JP2023144039A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上することが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、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、を有し、前記抵抗体は、前記基材の一方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第１受感部と、前記基材の他方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第２受感部と、を含み、前記第１受感部と前記第２受感部とは略同一パターンであり、前記基材を挟んで対向する位置に配置されている。【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、例えば、絶縁樹脂からなる基材の一つの面に、一つの抵抗体が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、ひずみゲージを起歪体に接着して抵抗体の抵抗値変化を検出する際に、ひずみゲージの出力に電磁波等による外乱ノイズや電源ノイズが重畳する場合がある。この場合、ひずみゲージにおいて、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が低下し、センサ感度が低下してしまう。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上することが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、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、を有し、前記抵抗体は、前記基材の一方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第１受感部と、前記基材の他方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第２受感部と、を含み、前記第１受感部と前記第２受感部とは略同一パターンであり、前記基材を挟んで対向する位置に配置されている。
開示の技術によれば、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上することが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り、ひずみゲージを基材の上面側から視た様子を示している。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底面図であり、ひずみゲージを基材の下面側から視た様子を示している。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Ａ－Ａ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（抵抗部３１及び３２）と、端子部４１及び４２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り、ひずみゲージを基材の上面側から視た様子を示している。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底面図であり、ひずみゲージを基材の下面側から視た様子を示している。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Ａ－Ａ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（抵抗部３１及び３２）と、端子部４１及び４２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３１が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗部３２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３１が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗部３２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上に形成されている。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３１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３１は、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部（センシング部）３１Ｓを含んでいる。なお、抵抗部３１の受感部３１Ｓ以外の部分は、端子部４１と接続される配線パターンとして機能する。
抵抗部３２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３２は、基材１０の下面１０ｂに直接形成されてもよいし、基材１０の下面１０ｂに他の層を介して形成されてもよい。抵抗部３２は、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部（センシング部）３２Ｓを含んでいる。なお、抵抗部３２の受感部３２Ｓ以外の部分は、端子部４２と接続される配線パターンとして機能する。
受感部３１Ｓと受感部３２Ｓとは略同一パターンであり、基材１０を挟んで対向する位置に配置されている。言い換えれば、受感部３１Ｓと受感部３２Ｓとは略同一パターンであり、平面視で重複する位置に配置されている。
ここで、受感部３１Ｓと受感部３２Ｓとが略同一パターンとは、同一の設計に基づいて製造された結果、両者のパターンがほとんど同一であることを示し、製造上の誤差程度は許容されることを意味する。
なお、抵抗部３１の配線パターンの部分と抵抗部３２の配線パターンの部分とは、基材１０を挟んで対向する位置に配置されてもよいし、基材１０を挟んで対向する位置に配置されていなくてもよい。又、端子部４１と端子部４２とは、基材１０を挟んで対向する位置に配置されてもよいし、基材１０を挟んで対向する位置に配置されていなくてもよい。
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、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、基材１０の上面１０ａにおいて、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。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。抵抗部３１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、抵抗部３１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。
端子部４２は、基材１０の下面１０ｂにおいて、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。
なお、基材１０を貫通する貫通配線（スルーホール）を設け、端子部４１及び４２を基材１０の上面１０ａ側又は下面１０ｂ側に集約してもよい。
抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層６１（絶縁樹脂層）を設けても構わない。又、抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するように基材１０の下面１０ｂにカバー層６２（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層６１及び６２を設けることで、抵抗部３１及び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及び６２を設けることで、抵抗部３１及び３２を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６１及び６２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。
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に図１に示す平面形状の抵抗部３１及び端子部４１を形成する。抵抗部３１及び端子部４１の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗部３１と端子部４１とは、同一材料により一体に形成することができる。
抵抗部３１及び端子部４１は、例えば、抵抗部３１及び端子部４１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し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗部３１及び端子部４１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、抵抗部３１及び端子部４１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。なお、機能層は、機能層の上面全体に抵抗部３１及び端子部４１を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗部３１及び端子部４１と共に図１に示す平面形状にパターニングされる。
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗部３１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抵抗部３１の酸化を防止する機能や、基材１０と抵抗部３１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、特に抵抗部３１がＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗部３１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３１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。
機能層の材料と抵抗部３１及び端子部４１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、抵抗部３１及び端子部４１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、抵抗部３１及び端子部４１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、抵抗部３１及び端子部４１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、抵抗部３１がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、抵抗部３１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抵抗部３１の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗部３１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３１の下層に機能層を設けることにより、抵抗部３１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３１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抵抗部３１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、基材１０の下面１０ｂに図２に示す平面形状の抵抗部３２及び端子部４２を形成する。抵抗部３２及び端子部４２は、抵抗部３１及び端子部４１と同様の方法で形成することができる。抵抗部３２及び端子部４２を成膜する前に、下地層として、基材１０の下面１０ｂに機能層を成膜することが好ましい点も同様である。
抵抗部３１及び端子部４１並びに抵抗部３２及び端子部４２を形成後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆し端子部４１を露出するカバー層６１を、基材１０の下面１０ｂに抵抗部３２を被覆し端子部４２を露出するカバー層６２を設けてもよい。これにより、ひずみゲージ１が完成する。
カバー層６１は、例えば、基材１０の上面１０ａに抵抗部３１を被覆し端子部４１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。又、カバー層６２は、例えば、基材１０の下面１０ｂに抵抗部３２を被覆し端子部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及び６２は、絶縁樹脂フィルムのラミネートに代えて、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。
このように、ひずみゲージ１において、受感部３１Ｓと受感部３２Ｓとは略同一パターンであり、基材１０を挟んで対向する位置に配置されている。そのため、例えば、受感部３１Ｓが引っ張り側、受感部３２Ｓが圧縮側となる曲げ応力が生じた場合に、受感部３１Ｓに接続された端子部４１の出力と、受感部３２Ｓに接続された端子部４２の出力は、絶対値が略等しく符号が反対となる。これに対して、電磁波等による外乱ノイズや電源ノイズは受感部３１Ｓと受感部３２Ｓに略等しく加わる。そのため、端子部４１の出力と端子部４２の出力の差信号を取ることで、出力が約２倍になりノイズが低減される。その結果、ひずみゲージ１において、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上することが可能となり、センサ感度を向上できる。
なお、略同一パターンの受感部を備えた２つのひずみゲージを別々に作製し、起歪体を挟んで対向する位置に貼り付けることも可能であるが、貼り付け作業が非効率であり、貼り付け精度を確保することも困難である。略同一パターンの２つの受感部が基材１０を挟んで対向する位置に配置された１つのひずみゲージ１を用いることにより、このような問題を解決することができる。
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、３０ 抵抗体、３１、３２ 抵抗部、３１Ｓ、３２Ｓ 受感部、４１、４２ 端子部、６１、６２ カバー層
Claims (1)
- 可撓性を有する基材と、
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、を有し、
前記抵抗体は、
前記基材の一方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第１受感部と、
前記基材の他方の側に形成された、ひずみを受けて抵抗変化を生じる第２受感部と、を含み、
前記第１受感部と前記第２受感部とは略同一パターンであり、前記基材を挟んで対向する位置に配置されているひずみゲージ。
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