(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-14
(45)【発行日】2023-09-25
(54)【発明の名称】ひずみゲージ
(51)【国際特許分類】
G01B 7/16 20060101AFI20230915BHJP
【FI】
G01B7/16 R
(21)【出願番号】P 2021182373
(22)【出願日】2021-11-09
(62)【分割の表示】P 2017201065の分割
【原出願日】2017-10-17
【審査請求日】2021-12-07
【前置審査】
(73)【特許権者】
【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
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【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】美齊津 英司
【審査官】山▲崎▼ 和子
(56)【参考文献】
【文献】特開昭57-196124(JP,A)
【文献】特開平06-300649(JP,A)
【文献】特開昭53-44052(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01B 7/00-7/34
G01L 1/00-1/26
5/00-5/28
7/00-23/32
25/00
27/00-27/02
(57)【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、クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、
前記抵抗体には、
互いに独立した複数の貫通孔が配列され、前記貫通孔は前記基材を貫通せず、
すべての前記貫通孔は同一面積であるひずみゲージ。
【請求項2】
起歪体に貼り付けて使用される請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項3】
前記抵抗体の抵抗値が上昇するように、前記抵抗体に複数の前記貫通孔を配列している請求項1又は2に記載のひずみゲージ。
【請求項4】
前記貫通孔の平面形状は正方形又は長方形である請求項1乃至3の何れか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項5】
前記抵抗体は、アルファクロムを主成分とする請求項1乃至4の何れか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項6】
前記抵抗体は、アルファクロムを80重量%以上含む請求項5に記載のひずみゲージ。
【請求項7】
前記抵抗体は、窒化クロムを含む請求項5又は6に記載のひずみゲージ。
【請求項8】
前記基材の一方の面に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層を有し、
前記抵抗体は、前記機能層の一方の面に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】
前記機能層は、前記抵抗体の結晶成長を促進する機能を有する請求項8に記載のひずみゲージ。
【請求項10】
前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層を有する請求項1乃至9の何れか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項11】
可撓性を有する基材と、
前記基材上に、クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、
前記抵抗体には、
互いに独りした複数の貫通孔が配列され、
すべての前記貫通孔は同一面積であり、
前記貫通孔の平面形状は正方形又は長方形であるひずみゲージ。
【請求項12】
起歪体に貼り付けて使用される請求項11に記載のひずみゲージ。
【請求項13】
前記抵抗体の抵抗値が上昇するように、前記抵抗体に複数の前記貫通孔を配列している請求項11又は12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】
測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみ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、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体の材料としては、例えば、Cr(クロム)やNi(ニッケル)を含む材料が用いられている。又、抵抗体は、例えば、絶縁樹脂からなる基材上に形成されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、ひずみゲージにおいて、抵抗体の抵抗値が高いほど出力が大きくなり、分解能が高くなり、消費電力が小さくなる。そのため、抵抗体の抵抗値が大きいひずみゲージが求められている。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージにおいて、抵抗体の抵抗値を増加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、クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体には、互いに独立した複数の貫通孔が配列され、前記貫通孔は前記基材を貫通せず、すべての前記貫通孔は同一面積である。
【発明の効果】
【0007】
開示の技術によれば、ひずみゲージにおいて、抵抗体の材料やパターン設計を変更することなく抵抗値を増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】第1の実施の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の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図である。
【
図3】抵抗体に貫通孔を配列した例を示す図である。
【
図4】第1の実施の形態の変形例1に係るひずみゲージを例示する平面図である。
【
図5】第1の実施の形態の変形例1に係るひずみゲージを例示する断面図である。
【
図6】抵抗値調整領域に貫通孔を設けた例を示す図である。
【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の実施の形態〉
図1は、第1の実施の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の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、
図1のA-A線に沿う断面を示している。
図1及び
図2を参照するに、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30と、端子部41とを有している。
【0011】
なお、本実施の形態では、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又は一方の側、抵抗体30が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体30が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体30が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、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することができる。又、平面視とは対象物を基材10の上面10a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の上面10aの法線方向から視た形状を指すものとする。
【0012】
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り、可撓性を有する。基材10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、5μm~500μm程度とすることができる。特に、基材10の厚さが5μm~200μmであると、接着層等を介して基材10の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、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。
【0013】
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、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが500μm以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
【0014】
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材10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。
【0015】
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を梨地模様で示している。
【0016】
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、Ni-Cu(ニッケル銅)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。
【0017】
ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、Cr2N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。
【0018】
抵抗体30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の厚さが0.1μm以上であると抵抗体30を構成する結晶の結晶性(例えば、α-Crの結晶性)が向上する点で好ましく、1μm以下であると抵抗体30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からの反りを低減できる点で更に好ましい。
【0019】
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することができる。又、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、対象物質が抵抗体を構成する全物質の50質量%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はα-Crを80重量%以上含むことが好ましい。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。
【0020】
抵抗体30には、複数の貫通孔30xが配列されている。貫通孔30xは、例えば、抵抗体30のパターンに沿って一定間隔で一列に配列することができる。貫通孔30xは、複数列としてもよい。貫通孔30xの平面形状は、例えば、正方形とすることができるが、これには限定されず、長方形や円形、楕円形等としても構わない。但し、貫通孔30xの平面形状を正方形又は長方形とした場合、貫通孔30xの有無による抵抗値の変化の計算が容易になる点で好適である。
【0021】
抵抗体30に複数の貫通孔30xを配列することにより、材料やパターン設計を変更することなく、抵抗値を増加することができる。
図3を参照して、具体例を説明する。
【0022】
図3(b)は、
図3(a)に示す幅Wの抵抗体30に貫通孔30xを配列したものである。
図3(b)では、抵抗体30の長さL×幅Wの領域内(面積LWの長方形内)に面積abの長方形の貫通孔30xが形成されたパターンが、抵抗体30の長手方向に繰り返されている。なお、Iは電流の流れる方向を示している。
【0023】
図3(b)において、位置P
0から位置P
Lまでの抵抗値Rは式(1)で示すことができる。又、貫通孔30xが形成されていない場合の位置P
0から位置P
Lまでの抵抗値R
0は式(2)で示すことができる。式(1)及び式(2)において、ρは体積抵抗率、tは抵抗体30の厚さである。
【0024】
【0025】
【数2】
つまり、貫通孔30xが形成されたことで、位置P
0から位置P
Lまでの抵抗値はR/R
0となり、式(1)及び式(2)より、式(3)が得られる。
【0026】
【数3】
ここで、例えば、a=L/2、b=W/3とすると、式(3)よりR/R
0=1.25となる。すなわち、この場合には、
図3(b)では、
図3(a)に比べて抵抗体30の抵抗値を1.25倍にできる。この例に限らず、aとLとの関係及びbとWとの関係を適宜設定することで、所望の抵抗値を得ることができる。
【0027】
このように、抵抗体30に複数の貫通孔30xを配列することにより、材料やパターン設計を変更することなく、抵抗値を増加することが可能となり、ひずみゲージ1の出力向上及び低消費電力化を実現できる。ひずみゲージ1の出力向上及び低消費電力化の度合いは、貫通孔30xの大きさや密度(配置間隔)を制御することにより調整可能である。
【0028】
なお、貫通孔30xを設けずに抵抗体30の材料を変更することで体積抵抗率を上げることもできるが、材料を変更するとゲージ率等の特性が変わってしまうため変更することは容易ではない。又、貫通孔30xを設けずに抵抗体30自体の幅を狭くしたり厚さを薄くしたりしても抵抗値を上げることはできるが、抵抗体30の機械的強度が低下する点や安定的な製造が困難となる点で好ましくない。
【0029】
端子部41は、抵抗体30の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体30よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部41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。抵抗体30は、例えば、端子部41の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部41に接続されている。端子部41の上面を、端子部41よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗体30と端子部41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。
【0030】
抵抗体30を被覆し端子部41を露出するように基材10上にカバー層60(絶縁樹脂層)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に機械的な損傷等が生じることを防止できる。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。
【0031】
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。
【0032】
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
図1に示す平面形状の抵抗体30及び端子部41を形成する。抵抗体30及び端子部41の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体30と端子部41とは、同一材料により一体に形成することができる。
【0033】
抵抗体30及び端子部41は、例えば、抵抗体30及び端子部41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し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗体30及び端子部41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。
【0034】
ゲージ特性を安定化する観点から、抵抗体30及び端子部41を成膜する前に、下地層として、基材10の上面10aに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により膜厚が1nm~100nm程度の機能層を真空成膜することが好ましい。
【0035】
本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体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に含まれる酸素や水分による抵抗体30の酸化を防止する機能や、基材10と抵抗体30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。
【0036】
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ため、特に抵抗体30がCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗体30の酸化を防止する機能を備えることは有効である。
【0037】
機能層の材料は、少なくとも上層である抵抗体30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。
【0038】
上記の合金としては、例えば、FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、TiN、TaN、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SiO2等が挙げられる。
【0039】
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することができる。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。
【0040】
但し、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。
【0041】
機能層の材料と抵抗体30及び端子部41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、抵抗体30及び端子部41としてα-Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜することが可能である。
【0042】
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、抵抗体30及び端子部41を成膜することができる。或いは、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、抵抗体30及び端子部41を成膜してもよい。
【0043】
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。又、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。
【0044】
なお、抵抗体30がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、抵抗体30の結晶成長を促進する機能、基材10に含まれる酸素や水分による抵抗体30の酸化を防止する機能、及び基材10と抵抗体30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。
【0045】
このように、抵抗体30の下層に機能層を設けることにより、抵抗体30の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体30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することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗体30に拡散することにより、ひずみゲージ1において、ゲージ特性を向上することができる。
【0046】
抵抗体30に貫通孔30xを設けるタイミングは任意として構わない。例えば、抵抗体30の形状をフォトリソグラフィによってパターニングする際に貫通孔30xを同時に形成してもよいし、貫通孔30xの形成されていない抵抗体30を先にパターニングし、その後レーザ加工等により貫通孔30xを形成してもよい。
【0047】
抵抗体30及び端子部41を形成後、必要に応じ、基材10上に、抵抗体30を被覆し端子部41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上に、抵抗体30を被覆し端子部41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することができる。カバー層60は、基材10上に、抵抗体30を被覆し端子部41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。
【0048】
〈第1の実施の形態の変形例1〉
第1の実施の形態の変形例1では、抵抗値調整領域を備えたひずみゲージの例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例1において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【0049】
図4は、第1の実施の形態の変形例1に係るひずみゲージを例示する平面図である。
図5は、第1の実施の形態の変形例1に係るひずみゲージを例示する断面図であり、
図4のB-B線に沿う断面を示している。
図4及び
図5を参照するに、ひずみゲージ1Aは、貫通孔30xが抵抗体30のパターンの一部の領域にのみ形成され、貫通孔30xが形成されていない抵抗値調整領域35が画定されている点が、ひずみゲージ1(
図1、
図2等参照)と相違する。
【0050】
複数のひずみゲージ1Aを製造した場合に、各々のひずみゲージ1Aの抵抗体30の抵抗値がばらつく場合がある。そこで、ひずみゲージ1Aには抵抗値調整領域35が設けられている。例えば、各々のひずみゲージ1Aの抵抗体30の最終的な抵抗値を、貫通孔30xが全く形成されていない場合(以降、貫通孔非形成時と称する場合がある。)の1.25倍にしたいが、製造上の理由等により抵抗値のばらつきが±10%程度見込まれる場合を考える。
【0051】
この場合、例えば、ひずみゲージ1Aの抵抗体30の抵抗値が、最大でも貫通孔非形成時の1.25倍を超えないような大きさや密度(配置間隔)に設計して貫通孔30xを配列しておく。このようにすることで、複数のひずみゲージ1Aを製造した場合に、各々のひずみゲージ1Aの抵抗体30の抵抗値は、貫通孔非形成時の1.25倍よりも低い領域で±10%程度ばらつく。
【0052】
そして、貫通孔30xを追加することで抵抗値を10%以上増加できる範囲を、抵抗値調整領域35として画定しておく。そして、ひずみゲージ1Aの製造時に、抵抗体30の抵抗値を測定し、抵抗値が貫通孔非形成時の1.25倍に達していない場合には、レーザ加工等により抵抗値調整領域35に追加の貫通孔30xを設け、貫通孔非形成時の1.25倍の抵抗値に調整する。これにより、複数のひずみゲージ1Aを製造した場合に、各々のひずみゲージ1Aの抵抗体30の抵抗値のばらつきを低減することができる。
【0053】
例えば、抵抗体30に
図6(a)のような抵抗値調整領域35が設けられている場合、抵抗体30の抵抗値の測定結果に応じて、
図6(b)のように貫通孔30xを設けたり、
図6(c)のように貫通孔30xを設けたりすることができる。
なお、予め形成されている貫通孔30xと、抵抗値の調整時に抵抗値調整領域35に形成する貫通孔とは、大きさ及び/又は密度(配置間隔)が異なっていてもよい。例えば、
図6(d)に示すように、平面形状が円形の貫通孔30yを形成してもよい。又、抵抗値調整領域35は、必ずしも抵抗体30の端部に配置する必要はなく、抵抗体30の任意の位置に配置することができる。又、抵抗体30のパターンに複数個の抵抗値調整領域35を画定しても構わない。
【0054】
このように、抵抗体30に抵抗値調整領域35を設け、抵抗体30の抵抗値の測定結果に応じて抵抗値調整領域35に追加の貫通孔を設けることで、ひずみゲージ1Aの抵抗体30の抵抗値のばらつきを低減することができる。
【0055】
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の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、上述した実施の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】
【0056】
1、1A ひずみゲージ、10 基材、10a 上面、30 抵抗体、30x、30y 貫通孔、35 抵抗値調整領域、41 端子部、60 カバー層