JP2023138686A - センサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】センサモジュールのコスト上昇を抑制する。【解決手段】本ひずみゲージは、可撓性を有する基材、及び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を備えたひずみゲージと、前記ひずみゲージにひずみを伝達する起歪体と、を有し、前記ひずみゲージは、前記抵抗体を前記起歪体側に向けて前記起歪体に接着されている。【選択図】図２

Description

本発明は、センサモジュールに関する。

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、保護フィルムにより被覆されている（例えば、特許文献１参照）。

このひずみゲージは、例えば、基材側を接着層を介して起歪体に接着されてセンサモジュールとして用いることができる。

特開２０１６－７４９３４号公報

しかしながら、上記のひずみゲージでは、抵抗体を湿気等から保護するために保護フィルムを設けているため、基材に抵抗体を成膜する工程に加え、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が必要になる。そのため、上記のひずみゲージをセンサモジュールに用いると、センサモジュール全体としてのコストが上昇するという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、センサモジュールのコスト上昇を抑制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、及び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を備えたひずみゲージと、前記ひずみゲージにひずみを伝達する起歪体と、を有し、前記ひずみゲージは、前記抵抗体を前記起歪体側に向けて前記起歪体に接着されている。

開示の技術によれば、センサモジュールのコスト上昇を抑制することができる。

第１の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する平面図である。 第１の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する断面図である。

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センサモジュール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センサモジュール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、センサモジュール５は、ひずみゲージ１と、起歪体１１０と、接着層１２０とを有している。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、センサモジュール５において、基材１０側を上側又は一方の側、起歪体１１０側を下側又は他方の側とする。又、各部位の基材１０側の面を一方の面又は上面、起歪体１１０側の面を他方の面又は下面とする。但し、センサモジュール５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。

ひずみゲージ１において、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は、上面１０ａ及び下面１０ｂを備えている。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１２０を介して基材１０の下面１０ｂに接合される起歪体１１０の表面からのひずみの伝達性、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の下面１０ｂ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の下面１０ｂに直接形成されてもよいし、基材１０の下面１０ｂ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。

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る。

例えば、各々の端子部４１の側面の一部がひずみゲージ１の外部に露出しており、露出する部分に外部接続用のリード線等が接合される。但し、各々の端子部４１の一部がひずみゲージ１の外部に露出していれば、露出する部分は各々の端子部４１の側面でなくてもよい。例えば、基材１０に貫通孔や切り欠きを設け、各々の端子部４１の上面の一部又は全部を露出させてもよい。

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の上面や側面を、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。

センサモジュール５において、基材１０の下面１０ｂ側は、接着層１２０を介して、起歪体１１０の上面１１０ａと接着されている。すなわち、ひずみゲージ１は、抵抗体３０を起歪体１１０側に向けて起歪体１１０に接着されている。

起歪体１１０は、例えば、Ｆｅ、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、Ａｌ等の金属やＰＥＥＫ等の樹脂から形成され、印加される力に応じて変形し、生じたひずみをひずみゲージ１に伝達する物体である。ひずみゲージ１は、起歪体１１０に生じるひずみを抵抗体３０の抵抗値変化として検出することができる。

接着層１２０は、ひずみゲージ１と起歪体１１０とに挟持されており、抵抗体３０を被覆している。接着層１２０は、ひずみゲージ１と起歪体１１０とを接着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、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、変性ウレタン樹脂等を用いることができる。又、ボンディングシート等の材料を用いても良い。但し、起歪体１１０が導電体である場合には、接着層１２０として絶縁性の材料を選択する必要がある。接着層１２０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、０．１μｍ～５０μｍ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の下面１０ｂ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の下面１０ｂ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、機能層の下面全体に抵抗体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の下面１０ｂ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の下面１０ｂ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。

センサモジュール５を製造するには、ひずみゲージ１を作製後、基材１０の下面１０ｂ及び／又は起歪体１１０の上面１１０ａに、例えば、接着層１２０となる上記の何れかの材料を塗布する。そして、基材１０の下面１０ｂを起歪体１１０の上面１１０ａと対向させ、塗布した材料を挟んで起歪体１１０上にひずみゲージ１を配置する。又は、ボンディングシートを起歪体１１０と基材１０との間に挟み込むようにしても良い。

次に、ひずみゲージ１を起歪体１１０側に押圧しながら所定温度に加熱し、塗布等した材料を硬化させて接着層１２０を形成する。これにより、接着層１２０を介して起歪体１１０の上面１１０ａと基材１０の下面１０ｂとが接着され、センサモジュール５が完成する。センサモジュール５は、例えば、荷重、圧力、トルク、加速度等の測定に適用することができる。

このように、センサモジュール５では、ひずみゲージ１は、抵抗体３０を起歪体１１０側に向けて起歪体１１０に接着されている。言い換えれば、抵抗体３０の上面側は基材１０により被覆されている。抵抗体３０の上面側を基材１０により被覆することで、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、抵抗体３０の上面側を基材１０により被覆することで、抵抗体３０を湿気等から保護することができる。

ところで、前述のように、従来のセンサモジュールは、基材上に抵抗体及び保護フィルムが形成されたひずみゲージを作製し、ひずみゲージの基材側を接着層を介して起歪体に接着した構造である。この場合、基材に抵抗体を成膜する工程に加え、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が必要になるため、ひずみゲージを用いたセンサモジュールのコストが上昇するという問題があった。

これに対して、センサモジュール５では、ひずみゲージ１は、抵抗体３０を起歪体１１０側に向けて起歪体１１０に接着されており、抵抗体３０の上面側は基材１０により被覆されている。すなわち、センサモジュール５では、基材１０が従来のセンサモジュールにおける保護フィルムの役割を兼ねているため、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が不要になり、製造に必要な時間が短縮される。これにより、センサモジュール５のコスト上昇を抑制することができる。

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、５ センサモジュール、１０ 基材、１０ａ 上面、１０ｂ 下面、３０ 抵抗体、４１ 端子部、１１０ 起歪体、１１０ａ 上面、１２０ 接着層

Claims (1)

1. 可撓性を有する基材、及び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を備えたひずみゲージと、
   前記ひずみゲージにひずみを伝達する起歪体と、を有し、
   前記ひずみゲージは、前記抵抗体を前記起歪体側に向けて前記起歪体に接着されているセンサモジュール。

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