特許 7393890 センサモジュール

(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】2023-11-29

(45)【発行日】2023-12-07

(54)【発明の名称】センサモジュール

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20231130BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019140970

(22)【出願日】2019-07-31

(65)【公開番号】P2021025782

(43)【公開日】2021-02-22

【審査請求日】2022-06-28

(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

【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】北村 厚

(72)【発明者】

【氏名】浅川 寿昭

【審査官】眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１３８７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】TAKEI, Y. 外４名，Flexible pressure sensor based on ultra-thin Si piezo-resistive membrane，Bio4Apps 2017（International Conference on BioSensors, BioElectoronics, BioMedical Devices, BioMEMS/NEMS & Applications 2017）口頭発表の資料，2017年，第１－２５頁

【文献】竹井 裕介 外４名，極薄シリコンピエゾ抵抗素子を用いたフレキシブルな圧力センサ，平成２９年電気学会センサ・マイクロマシン部門大会 第３４回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集，2017年10月24日

【文献】TAKEI, Y. 外４名，Flexible Contact Pressure Sensor Based on Ultrathin Piezoresistive Silicon Membrane Capable of Strain Compensation，Sensores and Materials，2018年，Vol.30,No.12，第２９９９－３００７頁

【文献】渡辺 理，ひずみゲージとその応用，1972年05月30日，第２－５、１０－１３頁

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ７／００－７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基材の一方の側に形成された第１抵抗体を有する第１ひずみゲージと、
前記第１抵抗体から視て前記第１基材と反対側に位置するように、前記第１ひずみゲージ上に積層された弾性体層と、
第２基材の一方の側に形成された第２抵抗体と、前記第２抵抗体を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、前記第２基材の他方の側が前記弾性体層側を向くように、前記弾性体層上に積層された第２ひずみゲージと、
を有するセンサモジュールであって、
前記弾性体層の弾性率は、前記第２基材の弾性率よりも小さく、
前記弾性体層の側面は、前記絶縁樹脂層から露出するセンサモジュール。

【請求項2】

前記弾性体層の弾性率は、０．１ＭＰａ以上１５ＧＰａ以下である請求項１に記載のセンサモジュール。

【請求項3】

前記第１抵抗体と前記第２抵抗体とは略同一パターンであり、平面視で重複する位置に配置されている請求項１又は２に記載のセンサモジュール。

【請求項4】

前記第１抵抗体及び前記第２抵抗体は、Ｃｒ混相膜から形成されている請求項１乃至３の何れか一項に記載のセンサモジュール。

【請求項5】

前記第１ひずみゲージは、前記第１抵抗体を含む複数の抵抗体を有し、
前記第２ひずみゲージは、前記第２抵抗体を含む複数の抵抗体を有し、
前記第１ひずみゲージの複数の前記抵抗体と、前記第２ひずみゲージの複数の前記抵抗体とは略同一パターンであり、平面視で重複する位置に配置されている請求項１乃至４の何れか一項に記載のセンサモジュール。

【請求項6】

前記第１ひずみゲージの前記弾性体層が積層される側とは反対側が起歪体に固着された請求項１乃至５の何れか一項に記載のセンサモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

起歪体のひずみを検出する様々なセンサモジュールが知られている。例えば、少なくとも一層の導電性エラストマ層を有するシート状の弾性体と、この弾性体に積層されると共に前記導電性エラストマ層を介して電気的に接続される複数の電極シートとを備えるひずみセンサが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－８０５２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来のセンサモジュールでは、起歪体自体に生じたひずみと外部から与えられたひずみとの区別がつかないという問題があった。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、起歪体自体に生じたひずみと外部から与えられたひずみとを区別可能なセンサモジュール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】

本センサモジュールは、第１基材の一方の側に形成された第１抵抗体を有する第１ひずみゲージと、前記第１抵抗体から視て前記第１基材と反対側に位置するように、前記第１ひずみゲージ上に積層された弾性体層と、第２基材の一方の側に形成された第２抵抗体と、前記第２抵抗体を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、前記第２基材の他方の側が前記弾性体層側を向くように、前記弾性体層上に積層された第２ひずみゲージと、を有するセンサモジュールであって、前記弾性体層の弾性率は、前記第２基材の弾性率よりも小さく、前記弾性体層の側面は、前記絶縁樹脂層から露出する。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、起歪体自体に生じたひずみと外部から与えられたひずみとを区別可能なセンサモジュールを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係るセンサモジュールを例示する平面図である。

【図2】第１実施形態に係るセンサモジュールを例示する断面図である。

【図3】起歪体を有するセンサモジュールを例示する断面図である。

【図4】第１実施形態の変形例に係るセンサモジュール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実施形態に係るセンサモジュールを例示する平面図であり、センサモジュールをひずみゲージ１０Ｂの基材１１の上面１１ａの法線方向から視た様子を示している。図２は、第１実施形態に係るセンサモジュール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。なお、図１ではカバー層１６の図示を簡略化し、一部のみを破線で示している。

【0011】

図１及び図２を参照すると、センサモジュール１は、ひずみゲージ１０Ａと、ひずみゲージ１０Ｂと、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂとの間に積層された弾性体層２０とを有している。言い換えれば、ひずみゲージ１０Ｂは、弾性体層２０を介して、ひずみゲージ１０Ａ上に積層されている。

【0012】

ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれ、基材１１と、機能層１２と、抵抗体１３と、端子部１４と、カバー層１６とを有している。つまり、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは、便宜上別符号としているが、同一仕様のひずみゲージである。但し、本実施形態では、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂが同一仕様のひずみゲージであるとして以降の説明を行うが、これには限定されず、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂを別仕様のひずみゲージとしてもよい。

【0013】

なお、本実施形態では、便宜上、センサモジュール１において、ひずみゲージ１０Ｂのカバー層１６が設けられている側を上側又は一方の側、ひずみゲージ１０Ａの基材１１が設けられている側を下側又は他方の側とする。又、各部位のひずみゲージ１０Ｂのカバー層１６が設けられている側の面を一方の面又は上面、ひずみゲージ１０Ａの基材１１が設けられている側の面を他方の面又は下面とする。但し、センサモジュール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できる。又、平面視とは対象物をひずみゲージ１０Ｂの基材１１の上面１１ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物をひずみゲージ１０Ｂの基材１１の上面１１ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

【0014】

基材１１は、抵抗体１３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１１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１１の厚さが５μｍ～２００μｍであると、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。

【0015】

基材１１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。

【0016】

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１１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１１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。

【0017】

機能層１２は、基材１１の上面１１ａに抵抗体１３の下層として形成されている。すなわち、機能層１２の平面形状は、図１に示す抵抗体１３の平面形状と略同一である。機能層１２の厚さは、例えば、１ｎｍ～１００ｎｍ程度とすることができる。

【0018】

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体１３の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層１２は、更に、基材１１に含まれる酸素や水分による抵抗体１３の酸化を防止する機能や、基材１１と抵抗体１３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１２は、更に、他の機能を備えていてもよい。

【0019】

基材１１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１３がＣｒ（クロム）を含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層１２が抵抗体１３の酸化を防止する機能を備えることは有効である。

【0020】

機能層１２の材料は、少なくとも上層である抵抗体１３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。

【0021】

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、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

【0022】

抵抗体１３は、機能層１２の上面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。なお、図１では、便宜上、抵抗体１３を梨地模様で示している。

【0023】

抵抗体１３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できる。すなわち、抵抗体１３は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成できる。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。

【0024】

ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、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もよい。又、Ｃｒ混相膜に、機能層１２を構成する材料の一部が拡散されてもよい。この場合、機能層１２を構成する材料と窒素とが化合物を形成する場合もある。例えば、機能層１２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。

【0025】

抵抗体１３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１３の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体１３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い。又、抵抗体１３の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体１３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１１からの反りを低減できる点で更に好ましい。

【0026】

機能層１２上に抵抗体１３を形成することで、安定な結晶相により抵抗体１３を形成できるため、ゲージ特性（ゲージ率、ゲージ率温度係数ＴＣＳ、及び抵抗温度係数ＴＣＲ）の安定性を向上できる。

【0027】

例えば、抵抗体１３がＣｒ混相膜である場合、機能層１２を設けることで、α－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とする抵抗体１３を形成できる。α－Ｃｒは安定な結晶相であるため、ゲージ特性の安定性を向上できる。

【0028】

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。抵抗体１３がＣｒ混相膜である場合、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体１３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。

【0029】

又、機能層１２を構成する金属（例えば、Ｔｉ）がＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性を向上できる。具体的には、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂ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。

【0030】

端子部１４は、抵抗体１３の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体１３よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部１４は、ひずみにより生じる抵抗体１３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１３は、例えば、端子部１４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１４に接続されている。端子部１４の上面を、端子部１４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１３と端子部１４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できる。

【0031】

なお、ひずみゲージ１０Ａの抵抗体１３と、ひずみゲージ１０Ｂの抵抗体１３とは、略同一パターンであり、弾性体層２０等を挟んで対向する位置に配置されている。言い換えれば、ひずみゲージ１０Ａの抵抗体１３と、ひずみゲージ１０Ｂの抵抗体１３とは、略同一パターンであり、平面視で重複する位置に配置されている。これにより、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂは、略同一領域のひずみを測定できる。

【0032】

ここで、略同一パターンとは、同一の設計に基づいて製造された結果、両者のパターンがほとんど同一であることを示し、製造上の誤差程度は許容されることを意味する。

【0033】

なお、ひずみゲージ１０Ａの端子部１４と、ひずみゲージ１０Ｂの端子部１４とは、平面視で重複する位置に配置されてもよいし、平面視で重複する位置に配置されなくてもよい。抵抗体１３と端子部１４とを接続する配線パターンがある場合には、各々の配線パターンについても、平面視で重複する位置に配置されてもよいし、平面視で重複する位置に配置されなくてもよい。

【0034】

カバー層１６は、抵抗体１３を被覆し端子部１４を露出するように基材１１の上面１１ａに設けられた絶縁樹脂層である。カバー層１６を設けることで、抵抗体１３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１６を設けることで、抵抗体１３を湿気等から保護できる。

【0035】

カバー層１６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できる。カバー層１６は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層１６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。なお、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂにおいて、カバー層１６は必要に応じて設ければよい。

【0036】

弾性体層２０は、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂとの間に積層されている。詳細には、弾性体層２０は、ひずみゲージ１０Ａの抵抗体１３から視て基材１１と反対側に位置するように、ひずみゲージ１０Ａ上に積層されている。又、ひずみゲージ１０Ｂは、基材１１の他方の側（抵抗体１３が形成されていない側）が弾性体層２０側を向くように、弾性体層２０上に積層されている。

【0037】

ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂとの間に積層された弾性体層２０は、ひずみゲージ１０Ａで検出されるひずみのひずみゲージ１０Ｂへの伝達と、ひずみゲージ１０Ｂで検出されるひずみのひずみゲージ１０Ａへの伝達とを妨げる材料で形成されている。すなわち、弾性体層２０は、ひずみゲージ１０Ａで検出されるひずみと、ひずみゲージ１０Ｂで検出されるひずみが、互いに伝達しないように遮断する機能を有している。

【0038】

これにより、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂは、それぞれが独立してひずみを検出できる。但し、弾性体層２０は、各々のひずみが互いに伝達しないように完全に遮断する必要はなく、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂの独立したひずみ検出に支障がない程度に遮断すればよい。

【0039】

弾性体層２０の弾性率は、ひずみゲージ１０Ａのカバー層１６の弾性率、及び、ひずみゲージ１０Ｂの基材１１の弾性率よりも小さい。但し、ひずみゲージ１０Ａがカバー層１６を有していない場合には、弾性体層２０の弾性率は、ひずみゲージ１０Ｂの基材１１の弾性率より小さければよい。

【0040】

弾性体層２０の弾性率は、０．１ＭＰａ以上１５ＧＰａ以下であることが好ましい。弾性体層２０の弾性率が０．１ＭＰａ以上であると、センサモジュール１全体として十分な剛性を確保できる。又、弾性体層２０の弾性率が１５ＧＰａ以下であると、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂのひずみが互いに伝達しないように遮断できる。

【0041】

但し、弾性体層２０の弾性率は０．１ＭＰａ以上１ＧＰａ以下であるとより好ましく、０．１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であると特に好ましい。弾性体層２０の弾性率が１ＧＰａ以下、５０ＭＰａ以下となるに従って、ひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂのひずみが互いに伝達しないように一層確実に遮断できる。

【0042】

弾性体層２０の弾性率が０．１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下である材料としては、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム等が挙げられる。弾性体層２０の弾性率が５０ＭＰａより大きく１ＧＰａ以下である材料としては、例えば、ＰＥ、フッ素樹脂等が挙げられる。弾性体層２０の弾性率が１ＧＰａより大きく１５ＧＰａ以下である材料としては、例えば、ＰＰ、ＰＥＴ等が挙げられる。又、弾性体層２０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。

【0043】

弾性体層２０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、１μｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。弾性体層２０の厚さが１μｍ以上であるとひずみの伝達が遮断される点で好ましく、１０ｍｍ以下であると反りを低減できる点で好ましい。

【0044】

ひずみゲージ１０Ａを製造するためには、まず、基材１１を準備し、基材１１の上面１１ａに機能層１２を形成する。基材１１及び機能層１２の材料や厚さは、前述の通りである。但し、機能層１２は、必要に応じて設ければよい。

【0045】

機能層１２は、例えば、機能層１２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１１の上面１１ａをＡｒでエッチングしながら機能層１２が成膜されるため、機能層１２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。

【0046】

但し、これは、機能層１２の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層１２を成膜してもよい。例えば、機能層１２の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１１の上面１１ａ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１２を真空成膜する方法を用いてもよい。

【0047】

次に、機能層１２の上面全体に抵抗体１３及び端子部１４となる金属層を形成後、フォトリソグラフィによって機能層１２並びに抵抗体１３及び端子部１４を図１に示す平面形状にパターニングする。抵抗体１３及び端子部１４の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体１３及び端子部１４は、同一材料により一体に形成できる。抵抗体１３及び端子部１４は、例えば、抵抗体１３及び端子部１４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できる。抵抗体１３及び端子部１４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。

【0048】

機能層１２の材料と抵抗体１３及び端子部１４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。例えば、機能層１２としてＴｉを用い、抵抗体１３及び端子部１４としてα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜可能である。

【0049】

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１３及び端子部１４を成膜できる。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１３及び端子部１４を成膜してもよい。

【0050】

これらの方法では、Ｔｉからなる機能層１２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１２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１０Ａ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。

【0051】

なお、抵抗体１３がＣｒ混相膜から形成されている場合、Ｔｉからなる機能層１２は、抵抗体１３の結晶成長を促進する機能、基材１１に含まれる酸素や水分による抵抗体１３の酸化を防止する機能、及び基材１１と抵抗体１３との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層１２として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。

【0052】

その後、必要に応じ、基材１１の上面１１ａに、抵抗体１３を被覆し端子部１４を露出するカバー層１６を設けることで、ひずみゲージ１０Ａが完成する。カバー層１６は、例えば、基材１１の上面１１ａに、抵抗体１３を被覆し端子部１４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できる。カバー層１６は、基材１１の上面１１ａに、抵抗体１３を被覆し端子部１４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。

【0053】

このように、抵抗体１３の下層に機能層１２を設けることにより、抵抗体１３の結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体１３を作製できる。その結果、ひずみゲージ１０Ａにおいて、ゲージ特性の安定性を向上できる。又、機能層１２を構成する材料が抵抗体１３に拡散することにより、ひずみゲージ１０Ａにおいて、ゲージ特性を向上できる。なお、ひずみゲージ１０Ｂは、ひずみゲージ１０Ａと同様の方法により製造できる。

【0054】

センサモジュール１を作製するには、上記の方法で製造したひずみゲージ１０Ａとひずみゲージ１０Ｂを弾性体層２０を介して積層すれば良い。ひずみゲージ１０Ａのカバー層１６の上面と弾性体層２０の下面、ひずみゲージ１０Ｂの基材１１の下面と弾性体層２０の上面とは、例えば、接着層を介して積層できる。

【0055】

但し、弾性体層２０が接着層を兼ねてもよい。この場合には、弾性体層２０以外に接着層を用いる必要はなく、弾性体層２０が接着層を兼ねて図２に示すセンサモジュール１の積層構造となる。

【0056】

又、センサモジュール１の作製に接着層を用いない場合には、弾性体層２０を基材としてひずみゲージを作製してもよい。つまり、弾性体層２０を中心に挟みこむようにひずみゲージ１０Ａの機能層１２及びひずみゲージ１０Ｂの機能層１２を積層させ、更に抵抗体１３及び端子部１４、更にカバー層１６の順番で積層させてもよい。

【0057】

又、弾性体層２０と触れ合うのは、カバー層１６でも基材１１でもどちらでもよい。つまり、図２のひずみゲージ１０Ａ又は１０Ｂの積層方向は弾性体層２０に対して反対であってもよい。

【0058】

又、弾性体層２０とカバー層１６が触れる場合は、薄型化の点からカバー層１６が無くてもよい。つまり、図２において、ひずみゲージ１０Ａの抵抗体１３及び端子部１４は、カバー層１６を介さずに弾性体層２０と直接接着されてもよい。又、図２において、ひずみゲージ１０Ｂにカバー層１６を設けなくてもよい。

【0059】

図３は、起歪体を有するセンサモジュールを例示する断面図である。図３を参照すると、センサモジュール２は、起歪体１００上に、ひずみゲージ１０Ａ、弾性体層２０、及びひずみゲージ１０Ｂが順次積層されたものである。

【0060】

センサモジュール２において、ひずみゲージ１０Ａの弾性体層２０が積層される側とは反対側が起歪体１００に固着されている。詳細には、ひずみゲージ１０Ａの基材１１の下面は、例えば、接着層を介して、起歪体１００の上面に固着されている。起歪体１００は、例えば、Ｆｅ、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、Ａｌ等の金属やＰＥＥＫ等の樹脂から形成され、印加される力に応じて変形する（ひずみを生じる）物体である。

【0061】

接着層は、ひずみゲージ１０Ａの基材１１と起歪体１００とを固着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、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、変性ウレタン樹脂等を用いることができる。又、ボンディングシート等の材料を用いても良い。接着層の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．１μｍ～５０μｍ程度とすることができる。

【0062】

センサモジュール２において、例えば、起歪体１００がロボットボディである場合、ロボットが物を持ち上げたとき等にロボットボディ自体に生じたひずみは、ひずみゲージ１０Ａによって検出される。しかし、ロボットボディ自体に生じたひずみは、弾性体層２０によって遮断されるため、ひずみゲージ１０Ｂまでは伝達されない。よって、ロボットボディ自体に生じたひずみは、ひずみゲージ１０Ｂでは検出されない。

【0063】

一方、外部からの物の接触等によって生じたひずみは、ひずみゲージ１０Ｂによって検出される。しかし、外部から生じたひずみは、弾性体層２０によって遮断されるため、ひずみゲージ１０Ａまでは伝達されない。よって、外部から生じたひずみは、ひずみゲージ１０Ａでは検出されない。

【0064】

このように、センサモジュール２では、従来は区別できなかった、起歪体であるロボットボディ自体に生じたひずみと、外部から与えられたひずみとを区別して検出可能である。ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂを別仕様のひずみゲージとした場合も、同様の効果を奏する。

【0065】

なお、起歪体１００がロボットボディである場合は一例を示したものであり、これには限定されない。例えば、起歪体１００がテニスラケットのグリップであってもよい。例えば、テニスラケットのグリップの使用者が握る部分にひずみゲージ１０Ａ、弾性体層２０、及びひずみゲージ１０Ｂを順次積層し、ひずみゲージ１０Ｂの外側にグリップテープを巻いて使用する。

【0066】

この場合、テニスラケットでボールを打ったときにグリップ自体に生じるひずみは、ひずみゲージ１０Ａによって検出されるが、ひずみゲージ１０Ｂでは検出されない。一方、テニスラケットの使用者がグリップを握る力は、ひずみゲージ１０Ｂによって検出されるが、ひずみゲージ１０Ａでは検出されない。

【0067】

このように、センサモジュール２では、起歪体１００の種類に依らず、従来は区別できなかったひずみを区別可能である。

【0068】

なお、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂにおいて抵抗体１３がＣｒ混相膜から形成されている場合は、高感度化（従来比５００％以上）かつ、小型化（従来比１／１０以下）を実現できる。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、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂでは０．３ｍＶ／２Ｖ以上の出力が得られる。又、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、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂの大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）は各々０．３ｍｍ×０．３ｍｍ程度に小型化できる。

【0069】

このように、抵抗体１３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは小型であるため、センサモジュール２全体としても小型にできる。そのため、センサモジュール２を所望の個所に容易に貼り付け可能である。又、抵抗体１３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂは高感度であり、小さい変位を検出できるため、従来は検出が困難であった微小なひずみを検出可能である。すなわち、抵抗体１３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂを有することにより、ひずみを精度よく検出可能なセンサモジュール２を実現できる。

【0070】

〈第１実施形態の変形例〉
第１実施形態の変形例では、各々のひずみゲージが複数の抵抗体を有するセンサモジュールの例を示す。なお、第１実施形態の変形例において、既に説明した実施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。

【0071】

図４は、第１実施形態の変形例に係るセンサモジュールを例示する平面図である。第１実施形態の変形例に係るセンサモジュールの断面構造は図２と同一であるため、断面図の図示は省略する。なお、図４ではカバー層１６の図示を簡略化し、一部のみを破線で示している。

【0072】

図４を参照すると、センサモジュール３では、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂの各々が、抵抗体１３、配線パターン１８、及び端子部１４を複数組有している点が、センサモジュール１の場合（図１及び図２参照）と相違する。

【0073】

センサモジュール３のひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂでは、４つの抵抗体１３が配線パターン１８で接続されており、抵抗体１３同士の接続点４箇所が、各々配線パターン１８を介して端子部１４に接続されている。ひずみゲージ１０Ａの複数の抵抗体１３と、ひずみゲージ１０Ｂの複数の抵抗体１３とは略同一パターンであり、平面視で重複する位置に配置されている。

【0074】

このような接続により、４つの抵抗体１３でホイートストンブリッジ回路を構成できる。なお、図４おける各抵抗体１３のグリッド方向は一例であり、これには限定されない。例えば、複数の抵抗体１３はグリッド方向が互いに直交する抵抗体を含んでもよい。

【0075】

図４の例では、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂの各々が４つの抵抗体１３を有しているが、これには限定されず、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂの各々が２つや３つの抵抗体１３を有してもよいし、５つ以上の抵抗体１３を有してもよい。例えば、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂの各々が２つの抵抗体１３を有する場合、ひずみゲージ１０Ａ及び１０Ｂの各々がハーフブリッジ回路を構成できる。

【0076】

このように、センサモジュールにおいて、各々のひずみゲージは複数の抵抗体を有してもよい。弾性体層を介したひずみゲージは感知するひずみの大きさが異なるため、それぞれに適した抵抗体を用いることで高寿命化の点で好ましい。

【0077】

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】

【0078】

１、２、３ センサモジュール、１０Ａ、１０Ｂ ひずみゲージ、１１ 基材、１１ａ 上面、１２ 機能層、１３ 抵抗体、１４ 端子部、１６ カバー層、１８ 配線パターン、２０ 弾性体層、１００ 起歪体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】