転がり軸受２及び金属板５１の材質を選定した後、上記の数式１４において変数となりうるのは、第３接合部４４１と第４接合部４４２との間の長さｄ２及び金属板５１のサイズ（長さｄ１及び厚みｔ１）である。そして、チップ４、転がり軸受２及び金属板５１の材質を選定した後、数式１４を満たすように第３接合部４４１及び第４接合部４４２の位置、金属板５１のサイズが選定される。これにより、数式１４を満たすチップユニット３が構成される。

また、第１接合部５２１と第２接合部５２２との間の長さｄ１をより長くすれば、数式１４を満たしやすい一方で、チップユニット３が大型化するという課題が生じる。また、あまりに長さｄ１を大きくしすぎると、チップ４に伝達するひずみが極度に小さくなり、チップ４において好適にひずみを検出できないおそれがある。このため、実際には数式１４を満たした上で、可能な限り長さｄ１を短くすることが好適である。

さらに、長さｄ１の下限値をより好適に求めるために、数式１４の引張破壊強度σを、所定の安全率Ａ（ここで、Ａ＞１）を考慮した許容応力（＝σ／Ａ）に変更する（数式１５）。安全率Ａを考慮しているため、不等号は＞から≧に変更されている。特に、数式１５において、右辺と左辺が等しくなる場合、チップ４の破壊を防止しつつ、チップユニット３のサイズをより小型化できるため、より好適といえる。

＜センサユニットの製造方法＞
チップユニット３の製造方法の一例について、図７及び図８を参照して説明する。図７及び図８は、本実施形態に係るチップユニット３を製造する様子を示す説明図である。図７（ａ）、（ｂ）及び図８は、図４と同じ断面によりチップ４及び金属板５１を示している。

はじめに、図７（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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、高い密着力で第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

続いて、図７（ｂ）に示すように、第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１の表面５１ａとを当接させ、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１とを接合する。

図７（ｃ）は、図７（ｂ）における第４接合部４４２ｂ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、第４接合部４４２ｂ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。第３接合部４４１及び第４接合部４４２ａにおいても、同様に反応層６が形成される。

ここで、反応層６がどのような型の層となるかは、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１との接合強度が低くなる。このため、第３接合部４４１、第４接合部４４２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。

例えば、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

次に、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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８は、固相接合装置７にチップ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。

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にチップ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に格納されている第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１との当接部分を加圧することができる。

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第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１との当接部分を加熱することができる。

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により第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

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。

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。

ここで、基板４１のうち第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、チップ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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２と金属板５１とを固相接合することができる。

第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、チップユニット３が製造される。

＜チップ付き機械部品の作用効果＞
本実施形態に係るチップ付き機械部品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、ひずみを検出するチップ４と、外輪２１のひずみをチップ４へ伝達する金属板５１と、を備える。チップ４は、裏面４１ｂ（金属板５１側の面）に金属製（本実施形態では、金）の第３接合部４４１及び第４接合部４４２を有する。金属板５１は、外輪２１に溶接され、第３接合部４４１及び第４接合部４４２は、金属板５１に固相接合され、金属板５１と第３接合部４４１及び第４接合部４４２との固相接合可能温度は、外輪２１と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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をチップ４と外輪２１の間に介在させることで、チップ４の破損を防止しつつ、より高い強度でチップ４と外輪２１とを間接的に接合することができる。

また、本実施形態において、金属板５１と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、チップ４が高温になることを防止することができるため、チップ４が破損することを防止することができる。

また、本実施形態において、金属板５１と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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と第３接合部４４１及び第４接合部４４２との接合強度をより高くすることができる。

また、本実施形態において、チップ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。このようにチップ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、チップ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、本実施形態ではチップ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。

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＜１００＞方向に離れた状態で、結晶方位＜１１０＞方向に延び、チップ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。

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、例えば第３接合部４４１又は第４接合部４４２を裏面４１ｂの全面に設ける構成のように、第３接合部４４１又は第４接合部４４２が当該部分に位置すると、第３接合部４４１又は第４接合部４４２の耐久寿命が短くなるおそれがある。

本実施形態では、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、第３接合部４４１及び第４接合部４４２自体は、応力によりひずみにくくなり、第３接合部４４１及び第４接合部４４２の耐久寿命をより長くすることができる。また、第３接合部４４１及び第４接合部４４２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。

また、本実施形態では、チップユニット３が数式１４（又は数式１５）を満たすように構成されているため、チップ４と中間部材５とで外周面２１ｂのひずみを分担することにより、チップ４に過大なひずみが入力されることを防止することができる。これにより、チップ４の破損を抑制することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態に係るチップ付き機械部品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。

＜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。

図９は、変形例に係るチップ付き機械部品の説明図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、いずれも図４と同様の断面により、チップ付き機械部品を示している。図９（ａ）は、金属板５３と外輪２１とが固相接合されているチップ付き機械部品１ａを示している。図９（ｂ）は、金属板５５と外輪２１とがろう接されているチップ付き機械部品１ｂを示している。

図９（ａ）を参照する。チップ付き機械部品１ａは、転がり軸受２と、チップユニット３ａとを備える。チップユニット３ａは、チップ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。

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。

チップ付き機械部品１ａにおいて、金属板５３と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、チップ４が高温になることを防止することができるため、チップ４が破損することを防止することができる。

図９（ｂ）を参照する。チップ付き機械部品１ｂは、転がり軸受２と、チップユニット３ｂとを備える。チップユニット３ｂは、チップ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。

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と第３接合部４４１及び第４接合部４４２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、チップ４が高温になることを防止することができるため、チップ４が破損することを防止することができる。

＜外輪の変形例＞
図１０は、変形例に係るチップ付き機械部品１ｃの説明図である。図１０は、図４と同様の断面により、チップ付き機械部品１ｃを示している。上記の実施形態では、チップユニット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の底面にチップユニット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、チップユニット３を固定する部分にのみ設けられていてもよい。

チップユニット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、チップユニット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、チップユニット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。

＜センサユニットの変形例＞
図１１は、変形例に係るチップ付き機械部品１ｄの説明図である。図１０は、図４と同様の断面により、チップ付き機械部品１ｄを示している。チップ付き機械部品１ｄは、転がり軸受２と、チップユニット３ｃと、を備える。チップユニット３ｃは、チップ４と、中間部材５ｃと、を有する。中間部材５ｃは、金属板５１と、第１接合部５２１ａと、第２接合部５２２ａと、を有する。

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、第１接合部５２１及び第２接合部５２２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、チップ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、チップ４、金属板５１及び外輪２１の順に並んでいる。

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、第１接合部５２１ａ及び第２接合部５２２ａ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、チップ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、チップ４及び外輪２１の順に並んでいる。隙間Ｇｐ２の径方向の幅は、チップ４の厚みよりも大きい。このため、チップ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。

本変形例において、チップ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、チップ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、異物の付着によりチップ４の感度が変化したり、チップ４が破損したりすることを防止することができる。

＜センサユニットの変形例＞
図１２は、変形例に係るチップ付き機械部品１ｅの説明図である。図１２は、図２と同様の平面により、チップ付き機械部品１ｅを示している。チップ付き機械部品１ｅは、転がり軸受２と、チップユニット３ｄと、を備える。チップユニット３ｄは、チップ４ａと、中間部材５と、を有する。チップ４ａは、基板４１と第３接合部４４１と、第４接合部４４２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。

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＜１００＞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、ひずみを検出する所定方向とを一致させることで、より感度よく所定方向のひずみを検出することができる。

＜チップの変形例＞
上記の実施形態のチップ４は、ひずみを検出するセンサである。しかしながら、本発明の実施に関してはこれに限られない。チップ４は、半導体の集積回路（ＩＣ）を含むチップであってもよい。チップに含まれるＩＣの機能は特に限定されず、例えば、ＩＣ温度センサ、ＩＣメモリ、通信用ＩＣ等が挙げられる。このようなチップ４にも、ひずみによって破壊されやすい半導体の基板が含まれている。このため、上記の実施形態と同様、外周面２１ｂにチップ４を設置する際に、中間部材５を介させ、上記の数式１４（又は数式１５）を満たすようにチップ４及び中間部材５を構成することで、チップ４の破損を防止することができる。

＜その他＞
なお、図１に示すように、本実施形態においてチップ付き機械部品１は１個のチップユニット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）に複数のチップユニット３が設けられてもよい。

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。

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。

１ チップ付き機械部品
１ａ チップ付き機械部品
１ｂ チップ付き機械部品
１ｃ チップ付き機械部品
１ｄ チップ付き機械部品
１ｅ チップ付き機械部品
２ 転がり軸受
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 チップユニット
３ａ チップユニット
３ｂ チップユニット
３ｃ チップユニット
３ｄ チップユニット
４ チップ
４ａ チップ
４１ 基板
４１ａ 表面
４１ｂ 裏面
４２ 抵抗体
４２ａ 抵抗体
４３ 電極
４４１，４４１ａ，４４１ｂ 第３接合部
４４２，４４２ａ，４４２ｂ 第４接合部
５ 中間部材
５ａ 中間部材
５ｂ 中間部材
５ｃ 中間部材
５１ 金属板
５１ａ 表面
５１ｂ 裏面
５１ｃ 側面
５２１ 第１接合部
５２２ 第２接合部
５２１ａ 第１接合部
５２２ａ 第２接合部
５３ 金属板
５４ パッド
５５ 金属板
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
ＳＰ１ 第１バネ
ＳＰ２ 第２バネ
ＳＰ３ 第３バネ
ＳＰ４ 並列バネ（チップ搭載領域）
ＳＰ５ 直列バネ（チップ非搭載領域）
Ｇｐ１ 隙間
Ｇｐ２ 隙間
Ｌ１ レーザ

Claims (3)

1. 外面が所定方向にひずむ機械部品と、
   前記外面に、第１接合部と、前記第１接合部と前記所定方向に離れた位置に設けられた第２接合部とにより固定されている金属板と、
   前記金属板上の面に、第３接合部と、前記第３接合部と前記所定方向に離れた位置に設けられた第４接合部とにより固定されているチップと、
   を備え、
   前記第１接合部と前記第２接合部との間の前記所定方向の長さは、以下の式（１）を満たす、チップ付き機械部品。
   

   

   
   ただし、
   ｄ１ ：前記第１接合部と前記第２接合部との間の前記所定方向の長さ
   ｄ２ ：前記第３接合部と前記第４接合部との間の前記所定方向の長さ
   ｔ１ ：前記金属板の厚み
   ｔ２ ：前記チップの厚み
   Ｅ１ ：前記金属板のヤング率
   Ｅ２ ：前記チップのヤング率
   ε ：前記外面の前記所定方向への最大ひずみ
   σ ：前記チップの前記所定方向への引張破壊強度
2. 前記第３接合部及び前記第４接合部は、前記金属板上の面に固相接合された状態にある、
   請求項１に記載のチップ付き機械部品。
3. 前記金属板は、前記外面に溶接、固相接合又はろう材により固定された状態にあり、
   前記第３接合部及び前記第４接合部と前記金属板との固相接合可能温度は、前記第３接合部及び前記第４接合部と前記外面とを固相接合する場合の固相接合可能温度よりも低い、
   請求項２に記載のチップ付き機械部品。

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