JP2024010250A - motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータに関する。 The present invention relates to a motor.
転がり軸受を備えたモータにおいて、モータ回転時は、転がり軸受内の球体が自転し、転がり軸受に僅かにひずみを与える。そして、このようなひずみを検出するセンサを有するモータが提案されている。ひずみを検出するセンサは、例えば、転がり軸受の回転軸方向の側面とモータのハウジングとの間に設けられる(例えば、特許文献1参照)。 In a motor equipped with a rolling bearing, when the motor rotates, the sphere inside the rolling bearing rotates, giving a slight strain to the rolling bearing. A motor having a sensor for detecting such strain has been proposed. A sensor that detects strain is provided, for example, between a side surface of a rolling bearing in the rotation axis direction and a housing of a motor (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、例えば、ひずみを検出するセンサとしてひずみゲージを用いる場合、狭小かつ曲面部への貼り付け作業が必要になるため、ひずみゲージをモータ内部の所定位置に配置することは極めて困難である。 However, for example, when using a strain gauge as a sensor for detecting strain, it is extremely difficult to arrange the strain gauge at a predetermined position inside the motor because it requires attachment to a narrow and curved surface.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージを容易に配置可能な構造のモータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a motor having a structure in which strain gauges can be easily arranged.
本モータは、ロータシャフトを回転可能な状態で支持する転がり軸受と、前記転がり軸受を保持する軸受ハウジングと、センサユニットと、を有し、前記センサユニットは、前記軸受ハウジングの外周面に固定された環状部材と、前記環状部材に固定され、前記転がり軸受のひずみを検出する抵抗体を備えたひずみゲージと、を含む。 This motor includes a rolling bearing that rotatably supports a rotor shaft, a bearing housing that holds the rolling bearing, and a sensor unit, and the sensor unit is fixed to the outer peripheral surface of the bearing housing. and a strain gauge that is fixed to the annular member and includes a resistor that detects strain in the rolling bearing.
開示の技術によれば、ひずみゲージを容易に配置可能な構造のモータを提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a motor having a structure in which strain gauges can be easily arranged.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and redundant explanations may be omitted.
〈第1実施形態〉
(モータの全体構造)
図1は、第1実施形態に係るモータを例示する断面図である。図2は、第1実施形態に係るモータのロータシャフト近傍の部分拡大断面図である。図3は、図2のC部の部分拡大平面図である。図4は、第1実施形態に係るセンサユニットを例示する斜視図である。なお、図3では、転がり軸受は簡略化して図示されており、また、一部の部材の図示は省略されている。また、図4では、センサユニットとともに軸受ハウジングを互いの位置をずらして図示している。
<First embodiment>
(Overall structure of motor)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a motor according to a first embodiment. FIG. 2 is a partially enlarged sectional view of the vicinity of the rotor shaft of the motor according to the first embodiment. 3 is a partially enlarged plan view of section C in FIG. 2. FIG. FIG. 4 is a perspective view illustrating the sensor unit according to the first embodiment. In addition, in FIG. 3, the rolling bearing is illustrated in a simplified manner, and illustration of some members is omitted. Moreover, in FIG. 4, the bearing housing and the sensor unit are shown shifted in position from each other.
図1~図4に示すように、モータ1は、インペラ10と、ロータシャフト20と、転がり軸受30と、軸受ハウジング40と、ステータ50と、ロータ60と、ケーシング70と、センサユニット100とを有する軸流ファンモータである。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
インペラ10は、ロータハウジング11と、ロータハウジング11の外周に設けられた羽根12とを有している。インペラ10の中心には、回転軸mを有するロータシャフト20が固定されている。ロータシャフト20は、長手方向の両端近傍に配置された2つの転がり軸受30により回転可能な状態で支持されている。
The
転がり軸受30は、外輪31と、内輪32と、複数の転動体33とを有している。外輪31は、回転軸mを中心軸とする円筒形の構造体である。内輪32は、外輪31の内周側に外輪31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33の各々は外輪31と内輪32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。
The rolling
転がり軸受30は、軸受ハウジング40に圧入や接着等により固定され、軸受ハウジング40に保持されている。軸受ハウジング40は、外輪31の外周面を全周に亘って押さえている。軸受ハウジング40は、例えば、真鍮等の金属により形成できる。
The rolling bearing 30 is fixed to the bearing
ステータ50は、インシュレータ51と、ステータコア52と、コイル53とを有し、軸受ハウジング40の外周に配置されている。ステータコア52は、例えば、軸受ハウジング40の外周に圧入等により固定されている。
The stator 50 includes an
ロータ60は、ロータハウジング11の内側に一体的に設けられたロータヨーク61と、ロータヨーク61の内側に装着されたロータマグネット62とを有している。なお、図1の例では、ロータヨーク61は、ロータハウジング11の内側に一体的に設けられているが、これには限定されず、ロータヨーク61はロータハウジング11の内側に装着されてもよい。また、ロータシャフト20は、ロータヨーク61に装着されてロータハウジング11の中心に固定されているが、ロータシャフト20はロータハウジング11に直接固定してもよい。
The
ケーシング70は、インペラ10の外周を覆うケーシング外枠71と、軸受ハウジング40を固定するベース部ハブ72と、ケーシング外枠71とベース部ハブ72とを連結する静翼73とを有している。
The
なお、図1の例では、ケーシング外枠71とベース部ハブ72とが、静翼73で連結されている場合を示しているが、ケーシング外枠71とベース部ハブ72とは、連結シャフトのような棒状の構造で連結されてもよい。
In addition, in the example of FIG. 1, the case where the casing
また、軸受ハウジング40は、ケーシング70を樹脂で射出成形するときに、ベース部ハブ72に一体化するように固定してもよいが、先にケーシング70を成形しておき、後からベース部ハブ72の部分に固定するようにしてもよい。
Further, the bearing
モータ1において、ステータ50とロータ60とでモータ部80が構成されており、電源部(図示せず)からコイル53に電流を供給することにより、軸受ハウジング40内に回転自在に支持されたロータシャフト20の中心軸を回転軸mとしてインペラ10が回転する。すなわち、モータ1は、所謂アウターロータ型のモータである。
In the
モータ1において、図1の上側が吸込み口側であり、下側が吹出し口側である。したがって、モータ1では、ケーシング外枠71の空気の吸込み口側にインペラ10が設けられ、吹出し口側にベース部ハブ72が設けられている。
In the
センサユニット100は、センサリング110と、ひずみゲージ120とを含む。センサリング110は、環状部材であり、例えば、中空円柱状である。センサリング110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であってもよい。加工とは、例えば、センサリング110の一部に溝、穴、突起、段差などが設けられている場合である。センサリング110は、外周面110aと内周面110bとを有する。
センサリング110は、軸受ハウジング40の外周面40aに固定されている。センサリング110は、例えば、軸受ハウジング40の外周側に圧入されている。この場合、軸受ハウジング40の外周面40aとセンサリング110の内周面110bとは接する。センサリング110は、例えば、接着剤により軸受ハウジング40の外周面40aに固定されてもよい。この場合、軸受ハウジング40の外周面40aとセンサリング110の内周面110bとは接着剤を介して対向する。
The
ひずみの伝達性を向上する観点からは、センサリング110を接着剤により軸受ハウジング40の外周面40aに固定する方法よりも、圧入により固定する方法が好ましい。接着剤を用いる場合には、硬化後の硬度が比較的高い接着剤をできるだけ薄くして使用することが好ましい。
From the viewpoint of improving strain transmissibility, a method of fixing the
センサリング110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。熱膨張を考慮すると、センサリング110は、軸受ハウジング40と同一の素材であることが好ましい。センサリング110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。
The
センサリング110の回転軸m方向の位置決めのために、軸受ハウジング40の外周面40aに段差40zが設けられている。ただし、これは必須ではなく、例えば、段差40zは設けずに、センサリング110の回転軸m方向の上端部が、軸受ハウジング40の回転軸m方向の上端部と面一になるように固定してもよい。あるいは、センサリング110を圧入する治具の形状等により、センサリング110の回転軸m方向の位置決めを行うことも可能である。
In order to position the
図4に示すように、モータ1では、センサリング110の外周面110aにひずみゲージ120が固定されたセンサユニット100をあらかじめ作製し、センサユニット100を軸受ハウジング40の外周面40aに圧入等により固定できる。
As shown in FIG. 4, in the
ひずみゲージ120は、センサリング110の外周面110aに接着剤等により固定されている。ひずみゲージ120は、転がり軸受30のひずみ(例えば、外輪31のひずみ)を検出する抵抗体123を備えたセンサである。
The
ひずみゲージ120の検出対象となるひずみは、転動体33の中心の側方(中心との距離が最小となる点の周辺)で最も大きくなるため、ひずみゲージ120は転動体33の中心の側方に配置することが好ましい。なお、外輪31及び内輪32に適切な予圧を加えることで、回転軸の振れ精度向上や振動及び騒音の低減に寄与できる。このような予圧が加えられている場合には、ひずみゲージ120を予圧側に配置することが好ましい。
The strain to be detected by the
ひずみゲージ120は、配線124を介して抵抗体123の両端に接続された一対の端子部125を有しており、各々の端子部125には、はんだ等により、配線90が電気的に接続されている。配線90は、例えば、線材やフレキシブル基板等である。
The
配線90は、ステータコア52の内周に設けられたノッチ52x(配線を通すための凹部)を通って、ステータコア52よりも軸方向下側、つまりモータ1の外部側に引き出されている。ノッチ52xは、例えば、回転軸mと略平行に設けられた細長状の凹部とすることができる。
The
なお、図2では、ひずみゲージ120と電気的に接続された配線90は、ステータコア52の内周に設けられたノッチ52xを通ってステータコア52よりも軸方向下側に引き出され、モータ1の外部に直接引き出されている。しかし、これには限定されず、ひずみゲージ120と電気的に接続された配線90は、ステータコア52の内周に設けられたノッチ52xを通ってステータコア52よりも軸方向下側に引き出され、さらにモータ1に設けられた孔や溝を通って、モータ1の内部に配置された回路基板95と電気的に接続されてもよい。
In FIG. 2, the
配線90は、コイル53等から発生する電磁ノイズの干渉を受けるため、少なくともノッチ52xを通る部分がシールドされていることが好ましい。配線90は、例えば、同軸ケーブルであってもよいし、フレキシブル基板の少なくとも一方側にベタ状のGNDが形成された構造等であってもよい。電磁ノイズの影響を抑制する観点から、ひずみゲージ120が固定されている軸受ハウジング40は、配線90のシールド部分と同電位のGNDであることが好ましい。
Since the
軸受ハウジング40の外周面40aに固定されたセンサリング110の外周面110aにひずみゲージ120を配置することにより、転がり軸受30のひずみは、軸受ハウジング40及びセンサリング110を介してひずみゲージ120に伝わり、ひずみゲージ120で検出可能である。本実施形態では、ひずみゲージ120は、転がり軸受30のひずみを抵抗体123の抵抗値の変化として検出する。
By disposing the
なお、ひずみゲージ120において、抵抗体123は、長手方向(ゲージ長方向)をセンサリング110の周方向に向けて配置されている。センサリング110の周方向は軸方向よりも伸縮し易いため、抵抗体123の長手方向をセンサリング110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。
Note that in the
このように、モータ1では、ひずみを検知しやすい位置である軸受ハウジング40の外周面40aにセンサユニット100を固定しているため、センサユニット100のひずみゲージ120で僅かなひずみも検知できる。すなわち、転がり軸受30の外輪31が僅かでもひずんだ場合、軸受ハウジング40及びセンサリング110も同様にひずむため、この僅かなひずみをセンサリング110の外周面110aに固定されたひずみゲージ120で検知できる。
In this way, in the
ひずみゲージ120の端子部125間で得られたひずみ波形を、例えばFFT解析(高速フーリエ変換)することで、転がり軸受30の状態を監視できる。よって、ひずみ波形の変化をモニタリングすることで、転がり軸受30の異常を検知し、モータ1が回転不具合を発生する前に異常を検知することが可能となる。例えば、サーバの冷却等に用いられる軸流ファンモータは、常に動作しており、一時的にでもストップすると冷却能力が下がる。この場合、軸流ファンモータの異常を少しでも早く検知したいため、転がり軸受30の状態をモニタリングすることは特に有効である。
The state of the rolling
モータ1では、センサリング110の外周面110aにひずみゲージ120が配置されているが、例えば、転がり軸受30や軸受ハウジング40にひずみゲージ120を配置する方法も考えられる。しかし、これらの方法は、モータの組み立てが困難であり生産性が悪いため、好ましくない。
In the
すなわち、固定された転がり軸受30に、後からひずみゲージ120を配置することは困難である。また、転がり軸受30にあらかじめひずみゲージ120を配置した場合でも、モータの組み立て時に転がり軸受30を固定する際に配線の断線などに注意しながら作業するため作業性が悪くなる。軸受ハウジング40の外周面などにひずみゲージ120が配置された場合も同様に、組み立てが困難である。
That is, it is difficult to arrange the
これに対して、モータ1は、ひずみゲージ120を容易に配置可能な構造である。すなわち、モータ1では、センサリング110の外周面110aにひずみゲージ120が固定されたセンサユニット100をあらかじめ作製し、センサユニット100を軸受ハウジング40の外周面40aに圧入等の簡易な工程により固定できる。よって、ひずみゲージ120を有するモータ1の製造が容易であり、生産性に優れている。
On the other hand, the
また、仮に軸受ハウジング40の外周面40aにひずみゲージ120を配置する場合、他の部材との干渉を避けるため、外周面40aに凹部を設け、凹部内にひずみゲージ120を固定する方法が考えられる。しかし、軸受ハウジング40の外周面40aに凹部を設けると、軸の剛性が下がり、転がり軸受30の寿命に影響するおそれがある。
Furthermore, if the
モータ1では、センサリング110の外周面110aにひずみゲージ120が固定されたセンサユニット100を用いるため、軸受ハウジング40の外周面40aに凹部を設ける必要はない。そのため、モータ1では、軸の剛性を維持し、転がり軸受30の長寿命化が可能である。その結果、モータ1では、安定的に転がり軸受30の状態監視を行うことができる。
Since the
また、モータ1では、センサリング110の外周面110aにひずみゲージ120が固定されたセンサユニット100を用いるため、ひずみゲージ120の位置制御が容易であり、ひずみゲージ120を所望の位置に配置できる。また、モータ1では、センサリング110の外周面110aにひずみゲージ120が固定されたセンサユニット100をあらかじめ作製するため、ひずみゲージ120の固定強度の制御も容易である。
Further, since the
また、モータ1では、配線90をステータコア52の内周に形成されたノッチ52xに通し、かつ、配線90の少なくともノッチ52xを通る部分がシールドされている。これにより、例えば、配線90をステータコア52の外側を通す場合と比べて、電磁ノイズの影響を大幅に抑制できる。その結果、転がり軸受30の異常検知の精度を向上できる。
Further, in the
(ひずみゲージ)
図5は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図6は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図5のA-A線に沿う断面を示している。図5及び図6を参照すると、ひずみゲージ120は、基材121と、機能層122と、抵抗体123と、配線124と、端子部125とを有している。ただし、機能層122は、必要に応じて設ければよい。
(strain gauge)
FIG. 5 is a plan view illustrating the strain gauge according to the first embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the strain gauge according to the first embodiment, and shows a cross section taken along line AA in FIG. Referring to FIGS. 5 and 6, the
なお、本実施形態では、便宜上、ひずみゲージ120において、基材121の抵抗体123が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体123が設けられていない側を下側又は他方の側とする。また、各部位の抵抗体123が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体123が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。ただし、ひずみゲージ120は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。また、平面視とは対象物を基材121の上面121aの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材121の上面121aの法線方向から視た形状を指すものとする。
In this embodiment, for convenience, in the
基材121は、抵抗体123等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材121の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、5μm~500μm程度とすることができる。特に、基材121の厚さが5μm~200μmであると、接着層を介して基材121の下面に接合されるセンサリング110からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、10μm以上であると絶縁性の点で更に好ましい。
The
基材121は、例えば、PI(ポリイミド)樹脂、エポキシ樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、PEN(ポリエチレンナフタレート)樹脂、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成できる。なお、フィルムとは、厚さが500μm以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
The
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材121が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材121は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。
Here, "formed from an insulating resin film" does not prevent the
基材121の樹脂以外の材料としては、例えば、SiO2、ZrO2(YSZも含む)、Si、Si2N3、Al2O3(サファイヤも含む)、ZnO、ペロブスカイト系セラミックス(CaTiO3、BaTiO3)等の結晶性材料が挙げられ、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。また、基材121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。この場合、金属製の基材121上に、例えば、絶縁膜が形成される。
Examples of materials other than resin for the
機能層122は、基材121の上面121aに抵抗体123の下層として形成されている。すなわち、機能層122の平面形状は、図5に示す抵抗体123の平面形状と略同一である。
The
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体123の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層122は、更に、基材121に含まれる酸素や水分による抵抗体123の酸化を防止する機能や、基材121と抵抗体123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122は、更に、他の機能を備えていてもよい。
In the present application, the functional layer refers to a layer having a function of promoting at least crystal growth of the
基材121を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体123がCr(クロム)を含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層122が抵抗体123の酸化を防止する機能を備えることは有効である。
Since the insulating resin film constituting the
機能層122の材料は、少なくとも上層である抵抗体123の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Cr(クロム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Ni(ニッケル)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Si(シリコン)、C(炭素)、Zn(亜鉛)、Cu(銅)、Bi(ビスマス)、Fe(鉄)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Au(金)、Co(コバルト)、Mn(マンガン)、Al(アルミニウム)からなる群から選択される1種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。
The material of the
上記の合金としては、例えば、FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu等が挙げられる。また、上記の化合物としては、例えば、TiN、TaN、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SiO2等が挙げられる。 Examples of the above-mentioned alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, and CrCu. Moreover, examples of the above-mentioned compounds include TiN, TaN, Si 3 N 4 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , SiO 2 and the like.
機能層122が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層122の膜厚は抵抗体の膜厚の1/20以下であることが好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層122に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。
When the
機能層122が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層122の膜厚は抵抗体の膜厚の1/50以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層122に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。
When the
機能層122が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層122の膜厚は抵抗体の膜厚の1/100以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層122に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。
When the
機能層122が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層122の膜厚は、1nm~1μmとすることが好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層122にクラックが入ることなく容易に成膜できる。
When the
機能層122が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層122の膜厚は、1nm~0.8μmとすることがより好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層122にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。
When the
機能層122が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層122の膜厚は、1nm~0.5μmとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層122にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。
When the
なお、機能層122の平面形状は、例えば、図5に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層122の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層122が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層122は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。あるいは、機能層122は、基材121の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
Note that the planar shape of the
また、機能層122が絶縁材料から形成される場合に、機能層122の厚さを50nm以上1μm以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層122の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材121側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ120において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
In addition, when the
抵抗体123は、機能層122の上面に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。
The
抵抗体123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できる。すなわち、抵抗体123は、CrとNiの少なくとも一方を含む材料から形成できる。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。
The
以降は、抵抗体123がCr混相膜である場合を例にして説明する。ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、Cr2N等が混相した膜である。Cr混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。また、Cr混相膜に、機能層122を構成する材料の一部が拡散されてもよい。この場合、機能層122を構成する材料と窒素とが化合物を形成する場合もある。例えば、機能層122がTiから形成されている場合、Cr混相膜にTiやTiN(窒化チタン)が含まれる場合がある。
Hereinafter, the case where the
抵抗体123の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、0.05μm~2μm程度とすることができる。特に、抵抗体123の厚さが0.1μm以上であると抵抗体123を構成する結晶の結晶性(例えば、α-Crの結晶性)が向上する点で好ましく、1μm以下であると抵抗体123を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材121からの反りを低減できる点で更に好ましい。
The thickness of the
機能層122上に抵抗体123を形成することで、安定な結晶相により抵抗体123を形成できるため、ゲージ特性(ゲージ率、ゲージ率温度係数TCS、及び抵抗温度係数TCR)の安定性を向上できる。
By forming the
例えば、抵抗体123がCr混相膜である場合、機能層122を設けることで、α-Cr(アルファクロム)を主成分とする抵抗体123を形成できる。α-Crは安定な結晶相であるため、ゲージ特性の安定性を向上できる。
For example, when the
ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の50質量%以上を占めることを意味する。抵抗体123がCr混相膜である場合、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体123はα-Crを80重量%以上含むことが好ましく、90重量%以上含むことが更に好ましい。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。
Here, the term "main component" means that the target substance occupies 50% by mass or more of all the substances constituting the resistor. When the
また、抵抗体123がCr混相膜である場合、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2N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Cr2Nが20重量%以下であることで、ゲージ率の低下を抑制できる。
Further, when the
また、CrN及びCr2N中のCr2Nの割合は80重量%以上90重量%未満であることが好ましく、90重量%以上95重量%未満であることが更に好ましい。CrN及びCr2N中のCr2Nの割合が90重量%以上95重量%未満であることで、半導体的な性質を有するCr2Nにより、TCRの低下(負のTCR)が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。 Further, the proportion of Cr 2 N in CrN and Cr 2 N is preferably 80% by weight or more and less than 90% by weight, and more preferably 90% by weight or more and less than 95% by weight. When the proportion of Cr 2 N in CrN and Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more pronounced due to Cr 2 N having semiconducting properties. . Furthermore, by reducing the amount of ceramic, brittle fracture can be reduced.
一方で、膜中に微量のN2もしくは原子状のNが混入、存在した場合、外的環境(例えば高温環境下)によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なCrNの創出により上記不安定なNを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。 On the other hand, if a trace amount of N 2 or atomic N is mixed or present in the film, it escapes from the film due to the external environment (for example, under a high temperature environment), causing a change in film stress. By creating chemically stable CrN, a stable strain gauge can be obtained without generating the above-mentioned unstable N.
また、機能層122を構成する金属(例えば、Ti)がCr混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性を向上できる。具体的には、ひずみゲージ120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。
Furthermore, the gauge characteristics can be improved by diffusing the metal (for example, Ti) constituting the
端子部125は、配線124を介して抵抗体123の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体123及び配線124よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部125は、ひずみにより生じる抵抗体123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123は、例えば、端子部125及び配線124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124及び端子部125に接続されている。端子部125の上面を、端子部125よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。
The
なお、抵抗体123と配線124と端子部125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。
Note that although the
抵抗体123及び配線124を被覆し端子部125を露出するように基材121の上面121aにカバー層126(絶縁樹脂層)を設けても構わない。カバー層126を設けることで、抵抗体123及び配線124に機械的な損傷等が生じることを防止できる。また、カバー層126を設けることで、抵抗体123及び配線124を湿気等から保護できる。なお、カバー層126は、端子部125を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
A cover layer 126 (insulating resin layer) may be provided on the
カバー層126は、例えば、PI樹脂、エポキシ樹脂、PEEK樹脂、PEN樹脂、PET樹脂、PPS樹脂、複合樹脂(例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂)等の絶縁樹脂から形成できる。カバー層は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、2μm~30μm程度とすることができる。
The
ひずみゲージ120を製造するためには、まず、基材121を準備し、基材121の上面121aに機能層122を形成する。基材121及び機能層122の材料や厚さは、前述の通りである。ただし、機能層122は、必要に応じて設ければよい。
In order to manufacture the
機能層122は、例えば、機能層122を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にAr(アルゴン)ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜できる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材121の上面121aをArでエッチングしながら機能層122が成膜されるため、機能層122の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
The
ただし、これは、機能層122の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層122を成膜してもよい。例えば、機能層122の成膜の前にAr等を用いたプラズマ処理等により基材121の上面121aを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層122を真空成膜する方法を用いてもよい。
However, this is an example of a method for forming the
次に、機能層122の上面全体に抵抗体123、配線124、及び端子部125となる金属層を形成後、フォトリソグラフィによって機能層122並びに抵抗体123、配線124、及び端子部125を図5に示す平面形状にパターニングする。抵抗体123、配線124、及び端子部125の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体123、配線124、及び端子部125は、同一材料により一体に形成できる。抵抗体123、配線124、及び端子部125は、例えば、抵抗体123、配線124、及び端子部125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できる。抵抗体123、配線124、及び端子部125は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。
Next, after forming a metal layer that will become the
機能層122の材料と抵抗体123、配線124、及び端子部125の材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層122としてTiを用い、抵抗体123、配線124、及び端子部125としてα-Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜可能である。
The combination of the material of the
この場合、例えば、Cr混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にArガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体123、配線124、及び端子部125を成膜できる。あるいは、純Crをターゲットとし、チャンバ内にArガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体123、配線124、及び端子部125を成膜してもよい。この際、窒素ガスの導入量や圧力(窒素分圧)を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nの割合、並びにCrN及びCr2N中のCr2Nの割合を調整できる。
In this case, for example, the
これらの方法では、Tiからなる機能層122がきっかけでCr混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα-Crを主成分とするCr混相膜を成膜できる。また、機能層122を構成するTiがCr混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ120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。
In these methods, the growth surface of the Cr mixed phase film is defined by the
なお、抵抗体123がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層122は、抵抗体123の結晶成長を促進する機能、基材121に含まれる酸素や水分による抵抗体123の酸化を防止する機能、及び基材121と抵抗体123との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層122として、Tiに代えてTa、Si、Al、Feを用いた場合も同様である。
Note that when the
その後、必要に応じ、基材121の上面121aに、抵抗体123及び配線124を被覆し端子部125を露出するカバー層126を設けることで、ひずみゲージ120が完成する。カバー層126は、例えば、基材121の上面121aに、抵抗体123及び配線124を被覆し端子部125を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製できる。カバー層126は、基材121の上面121aに、抵抗体123及び配線124を被覆し端子部125を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。
Thereafter, the
このように、抵抗体123の下層に機能層122を設けることにより、抵抗体123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123を作製できる。その結果、ひずみゲージ120において、ゲージ特性の安定性を向上できる。また、機能層122を構成する材料が抵抗体123に拡散することにより、ひずみゲージ120において、ゲージ特性を向上できる。
By providing the
なお、抵抗体123の材料としてCr混相膜を用いたひずみゲージ120は、高感度化(従来比500%以上)かつ、小型化(従来比1/10以下)を実現している。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、ひずみゲージ120では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、ひずみゲージ120の大きさ(ゲージ長×ゲージ幅)は0.3mm×0.3mm程度に小型化できる。
Note that the
このように、抵抗体123の材料としてCr混相膜を用いたひずみゲージ120は小型であり、センサリング110の外周面110aに容易に貼り付け可能である。そのため、特に、直径(外輪31の外径)が30mm以下である小型の転がり軸受30を用いたモータ1に使用すると好適である。また、抵抗体123の材料としてCr混相膜を用いたひずみゲージ120は高感度であり、小さい変位を検出できるため、従来は検出が困難であった微小なひずみを検出可能である。すなわち、抵抗体123の材料としてCr混相膜を用いたひずみゲージ120を有することにより、ひずみを精度よく検出する機能を備えたモータ1を実現できる。
In this way, the
〈第1実施形態の変形例〉
第1実施形態の変形例では、センサリングにひずみゲージ120へのひずみの伝達を促進するひずみ伝達構造を設けたモータの例を示す。なお、第1実施形態の変形例において、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。
<Modification of the first embodiment>
In a modification of the first embodiment, an example of a motor is shown in which a sensor ring is provided with a strain transmission structure that promotes transmission of strain to the
図7は、第1実施形態の変形例1に係るセンサユニットを例示する斜視図である。なお、図7では、センサユニットとともに軸受ハウジングを互いの位置をずらして図示している。
FIG. 7 is a perspective view illustrating a sensor unit according to
図7を参照すると、センサユニット100Aでは、センサリング110に、外周面110a側に開口する凹部110xが設けられている。そして、凹部110x内に、ひずみゲージ120が接着剤等により固定されている。凹部110xは、センサリング110の外周面110aの周方向の一部に設けられてもよいし、センサリング110の外周面110aの全周にわたって設けられてもよい。
Referring to FIG. 7, in the
凹部110xは、センサリング110の他の部分よりも肉薄である。そのため、凹部110xの部分は、センサリング110の他の部分よりも、転がり軸受30で生じるひずみを、ひずみゲージ120に伝達しやすい。すなわち、凹部110xは、転がり軸受30からひずみゲージ120の抵抗体123へのひずみの伝達を促進するひずみ伝達構造の一例である。ひずみ伝達構造を設けることで、例えば、剛性を考慮してセンサリング110の厚さを厚くした場合でも、ひずみの検出が可能となる。
The
また、凹部110xをひずみゲージ120を配置できる程度の大きさとした場合には、凹部110xを設けることで、ひずみゲージ120を固定する位置が明確になるため、ひずみゲージ120を固定する位置のばらつきを低減できる。
Furthermore, when the
また、センサユニット100Aでは、センサリング110の外周面110aに設けられた凹部110xにひずみゲージ120が固定されており、ひずみゲージ120は外周面110aより外側にはみ出ることがない。そのため、ひずみゲージ120が他の部材と干渉しにくい。
Furthermore, in the
図8は、第1実施形態の変形例2に係るセンサユニットを例示する斜視図である。図9は、第1実施形態の変形例2に係るセンサユニットを例示する平面図である。図8及び図9を参照すると、センサユニット100Bでは、センサリング110に、内周面110b側に開口し、回転軸m方向を長手方向とする複数の溝110yが設けられている。つまり、各々の溝110yは、センサリング110の内周面110b側から外周面110a側に向かって窪んでいる。各々の溝110yは、センサリング110の上端面から下端面に達するように設けられてもよい。各々の溝110yの平面形状は三角形状である。
FIG. 8 is a perspective view illustrating a sensor unit according to a second modification of the first embodiment. FIG. 9 is a plan view illustrating a sensor unit according to Modification 2 of the first embodiment. Referring to FIGS. 8 and 9, in the
溝110yの個数は、転動体33の個数の倍数であることが好ましく、例えば、転動体33が8個であれば、溝110yは8個や16個とすることが好ましい。また、複数の溝110yは、センサリング110の周方向に等間隔で配置されていることが好ましい。
The number of
溝110yが設けられた部分は、転がり軸受30で生じるひずみを、ひずみゲージ120に伝達しやすい。すなわち、溝110yは、転がり軸受30からひずみゲージ120の抵抗体123へのひずみの伝達を促進するひずみ伝達構造の一例である。ひずみ伝達構造を設けることで、例えば、剛性を考慮してセンサリング110の厚さを厚くした場合でも、ひずみの検出が可能となる。
The portion where the
抵抗体123にひずみを伝達しやすくする観点から、図8に示すように、抵抗体123のゲージ長の中心を通り回転軸mと平行な線L1を仮定したときに、側面視において、線L1は溝110yの1つと重複することが好ましい。また、線L1は、側面視において、センサリング110の周方向における溝110yの中心と重複することが特に好ましい。例えば、図8に示す例のように溝110yの平面形状が三角形状であれば、線L1が溝110yの三角の外周面に最も近い頂点と重複することが特に好ましい。なお、この場合の側面視とは、対象物(線L1)をセンサリングの側面(外周面)の法線方向から視ることを指す。
From the viewpoint of easily transmitting strain to the
ひずみの伝達を促進する観点からは、溝110yの平面形状は三角形状であることは好ましいが、疲労破壊を考慮すると、溝110yは、R状の部分を有することが好ましい。溝110yの平面形状を、例えば、図10に示す三角形の一つの頂点に円を組み合わせた形状や、図11に示す半円形状とすることで、疲労破壊に有利となる。
From the viewpoint of promoting strain transmission, it is preferable that the
図12は、第1実施形態の変形例3に係るセンサユニットを例示する斜視図である。図13は、第1実施形態の変形例3に係るセンサユニットを例示する平面図である。図12及び図13を参照すると、センサユニット100Cでは、センサリング110に、上端面側及び/又は下端面側に開口し、回転軸m方向を長手方向とする複数の溝110zが設けられている。各々の溝110zは、センサリング110の外周面110a側及び内周面110b側には開口していない。各々の溝110zは、センサリング110の上端面から下端面に達するように設けられてもよい。各々の溝110zの平面形状は円形状である。なお、本願では、上端面から下端面に達する場合も溝に含めるものとする。
FIG. 12 is a perspective view illustrating a sensor unit according to
溝110zの個数は、転動体33の個数の倍数であることが好ましく、例えば、転動体33が8個であれば、溝110zは8個や16個とすることが好ましい。また、複数の溝110zは、センサリング110の周方向に等間隔で配置されていることが好ましい。
The number of
溝110zが設けられた部分は、転がり軸受30で生じるひずみを、ひずみゲージ120に伝達しやすい。すなわち、溝110zは、転がり軸受30からひずみゲージ120の抵抗体123へのひずみの伝達を促進するひずみ伝達構造の一例である。ひずみ伝達構造を設けることで、例えば、剛性を考慮してセンサリング110の厚さを厚くした場合でも、ひずみの検出が可能となる。
The portion where the
抵抗体123にひずみを伝達しやすくする観点から、図12に示すように、抵抗体123のゲージ長の中心を通り回転軸mと平行な線L2を仮定したときに、側面視において、線L2は溝110zの1つと重複することが好ましい。また、線L2は、側面視において、センサリング110の周方向における溝110zの中心と重複することが特に好ましい。例えば、図12に示す例のように溝110zの平面形状が円形状であれば、線L2が溝110zの円の中心と重複することが特に好ましい。
From the viewpoint of easily transmitting strain to the
なお、溝110zの平面形状は円形状でなくてもよく、例えば、図14に示す半円形状、図15に示す直線の両端に円を組み合わせた形状としてもよい。また、図16に示すように、図15において、直線の幅と円の直径を同じにしてもよい。
Note that the planar shape of the
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。 Although the preferred embodiments have been described in detail above, they are not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions may be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims. can be added.
例えば、上記の実施形態では、モータとして軸流ファンモータを例示したが、これには限定されず、本発明は軸流ファンモータ以外のモータにも広く適用可能である。 For example, in the above embodiment, an axial fan motor is used as an example of the motor, but the present invention is not limited to this, and the present invention can be widely applied to motors other than axial fan motors.
また、上記の実施形態では、図1等において上側に配置された転がり軸受のひずみを検出するひずみゲージのみを設ける例を示した。しかし、図1等において下側に配置された転がり軸受のひずみを検出するひずみゲージのみを設けてもよいし、両方の転がり軸受のひずみを検出するひずみゲージを設けてもよい。また、図1等において上側に配置された転がり軸受、下側に配置された転がり軸受の一方又は両方に、複数のひずみゲージを設けてもよい。 Further, in the above embodiment, an example is shown in which only a strain gauge is provided to detect the strain of the rolling bearing disposed on the upper side in FIG. 1 and the like. However, only a strain gauge for detecting strain in the rolling bearing disposed on the lower side in FIG. 1 etc. may be provided, or strain gauges for detecting strain in both rolling bearings may be provided. Furthermore, a plurality of strain gauges may be provided on one or both of the rolling bearing arranged on the upper side and the rolling bearing arranged on the lower side in FIG. 1 and the like.
また、第1実施形態の変形例1~3は、適宜組み合わせて実施することが可能である。第1実施形態の変形例1~3のうちの何れか2つを組み合わせてもよいし、3つをすべて組み合わせてもよい。つまり、1つのセンサリングが複数種類のひずみ伝達構造を有してもよい。
Further,
1 モータ、10 インペラ、11 ロータハウジング、12 羽根、20 ロータシャフト、30 転がり軸受、31 外輪、40a、110a 外周面、32 内輪、33 転動体、40 軸受ハウジング、40b、110b 内周面、110x 凹部、40z 段差、50 ステータ、51 インシュレータ、52 ステータコア、52x ノッチ、53 コイル、60 ロータ、61 ロータヨーク、62 ロータマグネット、70 ケーシング、71 ケーシング外枠、72 ベース部ハブ、73 静翼、80 モータ部、90 配線、100、100A、100B、100C センサユニット、110 センサリング、110y、110z 溝、120 ひずみゲージ、121 基材、122 機能層、123 抵抗体、124 配線、125 端子部、126 カバー層 1 motor, 10 impeller, 11 rotor housing, 12 blade, 20 rotor shaft, 30 rolling bearing, 31 outer ring, 40a, 110a outer circumferential surface, 32 inner ring, 33 rolling element, 40 bearing housing, 40b, 110b inner circumferential surface, 110x recess , 40z step, 50 stator, 51 insulator, 52 stator core, 52x notch, 53 coil, 60 rotor, 61 rotor yoke, 62 rotor magnet, 70 casing, 71 casing outer frame, 72 base hub, 73 stationary blade, 80 motor section, 90 wiring, 100, 100A, 100B, 100C sensor unit, 110 sensor ring, 110y, 110z groove, 120 strain gauge, 121 base material, 122 functional layer, 123 resistor, 124 wiring, 125 terminal section, 126 cover layer
Claims (11)
前記転がり軸受を保持する軸受ハウジングと、
センサユニットと、を有し、
前記センサユニットは、
前記軸受ハウジングの外周面に固定された環状部材と、
前記環状部材に固定され、前記転がり軸受のひずみを検出する抵抗体を備えたひずみゲージと、を含む、モータ。 a rolling bearing that rotatably supports the rotor shaft;
a bearing housing that holds the rolling bearing;
It has a sensor unit;
The sensor unit is
an annular member fixed to the outer peripheral surface of the bearing housing;
A motor comprising: a strain gauge fixed to the annular member and including a resistor for detecting strain in the rolling bearing.
前記ひずみゲージは、前記凹部内に固定されている、請求項2に記載のモータ。 The strain transmission structure is a recess opening on the outer peripheral surface side of the annular member,
The motor according to claim 2, wherein the strain gauge is fixed within the recess.
前記抵抗体のゲージ長の中心を通り前記回転軸と平行な線を仮定したときに、側面視において、前記線は前記溝と重複する、請求項4乃至7の何れか一項に記載のモータ。 The resistor is arranged with the gauge length direction facing the circumferential direction of the annular member,
The motor according to any one of claims 4 to 7, wherein when a line passing through the center of the gauge length of the resistor and parallel to the rotation axis is assumed, the line overlaps the groove in a side view. .
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