JP6540746B2 - 力学量センサ材料及び力学量センサ素子 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、各種の力学量（圧力、加速度、トルク等）に起因した応力の印加による歪み量に依存して電気抵抗値が変化する力学量センサ材料に関する。本明細書が開示する技術はさらに、そのような力学量センサ材料を含む感歪抵抗層を備える力学量センサ素子にも関する。

各種の力学量に起因した応力の印加による歪み量に依存して電気抵抗値が変化する力学量センサ材料が開発されている。特許文献１及び特許文献２に開示される力学量センサ材料は、導電性粒子と、導電性粒子が分散保持されているマトリックス構造体と、を備える。このような力学量センサ材料を含む感歪抵抗層を備える力学量センサ素子では、各種の力学量に起因した応力の印加により感歪抵抗層が歪むと、導電性粒子間の距離が減少して導電性粒子間に導電パスが形成され、感歪抵抗層の電気抵抗値が変化する。この電気抵抗値の変化から感歪抵抗層に作用する力学量を換算することができる。

特開２００５−１７２７９３号公報 特開２００３−２４７８９８号公報

特許文献１及び特許文献２の力学量センサ材料に用いられるマトリックス構造体には、酸化鉛を含むガラスが用いられている。このため、この力学量センサ材料は、環境負荷物質である鉛を含んでいる。本明細書は、鉛フリーの力学量センサ材料を提供することを目的とする。本明細書はさらに、そのような力学量センサ材料を含む感歪抵抗層を備える力学量センサ素子を提供することを目的とする。

本明細書が開示する力学量センサ材料は、歪み量に依存して電気抵抗値が変化する材料であり、複数の導電性粒子と、複数の導電性粒子が分散保持されているマトリックス構造体と、を備えることができる。導電性粒子は、酸化ルテニウムを含んでもよい。マトリックス構造体は、酸化バリウムと酸化鉄と酸化バナジウムを主成分として含む半導体ガラスである。この力学量センサ材料では、マトリックス構造体に半導体ガラスが用いられている。半導体ガラスは、酸化バリウムと酸化鉄と酸化バナジウムを主成分として含むガラスであり、酸化鉛を含まない無鉛ガラスである。このように、上記力学量センサ材料は、鉛フリーで構成することができる。また、上記力学量センサ材料は、マトリックス構造体に半導体ガラスが用いられているので、半導体ガラスのピエゾ抵抗効果によって高いゲージ率を有することができる。

マトリックス構造体の半導体ガラス中の酸化バリウムと酸化鉄と酸化バナジウムのモル比ｘ：ｙ：ｚが、５≦ｘ≦３５、１≦ｙ≦２０、５０≦ｚ≦８０であってもよい。さらに、酸化鉄がヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）であり、酸化バナジウムが五酸化二バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）であってもよい。この半導体ガラスを含む力学量センサ材料は、本願明細書において、高感度であり、直線性に優れた材料であることが確認されている。

本明細書が開示する力学量センサ素子は、上記の力学量センサ材料を含む感歪抵抗層を備えることができる。この力学量センサ素子は、鉛フリーで構成することができる。

力学量センサ素子の要部断面図を模式的に示す。 荷重特性を検討するために作製された力学量センサ素子の要部断面図を模式的に示す。 図２に示す力学量センサ素子の荷重特性を示す。 比較例の力学量センサ素子の荷重特性を示す。

図１に示されるように、力学量センサ素子１は、積層構造体５、第１電極６及び第２電極７を備える。積層構造体５は、第１絶縁層２、感歪抵抗層３及び第２絶縁層４を有する。

感歪抵抗層３は、第１絶縁層２と第２絶縁層４の間に配置されており、第１絶縁層２及び第２絶縁層４と一体的に形成されている。第１絶縁層２及び第２絶縁層４の材料は、絶縁体のジルコニア又はアルミナである。感歪抵抗層３は、荷重Ｆに起因して応力が印加されると歪むように構成されており、その歪み量に依存して電気抵抗値が変化する力学量センサ材料で形成されている。感歪抵抗層３の力学量センサ材料は、複数の導電性粒子と、複数の導電性粒子が分散保持されているマトリックス構造体を備える。導電性粒子は、酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂）である。マトリックス構造体は、無鉛の半導体ガラスである。

感歪抵抗層３は、感歪抵抗ペーストとして準備され、第１絶縁層２と第２絶縁層４の各々の表面にスクリーン印刷された後に、焼結処理によって第１絶縁層２と第２絶縁層４の各々の表面に形成される。積層構造体５は、第１絶縁層２と第２絶縁層４の感歪抵抗層３が形成された面同士を重ね合せた後に、焼成処理により一体的に形成される。

感歪抵抗層３に含まれる導電性粒子の平均粒径は、０．５〜５．０μｍである。導電性粒子の平均粒径がこの範囲内にあると、荷重Ｆの増加に対する電気抵抗値の低下が大きくなり、感歪抵抗層３の感度が向上する。感歪抵抗層３における導電性粒子の添加量は、１０〜４０ｗｔ％である。導電性粒子の添加量がこの範囲内にあると、感歪抵抗層３の比抵抗値がゲージ抵抗として望ましい範囲内に収まることができる。

感歪抵抗層３を構成するマトリックス構造体の半導体ガラスは、酸化バリウムと酸化鉄と酸化バナジウムを主成分としており、酸化鉛を含まない無鉛ガラスである。半導体ガラスの比抵抗値は、１〜１０⁷Ω・ｃｍである。半導体ガラスの比抵抗値がこの範囲内にあると、感歪抵抗層３の比抵抗値がゲージ抵抗として望ましい範囲内に収まることができる。このように、半導体ガラスは、環境負荷物質である鉛を含有しておらず、鉛フリーで構成されている。

半導体ガラス中の酸化バナジウムは、ガラスの主骨格を形成するための構成元素である。酸化バナジウムとしては、一酸化バナジウム（ＶＯ）、三酸化二バナジウム（Ｖ₂Ｏ₃）、二酸化バナジウム（ＶＯ₂）、五酸化二バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）が例示され、特に五酸化二バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）が好適に用いられる。混合酸化物全体に対する酸化バナジウムの含有量は、５０モル％以上且つ８０モル％以下の範囲であるのが望ましく、特に６０モル％以上且つ７５モル％以下の範囲であるのが望ましい。混合酸化物全体に対する酸化バナジウムの含有量が５０モル％よりも少ないと、バナジウムを主構成要素としたガラス骨格を維持させるのが困難になり、さらに、半導体ガラスの比抵抗を所定範囲内にすることが困難になる。混合酸化物全体に対する酸化バナジウムの含有量が８０モル％を超えると、後述する副成分の含有量が減るために、副成分による比抵抗及び機械的特性等の調整機能を低下させる傾向が現れる。酸化バナジウムの一部を酸化タングステン（ＷＯ₃）と五酸化リン（Ｐ₂Ｏ₅）と三酸化二ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）のうちの少なくとも一つと置換してもよい。

半導体ガラス中の酸化バリウム（ＢａＯ）は、２次元構造を有する酸化バナジウムのガラス骨格を３次元化するために添加される。混合酸化物全体に対する酸化バリウムの含有量は、５モル％以上且つ３５モル％以下の範囲であるのが望ましく、特に１０モル％以上且つ３０モル％以下の範囲であるのが望ましい。混合酸化物全体に対する酸化バリウムの含有量が５モル％よりも少ないと、均質なガラス化が困難になる傾向が現れる。混合酸化物全体に対する酸化バリウムの含有量が３５モル％を超えると、機械的強度、耐水性及び化学耐久性が低下し、ガラス化が困難になる傾向が現れる。酸化バリウムの一部を酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）と酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）と酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）のうちの少なくとも一つと置換してもよい。

半導体ガラス中の酸化鉄は、半導体ガラスの比抵抗調整成分として添加される。酸化鉄としては、ウスタイト（ＦｅＯ）、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）、ヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）が例示され、特にヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）が好適に用いられる。混合酸化物全体に対する酸化鉄の含有量は、１モル％以上且つ２０モル％以下の範囲であるのが望ましく、特に５モル％以上且つ２０モル％以下の範囲であるのが望ましい。混合酸化物全体に対する酸化鉄の含有量が１モル％よりも少ないと、比抵抗調整機能が発現しない。混合酸化物全体に対する酸化鉄の含有量が２０モル％を超えると、均質なガラス形成が困難となる。酸化鉄の一部を酸化亜鉛（ＺｎＯ）と置換してもよい。

第１電極６は、積層構造体５の一方の側面に接合されており、感歪抵抗層３の一方の側面に接触して感歪抵抗層３の一方の側面に電気的に接続されている。第２電極７は、積層構造体５の他方の側面に接合されており、感歪抵抗層３の他方の側面に接触して感歪抵抗層３の他方の側面に電気的に接続されている。第１電極６及び第２電極７は、導電性の材料であればよく、例えば、銀ペースト、金ペースト、白金ペースト等を塗布後に加熱処理することによって積層構造体５の側面に形成されてもよい。

荷重Ｆが第２絶縁層４の表面に加わると、その荷重Ｆに起因した応力が感歪抵抗層３に印加される。感歪抵抗層３に応力が印加されて感歪抵抗層３が歪むと、感歪抵抗層３に含まれる導電性粒子間の距離が減少して導電性粒子間に導電パスが形成され、感歪抵抗層３の電気抵抗値が低下する。このとき、半導体ガラスのピエゾ抵抗効果によって、感歪抵抗層３の電気抵抗値も低下する。感歪抵抗層３は、導電性粒子の導電性パス及び半導体ガラスのピエゾ抵抗効果の組み合わせにより、荷重Ｆの増加に対して電気抵抗値が大きく低下することができる。これにより、力学量センサ素子１は、高感度に荷重Ｆを計測することができる。このように、力学量センサ素子１は、鉛フリーで構成されるとともに、高感度な特性を有することができる。

以下、本明細書が開示する力学量センサ材料の荷重特性を検討した実施例を説明する。荷重特性は、図２に示される力学量センサ素子１０を作製して検討した。力学量センサ素子１０は、基板１２、感歪抵抗層１３、第１電極１４、第２電極１５及び荷重伝達ブロック１６を備えている。基板１２は、剛性の高い絶縁体で構成されており、例えば、アルミナ又はジルコニアである。この例では、基板１２の材料にアルミナが用いられている。

力学量センサ素子１０は、以下の手順で作製した。まず、感歪抵抗層１３を形成するための感歪抵抗ペーストを作製した。感歪抵抗ペーストは、２０ＢａＯ・１０Ｆｅ₂Ｏ₃・７０Ｖ₂Ｏ₅の半導体ガラス粉末とＲｕＯ₂の導電性粒子粉末を混合比が８０ｗｔ％：２０ｗｔ％となるように秤量混合し、その混合粉に外添加でバインダのエチルセルロースを４０ｗｔ％添加し、自転公転撹拌機で混合することで作製した。

次に、その感歪抵抗ペーストを基板１２の上面にスクリーン印刷で成膜した。成膜された感歪抵抗ペーストは、長さが１０ｍｍ、幅が５ｍｍ、厚さが１５μｍである。成膜された感歪抵抗ペーストを、８０℃、３０分で乾燥した後に、５００℃、６０分で焼結し、さらに、４５０℃、３０分の熱処理を実施した。これにより、基板１２上に感歪抵抗層１３を形成した。

次に、感歪抵抗層１３の両端に樹脂硬化型の銀ペーストを塗布し、１５０℃、３０分の熱処理を実施して、第１電極１４及び第２電極１５を形成した。感歪抵抗層１３の比抵抗値は、６．３Ω・ｃｍ（電気抵抗値で８．３５２ｋΩ）であった。

最後に、荷重伝達ブロック１６を感歪抵抗層１３の上面に接着し、力学量センサ素子１０を作製した。荷重伝達ブロック１６は、ジルコニアであり、長さが４ｍｍ、幅が４ｍｍ、厚みが３ｍｍである。

図３に、力学量センサ素子１０の荷重特性を示す。図４に、比較例の荷重特性を示す。比較例は、感歪抵抗層１３が半導体ガラスのみで作製されており、導電性粒子が分散保持されていない例である。荷重特性は、感歪抵抗層１３に圧縮応力を０ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲で印加し、そのときの感歪抵抗層１３の抵抗変化率を測定した。具体的には、室温（２５℃）において、荷重伝達ブロック１６に対して荷重Ｆを加え、感歪抵抗層１３に印加される圧縮応力が０ＭＰａから１００ＭＰａに増加するときの感歪抵抗層１３の電気抵抗値と、感歪抵抗層１３に印加される圧縮応力が１００ＭＰａから０ＭＰａに低下するときの感歪抵抗層１３の電気抵抗値を計測し、圧縮応力と抵抗変化率の関係を得た。抵抗変化率は、感歪抵抗層１３に圧縮応力が印加されていないとき（０ＭＰａ）の電気抵抗値（Ｒ０）に対して、圧縮応力が印加されたときの電気抵抗値（Ｒｆ）の変化割合（ρｆ＝１００×（Ｒｆ−Ｒ０）／Ｒ０）である。以下では、圧縮応力が０ＭＰａのときの抵抗変化率をρ０とし、圧縮応力が５０ＭＰａのときの抵抗変化率をρ５０とし、圧縮応力が１００ＭＰａのときの抵抗変化率をρ１００と表す。

図３に示されるように、力学量センサ素子１０では、圧縮応力が１００ＭＰａのときの抵抗変化率（ρ１００）が−１．３５％であり、ゲージ率が９．７であった。また、非直線性は０．９％ＦＳであり、ヒステリシスは０．８％ＦＳであった。このように、力学量センサ素子１０の力学量センサ材料は、高感度であり、直線性に優れた材料であることが確認された。なお、ここでいう非直線性は、実測値に基づくρ５０と、ρ０とρ１００のときの２点を直線近似したときに得られるρ５０’との絶対値差｜ρ５０’−ρ５０｜をＦＳ（Full Scale）で除した値を百分率（％ＦＳ）で示した指標をいう。ヒステリシスは、圧縮応力を増加させているときのρ５０（＋）と圧縮応力を減少させているときのρ５０（−）との絶対値差｜ρ５０（＋）−ρ５０（−）｜をＦＳ（Full Scale）で除した値を百分率（％ＦＳ）で示した指標をいう。なお、ＦＳは、圧縮応力が１００ＭＰａのときの感度、つまりρ１００である。

一方、図４に示されるように、比較例では、圧縮応力が１００ＭＰａのときの抵抗変化率（ρ１００）が−０．７％であり、ゲージ率が５であった。また、図３と図４を対比すると分かるように、比較例の力学量センサ素子の荷重特性については、直線性が悪く、ヒステリシスも大きかった。

また、比較例の力学量センサ材料の比抵抗値は５３．７Ω・ｃｍ（電気抵抗値で７１．５５９ｋΩ）と高かった。力学量センサ材料に要求される最適な電気抵抗値は１ｋΩ〜１０ｋΩである。上記したように力学量センサ素子１の力学量センサ材料の比抵抗値は、６．３Ω・ｃｍ（電気抵抗値で８．３５２ｋΩ）であり、最適な電気抵抗値の要求を満たす。以上の結果から、半導体ガラスのマトリクス構造体に導電性粒子を分散保持させると、比抵抗値が約１／１０となって最適な電気抵抗値を満たすとともに、ゲージ率が約２倍に向上し、さらに、直線性が改善されることが分かった。なお、直線性が改善される点については、詳細は分からないものの、酸化バリウム（ＢａＯ）と酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）を主成分とする半導体ガラスに酸化ルテニウム（ＲｕＯ₂）の導電性粒子を分散保持されたことによるものと推察される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１，１０：力学量センサ素子
２：第１絶縁層
３，１３感歪抵抗層
４：第２絶縁層
５：積層構造体
６，１４：第１電極
７，１５：第２電極
１２：基板
１６：荷重伝達ブロック

Claims (3)

1. 歪み量に依存して電気抵抗値が変化する力学量センサ材料であって、
   複数の導電性粒子と、
   前記複数の導電性粒子が分散保持されているマトリックス構造体と、を備えており、
   前記マトリックス構造体は、酸化バリウムと酸化鉄と酸化バナジウムを主成分として含む半導体ガラスであり、
   前記マトリックス構造体の前記半導体ガラス中の酸化バリウムと酸化鉄と酸化バナジウムのモル比ｘ：ｙ：ｚが、５≦ｘ≦３５、１≦ｙ≦２０、５０≦ｚ≦８０であり、
   前記マトリックス構造体の前記半導体ガラスでは、前記酸化鉄がヘマタイト（Ｆｅ ₂ Ｏ ₃ ）であり、前記酸化バナジウムが五酸化二バナジウム（Ｖ ₂ Ｏ ₅ ）であり、
   前記導電性粒子は、酸化ルテニウムを含む、力学量センサ材料。
2. 前記導電性粒子の含有量が、１０〜４０ｗｔ％である、請求項１に記載の力学量センサ材料。
3. 請求項１又は２に記載の力学量センサ材料を含む感歪抵抗層を備える力学量センサ素子。

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