WO2023176723A1 - ひずみゲージ - Google Patents

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WO2023176723A1
WO2023176723A1 PCT/JP2023/009325 JP2023009325W WO2023176723A1 WO 2023176723 A1 WO2023176723 A1 WO 2023176723A1 JP 2023009325 W JP2023009325 W JP 2023009325W WO 2023176723 A1 WO2023176723 A1 WO 2023176723A1
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WO
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Prior art keywords
base material
strain gauge
resistor
creep
gpa
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/009325
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
彩 小野
寿昭 浅川
厚 北村
昭代 湯口
重之 足立
Original Assignee
ミネベアミツミ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge

Definitions

  • the present invention relates to a strain gauge.
  • strain gauges that are used by being attached to an object to be measured have been known.
  • strain gauges are sometimes used as sensors that detect strain in materials or sensors that detect ambient temperature (see, for example, Patent Document 1).
  • a metal base material or a resin base material is used in the above strain gauge, but creep may occur in a strain gauge using a resin base material. Creep is a phenomenon in which strain changes over time when a constant load is applied to a strain gauge under constant temperature conditions. In strain gauges, creep causes measurement errors.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a strain gauge that can reduce creep.
  • a strain gauge according to an embodiment of the present disclosure includes a resin base material and a resistor formed from a film containing Cr, CrN, and Cr 2 N on one side of the base material.
  • the elastic modulus of the base material is greater than 9.8 GPa.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a strain gauge according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the strain gauge according to the first embodiment. It is a figure explaining the measuring method of the amount of creep and the amount of creep recovery. It is a figure showing the examination result of the amount of creep and the amount of creep recovery.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (Part 2) illustrating the strain gauge according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a strain gauge according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the strain gauge according to the first embodiment, and shows a cross section taken along line AA in FIG.
  • the strain gauge 1 includes a base material 10, a resistor 30, wiring 40, an electrode 50, and a cover layer 60.
  • the cover layer 60 can be provided as necessary. Note that in FIGS. 1 and 2, only the outer edge of the cover layer 60 is shown with a broken line for convenience. First, each part constituting the strain gauge 1 will be explained in detail.
  • the strain gauge 1 the side of the base material 10 where the resistor 30 is provided is referred to as the "upper side", and the side where the resistor 30 is not provided is referred to as the "lower side”. .
  • the surface located above each part is referred to as the "upper surface”, and the surface located below each part is referred to as the "lower surface”.
  • the strain gauge 1 can also be used upside down.
  • the strain gauge 1 can also be arranged at any angle.
  • planar view refers to viewing the object in the normal direction from the upper side to the lower side with respect to the upper surface 10a of the base material 10.
  • the planar shape refers to the shape of the object when viewed in the normal direction.
  • the base material 10 is a member that becomes a base layer for forming the resistor 30 and the like.
  • the base material 10 has flexibility.
  • the thickness of the base material 10 is not particularly limited, and may be determined as appropriate depending on the intended use of the strain gauge 1.
  • the thickness of the base material 10 may be about 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • a strain-generating body may be bonded to the lower surface side of the strain gauge 1 via an adhesive layer or the like.
  • the thickness of the base material 10 is preferably within the range of 5 ⁇ m to 200 ⁇ m. .
  • the thickness of the base material 10 is preferably 10 ⁇ m or more.
  • the base material 10 is made of resin and has an elastic modulus greater than 9.8 GPa.
  • An example of such a base material 10 is LCP (liquid crystal polymer) resin, which can have an elastic modulus of about 30 GPa at maximum.
  • LCP liquid crystal polymer
  • a resin material whose elastic modulus is improved by surface treatment and whose elastic modulus is made larger than 9.8 GPa may be used.
  • the elastic modulus can be increased from 9.8 GPa. Can be made larger. Note that the elastic modulus of commercially available polyimide films is 9.8 GPa or less.
  • the energy irradiated to the base material 10 is, for example, ultraviolet light.
  • the energy irradiated to the base material 10 may be a laser beam.
  • the elastic modulus can be increased to 9. It may be greater than 8 GPa.
  • the heating temperature when heating a commercially available polyimide film to graphitize it is, for example, about 2000°C to 3000°C.
  • the polyimide film may include a mixture of carbonized portions and graphitized portions.
  • the region 10s on the upper surface 10a side of the base material 10 may be carbonized and/or graphitized, but the entire thickness direction of the base material 10 may be carbonized and/or graphitized. may be converted into When the base material 10 is completely carbonized and/or graphitized, the elastic modulus of the base material 10 is approximately 200 GPa.
  • the thickness of the region 10s to be carbonized and/or graphitized is preferably 10% or more of the thickness of the base material 10.
  • the degree of carbonization and/or graphitization of the base material 10 may decrease from the upper surface 10a side toward the lower surface 10b side. At this time, the degree of carbonization and/or graphitization of the base material 10 may change continuously from the upper surface 10a side toward the lower surface 10b side.
  • Insulating resin films that are carbonized and/or graphitized are not limited to polyimide films, and include, for example, epoxy resins, PEEK (polyetheretherketone) resins, PEN (polyethylene naphthalate) resins, PET (polyethylene terephthalate) resins, An insulating resin film such as PPS (polyphenylene sulfide) resin or polyolefin resin may also be used. Note that the film refers to a member having a thickness of approximately 500 ⁇ m or less and having flexibility.
  • the surface of the base material 10 may be flattened by, for example, heating a commercially available LCP resin by irradiating it with energy. By flattening the surface, the resistor 30 can be uniformly formed on the base material 10, and the electrical stability of the resistor 30 can be increased.
  • flattening refers to a surface roughness (Ra) of 30 nm or less.
  • the insulating resin film constituting the base material 10 may contain fillers, impurities, and the like.
  • the base material 10 may be formed from an insulating resin film containing filler such as silica or alumina.
  • the elastic modulus can be measured by dynamic viscoelasticity measurement.
  • the elastic modulus referred to in this application is the elastic modulus of the entire base material 10, and is not the partial elastic modulus of the carbonized and/or graphitized region.
  • the resistor 30 is a thin film formed in a predetermined pattern on one side (the upper side in FIGS. 1 and 2) of the base material 10.
  • the resistor 30 is a sensing portion that receives strain and causes a change in resistance.
  • the resistor 30 may be formed directly on the upper surface 10a of the base material 10, or may be formed on the upper surface 10a of the base material 10 via another layer.
  • the resistor 30 is shown in a dense satin pattern for convenience.
  • the resistor 30 has a plurality of elongated portions arranged at predetermined intervals with their longitudinal directions facing the same direction (in the example of FIG. 1, the It has a structure that folds back in a zigzag pattern.
  • the longitudinal direction of the plurality of elongated parts becomes the grid direction, and the direction perpendicular to the grid direction becomes the grid width direction (in the example of FIG. 1, the Y direction).
  • the X- side end of the elongated portion located closest to the Y+ side is bent in the Y+ direction and reaches one end 30e 1 of the resistor 30 in the grid width direction. Furthermore, the X-side end of the elongated portion located closest to the Y-side is bent in the Y-direction and reaches the other terminal end 30e 2 of the resistor 30 in the grid direction.
  • Each terminal end 30e 1 and 30e 2 is electrically connected to an electrode 50 via a wiring 40.
  • the wiring 40 electrically connects each terminal end 30e 1 and 30e 2 of the resistor 30 in the grid width direction to each electrode 50.
  • the resistor 30 can be formed from, for example, a material containing Cr (chromium), a material containing Ni (nickel), or a material containing both Cr and Ni. That is, the resistor 30 can be formed from a material containing at least one of Cr and Ni. Examples of materials containing Cr include a Cr mixed phase film. Examples of materials containing Ni include Cu--Ni (copper nickel). An example of a material containing both Cr and Ni is Ni--Cr (nickel chromium).
  • the Cr mixed phase film is a film containing mixed phases of Cr, CrN, Cr 2 N, and the like.
  • the Cr mixed phase film may contain inevitable impurities such as chromium oxide.
  • the thickness of the resistor 30 is not particularly limited, and may be determined as appropriate depending on the intended use of the strain gauge 1.
  • the thickness of the resistor 30 may be approximately 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the crystallinity of the crystal forming the resistor 30 (for example, the crystallinity of ⁇ -Cr) is improved.
  • the thickness of the resistor 30 is 1 ⁇ m or less, (i) cracks in the film and (ii) warping of the film from the base material 10 due to internal stress of the film constituting the resistor 30 are reduced. be done.
  • the width of the resistor 30 is preferably 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. Furthermore, the width of the resistor 30 is preferably 10 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the stability of the gauge characteristics can be improved by using ⁇ -Cr (alpha chromium), which is a stable crystalline phase, as the main component.
  • ⁇ -Cr alpha chromium
  • the resistor 30 has ⁇ -Cr as its main component, so that the gauge factor of the strain gauge 1 is 10 or more, and the gauge factor temperature coefficient TCS and the resistance temperature coefficient TCR are can be within the range of -1000ppm/°C to +1000ppm/°C.
  • the term "main component” refers to a component that accounts for 50% by weight or more of all materials constituting the resistor.
  • the resistor 30 contains 80% by weight or more of ⁇ -Cr. Furthermore, from the same point of view, it is more preferable that the resistor 30 contains 90% by weight or more of ⁇ -Cr.
  • ⁇ -Cr is Cr having a bcc structure (body-centered cubic lattice structure).
  • the resistor 30 is a Cr mixed phase film
  • the content of CrN and Cr 2 N in the Cr mixed phase film is 20% by weight or less.
  • the Cr mixed phase film contains 20% by weight or less of CrN and Cr 2 N, a decrease in the gauge factor of the strain gauge 1 can be suppressed.
  • the ratio of CrN and Cr 2 N in the Cr mixed phase film is preferably such that the ratio of Cr 2 N is 80% by weight or more and less than 90% by weight with respect to the total weight of CrN and Cr 2N. . More preferably, the ratio is such that the proportion of Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight with respect to the total weight of CrN and Cr 2N .
  • Cr 2 N has semiconductor properties. Therefore, by setting the above-mentioned proportion of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more remarkable. Further, by setting the above-mentioned proportion of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, it is possible to reduce the ceramic resistance of the resistor 30 and make brittle fracture of the resistor 30 less likely to occur.
  • CrN has the advantage of being chemically stable. By including a larger amount of CrN in the Cr multiphase film, it is possible to reduce the possibility of unstable N being generated, thereby making it possible to obtain a stable strain gauge.
  • "unstable N” means a trace amount of N 2 or atomic N that may exist in the Cr multiphase film. Depending on the external environment (for example, high temperature environment), these unstable N may escape out of the membrane. When unstable N escapes from the film, the film stress of the Cr multiphase film may change.
  • the strain gauge 1 when a Cr mixed phase film is used as the material for the resistor 30, higher sensitivity and smaller size can be achieved.
  • the output of a conventional strain gauge is about 0.04 mV/2V
  • a Cr mixed phase film is used as the material for the resistor 30, an output of 0.3 mV/2V or more can be obtained.
  • the size of a conventional strain gauge is approximately 3 mm x 3 mm
  • the size when a Cr mixed phase film is used as the material for the resistor 30 is approximately 3 mm x 3 mm. Width) can be downsized to approximately 0.3 mm x 0.3 mm.
  • the wiring 40 is provided on the base material 10.
  • the wiring 40 is electrically connected to the resistor 30 and the electrode 50.
  • the wiring 40 is not limited to a straight line, and may have any pattern. Further, the wiring 40 can have any width and any length. Note that in FIG. 1, for convenience, the wiring 40 is shown in a matte pattern with a lower density than the resistor 30.
  • the electrode 50 is provided on the base material 10.
  • the electrode 50 is electrically connected to the resistor 30 via the wiring 40.
  • the electrode 50 is formed in a substantially rectangular shape with a wider width than the wiring 40 in plan view.
  • the electrodes 50 are a pair of electrodes for outputting to the outside a change in resistance value of the resistor 30 caused by strain.
  • a lead wire for external connection is connected to the electrode 50.
  • a metal layer with low resistance such as copper or a metal layer with good solderability such as gold may be laminated on the upper surface of the electrode 50.
  • the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 are given different symbols for convenience, they can be integrally formed using the same material in the same process. Note that in FIG. 1, for convenience, the electrode 50 is shown in a satin pattern with the same density as the wiring 40.
  • the cover layer 60 (protective layer) is provided on the upper surface 10a of the base material 10, if necessary, so as to cover the resistor 30 and the wiring 40 and expose the electrode 50.
  • the material of the cover layer 60 include insulating resins such as PI resin, epoxy resin, PEEK resin, PEN resin, PET resin, PPS resin, and composite resin (eg, silicone resin, polyolefin resin).
  • the cover layer 60 may contain filler or pigment.
  • the thickness of the cover layer 60 is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the thickness of the cover layer 60 can be about 2 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the strain gauge 1 has excellent creep characteristics. That is, it is preferable for the strain gauge 1 to have a small amount of creep and a small amount of creep recovery. For example, if the amount of creep and the amount of creep recovery can be reduced to below a predetermined value, the strain gauge 1 can be used not only as a sensor but also as a scale.
  • C1 standard accuracy class C1
  • C2 standard accuracy class C2
  • C3 standard accuracy class C3
  • the amount of creep and the amount of creep recovery must be ⁇ 0.0735% or less. Further, according to the C2 standard, the amount of creep and the amount of creep recovery need to be ⁇ 0.0368% or less. Further, according to the C3 standard, the amount of creep and the amount of creep recovery must be kept at ⁇ 0.016% or less. Note that when the strain gauge 1 is used for sensor applications, the standard for the amount of creep and the amount of creep recovery is approximately ⁇ 0.5%.
  • the amount of creep and creep recovery of a strain gauge are affected by the viscoelasticity of the constituent materials. Generally, creep does not occur in metal materials that are elastic materials, but creep occurs in resins that are viscous materials. Since the strain gauge 1 uses a base material 10 made of resin, the viscosity of the base material 10 cannot be ignored.
  • the amount of creep and the amount of creep recovery are amounts defined by the amount of elastic deformation (strain amount) of the surface of the base material 10 on which the resistor 30 is provided in the strain gauge 1 changing over time. Therefore, the amount of creep and the amount of creep recovery can be measured by monitoring the strain voltage calculated based on the output between the pair of electrodes 50 of the strain gauge 1. This will be explained in detail with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method for measuring the amount of creep and the amount of creep recovery.
  • the horizontal axis is time and the vertical axis is strain voltage [mV].
  • the strain voltage changes, for example, as shown in FIG. In FIG. 3, the absolute value B of the difference in strain voltage between 20 minutes after unloading the 150% load and immediately after applying the 100% load is measured. Furthermore, the absolute value ⁇ A of the difference in strain voltage between the time immediately after applying 100% load and the time 20 minutes have passed since starting to apply 100% load is measured. At this time, ⁇ A/B becomes the amount of creep. Next, the absolute value ⁇ C of the difference in strain voltage between the time immediately after the 100% load is removed and the time 20 minutes have passed after the 100% load is removed is measured. At this time, ⁇ C/B becomes the amount of creep recovery.
  • 100% load is 3 kg, and 150% load is 1.5 times the 100% load.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of examining the amount of creep and the amount of creep recovery, and summarizes the results measured as follows.
  • measurement sample A and measurement sample B were prepared.
  • the only difference between measurement sample A and measurement sample B is whether or not the polyimide film serving as the base material has been subjected to surface treatment. Specifically, it is as shown below.
  • measurement sample A a polyimide film with a thickness of 25 ⁇ m that was not subjected to surface treatment was used as the base material 10. Further, as the resistor 30, a Cr mixed phase film was used. Further, as the cover layer 60, a polyimide film having a thickness of 15 ⁇ m and not subjected to surface treatment was used. In measurement sample A, the elastic modulus of the base material was measured and found to be 9.8 GPa.
  • a polyimide film with a thickness of 25 ⁇ m and subjected to surface treatment was used as the base material 10. That is, at least the upper surface side of the base material used for measurement sample B is carbonized and/or graphitized. Further, as the resistor 30, a Cr mixed phase film was used. Further, as the cover layer 60, a polyimide film having a thickness of 15 ⁇ m and not subjected to surface treatment was used. In measurement sample B, the elastic modulus of the base material was measured and found to be 11.8 GPa.
  • measurement samples A and B were pasted on separate strain bodies made of SUS304, and the amount of creep and the amount of creep recovery were measured using the measurement method shown in FIG. 3. Based on the inventor's knowledge that the modulus of elasticity of the base material, the amount of creep, and the amount of creep recovery are almost proportional, and the measurement results of measurement samples A and B, the results shown in FIG. 4 were obtained.
  • data indicated by ⁇ is for measurement sample A
  • data indicated by ⁇ is for measurement sample B.
  • the amount of creep and the amount of creep recovery decrease.
  • the elastic modulus of the base material is 10.4 GPa or more
  • the creep amount and creep recovery amount of the C1 standard can be satisfied.
  • the elastic modulus of the base material is 12.6 GPa or more
  • the creep amount and creep recovery amount of the C2 standard can be satisfied.
  • the elastic modulus of the base material is 14.7 GPa or more
  • the creep amount and creep recovery amount of the C3 standard can be satisfied.
  • the strain gauge 1 by using a polyimide film with an elastic modulus larger than 9.8 GPa as the base material 10, the creep is lower than when using a commercially available polyimide film with an elastic modulus of 9.8 GPa or less. It is possible to reduce the In particular, in the strain gauge 1, by using a polyimide film having an elastic modulus larger than 10.4 GPa as the base material 10, the strain gauge 1 can also be used for scale applications.
  • insulating resin films that undergo carbonization and/or graphitization are not limited to polyimide films, and other insulating resin films can also be used. good.
  • the modulus of elasticity of the base material is 10.4 GPa or more, it can satisfy the C1 standard, if it is 12.6 GPa or more, it can satisfy the C2 standard, and if it is 14.7 GPa or more, it can satisfy the creep amount and creep recovery amount of the C3 standard.
  • LCP liquid crystal polymer
  • the elastic modulus can be set to about 30 GPa at maximum, and creep can be reduced.
  • a highly sensitive strain gauge with a gauge factor of 10 or more due to its high sensitivity, it is sensitive to the effects of material properties, and creep Properties may also be significantly degraded. Therefore, in a highly sensitive strain gauge with a gauge factor of 10 or more, it is extremely important to control the elastic modulus of the base material to improve creep characteristics.
  • strain gauge manufacturing method Hereinafter, a method for manufacturing the strain gauge 1 will be explained.
  • an insulating resin film having an elastic modulus greater than 9.8 GPa is prepared as the base material 10.
  • a metal layer (for convenience, referred to as metal layer A) is formed on the upper surface 10a of the base material 10.
  • the metal layer A is a layer that is finally patterned to become the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50. Therefore, the material and thickness of the metal layer A are the same as those of the resistor 30, wiring 40, and electrode 50 described above.
  • the metal layer A can be formed, for example, by magnetron sputtering using a raw material capable of forming the metal layer A as a target.
  • the metal layer A may be formed using reactive sputtering, vapor deposition, arc ion plating, pulsed laser deposition, or the like instead of magnetron sputtering.
  • the metal layer A is patterned into the same planar shape as the resistor 30, wiring 40, and electrode 50 in FIG. 1 by a well-known photolithography method.
  • the metal layer A may be formed after forming a base layer on the upper surface 10a of the base material 10.
  • a functional layer having a predetermined thickness may be formed in vacuum on the upper surface 10a of the base material 10 by conventional sputtering.
  • the functional layer refers to a layer that has a function of promoting crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30).
  • the functional layer further has a function of preventing oxidation of the metal layer A due to oxygen or moisture contained in the base material 10, and/or a function of improving the adhesion between the base material 10 and the metal layer A. is preferred.
  • the functional layer may further include other functions.
  • the insulating resin film constituting the base material 10 may contain oxygen and moisture, and Cr may form a self-oxidized film. Therefore, especially when the metal layer A contains Cr, it is preferable to form a functional layer having a function of preventing the metal layer A from being oxidized.
  • Examples of materials for the functional layer include Cr (chromium), Ti (titanium), V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ni (nickel), Y (yttrium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Si (silicon), C (carbon), Zn (zinc), Cu (copper), Bi (bismuth), Fe (iron), Mo (molybdenum), W (tungsten), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), Au (gold), Co (cobalt), Mn (manganese), Al (aluminum), an alloy of any metal in this group, or a compound of any metal in this group.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view (Part 2) illustrating the strain gauge according to the first embodiment.
  • Part 2 shows a cross-sectional shape of the strain gauge 1 in which the functional layer 20 is provided as a base layer for the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50.
  • the planar shape of the functional layer 20 may be patterned to be approximately the same as the planar shape of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50, for example.
  • the planar shapes of the functional layer 20, the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 do not have to be substantially the same.
  • the functional layer 20 when the functional layer 20 is formed of an insulating material, the functional layer 20 may be patterned into a shape different from the planar shape of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50.
  • the functional layer 20 may be formed in a solid manner, for example, in a region where the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 are formed.
  • the functional layer 20 may be formed in a solid manner over the entire upper surface of the base material 10.
  • a cover layer 60 is formed on the upper surface 10a of the base material 10, if necessary. Although the cover layer 60 covers the resistor 30 and the wiring 40, the electrode 50 may be exposed from the cover layer 60.
  • a semi-cured thermosetting insulating resin film is laminated on the upper surface 10a of the base material 10 so as to cover the resistor 30 and wiring 40 and expose the electrode 50, and then the insulating resin film is laminated.
  • the cover layer 60 can be formed by heating and curing. Through the above steps, the strain gauge 1 is completed.
  • Modification 1 of the first embodiment shows an example in which a material with a high elastic modulus is used for the cover layer. Note that in the first modification of the first embodiment, descriptions of the same components as those in the already described embodiments may be omitted.
  • the elastic modulus of the cover layer 60 is 9.8 GPa or less.
  • the elastic modulus of the cover layer 60 is also preferably greater than 9.8 GPa. Thereby, the creep characteristics of the strain gauge 1 can be further improved.
  • an insulating resin film such as a polyimide film having an elastic modulus greater than 9.8 GPa can be used.
  • the elastic modulus can be made larger than 9.8 GPa.
  • an LCP (liquid crystal polymer) resin having a maximum elastic modulus of about 30 GPa can be used.
  • an inorganic material may be used as the cover layer 60.
  • inorganic materials include oxides, nitrides, and nitrides of metals such as Cu, Cr, Ni, Al, Fe, W, Ti, and Ta, and alloys containing them.
  • semiconductors such as Si and Ge, oxides, nitrides, and nitrides thereof may be used.
  • the cover layer 60 is made of an inorganic material, it can be formed using dipping, screen printing, sputtering, CVD, or the like.
  • strain gauge according to the present disclosure is not limited to the embodiments, modifications, etc. described above.
  • various modifications and substitutions can be made to the strain gauges according to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims.

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Abstract

本ひずみゲージは、樹脂製の基材と、前記基材の一方の面側に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、を有し、前記基材は、弾性率が９．８ＧＰａよりも大きい。

Description

ひずみゲージ
　本発明は、ひずみゲージに関する。
　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。例えば、ひずみゲージは、材料のひずみを検出するセンサ、または、周囲温度を検出するセンサとして使用される場合がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１－２２１６９６号公報
　上記のようなひずみゲージには、金属製の基材や樹脂製の基材が用いられるが、樹脂製の基材を用いたひずみゲージでは、クリープが生じる場合がある。クリープとは、一定の温度条件下で一定の荷重がひずみゲージに作用するとき、時間とともにひずみが変化する現象である。ひずみゲージにおいて、クリープは測定誤差の要因となる。
　本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、クリープを低減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。
　本開示の一実施形態に係るひずみゲージは、樹脂製の基材と、前記基材の一方の面側に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、を有し、前記基材は、弾性率が９．８ＧＰａよりも大きい。
　開示の技術によれば、クリープを低減することが可能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（その１）である。 クリープ量及びクリープリカバリー量の測定方法について説明する図である。 クリープ量及びクリープリカバリー量の検討結果を示す図である。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図（その２）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、同一の構成部には同一の符号を付す場合がある。また、各図面において、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を規定する場合がある。この場合、Ｘ方向において、矢印の始点（根元）側をＸ－側、矢印の終点（矢尻）側をＸ＋側と称する場合がある。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。また、各図面の説明において、既に説明した構成部と同一の構成部についての説明は省略する場合がある。
　〈第１実施形態〉
　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（その１）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１は、基材１０と、抵抗体３０と、配線４０と、電極５０と、カバー層６０とを有している。カバー層６０は、必要に応じて設けることができる。なお、図１及び図２では、便宜上、カバー層６０の外縁のみを破線で示している。まずは、ひずみゲージ１を構成する各部について詳細に説明する。
　なお、本実施形態では、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」と称し、抵抗体３０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１は天地逆の状態で用いることもできる。又、ひずみゲージ１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１０の上面１０ａ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る。基材１０は可撓性を有する。基材１０の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１の使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、基材１０の厚さは５μｍ～５００μｍ程度であってよい。ひずみゲージ１の下面側には、接着層等を介して起歪体が接合されていてもよい。なお、起歪体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１０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１０の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。
　基材１０は、樹脂製であり、弾性率が９．８ＧＰａよりも大きい。このような基材１０としては、例えば、弾性率を最大で３０ＧＰａ程度にできるＬＣＰ（液晶ポリマー）樹脂が挙げられる。あるいは、基材１０として、表面処理を施すことにより弾性率を向上させ、弾性率を９．８ＧＰａより大きくした樹脂材料を用いてもよい。
　例えば、市販のポリイミドフィルムにエネルギーを照射して加熱し、少なくとも基材１０の上面１０ａ側（抵抗体３０を形成する予定の側）の領域１０ｓを炭化させることで、弾性率を９．８ＧＰａより大きくすることができる。なお、市販のポリイミドフィルムの弾性率は、９．８ＧＰａ以下である。基材１０に照射するエネルギーは、例えば、紫外線である。基材１０に照射するエネルギーは、レーザービームであってもよい。
　また、市販のポリイミドフィルムを加熱炉等に入れて加熱し、少なくとも基材１０の上面１０ａ側（抵抗体３０を形成する予定の側）の領域１０ｓをグラファイト化させることで、弾性率を９．８ＧＰａより大きくしてもよい。市販のポリイミドフィルムを加熱してグラファイト化する際の加熱温度は、例えば、２０００℃～３０００℃程度である。加熱温度等の条件により、ポリイミドフィルムに炭化した部分とグラファイト化した部分が混在してもよい。
　基材１０の弾性率を上げるためには、基材１０の上面１０ａ側の領域１０ｓのみを炭化及び／又はグラファイト化してもよいが、基材１０の厚さ方向の全体を炭化及び／又はグラファイト化してもよい。基材１０が完全に炭化及び／又はグラファイト化した場合、基材１０の弾性率は２００ＧＰａ程度となる。
　なお、基材１０の厚さ方向の全体を炭化及び／又はグラファイト化することで靭性が低下する場合には、基材１０の上面１０ａ側のみを炭化及び／又はグラファイト化することが好ましい。この際、炭化及び／又はグラファイト化する領域１０ｓの厚さは、基材１０の厚さの１０％以上であることが好ましい。
　また、基材１０の炭化及び／又はグラファイト化の程度は、上面１０ａの側から下面１０ｂの側に向かうほど低くなってもよい。この際、基材１０の炭化及び／又はグラファイト化の程度は、上面１０ａの側から下面１０ｂの側に向かって連続的に変化してもよい。
　炭化及び／又はグラファイト化を行う絶縁樹脂フィルムは、ポリイミドフィルムには限定されず、例えば、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であってもよい。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１０は、例えば、市販のＬＣＰ樹脂にエネルギーを照射して加熱し、表面を平坦化させてもよい。表面が平坦化することで、抵抗体３０を基材１０に対して均一に成膜することができ、抵抗体３０の電気的な安定性を増すことができる。ここで、平坦化とは、表面粗さ（Ｒａ）が３０ｎｍ以下であることを指す。
　基材１０を構成する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１０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。
　なお、弾性率は、動的粘弾性測定により測定することができる。本願で言う弾性率は、基材１０全体の弾性率であり、炭化及び／又はグラファイト化した領域の部分的な弾性率ではない。
　抵抗体３０は、基材１０の一方の側（図１及び図２では上側）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１において、抵抗体３０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を密度の高い梨地模様で示している。
　抵抗体３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図１の例ではＸ方向）に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向（図１の例ではＹ方向）となる。
　抵抗体３０において、最もＹ＋側に位置する細長状部のＸ－側の端部は、Ｙ＋方向に屈曲し、抵抗体３０のグリッド幅方向の一方の終端３０ｅ１に達する。また、最もＹ－側に位置する細長状部のＸ－側の端部は、Ｙ－方向に屈曲し、抵抗体３０のグリッド方向の他方の終端３０ｅ２に達する。各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２は、配線４０を介して、電極５０と電気的に接続されている。言い換えれば、配線４０は、抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２と各々の電極５０とを電気的に接続している。
　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、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いてもよい。
　抵抗体３０の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１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３０の厚さは０．０５μｍ～２μｍ程度であってよい。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上である場合、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。また、抵抗体３０の厚さが１μｍ以下である場合、抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する、（i）膜のクラック及び（ii）膜の基材１０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３０の幅は１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。更に言えば、抵抗体３０の幅は１０μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上５０μｍ以下であるとより好ましい。
　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させることができる。又例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、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、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３０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３０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３０がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ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Ｃｒ２Ｎが２０重量％以下であることで、ひずみゲージ１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Ｃｒ２Ｎとの比率は、ＣｒＮとＣｒ２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ２Ｎ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Ｃｒ２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ２Ｎ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。Ｃｒ２Ｎは半導体的な性質を有する。そのため、前述のＣｒ２Ｎ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Ｃｒ２Ｎの割合を９０重量％以上９５重量％未満とすることで抵抗体３０のセラミックス化を低減し、抵抗体３０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Ｎ２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１において、抵抗体３０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３０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３０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。
　配線４０は、基材１０上に設けられている。配線４０は、抵抗体３０及び電極５０と電気的に接続されている。配線４０は、直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。また、配線４０は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図１では、便宜上、配線４０を抵抗体３０よりも密度の低い梨地模様で示している。
　電極５０は、基材１０上に設けられている。電極５０は、配線４０を介して抵抗体３０と電気的に接続されている。電極５０は、平面視において、配線４０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極５０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る。電極５０には、例えば外部接続用のリード線等が接合される。電極５０の上面に、銅等の抵抗の低い金属層、または、金等のはんだ付け性が良好な金属層を積層してもよい。抵抗体３０と配線４０と電極５０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、図１では、便宜上、電極５０を配線４０と同じ密度の梨地模様で示している。
　カバー層６０（保護層）は、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４０を被覆し電極５０を露出するように設けられる。カバー層６０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６０の厚さは２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。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抑制することができる。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。
　［クリープの低減］
　ひずみゲージ１は、クリープ特性に優れていることが好ましい。すなわち、ひずみゲージ１は、クリープ量及びクリープリカバリー量が小さい方が好ましい。例えば、クリープ量及びクリープリカバリー量を所定値以下に低減できれば、ひずみゲージ１をセンサ用途に加え、はかり用途にも使用可能となる。
　ひずみゲージをはかり用途に用いる場合には、クリープに関する規格を満足する必要がある。クリープに関する規格とは、例えば、ＯＩＭＬ Ｒ６０に基づく精度等級Ｃ１（以降、Ｃ１規格とする）や、精度等級Ｃ２（以降、Ｃ２規格とする）や、精度等級Ｃ３（以降、Ｃ３規格とする）が挙げられる。
　Ｃ１規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±０．０７３５％以下にする必要がある。また、Ｃ２規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±０．０３６８％以下にする必要がある。また、Ｃ３規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±０．０１６％以下にする必要がある。なお、ひずみゲージ１をセンサ用途に用いる場合には、クリープ量及びクリープリカバリー量の規格は±０．５％程度である。
　ひずみゲージのクリープ量及びクリープリカバリー量は、構成材料の粘弾性に影響される。一般に弾性材料である金属材料ではクリープが発生しないが、粘性材料である樹脂ではクリープが発生する。ひずみゲージ１には、樹脂製の基材１０が用いられているため、基材１０の粘性は無視できない。
　クリープ量及びクリープリカバリー量は、ひずみゲージ１において、基材１０の抵抗体３０が設けられた面の弾性変形の量（ひずみ量）が時間経過と共に変化することにより規定される量である。そのため、クリープ量及びクリープリカバリー量は、ひずみゲージ１の一対の電極５０間の出力に基づいて算出したひずみ電圧をモニタすることで測定できる。図３を参照して、詳しく説明する。
　図３は、クリープ量及びクリープリカバリー量の測定方法について説明する図である。図３において、横軸は時間、縦軸はひずみ電圧［ｍＶ］である。
　まず、測定装置に電源を投入して１０秒後に、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ１に１５０％荷重を１０秒間かけ、その後、除荷する。除荷後、２０分が経過したら、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ１に１００％荷重を２０分間かけ、その後、除荷する。そして、除荷後２０分経過するのを待つ。
　ひずみ電圧は、例えば、図３に示すように変化する。図３において、１５０％荷重を除荷後２０分経過した時点と、１００％荷重をかけた直後の時点のひずみ電圧の差の絶対値Ｂを測定する。また、１００％荷重をかけた直後の時点と、１００％荷重をかけ始めてから２０分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔＡを測定する。このとき、ΔＡ／Ｂがクリープ量となる。次に、１００％荷重を除荷した直後の時点と、１００％荷重を除荷後２０分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔＣを測定する。このとき、ΔＣ／Ｂがクリープリカバリー量となる。
　なお、１００％荷重とは３ｋｇであり、１５０％荷重とは１００％荷重の１．５倍の荷重である。
　図４は、クリープ量及びクリープリカバリー量の検討結果を示す図であり、下記のように測定した結果をまとめたものである。
　まず、ひずみゲージの測定サンプルとして、測定サンプルＡと測定サンプルＢの２種類を用意した。測定サンプルＡと測定サンプルＢの違いは、基材となるポリイミドフィルムに表面処理が施されているか否かのみである。具体的には、以下に示すとおりである。
　測定サンプルＡでは、基材１０として、表面処理が施されていない膜厚２５μｍのポリイミドフィルムを用いた。また、抵抗体３０として、Ｃｒ混相膜を用いた。また、カバー層６０として、表面処理が施されていない膜厚１５μｍのポリイミドフィルムを用いた。測定サンプルＡにおいて、基材の弾性率を測定したところ、９．８ＧＰａであった。
　測定サンプルＢでは、基材１０として、表面処理が施されている膜厚２５μｍのポリイミドフィルムを用いた。つまり、測定サンプルＢに用いた基材の少なくとも上面側は、炭化及び／又はグラファイト化している。また、抵抗体３０として、Ｃｒ混相膜を用いた。また、カバー層６０として、表面処理が施されていない膜厚１５μｍのポリイミドフィルムを用いた。測定サンプルＢにおいて、基材の弾性率を測定したところ、１１．８ＧＰａであった。
　次に、測定サンプルＡ及びＢを別々のＳＵＳ３０４製の起歪体上に貼り付け、クリープ量及びクリープリカバリー量を図３の測定方法で測定した。そして、基材の弾性率とクリープ量及びクリープリカバリー量とがほぼ比例するという発明者の知見と、測定サンプルＡ及びＢの測定結果に基づいて、図４に示す結果を得た。図４において、〇で示すデータは測定サンプルＡのものであり、□で示すデータは測定サンプルＢのものである。
　図４に示ように、基材の弾性率が大きくなるにしたがって、クリープ量及びクリープリカバリー量が低減する。例えば、基材の弾性率が１０．４ＧＰａ以上であれば、Ｃ１規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。また、基材の弾性率が１２．６ＧＰａ以上であれば、Ｃ２規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。また、基材の弾性率が１４．７ＧＰａ以上であれば、Ｃ３規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。
　このように、ひずみゲージ１において、基材１０として弾性率が９．８ＧＰａより大きいポリイミドフィルムを用いることで、通常市販されている弾性率が９．８ＧＰａ以下のポリイミドフィルムを用いる場合よりも、クリープを低減することが可能である。特に、ひずみゲージ１において、基材１０として弾性率が１０．４ＧＰａより大きいポリイミドフィルムを用いることで、ひずみゲージ１をはかり用途にも使用することが可能である。
　ここでは、ポリイミドフィルムを用いた実験結果を示したが、前述のように、炭化及び／又はグラファイト化を行う絶縁樹脂フィルムは、ポリイミドフィルムには限定されず、他の絶縁樹脂フィルムを用いてもよい。この場合も、基材の弾性率が１０．４ＧＰａ以上であればＣ１規格、１２．６ＧＰａ以上であればＣ２規格、１４．７ＧＰａ以上であればＣ３規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。例えば、ＬＣＰ（液晶ポリマー）であれば弾性率を最大で３０ＧＰａ程度にでき、クリープを低減することができる。
　なお、ゲージ率が１０以上である高感度のひずみゲージ（例えば、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用いた場合など）の場合、高感度であるために材料物性からの影響に敏感であり、クリープ特性も著しく低下する場合がある。したがって、ゲージ率が１０以上である高感度のひずみゲージにおいて、基材の弾性率を制御してクリープ特性を改善することは極めて重要である。
　［ひずみゲージの製造方法］
　以下、ひずみゲージ１の製造方法について説明する。ひずみゲージ１を製造するためには、まず、基材１０として、弾性率が９．８ＧＰａよりも大きい絶縁樹脂フィルムを準備する。そして、基材１０の上面１０ａ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３０、配線４０、及び電極５０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３０、配線４０、及び電極５０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１０の上面１０ａ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３０、配線４０、及び電極５０と同様の平面形状にパターニングする。
　なお、基材１０の上面１０ａに下地層を形成してから金属層Ａを形成してもよい。例えば、基材１０の上面１０ａに、所定の膜厚の機能層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。このように下地層を設けることによって、ひずみゲージ１のゲージ特性を安定化させることができる。
　本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層Ａ（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に含まれる酸素または水分による金属層Ａの酸化を防止する機能、および／または、基材１０と金属層Ａ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、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、金属層Ａの酸化を防止する機能を有する機能層を成膜することが好ましい。
　このように、金属層Ａの下層に機能層を設けることにより、金属層Ａの結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる金属層Ａを作製することができる。その結果、ひずみゲージ１において、ゲージ特性の安定性が向上する。又、機能層を構成する材料が金属層Ａに拡散することにより、ひずみゲージ１において、ゲージ特性が向上する。
　機能層の材料としては、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。
　図５は、第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図（その２）である。図５は、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の下地層として機能層２０を設けた場合のひずみゲージ１の断面形状を示している。
　機能層２０の平面形状は、例えば抵抗体３０、配線４０、及び電極５０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２０と抵抗体３０、配線４０、及び電極５０との平面形状は略同一でなくてもよい。例えば、機能層２０が絶縁材料から形成される場合には、機能層２０を抵抗体３０、配線４０、及び電極５０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２０は例えば抵抗体３０、配線４０、及び電極５０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２０は、基材１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
　抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成した後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａにカバー層６０を形成する。カバー層６０は抵抗体３０及び配線４０を被覆するが、電極５０はカバー層６０から露出していてよい。例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４０を被覆し電極５０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て、その後に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６０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１が完成する。
　〈第１実施形態の変形例１〉
　第１実施形態の変形例１では、カバー層に弾性率の高い材料を用いる例を示す。なお、第１実施形態の変形例１では、既に説明した実施形態と同一の構成部についての説明は省略する場合がある。
　第１実施形態では、カバー層６０として、一般的な樹脂材料を例示した。この場合、カバー層６０の弾性率は９．８ＧＰａ以下となる。しかし、基材１０に加え、カバー層６０の弾性率も９．８ＧＰａよりも大きいことが好ましい。これにより、ひずみゲージ１のクリープ特性をさらに改善することができる。
　例えば、カバー層６０として、弾性率が９．８ＧＰａよりも大きいポリイミドフィルム等の絶縁樹脂フィルムを用いることができる。この場合、市販のポリイミドフィルム等の絶縁樹脂フィルムの表面に、第１実施形態で示した表面処理を施すことにより、弾性率を９．８ＧＰａよりも大きくすることができる。また、例えば、カバー層６０として、弾性率が最大３０ＧＰａ程度のＬＣＰ（液晶ポリマー）樹脂を用いることができる。
　また、カバー層６０として、無機材料を用いてもよい。無機材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ等の金属やそれらを含む合金の酸化物や窒化物、窒酸化物が挙げられる。無機材料として、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体やそれらの酸化物や窒化物、窒酸化物を用いてもよい。カバー層６０が無機材料の場合は、ディッピングやスクリーン印刷、スパッタやＣＶＤ等を用いて成膜することができる。
　以上、好ましい実施形態等について詳説した。しかしながら、本開示に係るひずみゲージは、上述した実施形態及び変形例等に限定されない。例えば、上述した実施形態等に係るひずみゲージについて、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、種々の変形及び置換を加えることができる。
　本国際出願は２０２２年３月１４日に出願した日本国特許出願２０２２－０３９２３７号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０２２－０３９２３７号の全内容を本国際出願に援用する。
　１　ひずみゲージ、１０　基材、１０ａ　上面、１０ｂ　下面、１０ｓ　領域、２０　機能層、３０　抵抗体、４０　配線、５０　電極、６０　カバー層

Claims (9)

  1. 　樹脂製の基材と、
    　前記基材の一方の面側に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、を有し、
    　前記基材は、弾性率が９．８ＧＰａよりも大きい、ひずみゲージ。
  2. 　前記基材の少なくとも一方の面側は、炭化及び／又はグラファイト化されている、請求項１に記載のひずみゲージ。
  3. 　前記炭化及び／又はグラファイト化の程度は、前記一方の面の側から他方の面の側に向かうほど低くなる、請求項２に記載のひずみゲージ。
  4. 　前記炭化及び／又はグラファイト化の程度は、前記一方の面の側から他方の面の側に向かって連続的に変化する、請求項３に記載のひずみゲージ。
  5. 　前記基材の一方の面に、前記抵抗体を被覆する保護層を有し、
    　前記保護層は、弾性率が９．８ＧＰａよりも大きい、請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  6. 　前記基材は、弾性率が１０．４ＧＰａ以上である、請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  7. 　前記基材は、弾性率が１２．６ＧＰａ以上である、請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  8. 　前記基材は、弾性率が１４．７ＧＰａ以上である、請求項１乃至７の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  9. 　ゲージ率が１０以上である、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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