JP2019219313A - Sensor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサモジュールに関する。 The present invention relates to a sensor module.
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、抵抗体は、例えば、絶縁樹脂からなる基材上に形成され、保護フィルムにより被覆されている(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. Further, the resistor is formed on, for example, a base material made of an insulating resin and is covered with a protective film (for example, see Patent Document 1).
このひずみゲージは、例えば、基材側を接着層を介して起歪体に接着されてセンサモジュールとして用いることができる。 This strain gauge can be used as a sensor module, for example, by bonding the base material side to a strain generating body via an adhesive layer.
しかしながら、上記のひずみゲージでは、抵抗体を湿気等から保護するために保護フィルムを設けているため、基材に抵抗体を成膜する工程に加え、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が必要になる。そのため、上記のひずみゲージをセンサモジュールに用いると、センサモジュール全体としてのコストが上昇するという問題があった。 However, in the above strain gauge, since a protective film is provided to protect the resistor from moisture and the like, a step of coating the resistor with the protective film is necessary in addition to the step of forming the resistor on the base material. become. Therefore, when the above-described strain gauge is used for a sensor module, there is a problem that the cost of the entire sensor module increases.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、センサモジュールのコスト上昇を抑制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 suppress an increase in cost of a sensor module.
本ひずみゲージは、可撓性を有する基材、及び前記基材上に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を備えたひずみゲージと、前記ひずみゲージにひずみを伝達する起歪体と、を有し、前記ひずみゲージは、前記抵抗体を前記起歪体側に向けて前記起歪体に接着されている。 The strain gauge includes a strain gauge having a flexible base material, a resistor formed on the base material from a material containing at least one of chromium and nickel, and a strain gauge for transmitting strain to the strain gauge. A strain body, and the strain gauge is bonded to the strain body with the resistor facing the strain body.
開示の技術によれば、センサモジュールのコスト上昇を抑制することができる。 According to the disclosed technology, it is possible to suppress an increase in cost of the sensor module.
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センサモジュールを例示する平面図である。図2は、第1の実施の形態に係るセンサモジュール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及び図2を参照するに、センサモジュール5は、ひずみゲージ1と、起歪体110と、接着層120とを有している。ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30と、端子部41とを有している。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a plan view illustrating the sensor module according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the sensor module according to the first embodiment, and shows a cross section taken along line AA of FIG. Referring to FIGS. 1 and 2, the
なお、本実施の形態では、便宜上、センサモジュール5において、基材10側を上側又は一方の側、起歪体110側を下側又は他方の側とする。又、各部位の基材10側の面を一方の面又は上面、起歪体110側の面を他方の面又は下面とする。但し、センサモジュール5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
ひずみゲージ1において、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は、上面10a及び下面10bを備えている。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、接着層120を介して基材10の下面10bに接合される起歪体110の表面からのひずみの伝達性、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。
In the strain gauge 1, 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の下面10b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30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。なお、図1では、便宜上、抵抗体30を梨地模様で示している。
The
抵抗体30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、Ni−Cu(ニッケル銅)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
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、抵抗体30の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体30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体30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る。
The
例えば、各々の端子部41の側面の一部がひずみゲージ1の外部に露出しており、露出する部分に外部接続用のリード線等が接合される。但し、各々の端子部41の一部がひずみゲージ1の外部に露出していれば、露出する部分は各々の端子部41の側面でなくてもよい。例えば、基材10に貫通孔や切り欠きを設け、各々の端子部41の上面の一部又は全部を露出させてもよい。
For example, a part of the side surface of each
抵抗体30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の上面や側面を、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、抵抗体30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
センサモジュール5において、基材10の下面10b側は、接着層120を介して、起歪体110の上面110aと接着されている。すなわち、ひずみゲージ1は、抵抗体30を起歪体110側に向けて起歪体110に接着されている。
In the
起歪体110は、例えば、Fe、SUS(ステンレス鋼)、Al等の金属やPEEK等の樹脂から形成され、印加される力に応じて変形し、生じたひずみをひずみゲージ1に伝達する物体である。ひずみゲージ1は、起歪体110に生じるひずみを抵抗体30の抵抗値変化として検出することができる。
The
接着層120は、ひずみゲージ1と起歪体110とに挟持されており、抵抗体30を被覆している。接着層120は、ひずみゲージ1と起歪体110とを接着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、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、変性ウレタン樹脂等を用いることができる。又、ボンディングシート等の材料を用いても良い。但し、起歪体110が導電体である場合には、接着層120として絶縁性の材料を選択する必要がある。接着層120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、0.1μm〜50μm程度とすることができる。
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の下面10bに図1に示す平面形状の抵抗体30及び端子部41を形成する。抵抗体30及び端子部41の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体30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 strain gauge 1, first, the
抵抗体30及び端子部41は、例えば、抵抗体30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。抵抗体30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、抵抗体30及び端子部41を成膜する前に、下地層として、基材10の下面10b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、機能層の下面全体に抵抗体30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体30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, a function having a film thickness of about 1 nm to 100 nm is formed on the
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体30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体30の酸化を防止する機能や、基材10と抵抗体30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
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、特に抵抗体30がCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗体30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抵抗体30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 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の下面10b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 etching 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の下面10b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 the functional layer is formed, the
機能層の材料と抵抗体30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、抵抗体30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、抵抗体30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、抵抗体30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 strain gauge 1 can be 10 or more, and the gauge factor temperature coefficient TCS and the resistance temperature coefficient TCR can be in the range of −1000 ppm / ° C. to +1000 ppm / ° C. When the functional layer is formed of Ti, the Cr mixed phase film may include Ti or TiN (titanium nitride).
なお、抵抗体30がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、抵抗体30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体30の酸化を防止する機能、及び基材10と抵抗体30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、抵抗体30の下層に機能層を設けることにより、抵抗体30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体30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体30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
センサモジュール5を製造するには、ひずみゲージ1を作製後、基材10の下面10b及び/又は起歪体110の上面110aに、例えば、接着層120となる上記の何れかの材料を塗布する。そして、基材10の下面10bを起歪体110の上面110aと対向させ、塗布した材料を挟んで起歪体110上にひずみゲージ1を配置する。又は、ボンディングシートを起歪体110と基材10との間に挟み込むようにしても良い。
In order to manufacture the
次に、ひずみゲージ1を起歪体110側に押圧しながら所定温度に加熱し、塗布等した材料を硬化させて接着層120を形成する。これにより、接着層120を介して起歪体110の上面110aと基材10の下面10bとが接着され、センサモジュール5が完成する。センサモジュール5は、例えば、荷重、圧力、トルク、加速度等の測定に適用することができる。
Next, the strain gauge 1 is heated to a predetermined temperature while being pressed against the
このように、センサモジュール5では、ひずみゲージ1は、抵抗体30を起歪体110側に向けて起歪体110に接着されている。言い換えれば、抵抗体30の上面側は基材10により被覆されている。抵抗体30の上面側を基材10により被覆することで、抵抗体30に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、抵抗体30の上面側を基材10により被覆することで、抵抗体30を湿気等から保護することができる。
As described above, in the
ところで、前述のように、従来のセンサモジュールは、基材上に抵抗体及び保護フィルムが形成されたひずみゲージを作製し、ひずみゲージの基材側を接着層を介して起歪体に接着した構造である。この場合、基材に抵抗体を成膜する工程に加え、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が必要になるため、ひずみゲージを用いたセンサモジュールのコストが上昇するという問題があった。 By the way, as described above, in the conventional sensor module, a strain gauge in which a resistor and a protective film were formed on a substrate was produced, and the substrate side of the strain gauge was bonded to the strain generating element via an adhesive layer. Structure. In this case, in addition to the step of forming the resistor on the base material, a step of covering the resistor with a protective film is required, so that there is a problem that the cost of the sensor module using the strain gauge increases.
これに対して、センサモジュール5では、ひずみゲージ1は、抵抗体30を起歪体110側に向けて起歪体110に接着されており、抵抗体30の上面側は基材10により被覆されている。すなわち、センサモジュール5では、基材10が従来のセンサモジュールにおける保護フィルムの役割を兼ねているため、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が不要になり、製造に必要な時間が短縮される。これにより、センサモジュール5のコスト上昇を抑制することができる。
On the other hand, in the
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、5 センサモジュール、10 基材、10a 上面、10b 下面、30 抵抗体、41 端子部、110 起歪体、110a 上面、120 接着層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Strain gauge, 5 sensor module, 10 base material, 10a upper surface, 10b lower surface, 30 resistor, 41 terminal part, 110 strain generating body, 110a upper surface, 120 adhesive layer
Claims (8)
前記ひずみゲージにひずみを伝達する起歪体と、を有し、
前記ひずみゲージは、前記抵抗体を前記起歪体側に向けて前記起歪体に接着されているセンサモジュール。 A flexible base material, and a strain gauge including a resistor formed from a material containing at least one of chromium and nickel on the base material,
And a strain-generating body that transmits strain to the strain gauge,
A sensor module in which the strain gauge is bonded to the strain body with the resistor facing the strain body.
前記接着層は、前記抵抗体を被覆している請求項1乃至7の何れか一項に記載のセンサモジュール。 An adhesive layer sandwiched between the strain gauge and the strain body,
The sensor module according to claim 1, wherein the adhesive layer covers the resistor.
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