特開 2024-117474 押圧力センサ

(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】P2024117474

(43)【公開日】2024-08-29

(54)【発明の名称】押圧力センサ

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/02 20060101AFI20240822BHJP

【ＦＩ】

A61B5/02 310K

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023023594

(22)【出願日】2023-02-17

(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】徳田 祐太

(72)【発明者】

【氏名】太郎田 敦

(72)【発明者】

【氏名】竹身 一敏

【テーマコード（参考）】

4C017

【Ｆターム（参考）】

4C017AA08

4C017AA09

4C017AA12

4C017AB02

4C017AC03

4C017FF15

4C017FF17

(57)【要約】

【課題】小面積で高感度の起歪体を有する押圧力センサを提供する。
【解決手段】本押圧力センサは、第１端面を備えた筒状部を有する筐体と、第１面、及び前記第１面の反対側の面となる第２面を備えた起歪体と、一対のひずみゲージと、を有し、前記第１面に垂直な第１方向から視て、前記第１端面の外縁及び前記第１面は、偶数である同じ個数の角を有し、前記第２面は、前記第１端面に接合され、一対の前記ひずみゲージは、前記筒状部内に露出する前記第２面の外周部において、前記第２面の任意の一つの対角線上に、前記第１方向から視て前記第２面の中心を挟んで対向するように配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１端面を備えた筒状部を有する筐体と、
第１面、及び前記第１面の反対側の面となる第２面を備えた起歪体と、
一対のひずみゲージと、を有し、
前記第１面に垂直な第１方向から視て、前記第１端面の外縁及び前記第１面は、偶数である同じ個数の角を有し、
前記第２面は、前記第１端面に接合され、
一対の前記ひずみゲージは、前記筒状部内に露出する前記第２面の外周部において、前記第２面の任意の一つの対角線上に、前記第１方向から視て前記第２面の中心を挟んで対向するように配置される、押圧力センサ。

【請求項2】

一対の前記ひずみゲージの各々は受感部を有し、各々の前記受感部の少なくとも一部は前記対角線と接する、請求項１に記載の押圧力センサ。

【請求項3】

前記第１面の中心に、前記第１面から突起する負荷部が設けられている、請求項１又は２に記載の押圧力センサ。

【請求項4】

前記第２面の、前記第１方向から視て、前記負荷部と前記外周部との間に、他の一対のひずみゲージが、前記負荷部を挟んで対向するように配置される、請求項３に記載の押圧力センサ。

【請求項5】

他の一対の前記ひずみゲージは、前記対角線と直交する仮想線上に配置される、請求項４に記載の押圧力センサ。

【請求項6】

他の一対の前記ひずみゲージの各々は受感部を有し、各々の前記受感部の少なくとも一部は前記仮想線と接する、請求項５に記載の押圧力センサ。

【請求項7】

一対の前記ひずみゲージ、及び他の一対の前記ひずみゲージは、フルブリッジ回路を構成するように接続される、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の押圧力センサ。

【請求項8】

前記起歪体は、前記第１方向から視て四角形である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の押圧力センサ。

【請求項9】

バイタルセンサとして用いられる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の押圧力センサ。

【請求項10】

前記バイタルセンサは、脈波センサである、請求項９に記載の押圧力センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、押圧力センサに関する。

【背景技術】

【0002】

押圧力センサの一例として、心臓が血液を送り出すことに伴い発生する脈波を検出する脈波センサが知られている。例えば、外力の作用により撓み可能に支持されている受圧板と、その受圧板の撓みを電気信号に変換する圧電変換手段とが設けられた脈波センサが挙げられる。この脈波センサは、起歪体となる円形の受圧板の可撓領域が外方に向かって凸曲面となるドーム状に形成されており、圧電変換手段として受圧板における頂部の内面に圧力検出素子を備えている（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２００２－７８６８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような脈波センサを含めた押圧力センサは、小型であることが好ましい。しかし、押圧力センサの小型化のために、単純に起歪体を小面積にすると、感度が低下してしまう。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、小面積で高感度の起歪体を有する押圧力センサ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】

本開示の一実施形態に係る押圧力センサは、第１端面を備えた筒状部を有する筐体と、第１面、及び前記第１面の反対側の面となる第２面を備えた起歪体と、一対のひずみゲージと、を有し、前記第１面に垂直な第１方向から視て、前記第１端面の外縁及び前記第１面は、偶数である同じ個数の角を有し、前記第２面は、前記第１端面に接合され、一対の前記ひずみゲージは、前記筒状部内に露出する前記第２面の外周部において、前記第２面の任意の一つの対角線上に、前記第１方向から視て前記第２面の中心を挟んで対向するように配置される。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、小面積で高感度の起歪体を有する押圧力センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る押圧力センサを例示する斜視図である。

【図2】第１実施形態に係る押圧力センサを例示する分解斜視図である。

【図3】第１実施形態に係る押圧力センサを例示する断面図である。

【図4】第１実施形態に係る押圧力センサから裏蓋を取り除いた状態を例示する底面図である。

【図5】第１実施形態に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【図6】円形の起歪体と正方形の起歪体との感度を比較した結果を示す図である。

【図7】円形の起歪体と正方形の起歪体との面積を比較した結果を示す図である。

【図8】ブリッジ接続について説明する図である。

【図9】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10】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11】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12】第１実施形態の変形例１に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【図13】第１実施形態の変形例２に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【図14】第１実施形態の変形例３に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【図15】第１実施形態の変形例４に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【図16】第１実施形態の変形例５に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【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実施形態に係る押圧力センサを例示する斜視図である。図２は、第１実施形態に係る押圧力センサを例示する分解斜視図である。図３は、第１実施形態に係る押圧力センサを例示する断面図であり、図１のＡ－Ａ線に沿う縦断面を示している。図４は、第１実施形態に係る押圧力センサから裏蓋を取り除いた状態を例示する底面図である。図５は、第１実施形態に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【0011】

なお、図１～図５では、矢印で示す第１方向Ｐから対象物を視た図を平面図、第１方向Ｐの反対方向から対象物を視た図を底面図とする。第１方向Ｐは、後述する起歪体２０の第１面２０ａに垂直な方向である。第１方向Ｐから視るとは、対象物を透視する場合も含むものとする。

【0012】

図１～図５を参照すると、押圧力センサ１は、筐体１０と、起歪体２０と、ひずみゲージ１００_１、１００_２、１００_３、及び１００_４とを有している。押圧力センサ１は、外部との電気信号の入出力を行うケーブル、シールドケーブル、フレキシブル基板等を備えてもよい。あるいは、押圧力センサ１は、ケーブル等を用いずに、無線等の方法で外部と通信する形態であってもよい。なお、ひずみゲージ１００_１、１００_２、１００_３、及び１００_４を特に区別する必要がない場合は、単にひずみゲージ１００と称する。

【0013】

筐体１０は、筒状部１１と、裏蓋１２とを有している。筐体１０は、起歪体２０を保持する部分である。筒状部１１及び裏蓋１２は、例えば、金属や樹脂等から形成することができる。

【0014】

筒状部１１は、第１端面１１ａと、第１端面１１ａの反対面となる第２端面１１ｂとを備えている。第１端面１１ａと第２端面１１ｂとは、例えば、平行である。第１端面１１ａと第２端面１１ｂとは、例えば、同じ面積である。第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂの外縁は、第１方向Ｐから視て四角形である。つまり、第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂの外縁は、第１方向Ｐから視て４個の角を有する。第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂの内縁は、第１方向Ｐから視て四角形である。つまり、第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂの内縁は、第１方向Ｐから視て４個の角を有する。

【0015】

第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂの外縁は、例えば、正方形である。第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂの内縁は、例えば、外縁を構成する正方形よりも１辺の長さが短い正方形である。第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂは、例えば、第１方向Ｐから視て額縁状である。なお、第１端面１１ａ及び第２端面１１ｂの内縁及び外縁は、正方形以外の四角形であってもよい。

【0016】

第１端面１１ａの外縁と第２端面１１ｂの外縁は、４つの外側面により接続されている。第１端面１１ａの内縁と第２端面１１ｂの内縁は、４つの内側面により接続されている。各々の内側面及び外側面は、四角形である。各々の内側面及び外側面は、例えば長方形である。

【0017】

第２端面１１ｂには、裏蓋１２が接合されている。筒状部１１の第２端面１１ｂ側は、裏蓋１２により塞がれている。第２端面１１ｂと裏蓋１２とは、例えば、接着剤により接合することができる。筒状部１１と裏蓋１２とは、一体に成型されたものであってもよい。なお、裏蓋１２は、必要に応じて設けることができる。つまり、筐体１０は、裏蓋１２を有していなくてもよい。

【0018】

起歪体２０は、平板状である。起歪体２０は、第１面２０ａと、第１面２０ａの反対側の面となる第２面２０ｂとを備えている。第１面２０ａと第２面２０ｂとは、例えば、平行である。第１面２０ａと第２面２０ｂとは、例えば、同じ面積である。第１方向Ｐから視て、第１端面１１ａの外縁及び第１面２０ａは、偶数である同じ個数の角を有する。具体的には、起歪体２０は、第１方向Ｐから視て四角形である。つまり、第１面２０ａ及び第２面２０ｂは、第１方向Ｐから視て４個の角を有する。

【0019】

起歪体２０において、第１面２０ａの中心に、第１面２０ａから突起する負荷部２２が設けられてもよい。第１面２０ａを基準とする負荷部２２の突起量は、例えば、０．１ｍｍ程度である。起歪体２０は可撓性を有しており、負荷部２２に負荷が加わると弾性変形する。負荷部２２を除く起歪体２０の厚さｔは一定である。負荷部２２を除く起歪体２０の厚さｔは、例えば、０．０３ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることができる。

【0020】

起歪体２０の材料としては、例えば、金属、セラミック、ガラス等を用いることができる。起歪体２０の材料として用いる金属としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、銅、アルミニウム等が挙げられる。起歪体２０は、例えば、プレス加工法等により形成することができる。

【0021】

起歪体２０の第２面２０ｂの外縁部は、筒状部１１の第１端面１１ａに接合されている。筒状部１１の第１端面１１ａ側は、起歪体２０により塞がれている。起歪体２０の第２面２０ｂと筒状部１１の第１端面１１ａとは、例えば、接着剤により接合することができる。

【0022】

起歪体２０の第１面２０ａ及び第２面２０ｂの外縁は、第１方向Ｐから視て、筒状部１１の第１端面１１ａの外縁と第１端面１１ａの内縁との間に位置する。起歪体２０の第１面２０ａ及び第２面２０ｂの外縁は、第１方向Ｐから視て、筒状部１１の第１端面１１ａの外縁と重なってもよい。なお、外縁とは、対象部材の最も外側の縁を指し、外縁部とは、外縁を含む幅のある領域を指すものとする。

【0023】

ひずみゲージ１００は、起歪体２０の第２面２０ｂに設けられている。起歪体２０は平板状であるため、ひずみゲージ１００を容易に貼り付けることができる。本実施形態では、押圧力センサ１は、起歪体２０の第２面２０ｂに、一対のひずみゲージ１００_１及び１００_２と、他の一対のひずみゲージ１００_３及び１００_４とを有している。

【0024】

一対のひずみゲージ１００_１及び１００_２は、筒状部１１内に露出する第２面２０ｂの外周部において、第２面２０ｂの任意の一つの対角線Ｄ上に、第１方向Ｐから視て第２面２０ｂの中心を挟んで対向するように配置される。ここで、第２面２０ｂの外周部とは、第２面２０ｂの重心を中心とする仮想円Ｃよりも外側の領域を指す。また、第２面２０ｂの内周部とは、仮想円Ｃよりも内側の領域を指す。仮想円Ｃは、対角線Ｄの半分の長さの直径を有する円である。対角線Ｄの長さは、例えば、１３ｍｍ以上１７ｍｍ以下程度である。

【0025】

一対のひずみゲージ１００_１及び１００_２は、後述のように、受感部となる抵抗体１３０を有している。ひずみゲージ１００_１及び１００_２において、各々の受感部の少なくとも一部は対角線Ｄと接することが好ましい。

【0026】

他の一対のひずみゲージ１００_３及び１００_４は、筒状部１１内に露出する第２面２０ｂの、第１方向Ｐから視て、負荷部２２と外周部との間に（すなわち、負荷部２２と仮想円Ｃとの間に）、負荷部２２を挟んで対向するように配置される。言い換えれば、他の一対のひずみゲージ１００_３及び１００_４は、第１方向Ｐから視て、仮想円Ｃよりも内側の領域である第２面２０ｂの内周部において、負荷部２２よりも外側に配置される。

【0027】

他の一対のひずみゲージ１００_３及び１００_４は、例えば、対角線Ｄと直交する仮想線Ｅ上に配置される。本実施形態では、第２面２０ｂは正方形であるから、仮想線Ｅは、対角線Ｄとは異なる他の対角線と一致する。

【0028】

他の一対のひずみゲージ１００_３及び１００_４は、後述のように、受感部となる抵抗体１３０を有している。ひずみゲージ１００_３及び１００_４において、各々の受感部の少なくとも一部は仮想線Ｅと接することが好ましい。

【0029】

発明者らは、直径が１５ｍｍの円形の起歪体と、対角線の長さが１５ｍｍの正方形の起歪体について、それぞれ起歪体と同形状の筒状部の端面に起歪体を接合した状態を想定し、応力分布のシミュレーションを行った。なお、起歪体及び筒状部の形状以外の条件、例えば、起歪体の材料や厚さ等はすべて共通である。

【0030】

その結果、正方形の起歪体の第２面において、対角線上かつ外周部に一対のひずみゲージを貼付した場合、円形の起歪体の同じ位置に一対のひずみゲージを貼付した場合と比べて、応力がより集中して高いひずみを得られることを見出した。そこで、構造解析を行い、両者の感度を比較した。

【0031】

図６は、円形の起歪体と正方形の起歪体との感度を比較した結果を示す図である。正方形の起歪体は、図１～図５に示した起歪体２０と同形状である。円形の起歪体は、対角線Ｄと同じ長さの直径を有し、起歪体２０と同じ厚さであり、起歪体２０と同一材料から形成されたものである。円形の起歪体における４つのひずみゲージの貼付位置は、起歪体２０と同じである。

【0032】

図６に示すように、円形の起歪体の感度を１００％としたときに、正方形の起歪体の感度は１１５％である。すなわち、従来のように円形の起歪体を用いた場合と比べて、正方形の起歪体を用いることにより、１５％の感度の向上が確認できた。

【0033】

図７は、円形の起歪体と正方形の起歪体との面積を比較した結果を示す図である。図７に示すように、円形の起歪体の面積を１００％としたときに、正方形の起歪体の面積は６３．７％である。すなわち、形状を正方形とすることにより、従来のように円形の起歪体を用いた場合と比べて、小面積で高感度の起歪体を実現できる。その結果、小型で高感度の押圧力センサを実現できる。

【0034】

なお、正方形の隣接する角の間にひずみゲージを貼付する場合よりも、図５等のように正方形の角の近傍にひずみゲージを貼付する場合の方が高感度となる。

【0035】

また、起歪体を製造する際には、大判の金属板から多数の起歪体を作製するので、起歪体を小面積とすることにより、起歪体の取り数を向上することができる。その結果、起歪体の生産性を向上し、低コスト化を実現できる。取り数を増やすために、単純に直径の小さな円形の起歪体にするだけでは感度が低下してしまうが、四角形の起歪体とすることで、小型化しつつも十分な感度を得ることができる。

【0036】

押圧力センサ１は、例えば、バイタルセンサとして用いられる。押圧力センサ１がバイタルセンサとして用いられる場合、押圧力センサ１は、例えば、脈圧、血圧、脈拍、酸素レベル等を検出対象とすることができる。押圧力センサ１が脈圧の波である脈波を検出する脈波センサである場合、押圧力センサ１は、負荷部２２が被験者の橈骨動脈に当たるように被験者の腕に固定して使用される。被験者の脈波に応じて負荷部２２に負荷が加わって起歪体２０が弾性変形すると、ひずみゲージ１００の抵抗体の抵抗値が変化する。

【0037】

押圧力センサ１は、起歪体２０の変形に伴なうひずみゲージ１００の抵抗体の抵抗値の変化に基づいて脈波を検出できる。脈波は、例えば、ひずみゲージ１００の電極と接続された測定回路から、周期的な電圧の変化として出力される。起歪体２０の外周部のひずみゲージ１００_１及び１００_２は圧縮応力を受けてひずみ、内周部のひずみゲージ１００_３及び１００_４は引張応力を受けてひずむ。そこで、例えば、４つのひずみゲージが図８に示すようにフルブリッジ接続される４ゲージ法により、大きな出力を得ることができる。

【0038】

図８において、ひずみゲージ１００_１、１００_２、１００_３及び１００_４は、ブリッジ回路の４辺の何れかを構成するように接続されている。ひずみゲージ１００_１とひずみゲージ１００_４の接続部と、ひずみゲージ１００_３とひずみゲージ１００_２の接続部との間には、直流電圧Ｅが供給される。これにより、ブリッジ回路の出力として、ひずみゲージ１００_１とひずみゲージ１００_３の接続部と、ひずみゲージ１００_２とひずみゲージ１００_４の接続部との間から、出力電圧ｅ_０を得ることができる。

【0039】

フルブリッジ接続は、筒状部１１の内側で行ってもよいし、外側で行ってもよい。必要に応じ、筒状部１１の内側にブリッジ接続を行うための配線基板を配置してもよい。

【0040】

［ひずみゲージ１００］
図９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１０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９のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。

【0041】

図９及び図１０を参照すると、ひずみゲージ１００は、基材１１０と、抵抗体１３０と、配線１４０と、電極１５０と、カバー層１６０とを有している。すなわち、ひずみゲージ１００は、検出素子として抵抗体１３０を有している。カバー層１６０は、必要に応じて設けることができる。なお、図９及び図１０では、便宜上、カバー層１６０の外縁のみを破線で示している。まずは、ひずみゲージ１００を構成する各部について詳細に説明する。

【0042】

なお、図９～図１１を用いて行うひずみゲージの説明は、便宜上、ひずみゲージ１００において、基材１１０の抵抗体１３０が設けられている側を「上側」と称し、抵抗体１３０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１００は天地逆の状態で用いることもできる。又、ひずみゲージ１００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１１０の上面１１０ａ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。ひずみゲージ１００は、基材１１０が起歪体２０の第２面２０ｂ側を向くように、起歪体２０の第２面２０ｂに貼り付けられる。

【0043】

基材１１０は、抵抗体１３０等を形成するためのベース層となる部材である。基材１１０は可撓性を有する。基材１１０の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１００の使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、基材１１０の厚さは５μｍ～５００μｍ程度であってよい。なお、起歪体２０の第２面２０ｂ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１１０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１１０の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。

【0044】

基材１１０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。

【0045】

基材１１０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１１０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。

【0046】

基材１１０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１１０の材料としてもよい。又、基材１１０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。金属製の基材１１０を用いる場合、上面１１０ａを被覆するように絶縁膜が設けられる。

【0047】

抵抗体１３０は、基材１１０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１００において、抵抗体１３０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１３０は、基材１１０の上面１１０ａに直接形成されてもよいし、基材１１０の上面１１０ａに他の層を介して形成されてもよい。なお、図９では、便宜上、抵抗体１３０を密度の高い梨地模様で示している。

【0048】

抵抗体１３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図９の例ではＢ－Ｂ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９の例ではＢ－Ｂ線と垂直な方向）となる。

【0049】

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１３０のグリッド幅方向の各々の終端１３０ｅ_１及び１３０ｅ_２を形成する。抵抗体１３０のグリッド幅方向の各々の終端１３０ｅ_１及び１３０ｅ_２は、配線１４０を介して、電極１５０と電気的に接続されている。言い換えれば、配線１４０は、抵抗体１３０のグリッド幅方向の各々の終端１３０ｅ_１及び１３０ｅ_２と各々の電極１５０とを電気的に接続している。

【0050】

抵抗体１３０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１３０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。

【0051】

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。

【0052】

抵抗体１３０の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１００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１３０の厚さは０．０５μｍ～２μｍ程度であってよい。特に、抵抗体１３０の厚さが０．１μｍ以上である場合、抵抗体１３０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１３０の厚さが１μｍ以下である場合、抵抗体１３０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１１０からの反りが、低減される。

【0053】

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１３０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１３０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。

【0054】

例えば、抵抗体１３０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１３０がＣｒ混相膜である場合、抵抗体１３０がα－Ｃｒを主成分とすることで、ひずみゲージ１００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１３０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１３０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。

【0055】

又、抵抗体１３０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１００のゲージ率の低下を抑制することができる。

【0056】

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１３０のセラミックス化を低減し、抵抗体１３０の脆性破壊が起こりにくくすることができる。

【0057】

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。

【0058】

ひずみゲージ１００において、抵抗体１３０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１３０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１３０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。

【0059】

配線１４０は、基材１１０上に設けられている。配線１４０は、抵抗体１３０及び電極１５０と電気的に接続されている。配線１４０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１４０は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図９では、便宜上、配線１４０を抵抗体１３０よりも密度の低い梨地模様で示している。

【0060】

電極１５０は、基材１１０上に設けられている。電極１５０は、配線１４０を介して抵抗体１３０と電気的に接続されている。電極１５０は、平面視において、配線１４０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極１５０は、ひずみにより生じる抵抗体１３０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１５０には、例えば外部接続用のリード線等が接合される。電極１５０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１３０と配線１４０と電極１５０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９では、便宜上、電極１５０を配線１４０と同じ密度の梨地模様で示している。

【0061】

カバー層１６０（保護層）は、必要に応じ、基材１１０の上面１１０ａに、抵抗体１３０及び配線１４０を被覆し電極１５０を露出するように設けられる。カバー層１６０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１６０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層１６０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１６０の厚さは２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。カバー層１６０を設けることで、抵抗体１３０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１６０を設けることで、抵抗体１３０を湿気等から保護することができる。

【0062】

［ひずみゲージ１００の製造方法］
本実施形態に係るひずみゲージ１００では、基材１１０上に、抵抗体１３０と、配線１４０と、電極１５０と、カバー層１６０とが形成される。なお、基材１１０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。

【0063】

以下、ひずみゲージ１００の製造方法について説明する。ひずみゲージ１００を製造するためには、まず、基材１１０を準備し、基材１１０の上面１１０ａ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１３０、配線１４０、及び電極１５０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１３０、配線１４０、及び電極１５０の材料や厚さと同様である。

【0064】

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１１０の上面１１０ａ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９の抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０と同様の平面形状にパターニングする。

【0065】

なお、基材１１０の上面１１０ａ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１１０の上面１１０ａ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１００のゲージ特性を安定化させることができる。

【0066】

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１３０）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１１０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１１０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。

【0067】

基材１１０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。

【0068】

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１００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１００において、ゲージ特性が向上する。

【0069】

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。

【0070】

図１１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１１は、抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０の下地層として機能層１２０を設けた場合のひずみゲージ１００の断面形状を示している。

【0071】

機能層１２０の平面形状は、例えば抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０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１２０と抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０との平面形状は略同一でなくてもよい。例えば、機能層１２０が絶縁材料から形成される場合には、機能層１２０を抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０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１２０は例えば抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０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１２０は、基材１１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。

【0072】

抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０を形成した後、必要に応じ、基材１１０の上面１１０ａにカバー層１６０を形成する。カバー層１６０は抵抗体１３０及び配線１４０を被覆するが、電極１５０はカバー層１６０から露出していてよい。例えば、基材１１０の上面１１０ａに、抵抗体１３０及び配線１４０を被覆し電極１５０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１６０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１００が完成する。

【0073】

〈第１実施形態の変形例〉
第１実施形態の変形例では、起歪体の第２面の内周部に配置するひずみゲージの位置や起歪体の形状が第１実施形態とは異なる押圧力センサの例を示す。なお、第１実施形態の変形例では、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。

【0074】

図１２は、第１実施形態の変形例１に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。図１３は、第１実施形態の変形例２に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【0075】

図１２及び図１３では、起歪体２０の内周部に配置されるひずみゲージ１００_３及び１００_４の位置が、図５とは異なる。図１２では、対角線Ｄに対して約４５度傾斜して、ひずみゲージ１００_３及び１００_４が配置されている。図１３では、対角線Ｄ上に、ひずみゲージ１００_１及び１００_２に加えて、ひずみゲージ１００_３及び１００_４が配置されている。

【0076】

このように、ひずみゲージ１００_３及び１００_４は、起歪体２０の内周部の任意の位置に配置することができる。図１２及び図１３のいずれの場合も、起歪体２０は四角形であり、第２面２０ｂにおいて、対角線Ｄ上かつ外周部に一対のひずみゲージを貼付している。そのため、円形の起歪体の同じ位置に一対のひずみゲージを貼付した場合と比べて、応力がより集中して高いひずみを得られる。その結果、従来のように円形の起歪体の場合と比べて、小面積で高感度の起歪体を実現できる。そして、小型で高感度の押圧力センサを実現できる。もちろん、ひずみゲージ１００_３及び１００_４は、起歪体２０の内周部であれば、図１２及び図１３と異なる位置に配置してもよい。

【0077】

なお、起歪体にひずみゲージを貼付すると、貼付したひずみゲージの厚さにより、起歪体の剛性が上昇し、起歪体が変形しにくくなる。例えば、図１３のように１つの対角線上に４つのひずみゲージを配置すると、起歪体の剛性の上昇の程度が大きくなり、感度が減少しやすい。したがって、感度の低下を抑制する観点から、ひずみゲージ１００_３及び１００_４は図１３の配置よりも図１２の配置が好ましく、４つのひずみゲージが最も分散して配置される図５が最も好ましい。

【0078】

図１４は、第１実施形態の変形例３に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。図１４に示すように、ひずみゲージ１００_３及び１００_４は配置しなくてもよい。この場合は、ひずみゲージ１００_１及び１００_２を用いた２ゲージ法により、押圧力の検出が可能となる。ただし、４ゲージ法を用いる場合よりは出力が減少する。

【0079】

図１５は、第１実施形態の変形例４に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。図１６は、第１実施形態の変形例５に係る押圧力センサの起歪体及びひずみゲージを例示する底面図である。

【0080】

図１５及び図１６では、起歪体の形状が図５とは異なる。図１５では、起歪体２０は、第１方向Ｐから視て正六角形である、そして、正六角形の起歪体２０の第２面２０ｂにおいて、図５と同様の位置に４つのひずみゲージが貼付されている。図１６では、起歪体２０は、第１方向Ｐから視て正八角形である、そして、正八角形の起歪体２０の第２面２０ｂにおいて、図５と同様の位置に４つのひずみゲージが貼付されている。

【0081】

このように、起歪体２０は、四角形以外の偶数角形であってもよい。図１５及び図１６のいずれの場合も、起歪体２０は、第１方向Ｐから視て、端面の外縁が起歪体２０と同じ個数の角を有する筒状部に接合して使用される。図１５及び図１６のいずれの場合も、起歪体２０の第２面２０ｂにおいて、対角線Ｄ上かつ外周部に一対のひずみゲージを貼付している。そのため、円形の起歪体の同じ位置に一対のひずみゲージを貼付した場合と比べて、応力がより集中して高いひずみを得られる。その結果、四角形以外の偶数角形の場合も、従来のように円形の起歪体の場合と比べて、小面積で高感度の起歪体を実現できる。そして、小型で高感度の押圧力センサを実現できる。

【0082】

図１５及び図１６のいずれの場合も、他の一対のひずみゲージ１００_３及び１００_４は、対角線Ｄと直交する仮想線Ｅ上に配置されることが好ましい。これにより、前述のとおり、ひずみゲージの貼付に伴なう起歪体の剛性の上昇を抑えて、感度の低下を抑制することができる。図１６の場合は、仮想線Ｅは、対角線Ｄとは異なる他の対角線と一致する。

【0083】

なお、偶数角形の起歪体において、角の個数が多くなるほど円形に近くなる。そのため、角の個数が少ないほど、小面積化及び高感度化に寄与することができる。すなわち、小面積化及び高感度化の観点から、起歪体は、八角形より六角形が好ましく、四角形が最も好適な形状である。

【0084】

また、起歪体の形状である偶数角形は、正偶数角形には限らない。例えば、長方形の起歪体の場合も、従来のように円形の起歪体の場合と比べて、小面積で高感度の起歪体を実現できる。その結果、小型で高感度の押圧力センサを実現できる。

【0085】

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】

【0086】

１ 押圧力センサ、１０ 筐体、１１ 筒状部、１１ａ 第１端面、１１ｂ 第２端面、１２ 裏蓋、２０ 起歪体、２０ａ 第１面、２０ｂ 第２面、２２ 負荷部、１００，１００_１，１００_２，１００_３，１００_４ ひずみゲージ、１１０ 基材、１１０ａ 上面、１３０ 抵抗体、１４０ 配線、１５０ 電極、１６０ カバー層、１３０ｅ_１、１３０ｅ_２ 終端

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】