JP2023028134A - ひずみゲージ、センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみの検出精度低下を抑制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、基材と、前記基材の一方の面側に形成された抵抗体と、前記基材の他方の面側に開口する複数の凹部と、を有し、複数の前記凹部は、第１凹部及び第２凹部を含み、平面視で、前記第１凹部の重心と前記第２凹部の重心とを結ぶ仮想線分を考えたときに、前記仮想線分が前記抵抗体の長手方向と斜めに交差するように、前記第１凹部及び前記第２凹部が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ひずみゲージ、センサモジュールに関する。

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。また、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）。

ひずみゲージは、例えば、接着層を介して起歪体に貼り付けて使用される。ひずみゲージを起歪体に貼り付ける際には、例えば、まず、起歪体の上面の所定位置に、ひずみゲージを固定する位置及び方向を示すため、けがきにより縦横に交差する微小な溝を形成する。そして、起歪体の上面に接着層を形成し、ひずみゲージをけがきで形成した微小な溝に合わせて貼り付ける。

特開２０１６－７４９３４号公報

しかしながら、けがきで形成した微小な溝に応力集中が生じて、ひずみ検出の誤差要因となり、ひずみの検出精度を低下させる場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみの検出精度低下を抑制したひずみゲージの提供を目的とする。

本ひずみゲージは、基材と、前記基材の一方の面側に形成された抵抗体と、前記基材の他方の面側に開口する複数の凹部と、を有し、複数の前記凹部は、第１凹部及び第２凹部を含み、平面視で、前記第１凹部の重心と前記第２凹部の重心とを結ぶ仮想線分を考えたときに、前記仮想線分が前記抵抗体の長手方向と斜めに交差するように、前記第１凹部及び前記第２凹部が配置されている。

開示の技術によれば、ひずみの検出精度低下を抑制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である。 起歪体を例示する斜視図である。 起歪体とひずみゲージの位置決めについて説明する断面図である。 凹部の配置について説明する平面図である。 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。 機能層について説明する断面図である。

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〉
［ひずみゲージの構造］
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、配線４０と、電極５０と、カバー層６０とを有している。なお、図１及び図２では、便宜上、カバー層６０の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層６０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。また、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。ただし、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。また、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１０ｂ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では基材１０の長辺方向）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では基材１０の短辺方向）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。

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。また、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、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。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。

カバー層６０は、基材１０上に形成され、抵抗体３０及び配線４０を被覆し電極５０を露出する。配線４０の一部は、カバー層６０から露出してもよい。抵抗体３０及び配線４０を被覆するカバー層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。また、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。

［ひずみゲージと起歪体との位置決め構造］
ひずみゲージ１は、基材１０の下面１０ｂ側に開口する第１凹部１５及び第２凹部１６を有している。第１凹部１５及び第２凹部１６は、基材１０の下面１０ｂから上面１０ａ側にへこむ窪みである。第１凹部１５及び第２凹部１６は、例えば、基材１０を下面１０ｂ側からエッチングすることで形成できる。第１凹部１５及び第２凹部１６は基材１０を貫通しないため、基材１０のエッチングの際には、エッチング深度の調整が必要となる。

ひずみゲージ１は、例えば接着層を介して起歪体に貼り付けて使用される。接着層は、ひずみゲージ１と起歪体とを固着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、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、変性ウレタン樹脂等を用いることができる。また、ボンディングシート等の材料を用いても良い。接着層の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．１μｍ～５０μｍ程度とすることができる。

起歪体の形状は任意であるが、図３に一例を示す。図３に例示する起歪体１００は、矩形の板状であり、上面１００ａ及び下面１００ｂを備えている。上面１００ａ及び下面１００ｂは、平面である。起歪体１００は、上面１００ａから突起する第１凸部１５０及び第２凸部１６０を有している。

平面視で、起歪体１００の第１凸部１５０及び第２凸部１６０の位置は、ひずみゲージ１の第１凹部１５及び第２凹部１６の位置と対応している。また、起歪体１００の第１凸部１５０及び第２凸部１６０は、ひずみゲージ１の第１凹部１５及び第２凹部１６と嵌合可能な大きさである。

図４に示すように、第１凸部１５０は第１凹部１５と嵌合し、第２凸部１６０は第２凹部１６と嵌合する。これにより、ひずみゲージ１と、上面１００ａ面側にひずみゲージ１が貼り付けられた起歪体１００とを有するセンサモジュール５を実現できる。

このように、起歪体１００の第１凸部１５０及び第２凸部１６０が、ひずみゲージ１の第１凹部１５及び第２凹部１６と嵌合可能な構造とすることで、起歪体１００の上面１００ａに、ひずみゲージ１を容易に位置決め可能となる。また、起歪体１００にひずみゲージ１を位置決めするためのけがき作業が不要になり、けがきにより応力集中が生じることを回避できる。そのため、誤差要因が排除されて、ひずみの検出精度低下を抑制でき、ひずみゲージ１による正確なひずみ検出が可能となる。

第１凹部１５及び第２凹部１６の平面形状、例えば矩形状であるが、円形や楕円形、矩形以外の多角形等の任意の形状としてよい。第１凹部１５及び第２凹部１６の平面形状が矩形状である場合、例えば、平面視で、第１凹部１５及び第２凹部１６の対向する２辺はグリッド方向と平行であり、対向する他の２辺はグリッド方向に垂直である。第１凹部１５及び第２凹部１６の平面形状が矩形状である場合、第１凹部１５及び第２凹部１６の大きさは、例えば、縦５００～１０００μｍ×横５００～１０００μｍ×深さ１０～１００μｍとすることができる。ここで、縦はグリッド方向、横はグリッド幅方向、深さは基材１０の厚さ方向である。なお、第１凹部１５及び第２凹部１６の大きさの上限値は、ひずみゲージ１の大きさによって決定され、抵抗体３０が形成されている領域と平面視で重複しない程度に大きくしてもかまわない。また、第１凹部１５及び第２凹部１６の深さの上限値は、当然に基材１０を貫通しない範囲である。

図５に二点鎖線で示すように、平面視で、第１凹部１５の重心と第２凹部１６の重心とを結ぶ仮想線分Ｌ１を考えたときに、仮想線分Ｌ１が抵抗体３０の長手方向と斜めに交差するように、第１凹部１５及び第２凹部１６が配置されていることが好ましい。第１凹部１５及び第２凹部１６をこのような配置とすることで、ひずみゲージ１の回転方向の位置ずれを効果的に抑制し、グリッド方向及とグリッド幅方向の両方において、起歪体１００の上面１００ａの正しい位置に、ひずみゲージ１を位置決めすることが容易となる。

また、第１凹部１５及び第２凹部１６は、抵抗体３０が形成されている領域と平面視で重複しない領域に配置されていることが好ましい。これにより、第１凹部１５及び第２凹部１６の存在が、ひずみ検出に影響しないようにすることができる。

さらに、第１凹部１５及び第２凹部１６は、グリッド方向において抵抗体３０の両端よりも外側に配置され、かつグリッド幅方向において抵抗体３０の両端（終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２）よりも外側に配置されていることが好ましい。つまり、第１凹部１５及び第２凹部１６は、図５の領域Ｅ１及びＥ２に配置されていることが好ましい。あるいは、第１凹部１５及び第２凹部１６は、図５の領域Ｅ３及びＥ４に配置されてもよい。これにより、第１凹部１５及び第２凹部１６の存在が、ひずみ検出に影響しないようにすることができるとともに、第１凹部１５と第２凹部１６との距離を長くすることが可能となる。そのため、起歪体１００に対するひずみゲージ１の位置決め精度を向上できる。

例えば、基材１０の平面形状が矩形であれば、第１凹部１５及び第２凹部１６は、矩形の対角線を通る位置に配置することができる。この場合も、第１凹部１５及び第２凹部１６は、グリッド方向において抵抗体３０の両端よりも外側に配置され、かつグリッド幅方向において抵抗体３０の両端（終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２）よりも外側に配置されていることが好ましい。

なお、第１凹部１５及び第２凹部１６に加え、他の凹部を設けてもよい。すなわち、ひずみゲージ１は、起歪体１００との位置決めに使用する凹部を３つ以上有してもよい。この場合には、起歪体１００にも、ひずみゲージ１の凹部に対応する個数の凸部が、ひずみゲージ１の凹部と嵌合可能な位置に設けられる。

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２に対応する断面を示している。図６に示すひずみゲージ１Ａのように、基材１０の下面１０ｂ側に形成された下地層７０を有し、下地層７０に第１凹部７５及び第２凹部７６を設けてもよい。第１凹部７５及び第２凹部７６は、下地層７０を貫通する貫通孔の内側面と、下地層７０の貫通孔内に露出する基材１０の下面１０ｂにより形成されている。

第１凹部７５及び第２凹部７６は、平面視で第１凹部１５及び第２凹部１６と同じ位置に形成され、第１凹部１５及び第２凹部１６と同じ形状である。そのため、第１凹部７５及び第２凹部７６は、図４に示す第１凹部１５及び第２凹部１６と同様に、起歪体１００の第１凸部１５０及び第２凸部１６０と嵌合可能である。すなわち、起歪体１００の上面１００ａに、ひずみゲージ１Ａを容易に位置決め可能となる。

第１凹部７５及び第２凹部７６は、例えば、エッチングにより下地層７０を貫通する貫通孔を形成し、貫通孔が形成された下地層７０を、接着層を介して、基材１０の下面１０ｂに貼り付けることで形成できる。この方法では、下地層７０をエッチングして貫通孔を形成する際に、第１凹部１５及び第２凹部１６のようなエッチング深度の調整が不要となるため、加工性が向上する。

下地層７０は、任意の材料を用いて形成できるが、下記に示すように、材料を選択して特定の機能を持たせてもよい。また、下地層７０は、複数層の積層構造であってもよい。

例えば、下地層７０は、基材１０及び抵抗体３０の耐候性を向上するバリア層であってもよい。バリア層は、例えば、基材１０よりも湿気を通しにくい材料から形成された防湿層や、温度変化耐性を有する層である。例えば、基材１０がポリイミドである場合、バリア層は、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、又はアクリル樹脂から形成できる。あるいは、これらの樹脂を複合させたハイブリッド樹脂を用いてもよい。

下地層７０は、基材１０よりも電気伝導率が高い材料から形成された導電層であってもよい。導電層は、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。

あるいは、導電性を有する材料であれば、導電層の材料として、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。

下地層７０を導電層とすることで、抵抗体に重畳されるノイズを低減できる。基材１０の下面１０ｂに導電層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１Ａの測定精度の低下を抑制できる。また、下地層７０を金属から形成する場合、下地層７０は基材１０及び抵抗体３０の耐候性を向上するバリア層としても機能できる。

基材１０の下面１０ｂに導電層を形成することで、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１０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、導電層を形成する効果が特に顕著である。

なお、導電層は、基準電位（ＧＮＤ）と電気的に接続されることが好ましい。あるいは、ひずみゲージ１Ａを起歪体１００に貼り付ける際に、導電層が起歪体１００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。例えば、ひずみゲージ１Ａを、導電性接着剤を介して金属製の起歪体１００に貼り付けてもよい。これにより、ひずみゲージ１Ａの導電層は、導電性接着剤を介して起歪体１００と電気的に接続されるため、ノイズ低減に有利となる。

［ひずみゲージの製造方法］
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。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。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のパターン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。

次に、基材１０を下面１０ｂ側からエッチングして第１凹部１５及び第２凹部１６を形成する。あるいは、樹脂や金属等からなる下地層７０を準備し、エッチングにより下地層７０を貫通する貫通孔を形成する。そして、貫通孔が形成された下地層７０を、接着層を介して、基材１０の下面１０ｂに貼り付ける。下地層７０に貫通孔を形成する際に、プレス加工法やレーザ加工法等を用いてもよい。なお、第１凹部１５及び第２凹部１６は、他の任意のタイミングで基材１０に形成してもかまわない。

その後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４０を被覆し電極５０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６０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７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。ただし、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。

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、５ センサモジュール、１０ 基材、１０ａ 上面、１０ｂ 下面、１５，７５ 第１凹部、１６，７６ 第２凹部、２０ 機能層、３０ 抵抗体、３０ｅ_１，３０ｅ_２ 終端、４０ 配線、４１，５１ 第１金属層、４２，５２ 第２金属層、５０ 電極、６０ カバー層、７０ 下地層、１００ 起歪体、１００ａ 上面、１００ｂ 下面、１５０ 第１凸部、１６０ 第２凸部

Claims (10)

1. 基材と、
   前記基材の一方の面側に形成された抵抗体と、
   前記基材の他方の面側に開口する複数の凹部と、を有し、
   複数の前記凹部は、第１凹部及び第２凹部を含み、
   平面視で、前記第１凹部の重心と前記第２凹部の重心とを結ぶ仮想線分を考えたときに、前記仮想線分が前記抵抗体の長手方向と斜めに交差するように、前記第１凹部及び前記第２凹部が配置されている、ひずみゲージ。
2. 前記第１凹部及び前記第２凹部は、前記抵抗体が形成されている領域と平面視で重複しない領域に配置されている、請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 前記第１凹部及び前記第２凹部は、グリッド方向において前記抵抗体の両端よりも外側に配置され、かつグリッド幅方向において前記抵抗体の両端よりも外側に配置されている、請求項２に記載のひずみゲージ。
4. 前記基材の平面形状は矩形であり、
   前記第１凹部及び前記第２凹部は、前記矩形の対角線を通る位置に配置されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
5. 前記基材の他方の面側に形成された下地層を有し、
   前記下地層を貫通する複数の貫通孔が設けられ、
   前記第１凹部及び前記第２凹部は、前記貫通孔の内側面と、前記貫通孔内に露出する前記基材の他方の面により形成されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
6. 前記下地層は、前記基材及び前記抵抗体の耐候性を向上するバリア層である、請求項５に記載のひずみゲージ。
7. 前記下地層は、前記基材よりも電気伝導率が高い材料から形成された導電層である、請求項５又は６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. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のひずみゲージと、
   第１面及び第２面を備え、前記第１面側に前記ひずみゲージが貼り付けられた起歪体と、を有し、
   前記起歪体は、前記第１面から突起する複数の凸部を有し、
   複数の前記凸部は、第１凸部及び第２凸部を含み、
   前記第１凸部は前記第１凹部と嵌合し、前記第２凸部は前記第２凹部と嵌合する、センサモジュール。
10. 請求項７に記載のひずみゲージと、
    第１面及び第２面を備え、前記第１面側に、導電性接着剤を介して前記ひずみゲージが貼り付けられた金属製の起歪体と、を有し、
    前記起歪体は、前記第１面から突起する複数の凸部を有し、
    複数の前記凸部は、第１凸部及び第２凸部を含み、
    前記第１凸部は前記第１凹部と嵌合し、前記第２凸部は前記第２凹部と嵌合し、
    前記導電層は、前記導電性接着剤を介して前記起歪体と電気的に接続されている、センサモジュール。

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