JP2023126666A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】抵抗体の周辺温度情報を出力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上に形成された、ひずみ検出部と、温度検出部と、を備え、前記ひずみ検出部は、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を有し、前記抵抗体は、並置された複数の抵抗パターンと、隣接する前記抵抗パターンの端部同士を接続する折り返し部分と、を含み、前記折り返し部分には、前記抵抗体よりもゲージ率が低い材料からなる第１金属層が積層され、前記折り返し部分上の前記第１金属層の抵抗値が前記折り返し部分の抵抗値よりも低く、前記温度検出部は、前記基材上に、前記抵抗体と同一材料により形成された第２金属層と、前記第２金属層上に、前記第１金属層と同一材料により形成された第３金属層と、を有する熱電対である。【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（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、抵抗体の抵抗値は温度により変化し、抵抗温度係数がばらついたりすると、精度よくひずみを検出することができない。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、抵抗体の周辺温度情報を出力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上に形成された、ひずみ検出部と、温度検出部と、を備え、前記ひずみ検出部は、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を有し、前記抵抗体は、並置された複数の抵抗パターンと、隣接する前記抵抗パターンの端部同士を接続する折り返し部分と、を含み、前記折り返し部分には、前記抵抗体よりもゲージ率が低い材料からなる第１金属層が積層され、前記折り返し部分上の前記第１金属層の抵抗値が前記折り返し部分の抵抗値よりも低く、前記温度検出部は、前記基材上に、前記抵抗体と同一材料により形成された第２金属層と、前記第２金属層上に、前記第１金属層と同一材料により形成された第３金属層と、を有する熱電対である。
開示の技術によれば、抵抗体の周辺温度情報を出力可能なひずみゲージを提供することができる。
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平面図であり、１層目のみを図示している。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３（ａ）は図１のＡ－Ａ線に沿う断面を、図３（ｂ）は図１のＢ－Ｂ線に沿う断面を、図３（ｃ）は図１のＣ－Ｃ線に沿う断面を示している。
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平面図であり、１層目のみを図示している。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３（ａ）は図１のＡ－Ａ線に沿う断面を、図３（ｂ）は図１のＢ－Ｂ線に沿う断面を、図３（ｃ）は図１のＣ－Ｃ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、同一の基材１０上に形成された、ひずみ検出部１Ｓと、湿度検出部１Ｈと、温度検出部１Ｔとを備えている。ひずみ検出部１Ｓと、湿度検出部１Ｈと、温度検出部１Ｔとは、互いに独立して配置されており、電気的に接続されていない。
なお、図１及び図２では、紙面上側から湿度検出部１Ｈ、ひずみ検出部１Ｓ、温度検出部１Ｔを配置しているが、これには限定されず、湿度検出部１Ｈ、ひずみ検出部１Ｓ、温度検出部１Ｔは任意の配置とすることができる。
ひずみ検出部１Ｓは、基材１０上に形成された、抵抗体３０１と、電極４０Ａと、金属層４３１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３０１が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体３０１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３０１が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体３０１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３０１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３０１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３０１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。
抵抗体３０１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３０１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、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、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３０１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３０１の厚さが０．１μｍ以上であると抵抗体３０１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３０１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３０１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３０１がα－Ｃｒを主成分とすることで、ひずみ検出部１Ｓ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３０１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。
電極４０Ａは、抵抗体３０１の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体３０１よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極４０Ａは、ひずみにより生じる抵抗体３０１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３０１は、例えば、電極４０Ａの一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の電極４０Ａに電気的に接続されている。
電極４０Ａは、複数の金属層が積層された積層構造とすることができる。具体的には、電極４０Ａは、抵抗体３０１の両端部から延在する端子部４１１と、端子部４１１の上面に形成された金属層４２１とを有している。なお、抵抗体３０１と端子部４１１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することができる。
金属層４２１の材料としては、端子部４１１よりもはんだ濡れ性の良好な材料を選択することができる。例えば、抵抗体３０１がＣｒ混相膜である場合、金属層４２１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。金属層４２１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、０．０１μｍ～３０μｍ程度とすることができる。はんだ食われを考慮すると、金属層４２１の厚さは、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上である。なお、金属層４２１を電解めっきにより形成する場合には、電解めっきの容易性から、金属層４２１の厚さは３０μｍ以下であることが好ましい。
但し、はんだ濡れ性やはんだ食われが問題とならない場合には、金属層４２１を積層せずに、端子部４１１自体を電極として用いてもよい。
抵抗体３０１は、長手方向を同一方向（図１の例ではＸ方向）に向けて並置された複数の抵抗パターン３１と、隣接する抵抗パターン３１の端部の外側同士を接続する折り返し部分３３とを含んでいる。
折り返し部分３３には、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い材料からなる金属層４３１が積層されている。そして、折り返し部分３３上の金属層４３１の抵抗値が折り返し部分３３の抵抗値よりも低くなるように、金属層４３１の材料や厚さが選択されている。
なお、図１では、抵抗体３０１の折り返し部分３３は直線状であるが、抵抗体３０１の折り返し部分は直線状には限定されず、任意の形状として構わない。例えば、抵抗体３０１の折り返し部分は曲線状であってもよいし、直線状の部分と曲線状の部分とが混在してもよい。
金属層４３１の材料は、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い材料であれば、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３０１がＣｒ混相膜である場合、金属層４３１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。金属層４３１の厚さは、折り返し部分３３上の金属層４３１の抵抗値を折り返し部分３３の抵抗値よりも低くできれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０１μｍ～３０μｍ程度とすることができる。
金属層４３１は、金属層４２１と同一材料を用い、金属層４２１と同一工程において形成しても構わない。又、金属層４３１は、金属層４２１と異なる材料を用い、金属層４２１と別工程において形成しても構わない。この場合、金属層４３１の厚さは、金属層４２１の厚さと同じにする必要はない。なお、図１では、便宜上、抵抗パターン３１、金属層４２１、及び金属層４３１を梨地模様で示している。
抵抗体３０１及び金属層４３１を被覆し電極４０Ａを露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層６０１（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層６０１を設けることで、抵抗体３０１及び金属層４３１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６０１を設けることで、抵抗体３０１及び金属層４３１を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０１は、電極４０Ａを除くより広い領域を覆うように設けてもよい。
カバー層６０１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６０１は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層６０１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。
湿度検出部１Ｈは、基材１０上に形成された、金属層３０２と、金属層４３２と、電極４０Ｂと、感湿層６０２とを有している。
金属層３０２は、基材１０上に形成された、互いに接しないように間挿し合う２つの櫛形パターンを含んでいる。金属層３０２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。金属層３０２の材料や厚さは、例えば、抵抗体３０１と同様とすることができる。
金属層４３２は、金属層３０２上に積層された、金属層３０２と同一の平面形状のパターンである。金属層４３２の材料や厚さは、例えば、金属層４３１と同様とすることができる。
電極４０Ｂは、端子部４１２上に金属層４２２が積層された積層構造とすることができる。端子部４１２は、金属層３０２の両端部から延在しており、平面視において、略矩形状に形成されている。金属層４２２は、金属層４３２の両端部から延在しており、平面視において、端子部４１２上に略矩形状に形成されている。
言い換えれば、電極４０Ｂは、各々の櫛形パターンを構成する金属層３０２の端部から延在する一対の端子部４１２と、各々の櫛形パターンを構成する金属層４３２の端部から各々の端子部４１２上に延在する金属層４２２とを含む。
なお、金属層３０２及び端子部４１２と、金属層４３２及び４２２とは、平面視で重複するように形成されている。
電極４０Ｂの一方と接続された一方の櫛形パターンを構成する金属層３０２及び４３２と、電極４０Ｂの他方と接続された他方の櫛形パターンを構成する金属層３０２及び４３２とは、直接は電気的に接続されていない。一方の櫛形パターンと他方の櫛形パターンとは、少なくとも２つの櫛形パターン間の隙間を埋める感湿層６０２を介して電気的に接続される。感湿層６０２は、２つの櫛形パターン間の隙間を埋めると共に２つの櫛形パターン上に形成されてもよい。
感湿層６０２は、吸脱湿により抵抗値が変化する（湿度が高くなると抵抗値が小さくなる）材料から形成されている。感湿層６０２の材料は、吸脱湿により抵抗値が変化する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、スルホン化ポリスチレン、メタリン酸カリウム（ＫＰＯ３）、五酸化リン（Ｐ２Ｏ３）、カーボン（Ｃ）、セレン（Ｓｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化ニッケル（Ｎｉ２Ｏ３）、酸化鉄（ＦｅＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、マグネシオクロマイト（ＭｇＣｒ２Ｏ４）、マグネシウムアルミネート（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、マグネシオフェライト（ＭｇＦｅ２Ｏ４）等が挙げられる。感湿層６０２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、１μｍ～３０μｍ程度とすることができる。
電極４０Ｂは、ひずみ検出部１Ｓの周辺湿度の変化に応じた感湿層６０２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。
温度検出部１Ｔは、基材１０上に形成された、金属層３０３と、金属層４３３と、電極４０Ｃとを有している。
金属層３０３は、基材１０上にベタ状に形成された薄膜である。金属層３０３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。金属層３０３の材料や厚さは、例えば、抵抗体３０１及び金属層３０２と同様とすることができる。
金属層４３３は、金属層３０３上に積層されたベタ状の薄膜である。金属層４３３の材料や厚さは、例えば、金属層４３１及び金属層４３２と同様とすることができる。金属層３０３と金属層４３３とは異なる材料により形成されているため、熱電対として機能することができる。金属層３０３及び４３３をベタ状の薄膜とすることにより、ひずみの影響を低減して精度のよい温度検出が可能となる。
電極４０Ｃは、端子部４１３上に金属層４２３が積層された積層構造とすることができる。端子部４１３は、金属層３０３の両端部から延在しており、平面視において、略矩形状に形成されている。金属層４２３の一方は、金属層４３３の一端部から延在しており、平面視において、端子部４１３の一方上に略矩形状に形成されている。金属層４２３の他方は、端子部４１３の他方上に略矩形状に形成されているが、金属層４３３とは電気的に接続されていない。
電極４０Ｃは、ひずみ検出部１Ｓの周辺温度の変化に応じて金属層３０３と金属層４３３との間に生じる電位差（熱起電力）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。
金属層３０３及び４３３を被覆し電極４０Ｃを露出するように基材１０の上面１０ａに防湿層６０３を設けても構わない。防湿層６０３を設けることで、金属層３０３及び４３３に対する湿気の影響を低減して精度のよい温度検出が可能となる。なお、防湿層６０３は、電極４０Ｃを除くより広い領域を覆うように設けてもよい。
防湿層６０３の材料は、金属層３０３及び４３３に対する湿気の影響を低減できる材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、高密度ポリエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ブチルゴム等が挙げられる。防湿層６０３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。
なお、抵抗体３０１、端子部４１１、金属層３０２、端子部４１２、金属層３０３、及び端子部４１３は便宜上別符号としているが、これら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。又、金属層４２１、金属層４３１、金属層４２２、金属層４３２、金属層４２３、及び金属層４３３は便宜上別符号としているが、これら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。
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３（ｂ）に対応するひずみ検出部１Ｓの断面を示している。湿度検出部１Ｈ及び温度検出部１Ｔの層構造はひずみ検出部１Ｓと同様であるため、断面図等の図示は省略する。
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を形成し、更に、金属層３００上に金属層３１０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３０１、端子部４１１、金属層３０２、端子部４１２、金属層３０３、及び端子部４１３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３０１等の材料や厚さと同様である。金属層３１０は、最終的にパターニングされて金属層４２１、金属層４３１、金属層４２２、金属層４３２、金属層４２３、及び金属層４３３となる層である。従って、金属層３１０の材料や厚さは、前述の金属層４２１等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３０１）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３０１）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、ひずみ検出部１Ｓ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、ひずみ検出部１Ｓ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、ひずみ検出部１Ｓにおいて、ゲージ特性を向上することができる。
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ができる。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、めっき法、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。金属層３１０を厚く形成する場合には、めっき法を選択することが好ましい。
次に、図４（ｂ）に示す工程では、フォトリソグラフィによって金属層３１０をパターニングし、図１に示す平面形状の金属層４２１、金属層４３１、金属層４２２、金属層４３２、金属層４２３、及び金属層４３３を形成する。次に、図４（ｃ）に示す工程では、フォトリソグラフィによって金属層３００をパターニングし、図２に示す平面形状の抵抗体３０１、端子部４１１、金属層３０２、端子部４１２、金属層３０３、及び端子部４１３を形成する。
これにより、ひずみ検出部１Ｓにおいて、抵抗体３０１の折り返し部分３３に金属層４３１が積層される。又、ひずみ検出部１Ｓにおいて、端子部４１１に金属層４２１が積層され、電極４０Ａが形成される。又、湿度検出部１Ｈおいて、金属層３０２に金属層４３２が積層される。又、湿度検出部１Ｈにおいて、端子部４１２に金属層４２２が積層され、電極４０Ｂが形成される。又、温度検出部１Ｔおいて、金属層３０３に金属層４３３が積層される。又、温度検出部１Ｔにおいて、端子部４１３に金属層４２３が積層され、電極４０Ｃが形成される。
図４（ｃ）に示す工程の後、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０１及び金属層４３１を被覆し電極４０Ａを露出するようにカバー層６０１を、金属層３０２及び金属層４３２を被覆し電極４０Ｂを露出するように感湿層６０２を、金属層３０３及び金属層４３３を被覆し電極４０Ｃを露出するように防湿層６０３を設けることで、ひずみゲージ１が完成する。但し、カバー層６０１及び防湿層６０３は、必要に応じ設ければよい。
カバー層６０１は、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０１及び金属層４３１を被覆し電極４０Ａ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６０１は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０１及び金属層４３１を被覆し電極４０Ａ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。感湿層６０２及び防湿層６０３は、カバー層６０１と同様の方法により作製することができる。
なお、以上の工程では、金属層４２１、金属層４３１、金属層４２２、金属層４３２、金属層４２３、及び金属層４３３を同一材料を用いて形成する例を示したが、これは一例であり、前述のように、金属層４２１、金属層４２２、及び金属層４２３と、金属層４３１、金属層４３２、及び金属層４３３とを異なる材料を用いて別工程で形成しても構わない。又、金属層４２１、金属層４２２、及び金属層４２３を設けなくても構わない。
このように、ひずみゲージ１には、同一の基材１０上のひずみ検出部１Ｓの近傍に温度検出部１Ｔが配置されている。これにより、抵抗体３０１の周辺温度を温度検出部１Ｔで検出し、抵抗体３０１の周辺温度情報をひずみゲージ１の外部に出力可能となる。その結果、抵抗体３０１のＴＣＲがばらついたとしても、ひずみ検出部１Ｓの検出結果を温度検出部１Ｔの検出結果に基づいて、外部回路で補正演算をすることで、温度変化の影響を低減して精度よくひずみを算出することができる。
又、基材や抵抗体の材料の関係で湿度によるＴＣＲの変化が問題となる場合がある。この場合には、温度検出部１Ｔの検出結果に加え、湿度検出部１Ｈの検出結果を用いて外部回路で補正演算をすることで、温度変化及び湿度変化の影響を低減して精度よくひずみを算出することができる。
又、ひずみ検出部１Ｓにおいて、抵抗体３０１の折り返し部分３３に、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い材料からなる金属層４３１を積層し、かつ折り返し部分３３上の金属層４３１の抵抗値を折り返し部分３３の抵抗値よりも低くすることで、誤検出方向の感度を下げ、ひずみ検出部１Ｓのひずみ検出精度を向上することができる。
すなわち、抵抗体３０１の折り返し部分３３では、折り返し部分３３よりも抵抗値が低い金属層４３１側に多くの電流が流れる。そのため、抵抗体３０１の折り返し部分３３が延在する誤検出方向（この場合はＹ方向）にひずみが生じても、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い金属層４３１側からの出力が主となるため、電極４０Ａからは大きな出力は得られない。一方、抵抗体３０１の折り返し部分３３以外では、ゲージ率が高い抵抗体３０１に全電流が流れるため、抵抗体３０１のグリッド方向（この場合はＸ方向）にひずみが生じると、電極４０Ａから大きな出力を得られる。その結果、グリッド方向（この場合はＸ方向）のひずみ検出精度を向上することができる。但し、誤検出方向のひずみによる抵抗値の変化が問題とならない場合は、金属層４３１を積層しなくてもよい。
この効果は、抵抗体３０１の材料には依存せずに得られるが、抵抗体３０１としてゲージ率が大きいＣｒ混相膜を用いた場合に、特に顕著な効果が得られる。
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、ひずみ検出部の折り返し部分近傍の構造が異なる例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の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。
第１の実施の形態の変形例１では、ひずみ検出部の折り返し部分近傍の構造が異なる例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の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。
第１の実施の形態で示したひずみ検出部１Ｓは、以下に示すひずみ検出部２Ｓ、３Ｓ、又は４Ｓのように変形することができる。なお、第１の実施の形態の変形例１において、湿度検出部１Ｈ及び温度検出部１Ｔの構成は第１の実施の形態と同様である。
図５（ａ）は、第１の実施の形態の変形例１に係るひずみ検出部を例示する平面図（その１）である。図５（ａ）を参照するに、ひずみ検出部２Ｓは、折り返し部分３３が折り返し部分３４に置換され、かつ、金属層４３１が金属層４４１に置換された点がひずみ検出部１Ｓ（図１等参照）と相違する。
抵抗体３０１は、長手方向を同一方向（図５（ａ）の例ではＸ方向）に向けて並置された複数の抵抗パターン３１と、隣接する抵抗パターン３１の端部の対向する側同士を接続する折り返し部分３４とを含んでいる。
折り返し部分３４には、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い材料からなる金属層４４１が積層されている。そして、折り返し部分３４上の金属層４４１の抵抗値が折り返し部分３４の抵抗値よりも低くなるように、金属層４４１の材料や厚さが選択されている。金属層４４１の材料や厚さは、例えば、金属層４３１と同様とすることができる。
図１に示す折り返し部分３３のように、隣接する抵抗パターン３１の端部の外側同士を接続する部分を抵抗体３０１の折り返し部分と考えてもよいし、図５（ａ）に示す折り返し部分３４のように、隣接する抵抗パターン３１の端部の対向する側同士を接続する部分を抵抗体３０１の折り返し部分と考えてもよい。
上記の何れの場合も、抵抗体３０１の折り返し部分に、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い材料からなる金属層を積層し、かつ折り返し部分上の金属層の抵抗値を折り返し部分の抵抗値よりも低くすることで、誤検出方向の感度を下げ、ひずみ検出部のひずみ検出精度を向上することができる。
図５（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例１に係るひずみ検出部を例示する平面図（その２）である。図５（ｂ）を参照するに、ひずみ検出部３Ｓは、金属層４３１が金属層４５１に置換された点がひずみ検出部１Ｓ（図１等参照）と相違する。
金属層４５１は、抵抗体３０１の折り返し部分３３に積層されており、更に、折り返し部分３３上から抵抗パターン３１上の一部に延在し、全体としてコの字型に形成されている。金属層４５１の材料や厚さは、例えば、金属層４３１と同様とすることができる。
このように、金属層４５１の一部が折り返し部分３３上から抵抗パターン３１上の一部に延在してもよい。この場合には、製造上のばらつきを考慮しても確実に折り返し部分３３に金属層４５１を積層することができる。その結果、誤検出方向の感度を確実に下げ、ひずみ検出部３Ｓのひずみ検出精度を確実に向上することができる。
但し、ひずみ検出部３Ｓでは、ひずみ検出部１Ｓよりも抵抗パターン３１のグリッド方向の長さ（金属層４５１が積層されていない部分の長さ）が若干短くなるため、検出感度の若干の低下が見込まれる。
図５（ｃ）は、第１の実施の形態の変形例１に係るひずみ検出部を例示する平面図（その３）である。図５（ｃ）を参照するに、ひずみ検出部４Ｓは、折り返し部分３３が折り返し部分３６に置換され、かつ、金属層４３１が金属層４６１に置換された点がひずみ検出部１Ｓ（図１等参照）と相違する。
抵抗体３０１は、長手方向を同一方向（図５（ｃ）の例ではＸ方向）に向けて並置された複数の抵抗パターン３１と、隣接する抵抗パターン３１の端部の外側同士を接続する折り返し部分３６とを含んでいる。
折り返し部分３６には、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い材料からなる金属層４６１が積層されている。そして、折り返し部分３６上の金属層４６１の抵抗値が折り返し部分３６の抵抗値よりも低くなるように、金属層４６１の材料や厚さが選択されている。金属層４６１の材料や厚さは、例えば、金属層４３１と同様とすることができる。
折り返し部分３６は、折り返し部分３３（図１参照）とは異なり、曲線状（例えば、Ｕ字型）に形成されている。この場合も、抵抗体３０１の折り返し部分３６に、抵抗体３０１よりもゲージ率が低い材料からなる金属層４６１を積層し、かつ折り返し部分３６上の金属層４６１の抵抗値を折り返し部分３６の抵抗値よりも低くすることで、誤検出方向の感度を下げ、ひずみ検出部４Ｓのひずみ検出精度を向上することができる。
なお、ひずみ検出部４Ｓにおいて、ひずみ検出部３Ｓと同様に、金属層４６１の一部が折り返し部分３６上から抵抗パターン３１上の一部に延在してもよい。この場合には、製造上のばらつきを考慮しても確実に折り返し部分３６に金属層４６１を積層することができる。その結果、誤検出方向の感度を確実に下げ、ひずみ検出部４Ｓのひずみ検出精度を確実に向上することができる。但し、抵抗パターン３１のグリッド方向の長さ（金属層４６１が積層されていない部分の長さ）が若干短くなるため、検出感度の若干の低下が見込まれる。
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、基材や抵抗体の材料の関係で湿度によるＴＣＲの変化が問題とならない場合には、湿度検出部を設けず、ひずみ検出部及び温度検出部のみからひずみゲージを構成してもよい。
１ ひずみゲージ、１Ｓ、２Ｓ、３Ｓ、４Ｓ ひずみ検出部、１Ｈ 湿度検出部、１Ｔ 温度検出部、１０ 基材、１０ａ 上面、３０１ 抵抗体、３０２、３０３、４２１、４２２、４２３、４３１、４３２、４３３、４４１、４５１、４６１ 金属層、３１ 抵抗パターン、３３、３４、３６ 折り返し部分、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ 電極、４１１、４１２、４１３ 端子部、６０１ カバー層、６０２ 感湿層、６０３ 防湿層
Claims (1)
- 可撓性を有する基材上に形成された、ひずみ検出部と、温度検出部と、を備え、
前記ひずみ検出部は、
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を有し、
前記抵抗体は、並置された複数の抵抗パターンと、隣接する前記抵抗パターンの端部同士を接続する折り返し部分と、を含み、
前記折り返し部分には、前記抵抗体よりもゲージ率が低い材料からなる第１金属層が積層され、前記折り返し部分上の前記第１金属層の抵抗値が前記折り返し部分の抵抗値よりも低く、
前記温度検出部は、
前記基材上に、前記抵抗体と同一材料により形成された第２金属層と、
前記第２金属層上に、前記第１金属層と同一材料により形成された第３金属層と、を有する熱電対であるひずみゲージ。
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