特開 2023-165275 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】P2023165275

(43)【公開日】2023-11-15

(54)【発明の名称】ひずみゲージ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20231108BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022076117

(22)【出願日】2022-05-02

(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】小野 彩

(72)【発明者】

【氏名】小笠 洋介

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA25

2F063CA28

2F063EC03

2F063EC05

2F063EC20

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ひずみゲージのひずみ限界を向上する。
【解決手段】基材と、基材上に形成された抵抗体と、基材上に形成され、抵抗体の両端部に直列に接続された２つの配線と、を有し、抵抗体は、長手方向を第１方向に向けて並置され、互いに直列に接続された複数の細長状部を含み、配線の一方は、第１方向に直交する第２方向の一端に位置する細長状部に並置され、細長状部の第１方向の一端に接続され、配線の他方は、第２方向の他端に位置する細長状部に並置され、細長状部の第１方向の一端に接続され、各々の配線は、第１金属層と、第１金属層上に積層された第１金属層よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層と、を含み、平面視で、第１金属層の外縁は、第２金属層から露出し、平面視で、第２金属層の第１方向の一端側の端部は、第１金属層と、第１金属層に隣接する細長状部との間の空隙の第１方向の一端側の端部よりも第１方向の一端側に突出している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と、
前記基材上に形成された抵抗体と、
前記基材上に形成され、前記抵抗体の両端部に直列に接続された２つの配線と、を有し、
前記抵抗体は、長手方向を第１方向に向けて並置され、互いに直列に接続された複数の細長状部を含み、
前記配線の一方は、前記第１方向に直交する第２方向の一端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、
前記配線の他方は、前記第２方向の他端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、
各々の前記配線は、第１金属層と、前記第１金属層上に積層された前記第１金属層よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層と、を含み、
平面視で、前記第１金属層の外縁は、前記第２金属層から露出し、
平面視で、前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部は、前記第１金属層と、前記第１金属層に隣接する前記細長状部との間の空隙の前記第１方向の一端側の端部よりも前記第１方向の一端側に突出している、ひずみゲージ。

【請求項2】

前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部の、前記空隙の前記第１方向の一端側の端部を基準とした前記第１方向の一端側に突出する長さは、１μｍ以上である、請求項１に記載のひずみゲージ。

【請求項3】

前記突出する長さは、前記細長状部の前記第２方向の長さ以上である、請求項２に記載のひずみゲージ。

【請求項4】

前記細長状部の前記第２方向の長さは、５μｍ以上である、請求項３に記載のひずみゲージ。

【請求項5】

前記第１金属層の前記第１方向の一端側の端部と、前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部との間の前記第１方向の長さは、５μｍ以上である、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】

前記第２金属層は、前記第１金属層よりも伸縮性に優れた材料から形成されている請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項7】

前記第１金属層は、前記抵抗体と同一材料により一体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。

【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。

【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。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体は、例えば、絶縁性樹脂上に形成されている。抵抗体は、例えば、配線を介して、電極と接続されている（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２０１６－７４９３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ひずみゲージは起歪体へ貼り付けられ、起歪体の動きに追従して伸縮することで、起歪体のひずみ量を検出する。そのため、より大きなひずみ量を検出するためには、伸縮の過程でひずみゲージ自身が破損してはならず、より高いひずみ限界が求められている。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージのひずみ限界を向上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、基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体の両端部に直列に接続された２つの配線と、を有し、前記抵抗体は、長手方向を第１方向に向けて並置され、互いに直列に接続された複数の細長状部を含み、前記配線の一方は、前記第１方向に直交する第２方向の一端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、前記配線の他方は、前記第２方向の他端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、各々の前記配線は、第１金属層と、前記第１金属層上に積層された前記第１金属層よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層と、を含み、平面視で、前記第１金属層の外縁は、前記第２金属層から露出し、平面視で、前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部は、前記第１金属層と、前記第１金属層に隣接する前記細長状部との間の空隙の前記第１方向の一端側の端部よりも前記第１方向の一端側に突出している。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、ひずみゲージのひずみ限界を向上することができる。

【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】抵抗体及び配線にクラックが生じた様子を模式的に示す図である。

【図4】図１における抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。

【図5】比較例に係るひずみゲージにおける抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。

【図6】ひずみ限界の実験結果を示す図である。

【図7】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。

【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。また、各図面において、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を規定する場合がある。この場合、Ｘ軸方向において、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軸方向及びＺ軸方向についても同様である。また、Ｘ軸と平行な方向を第１方向Ｘ、Ｙ軸と平行な方向を第２方向Ｙと称する場合がある。

【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、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】

基材１０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る。又、前述の結晶性材料以外に非晶質のガラス等を基材１０の材料としてもよい。又、基材１０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。金属を用いる場合、金属製の基材１０上に絶縁膜が設けられる。

【0017】

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。

【0018】

抵抗体３０は、複数の細長状部３１と、複数の折り返し部３２とを含む。図１の例では、抵抗体３０は、６つの細長状部３１と、７つの折り返し部３２を含むが、細長状部３１と折り返し部３２の個数は、図１の例には限定されない。

【0019】

抵抗体３０において、複数の細長状部３１は、長手方向を第１方向Ｘに向けて並置されている。そして、複数の折り返し部３２は、複数の細長状部３１の中で隣接する細長状部３１の端部を互い違いに連結して各々の細長状部３１を互いに直列に接続する。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３１の長手方向である第１方向Ｘがグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向である第２方向Ｙがグリッド幅方向となる。

【0020】

抵抗体３０において、第２方向Ｙの一端（Ｙ－側の端部）に位置する細長状部３１の第１方向Ｘの一端（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、第２方向Ｙの他端（Ｙ＋側の端部）に位置する細長状部３１の第１方向Ｘの一端（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。なお、図１では、便宜上、終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２を破線で示しているが、抵抗体３０と配線４０の第１金属層４１（後述）とは、一体に形成することができる。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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）膜のクラックおよび（ii）膜の基材１０からの反りが、低減される。

【0024】

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の各々の細長状部３１の幅は５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。更に言えば、抵抗体３０の各々の細長状部３１の幅は５μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上５０μｍ以下であるとより好ましい。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

配線４０は、基材１０上に２つ形成されている。配線４０の一方は、第２方向Ｙの一端（Ｙ－側の端部）に位置する細長状部３１に並置され、折り返し部３２を介して、該細長状部３１の第１方向Ｘの一端（Ｘ－側の端部）に接続されている。配線４０の他方は、第２方向Ｙの他端（Ｙ＋側の端部）に位置する細長状部３１に並置され、折り返し部３２を介して、該細長状部３１の第１方向Ｘの一端（Ｘ－側の端部）に接続されている。

【0031】

配線４０は、少なくとも第１方向Ｘの一端側において細長状部３１に並置されていればよく、配線４０の全体が細長状部３１に並置されてなくてもよい。すなわち、配線４０は直線状には限定されず、少なくとも第１方向Ｘの一端側において細長状部３１に並置された任意のパターンとすることができる。又、配線４０は、任意の長さとすることができる。

【0032】

電極５０は、基材１０上に形成され、配線４０を介して抵抗体３０と電気的に接続されており、例えば、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り、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。

【0033】

各々の配線４０は、第１金属層４１と、第１金属層４１上に積層された第２金属層４２とを有している。また、各々の電極５０は、第１金属層５１と、第１金属層５１上に積層された第２金属層５２とを有している。第１金属層５１は、配線４０の第１金属層４１を介して抵抗体３０の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２と電気的に接続されている。第１金属層５１は、平面視において、略矩形状に形成されている。第１金属層５１は、配線４０と同じ幅に形成しても構わない。なお、図１では、便宜上、第１金属層４１及び５１を抵抗体３０と同じ密度の梨地模様で示しており、第２金属層４２及び５２を抵抗体３０よりも低密度の梨地模様で示している。

【0034】

第２金属層４２及び５２は、第１金属層４１及び５１の上面の一部に形成されている。具体的には、第２金属層４２及び５２は、第１金属層４１及び５１の上面の外縁を除く領域に形成されている。そのため、平面視で、第１金属層４１の外縁は、第２金属層４２から露出している。また、平面視で、第１金属層５１の外縁は、第２金属層５２から露出している。

【0035】

第２金属層４２と第２金属層５２は、同一材料で一体に形成してもよく、別々の材料で形成してもよい。第２金属層４２及び５２の材料には、抵抗体３０（第１金属層４１及び５１）よりも体積抵抗率の低い材料を選択することができる。このような材料としては、例えば、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、或いは、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。特に第２金属層４２及び５２の材料として、ＣｕやＣｕ合金、ＡｌやＡｇ、Ａｕ、ＣｒＭｎ等を用いることが好ましい。第２金属層４２及び５２の厚さは、特に限定されず、目的に応じて適宜選択できる。第２金属層４２及び５２の厚さは、例えば、０．５μｍ～５μｍ程度とすることができる。

【0036】

第２金属層５２の上面に、更に他の１層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第２金属層５２を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。或いは、第２金属層５２を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極５０の最上層を金層とすることで、電極５０のはんだ濡れ性を向上できる。

【0037】

なお、抵抗体３０と第１金属層４１と第１金属層５１とは便宜上別符号としているが、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。従って、抵抗体３０と第１金属層４１と第１金属層５１とは、厚さが略同一であってよい。又、第２金属層４２と第２金属層５２とは便宜上別符号としているが、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。従って、第２金属層４２と第２金属層５２とは、厚さが略同一であってよい。

【0038】

このように、配線４０は、抵抗体３０と同一材料からなる第１金属層４１上に、第１金属層４１よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層４２が積層された構造である。そのため、配線４０は抵抗体３０よりも抵抗が低くなり、配線４０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によるひずみ検出精度を向上できる。

【0039】

言い換えれば、抵抗体３０よりも体積抵抗率の低い材料を用いて配線４０を形成することで、ひずみゲージ１の実質的な受感部を抵抗体３０が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体３０によるひずみ検出精度を向上できる。

【0040】

特に、抵抗体３０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を抵抗体３０よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体３０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。又、配線４０を抵抗体３０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。

【0041】

カバー層６０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。

【0042】

図３は、抵抗体及び配線にクラックが生じた様子を模式的に示す図である。ひずみゲージ１に与えるひずみを大きくしていくと、抵抗体３０や第１金属層４１にクラックが生じる。発明者らの検討によれば、図３に示すように、クラックＣは、配線４０を構成する第２金属層４２の第１方向Ｘの端部付近において、おおよそ第２方向Ｙに伸びるように生じる傾向がある。

【0043】

図４は、図１における抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。図４に示すように、ひずみゲージ１では、平面視で、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側（Ｘ－側）の端部は、第１金属層４１と、第１金属層４１に隣接する細長状部３１との間の空隙Ｓの第１方向Ｘの一端側（Ｘ－側）の端部よりも第１方向Ｘの一端側（Ｘ－側）に突出している。つまり、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部の、空隙Ｓの第１方向Ｘの一端側の端部を基準とした第１方向Ｘの一端側に突出する長さをＬ１とすると、長さＬ１>０である。なお、ひずみゲージ１において、平面視で、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部と、隣接する細長状部３１同士の間の空隙の第１方向Ｘの一端側の端部との位置関係は任意としてよい。

【0044】

図５は、比較例に係るひずみゲージにおける抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。図５の比較例では、図４に示す長さＬ１が０である。すなわち、図５の比較例では、第１方向Ｘにおいて、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部は、空隙Ｓの第１方向Ｘの一端側の端部と同じ位置にある。この場合、図３に示すようなクラックＣが生じると、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間が断線して電流が流れなくなるため、比較例に係るひずみゲージは、ひずみゲージとして機能しなくなる。

【0045】

これに対して、図４に示すひずみゲージ１では、長さＬ１>０であるため、図３に示すようなクラックＣが生じても、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間は断線せずに電気的な接続が維持されるため、ひずみゲージとして機能し続けることができる。図４において、長さＬ１は、１μｍ以上であることが好ましい。これにより、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間の通電幅を確保して電気的な接続を維持しやすくなる。

【0046】

図４において、長さＬ１は、細長状部３１の第２方向Ｙの長さＬ２（すなわち、細長状部３１の幅）以上である事がより好ましい。細長状部３１の第２方向Ｙの長さは、５μｍ以上であることが好ましい。すなわち、長さＬ１は、５μｍ以上であることがより好ましい。これにより、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間の通電幅をさらに確保して電気的な接続を一層維持しやすくなる。

【0047】

また、図４において、第１金属層４１の第１方向Ｘの一端側の端部と、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部との間の第１方向Ｘの長さＬ３は、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。

【0048】

ひずみゲージ１の製造工程では、第１金属層４１及び第２金属層４２をエッチングしてパターニングするが、エッチングの際に第１金属層４１が第２金属層４２よりもオーバーエッチングされる場合がある。オーバーエッチングにより、第２金属層４２の端部が第１金属層４１の端部より水平方向に突出すると、配線４０を覆うカバー層６０を設ける場合に、配線４０とカバー層６０との密着性が低下する。例えば、配線４０において、第１金属層４１がＣｒ混相膜から形成され、第２金属層４２が銅から形成されている場合、ひずみゲージ１の製造工程でのエッチングの際にＣｒ混相膜が銅よりも１～２μｍ程度オーバーエッチングされる。また、オーバーエッチングにより、第２金属層４２の端部が第１金属層４１の端部より水平方向に突出すると、例えば、第２金属層４２が銅から形成されている場合、銅が突出した部分が酸化して銅が劣化し、ひずみゲージ１の信頼性が低下する。

【0049】

そこで、平面視で、第１金属層４１の外縁は、第２金属層４２から露出していることが好ましく、長さＬ３は、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。これにより、第１金属層４１が第２金属層４２に対してオーバーエッチングされることを抑制できるため、配線４０とカバー層６０との密着性を維持することができる。また、第２金属層４２が銅から形成されている場合でも、銅が酸化して劣化することを防止できる。

【0050】

図６は、ひずみ限界の実験結果を示す図であり、複数個の試験用ひずみゲージにおけるひずみ限界の最小値をプロットしたものである。図４において、Ｌ１＝０μｍは、比較例に係るひずみゲージの実験結果を示している。一方、Ｌ１＝１μｍは、第１実施形態に係るひずみゲージ１の実験結果を示している。

【0051】

図６において、縦軸はひずみ限界［μＳＴ］を示している。ひずみ限界とは、ひずみゲージにひずみを与えたときに、断線が生じてひずみゲージとして機能できなくなる機械的ひずみの値である。図６の結果から、Ｌ１＝５μｍの場合は、Ｌ１＝０μｍの場合よりも、ひずみ限界が約１．４倍向上することが確認できた。

【0052】

なお、発明者らの別の検討によれば、第１金属層４１に第２金属層４２を積層しないことは好ましくない。第１金属層４１に第２金属層４２を積層しない場合、図６に示すＬ１＝０μｍの場合よりも、ひずみ限界がさらに低下する。例えば、第１金属層４１がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜は伸縮性に乏しいため、配線４０をＣｒ混相膜のみから形成すると、ひずみ限界が低くなると考えられる。Ｃｒ混相膜からなる第１金属層４１上に、銅等のＣｒ混相膜よりも伸縮性に優れている材料からなる第２金属層４２を積層することで、ひずみ限界を向上することができる。

【0053】

すなわち、ひずみ限界を向上する観点から、配線４０は、第１金属層４１と第２金属層４２の積層構造とすることが好ましく、第２金属層４２は第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料から形成されていることが好ましい。つまり、第２金属層は、第１金属層よりも体積抵抗率が低く、かつ第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料から形成されていることが好ましい。第１金属層がＣｒ混相膜である場合、第１金属層よりも体積抵抗率が低く、かつ第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料としては、銅以外に金、銀、及びアルミニウムが挙げられる。

【0054】

［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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【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７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７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】

次に、金属層Ａの上面に、第２金属層４２及び第２金属層５２を形成する。第２金属層４２及び第２金属層５２は、例えば、周知のフォトリソグラフィ法により所定のパターンに形成することができる。

【0065】

次に、金属層Ａの上面、第２金属層４２の上面、及び第２金属層５２の上面に、感光性のレジストを形成し、そのレジストを露光及び現像して図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。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層Ａをウェットエッチング等により除去する。次に、レジストを除去することで、図１に示す平面形状の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成することができる。このとき、第１金属層４１が第２金属層４２に対してオーバーエッチングされないように、レジストの形状を制御する。

【0066】

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。

【0067】

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】

【0068】

１ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、２０ 機能層、３０ 抵抗体、３０ｅ_１、３０ｅ_２ 終端、３１ 細長状部、３２ 折り返し部、４０ 配線、４１、５１ 第１金属層、４２、５２ 第２金属層、５０ 電極、６０ カバー層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】