(57)【要約】【課題】安定かつ正確な温度や磁界等の測定が可能なセンサ付き軸受及びその製造方法を提供する。【解決手段】このセンサ付き軸受２０は薄膜センサ１０が軸受部品２２に直接形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜センサが軸受部品に直接形成されていることを特徴とするセンサ付き軸受。
【請求項２】
前記薄膜センサは軸受のレースまたはレース近傍に直接形成されている請求項１に記載のセンサ付き軸受。
【請求項３】
前記薄膜センサが前記軸受の曲面上に形成されている請求項１または２に記載のセンサ付き軸受。
【請求項４】
前記薄膜センサを前記曲面上に周方向に複数配置した請求項３に記載のセンサ付き軸受。
【請求項５】
前記薄膜センサが温度センサ、磁気センサ、潤滑剤診断センサまたは圧力センサである請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
【請求項６】
薄膜センサをリソグラフィにより軸受部品に直接形成することを特徴とするセンサ付き軸受の製造方法。
【請求項７】
前記薄膜センサを軸受のレースまたはレース近傍に直接形成する請求項６に記載のセンサ付き軸受の製造方法。
【請求項８】
前記薄膜センサが絶縁層を有し、軸受部品のセンサ設置部分に前記絶縁層となるネガ型の感光性ポリミド膜をパターニングし、
次に、前記感光性ポリミド膜上にポジ型のレジストを成膜してから、リフトオフプロセスによってセンサ形状をパターニングする請求項６または７に記載のセンサ付き軸受の製造方法。
【請求項９】
軸受部品を回転させて前記薄膜センサを前記軸受部品の曲面上に周方向に複数形成する請求項６，７または８に記載のセンサ付き軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受部品にセンサを設けたセンサ付き軸受及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転部品を支持する一般的な軸受装置は、一度組み込まれると定期的な検査がないため、温度異常に起因する不具合が発生したときに始めて内部を検査することが多かった。また、一定期間使用した後に、軸受装置やその他の部分について分解し検査が行われる場合もある。したがって、温度異常に起因する不具合を事前に予測することが難しかった。そこで、温度センサを搭載した軸受として、下記特許文献１はチップ型の積層サーミスタを用いた温度センサを付与した軸受を提案している。すなわち、特許文献１では温度センサはシール部材の弾性部材の芯金への一体成形によりインサート形成でシール部材に埋め込み状態に固定されるか、または、シール部材の芯金の露出部分に半田付け等で固定される。
【特許文献１】特開２００２−１３０２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば、軸受の主な温度発生源であるレースの近傍の温度を測定することは、軸受の温度異常をよりすばやく検知するに極めて有効な手段である。この場合、軸受のレース近傍にセンサを設置する必要があるため、センサを小型化する必要がある。しかし、センサを作製した後で、レース近傍にセンサを貼り付けて固定する方法では、センサを所望の位置へと精密に固定することが難しい。また、接着剤などによってセンサをレース近傍に貼り付けた場合、余分な接着剤が残ることや接着剤の熱容量が無視できない。このため、従来の温度センサ付き軸受では、安定し正確な温度測定ができないなどの問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、安定かつ正確な温度や磁界等の測定が可能なセンサ付き軸受及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明によるセンサ付き軸受は、薄膜センサが軸受部品に直接形成されていることを特徴とする。
【０００６】
このセンサ付き軸受によれば、内輪や外輪等の軸受部品に薄膜センサが直接形成されているので、温度や磁界等の測定を安定かつ正確に行うことができる。これにより、安価で小型の高速応答化が容易なセンサを備えた軸受を実現できる。
【０００７】
上記センサ付き軸受において前記薄膜センサは軸受のレースまたはレース近傍に直接形成されることが好ましい。これにより、例えば、軸受の主な熱発生源であるレース、レースの近傍の温度を正確かつ迅速に測定できる。
【０００８】
また、前記薄膜センサが軸受部品の曲面上に形成することができる。例えば、転がり軸受の内輪や外輪の円筒状面に直接に形成する。
【０００９】
また、前記薄膜センサを前記曲面上に周方向に複数配置することで、温度や磁界等の分布を容易に測定できる。
【００１０】
また、前記薄膜センサを温度センサ、磁気センサ、潤滑剤診断センサまたは圧力センサとすることができる。
【００１１】
本発明のセンサ付き軸受の製造方法は、薄膜センサをリソグラフィにより軸受部品に直接形成することを特徴とする。
【００１２】
このセンサ付き軸受の製造方法によれば、リソグラフィにより内輪や外輪等の軸受部品に薄膜センサを直接形成できるので、温度や磁界等の測定を安定かつ正確に行うことが可能なセンサ付き軸受を製造できるとともに、安価で小型の高速応答化が容易なセンサを備えた軸受を製造可能となる。また、センサの配置位置精度向上やセンサの線幅制御が容易に実現できる。
【００１３】
上記センサ付き軸受の製造方法において前記薄膜センサを軸受のレースまたはレース近傍に直接形成することで、例えば、軸受の主な熱発生源であるレースの近傍の温度を正確かつ迅速に測定可能なセンサ付き軸受を製造できる。
【００１４】
また、前記薄膜センサが絶縁層を有し、軸受部品のセンサ設置部分に前記絶縁層となるネガ型の感光性ポリミド膜をパターニングし、次に、前記感光性ポリミド膜上にポジ型のレジストを成膜してから、リフトオフプロセスによってセンサ形状をパターニングすることが好ましい。このように、軸受上のセンサ設置部分に絶縁層となる感光性ポリミド膜（ネガ型）をパターニングし、前記感光性ポリミド膜上にレジスト（ポジ型）を成膜し、リフトオフプロセスによってセンサ形状をパターニングすることで、露光すべき面積が小さくてすむので、プロセスが簡単になり、プロセス時間も短縮可能となる。
【００１５】
また、軸受部品を回転させて前記薄膜センサを前記軸受部品の曲面上に周方向に複数形成することで、複数の薄膜センサを周方向に等間隔に簡単かつ正確に形成できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、安定かつ正確な温度や磁界等の測定が可能なセンサ付き軸受及びその製造方法を提供できる。これにより、安価で小型の高速応答化が容易なセンサを備えた軸受を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施の形態の温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。図２は図１の温度センサ付き軸受の外輪の側面図である。
【００１８】
図１に示すように、温度センサ付き軸受２０は、外周面に軌道レース面２１ａを有する内輪２１と、内周面に軌道レース面２２ａを有する外輪２２と、外輪２２と内輪２１との間に配置された転動体である複数の玉２４と、複数の玉２４を均等位置に保持するための保持器２３と、軸受温度を検知するための温度センサ１０と、を備える。
【００１９】
軸受２０は、内輪回転の場合のシールの付いた転がり軸受であり、両側にシール３０，３３を備える。シール３０は、外周に鈎部を有するリング状の芯金３１と、その外側に合成ゴムを一体に加硫成形してなる弾性体３２と、から構成され、その機能上から、芯金３１の鈎部以外とその外側の弾性体３２とからなる円環状の主部３４と、芯金３１の鈎部とその外側の弾性体とからなり外輪２２内周面の止め溝２５に係止される加締部３５と、芯金３１の内周側の弾性体からなり内輪５の外周面の受け溝２６に接触されるリップ部３６と、に分けられる。
【００２０】
シール３０は、リップ部３６を内輪２１の外周面の受け溝２６に接触させた状態で、加締部３５を弾性変形させながら外輪２２の内周面の止め溝２５に押し込むことによって、軸受２０の外輪２２と内輪２１との間に配設される。シール３３もシール３０と同じ構造であり、同様に外輪２２と内輪２１との間に配設される。このようなシール３０，３３の一般的な材料は、芯金としてはＳＰＣＣやＳＥＣＣなどの鋼板が使用され、リップ等を形成する弾性体としてはニトリルゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の合成ゴムが使用される。なお、シール３０，３３は、図１のような接触ゴムシールに限らず、非接触ゴムシール、非接触鋼板などであってもよい。
【００２１】
温度センサ１０は、小形の薄膜状に構成され、図１のように、固定側の外輪２２の円筒面状の内周面２２ｂであって軌道レース面２２ａの近傍に直接に形成されている。図２のように、複数の温度センサ１０が軌道レース面２２ａの近傍の円筒面状の内周面２２ｂの周方向に略等間隔に形成されている。
【００２２】
また、図１，図２のように、外輪２２の内周面２２ｂから外輪２２の側面２２ｃへと貫通する貫通孔Ｓが配線導出部として設けられ、外輪２２の軌道レース面２２ａの近傍に形成された温度センサ１０から延びる一対の電気配線１１が貫通孔Ｓを通して外輪２２の側面２２ｃから外部へと導出される。なお、貫通孔Ｓは、複数の温度センサ１０の各位置に応じて外輪２２に複数配置することができる。
【００２３】
上述の温度センサ１０について図３，図４を参照して説明する。図３は図１，図２の温度センサを拡大して概略的に示す平面図である。図４は図２の温度センサの別の例を拡大して概略的に示す平面図である。
【００２４】
図３のように、各温度センサ１０は、薄膜の白金からなる長方形状の薄膜部１０ａ、１０ｂが比較的幅狭の接続部１０ｃで接続されて絶縁膜１０ｄ上に設けられて構成される。絶縁膜１０ｄが図１，図２の外輪２２の円筒面状の内周面２２ｂに直接形成され、その絶縁膜１０ｄ上に薄膜部１０ａ、１０ｂと接続部１０ｃが図のようにリソグラフィによりパターニングされて形成されている。
【００２５】
各温度センサ１０の薄膜部１０ａ、１０ｂは一対の電気配線１１を介して温度測定装置に接続され、薄膜部１０ａ，接続部１０ｃ，薄膜部１０ｂの抵抗が測定され、温度変化により変化する抵抗値に基づいて温度測定が行われる。なお、図３の温度センサ１０は、例えば、その平面寸法がＸ：５０μｍ、Ｙ：５０μｍであり、その全体厚さが１μｍであるが、これに限定されず、他の寸法に設定可能である。
【００２６】
図４の温度センサ４０は、薄膜熱電対タイプのものであり、薄膜の白金からなる長方形状の薄膜部４０ａと、薄膜の白金ロジウムからなる長方形状の薄膜部４０ｂが比較的幅狭の接続部４０ｃで接続されて構成されており、薄膜部４０ａ、４０ｂと接続部４０ｃが図のようにリソグラフィによりパターニングされて図１，図２の外輪２２の円筒面状の内周面２２ｂに直接形成されている。
【００２７】
各温度センサ４０の薄膜部４０ａ、４０ｂは一対の電気配線１１を介して温度測定装置に接続され、薄膜部４０ａと薄膜部４０ｂとの間に発生する熱起電力を測定し、温度変化による温度差に応じて発生する熱起電力に基づいて温度測定が行われる。
【００２８】
なお、図４の温度センサ４０の各寸法は、図３の温度センサ１０と同様に設定できるが、これに限定されず、他の寸法に設定できる。また、薄膜部４０ａと薄膜部４０ｂは、異なる材料からなり、アルメルとクロメルやクロメルとコンスタンタンや鉄とコンスタンタンや銅とコンスタンタン等のような組み合わせであってもよい。
【００２９】
以上のような図１〜図３（または、図１，図２，図４）に示す温度センサ付き軸受２０によれば、温度センサ１０，４０が薄膜センサに構成され外輪２２の軌道レース面２２ａ近傍の内周面２２ｂに直接形成されているので、温度センサを狭い空間にも設置でき、安価で小型の高速応答化が容易な温度センサを備えた軸受を実現できる。また、軸受の主な温度発生源である軌道レース面２２ａの近傍の温度測定を正確かつ迅速に行うことができ、軸受の温度異常をよりすばやく検知できる。
【００３０】
また、温度センサ１０，４０は、リソグラフィ枝術によって作製できるため、センサの配置位置精度向上やセンサの線幅制御が容易に実現でき、正確な温度測定が可能となるとともに、円周上に多数のセンサを正確な位置に配置できるので、円周上の温度分布を正確に測定可能となる。
【００３１】
次に、上述の温度センサ１０を軸受の外輪の内径面にリソグラフィにより直接に形成する方法について図５を参照して説明する。図５は図３の温度センサを図１，図２の軸受の外輪の内径面にリソグラフィにより直接に形成する工程（ａ）乃至（ｈ）を模式的に示す図である。
【００３２】
まず、図５（ａ）のようにネガ型の感光性ポリミドを図１の外輪２２の円筒面状の内周面２２ｂにコーティングし、ポリミド層７１を形成する。
【００３３】
次に、図５（ｂ）のように外輪２２の内周面２２ｂ上のポリミド層７１に露光部７２からの露光光７２ａにより所定のパターンで露光した後、図５（ｃ）のように現像を行なうことによって薄膜センサの絶縁層７３を形成する。
【００３４】
次に、図５（ｄ）のように絶縁層７３を含む外輪２２の内周面２２ｂ上にポジ型のレジストをコーティングし、レジスト層７４を形成する。
【００３５】
次に、図５（ｅ）のように外輪２２の内周面２２ｂ上のレジスト層７４に露光部７２からの露光光７２ａにより所定のパターンで露光した後、図５（ｆ）のように現像を行なうことによってレジスト層７４上に凹状の所定のパターン７５を形成する。
【００３６】
次に、図５（ｇ）のようにパターン７５を含むレジスト層７４上に金属（白金）膜７６の成膜を蒸着により行う。次に、図５（ｈ）のようにリフトオフプロセスを実行することで、絶縁層７３上に例えば図３のような所定パターンの金属（白金）膜７６が形成されて小型の薄膜状の温度センサ１０が完成する。最後に、図３のように一対の電気配線１１の接続を行なう。
【００３７】
なお、図５（ｂ）、（ｅ）における露光は、レーザ光等の光以外に、電子線を用いる露光方法でもよい。また、図５（ａ）、（ｄ）におけるポリミドやレジストのコーティングには、遠心力を用いたスピンコートや電着レジストやスプレーコーティング等を用いることができる。
【００３８】
また、図５（ｇ）における金属膜７６の成膜とは、蒸着以外に、スパッタリングやイオンプレーティングや電鋳などの各種成膜プロセスにより行なうことができ、金属膜厚さの均一化のためには、必要であればプロセス対象部材である外輪を回転させながら成膜してもよい。
【００３９】
以上のように、図５（ａ）〜（ｈ）のようなリソグラフィ工程により、簡単なプロセスで多数の小型で薄膜状の温度センサ１０を図１，図２の外輪２２の内周面２２ｂに直接形成できる。かかる外輪２２を用いて図１のようなセンサ付き軸受２０を作製することで、安価に小型の高速応答化が容易な温度センサを備えた軸受を製造できる。
【００４０】
また、温度センサ１０の絶縁層７３（図２の絶縁膜１０ｄ）の厚さを一定にできるために、安定な薄膜センサを外輪２２に作製できる。また、センサの厚みが薄く、狭い空間にも設置できるため、軌道レース面２２ａの近傍の温度測定が可能になる。
【００４１】
また、リソグラフィ枝術によって薄膜センサを作製できるため、センサの配置位置精度向上やセンサの線幅制御を容易に実現できる。
【００４２】
また、絶縁層７３の形成プロセスにネガ型を用い、センサ形状のプロセスにポジ型を用いることによって、直接レーザ露光を行なう場合、実質的に露光すべき面積が小さくてすむので、プロセスが簡単になり、プロセス時間も短縮可能である。
【００４３】
また、センサを外輪２２に直接形成するので、センサを作製後に軸受部品に貼り付ける必要がなく、シンプルな方法でセンサを作製できる。
【００４４】
また、軸受２０の外輪２２を回転させながら、上述のプロセスを実行することで、多数の温度センサ１０を図１，図２の外輪２２の内周面２２ｂの周方向に等間隔に簡単かつ正確に形成することができる。
【００４５】
なお、図４の温度センサ４０も図５とほぼ同様のリソグラフィによって作製可能である。
【００４６】
次に、図１のような転がり軸受に直接形成可能な磁気センサについて図６を参照して説明する。図６は図１，図２の軸受に直接形成可能な磁気センサを拡大して概略的に示す平面図である。
【００４７】
図６の磁気センサ５０は、ホール効果を利用したホール素子からなり、薄膜の半導体からなる長方形状の複数の薄膜電極５１，５２，５３，５４を絶縁膜５０ａ上に有し、図６に示すように、軸受２０の外部の電源５５から一対の電気配線５６を介して薄膜電極５１と薄膜電極５３の間に電圧を加えて電流を流すようになっている。薄膜電極５１〜５４の平面に垂直方向（図６の紙面垂直方向）に磁場が加わると、ホール効果により薄膜電極５２と５４の間にホール電圧が発生するが、このホール電圧を一対の電気配線５７を介して測定装置で測定することで磁気測定・磁界測定が可能となる。
【００４８】
なお、薄膜電極の材料としては、例えば、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｃｕ等の金属薄膜やＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ等の半導体を用いることができる。
【００４９】
図６の磁気センサ５０は、図５とほぼ同様のリソグラフィによって作製可能であり、上述の温度センサ１０と同様に図１，図２の固定側の外輪２２の円筒面状の内周面２２ｂであって軌道レース面２２ａの近傍に直接に形成できる。この場合、電気配線５６，５７は、図１，図２の貫通孔Ｓを通して外部へ導出できる。これにより、軸受２０を取り付けた装置の回転軸の回転速度や回転角度等を検出でき、安価で小型の高速応答化が容易な磁気センサを備えた軸受を実現できる。
【００５０】
また、複数の磁気センサ５０を図２のように軌道レース面２２ａの近傍の円筒面状の内周面２２ｂの周方向に略等間隔に形成することで、周方向における磁気分布を測定可能である。
【００５１】
また、磁気センサ５０は、リソグラフィ枝術によって作製できるため、センサの配置位置精度向上やセンサの線幅制御が容易に実現でき、正確な磁気測定が可能となる。なお、図５の磁気センサ５０の各寸法は、図３の温度センサ１０と同様に設定できるが、これに限定されず、他の寸法に設定できる。
【００５２】
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図１，図２では、センサ付き軸受として深列玉軸受を例にして説明したが、本発明はこれに限定されず、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、スラスト玉軸受、スラスト円筒ころ軸受等の他の転がり軸受に適用でき、更に軸受一般に適用できることは勿論である。
【００５３】
また、薄膜センサを形成する軸受部品は、外輪に限定されず、内輪等の他の軸受部品であってよいことは勿論である。また、薄膜センサの設置位置は、図１，図２では外輪の軌道レース面の近傍としたが、軸受の様々な位置であってよく、例えば、内輪の軌道レース面の近傍でもよく、また、内輪や外輪の軌道レース面でもよい。図７に、図１とほぼ同じ構成の軸受において外輪の軌道レース面に薄膜センサを配置した例を示す。
すなわち、図７の例は、薄膜センサに構成された図３の温度センサ１０（または図４の温度センサ４０）を外輪２２の軌道レース面２２ａに直接形成したものである。外輪２２の軌道レース面２２ａの温度センサ１０から外輪２２の側面２２ｄへと貫通する貫通孔Ｐが配線導出部として設けられ、温度センサ１０から延びる一対の電気配線１１が貫通孔Ｐを通して外輪２２の側面２２ｃから外部へと導出される。図７によれば、安価で小型の高速応答化が容易な温度センサを備えた軸受を実現でき、また軸受の主な温度発生源である軌道レース面２２ａの温度測定を正確かつ迅速に行うことができ、軸受の温度異常をよりすばやく検知できる。また、温度センサ１０を外輪２２の軌道レース面２２ａの円周方向に沿って複数形成することで、軌道レース面２２ａにおける温度分布を検出できる。
【００５４】
また、薄膜センサとしては、温度センサや磁気センサに限らず、軸受内部の潤滑剤の劣化を炭化水素の発生で検知するための酸化物半導体等からなる潤滑剤診断センサや軸受内部の圧力を検知するための圧力センサ等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施の形態の温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。
【図２】図１の温度センサ付き軸受の外輪の側面図である。
【図３】図１，図２の温度センサを拡大して概略的に示す平面図である。
【図４】図２の温度センサの別の例を拡大して概略的に示す平面図である。
【図５】図３の温度センサを図１，図２の軸受の外輪の内径面にリソグラフィにより直接に形成する工程（ａ）乃至（ｈ）を模式的に示す図である。
【図６】図１，図２の軸受に直接形成可能な磁気センサを拡大して概略的に示す平面図である。
【図７】本実施の形態において外輪の軌道レース面に薄膜センサを配置した温度センサ付き軸受の要部を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 温度センサ
１０ａ，１０ｂ 薄膜部
１０ｃ 接続部
１０ｄ 絶縁膜
１１ 電気配線
２０ 軸受
２１ 内輪
２１ａ 軌道レース面
２２ 外輪（軸受部品）
２２ａ 軌道レース面
２２ｂ 円筒面状の内周面
２２ｃ，２２ｄ 外輪側面
２３ 保持器
２４ 玉
２５ 止め溝
２６ 受け溝
３０，３３ シール
３１ 芯金
３２ 弾性体
３４ 円環状の主部
３５ 加締部
３６ リップ部
４０ 温度センサ
４０ａ，４０ｂ 薄膜部
４０ｃ 接続部
５０ 磁気センサ
５０ａ 絶縁膜
５１〜５４ 薄膜電極
５５ 電源
５６，５７ 電気配線
７１ ポリミド層
７２ 露光部
７２ａ 露光光
７３ 絶縁層
７４ レジスト層
７５ パターン
７６ 金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008196956.tif 000007
【図６】
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【図７】
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