JP2007205778A - 圧力検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、省スペース性を確保しつつ高い電気抵抗値を有する圧力検出素子を提供することを第１の目的としている。
【解決手段】 本発明は、外力の作用により電気抵抗値が変化する略環形状の感圧体と、前記感圧体の外周面に接合された一対の導線とを有する圧力検出素子である。このように感圧体を環形状とし、その外周面に導線を接合することにより、感圧体を流れる電流の経路を略環形状に形成することができる。したがって、同一の電流の経路長を例えば矩形状の感圧体で確保する場合に比べいたずらに感圧体を大きくする必要がなく、感圧体の省スペース性を確保しつつ電気抵抗値を高めることができる。なお、感圧体の形状は、圧力検出素子の用途により適宜選択されるものであり特に限定されないが、製造の容易さの面から略円環状とすることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は圧力を印加すると電気抵抗率が変化する圧力検出素子の構造に関する。

近年、燃費や排ガスの規制を受けて自動車用センサの多様化が進んできており、高温や高圧に耐えうるセンサが求められている。この中の一つにエンジンのシリンダ内圧を計測する筒内圧センサがあり、例えば特許文献１にはエンジンの点火プラグとシリンダヘッドの間に取り付けて間接的に筒内圧を計測する方法が記載されている（特許文献１）。この方法を採用するとセンサが直接火炎に接することはないが、それでも３００℃、１０ＭＰa程度の高温・高圧に耐えられるセンサ特性が要求され、また、シリンダとプラグの間に取り付けるために省スペースな構造が必要となる。現在主流である半導体圧力センサはシリコン単結晶を圧力を検出する媒体、いわゆる感圧体として使用し、加圧時にシリコンの電気抵抗が変化する現象を使用して圧力を検出しているが、その温度特性のために１５０℃以上の環境で使用することは困難であり、また、１００ＭＰａを超えるような高圧分野の圧力計測も困難であった。さらにセンサ構造が複雑なため、省スペース化が難しいという問題があった。

この問題を解決するために、３００℃以上の高温下においても使用可能である圧力検出材料としてＳｉＣに窒素をドープした材料や、Ｓｉ_３Ｎ_４に導電性物質をドープした材料が研究されている（非特許文献１、特許文献２）。これらの材料は３００℃以上の高温でも化学的で安定であり、機械強度も高く、高温・高圧下においても圧力を検出することができる。しかしながら、これらの材料は電気抵抗率が低く、感圧体として使用した際の電気抵抗値が小さくなり（１００Ω以下）、定電流回路などに組み込み電気抵抗変化を電圧に変換すると、加圧時の電圧変化が数ｍＶオーダーと小さく、配線抵抗の影響やノイズの影響が大きくなり圧力の測定精度が著しく悪くなるという問題がある。現状の圧力センサ材料は電気抵抗値が数ｋ〜数十ｋΩであり、測定精度を考えるとｋΩオーダーの抵抗値が必要となる。電気抵抗値を上げる方法として感圧体における電流が流れる経路の長さを大きくする方法があるが、省スペースの確保が困難になってしまう。また、薄膜化することにより抵抗値を高める方法もあるが、一辺の長さを極端に小さくすると機械強度が下がり、高い圧力の測定が出来なくなるという問題があった。

実開平５-０４５５４２号公報 特開平１１-２０１８３６号公報 「粉体および粉末冶金」第５１巻第５号

本発明は、上記従来の問題を鑑みてなされたものであり、省スペース性を確保しつつ高い電気抵抗値を有する圧力検出素子を提供することを第１の目的とし、さらに、導電性の高い材料を使っても充分な電気抵抗値を有し、もってノイズの影響が小さく高温かつ高圧でも測定精度の高い圧力検出素子を提供することを第２の目的としている。

上記課題を解決する第一の発明は、外力の作用により電気抵抗値が変化する略環形状の感圧体と、前記感圧体の外周面に接合された一対の導線とを有する圧力検出素子である。このように感圧体を環形状とし、その外周面に導線を接合することにより、感圧体を流れる電流の経路を略環形状に形成することができる。したがって、同一の電流の経路長を例えば矩形状の感圧体で確保する場合に比べいたずらに感圧体を大きくする必要がなく、感圧体の省スペース性を確保しつつ電気抵抗値を高めることができる。なお、感圧体の形状は、圧力検出素子の用途により適宜選択されるものであり特に限定されないが、製造の容易さの面から略円環状とすることが望ましい。

上記課題を解決する第二の発明は、外力の作用により電気抵抗値が変化する略Ｃ形状の感圧体と、円周方向において前記感圧体の夫々の端面に接合された一対の導線とを有する圧力検出素子である。このように感圧体を略Ｃ形状とし、その円周方向における端面にそれぞれ導線を接合することにより、電流が流れる経路を略Ｃ形状とすることができる。したがって、上記第一の発明と同様に電流の経路長を長くすることができ、感圧体の省スペース性を確保しつつ電気抵抗値を高めることができる。さらに、第1発明に係る感圧体と同サイズとする場合には、第１発明の感圧体よりも電流の流れる経路長を長くすることができる。

さらに、上記圧力検出素子において、前記感圧体の（半径方向における中心線の長さ／半径方向の断面積）が１０００以上２０００００以下であることが好ましい。感圧体をこのように構成することで、感圧体を形成する材料の電気抵抗率が１Ω・ｍ以上であれば、感圧体の抵抗値として１ｋΩ以上の抵抗値の圧力検出素子を得ることができると共に、十分な強度を確保する事ができるからである。

さらに加えて、上記圧力検出素子において、前記感圧体はセラミックスであることが望ましい。感圧体を高耐熱・高強度なセラミックスで構成することで、高温かつ高圧に耐えうる圧力検出素子を得ることができるからである。

さらにまた加えて、上記圧力検出素子において、前記感圧体が第１の粒子を主体とした母材中に前記第１の粒子とは導電性が異なる第２の粒子が分散したセラミックスであることが望ましい。感圧体をかかる構成とすることにより、感圧体に圧力が作用したときの第１の粒子と第２の粒子の接触状態の変化による電気抵抗の変化を利用した、極めて圧力感度の高い圧力検出素子を形成することができる。

本発明の圧力検出素子によれば、上記第一の発明又は第二の発明のように構成したので、その感圧体を流れる電流の経路長を長くすることができ、省スペース性を確保しつつ高い電気抵抗値を有する圧力検出素子を提供することができる。さらに、感圧体をセラミックスで構成することにより、感圧体を構成する材料の導電性が高い場合でも充分な電気抵抗値を有し、もってノイズの影響が小さく高温かつ高圧でも測定精度の高い圧力検出素子を提供することができる。

本発明の実施例を説明する。なお、以下の実施例に係る感圧体の組成及び形状は表１に示すとおりであり、組成、形状、製法又は試験方法等が同一の実施例については相違部分のみを説明し、共通部分の説明を省略する場合がある。また、以下の実施例により本発明が限定されるものではない。

実施例１、２は、図１に示すように、略円環状の感圧体１１を備えた圧力検出素子１に係る例である。

(実施例１)
まず、第１の粒子として絶縁性セラミックスであるα‐Ｓｉ_３Ｎ_４粉末（宇部興産製、型番：E１０、平均粒径０．５μｍ）を３９．０ｇ、第２の粒子として導電性セラミックスであるＣ粉末（高純度化学製、型番：ＣＣＥ０１ＰＡ）を２．０ｇ、焼結助剤としてＡｌ_２Ｏ_３（高純度化学製、型番：ＡＬＯ０５ＰＡ）を６．０ｇ、Ｙ_２Ｏ_３（高純度化学製、型番：ＹＹＯ０１ＰＡ）を３．０ｇ秤量し、エタノール中でボールミル混合を行った。これで得られたスラリーを乾燥後、Φ３６ｍｍの金型を用い、１００ＭＰａの圧力を加えて、Φ３６ｍｍ、厚さ１０ｍｍの成形体を作成し、次いで、焼結温度１６５０℃、保持時間２時間、加圧力３０ＭＰａ、窒素雰囲気中で、成形体をホットプレスで焼結した。

得られた焼結体から３ｍｍ角×６ｍｍの試験片を採取し、試験片の３ｍｍ角の面にΦ２．０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＣｕ電極を、７６５℃、真空度１０^−１Ｐａ以下、加圧力０.１ＭＰaの条件で１５分キープしてロウ付けし、さらに該Ｃｕ電極にΦ０．６ｍｍのＣｕリード線をハンダ付けした。なお、上記ロウ材としては、田中貴金属製のＴＫＣ―５９１ペーストを使用した（以下の実施例及び比較例で同じ。）。

得られた試験片の電気抵抗値及び電気抵抗変化率をミリオームメーター（アドバンテスト製、型番：Ｒ８３４０）で測定した。ここで、電気抵抗変化率を測定する際には、試験片の３ｍｍ×６ｍｍの面を２０ＭＰａで加圧して測定した。これらの測定結果を表２に示す。

上記試験片を切り出した残りの焼結体から、外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの略円環形状の感圧体１１を切り出した。そして、感圧体１１の外周面の相対する位置に、Φ２．０ｍｍ、厚さ１ｍｍの入力側及び出力側のＣｕ電極１２とΦ０．６ｍｍの入力側及び出力側のＣｕリード線１３を、７６５℃、真空度１０^−１Ｐａ以下、加圧力０.１ＭＰaの条件で１５分キープしてロウ付けを行なった。そして、上記の試験片と同様に感圧体１１の電気抵抗値をミリオームメーターで測定し、次いでその感圧体１１をブリッジ回路に組み込み定電流回路を作製して圧力検出素子１を得た。かかる圧力検出素子１では、図１において矢示するように、入力側から出力側に向かい感圧体１１の円周方向に沿い流れる電流の流路が形成される。なお、同様の方法で圧力検出素子１を１０個作製した（以下の実施例及び比較例でも同様）。この１０個の圧力検出素子１に組み込まれた各感圧体１１の電気抵抗値の平均値を表２に示す。

１０個の圧力検出素子１の全てについて、それぞれオートグラフ（島津製作所製、：型番ＡＧ-５０ＫＮＧ）を用いて２５℃と３００℃の条件で２０ＭＰaの圧力を加えたときの電圧変化量から測定精度を算出した。電圧変化量は、ミリオームメーター（アドバンテスト製、型番：Ｒ８３４０）で測定した。ここで、測定精度とは、圧力検出素子１が検出した圧力の真の圧力に対する誤差のことである。本実施例（以下も同様）では、オートグラフで圧力検出素子１に負荷した荷重と圧力検出素子１に表示された荷重との差を測定精度とした。２５℃及び３００度における１０個の圧力検出素子１の測定精度の平均値を表２に示す。上記オートグラフによる加圧試験後に、感圧体１１に破損等の異常が有るか否かの外観検査行なった。外観検査の結果を表２に示す。

(実施例２)
表１に示すように、実施例１との違いは感圧体１１の厚みを４．０ｍｍとした点である。その他感圧体１１の組成、製法及び圧力検出素子１の構成並びに測定方法は実施例１と同様である。実施例２の試験片、感圧体１１及び圧力検出素子１のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

実施例３〜８は、図２に示すように、略Ｃ形状の感圧体２１を備えた圧力検出素子２に係る例である。そして、実施例３〜５は、感圧体２１を構成する材料の電気抵抗率を変化させた例であり、実施例５〜８は、感圧体２１の形状、具体的にはその厚みを変化させた例である。

(実施例３)
表１に示すように、実施例１との違いは感圧体２１の形状が異なる点であり、その他の組成及び製法等は実施例１と基本的に同じである。ここで、感圧体２１は次のように作成した。実施例１と同様に作製した焼結体から、外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの円環形状体を切り出し、その円周部の一箇所を０．５ｍｍ幅で切断して分離部２４を形成し、略Ｃ形状をなす感圧体２１を得た。そして、図２に示すように、分離部２４の相対する面（円周方向において感圧体２１の相対する端面）２５にΦ２．０ｍｍ、厚さ１ｍｍの入力側及び出力側のＣｕ電極２２とΦ０．６ｍｍの入力側及び出力側のＣｕリード線２３を、上記同様の条件でロウ付けをした。そして、Ｃｕ電極２２及びＣｕリード線２３が接合された感圧体２１をブリッジ回路に組み込み定電流回路を作製して圧力検出素子２を得た。かかる圧力検出素子２では、図２において矢示するように、入力側から出力側に向かい感圧体２１の円周方向に沿い流れる電流の流路が形成される。実施例３の試験片、感圧体２１及び圧力検出素子２のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(実施例４)
表１に示すように、実施例３との違いは、感圧体２１を構成する材料の電気抵抗率を下げるため、導電成分であるＣ粉末を３．０ｇと増加させ、α‐Ｓｉ_３Ｎ_４粉末を３８．０ｇとした点である。その他感圧体２１の形状、製法及び測定方法等は実施例３と基本的に同じである。実施例４の試験片、感圧体２１及び圧力検出素子２のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(実施例５)
表１に示すように、実施例３との違いは、実施例４に比べ更に感圧体２１を構成する材料の電気抵抗率を下げるため導電成分であるＣ粉末を６．０ｇと増加させ、α‐Ｓｉ_３Ｎ_４粉末を３５．０ｇとした点である。その他感圧体２１の形状、製法及び測定方法等は実施例３と基本的に同じである。実施例５の試験片、感圧体２１及び圧力検出素子２のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(実施例６)
表１に示すように、実施例５との違いは感圧体２１の厚みを１．０ｍｍとした点である。その他感圧体２１の製法及び測定方法等は実施例５と基本的に同じである。実施例６の試験片、感圧体２１及び圧力検出素子２のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(実施例７)
表１に示すように、実施例５との違いは感圧体２１の厚さ０．２ｍｍとした点である。その他感圧体２１の製法及び測定方法等は実施例５と基本的に同じであるが、本実施例（以下の実施例８も同様。）では、感圧体２１の厚みが薄くＣｕ電極を接合することが困難であったため、感圧体２１の分離部２４の端面に銀ペースト（住友金属鉱山（株）、型番：Ｓ８７４０）を５５０℃で焼き付けて電極２２を形成した。実施例７の試験片、感圧体２１及び圧力検出素子２のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(実施例８)
表１に示すように、実施例５との違いは感圧体２１の厚みを０，１ｍｍとした点である。電極２２の構成が実施例７と同一である点を除き、その他感圧体２１の製法及び測定方法等は実施例５と基本的に同じである。実施例８の試験片、感圧体２１及び圧力検出素子２のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(比較例１)
比較例１の圧力検出素子３は、図３に示すように、感圧体３１の厚み方向の面に接合されたＣｕ電極３２を介しＣｕリード線３３を電気的に接合した構成である。かかる構成の圧力検出素子３では、図において矢示するように、感圧体３１の厚み方向に直線状に電流の流路が形成される。ここで、感圧体３１は次のようにして作成した。表１に示すように、実施例４と同様に作製した焼結体から、外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ３．０ｍｍの略円環形状の感圧体３１を切り出した。そして感圧体３１の厚み方向における上下面に、外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ１ｍｍの入力側及び出力側のＣｕ電極３２とΦ０．６ｍｍの入力側及び出力側のＣｕリード線３３を配置し、上記実施例と同様な条件でロウ付けをした。Ｃｕ電極３２とＣｕリード線３３が接合された感圧体３１をブリッジ回路に組み込み定電流回路を作製し圧力検出素子３を得た。この比較例１の試験片、感圧体３１及び圧力検出素子３のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(比較例２)
比較例２の圧力検出素子４は、図４に示すように、円盤形状の感圧体４１の外周面に接合されたＣｕ電極４２を介しＣｕリード線４３を電気的に接合した構成である。かかる構成の圧力検出素子４では、図において矢示するように、感圧体４１の半径方向に直線状に電流の流路が形成される。ここで、感圧体４１は次のようにして作成した。表１に示すように、実施例１と同様に作製した焼結体から、外径Φ１９.０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍの円盤形状の感圧体４１を切り出した。そして、図４に示すように、感圧体４１の外周面の相対する位置にΦ２．０ｍｍ、厚さ１ｍｍの入力側及び出力側のＣｕ電極４２とΦ０．６ｍｍの入力側及び出力側のＣｕリード線を配置し、上記実施例と同様な条件でロウ付けをした。そして、Ｃｕ電極４２とＣｕリード線４３が接合された感圧体４１をブリッジ回路に組み込み定電流回路を作製し、圧力検出素子４を得た。この比較例２の試験片、感圧体４１及び圧力検出素子４のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

(比較例３)
比較例３は、図２に示す圧力検出素子２において、感圧体２１の厚みを実施例８よりもさらに薄くした例である。表１に示すように、本比較例の圧力検出素子２は、実施例８と同様に作製した分離部２４を有する外径Φ１９.０ｍｍ、内径Φ１４．０ｍｍ、厚さ０．０７６ｍｍの略Ｃ形状の感圧体２１を備えたものである。この比較例３の試験片、感圧体２１及び圧力検出素子２のそれぞれの特性の測定結果を表２に示す。

実施例１〜８と比較例１，２とを対比すれば、感圧体１１の形状を略環形状としその外周面に導線１３を接続する構成又は感圧体２１を略Ｃ形状としその分離部２４の端面２５に導線２３を接続する構成とし、感圧体１１、２１を流れる電流の経路長を長くすることにより感圧体１１，２１電気抵抗値を高めることができ、２５℃、３００℃いずれの条件の下でも±５％以下の測定精度の圧力検出素子が得られることが判る。また、上記実施例１，２と実施例３〜８とを対比すれば、同一の寸法で電気抵抗値をさらに高くするためには感圧体を略Ｃ形状とすることが望ましいことが判る。さらに、実施例１〜８と比較例３とを対比すれば、（半径方向における中心線の長さ／半径方向の断面積）を１０００〜２００００の範囲とすることで、±５％以内の測定精度を有するとともに圧力が作用した場合でも破壊しない圧力検出素子１、２を得ることができることが判る。

本発明の第１発明に係わる圧力検出素子の構造を示す模式図である。 本発明の第２発明に係わる圧力検出素子の構造を示す模式図である。 比較例１の圧力検出素子の構造を示す模式図である。 比較例２の圧力検出素子の構造を示す模式図である。

符号の説明

１（２、３、４） 圧力検出素子
１１（２１、３１、４１） 感圧体
１２（２２、３２、４２） Ｃｕ電極
１３（２３、３３、４３） Ｃｕリード線

Claims (5)

1. 外力の作用により電気抵抗値が変化する略環形状の感圧体と、前記感圧体の外周面に接合された一対の導線とを有する圧力検出素子。
2. 外力の作用により電気抵抗値が変化する略Ｃ形状の感圧体と、円周方向における前記感圧体の夫々の端面に接合された一対の導線とを有する圧力検出素子。
3. 前記感圧体の（半径方向における中心線の長さ／半径方向の断面積）が１０００以上２０００００以下である請求項１または２に記載の圧力検出素子。
4. 前記感圧体がセラミックスである請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力検出素子。
5. 前記感圧体が第１の粒子を主体とした母材中に前記第１の粒子とは導電性が異なる第２の粒子が分散したセラミックスである請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力検出素子。

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