JP2013175993A - Process of manufacturing ultrasonic thickness sensor - Google Patents

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Kazutaka Mori
一剛 森
Ichiro Nagano
一郎 永野
Yuko Yamamoto
裕子 山本
Akihiro Uemoto
章弘 上元
Seiichi Kawanami
精一 川浪
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process of manufacturing an ultrasonic thickness measurement sensor, thin and exhibiting flexibility, and particularly, to prevent a liquid reservoir from being generated during slurry coating in a method of coating a mixture slurry of a comparatively coarse powder of an oxide-based piezoelectric material having an average particle diameter of 1 to 10 μm and alkoxide sol of a metal composition of an oxide-based piezoelectric material onto a metal thin plate which is to be one of electrodes, drying, and baking to form a piezoelectric layer.SOLUTION: In coating the mixture slurry onto the metal thin plate, a coating layer is coated while being heated from the metal thin plate side, a sintering raw material layer is formed by coating and drying at the same time, then the sintering raw material layer is baked to form a thin sintered body layer, comparatively porous and capable of exhibiting flexibility, on a surface of the metal thin plate, and the other electrode is mounted and polarization treatment is performed.

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.

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、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. It is an object of the present invention to provide a method capable of efficiently manufacturing an ultrasonic thickness measurement sensor that can also perform accurate thickness measurement at low cost.

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、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 the 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. I found it.

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またはスラリーを塗布して乾燥させ、支持体(金属薄板)ごと加熱して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、焼結原料として、酸化物系圧電材料(例えばPZT)の粉末と、その圧電材料を構成する金属のアルコキシドゾル(例えばPb、Zr、Tiのアルコキシドゾル)とを混合したスラリーを用いて、金属薄板上にその混合物スラリーを塗布し、乾燥後、焼成すれば、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、その技術について本発明者等は既に別の特許出願により提案している。
Here, in order to form a thin sintered body layer thinly on a thin support that also serves as an electrode as described above, a thin metal plate is used as the support, and the sintered raw material powder paste or It is considered that the slurry is applied and dried, and the whole support (metal thin plate) is heated and fired. 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, as a sintering raw material, a powder of an oxide-based piezoelectric material (for example, PZT) and an alkoxide sol of a metal constituting the piezoelectric material (for example, an alkoxide of Pb, Zr, Ti) If the mixture slurry is applied onto a thin metal plate, dried and fired, it is fired at a temperature much lower than the conventional temperature of about 600 to 800 ° C. or lower. I found it possible to conclude. 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, The inventors have already found out that this is effective in reducing the material cost, and the present inventors have already proposed this technology in another patent application.

具体的には、上記提案による超音波厚みセンサの製造方法では、圧電セラミックの原料となるPZTなどの酸化物系圧電材料(例えばPZT)の平均粒径1〜10μmの粉末(原料粉末)と、その原料粉末の金属成分(例えばPb、Zr、Ti)のアルコキシドのゾルとを混合してスラリーとし、その混合物スラリーを一方の電極(第1の電極)となるべき薄質なステンレスなどの金属薄板の表面に所定の厚みで塗布し、その後、スラリー塗布層を乾燥させてから、加熱、焼成して、比較的ポーラスで可撓性を示し得る焼結体層を金属薄板表面に形成し、その後、他方の電極(第2の電極)の取り付け、更に分極処理を行って、センサ全体として可撓性を示し得るようにした。   Specifically, in the method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to the above proposal, a powder (raw material powder) having an average particle diameter of 1 to 10 μm of an oxide-based piezoelectric material (for example, PZT) such as PZT, which is a raw material of the piezoelectric ceramic, The raw material powder is mixed with a alkoxide sol of a metal component (for example, Pb, Zr, Ti) to form a slurry, and the mixture slurry is a thin metal plate such as thin stainless steel to serve as one electrode (first electrode). Then, the slurry coating layer is dried and then heated and fired to form a relatively porous and flexible sintered body layer on the surface of the metal thin plate. The other electrode (second electrode) was attached and further subjected to polarization so that the entire sensor could exhibit flexibility.

上記提案の方法では、焼成時には、第1の電極としての金属薄板は、乾燥およびその後の焼成時において、塗布層を支持するための支持体として機能する。そのため塗布層の厚みを薄くしても、支障なく焼成することが可能である。またその金属薄板は、厚みセンサとしての使用時においても、第1の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して、焼結体層が剥落することを防止できる。
そして第1の電極となる金属薄板として、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。
In the proposed method, at the time of firing, the metal thin plate as the first electrode functions as a support for supporting the coating layer at the time of drying and subsequent firing. Therefore, even if the coating layer is thin, it can be fired without any trouble. The metal thin plate not only functions as the first electrode even when used as a thickness sensor, but also functions as a support for the sintered body layer (piezoelectric ceramic layer), and the sintered body layer peels off. Can be prevented.
And if the metal thin plate used 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.

さらに、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とを混合してなる混合物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(例えば70〜80%程度)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焼結体層を形成することができる。すなわち、スラリー塗布層を乾燥させた段階(焼成開始直前の段階)では、金属薄板上の塗布層(焼結原料層)は、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末の粒子間の空隙に、同じ金属成分のアルコキシド(もしくはその分解生成物)が、微細粒子の状態で存在しており、焼成時にはそのアルコキシド(もしくはその分解生成物)が焼成されて、酸化物系圧電材料(セラミック)となる。したがってアルコキシドやその分解生成物は、比較的粗大な酸化物圧電材料粉末の粒子間を結合する微細な結合物質(焼結助剤)として機能するため、比較的低温で焼成しても70%以上の密度となり、しかもそれと同時に、アルコキシドの分解生成物自体もPZTなどの酸化物系圧電材料となるため、全体として比較的低密度(70〜80%)でも、焼結層全体として厚みセンサに必要な程度の良好な圧電特性を示すことが可能となるのである。   Further, as a sintering raw material, a relatively coarse powder (average particle diameter of 1 to 10 μm) made of an oxide-based piezoelectric material and an alkoxide sol having the same metal component as that of the oxide-based piezoelectric material are mixed. In the firing step, a sintered body layer having a certain density (for example, about 70 to 80%) even at a relatively low firing temperature (for example, 600 to 800 ° C.) It is possible to form a sintered body layer that can obtain a piezoelectric characteristic that does not hinder the sound wave thickness sensor after the polarization treatment. That is, at the stage where the slurry coating layer is dried (the stage just before the start of firing), the coating layer on the metal thin plate (sintering raw material layer) is in the gaps between the particles of the relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder. The same metal component alkoxide (or decomposition product thereof) is present in the form of fine particles, and the alkoxide (or decomposition product thereof) is baked during firing to form an oxide-based piezoelectric material (ceramic). . Therefore, the alkoxide and its decomposition products function as fine bonding substances (sintering aids) that bond the particles of the relatively coarse oxide piezoelectric material powder. At the same time, the decomposition product of the alkoxide itself becomes an oxide-based piezoelectric material such as PZT, so the entire sintered layer is necessary for the thickness sensor even at a relatively low density (70 to 80%) as a whole. Thus, it is possible to show such good piezoelectric characteristics.

ところで上記の提案の方法について、さらに実用化への実験を進めたところ、混合物スラリーの塗布から、乾燥、焼成の過程で、次のような問題が発生することが判明した。
すなわち、金属薄板上に塗布するスラリーは、平均粒径が1〜10μmの比較的粗大な粉末粒子と、液状のゾル(コロイド溶液)とを混合したものであるため、金属薄板上に塗布してそのまま放置すれば、粉末とゾルとが分離して、局部的に液状のゾルや溶剤成分などが溜まった液状部分(液溜り)が生じやすい。
すなわち、塗布後のスラリーをそのまま水平に静置すれば、理想的な状態では、スラリー中の比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末が、塗布層内において均一に分離、沈降される筈であるが、実際上は、機械的な微振動が加わったり、工程間でのハンドリングやの移送のために揺れが加えられたりし、さらにはこれらの振動と粉末粒子の沈降時の凝集傾向などが相俟って、酸化物系圧電材料粉末粒子が塗布層内で不均一に沈降し、粉末が偏在して集積された部分が生じやすい。逆に言えば、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末が実質的に含まれないゾル成分を主体とする液状部分、すなわち液溜りが局部的に形成されてしまいやすいである。
By the way, as a result of further experiments for practical application of the above proposed method, it has been found that the following problems occur in the course of drying and firing from the application of the mixture slurry.
That is, the slurry applied on the metal thin plate is a mixture of relatively coarse powder particles having an average particle diameter of 1 to 10 μm and a liquid sol (colloid solution). If left as it is, the powder and the sol are separated from each other, and a liquid portion (liquid reservoir) in which a liquid sol or a solvent component is locally accumulated is likely to be generated.
That is, if the slurry after coating is left as it is in a horizontal state, in an ideal state, the relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder in the slurry should be uniformly separated and settled in the coating layer. In practice, however, mechanical micro-vibration is applied, or vibration is applied due to handling and transfer between processes. Therefore, the oxide piezoelectric material powder particles settle unevenly in the coating layer, and a portion where the powder is unevenly distributed and accumulated is likely to occur. Conversely, a liquid portion mainly composed of a sol component that does not substantially contain a relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder, that is, a liquid pool tends to be locally formed.

上述のように液溜りが生じた状態でスラリー塗布層を乾燥させれば、液溜りの部分では、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末が実質的に含まれないため、収縮量が粉末偏在部分と比較して格段に大きくなって、その部分に割れが発生しやすい。そしてその部分に割れが発生した状態でさらに焼成のための加熱を行なえば、割れが一層拡大して、金属薄板から剥離してしまいやすくなる。また液溜りであった部分は、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末が含まれず、乾燥後には、実質的にゾルに由来するアルコキシドもしくはその分解生成物のみが存在する状態となるため、その部分は、焼成後に緻密で高密度の層(アルコキシド分解による緻密な酸化物系圧電材料層)となり、このような緻密な部分は可撓性に劣るため、超音波厚みセンサとしての使用時において金属薄板から焼結体層が剥離してしまいやすくなる。特に湾曲部分の厚み測定のためにセンサを曲げた場合には、上記の液溜りであった緻密な部分から割れが発生して、焼結体層が金属薄板(第1の電極)から剥離してしまいやすくなり、そのため湾曲部分の厚み測定には適用できなくなってしまう。
さらに、前述のように液溜りの部分が乾燥時に大きく収縮すれば、その部分が凹所となるため、表面の凹凸が著しく大きくなり、焼成後もその凹所が残って、焼結体層の厚みが不均一となり、分極処理後の分極特性にも悪影響を与えてしまうおそれがある。
If the slurry coating layer is dried in the state where the liquid pool has occurred as described above, the liquid pool portion is substantially free of the relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder. Compared with the part, it becomes much larger, and the part tends to crack. If the heating for firing is further performed in a state where the crack is generated, the crack is further enlarged and is easily peeled off from the metal thin plate. In addition, the liquid reservoir portion does not include a relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder, and after drying, there is substantially only an alkoxide derived from the sol or a decomposition product thereof. The portion becomes a dense and high-density layer (a dense oxide-based piezoelectric material layer obtained by alkoxide decomposition) after firing, and such a dense portion is inferior in flexibility, so that it is a metal when used as an ultrasonic thickness sensor. The sintered body layer easily peels from the thin plate. In particular, when the sensor is bent to measure the thickness of the curved portion, cracks occur from the dense portion that was the liquid pool, and the sintered body layer peels off from the metal thin plate (first electrode). Therefore, it cannot be applied to the thickness measurement of the curved portion.
Furthermore, as described above, if the liquid pool part shrinks greatly during drying, the part becomes a recess, so that the surface unevenness becomes remarkably large, and the recess remains after firing, and the sintered body layer The thickness becomes non-uniform, which may adversely affect the polarization characteristics after the polarization treatment.

このように、第1の電極となる金属薄板の表面に酸化物系圧電材料の比較的粗大な粉末とその圧電材料の金属成分のアルコキシドゾルとを混合したスラリーを、第1の電極となる金属薄板の表面に塗布し、その後に改めて塗布層を乾燥させてから焼成に供した場合、塗布時における液溜りの発生に起因して、不良品(焼結体層が剥離したもの、可撓性に劣るもの、分極特性の悪いもの)が生じやすく、良品歩留まりの低下を余儀なくされることが判明した。   In this way, a slurry in which the relatively coarse powder of the oxide-based piezoelectric material and the alkoxide sol of the metal component of the piezoelectric material are mixed on the surface of the metal thin plate serving as the first electrode is used as the metal serving as the first electrode. When it is applied to the surface of a thin plate, and then the coating layer is dried again and then subjected to firing, defective products (those with the sintered body layer peeled off, flexible due to the occurrence of liquid pool during coating) Inferior to those having poor polarization characteristics), and it was found that the yield of non-defective products was inevitably lowered.

そこで本発明らは、前記提案を基礎とし、良品歩留まりを向上させるため、スラリー塗布時における液溜りの発生を防止する方策について検討を重ねた結果、金属薄板の表面にスラリーを塗布しながら、その塗布層を、金属薄板の側から加熱することによって、前述のような液溜りの発生を防止しつつ、酸化物系圧電材料粉末が金属アルコキシド(もしくはその分解生成物)とが均一に混合した状態で乾燥させることができることを見い出し、本発明をなすに至った。   Therefore, the present inventors based on the above proposal, and as a result of repeated investigations on measures for preventing the occurrence of liquid pool during slurry application, in order to improve the yield of good products, while applying the slurry to the surface of the metal thin plate, By heating the coating layer from the side of the thin metal plate, the oxide piezoelectric material powder is uniformly mixed with the metal alkoxide (or its decomposition product) while preventing the occurrence of liquid accumulation as described above. It was found that the film can be dried with a water vapor, and the present invention has been made.

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、酸化物系圧電材料からなる平均粒径1〜10μmの粉末と、その酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドゾルを混合して、その混合物からなる焼結原料スラリーを調製する焼結原料スラリー調製工程と、
第1の電極となるべき金属薄板の一方の板面に前記焼結原料スラリーの塗布層を形成するにあたって、焼結原料スラリーを金属薄板の前記板面に塗布しながら、塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させ、金属薄板の一方の板面上に焼結原料層を形成する塗布・乾燥工程と、
前記焼結原料層を加熱して焼成し、圧電材料焼結体層を金属薄板の一方の板面上に形成する焼成工程と、
前記焼成工程終了後、圧電材料焼結体層における金属薄板に対し反対側の表面に第2の電極を形成する第2電極形成工程と、
前記金属薄板からなる第1の電極と第2の電極との間に電位差を与えて分極処理する分極処理工程と、
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 according to the basic aspect (first aspect) of the present invention includes a powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm made of an oxide piezoelectric material, and the oxide piezoelectric. Sintering raw material slurry preparation step of mixing the alkoxide sol of the metal component of the material and preparing a sintering raw material slurry comprising the mixture,
In forming the coating layer of the sintering raw material slurry on one plate surface of the metal thin plate to be the first electrode, the coating layer is formed on the metal thin plate while applying the sintering raw material slurry to the plate surface of the metal thin plate. A heating and drying process from the side, a coating / drying process for forming a sintered raw material layer on one plate surface of the metal thin plate; and
The sintering raw material layer is heated and fired, and a firing step of forming a piezoelectric material sintered body layer on one plate surface of the metal thin plate,
A second electrode forming step of forming a second electrode on the surface opposite to the metal thin plate in the piezoelectric material sintered body layer after the firing step;
A polarization treatment step of performing polarization treatment by applying a potential difference between the first electrode and the second electrode made of the metal thin plate;
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、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、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の混合物からなる焼結原料スラリーを、第1の電極となるべき金属薄板上に塗布するにあたって、そのスラリーを塗布しながら金属薄板の側から塗布層を加熱するため、塗布層のスラリーは、塗布開始直後から、金属薄板上においてその金属薄板の側から乾燥が開始される。すなわち、塗布されながら金属薄板の側からスラリー中の液体成分(主としてアルコキシドゾルの分散媒、さらにはスラリーの溶剤)の蒸発が開始されて、金属薄板の側から乾燥が開始され、最終的に塗布層の全体が乾燥される。このように塗布層は、塗布開始直後から、金属薄板の側から乾燥が開始されるため、機械的な振動などの影響によってスラリー中の酸化物系圧電材料粉末が遊離して不均一に偏在状態で沈降、集積されることなく(すなわち液溜りが生成されることなく)、全体的に均一に乾燥される。またその乾燥過程では、スラリー塗布層の収縮が生じるが、本発明の場合は、液溜りが生じることなく、ゾル中に全体的に均一に酸化物系圧電材料粉末が分散した状態のまま収縮するため、液溜り部分の局部的な大きな収縮により割れが発生してしまうことを回避できる。さらに、液溜り部分の局部的な大きな収縮によって焼成後の焼結体層に局部的に大きな凹部が生じてしまうことを未然に防止でき、そのため焼結体層の厚みも均一となる。   In the method of manufacturing the ultrasonic thickness sensor according to the basic aspect of the present invention, a relatively coarse powder (average particle diameter of 1 to 10 μm) made of an oxide piezoelectric material and the oxide piezoelectric material When applying the sintering raw material slurry consisting of a mixture of the metal component alkoxide sol on the metal thin plate to be the first electrode, the coating layer is heated from the side of the metal thin plate while applying the slurry. Drying of the slurry of the layer is started from the side of the metal sheet on the metal sheet immediately after the start of application. That is, evaporation of liquid components (mainly alkoxide sol dispersion medium and further slurry solvent) is started from the side of the metal sheet while being applied, and drying is started from the side of the metal sheet. The entire layer is dried. As described above, since the coating layer starts drying from the side of the thin metal plate immediately after the start of coating, the oxide-based piezoelectric material powder in the slurry is released unevenly due to the influence of mechanical vibration or the like. Without being settled and accumulated (that is, without forming a liquid pool), and dried uniformly. In the drying process, the slurry coating layer shrinks, but in the case of the present invention, the liquid shrinkage does not occur, and the oxide-based piezoelectric material powder shrinks while being uniformly dispersed in the sol. Therefore, it is possible to avoid the occurrence of cracks due to the large local shrinkage of the liquid pool portion. Furthermore, it is possible to prevent a large concave portion from being locally generated in the sintered body layer after firing due to a large local shrinkage of the liquid pool portion, and thus the thickness of the sintered body layer becomes uniform.

また焼成工程では、焼成開始前の状態で、第1の電極としての金属薄板上の焼結原料層(スラリー塗布層を乾燥させた層)は、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末の粒子間の空隙に、同じ金属成分のアルコキシドもしくはその分解生成物が超微細な状態で存在しており、焼成時にはそのアルコキシドもしくは分解生成物も焼成されて、酸化物系圧電材料(セラミック)となる。したがってそのアルコキシドもしくはその分解生成物は、比較的粗大な酸化物圧電材料粉末の粒子間を結合する結合物質(焼結助剤)として機能するため、比較的低温の焼成温度でも70%以上の密度となり、しかもそれと同時に、アルコキシドの分解生成物自体も酸化物系圧電材料となるため、比較的低密度(70〜80%)でも、焼結層全体として厚みセンサに必要な程度の良好な圧電特性を示すことが可能となる。   In the firing step, the sintered raw material layer (layer obtained by drying the slurry coating layer) on the metal thin plate as the first electrode is a relatively coarse particle of oxide piezoelectric material powder in a state before firing is started. An alkoxide of the same metal component or a decomposition product thereof is present in an ultrafine state in the space between them, and at the time of firing, the alkoxide or decomposition product is also fired to form an oxide-based piezoelectric material (ceramic). Therefore, since the alkoxide or the decomposition product functions as a bonding substance (sintering aid) for bonding particles of relatively coarse oxide piezoelectric material powder, the density is 70% or more even at a relatively low firing temperature. At the same time, since the decomposition product of the alkoxide itself becomes an oxide piezoelectric material, even with a relatively low density (70 to 80%), the piezoelectric layer has good piezoelectric characteristics as necessary for the thickness sensor as a whole. Can be shown.

ここで、アルコキシドの分解生成物は極めて微細であり、そのため、前述のような液溜りが生じた場合、その液溜り部分(比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末を含まない部分)は、焼成によって局部的に緻密で硬質な焼結層となってしまい、その部分では可撓性が失われてしまうが、本発明の場合は、スラリー塗布時に液溜りが生じないため、液溜りに由来する局部的な緻密層部分は形成されない。すなわち、焼結体層は、全体として均一に比較的低密度となり、全体として可撓性を示し得ることになる。
このように、液溜りに起因する局部的な割れの発生が防止されることと、液溜り部分の局部的な緻密化が防止されるとが相俟って、超音波厚みセンサとして湾曲部位に貼着した場合でも、焼結体層が割れたり剥離したりすることを有効に防止できるのである。
Here, the decomposition product of the alkoxide is extremely fine. Therefore, when a liquid pool as described above occurs, the liquid pool portion (portion not including a relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder) is fired. However, in the case of the present invention, since the liquid does not accumulate at the time of slurry application, it originates from the liquid pool. A local dense layer portion is not formed. That is, the sintered body layer as a whole has a relatively low density and can exhibit flexibility as a whole.
In this way, the combination of the prevention of local cracking due to the liquid pool and the prevention of local densification of the liquid pool portion, the ultrasonic thickness sensor is applied to the curved portion. Even if it sticks, it can prevent effectively that a sintered compact layer cracks or peels.

なお、塗布・乾燥工程において、スラリー塗布層の表面側から加熱した場合には、塗布層はその表面が優先的に加熱されて、表面に緻密な膜(アルコキシドゾルの分散質成分である金属アルコキシドもしくはその分解生成物からなる緻密な固体層)が薄く形成されてしまう。この状態では塗布層内部は未乾燥であるから、その緻密な膜は、塗布層内部の未乾燥のスラリー中で発生した気泡が外部に抜け出る際の障壁となる。そのため塗布層内部で発生したガス気泡がその緻密な膜の下側で集合、巨大化(膨張)し、遂には表面の緻密な膜を突き破り、外部にガスとして放出されることになるが、その場合は、内部の未乾燥のスラリーが飛散して表面に大きな凹凸が生じ、それが乾燥後も残って焼結原料層の厚みも不均一となってしまい、さらに焼成後の厚みも不均一となってしまうおそれが強い。
しかるに、スラリーを金属薄板上の塗布しながら、スラリー塗布層を金属薄板の側から加熱することによって、塗布層表面に緻密な膜が優先的に生成されることを防止でき、したがって上述のような問題の発生を回避することができる。
In addition, in the coating / drying process, when heated from the surface side of the slurry coating layer, the coating layer is preferentially heated to form a dense film (metal alkoxide which is a dispersoid component of the alkoxide sol) on the surface. Alternatively, a dense solid layer made of the decomposition product thereof is thinly formed. In this state, the inside of the coating layer is undried, so the dense film becomes a barrier when bubbles generated in the undried slurry inside the coating layer escape to the outside. Therefore, gas bubbles generated inside the coating layer gather and expand (expand) under the dense film, eventually break through the dense film on the surface and are released as gas to the outside. In this case, the inner undried slurry is scattered, resulting in large irregularities on the surface, which remains after drying and the thickness of the sintered raw material layer is also non-uniform, and the thickness after firing is also non-uniform There is a strong risk of becoming.
However, by heating the slurry application layer from the side of the metal thin plate while applying the slurry on the metal thin plate, it is possible to prevent a dense film from being preferentially generated on the surface of the application layer. The occurrence of problems can be avoided.

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、前記塗布・乾燥工程において、焼結原料スラリーを金属薄板の前記板面に塗布しながら塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させた後、その乾燥した層の表面に焼結原料スラリーを再び塗布しながら塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させる過程を1または2回以上繰り返して、所定の厚みの焼結原料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 second aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the first aspect, wherein the sintering raw material slurry is made of the metal thin plate in the coating and drying step. The coating layer is heated and dried from the side of the metal sheet while being applied to the surface, and then the coating layer is heated and dried from the side of the sheet metal while applying the sintering raw material slurry again to the surface of the dried layer. The process is repeated one or more times to obtain a sintered raw material layer having a predetermined thickness.

既に述べたように、焼結原料スラリーを塗布して乾燥させれば、収縮が生じて塗布層の当初の厚みよりも乾燥後の厚みは大幅に小さくなる。そこで、第2の態様のように、焼結原料スラリーの塗布および乾燥を複数回繰り返せば、ある程度厚い焼結体層を形成することができる。そしてこの場合、繰り返し期間中においても金属薄板の側からの塗布層の加熱を継続させることによって、液溜りが生じることなく、均質でしかも割れのない健全な比較的厚い焼結体層を、均一な厚みで形成することができる。   As already described, if the sintered raw material slurry is applied and dried, shrinkage occurs, and the thickness after drying becomes significantly smaller than the initial thickness of the coating layer. Therefore, as in the second aspect, if the sintering raw material slurry is repeatedly applied and dried a plurality of times, a sintered body layer that is thick to some extent can be formed. In this case, by continuing to heat the coating layer from the side of the thin metal plate even during the repetition period, a uniform, healthy and relatively thick sintered body layer without cracking can be obtained uniformly It can be formed with an appropriate thickness.

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1もしくは第2の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記塗布・乾燥工程で、前記金属薄板を、良熱伝導材料からなる伝熱板上に載置し、焼結原料スラリーの塗布開始前の時点から前記伝熱板を加熱手段により加熱して、伝熱板および前記金属薄板を介して塗布層を金属薄板の側から加熱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 WHEREIN: The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the said 1st or 2nd aspect WHEREIN: In the said application | coating and drying process, the said metal thin plate is made good heat. It is placed on a heat transfer plate made of a conductive material, and the heat transfer plate is heated by a heating means from the time before starting the application of the sintering raw material slurry, and the coating layer is made of metal through the heat transfer plate and the metal thin plate. Heating is performed from the thin plate side.

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、金属薄板上に塗布された焼結原料スラリーは、伝熱板からの金属薄板を介しての熱伝導により加熱されるため、確実に金属薄板の側から温度上昇させて、その側から乾燥を開始させることができる。   In the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the third aspect as described above, since the sintering raw material slurry applied on the metal thin plate is heated by heat conduction from the heat transfer plate through the metal thin plate, The temperature can be increased from the side of the thin metal plate, and drying can be started from that side.

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1〜第3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、前記塗布・乾燥工程で、前記金属薄板の前記板面上に、厚み方向に貫通する開口部を有する薄板上のマスク部材を予め重ねておき、焼結原料スラリーを塗布するにあたって、前記開口部に焼結原料スラリーが収容されるように、マスク部材の上から焼結原料スラリーを塗布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 any one of the first to third aspects, in the coating and drying step, the metal thin plate. On the plate surface, a mask member on a thin plate having an opening penetrating in the thickness direction is preliminarily stacked, and when applying the sintering material slurry, the sintering material slurry is accommodated in the opening. The sintering raw material slurry is applied from above the mask member.

このような第4の態様では、マスク部材を用いてスラリーを塗布するため、均一な厚みの塗布層を、開口部の寸法、形状で定まる所定の寸法、形状で容易に形成することができる。   In such a 4th aspect, since slurry is apply | coated using a mask member, the coating layer of uniform thickness can be easily formed with the predetermined | prescribed dimension and shape decided by the dimension and shape of an opening part.

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、前記塗布・乾燥工程における加熱温度を、50℃以上で、しかも前記焼結原料スラリーの液体成分の沸点よりも低い温度と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 5th mode of the present invention is the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of any one of the 1st-4th modes. The temperature is set to 50 ° C. or higher and lower than the boiling point of the liquid component of the sintering raw material slurry.

このように、塗布・乾燥工程における加熱温度を、50℃以上で、しかも前記焼結原料スラリーの液体成分の沸点よりも低い温度とすることによって、スラリー中の液体成分の沸騰により金属薄板上の塗布層のスラリーが飛散したり、大きな凹凸が生じたりしてしまうことなく、塗布層を乾燥させて、均一な厚みで焼結原料層を形成することができる。   Thus, the heating temperature in the coating / drying step is 50 ° C. or higher and lower than the boiling point of the liquid component of the sintering raw material slurry, so that the liquid component in the slurry is boiled on the metal thin plate. It is possible to dry the coating layer and form the sintered raw material layer with a uniform thickness without causing the slurry of the coating layer to scatter or cause large irregularities.

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5の態様の超音波厚みセンサの製造方法において、前記塗布・乾燥工程における加熱温度を、50℃以上、80℃以下の範囲内とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method of the sixth aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method of the fifth aspect, wherein the heating temperature in the coating / drying step is 50 ° C. or higher and 80 ° C. Within the following range.

このように、塗布・乾燥工程における加熱温度を、50℃以上、80℃以下の範囲内とすることによって、スラリー中からの気泡の発生を最小限に抑えて、気泡が外部にガスとして抜け出る際のスラリーの飛散や凹凸の発生を抑制しつつ塗布層を乾燥させることができる。   In this way, when the heating temperature in the coating / drying step is within the range of 50 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, the generation of bubbles from the slurry is minimized, and the bubbles escape to the outside as a gas. The coating layer can be dried while suppressing the scattering of the slurry and the generation of irregularities.

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1〜第6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%の範囲内の圧電材料焼結体層を得ることを特徴とするものである。
なお本明細書において焼結体層の密度とは、空隙率の逆数、すなわち相対密度を意味するものとする。
The ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to the seventh aspect of the present invention is the ultrasonic thickness sensor manufacturing method according to any one of the first to sixth aspects, wherein the heating temperature in the baking step is 600. A piezoelectric material sintered body layer having a density in a range of 70 to 80% within a range of ˜800 ° C. is obtained.
In addition, in this specification, the density of a sintered compact layer shall mean the reciprocal number of a porosity, ie, a relative density.

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、前述のように比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末(平均粒径1〜10μm)の粒子間の空隙に、同じ金属成分のアルコキシドが介在してそれが焼結助剤として機能するため、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うる密度(従来よりも低い70〜80%)を有する焼結体層を形成することができる。そしてまた、このように焼結体層を、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。また同時に圧電材料焼結体層の密度を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、圧電材料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。   In the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the seventh 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 the conventional general piezoelectric ceramic production. Since the alkoxide of the same metal component is interposed in the voids between the relatively coarse oxide-based piezoelectric material powders (average particle diameter of 1 to 10 μm) and functions as a sintering aid, Sintering also proceeds by sintering, so that a sintered body layer having a density (70 to 80% lower than that in the prior art) that can exhibit the piezoelectric characteristics required for an ultrasonic thickness sensor can be formed. In addition, by setting the sintered body layer to be 80% or less of a density lower than that of a conventional general piezoelectric ceramic, the sintered body layer can be supported in the state of being supported by the metal thin plate of the first electrode. Flexibility can be shown. At the same time, by setting the density of the piezoelectric material sintered body layer to 70% or more, it is possible to ensure the necessary piezoelectric performance as an ultrasonic thickness sensor, and the piezoelectric material sintered body layer has an excessively low density. As a result, the sintered body layer can be prevented from peeling off from the first electrode.

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1〜第7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、また前記圧電材料焼結体層を、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。   And the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the 8th aspect of this invention is the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the said any one of the 1st-7th aspect. The piezoelectric material sintered body layer is formed so as to have a thickness in the range of 30 to 150 μm, and the second electrode has a thickness of 10 to 100 μm. It is formed so that it may become in the range.

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は、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。   In the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the eighth aspect as described above, since the thickness of the sintered body layer is as thin as 30 to 150 μm, the sintered body layer is supported by the first electrode, Flexibility can be exhibited, and since the metal thin plate and the second electrode of the first electrode are also thin, the finally obtained thickness sensor can easily 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1〜第8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、前記前記酸化物系圧電材料からなる原料粉末として、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料粉末を用いることを特徴とするものである。   The ultrasonic thickness sensor manufacturing method of the ninth aspect of the present invention is the raw material made of the oxide piezoelectric material in the ultrasonic thickness sensor manufacturing method of any one of the first to eighth aspects. As the powder, a lead zirconate titanate piezoelectric material powder is used.

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1〜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ものである。   A method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to a tenth aspect of the present invention is the method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to any one of the first to ninth aspects, wherein a thin plate of stainless steel is used as the first electrode. It is characterized by using.

本発明の超音波厚みセンサの製造方法によれば、酸化物系圧電材料の平均粒径1〜10μmの粉末と、その酸化物系圧電材料の金属成分のアルコキシドのゾルとからなる混合物スラリーを焼結原料としているため、焼成温度を比較的低温とすることができ、したがって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、材料コストを抑えつつ、センサ全体として薄質で可撓性を示す超音波厚みセンサを容易に製造することができる。
そして特に本発明の製造方法場合、前記混合物スラリーを第1の電極となるべき金属薄板の一方の板面に塗布するにあたって、金属薄板に混合物スラリーを塗布しながら、その塗布層を加熱して乾燥させるため、スラリーの液状成分(ゾルおよび溶剤)が偏在した部分(液溜り)が生じることが防止され、そのため液溜りの発生に由来する不都合(乾燥時の局部的な収縮および局部的な緻密化による割れ発生、可撓性の低下)を回避することができる。さらに塗布・乾燥工程において、塗布しながらの加熱を、金属薄板の側から行うため、塗布層表面に緻密な膜が生成されてしまうことを防止でき、その結果、上記の緻密な膜の生成による不都合(内部の未乾燥のスラリーからの気泡の膨張による表面緻密膜の突き破りに起因するスラリーの飛散、凹凸の発生)を回避することができる。
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 mixture slurry comprising a powder of an oxide piezoelectric material having an average particle diameter of 1 to 10 μm and an alkoxide sol of the metal component of the oxide piezoelectric material is fired. Since it is used as a raw material, the firing temperature can be made relatively low, and therefore it is not necessary to use an expensive material such as platinum that is remarkably excellent in high-temperature oxidation resistance as an electrode material. An ultrasonic thickness sensor that is thin and flexible as the entire sensor can be easily manufactured.
In particular, in the case of the production method of the present invention, when the mixture slurry is applied to one surface of the metal thin plate to be the first electrode, the application layer is heated and dried while the mixture slurry is applied to the metal thin plate. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a part (liquid pool) in which the liquid components (sol and solvent) of the slurry are unevenly distributed. Therefore, inconveniences resulting from the liquid pool (local shrinkage and local densification during drying) (Breakage of cracks, deterioration of flexibility) can be avoided. Furthermore, in the coating / drying step, heating while coating is performed from the side of the thin metal plate, so that a dense film can be prevented from being generated on the surface of the coating layer, and as a result, the above-described dense film is generated. Inconveniences (slurry scattering and unevenness due to breakage of the surface dense film due to expansion of bubbles from the undried slurry inside) can be avoided.
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実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows 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における塗布・乾燥工程の実施状況の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the implementation condition of the application | coating and drying process in 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における塗布・乾燥工程の実施状況の他の例を段階的に示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows gradually the other example of the implementation condition of the application | coating and drying process in the manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of this invention in steps. 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、本発明の一実施形態の超音波厚みセンサ製造方法を概略的に示す。
この実施形態では、基本的には、
P1:酸化物系圧電材料、例えばPZTなどの平均粒径1〜100μmの原料粉末と、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用意し、これらを混合して、その混合物からなるスラリー(焼結原料スラリー)を調製する焼結原料スラリー調製工程、
P2:前記焼結原料スラリーを、第1の電極となるべき金属薄板の一方の板面に塗布しながら、塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させ、金属薄板の一方の板面上に焼結原料層を形成する塗布・乾燥工程、
P3:前記金属薄板上の焼結原料層を加熱して焼成し、圧電材料焼結体層を第1の電極の一方の板面上に形成する焼成工程、
P4:前記焼成工程P3の終了後、前記圧電材料焼結体層における前記金属薄板に対して反対側の表面に第2の電極を形成する第2電極形成工程、
P5:前記金属薄板からなる第1の電極と、第2の電極との間に電位差を与え、圧電材料焼結体層を分極処理する分極処理工程、
以上のP1〜P5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〜P5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 an embodiment of the present invention.
In this embodiment, basically,
P1: An oxide piezoelectric material, for example, a raw material powder having an average particle diameter of 1 to 100 μm, such as PZT, and an alkoxide sol of a metal component of an oxide piezoelectric material, such as PZT, are prepared and mixed. A sintering raw material slurry preparation step for preparing a slurry (sintering raw material slurry),
P2: While applying the sintering raw material slurry to one plate surface of the metal thin plate to be the first electrode, the coating layer is heated and dried from the side of the metal thin plate, on one plate surface of the metal thin plate Coating / drying process to form a sintering raw material layer on
P3: A firing step of heating and firing the sintering raw material layer on the metal thin plate, and forming a piezoelectric material sintered body layer on one plate surface of the first electrode,
P4: a second electrode forming step of forming a second electrode on the surface of the piezoelectric material sintered body layer opposite to the metal thin plate after the firing step P3,
P5: a polarization treatment step of applying a potential difference between the first electrode made of the metal thin plate and the second electrode to polarize the piezoelectric material sintered body layer,
An ultrasonic thickness sensor made of a ceramic piezoelectric material is manufactured by the process consisting of the above steps P1 to P5.
These steps P1 to P5 will be specifically described below.

〔焼結原料スラリー調製工程P1〕
予め、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などからなる平均粒径1〜10μmの粉末を準備しておく。
ここで、酸化物系圧電素子用の原料粉末としては、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、それを出発原料として、アルコキシドゾルと混合しても良い。但し、酸化物系圧電材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、酸化物系圧電材料粉末調製のための工程を、準備工程として次に簡単に説明する。
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、得られた混錬物(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、ボールミルなどにより粉砕すれば、平均粒径1〜10μmのPZTなどの酸化物系圧電材料粉末が得られる。
[Sintering raw material slurry preparation process P1]
As a preparation step, an oxide piezoelectric material made of a ferroelectric material having a perovskite crystal structure, for example, a powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm made of PZT or the like is prepared in advance.
Here, as the raw material powder for the oxide-based piezoelectric element, a powder composed of particles having a predetermined component composition having a perovskite type crystal structure, for example, PZT powder is commercially available from a ceramic powder manufacturer or the like. In carrying out the method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor, a commercially available powder for a ceramic piezoelectric element of this kind may be purchased and mixed with an alkoxide sol using it as a starting material. However, it is of course possible to start from the preparation of the oxide-based piezoelectric material powder, and the process for preparing the oxide-based piezoelectric material powder will be briefly described as a preparation process.
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. Add appropriately and knead by a ball mill or the like, and dry the kneaded product (slurry) 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 temporary firing) is pulverized by a ball mill or the like, an oxide-based piezoelectric material powder such as PZT having an average particle diameter of 1 to 10 μm 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.

なおまた、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粉末は、通常平均粒径1〜10μm程度であるからである。ここで、酸化物系圧電材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問題があり、一方酸化物系圧電材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。   The particle diameter of the oxide-based piezoelectric material powder is set to an average particle diameter of 1 to 10 μm. This is a conventional general method, that is, the oxide powder of the metal component constituting the oxide-based piezoelectric material. This is because the powder obtained by mixing and firing and mechanically pulverizing the powder usually has an average particle size of about 1 to 10 μm. Here, setting the average particle size of the oxide-based piezoelectric material powder to less than 1 μm is problematic from the viewpoint of pulverization efficiency, while setting the average particle size of the oxide-based piezoelectric material powder to more than 10 μm is a result. It becomes a problem from the viewpoint of sex.

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各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)で表される各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を混合したゾルを用意する。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。
またこの場合、各金属アルコキシドの配合は、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。
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 an alkoxide of each metal component of the oxide used as a raw material of the above-described oxide-based piezoelectric material, that is, the metal component is M and the alkyl group is R, and is represented by the general formula M (OR) X. A mixed sol of each 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), a sol in which lead alkoxide, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide are mixed 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.
In this case, it is desirable that the composition of each metal alkoxide is determined so that the proportion of the metal component is equivalent to the proportion of the metal component in the target oxide-based 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.

なお、酸化物系圧電材料の種類(複合酸化物の構成)によっては、その複合酸化物の複数の構成金属のうち、ある金属についてはアルコキシドを用い、他の金属についてはアルコキシド以外の有機金属塩(たとえば酢酸金属塩)を用いて、これらの混合物をゾル化して使用することもあり(例えばBiTi12(チタン酸ビスマス:BIT)やLiNbO(ニオブ酸リチウム)の場合など)、本明細書ではこのような場合についても、その混合ゾルをアルコキシドゾルに含めるものとする。 Depending on the type of oxide-based piezoelectric material (composition of composite oxide), among the constituent metals of the composite oxide, an alkoxide is used for a certain metal, and an organic metal salt other than an alkoxide is used for another metal. (For example, in the case of Bi 3 Ti 4 O 12 (bismuth titanate: BIT), LiNbO 3 (lithium niobate), etc.) In this specification, even in such a case, the mixed sol is included in the alkoxide sol.

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、例えば溶剤(分散媒)としてブタノールなどのアルコール類や、酢酸などの酸溶液、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの有機酸エステル、あるいはポリエチレンイミンなどの有機イミン類、その他キシレンなどの芳香族化合物などを用い、各金属成分のアルコキシドをこれらの溶剤に溶解(分散)させれば良い。また一般にアルコキシドゾルの製造時には、ゾル安定化のために、溶剤と併せて、適宜の安定化剤、例えば酢酸、メタノールなどを添加することも多く、本発明の場合もこれらの安定化剤が添加されていても良い。   The method for obtaining the alkoxide sol as described above is not particularly limited, and may follow a conventional method. For example, as a solvent (dispersion medium), alcohols such as butanol, acid solutions such as acetic acid, ethyl acetate, An organic acid ester such as butyl acetate, an organic imine such as polyethyleneimine, or an aromatic compound such as xylene may be used, and the alkoxide of each metal component may be dissolved (dispersed) in these solvents. In general, when preparing an alkoxide sol, an appropriate stabilizer such as acetic acid or methanol is often added together with a solvent to stabilize the sol. In the present invention, these stabilizers are also added. May be.

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混合すれば、焼結原料としての混合物スラリーが得られる。なおこの混合時には、アルコキシドゾルのほか、さらにブタノール、酢酸エチル、キシレン、酢酸、メタノールなどの適宜の溶剤を加えて混練しても良いことはもちろんである。
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、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、比較的粗大な酸化物系圧電材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。
If 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 is mixed with an alkoxide sol having a metal component of the same oxide piezoelectric material. A mixture slurry as a sintering raw material is obtained. Of course, in addition to the alkoxide sol, an appropriate solvent such as butanol, ethyl acetate, xylene, acetic acid and methanol may be added and kneaded.
The mixing ratio of the above oxide-based piezoelectric material powder and the alkoxide sol is not particularly limited, but usually the metal component in the alkoxide sol with respect to the metal component in the oxide-based piezoelectric material powder as compared with the same metal component. It is desirable to mix so that the molar ratio may be in the range of 0.2 to 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, the alkoxide sol is too much and the particles of the relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder are sufficiently bonded when fired on a thin metal plate also serving as the first electrode. Therefore, the sintered body layer becomes powdery and increases the risk of scattering or peeling off.

〔塗布・乾燥工程P2〕
この塗布・乾燥工程は、焼結原料スラリー(混合物スラリー)を、最終的な超音波厚みセンサにおける第1の電極となる金属薄板の板面に塗布しながら、塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させ、金属薄板の板面上に焼結原料層を形成する工程である。
[Coating / drying process P2]
In this coating / drying process, the coating layer is heated from the side of the thin metal plate while applying the raw material slurry (mixture slurry) to the surface of the thin metal plate that will be the first electrode in the final ultrasonic thickness sensor. And drying to form a sintered raw material layer on the surface of the thin metal plate.

具体的には、例えば図2に示すように、電熱ヒータや温水ヒータ、オイルヒータなどの適宜の加熱手段9Aを備えた加熱台9の上面(加熱面)に、アルミやアルミ合金、銅や銅合金などの良熱伝導材料からなる伝熱板7を配置し、その伝熱板7の上面に、第1の電極となる金属薄板1を載置する。一方、スラリー塗布層を区画形成するための開口部3Aを厚み方向に貫通するように形成した薄板状もしくはシート状のマスク部材3を予め用意しておき、そのマスク部材3を前記金属薄板1の上面側に重ね合わせておく。そして加熱手段9Aを作動させて、加熱台9から伝熱板7を介して金属薄板1を加熱する。その状態で、前記スラリーを、マスク部材3の上面側からスプレーなどの適宜の塗布手段によって塗布し、スラリーをマスク部材3の開口部3A内に充填する。これによって金属薄板1の板面上の所定の領域(開口部3A内の領域)に所定の厚みでスラリー塗布層5が形成される。そして塗布層5のスラリーは、塗布層形成開始時点(スプレーなどによる塗布開始時点)から、金属薄板1の側から加熱され、したがってスラリーは、塗布開始直後から、金属薄板1に接する側から乾燥が開始される。
なお図2においては、伝熱板7を支持する加熱台9に加熱手段9Aを設けているが、場合によっては伝熱板7自体に加熱手段9Aを設けておいても良いことはもちろんである。
Specifically, as shown in FIG. 2, for example, aluminum, aluminum alloy, copper or copper is formed on the upper surface (heating surface) of a heating table 9 provided with appropriate heating means 9A such as an electric heater, a hot water heater, and an oil heater. A heat transfer plate 7 made of a good heat conductive material such as an alloy is disposed, and a thin metal plate 1 serving as a first electrode is placed on the upper surface of the heat transfer plate 7. On the other hand, a thin plate-like or sheet-like mask member 3 formed so as to penetrate through the opening 3A for partitioning the slurry coating layer in the thickness direction is prepared in advance, and the mask member 3 is attached to the metal thin plate 1. Overlay on top side. Then, the heating means 9A is operated to heat the metal thin plate 1 from the heating table 9 via the heat transfer plate 7. In this state, the slurry is applied from the upper surface side of the mask member 3 by an appropriate application means such as spray, and the slurry is filled into the opening 3 </ b> A of the mask member 3. As a result, the slurry coating layer 5 is formed with a predetermined thickness in a predetermined region on the plate surface of the thin metal plate 1 (region in the opening 3A). The slurry of the coating layer 5 is heated from the side of the thin metal plate 1 from the start of coating layer formation (at the start of coating by spraying or the like). Therefore, the slurry is dried from the side in contact with the thin metal plate 1 immediately after the start of coating. Be started.
In FIG. 2, the heating means 9A is provided on the heating table 9 that supports the heat transfer plate 7. However, in some cases, the heating means 9A may be provided on the heat transfer plate 7 itself. .

ここで、混合物スラリーの乾燥過程では、先ずスラリー中の液体成分(ゾルの分散媒、スラリーの溶剤)の蒸発が開始され、続いてスラリー中のアルコキシドゾル成分の加水分解に進むが、本実施形態ではこれらの過程が、スラリー塗布中において塗布開始直後から金属薄板1に接する側から進行して、塗布・乾燥工程終了後の段階では、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、アルコキシドもしくはその分解生成物(超微細粒子)が介在して、それらから新たにPZT(酸化物系圧電材料)が形成される。   Here, in the drying process of the mixture slurry, first, the evaporation of the liquid component (sol dispersion medium, slurry solvent) in the slurry is started, and then the process proceeds to hydrolysis of the alkoxide sol component in the slurry. In the slurry application, these processes proceed from the side in contact with the metal thin plate 1 immediately after the start of application, and in the stage after the application / drying process, particles of relatively coarse oxide-based piezoelectric material powder (average particles) An alkoxide or a decomposition product thereof (ultrafine particles) is interposed between 1 to 10 μm in diameter, and PZT (oxide-based piezoelectric material) is newly formed therefrom.

そして塗布・乾燥工程では、スラリー塗布開始直後から、金属薄板上のスラリーの乾燥が開始されるため、機械的な振動などの影響によってスラリー中の酸化物系圧電材料粉末が遊離して不均一に偏在状態で沈降、集積されることなく(すなわち液溜りが生成されることなく)、均一な分散状態を保ったまま乾燥される。またその乾燥過程では、スラリー塗布層の収縮が生じるが、上述のように液溜りが生じることなく、スラリー塗布層中に全体的に均一に酸化物系圧電材料粉末が分散した状態のまま収縮するため、液溜り部分の局部的な大きな収縮により割れが発生してしまうことを回避できる。さらに、液溜りが生じない状態で乾燥されるため、液溜り部分の局部的な大きな収縮によって、焼成後の焼結体層に大きな凹部が生じてしまうことを未然に防止でき、そのため焼結体層の厚みも均一となる。   In the coating / drying process, the slurry on the metal thin plate starts drying immediately after the slurry coating starts, so that the oxide-based piezoelectric material powder in the slurry is liberated due to the influence of mechanical vibration, etc. Without being settled and accumulated in an unevenly distributed state (that is, without generating a liquid pool), it is dried while maintaining a uniform dispersed state. Further, during the drying process, the slurry coating layer contracts, but as described above, the liquid shrinkage does not occur and the oxide piezoelectric material powder shrinks while being uniformly dispersed throughout the slurry coating layer. Therefore, it is possible to avoid the occurrence of cracks due to the large local shrinkage of the liquid pool portion. Furthermore, since the liquid is dried in a state where no liquid pool is generated, it is possible to prevent a large concave portion from being formed in the sintered body layer after firing due to a large local shrinkage of the liquid pool portion. The layer thickness is also uniform.

さらに、金属薄板上のスラリーの乾燥のための加熱は金属薄板の側から行われるため、塗布層をその表面側から加熱した場合のように、塗布層表面が優先的に乾燥されて、表面に優先的に緻密な薄膜が形成されてしまうことが回避される。そのため塗布層内部のスラリーから発生した気泡を、その集合、巨大化を招くことなく、急速かつ穏やかに外部にガスとして放出することができる。その結果、乾燥後の層として、表面の凹凸が少なく厚みが均一な焼結原料層を得ることができる。   Furthermore, since the heating for drying the slurry on the metal thin plate is performed from the side of the metal thin plate, the surface of the coating layer is preferentially dried and applied to the surface as in the case where the coating layer is heated from the surface side. It is avoided that a dense thin film is formed preferentially. Therefore, the bubbles generated from the slurry inside the coating layer can be rapidly and gently released as a gas without causing aggregation and enlargement. As a result, it is possible to obtain a sintered raw material layer having a uniform thickness with few surface irregularities as a layer after drying.

ここで、塗布・乾燥工程における加熱温度は、50℃以上で、しかも前記焼結原料混合スラリーの液体成分の沸点より低い温度とすることが望ましい。
加熱温度が50℃未満では、周囲の室温との差が少なく、加熱により乾燥を促進する効果が充分に得られない。一方、加熱温度が沸点以上となれば、スラリー中の液体成分が沸騰して、急激な沸騰現象によりスラリーが飛散したり、表面の凹凸が激しくなって均一な膜が得られなくなる。
ここでスラリーの液体成分の沸点より低い温度とは、その液体成分が1種類の液体だけからなる場合には、その液体単体の沸点より低い温度を意味し、また2種以上の液体の混合液である場合には、混合液の状態での各液体の沸点のうちの最も低い温度より低い温度を意味する。また混合液体が共沈溶液である場合は共沈沸点温度未満の温度を意味する。
なお実際上は、確実かつ安定して沸騰の発生を防止するためには、加熱温度はスラリー中の液体成分の沸点より10℃以上低い温度を上限とすることが望ましい。
Here, the heating temperature in the coating / drying step is preferably 50 ° C. or higher and lower than the boiling point of the liquid component of the sintered raw material mixed slurry.
When the heating temperature is less than 50 ° C., there is little difference from the ambient room temperature, and the effect of promoting drying by heating cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the heating temperature is equal to or higher than the boiling point, the liquid component in the slurry is boiled, and the slurry is scattered due to a sudden boiling phenomenon, or the surface unevenness becomes intense and a uniform film cannot be obtained.
Here, the temperature lower than the boiling point of the liquid component of the slurry means a temperature lower than the boiling point of the single liquid when the liquid component consists of only one type of liquid, and a mixture of two or more types of liquids. Is the temperature lower than the lowest temperature among the boiling points of each liquid in the state of the mixed liquid. When the mixed liquid is a coprecipitation solution, it means a temperature lower than the coprecipitation boiling temperature.
In practice, in order to reliably and stably prevent the occurrence of boiling, the upper limit of the heating temperature is preferably 10 ° C. lower than the boiling point of the liquid component in the slurry.

さらに、上記の加熱温度は、50℃以上でかつ焼結原料混合スラリーの液体成分の沸点未満(もしくはそれより10℃低い温度以下)の範囲内でも、特に50℃〜80℃の範囲内とすることが望ましく、さらには50〜70℃の範囲内とすることがより好ましい。
すなわち、加熱温度が高すぎれば、沸点には至っていない場合でも、酸化物圧電材料粉末に吸着されている空気などのガス成分や、スラリー中に溶け込んでいる空気などのガス成分が気化して、塗布層内部からの気泡の発生が多くなる。その結果、乾燥後の表面の凹凸も大きくなり、膜厚が均一でなくなるとともに、表面性状が悪くなり、分極処理後の分極特性も劣るようになる。また焼成後の焼結体層が均一ではなくなって、金属薄板から剥離しやすくなる。一方、加熱温度を50℃〜80℃、特に50〜70℃の範囲内とすれば、このようなスラリー塗布層内部殻の気泡発生を最小限に抑えて、上述のような問題を回避することができる。
Furthermore, the above heating temperature is 50 ° C. or higher and less than the boiling point of the liquid component of the sintering raw material mixed slurry (or 10 ° C. or lower), particularly within the range of 50 ° C. to 80 ° C. It is desirable that the temperature be in the range of 50 to 70 ° C.
That is, if the heating temperature is too high, even when the boiling point has not been reached, gas components such as air adsorbed on the oxide piezoelectric material powder and gas components such as air dissolved in the slurry are vaporized, Generation of bubbles from the inside of the coating layer increases. As a result, the unevenness of the surface after drying becomes large, the film thickness becomes non-uniform, the surface properties are deteriorated, and the polarization characteristics after the polarization treatment are deteriorated. Moreover, the sintered body layer after firing is not uniform and is easily peeled off from the metal thin plate. On the other hand, if the heating temperature is in the range of 50 ° C. to 80 ° C., particularly 50 to 70 ° C., the above-described problems can be avoided by minimizing the generation of bubbles in the inner shell of the slurry coating layer. Can do.

ここで、アルコキシドゾルの分散媒やスラリーの溶剤としては、ブタノールや酢酸ブチル、酢酸、キシレン、メタノール、イソプロパノールなどが使用されるが、ブタノールの沸点は約117℃、酢酸ブチルの沸点は約126℃、酢酸の沸点は約117℃、キシレンの沸点は140℃前後、メタノールの沸点は約65℃、イソプロパノールの沸点は約83℃であり、したがってこれらをゾルの分散媒やスラリーの溶剤として用いた場合、上記の50〜80℃もしくは50〜70℃の範囲内の加熱温度は、メタノールを除き、それぞれの沸点よりも十分に低い温度であり、したがって沸騰は生じず、またガス気泡の発生も最小限に抑えることができる。なおメタノールの場合は、その沸点より低くかつ50℃以上の温度に加熱すれば良い。   Here, as a dispersion medium for alkoxide sol or a solvent for slurry, butanol, butyl acetate, acetic acid, xylene, methanol, isopropanol, etc. are used, butanol has a boiling point of about 117 ° C. and butyl acetate has a boiling point of about 126 ° C. Acetic acid has a boiling point of about 117 ° C., xylene has a boiling point of around 140 ° C., methanol has a boiling point of about 65 ° C., and isopropanol has a boiling point of about 83 ° C. Therefore, when these are used as a sol dispersion medium or slurry solvent, The heating temperature within the above range of 50 to 80 ° C. or 50 to 70 ° C. is sufficiently lower than the boiling points of each except for methanol, and therefore boiling does not occur and generation of gas bubbles is minimized. Can be suppressed. In the case of methanol, it may be heated to a temperature lower than its boiling point and 50 ° C. or higher.

前述の金属薄板は、電極として機能するだけではなく、塗布・乾燥後の焼成工程や厚みセンサとしての使用時において支持体として機能するものである。その金属薄板の材質は特に限定されないが、本発明の場合、焼結原料として、比較的粗大な酸化物系圧電材料粉末とアルコキシドゾルとの混合物のスラリーを用いているため、600〜800℃程度の比較的低温で焼成することができ、したがって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 above-described thin metal plate not only functions as an electrode but also functions as a support during the firing process after coating and drying or when used as a thickness sensor. The material of the metal thin plate is not particularly limited, but in the case of the present invention, a slurry of a relatively coarse mixture of oxide-based piezoelectric material powder and alkoxide sol is used as a sintering raw material, and therefore, about 600 to 800 ° C. Therefore, a general-purpose refractory 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-purpose 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.

前記第1の電極としての金属薄板の厚みは、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 as the first electrode 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.

なお混合物スラリーを塗布する手段としては、スプレーによって噴射塗布するほか、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、その他一般の塗布・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が、本発明の方法は、スプレーによって薄板基板上のスラリーの塗布厚みを増大させながら、その金属薄板上のスラリーを乾燥させる場合に最も有効となる。   As a means for applying the mixture slurry, in addition to spray application by spraying, application using a roll coater, squeegee, or brush, or any other application / printing means applied in general application / printing is arbitrarily applied. However, the method of the present invention is most effective in drying the slurry on the metal thin plate while increasing the coating thickness of the slurry on the thin plate substrate by spraying.

なお本実施形態におけるマスク部材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。またマスク部材3の厚みは、各開口部3A内に充填したスラリーの厚み、すなわち焼結原料層の厚みに相当するから、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。   In addition, the material of the mask member 3 in this embodiment is not specifically limited, The stainless steel (SUS) similar to the metal thin plate 1 or resin can be used arbitrarily. Moreover, since the thickness of the mask member 3 corresponds to the thickness of the slurry filled in each opening 3A, that is, the thickness of the sintering raw material layer, 70 to 200 μm can be secured as the thickness after drying as described below. What is necessary is just to set to a proper thickness.

スラリーの塗布・乾燥後の厚み(したがって焼結原料層の厚み)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。   The thickness after application and drying of the slurry (thus, the thickness of the sintered raw material layer) is preferably in the range of 70 to 200 μm. If the thickness at the stage immediately before the start of the firing process is less than 70 μm, the thickness of the 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 in the stage immediately before the firing process exceeds 200 μm, the thickness of the sintered body layer after firing becomes too thick, and as a result, sufficient flexibility is given to the sintered body layer as will be described later. May be difficult.

焼結体層の厚みを充分に確保するためには、塗布・乾燥工程において、スラリーの塗布・乾燥を複数回繰り返しても良い。すなわち、焼結原料スラリーを金属薄板の板面に塗布しながら塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させた後、その乾燥した層の表面に焼結原料スラリーを再び塗布しながら塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させる過程を1または2回以上繰り返して、所定の厚みの焼結原料層を得てもよい。その場合の塗布・乾燥工程の一例を図3に示す。   In order to sufficiently secure the thickness of the sintered body layer, the application / drying of the slurry may be repeated a plurality of times in the application / drying step. That is, the coating layer is heated from the side of the metal thin plate while being dried while the sintering raw material slurry is being applied to the plate surface of the metal thin plate, and then the coating layer is again applied to the surface of the dried layer. The process of drying by heating from the side of the thin metal plate may be repeated one or more times to obtain a sintered raw material layer having a predetermined thickness. An example of the coating / drying process in that case is shown in FIG.

図3の例は、図2に示した例と同様に、開口部3Aを有するマスク部材3を用いてスプレーによりスラリーを塗布したものである。この場合、図3の(a)〜(c)に示すように金属薄板1の側から加熱しながらの1回目のスラリー5の塗布を実施し、乾燥によって収縮した塗布第1層(焼結原料第1層)61を形成し、続いてその塗布第1層(焼結原料第1層)61の上に、図3の(d)、(e)に示すように、加熱しながら再びスラリー5を塗布し、乾燥させて塗布第2層(焼結原料第2層)62を形成する。さらに、必要に応じてこのような過程を繰り返して、最終的に図3の(f)に示すように、所定の厚みの焼結原料層6とする。   In the example of FIG. 3, the slurry is applied by spraying using the mask member 3 having the opening 3A, as in the example shown in FIG. In this case, as shown in FIGS. 3A to 3C, the first slurry 5 is applied while being heated from the side of the thin metal plate 1, and the first layer (sintered raw material) contracted by drying. The first layer 61 is formed, and then the slurry 5 is again heated and heated on the coated first layer (sintered raw material first layer) 61 as shown in FIGS. 3D and 3E. Is applied and dried to form a coating second layer (sintered raw material second layer) 62. Further, if necessary, such a process is repeated to finally obtain a sintered raw material layer 6 having a predetermined thickness as shown in FIG.

〔焼成工程P3〕
前記塗布・乾燥工程終了後、第1の電極としての金属薄板の板面に形成された焼結原料層を加熱して焼成する。
この焼成工程では、比較的粗大な原料粉末の粒子(平均粒径1〜10μm)の間に存在しているアルコキシドもしくはその分解生成物(超微粒子)が、比較的粗大な原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。しかもそのアルコキシド、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。
[Baking step P3]
After completion of the coating / drying step, the sintering material layer formed on the plate surface of the metal thin plate as the first electrode is heated and fired.
In this firing step, the alkoxide or the decomposition products (ultrafine particles) present between the relatively coarse raw material powder particles (average particle size of 1 to 10 μm) burn the relatively coarse raw material powder particles. It functions as a binder, that is, as a sintering aid. In addition, since the alkoxide and decomposition product itself have a target oxide ceramic piezoelectric material composition such as PZT, the alkoxide and decomposition product also have a function of improving 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.

ここで、焼成工程では、加熱温度を600〜800℃の範囲内として、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ことが望ましい。
焼成後のセラミック焼結体の密度が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焼結体層を得ることが困難となる。
一方、焼成後のセラミック焼結体の密度が70%未満の低密度では、焼結体層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, in the firing step, it is desirable to perform firing so that the heating temperature is in the range of 600 to 800 ° C., and the density of the state after firing (piezoelectric material sintered body layer) is in the range of 70 to 80%. .
If the density of the sintered ceramic body after firing reaches a high density exceeding 80%, the rigidity of the sintered body layer becomes high and the flexibility becomes inferior. As a result, the sensor is used when used as a thickness sensor. If it is curved, the sintered body layer may be peeled off from the metal thin plate as the first electrode or cracks may be generated. Therefore, it can be applied to a curved portion such as a pipe whose thickness is to be measured. It becomes difficult. 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 sintered body layer that is in close contact with the metal thin plate as the first electrode.
On the other hand, if the density of the sintered ceramic body after firing is less than 70%, the porosity of the sintered body layer is too high, and the particles inside the sintered body layer are not sufficiently bonded. In addition, 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, resulting in a thickness measurement. Therefore, there is a possibility that sufficient piezoelectric characteristics as an ultrasonic sensor cannot be obtained.

したがって焼成後のセラミック焼結体の密度は、70〜80%の範囲内とすることが望ましいが、このような密度の焼結体層を形成するためには、焼成温度を600〜800℃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600〜800℃の焼成温度でも、焼結原料に配合されているアルコキシドの分解生成物が焼結助剤として機能するため、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。
ここで焼成温度が800℃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、焼成温度が600℃未満の低温では、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。なお焼成温度は、600〜800℃の範囲内でも、特に650〜750℃の範囲内が好ましい。
また焼成時の雰囲気は大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、支持体を兼ねた第1の電極としての金属薄板の一方の板面に、所定の厚み、所定の密度の圧電材料焼結体層が形成される。
Therefore, the density of the sintered ceramic body after firing is desirably in the range of 70 to 80%, but in order to form a sintered body layer having such a density, the firing temperature is 600 to 800 ° C. It is preferable to be within the range. Thus, even at a firing temperature of 600 to 800 ° C., which is lower than the firing temperature of a conventional general oxide-based piezoelectric material (ceramic piezoelectric material), the decomposition product of the alkoxide blended in the sintering raw material serves as a sintering aid. In order to function, the sintered compact density which shows the piezoelectric characteristic required as an ultrasonic thickness sensor can fully be obtained.
If the firing temperature is higher than 800 ° C., the sintering reaction between the powder particles proceeds rapidly during firing, making it difficult to obtain a sintered body layer having a density of 80% or less. On the other hand, if the firing temperature is lower than 600 ° C., 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 baking temperature is particularly preferably in the range of 650 to 750 ° C. even in the range of 600 to 800 ° C.
The atmosphere during firing is preferably air. Further, although the firing time varies depending on the firing temperature, it is usually preferably 1 to 10 hours.
By such a firing step, a piezoelectric material sintered body layer having a predetermined thickness and a predetermined density is formed on one surface of the thin metal plate serving as the first electrode that also serves as the support.

〔第2電極形成工程P4〕
この第2電極形成工程は、前記第1の電極(金属薄板)の対極となる第2の電極を、圧電材料焼結体層の上面(第1の電極に対し反対側の面)に形成する工程である。
第2の電極形成のための具体的手段は特に限定されないが、例えば銀(Ag)などの電極用の導電性金属の粉末をペースト化しておき、そのペーストを焼結体層表面に塗布して焼き付けたり、あるいは電極用の導電性金属の薄膜を焼結体層の表面に載置もしくは貼着して焼き付けたりすれば良い。なおこの第2電極の厚みは、10〜100μmとすることが好ましい。第2の電極の厚みが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の電極が不連続となってしまうおそれがある。
[Second electrode formation step P4]
In the second electrode forming step, a second electrode serving as a counter electrode of the first electrode (thin metal plate) is formed on the upper surface (surface opposite to the first electrode) of the piezoelectric material sintered body layer. It is a process.
The specific means for forming the second electrode is not particularly limited. For example, a conductive metal powder for electrodes such as silver (Ag) is made into a paste, and the paste is applied to the surface of the sintered body layer. It may be baked, or a conductive metal thin film for electrodes may be placed on or pasted on the surface of the sintered body layer and baked. In addition, it is preferable that the thickness of this 2nd electrode shall be 10-100 micrometers. If the thickness of the second electrode exceeds 100 μm, the flexibility of the thickness sensor may be impaired. On the other hand, when the second electrode is thinly formed to be less than 10 μm, the second electrode is locally formed by unevenness on the surface of the sintered body layer. There is a possibility that the two electrodes become discontinuous.

このようにして、支持体を兼ねた第1の電極(金属薄板)の一方の板面にセラミック圧電材料からなる焼結体層が形成され、さらにその焼結体層の表面に第2の電極が形成された積層体が得られる。なおここで、第1、第2の電極は、次の分極処理時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, a sintered body layer made of a ceramic piezoelectric material is formed on one plate surface of the first electrode (metal thin plate) that also serves as a support, and the second electrode is formed on the surface of the sintered body layer. A laminated body in which is formed is obtained. Here, the first and second electrodes function as electrodes for applying a polarization voltage in the next polarization process, and at the same time function as electrodes for transmitting and receiving ultrasonic waves when used as a thickness sensor. It is.

〔分極処理工程P5〕
その後、前記積層体における第1及び第2の電極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。この分極処理は、従来の一般的な圧電素子の製造の場合と同様に行なえばよい。
このように分極処理を施すことによって、焼結体層は圧電特性を示すようになり、したがって超音波厚みセンサに使用できるようになる。
[Polarization process P5]
Thereafter, a polarization process is performed by applying a direct current or pulsed potential difference between the first and second electrodes in the laminate. This polarization treatment may be performed in the same manner as in the case of manufacturing a conventional general piezoelectric element.
By applying the polarization treatment in this way, the sintered body layer becomes piezoelectric and can be used in an ultrasonic thickness sensor.

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、超音波測定の電圧信号の入出力ために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 to the first electrode and the second electrode in order to input and output voltage signals for ultrasonic measurement. 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.

前述のような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4に示す。
図4において、超音波厚みセンサ25における第1の電極(金属薄板)1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)21が形成されており、更にその圧電材料焼結体層21の表面に第2の電極23が形成されている。そして第1の電極1、第2の電極23のそれぞれからは、リード線27A、27Bが引き出されている。このように構成された厚みセンサ25は、その第1の電極1の片面が厚さ測定対象物(金属管の管壁、容器の外壁など)29の表面に接するように、接着剤31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31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. 4 shows an ultrasonic thickness sensor manufactured by the method of the embodiment as described above and a situation at the time of use.
In FIG. 4, a piezoelectric material sintered body layer (for example, PZT piezoelectric ceramic layer) 21 is formed on one plate surface of the first electrode (metal thin plate) 1 in the ultrasonic thickness sensor 25, and further the piezoelectric material. A second electrode 23 is formed on the surface of the sintered body layer 21. Lead wires 27A and 27B are drawn out from the first electrode 1 and the second electrode 23, respectively. The thickness sensor 25 configured as described above has an adhesive 31 or the like so that one surface of the first electrode 1 is in contact with the surface of a thickness measurement object 29 (such as a tube 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 31 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5に示しているように、測定対象物29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25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 29 is curved as shown in FIG. The ultrasonic thickness sensor 25 can be adhered along the curved surface to measure the thickness at the curved portion.

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、ZT粉末と、PZTの金属成分のアルコキシドゾル(ゾルの溶媒として酢酸ブチルを使用)との混合物スラリーを用いて、PZTからなる焼結体層(セラミック圧電体層)を備えた超音波厚みセンサを製造した実施例である。
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。
Example 1 includes a sintered body layer (ceramic piezoelectric layer) made of PZT using a slurry mixture of ZT powder and an alkoxide sol of a metal component of PZT (using butyl acetate as a solvent for the sol). 2 is an example of manufacturing an ultrasonic thickness sensor.
First, as raw material powders for PZT, lead oxide (PbO), titanium oxide (TiO 2 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ) powders are prepared. These are PbO: 1 mol, ZrO 2 : 0.5 mol, TiO 2. 2 : It mix | blended in the ratio of 0.5 mol, the solvent was ethanol, the dispersing agent was polyethyleneimine, and it wet-kneaded with the ball mill for 24 hours, and was set as the 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、分散媒としての酢酸ブチルに溶解(分散)させ、アルコキシドゾルとした。なおこのアルコキシドゾルの濃度は、各アルコキシド成分の合計量が10重量%となるように定めた。そのアルコキシドゾルと、前述の平均粒径2μmのPZT粉末とを、重量比で2:1となるように混合し、アルコキシドゾル‐PZT混合スラリーを得た。なおこのときのPZT粉末中の金属成分とアルコキシドゾル中の金属成分とのモル比は、約2:1である。   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. And dissolved (dispersed) in butyl acetate as a dispersion medium to obtain an alkoxide sol. The concentration of this alkoxide sol was determined so that the total amount of each alkoxide component was 10% by weight. The alkoxide sol and the PZT powder having an average particle diameter of 2 μm were mixed at a weight ratio of 2: 1 to obtain an alkoxide sol-PZT mixed slurry. At this time, the molar ratio of the metal component in the PZT powder and the metal component in the alkoxide sol is about 2: 1.

一方、第1の電極としてのSUS304からなる金属薄板(厚さ25μm、2cm×2cm角)の中央に、マスク部材として10mmφの丸穴(開口部)を形成した厚さ100μmの糊付き紙からなるマスキングテープを貼り付けておき、それを伝熱板としての厚さ3mmのアルミ板状に載置した。そして予め電熱ヒータによりアルミ板を60℃に加熱しておき、その加熱状態を維持したまま、アルコキシドゾル‐PZT混合スラリーをスプレーによって塗布すると同時にスラリー塗布層の乾燥を進行させ、このような塗布・乾燥を5回繰り返して、100μm厚のPZT焼結原料層を形成した。
その後、焼成工程として、30℃/hrの昇温速度で15時間かけて450℃まで昇温し、続いて200℃/hrの昇温速度で650℃まで加熱し、650℃に10分間保持した後、炉冷した。これにより、焼成されたPZTからなる厚み100μmの圧電材料焼結体層が、第1の電極としての厚さ25μmのSUS304からなる金属薄板の上に焼き付けられたものが得られた。
次に、そのPZTからなる圧電材料焼結体層(10mm丸)の中央に、5mm丸の大きさで第2の電極用の銀ペーストを塗布し、450℃で焼き付け、平均厚み20μmの第2の電極(銀電極)を形成した。
On the other hand, it is made of 100 μm thick glued paper with a 10 mmφ round hole (opening) formed as a mask member in the center of a thin metal plate (thickness 25 μm, 2 cm × 2 cm square) made of SUS304 as the first electrode. A masking tape was pasted and placed on an aluminum plate having a thickness of 3 mm as a heat transfer plate. Then, the aluminum plate is heated to 60 ° C. in advance with an electric heater, and while the heating state is maintained, the alkoxide sol-PZT mixed slurry is applied by spraying and at the same time, the drying of the slurry application layer is advanced. Drying was repeated 5 times to form a PZT sintering raw material layer having a thickness of 100 μm.
Thereafter, as a firing step, the temperature was increased to 450 ° C. over 15 hours at a temperature increase rate of 30 ° C./hr, then heated to 650 ° C. at a temperature increase rate of 200 ° C./hr and held at 650 ° C. for 10 minutes. After that, the furnace was cooled. As a result, a sintered material of a sintered piezoelectric material made of PZT having a thickness of 100 μm was baked on a thin metal plate made of SUS304 having a thickness of 25 μm as the first electrode.
Next, a silver paste for a second electrode having a 5 mm round size is applied to the center of the piezoelectric material sintered body layer (10 mm round) made of PZT, and baked at 450 ° C., and a second electrode having an average thickness of 20 μm. Electrode (silver electrode) was formed.

このようにして第1の電極(SUS304)上にPZTからなる圧電材料焼結体層(圧電セラミック層)が形成されかつその圧電材料焼結体層上に第2の電極(銀)が形成された積層体が得られた。なお圧電材料焼結体層の密度は、約75%であった。
その後、積層体を150℃のシリコンオイル中に浸漬し、積層体における第1の電極と第2の電極の間に4500V/mmの電位差を与える分極処理を5分間実施した。その後、第1の電極(SUS304)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、厚みセンサとした。
In this way, a piezoelectric material sintered body layer (piezoelectric ceramic layer) made of PZT is formed on the first electrode (SUS304), and a second electrode (silver) is formed on the piezoelectric material sintered body layer. A laminate was obtained. The density of the piezoelectric material sintered body layer was about 75%.
Thereafter, the laminate was immersed in silicon oil at 150 ° C., and a polarization treatment for applying a potential difference of 4500 V / mm between the first electrode and the second electrode in the laminate was performed for 5 minutes. Thereafter, a lead wire was bonded to each of the first electrode (SUS304) and the second electrode (silver) with a conductive paste to form a thickness sensor.

分極処理後のサンプルについて、d33メータを用いて分極状況(圧電定数d33)を調べたところ、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、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) of the sample after the polarization treatment was examined using a d33 meter, it was confirmed that the sample was well polarized. Moreover, as an ultrasonic thickness sensor, when 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 and the thickness was measured correctly.

なお、スラリーの塗布・乾燥時においては、スプレー塗布したスラリーの塗布層に液溜りが生じないことが確認された。また同時に、スラリーの液体成分の沸騰(突沸)や塗布層内殻の急激な気泡の発生によってスラリーが飛散したり、表面に大きな凹凸が生じたりしないことが確認された。   In addition, at the time of application | coating and drying of a slurry, it was confirmed that a liquid pool does not arise in the application layer of the slurry apply | coated by spray. At the same time, it was confirmed that the slurry does not scatter or large irregularities are generated on the surface due to boiling of liquid components (sudden boiling) of the slurry or generation of abrupt bubbles in the inner shell of the coating layer.

この実施例2は、実施例1における酢酸ブチルに代えて、N−ブタノールをアルコキシドゾルの溶剤として使用して、PZTからなる焼結体層(セラミック圧電体層)を有する超音波センサを製造した実施例である。
すなわち、実施例1と同様にして、平均粒径が2μmのPZT粉末を作成した。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分散媒としてのN−ブタノールに溶解(分散)させ、アルコキシドゾルとした。なおこのアルコキシドゾルの濃度は、各アルコキシド成分の合計量が10重量%となるように定めた。そのアルコキシドゾルと、前述の平均粒径2μmのPZT粉末とを、ゾル:PZT粉末が重量比で1:2となるように混合し、アルコキシドゾル‐PZT混合スラリーを得た。なおこのときのPZT粉末中の金属成分とアルコキシドゾル中の金属成分とのモル比は、約1:2である。
In Example 2, an ultrasonic sensor having a sintered body layer (ceramic piezoelectric layer) made of PZT was manufactured by using N-butanol as a solvent for the alkoxide sol instead of butyl acetate in Example 1. This is an example.
That is, in the same manner as in Example 1, a PZT powder having an average particle size of 2 μm was prepared. 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. And dissolved (dispersed) in N-butanol as a dispersion medium to obtain an alkoxide sol. The concentration of this alkoxide sol was determined so that the total amount of each alkoxide component was 10% by weight. The alkoxide sol and the above-mentioned PZT powder having an average particle diameter of 2 μm were mixed so that the weight ratio of sol: PZT powder was 1: 2, and an alkoxide sol-PZT mixed slurry was obtained. At this time, the molar ratio of the metal component in the PZT powder to the metal component in the alkoxide sol is about 1: 2.

一方、第1の電極としてのSUS304からなる金属薄板(厚さ25μm、2cm×2cm角)の中央に、マスク部材として10mmφの丸穴(開口部)を形成した厚さ100μmの糊付き紙からなるマスキングテープを貼り付けておき、それを伝熱板としての厚さ3mmのアルミ板状に載置した。そして予め電熱ヒータによりアルミ板を60℃に加熱しておき、その加熱状態を維持したまま、アルコキシドゾル‐PZT混合スラリーをスプレーによって塗布すると同時にスラリー塗布層の乾燥を進行させ、このような塗布・乾燥を5回繰り返して、100μm厚のPZT焼結原料層を形成した。
その後、焼成工程として、実施例1と同様に30℃/hrの昇温速度で15時間かけて450℃まで昇温し、続いて200℃/hrの昇温速度で650℃まで加熱し、650℃に10分間保持した後、炉冷した。これにより、焼成されたPZTからなる厚み100μmの圧電材料焼結体層が、第1の電極としての厚さ25μmのSUS304からなる金属薄板の上に焼き付けられたものが得られた。
なお圧電材料焼結体層の密度は、約75%であった。
On the other hand, it is made of 100 μm thick glued paper with a 10 mmφ round hole (opening) formed as a mask member in the center of a thin metal plate (thickness 25 μm, 2 cm × 2 cm square) made of SUS304 as the first electrode. A masking tape was pasted and placed on an aluminum plate having a thickness of 3 mm as a heat transfer plate. Then, the aluminum plate is heated to 60 ° C. in advance with an electric heater, and while the heating state is maintained, the alkoxide sol-PZT mixed slurry is applied by spraying and at the same time, the drying of the slurry application layer is advanced. Drying was repeated 5 times to form a PZT sintering raw material layer having a thickness of 100 μm.
Thereafter, as a firing step, the temperature was increased to 450 ° C. over 15 hours at a temperature increase rate of 30 ° C./hr as in Example 1, and subsequently heated to 650 ° C. at a temperature increase rate of 200 ° C./hr. After holding at 10 ° C. for 10 minutes, the furnace was cooled. As a result, a sintered material of a sintered piezoelectric material made of PZT having a thickness of 100 μm was baked on a thin metal plate made of SUS304 having a thickness of 25 μm as the first electrode.
The density of the piezoelectric material sintered body layer was about 75%.

その後、実施例1と同様に第2電極形成、分極処理、リード線の取り付けを行い、超音波厚みセンサとした。そして分極処理後のサンプルについて、d33メータを用いて分極状況(圧電定数d33)を調べたところ、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、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。   Thereafter, in the same manner as in Example 1, the formation of the second electrode, the polarization treatment, and the attachment of the lead wire were performed to obtain an ultrasonic thickness sensor. When the polarization state (piezoelectric constant d33) of the sample after the polarization treatment was examined using a d33 meter, it was confirmed that the sample was well polarized. Moreover, as an ultrasonic thickness sensor, when 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 and the thickness was measured correctly.

またこの実施例2の場合も、スラリーの塗布・乾燥時においては、スプレー塗布したスラリーの塗布層に液溜りが生じないことが確認され、同時に、スラリーの液体成分の沸騰(突沸)や塗布層内殻の急激な気泡の発生によってスラリーが飛散したり、表面に大きな凹凸が生じたりしないことも確認された。   Also in the case of Example 2, it was confirmed that no liquid pool was generated in the sprayed slurry coating layer during the slurry coating and drying, and at the same time, the liquid component in the slurry boiled (sudden boiling) and the coating layer. It was also confirmed that the slurry does not scatter due to the rapid generation of bubbles in the inner shell, or that large irregularities are not generated on the surface.

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(第1の電極)
3 マスク部材
3A 開口部
5 スラリー塗布層
7 伝熱板
9A 加熱手段
21 焼結体層
23 第2の電極
25 超音波厚みセンサ
29 厚さ測定対象物
1 Metal thin plate (first electrode)
3 Mask member 3A Opening 5 Slurry coating layer 7 Heat transfer plate 9A Heating means 21 Sintered body layer 23 Second electrode 25 Ultrasonic thickness sensor 29 Thickness measurement object

Claims (10)

酸化物系圧電材料からなる平均粒径1〜10μmの粉末と、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て、その混合物からなる焼結原料スラリーを調製する焼結原料スラリー調製工程と、
第1の電極となるべき金属薄板の一方の板面に前記焼結原料スラリーの塗布層を形成するにあたって、焼結原料スラリーを金属薄板の前記板面に塗布しながら、塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させ、金属薄板の一方の板面上に焼結原料層を形成する塗布・乾燥工程と、
前記焼結原料層を加熱して焼成し、圧電材料焼結体層を金属薄板の一方の板面上に形成する焼成工程と、
前記焼成工程終了後、圧電材料焼結体層における金属薄板に対し反対側の表面に第2の電極を形成する第2電極形成工程と、
前記金属薄板からなる第1の電極と第2の電極との間に電位差を与えて分極処理する分極処理工程と、
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 sintering raw material slurry for preparing a sintering raw material slurry comprising a mixture of a powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm made of an oxide piezoelectric material and an alkoxide sol of the metal component of the oxide piezoelectric material A preparation process;
In forming the coating layer of the sintering raw material slurry on one plate surface of the metal thin plate to be the first electrode, the coating layer is formed on the metal thin plate while applying the sintering raw material slurry to the plate surface of the metal thin plate. A heating and drying process from the side, a coating / drying process for forming a sintered raw material layer on one plate surface of the metal thin plate; and
The sintering raw material layer is heated and fired, and a firing step of forming a piezoelectric material sintered body layer on one plate surface of the metal thin plate,
A second electrode forming step of forming a second electrode on the surface opposite to the metal thin plate in the piezoelectric material sintered body layer after the firing step;
A polarization treatment step of performing polarization treatment by applying a potential difference between the first electrode and the second electrode made of the metal thin plate;
The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor characterized by having.
前記塗布・乾燥工程において、焼結原料スラリーを金属薄板の前記板面に塗布しながら塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させた後、その乾燥した層の表面に焼結原料スラリーを再び塗布しながら塗布層を金属薄板の側から加熱して乾燥させる過程を1または2回以上繰り返して、所定の厚みの焼結原料層を得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。   In the coating / drying step, the coating layer is heated and dried from the side of the metal thin plate while applying the sintering raw material slurry to the plate surface of the metal thin plate, and then the sintering raw material slurry is applied to the surface of the dried layer. The ultrasonic wave according to claim 1, wherein a process of heating and drying the coating layer from the side of the thin metal plate while being applied again is repeated one or more times to obtain a sintered raw material layer having a predetermined thickness. Manufacturing method of thickness sensor. 前記塗布・乾燥工程において、前記金属薄板を、良熱伝導材料からなる伝熱板上に載置し、焼結原料スラリーの塗布開始前の時点から前記伝熱板を加熱手段により加熱して、伝熱板および前記金属薄板を介して塗布層を金属薄板の側から加熱することを特徴とする請求項1、請求項2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 coating / drying step, the metal thin plate is placed on a heat transfer plate made of a good heat conductive material, and the heat transfer plate is heated by a heating means from the time before the application of the sintering raw material slurry, 3. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 1, wherein the coating layer is heated from the side of the thin metal plate via the heat transfer plate and the thin metal plate. 前記塗布・乾燥工程において、前記金属薄板の前記板面上に、厚み方向に貫通する開口部を有する薄板状のマスク部材を予め重ねておき、焼結原料スラリーを塗布するにあたって、前記開口部に焼結原料スラリーが収容されるように、マスク部材の上から焼結原料スラリーを塗布することを特徴とする請求項1〜請求項3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 coating / drying step, a thin plate-like mask member having an opening penetrating in the thickness direction is preliminarily stacked on the plate surface of the metal thin plate, and when applying the sintering raw material slurry, The manufacturing of the ultrasonic thickness sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the sintering raw material slurry is applied from above the mask member so that the sintering raw material slurry is accommodated. Method. 前記塗布・乾燥工程における加熱温度を、50℃以上で、しかも前記焼結原料スラリーの液体成分の沸点よりも低い温度と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。   The heating temperature in the coating / drying step is set to 50 ° C or higher and lower than the boiling point of the liquid component of the sintering raw material slurry. The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of description. 前記塗布・乾燥工程における加熱温度を、50℃以上、80℃以下の範囲内とすることを特徴とする請求項5に記載の超音波厚みセンサの製造方法。   6. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to claim 5, wherein a heating temperature in the coating / drying step is set in a range of 50 ° C. or higher and 80 ° C. or lower. 前記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%の範囲内の圧電材料焼結体層を得ることを特徴とする請求項1〜請求項6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 said baking process shall be in the range of 600-800 degreeC, and the density of a piezoelectric material sintered compact layer in the range of 70-80% will be obtained, The any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. The manufacturing method of the ultrasonic thickness sensor of the said 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、また前記圧電材料焼結体層を、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7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 thin metal plate having a thickness in the range of 10 to 150 μm is used, and the piezoelectric material sintered body layer is formed to have a thickness in the range of 30 to 150 μm. The method of manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the electrode is formed so that the thickness thereof is within a range of 10 to 100 µm. 前記前記酸化物系圧電材料からなる原料粉末として、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電材料粉末を用いることを特徴とする請求項1〜請求項8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。   9. The ultrasonic thickness sensor according to claim 1, wherein a lead zirconate titanate piezoelectric material powder is used as the raw material powder made of the oxide piezoelectric material. Manufacturing method. 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 method for manufacturing an ultrasonic thickness sensor according to any one of claims 1 to 9, wherein a thin plate of stainless steel is used as the first electrode.
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