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(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】2024-10-15
(45)【発行日】2024-10-23
(54)【発明の名称】脈波センサ
(51)【国際特許分類】
A61B 5/02 20060101AFI20241016BHJP
【ＦＩ】
A61B5/02 310K
A61B5/02 310P
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021146128
(22)【出願日】2021-09-08
(65)【公開番号】P2023039125
(43)【公開日】2023-03-20
【審査請求日】2024-08-20
【早期審査対象出願】
(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】永井 拓也
【審査官】亀澤 智博
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－０６３９３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５９－０８３０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１８３５１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１４６６８５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０５－３４０９５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－１７６４３０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｂ ５／０２ － ５／０３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
起歪体と、前記起歪体に設けられた、Ｃｒ混相膜を抵抗体とするひずみゲージと、を有し、
前記起歪体は、
枠部と、
前記枠部の内側を橋渡しする梁部と、
平面視で、前記枠部の内側と前記梁部の外側とを隙間なく接続する接続部と、を有し、
前記接続部は、前記枠部及び前記梁部よりも薄く、
前記梁部は、平面視で十字状に交差する第１梁及び第２梁を有し、
前記第１梁と前記第２梁の交差する領域に、前記梁部から突起する負荷部が設けられており、
前記梁部の変形に伴なう前記抵抗体の抵抗値の変化に基づいて脈波を検出する、脈波センサ。
【請求項2】
前記第１梁は、前記第２梁よりも長い、請求項１に記載の脈波センサ。
【請求項3】
前記枠部、前記梁部、及び前記接続部の厚さ方向の一方側は面一であり、前記負荷部は、前記一方側に設けられ、
前記ひずみゲージは、前記一方側の反対となる他方側に設けられている、請求項１又は２に記載の脈波センサ。
【請求項4】
前記ひずみゲージを４つ備え、４つの前記ひずみゲージのうちの２つは、前記第１梁の前記枠部に近い側に、平面視で前記負荷部を挟んで対向するように配置され、
４つの前記ひずみゲージのうちの他の２つは、前記第２梁の前記負荷部に近い側に、平面視で前記負荷部を挟んで対向するように配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の脈波センサ。
【請求項5】
前記第１梁及び前記第２梁において、交差する領域以外の幅は一定である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の脈波センサ。
【請求項6】
平面視で、前記起歪体は矩形状である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の脈波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、脈波センサに関する。
【背景技術】
【0002】
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。一例として、外力の作用により撓み可能に支持されている起歪体となる受圧板と、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、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】
【文献】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】
しかしながら、上記の脈波センサでは、受圧板の中心位置を中心として略扇型の貫通開口が放射状に配置されている。脈波センサは、被験者の肌に直接触れる部分であるため、貫通開口からゴミや水分などの異物が脈波センサ内に入り込み、電気的な短絡や、異物の挟み込みによる可撓性の阻害等の問題が生じるおそれがある。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、異物の入り込みを防止した脈波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】
本脈波センサは、起歪体と、前記起歪体に設けられた、Ｃｒ混相膜を抵抗体とするひずみゲージと、を有し、前記起歪体は、枠部と、前記枠部の内側を橋渡しする梁部と、平面視で、前記枠部の内側と前記梁部の外側とを隙間なく接続する接続部と、を有し、前記接続部は、前記枠部及び前記梁部よりも薄く、前記梁部は、平面視で十字状に交差する第１梁及び第２梁を有し、前記第１梁と前記第２梁の交差する領域に、前記梁部から突起する負荷部が設けられており、前記梁部の変形に伴なう前記抵抗体の抵抗値の変化に基づいて脈波を検出する。
【発明の効果】
【0007】
開示の技術によれば、異物の入り込みを防止した脈波センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態に係る脈波センサを例示する平面図である。
【図2】第１実施形態に係る脈波センサを例示する底面図である。
【図3】第１実施形態に係る脈波センサを例示する断面図（その１）である。
【図4】第１実施形態に係る脈波センサを例示する断面図（その２）である。
【図5】起歪体が取り付けられる筐体について説明する断面図である。
【図6】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7】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。
【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実施形態に係る脈波センサを例示する平面図である。図２は、第１実施形態に係る脈波センサを例示する底面図である。図３は、第１実施形態に係る脈波センサを例示する断面図（その１）であり、図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。図４は、第１実施形態に係る脈波センサを例示する断面図（その２）であり、図１のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。なお、ここでは、負荷部１４が突起する方向から視た図を平面図、ひずみゲージ１００が設けられた方向から視た図を底面図としている。
図１は、第１実施形態に係る脈波センサを例示する平面図である。図２は、第１実施形態に係る脈波センサを例示する底面図である。図３は、第１実施形態に係る脈波センサを例示する断面図（その１）であり、図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。図４は、第１実施形態に係る脈波センサを例示する断面図（その２）であり、図１のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。なお、ここでは、負荷部１４が突起する方向から視た図を平面図、ひずみゲージ１００が設けられた方向から視た図を底面図としている。
【0011】
図１～図４を参照すると、脈波センサ１は、起歪体１０と、ひずみゲージ１００とを有している。脈波センサ１は、外部との電気信号の入出力を行うシールドケーブルやフレキシブル基板等を有してもよい。Ｘ、Ｙ、Ｚは、直交座標系を示している。
【0012】
起歪体１０は、枠部１１と、梁部１２と、接続部１３と、負荷部１４とを有している。ただし、負荷部１４は必要に応じて設けられる。起歪体１０は、例えば平板状であり、各構成要素は、例えば一体に形成されている。起歪体１０は、例えば、平面視で２回対称の形状である。
【0013】
起歪体１０は、例えば、平面視で矩形状であるが、平面視で円形状や楕円形状等であってもよい。起歪体１０が平面視で矩形状である場合、例えば、起歪体１０は、平面視で、Ｘ方向に平行な２辺と、Ｙ方向に平行な２辺とを有する。この場合、起歪体１０の外径は、例えば、２０±２ｍｍ（Ｘ方向）×１５±２ｍｍ（Ｙ方向）とすることができる。起歪体１０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、銅、又はアルミニウム等を用いることができる。
【0014】
枠部１１は、例えば、平面視で、起歪体１０の最も外側に設けられた、矩形枠状等の領域である。枠部１１の幅Ｗ１は、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。枠部１１の幅Ｗ１は、一定であってもよいし、一定でなくてもよい。
【0015】
梁部１２は、枠部１１の内側を橋渡しするように設けられている。梁部１２は、例えば、平面視で十字状に交差する第１梁１２ａ及び第２梁１２ｂを有する。第１梁１２ａと第２梁１２ｂとが交差する領域は、両者の共通部分であり、枠部１１の中心を含む。図１～図４の例では、十字を構成する一方の梁である第１梁１２ａがＸ方向を長手方向とし、十字を構成する他方の梁である第２梁１２ｂがＹ方向を長手方向とし、両者は直交している。
【0016】
第１梁１２ａ及び第２梁１２ｂにおいて、交差する領域以外の幅Ｗ２は一定であり、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。幅Ｗ２が一定であることは必須ではないが、幅Ｗ２を一定とすることは、ひずみをリニアに検出できる点で好ましい。
【0017】
接続部１３は、平面視で、枠部１１の内側と梁部１２の外側とを隙間なく接続する４つの部分である。各々の接続部１３の平面形状は、例えば、矩形である。各々の接続部１３は、枠部１１及び梁部１２よりも薄い。枠部１１及び梁部１２の厚さｔ１は、例えば同一であり、例えば０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。接続部１３の厚さｔ２は、例えば、厚さｔ１の１／２程度とすることができる。
【0018】
負荷部１４は、梁部１２に設けることができる。負荷部１４は、例えば、梁部１２を構成する第１梁１２ａと第２梁１２ｂの交差する領域に設けられる。負荷部１４は、梁部１２の上面から突起している。梁部１２の上面を基準とする負荷部１４の突起量は、例えば、０．１ｍｍ程度である。梁部１２は可撓性を有しており、負荷部１４に負荷が加わると弾性変形する。
【0019】
ひずみゲージ１００は、起歪体１０に設けられている。ひずみゲージ１００は、例えば、梁部１２の下面側に設けることができる。梁部１２は平板状であるため、ひずみゲージを容易に貼り付けることができる。ひずみゲージ１００は、１個以上設ければよいが、本実施形態では、４つのひずみゲージ１００を設けている。４つのひずみゲージ１００を設けることで、フルブリッジにより、ひずみを検出できる。
【0020】
４つのひずみゲージ１００のうちの２つは、Ｘ方向を長手方向とする第１梁１２ａの枠部１１に近い側に、平面視で負荷部１４を挟んで対向するように配置されている。４つのひずみゲージ１００のうちの他の２つは、Ｙ方向を長手方向とする第２梁１２ｂの負荷部１４に近い側（枠部１１の中心側）に、平面視で負荷部１４を挟んで対向するように配置されている。このような配置により、圧縮力と引張力を有効に検出してフルブリッジにより大きな出力を得ることができる。
【0021】
脈波センサ１は、負荷部１４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１４に負荷が加わって梁部１２が弾性変形すると、ひずみゲージ１００の抵抗体１３０（後述）の抵抗値が変化する。脈波センサ１は、梁部１２の変形に伴なうひずみゲージ１００の抵抗体１３０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１５０（後述）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。
【0022】
負荷部１４は設けなくても脈波の検出は可能であるが、梁部１２から被験者側に突起する負荷部１４を設けることで、脈波を検出する際のＳ／Ｎ比が改善され、脈波の検出精度を向上できる。
【0023】
第１梁１２ａの長さＬ１と第２梁１２ｂの長さＬ２は、同じであっても良いが、第１梁１２ａは第２梁１２ｂよりも長い方が好ましい。例えば、起歪体１０が平面視で矩形状であって、起歪体１０の外径が２０ｍｍ（Ｘ方向）×１５ｍｍ（Ｙ方向）である場合、例えば、第１梁１２ａの長さＬ１＝１８ｍｍ、第２梁１２ｂの長さＬ２＝１３ｍｍとすることができる。
【0024】
長さの長い第１梁１２ａが橈骨動脈に沿うように、脈波センサ１を被験者の腕に固定することで、橈骨動脈に沿う成分を大きな信号レベルで取得できるため、Ｓ／Ｎ比が改善され、脈波の検出精度を向上できる。また、長さの長い第１梁１２ａが橈骨動脈に沿うように、脈波センサ１を被験者の腕に固定することで、脈波の低周波線分を効率よく取得できる点で好適である。
【0025】
なお、第１梁１２ａを第２梁１２ｂよりも長くする場合、起歪体１０を平面視で楕円形状とすることも可能である。また、起歪体１０を平面視で円形状とし、枠部１１の幅を部分的に変えることで、第１梁１２ａを第２梁１２ｂよりも長くすることも可能である。しかし、起歪体１０を平面視で矩形状とすることは、起歪体１０を平面視で円形状や楕円形状とするよりも、製造が容易である点で好ましい。
【0026】
起歪体１０は、例えば、図５に示すように、筐体２０の一方側に取り付けてもよい。筐体２０は、起歪体１０を保持する部分である。筐体２０は例えば枡状であって、下面側が塞がれ上面側が開口されている。筐体２０の上面側の開口を塞ぐように、例えば矩形状の起歪体１０が接着剤等により固定されている。
【0027】
筐体２０は、例えば、金属や樹脂等から形成できる。ただし、熱膨張の影響によるひずみ検出の精度低下を防止するために、起歪体１０と筐体２０は熱膨張係数が同じ材料から形成することが好ましい。起歪体１０及び筐体２０の材料としては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）を用いることができる。
【0028】
なお、図１～図４の例では、枠部１１、梁部１２、及び接続部１３の厚さ方向の一方側（図３の上側）は面一であり、負荷部１４は一方側に設けられ、ひずみゲージは、一方側の反対となる他方側（図３の下側）に設けられている。この場合には、枠部１１、梁部１２、及び接続部１３の面一である側が、被験者に接する側となる。
【0029】
ただし、負荷部１４が他方側（図３の上側）に設けられ、ひずみゲージが一方側（図３の上側）に設けられてもよい。この場合には、枠部１１、梁部１２、及び接続部１３の面一でない側が、被験者に接する側となる。枠部１１、梁部１２、及び接続部１３の面一である側が被験者に接する側となる構造（図３の例）の方が、被験者に不快感を与えるおそれが少ない点で好適である。
【0030】
このように、脈波センサ１では、起歪体１０が平面視で枠部１１の内側と梁部１２の外側とを隙間なく接続する接続部１３を有するため、従来のように、脈波センサの内部に異物が入り込む開口（隙間）がない。そのため、脈波センサ１の内部にゴミや水分などの異物が入り込み、電気的な短絡や、異物の挟み込みによる可撓性の阻害等の問題が生じるおそれを防止できる。
【0031】
また、接続部１３は、枠部１１及び梁部１２よりも薄く形成されているため、梁部１２の変形を大きく阻害することがない。そのため、脈波センサ１は、梁部１２の変形に伴なう抵抗体１３０の抵抗値の変化に基づいて高感度で脈波を検出できる。
【0032】
また、脈波センサ１は、抵抗体１３０として後述のＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージ１００を有することで、梁部１２の変形に伴なう抵抗体１３０の抵抗値の変化に基づいて特に高感度で脈波を検出できる。
【0033】
［ひずみゲージ１００］
図６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７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６のＣ－Ｃ線に沿う断面を示している。図６及び図７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。なお、図６では、便宜上、カバー層１６０の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層１６０は、必要に応じて設ければよい。
図６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７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６のＣ－Ｃ線に沿う断面を示している。図６及び図７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。なお、図６では、便宜上、カバー層１６０の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層１６０は、必要に応じて設ければよい。
【0034】
なお、図６及び図７におけるひずみゲージ１００の説明では、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又は一方の側、抵抗体１３０が設けられていない側を下側又は他方の側とする。また、各部位の抵抗体１３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体１３０が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。ただし、ひずみゲージ１００は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。例えば、図５では、ひずみゲージ１００は、図７とは上下が反転した状態で梁部１２に貼り付けられる。つまり、図７の基材１１０が接着剤等で梁部１２の下面に貼り付けられる。また、平面視とは対象物を基材１１０の上面１１０ａ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１１０の上面１１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
【0035】
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り、可撓性を有する。基材１１０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１１０の厚さが５μｍ～２００μｍであると、接着層等を介して基材１１０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。
【0036】
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。
【0037】
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１１０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１１０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。
【0038】
基材１１０の樹脂以外の材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ２Ｎ３、Ａｌ２Ｏ３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３）等の結晶性材料が挙げられ、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。また、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。この場合、金属製の基材１１０上に、例えば、絶縁膜が形成される。
【0039】
抵抗体１３０は、基材１１０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６では、便宜上、抵抗体１３０を濃い梨地模様で示している。
【0040】
抵抗体１３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図６のＣ－Ｃ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６ではＣ－Ｃ線と垂直な方向）となる。
【0041】
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１３０ｅ１及び１３０ｅ２を形成する。抵抗体１３０のグリッド幅方向の各々の終端１３０ｅ１及び１３０ｅ２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１３０ｅ１及び１３０ｅ２と各々の電極１５０とを電気的に接続している。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
抵抗体１３０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１３０の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体１３０を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましい。また、抵抗体１３０の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体１３０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１１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。抵抗体１３０の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ断線対策も考慮して、例えば、１０μｍ～１００μｍ程度とすることができる。
【0045】
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できる。また、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、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０重量％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１３０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。
【0046】
また、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Ｃｒ２Ｎ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Ｃｒ２Ｎ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。
【0047】
また、ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合は８０重量％以上９０重量％未満であることが好ましく、９０重量％以上９５重量％未満であることが更に好ましい。ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合が９０重量％以上９５重量％未満であることで、半導体的な性質を有するＣｒ２Ｎ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。
【0048】
一方で、膜中に微量のＮ２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。
【0049】
配線１４０は、基材１１０上に形成され、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、第１金属層１４１と、第１金属層１４１の上面に積層された第２金属層１４２とを有している。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６では、便宜上、配線１４０及び電極１５０を抵抗体１３０よりも薄い梨地模様で示している。
【0050】
電極１５０は、基材１１０上に形成され、配線１４０を介して抵抗体１３０と電気的に接続されており、例えば、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り、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。
【0051】
電極１５０は、一対の第１金属層１５１と、各々の第１金属層１５１の上面に積層された第２金属層１５２とを有している。第１金属層１５１は、配線１４０の第１金属層１４１を介して抵抗体１３０の終端１３０ｅ１及び１３０ｅ２と電気的に接続されている。第１金属層１５１は、平面視において、略矩形状に形成されている。第１金属層１５１は、配線１４０と同じ幅に形成しても構わない。
【0052】
なお、抵抗体１３０と第１金属層１４１と第１金属層１５１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。従って、抵抗体１３０と第１金属層１４１と第１金属層１５１とは、厚さが略同一である。また、第２金属層１４２と第２金属層１５２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。従って、第２金属層１４２と第２金属層１５２とは、厚さが略同一である。
【0053】
第２金属層１４２及び１５２は、抵抗体１３０（第１金属層１４１及び１５１）よりも低抵抗の材料から形成されている。第２金属層１４２及び１５２の材料は、抵抗体１３０よりも低抵抗の材料であれば、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１３０がＣｒ混相膜である場合、第２金属層１４２及び１５２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、あるいは、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。第２金属層１４２及び１５２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、３μｍ～５μｍ程度とすることができる。
【0054】
第２金属層１４２及び１５２は、第１金属層１４１及び１５１の上面の一部に形成されてもよいし、第１金属層１４１及び１５１の上面の全体に形成されてもよい。第２金属層１５２の上面に、更に他の１層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第２金属層１５２を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。あるいは、第２金属層１５２を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極１５０の最上層を金層とすることで、電極１５０のはんだ濡れ性を向上できる。
【0055】
このように、配線１４０は、抵抗体１３０と同一材料からなる第１金属層１４１上に第２金属層１４２が積層された構造である。そのため、配線１４０は抵抗体１３０よりも抵抗が低くなるため、配線１４０が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体１３０によるひずみ検出精度を向上できる。
【0056】
言い換えれば、抵抗体１３０よりも低抵抗な配線１４０を設けることで、ひずみゲージ１００の実質的な受感部を抵抗体１３０が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体１３０によるひずみ検出精度を向上できる。
【0057】
特に、抵抗体１３０としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージにおいて、配線１４０を抵抗体１３０よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体１３０が形成された局所領域に制限することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。また、配線１４０を抵抗体１３０よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。
【0058】
カバー層１６０は、基材１１０上に形成され、抵抗体１３０及び配線１４０を被覆し電極１５０を露出する。配線１４０の一部は、カバー層１６０から露出してもよい。抵抗体１３０及び配線１４０を被覆するカバー層１６０を設けることで、抵抗体１３０及び配線１４０に機械的な損傷等が生じることを防止できる。また、カバー層１６０を設けることで、抵抗体１３０及び配線１４０を湿気等から保護できる。なお、カバー層１６０は、電極１５０を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
【0059】
カバー層１６０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。
【0060】
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、第１金属層１４１、及び第１金属層１５１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、第１金属層１４１、及び第１金属層１５１の材料や厚さと同様である。
【0061】
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。
【0062】
ゲージ特性を安定化する観点から、金属層Ａを成膜する前に、下地層として、基材１１０の上面１１０ａに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。
【0063】
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に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能や、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。
【0064】
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ため、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Ａの酸化を防止する機能を備えることは有効である。
【0065】
機能層の材料は、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。
【0066】
上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。また、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。
【0067】
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／２０以下であることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。
【0068】
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／５０以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。
【0069】
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／１００以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。
【0070】
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～１μｍとすることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。
【0071】
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．８μｍとすることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。
【0072】
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．５μｍとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。
【0073】
なお、機能層の平面形状は、例えば、図６に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。あるいは、機能層は、基材１１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
【0074】
また、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを５０ｎｍ以上１μｍ以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材１１０側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ１００において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
【0075】
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１１０の上面１１０ａ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。
【0076】
ただし、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１１０の上面１１０ａ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。
【0077】
機能層の材料と金属層Ａ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、金属層Ａ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。
【0078】
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、金属層Ａを成膜できる。あるいは、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、金属層Ａ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Ｃｒ２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合を調整できる。
【0079】
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。また、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。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。
【0080】
なお、金属層ＡがＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、金属層Ａの結晶成長を促進する機能、基材１１０に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能、及び基材１１０と金属層Ａ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。
【0081】
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を向上できる。また、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、ゲージ特性を向上できる。
【0082】
次に、金属層Ａの上面に、第２金属層１４２及び第２金属層１５２を形成する。第２金属層１４２及び第２金属層１５２は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。
【0083】
具体的には、まず、金属層Ａの上面を覆うように、例えば、スパッタ法や無電解めっき法等により、シード層を形成する。次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して第２金属層１４２及び第２金属層１５２を形成する領域を露出する開口部を形成する。このとき、レジストの開口部の形状を調整することで、第２金属層１４２のパターンを任意の形状とすることができる。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。
【0084】
次に、例えば、シード層を給電経路とする電解めっき法により、開口部内に露出するシード層上に第２金属層１４２及び第２金属層１５２を形成する。電解めっき法は、タクトが高く、かつ、第２金属層１４２及び第２金属層１５２として低応力の電解めっき層を形成できる点で好適である。膜厚の厚い電解めっき層を低応力とすることで、ひずみゲージ１００に反りが生じることを防止できる。なお、第２金属層１４２及び第２金属層１５２は無電解めっき法により形成してもよい。
【0085】
次に、レジストを除去する。レジストは、例えば、レジストの材料を溶解可能な溶液に浸漬することで除去できる。
【0086】
次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して、図６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。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層Ａ及びシード層を除去し、図６の平面形状の抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０を形成する。
【0087】
例えば、ウェットエッチングにより、金属層Ａ及びシード層の不要な部分を除去できる。金属層Ａの下層に機能層が形成されている場合には、エッチングによって機能層は抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０と同様に図６に示す平面形状にパターニングされる。なお、この時点では、抵抗体１３０、第１金属層１４１、及び第１金属層１５１上にシード層が形成されている。
【0088】
次に、第２金属層１４２及び第２金属層１５２をエッチングマスクとし、第２金属層１４２及び第２金属層１５２から露出する不要なシード層を除去することで、第２金属層１４２及び第２金属層１５２が形成される。なお、第２金属層１４２及び第２金属層１５２の直下のシード層は残存する。例えば、シード層がエッチングされ、機能層、抵抗体１３０、配線１４０、及び電極１５０がエッチングされないエッチング液を用いたウェットエッチングにより、不要なシード層を除去できる。
【0089】
その後、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を露出するカバー層１６０を設けることで、ひずみゲージ１００が完成する。カバー層１６０は、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、加熱して硬化させて作製できる。カバー層１６０は、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。
【0090】
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】
【0091】
１ 脈波センサ、１０ 起歪体、１１ 枠部、１２ 梁部、１２ａ 第１梁、１２ｂ 第２梁、１３ 接続部、１４ 負荷部、２０ 筐体、１００ ひずみゲージ、１１０ 基材、１１０ａ 上面、１３０ 抵抗体、１３０ｅ１、１３０ｅ２ 終端、１４０ 配線、１５０ 電極、１６０ カバー層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】