JPH0731091B2

JPH0731091B2 - 歪検出器

Info

Publication number: JPH0731091B2
Application number: JP62130878A
Authority: JP
Inventors: 泰人矢島; 和義柴田; 俊三間瀬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1987-05-27
Publication date: 1995-04-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: US4894635A; DE3817905A1; DE3817905C2; JPS63293432A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明はセラミックス製の歪検出器に係り、特にセラミ
ックス製の基体の応力に対応する変形に基づいて出力さ
れる抵抗体の抵抗値の変化によって、かかる変形、ひい
ては応力を検出するようにした歪検出器に関するもので
ある。

（従来技術）従来から、ダイヤフラム等の変形可能な基体上に抵抗体
（ブリッジ回路）を形成し、圧力の如き応力により該基
体を撓ませることによって、かかる抵抗体を歪ませ、そ
の際のブリッジ不平衡が、基体の変形量、ひいてはそれ
に作用せしめられる応力と相関することを利用して、そ
のような変形乃至は応力を測定するようにした歪センサ
（歪検出器）が知られているが、近年、その一つとし
て、セラミックスの耐熱性等の特性を利用して、比較的
温度の高い状況下においても測定が可能なセラミックス
製の歪検出器が提案されている。

例えば、特公昭62−12458号公報には、抵抗器ひずみ計
を使用した圧力測定装置が明らかにされており、そこで
は、測定されるべき圧力に晒される変形可能なセラミッ
クス製の基体上に、スクリーン印刷によって配置された
厚いフィルム状の抵抗器からなる抵抗器ひずみ計を設け
た構造が採用されており、そしてかかるセラミックス製
基体の変形の関数としての上記抵抗器（抵抗体）の抵抗
値の変化を、電気回路にて感知するようになっている。

（問題点）しかしながら、かかる従来の歪検出器としての圧力測定
装置にあっては、そのセラミックス製の基体上に形成さ
れる抵抗体は、ホウ珪酸塩、アルミノ珪酸塩、鉛ホウ珪
酸塩、鉛珪酸塩等の誘電性基板内に、RuO₂、IrO₂、Tl
O₂、Bi₂Ru₂O₇、Pb₂Ru₂O₇、Au、Pt、Pd及びその合金中の
一つまたはそれ以上の構成要素を、基礎的成分（導体成
分）として含んで構成されており、またそのような抵抗
体は800℃程度の温度で焼成されるものであるところか
ら、数百℃の温度下に晒されると、かかる抵抗体が損な
われてしまい、最早、測定が出来なくなってしまうとい
った問題があり、そのために、測定可能な温度の上限と
しては、200℃程度に制限されている。

要するに、上記広告公報に開示の如き圧力測定装置は、
耐高温特性が充分でなく、そのために、高温の圧力発生
源、例えば自動車のエンジン内の圧力を検出する場合に
あっては、かかるエンジンから低温領域に配置される装
置まで圧力を導く必要があるが、そのような場合におい
て、圧力導入路がエンジンの焼成生成物、例えばスス等
によって目詰まりを惹起し、その圧力測定を困難にする
問題を内在しているのである。

また、上述の如き従来の歪検出器であっては、セラミッ
クス製の基体と、その上に形成される厚膜状の抵抗体と
を同時焼成することが出来ず、そのために、予め焼成し
て得られるセラミックス製基体に対して、所定の厚膜抵
抗体を印刷した後、焼成することにより製造する手法を
採用せざるを得なかったのであるが、それでは製造工数
がかかり過ぎ、また実現可能な装置構成においても、制
約を受けるものであった。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、かかる従来のセラミックス製
の歪検出器における問題を解決すべく為されたものであ
って、その要旨とするところは、応力に従って変形し得
るセラミックス基体と、該セラミックス基体に接して形
成された抵抗体とを有し、該セラミックス基体に加わる
応力による該セラミックス基体の変形を、前記抵抗体の
抵抗値の変化として検出するようにした歪検出器におい
て、該抵抗体が、所定のガラス若しくはセラミックスよ
りなる誘電性物質内に、Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、
Mo、Ｗのホウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物;Y、Sc、
ランタニド元素のホウ化物;BN、B₄C、BSi、SiC、Si₃N₄
のうちの１種若しくは２種以上の粉末を、基体導体成分
として含んで構成されていることを特徴とする歪検出器
にある。

なお、かかる本発明に従う歪検出器において、そのセラ
ミックス基体は、緑部を把持されたダイヤフラム形態を
呈するものであり、そして圧力検出器として好適に用い
られ得るものである。

また、本発明の好ましい実施態様によれば、セラミック
ス基体に接して形成される抵抗体は、そのインク状形態
のものをスクリーン印刷によって該セラミックス基体に
印刷して、焼成することにより、形成されているもので
ある。そして、この抵抗体は、既焼成のセラミックス基
体に未焼成の状態で形成され、焼成せしめられたり、ま
た未焼成のセラミックス基体に未焼成の状態で形成さ
れ、該未焼成のセラミックス基体と同時焼成せしめられ
たりしたものである。

さらに、本発明の好ましい実施態様によれば、基本導体
成分としては、特にホウ化物が誘電性物質との親和性に
優れ、焼成後、優れたセラミックス層を形成し、耐久
性、バラツキ等の点において良好な結果が得られてい
る。

ところで、このような本発明に従う抵抗体は、一般に、
前記ダイヤフラム形状のセラミックス基体の一面または
両面の歪感度の良い位置に形成せしめられることとな
る。

（具体的構成・実施例）以下、本発明の構成について、図面に示される実施例に
基づいて、更に詳細に説明することとする。

先ず、第１図（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第一の実施例
を示すものであって、（ａ）は、回路パターンと、それ
が適用されるセラミックス基体を示す説明図であり、ま
た（ｂ）は、おのような回路パターンがセラミックス基
体上に適用されてなる状態を示す説明図であり、更に
（ｃ）は、そのようにして得られる歪検出器の断面形態
を示すものである。

それらの図において、２は、所定のセラミックス材料か
らなる、既焼成の或いは未焼成の、応力に従って変形し
得る板状のセラミックス基体であり、このセラミックス
基体２上に、第１図（ａ）に示される如き回路パターン
４が、スクリーン印刷等の通常の手法を用いて付与さ
れ、第１図（ｂ）に示される如きパターン付与体６が形
成されるのである。

なお、ここで、上記のセラミックス基体２を構成する材
料としては、従来からセラミックス製歪検出器の製造に
用いられている公知のセラミックス材料、例えばアルミ
ナ、ジルコニア、ムライト等のセラミックスが適宜に選
択され、そして公知の成形手法に従って、変形可能な所
定の形状、好適には板状乃至は厚膜状の成形体とされる
のである。また、このようなセラミックス材料は、通
常、粉末状であるために、これを所定の形状に成形する
ために、バインダや可塑剤が加えられたり、更には焼結
助剤等が適宜に配合された混合物とされて、目的とする
形状の板状、厚膜状等の成形体とされる。

そして、本発明にあっては、このようなセラミックス基
体２の既焼成品若しくは未焼成品に対して、特定の基体
導体成分を所定の誘電性物質内に含んで構成される膜状
の抵抗体部4aと、通常の導体材料からなる導体部4bから
構成される回路パターン４が形成されるのである。

すなわち、この回路パターン４を構成する抵抗体部4a
は、所定のガラス若しくはセラミックスよりなる誘電性
物質内に、Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、Ｗのホウ
化物、炭化物、窒化物、ケイ化物;Y、Sc、ランタニド元
素（La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu）のホウ化物;BN、B₄C、BSi、SiC、Si₃N₄
からなる群から選ばれた１種若しくは２種以上の化合物
の粉末を、基体導体成分として含んで構成されるもので
あり、そしてこの抵抗体部4aは、セラミックス基体２の
変形によって実質的な抵抗値変化をもたらさない、通常
の導体材料（例えば金属）からなる導体部4bによって、
セラミックス基体２から外部の機器等に接続せしめられ
るようになっているのである。

また、かかる抵抗体部4aを構成する誘電性物質として
は、公知のガラス材料、例えばホウ珪酸塩、鉛ホウ珪酸
塩、アルミノ珪酸塩、鉛珪酸塩若しくはそれらに適当な
酸化物を配合せしめたもの等や、セラミックス基体２と
同様な、アルミナ、ジルコニア、ムライト等のセラミッ
クス材料が用いられる。

そして、このような抵抗体部4aを構成する、所定の誘電
性物質と特定の基本導体成分の粉末とは、均一に混合さ
れ、常法に従って、セラミックス基体２上に導体部4bと
共に、パターン形成されることとなるが、その際、好適
には、そのような抵抗体部形成材料を従来と同様な印刷
に適したインク状形態と為し、そしてそれをスクリーン
印刷によってセラミックス基体２に適用することによ
り、目的とするパターン付与体６が形成されるのであ
る。

次いで、このような回路パターン４が形成されてなるパ
ターン付与体６に対して、焼成操作が施され、以て第１
図（ｃ）に示される如き、目的とする焼成体８、換言す
れば歪検出器本体が形成されることとなるが、このよう
な焼成操作において、本発明では、抵抗体4aを構成する
基本導体成分として、上記の如き特定の導電性化合物粉
末を用いているところから、その焼成温度に1000℃以上
の温度が有利に採用され得、それ故にセラミックス基体
２との同時焼成が可能となるのである。なお、この同時
焼成を行なう上において、本発明では、セラミックス基
体２としては、その末焼成品が好適に用いられることと
なる。

従って、このようにして得られた焼成体８にあっては、
その一面に設けられた抵抗体部4aが、耐高温特性を有す
る特定の基本導体成分とガラス若しくはセラミックスか
らなる誘電性物質とから実質的に構成されているところ
から、数百℃、例えば600〜700℃の温度下においても、
かかる抵抗体部4aが劣化したり、損なわれたりするよう
なことがなく、それ故に、より高い温度下での使用が可
能な歪検出器として有利に用いられ得ることとなるので
ある。その結果、それが、圧力検出器として自動車のエ
ンジンの圧力検出に用いられる場合にあっては、よりエ
ンジンの高温部位に配置し得るところから、スス等の燃
焼生成物による圧力導入路の目詰まりに対しても、その
対策が可能となったのである。

しかも、上記の如く、セラミックス基体２と抵抗体部4a
（回路パターン４）との同時焼成が可能となったことに
より、歪検出器としても、その小型化が可能となるので
あり、またその製造に際しての工程数も減少せしめるこ
とが出来、それによって生産性の向上、ひいては製造コ
ストの低下を図ることが可能となった他、従来では製造
が困難乃至は面倒とされている構造も、容易に実現し得
ることとなったのであり、例えば第２図や第３図に示さ
れる如き構造が有利に採用され得るのである。

すなわち、第２図は、抵抗体を保護するセラミックス保
護層が一体的に設けられてなる構造のものを示している
が、そこにおいて、そのようなセラミックス保護層10
は、第２図（ａ）に示されるように、セラミックス基体
２上に、所定の回路パターン４を形成した後、更にその
上に印刷或いは積層によって所定厚さに設けられ、第２
図（ｂ）の如き一体的な積層構造のパターン付与体６と
され、その後、それを同時焼成することによって、第２
図（ｃ）の如き、抵抗体部4a（回路パターン４）上に、
それを保護するセラミックス保護層10を一体的に有する
構造の焼成体８を形成せしめたものである。

このようなセラミックス保護層10を設ける構成において
は、セラミックス基体２との密着性を確保する上におい
て、かかるセラミックス保護層10には、セラミックス基
体２と同様なセラミックス材料が用いられることとなる
が、そのようなセラミックス材料は、高温での焼成操作
が必要であるところから、従来の如きRuO₂等の導体成分
を含む誘電性材料にて抵抗体を構成するものでは、その
ような抵抗体が耐高温特性を有しないために、実現不可
能なものであったのである。なお、このようなセラミッ
クス保護層10を設けることによって、かかる抵抗体部4a
の耐久性等が有利に向上せしめられ得るのである。

また、第３図に示される本発明の実施例においては、圧
力検出器として有利に採用される一つの構造が示されて
いる。即ち、第３図（ａ）において、12は、焼成により
圧力に応じて変形し得るダイヤフラムを与える、未焼成
の板状または膜状のセラミックス成形体からなるダイヤ
フラム形成部材であり、14は、中心部に所定の円形空所
16が形成された、未焼成の板状のセラミックス成形体か
らなる空間形成部材であり、更に18は、かかる空間形成
部材14の円形空所16を外部に連通せしめる貫通孔20を中
心部に有する板状乃至はブロック状のセラミックス成形
体からなる固定台形成部材である。

そして、ダイヤフラム形成部材12、空間形成部材14及び
固定台形成部材18が積層一体化せしめられるに際して、
ダイヤフラム形成部材12の空間形成部材14側の面には、
前例と同様な回路パターン４が付与される一方、かかる
空間形成部材14の円形空所16内には、それと略同一の大
きさ、形状を有する実質的に昇華性物質から構成された
円板状介装体22が隙間なく充填せしめられ、また前記固
定台形成部材18の貫通孔20内にも、それと略同一の大き
さ、形状を有する実質的に昇華性物質からなる棒状介装
体24が隙間なく充填せしめられて、一体的な積層体とさ
れるのであり、その後、そのような積層体が通常の焼成
手法に従って、所定の焼結温度において同時焼成せしめ
られることにより、かかるダイヤフラム成形部材12、空
間形成部材14及び固定台形成部材18の一体焼成が行なわ
れ、第３図（ｂ）に示される如き、圧力に応じて変形し
得るダイヤフラム部26とその周辺部を固定する固定台部
28とが一体的に形成された一体焼成体30が、得られるの
である。

なお、この一体焼成時において、積層体中の円板状介装
体22及び棒状介装体24は、昇華により消失し、それぞ
れ、所定容積の円形キャビティ32及びそれを外部に連通
せしめる連通孔34を一体焼成体30内に形成する。

このようにして得られた一体焼成体30は、そのダイヤフ
ラム部26の一方の面（外面または内面）に被測定圧力が
作用せしめられることにより、その圧力を抵抗体部4aの
抵抗値の変化として検出し得る圧力検出器として、有利
に用いられ得るのである。

また、ここにおいては、ダイヤフラム部26の変形を抵抗
値の変化として出力する抵抗体部4aが、ダイヤフラム部
26の内面に形成された構造となっているが、このような
構造は、従来の既焼成のセラミックス基体上に抵抗体を
焼き付ける方式においては実現不可能なものであり、上
記の如く同時焼成によって初めて実現可能となるもので
ある。なお、このようなダイヤフラム部26に形成される
抵抗体部4aは、一般に、かかるダイヤフラム部26の一面
または両面の歪感度の良い位置に形成されることとな
る。

ところで、前記挙示した各種の特定の基本導体成分を含
む誘電性物質からなる抵抗体が設けられた歪検出器にあ
っては、また、優れたゲージファクター（ゲージ係数）
を有するものであり、それによって検出精度を有利に高
めることが出来る特徴をも有しているのである。

例えば、第４図に示されるように、本発明において用い
られるTiB₂/ガラス＝50/50vol％（容積）やTiB₂/ガラス
＝70/30vol％（TiB₂の平均粒径は、何れも６μｍ）にて
構成される抵抗体を有する歪検出器は、従来のRuO₂系抵
抗体を有する歪検出器に対して、優れた歪感度（ゲージ
ファクター）：ΔR/R（R:抵抗値、ΔR:抵抗値の変化
量）を有しているのである。なお、このΔR/R値の測定
に際しては、それぞれ、アルミナ基板上に各抵抗体を形
成し、三点曲げによりアルミナ基板を歪ませ、その抵抗
値の結果を測定することによって求めたものである。

また、第５図には、第３図と同様な、ダイヤフラム部26
と固定台部28とが一体焼成されてなる一体焼成体30を用
いて構成される圧力検出器（歪検出器）の組立構造の具
体的な一例が示されている。そこにおいて、一体焼成体
30は、ハウジング本体40内に収容され、ハウジング蓋体
42にて覆蓋された状態にてカシメ部材44にて固定される
ことによって、その固定台部28の周縁部がハウジング蓋
体42にてハウジング本体40に押し付けられ、Ｏリング46
によるシールの下に固定せしめられるようになってい
る。また一体焼成体30の内部の円形キャビティ32に連通
する連通孔34には、ハウジング本体40に設けられた圧力
導入孔48が接続され、この圧力導入孔48から導かれる被
測定圧力が、円形キャビティ32内においてダイヤフラム
部26の内面に作用させられるようになっている。

そして、一体焼成体30のダイヤフラム部26の外面には、
適当な公知のブリッジ構造、例えばホイートストーンブ
リッジを構成する４つの抵抗体R₁、R₂、R₃、R₄が、前例
の如き抵抗体パターン４の如く、所定のパターンにおい
て一体的に設けられており、前記圧力導入孔48を通じて
導き入れられる被測定圧力に基づいて、ダイヤフラム部
26が形成せしめられることによって、それぞれの抵抗体
R₁、R₂、R₃、R₄の抵抗値が減少乃至は抵抗値の増加に従
って、所定の出力がリード線50を通じて外部に取り出さ
れるようになっているのである。

なお、第６図（ａ）及び（ｂ）には、かかる一体焼成体
30のダイヤフラム部26上に形成された４つの抵抗体R₁、
R₂、R₃、R₄とそれを繋ぐ導体路（導体部4bに相当）52の
一例が示されているが、そのような抵抗体R₁、R₂・・・
と導体路52にて構成されるブリッジ回路は、上述のよう
に公知のものが何れも採用され得るものであって、ここ
では、第７図にその一例を示し、詳しい説明は省略する
こととする。なお、第７図に示されるブリッジ回路にお
いて、54は電源である。

また、第８図には、ダイヤフラム部26と固定台部28と抵
抗体R₁〜R₄導体路52,62とが一体焼成されてなる、浅底
の有底筒状の一体焼成体30（第９図）を用いて構成され
る、圧力検出器（歪検出器）の組立構造の他の一例が示
されている。なお、導体路62は、公知方法であるスルー
ホール印刷により固定台部28内に形成されている。そし
て、一体焼成体30は、ハウジング本体40内に、ワッシャ
ー54と固定部材56とハウジング蓋体58と共に収容され、
かしめ部60にて固定されている。なお、抵抗体R₁〜R
₄は、例えば、第６図に示されるようなブリッジ回路を
形成している。外部への電気的な接続は、導体路52,62
及び電極64を介して、抵抗体R₁〜R₄とリード線50が接続
されることによって、行なわれるようになっている。

このような、第８図の構造の圧力検出器においては、圧
力を受けるダイヤフラム部26が外部に直接に露出して、
第５図の如き圧力導入孔48を介することなく、被圧力測
定体に対して直接に接するようになっているので、自動
車のエンジン内の圧力を検出する場合、エンジン内で発
生する媒などの目詰まりの発生による測定精度の低下を
より効果的に防止することが出来るのである。

以上、本発明の幾つかの実施例について詳細に説明して
きたが、本発明に係る歪検出器は、そのような例示の具
体的構造のみに限定して解釈されるものでは決してな
く、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の
知識に基づいて種々なる変形、修正、改良等を加えた形
態において、実施され得るものであって、本発明は、そ
のような実施態様のものをも含むものであることが、理
解されるべきである。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に従う歪検出器
は、応力に従って変形し得るセラミックス基体上に形成
される抵抗体として、特定の耐高温特性の良好な基本導
体成分と、所定のガラス若しくはセラミックスからなる
誘電性物質とから実質的に構成される材料を用いたもの
であって、それにより、従来のRuO₂等の導体成分を用い
た抵抗体を有する歪検出器とは異なり、より高い温度、
例えば数百℃の温度下における歪検出、特に圧力検出が
可能な圧力検出器の如き歪検出器を有利に実現し得たの
である。

そして、それによって、特に自動車のエンジンの圧力検
出器として、目詰まり等の問題の発生を効果的に抑制し
得るものとして、好適に用いられ得ることとなったので
ある。

また、かかる本発明に従う歪検出器にあっては、セラミ
ックス基体と抵抗体との同時焼成が可能であるところか
ら、そのような同時焼成を行なうことによって、その小
型化が可能となり、またその製造に際しての工程数も減
少せしめることが出来、それによって生産性の向上、ひ
いては製造コストの低下を図ることも可能となる他、従
来の歪検出器では実現し得なかった、或いは実現が困難
であった構造も、有利に採用され得ることとなったので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は、それぞれ、本発明の異なる実施例
を示すものであって、それぞれの図における（ａ）は、
セラミックス基体に対する回路パターン等の組合せ構造
を説明する斜視図であり、第１図及び第２図の（ｂ）
は、それぞれの実施例において得られるパターン付与体
を示す斜視図であり、更に第１図及び第２図の（ｃ）及
び第３図（ｂ）は、それぞれの実施例において得られた
焼成体の縦断面を示す断面図であり、また第４図は、異
なる抵抗体材料を用いて得られた歪検出器における歪感
度の一例を示すグラフであり、更に第５図は、本発明に
従う歪検出器としての圧力検出器の組立構造の一例を示
す断面説明図であり、第６図（ａ）及び（ｂ）は、それ
ぞれ第５図における一体焼成体の上面図及び断面説明図
であり、第７図は、そのような一体焼成体上に形成され
るブリッジ回路の一例を示す回路図である。また、第８
図は、本発明に従う歪検出器としての圧力検出器の組立
構造の他の一例を示す断面図であり、第９図は、第８図
における一体焼成体の断面説明図である。 2:セラミックス基体 4:回路パターン 4a:抵抗体部、4b:導体部 6:パターン付与体、8:焼成体 10:セラミックス保護層 12:ダイヤフラム形成部材 14:空間形成部材、16:円形空所 18:固定台形成部材、20:貫通孔 22:円板状介装体、24:棒状介装体 26:ダイヤフラム部、28:固定台部 30:一体焼成体、32:円形キャビティ 34:連通孔、40:ハウジング本体 42,58:ハウジング蓋体 48:圧力導入孔、50:リード線 52,62:導体路 54:ワッシャー、56:固定部材 60:かしめ部、64:電極 R₁、R₂、R₃、R₄:抵抗体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】応力に従って変形し得るセラミックス基体
と、該セラミックス基体に接して形成された抵抗体とを
有し、該セラミックス基体に加わる応力による該セラミ
ックス基体の変形を、前記抵抗体の抵抗値の変化として
検出するようにした歪検出器であって、該抵抗体が、所
定のガラス若しくはセラミックスよりなる誘電性物質内
に、Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、Ｗのホウ化物、
炭化物、窒化物、ケイ化物;Y、Sc、ランタニド元素のホ
ウ化物;BN、B₄C、BSi、SiC、Si₃N₄のうちの１種若しく
は２種以上の粉末を、基体導体成分として含んで構成さ
れていることを特徴とする歪検出器。
【請求項２】前記セラミックス基体が、緑部を把持され
たダイヤフラム形態を呈するものである特許請求の範囲
第１項記載の歪検出器。
【請求項３】前記抵抗体が、そのインク状形態のものを
スクリーン印刷によって前記セラミックス基体に印刷し
て、焼成することにより、形成されている特許請求の範
囲第１項または第２項記載の歪検出器。
【請求項４】前記抵抗体が、既焼成の前記セラミックス
基体に未焼成の状態で形成され、焼成されている特許請
求の範囲第１項乃至第３項の何れかに記載の歪検出器。
【請求項５】前記抵抗体が、未焼成の前記セラミックス
基体に未焼成の状態で形成され、該未焼成のセラミック
ス基体と同時焼成されている特許請求の範囲第１項乃至
第３項の何れかに記載の歪検出器。
【請求項６】前記抵抗体が、前記ダイヤフラム形態のセ
ラミックス基体の一面または両面の歪感度の良い位置に
形成されている特許請求の範囲第２項乃至第５項の何れ
かに記載の歪検出器。