JP2023105038A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】貼り合わせ精度を考慮することなく、主ひずみ方向が未知のひずみを測定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、Cr混相膜から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体は、前記基材の一方の側に形成された第1抵抗部と、前記基材の他方の側に形成された第2抵抗部と、を含み、前記第1抵抗部と前記第2抵抗部とは、平面視においてグリッド方向が交差するように配置されている。【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)。
ところで、2つのひずみゲージのグリッド方向を所望の角度(例えば、90度や45度)ずらして測定対象物に貼り付け、主ひずみ方向が未知のひずみを測定する方法がある。この方法では、2つのひずみゲージを貼り合わせるため、貼り合わせ精度が悪く、所望の角度に貼り合わせることが困難であった。その結果、精度のよいひずみ測定ができなかった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、貼り合わせ精度を考慮することなく、主ひずみ方向が未知のひずみを測定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、Cr混相膜から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体は、前記基材の一方の側に形成された第1抵抗部と、前記基材の他方の側に形成された第2抵抗部と、を含み、前記第1抵抗部と前記第2抵抗部とは、平面視においてグリッド方向が交差するように配置されている。
開示の技術によれば、貼り合わせ精度を考慮することなく、主ひずみ方向が未知のひずみを測定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において抵抗部31のパターンを例示する平面図である。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及び図2のA-A線に沿う断面を示している。図4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及び図2のB-B線に沿う断面を示している。図1~図4を参照するに、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30(抵抗部31及び32)と、端子部41及び42と、カバー層61及び62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において抵抗部31のパターンを例示する平面図である。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及び図2のA-A線に沿う断面を示している。図4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及び図2のB-B線に沿う断面を示している。図1~図4を参照するに、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30(抵抗部31及び32)と、端子部41及び42と、カバー層61及び62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の抵抗部32が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗部31が設けられている側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗部32が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗部31が設けられている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、抵抗部31及び32のひずみ感度誤差を少なくすることができる点で好ましい。
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上に形成されており、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を介して積層された抵抗部31及び32を含んでいる。すなわち、抵抗体30は、抵抗部31及び32の総称であり、抵抗部31及び32を特に区別する必要がない場合には抵抗体30と称する。なお、図1及び図2では、便宜上、抵抗部31及び32を梨地模様で示している。
抵抗部31は、基材10の下面10b側に所定のパターンで形成された薄膜である。抵抗部31は、基材10の下面10b側に直接形成されてもよいし、基材10の下面10b側に他の層を介して形成されてもよい。
抵抗部31の両端部には、ビア受け用のパッド31Aが形成されている。パッド31Aは、抵抗部31の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部31よりも拡幅して略矩形状に形成されている。
抵抗部32は、基材10の上面10a側に所定のパターンで形成された薄膜である。抵抗部32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。
抵抗部32は、平面視において、グリッド方向が、抵抗部31のグリッド方向と交差するように配置されている。ここで、交差するとは、抵抗部32のグリッド方向と抵抗部31のグリッド方向が、平面視において、平行でないことを意味する。
抵抗部32のグリッド方向は、平面視において、例えば、抵抗部31のグリッド方向に対して90度である(直交している)。但し、これは一例であり、抵抗部32のグリッド方向は、平面視において、抵抗部31のグリッド方向に対して45度であってもよいし、その他の角度であってもよい。
抵抗体30(抵抗部31及び32)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及び42は、基材10上に形成されている。端子部41及び42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。
端子部41は、ひずみにより生じる抵抗部31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。
端子部41の一方は、基材10を貫通するビアホール10xを介して、ビアホール10x内に露出するパッド31Aの一方と電気的に接続されている。端子部41の一方は、例えば、基材10の上面10aからビアホール10xの側壁及びビアホール10x内に露出するパッド31Aの一方の上面に連続的に形成され、パッド31Aの一方と電気的に接続される。
端子部41の一方のビアホール10xの側壁及びビアホール10x内に露出するパッド31Aの一方の上面に形成された部分により、ビアホール10x内に凹部10yが形成されている。但し、端子部41の一方は、ビアホール10xを充填してもよい(凹部10yを形成しなくてもよい)。
又、端子部41の他方は、基材10を貫通するビアホール10xを介して、ビアホール10x内に露出するパッド31Aの他方と電気的に接続されている。端子部41の他方は、例えば、基材10の上面10aからビアホール10xの側壁及びビアホール10x内に露出するパッド31Aの他方の上面に連続的に形成され、パッド31Aの他方と電気的に接続される。
端子部41の他方のビアホール10xの側壁及びビアホール10x内に露出するパッド31Aの他方の上面に形成された部分により、ビアホール10x内に凹部10yが形成されている。但し、端子部41の他方は、ビアホール10xを充填してもよい(凹部10yを形成しなくてもよい)。
端子部41は、平面視において、抵抗部31よりも拡幅して略矩形状に形成されており、端子部41の一方と端子部41の他方との間に、抵抗部31がジグザグに折り返しながら延在している。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。
端子部42は、抵抗部32の両端部から延在しており、平面視において、抵抗部32よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部42は、ひずみにより生じる抵抗部32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。抵抗部32は、例えば、端子部42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42に接続されている。端子部42の上面を、端子部42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、抵抗部32と端子部41及び42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。
カバー層61は、抵抗部32を被覆し端子部41及び42を露出するように基材10の上面10aに設けられた絶縁樹脂層である。カバー層61を設けることで、抵抗部32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61を設けることで、抵抗部32を湿気等から保護することができる。なお、カバー層61は、端子部41及び42を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
カバー層62は、抵抗部31及びパッド31Aを被覆するように基材10の下面10bに設けられた絶縁樹脂層である。カバー層62を設けることで、抵抗部31及びパッド31A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62を設けることで、抵抗部31及びパッド31Aを湿気等から保護することができる。
カバー層61及び62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することができる。カバー層61及び62は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層61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、5μm~500μm程度とすることができる。特に、カバー層62の厚さが5μm~200μmであると、接着層等を介してカバー層62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。なお、カバー層61とカバー層62を異なる材料から形成してもよいし、カバー層61とカバー層62を異なる厚さに形成してもよい。
図5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5(a)に示す工程では、基材10を準備し、基材10の下面10bの全体に、最終的にパターニングされて抵抗部31及びパッド31Aとなる金属層310を形成する。金属層310の材料や厚さは、前述の抵抗体30(抵抗部31)の材料や厚さと同様である。
金属層310は、例えば、金属層310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で形成できる。金属層310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310を成膜する前に、下地層として、基材10の下面10b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抵抗部(金属層310がパターニングされたもの)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等に含まれる酸素や水分による上層である抵抗部の酸化を防止する機能や、基材10等と上層である抵抗部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、特に上層である抵抗部がCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層が上層である抵抗部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抵抗部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の下面10b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の下面10b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。
機能層の材料と上層である抵抗部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、上層である抵抗部として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、上層である抵抗部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、上層である抵抗部を成膜してもよい。
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、上層である抵抗部がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、上層である抵抗部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上層である抵抗部の酸化を防止する機能、及び基材10と上層である抵抗部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、抵抗部の下層に機能層を設けることにより、上層である抵抗部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抵抗部を作製できる。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上層である抵抗部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を貫通し金属層310の上面を露出するビアホール10xを形成する。ビアホール10xは、例えば、レーザ加工法により形成できる。ビアホール10xは、金属層310がパターニングされてパッド31Aとなる領域上に形成される。
次に、図4(c)に示す工程では、基材10の上面10aの全体に、最終的にパターニングされて抵抗部32並びに端子部41及び42となる金属層320を形成する。金属層320は、基材10の上面10aからビアホール10xの側壁及びビアホール10x内に露出する金属層310の上面に連続的に形成され、金属層310と電気的に接続される。
金属層320のビアホール10xの側壁及びビアホール10x内に露出する金属層310の上面に形成された部分により、ビアホール10x内に凹部10yが形成される。但し、金属層310は、ビアホール10xを充填してもよい(凹部10yを形成しなくてもよい)。
金属層320の材料や厚さは、例えば、金属層310と同様とすることができる。金属層320は、例えば、金属層310と同様の方法により形成できる。金属層310と同様の理由により、金属層320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。
次に、図4(d)に示す工程では、基材10の下面10bに形成された機能層及び金属層310、並びに基材10の上面10aに形成された機能層及び金属層320をフォトリソグラフィによってパターニングする。これにより、基材10の下面10bに図2の形状の抵抗部31及びパッド31Aが形成され、基材10の上面10aに図1の形状の抵抗部32並びに端子部41及び42が形成される。金属層310と金属層320とをフォトリソグラフィによって同時にパターニングすることで、抵抗部31と抵抗部32との相対的な位置精度を向上することができる。
図4(d)に示す工程の後、基材10の上面10aに、抵抗部32を被覆し端子部41及び42を露出するカバー層61を形成する。又、基材10の下面10bに、抵抗部31及びパッド31Aを被覆するカバー層62を形成する。カバー層61及び62の材料や厚さは、前述の通りである。
カバー層61は、例えば、基材10の上面10aに、抵抗部32を被覆し端子部41及び42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することができる。カバー層61は、基材10の上面10aに、抵抗部32を被覆し端子部41及び42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。カバー層62もカバー層61と同様の方法により作製することができる。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、ひずみゲージ1では、基材10の下面10bに抵抗部31が形成され、基材10の上面10aに抵抗部32が形成され、抵抗部31と抵抗部32のグリッド方向が交差している。又、抵抗部31と抵抗部32は、基材10の両面に形成した金属層をフォトリソグラフィによって同時にパターニングすることで形成できる。その結果、抵抗部31と抵抗部32との相対的な位置精度を向上することが可能となり、抵抗部31と抵抗部32のグリッド方向が所望の値に精度よく交差したひずみゲージを実現できる。その結果、貼り合わせ精度を考慮することなく、主ひずみ方向が未知のひずみを測定することができる。
又、ひずみゲージ1は、基材10の上下が略対称の積層構造である。すなわち、基材10の下面10b側に抵抗部31及びカバー層62が積層され、基材10の上面10a側に抵抗部32及びカバー層61が積層されている。この構造により、ひずみゲージ1に生じる反りを低減することができる。
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。
1 ひずみゲージ、10 基材、10a 上面、10b 下面、10x ビアホール、10y 凹部、30 抵抗体、31、32 抵抗部、41、42 端子部、61、62 カバー層
Claims (1)
- 可撓性を有する基材と、
Cr混相膜から形成された抵抗体と、を有し、
前記抵抗体は、前記基材の一方の側に形成された第1抵抗部と、前記基材の他方の側に形成された第2抵抗部と、を含み、
前記第1抵抗部と前記第2抵抗部とは、平面視においてグリッド方向が交差するように配置されているひずみゲージ。
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