(57)【要約】【課題】圧力を検出する素子として、ピエゾ抵抗効果が大きく、抵抗温度係数の小さい圧力検出素子を提供する。【解決手段】窒化珪素と炭化珪素とを主成分としたセラミックス体を圧力検出部に用いることで、ピエゾ抵抗効果が、０．１％／ＭＰａ　以上であり、−５０℃から３００℃の範囲でもその抵抗率の変化率は±０．１％　以内にあり、簡便で信頼性が高く、抵抗温度係数の小さい圧力検出素子を提供することができ、温度変化がある部位にも適用可能な圧力検出素子となる。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＣとを主成分とする圧力検出部と、前記圧力検出部に形成された電極とを有する圧力検出素子。
【請求項２】
圧力を加えることで電気抵抗が変化し、−５０℃から３００℃までの範囲で抵抗温度係数が±０．１％／℃以内（２０℃の電気抵抗を基準）であって、前記圧力に応じて変化する電気抵抗の変化割合が、０．１％／ＭＰａ　以上である圧力検出部を有する圧力検出素子。
【請求項３】
請求項１記載の前記圧力検出部が、炭素を有するセラミックスである圧力検出素子。
【請求項４】
請求項１記載の前記圧力検出部が、希土類元素の酸化物又はアルカリ土類元素の酸化物から選ばれた少なくとも１種類以上の元素を含むことを特徴とする圧力検出素子。
【請求項５】
請求項１記載の前記圧力検出部が、Ａｌ２Ｏ３及びＹ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種類以上の元素を含むことを特徴とする圧力検出素子。
【請求項６】
請求項３記載の前記圧力検出部が含有する前記炭素の量が、１０ｐｐｍ　から
１００００ｐｐｍ　の範囲であることを特徴とする圧力検出素子。
【請求項７】
請求項４記載の前記圧力検出部が含有する前記希土類元素又は前記アルカリ土類元素の添加量は、仕込み組成で４０重量％以下であることを特徴とする圧力検出素子。
【請求項８】
請求項５記載の前記圧力検出部が含有するＡｌ２Ｏ３及び／又はＹ２Ｏ３の添加量は、仕込み組成で４０重量％以下であることを特徴とする圧力検出素子。
【請求項９】
請求項１記載の前記圧力検出素子は、セラミックス基板上に形成されることを特徴とする圧力検出素子。
【請求項１０】
請求項１記載の前記電極は、電気信号を検出するリード線が形成されることを特徴とする圧力検出素子。
【請求項１１】
請求項２記載の前記圧力検出素子が、ドーナツ状に形成されることを特徴とする圧力検出素子。
【請求項１２】
自動車に形成されるディスクホイールを圧接するパッドを収納するキャリパと、前記キャリパ内に複数個設置され、−５０℃から３００℃までの範囲で抵抗温度係数が±０．１％／℃以内（２０℃の電気抵抗を基準）である圧力検出部を有する圧力検出素子と、を具備する電動ブレーキシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を加えると電気抵抗が変化する圧力検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料に圧力を加えて、その材料の物性の変化を利用するデバイスが注目されている。このような物性の効果は逆圧電効果あるいはピエゾ抵抗効果と呼ばれている。
【０００３】
このような効果を示す材料としては、チタン・ジルコン酸鉛，ＬａＳｒＭｎＯ４，Ｂｉ層状化合物（特開２００１−３３５３６２号），ＺｎＯ薄膜（特開平８−３０７９９３号）など酸化物を中心としたセラミックス材料がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら材料は、周囲温度の変化に対して大きく変化する。たとえば、チタン・ジルコン酸鉛は、室温では５０％近い変換効率を示すものの、室温より１０℃前後温度が変化しただけで、急激にその変換効率は減ずる。
【０００５】
したがって、温度変化のある部位に適用する場合には、これら材料はその使用条件には限界がある。すなわち、従来の圧力検出素子では、温度一定条件下での使用に限定されており、激しい温度変化がある部位では使用できないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、温度変化がある部位にも適用可能な圧力検出素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの実施態様として、圧力検出素子に使用される材料に、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＣとを主成分とするものを使用する。
【０００８】
この材料は、圧力を加えることで電気抵抗が変化するものであり、−５０℃から３００℃までの範囲で抵抗温度係数が±０．１％／℃以内（２０℃の電気抵抗を基準）であるものである。
【０００９】
特に、この材料は、圧力に応じて変化する電気抵抗の変化割合が、０．１％／ＭＰａ以上である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００１１】
温度変化がある部位にも適用可能な圧力検出素子，圧力に応じて発生する電気的特性そのものが周囲の温度に依存しない材料を用いて素子にすることにより解決できる。
【００１２】
また、圧力変化に対して、電気的特性の変化がある程度以上大きいことも必要となる。
【００１３】
本発明者らは、このような観点に鑑み、圧力に応じて発生する電気的特性を材料の電気抵抗ととらえ、種々の材料検討を進めた。
【００１４】
その結果、ある種のセラミックス材料のなかに、圧力に対する電気抵抗の変化が大きく、その電気抵抗が周囲温度に依存せず、ほぼ一定値をとる可能性があるものを見い出した。
【００１５】
本実施例に記載される圧力検出素子の主要部を構成する圧力検出部は、圧力を加えることでその電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する材料であって、その電気抵抗は温度依存性が極めて小さい材料である。
【００１６】
半導体では、一般に、高温になるにしたがい、その抵抗値は減少する。しかしながら、本実施例に記載される材料は、その減少率が−０．１％／℃　以下である。また、ある種の金属あるいはセラミックスでは、特異的な正の抵抗温度係数を示すものがあるが、その値が大きすぎても良くない。本実施例に記載される材料は、その増加率が＋０．１％／℃　以内である。
【００１７】
電気抵抗は、無負荷状態に比べて減少する傾向を示す。この変化割合は、無負荷状態に比べて、０．１％／ＭＰａ　以上であることが望ましい。これより小さな変化率でもこの材料に係る圧力を検出することは可能であるが、信号量が減るため、信号量とノイズ量との比が小さくなる。
【００１８】
圧力検出素子の使用温度範囲は、用いるシステムによるが、−５０℃から３００℃の範囲で抵抗率変化が少なければ、かなりのシステムに適用が可能となり、本実施例に記載される材料は、この使用温度範囲で抵抗率変化が所定の値以下と小さい。
【００１９】
本実施例に記載される材料は、無負荷状態の抵抗率は、１Ωｍ以上で１０６Ωｍ以下とすることができる。
【００２０】
なお、希土類元素，アルカリ土類元素，Ａｌから選ばれた少なくとも１種類以上の元素が含まれていてもよいが、これらの元素はＳｉ３Ｎ４の焼結助剤として機能する。また、セラミックスの強度性や摩耗性が改善されるばかりでなく、抵抗率のアサーマル性改善にも効果がある。これらの元素は酸化物の形で添加するが、出発原料としては硝酸塩，硫酸塩，炭酸塩の形であっても構わない。
【００２１】
本実施例に記載される圧力検出素子は、平板型や円盤型などバルク形状の基板上に形成されてもよい。ただし、圧力検出素子は圧力検出部の対向する２面にアルミニウム，銀，白金，金などの導電性金属からなる電極が設けられている必要がある。この導電性電極に電気信号を取り出すためのリード線が設けられている。電極のサイズや形状は、抵抗値を勘案して設計される。リード線と電極面との接着に関しても、圧着やハンダ付けなどが簡便で好ましい。
【００２２】
本実施例に記載される圧力検出素子は、圧力センサとして自動車のディスクブレーキあるいはドラムブレーキに用いることができる。ディスクやドラムを押さえるブレーキパッドにかかるピストン力（圧力）を検出し、電気信号として制御システムにフィードバックすることにより電動ブレーキシステムができる。この場合、圧力センサは、キャリバ内に保持される。
【００２３】
以下に、本実施例に記載される圧力検出素子の製造方法及び評価方法の一例を記載する。
【００２４】
原料粉末として、Ｓｉ３Ｎ４，Ｃを用いた。これらの粉末と分散材とをエンジアリングプラスチック製ポットに入れて、Ｓｉ３Ｎ４製のボールとともにエタノール中で２０時間混合した。
【００２５】
この混合粉末を乾燥後、１７００℃の還元雰囲気中にて熱処理を行った。この熱処理により、混合粉末中にＳｉＣが析出される。この混合粉末をボールミルにて２０時間粉砕，乾燥後、円盤状に成形し、ホットプレス（加圧焼結）した。
【００２６】
焼結体を取り出し、切断機，研磨機にて２０φ，５ｍｍ厚さの試料形状に整えた。この試料の両面に銀ペーストを塗り電極を形成した。得られた試料のピエゾ抵抗効果および抵抗率の温度依存性を次のようにして評価した。
【００２７】
ピエゾ抵抗効果の評価としては、試料を加圧機にセットし、手動により荷重を加えた。このときの試料の抵抗値をテスターにてモニタし、その変化率を調べた。
【００２８】
また、抵抗温度係数は、試料を恒温槽にセットし、温度を−５０℃から３００℃まで変化させ、温度２０℃の試料の抵抗値を基準に、各温度での変化率（抵抗温度係数）を計算した。得られた結果を図１に示す。
【００２９】
図１の横軸は荷重量（ＭＰａ）を、縦軸は抵抗率を表している。図１に示されるように試料に荷重を加えることで、その抵抗率は直線的に変化（減少）し、この材料が圧力（加圧）検出素子として用いることができることを示している。この場合、加圧に対する抵抗率の変化割合は−０．１％／ＭＰａ　であった。
【００３０】
図２に合成した試料の抵抗率温度依存性を示す。２０℃での抵抗率が１０Ωｍであるのに対し、低温側でも高温側でもほとんど変化がなく、温度に係わらずその抵抗値はほぼ一定であることが分かる。
【００３１】
抵抗温度係数の計算では、高温側の３００℃のときでさえ、−０．１％／℃　と極めて小さな値であった。逆に低温側では、わずかに上昇が見られるが、それでも＋０．０５％／℃　であり小さい値であった。
【００３２】
すなわち、本実施例に記載される材料を圧力検出部に用いた圧力検出素子は、温度依存性が小さく、ピエゾ抵抗効果を備えていることが分かった。
【００３３】
更に、前述の方法に従い、出発原料のＳｉ３Ｎ４に対するＣ（炭素）の含有量を変化させた試料を合成し、抵抗率（２０℃における），ピエゾ抵抗，抵抗温度係数（３００℃における）および成分構成比を調べた。成分構成比は赤外線吸収法で測定した。表１にその結果をまとめて示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１から分かるように、試料番号１に見られるように、炭素量が１０ｐｐｍ　より少ないと抵抗率が高くなる。それに伴いピエゾ抵抗が失われる傾向になり、抵抗温度係数も大きくなる。逆に、試料番号８に見られるように、炭素量が１００００ｐｐｍより多いと、急激な抵抗率の低下が見られ、ピエゾ抵抗はほとんど失われる。
【００３６】
したがって、試料番号２〜７に見られるように、炭素量を１０〜１００００
ｐｐｍ　の範囲内に設定することで、ピエゾ抵抗及び抵抗温度係数の何れの特性も満足し、圧力検出素子としての特性を満たすことになる。
【００３７】
また、前述の方法に従い、Ｓｉ３Ｎ４にＣを混合し、適当な温度で熱処理を行い、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４），炭化珪素（ＳｉＣ）、及び炭素（Ｃ）とからなる複合粉末を作製した。
【００３８】
なお、混合した組成は、表１の試料番号４とした。
【００３９】
この粉末にＢａＯ，Ｐｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３の粉末をそれぞれ適当量ボールミルにより混合して乾燥した後、これら混合粉末をホットプレスし、研磨切断した。その後、電極を形成して、圧力検出素子を作製した。
【００４０】
これらの元素を添加することで焼結密度が改善され、セラミックスとしての信頼性は向上した。電気的特性を表２にまとめて示す．
【００４１】
【表２】
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【００４２】
表２から分かるように、ＢａＯ，Ｐｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３の添加は、大きく電気的特性を損なうものではなく、圧力検出素子として適用できる可能性を示している。
【００４３】
しかしながら、これら添加成分の添加量が５０％に達すると（好ましくは４０％を超えると）、たとえば、試料番号１１，１４，１７，２０に見られるように、急激にピエゾ抵抗が失われるばかりでなく、抵抗温度係数も損なわれる。すなわち、アサーマル性（応力のような外部から印加された力に対して、電気的信号の変化を示すピエゾ抵抗効果を利用した圧力検出素子に関して、特に、その電気的信号の変化が外部温度の変化に対して極めて小さい性質）が消失する。逆に、その他の試料番号のものは、アサーマル性を有する圧力検出素子である。
【００４４】
ＢａＯ，Ｐｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３の添加で代表される圧力検出部が含有する希土類元素又はアルカリ土類元素の添加量やＡｌ２Ｏ３及び／又はＹ２Ｏ３の添加量は、仕込み組成で４０重量％以下であることが好ましい。
【００４５】
更に、表２の試料番号１８を用いて、圧力検出素子を試作した。
【００４６】
図３に本実施例で検討した圧力検出素子の模式構造を示す。図３のように、直径５φ，厚さ３ｍｍのセラミックス焼結体（圧力検出部）１の両面全面に金（Ａｕ）をスパッタして電極２を形成する。この電極２に電気信号を検出するリード線３を圧着して、セラミックス絶縁板（セラミックス基板）４上に保持する。外部からの圧力は電極２の片側の面にかかる構造になっている。また、リード線３の他端は、電流の測定回路に接続される。
【００４７】
なお、圧力検出部１はＳｉ３Ｎ４とＳｉＣとを主成分とするものであり、圧力を加えることで電気抵抗が変化する。そして、−５０℃から３００℃までの範囲で抵抗温度係数が±０．１％／℃以内（２０℃の電気抵抗を基準）であって、圧力に応じて変化する電気抵抗の変化割合が、０．１％／ＭＰａ以上である。
【００４８】
また、圧力検出部１は、炭素を有するセラミックスであるが、炭素の含有量は、１０ｐｐｍ　から１００００ｐｐｍ　の範囲であることが好ましいが、ここでは５００ｐｐｍとする。
【００４９】
更に、圧力検出部１は、希土類元素の酸化物又はアルカリ土類元素の酸化物から選ばれた少なくとも１種類以上の元素を含むことが好ましく、また、Ａｌ２Ｏ３及びＹ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種類以上の元素を含むことが好ましいが、ここではＡｌ２Ｏ３及びＹ２Ｏ３をそれぞれ５％含有する。
【００５０】
ここで、圧力検出部１及び／又はこの圧力検出部１を用いた圧力検出素子は、ドーナツ状に形成される。
【００５１】
これを一組として、自動車のタイヤのディスクホイールに付属しているキャリパに設置する。
【００５２】
自動車に形成される圧力検出素子は、ディスクホイールを圧接するパッドを収納するキャリパ内に複数個設置され、使用温度−５０℃から３００℃まで（限定的には−５０℃から１２０℃まで）の範囲で抵抗温度係数が±０．１％／℃　以内（２０℃の電気抵抗を基準）である圧力検出部を有する。
【００５３】
そして、ブレ−キングされる際のピストン圧力の検出を行うと、良好な圧力検出効果を示す。すると、使用温度範囲で温度を変化させた場合も、圧力検出率はほとんど一定であり、簡便なシステムで信頼性の高い電動ブレーキシステムができる。
【００５４】
なお、本実施例では、材料の合成法についてセラミックスの典型的な合成法を開示しているが、圧力検出素子の作製法としては、本実施例に述べた方法に限定されるものではない。
【００５５】
本実施例に記載の圧力検出素子は、装置システムが複雑になることなく、故障頻度も低い。また、電気機械変換効率が高く、外部応力に応じて発生する電気的信号量は大きなものとなる。そして、装置システムの信頼性も向上し、低コスト化にもつながる。
【００５６】
以上述べてきたように、本実施例の圧力検出素子を用いれば、そのピエゾ抵抗効果が大きく、その特性が周囲温度の影響をほとんど受けずにほぼ一定であるため、簡便なシステムを構築できる。さらに、これをセンサとした電動ブレーキシステムも、システムの簡便化と信頼性向上に効果がある。
【００５７】
【発明の効果】
本発明は、温度変化がある部位にも適用可能な圧力検出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力検出素子の能力を示すピエゾ抵抗効果を表す図。
【図２】本発明の圧力検出素子の抵抗率温度依存性を示す図。
【図３】本発明による圧力検出素子の模式図。
【符号の説明】
１…圧力検出部、２…電極、３…リード線、４…セラミックス絶縁板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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