JP7053215B2 - ひずみゲージ - Google Patents

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）。

特開２０１６－７４９３４号公報

ところで、ひずみゲージにおいて、抵抗体の抵抗値が高いほど出力が大きくなり、分解能が高くなり、消費電力が小さくなる。そのため、抵抗体の抵抗値が大きいひずみゲージが求められている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージにおいて、抵抗体の抵抗値を増加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、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と、を有し、前記抵抗体には、複数の貫通孔が配列され、複数の前記貫通孔は前記抵抗体のパターンに沿って一列に配列されている。

開示の技術によれば、ひずみゲージにおいて、抵抗体の材料やパターン設計を変更することなく抵抗値を増加することができる。

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。 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る。 抵抗体に貫通孔を配列した例を示す図である。 第１の実施の形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第１の実施の形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する断面図である。 抵抗値調整領域に貫通孔を設けた例を示す図である。

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を参照するに、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、端子部４１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３０が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体３０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３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体３０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、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３０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３０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。なお、図１では、便宜上、抵抗体３０を梨地模様で示している。

抵抗体３０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、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。

抵抗体３０には、複数の貫通孔３０ｘが配列されている。貫通孔３０ｘは、例えば、抵抗体３０のパターンに沿って一定間隔で一列に配列することができる。貫通孔３０ｘは、複数列としてもよい。貫通孔３０ｘの平面形状は、例えば、正方形とすることができるが、これには限定されず、長方形や円形、楕円形等としても構わない。但し、貫通孔３０ｘの平面形状を正方形又は長方形とした場合、貫通孔３０ｘの有無による抵抗値の変化の計算が容易になる点で好適である。

抵抗体３０に複数の貫通孔３０ｘを配列することにより、材料やパターン設計を変更することなく、抵抗値を増加することができる。図３を参照して、具体例を説明する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す幅Ｗの抵抗体３０に貫通孔３０ｘを配列したものである。図３（ｂ）では、抵抗体３０の長さＬ×幅Ｗの領域内（面積ＬＷの長方形内）に面積ａｂの長方形の貫通孔３０ｘが形成されたパターンが、抵抗体３０の長手方向に繰り返されている。なお、Ｉは電流の流れる方向を示している。

図３（ｂ）において、位置Ｐ_０から位置Ｐ_Ｌまでの抵抗値Ｒは式（１）で示すことができる。又、貫通孔３０ｘが形成されていない場合の位置Ｐ_０から位置Ｐ_Ｌまでの抵抗値Ｒ_０は式（２）で示すことができる。式（１）及び式（２）において、ρは体積抵抗率、ｔは抵抗体３０の厚さである。

つまり、貫通孔３０ｘが形成されたことで、位置Ｐ_０から位置Ｐ_Ｌまでの抵抗値はＲ／Ｒ_０となり、式（１）及び式（２）より、式（３）が得られる。

ここで、例えば、ａ＝Ｌ／２、ｂ＝Ｗ／３とすると、式（３）よりＲ／Ｒ_０＝１．２５となる。すなわち、この場合には、図３（ｂ）では、図３（ａ）に比べて抵抗体３０の抵抗値を１．２５倍にできる。この例に限らず、ａとＬとの関係及びｂとＷとの関係を適宜設定することで、所望の抵抗値を得ることができる。

このように、抵抗体３０に複数の貫通孔３０ｘを配列することにより、材料やパターン設計を変更することなく、抵抗値を増加することが可能となり、ひずみゲージ１の出力向上及び低消費電力化を実現できる。ひずみゲージ１の出力向上及び低消費電力化の度合いは、貫通孔３０ｘの大きさや密度（配置間隔）を制御することにより調整可能である。

なお、貫通孔３０ｘを設けずに抵抗体３０の材料を変更することで体積抵抗率を上げることもできるが、材料を変更するとゲージ率等の特性が変わってしまうため変更することは容易ではない。又、貫通孔３０ｘを設けずに抵抗体３０自体の幅を狭くしたり厚さを薄くしたりしても抵抗値を上げることはできるが、抵抗体３０の機械的強度が低下する点や安定的な製造が困難となる点で好ましくない。

端子部４１は、抵抗体３０の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体３０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体３０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３０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、抵抗体３０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。

抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように基材１０上にカバー層６０（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層６０を設けることで、抵抗体３０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６０を設けることで、抵抗体３０を湿気等から保護することができる。

カバー層６０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６０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層６０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。

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体３０及び端子部４１を形成する。抵抗体３０及び端子部４１の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体３０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。

抵抗体３０及び端子部４１は、例えば、抵抗体３０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。抵抗体３０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、抵抗体３０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。

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体３０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体３０の酸化を防止する機能や、基材１０と抵抗体３０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、特に抵抗体３０がＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗体３０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体３０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、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２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体３０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、抵抗体３０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、抵抗体３０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、抵抗体３０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、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、抵抗体３０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体３０の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗体３０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、抵抗体３０の下層に機能層を設けることにより、抵抗体３０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体３０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体３０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。

抵抗体３０に貫通孔３０ｘを設けるタイミングは任意として構わない。例えば、抵抗体３０の形状をフォトリソグラフィによってパターニングする際に貫通孔３０ｘを同時に形成してもよいし、貫通孔３０ｘの形成されていない抵抗体３０を先にパターニングし、その後レーザ加工等により貫通孔３０ｘを形成してもよい。

抵抗体３０及び端子部４１を形成後、必要に応じ、基材１０上に、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するカバー層６０を設けることで、ひずみゲージ１が完成する。カバー層６０は、例えば、基材１０上に、抵抗体３０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。カバー層６０は、基材１０上に、抵抗体３０を被覆し端子部４１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。

〈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、抵抗値調整領域を備えたひずみゲージの例を示す。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。

図４は、第１の実施の形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する平面図である。図５は、第１の実施の形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図４のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。図４及び図５を参照するに、ひずみゲージ１Ａは、貫通孔３０ｘが抵抗体３０のパターンの一部の領域にのみ形成され、貫通孔３０ｘが形成されていない抵抗値調整領域３５が画定されている点が、ひずみゲージ１（図１、図２等参照）と相違する。

複数のひずみゲージ１Ａを製造した場合に、各々のひずみゲージ１Ａの抵抗体３０の抵抗値がばらつく場合がある。そこで、ひずみゲージ１Ａには抵抗値調整領域３５が設けられている。例えば、各々のひずみゲージ１Ａの抵抗体３０の最終的な抵抗値を、貫通孔３０ｘが全く形成されていない場合（以降、貫通孔非形成時と称する場合がある。）の１．２５倍にしたいが、製造上の理由等により抵抗値のばらつきが±１０％程度見込まれる場合を考える。

この場合、例えば、ひずみゲージ１Ａの抵抗体３０の抵抗値が、最大でも貫通孔非形成時の１．２５倍を超えないような大きさや密度（配置間隔）に設計して貫通孔３０ｘを配列しておく。このようにすることで、複数のひずみゲージ１Ａを製造した場合に、各々のひずみゲージ１Ａの抵抗体３０の抵抗値は、貫通孔非形成時の１．２５倍よりも低い領域で±１０％程度ばらつく。

そして、貫通孔３０ｘを追加することで抵抗値を１０％以上増加できる範囲を、抵抗値調整領域３５として画定しておく。そして、ひずみゲージ１Ａの製造時に、抵抗体３０の抵抗値を測定し、抵抗値が貫通孔非形成時の１．２５倍に達していない場合には、レーザ加工等により抵抗値調整領域３５に追加の貫通孔３０ｘを設け、貫通孔非形成時の１．２５倍の抵抗値に調整する。これにより、複数のひずみゲージ１Ａを製造した場合に、各々のひずみゲージ１Ａの抵抗体３０の抵抗値のばらつきを低減することができる。

例えば、抵抗体３０に図６（ａ）のような抵抗値調整領域３５が設けられている場合、抵抗体３０の抵抗値の測定結果に応じて、図６（ｂ）のように貫通孔３０ｘを設けたり、図６（ｃ）のように貫通孔３０ｘを設けたりすることができる。
なお、予め形成されている貫通孔３０ｘと、抵抗値の調整時に抵抗値調整領域３５に形成する貫通孔とは、大きさ及び／又は密度（配置間隔）が異なっていてもよい。例えば、図６（ｄ）に示すように、平面形状が円形の貫通孔３０ｙを形成してもよい。又、抵抗値調整領域３５は、必ずしも抵抗体３０の端部に配置する必要はなく、抵抗体３０の任意の位置に配置することができる。又、抵抗体３０のパターンに複数個の抵抗値調整領域３５を画定しても構わない。

このように、抵抗体３０に抵抗値調整領域３５を設け、抵抗体３０の抵抗値の測定結果に応じて抵抗値調整領域３５に追加の貫通孔を設けることで、ひずみゲージ１Ａの抵抗体３０の抵抗値のばらつき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、１Ａ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、３０ 抵抗体、３０ｘ、３０ｙ 貫通孔、３５ 抵抗値調整領域、４１ 端子部、６０ カバー層

Claims (9)

1. 可撓性を有する基材と、
   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と、を有し、
   前記抵抗体には、複数の貫通孔が配列され、
   複数の前記貫通孔は前記抵抗体のパターンに沿って一列に配列されているひずみゲージ。
2. 可撓性を有する基材と、
   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と、を有し、
   前記抵抗体には、複数の貫通孔が配列され、
   前記抵抗体のパターンの一部に、抵抗値調整領域が画定されているひずみゲージ。
3. 前記貫通孔の平面形状は正方形又は長方形である請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
4. 前記抵抗体は、アルファクロムを主成分とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
5. 前記抵抗体は、アルファクロムを８０重量％以上含む請求項４に記載のひずみゲージ。
6. 前記抵抗体は、窒化クロムを含む請求項４又は５に記載のひずみゲージ。
7. 前記基材の一方の面に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層を有し、
   前記抵抗体は、前記機能層の一方の面に形成されている請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
8. 前記機能層は、前記抵抗体の結晶成長を促進する機能を有する請求項７に記載のひずみゲージ。
9. 前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層を有する請求項１乃至８の何れか一項に記載のひずみゲージ。

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