特許 7317245 転がり軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-20

(45)【発行日】2023-07-28

(54)【発明の名称】転がり軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 41/00 20060101AFI20230721BHJP

   F16C 33/58 20060101ALI20230721BHJP

   F16C 19/06 20060101ALI20230721BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20230721BHJP

【ＦＩ】

F16C41/00

F16C33/58

F16C19/06

G01L5/00 K

【請求項の数】 24

(21)【出願番号】P 2022561003

(86)(22)【出願日】2022-07-01

(86)【国際出願番号】 JP2022026531

(87)【国際公開番号】W WO2023277193

(87)【国際公開日】2023-01-05

【審査請求日】2022-11-02

(31)【優先権主張番号】P 2021111064

(32)【優先日】2021-07-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000114215

【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】北村 厚

(72)【発明者】

【氏名】足立 重之

(72)【発明者】

【氏名】浅川 寿昭

【審査官】西藤 直人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－００１８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００３－５３０５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９６４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－１３２９２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ ４１／００

Ｆ１６Ｃ ３３／５８

Ｆ１６Ｃ １９／０６

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の回転軸を有する外輪と、
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、
前記外輪の外周面上又は前記内輪の内周面上に配置されたひずみゲージと、を有し、
前記ひずみゲージは、前記外輪の外周面上又は前記内輪の内周面上に配置された３つ以上の検出素子を有し、
３つ以上の前記検出素子は、前記外輪又は前記内輪の周方向の位置、並びに前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも２つの検出素子を含む、転がり軸受。

【請求項2】

前記検出素子は抵抗体である、請求項１に記載の転がり軸受。

【請求項3】

３つ以上の前記抵抗体は、グリッド方向を前記周方向に向けて配置されている、請求項２に記載の転がり軸受。

【請求項4】

３つ以上の前記抵抗体は、前記周方向及び前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも３つの抵抗体を含む、請求項３に記載の転がり軸受。

【請求項5】

前記周方向及び前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも３つの前記抵抗体は、前記外輪の外周面又は内輪の内周面を前記回転軸方向に２分する仮想線の上に配置された第１抵抗体と、前記第１抵抗体の前記周方向の一方側かつ前記仮想線の前記回転軸方向の一方側に配置された第２抵抗体と、前記第１抵抗体の前記周方向の他方側かつ前記仮想線の前記回転軸方向の他方側に配置された第３抵抗体と、を含み、
前記第２抵抗体と前記第３抵抗体は、前記第１抵抗体を挟んで対向して配置されている、請求項４に記載の転がり軸受。

【請求項6】

前記周方向及び前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも３つの前記抵抗体は、前記第２抵抗体と前記周方向の位置が同じで前記回転軸方向の位置が異なる第４抵抗体と、
前記第３抵抗体と前記周方向の位置が同じで前記回転軸方向の位置が異なる第５抵抗体と、をさらに含み、
前記第４抵抗体と前記第５抵抗体は、前記第１抵抗体を挟んで対向して配置されている、請求項５に記載の転がり軸受。

【請求項7】

３つ以上の前記抵抗体は、前記外輪の外周面又は内輪の内周面を回転軸方向に２分する仮想線の一方側に配置された第６抵抗体及び第７抵抗体と、前記仮想線の他方側に配置された第８抵抗体及び第９抵抗体と、を含み、
前記第６抵抗体と前記第７抵抗体は前記周方向の位置が異なり、前記第８抵抗体と前記第９抵抗体は前記周方向の位置が異なり、
前記第６抵抗体と前記第８抵抗体は前記周方向の位置が同じであり、前記第７抵抗体と前記第９抵抗体は前記周方向の位置が同じである、請求項３に記載の転がり軸受。

【請求項8】

３つ以上の前記抵抗体は、前記仮想線の一方側に配置された第１０抵抗体と、前記仮想線の他方側に配置された第１１抵抗体と、を含み、
前記第１０抵抗体と前記第１１抵抗体は、前記周方向の位置が同じであり、
前記第１０抵抗体と前記第６抵抗体は、前記第７抵抗体を挟んで対向して配置されており、
前記第１１抵抗体と前記第８抵抗体は、前記第９抵抗体を挟んで対向して配置されている、請求項７に記載の転がり軸受。

【請求項9】

３つ以上の前記抵抗体は、前記外輪の外周面又は内輪の内周面を回転軸方向に２分する仮想線の上に配置された第１２抵抗体及び第１３抵抗体と、
周方向において前記第１２抵抗体と前記第１３抵抗体の間に位置し、前記仮想線の一方側に配置された第１４抵抗体と、前記仮想線の他方側に配置された第１５抵抗体と、を含み、
前記第１４抵抗体と前記第１５抵抗体は、周方向の位置が同じである、請求項３に記載の転がり軸受。

【請求項10】

前記抵抗体は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成されている、請求項２乃至８の何れか一項に記載の転がり軸受。

【請求項11】

ゲージ率が１０以上である、請求項２に記載の転がり軸受。

【請求項12】

前記抵抗体に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎは、２０重量％以下である、請求項１０に記載の転がり軸受。

【請求項13】

前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ_２Ｎ中の前記Ｃｒ_２Ｎの割合は、８０重量％以上９０重量％未満である、請求項１２に記載の転がり軸受。

【請求項14】

前記検出素子は、前記外輪の外周面又は前記内輪の内周面において生じるひずみによって生じる磁気変化を検出する検出素子であって、
３つ以上の前記検出素子は、前記外輪又は前記内輪の周方向の位置、並びに前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも２つの検出素子を含む、請求項１に記載の転がり軸受。

【請求項15】

３つ以上の前記検出素子は、グリッド方向を前記周方向に向けて配置されている、請求項１４に記載の転がり軸受。

【請求項16】

３つ以上の前記検出素子は、前記周方向及び前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも３つの検出素子を含む、請求項１５に記載の転がり軸受。

【請求項17】

前記周方向及び前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも３つの前記検出素子は、前記外輪の外周面又は内輪の内周面を前記回転軸方向に２分する仮想線の上に配置された第１検出素子と、前記第１検出素子の前記周方向の一方側かつ前記仮想線の前記回転軸方向の一方側に配置された第２検出素子と、前記第１検出素子の前記周方向の他方側かつ前記仮想線の前記回転軸方向の他方側に配置された第３検出素子と、を含み、
前記第２検出素子と前記第３検出素子は、前記第１検出素子を挟んで対向して配置されている、請求項１６に記載の転がり軸受。

【請求項18】

前記周方向及び前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも３つの前記検出素子は、前記第２検出素子と前記周方向の位置が同じで前記回転軸方向の位置が異なる第４検出素子と、前記第３検出素子と前記周方向の位置が同じで前記回転軸方向の位置が異なる第５検出素子と、をさらに含み、
前記第４検出素子と前記第５検出素子は、前記第１検出素子を挟んで対向して配置されている、請求項１７に記載の転がり軸受。

【請求項19】

３つ以上の前記検出素子は、前記外輪の外周面又は内輪の内周面を回転軸方向に２分する仮想線の一方側に配置された第６検出素子及び第７検出素子と、前記仮想線の他方側に配置された第８検出素子及び第９検出素子と、を含み、
前記第６検出素子と前記第７検出素子は前記周方向の位置が異なり、前記第８検出素子と前記第９検出素子は前記周方向の位置が異なり、
前記第６検出素子と前記第８検出素子は前記周方向の位置が同じであり、前記第７検出素子と前記第９検出素子は前記周方向の位置が同じである、請求項１５に記載の転がり軸受。

【請求項20】

３つ以上の前記検出素子は、前記仮想線の一方側に配置された第１０検出素子と、前記仮想線の他方側に配置された第１１検出素子と、を含み、
前記第１０検出素子と前記第１１検出素子は、前記周方向の位置が同じであり、
前記第１０検出素子と前記第６検出素子は、前記第７検出素子を挟んで対向して配置されており、
前記第１１検出素子と前記第８検出素子は、前記第９検出素子を挟んで対向して配置されている、請求項１９に記載の転がり軸受。

【請求項21】

３つ以上の前記検出素子は、前記外輪の外周面又は内輪の内周面を回転軸方向に２分する仮想線の上に配置された第１２検出素子及び第１３検出素子と、
周方向において前記第１２検出素子と前記第１３検出素子の間に位置し、前記仮想線の一方側に配置された第１４検出素子と、前記仮想線の他方側に配置された第１５検出素子と、を含み、
前記第１４検出素子と前記第１５検出素子は、周方向の位置が同じである、請求項１５に記載の転がり軸受。

【請求項22】

ゲージ率が１０以上である、請求項１４に記載の転がり軸受。

【請求項23】

前記検出素子は磁性体を含み、
前記検出素子は、前記外輪の外周面又は前記内輪の内周面において生じるひずみによって前記磁性体に圧力が加わったときの前記磁性体の磁化の強さの変化を検出する検出素子である、請求項１４乃至２２の何れか一項に記載の転がり軸受。

【請求項24】

前記検出素子は、磁性膜で絶縁膜を挟んだ磁気トンネル接合の構造を含んでおり、
前記検出素子は、前記外輪の外周面又は前記内輪の内周面において生じたひずみによって前記構造で発生する磁気変化を検出する検出素子である、請求項１４乃至２２の何れか一項に記載の転がり軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、転がり軸受に関する。

【背景技術】

【0002】

内周側に軌道面を有する外輪と、外周側に軌道面を有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に介在された転動体と、外輪又は内輪の表面に貼り付け可能なひずみゲージとを備えた転がり軸受が知られている。この転がり軸受は、外輪の軸方向に沿って貼付された２枚のひずみゲージを有している（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－２４９５９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の転がり軸受は、回転時の転動体の軌跡を検出できなかった。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、回転時の転動体の軌跡を検出可能な転がり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】

本転がり軸受は、所定の回転軸を有する外輪と、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、前記外輪又は前記内輪のひずみを検出するひずみゲージと、を有し、前記ひずみゲージは、前記外輪の外周面上又は前記内輪の内周面上に配置された３つ以上の検出素子を有し、３つ以上の前記検出素子は、前記外輪又は前記内輪の周方向の位置、並びに前記回転軸方向の位置が異なる少なくとも２つの検出素子を含む。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、回転時の転動体の軌跡を検出可能な転がり軸受を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る転がり軸受を例示する斜視図である。

【図2】第１実施形態に係る転がり軸受を例示する図である。

【図3】図１におけるひずみゲージ近傍の拡大図である。

【図4】転動体の軌跡の検出について説明する図（その１）である。

【図5】転動体の軌跡の検出について説明する図（その２）である。

【図6】転動体の軌跡の検出について説明する図（その３）である。

【図7】第１実施形態に係るひずみゲージの１つの抵抗体近傍の平面図である。

【図8】第１実施形態に係るひずみゲージの１つの抵抗体近傍の断面図である。

【図9】第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージ近傍の拡大図である。

【図10】第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージ近傍の拡大図（その１）である。

【図11】第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージ近傍の拡大図（その２）である。

【図12】第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージ近傍の拡大図（その３）である。

【図13】第２実施形態に係るひずみゲージに含まれる検出素子の一例を示す平面図および断面図である。

【図14】第３実施形態に係るひずみゲージに含まれる検出素子の一例を示す斜視図、平面図、および断面図である。

【図15】第３実施形態に係るひずみゲージに含まれる検出素子の他の一例を示す斜視図、平面図、および断面図である。

【図16】第３実施形態に係るひずみゲージに含まれる検出素子の、更に他の一例を示す斜視図、平面図、および断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

〈第１実施形態〉
［転がり軸受］
図１は、第１実施形態に係る転がり軸受を例示する斜視図である。図２は、第１実施形態に係る転がり軸受を例示する図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は断面図、図２（ｃ）は背面図である。

【0011】

図１及び図２を参照すると、転がり軸受１は、外輪１０と、内輪２０と、複数の転動体３０と、保持器４０と、シール５１及び５２と、ひずみゲージ１００とを有する。なお、図２（ａ）及び図２（ｃ）において、シール５１及び５２の図示は便宜的に省略されている。

【0012】

外輪１０は、回転軸ｍを中心軸とする円筒形の構造体である。内輪２０は、外輪１０の内周側に外輪１０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３０の各々は、外輪１０と内輪２０との間に形成される軌道７０内に配置された球体である。軌道７０内にはグリース等の潤滑剤（図示略）が封入される。シール５１及び５２は、外輪１０の内周面から内輪２０側に突起し、軌道７０を外界から遮断する。

【0013】

外輪１０の内周面には、断面が円弧状の凹部１１が外輪１０の周方向に形成されている。又、内輪２０の外周面には、断面が円弧状の凹部２１が内輪２０の周方向に形成されている。複数の転動体３０は、凹部１１及び２１により周方向に案内される。

【0014】

保持器４０は、軌道７０内に配置されて複数の転動体３０を保持する。具体的には、保持器４０は、回転軸ｍと同軸の環状体であり、回転軸ｍの方向における一方の側に転動体３０を収容するための凹部４１を有し、他方の側が環状体の周方向に連続した背面部４２となっている。

【0015】

図３は、図１におけるひずみゲージ近傍の拡大図である。図１～図３に示すひずみゲージ１００は、外輪１０又は内輪２０のひずみを検出するセンサである。ひずみゲージ１００は、３つ以上の検出素子を含んでいる。本実施形態では、ひずみゲージ１００は、検出素子として抵抗体を含む抵抗体ひずみゲージである。ひずみゲージ１００は基材１１０上に、受感部となる第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３を有している。本実施形態では、ひずみゲージ１００は、外輪１０の外周面上に配置されており、外輪１０のひずみを第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３の抵抗値の変化として検出する。

【0016】

ひずみゲージ１００において、第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３は、各々の長手方向（後述のグリッド方向）を外輪１０の周方向に向けて配置されている。外輪１０の周方向は回転軸ｍ方向よりも伸縮し易いため、第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３の各々の長手方向を外輪１０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。

【0017】

ただし、第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３の各々の長手方向を回転軸ｍ方向に向けて配置しても十分なひずみ波形が得られる場合は、そのような配置としてもよい。

【0018】

図１及び図３において、ＣＬは、外輪１０の外周面を回転軸ｍ方向に２分する仮想線であり、外輪１０の外周面のセンターラインを示している。第１抵抗体１３０_１は、センターラインＣＬ上に配置されている。第１抵抗体１３０_１は、例えば、グリッド幅方向（後述）の中心がセンターラインＣＬと一致するように配置することができる。

【0019】

第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３は、周方向の位置及び回転軸ｍ方向の位置が異なる。第２抵抗体１３０_２は、第１抵抗体１３０_１の周方向の一方側かつセンターラインＣＬの回転軸ｍ方向の一方側に配置されている。第３抵抗体１３０_３は、第１抵抗体１３０_１の周方向の他方側かつセンターラインＣＬの回転軸ｍ方向の他方側に配置されている。なお、各抵抗体の位置とは、平面視で基材１１０の抵抗体が形成されている領域（以降、抵抗体形成領域とする）の重心の位置を指すものとする。

【0020】

第２抵抗体１３０_２と第３抵抗体１３０_３は、第１抵抗体１３０_１を挟んで、センターラインＣＬに対して斜めとなる方向に、対向して配置されている。ここで、第２抵抗体１３０_２と第３抵抗体１３０_３が第１抵抗体１３０_１を挟んで対向して配置されるとは、平面視で、第２抵抗体１３０_２の抵抗体形成領域の重心と第３抵抗体１３０_３の抵抗体形成領域の重心とを結ぶ直線が、第１抵抗体１３０_１の何れかの部分を通過することである。

【0021】

第１抵抗体１３０_１と第２抵抗体１３０_２の外輪１０の周方向の距離と、第１抵抗体１３０_１と第３抵抗体１３０_３の外輪１０の周方向の距離とは、例えば、等しい。第１抵抗体１３０_１と第２抵抗体１３０_２の回転軸ｍ方向の距離と、第１抵抗体１３０_１と第３抵抗体１３０_３の回転軸ｍ方向の距離とは、例えば、等しい。なお、各抵抗体間の距離とは、平面視で各抵抗体の抵抗体形成領域の重心の間の距離を指すものとする。

【0022】

ひずみゲージ１００において、第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３を図３のような配置とすることで、一周期内における転動体３０の周方向の出力変動と回転軸ｍ方向の出力変動の検出が可能となるため、回転時における転動体３０の軌跡を検出できる。

【0023】

例えば、図４及び図５のような軌跡の場合、第１抵抗体１３０_１の出力に対して第２抵抗体１３０_２及び第３抵抗体１３０_３の出力が小さくなるので、その比率により、回転時における転動体３０の軌跡を検出できる。図４の軌跡よりも図５の軌跡の方が、第１抵抗体１３０_１の出力に対する第２抵抗体１３０_２及び第３抵抗体１３０_３の出力がより小さくなるので、両者を区別できる。

【0024】

また、図６のような軌跡の場合は、第１抵抗体１３０_１の出力は図４及び図５の場合と同じであるが、第２抵抗体１３０_２及び第３抵抗体１３０_３の出力はほぼゼロとなる。この場合、図４とは反対に傾斜する軌跡であることを検出できる。また、第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３の出力を継続的に監視することで、転動体３０の軌跡の変化を知ることができる。

【0025】

このように、転がり軸受１では、ひずみゲージ１００の出力に基づいて回転時における転動体３０の軌跡を検出できるため、転動体３０の回転数や予圧に加えて転動体３０の軌跡を考慮した寿命予測が可能となる。すなわち、ひずみゲージ１００の出力に基づいて、転動体３０の回転時の現象を正確に把握可能となり、より精度の高い寿命予測ができる。また、転がり軸受１を使用する様々な製品についても、余寿命診断が可能となる。特に各抵抗体に後述のＣｒ混相膜を用いる場合、Ｃｒ混相膜はゲージ率が１０以上で高感度であり、小さい変位を検出できるため、転動体３０の軌跡を精度良く検出できる。

【0026】

以下、ひずみゲージ１００について詳説する。なお、特に区別する必要がない場合は、第１抵抗体１３０_１、第２抵抗体１３０_２、及び第３抵抗体１３０_３を抵抗体１３０と総称する場合がある。

【0027】

図７は、第１実施形態に係るひずみゲージの１つの抵抗体近傍の平面図である。図８は、第１実施形態に係るひずみゲージの１つの抵抗体近傍の断面図であり、図７のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。図３、図７、及び図８を参照すると、ひずみゲージ１００は、抵抗体１３０、配線１４０、電極１５０、及びカバー層１６０を含む組を３組有しており、これらは１つの基材１１０上に配置されている。ただし、図３とは異なり、１つの基材１１０上に抵抗体１３０、配線１４０、電極１５０、及びカバー層１６０を含む組を１組有するひずみゲージを、外輪１０の外周面上に３つ配置してもよい。なお、図７では、便宜上、カバー層１６０の外縁のみを破線で示している。カバー層１６０は、必要に応じて設ければよい。

【0028】

なお、図７及び図８では、便宜上、ひずみゲージ１００において、基材１１０の抵抗体１３０が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体１３０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１３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体１３０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。また、平面視とは対象物を基材１１０の上面１１０ａ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１１０の上面１１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

【0029】

基材１１０は、抵抗体１３０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１１０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１１０の厚さが５μｍ～２００μｍであると、接着層等を介して基材１１０の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、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。

【0030】

基材１１０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、ＬＣＰ（液晶ポリマー）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。

【0031】

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１１０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１１０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。

【0032】

基材１１０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。また、基材１１０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１１０上に、例えば、絶縁膜が形成される。

【0033】

抵抗体１３０は、基材１１０上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１３０は、基材１１０の上面１１０ａに直接形成されてもよいし、基材１１０の上面１１０ａに他の層を介して形成されてもよい。なお、図７では、便宜上、抵抗体１３０を濃い梨地模様で示している。

【0034】

抵抗体１３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図７のＡ－Ａ線の方向（周方向））に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向（図７ではＡ－Ａ線と垂直な方向（回転軸ｍ方向））となる。

【0035】

グリッド幅方向の最も外側に位置する２つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体１３０のグリッド幅方向の各々の終端１３０ｅ_１及び１３０ｅ_２を形成する。抵抗体１３０のグリッド幅方向の各々の終端１３０ｅ_１及び１３０ｅ_２は、配線１４０を介して、電極１５０と電気的に接続されている。言い換えれば、配線１４０は、抵抗体１３０のグリッド幅方向の各々の終端１３０ｅ_１及び１３０ｅ_２と各々の電極１５０とを電気的に接続している。

【0036】

抵抗体１３０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１３０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。

【0037】

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。

【0038】

抵抗体１３０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１３０の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体１３０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い。また、抵抗体１３０の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体１３０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１１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。抵抗体１３０の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ断線対策も考慮して、例えば、１０μｍ～１００μｍ程度とすることができる。

【0039】

例えば、抵抗体１３０がＣｒ混相膜である場合、安定な結晶相であるα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上できる。また、抵抗体１３０がα－Ｃｒを主成分とすることで、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。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重量％以上を占めることを意味するが、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体１３０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。

【0040】

また、抵抗体１３０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。

【0041】

また、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。

【0042】

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。

【0043】

配線１４０は、基材１１０上に形成され、抵抗体１３０及び電極１５０と電気的に接続されている。配線１４０は、第１金属層１４１と、第１金属層１４１の上面に積層された第２金属層１４２とを有している。配線１４０は直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。また、配線１４０は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図７では、便宜上、配線１４０及び電極１５０を抵抗体１３０よりも薄い梨地模様で示している。

【0044】

電極１５０は、基材１１０上に形成され、配線１４０を介して抵抗体１３０と電気的に接続されており、例えば、配線１４０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極１５０は、ひずみにより生じる抵抗体１３０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り、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。

【0045】

電極１５０は、一対の第１金属層１５１と、各々の第１金属層１５１の上面に積層された第２金属層１５２とを有している。第１金属層１５１は、配線１４０の第１金属層１４１を介して抵抗体１３０の終端１３０ｅ_１及び１３０ｅ_２と電気的に接続されている。第１金属層１５１は、平面視において、略矩形状に形成されている。第１金属層１５１は、配線１４０と同じ幅に形成しても構わない。

【0046】

なお、抵抗体１３０と第１金属層１４１と第１金属層１５１とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、抵抗体１３０と第１金属層１４１と第１金属層１５１とは、厚さが略同一である。また、第２金属層１４２と第２金属層１５２とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、第２金属層１４２と第２金属層１５２とは、厚さが略同一である。

【0047】

第２金属層１４２及び１５２は、抵抗体１３０（第１金属層１４１及び１５１）よりも低抵抗の材料から形成されている。第２金属層１４２及び１５２の材料は、抵抗体１３０よりも低抵抗の材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、抵抗体１３０がＣｒ混相膜である場合、第２金属層１４２及び１５２の材料として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等、又は、これら何れかの金属の合金、これら何れかの金属の化合物、あるいは、これら何れかの金属、合金、化合物を適宜積層した積層膜が挙げられる。第２金属層１４２及び１５２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、３μｍ～５μｍ程度とすることができる。

【0048】

第２金属層１４２及び１５２は、第１金属層１４１及び１５１の上面の一部に形成されてもよいし、第１金属層１４１及び１５１の上面の全体に形成されてもよい。第２金属層１５２の上面に、更に他の１層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第２金属層１５２を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。あるいは、第２金属層１５２を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極１５０の最上層を金層とすることで、電極１５０のはんだ濡れ性を向上できる。

【0049】

このように、配線１４０は、抵抗体１３０と同一材料からなる第１金属層１４１上に第２金属層１４２が積層された構造である。そのため、配線１４０は抵抗体１３０よりも抵抗が低くなるため、配線１４０が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体１３０によるひずみ検出精度を向上できる。

【0050】

言い換えれば、抵抗体１３０よりも低抵抗な配線１４０を設けることで、ひずみゲージ１００の実質的な受感部を抵抗体１３０が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体１３０によるひずみ検出精度を向上できる。

【0051】

特に、抵抗体１３０としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージにおいて、配線１４０を抵抗体１３０よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体１３０が形成された局所領域に制限することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。また、配線１４０を抵抗体１３０よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。

【0052】

なお、配線１４０の引き回しパターンや、各電極１５０の位置は、適宜設定できる。例えば、各抵抗体に接続される電極１５０を所定の位置に一列に並べてもよい。

【0053】

カバー層１６０は、基材１１０上に形成され、抵抗体１３０及び配線１４０を被覆し電極１５０を露出する。配線１４０の一部は、カバー層１６０から露出してもよい。抵抗体１３０及び配線１４０を被覆するカバー層１６０を設けることで、抵抗体１３０及び配線１４０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１６０を設けることで、抵抗体１３０及び配線１４０を湿気等から保護できる。なお、カバー層１６０は、電極１５０を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

【0054】

カバー層１６０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１６０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層１６０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。

【0055】

ひずみゲージ１００を製造するためには、まず、基材１１０を準備し、基材１１０の上面１１０ａに金属層（便宜上、金属層Ａとする）を形成する。金属層Ａは、最終的にパターニングされて抵抗体１３０、第１金属層１４１、及び第１金属層１５１となる層である。従って、金属層Ａの材料や厚さは、前述の抵抗体１３０、第１金属層１４１、及び第１金属層１５１の材料や厚さと同様である。

【0056】

金属層Ａは、例えば、金属層Ａ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。金属層Ａ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。

【0057】

ゲージ特性を安定化する観点から、金属層Ａを成膜する前に、下地層として、基材１１０の上面１１０ａに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。

【0058】

本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層Ａ（抵抗体１３０）の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材１１０に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能や、基材１１０と金属層Ａ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。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。

【0059】

基材１１０を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Ａの酸化を防止する機能を備えることは有効である。

【0060】

機能層の材料は、少なくとも上層である金属層Ａ（抵抗体１３０）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。

【0061】

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、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

【0062】

機能層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。

【0063】

機能層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。

【0064】

機能層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。

【0065】

機能層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、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。

【0066】

機能層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、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。

【0067】

機能層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、機能層にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。

【0068】

なお、機能層の平面形状は、例えば、図７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、機能層は、基材１１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。

【0069】

また、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを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１１０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。

【0070】

機能層は、例えば、機能層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１１０の上面１１０ａをＡｒでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層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。

【0071】

ただし、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１１０の上面１１０ａ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を真空成膜する方法を用いてもよい。

【0072】

機能層の材料と金属層Ａ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、機能層としてＴｉを用い、金属層Ａ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。

【0073】

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、金属層Ａ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、金属層Ａ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。

【0074】

これらの方法では、Ｔｉからなる機能層がきっかけで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、機能層が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。

【0075】

なお、金属層ＡがＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、金属層Ａの結晶成長を促進する機能、基材１１０に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能、及び基材１１０と金属層Ａとの密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。

【0076】

このように、金属層Ａの下層に機能層を設けることにより、金属層Ａの結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる金属層Ａ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。また、機能層を構成する材料が金属層Ａ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。

【0077】

次に、金属層Ａの上面に、第２金属層１４２及び第２金属層１５２を形成する。第２金属層１４２及び第２金属層１５２は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。

【0078】

具体的には、まず、金属層Ａの上面を覆うように、例えば、スパッタ法や無電解めっき法等により、シード層を形成する。次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して第２金属層１４２及び第２金属層１５２を形成する領域を露出する開口部を形成する。このとき、レジストの開口部の形状を調整することで、第２金属層１４２のパターンを任意の形状とすることができる。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。

【0079】

次に、例えば、シード層を給電経路とする電解めっき法により、開口部内に露出するシード層上に第２金属層１４２及び第２金属層１５２を形成する。電解めっき法は、タクトが高く、かつ、第２金属層１４２及び第２金属層１５２として低応力の電解めっき層を形成できる点で好適である。膜厚の厚い電解めっき層を低応力とすることで、ひずみゲージ１００に反りが生じることを防止できる。なお、第２金属層１４２及び第２金属層１５２は無電解めっき法により形成してもよい。

【0080】

次に、レジストを除去する。レジストは、例えば、レジストの材料を溶解可能な溶液に浸漬することで除去できる。

【0081】

次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して、図７の抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０と同様の平面形状にパターニングする。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層Ａ及びシード層を除去し、図７の平面形状の抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０を形成する。

【0082】

例えば、ウェットエッチングにより、金属層Ａ及びシード層の不要な部分を除去できる。金属層Ａの下層に機能層が形成されている場合には、エッチングによって機能層は抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０と同様に図７に示す平面形状にパターニングされる。なお、この時点では、抵抗体１３０、第１金属層１４１、及び第１金属層１５１上にシード層が形成されている。

【0083】

次に、第２金属層１４２及び第２金属層１５２をエッチングマスクとし、第２金属層１４２及び第２金属層１５２から露出する不要なシード層を除去することで、第２金属層１４２及び第２金属層１５２が形成される。なお、第２金属層１４２及び第２金属層１５２の直下のシード層は残存する。例えば、シード層がエッチングされ、機能層、抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０がエッチングされないエッチング液を用いたウェットエッチングにより、不要なシード層を除去できる。

【0084】

その後、必要に応じ、基材１１０の上面１１０ａに、抵抗体１３０及び配線１４０を被覆し電極１５０を露出するカバー層１６０を設けることで、ひずみゲージ１００が完成する。カバー層１６０は、例えば、基材１１０の上面１１０ａに、抵抗体１３０及び配線１４０を被覆し電極１５０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１６０は、基材１１０の上面１１０ａに、抵抗体１３０及び配線１４０を被覆し電極１５０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。

【0085】

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、第１実施形態とは抵抗体の配置が異なるひずみゲージの例を示す。なお、第１実施形態の変形例１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。

【0086】

図９は、第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージ近傍の拡大図である。図９を参照すると、ひずみゲージ１００Ａは、第４抵抗体１３０_４及び第５抵抗体１３０_５が追加された点が、ひずみゲージ１００と相違する。第４抵抗体１３０_４及び第５抵抗体１３０_５は、グリッド方向を外輪１０の周方向に向けて配置されている。

【0087】

第４抵抗体１３０_４は、第２抵抗体１３０_２と周方向の位置が同じで回転軸ｍ方向の位置が異なる。第５抵抗体１３０_５は、第３抵抗体１３０_３と周方向の位置が同じで回転軸ｍ方向の位置が異なる。つまり、第４抵抗体１３０_４と第５抵抗体１３０_５は、周方向及び回転軸ｍ方向の位置が異なる。第４抵抗体１３０_４と第５抵抗体１３０_５は、センターラインＣＬに対して斜めとなる方向に、第１抵抗体１３０_１を挟んで対向して配置されている。

【0088】

このように、第４抵抗体１３０_４及び第５抵抗体１３０_５が追加されたことで、図６に示す転動体３０の軌跡の場合に第４抵抗体１３０_４及び第５抵抗体１３０_５から出力が得られるため、転動体３０の軌跡の検出精度を向上できる。

【0089】

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、抵抗体の配置のバリエーションを示す。なお、第１実施形態の変形例２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。

【0090】

本発明に係る転がり軸受において、ひずみゲージは３つ以上の抵抗体を有し、３つ以上の抵抗体が、外輪の周方向及び外輪の回転軸方向の位置が異なる少なくとも２つの抵抗体を含む構成であればよい。このような構成によれば、転動体３０の軌跡を検出できる。以下、このような構成の例を示すが、下記の例には限定されない。

【0091】

図１０は、第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージ近傍の拡大図（その１）である。図１０を参照すると、ひずみゲージ１００Ｂは、基材１１０上に配置された第６抵抗体１３０_６、第７抵抗体１３０_７、第８抵抗体１３０_８、及び第９抵抗体１３０_９を有する。第６抵抗体１３０_６、第７抵抗体１３０_７、第８抵抗体１３０_８、及び第９抵抗体１３０_９は、グリッド方向を外輪１０の周方向に向けて配置されている。

【0092】

第６抵抗体１３０_６及び第７抵抗体１３０_７は、センターラインＣＬの一方側に配置されている。第８抵抗体１３０_８及び第９抵抗体１３０_９は、センターラインＣＬの他方側に配置されている。第６抵抗体１３０_６と第７抵抗体１３０_７は周方向の位置が異なり、第８抵抗体１３０_８と第９抵抗体１３０_９は周方向の位置が異なる。第６抵抗体１３０_６と第８抵抗体１３０_８は周方向の位置が同じであり、第７抵抗体１３０_７と第９抵抗体１３０_９は周方向の位置が同じである。

【0093】

ひずみゲージ１００Ｂでは、第６抵抗体１３０_６、第７抵抗体１３０_７、第８抵抗体１３０_８、及び第９抵抗体１３０_９の出力がほぼ同じであれば、転動体３０が図５の軌跡であることを検出できる。また、第６抵抗体１３０_６の出力が第８抵抗体１３０_８の出力より大きく、第９抵抗体１３０_９の出力が第７抵抗体１３０_７の出力より大きければ、転動体３０が図４の軌跡であることを検出できる。また、第６抵抗体１３０_６の出力が第８抵抗体１３０_８の出力より小さく、第９抵抗体１３０_９の出力が第７抵抗体１３０_７の出力より小さければ、転動体３０が図６の軌跡であることを検出できる。

【0094】

なお、第６抵抗体１３０_６と第８抵抗体１３０_８との間隔、及び第７抵抗体１３０_７と第９抵抗体１３０_９との間隔が狭いほど、転動体３０が図５の軌跡である場合の各抵抗体からの出力を大きくできる。

【0095】

図１１は、第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージ近傍の拡大図（その２）である。図１１を参照すると、ひずみゲージ１００Ｃは、第１０抵抗体１３０_１０及び第１１抵抗体１３０_１１が追加された点が、ひずみゲージ１００Ｂと相違する。第１０抵抗体１３０_１０及び第１１抵抗体１３０_１１は、グリッド方向を外輪１０の周方向に向けて配置されている。

【0096】

第１０抵抗体１３０_１０はセンターラインＣＬの一方側に配置され、第１１抵抗体１３０_１１はセンターラインＣＬの他方側に配置されている。第１０抵抗体１３０_１０と第１１抵抗体１３０_１１は、周方向の位置が同じである。第１０抵抗体１３０_１０と第６抵抗体１３０_６は、センターラインＣＬに対して平行方向に、第７抵抗体１３０_７を挟んで対向して配置されている。また、第１１抵抗体１３０_１１と第８抵抗体１３０_８は、センターラインＣＬに対して平行方向に、第９抵抗体１３０_９を挟んで対向して配置されている。

【0097】

このように、第１０抵抗体１３０_１０及び第１１抵抗体１３０_１１が追加されたことで、図４～図６に示すいずれの転動体３０の軌跡の場合にも第１０抵抗体１３０_１０及び第１１抵抗体１３０_１１から出力が得られるため、転動体３０の軌跡の検出精度を向上できる。

【0098】

図１２は、第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージ近傍の拡大図（その３）である。図１２を参照すると、ひずみゲージ１００Ｄは、基材１１０上に配置された第１２抵抗体１３０_１２、第１３抵抗体１３０_１３、第１４抵抗体１３０_１４、及び第１５抵抗体１３０_１５を有する。第１２抵抗体１３０_１２、第１３抵抗体１３０_１３、第１４抵抗体１３０_１４、及び第１５抵抗体１３０_１５は、グリッド方向を外輪１０の周方向に向けて配置されている。

【0099】

第１２抵抗体１３０_１２及び第１３抵抗体１３０_１３は、センターラインＣＬ上に配置されている。第１２抵抗体１３０_１２及び第１３抵抗体１３０_１３は、例えば、グリッド幅方向の中心がセンターラインＣＬと一致するように配置することができる。

【0100】

第１４抵抗体１３０_１４は、周方向において第１２抵抗体１３０_１２と第１３抵抗体１３０_１３の間に位置し、センターラインＣＬの一方側に配置されている。第１５抵抗体１３０_１５は、周方向において第１２抵抗体１３０_１２と第１３抵抗体１３０_１３の間に位置し、センターラインＣＬの他方側に配置されている。第１４抵抗体１３０_１４と第１５抵抗体１３０_１５は周方向の位置が同じである。

【0101】

ひずみゲージ１００Ｄでは、第１２抵抗体１３０_１２と第１３抵抗体１３０_１３の出力レベルから、転動体３０が図５の軌跡であることを検出できる。また、第１２抵抗体１３０_１２と第１５抵抗体１３０_１５や、第１３抵抗体１３０_１３と第１４抵抗体１３０_１４が同程度の出力であれば、転動体３０が図４の軌跡であることを検出できる。また、第１２抵抗体１３０_１２と第１４抵抗体１３０_１４や、第１３抵抗体１３０_１３と第１５抵抗体１３０_１５が同程度の出力であれば、転動体３０が図６の軌跡であることを検出できる。

【0102】

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。

【0103】

例えば、上記の実施形態等では、外輪の外周面上にひずみゲージを配置して外輪のひずみを検出する例を示したが、内輪の内周面上にひずみゲージを配置して内輪の内周面のひずみを検出してもよい。この場合も、各抵抗体を図３等の配置とすることで、転動体３０の軌跡を検出できる。

【0104】

このように、第１実施形態およびその変形例では、ひずみゲージ１００の検出素子として、抵抗体を用いる例について説明した。すなわち、第１実施形態では、ひずみゲージ１００が所謂「抵抗体ひずみゲージ」である場合について説明した。しかしながら、本開示に係るひずみゲージ１００は抵抗体ひずみゲージに限定されない。例えば、ひずみゲージ１００は、外輪の外周面又は内輪の内周面において生じるひずみによって生じる磁気変化を検出する３つ以上の検出素子を含むひずみゲージであってもよい。

【0105】

具体的には、ひずみゲージ１００は、ビラリ現象（後述）を利用した検出素子を含んだひずみゲージであってもよい。また、ひずみゲージ１００は、磁気トンネル接合（後述）の構造を有する検出素子を含んだひずみゲージであってもよい。以下、第２実施形態では、ビラリ現象を利用した検出素子を含むひずみゲージ１００について説明する。また、第３実施形態では、磁気トンネル接合の構造を有する検出素子を含んだひずみゲージ１００について説明する。

【0106】

〈第２実施形態〉
図１３は、第２実施形態に係るひずみゲージ１００に含まれる検出素子３００の一例を示す図である。図１３の（ａ）は、検出素子３００を図１の抵抗体１３０_１、１３０_２、および１３０_３のように基材１１０に貼り付けたときの、上面（すなわち、貼付け面と反対の面）から見下ろした平面図である。一方、図１３の（ｂ）は、図１３の（ａ）に示す検出素子３００の、α―α´面における断面図を示している。なお、図１３のいずれの図も、検出素子３００の配線は図示していない。しかしながら、検出素子３００は、後述する駆動コイル３２０と電源とを接続する配線と、感知コイル３８０によって検出された電流を伝達するための配線も有していてよい。

【0107】

図１３の（ａ）に示す通り、検出素子３００は、駆動コイル３２０と、感知コイル３８０と、ベース層３１０とを含む。感知コイル３８０は、ベース層３１０を芯材とするコイルである。また、駆動コイル３２０は、ベース層３１０を芯材としたコイルであって、感知コイルの外側に巻かれたコイルである。このように、駆動コイル３２０および感知コイル３８０は、駆動コイル３２０が外側、感知コイル３８０が内側に配置された２重構造を形成している。このように、感知コイル３８０を駆動コイル３２０の内側に巻くことで、感知コイル３８０全体に均一に交番磁界（後述）を加えることができる。これにより、検出素子３００の性能が向上する。

【0108】

駆動コイル３２０は、磁界を発生させるためのコイルである。電源から駆動コイル３２０に交流電流が供給されると、駆動コイル３２０はその周囲に交番磁界を生じさせる。ベース層３１０は、略平板状の金属板（後述するベース金属３７０）を絶縁層（後述する絶縁層３６０）で覆ったものである。ベース層３１０の金属板は、検出素子３００における磁性体である。ベース層３１０の金属板は駆動コイル３２０が発生させた交番磁界によって磁化される。感知コイル３８０は、ベース金属３７０の磁化の強さを検出するためのコイルである。駆動コイル３２０および感知コイル３８０の材質は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、およびＡｕ等の導電性金属、ならびに、これらの金属の合金であることが望ましい。なお、駆動コイル３２０および感知コイル３８０の巻き数および断面積の大きさは、検出素子３００に要求されるひずみの検知感度に応じて適宜設計されてよい。

【0109】

図１３の（ｂ）の断面図を参照して、検出素子３００について更に詳述する。なお、以下説明する層３４０～３６０は、芯材であるベース金属３７０に巻き付けられや構造である。したがって、図１３の（ｂ）において、同じ部材番号を付した層はベース金属３７０を取り囲んで繋がっているといえる。

【0110】

検出素子３００は、前述の通り、ベース層３１０に感知コイル３８０および駆動コイル３２０が巻き付けられた構造をしている。ベース層３１０はベース金属３７０を絶縁層３６０が覆った構造をしている。絶縁層３６０を取り囲むように、絶縁層３５０が形成されている。絶縁層３５０は、感知コイル３８０を含む層であり、感知コイル３８０の間隙を絶縁材料で充填した層である。更に絶縁層３５０を取り囲むように、絶縁層３４０が形成される。絶縁層３４０は、駆動コイル３２０を含む層であり、駆動コイル３２０の間隙を絶縁材料で充填した層である。

【0111】

なお、ベース金属３７０は、例えば、センダスト等のＦｅ-Ｓｉ-Ａｌ系合金、および、パーマロイ等のＮｉ-Ｆｅ系合金等の軟磁性体材料で構成されることが望ましい。また、絶縁層３４０、３５０，および３６０は、磁界に影響しないドライフィルムまたは感光性ポリイミド等のレジスト硬化物であることが望ましい。

【0112】

図１３の（ｂ）の断面図が示す通り、検出素子３００の貼り付け面側は、基材１１０に貼り付けられる。なお、検出素子３００は、全体として平板または薄膜状の検出素子であってもよい。検出素子３００が平板または薄膜状である場合、基材１１０へより容易に貼り付けることができる。

【0113】

以上、本実施形態に係る検出素子３００は、磁性体であるベース金属３７０を含んでいる。駆動コイル３２０に電流が流れると磁界が発生し、ベース金属３７０は磁化される。この状態で転がり軸受け１の外輪１０の外周面、又は、内輪２０の内周面においてひずみが生じると、ひずみは基材１１０を伝わり、ベース金属３７０に応力が加わる。ベース金属３７０に応力が加わると、その応力に応じて、ベース金属３７０の透磁率が変化し、磁化の強さが変化する。このように、磁性体に応力がかかることによって、磁性体の透磁率および磁化の強さが変化する現象のことを「ビラリ現象」という。検出素子３００の構成によれば、ピックアップコイルである感知コイル３８０には、ベース金属３７０の磁化の強さに応じた交流電圧が誘起される。したがって、ビラリ現象の原理に基づけば、この交流電圧の値から、ベース金属３７０にかかる応力（すなわち、基材１１０のひずみ度合）を算出することができる。なお、図１３の（ａ）に示した例の場合、検出素子３００のグリッド方向は、同図におけるα－α´方向である。

【0114】

このような原理によって、検出素子３００は、基材１１０が受けたひずみを検出することができる。すなわち、検出素子３００は、ひずみゲージ１００の検出素子として機能する。

【0115】

本実施形態に係るひずみゲージ１００は、以上で説明したような検出素子３００を３つ以上含んでいる。そして、そのうち少なくとも２つの検出素子３００は、外輪１０又は内輪２０の周方向における位置、並びに前記回転軸方向における位置が異なるように配置される。したがって、本実施形態によれば、回転時の転動体の軌跡を検出可能な転がり軸受１を提供することができる。

【0116】

また、本実施形態に係るひずみゲージ１００の検出素子３００は、第１実施形態、第１実施形態の変形例１、および、第１実施形態の変形例２に示したあらゆる配置位置で配置可能である。すなわち、第１実施形態に係る抵抗体１３０（抵抗体１３０_１～１３０_１５）を検出素子３００に置き換えた配置とすることが可能である。これにより、ビラリ現象を利用した検出素子３００を用いて、抵抗体ひずみゲージを用いたときと同様に転動体の軌跡を検出することができる。したがって、本実施形態に係るひずみゲージ１００は、第１実施形態および第１実施形態の変形例１および２に係るひずみゲージ１００と同様の効果を奏する。

【0117】

〈第３実施形態〉
図１４は、第３実施形態に係るひずみゲージ１００に含まれる検出素子５００の一例を示す図である。図１５は、第３実施形態に係る検出素子の他の一例を示す図である。また、図１６は、第３実施形態に係る検出素子の更に他の一例を示す図である。図１４～１６の（ａ）はそれぞれ、検出素子５００、６００、および７００の斜視図である。図１４～１６の（ｂ）はそれぞれ、検出素子５００、６００、および７００をｚ軸の負方向に見おろしたときの平面図である。図１４～１６の（ｃ）は、検出素子５００、６００、および７００の、ｚｙ平面に平行な面での断面図である。なお、検出素子５００、６００、および７００の、外輪１０または内輪２０への貼り付け面は、下側（ｚ軸の負の方向）の平面（ｘｙ平面に平行な面）である。なお、図１４～１６のいずれの図も、検出素子の配線は図示していない。しかしながら、これらの検出素子５００、６００、および７００は、後述する上流電極５１０と電源とを接続する配線と、下流電極５２０と電源とを接続する配線を有していてよい。

【0118】

図１４の（ａ）に示す通り、検出素子５００、６００、および７００は、上流電極５１０と、下流電極５２０と、磁性膜５３０と、絶縁膜５４０と、を含む。絶縁膜５４０は、図示のように磁性膜５３０で挟まれている。この磁性膜５３０と絶縁膜５４０によって、磁気トンネル接合が形成される。すなわち、検出素子５００は、磁気トンネル接合の構造に電極を接続した構造である。

【0119】

以降の説明では、ｚ軸における正方向を「上側」、ｚ軸における負方向を「下側」とも称する。なお、上流電極５１０および／または下流電極５２０の更に下側には、プラスチックフィルム等で構成されるフレキシブル基板が設けられていてもよい。なお、当該基板は基材１１０を兼ねていてもよい。

【0120】

磁性膜５３０は磁性ナノ薄膜である。絶縁膜５４０は絶縁体のナノ薄膜である。磁気トンネル接合の構造が形成可能であれば、磁性膜５３０と、絶縁膜５４０の材質は特に限定されない。例えば、磁性膜５３０としてコバルト鉄ボロン、または、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属強磁性体及びそれらを含む合金等を用いることができる。また、絶縁膜５４０として、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等を用いることができる。

【0121】

上流電極５１０および下流電極５２０は、磁気トンネル接合の構造に対し電圧を印加するための電極である。図１４～１６の例では、電流は上流電極５１０から下流電極５２０へと流れる。例えば図１４の（ｃ）の場合、上流電極５１０と下流電極５２０の間に電圧を印加すると、電子は上側の磁性膜５３０から、絶縁膜５４０を超えて下側の磁性膜５３０に流れ込む。これは「トンネル効果」と呼ばれている現象であり、電子が絶縁膜５４０を通過するときの電気抵抗は、「トンネル抵抗」と呼ばれている。なお、図１４～１６の例では、電極の各部の接合部は、磁気トンネル接合の構造をショートパスする電流が流れない様に端部が処理された構造となっている。

【0122】

ところで、基材１１０等を介して検出素子５００にひずみがかかると、トンネル接合の構造において、磁気変化が起こる。より具体的には、上側と下側の磁性膜５３０の磁化方向がずれる。このように、上下の磁性膜５３０の磁化方向がずれると、磁化方向が平行な場合に比べて、トンネル抵抗が大きくなる（トンネル磁気抵抗効果）。したがって、前述の構成を備えた検出素子５００では、検出素子５００（より厳密には、磁気トンネル接合の部分）のひずみの大きさに応じて、電極間を流れる電流が小さくなる。すなわち、ひずみが大きくなるにつれ、電気抵抗が大きくなる。検出素子５００は、このように、印加した電圧に対する電流値に基づきひずみを検出することができる。したがって、検出素子５００を転がり軸受１の外輪１０または内輪２０に貼り付けることによって、軸受にかかるひずみを測定することができる。

【0123】

磁気トンネル接合の構造を有する検出素子は、図１４に示した例に限定されない。例えば、図１５および図１６に示すような検出素子６００および７００を採用することも可能である。図１５に示す検出素子６００も、図１６に示す検出素子７００も、上流電極５１０、下流電極５２０、磁性膜５３０、および絶縁膜５４０で構成されること、および、これらの構成によってひずみを検出する原理については、検出素子５００と同様である。また、検出素子６００および７００の基本的な動作についても、検出素子５００と同様である。なお、検出素子５００、６００、および７００のグリッド方向は、それぞれ図１４～図１６におけるｙ軸方向（ｙ軸の正方向およびｙ軸の負方向）に相当する。図１５に示す検出素子６００は図示の通り、上側の磁性膜５３０と下側の磁性膜５３０が、一部繋がった構造をしている。すなわち、磁性膜５３０の一部の領域においてのみ、磁気トンネル接合の構造が形成されており、当該構造においてトンネル磁気抵抗効果が生じる。一方、図１６に示す検出素子７００は、基板７１０を介して基材１１０に貼り付けられる。図１４～図１６に示すように、検出素子は前述の原理を超えない範囲であれば、要求されるサイズ、耐久性、および検出すべき応力の大きさ等に応じて、適宜その設計が変更されてよい。

【0124】

なお、検出素子５００、６００、および７００は素子全体として、フィルム型などの略平板状の形状であってよい。これにより、基材１１０に、検出素子５００を容易に貼り付けることができる。また、検出素子５００、６００、および７００は、駆動コイル等、磁気トンネル接合の構造部分に対して、微弱な磁界を印加するための構造を有していてもよい。磁気トンネル接合の構造部分に対して磁界を印加することにより、前述のトンネル磁気抵抗効果をより安定して測定することができるため、安定してひずみを検出することができる。

【0125】

また、検出素子５００、６００、および７００における「上流電極」および「下流電極」は便宜上の名称であり、電流の流れる方向は逆であってもよい。つまり、図１４～図１６で示した検出素子５００、６００、および７００において、下流電極５２０の方から、上流電極５１０の方へと電流が流れる設計であってもよい。

【0126】

本実施形態に係るひずみゲージ１００は、以上で説明したような検出素子５００を３つ以上、６００を３つ以上、または７００を３つ以上含んでいる。そして、そのうち少なくとも２つの検出素子５００、６００、または７００は、外輪１０又は内輪２０の周方向における位置、並びに前記回転軸方向における位置が異なるように配置される。したがって、本実施形態によれば、回転時の転動体の軌跡を検出可能な転がり軸受１を提供することができる。

【0127】

また、本実施形態に係るひずみゲージ１００の検出素子５００、６００、および７００は、それぞれ、第１実施形態、第１実施形態の変形例１、および、第１実施形態の変形例２に示したあらゆる配置位置で配置可能である。すなわち、第１実施形態に係る抵抗体１３０（抵抗体１３０_１～１３０_１５）のセットを、検出素子５００、６００、または７００のセットに置き換えた配置とすることが可能である。これにより、磁気トンネル効果を利用した検出素子５００、６００、および７００を用いて、抵抗体ひずみゲージ１００を用いたときと同様に転動体の軌跡を検出することができる。したがって、本実施形態に係るひずみゲージ１００は、第１実施形態および第１実施形態の変形例１および変形例２に係るひずみゲージ１００と同様の効果を奏する。

【0128】

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。

【0129】

例えば、上記の実施形態等では、外輪の外周面上にひずみゲージを配置して外輪のひずみを検出する例を示したが、内輪の内周面上にひずみゲージを配置して内輪の内周面のひずみを検出してもよい。この場合も、各抵抗体を図３等の配置とすることで、転動体３０の軌跡を検出できる。

【0130】

本国際出願は２０２１年７月２日に出願した日本国特許出願２０２１－１１１０６４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２０２１－１１１０６４号の全内容を本国際出願に援用する。

【符号の説明】

【0131】

１ 転がり軸受、１０ 外輪、１１、２１、４１ 凹部、２０ 内輪、３０ 転動体、４０ 保持器、４２ 背面部、５１、５２ シール、６０ ハウジング、７０ 軌道、１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ ひずみゲージ、１１０ 基材、１１０ａ 上面、１３０_１ 第１抵抗体（検出素子）
、１３０_２ 第２抵抗体（検出素子）、１３０_３ 第３抵抗体（検出素子）、１３０_４ 第４抵抗体（検出素子）、１３０_５ 第５抵抗体（検出素子）、１３０_６ 第６抵抗体（検出素子）、１３０_７ 第７抵抗体（検出素子）、１３０_８ 第８抵抗体（検出素子）、１３０_９ 第９抵抗体（検出素子）、１３０_１０ 第１０抵抗体（検出素子）、１３０_１１ 第１１抵抗体（検出素子）、１３０_１２ 第１２抵抗体（検出素子）、１３０_１３ 第１３抵抗体（検出素子）、１３０_１４ 第１４抵抗体（検出素子）、１３０_１５ 第１５抵抗体（検出素子）、１３０ｅ_１、１３０ｅ_２ 終端、１４０ 配線、１４１、１５１ 第１金属層、１４２、１５２ 第２金属層、１５０ 電極、１６０ カバー層、３００、５００、６００、７００ 検出素子、３１０ ベース層、 ３２０ 駆動コイル、３４０、３５０、３６０ 絶縁層、３７０ ベース金属、３８０ 感知コイル、５１０ 上流電極、５２０ 下流電極、５３０ 磁性膜、５４０ 絶縁膜、７１０ 基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】