JP4175891B2 - ピエゾ抵抗特性を有するアモルファス炭素層を使用した機械的要素の特性値を状態測定するセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、極めて一般的には、ピエゾ抵抗特性を有するアモルファス炭素層を使用した、例えば機械構造要素及び工具のような機械的要素の圧力、力及び機械的負荷のような状態量を測定するための測定技術に関する。
【０００２】
構造要素又は工具の負荷又は荷重を受ける表面の実際の状態の認識及び観察は、製造工程の制御及び最適化のために重要な意味を有する。
【０００３】
従って、経済的に簡単な方式で重要な特性値（圧力、力作用等）を発生／作用のできるだけ直接的位置で及び機械の場合にはできるだけ運転中に許容可能にかつ再現可能に測定することができる装置及び方法に対する要求が生じる。
【０００４】
工具の作業面又は機械構造要素の負荷を受ける表面に発生する強い力に耐えることができるために、このような実際の状態量を測定するための測定装置は十分に耐摩耗性であるべきである。その都度使用に基づき、例えば摩擦対偶においては、該測定装置は電気的機能に対して同時に低い摩擦抵抗を有するべきである。
【０００５】
欧州特許出願公開第０６８５２９７号明細書及び国際公開第８７／０４２３６号パンフレットには、変形及び切削技術のための工具の摩耗面、即ち切断エッジもしくは切削面、及び種々の機械構造要素の作業面における直接的状態量を測定するセンサが記載され、この場合には薄膜技術で及びリソグラフィー法を用いて構造要素の重要な位置に導体路及びスイッチ回路がその都度の構造要素タイプに基づき重要な量、この場合には特に摩耗及び温度を測定するために施されている。前記明細書に記載されたセンサは、確かに発生位置におけるもしくはまた当該機械構造要素の作動中の状態量の直接的測定を可能にするが、導体路及びスイッチ回路の製造は多段式作業工程を必要とする。さらに、これらは保護層により摩耗及び発生する強い力から保護されねばならない。このことは特に、例えば工具の作業面におけるように、機械の摩耗又は付着性負荷が高い用途のためにも当てはまる。
【０００６】
作業を簡単にするために状態量を測定することが重要である機械的要素のための別の例は、結合部材、例えばねじ、リベット、ナット、又はワッシャー等である。この場合には、重要な状態量は、例えば正しいねじ初期締めを調整するための初期締め力、又は結合部材が十分に堅く座着してるかもしくは緩んでいるかどうかを確認するための圧着力である。
【０００７】
ドイツ国特許第４４１９００９号明細書には、ねじ装置の初期締め力を測定するための測定装置が記載され、この場合にはワッシャーが、中心ねじ穴の他に半径方向の又は割線に類似した穴を有するように構成され、その際この第２の穴の荷重に依存した変形が容量的に測定される。この場合には、具体的な測定のためには、正確に予め与えられた第２の穴が決定的に重要である。
【０００８】
ドイツ国特許（ＤＥ）第６９３１１４７９号明細書に記載の装置においては、圧着力の測定が、結合部材に固定されかつ引張過程で及ぼされた力に依存して再現可能に変形する力吸収体の曲がりを介して行われる。
【０００９】
実際に任意の機械構造要素の重要な表面のその都度の状態を測定することができ、さらに耐摩耗性であり、低い滑り摩擦係数を有しかつユニバーサルに大きな変更せずに多種多様な使用例のために適合させかつ使用することができる、状態量、特に力作用及び圧力を測定する測定方法論に対する要求が生じた。
【００１０】
前記方法は、本発明により、センサとしてピエゾ抵抗特性を有するアモルファス炭素層を使用する測定方法論により解決される。
【００１１】
本発明によれば、“アモルファス炭素層”は水素を有しない炭素層、いわゆるｉ−カーボン（ｉ−Ｃ）層、あるいはまた炭化水素層、いわゆるａ−Ｃ：Ｈ層もしくはＤＬＣ層（ダイヤモンド様カーボン）であってよく、これらは別の金属及び／又は非金属ドーピング元素を有していてもよく又は有していなくてもよい。
【００１２】
アモルファス炭化水素からなるいわゆる硬質物質層（略して、ａ−Ｃ：Ｈ層又はさらにＤＬＣ層（ダイヤモンド様カーボン）と称される）は、自体公知でありかつ多種多様に文献に記載されている（例えば、R. E. Clausing et al.“Diamant and Diamant-Like Films and coatings”, Plenum Press, New York, 1991）。これらは特に高い硬度、耐摩耗性及び低い摩擦値で優れており、従ってしばしば摩耗保護層として使用される。
【００１３】
さらに、これらの層の特性、例えば摩滅もしくは付着特性さらにまた摩擦値は別の元素を添加することにより影響を及ぼすことができかつその都度の使用例に規定して調整することができることが公知である。
【００１４】
例えば、欧州特許出願公開（ＥＰ−Ｏ−Ａ）第０８７８３６号明細書には、前記層に、摩擦値に対する相対空気湿度の不利な影響を軽減するために、金属元素を添加することが提案されている。
【００１５】
完全に驚異的かつ予測されなかったことに、ダイヤモンド様炭素層は、特にそれが付加的な金属及び／又は非金属元素を含有していれば、ピエゾ抵抗特性材料に類似した特性を示しかつ例えば圧力により負荷を受けると電気抵抗の測定可能な変化を示すことが判明した。このような炭素層はしばしば摩耗保護層として使用されるが、ピエゾ抵抗特性の観察は完全に新規でありかつ未だ誰も開示していない。該ピエゾ抵抗特性で、このような炭素層のために多種多様な別の使用分野が、特にセンサ技術の分野において開かれる。
【００１６】
これらの炭素層は、ピエゾ抵抗特性を用いて、実際の状態量、例えば圧力又は力作用を、これらの層で被覆した機械的要素、例えば前記の機械構構造要素、工具又は結合部材によって測定するためのセンサとして利用することができ、しかも別の手段を必要としない。
【００１７】
これらの層は極めて多種多様な幾何学的形状を有する表面にも施すことができるので、これらはユニバーサルに極めて多種多様な機械的要素、特に角又はエッジのような複雑な表面構造を有するものにも使用することができる。
【００１８】
ピエゾ抵抗特性を有する炭素層を使用することにより、特別の製造又は適合手段を必要とせずにユニバーサルに使用可能である、負荷を受ける表面の実際の状態量を測定するためのセンサを製造することができる。このようなセンサを用いると、大面積の適用においてすら点状に制限された面積における直接的測定が可能であり、かつ測定面（局所的に制限されていても）の実際の状態に関する局所的情報を得ることができる。これらの層のピエゾ抵抗特性の利用により、完全に新規の一体センサ技術を構成することができる。
【００１９】
公知のピエゾ抵抗性材料とは異なり、これらの炭素層においては、抵抗レベル及び圧力／抵抗特性曲線を導入されたドーピング元素、有利には金属原子の種類及び量に依存して規定して調整することができる。
【００２０】
そのように例えば金属不含のＤＬＣ層は１０^１２Ω×ｃｍよりも高い比抵抗を有するが、しかし例えば金属添加元素を導入することにより抵抗を低下させかつ約１０^４Ω×ｃｍの程度の値を推測することができる。
【００２１】
本発明に基づきセンサとして使用される炭素層は、公知の化学的又は物理的気相成長技術により得ることができ、これらは多様に文献に記載されている（例えば、欧州特許（ＥＰ−Ｂ）第００８７８３６号明細書に、このような金属含有アモルファス炭化水素層の製造方法が詳細に記載されている）。
【００２２】
センサとして使用すべき炭素層の典型的層厚さは、１０ｎｍ〜５００μｍ、有利には１０ｎｍ〜２０μｍの範囲内にある。もちろん、層厚さはその都度の具体的な使用例に基づき自由に選択可能である。
【００２３】
原理的には、炭素層に組み込むためには周期系の全ての金属又は非金属元素を、即ち得られる層がピエゾ抵抗特性を有する限りドーピング元素として使用することができる。特に適当な例は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ａｌ、並びに貴金属、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕであり、この場合Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ及びＣｒが特に有利である。本発明のためには、概念“金属元素”は、半金属性元素に配属されるべき元素も含まれる。
【００２４】
非金属ドーピング元素の例は、酸素、窒素、アルゴン、フッ素及び水素である。該元素は、層内に個々の原子、クラスターとして又はさらにドーピング物質の炭化物として組み込むことができる。
【００２５】
組み込まれる元素の種類及びその濃度の選択により、それによって得られる層の比抵抗を広い限界内で自由に調整することができるので、その都度の所望の使用に基づき抵抗レベル及び圧力／抵抗特性曲線を規定して調整することができる。従って、調整可能な電気的特性を有するピエゾ抵抗性層を得ることができる。
【００２６】
この場合、金属ドーピング元素は一般に、通常５〜５００ｎｍの大きさを有するいわゆるナノ粒子の形でアモルファス炭素マトリックス内に埋め込むことができ、その際ナノ粒子間の間隔はほぼ同じ程度を有する。電流キャリングはこれらの埋め込まれた粒子を介して行われると見なされる。驚異的にも今や本発明により、これらの層の抵抗は外的負荷、例えば圧力負荷又は延びによる変形に依存することが判明した。
【００２７】
この特性は、ドーピング元素含有の金属含有炭素層に制限されず、またドーピング元素を有しない純粋なアモルファス炭素層においても生じる。この場合には、ピエゾ抵抗特性が、ｓｐ^３特性、即ちダイヤモンドに似た結合関係を有する炭素マトリックス内の主としてｓｐ^２特性を有する、即ち黒鉛に似た結合関係を有する島の形成で惹起されると見なされる。
【００２８】
例えば、本発明に基づき使用される炭素層は炭素を２０〜９９．９原子％、有利には２０〜９５原子％の割合で、水素を０．１〜３５原子％、有利には５〜３５原子％の割合で及びドーピング元素を例えば０．０１〜３５原子％、有利には１〜４５原子％の割合で含有することができる。
【００２９】
もちろん、前記の割合は具体的な適用例のその都度の特殊な要求に基づき上に又は下に変化させることができる。
【００３０】
本発明によれば、炭素層は成分の種類及び／又は濃度に関して種々の組成を有する多層系であってよい。該層は、その構造が層厚さにわたり変化する勾配層として構成されていてもよい。
【００３１】
本発明に基づき使用される炭素層の具体的な構成は、特別な制限を受けずかつ具体的な適用例の要求に応じて行うことができる。
【００３２】
必要であれば、付加的に例えば電気的絶縁層、付着を改良する層又は電気的接触のための層を設けることができる。
【００３３】
絶縁層としては、例えば、抵抗を高めるために酸素及びケイ素がドーピングされた非導電性ａ：Ｃ−Ｈ層も適当である。
【００３４】
このための例は、付加的にケイ素及び場合により酸素を含有するａ：Ｃ−Ｈ層である。この層を製造するためには、プロセスガスに例えばヘキサメチレンジシロキサンのような適当な均展剤を添加することができる。電気的接触のための層は、このために通常の金属又は硬質物質からなっていてもよい。
【００３５】
その都度の所望の適用例に基づき、この付加的層は同じ方法でピエゾ抵抗特性を有する炭素層の形成の前に又はそれに引き続いてそれぞれの基板に施すことができる。
【００３６】
個々の層は不連続層として構成されていてもよく、この場合には各層は独自にそれぞれの層厚さにわたり均質な組成を有しかつ種々の層は成分の種類及び成分量に関して異なる組成を有することができる。
【００３７】
層は勾配層として構成されていてもよく、この際には層の内部で成分の種類及び／又は割合が層厚さにわたり変動する。その都度の使用例に基づき、単数又は複数の層もしくは層系の構成は自由に構成することができる。可能な別の層及び層系の構成のための例は、前記の欧州特許出願公開第０６８５２９７号明細書（該明細書はこのために完全に引用される）に見られる。
【００３８】
本発明による有利な実施態様においては、それぞれの基板に施された層系は、電気的及び機械的特性を意図的に調整するためのサンドイッチ状多重層からなる。この場合、有利に異なるドーピング物質及び濃度を有する層を使用することができる。
【００３９】
既に述べたように、本発明に基づき使用される炭素層（ｉ−Ｃ：Ｈ、ａ−Ｃ：Ｈ、Ｍｅ−Ｃ：Ｈ）は従来のＰＶＤ又はＣＶＤ法を用いてあるいはまた両者の方法の組み合わせにより得ることができる。この場合には、相応する層を製造するためにドーピング元素又はそれぞれの元素を固体の蒸発又はスパッタリングを介して又は元素含有ガスを介して供給する。
【００４０】
層もしくは多層系の製造は、市販の数日間運転スパッタリング装置（Mehrtagessputteranlage）で又はいわゆる連続装置で行うことができる。
【００４１】
本発明のための使用は、構造要素負荷の測定が重要でありかつ表面の摩耗安定性、付着防止特性及び低い摩擦値に対して高い要求が設定されるあらゆる分野で生じる。このための例は、変形及び切削工具、切断及び打ち抜き工具、成形及びプレス工具、滑り及びボール軸受、ころ軸受並びにガイドである。
【００４２】
さらに、抵抗の量が測定電流に依存するセンサとして使用するためにも有利である。この効果により、センサ感度の意図された動的適合が大きな範囲内で電流密度の相応するフォローアップにより可能である。
【００４３】
さらに、レーザ処理により、センサ層の圧力／応力特性曲線を点状で意図的に調整することができるので、局所的に異なる導電性を得ることができる。
【００４４】
センサとして使用するためには、ピエゾ抵抗特性を有する炭化水素層をセンサ技術において通常の方法で電気接点を設けかつ相応する信号処理もしくは評価回路を設ける。
【００４５】
本発明に基づきセンサとして使用される炭化水素層と組み合わせて、もちろん、直接層として構成された別のセンサを当該の機械構造要素に組み込むことができ、又は別の形式で機械構造要素に設けることができるので、多数の状態量を検出することができる。
【００４６】
例えば、熱的安定化を可能にする温度センサを設けることができる。温度センサの使用は、また、得られた測定値に対する温度影響を考慮しかつ相応してそれから計算することができるために重要である。
【００４７】
例えば、本発明による層に固有の温度経過を温度測定のために採用することができる。この場合には、温度測定は、力及び圧力の作用によって負荷されない位置で行われる。
【００４８】
次に、本発明を図面を参照して実施例により詳細に説明する。
【００４９】
図１〜４におけるグラフは、種々のドーピングが行われたもしくはドーピングされていない炭化水素層の、これらの層に作用する力に依存した抵抗の変化を明示する。それぞれ右に向かって力がニュートンでかつ上に向かって抵抗がオームで、図４にはもちろんキロオームでプロットされている。
【００５０】
図１〜４においては、１ｎｍの直径を有する平坦な接触面を有する円筒状コンタクトスタンプを用いて測定を実施した。
【００５１】
図１〜２は、Ａｕナノ結晶を有する硬質のアモルファス炭化水素層の力作用の際の抵抗変化を示し、この場合図１においてはＡｕ４３原子％、Ｃ５４原子％並びに別のドーピング元素３原子％、及び図２においてはＡｕ３０原子％、Ｃ６８原子％並びに別のドーピング元素２原子％を有する。それぞれの製造方法に基づき、これらの層は水素３０原子％以下を含有し、該水素は層組成に関する前記データにおいては考慮されていない。基板としては、１００Ｃｒ６を使用した。
【００５２】
層の製造は、Ａｕターゲットで被覆した直径１５０ｍｍを有するダイオードスパッタリング装置で行った（ガス：Ａｒ４６ｓｃｃｍ／分；Ｃ_２Ｈ_２４ｓｃｃｍ／分；ターゲット電力５００Ｗ、１３．５Ｍｈｚ）。
【００５３】
図３には、Ｗ１０原子％、Ｃ８８原子％並びに別のドーピング元素２原子％を有する、ＷもしくはＷＣナノ結晶を有する硬質のアモルファス炭化水素層の力作用の際の抵抗変化が示されている。これらの層はその都度の製造法に基づき水素３０原子％以下を含有し、該水素は層組成に関する前記データにおいては考慮されていない。基板としては、１００Ｃｒ６を使用した。層厚さは２．２μｍである。
【００５４】
製造は、それぞれ８００×１９０ｍｍ^２の２Ｗターゲットを有するマグネトロンスパッタリング装置内で行った（ガス：Ａｒ３９０ｓｃｃｍ／分；Ｃ_２Ｈ_２２５０ｓｃｃｍ／分；ターゲット電力２×６０００Ｗ、ＤＣ運転、基板バイアス１００Ｖ）。
【００５５】
図４には、金属ドーピングを有しない硬質のアモルファス炭化水素層の抵抗変化が示されている。層厚さは２μｍである。基板としては、１００Ｃｒ６を使用した。製造条件は以下のとおりであった：垂直電極２００×１５０ｍｍ^２を有するＣＶＤスパッタリング装置；ガス：Ａｒ７０ｓｃｃｍ／分；Ｃ_２Ｈ_２２０ｓｃｃｍ／分；電力５００Ｗ、１３．５Ｍｈｚ）。
【００５６】
図５〜１４には、本発明で使用される、実際の状態量を測定するためのピエゾ抵抗特性を有する炭素層の具体的な使用形が示されている。
【００５７】
図５には、本発明による測定層２で被覆された下方プレスラムと、対抗体４とからなるプレス工具における、本発明に基づきセンサとして使用される層の使用を示す。プレスすべき材料、例えば薄板は、対抗体４とラム３の間に挿入される。この装置は、接触面の範囲内で材料に作用する実際の力の測定を可能にする。
【００５８】
図６は、図５と類似した使用形を示すが、但しこの場合にはプレス工具上に変更された層構造を有し、それにより工具の所望の帯域内で規定された局所的測定が実施可能である。
【００５９】
この場合には、工具をまず薄いかつ有利には機械的に負荷可能な絶縁層６で被覆し、その際機械的マスクをを施すことによるか又は引き続き構造化を行うことにより規定の開口を観察窓７として絶縁層６内に形成する。次いで、ピエゾ抵抗性測定層２を絶縁層６上に被覆する。観察窓７は規定の帯域における局所的測定を可能にする。
【００６０】
図７は、図６及び５と同様にプレス工具を示すが、但しこの場合にはプレスラム３から絶縁されて接点８が導き出されている。この場合も、まず観察窓７を有する絶縁層６を構成しかつ次いで本発明で使用される測定層２で被覆する。接点８は同様に絶縁層９によって包囲されている。この実施形は、観察窓７を有する測定マトリックスの局所的に規定された測定点としての使用を可能にする。力作用の方向は、矢印Ｋによって示されている。
【００６１】
図８は、例えば印刷工業で使用されるような、１つのメインローラ１０及び複数の圧着ローラ１１を有するローラ回転機構を示す。圧着力の測定は、ローラの少なくとも１つ、この場合にはメインローラ１０に本発明による層２を施しかつ抵抗を記入された回路に相応して測定することにより実現される。図面に示されているように、圧着ローラ１１（この場合には、左上の圧着ローラ１１）に必要に応じてメインローラ１０と同時に又はそのために本発明により使用される測定層２が施されていてもよい。
【００６２】
図９には、本発明により使用される測定層２が施された歯車が略示されている。この場合には、測定層２は摩擦機能の他に、他の技術では従来アクセスできなかった歯の側面範囲における力の測定も満足する。
【００６３】
図１０には、本発明に基づき使用される測定層２として層系が施された軸１３が示されている。この場合には、軸受のここのボール又はローラ１４から及ぼされる力が運転中に測定層２により連続的に行われるはずである。
【００６４】
この具体的例で、さもなければアクセス不可能な位置における力又はその他の状態量の局所的測定のためのセンサとしての、本発明に基づき測定層２として使用される炭素層の別の適用形を明らかにする。
【００６５】
アクセスされない軸受の内の連続的測定は、軸１３をまず高オームのＤＬＣ層で被覆することで可能である。
【００６６】
この場合、ＣＶＤスパッタリング法は、まず軸１３が固定された基板電極のみをＨＦプラズマで利用されるように実施する。その際、アルゴンの他にまたＣ_２Ｈ_２及びＨＭＤＳＯ（ヘキサメチルジシロキサン）をプロセスチャンバに導入する。２μｍの厚さのＤＬＣ層が成長した後に、該プロセスを、基板電極の他にターゲット電極にもＨＦプラズマを作用させることにより変更する。該プロセスの有利な実施例においては、第１ステップではアルゴンだけを導入しかつタングステンターゲットをシャッタに対して汚染から洗浄する。
【００６７】
この段階で、基板には、僅かなエッチング過程が生じるバイアス電位が印加される。
【００６８】
第２の段階で、シャッタを開きかつ約５０ｎｍの厚さを有するタングステンからなる中間相を堆積させる。さらなる段階は、Ｍｅ：ＣＨからなる勾配層の形成に用立てる。このためには、連続的に上昇する割合のＣ_２Ｈ_２をアルゴンスパッタリングガスをアルゴンスパッタリングガスに加える。この中間層は約３００ｎｍの厚さを有する。最終圧が達成された後に、Ｃ_２Ｈ_２フローを一定に保ちかつ厚さ約１μｍのＷ：ＣＨ層が堆積し、これはＷ約３０原子％を含有する。
【００６９】
この層は、図１０に参照番号１５で示されているように、構造化する。この場合には、公知のホトリソグラフィー又はレーザベースの構造化法を使用することができる。この場合には、例えば測定位置から遠くに配置された滑り接触装置のための適当な滑り面を含む観察窓７及び導体路として規定の測定位置が製造される。
【００７０】
次のステップは、構造化した基板に絶縁層６を構成ために役立つ。このためには例えば、測定帯域及び滑り接触面を除き軸１３の表面を覆う金属ステンシルマスクを使用する。次いで、約１．５μｍの厚さの高オームの層を前記方法後に施す。引き続き、機械的マスクを除去する。
【００７１】
さらなる層構成は、軸１３を新たに例えばＣＶＤスパッタリング装置に組み入れることにより行う。今や、前記方法に基づきＤＬＣ層の堆積を行う。この層厚さは、約２μｍである。ＤＣＬ層の代わりに、Ｍｅ：ＣＨ層を構造化したＷ：ＣＨ層に施すことができる。この場合、Ｍｅ成分を介して制御される層の比抵抗は、構造化された支持体の比抵抗よりも大きいべきである。有利には、この場合には次いで約５原子％のＷ割合を有するＷ：ＣＨ層を使用する。
【００７２】
タングステンの代わりに、Ｍｅ：ＣＨ層のための別の元素Ｍｅ、例えばＴｉ：ＣＨ、Ｔａ：ＣＨ、Ｎｂ：ＣＨ等を使用することもできる。
【００７３】
既に述べたように、この実施形はアクセス出来ない位置での状態量、この場合には力の局所的測定を示す。
【００７４】
図１１には、上方の図面は、図１０に基づく層系の構造を示しかつ下方の図面は、図１０に示された軸１３，ボール／ローラ１４並びに例えばコンタクト及び導体路のための構造１５を有する軸受の略示全体図を示す。
【００７５】
この場合、図１１における上方図面の区分は、軸１３を示し、該軸には高オームの層１６が前記方法に基づき堆積されている。その上に、例えば接点及び導体路のための構造を有する低オームのＭｅ：ＣＨ層１７並びに高オーム層１７に類似の高オーム層１８及び測定層２としてＤＬＣ又はＭｅ：ＣＨ層が存在する。
【００７６】
図１２には、本発明の別の適用可能性としてワッシャー１９が示されており、該ワッシャーは本発明に基づきセンサとして使用される測定層２を備えておりかつ力結合の測定及び調節のために使用することができる。ここの示された絶縁層６は、例えばＳｉ−Ｏ−ＤＬＣ又はＡｌ_２Ｏ_３層であってよい。測定層２としては、この場合もＤＬＣ又はＭｅ：ＣＨ層を使用することができる。
【００７７】
図１３は、別の適用形としてねじヘッド２０を示し、該ねじヘッドは本発明に基づき使用される測定層２並びに絶縁層６を備えている。
【００７８】
図１４には、切削力を測定するためのバイト内にピエゾ抵抗特性を有する本発明に基づき測定層２として使用されるアモルファス炭素層の使用が示されている。この場合には、支持板２２（ワッシャー）に測定層２が被覆される。測定層２は全面的に又は有利な実施態様ではまた単数又は複数の別々に接触可能な範囲に施されていてもよい。
【００７９】
バイトは反転チップ２１、絶縁セラミック板２３並びに絶縁層６を備えている。
【００８０】
前記に多数の実施例で示したように、本発明に基づき力又は圧力のような状態量を測定するためのセンサとして使用されるピエゾ抵抗特性を有するアモルファス炭素層は種々に使用することができかつ簡単な方式でそれぞれの実施形のその都度の要求に適合させることができる。この場合、層は個々の層としてあるいはまた任意に構成された層系として使用することができる。ドーピング元素の種類及び数を介して、層もしくは層系のそれぞれの特性を任意に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 種々の金属元素をドーピングした炭化水素層の作用する力に依存する抵抗を示すグラフである。
【図２】 種々の金属元素をドーピングした炭化水素層の作用する力に依存する抵抗を示すグラフである。
【図３】 種々の金属元素をドーピングした炭化水素層の作用する力に依存する抵抗を示すグラフである。
【図４】 ドーピングを有しない硬質アモルファス炭化水素層の抵抗変化を示すグラフである。
【図５】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合にはプレス工具での適用例を示す図である。
【図６】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合にはプレス工具での適用例を示す別の実施例を示す図である。
【図７】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合にはプレス工具での適用例を示す別の実施例を示す図である。
【図８】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合にはローラ走行機構での適用例を示す図である。
【図９】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合には歯車での適用例を示す図である。
【図１０】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合には軸での適用例を示す図である。
【図１１】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合には軸受の別の適用例を示す図である。
【図１２】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合にはワッシャーでの適用例を示す図である。
【図１３】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合にはねじヘッドでの適用例を示す図である。
【図１４】 本発明によるセンサのための種々の具体的な適用実施例、この場合にはバイトでの適用例を示す図である。
【符号の説明】
１ 機械要素
２ 測定層（センサ）
３ ラム
４ 対応体
５ スイッチ回路
６ 絶縁層
７ 観察窓
８ 接点
９ 接点のための絶縁層
１０ メインローラ
１１ 圧着ローラ
１２ 歯車の部分
１３ 軸
１４ ボール／ローラ
１５ 構造化
１６ 高オーム層
１７ 例えばコンタクト及び導体路のための構造化を有する低オーム層
１８ 高オーム層
１９ ワッシャー
２０ ねじヘッド
２１ 反転チップ
２２ 支持体（この場合には支持板）
２３ 絶縁セラミック

Claims (13)

1. アモルファス炭素層が、ｓｐ^３混成を有するダイヤモンドに類似した構造と組み合わせたｓｐ^２混成を有する黒鉛構造を有し、アモルファス炭素層に少なくとも１種の金属及び／又は非金属元素がドーピングされ、少なくとも１種の元素が、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｕ、水素又はそれらの組み合わせから選択され、アモルファス炭素層内に０．０１〜４７原子％の量で含有されている、機械的に負荷される表面の実際の状態量を測定するセンサ（２）としてのピエゾ抵抗特性を有するアモルファス炭素層の使用。
2. 状態量として、表面に作用する力及び／又は圧力を測定することを特徴とする請求項１記載の使用。
3. アモルファス炭素層が耐摩耗性の圧力センサとして工具及び潤滑的に負荷される構造要素に施されていることを特徴とする請求項１又は２記載の使用。
4. アモルファス炭素層が粘着防止圧力センサとして工具及び構造要素に施されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の使用。
5. アモルファス炭素層を別の機能層と結合して使用することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の使用。
6. アモルファス炭素層が多層系内の層成分であることを特徴とする請求項５記載の使用。
7. 単数又は複数の層の組成が層構成成分及び／又は個々の層構成成分の濃度に関して層厚さにわたり変化することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載の使用。
8. アモルファス炭素層が多層系として構成されていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項記載の使用。
9. アモルファス炭素層が、ｓｐ ^３ 混成を有するダイヤモンドに類似した構造と組み合わせたｓｐ ^２ 混成を有する黒鉛構造を有し、アモルファス炭素層に少なくとも１種の金属及び／又は非金属元素がドーピングされ、少なくとも１種の元素が、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｕ、水素又はそれらの組み合わせから選択され、アモルファス炭素層内に０．０１〜４７原子％の量で含有されている、機械的に負荷される表面の実際の状態量を測定するセンサとしてのピエゾ抵抗特性を有するアモルファス炭素層からなる測定層（２）を、センサとして使用することを特徴とする、機械的に負荷される表面の実際の状態量を測定する方法。
10. アモルファス炭素層の圧力／抵抗特性曲線及び／又は抵抗レベルを少なくとも１種の金属及び／又は非金属元素の含量及び種類に依存して調整することを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 熱センサでの付加的な熱抵抗測定により熱的安定化を行うことを特徴とする請求項９又は１０記載の方法。
12. アモルファス炭素層が、ｓｐ ^３ 混成を有するダイヤモンドに類似した構造と組み合わせたｓｐ ^２ 混成を有する黒鉛構造を有し、アモルファス炭素層に少なくとも１種の金属及び／又は非金属元素がドーピングされ、少なくとも１種の元素が、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｕ、水素又はそれらの組み合わせから選択され、アモルファス炭素層内に０．０１〜４７原子％の量で含有されている、機械的に負荷される表面の実際の状態量を測定するセンサとしてのピエゾ抵抗特性を有するアモルファス炭素層をセンサ（２）として使用し、その際アモルファス炭素層が電気接点（８）を介して測定装置と接続されていることを特徴とする、機械的に負荷される表面の実際の状態量を測定するセンサ装置。
13. 測定層（２）としてのアモルファス炭素層と、機械的要素（１）の表面との間に、少なくとも１箇所で中断された絶縁層（６）が、この位置の機械的要素（１）の局所的負荷を測定するために、配置されていることを特徴とする請求項１２記載のセンサ装置。

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