特開 2022-186395 ひずみゲージ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022186395

(43)【公開日】2022-12-15

(54)【発明の名称】ひずみゲージ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20221208BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

C23C14/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021094590

(22)【出願日】2021-06-04

(71)【出願人】

【識別番号】000114215

【氏名又は名称】ミネベアミツミ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】浅川 寿昭

(72)【発明者】

【氏名】北村 厚

【テーマコード（参考）】

2F063

4K029

【Ｆターム（参考）】

2F063AA25

2F063EC03

2F063EC05

2F063EC15

2F063EC20

2F063EC24

2F063EC27

4K029AA11

4K029AA25

4K029BA02

4K029BA03

4K029BA07

4K029BA08

4K029BA09

4K029BA12

4K029BA16

4K029BA17

4K029BA21

4K029BA43

4K029BA58

4K029BB02

4K029BC05

4K029CA05

4K029DC39

(57)【要約】

【課題】はかり用途に使用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、前記基材上に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成された複数の抵抗体と、を有し、各々の前記抵抗体は、グリッド方向を同一方向に向けて配置されて互いに並列に接続され、並列に接続された前記抵抗体の抵抗値は、１６０Ω以上６００Ω以下である。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

可撓性を有する基材と、
前記基材上に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成された複数の抵抗体と、を有し、
各々の前記抵抗体は、グリッド方向を同一方向に向けて配置されて互いに並列に接続され、
並列に接続された前記抵抗体の抵抗値は、１６０Ω以上６００Ω以下である、ひずみゲージ。

【請求項2】

並列に接続された前記抵抗体の抵抗値は、２１０Ω以上４００Ω以下である、請求項１に記載のひずみゲージ。

【請求項3】

前記基材は、第１基材、及び第２基材を含み、
複数の前記抵抗体は、前記第１基材上に形成された第１抵抗体、及び前記第２基材上に形成された第２抵抗体、を含み、
前記第２基材は、前記第１抵抗体を被覆して前記第１基材上に積層され、
前記第１抵抗体と前記第２抵抗体は、前記第２基材を貫通するスルーホールにより互いに並列に接続されている、請求項１又は２に記載のひずみゲージ。

【請求項4】

各々の前記抵抗体の幅が１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項5】

ゲージ率が１０以上である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項6】

各々の前記抵抗体に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎの割合は、２０重量％以下である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項7】

前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ_２Ｎ中の前記Ｃｒ_２Ｎの割合は、８０重量％以上９０重量％未満である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のひずみゲージ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ひずみゲージに関する。

【背景技術】

【0002】

基材上に抵抗体を備え、測定対象物に貼り付けて、測定対象物の特性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、例えば、材料のひずみを検出するセンサや、周囲温度を検出するセンサ等のセンサ用途として使用されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１－２２１６９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、ひずみゲージはセンサ用途に用いる以外に、はかり用途に用いる場合もあり、その場合には、センサ用途よりも厳しいクリープに関する規格を満足する必要がある。そのため、センサ用途に使用できるひずみゲージであっても、はかり用途には使用できない場合があった。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、はかり用途に使用可能なひずみゲージを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材上に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成された複数の抵抗体と、を有し、各々の前記抵抗体は、グリッド方向を同一方向に向けて配置されて互いに並列に接続され、並列に接続された前記抵抗体の抵抗値は、１６０Ω以上６００Ω以下である。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、はかり用途に使用可能なひずみゲージを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】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】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。

【図3】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4】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5】抵抗値と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。

【図6】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３）である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

〈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３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）であり、図１のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。

【0011】

図１～図３を参照すると、ひずみゲージ１は、第１層１_１上に第２層１_２及び第３層１_３が順次積層された３層構造である。第１層１_１、第２層１_２、及び第３層１_３の各々に、ひずみを検出するための抵抗体がグリッド方向を同一方向に向けて配置されている。以下、詳しく説明する。

【0012】

第１層１_１は、基材１０_１と、基材１０_１の上面１０ａ上に形成された抵抗体３０_１及び配線４０_１とを有する。第２層１_２は、基材１０_２と、基材１０_２の上面１０ｂ上に形成された抵抗体３０_２及び配線４０_２とを有する。基材１０_２は、抵抗体３０_１を被覆して基材１０_１上に積層されている。第３層１_３は、基材１０_３と、基材１０_３の上面１０ｃ上に形成された抵抗体３０_３、配線４０_３、及び電極５０_３とを有する。基材１０_３は、抵抗体３０_２を被覆して基材１０_２上に積層されている。第３層１_３上には、必要に応じ、カバー層６０が形成される。なお、図１～図３では、便宜上、カバー層６０の外縁のみを破線で示している。

【0013】

なお、本実施形態では、便宜上、ひずみゲージ１において、各基材の抵抗体が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体が設けられていない側を下側又は他方の側とする。また、各基材の抵抗体が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。ただし、ひずみゲージ１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。また、平面視とは対象物を基材１０_３の上面１０ｃ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_３の上面１０ｃの法線方向から視た形状を指すものとする。

【0014】

なお、抵抗体３０_１及び３０_２の平面形状は図示されていないが、抵抗体３０_３と同様である。抵抗体３０_１及び３０_２は、例えば、抵抗体３０_３と平面視で重複する位置に形成される。また、配線４０_１及び４０_２の平面形状は図示されていないが、配線４０_３と同様である。配線４０_１及び４０_２は、例えば、配線４０_３と平面視で重複する位置に形成される。

【0015】

基材１０_３は、抵抗体３０_３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_３の膜厚は、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_３の膜厚が５μｍ～２００μｍであると、ひずみの伝達性、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。

【0016】

基材１０_３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できる。なお、フィルムとは、膜厚が５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。

【0017】

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０_３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_３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。

【0018】

基材１０_３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、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。また、基材１０_３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。この場合、金属製の基材１０_３上に、例えば、絶縁膜が形成される。

【0019】

抵抗体３０_３は、基材１０_３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_３は、基材１０_３の上面１０ｃに直接形成されてもよいし、基材１０_３の上面１０ｃ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_３を濃い梨地模様で示している。

【0020】

抵抗体３０_３は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図１のＡ－Ａ線の方向）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Ｂ－Ｂ線の方向）となる。

【0021】

グリッド幅方向の最も外側に位置する２つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体３０_３のグリッド幅方向の各々の終端３０_３ｅ_１及び３０_３ｅ_２を形成する。抵抗体３０_３のグリッド幅方向の各々の終端３０_３ｅ_１及び３０_３ｅ_２は、配線４０_３を介して、電極５０_３と電気的に接続されている。言い換えれば、配線４０_３は、抵抗体３０_３のグリッド幅方向の各々の終端３０_３ｅ_１及び３０_３ｅ_２と各々の電極５０_３とを電気的に接続している。

【0022】

抵抗体３０_３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できる。すなわち、抵抗体３０_３は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成できる。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。

【0023】

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。

【0024】

抵抗体３０_３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_３の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体３０_３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い。また、抵抗体３０_３の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体３０_３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_３からの反りを低減できる点で更に好ましい。

【0025】

抵抗体３０_３の幅は、横感度を生じ難くすることと、断線対策を考慮すると、１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上７０μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以上５０μｍ以下がさらに好ましい。

【0026】

例えば、抵抗体３０_３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できる。また、抵抗体３０_３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重量％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_３はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましく、９０重量％以上含むことが更に好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

【0027】

また、抵抗体３０_３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、ゲージ率の低下を抑制できる。

【0028】

また、ＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎの割合は８０重量％以上９０重量％未満であることが好ましく、９０重量％以上９５重量％未満であることが更に好ましい。ＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎの割合が９０重量％以上９５重量％未満であることで、半導体的な性質を有するＣｒ_２Ｎにより、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。

【0029】

一方で、膜中に微量のＮ_２もしくは原子状のＮが混入、存在した場合、外的環境（例えば高温環境下）によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なＣｒＮの創出により上記不安定なＮを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。

【0030】

配線４０_３は、基材１０_３上に形成され、抵抗体３０_３及び電極５０_３と電気的に接続されている。配線４０_３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_３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_３及び電極５０_３を抵抗体３０_３よりも薄い梨地模様で示している。

【0031】

電極５０_３は、基材１０_３上に形成され、配線４０_３を介して抵抗体３０_３と電気的に接続されており、例えば、配線４０_３よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極５０_３は、抵抗体３０_１、３０_２、及び３０_３の、ひずみにより生じる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。

【0032】

なお、抵抗体３０_３と配線４０_３と電極５０_３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。従って、抵抗体３０_３と配線４０_３と電極５０_３とは、厚さが略同一である。

【0033】

配線４０_３及び電極５０_３上に、抵抗体３０_３よりも低抵抗の材料から形成された導電層を積層してもよい。積層する導電層の材料は、抵抗体３０_３よりも低抵抗の材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、抵抗体３０_３がＣｒ混相膜である場合、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、あるいは、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。導電層の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、３μｍ～５μｍ程度とすることができる。

【0034】

このように、配線４０_３及び電極５０_３上に、抵抗体３０_３よりも低抵抗の材料から形成された導電層を積層すると、配線４０_３は抵抗体３０_３よりも抵抗が低くなるため、配線４０_３が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体３０_３によるひずみ検出精度を向上できる。

【0035】

言い換えれば、抵抗体３０_３よりも低抵抗な配線４０_３を設けることで、ひずみゲージ１の実質的な受感部を抵抗体３０_３が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体３０_３によるひずみ検出精度を向上できる。

【0036】

特に、抵抗体３０_３としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージにおいて、配線４０_３を抵抗体３０_３よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体３０_３が形成された局所領域に制限することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。また、配線４０_３を抵抗体３０_３よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。

【0037】

以上では、第３層１_３の基材１０_３、抵抗体３０_３、配線４０_３、及び電極５０_３について説明したが、第１層１_１の基材１０_１、抵抗体３０_１、及び配線４０_１、並びに、第２層１_２の基材１０_２、抵抗体３０_２、及び配線４０_２についても、第３層１_３の基材１０_３、抵抗体３０_３、及び配線４０_３と同様である。ただし、第１層１_１及び第２層１_２には、電極５０_３に相当する部分は設けられていない。

【0038】

抵抗体３０_３を被覆し電極５０_３を露出するように基材１０_３の上面１０ｃにカバー層６０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_３に機械的な損傷等が生じることを防止できる。また、カバー層６０を設けることで、抵抗体３０_３を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０は、電極５０_３を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

【0039】

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。

【0040】

［低抵抗化］
ひずみゲージ１において、配線４０_１と配線４０_２と配線４０_３は、２つの電極５０_３の各々の近傍に設けられた２つのスルーホール７０により互いに接続されている。これにより、抵抗体３０_１と抵抗体３０_２と抵抗体３０_３は互いに並列に接続される。抵抗体３０_１と抵抗体３０_２と抵抗体３０_３は、例えば、ほぼ同じ抵抗値になるように形成され、それぞれが並列に接続されている。その結果、全体の抵抗値は、抵抗体３０_１と抵抗体３０_２と抵抗体３０_３の各々に対して約１／３に低減されている。一対の電極５０_３間の抵抗値は、並列に接続された抵抗体３０_１と抵抗体３０_２と抵抗体３０_３の抵抗値となる。

【0041】

スルーホール７０は、少なくとも基材１０_２及び１０_３を貫通する貫通孔内に設けられている。スルーホール７０は、抵抗体３０_３等と同一材料を用いて形成してもよいし、銅等の低抵抗な材料から形成してもよい。また、抵抗体３０_１と抵抗体３０_２と抵抗体３０_３が並列に接続できれば、スルーホール７０の位置は任意としてよい。例えば、配線４０_１及び４０_２を設けずに、各層の各抵抗体の終端の近傍にスルーホール７０を設けて抵抗体３０_１、３０_２、及び３０_３を並列に接続してもよい。また、基材１０_１上及び基材１０_２上に電極５０_３に相当するダミーの電極を形成し、電極５０_３と各々のダミーの電極とをスルーホール７０で接続してもよい。また、抵抗体３０_１と抵抗体３０_２と抵抗体３０_３が並列に接続できれば、スルーホールの個数は任意としてよい。例えば、スルーホールの抵抗値が問題となる場合には、スルーホールの個数を適宜増やせばよい。

【0042】

ひずみゲージ１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、ＯＩＭＬ Ｒ６０に基づく精度等級Ｃ２（以降、Ｃ２規格とする）が挙げられる。

【0043】

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。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。

【0044】

発明者らが鋭意検討したところ、クリープは一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値に対する依存性が高く、Ｃ１規格やＣ２規格を満足するためには、一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値を比較的低抵抗にする必要があるとの知見に至った。

【0045】

そこで、発明者らは、クリープ量及びクリープリカバリー量を低減するために必要な、一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値について検討した。具体的には、一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値を変えた複数のひずみゲージ１を作製し、各々のひずみゲージ１を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測定した。なお、基材１０_１、１０_２、及び１０_３としては、膜厚２５μｍのポリイミド樹脂製のフィルムを用いた。また、抵抗体３０_１、３０_２、及び３０_３には、Ｃｒ混相膜を用いた。

【0046】

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、抵抗体３０_１、３０_２、及び３０_３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量であるため、一対の電極５０_３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４を参照して、詳しく説明する。

【0047】

図４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４において、横軸は時間、縦軸はひずみ電圧［ｍＶ］である。

【0048】

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。

【0049】

ひずみ電圧は、例えば、図４に示すように変化する。図４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。

【0050】

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。

【0051】

図５は、抵抗値と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、一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値を変えた複数のひずみゲージ１のクリープ量及びクリープリカバリー量を図４の測定方法で測定した結果をまとめたものである。

【0052】

図５に示すように、一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値が１６０Ω以上６００Ω以下であれば、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、図５に示すように、一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値が２１０Ω以上４００Ω以下であれば、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。すなわち、一対の電極５０_３間に接続される抵抗体の抵抗値を所定範囲内に制御することで、クリープ量及びクリープリカバリー量が改善するため、ひずみゲージ１をはかり用途に使用可能となる。

【0053】

Ｃ１規格又はＣ２規格を満足できる抵抗値にするために、抵抗体の幅を広くする方法も考えられるが、特に、抵抗体としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージの場合は、抵抗体の幅を広くすると高感度であるために横感度の影響が発生するので好適ではない。一方、ひずみゲージ１のように、複数の抵抗体を互いに並列に接続することで低抵抗化すれば、横感度の問題を顕在化させることなく、Ｃ１規格又はＣ２規格を満足できる抵抗値を実現できる。

【0054】

なお、上記の例では、ひずみゲージ１を、第１層１_１上に第２層１_２及び第３層１_３が順次積層された３層構造としたが、これには限定されず、ひずみゲージ１は２層構造としてもよいし、４層以上の構造としてもよい。

【0055】

また、低抵抗化は、必ずしも複数の抵抗体を積層し、各々の抵抗体をスルーホールにより互いに並列に接続する方法には限定されない。例えば、１つの基材の上面に、グリッド方向を同一方向に向けて複数の抵抗体を配置し、基材の上面に設けた配線で各々の抵抗体を互いに並列に接続して低抵抗化してもよい。ただし、１つの基材の上面に複数の抵抗体を配置する場合は、基材の上面の面積が大きくなるため、微細な測定箇所への設置には、複数の抵抗体を積層して各々の抵抗体をスルーホールにより互いに並列に接続する構造の方が有利である。

【0056】

［ひずみゲージの製造方法］
ここで、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_１を準備し、基材１０_１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_１及び配線４０_１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_１及び配線４０_１の材料や厚さと同様である。

【0057】

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。

【0058】

ゲージ特性を安定化する観点から、金属層Ａを成膜する前に、下地層として、基材１０_１の上面１０ａに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。

【0059】

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_１）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_１に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能や、基材１０_１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。

【0060】

、基材１０_１を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Ａの酸化を防止する機能を備えることは有効である。

【0061】

機能層の材料は、少なくとも上層である金属層Ａ（抵抗体３０_１）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。

【0062】

上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。また、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。

【0063】

機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／２０以下であることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。

【0064】

機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／５０以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。

【0065】

機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／１００以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。

【0066】

機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～１μｍとすることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。

【0067】

機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．８μｍとすることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。

【0068】

機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．５μｍとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。

【0069】

なお、機能層の平面形状は、例えば、図１に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。あるいは、機能層は、基材１０_１の上面全体にベタ状に形成されてもよい。

【0070】

また、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを５０ｎｍ以上１μｍ以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材１０_１側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ１において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。

【0071】

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_１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。

【0072】

ただし、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_１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。

【0073】

機能層の材料と金属層Ａ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、金属層Ａとしてα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜可能である。

【0074】

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、金属層Ａを成膜できる。あるいは、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、金属層Ａを成膜してもよい。この際、窒素ガスの導入量や圧力（窒素分圧）を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎの割合を調整できる。

【0075】

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。また、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。

【0076】

なお、金属層ＡがＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、金属層Ａの結晶成長を促進する機能、基材１０_１に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能、及び基材１０_１と金属層Ａ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。

【0077】

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できる。また、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、ゲージ特性を向上できる。

【0078】

次に、フォトリソグラフィによって金属層Ａをパターニングし、抵抗体３０_１及び配線４０_１を形成する。これにより、第１層１_１が完成する。

【0079】

次に、上記と同様の方法で第２層１_２及び第３層１_３を作製する。ただし、第３層１_３の場合はでは、フォトリソグラフィによって金属層Ａをパターニングする工程で、抵抗体３０_３及び配線４０_３に加え一対の電極５０_３を形成する。

【0080】

次に、第１層１_１上に、第２層１_２及び第３層１_３を順次積層し、スルーホール７０を形成するための貫通孔をレーザ加工法等により形成し、めっき法等によりスルーホール７０を形成する。なお、第１層１_１が完成した後、引き続き第１層１_１上に基材１０_２を積層して基材１０_２上に抵抗体３０_２及び配線４０_２を形成し、さらに第２層１_２上に基材１０_３を積層して基材１０_３上に抵抗体３０_３、配線４０_３、及び電極５０_３を形成してもよい。この場合、スルーホール７０を形成するための貫通孔を設けた後に基材１０_３上に抵抗体３０_３、配線４０_３、及び電極５０_３を形成し、スルーホール７０は抵抗体３０_３等と同一材料により一体に形成してもよい。

【0081】

その後、必要に応じ、基材１０_３の上面１０ｃに、抵抗体３０_３及び配線４０_３を被覆し電極５０_３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_３の上面１０ｃに、抵抗体３０_３及び配線４０_３を被覆し電極５０_３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できる。カバー層６０は、基材１０_３の上面１０ｃに、抵抗体３０_３及び配線４０_３を被覆し電極５０_３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。

【0082】

なお、抵抗体３０_１、３０_２、及び３０_３等の下地層として各基材の上面に機能層を設けた場合には、ひずみゲージ１は図６に示す断面形状となる。符号２０_１、２０_２、及び２０_３で示す層が機能層である。機能層２０_１、２０_２、及び２０_３を設けた場合のひずみゲージ１の平面形状は、例えば、図１と同様となる。ただし、前述のように、機能層２０_１、２０_２、及び２０_３は、各基材の上面の一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。

【0083】

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。

【符号の説明】

【0084】

１ ひずみゲージ、１_１ 第１層、１_２ 第２層、１_３ 第３層、１０_１，１０_２，１０_３ 基材、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 上面、２０_１，２０_２，２０_３ 機能層、３０_１，３０_２，３０_３ 抵抗体、３０_３ｅ_１，３０_３ｅ_２ 終端、４０_１，４０_２，４０_３ 配線、５０_３ 電極、６０ カバー層、７０ スルーホール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】