JP2019095338A - ひずみゲージ、センサモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】リード線等との接合強度を向上することが可能な電極構造を有するひずみゲージを提供する。【解決手段】本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、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と、前記抵抗体と電気的に接続された電極と、前記電極及び前記基材に形成されたリード線接続部と、を有し、前記リード線接続部は、前記電極を貫通する貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記基材に設けられた凹部と、を備えている。【選択図】図２
Description
本発明は、ひずみゲージ、センサモジュールに関する。
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、例えば、抵抗体の両端が電極として用いられ、電極には、はんだにより外部接続用のリード線等が接合され、電子部品との信号入出力を可能としている（例えば、特許文献１参照）。
電極とリード線等の接合には、はんだ付け性のみならず接合強度が要求される。はんだ付け性を向上するために電極上にめっきを施す場合もあるが、めっきは必要な厚みが得られなかったり、処理の過程で薄くなったりするため、要求される接合強度を得ることが困難である。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、リード線等との接合強度を向上することが可能な電極構造を有するひずみゲージを提供することを目的とする。
本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、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と、前記抵抗体と電気的に接続された電極と、前記電極及び前記基材に形成されたリード線接続部と、を有し、前記リード線接続部は、前記電極を貫通する貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記基材に設けられた凹部と、を備えている。
開示の技術によれば、リード線等との接合強度を向上することが可能な電極構造を有するひずみゲージを提供することができる。
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。
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の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の実施の形態に係るひずみゲージ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、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。
図１は、第１の実施の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の実施の形態に係るひずみゲージ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、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。
なお、本実施の形態では、便宜上、ひずみゲージ１において、基材１０の抵抗体３０が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体３０が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体３０が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、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。
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、接着層等を介して基材１０の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、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。
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。
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。
抵抗体３０は、基材１０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３０は、基材１０の上面１０ａに直接形成されてもよいし、基材１０の上面１０ａ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。
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。
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。
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。
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。
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り、例えば、外部接続用のリード線が接合される。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。
端子部４１及び基材１０には、リード線接続部７０が設けられている。リード線接続部７０は、基材１０に設けられた凹部１０ｘと、平面視で凹部１０ｘの周囲に位置する端子部４１が凹部１０ｘ内に延在し、少なくとも凹部１０ｘの側壁を被覆して形成された延在部４１ｘとを備えている。
凹部１０ｘは基材１０の上面１０ａ側に開口し、基材１０を貫通せず、凹部１０ｘの底面は基材１０内に存在している。
延在部４１ｘは、平面視で凹部１０ｘの周囲に位置する端子部４１が凹部１０ｘ内に延在し、凹部１０ｘの側壁から底面を連続的に被覆して形成されてもよい。
リード線接続部７０の凹部１０ｘ内に外部接続用のリード線の端部が挿入され、はんだや導電性ペースト等の接合材を介して延在部４１ｘと接合されることで、端子部４１とリード線との接合信頼性を向上することができる。
凹部１０ｘの平面形状は、リード線の端部が挿入できれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の円形とすることができる。凹部１０ｘの深さは、リード線の端部が挿入できれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、基材１０の厚さの半分程度とすることができる。
抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層６０（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層６０を設けることで、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、カバー層６０を設けることで、抵抗体３０を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０は、端子部４１を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
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。
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の上面１０ａ側から内方に窪むように凹部１０ｘを形成する。凹部１０ｘは、例えば、レーザ加工法により形成できる。
次に、基材１０の上面１０ａ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。この際、端子部４１は、凹部１０ｘ内に延在し、端子部４１の凹部１０ｘ内に延在する部分は、少なくとも凹部１０ｘの側壁を被覆して延在部４１ｘを形成する。端子部４１は、凹部１０ｘの側壁から底面を連続的に被覆して延在部４１ｘを形成してもよい。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。
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。
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の上面１０ａ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、機能層の上面全体に抵抗体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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
抵抗体３０及び端子部４１を形成後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１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１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１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することができる。カバー層６０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１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。
このように、ひずみゲージ１には、凹部１０ｘを備えたリード線接続部７０が設けられている。これにより、リード線接続部７０の凹部１０ｘ内に外部接続用のリード線の端部を挿入し、はんだや導電性ペースト等の接合材を介して端子部４１と接合することができる。
この場合、リード線の端部は、接合材を介して平面視で凹部１０ｘの周囲に位置する端子部４１と接合されると共に、端子部４１が凹部１０ｘ内に延在した延在部４１ｘとも接合される。すなわち、凹部の形成されていない端子部にリード線の端部を接合する場合と比べ、端子部４１とリード線の端部との接合面積が増加するため、両者の接合信頼性を向上できる。
又、凹部１０ｘ内に外部接続用のリード線の端部を挿入できるため、凹部の形成されていない端子部にリード線を位置決めする場合と比べ、リード線の位置決め作業が容易になる。その結果、はんだ接合し直しのような、端子部とリード線との接合強度低下の一因となるような作業の発生を防止できる。
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図３は、第１の実施の形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図３を参照するに、ひずみゲージ１Ａは、リード線接続部７０が、リード線接続部７０Ａに置換された点が、ひずみゲージ１（図１及び図２等参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ａにおいて、端子部４１及び基材１０には、リード線接続部７０Ａが設けられている。リード線接続部７０Ａは、電極となる端子部４１を貫通する貫通孔４１ｙと、貫通孔４１ｙと連通して基材１０に設けられた凹部１０ｘとを備えている。凹部１０ｘは基材１０を貫通せず、凹部１０ｘの底面は基材１０内に存在している。
ひずみゲージ１Ａを製造するためには、まず、基材１０を準備し、凹部１０ｘを形成せずに、平坦な基材１０の上面１０ａ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を形成する方法については、第１の実施の形態と同様である。その後、ドライエッチングやブラスト処理等により、貫通孔４１ｙ、及び貫通孔４１ｙと連通する凹部１０ｘを形成することができる。
このように、平面視で凹部１０ｘの周囲に位置する端子部４１は凹部１０ｘ内に延在しなくてもよい。
この場合にも、リード線の端部は、接合材を介して平面視で凹部１０ｘの周囲に位置する端子部４１と接合されると共に、貫通孔４１ｙの側壁とも接合される。すなわち、凹部の形成されていない端子部にリード線の端部を接合する場合と比べ、端子部４１とリード線の端部との接合面積が増加するため、両者の接合信頼性を向上できる。
又、貫通孔４１ｙ及び凹部１０ｘ内に外部接続用のリード線の端部を挿入できるため、凹部の形成されていない端子部にリード線を位置決めする場合と比べ、リード線の位置決め作業が容易になる。その結果、はんだ接合し直しのような、端子部とリード線との接合強度低下の一因となるような作業の発生を防止できる。
〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第１の実施の形態の変形例２では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図４は、第１の実施の形態の変形例２に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図４を参照するに、ひずみゲージ１Ｂは、リード線接続部７０が、リード線接続部７０Ｂに置換された点が、ひずみゲージ１（図１及び図２等参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ｂにおいて、端子部４１及び基材１０には、リード線接続部７０Ｂが設けられている。リード線接続部７０Ｂは、電極となる端子部４１を貫通する貫通孔４１ｙと、貫通孔４１ｙと連通して基材１０に設けられた凹部１０ｘとを備えている。凹部１０ｘは基材１０を貫通せず、凹部１０ｘの底面は基材１０内に存在している。端子部４１において、平面視で貫通孔４１ｙの周辺部に位置する領域は、端子部４１の他の領域の表面から環状に突出して突出部４１ｔを形成している。
ひずみゲージ１Ｂを製造するためには、まず、基材１０を準備し、凹部１０ｘを形成せずに、平坦な基材１０の上面１０ａ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を形成する方法については、第１の実施の形態と同様である。その後、レーザ加工法により、貫通孔４１ｙ、及び貫通孔４１ｙと連通する凹部１０ｘを形成することができる。
レーザ加工法を用いると、レーザを照射して貫通孔４１ｙを形成する際に、熱の影響により端子部４１が変形し、平面視で貫通孔４１ｙの周辺部に位置する領域は、端子部４１の他の領域の表面から環状に突出して突出部４１ｔを形成する。
このように、端子部４１において、平面視で貫通孔４１ｙの周辺部に位置する領域に突出部４１ｔを形成してもよい。
この場合、突出部４１ｔを形成しない場合（図３参照）と比べて、貫通孔４１ｙの側壁の深さ方向の長さを長くすることができる。これにより、突出部４１ｔを形成しない場合（図３参照）と比べて、リード線の端部が端子部４１と接合される面積が増えるため、両者の接合信頼性を更に向上できる。
又、貫通孔４１ｙ及び凹部１０ｘ内に外部接続用のリード線の端部を挿入できるため、凹部の形成されていない端子部にリード線を位置決めする場合と比べ、リード線の位置決め作業が容易になる。その結果、はんだ接合し直しのような、端子部とリード線との接合強度低下の一因となるような作業の発生を防止できる。
〈第１の実施の形態の変形例３〉
第１の実施の形態の変形例３では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例３において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第１の実施の形態の変形例３では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例３において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図５は、第１の実施の形態の変形例３に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図５を参照するに、ひずみゲージ１Ｃは、リード線接続部７０が、リード線接続部７０Ｃに置換された点、及び基材１０の下面１０ｂに絶縁層８０が形成された点が、ひずみゲージ１（図１及び図２等参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ｃにおいて、端子部４１及び基材１０には、リード線接続部７０Ｃが設けられている。リード線接続部７０Ｃは、基材１０に設けられた凹部１０ｙと、平面視で凹部１０ｙの周囲に位置する端子部４１が凹部１０ｙ内に延在し、凹部１０ｙの側壁を被覆して形成された延在部４１ｚとを備えている。
凹部１０ｙは基材１０を貫通し、凹部１０ｙの底面は、絶縁層８０の上面８０ａにより形成されている。
ひずみゲージ１Ｃを製造するためには、まず、基材１０を準備し、レーザ加工法等により、基材１０を貫通する貫通孔を形成する。次に、基材１０の上面１０ａ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。この際、端子部４１は、貫通孔内に延在し、貫通孔の側壁を被覆して延在部４１ｚを形成する。次に、基材１０の下面１０ｂに、絶縁層８０をラミネートする。絶縁層８０の上面８０ａにより貫通孔の底面が形成され、凹部１０ｙを形成することができる。
このように、リード線接続部を構成する凹部の底面を別部材により形成してもよい。この場合にも、ひずみゲージ１の場合と同様の効果が得られる。なお、図５において、基材１０と絶縁層８０との総厚を図２の基材１０の厚さと同じにすることで、図２とほぼ同様の構造を得ることができる。
なお、後述のように、接着層を介してひずみゲージの基材の下面を起歪体に固着してセンサモジュールを構成する場合には、接着層が絶縁層８０の機能を兼ねることができる。この場合には、ひずみゲージ１Ｃは絶縁層８０を有していなくてもよい。
〈第１の実施の形態の変形例４〉
第１の実施の形態の変形例４では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例４において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第１の実施の形態の変形例４では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例４において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図６は、第１の実施の形態の変形例４に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図６を参照するに、ひずみゲージ１Ｄは、リード線接続部７０が、リード線接続部７０Ｄに置換された点、及び基材１０の下面１０ｂに絶縁層８０が形成された点が、ひずみゲージ１（図１及び図２等参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ｄにおいて、端子部４１及び基材１０には、リード線接続部７０Ｄが設けられている。リード線接続部７０Ｄは、電極となる端子部４１を貫通する貫通孔４１ｙと、貫通孔４１ｙと連通して基材１０に設けられた凹部１０ｙとを備えている。
凹部１０ｙは基材１０を貫通し、凹部１０ｙの底面は、絶縁層８０の上面８０ａにより形成されている。
ひずみゲージ１Ｄを製造するためには、まず、基材１０を準備し、凹部や貫通孔を形成せずに、平坦な基材１０の上面１０ａ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を形成する方法については、第１の実施の形態と同様である。その後、ドライエッチングやブラスト処理等により、貫通孔４１ｙ、及び貫通孔４１ｙと連通する貫通孔を形成することができる。次に、基材１０の下面１０ｂに、絶縁層８０をラミネートする。絶縁層８０の上面８０ａにより貫通孔の底面が形成され、貫通孔４１ｙと連通する凹部１０ｙを形成することができる。
このように、平面視で凹部１０ｙの周囲に位置する端子部４１は凹部１０ｙ内に延在しなくてもよい。この場合にも、ひずみゲージ１Ａの場合と同様の効果が得られる。なお、図６において、基材１０と絶縁層８０との総厚を図３の基材１０の厚さと同じにすることで、図３とほぼ同様の構造を得ることができる。
なお、後述のように、接着層を介してひずみゲージの基材の下面を起歪体に固着してセンサモジュールを構成する場合には、接着層が絶縁層８０の機能を兼ねることができる。この場合には、ひずみゲージ１Ｄは絶縁層８０を有していなくてもよい。
〈第１の実施の形態の変形例５〉
第１の実施の形態の変形例５では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例５において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第１の実施の形態の変形例５では、第１の実施の形態とは異なるリード線接続部を有するひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例５において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図７は、第１の実施の形態の変形例５に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図７を参照するに、ひずみゲージ１Ｅは、リード線接続部７０が、リード線接続部７０Ｅに置換された点、及び基材１０の下面１０ｂに絶縁層８０が形成された点が、ひずみゲージ１（図１及び図２等参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ｅにおいて、端子部４１及び基材１０には、リード線接続部７０Ｅが設けられている。リード線接続部７０Ｅは、電極となる端子部４１を貫通する貫通孔４１ｙと、貫通孔４１ｙと連通して基材１０に設けられた凹部１０ｙとを備えている。
凹部１０ｙは基材１０を貫通し、凹部１０ｙの底面は、絶縁層８０の上面８０ａにより形成されている。端子部４１において、平面視で貫通孔４１ｙの周辺部に位置する領域は、端子部４１の他の領域の表面から環状に突出して突出部４１ｔを形成している。
ひずみゲージ１Ｅを製造するためには、まず、基材１０を準備し、凹部や貫通孔を形成せずに、平坦な基材１０の上面１０ａ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を形成する方法については、第１の実施の形態と同様である。その後、レーザ加工法により、貫通孔４１ｙ、及び貫通孔４１ｙと連通する貫通孔を形成することができる。次に、基材１０の下面１０ｂに、絶縁層８０をラミネートする。絶縁層８０の上面８０ａにより貫通孔の底面が形成され、貫通孔４１ｙと連通する凹部１０ｙを形成することができる。
レーザ加工法を用いると、レーザを照射して貫通孔４１ｙを形成する際に、熱の影響により端子部４１が変形し、平面視で貫通孔４１ｙの周辺部に位置する領域は、端子部４１の他の領域の表面から環状に突出して突出部４１ｔを形成する。
このように、端子部４１において、平面視で貫通孔４１ｙの周辺部に位置する領域に突出部４１ｔを形成してもよい。この場合にも、ひずみゲージ１Ｂの場合と同様の効果が得られる。なお、図７において、基材１０と絶縁層８０との総厚を図４の基材１０の厚さと同じにすることで、図４とほぼ同様の構造を得ることができる。
なお、後述のように、接着層を介してひずみゲージの基材の下面を起歪体に固着してセンサモジュールを構成する場合には、接着層が絶縁層８０の機能を兼ねることができる。この場合には、ひずみゲージ１Ｅは絶縁層８０を有していなくてもよい。
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、ひずみゲージを用いたセンサモジュールの例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第２の実施の形態では、ひずみゲージを用いたセンサモジュールの例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図８は、第２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２に対応する断面を示している。図８を参照するに、センサモジュール５は、ひずみゲージ１と、リード線１００とを有している。
リード線１００は、例えば、導体部１０１と、導体部１０１を被覆する絶縁部１０２とを有している。リード線１００の端部には導体部１０１が露出している。リード線１００の端部に露出する導体部１０１は、リード線接続部７０を構成する凹部１０ｘ内に挿入され、接合材１１０を介して平面視で凹部１０ｘの周囲に位置する端子部４１と接合されると共に、端子部４１が凹部１０ｘ内に延在した延在部４１ｘとも接合されている。
リード線１００は、例えば、凹部１０ｘに接合材１１０となるはんだを流し、ホットプレスで接合することができる。
なお、リード線１００と端子部４１との接合信頼性を十分に確保できる場合には、リード線１００の端部に露出する導体部１０１は、平面視で凹部１０ｘの周囲に位置する端子部４１とは接合せずに、端子部４１が凹部１０ｘ内に延在した延在部４１ｘのみと接合してもよい。この場合、導体部１０１は、延在部４１ｘを介して端子部４１と電気的に接続される。
このように、センサモジュール５では、ひずみゲージ１の端子部４１とリード線１００の端部に露出する導体部１０１とを広い接合面積で接合できるため、両者の接合信頼性を向上できる
なお、センサモジュール５において、ひずみゲージ１に代えて、ひずみゲージ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、又は１Ｅを用いてもよい。
なお、センサモジュール５において、ひずみゲージ１に代えて、ひずみゲージ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、又は１Ｅを用いてもよい。
〈第２の実施の形態の変形例１〉
第２の実施の形態の変形例１では、第２の実施の形態とは異なるセンサモジュールの例を示す。なお、第２の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第２の実施の形態の変形例１では、第２の実施の形態とは異なるセンサモジュールの例を示す。なお、第２の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図９は、第２の実施の形態の変形例１に係るセンサモジュールを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図９を参照するに、センサモジュール５Ａは、ひずみゲージ１と、起歪体１２０と、接着層１３０とを有している。
センサモジュール５Ａにおいて、起歪体１２０の上面１２０ａは、接着層１３０を介して、基材１０の下面１０ｂと固着されている。起歪体１２０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する（ひずみを生じる）物体である。ひずみゲージ１は、起歪体１２０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。
接着層１３０は、ひずみゲージ１と起歪体１２０とを固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。接着層１３０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。
センサモジュール５Ａ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１２０の上面１２０ａに、例えば、接着層１３０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１２０の上面１２０ａと対向させ、塗布した材料を挟んで起歪体１２０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１２０と基材１０との間に挟み込むようにしても良い。
次に、ひずみゲージ１を起歪体１２０側に押圧しながら所定温度に加熱し、塗布した材料を硬化させて接着層１３０を形成する。これにより、接着層１３０を介して起歪体１２０の上面１２０ａと基材１０の下面１０ｂとが固着され、センサモジュール５Ａが完成する。センサモジュール５Ａ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。
なお、センサモジュール５Ａにおいて、ひずみゲージ１に代えて、ひずみゲージ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、又は１Ｅを用いてもよい。又、センサモジュール５Ａと同様に、接合材１１０を用いてリード線１００をリード線接続部７０に接合してもよい。
〈第２の実施の形態の変形例２〉
第２の実施の形態の変形例２では、第２の実施の形態とは異なるセンサモジュールの他の例を示す。なお、第２の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
第２の実施の形態の変形例２では、第２の実施の形態とは異なるセンサモジュールの他の例を示す。なお、第２の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図１０は、第２の実施の形態の変形例２に係るセンサモジュールを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図１０を参照するに、センサモジュール５Ｂは、ひずみゲージ１がひずみゲージ１Ｆに置換された点が、センサモジュール５Ａ（図９参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ｆは、ひずみゲージ１Ｃにおいて絶縁層８０を設けない構造としたものである。
リード線接続部７０Ｃは、基材１０に設けられた凹部１０ｙと、平面視で凹部１０ｙの周囲に位置する端子部４１が凹部１０ｙ内に延在し、凹部１０ｙの側壁を被覆して形成された延在部４１ｚとを備えている。凹部１０ｙは基材１０を貫通し、凹部１０ｙの底面は、接着層１３０の上面１３０ａにより形成されている。
このように、接着層１３０として絶縁性を有する材料を用いることにより、接着層１３０が絶縁層８０の機能を兼ねることができる。すなわち、起歪体１２０が導電体である場合に、接着層１３０が、起歪体１２０と端子部４１が凹部１０ｙ内に延在した延在部４１ｚとを絶縁することができる。
なお、センサモジュール５Ｂにおいて、ひずみゲージ１Ｆは、ひずみゲージ１Ｄ又は１Ｅにおいて絶縁層８０を設けない構造としてもよい。又、センサモジュール５と同様に、接合材１１０を用いてリード線１００をリード線接続部７０Ｃに接合してもよい。
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。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ ひずみゲージ、５、５Ａ、５Ｂ センサモジュール、１０ 基材、１０ａ、８０ａ、１２０ａ 上面、１０ｂ 下面、１０ｘ、１０ｙ 凹部、４１ｘ、４１ｚ 延在部、３０ 抵抗体、４１ 端子部、４１ｔ 突出部、４１ｙ 貫通孔、６０ カバー層、７０、７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ、７０Ｅ リード線接続部、８０ 絶縁層、１００ リード線、１０１ 導体部、１０２ 絶縁部、１１０ 接合材、１２０ 起歪体、１３０ 接着層
Claims (15)
- 可撓性を有する基材と、
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と、
前記抵抗体と電気的に接続された電極と、
前記電極及び前記基材に形成されたリード線接続部と、を有し、
前記リード線接続部は、前記電極を貫通する貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記基材に設けられた凹部と、を備えているひずみゲージ。 - 可撓性を有する基材と、
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と、
前記抵抗体と電気的に接続された電極と、
前記電極及び前記基材に形成されたリード線接続部と、を有し、
前記リード線接続部は、前記基材に設けられた凹部と、平面視で前記凹部の周囲に位置する前記電極が前記凹部内に延在し、少なくとも前記凹部の側壁を被覆して形成された延在部と、を備えているひずみゲージ。 - 前記電極の前記貫通孔の周辺部に位置する領域は、前記電極の他の領域の表面から環状に突出している請求項１に記載のひずみゲージ。
- 前記凹部の底面は、前記基材内に存在する請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記基材の前記抵抗体とは反対側に絶縁層が形成され、
前記凹部の底面は、前記絶縁層の表面により形成されている請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。 - 前記抵抗体は、アルファクロムを主成分とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体は、アルファクロムを８０重量％以上含む請求項６に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体は、窒化クロムを含む請求項６又は７に記載のひずみゲージ。
- 前記基材の一方の面に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層を有し、
前記抵抗体は、前記機能層の一方の面に形成されている請求項１乃至８の何れか一項に記載のひずみゲージ。 - 前記機能層は、前記抵抗体の結晶成長を促進する機能を有する請求項９に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層を有する請求項１乃至１０の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のひずみゲージと、
前記電極と電気的に接続されたリード線と、を有し、
前記リード線接続部の前記凹部内に前記リード線の端部が挿入され、接合材を介して前記電極と電気的に接続されているセンサモジュール。 - 請求項１乃至１１の何れか一項に記載のひずみゲージと、
前記基材の他方の面側に設けられた起歪体と、を有するセンサモジュール。 - ひずみゲージと、接着層を介して前記ひずみゲージに設けられた起歪体と、を有するセンサモジュールであって、
前記ひずみゲージは、
可撓性を有する基材と、
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と、
前記抵抗体と電気的に接続された電極と、
前記電極及び前記基材に形成されたリード線接続部と、を有し、
前記リード線接続部は、前記基材に設けられた凹部と、平面視で前記凹部の周囲に位置する前記電極が前記凹部内に延在し、前記凹部の側壁を被覆して形成された延在部と、を備え、
前記凹部の底面は、前記基材の前記抵抗体とは反対側に設けられた前記接着層の表面により形成されているセンサモジュール。 - 前記電極と電気的に接続されたリード線を有し、
前記リード線接続部の前記凹部内に前記リード線の端部が挿入され、接合材を介して前記電極と電気的に接続されている請求項１３又は１４に記載のセンサモジュール。
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