特開 2024-21996 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】P2024021996

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】ひずみゲージ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20240208BHJP

【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 2022125250

(22)【出願日】2022-08-05

(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】戸田 慎也

(72)【発明者】

【氏名】浅川 寿昭

(72)【発明者】

【氏名】北村 厚

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 真一

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA25

2F063EC03

2F063EC05

(57)【要約】

【課題】従来よりもゲージ率が高く、かつ横感度比の低いひずみゲージを提供する。
【解決手段】本ひずみゲージは、基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体は、Ｃｒを主成分とする材料から形成され、横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、前記抵抗体の線幅Ｗと膜厚Ｔとが次の式（１）を満たす関係とされている。ｗ≦０．０１７７ｔ^２＋０．１５２１ｔ＋２．９５４１・・・（１）、ただし、式（１）において、ｗ＝ｌｏｇＷ、ｔ＝ｌｏｇＴである。
【選択図】図９

【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、を有し、
前記抵抗体は、Ｃｒを主成分とする材料から形成され、
横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、前記抵抗体の線幅Ｗと膜厚Ｔとが下記の式（１）を満たす関係とされている、ひずみゲージ。
ｗ≦０．０１７７ｔ^２＋０．１５２１ｔ＋２．９５４１・・・（１）
ただし、式（１）において、ｗ＝ｌｏｇＷ、ｔ＝ｌｏｇＴである。

【請求項2】

横感度比が７０％以下、ゲージ率が５以上、かつひずみ限界が６０００×１０^－６以上となるように、前記抵抗体の膜厚Ｔが８００ｎｍ以下とされている、請求項１に記載のひずみゲージ。

【請求項3】

前記抵抗体の膜厚Ｔが２００ｎｍ以下とされている、請求項２に記載のひずみゲージ。

【請求項4】

前記ひずみ限界は前記抵抗体の膜厚Ｔと負の相関を有し前記抵抗体の膜厚Ｔが厚いほど低くなる、請求項２又は３に記載のひずみゲージ。

【請求項5】

前記ゲージ率は前記抵抗体の線幅Ｗに依存せず、かつ前記横感度比は前記抵抗体の線幅Ｗの対数と正の相関を有し前記抵抗体の線幅Ｗが狭いほど低くなる、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】

前記ゲージ率は前記抵抗体の膜厚Ｔに依存せず、かつ前記横感度比は前記抵抗体の膜厚Ｔと負の相関を有し前記抵抗体の膜厚Ｔが厚いほど低くなる、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】

前記抵抗体の線幅Ｗが４０μｍ以下とされている、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。ひずみゲージのゲージ率は通常２程度であるが、Ｃｒを主成分とする抵抗体を備えたひずみゲージではゲージ率が１０程度になるものもある（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、Ｃｒを主成分とする抵抗体を備えたひずみゲージでは、主軸方向の感度である縦感度が大きいだけでなく、主軸方向と垂直方向の感度である横感度が縦感度と同程度に大きいことが知られており、この性質は抵抗体の形状には依存しないとされている（非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６０８４３９３号

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】ひずみセンサ用Ｃｒ－Ｎ薄膜におけるゲージ率の等方性、電気学会2013年度全国大会講演論文集3（2013）：240-241

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、ひずみゲージでひずみを検出する際には、ゲージ率が大きいことが好ましいが、縦感度に対する横感度の比率である横感度比が大きいと検出誤差を生じる。そのため、従来のゲージ率（２程度）よりもゲージ率が高く、かつ横感度比の低いひずみゲージが求められている。

【0007】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、従来よりもゲージ率が高く、かつ横感度比の低いひずみゲージの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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、を有し、前記抵抗体は、Ｃｒを主成分とする材料から形成され、横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、前記抵抗体の線幅Ｗと膜厚Ｔとが次の式（１）を満たす関係とされている。ｗ≦０．０１７７ｔ^２＋０．１５２１ｔ＋２．９５４１・・・（１）、ただし、式（１）において、ｗ＝ｌｏｇＷ、ｔ＝ｌｏｇＴである。

【発明の効果】

【0009】

開示の技術によれば、従来よりもゲージ率が高く、かつ横感度比の低いひずみゲージを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【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】横感度比について説明する図である。

【図5】実施例１の検討結果を示す図（その１）である。

【図6】実施例１の検討結果を示す図（その２）である。

【図7】実施例１の検討結果を示す図（その３）である。

【図8】実施例１の検討結果を示す図（その４）である。

【図9】実施例１の検討結果を示す図（その５）である。

【図10】実施例２の検討結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

〈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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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）、ステンレス鋼、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の上面及び下面を被覆するように絶縁膜が設けられる。

【0019】

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、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。

【0020】

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、長手方向を同一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のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２を形成する。抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端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。

【0022】

ひずみゲージ１において、ゲージ率は５以上であることが好ましい。ひずみゲージ１のゲージ率は、抵抗体３０の線幅Ｗに依存しない。ここで、ゲージ率が抵抗体３０の線幅Ｗに依存しないとは、抵抗体３０の線幅Ｗが０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲におけるゲージ率の最大値と最小値との差が２以下である場合を指す。また、ひずみゲージ１の横感度比は抵抗体３０の線幅Ｗの対数と正の相関を有し、抵抗体の線幅Ｗが狭いほど低くなる。

【0023】

また、ひずみゲージ１のゲージ率は、抵抗体３０の膜厚Ｔに依存しない。ここで、ゲージ率が抵抗体３０の膜厚Ｔに依存しないとは、抵抗体３０の膜厚Ｔが３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲におけるゲージ率の最大値と最小値との差が２以下である場合を指す。また、ひずみゲージ１の横感度比は、抵抗体３０の膜厚Ｔと負の相関を有し、抵抗体３０の膜厚Ｔが厚いほど低くなる。

【0024】

また、ひずみゲージ１の横感度比は、抵抗体３０の線幅Ｗと膜厚Ｔの両方の影響を受けて値が変化する。なお、横感度比の定義や、抵抗体３０の線幅Ｗ及び膜厚Ｔと、ゲージ率及び横感度比との関係については、別途詳述する。

【0025】

また、ひずみ限界は抵抗体３０の膜厚Ｔと負の相関を有し、抵抗体３０の膜厚Ｔが厚いほど低くなる。ここで、ひずみ限界とは、ひずみゲージにひずみを与えたときに、クラック又は断線が生じ始める機械的ひずみの値である。なお、抵抗体３０の膜厚Ｔとひずみ限界との関係については、別途詳述する。

【0026】

抵抗体３０は、例えば、Ｃｒ（クロム）を主成分とする材料から形成することができる。ここで、「主成分」とは、抵抗体３０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。Ｃｒを主成分とする材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。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。

【0027】

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。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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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変化量が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以上の出力変化量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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

［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。

【0036】

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。

【0037】

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。金属層Ａの成膜時に、金属層Ａの膜厚を所望の値に調整することができる。

【0038】

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。フォトリソグラフィ法によるパターニングの際に、抵抗体３０の線幅を所望の値に調整することができる。抵抗体３０は、並置された複数の細長状部と、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折り返し部とを含む構成となる。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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）である。図３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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

［横感度比の低減］
まず、横感度比について説明する。図４は、横感度比について説明する図である。図４において、軸Ｍは、ひずみを測定したい方向を示している。図４では、グリッド方向が軸Ｍ方向を向くひずみゲージ１Ａ、及びグリッド方向が軸Ｍと垂直な方向を向くひずみゲージ１Ｂが起歪体１００に貼り付けられている。なお、図４におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、互いに直交する軸を示している。軸Ｍはｙ軸と平行であり、軸Ｍと垂直な方向はｘ軸と平行である。

【0048】

図４において、軸Ｍの方向に引張ひずみが生じたとき、ひずみゲージ１Ａの抵抗体は軸Ｍの方向において伸び、ひずみゲージ１Ｂの抵抗体は軸Ｍと垂直な方向においてポアソン比により縮む。図４の矢印Ｎは、ポアソン比による収縮方向を示している。

【0049】

ここで、軸Ｍの方向に発生したひずみに対する感度を縦感度Ｆ_ａ、軸Ｍと垂直な方向に発生したひずみに対する感度を横感度Ｆ_ｔとすると、式（１）及び式（２）が成り立つ。また、横感度Ｆ_ｔと縦感度Ｆ_ａの比で定義される横感度比Ｋは、式（３）で示される。

【0050】

なお、式（１）及び（２）において、ε_ｙは軸Ｍの方向に発生したひずみであり、ε_ｘは軸Ｍと垂直な方向に発生したひずみである。また、Ｒ_Ａは、ひずみが発生していない場合のひずみゲージ１Ａの抵抗体の抵抗値である。また、Ｒ_Ｂは、ひずみが発生していない場合のひずみゲージ１Ｂの抵抗体の抵抗値である。また、ΔＲ_Ａは、ひずみε_ｘ及びε_ｙが発生した場合に、ひずみゲージ１Ａの抵抗体に生じる抵抗値変化である。また、ΔＲ_Ｂは、ひずみε_ｘ及びε_ｙが発生した場合に、ひずみゲージ１Ｂの抵抗体に生じる抵抗値変化である。

【0051】

【数1】

【0052】

【数2】

【0053】

【数3】

一般に市販されているひずみゲージでブリッジ回路を形成した場合、出力変化量は０．１０ｍＶ／Ｖ程度である。市販されているひずみゲージと同等以上の出力変化量を可能にするためには、横感度比が７０％以下、かつゲージ率５以上であればよい。

【0054】

横感度比は、５０％以下であることがより好ましく、４０％以下であることがさらに好ましく、３０％以下であることが特に好ましい。また、ゲージ率は、８以上であることがより好ましく、１１以上であることがより好ましく、１４以上であることが特に好ましい。横感度比が小さく、かつゲージ率が大きくなるほど、ひずみゲージでブリッジ回路を形成した場合の出力変化量を大きくすることができる。

【0055】

以下、実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例には何ら限定されない。

【0056】

［実施例１］
（抵抗体の線幅と横感度比及びゲージ率との関係）
発明者らは、ひずみゲージのサンプルを作製し、抵抗体の線幅と横感度比及びゲージ率との関係について調べた。

【0057】

まず、厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる基材１０の上面１０ａに、コンベンショナルスパッタ法により機能層２０として膜厚が３ｎｍのＴｉを真空成膜した。続いて、機能層２０の上面全体にマグネトロンスパッタ法により抵抗体３０、配線４０、及び電極５０として膜厚が２００ｎｍのＣｒ混相膜を成膜した。その後、機能層２０、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０をフォトリソグラフィによって図１のようにパターニングし、ひずみゲージのサンプルを作製した。このサンプルでは、抵抗体３０の線幅Ｗが５００μｍになるようにパターニングした。

【0058】

次に、同様の方法で、抵抗体３０の線幅Ｗが、それぞれ２００μｍ、１００μｍ、５０μｍ、４０μｍ、２０μｍ、１０μｍ、５μｍとなるようにパターニングしたひずみゲージのサンプルを作製した。そして、２０℃の環境において、ひずみゲージの各サンプルの横感度比及びゲージ率を測定し、図５にまとめた。

【0059】

図５に示すように、作製したサンプルのゲージ率は、抵抗体３０の線幅Ｗには依存しない。図５では、抵抗体３０の線幅Ｗが変わったときのゲージ率の最大値と最小値との差は１．５程度である。これに対して、横感度比は、抵抗体３０の線幅Ｗの対数と正の相関を有し抵抗体３０の線幅が狭いほど低くなる。また図６に、同様の方法でゲージ率が約９であるサンプルを作製した場合における、抵抗体の線幅と横感度比及びゲージ率との関係を示す。この場合も、ゲージ率が抵抗体３０の線幅Ｗには依存しないのに対して、横感度比は、抵抗体３０の線幅Ｗの対数と正の相関を有し抵抗体３０の線幅が狭いほど低くなっている。なお図示等を省略するが、ゲージ率５以上の他のサンプルにおいても、同様の特性を呈する。

【0060】

これらの結果から、Ｃｒを主成分とする材料から抵抗体３０を形成し、かつ抵抗体３０の線幅Ｗを細くすることにより、高いゲージ率を保ったまま横感度比を小さくできることがわかった。つまり、Ｃｒを主成分とする材料から抵抗体３０を形成し、かつ抵抗体の線幅Ｗを制御することで、従来よりもゲージ率が高く、かつ横感度比の低いひずみゲージを実現できることが分かった。このように、高いゲージ率を保ったまま横感度比を小さくすることにより、ひずみ検出の精度向上を図ることができる。

【0061】

図７は、抵抗体の線幅と横感度比とひずみゲージの出力変化量との関係を示す図である。図７は、ゲージ率が５のひずみゲージと、ゲージ率が１５のひずみゲージについて、線幅と横感度比とひずみゲージの出力変化量との関係を発明者らが実験により求めたものである。また、図７には、比較例として、市販されているゲージ率が２のひずみゲージの出力変化量も示している。なお、図７に示す出力変化量は、ひずみゲージでブリッジ回路を形成した場合の出力変化量である。

【0062】

図７に示すように、ゲージ率が５で横感度比が７０％以上であれば、市販されているひずみゲージと同等以上の出力変化量を得られることがわかる。抵抗体３０の線幅Ｗを７０μｍ以下とすることにより、横感度比を７０％以下とすることができるため、横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、抵抗体３０の線幅を７０μｍ以下することで、市販されているひずみゲージと同等以上の出力変化量のひずみゲージを実現できる。例えば、横感度比が７０％かつゲージ率が１５となるように、抵抗体３０の線幅を７０μｍすることで、市販されているひずみゲージの３倍程度の出力変化量のひずみゲージを実現できる。

【0063】

また、前述のように、横感度比は、５０％以下であることがより好ましく、４０％以下であることがさらに好ましく、３０％以下であることが特に好ましい。図５より、抵抗体３０の線幅Ｗを２０μｍ以下とすることにより、横感度比を５０％以下とすることができる。また、図５より、抵抗体３０の線幅Ｗを１０μｍ以下とすることにより、横感度比を４０％以下とすることができる。また、図５より、抵抗体３０の線幅Ｗを５μｍ以下とすることにより、横感度比を３０％以下とすることができる。

【0064】

また、市販されているひずみゲージと同等以上の出力変化量を得るためには、ゲージ率は５以上であればよいが、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用いた各サンプルのゲージ率は１４以上であり、十分大きな値が得られている。なお、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用いた場合でも、抵抗体３０におけるα－Ｃｒの含有量を変えることにより、ゲージ率を５以上の様々な値に調整することができる。また、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用い、α－Ｃｒの結晶性を上げることでゲージ率は５以上１０以下程度となる。

【0065】

このように、Ｃｒを主成分とする材料から抵抗体３０を形成し、ゲージ率が５以上であって抵抗体３０の線幅に依存せず、かつ横感度比が抵抗体３０の線幅の対数と正の相関を有し抵抗体３０の線幅が狭いほど低くなるひずみゲージを実現できる。このような特性は、少なくとも抵抗体３０の線幅が０．１μｍ以上７０μｍの範囲内において実現できればよい。

【0066】

（抵抗体の膜厚と横感度比及びゲージ率との関係）
次に、発明者らは、ひずみゲージのサンプルを作製し、抵抗体の膜厚と横感度比及びゲージ率との関係について調べた。

【0067】

まず、厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる基材１０の上面１０ａに、コンベンショナルスパッタ法により機能層２０として膜厚が３ｎｍのＴｉを真空成膜した。続いて、機能層２０の上面全体にマグネトロンスパッタ法により抵抗体３０、配線４０、及び電極５０として膜厚が８００ｎｍのＣｒ混相膜を成膜した。その後、機能層２０、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０をフォトリソグラフィによって図１のようにパターニングし、ひずみゲージのサンプルを作製した。なお、抵抗体３０の線幅Ｗは、５０μｍになるようにパターニングした。

【0068】

次に、同様の方法で、抵抗体３０の膜厚Ｔが、それぞれ５００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、３０ｎｍとなるように成膜したひずみゲージのサンプルを作製した。そして、２０℃の環境において、ひずみゲージの各サンプルの横感度比及びゲージ率を測定し、図８にまとめた。

【0069】

図８に示すように、作製したサンプルのゲージ率は、抵抗体３０の膜厚Ｔには依存しない。図８では、抵抗体３０の膜厚Ｔが変わったときのゲージ率の最大値と最小値との差は１．５程度である。これに対して、横感度比は、抵抗体３０の膜厚Ｔと負の相関を有し、抵抗体３０の膜厚Ｔが厚くなるにつれて、横感度比の値が低くなる傾向が認められる。

【0070】

なお、図８では、ゲージ率が１５程度であるが、５以上の様々なゲージ率のサンプルにおいても、図示等は省略するが、図８と同様の特性を呈することが確認されている。

【0071】

これらの結果から、Ｃｒを主成分とする材料から抵抗体３０を形成し、かつ抵抗体３０の膜厚Ｔを厚くすることにより、高いゲージ率を保ったまま横感度比を小さくできることがわかった。つまり、Ｃｒを主成分とする材料から抵抗体３０を形成し、かつ抵抗体の膜厚Ｔを制御することで、従来よりもゲージ率が高く、かつ横感度比の低いひずみゲージを実現できることがわかった。このように、高いゲージ率を保ったまま横感度比を小さくすることにより、ひずみ検出の精度向上を図ることができる。

【0072】

前述のように、横感度比が７０％以下であれば市販されているひずみゲージと同等以上の出力変化量を得られるが、図８より、抵抗体３０の膜厚Ｔを２００ｎｍ以上とすることにより、横感度比を７０％以下とすることができる。つまり、横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、抵抗体３０の膜厚が２００ｎｍ以上とされているひずみゲージを実現できる。

【0073】

また、市販されているひずみゲージと同等以上の出力変化量を得るためには、ゲージ率は５以上であればよいが、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用いた各サンプルのゲージ率は１４以上であり、十分大きな値が得られている。なお、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用いた場合でも、抵抗体３０におけるα－Ｃｒの含有量を変えることにより、ゲージ率を５以上の様々な値に調整することができる。また、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用い、α－Ｃｒの結晶性を上げることでゲージ率は５以上１０以下程度となる。

【0074】

このように、Ｃｒを主成分とする材料から抵抗体３０を形成し、ゲージ率が５以上であって抵抗体３０の膜厚に依存せず、かつ横感度比が抵抗体３０の膜厚と負の相関を有し抵抗体３０の膜厚が厚いほど低くなるひずみゲージを実現できる。

【0075】

（抵抗体の線幅及び膜厚と、横感度比及びゲージ率との関係）
発明者らの更なる検討の結果、ひずみゲージ１の横感度比は、抵抗体３０の線幅Ｗと膜厚Ｔの両方の影響を受けて値が変化するとの知見を得た。

【0076】

すなわち、上記の実験では、抵抗体３０の膜厚Ｔが２００ｎｍの場合に、横感度比を７０％以下にするためには、抵抗体３０の線幅Ｗを７０μｍ以下とすればよいことを示した。また、上記の実験ではば、抵抗体３０線幅Ｗが５０μｍの場合に、横感度比を７０％以下にするためには、抵抗体３０の膜厚Ｔを２００ｎｍ以上とすればよいことを示した。

【0077】

しかし、ひずみゲージ１の横感度比は、抵抗体３０の線幅Ｗと膜厚Ｔの両方の影響を受けて値が変化するため、上記の実験で得られた線幅Ｗや膜厚Ｔよりも広い範囲で横感度比を７０％以下にすることが可能である。すなわち、抵抗体３０の線幅Ｗが７０μｍより太くても、膜厚Ｔを適切な値に調整することで、横感度比を７０％以下にすることができる。同様に、抵抗体３０の膜厚Ｔが２００ｎｍより薄くても、線幅Ｗを適切な値に調整することで、横感度比を７０％以下にすることができる。

【0078】

図９は、線幅と膜厚に対する横感度比を示す等高図であり、発明者らの行った実験結果をまとめたものである。図９において、高密度のドットパターンで示す第１領域では、０％≦横感度比≦７０％である。また、低密度のドットパターンで示す第２領域では、７０％<横感度比≦１００％である。

【0079】

第１領域と第２領域と境界線は、ｗ＝０．０１７７ｔ^２＋０．１５２１ｔ＋２．９５４１で近似できる。ここで、抵抗体の線幅をＷ、膜厚をＴとしたときに、ｗ＝ｌｏｇＷ、ｔ＝ｌｏｇＴである。すなわち、ｗ＝ｌｏｇＷとｔ＝ｌｏｇＴが、ｗ≦０．０１７７ｔ^２＋０．１５２１ｔ＋２．９５４１・・・（１）を満たすことにより、横感度比を７０％以下とすることができる。言い換えれば、横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、抵抗体３０の線幅Ｗと膜厚Ｔとが上記の式（１）を満たす関係とされているひずみゲージを実現できる。

【0080】

また、図９からわかるように、抵抗体３０の線幅Ｗを４０μｍ以下とすることで、ほぼ膜厚Ｔに依存せずに、横感度比を７０％以下にすることができる。

【0081】

なお、実施例１では基材１０にポリイミド樹脂を用いたが、図５～図９に示す特性は基材１０の材料には依存しない。例えば、基材１０に樹脂以外の材料を用いた場合も図５～図９と同様の特性を得ることができる。

【0082】

また、Ｃｒ混相膜に代えて、他の材料を用いても、５以上のゲージ率を得ることができる。５以上のゲージ率が得られる材料としては、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはこれらを含む材料が挙げられる。具体的には、Ｃｒ－Ｎ、Ｇｅ、Ｇｅ－Ｉｎ、Ｇｅ－Ｇａ、Ｇｅ－Ｐ、Ｐｔ、Ｐｔ－Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃ、Ｓｉ、Ｔｉ－Ｃ－Ｏ等である。また、これらの材料を用いた抵抗体３０の線幅Ｗ及び／又は膜厚Ｔを調整することにより、所望の横感度比を得ることができる。

【0083】

つまり、これらの材料を用いても、横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、抵抗体３０の線幅Ｗと膜厚Ｔとが上記の式（１）を満たす関係とされているひずみゲージを実現できる。また、ゲージ率が５以上であって抵抗体３０の線幅に依存せず、かつ横感度比が抵抗体３０の線幅の対数と正の相関を有し抵抗体３０の線幅が狭いほど低くなるひずみゲージを実現できる。あるいは、これらの材料から抵抗体３０を形成し、ゲージ率が５以上であって抵抗体３０の膜厚に依存せず、かつ横感度比が抵抗体３０の膜厚と負の相関を有し抵抗体３０の膜厚が厚いほど低くなるひずみゲージを実現できる。

【0084】

［実施例２］
発明者らは、実施例１の『抵抗体の膜厚と横感度比及びゲージ率との関係』で使用したものと同一仕様のひずみゲージのサンプルを膜厚ごとに複数個ずつ作製し、抵抗体の膜厚とひずみ限界との関係について調べた。ただし、抵抗体の膜厚の種類は、１１００ｎｍ、８００ｎｍ、５００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍ、３０ｎｍとした。なお、抵抗体の線幅は、５０μｍで一定としたが、ひずみ限界は抵抗体の線幅には、ほぼ依存しない。

【0085】

図１０は、実施例２の検討結果を示す図であり、複数個のひずみゲージのサンプルにおけるひずみ限界の膜厚ごとの最小値をプロットしたものである。図１０に示すように、ひずみ限界は抵抗体３０の膜厚Ｔと負の相関を有し、抵抗体３０の膜厚Ｔが厚くなるにつれて、ひずみ限界の値が低くなる傾向が認められる。特に、抵抗体３０の膜厚Ｔが３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲では、ひずみ限界値は大きく減少している。これに対し、抵抗体３０の膜厚Ｔが２００ｎｍを超えると、ひずみ限界値は緩やかに減少していく。

【0086】

ひずみゲージ１を実際に使用するにあたっては、６０００×１０^－６程度のひずみ限界が要求される場合がある。そのため、図１０の結果から、抵抗体３０の膜厚Ｔは、ひずみ限界が６０００×１０^－６以上となる、８００ｎｍ以下が好ましいといえる。

【0087】

ひずみゲージ１は起歪体へ貼り付けられ、起歪体の動きに追従し伸び縮みすることで、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、伸び縮みの過程でひずみゲージ１自身が破損（断線等）してはならず、より高いひずみ限界が求められる。ひずみゲージ１において、抵抗体３０の膜厚Ｔを８００ｎｍ以下とすることで、ひずみ限界の向上を実現可能となる。

【0088】

また、図１０より、ひずみ限界の観点からは、膜厚Ｔを６００ｎｍ以下とすることがより好ましく、４００ｎｍ以下とすることがさらに好ましく、２００ｎｍ以下とすることが特に好ましい。図１０からわかるように膜厚Ｔを２００ｎｍ以下とすることで、ひずみ限界を大幅に向上することができ、膜厚Ｔを１００ｎｍ以下とすることで、ひずみ限界をさらに向上することができる。また、図９より、膜厚Ｔが１００ｎｍや２００ｎｍであっても、線幅Ｗを調整することで、横感度比を７０％以下にすることができることがわかる。例えば、抵抗体３０の線幅Ｗを４０μｍ以下とし、かつ膜厚Ｔを２００ｎｍ以下とすることで、横感度比を７０％以下にすることができ、かつひずみ限界を大幅に向上することができる。

【0089】

なお、実施例２では基材１０にポリイミド樹脂を用いたが、図１０に示す特性は基材１０の材料には依存しない。例えば、基材１０に樹脂以外の材料を用いた場合も図１０と同様の特性を得ることができる。

【0090】

また、Ｃｒ混相膜に代えて、他の材料を用いても、図１０と同様の特性を得ることができる。他の材料としては、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはこれらを含む材料が挙げられる。具体的には、Ｃｒ－Ｎ、Ｇｅ、Ｇｅ－Ｉｎ、Ｇｅ－Ｇａ、Ｇｅ－Ｐ、Ｐｔ、Ｐｔ－Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃ、Ｓｉ、Ｔｉ－Ｃ－Ｏ等である。

【0091】

［抵抗体３０の膜厚Ｔの好適な範囲］
実施例２の結果から、ひずみ限界に着目すると、ひずみ限界が６０００×１０^－６以上となるように、抵抗体３０の膜厚Ｔが８００ｎｍ以下とされていることが好ましい。よって、実施例１の結果に実施例２の結果を加味すると、膜厚Ｔが８００ｎｍ以下となる範囲で、横感度比が７０％以下かつゲージ率が５以上となるように、抵抗体３０の線幅Ｗと膜厚Ｔとが上記の式（１）を満たすことが好ましいといえる。

【0092】

これにより、横感度比が７０％以下、ゲージ率が５以上、かつひずみ限界が６０００×１０^－６以上となるように、抵抗体３０の線幅Ｗ及び膜厚Ｔが調整されたひずみゲージを実現できる。そして、このひずみゲージにより、ひずみ検出の精度向上を図ることができるとともに、より大きなひずみ量を検出することができる。

【0093】

なお、要求仕様によっては、ひずみ限界が６０００×１０^－６未満であってもよい場合があるため、抵抗体３０の膜厚Ｔを８００ｎｍ以下とすることは必須ではない。

【0094】

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】

【0095】

１，１Ａ，１Ｂ 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、４０ 配線、５０ 電極、６０ カバー層、１００ 起歪体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】