(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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２】
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３】
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４】
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５】
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６】
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。
【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，
【図１】
0004067295.tif 000002
【図２】
0004067295.tif 000003