JP2023105037A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、反りを低減する。【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、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、前記抵抗体上に形成された絶縁層と、を有し、前記絶縁層の膨張係数は、前記基材の膨張係数と同一である。【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、機械的強度の高いセラミックス等からなる基材を用いる場合とは異なり、可撓性を有する基材を用いる場合には、ひずみゲージに生じる反りが問題となる。ひずみゲージに反りが生じると、抵抗体にクラックが生じてゲージ特性が悪化したり、ひずみゲージとして機能しなくなったりするおそれがある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、反りを低減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、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、前記抵抗体上に形成された絶縁層と、を有し、前記絶縁層の膨張係数は、前記基材の膨張係数と同一である。
開示の技術によれば、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、反りを低減することができる。
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の実施の形態〉
図1は、第1の実施の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の実施の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の実施の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を参照するに、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30と、端子部41と、絶縁層50とを有している。
図1は、第1の実施の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の実施の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の実施の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を参照するに、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30と、端子部41と、絶縁層50とを有している。
なお、本実施の形態では、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することができる。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することができる。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することができる。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することができる。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、Ni-Cu(ニッケル銅)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することができる。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質量%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い。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。
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することができる。
絶縁層50は、基材10上に、抵抗体30及び端子部41の上面(基材10とは反対側の面)を被覆し側面を露出するように形成されている。絶縁層50は開口部50xを有し、開口部50x内には端子部41の上面の一部が露出している。但し、開口部50x内に端子部41の上面の全部が露出するようにしてもよい。絶縁層50の平面形状は、基材10の平面形状と略同一である。
絶縁層50の膨張係数が基材10の膨張係数と同一となるように、絶縁層50の材料や厚さが選定されている。絶縁層50の材料は、例えば、基材10の材料として例示した材料の中なら適宜選択することができる。但し、絶縁層50は、基材10と必ずしも同一材料から形成する必要はなく、例えば、基材10がポリイミド樹脂、絶縁層50がエポキシ樹脂等であってもよい。絶縁層50にフィラーを含有させ、絶縁層50に含有されるフィラーの材料の選定及び含有量の調整を行うことにより、絶縁層50の膨張係数を調整してもよい。
本願において、絶縁層50の膨張係数が基材10の膨張係数と同一とは、絶縁層50の膨張係数が基材10の膨張係数と完全に同一である場合のみでなく、絶縁層50の膨張係数が基材10の膨張係数と実質的に同一である場合も含む。
ここで、絶縁層50の膨張係数が基材10の膨張係数と実質的に同一である場合とは、絶縁層50の膨張係数が基材10の膨張係数に対して±100ppm/K以内の範囲にある場合を指す。この範囲は発明者らが実験的に求めたものであり、この範囲内であれば、抵抗体30の内部応力を低減して、ひずみゲージ1の反りをひずみゲージ1が機能する限界の値以下とすることができる。
図4は、第1の実施の形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図であり、図4(a)~図4(c)は図3に対応する断面を示し、図4(d)は図2に対応する断面を示している。
ひずみゲージ1を製造するためには、まず、図4(a)に示す工程では、基材10を準備し、基材10の上面10aに金属層300を形成する。金属層300は、最終的にパターニングされて抵抗体30及び端子部41となる層である。従って、金属層300の材料や厚さは、前述の抵抗体30及び端子部41の材料や厚さと同様である。
金属層300は、例えば、金属層300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することができる。金属層300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300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。
本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層300(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300の酸化を防止する機能や、基材10と金属層300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300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300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300(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することができる。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300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300としてα-Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜することが可能である。
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300を成膜することができる。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300を成膜してもよい。
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300がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、金属層300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300の酸化を防止する機能、及び基材10と金属層300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300の下層に機能層を設けることにより、金属層300の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる金属層300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することができる。又、機能層を構成する材料が金属層300に拡散することにより、ひずみゲージ1において、ゲージ特性を向上することができる。
次に、図4(b)に示す工程では、基材10上に、金属層300を被覆する絶縁層50を形成する。絶縁層50の材料や厚さは、前述の通りである。絶縁層50は、例えば、基材10上、金属層300を被覆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することができる。絶縁層50は、基材10上に、金属層300を被覆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。
次に、図4(c)に示す工程では、金属層300をパターニングして、図1の平面形状の機能層、抵抗体30、及び端子部41を形成する。例えば、絶縁層50を透過し金属層300に吸収されやすい波長のレーザ光を、絶縁層50を介して金属層300に照射するレーザ加工法により、金属層300の不要な部分を除去できる。
レーザ加工法により金属層300をパターニングすることで、金属層300をエッチング液によりエッチングする工程が不要となるため、抵抗体30や基材10がエッチング液により腐食されることを防止できる。
次に、図4(d)に示す工程では、絶縁層50に開口部50xを形成し、開口部50x内に端子部41の上面の一部を露出させる。但し、開口部50x内に端子部41の上面の全部を露出させてもよい。開口部50xは、例えば、絶縁層50に吸収されやすい波長のレーザ光を用いたレーザ加工法により形成できる。絶縁層50として感光性の樹脂を用い、フォトリソグラフィ-法により開口部50xを形成してもよい。
或いは、図4(b)に示す工程で、予め開口部50xを形成した絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて、開口部50xを有する絶縁層50を形成してもよい。この場合には、図4(d)に示す工程は不要となる。以上の工程により、ひずみゲージ1が完成する。
このように、抵抗体30を基材10と絶縁層50とで挟持する構造とし、絶縁層50の膨張係数を基材10の膨張係数と同一とすることで、ひずみゲージ1の反りを低減することが可能となる。その結果、ひずみゲージ1の反りに起因する抵抗体30のクラックの発生を防止できる。又、ひずみゲージ1の反りが低減され、良好なゲージ特性を維持した状態で、ひずみゲージ1を安定的に機能させることができる。
又、抵抗体30上に絶縁層50が形成されているため、ハンドリングが容易となる。
又、絶縁層50を形成してから金属層300をレーザ加工法でパターニングして抵抗体30を形成することにより、レーザ加工時に生じる熱が基材10及び絶縁層50に放熱されるため、加工後の抵抗体30に突起部等が形成されることを防止できる。
又、金属層300をレーザ加工法でパターニングして抵抗体30を形成することにより、金属層300をエッチング液によりエッチングする工程が不要となるため、抵抗体30や基材10がエッチング液により腐食されることを防止できる。その結果、抵抗体30が腐食により断線することを防止できる。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の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、上述した実施の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、図4(c)に示す工程で説明した以外の方法により金属層300をパターニングして抵抗体30を形成した場合でも、抵抗体30を基材10と絶縁層50とで挟持する構造とし、絶縁層50の膨張係数を基材10の膨張係数と同一とすることで、ひずみゲージ1の反りを低減することが可能となる。
1 ひずみゲージ、10 基材、10a 上面、30 抵抗体、41 端子部、50 絶縁層、50x 開口部
Claims (1)
- 可撓性を有する基材と、
前記基材上に、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、
前記抵抗体上に形成された絶縁層と、を有し、
前記絶縁層の膨張係数は、前記基材の膨張係数と同一であるひずみゲージ。
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