JP2016011937A - Strain gauge and material thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、機械的な微小変化であるひずみを電気信号として検出するひずみゲージ及びその材料に関する。 The present invention relates to a strain gauge that detects, for example, a strain, which is a mechanical minute change, as an electrical signal and a material thereof.
通常、橋梁やトンネル等のインフラの点検・監視は、主に目視や打音検査により行われている。そのため、構造物の内部にある鉄筋等の状態を定量的に把握する事は困難である。そこで、近年、構造物内部の状態を、ひずみゲージを用いて監視することが行われるようになっている。 Usually, inspection and monitoring of infrastructure such as bridges and tunnels are performed mainly by visual inspection or hammering inspection. For this reason, it is difficult to quantitatively grasp the state of reinforcing bars and the like inside the structure. Therefore, in recent years, monitoring of the internal state of the structure using a strain gauge has been performed.
一般的に、ひずみゲージの測定部分には、蛇行した抵抗線を有する材料が用いられている。ひずみゲージの抵抗線を形成する材料については、各種の提案がされている（特許文献１〜４）。しかし、これら従来材料のひずみに対する感度は、ゲージ率として２〜３程度と低く、微小なひずみを測定する事ができない、という問題があった。そのため、精密にひずみを測定することができる高感度なひずみゲージが求められている。
Generally, a material having a meandering resistance wire is used for the measurement portion of the strain gauge. Various proposals have been made on materials for forming resistance wires of strain gauges (
本発明は、簡易な構成で、ゲージ率が高く高感度にひずみを検出することが可能なひずみゲージを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a strain gauge that can detect strain with high sensitivity and high sensitivity with a simple configuration.
本発明のひずみゲージ材料は、樹脂フィルムと、前記樹脂フィルム上に積層形成された金属薄膜と、を備えている。本発明のひずみゲージ材料において、前記金属薄膜は、平均厚さが２６〜１１５ｎｍの範囲内であり、表面抵抗の平均値が１５〜２４８Ω／□の範囲内であり、前記樹脂フィルムは、厚みが１２〜１００μｍの範囲内である。 The strain gauge material of this invention is equipped with the resin film and the metal thin film laminated | stacked and formed on the said resin film. In the strain gauge material of the present invention, the metal thin film has an average thickness in the range of 26 to 115 nm, an average value of surface resistance in the range of 15 to 248 Ω / □, and the resin film has a thickness. It is in the range of 12 to 100 μm.
本発明のひずみゲージ材料は、前記金属薄膜の平均厚さが２６〜９７ｎｍの範囲内であってもよく、表面抵抗の平均値が３７〜２４８Ω／□の範囲内であってもよい。 In the strain gauge material of the present invention, the average thickness of the metal thin film may be in the range of 26 to 97 nm, and the average value of the surface resistance may be in the range of 37 to 248 Ω / □.
本発明のひずみゲージ材料は、前記樹脂フィルムが、ポリイミドフィルムであってもよい。 In the strain gauge material of the present invention, the resin film may be a polyimide film.
本発明のひずみゲージ材料は、前記金属薄膜が、ニッケル−クロム合金からなるものでもよい。 In the strain gauge material of the present invention, the metal thin film may be made of a nickel-chromium alloy.
本発明のひずみゲージは、上記のいずれかのひずみゲージ材料を備えている。 The strain gauge of the present invention comprises any one of the above strain gauge materials.
本発明のひずみゲージは、簡易な構成で、ゲージ率が高く高感度にひずみを検出することができる。 The strain gauge of the present invention has a simple configuration and can detect strain with high sensitivity and high sensitivity.
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態のひずみゲージ材料の外観構成を示す斜視図である。図２は、図１の要部断面を示す拡大図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the strain gauge material of the present embodiment. FIG. 2 is an enlarged view showing a cross section of the main part of FIG.
［ひずみゲージ材料］
本実施の形態のひずみゲージ材料１００は、例えば図１に示すように合成樹脂製の支持層１１０と、この支持層１１０に積層された抵抗体層１２０と、を備えている。図１において、ひずみゲージ材料１００は、長辺と短辺とを有する平面視長方形であるが、その形状は問わない。ひずみゲージ材料１００は、それが適用されるひずみゲージの形態に応じて、例えば３角形、４角形、５角形、６角形、８角形などの多角形、円形、楕円形、長尺な線形など任意の形状に加工できる。ひずみゲージ材料１００は、抵抗体層１２０の平均厚さＴ２が２６〜１１５ｎｍの範囲内であって、表面抵抗の平均値が１５〜２４８Ω／□の範囲内であることにより、抵抗体層１２０を配線加工する必要がなく、簡易な構成で高感度のひずみゲージを作成できる。
[Strain gauge materials]
The
［支持層］
樹脂フィルムとしての支持層１１０は、任意の合成樹脂により形成することができる。合成樹脂としては、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリブテン樹脂、ポリブチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＭＢＳ樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリメタアクリル酸エステル樹脂、メタアクリル酸メチル−スチレン共重合体樹脂、無水マレイン酸−スチレン共重合体樹脂、無水マレイン酸−スチレン共重合体樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、セルロース樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエチレンオキサイド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリビニルエーテル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、ポリアセタール樹脂、キシレン樹脂、グアナミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、マレイン酸樹脂、メラミン樹脂、ポリシロキサン樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、カルド樹脂（フルオレン樹脂）、フッ素樹脂等が挙げられるが、これに限定されない。これらの樹脂中でも、耐熱性に優れ、適度な可とう性を有するポリイミド樹脂が好ましい。
[Support layer]
The
支持層１１０の厚みＴ１は、ひずみゲージ材料１００を組み込むひずみゲージのサイズやスペースに応じて設定できるため、特に限定されるものではないが、一例を挙げれば１２μｍ以上１００μｍ以下の範囲内が好ましい。このような膜厚とすることによって、ひずみゲージ材料１００をフィルム状の薄膜にすることが可能であり、測定対象物が平面状である場合は勿論のこと、立体的な場合であってもその適用が可能であり、また、可撓性能や屈曲性能が要求される用途への適用も可能である。
The thickness T 1 of the
支持層１１０としては、市販の合成樹脂フィルムを用いることができる。ポリイミド樹脂を用いる場合は、例えば東レ・デュポン株式会社製のカプトンＥＮ、カプトンＨ、カプトンＶ（いずれも商品名）、鐘淵化学株式会社製のアピカルＮＰＩ（商品名）、宇部興産株式会社製のユーピレックスＳ（商品名）、三菱ガス化学社製のネオプリム（商品名）、東洋紡社製のゼノマックス（商品名）、クラボウ社製のミドフィル（商品名）、三井化学社製のオーラム（商品名）等を使用することが可能である。
As the
また、支持層１１０は、ひずみ検出性能を損なわない範囲で、例えば、難燃剤、酸化防止剤、着色剤、耐熱向上材などを含有してもよい。
Further, the
［抵抗体層］
抵抗体層１２０は、連続した金属薄膜である。抵抗体層１２０の表面抵抗の平均値は、ひずみゲージに使用する際に配線（抵抗線）の加工を不要とする観点から、１５〜２４８Ω／□の範囲内であり、さらに、高い検出感度を得る観点から、表面抵抗の平均値が３７〜２４８Ω／□の範囲内がより好ましい。
[Resistor layer]
The
抵抗体層１２０に含まれる金属材料は、抵抗体層１２０の耐酸化性を考慮し、ニッケル、コバルトなどの金属や、これらの金属を主成分とする合金であることが好ましく、コバルト、ニッケル−クロム合金、ニッケル−鉄合金、ニッケル−ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル−リン合金、ニッケル−ホウ素合金などがより好ましく、更にニッケル−クロム合金が最も好ましい。これらのニッケル合金の比抵抗値は純ニッケルに比べて高いので、金属薄膜が連続であっても、金属薄膜の表面抵抗を上記範囲内に制御しやすいので好適である。
The metal material contained in the
ひずみゲージ材料１００を使用したひずみゲージにおける検出感度は、抵抗体層１２０の平均厚さＴ２を変えることにより制御可能である。金属材料がニッケル−クロム合金である場合、抵抗体層１２０の平均厚さＴ２は、ひずみゲージに使用する際に配線（抵抗線）の加工を不要とする観点から、２６〜１１５ｎｍの範囲内であることが好ましく、さらに、高い検出感度を得る観点から、２６〜９７ｎｍの範囲内がより好ましい。金属材料がニッケル−クロム合金である場合、抵抗体層１２０の平均厚さＴ２が２６ｎｍ未満であると、ゲージ率にばらつきが発生しやすくなり、平均厚さＴ２が１１５ｎｍを超えると、抵抗値が低下してひずみの検出感度が低下する傾向がある。ここで、抵抗体層１２０の平均厚さＴ２とは、抵抗体層１２０の膜厚方向断面のＴＥＭ画像をもとにして、５箇所の抵抗体層１２０の厚さをＴＥＭ画像上で測定し、平均した厚さである。なお、抵抗体層１２０は、連続した金属薄膜であれば、抵抗体層１２０の表面の微細な凹凸があっても特に問題はない。
Detection sensitivity in strain gauge using
［ひずみゲージ材料の製造方法］
ひずみゲージ材料１００の製造方法は、支持層１１０の表面に金属薄膜を形成して抵抗体層１２０を形成する工程（金属薄膜形成工程）を含むことができる。
[Method of manufacturing strain gauge material]
The method for manufacturing the
［金属薄膜形成工程］
金属薄膜の形成方法としては、物理的蒸着法、湿式還元法等が挙げられ、支持層１１０上に金属薄膜が連続となるように形成することが重要である。また、支持層１１０上に直接的に緻密な金属薄膜を形成するという観点から、物理的蒸着法による形成方法を適用することが好ましい。
[Metal thin film formation process]
Examples of the method for forming the metal thin film include a physical vapor deposition method and a wet reduction method, and it is important to form the metal thin film on the
［物理的蒸着法による金属薄膜形成］
物理的蒸着法は、真空蒸着法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、イオンプレーティング法等が挙げられ、製造コスト面のメリットから、スパッタリング法を適用することが特に好ましい。このスパッタリング法は、２極型、３極型、４極型、対抗ターゲット型、ＤＣスパッタ、ＲＦスパッタ、ＤＣマグネトロンスパッタ、ＲＦマグネトロンスパッタ、ＥＣスパッタ、レーザービームスパッタ、ミラートロンスパッタ、イオンビームスパッタ、デュアルイオンビームスパッタ、ＥＣＲスパッタ、ＰＥＭＳスパッタ等の各種手法が挙げられる。また、スパッタリングに使用するガス種としては、例えばアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、窒素、酸素等を用いることができる。特に、アルゴンガスはスパッタリングの効率が高いため、好適に用いられる。これらのガスは２種類以上混合して使用することもできる。スパッタリング法による金属薄膜の成膜条件については、例えば、アルゴンガスをスパッタガスとして使用し、圧力は好ましくは１×１０−２〜１Ｐａ、より好ましくは５×１０−２〜５×１０−１Ｐａであり、スパッタの電力は、好ましくは１０〜１０００Ｗ、より好ましくは２０〜６００Ｗの条件で行う方法がよい。
[Metal thin film formation by physical vapor deposition]
Examples of the physical vapor deposition method include a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, an electron beam vapor deposition method, an ion plating method, and the like, and it is particularly preferable to apply the sputtering method from the viewpoint of manufacturing cost. This sputtering method is dipole type, triode type, quadrupole type, counter target type, DC sputtering, RF sputtering, DC magnetron sputtering, RF magnetron sputtering, EC sputtering, laser beam sputtering, mirrortron sputtering, ion beam sputtering, Various methods such as dual ion beam sputtering, ECR sputtering, and PEMS sputtering can be used. Further, as a gas species used for sputtering, for example, argon, helium, neon, xenon, krypton, nitrogen, oxygen, or the like can be used. In particular, argon gas is preferably used because of its high sputtering efficiency. Two or more kinds of these gases can be mixed and used. Regarding the film forming conditions of the metal thin film by the sputtering method, for example, argon gas is used as a sputtering gas, and the pressure is preferably 1 × 10 −2 to 1 Pa, more preferably 5 × 10 −2 to 5 × 10 −1 Pa. The sputtering power is preferably 10 to 1000 W, more preferably 20 to 600 W.
このようにして、支持層１１０の表面に連続した金属薄膜（抵抗体層１２０）を形成する。このとき、支持層１１０の種類又は表面状態、あるいは金属薄膜の成膜条件によって、金属薄膜と支持層１１０との境界において、析出した金属材料の一部が支持層１１０に埋包されている場合がある。このような金属材料の埋包部分は支持層１１０と金属薄膜との接着強度を向上させるが、抵抗体層１２０には含まれないものとする。すなわち、金属材料が支持層１１０に埋包された範囲は、抵抗体層１２０の厚さに影響しないものとする。
In this way, a continuous metal thin film (resistor layer 120) is formed on the surface of the
また、ひずみゲージ材料１００を、抵抗体層１２０の表面に対して垂直な角度から観察した場合に、金属薄膜の表面に付着した金属クラスターが確認される場合がある。このような金属クラスターは、連続していないものであり、かつ、金属薄膜の外部に存在しているため、本発明における連続した金属薄膜（抵抗体層１２０）とは明確に区別される。従って、このように外的に付着した金属クラスターが存在する場合も、上記埋包領域と同様に、該金属クラスターの部分は除外して金属薄膜の厚みを計測すればよく、抵抗体層１２０の厚さに影響しないものとする。
In addition, when the
このように、本発明のひずみゲージ材料１００において、抵抗体層１２０は、ほぼ一定の厚みを持つ連続した金属薄膜により構成されるものであり、該金属薄膜は任意の５箇所の平均膜厚を基準にした場合の最大膜厚と最小膜厚の変動幅が±５０％以内であることが好ましく、±１０％以内であることがより好ましい。なお、本発明のひずみゲージ材料１００は、抵抗体層１２０として、ほぼ一定の厚みを持つ連続した金属薄膜を有していればよく、例えば上述の埋包領域や外的に付着した金属クラスターなどが存在していてもよい。
Thus, in the
金属材料が、例えばニッケル−クロム合金である場合、金属薄膜の形成は物理的蒸着法の適用が好ましく、特に好ましくはスパッタリング法の適用がよいが、ニッケル−クロム合金をスパッタリングのターゲットとして用いる場合は、クロム含有率が好ましくは５重量％以上３５重量％以下の範囲内、より好ましくは１５重量％以上２５重量％以下の範囲内がよい。このような範囲内とすることで優れた検出感度を持つひずみゲージを形成することができる。 When the metal material is, for example, a nickel-chromium alloy, the physical vapor deposition method is preferably used for forming the metal thin film, and the sputtering method is particularly preferable. However, when the nickel-chromium alloy is used as a sputtering target, The chromium content is preferably in the range of 5 to 35% by weight, more preferably in the range of 15 to 25% by weight. By setting it within such a range, a strain gauge having excellent detection sensitivity can be formed.
物理的蒸着法による金属薄膜形成工程の前に、支持層１１０と金属薄膜との接着性を向上させる目的で、支持層１１０の表面に物理的処理又は化学的処理を施してもよい。化学的処理は、例えば研磨処理等の物理的な表面処理に比べ、支持層１１０の表面を顕著に荒らすことがないので、抵抗体層１２０の厚みのバラつきを抑えることができ、抵抗体層１２０の表面抵抗値の変動が少なくなり、安定した検出感度が得られるため好ましい。化学的処理としては、例えばアルカリ処理、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線処理、オゾン処理、電子線照射処理等が挙げられるが、プラズマ処理は、支持層１１０の表面の有機汚染物質の除去効果、支持層１１０の表面の化学結合状態の変化や支持層１１０の表面にナノメートルオーダーの粗化などを生じさせる効果が得られるため、最も好ましい。また、プラズマ処理を行うことによって、支持層１１０の表面に官能基を導入することができる。例えば酸素プラズマや大気プラズマでは、水酸基、カルボキシル基又はカルボニル基などの含酸素官能基が導入され、アンモニアガスプラズマや、窒素及び水素の混合ガスプラズマでは、アミノ基等の含窒素官能基を導入することができる。このような官能基の導入によって、金属薄膜との接着性を向上させることができる。従って、支持層１１０と抵抗体層１２０との剥離などの不具合を防止することができる。
Before the metal thin film forming step by physical vapor deposition, physical treatment or chemical treatment may be performed on the surface of the
プラズマ処理の条件については、支持層１１０の種類によって適宜設定することが好ましいが、例えば支持層１１０としてポリイミドフィルムを適用した場合の好ましい条件を以下に挙げておく。すなわち、無機ガスの雰囲気下、プラズマ処理を行う装置の内圧を０．１１Ｐａ〜１．１×１０５Ｐａの範囲内に保持した状態で、上部及び下部の平行平板電極間に５０〜２０００Ｗで直流又は交流電力を印加してグロー放電させることにより無機ガスの低温プラズマを発生させ、支持層１１０の表面をプラズマ処理するのがよい。このようなプラズマ処理の処理時間については、１〜１００秒程度であるのがよく、また、上記無機ガスについては、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の不活性ガス、又は、酸素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、窒素、空気等から選ばれた１種又は２種以上の混合ガスを使用するのがよい。
The conditions for the plasma treatment are preferably set as appropriate depending on the type of the
［ひずみゲージ］
＜第１の実施の形態＞
次に、図３を参照しながら、本発明の第１の実施の形態にかかるひずみゲージについて説明する。図３は、図１のひずみゲージ材料１００を使用した本発明の第１の実施の形態のひずみゲージ２００の概略構成図である。ひずみゲージ２００は、支持層１１０及び抵抗体層１２０を有するひずみゲージ材料１００と、このひずみゲージ材料１００の抵抗体層１２０における２つの短辺の中点付近にそれぞれ形成された一対の接続部１３０Ａ，１３０Ｂと、接続部１３０Ａに接続されたリード線１４０Ａと、接続部１３０Ｂに接続されたリード線１４０Ｂと、リード線１４０Ａ，１４０Ｂに接続する電圧検出部１５０と、を備えている。電圧検出部１５０は、抵抗体層１２０における極めて微小な表面抵抗値の変化を電圧変化に変換・増幅して検出する。ひずみゲージ材料１００と電圧検出部１５０を含むひずみゲージ２００の全体が、ホイートストンブリッジ回路を構成している。
[Strain gauge]
<First Embodiment>
Next, the strain gauge according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a
本実施の形態のひずみゲージ２００は、例えば図３中のＸ方向の引張り応力又は圧縮応力によるひずみを電気信号として検出するものであり、矩形の抵抗体層１２０の対向する２つの短辺の中点付近に接続部１３０Ａ，１３０Ｂを設けている。一方、例えば図３中のＹ方向の引張り応力又は圧縮応力によるひずみを検出するためには、矩形の抵抗体層１２０の対向する２つの長辺の中点付近に接続部を設けてもよい。また、接続部は、矩形の抵抗体層１２０において、互いに辺を共有しない対角線上に向き合う２つの角部に設けることもできる。さらに、接続部は、３箇所以上に設けてもよく、例えば抵抗体層１２０の長辺と短辺の両方（計４箇所）に設けることができる。
The
本実施の形態のひずみゲージ２００は、ひずみを測定する対象となる部材の表面に固定して使用することができる。
The
本実施の形態のひずみゲージは、物体の変形、変位をはじめ、荷重、圧力、加速度、トルクなどに基づく微小変化を測定することができるため、例えば、建物などの構造物の安全確認、自動車、電車、飛行機などの移動体の強度測定などの用途に利用可能である。 Since the strain gauge of the present embodiment can measure minute changes based on load, pressure, acceleration, torque, etc., including deformation and displacement of an object, for example, safety confirmation of structures such as buildings, automobiles, It can be used for purposes such as measuring the strength of moving objects such as trains and airplanes.
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態のひずみゲージについて、図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。図４Ａは、図１のひずみゲージ材料１００を使用した本発明の第１の実施の形態のひずみゲージ２０１の平面図であり、図４Ｂは同底面図である。図４Ａは、ひずみゲージ材料１００の抵抗体層１２０側から見た上面を示し、図４Ｂは、ひずみゲージ材料１００の支持層１１０側からみた裏面を示している。なお、図４Ａ，図４Ｂでは、リード線、電圧検出部は図示を省略している。
<Second Embodiment>
Next, a strain gauge according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A is a plan view of a
本実施の形態のひずみゲージ２０１は、図中、破線で示す仮想の円上に、ひずみゲージ材料１００を貫通する複数（例えば８つ）のスルーホール１６０が形成されている。スルーホール１６０の開口に縁には、スルーホールめっき１７０が施されている。ひずみゲージ材料１００の支持層１１０側には、各スルーホールめっき１７０にそれぞれ導通するＣｕ配線１８０が形成されている。Ｃｕ配線１８０は、ひずみゲージ材料１００の支持層１１０の表面（ひずみゲージ材料１００の裏面）において、仮想の円上に並ぶ８つのスルーホール１６０から放射状に延び、他端側は図示しないリード線に接続されている。
In the
本実施の形態のひずみゲージ２０１は、破線で示す仮想の円内の領域のひずみを検出することができる。従って、一つのひずみゲージ２０１によって、ひずみを測定する対象となる部材の表面において、縦方向、横方向、斜め方向等、ほぼ３６０℃の範囲のひずみを検出することが可能になる。
The
本実施の形態のひずみゲージ２０１における他の構成及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
Other configurations and effects of the
次に、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。なお、本発明の実施例において特にことわりのない限り、各種測定、評価は下記によるものである。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited at all by these Examples. In the examples of the present invention, various measurements and evaluations are as follows unless otherwise specified.
［金属薄膜の厚みの測定］
金属薄膜の厚みは、試料の断面をミクロトーム（ライカ社製、商品名；ウルトラカットＵＴＣウルトラミクロトーム）を用いて厚さ１００ｎｍの超薄切片を作製し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ；日本電子社製、商品名；ＪＥＭ−２０００ＥＸ）にて観察するか、もしくは試料の断面をＡＦＭ（Ｂｒｕｋｅｒ−ＡＸＳ社製、商品名；Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｉｃｏｎ）により測定し、得られた画像上で５箇所の金属薄膜層の厚さを測定し、平均した値を算出した。
[Measurement of metal thin film thickness]
For the thickness of the metal thin film, a cross section of the sample was prepared by using a microtome (trade name; Ultracut UTC Ultramicrotome) to prepare an ultrathin section having a thickness of 100 nm, and a transmission electron microscope (TEM; manufactured by JEOL Ltd.). , Trade name: JEM-2000EX), or the cross section of the sample was measured by AFM (manufactured by Bruker-AXS, trade name: Dimension Icon), and five metal thin film layers were observed on the obtained image. The thickness was measured and the average value was calculated.
［金属薄膜の表面抵抗の測定］
金属薄膜の表面抵抗は、抵抗率計（三菱化学社製、商品名；ＭＣＰ−Ｔ６１０）を用い、４探針プローブ（三菱化学社製、商品名；ＭＣＰ−ＴＰ０３Ｐ）により測定した。
[Measurement of surface resistance of metal thin film]
The surface resistance of the metal thin film was measured with a 4-probe probe (trade name; MCP-TP03P, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) using a resistivity meter (trade name; MCP-T610 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).
［ゲージ率の測定］
３０ｍｍ×８０ｍｍ角にカットしたサンプルをストログラフ（東洋精機製、商品名；Ｒ−４）に取り付け、引張り速度５ｍｍ／ｍｉｎにて引張り荷重をかけて、サンプルを引き延ばした。引き延ばしたサンプルの長さと、サンプル上の金属薄膜の表面抵抗を測定した。これらの測定値から、サンプルの伸度（引き延ばしたサンプルの長さ／元のサンプルの長さ）と表面抵抗変化（引き延ばしたサンプルの表面抵抗／元のサンプルの表面抵抗）をそれぞれ算出し、これらの値から、ゲージ率（表面抵抗変化／伸度）を求めた。
[Measurement of gauge factor]
A sample cut to 30 mm × 80 mm square was attached to a strograph (trade name; R-4, manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.), and a sample was stretched by applying a tensile load at a pulling speed of 5 mm / min. The length of the stretched sample and the surface resistance of the metal thin film on the sample were measured. From these measurements, the sample elongation (stretched sample length / original sample length) and surface resistance change (stretched sample surface resistance / original sample surface resistance) were calculated respectively. From the value, the gauge factor (change in surface resistance / elongation) was determined.
［実施例１］
フィルム材として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、このフィルムをバッチ式スパッタリング装置（ＡＮＥＬＶＡ社製、商品名；ＳＰＦ−３３２ＨＳ）へセットし、真空ポンプ及びターボモレキュラーポンプを用いて、３．０×１０−４Ｐａまで減圧し、アルゴンガスを導入して、２．０×１０−１Ｐａの圧力になるよう調整した。次に、Ｎｉ／Ｃｒ＝８０／２０［単位；重量％］の合金（Ｎｉ−Ｃｒ合金として９９．９重量％以上）のターゲットを用いて、スパッタリングを行い、平均厚さが３８ｎｍ（最小値；２６ｎｍ、最大値；５０ｎｍ）で表面抵抗の平均値が２４６Ω／□（最小値；２１７Ω／□、最大値；２４８Ω／□）である金属薄膜を形成し、金属薄膜形成フィルム１を得た。
[Example 1]
A polyimide film having a thickness of 25 μm was prepared as a film material, and this film was set in a batch type sputtering apparatus (trade name: SPF-332HS, manufactured by ANELVA), and 3.0 mm using a vacuum pump and a turbo molecular pump. The pressure was reduced to × 10 -4 Pa, argon gas was introduced, and the pressure was adjusted to 2.0 × 10 -1 Pa. Next, sputtering was performed using a target of an alloy of Ni / Cr = 80/20 [unit; wt%] (99.9 wt% or more as a Ni—Cr alloy), and the average thickness was 38 nm (minimum value; A metal thin film having an average surface resistance of 246 Ω / □ (minimum value: 217 Ω / □, maximum value: 248 Ω / □) at 26 nm, maximum value: 50 nm) was formed, and a metal thin
得られた金属薄膜形成フィルム１のゲージ率について測定を行ったところ、サンプルの伸度が２５％となった時のゲージ率は、３３６０であった。結果を表１に示す。
When the gauge factor of the obtained metal thin
［実施例２］
実施例１と同様にして、フィルム材として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、Ｎｉ／Ｃｒ＝８０／２０［単位；重量％］の合金のターゲットを用いて、スパッタリングを行い、平均厚さが５６ｎｍ（最小値；４５ｎｍ、最大値；７２ｎｍ）で表面抵抗の平均値が１６５Ω／□（最小値；１５９Ω／□、最大値；１６６Ω／□）である金属薄膜を形成し、金属薄膜形成フィルム２を得た。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, a polyimide film having a thickness of 25 μm was prepared as a film material, and sputtering was performed using an alloy target of Ni / Cr = 80/20 [unit: wt%] to obtain an average thickness. A metal thin film having a thickness of 56 nm (minimum value: 45 nm, maximum value: 72 nm) and an average surface resistance value of 165 Ω / □ (minimum value: 159 Ω / □, maximum value: 166 Ω / □) 2 was obtained.
実施例１と同様にして、金属薄膜形成フィルム２のゲージ率について測定を行ったところ、サンプルの伸度が２９％となった時のゲージ率は、４２３であった。結果を表１に示す。 When the gauge factor of the metal thin film forming film 2 was measured in the same manner as in Example 1, the gauge factor when the elongation of the sample was 29% was 423. The results are shown in Table 1.
［実施例３］
実施例１と同様にして、フィルム材として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、Ｎｉ／Ｃｒ＝８０／２０［単位；重量％］の合金のターゲットを用いて、スパッタリングを行い、平均厚さが８２ｎｍ（最小値；７２ｎｍ、最大値；９７ｎｍ）で表面抵抗の平均値が３８Ω／□（最小値；３７Ω／□、最大値；４１Ω／□）である金属薄膜を形成し、金属薄膜形成フィルム３を得た。
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a polyimide film having a thickness of 25 μm was prepared as a film material, and sputtering was performed using an alloy target of Ni / Cr = 80/20 [unit: wt%] to obtain an average thickness. Forming a metal thin film having an average surface resistance of 38Ω / □ (minimum value: 37Ω / □, maximum value: 41Ω / □) with a thickness of 82 nm (minimum value: 72 nm, maximum value: 97 nm) 3 was obtained.
実施例１と同様にして、金属薄膜形成フィルム３のゲージ率について測定を行ったところ、サンプルの伸度が２５％となった時のゲージ率は、１３であった。結果を表１に示す。 When the measurement of the gauge factor of the metal thin film forming film 3 was performed in the same manner as in Example 1, the gauge factor was 13 when the elongation of the sample was 25%. The results are shown in Table 1.
［実施例４］
実施例１と同様にして、フィルム材として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、Ｎｉ／Ｃｒ＝８０／２０［単位；重量％］の合金のターゲットを用いて、スパッタリングを行い、平均厚さが１１０ｎｍ（最小値；１０７ｎｍ、最大値；１１５ｎｍ）で表面抵抗の平均値が１６Ω／□（最小値；１５Ω／□、最大値；１６Ω／□）である金属薄膜を形成し、金属薄膜形成フィルム４を得た。
[Example 4]
In the same manner as in Example 1, a polyimide film having a thickness of 25 μm was prepared as a film material, and sputtering was performed using an alloy target of Ni / Cr = 80/20 [unit: wt%] to obtain an average thickness. Forming a metal thin film having an average surface resistance of 16Ω / □ (minimum value: 15Ω / □, maximum value: 16Ω / □) with a thickness of 110 nm (minimum value: 107 nm, maximum value: 115 nm) 4 was obtained.
実施例１と同様にして、金属薄膜形成フィルム４のゲージ率について測定を行ったところ、サンプルの伸度が２５％となった時のゲージ率は、９．２であった。結果を表１に示す。 When the gauge factor of the metal thin film forming film 4 was measured in the same manner as in Example 1, the gauge factor when the elongation of the sample was 25% was 9.2. The results are shown in Table 1.
［実施例５］
実施例１と同様にして、フィルム材として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、Ｃｏ（Ｃｏとして９９．９重量％以上）のターゲットを用いて、スパッタリングを行い、平均厚さが３５ｎｍで表面抵抗の平均値が６３Ω／□である金属薄膜を形成し、金属薄膜形成フィルム５を得た。
[Example 5]
In the same manner as in Example 1, a polyimide film having a thickness of 25 μm was prepared as a film material, and sputtering was performed using a target of Co (99.9% by weight or more as Co), with an average thickness of 35 nm. A metal thin film having an average resistance of 63Ω / □ was formed to obtain a metal thin film-forming
実施例１と同様にして、金属薄膜形成フィルム５のゲージ率について測定を行ったところ、サンプルの伸度が２５％となった時のゲージ率は、１７９であった。結果を表１に示す。
When the gauge factor of the metal thin
［実施例６］
実施例１と同様にして、フィルム材として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、Ｎｉ／Ｆｅ＝６７／３３［単位；重量％］の合金（Ｎｉ−Ｆｅ合金として９９．９重量％以上）のターゲットを用いて、スパッタリングを行い、平均厚さが９０ｎｍで表面抵抗の平均値が６６Ω／□である金属薄膜を形成し、金属薄膜形成フィルム６を得た。
[Example 6]
In the same manner as in Example 1, a polyimide film having a thickness of 25 μm was prepared as a film material, and an alloy of Ni / Fe = 67/33 [unit: wt%] (99.9 wt% or more as a Ni—Fe alloy). Using this target, sputtering was performed to form a metal thin film having an average thickness of 90 nm and an average surface resistance of 66Ω / □ to obtain a metal thin film forming film 6.
実施例１と同様にして、金属薄膜形成フィルム６のゲージ率について測定を行ったところ、サンプルの伸度が２５％となった時のゲージ率は、５４５であった。結果を表１に示す。 When the measurement of the gauge factor of the metal thin film forming film 6 was performed in the same manner as in Example 1, the gauge factor when the elongation of the sample was 25% was 545. The results are shown in Table 1.
［実施例７］
実施例１と同様にして、フィルム材として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、Ｃｏ／Ｚｒ／Ｎｂ＝８８／５／７［単位；重量％］の合金（Ｃｏ−Ｚｒ−Ｎｂ合金として９９．９重量％以上）のターゲットを用いて、スパッタリングを行い、平均厚さが４３ｎｍで表面抵抗の平均値が８６Ω／□である金属薄膜を形成し、金属薄膜形成フィルム７を得た。
[Example 7]
In the same manner as in Example 1, a polyimide film having a thickness of 25 μm was prepared as a film material, and an alloy of Co / Zr / Nb = 88/5/7 [unit; wt%] (99 as a Co—Zr—Nb alloy). Sputtering was performed using a target of 0.9 wt% or more to form a metal thin film having an average thickness of 43 nm and an average surface resistance of 86 Ω / □, thereby obtaining a metal thin film forming film 7.
実施例１と同様にして、金属薄膜形成フィルム７のゲージ率について測定を行ったところ、サンプルの伸度が２５％となった時のゲージ率は、９３であった。結果を表１に示す。 When the gauge factor of the metal thin film forming film 7 was measured in the same manner as in Example 1, the gauge factor when the elongation of the sample was 25% was 93. The results are shown in Table 1.
以上の結果をまとめて、表１に示す。 The above results are summarized in Table 1.
表１から、実施例１〜７で作成した金属薄膜形成フィルム１〜７は、ひずみゲージ材料として有用であることが確認できた。特に、抵抗体層の材料としてＮｉ−Ｃｒ合金の薄膜を使用することによって、従来のひずみゲージに比較して顕著に高いゲージ率を奏するひずみゲージを作製できることがわかった。 From Table 1, it has confirmed that the metal thin film formation films 1-7 created in Examples 1-7 were useful as a strain gauge material. In particular, it has been found that by using a Ni—Cr alloy thin film as the material of the resistor layer, a strain gauge having a remarkably high gauge factor as compared with a conventional strain gauge can be produced.
以上、本発明の実施の形態を例示の目的で詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に制約されることはない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail for the purpose of illustration, this invention is not restrict | limited to the said embodiment.
１００…ひずみゲージ材料、１１０…支持層、１２０…抵抗体層、１３０Ａ，１３０Ｂ…接続部、１４０Ａ，１４０Ｂ…リード線、１５０…電圧検出部、１６０…スルーホール、１７０…スルーホールめっき、１８０…Ｃｕ配線、２００，２０１…ひずみゲージ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記樹脂フィルム上に積層形成された金属薄膜と、
を備え、
前記金属薄膜は、平均厚さが２６〜１１５ｎｍの範囲内であり、表面抵抗の平均値が１５〜２４８Ω／□の範囲内であり、
前記樹脂フィルムは、厚みが１２〜１００μｍの範囲内であるひずみゲージ材料。 A resin film;
A metal thin film laminated on the resin film;
With
The metal thin film has an average thickness in the range of 26 to 115 nm, an average value of surface resistance in the range of 15 to 248 Ω / □,
The resin film is a strain gauge material having a thickness in the range of 12 to 100 μm.
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| JP2020148658A (en) * | 2019-03-14 | 2020-09-17 | 株式会社イシダ | Strain gauge and load cell |
| JP2022072961A (en) * | 2020-10-30 | 2022-05-17 | Fcm株式会社 | Resister for strain gauge, strain gauge and method of manufacturing metal film |
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2014
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