JPH11201836A - 高感度力学量センサ材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 絶縁性マトリックス材料とこれに対し導
体または半導体よりなる第２相粒子を０．００１〜１μ
ｍ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
た構造を形成させるか，応力の負荷方向の第２相粒子の
間隔を負荷方向と直角方向のそれより小さくするような
構造を形成させる。これにより，負荷された被検知力学
量を検知するための高感度力学量センサとして機能す
る。

Description

【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，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，Ｓ
ｉ，Ｔｉ，Ｗ，Ｖ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃ
ｒ，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 Ｏ
₃ である場合には，ＷＣ，Ｍｏ₃ Ｃ，ＺｒＣ，Ｗ，Ｔｉ
Ｂ₂ ，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 ，Ｔ
ａＳｉ₂ 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，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，後述の図２に示すごとく，絶縁性マ
トリックス材料を構成する結晶粒内及び結晶粒界相に分
散していれば本発明にかかる効果を得ることができる
が，より好ましくは，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第２相粒子
が分散していることが好ましい。いずれの場合も本発明
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０．００１〜１μ
ｍ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：０．２
μｍ）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１００
μｍ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Ｓ
ｉＣ（平均粒径：０．４μｍ）とを湿式混合して１００
ｗｔ％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２０
ＭＰａ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１
２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：０．０１〜０．０３μ
ｍ，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２
０ＭＰａ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２０Ｍ
Ｐａ），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Ｓ
ｉＣ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，１６０
０℃×１時間×２０ＭＰａの条件で仮焼した後，１８５
０℃×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Ｓ
ｉＣ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Ｓｉ
Ｃ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，１８
５０℃×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 ，２０
ｗｔ％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 ，３０
ｗｔ％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ＳＥ
Ｍ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Ｃ
２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Ｓｉ
Ｃ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Ｃ
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。

【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】

【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，

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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，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。
2. 【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，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。
3. 【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。