JP6084393B2 - 歪センサおよび歪の測定方法 - Google Patents
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Description
K=(ΔR/R)/(Δl/l)=1+2σ+(Δρ/ρ)/(Δl/l) (1)
ここで、R、σおよびρは、それぞれセンサ材である薄膜、細線または箔の全抵抗、ポアソン比および比電気抵抗である。またlは被測定体の全長であり、よってΔl/lは被測定体に生じる歪を表す。一般に、金属・合金におけるσはほぼ0.3であるから、前記の式における右辺第1項と第2項の合計は約1.6でほぼ一定の値となる。したがってゲージ率を大きくするためには、前記の式における第3項が大きいことが必須条件である。すなわち、材料に引っ張り変形を与えたとき材料の長さ方向の電子構造が大幅に変化し、比電気抵抗の変化量Δρ/ρが増加することによる。
(12)Crおよび不可避不純物からなるCr薄膜、またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr−N薄膜で構成された歪センサを、測定のための電流が流れる方向である受感部の長手方向が、測定しようとする歪の方向と垂直をなすように配置して、当該歪を測定することを特徴とする歪の測定方法。
(13)Crおよび不可避不純物からなるCr薄膜、またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr−N薄膜で構成された歪センサを、測定のための電流が流れる方向である受感部の長手方向が、測定しようとする歪の方向に対し、+方向側または−方向側に、5度以上90度未満の角度に傾いた方向をなすように配置して、当該歪を測定することを特徴とする歪の測定方法。
本発明では、歪ゲージをCrおよび不可避不純物からなるCr薄膜、またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr−N薄膜で構成する。
ε0=[(ε1+ε2)+(ε1−ε2)cos2θ]/2 (2)
ここで、ε2は基材のポアソン比νに応じて生じる横方向の歪で、主歪と逆符号をとり、以下の(3)式で与えられる。
ε2=−νε1 (3)
ここでは、図3に示した受感部が直線状で電極膜を含めてH字型をなすCr、Cu、Ti、CuNiの薄膜(直線状受感部:幅0.2mm、長さ6mm、電極引き出しライン:幅0.2mm、長さ2mm)を、メタルマスクを用いてRFマグネトロン方式のスパッタリング法によって、それぞれ50mm×10mmの大きさで厚さが0.2mmのガラス(Corning0211)基板上に作製した。ゲージ率は、約700μεの歪を生じさせる立体の曲面にそれらの試料を押し当てた時の抵抗変化を直流四端子法により測定して求めた。歪量は市販の歪ゲージ(共和電業製,KFG−2−350−C1−11)を同じ寸法のガラス基板の同じ位置に貼り付けた試験片を用いて同じ曲面を測定した結果から求めた。表1にCr、Cu、Ti、CuNiの薄膜の実際に測定したゲージ率を示す。表1の(a)の平行配置は、図3の(a)のように受感部の長手方向(すなわち受感部において電流が流れる方向)を基板の長手方向(歪方向)と一致させたものであり、(b)の垂直配置は、図3の(b)のように受感部の長手方向を基板の長手方向(歪方向)に対して垂直に配置したものである。また、ゲージ率は、薄膜を成膜したままの試料(as−deposited試料)および熱処理した試料(熱処理試料)の両方について測定した。
ここでは、図4に示した直線受感部からなるI字型をしたCr−N薄膜(幅0.3mm、長さ7mm)を、メタルマスクを用いて、Arとともに微量の窒素ガスを導入して成膜を行う反応性スパッタリング法によって、50mm×13mmの大きさで厚さが0.2mmのガラス(Corning0211)基板上に作製した。スパッタリング装置にはキャノンアネルバ製の高周波スパッタリング装置SPF−312Hをコンベンショナル方式で使用した。窒素の添加量は、導入する窒素ガス流量を調節することにより制御した。ターゲットには公称純度99.9%のCr円盤を用い、成膜前真空度(背景真空度)、ターゲット−基板間距離(T−S距離)および入力電力をそれぞれ2×10−5Pa、70mmおよび100Wとして成膜を行った。評価はas−deposited膜と熱処理膜に対し行った。熱処理は10−5Pa台の真空中において所定の温度で1時間保持して行った。I字型試料は、図4の(a)に示すように、受感部の長手方向、すなわち受感部において電流が流れる方向を基板の長手方向(歪方向)に対して平行に配置する場合(平行配置)と、(b)に示すように、垂直に配置する場合(垂直配置)の二種類の試料を準備した。
ここでは、図4に示すI字型試料を用いて、力センサとしての評価を行った。I字型試料としてはCr−N膜の平行配置試料および垂直配置試料、ならびに市販歪ゲージの平行配置試料を用いた。力センサとしての測定は、図8に示す万能試験機を用いた。なお、図8において、符号1は基板上にI字型試料を形成したサンプル、2は支点保持治具(アルミ板)、3は押さえ板、4はXYステージ、5は引張試験機、6はロードセル、7は圧縮用プローブである。
ε=6・W・L/(E・b・h2) (4)
ここで、Wは荷重(力)、Lは荷重印加点から歪ゲージ中心までの距離、Eはヤング率、bは梁の幅、hは梁の厚みを示す。
このように、εはLと比例関係にあることから図12に示すように出力が直性的に変化することが理解される。
Claims (13)
- Crおよび不可避不純物からなるCr薄膜、またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr−N薄膜で構成され、測定のための電流が流れる方向である受感部の長手方向が、測定しようとする歪の方向と垂直をなすように配置され、かつそのゲージ率が3以上であることを特徴とする歪センサ。
- Crおよび不可避不純物からなるCr薄膜、またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr−N薄膜で構成され、測定のための電流が流れる方向である受感部の長手方向が、測定しようとする歪の方向に対し、+方向側または−方向側に、5度以上90度未満の角度に傾いた方向をなすように配置され、かつそのゲージ率が3以上であることを特徴とする歪センサ。
- 前記Cr−N薄膜は、一般式Cr100−xNxで表され、組成比xは原子%で0.0001≦x≦30であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の歪センサ。
- 前記Cr−N薄膜は、熱処理によるA15型構造のbcc構造への変化により、bcc構造またはbcc構造とA15型構造との混合組織からなることを特徴とする請求項3に記載の歪センサ。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪センサを用いることを特徴とする力センサ。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪センサを用いることを特徴とする圧力センサ。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪センサを用いることを特徴とする加速度センサ。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪センサを用いることを特徴とする変位センサ。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪センサを用いることを特徴とするトルクセンサ。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪センサを用いることを特徴とする流量センサ。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の歪みセンサを用いることを特徴とする重量センサ。
- Crおよび不可避不純物からなるCr薄膜、またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr−N薄膜で構成された歪センサを、測定のための電流が流れる方向である受感部の長手方向が、測定しようとする歪の方向と垂直をなすように配置して、当該歪を測定することを特徴とする歪の測定方法。
- Crおよび不可避不純物からなるCr薄膜、またはCr、Nおよび不可避不純物からなるCr−N薄膜で構成された歪センサを、測定のための電流が流れる方向である受感部の長手方向が、測定しようとする歪の方向に対し、+方向側または−方向側に、5度以上90度未満の角度に傾いた方向をなすように配置して、当該歪を測定することを特徴とする歪の測定方法。
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