JP2023166819A - 軸受装置、ひずみ検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみゲージを搭載し、回転軸の回転方向や回転角を示す情報を出力可能な軸受装置を提供する。
【解決手段】本軸受装置は、外輪と、前記外輪の内周側に前記外輪と同軸状に配置された内輪と、前記外輪と前記内輪との間に配置された複数の転動体と、を備えた転がり軸受と、前記転がり軸受の軸線に垂直な方向の断面視において、前記外輪の外周側の、前記軸線を中心とする同心円上の異なる位置に配置された複数のひずみゲージと、を有し、前記複数のひずみゲージは、１つ以上の第１ひずみゲージと、前記第１ひずみゲージのうちの１つと前記同心円の周方向に隣接して配置された第２ひずみゲージと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受装置、ひずみ検出装置に関する。

内周側に軌道面を有する外輪と、外周側に軌道面を有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に介在された転動体と、外輪又は内輪のひずみを検出するひずみゲージとを備えた転がり軸受が知られている。ひずみゲージは、例えば、転がり軸受の所定曲面の曲がり方向に沿うように湾曲した状態で貼り付けられ、所定曲面の半径と、ひずみゲージの貼り付け面の曲げ半径とが一致した状態となる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－１９８８１４号公報

ところで、転がり軸受を備えた軸受装置において、回転軸の回転方向や回転角が知りたい場合がある。そのような場合、従来はエンコーダやレゾルバなどの回転状況を把握できるセンサが採用されることがあった。

しかしながら、エンコーダやレゾルバを搭載するには、比較的大きなスペースが必要となる。エンコーダやレゾルバを搭載するスペースがない場合には、回転軸の回転方向や回転角を知ることが困難であった。そのため、エンコーダやレゾルバよりも小型のセンサを搭載して、回転軸の回転方向や回転角を示す情報を得たいとの要求があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージを搭載し、回転軸の回転方向や回転角を示す情報を出力可能な軸受装置を提供することを目的とする。

本軸受装置は、外輪と、前記外輪の内周側に前記外輪と同軸状に配置された内輪と、前記外輪と前記内輪との間に配置された複数の転動体と、を備えた転がり軸受と、前記転がり軸受の軸線に垂直な方向の断面視において、前記外輪の外周側の、前記軸線を中心とする同心円上の異なる位置に配置された複数のひずみゲージと、を有し、前記複数のひずみゲージは、１つ以上の第１ひずみゲージと、前記第１ひずみゲージのうちの１つと前記同心円の周方向に隣接して配置された第２ひずみゲージと、を含む。

開示の技術によれば、ひずみゲージを搭載し、回転軸の回転方向や回転角を示す情報を出力可能な軸受装置を提供できる。

第１実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その１）である。 第１実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その２）である。 第１実施形態に係る軸受装置を用いた回転軸の回転数と回転角の検出について説明する図（その１）である。 第１実施形態に係る軸受装置を用いた回転軸の回転数と回転角の検出について説明する図（その２）である。 第１実施形態に係る軸受装置を用いた回転軸の回転数と回転角の検出について説明する図（その３）である。 第１実施形態に係る軸受装置を用いた回転軸の回転数と回転角の検出について説明する図（その４）である。 第１実施形態に係る第１ひずみゲージを例示する平面図である。 第１実施形態に係る第１ひずみゲージを例示する断面図である。 第２実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その１）である。 第２実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その２）である。

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

〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その１）であり、転がり軸受の軸線に垂直な方向の断面を示している。図２は、第１実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その２）であり、転がり軸受の軸線を通る断面を示している。

図１及び図２を参照すると、軸受装置１は、転がり軸受１０と、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇと、第２ひずみゲージ１００Ｈとを有している。

転がり軸受１０は、外輪１１と、内輪１２と、複数の転動体１３とを有している。外輪１１は、軸線ｍを中心軸とする円筒形の構造体である。内輪１２は、外輪１１の内周側に外輪１１と同軸状に配置された円筒形の構造体である。複数の転動体１３の各々は外輪１１と内輪１２との間に形成される軌道内に配置された球体である。軌道内にはグリース等の潤滑剤が封入される。

第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈの各々は、転動体１３の回転により生じる外輪１１のひずみを検出するセンサであり、受感部となる抵抗体１０３を備えている。第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈは、転がり軸受１０の軸線ｍに垂直な方向の断面視において、外輪１１の外周側の、軸線ｍを中心とする同心円上の異なる位置に配置されている。

図１及び図２の例では、転がり軸受１０の軸線ｍに垂直な方向の断面視において、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈが配置される同心円は、外輪１１の外周面である。第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈの各々は、例えば、接着層を介して、外輪１１の外周面に固定することができる。

第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈは、径方向視で転動体１３の軌道と重複する位置に配置されていることが好ましい。第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈは、各々のひずみゲージの抵抗体１０３のグリッド幅方向の中心が、径方向視で転動体１３の軌道の中心と重複する位置に配置されていることがより好ましい。このような配置により、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈは、転動体１３の回転により生じる外輪１１のひずみを高感度で検出することができる。

また、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈにおいて、抵抗体１０３は長手方向を外輪１１の周方向に向けて配置されていることが好ましい。外輪１１の周方向は軸方向よりも伸縮し易いため、抵抗体１０３の長手方向を外輪１１の周方向に向けて配置することで、大きなひずみ波形を得ることができる。

第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇは、軸線ｍに垂直な方向の断面視において、外輪１１の外周面の周方向に等角度で配置されている。つまり、隣接する第１ひずみゲージのなす角度は等しい。ここで、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇの位置は、軸線ｍに垂直な方向の断面視において、抵抗体１０３の長手方向（グリッド方向）の中心の位置で規定する。また、隣接するひずみゲージのなす角度は、軸線ｍに垂直な方向の断面視において、隣接するひずみゲージの各々の抵抗体の長手方向の中心と軸線ｍとを結んでできる中心角の角度とする。

例えば、図１に示すθは、隣接する第１ひずみゲージ１００Ａと第１ひずみゲージ１００Ｂのなす角度である。θは、例えば、３６０／７度である。なお、等角度には、±３度の誤差を許容するものとする。つまり、第１ひずみゲージの個数がｎ個であれば、隣接する各々の第１ひずみゲージのなす角度が３６０／ｎ±３度以内であれば、ｎ個の第１ひずみゲージは等角度で配置されていることになる。

なお、複数の第１ひずみゲージは、軸線ｍに垂直な方向の断面視において、同心円の１周にわたって満遍なく等角度で配置されていなくてもよい。すなわち、軸線ｍに垂直な方向の断面視において、すべての第１ひずみゲージが、第１ひずみゲージが両端に位置する同心円の円弧上に等角度で配置されてもよい。この場合、円弧上において隣接する第１ひずみゲージの角度は、３６０度を転動体１３の個数との公約数が１のみである整数で割った値（便宜上、値Ａとする）と等しいことが好ましい。この条件を満たすことにより、複数の第１ひずみゲージの直下を同時に転動体が通過しなくなるため、複数の第１ひずみゲージから同時に出力が出ることをなくすことができる。なお、『値Ａと等しい』には、±３度の誤差を許容するものとする。つまり、円弧上において隣接する第１ひずみゲージの角度が値Ａ±３度以内であれば、円弧上において隣接する第１ひずみゲージの角度が値Ａと等しいことになる。

例えば、図１において、軸受装置１は、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇの全てを有していなくてもよい。例えば、軸受装置１は、図１に示す位置に第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｅを有し、１００Ｆ及び１００Ｇを有していなくてもよい。この場合、すべての第１ひずみゲージ（第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｅ）は、第１ひずみゲージ１００Ａ及び１００Ｅが両端に位置する同心円の円弧上に等角度で配置される。

図１では、転動体１３の個数が６であるため、例えば、７は、転動体１３の個数との公約数が１のみである整数である。そのため、図１において、例えば、円弧上において隣接する第１ひずみゲージの角度は３６０／７度とすることが好ましい。なお、第１ひずみゲージ１００Ａと第１ひずみゲージ１００Ｅの円弧上にない側の角度は任意であってよい。

第２ひずみゲージ１００Ｈは、軸線ｍに垂直な方向の断面視において、第１ひずみゲージのうちの１つと外輪１１の周方向に隣接して配置される。図１の例では、第２ひずみゲージ１００Ｈは、第１ひずみゲージ１００Ａと外輪１１の周方向に隣接して配置されている。

なお、軸線ｍに垂直な方向の断面視において、第２ひずみゲージ１００Ｈの両側に配置される第１ひずみゲージのうち、第２ひずみゲージ１００Ｈとのなす角度が小さい方の第１ひずみゲージを、第２ひずみゲージ１００Ｈと周方向に隣接して配置された第１ひずみゲージとする。図１の例では、第２ひずみゲージ１００Ｈと隣接する第１ひずみゲージは、第１ひずみゲージ１００Ｇではなく第１ひずみゲージ１００Ａである。

軸受装置１では、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈを上記のように配置することにより、転がり軸受１０の中心に回転軸（シャフト）を取り付けて回転させた際に、回転軸の回転数と回転角を示す情報を軸受装置１の外部に出力可能である。これについて、図３～図６を参照して説明する。なお、説明を容易にするために、図３に示す軸受装置１Ａを用いて説明する。軸受装置１Ａは、転動体を３個、第１ひずみゲージを４個備えている点を除き、軸受装置１と同様の構成である。

図４は、ひずみ検出装置を例示する回路図である。図４に示すひずみ検出装置２は、図３に示す軸受装置１Ａと、複数のブリッジ回路２１～２４とを有している。

ひずみ検出装置２において、図３に示す軸受装置１Ａの第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｄ及び第２ひずみゲージ１００Ｈは、ブリッジ回路２１～２４に接続されている。ブリッジ回路２１～２４には、直流電圧Ｅが供給されている。これにより、ブリッジ回路２１～２４の抵抗Ｒ１に接続されている部分とＧＮＤとの間から出力を得ることができる。ブリッジ回路２１～２４の出力は、ＡＭＰ２８で加算されると共にＲ２／Ｒ１倍に反転増幅され、Ｖｏｕｔとして出力される。

具体的には、ブリッジ回路２１では、第２ひずみゲージ１００Ｈに隣接する第１ひずみゲージ１００Ａが、ブリッジ回路２１の４辺のうち出力電圧取出し点の一方の側の一辺を構成し、第２ひずみゲージ１００Ｈが４辺のうち出力電圧取出し点の他方の側の一辺を構成し、固定抵抗Ｒが４辺のうち他の２辺を構成している。

ブリッジ回路２２～２４では、第２ひずみゲージ１００Ｈと隣接しない第１ひずみゲージ１００Ｂ～１００Ｄの各々が、４辺のうち出力電圧取出し点の一方の側の一辺を構成し、固定抵抗Ｒが４辺のうち他の３辺を構成している。

ブリッジ回路２１～２４では、各々のブリッジ回路の有する第１ひずみゲージの直下を転動体１３が通過したときに出力が得られる。

図５は、転がり軸受の中心に回転軸を取り付けて回転させた場合の転動体の動きを模式的に示す図である。図６は、図５においてひずみ検出装置から得られる電圧波形の一例を示す図である。

図５（ａ）では、第１ひずみゲージ１００Ａの直下を転動体１３が通過しており、第１ひずみゲージ１００Ｂ、１００Ｃ、及び１００Ｄの直下を転動体１３が通過していない。この場合、第１ひずみゲージ１００Ａが接続されたブリッジ回路２１のみから出力が得られ、その出力を反転増幅した電圧波形として、図４のＶｏｕｔから例えば図６（ａ）に示す電圧波形が得られる。

図５（ｂ）では、第１ひずみゲージ１００Ｂの直下を転動体１３が通過しており、第１ひずみゲージ１００Ａ、１００Ｃ、及び１００Ｄの直下を転動体１３が通過していない。この場合、第１ひずみゲージ１００Ｂが接続されたブリッジ回路２２のみから出力が得られ、その出力を反転増幅した電圧波形として、図４のＶｏｕｔから例えば図６（ｂ）に示す電圧波形が得られる。

図５（ｃ）では、第１ひずみゲージ１００Ｃの直下を転動体１３が通過しており、第１ひずみゲージ１００Ａ、１００Ｂ、及び１００Ｄの直下を転動体１３が通過していない。この場合、第１ひずみゲージ１００Ｃが接続されたブリッジ回路２３のみから出力が得られ、その出力を反転増幅した電圧波形として、図４のＶｏｕｔから例えば図６（ｃ）に示す電圧波形が得られる。

図５（ｄ）では、第１ひずみゲージ１００Ｄの直下を転動体１３が通過しており、第１ひずみゲージ１００Ａ、１００Ｂ、及び１００Ｃの直下を転動体１３が通過していない。この場合、第１ひずみゲージ１００Ｄが接続されたブリッジ回路２４のみから出力が得られ、その出力を反転増幅した電圧波形として、図４のＶｏｕｔから例えば図６（ｄ）に示す電圧波形が得られる。

図５（ｅ）では、第１ひずみゲージ１００Ａの直下を転動体１３が再び通過しており、第１ひずみゲージ１００Ｂ、１００Ｃ、及び１００Ｄの直下を転動体１３が通過していない。この場合、前述の場合と同様に第１ひずみゲージ１００Ａが接続されたブリッジ回路２１のみから出力が得られ、その出力を反転増幅した電圧波形として、図４のＶｏｕｔから例えば図６（ｅ）に示す電圧波形が得られる。以降、Ｖｏｕｔから図６と同様の周期的な電圧波形が得られる。

このように、図４のＶｏｕｔからは直下を転動体１３が通過した第１ひずみゲージから順番にパルス状の電圧波形が得られる。転動体の個数及び第１ひずみゲージの個数は既知であるため、パルスの個数をカウントすることで、転がり軸受１０の中心に取り付けた回転軸の回転数を知ることができる。また、隣接するパルスの間隔を測定することで、転がり軸受１０の中心に取り付けた回転軸の回転角を知ることができる。

軸受装置において、転動体の個数と第１ひずみゲージの個数とは１以外の公約数を持たないことが好ましい。この条件を満たすことにより、複数の第１ひずみゲージから同時に出力が出ることがなくなるため、回転角を検出する際の分解能を向上することができる。

なお、転動体の個数をＮ個、第１ひずみゲージの個数をｎ個とすると、転動体が一回転する際の回転角の分解能は、３６０／ｎＮ［度］となる。また、回転軸の回転角の分解能Δθは、Δθ＝（３６０／ｎＮ）×（Ｎ／β）＝３６０／（ｎ×β）［度］となる。ここで、βは内輪１回転当たりに１つの第１ひずみゲージの直下を通過する転動体の個数であり、転がり軸受ごとに決まる固有の数値である。１回転当たりのβを多くするためには、転動体の直径は小さく、転動体の数は多く、転がり軸受のピッチ直径は大きくすることが好ましい。

例えば、図１に示す軸受装置１では、転がり軸受１０は６つの転動体と７つの第１ひずみゲージとを有している。この場合、例えばβ＝２．２３であれば、約１５分割（≒７×２．２３）されるため、分解能はΔθ＝３６０／（ｎ×β）≒３６０／１５＝２４［度］となる。なお、図１の例では、第１ひずみゲージの個数は７つであるが、軸受装置１は、１つ以上の第１ひずみゲージを有していればよい。ただし、回転軸の回転角の分解能を上げるためには、軸受装置１は２つ以上の第１ひずみゲージを有していることが好ましい。また、回転軸の回転角の分解能を上げるためには、第１ひずみゲージの個数は転動体の個数よりも多いことが好ましい。

ひずみ検出装置２において、ブリッジ回路２１は、第１ひずみゲージ１００Ａ及び第２ひずみゲージ１００Ｈを同一のブリッジ内に配置する２ゲージ法を用いている。これにより、ブリッジ回路２１の出力の極性から回転軸の回転方向を知ることができる。例えば、回転軸が左回りの時にブリッジ回路２１の出力が上昇から始まるとすると、回転軸が右回り時にはブリッジ回路２１の出力が下降から始まる。

ひずみ検出装置２は、さらに直流電圧Ｅを供給可能な電源、Ｖｏｕｔから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、Ａ／Ｄ変換器の出力に対して演算を行う信号処理部等を有してもよい。信号処理部は、例えば、回転軸の回転数や回転角を算出する演算を行うことができる。

ここで、第１ひずみゲージ１００Ａについて詳説する。

（ひずみゲージ）
図７は、第１実施形態に係る第１ひずみゲージを例示する平面図である。図８は、第１実施形態に係る第１ひずみゲージを例示する断面図であり、図７のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。なお、以下では第１ひずみゲージ１００Ａについて説明するが、第１ひずみゲージ１００Ｂ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈも第１ひずみゲージ１００Ａと同様の構造とすることができる。ただし、各ひずみゲージは、必要に応じ、部分的に異なる構造としてもよい。例えば、基材の大きさやカバー層の有無、その他の仕様は必要に応じて変えてよい。

図７及び図８を参照すると、第１ひずみゲージ１００Ａは、基材１０１と、機能層１０２と、抵抗体１０３と、配線１０４と、端子部１０５とを有している。但し、機能層１０２は、必要に応じて設ければよい。

なお、本実施形態では、便宜上、第１ひずみゲージ１００Ａにおいて、基材１０１の抵抗体１０３が設けられている側を「上側」と称し、抵抗体１０３が設けられていない側を「下側」と称する。又、各部位の上側に位置する面を「上面」と称し、各部位の下側に位置する面を「下面」と称する。ただし、第１ひずみゲージ１００Ａは天地逆の状態で用いることもできる。又、第１ひずみゲージ１００Ａは任意の角度で配置することもできる。又、平面視とは、基材１０１の上面１０１ａに対する上側から下側への法線方向で対象物を視ることを指すものとする。そして、平面形状とは、前記法線方向で対象物を視たときの、対象物の形状を指すものとする。

基材１０１は、抵抗体１０３等を形成するためのベース層となる部材である。基材１０１は可撓性を有する。基材１０１の厚さは特に限定されず、第１ひずみゲージ１００Ａの使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、基材１０１の厚さは５μｍ～５００μｍ程度であってよい。なお、測定対象物の表面から受感部へのひずみの伝達性、及び、環境変化に対する寸法安定性の観点から考えると、基材１０１の厚さは５μｍ～２００μｍの範囲内であることが好ましい。また、絶縁性の観点から考えると、基材１０１の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。

基材１０１は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＬＣＰ（液晶ポリマー）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成される。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、かつ可撓性を有する部材を指す。

基材１０１が絶縁樹脂フィルムから形成される場合、当該絶縁樹脂フィルムには、フィラーや不純物等が含まれていてもよい。例えば、基材１０１は、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成されてもよい。

基材１０１の樹脂以外の材料としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ_２Ｎ_３、Ａｌ_２Ｏ_３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３）等の結晶性材料が挙げられる。又、前述の結晶性材料以外に非晶質のガラス等を基材１０１の材料としてもよい。又、基材１０１の材料として、アルミニウム、アルミニウム合金（ジュラルミン）、チタン等の金属を用いてもよい。金属を用いる場合、金属製の基材１０１と機能層１０２との間に絶縁膜が設けられる。

機能層１０２は、基材１０１の上面１０１ａに抵抗体１０３の下層として形成されている。本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体１０３の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層１０２は、更に、基材１０１に含まれる酸素または水分による抵抗体１０３の酸化を防止する機能、および／または、基材１０１と抵抗体１０３との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層１０２は、更に、他の機能を備えていてもよい。

基材１０１を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むことがあり、また、Ｃｒは自己酸化膜を形成することがある。そのため、特に抵抗体１０３がＣｒを含む場合、抵抗体１０３の酸化を防止する機能を有する機能層１０２を成膜することが好ましい。

このように、抵抗体１０３の下層に機能層１０２を設けることにより、抵抗体１０３の結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体１０３を作製することができる。その結果、第１ひずみゲージ１００Ａにおいて、ゲージ特性の安定性が向上する。又、機能層１０２を構成する材料が抵抗体１０３に拡散することにより、第１ひずみゲージ１００Ａにおいて、ゲージ特性が向上する。

機能層１０２の材料としては、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。

機能層１０２の平面形状は、例えば抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５の平面形状と略同一にパターニングされてよい。しかしながら、機能層１０２と抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５との平面形状は略同一でなくてもよい。例えば、機能層１０２が絶縁材料から形成される場合には、機能層１０２を抵抗体１０３、配線１０４及び端子部１０５の平面形状と異なる形状にパターニングしてもよい。この場合、機能層１０２は例えば抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。或いは、機能層１０２は、基材１０１の上面１０１ａの全体にベタ状に形成されてもよい。

抵抗体１０３は、基材１０１の上面１０１ａに形成されている。抵抗体１０３は、基材１０１の上面１０１ａに所定のパターンで形成された薄膜である。第１ひずみゲージ１００Ａにおいて、抵抗体１０３は、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体１０３は、基材１０１の上面１０１ａに直接形成されてもよいし、基材１０１の上面１０１ａに他の層を介して形成されてもよい。

抵抗体１０３は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成することができる。すなわち、抵抗体１０３は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｃｕ－Ｎｉ（銅ニッケル）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ－Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。

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

抵抗体１０３の厚さは特に限定されず、第１ひずみゲージ１００Ａの使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、抵抗体１０３の厚さは０．０５μｍ～２μｍ程度であってよい。特に、抵抗体１０３の厚さが０．１μｍ以上である場合、抵抗体１０３を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する。また、抵抗体１０３の厚さが１μｍ以下である場合、抵抗体１０３を構成する膜の内部応力に起因する、（i）膜のクラックおよび（ii）膜の基材１０１からの反りが、低減される。

横感度を生じ難くすることと、断線対策とを考慮すると、抵抗体１０３の幅は５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。更に言えば、抵抗体１０３の幅は５μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上５０μｍ以下であるとより好ましい。

例えば、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、安定な結晶相であるα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上させることができる。又例えば、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、抵抗体１０３がα－Ｃｒを主成分とすることで、第１ひずみゲージ１００Ａのゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを－１０００ｐｐｍ／℃～＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。ここで、「主成分」とは、抵抗体を構成する全物質の５０重量％以上を占める成分のことを意味する。ゲージ特性を向上させるという観点から考えると、抵抗体１０３はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。更に言えば、同観点から考えると、抵抗体１０３はα－Ｃｒを９０重量％以上含むことがより好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

又、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎは２０重量％以下であることが好ましい。Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎが２０重量％以下であることで、第１ひずみゲージ１００Ａのゲージ率の低下を抑制することができる。

又、Ｃｒ混相膜におけるＣｒＮとＣｒ_２Ｎとの比率は、ＣｒＮとＣｒ_２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ_２Ｎの割合が８０重量％以上９０重量％未満となるようにすることが好ましい。更に言えば、同比率は、ＣｒＮとＣｒ_２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ_２Ｎの割合が９０重量％以上９５重量％未満となるようにすることがより好ましい。Ｃｒ_２Ｎは半導体的な性質を有する。そのため、前述のＣｒ_２Ｎの割合を９０重量％以上９５重量％未満とすることで、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、前述のＣｒ_２Ｎの割合を９０重量％以上９５重量％未満とすることで抵抗体１０３のセラミックス化を低減し、抵抗体１０３の脆性破壊が起こりにくくすることができる。

一方で、ＣｒＮは化学的に安定であるという利点を有する。Ｃｒ混相膜にＣｒＮをより多く含むことで、不安定なＮが発生する可能性を低減することができるため、安定なひずみゲージを得ることができる。ここで「不安定なＮ」とは、Ｃｒ混相膜の膜中に存在し得る、微量のＮ_２もしくは原子状のＮのことを意味する。これらの不安定なＮは、外的環境（例えば高温環境）によっては膜外へ抜け出ることがある。不安定なＮが膜外へ抜け出るときに、Ｃｒ混相膜の膜応力が変化し得る。

第１ひずみゲージ１００Ａにおいて、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合、高感度化かつ、小型化を実現することができる。例えば、従来のひずみゲージの出力が０．０４ｍＶ／２Ｖ程度であったのに対して、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合は０．３ｍＶ／２Ｖ以上の出力を得ることができる。また、従来のひずみゲージの大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）が３ｍｍ×３ｍｍ程度であったのに対して、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合の大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）は０．３ｍｍ×０．３ｍｍ程度に小型化することができる。

端子部１０５は、配線１０４を介して抵抗体１０３の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体１０３及び配線１０４よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部１０５は、ひずみにより生じる抵抗体１０３の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極である。抵抗体１０３は、例えば、端子部１０５及び配線１０４の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の配線１０４及び端子部１０５に接続されている。端子部１０５の上面を、端子部１０５よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。

なお、抵抗体１０３と配線１０４と端子部１０５とは便宜上別符号としているが、これらは同一工程において同一材料により一体に形成できる。

カバー層１０６は、必要に応じ、基材１０１の上面１０１ａに、抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５を露出するように設けられる。カバー層１０６の材料としては、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂が挙げられる。なお、カバー層１０６は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層１０６の厚さは、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、カバー層１０６の厚さは２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。カバー層１０６を設けることで、抵抗体１０３に機械的な損傷等が生じることを抑制することができる。又、カバー層１０６を設けることで、抵抗体１０３を湿気等から保護することができる。

（ひずみゲージの製造方法）
本実施形態に係る第１ひずみゲージ１００Ａでは、基材１０１上に、抵抗体１０３と、配線１０４と、端子部１０５とが形成される。なお、必要に応じ機能層１０２やカバー層１０６が形成されてもよい。

以下、第１ひずみゲージ１００Ａの製造方法について説明する。第１ひずみゲージ１００Ａを製造するためには、まず、基材１０１を準備し、基材１０１の上面１０１ａに金属層（便宜上、金属層Ａとする）を形成する。金属層Ａは、最終的にパターニングされて抵抗体１０３と、配線１０４と、端子部１０５となる層である。従って、金属層Ａの材料や厚さは、前述の抵抗体１０３等の材料や厚さと同様である。

金属層Ａは、例えば、金属層Ａを形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜することができる。金属層Ａは、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法、蒸着法、アークイオンプレーティング法、またはパルスレーザー堆積法等を用いて成膜されてもよい。基材１０１の上面１０１ａに金属層Ａを成膜後、周知のフォトリソグラフィ法により、金属層Ａを図７の抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５と同様の平面形状にパターニングする。

なお、基材１０１の上面１０１ａに下地層として機能層１０２を形成してから金属層Ａを形成してもよい。例えば、基材１０１の上面１０１ａに、所定の膜厚の機能層１０２をコンベンショナルスパッタ法により真空成膜してもよい。このように機能層１０２を設けることによって、第１ひずみゲージ１００Ａのゲージ特性を安定化させることができる。

抵抗体１０３、配線１０４及び端子部１０５を形成した後、必要に応じ、基材１０１の上面１０１ａにカバー層１０６を形成する。カバー層１０６は抵抗体１０３及び配線１０４を被覆するが、端子部１０５はカバー層１０６から露出する。例えば、基材１０１の上面１０１ａに、抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５を露出するように、半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートする。そして、当該絶縁樹脂フィルムを加熱して硬化させることにより、カバー層１０６を形成することができる。以上の工程により、第１ひずみゲージ１００Ａが完成する。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、転がり軸受の外輪の外側にハウジングを有する軸受装置の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図９は、第２実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その１）であり、転がり軸受の軸線に垂直な方向の断面を示している。図１０は、第２実施形態に係る軸受装置を例示する断面図（その２）であり、転がり軸受の軸線を通る断面を示している。

図９及び図１０を参照すると、軸受装置１Ｂは、外輪１１の外周面に接して配置されたハウジング２０を有している。ハウジング２０は、外輪１１の外周面を全周に亘って押さえている。ハウジング２０は、円筒状の部材である。ハウジング２０、例えば、中心軸方向の両端が開放された中空円柱状である。ハウジング２０は、例えば、真鍮、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属により形成できる。ハウジング２０の厚さは、ひずみの伝達性と必要な剛性とを考慮して適宜決定できるが、例えば、１ｍｍ程度としてもよい。

なお、円筒状の部材には、例えば、中空円柱状の部材の一部に加工が施されているものも含む。加工とは、例えば、中空円柱状の部材の一部にスリット、溝、穴、突起、段差などが設けられている場合である。もちろん、ハウジング２０にスリットや溝を複数個設けてもよいし、両者が混在してもよい。また、ハウジング２０の中心軸方向の一部分にスリットや溝を設けてもよい。このようなスリットや溝は、例えば、第１及び第２ひずみゲージに接続される配線の通路として使用することができる。

第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈは、転がり軸受１０の軸線ｍに垂直な方向の断面視において、外輪１１の外周側の、軸線ｍを中心とする同心円上の異なる位置に配置されている。

図９及び図１０の例では、転がり軸受１０の軸線ｍに垂直な方向の断面視において、第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈが配置される同心円は、ハウジング２０の外周面である。第１ひずみゲージ１００Ａ～１００Ｇ及び第２ひずみゲージ１００Ｈの各々は、例えば、接着層を介して、ハウジング２０の外周面に固定することができる。

このように、第１ひずみゲージ及び第２ひずみゲージは、ハウジング２０の外周面に配置してもよい。この場合、軸受装置の組み立て性改善や軸剛性向上の効果を得ることができる。

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

１，１Ａ，１Ｂ 軸受装置、１０ 転がり軸受、１１ 外輪、１２ 内輪、１３ 転動体、２０ ハウジング、２１，２２，２３，２４ ブリッジ回路、２８ ＡＭＰ、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ 第１ひずみゲージ、１００Ｈ 第２ひずみゲージ、１０１ 基材、１０１ａ 上面、１０２ 機能層、１０３ 抵抗体、１０４ 配線、１０５ 端子部、１０６ カバー層

Claims (9)

1. 外輪と、前記外輪の内周側に前記外輪と同軸状に配置された内輪と、前記外輪と前記内輪との間に配置された複数の転動体と、を備えた転がり軸受と、
   前記転がり軸受の軸線に垂直な方向の断面視において、前記外輪の外周側の、前記軸線を中心とする同心円上の異なる位置に配置された複数のひずみゲージと、を有し、
   前記複数のひずみゲージは、１つ以上の第１ひずみゲージと、前記第１ひずみゲージのうちの１つと前記同心円の周方向に隣接して配置された第２ひずみゲージと、を含む、軸受装置。
2. 前記複数のひずみゲージは、前記同心円の周方向に等角度で配置された２つ以上の第１ひずみゲージを含む、請求項１に記載の軸受装置。
3. すべての前記第１ひずみゲージは、前記第１ひずみゲージが両端に位置する前記同心円の円弧上に等角度で配置され、
   前記円弧上において隣接する前記第１ひずみゲージの角度は、３６０度を前記転動体の個数との公約数が１のみである整数で割った値と等しい、請求項２に記載の軸受装置。
4. 前記転動体の個数と、前記第１ひずみゲージの個数とは、１以外の公約数を持たない、請求項２に記載の軸受装置。
5. 前記第１ひずみゲージの個数は、前記転動体の個数よりも多い、請求項２に記載の軸受装置。
6. 前記断面視において、前記同心円は前記外輪の外周面である、請求項１に記載の軸受装置。
7. 前記外輪の外周面に接して配置されたハウジングを有し、
   前記断面視において、前記同心円は前記ハウジングの外周面である、請求項１に記載の軸受装置。
8. 前記第１ひずみゲージ及び前記第２ひずみゲージは、Ｃｒ混相膜から形成された抵抗体を有する、請求項１に記載の軸受装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の軸受装置と、複数のブリッジ回路と、を有し、
   前記複数のブリッジ回路は、
   前記第２ひずみゲージに隣接する前記第１ひずみゲージが、４辺のうち出力電圧取出し点の一方の側の一辺を構成し、前記第２ひずみゲージが４辺のうち出力電圧取出し点の他方の側の一辺を構成し、固定抵抗が４辺のうち他の２辺を構成する１つのブリッジ回路と、
   前記第２ひずみゲージと隣接しない前記第１ひずみゲージの各々が、４辺のうち出力電圧取出し点の一方の側の一辺を構成し、固定抵抗が４辺のうち他の３辺を構成する２つ以上のブリッジ回路と、を含む、ひずみ検出装置。

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