特許 7577908 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】2024-10-28

(45)【発行日】2024-11-06

(54)【発明の名称】ひずみゲージ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20241029BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020185686

(22)【出願日】2020-11-06

(65)【公開番号】P2022075113

(43)【公開日】2022-05-18

【審査請求日】2023-10-12

(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】小笠 洋介

(72)【発明者】

【氏名】小野 彩

(72)【発明者】

【氏名】相澤 祐汰

(72)【発明者】

【氏名】石原 育

【審査官】三笠 雄司

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－０４７９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３８０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０９０７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０７４４２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ７／００－ ７／３４

Ｇ０１Ｌ １／００－ １／２６

２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

可撓性を有する基材と、
前記基材上に形成された抵抗体と、
前記基材上に形成され、前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、
前記抵抗体は、上面から前記基材の方向に窪む複数の凹部を備え、
前記凹部は、１つの底面と、前記底面と接続する４つの内側面と、を備えている、ひずみゲージ。

【請求項2】

前記抵抗体の上面の法線方向から視て、前記凹部は、前記抵抗体の上面に規則的に配列されている、請求項１に記載のひずみゲージ。

【請求項3】

前記抵抗体の上面の粗度は、前記抵抗体の側面の粗度よりも大きい、請求項１又は２に記載のひずみゲージ。

【請求項4】

前記凹部が形成されていない場合の前記抵抗体の上面の面積を１とした場合、前記凹部を形成した場合の前記凹部の表面積を含む前記抵抗体の上面の面積は、１．５以上である、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】

前記基材は、上面から下面の方向に窪む複数の第２凹部を備え、
前記抵抗体は、前記第２凹部に沿って形成され、
前記凹部は、前記抵抗体の上面の法線方向から視て、前記第２凹部内に配置されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項6】

前記絶縁樹脂層は、前記第２凹部を被覆する領域を有している、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、ＣｒＮ、及びＣｒ_２Ｎを含む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】

ゲージ率が１０以上である請求項７に記載のひずみゲージ。

【請求項9】

前記抵抗体に含まれるＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎは、２０重量％以下である請求項７又は８に記載のひずみゲージ。

【請求項10】

前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ_２Ｎ中の前記Ｃｒ_２Ｎの割合は、８０重量％以上９０重量％未満である請求項９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、抵抗体は、例えば、基材上に形成されている。又、ひずみゲージは、基材上に、例えば、抵抗体を被覆する絶縁樹脂層を備えている（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２０１６－７４９３４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、抵抗体の幅が狭くなると、抵抗体と絶縁樹脂層との接触面積の確保が困難となり、抵抗体と絶縁樹脂層との界面が剥離するおそれが生じる。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、抵抗体と絶縁樹脂層との密着力を向上可能な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、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、前記抵抗体は、上面から前記基材の方向に窪む複数の凹部を備え、前記凹部は、１つの底面と、前記底面と接続する４つの内側面と、を備えている。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、抵抗体と絶縁樹脂層との密着力を向上可能な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（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】第１実施形態に係るひずみゲージの抵抗体を例示する部分斜視図である。

【図5】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３）である。

【図6】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部分断面図である。

【図7】基材の凹部と抵抗体の凹部の位置関係を例示する部分平面図である。

【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であり、図１のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。図４は、第１実施形態に係るひずみゲージの抵抗体を例示する部分斜視図である。図１～図４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。なお、図１では、便宜上、カバー層６０の外縁のみを破線で示している。

【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、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。

【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】

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、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。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）、チタン等の金属を用いてもよい。この場合、金属製の基材１０上に、例えば、絶縁膜が形成される。

【0016】

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を濃い梨地模様で示している。

【0017】

抵抗体３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図１のＡ－Ａ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１ではＡ－Ａ線に垂直な方向）となる。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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い。また、抵抗体３０の厚さが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。抵抗体３０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、５μｍ～１００μｍ程度とすることができる。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

又、ＣｒＮ及びＣｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎ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Ｃｒ_２Ｎ中のＣｒ_２Ｎ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。

【0025】

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。

【0026】

配線４０は、基材１０上に形成され、抵抗体３０及び電極５０と電気的に接続されている。配線４０は、第１金属層４１と、第１金属層４１の上面に積層された第２金属層４２とを有している。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。又、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及び電極５０を抵抗体３０よりも薄い梨地模様で示している。

【0027】

電極５０は、基材１０上に形成され、配線４０を介して抵抗体３０と電気的に接続されており、例えば、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り、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。

【0028】

電極５０は、一対の第１金属層５１と、各々の第１金属層５１の上面に積層された第２金属層５２とを有している。第１金属層５１は、配線４０の第１金属層４１を介して抵抗体３０の終端３０ｅ_１及び３０ｅ_２と電気的に接続されている。第１金属層５１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５１は、配線４０と同じ幅に形成しても構わない。

【0029】

なお、抵抗体３０と第１金属層４１と第１金属層５１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３０と第１金属層４１と第１金属層５１とは、厚さが略同一である。又、第２金属層４２と第２金属層５２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４２と第２金属層５２とは、厚さが略同一である。

【0030】

第２金属層４２及び５２は、抵抗体３０（第１金属層４１及び５１）よりも低抵抗の材料から形成されている。第２金属層４２及び５２の材料は、抵抗体３０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３０がＣｒ混相膜である場合、第２金属層４２及び５２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。第２金属層４２及び５２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。

【0031】

第２金属層４２及び５２は、第１金属層４１及び５１の上面の一部に形成されてもよいし、第１金属層４１及び５１の上面の全体に形成されてもよい。第２金属層５２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５２を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。或いは、第２金属層５２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５０の最上層を金層とすることで、電極５０のはんだ濡れ性を向上できる。

【0032】

このように、配線４０は、抵抗体３０と同一材料からなる第１金属層４１上に第２金属層４２が積層された構造である。そのため、配線４０は抵抗体３０よりも抵抗が低くなるため、配線４０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３０によるひずみ検出精度を向上できる。

【0033】

言い換えれば、抵抗体３０よりも低抵抗な配線４０を設けることで、ひずみゲージ１の実質的な受感部を抵抗体３０が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体３０によるひずみ検出精度を向上できる。

【0034】

特に、抵抗体３０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４０を抵抗体３０よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体３０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。又、配線４０を抵抗体３０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。

【0035】

ただし、配線４０や電極５０は、要求仕様によっては、第１金属層４１及び５１のみから形成してもかまわない。つまり、第２金属層４２及び５２は、必要な場合に形成すればよい。

【0036】

カバー層６０（絶縁樹脂層）は、基材１０上に形成され、抵抗体３０及び配線４０を被覆し電極５０を露出する。配線４０の一部は、カバー層６０から露出してもよい。抵抗体３０及び配線４０を被覆するカバー層６０を設けることで、抵抗体３０及び配線４０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及び配線４０を湿気等から保護できる。なお、カバー層６０は、電極５０を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

【0037】

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。

【0038】

抵抗体３０は、上面から基材１０の方向に窪む複数の凹部３０ｘを備えている。したがって、抵抗体３０の上面の粗度は、抵抗体３０の側面の粗度よりも大きい。抵抗体３０の上面に開口する凹部３０ｘを設けることで、凹部３０ｘの表面積を含む抵抗体３０の上面の面積を増やすことができる。これにより、抵抗体３０とカバー層６０との接触面積が増えてアンカー効果が生じ、抵抗体３０とカバー層６０との密着力を向上できる。

【0039】

凹部３０ｘは、少なくとも抵抗体３０の上面に形成されているが、さらに第１金属層４１及び５１の上面に形成されてもかまわない。第１金属層４１及び５１の上面に凹部３０ｘが形成された場合には、第１金属層４１及び５１と、上層である第２金属層４２及び５２との密着力を向上できる。

【0040】

なお、従来のひずみゲージでは、抵抗体の太さが比較的太かったため、抵抗体とカバー層との密着力が問題となることは少なかった。しかし、近年、抵抗体の細線化が進んでおり、抵抗体とカバー層との接触面積の確保が困難となっている。特に、抵抗体の幅が２０μｍ以下となるような場合には、抵抗体とカバー層との密着力が低下し、抵抗体とカバー層との界面が剥離するおそれがあった。抵抗体の幅が１０μｍ以下となるような場合には、抵抗体とカバー層との密着力が更に低下し、抵抗体とカバー層との界面が剥離するおそれが顕著となる。

【0041】

ひずみゲージ１では、抵抗体３０の上面に凹部３０ｘを設け、抵抗体３０とカバー層６０との密着力を向上しているため、抵抗体３０とカバー層６０との剥離を抑制できる。抵抗体３０の上面に凹部３０ｘを設けることは、抵抗体３０の幅が２０μｍ以下である場合に有効であり、抵抗体３０の幅が１０μｍ以下である場合に特に有効である。

【0042】

抵抗体３０とカバー層６０との密着力を向上するためには、抵抗体３０の上面の面積をできるだけ大きくする必要があるため、抵抗体３０の上面に多数の微細な凹部３０ｘを設けることが好ましい。凹部３０ｘが形成されていない場合の抵抗体３０の上面の面積を１とした場合、凹部３０ｘを形成した場合の凹部３０ｘの表面積を含む抵抗体３０の上面の面積は、１．５以上であることが好ましく、２以上であることがより好ましい。このような表面積であれば、抵抗体３０とカバー層６０との密着力を十分に向上できる。

【0043】

凹部３０ｘは、円柱状、楕円柱状、四角柱状等の任意の形状とすることができるが、表面積を大きくする観点から、四角柱状とすることが好ましい。すなわち、凹部３０ｘは、１つの底面と、この底面と接続する４つの内側面とを備えていることが好ましい。凹部３０ｘの幅は抵抗体３０の幅の１／２以下とすることが好ましく、抵抗体３０の深さは抵抗体３０の厚さの１／２以下とすることが好ましい。このようにすれば、抵抗体３０の断線を防止できる。

【0044】

抵抗体３０の上面の法線方向から視て、凹部３０ｘは、抵抗体３０の上面に所定のパターンで規則的に配列されている。ここでいう『規則的に配列されている』とは、同じパターンが繰り返し表れるように意図的に配列したものを指す。本実施形態では、複数の凹部３０ｘが行列状に配列されているが、これには限定されず、例えば、千鳥状等に配列されてもよいし、規則的であれば、その他の任意の配列であってもよい。

【0045】

凹部３０ｘを規則的に配列することで、抵抗体３０の上面全体において、カバー層６０との間に、ほぼ均一な密着力が得られる。抵抗体３０の場所により密着力にばらつきがあると、ひずみを受けて抵抗体３０が伸縮するときに、場所により抵抗体３０の伸縮が異なり、正しいひずみ出力が得られない場合がある。これに対し、抵抗体３０の上面全体においてカバー層６０との密着力が略均一であると、精度の良いひずみ出力が得られる。

【0046】

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、第１金属層４１、及び第１金属層５１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、第１金属層４１、及び第１金属層５１の材料や厚さと同様である。

【0047】

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。

【0048】

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所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。

【0049】

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に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能や、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。

【0050】

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。

【0051】

機能層の材料は、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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

なお、機能層の平面形状は、例えば、図１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。或いは、機能層は、基材１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。

【0060】

又、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１０側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ１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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。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、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。

【0065】

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。

【0066】

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１０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１０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。

【0067】

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１において、ゲージ特性の安定性を向上できる。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、ゲージ特性を向上できる。

【0068】

次に、金属層Ａの必要な部分に複数の凹部３０ｘを形成する。凹部３０ｘは、少なくとも金属層Ａの抵抗体３０となる領域に形成するが、さらに第１金属層４１及び５１となる領域に形成してもかまわない。凹部３０ｘは、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。金属層Ａをエッチングする際のマスクの形状により、凹部３０ｘを任意の形状とすることができる。

【0069】

次に、金属層Ａの上面に、第２金属層４２及び第２金属層５２を形成する。第２金属層４２及び第２金属層５２は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。

【0070】

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４２及び第２金属層５２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４２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。

【0071】

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４２及び第２金属層５２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４２及び第２金属層５２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１に反りが生じることを防止できる。なお、第２金属層４２及び第２金属層５２は無電解めっき法により形成してもよい。

【0072】

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。

【0073】

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。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１の平面形状の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成する。

【0074】

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３０、配線４０、及び電極５０と同様に図１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３０、第１金属層４１、及び第１金属層５１上にシード層が形成されている。

【0075】

次に、第２金属層４２及び第２金属層５２をエッチングマスクとし、第２金属層４２及び第２金属層５２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４２及び第２金属層５２が形成される。なお、第２金属層４２及び第２金属層５２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３０、配線４０、及び電極５０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。

【0076】

その後、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、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及び配線４０を被覆し電極５０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。

【0077】

なお、抵抗体３０、第１金属層４１、及び第１金属層５１の下地層として基材１０の上面１０ａに機能層を設けた場合には、ひずみゲージ１は図５に示す断面形状となる。符号２０で示す層が機能層である。機能層２０を設けた場合のひずみゲージ１の平面形状は、例えば、図１と同様となる。但し、前述のように、機能層２０は、基材１０の上面の一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。

【0078】

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、基材の上面に凹部を形成する例を示す。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。

【0079】

図６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部分断面図であり、図２のＣ部近傍に対応する断面を示している。図７は、基材の凹部と抵抗体の凹部の位置関係を例示する部分平面図である。

【0080】

図６及び図７を参照すると、ひずみゲージ１Ａにおいて、基材１０は、上面から下面の方向に窪む複数の凹部１０ｘを備えている。そして、抵抗体３０は、凹部１０ｘに沿って形成されているため、抵抗体３０にも凹部３０ｙが形成される。すなわち、凹部３０ｙは、抵抗体３０の上面の法線方向から視て、凹部１０ｘ内に配置されている。凹部３０ｙの大きさや配列、密度等は、凹部３０ｘと同様とすることができる。カバー層６０は、凹部３０ｙを直接被覆する領域を有し、さらに凹部１０ｘを直接被覆する領域を有している。

【0081】

凹部１０ｘは、例えば、金型を用いたプレス加工により、基材１０の上面１０ａに形成できる。凹部１０ｘは、基材１０の上面１０ａをエッチングすることで形成してもよい。凹部３０ｙは、凹部１０ｘが形成された基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０となる材料を蒸着やスパッタリングすることで形成できる。

【0082】

ひずみゲージ１Ａにおいて、抵抗体３０の上面に開口する凹部３０ｙを設けることで、凹部３０ｙの表面積を含む抵抗体３０の上面の面積を増やすことができる。これにより、第１実施形態と同様に、抵抗体３０とカバー層６０との接触面積が増えてアンカー効果が生じ、抵抗体３０とカバー層６０との密着力を向上できる。

【0083】

また、ひずみゲージ１Ａでは、抵抗体３０が形成されていない領域にも凹部１０ｘが形成されている。そのため、基材１０とカバー層６０との接触面積が増えてアンカー効果が生じ、基材１０とカバー層６０との密着力を向上できる。

【0084】

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。

【0085】

例えば、本発明は、基材上に抵抗体が複数個形成されたひずみゲージにも適用可能である。本発明は、例えば、基材上に形成された２つの抵抗体によりハーフブリッジ回路を構成するひずみゲージにも適用可能である。あるいは、本発明は、例えば、基材上に形成された４つの抵抗体によりフルブリッジ回路を構成するひずみゲージにも適用可能である。

【符号の説明】

【0086】

１、１Ａ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、１０ｘ、３０ｘ、３０ｙ 凹部、２０ 機能層、３０ 抵抗体、３０ｅ_１、３０ｅ_２ 終端、４０ 配線、５０ 電極、４１、５１ 第１金属層、４２、５２ 第２金属層、６０ カバー層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】