JP2013079837A

JP2013079837A - 面圧センサ

Info

Publication number: JP2013079837A
Application number: JP2011219104A
Authority: JP
Inventors: Takamichi Ito; 孝道伊東; Kenji Nakahara; 健司中原; Eiji Niwa; 英二丹羽
Original assignee: Takano Co Ltd; Research Institute for Electromagnetic Materials
Current assignee: Takano Co Ltd; Research Institute for Electromagnetic Materials
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: JP5815356B2

Abstract

【課題】経時変化や温度依存性が小さく、また繰り返し使用できて正確な値を測定可能な面圧センサを提供する。
【解決手段】基板１１と、基板１１上に直接形成された複数の金属抵抗型ひずみゲージ１２とを具備し、基板１１の下面側には、1又は複数の金属抵抗型ひずみゲージ１２に対応する位置に、基板１１が変形可能となるような凹部１４が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力分布を測定するための面圧センサに関する。

例えば、プレス圧やロール圧等を測定するために、シート状の面圧センサが一般的に用いられている。以下、従来より知られている面圧センサ及び圧力測定方法の例を説明する。
特許文献１に示す面圧センサは、可撓性の２枚のフィルム間に、直交する方向に配列された行電極と列電極とを配置し、この行電極と列電極の間には感圧性導電インクを介在させている。
この面圧センサに圧力を付与すると、場所によって行電極と列電極との間の抵抗値が異なるため、各交点における抵抗値を検出することにより圧力分布の測定が可能である。

また、特許文献２に示す圧力測定方法は、加圧されることによって発色状態が変化する圧力測定フィルム（いわゆる加圧紙）を用いる。この測定方法では、測定対象部材の間に圧力測定フィルムを、弾性シート等を介在させて挟み込み、発色状態の変化から圧力分布を読み取るようにしている。

特許第３０８９４５５号公報特許第３９１１３６３号公報

上記の特許文献１に記載された面圧センサは、経時変化や温度依存性が大きく、測定された圧力値の信頼性が低いという課題がある。
また、特許文献２に記載された圧力測定方法では、圧力測定フィルムは１回しか使用できないため、繰り返し使用したいという課題がある。また色の濃淡で圧力を判断しなくてはならないため、正確な値での測定ができないという課題もある。

そこで本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、経時変化や温度依存性が小さく、また繰り返し使用できて正確な値を測定可能な面圧センサを提供することにある。

本発明にかかる面圧センサによれば、基板と、該基板上に直接形成された複数の金属抵抗型ひずみゲージとを具備し、前記基板の下面側には、1又は複数の金属抵抗型ひずみゲージに対応する位置に、基板が変形可能となるような凹部が形成されていることを特徴としている。
これにより、上記の特許文献１のような感圧性導電インクを用いた場合には数％／℃の温度変化による面圧センサの出力変動であったのが、面圧センサの受感素子として抵抗温度係数が小さい金属抵抗型ひずみゲージを採用することで１％／℃以下の温度変化による面圧センサの出力変動を達成することができた。したがって本発明の面圧センサは、温度依存性を小さくすることができ、また経時変化も小さく、繰り返し使用可能である。そして、正確な圧力値を測定できる。
そして、金属抵抗型ひずみゲージは、基板に直接形成されているので、極めて微少な間隔で、金属抵抗型ひずみゲージを配置することができ、より細かい圧力分布の測定が可能となる。さらに、金属抵抗型ひずみゲージを基板に直接形成することで、薄型化した面圧センサとすることができ、且つ面圧センサの製造段階において、大幅な工数削減を図ることができるとともに、各ひずみゲージの貼り付け時のばらつきを低減し、測定精度の向上にも寄与する。

また、各前記金属抵抗型ひずみゲージの抵抗値を四端子法で測定可能となるように、前記金属抵抗型ひずみゲージ全てに定電流を流すために、各前記金属抵抗型ひずみゲージを直列に配線させる定電流用配線が形成され、各前記金属抵抗型ひずみゲージの両端部に、抵抗値を測定するための抵抗値測定用配線が形成されていることを特徴としてもよい。
従来の面圧センサの配線は、マトリックス回路のものが一般的であったが、マトリックス回路では測定した値に配線抵抗が含まれているため、その補正が必要であった。補正の方法は種々存在するが、受感素子のみの変化を検出することができず、受感素子における正確な抵抗値の検出ができなかった。なお、ロードセルなどでは、ブリッジ回路による配線方法が一般的に採用されているが、ブリッジ回路では1つの受感素子に対して4本の配線が必要となり、さらにブリッジ抵抗が必要であるため広いスペースが必要であった。
しかし、本発明の上記構成によれば、四端子法で測定することにより、各金属抵抗型ひずみゲージにおける正確な抵抗値の測定が可能である。そして、電流の経路を全ての金属抵抗型ひずみゲージに直列に配線することで、配線数を少なくすることができ、センサの省スペース化、小型化を図れる。

また、基板外部の測定機器と、基板内の各金属抵抗型ひずみゲージとの間で電気的な接続を行う配線部がフレキシブルプリント基板に形成され、前記基板の前記定電流用配線と前記抵抗値測定用配線とが、前記フレキシブル基板の配線部と電気的に接続され、前記基板と前記フレキシブルプリント基板は、フィルムによって一体に形成されていることを特徴としてもよい。
この構成によれば、配線部も含めた全体で柔軟性を高めることができるので、例えばロール圧の測定などの場合に引き回しが容易となる。

また、前記基板の上面には、前記金属抵抗型ひずみゲージ、前記定電流用配線、及び前記抵抗値測定用配線を覆い、且つ圧力を受けたとき基板の変形を容易にすべく弾性変形可能な保護膜が形成されていることを特徴としてもよい。
例えば硬い板状の部材が測定対象の場合には、基板が変形せずに測定ができないおそれもあるが、この構成によれば保護膜が弾性変形するので、この保護膜の変形によって基板が変形して測定が可能となる。

本発明の面圧センサによれば、経時変化や温度依存性が小さく、また繰り返し使用できて正確な値を測定することができる。

本発明に係る面圧センサの第１の実施形態の平面図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。図２の断面図において全面に圧力がかかったことを示す説明図である。図２の断面図において一部に圧力がかかったことを示す説明図である。面圧センサの第２の実施形態の平面図である。面圧センサの第３の実施形態の平面図である。図６のＡ部分の拡大図である。図６のＢ部分の拡大図である。図５の面圧センサに外部機器への配線を接続したところを示す平面図である。

本発明に係る面圧センサの好適な実施の形態を以下に説明する。
図１は面圧センサの全体構成を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ’断面図である。
面圧センサ１０は、基板１１上に複数の金属抵抗型ひずみゲージ１２が配置されて構成されている。
この実施形態では、構造がわかりやすいように、説明用として金属抵抗型ひずみゲージ１２が３行３列で計９個という金属抵抗型ひずみゲージの数が少ないものを例として挙げている。

本実施形態における基板１１としては、ジルコニア等のセラミックを採用している。用途にもよるが、例えばロール圧の測定に用いる場合には、基板１１の厚さとしては０．１ｍｍ程度を想定している。
また、基板１１の下面には、複数の凹部１４が形成されている。本実施形態では、１つの金属抵抗型ひずみゲージ１２の下方に、１つの平面視円形の凹部１４が形成されている。このような凹部１４を金属抵抗型ひずみゲージ１２の下方に形成したことにより、形成された凹部１４の上面は、凹部が形成されていない他の箇所よりも薄くなって圧力がかかると変形し、金属抵抗型ひずみゲージ１２を変形させることができる。

本実施形態では、凹部１４の深さとしては、基板厚が０．１ｍｍであるとき、その半分である５０μｍ程度を想定している。
また、凹部１４の深さを調整することによって、面圧センサ１０の測定レンジを変更することができる。例えば凹部１４を深くすれば低圧レンジとなり、浅くすれば高圧レンジとなる。

基板１１の上には、金属抵抗型ひずみゲージ１２が直接成膜されている。直接成膜する方法としては、蒸着又はスパッタリングが考えられる。本実施形態では具体的に、金属抵抗型ひずみゲージ１２としてＣｒ−Ｎ薄膜を反応性スパッタリングで成形するようにする。Ｃｒ−Ｎ薄膜は、Ｃｒと他の金属を含む合金を窒素雰囲気中で反応性スパッタリングにて形成されるものであって、窒素流量を微少域で制御し、薄膜の成膜後にアニールすることによって抵抗温度係数が非常に小さいものとして形成される。このような抵抗温度係数が非常に小さいＣｒ−Ｎ薄膜の製造方法は、本願特許出願人の過去の特許出願（特許第3642449号）において既に提案されているものである。

例えば、上記特許文献記載の方法によって、抵抗温度係数が４８ｐｐｍ／℃となり、センサ出力に変換すると０．１６％／℃という金属抵抗型ひずみゲージが作成できる。
このような性能を有する金属抵抗型ひずみゲージ１２を採用することにより、様々な温度環境下でも正確な抵抗値を検出することができる。

また、金属抵抗型ひずみゲージ１２を基板１１上に直接成膜することによって、予め作り込んであったひずみゲージを基板に貼り付けたりする手間を省くことができ、製造工程の短縮化を図れる。また、金属抵抗型ひずみゲージ１２を基板１１上に直接成膜することで微少な間隔で金属抵抗型ひずみゲージ１２を配置でき、圧力分布の測定を極めて細かい範囲で行うことができる。
なお、本発明としては、金属抵抗型ひずみゲージ１２としてＣｒ−Ｎ薄膜に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｃｒ等を採用してもよい。

金属抵抗型ひずみゲージ１２は、その抵抗値が四端子法で測定できるように形成されている。四端子法とは、抵抗値を測定する際に、配線部分のインピーダンスの影響を排除できるようにした測定方法である。
また、各金属抵抗型ひずみゲージ１２へ流す定電流は、１本の定電流用配線１６で行うようにしている。すなわち、各金属抵抗型ひずみゲージ１２は、定電流用配線１６によって直列に接続される構成となっている。

例えば、図１を例にとって、各金属抵抗型ひずみゲージ１２の配線構造について詳細に説明する。
図１において図面下側は、各金属抵抗型ひずみゲージ１２へ接続される配線の端子部分が形成されている。この端子部分の一番右側ａが定電流用配線１６の一端部である。この定電流用配線１６を上へたどっていくと、右上の金属抵抗型ひずみゲージ１２に至る。定電流用配線１６は、上列３つの金属抵抗型ひずみゲージ１２を直列に結び、左上の金属抵抗型ひずみゲージ１２から下方に向かう。そして、中列３つの金属抵抗型ひずみゲージ１２を直列に結び（図ではＡ−Ａ’線と一致してしまったのでわかりにくいが）、右下の金属抵抗型ひずみゲージ１２に向かう。そして、下列３つの金属抵抗型ひずみゲージ１２を直列に結び、左下の金属抵抗型ひずみゲージ１２から端子部分へ向かう。端子部分の左から4番目ｂがこの定電流用配線１６の他端部である。

また、端子部分には、さらに複数の配線が形成されているが、これは各金属抵抗型ひずみゲージ１２の両端部に接続されている抵抗値（電圧）の測定用配線１９の端部である。ただし、１本の定電流用配線１６によって９個の金属抵抗型ひずみゲージ１２が直列に接続されているので、隣接する金属抵抗型ひずみゲージ１２の間に配置された抵抗値測定用配線１９は隣接する金属抵抗型ひずみゲージ１２と共有される。
このように、各金属抵抗型ひずみゲージ１２を定電流用配線１６で直列に接続したことで、配線数を減らすことができ、センサ全体を小型化することができた。

なお、図２に示すように、基板１１の上面には金属抵抗型ひずみゲージ１２が形成され、その上には金属抵抗型ひずみゲージを保護する保護膜２０が形成されている。保護膜２０としては、絶縁性があり尚かつ可撓性がある材質であればどのようなものであってもよい。保護膜２０としては、例えばポリイミドなどの材質を採用することができる。

また、ある程度弾性変形する保護膜２０を設けることによって、基板１１の変形をスムーズに行わせることができる。
例えば、測定対象が柔らかい平板等であれば、基板１１の変形も容易であると考えられるが、測定対象が硬い平板等であると基板１１が変形せずに金属抵抗型ひずみゲージ１２での圧力測定が困難となることが考えられる。
そこで、保護膜２０を設けることで、測定対象が硬い平板等であっても、保護膜２０の弾性変形によって基板１１も変形させ、圧力の確実な測定が可能となる。

なお、保護膜２０の厚みが大きいと、保護膜２０の弾性変形も大きくなり、基板１１を確実に変形させることができるが、一方でロール圧の測定等では厚すぎることで障害もでてくる。そこで、保護膜２０に微少な凸部を複数箇所に形成することにより、厚さを薄くしても基板１１の変形を確実にでき、且つ厚さが薄いのでロール圧等の測定も容易に行われる。

図３〜図４において、面圧センサに圧力が加わったところを示す。
図３では、面圧センサ１０を土台３１の上に載置した状態で、平板又はロールなどの押圧部材３０により面圧センサ１０全面に圧力をかけた状態を示している。
面圧センサ１０全面に圧力がかかると、基板１１において。凹部１４が形成された箇所が変形し、凹部１４に対応した位置に存在する金属抵抗型ひずみゲージ１２も変形する。金属抵抗型ひずみゲージ１２の変形によって抵抗値が変化し、これを圧力値に変換することで面圧センサとして圧力分布を測定することができる。

図４では、面圧センサ１０を土台３１の上に載置した状態で、平板又はロールなどの押圧部材３０により面圧センサ１０の一部分に圧力をかけた状態を示している。本実施形態では、図面中央のみに圧力がかかったところを示している。
面圧センサ１０の所定の部分にのみ圧力がかかると、圧力がかかった部分における凹部１４が形成された箇所が変形し、凹部１４に対応した位置に存在する金属抵抗型ひずみゲージ１２も変形する。ここでは図面中央に位置する金属抵抗型ひずみゲージ１２のみが変形して抵抗値が変化するので、図面中央部分のみが圧力がかかったことを検出し、その圧力値を測定することができる。

図５には、他の実施形態の平面図を示す。
図５に示す面圧センサ１０は、金属抵抗型ひずみゲージ１２が５行５列の計２５個配置されているものである。
上述してきた実施形態とは、金属抵抗型ひずみゲージ１２の数が異なるだけであって、その他は上述してきた実施形態と同様の構成である。したがってここでは、上記の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。

なお、図５に示す面圧センサ１０では、定電流用配線１６の端子部分ａ，ｂのパターン幅が、抵抗値測定用配線１９のパターン幅よりも幅広に形成されている。このため、定電流用配線１６自身のインピーダンスを小さくすることができる。

図６には、他の実施形態の平面図を示す。
図６に示す面圧センサは、金属抵抗型ひずみゲージ１２が４０行１列で計４０個配置されている。したがって、図面上では縦方向に長い形状のセンサとなっている。
図７には、図６の面圧センサのＡ部分の拡大図を示し、図８には、図６の面圧センサのＢ部分の拡大図を示す。
図７に示すように、各金属抵抗型ひずみゲージ１２は、薄膜が左右２箇所づつで折りかえされた、つづら折り形状となっている。このような形状の各金属抵抗型ひずみゲージ１２は縦方向に連続して形成されている。最上部及び最下部の金属抵抗型ひずみゲージ１２には、定電流を送るための定電流用配線１６が接続され、各金属抵抗型ひずみゲージ１２には定電流が流される。

また、複数の金属抵抗型ひずみゲージ１２は連続して形成されており、本実施形態では、横方向（左右方向）に延びる５本の配線を１つの金属抵抗型ひずみゲージ１２としている。
１つの金属抵抗型ひずみゲージ１２の抵抗値を測定するために、１つの金属抵抗型ひずみゲージ１２の左右両側から１本ずつ抵抗値測定用配線１９が接続されている。本実施形態では、複数の金属抵抗型ひずみゲージ１２が連続して形成されているので、縦方向に隣接する金属抵抗型ひずみゲージ１２の抵抗値測定用配線１９は、隣接する金属抵抗型ひずみゲージ１２と共有される。

また、本実施形態における凹部１４は、第１の実施形態で説明したものとは異なり、縦方向に長尺に形成された１つの凹部１４を、連続して形成された複数の金属抵抗型ひずみゲージ１２の下方に設けている。
このように、凹部１４の形状および数は、金属抵抗型ひずみゲージ１２の形状に合わせて適宜変更することができる。

なお、図８に示すように、定電流用配線１６及び抵抗値測定用配線１９の端子部分は、所定間隔をあけて横方向に整列している。
本実施形態では、配線幅は０．１ｍｍであり、各配線との間隔も０．１ｍｍである。

上述してきた各実施形態の面圧センサ１０は、外部機器であるコンピュータに接続され、圧力分布が解析される。面圧センサ１０の端子部分とコンピュータとの間の電気的接続は、フレキシブル基板（Flexible Printed Circuits：FPC）によって行われるとよい。
図９には、図５で示した実施形態の面圧センサ１０を、フレキシブル基板２２に接続したセンサ構造を示す。
基板１１の端子部分と、フレキシブル基板２２に形成された配線２４との接続は、例えば異方導電フィルム（ＡＣＦ）等を採用し、これを使って接続することができる。また、基板１１とフレキシブル基板２２とを一体に構成するように、基板１１とフレキシブル基板２２を何らかのフィルムで覆うようにするとよい。例えば、基板１１の保護膜２０としてのポリイミドをフレキシブル基板にまで覆うようにすることで、基板１１とフレキシブル基板との接合を強固にできる。

このように、面圧センサ１０とコンピュータとの間の電気的接続をフレキシブル基板２２で配線することにより、面圧センサ１０を柔軟性のある使用をすることができる。例えばロール圧の測定などにおいても、引き回しが容易となる。

なお、上述してきた基板１１の材質としてはセラミックについて説明したが、材質としては、ステンレス等の金属も採用することができる。ただし基板１１を金属製とすると、金属抵抗型ひずみゲージ１２との間に絶縁層を設ける必要がある。ただし、絶縁層を設けると、熱膨張率の相違により基板１１に反りが生じてしまうおそれもあり、あまり好ましい形態ではない。

１０面圧センサ
１１基板
１２金属抵抗型ひずみゲージ
１４凹部
１６定電流用配線
１９抵抗値測定用配線
２０保護膜
２２フレキシブル基板
２４配線
３０押圧部材
３１土台

Claims

基板と、
該基板上に直接形成された複数の金属抵抗型ひずみゲージとを具備し、
前記基板の下面側には、1又は複数の金属抵抗型ひずみゲージに対応する位置に、基板が変形可能となるような凹部が形成されていることを特徴とする面圧センサ。
各前記金属抵抗型ひずみゲージの抵抗値を四端子法で測定可能となるように、
前記金属抵抗型ひずみゲージ全てに定電流を流すために、各前記金属抵抗型ひずみゲージを直列に配線させる定電流用配線が形成され、
各前記金属抵抗型ひずみゲージの両端部に、抵抗値を測定するための抵抗値測定用配線が形成されていることを特徴とする請求項１記載の面圧センサ。
基板外部の測定機器と、基板内の各金属抵抗型ひずみゲージとの間で電気的な接続を行う配線部がフレキシブルプリント基板に形成され、
前記基板の前記定電流用配線と前記抵抗値測定用配線とが、前記フレキシブル基板の配線部と電気的に接続され、
前記基板と前記フレキシブルプリント基板は、フィルムによって一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の面圧センサ。
前記基板の上面には、前記金属抵抗型ひずみゲージ、前記定電流用配線、及び前記抵抗値測定用配線を覆い、且つ圧力を受けたとき基板の変形を容易にすべく弾性変形可能な保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項記載の面圧センサ。