JP6921774B2 - 薄膜圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば軸受や歯車等の圧力計測に用いられる薄膜圧力センサに関するものである。

最近、圧力が加わった際に抵抗値の変化率により圧力を計測する薄膜圧力センサが報告されてきている。そこで、軸受の信頼性向上のため、このような薄膜圧力センサを用いた油面圧力等の計測が期待されている。図５はジャーナル軸受に薄膜圧力センサを取付ける場合の取付位置の例を示す平面図である。符号１００はリング状のジャーナル軸受を示す。符号Ｐはジャーナル軸受１００の内輪側の圧力を計測する場合のセンサの取付位置を示し、符号Ｐ´はジャーナル軸受１００の外輪側の圧力を計測する場合のセンサの取付位置を示す。

図５に示すように、例えば、ジャーナル軸受１００の内輪や外輪に薄膜圧力センサを取付けることで、ジャーナル軸受１００の内輪側や外輪側の圧力の計測等を行うことができる。このような薄膜圧力センサの一例として、特許文献１のような半円型形状のセンサ部を２つつないだ半円型センサが報告されてきている。

特許第４５２７２３６号公報

薄膜圧力センサの計測精度を上げるためには、任意の軸方向に対してセンサ部が直交する箇所（物理的性質が同じとなる箇所）が軸方向の直線上にあることが望ましい。ここで、図６に従来の半円型形状のセンサ部を有する薄膜圧力センサ（半円型センサ）における誤差要因を説明するための説明図を示す。図６中、薄膜圧力センサ１０１は、半円型の形状を有する２つのセンサ部（第１のセンサ部１０３及び第２のセンサ部１０４）を有している。これら２つのセンサ部１０３，１０４の一端がつなぎ１０５に接続されており、センサ部１０３，１０４がつなぎ１０５を介してつなげられている。このつなぎ１０５は、センサ部１０３，１０４よりも通電方向に対して幅が広くなっており、センサ部１０３，１０４よりも抵抗値が低くなるように構成されている。従って、この薄膜圧力センサ１０１においては、センサ部１０３，１０４がセンサとして機能する。

図６中、センサ部１０３，１０４の円弧上の四角で囲まれた箇所に示されるように、実際に使用するセンサでは、任意の軸方向に対してセンサ部１０３，１０４が軸方向の直線と直交する箇所がずれる。このずれた距離がセンサの計測誤差要因（誤差要因Δ）となる。

また、薄膜圧力センサは、圧力を抵抗値の変化率で検出するため、センサの抵抗値が高い方が良い。そのためには、センサの薄膜化、細線化、又は延長化が考えられる。しかし、薄膜圧力センサの薄膜化・細線化には施工上の限界がある。そのため、延長化を検討することとなるが、センサ部のセンサ長を長くすると薄膜圧力センサ全体の面積が大きくなる。

ここで、図７（ａ）に、図６の半円型センサをパッドに取り付けた状態を表す説明図を示し、図７（ｂ）に図７（ａ）のセンサ部のセンサ長を２倍にした時の状態を表す説明図を示す。図７（ａ）の薄膜圧力センサ１０１においては、センサ部１０３，１０４の他端（つなぎ１０５と接続されていない端）がそれぞれ別のパッド１０６に接続されている。図７（ｂ）の薄膜圧力センサ１０１´においては、センサ部１０３´，１０４´のセンサ長が、図７（ａ）のセンサ部１０３，１０４のセンサ長の２倍とされている（即ち、センサ部の抵抗値が２倍とされている）。これに伴い、つなぎ１０５´の長さも図７（ａ）のつなぎ１０５より長くされている。

図７（ｂ）に示すように、半円型センサにおいてセンサ部のセンサ長を２倍にすると、薄膜圧力センサ全体の面積が４倍になる。ここで、センサ部のセンサ線間の絶縁確保のために必要な、パッド１０６とつなぎ１０５´との間の最短距離をＬｘとすると、上記の誤差要因ΔはΔ＝Ｌｘとなる。半円型センサにおいては、この誤差要因ΔをＬｘ以下にすることができないという課題がある。

このように、従来用いられていた半円型の薄膜圧力センサにおいては、誤差要因の低減に限界があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、測定時の誤差要因を低減することができる薄膜圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、基礎円から引き出され、インボリュート曲線の形状を有する第一のセンサ部と、前記基礎円の前記第一のセンサ部が引き出された部分と１８０°反対側の該基礎円の部分から引き出され、前記第一のセンサ部と１８０°対向するインボリュート曲線の形状を有する第二のセンサ部と、を備え、前記インボリュート曲線の形状は、所定の幅を有する前記第一のセンサ部及び前記第二のセンサ部の線幅内に前記インボリュート曲線が収まるように形成されている薄膜圧力センサを提供する。

本発明の薄膜圧力センサにおいては、第一のセンサ部及び第二のセンサ部がインボリュート曲線の形状を有しているため、半円のセンサ部を２つつなげた半円型センサより、センサ長を増加させた際の面積増加を低減できる。従って、半円型センサと同じサイズのセンサを製作する場合、センサの抵抗値が大きくなるため、リード線の抵抗値等の影響を低減することができる。また、半円型センサと同じ抵抗値のセンサを製作する場合、センサを小型化できることから単位面積当たりのセンサ設置数を増加することができ、圧力の計測精度を向上させることができる。また、インボリュート曲線は、基礎円の接線とインボリュート曲線とが直角に交わるという特徴を持っているため、本発明の薄膜圧力センサにおいては、任意の軸方向に対してセンサが直交する箇所の距離が常に一定となる。従って、半円型センサに比べ、誤差要因を低減することができる。

なお、本発明において、センサ部が「インボリュート曲線の形状を有する」とは、インボリュート曲線上に厳密に形成されていることを意味するものではなく、所定の幅を有するセンサ部の線幅内にインボリュート曲線が収まることを意味している。

前記薄膜圧力センサは、金属で形成されていることが好ましい。

金属は圧力をかけると抵抗値が若干変わるため、薄膜圧力センサが例えばマンガニン等の金属で形成されていれば、薄膜圧力センサとして好適なものとなる。

前記薄膜圧力センサは、スパッタリング膜であることが好ましい。

薄膜圧力センサがスパッタリング膜であれば、薄膜圧力センサの厚みを数μｍ程度の薄膜とすることが容易となる。

本発明の薄膜圧力センサであれば、従来の半円型センサよりも測定時の誤差要因を低減することができる。

本発明の薄膜圧力センサの一実施形態を説明するための説明図である。 インボリュート型センサ、アルキメデス型センサ、及び半円型センサにおける抵抗値と誤差要因Δとの関係を示すグラフである。 本発明の薄膜圧力センサを適用する軸受の一例を示す図であり、（ａ）は軸受全体を表す斜視図であり、（ｂ），（ｃ）は軸受に形成される薄膜圧力センサの一例を示した概略構成図である。 本発明の薄膜圧力センサを設置する回路の一例を示す回路図である。 ジャーナル軸受に薄膜圧力センサを取付ける場合の取付位置の例を示す平面図である。 従来の半円型センサにおける誤差要因を説明するための説明図である。 （ａ）は図６の半円型センサをパッドに取り付けた状態を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）のセンサ部のセンサ長を２倍にした時の状態を示す説明図である。 本発明の参考例であるアルキメデス型センサの一例を示す説明図である。

以下に、本発明に係る薄膜圧力センサの一実施形態について、図面を参照して説明する。

以下、本発明の薄膜圧力センサの一実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は本発明の薄膜圧力センサの一実施形態を説明するための説明図である。図１に示すように、薄膜圧力センサ１は、基礎円２から引き出され、インボリュート曲線の形状を有する第一のセンサ部３を備える。また、薄膜圧力センサ１は、基礎円２の第一のセンサ部３が引き出された部分と１８０°反対側の基礎円２の部分から引き出され、第一のセンサ部３と１８０°対向するインボリュート曲線の形状を有する第二のセンサ部４を備える。インボリュート曲線の形状は、所定の幅を有する第一のセンサ部３及び第二のセンサ部４の線幅内にインボリュート曲線が収まるように形成されている。これら第一のセンサ部３及び第二のセンサ部４の一端は、いずれもつなぎとしての基礎円２を介してつながれている。また、第一のセンサ部３及び第二のセンサ部４の他端（基礎円２と接続されていない端）は、いずれもそれぞれ別のパッド（不図示）に接続される。以下では、このようにインボリュート曲線の形状を有するセンサ部を備える薄膜圧力センサをインボリュート型センサとも言う。

ここで、インボリュート曲線とは、具体的には下記式で定義される曲線を指す。
ｘ＝ｂ｛ｃｏｓθ＋θｓｉｎθ｝
ｙ＝ｂ｛ｓｉｎθ−θｃｏｓθ｝
（式中、ｂは基礎円２の半径［ｍｍ］、θは媒介変数である。）

薄膜圧力センサ１は、マンガニン等の金属で形成されていることが望ましいが、半導体で形成されていても良い。

また、薄膜圧力センサ１の形成方法としては、測定対象の表面にパターニングやスパッタリングを行う方法が挙げられ、薄膜圧力センサ１は、例えばスパッタリング膜とすることができる。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
上記したように、本実施形態の薄膜圧力センサ１においては、第一のセンサ部３及び第二のセンサ部４がインボリュート曲線の形状を有しているため、半円のセンサ部を２つつなげた半円型センサより、センサ部のセンサ長を増加させた際の面積増加を低減できる。具体的には、本実施形態のようなインボリュート曲線の形状を有するセンサ部を２つ備えるインボリュート型センサの場合、センサ部のセンサ長を２倍にしても、センサの面積は約２．８倍に抑えることができる。従って、半円型センサと同じサイズのセンサを製作する場合、センサの抵抗値が大きくなるため、リード線の抵抗値等の影響を低減することができる。また、半円型センサと同じ抵抗値のセンサを製作する場合、センサを小型化できることから単位面積当たりのセンサ設置数を増加することができ、圧力の計測精度を向上させることができる。

また、インボリュート曲線は、基礎円の接線とインボリュート曲線とが直角に交わるという特徴を持っている。具体的には、本実施形態の薄膜圧力センサ１においては、図１の四角で囲まれる箇所に示されるように、例えば第一のセンサ部３においては、インボリュート曲線の巻き数が増えても、基礎円２の接線と第一のセンサ部３とが直交する箇所が常に同一直線上となる。これは、第二のセンサ部４についても同様である。従って、薄膜圧力センサ１においては、任意の軸方向に対してセンサ部が直交する箇所の距離が常に一定となる。即ち、誤差要因Δは２ｂ（ｂは上記と同様である）で一定となる。従って、半円型センサに比べ、誤差要因を低減することができる。

また、上記したように、金属は圧力をかけると抵抗値が若干変わるため、薄膜圧力センサが例えばマンガニン等の金属で形成されていれば、薄膜圧力センサとして好適なものとなる。

また、上記したように、薄膜圧力センサ１がスパッタリング膜であれば、薄膜圧力センサ１の厚みを数μｍ程度の薄膜とすることが容易となる。

ここで、図１に示されるように、センサ線間の絶縁確保のために必要な距離をＬｘとすると、インボリュート型センサにおける第一のセンサ部３と第二のセンサ部４との間の最接近距離はπｂであるため、Ｌｘ＝πｂとなる。Ｌｘ＝πｂとΔ＝２ｂより、誤差要因Δ＝２Ｌｘ／πと導出できることから、半円型センサ（Δ＝Ｌｘ）に比べ、誤差要因を約３６％低減することができることが分かる。

ここで、センサ部の形状として、インボリュート曲線以外に考えられる形状としては、アルキメデスの螺旋で定義される渦巻の形状が挙げられる。参考として、図８に本発明の参考例であるアルキメデスの螺旋形状のセンサ部を有する薄膜圧力センサ（アルキメデス型センサ）の一例を示す。図８に示される薄膜圧力センサ２０１は、原点から引き出され、アルキメデスの螺旋の形状を有する第一のセンサ部２０３と、第一のセンサ部２０３と１８０°対向するアルキメデスの螺旋の形状を有する第二のセンサ部２０４とを備える。

アルキメデスの螺旋は原点から極座標系でｒ＝ａθ（式中、ａは定数であり、θは上記と同様である）という関数で定義されるものである。即ち、アルキメデス型センサは、２つのセンサ部が原点で交わるセンサである。

このようなアルキメデス型センサにおいては、図８中の四角で囲まれた箇所に示すように、センサ部２０３，２０４が原点から遠ざかるにつれて、任意の軸方向に対してセンサ部２０３，２０４が直交する箇所がずれていく。従って、アルキメデス型センサにおいては、θを増大させてセンサ部のセンサ長を長くすると、任意の軸方向に対してセンサ部が直交する箇所が軸方向の直線上から徐々にずれていくため、誤差要因が増加する。

次に、図２を示してインボリュート型センサが薄膜圧力センサとしての使用に適している理由についてより具体的に説明する。
図２はインボリュート型センサ、アルキメデス型センサ、及び半円型センサにおける抵抗値と誤差要因Δとの関係を示すグラフである。図２中、斜線で囲まれる領域は、この領域内の関係を有するセンサは抵抗値が低いために、薄膜圧力センサとしての使用ができないことを意味している。図２に示されるように、半円型センサ及びインボリュート型センサは、上述したように誤差要因Δが一定であることから、センサの抵抗値にかかわらず、誤差要因Δは一定となる。ただし、上述した通り、インボリュート型センサの誤差要因Δは半円型センサの誤差要因Δよりも小さい。

一方、アルキメデス型センサは、誤差要因Δがセンサ部のセンサ長に依存することから、センサの抵抗値が高くなるに伴って、誤差要因Δも増大する。図２に示されるように、センサの抵抗値が低い場合は、インボリュート型センサよりも誤差要因Δを小さくすることが可能だが、この場合、センサの抵抗値が低すぎて薄膜圧力センサとしての使用ができない。従って、センサの抵抗値の関係上、薄膜圧力センサとして使用できない範囲（斜線で囲まれる領域）を除外して考えた場合、インボリュート型センサが誤差要因Δを最小にできることがわかる。

上述した本発明の薄膜圧力センサは、圧縮機やターボチャージャ等に用いられる軸受や歯車へ適用することができる。具体的には、船のエンジンのメイン軸受や空調機のスラスト軸受等へ適用することができる。本発明の薄膜圧力センサを軸受に適用することで、例えば油面圧力を計測することができる。また、本発明の薄膜圧力センサを歯車に適用することで、例えば歯車の接触圧力を計測することができる。

ここで、図３に上述した本発明の薄膜圧力センサを適用する軸受の一例を示す。図３（ａ）は、軸受全体を表す斜視図である。図３（ａ）に示すように、リング状の軸受３００の内輪側には、スパッタリングによって膜厚３μｍ程度のパッド３０６が複数形成されている。そして、パッド３０６の先端部には、２つのパッド３０６を接続するように、スパッタリングによって膜厚３μｍ程度の薄膜圧力センサ３０１が形成される。

図３（ｂ），（ｃ）は、軸受に形成される薄膜圧力センサの一例を示した概略構成図である。図３（ｂ），（ｃ）における薄膜圧力センサ３０１は、上記で説明した従来の半円型センサに相当するものであり、半円型の形状を有する２つのセンサ部３０３，３０４と、つなぎ３０５を備えており、パッド３０６に接続されている。また、図３（ｂ），（ｃ）においては、Ａはセンサ部３０３，３０４の通電方向に対する幅を表し、Ｂはセンサ線間の絶縁確保に必要な距離（パッド３０６とつなぎ３０５との間の最短距離）を表す。そして、Ｃはセンサ部３０４の半円形状を形成する円の中心点とセンサ部３０４の外周部との間の最短距離を表す。これらの寸法は、Ａは０．０３〜０．０４ｍｍ程度、Ｂは０．０６ｍｍ程度、Ｃは０．２２５ｍｍ程度となっている。本発明の薄膜圧力センサは、図３（ｂ），（ｃ）に示されるような半円型センサの代わりに用いることができる。

次に、図４を示して上述した本発明の薄膜圧力センサを適用する回路の一例について説明する。
図４は本発明の薄膜圧力センサを設置する回路の一例を示す回路図であり、いわゆるホイートストンブリッジが形成された回路である。図４に示すように、まず、４つの抵抗を有するホイートストンブリッジ回路のうち、３つの抵抗として特定の抵抗値を有する抵抗Ｒを設置する。そして、残り１つの抵抗として本発明の薄膜圧力センサを適用し、図４中の点線で囲まれた領域に設置することができる。

１ 薄膜圧力センサ
２ 基礎円
３ （第一の）センサ部
４ （第二の）センサ部

Claims (3)

1. 基礎円から引き出され、インボリュート曲線の形状を有する第一のセンサ部と、
   前記基礎円の前記第一のセンサ部が引き出された部分と１８０°反対側の該基礎円の部分から引き出され、前記第一のセンサ部と１８０°対向するインボリュート曲線の形状を有する第二のセンサ部と、
   を備え、
   前記インボリュート曲線の形状は、所定の幅を有する前記第一のセンサ部及び前記第二のセンサ部の線幅内に前記インボリュート曲線が収まるように形成されていることを特徴とする薄膜圧力センサ。
2. 前記薄膜圧力センサは、金属で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧力センサ。
3. 前記薄膜圧力センサは、スパッタリング膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の薄膜圧力センサ。
   

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