特開 2023-138128 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】P2023138128

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】ひずみゲージ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20230922BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022044649

(22)【出願日】2022-03-18

(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】北村 厚

(72)【発明者】

【氏名】浅川 寿昭

(72)【発明者】

【氏名】湯口 昭代

(72)【発明者】

【氏名】小野 彩

(72)【発明者】

【氏名】北爪 誠

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA25

2F063CA07

2F063EC03

2F063EC05

2F063EC11

2F063EC15

2F063EC27

(57)【要約】

【課題】ひずみゲージのクリープ特性を改善する。
【解決手段】本ひずみゲージは、樹脂製の基材と、前記基材の平面に形成された抵抗体と、前記平面に形成され、前記抵抗体の両端にそれぞれ接続された一対の配線と、を有し、前記抵抗体は、並置された複数の細長状部を含み、前記平面において、前記複数の細長状部のうち少なくとも１つの細長状部の、隣接する他の細長状部と対向する位置、及び／又は、前記配線と対向する位置には、突出した部分である凸部が設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂製の基材と、
前記基材の平面に形成された抵抗体と、
前記平面に形成され、前記抵抗体の両端にそれぞれ接続された一対の配線と、を有し、
前記抵抗体は、並置された複数の細長状部を含み、
前記平面において、前記複数の細長状部のうち少なくとも１つの細長状部の、隣接する他の細長状部と対向する位置、及び／又は、前記配線と対向する位置には、突出した部分である凸部が設けられている、ひずみゲージ。

【請求項2】

前記平面において、前記少なくとも１つの細長状部と隣接している前記他の細長状部及び／又は前記配線の、前記凸部と対向する位置には、凹んだ部分である凹部が設けられており、
前記凸部の一部または全部は、前記平面上で前記凹部と噛み合うように、前記凹部の凹みによって生じる前記抵抗体が形成されていない間隙の部分に向けて突出している、請求項１に記載のひずみゲージ。

【請求項3】

各々の前記細長状部において前記凸部と前記凹部の何れも設けられていない領域の幅は、２００μｍ以上である、請求項２に記載のひずみゲージ。

【請求項4】

各々の前記細長状部において前記凸部と前記凹部の何れも設けられていない領域の幅は、３５０μｍ以上である、請求項３に記載のひずみゲージ。

【請求項5】

前記凸部は、前記平面において、前記細長状部の長手方向に対して垂直な方向に突出した形状である、請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項6】

複数の前記凸部は、前記細長状部の長手方向に対して平行な方向の長さが互いに異なる２種類以上の凸部を含む、請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項7】

第１電極及び第２電極を有し、
前記配線は、複数の前記細長状部の両側で前記細長状部と並置された第１配線及び第２配線を含み、
前記第１配線は、前記細長状部の一方の終端と前記第１電極とを接続し、
前記第２配線は、前記細長状部の他方の終端と前記第１電極とを接続し、
前記抵抗体は、複数の前記細長状部の中で隣接する前記細長状部の端部を互い違いに連結して各々の前記細長状部を直列に接続する折り返し部を含み、
前記第１電極及び前記第２電極と前記折り返し部の対向する領域との間隔、及び前記第１電極と前記第２電極の互いに対向する領域の間隔は、隣接する前記細長状部の互いに対向する領域の間隔と等しい、請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項8】

前記抵抗体は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む膜から形成されている請求項１乃至７の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項9】

ゲージ率が１０以上である、請求項１乃至８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】

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）。

【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】

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。ひずみゲージにおける「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。したがって、クリープ特性を改善することが求められている。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージのクリープ特性を改善することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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、前記基材の平面に形成された抵抗体と、前記平面に形成され、前記抵抗体の両端にそれぞれ接続された一対の配線と、を有し、前記抵抗体は、並置された複数の細長状部を含み、前記平面において、前記複数の細長状部のうち少なくとも１つの細長状部の、隣接する他の細長状部と対向する位置、及び／又は、前記配線と対向する位置には、突出した部分である凸部が設けられている。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、ひずみゲージのクリープ特性を改善することができる。

【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】トリミングについて説明する図である。

【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】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２）である。

【図7】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平面図である。

【図8】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平面図である。

【図9】第２実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。

【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。

【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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

基材１０は、樹脂製である。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、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。

【0015】

基材１０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。

【0016】

抵抗体３０は、基材１０の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、平面である基材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。

【0017】

抵抗体３０は、複数の細長状部と、複数の折り返し部とを含む。抵抗体３０において、複数の細長状部は、長手方向を第１方向（図１の例ではＸ軸方向）に向けて並置されている。そして、複数の折り返し部は、複数の細長状部の中で隣接する細長状部の端部を互い違いに連結して各々の細長状部を直列に接続する。これにより、抵抗体３０は、全体としてジグザグに折り返す構造となっている。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軸方向）となる。

【0018】

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３０ｅ_１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３０ｅ_２に達する。各々の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２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３０ｅ_１及び３０ｅ_２と各々の電極５０とを電気的に接続している。

【0019】

抵抗体３０のうち、細長状部が幅方向に隣接している部分の一部は、幅が突出した凸形状をしている。以降、抵抗体３０のこのような突出した部分を凸部３０ａと称する。また、前記凸部３０ａと対向する細長状部（すなわち、凸部３０ａの突出している方向にある細長状部）の幅は狭くなり、凹んでいる。以降、細長状部のこの凹んだ部分を凹部３０ｂと称する。凸部３０ａの一部または全部は、基材１０の上面１０ａ上で凹部３０ｂと噛み合うように、凹部３０ｂの凹みによって生じる抵抗体３０が形成されていない間隙の部分に向けて突出している。

【0020】

基材１０の上面１０ａにおいて、抵抗体３０の複数の細長状部のうち少なくとも１つの細長状部の、隣接する他の細長状部と対向する位置には、少なくとも１つ凸部３０ａが設けられる。あるいは、複数の細長状部のうち少なくとも１つの細長状部の、隣接する他の細長状部と対向する位置には、少なくとも１組の凸部３０ａ及び凹部３０ｂが設けられる。

【0021】

より望ましくは、抵抗体３０には、上述したような噛み合わせの配置で、凸部３０ａと凹部３０ｂとが、少なくとも１組設けられる。例えば、図１の例では、抵抗体３０全体に対して、凸部３０ａと凹部３０ｂの組み合わせは合計４組設けられている。具体的には、Ｙ－側から数えて１つ目の細長状部において、２つ目の細長状部と対向する位置に２つの凹部３０ｂが設けられている。また、Ｙ－側から数えて２つ目の細長状部において、１つ目の細長状部と対向する位置に２つの凸部３０ａが設けられており、３つ目の細長状部と対向する位置にさらに２つの凸部３０ａが設けられている。また、Ｙ－側から数えて３つ目の細長状部において、２つの細長状部と対向する位置に２つの凹部３０ｂが設けられている。

【0022】

図１の例では、凸部３０ａは、基材１０の上面１０ａにおいて、細長状部の長手方向に対して垂直な方向（Ｙ軸方向）に突出した形状である。しかしながら、凸部３０ａは、Ｙ軸方向に対して傾斜する方向に突出していてもよい。また、図１の例では、凸部３０ａは矩形であるが、凸部３０ａは、半円形、半楕円形、台形、多角形等の任意の形状であってよい。なお、製造の容易さの観点では、凸部３０ａが矩形であって、かつ凸部３０ａが細長状部の長手方向に対して垂直な方向に突出していることが好ましい。

【0023】

凸部３０ａの突出の長さ（図１では、突出による細長状部の幅の増加量）は、例えば、細長状部の幅Ｗの１／３以下程度であってよい。ここで、幅Ｗは、細長状部において、凸部３０ａと凹部３０ｂの何れも設けられていない部分の幅である。また、凹部３０ｂの凹みの長さ（図１では、凹みによる細長状部の幅の減少量）も、幅Ｗの１／３以下程度であってよい。

【0024】

また、凸部３０ａ及び凹部３０ｂは、全ての細長状部に設けてもよいし、一部の細長状部のみに設けてもよい。また、各々の細長状部の幅Ｗは一定であってよい。一方、凸部３０ａの突出の長さ及び／又は凹部３０ｂの凹みの長さは、凸部３０ａ毎及び／又は凹部３０ｂ毎に異なっていてもよい。

【0025】

抵抗体３０において、凸部３０ａを設けることにより、あるいは凸部３０ａと凹部３０ｂを上述したような噛み合わせの配置とすることにより、基材１０の限られた面積に、効率的に抵抗体３０を配置することができる。これにより、抵抗体３０の細長状部の幅が部分的に広くなって抵抗体３０の剛性が高まり、抵抗体３０の伸縮が抑制される。そのため、クリープ特性を改善することができる。

【0026】

なお、本明細書における「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、基材１０の抵抗体３０が設けられた面のひずみ量が時間経過とともに変化する（多くの場合、ひずみ量が増大する）現象のことを意味する。また、「クリープ特性」とは、例えば、クリープ量およびリカバリー量を意味する。また、「クリープ特性を改善する」とは、クリープ量の絶対値およびリカバリー量の絶対値を小さくすることを意味する。なお、クリープ特性の改善については、別途詳述する。

【0027】

また、ひずみゲージ１において、凸部３０ａをトリミングのための抵抗調整領域として使用することもできる。例えば、図３のＢ部のように、凸部３０ａの一部又は全部をレーザ等により削って導体の面積を減らすことで、抵抗体３０の抵抗値を増加させることができる。また、図３のＣ部のように、凸部３０ａの一部又は全部をレーザ等により切断して導体の面積を減らすことで、抵抗体３０の抵抗値を増加させることもできる。また、複数の凸部３０ａのうちの何個の凸部３０ａについて導体の面積をどの程度減らすかを選択することにより、抵抗体３０の抵抗値の変化量を調整することもできる。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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１のゲージ率の低下を抑制することができる。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

配線４０は、基材１０上に設けられている。配線４０は、一端側が抵抗体３０の両端に電気的に接続されており、他端側が電極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。

【0037】

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。

【0038】

カバー層６０（絶縁樹脂層）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。

【0039】

［クリープ特性の改善］
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。

【0040】

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殆ど発生しないが、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。

【0041】

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４を参照して、詳しく説明する。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

図５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。

【0047】

まず、図１及び図２に示すひずみゲージ１と同じ構造の測定サンプルとして、測定サンプルＡ～Ｄの４種類を用意した。測定サンプルＡでは、基材として、膜厚２５μｍのポリイミド樹脂製のフィルムを用いた。また、抵抗体として、Ｃｒ混相膜を用い、各々の細長状部の幅は５０μｍで一定とした。また、カバー層として、膜厚１５μｍのポリイミド樹脂製のフィルムを用いた。

【0048】

測定サンプルＢは、抵抗体の各々の細長状部の幅を１００μｍとした以外は、測定サンプルＡと同様とした。測定サンプルＣは、抵抗体の各々の細長状部の幅を２００μｍとした以外は、測定サンプルＡと同様とした。測定サンプルＤは、抵抗体の各々の細長状部の幅を５００μｍとした以外は、測定サンプルＡと同様とした。

【0049】

次に、測定サンプルＡ～Ｄ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４の測定方法で測定した。そして、図５に示す結果を得た。図５において、横軸は細長状部の幅であり、縦軸はクリープ量及びクリープリカバリー量である。

【0050】

図５に示ように、抵抗体の細長状部の幅が広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。特に、細長状部の幅が２００μｍ以上になると、クリープ量及びクリープリカバリー量は±０．２５％以下に収まる。ひずみゲージをセンサ用途に用いる場合、要求されるクリープ量及びクリープリカバリー量は±０．５％程度である。細長状部の幅が２００μｍ以上であれば、十分な余裕を持って、この要求を満たすことができる。さらに、細長状部の幅が３５０μｍ付近になるとクリープ量がゼロ％となり、細長状部の幅が３５０μｍ以上になってもクリープ量及びクリープリカバリー量は０～０．２５％の範囲内に収まっている。このように、ひずみゲージにおいて、抵抗体の細長状部の幅を広くすることにより、クリープ特性が改善される。これは、抵抗体の細長状部の幅を広くすることによって抵抗体の剛性が高まるので、抵抗体の伸縮を抑制できるからである。

【0051】

そこで、ひずみゲージ１では、凸部３０ａ及び凹部３０ｂを有する構造に加え、各々の細長状部の幅Ｗが２００μｍ以上であることが好ましい。これにより、クリープ特性をより改善することができる。また、各々の細長状部の幅Ｗは、３５０μｍ以上であることがより好ましい。これにより、クリープ特性をさらに改善することができる。なお、抵抗体３０の隣接する細長状部の互いに対向する領域の間隔は、５μｍ以上１０μｍ以下程度まで狭くすることができる。この間隔をできるだけ狭くすることにより、各々の細長状部の幅Ｗを広くすることが容易となる。

【0052】

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、隣接する細長状部の対向する領域に凸凹を設けてクリープ特性を改善することは極めて重要である。

【0053】

［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１では、基材１０上に、抵抗体３０と、配線４０と、電極５０と、カバー層６０とが形成される。なお、基材１０とこれらの部材の層の間に別の層（後述する機能層等）が形成されてもよい。

【0054】

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を準備し、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と、配線４０と、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等の材料や厚さと同様である。

【0055】

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。

【0056】

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。抵抗体３０は、並置された複数の細長状部を含み、隣接する細長状部の対向する領域の一方に凸部が、他方に凹部が設けられ、凸部の一部分が凹部内に位置する構成となる。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

図６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６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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、ひずみゲージにおいて、凸部と凹部を設ける位置が第１実施形態とは異なる例を示す。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。

【0066】

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平面図である。図７を参照すると、ひずみゲージ１Ａでは、Ｙ－側から数えて１つ目の細長状部において、配線４０と対向する領域に２つの凸部３０ａが設けられており、２つ目の細長状部と対向する領域にさらに２つの凸部３０ａが設けられている。また、Ｙ－側の配線４０において、１つ目の細長状部と対向する領域に２つの凹部３０ｂが設けられている。また、Ｙ－側から数えて２つ目の細長状部において、１つ目の細長状部と対向する領域に２つの凹部３０ｂが設けられている。各々の凸部３０ａの一部分は、対向する凹部３０ｂ内に位置する。

【0067】

このように、ひずみゲージにおいて、凸部３０ａと凹部３０ｂは、隣接する細長状部の対向する領域に設けられてもよいし、細長状部と配線の対向する領域に設けられてもよい。何れの場合も同様の効果を奏する。

【0068】

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、ひずみゲージにおいて、Ｘ方向の長さが互いに異なる凸部を含む例を示す。なお、第１実施形態の変形例２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。

【0069】

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平面図である。図８を参照すると、ひずみゲージ１Ｂでは、複数の凸部３０ａは、細長状部の長手方向（図８ではＸ方向）に対して平行な方向の長さが互いに異なる２種類以上の凸部３０ａを含む。図８の例では、４つの凸部３０ａの全てにおいて、細長状部の長手方向に対して平行な方向の長さが互いに異なる。

【0070】

ひずみゲージ１Ｂのように、複数の凸部３０ａは、細長状部の長手方向に対して平行な方向の長さが互いに異なる２種類以上の凸部３０ａを含んでもよい。これにより、トリミングの際に、いずれの凸部３０ａを切断するかによって、抵抗体３０の抵抗値を異なる値に調整することができる。

【0071】

〈第２実施形態〉
第２実施形態のでは、電極の面積を大きくする例を示す。なお、第２実施形態では、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。

【0072】

図９は、第２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９を参照すると、ひずみゲージ２では、一対の電極５０の面積がひずみゲージ１よりも大きくなっている。

【0073】

ひずみゲージ２において、抵抗体３０の隣接する細長状部の互いに対向する領域の間隔は、製造上の制約の限界まで狭くすることが好ましい。また、各々の電極５０と抵抗体３０の折り返し部の対向する領域の間隔、及び各々の電極５０の互いに対向する領域の間隔は、製造上の制約の限界まで狭くすることが好ましい。抵抗体３０の隣接する細長状部の互いに対向する領域の間隔等の製造上の限界は、５μｍ以上１０μｍ以下程度である。

【0074】

抵抗体３０の隣接する細長状部の互いに対向する領域の間隔を製造上の制約の限界となる値とし、各々の電極５０と抵抗体３０の折り返し部の対向する領域の間隔、及び各々の電極５０の互いに対向する領域の間隔も細長状部の互いに対向する領域の間隔と等しくすることで、抵抗体３０の各細長状部の面積を大きくできることに加え、電極５０の面積も大きくすることができる。これにより、電極５０の剛性が高まり伸縮が抑制されるため、電極５０に隣接して配置される抵抗体３０の伸縮もさらに抑制され、ひずみゲージ２のクリープ特性をより改善することができる。ここで等しいとは、各々の電極５０と抵抗体３０の折り返し部の対向する領域の間隔、及び各々の電極５０の互いに対向する領域の間隔が、抵抗体３０の隣接する細長状部の互いに対向する領域の間隔の平均値に対して±２μｍの範囲内であることを指すものとする。

【0075】

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。

【符号の説明】

【0076】

１，１Ａ，１Ｂ，２ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、２０ 機能層、３０ 抵抗体、３０ａ 凸部、３０ｂ 凹部、４０ 配線、５０ 電極、６０ カバー層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】