JP3250558B2 - 力学量センサ材料 - Google Patents

力学量センサ材料

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JP3250558B2 JP2000051120A JP2000051120A JP3250558B2 JP 3250558 B2 JP3250558 B2 JP 3250558B2 JP 2000051120 A JP2000051120 A JP 2000051120A JP 2000051120 A JP2000051120 A JP 2000051120A JP 3250558 B2 JP3250558 B2 JP 3250558B2
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信雄 神谷
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勝則 山田
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/486—Fine ceramics
    • C04B35/488—Composites

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は，力，圧力，トルク，速度，加速
度，位置，変位，衝撃力，重量質量，真空度，回転力，
振動，騒音等の力学的な変化量を測定する力学量センサ
を構成する材料として使用される力学量センサ材料に関
する。
【０００２】
【従来技術】従来，力，圧力，トルク，速度，加速度，
位置，変位，衝撃力，重量質量，真空度，回転力，振
動，騒音等の力学的な変化量を歪み（応力）を介して計
測する力学量センサの構成材料，すなわち圧力抵抗効果
を有する材料として半導体のシリコン単結晶及び炭化珪
素等が使用されている。また，圧力抵抗効果材料とし
て，強相関係のペロブスカイト型複合酸化物であるＬａ
1-xＳｒxＭｎＯ3等も知られている。ここに圧力抵抗効
果とは，材料に圧縮応力，引張応力，剪断応力，静水圧
応力が加わった際に，材料の電気抵抗が変化する現象の
ことである。
【０００３】
【解決しようとする課題】しかしながら，従来材料は機
械的強度が弱く，高圧力，高荷重の測定に用いるセンサ
の構成材料としての利用が困難だった。よって，従来材
料による力学量センサは，これを適当な耐圧容器に収め
て，高圧力，高荷重の測定を行なっていた。このため，
センサ構成が複雑となり，コスト高となる問題があっ
た。
【０００４】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，高応力，高圧力等の高力学量を耐圧容器
等を用いることなく直接測定可能な力学量センサを構成
可能な力学量センサ材料を提供しようとするものであ
る。
【０００５】
【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，電気絶縁
性セラミック材料よりなるマトリックスに圧力抵抗効果
材料を電気的に連続につながるように分散させてなるこ
とを特徴とする力学量センサ材料にある。
【０００６】本発明において最も注目すべきことは，電
気絶縁性セラミック材料よりなるマトリックスに圧力抵
抗効果材料を電気的に連続につながるように分散させた
ことである。
【０００７】次に，本発明の作用につき説明する。本発
明にかかる力学量センサ材料は，セラミック材料という
強度的に優れた材料に対し圧力抵抗効果を発揮させるた
めの材料を分散させている。ここにセラミック材料と
は，後述するごとく，例えばＺｒＯ2，Ａｌ2Ｏ3，Ｍｇ
Ａｌ2Ｏ4，ＳｉＯ2，３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2，Ｙ2Ｏ3，
ＣｅＯ2，Ｌａ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4及びこれらの固溶体より
選択される１種以上よりなる物質等がある。
【０００８】また圧力抵抗効果材料としては，後述する
ごとく，ペロブスカイト構造の（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭ
ｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦ｙ≦０．２，０
≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；ランタノイド元素，Ｍａ；１種類
またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類また
はそれ以上の遷移金属元素），層状ペロブスカイト構造
の（Ｌｎ2-uＭａu）1-vＭｂ2Ｏ7-w（ここに０＜ｕ≦
１．０，０≦ｖ≦０．２，０≦ｗ≦１．０，Ｌｎ；希土
類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元
素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素），Ｓ
ｉ及びこれらに微量の添加元素を加えた物質のいずれか
１種以上よりなる物質等が挙げられる。また，この圧力
抵抗効果材料は，球状，楕円状，繊維状等の様々な粒子
形態を取ることができる。
【０００９】力学量センサ材料の高荷重や高圧力等に対
する抵抗力は上述したセラミック材料が担うため，強度
の高い力学量センサ材料を得ることができる。また，図
１に示すごとく，本発明の力学量センサ材料１は，上述
したセラミック材料１１の内部で圧力抵抗効果材料１２
が連続してつながるようにに存在するため，各圧力抵抗
効果材料１２は電気的に連続状態にある（つまり導電パ
スが形成される）。
【００１０】このため，通常の圧力抵抗効果材料のみで
構成された従来の力学量センサ材料と同じように本発明
にかかる材料も圧力や荷重を加えることで電気抵抗値が
変化するという特性を持つことができる。よって，本発
明にかかる力学量センサ材料は圧力抵抗効果材料として
機能し，かつ高強度である。
【００１１】従って，本発明にかかる材料で構成した力
学量センサは特に耐圧容器等に収納せずとも，そのまま
の状態で，例えば１００ＭＰａ以上の高応力や高圧力に
耐えて，力学量の測定を行なうことができる。
【００１２】以上，本発明によれば，高応力，高圧力等
の高力学量を耐圧容器等を用いることなく直接測定可能
な力学量センサを構成可能な力学量センサ材料を提供す
ることができる。
【００１３】このように本発明にかかる材料は耐圧容器
等が不要な力学量センサやセンサシステムを構成可能で
ある。よって，構造が単純でコンパクトなセンサやセン
サシステムの構築に最適である。また，特に追加構成が
不要であるため，センサやセンサシステムの製造コス
ト，装置コストを安価とすることができる。
【００１４】なお，本発明にかかる材料よりなる力学量
センサとしては，力，圧力，トルク，速度，加速度，位
置，変位，衝撃力，重量質量，真空度，回転力，振動，
騒音等の力学的な変化量を測定するセンサやセンサシス
テムが挙げられる。また，特に高荷重，高圧力な力学量
を測定する必要がある，各種輸送機械，工作機械等に組
付ける力学量センサを構成する材料として，本発明にか
かる材料は最適である。
【００１５】次に，請求項２に記載の発明のように，上
記圧力抵抗効果材料は少なくとも−５０〜２００℃の温
度範囲内の特定の温度において圧力抵抗効果を有する材
料であることが好ましい。これにより，室温近傍で圧力
抵抗効果を有する力学量センサ材料を得ることができ
る。
【００１６】次に，請求項３に記載の発明のように，上
記圧力抵抗効果材料の圧力抵抗変化率は０．００１％／
ＭＰａ以上であることが好ましい。これにより，高感度
な力学量センサ材料を得ることができる。上記圧力抵抗
変化率が０．００１％／ＭＰａ未満である場合は，充分
なセンサ出力を得ることができないおそれがある。ここ
に圧力抵抗変化率とは，圧縮応力，引張応力，剪断応
力，静水圧応力が加わった際の材料の電気抵抗の変化率
である。
【００１７】次に，請求項４記載の発明のように，上記
力学量センサ材料の相対密度は９０％以上であることが
好ましい。これにより，高強度の力学量センサ材料を得
ることができ，従来材料は不可能であった高い荷重や圧
力を耐圧容器等を用いることなく直接測定可能なセンサ
用の材料を得ることができる。相対密度が９０％未満で
ある場合は，荷重により力学量センサ材料そのものに非
線形変形が生じる可能性があるため，正確な力学量を測
定できなくなるおそれがある。
【００１８】次に，請求項５記載の発明のように，上記
力学量センサ材料の比抵抗は０．１Ωｃｍ〜１０ｋΩｃ
ｍであることが好ましい。これにより，実際のセンサ素
子を構成した際に適切な電気抵抗を持つ素子を得ること
ができる。上記比抵抗が０．１Ωｃｍ未満である場合
は，センサ素子を構成した際に，素子の抵抗値が低すぎ
て充分なセンサ出力が得難く，力学量が測定困難となる
おそれがある。一方，１０ｋΩｃｍを越えた場合は，実
際の素子の抵抗値が高くなり過ぎるおそれがある。
【００１９】次に，請求項６記載の発明のように，上記
電気絶縁性セラミック材料の曲げ強度は２００ＭＰａ以
上であることが好ましい。これにより，セラミック材料
の強度に近い，高い強度を有する力学量センサ材料を得
ることができ，高荷重，高圧力を耐圧容器等なしで検知
できるセンサの材料を構成可能となる。上記曲げ強度が
２００ＭＰａ未満である場合は，充分な強度を力学量セ
ンサ材料に付与することができず，本発明にかかる効果
が得難くなるおそれがある。
【００２０】次に，請求項７記載の発明のように，上記
圧力抵抗効果材料はペロブスカイト構造の（Ｌｎ1-xＭ
ａx）1-yＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦ｙ≦
０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１
種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類
またはそれ以上の遷移金属元素），層状ペロブスカイト
構造の（Ｌｎ2-uＭａu）1-vＭｂ2Ｏ7-w（ここに０＜ｕ
≦１．０，０≦ｖ≦０．２，０≦ｗ≦１．０，Ｌｎ；希
土類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類
元素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素），
Ｓｉ及びこれらに微量の添加元素を加えた物質のいずれ
か１種以上よりなることが好ましい。これらの圧力抵抗
効果材料は，高い抵抗圧力変化率を有しており，従っ
て，高い感度を有する力学量センサ材料を構成すること
ができる。また，上記圧力抵抗効果材料はペロブスカイ
ト構造，層状ペロブスカイト構造の上記組成の物質，Ｓ
ｉに他元素が含まれていてもよい。
【００２１】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
ｘが０もしくは０．５を越えた場合には，圧力抵抗効果
を発現しない，もしくは発現したとしても充分な値の圧
力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれがある。
【００２２】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
ｙはペロブスカイト構造のＡサイト欠損量を示す。０≦
ｙ≦０．２ならば，前記組成範囲内の圧力抵抗効果材料
は力学量センサ材料を構成するに適切な圧力抵抗効果を
発揮できる。ｙが０．２を越えた場合には，圧力抵抗効
果が小さくなり，力学量センサ材料を構成できなくなる
おそれがある。
【００２３】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
酸素欠損量ｚは，０≦ｚ≦０．６の範囲であっても，適
切な圧力抵抗効果を発現し，力学量センサ材料を構成す
ることができる。ｚが０．６を越えた場合には，圧力抵
抗効果を発現しない，もしくは発現したとしても充分な
値の圧力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれが
ある。
【００２４】また，（Ｌｎ2-uＭａu）2-vＭｂ2Ｏ7-wに
おいて，ｕが０もしくは１．０を越えた場合には，圧力
抵抗効果を発現しない，もしくは発現したとしても充分
な値の圧力抵抗効果ではないおそれがある。
【００２５】また，（Ｌｎ2-uＭａu）1-vＭｂ2Ｏ7-wに
おいて，０≦ｖ≦０．２ならば，前記組成範囲内の圧力
抵抗効果材料は力学量センサ材料を構成するに適切な圧
力抵抗効果を発現できる。ｖが０．２を越えた場合に
は，圧力抵抗効果を発現しない，もしくは発現したとし
ても充分な値の圧力抵抗効果ではないという問題が生じ
るおそれがある。
【００２６】また，（Ｌｎ2-uＭａu）1-vＭｂ2Ｏ7-wに
おいて，酸素欠損量ｗは０≦ｗ≦１．０の範囲であって
も，適切な圧力抵抗効果を発現し，力学量センサ材料を
構成することができる。ｚが１．０を越えた場合には，
圧力抵抗効果を発現しない，もしくは発現したとしても
充分な値の圧力抵抗効果ではないという問題が生じるお
それがある。
【００２７】次に，請求項８記載の発明のように，上記
電気絶縁性セラミック材料はＺｒＯ 2，Ａｌ2Ｏ3，Ｍｇ
Ａｌ2Ｏ4，ＳｉＯ2，３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2，Ｙ2Ｏ3，
ＣｅＯ2，Ｌａ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4及びこれらの固溶体より
選択される１種以上よりなることが好ましい。これらの
セラミック材料は，高い圧縮強度を有しており，高強度
の力学量センサ材料を構成することができ，従って，耐
圧容器等を使用せずとも，高い圧力，高い荷重を検知で
きる力学量センサを構成することができる。
【００２８】次に，請求項９記載の発明のように，上記
圧力抵抗効果材料の添加量は力学量センサ材料総重量に
対し，５〜９５重量％であることが好ましい。これによ
り，適切な電気抵抗，強度，圧力抵抗変化率を有する力
学量センサ材料を得ることができる。上記添加量が５重
量％未満である場合は，導電パスが形成されないため，
力学量センサ材料として使えなくなるおそれがある。一
方，添加量が９５重量％を越えた場合は，材料強度が弱
くなり，本発明にかかる効果が得られなくなるおそれが
ある。
【００２９】また，請求項１０記載の発明のように，上
記電気絶縁性セラミック材料は，ＺｒＯ2またはＣｅ
Ｏ2，Ｙ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯが添加されたＺｒＯ2であ
り，かつ上記圧力抵抗効果材料は，ペロブスカイト構造
のＬｎ1-xＭａxＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０
≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；アルカリ土類
元素，Ｍｂ；遷移金属元素）よりなることが好ましい。
【００３０】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
ｘが０もしくは０．５を越えた場合には，圧力抵抗効果
を発現しない，もしくは発現したとしても充分な値の圧
力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれがある。
【００３１】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
酸素欠損量ｚは，０≦ｚ≦０．６の範囲であっても，適
切な圧力抵抗効果を発現し，力学量センサ材料を構成す
ることができる。ｚが０．６を越えた場合には，圧力抵
抗効果を発現しない，もしくは発現したとしても充分な
値の圧力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれが
ある。
【００３２】このような電気絶縁性セラミック材料と圧
力抵抗効果材料よりなる力学量センサ材料は特に高荷重
向け力学量センサの材料としてふさわしい，適切な強度
と圧力抵抗変化率と備えている。
【００３３】また，請求項１１記載の発明のように，上
記電気絶縁性セラミック材料は，ＺｒＯ2またはＣｅ
Ｏ2，Ｙ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯが添加されたＺｒＯ2であ
り，かつ上記圧力抵抗効果材料は，ペロブスカイト構造
の（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．
５，０＜ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元
素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，
Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素）よりなる
ことが好ましい。
【００３４】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
ｘが０もしくは０．５を越えた場合には，圧力抵抗効果
を発現しない，もしくは発現したとしても充分な値の圧
力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれがある。
【００３５】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
０≦ｙ≦０．２ならば，前記組成範囲内の圧力抵抗効果
材料は力学量センサ材料を構成するに適切な圧力抵抗効
果を発揮できる。ｙが０もしくはｙが０．２を越えた場
合には，圧力抵抗効果が小さくなり，力学量センサ材料
を構成できなくなるおそれがある。
【００３６】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
酸素欠損量ｚは，０≦ｚ≦０．６の範囲であっても，適
切な圧力抵抗効果を発現し，力学量センサ材料を構成す
ることができる。ｚが０．６を越えた場合には，圧力抵
抗効果を発現しない，もしくは発現したとしても充分な
値の圧力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれが
ある。
【００３７】このような電気絶縁性セラミック材料と圧
力抵抗効果材料よりなる力学量センサ材料は特に高荷重
向け力学量センサの材料としてふさわしい，適切な強度
と圧力抵抗変化率と備えている。
【００３８】次に，請求項１２記載の発明のように，上
記電気絶縁性セラミック材料はＳｉ 3Ｎ4であり，かつ上
記圧力抵抗効果材料はＳｉであることが好ましい。この
ような電気絶縁性セラミック材料と圧力抵抗効果材料よ
りなる力学量センサ材料は特に高荷重向け力学量センサ
の材料としてふさわしい，適切な強度と圧力抵抗変化率
と備えている。
【００３９】次に，請求項１３記載の発明のように，上
記電気絶縁性セラミック材料はＡｌ 2Ｏ3であり，かつ上
記圧力抵抗効果材料はペロブスカイト構造の（Ｌｎ1-x
Ｍａx）1-yＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦ｙ
≦０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；
１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種
類またはそれ以上の遷移金属元素）よりなることが好ま
しい。
【００４０】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
ｘが０もしくは０．５を越えた場合には，圧力抵抗効果
を発現しない，もしくは発現したとしても充分な値の圧
力抵抗効果ではないという問題が生じるおそれがある。
【００４１】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
０≦ｙ≦０．２ならば，前記組成範囲内の圧力抵抗効果
材料は力学量センサ材料を構成するに適切な圧力抵抗効
果を発揮できる。ｙが０．２を越えた場合には，圧力抵
抗効果が小さくなり，力学量センサ材料を構成できなく
なるおそれがある。
【００４２】（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-zにおいて，
０≦ｚ≦０．６の範囲であっても，適切な圧力抵抗効果
を発現し，力学量センサ材料を構成することができる。
ｚが０．６を越えた場合には，圧力抵抗効果を発現しな
い，もしくは発現したとしても充分な値の圧力抵抗効果
ではないという問題が生じるおそれがある。
【００４３】このような電気絶縁性セラミック材料と圧
力抵抗効果材料よりなる力学量センサ材料は特に高荷重
向け力学量センサの材料としてふさわしい，適切な強度
と圧力抵抗変化率と備えている。
【００４４】
【発明の実施の形態】実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかる力学量センサ材料につき，
図１〜図６を用いて説明する。本例にかかる力学量セン
サ材料１は，図１に示すごとく，電気絶縁性セラミック
材料１１よりなるマトリックスに圧力抵抗効果材料１２
を電気的に連続につながるように分散させてなる材料で
ある。なお，同図に示すごとく，一部の圧力抵抗効果材
料１３は電気的に連続することなく，孤立してセラミッ
ク１１材料中に存在するものもある。
【００４５】以下，詳細に説明する。本例の力学量セン
サ材料は，電気絶縁性のセラミック材料が１２ｍｏｌ％
のＣｅＯ2を添加したＺｒＯ2，圧力抵抗効果材料がＬａ
0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3よりなる。まず，製造方法について
説明する。Ｌａ2Ｏ3粉末，ＳｒＣＯ3粉末，ＭｎＣＯ3粉
末を，Ｌａ：Ｓｒ：Ｍｎの組成比で，０．８：０．２：
１となるように秤量した。それらの粉末を，混合用Ｚｒ
Ｏ 2ボール，混合溶媒エタノールといっしょにポリポッ
トに投入して，２０時間混合した。混合粉末を，乾燥，
解砕して，大気中で，１３００℃で４時間仮焼して，圧
力抵抗効果を有するぺロブスカイト型複合酸化物粉末Ｌ
ａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を合成した。
【００４６】引き続いて市販のＺｒＯ2粉末（住友大阪
セメント（株），ＯＺＣ−１２ＣＥＢ）と，合成したＬ
ａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3粉末とを，全重量に対するＬａ0.8
Ｓｒ 0.2ＭｎＯ3の重量割合で２８重量％となるように秤
量した。それらの粉末を，混合用ＺｒＯ2ボール，混合
溶媒エタノールといっしょにポリポットに投入して，４
時間混合し，さらに乾燥，解砕した。解砕した混合粉末
を，直径１８ｍｍ×高さ７ｍｍの円柱状にプレス成形し
た。成形体を１２５０℃で４時間焼結した。得られた焼
結体の密度は，理論密度の９８％に緻密化し，導電性を
有しており，比抵抗は約１００Ωｃｍであった。
【００４７】得られた力学量センサ材料の性能を評価す
る。図２に示すごとく，上記焼結体を４ｍｍ×４ｍｍ×
４ｍｍの立方体状の試料片１８に加工した。そして，試
料片の対向する側面にＡｇペースト（住友金属鉱山
（株），Ｓ８７４０）を５５０℃で焼き付け，電極１９
とした。さらに電極１９にリード線１７を半田付けし
た。
【００４８】電極１９に垂直なＡ面に対し，同図に示す
矢線に示すごとく，４００ｋｇまでの荷重を加え，リー
ド線１７，電極１９を通じて電圧を印加した。そして，
２端子法で電気抵抗を測定した。この測定結果から，荷
重と電気抵抗変化率との関係を図３にプロットした。な
お，上記測定は荷重を徐々に増やしていった場合の結果
（同図における○，負荷時と記載された線）と，荷重を
徐々に減らしていった場合の結果（同図における□，除
荷時と記載された線）とをそれぞれ記載した。図３よ
り，２００ＭＰａの圧縮応力で電気抵抗は約２．１％低
下し，その変化は荷重に対してほぼ直線的であることが
わかった。
【００４９】次に，１００ＭＰａの圧縮応力下での上記
試験片の抵抗変化率と測定温度との関係を図５に記載し
た。温度によって抵抗変化率が変化するが，−１０〜５
０℃の範囲においての変化率は−１％前後であることが
分かった。よって，本例にかかる材料を−１０〜５０℃
の温度範囲で使用する圧力センサ用材料として用いるこ
とが可能であることが分かった。
【００５０】また，図３の結果より，本例にかかる力学
量センサ材料で作製した力学量センサは，２００ＭＰａ
の圧縮応力を印加しても破壊されないため，例えば，輸
送用機械，工作機械などに使用する高荷重用の圧力セン
サとして適していることが明らかとなった。また，図４
に本例の力学量センサ材料及び比較例としてのＬａ0.8
Ｓｒ0.2ＭｎＯ3の曲げ強度を測定し，記載した。同図か
ら明らかなように，単相のＬａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3より
も本例の力学量センサ材料は高い強度を有し，本例の力
学量センサ材料が高荷重用力学量センサ材料として適し
ていることが明らかである。
【００５１】本例の力学量センサ材料は，図１に示すご
とく，セラミック材料１１という強度的に優れた材料に
対し圧力抵抗効果を発揮させるための材料１２が分散さ
れた材料である。力学量センサ材料１の高荷重や高圧力
等に対する抵抗力は上述したセラミック材料１１が担う
ため，強度の高い材料を得ることができる。また，上述
したセラミック材料１１の内部で圧力抵抗効果材料１２
が連続してつながるように存在するため，各圧力抵抗効
果材料１２は電気的に連続状態にある。このため，本例
の力学量センサ材料１は圧力抵抗効果材料のみで構成さ
れた従来の力学量センサ材料と同じように圧力や荷重を
加えることで電気抵抗値が変化するという特性を持つこ
とができる。よって，本発明にかかる材料は圧力抵抗効
果材料として機能し，かつ高強度である。
【００５２】以上，本例によれば，高応力，高圧力等の
高力学量を耐圧容器等を用いることなく直接測定可能な
力学量センサを構成可能な力学量センサ材料を提供する
ことができる。
【００５３】また，耐圧容器等が不要な力学量センサや
センサシステムを構成可能なため，本例にかかる力学量
センサ材料は構造が単純でコンパクトなセンサやセンサ
システムの構築に最適である。また，特に追加構成が不
要であるため，製造コスト，装置コストを安価とするこ
とができる。
【００５４】実施形態例２ 本例は図６及び図７に示すごとく，圧力抵抗効果材料の
添加量を違えた力学量センサ材料をいくつか準備し，各
材料について比抵抗及び抵抗変化率を測定した。圧力抵
抗効果材料は実施形態例１と同様にぺロブスカイト型複
合酸化物粉末Ｌａ0.75Ｓｒ0.25ＭｎＯ3である。セラミ
ック材料も実施形態例１と同様のＺｒＯ2である。全重
量に対するＬａ0.75Ｓｒ0.25ＭｎＯ3の添加量を２４重
量％から３０重量％へと変化させ，それぞれの比抵抗及
び抵抗変化率を図６に記載した。なお，力学量センサ材
料の作製方法の詳細及び比抵抗，抵抗変化率の測定方法
の詳細は実施形態例１と同様である。
【００５５】同図より知れるごとく，圧力抵抗効果材料
の添加量が多いほど比抵抗は小さくなった。また，圧縮
応力１００ＭＰａでの抵抗変化率を図７に記載した。い
ずれの添加量においても０．７％以上の抵抗変化率（絶
対値）を呈しており，本例にかかるいずれの材料につい
ても力学量センサとして用いることが可能であることが
わかった。
【００５６】実施形態例３ 本例は図８に示すごとく，圧力抵抗効果材料としてぺロ
ブスカイト型複合酸化物粉末Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3を用
い，かつＬａに対するＳｒの置換量ｘを０．１５から
０．４０の範囲で変更し，各材料について抵抗変化率を
測定し，図８に記載した。本例の圧力抵抗効果材料は上
述したＬａ1-xＳｒxＭｎＯ3で，実施形態例１と同様の
方法で作製した。また，セラミック材料も実施形態例１
と同様のＺｒＯ2である。また，全重量に対するＬａ1-x
ＳｒxＭｎＯ3の添加量は２８重量％である。なお，力学
量センサ材料の作製方法の詳細及び比抵抗，抵抗変化率
の測定方法の詳細は実施形態例１と同様である。
【００５７】図８に圧縮応力１００ＭＰａでの抵抗変化
率（絶対値）を記載した。Ｓｒ置換量ｘが０．１５〜
０．４０の範囲内では，いずれの材料も力学量センサ材
料として利用できることがわかった。
【００５８】実施形態例４ 本例は，圧力抵抗効果材料としてぺロブスカイト型複合
酸化物粉末Ｌａ0.7Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を用いて力学量セン
サ材料を作製した。セラミック材料は実施形態例１と同
様のＺｒＯ2である。また，全重量に対するＬａ0.7Ｓｒ
0.2ＭｎＯ3の添加量は２８重量％とした。なお，力学量
センサ材料の作製方法の詳細も実施形態例１と同様であ
る。圧縮応力１００ＭＰａで抵抗変化率を実施形態例１
と同様の方法測定したところ，−１．０％であった。こ
れにより，本例の材料を力学量センサ材料として使用で
きることがわかった。
【００５９】実施形態例５ 本例は，圧力抵抗効果材料としてぺロブスカイト型複合
酸化物粉末Ｐｒ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を用いて力学量セン
サ材料を作製した。セラミック材料は実施形態例１と同
様のＺｒＯ2である。また，全重量に対するＰｒ0.8Ｓｒ
0.2ＭｎＯ3の添加量は２８重量％とした。なお，力学量
センサ材料の作製方法の詳細も実施形態例１と同様であ
る。圧縮応力１００ＭＰａで抵抗変化率を実施形態例１
と同様の方法測定したところ，−１．０％であった。こ
れにより，本例の材料を力学量センサ材料として使用で
きることがわかった。
【００６０】実施形態例６ 本例は，圧力抵抗効果材料としてぺロブスカイト型複合
酸化物粉末Ｎｄ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を用いて力学量セン
サ材料を作製した。セラミック材料は実施形態例１と同
様のＺｒＯ2である。また，全重量に対するＮｄ0.8Ｓｒ
0.2ＭｎＯ3の添加量は２８重量％とした。なお，力学量
センサ材料の作製方法の詳細も実施形態例１と同様であ
る。圧縮応力１００ＭＰａで抵抗変化率を実施形態例１
と同様の方法測定したところ，−１．１％であった。こ
れにより，本例の材料を力学量センサ材料として使用で
きることがわかった。
【００６１】実施形態例７ 本例は，圧力抵抗効果材料としてぺロブスカイト型複合
酸化物粉末Ｓｍ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を用いて力学量セン
サ材料を作製した。セラミック材料は実施形態例１と同
様のＺｒＯ2である。また，全重量に対するＳｍ0.8Ｓｒ
0.2ＭｎＯ3の添加量は２８重量％とした。なお，力学量
センサ材料の作製方法の詳細も実施形態例１と同様であ
る。圧縮応力１００ＭＰａで抵抗変化率を実施形態例１
と同様の方法で測定したところ−１．０％であった。こ
れにより，本例の材料を力学量センサ材料として使用で
きることがわかった。
【００６２】実施形態例８ 本例は，圧力抵抗効果材料としてぺロブスカイト型複合
酸化物粉末Ｇｄ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を用いて力学量セン
サ材料を作製した。セラミック材料は実施形態例１と同
様のＺｒＯ2である。また，全重量に対するＧｄ0.8Ｓｒ
0.2ＭｎＯ3の添加量は２８重量％とした。なお，力学量
センサ材料の作製方法の詳細も実施形態例１と同様であ
る。圧縮応力１００ＭＰａで抵抗変化率を実施形態例１
と同様の方法測定したところ−１．１％であった。これ
により，本例の材料を力学量センサ材料として使用でき
ることがわかった。
【００６３】実施形態例９ 本例は，圧力抵抗効果材料としてぺロブスカイト型複合
酸化物粉末Ｌａ1.6Ｓｒ0.4Ｍｎ2Ｏ7を用いて力学量セン
サ材料を作製した。セラミック材料は実施形態例１と同
様のＺｒＯ2である。また，全重量に対するＬａ1.6Ｓｒ
0.4Ｍｎ2Ｏ7の添加量は２８重量％とした。なお，力学
量センサ材料の作製方法の詳細も実施形態例１と同様で
ある。圧縮応力１００ＭＰａで抵抗変化率を実施形態例
１と同様の方法で測定したところ，−０．９％であっ
た。これにより，本例の材料を力学量センサ材料として
使用できることがわかった。
【００６４】実施形態例１０ 本例は，圧力抵抗効果材料として半導体Ｓｉを用いて力
学量センサ材料を作製した。セラミック材料は窒化ケイ
素である。また，全重量に対するＳｉの添加量は３０重
量％とした。これらの材料を湿式混合後，ホットプレス
を用いて１６００℃で焼結した。圧縮応力１００ＭＰａ
で抵抗変化率を実施形態例１と同様の方法で測定したと
ころ，−０．５％であった。これにより，本例の材料を
力学量センサ材料として使用できることがわかった。
【００６５】
【発明の効果】上述のごとく，本発明によれば，高応
力，高圧力等の高力学量を耐圧容器等を用いることなく
直接測定可能な力学量センサを構成可能な力学量センサ
材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，力学量センサ材料の組
織を示す説明図。
【図２】実施形態例１における，力学量センサ材料の抵
抗変化率の測定方法の説明図。
【図３】実施形態例１における，負荷時及び除荷時にお
ける抵抗変化率と圧縮応力との関係を示す線図。
【図４】実施形態例１における，本例にかかる力学量セ
ンサ材料と比較例との曲げ強度を示す線図。
【図５】実施形態例１における，１００ＭＰａの荷重を
かけた時の抵抗変化率と温度との関係を示す線図。
【図６】実施形態例２における，圧力抵抗効果材料の添
加量と比抵抗との関係を示す線図。
【図７】実施形態例２における，圧力抵抗効果材料の添
加量と抵抗変化率の絶対値との関係を示す線図。
【図８】実施形態例３における，圧力抵抗変化率とＳｒ
置換量との関係を示す線図。
【符号の説明】
１．．．力学量センサ材料， １１．．．電気絶縁性セラミック材料， １２．．．圧力抵抗効果材料，
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田島 伸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 山田 勝則 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 北條 浩 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開2000−241263（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−100356（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−188478（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−21034（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−66689（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−82699（ＪＰ，Ａ) 実開 平11−126930（ＪＰ，Ｕ) 米国特許6079277（ＵＳ，Ａ) 国際公開98／12714（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 1/18 C04B 35/495 C04B 35/50 H01L 41/18

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気絶縁性セラミック材料よりなるマト
    リックスに圧力抵抗効果材料を電気的に連続につながる
    ように分散させてなることを特徴とする力学量センサ材
    料。
  2. 【請求項２】 請求項１において，上記圧力抵抗効果材
    料は少なくとも−５０〜２００℃の温度範囲内の特定の
    温度において圧力抵抗効果を有する材料であることを特
    徴とする力学量センサ材料。
  3. 【請求項３】 請求項１または２において，上記圧力抵
    抗効果材料の圧力抵抗変化率は０．００１％／ＭＰａ以
    上であることを特徴とする力学量センサ材料。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
    上記力学量センサ材料の相対密度は９０％以上であるこ
    とを特徴とする力学量センサ材料。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項において，
    上記力学量センサ材料の比抵抗は０．１Ωｃｍ〜１０ｋ
    Ωｃｍであることを特徴とする力学量センサ材料。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一項において，
    上記電気絶縁性セラミック材料の曲げ強度は２００ＭＰ
    ａ以上であることを特徴とする力学量センサ材料。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか一項において，
    上記圧力抵抗効果材料はペロブスカイト構造の（Ｌｎ
    1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０≦
    ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍ
    ａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；
    １種類またはそれ以上の遷移金属元素），層状ペロブス
    カイト構造の（Ｌｎ2-uＭａu）1-vＭｂ2Ｏ7-w（ここに
    ０＜ｕ≦１．０，０≦ｖ≦０．２，０≦ｗ≦１．０，Ｌ
    ｎ；希土類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカ
    リ土類元素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元
    素），Ｓｉ及びこれらに微量の添加元素を加えた物質の
    いずれか１種以上よりなることを特徴とする力学量セン
    サ材料。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一項において，
    上記電気絶縁性セラミック材料はＺｒＯ2，Ａｌ2Ｏ3，
    ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＳｉＯ2，３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2，Ｙ2
    Ｏ3，ＣｅＯ2，Ｌａ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4及びこれらの固溶体
    より選択される１種以上よりなることを特徴とする力学
    量センサ材料。
  9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか一項において，
    上記圧力抵抗効果材料の添加量は力学量センサ材料総重
    量に対し，５〜９５重量％であることを特徴とする力学
    量センサ材料。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれか一項におい
    て，上記電気絶縁性セラミック材料は，ＺｒＯ2または
    ＣｅＯ2，Ｙ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯが添加されたＺｒＯ2
    であり，かつ上記圧力抵抗効果材料は，ペロブスカイト
    構造のＬｎ1-xＭａxＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．
    ５，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍａ；１種類
    またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；１種類また
    はそれ以上の遷移金属元素）よりなることを特徴とする
    力学量センサ材料。
  11. 【請求項１１】 請求項１〜９のいずれか一項におい
    て，上記電気絶縁性セラミック材料は，ＺｒＯ2または
    ＣｅＯ2，Ｙ2Ｏ3，ＣａＯ，ＭｇＯが添加されたＺｒＯ2
    であり，かつ上記圧力抵抗効果材料は，ペロブスカイト
    構造の（Ｌｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦
    ０．５，０＜ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土
    類元素，Ｍａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元
    素，Ｍｂ；１種類またはそれ以上の遷移金属元素）より
    なることを特徴とする力学量センサ材料。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜９のいずれか一項におい
    て，上記電気絶縁性セラミック材料はＳｉ3Ｎ4であり，
    かつ上記圧力抵抗効果材料はＳｉであることを特徴とす
    る力学量センサ材料。
  13. 【請求項１３】 請求項１〜９のいずれか一項におい
    て，上記電気絶縁性セラミック材料はＡｌ2Ｏ3であり，
    かつ上記圧力抵抗効果材料はペロブスカイト構造の（Ｌ
    ｎ1-xＭａx）1-yＭｂＯ3-z（ここに０＜ｘ≦０．５，０
    ≦ｙ≦０．２，０≦ｚ≦０．６，Ｌｎ；希土類元素，Ｍ
    ａ；１種類またはそれ以上のアルカリ土類元素，Ｍｂ；
    １種類またはそれ以上の遷移金属元素）よりなることを
    特徴とする力学量センサ材料。
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