JP2012208032A

JP2012208032A - ひずみゲージおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2012208032A
Application number: JP2011074333A
Authority: JP
Inventors: Michinori Inamori; 道伯稲森
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25
Also published as: US8640549B2; US20120247220A1; CN102735154A

Abstract

【課題】ひずみを受感する素子と温度補償素子との接合部の段差に対する応力集中による疲労破断が発生しにくいひずみゲージおよびその製造方法を提供することである。
【解決手段】ひずみを受感する素子１１、１２、１３、１４と、温度補償素子１７、１８と、を一体に形成して成るひずみゲージ１０であって、前記温度補償素子１７、１８が、表面にメッキまたは蒸着を施して成ることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はひずみゲージおよびその製造方法に関し、特に、温度補償素子を一体化したひずみゲージおよびその製造方法に関する。

従来、ひずみゲージを測定対象物に取り付け、そのひずみゲージを用いてブリッジ回路を形成し、測定対象物のひずみを検出する手法が知られている。

このひずみゲージとブリッジ回路の回路配線とを同じ金属箔で形成する方法や、ひずみゲージとは別に、回路配線はＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）などで形成して、半田などで接合する方法が知られている。

また、従来、ひずみゲージの温度補償をするため、温度補償用の素子を利用する技術が知られている（例えば特許文献１）。

実開昭６２−１０６２８号公報

ところで、従来、比抵抗が大きく抵抗温度係数の小さいひずみを受感する素子と、比抵抗が小さく抵抗温度係数の大きな温度補償素子とを別々に形成し、これらを接合し、配線しなければならない。

こうなると、その接合部には半田などによる厚さ方向の段差部が生じ、その段差部が例えば応力・ひずみ場に位置するとそこに応力集中が発生し、疲労破断する虞があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ひずみを受感する素子と温度補償素子との接合部の段差に対する応力集中による疲労破断が発生しにくいひずみゲージおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ひずみを受感する素子と、温度補償素子と、を一体に形成して成るひずみゲージであって、前記温度補償素子が、表面にメッキまたはスパッタを施して成ることを特徴とする。

また本発明は、前記ひずみを受感する素子を複数備え、該複数のひずみを受感素子と、前記温度補償素子と、でフルブリッジ回路を構成したことを特徴とする。

また本発明は、前記温度補償素子が、ブリッジ内部に配置した温度補償抵抗を有してなることを特徴とする。

また本発明は、前記温度補償素子が、ブリッジ内部に配置したゼロ点の温度補償抵抗、および入力側に配置した出力の温度補償抵抗を有してなることを特徴とする。

また本発明は、前記温度補償素子の表面のメッキの材料は、前記ひずみを受感する素子の材料よりも比抵抗が小さく且つ抵抗温度係数が大きい材料であることを特徴とする。

また本発明は、前記温度補償素子の表面のメッキの材料がＣｕであって前記ひずみを受感する素子の材料がＣｕＮｉである、または前記温度補償素子の表面のメッキの材料がＮｉであって前記ひずみを受感する素子の材料がＮｉＣｒであることを特徴とする。

また本発明は、ひずみゲージの製造方法であって、金属箔とポリイミドとの積層シートを作製する工程と、第１のレジストを塗布し乾燥する工程と、温度補償素子のパターンの露光および現像を行う工程と、メッキを施す工程と、前記第１のレジストを剥離する工程と、第２のレジストを塗布し乾燥する工程と、ひずみを受感する素子のパターンおよび前記温度補償素子のパターンの露光および現像を行う工程と、前記ひずみを受感する素子および前記温度補償素子のパターンのエッチングを行う工程と、前記第２のレジストを剥離する工程と、を順に実施することを特徴とする。

本発明によれば、ひずみを受感する素子と温度補償素子との接合部の段差に対する応力集中による疲労破断が発生しにくいひずみゲージおよびその製造方法を提供することができる。

本発明によるひずみゲージの一実施の形態のパターンを示す平面図である。図１に示したひずみゲージ１０を用いたブリッジの回路図である。本発明によるひずみゲージの別の実施の形態のパターンを示す平面図である。図３に示したひずみゲージ１１０を用いたブリッジの回路図である。（ａ）〜（ｉ）は、本発明によるひずみゲージの製造方法の一実施の形態の工程を、工程順に示す側断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明によるひずみゲージの一実施の形態のパターンを示す平面図である。

ひずみゲージ１０は、例えばポリイミド樹脂材料をシート状にしたフレキシブル基板上に金属箔にて形成されるが、基板材料の種類は特には問わない。

本実施形態のひずみゲージ１０は、基板上に電極１９、２０、２１および２２を形成し、ゲージ抵抗素子（受感素子）である素子１１、１２、１３および１４を有するとともに、ゼロ点のバランス（平衡）調整（補償）素子１５および１６、ならびにゼロ点の温度調整（補償）素子１７および１８を有して成る。図１に一点鎖線で囲んで示す領域３５は、図５を参照して後述する製造工程においてメッキを施す領域であり、これにより、ゼロ点の温度調整素子１７および１８は、金属箔上にメッキを施して形成される。

各素子は抵抗によって構成され、ゼロ点のバランス調整素子１５および１６は、ブリッジのゼロ点のバランス調整を行う（補償する）ために必要に応じて抵抗値の調整、例えば金属箔の切り落としを行うものであり、ゼロ点の温度調整素子１７および１８は、ブリッジのゼロ点の温度調整を行う（補償する）ために必要に応じて抵抗値の調整、例えば金属箔、メッキの切り落としを行うものである。

素子１５の一端は電極１９に接続されとともに素子１６の一端に接続され、素子１５の他端は素子１１の一端に接続される。素子１１の他端は電極２０に接続されるとともに素子１３の一端に接続される。素子１３の他端は素子１７の一端に接続される。

素子１７の他端は電極２１に接続されとともに素子１８の一端に接続され、素子１８の他端は素子１４の一端に接続される。素子１４の他端は電極２２に接続されるとともに素子１２の一端に接続される。素子１２の他端は素子１６の他端に接続される。

図２は、図１に示したひずみゲージ１０を用いたブリッジの回路図である。

図２の例は、本実施形態のひずみゲージ１０によってフルブリッジ回路を構成した例である。

この図２のフルブリッジ回路においては、既知のホイートストンブリッジの原理により例えば電極２０と２２との間に入力電圧を印加し、電極１９と２１との間から出力を得て不図示のアンプによって増幅してひずみの検出結果として利用する。本実施の形態において、ゼロ点の温度調整素子１７および１８は、ブリッジ内部に配置している。

本実施の形態では、電極１９、２０、２１および２２、受感素子１１、１２、１３および１４、ならびにゼロ点のバランス調整素子１５および１６を同一の金属箔で形成し、ゼロ点の温度調整素子１７および１８については、他の素子と同様の金属箔に対し、所定の金属によるメッキを施して成る。これらの材料については、図５を参照して製造方法を説明する際に述べる。

本実施の形態によれば、温度補償素子（温度調整素子）とひずみ受感素子とが一体で形成でき、半田接合不要で工程削減、小型化が可能である。

また、本実施の形態によれば、温度補償素子（温度調整素子）が金属箔状のメッキで形成されるので、他の素子との接合部における厚さの差は数μｍであり、応力集中による断線が発生しにくく、高疲労寿命を確保することができる。

図３は、本発明によるひずみゲージの別の実施の形態のパターンを示す平面図である。

ひずみゲージ１１０は、例えばポリイミド樹脂材料をシート状にしたフレキシブル基板上に金属箔にて形成されるが、基板材料の種類は特には問わない。

本実施形態のひずみゲージ１１０は、基板上に電極１９、２０、２１および２２を形成し、ゲージ抵抗素子（受感素子）である素子１１、１２、１３および１４を有するとともに、ゼロ点のバランス（平衡）調整（補償）素子１５および１６、ゼロ点の温度調整（補償）素子１７および１８、ならびに出力の温度調整（補償）素子３０および３１を有して成る。図３に一点鎖線で囲んで示す領域３５、３６および３７は、図５を参照して後述する製造工程においてメッキを施す領域であり、これにより、ゼロ点の温度調整素子１７および１８、ならびに出力の温度調整素子３０および３１は、金属箔上にメッキを施して形成される。

各素子は抵抗によって構成され、ゼロ点のバランス調整素子１５および１６は、ブリッジのゼロ点のバランス調整を行う（補償する）ために必要に応じて抵抗値の調整、例えば金属箔の切り落としを行うものであり、ゼロ点の温度調整素子１７および１８は、ブリッジのゼロ点の温度調整を行う（補償する）ために必要に応じて抵抗値の調整、例えば金属箔、メッキの切り落としを行うものであり、出力の温度調整素子３０および３１は、ブリッジの出力の温度調整を行う（補償する）ために必要に応じて抵抗値の調整、例えば金属箔、メッキの切り落としを行うものである。

素子１５の一端は電極１９に接続されとともに素子１６の一端に接続され、素子１５の他端は素子１１の一端に接続される。素子１１の他端は素子３０の一端に接続されるとともに素子１３の一端に接続される。素子１３の他端は素子１７の一端に接続される。素子３０の他端は電極２０に接続される。

素子１７の他端は電極２１に接続されとともに素子１８の一端に接続され、素子１８の他端は素子１４の一端に接続される。素子１４の他端は素子３１の一端に接続されるとともに素子１２の一端に接続される。素子１２の他端は素子１６の他端に接続される。素子３１の他端は電極２２に接続される。

図４は、図３に示したひずみゲージ１１０を用いたブリッジの回路図である。

図４の例は、本実施形態のひずみゲージ１１０によってフルブリッジ回路を構成した例である。

この図４のフルブリッジ回路においては、既知のホイートストンブリッジの原理により例えば電極２０と２２との間に入力電圧を印加し、電極１９と２１との間から出力を得て不図示のアンプによって増幅してひずみの検出結果として利用する。本実施の形態において、ゼロ点の温度調整素子１７および１８は、ブリッジ内部に配置している。

本実施の形態では、電極１９、２０、２１および２２、受感素子１１、１２、１３および１４、ゼロ点のバランス調整素子１５および１６、ならびに出力の温度調整素子３０および３１を同一の金属箔で形成し、ゼロ点の温度調整素子１７および１８ならびに出力の温度調整素子３０および３１については、他の素子と同様の金属箔に対し、所定の金属によるメッキを施して成る。これらの材料については、図５を参照して製造方法を説明する際に述べる。

図４のブリッジ回路の温度補償は、入力側に配置した出力の温度補償抵抗３０、３１と、ブリッジ内部に配置したゼロ点の温度補償抵抗１７、１８によって実施される。

図５（ａ）〜（ｉ）は、本発明によるひずみゲージの製造方法の一実施の形態の工程を、工程順に示す側断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、金属箔４１とポリイミド４０との積層シートを作製する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、第１のレジスト４２を塗布し乾燥する。

続いて、図５（ｃ）に示すように、温度補償素子（上述の温度補償素子１７および１８、または温度補償素子１７、１８、３０および３１）のパターンの露光および現像を行う。

続いて、図５（ｄ）に示すように、図１に示した領域３５、あるいは図３に示した領域３５、３６および３７に対して所定の金属によるメッキ４３を施す。

続いて、図５（ｅ）に示すように、第１のレジスト４２を剥離する。

続いて、図５（ｆ）に示すように、第２のレジスト４４を塗布し乾燥する。

続いて、図５（ｇ）に示すように、ひずみを受感する素子（上述の受感素子１１、１２、１３および１４）や、温度補償素子（上述の温度補償素子１７および１８、または温度補償素子１７、１８、３０および３１）や、必要に応じてバランス補償素子（上述のバランス補償素子１５および１６）や、配線のパターンの露光および現像を行う工程と、
続いて、図５（ｈ）に示すように、ひずみを受感する素子（上述の受感素子１１、１２、１３および１４）や、温度補償素子（上述の温度補償素子１７および１８、または温度補償素子１７、１８、３０および３１）や、必要に応じてバランス補償素子（上述のバランス補償素子１５および１６）や、配線のパターンのエッチングを行う。なお、ここでは、例えば、塩化第二鉄液による１回のエッチングで２層の金属を同時にエッチングし、パターン形成することができる。

続いて、図５（ｉ）に示すように、第２のレジスト４４を剥離する。

なお、本実施の形態では、図５（ｄ）において、所定の金属によるメッキ４３を施すようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、所定の金属によるスパッタ（蒸着）で温度補償素子を形成するようにしてもよい。

ところで、出力の温度補償は、温度に対して一定な印加電圧をしたとき温度上昇とともに抵抗値が増大する抵抗体によって、実際にブリッジに掛かる電圧を低下させることにより、温度上昇に伴うひずみゲージの感度上昇と起歪体の縦弾性係数低下に伴う感度上昇を相殺する仕組みである。そこで、その材料としては、ＣｕやＮｉなどの抵抗温度係数が大きな抵抗体が適している。

また、ブリッジのゼロ点温度補償について説明すると、ひずみ検出素子（受感素子）は、抵抗温度係数がほぼゼロに近い抵抗体で製作されているが、その微小な違いがブリッジ回路で増幅されるので、ブリッジ内部に比抵抗が小さくて、抵抗温度係数の大きな抵抗で調整し、ゼロ点温度補償をしている。

ここで、温度補償抵抗調整（１７、１８）によって変化したブリッジのバランスを補正するため、抵抗温度係数の小さいブリッジバランス調整抵抗（１５、１６）も使用している。

ところで、ＣｕＮｉ合金に対してＣｕの比抵抗は十分に小さく、ＮｉＣｒ合金に対してＮｉの比抵抗は十分に小さく、それぞれのひずみ測定抵抗体合金の主成分であるので、メッキやスパッタ（蒸着）による密着性もよい。そこで、受感素子１１、１２、１３および１４にＣｕＮｉ合金を用いる場合にはゼロ点の温度調整素子１７および１８や出力の温度調整素子３０および３１はＣｕメッキまたはスパッタで形成し、受感素子１１、１２、１３および１４にＮｉＣｒ合金を用いる場合にはゼロ点の温度調整素子１７および１８や出力の温度調整素子３０および３１はＮｉメッキまたはスパッタで形成するのが望ましい。

以上説明した本発明は、この説明に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で数々の変形および組み合わせが出来ることは勿論である。

１０ひずみゲージ
１１、１２、１３、１４受感素子（ゲージ抵抗素子）
１５、１６ゼロ点のバランス調整素子
１７、１８ゼロ点の温度調整素子
１９、２０、２１、２２電極
３０、３１出力の温度調整素子

Claims

ひずみを受感する素子と、
温度補償素子と、
を一体に形成して成るひずみゲージであって、
前記温度補償素子が、表面にメッキまたはスパッタを施して成る
ことを特徴とするひずみゲージ。
前記ひずみを受感する素子を複数備え、該複数のひずみを受感素子と、
前記温度補償素子と、
でフルブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項１に記載のひずみゲージ。
前記温度補償素子が、ブリッジ内部に配置した温度補償抵抗を有してなることを特徴とする請求項２に記載のひずみゲージ。
前記温度補償素子が、ブリッジ内部に配置したゼロ点の温度補償抵抗、および入力側に配置した出力の温度補償抵抗を有してなることを特徴とする請求項２に記載のひずみゲージ。
前記温度補償素子の表面のメッキの材料は、前記ひずみを受感する素子の材料よりも比抵抗が小さく且つ抵抗温度係数が大きい材料であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のひずみゲージ。
前記温度補償素子の表面のメッキの材料がＣｕであって前記ひずみを受感する素子の材料がＣｕＮｉである、または前記温度補償素子の表面のメッキの材料がＮｉであって前記ひずみを受感する素子の材料がＮｉＣｒであることを特徴とする請求項５に記載のひずみゲージ。
圧延箔とポリイミドとの積層シートを作製する工程と、
第１のレジストを塗布し乾燥する工程と、
温度補償素子のパターンの露光および現像を行う工程と、
メッキを施す工程と、
前記第１のレジストを剥離する工程と、
第２のレジストを塗布し乾燥する工程と、
ひずみを受感する素子のパターンおよび前記温度補償素子のパターンの露光および現像を行う工程と、
前記ひずみを受感する素子および前記温度補償素子のパターンのエッチングを行う工程と、
前記第２のレジストを剥離する工程と、
を順に実施することを特徴とするひずみゲージの製造方法。