JP2022186395A - 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 strain gauges.
基材上に抵抗体を備え、測定対象物に貼り付けて、測定対象物の特性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、例えば、材料のひずみを検出するセンサや、周囲温度を検出するセンサ等のセンサ用途として使用されている(例えば、特許文献1参照)。 A strain gauge is known that has a resistor on a base material, is attached to an object to be measured, and detects the characteristics of the object to be measured. BACKGROUND ART Strain gauges are used, for example, as sensors that detect strain in materials and sensors that detect ambient temperature (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、ひずみゲージはセンサ用途に用いる以外に、はかり用途に用いる場合もあり、その場合には、センサ用途よりも厳しいクリープに関する規格を満足する必要がある。そのため、センサ用途に使用できるひずみゲージであっても、はかり用途には使用できない場合があった。 However, strain gauges are sometimes used for weighing applications in addition to being used for sensors, and in such cases, it is necessary to satisfy a stricter creep standard than for sensor applications. Therefore, even strain gauges that can be used for sensors cannot be used for scales in some cases.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、はかり用途に使用可能なひずみゲージを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a strain gauge that can be used for weighing scales.
本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材上に、Cr、CrN、及びCr2Nを含む膜から形成された複数の抵抗体と、を有し、各々の前記抵抗体は、グリッド方向を同一方向に向けて配置されて互いに並列に接続され、並列に接続された前記抵抗体の抵抗値は、160Ω以上600Ω以下である。 The strain gauge has a flexible base material, and a plurality of resistors formed on the base material from films containing Cr, CrN, and Cr2N , each of the resistors are arranged with the grid direction facing the same direction and connected in parallel with each other, and the resistance value of the resistors connected in parallel is 160 Ω or more and 600 Ω or less.
開示の技術によれば、はかり用途に使用可能なひずみゲージを提供できる。 According to the technology disclosed, it is possible to provide a strain gauge that can be used for scales.
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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1実施形態〉
図1は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図2は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図(その1)であり、図1のA-A線に沿う断面を示している。図3は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図(その2)であり、図1のB-B線に沿う断面を示している。
<First embodiment>
1 is a plan view illustrating a strain gauge according to a first embodiment; FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view (Part 1) illustrating the strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section along line AA in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view (No. 2) illustrating the strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section along line BB in FIG.
図1~図3を参照すると、ひずみゲージ1は、第1層11上に第2層12及び第3層13が順次積層された3層構造である。第1層11、第2層12、及び第3層13の各々に、ひずみを検出するための抵抗体がグリッド方向を同一方向に向けて配置されている。以下、詳しく説明する。
Referring to FIGS. 1 to 3, the
第1層11は、基材101と、基材101の上面10a上に形成された抵抗体301及び配線401とを有する。第2層12は、基材102と、基材102の上面10b上に形成された抵抗体302及び配線402とを有する。基材102は、抵抗体301を被覆して基材101上に積層されている。第3層13は、基材103と、基材103の上面10c上に形成された抵抗体303、配線403、及び電極503とを有する。基材103は、抵抗体302を被覆して基材102上に積層されている。第3層13上には、必要に応じ、カバー層60が形成される。なお、図1~図3では、便宜上、カバー層60の外縁のみを破線で示している。
The first layer 1-1 has a substrate 10-1 , and a resistor 30-1 and a wiring 40-1 formed on the upper
なお、本実施形態では、便宜上、ひずみゲージ1において、各基材の抵抗体が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体が設けられていない側を下側又は他方の側とする。また、各基材の抵抗体が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体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できる。また、平面視とは対象物を基材103の上面10c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103の上面10c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
なお、抵抗体301及び302の平面形状は図示されていないが、抵抗体303と同様である。抵抗体301及び302は、例えば、抵抗体303と平面視で重複する位置に形成される。また、配線401及び402の平面形状は図示されていないが、配線403と同様である。配線401及び402は、例えば、配線403と平面視で重複する位置に形成される。 Although the planar shapes of the resistors 30-1 and 30-2 are not shown, they are similar to the resistor 30-3. The resistors 30-1 and 30-2 are formed, for example, at positions overlapping the resistor 30-3 in plan view. Although the planar shapes of the wirings 40-1 and 40-2 are not shown, they are similar to the wiring 40-3. The wirings 40-1 and 40-2 are formed, for example, at positions overlapping with the wiring 40-3 in plan view.
基材103は、抵抗体303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103の膜厚は、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103の膜厚が5μm~200μmであると、ひずみの伝達性、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。
The base material 10-3 is a member that serves as a base layer for forming the resistor 30-3 and the like, and has flexibility. The film thickness of the base material 103 is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. In particular, the film thickness of the
基材103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、膜厚が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103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103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
基材103の樹脂以外の材料としては、例えば、SiO2、ZrO2(YSZも含む)、Si、Si2N3、Al2O3(サファイヤも含む)、ZnO、ペロブスカイト系セラミックス(CaTiO3、BaTiO3)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103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103上に、例えば、絶縁膜が形成される。
Materials other than the resin of the
抵抗体303は、基材103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303は、基材103の上面10cに直接形成されてもよいし、基材103の上面10cに他の層を介して形成されてもよい。なお、図1では、便宜上、抵抗体303を濃い梨地模様で示している。
The resistor 30-3 is a thin film formed in a predetermined pattern on the base material 10-3 , and is a sensing part that undergoes a change in resistance when subjected to strain. The resistor 30-3 may be formed directly on the
抵抗体303は、複数の細長状部が長手方向を同一方向(図1のA-A線の方向)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1のB-B線の方向)となる。 The resistor 303 has a plurality of elongated portions oriented in the same longitudinal direction (the direction of line AA in FIG. 1) and arranged at predetermined intervals, and the ends of adjacent elongated portions are alternately connected. It has a zigzag folding structure as a whole. The longitudinal direction of the elongated portions is the grid direction, and the direction perpendicular to the grid direction is the grid width direction (the direction of line BB in FIG. 1).
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303のグリッド幅方向の各々の終端303e1及び303e2を形成する。抵抗体303のグリッド幅方向の各々の終端303e1及び303e2は、配線403を介して、電極503と電気的に接続されている。言い換えれば、配線403は、抵抗体303のグリッド幅方向の各々の終端303e1及び303e2と各々の電極503とを電気的に接続している。 One ends in the longitudinal direction of the two elongated portions located on the outermost side in the grid width direction are bent in the grid width direction, and terminate at respective ends 30 3 e 1 and 30 3 e 2 of the resistor 30 3 in the grid width direction. to form Each end 30-3e1 and 303e2 of the resistor 30-3 in the grid width direction is electrically connected to the electrode 50-3 via the wiring 40-3 . In other words, the wiring 40-3 electrically connects the ends 30-3e1 and 303e2 of the resistor 30-3 in the grid width direction and each electrode 50-3 .
抵抗体303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303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。 The resistor 303 can be made of, for example, a material containing Cr (chromium), a material containing Ni (nickel), or a material containing both Cr and Ni. That is, the resistor 303 can be made of a material containing at least one of Cr and Ni. Materials containing Cr include, for example, a Cr mixed phase film. Materials containing Ni include, for example, Cu—Ni (copper nickel). Materials containing both Cr and Ni include, for example, Ni—Cr (nickel chromium).
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, or the like is mixed. The Cr mixed phase film may contain unavoidable impurities such as chromium oxide.
抵抗体303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303の厚さが0.1μm以上であると、抵抗体303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303の厚さが1μm以下であると、抵抗体303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103からの反りを低減できる点で更に好ましい。
The thickness of the resistor 303 is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the purpose. In particular, it is preferable that the thickness of the resistor 303 is 0.1 μm or more because the crystallinity of the crystal forming the resistor 303 (for example, the crystallinity of α-Cr) is improved. Further, if the thickness of the resistor 303 is 1 μm or less, cracks in the film and warping from the
抵抗体303の幅は、横感度を生じ難くすることと、断線対策を考慮すると、10μm以上100μm以下が好ましく、10μm以上70μm以下がより好ましく、10μm以上50μm以下がさらに好ましい。 The width of the resistor 303 is preferably 10 μm or more and 100 μm or less, more preferably 10 μm or more and 70 μm or less, and even more preferably 10 μm or more and 50 μm or less, in order to make the lateral sensitivity less likely to occur and to prevent disconnection.
例えば、抵抗体303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303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303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。
For example, when the resistor 303 is a Cr mixed phase film, the stability of gauge characteristics can be improved by using α-Cr (alpha chromium), which is a stable crystal phase, as the main component. In addition, by using α-Cr as the main component of the resistor 303 , the gauge factor of the
また、抵抗体303がCr混相膜である場合、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2N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Cr2N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。 Further, when the resistor 303 is a Cr mixed phase film, CrN and Cr 2 N contained in the Cr mixed phase film are preferably 20% by weight or less. When CrN and Cr 2 N contained in the Cr mixed phase film are 20% by weight or less, a decrease in gauge factor can be suppressed.
また、CrN及びCr2N中のCr2N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Cr2N中のCr2N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Cr2N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。 Also, the ratio of Cr 2 N in CrN and Cr 2 N is preferably 80% by weight or more and less than 90% by weight, more preferably 90% by weight or more and less than 95% by weight. When the ratio of Cr 2 N in CrN and Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more pronounced due to Cr 2 N having semiconducting properties. . Furthermore, by reducing ceramicization, brittle fracture is reduced.
一方で、膜中に微量のN2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。 On the other hand, when a small amount of N 2 or atomic N is mixed in the film and is present, the external environment (for example, high temperature environment) causes a change in the film stress by escaping from the film. By creating chemically stable CrN, a stable strain gauge can be obtained without generating unstable N.
配線403は、基材103上に形成され、抵抗体303及び電極503と電気的に接続されている。配線403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403は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図1では、便宜上、配線403及び電極503を抵抗体303よりも薄い梨地模様で示している。
The wiring 40-3 is formed on the base material 10-3 and electrically connected to the resistor 30-3 and the electrode 50-3. The wiring 403 is not limited to a straight line, and can have any pattern. Also , the
電極503は、基材103上に形成され、配線403を介して抵抗体303と電気的に接続されており、例えば、配線403よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極503は、抵抗体301、302、及び303の、ひずみにより生じる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。
The electrode 50-3 is formed on the base material 10-3 and electrically connected to the resistor 30-3 through the wiring 40-3 . there is The
なお、抵抗体303と配線403と電極503とは便宜上別符号としているが、これらは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303と配線403と電極503とは、厚さが略同一である。
Although the resistor 303 , the
配線403及び電極503上に、抵抗体303よりも低抵抗の材料から形成された導電層を積層してもよい。積層する導電層の材料は、抵抗体303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303がCr混相膜である場合、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。導電層の厚さは、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。 A conductive layer made of a material having a resistance lower than that of the resistor 30-3 may be stacked over the wiring 40-3 and the electrode 50-3 . The material of the conductive layer to be laminated is not particularly limited as long as it has a lower resistance than that of the resistor 303 , and can be appropriately selected according to the purpose. For example, when the resistor 303 is a Cr mixed phase film, Cu, Ni, Al, Ag, Au, Pt, etc., alloys of any of these metals, compounds of any of these metals, or any of these Laminated films obtained by appropriately laminating metals, alloys, and compounds of the above. The thickness of the conductive layer is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose, and can be, for example, about 3 μm to 5 μm.
このように、配線403及び電極503上に、抵抗体303よりも低抵抗の材料から形成された導電層を積層すると、配線403は抵抗体303よりも抵抗が低くなるため、配線403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303によるひずみ検出精度を向上できる。 When a conductive layer made of a material having a lower resistance than that of the resistor 30-3 is laminated on the wiring 40-3 and the electrode 50-3 in this way , the wiring 40-3 has a lower resistance than the resistor 30-3 . It is possible to suppress the wiring 403 from functioning as a resistor. As a result, the accuracy of strain detection by the resistor 303 can be improved.
言い換えれば、抵抗体303よりも低抵抗な配線403を設けることで、ひずみゲージ1の実質的な受感部を抵抗体303が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体303によるひずみ検出精度を向上できる。 In other words, by providing the wiring 40-3 having a resistance lower than that of the resistor 30-3 , it is possible to limit the substantial sensing portion of the strain gauge 1 to the local region where the resistor 30-3 is formed. Therefore, the strain detection accuracy by the resistor 303 can be improved.
特に、抵抗体303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403を抵抗体303よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体303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403を抵抗体303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。
In particular, in a highly sensitive strain gauge with a gauge factor of 10 or more using a Cr mixed phase film as the resistor 303 , the resistance of the
以上では、第3層13の基材103、抵抗体303、配線403、及び電極503について説明したが、第1層11の基材101、抵抗体301、及び配線401、並びに、第2層12の基材102、抵抗体302、及び配線402についても、第3層13の基材103、抵抗体303、及び配線403と同様である。ただし、第1層11及び第2層12には、電極503に相当する部分は設けられていない。
The base material 10 3 , the resistor 30 3 , the wiring 40 3 and the electrode 50 3 of the third layer 1 3 have been described above. 40 1 , the
抵抗体303を被覆し電極503を露出するように基材103の上面10cにカバー層60を設けても構わない。カバー層60を設けることで、抵抗体303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60を設けることで、抵抗体303を湿気等から保護することができる。なお、カバー層60は、電極503を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
A cover layer 60 may be provided on the
カバー層60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60は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層60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。
The
[低抵抗化]
ひずみゲージ1において、配線401と配線402と配線403は、2つの電極503の各々の近傍に設けられた2つのスルーホール70により互いに接続されている。これにより、抵抗体301と抵抗体302と抵抗体303は互いに並列に接続される。抵抗体301と抵抗体302と抵抗体303は、例えば、ほぼ同じ抵抗値になるように形成され、それぞれが並列に接続されている。その結果、全体の抵抗値は、抵抗体301と抵抗体302と抵抗体303の各々に対して約1/3に低減されている。一対の電極503間の抵抗値は、並列に接続された抵抗体301と抵抗体302と抵抗体303の抵抗値となる。
[Low resistance]
In the strain gauge 1 , the wiring 40-1, the wiring 40-2, and the wiring 40-3 are connected to each other by two through
スルーホール70は、少なくとも基材102及び103を貫通する貫通孔内に設けられている。スルーホール70は、抵抗体303等と同一材料を用いて形成してもよいし、銅等の低抵抗な材料から形成してもよい。また、抵抗体301と抵抗体302と抵抗体303が並列に接続できれば、スルーホール70の位置は任意としてよい。例えば、配線401及び402を設けずに、各層の各抵抗体の終端の近傍にスルーホール70を設けて抵抗体301、302、及び303を並列に接続してもよい。また、基材101上及び基材102上に電極503に相当するダミーの電極を形成し、電極503と各々のダミーの電極とをスルーホール70で接続してもよい。また、抵抗体301と抵抗体302と抵抗体303が並列に接続できれば、スルーホールの個数は任意としてよい。例えば、スルーホールの抵抗値が問題となる場合には、スルーホールの個数を適宜増やせばよい。
The through
ひずみゲージ1をはかり用途に用いる場合には、クリープに関する規格を満足する必要がある。クリープに関する規格とは、例えば、OIML R60に基づく精度等級C1(以降、C1規格とする)や、OIML R60に基づく精度等級C2(以降、C2規格とする)が挙げられる。
When using the
C1規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±0.0735%以下にする必要がある。また、C2規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±0.0368%以下にする必要がある。なお、ひずみゲージ1をセンサ用途に用いる場合には、クリープ量及びクリープリカバリー量の規格は±0.5%程度である。
The C1 standard requires that the creep amount and creep recovery amount be ±0.0735% or less. In addition, the C2 standard requires that the amount of creep and the amount of creep recovery be ±0.0368% or less. When the
発明者らが鋭意検討したところ、クリープは一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値に対する依存性が高く、C1規格やC2規格を満足するためには、一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値を比較的低抵抗にする必要があるとの知見に至った。
As a result of intensive studies by the inventors, creep is highly dependent on the resistance value of the resistor connected between the pair of
そこで、発明者らは、クリープ量及びクリープリカバリー量を低減するために必要な、一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値について検討した。具体的には、一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値を変えた複数のひずみゲージ1を作製し、各々のひずみゲージ1をSUS304製の起歪体上に貼り付け、クリープ量及びクリープリカバリー量を測定した。なお、基材101、102、及び103としては、膜厚25μmのポリイミド樹脂製のフィルムを用いた。また、抵抗体301、302、及び303には、Cr混相膜を用いた。
Therefore, the inventors studied the resistance value of the resistor connected between the pair of
クリープ量及びクリープリカバリー量は、ひずみゲージ1において、抵抗体301、302、及び303が設けられた面の弾性変形の量(ひずみ量)が時間経過と共に変化する量であるため、一対の電極503間の出力に基づいて算出したひずみ電圧をモニタすることで測定できる。図4を参照して、詳しく説明する。
Since the creep amount and the creep recovery amount are the amount of elastic deformation (strain amount) of the surface on which the resistors 30 1 , 30 2 , and 30 3 are provided in the
図4は、クリープ量及びクリープリカバリー量の測定方法について説明する図である。図4において、横軸は時間、縦軸はひずみ電圧[mV]である。 FIG. 4 is a diagram explaining a method of measuring the creep amount and the creep recovery amount. In FIG. 4, the horizontal axis is time, and the vertical axis is strain voltage [mV].
まず、測定装置に電源を投入して10秒後に、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ1に150%荷重を10秒間かけ、その後、除荷する。除荷後、20分が経過したら、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ1に100%荷重を20分間かけ、その後、除荷する。そして、除荷後20分経過するのを待つ。
First, 10 seconds after turning on the power to the measuring device, a 150% load is applied to the
ひずみ電圧は、例えば、図4に示すように変化する。図4において、150%荷重を除荷後20分経過した時点と、100%荷重をかけた直後の時点のひずみ電圧の差の絶対値Bを測定する。また、100%荷重をかけた直後の時点と、100%荷重をかけ始めてから20分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔAを測定する。このとき、ΔA/Bがクリープ量となる。次に、100%荷重を除荷した直後の時点と、100%荷重を除荷後20分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔCを測定する。このとき、ΔC/Bがクリープリカバリー量となる。 The strain voltage changes, for example, as shown in FIG. In FIG. 4, the absolute value B of the strain voltage difference is measured 20 minutes after the 150% load is removed and immediately after the 100% load is applied. In addition, the absolute value ΔA of the difference in strain voltage immediately after application of 100% load and 20 minutes after the start of application of 100% load is measured. At this time, ΔA/B is the amount of creep. Next, the absolute value ΔC of the difference in strain voltage immediately after the 100% load is removed and 20 minutes after the 100% load is removed is measured. At this time, ΔC/B is the amount of creep recovery.
なお、100%荷重とは3kgであり、150%荷重とは100%荷重の1.5倍の荷重である。 The 100% load is 3 kg, and the 150% load is 1.5 times the 100% load.
図5は、抵抗値とクリープ量及びクリープリカバリー量の検討結果を示す図であり、一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値を変えた複数のひずみゲージ1のクリープ量及びクリープリカバリー量を図4の測定方法で測定した結果をまとめたものである。 FIG. 5 is a diagram showing the results of examination of the resistance value, creep amount, and creep recovery amount. It summarizes the results of measuring the amount of recovery by the measuring method of FIG.
図5に示すように、一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値が160Ω以上600Ω以下であれば、C1規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。また、図5に示すように、一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値が210Ω以上400Ω以下であれば、C2規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。すなわち、一対の電極503間に接続される抵抗体の抵抗値を所定範囲内に制御することで、クリープ量及びクリープリカバリー量が改善するため、ひずみゲージ1をはかり用途に使用可能となる。
As shown in FIG. 5, when the resistance value of the resistor connected between the pair of
C1規格又はC2規格を満足できる抵抗値にするために、抵抗体の幅を広くする方法も考えられるが、特に、抵抗体として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の場合は、抵抗体の幅を広くすると高感度であるために横感度の影響が発生するので好適ではない。一方、ひずみゲージ1のように、複数の抵抗体を互いに並列に接続することで低抵抗化すれば、横感度の問題を顕在化させることなく、C1規格又はC2規格を満足できる抵抗値を実現できる。
In order to obtain a resistance value that satisfies the C1 standard or C2 standard, it is conceivable to widen the width of the resistor. In this case, widening the width of the resistor causes an effect of lateral sensitivity due to the high sensitivity, which is not preferable. On the other hand, if the resistance is reduced by connecting multiple resistors in parallel like the
なお、上記の例では、ひずみゲージ1を、第1層11上に第2層12及び第3層13が順次積層された3層構造としたが、これには限定されず、ひずみゲージ1は2層構造としてもよいし、4層以上の構造としてもよい。
In the above example, the
また、低抵抗化は、必ずしも複数の抵抗体を積層し、各々の抵抗体をスルーホールにより互いに並列に接続する方法には限定されない。例えば、1つの基材の上面に、グリッド方向を同一方向に向けて複数の抵抗体を配置し、基材の上面に設けた配線で各々の抵抗体を互いに並列に接続して低抵抗化してもよい。ただし、1つの基材の上面に複数の抵抗体を配置する場合は、基材の上面の面積が大きくなるため、微細な測定箇所への設置には、複数の抵抗体を積層して各々の抵抗体をスルーホールにより互いに並列に接続する構造の方が有利である。 Moreover, the method of lowering the resistance is not necessarily limited to the method of stacking a plurality of resistors and connecting the respective resistors in parallel with each other through through holes. For example, a plurality of resistors are arranged on the upper surface of one base material with the grid direction oriented in the same direction, and each resistor is connected in parallel with each other by wiring provided on the upper surface of the base material to reduce the resistance. good too. However, when multiple resistors are placed on the top surface of one substrate, the area of the top surface of the substrate becomes large. A structure in which the resistors are connected in parallel with each other by means of through-holes is more advantageous.
[ひずみゲージの製造方法]
ここで、ひずみゲージ1の製造方法について説明する。ひずみゲージ1を製造するためには、まず、基材101を準備し、基材101の上面10a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301及び配線401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301及び配線401の材料や厚さと同様である。
[Manufacturing method of strain gauge]
Here, a method for manufacturing the
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。 The metal layer A can be formed, for example, by magnetron sputtering using a raw material capable of forming the metal layer A as a target. The metal layer A may be formed by using a reactive sputtering method, a vapor deposition method, an arc ion plating method, a pulse laser deposition method, or the like instead of the magnetron sputtering method.
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101の上面10a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。
From the viewpoint of stabilizing the gauge characteristics, before forming the metal layer A, a functional layer having a predetermined thickness is vacuum-formed on the upper
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301)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101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101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。 In the present application, the functional layer refers to a layer having a function of promoting crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30 1 ). The functional layer may further have a function of preventing oxidation of the metal layer A due to oxygen and moisture contained in the base material 10-1 and a function of improving adhesion between the base material 10-1 and the metal layer A. preferable. The functional layer may also have other functions.
、基材101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。
Since the insulating resin film constituting the
機能層の材料は、少なくとも上層である金属層A(抵抗体301)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 as long as it has a function of promoting the crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30 1 ), and can be appropriately selected according to the purpose. (chromium), Ti (titanium), V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ni (nickel), Y (yttrium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Si (silicon), C (carbon), Zn (zinc), Cu (copper), Bi (bismuth), Fe (iron), Mo (molybdenum), W (tungsten), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), Au (gold), Co (cobalt), Mn (manganese), Al (aluminum) Mention may be made of one or more metals, alloys of any metal of this group, or compounds of any metal of this group.
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、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 compounds include TiN, TaN , Si3N4 , TiO2 , Ta2O5 , SiO2 and the like.
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。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, the thickness of the functional layer is preferably 1/20 or less of the thickness of the resistor. Within this range, it is possible to promote the crystal growth of α-Cr, and to prevent a part of the current flowing through the resistor from flowing through the functional layer, thereby preventing a decrease in strain detection sensitivity.
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。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, the thickness of the functional layer is preferably 1/50 or less of the thickness of the resistor. Within this range, it is possible to promote the crystal growth of α-Cr, and further prevent the deterioration of the strain detection sensitivity due to part of the current flowing through the resistor flowing through the functional layer.
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。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, the thickness of the functional layer is more preferably 1/100 or less of the thickness of the resistor. Within such a range, it is possible to further prevent a decrease in strain detection sensitivity due to part of the current flowing through the resistor flowing through the functional layer.
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。 When the functional layer is made of an insulating material such as oxide or nitride, the thickness of the functional layer is preferably 1 nm to 1 μm. Within such a range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and the film can be easily formed without causing cracks in the functional layer.
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。 When the functional layer is made of an insulating material such as oxide or nitride, the thickness of the functional layer is more preferably 1 nm to 0.8 μm. Within such a range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and the functional layer can be formed more easily without cracks.
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。 When the functional layer is made of an insulating material such as oxide or nitride, the thickness of the functional layer is more preferably 1 nm to 0.5 μm. Within such a range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and the functional layer can be formed more easily without cracks.
なお、機能層の平面形状は、例えば、図1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101の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
The planar shape of the functional layer is patterned to be substantially the same as the planar shape of the resistor shown in FIG. 1, for example. However, the planar shape of the functional layer is not limited to being substantially the same as the planar shape of the resistor. If the functional layer is made of an insulating material, it may not be patterned in the same planar shape as the resistor. In this case, the functional layer may be solidly formed at least in the region where the resistor is formed. Alternatively, the functional layer may be formed all over the top surface of the
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101側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ1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。
Further, when the functional layer is formed of an insulating material, the thickness and surface area of the functional layer can be increased by forming the functional layer relatively thick such that the thickness is 50 nm or more and 1 μm or less and forming the functional layer in a solid manner. Since the resistance increases, the heat generated by the resistor can be dissipated to the
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101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 conventional sputtering using a raw material capable of forming the functional layer as a target and introducing Ar (argon) gas into the chamber in a vacuum. By using the conventional sputtering method, the functional layer is formed while etching the upper
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101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 the method of forming the functional layer, and the functional layer may be formed by another method. For example, before forming the functional layer, the upper
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。 The combination of the material of the functional layer and the material of the metal layer A is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. It is possible to form a Cr mixed phase film as a main component.
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Cr2Nの割合、並びにCrN及びCr2N中のCr2Nの割合を調整できる。 In this case, for example, the metal layer A can be formed by magnetron sputtering using a raw material capable of forming a Cr mixed-phase film as a target and introducing Ar gas into the chamber. Alternatively, the metal layer A may be formed by reactive sputtering using pure Cr as a target, introducing an appropriate amount of nitrogen gas into the chamber together with Ar gas. At this time, by changing the introduction amount and pressure (nitrogen partial pressure) of nitrogen gas and adjusting the heating temperature by providing a heating process, the ratio of CrN and Cr 2 N contained in the Cr mixed phase film, and the ratio of CrN and Cr The proportion of Cr2N in 2N can be adjusted.
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 containing α-Cr, which has a stable crystal structure, as a main component can be formed. In addition, the diffusion of Ti constituting the functional layer into the Cr mixed phase film improves the gauge characteristics. For example, the gauge factor of the
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101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101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。
When the metal layer A is a Cr mixed phase film, the functional layer made of Ti has the function of promoting the crystal growth of the metal layer A and preventing the metal layer A from being oxidized by oxygen and moisture contained in the
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1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1において、ゲージ特性を向上できる。
In this way, by providing the functional layer under the metal layer A, the crystal growth of the metal layer A can be promoted, and the metal layer A having a stable crystal phase can be produced. As a result, in the
次に、フォトリソグラフィによって金属層Aをパターニングし、抵抗体301及び配線401を形成する。これにより、第1層11が完成する。
Next, the metal layer A is patterned by photolithography to form the resistor 30-1 and the wiring 40-1. Thereby, the first
次に、上記と同様の方法で第2層12及び第3層13を作製する。ただし、第3層13の場合はでは、フォトリソグラフィによって金属層Aをパターニングする工程で、抵抗体303及び配線403に加え一対の電極503を形成する。
Next, a second
次に、第1層11上に、第2層12及び第3層13を順次積層し、スルーホール70を形成するための貫通孔をレーザ加工法等により形成し、めっき法等によりスルーホール70を形成する。なお、第1層11が完成した後、引き続き第1層11上に基材102を積層して基材102上に抵抗体302及び配線402を形成し、さらに第2層12上に基材103を積層して基材103上に抵抗体303、配線403、及び電極503を形成してもよい。この場合、スルーホール70を形成するための貫通孔を設けた後に基材103上に抵抗体303、配線403、及び電極503を形成し、スルーホール70は抵抗体303等と同一材料により一体に形成してもよい。
Next, the second
その後、必要に応じ、基材103の上面10cに、抵抗体303及び配線403を被覆し電極503を露出するカバー層60を設けることで、ひずみゲージ1が完成する。カバー層60は、例えば、基材103の上面10cに、抵抗体303及び配線403を被覆し電極503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60は、基材103の上面10cに、抵抗体303及び配線403を被覆し電極503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。
After that, the
なお、抵抗体301、302、及び303等の下地層として各基材の上面に機能層を設けた場合には、ひずみゲージ1は図6に示す断面形状となる。符号201、202、及び203で示す層が機能層である。機能層201、202、及び203を設けた場合のひずみゲージ1の平面形状は、例えば、図1と同様となる。ただし、前述のように、機能層201、202、及び203は、各基材の上面の一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。
In addition, when a functional layer is provided on the upper surface of each base material as a base layer for the resistors 30 1 , 30 2 , 30 3 and the like, the
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。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. can be added.
1 ひずみゲージ、11 第1層、12 第2層、13 第3層、101,102,103 基材、10a,10b,10c 上面、201,202,203 機能層、301,302,303 抵抗体、303e1,303e2 終端、401,402,403 配線、503 電極、60 カバー層、70 スルーホール 1 strain gauge, 1 1 first layer, 1 2 second layer, 1 3 third layer, 10 1 , 10 2 , 10 3 substrate, 10a, 10b, 10c upper surface, 20 1 , 20 2 , 20 3 functional layer , 30 1 , 30 2 , 30 3 resistors, 30 3 e 1 , 30 3 e 2 terminations, 40 1 , 40 2 , 40 3 wirings, 50 3 electrodes, 60 cover layers, 70 through holes
Claims (7)
前記基材上に、Cr、CrN、及びCr2Nを含む膜から形成された複数の抵抗体と、を有し、
各々の前記抵抗体は、グリッド方向を同一方向に向けて配置されて互いに並列に接続され、
並列に接続された前記抵抗体の抵抗値は、160Ω以上600Ω以下である、ひずみゲージ。 a flexible substrate;
a plurality of resistors formed from films containing Cr, CrN, and Cr2N on the substrate;
each of the resistors is arranged in the same grid direction and connected in parallel to each other;
The strain gauge, wherein the resistor connected in parallel has a resistance value of 160Ω or more and 600Ω or less.
複数の前記抵抗体は、前記第1基材上に形成された第1抵抗体、及び前記第2基材上に形成された第2抵抗体、を含み、
前記第2基材は、前記第1抵抗体を被覆して前記第1基材上に積層され、
前記第1抵抗体と前記第2抵抗体は、前記第2基材を貫通するスルーホールにより互いに並列に接続されている、請求項1又は2に記載のひずみゲージ。 The base material includes a first base material and a second base material,
the plurality of resistors includes a first resistor formed on the first substrate and a second resistor formed on the second substrate;
The second base is laminated on the first base by covering the first resistor,
3. The strain gauge according to claim 1, wherein said first resistor and said second resistor are connected in parallel with each other through a through-hole penetrating said second substrate.
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