JP2021152533A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】抵抗体に重畳されるノイズを低減可能なひずみゲージを提供する。【解決手段】本ひずみゲージは、可撓性を有する樹脂製の基材と、前記基材の一方の側に、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、前記基材の他方の側に形成された導電層と、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、従来のひずみゲージでは、抵抗体に重畳されるノイズが比較的大きく、測定精度の低下に繋がっていた。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、抵抗体に重畳されるノイズを低減可能な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、可撓性を有する樹脂製の基材と、前記基材の一方の側に、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、前記基材の他方の側に形成された導電層と、を有する。
開示の技術によれば、抵抗体に重畳されるノイズを低減可能なひずみゲージを提供できる。
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実施形態〉
図１は、第１実施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実施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を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、端子部４１と、導電層５０とを有している。
図１は、第１実施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実施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を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、端子部４１と、導電層５０とを有している。
なお、本実施形態では、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、ＬＣＰ（液晶ポリマー）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、Ｃｕ−Ｎｉ（銅ニッケル）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。
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く、９０重量％以上含むことが更に好ましい。なお、α−Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。
又、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎは２０重量％以下であることが好ましい。Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎが２０重量％以下であることで、ゲージ率の低下を抑制できる。
又、ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合は８０％以上９０％未満であることが好ましく、９０％以上９５％未満であることが更に好ましい。ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合が９０％以上９５％未満であることで、半導体的な性質を有するＣｒ２Ｎにより、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。
一方で、膜中に微量のＮ２もしくは原子状のＮが混入、存在した場合、外的環境（例えば高温環境下）によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なＣｒＮの創出により上記不安定なＮを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。
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できる。
導電層５０は、基材１０の下面１０ｂに形成されている。導電層５０は、抵抗体に重畳されるノイズを低減するために形成される層であり、基材１０よりも電気伝導率が高い材料から形成される。基材１０の下面１０ｂに導電層５０を形成して抵抗体に重畳されるノイズを低減することで、ひずみゲージ１の測定精度の低下を抑制できる。
基材１０の下面１０ｂに導電層５０を形成することで、例えば、静電気などのノイズが出やすい環境（例えば、低湿度）での測定において、ＴＣＲ値やひずみ印加時の出力電圧のバラつきが小さくなる等の効果が得られる。特に、Ｃｒ混相膜を用いたゲージ率が１０以上の高感度なひずみゲージは、感度が高いためにモータなどの測定対象物から発生した静電気の影響を受けやすく、基材への静電気の蓄積により、出力電圧に測定誤差やばらつきが生じやすい。そのため、Ｃｒ混相膜を用いたゲージ率が１０以上の高感度なひずみゲージにおいて、導電層５０を形成する効果が特に顕著である。
なお、導電層５０は、基準電位（ＧＮＤ）と電気的に接続されることが好ましい。或いは、ひずみゲージ１を起歪体に貼り付ける際に、導電層５０が起歪体と同電位になるようにしてもよい。何れの場合もノイズ低減に有利である。
導電層５０は、例えば、金属、合金、金属及び／又は合金を積層した積層膜、から形成できる。より具体的には、導電層５０の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｃｒ等、これら何れかの金属の合金、又は、これら何れかの金属や合金を適宜積層した積層膜が挙げられる。導電層５０の材料として、抵抗体３０と同じ材料（例えば、Ｃｒ混相膜）を用いてもよい。
或いは、導電性を有する材料であれば、導電層５０の材料として、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）等の酸化膜や、導電性フィラーを含有する樹脂膜等を用いてもよい。
導電層５０の厚さは、例えば、０．１μｍ以上５μｍ以下とすることができる。導電層５０の厚さを０．１μｍ以上とすることで、十分なノイズ低減効果が得られる。導電層５０の厚さを５μｍ以下とすることで、導電層５０にクラックが入ることなく容易に成膜できる。
又、基材１０の下面１０ｂに導電層５０を形成することで、基材１０の帯電を防止する効果や、ひずみゲージ１の熱分布を均一化する効果、基材１０の吸水を防止する効果が得られる。
例えば、基材１０となる絶縁樹脂フィルムをロールから巻き出し、所定の処理を施す工程が行われる場合がある。この場合、導電層５０が形成されていないと、絶縁樹脂フィルムをロールから巻き出す際に、絶縁樹脂フィルムの巻内と巻外が剥がれて静電気が発生し、絶縁樹脂フィルムの表面が帯電する。この絶縁樹脂フィルムの表面の帯電により絶縁樹脂フィルムの表面にコンタミが付着し、歩留まりが低下する。基材１０の下面１０ｂに導電層５０を形成することで、基材１０の帯電を防止可能となり、基材１０の表面へのコンタミの付着を抑制できる。なお、基材１０の上面１０ａ側は、抵抗体３０により帯電が防止される。
導電層５０のシート抵抗は、１０４［Ω／□］以下では帯電しなくなり、１０８〜１０４［Ω／□］では帯電しにくくなり、１０１１〜１０８［Ω／□］では帯電はするが帯電を減衰できる。帯電防止の効果を得る場合には、これらの点を考慮し、取り扱う環境等によって、導電層５０のシート抵抗を適宜選択することが好ましい。なお、シート抵抗は、導電層５０の膜厚を変えることで調整できる。
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の下面１０ｂに導電層５０を形成する。導電層５０の材料や厚さは、前述の通りである。導電層５０は、例えば、圧延箔のラミネートにより、基材１０の下面１０ｂに形成できる。導電層５０は、スパッタ法やめっき法等により、基材１０の下面１０ｂに形成してもよい。このように、最初に基材１０の下面１０ｂに導電層５０を形成することで、後工程でロールを用いる場合があっても、基材１０の帯電を防止可能となり、基材１０の表面へのコンタミの付着を抑制できる。
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。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、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ等が挙げられる。
上記の金属や金属の化合物等の中でも、特に、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、Ｔｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＮｉＣｒ、Ｎｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４を用いることが好ましい。これらの材料を用いると、抵抗体３０の結晶成長を均一に促進する効果が得られるからである。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／５以下であることが好ましい。このような範囲であると、α−Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／１０以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α−Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／１００以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ〜１μｍとすることが好ましい。このような範囲であると、α−Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ〜０．８μｍとすることよりが好ましい。このような範囲であると、α−Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ〜０．５μｍとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α−Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層クラックが入ることなく一層容易に成膜できる。
なお、機能層の平面形状は、例えば、図１に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。或いは、機能層は、基材１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
又、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを０．０５μｍ以上１μｍ以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材１０側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ１において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
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。この際、窒素ガスの導入量や圧力（窒素分圧）を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合を調整できる。
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。
なお、抵抗体３０及び端子部４１の下地層として基材１０の上面１０ａに機能層を設けた場合には、ひずみゲージ１は図３に示す断面形状となる。符号２０で示す層が機能層である。機能層２０を設けた場合のひずみゲージ１の平面形状は、図１と同様である。
又、図４に示すように、基材１０の上面１０ａに機能層２０を設け、基材１０の下面１０ｂに機能層２１を設けてもよい。この場合、機能層２０と機能層２１とが同一材料から同一厚さに形成され、抵抗体３０及び端子部４１と導電層５０とが同一材料から同一厚さに形成されてもよい。このような構造とすることで、基材１０に対して上下の層構造が略対称となるため、ひずみゲージ１の反りを低減できる。
なお、ここでいう同一厚さは、設計上の同一厚さであり、製造バラツキ程度に厚さが異なる場合も含むものとする。このような場合も、ひずみゲージ１の反りを低減する効果が得られる。
〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施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実施形態の変形例１では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施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実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する断面図である。図５を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、基材１０の下面１０ｂ側に無機材料から形成された絶縁層７０を有し、導電層５０が絶縁層７０の基材１０とは反対側に積層されている点が、ひずみゲージ１（図１、図２等参照）と相違する。
絶縁層７０は、基材１０の下面１０ｂに直接形成されている。絶縁層７０の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ等の金属やそれらを含む合金の酸化物や窒化物、窒酸化物が挙げられる。絶縁層７０の材料として、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体の酸化物や窒化物、窒酸化物を用いてもよい。絶縁層７０の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜２μｍ程度とすることができる。
絶縁層７０の形成方法は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、スパッタ法、めっき法、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法等の真空プロセスや、スピンコート法やゾルゲル法等の溶液プロセスが挙げられる。
絶縁層７０を形成することで、抵抗体３０に電流が流れて発熱し、基材１０に伝わった熱を導電層５０に効率よく伝え、導電層５０から放熱できる。その結果、ひずみゲージにおいて、抵抗体３０の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例２において、既に説明した実施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実施形態の変形例２では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例２において、既に説明した実施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実施形態の変形例２に係るひずみゲージを例示する断面図である。図６を参照すると、ひずみゲージ１Ｂは、基材１０の両面に導電層が形成された点が、ひずみゲージ１（図１、図２等参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ｂは、基材１０の下面１０ｂに形成された導電層５０と、基材１０の上面１０ａに形成された導電層５１と、導電層５１の基材１０とは反対側に積層された絶縁層７１とを有している。そして、抵抗体３０及び端子部４１は、絶縁層７１の導電層５１とは反対側に積層されている。
導電層５１の材料や厚さは、第１実施形態において導電層５０について例示した材料や厚さの範囲から適宜選択できる。但し、導電層５１の材料や厚さは、導電層５０の材料や厚さと同一であってもよいし、異なっていてもよい。絶縁層７１の材料や厚さは、第１実施形態の変形例１において絶縁層７０について例示した材料や厚さの範囲から適宜選択できる。
このように、基材１０の両面に導電層が形成されてもよい。これにより、端子部４１間に発生するノイズを低減する効果、基材１０の帯電を防止する効果、ひずみゲージ１Ｂの熱分布を均一化する効果、及び基材１０の吸水を防止する効果を基材１０の片面に導電層が設けられている場合よりも向上できる。
なお、ひずみゲージ１Ｂにおいて、基材１０の下面１０ｂと導電層５０の上面との間にひずみゲージ１Ａと同様に絶縁層７０を形成してもよい。
〈第１実施形態の変形例３〉
第１実施形態の変形例３では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例３において、既に説明した実施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実施形態の変形例３では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例３において、既に説明した実施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実施形態の変形例３に係るひずみゲージを例示する断面図である。図７を参照すると、ひずみゲージ１Ｃは、基材１０の上面１０ａに形成された絶縁層７２を有し、導電層５１が絶縁層７２の基材１０とは反対側に積層された点が、ひずみゲージ１Ｂ（図６参照）と相違する。又、ひずみゲージ１Ｃは、基材１０の下面１０ｂに絶縁層７０を有し、導電層５０が絶縁層７０の基材１０とは反対側に積層された点が、ひずみゲージ１Ｂ（図６参照）と相違する。
絶縁層７２の材料や厚さは、第１実施形態の変形例１において絶縁層７０について例示した材料や厚さの範囲から適宜選択できる。但し、絶縁層７０、７１、及び７２の各々の材料や厚さは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
このように、基材１０の両面に絶縁層が形成されてもよい。これにより、基材の形状安定性向上の効果が得られる。
〈第１実施形態の変形例４〉
第１実施形態の変形例４では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例４において、既に説明した実施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実施形態の変形例４では、第１実施形態とは層構造が異なるひずみゲージの更に他の例を示す。なお、第１実施形態の変形例４において、既に説明した実施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１実施形態の変形例４に係るひずみゲージを例示する断面図である。図８を参照すると、ひずみゲージ１Ｄは、絶縁層７３が、導電層５０の基材１０とは反対側に積層された点が、ひずみゲージ１Ｂ（図６参照）と相違する。
絶縁層７３の材料や厚さは、第１実施形態の変形例１において絶縁層７０について例示した材料や厚さの範囲から適宜選択できる。但し、絶縁層７１及び７３の各々の材料や厚さは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
例えば、導電層５０及び５１を同一の金属から形成し、絶縁層７１及び７３を導電層５０及び５１を構成する金属の酸化物から形成してもよい。具体的には、例えば、導電層５０及び５１をＡｌで形成し、絶縁層７１及び７３をＡｌの酸化物から形成してもよい。この場合には、基材１０の上面１０ａにＡｌからなる導電層５１を形成し、基材１０の下面１０ｂにＡｌからなる導電層５０を形成した後、熱処理することで、導電層５１の上面側にＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層７１を、導電層５０の下面側にＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層７３を形成できる。導電層５０及び５１が同一材料であるから、熱処理により形成された絶縁層７１と絶縁層７３とは同一厚さになる。
例えば、導電層５０及び５１をＡｌで同一厚さに形成した場合には、導電層５１と絶縁層７１を合わせた厚さと、導電層５０と絶縁層７３を合わせた厚さとが同一となり、基材１０に対して上下の層構造が略対称となるため、ひずみゲージ１Ｄの反りを低減できる。
なお、導電層５０及び５１は、圧延箔のラミネートにより形成してもよいし、スパッタ法やめっき法等により形成してもよいが、Ａｌを用いる場合は、圧延よりもスパッタ法やめっき法等により形成した薄膜の方が好ましい。Ａｌを圧延する場合には異方性を持つため、Ｃｒ混相膜を用いた高感度なひずみゲージではゲージ特性が不安定になる。これに対して、薄膜で形成したＡｌでは等方性が増すため、縦横の応力が緩和され、サンプル間のゲージ特性のバラつきが小さくなり歩留まりが改善する。
［実施例１］
まず、図１に示すひずみゲージ１を用い、フルブリッジ回路を作製した。基材１０としては厚さが約２５μｍのポリイミド膜を用い、抵抗体３０としては厚さが約０．２μｍのＣｒ混相膜を用い、導電層５０としては厚さが約０．５μｍのＡｌ膜を用いた。カバー層６０は形成していない。
まず、図１に示すひずみゲージ１を用い、フルブリッジ回路を作製した。基材１０としては厚さが約２５μｍのポリイミド膜を用い、抵抗体３０としては厚さが約０．２μｍのＣｒ混相膜を用い、導電層５０としては厚さが約０．５μｍのＡｌ膜を用いた。カバー層６０は形成していない。
又、比較例として、図１に示すひずみゲージ１から導電層５０を削除したひずみゲージを作製した（便宜上、ひずみゲージ１Ｘとする）。ひずみゲージ１Ｘにおいて、基材１０と抵抗体３０の材料及び厚さは、上記のひずみゲージ１と同様とした。
次に、ひずみゲージ１及び１Ｘについて、測定器として定電圧源と電圧計を用い、ブリッジ回路の出力端子の端子部のノイズ測定を行った。
ノイズ測定の結果を図９に示す。図９（ａ）はひずみゲージ１Ｘの測定結果であり、図９（ｂ）はひずみゲージ１の測定結果である。図９より、導電層５０が形成されたひずみゲージ１では、導電層５０が形成されていないひずみゲージ１Ｘに対して、ノイズのピークレベルが大幅に低減されることが確認できた。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施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、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、ひずみゲージ１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃにおいて、機能層２０や２１を設けても構わない。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、１０ｂ 下面、２０、２１ 機能層、３０ 抵抗体、４１ 端子部、５０、５１ 導電層、６０ カバー層、７０、７１、７２、７３ 絶縁層
Claims (11)
- 可撓性を有する樹脂製の基材と、
前記基材の一方の側に、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、
前記基材の他方の側に形成された導電層と、を有するひずみゲージ。 - 前記基材の他方の側に、無機材料から形成された絶縁層を有し、
前記導電層は、前記絶縁層の前記基材とは反対側に積層されている請求項１に記載のひずみゲージ。 - 前記基材の一方の側に形成された第２導電層と、
前記第２導電層の前記基材とは反対側に積層された、無機材料から形成された第２絶縁層と、を有し、
前記抵抗体は、前記第２絶縁層の前記第２導電層とは反対側に積層されている請求項１又は２に記載のひずみゲージ。 - 前記基材の一方の側に、無機材料から形成された第３絶縁層を有し、
前記第２導電層は、前記第３絶縁層の前記基材とは反対側に積層されている請求項３に記載のひずみゲージ。 - 前記導電層の前記基材とは反対側に積層された、無機材料から形成された絶縁層と、
前記基材の一方の側に形成された第２導電層と、
前記第２導電層の前記基材とは反対側に積層された、無機材料から形成された第２絶縁層と、を有する請求項１に記載のひずみゲージ。 - 前記導電層と前記第２導電層とは同一の金属から同一厚さに形成され、
前記絶縁層と前記第２絶縁層は、前記金属の酸化物から同一厚さに形成されている請求項５に記載のひずみゲージ。 - 前記抵抗体の前記基材側に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層が、前記抵抗体に接して形成されている請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体の前記基材側に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層が、前記抵抗体及び前記基材に接して形成され、
前記導電層の前記基材側に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された第２機能層が、前記導電層及び前記基材に接して形成され、
前記機能層と前記第２機能層とは同一材料から同一厚さに形成され、
前記抵抗体と前記導電層とは同一材料から同一厚さに形成されている請求項１に記載のひずみゲージ。 - 前記抵抗体は、α−Ｃｒを主成分とするＣｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から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。
- 前記抵抗体に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎは、２０重量％以下である請求項９に記載のひずみゲージ。
- 前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ２Ｎ中の前記Ｃｒ２Ｎの割合は、８０％以上９０％未満である請求項１０に記載のひずみゲージ。
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