(57)【要約】【課題】レース近傍における温度を安定に測定可能であり、また、レース近傍からの温度分布を安定に検知可能な温度センサ付き軸受を提供する。【解決手段】この温度センサ付き軸受２０は、薄膜状の温度センサ１０を軸受内に設け、温度センサは、長手方向に延びたセンサ部を備え、センサ部の長手方向が軸受のレース面２２ａ近傍の周面２２ｂに沿うようにしてレース近傍に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜状の温度センサを軸受内に設けた温度センサ付き軸受であって、
前記温度センサは、長手方向に延びたセンサ部を備え、前記センサ部の長手方向が軸受のレース近傍の周面に沿うようにして前記レース近傍に配置されていることを特徴とする温度センサ付き軸受。
【請求項２】
前記センサ部は、前記長手方向にそれぞれ並列して延びる複数の金属膜から構成され、前記複数の金属膜により前記レース近傍の周面に略直交する方向における温度を段階的に測定する請求項１に記載の温度センサ付き軸受。
【請求項３】
前記センサ部から延びる配線部を備え、前記配線部は前記金属膜よりも幅広の金属膜から構成される請求項２に記載の温度センサ付き軸受。
【請求項４】
前記センサ部及び前記配線部は一体的に構成されている請求項３に記載の温度センサ付き軸受。
【請求項５】
前記軸受は、レース面を有する外輪と、レース面を有する内輪と、前記レース面間に転動自在に配置される転動体と、を備え、
固定側の軌道輪の周面において前記レース面の近傍に前記温度センサを配置した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度センサ付き軸受。
【請求項６】
前記温度センサは、前記センサ部が可撓性のある基板に形成されており、前記基板から前記周面に貼り付けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度センサ付き軸受。
【請求項７】
前記温度センサが前記周面に直接形成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度センサ付き軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜状の温度センサを軸受内に設けた温度センサ付き軸受に関する。
【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、鉄道車両や風車等に用いられる軸受の場合は、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。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。かかる温度異常の検知のために、軸受表面の特定位置の温度を測定する方法として熱電対を利用した方法が一般的である。また、下記特許文献１ではチップ型の積層サーミスタを用いた温度センサを軸受に付与している。
【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】
しかし、従来の熱電対を利用した温度センサは小型化が困難であり、また、チップ型の積層サーミスタを用いた温度センサは厚みがあることから、従来の温度センサを例えば軸受内の１０μｍ程度の狭い空間に実装することは難しい。また、熱電対型の薄膜温度センサは、軸受のレース近傍などの狭い空間に実装可能であるが、熱電対の測定点である一点での測定となるため、広い面積の温度分布測定には不向きである。
【０００４】
軸受の緊急停止用などへと応用するために温度センサを実装する軸受では、温度発生源であるレース近傍にセンサを配置することが望ましい。レース近傍の温度分布は、例えばアンギュラ玉軸受の場合、レースより回転軸方向に距離が離れると温度が降下する。このとき、レースに対して平行な円周上では、理論的に平均温度は均一である。すなわち、レース近傍の温度変化を安定に測定するためには、温度センサ自身をレースに平行かつ円周状に配置することが望ましく、さらに温度センサが小型、薄型であれば、レース近傍まで極限的に近づけて配置することができる。さらに、円周状に配置する温度センサの線幅を細くしつつ、多数本を並列させて配置することができれば、レースの極近傍より回転軸方向に沿った温度下降データを取得できる。このような、レース近傍の温度下降データを取得する温度センサは、軸受の温度モニタリング応用としては極めて容易で適合性のよい構造配置といえるだけでなく、温度測定の観点からも、測定面積が増えるために安定した測定が可能となる。
【０００５】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、レース近傍における温度を安定に測定可能であり、また、レース近傍からの温度分布を安定に検知可能な温度センサ付き軸受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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明による温度センサ付き軸受は、薄膜状の温度センサを軸受内に設けた温度センサ付き軸受であって、前記温度センサは、長手方向に延びたセンサ部を備え、前記センサ部の長手方向が軸受のレース近傍の周面に沿うようにして前記レース近傍に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
この温度センサ付き軸受によれば、温度センサのセンサ部がレース近傍に配置されかつセンサ部の長手方向がレース近傍の周面に沿っているので、レース近傍の周面に沿った周方向の平均温度を測定でき、軸受内の温度発生源であるレースの近傍の温度を安定に測定することができる。
【０００８】
上記温度センサ付き軸受において前記センサ部は、前記長手方向にそれぞれ並列して延びる複数の金属膜から構成され、前記複数の金属膜により前記レース近傍の周面に略直交する方向における温度を段階的に測定するように構成される。これにより、センサ部を直線的かつレース近傍の周面上に複数配置できるので、レース近傍からの段階的な温度分布を安定に測定できる。すなわち、並列して延びる複数の金属膜が周面に沿って配置され、各金属膜がレース近傍の周面に対し略直交する方向における温度を段階的に安定に測定できるので、レース近傍からの温度分布を安定に検知できる。なお、金属膜は白金（Ｐｔ）等の金属材料から構成され、金属膜の電気抵抗を測定し、温度変化に伴う電気抵抗変化により温度測定を行うことができる。
【０００９】
また、前記センサ部から延びる配線部を備え、前記配線部は前記金属膜よりも幅広の金属膜から構成されることが好ましい。また、前記センサ部及び前記配線部は一体的に構成されていることが好ましい。なお、前記配線部は前記周面に対し略直交する方向に延びるように構成できる。
【００１０】
また、前記軸受は、レース面を有する外輪と、レース面を有する内輪と、前記レース面間に転動自在に配置される転動体と、を備える転がり軸受である場合に、固定側の軌道輪の周面において前記レース面の近傍に前記温度センサを配置することができる。これにより、固定側の軌道輪の内周面においてレース面近傍の温度を安定に測定することができ、また、軸受の回転軸方向における内周面の温度分布を検知できる。
【００１１】
また、前記温度センサは、前記センサ部が可撓性のある基板に形成されており、前記基板から前記周面に貼り付けられることで、軸受に設置することができる。
【００１２】
また、前記温度センサが前記周面に直接形成されることで、軸受に設置することができる。この場合、センサ部と周面との間に絶縁膜を配置することが好ましく、絶縁膜を周面に直接形成し、絶縁膜にセンサ部を形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の温度センサ付き軸受によれば、レース近傍における温度を安定に測定可能であり、また、レース近傍からの温度分布を安定に検知可能である。これにより、軸受における温度異常に起因する不具合を事前に正確に予測することができ、また、軸受寿命の予測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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を図１の方向Ｘからみた図である。
【００１５】
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、内輪２１と外輪２２とが軸受の回転中心軸に関し同心的に配置され、軌道レース面２１ａと２２ａとの間で各玉２４が転動自在になっている。
【００１６】
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２１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。
【００１７】
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。
【００１８】
温度センサ１０は、軸受表面の温度を測定し温度分布を検知するように軸受のレース面２２ａ近傍に配置され、軸受２０においてレース面２２ａ近傍からの段階的な距離に応じて温度センシングを可能にしている。
【００１９】
すなわち、温度センサ１０は、長手方向に延びて細長でかつ薄膜状に構成され、図１のように、固定側の外輪２２の円筒面状の内周面２２ｂにかつ軌道レース面２２ａの近傍に配置されている。図２のように、温度センサ１０は軌道レース面２２ａの近傍の円筒面状の内周面２２ｂの円周方向に略一周して設けられている。
【００２０】
また、図１，図２のように、外輪２２には、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の内周面２２ｂに設けられた温度センサ１０から延びる電気配線１９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。
【００２１】
なお、貫通孔Ｓは、図１の破線のように外輪２２の外周面２２ｄへと貫通するようにしてもよく、また、シール３３に設けてシール３３を通して電気配線１９を外部に導出するようにしてもよい。
【００２２】
次に、温度センサ１０の構成について図３，図４を参照して説明する。図３は、図１，２の温度センサ１０のパターンを外輪２２の内周面２２ｂに配置する前の状態で示す平面図である。図４は図３の温度センサ１０を内周面２２ｂに配置した外輪２２を概略的に示す斜視図である（図１の止め溝２５等の図示は省略している）。
【００２３】
図３に示すように、温度センサ１０は、長手方向ａに直線的に延びる金属膜１１ａ〜１１ｄから構成されたセンサ部１１と、短手方向ｂに直線的に延びる金属膜１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄから構成されセンサ部１１の両端に設けられた配線部１２，１３と、を可撓性のあるフィルム基板１４上に有する。
【００２４】
センサ部１１を構成する複数の金属膜１１ａ〜１１ｄは、長手方向ａにそれぞれ細長く延びかつ短手方向ｂに所定間隔に離れて互いが平行に延びて並列している。配線部１２，１３を構成する複数の金属膜１２ａ〜１２ｄ及び複数の金属膜１３ａ〜１３ｄは、短手方向ｂにそれぞれ細長く延びて複数の金属膜１１ａ〜１１ｄとそれぞれ両端で略直交して接続している。
【００２５】
センサ部１１の複数の金属膜１１ａ〜１１ｄ及び配線部１２，１３の複数の金属膜１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、白金（Ｐｔ）から一体的に構成されている。温度センサ１０は、センサ部１１の各金属膜１１ａ〜１１ｄの両端で配線部１２，１３を通して電気抵抗をそれぞれ測定することで、温度変化に伴う電気抵抗変化により温度測定を行う。
【００２６】
また、配線部１２，１３の各金属膜１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、センサ部１１の各金属膜１１ａ〜１１ｄよりも幅広でかつ長さが短くなっており、配線部１２，１３においては温度変動による抵抗変化がセンサ部１１よりも小さくなっているので、センサ部１１による温度測定の精度に対する影響を抑えることができる。
【００２７】
図３の温度センサ１０は、容易に湾曲変形可能であり、図４のように、図１の軸受２０の外輪２２の内周面２２ｂにセンサ部１１の長手方向ａが一致するように内周面２２ｂの円周方向に設けられている。
【００２８】
すなわち、図４の外輪２２の内周面２２ｂの奥側に軌道レース面２２ａが内周面２２ｂから凹んで形成されているが、温度センサ１０は、内周面２２ｂと軌道レース面２２ａとの境界線部２２ｅにセンサ部１１の長手方向ａに延びる先端部１５（図３）が沿うようにして内周面２２ｂに配置されている。したがって、センサ部１１の各金属膜１１ａ〜１１ｄが境界線部２２ｅに対し略平行に位置するため、各金属膜１１ａ〜１１ｄにより内周面２２ｂの境界線部２２ｅから側面２２ｃに向けて離れる方向（軸受の回転軸方向）における温度分布を正確に検知することができる。
【００２９】
図４のように、温度センサ１０の配線部１２と１３は、温度センサ１０を内周面２２ｂを略一周して配置するので隣接するようになり、また、側面２２ｃ側に延びており、配線部１２の各金属膜１２ａ〜１２ｄ（図３）に対し複数のワイヤからなる電気配線１９ａが電気接続し、同様に、配線部１３の各金属膜１３ａ〜１３ｄ（図３）に対し複数のワイヤからなる電気配線１９ｂが電気接続しており、電気配線１９ａ、１９ｂを図１の例えばシール３３に設けた貫通孔を通して軸受２０の外部に導出し、温度測定装置（図示省略）に接続し、センサ部１１の各金属膜１１ａ〜１１ｄの各測定電気抵抗に基づいて各温度をそれぞれ測定することができる。
【００３０】
図１〜図４の温度センサ付き軸受２０によれば、温度センサ１０のセンサ部１１がレース面２２ａの極近傍に配置され、センサ部１１の長手方向ａがレース面２２ａの内周面２２ｂに沿って、センサ部の先端部１５がレース面２２ａの境界線部２２ｅに対し略平行に位置するので、レース面２２ａ近傍の内周面２２ｂに沿った円周方向略一周分の平均温度を測定することができ、平均温度の測定であるため安定な温度測定を実現できる。したがって、軸受２０の使用中にレース面２１ａ、２２ａ間で各玉２４が転動することで温度が上昇したとき、温度発生源であるレース面２２ａの近傍の温度を安定に測定できる。
【００３１】
また、センサ部１１の複数の金属膜１１ａ〜１１ｄがレース面２２ａの境界線部２２ｅに対し略平行に位置し、内周面２２ｂの境界線部２２ｅから側面２２ｃに向けて離れる方向（軸受の回転軸方向）において複数段階に温度を安定して測定できるので、レース面２２ａ近傍から回転軸方向における温度分布を安定に検知することができる。
【００３２】
なお、センサ部１１は、長手方向ａの長さが外輪２２の内周面２２ｂの円周方向略一周分に相当する長さでなくともよく、内周面２２ｂの円周方向の半周や１／４周等に配置されるように構成してもよい。
【００３３】
図３のような温度センサ１０は、フィルム基板にセンサ部等を形成したものを外輪２２の内周面２２ｂに貼り付けること、または、外輪２２の内周面２２ｂに直接形成すること、により軸受２０内に設置することができる。
【００３４】
以下、温度センサ１０の製造方法（Ａ），（Ｂ）について図５，図６を参照して説明する。
【００３５】
（Ａ）図５は、温度センサ１０を軸受とは別に製造するための製造工程（ａ）乃至（ｄ）を模式的に示す図である。図５の製造工程（ａ）乃至（ｄ）は、図３と同様の温度センサを半導体製造の場合と同様のリソグラフィ工程より製造するものである。
【００３６】
すなわち、図５（ａ）のように、フィルムＰＩからなるフィルム基板４１上に厚さ約２μｍのフォトレジスト４２をスピンコートにより塗布し、プリベーク処理を行う。
【００３７】
次に、図５（ｂ）のように、図３のセンサ部１１及び配線部１２，１３と対応する形状にパターニングを行ったマスクを用いて図の上方から露光処理をしてから、現像液を用いて現像処理をすることで、フォトレジスト４２にマスクのパターンに対応した図３のセンサ部１１及び配線部１２，１３のパターンを形成する。
【００３８】
次に、図５（ｃ）のように、スパッタリング法にて厚さ約２５０ｎｍの白金膜４３を形成してから、図５（ｄ）のように、アセトンによりリフトオフ法を用いてフィルム基板４１上の残留フォトレジストを除去することで、図５（ｄ）の白金膜４３が露出する。白金膜４３が図３のセンサ部１１及び配線部１２，１３を構成する。
【００３９】
なお、接着剤フィルムを用いてＰＩフィルムで図５（ｄ）のフィルム基板４１を覆うようにしてフィルムカバーを装着し図３の温度センサ１０のセンサ部１１及び配線部１２，１３を保護するようにしてもよい。また、比較的大きなサイズのフィルムに上述のような工程（ａ）〜（ｄ）により多数の温度センサを形成してから、個別の温度センサにカットすることで、温度センサを低コストで大量生産することができる。
【００４０】
上述のようして製造された薄膜状の温度センサ１０を図２，図４のように外輪２２の内周面２２ｂに接着剤等を用いて貼り付けてから、かかる外輪２２を用いて軸受２０を組み立てることで、図１の温度センサ付き軸受２０を作製することができる。
【００４１】
（Ｂ）図６は、温度センサ１０を外輪２２の内周面２２ｂに直接形成する工程（ａ）乃至（ｈ）を模式的に示す図である。
【００４２】
図６（ａ）のようにネガ型の感光性ポリミドを図２，図４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。次に、図６（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６（ｃ）のように現像を行なうことによって温度センサの絶縁層７３を形成する。
【００４３】
次に、図６（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。次に、図６（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６（ｆ）のように現像を行なうことによってレジスト層７４上に図３のセンサ部１１及び配線部１２，１３に対応した凹状の所定のパターン７５を形成する（図６（ｆ）では、紙面垂直方向にパターン７５が形成される）。
【００４４】
次に、図６（ｇ）のようにパターン７５を含むレジスト層７４上に白金膜７６の成膜を蒸着により行う。次に、図６（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上に所定パターンの白金膜７６が露出する。白金膜７６が図３のセンサ部１１及び配線部１２，１３を構成する。
【００４５】
なお、図６（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６（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。
【００４６】
また、図６（ｇ）における金属膜７６の成膜は、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２２を回転させながら成膜してもよい。
【００４７】
以上のようにして、図６（ａ）〜（ｈ）のようなリソグラフィ工程により、簡単なプロセスで薄膜状の温度センサ１０を図２，図４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を作製することができる。
【００４８】
また、外輪２２の内周面２２ｂに直接形成した温度センサ１０によれば、図３の複数の金属膜１１ａ〜１１ｄをレース面２２ａの境界線部２２ｅ（図４）に対し正確に平行に形成できかつ境界線部２２ｅに極接近して形成できるので、安定で正確な温度測定及び温度分布検知を実現できる。また、温度センサ１０の絶縁層７３の厚さを一定にできるために、安定な温度センサを外輪２２に形成できる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態の温度センサ付き軸受２０によれば、レース近傍で円周上に温度センサを配置するので、軸受内の温度発生源であるレース面の近傍の温度を安定して測定可能になるとともに、レース面近傍の段階的な温度分布を安定にして検知可能となる。
【００５０】
また、温度センサ１０をリソグラフィ技術により製造してから、または、直接に形成することで、温度センサを軸受内に高集積に並列に配置することができ、正確な温度測定及び温度分布検知が可能となるとともに、センサを低コストで大量生産できる。また、温度センサ１０が薄型構造であるために、温度発生源であるレース面の近傍位置に実装できる。
【００５１】
かかる温度センサ付き軸受は、特に、高速回転用の軸受として最適であり、異常温度を早くかつ正確に検知することができ、軸受における温度異常に起因する不具合を事前に正確に予測し、また、軸受寿命の予測が可能となる。
【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では、温度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ることは勿論である。
【００５３】
また、図１の転がり軸受は、外輪固定タイプであったが、内輪固定タイプに構成されてもよく、この場合は、内輪２１の外周面であってレース面２１ａの近傍に温度センサを同様に配置することができる。
【００５４】
また、図１では、温度センサ１０を一方側（シール３３側）に設けたが、他方側（シール３０側）に設けてもよく、また、両方に設けてもよい。
【００５５】
また、図５，図６の各温度センサ製造工程において、図３の金属膜１１ａ〜１１ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄを白金や銀からなる超微粒子が独立状体で分散している分散液を用いてインクジェット方式により形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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を図１の方向Ｘからみた図である。
【図３】図１，図２の温度センサ１０のパターンを外輪２２の内周面２２ｂに配置する前の状態で示す平面図である。
【図４】図３の温度センサ１０を内周面２２ｂに配置した外輪２２を概略的に示す斜視図である。
【図５】図３，図４の温度センサ１０を軸受とは別に製造するための製造工程（ａ）乃至（ｄ）を模式的に示す図である。
【図６】図３，図４の温度センサ１０を外輪２２の内周面２２ｂに直接形成する工程（ａ）乃至（ｈ）を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 温度センサ
１１ センサ部
１１ａ〜１１ｄ 金属膜
１２，１３ 配線部
１２ａ〜１２ｄ 金属膜
１３ａ〜１３ｄ 金属膜
１４ フィルム基板
１５ 先端部
１９，１９ａ，１９ｂ 電気配線
２０ 軸受
２１ 内輪
２１ａ 軌道レース面、レース面
２２ 外輪
２２ａ 軌道レース面、レース面
２２ｂ 内周面
２２ｅ 境界線部
２４ 玉、転動体
３０，３３ シール
ａ 長手方向
ｂ 短手方向
【図１】
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【図２】
2009092510.tif 000004
【図３】
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【図６】
2009092510.tif 000006
【図４】
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【図５】
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