JP2019219312A - Strain gauge - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ひずみゲージに関する。 The present invention relates to a strain gauge.
測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみを検出するひずみゲージが知られている。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体の材料としては、例えば、Cr(クロム)やNi(ニッケル)を含む材料が用いられている。又、例えば、絶縁樹脂からなる基材の一つの面に、一つの抵抗体が形成されている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art There is known a strain gauge that is attached to a measurement target to detect a strain of the measurement target. The strain gauge includes a resistor for detecting strain, and a material containing, for example, Cr (chromium) or Ni (nickel) is used as a material of the resistor. Also, for example, one resistor is formed on one surface of a base material made of an insulating resin (for example, see Patent Document 1).
ところで、ひずみゲージを起歪体に接着して抵抗体の抵抗値変化を検出する際に、ひずみゲージの出力に電磁波等による外乱ノイズや電源ノイズが重畳する場合がある。この場合、ひずみゲージにおいて、信号対雑音比(S/N)が低下し、センサ感度が低下してしまう。 By the way, when a strain gauge is adhered to a strain generator to detect a change in the resistance value of a resistor, disturbance noise or power supply noise due to electromagnetic waves or the like may be superimposed on the output of the strain gauge. In this case, in the strain gauge, the signal-to-noise ratio (S / N) decreases, and the sensor sensitivity decreases.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、信号対雑音比(S/N)を向上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。 The present invention has been made in view of the above points, and has as its object to provide a strain gauge capable of improving a signal-to-noise ratio (S / N).
本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体は、前記基材の一方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第1受感部と、前記基材の他方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第2受感部と、を含み、前記第1受感部と前記第2受感部とは略同一パターンであり、前記基材を挟んで対向する位置に配置されている。 The present strain gauge has a flexible base material and a resistor formed from a material containing at least one of chromium and nickel, and the resistor is formed on one side of the base material. A first sensing part that generates a resistance change by receiving a strain; and a second sensing part that is formed on the other side of the base material and that generates a resistance change by receiving a strain. The sensing section and the second sensing section have substantially the same pattern, and are arranged at positions facing each other with the base material interposed therebetween.
開示の技術によれば、信号対雑音比(S/N)を向上することが可能なひずみゲージを提供できる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a strain gauge capable of improving a signal-to-noise ratio (S / N).
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図であり、ひずみゲージを基材の上面側から視た様子を示している。図2は、第1の実施の形態に係るひずみゲージを例示する底面図であり、ひずみゲージを基材の下面側から視た様子を示している。図3は、第1の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図1のA−A線に沿う断面を示している。図1〜図3を参照するに、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30(抵抗部31及び32)と、端子部41及び42とを有している。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a plan view illustrating the strain gauge according to the first embodiment, and shows a state where the strain gauge is viewed from the upper surface side of the base material. FIG. 2 is a bottom view illustrating the strain gauge according to the first embodiment, and shows a state in which the strain gauge is viewed from the lower surface side of the base material. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the strain gauge according to the first embodiment, and shows a cross section taken along line AA of FIG. Referring to FIGS. 1 to 3, the
なお、本実施の形態では、便宜上、ひずみゲージ1において、基材10の抵抗部31が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗部32が設けられている側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗部31が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗部32が設けられている側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ1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することができる。又、平面視とは対象物を基材10の上面10a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10の上面10aの法線方向から視た形状を指すものとする。
In the present embodiment, for the sake of convenience, in the
基材10は、抵抗体30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10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10の厚さが5μm〜200μmであると、抵抗部31及び32のひずみ感度誤差を少なくすることができる点で好ましい。
The
基材10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することができる。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。
The
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材10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10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。
Here, “formed from an insulating resin film” does not prevent the
抵抗体30は、基材10上に形成されている。抵抗体30は、基材10を介して積層された抵抗部31及び32を含んでいる。すなわち、抵抗体30は、抵抗部31及び32の総称であり、抵抗部31及び32を特に区別する必要がない場合には抵抗体30と称する。なお、図1及び図2では、便宜上、抵抗部31及び32を梨地模様で示している。
The
抵抗部31は、基材10の上面10a側に所定のパターンで形成された薄膜である。抵抗部31は、基材10の上面10aに直接形成されてもよいし、基材10の上面10aに他の層を介して形成されてもよい。抵抗部31は、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部(センシング部)31Sを含んでいる。なお、抵抗部31の受感部31S以外の部分は、端子部41と接続される配線パターンとして機能する。
The
抵抗部32は、基材10の下面10b側に所定のパターンで形成された薄膜である。抵抗部32は、基材10の下面10bに直接形成されてもよいし、基材10の下面10bに他の層を介して形成されてもよい。抵抗部32は、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部(センシング部)32Sを含んでいる。なお、抵抗部32の受感部32S以外の部分は、端子部42と接続される配線パターンとして機能する。
The
受感部31Sと受感部32Sとは略同一パターンであり、基材10を挟んで対向する位置に配置されている。言い換えれば、受感部31Sと受感部32Sとは略同一パターンであり、平面視で重複する位置に配置されている。
The
ここで、受感部31Sと受感部32Sとが略同一パターンとは、同一の設計に基づいて製造された結果、両者のパターンがほとんど同一であることを示し、製造上の誤差程度は許容されることを意味する。
Here, a pattern in which the
なお、抵抗部31の配線パターンの部分と抵抗部32の配線パターンの部分とは、基材10を挟んで対向する位置に配置されてもよいし、基材10を挟んで対向する位置に配置されていなくてもよい。又、端子部41と端子部42とは、基材10を挟んで対向する位置に配置されてもよいし、基材10を挟んで対向する位置に配置されていなくてもよい。
The portion of the wiring pattern of the
抵抗体30(抵抗部31及び32)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することができる。すなわち、抵抗体30は、CrとNiの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。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。
The resistor 30 (the
ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、Cr2N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。 Here, the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2 N and the like are mixed. The Cr mixed phase film may contain unavoidable impurities such as chromium oxide.
抵抗体30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30の厚さが0.1μm以上であると抵抗体30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30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10からの反りを低減できる点で更に好ましい。
The thickness of the
例えば、抵抗体30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することができる。又、抵抗体30がα−Crを主成分とすることで、ひずみゲージ1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質量%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30はα−Crを80重量%以上含むことが好ましい。なお、α−Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。
For example, when the
端子部41は、基材10の上面10aにおいて、抵抗部31の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部31よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部41は、ひずみにより生じる抵抗部31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。抵抗部31は、例えば、端子部41の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部41に接続されている。端子部41の上面を、端子部41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、抵抗部31と端子部41とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
The
端子部42は、基材10の下面10bにおいて、抵抗部32の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部32よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部42は、ひずみにより生じる抵抗部32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。抵抗部32は、例えば、端子部42の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部42に接続されている。端子部42の上面を、端子部42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、抵抗部32と端子部42とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。
The
なお、基材10を貫通する貫通配線(スルーホール)を設け、端子部41及び42を基材10の上面10a側又は下面10b側に集約してもよい。
Note that a through wiring (through hole) penetrating the
抵抗部31を被覆し端子部41を露出するように基材10の上面10aにカバー層61(絶縁樹脂層)を設けても構わない。又、抵抗部32を被覆し端子部42を露出するように基材10の下面10bにカバー層62(絶縁樹脂層)を設けても構わない。カバー層61及び62を設けることで、抵抗部31及び32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61及び62を設けることで、抵抗部31及び32を湿気等から保護することができる。なお、カバー層61及び62は、端子部41及び42を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
A cover layer 61 (insulating resin layer) may be provided on the
カバー層61及び62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することができる。カバー層61及び62は、フィラーや顔料を含有しても構わない。 The cover layers 61 and 62 can be formed from an insulating resin such as a PI resin, an epoxy resin, a PEEK resin, a PEN resin, a PET resin, a PPS resin, and a composite resin (for example, a silicone resin or a polyolefin resin). The cover layers 61 and 62 may contain a filler or a pigment.
カバー層61及び62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、カバー層62の厚さが5μm〜200μmであると、接着層等を介してカバー層62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。なお、カバー層61とカバー層62を異なる材料から形成してもよいし、カバー層61とカバー層62を異なる厚さに形成してもよい。
The thickness of the cover layers 61 and 62 is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the thickness can be about 5 μm to 500 μm. In particular, when the thickness of the
ひずみゲージ1を製造するためには、まず、基材10を準備し、基材10の上面10aに図1に示す平面形状の抵抗部31及び端子部41を形成する。抵抗部31及び端子部41の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗部31と端子部41とは、同一材料により一体に形成することができる。
In order to manufacture the
抵抗部31及び端子部41は、例えば、抵抗部31及び端子部41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し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗部31及び端子部41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。
The
ゲージ特性を安定化する観点から、抵抗部31及び端子部41を成膜する前に、下地層として、基材10の上面10aに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により膜厚が1nm〜100nm程度の機能層を真空成膜することが好ましい。なお、機能層は、機能層の上面全体に抵抗部31及び端子部41を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗部31及び端子部41と共に図1に示す平面形状にパターニングされる。
From the viewpoint of stabilizing the gauge characteristics, before forming the
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗部31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10に含まれる酸素や水分による抵抗部31の酸化を防止する機能や、基材10と抵抗部31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。
In the present application, the functional layer refers to a layer having a function of promoting crystal growth of at least the upper
基材10を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗部31がCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗部31の酸化を防止する機能を備えることは有効である。
Since the insulating resin film forming the
機能層の材料は、少なくとも上層である抵抗部31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。
The material of the functional layer is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose as long as it has a function of promoting the crystal growth of the
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、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SiO2等が挙げられる。 Examples of the above alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, CrCu and the like. Examples of the above compound include TiN, TaN, Si 3 N 4 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , and SiO 2 .
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することができる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材10の上面10a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。
The functional layer can be formed, for example, by a conventional sputtering method using a material capable of forming the functional layer as a target and introducing an Ar (argon) gas into the chamber. By using the conventional sputtering method, the functional layer is formed while the
但し、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10の上面10a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。
However, this is an example of a method for forming the functional layer, and the functional layer may be formed by another method. For example, before forming the functional layer, the
機能層の材料と抵抗部31及び端子部41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、抵抗部31及び端子部41としてα−Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜することが可能である。
The combination of the material of the functional layer and the material of the
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、抵抗部31及び端子部41を成膜することができる。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、抵抗部31及び端子部41を成膜してもよい。
In this case, for example, the
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。又、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1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。
In these methods, the growth surface of the Cr mixed phase film is defined by the functional layer made of Ti, and a Cr mixed phase film having α-Cr as a main component having a stable crystal structure can be formed. Further, the gauge characteristics are improved by diffusing Ti constituting the functional layer into the Cr mixed phase film. For example, the gauge factor of the
なお、抵抗部31がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、抵抗部31の結晶成長を促進する機能、基材10に含まれる酸素や水分による抵抗部31の酸化を防止する機能、及び基材10と抵抗部31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。
When the
このように、抵抗部31の下層に機能層を設けることにより、抵抗部31の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗部31を作製できる。その結果、ひずみゲージ1において、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗部31に拡散することにより、ひずみゲージ1において、ゲージ特性を向上することができる。
As described above, by providing the functional layer below the
次に、基材10の下面10bに図2に示す平面形状の抵抗部32及び端子部42を形成する。抵抗部32及び端子部42は、抵抗部31及び端子部41と同様の方法で形成することができる。抵抗部32及び端子部42を成膜する前に、下地層として、基材10の下面10bに機能層を成膜することが好ましい点も同様である。
Next, on the
抵抗部31及び端子部41並びに抵抗部32及び端子部42を形成後、必要に応じ、基材10の上面10aに抵抗部31を被覆し端子部41を露出するカバー層61を、基材10の下面10bに抵抗部32を被覆し端子部42を露出するカバー層62を設けてもよい。これにより、ひずみゲージ1が完成する。
After forming the
カバー層61は、例えば、基材10の上面10aに抵抗部31を被覆し端子部41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することができる。又、カバー層62は、例えば、基材10の下面10bに抵抗部32を被覆し端子部42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することができる。カバー層61及び62は、絶縁樹脂フィルムのラミネートに代えて、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。
The
このように、ひずみゲージ1において、受感部31Sと受感部32Sとは略同一パターンであり、基材10を挟んで対向する位置に配置されている。そのため、例えば、受感部31Sが引っ張り側、受感部32Sが圧縮側となる曲げ応力が生じた場合に、受感部31Sに接続された端子部41の出力と、受感部32Sに接続された端子部42の出力は、絶対値が略等しく符号が反対となる。これに対して、電磁波等による外乱ノイズや電源ノイズは受感部31Sと受感部32Sに略等しく加わる。そのため、端子部41の出力と端子部42の出力の差信号を取ることで、出力が約2倍になりノイズが低減される。その結果、ひずみゲージ1において、信号対雑音比(S/N)を向上することが可能となり、センサ感度を向上できる。
As described above, in the
なお、略同一パターンの受感部を備えた2つのひずみゲージを別々に作製し、起歪体を挟んで対向する位置に貼り付けることも可能であるが、貼り付け作業が非効率であり、貼り付け精度を確保することも困難である。略同一パターンの2つの受感部が基材10を挟んで対向する位置に配置された1つのひずみゲージ1を用いることにより、このような問題を解決することができる。
In addition, it is also possible to separately manufacture two strain gauges provided with the sensing parts of substantially the same pattern and paste them at positions facing each other with the strain element interposed therebetween, but the attaching work is inefficient, It is also difficult to secure the sticking accuracy. Such a problem can be solved by using one
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の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、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 As described above, the preferred embodiments and the like have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications may be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Variations and substitutions can be made.
1 ひずみゲージ、10 基材、10a 上面、10b 下面、30 抵抗体、31、32 抵抗部、31S、32S 受感部、41、42 端子部、61、62 カバー層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、
前記抵抗体は、
前記基材の一方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第1受感部と、
前記基材の他方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第2受感部と、を含み、
前記第1受感部と前記第2受感部とは略同一パターンであり、前記基材を挟んで対向する位置に配置されているひずみゲージ。 A flexible substrate;
A resistor formed from a material containing at least one of chromium and nickel,
The resistor is
A first sensing portion formed on one side of the base material and receiving a strain to generate a resistance change,
A second sensing portion formed on the other side of the base material and receiving a strain to cause a change in resistance,
A strain gauge in which the first sensing section and the second sensing section have substantially the same pattern, and are arranged at positions facing each other with the base material interposed therebetween.
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