JP2022008026A - ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみ検出精度を向上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、可撓性を有する基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、配線を介して前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極と、を有し、前記配線は、前記抵抗体のグリッド幅方向の各々の終端と各々の前記電極とを電気的に接続し、前記配線は、第１金属層と、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、を含む。【選択図】図１

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。抵抗体は、例えば、配線を介して、電極と接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－７４９３４号公報

しかしながら、抵抗体に配線を接続すると、配線が抵抗体の一部として機能し、ひずみ検出精度が低下する場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみ検出精度を向上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、可撓性を有する基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、配線を介して前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極と、を有し、前記配線は、前記抵抗体のグリッド幅方向の各々の終端と各々の前記電極とを電気的に接続し、前記配線は、第１金属層と、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、を含む。

開示の技術によれば、ひずみ検出精度を向上可能なひずみゲージを提供できる。

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。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図（その１）である。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図（その２）である。 ひずみ限界の実験結果を示す図である。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図（その３）である。 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。 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平面図である。 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平面図である。

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４０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。

基材１０の樹脂以外の材料としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ_２Ｎ_３、Ａｌ_２Ｏ_３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３）等の結晶性材料が挙げられ、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。又、基材１０の材料として、アルミニウム、アルミニウム合金（ジュラルミン）、チタン等の金属を用いてもよい。この場合、金属製の基材１０上に、例えば、絶縁膜が形成される。

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を濃い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、Ｃｒ_２Ｎ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。抵抗体３０の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ断線対策も考慮して、例えば、１０μｍ～１００μｍ程度とすることができる。

例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、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Ｃｒ_２Ｎ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Ｃｒ_２Ｎ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Ｃｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎ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Ｃｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎ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Ｃｒ_２Ｎ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Ｎ_２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。

配線４０は、基材１０上に形成されている。配線４０は、第１金属層４１と、第１金属層４１の上面に積層された第２金属層４２とを有している。配線４０は直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。又、配線４０は、任意の長さとすることができる。なお、図１では、便宜上、配線４０及び電極５０を抵抗体３０よりも薄い梨地模様で示している。

抵抗体３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図１のＡ－Ａ線の方向）に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向（図１ではＢ－Ｂ線の方向）となる。

グリッド幅方向の最も外側に位置する２つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２を形成する。抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２は、配線４０を介して、電極５０と電気的に接続されている。言い換えれば、配線４０は、抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２と各々の電極５０とを電気的に接続している。

電極５０は、基材１０上に形成され、配線４０を介して抵抗体３０と電気的に接続されており、例えば、配線４０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。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の上面に積層された第２金属層５２とを有している。第１金属層５１は、配線４０の第１金属層４１を介して抵抗体３０の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２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、略矩形状に形成されている。第１金属層５１は、配線４０と同じ幅に形成しても構わない。

なお、抵抗体３０と第１金属層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と第１金属層４１と第１金属層５１とは、厚さが略同一である。又、第２金属層４２と第２金属層５２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、第２金属層４２と第２金属層５２とは、厚さが略同一である。

第２金属層４２及び５２は、抵抗体３０（第１金属層４１及び５１）よりも低抵抗の材料から形成されている。第２金属層４２及び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４２及び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４２及び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４２及び５２は、第１金属層４１及び５１の上面の一部に形成されてもよいし、第１金属層４１及び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。

抵抗体３０及び配線４０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４０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４０を湿気等から保護できる。なお、カバー層６０は、電極５０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。

このように、配線４０は、抵抗体３０と同一材料からなる第１金属層４１上に第２金属層４２が積層された構造である。そのため、配線４０は抵抗体３０よりも抵抗が低くなるため、配線４０が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体３０によるひずみ検出精度を向上できる。

言い換えれば、抵抗体３０よりも低抵抗な配線４０を設けることで、ひずみゲージ１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。そのため、抵抗体３０によるひずみ検出精度を向上できる。

特に、抵抗体３０としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージにおいて、配線４０を抵抗体３０よりも低抵抗化して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することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。又、配線４０を抵抗体３０よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。

なお、抵抗体３０と電極５０とを接続する配線４０の長さＬは、配線４０が直線状か否かにかかわらず、配線４０に沿った長さで５ｍｍ以上とすることが好ましい。長さＬを５ｍｍ以上とすることで、電極５０にリード線等をはんだ付けする際の熱が、抵抗体３０や抵抗体３０を覆うカバー層６０に伝わり難くなり、ゲージ諸特性の熱負荷を軽減できる。

なお、ひずみ限界を考慮すると、配線４０の幅には好適な範囲がある。これに関し、下記に説明する。

発明者らの検討によれば、配線４０の第１金属層４１の幅が狭い方が、配線４０がひずみを受けたときにクラックや断線が発生しにくいことがわかった。具体的には、発明者らは、第１金属層４１の幅が１０μｍ、１００μｍ、３４５μｍ、５６０μｍの４種類の試験用ひずみゲージを各々複数個ずつ作製して各々にひずみを与え、クラックや断線の発生について調べた。なお、この実験では、第１金属層４１は厚さ０．２μｍのＣｒ混相膜とし、第１金属層４１上に第２金属層４２は積層していない。

実験の結果、第１金属層４１の幅が狭まるにつれ、クラックや断線が減少する傾向が確認され、ひずみ限界が第１金属層４１の幅に依存することがわかった。なお、ひずみ限界とは、ひずみゲージにひずみを与えたときに、クラック又は断線が生じ始める機械的ひずみの値である。

図４は、ひずみ限界の実験結果を示す図であり、複数個の試験用ひずみゲージにおけるひずみ限界の最小値をプロットしたものである。図４に示すように、発明者らの実験結果では、第１金属層４１の幅が５６０μｍの場合のひずみ限界が５５００με以上であったのに対し、第１金属層４１の幅が１０μｍの場合のひずみ限界は８５００με以上であった。つまり、第１金属層４１の幅が５６０μｍの場合に比べ、第１金属層４１の幅が１０μｍの場合には、ひずみ限界が約１．５倍となる。また、第１金属層４１の幅が５６０μｍから１０μｍの間では、ほぼ線形にひずみ限界が向上する。

この結果は、弾性率が高いＣｒ混相膜からなる第１金属層４１の幅が広いと脆性破壊が生じやすく、第１金属層４１の幅を狭くすることで、見かけ上の耐破壊力が上がったために得られたと考えられる。ひずみゲージ１を実際に使用するにあたっては、８０００με程度のひずみ限界が要求されるため、第１金属層４１の幅は１００μｍ以下が好ましい。一方、製造プロセス上、第１金属層４１の幅を１０μｍ未満とすることは困難である。この点を考慮すると、第１金属層４１の幅は１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましいといえる。

また、発明者らの別の検討によれば、第１金属層４１に第２金属層４２として厚さ３μｍの銅層をベタ状に形成した場合には、第１金属層４１の幅にかかわらず、第２金属層を形成しない場合に比べ、ひずみ限界が更に１．５倍～２倍に向上することがわかった。銅層はＣｒ混相膜よりも伸縮性に優れているため、Ｃｒ混相膜上に銅層を積層することで、ひずみ限界が更に向上したものと考えられる。

すなわち、ひずみ限界を更に向上する観点から、第２金属層４２は、第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料から形成されていることが好ましい。つまり、第２金属層は、第１金属層よりも低抵抗で、かつ第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料から形成されていることが好ましい。第１金属層がＣｒ混相膜である場合、第１金属層よりも低抵抗で、かつ第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料としては、銅以外に金、銀やアルミニウムが挙げられる。第２金属層４２として、これらの材料を用いた場合にも、同様の結果が得られると考えられる。

なお、ひずみゲージ１は、はかり用途に用いることもできる。ひずみゲージ１を、はかり用途に用いる場合には、クリープに関する規格を満足する必要がある。クリープに関する規格としては、例えば、ＯＩＭＬ Ｒ６０に基づく精度等級Ｃ１（以降、Ｃ１規格とする）や、ＯＩＭＬ Ｒ６０に基づく精度等級Ｃ２（以降、Ｃ２規格とする）が挙げられる。

Ｃ１規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±０．０７３５％以下にする必要がある。又、Ｃ２規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±０．０３６８％以下にする必要がある。なお、ひずみゲージ１をセンサ用途に用いる場合には、クリープ量及びクリープリカバリー量の規格は±０．５％程度である。

発明者らの検討によれば、クリープ量及びクリープリカバリー量は、抵抗体３０を構成する材料の粘弾性項に影響される。すなわち、はかり用途に用いる起歪体には、抵抗体３０の長手方向（図１のＡ－Ａ線の方向）に引張や圧縮が発生する。起歪体の引張や圧縮により抵抗体３０が長手方向に伸縮すると、クリープ量及びクリープリカバリー量が大きくなるため、抵抗体３０が長手方向に伸縮することを抑制することが好ましい。

配線４０を第１金属層４１上に第２金属層４２が積層された構造とし、配線４０を構成する金属の体積を増やすことにより、抵抗体３０が長手方向に伸縮することを抑制可能となる。その結果、クリープ量及びクリープリカバリー量を抑制でき、Ｃ１規格やＣ２規格を満足できる。

さらに、電極５０を第１金属層５１上に第２金属層５２が積層された構造とし、電極５０を構成する金属の体積を増やすことにより、抵抗体３０が長手方向に伸縮することを一層抑制可能となる。その結果、クリープ量及びクリープリカバリー量を一層抑制できる。

クリープ量及びクリープリカバリー量を抑制する効果は、第２金属層４２及び５２の厚さにより調整可能である。ひずみゲージ１をはかり用途に用いる場合も、前述のように、第２金属層４２及び５２は、第１金属層４１及び５１（すなわち抵抗体３０）よりも低抵抗の材料から形成されることが好ましい。

また、抵抗体３０自体の体積を増やすと抵抗体３０の抵抗が下がり応用面で望ましくないが、第１金属層４１及び５１上に第２金属層４２及び５２を積層することで、抵抗体３０の抵抗を下げずにひずみゲージ１の剛性を上げることができる。

なお、クリープ量及びクリープリカバリー量は、ひずみゲージ１において抵抗体３０が設けられた面の弾性変形の量（ひずみ量）が時間経過と共に変化する量であるため、一対の電極５０間の出力に基づいて算出したひずみ電圧をモニタすることで測定できる。

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、第１金属層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、第１金属層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、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２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Ｃｒ_２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎ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４２及び第２金属層５２を形成する。第２金属層４２及び第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４２及び第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４２及び第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４２及び第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４２及び第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４０、及び電極５０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４０、及び電極５０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４０、及び電極５０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、第１金属層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４２及び第２金属層５２をエッチングマスクとし、第２金属層４２及び第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４２及び第２金属層５２が形成される。なお、第２金属層４２及び第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４０、及び電極５０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。

その後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４０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４０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４０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、第１金属層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５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、配線の幅が一定ではない例を示す。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６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、断面構造は図２及び図３と同様である。

図６を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、配線４０が配線４０Ａに置換された点が、ひずみゲージ１（図１等参照）と相違する。ひずみゲージ１Ａでは、配線４０Ａの幅は、抵抗体３０側が最も狭く、電極５０に近づくほど徐々に幅広になる。

このように、配線４０Ａの幅を、抵抗体３０側が最も狭く、電極５０に近づくほど徐々に幅広になるようにすることで、抵抗体３０と配線４０Ａとの接続部において、幅が急激に変化する部分がなくなる。そのため、エッチングを用いた抵抗体３０と配線４０のパターニングが容易となる。ただし、前述のように、ひずみ限界を考慮すると、配線４０Ａの幅は１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲で変化させることが好ましい。

なお、図６の例では、配線４０Ａの全体において、配線４０Ａの幅が、抵抗体３０側が最も狭く、電極５０に近づくほど徐々に幅広になるようになっている。しかし、これには限定されず、配線４０Ａは、抵抗体３０の側から電極５０の側に近づくほど徐々に幅広になる部分を備えていればよい。例えば、配線４０Ａの幅を、抵抗体３０側が最も狭く、一定の長さまでは電極５０に近づくほど徐々に幅広になるようにし、それ以降は電極５０まで一定幅としてもよい。

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、基材上に前記抵抗体が複数個形成されたひずみゲージの例を示す。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平面図である。なお、第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージにおいて、断面構造は図２及び図３と同様である。

図７を参照すると、ひずみゲージ１Ｂは、抵抗体３０_１及び３０_２を有している点が、ひずみゲージ１（図１～図３参照）と相違する。抵抗体３０_１及び３０_２の材料や膜厚等は、第１実施形態の抵抗体３０と同様である。

ひずみゲージ１Ｂにおいて、抵抗体３０_１の終端の一方は、配線４０_１を介して電極５０_１に電気的に接続されていると共に、抵抗体３０_２の終端の一方と電気的に接続されている。抵抗体３０_１の終端の他方は、配線４０_２を介して電極５０_２に電気的に接続されている。抵抗体３０_２の終端の他方は、配線４０_３を介して電極５０_３に電気的接続されている。

すなわち、ひずみゲージ１Ｂでは、抵抗体３０_１及び３０_２によりハーフブリッジ回路を構成している。

配線４０_１、４０_２、及び４０_３は、第１実施形態の配線４０と同様に、抵抗体３０_１及び３０_２と同一材料からなる第１金属層４１上に第２金属層４２が積層された構造である。そのため、配線４０_１、４０_２、及び４０_３は抵抗体３０_１及び３０_２よりも抵抗が低くなるため、配線４０_１、４０_２、及び４０_３が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体３０_１及び３０_２によるひずみ検出精度を向上できる。

言い換えれば、抵抗体３０_１及び３０_２よりも低抵抗な配線４０_１、４０_２、及び４０_３を設けることで、ひずみゲージ１Ｂの実質的な受感部を抵抗体３０_１及び３０_２が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体３０_１及び３０_２によるひずみ検出精度を向上できる。抵抗体としてＣｒ混相膜を用いた場合の効果や、抵抗体と電極とを接続する配線の長さに関する効果については、第１実施形態と同様である。

なお、配線４０_１の一部は、抵抗体３０_１と抵抗体３０_２とを接続している。このように、低抵抗な配線は、抵抗体と電極との間だけではなく、抵抗体同士を接続する部分にも用いられてよい。これにより、上記のように、抵抗体３０_１及び３０_２によるひずみ検出精度を向上できる。

〈第１実施形態の変形例３〉
第１実施形態の変形例３では、複数の抵抗体を備えた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８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平面図である。なお、第１実施形態の変形例３に係るひずみゲージにおいて、断面構造は図２及び図３と同様である。

図８を参照すると、ひずみゲージ１Ｃは、抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４を有している点が、ひずみゲージ１（図１～図３参照）と相違する。抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４の材料や膜厚等は、第１実施形態の抵抗体３０と同様である。

ひずみゲージ１Ｃにおいて、抵抗体３０_１の終端の一方は、配線４０_１を介して電極５０_１に電気的に接続されていると共に、抵抗体３０_２の終端の一方と電気的に接続されている。抵抗体３０_１の終端の他方は、配線４０_２を介して電極５０_２に電気的に接続されていると共に、抵抗体３０_３の終端の一方と電気的に接続されている。

又、抵抗体３０_２の終端の他方は、配線４０_４を介して電極５０_４に電気的に接続されていると共に、抵抗体３０_４の終端の一方と電気的に接続されている。抵抗体３０_３の終端の他方は、配線４０_３を介して電極５０_３に電気的に接続されていると共に、抵抗体３０_４の終端の他方と電気的に接続されている。

すなわち、ひずみゲージ１Ｃでは、抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４によりフルブリッジ回路を構成している。

配線４０_１、４０_２、４０_３、及び４０_４は、第１実施形態の配線４０と同様に、抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４と同一材料からなる第１金属層４１上に第２金属層４２が積層された構造である。そのため、配線４０_１、４０_２、４０_３、及び４０_４は抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４よりも抵抗が低くなるため、配線４０_１、４０_２、４０_３、及び４０_４が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４によるひずみ検出精度を向上できる。

言い換えれば、抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４よりも低抵抗な配線４０_１、４０_２、４０_３、及び４０_４を設けることで、ひずみゲージ１Ｃの実質的な受感部を抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４によるひずみ検出精度を向上できる。抵抗体としてＣｒ混相膜を用いた場合の効果や、抵抗体と電極とを接続する配線の長さに関する効果については、第１実施形態と同様である。

なお、配線４０_１の一部は、抵抗体３０_１と抵抗体３０_２とを接続している。又、配線４０_２の一部は、抵抗体３０_１と抵抗体３０_３とを接続している。又、配線４０_３の一部は、抵抗体３０_３と抵抗体３０_４とを接続している。又、配線４０_４の一部は、抵抗体３０_２と抵抗体３０_４とを接続している。このように、低抵抗な配線は、抵抗体と電極との間だけではなく、抵抗体同士を接続する部分にも用いられてよい。これにより、上記のように、抵抗体３０_１、３０_２、３０_３、及び３０_４によるひずみ検出精度を向上できる。

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、１Ｂ、１Ｃ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、２０ 機能層、３０、３０_１、３０_２、３０_３、３０_４ 抵抗体、３０ｅ_１、３０ｅ_２ 終端、４０、４０_１、４０_２、４０_３、４０_４ 配線、５０、５０_１、５０_２、５０_３、５０_４ 電極、４１、５１ 第１金属層、４２、５２ 第２金属層、６０ カバー層

Claims (11)

1. 可撓性を有する基材と、
   前記基材上に形成された抵抗体と、
   前記基材上に形成され、配線を介して前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極と、を有し、
   前記配線は、前記抵抗体のグリッド幅方向の各々の終端と各々の前記電極とを電気的に接続し、
   前記配線は、第１金属層と、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、を含むひずみゲージ。
2. 前記配線は、前記抵抗体の側から前記電極の側に近づくほど徐々に幅広になる部分を備えている請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 前記抵抗体は、前記基材上に複数個形成され、
   前記配線は、前記抵抗体同士を接続する部分にも用いられている請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
4. 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乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
5. 前記電極は、前記第１金属層と、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前記第２金属層と、を含む請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
6. 前記第２金属層は、前記第１金属層よりも伸縮性に優れた材料から形成されている請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
7. 前記第１金属層の幅は、１０μｍ以上１００μｍ以下である請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
8. 前記抵抗体は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成されている請求項１乃至７の何れか一項に記載のひずみゲージ。
9. ゲージ率が１０以上である請求項８に記載のひずみゲージ。
10. 前記抵抗体に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎは、２０重量％以下である請求項８又は９に記載のひずみゲージ。
11. 前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ_２Ｎ中の前記Ｃｒ_２Ｎの割合は、８０重量％以上９０重量％未満である請求項１０に記載のひずみゲージ。

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