JP2021156815A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】電極を構成する金属層にクラックが入ることを抑制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、前記基材上にＣｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極と、を有し、前記電極は、前記抵抗体の両端部から延在する一対の第１金属層と、各々の前記第１金属層上に、前記第１金属層よりも低抵抗の材料から形成された第２金属層と、を含み、前記第１金属層の上面と前記第２金属層の側面とのなす角度が鈍角である部分を有する。【選択図】図３
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、抵抗体は、例えば、絶縁性樹脂上に形成されている。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）。
ところで、ひずみゲージにおいて、抵抗体の両端部から延在する一対の金属層上に他の金属層を積層して電極として用いる場合もある。この場合、抵抗体を形成する基材が樹脂製である場合には、折り曲げ等によりひずみゲージに比較的大きな応力がかかり、電極を構成する下層の金属層にクラックが入る場合があった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、電極を構成する金属層にクラックが入ることを抑制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、前記基材上にＣｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極と、を有し、前記電極は、前記抵抗体の両端部から延在する一対の第１金属層と、各々の前記第１金属層上に、前記第１金属層よりも低抵抗の材料から形成された第２金属層と、を含み、前記第１金属層の上面と前記第２金属層の側面とのなす角度が鈍角である部分を有する。
開示の技術によれば、電極を構成する金属層にクラックが入ることを抑制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３は、第１実施形態に係るひずみゲージを例示する部分拡大断面図であり、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面を示している。図１〜図３を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、配線４１と、電極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３は、第１実施形態に係るひずみゲージを例示する部分拡大断面図であり、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面を示している。図１〜図３を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、配線４１と、電極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、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と第２金属層５２（後述）を異なる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。
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重量％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重量％以上９０重量％未満であることが好ましく、９０重量％以上９５重量％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重量％以上９５重量％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。
電極５０は、基材１０上に形成され、抵抗体３０と電気的に接続されている。電極５０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。
電極５０は、一対の第１金属層５１と、各々の第１金属層５１上に積層形成された第２金属層５２とを有している。第１金属層５１は、配線４１を介して抵抗体３０の両端部と電気的に接続されている。第１金属層５１は、平面視において、抵抗体３０及び配線４１よりも拡幅して略矩形状に形成されている。抵抗体３０は、例えば、第１金属層５１の一方に接続される配線４１の端部からジグザグに折り返しながら延在し、第１金属層５１の他方に接続される配線４１の端部に達する。なお、抵抗体３０と配線４１と第１金属層５１とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、抵抗体３０と配線４１と第１金属層５１とは、厚さが略同一である。
第２金属層５２は、抵抗体３０（配線４１、第１金属層５１）よりも低抵抗の材料から形成されている。第２金属層５２の材料は、抵抗体３０よりも低抵抗の材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、第２金属層５２の材料として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等、又は、これら何れかの金属の合金、これら何れかの金属の化合物、或いは、これら何れかの金属、合金、化合物を適宜積層した積層膜が挙げられる。第２金属層５２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、３μｍ〜５μｍ程度とすることができる。
第２金属層５２は、第１金属層５１の上面の一部に形成されてもよいし、第１金属層５１の上面の全体に形成されてもよい。第２金属層５２の上面に、更に他の１層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第２金属層５２を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。或いは、第２金属層５２を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極５０の最上層を金層とすることで、電極５０のはんだ濡れ性を向上できる。
ひずみゲージ１は、第１金属層５１の上面と第２金属層５２の側面とのなす角度θが鈍角である部分を有する。
具体的には、例えば、第２金属層５２の平面形状が略矩形状であり、少なくとも４つの角部において、第１金属層５１の上面と第２金属層５２の側面とのなす角度θが鈍角となるように、第２金属層５２の側面が傾斜している。第２金属層５２の側面の断面形状は、凸型Ｒ形状である。すなわち、第２金属層５２の側面の断面形状は、なだらかにカーブを描いて外側に膨らむ曲線状である。
なお、第２金属層５２の側面の断面形状が曲線状である場合には、角度θは、断面視において、第２金属層５２の側面と第１金属層５１の上面との交点で第２金属層５２の側面に対して引いた接線と第１金属層５１の上面との角度で定義する。
このように、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において、第１金属層５１の上面と第２金属層５２の側面とのなす角度θが鈍角となるように、第２金属層５２の側面を第１金属層５１の上面に対して傾斜させることが好ましい。
これにより、製造工程や製品完成後に折り曲げ等によりひずみゲージ１に応力がかかった場合に、第１金属層５１と第２金属層５２の界面への応力を低減し、第１金属層５１と第２金属層５２との界面において第１金属層５１にクラックが入ることを抑制できる。角度θは、１２０度以上であることが好ましく、１３５度以上であることが更に好ましい。これにより、クラックを抑制する効果を更に高めることができる。
又、第１金属層５１の厚さ（＝抵抗体３０の厚さ）が比較的薄く（０．０５μｍ〜２μｍ程度）、第２金属層５２の厚さが第１金属層５１の厚さよりも厚い場合に、特に第１金属層５１にクラックが入り易く、第２金属層５２の厚さが第１金属層５１の厚さの２倍以上である場合に特に顕著である。そのため、第２金属層５２の厚さが第１金属層５１の厚さよりも厚い場合に、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において角度θを鈍角とする技術的意義が大きく、第２金属層５２の厚さが第１金属層５１の厚さの２倍以上である場合に特に技術的意義が大きい。
又、特に基材１０が樹脂である場合に、折り曲げ等によりひずみゲージ１にかる応力が大きくなるため、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において角度θを鈍角とする技術的意義が大きい。
折り曲げ等によりひずみゲージ１に応力がかかった場合に、特に４つの角部近傍に応力が集中する。そのため、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において角度θを鈍角とすることが好ましいが、４つの角部を含めた第２金属層５２の全側面において角度θを鈍角としてもよい。
なお、ひずみゲージ１が起歪体に貼り付けられた後には、ひずみゲージ１が曲げられるおそれが少ないため、第１金属層５１にクラックが入り易いのは、ひずみゲージ１が起歪体に貼り付けられる前である。
抵抗体３０及び配線４１を被覆し電極５０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及び配線４１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及び配線４１を湿気等から保護できる。なお、カバー層６０は、第２金属層５２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の上面１０ａに金属層（便宜上、金属層Ａとする）を形成する。金属層Ａは、最終的にパターニングされて抵抗体３０、配線４１、及び第１金属層５１となる層である。従って、金属層Ａの材料や厚さは、前述の抵抗体３０、配線４１、及び第１金属層５１の材料や厚さと同様である。
金属層Ａは、例えば、金属層Ａ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できる。金属層Ａ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、金属層Ａ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所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。
本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層Ａ（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金属層Ａの酸化を防止する機能や、基材１０と金属層Ａ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、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Ａ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金属層Ａ（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１／２０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１／５０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、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、機能層に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５０ｎｍ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。
機能層の材料と金属層Ａ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、金属層Ａ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、金属層Ａ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、金属層Ａ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、金属層ＡがＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、金属層Ａ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金属層Ａの酸化を防止する機能、及び基材１０と金属層Ａ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、金属層Ａの下層に機能層を設けることにより、金属層Ａの結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる金属層Ａ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金属層Ａ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。
次に、金属層Ａの上面に、第２金属層５２を形成する。第２金属層５２は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。
具体的には、まず、金属層Ａの上面を覆うように、例えば、スパッタ法や無電解めっき法等により、シード層を形成する。次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して第２金属層５２を形成する領域を露出する開口部を形成する。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。
次に、例えば、シード層を給電経路とする電解めっき法により、開口部内に露出するシード層上に第２金属層５２を形成する。電解めっき法は、タクトが高く、かつ、第２金属層５２として低応力の電解めっき層を形成できる点で好適である。膜厚の厚い電解めっき層を低応力とすることで、ひずみゲージ１に反りが生じることを防止できる。なお、第２金属層５２は無電解めっき法により形成してもよい。
次に、レジストを除去する。レジストは、例えば、レジストの材料を溶解可能な溶液に浸漬することで除去できる。
次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して、図１の抵抗体３０、配線４１、及び第１金属層５１と同様の平面形状にパターニングする。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層Ａ及びシード層を除去し、図１の平面形状の抵抗体３０、配線４１、及び第１金属層５１を形成する。
例えば、ウェットエッチングにより、金属層Ａ及びシード層の不要な部分を除去できる。金属層Ａの下層に機能層が形成されている場合には、エッチングによって機能層は抵抗体３０、配線４１、及び第１金属層５１と同様に図１に示す平面形状にパターニングされる。なお、この時点では、抵抗体３０、配線４１、及び第１金属層５１上にシード層が形成されている。
次に、第２金属層５２をエッチングマスクとし、第２金属層５２から露出する不要なシード層を除去することで、第２金属層５２が形成される。なお、第２金属層５２の直下のシード層は残存する。例えば、シード層がエッチングされ、機能層、抵抗体３０、配線４１、及び第１金属層５１がエッチングされないエッチング液を用いたウェットエッチングにより、不要なシード層を除去できる。
このとき、ウェットエッチングの条件を調整することにより、シード層を除去する過程で第２金属層５２の一部もエッチングされるため、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において角度θが鈍角となるように、第２金属層５２の側面を傾斜させることができる。又は、第２金属層５２を形成する際の感光性レジストの開口部の形状を逆テーパー型にすることで、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において角度θが鈍角となるように、第２金属層５２の側面を傾斜させることができる。４つの角部を含めた第２金属層５２の全側面において角度θが鈍角となるように、第２金属層５２の側面を傾斜させてもよい。
その後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４１を被覆し電極５０を露出するカバー層を設けることで、ひずみゲージ１が完成する。カバー層は、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４１を被覆し電極５０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。カバー層は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４１を被覆し電極５０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、配線４１、及び第１金属層５１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４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、例えば、図１と同様となる。但し、前述のように、機能層２０は、基材１０の上面の一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。
〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、配線上にも第２金属層を積層する例を示す。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、配線上にも第２金属層を積層する例を示す。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平面図である。なお、第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージにおいて、第２金属層５２等の断面形状は図２及び図３と同様である。
図５を参照すると、ひずみゲージ１Ａでは、配線４１が太く長く、かつ、配線４１上にも第２金属層５２が積層されている点が、ひずみゲージ１と相違する。ひずみゲージ１Ａでは、第２金属層５２は、第１金属層５１上から配線４１上に延在している。
配線４１が長くなる場合には、配線４１の幅を太くすると共に、配線４１上にも第２金属層５２を積層することが好ましい。これにより、配線４１の抵抗を減らすことができるため、電気信号の良好な伝達が可能となる。
又、配線４１と第２金属層５２との積層部分は、抵抗体３０よりも抵抗が低くなるため、配線４１と第２金属層５２との積層部分が抵抗体として機能してしまい、抵抗体３０の検出精度を悪化させることを抑制できる。言い換えれば、配線４１上に第２金属層５２を積層することで、ひずみゲージ１Ａの実質的な受感部を抵抗体３０が形成された局所領域に制限できるため、抵抗体３０の検出精度を向上できる。
ひずみゲージ１Ａは、配線４１の上面と配線４１上に延在する第２金属層５２の側面とのなす角度が鈍角である部分を有する。
具体的には、例えば、配線４１上に延在する第２金属層５２の少なくとも２つの角部において、配線４１の上面と第２金属層５２の側面とのなす角度θが鈍角となるように、配線４１上に延在する第２金属層５２の側面が傾斜していることが好ましい。これにより、製造工程や製品完成後に折り曲げ等によりひずみゲージ１Ａに応力がかかった場合に、配線４１と第２金属層５２の界面への応力を低減し、配線４１と第２金属層５２との界面において第１金属層５１にクラックが入ることを抑制できる。角度θは、１２０度以上であることが好ましく、１３５度以上であることが更に好ましい。これにより、クラックを抑制する効果を更に高めることができる。
又、配線４１の厚さ（＝抵抗体３０の厚さ）が比較的薄く（０．０５μｍ〜２μｍ程度）、第２金属層５２の厚さが配線４１の厚さよりも厚い場合に、特に配線４１にクラックが入り易く、第２金属層５２の厚さが配線４１の厚さの２倍以上である場合に特に顕著である。そのため、第２金属層５２の厚さが配線４１の厚さよりも厚い場合に、配線４１上に延在する第２金属層５２の少なくとも２つの角部において角度θを鈍角とする技術的意義が大きく、第２金属層５２の厚さが配線４１の厚さの２倍以上である場合に特に技術的意義が大きい。
又、特に基材１０が樹脂である場合に、折り曲げ等によりひずみゲージ１Ａにかる応力が大きくなるため、配線４１上に延在する第２金属層５２の少なくとも２つの角部において角度θを鈍角とする技術的意義が大きい。
折り曲げ等によりひずみゲージ１Ａに応力がかかった場合に、特に配線４１上に延在する２つの角部近傍に応力が集中する。そのため、配線４１上に延在する第２金属層５２の少なくとも２つの角部において角度θを鈍角とすることが好ましいが、２つの角部を含めた配線４１上に延在する第２金属層５２の全側面において角度θを鈍角としてもよい。
なお、ひずみゲージ１Ａが起歪体に貼り付けられた後には、ひずみゲージ１Ａが曲げられるおそれが少ないため、配線４１にクラックが入り易いのは、ひずみゲージ１Ａが起歪体に貼り付けられる前である。
〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、電極の形状のバリエーションの例を示す。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、電極の形状のバリエーションの例を示す。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部分拡大断面図（その１）であり、図３に対応する断面を示している。第２金属層５２の側面の断面形状は、図３に示した電極５０のような凸型Ｒ形状であってもよいが、図６に示した電極５０Ａのような直線状であってもよい。何れの場合も、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において角度θを鈍角とすることで、前述の効果を奏する。
図７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部分拡大断面図（その２）であり、図３に対応する断面を示している。第２金属層５２の側面の断面形状は、図３に示した電極５０のような凸型Ｒ形状であってもよいが、図７に示した電極５０Ｂのような凹型Ｒ形状であってもよい。何れの場合も、第２金属層５２の少なくとも４つの角部において角度θを鈍角とすることで、前述の効果を奏する。
但し、図７に示すような凹型Ｒ形状の場合には、図３や図６の場合と比べて角度θを更に大きくできるため、第１金属層５１にクラックが入ることを抑制する効果を一層高めることができる。凹型Ｒ形状の裾野を伸ばしたときに、特に顕著な効果を奏する。
図８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部分拡大平面図である。図８に示す電極５０Ｃのように、第２金属層５２の平面形状は円形状であってもよい。
電極の平面形状を円形状とし、かつ、第２金属層５２の外周部全体（全側面）において角度θを鈍角とすることで、第２金属層５２の平面形状が矩形状の場合よりも第１金属層５１と第２金属層５２の界面への応力を低減できる。その結果、第１金属層５１と第２金属層５２との界面において第１金属層５１にクラックが入ることを抑制する効果を一層高めることができる。
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。
１、１Ａ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、２０ 機能層、３０ 抵抗体、４１ 配線、５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 電極、５１ 第１金属層、５２ 第２金属層、６０ カバー層
Claims (10)
- 可撓性を有する樹脂製の基材と、
前記基材上にＣｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、
前記基材上に形成され、前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極と、を有し、
前記電極は、
前記抵抗体の両端部から延在する一対の第１金属層と、
各々の前記第１金属層上に、前記第１金属層よりも低抵抗の材料から形成された第２金属層と、を含み、
前記第１金属層の上面と前記第２金属層の側面とのなす角度が鈍角である部分を有するひずみゲージ。 - 前記第１金属層は、前記抵抗体と同一材料により一体に形成されている請求項１に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体及び前記第１金属層の厚さが０．０５μｍ〜２μｍであり、前記第２金属層の厚さが前記第１金属層の厚さよりも厚い請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
- 前記第２金属層の厚さが前記第１金属層の厚さの２倍以上である請求項３に記載のひずみゲージ。
- 前記鈍角の部分において、前記第２金属層の側面の断面形状は凹型Ｒ形状である請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記第２金属層の平面形状は矩形状であり、
前記鈍角の部分は、前記第２金属層の４つの角部を含む請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。 - 前記第２金属層の平面形状は円形状であり、
前記鈍角の部分は、前記第２金属層の外周部全体である請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。 - 各々の前記第１金属層は配線を介して前記抵抗体の両端部と電気的に接続され、
前記第２金属層は、前記第１金属層上から前記配線上に延在し、
前記配線の上面と前記配線上に延在する前記第２金属層の側面とのなす角度が鈍角である部分を有する請求項１乃至７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１乃至８の何れか一項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重量％以上９０重量％未満である請求項９に記載のひずみゲージ。
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