JP2008292410A

JP2008292410A - 感圧体および感圧素子並びにそれを用いた圧力検出方法

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Publication number: JP2008292410A
Application number: JP2007140598A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Ino; 健太郎猪野; Kenji Akihama; 賢治秋浜; Hideko Fukushima; 英子福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-05-28
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2027-05-28
Also published as: JP5263641B2

Abstract

【課題】優れた圧力感度を有する新しい原理に基づく感圧体を提供することを目的とし、好ましくは２００℃の高温下でも使用可能である感圧体を提供し、さらに好ましくは１００ＭＰa以上の高圧下でも使用可能で信頼性の高い感圧素子を提供する。
【解決手段】第一の粉体１１中に第二の粉体１２が導電性の経路を形成した状態で分散した感圧体であって、その空隙率が２５％以上、５５％以下であり、加圧による前記第一の粉体１１と第二の粉体１２および前記第二の粉体１２同士の接触状態が変化して電気抵抗が変化する感圧体。
【選択図】図１

Description

本発明は、感圧素子に関するものであり、特に圧力感度が高い感圧素子に係るものである。

従来から、金属または半導体素子を用いた圧力または荷重検出素子が一般的に使用されており、中でもシリコン単結晶や炭化珪素等からなる半導体圧力検出素子は、金属歪ゲージと比較し、電気抵抗の圧力に対する変化率で表される圧力感度が数桁優れることから圧力を検知する材料、すなわち感圧体として幅広い応用がなされている。しかしながら、従来の半導体圧力検出素子は機械的強度が弱く、高温・高圧下では単体で使用することが出来ないため耐圧容器に組み込んで測定を行っており、検出装置の構成が複雑になるとともにコスト高となる問題があった。

この問題を解決するために、高温高圧下での使用に耐えうる圧力検出素子の研究が数多くなされており、その一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された圧力検出素子は、ＳｉＣを析出させたＳｉ_３Ｎ_４を主成分とする多結晶セラミックス材料を感圧体として用いた半導体圧力検出素子であり、圧力を加えると電気抵抗が変化するＳｉＣのピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出している。この圧力検出素子はＳｉ_３Ｎ_４とＣを焼結反応させＳｉＣを析出させることにより製造される。

かかる圧力検出素子によれば、高強度のセラミックス材料であるＳｉ_３Ｎ_４を主成分とするので耐圧容器等に組み込まなくても高い圧力を測定可能であり、かつ、高温でも圧力検出素子が酸化等で性能劣化すること無く測定可能であるという利点がある。しかしながら、この圧力検出素子を発明者が作製し確認したところによれば、この圧力検出素子は、圧力変化に対する電気抵抗変化率すなわち圧力感度が−０.００５％／ＭＰａ程度と低いということ、焼結・加工に手間がかかり高コストになってしまうという問題があった。

また、特許文献２には導電性粉末をプラスチック内に導電性経路を形成させた状態で分散させた成形体を用いた荷重検知方法に関する記載がある。この方法ではプラスチック内に分散された導電性粉末の接触状態が圧力によって変化することにより電気抵抗が変化して圧力を検出することができる。また、プラスチック自体が高強度であるため、耐圧容器に組み込まなくても高い圧力を測定することができる。しかしながらこの材料は圧力に対する電気抵抗変化が直線的でないために精密に圧力を検出できないこと、また圧力が加わると塑性変形を起こすため、電気抵抗が元の値に戻らず２回以上の圧力を正確に検出することができないという問題があった。

特開２００４−２０３５５号公報特許第３６１３４１６号

本発明は、上記従来の問題を解決するため発明者が鋭意検討してなされたものであり、優れた圧力感度を有する新しい原理に基づく感圧体を提供することを目的とし、好ましくは２００℃の高温下でも使用可能である感圧体を提供し、さらに好ましくは１００ＭＰa以上の高圧下でも使用可能で信頼性の高い感圧素子を提供する。

以下、本発明について、その実施態様に基づき理解のため図面１を参照しつつ説明する。図１は本発明の感圧体を模式的に示した図、図２は感圧体が電極と受圧体を有する感圧素子の模式図、図３は電極と受圧体が一体構造となった感圧素子の模式図、図４は電極と受圧体の他に、感圧体の外周部に金属又はセラミックス焼結体よりなる外周保持体を有する感圧素子の断面図である。

図面１は本発明の感圧体１を模式的に示した図である。請求項１に記載の発明は、第一の粉体１１中に第二の粉体１２が導電性の経路を形成した状態で分散してなり、その空隙率が２５％以上、５５％以下であることを特徴とした感圧体の材料であって、加圧による前記第一の粉体と第二の粉体および前記第二の粉体同士の接触状態が変化して電気抵抗が変化する特性を有する感圧体である。かかる圧力検出素子によれば、図1（ａ）に示す感圧体に圧力が作用していない又は圧力が低い状態に対し、同図（ｂ）に示す作用する圧力が増加した状態では加圧方向に感圧体が押しつぶされることによって、第一の粉体１１と導電性を有する第二の粉体１２、及び第二の粉体粒子１２同士の接触面積が増加するなど両者の接触状態が変化する。第一の粉体１１同士の接触面積も増加するが、それらが形成する経路の電気抵抗は他と比べて非常に大きいため感圧体の電気抵抗に与える影響は小さく無視し得る。第一の粉体と第二の粉体の各電気抵抗率が大きく異なるときは感圧体の電気抵抗は主に抵抗率の小さい第二の粉体同士の接触状態に依存する。本発明の最も好適な感圧体１は絶縁材料からなる第一の粉体１１と導電性材料からなる第二の粉体１２とから構成される。第一の粉体と第二の粉体の各電気抵抗率に大きな差がないときは感圧体の電気抵抗は主に第一の粉体と第二の粉体との接触状態および第二の粉体同士の接触状態に依存する。また、電気抵抗率が０.００１〜１００Ω・ｍ程度の範囲にある粉体を選択することにより第一の粉体と第二の粉体とを同一の粉体とすることも可能である。この範囲外では感圧素子として評価するには適当な電気抵抗値が得られず不適である。この作用する圧力に応じた接触状態の変化により第一の粉体１１と第二の粉体１２および、第二の粉体１２同士の界面の接触抵抗が変化し、その結果、作用する圧力に応じて感圧体１の電気抵抗が変化する。

この時、感圧体の空隙率が２５％以上であることにより、空隙率が２５％より小さい緻密な状態と比べて加圧時の体積変化が大きく第一の粉体１１と第二の粉体１２、および第二の粉体１２同士の接触面積変化が大きくなり、電気抵抗変化率の絶対値が０.２％／ＭＰａ以上の優れた圧力感度を有する感圧体を得ることが可能となる。ここで、空隙率が５５％より大きくなると、加圧によって空隙が潰れて感圧体１がより高密度に充填されて感圧体１の密度が高くなり、元の空隙率の状態に戻らなくなってしまい抵抗値が減少したままの状態になり初期抵抗値が変化するため、正確に圧力を検知するのが困難になってしまう。逆に５５％以下の空隙率であれば、減圧後も加圧前と同じ状態に戻るため、２回以上の受圧検知機能を有する感圧体を得ることができる。

このように、上記圧力検出素子では導電性粒子等のピエゾ抵抗効果を利用するのではなく、第一の粉体１１と第二の粉体１２および第二の粉体１２同士の接触界面における接触状態の変化、具体的に言えば接触抵抗の変化を利用して圧力を検出するので、従来のピエゾ抵抗効果を利用する圧力検出素子に比べて加圧時の電気抵抗変化率が大きく、優れた圧力感度を有する感圧体を得ることができる。また、第１の粒子又は第２の粒子を広い範囲から選択することができ、工業生産上有利である。さらに、粉体のまま用いることによって、焼結や加工のプロセスを省略でき低コストで感圧体を製造することができる。

前記第一の発明において第二の粉体の電気抵抗率は第一の粉体の抵抗率と同じかそれ以下の電気抵抗率であって、第二の粉体の電気抵抗率が１００Ω・ｍ以下であることが望ましい。第二の粉体の電気抵抗率が第一の粉体の電気抵抗率と同じかそれ以下の電気抵抗率であることにより、導電性の経路は第二の粉体が受け持つことで、電気的特性は第二の粉体の特性にのみ依存するため電気抵抗値の制御が容易となり、また、１００Ω・ｍ以下の粉体を選ぶことにより感圧体として使用する場合の電気的な信号処理が簡単である５０〜１００００Ωの抵抗値を具現化することが容易となる。電気抵抗値が５０Ωよりも小さいと、センサにした際に素子に流れる電流が多くなりすぎ発熱量が多く誤差の多いセンサとなってしまう。また、１００００Ωよりも大きいと、電極と感圧体の電気的導通を確保することが困難になり、センサの信号処理が困難になってしまう。

さらに加えて上記感圧体において、前記感圧体の曲げ強度が０．１ＭＰa以上、２０ＭＰａ以下であることが望ましい。前記感圧体の曲げ強度が０．１ＭＰaよりも小さいと機械強度不足で加圧時に感圧体が壊れてしまう。また、前記感圧体の曲げ強度が２０ＭＰａよりも大きいと機械強度が高すぎて加圧時の歪が小さく優れた圧力感度を得ることができない。

さらに加えて前記第一の粉体が窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカ、イットリア、ムライト、ジルコニア、マグネシア、コージェライト、アルミニウムチタネート、カーボン、炭化珪素、酸化錫、酸化インジウム、酸化銀、酸化銅、酸化亜鉛、酸化鉄、及びIV、V、VI族の遷移金属元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、酸化物、及びこれらの物質の二種以上で構成される複合化合物からなる群から選ばれるいずれか一種または二種以上を含む粉体からなり、前記第二の粉体が、カーボン、炭化珪素、酸化錫、酸化インジウム、酸化銀、酸化銅、酸化亜鉛、及びIV、V、VI族の遷移金属元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、酸化物、及びこれらの物質の二種以上で構成される複合化合物からなる群から選ばれるいずれか一種または二種以上を含む粉体からなることが望ましい。感圧体を構成する粉体を上記の耐熱性に優れた材料の組み合わせから選ぶことにより、２００℃の高温下でも圧力を検知することができる感圧体を得ることができる。

さらに加えて前記第二の粉体がＣであることが望ましい。Ｃは粉体として軟らかいため圧力を加えた際の感圧体の体積変化が大きく分体同士の接触面積変化が大きくなるため、優れた圧力感度を有する感圧体を得ることができる。

前記Ｃの添加量は５ｖｏｌ％以上、４０ｖｏｌ％以下であることが望ましい。Ｃの添加量が５ｖｏｌ％よりも少ないと導電性の経路を形成することができず感圧体として使用することができない。また、４０ｖｏｌ％よりも多くなると、電気抵抗値が小さくなりすぎてセンサ化した際の発熱が多く誤差が大きくなるため、感圧体として好ましくない。

次に請求項７に記載の発明について図２を参照しつつ説明する。請求項７に記載の発明は、前記感圧体は一対の電極２１を有し、かつセラミックス又は金属素材よりなる受圧体２２に挟まれてなる感圧素子２である。感圧体１に電極２１を設けることで電気抵抗値の測定を容易とし、かつセラミックス又は金属素材よりなる受圧体２２に挟まれることで素子に均一な面圧力を加えることができ、素子への応力集中による破壊を防ぐと共に高い精度での圧力検知が可能となる。

さらに図３に示したように、前記金属素材よりなる受圧体２２は電極２１としての機能を有することが望ましい。受圧体が電極としての機能も兼ねることで部品の省略が可能となり、安価な感圧素子３を得ることができる。

図４は電極と受圧体が同一部材からなる受圧体４１のほかに金属又はセラミックス焼結体よりなる外周保持体４２を有する感圧素子４の断面図である。図４に示したように、前記感圧体１は金属素材よりなる受圧体４１のほかに、外周部を保持する金属又はセラミックス焼結体からなる外周保持体４２を有することが望ましい。感圧体１の外周部を金属又はセラミックス焼結体のような高強度部材からなる外周保持体４２で囲うことにより、高圧時に潰れて横に広がろうとする感圧体１を外周保持体４２が横から支持し過度の変形を防ぎ、感圧素子４の強度が感圧体１では無く金属又はセラミックス焼結体製の外周保持体４２の強度に依存するために感圧素子４の機械強度が飛躍的に向上し、信頼性の向上や１００ＭＰa以上の高圧下での圧力検知も可能な感圧素子４を得ることが出来る。また、受圧体４１から電極の機能を切り離して電極を別に用意し、この電極を感圧体１に電気的に接触させて設け、更にこの電極の上に受圧体４１を設ける構成を採用することもできる。

さらに加えて前記外周保持体４２と感圧体１とが接する面には絶縁材４３が介在してなることが望ましい。外周保持体４２と感圧体１とが接する面が電気的に絶縁されることによって、通電経路が受圧体（金属電極）４１→感圧体１→受圧体（金属電極）４１と容易に限定することができ、安定した電気抵抗値の計測が可能となる。

さらに加えて前記外周保持体のヤング率が１００ＧＰａ以上であることが望ましい。ヤング率が１００ＧＰa以上の高い材料から外周保持体の材料を選定することにより、より機械強度の高い感圧素子を得ることができ、２００ＭＰａの高い圧力下でも圧力検知可能な感圧素子を得ることができる。

さらに加えて前記感圧体には１０ＭＰａ以上の予圧を負荷されていることが望ましい。粉体は印加圧力が高ければ高いほど元の状態に戻ろうとする力が強く、減圧時に短時間で元の状態に戻る性質を有している。そのため、感圧体に１０ＭＰａ以上の圧力を負荷しておくことで粉体同士の接触状態変化に要する時間が短くなり、応答性の速い感圧素子を得ることができる。

さらに加えて前記感圧素子がリング形状であることが望ましい。感圧素子の形状をリング形状とすることで、リング中心の穴にネジなどを通し、台座などに共締めすることで組み付けと同時に圧力負荷装置などを用いることなく、簡素な構造で１０ＭＰａ以上の予圧を付与することができると共に、締め付けトルクによって予圧を制御することができる。

請求項１４の発明は、請求項７乃至１３のいずれかに記載の感圧素子に１０ＭＰａ以上の圧力を負荷した状態で圧力を検出することを特徴とする圧力検出方法である。感圧素子に１０ＭＰａ以上の圧力を負荷しておくことで粉体同士の接触状態変化に要する時間が短くなり、応答性の速い感圧素子を得ることができる。

上記説明したように、本発明によれば、第一の粉体と第二の粉体及び第二の粉体同士の接触界面における接触状態の変化、具体的に言えば接触抵抗の変化を利用して圧力を検出し、さらに感圧体の空隙率が２５％以上、５５％以下とすることで加圧時の電気抵抗変化率の絶対値が０.２％／ＭＰａ以上と大きく、優れた圧力感度を有する新規な感圧体を提供することができる。この新規な感圧体は、感圧体を構成する第一の粉体と第二の粉体を耐熱性に優れた材料から選定することにより２００℃の高温下において高い圧力感度を備えた感圧体を提供できる。また、感圧体に電極を設け、金属製の外周保持体で構成することにより、１００ＭＰａ以上の高圧下でも圧力検知可能な感圧素子を提供することができる。

以下、本発明を、その実施例によって具体的に説明する。

（実施例１）
第一の粉体にＳｉ_３Ｎ_４を、第二の粉体にＣを用いた例である。感圧体の製造方法について説明する。第一の粉体１１としてＳｉ_３Ｎ_４（宇部興産社製、型番：Ｅ１０）４４．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製、黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）を６.０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３００ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。感圧体１の製造条件を表１に示した。
［評価方法］
空隙率は感圧体の寸法を測定し体積を算出、得られた値と感圧体の重量で密度を計算し、理論密度と比較して空隙率を算出した。電気抵抗値と電気抵抗変化率（圧力感度）の測定はφ７ｍｍの円筒状感圧体の上下面にφ７ｍｍ、厚さ１ｍｍのＣｕ電極３１を配設し図３に示す感圧素子３を作製した。Ｃｕ電極３１に０−１ＭＰａの圧力を加えながら抵抗計３５４１（日置電機社製、型番：３５４１）を用いて電気抵抗値及び電気抵抗変化率の評価を行った（２５℃、２００℃の２点）。また、所定の圧力を繰り返し１００回加えた後、同様な電気特性が得られるかどうかを確認した。さらに加圧してから抵抗値が一定になるまでの時間を計測し応答性の評価をあわせて行った。３点曲げ試験は、ＪＩＳ:Ｒ１６０１に基づいて行った。ただし、支点間距離は７ｍｍとした。なお、以下の実施例２〜１３及び比較例１〜５でも同様な方法で評価した。
［評価結果］
得られた測定結果を表２に示した。感圧体の電気抵抗値は１２０Ω、空隙率は２５％、曲げ強度１８ＭＰａ、応答速度は０.５秒、圧力に対する抵抗値変化の直線性も良好であり、その電気抵抗変化率は−０.２１％/ＭＰａの値が得られた。また、１００回の圧力負荷後も１回目と同等の電気特性が得られた。

（実施例２）
成形圧３０ＭＰａで感圧体１を作製した以外は実施例１と同様の方法で感圧体を作製、特性評価を行った。感圧体の作製方法を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例３）
成形圧を０.１ＭＰａで感圧体１を作製した以外は実施例１と同様の方法で感圧体を作製、特性評価を行った。感圧体の作製方法を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例４）
第一の粉体にエポキシ樹脂を、第二の粉体にＣを用いた例である。第一の粉体１１としてエポキシ樹脂粉末（ジャパンエポキシレジン社製、型番：４００７Ｐ）２５．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製、黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）を２５.０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。２００℃での電気抵抗値の測定は樹脂が溶融してしまい計測することができなかった。

（実施例５）
第一の粉体と第二の粉体にＳｉＣを用いた例である。第一の粉体１１及び第二の粉体１２としてα−ＳｉＣ粉末（屋久島電工社製、型番：ＳＨ−７）５０.０ｇ秤量し、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３００ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例６）
第一の粉体にＳｉ_３Ｎ_４を、第二の粉体にＳｉＣを用いた例である。第一の粉体１１としてＳｉ_３Ｎ_４（宇部興産社製、型番：Ｅ１０）３０．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にα−ＳｉＣ粉末（高純度化学社製、型番：ＳＩＩ０１ＦＡ）２０．０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例７）
第一の粉体にＡｌ_２Ｏ_３を、第二の粉体にＴｉＮを用いた例である。第一の粉体１１としてＡｌ_２Ｏ_３（住友化学社製、型番：ＡＫＰ−５０）２５．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にＴｉＮ粉末（フルウチカガク社製、型番：ＴｉＣ７２２０６Ａ）２５．０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例８）
第一の粉体にＺｒＯ_２を、第二の粉体にＣを用いた例である。第一の粉体１１としてＺｒＯ_２（東ソー社製、型番：ＴＺ-３ＹＥ）７３．２ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製、黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）を６.８８ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例９）
第一の粉体にＡｌ_２Ｏ_３を、第二の粉体にＣを用いた例である。第一の粉体１１としてＡｌ_２Ｏ_３（住友化学工業社製、型番：ＡＫＰ−５０）３６．２ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製、黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）を６.８８ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例１０）
第一の粉体にＳｉＯ２を、第二の粉体にＣを用いた例である。第一の粉体１１としてＳｉＯ_２（デンカ工業社製、型番：ＦＳ−３０）３５．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製、黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）を１５.０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例１１）
第一の粉体にＳｉ_３Ｎ_４を、第二の粉体に空洞化Ｃ（ケッチェンブラック（ＫＢ））を用いた例である。第一の粉体１１としてＳｉ_３Ｎ_４（宇部興産社製、型番：Ｅ１０）４８．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にα−ＳｉＣ粉末（ライオン社製、型番：ＥＣ３００Ｊ）２．０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。次に得られた粉末０．２ｇを内径φ７ｍｍの金型に入れ、３０ＭＰaの圧力で成形し感圧体１を得た。評価方法は実施例１と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

実施例１１〜１３は第一の粉体にＳｉ_３Ｎ_４を、第二の粉体にＣを用いた例であり、Ｃの含有量がそれぞれ１２、２０、３９ｖｏｌ％と異なる以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製、特性評価を行った例である。
（実施例１２）
第一の粉体１１としてＳｉ_３Ｎ_４（宇部興産社製、型番：Ｅ１０）４５．５ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）４．５ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。それ以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製、特性評価行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例１３）
第一の粉体１１としてＳｉ_３Ｎ_４（宇部興産社製、型番：Ｅ１０）４２．８ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）７．２ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。それ以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製、特性評価行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例１４）
第一の粉体１１としてＳｉ_３Ｎ_４（宇部興産社製、型番：Ｅ１０）３５．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にＣ（東海カーボン社製黒鉛化Ｃ、型番：＃３８５５）１５．０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。それ以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製、特性評価行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

（実施例１５）
受圧体２２と電極２１を別に設けた例である。それ以外の感圧素子の作製方法、特性評価方法は実施例２と同様の方法で行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。

比較例１及び２は実施例１と同様の粉末を用い、成形圧をそれぞれ７００、０.０１ＭＰａと変えた以外は実施例１と同様の方法で感圧体を作製した例である。また比較例３、４はＣの含有量が４．８、４２ｖｏｌ％である以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製した例である。また、実施例５は第二の粉末に抵抗率の高いＳｉ粉末を用いた例である。

（比較例１）
成形圧を７００ＭＰａで感圧体１を作製した以外は実施例１と同様の方法で感圧体を作製、特性評価を行った。感圧体の作製方法を表１に、得られた結果を表２に示した。空隙率が２２％と低く、曲げ強度が２３ＭＰａと高いために電気抵抗変化率が−０．０９％／ＭＰａと低い値となった。

（比較例２）
成形圧を０．０１ＭＰａで感圧体１を作製した以外は実施例１と同様の方法で感圧体を作製、特性評価を行った。感圧体の作製方法を表１に、得られた結果を表２に示した。空隙率が５９％と高く、曲げ強度が０．０８ＭＰａと低く機械強度が低いために、電気抵抗変化率測定で１ＭＰaの圧力を加えた際に感圧体が破損してしまい特性評価ができなかった。

（比較例３）
Ｃの含有量が４．８ｖｏｌ％である以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製、特性評価を行った。感圧体の作製方法を表１に、得られた結果を表２に示した。Ｃ含有量が４．８ｖｏｌ％と低いため、導電性の経路を形成することができず、電気抵抗値が高くて特性評価ができなかった。

（比較例４）
Ｃの含有量が４２ｖｏｌ％である以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製、特性評価を行った。感圧体の作製方法を表１に、得られた結果を表２に示した。Ｃ含有量が４２ｖｏｌ％と高すぎるため、電気抵抗値が２Ωと小さすぎ、感圧素子としては使用できなかった。

（比較例５）
第一の粉体１１としてＳｉ_３Ｎ_４（宇部興産社製、型番：Ｅ１０）３０．０ｇ秤量し、第二の粉体１２にＳｉ（住友チタニウム社製、高純度Ｓｉ粉末）３０．０ｇ秤量して、エタノール中でボールミル混合を２４時間行った後、混合粉を乾燥して感圧体の材料となる粉末を得た。それ以外は実施例２と同様の方法で感圧体を作製、特性評価行った。感圧体の製造条件を表１に、得られた結果を表２に示した。電気抵抗値が２３０００Ωと高すぎるため金属電極を押し付けただけでは電気抵抗値が安定せず、特性の評価ができなかった。

実施例１５〜２４は電極や受圧体以外に図４に示す外周保持体４２を用いた感圧素子４の例である。粉末は実施例２の粉末を用いて感圧素子を作製し、特性評価は予圧として１０〜１００ＭＰａの圧力を加えてから、さらに２００ＭＰａの高い圧力をかけて電気抵抗変化率を測定した。

（実施例１６）
実施例２と同様の方法で感圧体１を得た後、Ｓｉ_３Ｎ_４焼結体製（日本タングステン社製、型番：ＮＰＮ−３）外径φ２０ｍｍ、内径φ７．１ｍｍ、高さ２０ｍｍの外周保持体４２の中に感圧体１を入れ、外径７．０ｍｍ、長さ１０ｍｍのＳＵＳ３０４製の電極４１を感圧体１の上下に配設して挟み込み、感圧素子４を得た。得られた感圧素子４に１０ＭＰａの予圧を加え、そこから２００ＭＰａの圧力を加えて特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。応答速度も０．１秒以下と速く、２００ＭＰａの高圧でも感圧素子が破損することは無かった。

（実施例１７）
実施例２と同様の方法で感圧体１を得た後、アルミ製の外径φ２０ｍｍ、内径φ７．２ｍｍ、高さ２０ｍｍの外周保持体４２の内周面に絶縁材４３となるカプトンフィルム（東レデュポン社製、型番：Ｈタイプ）を貼り、その後、感圧体１を入れて外径７．０ｍｍ、長さ１０ｍｍのＳＵＳ３０４製の電極４１を感圧体１上下に配設して挟み込み、感圧素子４を得た。得られた感圧素子４に１０ＭＰａの予圧を加え、そこから２００ＭＰａの圧力を加えて特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。１２０ＭＰａまでは電気抵抗評価ができたものの、それ以上の圧力を加えると外周保持体のアルミが変形してしまい、特性評価ができなくなった。そのため表3に示した電気抵抗変化率は１２０ＭＰａまでの抵抗値から算出した値である。

（実施例１８）
外周保持体４２にチタンを用いた以外は実施例１６と同様の方法で感圧素子を作製、特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。２００ＭＰａの高圧が加わっても感圧素子が壊れることなく特性評価ができた。

（実施例１９）
外周保持体４２に銅を用いた以外は実施例１６と同様の方法で感圧素子を作製、特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。２００ＭＰａの高圧が加わっても感圧素子が壊れることなく特性評価ができた。

（実施例２０）
外周保持体４２にＳＵＳ３０４を用いた以外は実施例１６と同様の方法で感圧素子を作製、特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。２００ＭＰａの高圧が加わっても感圧素子が壊れることなく特性評価ができた。

（実施例２１）
予圧を５０ＭＰａに変えた以外は実施例１９と同様の方法で感圧素子を作製、特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。２００ＭＰａの高圧が加わっても感圧素子が壊れることなく特性評価ができた。

（実施例２２）
予圧を１００ＭＰａに変えた以外は実施例１９と同様の方法で感圧素子を作製、特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。２００ＭＰａの高圧が加わっても感圧素子が壊れることなく特性評価ができた。

（実施例２３）
実施例２１と同様の方法で感圧素子４を作製した後、予圧を１００ＭＰａ加えた状態で電極４１と外周保持体４２を溶接して感圧素子を作製した。その後２００ＭＰａの圧力を加えながら電気抵抗変化率を測定し、特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。２００ＭＰａの高圧が加わっても感圧素子が壊れることなく特性評価ができた。

実施例２３、２４はリング形状の感圧素子を用いる例である。
（実施例２４）
まずリング形状外周保持体４２の製造方法について説明する。ＳＵＳ３０４製の外径φ２０ｍｍ、内径φ１８．２ｍｍ、高さ２０ｍｍ外周保持体となる外側リングの内側に、ＳＵＳ３０４製の外径φ１５.６ｍｍｍ、内径φ１４.０ｍｍ、高さ２０ｍｍの内側リングを組み合わせ、その間に出来たスペースに、電極４１となるＳＵＳ３０４製の外径φ１８．０ｍｍ、内径１５.８ｍｍ、高さ５.０ｍｍのリングをはめ込んでリング形状の外周保持体４２を作製した。なお、この感圧体と接する外周保持体リングの内周面と外周面には絶縁材４３となるカプトンフィルムが貼られている。その後、実施例２と同様の方法で作製した感圧粉末を０.２ｇ充填し、３０ＭＰａの圧力を加えて成形した。次に電極４１となるＳＵＳ３０４製の外径φ１８．０ｍｍ、内径１５.８ｍｍ、高さ１５.０ｍｍのリングをはめ込んで感圧素子４を得た。その後、Ｍ１４のＳＵＳネジをリング形状の感圧素子の中心部に通し、５０ＭＰａの予圧が加わるように１５Ｎ・ｍのトルクでＳＵＳ３０４製の台座に締め付けた後、ネジ部に２００MPaの圧力を加えて電気抵抗変化率の特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。

（実施例２５）
実施例２４はネジの締め付けトルクを３０Ｎ・ｍとし、予圧を１００ＭＰａとした以外は実施例２３と同様の方法で感圧素子４を作製、特性評価を行った。得られた結果を表３に示した。

本発明の実施例１〜３及び比較例１、２から、感圧体の空隙率２５〜５５％の範囲であって、第二の粉体同士の接触抵抗を利用することで電気抵抗変化率の絶対値が０.２％／ＭＰａ以上の優れた圧力感度を持った感圧体が得られること、及び曲げ強度は０．１〜２０ＭＰaの範囲でないと感圧体が壊れてしまったり、０．２％／ＭＰa以上の高い圧力感度が得られないことを示した。実施例１〜３及び５〜２４において、耐熱性を有する粉体から感圧体の材料を選定することにより、２００℃の高温でも圧力の検知が可能であることを示した。また、実施例１〜１４と、比較例５から、第二の粉体の電気抵抗率は１００Ω・ｍ以下でないと、電気抵抗の測定が困難になることを示した。また、実施例１〜４、及び実施例８〜１４から、第二の粉体がＣであると特に高い圧力感度を有する感圧体が得られることを示した。また、実施例９〜１４及び比較例３、４から第二の粉体がＣであるときのＣ含有量は５〜４０ｖｏｌ％が好ましいことを示した。また、実施例１５〜２４では感圧体に金属やセラミックス焼結体からなる外周部保持体を配設した感圧素子とすることで１００ＭＰaの高圧でも圧力を検知出来ること、また外周部保持体のヤング率は１００ＧＰa以上が望ましいことを示した。また、実施例１５〜２４で１０MPa以上の予圧を加えておくことで、０．１秒以下の速い応答性を有する感圧素子が得られることを示した。また、実施例２３、２４からは感圧素子をリング形状とすることで圧力負荷装置などを用いることなく簡素な構造で予圧を加えられること示した。実施例２〜２３においても圧力に対する抵抗値変化の直線性は良好であった。

本発明の圧力センサ材料は、圧力に対する電気抵抗率の変化率が大きく、構成を変えれば高温・高圧下でも測定可能で、機械強度が高く耐久性・信頼性に優れるという特徴を有している。そのため、自動車のエンジン内の圧力計測（筒内圧力センサ）、ディーゼルエンジンのインジェクターに燃料を供給するコモンレールの圧力計測に適用可能である。

本発明の感圧体を模式的に示した図である。本発明の感圧体に電極と受圧体を有する感圧素子の模式図である。本発明の電極と受圧体が一体構造となった感圧素子の模式図である。本発明の感圧体外周部に金属又はセラミックス焼結体よりなる外周保持体を有する感圧体の断面図である。

符号の説明

１：感圧体
２，３，４：感圧素子
１１：第一の粉体
１２：第二の粉体
２１：電極
２２：受圧体
３１，４１：電極兼受圧体
４２：外周保持体
４３：絶縁材

Claims

第一の粉体中に第二の粉体が導電性の経路を形成した状態で分散した感圧体であって、その空隙率が２５％以上、５５％以下であり、加圧による前記第一の粉体と第二の粉体および前記第二の粉体同士の接触状態が変化して電気抵抗が変化することを特徴とする感圧体。
前記第二の粉体の電気抵抗率は前記第一の粉体の電気抵抗率と同じかそれ以下であって１００Ω・ｍ以下である請求項１に記載の感圧体。
曲げ強度が０．１ＭＰa以上、２０ＭＰａ以下である請求項１又は２に記載の感圧体。
前記第一の粉体が窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカ、イットリア、ムライト、ジルコニア、マグネシア、コージェライト、アルミニウムチタネート、カーボン、炭化珪素、酸化錫、酸化インジウム、酸化銀、酸化銅、酸化亜鉛、酸化鉄、及びIV、V、VI族の遷移金属元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、酸化物、及びこれらの物質の二種以上で構成される複合化合物からなる群から選ばれるいずれか一種または二種以上を含む粉体からなり、前記第二の粉体が、カーボン、炭化珪素、酸化錫、酸化インジウム、酸化銀、酸化銅、酸化亜鉛、及びIV、V、VI族の遷移金属元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、酸化物、及びこれらの物質の二種以上で構成される複合化合物からなる群から選ばれるいずれか一種または二種以上を含む粉体からなる請求項１乃至３のいずれかに記載の感圧体。
前記第二の粉体がカーボンである請求項１乃至４のいずれかに記載の感圧体。
前記第二の粉体を５ｖｏｌ％以上、４０ｖｏｌ％以下含有する請求項５に記載の感圧体。
前記感圧体は一対の電極を有し、かつセラミックス又は金属素材よりなる受圧体に挟まれてなる感圧素子。
前記電極と前記受圧体とが同一部材である請求項７に記載の感圧素子。
外周部を保持する金属又はセラミックス焼結体からなる外周保持体を有する請求項７または８に記載の感圧素子。
前記外周保持体と感圧体とが接する面には絶縁材が介在してなる請求項９に記載の感圧素子。
前記外周保持体はヤング率１００ＧＰａ以上の材料からなる請求項９に記載の感圧素子。
前記感圧体に１０ＭＰａ以上の予圧が負荷されている請求項７乃至１１の何れかに記載の感圧素子。
前記感圧素子がリング形状である請求項７乃至１２のいずれかに記載の感圧素子。
請求項７乃至１３のいずれかに記載の感圧素子に１０ＭＰａ以上の予圧を負荷した状態で圧力を検出することを特徴とする圧力検出方法。