(57)【要約】【課題】初期の段階で抵抗体の抵抗値のばらつきを極力抑え、最終の調整段階で容易に調整することができる歪みゲージを提供する。【解決手段】ホイートストンブリッジ回路を構成してホイートストンブリッジ回路の各辺に歪みを感知するための折り返しパターンを有する金属から成る抵抗体３を複数個備え、ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち向い合う２辺に配置された一対の各抵抗体３は実体的には対向して併設され、ホイートストンブリッジ回路の各辺で直列配置された各抵抗体３は実体的には回転対称に配置される歪みゲージ１である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホイートストンブリッジ回路を構成して前記ホイートストンブリッジ回路の各辺に歪みを感知するための折り返しパターンを有する金属から成る抵抗体を複数個備え、
前記ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち向い合う２辺に配置された一対の前記各抵抗体は実体的には対向して併設され、
前記ホイートストンブリッジ回路の前記各辺で直列配置された前記各抵抗体は実体的には回転対称に配置されることを特徴とする歪みゲージ。
【請求項２】
前記各抵抗体の前記折り返しパターンはエッチングもしくはスパッタで形成されることを特徴とする請求項１に記載の歪みゲージ。
【請求項３】
前記各抵抗体を繋ぐ配線部が、前記各抵抗体よりも十分電気的に低抵抗な金属で構成されていることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の歪みゲージ。
【請求項４】
前記配線部が、金もしくは銅からなり、スパッタもしくはメッキで形成されることを特徴とする請求項３に記載の歪みゲージ。
【請求項５】
前記各抵抗体の前記折り返しパターンが交互に挟み込むように設けられ、前記折り返しパターンの歪を感知する部分のそれぞれの長さが、歪の感知方向にて、略同じであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の歪みゲージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重測定を行うロードセルや制御機器に使用される圧力センサなど、歪みの検出を行う歪みゲージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の歪みゲージにおける抵抗体のパターンを示す平面図である。
歪みゲージ１は、例えば、絶縁ベース２上に金属箔を積層し、その金属抵抗箔をエッチング、若しくは絶縁ベース２上にスパッタ法にて金属層を形成するなどの方法で、所定のパターンすなわち折り返しパターン、電極端子パターン、およびこれらを接続する配線パターン等を形成し、歪みゲージを製作するのが一般的である。
【０００３】
抵抗体として金属箔を用いる場合は、エッチング工程により金属箔から不必要な部分を除去し、歪みを感知する折り返しパターンや、配線パターン、および外部との接続用端子部など電気的導通部分を絶縁ベース上に残すことになる。
【０００４】
これらのパターンの形成はフォトリソによって行なわれるのが一般的である。すなわち予め所定のパターンを拡大したものをスクリーンに描き、このスクリーンのパターンをマスク上に投射等の手段で原寸サイズにて作り、歪みゲージ焼き付けの原寸フォトマスクとする。
【０００５】
フォトレジストで絶縁ベース上に積層された金属箔を覆い、原寸フォトマスクを介してフォトレジストをＵＶ照射によって露光し、さらに現像液により現像を行い、フォトレジストを所定のパターンに対応した形状に形成する。そしてパターニングされたフォトレジストをマスクとして金属箔のエッチングを行うことで、金属箔の所定の折り返しパターン等が形成される。その後、フォトレジストはフォトレジスト用の剥離液により剥離除去される。
【０００６】
実際の製造においては、歪みゲージを多数製造するため、複数の歪みゲージのパターンが一括で露光できるように、マスクに複数の所定パターンを作っている。
【０００７】
この方法で歪みゲージを作る場合には、歪みゲージのパターンをスクリーンに描画し、さらに、写真技術を用い、多面焼き等を行い、マスク化する必要がある。次いで、このマスクを用い密着露光を行い、金属箔上のフォトレジストを感光させていた。
【０００８】
このように写真技術等の光学的手法を行なうため、像の歪み、ボケ、現像時の薬品の不確定要素により、所望するパターンとの誤差は生じてしまう。さらに光学的手法を何度か繰り返すことにより、その誤差は増加することになる。
【０００９】
さらにフォトレジストをマスクとして金属箔をエッチングするため、エッチング液の濃度、温度、時間などの誤差により、パターンの太さ、エッジの形状などにバラつきが生じ、歪みゲージとしての抵抗値にバラつきが生じる結果となっていた。
【００１０】
一方スパッタによって抵抗体を形成するにしても、フォトレジストを用いてパターニングするため、フォトレジストの露光条件、現像されリフトオフされるフォトレジストの断面形状のばらつき、スパッタの放電およびターゲットの条件等により、同様に歪みゲージとしての抵抗値にバラつきが生じる結果となっていた。
【００１１】
かかる工程により作成された歪みゲージは、被測定物もしくは起歪体に接着されて、所定のホイートストンブリッジ回路に接続されて使用されるが、上記抵抗値のバラつきによりそのままの使用で平衡状態をつくりだすことは困難であった。
【００１２】
従って平衡状態になる様に抵抗値の補正をするためには、歪みゲージが接続されるホイートストンブリッジ回路内に、適した補正抵抗を挿入して補正が行われる。例としては、長期にわたって安定で、その抵抗率の温度係数は極めて小さいマンガニン線などを、所望の増分抵抗値分切り出し、補正抵抗としてホイートストンブリッジ回路内に挿入していた。
【００１３】
しかしながら、この手法で抵抗値の補正を行うと、ホイートストンブリッジ回路内に補正抵抗を設置する場所や挿入を行う手段も必要となり、大型化ばかりでなく構造的な制約、工程の増加が発生していた。
また、マンガニン線は歪みを検知しないため、歪みゲージとしての感度特性や温度特性を安定させることができないという課題が生じていた。
【００１４】
そのため、抵抗調整パターン５を形成して、これをレーザトリミングで櫛歯状にカットして迂回路を設けて抵抗値を増加させることが行われていた。
しかしながら、所望の抵抗値に設定するカットのパターンを決定するに当たって、試行錯誤が行われ、経験に頼るものとなっていた。またレーザ加工機のレーザ素子の経年劣化による出力変動、光学系の汚れによる加工量の減少など、加工のばらつきによる誤差も生じるため、最終的に調整不能となって破棄となる場合も生じてしまっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００１−１０８５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１によれば、上記課題に対して、抵抗調整用のショートパターンを別途設けて、レーザトリミング等によりこれを選択的に除去して、所望の抵抗値を得る方法が記載されている。しかしながらこの方法では、根本的にホイートストンブリッジ回路で対となる抵抗値の補正前の初期値を、所望の値に狙う手法ではないため、抵抗調整用のショートパターンで調整が不能であれば、別途設けた抵抗調整領域に対してレーザトリミングを行って試行錯誤により所望の抵抗値になるように調整し、それでも所望の値に入らなければ前述のようにマンガニン線をホイートストンブリッジ回路に挿入することになる。
【００１７】
従って抵抗調整用のショートパターンである程度の調整が比較的容易になったとは言え、根本的な対策ではないため、結局この抵抗調整のためレーザ加工および調整部材の取り付け工数における試行錯誤の発生が課題となっていた。
【００１８】
本発明は上記のような点に鑑みなされたもので、初期の製作段階で抵抗値のばらつきを非常に小さくする手法により、この抵抗体に接続されるホイートストンブリッジ回路の構成に対して、容易な手法により初期の段階から高い抵抗値精度を実現できる歪みゲージを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の歪みゲージは、
ホイートストンブリッジ回路を構成してホイートストンブリッジ回路の各辺に歪みを感知するための折り返しパターンを有する金属から成る抵抗体を複数個備え、
ホイートストンブリッジ回路の４辺のうち向い合う２辺に配置された一対の各抵抗体は実体的には対向して併設され、
ホイートストンブリッジ回路の各辺で直列配置された各抵抗体は実体的には回転対称に配置されている。
【００２０】
各抵抗体の折り返しパターンはエッチングもしくはスパッタで形成されることが望ましい。
【００２１】
各抵抗体を繋ぐ配線部が、各抵抗体よりも十分電気的に低抵抗な金属で構成されていることが望ましい。
【００２２】
配線部が、金もしくは銅からなり、スパッタもしくはメッキで形成されることが望ましい。
【００２３】
各抵抗体の折り返しパターンが交互に挟み込むように設けられ、折り返しパターンの歪を感知する部分のそれぞれの長さが、歪の感知方向にて、略同じであることが望ましい。
【００２４】
この構成により、歪みゲージの抵抗体の抵抗値のばらつきを大きく低減でき、抵抗値の調整に要する時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す歪みゲージにおける抵抗体のパターンを示す平面図
【図２】本発明の実施形態を示す歪みゲージにおけるホイートストンブリッジの等価回路図
【図３】本発明の実施形態を示す歪みゲージにおける実体配線模式図
【図４】本発明の第２の実施形態を歪みゲージにおける抵抗体パターンを示す平面図
【図５】従来の歪みゲージにおける抵抗体パターンを示す平面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態による歪みゲージについて説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１の実施形態を示す歪みゲージにおける抵抗体のパターンを示す平面図である。
【００２８】
図１において、１は本発明の歪みゲージであり、２は絶縁ベースである。
絶縁ベース２は本実施例ではポリイミドフィルムで、例えば厚みが２５μｍのものを用いている。
【００２９】
歪みゲージにおける抵抗体３はこの絶縁ベース２上に設けられ、抵抗体３となる金属箔を積層することで形成される。この金属箔は絶縁ベース２と接着剤を介して接着される。本実施例では金属箔は厚み２．５μｍで、銅５５％、ニッケル４５％の合金を用いている。接着はポリイミド系の接着剤を塗布し、加圧および熱硬化により接着が行われる。この状態では抵抗体３となる金属箔が絶縁ベース２の上面略全域を覆っているため、次いで所定の抵抗体パターンの作成を行うことになる。
【００３０】
予め所定の抵抗体パターンを拡大したものをスクリーンに描き、このスクリーンのパターンをフォトマスク上に投射させて、原寸サイズのフォトマスクを作っておく。
【００３１】
絶縁ベース２上に貼られた金属箔表面に、フォトレジスト（液レジ）をスピンコート塗布、ディップコーター塗布、もしくはドライフィルム等の積層貼付けにより形成する。その後プリベークにより、フォトレジスト中に残っている溶媒を蒸発させてフォトレジスト膜を緻密にした後、原寸サイズのフォトマスクを介してＵＶ光線により露光を行う。次いで現像液に浸して現像し、不要な部分を除去する。
【００３２】
このフォトレジストが除去されて金属箔表面が露出した部分をエッチング除去して、所定の抵抗体パターンを形成する。その前処理としてフォトレジストをポストベーク（熱処理）して残存する現像液やリンス液，水分を除去するとともに，
フォトレジスト膜の密着性およびエッチング耐性を向上させた後、エッチング液に投入して、露出した金属箔部分を除去する。
【００３３】
エッチングされずに残った抵抗体３表面にはフォトレジストが残存しているため、フォトレジスト剥離剤でこれを除去する。これで、所望のパターンを有する抵抗体３ａ〜３ｄが得られる。
【００３４】
一方、絶縁ベース２上にスパッタにて抵抗体３を形成することも可能である。エッチング方法と比較すると、フォトレジストはネガポジ反転した構成であり、所望のパターンを形成しない箇所をマスクとして形成する。すなわち絶縁ベース２上にフォトレジスト（液レジ）をスピンコート塗布、ディップコーター塗布より形成し、次いでプリベークを行い、さらに原寸サイズのフォトマスクを介してＵＶ光線により露光を行う。その後現像液に浸して現像し、不要な部分を除去する。
【００３５】
次いで、スパッタにより金属をこのフォトレジスト側に積層し、所望のパターンを形成する。この時フォトレジストにも金属は積層されているが、リフトオフレジスト形状になっているため、フォトレジスト剥離材にて容易に剥離が可能であり、所望の抵抗体３ａ〜３ｄが得られる。
【００３６】
さらに、この抵抗体３ａ〜３ｄの上面に保護層として、カバーフィルムを貼る。カバーフィルムはポリイミドフィルムで厚みが１２．５μｍのものを用いている。なお抵抗体３ａ〜３ｄを用いてホイートストンブリッジ回路を構成するため、接続用の電極４を設ける必要がある。よって予めこのカバーフィルムには所定の開口孔をレーザ加工もしくはプレス抜き加工等によって形成しておき、これを貼りわせることになる。この貼り合わせは前述のポリイミド系の接着剤を塗布し、加圧および熱硬化により接着が行われる。
【００３７】
もちろんこの電極４のための開口部の形成に際しては、スピンコート塗布によってフォトレジストの保護層を形成して露光および現像によって所望する部分を取り除き、電極４を露出させる方法などを用いても構わない。
【００３８】
いずれにしても、電極４は抵抗体３ａ〜３ｄと電気的に繋がって、金属が表面に露出しており、ここを接続部として、ホイートストンブリッジ回路を構成するようになっている。
【００３９】
また抵抗調整パターン５は、抵抗体３ａ〜３ｄがホイートストンブリッジ回路を成して構成した際に、ここをレーザにより抵抗調整パターン５の一部を除去して、抵抗値を変化させ、ホイートストンブリッジ回路の抵抗値バランスを微調整するために設けてある。
【００４０】
配線部７は各抵抗体３同士を繋ぐ、もしくは抵抗体３と電極４を繋ぐ配線である。この詳細については後述する。
【００４１】
図２は、本発明の実施形態を示す歪みゲージにおけるホイートストンブリッジ回路図である。
【００４２】
図２では、各ホイートストンブリッジ回路内の１辺の抵抗を複数に分割して表現している。
すなわち、回路図で
電極４ａ−電極４ｆ間は抵抗体３ａ（Ｒ１１）と抵抗体３ａ（Ｒ１２）、
電極４ｂ−電極４ｆ間は抵抗体３ｂ（Ｒ２１）と抵抗体３ｂ（Ｒ２２）、
電極４ｃ−電極４ｅ間は抵抗体３ｃ（Ｒ３１）と抵抗体３ｃ（Ｒ３２）、
電極４ｃ−電極４ｄ間は抵抗体３ｄ（Ｒ４１）と抵抗体３ｄ（Ｒ４２）と分割して表している。
【００４３】
電源６は電極４ｃ−電極４ｆ間に印加しており、歪み検知の出力としては電極４ａ（電極４ｅ）と電極４ｂ（電極４ｄ）の端子電圧として得ることができる。
なお電極４ａと電極４ｅ、電極４ｂと電極４ｄはそれぞれ電気的接続がなされ出力端子として設けられている。
【００４４】
図３は、本発明の実施形態を示す歪みゲージにおける実体配線模式図である。
図２の回路図を図１の平面図と照らし合わせて抵抗体３および電極４の実体配線の状態を示したものである。
【００４５】
図２で示すホイートストンブリッジ回路の抵抗体３ａ（Ｒ１１）とこれに対向する抵抗体３ｄ（Ｒ４１）が、図３の実体配線図では対向、併設されている。これを図１の平面図で見ると、抵抗体３ａ（Ｒ１１）と抵抗体３ｄ（Ｒ４１）はどちらも折り返しパターンで形成され、対向して併設され各々挟み込む形を成している。この対となる組み合わせは、図２において対向する辺毎に二点鎖線にて囲まれて表現されている。
【００４６】
すなわち、抵抗体３ｃ（Ｒ３１）と抵抗体３ｂ（Ｒ２１）、抵抗体３ｃ（Ｒ３２）と抵抗体３ｂ（Ｒ２２）、抵抗体３ａ（Ｒ１２）と抵抗体３ｄ（Ｒ４２）も同様に、いずれも折り返しパターンで形成され、対向して併設され各々挟み込む形を成している。
【００４７】
ゆえに、対向して併設され各々挟み込む形を成しているもの同士、例えば抵抗体３ａ（Ｒ１１）と抵抗体３ｄ（Ｒ４１）は非常に近い位置であり、各々の抵抗体は略同じ加工プロセス条件、すなわちフォトリソやエッチングあるいはスパッタの加工条件にて製作されることになる。歪みゲージ１が比較的大きなサイズ、例えば外形の直径が約６ｍｍの場合では抵抗体３の配置の影響が顕著な差となり、抵抗体３ａ（Ｒ１１）、抵抗体３ａ（Ｒ１２）、抵抗体３ｂ（Ｒ２１）、抵抗体３ｂ（Ｒ２２）、抵抗体３ｃ（Ｒ３１）、抵抗体３ｃ（Ｒ３２）、抵抗体３ｄ（Ｒ４１）、抵抗体３ｄ（Ｒ４２）各々の抵抗値がばらつくため、本発明は極めて有効なものとなる。
【００４８】
図４は、本発明の第２の実施形態を歪みゲージにおける抵抗体パターンを示す平面図である。電極４や抵抗調整パターン５の配置は第１の実施例と同様であるが、抵抗体３ａ〜３ｄにおいて歪みを感知する部分のいわゆるグリッド長を揃えたものである。
【００４９】
すなわち、抵抗体３ａ（Ｒ１１）と抵抗体３ａ（Ｒ４１）における歪みに対して感度が高い部分の長さグリッド長ｘを、略同じ寸法となるように形成している。
これは抵抗体３ｂ（Ｒ２１）と抵抗体３ｂ（Ｒ２２）、抵抗体３ｃ（Ｒ３１）と抵抗体３ｃ（Ｒ３２）、抵抗体３ｄ（Ｒ４１）と抵抗体３ｄ（Ｒ４２）においても同様に構成されている。
【００５０】
この歪みに対して感度が高い部分の長さすなわちグリッド長ｘを、同じ寸法となるように形成することで、歪みに対しての感度がホイートストンブリッジ回路内の対向する辺で同等になるため、極めて精度の高い歪みゲージ１が実現できることになる。
【００５１】
さて、このように抵抗体３を分割して併設することで、抵抗体３の配置位置によってはこれらの抵抗体３間を繋ぐ配線が長くなる場合が生じる。図１および図４の実施例においては、抵抗体３、電極部４、抵抗調整パターン５および配線部７を回転対称にて配置しているため、抵抗値の誤差は生じにくいようにはなっている。もちろんこれらの配線部７の配線幅を太くして抵抗値を下げることで解決出来る場合はあるものの、所望の抵抗値を得ることが難しい場合も生ずることは想像に難くない。
【００５２】
本発明では、図１および図４の網掛けで示した配線部７を金もしくは銅などの電気抵抗が小さい金属にて構成することで、各抵抗体３同士を繋ぐ、もしくは抵抗体３と電極４を繋ぐ配線の抵抗値を小さくすることができる。この場合、抵抗体３の金属上にこの金もしくは銅を形成しても良いし、金もしくは銅のバイパスとしての単独配線でも構わない。製作においては、前述のフォトリソ方法を用いて不要な部分をマスクしおき、スパッタやメッキなどで金もしくは銅の層を形成することで実現が容易である。
【００５３】
さらにこの配線部７を金もしくは銅などの低電気抵抗の金属にて構成することで、電極４から引き出す配線のハンダ付けも容易になるという効果も有する。
【００５４】
特に配線部７を金で形成することで、電極部４の露出表面の酸化を抑制して長期の保存使用に耐えられるようできる。またここでは図示しないが、その配膳長を長くしても歪みゲージの特性に影響しないため配線部７の延長部分を別途さらに設け、電極４の露出表面部を矩形にして一列に並べて配置し、ＦＰＣコネクタに嵌合するパターンにして形成することも可能である。この歪みゲージ１の絶縁ベース２はポリイミドを使用しており、またコネクタと接触する接続部は金メッキ処理がなされるため、一般的に入手可能なＦＰＣコネクタに適合することができる。この場合電極４へのハンダ付け等が存在しないため、組み立てを容易にすることが可能である。
【００５５】
本発明の実施例では、ホイートストンブリッジ回路内の４辺の抵抗体を各々２分割して総計８個の抵抗体を有する歪みゲージにて説明したが、ホイートストンブリッジ回路内の対向する２辺の抵抗体を各々２分割して総計４個の抵抗体の場合、その他の分割においても有効である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の活用例として、力および荷重を測るロードセル、圧力を測る圧力センサなど物理量（荷重・圧力・変位・加速度・トルク等）の計測に用いられる変換器の受感素子への適用が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１  歪みゲージ
２  絶縁ベース
３、３ａ〜３ｄ  抵抗体
４ａ〜４ｆ  電極
５  抵抗調整パターン
６  電源
７  配線部
【図１】
2018021939.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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