JP4067295B2 - 力学量センサ素子構造 - Google Patents
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【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素子の構造に関する。
【0002】
【従来技術】
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)を介して計測するにあたり,一般に圧力抵抗効果材料を利用して構成した力学量センサ素子が広く利用されている。
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。
このような材料よりなる感圧体に絶縁体を介して外部から力学量を加えることで,感圧体の電気抵抗を変動させ,この変動を検出することで力学量を測定する。
【0003】
【解決しようとする課題】
しかしながら,従来知られた力学量センサ素子では,適当な絶縁体を介して力学量センサ素子に測定すべき外部力学量を加える構成となっている。
このため,力学量が小さい場合はともかく,力学量として高圧力等を加えるような高荷重の測定に供した場合,内部の感圧体に対する荷重の加わり具合のバランスが悪く,精密な力学量測定が難しく,また,感圧体の絶縁確保が難しかった。
更に,感圧体に対する絶縁確保のため,素子の計測システム等に対する組み込みが面倒であった。
【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,精度高い力学量の測定ができ,感圧体の絶縁確保が容易である力学量センサ素子構造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,セラミックスと圧力抵抗効果を有する材料とを混合してなるシート状の感圧体と,該感圧体の表裏両方の受圧面に配設されていると共に上記感圧体で測定すべき荷重のかかり具合を均一とするためのシート状のセラミックスよりなる電気絶縁性の受圧体とを一体的に有することを特徴とする力学量センサ素子構造にある。
【0006】
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素子構造では,感圧体に対し直接受圧体が設けてある。このため,受圧体を介して力学量が感圧体にかかるために,感圧体に対する力学量のかかり具合を均一とすることができ,正確な力学量の測定ができる。
更に,感圧体と受圧体とが一体構造であるので,感圧体に対する絶縁性の確保が容易となる。
【0007】
また,本構造にかかる力学量センサ素子は素子本体のみで感圧体に対する絶縁が確保されており,この素子を計測システム等に組み込む際に,特に絶縁性についての考慮が不要であり,使い勝手に優れている。
さらに,感圧体と受圧体とを一体で焼結した素子は,受圧体を別途加工する工程と,感圧体と受圧体とを接着する工程を省くことができるため,素子の製造コストを安価とすることができる。
【0008】
以上,本発明によれば,精度高い力学量の測定ができ,感圧体の絶縁確保が容易である力学量センサ素子構造を提供することができる。
【0009】
なお,上記感圧体中の圧力抵抗効果を有する材料としては,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),層状ペロブスカイト構造の(Ln2-uMa1+u)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種以上よりなる材料を用いることができる。
【0010】
また,上記受圧体としては,後述するジルコニアの他,以下にかかる材料より構成されたものを用いることができる。
つまり,Al2O3,MgAl2O4,SiO2,3Al2O3・2SiO2,Y2O3,CeO2,La2O3,Si3N4等を用いることができる。
また,上記感圧体には電極を設ける必要がある。この電極としては,Ag,Au,Pt,Al,Ni,Cu等の電極を用いることができる。
【0011】
また,力学量センサ素子を製造するにあたり,感圧体はドクターブレード,押出成形,印刷(スクリーン印刷,転写等),金型プレスを利用した粉末成形等の各プロセスを利用して作製することができる。また,受圧体はドクターブレード,押出成形,金型プレスを利用した粉末成形等の各プロセスを利用して作製することができる。
感圧体と受圧体を同じプロセスで作製することもできるし,異なるプロセスで作製することもできる。
【0012】
次に,請求項2に記載の発明のように,上記受圧体は,上記感圧体と一体的に焼結されていることが好ましい。
これにより,上記受圧体の焼結工程と上記感圧体の焼結工程を統合して一度に行なうことができ,工程の合理化を図ることができる。また,上記受圧体と上記感圧体とのセラミック部分同士を焼結によって一体化させることができ,強度の高いセンサ素子を得ることができる。
【0013】
次に,請求項3に記載の発明のように,上記受圧体は,上記感圧体と接着剤により接合することもできる。
これにより,上記受圧体と感圧体とが焼結によりうまく一体化できない場合等に,容易に両者の一体化を実現することができる。
また,上記接着剤として,有機系及び無機系の接着剤,または低融点ガラスよりなるものを用いることができる。
【0014】
次に,請求項4に記載の発明のように,上記受圧体を構成するセラミックスと上記感圧体を構成するセラミックスとは同じセラミックスであることが好ましい。
これにより,受圧体と感圧体とがより強固に一体的に結合することができる。
【0015】
次に,請求項5に記載の発明のように,上記受圧体を構成するセラミックスと上記感圧体を構成するセラミックスとはいずれもジルコニアであることが好ましい。
なお,ここに記載したジルコニアとは,3Y−ZrO2,12Ce−ZrO2等の各種組成のものを含めた物質を指している。
ジルコニアは,多くの機械部品等に使われている強度の高いセラミックスであるため,これで構成される素子も高強度の素子となることができる。
【0016】
次に,請求項6に記載の発明のように,上記感圧体を構成する圧力抵抗効果を有する材料は,La1-xSrxMnO3粒子(x=0.225〜0.40)であることが好ましい。
これにより,大きい圧力抵抗変化率と平坦な温度抵抗変化率を有する感圧体を構成することができる。
【0017】
上記組成においてxの値が0.225未満の場合は,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,または補正し難い大きな温度抵抗変化率となるおそれがある。xの値が0.40を越えた場合も同様の問題が生じるおそれがある。
【0018】
【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素子構造について説明する。
本例の力学量センサ素子は,セラミックスと圧力抵抗効果を有する材料とを混合してなる感圧体と,該感圧体の受圧面に配設されたセラミックスよりなる電気絶縁性の受圧体と,電極とを一体的に有する構造である。
【0019】
図1に示すごとく,本例の力学量センサ素子1は,感圧体11の表面に一対の受圧体12が一体的に配置されると共に該感圧体11の他の表面には一対の電極13が配設されている。
また,力学量センサ素子1は,受圧体12に同図に示す矢線に示されるような力学量が加わることで,該力学量が感圧体に伝達され,感圧体11の電気抵抗が変化し,この電気抵抗の変化を電極13を介して測定することで,力学量の大きさを測定することができる。
本例において,上記感圧体11は圧力抵抗効果を有するLa0.75Sr0.25MnO3と12wt%のCeO2を添加したZrO2とよりなり,上記受圧体12は12wt%CeO2添加ZrO2セラミックよりなる。また,電極13は銀電極である。
【0020】
本例の力学量センサ素子1の製造方法について説明する。
感圧体11用の材料として,圧力抵抗効果材料であるLa0.75Sr0.25MnO3とセラミックスである12wt%CeO2添加ZrO2とを分散混合したものを準備する。12wt%CeO2添加ZrO2とLa0.75Sr0.25MnO3との混合割合は7:3である。
上記粉末をボールミルで4時間混合,粉砕し,その後乾燥して,混合粉を得た。この混合粉と樹脂バインダー,水,分散剤とをボールミルまたは強制撹拌混合機で混合し,スラリーを調整した後,ドクターブレード法により厚さ100μmの感圧体用シートを成形した。
【0021】
受圧体12用の材料として,12wt%CeO2添加ZrO2を準備した。
上記と同様に12wt%CeO2添加ZrO2と樹脂バインダー,水,分散剤とをボールミルまたは強制撹拌混合機で混合した後,ドクターブレード法で厚さ100μmの受圧体用シートを成形した。
【0022】
感圧体用シート,受圧体用シートを40mm×40mmに切断し,感圧体用シート2枚の両面に受圧体用シートを片側15枚づつ重ね合わせ,合計32枚のシート積層体を得た。この積層体をホットプレスにより各シートを熱圧着した。
次いで,圧着体を脱脂炉で樹脂バインダーを分解除去した。そして,CIP(冷間静水圧プレス)した後,焼結炉にて,1400℃,4時間の条件で焼結した。これにより感圧体11と受圧体12とが一体的に焼結された。得られた焼結体を素子形状(5mm×5mm×1.5mm)に切断加工した。
さらに,上記感圧体11の側面(受圧体12が存在しない面)に対し銀ペーストを焼きつけて電極13となし,以上により図1にかかる力学量センサ素子1を得た。
【0023】
上記製法により得られた力学量センサ素子1を用いて,これに実際に応力を付与し,その抵抗変化率を測定した。
その測定結果を図2に示す。同図は横軸に受圧体12に加えた応力を,縦軸に感圧体11における比抵抗の変化率をとったものである。
同図より,本例にかかるように力学量センサ素子1では,受圧体12を感圧体11に対し一体的に設けた構成とすることで,応力と比抵抗変化率とが300MPaという高応力まで直線的に比例することがわかった。
【0024】
本例の作用効果について説明する。
本例にかかる力学量センサ素子1は,感圧体11と受圧体12とは一体的に焼成されており,感圧体11に直接受圧体12を設けた構造を有する。
このため,受圧体12を介して力学量が感圧体11に伝わるために感圧体11で測定すべき力学量のかかり具合を均一とすることができ,受圧体12に加えた力学量(本例では応力について測定した)と比抵抗との関係が高力学量においても直線的に変化する(図2参照)。よって,正確な力学量の測定ができる。更に,感圧体11に対する絶縁性の確保が容易となる。
【0025】
また,本構造にかかる力学量センサ素子1は素子本体のみで感圧体11に対する絶縁が確保されており,この素子を計測システム等に組み込む際に,特に絶縁性についての考慮が不要であり,使い勝手に優れている。
また,感圧体11と受圧体12とを一体で焼結した素子は,受圧体12を別途加工する工程と,感圧体11と受圧体12とを接着する工程を省くことができるため,素子の製造コストを安価とすることができる。
【0026】
以上,本例によれば,精度高い力学量の測定ができ,感圧体の絶縁確保が容易である力学量センサ素子構造を提供することができる。
【0027】
実施形態例2
実施形態例1と同様の構成にかかる力学量センサ素子の他の製造方法について説明する。
感圧体用シートは,実施形態例1と同じ混合粉に樹脂バインダー,水,分散剤を混練して混合し,押出成形機で押出成形により作製した。このシートの厚さは200μmである。
【0028】
受圧体用シートは,12wt%CeO2添加ZrO2と樹脂バインダー,水,分散剤とを混練機で混合し,押出成形機で押出成形により作製した。このシートの厚さは1.5mmである。
感圧体用シート,受圧体用シートを40mm×40mmに切断し,感圧体用シート1枚の両面に受圧体用シートを1枚づつ重ね合わせ,ホットプレスで各シートを熱圧着した。
【0029】
その後,脱脂炉で樹脂バインダーを分解除去し,CIPし,焼結炉中1400℃,4時間で焼結した。
感圧体を素子形状に切断加工して,側面に銀ペーストを焼きつけて電極となし,力学量センサ素子を得た。
その他の詳細は実施形態例1と同様である。
また,このようにして作製した力学量センサ素子についても,実施形態例1と同様の作用効果を有する。
【0030】
実施形態例3
実施形態例1と同様の構成にかかる力学量センサ素子の他の製造方法について説明する。
12wt%CeO2添加ZrO2とLa0.75Sr0.25MnO3との混合割合を5:5とし,この混合粉を樹脂バインダーと水,分散剤と共にボールミルまたは強制撹拌混合機に投入し,感圧体用の印刷ペーストを得た。
また受圧体用シートは,実施形態例2と同様に押出成形で作製した。
そして,1枚の受圧体用シート片面に感圧体用ペーストを厚さ10μmでスクリーン印刷した。その上にもう1枚の受圧体用シートを配置し,ホットプレスして熱圧着した。
【0031】
その後,脱脂炉で樹脂バインダーを分解除去し,CIPし,焼結炉中1400℃,4時間で焼結した。
そして,感圧体の側面に銀ペーストを焼きつけて電極となし,力学量センサ素子を得た。
その他の詳細は実施形態例1と同様である。
また,このようにして作製した力学量センサ素子についても,実施形態例1と同様の作用効果を有する。
【0032】
実施形態例4
実施形態例1と同様の構成にかかる力学量センサ素子の他の製造方法について説明する。
12wt%CeO2添加ZrO2とLa0.75Sr0.25MnO3との混合割合を8:2とし,この混合粉を金型プレスで薄板状の成形体とした。この成形体をCIPし,1400℃で焼成し,感圧体を得た。その後,上記感圧体の側面に銀ペーストを焼きつけて電極を形成した。
また,ZrO2粉末を金型プレスで板状の成形体とした。この成形体をCIPし,1400℃で焼成し,受圧体を得た。
そして,感圧体の両面に受圧体をエポキシ系の接着剤(3M製2202)で貼り合わせ,力学量センサ素子を得た。
その他の詳細は実施形態例1と同様である。
また,このようにして作製した力学量センサ素子についても,実施形態例1と同様の作用効果を有する。
【0033】
実施形態例5
実施形態例1と同様の構成にかかる力学量センサ素子の他の製造方法について説明する。
12wt%CeO2添加ZrO2とLa0.75Sr0.25MnO3との混合割合を8:2とした感圧体用の混合粉を作製した。
受圧体であるZrO2粉末を金型プレスで成形し,その成形体の上に感圧体である混合粉を成形し,さらにその混合粉の上に受圧体であるZrO2粉をプレスして,受圧体/感圧体/受圧体の3層構造の成形体(直径40mm×厚さ2.4mm)を得た。この成形体をCIPし,1400℃,4時間で焼結した。
そして,感圧体の側面で銀ペーストを焼きつけて電極となし,力学量センサ素子を得た。
その他の詳細は実施形態例1と同様である。
また,このようにして作製した力学量センサ素子についても,実施形態例1と同様の作用効果を有する。
【0034】
実施形態例6
12wt%CeO2添加ZrO2とLa0.75Sr0.25MnO3との混合割合を8:2とした感圧体用の混合粉を作製した。
感圧体用の混合分を金型プレスで成形し,直径40mm×厚さ0.8mmに成形した。受圧体である12wt%CeO2添加ZrO2を同様に金型プレスにより直径40mm×厚さ0.8mmに成形した。
成形した感圧体の両側に受圧体となる成形体を配置し,CIPすることにより,3層構造の成形体を作製した。これ以降は実施形態例5と同様なプロセスで,力学量センサ素子を得た。
その他の詳細は実施形態例1と同様である。
また,このようにして作製した力学量センサ素子についても,実施形態例1と同様の作用効果を有する。
【0035】
【発明の効果】
上述のごとく,本発明によれば,精度高い力学量の測定ができ,感圧体の絶縁確保が容易である力学量センサ素子構造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,力学量センサ素子構造を示す説明図。
【図2】実施形態例1における,力学量センサ素子に加えられた応力と感圧体における抵抗変化率との関係を示す線図。
【符号の説明】
1...力学量センサ素子,
11...感圧体,
12...受圧体,
13...電極,
Claims (6)
- セラミックスと圧力抵抗効果を有する材料とを混合してなるシート状の感圧体と,該感圧体の表裏両方の受圧面に配設されていると共に上記感圧体で測定すべき荷重のかかり具合を均一とするためのシート状のセラミックスよりなる電気絶縁性の受圧体とを一体的に有することを特徴とする力学量センサ素子構造。
- 請求項1において,上記受圧体は,上記感圧体と一体的に焼結されていることを特徴とする力学量センサ素子構造。
- 請求項1において,上記受圧体は,上記感圧体と接着剤により接合されていることを特徴とする力学量センサ素子構造。
- 請求項1〜3のいずれか1項において,上記受圧体を構成するセラミックスと上記感圧体を構成するセラミックスとは同じセラミックスであることを特徴とする力学量センサ素子構造。
- 請求項1〜4のいずれか1項において,上記受圧体を構成するセラミックスと上記感圧体を構成するセラミックスとはいずれもジルコニアであることを特徴とする力学量センサ素子構造。
- 請求項1〜5のいずれか1項において,上記感圧体を構成する圧力抵抗効果を有する材料は,La1-xSrxMnO3粒子(x=0.225〜0.40)であることを特徴とする力学量センサ素子構造。
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