JPH09250936A - 包囲空間が形成されたセラミック基体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部空間（１３）等の包囲空間が形成された
セラミック基体（１０）では、空気などが包囲空間にト
ラップされ、液体等の流体が包囲空間に侵入し難い場合
があった。 【解決手段】 包囲空間（１３）に流体を充填すること
を目的として、包囲空間の少なくとも一部に、流体と混
合する液体、流体に溶解する固体（１４）若しくは気
体、流体と反応する液体若しくは固体、又は界面活性剤
を有するセラミック基体。セラミック基体（１０）と、
圧電膜（２２）及び一対の電極（２４ａ、２４ｂ）を有
する圧電素子（２０）とを有するセンサ素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、包囲空間が形成
されたセラミック基体に関し、かかる基体は、圧電素子
を担持したセンサ素子に好適に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】 圧電素子などを有するセンサ素子は、
流体の粘度測定、流体中の固体粒子の検出、振動の検出
などに用いられている。流体の粘度測定としては、例え
ば、特願平７−１１２１２８号では、圧電膜及び振動部
を振動させ、圧電膜の損失係数、電気抵抗、リアクタン
ス等の変化により、粘度を測定する。圧電膜又は振動部
が流体に接触するので、流体の粘度が大きい場合には、
圧電膜及び振動部の振幅が小さくなり、流体の粘度が小
さい場合には、圧電膜及び振動部の振幅が大きくなる。
そして、圧電膜に電圧を印加した場合には、振幅などに
対応する電流を検出する。また、流体の粘度が、流体の
密度又は流体中の成分の濃度と相関を有する場合には、
流体の密度、濃度も検出することができる。例えば、硫
酸水溶液では、粘度と密度とが一定の相関があり、ま
た、粘度と硫酸の濃度とも一定の相関がある。

【０００３】 また、流体中の固体粒子の検出として
は、例えば、特願平６−３０４５７９号は、圧電膜を有
する粒子センサについて記載する。流体中の粒子が、圧
電膜を有する検出部又は検出部を固定する振動部に衝突
することにより、振動部及び検出部が振動し、圧電膜が
この振動を電気信号に変換し、圧電膜を挟む電極がこの
電気信号を出力する。センサ素子としては、振動を検出
することを目的とするものもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 流体の粘度を測定す
る場合などでは、流体を振動部の表面に接触させるため
に、セラミック基体に、流体を導くことができる内部空
間又は凹部が形成される。しかし、セラミック基体を液
体等の流体に浸すときに、セラミック基体の内部空間又
は凹部の空気が流体と置換せず、流体が包囲空間に侵入
し難い場合があった。例えば、流体が、水溶液、硫酸等
の粘度が大きい液体の場合、グリース等の流動体の場合
では、空気と流体とが置換し難い。また、セラミック基
体の内部空間が導入孔等の狭い孔でセラミック基体の外
部空間と連通する場合も、流体が導入孔等から流入し難
い。さらに、導入孔がセラミック基体で形成されている
場合には、水溶液等の流体はセラミックスと濡れ性が悪
いため、流体が流入し難い。そこで、本発明は、流体を
包囲空間に充填することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】 本発明によれば、包囲
空間が形成されたセラミック基体であって、当該包囲空
間に流体を充填することを目的として、当該包囲空間の
少なくとも一部に、流体と混合する液体、流体に溶解す
る固体若しくは気体、流体と反応する液体若しくは固
体、又は界面活性剤を有することを特徴とするセラミッ
ク基体が提供される。また、本発明のセラミック基体に
おいては、前記包囲空間を被包するように配設された多
孔体を有することが好ましい。更に、前記の包囲空間の
少なくとも一部に、流体と混合する当該液体、流体に溶
解する当該固体又は当該界面活性剤が充填されることが
好ましい。

【０００６】 更にまた、当該包囲空間が、当該セラミ
ック基体の内部に形成された内部空間と、当該内部空間
に連通する連通孔を有することが好ましい。また、当該
セラミック基体の外表面に凹部が形成され、当該包囲空
間が当該凹部で包囲されることが好ましい。更に、当該
界面活性剤が、当該セラミック基体の内表面であって当
該内部空間及び当該連通孔に面するものの少なくとも一
部を被覆することを特徴とすることが好ましい。

【０００７】 また、流体と混合する当該液体、流体に
溶解する当該固体若しくは当該気体、流体と反応する当
該液体若しくは当該固体、又は当該界面活性剤を当該包
囲空間に保持するための保持部材を有し、当該保持部材
は、当該流体に溶解する当該固体から構成されているこ
とが好ましい。更に、本発明によれば、上記のセラミッ
ク基体と、圧電膜と当該圧電膜に接触する一対の電極と
を有する圧電素子とを有するセンサ素子であって、当該
セラミック基体は振動部を有し、当該振動部の一方の表
面に当該圧電素子が固定され、当該振動部の他方の表面
が当該包囲空間に面することを特徴とするセンサ素子が
提供される。なお、本発明において、流体とは、主に液
体であり、流動体の場合もある。

【０００８】

【発明の実施の形態】 図１は、本発明のセラミック基
体１０を有するセンサ素子の説明断面図である。図２
は、図１のセンサ素子の正面説明図である。ただし、図
２では、所定の固体１４が省略されている。図３は、図
１のセンサ素子の分解斜視図である。セラミック基体
は、２枚以上のセラミックシートが積層して一体化した
積層構造を有することが好ましく、本発明のセラミック
基体１０は、セラミックスシート１０ａ、１０ｂ、１０
ｃが一体的に積層された構造を有する。セラミック基体
の形状は、包囲空間を有する限り、特に限定されず、用
途に応じて適宜選ばれる。セラミック基体の形状は、板
状が好ましいが、棒状、パイプ状であってもよい。

【０００９】 セラミック基体１０には、振動部１２が
肉薄になるように、包囲空間として、内部空間１３が形
成されている。セラミック基体１０には、内部空間１３
に連通し、流体を内部空間１３に導入するための連通孔
１６ａ、１６ｂが形成される。流体が内部空間に導入す
ることができる限り、連通孔は１個であってもよいし、
２個以上であってもよい。連通孔が２個以上の場合に
は、各々の連通孔の形状は同一であってもよいし、異な
ってもよい。

【００１０】 振動部１２は一対の表面１２ｓ、１２ｔ
を有し、一方の表面１２ｓには、圧電素子２０が固定さ
れる。振動部１２の反対側の他方の表面１２ｔは、セラ
ミック基体１０の内部空間１３に面する。振動に好適な
形状のため、振動部１２は、板形状であることが好まし
く、この場合、板の厚さは、１〜１００μｍであること
が好ましく、３〜５０μｍが更に好ましく、５〜２０μ
ｍが更になお好ましい。厚さが１００μｍより大きいと
きには、感度が低下し、厚さが１μｍより小さいときに
は機械的強度が低下するからである。

【００１１】 図１では、セラミック基体１０に突起部
１８が固定されている。ただし、突起部１８は、必須の
要件ではない。突起部１８は、連通孔１６ａ、１６ｂの
外側に流体が滞留しうる空間を形成するためのものであ
り、図１では、突起部１８が、連通孔１６ａ、１６ｂに
連通する凹部１９を形成する。しかし、突起部１８がセ
ラミック基体１０の周囲を連続的に囲む必要はなく、一
部が突起しているだけでもよい。また、突起部の高さが
一定である必要もない。突起部１８がセラミックスから
構成される場合には、セラミック基体１０と共に焼結し
て一体化してもよい。あるいは、突起部１８は、これら
の材質にかかわらず、エポキシ樹脂等の合成樹脂、ガラ
ス等からなる接着層により突起部をセラミック基体１０
に固定してもよい。突起部としては、例えば、金属、合
成樹脂等であってもよい。

【００１２】 図１では、所定の固体１４が、内部空間
１３、連通孔１６ａ、１６ｂ、凹部１９の一部分を連続
的に又は不連続的に充填等する。ここで、所定の固体１
４とは、流体に溶解する固体、流体と反応する固体又は
界面活性剤をいい、それぞれ紛状物、粒状物であっても
よいし、ペースト状、多結晶の塊などであってもよい。
「流体に溶解する固体」が流体、例えば、液体に溶解す
ることにより、流体が当該固体と置換して、内部空間に
充填し易くなる。また、「流体と反応する固体」が流体
と反応することにより、流体が当該固体と置換して、内
部空間に充填し易くなる。更に、界面活性剤は、流体、
例えば液体の表面活性を変化させ、内部空間に充填し易
くする。

【００１３】 「流体に溶解する固体」としては、１０
０ｇの流体に対する溶解度が、２５℃又はセラミック基
体が用いられる動作温度において０．０１ｇ以上である
ことが好ましく、０．１ｇ以上であることが更に好まし
く、０．５ｇ以上であることが更になお好ましく、１ｇ
以上であることが更になお好ましい。溶解度が高い方
が、流体が固体を溶解して、内部空間に侵入し易いから
である。例えば、流体が水の場合には、塩化ナトリウム
（溶解度は、３５．９ｇ（２５℃））、塩化カリウム
（溶解度は、３５．９ｇ（２５℃））、臭化ナトリウム
等の塩、グルコース、スクロース等の糖が挙げられる。

【００１４】 また、流体が硫酸、塩酸等の酸である場
合には、弱酸及び強塩基からなる塩が、一般に溶解度が
高いので、好ましい。例えば、炭酸水素ナトリウム、炭
酸ナトリウム、炭酸カルシウム等が挙げられる。一方、
流体が水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液
等の塩基である場合には、強酸及び弱塩基からなる塩
は、一般に溶解度が高いので好ましい。例えば、塩化ア
ンモニウム、硫酸アンモニウム等が挙げられる。

【００１５】 「流体に溶解する固体」は、「流体と反
応する固体」と重複する場合がある。例えば、流体が硫
酸等の酸であり、かつ、流体に溶解する固体が、炭酸水
素ナトリウム等の「弱酸と強塩基からなる塩」である場
合には、「弱酸と強塩基からなる塩」は、流体と反応し
中和される。同様に、「流体と混合する液体」も、「流
体と反応する液体」と重複する場合がある。「流体と反
応する固体」とは、例えば、流体と上記中和反応を行う
塩、流体が水である場合に加水分解反応を行うものが挙
げられる。例えば、ナトリウムメトキシド等のアルカリ
アルコキシドが挙げられる。

【００１６】 なお、「流体に溶解する固体」、「流体
と反応する固体」又は固体の「界面活性剤」には、気孔
が存在しないことが好ましい。例えば、図１に示すよう
なセラミック基体において、一方の連通孔１６ｂは流体
中にあるが、他方の連通孔１６ａが大気中に開放されて
いる場合、若しくは該気孔内の気体が「流体に溶解する
気体」等でない限り、該気孔内の気体は排出されず、流
体と置換されないためである。従って、センサの精度に
影響がない限りにおいては気孔１４ａ、１４ｂが存在し
てもよいが、例えば紛状物又は粒状物等を包囲空間に充
填し、又は所定の固体を溶解した溶液、若しくは該固体
を分散した溶媒を包囲空間に満たした後、溶媒除去によ
り前記固体を充填してセラミック基体を製造する場合に
は、できる限り気孔が生じないように製造することが好
ましい。

【００１７】 「界面活性剤」は、紛状物、粒状物、ペ
ースト状等の固体又は液体として、包囲空間を充填して
もよい。また、界面活性剤が、包囲空間に面する表面の
少なくとも一部を被覆してもよい。「界面活性剤」と
は、水などの液体に対して強い表面活性を示し、溶液内
において臨界ミセル濃度以上でミセルのような会合体を
形成する物質をいう。「界面活性剤」としては、陰イオ
ン活性剤、陽イオン活性剤、非イオン活性剤、両性界面
活性剤等が挙げられる。陰イオン活性剤としては、一般
の石鹸として用いられる高級脂肪酸アルカリ塩の他、ア
ルキル硫酸塩、アルキルスルホン酸塩等が挙げられる。
陽イオン活性剤としては、高級アミンハロゲン酸塩、ハ
ロゲン化アルキルピリジニウム等が挙げられる。非イオ
ン活性剤としては、ポリエチレングリコールアルキルエ
ーテル、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル等が挙
げられる。

【００１８】 なお、被検液体が電解液等の場合には、
界面活性剤としては、非イオン活性剤が好ましい。「界
面活性剤」は、液体であっても固体であってもよく、例
えば液体洗剤のように、液体の界面活性剤が同時に「流
体と混合する液体」である場合や石鹸のように、固体の
界面活性剤が同時に「流体に溶解する固体」である場合
も有り得る。

【００１９】 本発明においては、前記の「所定の固
体」が充填された包囲空間を被包するように多孔体を配
設することが好ましい。当該固体が流体に置換され包囲
空間が流体で満たされた状態においても、包囲空間近傍
に気泡が存在した場合には、当該気泡により包囲空間内
の流体が再び置換されるおそれがある。しかし、包囲空
間の前面に多孔体を予め密着させて配置すれば前記の気
泡による置換を防止でき、包囲空間から流体がなくなる
のも防ぐことができる。

【００２０】 なお、通常、多孔体とは、多数の細孔を
有する固体をいうが、本発明においては軽石、素焼き粘
土、ジルコニア、チタニア、炭化珪素、窒化珪素等の天
然若しくは人工のセラミックスの他、天然繊維、合成繊
維又は無機繊維等よりなる織布、若しくは不織布等も用
いることができる。なお、包囲空間を被包する多孔体
を、包囲空間に充填すべき流体で予め満たしておき、当
該流体と包囲空間の少なくとも一部に充填された、当該
流体と混合する液体、当該流体に溶解する固体又は界面
活性剤とを置換することが好ましい。さらに、多孔体の
孔部に「所定の固体」を充填することが好ましい。こう
することにより、多孔体ひいては包囲空間内に確実に流
体を導入することが可能となり、また孔部に存在する空
気が包囲空間に侵入することを防止できる。

【００２１】 図１のように、内部空間１３が直方体形
状を有する場合には、その直方体のサイズとしては、厚
さが１０μｍ〜５００μｍであり、幅が５０μｍ〜３ｍ
ｍであり、かつ、長さが０．５ｍｍ〜１０ｍｍであるこ
とが好ましい。図１のように連通孔がある場合には、連
通孔の直径が５ｍｍ以下であり、かつ、連通孔の軸方向
の長さが２ｍｍ以下であることが好ましく、連通孔の直
径が２ｍｍ以下であり、かつ、連通孔の軸方向の長さが
０．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。このように
小さい連通孔には、従来、流体が内部空間に流入し難か
った。しかし、本発明では、小さい連通孔であっても、
流体が内部空間に流入できる。

【００２２】 図１のセンサ素子は、セラミック基体１
０と、圧電素子２０とを有する。圧電素子２０は、圧電
膜２２と、圧電膜２２を挟む一対の電極２４ａ、２４ｂ
を有する。一対の電極２４ａ、２４ｂを介して、電圧を
圧電膜２２に印加すると、誘電分極を生じ、圧電素子２
０が振動部１２と共に圧電膜２２及び振動部１２の厚さ
方向に屈曲振動する。圧電膜の厚さは、１〜１００μｍ
であることが好ましく、５〜５０μｍが更に好ましく、
５〜３０μｍが更になお好ましい。厚さが１００μｍよ
り大きいときには、感度が低下し、厚さが１μｍより小
さいときには信頼性が確保し難いからである。

【００２３】 圧電膜は、緻密であっても、多孔質であ
ってもよく、多孔質のとき、気孔率は４０％以下である
ことが好ましい。また、圧電膜２２は、１層であっても
よければ、２層以上の積層構造であってもよい。２層以
上の積層構造であるとき、各層は横設してもよいし、ま
た、立設してもよい。電極は、用途に応じて適宜な厚さ
とするが、０．１〜５０μｍの厚さであることが好まし
い。

【００２４】 図１では、セラミック基体１０にカバー
１７が固定されている。ただし、カバー１７は、必須の
要件ではない。カバー１７は、圧電素子２０を保護する
ためのものであり、蓋部材１７ａ及び枠１７ｂを有し、
圧電素子２０がカバー１７で覆われている。硫酸等の強
酸、水酸化ナトリウム水溶液等の強塩基の流体を用いる
場合に、カバー１７により圧電素子とこれらの液体とを
更に隔離することができる。枠１７ｂは、蓋部材１７ａ
を支持しうる形状であれば制限されない。図３で、枠１
７ｂは、圧電素子２０の回りを囲むように、四辺を有す
る。しかし、枠はこれらの何れかの一辺が欠けている形
状等を有しても良い。かかる形状であっても、枠は蓋部
材１７ａを支持することができるからである。

【００２５】 枠は、電気絶縁材料であることが好まし
い。セラミック基体１０の表面を被覆するリードと短絡
を防止するためである。枠としては、例えば、セラミッ
クス、有機樹脂等の板状態の打ち抜き体が用いられる。
有機樹脂の場合には、フィルムであってもよい。また、
枠は、セラミック基体１０の表面に塗布した接着剤、ペ
ースト等から構成されてもよい。カバー１７がセラミッ
クスから構成される場合には、セラミック基体１０と共
に焼結して一体化してもよい。あるいは、カバー１７
は、これらの材質にかかわらず、エポキシ樹脂等の合成
樹脂、ガラス等からなる接着層によりカバー１７をセラ
ミック基体１０に固定してもよい。カバー１７は、金
属、合成樹脂等であってもよい。

【００２６】 ただし、圧電素子２０の表面を振動部１
２の表面１２ｓに接触させて固定する場合には、即ち、
圧電素子２０及び振動部１２の間に接着剤等を介在させ
ない場合には、枠とセラミック基体１０とはエポキシ樹
脂等の合成樹脂、ガラス等からなる接着層で接合するこ
とが好ましい。接着層を用いる場合には、接着層は、セ
ンサ素子が検出する流体に接触することになるので、接
着層がかかる流体に対する耐性が必要になることはいう
までもない。また、基体、カバー等も被検流体に接触す
ることになるので、基体、カバー等の材質も流体に対す
る耐性が要求される。

【００２７】 圧電素子２０の電極２４ａ、２４ｂは、
基体１０の表面を被覆するリードに接続し、リードとリ
ード線２６ａ、２６ｂが基体１０の表面のコネクション
で接続する。即ち、電極２４ａ、２４ｂがそれぞれリー
ド線２６ａ、２６ｂに接続する。リードとリード線との
コネクションは、半田、導電体ペースト等の導通部材を
介して、又はリード線２６ａ、２６ｂとリードとの機械
的な接触等で行われる。リード線２６ａ、２６ｂは、有
機樹脂で被覆されたワイヤであってもよいし、絶縁フィ
ルムで挟持される金属層であってもよい。あるいは、リ
ードとリード線との間に更に他の電気伝導部材を介して
コネクションで接続してもよい。

【００２８】 以下、図１〜図３に示す部材、表面、部
分等と実質的に同一のものは、同一の引用番号を付し、
適宜説明を省略する。図４では、包囲空間として、セラ
ミック基体１０に凹部１５が形成され、振動部１２の他
方の表面１２ｔが包囲空間に面する。凹部１５の一部を
所定の固体１４が充填する。

【００２９】 図５では、界面活性剤３２が、セラミッ
ク基体１０の内表面であって内部空間１３及び連通孔１
６ａ、１６ｂに面する部分を被覆し、更に、突起部１８
の内表面１９の一部を被覆する。界面活性剤３２は、内
部空間１３、連通孔１６ａ、１６ｂに面するセラミック
基体１０の内表面を全て被覆する必要はなく、不連続で
あってもよい。界面活性剤３２の表面に更に所定の固体
が被覆、充填等されていてもよい。例えば、石鹸水のよ
うに界面活性剤を溶媒に溶解又は分散させたものを注入
し、乾燥させて溶媒を除去することにより、界面活性剤
を被覆することができる。

【００３０】 図６は、図５のＡに相当する部分の拡大
図である。界面活性剤３２ａは、連通孔１６ａに面する
表面を被覆し、連通孔１６ａの一対の端面１６ｃ、１６
ｄの回りも連続して被覆する。流体を連通孔１６ａを通
過させるためには、界面活性剤３２ａが被覆する表面は
これで十分である。図６のように、界面活性剤が更に内
部空間に面する表面を被覆することが好ましい。

【００３１】 しかし、界面活性剤３２ａが不連続に連
通孔１６ａに面する表面を被覆しても、界面活性剤が存
在しないときに比べると、流体が連通孔１６ａを通過し
易くなる。また、連通孔１６ａ、１６ｂに面する表面に
界面活性剤を被覆するためには、例えば、細い筆などで
界面活性剤を塗布すればよい。界面活性剤３２ｃは、突
起部１８の縁１８ａの回りを被覆する。突起部１８の凹
部１９に流体を導入するためには、界面活性剤が被覆す
る表面はこれで十分である。界面活性剤が突起部１８の
内表面１９を更に連続して被覆することが好ましい。

【００３２】 図７では、所定の固体１４がセラミック
基体１０に形成された凹部１５を充填し、かつ、多孔体
４９が所定の固体１４の表面全体に密着して被包するよ
うに、突起部１８により形成された凹部１９を充填す
る。所定の固体１４が流体に置換され、凹部１５が流体
で満たされた状態においても、凹部１５近傍に気泡が存
在した場合には、当該気泡により内部空間内の流体が再
び置換されるおそれがある。しかし、凹部１５の前面に
多孔体４９を予め密着させて配置すれば前記の気泡によ
る置換を防止でき、凹部１５から流体がなくなるのも防
ぐことができる。なお、図８に示すように、包囲空間が
連通孔１６ａ、１６ｂを有する内部空間１３である場合
にも多孔体４９で被包することにより、同様の効果を得
ることが可能である。

【００３３】 図９は、図７に示したセラミック基体１
０を含むセンサ素子４８を別の多孔体５０に設置した断
面図である。前記の多孔体４９の設置は、図９に示すよ
うな別の多孔体５０中に染み込んでいる流体を内部空間
１３に侵入させる時に特に好適に用いられる。例えば、
セラミック基体１０と別の多孔体５０との界面に大きな
隙間が存在した場合、一旦は内部空間１３内の所定の固
体１４が別の多孔体５０から滲み出た流体に置換される
が、当該流体は前記の隙間から侵入した空気に再び置換
され、内部空間１３からは流体がなくなってしまう。

【００３４】 しかし、予め多孔体４９を所定の固体１
４に密着させた状態で、別の多孔体５０に設置すること
で、前記のような隙間の発生を抑制でき、内部空間１３
から流体が再び置換されることを防止できる。さらに
は、多孔体４９の孔部に所定の固体１４を充填すること
が好ましい。こうすることにより、多孔体４９と別の多
孔体５０とが全面で接触しないような形で設置された場
合でも空気の流入経路が遮断され、内部空間１３から流
体がなくなる事態を防ぐことができる。なお、所定の固
体１４は、内部空間１３に充填されたものと同質でも異
質でも構わない。

【００３５】 図１０では、所定の液体３６が、凹部１
９、連通孔１６ａ、１６ｂ及び内部空間１３の一部を充
填する。所定の液体とは、「流体と混合する液体」、
「流体と反応する液体」、又は液体の「界面活性剤」を
いう。「流体と混合する液体」としては、例えば、流体
が、硫酸、塩酸等の酸、水酸化ナトリウム水溶液等の塩
基性水溶液、塩が溶解する水溶液の場合には、水を用い
ることができる。また、この逆に、流体が水の場合に
は、硫酸、塩酸等の酸、水酸化ナトリウム水溶液等の塩
基性水溶液、塩が溶解する水溶液等を用いることができ
る。また、流体が液体である場合には、「流体と混合す
る液体」としてその流体を用いることが好ましい。流体
と容易に均一に混合するからである。

【００３６】 また、ペンタン、ヘキサン等の炭化水素
系溶媒、ベンゼン、トルエン等の芳香族系溶媒、メタノ
ール、エタノール、グリセリン等のアルコール系溶媒、
ジエチルエーテル等のエーテル系溶媒、アセトン、メチ
ルエチルケトン等のケトン系溶媒、ギ酸、酢酸等のカル
ボン酸系溶媒、酢酸メチル等のエステル系溶媒、ジクロ
ロメタン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素系溶
媒、ジメチルホルムアミド等のアミド系溶媒、ジメチル
スルホキサイド等のスルホキサイド系溶媒等の有機溶媒
を用いることもできる。これらの溶媒を単独で用いても
よいし、任意の溶媒を混合したものを用いてもよい。

【００３７】 流体が水の場合であっても、微量の界面
活性剤が存在するとき等には、セラミック基体の包囲空
間に油が充填されていてもよい。界面活性剤により、油
が水に分散することにより、水と油が混合するからであ
る。「流体と反応する液体」としては、例えば、流体が
酸の場合には、炭酸水素ナトリウム水溶液のように、弱
酸と強塩基からなる塩の水溶液等が挙げられる。液体の
「界面活性剤」としては、例えば、石鹸水などが挙げら
れる。液体３６を内部空間１３等に保持するために、保
持部材３４が設けられている。保持部材３４は、流体と
反応する物質又は流体に溶解する物質から構成され、流
体と保持部材とが反応した後、又は、保持部材が流体に
溶解した後に、内部空間の液体と流体とが混合又は反応
する。所定の液体が内部空間にない場合と比べて、流体
が内部空間に侵入しやすくなる。

【００３８】 保持部材３４がない場合であっても、所
定の液体がその表面張力で包囲空間に面する表面に付着
していてもよい。「流体に溶解する気体」が包囲空間に
充填されていてもよい。例えば、流体が硫酸等の酸であ
る場合のアンモニアガス、流体が塩基性水溶液の場合の
塩化水素ガス等が挙げられる。空気等は水、有機溶媒等
の流体に溶解し難いため、包囲空間にトラップされ、流
体が包囲空間に侵入し難くなる。これに対して、包囲空
間の気体が流体に溶解する場合には、包囲空間にトラッ
プされず、流体が包囲空間に侵入することができる。

【００３９】 図１１、図１２では、本発明を利用した
鉛蓄電池等の基本単位である単電池を示す。電池４０
は、一対の電極４２ａ、４２ｂと、これらに挟まれた多
孔体４４とを有する。電極４２ａ、４２ｂは何れも板形
状を有する。多孔体４４の気孔には、硫酸等の電解液が
充填され、流体として作用する。多孔体４４には、圧電
素子及び基体を有するセンサ素子４８を埋設するため
に、内部空間４６が形成されている。センサ素子４８と
しては、例えば、図１、図２及び図３に記載したものが
用いられ、突起部１８を有する。

【００４０】 図１１では、多孔体４４の内部空間４６
がセンサ素子４８の形状に適合するように形成され、セ
ンサ素子４８が内部空間４６にはめ込まれることにより
固定されてもよい。一方、センサ素子４８は、エポキシ
樹脂等の接着剤により多孔体４４の内部空間４６に固定
されてもよい。

【００４１】 図１１では、セラミック基体１０の凹部
１９がある側が多孔体４４に接触し、セラミック基体１
０の表面であって凹部１９の反対側が電極４２ａに接触
する。一方、図１２では、セラミック基体１０の凹部１
９がある側が電極４２ａに接触し、セラミック基体１０
の表面であって凹部１９の反対側が多孔体４４に接触す
る。図１１及び図１２は、ほぼ板形状のセラミック基体
１０が伸びる方向が電極４２ａ、４２ｂが伸びる方向と
ほぼ平行に配置されている。しかし、セラミック基体１
０が伸びる方向が電極４２ａ、４２ｂが伸びる方向と交
わるように配置されてもよい。

【００４２】 以下、各要素の材料、材質について記載
する。振動部１２は、電気絶縁材料であることが好まし
い。振動部１２の少なくとも一部を被覆する電極が導電
性だからである。振動部１２は、高耐熱性の金属であっ
て、その金属表面をガラス等のセラミックスで被覆した
ものであってもよい。しかし、振動部１２は、セラミッ
クスからなることが好ましい。振動部を構成するセラミ
ックスとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウ
ム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、
窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス等を用いることが
できる。安定化された酸化ジルコニウムは、振動部が薄
くても機械強度が高いこと、靱性が高いこと、圧電膜及
び電極と化学反応性が小さいこと等のため好ましい。

【００４３】 安定化された酸化ジルコニウムとは、安
定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニアを包含する。
安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶等の結晶構
造をとるので、相転移を起こさない。一方、酸化ジルコ
ニウムは、１０００℃前後で、単斜晶と正方晶とで相転
移し、この相転移のときクラックが発生したりする。安
定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化
マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、
酸化イッテルビウム、酸化セリウム又は希土類金属の酸
化物等の安定化剤を、１〜３０モル％含有する。

【００４４】 振動部の機械強度を高めるため、安定化
剤が、酸化イットリウムを含有することが好ましい。こ
のとき、酸化イットリウムは、好ましくは１．５〜６モ
ル％含有し、更に好ましくは２〜４モル％含有する。更
に主なる結晶相は、正方晶、正方晶及び立方晶の混合
相、立方晶及び単斜晶の混合相、正方晶及び単斜晶の混
合相、又は、立方晶、正方晶及び単斜晶の混合相であっ
てもよい。この中でも、主なる結晶相が、正方晶、又
は、正方晶及び立方晶の混合相であるときが、機械強
度、靱性及び耐久性の観点から好ましい。

【００４５】 振動部１２を構成するセラミックスが、
０．５〜５重量％の酸化珪素を含有することが好まし
く、１〜３重量％の酸化珪素を含有することが更に好ま
しい。これは、圧電素子２０を熱処理して形成すると
き、酸化珪素が、振動部１２と圧電素子２０との過剰な
反応を避けて、良好な圧電体特性を得ることができるか
らである。また、振動部１２がセラミックスからなると
き、多数の結晶粒が振動部を構成するが、振動部の機械
強度を高めるため、結晶粒の平均粒径は、０．０５〜２
μｍであることが好ましく、０．１〜１μｍであること
が更に好ましい。

【００４６】 圧電膜には、好適には、圧電性セラミッ
クスを用いることができるが、電歪セラミックス又は強
誘電体セラミックスであってもよい。分極処理が必要な
材料であっても、必要がない材料であってもよい。圧電
膜に用いるセラミックスは、例えば、ジルコン酸鉛、マ
グネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオ
ブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チ
タン酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ
酸鉛、チタン酸バリウム等、又はこれらの何れかを組み
合わせた成分を含有するセラミックスが挙げられる。こ
れらの化合物が５０重量％以上をしめる主成分であって
もよいことはいうまでもない。また、ジルコン酸鉛を含
有するセラミックスは、好ましく用いれる。

【００４７】 上記セラミックスに、更に、ランタン、
カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステ
ン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の
酸化物、若しくはこれらの何れかの組み合わせ、又は他
の化合物を、適宜、添加したセラミックスを用いてもよ
い。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛と、ジルコン酸鉛
と、チタン酸鉛とからなる成分を主成分とし、更にラン
タンやストロンチウムを含有するセラミックスを用いる
ことが好ましい。

【００４８】 電極２４ａは、室温で固体であって、導
電性の金属で構成されていることが好ましい。例えば、
アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケ
ル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジ
ウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウ
ム、白金、金、鉛等を含有する金属単体又は合金が挙げ
られる。これらの元素が任意の組み合わせで含有してい
てもよいことはいうまでもない。また、白金、ロジウ
ム、パラジウム等の白金族金属、又はこれらの白金族金
属を含有する、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を
主成分とする電極材料が好適に用いられる。また、銅、
銀及び金は耐久性があるので、より好ましい。

【００４９】 電極２４ｂは、白金、ルテニウム、ロジ
ウム、パラジウム、イリジウム、チタン、クロム、モリ
ブデン、タンタル、タングステン、ニッケル、コバルト
等の高融点の金属を含有する単体又は合金からなること
が好ましい。また、これらの高融点金属が任意の組み合
わせで含有していてもよいことはいうまでもない。ま
た、白金、ロジウム、パラジウム等の白金族金属、又は
これらの白金族金属を含有する、銀−白金、白金−パラ
ジウム等の合金を主成分とする電極材料が好適に用いら
れる。電極２４ｂは、圧電膜の熱処理の時に高温に晒さ
れる場合があるので、高温酸化雰囲気に耐えられる金属
であることが好ましいからである。また、これらの高融
点金属と、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、
ガラス等のセラミックスとを含有するサーメットであっ
てもよい。

【００５０】 次に、本発明のセンサ素子の製造方法を
説明する。基体は、グリーンシート又はグリーンテープ
である成形層を、熱圧着等で積層して、次いで、焼結す
ることで一体化できる。例えば、図１のセラミック基体
１０では、３層のグリーンシート又はグリーンテープを
積層するが、その第二層に、包囲空間となるように所定
形状の貫通孔を積層前に予め設けておけばよい。また、
成形型を用いる加圧成形、鋳込み成形、射出成形等によ
って、成形層を作成し、切削、研削加工、レーザー加
工、プレス加工による打ち抜き等の機械加工により、包
囲空間等を設けてもよい。成形層は、互いに同一の厚さ
である必要はないが、焼結による収縮が同じ程度になる
ようにしておくことが好ましい。また、焼結前のグリー
ンシート又はグリーンテープであるときに包囲空間に対
応する形状に成形していてもよいし、また、焼結後に機
械加工を施してもよい。

【００５１】 振動部１２に、圧電素子２０を形成する
方法を記載する。金型を用いたプレス成形法又はスラリ
ー原料を用いたテープ成形法等によって圧電体を成形
し、この焼結前の圧電体を、焼結前の基板における振動
部に、熱圧着で積層し、同時に焼結して、基板と圧電体
とを形成する方法がある。この場合には、電極は後述す
る膜形成法により、基板又は圧電体に予め形成しておく
必要がある。圧電膜の焼結温度は、これを構成する材料
によって適宜定められるが、一般には、８００℃〜１４
００℃であり、好ましくは、１０００℃〜１４００℃で
ある。この場合、圧電膜の組成を制御するために、圧電
膜材料の蒸発源の存在下に焼結することが好ましい。

【００５２】 一方、膜形成法では、振動部１２に、電
極２４ｂ、圧電膜２２、及び電極２４ａをこの順序に積
層して、圧電素子２０を形成する。公知の膜形成法、例
えば、スクリーン印刷のごとき厚膜法、ディッピング等
の塗布法、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、
イオンプレーティング、化学蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ
等の薄膜法等が適宜用いられるが、これらに何等限定さ
れるものではない。この中では、スクリーン印刷法が安
定に製造することができるので好ましい。電極２４ｂ及
びリードは、スクリーン印刷によって、同時に印刷塗布
することができる。

【００５３】 また、圧電膜２２は、好ましくは、スク
リーン印刷、ディッピング、塗布等によって形成する。
これらの手法は、圧電膜の材料からなるセラミック粒子
を主成分とするペーストやスラリーを用いて、基板上に
膜形成することができ、良好な圧電体特性が得られる。
また、このように圧電膜を膜形成法によって形成する
と、接着剤を用いることなく、圧電素子と振動部とを一
体的に接合することができるため、信頼性、再現性に優
れ、更に、集積化し易いことから、特に好ましい。ま
た、そのような膜の形状は、適当なパターンを形成して
もよい。スクリーン印刷法、フォトリソグラフィ法等に
よって、パターン形成してもよく、また、レーザー加工
法、スライシング、超音波加工等の機械加工法を用い、
不必要な部分を除去してパターン形成してもよい。

【００５４】 また、作成される圧電膜及び電極の形状
は、何等限定されるものではなく、用途に応じて如何な
る形状を採用してもよい。例えば、三角形、四角形等の
多角形、円、楕円、円環等の曲線形状、櫛形状、格子状
又はこれらを組み合わせた特殊形状であってもよい。ま
た、圧電素子２０は振動部１２の全面に設ける必要はな
く、振動により発生する歪みが最も大きい部分に設ける
ことが好ましい。そして、このようにして基板状に形成
されたそれぞれの膜（２２、２４ａ、２４ｂ）は、各膜
の形成の都度、熱処理して、基板と一体構造となるよう
にしてもよく、又は、これらの膜を形成した後に、これ
らの膜を同時に熱処理して、各膜が基板に一体的に接合
せしめてもよい。なお、薄膜法により電極を形成する場
合には、これらの電極を一体化するためには、必ずしも
熱処理を必要としない。

【００５５】

【発明の効果】 本発明のセラミック基体では、包囲空
間に所定の固体、液体等を有するので、流体が包囲空間
に容易に侵入することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のセラミック基体を用いたセンサ素子
の断面説明図である。

【図２】 図１の正面説明図である。

【図３】 図１の分解斜視図である。

【図４】 本発明のセラミック基体の他の実施態様の断
面説明図である。

【図５】 本発明のセラミック基体の他の実施態様の断
面説明図である。

【図６】 本発明のセラミック基体の他の実施態様の断
面説明図である。

【図７】 本発明のセラミック基体の他の実施態様の断
面説明図である。

【図８】 本発明のセラミック基体の他の実施態様の断
面説明図である。

【図９】 本発明のセラミック基体の他の実施態様の断
面説明図である。

【図１０】 本発明のセラミック基体の他の実施態様の
断面説明図である。

【図１１】 本発明を利用した電池の一の実施態様の断
面説明図である。

【図１２】 本発明を利用した電池の他の実施態様の断
面説明図である。

【符号の説明】

１０・・・セラミック基体、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ・・・セ
ラミックスシート、１２・・・振動部、１２ｓ、１２ｔ・・・
振動部の表面、１３・・・内部空間、１４・・・所定の固体、
１５・・・凹部、１６ａ、１６ｂ・・・連通孔、１７・・・保護
カバー、１７ａ・・・蓋部材、１７ｂ・・・枠、１８・・・突起
部、１９・・・凹部、２０・・・圧電素子、２２・・・圧電膜、
２４ａ、２４ｂ・・・電極、２６ａ、２６ｂ・・・リード線、
３２・・・界面活性剤、３４・・・保持部材、３６・・・液体、
４０・・・電池、４２ａ、４２ｂ・・・電極、４４・・・多孔
体、４６・・・内部空間、４８・・・センサ素子、４９・・・多
孔体、５０・・・別の多孔体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 英正 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 渡辺 健二 東京都目黒区中目黒２−２−１ 目黒独身 寮２号室

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 包囲空間が形成されたセラミック基体で
   あって、 当該包囲空間に流体を充填することを目的として、当該
   包囲空間の少なくとも一部に、流体と混合する液体、流
   体に溶解する固体若しくは気体、流体と反応する液体若
   しくは固体、又は界面活性剤を有することを特徴とする
   セラミック基体。
2. 【請求項２】 当該包囲空間を被包するように多孔体を
   配設した請求項１に記載のセラミック基体。
3. 【請求項３】 当該包囲空間の少なくとも一部に、流体
   と混合する当該液体、流体に溶解する当該固体又は当該
   界面活性剤が充填される請求項１又は２に記載のセラミ
   ック基体。
4. 【請求項４】 当該包囲空間が、当該セラミック基体の
   内部に形成された内部空間と、当該内部空間に連通する
   連通孔を有する請求項１〜３の何れかに記載のセラミッ
   ク基体。
5. 【請求項５】 当該セラミック基体の外表面に凹部が形
   成され、当該包囲空間が当該凹部で包囲される請求項１
   〜４の何れかに記載のセラミック基体。
6. 【請求項６】 当該界面活性剤が、当該セラミック基体
   の内表面であって当該内部空間及び当該連通孔に面する
   ものの少なくとも一部を被覆する請求項４に記載のセラ
   ミック基体。
7. 【請求項７】 流体と混合する当該液体、流体に溶解す
   る当該固体若しくは当該気体、流体と反応する当該液体
   若しくは当該固体、又は当該界面活性剤を当該包囲空間
   に保持するための保持部材を有し、当該保持部材は、当
   該流体に溶解する当該固体から構成される請求項１〜６
   の何れかに記載のセラミック基体。
8. 【請求項８】 請求項１〜７に記載のセラミック基体
   と、圧電膜と当該圧電膜に接触する一対の電極とを有す
   る圧電素子とを有するセンサ素子であって、当該セラミ
   ック基体は振動部を有し、当該振動部の一方の表面に当
   該圧電素子が固定され、当該振動部の他方の表面が当該
   包囲空間に面することを特徴とするセンサ素子。