(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，
上記第２相粒子は，少なくとも絶縁性マトリックス材料の結晶粒界相に導電パスを形成するよう分散し，
被検知力学量を負荷する方向に該被検知力学量と同一種類の力学量を予め付与し，残留させた構造を有し，
負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能することを特徴とする高感度力学量センサ材料。
【請求項２】
絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，
上記第２相粒子は，少なくとも絶縁性マトリックス材料の結晶粒界相に導電パスを形成するよう分散し，
被検知力学量を負荷する方向における第２相粒子の粒子間距離Ａが，上記負荷方向に対する直角な方向における第２相粒子の粒子間距離Ｂよりも小さく，
負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能することを特徴とする高感度力学量センサ材料。
【請求項３】
絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，
被検知力学量を負荷する方向に，上記絶縁性マトリックスを構成する結晶粒が配向された状態にあり，
負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能することを特徴とする高感度力学量センサ材料。
【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高感度に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高感度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として，抵抗線歪みゲージ，半導体のシリコン等が使用されている。
特に半導体シリコンは，高感度の歪み計素子として，衝撃試験機，変位計，圧力変換器，加速度計，生体用の小型圧力計，流量計，ガス圧計等，一般工業用，自動車用，医療用等の様々な分野において応用されている。
【０００３】
また，半導体を用いた力学量センサとしては一般的にＳｉが多く用いられている。このＳｉでは，外力が作用することによって生じる歪みに起因して，半導体の電気抵抗値が変化するという現象を利用している。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，従来材料により構成された力学量センサの感度では，生体系等の微圧センサ，燃焼圧センサ，油圧機器用の圧力センサとして使用するような精度，高感度を要求される力学量センサを得ることが困難であった。
【０００５】
本発明は，かかる問題点に鑑み，高感度（高ゲージ率）で力学量を検知することができるセンサを構成可能な高感度力学量センサ材料を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，
上記第２相粒子は，少なくとも絶縁性マトリックス材料の結晶粒界相に導電パスを形成するよう分散し，
被検知力学量を負荷する方向に該被検知力学量と同一種類の力学量を予め付与し，残留させた構造を有し，
負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能することを特徴とする高感度力学量センサ材料にある。
【０００７】
本発明の高感度力学量センサ材料にて構成された力学量センサは，力学量を測定，検知するためのセンサであり，ここにおける力学量としては，歪量，変位，応力，圧力，重量（荷重）から選ばれる１種以上であることが好ましい。
更に好ましいのは歪量，応力，圧力である。
【０００８】
上記絶縁性マトリックス材料は高感度力学量センサ材料における母材となる。この絶縁性マトリックス材料としては，金属酸化物，金属窒化物，またはそれらの複合化合物が挙げられる。
【０００９】
例えば，アルミニウム，珪素，マグネシウム，カルシウム，クロム，ジルコニウム，イットリウム，イッテリビウム，ランタン，バナジウム，バリウム，ストロンチウム，スカンジウム，硼素，ハフニウム，ビスマス，チタン，鉄，亜鉛，ニオブ，タングステン，セリウム，ジスプロシウム，レニウム，リチウム，サマリウム，タンタル等より選ばれる１種以上の元素よりなる酸化物，または窒化物及びそれらの複合酸化物，または固溶体を挙げることができる。
また，上述の元素の複合酸化物，複合化合物，固溶体を挙げることもできる。更に，サイアロン，コージュエライト，ムライト，ジルコン，フォルステライト，フェライト，スピネル等のセラミックス材料を挙げることもできる。
【００１０】
なお，この絶縁性マトリックス材料としては，第２相粒子よりも高強度，高靱性，高耐衝撃性の材料を使用することが好ましい。これにより，高強度かつ耐衝撃性に優れた高感度力学量センサ材料を得ることができる。
【００１１】
また，上記第２相粒子として使用可能な材料の種類は，絶縁性マトリックス材料の種類に依存する。
例えば，絶縁性マトリックス材料として，珪素，アルミニウム，硼素の窒化物を利用した場合には，Ｂ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｗ，Ｖ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ａｕ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ａｇ，Ｍｏ等の金属炭化物，窒化物，珪化物，硫化物，または硼化物の１種以上からなる粒子を第２相粒子として使用することができる。
【００１２】
また，絶縁性マトリックス材料がＡｌ2 Ｏ3 である場合には，ＷＣ，Ｍｏ3 Ｃ，ＺｒＣ，Ｗ，ＴｉＢ2 ，Ｂ4 Ｃ，ＳｉＣ，Ｓｎ2 Ｏ3 ，ＲｕＯ，Ｃｕ2 Ｏの１種以上からなる粒子を第２相粒子として使用することができる。
また，絶縁性マトリックス材料がＡｌＮである場合には，ＴｉＢ2 ，ＶＢ，ＺｒＢ2 ，ＣｒＢ2 ，ＴｉＮ，ＺｒＮ，Ｃｒ2 Ｎ，ＷＳｉ2 ，ＮｂＳｉ2 ，ＴａＳｉ2 等の１種以上からなる粒子を第２相粒子として使用することができる。
【００１３】
また，絶縁性マトリックス材料中に分散した第２相粒子の粒子間距離は０．００１〜１μｍである。粒子間距離が０．００１μｍより小さい場合には，第２相粒子が連続的に分散している場合に近くなり，高感度で直線的な歪み抵抗効果が得られなくなるおそれがある。一方，１μｍより大である場合には，高感度力学量センサ材料の電気伝導度が低下し，力学量センサとしての機能が得られなくなるおそれがある。
上記粒子間距離とは，ある第２相粒子と他の第２相粒子との間の隙間の距離を意味する。
また，上記粒子間距離は高感度力学量センサ材料を切断し，その断面をＥＣＲプラズマによりエッチングしＳＥＭ観察するか，または高感度力学量センサ材料の薄片をＴＥＭ観察することによって測定することができる。
【００１４】
また，上記被検知力学量と同一種類の力学量とは次のようなものである。
例えば，被検知力学量が圧縮応力である場合には，予め負荷する力学量も圧縮応力である。
また，例えば被検知力学量が引っ張り応力である場合には，予め負荷する力学量も引っ張り応力である。
【００１５】
また，本発明にかかる高感度力学量センサ材料は，予め負荷する力学量の方向に歪みが生じ難くなるよう構成することが好ましい。これにより，より高感度な力学量センサとして機能する材料を得ることができる。
【００１６】
具体的に説明すると，仮に被検知力学量が応力である場合には，応力が負荷される方向の弾性率が，これ以外の方向の弾性率と比べて小さくなるように構成することが好ましい。この場合，応力負荷方向以外のポアソン比は，応力負荷方向と比較してより小さい方が好ましい。
また，応力負荷方向における第２相粒子の粒子間距離はそれ以外の方向の粒子間距離よりも小さい方が好ましい。
また，応力負荷に伴う電気抵抗値の変化は，応力負荷方向よりもそれに直角な方向のほうが小さくなるようにすることが好ましい。
【００１７】
本発明の作用につき，以下に説明する。
本発明にかかる高感度力学量センサ材料は，絶縁性マトリックス材料と，これに対して第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなる。
このものは被検知力学量を負荷する方向に該被検知力学量と同一種類の力学量を予め付与し，残留させた構造を有していることから，その詳細なメカニズムは不明であるが，従来材料と比較して大きくゲージ率が高まることが判明した（後述の表１参照）。
このため，本発明にかかる材料にて作製した力学量センサの感度は非常に高くなる。よって，高精度の力学量センサを得ることができる。
【００１８】
以上のように，本発明によれば，高感度で力学量を検知することができるセンサを構成可能な高感度力学量センサ材料を提供することができる。
【００１９】
また，請求項２の発明のように，絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，
上記第２相粒子は，少なくとも絶縁性マトリックス材料の結晶粒界相に導電パスを形成するよう分散し，
被検知力学量を負荷する方向における第２相粒子の粒子間距離Ａが，上記負荷方向に対する直角な方向における第２相粒子の粒子間距離Ｂよりも小さく，
負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能することを特徴とする高感度力学量センサ材料にある。
【００２０】
また，上記粒子間距離Ａは粒子間距離Ｂの１／２以下であることが好ましい。これにより，より確実に本発明にかかる効果を得ることができる。
【００２１】
また，本請求項にかかる高感度力学量センサ材料において絶縁性マトリクス材料を構成する物質としては，前に例示した各種の物質を挙げることができる。また，第２相粒子としても前に例示した各種の物質を挙げることができる。
詳細は上述の請求項１と同様である。
【００２２】
本請求項にかかる高感度力学量センサ材料は，絶縁性マトリックス材料とこれに対して第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなる。
そして，このものは被検知力学量の負荷方向の粒子間距離Ａが負荷方向と直角方向の粒子間距離Ｂよりも小さいことから，その詳細なメカニズムは不明であるが，小さな歪みに対しても大きな電気抵抗変化率を得ることができ，高感度な歪み−電気抵抗効果を発現することができるため，従来材料と比較して大きくゲージ率が高まることが判明した。
このため，本発明にかかる材料にて作製した力学量センサの感度は非常に高くなる。よって，高精度の力学量センサを得ることができる。
【００２３】
以上のように，本発明によれば，高感度で力学量を検知することができるセンサを構成可能な高感度力学量センサ材料を提供することができる。
【００２４】
次に，請求項３の発明は，絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，
被検知力学量を負荷する方向に，上記絶縁性マトリックスを構成する結晶粒が配向された状態にあり，
負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能することを特徴とする高感度力学量センサ材料にある。
【００２５】
また，本請求項にかかる高感度力学量センサ材料において絶縁性マトリクス材料を構成する物質としては，前に例示した各種の物質を挙げることができる。また，第２相粒子としても前に例示した各種の物質を挙げることができる。
詳細は上述の請求項１と同様である。
【００２６】
本請求項にかかる高感度力学量センサ材料は，絶縁性マトリックス材料とこれに対して第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなる。
そして，このものは被検知力学量を負荷する方向に，上記絶縁性マトリックスを構成する結晶粒が配向された状態にあり，言い換えると，第２相粒子の分散形態には異方性が付与された状態にある。
【００２７】
このことより，その詳細なメカニズムは不明であるが，被検知力学量の負荷方向における第２相粒子の粒子間距離を，負荷方向に対する直角方向によりも小さくすることができる。
また，応力負荷に伴う負荷方向の粒子間距離の変化も，負荷方向に直角方向のそれに比べて大きくすることができる。即ち，応力負荷方向の電気抵抗値の変化を応力負荷方向に直角な方向の電気抵抗値の変化より大きくすることができる。
【００２８】
このように，小さな歪みに対しても大きな電気抵抗変化率を得ることができ，高感度な歪み−電気抵抗効果を発現することができるため，従来材料と比較して大きくゲージ率が高まることが判明した。
このため，本発明にかかる材料にて作製した力学量センサの感度は非常に高くなる。よって，高精度の力学量センサを得ることができる。
【００２９】
以上のように，本発明によれば，高感度で力学量を検知することができるセンサを構成可能な高感度力学量センサ材料を提供することができる。
【００３０】
また，上記絶縁性マトリックス材料よりも弾性率の小さい絶縁性の第３相を，上記絶縁性マトリックス材料内に分散させ，上記第３相内に上記第２相粒子を不連続に分散させた構造とすることが好ましい。
また，第２相粒子は，少なくとも絶縁性マトリックス材料の結晶粒界相に導電パスを形成するように分散する。
これにより，本発明にかかる効果をより確実に得ることができる。
【００３１】
また，上記絶縁性マトリックス材料は被検知力学量を負荷する方向と直角な方向の気孔率が高い多孔質であることが好ましい。
これにより直角方向のポアソン比が小さくなり，直角方向の抵抗変化を小さくすることができる。よって，負荷方向の電気抵抗変化率が大きくなるため，より感度の高いセンサを構成可能な高感度力学量センサ材料を得ることができる。
【００３２】
また，上記第２相粒子により形成された導電パスは等方的な状態にあってもよいが，被検知力学量の負荷方向に優先して導電パスが形成された状態にあることがより好ましい。
これにより，被検知力学量の負荷による電気抵抗変化率を効率的に検出可能な材料を得ることができ，本発明にかかる効果をより確実に得ることができる。
【００３３】
次に，本発明にかかる高感度力学量センサ材料の各種の製造方法について以下にいくつか例示しする。
（製造方法１）
絶縁性材料からなるマトリックス粉末と，該マトリックス粉末との粒径比が１／２以下であり，かつ導体または半導体よりなる第２相粒子とを，湿式または乾式で混合して混合粉末を作製する。該混合粉末を所定の方向から加圧して金型成形した後，これと同様な方向に加圧しながら焼成を行う。
上記マトリックス粉末は原料粉末そのものでも，また原料粉末の造粒粉であってもよい。
【００３４】
これによって，焼成体内に大きな内部（圧縮）応力を生成させる。後述する図１に示すように，この焼成体から被検知力学量の負荷方向と焼成の際の加圧方向とが平行になるように切片を切り出すことにより，本発明にかかる高感度力学量センサ材料を得ることができる（切り出した切片が高感度力学量センサ材料となる）。
【００３５】
上記加圧しながらの焼成にはホットプレスやＨＩＰ等の装置を用いることができる。また，上記焼成体における内部応力は，焼成後に焼成体を熱処理することにより発生させることもできる。
また，上記加圧は１〜３方向（等方的）より行うことができる。
この加圧の方向に対して切片を切り出すことにより，１次元から３次元の力学量の検出が可能なセンサとして機能する高感度力学量センサ材料を得ることができる。但し，３方向から加圧して焼成した場合の切り出し方向はいずれの方向でもよい。
マトリックス粉末としてはウィスカまたは柱状晶の粉末を用いてもよい。また上記焼成時に焼成温度またはそれより高い温度で一方向にプレスしながら，長時間熱処理してマトリックス結晶粒を所定の方向に粒成長させてもよい。
【００３６】
（製造方法２）
絶縁性材科からなるマトリックス粉末と，該マトリックス粉末との粒径比が１／２以下であり，かつ導体または半導体よりなる第２相粒子とを湿式または乾式で混合した混合粉末を作製する。混合粉末を内側に集積し，該集積された混合粉末の外周部を熱膨張係数の大きな絶縁粉末で包囲して，２層構造の積層体を構成しする。この積層体を所定の方向から加圧して金型成形した後，これと同じの方向に加圧しながら焼成を行う。
【００３７】
これによって，焼成体内の加圧方向に大きな内部応力を生成させる。後述する図１に示すように，この焼成体から被検知力学量の負荷方向と加圧方向とが平行になるように切り出すことにより，本発明にかかる高感度力学量センサ材料を得ることができる。
その他は上述した製造方法１と同様である。
【００３８】
（製造方法３）
絶縁性材料からなるマトリックス粉末をシート状に成形した絶縁性シート成形体と，導体または半導体よりなる第２相粒子と上記絶縁性材料との混合粉末，または第２相粒子をシート状に成形した第２シート成形体とを積層した積層成形体を作製する。
【００３９】
この積層成形体を積層方向に直角な方向より加圧しながら焼成を行うことにより，内部応力が付与された積層焼成体を得る。この積層焼成体より被検知力学量の負荷方向と加圧の方向とが平行になるように切片を切り出すことにより，本発明にかかる高感度力学量センサ材料を得ることができる。
【００４０】
また，上記絶縁性シート成形体にスクリーン印刷等によって上記混合粉末（上記第２相粒子と上記絶縁性材料とよりなる）を例えばストライプや格子の模様を形成しつつ印刷し，印刷体を作製する。該印刷体を複数重ねて積層成形体を作製することも可能である。
その他は上述した製造方法１と同様である。
【００４１】
（製造方法４）
絶縁性材料からなるマトリックス粉末と，該マトリックス粉末との粒径比が１／２以下であり，かつ導体または半導体よりなる第２相粒子とを準備し，両者をバインダーを加えて混練した。この混練物を押出成形することにより，第２相粒子が不連続に分散した導電パスを有する芯状成形体を作製する。
【００４２】
この芯状成形体を絶縁性材料からなるマトリックス粉末と共に，再度芯状成形体の長手方向に一軸プレス圧を加えて，円柱状や直方体等の柱状成形体を作製する。得られた成形体を長手方向に加圧しながら焼成し，柱状焼成体を得る。
上記柱状焼成体の長手方向に平行な方向に切片を切り出すことにより，本発明にかかる高感度力学量センサ材料を得ることができる。
【００４３】
（製造方法５）
導体または半導体よりなる第２相粒子の表面を，ナノからサブミクロンオーダーの厚みの絶縁相にて被覆し，被覆粉末となす。この被覆粉末を一軸成形またはＣＩＰ等によって円柱状（円盤状）または直方体に成形した後，加圧しながら焼成する。これにより，内部応力が付与された焼成体を作製する。
この焼成体から加圧の方向と平行に切片を切り出すことにより，本発明にかかる高感度力学量センサ材料を得ることができる。
【００４４】
以上のような製造方法によれば，本発明にかかる絶縁性マトリックス材料と，これに対して第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなる高感度力学量センサ材料であって，このものは被検知力学量を負荷する方向に該被検知力学量と同一種類の力学量を予め付与し，残留させた構造を有するものを容易に得ることができる。
【００４５】
また，同様に被検知力学量を負荷する方向における第２相粒子の粒子間距離Ａが，上記負荷方向に対する直角な方向における第２相粒子の粒子間距離Ｂよりも小さいものを容易に得ることができる。
また，被検知力学量を負荷する方向に，上記絶縁性マトリックスを構成する結晶粒が配向された状態にある者を容易に得ることができる。
また，ここにかかる以外の製造方法であっても本発明にかかる高感度力学量センサ材料を得ることができる。
【００４６】
また，上記第２相粒子の熱膨張率は上記絶縁性マトリックス材料の熱膨張率に対して１．１倍以上あるいは０．９倍以下であり，上記第２相粒子を予め上記絶縁性マトリックス材料に対し分散させ，加熱することにより力学量が付与され，残留されることが好ましい。
【００４７】
この方法によれば，加熱により絶縁性マトリックス材料と第２相粒子との間に間には熱応力が発生し，この熱応力が内部応力となって付与され，残留される。これにより，その詳細なメカニズムは不明であるが，従来材料と比較して大きくゲージ率が高まることが判明した。
よって，本発明にかかる効果をより確実に得ることができる。
【００４８】
また，第２相粒子の熱膨張率が絶縁性マトリックス材料の熱膨張率の０．９倍より大きい，あるいは１．１倍未満である場合には，両者の間の熱膨張率が略等しいことから，加熱を利用して内部応力を付与させ，残留させることができず，本発明にかかる効果を得られなくなるおそれがある。
【００４９】
また，上記第２相粒子の熱膨張率の上限であるが，１０倍とすることが好ましい。これにより，残留応力による強度低下を抑止することができる。より好ましくは１．２〜２倍とする。
更に，上記第２相粒子の熱膨張率の下限は，０．９倍とすることが好ましい。これにより，残留応力による大きな電気抵抗変化率を得ることができる。
【００５０】
また，以上に述べた製造方法において，柱状晶の結晶粒子をマトリックス粉末として使用する等の方法を採用することで，絶縁性マトリックス材料を構成する結晶粒を１方向または２方向に配向させることができる。
これにより，第２相粒子の粒子間距離及び／または応力場を変えることができるため，この材料により作成されるセンサの感度を調整することができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
実施形態例
本発明の実施形態例にかかる高感度力学量センサ材料及びその製造方法につき，図１〜図５を用いて説明する。また，その性能について本例にかかる試料１〜６を比較試料Ｃ１〜Ｃ４と共に説明する。
【００５２】
本例の高感度力学量センサ材料は，絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，被検知力学量を負荷する方向に該被検知力学量と同一種類の力学量を予め付与し，残留させた構造を有し，負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能する（後述する試料１〜５）。
【００５３】
また，本例の高感度力学量センサ材料は，絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，被検知力学量を負荷する方向における第２相粒子の粒子間距離Ａが，上記負荷方向に対する直角な方向における第２相粒子の粒子間距離Ｂよりも小さく，負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能する（後述する試料６）。
【００５４】
また，本例の高感度力学量センサ材料は，絶縁性マトリックス材料と該絶縁性マトリックス材料に対し導体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散させて構成した導電パスとよりなると共に，被検知力学量を負荷する方向に，上記絶縁性マトリックスを構成する結晶粒が配向された状態にあり，負荷された被検知力学量を検知することができる高感度力学量センサとして機能する（後述する試料７）。
【００５５】
次に，本例にかかる試料１〜７，比較試料Ｃ１〜Ｃ４の製造方法について説明する。
＜試料１＞
９４ｗｔ％のＳｉ3 Ｎ4 （平均粒径：０．２μｍ）と６ｗｔ％のＹ2 Ｏ3 及びバインダであるＰＶＡ（ポリビニルアルコール）及び分散安定剤とを湿式ボールミル混合して，スプレードライ装置により粒径１００μｍ程度の造粒粉を作製した。ここにＳｉ3 Ｎ4 は絶縁性マトリックス材料用のマトリックス粉末，Ｙ2 Ｏ3 は焼結助剤である。
【００５６】
９０ｗｔ％の上記造粒粉と１０ｗｔ％のＳｉＣ（平均粒径：０．４μｍ）とを湿式混合して１００ｗｔ％となし，これを乾燥し，脱脂及び成形を施した。ここにＳｉＣが第２相粒子となる第２粉末である。
【００５７】
図１（ａ）に示すごとく，上記成形により，直径６０ｍｍ，厚み１０ｍｍの円盤状成形体１１を得た。上記成形体１１に温度１８５０℃，プレス圧２０ＭＰａの条件で１時間のホットプレスを施した。
【００５８】
図１（ｂ）に示すごとく，得られたホットプレス体１２より，図１（ｃ）に示すごとく，ホットプレスにおいて印加したプレス圧の方向に対して被検知力学量の方向が平行となるような切片を切り出した。図１（ｃ）に示すごとく，この切片が本例にかかる高感度力学量センサ材料１である（試料１）。
【００５９】
上記試料１を切り出したホットプレス体１２の切断面１２０をＥＣＲプラズマエッチングし，その部分をＳＥＭ観察した。その結果，上記ホットプレス体１２には，図２に示すごとく，複数のＳｉ3 Ｎ4 結晶粒２１の周囲をＳｉＣの粒子２２が取り囲むような細胞壁構造が形成されていることが確認された。なお，同図において符号２３は結晶粒界相である。
【００６０】
これより上記試料１が絶縁性マトリックス材料であるＳｉ3 Ｎ4 に対し第２相粒子であるＳｉＣが０．００１〜１μｍの粒子間距離で不連続に分散した組織を有することが分かった。
【００６１】
また，図１（ｃ）に示すごとく，試料１である高感度力学量センサ材料１の両端面１０及び両側面１０１のそれぞれにビッカースを用いて圧痕を打ち，亀裂を設けるという試験を行った。この結果，上記亀裂の長さは両側１０１のほうが両端１０よりも約１５％短くなったことが観察された。
亀裂進展は主として内部応力や組織に大きく依存することから，試料１に異方性の内部応力または組織が形成されていることが確認された。
【００６２】
＜試料２及び試料３＞
６４ｗｔ％のＳｉ3 Ｎ4 （平均粒径：０．２μｍ），６ｗｔ％のＹ2 Ｏ3 ，３０ｗｔ％のＳｉＣ（平均粒径：０．０１〜０．０３μｍ，比表面積：４８ｍ2 ／ｇ）を湿式でボールミル混合し，乾燥させて混合原料粉末を得た。
上記混合原料粉末を圧力２０ＭＰａで一軸プレス成形した後，プレス圧２０ＭＰａあるいはプレス３０ＭＰａ，温度１８５０℃（Ｎ2 中）×１時間でホットプレスを施した。
得られたホットプレス体を被検知力学量負荷される方向とホットプレス方向とが平行となるように切片を切り出した（図１参照）。この切片がそれぞれ試料２（プレス圧２０ＭＰａ），試料３（プレス圧３０ＭＰａ）の高感度力学量センサ材料となる。
【００６３】
上記ホットプレス体の断面を，試料１と同様の方法で，ＥＣＲプラズマエッチングし，その部分をＳＥＭ観察した。その結果，上記ホットプレス体には，図２に示すごとく，複数のＳｉ3 Ｎ4 結晶粒の周囲をＳｉＣの粒子が取り囲むような細胞壁構造が形成されていることが確認された。
【００６４】
また，試料２，試料３に対してビッカースを用いて圧痕を打ち，亀裂を調べたところ，試料１と同様に両端面の亀裂が両側面の亀裂よりも長くなったことが観察された。これにより試料２及び３に異方性の内部応力が形成されていることが確認された。
【００６５】
＜試料４＞
６４ｗｔ％のＳｉ3 Ｎ4 （平均粒径：０．８μｍ），６ｗｔ％のＹ2 Ｏ3 ，３０ｗｔ％のＴｉＮ（平均粒径：０．４μｍ，比表面積：１８ｍ2 ／ｇ）を湿式でボールミル混合し，乾燥させて混合原料粉末を得た。ここにおいて第２粒子はＴｉＮである。
【００６６】
この混合原料粉末を圧力２０ＭＰａで一軸プレス成形した後，プレス圧２０ＭＰａ，１８５０℃（Ｎ2 ）×１時間の条件でホットプレスした。
得られたホットプレス体を被検知力学量の負荷方向とホットプレス方向とが平行となるように切片を切り出した（図１参照）。この切片が試料４の高感度力学量センサ材料となる。
【００６７】
上記ホットプレス体の断面を，試料１と同様の方法で，ＥＣＲプラズマエッチングし，その部分をＳＥＭ観察した。その結果，上記ホットプレス体には，複数のＳｉ3 Ｎ4 結晶粒の周囲をＴｉＮの粒子が取り囲むような細胞壁構造が形成されていることが確認された（図２参照）。
また，試料４に対してビッカースを用いて圧痕を打ち，亀裂を調べたところ，試料１と同様に両端面の亀裂が両側面の亀裂よりも長くなったことが観察された。これにより試料４に異方性の内部応力が形成されていることが確認された。
【００６８】
＜試料５＞
粒径０．２μｍのＳｉ3 Ｎ4 原料粉末５４ｗｔ％と，Ｙ2 Ｏ3 原料粉末６ｗｔ％及び平均粒径０．０１〜０．０３μｍ（比表面積が４８ｍ2 ／ｇ）のＳｉＣ原料粉末４０ｗｔ％を湿式でボールミル混合後，乾燥して混合粉末を得た。
この混合粉末を金型成形した後，１８５０℃×１時間×２０ＭＰａの条件でホットプレスした。ホットプレス体より被検知力学量の負荷方向とプレス方向とが平行になるよう切片を切り出した（図１参照）。この切片が試料５の高感度力学量センサ材料となる。
【００６９】
上記ホットプレス体の断面を，試料１と同様の方法で，ＥＣＲプラズマエッチングし，その部分をＳＥＭ観察した。その結果，上記ホットプレス体には複数ののＳｉ3 Ｎ4 結晶粒の周囲をＳｉＣ粒子が取り囲むような細胞壁構造が形成されていることが確認された（図２参照）。
【００７０】
また，試料５の両端面にビッカースを用いて圧痕を打った。これにより形成された亀裂長さは，試料１と同様に両側面に打った圧痕の亀裂長さより長くなったことが観察された。これにより試料５に異方性の内部応力が形成されていることが確認された。
【００７１】
＜試料６＞
粒径１μｍのＳｉ3 Ｎ4 原料粉末（比表面積：４ｍ2 ／ｇ）６０ｗｔ％と，Ｙ2 Ｏ3 原料粉末５ｗｔ％，ＭｇＡｌＯ２原料粉末５ｗｔ％及び平均粒径０．３μｍ（比表面積が２１ｍ2 ／ｇ）のＳｉＣ原料粉末３０ｗｔ％を湿式でボールミル混合後，乾燥して混合粉末を得た。
この混合粉末を金型成形し，１６００℃×１時間×２０ＭＰａの条件で仮焼した後，１８５０℃×１時間×２０ＭＰａの条件でホットプレスした。ホットプレス体より被検知力学量の負荷方向とプレス方向とが平行になるよう切片を切り出した（図１参照）。この切片が試料６の高感度力学量センサ材料となる。
【００７２】
上記ホットプレス体の断面を，試料１と同様の方法で，ＥＣＲプラズマエッチングし，その部分をＳＥＭ観察した。その結果，上記ホットプレス体にはアスペクト比の大きな複数のＳｉ3 Ｎ4 結晶粒の周囲をＳｉＣ粒子が取り囲むような細胞壁構造が形成されていることが分かった（図２参照）。また，プレス方向のＳｉＣ粒子間距離が，プレス方向の直角方向の粒子間距離より小さくなっていることが確認された。
【００７３】
＜試料７＞
７４ｗｔ％の柱状晶Ｓｉ3 Ｎ4 粉末に６ｗｔ％Ｙ2 Ｏ3 ，３０ｗｔ％のＳｉＣ粒子をボールミルで湿式混合したスラリーを作製し，このスラリーをドクターブレードを用いて厚さ５０μｍ程度の厚膜状に形成し，乾燥した。
乾燥した厚膜体を積層し，１８５０℃×１時間×２０ＭＰａの条件でホットプレスした。以下，試料６と同様に切片を切り出し，試料７の高感度力学量センサ材料とした。
【００７４】
＜比較試料Ｃ１＞
７４ｗｔ％のＳｉ3 Ｎ4 （平均粒径；０．５μｍ），６ｗｔ％のＹ2 Ｏ3 ，２０ｗｔ％のＳｉＣ（平均粒径；０．７μｍ）をボールミルで湿式混合し，乾燥し，成形した。更にホットプレスを施してホットプレス体を得た。このホットプレス体から切り出した切片を比較試料Ｃ１とした。
上記ホットプレス体の断面を，試料１と同様の方法で，ＥＣＲプラズマエッチングし，その部分をＳＥＭ観察した。その結果，上記ホットプレス体はＳｉ3 Ｎ4 の結晶粒中にＳｉＣ粒子が均一に分散していた。
【００７５】
＜比較試料Ｃ２＞
６４ｗｔ％のＳｉ3 Ｎ4 （平均粒径；０．２μｍ），６ｗｔ％のＹ2 Ｏ3 ，３０ｗｔ％のＳｉＣ（平均粒径；０．０３μｍ）をボールミルで湿式混合し，乾燥し，成形した。その後，常圧焼成を行った。得られた常圧焼成体から切り出した切片を比較試料Ｃ２とした。
【００７６】
上記常圧焼成体の断面を，試料１と同様の保法で，ＥＣＲプラズマエッチングし，その部分をＳＥＭ観察した。その結果，Ｓｉ3 Ｎ4 結晶粒中にＳｉＣ粒子がネットワーク状に分散していた。
更に，比較試料Ｃ２に対してビッカースを用いて圧痕を打ち，亀裂を調べたところ，両端面の亀裂と両側面の亀裂との間に殆ど差がなかった。
以上の点より比較試料Ｃ２は等方的な内部応力を有することが分かった。
【００７７】
＜比較試料Ｃ３＞
５４ｗｔ％のＳｉ3 Ｎ4 （平均粒径；０．２μｍ），６ｗｔ％のＹ2 Ｏ3 ，４０％のＳｉＣ（平均粒径０．０３μｍ）をボールミルで湿式混合し，乾燥させて混合原料粉末を得た。
この混合粉末を圧力２０ＭＰａで金型プレス成形した後，プレス圧２０ＭＰａ，１８５０℃（Ｎ2 中）×１時間でホットプレスを行い，被検知力学量の負荷方向がホットプレス方向と直角となるよう切片を切り出した。この切片が比較試料Ｃ３である。
【００７８】
上記ホットプレス体の断面を試料１と同様の方法でＥＣＲプラズマエッチングし，ＳＥＭ観察したところ，マトリックスであるＳｉ3 Ｎ4 結晶粒中にＳｉＣ粒子がネットワーク状に分散していた。
また，比較試料Ｃ３の両端面にビッカースを用いて圧痕を打ったときに形成される亀裂長さが，その両側面に形成された圧痕の亀裂長さより短くなっていた。これにより比較試料Ｃ３に異方性の内部応力が形成されていることが確認された。
【００７９】
＜比較試料Ｃ４＞
半導体Ｓｉを成形，焼成して比較試料Ｃ４を作製した。なお，この比較試料Ｃ４は従来より力学量センサ材料として使用されているものである。
【００８０】
＜性能評価試験＞
試料１〜試料６にかかる高感度力学量センサ材料，比較試料Ｃ１〜Ｃ４に対して，その両端面にＡｕ蒸着を施して圧縮応力を負荷したときの電気抵抗値の変化を２端子法により調べ，この結果よりゲージ率及び比抵抗値を導出し，表１に記載した。また，試料１〜３，比較試料Ｃ３及びＣ４については，歪みと抵抗変化率との関係を示す線図を図３に記載した。また，試料２と比較試料Ｃ３については，図５にも記載した。
【００８１】
図３から明らかなように，試料１〜試料３は歪みが小さい場合から大きな場合まで，直線的に抵抗変化率が変化するという歪抵抗効果を発現することが分かった。
更に，表１より知れるごとく，試料１は半導体であるＳｉのみよりなる比較試料Ｃ４よりも１桁以上高い感度（ゲージ率）を有することが分かった。更に，試料１〜試料６についても，試料１と同様に高い感度を有することが分かった。
【００８２】
また，室温，１００℃，５００℃のそれぞれの環境において，上述した性能評価試験を試料２に対して行った。この結果を図４に記載した。
同図から明らかなように，室温から５００℃の範囲において，試料２が直線的でかつ同ゲージ率の歪抵抗効果を発現することが確認された。
【００８３】
これら本例にかかる試料１〜６に対して，絶縁性マトリックス材料に第２相粒子であるＳｉＣが均一に分散した比較試料Ｃ１は，表１に示すごとく，比抵抗値が非常に大きく，電気伝導性の発現が認められなかった。このため，高感度力学量センサ材料として使用することができなかった。
【００８４】
また，比較試料Ｃ２は常圧焼成体から切り出した切片よりなるため，ゲージ率は比較試料Ｃ４にかかるＳｉ半導体以下であった。つまり，力学量センサ材料としてはＳｉ半導体よりも更に劣ることが分かった。
比較試料Ｃ３は被検知力学量の負荷方向とプレス方向とが直交するよう切り出した切片よりなるため，図５より明らかであるが，本発明にかかる効果（試料２，図５の平行方向）を得ることができず，ゲージ率もＳｉ半導体より劣ることが分かった。
【００８５】
一方，Ｓｉ半導体よりなる比較試料Ｃ４は直線的な歪抵抗効果が認められ，力学量センサ材料として機能するが，ゲージ率が低く，高感度な力学量センサを得る材料としては好ましくないことが分かった。
【００８６】
次に，本例における作用効果を力学量が応力の場合につき説明する。
本例にかかる高感度力学量センサ材料は応力を負荷する方向に内部応力が予め付与され，該内部応力が残留した状態及び／またはプレス方向の第２相粒子の粒子間距離がプレス方向に対する直角方向の粒子間距離に比べて小さい状態にある。また，弾性率も同様にプレス方向の方が直角方向に比べて大きくなっている。
【００８７】
上記内部応力により高感度力学量センサ材料の内部は変形され，内部歪みが残留し，その状態で固化している。また，第２相粒子の間隔は内部応力が残留している方向が直角方向より小さくなっていると考えられる。
そして，内部応力と負荷される応力とが同一方向であることから，応力が本発明にかかる高感度力学量センサ材料に作用することにより，第２相粒子間隔の小さな歪変化で大きな抵抗変化が得られることとなる。
【００８８】
これにより，応力方向の歪みに対して大きな抵抗値変化が得られると共に，応力負荷方向に対して直角方向の抵抗値変化が小さくなって，本例にかかる高感度力学量センサ材料のゲージ率は高くなると考えられる。
【００８９】
従って，本例によれば，高感度で力学量を検知することができるセンサを構成可能な高感度力学量センサ材料を提供することができる。
【００９０】
【表１】
0003695116.tif 000002
【００９１】
【発明の効果】
上記のごとく，本発明によれば，高感度で力学量を検知することができるセンサを構成可能な高感度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】実施形態例にかかる，試料１〜試料６の製造方法の一工程を示す説明図。
【図２】実施形態例にかかる，ホットプレス体の組織を示す摸式説明図。
【図３】実施形態例にかかる，試料１，２，５及び比較試料Ｃ３及びＣ４の歪みと抵抗変化率との関係を示す線図。
【図４】実施形態例にかかる，温度が室温，１００℃，５００℃である場合における試料２の応力と抵抗変化率との関係を示す線図。
【図５】実施形態例にかかる，試料２及び比較試料Ｃ３の歪みと抵抗変化率との関係を示す線図。
【符号の説明】
１．．．高感度力学量センサ材料，
【図１】
0003695116.tif 000003
【図２】
0003695116.tif 000004
【図３】
0003695116.tif 000005
【図４】
0003695116.tif 000006
【図５】
0003695116.tif 000007