JP2019066312A - ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、反りを低減する。
【解決手段】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、を有し、前記基材の膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ひずみゲージに関する。

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、絶縁樹脂からなる基材上に形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−７４９３４号公報

しかしながら、機械的強度の高いセラミックス等からなる基材を用いる場合とは異なり、可撓性を有する基材を用いる場合には、ひずみゲージに生じる反りが問題となる。ひずみゲージに反りが生じると、抵抗体にクラックが生じてゲージ特性が悪化したり、ひずみゲージとして機能しなくなったりするおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、反りを低減することを目的とする。

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、を有し、前記基材の膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内である。

開示の技術によれば、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、反りを低減することができる。

第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図である。 基材の膨張係数と抵抗体の内部応力との関係を示す図である。

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。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の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の実施の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を参照するに、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、端子部４１とを有している。

なお、本実施の形態では、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することができる。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。

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。

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することができる。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。

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。

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を梨地模様で示している。

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することができる。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することができる。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、Ｎｉ−Ｃｕ（ニッケル銅）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。

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。

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。

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することができる。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質量％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い。なお、α−Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

なお、抵抗体３０の内部応力をゼロ近傍として基材１０の反りを低減する観点から、基材１０の膨張係数は７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋとすることが好ましい。基材１０の膨張係数は、例えば、基材１０の材料の選定、基材１０に含有されるフィラーの材料の選定及び含有量の調整等を行うことにより、調整することができる。

端子部４１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。端子部４１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、端子部４１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４１に接続されている。端子部４１の上面を、端子部４１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３０と端子部４１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することができる。

抵抗体３０を被覆し端子部４１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を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０は、端子部４１を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

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。

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に図１に示す平面形状の抵抗体３０及び端子部４１を形成する。抵抗体３０及び端子部４１の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体３０と端子部４１とは、同一材料により一体に形成することができる。

抵抗体３０及び端子部４１は、例えば、抵抗体３０及び端子部４１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し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗体３０及び端子部４１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。

ゲージ特性を安定化する観点から、抵抗体３０及び端子部４１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膜厚が１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の機能層を真空成膜することが好ましい。なお、機能層は、機能層の上面全体に抵抗体３０及び端子部４１を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗体３０及び端子部４１と共に図１に示す平面形状にパターニングされる。

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。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。

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を含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗体３０の酸化を防止する機能を備えることは有効である。

機能層の材料は、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。

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。

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することができる。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。

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。

機能層の材料と抵抗体３０及び端子部４１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、抵抗体３０及び端子部４１としてα−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜することが可能である。

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３０及び端子部４１を成膜することができる。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。

なお、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、抵抗体３０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抵抗体３０の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗体３０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。

このように、抵抗体３０の下層に機能層を設けることにより、抵抗体３０の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体３０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することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗体３０に拡散することにより、ひずみゲージ１において、ゲージ特性を向上することができる。

抵抗体３０及び端子部４１を形成後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１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を被覆し端子部４１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することができる。カバー層６０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１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。

［実施例１］
実施例１では、膨張係数の異なる厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる複数の基材１０を準備し、抵抗体３０としてＣｒ混相膜を成膜した場合の、基材１０の膨張係数と抵抗体３０の内部応力との関係について調べ、図３に示す結果を得た。

抵抗体３０の内部応力は、評価サンプルの反りを測定し式（１）に示すストーニーの式により見積もった。なお、式（１）からわかるように、図３に示す抵抗体３０の内部応力は、単位厚さ当たりの値であり、抵抗体３０の厚さには依存しない。

なお、式（１）において、Ｅ：ヤング率、ν：ポアソン比、Ｄ：基材１０の厚さ、ｔ：抵抗体３０の厚さ、Ｒ：基材１０の曲率半径の変化、である。

図３より、基材１０の膨張係数を７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内とすることで、抵抗体３０の内部応力を±０．４ＧＰａの範囲内に収めることができる。ここで、±０．４ＧＰａは、ひずみゲージ１が機能する限界の反りを生じる値であり、発明者らが実験的に求めたものである。

言い換えれば、基材１０の膨張係数を７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲外とすると、抵抗体３０の内部応力が±０．４ＧＰａの範囲を超えてひずみゲージ１の反りが大きくなり、ひずみゲージとして機能しなくなる。従って、基材１０の膨張係数を７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内とする必要がある。なお、基材１０の材料は、必ずしもポリイミド樹脂である必要はない。

基材１０の材料の選定、基材１０に含有されるフィラーの材料の選定及び含有量の調整等を行うことにより、基材１０の膨張係数を７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内とすることができる。

このように、基材１０の膨張係数を７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内とすることにより、基材１０と抵抗体３０との膨張率の違いや、その他の要因を吸収し、抵抗体３０の内部応力を±０．４ＧＰａの範囲に収めることができる。その結果、ひずみゲージ１の反りが低減され、良好なゲージ特性を維持した状態で、ひずみゲージ１を安定的に機能させることができる。

［実施例２］
実施例２では、膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内とされた基材１０を用いて複数のひずみゲージ１を作製した。

まず、厚さ２５μｍのポリイミド樹脂からなる基材１０の上面１０ａに、コンベンショナルスパッタ法により機能層として膜厚が３ｎｍのＴｉを真空成膜した。

続いて、機能層の上面全体にマグネトロンスパッタ法により抵抗体３０及び端子部４１としてＣｒ混相膜を成膜後、機能層並びに抵抗体３０及び端子部４１をフォトリソグラフィによって図１のようにパターニングした。

次に、実施例２の各サンプルのゲージ特性を測定した。その結果、実施例２の各サンプルのゲージ率は１４〜１６であった。又、実施例２の各サンプルのゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲが−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内であった。

このように、膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内とされた基材１０を用いることで、反りが低減され、良好なゲージ特性を有するひずみゲージ１を作製できることが確認された。又、機能層が存在しても、ひずみゲージ１の反りの悪化にはつながらないことが確認された。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の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、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、３０ 抵抗体、４１ 端子部、６０ カバー層

Claims (8)

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、を有し、
   前記基材の膨張係数が７ｐｐｍ／Ｋ〜２０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であるひずみゲージ。
2. 前記抵抗体は、アルファクロムを主成分とする請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 前記抵抗体は、アルファクロムを８０重量％以上含む請求項２に記載のひずみゲージ。
4. 前記抵抗体は、窒化クロムを含む請求項２又は３に記載のひずみゲージ。
5. 前記基材は、ポリイミド樹脂から形成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
6. 前記基材の一方の面に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層を有し、
   前記抵抗体は、前記機能層の一方の面に形成されている請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
7. 前記機能層は、前記抵抗体の結晶成長を促進する機能を有する請求項６に記載のひずみゲージ。
8. 前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層を有する請求項１乃至７の何れか一項に記載のひずみゲージ。

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