JP2022189613A - ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】クリープ特性を改善した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、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体は、複数の細長状部が長手方向を第１方向に向けて所定間隔で配置され、隣接する前記細長状部の端部が互い違いに連結されて折り返し部分を形成し、全体としてジグザグに折り返す構造であり、前記基材上に形成され、一端が前記折り返し部分の１つに接続された配線を１つ以上備え、前記配線は、前記抵抗体と同一材料で形成されて前記折り返し部分から延伸する第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。

基材上に抵抗体を備え、測定対象物に貼り付けて、測定対象物の特性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、例えば、材料のひずみを検出するセンサや、周囲温度を検出するセンサ等のセンサ用途として使用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－２２１６９６号公報

ひずみゲージにおいて、クリープ特性は重要であり、クリープ特性を改善することで、例えば、ひずみゲージをセンサ用途のみでなく、はかり用途にも使用できる可能性がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、クリープ特性を改善した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、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体は、複数の細長状部が長手方向を第１方向に向けて所定間隔で配置され、隣接する前記細長状部の端部が互い違いに連結されて折り返し部分を形成し、全体としてジグザグに折り返す構造であり、前記基材上に形成され、一端が前記折り返し部分の１つに接続された配線を１つ以上備え、前記配線は、前記抵抗体と同一材料で形成されて前記折り返し部分から延伸する第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、クリープ特性を改善した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。 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１に係るひずみゲージを例示する断面図である。 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（その１）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（その２）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、配線６０と、カバー層７０とを有している。なお、図１～図３では、便宜上、カバー層７０の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層７０は、必要に応じて設ければよい。

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。

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。また、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、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折り返し部分３５を形成し、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のＡ－Ａ線と直交する方向）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。

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い。また、抵抗体３０の厚さが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。また、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。

また、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。

また、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、抵抗体３０及び電極５０と電気的に接続されている。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。また、配線４０は、任意の幅及び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、電極５０、及び配線６０を抵抗体３０よりも薄い梨地模様で示している。

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。

配線６０は、基材１０上に形成され、一端が抵抗体３０の折り返し部分３５の１つに接続され、他端が開放されているダミー配線である。図１の例では、配線６０は、他端側に平面視で円形部分を含むが、これには限定されず、他端側に楕円形、矩形等の任意の形状を含んでもよい。あるいは、配線６０は、一端側から他端側にかけて同一幅であってもよい。

ひずみゲージ１は、配線６０を１つ以上備えていればよいが、図１の例では、複数の配線６０（具体的には６つ）を備えている。図１に示すように、複数の配線６０は、抵抗体３０を挟んでＡ－Ａ線方向の両側に配置された配線６０を含んでもよい。また、図１に示すように、複数の配線６０は、Ａ－Ａ線と直交する方向に沿って配置された２以上の配線６０を含んでもよい。

また、ひずみゲージ１は、全ての折り返し部分３５に配線６０を１つずつ備えてもよい。各々の配線６０同士は離隔しており、接続はされていない。配線６０の面積は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０７ｍｍ^２以上とすることができる。配線６０の合計の面積が大きいほど、ひずみゲージ１の剛性が高くなる点で好ましい。配線６０は、抵抗体３０と同一材料で形成されて折り返し部分３５から延伸する第１金属層６１と、第１金属層６１の上面に積層された第２金属層６２とを有している。

なお、抵抗体３０と第１金属層４１と第１金属層５１と第１金属層６１は、便宜上別符号としているが、同一材料から形成してもよい。その場合、抵抗体３０と第１金属層４１と第１金属層５１と第１金属層６１は、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と第１金属層６１は、厚さが略同一である。

また、第２金属層４２と第２金属層５２と第２金属層６２は、便宜上別符号としているが、同一材料から形成してもよい。その場合、第２金属層４２と第２金属層５２と第２金属層６２は、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と第２金属層６２は、厚さが略同一である。

第２金属層４２、５２、及び６２は、抵抗体３０（第１金属層４１、５１、及び６１）よりも低抵抗の材料から形成されている。第２金属層４２、５２、及び６２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、５２、及び６２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、あるいは、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、５２、及び６２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、５２、及び６２は、第１金属層４１、５１、及び６１の上面の一部に形成されてもよいし、第１金属層４１、５１、及び６１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。あるいは、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。

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。また、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。

また、抵抗体３０の折り返し部分３５に接続された配線６０を設けることで、ひずみゲージ１の剛性が高くなるため、抵抗体３０の変位を低減でき、クリープ特性を改善できる。すなわち、ひずみゲージ１において、クリープ量及びクリープリカバリー量を低減できる。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り、一対の電極５０の出力を演算処理することで測定できる。

クリープ量及びクリープリカバリー量を低減することで、ひずみゲージ１をはかり用途に用いることが可能となる。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。また、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。

カバー層７０（絶縁樹脂層）は、基材１０上に形成され、抵抗体３０、配線４０、及び配線６０を被覆し電極５０を露出する。カバー層７０は開口部７０ｘを備え、電極５０は開口部７０ｘ内に露出している。電極５０の一部は、カバー層７０に被覆されてもよい。また、配線４０の一部は、カバー層７０から露出してもよい。抵抗体３０、配線４０、及び配線６０を被覆するカバー層７０を設けることで、抵抗体３０、配線４０、及び配線６０に機械的な損傷等が生じることを防止できる。また、カバー層７０を設けることで、抵抗体３０、配線４０、及び配線６０を湿気等から保護できる。なお、カバー層７０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７０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７０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層７０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、第１金属層４１、第１金属層５１、及び第１金属層６１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、第１金属層５１、及び第１金属層６１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。また、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。あるいは、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。

また、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。

ただし、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。あるいは、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。また、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。また、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、第２金属層５２、及び第２金属層６２を形成する。第２金属層４２、第２金属層５２、及び第２金属層６２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、第２金属層５２、及び第２金属層６２を形成する領域を露出する開口部を形成する。このとき、レジストの開口部の形状を調整することで、第２金属層４２、第２金属層５２、及び第２金属層６２を任意の形状とすることができる。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、第２金属層５２、及び第２金属層６２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、第２金属層５２、及び第２金属層６２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、第２金属層５２、及び第２金属層６２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、電極５０、及び配線６０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、電極５０、及び配線６０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、電極５０、及び配線６０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、第１金属層５１、及び第１金属層６１上にシード層が形成されている。

次に、第２金属層４２、第２金属層５２、及び第２金属層６２をエッチングマスクとし、第２金属層４２、第２金属層５２、及び第２金属層６２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、第２金属層５２、及び第２金属層６２が形成される。なお、第２金属層４２、第２金属層５２、及び第２金属層６２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、電極５０、及び配線６０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、配線４０、及び配線６０を被覆し電極５０を露出するカバー層７０を設けることで、ひずみゲージ１が完成する。カバー層７０は、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０、配線４０、及び配線６０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７０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０、配線４０、及び配線６０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。開口部７０ｘは、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。

なお、抵抗体３０、第１金属層４１、第１金属層５１、及び第１金属層６１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１０ａ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６０上に第２金属層６２よりも低融点の金属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。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断面図であり、図５のＣ－Ｃ線に沿う断面を示している。図５及び図６を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、配線６０上に第２金属層６２よりも低融点の金属８０が追加された点が、ひずみゲージ１（図１～図３等参照）と相違する。

ひずみゲージ１Ａでは、カバー層７０は、配線６０の少なくとも一部を露出する開口部７０ｙを備えている。そして、開口部７０ｙ内に露出する配線６０の第２金属層６２上に、第２金属層６２よりも低融点の金属８０が積層されている。金属８０は、例えば、はんだや金属ペーストである。

このように、配線６０上に第２金属層６２よりも低融点の金属８０を積層することで、ひずみゲージ１Ａの剛性を、ひずみゲージ１よりもさらに高くできる。その結果、ひずみゲージ１Ａのクリープ特性を、ひずみゲージ１よりもさらに改善できる。

なお、抵抗体３０の熱ダメージを考慮すると、金属８０の材料として、鉛フリーはんだや金属ペーストを選択することが好ましい。高温はんだ及び高融点はんだは好ましくない。

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、抵抗体３０の周辺に第３金属層を配置する例を示す。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。図７を参照すると、ひずみゲージ１Ｂは、抵抗体３０の周辺に、抵抗体３０及び配線６０と離隔して配置された第３金属層９０を有する点が、ひずみゲージ１（図１～図３等参照）と相違する。

第３金属層９０は、抵抗体３０と同一材料で形成されている。第３金属層９０は、抵抗体３０や第１金属層４１等と同一工程で形成できる。第３金属層９０は、抵抗体３０の周辺の余剰スペースに、できるだけ大面積となるように配置することが好ましい。第３金属層９０上に、第２金属層６２と同一材料からなる金属層を積層してもよい。

このように、抵抗体３０の周辺に第３金属層９０を配置することで、ひずみゲージ１Ｂの剛性を、ひずみゲージ１よりもさらに高くできる。その結果、ひずみゲージ１Ｂのクリープ特性を、ひずみゲージ１よりもさらに改善できる。なお、第１実施形態の変形例２は、第１実施形態の変形例１と組み合わせることも可能である。その場合、クリープ特性は一層改善する。

〈第１実施形態の変形例３〉
第１実施形態の変形例３では、電極の配置を変える例を示す。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。図８を参照すると、ひずみゲージ１Ｃは、電極５０が電極５０Ａに置換された点が、ひずみゲージ１（図１～図３等参照）と相違する。電極５０Ａの積層構造は、電極５０の積層構造と同様である。

一対の電極５０Ａは、抵抗体３０を挟んで、抵抗体３０の各細長状部の長手方向（図１のＡ－Ａ線方向）の両側に配置されている。電極５０Ａは、例えば、抵抗体３０の各細長状部の長手方向（図１のＡ－Ａ線方向）の幅よりも長手方向と直交する方向の幅が広い。電極５０Ａは、抵抗体３０の周辺の余剰スペースに、できるだけ大面積となるように配置することが好ましい。

このように、抵抗体３０を挟んで、抵抗体３０の各細長状部の長手方向（図１のＡ－Ａ線方向）の両側に電極５０Ａを配置することで、ひずみゲージ１Ｃの剛性を、ひずみゲージ１よりもさらに高くできる。その結果、ひずみゲージ１Ｃのクリープ特性を、ひずみゲージ１よりもさらに改善できる。なお、第１実施形態の変形例３は、第１実施形態の変形例１及び／又は２と組み合わせることも可能である。その場合、クリープ特性は一層改善する。

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 抵抗体、３０ｅ_１，３０ｅ_２ 終端、３５ 折り返し部分、４０，６０ 配線、４１，５１，６１ 第１金属層、４２，５２，６２ 第２金属層、５０，５０Ａ 電極、７０ カバー層、７０ｘ，７０ｙ 開口部、８０ 金属、９０ 第３金属層

Claims (11)

1. 可撓性を有する基材と、
   前記基材上に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、を有し、
   前記抵抗体は、複数の細長状部が長手方向を第１方向に向けて所定間隔で配置され、隣接する前記細長状部の端部が互い違いに連結されて折り返し部分を形成し、全体としてジグザグに折り返す構造であり、
   前記基材上に形成され、一端が前記折り返し部分の１つに接続された配線を１つ以上備え、
   前記配線は、前記抵抗体と同一材料で形成されて前記折り返し部分から延伸する第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. 前記配線の他端は、開放されている、請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 複数の前記配線を備え、
   複数の前記配線は、前記抵抗体を挟んで前記第１方向の両側に配置された配線を含む、請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
4. 複数の前記配線は、前記第１方向と直交する第２方向に沿って配置された２以上の配線を含む、請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
5. 前記抵抗体及び前記配線を被覆する絶縁樹脂層を有し、
   前記絶縁樹脂層は、前記配線の少なくとも一部を露出する開口部を備え、
   前記開口部内に露出する前記配線上に、前記第２金属層よりも低融点の金属が積層されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
6. 前記抵抗体の周辺に、前記抵抗体及び前記配線と離隔して配置された第３金属層を有し、
   前記第３金属層は、前記抵抗体と同一材料で形成されている、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を有し、
   前記電極は、前記抵抗体を挟んで前記第１方向の両側に配置されている、請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
8. 前記電極は、前記第１方向の幅よりも前記第１方向と直交する方向の幅が広い、請求項７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１乃至８のいずれか一項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の割合は、２０重量％以下である、請求項１乃至９のいずれか一項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１乃至１０のいずれか一項に記載のひずみゲージ。

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