JP2023158563A - ひずみゲージ、センサ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁ノイズの影響を低減することが容易なひずみゲージを提供する。【解決手段】本ひずみゲージは、測定対象物に装着され、前記測定対象物に生じるひずみを検出するひずみゲージであって、基材と、前記基材の上面に形成された抵抗体と、前記基材を上面から下面に貫通する貫通電極と、を有し、前記ひずみゲージが前記測定対象物に装着される際に、前記基材の下面及び前記貫通電極の下面が前記測定対象物と当接する面となる。【選択図】図３

Description

本発明は、ひずみゲージ、センサ構造体に関する。

従来、測定対象物に貼り付けて使用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、抵抗体は、例えば、絶縁性樹脂上に形成されている。抵抗体は、例えば、配線を介して、電極と接続されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－７４９３４号公報

ところで、ひずみゲージの抵抗体は、電磁ノイズの影響を受ける場合があり、電磁ノイズの影響を受けると、ひずみゲージから正常な信号を得ることが困難となる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、電磁ノイズの影響を低減することが容易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、測定対象物に装着され、前記測定対象物に生じるひずみを検出するひずみゲージであって、基材と、前記基材の上面に形成された抵抗体と、前記基材を上面から下面に貫通する貫通電極と、を有し、前記ひずみゲージが前記測定対象物に装着される際に、前記基材の下面及び前記貫通電極の下面が前記測定対象物と当接する面となる。

開示の技術によれば、電磁ノイズの影響を低減することが容易な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。 ひずみゲージの使用方法について説明する図である。 センサ構造体を例示する断面図である。 センサ構造体の測定対象物が転がり軸受である例を示す断面図（その１）である。 センサ構造体の測定対象物が転がり軸受である例を示す断面図（その２）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。 第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージを例示する断面図である。

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）
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１００は、基材１０１と、機能層１０２と、抵抗体１０３と、配線１０４と、端子部１０５と、貫通電極１０６とを有している。但し、機能層１０２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１００において、基材１０１の抵抗体１０３が設けられている側を「上側」と称し、抵抗体１０３が設けられていない側を「下側」と称する。又、各部位の上側に位置する面を「上面」と称し、各部位の下側に位置する面を「下面」と称する。ただし、ひずみゲージ１００は天地逆の状態で用いることもできる。又、ひずみゲージ１００は任意の角度で配置することもできる。又、平面視とは、基材１０１の上面１０１ａに対する上側から下側への法線方向で対象物を視ることを指すものとする。そして、平面形状とは、前記法線方向で対象物を視たときの、対象物の形状を指すものとする。

基材１０１は、抵抗体１０３等を形成するためのベース層となる部材である。基材１０１は可撓性を有する。基材１０１の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１００の使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、基材１０１の厚さは５μｍ～５００μｍ程度であってよい。なお、測定対象物の表面から受感部へのひずみの伝達性、及び、環境変化に対する寸法安定性の観点から考えると、基材１０１の厚さは５μｍ～２００μｍの範囲内であることが好ましい。また、絶縁性の観点から考えると、基材１０１の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。

基材１０１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される。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、かつ可撓性を有する部材を指す。

基材１０１が絶縁樹脂フィルムから形成される場合、当該絶縁樹脂フィルムには、フィラーや不純物等が含まれていてもよい。例えば、基材１０１は、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されてもよい。

基材１０１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る。又、前述の結晶性材料以外に非晶質のガラス等を基材１０１の材料としてもよい。又、基材１０１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。金属を用いる場合、金属製の基材１０１と機能層１０２との間、及び金属製の基材１０１と貫通電極１０６との間に絶縁膜が設けられる。

機能層１０２は、基材１０１の上面１０１ａに抵抗体１０３の下層として形成されている。本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体１０３の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層１０２は、更に、基材１０１に含まれる酸素または水分による抵抗体１０３の酸化を防止する機能、および／または、基材１０１と抵抗体１０３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１０２は、更に、他の機能を備えていてもよい。

基材１０１を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むことがあり、また、Ｃｒは自己酸化膜を形成することがある。そのため、特に抵抗体１０３がＣｒを含む場合、抵抗体１０３の酸化を防止する機能を有する機能層１０２を成膜することが好ましい。

このように、抵抗体１０３の下層に機能層１０２を設けることにより、抵抗体１０３の結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体１０３を作製することができる。その結果、ひずみゲージ１００において、ゲージ特性の安定性が向上する。又、機能層１０２を構成する材料が抵抗体１０３に拡散することにより、ひずみゲージ１００において、ゲージ特性が向上する。

機能層１０２の材料としては、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。

機能層１０２の平面形状は、例えば抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５の平面形状と略同一にパターニングされてよい。しかしながら、機能層１０２と抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５との平面形状は略同一でなくてもよい。例えば、機能層１０２が絶縁材料から形成される場合には、機能層１０２を抵抗体１０３、配線１０４及び端子部１０５の平面形状と異なる形状にパターニングしてもよい。この場合、機能層１０２は例えば抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。或いは、機能層１０２は、基材１０１の上面１０１ａの全体にベタ状に形成されてもよい。

抵抗体１０３は、基材１０１の上面１０１ａに形成されている。抵抗体１０３は、基材１０１の上面１０１ａに所定のパターンで形成された薄膜である。ひずみゲージ１００において、抵抗体１０３は、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体１０３は、基材１０１の上面１０１ａに直接形成されてもよいし、基材１０１の上面１０１ａに他の層を介して形成されてもよい。

抵抗体１０３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１０３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、及び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いてもよい。

抵抗体１０３の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１００の使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、抵抗体１０３の厚さは０．０５μｍ～２μｍ程度であってよい。特に、抵抗体１０３の厚さが０．１μｍ以上である場合、抵抗体１０３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。また、抵抗体１０３の厚さが１μｍ以下である場合、抵抗体１０３を構成する膜の内部応力に起因する、（i）膜のクラックおよび（ii）膜の基材１０１からの反りが、低減される。

横感度を生じ難くすることと、断線対策とを考慮すると、抵抗体１０３の幅は５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。更に言えば、抵抗体１０３の幅は５μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上５０μｍ以下であるとより好ましい。

例えば、抵抗体１０３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させることができる。又例えば、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、抵抗体１０３がα－Ｃｒを主成分とすることで、ひずみゲージ１００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、抵抗体を構成する全物質の５０重量％以上を占める成分のことを意味する。ゲージ特性を向上させるという観点から考えると、抵抗体１０３はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。更に言えば、同観点から考えると、抵抗体１０３はα－Ｃｒを９０重量％以上含むことがより好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

又、抵抗体１０３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、ひずみゲージ１００のゲージ率の低下を抑制することができる。

又、Ｃｒ混相膜におけるＣｒＮとＣｒ_２Ｎとの比率は、ＣｒＮとＣｒ_２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ_２Ｎの割合が８０重量％以上９０重量％未満となるようにすることが好ましい。更に言えば、同比率は、ＣｒＮとＣｒ_２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ_２Ｎの割合が９０重量％以上９５重量％未満となるようにすることがより好ましい。Ｃｒ_２Ｎは半導体的な性質を有する。そのため、前述のＣｒ_２Ｎの割合を９０重量％以上９５重量％未満とすることで、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、前述のＣｒ_２Ｎの割合を９０重量％以上９５重量％未満とすることで抵抗体１０３のセラミックス化を低減し、抵抗体１０３の脆性破壊が起こりにくくすることができる。

一方で、ＣｒＮは化学的に安定であるという利点を有する。Ｃｒ混相膜にＣｒＮをより多く含むことで、不安定なＮが発生する可能性を低減することができるため、安定なひずみゲージを得ることができる。ここで「不安定なＮ」とは、Ｃｒ混相膜の膜中に存在し得る、微量のＮ_２もしくは原子状のＮのことを意味する。これらの不安定なＮは、外的環境（例えば高温環境）によっては膜外へ抜け出ることがある。不安定なＮが膜外へ抜け出るときに、Ｃｒ混相膜の膜応力が変化し得る。

ひずみゲージ１００において、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合、高感度化かつ、小型化を実現することができる。例えば、従来のひずみゲージの出力が０．０４ｍＶ／２Ｖ程度であったのに対して、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合は０．３ｍＶ／２Ｖ以上の出力を得ることができる。また、従来のひずみゲージの大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）が３ｍｍ×３ｍｍ程度であったのに対して、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合の大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）は０．３ｍｍ×０．３ｍｍ程度に小型化することができる。

端子部１０５は、配線１０４を介して抵抗体１０３の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体１０３及び配線１０４よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部１０５は、ひずみにより生じる抵抗体１０３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る。抵抗体１０３は、例えば、端子部１０５及び配線１０４の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の配線１０４及び端子部１０５に接続されている。端子部１０５の上面を、端子部１０５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１０３と配線１０４と端子部１０５と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できる。

貫通電極１０６は、基材１０１を上面１０１ａから下面１０１ｂに貫通する。貫通電極１０６は、基材１０１を上面１０１ａから下面１０１ｂに貫通する貫通孔１０１ｘ内に配置されている。貫通電極１０６の上面１０６ａは、例えば、基材１０１の上面１０１ａと面一である。また、貫通電極１０６の下面１０６ｂは、例えば、基材１０１の下面１０１ｂと面一である。

貫通電極１０６の平面形状は、例えば、矩形である。ただし、これには限定されず、貫通電極１０６の平面形状は、円形、楕円形、その他の任意形状としてもよい。また、図１の例では、貫通電極１０６は、２つの端子部１０５に挟まれた領域に設けられているが、貫通電極１０６は、抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５と離隔していれば、基材１０１の任意の位置に設けることができる。

貫通電極１０６の材料には、抵抗体１０３よりも体積抵抗率の低い材料を選択することが好ましい。このような材料としては、例えば、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。

カバー層１０７は、必要に応じ、基材１０１の上面１０１ａに、抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５及び貫通電極１０６を露出するように設けられる。カバー層１０７の材料としては、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）等の絶縁樹脂が挙げられる。なお、カバー層１０７は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層１０７の厚さは、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、カバー層１０７の厚さは２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。カバー層１０７を設けることで、抵抗体１０３に機械的な損傷等が生じることを抑制することができる。又、カバー層１０７を設けることで、抵抗体１０３を湿気等から保護することができる。

（ひずみゲージの製造方法）
本実施形態に係るひずみゲージ１００では、基材１０１上に、抵抗体１０３と、配線１０４と、端子部１０５とが形成される。なお、必要に応じ機能層１０２やカバー層１０７が形成されてもよい。

以下、ひずみゲージ１００の製造方法について説明する。ひずみゲージ１００を製造するためには、まず、基材１０１を準備し、基材１０１の上面１０１ａ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１０３と、配線１０４と、端子部１０５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１０３等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することができる。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、蒸着法、アークイオンプレーティング法、またはパルスレーザー堆積法等を用いて成膜されてもよい。基材１０１の上面１０１ａに金属層Ａを成膜後、周知のフォトリソグラフィ法により、金属層Ａを図１の抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５と同様の平面形状にパターニングする。

なお、基材１０１の上面１０１ａに下地層として機能層１０２を形成してから金属層Ａを形成してもよい。例えば、基材１０１の上面１０１ａに、所定の膜厚の機能層１０２をコンベンショナルスパッタ法により真空成膜してもよい。このように機能層１０２を設けることによって、ひずみゲージ１００のゲージ特性を安定化させることができる。

貫通電極１０６を形成するには、例えば、プレス加工等により基材１０１に貫通孔１０１ｘを形成し、その後、貫通孔１０１ｘ内に貫通電極１０６を形成する。貫通電極１０６は、例えば、貫通孔１０１ｘと同程度の大きさの金属箔を準備し、この金属箔を貫通孔１０１ｘ内に固定して形成することができる。或いは、めっき法等により、貫通孔１０１ｘを充填する貫通電極１０６を形成してもよい。

抵抗体１０３、配線１０４、端子部１０５、及び貫通電極１０６を形成した後、必要に応じ、基材１０１の上面１０１ａにカバー層１０７を形成する。カバー層１０７は抵抗体１０３及び配線１０４を被覆するが、端子部１０５及び貫通電極１０６はカバー層１０７から露出する。例えば、基材１０１の上面１０１ａに、抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５及び貫通電極１０６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する。そして、当該絶縁樹脂フィルムを加熱して硬化させることにより、カバー層１０７を形成することができる。以上の工程により、ひずみゲージ１００が完成する。

（ひずみゲージの使用例）
図３は、ひずみゲージの使用方法について説明する図である。図３に示すように、ひずみゲージ１００は、測定対象物２００に装着され、測定対象物２００に生じるひずみを検出する。ひずみゲージ１００は、基材１０１の下面１０１ｂ側に接着層等を介すことなく、測定対象物２００の第１面２００ａに直接載置される。

ひずみゲージ１００が測定対象物２００の第１面２００ａに載置されると、基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが測定対象物２００の第１面２００ａと当接する。すなわち、ひずみゲージ１００が測定対象物２００に装着される際に、基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが測定対象物２００と当接する面となる。

測定対象物２００において、少なくとも貫通電極１０６の下面１０６ｂと接する部分は導電体から形成されている。例えば、貫通電極１０６の上面１０６ａに線材等を接続し、貫通電極１０６をひずみゲージ１００が接続される回路のＧＮＤ電位と等しくすると、測定対象物２００もＧＮＤ電位になる。

ひずみゲージ１００は、測定対象物２００の近傍に存在する電磁ノイズの干渉を受けやすいが、測定対象物２００をひずみゲージ１００が接続される回路のＧＮＤ電位と等しくすることにより、電磁ノイズの影響を低減することができる。その結果、ひずみゲージ１００は、Ｓ／Ｎ比のよいひずみを検出することができる。特に、ひずみゲージ１００において、抵抗体１０３の材料にゲージ率の高いＣｒ混相膜を用いた場合、抵抗体１０３が電磁ノイズの干渉を大変受けやすいため、測定対象物２００をひずみゲージ１００が接続される回路のＧＮＤ電位と等しくする効果が大きい。

図４は、センサ構造体を例示する断面図である。図４に示すように、センサ構造体１０は、ひずみゲージ１００と、測定対象物２００と、対向部３００と、弾性体４００とを有している。測定対象物２００は、ひずみゲージ１００の基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが当接する第１面２００ａを備えている。

対向部３００は、測定対象物２００の第１面２００ａと対向する第２面３００ｂを備えている。対向部３００は、測定対象物２００に対して位置決めされている。対向部３００は、例えば、測定対象物２００に固定されることで、位置決めされている。対向部３００と測定対象物２００との固定方法には、接着、ネジ止め、圧入、かしめ等の任意の方法を採用することができる。

あるいは、対向部３００は、他の部材を介して測定対象物２００と間接的に固定されることで、測定対象物２００に対して位置決めされてもよい。あるいは、対向部３００は、測定対象物２００と一体に形成されていてもよい。つまり、対向部３００は、測定対象物２００の一部であってもよい。

ひずみゲージ１００は、基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが第１面２００ａと当接するように、測定対象物２００に装着されている。ひずみゲージ１００の貫通電極１０６の上面１０６ａに、はんだ等の接合材１１１を用いて、線材１１２が接合されている。

弾性体４００は、第１面２００ａと第２面３００ｂとの間に配置され、ひずみゲージ１００を第１面２００ａ側に押圧している。線材１１２の一部は、弾性体４００から突出し、センサ構造体１０の外部との電気的接続を可能としている。

弾性体４００がひずみゲージ１００を第１面２００ａ側に押圧することにより、基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが測定対象物２００の第１面２００ａと確実に当接し、貫通電極１０６と測定対象物２００とが同電位になる。

弾性体４００は、絶縁性の材料から形成される。弾性体４００は、低異方性の材料から形成されることが好ましい。弾性体４００が低異方性の材料から形成されることで、弾性体４００は、ひずみゲージ１００を第１面２００ａ側に略均等な力で押圧することができる。その結果、貫通電極１０６の下面１０６ｂが測定対象物２００の第１面２００ａとより確実に当接することができる。ここでいう低異方性とは、図５に示す断面において第１面２００ａと垂直な方向の縦弾性係数及びポアソン比が、第１面２００ａと平行な方向に対して±３０％以内であることを指す。ただし、図５に示す断面において第１面２００ａと垂直な方向の縦弾性係数及びポアソン比は、第１面２００ａと平行な方向に対して±２０％以内であることが好ましく、±１０％以内であることがより好ましく、±５％以内であることがさらに好ましい。

低異方性の材料としては、例えば、成形時に気泡が非連続的となる発泡性の材料が挙げられる。このような発泡性の材料としては、例えば、発泡性シリコーンが挙げられる。低異方性の材料は、発泡性の材料でなくてもよい。このような材料としては、例えば、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム、ニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、ウレタンゴムが挙げられる。

センサ構造体１０を作製するには、まず、ひずみゲージ１００を準備し、ひずみゲージの貫通電極１０６の上面１０６ａに、はんだ等の接合材１１１を用いて、線材１１２を接合する。また、対向部３００が位置決めされた測定対象物２００を準備する。

次に、ひずみゲージ１００を、基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが第１面２００ａと当接するように、第１面２００ａと第２面３００ｂとの間の空隙に配置する。このとき、基材１０１の側面と測定対象物２００の第１面２００ａとを接着剤やテープ等により仮固定してもよい。

次に、第１面２００ａと第２面３００ｂとの間の空隙に、例えば、弾性体４００となる流動性の材料を流し込む。そして、流動性の材料を加熱して発泡させ、弾性体４００を作製する。これにより、弾性体４００は、膨張して第１面２００ａと第２面３００ｂとの間の空隙に充填され、ひずみゲージ１００は第１面２００ａ側に押圧される。

弾性体４００から突出する線材１１２をひずみゲージ１００が接続される回路のＧＮＤと接続することにより、測定対象物２００をひずみゲージ１００が接続される回路のＧＮＤ電位と等しくすることができる。これにより、電磁ノイズの影響を低減することができ、その結果、ひずみゲージ１００は、Ｓ／Ｎ比のよいひずみを検出することができる。

このように、ひずみゲージ１００は、貫通電極１０６を有しているため、測定対象物２００の第１面２００ａに載置するだけで、貫通電極１０６を介して測定対象物２００を容易にＧＮＤ電位にし、電磁ノイズの影響を低減することが可能である。例えば、図４に示すような、第１面２００ａと第２面３００ｂに挟まれた比較的狭い領域においても、測定対象物２００を容易にＧＮＤ電位にすることができる。また、機械的強度の関係から、はんだやネジ等を用いて測定対象物２００に直接ＧＮＤ配線を接続することが困難な場合であっても、貫通電極１０６と当接するだけで、測定対象物２００を容易にＧＮＤ電位にすることができる。

なお、基材１０１の下面１０１ｂに導電性接着剤を設け、導電性接着剤を介して貫通電極１０６と測定対象物２００を導通させることも考えられるが、以下の点で好ましくない。すなわち、導電性接着剤に含まれる導電性粒子（例えば、アルミニウムや銀等の金属粉）により、ひずみゲージ１００に凹凸が生じたり、抵抗体１０３が破損したりするおそれがある。また、この対策として、導電性接着剤の導電性粒子を微細化した場合、貫通電極１０６と測定対象物２００の導通が不安定になるおそれがある。また、導電性粒子を微細化すると導電性接着剤に含まれる絶縁材の成分が増加するため、導電性接着剤の粘度が上昇し、ひずみの検出感度が低下するおそれがある。また、導電性接着剤に含まれる導電性粒子により、マイグレーションが発生するおそれがある。

ひずみゲージ１００では、貫通電極１０６が測定対象物２００に当接することで、貫通電極１０６と測定対象物２００とが導通する。したがって、ひずみゲージ１００では、基材１０１の下面１０１ｂに導電性接着剤を設ける必要がないため、上記の様々な問題を回避できる。また、弾性体４００でひずみゲージ１００を測定対象物２００側に押圧することで、貫通電極１０６と測定対象物２００を安定して導通させることができる。

図４において、測定対象物２００は特に限定されないが、より具体的な一例として、センサ構造体の測定対象物が転がり軸受である例を示す。図５は、センサ構造体の測定対象物が転がり軸受である例を示す断面図（その１）であり、軸線ｍに平行な方向の断面を示している。図６は、センサ構造体の測定対象物が転がり軸受である例を示す断面図（その２）であり、軸線ｍに垂直な方向の断面を示している。

図５及び図６に示すように、センサ構造体２０は、ひずみゲージ１００と、転がり軸受２００Ｒと、軸受ハウジング３００Ｒと、弾性体４００とを有している。転がり軸受２００Ｒは図４における測定対象物２００に相当し、軸受ハウジング３００Ｒは図４における対向部３００に相当する。

転がり軸受２００Ｒは、外輪２１０と、内輪２２０と、複数の転動体２３０とを有している。外輪２１０は、軸線ｍを中心軸とする円筒形の構造体である。内輪２２０は、外輪２１０の内周側に外輪２１０と同軸状に配置された円筒形の構造体である。複数の転動体２３０の各々は外輪２１０と内輪２２０との間に形成される軌道内に配置された球体である。軌道内にはグリース等の潤滑剤が封入される。

軸受ハウジング３００Ｒは、略円筒状の部材であり、外輪２１０の外周面、すなわち転がり軸受２００Ｒの第１面２００ａと接するように配置されている。軸受ハウジング３００Ｒは、ひずみゲージ１００が配置される部分を除き、外輪２１０の外周面を全周に亘って押さえている。ここで、転がり軸受２００Ｒの第１面２００ａと接するとは、軸受ハウジング３００Ｒが他の部材を介さずに第１面２００ａと直接的に接する場合の他、接着剤等の他の部材を介して間接的に接する場合も含む。

軸受ハウジング３００Ｒは、例えば、外輪２１０に圧入されている。或いは、軸受ハウジング３００Ｒは、外輪２１０に接着されてもよい。軸受ハウジング３００Ｒは、ひずみゲージ１００を配置するためのキャビティ部を有し、キャビティ部の天面が、転がり軸受２００Ｒの第１面２００ａ（外輪２１０の外周面）と対向する第２面３００ｂとなる。軸受ハウジング３００Ｒは、例えば、真鍮、アルミニウム、ステンレスなどの金属や、樹脂等により形成できる。

ひずみゲージ１００は、基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが転がり軸受２００Ｒの第１面２００ａと当接するように、転がり軸受２００Ｒに装着されている。図示は省略されているが、図４と同様に、ひずみゲージ１００の貫通電極１０６の上面１０６ａに、はんだ等の接合材１１１を用いて、線材１１２が接合されている。

弾性体４００は、第１面２００ａと第２面３００ｂとの間に配置され、ひずみゲージ１００を第１面２００ａ側に押圧している。図４と同様に、線材１１２の一部は、弾性体４００から突出し、センサ構造体２０の外部との電気的接続を可能とする。

弾性体４００がひずみゲージ１００を第１面２００ａ側に押圧することにより、基材１０１の下面１０１ｂ及び貫通電極１０６の下面１０６ｂが転がり軸受２００Ｒの第１面２００ａと確実に当接する。その結果、貫通電極１０６と転がり軸受２００Ｒの外輪２１０とが同電位になる。

弾性体４００から突出する線材１１２をひずみゲージ１００が接続される回路のＧＮＤと接続することにより、転がり軸受２００Ｒの外輪２１０をひずみゲージ１００が接続される回路のＧＮＤ電位と等しくすることができる。これにより、電磁ノイズの影響を低減することができ、その結果、ひずみゲージ１００は、Ｓ／Ｎ比のよいひずみを検出することができる。

〈第１実施形態の変形例〉
第１実施形態の変形例では、第１実施形態とは異なる断面形状の貫通電極を有するひずみゲージの例を示す。なお、第１実施形態の変形例において、既に説明した実施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。

図７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る。なお、第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージの平面図は図１と同様であるため、図示を省略する。図７は、図１のＡ－Ａ線に沿う断面に相当する断面を示している。

図７に示すひずみゲージ１００Ａは、貫通電極１０６が貫通電極１１６に置換された点が、ひずみゲージ１００（図２等参照）と相違する。

貫通電極１１６は、基材１０１を上面１０１ａから下面１０１ｂに貫通する。貫通電極１１６は、基材１０１を上面１０１ａから下面１０１ｂに貫通する貫通孔１０１ｘ内に配置されている。貫通電極１１６の上面１１６ａは、例えば、基材１０１の上面１０１ａと面一である。

一方、貫通電極１１６の下面１１６ｂは、基材１０１の下面１０１ｂから下方に突出している。貫通電極１１６の下面１１６ｂは、断面視で、例えば、中央部の突出量が最も大きく、周辺部に行くにしたがって突出量が小さくなる形状であるが、これには限定されない。

貫通電極１１６の材料には、貫通電極１０６の材料として例示した任意の材料を用いることができる。

このように、貫通電極１１６の下面１１６ｂが基材１０１の下面１０１ｂから突出していることにより、ひずみゲージ１００Ａを測定対象物に装着したときに、貫通電極１１６の下面１１６ｂを測定対象物に確実に当接することができる。その結果、貫通電極１１６と測定対象物との間の導通をとることが容易となる。

図８は、第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージを例示する断面図である。なお、第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージの平面図は図１と同様であるため、図示を省略する。図８は、図１のＡ－Ａ線に沿う断面に相当する断面を示している。

図８に示すひずみゲージ１００Ｂは、貫通電極１０６が貫通電極１２６に置換された点が、ひずみゲージ１００（図２等参照）と相違する。

貫通電極１２６は、基材１０１を上面１０１ａから下面１０１ｂに貫通する。貫通電極１２６は、基材１０１を上面１０１ａから下面１０１ｂに貫通する貫通孔１０１ｘ内に配置されている。貫通電極１２６の上面１２６ａは、例えば、基材１０１の上面１０１ａと面一である。また、貫通電極１０６の下面１２６ｂは、例えば、基材１０１の下面１０１ｂと面一である。

貫通孔１０１ｘの基材１０１の下面１０１ｂ側の開口部の面積は、貫通孔１０１ｘの基材１０１の上面１０１ａ側の開口部の面積よりも大きい。なお、貫通電極１２６の下面１２６ｂが基材１０１の下面１０１ｂと面一である場合、貫通孔１０１ｘの基材１０１の下面１０１ｂ側の開口部の面積は、貫通電極１２６の下面１２６ｂの面積と等しい。また、貫通電極１２６の上面１２６ａが基材１０１の上面１０１ａと面一である場合、貫通孔１０１ｘの基材１０１の上面１０１ａ側の開口部の面積は、貫通電極１２６の上面１２６ａの面積と等しい。

貫通電極１２６の形状は、例えば、錘台状である。つまり、貫通電極１２６の形状は、例えば、断面視で台形状である。ただし、これには限定されず、例えば、断面視で、貫通電極１２６の側面は直線状に傾斜していなくてもよく、例えば、凸型や凹型に湾曲していてもよい。あるいは、断面視で、貫通電極１２６の側面は階段状であってもよい。

貫通電極１２６の材料には、貫通電極１０６の材料として例示した任意の材料を用いることができる。

このように、ひずみゲージ１００Ｂでは、貫通孔１０１ｘの基材１０１の下面１０１ｂ側の開口部の面積が、貫通孔１０１ｘの基材１０１の上面１０１ａ側の開口部の面積よりも大きい。これにより、貫通電極１２６の上面１２６ａに線材等を接合する際や接合した後に、貫通電極１２６が基材１０１の上面１０１ａ側に抜けることを抑制することができる。

なお、貫通電極１２６の下面１２６ｂは、図７に示した貫通電極１１６と同様に、基材１０１の下面１０１ｂから下方に突出していてもよい。

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。

１０，２０ センサ構造体、１００，１００Ａ，１００Ｂ ひずみゲージ、１０１ 基材、１０１ａ，１０６ａ，１１６ａ，１２６ａ 上面、１０１ｂ，１０６ｂ，１１６ｂ，１２６ｂ 下面、１０１ｘ 貫通孔、１０２ 機能層、１０３ 抵抗体、１０４ 配線、１０５ 端子部、１０６，１１６，１２６ 貫通電極、１０７ カバー層、１１１ 接合材、１１２ 線材、２００ 測定対象物、２００ａ 第１面、２００Ｒ 転がり軸受、２１０ 外輪、２２０ 内輪、２３０ 転動体、３００ 対向部、３００ｂ 第２面、３００Ｒ 軸受ハウジング、４００ 弾性体

Claims (10)

1. 測定対象物に装着され、前記測定対象物に生じるひずみを検出するひずみゲージであって、
   基材と、
   前記基材の上面に形成された抵抗体と、
   前記基材を上面から下面に貫通する貫通電極と、を有し、
   前記ひずみゲージが前記測定対象物に装着される際に、前記基材の下面及び前記貫通電極の下面が前記測定対象物と当接する面となる、ひずみゲージ。
2. 前記貫通電極の下面は、前記基材の下面と面一である、請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 前記貫通電極の下面は、前記基材の下面から突出している、請求項１に記載のひずみゲージ。
4. 前記貫通電極は、前記基材を上面から下面に貫通する貫通孔内に配置され、
   前記貫通孔の前記基材の下面側の開口部の面積は、前記貫通孔の前記基材の上面側の開口部の面積よりも大きい、請求項１に記載のひずみゲージ。
5. 前記抵抗体は、Ｃｒ混相膜から形成されている、請求項１に記載のひずみゲージ。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージと、
   前記基材の下面及び前記貫通電極の下面が当接する第１面を備えた測定対象物と、
   前記第１面と対向する第２面を備え、前記測定対象物に対して位置決めされた対向部と、
   前記第１面と前記第２面との間に配置され、前記ひずみゲージを前記第１面側に押圧する弾性体と、を有するセンサ構造体。
7. 前記弾性体は、低異方性の材料から形成される、請求項６に記載のセンサ構造体。
8. 前記弾性体は、発泡性の材料から形成される、請求項７に記載のセンサ構造体。
9. 前記測定対象物は、転がり軸受である、請求項６に記載のセンサ構造体。
10. 前記対向部は、軸受ハウジングである、請求項９に記載のセンサ構造体。

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