特許 7402148 ひずみゲージ

(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】2023-12-12

(45)【発行日】2023-12-20

(54)【発明の名称】ひずみゲージ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20231213BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020211411

(22)【出願日】2020-12-21

(65)【公開番号】P2021152523

(43)【公開日】2021-09-30

【審査請求日】2022-10-05

(31)【優先権主張番号】P 2020052360

(32)【優先日】2020-03-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】小野 彩

(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】湯口 昭代

(72)【発明者】

【氏名】戸田 慎也

(72)【発明者】

【氏名】小笠 洋介

(72)【発明者】

【氏名】相澤 祐汰

(72)【発明者】

【氏名】石原 育

【審査官】眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１５１３４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０９－０３３３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２１７２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１９１８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０１４８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】一ノ瀬 昇，高熱伝導性セラミックスの開発とその熱測定，HYBRIDS，1989年07月01日，１９８９年第５巻第３号，第２－８頁

【文献】理科年表 平成１８年（机上版），2005年11月30日，第４００－４０１頁

【文献】八田 一郎，マイクロエレクトロニクスと熱物性 薄膜の熱物性測定，熱物性，1990年10月20日，第４巻第２－３号，第１１２－１１５頁

【文献】沖 猛雄，ドライプロセスによる表面硬化技術とその動向，表面技術，1990年，第４１巻第５号，第２－１０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】

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、
前記基材と前記抵抗体との間に、前記抵抗体よりも熱伝導率が高い絶縁材料から形成された機能層と、を有し、
前記抵抗体は、並置された複数の抵抗パターンと、隣接する前記抵抗パターンの端部同士を接続する折り返し部分と、を含み、
前記折り返し部分には、前記抵抗体よりも熱伝導率が高い材料からなる第１金属層が積層され、
前記抵抗パターンの上面の少なくとも一部は、前記第１金属層から露出するひずみゲージ。

【請求項2】

前記第１金属層は、前記折り返し部分上から前記抵抗パターン上の一部に延在する請求項１に記載のひずみゲージ。

【請求項3】

前記抵抗体と電気的に接続された電極を有し、
前記電極は、前記抵抗体の端部から延在する端子部と、前記端子部上に形成された第２金属層と、を含み、
前記第１金属層と前記第２金属層とが同一材料からなる請求項１又は２に記載のひずみゲージ。

【請求項4】

前記機能層の厚さは、１ｎｍ以上１μｍ以下である請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項5】

前記基材と前記機能層との間に、前記抵抗体よりも熱伝導率が高い金属又は合金から形成された第２機能層を有する請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項6】

前記第２機能層は、前記基材と前記機能層との密着性を向上する機能を有する請求項５に記載のひずみゲージ。

【請求項7】

前記抵抗体は、Ｃｒ混相膜から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Ｃｒ混相膜は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ _２ Ｎを含み、
前記Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎは、２０重量％以下である請求項７に記載のひずみゲージ。

【請求項9】

前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ_２Ｎ中の前記Ｃｒ_２Ｎの割合は、８０％以上９０％未満である請求項８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、ジグザグに折り返すパターンに形成されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】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】

ひずみゲージは外部電源から抵抗体に電圧を印加して動作するが、その際に抵抗体に電流が流れるため、抵抗体に自己発熱が発生し、ひずみゲージの測定精度を低下させる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、測定精度を向上したひずみゲージ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、前記基材と前記抵抗体との間に、前記抵抗体よりも熱伝導率が高い絶縁材料から形成された機能層と、を有し、前記抵抗体は、並置された複数の抵抗パターンと、隣接する前記抵抗パターンの端部同士を接続する折り返し部分と、を含み、前記折り返し部分には、前記抵抗体よりも熱伝導率が高い材料からなる第１金属層が積層され、前記抵抗パターンの上面の少なくとも一部は、前記第１金属層から露出する。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、測定精度を向上したひずみゲージを提供できる。

【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である。

【図3A】第１実施形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図（その１）である。

【図3B】第１実施形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図（その２）である。

【図3C】第１実施形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図（その３）である。

【図4】第１実施形態の変形例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実施形態の変形例２に係るひずみゲージを例示する平面図である。

【図6】第１実施形態の変形例３に係るひずみゲージを例示する平面図である。

【図7】第１実施形態の変形例４に係るひずみゲージを例示する断面図である。

【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を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、機能層２０と、抵抗体３０と、電極４０Ａと、金属層４３とを有している。

【0011】

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】

機能層２０は、基材１０と抵抗体３０との間に、基材１０又は抵抗体３０よりも熱伝導率が高い絶縁材料から形成されている。本実施形態では、基材１０の上面１０ａに機能層２０が直接形成され、機能層２０の上面に抵抗体３０が直接形成されている。機能層２０の平面形状は、例えば、図１に示す抵抗体３０の平面形状と略同一にパターニングされている。

【0016】

但し、機能層２０の平面形状は、抵抗体３０の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層２０は絶縁材料から形成されているため、抵抗体３０の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。つまり、機能層２０は少なくとも抵抗体３０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１０ａ全体にベタ状に形成されてもよい。機能層２０をベタ状に形成することで、機能層２０の表面積が増加するため、基材１０側への放熱性を一層向上できる。

【0017】

機能層２０の厚さは、１ｎｍ以上１μｍ以下とすることが好ましい。機能層２０の厚さが１０ｎｍ以上であれば、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際に、熱を基材１０側に効率よく逃がすことができる。機能層２０の厚さが１μｍ以下であれば、機能層２０にクラックが入り難くなる。放熱性を更に向上する観点から、機能層２０の厚さは、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが更に好ましい。

【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３０の結晶成長を促進する機能を有すると共に、抵抗体３０が発する熱の放熱に寄与する層を指す。機能層２０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２０は、更に、他の機能を備えていてもよい。

【0019】

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（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２０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。

【0020】

機能層２０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し、かつ抵抗体３０よりも熱伝導率が高い絶縁材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。なお、機能層２０は膜厚が比較的厚いため、導電性の材料で形成すると抵抗体３０に流れる電流の一部が機能層２０に流れてしまうので、絶縁材料を選択している。

【0021】

機能層２０に好適な絶縁材料としては、例えば、金属の化合物が挙げられる。具体的には、例えば、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ等が挙げられる。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0025】

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。

【0026】

機能層２０上に抵抗体３０を形成することで、安定な結晶相により抵抗体３０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３０がＣｒ混相膜である場合、機能層２０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３０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３０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３０はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましく、９０重量％以上含むことが更に好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

【0029】

又、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、ゲージ率の低下を抑制できる。

【0030】

又、ＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎの割合は８０％以上９０％未満であることが好ましく、９０％以上９５％未満であることが更に好ましい。ＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎの割合が９０％以上９５％未満であることで、半導体的な性質を有するＣｒ_２Ｎにより、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。

【0031】

一方で、膜中に微量のＮ_２もしくは原子状のＮが混入、存在した場合、外的環境（例えば高温環境下）によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なＣｒＮの創出により上記不安定なＮを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。

【0032】

電極４０Ａ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。電極４０Ａ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、電極４０Ａの一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の電極４０Ａに電気的に接続されている。なお、電極４０Ａと基材１０との間には、機能層２０が存在している。

【0033】

電極４０Ａは、複数の金属層が積層された積層構造とすることができる。具体的には、電極４０Ａは、抵抗体３０の両端部から延在する端子部４１と、端子部４１の上面に形成された金属層４２とを有している。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、同一工程において同一材料により一体に形成できる。

【0034】

金属層４２の材料としては、端子部４１よりもはんだ濡れ性の良好な材料を選択できる。例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、金属層４２の材料として、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。金属層４２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、０．０１μｍ～３０μｍ程度とすることができる。はんだ食われを考慮すると、金属層４２の厚さは、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上である。なお、金属層４２を電解めっきにより形成する場合には、電解めっきの容易性から、金属層４２の厚さは３０μｍ以下であることが好ましい。

【0035】

但し、はんだ濡れ性やはんだ食われが問題とならない場合には、金属層４２を積層せずに、端子部４１自体を電極として用いてもよい。

【0036】

抵抗体３０は、長手方向を同一方向（図１の例ではＸ方向）に向けて並置された複数の抵抗パターン３１と、隣接する抵抗パターン３１の端部の外側同士を接続する折り返し部分３３とを含んでいる。

【0037】

折り返し部分３３には、基材１０又は抵抗体３０よりも熱伝導率が高い材料からなる金属層４３が積層されている。金属層４３は放熱層として機能するが、折り返し部分３３に設けられているため、ひずみゲージ１の感度を落とすことがない。すなわち、折り返し部分３３に金属層４３を設けることで、ひずみゲージ１の感度を落とすことなく、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱を放熱できる。

【0038】

なお、図１では、抵抗体３０の折り返し部分３３は直線状であるが、抵抗体３０の折り返し部分は直線状には限定されず、任意の形状として構わない。例えば、抵抗体３０の折り返し部分は曲線状であってもよいし、直線状の部分と曲線状の部分とが混在してもよい。

【0039】

金属層４３の材料は、抵抗体３０よりも熱伝導率が高い材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、金属層４３の材料として、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｇｅ、遷移金属、希土類、又は、これら何れかの金属の合金、これら何れかの材料の酸化物、窒化物、化合物が挙げられる。或いは、これら何れかの材料、合金、酸化物、窒化物、化合物を適宜積層した積層膜が挙げられる。

【0040】

例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、抵抗体３０に含まれるＣｒの熱伝導率は９６．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。これに対して、金の熱伝導率は３１９Ｗ／ｍ・Ｋ程度、銀の熱伝導率は４２８Ｗ／ｍ・Ｋ程度、銅の熱伝導率は４０３Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。従って、金属層４３として、例えば、金や銀や銅を折り返し部分３３に積層させると、金属層４３を積層させない場合と比べて約３～４倍の放熱効率を得ることができる。

【0041】

金属層４３の厚さは、必要な放熱性を考慮して適宜選択できるが、例えば、０．０１μｍ～３０μｍ程度とすることができる。

【0042】

金属層４３は、金属層４２と同一材料を用い、金属層４２と同一工程において形成しても構わない。又、金属層４３は、金属層４２と異なる材料を用い、金属層４２と別工程において形成しても構わない。この場合、金属層４３の厚さは、金属層４２の厚さと同じにする必要はない。なお、図１では、便宜上、抵抗パターン３１、金属層４２、及び金属層４３を異なる梨地模様で示している。

【0043】

抵抗体３０及び金属層４３を被覆し電極４０Ａを露出するように基材１０の上面１０ａ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及び金属層４３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及び金属層４３を湿気等から保護できる。なお、カバー層６０は、電極４０Ａを除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

【0044】

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。

【0045】

図３Ａ～図３Ｃは、第１実施形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図であり、図２に対応する断面を示している。ひずみゲージ１を製造するためには、まず、図３Ａに示す工程では、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに機能層２０、金属層３００、金属層３１０を順次積層する。

【0046】

機能層２０は、例えば、めっき法、マグネトロンスパッタ法、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、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜できる。機能層２０の材料や厚さは、前述の通りである。

【0047】

金属層３００は、例えば、金属層３００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。金属層３００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】

金属層３００は、最終的にパターニングされて抵抗体３０及び端子部４１となる層である。従って、金属層３００の材料や厚さは、前述の抵抗体３０及び端子部４１の材料や厚さと同様である。

【0049】

金属層３１０は、例えば、金属層３１０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。金属層３１０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、めっき法、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。金属層３１０を厚く形成する場合には、めっき法を選択することが好ましい。

【0050】

金属層３１０は、最終的にパターニングされて金属層４２及び４３となる層である。従って、金属層３１０の材料や厚さは、前述の金属層４２及び４３の材料や厚さと同様である。

【0051】

金属層３１０としてＣｒ混相膜を形成する場合には、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３０及び端子部４１を成膜してもよい。この際、窒素ガスの導入量や圧力（窒素分圧）を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎの割合を調整できる。

【0052】

これらの方法では、機能層２０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２０を構成する材料が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。

【0053】

次に、図３Ｂに示す工程では、フォトリソグラフィによって金属層３１０をパターニングし、図１に示す平面形状の金属層４２及び４３を形成する。次に、図３Ｃに示す工程では、フォトリソグラフィによって機能層２０及び金属層３００をパターニングし、図１に示す平面形状の機能層２０、抵抗体３０、及び端子部４１を形成する。これにより、抵抗体３０の折り返し部分３３に金属層４３が積層される。又、端子部４１に金属層４２が積層され、電極４０Ａが形成される。

【0054】

なお、前述のように、機能層２０は少なくとも抵抗体３０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１０ａ全体にベタ状に形成されてもよい。この場合には、例えば、機能層２０はエッチングされず、金属層３００のみがエッチングされるエッチング液等を用いて金属層３００をパターニングすればよい。

【0055】

図３Ｃに示す工程の後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び金属層４３を被覆し電極４０Ａ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の上面１０ａに、抵抗体３０及び金属層４３を被覆し電極４０Ａ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６０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び金属層４３を被覆し電極４０Ａ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。

【0056】

なお、以上の工程では、金属層４２と金属層４３とを同一材料を用いて形成する例を示したが、これは一例であり、前述のように、金属層４２と金属層４３とを異なる材料を用いて別工程で形成しても構わない。又、金属層４２を設けなくても構わない。

【0057】

このように、抵抗体３０の折り返し部分３３に抵抗体３０よりも熱伝導率が高い材料からなる金属層４３を積層することで、ひずみゲージ１の感度を落とすことなく、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱を放熱できる。又、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱は、抵抗体３０の下層である機能層２０を介して基材１０側にも放熱できる。その結果、ひずみゲージ１において、抵抗体３０の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。

【0058】

この効果は、抵抗体３０の材料には依存せずに得られるが、抵抗体３０として比較的熱伝導率の低いＣｒ（熱伝導率９６．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度）を含むＣｒ混相膜を用いた場合に、特に顕著な効果が得られる。

【0059】

なお、ひずみゲージ１は、はかり用途に用いることもできる。ひずみゲージ１を、はかり用途に用いる場合には、クリープに関する規格を満足する必要がある。クリープに関する規格としては、例えば、ＯＩＭＬ Ｒ６０に基づく精度等級Ｃ１（以降、Ｃ１規格とする）や、ＯＩＭＬ Ｒ６０に基づく精度等級Ｃ２（以降、Ｃ２規格とする）が挙げられる。

【0060】

Ｃ１規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±０．０７３５％以下にする必要がある。又、Ｃ２規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±０．０３６８％以下にする必要がある。なお、ひずみゲージ１をセンサ用途に用いる場合には、クリープ量及びクリープリカバリー量の規格は±０．５％程度である。

【0061】

発明者らの検討によれば、クリープ量及びクリープリカバリー量は、抵抗体３０を構成する材料の粘弾性項に影響される。すなわち、はかり用途に用いる起歪体には、抵抗体３０の長手方向（図１のＡ－Ａ線の方向）に引張や圧縮が発生する。起歪体の引張や圧縮により抵抗体３０が長手方向に伸縮すると、クリープ量及びクリープリカバリー量が大きくなるため、抵抗体３０が長手方向に伸縮することを抑制することが好ましい。

【0062】

抵抗体３０の折り返し部分３３にＣｕ等の金属層４３を積層させ、折り返し部分３３における金属の体積を増やすことにより、抵抗体３０が長手方向に伸縮することを抑制可能となる。その結果、クリープ量及びクリープリカバリー量を抑制でき、Ｃ１規格やＣ２規格を満足できる。クリープ量及びクリープリカバリー量を抑制する効果は、金属層４３の厚さにより調整可能である。

【0063】

なお、クリープ量及びクリープリカバリー量は、ひずみゲージ１において抵抗体３０が設けられた面の弾性変形の量（ひずみ量）が時間経過と共に変化する量であるため、一対の電極４０Ａ間の出力に基づいて算出したひずみ電圧をモニタすることで測定できる。

【0064】

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、第１実施形態とは折り返し部分及び金属層の形状が異なる例を示す。なお、第１実施形態の変形例１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。

【0065】

図４は、第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する平面図である。図４を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、折り返し部分３３が折り返し部分３４に置換され、かつ、金属層４３が金属層４４に置換された点がひずみゲージ１（図１等参照）と相違する。

【0066】

抵抗体３０は、長手方向を同一方向（図４の例ではＸ方向）に向けて並置された複数の抵抗パターン３１と、隣接する抵抗パターン３１の端部の対向する側同士を接続する折り返し部分３４とを含んでいる。

【0067】

折り返し部分３４には、抵抗体３０よりも熱伝導率が高い材料からなる金属層４４が積層されている。金属層４４の材料や厚さは、例えば、金属層４３と同様とすることができる。

【0068】

図１に示す折り返し部分３３のように、隣接する抵抗パターン３１の端部の外側同士を接続する部分を抵抗体３０の折り返し部分と考えてもよいし、図４に示す折り返し部分３４のように、隣接する抵抗パターン３１の端部の対向する側同士を接続する部分を抵抗体３０の折り返し部分と考えてもよい。

【0069】

上記の何れの場合も、抵抗体３０の折り返し部分に抵抗体３０よりも熱伝導率が高い材料からなる金属層を積層することで、ひずみゲージの感度を落とすことなく、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱を放熱できる。又、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱は、抵抗体３０の下層である機能層２０を介して基材１０側にも放熱できる。その結果、ひずみゲージにおいて、抵抗体３０の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。

【0070】

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、第１実施形態とは折り返し部分上の金属層の形成位置が異なる例を示す。なお、第１実施形態の変形例２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５は、第１実施形態の変形例２に係るひずみゲージを例示する平面図である。図５を参照すると、ひずみゲージ１Ｂは、金属層４３が金属層４５に置換された点がひずみゲージ１（図１等参照）と相違する。

【0072】

金属層４５は、抵抗体３０の折り返し部分３３に積層されており、更に、折り返し部分３３上から抵抗パターン３１上の一部に延在し、全体としてコの字型に形成されている。金属層４５の材料や厚さは、例えば、金属層４３と同様とすることができる。

【0073】

このように、金属層４５の一部が折り返し部分３３上から抵抗パターン３１上の一部に延在してもよい。この場合には、製造上のばらつきを考慮しても確実に折り返し部分３３に金属層４５を積層できる。その結果、ひずみゲージ１Ｂにおいて、抵抗体３０の自己発熱による測定精度の低下をより確実に抑制できる。

【0074】

但し、ひずみゲージ１Ｂでは、ひずみゲージ１よりも抵抗パターン３１のグリッド方向の長さ（金属層４５が積層されていない部分の長さ）が若干短くなるため、検出感度の若干の低下が見込まれる。

【0075】

〈第１実施形態の変形例３〉
第１実施形態の変形例３では、第１実施形態とは折り返し部分の形状が異なる例を示す。なお、第１実施形態の変形例３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。

【0076】

図６は、第１実施形態の変形例３に係るひずみゲージを例示する平面図である。図６を参照すると、ひずみゲージ１Ｃは、折り返し部分３３が折り返し部分３６に置換され、かつ、金属層４３が金属層４６に置換された点がひずみゲージ１（図１等参照）と相違する。

【0077】

抵抗体３０は、長手方向を同一方向（図６の例ではＸ方向）に向けて並置された複数の抵抗パターン３１と、隣接する抵抗パターン３１の端部の外側同士を接続する折り返し部分３６とを含んでいる。

【0078】

折り返し部分３６には、抵抗体３０よりも熱伝導率が高い材料からなる金属層４６が積層されている。金属層４６の材料や厚さは、例えば、金属層４３と同様とすることができる。

【0079】

折り返し部分３６は、折り返し部分３３（図１参照）とは異なり、曲線状（例えば、Ｕ字型）に形成されている。この場合も、抵抗体３０の折り返し部分に抵抗体３０よりも熱伝導率が高い材料からなる金属層４６を積層することで、ひずみゲージ１Ｃの感度を落とすことなく、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱を放熱できる。又、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱は、抵抗体３０の下層である機能層２０を介して基材１０側にも放熱できる。その結果、ひずみゲージ１Ｃにおいて、抵抗体３０の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。

【0080】

なお、ひずみゲージ１Ｃにおいて、ひずみゲージ１Ｂと同様に、金属層４６の一部が折り返し部分３６上から抵抗パターン３１上の一部に延在してもよい。この場合には、製造上のばらつきを考慮しても確実に折り返し部分３６に金属層４６を積層できる。その結果、ひずみゲージ１Ｃにおいて、抵抗体３０の自己発熱による測定精度の低下をより確実に抑制できる。但し、抵抗パターン３１のグリッド方向の長さ（金属層４６が積層されていない部分の長さ）が若干短くなるため、検出感度の若干の低下が見込まれる。

【0081】

〈第１実施形態の変形例４〉
第１実施形態の変形例４では、機能層２０の下層に第２機能層を設ける例を示す。なお、第１実施形態の変形例４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。

【0082】

図７は、第１実施形態の変形例４に係るひずみゲージを例示する断面図である。図７を参照すると、ひずみゲージ１Ｄは、基材１０と機能層２０との間に第２機能層２５が設けられた点がひずみゲージ１（図２等参照）と相違する。

【0083】

第２機能層２５は、基材１０と機能層２０との間に、抵抗体３０よりも熱伝導率が高い金属又は合金から形成されている。本実施形態では、基材１０の上面１０ａに第２機能層２５が直接形成され、第２機能層２５の上面に機能層２０が直接形成され、機能層２０の上面に抵抗体３０が直接形成されている。第２機能層２５の平面形状は、図１に示す機能層２０や抵抗体３０の平面形状と略同一である。

【0084】

第２機能層２５の厚さは、例えば、１ｎｍ～１μｍ以下とすることができる。第２機能層２５の厚さが１ｎｍ以上であれば、基材１０と機能層２０との密着性を十分に向上できる。第２機能層２５の厚さが１０ｎｍ以上であれば、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際に、熱を基材１０側に効率よく逃がすことができる。第２機能層２５の厚さが１μｍ以下であれば、第２機能層２５にクラックが入り難くなる。放熱性を更に向上する観点から、第２機能層２５の厚さは、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが更に好ましい。

【0085】

第２機能層は、少なくとも抵抗体３０が発する熱の放熱に寄与すると共に、基材１０と機能層２０との密着性を向上する機能を備えた層である。第２機能層２５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他の機能を備えていてもよい。

【0086】

第２機能層２５の材料は、少なくとも抵抗体３０が発する熱の放熱に寄与すると共に、基材１０と機能層２０との密着性を向上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）、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が挙げられる。

【0087】

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。

【0088】

第２機能層２５は、例えば、第２機能層２５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１０の上面１０ａをＡｒでエッチングしながら第２機能層２５が成膜されるため、第２機能層２５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。

【0089】

但し、これは、第２機能層２５の成膜方法の一例であり、他の方法により第２機能層２５を成膜してもよい。例えば、第２機能層２５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第２機能層２５を真空成膜する方法を用いてもよい。

【0090】

ひずみゲージ１Ｄにおいて、抵抗体３０に電流が流れて発熱した際の熱は、抵抗体３０の下層である機能層２０及び第２機能層２５を介して基材１０側に放熱できる。その結果、ひずみゲージ１Ｄにおいて、金属層４３を設けた効果と合わせて、抵抗体３０の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。

【0091】

又、機能層２０の下層に第２機能層２５を設けることで、基材１０と機能層２０との密着性を向上できる。

【0092】

なお、上記では、第２機能層２５の平面形状は抵抗体３０の平面形状と略同一であるとしたが、これには限定されない。第２機能層２５と抵抗体３０との間には絶縁材料から形成された機能層２０が存在するため、第２機能層２５及び機能層２０は抵抗体３０の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。つまり、第２機能層２５及び機能層２０は少なくとも抵抗体３０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、第２機能層２５及び機能層２０は、基材１０の上面１０ａ全体にベタ状に形成されてもよい。第２機能層２５及び機能層２０をベタ状に形成することで、第２機能層２５及び機能層２０の表面積が増加するため、基材１０側への放熱性を一層向上できる。

【0093】

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】

【0094】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、２０ 機能層、２５ 第２機能層、３０ 抵抗体、３１ 抵抗パターン、３３、３４、３６ 折り返し部分、４０Ａ 電極、４１ 端子部、４２、４３、４４、４５、４６ 金属層、６０ カバー層

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】