JP3020130B2 - 圧力測定機能を有する複合材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構造用材料に掛けられ
た圧力を測定することにより、構造用材料の破壊を事前
に予知できることを可能にし、また小型で耐熱性に優れ
た圧力センサにも応用できる複合材料に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】構造用セラミックスは脆いために、高い
信頼性が要求される場合は何らかの処置を必要とし、セ
ラミックスの普及に大きな障害となっている。このた
め、セラミックス自身に圧力測定機能を付設することに
より、未然に破壊を予測することが可能となる新しいセ
ラミックスが現在期待されている。このような破壊の予
測は、構造用セラミックス材料に限らず、他の破壊の恐
れがある一般的な構造用材料についても言えることであ
る。

【０００３】これまで、構造用材料の破壊検知にはアコ
ースティクエミッション法が一般的に用いられており、
その場合、大型で高価なセンサを無数に構造用材料にセ
ットする必要がある。しかし、センサーをセットするだ
けの空間がない場合や、構造用材料自身が激しく運動す
る場合、高温下で使用される場合などにはセンサの使用
は不可能である。よって、破壊の危険性を調べるために
は、定期的に分解検査を行なうことが必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、複雑な形状の構造用材料、あるいはセンサをセット
する空間の余裕がない構造用材料、高速運動によりセン
サをセットできない構造用材料、高温下で使用する構造
用材料にも適用することができ、掛けられた圧力を測定
することにより、破壊を未然に予知することが可能な複
合材料を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、誘電体、
圧電体、焦電体または強誘電体に圧力を掛けた場合に、
それらの電気容量に変化が起きることを利用して、構造
用材料に掛けられた圧力（力）を測定する方法を検討し
てきたが、構造用材料上に誘電体、圧電体、焦電体また
は強誘電体、特にそれらの薄膜を作製することにより、
構造用材料の性質を変化させることなく、極めて簡便に
製造でき、圧力を正確に測定できる構造用材料が得られ
ることを確認することに成功し、本発明をなすに至った
ものであって、本発明は、１. 構造用材料表面上に圧
力を掛けた場合に、電気容量変化を起こす誘電体、圧電
体、焦電体または強誘電体のいずれかの薄膜を接合し、
構造用材料と前記薄膜との間には電極を設けないで、前
記薄膜の、構造用材料との接合面とは反対側の表面に電
極を設けて成り、該電極に電気容量変化を測定する測定
装置を接続するようにすることを特徴とする圧力測定機
能を持つ複合材料、２. 構造用材料表面上に作製する
薄膜がペロブスカイト型、ウルツアイト型またはZnO型
結晶構造を持つセラミックスであることを特徴とする上
記１.に記載の複合材料および３. スパッタリング法に
よって作製したウルツアイト型構造を持つ薄膜を用いる
上記１.又は２.記載の複合材料である。

【０００６】これまで、誘電体、圧電体、焦電体および
強誘電体の薄膜の電気容量変化を構造用材料への圧力測
定に用いられた例はなく、このように構造用材料に掛け
られた圧力の測定において、有効な手段であるというこ
とは全く予想外のことであった。

【０００７】すなわち、本発明に従えば、構造用材料表
面に誘電体、圧電体、焦電体および強誘電体の薄膜を作
製することにより、材料に掛けられた圧力を容易に測定
することができ、構造用材料の破壊予知が可能となる。

【０００８】誘電体薄膜の素材としては、誘電性を示す
ものであれば、すべて用いることが可能である。

【０００９】本発明における誘電体薄膜の素材として
は、ペロブスカイト型、ウルツアイト型またはZnO型構
造を持つセラミックスを用いることが好ましい。ペロブ
スカイト型セラミックスとしては、ABO3型強誘電体およ
び圧電体を誘電体として用いることができるし、ウルツ
アイト型構造のAlN, GaN, InN, NbN, TaNや、ZnO型構造
のZnOなどを用いることができる。

【００１０】本発明の複合材料を製造するには、構造用
材料上へゾルゲル法、水熱合成法、CVD法およびPVD法な
どにより、誘電体薄膜を作製することができる。なお、
誘電体薄膜に接続する電極としては、構造用材料と誘電
体薄膜との間には設けないで、誘電体薄膜の構造用材料
との接合面とは反対側の表面に設け、該電極に電気容量
変化を測定する測定装置を接続することにより、電気容
量変化を測定することができる。また、上述したように
構造用材料として導電性材料を用いた場合には、それを
電極として利用することができる。

【００１１】構造用材料としては、破壊の恐れがあるも
ので、一般的には金属やセラミックス、ガラスあるいは
それらの複合材料などが用いられる。金属の場合は、疲
労破壊の検知に有効であり、また、セラミックスやガラ
スにおいては、破壊予知および検知に有効である。構造
用材料として導電性セラミックス材料を用いた場合は、
それを電極として利用できるので有利である。

【００１２】このようにして得られた圧力測定機能を持
つ複合材料は、その電極に電気容量測定記録装置を接続
した状態で使用するもので、構造材料に圧力が掛けられ
ると、表面上の強誘電体、焦電体、圧電体または誘電体
からなる薄膜の電気容量が変化する。従って、その電気
容量を測定記録装置で測定することにより、掛けられた
圧力を容易に測定し、それによって構造用材料の破壊を
未然に知ることが可能となる。

【００１３】

【発明の効果】本発明の複合材料によれば、複雑な形状
の構造用材料、あるいはセンサをセットする空間的余裕
のない構造用材料、高速運動を行なうためにセンサをセ
ットできない構造用材料、高温下で使用される構造用材
料にも容易に適用することができ、電極における電気容
量変化による圧力測定により、構造用材料の破壊を未然
に予測することが可能になる。また、小型で耐熱性に優
れた圧力センサやスイッチの開発も可能となる。

【００１４】

【実施例】次に、実施例により本発明を更に詳細に説明
する。

【００１５】実施例 構造用材料として１５mmｘ５mmで厚さ２mmの導電性MoSi
2焼結体板を用い、誘電体薄膜として材料表面上にスパ
ッタリング法により窒化アルミニウム薄膜を作製した。
窒化アルミニウム薄膜およびMoSi2の両方の表面にアル
ミニウム電極を設け、硬質プラスチック板間にセットし
た。また、電極をインピーダンスアナライザーに接続
し、薄膜の電気容量変化を測定、記録し、プロッターで
記録させた。

【００１６】このようにして硬質プラスチック板間にセ
ットした、複合材料のMoSi2焼結体側に負荷を乗せ圧力
を掛けたところ、圧力発生に対して図１に示したような
電気容量変化を得ることに成功した。なお、圧力を掛け
ない場合にある程度の電気容量を示すが、それは図1と
比較して一桁小さく、圧力発生時点を容易に検知するこ
とができた。

【００１７】上述と同じ条件で構造用材料に掛ける圧力
を変化させたところ、図２に示すように圧力が増加する
に連れて、薄膜の電気容量も増加することがわかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明方法により得られた複合材料の電気容
量の圧力変化に対する応答曲線である。

【図２】 本発明方法により得られた複合材料の電気容
量の圧力に対する依存性を示したものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菖 蒲 一 久 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地１ 工業技術院九州工業技術研究所内 (72)発明者 野 中 一 洋 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地１ 工業技術院九州工業技術研究所内 (56)参考文献 特開 平５−340912（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−164129（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−38439（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−214167（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−150090（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−70881（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−50419（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造用材料表面上に、圧力を掛けた場合に
   電気容量変化を起こす誘電体、圧電体、焦電体または強
   誘電体のいずれかの薄膜を接合し、構造用材料と前記薄
   膜との間には電極を設けないで、前記薄膜の、構造用材
   料との接合面とは反対側の表面に電極を設けて成り、該
   電極に電気容量変化を測定する測定装置を接続するよう
   にすることを特徴とする圧力測定機能を持つ複合材料。
2. 【請求項２】構造用材料表面上に作製する薄膜が、ペロ
   ブスカイト型、ウルツアイト型またはZnO型結晶構造を
   持つセラミックスであることを特徴とする請求項１記載
   の複合材料。
3. 【請求項３】スパッタリング法によって作製したウルツ
   アイト型構造を持つ薄膜を用いる請求項１又は２記載の
   複合材料。