JP4249359B2

JP4249359B2 - Ａｃｍセンサの製造方法

Info

Publication number: JP4249359B2
Application number: JP2000011147A
Authority: JP
Inventors: 整大森; 豊山形; 精守安; 嘉宏上原; 茂男辻川; 正篠原; 宗明浅見
Original assignee: SHINSEDAI KAKOSHISUTEMU CO.,LTD.; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: SHINSEDAI KAKOSHISUTEMU CO.,LTD.; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP2001201451A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡＣＭセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気腐食のような非没水環境下での腐食に対しては、通常の電気化学的手法が適用できず、従来からガルバニック対が適用されてきた。これは、一般的には、ＡＣＭ（ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＣｏｒｒｏｓｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒ）と呼ばれ、図４に模式的に示すＡＣＭセンサを使用する。
【０００３】
この図において、（Ａ）は使用状態を示す平面図、（Ｂ）はその中央部の拡大断面図である。すなわち、ＡＣＭセンサ１は、鋼基板２の表面に絶縁ペースト３と導電ペースト４を積層したものであり、鋼基板２と導電ペースト４からそれぞれ導線２ａ，４ａが引き出され、電流計等の計測機５に接続される。
【０００４】
この基板表面の露出部がセンサのアノード（陽極）となり、導電ペースト４がカソード（陰極）となる。すなわち、センサの置かれた環境が乾燥状態で表面になにも堆積していない時（初期）には、絶縁ペースト３によりアノード（鋼基板２）とカソード（導電ペースト４）が絶縁されているので、その間に電位は発生せず電流は計測されない。また、センサの表面が雨や露により濡れると、アノード、カソード間が導電性液で満たされるので、その間に電流が流れる。更に、海塩等が付着した場合でも、それが堆積すると、絶縁ペースト３による絶縁抵抗が低下するので、同様に電位が発生し電流が流れる。従って、このセンサを用いて、暴露試験により付着海塩量の調査や降雨期間、結露期間、乾燥期間等の調査を行うことができる。
【０００５】
図５は、このＡＣＭセンサを用いて得られた付着海塩量（横軸）とセンサ出力（縦軸）の関係図であり、図中のＲＨは相対湿度を示している。この図から明らかなように、ＡＣＭセンサの出力は、一定の相対湿度において付着海塩量にほぼ比例しており、出力から付着海塩量を求めることができる。
【０００６】
図６は、同様にＡＣＭセンサの出力（縦軸）を２日間にわたり計測した結果であり、図中のＤｒｙ，Ｄｅｗ，Ｒａｉｎはそれぞれ乾燥期間、結露期間、降雨期間を示している。この図から、特に降雨期間にはセンサ出力が大幅に増大し、乾燥期間、結露期間、降雨期間の分別をこのセンサを用いて行うことができることがわかる。
【０００７】
なお、上述したＡＣＭセンサは、例えば「海洋性大気環境の腐食性評価のためのＡＣＭ型腐食センサ」（Ｚａｉｒｙｏ−ｔｏ−Ｋａｎｋｙｏ，４３，５５０〜５５６，１９９４）に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＡＣＭセンサは、以下の３工程で製造していた。
（１）炭素鋼板からなる基板２を所定の大きさに切り出し、アセトン中で超音波洗浄して十分に脱脂する。
（２）基板２の上にスクリーン印刷機を用いて絶縁ペーストを塗付し、窒素雰囲気中で加熱硬化させる。
（３）次に、スクリーン印刷機を用いて導電ペーストを基板との絶縁が保たれるように、積層印刷し、同様に窒素雰囲気中で加熱硬化させる。
【０００９】
この製造工程により製造されるＡＣＭセンサの各部の厚さは、おおよそ、鋼基板：１ｍｍ、絶縁ペースト：０．０２ｍｍ、導電ペースト：０．０１５ｍｍとなる。
【００１０】
上述したように、従来のＡＣＭセンサは、付着海塩量、降雨期間、結露期間、乾燥期間等の調査に有益であるが、以下の問題点があった。
（１）センサの寿命が短い。
すなわち、ＡＣＭセンサー自体の寿命は約１ケ月程度であり、長期使用のためには、頻繁にセンサを交換する必要が生じる。この結果、センサのバラツキの影響が大きくなるばかりか、センサ交換の手間やセンサコストが過大となる。
センサ寿命の主原因は基板２の電気化学的腐食による絶縁ペースト３の剥離であり、これに対応するため絶縁ペーストの膜厚を厚くしたり、密着性を上げる必要がある。
しかし、スクリーン印刷では、膜厚０．０２ｍｍが限界であった。また、密着性をあげるための前処理もスクリーン印刷に悪影響を与えるため実質的には困難であった。
【００１１】
（２）センサ感度が低く、バラツキが大きい。
従来の製造方法では、スクリーン印刷後の２回の加熱工程により、窒素雰囲気中にもかかわらず基板表面及び導電ペーストの表面に薄い酸化被膜が形成され、センサ感度が低下しかつバラツキが大きくなる。
また、絶縁ペーストの印刷・硬化後に同一箇所に導電ペーストを印刷・硬化させるため、加熱工程による位置ズレにより正確な位等合わせが困難である。そのため、センサの部分によりアノード、カソード間の間隔がわずかに相違し、感度にバラツキが生じる。
また、印刷による絶縁ペースト及び導電ペーストの形状は、その量や表面張力により決まるため、全面を均一の厚さに形成するのは困難である。そのため、導電ペーストから絶縁ペーストを介して基板まで流れる降雨等の稜線の形が必ずしも滑らかにならず、これによっても感度にバラツキが生じる。
更に、従来の製造方法では、絶縁ペーストとして例えばアルミナ粉末と樹脂の混合液、導電ペーストとして例えば銀粉末と樹脂の混合液を用いていた。そのため、加熱硬化後にも樹脂が内部に残り、絶縁ペーストでは抵抗の低下、導電ペーストでは抵抗の増加をもたらし、センサの感度が低下する。
【００１２】
（３）また、銀以外の導電ペーストは、フィラー表面が酸化されやすい、硬化温度が高すぎる等の理由で使用しにくい問題点があった。
【００１３】
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、寿命が長く、感度が高く、出力のバラツキが小さく、かつ製造時の歩留りが高く、コストダウンが可能なＡＣＭセンサの製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、導電材料からなる基板表面のアンカ力を向上させる前処理工程（３０）と、基板表面に絶縁材料を溶射して絶縁膜を成膜する絶縁膜溶射工程（３２）と、絶縁膜の表面に基板と異なる導電材料を溶射して導電膜を成膜する導電膜溶射工程（３４）と、導電膜の表面を平滑に研削する平坦化工程（３６）と、導電膜及び絶縁膜をスリット状に研削除去するスリット加工工程（３８）とからなることを特徴とするＡＣＭセンサの製造方法が提供される。
【００１７】
本発明の方法によれば、前処理工程（３０）により基板表面のアンカ力を向上させた後に絶縁膜を溶射するので、基板と絶縁膜の密着力を印刷性等の影響なしに十分に高めることができる。
また、絶縁膜溶射工程（３２）及び導電膜溶射工程（３４）で、それぞれ純粋な絶縁材料、導電材料を使用できるので、不純物による絶縁膜の抵抗の低下、導電膜の抵抗の増加を共に防ぎ、センサ感度を向上させることができる。更に、溶射による成膜の厚さは自由に設定ができるので、従来よりも数倍厚くし（例えば、絶縁膜：０．１ｍｍ以上、導電膜：０．０５ｍｍ以上）、絶縁膜を剥離しにくくすることができる。
更に、平坦化工程（３６）で導電膜の表面を平滑に研削するので、導電膜の凹凸を無くし、降雨等の濡れ性を均一化できる。
また、スリット加工工程（３８）により導電膜及び絶縁膜をスリット状に研削除去することにより、この除去部分をＡＣＭセンサの検出部として機能させることができる。更に、基板の一部まで除去できるので、基板表面の薄い酸化被膜を確実に除去でき、センサ感度の低下を防ぎかつバラツキを低減できる。また、このスリット加工工程（３８）で導電膜から基板までの勾配を均一にかつ最適化できるので、感度を高めかつバラツキを低減することができる。
【００１８】
本発明の好ましい方法によれば、前記平坦化工程及び／又はスリット加工工程において、導電性砥石を電解ドレッシングしながら研削するＥＬＩＤ研削法を使用する。
【００１９】
ＡＣＭセンサーの機能上、スリット部の断面形状が非常に重要であり、この形状を精度よく均一に仕上げる必要がある。通常の研削方法では、砥石先端部の形状が摩耗により変形しやすく、スリット部の形状精度を上げることができず、かつ、砥石先端部分のツルーイング回数が増えてしまい、加工能率が低くなる。また、研削材料に合わせて、砥石の材質を変えなければならない場合もある。更に、ＡＣＭセンサーのように絶縁膜（例えばアルミナ層）を加工すると砥石の消耗が大きく、研削抵抗も大きくなることから、過大な研削抵抗により絶縁膜の基板への密着力が低下するおそれもある。
【００２０】
これに対して、導電性砥石を電解ドレッシングしながら研削するＥＬＩＤ研削法を使用することにより、摩耗が少ない硬い砥石（例えばメタルボンドダイヤモンド砥石）を使用できるので、砥石先端部分の形状の変形が少なく、高精度なスリット形状が得られる。また、電解ドレッシングにより砥石先端部分の形状を長く保持できるので、１度ツルーイングを行えば高能率な加工が長時間行える。更に、銀層（導電膜）、アルミナ層（絶縁膜）、鉄（基板）の複合した材料であっても、ＥＬＩＤ研削法によれば、小さい研削抵抗で高精度にできるので、絶縁膜の基板への密着力の低下もほとんど生じない。
従って、ＥＬＩＤ研削法を使用することにより、耐久性に優れ、かつ感度や性能はこれまで以上のものを期待することができる。
【００２１】
更に、前記前処理工程において、導電材料からなる基板表面をサンドブラストもしくは、ケミカルエッチング等をして表面に凹凸を付けるのがよい。この方法により、容易に基板表面のアンカ力を向上させ、基板と絶縁膜の密着力を印刷性等の影響なしに十分に高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本発明の製造方法によって製造したＡＣＭセンサの構成図である。この図において、（Ａ）は使用状態を示す平面図、（Ｂ）はその中央部の検出部１８の拡大図、（Ｃ）はそのＣ−Ｃ部分拡大断面図である。
【００２３】
図１（Ａ）及び（Ｃ）から明らかなように、ＡＣＭセンサ１０は、基板１２、絶縁膜１４及び導電膜１６からなる。基板１２は、導電材料、例えば鋼材料からなる。また、絶縁膜１４は、基板１２の表面に成膜され、絶縁材料（例えばアルミナ）のみからなる。また、導電膜１６は、絶縁膜１４の表面に成膜され、基板と異なる導電材料（例えば、金、銀、銅、アルミニウム等、又はこれらの合金）のみからなる。
【００２４】
更に、図１（Ｃ）に示すように、検出部１８では、導電膜１６、絶縁膜１４及び基板１２の一部が導電膜から基板まで滑らかな勾配を形成して部分的にスリット状に除去されている。特に、検出部１８の導電膜１６の間に露出する基板１２の表面１２ａも同時に除去され、その部分の酸化被膜が完全に除去されている。
【００２５】
また、この例では、例えば、絶縁膜の膜厚が０．１ｍｍ以上、導電膜の膜厚が０．０５ｍｍ〜０．０７ｍｍに従来の５倍以上に大きくなっている。更に、検出部１８におけるスリット間隔は、例えば溝ピッチが２．０ｍｍ、溝幅が約１．０ｍｍに均一に加工されている。
【００２６】
上述したＡＣＭセンサ１０の構成によれば、基板１２の表面に成膜された絶縁膜１４が絶縁材料のみからなり、樹脂等の不純物を含まず、かつ厚くできるので、絶縁膜１４の抵抗を高めることができる。また、絶縁膜１４の表面に成膜された導電膜１６が導電材料のみからなり、同様に樹脂等の不純物を含まず、かつ厚くできるので、導電膜１６の抵抗を低減することができ、従って、センサの感度を高めることができる。また、導電膜１６、絶縁膜１４が部分的にスリット状に除去されているので、この部分をＡＣＭセンサの検出部として機能させることができる。更に、基板１２の一部（表面１２ａ）まで除去されているので、基板表面の薄い酸化被膜を確実に除去でき、センサ感度の低下を防ぎかつバラツキを低減できる。また、導電膜１６から基板１２まで滑らかな勾配を形成して除去されているので、導電膜１６から絶縁膜１４を介して基板１２まで流れる降雨等の稜線の形が滑らかに形成され、感度を一定にすることができる。
【００２７】
図２は、本発明の製造方法に使用するＥＬＩＤ研削装置の構成図である。この図に示すように、ＥＬＩＤ研削装置２０は、導電性砥石２２、ＥＬＩＤ電極２４、ＥＬＩＤ電源２６、及び研削液供給装置２８からなる。
導電性砥石２２は、例えばダイヤモンド砥粒を含む鋳鉄ボンド砥石である。またこの例では水平軸を中心に回転駆動され、かつその外周面が図１に示した検出部１８のスリット部の断面形状に台形状に形成されている。ＥＬＩＤ電極２４は、導電性砥石２２の外周面からほぼ一定の間隔を隔てた対向面を有し、加工に支障のない位置（例えば砥石の上部）に位置決めされている。ＥＬＩＤ電源２６は、電解ドレッシングに適した電圧をパルス状に発生し、砥石２２をプラス（＋）に印加し、電極２４をマイナス（−）に印加する。研削液供給装置２８は、導電性の研削液を砥石２２と電極２４の間に供給する。
この構成により、導電性砥石２２の外表面を電解ドレッシングにより目立てしながら、同時にこの導電性砥石２２でワーク（この例ではＡＣＭセンサの表面）を研削加工することができる。
【００２８】
図３は、本発明の製造方法の工程図である。この図に示すように、本発明のＡＣＭセンサの製造方法は、前処理工程３０、絶縁膜溶射工程３２、導電膜溶射工程３４、平坦化工程３６及びスリット加工工程３８からなる。
【００２９】
前処理工程３０では、導電材料からなる基板１２（例えば鋼材料）の表面をサンドブラストもしくはケミカルエッチングをして表面に凹凸を付け、これにより、基板表面のアンカ力を向上させる。
【００３０】
絶縁膜溶射工程３２では、基板１２の表面に絶縁材料（例えばアルミナ）を溶射して所望の厚さ（例えば０．１ｍｍ以上）の絶縁膜１４を成膜する。なお、この際、適当な開口を有するマスク（遮蔽板）を使用して、基板表面の一部を遮蔽し、この部分に絶縁膜を成膜しないようにする。この部分は、図１（Ａ）に示す導線２ａの結線に利用する。
【００３１】
導電膜溶射工程３４では、絶縁膜１４の表面に基板１２と異なる導電材料（例えば、金、銀、銅、アルミニウム等、又はこれらの合金）を溶射し、所望の厚さ（例えば０．０５ｍｍ〜０．０７ｍｍ）の導電膜１６を成膜する。この際に、絶縁膜溶射工程３２よりも小さい開口を有するマスク（遮蔽板）を使用して、絶縁膜１４の表面の周辺部を遮蔽し、この部分に絶縁膜を成膜しないようにする。この部分は、図１（Ａ）に示す導線４ａの結線に利用する。
上述した絶縁膜溶射工程３２と導電膜溶射工程３４により、ＡＣＭセンサの中央部は、基板、絶縁膜、導電膜の３層構造となる。
【００３２】
平坦化工程３６及びスリット加工工程３８では、上述したＥＬＩＤ研削装置２０を使用して、導電性砥石２２を電解ドレッシングしながら研削するＥＬＩＤ研削法を適用する。すなわち、平坦化工程３６では、導電性砥石２２の外表面、或いは別の導電性砥石を用いて導電膜１６の表面を平滑に研削する。また、スリット加工工程３８では、導電性砥石２２の外表面を一定のピッチで送って、導電膜１６及び絶縁膜１４を図１に示したようにスリット状に研削除去する。
【００３３】
上述した本発明の方法によれば、前処理工程３０により基板表面のアンカ力を向上させた後に絶縁膜１４を溶射するので、基板１２と絶縁膜１４の密着力を印刷性等の影響なしに十分に高めることができる。
また、絶縁膜溶射工程３２及び導電膜溶射工程３４で、それぞれ純粋な絶縁材料、導電材料を使用できるので、不純物による絶縁膜１４の抵抗の低下、導電膜１６の抵抗の増加を共に防ぎ、センサ感度を向上させることができる。更に、溶射による成膜の厚さは自由に設定ができるので、従来よりも数倍厚くし、絶縁膜を剥離しにくくすることができる。
更に、平坦化工程３６で導電膜の表面を平滑に研削するので、導電膜１６の凹凸を無くし、降雨等の濡れ性を均一化できる。
また、スリット加工工程３８により導電膜及び絶縁膜をスリット状に研削除去することにより、この除去部分をＡＣＭセンサの検出部として機能させることができる。更に、基板の一部まで除去できるので、基板表面の薄い酸化被膜を確実に除去でき、センサ感度の低下を防ぎかつバラツキを低減できる。また、このスリット加工工程３８で導電膜から基板までの勾配を均一にかつ最適化できるので、感度を高めかつバラツキを低減することができる。
【００３４】
更に、導電性砥石２２を電解ドレッシングしながら研削するＥＬＩＤ研削法を使用することにより、摩耗が少ない硬い砥石（例えばメタルボンドダイヤモンド砥石）を使用できるので、砥石先端部分の形状の変形が少なく、高精度なスリット形状が得られる。また、電解ドレッシングにより砥石先端部分の形状を長く保持できるので、１度ツルーイングを行えば高能率な加工が長時間行える。更に、銀層（導電膜）、アルミナ層（絶縁膜）、鉄（基板）の複合した材料であっても、ＥＬＩＤ研削法によれば、小さい研削抵抗で高精度にできるので、絶縁膜の基板への密着力の低下もほとんど生じない。
従って、ＥＬＩＤ研削法を使用することにより、耐久性に優れ、かつ感度や性能はこれまで以上のものを期待することができる。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
上述したように、本発明のＡＣＭセンサの製造方法は、寿命が長く、感度が高く、出力のバラツキが小さく、かつ製造時の歩留りが高く、コストダウンが可能となる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法によって製造したＡＣＭセンサの構成図である。
【図２】本発明の製造方法に使用するＥＬＩＤ研削装置の構成図である。
【図３】本発明の製造方法の工程図である。
【図４】従来のＡＣＭセンサの構成図である。
【図５】ＡＣＭセンサの特性を示す試験結果である。
【図６】ＡＣＭセンサの特性を示す別の試験結果である。
【符号の説明】
１ＡＣＭセンサ、２鋼基板、３絶縁ペースト、４導電ペースト、２ａ，４ａ導線、５計測機、１０ＡＣＭセンサ、１２基板、１４絶縁膜、１６導電膜、２０ＥＬＩＤ研削装置、２２導電性砥石、２４ＥＬＩＤ電極、２６ＥＬＩＤ電源、２８研削液供給装置、３０前処理工程、３２絶縁膜溶射工程、３４導電膜溶射工程、３６平坦化工程、３８スリット加工工程

Claims

導電材料からなる基板表面のアンカ力を向上させる前処理工程（３０）と、基板表面に絶縁材料を溶射して絶縁膜を成膜する絶縁膜溶射工程（３２）と、絶縁膜の表面に基板と異なる導電材料を溶射して導電膜を成膜する導電膜溶射工程（３４）と、導電膜の表面を平滑に研削する平坦化工程（３６）と、導電膜及び絶縁膜をスリット状に研削除去するスリット加工工程（３８）とからなることを特徴とするＡＣＭセンサの製造方法。
前記平坦化工程及び／又はスリット加工工程において、導電性砥石を電解ドレッシングしながら研削するＥＬＩＤ研削法を使用する、ことを特徴とする請求項１に記載のＡＣＭセンサの製造方法。
前記前処理工程において、導電材料からなる基板表面をサンドブラストして表面に凹凸を付ける、ことを特徴とする請求項１に記載のＡＣＭセンサの製造方法。