JP7261938B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータに関する。

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。転がり軸受のひずみは、転がり軸受内部の状態によって変化する。例えば、転がり軸受内部に摩耗粉が発生して球体や転動面に付着した場合は、付着物が外輪を押し上げ、外輪の振幅が大きくなる。又、球体や転動面の摩耗が進んだ場合は、球体と転動面間の面圧が下がり、外輪の振幅が小さくなる。

このような転がり軸受内部の状態の変化は、できるだけ早く検出することが好ましい。そのため、例えば、振動センサが固定された構造のモータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特表平１１－５１１２１９号公報

しかしながら、転がり軸受に生じるひずみは僅かであるから、センサをどこに配置するかは重要である。例えば、センサとしてひずみゲージを用いる場合、転がり軸受に生じる僅かなひずみを十分に検知できる位置にひずみゲージを配置する必要があるが、ひずみゲージを配置するスペースをモータ内に確保することは容易ではなかった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみを検知しやすい位置にひずみゲージを配置したモータを提供することを目的とする。

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、前記軸受ハウジングの外周に固定されたステータコアと、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、前記抵抗体と電気的に接続された配線と、を有し、前記配線は、前記ステータコアの内周に設けられた凹部を通って外部側に引き出され、少なくとも前記凹部を通る部分がシールドされており、前記ひずみゲージは、前記ステータコアの内径よりも径方向内側に固定されている。

開示の技術によれば、ひずみを検知しやすい位置にひずみゲージを配置したモータを提供できる。

第１実施形態に係るモータを例示する断面図である。 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２のＣ部の部分拡大平面図である。 軸受ハウジング外周部の部分拡大斜視図である。 凹部の変形例について説明する図（その１）である。 凹部の変形例について説明する図（その２）である。 凹部の変形例について説明する図（その３）である。 ひずみゲージ１００の出力に基づいて得られた波形の一例である。 比較例に係る波形の一例である。 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。 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る。 第２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１２のＤ部の部分拡大平面図である。

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〉
（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１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とを有する軸流ファンモータである。

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。

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。

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。

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。

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。又、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。

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。

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。

又、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。

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。

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。従って、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。

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、軸受ハウジング外周部の部分拡大斜視図である。なお、図３では、転がり軸受は簡略化して図示されており、又、一部の部材の図示は省略されている。

図２～図４に示すように、ひずみゲージ１００は、ステータコア５２の内径よりも径方向内側（回転軸ｍ側）に固定されている。具体的には、転がり軸受３０を保持する軸受ハウジング４０の外周面４０ａに、回転軸ｍ側に窪む凹部４０ｘが設けられている。そして、凹部４０ｘに、ひずみゲージ１００が接着剤等により固定されている。なお、ステータコア５２の内径とは、ステータコア５２において軸受ハウジング４０の外周面４０ａに接している部分である。

図２～図４に示す例では、凹部４０ｘは、軸受ハウジング４０の外周面４０ａの周方向の一部に設けられている。ただし、凹部４０ｘは、図２～図４に示す形態には限定されない。例えば、図５に示すように、凹部４０ｘは、軸受ハウジング４０の外周面４０ａの軸方向端部に達してもよい。また、図６に示すように、凹部４０ｘは、軸受ハウジング４０の外周面４０ａの全周にわたって設けられてもよい。

又、下側に配置された転がり軸受３０を保持する部分の軸受ハウジング４０の外周面４０ａに、回転軸ｍ側に窪む凹部４０ｘを設けてもよい。例えば、図７に示すように、凹部４０ｘは、軸受ハウジング４０の外周面４０ａの全周にわたって設けることができる。或いは、凹部４０ｘは、軸受ハウジング４０の外周面４０ａの周方向の一部に設けられてもよい。

ひずみゲージ１００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１０３を備えたセンサである。軸受ハウジング４０の外周面４０ａに設けられた凹部４０ｘにひずみゲージ１００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を介してひずみゲージ１００に伝わり、ひずみゲージ１００で検出可能である。本実施形態では、ひずみゲージ１００は、転がり軸受３０のひずみを抵抗体１０３の抵抗値の変化として検出する。

なお、ひずみゲージ１００において、抵抗体１０３は、長手方向（ゲージ長方向）を軸受ハウジング４０の周方向に向けて配置されている。軸受ハウジング４０の周方向は軸方向よりも伸縮し易いため、抵抗体１０３の長手方向を軸受ハウジング４０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。

ひずみゲージ１００は、配線１０４を介して抵抗体１０３の両端に接続された一対の端子部１０５を有しており、各々の端子部１０５には、はんだ等により、配線２００が電気的に接続されている。配線２００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。

なお、図２では、ひずみゲージ１００と電気的に接続された配線２００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１００と電気的に接続された配線２００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の内部に配置された回路基板と電気的に接続されてもよい。この場合には、回路基板から別の配線がモータ１の外部に引き出される。

配線２００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、少なくとも一部分がシールドされていることが好ましい。図２～図６に示す例では、配線２００は、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。図７に示す例では、配線２００は、少なくともモータ１の内部を通過する部分がシールドされていることが好ましい。

配線２００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１００が固定されている軸受ハウジング４０は、配線２００のシールド部分と同電位のＧＮＤであることが好ましい。例えば導電性接着剤により軸受ハウジング４０と配線２００のシールド部分とを接着することで、両者を同電位のＧＮＤとすることができる。導電性接着剤としては、例えば銀、ニッケル、金、銅、カーボンブラック等の粒子が接着剤中に分散したペーストが挙げられる。

なお、図７の場合には、ひずみゲージ１００と電気的に接続された配線２００は、例えば、凹部４０ｘからモータ１の外部に直接引き出されるか、或いはモータ１の内部に配置された回路基板と電気的に接続される。そのため、図７の場合には、ステータコア５２の内周に、ノッチ５２ｘを設けなくてもよい。

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ステータコア５２の内径よりも径方向内側にひずみゲージ１００を配置しているため、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も同様にひずむため、この僅かなひずみを軸受ハウジング４０の外周面４０ａに設けられた凹部４０ｘに固定されたひずみゲージ１００で検知できる。

ひずみゲージ１００の端子部１０５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、転がり軸受け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、転がり軸受け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、転がり軸受け３０の状態をモニタリングすることは特に有効である。

又、モータ１では、軸受ハウジング４０の外周面４０ａに設けられた凹部４０ｘにひずみゲージ１００が固定されており、ひずみゲージ１００は外周面４０ａより外側にはみ出ることがない。そのため、軸受ハウジング４０にひずみゲージ１００を固定した後に、軸受ハウジング４０の外周にステータコア５２を圧入することが可能である。この際、ステータコア５２の内周面とひずみゲージ１００とは干渉しない。なお、配線２００は、ステータコア５２の内周に形成されたノッチ５２ｘに通すようにする。

又、モータ１では、例えば、配線２００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２００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。この場合、図８に示すように、例えば、配線２００をステータコア５２の外側を通す場合（図９の比較例）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、転がり軸受け３０の異常検知の精度を向上できる。

図８は、ひずみゲージ１００の出力に基づいて得られた波形の一例であり、モータ１において配線２００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２００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場合の波形である。図９は、比較例であり、モータ１において配線２００をステータコア５２の外側を通した場合の波形である。

ひずみゲージ１００の出力に基づいて得られる波形は、ひずみゲージ１００の抵抗体１０３の直下を転動体３３が通過したときに、ひずみ量（出力強度）がピークとなり、隣接する転動体３３の中間点でボトムとなり、ピークとボトムを繰り返す周期的な波形になる。図８では、電磁ノイズに埋もれることなく、ピークとボトムを繰り返す周期的なひずみ波形が得られていることが確認できる。一方、図９では、電磁ノイズが大きく、正しいひずみ波形は得られていない。

（ひずみゲージ）
図１０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１１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１０のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。図１０及び図１１を参照すると、ひずみゲージ１００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、ひずみゲージ１００において、基材１０１の抵抗体１０３が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体１０３が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体１０３が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体１０３が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ１００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。又、平面視とは対象物を基材１０１の上面１０１ａ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１０１の上面１０１ａの法線方向から視た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り、可撓性を有する。基材１０１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１０１の厚さが５μｍ～２００μｍであると、接着層１５０を介して基材１０１の下面に接合される起歪体表面（例えば、軸受ハウジング４０の外周面４０ａ）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。

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、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。

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０１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１０１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。

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、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。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。この場合、金属製の基材１０１上に、例えば、絶縁膜が形成される。

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。すなわち、機能層１０２の平面形状は、図１０に示す抵抗体１０３の平面形状と略同一である。

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に含まれる酸素や水分による抵抗体１０３の酸化を防止する機能や、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ため、特に抵抗体１０３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１０２が抵抗体１０３の酸化を防止する機能を備えることは有効である。

機能層１０２の材料は、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。

上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

機能層１０２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１０２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１０２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。

機能層１０２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１０２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１０２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。

機能層１０２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１０２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１０２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。

機能層１０２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１０２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１０２にクラックが入ることなく容易に成膜できる。

機能層１０２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１０２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１０２にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。

機能層１０２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１０２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１０２にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。

なお、機能層１０２の平面形状は、例えば、図１０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１０２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１０２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１０２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。或いは、機能層１０２は、基材１０１の上面全体にベタ状に形成されてもよい。

又、機能層１０２が絶縁材料から形成される場合に、機能層１０２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１０２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１０１側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ１００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。

抵抗体１０３は、機能層１０２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。

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。

以降は、抵抗体１０３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、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もよい。又、Ｃｒ混相膜に、機能層１０２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１０２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１０２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。

抵抗体１０３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１０３の厚さが０．１μｍ以上であると抵抗体１０３を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましく、１μｍ以下であると抵抗体１０３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１０１からの反りを低減できる点で更に好ましい。

機能層１０２上に抵抗体１０３を形成することで、安定な結晶相により抵抗体１０３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。

例えば、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、機能層１０２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１０３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。

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１０３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１０３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。

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、ゲージ率の低下を抑制できる。

又、ＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎ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Ｃｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎ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Ｃｒ_２Ｎ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。

一方で、膜中に微量のＮ_２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。

又、機能層１０２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１００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。

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。

抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５を露出するように基材１０１の上面１０１ａにカバー層１０６（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層１０６を設けることで、抵抗体１０３及び配線１０４に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層１０６を設けることで、抵抗体１０３及び配線１０４を湿気等から保護できる。なお、カバー層１０６は、端子部１０５を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

カバー層１０６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。

ひずみゲージ１００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に機能層１０２を形成する。基材１０１及び機能層１０２の材料や厚さは、前述の通りである。但し、機能層１０２は、必要に応じて設ければよい。

機能層１０２は、例えば、機能層１０２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１０１の上面１０１ａをＡｒでエッチングしながら機能層１０２が成膜されるため、機能層１０２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。

但し、これは、機能層１０２の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層１０２を成膜してもよい。例えば、機能層１０２の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０１の上面１０１ａ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１０２を真空成膜する方法を用いてもよい。

次に、機能層１０２の上面全体に抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５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１０２並びに抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５を図１０に示す平面形状にパターニングする。抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５は、同一材料により一体に形成できる。抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５は、例えば、抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５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１０３、配線１０４、及び端子部１０５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。

機能層１０２の材料と抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５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１０２としてＴｉを用い、抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５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。

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１０３、配線１０４、及び端子部１０５を成膜できる。或いは、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１０３、配線１０４、及び端子部１０５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Ｃｒ_２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎの割合を調整できる。

これらの方法では、Ｔｉからなる機能層１０２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。又、機能層１０２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１００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。

なお、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層１０２は、抵抗体１０３の結晶成長を促進する機能、基材１０１に含まれる酸素や水分による抵抗体１０３の酸化を防止する機能、及び基材１０１と抵抗体１０３との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層１０２として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。

その後、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を露出するカバー層１０６を設けることで、ひずみゲージ１００が完成する。カバー層１０６は、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し、加熱して硬化させて作製できる。カバー層１０６は、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。

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を作製できる。その結果、ひずみゲージ１００において、ゲージ特性の安定性を向上できる。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、ひずみゲージ１００において、ゲージ特性を向上できる。

なお、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００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１００では０．３ｍＶ／２Ｖ以上の出力を得ることができる。又、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１００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。

このように、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００は小型であり、軸受ハウジング４０の外周面４０ａに設けられた凹部４０ｘ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。又、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００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１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００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。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、転がり軸受の外輪の外周面にひずみゲージを固定したモータの例を示す。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１２は、第２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１３は、図１２のＤ部の部分拡大平面図である。なお、図１３では、転がり軸受は簡略化して図示されており、又、一部の部材の図示は省略されている。

図１２及び図１３に示すように、ひずみゲージ１００は、ステータコア５２の内径よりも径方向内側（回転軸ｍ側）に固定されている。具体的には、ひずみゲージ１００は、接着層を介して外輪３１の外周面３１ａに固定されている。ひずみゲージ１００と径方向に対向する軸受ハウジング４０の内周面４０ｂには、ひずみゲージ１００との干渉を防止するための凹部４０ｙが設けられている。つまり、ひずみゲージ１００は、軸受ハウジング４０の内周面４０ｂに設けた凹部４０ｙと対向する外輪３１の外周面３１ａに固定されている。凹部４０ｙは、軸受ハウジング４０の内周面４０ｂの周方向の一部に設けられてもよいし、軸受ハウジング４０の内周面４０ｂの全周にわたって設けられてもよい。

凹部４０ｙは、軸受ハウジング４０の軸方向上端まで伸びているため、転がり軸受３０を軸受ハウジング４０の内周面４０ｂに取り付ける際に、軸受ハウジング４０の内周面４０ｂとひずみゲージ１００とは干渉しない。又、凹部ｙよりも軸方向下方の軸受ハウジング４０の内周面４０ｂは、転がり軸受３０と隙間嵌めになる。

配線２００は、軸受ハウジング４０の軸方向上端を回り込んでステータコア５２の内周に形成されたノッチ５２ｘに入り込み、ノッチ５２ｘ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。

なお、図１２では、ひずみゲージ１００と電気的に接続された配線２００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１００と電気的に接続された配線２００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の内部に配置された回路基板と電気的に接続されてもよい。この場合には、回路基板から別の配線がモータ１の外部に引き出される。

第１実施形態と同様に、配線２００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。配線２００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、外輪３１を、配線２００のシールド部分と同電位のＧＮＤとすることが好ましい。

このように、ひずみゲージ１００を外輪３１の外周面３１ａに固定してもよい。モータ１において、外輪３１の外周面３１ａは、ひずみを検知しやすい位置であるため、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、この僅かなひずみを外輪３１の外周面３１ａに固定されたひずみゲージ１００で検知できる。

又、ひずみゲージ１００を外輪３１の外周面３１ａに固定する場合でも、ひずみゲージ１００と径方向に対向する軸受ハウジング４０の内周面４０ｂに凹部４０ｙを設けることで、軸受ハウジング４０の内周面４０ｂとひずみゲージ１００との干渉を防止できる。

又、配線２００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２００の少なくともノッチ５２ｘを通る部分がシールドされたことで、第１実施形態と同様に、電磁ノイズの影響を大幅に抑制できる。

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。

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。

又、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、又は下側に配置された転がり軸受にひずみゲージを設ける例を示したが、両方の転がり軸受にひずみゲージを設けてもよい。又、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。

本国際出願は２０２０年７月３１日に出願した日本国特許出願２０２０－１３１００４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０２０－１３１００４号の全内容を本国際出願に援用する。

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、３１ａ、４０ａ 外周面、３２ 内輪、３３ 転動体、４０ 軸受ハウジング、４０ｂ 内周面、４０ｘ、４０ｙ 凹部、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、１００ ひずみゲージ、１０１ 基材、１０２ 機能層、１０３ 抵抗体、１０４ 配線、１０５ 端子部、１０６ カバー層、２００ 配線

Claims (6)

1. 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、
   前記軸受ハウジングの外周に固定されたステータコアと、
   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、
   前記抵抗体と電気的に接続された配線と、を有し、
   前記配線は、前記ステータコアの内周に設けられた凹部を通って外部側に引き出され、少なくとも前記凹部を通る部分がシールドされており、
   前記ひずみゲージは、前記ステータコアの内径よりも径方向内側に固定されているモータ。
2. 前記ひずみゲージは、前記軸受ハウジングの外周面に設けた凹部内に固定されている請求項１に記載のモータ。
3. 前記転がり軸受は、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、を有し、
   前記ひずみゲージは、前記軸受ハウジングの内周面に設けた凹部と対向する前記外輪の外周面に固定されている請求項１に記載のモータ。
4. 前記ひずみゲージが固定されている部材は、前記配線のシールド部分と同電位のＧＮＤである請求項１乃至３の何れか一項に記載のモータ。
5. 前記抵抗体はＣｒ混相膜から形成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載のモータ。
6. 前記転がり軸受の外径が３０ｍｍ以下である請求項１乃至５の何れか一項に記載のモータ。

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