JP4111136B2 - 歪センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，人間の体重や自動車等の車両の重量等により生じる外力を感歪抵抗体の歪によって検出する歪センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−１８０２５５号公報に開示されている従来の歪センサは各々１つのガラス層およびオーバーコートガラス層で構成されている。以下、従来の歪センサについて、図面を参照しながら説明する。図７は従来の歪センサの上面図である。
【０００３】
金属基板１の一端側に第１の固定孔２０を設けるとともに、他端側に第２の固定孔２１を設け、かつ略中央に検出孔２２を設ける。金属基板１の上面にガラス層２を設けるとともに、ガラス層２の上面に４つの感歪抵抗体６を設ける。感歪抵抗体６を配線１１及び第２の電極５によって電気的に接続することにより、ブリッジ回路を構成する。また感歪抵抗体６や第２の電極５は，オーバーコートガラス層７ａ，７ｂによって保護されている。
【０００４】
図８は従来の歪センサの断面図である。図８は図７のＡ−Ａ‘に相当する部分の断面を示している。ガラス層２ａ，２ｂ，２ｃは同じホウケイ酸鉛系ガラスから構成されているため、焼結後は一体化して，互いに判別することはできない。
【０００５】
図８ではガラス層２ａ，２ｂ、２ｃの間に斜線を入れて便宜的に区別している。また丸空孔９は焼結後のガラス層２ａ，２ｂ、２ｃの内部にランダムに発生しているものである。
【０００６】
図８においてガラス層を３層として示したのは以下の理由による。特開平０９-２４３４７２号公報は，ホーローや結晶化ガラスの代りに厚み２０μｍのホウケイ酸鉛系のガラスペーストを用いて，これを３回印刷焼成（印刷−焼成を互いに３回繰返す）して多層絶縁層を形成することを開示しているからである。
【０００７】
以下、図７を用いて従来の歪センサの組立方法を説明する。
【０００８】
まず、予め準備した金属基板１の上面にガラスペーストをスクリーン印刷した後、約８５０℃で焼成し、金属基板１の上面にガラス層２を形成する。次に、ガラス層２の上面にＡｇとＰｔとからなる導電性ペーストをスクリーン印刷する。次に、約８５０℃で焼成し、ガラス層２の上面に配線１１や第２の電極５を形成する。次に、ガラス層２と第２の電極５の一部にまたがるように、Ｒｕ系抵抗ペーストを印刷した後、約８５０℃で焼成し、感歪抵抗体６を形成する。最後に、ガラス層２，配線１１，感歪抵抗体６の上に，ガラスペーストをスクリーン印刷した後、焼成することにより、オーバーコートガラス層７ａ、７ｂを形成する。
【０００９】
この時、オーバーコートガラス層のパターンに予め窓を形成しておくとこの窓から露出する配線１１に、チップ部品や半導体を実装することができる。以上のように構成された従来の歪センサの動作を説明する。金属基板１における第１の固定孔２０および第２の固定孔２１をボルト（図示せず）およびナット（図示せず）により固定部材（図示せず）に固定した後、検出孔２２に検出部材（図示せず）を固定する。そして、検出部材（図示せず）に上方より作用する外力により金属基板１が変形する。
【００１０】
その結果、金属基板１の上面に設けた感歪抵抗体６に圧縮応力または引張応力が発生し、各々の感歪抵抗体６の抵抗値が変化する。感歪抵抗体６は配線１１によりブリッジ回路を構成しており、ここで検出された差動電圧によって検出部材（図示せず）に加わる外力Ｆを検出する。図４Ａは，図７，図８に示した従来の歪センサにおけるガラス層数と絶縁抵抗の関係を示すものである。図４Ａより，ガラスの層数が３層，４層と多い時は絶縁抵抗が１０の９乗から１１乗あることが判る。しかしガラスの層数が２層になると絶縁抵抗が１０の６乗から１０の１０乗の範囲に下がる。ガラスの層数が１層になると絶縁抵抗が更に下がっている。なお，ガラス１層での実測した絶縁抵抗はほとんど１Ω未満のショート状態で，ごく一部が数百ＫΩであった。図４Ａのグラフには便宜上、ガラス１層の場合の絶縁抵抗を１０の５乗として示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように，従来構造の場合，ガラス層が少なくなるほど（あるいは薄くなるほど）絶縁抵抗が急激に下がると共にバラツキも大きいという信頼性の課題がある。
【００１２】
さらに、実用上歪センサの絶縁抵抗は１０の９乗以上必要なため，従来の構造では３層以上のガラス層が必要となる。
【００１３】
そのため，製品のコストが高くなるという課題もある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
Ｃｒを含むステンレス製の金属基板と、前記金属基板の上に形成された焼成型のガラス層と、前記ガラス層の上に形成されたＡｇを含む焼成型の第２の電極と、前記第２の電極に電気的に接続された感歪抵抗体と、を有する歪センサであって、前記ガラス層と前記金属基板との間にＡｇを含む焼成型の第１の電極を設けたことを特徴とする歪センサを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態における歪センサの構造を示す図である。なお、図面は模式図であり各位置を寸法的に正しく示したものではない。金属基板１の上には第１の電極１２が形成され，さらにガラス層２を介して第２の電極５と，第２の電極５に接続される感歪抵抗体６、配線１１が形成される。
【００１６】
また配線１１は，第２の電極５と所定パターンで接続されている。さらに、オーバーコートガラス層７が設けられる。
【００１７】
丸空孔９は焼結工程で発生する空孔である。図７の従来例と図１の本発明との大きな違いは，金属基板１とガラス層２の間に第１の電極１２が形成されているか否かである。
【００１８】
本発明では，第２の電極５や配線１１と金属基板１との間に，第１の電極１２を挿入することで，第２の電極５及び配線１１と金属基板１との間の絶縁抵抗を高く保つことができる。
【００１９】
その結果、ショート発生という不良も大幅に低減できる。
【００２０】
次に，図２Ａ〜図４Ｂを用いて更にその製造方法を説明する。
【００２１】
図２Ａ〜図２Ｄは，従来の歪センサの製造方法を説明するものである。図２Ａは金属基板１を示している。なお、金属基板１の形状は必要に応じて様々な形状が使用可能である。
【００２２】
次に図２Ｂに示すように，金属基板１の上にガラス層２を形成する。ここでガラス層の形成方法としては，市販のガラスペーストをスクリーン印刷し，８５０℃のベルト式焼成炉で焼成する。さらに，図２Ｃで示すようにガラス層３を形成する。このようにガラス層を１層以上，つまり複数層化することで，印刷時でのピンホール等の発生を防止できる。次に，図２Ｄに示すように，複数層からなるガラス層の上に，第２の電極５を形成する。
【００２３】
実際の歪センサの製造工程においては，第２の電極５は複雑なパターン形状をしており，更にこの上に感歪抵抗体や保護層が形成されて，歪センサの完成品となる。
【００２４】
さらに，図２Ｄは，第２の電極５と金属基板１の間の絶縁抵抗を絶縁抵抗計１３で測定する様子を示している。図３は実施の形態１における本発明の歪センサの製造方法を説明するものである。図３Ａは金属基板１の上に第１の電極１２を形成したものである。金属基板１は厚みが２ｍｍのステンレス基板である。ここで，第１の電極１２は銀を主体とした電極インキをスクリーン印刷法により，金属基板の上に所定パターンで印刷し，ベルト炉を用いて８５０℃で焼成して形成する。次に図３Ｂに示すように，第１の電極１２の上にガラス層２，３を形成する。
【００２５】
次に図３Ｃに示すように，このガラス層３の上に第２の電極５を形成する。こうして形成したサンプルを用いて，第２の電極５と金属基板１の間，あるいは第２の電極５と第１の電極１２との間の絶縁抵抗を図３Ｄに示すように絶縁抵抗計１３を用いて測定する。図４Ａ，図４Ｂは，図２や図３で説明した試作品のガラス層の層数と絶縁抵抗の関係を図示したものである。Ｘ軸はガラス層の数である。Ｙ軸は絶縁抵抗であり，単位はΩである。
【００２６】
複数の測定データ１４を近似して作成したものが外挿線１５である。図４Ａは図２Ａ〜図２Ｄで示した従来構造（図７相当）における第２の電極５と金属基板１との間の絶縁抵抗を示している。図４Ａより，ガラスの層数が３層，４層と多いときは絶縁抵抗が高いが，層数が減るにつれて急激に絶縁抵抗が低下することがわかる。図４Ａは，ガラス層を複数層形成してガラス層のピンホールの影響を少なくしようとしても、絶縁抵抗が大きくばらついていることを示している。図４Ｂは，図３Ａから図３Ｄで示した本発明（図１相当）の構造での，第２の電極５と金属基板１との間の絶縁抵抗である。図４Ｂより，ガラス層の層数が１層から４層の間において絶縁抵抗が１０の１０乗から１１乗の範囲にあることが判る。またガラスの層数が３層，２層，１層と少なくなるにつれて若干の絶縁抵抗の低下は観察されるが，ガラスの層数が１層でも，絶縁抵抗は１０の１０乗以上あることが判る。
【００２７】
このように，図４Ｂの場合，ガラスは１層以上あれば，充分な絶縁抵抗が得られる。なお、ゴミ等によるピンホール発生を抑制するために、ガラス層を複数層設けても良い。
【００２８】
次に第１の電極１２と第２の電極５の材料を色々変更して，図２Ａ〜図４Ｂに相当する実験を行った。すると金（Ａｕ）電極を用いた場合は，図４Ａ，図Ｂに示したような違いは観察されなかった。そして，図４Ａに示すようなガラス層の層数が低減すると，金属基板１と第２の電極５との間の絶縁抵抗が急激に低下する現象は，第２の電極５の材料としてＡｇを含む焼成型の電極（Ａｇ-Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ等）の場合に発生しやすいことがわかった。また電極ペースト中にガラス成分を添加しない場合も，同様に図４Ａの現象が発生した。またガラス層を形成するガラスの種類（材料，軟化点等）を変えて実験したところ，ガラスの軟化点未満では，こうした絶縁抵抗の急激な低下は観察されなかった。軟化点を超えるとこうした現象が発生しやすい傾向があった。一方，本発明のように，金属基板１の上に第１の電極１２を形成した場合，ガラスの種類や軟化点の違いに関係なく，こうした絶縁抵抗の低下が防止できることが判った。
【００２９】
なお，第１の電極１２の形成されていないサンプル（図７の構造）と第１の電極１２を形成した図３Ｂのサンプル（図１の構造）の両方の断面をＳＥＭで観察すると，共に図８で説明した丸空孔９が見られた。このように，第１の電極１２を形成することでガラス層内の空孔を無くすことは出来ないが，ガラス層を少なく（薄くした）場合の製品の信頼性を大幅に改善できる。
【００３０】
その結果、高品質で、工数を低減できるので製品のコストダウンができる。図５Ａ，図５Ｂは，焼成中での金属基板と第２の電極間の電圧を説明する図である。図５Ａは，サンプルを単炉内にセットし，焼成途中での電圧発生を測定した結果を示す。
【００３１】
図５Ｂは，試作品での焼成途中での電圧を測定する様子を示す。図５Ｂに示すように，金属基板１や第２の電極５等に白金線を取り付け，この状態でサンプルを単炉の中にセットして昇温する（単炉は図示しない）。そしてサンプルに発生する電圧は，単炉から外に伸ばした白金線の一端に電圧計を取り付けて測定する。
【００３２】
図５Ａにおいて，曲線１６は従来例，曲線１７は本発明を示す。Ｘ軸は単炉の内部に設置した熱電対の温度であり，Ｙ軸は電圧計で測定された電圧である。曲線１７は第１の電極を形成した場合（図３の構造に相当する）の電圧を示している。金属基板１と第２の配線５の間には，ほとんど電圧が発生していないことが判る。一方，曲線１６は第１の電極を設けていない場合（図２の構造に相当する）を示し，金属基板１と第２の配線５の間に電圧が発生することが判る。６００℃付近から若干の電圧が発生し，８５０℃付近では，電圧は１Ｖ程度となる。８５０℃で３０分間保持した場合、電圧は１．５Ｖ付近まで上がる。次に８５０℃から温度を下げても，まだ電圧は高めになっている。これは温度測定用の熱電対と，金属基板の熱容量の差によるものであり，単炉内の実測温度とサンプル自体の温度差の違いと考えられる。
【００３３】
単炉以外の他の加熱手段を用いて、同様に各サンプルを加熱しながら電圧を測定したが，同様な結果が得られた。
【００３４】
図４Ａ〜図５Ｂの結果から，次のことが推定できる。つまり、図４Ａの絶縁抵抗の低下現象は少なくともＡｇを含む焼成型の電極材料を第２の電極５に用いた時に特有的に発生するものであり，第２の電極５（８５０℃焼成）が形成される際に，ガラス（８５０℃焼成）が再溶融する。そして、ガラスが一種の固体電解質となり，金属基板１と第２の電極５間で電位差を発生させる。さらに、これが一種の電池となって絶縁抵抗の急激な低下を引き起こすと推定される。そして，金属基板１上に第１の電極１２を形成することで，図５Ａに示すような電圧発生が防止できる。
【００３５】
その結果として，ガラス層が少ない（あるいはガラス層の厚みが薄い）場合でも、図４Ｂに示したような高い絶縁抵抗が得られると考えられる。なお，ガラス層を複数層にするか，あるいはガラス層の膜厚を一定以上に厚くすれば，ゴミ等によるピンホール発生を抑制し，歪センサを高歩留まりで製造することも可能である。
【００３６】
（実施の形態２）
図６を用いて第１の電極１２のパターン形状について説明する。
【００３７】
第１の電極１２は電極パターン１８として形成され，金属基板１とガラス層２の間に設けられる。第２の電極５と金属基板１との間に発生する電池効果を防止するためには，第１の電極パターン１８は，必ずしもベタパターンで有る必要はない。第１の電極パターン１８としては，メッシュ，市松状，水玉，あるいはジグザグ等の規則正しいパターンであっても，ランダムなものであってもよい。このように，第１の電極パターンをベタでなくパターン状にすることで，第１の電極パターンに使用する電極材料の使用量を減らすことができる。そして、製品のコストダウンが可能となる。
【００３８】
（実施の形態３）
実施の形態３では第１の電極のガラス成分について説明する。
【００３９】
（表１）は，第１の電極１２について実験した結果であり，ガラス成分がＳｉＯ2のみでは必要な接着強度が得られない。
【００４０】
ＳｉＯ2にＰｂＯ，ＣａＯ，Ａｌ2Ｏ3等の成分を１重量％程度加えることで必要な接着強度が得られる。またＢｉ2Ｏ3の場合は，１重量％以上１０重量％未満が適当であった。なおガラス成分が３０重量％以上になると，接着強度は得られても電気的抵抗が高くなりすぎて，歪センサの電気特性を下げる可能性があり好ましくない。
【００４１】
【表１】
【００４２】
上表において，(1-10)は１重量％以上１０重量％未満を意味する。
【００４３】
（実施の形態４）
実施の形態４では第２の電極の成分について説明する。
【００４４】
（表２）は第２の電極５のガラス成分を検討した結果を示す。
【００４５】
（Ａｌ2Ｏ3＋ＳｉＯ2）だけでは必要な接着強度が得られない。
【００４６】
しかし，更にＣａＯ，ＮｉＯ，ＣｕＯ等の成分を０．１から１重量％程度加えることで必要な接着強度が得られる。
【００４７】
またＢｉ2Ｏ3を添加する場合は，１重量％以上１０重量％未満が好ましい。
【００４８】
【表２】
【００４９】
上表において，(0．1-5)は０．１重量％以上５重量％未満，(0．5-5)は０．５重量％以上５重量％未満を意味する。
【００５０】
なお、ガラス成分が３０重量％以上になると，接着強度は得られても電気的抵抗が高くなりすぎ，歪センサの電気特性を下げる可能性があり好ましくない。さらに第２の電極５に，Ｐｄを添加しておくことで，半田喰われを抑えられる。そして、第２の電極５と配線１１を共通化することで，印刷回数を減らすことができる。これによりコスト低減が可能となる。また、第２の電極５は配線１１として他のチップ部品や半導体を半田実装できる。
【００５１】
なお，第２の電極にＰｄを添加する場合，Ｐｄの添加量は５重量％以上１５重量％未満が望ましい。５重量％未満の場合，半田喰われ防止効果が不充分である。また１５重量％より多い場合，配線抵抗が上がり，電極コストも上がるので好ましくない。
【００５２】
（実施の形態５）
実施の形態５では電極内に含まれているＡｇ量について説明する。第１の電極や第２の電極の構成部材としては，Ａｇを４０重量％以上(望ましくは６０重量％以上)含ませることで電極層に必要な抵抗値が得られる。更にＰｄやＰｔ等を添加することで，配線としての各種信頼性を高められる。一方，これら第１及び第２の電極中にＡｇが４０重量％未満しか含まれていない場合には電極層の抵抗値が高くなって，製品の特性を下げてしまう。また、ガラス成分の合計が３０重量％以上になると電気的抵抗が高くなりすぎて，歪センサとしての特性を下げる場合があり好ましくない。
【００５３】
以上のように，ガラス層が単層であっても絶縁抵抗を高く保つと同時に、ショートの発生率も大幅に低減できる。
【００５４】
更に複数のガラス層を積層することで，ピンホール等の不良発生率を大幅に低減できるため，製品の歩留まりを高められる。
【００５５】
なお、ガラス層としては，少なくともＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＢａＯを主成分とすることで，金属基板と熱膨張係数をマッチングさせることができる。またガラス層の厚みは５μｍ以上５００μｍ未満が望ましい。ガラス層の厚みが５μｍ未満の場合，第１の電極を形成したにも関わらず，ガラス層中の微細な孔等によって絶縁抵抗が低下する場合がある。またガラス層の厚みが５００μｍを超える場合，製品コストが高くなるので好ましくない。
【００５６】
また，第１の電極，ガラス層，第２の電極などは６００℃以上１０００℃未満の酸化雰囲気内で焼成して形成することが望ましい。６００℃未満で焼成した場合，電極やガラス層の焼結が不十分で所定の強度や特性が得られない場合がある。
【００５７】
１０００℃以上で焼成する場合，電極やガラス層，更には金属基板自体も高価で特殊な部材を選ぶ必要があり，焼成炉も高価になるので好ましくない。なお，これら部材の焼成は酸化雰囲気中で行うのが望ましい。還元雰囲気内で焼成した場合，ガラス層を形成する部材の一部（例えばＰｂＯ）が還元されて絶縁抵抗を下げる場合がある。また感歪抵抗体は５００℃以上９００℃未満で焼成することが望ましい。感歪抵抗体を５００℃未満で焼成した場合や、９００℃以上で焼成すると所定の感歪特性が得られない場合がある。また保護層にオーバーコートガラス層を用いる場合は，４００℃以上８００℃未満の酸化雰囲気が望ましい。
【００５８】
４００℃未満では所定の信頼性が得られない場合がある。
【００５９】
また８００℃以上で焼成すると感歪抵抗体の感歪特性を低下させる場合がある。また焼成雰囲気が還元雰囲気になると，オーバーコートガラス層の含まれているガラス成分（例えばＰｂＯ）が還元される場合があり，所定の信頼性が得られなくなる場合がある。また第１の電極の厚みは０．１μｍ以上１００μｍ未満が望ましい。１００μｍより厚くなると焼成時に発生する内部応力によって，金属基板から剥離する場合がある。さらに、ガラス層に第１の電極の厚みに起因する大きな段差を形成するので，後の製造工程で課題が発生する可能性がある。同時に製品コストを上げる。また第１の電極の厚みが０．１μｍ未満の場合は，ガラス層の絶縁抵抗低下を防止する効果が得られない場合がある。
【００６０】
なお，本発明において各成分の添加量は重量％で表し、酸化物は酸化物としての重量％である。こうした構成元素の割合を求めるには，完成品の断面等を，ＸＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ）等の一般的な手法が使える。なお，この場合，元素は，酸化物（例えば，ＡｌはＡｌ2Ｏ3として）として計算できる。
【００６１】
以上のように，金属基板−ガラス−配線の構成で焼成した場合，上述したようにガラスの種類や電極の材質によって，金属基板と配線間に電圧が発生する場合が有り，こうした電圧によって金属基板と配線間の絶縁抵抗が低下してしまうことがある。
【００６２】
この場合，金属基板上に直接銀配線を形成しておくことで，金属基板と配線間の電圧発生を防止でき，金属基板と配線間の絶縁抵抗低下を防止できる。またこのように金属基板上に第１の電極を形成しておくことで，金属基板自体の電気抵抗を下げられるため，歪センサの電気回路的な設計やその最適化が容易になる。
【００６３】
そのため，焼成時に電圧が発生しにくいガラスに対しても，同様に第１の電極を形成しておくことにより，歪センサの電気的特性を高められる。なお，金属基板としては，ＣｒやＡｌ2Ｏ3を含むフェライト系ステンレスが耐熱性の点から望ましい。
【００６４】
例えばＣｒを５重量％以上２０重量％未満，Ａｌ2Ｏ3を２重量％以上１０重量％未満含ませたステンレス基板を用いることで，歪センサとして必要な強度と９００℃付近まで充分耐えられる耐熱性が得られる。またこのとき，第１の電極側にも金属基板と共通元素であるＣｒやＡｌ2Ｏ3を添加しておくことで互いの接続を安定化できる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば，金属基板上に第１の電極を設けることにより、金属基板と第２の電極間の絶縁抵抗を高め，信頼性の高い歪センサを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の歪センサの構造を説明する断面図
【図２】 Ａ〜Ｄは，従来の歪センサの製造方法を説明する図
【図３】 Ａ〜Ｄは，本発明の歪センサの製造方法を説明する図
【図４】 Ａ、Ｂは，ガラス層の層数と絶縁抵抗の関係図
【図５】 Ａ、Ｂは，焼成中での金属基板と第２の電極間の電圧を説明する図
【図６】 第１の電極のパターン形状を説明する断面図
【図７】 従来の歪センサの上面図
【図８】 従来の歪センサの断面図
【符号の説明】
１ 金属基板
２ ガラス層
５ 第２の電極
６ 感歪抵抗体
７ オーバーコートガラス層
９ 丸空孔
１１ 配線
１２ 第１の電極
【発明の属する技術分野】
本発明は，人間の体重や自動車等の車両の重量等により生じる外力を感歪抵抗体の歪によって検出する歪センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−１８０２５５号公報に開示されている従来の歪センサは各々１つのガラス層およびオーバーコートガラス層で構成されている。以下、従来の歪センサについて、図面を参照しながら説明する。図７は従来の歪センサの上面図である。
【０００３】
金属基板１の一端側に第１の固定孔２０を設けるとともに、他端側に第２の固定孔２１を設け、かつ略中央に検出孔２２を設ける。金属基板１の上面にガラス層２を設けるとともに、ガラス層２の上面に４つの感歪抵抗体６を設ける。感歪抵抗体６を配線１１及び第２の電極５によって電気的に接続することにより、ブリッジ回路を構成する。また感歪抵抗体６や第２の電極５は，オーバーコートガラス層７ａ，７ｂによって保護されている。
【０００４】
図８は従来の歪センサの断面図である。図８は図７のＡ−Ａ‘に相当する部分の断面を示している。ガラス層２ａ，２ｂ，２ｃは同じホウケイ酸鉛系ガラスから構成されているため、焼結後は一体化して，互いに判別することはできない。
【０００５】
図８ではガラス層２ａ，２ｂ、２ｃの間に斜線を入れて便宜的に区別している。また丸空孔９は焼結後のガラス層２ａ，２ｂ、２ｃの内部にランダムに発生しているものである。
【０００６】
図８においてガラス層を３層として示したのは以下の理由による。特開平０９-２４３４７２号公報は，ホーローや結晶化ガラスの代りに厚み２０μｍのホウケイ酸鉛系のガラスペーストを用いて，これを３回印刷焼成（印刷−焼成を互いに３回繰返す）して多層絶縁層を形成することを開示しているからである。
【０００７】
以下、図７を用いて従来の歪センサの組立方法を説明する。
【０００８】
まず、予め準備した金属基板１の上面にガラスペーストをスクリーン印刷した後、約８５０℃で焼成し、金属基板１の上面にガラス層２を形成する。次に、ガラス層２の上面にＡｇとＰｔとからなる導電性ペーストをスクリーン印刷する。次に、約８５０℃で焼成し、ガラス層２の上面に配線１１や第２の電極５を形成する。次に、ガラス層２と第２の電極５の一部にまたがるように、Ｒｕ系抵抗ペーストを印刷した後、約８５０℃で焼成し、感歪抵抗体６を形成する。最後に、ガラス層２，配線１１，感歪抵抗体６の上に，ガラスペーストをスクリーン印刷した後、焼成することにより、オーバーコートガラス層７ａ、７ｂを形成する。
【０００９】
この時、オーバーコートガラス層のパターンに予め窓を形成しておくとこの窓から露出する配線１１に、チップ部品や半導体を実装することができる。以上のように構成された従来の歪センサの動作を説明する。金属基板１における第１の固定孔２０および第２の固定孔２１をボルト（図示せず）およびナット（図示せず）により固定部材（図示せず）に固定した後、検出孔２２に検出部材（図示せず）を固定する。そして、検出部材（図示せず）に上方より作用する外力により金属基板１が変形する。
【００１０】
その結果、金属基板１の上面に設けた感歪抵抗体６に圧縮応力または引張応力が発生し、各々の感歪抵抗体６の抵抗値が変化する。感歪抵抗体６は配線１１によりブリッジ回路を構成しており、ここで検出された差動電圧によって検出部材（図示せず）に加わる外力Ｆを検出する。図４Ａは，図７，図８に示した従来の歪センサにおけるガラス層数と絶縁抵抗の関係を示すものである。図４Ａより，ガラスの層数が３層，４層と多い時は絶縁抵抗が１０の９乗から１１乗あることが判る。しかしガラスの層数が２層になると絶縁抵抗が１０の６乗から１０の１０乗の範囲に下がる。ガラスの層数が１層になると絶縁抵抗が更に下がっている。なお，ガラス１層での実測した絶縁抵抗はほとんど１Ω未満のショート状態で，ごく一部が数百ＫΩであった。図４Ａのグラフには便宜上、ガラス１層の場合の絶縁抵抗を１０の５乗として示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように，従来構造の場合，ガラス層が少なくなるほど（あるいは薄くなるほど）絶縁抵抗が急激に下がると共にバラツキも大きいという信頼性の課題がある。
【００１２】
さらに、実用上歪センサの絶縁抵抗は１０の９乗以上必要なため，従来の構造では３層以上のガラス層が必要となる。
【００１３】
そのため，製品のコストが高くなるという課題もある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
Ｃｒを含むステンレス製の金属基板と、前記金属基板の上に形成された焼成型のガラス層と、前記ガラス層の上に形成されたＡｇを含む焼成型の第２の電極と、前記第２の電極に電気的に接続された感歪抵抗体と、を有する歪センサであって、前記ガラス層と前記金属基板との間にＡｇを含む焼成型の第１の電極を設けたことを特徴とする歪センサを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態における歪センサの構造を示す図である。なお、図面は模式図であり各位置を寸法的に正しく示したものではない。金属基板１の上には第１の電極１２が形成され，さらにガラス層２を介して第２の電極５と，第２の電極５に接続される感歪抵抗体６、配線１１が形成される。
【００１６】
また配線１１は，第２の電極５と所定パターンで接続されている。さらに、オーバーコートガラス層７が設けられる。
【００１７】
丸空孔９は焼結工程で発生する空孔である。図７の従来例と図１の本発明との大きな違いは，金属基板１とガラス層２の間に第１の電極１２が形成されているか否かである。
【００１８】
本発明では，第２の電極５や配線１１と金属基板１との間に，第１の電極１２を挿入することで，第２の電極５及び配線１１と金属基板１との間の絶縁抵抗を高く保つことができる。
【００１９】
その結果、ショート発生という不良も大幅に低減できる。
【００２０】
次に，図２Ａ〜図４Ｂを用いて更にその製造方法を説明する。
【００２１】
図２Ａ〜図２Ｄは，従来の歪センサの製造方法を説明するものである。図２Ａは金属基板１を示している。なお、金属基板１の形状は必要に応じて様々な形状が使用可能である。
【００２２】
次に図２Ｂに示すように，金属基板１の上にガラス層２を形成する。ここでガラス層の形成方法としては，市販のガラスペーストをスクリーン印刷し，８５０℃のベルト式焼成炉で焼成する。さらに，図２Ｃで示すようにガラス層３を形成する。このようにガラス層を１層以上，つまり複数層化することで，印刷時でのピンホール等の発生を防止できる。次に，図２Ｄに示すように，複数層からなるガラス層の上に，第２の電極５を形成する。
【００２３】
実際の歪センサの製造工程においては，第２の電極５は複雑なパターン形状をしており，更にこの上に感歪抵抗体や保護層が形成されて，歪センサの完成品となる。
【００２４】
さらに，図２Ｄは，第２の電極５と金属基板１の間の絶縁抵抗を絶縁抵抗計１３で測定する様子を示している。図３は実施の形態１における本発明の歪センサの製造方法を説明するものである。図３Ａは金属基板１の上に第１の電極１２を形成したものである。金属基板１は厚みが２ｍｍのステンレス基板である。ここで，第１の電極１２は銀を主体とした電極インキをスクリーン印刷法により，金属基板の上に所定パターンで印刷し，ベルト炉を用いて８５０℃で焼成して形成する。次に図３Ｂに示すように，第１の電極１２の上にガラス層２，３を形成する。
【００２５】
次に図３Ｃに示すように，このガラス層３の上に第２の電極５を形成する。こうして形成したサンプルを用いて，第２の電極５と金属基板１の間，あるいは第２の電極５と第１の電極１２との間の絶縁抵抗を図３Ｄに示すように絶縁抵抗計１３を用いて測定する。図４Ａ，図４Ｂは，図２や図３で説明した試作品のガラス層の層数と絶縁抵抗の関係を図示したものである。Ｘ軸はガラス層の数である。Ｙ軸は絶縁抵抗であり，単位はΩである。
【００２６】
複数の測定データ１４を近似して作成したものが外挿線１５である。図４Ａは図２Ａ〜図２Ｄで示した従来構造（図７相当）における第２の電極５と金属基板１との間の絶縁抵抗を示している。図４Ａより，ガラスの層数が３層，４層と多いときは絶縁抵抗が高いが，層数が減るにつれて急激に絶縁抵抗が低下することがわかる。図４Ａは，ガラス層を複数層形成してガラス層のピンホールの影響を少なくしようとしても、絶縁抵抗が大きくばらついていることを示している。図４Ｂは，図３Ａから図３Ｄで示した本発明（図１相当）の構造での，第２の電極５と金属基板１との間の絶縁抵抗である。図４Ｂより，ガラス層の層数が１層から４層の間において絶縁抵抗が１０の１０乗から１１乗の範囲にあることが判る。またガラスの層数が３層，２層，１層と少なくなるにつれて若干の絶縁抵抗の低下は観察されるが，ガラスの層数が１層でも，絶縁抵抗は１０の１０乗以上あることが判る。
【００２７】
このように，図４Ｂの場合，ガラスは１層以上あれば，充分な絶縁抵抗が得られる。なお、ゴミ等によるピンホール発生を抑制するために、ガラス層を複数層設けても良い。
【００２８】
次に第１の電極１２と第２の電極５の材料を色々変更して，図２Ａ〜図４Ｂに相当する実験を行った。すると金（Ａｕ）電極を用いた場合は，図４Ａ，図Ｂに示したような違いは観察されなかった。そして，図４Ａに示すようなガラス層の層数が低減すると，金属基板１と第２の電極５との間の絶縁抵抗が急激に低下する現象は，第２の電極５の材料としてＡｇを含む焼成型の電極（Ａｇ-Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ等）の場合に発生しやすいことがわかった。また電極ペースト中にガラス成分を添加しない場合も，同様に図４Ａの現象が発生した。またガラス層を形成するガラスの種類（材料，軟化点等）を変えて実験したところ，ガラスの軟化点未満では，こうした絶縁抵抗の急激な低下は観察されなかった。軟化点を超えるとこうした現象が発生しやすい傾向があった。一方，本発明のように，金属基板１の上に第１の電極１２を形成した場合，ガラスの種類や軟化点の違いに関係なく，こうした絶縁抵抗の低下が防止できることが判った。
【００２９】
なお，第１の電極１２の形成されていないサンプル（図７の構造）と第１の電極１２を形成した図３Ｂのサンプル（図１の構造）の両方の断面をＳＥＭで観察すると，共に図８で説明した丸空孔９が見られた。このように，第１の電極１２を形成することでガラス層内の空孔を無くすことは出来ないが，ガラス層を少なく（薄くした）場合の製品の信頼性を大幅に改善できる。
【００３０】
その結果、高品質で、工数を低減できるので製品のコストダウンができる。図５Ａ，図５Ｂは，焼成中での金属基板と第２の電極間の電圧を説明する図である。図５Ａは，サンプルを単炉内にセットし，焼成途中での電圧発生を測定した結果を示す。
【００３１】
図５Ｂは，試作品での焼成途中での電圧を測定する様子を示す。図５Ｂに示すように，金属基板１や第２の電極５等に白金線を取り付け，この状態でサンプルを単炉の中にセットして昇温する（単炉は図示しない）。そしてサンプルに発生する電圧は，単炉から外に伸ばした白金線の一端に電圧計を取り付けて測定する。
【００３２】
図５Ａにおいて，曲線１６は従来例，曲線１７は本発明を示す。Ｘ軸は単炉の内部に設置した熱電対の温度であり，Ｙ軸は電圧計で測定された電圧である。曲線１７は第１の電極を形成した場合（図３の構造に相当する）の電圧を示している。金属基板１と第２の配線５の間には，ほとんど電圧が発生していないことが判る。一方，曲線１６は第１の電極を設けていない場合（図２の構造に相当する）を示し，金属基板１と第２の配線５の間に電圧が発生することが判る。６００℃付近から若干の電圧が発生し，８５０℃付近では，電圧は１Ｖ程度となる。８５０℃で３０分間保持した場合、電圧は１．５Ｖ付近まで上がる。次に８５０℃から温度を下げても，まだ電圧は高めになっている。これは温度測定用の熱電対と，金属基板の熱容量の差によるものであり，単炉内の実測温度とサンプル自体の温度差の違いと考えられる。
【００３３】
単炉以外の他の加熱手段を用いて、同様に各サンプルを加熱しながら電圧を測定したが，同様な結果が得られた。
【００３４】
図４Ａ〜図５Ｂの結果から，次のことが推定できる。つまり、図４Ａの絶縁抵抗の低下現象は少なくともＡｇを含む焼成型の電極材料を第２の電極５に用いた時に特有的に発生するものであり，第２の電極５（８５０℃焼成）が形成される際に，ガラス（８５０℃焼成）が再溶融する。そして、ガラスが一種の固体電解質となり，金属基板１と第２の電極５間で電位差を発生させる。さらに、これが一種の電池となって絶縁抵抗の急激な低下を引き起こすと推定される。そして，金属基板１上に第１の電極１２を形成することで，図５Ａに示すような電圧発生が防止できる。
【００３５】
その結果として，ガラス層が少ない（あるいはガラス層の厚みが薄い）場合でも、図４Ｂに示したような高い絶縁抵抗が得られると考えられる。なお，ガラス層を複数層にするか，あるいはガラス層の膜厚を一定以上に厚くすれば，ゴミ等によるピンホール発生を抑制し，歪センサを高歩留まりで製造することも可能である。
【００３６】
（実施の形態２）
図６を用いて第１の電極１２のパターン形状について説明する。
【００３７】
第１の電極１２は電極パターン１８として形成され，金属基板１とガラス層２の間に設けられる。第２の電極５と金属基板１との間に発生する電池効果を防止するためには，第１の電極パターン１８は，必ずしもベタパターンで有る必要はない。第１の電極パターン１８としては，メッシュ，市松状，水玉，あるいはジグザグ等の規則正しいパターンであっても，ランダムなものであってもよい。このように，第１の電極パターンをベタでなくパターン状にすることで，第１の電極パターンに使用する電極材料の使用量を減らすことができる。そして、製品のコストダウンが可能となる。
【００３８】
（実施の形態３）
実施の形態３では第１の電極のガラス成分について説明する。
【００３９】
（表１）は，第１の電極１２について実験した結果であり，ガラス成分がＳｉＯ2のみでは必要な接着強度が得られない。
【００４０】
ＳｉＯ2にＰｂＯ，ＣａＯ，Ａｌ2Ｏ3等の成分を１重量％程度加えることで必要な接着強度が得られる。またＢｉ2Ｏ3の場合は，１重量％以上１０重量％未満が適当であった。なおガラス成分が３０重量％以上になると，接着強度は得られても電気的抵抗が高くなりすぎて，歪センサの電気特性を下げる可能性があり好ましくない。
【００４１】
【表１】
上表において，(1-10)は１重量％以上１０重量％未満を意味する。
【００４３】
（実施の形態４）
実施の形態４では第２の電極の成分について説明する。
【００４４】
（表２）は第２の電極５のガラス成分を検討した結果を示す。
【００４５】
（Ａｌ2Ｏ3＋ＳｉＯ2）だけでは必要な接着強度が得られない。
【００４６】
しかし，更にＣａＯ，ＮｉＯ，ＣｕＯ等の成分を０．１から１重量％程度加えることで必要な接着強度が得られる。
【００４７】
またＢｉ2Ｏ3を添加する場合は，１重量％以上１０重量％未満が好ましい。
【００４８】
【表２】
上表において，(0．1-5)は０．１重量％以上５重量％未満，(0．5-5)は０．５重量％以上５重量％未満を意味する。
【００５０】
なお、ガラス成分が３０重量％以上になると，接着強度は得られても電気的抵抗が高くなりすぎ，歪センサの電気特性を下げる可能性があり好ましくない。さらに第２の電極５に，Ｐｄを添加しておくことで，半田喰われを抑えられる。そして、第２の電極５と配線１１を共通化することで，印刷回数を減らすことができる。これによりコスト低減が可能となる。また、第２の電極５は配線１１として他のチップ部品や半導体を半田実装できる。
【００５１】
なお，第２の電極にＰｄを添加する場合，Ｐｄの添加量は５重量％以上１５重量％未満が望ましい。５重量％未満の場合，半田喰われ防止効果が不充分である。また１５重量％より多い場合，配線抵抗が上がり，電極コストも上がるので好ましくない。
【００５２】
（実施の形態５）
実施の形態５では電極内に含まれているＡｇ量について説明する。第１の電極や第２の電極の構成部材としては，Ａｇを４０重量％以上(望ましくは６０重量％以上)含ませることで電極層に必要な抵抗値が得られる。更にＰｄやＰｔ等を添加することで，配線としての各種信頼性を高められる。一方，これら第１及び第２の電極中にＡｇが４０重量％未満しか含まれていない場合には電極層の抵抗値が高くなって，製品の特性を下げてしまう。また、ガラス成分の合計が３０重量％以上になると電気的抵抗が高くなりすぎて，歪センサとしての特性を下げる場合があり好ましくない。
【００５３】
以上のように，ガラス層が単層であっても絶縁抵抗を高く保つと同時に、ショートの発生率も大幅に低減できる。
【００５４】
更に複数のガラス層を積層することで，ピンホール等の不良発生率を大幅に低減できるため，製品の歩留まりを高められる。
【００５５】
なお、ガラス層としては，少なくともＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＢａＯを主成分とすることで，金属基板と熱膨張係数をマッチングさせることができる。またガラス層の厚みは５μｍ以上５００μｍ未満が望ましい。ガラス層の厚みが５μｍ未満の場合，第１の電極を形成したにも関わらず，ガラス層中の微細な孔等によって絶縁抵抗が低下する場合がある。またガラス層の厚みが５００μｍを超える場合，製品コストが高くなるので好ましくない。
【００５６】
また，第１の電極，ガラス層，第２の電極などは６００℃以上１０００℃未満の酸化雰囲気内で焼成して形成することが望ましい。６００℃未満で焼成した場合，電極やガラス層の焼結が不十分で所定の強度や特性が得られない場合がある。
【００５７】
１０００℃以上で焼成する場合，電極やガラス層，更には金属基板自体も高価で特殊な部材を選ぶ必要があり，焼成炉も高価になるので好ましくない。なお，これら部材の焼成は酸化雰囲気中で行うのが望ましい。還元雰囲気内で焼成した場合，ガラス層を形成する部材の一部（例えばＰｂＯ）が還元されて絶縁抵抗を下げる場合がある。また感歪抵抗体は５００℃以上９００℃未満で焼成することが望ましい。感歪抵抗体を５００℃未満で焼成した場合や、９００℃以上で焼成すると所定の感歪特性が得られない場合がある。また保護層にオーバーコートガラス層を用いる場合は，４００℃以上８００℃未満の酸化雰囲気が望ましい。
【００５８】
４００℃未満では所定の信頼性が得られない場合がある。
【００５９】
また８００℃以上で焼成すると感歪抵抗体の感歪特性を低下させる場合がある。また焼成雰囲気が還元雰囲気になると，オーバーコートガラス層の含まれているガラス成分（例えばＰｂＯ）が還元される場合があり，所定の信頼性が得られなくなる場合がある。また第１の電極の厚みは０．１μｍ以上１００μｍ未満が望ましい。１００μｍより厚くなると焼成時に発生する内部応力によって，金属基板から剥離する場合がある。さらに、ガラス層に第１の電極の厚みに起因する大きな段差を形成するので，後の製造工程で課題が発生する可能性がある。同時に製品コストを上げる。また第１の電極の厚みが０．１μｍ未満の場合は，ガラス層の絶縁抵抗低下を防止する効果が得られない場合がある。
【００６０】
なお，本発明において各成分の添加量は重量％で表し、酸化物は酸化物としての重量％である。こうした構成元素の割合を求めるには，完成品の断面等を，ＸＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ）等の一般的な手法が使える。なお，この場合，元素は，酸化物（例えば，ＡｌはＡｌ2Ｏ3として）として計算できる。
【００６１】
以上のように，金属基板−ガラス−配線の構成で焼成した場合，上述したようにガラスの種類や電極の材質によって，金属基板と配線間に電圧が発生する場合が有り，こうした電圧によって金属基板と配線間の絶縁抵抗が低下してしまうことがある。
【００６２】
この場合，金属基板上に直接銀配線を形成しておくことで，金属基板と配線間の電圧発生を防止でき，金属基板と配線間の絶縁抵抗低下を防止できる。またこのように金属基板上に第１の電極を形成しておくことで，金属基板自体の電気抵抗を下げられるため，歪センサの電気回路的な設計やその最適化が容易になる。
【００６３】
そのため，焼成時に電圧が発生しにくいガラスに対しても，同様に第１の電極を形成しておくことにより，歪センサの電気的特性を高められる。なお，金属基板としては，ＣｒやＡｌ2Ｏ3を含むフェライト系ステンレスが耐熱性の点から望ましい。
【００６４】
例えばＣｒを５重量％以上２０重量％未満，Ａｌ2Ｏ3を２重量％以上１０重量％未満含ませたステンレス基板を用いることで，歪センサとして必要な強度と９００℃付近まで充分耐えられる耐熱性が得られる。またこのとき，第１の電極側にも金属基板と共通元素であるＣｒやＡｌ2Ｏ3を添加しておくことで互いの接続を安定化できる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば，金属基板上に第１の電極を設けることにより、金属基板と第２の電極間の絶縁抵抗を高め，信頼性の高い歪センサを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の歪センサの構造を説明する断面図
【図２】 Ａ〜Ｄは，従来の歪センサの製造方法を説明する図
【図３】 Ａ〜Ｄは，本発明の歪センサの製造方法を説明する図
【図４】 Ａ、Ｂは，ガラス層の層数と絶縁抵抗の関係図
【図５】 Ａ、Ｂは，焼成中での金属基板と第２の電極間の電圧を説明する図
【図６】 第１の電極のパターン形状を説明する断面図
【図７】 従来の歪センサの上面図
【図８】 従来の歪センサの断面図
【符号の説明】
１ 金属基板
２ ガラス層
５ 第２の電極
６ 感歪抵抗体
７ オーバーコートガラス層
９ 丸空孔
１１ 配線
１２ 第１の電極
Claims (6)
- Ｃｒを含むステンレス製の金属基板と、
前記金属基板の上に形成された焼成型のガラス層と、
前記ガラス層の上に形成されたＡｇを含む焼成型の第２の電極と、
前記第２の電極に電気的に接続された感歪抵抗体と、
を有する歪センサであって、前記ガラス層と前記金属基板との間にＡｇを含む焼成型の第１の電極を設けたことを特徴とする歪センサ。 - 請求項１記載の歪センサであって、前記第１の電極の厚みは、０．１μｍ以上１００ミクロン以下である歪センサ。
- 請求項１記載の歪センサであって、前記ガラス層の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下である歪センサ。
- 請求項１記載の歪センサであって、前記第２の電極はＡｇを４０重量％以上含み、Ｐｄを５重量％以上１５重量％未満含み、ガラス成分が３０重量％未満である歪センサ。
- Ｃｒを含むステンレス製の金属基板上にＡｇを含む焼成型の第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極の上に焼成型のガラス層を形成する工程と、
前記ガラス層の上にＡｇを含む焼成型の第２の電極と配線を形成する工程と、
前記第２の電極と電気的に接続された感歪抵抗体を形成する工程と、
を有する歪センサの製造方法。 - 請求項５記載の歪センサの製造方法であって、前記第１の電極、前記ガラス層、前記第２の電極をすべて９００℃未満の酸化雰囲気下で焼成して形成する歪センサの製造方法。
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