薄膜センサーの開発に関する基礎研究

• 研究課題/領域番号: 06555050
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 試験
• 研究分野: 設計工学・機械要素・トライボロジー
• 研究機関: 武蔵工業大学
• 研究代表者: 染谷 常雄 武蔵工業大学, 工学部, 教授 (30010680)
• 研究分担者: 根岸 秀夫 日野自動車工業(株), エンジンRD部・トライボロジーチーム, 課長(研究者) ; 川瀬 達夫 NTN(株), 自動車製品研究所, 主任研究員(研究者) ; 山本 康一 大同メタル工業(株), 技術研究所・トライボセンター, 部長(研究者) ; 岡村 広正 トヨタ自動車(株), 第4開発センター・第3エンジン技術部, 主査(研究者) ; 瀧口 雅章 武蔵工業大学, 工学部, 助教授 (40188115) ; 新倉 孝昭 日野自動車工業, エンジンRD部設計技術課, 次長 ; 水野 吉一 大同メタル工業(株), 技術研究所 トライボセンター, 部長 ; 新倉 孝明 日野自動車工業(株), エンジン RD部設計技術課, 課長
• 研究期間 (年度): 1994 – 1996
• 研究課題ステータス: 完了 (1996年度)
• 配分額: 5,300千円 (直接経費: 5,300千円); 1996年度: 300千円 (直接経費: 300千円); 1995年度: 5,000千円 (直接経費: 5,000千円)
• キーワード: 薄膜圧力センサー / 薄膜ひずみセンサー / スパッタリング / マンガニン / ニッケルクロムアルミ / 金クロム / 内燃機関 / 油膜圧力 / ニッケルクムロアルミ / 金クムロ / 薄膜歪みセンサー / 軸受

研究概要

1.圧力センサー材料(マンガニン)の温度特性の向上:マンガニンの組成を研究当初の(83Cu、14Mn、3Ni(wt%))から、(87.4Cu、9.6Mn、3.0Ni(wt%))に改良した。これにより温度感度が-76×10^<-6>(Ω/Ω)/℃から-(6〜25)×10^<-6>(Ω/Ω)/℃に向上した。これより、単位温度あたりの誤差は-3.45MPa/℃から-(0.3〜1.3)MPa/℃と大幅に低減した。
2.圧力センサーのひずみ感度の低減:センサーの感知部形状を従来の単線型から、φ1mmの円形(一部にφ1mmの切り欠き有り)及び半径φ0.4mmの半円を組み合わせた形状に変更した。この結果、ゲージ率が大幅に低減し、3.で述べる薄膜ひずみゲージによるひずみ影響の補正値も従来より精度が向上した。
3.薄膜ひずみセンサーの材料開発:圧力センサーが受けるひずみの影響を補正するために、圧力、温度に対する感度が無く、ひずみ感度のみを持つ薄膜ひずみセンサーを開発した。材料の組成は(70.5Ni、18.5Cr、11.0Al)である。
4.薄膜金クロムセンサーの開発:ゲージ率が0で温度感度が無く、圧力感度のみを持つ薄膜圧力センサー材料として組成が(96.4Au、3.6Cr)[wt%]及び(97Au、3Cr)程度の金のクロム合成にその可能性があることがわかった。膜厚は0.3μm(評価型表面粗さ測定器、平成6年度)である。
5.主軸受への成膜時の膜欠陥の原因究明:主軸受にセンサーを形成した場合、膜にレンズ状の欠陥が生じる原因は、成膜中の軸受の表面温度が150℃以上になると発生し、この欠陥は軸受合金に含まれるSn、Pbであることがわかった(蛍光式光ファイバー温度計、平成6年度購入)。
6.上記1、2、5を応用したセンサーにより、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンの主軸受油膜圧力測定に成功した(ストレインアンプ、平成6年度購入)。
7.ピストンピンボス部の油膜圧力測定:ピストンピン摺動面にセンサーを形成し、ピンボス部の油膜圧力測定に成功した。センサーの絶縁膜と保護膜は従来のSiO_2からAl_2O_3に変更した。これは膜の強度向上をはかり、センサーの耐久性向上に効果がある(連続加重式表面性試験機、平成7年度購入)。また圧力感知部はマンガニンであるがリ-ド膜部はアルミニウム合金にすることで測定精度を大幅に向上させた。

研究成果

• [文献書誌] 染谷常雄,他: "Entwicking eines Duennschichtsensors zur Messung des Schmierfilmdruckes im Motorgleitager" MOTORTECHNISCHE ZEITSCHRIFT (MTZ). 58.Jahrgang (Nr.2.1997). 110-116 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 染谷常雄,他: "Measurements of oil film pressure in Engine bearing" International Modal Analysis Conference in Japan. (発表予定). (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 三原雄司,他: "Study on Measurement of oil-Film Pressure of Engine Main Bearing by Thin Film Sensor -The Influence of Bearing Deformation on Pressure Sensor Output Under Engine Operation-" JSAE Review. 17. 281-286 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 三原雄司,他: "薄膜センサーによる内燃機関の主軸受油膜圧力測定に関する研究-軸受の歪みが圧力センサー出力に与える影響-" 第12回内燃機関シンポジウム・講演論文集. 367-372 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 市川晋,他: "A study of Bearing Load and Deformation on Mult-Cylinder Engine-Measurement of Relative Inclination between Journal and Bearing" JSAE Review. 16. 188-189 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 三原雄司,他: "Development of Measuring Method for Oil Film Pressure of EngineMain Bearing by Thin Film Sensor" JSAE Review. 16. 125-130 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 三原雄司,他: "薄膜センサーによる内燃機関主軸受の油膜圧力測定に関する研究" 自動車技術会論文集. 26. 40-45 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Tsuneo Someya et.al.: "Entwicklung eines Duennschichtsensors zur Messung des Schmierfilmdruckes im Motorgleitager" MOTORTECHNISCHE ZEITSCHRIFT (MTZ). 58. 110-116 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Tsuneo Someya et.al.: "Measurements of oil film pressure in gine bearing" 15th International Modal Analysis Conference in Japan.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Yuji Mihara et.al.: "Study on Measurement of oil-film Pressure of Engine Main Bearing by Thin Film Sensor -The Influence of Bearing Deformation on Pressure Sensor Output Under Engine Operation-" JSAE Review. 17. 281-286 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Yuji Mihara et.al.: "Study on Measurement of oil-film Pressure of Engine Main Bearing by Thin Film Sensor -The Influence of Bearing Deformation on Pressure Sensor Output Under Engine Operation-" The 12th Internal Combustion Engine Symposium in Japan, Proceedings. 367-372 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Susumu Ichikawa et.al.: "A study of Bearing Load and Deformation on Mult-Cylinder Egine -Measurement of Relative Inclination between Journal and Bearing-" JSAE Review. 16. 188-189 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Yuji Mihara et.al.: "Development of Measuring Method for Oil Film Pressure of Engine Main Bearing by Thin Film Sensor" JSAE Review. 16. 125-130 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Yuji Mihara et.al.: "Study on the Measurement of Oil Film Pressure of Engine Main Bearing by means of New Developped Thin Film Sensor under Engine Operating Conditions." JSAE. 26, No2. 40-45 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] 染谷常雄: "Entwicklung eines nenen Dunnschichtsensors zur Messung des Schmierfilmdruckes im Motorgleitager." MOTORTECHNISCHE ZEITSCHRIFT(MTZ). 58.Jahrgang/Nr.2. 110-116 (1997)
• [文献書誌] 染谷常雄: "Measurements of oil film pressure in engine bearings" 15 th International Modal Analysis Conference in Japan. 発表予定. (1997)
• [文献書誌] 三原 雄司: "薄膜センサーによる内燃機関の主軸受油膜圧力測定に関する研究-軸受の歪みが圧力センサー出力に与える影響-" 第12回内燃機関シンポジウム・講演論文集. 367-372 (1995)
• [文献書誌] 三原 雄司: "Study on Measurement of oil-Film Pressure of Engine Main Bearing by Thin Film Sensor-The Influence of Bearing Deformation on Pressure Sensor Output Under Engine Operation-" JSAE Review. 17(発表-予定). (1996)
• [文献書誌] 三原雄司: "薄膜センサーによる内燃機関主軸受の油膜圧力測定法の開発に関する研究" 自動車技術会1994年春季大会学術講演会前刷集. 943. 97-100 (1994)
• [文献書誌] 市川晋: "多気筒内燃機関の主軸受荷重及び変形に関する研究-主軸と主軸受の相対的傾きの測定-" 自動車技術会1994年春季大会学術講演会前刷集. 944. 89-92 (1994)
• [文献書誌] 三原雄司: "Development of Measuring Method for Oil Film Pressure of Engine Main Bearing by Thin Film Sensor" JSAE Review. 16. (1995)
• [文献書誌] 三原雄司: "薄膜センサーによる内燃機関主軸受の油膜圧力測定法の開発に関する研究" 自動車技術会論文集. 26. (1995)
• [文献書誌] 市川晋: "A Study of Main Bearing Load and Deformation on Multi-Cylinder Engine -Measurement of Relative Inclination between Journal and Bearing-" JSAE Review. 16. (1995)