(57)【要約】【課題】抵抗体の抵抗値調整の際の歪み検知の感度低下を抑制することができる歪みゲージおよび歪みゲージの抵抗値調整方法を提供する。【解決手段】抵抗体は、歪みを検出する折り返しパターンと、レーザトリミングによる抵抗調整を行う抵抗調整用パターンを有している。抵抗調整用パターンは折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向に調整代を有し、レーザトリミングによる切り込み量と抵抗値増分が２次以上の多項式で近似できる関係にある。粗調整用および微調整用の少なくとも２種類以上の抵抗調整用パターンが設けられてあって、所望の抵抗値増分となるように、適切な抵抗調整用パターンを選択し、所定の距離にてレーザトリミングを行い、抵抗調整を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ベースと、この絶縁ベース上にパターン化した抵抗体とを具備した歪みゲージであって、
前記抵抗体は、歪みを検出する折り返しパターンと、レーザトリミングによって抵抗調整を行うための抵抗調整用パターンを有し、
前記抵抗調整用パターンは、前記折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向に調整代を有することを特徴とする歪みゲージ。
【請求項２】
請求項１に記載の歪みゲージにおいて、
前記折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向が、前記折り返しパターン内の折り返し両端間を繋ぐ狭幅の配線方向と一致していることを特徴とする歪みゲージ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の歪みゲージにおいて、
前記抵抗調整用パターンが、レーザトリミングによる前記抵抗調整用パターンへの切り込み量と切り込みによる抵抗値増分の関係を２次以上の多項式で近似できる形状を有しており、粗調整用および微調整用の少なくとも２種類以上で構成されていることを特徴とする歪みゲージ。
【請求項４】
絶縁ベースと、この絶縁ベース上にパターン化した抵抗体とを具備した歪みゲージであって、
前記抵抗体は、歪みを検出する折り返しパターンと、レーザトリミングによって抵抗調整を行うための抵抗調整用パターンを有し、
前記抵抗調整用パターンが、前記折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向に走査するレーザトリミングによって抵抗調整されたことを特徴とする歪みゲージ。
【請求項５】
請求項１に記載の歪みゲージの、抵抗調整方法であって、
前記抵抗調整用パターン外の領域を始点として、前記折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向に走査して、所定の距離にて前記抵抗調整用パターンをレーザトリミングすることを特徴とした歪みゲージの抵抗値調整方法
【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回転トルク計測機器に使用されている歪みゲージおよび歪みゲージの抵抗値調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歪みゲージは、例えば、絶縁ベース上に金属箔を積層しエッチング、若しくは絶縁ベース上にスパッタ法にて金属層を形成するなどの方法で、歪みに感度を有する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グラフィ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】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、工程の増加が課題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２３４３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
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歪みに感度を有する往復パターンの抵抗体とは離れた別の領域に設けて、レーザトリミング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。
【００１５】
しかしながら、抵抗調整用の調整パターンの部分が歪みの感度に関係せずに配置されているため、抵抗体全体の抵抗値を増加させると歪みの感度の低下を招いていた。
【００１６】
また一方で図４に示すような歪みゲージが公知であって、抵抗微調整用パターン５ｃを設けてあるものの、抵抗体全体の抵抗値を調整するレーザトリミングライン７が歪み検出感度最大方向Ｓに対して垂直な方向にて走査されているため、ここをトリミングしても単に抵抗が所定の値になるだけで、歪み検出感度は低下する。
【００１７】
本発明は上記のような点に鑑みなされたもので、抵抗調整による歪み感度の低下を抑制する歪みゲージおよび歪みゲージの抵抗調整方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、
絶縁ベースと、この絶縁ベース上にパターン化した抵抗体とを具備した歪みゲージであって、
抵抗体は、歪みを検出する折り返しパターンと、レーザトリミングによって抵抗調整を行うための抵抗調整用パターンを有し、
抵抗調整用パターンは、折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向に調整代を有するように構成されている。
【００１９】
また、折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向が、折り返しパターン内の折り返し両端間を繋ぐ狭幅の配線方向と一致していることが好ましい。
【００２０】
さらに、抵抗調整用パターンが、レーザトリミングによる抵抗調整用パターンへの切り込み量と切り込みによる抵抗値増分の関係を２次以上の多項式で近似できる形状を有しており、粗調整用および微調整用の少なくとも２種類以上で構成されていることが好ましい。
【００２１】
一方で、絶縁ベースと、この絶縁ベース上にパターン化した抵抗体とを具備した歪みゲージであって、
抵抗体は、歪みを検出する折り返しパターンと、レーザトリミングによって抵抗調整を行うための抵抗調整用パターンを有し、
抵抗調整用パターンが、折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向に走査するレーザトリミングによって抵抗調整がなされて構成されている。
【００２２】
また、歪みゲージの抵抗調整方法であって、
抵抗調整用パターン外の領域を始点として、折り返しパターンの歪み検出感度が最大となる方向に走査して、所定の距離にて抵抗調整用パターンをレーザトリミングすることを特徴としている。
【００２３】
本発明によれば、レーザトリミングする抵抗調整パターンにも歪みを検知する抵抗体部を形成できるため、抵抗調整による感度低下を抑制した歪みゲージが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す歪みゲージの平面図
【図２】本発明の第１の実施形態におけるレーザトリミングによる切り込み量と抵抗値増加分の関係を示すグラフ
【図３】本発明の第２の実施形態を示す歪みゲージの平面図
【図４】従来の歪みゲージの平面図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図１は本発明の第１の実施形態を示す歪みゲージの平面図である。  図１において、１ａ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。
【００２７】
歪みゲージ１ａ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製を行うことになる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
エッチングされずに残った金属箔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３が得られる。
【００３２】
さらに、この抵抗体３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３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。
【００３３】
いずれにしても、電極４は抵抗体３の一部であって、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。
【００３４】
抵抗体３の一部として、折り返しパターン６があって、この折り返しパターン６の部分が主として歪みを検知する部分である。検知感度が最大となるのは、図１に示した矢印Ｓ方向であって、折り返し部分の両端を繋ぐパターンの幅が極小となっている配線の方向に一致する。従って歪み検出感度最大方向Ｓに垂直な方向が一番歪みに対する感度が低い方向となる。
【００３５】
さらに抵抗体３の一部として、この歪みゲージ１ａ全体の抵抗値を調整する抵抗調整用パターン５が、抵抗粗調整用パターン５ａ、抵抗中調整用パターン５ｂ、抵抗微調整用パターン５ｃ、の３種類にて電気的に直列に配置されている。この抵抗調整用パターン５は、歪みゲージ１ａがホイートストンブリッジ回路を成して構成した際に、ここをレーザトリミングして、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られる。
【００３６】
抵抗粗調整用パターン５ａ、抵抗中調整用パターン５ｂ、抵抗微調整用パターン５ｃはそれぞれ、歪み検出感度最大方向Ｓに垂直な方向にて、幅がＷａ、Ｗｂ、Ｗｃで、歪み検出感度最大方向Ｓに平行な方向に長手となって設けられている。この調整用パターンに対して、抵抗体３の無い部分を始点として、歪み検出感度最大方向Ｓに所望の距離だけレーザを走査することで、例えばレーザトリミングライン７ａ、７ｃが形成され、抵抗値の調整を行うことが出来る。レーザの照射位置は、第１の実施形態に示したような抵抗体パターンによる突起などのマークを設けることで、これを画像認識装置で読み取って位置出しを行っている。抵抗体３の無い部分を始点としているのは、始点部ではレーザのパルスのオーバーラップ量が多くなって絶縁ベース２の損傷も生じてしまい絶縁性が損なわれる場合があり、これを防止するためである。
【００３７】
図２は、本発明の第１の実施形態を示す歪みゲージにおいて、レーザトリミングによる切込み量と抵抗値増分の関係を示すグラフである。横軸は、レーザトリミングによる調整用パターンの切り込み量で単位がμｍ、縦軸は、レーザトリミングによって増加した歪みゲージ１の抵抗値の増加分で単位がΩである。第１の実施形態では、抵抗調整用パターン５が、抵抗粗調整用パターン５ａ、抵抗中調整用パターン５ｂ、抵抗微調整用パターン５ｃ、の３種類設けてある。本実施形態では、抵抗粗調整用パターン５ａのパターン幅Ｗａ＝２００μｍ、抵抗中調整用パターン５ｂのパターン幅Ｗｂ＝３００μｍ、抵抗微調整用パターン５ｃのパターン幅Ｗｃ＝６００μｍとしており、この場合の実測した抵抗値をプロットしている。
【００３８】
図２のグラフから、各々抵抗調整用パターンの形状において、レーザトリミングによる切込み量と抵抗値増分は、２次以上の多項式で近似できる関係にあることが読み取れる。図２のグラフの曲線は、それぞれの実測値を３次の多項式近似で行ったものである。いすれも０〜１００μｍ付近までの範囲では抵抗の増加が微少となっている。これは切込み量引き始め部位では、各抵抗調整用パターン５の根元部Ｅがあるので（図１参照）、抵抗調整用パターン幅が非常に大きいものと同等になっているためである。これは抵抗粗調整用パターン５ａ、抵抗中調整用パターン５ｂ、抵抗微調整用パターン５ｃ、いずれにおいても切込み量０〜１００μｍまでは抵抗値増分の差が殆どない現象に反映されており、この領域では抵抗の増加は微少となり、２次以上の多項式で近似するのが適切と言える。
【００３９】
故に、予めこの関係を実測で把握しておくことで、所望する抵抗増分値が判った時点で、抵抗調整用パターン５の選択組み合わせと切り込み量は容易に決定することができる。実際には所望する抵抗値増分が数Ωを超える場合も生じるが、本実施形態によれば、粗、中、微の３段階にて段階的に細かく調整することが可能であり、０．１Ω程度の誤差にて抵抗値を調整することが可能となる。
【００４０】
図３は、本発明の第２の実施形態を示す歪みゲージの平面図であって、軸に貼って回転トルクを検出する剪断用の歪みゲージが１対で設けられたものである。
【００４１】
この歪みゲージ１ｂでは、歪み検出感度最大方向が９０度異なる２種類の折り返しパターンがあって、折り返しパターン１０６ｍの歪み検出感度最大方向はＳｍであり、折り返しパターン１０６ｎの歪み検出感度最大方向はＳｎである。
【００４２】
折り返しパターン１０６ｍに対しては、抵抗粗調整用パターン１０５ｍａ、抵抗中調整用パターン１０５ｍｂ、抵抗微調整用パターン１０５ｍｃが直列に設けられていて、パターン幅がそれぞれＷａ、Ｗｂ、Ｗｃであって歪み検出感度最大方向Ｓｍに伸びて設けられている。レーザトリミングは抵抗体３の無い部分を始点として、歪み検出感度最大方向Ｓに所望の距離だけレーザを走査することでレーザトリミングライン１０７ｍａ、１０７ｍｃが形成され、抵抗値の調整がなされる。
【００４３】
同様に、折り返しパターン１０６ｎに対しては、抵抗粗調整用パターン１０５ｎａ、抵抗中調整用パターン１０５ｎｂ、抵抗微調整用パターン１０５ｎｃが直列に設けられていて、パターン幅がそれぞれＷａ、Ｗｂ、Ｗｃであって歪み検出感度最大方向Ｓｎに伸びて設けられている。レーザトリミングは抵抗体３の無い部分を始点として、歪み検出感度最大方向Ｓに所望の距離だけレーザを走査することでレーザトリミングライン１０７ｎｂ、１０７ｎｃが形成され、抵抗値の調整がなされる。
【００４４】
よって第１の実施形態と同様に、予めそれぞれの抵抗調整用パターン１０５ｍおよび抵抗調整用パターン１０５ｎにおけるレーザトリミングによる切り込み量と抵抗値の増分の関係を測定によって既知としておくことで、所望する抵抗増分値に対して、抵抗調整用パターンの選択組み合わせと切り込み量は容易に決定することができる。
【００４５】
本発明では、抵抗調整用パターンに、主として歪みを検知する折り返しパターンの歪み検出感度最大方向にてレーザトリミングラインを設けている。従って折り返しパターンと繋がった抵抗調整用パターンにおいても歪みが検出できる抵抗部が形成されることになり、歪みに対する感度を持つ抵抗値が増加することになるため、単に歪み検出に寄与しない抵抗値増加をした際と比べて、歪みの感度低下を抑制できる。
【００４６】
例えば抵抗調整前の歪みゲージ全体の抵抗値が１１５Ωであった場合、この１１５Ωの抵抗値のうち折り返しパターン部の抵抗値が１００Ωとなっているとすると、レーザトリミング前のこの歪みゲージの歪み感度成分は、１００／１１５＝０．８７０、すなわち８７％である。この歪みゲージ全体の所望の抵抗値が１２０Ωの時、抵抗値の所望増加分は５Ωとなる。もし従来例のように、抵抗増加分が歪み感度成分に寄与しない抵抗調整であれば、１００／１２０＝０．８３３、すなわち８３．３％が歪み感度成分であって、抵抗調整による感度低下が起こることが判る。これに対して本発明の抵抗調整によって抵抗増加させた場合、その９０％が歪み感度成分に寄与すると仮定すると、歪み感度分の抵抗値が５Ω×０．９＝４.５Ωだけ増えて合計で１００＋４.５＝１０４.５Ωになって、１０４.５／１２０＝０．８７１、すなわち８７．１％が全体に対する歪み感度成分となって感度低下は抑制される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
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】
【００４８】
１ａ  １ｂ  １ｃ  歪みゲージ
２  絶縁ベース
３  抵抗体
４  電極
５  抵抗調整用パターン
５ａ  抵抗粗調整用パターン
５ｂ  抵抗中調整用パターン
５ｃ  抵抗微調整用パターン
６  折り返しパターン
７  ７ａ  ７ｃ  レーザトリミングライン
１０５ｍ  １０５ｎ  抵抗調整用パターン
１０５ｍａ  １０５ｎａ  抵抗粗調整用パターン
１０５ｍｂ  １０５ｎｂ  抵抗中調整用パターン
１０５ｍｃ  １０５ｎｃ  抵抗微調整用パターン
１０７ｍａ  １０７ｍｃ  １０７ｎｂ  １０７ｎｃ  レーザトリミングライン
Ｅ  根元部
Ｓ  Ｓｍ  Ｓｎ  歪み検出感度最大方向
Ｗａ  粗調整用パターン幅
Ｗｂ  中調整用パターン幅
Ｗｃ  微調整用パターン幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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