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公開番号2021110703
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210802
出願番号2020004564
出願日20200115
発明の名称ひずみゲージ
出願人ミネベアミツミ株式会社
代理人個人,個人
主分類G01B 7/16 20060101AFI20210705BHJP(測定;試験)
要約【課題】渦巻き状の抵抗体を備え、かつ抵抗値の微調整が可能なひずみゲージを提供する。
【解決手段】本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材の一方の側に形成された抵抗体と、前記抵抗体の両端に電気的に接続された一対の端子部と、一対の前記端子部の間の抵抗値を調整する複数の抵抗値調整用配線と、を有し、前記抵抗体の平面形状は、折り返し部から所定間隔で同一方向に延伸する2本の直線状の抵抗配線を、前記折り返し部を中心側として渦巻き状にした形状であり、各々の前記抵抗値調整用配線は、2本の前記抵抗配線の間を橋渡しするように離散的に配置されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
可撓性を有する基材と、
前記基材の一方の側に形成された抵抗体と、
前記抵抗体の両端に電気的に接続された一対の端子部と、
一対の前記端子部の間の抵抗値を調整する複数の抵抗値調整用配線と、を有し、
前記抵抗体の平面形状は、折り返し部から所定間隔で同一方向に延伸する2本の直線状の抵抗配線を、前記折り返し部を中心側として渦巻き状にした形状であり、
各々の前記抵抗値調整用配線は、2本の前記抵抗配線の間を橋渡しするように離散的に配置されているひずみゲージ。
続きを表示(約 790 文字)【請求項2】
複数の前記抵抗値調整用配線は、2本の前記抵抗配線の間を橋渡しする方向が異なる抵抗値調整用配線を含む請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項3】
全ての前記抵抗値調整用配線は、平面視で抵抗体形成領域の重心を中心とした円を描いたときに、円の面積が前記抵抗体形成領域の面積の30%以内となる領域に配置されている請求項1又は2に記載のひずみゲージ。
【請求項4】
各々の前記抵抗値調整用配線は、前記抵抗体及び一対の前記端子部と同一材料から形成された第1層と、
前記第1層上に積層された、前記抵抗体よりもゲージ率が低い材料から形成された第2層と、を含む請求項1乃至3の何れか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項5】
複数の前記抵抗値調整用配線は、切断された抵抗値調整用配線を含む請求項1乃至4の何れか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項6】
前記抵抗体は、α−Crを主成分とするCr、CrN、及びCr

Nを含む膜から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。
【請求項7】
前記抵抗体に含まれるCrN及びCr

Nは、20重量%以下である請求項6に記載のひずみゲージ。
【請求項8】
前記CrN及び前記Cr

N中の前記Cr

Nの割合は、80重量%以上90重量%未満である請求項7に記載のひずみゲージ。
【請求項9】
前記抵抗体の前記基材側に、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、
前記機能層は、前記α−Crの結晶成長を促進させ、前記α−Crを主成分とする膜を形成する機能を有する請求項6乃至8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。
続きを表示(約 5,400 文字)【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。抵抗体が渦巻き状にパターニングされたひずみゲージもある(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
米国特許明細書第9612170号
【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、抵抗体が渦巻き状にパターニングされたひずみゲージでは、抵抗値の微調整が困難であった。
【0005】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、渦巻き状の抵抗体を備え、かつ抵抗値の微調整が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、前記基材の一方の側に形成された抵抗体と、前記抵抗体の両端に電気的に接続された一対の端子部と、一対の前記端子部の間の抵抗値を調整する複数の抵抗値調整用配線と、を有し、前記抵抗体の平面形状は、折り返し部から所定間隔で同一方向に延伸する2本の直線状の抵抗配線を、前記折り返し部を中心側として渦巻き状にした形状であり、各々の前記抵抗値調整用配線は、2本の前記抵抗配線の間を橋渡しするように離散的に配置されている。
【発明の効果】
【0007】
開示の技術によれば、渦巻き状の抵抗体を備え、かつ抵抗値の微調整が可能なひずみゲージを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
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1の中央部側を拡大した部分拡大平面図である。
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。
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。
抵抗値調整用配線を切断する例を示す図(その1)である。
抵抗値調整用配線を切断する例を示す図(その2)である。
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拡大平面図である。
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。
渦巻き状の抵抗体を仮想的に直線状に伸ばした図である。
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。
【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、図1の中央部側を拡大した部分拡大平面図である。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2のA−A線に沿う断面を示している。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、端子部41及び42と、抵抗値調整用配線50とを有している。
【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、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

、ZrO

(YSZも含む)、Si、Si



、Al



(サファイヤも含む)、ZnO、ペロブスカイト系セラミックス(CaTiO

、BaTiO

)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。
【0017】
抵抗体30は、平面視において、渦巻き状にパターニングされている。抵抗体30は、端子部41と端子部42とを接続する1本の連続するパターンであるが、ここでは、便宜上、端子部41からパターンが折り返す折り返し部35までを第1抵抗配線31、折り返し部35から端子部42までを第2抵抗配線32と称する。なお、図1及び図2では、便宜上、第1抵抗配線31、第2抵抗配線32、及び折り返し部35を互いに異なる梨地模様で示している。
【0018】
抵抗体30において、第1抵抗配線31は、端子部41から延伸して時計回りに外周側から中心側に渦巻き状にパターニングされ、折り返し部35に至る。第2抵抗配線32は、折り返し部35から延伸して反時計回りに中心側から外周側に渦巻き状にパターニングされ、端子部42に至る。
【0019】
第1抵抗配線31と第2抵抗配線32は、原則として交互に配置される。すなわち、折り返し部35近傍の一部分を除き、第1抵抗配線31の隣は必ず第2抵抗配線32であり、第1抵抗配線31の隣は必ず第2抵抗配線32である。折り返し部35近傍の一部分を除き、第1抵抗配線31同士、又は第2抵抗配線32同士が隣接することはない。
【0020】
抵抗体30の材料としては、例えば、Cu−Ni(銅ニッケル)、Ni−Cr(ニッケルクロム)、コンスタンタン、Cr混相膜等を用いることができる。
【0021】
ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、Cr

N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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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

N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

N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。
【0025】
又、CrN及びCr

N中のCr

N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

N中のCr

N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

N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、脆性破壊の低減が成される。
【0026】
一方で、膜中に微量のN

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。
【0027】
端子部41及び42は、抵抗体30の両端に電気的に接続された一対の端子部である。端子部41は、抵抗体30の一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42は、抵抗体30の他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及び42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。端子部41及び42の上面を、端子部41及び42よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。
【0028】
抵抗値調整用配線50は、端子部41と端子部42との間の抵抗値を調整するために設けられた配線である。抵抗値調整用配線50は、隣接する第1抵抗配線31と第2抵抗配線32とを短絡するように複数個設けられている。本実施形態では、一例として、11個の抵抗値調整用配線50が設けられているが、抵抗値調整用配線50の個数は必要な抵抗調整範囲を考慮して任意に設定できる。なお、図2では、便宜上、11個の抵抗値調整用配線50に、折り返し部35に近い側から1〜11の数値を記載している。
【0029】
11個の抵抗値調整用配線50は、第1抵抗配線31と第2抵抗配線32との間を橋渡しする方向が異なる抵抗値調整用配線を含む。例えば、図1の基材10の平面形状が長方形であるとすると、図1の基材10の横方向に延びる辺と平行な方向に第1抵抗配線31と第2抵抗配線32との間を橋渡しする抵抗値調整用配線50(No.1、2、4〜6、9〜11)と、垂直な方向に橋渡しする抵抗値調整用配線50(3、7、8)とを含む。
【0030】
従来の櫛状のひずみゲージでは抵抗値調整用配線は一方向のみに形成されるが、ひずみゲージ1では抵抗体30が等方的なパターンであるため、抵抗値調整用配線50も等方的に配置できる。このような配置としても、ひずみゲージ1の検出精度には影響しない。
(【0031】以降は省略されています)

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