JPH06504118A - セラミック容量高圧流体センサ - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 セラミック容量高圧流体センサ 利用分野 本発明は、特に動的、すなわち流動している油−水−ガス系中の油−水一ガス若 しくは油−水混合物の、成分濃度の変化に伴うキャパシタンスの変化を測定する ための容量型センサに関する。

先行技術 油の中の水とガスの濃度を測定するのに、各種のセンサが使用されてきた。海中 での操作において、油の中に洩れ込んだ水があるかどうかを知ることは、その値 を定期的に比較して含有水分の変化を判定するためや、成分の正確な測定が要求 される所有権の移転若しくは複数混合所有権の場合、しばしば有用である。その ようなセンサのいくつかは、混合物のインピーダンスを、インピーダンスを測定 して濃度の変化を判定するのに用いていた。しかし、インピーダンス型のセンサ は、流体と接触する導電性部材を備えねばならなかった。しかし流れる液体の侵 食性、腐食性のため、金属膜の使用は一般的に満足できるものではなかった。

そして、センサの孔の両側の内張りの露出した一対の金属導電体は、すぐ侵食さ れる。加えて、実際の混合物の構成に無関係な、混合物成分の電気的インピーダ ンス型６−５０４１１８　（３） ンスの違いが正確なインピーダンスの測定を不可能にしている。

また容量型センサも用いられているが、しかし、キャパシタンスプレートは動い ている流体に安易にさらされることはできない、というのは、流体成分は比較的 電気を通し、キャパシタンスプレートを短絡するからである。したがって、キャ パシタンスプレートは流体から電気的に絶縁されねばならず、またキャパシタン スプレート相互間も絶縁されねばならない。もちろん、キャパシタンスプレート と流体の間にある物質もまた、装置によって測定される全容量に影響を与える。

必要な高い圧力、例えば１５０ニユ一トン／ｍ２　（１５０バール）を超える圧 力と、温度の変動のために、キャパシタンスプレートと流体を隔てる材料は、ど んなものであれ、強くて海水に対する耐食性を持ったものでなければならず、低 い誘電率と低い熱膨張率を持ったものでなければならない。

発明の要約 油−水もしくは油−水−ガスの混合物の静電容量を測定する独特のセンサで、中 心孔と、該中心孔の壁面を形成するセラミックの薄い層と、実質的に同一で互い に対向して配置され外側の厚いセラミックの層と前記内側のセラミックの層の間 に包み込まれた一対の電極（キャパシタンスプレート）と、該電極に１本ずつ接 続された導線とを有するものが発明された。装置の内側の層を形成するセラミッ ク材料は、耐食性と耐海水侵食性を持つ電気的絶縁物であって予測可能な低い熱 膨張率を持っており、さらに低い誘電率（静電容量）を持っているものが好まし い。キャパシタンス電極板は、セラミックに覆われた装置の全外表面から隔離さ れており、装置の中心孔を通って流れる流体とは接触しない。セラミックの内側 の層、包込まれた電極、及びセラミックの外側の層は、一つの、単一セラミック センサ要素に焼結される。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の測定部の斜視図である。

図２は、図１に示す測定部の２−２線矢視方向に見た断面図である。

図３は、図１に示す測定部の３−３線矢視方向に見た断面図である。

図４は、内側の円筒形セラミック部材に巻きつけて一対の螺旋状の電極をするよ うに設計された平面電極（キャパシタンスプレート）を示す図である。

図５は、基本回路を示す回路図である。

図６は、本発明の静電容量部を示す回路図である。

図７は、内側円筒形セラミック部材の螺旋状の電極パターンを示す斜視図である 。

発明の詳細な説明 本発明はセンサに係り、特に流れている油のなかの水及びまたはガスの濃度変化 に伴う油−水若しくは油−水一ガス系の静電容量変化を検知するセラミックに封 入された容量型のセンサに関する。容量型のセンサは一般的に知られているが、 油−水−ガス混合物の静電容量測定の要求とその環境、特に海底という環境は、 容量測定部に対し特別な必要条件と制約条件を提出する。

多方面に適用される容量型センサ、例えば孔の中や水中で使用されるセンサは、 少なくとも１００ニユートン／ｍ２　（１００バール）の圧力に耐えるものでな ければならず、できれば２００ニユ一トン／ｍ２　（２００バール）の圧力に耐 えるものであることが望ましい。さらに、測定部は、比較的太が近づきにくい場 所若しくは点検の頻度が少ない場所にあり、取り出すのに非常な困難と実大な費 用を伴うので、信頼性が高いものでなければならない。また、測定部とそれに付 属する部品は、水や液体が電線や電極に漏れ込まないように優秀な液密性を備え ていなければならない。

加えて、装置固有の静電容量はできるだけ小さくし、センサの孔を流過する液体 の静電容量の微小な変化が容易に検知されるようにしなければならない。もし装 置自身の静電容量が、それを通過する代表的な油−水一ガス混合物の静電容量に 比較して大きいと、油中の水及びまたはガスの濃度の微小な変化は、当該液体の 静電容量（誘電率）の微小な変化しか生ぜず、装置自身の大きい誘電率のために 前記濃度変化は不明瞭なものになってしまう。

本発明に基づいて構成されたセラミック測定部は、海底における測定部としての 要求を満たしており、流動している油−水一ガス混合物の静電容量の微小な変化 を正確に測定する。本発明に係るセラミック容量型センサの独特の構成と特性は 、該セラミック容量型センサを多くの流体混合物や溶液の濃度変化を測定するの に役立たせるであろう。本測定ユニットのセラミック内壁の優れた耐食性と耐侵 食性により、この測定ユニットを腐食性（酸、アルカリ）、侵食性液体の静電容 量変化を測定するのに用いることができる。

添付した図面を参照して本発明をさらに説明する。

図１に本発明に係る測定部の斜視図を示す。測定部１０は、外表面１１と液体の 油−水−ガス混合物が流過する内部孔１２とを有する正規の正しい円筒形の装置 であるのが望ましい。薄いセラミックの内側層（孔壁）１３が孔１２を囲んでい る。該内側層は正しい形の円筒をなして非常に滑らかな壁面を有し、耐食性と耐 侵食性を有することが好ましい。また、内側層１３の材料は、低く均一な一定の 誘電率を有することが望ましい。内側層（孔壁）１３は非常に均一な厚さである ことが望ましい。内側層１３の端部もしくは端縁は、装特表平６−５０４１１８ 　（４） 置の各端部で露出していてもいいし、外側層（外壁）１４に包みこまれていても よい。

図２は図１に示す測定部の２−２線矢視横断面図である。キャパシタンスプレー ト１５．１６は、外壁１４と孔壁１３の間の中間面に埋め込まれているように示 されている。キャパシタンスプレート１５，１６は金属電極で、互いに対称でか つ真正面に向き合っているのが望ましい。また、電極部分の一つが接地された薄 い、金属化された領域で囲まれるようにし、それによって電極部分の互いに接近 している縁の間の空間の、全静電容量に対する寄与を減少させるようにすること も可能である。

図２に示されたキャパシタンスプレートは、正しい形の円筒が長手方向の軸線に 沿って対称に分割されたものの半分である。キャパシタンスプレートはいろいろ な形にしてよいが、両方同じ形にしたほうがよい。

電極板（キャパシタンスプレート）は適当な電導性材料、特に金属で作ればよい 。そして好ましくはペースト状に形成され、内側層１３となる焼結前のセラミッ ク管に塗布され、次いで焼結されて完全な一体構造となる金属がよい。金属のい くつかは、不活性または還元性の雰囲気の中で加熱されねばならないが、他の金 属は空気中で加熱可能である。本発明に有用な特定の金属については後に述べる 。通常、焼結は、外側層１４が内側層１３と電極の周りに配置されてから行われ 図３には、図１の３−３線に沿ってみた縦断面図が示されている。電極１５．１ ６は、測定部の実質的な高さを占め、両端面から少し引っ込んだ位置で止まって いる。図示されているように、導体１７．１８は、キャパシタンスプレート１５ ．１６と測定部の外側円筒面を接続する電線であり、最終的にはキャパシタンス プレート１５．１６と容量型センサに結合された電気回路ののこりの部分を接続 する。

測定部は、海底用センサとして要求される各種の条件を満たすために、セラミッ ク材料、特にアルミナ（純度９０％〜９６％）でてきている。例えば、プラスチ ックスはこのタイプのセンサに試用されたことがあるが、使って信頼されるには 一般的に強度が低くすぎかつ熱膨張率が大きすぎた。使用される深さと圧力での 強度と水密性は、強い材料を必要とする。先に述べたように、センサは少なくと も１００ニユートン／ｍ２　（１００バール）の圧力、できれば２００ニユート ン／ｒｒ＋２（２００バール）の圧力以上のところで動作するように設計されね ばならない。この要求に合わせて、キャパシタープレートとキャパシタンス（誘 電率）が測定されるべき流体との間隔はできるだけ小さくする必要があり、材料 の誘電率も非常に低いものにする必要がある。さらに、キャパシタンスプレート と液体流をへたてるセラミック壁は、当該壁による全体の静電容量への寄与を低 減させるために可能なかぎり薄くするべきてあり、当該壁による静電容量の寄与 が一様になるように該壁の厚みは非常に均一なものでなければならない。

セラミック材料、特にアルミナはそのようなセンサとして非常にいい特性を示し てきた。加えて、センサ壁面のキャパシタンスへの寄与は、電極と被測定流体と の間の層の厚みに左右される。非常に低くかつ予測可能なセラミックスの熱膨張 率は、温度変化による変動を最低に維持する。また、電極は、例えば端部１５ａ と１６ａで離されており、間隔“Ｓ”は、電極の端部の間でてきるだけ小さいキ ャパシタンスが計測されるように、可能なかぎり小さく保たれるのが望ましい。

アルミナは厚さが０．５−一程度の非常に薄い肉厚の円筒に、特にテープキャス ト法によって形成される。

もっと一般的には、約０．５−一から１０ｍ５．このような装置に使用する場合 は特に約１１−から約６−１の肉厚の円筒に形成される。図１の内側壁１３の標 準的な厚みは、約２−１で、許容差は約±０．５％である。外壁もしくは層１４ は主要な構造的支持の役を受け持つ。

内側壁の壁厚は、内部孔の径によって変えてよい。

０．５＋ｕ乃至２１１−の内側壁肉厚は、孔の径が１０．１６ｃｍ（４インチ） 以下の径の孔を持つ小径の装置には十分満足できるであろう。外側壁は一般的に は少なくとも約５ｍｓの厚みをもつが、この厚みもまた内部孔の径によって変わ る。１５１１乃至３０−の外側壁肉厚は、大径の装置としては標準的といえよう 。測定装置は、しばしば、径が約５０ａｍ（２インチ）乃至２５０ｓｍ（１０イ ンチ）の内部孔を持つ。従来の装置の最小孔径は約１００１００ｌインチ）であ る。

セラミックスは、その強度、電気絶縁特性及び低い誘電率のために、優れた材料 である。ジルコニアは利用可能で非常に強いセラミックであるが、好ましいセラ ミックは、アルミナである。その理由は、アルミナがジルコニアよりも低いそし て安定した誘電率をもっているからである。その主要な目的が構造部材である外 側層は、外側と内側のセラミック層の焼結特性が実質的の同じであるかぎり、ジ ルコニア若しくはジルコニア−アルミナ混合であってもよい。非常に薄肉の壁を 持つ内側管もしくは内側層の製造は、しかし、これまでのセラミックの処理法で は容易ではない。

セラミックの円筒もしくは管の標準的な製造方法は、マンドレルとバッグを備え た等方静圧ブレスを用い、キャビティの中で粉末圧縮を行うものである。粉末は キャビティ内に満たされ、それが圧縮される。小径の管については、押出し法も またよく用いられる。一般的に、大きな径と非常に薄い肉厚を持つ両端が開いた 管の製造は、粉末圧縮や押出し法では容易になし得ない。電極（板）は内側円筒 の外表面に配置されねばならないから、該円筒は正確な寸法、高い焼結前強度、 特表千６−５０４１１８　（５） 及び均一な厚みを持たねばならず、また特に高い真円度を要求される。

本発明に係るセンサを形成するための好ましい技術は、従来から知られているテ ープ−キャスティング法でセラミックテープを製造する方法である。アルミナの 薄いセラミックテープは、従来から電子産業で使用されるセラミック共焼多層集 積回路パッケージのために製造されている。本発明においては、セラミックーア ルミナテープは円筒形のマンドレルに巻きつけられる。そのようなテープの厚さ は０．　５ｍｍ以下であり、通常、孔壁層に要求される最低肉厚を形成するには 多数の層が必要である。セラミックテープは０．１層間の厚さにすることもでき 、０．　２５ｍ−の厚さは容易に得られる。セラミックテープの多数層は、必要 な厚みが得られるまでマンドレルに形成される。積層するときに、層間の結合力 を高めるために、界面活性剤をテープの層の間にスプレーもしくは塗布してもよ い。マンドレルとテープは等方静圧ブレスの中に置かれ、強い未焼結状態に等方 圧線される。内側円筒の外表面はそれから研摩紙若しくは他の未焼結材機械加工 法を用いて、均一な壁の肉厚を保ちながら、内側管に滑らかな真円の円筒形の外 表面を作るように素地が形成される。

未焼結材の機械加工は、管がマンドレルから外される前でも後でもよいが、一般 的には管をマンドレルにつけたまま、未焼結材の機械加工が行われる。

内側管の外表面には、それから、所要の形状の金属ペーストを平らな面の上に形 成し、該内側管円筒を前記ペーストの上で転がして適切な形状の電極を管に付着 させるスクリーン印−１が行われる。図４には、好ましい電極のデザインが描か れており、内側管のキヤｌくジタープレートが螺旋形に形成されるようになって いる。要求される許容誤差が小さいために、内側管の外形寸法は、管の円周が電 極デザインの長さに一致するように、非常に正確でなくてはならない。電極デザ イ１　ンは、部分２０と合致して一つの電極（板）をなす部分１９を有し、この 電極は管の上で電極板２１と同じ形となる。電極は、部分１９と部分２１の間及 び部分２０と部分２１の間の間隔“Ｓ゛が正しくなるように、この方法で形成さ れる。こうして、もし間隔に誤差があると、板部材１９と板部材２０がすこし重 なりあい、間隔゛Ｓ゛は正確に維持される。

電極の螺旋形状は図７に示されている。螺旋形の電極形状は、動いている流体の 真のキヤ、（シタンスの計測をもっと信頼できるものにする方向に働く。図７に 示された螺旋形状は、図４に示された電極ｌくターンを適用腰そのような平面図 形をセンサの内側壁の円筒状外周面にスクリーン印刷することて実現される。

螺旋形電極パターンはこれまでにもセンサ要素に用いられているが、そのような 螺旋形状を非常に薄肉の内側壁上に用いることは、良好な結果をもたらす。さら に、本発明に係るセンサは、非常に薄くかつ均一な厚みの内側壁を用いると共に 、一体型センサ要素中の電極を全面的に無容量化している。この一体型センサ要 素では、ユニット全体がただ１度たけ焼かれ（焼結され）で実質的に内側壁と電 極と外側壁とを同時に焼結されるときは、外側壁は常にセラミ・ンク材料の構造 的支持の役を果たしている。そのような装置では、個々の構成部品の収縮は実質 的に調整が取られ、寸法の整合が維持されねばならない。電極材料と外側壁のセ ラミック成分の選択は、それらが内側壁の焼結温度、収縮量、濃密化などの焼結 特性と矛盾しないようになされる。

内側管がスクリーン印刷された後は、この内側管をマンドレルとして使用してよ く、セラミックテープが円筒状センサの外側壁を作るように重ねて層をなすよう に巻きつけられる。もう一つの方法は、内側管とマンドレルを等方静圧ブレスに 入れ、内側セラミック管の外面と静圧ブレスの弾性バッグの内面のあいだの空洞 をセラミック粉末で満たし、そして外側壁をスクリーン印刷された内側管の周り に等方静圧圧縮するものである。

最後に、ユニットは焼結される、つまり、密度が理論密度に近い、密度の高いセ ラミックが得られるように、共焼焼結される。相互連結もしくは導線１７．１８ は、外側壁に通路（道）を開け、それを適当な電気の導体で満たして形成しても よい。そのような手順は、部材が未焼結の段階にあるときに実施しておくのが望 ましい。相互連結（電導体）は、部材が等方静圧ブレス内にあるときに、導体の 一端を電極板に金属ペーストで接続し、他端を等方静圧バッグの内面に例えば接 着テープで接続し、それから前記空洞を粉末で満たし、プレスして取り付けられ たワイヤであってもよい。

電極と外部の回路とのあいだの接続線は、センサ要素が焼結されたあとて、外側 壁面から外側壁を通して電極まで孔をあけることによってとりつけることもでき る。通路は金属ペーストを詰められ、固められて焼結される。導線を差し込むよ うにしてもよい。

組織的３次元のセラミック装置、例えばここに述べた測定要素のようなものを、 未焼結のセラミックテープを重ねて形成する方法は、色々な形式のセラミックの 装置を形成するのに使うことができる。これまで、セラミックテープは、平面的 な多層の装置、例えば集積回路のパンケージを形成するのに使用されていた。

この集積回路のパッケージでは、テープの平らな断片、しばしばその上に金属化 された回路が印刷されている断片が順次積み重ねられ、焼結されて一体化された 薄い平らな細片の多層の装置を形成する。

本発明の重ね手法は、端部か開放された円筒や端部が閉じられた管、中実あるい は中空の円錐、中実あるいは中空の半球及び色々な不規則な形状などの各種の横 特表平６−５０４１１８　（６） 造の形を形成するのに利用できる。テープはマンドレルや使い捨て鋳型、洗いだ し鋳型などを含む鋳型の上におくようにしてもよい。セラミックテープは、大量 の有機物、例えば可塑剤や結合剤などを有し、これらは焼結の際大きな収縮を招 くが、テープの成分は十分に限定され、収縮は非常に正確に予測できる。

本発明に有用なセラミックテープの成分と粉末のアルミナ含有量は９０％で、焼 結された状態でのアルミナ含有量は９６％である。アルミナ含有量が異なるセラ ミックスも同様に使用してよい。アルミナ含有量が９０〜９６％の場合の誘電率 は通常８と１０の間であり、熱膨張率は１０　Ｘ　１０’／”Ｃ未満である。

コンデンサのキャパシタンスは、電極板間の物質の誘電率、電極板間の間隔及び 電極板の面積にのみ依存する。電極板の材質成分は、それが良好な電導体である かぎり、重要ではない。本発明に有用な標準的な金属導体は、タングステンとマ ンガン−モリブデンの混合物である。これらはペーストにされ、セラミックに塗 布される。焼結は、水素若しくは他の還元性あるいは不活性ガス雰囲気中で行わ れる。キャパシタンスを測定するために用いられる回路が図５に示されている。

この型の回路は、以前同様な目的を持つものの本発明のキャパシタンスセンサと は異なる構造のキャパシタンスセンサに用いられた。センサのキャパシタンスは 次の式で表される。

−−　−　＋　−＋　− ＣＣｖ２　Ｃｒ　Ｃｗ２ 式中、Ｃｖｌは一方の電極に隣接するセラミック内側壁によるキャパシタンス、 ０ｗ２は他方の電極に隣接するセラミック内側壁によるキャパシタンス、Ｃｒは 流体のキャパシタンスである。

セラミック壁のキャパシタンスは、次式で決まる。

Ａ ｖ−−− を 式中、“ｔ′はセラミック壁の厚み、“Ａｏは電極面積、“Ｅ”はセラミック材 料の誘電率（誘電定数）である。このようにして、電極に接しているセラミック 内側壁のキャパシタンスを計算することができる。

また、センナを、周知の媒体、例えば空気や水などのような流体のキャパシタン スを測定することによって較正してもよい。

図５に示された回路は、センサのキャパシタンスが積分器の充電または放電の速 度を決定する共振回路である。結果として生ずる共振周波数は、こうしてセンサ のキャパシタンスに反比例する。

実施例 容量型測定部を、スラリーを用意し、セラミックテープを次の示す成分のスラリ ーでテープキャスティングすることによって形成した。

無機物　有機物 （％ｗｔ、無機物のみ）　（％ｗｔ、有機物のみ）Ａ１２０３−９０％着色剤０ ．５％ ５１０２　４％　５０％Ｂ７９　ＢｕｔｖａｒＣａ　（ＯＨ）２　３％　４５％ ５ａｎｔｔｓｉｚｅｒ　１６０Ｍｇ（ｏｎ）２−１％　５％Ｖｉｔｃｏｓｉｄｅ Ｃｒ３０３−１．５％ 柔軟なテープがテープキャスティング機で鋳造され、溶剤（エタノール、トリク ロロエタン）含有量が重量で２％以下になるまで乾燥された。テープは幅が約〜 １０ｃｍ（４インチ）、厚みが約〜０．２５＊■（０，０１インチ）で、固定プ レスの、滑らか仕上２０Ｘ　（１０のマイナス６乗）ＣＩ（８マイクロインチ） 、呼び径約１２．７ｃ箇（５，００インチ）で長さが約７６．２０■（３０イン チ）のアルミニウムアーバーに巻きつけられた。アーバーにはまずシリコン型脱 離剤が吹き付けられ、テープ上面には積層強化促進剤（結合剤、溶剤）が吹き付 けられた。テープは螺旋状に、となりに巻かれたテープと０．５０會から１．３ Ｃ■（０，２から０．５インチ）重ねて巻かれた。テープを巻きつける間、空気 の巻き込みがないように、テープに適度の張力が加えられた。現在ある層の上に 巻きつけられるテープの次の層は、層のつぎ目の位置が下の層のつぎ目の位置と 一致しないように、ずらされている。テープの追加の層の巻きつけは、必要な全 体の厚みが得られるまで続けられた。必要な全体の厚みは、一般的に、およそ０ ．０５ｃ■から０．５ｃｍ（０，０２インチから約０．２インチ）であるが、お よそ０．ＩＣ■から１゜ＯＣ寵（０，０４インチから約０．４インチ）であるの が好ましい。

テープが必要な層数だけアーバーに巻かれると、全体のユニットは弾性のある管 （等方静圧ブレスバッグ）、標準的にはショア硬度６０〜７０のものに入れられ る。このバッグとテープが巻かれたアーバーは等方静圧ブレス内に置かれ、（３ ４，５〜６９．　０）　Ｘ１０Ｂニユートン／（平方メートル）（５〜１０ｋｐ ｓｉ）の圧力が、標準的には５〜３０秒の間、加えられる。

これはテープを約１．０２の比率で高密度化し、結果的に厚みを小さい比率で減 少させ、未焼結材の層を互いに均一に接合させる。

プレスから高密度化された未焼結テープが巻かれたユニットが取り外されたら、 アーバーはその長手方向軸の周りに高速度、例えば約８００〜１２０Ｏｒ　ｐｍ で回転され、その間、外表面がエメリーサンドベーパーで磨かれて表面仕上げが 行われる。最初は４０グリソトペーパーで始まり、最終的には６００グリツドペ ーパーが使われる。高密度化された未焼結テープが巻かれたユニットは、所要の 均一な壁厚、真円度（楕円率）及び表面の仕上げ程度になるように研摩される。

特表十６−５０４１１８　（７） ペーストが外側表面に塗布されるので、表面は非常に精巧に仕上げられるのが望 ましい。

色々な種類の金属含有ペーストを使うことができるけれども、プラチナペースト は、管を転がしながら同時にスクイージをスクリーンを横切るように通過させて ユニット外側の仕上げ面を、予め選ばれた形状の、電導性を有する状態に焼結可 能な金属性の材料で、実質的に互いに対向し、実質的に同一の一対の金属性電極 を形成するように正確に“塗る”ことにより、３２５メツシユのステンレス鋼の スクリーンを通してスクリーン印刷される。電極は、未焼結のセラミックユニッ トの両端部から引っ込ませて、セラミックの外側の層が電極を塗布された内側壁 と結合されたとき、電極が十分に包み込まれるようにするのが好ましい。

電極（キャパシタンスプレート）を外部の電気回路と結合するには色々な方法が 採用可能であるが、使いやすい手法は、プラチナ線、標準的には径約０，２５ｃ ｍ（０，０１インチ）のプラチナ線を各金属ペースト電極に、プラチナペースト を°のり”にして取り付けるものである。プラチナ線の他端はテープで止めるか それでなければ池の方法で、弾性管（等方静圧プレスバッグ）の内部に取り付け る。

バッグと金属化された未焼結のセラミックユニットは、好ましくはまだアーバー 上にあるうちに、等方静圧プレスの中に置かれ、まだ火がとおっていないアルミ ナ粉末が満たされる。この粉末のアルミナ含有量は、固められ焼かれたあと、焼 結された測定部の外側壁のアルミナ含有量が約９４％から約９９．８％、好まし くは約９６％になるような値である。ユニットは、およそ（１０３〜１３８）Ｘ ＩＯ６ニユートン／ｍ２（１５〜２０　ｋｐｓｉ）の圧力て約５〜３０秒間、等 方的に静圧プレスされる。

火を通っていない測定部はプレスから取り出されたら、旋盤に取り付けられて約 ５００〜１１０００ｒｐでアーバーの長手方向軸の周りに回転され、ダイアモン ドチップ工具で、所要の厚さ、真円度及び外表面仕上げ粗さになるまで加工され る。

ユニットはそれから約１５５０〜１６００℃で空気中で焼結される。しかし、タ ングステンやマンガン−モリブデンが電極として用いられているときは、不活性 ガスや水素または窒素雰囲気が用いられる。標準的な焼結サイクルは、２７時間 の傾斜上昇期間と、設定された焼結温度での２時間の保持期間及び１６時間の傾 斜下降期間と、から成っている。

焼結された測定部の外表面は、それからダイアモンド研磨ホイールで、正確な外 径、真円度及び所望の表面仕上げ精度になるように研磨される。

測定ユニットの外面（外側）壁は内側壁に比べ、約４倍から２５倍、できれば約 ８倍から２０倍の厚みとする。焼結された測定ユニットは、構造的に強固てあり 、突き抜けられない。外側壁の外表面に露出している電導線は、外部の電気回路 に結合可能である。測定部が使用される状況からして、電極につながる電導線は 、円筒壁の端面よりも周面に露出させるのが好ましい。

セラミック測定部は、しばしば頑丈な金属ケーシング（キャニスタ−）に収納さ れ、このキャニスタ−は、測定部を流体の導管内に位置させるようにする付属手 段を備えている。セラミックは強くて熱膨張率が低いので、好んで用いられるケ ース入れ手法の一つは、円筒形の金属ケーシングを高い温度に加熱し、次いて熱 膨張した金属ケーシングを円筒形のセラミック測定部の上にかぶせ、そのまま放 冷して非常に強い、収縮嵌めされた金属ケース入りのセラミック測定部を得るも のである。埋め込まれて焼結された導線を介しての電極板への電気的接続は、ガ ラスで囲まれるか、グラウトを詰められるか、もしくはプラスチックの貫通コネ クタで金属ケーシングを通してなされる。

本発明は、強固で、非常に低くかつ予測可能な熱膨張率と非常に低い内部キャパ シタンスを持つ統合された装置を提供する。

包み込まれた電極は、非常に薄いセラミックの壁により、完全に外部の環境から 隔離されるとともにキャパシタンスが測定される流体から隔離されている。この 薄いセラミックの壁は、構造的に強固であり、耐食性と耐侵食性のある電気絶縁 体であり、低誘電率である。キャパシタンスが測定される流体は、通常、水を含 んでいて十分に電気を通すので、該流体が電極と接触するようなことがあっては ならない。したがって、流体と電極を隔てているセラミック壁が構造的に完全で あることが重要である。

ここに述べる例では、個々のセラミックの成分は、従来知られている技法によっ て変えてもよい。色々な原料と濃度のテープキャスト組成は容易に利用される。

異なるアルミナ含有量やアルミナの代替品としてジルコニアその他のセラミック 粉末を用いるだけでなく、知られている各種の可塑剤や結合剤などを用いること もできる。テープの溶剤含有量もまた既知の比率の範囲内で変えてよい。テープ の大きさや厚みを変更してもよく、特にこのどこかに記載されている範囲内であ ればよい。また、外側壁を形成するのに用いられるセラミック粉末の種類をかえ てもよい。

本発明は、水中用キャパシタンス型センサに対する色々な要求を満たしている。

装置の中心孔を囲む非常に薄い内側セラミック壁はマンドレルの周りの薄い柔軟 なセラミックテープの独特の積層によって形成されている。この積層の技法は、 従来の粉末プレス技法で得られるものに比べ、もっと薄く、もっと均一で制御さ れた薄さの内側壁の製造を可能にする。またこの積層の技法は、容易にスクリー ン印刷できる内側壁若し特表平６−５０４１１８　（８） くは、加熱処理により電気を通すようになるが、または測定部の内側壁と外側壁 を焼結するときの加熱操作で電気を通すようになるペーストが塗布される内側壁 を提供する。

Ｆｉｇ、　４ Ｆｉｇ、　６ 国際調査報告 −惰−−＾−−−ｍ、　ｐ（τ１０５９１１０６４２６フロントベージの続き （７２）発明者　リマイエ、サントツシュ・ワイアメリカ合衆国、ユタ・８４１ １７．ソルト・レーク・シティ、サンドパイパー・サークル・ナンバー・あ、　 １４４０ （７２）発明者　ロイ、ロバート・ディアメリカ合衆国、ユタ・８４１０３．ソ ルト・レーク・シティ、イースト・フォース・アベニュ、７１５

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．その間に流体を収容する水路を有するように構成配置されて互いに対向し、 それぞれが、電気的絶縁体で耐食性かつ耐侵食性であり、非常に低い熱膨張率を 持つ薄いセラミックの層を含んでなる一対の内側壁と、電気的絶縁体でかつ該容 量型装置に構造的強度を与えるに十分な厚さを持ち、前記内側壁と実質的に同様 な成分と熱膨張率を持つセラミックの外側壁と、前記内側セラミック層と前記外 側セラミック層に接着されて両者の間に挟持され、それぞれは実質的に同一寸法 とと形状であり、実質的に互いに対向しかつ電気的に互いに絶縁されている一対 の薄い実質的に連続した導電性の薄膜と、 を含んでなり、 前記導電性の薄膜それぞれは、前記外側壁の外面に達する導電体を備えている流 過する流体の容量変化を測定する複合的セラミック容量型装置。
2. ２．前記互いに対向する内側壁は、両端が開放された円筒形の菅の互いに対向す る壁であることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミック容量型装置。
3. ３．セラミックの内側壁及び外側壁は、実質的に同一の成分であり、実質的に互 いに複合体をなしていることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミック容量 型装置。
4. ４．一方の壁に含まれる導電性の薄膜と他方の壁に含まれる導電性の薄膜との間 隔が正確であることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミック容量型装置。
5. ５．焼結して容量型測定部とするのに適した未焼結セラミック装置であって、 薄い内側壁とこの内側壁を囲む厚い外側壁とを含んでなり、 前記内側壁は、中心の実質的に円筒形で端部が開放され該壁で囲まれた孔を形成 する露出面と、一対の電気的に隔離され実質的に対向し、実質的に連続し、対称 な形の、前記内側壁の露出面の反対面に接着された薄い金属を含むペーストとを 有し、実質的に円筒形に形成された少なくとも１層のテープキャストセラミック の薄片で形成された未焼結セラミックであり、前記テープキャストセラミックで 形成されたものは約７２ｗｔ％一７８ｗｔ％の無機物（すなわち、アルミナ、シ リカ、カルシア、マグネシア）と約２２ｗｔ％−２８ｗｔ％の有機物（結合剤、 可塑剤）を含んで成り、前記外側壁は、完全に前記薄い金属ペーストの対称的な 領域を包み込み、実質的に前記内側壁よりも厚く、約９５％から約９８％のアル ミナと約２％から約５％の結合剤及びまたはポリエチレングリコールとを含んで 成っている未焼結セラミック装置。
6. ６．予め選定され径の実質的に円筒形のマンドレルの周りに、セラミック粉末と 所要量の可塑剤を含む非常に薄い柔軟なテープを少なくとも１層巻きつけて、端 部が開放された孔を持つ実質的に円筒形の薄肉の管を形成する手順と、 前記薄肉の管の外表面を、滑らかな、実質的に円筒形になるように仕上げ加工す る手順と、前記薄肉の管の外表面の一部に、電極を形成するために、実質的に同 一でかつ互いに対向する形の、焼結されて電気を通す状態になる金属を含有する ペーストから作られた一対の薄膜を形成する手順と、前記薄肉の管の周りに厚肉 の未焼結セラミックの外皮を形成して前記電極を完全に前記薄肉の管と前記厚肉 の外皮の間に包み込んでいる一体になった未焼結セラミック要素を構成する手順 と、 前記一体になった未焼結セラミック要素を焼結して、密で強固な、中心にあって 端部が開放された孔と包み込まれて焼結された互いに対向する一対の電極とを持 ち、かつ電極それぞれは、開放された孔から薄く密なセラミック壁で分離されか つ厚肉のセラミック外皮で囲まれているセラミック要素を形成する手順と、を含 んでなる一体型のセラミック容量型測定部の製造方法。
7. ７．前記マンドレルは、前記一体になった未焼結セラミック要素から焼結前に取 り外されることを特徴とする請求の範囲６に記載の一体型のセラミック容量型測 定部の製造方法。
8. ８．前記薄肉の管は、前記非常に薄い柔軟なテープの複数層を有することを特徴 とする請求の範囲６に記載の一体型のセラミック容量型測定部の製造方法。
9. ９．マンドレルの周りに巻かれた前記薄肉の管は、未焼結の管の密度を上げるた めに全周から等圧で圧縮されることを特徴とする請求の範囲８に記載の一体型の セラミック容量型測定部の製造方法。
10. １０．前記加熱されていない柔軟なセラミックテープの厚みは、約０．２ｍｍか ら約１．０ｍｍであることを特徴とする請求の範囲８に記載の一体型のセラミッ ク容量型測定部の製造方法。
11. １１．厚肉のセラミック外皮はジルコニアもしくはジルコニアで強化されたセラ ミック材料であることを特徴とする請求の範囲６に記載の一体型のセラミック容 量型測定部の製造方法。
12. １２．厚肉のセラミック外皮は、既に高密度化され金属で覆われた加熱されてい ない構造のまわりの粉末の等方静圧プレスにより形成されることを特徴とする請 求項６に記載の一体型のセラミック容量型測定部の製造方法。
13. １３．厚肉のセラミック外皮は、未加熱の柔軟なセラミックテープの追加の層を 引き続いて巻きつけ、周囲から均等な圧力で圧縮することにより形成されること を特徴とする請求の範囲６に記載の一体型のセラミック容量型測定部の製造方法 。