JP2013168573A - Process of manufacturing supersonic thickness sensor - Google Patents

Process of manufacturing supersonic thickness sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2013168573A
JP2013168573A JP2012031840A JP2012031840A JP2013168573A JP 2013168573 A JP2013168573 A JP 2013168573A JP 2012031840 A JP2012031840 A JP 2012031840A JP 2012031840 A JP2012031840 A JP 2012031840A JP 2013168573 A JP2013168573 A JP 2013168573A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sintered body
piezoelectric material
oxide
powder
thickness sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012031840A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazutaka Mori
一剛 森
Daisuke Kudo
大祐 工藤
Takaaki Kobayashi
高揚 小林
Yuko Yamamoto
裕子 山本
Akihiro Uemoto
章弘 上元
Seiichi Kawanami
精一 川浪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2012031840A priority Critical patent/JP2013168573A/en
Publication of JP2013168573A publication Critical patent/JP2013168573A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To significantly reduce cost of manufacturing a supersonic thickness sensor in a mass production scale by making it possible to collectively manufacture a number of supersonic thickness sensors which are capable of following, even when a surface to be measured is curved, and thin and exhibiting flexibility as a supersonic thickness sensor.SOLUTION: A number of segmented sinter raw material layers containing an oxide system piezoelectric material are segmented and formed at intervals on one plate surface of a metal thin plate that is to be a first electrode of a number of supersonic thickness sensors, the number of segmented sintered body layers are collectively formed at intervals on the metal thin plate by collectively heating and calcinating each of the segmented sinter raw material layers, a second electrode is formed on a surface of each of the segmented sintered body layers, a potential difference is provided between the other plate surface of the metal thin plate and surfaces of a number of the second electrodes, polarization treatment is performed for the segmented sintered body layer, the metal thin plate is cut in a thickness direction between adjacent segmented sintered body layers, and a number of supersonic sensors each having a single segmented sintered body layer are collectively and separately formed.

Description

本発明は、酸化物系圧電材料からなる圧電素子を用いて、超音波により各種配管の金属管、その他の管の管壁の厚み、あるいは各種金属容器の外壁の厚みなど、種々の厚みを検出するための超音波厚みセンサの製造方法に関するものである。   The present invention uses a piezoelectric element made of an oxide-based piezoelectric material to detect various thicknesses such as the thickness of metal pipes of various pipes, the wall thickness of other pipes, or the thickness of the outer wall of various metal containers by ultrasonic waves. The present invention relates to a method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor.

周知のように圧電素子を用いて超音波の送受信を行なって、各種の対象物、対象部位の検出や、各種測定、診断などを行なう装置は、従来から広く使用されている。例えば水中探査用のソナー、あるいは超音波探傷装置、超音波診断装置が従来から広く知られており、そのほか、金属板や金属管などの厚みを検出する厚みセンサにも、超音波センサが用いられている(例えば特許文献1、2など)。
このような超音波送受信用の圧電素子の材料としては、PZTと称されるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)で代表されるペロブスカイト結晶構造を有する酸化物系圧電材料(圧電セラミックス)が最も代表的である。
2. Description of the Related Art As is well known, apparatuses that perform transmission / reception of ultrasonic waves using a piezoelectric element to detect various objects and target parts, perform various measurements, and diagnoses have been widely used. For example, sonar for underwater exploration, ultrasonic flaw detectors, and ultrasonic diagnostic apparatuses have been widely known. In addition, ultrasonic sensors are also used for thickness sensors that detect the thickness of metal plates and metal tubes. (For example, Patent Documents 1 and 2).
As a material of such a piezoelectric element for ultrasonic transmission / reception, an oxide-based piezoelectric material having a perovskite crystal structure represented by lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) called PZT ( Piezoelectric ceramics) is the most representative.

ところでこの種の酸化物系圧電材料からなる圧電素子の製造方法としては、PZTなどの原料粉末を円盤状あるいは立方体形状などの所定のバルク形状に成形し、その成形体を焼結して、セラミック焼結体とし、その後、焼結体に電極を取り付けてから分極処理を施し、圧電素子とするのが一般的である(例えば特許文献3参照)。
具体的には、例えばPZT圧電素子の場合、先ずPbO、ZrO、TiOなどのPZT用の原料粉末を所定の割合で配合し、その配合粉末に純水を加えてボールミルで混合粉砕し、乾燥して仮焼成し、再度粉砕して粉末とし、更に仮焼成してから再度粉砕して、ペロブスカイト型結晶構造を有するPZT粉末を得る。そしてそのPZT粉末に、PVA(ポリビニルアルコール)などのバインダを加えて混合し、適度の大きさの造粒粉とする。その後、造粒粉に圧力を加えて成形し、肉厚な円盤状あるいは立方体形状などの所定のバルク形状の成形体とする。更にその成形体を加熱してバインダを除去してから、高温に加熱して焼成(焼結)して、セラミック焼結体とし、その後、所定の製品形状(圧電素子形状)に加工した後、銀電極などの電極を焼付けなどにより取り付け、分極処理を行なって、圧電特性を付与するのが通常である。
By the way, as a method of manufacturing a piezoelectric element made of this type of oxide-based piezoelectric material, a raw material powder such as PZT is formed into a predetermined bulk shape such as a disk shape or a cubic shape, and the formed body is sintered, and ceramic In general, a sintered body is formed, and then an electrode is attached to the sintered body, and then a polarization treatment is performed to form a piezoelectric element (see, for example, Patent Document 3).
Specifically, for example, in the case of a PZT piezoelectric element, first, raw material powder for PZT such as PbO, ZrO 2 , TiO 2 is blended at a predetermined ratio, and pure water is added to the blended powder and mixed and pulverized by a ball mill, It is dried and calcined, pulverized again to obtain a powder, further calcined and then pulverized again to obtain a PZT powder having a perovskite crystal structure. Then, a binder such as PVA (polyvinyl alcohol) is added to the PZT powder and mixed to obtain a granulated powder having an appropriate size. Thereafter, the granulated powder is molded by applying pressure to obtain a molded body having a predetermined bulk shape such as a thick disk shape or a cubic shape. Further, the molded body is heated to remove the binder, then heated to a high temperature and fired (sintered) to form a ceramic sintered body, and then processed into a predetermined product shape (piezoelectric element shape). Usually, an electrode such as a silver electrode is attached by baking or the like, and subjected to polarization treatment to impart piezoelectric characteristics.

上述のような従来の酸化物系圧電素子の製造法においては、成形体を焼結する際の加熱温度を1200℃程度以上に上げることによって急激に焼結体の緻密度が高まることが知られており、そこで一般には1200〜1300℃程度で焼結することが行なわれている。そしてこのように1200℃以上の高温で焼成することによって、焼結体は、密度90%以上に高密度化されて、緻密な焼結体が得られることが知られている。   In the conventional method for manufacturing an oxide-based piezoelectric element as described above, it is known that the density of the sintered body is rapidly increased by raising the heating temperature at the time of sintering the molded body to about 1200 ° C. or higher. Therefore, sintering is generally performed at about 1200 to 1300 ° C. And it is known that the sintered body is densified to a density of 90% or more by firing at a high temperature of 1200 ° C. or higher, and a dense sintered body is obtained.

このように、従来の製造方法において焼結体の高密度化を図っていた理由は、焼結体からなるセンサ素子が高密度となるほど、分極処理後の圧電特性が向上して、効率的に超音波を発振することが可能となり、超音波出力の高出力化が容易に図れることにある。そのため従来は、酸化物系圧電材料からなる圧電素子の製造にあたっては、焼成温度を1200℃以上の高温として焼結体の緻密化を図り、圧電特性をできるだけ高め、高出力化を図ろうとするのが常識であった。   As described above, the reason for increasing the density of the sintered body in the conventional manufacturing method is that the higher the density of the sensor element made of the sintered body, the higher the piezoelectric characteristics after the polarization treatment, and the more efficiently. It is possible to oscillate ultrasonic waves and easily increase the output of ultrasonic waves. Therefore, in the past, when manufacturing a piezoelectric element made of an oxide-based piezoelectric material, the sintering temperature is set to a high temperature of 1200 ° C. or higher so that the sintered body is densified to increase the piezoelectric characteristics as much as possible and to increase the output. Was common sense.

例えば、超音波ソナーの場合は、センサから検出対象物までの距離が著しく大きく、そのため、確実に対象物を捕捉するためには、大出力を必要とする。また超音波探傷装置の場合、たとえ検出すべき部位までの距離が短くても、検出すべき傷や欠陥の形状が一様ではなく、しかも傷や欠陥からの反射波と、傷や欠陥よりも遠い位置に存在する管外表面/外部空間の境界面からの反射波との2種の反射波の受信信号を峻別することが必要であり、そのためある程度大出力とする必要がある。さらに更に超音波診断装置の場合も、検査対象部位の形状が一様ではなく、しかも人体組織を透過する際の超音波の減衰が大きいことなどから、やはりかなりの大出力とする必要がある。そこで、これらの用途では、セラミック圧電素子はできるだけ高密度とすることが必要とされている。そして厚みセンサについても、他の用途と同様に高密度化することが常識とされていたのである。
なお、圧電素子を高出力化すれば、それに伴って反射波のエネルギも大きくなる。そして反射波のエネルギが過大であれば、反射波の受信信号中のノイズが大きくなってしまう。そこで従来、過大な反射波が予想される場合には、反射波を減衰させるためのダンパを組み込んでおくことも行なわれている。
For example, in the case of ultrasonic sonar, the distance from the sensor to the detection target is remarkably large, and therefore a large output is required to reliably capture the target. In the case of ultrasonic flaw detectors, even if the distance to the site to be detected is short, the shape of the scratch or defect to be detected is not uniform, and the reflected wave from the scratch or defect is more It is necessary to discriminate between the received signals of the two kinds of reflected waves, that is, the reflected waves from the interface between the outer surface of the tube / external space existing at a distant position, and therefore, it is necessary to increase the output to some extent. Furthermore, in the case of an ultrasonic diagnostic apparatus, the shape of the region to be inspected is not uniform, and the attenuation of ultrasonic waves when passing through human tissue is large. Therefore, in these applications, the ceramic piezoelectric element is required to be as dense as possible. As for thickness sensors, it has been common knowledge to increase the density as in other applications.
If the output of the piezoelectric element is increased, the energy of the reflected wave increases accordingly. If the energy of the reflected wave is excessive, noise in the received signal of the reflected wave becomes large. Therefore, conventionally, when an excessive reflected wave is expected, a damper for attenuating the reflected wave is also incorporated.

ところで従来の超音波厚みセンサでは、厚みの測定が必要になるたびごとに、センサの探触子の前面を、各種設備の配管などの測定対象物の外表面に、水などの超音波媒体を介して押し当て、超音波の送受信を行なって厚みを測定するのが通常である。
しかるに、各種設備の配管は、金属管の外表面が保護材や断熱材などの外被によって覆われていることが多い。このような場合に超音波厚みセンサによって配管の厚み測定を行なう際には、測定個所の外被を除去して金属管の外表面に媒体を塗布もしくは供給する準備作業が必要となり、また厚み測定後には、媒体を拭き取り、更に外被を修復する修復作業を必要とする。したがって1回の厚み測定作業に多くの手間と時間を要さざるを得なかったのが実情である。
By the way, in the conventional ultrasonic thickness sensor, every time it is necessary to measure the thickness, an ultrasonic medium such as water is applied to the front surface of the probe of the sensor and the outer surface of an object to be measured such as piping of various facilities. Usually, the thickness is measured by pressing and transmitting / receiving ultrasonic waves.
However, as for piping of various facilities, the outer surface of the metal pipe is often covered with a jacket such as a protective material or a heat insulating material. In such a case, when measuring the thickness of the pipe with the ultrasonic thickness sensor, it is necessary to prepare for removing the outer coating of the measurement location and applying or supplying the medium to the outer surface of the metal tube. Later, it is necessary to carry out a repairing work for wiping off the medium and further repairing the jacket. Therefore, the actual situation is that much work and time are required for one thickness measurement operation.

更に、従来の超音波厚みセンサは、前述のように厚みの測定が必要になるたびごとに、センサの探触子の前面を、測定対象物の外表面に水などの超音波媒体を介して押し当てるのが通常であるため、配管や容器外壁などにおける多数の個所の厚み測定を同時に行なうことは困難であり、そのため多数の個所の厚み測定データを得たい場合には、膨大な手間と時間を要さざるを得なかった。
また同様の理由から、厚みの経時的な測定データを連続して得ることは困難であった。
Further, in the conventional ultrasonic thickness sensor, whenever the thickness measurement is required as described above, the front surface of the sensor probe is placed on the outer surface of the measurement object via an ultrasonic medium such as water. Since it is usually pressed, it is difficult to measure the thickness of many places on the pipe and the outer wall of the container at the same time. Therefore, if you want to obtain thickness measurement data at many places, it takes a lot of time and effort. It was necessary to.
For the same reason, it has been difficult to continuously obtain measurement data of thickness over time.

一方、従来の製造方法によって得られた酸化物系圧電材料(セラミック圧電材料)を用いた圧電素子は、全体的に焼結体が緻密で、かつ厚いバルク形状を有しているため、可撓性(フレキシビリティ;屈曲性)を全く有していないのが通常である。そのため、このような圧電素子を配管や容器外壁などを対象とする超音波厚みセンサに用いた場合、次のような問題があった。
すなわち、配管のうちでもその管径が小さい配管、すなわち外面の曲率半径が小さい配管の管壁や、配管におけるL字状に屈曲した部あるいはL字状に溶接した部分、すなわちエルボー部分、さらにはT字状に溶接した部分の隅部の如く、湾曲した部分(凸状もしくは凹状に湾曲した部分)の厚みを測定しようとした場合、その湾曲部分に探触子の前面を均一に当てることは困難であり、そのため測定誤差が大きくなったり、厚み測定が困難となったりする問題もあった。
On the other hand, since a piezoelectric element using an oxide-based piezoelectric material (ceramic piezoelectric material) obtained by a conventional manufacturing method has a dense sintered body and a thick bulk shape as a whole, it is flexible. Usually, it has no property (flexibility; flexibility). For this reason, when such a piezoelectric element is used in an ultrasonic thickness sensor for pipes, container outer walls, and the like, there are the following problems.
That is, among pipes, pipes having a small diameter, that is, pipe walls of pipes having a small radius of curvature on the outer surface, L-shaped bent portions or L-shaped welded portions of the piping, that is, elbow portions, When trying to measure the thickness of a curved part (convex or concave curved part) such as a corner of a T-shaped welded part, the front surface of the probe should be uniformly applied to the curved part. As a result, there is a problem that measurement error becomes large and thickness measurement becomes difficult.

また仮に従来の製造方法によって可撓性を有する超音波厚みセンサ、すなわち配管などの湾曲部分の厚み測定が可能な超音波厚みセンサを製造することが可能であったとしても、
それを量産的規模で多数製造するために技術は確立されていなかったのが実情である。
Moreover, even if it is possible to manufacture an ultrasonic thickness sensor having flexibility by a conventional manufacturing method, that is, an ultrasonic thickness sensor capable of measuring the thickness of a curved portion such as a pipe,
The fact is that the technology has not been established to produce many of them on a mass production scale.

特開平1−202609号公報JP-A-1-202609 特開2002−228431号公報JP 2002-228431 A 特開平7−45124号公報JP-A-7-45124

本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、酸化物系圧電材料を用いた超音波厚みセンサとして、全体的に薄質で可撓性を示すことができ、そのため測定対象個所の外表面が湾曲している場合でもその湾曲面に追従させて、湾曲面における厚み測定を確実に行なうことができ、しかも配管や容器外壁などの測定対象個所に厚みセンサを常時貼着させておくことにより、厚み測定前の準備作業や測定後の修復作業などを不要とし、これによって厚み測定の手間と時間を大幅に削減することができ、併せて多数の箇所の同時的な厚み測定や、連続的な厚み測定も可能とした超音波厚み測定センサを、量産的規模で同時に多数製造し得るようにし、これにより上述のような可撓性を示し得る超音波厚みセンサを低コストで効率良く製造することができるようにした方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made against the background of the above circumstances, and as an ultrasonic thickness sensor using an oxide-based piezoelectric material, it can be thin and flexible as a whole. By following the curved surface even if it is curved, it is possible to reliably measure the thickness on the curved surface, and by always sticking the thickness sensor to the measurement target part such as the pipe or the outer wall of the container This eliminates the need for preparatory work before thickness measurement and repair work after measurement, which can greatly reduce the time and effort involved in thickness measurement, as well as simultaneous thickness measurement at multiple locations and continuous measurement. A number of ultrasonic thickness sensors capable of accurate thickness measurement can be manufactured at the same time on a mass-production scale, thereby producing an ultrasonic thickness sensor capable of exhibiting flexibility as described above efficiently at a low cost. This And to provide a method to allow.

前述のように各種の対象物検出や検査、測定、診断などのための超音波送受信に使用される従来の酸化物系圧電材料からなる圧電素子は、高い圧電効率を得るために、密度が90%以上となるように緻密化しておくのが常識とされており、超音波厚みセンサでも、同様に90%以上の高密度の圧電素子が使用されていた。
しかるに、各種設備における配管の管壁や容器の外壁などの厚み測定にあたっては、他の用途の場合のような高い圧電効率、高出力は必ずしも必要としないことを本発明者等は知見した。
As described above, a piezoelectric element made of a conventional oxide piezoelectric material used for ultrasonic transmission / reception for various object detection, inspection, measurement, diagnosis and the like has a density of 90 in order to obtain high piezoelectric efficiency. It has been common knowledge to be dense so as to be equal to or higher than 50%, and an ultrasonic thickness sensor similarly uses a high-density piezoelectric element of 90% or higher.
However, the present inventors have found that high piezoelectric efficiency and high output as in other applications are not necessarily required for measuring the thickness of pipe walls and outer walls of containers in various facilities.

すなわち、既に述べたように、水中探査用の超音波ソナー、あるいは超音波探傷装置、超音波診断装置などの場合は、対象物までの距離が遠かったり、あるいは対象物の形状が不定形で一様ではなかったり、更には対象部位に超音波が到達するまでの間の減衰が大きかったりする、などの点から、高出力が望まれるが、配管や容器などの厚み測定の場合、
対象となる管壁や容器外壁の厚み(超音波を透過/反射させるべき距離)は数百μmからせいぜい十数mm程度と小さく、しかも反射面は一様な定形面となっており、更には、超音波探傷の場合のように2種以上の反射波の受信信号を峻別する必要もないため、他の用途よりも超音波出力が小さくても、確実に厚みを測定し得ることを知見した。言い換えれば、厚みセンサの場合は、他の用途よりも圧電効率が低くても、厚みセンサとして充分に機能させることができることを知見したのである。
That is, as already described, in the case of an ultrasonic sonar for underwater exploration, an ultrasonic flaw detector, an ultrasonic diagnostic device, etc., the distance to the object is long, or the shape of the object is indefinite. High output is desired from the point that the attenuation until the ultrasonic wave reaches the target site is large, but in the case of thickness measurement of pipes and containers,
The thickness of the target tube wall and the outer wall of the container (distance to transmit / reflect the ultrasonic wave) is as small as several hundreds μm to a few dozen mm at the most, and the reflecting surface is a uniform fixed surface. It has been found that the thickness can be reliably measured even if the ultrasonic output is smaller than other applications because it is not necessary to distinguish the received signals of two or more kinds of reflected waves as in the case of ultrasonic flaw detection. . In other words, in the case of a thickness sensor, it has been found that even if the piezoelectric efficiency is lower than other applications, it can function sufficiently as a thickness sensor.

一方、酸化物系圧電材料からなる圧電素子においては、焼結体の緻密度が低くなって、相対的にポーラスとなれば、圧電効率は下がるが、薄質な可撓性を有する支持体上に焼結体層をポーラスに薄く形成しておけば、可撓性(フレキシビリティ)を付与することが可能となる。またその場合、支持体を圧電素子に必要な一対の電極のうちの一方の電極と兼ねさせて、焼結体層を支持体上に形成した後もその支持体をそのまま一方の電極として機能させることにより、簡単な工程で厚みセンサを製造し得ることを見い出した。
このように、厚みセンサとしては、焼結体の緻密度をある程度小さくすると同時に薄肉化を測って、圧電効率を若干下げながらも、厚みセンサとして可撓性を付与したものとすることができることを新規に見い出した。
On the other hand, in a piezoelectric element made of an oxide-based piezoelectric material, if the density of the sintered body becomes low and becomes relatively porous, the piezoelectric efficiency decreases, but the thin flexible on the support body. If the sintered body layer is formed thin and porous, flexibility can be imparted. In that case, the support is also used as one of a pair of electrodes necessary for the piezoelectric element, and the support is allowed to function as one electrode even after the sintered body layer is formed on the support. Thus, it has been found that a thickness sensor can be manufactured by a simple process.
As described above, the thickness sensor can be made to have flexibility as a thickness sensor while reducing the density of the sintered body to some extent and simultaneously measuring thinning to slightly reduce the piezoelectric efficiency. Newly found.

ここで、上述のように電極を兼ねる薄質な支持体上に焼結体層を薄く形成するためには、その支持体として金属薄板を用い、その金属薄板上に焼結原料粉末のペーストを塗布して、支持体(金属薄板)ごと加熱し、ペーストを焼成することが考えられる。この場合、前述の従来法に倣って、1200〜1300℃程度の高温に加熱するとすれば、電極兼支持体の金属薄板として、1200〜1300℃の高温でも酸化しないような優れた耐高温酸化性を有する白金(Pt)などを用いざるを得ない。しかしながら、このような白金などの優れた耐高温酸化性を有する材料は、極めて高価格であるのが通常であり、したがってその場合には、厚みセンサの材料コストが著しく高くなってしまう。
しかるに本発明者が実験、研究を重ねたところ、焼結原料の粉末(圧電材料粉末)として平均粒径が0.15〜0.25μmの超微細粉を用いたり、あるいは圧電材料粉末にビスマス系ガラスなどの低融点ガラスの粉末を混合したり、また圧電材料粉末に、その圧電材料を構成する金属のアルコキシド分解粉末を混合したり、さらには、焼結原料のペーストとして、圧電材料粉末に、その圧電材料を構成する金属のアルコキシドゾルと混練したペーストを用いたり、圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散させたペーストを用いたりすれば、従来よりも格段に低温の600〜800℃程度、あるいはそれ以下の温度でも、焼結可能となることを見い出した。そしてこのような比較的低温の焼成温度であれば、電極を兼ねる前記支持体として、高価な白金などを使用する必要がなくなり、ステンレス鋼などの安価な材料を使用することが可能となって、材料コストの低減に有効となることを知見し、本発明者等は既にこれらの技術について別に特許出願している。
Here, in order to form a thin sintered body layer on a thin support that also serves as an electrode as described above, a metal thin plate is used as the support, and a paste of the sintering raw material powder is applied to the metal thin plate. It is possible to apply and heat the whole support (metal thin plate) to fire the paste. In this case, following the above-described conventional method, if heated to a high temperature of about 1200 to 1300 ° C., excellent high temperature oxidation resistance that does not oxidize at a high temperature of 1200 to 1300 ° C. as a metal thin plate of an electrode and support. Platinum (Pt) or the like having a hydrogen content must be used. However, such a material having excellent high-temperature oxidation resistance such as platinum is usually extremely expensive, and in this case, the material cost of the thickness sensor becomes remarkably high.
However, when the present inventor repeated experiments and researches, ultrafine powder having an average particle size of 0.15 to 0.25 μm was used as the powder of the sintering material (piezoelectric material powder), or bismuth-based powder was used as the piezoelectric material powder. Mixing powder of low melting point glass such as glass, mixing alkoxide decomposition powder of metal constituting the piezoelectric material with piezoelectric material powder, and further, as piezoelectric material powder, If a paste kneaded with a metal alkoxide sol that constitutes the piezoelectric material is used, or a paste in which a piezoelectric material powder is dispersed in a sodium silicate solution is used, the temperature is about 600 to 800 ° C., which is much lower than conventional, or It has been found that sintering is possible even at lower temperatures. And if it is such a relatively low firing temperature, it becomes unnecessary to use expensive platinum or the like as the support that also serves as an electrode, and it is possible to use an inexpensive material such as stainless steel, Knowing that it is effective in reducing material costs, the present inventors have already filed patent applications for these technologies.

ところでこれらの技術によって配管表面などに直接貼り付けて使用するための超音波厚みセンサを製造する場合、例えば、15〜150μm程度の薄質なSUSなどからなる10mm〜30mm角程度の小さな金属薄板(一方の電極となるもの)の表面の5〜15mm角程度の平面領域に、PZTなどの酸化物系圧電材料を含むペーストもしくはスラリーを、150μm程度に薄く塗布し、必要に応じてペーストを乾燥させた後、加熱して酸化物系圧電材料を焼結させ、さらにその焼結体層の表面に銀ペーストを塗布して焼付けることにより他方の電極を薄く形成し、さらに両電極を挟んで分極処理を施すこととしている。しかるにこのような製造工程では、取り扱う各材料の厚みが数100μmオーダー以下と薄く、かつ全体の平面的な大きさも数cm以下と極めて小さいため、工程間のハンドリングに問題が生じやすく、また大量に製品を製造するためには、同じ作業を多数回繰り返す必要があり、そのためトータル的に製造時間が長くならざるを得ず、製造コストも高くならざるを得なかった。   By the way, when manufacturing an ultrasonic thickness sensor to be used by directly attaching to a pipe surface or the like by these techniques, for example, a small metal sheet of about 10 to 30 mm square made of thin SUS of about 15 to 150 μm ( Apply a paste or slurry containing an oxide-based piezoelectric material such as PZT as thin as about 150 μm to a planar area of about 5 to 15 mm square on the surface of one electrode), and dry the paste as necessary. After that, the piezoelectric piezoelectric material is heated to sinter, and the other electrode is thinly formed by applying and baking a silver paste on the surface of the sintered body layer. Processing is to be performed. However, in such a manufacturing process, the thickness of each material handled is as thin as several hundreds μm or less, and the overall planar size is as small as several centimeters or less. In order to manufacture a product, it is necessary to repeat the same operation many times. Therefore, the total manufacturing time has to be long and the manufacturing cost has to be high.

そこで本発明の製造方法では、製造時における小さく薄い部材の取り扱いをできるだけ少なくし、併せて、多数の超音波厚みセンサが同時的に得られるようにし、これによって量産的規模で容易にしかも低コストで超音波厚みセンサを製造し得るようにした。   Therefore, in the manufacturing method of the present invention, the handling of small and thin members at the time of manufacturing is reduced as much as possible, and at the same time, a large number of ultrasonic thickness sensors can be obtained at the same time. An ultrasonic thickness sensor can be manufactured.

すなわち本発明の超音波厚みセンサの製造方法では、基本的には、それぞれ超音波厚みセンサの圧電体層となるべき多数の区分焼結原料層を、多数の超音波厚みセンサの第1の電極となるべき大面積を有する1枚の金属薄板の板面に間隔を置いて形成し、区分焼結原料層を一括して焼成して、それぞれ区分焼結体層とした後、各区分焼結体層の間で金属薄板を切断することによって、多数の超音波厚みセンサを同時に製造するようにした。   That is, in the method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor of the present invention, basically, a number of segmented sintering raw material layers that are to be piezoelectric layers of the ultrasonic thickness sensor are respectively formed on the first electrodes of the multiple ultrasonic thickness sensors. Formed with a space on the surface of a sheet of metal sheet having a large area to be formed, and fired into a sintered sintered body layer after each of the sintered sintering raw material layers, each sectioned sintering A number of ultrasonic thickness sensors were manufactured at the same time by cutting a thin metal plate between body layers.

具体的には、本発明の基本的な態様(第1の態様)の超音波厚みセンサの製造方法は、
それぞれ酸化物系圧電材料を含む焼結原料からなる多数の区分焼結原料層を、多数の超音波厚みセンサにおける第1の電極となるべき金属薄板の一方の板面に、間隔を置いて区分形成する区分焼結原料層形成工程と、
前記各区分焼結原料層を一括して加熱することにより焼結原料を焼成し、これによってそれぞれ密度が70〜80%の範囲内の酸化物系圧電材料の焼結体からなる多数の区分焼結体層を前記板面上に間隔を置いて形成する焼成工程と、
前記各区分焼結体層の表面に、それぞれ第2の電極を形成する第2電極形成工程と、
前記金属薄板の他方の板面と多数の第2の電極の表面との間に電位差を与えて、前記多数の区分焼結体層を分極処理する分極処理工程と、
分極処理後に、少なくとも隣り合う区分焼結体層の間で前記金属薄板を厚み方向に切断して、それぞれ焼結体層を有する多数の超音波センサを一括して分離形成する分離工程と、
を有してなることを特徴とするものである。
Specifically, the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the basic aspect (first aspect) of the present invention is:
A plurality of divided sintering raw material layers each made of a sintering raw material each containing an oxide-based piezoelectric material are divided at intervals on one plate surface of a thin metal plate to be the first electrode in a number of ultrasonic thickness sensors. A step of forming a divided sintered raw material layer to be formed;
The sintered raw materials are fired by heating each of the divided sintered raw material layers at once, whereby a plurality of divided sintered materials each comprising a sintered body of an oxide-based piezoelectric material having a density in the range of 70 to 80%. A firing step of forming a bonded layer on the plate surface at an interval;
A second electrode forming step of forming a second electrode on the surface of each sectioned sintered body layer,
A polarization treatment step of applying a potential difference between the other plate surface of the metal thin plate and the surfaces of a plurality of second electrodes to polarize the plurality of segmented sintered body layers;
After the polarization treatment, a separation step in which the metal thin plate is cut in the thickness direction between at least adjacent divided sintered body layers, and a plurality of ultrasonic sensors each having a sintered body layer are separately formed.
It is characterized by having.

このような本発明の基本的な態様の超音波厚みセンサの製造方法においては、超音波厚みセンサにおける一方の電極(第1の電極)となるべき1枚の金属薄板の板面に、多数の超音波センサの各圧電体層に対応する多数の区分焼結原料層を一括して形成し、さらにそれを焼成することによって、1枚の金属薄板の板面に、多数の区分焼結体層を同時に形成することができる。そして最終的に金属薄板を分断することによって、多数の超音波厚みセンサを同時に得ることができる。そのため、個別に超音波センサを製造する場合と比較して、同じ工程を何回も繰り返すことなく、多数の超音波厚みセンサを格段に短時間で効率的に製造することができる。
また1枚の金属薄板が、多数の区分焼結原料層およびそれを焼成してなる多数の区分焼結体層の支持体として機能するから、この金属薄板としては、各超音波厚みセンサを個別に製造する場合と比較して格段に大きな板面積を有するものが使用されることになる。これは、最終的に金属薄板を分断するまでの各工程で取り扱う中間製品のサイズが、個別にセンサを製造する場合よりも格段に大きいことを意味し、そのため各工程中や各工程間でのハンドリングが容易となる。
なお、前記金属薄板は、多数の区分焼結原料層を支持するための支持体として機能するから、区分焼結原料層の厚みを薄くしても、焼成工程において支障なく焼成することが可能であり、またその金属薄板は、それを分断して得た厚みセンサの使用時においても、電極として機能するのみならず、焼結体層(圧電セラミック層)の支持体としても機能するから、その焼結体層の密度が70〜80%と低くかつその厚みが薄くても、焼結体層が剥落することを防止できる。
そして第1の電極としての金属薄板として、可撓性を示す程度に薄いものを用いて、かつ第2の電極も充分に薄質としておけば、厚みセンサとしてその全体の厚みを薄くして、可撓性を有するものとすることができる。さらに、焼結体層は、比較的低密度(70〜80%)でも、厚みセンサとして支障ない程度の圧電特性を分極処理後に示すことができ、そのため比較的低温の焼成温度(例えば600〜800℃、あるいは450〜550℃)を適用することが可能となる。
そしてまた、区分焼結体層(圧電セラミック層)の密度を、上述のように従来一般の圧電セラミックよりも低密度の80%以下としておくことによって、その焼結体層を第1の電極の金属薄板に支持させた状態で可撓性を示すことができる。また同時に焼結体層の密度を70%以上とすることによって、超音波厚みセンサとして必要な程度の圧電性能を確保することができるとともに、焼結体層が過度に低密度となって脆くなることにより、焼結体層が第1の電極から剥離してしまうことを防止できる。
なお本明細書において焼結体層の密度とは、相対密度を意味するものとする。
In the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor according to the basic aspect of the present invention, a large number of thin metal plates to be used as one electrode (first electrode) in the ultrasonic thickness sensor are provided on the plate surface. A large number of segmented sintered material layers corresponding to each piezoelectric layer of the ultrasonic sensor are collectively formed, and further fired to form a plurality of segmented sintered material layers on the surface of one metal thin plate. Can be formed simultaneously. And finally, by dividing the metal thin plate, a large number of ultrasonic thickness sensors can be obtained simultaneously. Therefore, many ultrasonic thickness sensors can be manufactured in a significantly shorter time without repeating the same process many times compared to the case of manufacturing individual ultrasonic sensors.
In addition, since one metal thin plate functions as a support for a number of sectioned sintering raw material layers and a number of sectioned sintered body layers formed by firing the same, each ultrasonic thickness sensor is individually used as the metal sheet. Compared with the case of manufacturing, what has a remarkably large board area will be used. This means that the size of the intermediate product that is handled in each process until the metal sheet is finally cut is much larger than in the case of individually manufacturing the sensor, and therefore, during each process or between each process. Handling becomes easy.
In addition, since the metal thin plate functions as a support for supporting a number of segmented sintering raw material layers, even if the thickness of the segmented sintering raw material layer is reduced, it can be fired without any trouble in the firing process. In addition, the metal thin plate not only functions as an electrode, but also functions as a support for a sintered body layer (piezoelectric ceramic layer) even when a thickness sensor obtained by dividing the thin metal plate is used. Even if the density of the sintered body layer is as low as 70 to 80% and the thickness thereof is thin, the sintered body layer can be prevented from peeling off.
And if the metal thin plate as the first electrode is thin enough to show flexibility, and the second electrode is also sufficiently thin, the thickness of the thickness sensor is reduced, It can have flexibility. Furthermore, even if the sintered body layer has a relatively low density (70 to 80%), it can exhibit a piezoelectric property that does not interfere with the thickness sensor after the polarization treatment, and therefore a relatively low firing temperature (for example, 600 to 800). ° C, or 450 to 550 ° C) can be applied.
Further, by setting the density of the segmented sintered body layer (piezoelectric ceramic layer) to 80% or less, which is lower than that of the conventional general piezoelectric ceramic as described above, the sintered body layer of the first electrode is formed. Flexibility can be exhibited in a state where the metal thin plate is supported. At the same time, by setting the density of the sintered body layer to 70% or more, it is possible to ensure the necessary piezoelectric performance as an ultrasonic thickness sensor, and the sintered body layer becomes too low in density and becomes brittle. Thereby, it can prevent that a sintered compact layer peels from a 1st electrode.
In this specification, the density of the sintered body layer means a relative density.

また本発明の第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第1の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記焼結原料として、酸化物系圧電材料を含む粘性液状物を用い、前記区分焼結原料層形成工程において、その粘性液状物を、前記金属薄板の一方の板面に間隔を置いて層状に付着させることによって、前記各区分焼結原料層を形成することを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the second aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the first aspect, wherein a viscous liquid material containing an oxide-based piezoelectric material is used as the sintering material. In the sectioned sintering raw material layer forming step, forming each sectioned sintering raw material layer by adhering the viscous liquid material in a layered manner with a gap on one plate surface of the metal thin plate. It is a feature.

そして本発明の第3の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、厚み方向に貫通する多数の第1の開口部が間隔を置いて形成されてなる第1のマスク部材を予め用意しておき、前記区分焼結原料層形成工程において、前記第1のマスク部材を、前記金属薄板の一方の板面に重ね、第1のマスク部材の表面側に前記粘性液状物を塗布することにより、第1のマスク部材の各第1の開口部内に粘性液状物を充填し、これにより多数の区分焼結原料層を、前記金属薄板における前記板面に間隔を置いて形成することを特徴とするものである。   And the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the 3rd aspect of this invention is the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the said 2nd aspect, and many 1st opening parts penetrated in the thickness direction are spaced apart. A first mask member to be formed is prepared in advance, and the first mask member is overlapped on one plate surface of the metal thin plate in the step of forming the divided sintering raw material layer. By applying the viscous liquid material on the surface side of the first mask member, the viscous liquid material is filled in each first opening of the first mask member, whereby a large number of the divided sintering raw material layers are formed in the metal thin plate. It is characterized by being formed with an interval on the plate surface.

このような第3の態様の超音波厚みセンサの製造方法では、多数の開口部(第1の開口部)を形成した第1のマスク部材を用い、焼結原料としての粘性液状物を第1のマスク部材表面に塗布するだけで、多数の区分焼結原料層を同時かつ容易に形成することができる。   In the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the third aspect as described above, the first mask member having a large number of openings (first openings) is used, and the viscous liquid material as the sintering raw material is the first. By simply applying to the surface of the mask member, it is possible to simultaneously and easily form a large number of sectioned sintering raw material layers.

そしてまた本発明の第4の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第3の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記焼結原料層区分形成工程終了後、前記第2電極形成工程開始前までの段階において前記第1のマスク部材を金属薄板の前記一方の板面から除去することを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the fourth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the third aspect, wherein the second electrode formation is performed after the sintering raw material layer section forming step is completed. In the stage before the start of the process, the first mask member is removed from the one surface of the thin metal plate.

このような第4の態様では、第2電極形成のために加熱することがあっても、その段階では既に第1のマスク部材が除去されているため、第1のマスク部材として特に耐熱性に優れたものを使用する必要が無く、第1のマスク部材の材料の選択の幅が拡大される。   In such a fourth aspect, even if heating is performed for forming the second electrode, the first mask member has already been removed at that stage, so that the first mask member is particularly heat resistant. There is no need to use a superior material, and the range of selection of the material for the first mask member is expanded.

そしてまた本発明の第5の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第1〜第4のいずれかの態様の超音波厚みセンサの製造方法において、厚み方向に貫通しかつそれぞれ前記各区分焼結体層の表面のそれぞれの少なくとも一部に対応する多数の第2の開口部が形成された第2のマスク部材を予め用意しておき、前記第2電極形成工程において、第2のマスク部材を前記多数の区分焼結体層の表面側に重ね、その状態で導電ペーストを第2のマスク部材の表面側に塗布して、その導電ペーストを各第2の開口部内に充填し、焼き付けることによって、各区分焼結体層の表面にそれぞれ第2の電極を形成することを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the fifth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the first to fourth aspects, wherein the ultrasonic thickness sensor penetrates in the thickness direction and each of the sections. A second mask member having a large number of second openings corresponding to at least a part of the surface of the sintered body layer is prepared in advance, and in the second electrode forming step, a second mask is formed. A member is stacked on the surface side of the plurality of sectioned sintered body layers, and in that state, a conductive paste is applied to the surface side of the second mask member, and the conductive paste is filled in each second opening and baked. Thus, the second electrode is formed on the surface of each sectioned sintered body layer.

このような第5の態様では、多数の開口部(第2の開口部)を形成した第2のマスク部材を用い、第2の電極用の導電ペーストを第2のマスク部材上に塗布して焼き付けるだけで、多数の区分焼結体層の表面に、第2の電極を同時かつ容易に形成することができる。   In such a fifth aspect, a second mask member having a large number of openings (second openings) is used, and a conductive paste for the second electrode is applied onto the second mask member. The second electrode can be simultaneously and easily formed on the surface of a large number of sectioned sintered body layers simply by baking.

そしてまた本発明の第6の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第1〜第5のいずれかの態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記分極処理工程において、前記金属薄板の他方の板面と多数の第2の電極の表面との間を、一対の分極処理用電極で挟み、金属薄板と各第2の電極との間に一括して電位差を与えて、前記多数の区分焼結体層を一括して分極処理することを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the sixth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the first to fifth aspects, wherein in the polarization treatment step, the thin metal plate is formed. The other plate surface and the surfaces of the second electrodes are sandwiched between a pair of polarization electrodes, and a potential difference is collectively applied between the metal thin plate and each of the second electrodes. The sectioned sintered body layer is polarized at once.

このような第6の態様では、多数の区分焼結体層を一括して分極処理するため、多数の超音波厚みセンサを製造する場合における分極処理の能率を向上させることができる。   In such a 6th aspect, since the many division | segmentation sintered compact layers are polarized at once, the efficiency of the polarization process in the case of manufacturing many ultrasonic thickness sensors can be improved.

そしてまた本発明の第7の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、平均粒径が1〜10μmの範囲内の酸化物系圧電材料粉末と、その酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドゾルとを混合したもの(ペーストもしくはスラリー)を用いることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the seventh aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the second aspect, wherein the viscous liquid material containing the oxide-based piezoelectric material has an average particle diameter. Is a mixture (paste or slurry) of an oxide-based piezoelectric material powder in the range of 1 to 10 μm and an alkoxide sol of a metal component of the oxide-based piezoelectric material.

このような第7の態様の超音波厚みセンサの製造方法では、酸化物系圧電材料を含む粘性液状物、すなわち焼結原料として、酸化物系圧電材料からなる比較的粗大な粉末(平均粒径1〜10μm)と、前記酸化物系圧電材料の金属成分と同じ金属成分を有するアルコキシドゾルを混合してなるペーストもしくはスラリーを用いているため、焼成工程においては、比較的低温の焼成温度(例えば600〜800℃)でも、ある程度の密度(70〜80%)を有する焼結体層、すなわち超音波厚みセンサとして支障ない程度の圧電特性を分極処理後に得ることができると同時に可撓性を示し得る焼結体層を形成することができる。   In the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the seventh aspect, a viscous liquid containing an oxide piezoelectric material, that is, a relatively coarse powder (average particle diameter) made of an oxide piezoelectric material as a sintering raw material. 1 to 10 μm) and a paste or slurry obtained by mixing an alkoxide sol having the same metal component as the metal component of the oxide-based piezoelectric material. Therefore, in the firing step, a relatively low firing temperature (for example, Even at 600 to 800 ° C., it is possible to obtain a sintered body layer having a certain density (70 to 80%), that is, a piezoelectric characteristic that does not interfere with the ultrasonic thickness sensor after polarization treatment and at the same time exhibit flexibility. The resulting sintered body layer can be formed.

そしてまた本発明の第8の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、平均粒径1〜10μmの酸化物系圧電材料粉末と、酸化物圧電材料の金属成分のアルコキシドの分解による平均粒径0.1〜1.0μmの微粉末とを分散媒に分散させたもの(ペーストもしくはスラリー)を用いることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the eighth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the second aspect, wherein the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material has an average particle diameter. 1 to 10 μm oxide piezoelectric material powder and fine powder having an average particle size of 0.1 to 1.0 μm obtained by decomposition of alkoxide of metal component of oxide piezoelectric material dispersed in a dispersion medium (paste or slurry) ) Is used.

このような第8の態様の超音波厚みセンサの製造方法でも、酸化物系圧電材料を含む粘性液状物、すなわち焼結原料として、酸化物系圧電材料からなる比較的粗大な粉末(平均粒径1〜10μm)と、前記酸化物系圧電材料の金属成分と同じ金属成分の微細なアルコキシド分解微粉末とを混合してなる混合物を分散させたスラリーもしくはペーストを用いているため、前記第8の態様と同様に、焼成工程においては、比較的低温の焼成温度(例えば600〜800℃)でも、ある程度の密度(70〜80%)を有する焼結体層、すなわち超音波厚みセンサとして支障ない程度の圧電特性を分極処理後に得ることができ、しかも可撓性を示し得る焼結体層を形成することができる。   Even in the method of manufacturing the ultrasonic thickness sensor of the eighth aspect, a viscous liquid material containing an oxide piezoelectric material, that is, a relatively coarse powder (average particle diameter) made of an oxide piezoelectric material as a sintering raw material. 1 to 10 μm) and a slurry or paste in which a mixture obtained by mixing a fine alkoxide-decomposed fine powder of the same metal component as the metal component of the oxide-based piezoelectric material is used. Similar to the embodiment, in the firing step, even at a relatively low firing temperature (for example, 600 to 800 ° C.), a sintered body layer having a certain density (70 to 80%), that is, an ultrasonic thickness sensor is not affected. Thus, it is possible to form a sintered body layer which can be obtained after the polarization treatment and can exhibit flexibility.

そしてまた本発明の第9の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、酸化物系圧電材料からなる平均粒径が0.15〜0.25μmの超微粉末を分散媒に分散させたもの(スラリーもしくはペースト)を用いることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the ninth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the second aspect, wherein the oxide-based piezoelectric material is used as the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material. It is characterized in that a super fine powder made of a piezoelectric material having an average particle size of 0.15 to 0.25 μm is dispersed in a dispersion medium (slurry or paste).

このような第9の態様の超音波厚みセンサの製造方法では、酸化物系圧電材料を含む粘性液状物、すなわち焼結原料として、平均粒径が0.15〜0.25μmという極めて微細な超微粉末を分散媒に分散させたスラリーもしくはペーストを用いているため、第8あるいは第9の態様と同様に、焼成工程においては、比較的低温の焼成温度(例えば600〜800℃)でも、ある程度の密度(70〜80%)を有する焼結体層、すなわち超音波厚みセンサとして支障ない程度の圧電特性を分極処理後に得ることができ、しかも可撓性を示し得る焼結体層を形成することができる。   In the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the ninth aspect as described above, as a viscous liquid material containing an oxide-based piezoelectric material, that is, as a sintering raw material, an extremely fine ultra-fine particle having an average particle diameter of 0.15 to 0.25 μm. Since a slurry or paste in which fine powder is dispersed in a dispersion medium is used, in the firing step, as in the eighth or ninth aspect, even at a relatively low firing temperature (eg, 600 to 800 ° C.) to some extent. A sintered body layer having a density of 70 to 80%, that is, a sintered body layer capable of obtaining a piezoelectric characteristic after the polarization treatment, which is satisfactory for an ultrasonic thickness sensor, and exhibiting flexibility. be able to.

そしてまた本発明の第10の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第7〜第9のいずれかの態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記焼成工程における加熱温度を、600〜800℃の範囲内として、密度が70〜80%の範囲内の区分焼結体層を得ることを特徴とするものである。   And the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor according to the tenth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the heating temperature in the firing step is 600 to 600. It is characterized in that a segmented sintered body layer having a density in the range of 70 to 80% within a range of 800 ° C. is obtained.

このような第10の態様の超音波厚みセンサの製造方法では、焼成工程における加熱温度を、従来一般の圧電セラミック製造における焼成温度より格段に低い600〜800℃の範囲内としているが、このような低温での焼結によっても焼結を進行させて、超音波厚みセンサとして必要な程度の圧電特性を示し得る密度(従来よりも低い70〜80%)を有する区分焼結体層を形成することができる。そしてまた、このように比較的低い密度に焼結された焼結体層は、その焼結体層を第1の電極の金属薄板に支持させた状態で可撓性を示すことができ、また一方、焼結体層の密度が過度に小さくなって焼結体層が脆くなり、第1の電極から剥離してしまうことも防止できる。   In the method of manufacturing the ultrasonic thickness sensor of the tenth aspect, the heating temperature in the firing step is set in the range of 600 to 800 ° C., which is much lower than the firing temperature in conventional general piezoelectric ceramic production. Sintering is advanced even by sintering at a low temperature to form a sectioned sintered body layer having a density (70 to 80% lower than that of the prior art) capable of exhibiting the piezoelectric characteristics necessary for an ultrasonic thickness sensor. be able to. In addition, the sintered body layer sintered to a relatively low density can exhibit flexibility in a state where the sintered body layer is supported by the metal thin plate of the first electrode, and On the other hand, it can also be prevented that the density of the sintered body layer becomes excessively small and the sintered body layer becomes brittle and peels from the first electrode.

また本発明の第11の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、酸化物系圧電材料粉末および低融点ガラス粉末を分散媒に分散させたもの(スラリーもしくはペースト)を用いることを特徴とするものである。   An ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to an eleventh aspect of the present invention is the method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to the second aspect, wherein the oxide piezoelectric material is used as the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material. A material powder (low-melting glass powder) dispersed in a dispersion medium (slurry or paste) is used.

このような第11の態様の超音波厚みセンサの製造方法では、酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、酸化物系圧電材料粉末に低融点ガラス粉末を混合して分散媒に分散させたスラリーもしくはペーストを用いているため、焼成工程において低融点ガラス粉末の少なくとも一部が溶融もしくは軟化して圧電材料粉末粒子間の結合剤として機能し、これにより圧電材料粉末粒子の密度が比較的低密度(70〜80%)のままで、圧電材料粉末粒子間が結合された状態となる。すなわち低融点ガラス形成材料は、比較的低温でも溶融もしくは軟化を開始するため、450〜550℃程度の低い焼成温度でも圧電材料粉末粒子間が物理的に結合され、その結果、比較的低密度のまま圧電材料粉末粒子がある程度強固に結合された区分焼結体層が得られる。そしてこのような焼結体層は、超音波厚みセンサとしては支障ない程度の圧電特性を分極処理に示すことが可能となるとともに、可撓性を示すことができる。   In the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the eleventh aspect, a low-melting glass powder is mixed with an oxide piezoelectric material powder and dispersed in a dispersion medium as a viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material. Since the slurry or paste is used, at least a part of the low melting point glass powder is melted or softened in the firing process to function as a binder between the piezoelectric material powder particles, and thereby the density of the piezoelectric material powder particles is relatively low. With the density (70 to 80%), the piezoelectric material powder particles are bonded. That is, since the low melting point glass forming material starts to melt or soften even at a relatively low temperature, the piezoelectric material powder particles are physically bonded even at a low firing temperature of about 450 to 550 ° C. As a result, a segmented sintered body layer in which the piezoelectric material powder particles are firmly bonded to some extent is obtained. And such a sintered compact layer can show the piezoelectric characteristic of the grade which does not have a trouble as an ultrasonic thickness sensor in polarization processing, and can show flexibility.

また本発明の第12の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第11の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記低融点ガラス粉末が、ビスマス系ガラス粉末であることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method of the twelfth aspect of the present invention is characterized in that, in the ultrasonic thickness sensor manufacturing method of the eleventh aspect, the low melting point glass powder is a bismuth glass powder. To do.

このような第12の態様の超音波厚みセンサの製造方法で使用するビスマス系ガラス粉末は、450〜550℃の焼成温度で確実かつ充分に溶融されるため、圧電材料粉末の粒子間の結合材として確実に機能させることができる。   Since the bismuth-based glass powder used in the ultrasonic thickness sensor manufacturing method of the twelfth aspect is reliably and sufficiently melted at a firing temperature of 450 to 550 ° C., the binder between the particles of the piezoelectric material powder Can function reliably.

また本発明の第13の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、酸化物系圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散させたもの(スラリーもしくはペースト)を用いることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the thirteenth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the second aspect, wherein the oxide piezoelectric material is used as the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material. A material powder (slurry or paste) dispersed in a sodium silicate solution is used.

このような第13の態様の超音波厚みセンサの製造方法では、焼結原料としての粘性液状物(スラリーもしくはペースト)の乾燥時に、珪酸ソーダ、すなわち珪酸ナトリウム(NaO・nSiO)が固体(通常は水和物の結晶)として酸化物系圧電材料粉末の粒子間に析出し、さらに焼成時にその珪酸ソーダの少なくとも一部が溶融もしくは軟化して、圧電材料粉末粒子の相互間の結合剤として確実に機能する。したがって第12の態様と同様に、450〜550℃程度の低い焼成温度でも圧電材料粉末粒子間が物理的に結合され、その結果、比較的低密度(70〜80%)のまま圧電材料粉末粒子がある程度強固に結合された区分焼結体層が得られる。そしてこのような焼結体層は、超音波厚みセンサとしては支障ない程度の圧電特性を分極処理に示すことが可能となるとともに、可撓性を示すことができる。 In the method of manufacturing the ultrasonic thickness sensor of the thirteenth aspect, sodium silicate, that is, sodium silicate (Na 2 O · nSiO 2 ) is solid when the viscous liquid (slurry or paste) as a sintering raw material is dried. A binder between the piezoelectric material powder particles, which precipitates between the particles of the oxide-based piezoelectric material powder (usually hydrate crystals), and at least part of the sodium silicate melts or softens during firing. Will function reliably. Therefore, as in the twelfth aspect, the piezoelectric material powder particles are physically bonded even at a low firing temperature of about 450 to 550 ° C., and as a result, the piezoelectric material powder particles remain at a relatively low density (70 to 80%). Can be obtained. And such a sintered compact layer can show the piezoelectric characteristic of the grade which does not have a trouble as an ultrasonic thickness sensor in polarization processing, and can show flexibility.

また本発明の第14の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第11〜第13のいずれかの態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記焼成工程における加熱温度を、450〜550℃の範囲内として、密度が70〜80%の範囲内の区分焼結体層を得ることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the fourteenth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the eleventh to thirteenth aspects, wherein the heating temperature in the baking step is 450 to 550. A segmented sintered body layer having a density in the range of 70 to 80% within the range of ° C. is obtained.

このような第14の態様の超音波厚みセンサの製造方法では、焼成工程における加熱温度を、従来一般の圧電セラミック製造における焼成温度より格段に低い450〜550℃の範囲内としているが、このような低温での焼結によっても焼結を進行させて、超音波厚みセンサとして必要な程度の圧電特性を示し得る密度(従来よりも低い70〜80%)を有する区分焼結体層を形成することができる。そしてまた、このように比較的低い密度に焼結された焼結体層は、その焼結体層を第1の電極の金属薄板に支持させた状態で可撓性を示すことができ、また一方、焼結体層の密度が過度に小さくなって焼結体層が脆くなり、第1の電極から剥離してしまうことも防止できる。   In the method of manufacturing the ultrasonic thickness sensor according to the fourteenth aspect, the heating temperature in the firing step is set in the range of 450 to 550 ° C., which is much lower than the firing temperature in conventional general piezoelectric ceramic production. Sintering is advanced even by sintering at a low temperature to form a sectioned sintered body layer having a density (70 to 80% lower than that of the prior art) capable of exhibiting the piezoelectric characteristics necessary for an ultrasonic thickness sensor. be able to. In addition, the sintered body layer sintered to a relatively low density can exhibit flexibility in a state where the sintered body layer is supported by the metal thin plate of the first electrode, and On the other hand, it can also be prevented that the density of the sintered body layer becomes excessively small and the sintered body layer becomes brittle and peels from the first electrode.

また本発明の第15の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第1〜第14のいずれかの態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記金属薄板として、その厚みが10〜150μmの範囲内のものを用い、また前記区分焼結体層を、その厚みが30〜150μmの範囲内となるように形成し、さらに前記第2の電極を、その厚みが、10〜100μmの範囲内となるように形成することを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the fifteenth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein the metal thin plate has a thickness of 10 to 150 μm. In addition, the layered sintered body layer is formed so that the thickness thereof is in the range of 30 to 150 μm, and the second electrode is formed in the range of 10 to 100 μm. It is formed so that it may become inside.

このような第15の態様によれば、焼結体層の厚みが30〜150μmの範囲内と薄いため、焼結体層を第1の電極に支持させた状態で、可撓性を示すことができ、さらに第1の電極の金属薄板および第2の電極も薄いため、最終的に得られる厚みセンサとしても、容易に可撓性を示すものとすることができる。   According to such a fifteenth aspect, since the thickness of the sintered body layer is as thin as 30 to 150 μm, it exhibits flexibility in a state where the sintered body layer is supported by the first electrode. Furthermore, since the metal thin plate and the second electrode of the first electrode are also thin, the thickness sensor finally obtained can easily exhibit flexibility.

また本発明の第16の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第1〜第15のいずれかの態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記酸化物系圧電材料として、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物系圧電材料を用いることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the sixteenth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the first to fifteenth aspects, wherein the oxide-based piezoelectric material is a perovskite crystal. An oxide piezoelectric material having a structure is used.

さらに本発明の第17の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第16の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記前記酸化物系圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料を用いることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the seventeenth aspect of the present invention is the method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to the sixteenth aspect, wherein the lead-based zirconate titanate piezoelectric material is used as the oxide-based piezoelectric material. It is characterized by using a material.

また本発明の第18の態様の超音波厚みセンサの製造方法は、前記第1〜第17のいずれかの態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記第1の電極としてステンレス鋼の薄板を用いることを特徴とする請求項1〜請求項18のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   An ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to an eighteenth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the first to seventeenth aspects, wherein a stainless steel thin plate is used as the first electrode. The method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to any one of claims 1 to 18, wherein the ultrasonic thickness sensor is used.

本発明の超音波厚みセンサの製造方法によれば、センサ全体として薄質で可撓性を示す多数の超音波厚みセンサを、同時的に一括して製造することができるため、量産的規模で多数の超音波厚みセンサをするための時間および手間を大幅に低減して、低コストで超音波厚みセンサを製造することがで、また製造中に取り扱う金属薄板などの部材は、単一の超音波厚みセンサを個別に製造する場合と比較して格段に大きいサイズであるため、製造工程中や工程間での部材の取り扱いも容易となる。
また本発明法では、焼成温度を比較的低温とすることができるため、電極材料として耐高温酸化性が著しく優れた白金などの高価な材料を使用しなくて済むため、材料コストを抑えることができる。そして前述のように薄質で可撓性を示す超音波厚みセンサであれば、測定対象部位が湾曲面であってもその湾曲面に追従して変形させることが可能であるため、湾曲面における厚み測定を確実に行なうことができる。またこのような厚みセンサは、予め配管などの測定対象個所に貼り付けておいて、そのままの状態で配管設備などを稼動させ、必要な時に随時厚み測定を行なうことができ、その場合、厚み測定前後の作業、例えば配管における測定前の外被除去作業や媒体塗布作業、及び測定後の媒体拭き取り作業や外被修復作業などを不要とすることができ、そのため、厚み測定の手間と時間を大幅に削減することができ、さらには、多数の個所にそれぞれ厚みセンサを貼り付けておいて、多数の個所における厚みの同時測定を容易に行なうことができるとともに、経時的かつ連続的な厚み測定が可能もなるという、顕著な効果を得ることができる。
According to the method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor of the present invention, a large number of ultrasonic thickness sensors that are thin and flexible as a whole sensor can be manufactured simultaneously, so that the mass production scale. It is possible to manufacture an ultrasonic thickness sensor at a low cost by greatly reducing the time and labor required for making a large number of ultrasonic thickness sensors. Compared with the case where the sonic thickness sensor is manufactured individually, the size is much larger, so that the handling of the member during the manufacturing process or between the processes becomes easy.
In the method of the present invention, since the firing temperature can be made relatively low, it is not necessary to use an expensive material such as platinum, which is extremely excellent in high-temperature oxidation resistance, as an electrode material. it can. If the ultrasonic thickness sensor is thin and flexible as described above, even if the measurement target site is a curved surface, it can be deformed following the curved surface. Thickness measurement can be performed reliably. In addition, such a thickness sensor can be pasted on a measurement object such as a pipe in advance, and piping equipment etc. can be operated as it is, and the thickness can be measured whenever necessary. Pre- and post-operations, such as outer cover removal and medium coating before measurement, and medium wiping and outer cover repair after measurement, can be made unnecessary. In addition, thickness sensors can be attached to a number of locations to facilitate simultaneous measurement of thicknesses at a number of locations, as well as continuous and continuous thickness measurement. A remarkable effect can be obtained.

本発明の超音波厚みセンサの製造方法の第1の実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows 1st Embodiment of the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of this invention. 本発明の超音波厚みセンサの製造方法の第1の実施形態における区分焼結原料層形成工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the division sintering raw material layer formation process in 1st Embodiment of the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of this invention. 本発明の超音波厚みセンサの製造方法の第1の実施形態における第2電極形成工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the 2nd electrode formation process in 1st Embodiment of the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of this invention. 本発明の超音波厚みセンサの製造方法の第1の実施形態における分極処理工程および分離工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the polarization process process and isolation | separation process in 1st Embodiment of the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of this invention. 本発明の超音波厚みセンサの製造方法の第2の実施形態における焼結原料層形成工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the sintering raw material layer formation process in 2nd Embodiment of the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of this invention. 本発明の超音波厚みセンサの製造方法の第2の実施形態における第2電極形成工程の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the 2nd electrode formation process in 2nd Embodiment of the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of this invention. 本発明の製造方法により得られた超音波厚みセンサの一例を、その使用時の状況として示す略解的な縦断面図である。It is a rough longitudinal cross-sectional view which shows an example of the ultrasonic thickness sensor obtained by the manufacturing method of this invention as the condition at the time of the use. 本発明の製造方法により得られた超音波厚みセンサの一例の使用時の状況の他の例を示す略解的な縦断面図である。It is a rough longitudinal cross-sectional view which shows the other example of the condition at the time of use of an example of the ultrasonic thickness sensor obtained by the manufacturing method of this invention.

以下に、本発明の実施形態について、詳細に説明する。
図1には、本発明の第1の実施形態の超音波厚みセンサ製造方法を概略的に示す。
この第1の実施形態では、焼結原料として、酸化物系圧電材料、例えばPZTを含む粘性液状物を用い、また区分焼結原料層形成工程においてマスク部材(第1のマスク部材)を用い、さらに第2電極形成工程でもマスク部材(第2のマスク部材)を用い、分極処理工程では一括的に分極するプロセスを適用している。このような第1の実施形態の製造方法は、基本的には、
P1:酸化物系圧電材料、例えばPZTなどの粉末を含む焼結原料として、スラリーもしくはペースト(ここではこれらを総称して粘性液状物と称する)を準備する準備工程(焼結原料調製工程)、
P2:多数の超音波厚みセンサの第1の電極となるべき金属薄板、および多数の開口部(第1の開口部)を有する第1のマスク部材を予め用意しておき、金属薄板の一方の板面に第1のマスク部材を配置して、前記粘性液状物を第1のマスク部材の表面側に塗布することによって、粘性液状物を各開口部内に充填し、これにより多数の区分焼結原料層を、金属薄板の前記一方の板面に間隔を置いて区分形成する区分焼結原料層形成工程、
P3:前記各区分焼結原料層を一括して加熱することにより焼結原料を焼成し、これによってそれぞれ酸化物系圧電材料の焼結体からなる多数の区分焼結体層を前記板面上に間隔を置いて形成する焼成工程、
P4:多数の開口部(第2の開口部)が形成された第2のマスク部材を予め用意しておき、第2のマスク部材を多数の区分焼結体層の表面側に重ね、その状態で導電ペーストを第2のマスク部材の表面側に塗布して、導電ペーストを各開口部内に充填し、焼き付けることによって、各区分焼結体層の表面にそれぞれ第2の電極を形成する第2電極形成工程、
P5:金属薄板の他方の板面と多数の第2の電極の表面との間を、一対の分極処理用電極で挟み、金属薄板と各第2の電極との間に一括して電位差を与えて、前記多数の区分焼結体層を一括して分極処理する分極処理工程、
P6:隣り合う区分焼結体層の間で前記金属薄板を厚み方向に切断して、それぞれ単一の区分焼結体層を有する多数の超音波センサを一括して分離形成する分離工程、
以上のP1〜P6の各工程からなるプロセスによって、セラミック圧電材料からなる超音波厚みセンサを製造する。
以下にこれらの各工程P1〜P6について、具体的に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 schematically shows an ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
In the first embodiment, an oxide piezoelectric material, for example, a viscous liquid containing PZT is used as a sintering raw material, and a mask member (first mask member) is used in the step of forming a divided sintering raw material layer. Further, a mask member (second mask member) is used also in the second electrode forming step, and a process of collectively polarizing is applied in the polarization treatment step. The manufacturing method of the first embodiment as described above basically includes:
P1: a preparation step (sintering raw material preparation step) for preparing a slurry or paste (herein collectively referred to as a viscous liquid material) as a sintering raw material containing a powder such as an oxide-based piezoelectric material, such as PZT,
P2: A metal thin plate to be a first electrode of a large number of ultrasonic thickness sensors and a first mask member having a large number of openings (first openings) are prepared in advance, and one of the metal thin plates is prepared. The first mask member is disposed on the plate surface, and the viscous liquid material is applied to the surface side of the first mask member, so that the viscous liquid material is filled in the respective openings, and thereby a plurality of sectioned sinterings are performed. A step of forming a raw material layer by forming a raw material layer at intervals on the one plate surface of the thin metal plate;
P3: The respective sintered material layers are collectively heated to sinter the sintered material, whereby a large number of divided sintered layers each made of a sintered body of an oxide-based piezoelectric material are formed on the plate surface. A baking process to form at intervals,
P4: A second mask member in which a large number of openings (second openings) are formed is prepared in advance, and the second mask member is overlaid on the surface side of a large number of sectioned sintered body layers. Then, the conductive paste is applied to the surface side of the second mask member, the conductive paste is filled in each opening, and baked to form the second electrode on the surface of each sectioned sintered body layer. Electrode formation process,
P5: A pair of electrodes for polarization treatment is sandwiched between the other plate surface of the metal thin plate and the surfaces of a large number of second electrodes, and a potential difference is collectively applied between the metal thin plate and each second electrode. A polarization treatment step for performing polarization treatment on the plurality of divided sintered body layers at once,
P6: a separation step in which the metal thin plate is cut in the thickness direction between adjacent sectioned sintered body layers, and a plurality of ultrasonic sensors each having a single sectioned sintered body layer are separated and formed in a lump.
An ultrasonic thickness sensor made of a ceramic piezoelectric material is manufactured by the process consisting of the above steps P1 to P6.
These steps P1 to P6 will be specifically described below.

〔準備工程(焼結原料調製工程)P1〕
先ず準備工程として、ペロブスカイト型結晶構造を有する強誘電体からなる酸化物系圧電材料、例えばPZTなどの粉末を含むペーストあるいはスラリーなどの粘性液状物を準備する。
ここで、酸化物系圧電素子用の粉末としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する所定の成分組成の粒子からなる粉末、例えばPZT粉末が、セラミック粉末製造メーカなどから市販されており、したがって本発明の超音波厚みセンサの製造方法を実施するに当たっては、この種の市販のセラミック圧電素子用粉末を購入して、それを出発原料とすれば良い。但し、原料粉末の調製から出発してもよいことはもちろんであり、そこで、原料粉末調製のための工程を、次に簡単に説明する。
[Preparation process (sintering raw material preparation process) P1]
First, as a preparation step, an oxide-based piezoelectric material made of a ferroelectric material having a perovskite crystal structure, for example, a paste containing slurry such as PZT or a viscous liquid such as slurry is prepared.
Here, as the powder for the oxide-based piezoelectric element, a powder made of particles having a predetermined component composition having a perovskite crystal structure, such as a PZT powder, is commercially available from a ceramic powder manufacturer or the like. In carrying out the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor, this type of commercially available ceramic piezoelectric element powder may be purchased and used as a starting material. However, it goes without saying that starting from the preparation of the raw material powder, the process for preparing the raw material powder will now be briefly described.

すなわち、PZTなどの原料となる酸化物粉末、例えばPbO、ZrO、TiOの各粉末を、目標とするPZT組成となるように配合するとともに、エタノールなどの溶媒やポリエチレンイミンなどの分散媒を適宜加えてボールミルなどにより混錬し、えられた混錬物(スラリー)を乾燥して混合粉末とする。さらにこの混合粉末を、粉体の状態で仮焼成する。この仮焼成は、通常は、大気雰囲気中で700〜900℃程度の温度において1〜20時間程度加熱すればよい。このような仮焼成によって、混合粉末の各成分(例えばPbO、ZrO、TiO)が相互に固溶して、ペロブスカイト型結晶構造が得られる。得られた粉末(但し仮焼成後の状態では塊状)を、ボールミル、あるいはビーズミルなどにより粉砕すれば、PZTなどのセラミック圧電材料用粉末が得られる。 That is, an oxide powder as a raw material such as PZT, for example, each powder of PbO, ZrO 2 and TiO 2 is blended so as to have a target PZT composition, and a solvent such as ethanol and a dispersion medium such as polyethyleneimine are mixed. The kneaded material (slurry) obtained is kneaded with a ball mill or the like and dried to obtain a mixed powder. Further, the mixed powder is temporarily fired in a powder state. This pre-baking may be usually performed in an air atmosphere at a temperature of about 700 to 900 ° C. for about 1 to 20 hours. By such preliminary calcination, each component of the mixed powder (for example, PbO, ZrO 2 , TiO 2 ) is solid-solved with each other, and a perovskite crystal structure is obtained. If the obtained powder (however in the state after calcination) is pulverized by a ball mill or a bead mill, a powder for a ceramic piezoelectric material such as PZT can be obtained.

なお本発明において、対象となる酸化物系圧電材料(セラミック圧電材料)の種類、組成は、基本的には限定されないが、ペロブスカイト型結晶構造を有する強誘電体からなる酸化物系圧電材料であることが好ましく、またそのうちでも、PZTと称されるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)、より具体的には、Pb(ZrTi1−x)O〔但し0.5≦x≦0.7〕が好ましく、更に上記のxの値が0.52前後の組成のPZTが最も好ましい。またその他、上記のPZT組成を基本として、それに微量添加元素として、Mn、Mg、Ca、Sr、Ba、V、Nb、Ta、La、Nd、Sc、Gdなどの1種又は2種以上を、それぞれ10重量%程度以下添加したものであってもよく、要は、PZT系(チタン酸ジルコン酸鉛系)の圧電セラミック材料と称される材料はすべて対象となる。さらに、PZT系圧電セラミック材料に限らず、その他のペロブスカイト型結晶構造を有する圧電セラミック材料、例えばLiNbOなど、更にはペロブスカイト結晶構造を持たないその他の圧電セラミック材料、例えばBiTi12なども適用することができる。 In the present invention, the type and composition of the target oxide-based piezoelectric material (ceramic piezoelectric material) are not basically limited, but are oxide-based piezoelectric materials made of a ferroelectric having a perovskite crystal structure. Among them, among them, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) called PZT, more specifically, Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 [however, 0. 5 ≦ x ≦ 0.7], and more preferably PZT having a composition in which the value of x is about 0.52. In addition, on the basis of the PZT composition described above, one or more of Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, V, Nb, Ta, La, Nd, Sc, Gd, and the like are added as trace elements. Each of them may be added in an amount of about 10% by weight or less. In short, all materials called PZT-based (lead zirconate titanate) piezoelectric ceramic materials are targeted. Furthermore, the piezoelectric ceramic material is not limited to the PZT-based piezoelectric ceramic material, and other piezoelectric ceramic materials having a perovskite crystal structure, such as LiNbO 3, and other piezoelectric ceramic materials having no perovskite crystal structure, such as Bi 3 Ti 4 O 12, etc. Can also be applied.

上述のようなPZTで代表される酸化物系圧電材料を含む粘性液状物(スラリーもしくはペースト)の代表的なものとしては、次のA〜Eのようなものがある。
A;平均粒径が1〜10μmの範囲内の酸化物系圧電材料粉末と、その酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドゾルとを混合したもの。
B:平均粒径1〜10μmの酸化物系圧電材料粉末と、酸化物圧電材料の金属成分のアルコキシドの分解による平均粒径0.1〜1.0μmの微粉末とを分散媒に分散させたスラリーもしくはペースト。
C;酸化物系圧電材料からなる平均粒径が0.15〜0.25μmの超微粉末を分散媒に分散させたスラリーもしくはペースト。
D;酸化物系圧電材料粉末および低融点ガラス粉末(代表的にはビスマス系ガラス粉末)を分散媒に分散させたスラリーもしくはペースト。
E;酸化物系圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散させたペースト。
本発明の方法では、準備工程において上記A〜Eのいずれの粘性液状物を調製しても良い。これらの粘性液状物の調製方法や望ましい条件については、後に改めて詳細に説明する。
Typical examples of the viscous liquid material (slurry or paste) containing the oxide-based piezoelectric material represented by PZT as described above include the following A to E.
A: A mixture of an oxide-based piezoelectric material powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm and an alkoxide sol of a metal component of the oxide-based piezoelectric material.
B: An oxide piezoelectric material powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm and a fine powder having an average particle diameter of 0.1 to 1.0 μm by decomposition of an alkoxide of a metal component of the oxide piezoelectric material were dispersed in a dispersion medium. Slurry or paste.
C: A slurry or paste in which an ultrafine powder having an average particle diameter of 0.15 to 0.25 μm made of an oxide piezoelectric material is dispersed in a dispersion medium.
D: A slurry or paste in which an oxide piezoelectric material powder and a low-melting glass powder (typically bismuth glass powder) are dispersed in a dispersion medium.
E: Paste in which oxide-based piezoelectric material powder is dispersed in a sodium silicate solution.
In the method of this invention, you may prepare any viscous liquid substance of said A-E in a preparatory process. The method for preparing these viscous liquid materials and desirable conditions will be described in detail later.

〔区分焼結原料層形成工程P2〕
本実施形態における区分焼結原料層形成工程の具体的な実施状況の例を図2に示す。
この区分焼結原料層形成工程を実施するにあたっては、予め、最終的に得られる多数の超音波厚みセンサにおける第1の電極となる金属薄板1を用意しておく。この金属薄板1は、後の分離工程で切り分けられて、その分離後のそれぞれが、多数の超音波厚みセンサにおける第1の電極となるから、その金属薄板は、最終的に得るべき超音波厚みセンサの数に応じて、その第1の電極の面積の合計面積、もしくはそれ以上の大面積を有するものとしておく。また、厚み方向に貫通する多数の第1の開口部5が、表面に沿った方向に間隔を置いて分散形成されてなる薄板状もしくはシート状の第1のマスク部材3を、予め用意しておく。ここで、第1の開口部5は、その数(開口部数)が、最終的に得るべき超音波厚みセンサの数に対応するように定めておく。なお図示の例では、多数の開口部5は、第1のマスク部材3に2次元方向に分散した状態、すなわちマトリックス状に分散形成しているが、場合によっては直線状に1列に並んだ状態で形成してもよい。但し、多数の超音波厚みセンサを同時に製造する効率の点からは、図示のようにマトリックス状に2次元方向に分散させて形成しておくことが望ましい。
[Section sintering raw material layer forming step P2]
An example of a specific implementation status of the sectioned sintering material layer forming step in the present embodiment is shown in FIG.
In carrying out this sectioned sintering raw material layer forming step, the metal thin plate 1 that will be the first electrode in a number of finally obtained ultrasonic thickness sensors is prepared in advance. The thin metal plate 1 is cut in a subsequent separation step, and each of the thin plates 1 becomes a first electrode in a number of ultrasonic thickness sensors. Therefore, the thin metal plate has an ultrasonic thickness to be finally obtained. Depending on the number of sensors, the first electrode has a total area or a larger area than that. In addition, a thin plate-like or sheet-like first mask member 3 in which a large number of first openings 5 penetrating in the thickness direction are dispersedly formed in the direction along the surface is prepared in advance. deep. Here, the number of the first openings 5 (the number of openings) is determined so as to correspond to the number of ultrasonic thickness sensors to be finally obtained. In the illustrated example, a large number of openings 5 are dispersed in the first mask member 3 in a two-dimensional direction, that is, dispersedly formed in a matrix, but in some cases, are arranged in a line in a straight line. You may form in a state. However, from the viewpoint of the efficiency of manufacturing a large number of ultrasonic thickness sensors at the same time, it is desirable to form them dispersed in a two-dimensional direction in a matrix as shown in the figure.

この区分焼結原料層形成工程では、図2の上段に示すように、金属薄板1の一方の板面に第1のマスク部材3を重ねて配置し、前述のような酸化物系圧電材料を含む焼結原料からなる粘性液状物(ペーストもしくはスラリー)を、第1のマスク部材3の上から塗布して、各開口部5内にその粘性液状物を充填する。次いで、必要に応じて自然乾燥あるいは加熱乾燥によって粘性液状物を乾燥させてから、第2のマスク部材3を除去すれば、図2の下段に示すように、多数の区分焼結原料層7が、金属薄板1の板面に、その面に沿った2次元方向に間隔を置いてマトリックス状に分散して形成された状態となる。   In this step of forming the layered sintered material layer, as shown in the upper part of FIG. 2, the first mask member 3 is placed on one plate surface of the thin metal plate 1 and the oxide piezoelectric material as described above is used. A viscous liquid material (paste or slurry) made of a sintering raw material is applied from above the first mask member 3, and the openings 5 are filled with the viscous liquid material. Then, if necessary, the viscous liquid material is dried by natural drying or heat drying as necessary, and then the second mask member 3 is removed. As shown in the lower part of FIG. Then, the thin metal plate 1 is formed in a state of being dispersed in a matrix form at intervals in a two-dimensional direction along the surface.

上記金属薄板1は、最終製品の各超音波厚みセンサにおいて第1の電極として機能するだけではなく、焼成工程や厚みセンサとしての使用時において、多数の区分焼結原料層や多数の区分焼結体層を物理的に支持するための支持体として機能するものである。   The thin metal sheet 1 not only functions as a first electrode in each ultrasonic thickness sensor of the final product, but also has a number of segmented sintering raw material layers and a number of segmented sintering during use as a firing process or thickness sensor. It functions as a support for physically supporting the body layer.

金属薄板1の材質は特に限定されないが、本実施形態の場合、酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、前記A〜Eに示したようなものを用いることによって、比較的低温(A〜Cの場合は600〜800℃程度、D、Eの場合は450〜550℃程度)で焼成することができ、そのため800℃程度までの耐酸化性を有する汎用の耐熱金属を使用することができる、すなわち、白金などの如く1200℃以上まで耐えうる高価な金属を用いる必要はなく、ステンレス鋼やその他の汎用の耐熱鋼を、第1の電極を兼ねる金属薄板として使用することができる。具体的には、18Cr−8Niとして知られるSUS304系統のオーステナイト系ステンレス鋼、あるいは18Cr−12Ni−2.5MoのSUS316系統のオーステナイト系ステンレス鋼、その他、22Ni−12CrのSUH309系統のオーステナイト系耐熱鋼を用いることができる。これらは、いずれも白金よりも格段に安価に入手することができる。   The material of the metal thin plate 1 is not particularly limited. In the case of the present embodiment, the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material is used at a relatively low temperature (A to In the case of C, it can be fired at about 600 to 800 ° C., and in the case of D and E, about 450 to 550 ° C.), so that a general heat-resistant metal having oxidation resistance up to about 800 ° C. can be used. That is, it is not necessary to use an expensive metal that can withstand up to 1200 ° C. or more, such as platinum, and stainless steel or other general heat-resistant steel can be used as a metal thin plate that also serves as the first electrode. Specifically, SUS304 series austenitic stainless steel known as 18Cr-8Ni, 18Cr-12Ni-2.5Mo SUS316 series austenitic stainless steel, and 22Ni-12Cr SUH309 series austenitic heat resistant steel. Can be used. All of these can be obtained at a much lower price than platinum.

金属薄板1の厚みは、15μm〜100μmとすることが好ましい。その厚みが15μm未満では、強度が不充分で、センサ製造工程中のハンドリングに支障をきたすおそれがあるとともに、厚みセンサとしての使用時において変形あるいは破損してしまうおそれがある。一方、その厚みが100μmを越えれば、金属薄板の可撓性が失われて、厚みセンサ全体としてもその可撓性が劣ることとなり、そのため使用時において厚み測定対象の配管の湾曲部分に貼着することが困難となるおそれがある。   The thickness of the metal thin plate 1 is preferably 15 μm to 100 μm. If the thickness is less than 15 μm, the strength is insufficient, which may hinder handling during the sensor manufacturing process, and may be deformed or damaged during use as a thickness sensor. On the other hand, if the thickness exceeds 100 μm, the flexibility of the thin metal plate is lost, and the flexibility of the thickness sensor as a whole is inferior. May be difficult to do.

なお粘性液状物(ペーストもしくはスラリー)を塗布する手段としては、ロールコーターやスキージ、あるいは刷毛を用いて塗布したり、あるいは粘性液状物をスプレーする、など、一般の塗布・印刷において適用されている塗布・印刷手段を任意に適用することができる。   In addition, as means for applying the viscous liquid material (paste or slurry), it is applied in general application / printing, such as application using a roll coater, squeegee, or brush, or spraying the viscous liquid material. Coating / printing means can be arbitrarily applied.

また第1のマスク部材3の材質は特に限定されず、金属薄板1と同様なステンレス鋼(SUS)あるいは樹脂などを任意に使用することができる。またその第1のマスク部材3の厚みは、各開口部5内に充填した粘性液状物の厚み、すなわち各区分焼結原料層の厚みに相当するから、その後の乾燥後の厚みとして、次に述べるように70〜200μmが確保できるような厚みに定めればよい。   The material of the first mask member 3 is not particularly limited, and stainless steel (SUS) or resin similar to the metal thin plate 1 can be arbitrarily used. Further, the thickness of the first mask member 3 corresponds to the thickness of the viscous liquid material filled in each opening 5, that is, the thickness of each sectioned sintering raw material layer. What is necessary is just to set to thickness which can ensure 70-200 micrometers as stated.

粘性液状物を塗布した後には、各開口部5内に充填された粘性液状物を乾燥させるのが通常である。ここで、乾燥後には、乾燥前の状態から収縮して、乾燥前の1/2〜1/4程度の厚みとなるが、乾燥後の状態での厚み(したがって後述する焼成工程開始直前の段階での厚み)は、70〜200μmの範囲内とすることが望ましい。焼成工程開始直前の段階での厚みが70μm未満では、焼成後の区分焼結体層の厚みが薄すぎて、センサを屈曲させた時に第1の電極としての金属薄板から剥離するおそれがある。一方、焼成工程開始直前の段階での厚みが200μmを越えれば、焼成後の区分焼結体層の厚みも厚くなりすぎ、その結果、後述するように充分な可撓性を焼結体層に与えることが困難となるおそれがある。
そしてこのように乾燥後の厚みを確保するためには、粘性液状物の塗布を複数回繰り返して、1回の塗布ごとに乾燥させても良い。
なおここで、金属薄板上に粘性液状物を塗布した後の乾燥は、次の焼成工程における焼結のための加熱の初期段階で行なっても良い。
After applying the viscous liquid material, it is usual to dry the viscous liquid material filled in the openings 5. Here, after drying, the film shrinks from the state before drying to a thickness of about ½ to ¼ before drying, but the thickness after drying (therefore, the stage immediately before the start of the firing step described later) (Thickness) in the range of 70 to 200 μm is desirable. If the thickness at the stage immediately before the start of the firing process is less than 70 μm, the thickness of the sectioned sintered body layer after firing is too thin, and when the sensor is bent, it may be peeled off from the metal thin plate as the first electrode. On the other hand, if the thickness at the stage immediately before the start of the firing process exceeds 200 μm, the thickness of the sectioned sintered body layer after firing becomes too thick. As a result, the sintered body layer has sufficient flexibility as described later. May be difficult to give.
And in order to ensure the thickness after drying in this way, you may repeat application | coating of a viscous liquid material in multiple times, and it may make it dry for every application | coating.
In addition, you may perform the drying after apply | coating a viscous liquid material on a metal thin plate at the initial stage of the heating for sintering in the following baking process here.

〔焼成工程P3〕
続いて、前述のようにして多数の第1の電極となるべき金属薄板1の板面に区分焼結原料層7を形成した状態で、その区分焼結原料層7を加熱して焼成し、それぞれ区分焼結体層とする。
この焼成工程は、焼成後の状態(圧電材料焼結体層)の密度が70〜80%の範囲内となるように焼成する。
[Baking step P3]
Subsequently, in the state where the sectioned sintering raw material layer 7 is formed on the plate surface of the metal thin plate 1 to be a plurality of first electrodes as described above, the sectioned sintering raw material layer 7 is heated and fired, Each is a sectioned sintered body layer.
In this firing step, firing is performed so that the density of the fired state (piezoelectric material sintered body layer) is in the range of 70 to 80%.

ここで、焼成後の区分焼結体層の密度が80%と越える高密度となれば、焼結体層の剛性が高くなって、可撓性が劣る状態となり、その結果、厚みセンサとしての使用時においてセンサを湾曲させれば、焼結体層が第1の電極としての金属薄板から剥離したり、クラックが発生したりするおそれがあり、したがって厚さ測定対象の配管などの湾曲部分に適用することが困難となる。また同時に密度が80%と越える高密度となるように焼成した場合、焼成時の収縮が大きくなって、第1の電極としての金属薄板(支持体)から剥離してしまうおそれが強く、その結果、第1の電極としての金属薄板上に密着した区分焼結体層を得ることが困難となる。
一方、焼成後の区分焼結体層の密度が70%未満の低密度では、焼結体層内の空隙率が高すぎて、焼結体層内部の粒子が充分に結合されていない状態となり、そのため、その後の工程におけるハンドリング時やセンサとしての使用時に焼結体層が粉体状に剥落してしまうおそれがあり、また同時に、焼結体層内部の空隙率が高くなって、厚さ測定のため超音波センサとして充分な圧電特性が得られなくなるおそれがある。
Here, if the density of the sintered sintered body layer after firing becomes a high density exceeding 80%, the rigidity of the sintered body layer becomes high and the flexibility becomes inferior, and as a result, as a thickness sensor If the sensor is curved at the time of use, the sintered body layer may be peeled off from the metal thin plate as the first electrode or cracks may be generated. It becomes difficult to apply. At the same time, when fired to a high density exceeding 80%, the shrinkage during firing is large, and there is a strong risk of peeling from the metal thin plate (support) as the first electrode. It becomes difficult to obtain a segmented sintered body layer in close contact with the metal thin plate as the first electrode.
On the other hand, if the density of the sintered sintered body layer after firing is less than 70%, the porosity in the sintered body layer is too high and the particles inside the sintered body layer are not sufficiently bonded. Therefore, there is a possibility that the sintered body layer may be peeled off during handling in subsequent processes or when used as a sensor, and at the same time, the porosity inside the sintered body layer is increased and the thickness is increased. There is a possibility that sufficient piezoelectric characteristics as an ultrasonic sensor cannot be obtained for measurement.

したがって焼成後の区分焼結体層の密度は、70〜80%の範囲内とするが、このような密度の区分焼結体層を形成するためには、粘性液状物として前記A〜Cのものを用いた場合は、焼成温度を600〜800℃の範囲内とし、まだ前記D、Eのものを用いた場合は、焼成温度を450〜550℃の範囲内とすることが好ましい。このように従来一般の酸化物系圧電材料(セラミック圧電材料)の焼成温度よりも低い焼成温度でも、本実施形態の場合は超音波厚みセンサとして必要な圧電特性を示す焼結体密度を充分に得ることができる。   Therefore, the density of the sintered sintered body layer after firing is in the range of 70 to 80%, but in order to form a partitioned sintered body layer having such a density, the above-mentioned A to C as viscous liquids are used. In the case of using one, the firing temperature is preferably in the range of 600 to 800 ° C., and in the case of still using D and E, the firing temperature is preferably in the range of 450 to 550 ° C. As described above, even in a firing temperature lower than the firing temperature of a conventional general oxide-based piezoelectric material (ceramic piezoelectric material), in the case of this embodiment, the sintered body density sufficient for the ultrasonic thickness sensor is sufficiently obtained. Can be obtained.

ここで、粘性液状物として前記A〜Cのものを用いた場合に焼成温度が800℃を超える高温となれば、また粘性液状物として前記D、Eのものを用いた場合に焼成温度が450℃を超える高温となれば、焼成時に粉体粒子同士の焼結反応が急速に進行して、密度が80%以下の焼結体層を得ることが困難となる。一方、粘性液状物として前記A〜Cのものを用いた場合に焼成温度が600℃未満の低温となれば、また粘性液状物として前記D、Eのものを用いた場合に焼成温度が450℃未満の低温となれば、粉体粒子同士の焼結反応が充分に進行せず、焼結体層の密度を70%以上に高めることが困難となる。また焼成時の雰囲気は大気(空気)とすることが好ましい。さらに焼成時間は、焼成温度によっても異なるが、通常は1〜10時間とすることが好ましい。
このような焼成工程によって、多数のセンサの第1の電極となるべき金属薄板1の一方の板面に、所定の厚み、所定の密度の多数の区分焼結体層がマトリックス状に形成された状態となる。
Here, when the above-mentioned AC are used as the viscous liquid, the firing temperature is higher than 800 ° C., and when the above D and E are used as the viscous liquid, the firing temperature is 450. If the temperature is higher than ° C., the sintering reaction between the powder particles proceeds rapidly during firing, and it becomes difficult to obtain a sintered body layer having a density of 80% or less. On the other hand, the firing temperature is 450 ° C. when the firing temperature is a low temperature of less than 600 ° C. when the above-mentioned viscous liquid materials are used, and the D, E materials are used as the viscous liquid materials. If the temperature is lower than 1, the sintering reaction between the powder particles does not proceed sufficiently, and it becomes difficult to increase the density of the sintered body layer to 70% or more. The atmosphere during firing is preferably air (air). Further, although the firing time varies depending on the firing temperature, it is usually preferably 1 to 10 hours.
By such a firing process, a large number of segmented sintered body layers having a predetermined thickness and a predetermined density are formed in a matrix on one plate surface of the metal thin plate 1 to be the first electrode of a large number of sensors. It becomes a state.

〔第2電極形成工程P4〕
この第2電極形成工程は、多数の超音波厚みセンサにおいて第1の電極(金属薄板)の対極となる第2の電極を、前記区分焼結体層の上面(第1の電極となる金属薄板に対し反対側の面)に形成する工程であり、本実施形態における第2電極形成工程の一例を図3に概略的に示す。
[Second electrode formation step P4]
In this second electrode forming step, the second electrode as the counter electrode of the first electrode (metal thin plate) in many ultrasonic thickness sensors is used as the upper surface of the sectioned sintered body layer (metal thin plate as the first electrode). FIG. 3 schematically shows an example of the second electrode forming step in the present embodiment.

この第2電極形成工程を実施するにあたっては、厚み方向に貫通する多数の第2の開口部13が、表面の2次元方向に間隔を置いてマトリックス状に分散形成されてなる薄板状もしくはシート状の第2のマスク部材11を予め用意しておく。ここで、第2の開口部13は、通常はそれぞれの位置が、各区分焼結体層9の表面の少なくとも一部に対応するように定めておく。なお前記第1のマスク部材3の開口部5が直線状に配列形成されている場合は、第2のマスク部材11の開口部13もそれに対応して直線状に配列形成しておくことはもちろんである。
本実施形態では、図3の上段に示すように、第2のマスク部材11を、その開口部13が各区分焼結体層9の表面の少なくとも一部において開口するように、多数の区分焼結体層9の表面側に重ねて配置する。そして例えば銀(Ag)などの第2の電極用の導電性金属の粉末のペースト、すなわち導電ペーストを、第2のマスク部材11の表面側から塗布して、焼き付ければ、図3の下段に示すように各区分焼結体層9の表面に第2の電極15が形成される。なお、導電ペーストの焼付けの前には、第2のマスク部材11を除去しておくのが通常である。
In carrying out the second electrode forming step, a thin plate or sheet shape in which a large number of second openings 13 penetrating in the thickness direction are dispersedly formed in a matrix at intervals in the two-dimensional direction of the surface. The second mask member 11 is prepared in advance. Here, the 2nd opening part 13 is normally defined so that each position may correspond to at least one part of the surface of each division | segmentation sintered compact layer 9. FIG. When the openings 5 of the first mask member 3 are linearly arranged, it is needless to say that the openings 13 of the second mask member 11 are also linearly arranged correspondingly. It is.
In the present embodiment, as shown in the upper part of FIG. 3, the second mask member 11 is divided into a number of piece-wise firings so that the opening 13 is opened at least at a part of the surface of each piece-like sintered body layer 9. It arrange | positions so that it may overlap with the surface side of the combined layer 9. Then, for example, a conductive metal powder paste for the second electrode such as silver (Ag), that is, a conductive paste is applied from the surface side of the second mask member 11 and baked. As shown, the second electrode 15 is formed on the surface of each sectioned sintered body layer 9. The second mask member 11 is usually removed before baking the conductive paste.

なお第2の電極15の厚みは、10〜100μmとすることが好ましい。第2の電極15の厚みが100μmを越えれば、厚みセンサの可撓性を損なうおそれがあり、一方10μm未満に薄く第2の電極15を形成した場合、焼結体層表面の凹凸によって局部的に第2の電極15が不連続となってしまうおそれがある。
また第2のマスク部材11の材質は特に限定されず、第1のマスク部材と同様に、ステンレス鋼(SUS)あるいは樹脂などを任意に使用することができる。またその第2のマスク部材11の厚みは、焼付け後の第2の電極15の厚みとして、前述のように10〜100μmが確保できるような厚みに定めればよい。
The thickness of the second electrode 15 is preferably 10 to 100 μm. If the thickness of the second electrode 15 exceeds 100 μm, the flexibility of the thickness sensor may be impaired. On the other hand, when the second electrode 15 is formed thinly to a thickness of less than 10 μm, the surface of the sintered body layer is locally uneven. In addition, the second electrode 15 may become discontinuous.
The material of the second mask member 11 is not particularly limited, and stainless steel (SUS), resin, or the like can be arbitrarily used as in the first mask member. Further, the thickness of the second mask member 11 may be set to such a thickness that 10 to 100 μm can be secured as described above as the thickness of the second electrode 15 after baking.

このようにして、図3の下段に示しているように、支持体を兼ねた金属薄板(多数のセンサの第1の電極となるもの)1の一方の板面に、セラミック圧電材料からなる多数の区分焼結体層9が間隔を置いてマトリックス状に形成され、さらに各区分焼結体層9の表面にそれぞれ第2の電極15が形成された積層体が得られる。なおここで、金属薄板1および第2の電極15は、次の分極処理工程における分極電圧印加のための電極として機能すると同時に、厚さセンサとしての使用時において超音波送受信のための電極として機能するものである。   In this way, as shown in the lower part of FIG. 3, a large number of ceramic piezoelectric materials are formed on one plate surface of a thin metal plate 1 that also serves as a support (a first electrode of a number of sensors). A laminated body in which the divided sintered body layers 9 are formed in a matrix at intervals and the second electrodes 15 are formed on the surface of each of the divided sintered body layers 9 is obtained. Here, the metal thin plate 1 and the second electrode 15 function as electrodes for applying a polarization voltage in the next polarization processing step, and at the same time, function as electrodes for transmitting and receiving ultrasonic waves when used as a thickness sensor. To do.

〔分極処理工程P5〕
その後、図4の上段に示すように、前記積層体における金属薄板(第1の電極となるもの)1と第2の電極15との間に直流もしくはパルス状の電位差を印加して、分極処理を行う。
すなわち、金属薄板1の他方の板面と多数の第2の電極15の表面との間を、一対の分極処理用電極17A、17Bによって一括して挟み、分極用電源19により金属薄板1と各第2の電極15との間に一括して電位差を与えて、多数の区分焼結体層9を一括して分極処理する。
このように分極処理を施すことによって、各区分焼結体層9は圧電特性を示すようになる。
[Polarization process P5]
After that, as shown in the upper part of FIG. 4, a direct current or pulsed potential difference is applied between the thin metal plate (which becomes the first electrode) 1 and the second electrode 15 in the laminated body, thereby polarization treatment. I do.
That is, the other plate surface of the thin metal plate 1 and the surfaces of the multiple second electrodes 15 are collectively sandwiched by a pair of polarization processing electrodes 17A and 17B, and the thin metal plate 1 and each of A potential difference is collectively applied between the second electrode 15 and a large number of sectioned sintered body layers 9 are collectively polarized.
By performing the polarization treatment in this way, each of the divided sintered body layers 9 exhibits piezoelectric characteristics.

〔分離工程P6〕
上述のようにして分極処理を施した後、図4の下段に示すように、隣り合う各区分焼結体層9の間において、シャー切断機などの任意の切断手段によって金属薄板1を厚み方向に切断して、それぞれ単一の区分焼結体層9を有する多数の超音波センサ21を一括して分離形成する。
このように、一連の工程によって、多数の超音波厚みセンサを同時に製造することができるのである。
[Separation process P6]
After performing the polarization treatment as described above, as shown in the lower part of FIG. 4, the thin metal plate 1 is disposed in the thickness direction between the adjacent divided sintered body layers 9 by an arbitrary cutting means such as a shear cutting machine. A plurality of ultrasonic sensors 21 each having a single sectioned sintered body layer 9 are collectively formed separately.
In this way, a large number of ultrasonic thickness sensors can be manufactured simultaneously through a series of steps.

なお実際の超音波センサでは、前記第1の電極、第2の電極に、超音波測定のための電圧信号の入出力ためのリード線を取り付けておく必要がある。そこで分極処理の後、もしくは分極処理の前に、各電極に導電ペーストなどを用いてそれぞれリード線を取り付けておくのが通常である。   In an actual ultrasonic sensor, it is necessary to attach lead wires for inputting / outputting voltage signals for ultrasonic measurement to the first electrode and the second electrode. Therefore, it is usual to attach a lead wire to each electrode using a conductive paste or the like after the polarization treatment or before the polarization treatment.

次に図5、図6を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。
この第2の実施形態において、焼結原料となる粘性液状物(ペーストもしくはスラリー)を調製する準備工程(焼結原料調製工程)は、前記第1の実施形態と同様である。
ここで、前記第1の実施形態では、第1のマスク部材3における多数の開口部(第1の開口部)5は、最終的に得るべき超音波厚みセンサにおける焼結体層に1対1で対応させるべく、区分焼結体層の平面的な寸法、形状および数に合わせて、その寸法、形状および数を定めているが、第2の実施形態では、第1のマスク部材3における各開口部5は、2個以上の超音波厚みセンサの焼結体層に対応するように、すなわちNを2以上の整数として、第1のマスク部材11における各開口部5の数と最終的に得るべき超音波厚みセンサの数(焼結体層の数)との比が1:Nとなるように定め、かつ各開口部5の寸法、形状も、最終的に得るべき超音波厚みセンサの焼結体層のN個分に相当するように定めている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the second embodiment, a preparation step (sintering raw material preparation step) for preparing a viscous liquid material (paste or slurry) to be a sintering raw material is the same as that in the first embodiment.
Here, in the first embodiment, a large number of openings (first openings) 5 in the first mask member 3 are in one-to-one correspondence with the sintered body layer in the ultrasonic thickness sensor to be finally obtained. In order to correspond, the size, shape and number are determined in accordance with the planar size, shape and number of the sectioned sintered body layer. In the second embodiment, each size of the first mask member 3 is determined. The number of openings 5 in the first mask member 11 is finally set so that the openings 5 correspond to the sintered body layers of two or more ultrasonic thickness sensors, that is, N is an integer of 2 or more. The ratio to the number of ultrasonic thickness sensors to be obtained (the number of sintered body layers) is determined to be 1: N, and the size and shape of each opening 5 are also the final values of the ultrasonic thickness sensors to be obtained. It is determined so as to correspond to N sintered body layers.

具体的には、第1のマスク部材3の各開口部5は、複数(N個:図示の例では3個)の超音波センサの区分焼結体層に対応するように、各超音波センサの焼結体層3個分の開口面積を有するように形成しておき、第1の実施形態と同様に金属薄板1に第1のマスク部材3を重ね、各開口部5に粘性液状物(ペーストもしくはスラリー)を塗布して各開口部5内に粘性液状物を充填し、乾燥後、第1のマスク部材3を除去すれば、それぞれ3個分の各超音波センサの焼結体層に対応する複数の区分焼結原料層7が、金属薄板1上に間隔を置いて形成される。さらに各区分焼結原料層7を焼成することによって、それぞれ最終的な超音波センサの焼結体層3個分に対応する複数の区分焼結体層9が、金属薄板1上に間隔を置いて形成した状態となる。そして第2電極形成工程では、第1の実施形態で用いたと同様な第2のマスク部材11を用いて、導電ペーストの塗布、焼付けによって、各区分焼結体層9の上面の3箇所に、間隔を置いて第2の電極15を形成する。その後、第1の実施形態と同様にして一括的に分極処理を施した後、分離工程として、図6の下段において鎖線で示す切断線P、Qに沿って金属薄板1およびその板面の区分焼結体層9を分断すれば、各超音波センサが分離された状態で得られる。   Specifically, each opening 5 of the first mask member 3 has each ultrasonic sensor so as to correspond to a plurality of (N: three in the illustrated example) divided sintered body layers of the ultrasonic sensor. In the same manner as in the first embodiment, the first mask member 3 is overlaid on the metal thin plate 1 and a viscous liquid material ( If the first mask member 3 is removed after applying a paste or slurry), filling each opening 5 with a viscous liquid material, and drying, then each of the three sintered bodies of the ultrasonic sensor is applied to each of the sintered body layers. A plurality of corresponding sectioned sintering raw material layers 7 are formed on the metal thin plate 1 at intervals. Further, by firing each of the divided sintered material layers 7, a plurality of divided sintered body layers 9 corresponding to the three sintered body layers of the final ultrasonic sensor are spaced on the metal thin plate 1. Will be formed. Then, in the second electrode forming step, by using the second mask member 11 similar to that used in the first embodiment, the conductive paste is applied and baked at three locations on the upper surface of each sectioned sintered body layer 9. The second electrode 15 is formed at an interval. Thereafter, after performing polarization treatment collectively in the same manner as in the first embodiment, as a separation step, the metal thin plate 1 and its plate surface are divided along the cutting lines P and Q indicated by chain lines in the lower part of FIG. If the sintered body layer 9 is divided, each ultrasonic sensor is obtained in a separated state.

上記の分離工程では、図6の果断に示す切断線Pにおける分断では、金属薄板1が分断されると同時に各区分焼結体層9が3個に分断されることになるが、切断線Qによる分断では、隣り合う区分焼結体層9の相互間の間隔内で金属薄板1のみが分断され、そのため、分断後の各超音波厚みセンサにおける第1の電極(分断された金属薄板)の両端部近傍に、焼結体層が載っていない領域が残されることになる。そしてその場合には、その焼結体層が載っていない領域を、第1の電極に対するリード線接続箇所として利用することができる。またこのように、第1の電極(分断された金属薄板)の両端部近傍に、焼結体層が載っていない領域が残されることによって、超音波厚みセンサの取り扱い(測定対象物に対する貼り付け作業など)も容易となる。   In the separation step described above, in the division at the cutting line P shown in FIG. 6, each of the divided sintered body layers 9 is divided into three at the same time as the thin metal plate 1 is divided. In the division by, only the metal thin plate 1 is divided within the interval between the adjacent sectioned sintered body layers 9, so that the first electrode (divided metal thin plate) of each ultrasonic thickness sensor after the division is divided. A region where the sintered body layer is not placed is left in the vicinity of both ends. In that case, a region where the sintered body layer is not placed can be used as a lead wire connecting portion for the first electrode. In addition, in this way, the region where the sintered body layer is not placed is left in the vicinity of both end portions of the first electrode (divided metal thin plate), so that the ultrasonic thickness sensor can be handled (applied to the object to be measured). Work).

なお、以上の各実施形態では、分極処理工程において、すべての区分焼結体層を一括して分極処理することとしたが、場合によっては、全区分焼結体層のうちの、1又は2以上の焼結体層を順次分極処理する過程を複数回繰り返しても良い。例えば図2の下段に示される例で言えば、1回の分極処理では、左上から右下に向かう方向に並ぶ一つの列に含まれる3個の区分焼結体層9について分極処理用電極で挟んで同時に分極処理を行い、次いで金属薄板1を移動させて、次の列の3個の区分焼結体層9について分極処理用電極で挟んで同時に分極処理を行う、という過程を繰り返してもよい。   In each of the above embodiments, in the polarization treatment step, all the divided sintered body layers are polarized at once. However, depending on the case, 1 or 2 of all the divided sintered body layers may be used. The process of sequentially polarizing the sintered body layer may be repeated a plurality of times. For example, in the example shown in the lower part of FIG. 2, in one polarization process, the polarization processing electrodes are used for three sectioned sintered body layers 9 included in one row arranged in the direction from the upper left to the lower right. Even if it repeats the process of carrying out polarization processing at the same time, and then moving the thin metal plate 1 and simultaneously carrying out the polarization processing by sandwiching the three divided sintered body layers 9 in the next row with the electrodes for polarization processing Good.

前述のような第1もしくは第2の実施形態の方法によって製造された超音波厚みセンサ、及びその使用時の状況を図7に示す。
図7において、符号31は、超音波厚みセンサ21の第1の電極(前記金属薄板1を分断したもの)であり、その第1の電極31の一方の板面に、圧電材料焼結体層(例えばPZT圧電セラミック層;分離前の区分焼結体層9に相当する)33が形成されており、更にその圧電材料焼結体層33の表面に第2の電極15が形成されている。そして第1の電極31、第2の電極15のそれぞれからは、リード線37A、37Bが引き出されている。このように構成された厚みセンサ21は、その第1の電極31の片面が厚さ測定対象物(金属管の管壁、容器の外壁など)41の表面に接するように、接着剤43などを用いて貼り付けることによって、その測定対象物の厚みを随時測定することができる。なおこの際の接着剤43としては、銀ペースト、ガラスペースト、白金ペースト、金ペーストなどを使用すればよい。
FIG. 7 shows the ultrasonic thickness sensor manufactured by the method of the first or second embodiment as described above, and the situation at the time of use.
In FIG. 7, reference numeral 31 denotes a first electrode of the ultrasonic thickness sensor 21 (the metal thin plate 1 is divided), and a piezoelectric material sintered body layer is formed on one plate surface of the first electrode 31. 33 (for example, PZT piezoelectric ceramic layer; corresponding to the divided sintered body layer 9 before separation) 33 is formed, and the second electrode 15 is formed on the surface of the piezoelectric material sintered body layer 33. Lead wires 37A and 37B are drawn out from the first electrode 31 and the second electrode 15, respectively. The thickness sensor 21 configured as described above has an adhesive 43 or the like so that one surface of the first electrode 31 is in contact with the surface of a thickness measurement object 41 (such as a wall of a metal tube or an outer wall of a container). By using and sticking, the thickness of the measurement object can be measured at any time. As the adhesive 43 at this time, a silver paste, a glass paste, a platinum paste, a gold paste, or the like may be used.

以上のような本発明の各実施形態により製造された超音波厚みセンサは、全体として第1の電極、焼結体層、第2の電極の3層構造からなる極めて薄型のものであって、配管の外側に保護や断熱などのために外被を設ける場合でも、配管組み立て時において予め配管の外面に接着しておき、その厚みセンサの外側から配管の保護や断熱のための外被を設け、その状態で配管設備をそのまま使用し、そのままの状態で適宜厚み測定をおこなうことができる。そしてその場合には、厚み測定前における外被の剥離や、測定後の外被修復作業が不要となり、また厚み測定前に対象物の表面に超音波媒体を塗布する作業、及び測定後に超音波媒体を拭き取る作業も不要となる。
またこの超音波厚みセンサは、全体として薄質で可撓性を有しているため、図8に示したように、測定対象物41の表面が湾曲している場合であっても、その湾曲面に沿って超音波厚みセンサ21を接着して、湾曲部位における厚み測定を行なうことができる。
The ultrasonic thickness sensor manufactured according to each embodiment of the present invention as described above is an extremely thin one having a three-layer structure of a first electrode, a sintered body layer, and a second electrode as a whole. Even when a jacket is provided on the outside of the pipe for protection or heat insulation, the pipe is bonded to the outer surface in advance during pipe assembly, and a jacket for protection or heat insulation of the pipe is provided from the outside of the thickness sensor. In this state, the piping equipment can be used as it is, and the thickness can be measured appropriately in the state as it is. In that case, it is not necessary to remove the outer covering before the thickness measurement or to repair the outer covering after the measurement, and to apply the ultrasonic medium to the surface of the object before the thickness measurement, and the ultrasonic wave after the measurement. The work of wiping off the medium is also unnecessary.
Further, since this ultrasonic thickness sensor is thin and flexible as a whole, even if the surface of the measurement object 41 is curved as shown in FIG. The ultrasonic thickness sensor 21 can be bonded along the surface to measure the thickness at the curved portion.

次に、前述の各実施形態において、準備工程(焼結原料調製工程)で調製するべき酸化物系圧電材料を含む粘性液状物A〜Eのそれぞれについて、その調製方法や望ましい条件を説明する。   Next, in each of the above-described embodiments, the preparation method and desirable conditions will be described for each of the viscous liquid materials A to E including the oxide-based piezoelectric material to be prepared in the preparation step (sintering raw material preparation step).

〔A;平均粒径が1〜10μmの範囲内の酸化物系圧電材料粉末と、その酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドゾルとを混合した粘性液状物〕 [A: Viscous liquid material obtained by mixing an oxide piezoelectric material powder having an average particle size of 1 to 10 μm and an alkoxide sol of a metal component of the oxide piezoelectric material]

平均粒径が1〜10μmの範囲内のPZTなどの酸化物系圧電材料粉末は、既に述べたように、PZT粉末塊などの酸化物系圧電材料粉末塊を、ボールミルなどにより粉砕することによって得ることができる。
ここで、酸化物系圧電材料粉末の粒径は平均粒径1〜10μmとしているが、これは、従来の一般的な手法、すなわち酸化物系圧電材料を構成する金属成分の酸化物の粉末を混合して焼成し、これを機械的に粉砕して得られる原料粉末は、通常平均粒径1〜10μm程度であるからである。ここで、原料粉末の平均粒径を1μm未満とすることは、粉砕効率の観点から困難であり、一方原料粉末の平均粒径を10μm超とすることは、燒結性の観点から問題となる。
An oxide-based piezoelectric material powder such as PZT having an average particle diameter in the range of 1 to 10 μm is obtained by pulverizing an oxide-based piezoelectric material powder lump such as a PZT powder lump with a ball mill or the like as described above. be able to.
Here, the particle diameter of the oxide-based piezoelectric material powder is set to an average particle diameter of 1 to 10 μm. This is the conventional general method, that is, the oxide powder of the metal component constituting the oxide-based piezoelectric material. This is because the raw material powder obtained by mixing and firing and mechanically pulverizing it is usually about 1 to 10 μm in average particle size. Here, it is difficult to make the average particle size of the raw material powder less than 1 μm from the viewpoint of pulverization efficiency. On the other hand, setting the average particle size of the raw material powder to more than 10 μm is problematic from the viewpoint of sintering properties.

一方、上記の酸化物系圧電材料粉末の準備と並び、PZTなどの酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドゾルを準備する。ここで準備するアルコキシドゾルは、上記の酸化物系圧電材料の原料となる酸化物の金属成分のアルコキシド、すなわち金属成分をM、アルキル基をRとし、一般式 M(OR)で表される金属アルコキシドの混合ゾルである。例えばPZTの場合は、金属成分Mは、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、およびチタン(Ti)が主成分であるから、鉛アルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、およびチタンアルコキシドの各ゾルを用意する。一方、アルキル基Rは特に限定されないが、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、アミル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、ブチル基、イソブチル基、t―ブチル基、s−ブチル基などを適用することができる。より具体的には、PZTの場合、鉛アルコキシドとしては、鉛ジイソプロキシド、鉛ジブトキシドなど、またジルコニウムアルコキシドとしては、ジルコニウムテトラブトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシドなど、チタンアルコキシドとしては、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラプロポキシドなどを用いることが好ましい。 On the other hand, along with the preparation of the above-described oxide-based piezoelectric material powder, an alkoxide sol of a metal component of an oxide-based piezoelectric material such as PZT is prepared. The alkoxide sol prepared here is represented by the general formula M (OR) X, where the metal component alkoxide of the oxide used as the raw material of the oxide piezoelectric material is M, the metal component is R, and the alkyl group is R. It is a mixed sol of metal alkoxide. For example, in the case of PZT, since the metal component M is mainly composed of lead (Pb), zirconium (Zr), and titanium (Ti), each sol of lead alkoxide, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide is prepared. On the other hand, the alkyl group R is not particularly limited, but methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, amyl group, hexyl group, cyclohexyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, s-butyl group, etc. are applied. can do. More specifically, in the case of PZT, as lead alkoxide, lead diisoproxide, lead dibutoxide, etc., as zirconium alkoxide, zirconium tetrabutoxide, zirconium tetrapropoxide, etc., as titanium alkoxide, titanium tetraisopropoxide, titanium, etc. Tetrapropoxide or the like is preferably used.

またこの場合、各アルコキシドゾルの配合は、その金属成分の割合が、目標とする酸化物系圧電材料における金属成分の割合と同等となるように定めることが望ましい。すなわち、一般式Pb(ZrTi1−x)Oで表されるPZTの場合、各アルコキシドの金属成分のモル比が、Pb:Zr:Ti=1:x:1−xの割合となるように配合することが望ましい。
但し、Pb(ZrTi1−x)O〔但し0.5≦x≦0.7〕のPZT組成を基本として、それに微量添加元素として、Mn、Mg、Ca、Sr、Ba、V、Nb、Ta、La、Nd、Sc、Gdなどの1種又は2種以上を添加したPZT系圧電セラミック材料を対象とする場合、アルコキシドゾルとしては、必ずしもこれらの微量元素金属のアルコシシドまで含んでいなくても良く、主成分であるPb、Zr、Tiのアルコキシドを含んでいればで充分である。もちろん場合によっては、これらの微量添加元素の金属アルコキシドを含むゾルであってもよい。
Further, in this case, it is desirable that the composition of each alkoxide sol is determined so that the proportion of the metal component is equal to the proportion of the metal component in the target oxide piezoelectric material. That is, in the case of PZT represented by the general formula Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 , the molar ratio of the metal components of each alkoxide is Pb: Zr: Ti = 1: x: 1-x. It is desirable to blend as such.
However, based on the PZT composition of Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 [where 0.5 ≦ x ≦ 0.7], and as a trace amount of added elements, Mn, Mg, Ca, Sr, Ba, V, When a PZT-based piezoelectric ceramic material to which one or more of Nb, Ta, La, Nd, Sc, Gd and the like are added is targeted, the alkoxide sol does not necessarily include even the alkoxides of these trace element metals. It is not necessary, and it is sufficient if it contains alkoxides of Pb, Zr and Ti which are the main components. Of course, depending on the case, a sol containing a metal alkoxide of these trace addition elements may be used.

以上のようなアルコキシドゾルを得るための方法は特に限定されるものではなく、常法に従えば良く、例えば各金属アルコキシドを溶剤に溶解するなどの方法によれば良い。   The method for obtaining the alkoxide sol as described above is not particularly limited, and may be according to a conventional method, for example, a method of dissolving each metal alkoxide in a solvent.

上述のようなペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物系圧電材料からなる比較的粗大な粉末(平均粒径1〜10μm)と、同じ酸化物系圧電材料の金属成分を有するアルコキシドゾルとを、エタノールやブタノール、酢酸エチルなどの適宜の溶剤を用いて混合、混錬し、乾燥させれば、焼結原料としての前記Aの粘性液状物(ペースト)が得られる。
なお、上記の酸化物系圧電材料粉末とアルコキシドゾルの混合比は特に限定しないが、通常は、同じ金属成分で比較して、原料粉末中の金属成分に対するアルコキシドゾル中の金属成分のモル比が、0.2〜1.0の範囲内となるように混合することが望ましい。上記のモル比が0.2未満では、アルコキシドゾルが少なすぎて、焼成工程においてゾルの分解生成物が焼結助剤として充分に機能せず、そのため低温での焼結が困難となり、一方上記のモル比が1.0を越えれば、アルコキシドゾルが多すぎて、第1の電極を兼ねる金属薄板上で焼成したときに、比較的粗大な原料粉末の粒子が充分に結合されず、焼結体層が粉っぽくなり、飛散または剥落してしまうおそれが大きくなる。
A relatively coarse powder (average particle diameter of 1 to 10 μm) made of an oxide piezoelectric material having a perovskite crystal structure as described above and an alkoxide sol having a metal component of the same oxide piezoelectric material are mixed with ethanol or When a suitable solvent such as butanol or ethyl acetate is mixed, kneaded and dried, the viscous liquid material (paste) of A as a sintering raw material is obtained.
The mixing ratio of the oxide-based piezoelectric material powder and the alkoxide sol is not particularly limited, but usually the molar ratio of the metal component in the alkoxide sol to the metal component in the raw material powder is compared with the same metal component. It is desirable to mix so that it may exist in the range of 0.2-1.0. When the above molar ratio is less than 0.2, the alkoxide sol is too little, and the decomposition product of the sol does not function sufficiently as a sintering aid in the firing step, and therefore, sintering at low temperature becomes difficult, If the molar ratio exceeds 1.0, there are too many alkoxide sols, and when firing on a metal thin plate that also serves as the first electrode, the relatively coarse raw material powder particles are not sufficiently bonded and sintered. The body layer becomes powdery and increases the risk of scattering or peeling off.

このような比較的粗大な酸化物系圧電材料の粉末(平均粒径1〜10μm)と、同じ酸化物系圧電材料の金属成分を有するアルコキシドゾルとを混合した粘性液状物A(ペースト)を焼成工程において加熱して焼成する過程では、粗大な酸化物系圧電材料粉末の粒子(平均粒径1〜10μm)の間に存在しているアルコキシドが分解し、超微粉末状の分解生成物が生成され、かつその分解生成物が、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末の粒子を焼結結合させる役割、すなわち焼結助剤として機能する。しかもその分解生成物は、それ自体でPZTなどの目標とする酸化物系セラミック圧電材料組成を有するため、圧電特性を向上させる機能も果たす。したがってこのように比較的粗大な原料粉末とともにアルコキシドゾルを混合して焼成することにより、比較的低温でも焼結が進行し、かつ圧電特性も向上する。
なお焼成工程では、既に述べたように加熱温度を600〜800℃の範囲内とすることが好ましい。
Viscous liquid material A (paste) obtained by mixing such a relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder (average particle size of 1 to 10 μm) and an alkoxide sol having a metal component of the same oxide-based piezoelectric material is fired. In the process of heating and firing in the process, the alkoxide present between the particles of the coarse oxide-based piezoelectric material powder (average particle size of 1 to 10 μm) is decomposed to produce a decomposition product in the form of ultrafine powder. The decomposition product functions to sinter-bond particles of relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder, that is, as a sintering aid. Moreover, since the decomposition product itself has a target oxide ceramic piezoelectric material composition such as PZT, it also functions to improve piezoelectric characteristics. Therefore, by mixing and baking the alkoxide sol with the relatively coarse raw material powder in this way, sintering proceeds at a relatively low temperature and the piezoelectric characteristics are improved.
In the firing step, it is preferable to set the heating temperature in the range of 600 to 800 ° C. as already described.

〔B:平均粒径1〜10μmの酸化物系圧電材料粉末と、酸化物圧電材料の金属成分のアルコキシドの分解による平均粒径0.1〜1.0μmの微粉末とを分散媒に分散させた粘性液状物(スラリーもしくはペースト)〕 [B: Disperse oxide-based piezoelectric material powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm and fine powder having an average particle diameter of 0.1 to 1.0 μm by decomposition of the metal component alkoxide of the oxide piezoelectric material in a dispersion medium. Viscous liquid (slurry or paste)]

平均粒径が1〜10μmの範囲内のPZTなどの酸化物系圧電材料粉末は、既に述べたように、PZT粉末塊などの酸化物系圧電材料粉末塊を、ボールミルなどにより粉砕することによって得ることができる。   An oxide-based piezoelectric material powder such as PZT having an average particle diameter in the range of 1 to 10 μm is obtained by pulverizing an oxide-based piezoelectric material powder lump such as a PZT powder lump with a ball mill or the like as described above. be able to.

ここで、酸化物系圧電材料粉末の粒径は平均粒径1〜10μmとしているが、これは、従来の一般的な手法、すなわち酸化物系圧電材料を構成する金属成分の酸化物の粉末を混合して焼成し、これを機械的に粉砕して得られる原料粉末は、通常平均粒径1〜10μm程度であるからである。ここで、原料粉末の平均粒径を1μm未満とすることは、粉砕効率の観点から困難であり、一方原料粉末の平均粒径を10μm超とすることは、燒結性の観点から問題となる。   Here, the particle diameter of the oxide-based piezoelectric material powder is set to an average particle diameter of 1 to 10 μm. This is the conventional general method, that is, the oxide powder of the metal component constituting the oxide-based piezoelectric material. This is because the raw material powder obtained by mixing and firing and mechanically pulverizing it is usually about 1 to 10 μm in average particle size. Here, it is difficult to make the average particle size of the raw material powder less than 1 μm from the viewpoint of pulverization efficiency. On the other hand, setting the average particle size of the raw material powder to more than 10 μm is problematic from the viewpoint of sintering properties.

一方、上記の酸化物系圧電材料粉末の準備と並び、PZTなどの酸化物系圧電材料の微粉末(平均粒径0.1〜1.0μm程度)をアルコキシド分解法によって生成させておく。
PZTなどの酸化物系圧電材料の微粉末をアルコキシド分解法によって生成するための具体的方法は、従来知られているアルコキシド分解法と同様であればよく、特に限定されるものではないが、通常は、PZTなどの酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドの混合ゾルを、例えば水を加えて加水分解すれば良い。なおここで言うアルコキシドゾルは、前述のAの粘性液状物を調製する際に用いたアルコキシドゾルと同様なものであれば良く、そこでその詳細は省略する。
On the other hand, fine powder (average particle diameter of about 0.1 to 1.0 μm) of an oxide piezoelectric material such as PZT is generated by the alkoxide decomposition method in parallel with the preparation of the above oxide piezoelectric material powder.
A specific method for producing a fine powder of an oxide-based piezoelectric material such as PZT by the alkoxide decomposition method may be the same as the conventionally known alkoxide decomposition method, and is not particularly limited. Can be obtained by hydrolyzing a mixed sol of an alkoxide of a metal component of an oxide-based piezoelectric material such as PZT, for example, by adding water. The alkoxide sol mentioned here may be the same as the alkoxide sol used in preparing the above-mentioned viscous liquid substance A, and the details thereof are omitted here.

以上のようなアルコキシドゾルを、前述のように加水分解すれば、酸化物系圧電材料からなる平均粒径0.1〜1.0μmの微細粉末(アルコキシド分解微粉末)が得られる。ここで、アルコキシド分解微粉末の平均粒径を0.1μm未満とすることは、一般的なアルコキシド分解法では困難であり、一方、1.0μmを越える大径粒子では、焼成工程において後述する焼結助剤の機能が期待できなくなる。   By hydrolyzing the alkoxide sol as described above, a fine powder (alkoxide-decomposed fine powder) having an average particle size of 0.1 to 1.0 μm made of an oxide piezoelectric material can be obtained. Here, it is difficult to reduce the average particle size of the alkoxide-decomposed fine powder to less than 0.1 μm by a general alkoxide decomposition method. The function of the binder cannot be expected.

前述のような酸化物系圧電材料からなる比較的粗大な原料粉末(平均粒径1〜10μm)と、同じ酸化物系圧電材料からなるアルコキシド分解による微細な原料粉末(平均粒径0.1〜1.0μm)とを、エタノールや酢酸エチルなどの適宜の溶剤を用いて混合、混錬し、乾燥させれば、焼結原料としての粘性液状物Bが得られる。   A relatively coarse raw material powder (average particle diameter of 1 to 10 μm) made of the oxide-based piezoelectric material as described above, and a fine raw material powder (average particle diameter of 0.1 to 10 μm) made of the same oxide-based piezoelectric material by alkoxide decomposition. 1.0 μm) is mixed, kneaded with an appropriate solvent such as ethanol or ethyl acetate, and dried to obtain a viscous liquid material B as a sintering raw material.

なお、上記の比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末とアルコキシド分解微粉末との混合比は特に限定しないが、通常は、同じ金属成分で比較して、酸化物系圧電材料粉末中の金属成分に対するアルコキシド分解微粉末中の金属成分のモル比が、0.2〜1.0の範囲内となるように混合することが望ましい。上記のモル比が0.2未満では、アルコキシド分解微粉末が少なすぎて、焼成工程においてその微粉末が焼結助剤として充分に機能せず、低温での焼結が困難となり、一方上記のモル比が1.0を越えれば、アルコキシド分解微粉末が多すぎて、金属薄板上で焼成したときに、比較的粗大な原料粉末の粒子が充分に結合されず、焼結体層が粉っぽくなり、飛散または剥落してしまうおそれが強くなる。   The mixing ratio of the relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder and the alkoxide-decomposed fine powder is not particularly limited, but usually the metal component in the oxide-based piezoelectric material powder is compared with the same metal component. It is desirable to mix so that the molar ratio of the metal component in the alkoxide-decomposed fine powder to be in the range of 0.2 to 1.0. If the above molar ratio is less than 0.2, the alkoxide-decomposed fine powder is too small, and the fine powder does not function sufficiently as a sintering aid in the firing step, making it difficult to sinter at low temperatures. If the molar ratio exceeds 1.0, there are too many alkoxide-decomposed fine powders, and when firing on a metal thin plate, the relatively coarse raw material powder particles are not sufficiently bonded, and the sintered body layer is powdered. The risk of becoming sticky, scattering or peeling off increases.

このような粘性液状物Bを用いた場合、焼成工程では、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末の粒子(平均粒径1〜10μm)の間に存在しているアルコキシド分解微粉末(平均粒径0.1〜1.0μm)が、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末の粒子を焼結結合させる役割、すなわち焼結助剤として機能する。しかもその微粉末自体も、PZTなどの目標とする酸化物系セラミック圧電材料組成であるため、圧電特性を向上させる機能も果たす。したがってこのように比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末とともにアルコキシド分解微粉末を混合した粘性液状物を焼成することにより、比較的低温でも焼結が進行し、かつ圧電特性も向上する。なおこの場合、焼成温度は、前述の粘性液状物Aと同様に。600〜800℃の範囲内とすることが望ましい。   When such a viscous liquid material B is used, in the firing step, alkoxide-decomposed fine powder (average particle size) existing between particles (average particle size 1 to 10 μm) of a relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder. The diameter 0.1 to 1.0 μm) functions to sinter-bond particles of relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder, that is, as a sintering aid. Moreover, since the fine powder itself has a target oxide ceramic piezoelectric material composition such as PZT, it also functions to improve piezoelectric characteristics. Therefore, by firing the viscous liquid material in which the alkoxide-decomposed fine powder is mixed with the relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder in this way, sintering proceeds at a relatively low temperature and the piezoelectric characteristics are improved. In this case, the firing temperature is the same as that of the viscous liquid material A described above. It is desirable to set it within the range of 600-800 degreeC.

〔C:酸化物系圧電材料からなる平均粒径が0.15〜0.25μmの超微粉末を分散媒に分散させた粘性液状物(スラリーもしくはペースト)〕 [C: Viscous liquid material (slurry or paste) in which an ultrafine powder having an average particle size of 0.15 to 0.25 μm made of an oxide-based piezoelectric material is dispersed in a dispersion medium]

上述のような平均粒径が0.15〜0.25μmという超微粉末の酸化物系圧電材料粉末を得るための方法は特に限定されるものではないが、既に述べたようにボールミルなどによる粉砕によって得られた比較的粗大(平均粒径0.5〜10μm程度)なPZTなどの粉末を、さらに湿式ビーズミルを用いて粉砕することによって得ることができる。
湿式ビーズミルは、粉砕対象の原料粉末と粉砕媒体のビーズを、水などの液体からなる分散媒とともに粉砕室に装入し、アジテータ(撹拌用ロータ)を数千rpmで高速回転させることによりビーズを撹拌して運動エネルギを与え、その運動するビーズにより原料粉末に対する摩擦、せん断、衝突などにより、粉末を超微粒子化するものである。ここで、粉砕媒体のビーズとしては、直径0.1mm〜1mm程度、一般には0.5mm程度の硬質物質からなる球体粒子が用いられる。またその硬質物質としては、セラミックス、ガラス、金属などがあるが、通常はジルコニア、ジルコニア強化型アルミナなどが好ましい。
なお湿式ビーズミルにおける分散媒としては、水のほか、エタノールなどのアルコール、その他ヘキサン等を用いることができる。
The method for obtaining the ultrafine oxide piezoelectric material powder having an average particle diameter of 0.15 to 0.25 μm as described above is not particularly limited, but as described above, pulverization with a ball mill or the like. The comparatively coarse (average particle diameter of about 0.5 to 10 μm) powder such as PZT obtained by the above can be obtained by further pulverizing using a wet bead mill.
In wet bead mills, the raw material powder to be crushed and the beads of the pulverization medium are charged into a pulverization chamber together with a dispersion medium made of a liquid such as water, and the agitator (rotor for stirring) is rotated at a high speed at several thousand rpm to thereby produce the beads. Agitation is applied to give kinetic energy, and the moving beads make the powder ultrafine particles by friction, shearing, collision with the raw material powder. Here, spherical particles made of a hard substance having a diameter of about 0.1 mm to 1 mm, generally about 0.5 mm are used as beads for the grinding medium. Examples of the hard substance include ceramics, glass, and metal, but zirconia and zirconia reinforced alumina are usually preferable.
In addition, as a dispersion medium in the wet bead mill, alcohol such as ethanol, other hexane, and the like can be used in addition to water.

ここで、超微粉末の平均粒径が0.25μmを越えれば、後の焼成工程において、600〜800℃の比較的低温の焼成温度では、所定の密度(例えば70〜80%)まで緻密化することが困難となり、超音波厚みセンサとして必要な圧電特性が得られなくなるおそれがある。一方、平均粒径が0.15μm未満となるまで超微粉化することは、生産性を阻害してコストアップを招くばかりでなく、凝集の原因となる問題もある。
このようにして得られた超微粉末は、分散媒に分散したスラリー状となっており、分散媒の種類によっては、そのスラリーをそのまま金属薄板に塗布する粘性液状物Cとして用いても良いが、通常は、一旦乾燥させて乾燥超微粉末とした後、改めてペースト化することが好ましい。
Here, if the average particle size of the ultrafine powder exceeds 0.25 μm, it is densified to a predetermined density (for example, 70 to 80%) at a relatively low firing temperature of 600 to 800 ° C. in the subsequent firing step. This may make it difficult to obtain the piezoelectric characteristics necessary for an ultrasonic thickness sensor. On the other hand, micronization until the average particle size is less than 0.15 μm not only hinders productivity and increases costs, but also causes a problem of aggregation.
The ultrafine powder thus obtained is in the form of a slurry dispersed in a dispersion medium. Depending on the type of the dispersion medium, the slurry may be used as a viscous liquid C applied to a metal sheet as it is. Usually, it is preferable to once dry to form a dry ultrafine powder, and then paste again.

このペースト化のための工程では、前述のようにして得られた平均粒径0.15〜0.25μmの範囲内の超微粉末を分散媒とともに混錬して、ペースト塗布に適した粘度を有する超微粉末ペーストとする。
具体的には、微粉末用の公知の分散・混錬機を使用して分散媒とともに混錬すれば良いが、例えば3本ロールミル、すなわち3本のロールの回転差を利用した分散・混錬機を用いることが好ましい。なお際に用いる分散媒の種類は特に限定されず、エタノール、あるいはブチルカルビトール、PVBエタノールなどを用いることができる。またこのペースト化工程で生成するペーストは、その粘度が1000〜10000mPa・sであることが好ましい。ペーストの粘度が1000mPa・s未満では、その塗布時において、ペーストを金属薄板上に均一な厚みで形成することが困難となり、一方10000mPa・sを越えれば、粘度が高すぎてレベリングなどの平滑化などにおいて問題が生じるおそれがある。
In this step for pasting, the ultrafine powder having an average particle size of 0.15 to 0.25 μm obtained as described above is kneaded with a dispersion medium to obtain a viscosity suitable for paste application. It is set as the ultrafine powder paste which has.
Specifically, it may be kneaded with a dispersion medium using a known dispersing / kneading machine for fine powders. For example, a three-roll mill, that is, a dispersion / kneading using a rotation difference of three rolls. It is preferable to use a machine. In addition, the kind of dispersion medium used in particular is not specifically limited, Ethanol, butyl carbitol, PVB ethanol, etc. can be used. Moreover, it is preferable that the viscosity produced | generated at this pasting process is 1000-10000 mPa * s. If the viscosity of the paste is less than 1000 mPa · s, it becomes difficult to form the paste on the metal thin plate with a uniform thickness at the time of application. On the other hand, if it exceeds 10000 mPa · s, the viscosity is too high and smoothing such as leveling. May cause problems.

上述のように酸化物系圧電材料粉末からなる平均粒径0.15〜0.25μmの範囲内の超微粉末を分散媒とともに混錬したペースト(粘性液状物C)を焼結原料として金属薄板上に塗布して乾燥させた後、加熱して焼成する工程では、酸化物系圧電材料粉末の粒子が著しく微細であるため、低い600〜800℃の焼成温度でも粉末粒子間が結合されて、超音波厚みセンサとして必要な圧電特性を示す焼結体密度(70〜80%)を充分に得ることができる。   A thin metal plate using a paste (viscous liquid C) obtained by kneading ultrafine powder made of oxide piezoelectric material powder with an average particle size of 0.15 to 0.25 μm together with a dispersion medium as described above as a sintering raw material Since the particles of the oxide-based piezoelectric material powder are remarkably fine in the step of applying and drying on and then heating and baking, the powder particles are bonded even at a low baking temperature of 600 to 800 ° C. A sintered body density (70 to 80%) exhibiting piezoelectric characteristics necessary for an ultrasonic thickness sensor can be sufficiently obtained.

〔D:酸化物系圧電材料粉末および低融点ガラス粉末(代表的にはビスマス系ガラス粉末)を分散媒に分散させた粘性液状物(スラリーもしくはペースト)〕 [D: viscous liquid material (slurry or paste) in which oxide piezoelectric material powder and low melting glass powder (typically bismuth glass powder) are dispersed in a dispersion medium]

この場合も、前記A、Bの粘性液状物を調製する場合と同様に、PZTなどの酸化物系圧電材料からなる平均粒径0.5〜10μm程度の粉末を準備しておく。その具体的な方法は、既に述べたと同様である。   Also in this case, as in the case of preparing the viscous liquid materials A and B, a powder having an average particle diameter of about 0.5 to 10 μm made of an oxide piezoelectric material such as PZT is prepared. The specific method is the same as already described.

一方、ビスマス(Bi)系ガラスなどの低融点ガラスの粉末を準備し、圧電材料粉末(PZTなどの圧電セラミック用粉末)を低融点ガラス粉末と混合するとともに、適宜の分散媒に分散させて、焼結原料の粘性液状物Dとしてのペーストを調製する。
ここで、低融点ガラスとしては、軟化点(軟化開始温度)が450℃より低いガラスを選択すればよく、上記のビスマス系ガラスのほか、リン酸系ガラス、ホウリン酸系ガラス、バナジウムホウ酸系ガラス、アルカリ珪酸系ガラスなど、さらにはPbO−SiO―B系などの鉛系ガラスも使用可能であるが、ビスマス系ガラスが最も望ましい。
On the other hand, a low melting glass powder such as bismuth (Bi) glass is prepared, and a piezoelectric material powder (a piezoelectric ceramic powder such as PZT) is mixed with a low melting glass powder and dispersed in an appropriate dispersion medium. A paste as a viscous liquid material D of a sintering raw material is prepared.
Here, as the low melting point glass, a glass having a softening point (softening start temperature) lower than 450 ° C. may be selected. In addition to the above bismuth glass, phosphate glass, borophosphate glass, vanadium borate system. Although glass such as alkali silicate glass and lead glass such as PbO—SiO 2 —B 2 O 3 can be used, bismuth glass is most desirable.

ここで、ビスマスの酸化物であるBiは、単独ではガラス化しないが、他の酸化物(ガラス形成酸化物)、例えばSiO、B、P、LiOなどのうちから選ばれた1種または2種以上と組み合わせることによってガラス化して、低融点のガラスを形成し得ることが知られている。具体的なビスマス系ガラスとしては、Bi―SiO系ガラス、Bi―LiO系ガラス、Bi―B系ガラスなどがある。
上記のBi―SiO系ガラスは、
xBi・(100−x)SiO
但し、x=35〜65mol%、
と表せ、またBi―LiO系ガラスは、
xLiO・(100−x)Bi
但し、x=20〜40mol%または70〜80mol%、
と表せ、さらにBi―B系ガラスは、
xBi・(100−x)B
但し、x=30〜80mol%、
と表せる。これらのビスマス系ガラスは、いずれも軟化点が450℃よりも低く、本発明においてPZTなどの酸化物系圧電材料粉末と混合する低融点ガラスとして好適に使用することができる。
なお、いずれのビスマス系ガラスにおいても、必要に応じ、さらにその他の酸化物として、PbO、ZnO、SrO、BaO、CuO、Al、Fe、MgO、CeOのうちの1種又は2種以上を含有していても良い。
Here, Bi 2 O 3, which is an oxide of bismuth, does not vitrify alone, but other oxides (glass-forming oxides) such as SiO 2 , B 2 O 3 , P 2 O 5 , Li 2 O It is known that a glass having a low melting point can be formed by vitrification by combining with one or more selected from among these. Specific examples of the bismuth glass include Bi 2 O 3 —SiO 2 glass, Bi 2 O 3 —Li 2 O glass, and Bi 2 O 3 —B 2 O 3 glass.
The above Bi 2 O 3 —SiO 2 glass is
xBi 2 O 3 · (100- x) SiO 2
However, x = 35-65 mol%,
And Bi 2 O 3 —Li 2 O glass is
xLi 2 O · (100-x ) Bi 2 O 3
However, x = 20-40 mol% or 70-80 mol%,
Furthermore, Bi 2 O 3 —B 2 O 3 -based glass is
xBi 2 O 3 · (100- x) B 2 O 3
However, x = 30-80 mol%,
It can be expressed. Any of these bismuth-based glasses has a softening point lower than 450 ° C., and can be suitably used as a low-melting glass to be mixed with an oxide-based piezoelectric material powder such as PZT in the present invention.
In any of the bismuth-based glasses, if necessary, as another oxide, one of PbO, ZnO, SrO, BaO, CuO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MgO, CeO or You may contain 2 or more types.

またここで使用するビスマス系ガラスなどの低融点ガラス粉末の粒径は、平均で1.0
〜20.0μmの範囲内が好ましい。低融点ガラス粉末の平均粒径が1μm未満では、微粉末とするためのコストの上昇を招き、一方20.0μmを越えれば、最終的に得られる焼結体層中においてPZTなどの圧電材料粒子の間に介在するガラス相が大きすぎて、分極処理後の圧電特性を損なうおそれがある。
The average particle size of the low melting point glass powder such as bismuth glass used here is 1.0.
Within the range of ˜20.0 μm is preferable. If the average particle size of the low melting point glass powder is less than 1 μm, the cost for making the powder fine will increase. On the other hand, if it exceeds 20.0 μm, the piezoelectric material particles such as PZT in the finally obtained sintered body layer There is a possibility that the glass phase intervening between them is too large and the piezoelectric properties after the polarization treatment are impaired.

また、PZTなどの酸化物系圧電材料粉末とビスマス系ガラスなどの低融点ガラス粉末との配合割合は、圧電材料粉末と低融点ガラス粉末の合計を100重量部とすれば、低融点ガラス粉末が15〜25重量部となるように配合することが望ましい。低融点ガラス粉末が15重量部未満では、後の焼成工程において低融点ガラス粉末の溶融物もしくは軟化物によって圧電材料粉末の粒子を物理的に結合する効果が充分に得られず、そのため焼結体層が脆くなって第1の電極を兼ねる金属薄板から剥離してしまうおそれがある。一方、低融点ガラス粉末が25重量部を越えれば、最終的に得られる焼結体層中においてPZTなどの圧電材料粒子の間に介在するガラス相の量が多すぎて、分極処理後の圧電特性を損なうおそれがある。   The blending ratio of the oxide piezoelectric material powder such as PZT and the low melting glass powder such as bismuth glass is such that the total of the piezoelectric material powder and the low melting glass powder is 100 parts by weight. It is desirable to mix in an amount of 15 to 25 parts by weight. If the low-melting glass powder is less than 15 parts by weight, the effect of physically bonding the particles of the piezoelectric material powder by the melt or softened material of the low-melting glass powder in the subsequent firing step cannot be sufficiently obtained. There is a possibility that the layer becomes brittle and peels off from the thin metal plate also serving as the first electrode. On the other hand, if the low melting point glass powder exceeds 25 parts by weight, the amount of the glass phase interposed between the piezoelectric material particles such as PZT in the finally obtained sintered body layer is too much, and the piezoelectric film after polarization treatment There is a risk of damage to properties.

さらに圧電材料粉末と低融点ガラス粉末を分散させる分散媒は、特に限定されるものではなく、ブチルカルビトール、エタノール、酢酸エチルなど、適宜の溶剤や水を用いればよい。また圧電材料粉末と低融点ガラス粉末に対する分散媒の割合も特に限定されるものではないが、第1の実施形態について説明したと同様に、分散、混練して得られるペーストの粘度が1000〜20000mPa・sとなるように分散媒の割合を定めることが望ましい。   Furthermore, the dispersion medium for dispersing the piezoelectric material powder and the low-melting glass powder is not particularly limited, and an appropriate solvent or water such as butyl carbitol, ethanol, or ethyl acetate may be used. Further, the ratio of the dispersion medium to the piezoelectric material powder and the low-melting glass powder is not particularly limited, but the viscosity of the paste obtained by dispersing and kneading is 1000 to 20000 mPa as described in the first embodiment. -It is desirable to determine the ratio of the dispersion medium so as to be s.

このようにPZTなどの圧電材料粉末をビスマス系ガラスなどの低融点ガラス粉末と混合して分散媒に分散、混合してなるペーストは、焼結原料の粘性液状物Dとして、金属薄板上に塗布し、乾燥後、焼成工程に供される。
この焼成工程では、加熱温度を450〜550℃の範囲内とすることが好ましい。この場合、焼結原料中の酸化物系圧電材料粉末の粒子間にビスマス系ガラスなどの低融点ガラスの粉末粒子が介在しており、この低融点ガラスの粉末粒子が、450〜550℃の温度域での加熱時において溶融もしくは軟化を開始し、それが酸化物系圧電材料粉末粒子間のバインダとして機能して、酸化物系圧電材料粉末粒子の相互間を物理的に結合させることができる。したがって、450〜550℃の温度域で焼成することによって、密度はさほど増大させることなく酸化物系圧電材料粉末粒子間がある程度強固に結合された焼結体層を得ることができるのである。
The paste made by mixing the piezoelectric material powder such as PZT with the low melting point glass powder such as bismuth-based glass and dispersing and mixing it in the dispersion medium is applied as a viscous liquid material D of the sintering raw material on the thin metal plate. Then, after drying, it is subjected to a firing step.
In this firing step, it is preferable that the heating temperature is in the range of 450 to 550 ° C. In this case, powder particles of low-melting glass such as bismuth glass are interposed between the particles of oxide-based piezoelectric material powder in the sintering raw material, and the powder particles of low-melting glass have a temperature of 450 to 550 ° C. When heating in the region, melting or softening is started, and it functions as a binder between the oxide piezoelectric material powder particles, and the oxide piezoelectric material powder particles can be physically bonded to each other. Therefore, by firing in the temperature range of 450 to 550 ° C., it is possible to obtain a sintered body layer in which the oxide-based piezoelectric material powder particles are bonded to each other to some extent without increasing the density.

ここで、焼成温度が450℃未満では、低融点ガラス粉末を混合していても、焼成時における低融点ガラス粉末粒子の溶融もしくは軟化が不充分となることがあり、その場合には酸化物系圧電材料粉末粒子を充分に結合させることが困難となるおそれがある。一方、焼成温度が550℃を越えれば、焼成時に酸化物系圧電材料粉末粒子同士の直接的な焼結反応が進行して、密度が80%以下の焼結体層を得ることが困難となる。またこのように焼成温度が550℃を越えれば、金属薄板として耐熱性が高いものを使用する必要性が生じて、金属薄板の材質選定の幅が狭まり、材料コストの増大を招くおそれがある。なお焼成温度は、450〜550℃の範囲内でも、特に480〜530℃の範囲内が好ましい。   Here, when the firing temperature is less than 450 ° C., the melting or softening of the low-melting glass powder particles during firing may be insufficient even when the low-melting glass powder is mixed. There is a possibility that it is difficult to sufficiently bond the piezoelectric material powder particles. On the other hand, if the firing temperature exceeds 550 ° C., a direct sintering reaction between the oxide-based piezoelectric material powder particles proceeds during firing, making it difficult to obtain a sintered body layer having a density of 80% or less. . Further, if the firing temperature exceeds 550 ° C. as described above, it is necessary to use a metal sheet having high heat resistance, so that the material selection range of the metal sheet may be narrowed, and the material cost may be increased. The firing temperature is particularly preferably within the range of 480 to 530 ° C, even within the range of 450 to 550 ° C.

〔E:酸化物系圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散させた粘性液状物(ペースト)〕 [E: Viscous liquid material (paste) in which oxide-based piezoelectric material powder is dispersed in sodium silicate solution]

この場合、前記と同様にして準備された平均粒径0.5μm〜10μm程度のPZTなどの酸化物系圧電材料粉末を、珪酸ソーダ溶液に分散、混合させて、焼結原料としての粘性液状物(ペースト)を調製する。   In this case, an oxide-based piezoelectric material powder such as PZT having an average particle diameter of about 0.5 μm to 10 μm prepared in the same manner as described above is dispersed and mixed in a sodium silicate solution to obtain a viscous liquid material as a sintering raw material. (Paste) is prepared.

ここで、珪酸ソーダ(珪酸ナトリウム)は、一般式[NaO・nSiO]と表されるものであり、通常は常温で水和物の形態、すなわち、〔NaO・nSiO・xHO〕の状態となっている。ここで、NaOに対するSiOのモル比nは、連続的に変化させることができ、n=1のNaO・SiO、すなわちNaSiOと表されるものはメタ珪酸ナトリウムと称され、常温では水和物の状態で固体(結晶)となっている。またモル比nが、1.5〜4の珪酸ナトリウムは、低濃度の水溶液は、高粘度のいわゆる水ガラスとなることが知られている。
本発明の場合、PZTなどの酸化物系圧電材料粉末を分散させる珪酸ソーダ溶液に使用する珪酸ナトリウムは、モル比nが0.5〜1.5程度のもの、とりわけモル比nが1のメタ珪酸ナトリウムを使用することが望まれるが、それに限定されるものではない。
Here, sodium silicate (sodium silicate) is represented by the general formula [Na 2 O · nSiO 2 ] and is usually in the form of a hydrate at room temperature, ie, [Na 2 O · nSiO 2 · xH. 2 O]. Here, the molar ratio n of SiO 2 to Na 2 O can be continuously changed, and n = 1 Na 2 O.SiO 2 , that is, Na 2 SiO 3 is expressed as sodium metasilicate. It is called a solid (crystal) in a hydrated state at room temperature. Further, it is known that sodium silicate having a molar ratio n of 1.5 to 4 is a so-called water glass having a high viscosity when a low concentration aqueous solution is used.
In the case of the present invention, sodium silicate used in a sodium silicate solution in which an oxide piezoelectric material powder such as PZT is dispersed has a molar ratio n of about 0.5 to 1.5. Although it is desirable to use sodium silicate, it is not so limited.

また、PZTなどの酸化物系圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散、混合させるに当たっては、圧電材料粉末100重量部に対して、珪酸ソーダ溶液中の珪酸ナトリウム(NaO・nSiO)分が20〜40重量部、好ましくは25〜35重量部となるように定めることが望ましい。珪酸ナトリウム分が20重量部未満では、低温(450〜550℃)での焼成時において酸化物系圧電材料粉末粒子を強固に結合することが困難となるおそれがあり、一方40重量部を越えれば、相対的に圧電材料粉末の割合が過少となって、焼成―分極処理後の圧電特性に悪影響を及ぼして、超音波膜厚センサとして必要な圧電特性が得られなくなるおそれがある。 In addition, in dispersing and mixing an oxide-based piezoelectric material powder such as PZT in a sodium silicate solution, the sodium silicate (Na 2 O · nSiO 2 ) content in the sodium silicate solution is 100 parts by weight of the piezoelectric material powder. It is desirable that the amount be 20 to 40 parts by weight, preferably 25 to 35 parts by weight. If the sodium silicate content is less than 20 parts by weight, it may be difficult to firmly bond the oxide-based piezoelectric material powder particles during firing at a low temperature (450 to 550 ° C.), whereas if it exceeds 40 parts by weight. However, the proportion of the piezoelectric material powder is relatively small, which adversely affects the piezoelectric characteristics after the firing and polarization treatment, and there is a possibility that the piezoelectric characteristics necessary for the ultrasonic film thickness sensor cannot be obtained.

なお、PZTなどの圧電材料粉末を分散させる珪酸ソーダ溶液の濃度は、ペースト化の容易さや、第1電極となる金属薄膜表面への付着させやすさ(塗布性、印刷性)の観点から適宜定めればよい。すなわち珪酸ソーダ溶液の濃度が低すぎれば、金属薄板表面にある程度の厚みでペースト層を形成することが困難となり、一方珪酸ソーダ溶液の濃度が高すぎれば、PZTなどの圧電材料粉末を均一に分散させることが困難となる。そこで通常は、珪酸ソーダ溶液の濃度は、5〜20wt%の範囲内とすることが望ましい。
またこのペーストは、その粘度が1000〜10000mPa・sであることが好ましい。ペーストの粘度が1000mPa・s未満では、ペーストを金属薄板上に均一な厚みで形成することが困難となり、一方20000mPa・sを越えれば、粘度が高すぎてレベリングなどの平滑化などにおいて問題が生じるおそれがある。
The concentration of the sodium silicate solution in which the piezoelectric material powder such as PZT is dispersed is appropriately determined from the viewpoint of ease of pasting and easy attachment to the surface of the metal thin film serving as the first electrode (applicability, printability). Just do it. That is, if the concentration of the sodium silicate solution is too low, it becomes difficult to form a paste layer with a certain thickness on the surface of the metal thin plate, whereas if the concentration of the sodium silicate solution is too high, the piezoelectric material powder such as PZT is uniformly dispersed. It becomes difficult to make it. Therefore, normally, the concentration of the sodium silicate solution is preferably in the range of 5 to 20 wt%.
Moreover, it is preferable that the viscosity of this paste is 1000-10000 mPa * s. If the viscosity of the paste is less than 1000 mPa · s, it becomes difficult to form the paste on the thin metal plate with a uniform thickness. On the other hand, if the viscosity exceeds 20000 mPa · s, the viscosity is too high, causing problems in smoothing such as leveling. There is a fear.

このようにPZTなどの酸化物系圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散、混合してなるペーストは、焼結原料の粘性液状物Eとして金属薄板上に塗布して乾燥させた後、次の焼成工程に供される。   The paste obtained by dispersing and mixing the oxide-based piezoelectric material powder such as PZT in the sodium silicate solution is applied onto the metal thin plate as a viscous liquid material E as a sintering raw material, dried, and then subjected to the next firing. Provided to the process.

ここで、上記のペースト(粘性液状物E)を金属薄板表面で乾燥させれば、珪酸ソーダ溶液の水分が消失するに伴い、珪酸ソーダ溶液中から珪酸ナトリウムの結晶がPZTなどの圧電材料粉末粒子の間に析出する。すなわち、隣り合う酸化物系圧電材料粉末粒子の相互間の空隙に珪酸ナトリウムの析出結晶からなる微粉末が介在した状態となる。なおこのとき、珪酸ナトリウムの析出形態は、使用した珪酸ナトリウムにおけるNaOに対するSiOのモル比nによっても異なるが、nが1付近の場合(すなわちメタ珪酸ナトリウム組成付近の場合)、水和物(NaO・nSiO2・xHO)の結晶となるのが通常である。 Here, when the above paste (viscous liquid E) is dried on the surface of the metal thin plate, the sodium silicate crystals in the sodium silicate solution become piezoelectric material powder particles such as PZT as the moisture of the sodium silicate solution disappears. It precipitates between. That is, a fine powder composed of precipitated crystals of sodium silicate is interposed in the space between adjacent oxide-based piezoelectric material powder particles. At this time, the precipitation form of sodium silicate varies depending on the molar ratio n of SiO 2 to Na 2 O in the sodium silicate used, but when n is near 1 (ie, near the sodium metasilicate composition), hydration It becomes a thing (Na 2 O · nSiO 2 · xH 2 O) crystals usually.

また焼成工程では、加熱温度を450〜550℃の範囲内とすることが好ましい。このような450〜550℃の温度域は、従来の一般的なPZTなどの圧電材料粉末の焼成温度(1200℃程度)よりも格段に低いが、粘性液状物Eを用いた場合、珪酸ソーダ溶液に由来して、焼結原料中の圧電材料粉末の粒子間に珪酸ナトリウム水和物の結晶微粉末が析出しており、この珪酸ナトリウム水和物の結晶微粉末の一部が、450〜550℃の温度域での加熱時において溶融もしくは軟化を開始し、それが酸化物系圧電材料粉末粒子間のバインダとして機能して、酸化物系圧電材料粉末粒子の相互間を物理的に結合させることができる。したがって、450〜550℃の温度域で焼成することによって、密度はさほど増大させることなく(すなわち70〜80%という比較的低密度の状態で)、圧電材料粉末粒子間がある程度強固に結合された焼結体層を得ることができる。   Moreover, in a baking process, it is preferable to make heating temperature into the range of 450-550 degreeC. Such a temperature range of 450 to 550 ° C. is much lower than the firing temperature (about 1200 ° C.) of a conventional piezoelectric material powder such as PZT, but when a viscous liquid E is used, a sodium silicate solution The crystal fine powder of sodium silicate hydrate is precipitated between the particles of the piezoelectric material powder in the sintering raw material, and a part of the crystal fine powder of sodium silicate hydrate is 450 to 550. Starts melting or softening when heated in the temperature range of ℃, and it functions as a binder between the oxide-based piezoelectric material powder particles to physically bond the oxide-based piezoelectric material powder particles to each other Can do. Therefore, by firing in the temperature range of 450 to 550 ° C., the density of the piezoelectric material powder particles is firmly bonded to a certain degree without increasing the density so much (that is, in a relatively low density state of 70 to 80%). A sintered body layer can be obtained.

ここで、焼成温度が450℃未満では、珪酸ソーダを用いていても、焼成時における珪酸ナトリウム水和物の結晶微粉末の溶融もしくは軟化が不充分となり、そのため酸化物系圧電材料粉末粒子を充分に結合させることが困難となるおそれがある。一方、焼成温度が550℃を越えれば、焼成時に酸化物系圧電材料粉末粒子同士の直接的な焼結反応が進行して、密度が80%以下の焼結体層を得ることが困難となる。またこのように焼成温度が550℃を越えれば、第1の電極となるべき金属薄板として耐熱性が高いものを使用する必要性が生じて、金属薄板の材質選定の幅が狭まり、材料コストの増大を招くおそれがある。なお焼成温度は、450〜550℃の範囲内でも、特に480〜530℃の範囲内が好ましい。   Here, when the firing temperature is less than 450 ° C., even when sodium silicate is used, the melting or softening of the crystal fine powder of sodium silicate hydrate at the time of firing becomes insufficient. It may be difficult to bond to the. On the other hand, if the firing temperature exceeds 550 ° C., a direct sintering reaction between the oxide-based piezoelectric material powder particles proceeds during firing, making it difficult to obtain a sintered body layer having a density of 80% or less. . Further, if the firing temperature exceeds 550 ° C. in this way, it becomes necessary to use a metal sheet having high heat resistance as the first electrode, and the material selection range of the metal sheet is narrowed. May increase. The firing temperature is particularly preferably within the range of 480 to 530 ° C, even within the range of 450 to 550 ° C.

以下に本発明の実施例を記す。   Examples of the present invention will be described below.

この実施例1は、焼結原料の前記粘性液状物Aとして、酸化物系圧電材料粉末としてのPZT粉末と、PZTの金属成分のアルコキシドゾルとの混合物のスラリーを用い、200個の超音波厚みセンサを同時に製造した実施例である。
すなわち、先ずPZT用の原料粉末として、酸化鉛(PbO)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)の粉末を用意し、これらを、PbO:1モル、ZrO:0.5モル、TiO:0.5モルの割合で配合し、溶媒をエタノール、分散剤をポリエチレンイミンとして、ボールミルにより24時間湿式混練し、スラリーとした。そのスラリーを乾燥させて混合粉末塊とした後、アルミナるつぼに入れて、アルミナの蓋をし、850℃、10時間の熱処理(仮焼成)を行い、ペロブスカイト型結晶構造を有するPZT粉末塊を得た。そのPZT粉末塊を粉砕し、300ミクロンの篩いを通過させたものをボールミルに入れ、エタノール中で、ジルコニアボールを粉砕媒体として24時間粉砕することにより、平均粒径2μmのPZT粉末とし、乾燥させた。
This Example 1 uses a slurry of a mixture of a PZT powder as an oxide-based piezoelectric material powder and an alkoxide sol of a metal component of PZT as the viscous liquid material A of a sintering raw material, and has 200 ultrasonic thicknesses. It is the Example which manufactured the sensor simultaneously.
That is, first, powders of lead oxide (PbO), titanium oxide (TiO 2 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ) were prepared as raw material powders for PZT, and these were prepared as PbO: 1 mol, ZrO 2 : 0.5 mol. TiO 2 : blended at a ratio of 0.5 mol, the solvent was ethanol, the dispersant was polyethyleneimine, and wet kneaded for 24 hours with a ball mill to obtain a slurry. The slurry is dried to form a mixed powder lump, which is then placed in an alumina crucible, covered with alumina, and subjected to heat treatment (temporary firing) at 850 ° C. for 10 hours to obtain a PZT powder lump having a perovskite crystal structure. It was. The PZT powder mass is pulverized, put through a 300 micron sieve into a ball mill, and pulverized in ethanol using zirconia balls as a pulverization medium for 24 hours to obtain a PZT powder having an average particle size of 2 μm and dried. It was.

一方、鉛アルコキシドとして鉛ジイソプロキシド、ジルコニウムアルコキシドとしてジルコニウムテトラブトキシド、チタンアルコキシドとしてチタンテトライソプロポキシドを用意し、これらをPb:Zr:Ti=1:0.5:0.5のモル比となるように配合してキシレンに溶解させ、そのアルコキシドゾルに、前述の平均粒径2μmのPZT粉末を加えてボールミルにより混練して、アルコキシドゾル‐PZT混合分散液(スラリー状の粘性液状物A)を得た。   On the other hand, lead diisoproxide is prepared as lead alkoxide, zirconium tetrabutoxide is prepared as zirconium alkoxide, and titanium tetraisopropoxide is prepared as titanium alkoxide, and these have a molar ratio of Pb: Zr: Ti = 1: 0.5: 0.5. The alkoxide sol is mixed with xylene, and the alkoxide sol is mixed with the PZT powder having an average particle diameter of 2 μm and kneaded by a ball mill to obtain an alkoxide sol-PZT mixed dispersion (slurry viscous liquid A). It was.

また第1のマスク部材として、SUS304からなる厚み100μmの20cm×20cm角の方形状薄板を用意した。この第1のマスク部材薄板には、それぞれ8mm×8mm角の開口部を、それぞれ間隔を置いてマトリックス状に合計200個形成しておいた。なお隣り合う開口部の相互間の間隔は、第1のマスク部材薄板の方形の一方の辺に平行な方向では2mmとして、その方向に20個の開口部が並ぶように、また、その辺に直交する方向では16mmとして、その方向に10個の開口部が並ぶようにした。   As a first mask member, a 20 cm × 20 cm square thin plate made of SUS304 and having a thickness of 100 μm was prepared. A total of 200 openings of 8 mm × 8 mm square were formed on the first mask member thin plate in a matrix at intervals. The interval between adjacent openings is 2 mm in a direction parallel to one side of the square of the first mask member thin plate, so that 20 openings are arranged in that direction, and on that side. In the orthogonal direction, it was set to 16 mm, and 10 openings were arranged in that direction.

その第1のマスク部材を、最終的に200個の超音波厚みセンサの各第1の電極となるべきSUS304からなる厚み25μmの金属薄板(20cm×20cm角の方形状)の一方の板面に重ね合わせた。そいて前述のアルコキシドゾルーPZT混合分散液(スラリー)を、エアースプレーによって第1のマスク部材の板面上に塗布して、各開口部内にスラリーを充填して、自然乾燥により乾燥させた。なお実際にはこの操作を複数回繰り返して、乾燥後の厚みが100μmとなるようにした。   The first mask member is placed on one plate surface of a 25 μm-thick metal thin plate (20 cm × 20 cm square shape) made of SUS304 that will eventually become the first electrodes of the 200 ultrasonic thickness sensors. Superimposed. Then, the aforementioned alkoxide sol-PZT mixed dispersion (slurry) was applied onto the plate surface of the first mask member by air spray, the slurry was filled into each opening, and dried by natural drying. In practice, this operation was repeated several times so that the thickness after drying was 100 μm.

その後、第1のマスク部材を除去して、第1の電極となるべき金属薄板上に、2mmもしくは16mmの間隔を置いてマトリックス状に合計200個所に区分焼結原料層が分散形成されている状態とした。   After that, the first mask member is removed, and the divided sintering raw material layers are dispersedly formed in a total of 200 locations in a matrix at intervals of 2 mm or 16 mm on the metal thin plate to be the first electrode. It was in a state.

次いで、焼成工程として、700℃で熱処理を行うことにより、区分焼結原料層を焼き付けた。具体的には、電気炉に入れ、大気雰囲気にて昇温速度2℃/minで700℃まで加熱し、700℃において1時間保持したのち、炉令した。これにより、SUS304からなる金属薄板の板面上に、焼成されたPZTからなる厚み60μmの区分焼結体層が、間隔を置いて合計200箇所に焼き付けられたものが得られた。   Next, as a firing step, the sectioned sintered material layer was baked by performing a heat treatment at 700 ° C. Specifically, it was put into an electric furnace, heated to 700 ° C. at a heating rate of 2 ° C./min in an air atmosphere, held at 700 ° C. for 1 hour, and then the furnace age was given. As a result, on the plate surface of the thin metal plate made of SUS304, a sintered sintered body layer made of fired PZT having a thickness of 60 μm was baked at a total of 200 locations at intervals.

一方、第2のマスク部材として、SUS304からなる厚み50μmの20cm×20cm角の方形状薄板を用意した。この第2のマスク部材薄板には、予めそれぞれ前記各区分焼結体層の中央に対応する位置に、5mm丸の開口部を、合計200個形成しておき、それを各区分焼結体層の上面側に重ね合わせた。そして、スキージを用いて第2のマスク部材の表面に第2の電極用の銀ペーストを塗布し、各開口部内に銀ペーストを充填した後、500℃で焼き付け、各区分焼結体層の表面に平均厚み20μmの第2の電極(銀電極)を形成した。
このようにして、200個の超音波厚みセンサの第1の電極となるべきSUS304製の金属の表面の200箇所にそれぞれPZT焼結体からなる区分焼結体層がマトリックス状に形成されかつ各区分焼結体層の表面に第2の電極としての銀電極が形成された積層体を得た。なお各焼結体層の密度は、約75%であった。
On the other hand, as a second mask member, a 20 cm × 20 cm square thin plate made of SUS304 and having a thickness of 50 μm was prepared. In this second mask member thin plate, a total of 200 5 mm round openings are formed in advance at positions corresponding to the centers of the respective divided sintered body layers. Overlaid on the upper surface side. Then, a silver paste for the second electrode is applied to the surface of the second mask member using a squeegee, and the silver paste is filled in each opening, and then baked at 500 ° C., and the surface of each sectioned sintered body layer A second electrode (silver electrode) having an average thickness of 20 μm was formed.
In this way, the divided sintered body layers made of PZT sintered bodies are respectively formed in a matrix at 200 locations on the surface of the metal made of SUS304 to be the first electrodes of 200 ultrasonic thickness sensors. A laminate was obtained in which a silver electrode as a second electrode was formed on the surface of the sectioned sintered body layer. The density of each sintered body layer was about 75%.

次いでその積層体の全体を、それぞれSUS304からなる一対の分極処理用電極で挟み、300Vの直流電圧を加える分極処理を1分間実施した。
その後、金属薄板を、それぞれが一つの区分焼結体層を含むように、1cm×2cmの大きさに分断し、さらに第1の電極(分断後の金属薄板)と第2の電極(銀)のそれぞれにリード線を導電ペーストにより接着し、合計200個の超音波厚みセンサを得た。
Next, the entire laminate was sandwiched between a pair of electrodes for polarization treatment each made of SUS304, and polarization treatment for applying a DC voltage of 300 V was performed for 1 minute.
Thereafter, the metal thin plate is divided into a size of 1 cm × 2 cm so that each includes one sectioned sintered body layer, and further a first electrode (metal thin plate after division) and a second electrode (silver). A total of 200 ultrasonic thickness sensors were obtained by bonding a lead wire to each of them with a conductive paste.

各超音波厚みセンサについて、d33メータを用いて分極状況(圧電定数d33)を調べたところ、いずれも良好に分極されていることが確認された。また実際に超音波厚みセンサとして、ステンレス鋼製の外径10cm、肉厚8mmの管の管壁に、接着剤として銀ペーストを用いて貼り付け、管壁の厚み測定を行なったところ、いずれも良好に作動しかつ正しく厚みが測定されることが確認された。   When the polarization state (piezoelectric constant d33) was examined for each ultrasonic thickness sensor using a d33 meter, it was confirmed that all were polarized well. In addition, as an ultrasonic thickness sensor, the thickness of the tube wall was measured by attaching it to a tube wall of a stainless steel tube having an outer diameter of 10 cm and a wall thickness of 8 mm using a silver paste as an adhesive. It was confirmed that it worked well and the thickness was measured correctly.

この実施例2は、焼結原料の前記粘性液状物Bとして、酸化物原料混合加熱法により製造した比較的粗大なPZT粉末と、アルコキシド分解法によって製造されたPZT微粉末との混合物を分散媒に分散させたペーストを用い、200個の超音波厚みセンサを同時に製造した実施例である。   In Example 2, a mixture of a relatively coarse PZT powder produced by an oxide raw material mixing heating method and a PZT fine powder produced by an alkoxide decomposition method is used as the viscous liquid material B of the sintering raw material. This is an example in which 200 ultrasonic thickness sensors were manufactured at the same time by using the paste dispersed in.

すなわち、先ずPZT微粉末をアルコキシド分解法で調製した。具体的には、鉛アルコキシドとして鉛ジイソプロキシド、ジルコニウムアルコキシドとしてジルコニウムテトラブトキシド、チタンアルコキシドとしてチタンテトライソプロポキシドを用意し、これらをPb:Zr:Ti=1:0.5:0.5の割合になるように配合して、50℃で水を加えて加水分解し、平均粒径が0.15μmのアルコキシド分解PZT微粉末を得た。   That is, first, PZT fine powder was prepared by an alkoxide decomposition method. Specifically, lead diisoproxide is prepared as lead alkoxide, zirconium tetrabutoxide is prepared as zirconium alkoxide, and titanium tetraisopropoxide is prepared as titanium alkoxide, and these are in a ratio of Pb: Zr: Ti = 1: 0.5: 0.5. The resulting mixture was hydrolyzed by adding water at 50 ° C. to obtain an alkoxide-decomposed PZT fine powder having an average particle size of 0.15 μm.

一方、比較的粗大なPZT粉末用の原料粉末として、酸化鉛(PbO)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)の粉末を用意し、これらを、PbO:1モル、ZrO:0.5モル、TiO:0.5モルの割合で配合し、溶媒をエタノール、分散剤をポリエチレンイミンとして、ボールミルにより24時間湿式混練し、スラリーとした。そのスラリーを乾燥させて混合粉末塊とした後、アルミナるつぼに入れて、アルミナの蓋をし、850℃、10時間の熱処理(仮焼成)を行い、ペロブスカイト型結晶構造を有するPZT粉末塊を得た。そのPZT粉末塊を粉砕し、300ミクロンの篩いを通過させたものをボールミルに入れ、エタノール中で、ジルコニアボールを粉砕媒体として24時間粉砕することにより、平均粒径2μmのPZT粉末とし、乾燥させた。 On the other hand, lead oxide (PbO), titanium oxide (TiO 2 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ) powders are prepared as raw material powders for relatively coarse PZT powder, and these are prepared as PbO: 1 mol, ZrO 2 : 0.5 mol, TiO 2 : 0.5 mol was blended, the solvent was ethanol, the dispersant was polyethyleneimine, and wet kneaded for 24 hours with a ball mill to obtain a slurry. The slurry is dried to form a mixed powder lump, which is then placed in an alumina crucible, covered with alumina, and subjected to heat treatment (temporary firing) at 850 ° C. for 10 hours to obtain a PZT powder lump having a perovskite crystal structure. It was. The PZT powder mass is pulverized, put through a 300 micron sieve into a ball mill, and pulverized in ethanol using zirconia balls as a pulverization medium for 24 hours to obtain a PZT powder having an average particle size of 2 μm and dried. It was.

前述のようにして得られた平均粒径0.15μmのアルコキシド分解PZT微粉末と、平均粒径2μmのPZT粉末とを、同じ金属成分で比較して、PZT粉末1モルに対しアルコキシド分解PZT微粉末0.3モルの割合で混合し、分散媒(溶剤)としてブチルカルビトールを加えて混錬し、ペースト(粘性液状物B)を得た。   The alkoxide-decomposed PZT fine powder having an average particle size of 0.15 μm and the PZT powder having an average particle size of 2 μm obtained as described above were compared with the same metal component. The powder was mixed at a ratio of 0.3 mol, and butyl carbitol was added as a dispersion medium (solvent) and kneaded to obtain a paste (viscous liquid B).

また第1のマスク部材として、実施例1と同様な開口部を有するSUS304からなる方形薄板(開口部数200)を用意し、また第1の電極となるべき金属薄板としても。第1の実施例と同様なSUS304製のものを用意し、実施例1と同様に重ねて、前記ペースト(粘性液状物B)を、スキージを用いて第1のマスク部材上に塗布し、第1のマスクの各開口部にペーストを充填して、自然乾燥させた後、第1のマスク部材を除去して、合計200箇所に区分焼結原料層が分散形成された状態とした。その後、実施例1と同様に加熱して焼成して、各区分焼結原料層をPZTの区分焼結体層とした。さらに実施例1と同様な第2のマスク部材を用いて、銀ペーストの塗布、焼付けにより各区分焼結体層上に第2の電極を形成し、得られた積層体について、実施例1と同様にして一括分極処理を施し、その後、200個に分離切断後、リード線を取り付けて、200個の超音波厚みセンサを得た。   Also, as the first mask member, a rectangular thin plate (opening number 200) made of SUS304 having an opening similar to that of the first embodiment is prepared, and also as a metal thin plate to be the first electrode. A SUS304 product similar to that of the first example is prepared, and the paste (viscous liquid material B) is applied onto the first mask member using a squeegee, overlaid in the same manner as in Example 1, Each opening of one mask was filled with paste and allowed to dry naturally, and then the first mask member was removed to form a state in which the divided sintered raw material layers were dispersedly formed at a total of 200 locations. Then, it heated and baked similarly to Example 1, and each division sintering raw material layer was used as the division sintered compact layer of PZT. Furthermore, using the same 2nd mask member as Example 1, a 2nd electrode is formed on each division | segmentation sintered compact layer by application | coating and baking of a silver paste, About Example 1 and In the same manner, a collective polarization process was performed, and then 200 pieces were separated and cut, and then lead wires were attached to obtain 200 ultrasonic thickness sensors.

分極処理後の各超音波厚みセンサについて、d33メータを用いて分極状況を調べたところ、良好に分極されていることが確認され、また実際に超音波厚みセンサとして、ステンレス鋼製の外径10cm、肉厚8mmの管の管壁に、接着剤として金ペーストを用いて貼り付け、管壁の厚み測定を行なったところ、良好に作動しかつ正しく厚みが測定されることが確認された。   As for each ultrasonic thickness sensor after the polarization treatment, the polarization state was examined using a d33 meter. As a result, it was confirmed that the polarization was satisfactorily polarized, and the ultrasonic thickness sensor was actually made of stainless steel with an outer diameter of 10 cm. When the thickness of the tube wall was measured by adhering it to the tube wall of a tube having a thickness of 8 mm using a gold paste as an adhesive, it was confirmed that the tube worked well and the thickness was measured correctly.

この実施例3は、焼結原料の前記粘性液状物Cとして、酸化物系圧電材料からなる平均粒径が0.15〜0.25μmの超微粉末を分散媒に分散させたペーストを用いて、200個の超音波厚みセンサを同時に製造した実施例である。   This Example 3 uses a paste in which an ultrafine powder having an average particle size of 0.15 to 0.25 μm made of an oxide piezoelectric material is dispersed in a dispersion medium as the viscous liquid C as a raw material for sintering. This is an example in which 200 ultrasonic thickness sensors were manufactured at the same time.

すなわち、PZT用の原料粉末として、酸化鉛(PbO)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)の粉末を用意し、これらを、PbO:1モル、ZrO:0.5モル、TiO:0.5モルの割合で配合するとともに、溶媒をエタノール、分散剤をポリエチレンイミンとして、ボールミルを用いて混練してスラリーとし、そのスラリーを乾燥させて、混合粉末塊を得た。その混合粉末塊をアルミナるつぼに入れ、アルミナの蓋をした状態で、850℃10時間加熱(仮焼成)することにより、ペロブスカイト型結晶構造を有するPZT粉末を得た。
そのPZT粉末を粗粉砕したのち、ボールミルを用いて、平均粒径2.2μmの粉末を得た。次に、その粉末を、湿式ビーズミルを用いて、平均粒径0.2μmとなるまで粉砕した。なお湿式ビーズミルにおけるビーズ(粉砕媒体)としては、粒径0.5mmのジルコニアを用い、また分散媒としては水を用いた。
得られた超微粉スラリーを乾燥して、平均粒径0.2μmのPZT超微粉末を得た。
このPZT超微粉末に、分散媒としてブチルカルビトールを添加して、3本ロールミルで混練することにより、超微粉末のペースト(粘性液状物C)を得た。
That is, as a raw material powder for PZT, lead oxide (PbO), titanium oxide (TiO 2 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ) powders are prepared, and these are prepared as PbO: 1 mol, ZrO 2 : 0.5 mol, TiO 2 : blended at a ratio of 0.5 mol, kneaded with a ball mill using a solvent as ethanol and a dispersant as polyethyleneimine, and dried to obtain a mixed powder lump. The mixed powder lump was placed in an alumina crucible and heated (pre-baked) at 850 ° C. for 10 hours with the alumina covered, to obtain PZT powder having a perovskite crystal structure.
After coarsely pulverizing the PZT powder, a powder having an average particle size of 2.2 μm was obtained using a ball mill. Next, the powder was pulverized to a mean particle size of 0.2 μm using a wet bead mill. Note that zirconia having a particle diameter of 0.5 mm was used as beads (grinding medium) in the wet bead mill, and water was used as the dispersion medium.
The obtained ultrafine powder slurry was dried to obtain PZT ultrafine powder having an average particle size of 0.2 μm.
By adding butyl carbitol as a dispersion medium to the PZT ultrafine powder and kneading with a three roll mill, an ultrafine powder paste (viscous liquid C) was obtained.

また第1のマスク部材として、実施例1と同様な開口部を有するSUS304からなる方形薄板(開口部数200)を用意し、また第1の電極となるべき金属薄板としても。第1の実施例と同様なSUS304製のものを用意し、実施例1と同様に重ねて、前記ペースト(粘性液状物C)を、スキージを用いて第1のマスク部材上に塗布し、第1のマスクの各開口部にペーストを充填して、温風乾燥(40℃空気送風)させた後、第1のマスク部材を除去して、合計200箇所に区分焼結原料層が分散形成された状態とした。その後、実施例1と同様に加熱して焼成して、各区分焼結原料層をPZTの区分焼結体層とした。さらに実施例1と同様な第2のマスク部材を重ね、スキージにより銀ペーストを塗布し、焼付けて各区分焼結体層上に第2の電極を形成し、得られた積層体について、実施例1と同様にして一括分極処理を施し、その後、200個に分離切断後、リード線を取り付けて、200個の超音波厚みセンサを得た。   Also, as the first mask member, a rectangular thin plate (opening number 200) made of SUS304 having an opening similar to that of the first embodiment is prepared, and also as a metal thin plate to be the first electrode. A SUS304 product similar to that of the first embodiment is prepared, and the paste (viscous liquid C) is applied onto the first mask member using a squeegee, and stacked in the same manner as in the first embodiment. After filling each opening of 1 mask with paste and drying with warm air (40 ° C. air blowing), the first mask member is removed, and the divided sintered raw material layers are dispersedly formed at a total of 200 locations. It was in the state. Then, it heated and baked similarly to Example 1, and each division sintering raw material layer was used as the division sintered compact layer of PZT. Further, a second mask member similar to that in Example 1 is overlaid, a silver paste is applied with a squeegee, and baked to form a second electrode on each sectioned sintered body layer. In the same manner as in No. 1, a collective polarization process was performed, and then 200 pieces were separated and cut, and then lead wires were attached to obtain 200 ultrasonic thickness sensors.

分極処理後の各超音波厚みセンサについて、d33メータを用いて分極状況を調べたところ、良好に分極されていることが確認され、また実際に超音波厚みセンサとして、ステンレス鋼製の外径10cm、肉厚8mmの管の管壁に、接着剤として金ペーストを用いて貼り付け、管壁の厚み測定を行なったところ、良好に作動しかつ正しく厚みが測定されることが確認された。   As for each ultrasonic thickness sensor after the polarization treatment, the polarization state was examined using a d33 meter. As a result, it was confirmed that the polarization was satisfactorily polarized, and the ultrasonic thickness sensor was actually made of stainless steel with an outer diameter of 10 cm. When the thickness of the tube wall was measured by adhering it to the tube wall of a tube having a thickness of 8 mm using a gold paste as an adhesive, it was confirmed that the tube worked well and the thickness was measured correctly.

この実施例4は、焼結原料の前記粘性液状物Dとして、酸化物系圧電材料粉末、および低融点ガラス粉末としてのビスマス系ガラス粉末を分散媒に分散させたペーストを用いて、200個の超音波厚みセンサを同時に製造した実施例である。   In this Example 4, as the viscous liquid material D of the sintering raw material, 200 pieces of oxide piezoelectric material powder and a paste in which bismuth glass powder as low melting point glass powder was dispersed in a dispersion medium were used. It is the Example which manufactured the ultrasonic thickness sensor simultaneously.

すなわち、先ず酸化物系圧電材料粉末として、実施例1と同様にして平均粒径2.2μmのPZT粉末を調製し、そのPZT粉末を、平均粒径が2.5μmのビスマス系ガラス粉末と混合するとともに、分散媒としてブチルカルビトール系溶剤を加え、ロールミルによって混練して、焼結原料としてのペースト(粘性液状物D)を作成した。ここで、ビスマス系ガラス粉末としては、Bi―SiO系ガラス、すなわちxBi・(100−x)SiOで、x=50mol%のものを用いた。またPZT粉末とビスマス系ガラス粉末との配合割合は、PZT粉末80重量部に対しビスマス系ガラス粉末20重量部とした。なお得られたペーストの粘度は、2000mPa・sであった。 That is, first, as an oxide-based piezoelectric material powder, a PZT powder having an average particle size of 2.2 μm was prepared in the same manner as in Example 1, and the PZT powder was mixed with a bismuth-based glass powder having an average particle size of 2.5 μm. At the same time, a butyl carbitol solvent was added as a dispersion medium and kneaded by a roll mill to prepare a paste (viscous liquid D) as a sintering raw material. Here, as the bismuth-based glass powder, Bi 2 O 3 —SiO 2 -based glass, that is, xBi 2 O 3. (100-x) SiO 2 with x = 50 mol% was used. The blending ratio of the PZT powder and the bismuth glass powder was 20 parts by weight of the bismuth glass powder with respect to 80 parts by weight of the PZT powder. The obtained paste had a viscosity of 2000 mPa · s.

また第1のマスク部材として、実施例1と同様な開口部を有するSUS304からなる方形薄板(開口部数200)を用意し、また第1の電極となるべき金属薄板として、厚み50μmのSUS316製のものを用意し、実施例1と同様に重ねて、前記ペースト(粘性液状物D)を、スキージを用いて第1のマスク部材上に塗布し、第1のマスクの各開口部にペーストを充填して、温風乾燥(40℃の空気を送風)させた後、第1のマスク部材を除去して、合計200箇所に区分焼結原料層が分散形成された状態とした。
その後、電気炉に入れて、大気雰囲気にて昇温速度500℃/hrで500℃まで加熱し、500℃において1時間保持して焼成したのち、炉令した。これにより、第1の電極となるべき金属薄板上の合計200箇所に、焼成されたPZTを主体とする厚み50μmの区分焼結体層が焼き付けられたものが得られた。
Further, as the first mask member, a rectangular thin plate (200 openings) made of SUS304 having the same opening as in Example 1 is prepared, and as a metal thin plate to be the first electrode, a 50 μm thick SUS316 made of SUS316 is prepared. Prepare a paste and apply the paste (viscous liquid D) onto the first mask member using a squeegee, and fill each opening of the first mask with the same paste as in Example 1. Then, after drying with warm air (air at 40 ° C. was blown), the first mask member was removed, and the divided sintered raw material layers were dispersedly formed at a total of 200 locations.
Then, it put into the electric furnace, heated to 500 degreeC with the temperature increase rate of 500 degreeC / hr in the air atmosphere, and hold | maintained at 500 degreeC for 1 hour, it fired, and the furnace age was carried out. Thereby, what obtained by baking the 50-micrometer-thick division | segmentation sintered compact layer which mainly made the fired PZT in the total 200 places on the metal thin plate which should become a 1st electrode was obtained.

さらに実施例1と同様な第2のマスク部材を用いて、銀ペーストの塗布、焼付け(但し焼付け温度は300℃)により各区分焼結体層上に第2の電極を形成し、得られた積層体について、実施例1と同様にして一括分極処理を施し、その後、200個に分離切断後、リード線を取り付けて、200個の超音波厚みセンサを得た。   Furthermore, using the same 2nd mask member as Example 1, the 2nd electrode was formed on each division | segmentation sintered compact layer by application | coating and baking (however, baking temperature is 300 degreeC) of silver paste, and obtained. The laminated body was subjected to collective polarization treatment in the same manner as in Example 1, and then separated and cut into 200 pieces, and then lead wires were attached to obtain 200 ultrasonic thickness sensors.

分極処理後の各超音波厚みセンサについて、d33メータを用いて分極状況を調べたところ、良好に分極されていることが確認され、また実際に超音波厚みセンサとして、ステンレス鋼製の外径10cm、肉厚8mmの管の管壁に、接着剤として金ペーストを用いて貼り付け、管壁の厚み測定を行なったところ、良好に作動しかつ正しく厚みが測定されることが確認された。   As for each ultrasonic thickness sensor after the polarization treatment, the polarization state was examined using a d33 meter. As a result, it was confirmed that the polarization was satisfactorily polarized, and the ultrasonic thickness sensor was actually made of stainless steel with an outer diameter of 10 cm. When the thickness of the tube wall was measured by adhering it to the tube wall of a tube having a thickness of 8 mm using a gold paste as an adhesive, it was confirmed that the tube worked well and the thickness was measured correctly.

この実施例5は、焼結原料の前記粘性液状物Eとして、酸化物系圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散させたペーストを用いて、200個の超音波厚みセンサを同時に製造した実施例である。   This Example 5 is an example in which 200 ultrasonic thickness sensors were manufactured at the same time by using a paste in which an oxide-based piezoelectric material powder was dispersed in a sodium silicate solution as the viscous liquid material E of the sintering raw material. is there.

すなわち、実施例4と同様にして、平均粒径2.2μmのPZT粉末を得、そのPZT粉末を、10wt%濃度の珪酸ソーダ溶液に分散、混合させて、焼結原料ペースト(粘性液状物E)を調製した。ここで、珪酸ソーダとしては、NaOに対するSiOのモル比nが1のメタ珪酸ナトリウムNaSiOを用い、またPZT粉末100重量部に対して10wt%濃度の珪酸ソーダ溶液が30重量部となるように混合した。したがってペースト中の珪酸ソーダの割合は、PZT粉末100重量部に対して3重量部程度である。また得られたペーストの粘度は、2000mPa・sであった。
また第1のマスク部材として、実施例1と同様な開口部を有するSUS304からなる方形薄板(開口部数200)を用意し、また第1の電極となるべき金属薄板として、厚み50μmのSUS316製のものを用意し、実施例1と同様に重ねて、前記ペースト(粘性液状物D)を、スキージを用いて第1のマスク部材上に塗布し、第1のマスクの各開口部にペーストを充填して、温風乾燥(40℃の空気を送風)させた後、第1のマスク部材を除去して、合計200箇所に区分焼結原料層が分散形成された状態とした。
その後、電気炉に入れて、大気雰囲気にて昇温速度500℃/hrで500℃まで加熱し、500℃において1時間保持して焼成したのち、炉令した。これにより、第1の電極となるべき金属薄板上の合計200箇所に、焼成されたPZTを主体とする厚み60μmの区分焼結体層が焼き付けられたものが得られた。
That is, in the same manner as in Example 4, a PZT powder having an average particle size of 2.2 μm was obtained, and the PZT powder was dispersed and mixed in a 10 wt% sodium silicate solution to obtain a sintered raw material paste (viscous liquid E ) Was prepared. Here, as sodium silicate, sodium metasilicate Na 2 SiO 3 having a molar ratio n of SiO 2 to Na 2 O of 1 is used, and a 10 wt% sodium silicate solution is 30 wt% with respect to 100 parts by weight of PZT powder. It mixed so that it might become a part. Therefore, the proportion of sodium silicate in the paste is about 3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the PZT powder. Moreover, the viscosity of the obtained paste was 2000 mPa · s.
Further, as the first mask member, a rectangular thin plate (200 openings) made of SUS304 having the same opening as in Example 1 is prepared, and as a metal thin plate to be the first electrode, a 50 μm thick SUS316 made of SUS316 is prepared. Prepare a paste and apply the paste (viscous liquid D) onto the first mask member using a squeegee, and fill each opening of the first mask with the same paste as in Example 1. Then, after drying with warm air (air at 40 ° C. was blown), the first mask member was removed, and the divided sintered raw material layers were dispersedly formed at a total of 200 locations.
Then, it put into the electric furnace, heated to 500 degreeC with the temperature increase rate of 500 degreeC / hr in the air atmosphere, and hold | maintained at 500 degreeC for 1 hour, it fired, and the furnace age was carried out. Thereby, what obtained by baking the sintered sintered body layer with a thickness of 60 μm mainly composed of fired PZT was obtained at a total of 200 locations on the metal thin plate to be the first electrode.

さらに実施例1と同様な第2のマスク部材を用いて、銀ペーストの塗布、焼付け(但し焼付け温度は300℃)により各区分焼結体層上に第2の電極を形成し、得られた積層体について、実施例1と同様にして一括分極処理を施し、その後、200個に分離切断後、リード線を取り付けて、200個の超音波厚みセンサを得た。   Furthermore, using the same 2nd mask member as Example 1, the 2nd electrode was formed on each division | segmentation sintered compact layer by application | coating and baking (however, baking temperature is 300 degreeC) of silver paste, and obtained. The laminated body was subjected to collective polarization treatment in the same manner as in Example 1, and then separated and cut into 200 pieces, and then lead wires were attached to obtain 200 ultrasonic thickness sensors.

分極処理後の各超音波厚みセンサについて、d33メータを用いて分極状況を調べたところ、良好に分極されていることが確認され、また実際に超音波厚みセンサとして、ステンレス鋼製の外径10cm、肉厚8mmの管の管壁に、接着剤として金ペーストを用いて貼り付け、管壁の厚み測定を行なったところ、良好に作動しかつ正しく厚みが測定されることが確認された。   As for each ultrasonic thickness sensor after the polarization treatment, the polarization state was examined using a d33 meter. As a result, it was confirmed that the polarization was satisfactorily polarized, and the ultrasonic thickness sensor was actually made of stainless steel with an outer diameter of 10 cm. When the thickness of the tube wall was measured by adhering it to the tube wall of a tube having a thickness of 8 mm using a gold paste as an adhesive, it was confirmed that the tube worked well and the thickness was measured correctly.

この実施例6は、焼結原料の前記粘性液状物Aとして、実施例1と同様に、酸化物系圧電材料粉末としてのPZT粉末と、PZTの金属成分のアルコキシドゾルとの混合物のスラリーを用い、200個の超音波厚みセンサを同時に製造した場合の実施例である。
この実施例6において、焼結原料としてのスラリー(粘性液状物)としては、実施例1と同じものを用い、また最終的に得るべき多数の超音波厚みセンサの第1の電極となるべき金属薄板としても、実施例1と同様なSUS304製のものを用いた。
一方、第1のマスク部材としては、SUS304からなる厚み50μmの30cm×30cm角の方形状薄板を用い、開口部の大きさおよび配置を実施例1とは異ならしめた。すなわち、最終的に得るべき超音波厚みセンサの焼結体層10個分に相当する開口部(それぞれ10mm丸)を、合計20列、それぞれ5mmの間隔を置いて配列形成しておいた。
In Example 6, as the viscous liquid material A of the sintering raw material, a slurry of a mixture of PZT powder as an oxide-based piezoelectric material powder and an alkoxide sol of a metal component of PZT is used as in Example 1. This is an example when 200 ultrasonic thickness sensors are manufactured at the same time.
In this Example 6, as the slurry (viscous liquid) as the sintering raw material, the same one as in Example 1 is used, and the metal to be the first electrode of many ultrasonic thickness sensors to be finally obtained A thin plate made of SUS304 as in Example 1 was also used.
On the other hand, as the first mask member, a 50 cm thick 30 cm × 30 cm square thin plate made of SUS304 was used, and the size and arrangement of the openings were different from those in Example 1. That is, openings (10 mm circles) corresponding to 10 sintered body layers of the ultrasonic thickness sensor to be finally obtained were arranged in a total of 20 rows at intervals of 5 mm.

そしてこのような第1のマスク部材を用いて、実施例1と同様に、スラリーの塗布、乾燥、第1のマスク部材の除去、および分極処理を行った。その後の分離工程では、10個の超音波センサに相当する一つの区分焼結体層が10片に分断されるように、各区分焼結体層ごと金属薄板を分断して、合計200個の超音波厚みセンサを得た。
この場合も、実施例1によるものと同様に、分極特性に問題は無く、かつ湾曲部分での厚み測定に支障なく適用できることが確認された。
And using such a 1st mask member, like Example 1, application | coating of a slurry, drying, the removal of a 1st mask member, and the polarization process were performed. In the subsequent separation step, the metal thin plate is divided for each sectioned sintered body layer so that one sectioned sintered body layer corresponding to 10 ultrasonic sensors is divided into 10 pieces, for a total of 200 pieces. An ultrasonic thickness sensor was obtained.
In this case as well, it was confirmed that there was no problem in the polarization characteristics as in the case of Example 1, and that it could be applied to the thickness measurement at the curved portion without any trouble.

以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。   The preferred embodiments and examples of the present invention have been described above. However, these embodiments and examples are merely examples within the scope of the present invention, and do not depart from the spirit of the present invention. Thus, addition, omission, replacement, and other changes of the configuration are possible. That is, the present invention is not limited by the above description, is limited only by the scope of the appended claims, and can be appropriately changed within the scope.

1 金属薄板
3 第1のマスク部材
5 第1の開口部
7 区分焼結原料層
9 区分焼結体層
11 第2のマスク部材
13 第2の開口部
15 第2の電極
17A、17B 分極処理用電極
21 超音波厚みセンサ
31 第1の電極
33 焼結体層
41 厚さ測定対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal thin plate 3 1st mask member 5 1st opening part 7 Section sintered raw material layer 9 Section sintered body layer 11 2nd mask member 13 2nd opening part 15 2nd electrode 17A, 17B For polarization processing Electrode 21 Ultrasonic thickness sensor 31 First electrode 33 Sintered body layer 41 Thickness measurement object

Claims (18)

それぞれ酸化物系圧電材料を含む焼結原料からなる多数の区分焼結原料層を、多数の超音波厚みセンサにおける第1の電極となるべき金属薄板の一方の板面に、間隔を置いて区分形成する区分焼結原料層形成工程と、
前記各区分焼結原料層を一括して加熱することにより焼結原料を焼成し、これによってそれぞれ密度が70〜80%の範囲内の酸化物系圧電材料の焼結体からなる多数の区分焼結体層を前記板面上に間隔を置いて形成する焼成工程と、
前記各区分焼結体層の表面に、それぞれ第2の電極を形成する第2電極形成工程と、
前記金属薄板の他方の板面と多数の第2の電極の表面との間に電位差を与えて、前記多数の区分焼結体層を分極処理する分極処理工程と、
分極処理後に、少なくとも隣り合う区分焼結体層の間で前記金属薄板を厚み方向に切断して、それぞれ焼結体層を有する多数の超音波センサを一括して分離形成する分離工程と、
を有してなることを特徴とする超音波厚みセンサの製造方法。
A plurality of divided sintering raw material layers each made of a sintering raw material each containing an oxide-based piezoelectric material are divided at intervals on one plate surface of a thin metal plate to be the first electrode in a number of ultrasonic thickness sensors. A step of forming a divided sintered raw material layer to be formed;
The sintered raw materials are fired by heating each of the divided sintered raw material layers at once, whereby a plurality of divided sintered materials each comprising a sintered body of an oxide-based piezoelectric material having a density in the range of 70 to 80%. A firing step of forming a bonded layer on the plate surface at an interval;
A second electrode forming step of forming a second electrode on the surface of each sectioned sintered body layer,
A polarization treatment step of applying a potential difference between the other plate surface of the metal thin plate and the surfaces of a plurality of second electrodes to polarize the plurality of segmented sintered body layers;
After the polarization treatment, a separation step in which the metal thin plate is cut in the thickness direction between at least adjacent divided sintered body layers, and a plurality of ultrasonic sensors each having a sintered body layer are separately formed.
The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor characterized by having.
前記焼結原料として、酸化物系圧電材料を含む粘性液状物を用い、前記区分焼結原料層形成工程において、その粘性液状物を、前記金属薄板の一方の板面に間隔を置いて層状に付着させることによって、前記各区分焼結原料層を形成することを特徴とする請求項1に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   A viscous liquid material containing an oxide-based piezoelectric material is used as the sintering raw material, and the viscous liquid material is layered at an interval on one plate surface of the metal thin plate in the step of forming the divided sintering raw material layer. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 1, wherein each of the divided sintered raw material layers is formed by adhering. 厚み方向に貫通する多数の第1開口部が間隔を置いて形成されてなる第1のマスク部材を予め用意しておき、前記区分焼結原料層形成工程において、前記第1のマスク部材を、前記金属薄板の一方の板面に重ね、第1のマスク部材の表面側に前記粘性液状物を塗布もしくはスプレーすることにより、第1のマスク部材の各開口部内に粘性液状物を充填し、これにより粘性液状物からなる多数の区分焼結原料層を、前記金属薄板における前記一方の板面に間隔を置いて形成することを特徴とする請求項2に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   A first mask member in which a large number of first openings penetrating in the thickness direction are formed at an interval is prepared in advance, and in the step of forming a sectioned sintered material layer, the first mask member is The viscous liquid material is filled in each opening of the first mask member by applying or spraying the viscous liquid material on one surface of the metal thin plate and applying or spraying the viscous liquid material to the surface side of the first mask member. 3. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 2, wherein a plurality of divided sintering raw material layers made of a viscous liquid material are formed on the one plate surface of the metal thin plate at an interval. 前記焼結原料層区分形成工程終了後、前記第2電極形成工程開始前までの段階において前記第1のマスク部材を金属薄板の前記一方の板面から除去することを特徴とする請求項3に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   4. The method according to claim 3, wherein the first mask member is removed from the one plate surface of the metal thin plate in a stage after the sintering raw material layer section forming step is completed and before the second electrode forming step is started. The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of description. 厚み方向に貫通しかつそれぞれ前記各区分焼結体層の表面のそれぞれの少なくとも一部に対応する多数の第2の開口部が形成された第2のマスク部材を予め用意しておき、前記第2電極形成工程において、第2のマスク部材を前記多数の区分焼結体層の表面側に重ね、その状態で導電ペーストを第2のマスク部材の表面側に塗布して、その導電ペーストを各開口部内に充填し、焼き付けることによって、各区分焼結体層の表面にそれぞれ第2の電極を形成することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   A second mask member is prepared in advance, which penetrates in the thickness direction and is formed with a plurality of second openings corresponding to at least a part of the surface of each of the respective divided sintered body layers. In the two-electrode forming step, the second mask member is overlaid on the surface side of the multiple sectioned sintered body layers, and in this state, the conductive paste is applied to the surface side of the second mask member, The ultrasonic wave according to any one of claims 1 to 4, wherein a second electrode is formed on the surface of each sectioned sintered body layer by filling and baking in the opening. Manufacturing method of thickness sensor. 前記分極処理工程において、前記金属薄板の他方の板面と多数の第2の電極の表面との間を、一対の分極処理用電極で挟み、金属薄板と各第2の電極との間に一括して電位差を与えて、前記多数の区分焼結体層を一括して分極処理することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   In the polarization treatment step, the other plate surface of the metal thin plate and the surfaces of a large number of second electrodes are sandwiched between a pair of polarization treatment electrodes, and the metal thin plate and each second electrode are collectively The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 1, wherein a potential difference is applied and the plurality of sectioned sintered body layers are collectively polarized. . 前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、平均粒径が1〜10μmの範囲内の酸化物系圧電材料粉末と、その酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドゾルとを混合したものを用いることを特徴とする請求項2に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   A mixture of an oxide piezoelectric material powder having an average particle size in the range of 1 to 10 μm and an alkoxide sol of a metal component of the oxide piezoelectric material as the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 2, wherein the ultrasonic thickness sensor is used. 前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、平均粒径1〜10μmの酸化物系圧電材料粉末と、酸化物圧電材料の金属成分のアルコキシドの分解による平均粒径0.1〜1.0μmの微粉末とを分散媒に分散させたスラリーもしくはペーストを用いることを特徴とする請求項2に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   As the viscous liquid material containing the oxide-based piezoelectric material, an oxide-based piezoelectric material powder having an average particle size of 1 to 10 μm and an average particle size of 0.1 to 1.0 μm by decomposition of the metal component alkoxide of the oxide piezoelectric material. A method for producing an ultrasonic thickness sensor according to claim 2, wherein a slurry or paste in which a fine powder of the above is dispersed in a dispersion medium is used. 前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、酸化物系圧電材料からなる平均粒径が0.15〜0.25μmの超微粉末を分散媒に分散させたスラリーもしくはペーストを用いることを特徴とする請求項2に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   As the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material, a slurry or paste in which an ultrafine powder having an average particle diameter of 0.15 to 0.25 μm made of an oxide piezoelectric material is dispersed in a dispersion medium is used. The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of Claim 2. 前記焼成工程における加熱温度を、600〜800℃の範囲内として、密度が70〜80%の範囲内の区分焼結体層を得ることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   The heating temperature in the firing step is set in a range of 600 to 800 ° C, and a sectioned sintered body layer having a density in a range of 70 to 80% is obtained. The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of Claim. 前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、酸化物系圧電材料粉末および低融点ガラス粉末を分散媒に分散させたスラリーもしくはペーストを用いることを特徴とする請求項2に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   The ultrasonic thickness according to claim 2, wherein a slurry or paste in which an oxide piezoelectric material powder and a low-melting glass powder are dispersed in a dispersion medium is used as the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material. Sensor manufacturing method. 前記低融点ガラス粉末が、ビスマス系ガラス粉末であることを特徴とする請求項11に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 11, wherein the low melting point glass powder is a bismuth-based glass powder. 前記酸化物系圧電材料を含む粘性液状物として、酸化物系圧電材料粉末を珪酸ソーダ溶液に分散させたペーストを用いることを特徴とする請求項2に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   3. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 2, wherein a paste in which an oxide piezoelectric material powder is dispersed in a sodium silicate solution is used as the viscous liquid material containing the oxide piezoelectric material. 前記焼成工程における加熱温度を、450〜550℃の範囲内として、密度が70〜80%の範囲内の区分焼結体層を得ることを特徴とする請求項11〜請求項13のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   The heating temperature in the firing step is set within a range of 450 to 550 ° C, and a sectioned sintered body layer having a density within a range of 70 to 80% is obtained. The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of Claim. 前記金属薄板として、その厚みが10〜150μmの範囲内のものを用い、また前記区分焼結体層を、その厚みが30〜150μmの範囲内となるように形成し、さらに前記第2の電極を、その厚みが、10〜100μmの範囲内となるように形成することを特徴とする請求項1〜請求項14のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   The metal thin plate having a thickness in the range of 10 to 150 μm is used, the sectioned sintered body layer is formed so that the thickness is in the range of 30 to 150 μm, and the second electrode The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to any one of claims 1 to 14, wherein the thickness is formed in a range of 10 to 100 µm. 前記酸化物系圧電材料として、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物系圧電材料を用いることを特徴とする請求項1〜請求項15のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   The method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to any one of claims 1 to 15, wherein an oxide piezoelectric material having a perovskite crystal structure is used as the oxide piezoelectric material. 前記前記酸化物系圧電材料として、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料を用いることを特徴とする請求項16に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   17. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 16, wherein a lead zirconate titanate piezoelectric material is used as the oxide piezoelectric material. 前記第1の電極としてステンレス鋼の薄板を用いることを特徴とする請求項1〜請求項17のいずれかの請求項に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to any one of claims 1 to 17, wherein a thin plate of stainless steel is used as the first electrode.
JP2012031840A 2012-02-16 2012-02-16 Process of manufacturing supersonic thickness sensor Pending JP2013168573A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012031840A JP2013168573A (en) 2012-02-16 2012-02-16 Process of manufacturing supersonic thickness sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012031840A JP2013168573A (en) 2012-02-16 2012-02-16 Process of manufacturing supersonic thickness sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013168573A true JP2013168573A (en) 2013-08-29

Family

ID=49178749

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012031840A Pending JP2013168573A (en) 2012-02-16 2012-02-16 Process of manufacturing supersonic thickness sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013168573A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015115465A (en) * 2013-12-11 2015-06-22 三菱重工業株式会社 Method for manufacturing piezoelectric sensor, piezoelectric sensor, and piezoelectric device
WO2016208425A1 (en) * 2015-06-24 2016-12-29 国立大学法人 熊本大学 High-frequency ultrasonic piezoelectric element, method for manufacturing same, and high-frequency ultrasonic probe including same
JP2018059800A (en) * 2016-10-05 2018-04-12 株式会社Ihi Flexible probe sensitivity calibration method, and ultrasonic wave flaw detection-purpose reference test piece as well as ultrasonic wave flaw detection method
JP2021012942A (en) * 2019-07-05 2021-02-04 本多電子株式会社 Ultrasonic transducer and manufacturing method thereof
JP2022040175A (en) * 2018-06-29 2022-03-10 富士フイルム株式会社 Ultrasonic diagnostic apparatus and operation method for ultrasonic diagnostic apparatus

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015115465A (en) * 2013-12-11 2015-06-22 三菱重工業株式会社 Method for manufacturing piezoelectric sensor, piezoelectric sensor, and piezoelectric device
WO2016208425A1 (en) * 2015-06-24 2016-12-29 国立大学法人 熊本大学 High-frequency ultrasonic piezoelectric element, method for manufacturing same, and high-frequency ultrasonic probe including same
JP2017011144A (en) * 2015-06-24 2017-01-12 国立大学法人 熊本大学 High-frequency ultrasonic piezoelectric element, manufacturing method thereof, and high-frequency ultrasonic probe including the same
TWI693731B (en) * 2015-06-24 2020-05-11 國立大學法人熊本大學 High-frequency ultrasound piezoelectric element, manufacturing method thereof and the high-frequency ultrasound probe comprising the high-frequency ultrasound piezoelectric element
JP2018059800A (en) * 2016-10-05 2018-04-12 株式会社Ihi Flexible probe sensitivity calibration method, and ultrasonic wave flaw detection-purpose reference test piece as well as ultrasonic wave flaw detection method
JP2022040175A (en) * 2018-06-29 2022-03-10 富士フイルム株式会社 Ultrasonic diagnostic apparatus and operation method for ultrasonic diagnostic apparatus
US11583257B2 (en) 2018-06-29 2023-02-21 Fujifilm Corporation Ultrasound diagnostic apparatus and operation method of ultrasound diagnostic apparatus
JP7355804B2 (en) 2018-06-29 2023-10-03 富士フイルム株式会社 Ultrasonic diagnostic equipment and how to operate the ultrasound diagnostic equipment
JP2021012942A (en) * 2019-07-05 2021-02-04 本多電子株式会社 Ultrasonic transducer and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6012213B2 (en) Polarization treatment method and polarization treatment apparatus for oxide-based inorganic piezoelectric material sintered body for ultrasonic thickness sensor
JP2013168573A (en) Process of manufacturing supersonic thickness sensor
JP5646989B2 (en) Piezoelectric / electrostrictive element and manufacturing method thereof
CN101217180A (en) A preparation method for lead-free piezoelectricity thick film
JP2014040356A (en) Method for manufacturing oxide-based piezoelectric material powder for ultrasonic thickness sensor, oxide-based piezoelectric material powder, method for manufacturing ultrasonic thickness sensor, and ultrasonic thickness sensor
CN109400152A (en) A kind of proof voltage piezoceramic material and preparation method thereof
CN110845230A (en) Ternary-system lead scandium niobate-lead magnesium niobate-lead titanate ceramic and preparation method thereof
JP6049349B2 (en) Method for manufacturing oxide-based piezoelectric material powder for ultrasonic thickness sensor, and method for manufacturing ultrasonic thickness sensor
JP2010153404A (en) Piezoelectric/electrostrictive film element
JP2013239636A (en) Method for manufacturing ultrasonic thickness sensor
CN107216149A (en) A kind of transparent lead-free piezoceramic material and preparation method thereof
JP2014041973A (en) Method of manufacturing oxide-based piezoelectric material powder for ultrasonic thickness sensor, oxide-based piezoelectric material powder, method of manufacturing ultrasonic thickness sensor, and ultrasonic thickness sensor
Choi et al. Co-firing of PZN-PZT/Ag multilayer actuator prepared by tape-casting method
CN105645955B (en) The preparation method of Tetragonal titanium magnesium acid bismuth lead titanate piezoelectric ceramics
JP2013157479A (en) Manufacturing method of supersonic thickness sensor
CN103011815B (en) Ternary ferroelectric sosoloid niobium lutetium lead plumbate lead magnesio-niobate lead titanates
JP2013197300A (en) Manufacturing method of ultrasonic thickness sensor
JP2013143647A (en) Method for manufacturing ultrasonic wave thickness sensor
JP2013143648A (en) Method for manufacturing ultrasonic wave thickness sensor
CN104557023A (en) Piezoelectric material
JP2013187382A (en) Ultrasonic thickness sensor and method of manufacturing the same
JP2013175993A (en) Process of manufacturing ultrasonic thickness sensor
JP2013142582A (en) Manufacturing method of supersonic thickness sensor
JP7061749B2 (en) Manufacturing method of ultrasonic thickness sensor
WO2021192744A1 (en) Dielectric material production method, dielectric material, and ultrasonic sensor