JP2020129013A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、ゲージ特性の安定性を向上する。【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と、前記機能層の一方の面に、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、を有する。【選択図】図２
Description
本発明は、ひずみゲージに関する。
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、抵抗体は、例えば、絶縁樹脂からなる基材上に形成されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、可撓性を有する基材を用いた場合、基材上に安定な抵抗体を形成することは困難であり、ゲージ特性（ゲージ率、ゲージ率温度係数ＴＣＳ、及び抵抗温度係数ＴＣＲ）の安定性に欠けるという問題があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、ゲージ特性の安定性を向上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と、前記機能層の一方の面に、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、を有する。
開示の技術によれば、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、ゲージ特性の安定性を向上することができる。
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、機能層２０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、機能層２０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。
機能層２０は、基材１０の上面１０ａに抵抗体３０の下層として形成されている。すなわち、機能層２０の平面形状は、図１に示す抵抗体３０の平面形状と略同一である。機能層２０の厚さは、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度とすることができる。
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２０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２０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（クロム）を含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層２０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２０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。
抵抗体３０は、機能層２０の上面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。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。又、Ｃｒ混相膜に、機能層２０を構成する材料の一部が拡散されてもよい。この場合、機能層２０を構成する材料と窒素とが化合物を形成する場合もある。例えば、機能層２０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。
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。
機能層２０上に抵抗体３０を形成することで、安定な結晶相により抵抗体３０を形成できるため、ゲージ特性（ゲージ率、ゲージ率温度係数ＴＣＳ、及び抵抗温度係数ＴＣＲ）の安定性を向上することができる。
例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、機能層２０を設けることで、α−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とする抵抗体３０を形成することができる。α−Ｃｒは安定な結晶相であるため、ゲージ特性の安定性を向上することができる。
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。抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、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。
又、機能層２０を構成する金属（例えば、Ｔｉ）がＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性を向上することができる。具体的には、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。
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等が接合される。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。
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。
図３は、第１の実施の形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図であり、図２に対応する断面を示している。ひずみゲージ１を製造するためには、まず、図３（ａ）に示す工程では、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに機能層２０を形成する。基材１０及び機能層２０の材料や厚さは、前述の通りである。
機能層２０は、例えば、機能層２０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２０が成膜されるため、機能層２０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２０の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層２０を成膜してもよい。例えば、機能層２０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２０を真空成膜する方法を用いてもよい。
次に、図３（ｂ）に示す工程では、機能層２０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機能層２０並びに抵抗体３０及び端子部４１を図１に示す平面形状にパターニングする。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。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することができる。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。
機能層２０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２０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２０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２０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、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層２０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２０として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。
図３（ｂ）に示す工程の後、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、抵抗体３０の下層に機能層２０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２０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。
［実施例１］
まず、事前実験として、厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる基材１０の上面１０ａに、コンベンショナルスパッタ法により機能層２０としてＴｉを真空成膜した。この際、複数の膜厚を狙ってＴｉを成膜した５個のサンプルを作製した。
まず、事前実験として、厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる基材１０の上面１０ａに、コンベンショナルスパッタ法により機能層２０としてＴｉを真空成膜した。この際、複数の膜厚を狙ってＴｉを成膜した５個のサンプルを作製した。
次に、作製した５個のサンプルについて蛍光Ｘ線（XRF：X‐ray Fluorescence）分析を行い、図４に示す結果を得た。図４のＸ線ピークよりＴｉの存在が確認され、Ｘ線ピークにおける各々のサンプルのＸ線強度より、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲でＴｉ膜の膜厚が制御できることが確認された。
次に、実施例１として、厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる基材１０の上面１０ａに、コンベンショナルスパッタ法により機能層２０として膜厚が３ｎｍのＴｉを真空成膜した。
続いて、機能層２０の上面全体にマグネトロンスパッタ法により抵抗体３０及び端子部４１としてＣｒ混相膜を成膜後、機能層２０並びに抵抗体３０及び端子部４１をフォトリソグラフィによって図１のようにパターニングした。
又、比較例１として、厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる基材１０の上面１０ａに、機能層２０を形成せずに、マグネトロンスパッタ法により抵抗体３０及び端子部４１としてＣｒ混相膜を成膜し、フォトリソグラフィによって図１のようにパターニングした。なお、実施例１のサンプルと比較例１のサンプルにおいて、抵抗体３０及び端子部４１の成膜条件は全て同一である。
次に、実施例１のサンプルと比較例１のサンプルについて、Ｘ線回折（XRD：X‐ray diffraction）評価を行い、図５に示す結果を得た。図５は、２θの回折角度が３６〜４８度の範囲におけるＸ線回折パターンであり、実施例１の回折ピークは比較例１の回折ピークよりも右側にシフトしている。又、実施例１の回折ピークは比較例１の回折ピークよりも高くなっている。
実施例１の回折ピークは、α−Ｃｒ（１１０）の回折線の近傍に位置しており、Ｔｉからなる機能層２０を設けたことにより、α−Ｃｒの結晶成長が促進されてα−Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜が形成されたものと考えられる。
次に、実施例１のサンプルと比較例１のサンプルを複数個作製し、ゲージ特性を測定した。その結果、実施例１の各サンプルのゲージ率は１４〜１６であったのに対し、比較例１の各サンプルのゲージ率は１０未満であった。
又、実施例１の各サンプルのゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲが−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内であったのに対し、比較例１の各サンプルのゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲは−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内には入らなかった。
このように、Ｔｉからなる機能層２０を設けたことにより、α−Ｃｒの結晶成長が促進されてα−Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜が形成され、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／℃の範囲内とするひずみゲージが作製された。なお、Ｃｒ混相膜へのＴｉの拡散効果がゲージ特性の向上に寄与していると考えられる。
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 ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、２０ 機能層、３０ 抵抗体、４１ 端子部、６０ カバー層
Claims (9)
- 可撓性を有する基材と、
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と、
前記機能層の一方の面に、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、を有するひずみゲージ。 - 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１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又は２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３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３又は４に記載のひずみゲージ。
- 前記機能層は、チタンを含む請求項５に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体は、チタンを含む請求項６に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体は、窒化チタンを含む請求項６又は７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８の何れか一項に記載のひずみゲージ。
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