特許 7605414 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】2024-12-16

(45)【発行日】2024-12-24

(54)【発明の名称】ひずみゲージ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20241217BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 R

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021144753

(22)【出願日】2021-09-06

(65)【公開番号】P2023037918

(43)【公開日】2023-03-16

【審査請求日】2024-01-18

(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】浅川 寿昭

(72)【発明者】

【氏名】北村 厚

(72)【発明者】

【氏名】小笠 洋介

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１６００４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１９１８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１３２７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３１１７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０７９４３６（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】

基材と、
前記基材上に形成された抵抗体と、を有し、
前記抵抗体は、複数の検知部と、前記複数の検知部のうち少なくとも１つと直列に接続された複数の接続部と、を含み、
前記接続部は、前記検知部よりも弾性率が低い材料から形成され、前記検知部に直接接するように配置され、
前記抵抗体は、前記検知部を含む並置された複数の細長状部と、隣接する前記細長状部の端部同士を接続する折り返し部分と、を含み、
前記接続部は、各々の前記細長状部に１つ以上配置されている、ひずみゲージ。

【請求項2】

前記接続部は、隣接する前記検知部の間に配置されている、請求項１に記載のひずみゲージ。

【請求項3】

前記接続部は、各々の前記細長状部において、グリッド方向の同一位置に配置されている、請求項２に記載のひずみゲージ。

【請求項4】

前記接続部は、前記折り返し部分に配置されている、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】

前記基材上に形成され、配線を介して前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極を有し、
前記接続部は、前記配線に１つ以上配置されている、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】

前記接続部の弾性率は、前記検知部の弾性率の１／２倍以下である、請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。

【請求項7】

前記接続部の幅及び厚さは、前記検知部の幅及び厚さと等しい、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】

前記検知部は、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７の何れか一項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、絶縁性樹脂上に形成されている。抵抗体は、例えば、配線を介して、電極と接続されている（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】

ひずみゲージは起歪体へ貼り付けられ、起歪体の動きに追従し伸び縮みすることで、起歪体のひずみ量を検出する。そのため、より大きなひずみ量を検出するためには、伸び縮みの過程でひずみゲージ自身が破損してはならず、より高い耐ひずみ性が求められている。

【0005】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、耐ひずみ性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、基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体は、複数の検知部と、前記複数の検知部のうち少なくとも１つと直列に接続された複数の接続部と、を含み、前記接続部は、前記検知部よりも弾性率が低い材料から形成され、前記検知部に直接接するように配置され、前記抵抗体は、前記検知部を含む並置された複数の細長状部と、隣接する前記細長状部の端部同士を接続する折り返し部分と、を含み、前記接続部は、各々の前記細長状部に１つ以上配置されている。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、耐ひずみ性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を例示する断面図（その３）である。

【図5】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断面図である。

【図7】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8】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断面図である。

【図9】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10】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〉
［ひずみゲージの構造］
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（その１）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（その２）であり、図１のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。

【0011】

図１～図３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～図３では、便宜上、カバー層６０の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層６０は、必要に応じて設ければよい。

【0012】

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。また、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。ただし、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。また、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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。また、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。

【0017】

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。抵抗体３０は、検知部３１と、検知部３１と直列に接続された接続部３２とを含む。

【0018】

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。すなわち、抵抗体３０は、並置された複数の細長状部と、隣接する細長状部の端部同士を接続する折り返し部分とを含む。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のＡ－Ａ線と垂直な方向）となる。

【0019】

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。

【0020】

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４０は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。

【0021】

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、抵抗体３０の、ひずみにより生じる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。

【0022】

電極５０は、一対の金属層５１と、各々の金属層５１の上面に積層された金属層５２とを有している。金属層５１は、配線４０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。金属層５１は、平面視において、略矩形状に形成されている。金属層５１は、配線４０と同じ幅に形成しても構わない。

【0023】

なお、検知部３１と配線４０と金属層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、検知部３１と配線４０と金属層５１とは、厚さが略同一である。

【0024】

金属層５２は、検知部３１よりも低抵抗の材料から形成されている。金属層５２の材料は、検知部３１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、検知部３１が後述のＣｒ混相膜である場合、金属層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、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。金属層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。

【0025】

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、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。あるいは、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。

【0026】

カバー層６０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。また、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。

【0027】

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。

【0028】

［抵抗体の詳細構造］
抵抗体３０において、接続部３２は、検知部３１に直接接するように配置されている。１つの接続部３２のグリッド方向の長さは、例えば、５０μｍ程度である。抵抗体３０において、ひずみの検知は、主に検知部３１により行われる。

【0029】

接続部３２は、例えば、抵抗体３０を構成する各々の細長状部に１つずつ配置することができる。また、接続部３２は、例えば、抵抗体３０を構成する各々の細長状部において、グリッド方向の同一位置に配置することができる。ここで、グリッド方向の同一位置に配置するとは、各々の細長状部に配置された接続部３２を通るように、グリッド方向に垂直な１本の直線を引ける状態を指す。

【0030】

接続部３２は、例えば、隣接する検知部３１の間に配置され、隣接する検知部３１を導通させている。各検知部３１と各接続部３２とは直列に接続され、全体として１本の抵抗体３０を形成している。なお、接続部３２は、終端３０ｅ_１及び／又は３０ｅ_２と接する部分のみに配置することも可能である。この場合には、接続部３２は、ジグザグ状の１本の検知部３１の一端及び／又は両端と配線４０とを導通させる。

【0031】

接続部３２の幅及び厚さは、検知部３１の幅及び厚さと等しいことが好ましい。これにより、隣接する検知部３１を接続部３２が確実に導通させて１本の抵抗体３０を形成し、ひずみゲージ１を正常に機能させることができる。ここでは、接続部３２の幅及び厚さが、検知部３１の幅及び厚さに対して、それぞれ±１０％以下である場合に、両者は等しいとする。

【0032】

検知部３１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、検知部３１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。

【0033】

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。

【0034】

検知部３１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、検知部３１の厚さが０．１μｍ以上であると、検知部３１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、検知部３１の厚さが１μｍ以下であると、検知部３１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。検知部３１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。

【0035】

例えば、検知部３１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、検知部３１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、対象物質が検知部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、検知部３１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。

【0036】

また、検知部３１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。

【0037】

また、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。

【0038】

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。

【0039】

接続部３２は、検知部３１よりも弾性率が低い材料から形成されている。接続部３２の弾性率は、検知部３１の弾性率の１／２倍以下であることが好ましく、１／３以下であることがより好ましく、１／４倍以下であることが特に好ましい。

【0040】

接続部３２は、検知部３１よりも導電率が高い材料から形成されていることが好ましい。接続部３２が、ひずみの検知に寄与しにくくするためである。接続部３２の材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ等が挙げられる。これらの金属は、弾性率が比較的低く、導電率が比較的高い。なお、弾性率が低い材料は、延性が高く、断線しにくい。

【0041】

例えば、検知部３１としてＣｒ混相膜を用いる場合、弾性率は４００ＧＰａ程度である。この場合、例えば、接続部３２の材料として弾性率が２００ＧＰａ程度のＰｔや１７０ＧＰａ程度のＦｅを用いることができる。また、検知部３１としてニッケルクロムを用いる場合、弾性率は２１４ＧＰａ程度である。この場合、例えば、接続部３２の材料として弾性率が８０ＧＰａ程度のＡｕや７０ＧＰａ程度のＡｌを用いることができる。

【0042】

このように、ひずみゲージ１において、抵抗体３０は、検知部３１と、検知部３１と直列に接続された接続部３２とを含む。そして、接続部３２は、検知部３１よりも弾性率が低い材料から形成され、検知部３１に直接接するように配置されている。検知部３１は弾性率が高いため、何らの対策も施さない場合、外的要因により強い力が加わると、脆性破壊を起こして亀裂等が発生する場合がある。しかし、ひずみゲージ１では、検知部３１と直列に検知部３１よりも弾性率が低い接続部３２を配置することで、外的要因により強い力が加わっても、接続部３２があたかもバネのように振舞うため、検知部３１に亀裂が生じにくくなる。すなわち、検知部３１と直列に検知部３１よりも弾性率が低い接続部３２を配置することで、ひずみ限界の向上（耐ひずみ性の向上）を実現可能となる。

【0043】

接続部３２を設けることは、厚さ０．０５μｍ以上２μｍ以下の検知部３１を用いる場合に特に有効であり、厚さ０．０５μｍ以上１μｍ以下の検知部３１を用いる場合に極めて有効である。

【0044】

［ひずみゲージの製造方法］
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）を形成する。金属層Ａは、最終的にパターニングされて検知部３１、配線４０、及び金属層５１となる層である。従って、金属層Ａの材料や厚さは、前述の検知部３１、配線４０、及び金属層５１の材料や厚さと同様である。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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（検知部３１）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。

【0048】

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。

【0049】

機能層の材料は、少なくとも上層である金属層Ａ（検知部３１）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。

【0050】

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、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

【0051】

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、機能層の膜厚は検知部の膜厚の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、検知部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。

【0052】

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、機能層の膜厚は検知部の膜厚の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、検知部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。

【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、機能層の膜厚は検知部の膜厚の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、検知部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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【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～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。

【0057】

なお、機能層の平面形状は、例えば、図１に示す検知部３１、配線４０、及び金属層５１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、検知部３１、配線４０、及び金属層５１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、検知部３１、配線４０、及び金属層５１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検知部３１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１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。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１において、ゲージ特性を向上できる。

【0066】

次に、フォトリソグラフィ法により、金属層Ａを図１の平面形状にパターニングし、検知部３１、配線４０、及び金属層５１を形成する。そして、検知部３１と直接接するように、検知部３１と直列に接続部３２を形成し、１本の抵抗体３０とする。接続部３２は、例えば、蒸着法、スパッタリング法等により形成できる。接続部３２は、ゾルゲル法、インクジェット法等の塗布技術を用いて形成してもよい。

【0067】

次に、金属層５１の上面に、金属層５２を形成する。金属層５２は、例えば、周知のセミアディティブ法により形成できる。金属層５２の材料や厚さは、前述のとおりである。

【0068】

その後、必要に応じ、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。

【0069】

なお、検知部３１、配線４０、及び金属層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４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の検知部３１、配線４０、及び金属層５１と同様となる。ただし、前述のように、機能層２０は、基材１０の上面１０ａの一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。

【0070】

〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、接続部を設ける領域が異なるひずみゲージの例を示す。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。

【0071】

図５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断面図であり、図５のＣ－Ｃ線に沿う断面を示している。図５及び図６を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、接続部３２が抵抗体３０を構成する各々の細長状部に１つずつ配置されている点は、ひずみゲージ１と同様である。しかし、ひずみゲージ１Ａは、接続部３２が抵抗体３０の折り返し部分にも配置されている点が、ひずみゲージ１と相違する。

【0072】

このように、接続部３２は、抵抗体３０を構成する各々の細長状部には限定されず、抵抗体３０の折り返し部分にも配置することができる。これにより、外的要因により強い力が加わった際にバネのように振舞う部分が増えるため、検知部３１の耐ひずみ性をさらに向上できる。

【0073】

〈第１実施形態の変形例２〉
第１実施形態の変形例２では、接続部を設ける領域が異なるひずみゲージの他の例を示す。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。

【0074】

図７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８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断面図であり、図７のＤ－Ｄ線に沿う断面を示している。図７及び図８を参照すると、ひずみゲージ１Ｂは、配線４０が配線４０Ｂに置換された点が、ひずみゲージ１と相違する。

【0075】

配線４０Ｂは、複数の導電部４１と、導電部４１と直列に接続された接続部４２とを含む。接続部４２は、導電部４１に直接接するように形成されている。接続部４２は、例えば、各々の配線４０に１つずつ配置することができる。また、接続部４２は、例えば、接続部３２とグリッド方向の同一位置に配置することができる。また、接続部４２は、抵抗体３０の終端から折り返す部分に配置してもよい。

【0076】

接続部４２は、隣接する導電部４１の間に配置され、隣接する導電部４１を導通させている。また、接続部４２は、隣接する導電部４１と検知部３１の間に配置され、隣接する導電部４１と検知部３１を導通させている。抵抗体３０と各導電部４１と各接続部４２とは直列に接続されている。

【0077】

接続部４２の幅及び厚さは、導電部４１の幅及び厚さと等しいことが好ましい。これにより、隣接する導電部４１を接続部４２が確実に導通させることができる。ここでは、接続部４２の幅及び厚さが、導電部４１の幅及び厚さに対して、それぞれ±１０％以下である場合に、両者は等しいとする。

【0078】

ひずみゲージ１Ｂにおいて、断線するのは検知部３１には限らず、検知部３１と同一材料から形成された導電部４１も断線するおそれがある。そこで、各々の配線４０Ｂに接続部４２を配置することで、接続部４２が外的要因により強い力が加わった際にバネのように振舞うため、導電部４１が断線するおそれを低減できる。

【0079】

〈第１実施形態の変形例３〉
第１実施形態の変形例３では、接続部を設ける領域が異なるひずみゲージの他の例を示す。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。

【0080】

図９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１０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断面図であり、図９のＥ－Ｅ線に沿う断面を示している。図９及び図１０を参照すると、ひずみゲージ１Ｃは、抵抗体３０における接続部３２の個数が増えた点、及び配線４０Ｂが配線４０Ｃに置換された点が、ひずみゲージ１Ｂと相違する。配線４０Ｃは、接続部４２の個数が増えた点が、配線４０Ｂと相違する。

【0081】

このように、抵抗体３０において、各々の前記細長状部に１つ以上の接続部３２を配置することができ、接続部３２の個数は任意に決定できる。また、各々の配線４０Ｃにおいて、１つ以上の接続部４２を配置することができ、接続部４２の個数は任意に決定できる。接続部３２及び４２の個数を増やすことにより、外的要因により強い力が加わった際にバネのように振舞う部分が増えるため、検知部３１及び導電部４１が断線するおそれをされに低減できる。ただし、接続部３２及び４２の個数は、ひずみゲージ１Ｃ全体の面積の増大を伴わない範囲で決定することが好ましい。

【0082】

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】

【0083】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、２０ 機能層、３０ 抵抗体、３０ｅ_１，３０ｅ_２ 終端、３１ 検知部、３２，４２ 接続部、４０，４０Ｂ，４０Ｃ 配線、４１ 導電部、５１，５２ 金属層、５０ 電極、６０ カバー層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】