JPH11335161A - ZrO2磁器 - Google Patents

ZrO2磁器

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JPH11335161A
JPH11335161A JP11055941A JP5594199A JPH11335161A JP H11335161 A JPH11335161 A JP H11335161A JP 11055941 A JP11055941 A JP 11055941A JP 5594199 A JP5594199 A JP 5594199A JP H11335161 A JPH11335161 A JP H11335161A
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成希 中尾
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和義 柴田
Yukihisa Takeuchi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体又は液体の蒸気を含む気体中における安
定性と靱性を兼ね備え、侵蝕されにくく、かつ強度を有
するZrO2磁器を提供する。 【解決手段】 少なくともその一部が液体又は液体の蒸
気を含む気体に接するZrO2磁器たわみ部材におい
て、上記接触部の相対密度(嵩密度/理論密度)を95
%以上とし、かつ、上記接触部に立方晶を75%以上含
有させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、流体センサ等の
部材として使用されるZrO2磁器及び耐水性ZrO2
材に関する。
【0002】
【従来の技術】 ZrO2磁器は、流体センサにおいて
圧電・電歪素子を設けるための振動板を含む構成材料と
して広く用いられている。例えば、流体センサは、通
常、図5に示すように、板状部材2に圧電・電歪素子1
0を設けたセンサ部とセンサ部を支える筒状部材1とを
有し、筒状部材1の内部に被験流体を導入して、その粘
度、特定の化合物の検出等を行うことにより、例えば電
池の劣化の度合い等を測定するものであるが、この板状
部材2及び筒状部材1は、ともにZrO2にて構成され
る。このようなZrO2としては、通常、3〜4mol
%のイットリアを含有させた部分安定化ZrO2が使用
される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、3〜
4mol%のイットリアを含有するZrO2は、強度的
には十分なのであるが、長期耐久性、信頼性に欠けると
いう問題があった。即ち、液体又は液体の蒸気を含む気
体に長期間接触させると、例えば、流体センサの部材と
して用いた場合には、以下のような問題点があった。
【0004】 即ち、例えば、流体センサを電池の劣化
の評価に用いる場合には、電池の劣化溶液の粘度と硫酸
の濃度との間に一定の相関関係があること、及び電池の
劣化に伴って電解液中の酸濃度が変化することを利用し
て劣化の度合いを評価するが、この場合、電解液である
酸溶液が直接、振動板、筒状部材に接触することとな
る。比較的短期間における使用に際しては何ら問題はな
いが、非常に長い期間、例えば数年〜数十年に渡る連続
した酸溶液との接触が続いた場合、振動板と筒状部材が
侵蝕されることがある。発明者らが行った加速試験にお
いては、80℃−40%硫酸に連続して接触させた場
合、3molのイットリアを含有する磁器では5〜30
日、4molのイットリアを含有する磁器では10〜4
0日で、硫酸が振動板の反対側に漏出してくるという問
題があった。
【0005】 これは、ZrO2を、液体又は液体の蒸
気を含む気体中に放置すると、ZrO2の結晶構造のう
ち、正方晶相(テトラゴナル相)が単斜晶相(モノクリ
ニック相)へと徐々に変態することによると考えられ
る。
【0006】 このような不都合を回避するために、Z
rO2の結晶構造を、液体又は液体の蒸気を含む気体中
で結晶構造の安定な立方晶とすることも考えられるが、
この場合には靱性が小さくもろくなるため、図6に示す
ように、振動板・筒状部材一体構造物の応力集中部分に
クラック11が発生するという問題があった。
【0007】 又、原料粉末の粒径を小さくしたり、マ
グネシア、アルミナ等の添加物を添加等することによ
り、結晶粒子を小さくする等して、ZrO2磁器に液体
又は液体の蒸気を含む気体中での安定性を付与する方法
もあるが、安定性が不足することや、振動板に圧電・電
歪素子を設ける際に高温で焼成しなければならないた
め、結局は結晶粒子が大きくなってしまい、上記の安定
性が損なわれるという問題があった。
【0008】 本発明は、このような状況に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、液体又は液
体の蒸気を含む気体中における安定性と靱性を兼ね備
え、侵蝕されにくく、かつ強度を有するZrO2磁器を
提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】 即ち、本発明によれ
ば、少なくともその一部が液体又は液体の蒸気を含む気
体に接するZrO2磁器たわみ部材において、上記接触
部の相対密度(嵩密度/理論密度)が95%以上であ
り、かつ、上記接触部が立方晶を75%以上含有するZ
rO2磁器が提供される。
【0010】 上記のZrO2磁器においては、ZrO2
磁器たわみ部材が、接触部と接触部に隣接する基体とか
らなり、基体が正方晶、立方晶と正方晶又は立方晶と正
方晶と単斜晶の混合相からなることが好ましい。又、接
触部が基体の少なくとも1つの面の表面を覆い、かつ、
接触部の厚さが基体の最も薄い部分の厚さの0.2〜2
倍であることが好ましい。
【0011】 上記のZrO2磁器は、ZrO2磁器から
成る筒状部材と、上記基体から成る板状部材の少なくと
も一方の面に接触部を設けて成るZrO2磁器たわみ部
材とから成り、上記筒状部材の一方の端面と、板状部材
に設けた接触部とが接触し、かつ、接触部が筒状部材の
開口部を閉塞するように、ZrO2磁器たわみ部材とそ
の支持部材である筒状部材とを一体構造物としたもので
あってもよい。
【0012】 又、上記のZrO2磁器は、ZrO2磁器
から成る筒状部材と、上記基体から成る板状部材の少な
くとも一方の面に接触部を設けて成るZrO2磁器たわ
み部材とから成り、上記筒状部材の少なくとも一方の端
面に、接触部と同じ構成を有する接続層を有し、上記接
続層と上記板状部材に設けた接触部とが接触し、かつ、
接触部が筒状部材の開口部を閉塞するように、ZrO2
磁器たわみ部材とその支持部材である筒状部材とを一体
構造物としたものであってもよい。
【0013】 又、上記のZrO2磁器は、ZrO2磁器
から成る筒状部材と、上記接触部から成る板状部材であ
るZrO2磁器たわみ部材とから成り、上記筒状部材の
一方の端面と、上記板状部材とが接触し、かつ、接触部
が筒状部材の開口部を閉塞するように、ZrO2磁器た
わみ部材とその支持部材である筒状部材とを一体構造物
としたものであってもよい。
【0014】 又、上記のZrO2磁器は、ZrO2磁器
から成る筒状部材と、上記接触部から成る板状部材であ
るZrO2磁器たわみ部材とから成り、上記筒状部材の
少なくとも一方の端面に、接触部と同じ構成を有する接
続層を有し、接続層と板状部材とが接触し、かつ、接触
部が筒状部材の開口部を閉塞するように、ZrO2磁器
たわみ部材とその支持部材である筒状部材とを一体構造
物としたものであってもよい。
【0015】 又、本発明のZrO2磁器においては、
ZrO2磁器たわみ部材とその支持部材である筒状部材
とで形成される空間の内壁にさらに相対密度(嵩密度/
理論密度)が95%以上であり、かつ、立方晶を75%
以上含有する接触部を設けることが好ましい。
【0016】 又、本発明のZrO2磁器は、ZrO2
器から成る筒状部材と、前記基体から成る板状部材とか
ら成り、前記筒状部材の一方の端面と、前記板状部材と
が接触し、かつ、筒状部材の開口部を閉塞することによ
り形成される空間の内壁に相対密度(嵩密度/理論密
度)が95%以上であり、かつ、立方晶を75%以上含
有する接触部を設けた、ZrO2磁器たわみ部材とその
支持部材である筒状部材との一体構造物であってもよ
い。
【0017】 又、本発明のZrO2磁器においては、
前記筒状部材が正方晶、立方晶と正方晶又は立方晶と正
方晶と単斜晶の混合相から成る基体から成るものであっ
てもよく、筒状部材が、相対密度(嵩密度/理論密度)
が95%以上であり、かつ、筒状部材が立方晶を75%
以上含有する接触部から成るものであってもよく、又
は、前記筒状部材が、立方晶含有率が前記基体の立方晶
含有率よりも高く、前記接触部の立方晶含有率よりも低
い中間層からなるものであってもよい。又、本発明のZ
rO2磁器は、筒状部材の他方の端面に、筒状部材の開
口部を覆うように蓋材を取り付け、蓋材に設けた孔部が
筒状部材の内部空間と連通するように、蓋材と筒状部材
とを一体構造物としたものであってもよい。この場合に
おいて、前記蓋材は正方晶、立方晶と正方晶又は立方晶
と正方晶と単斜晶の混合相から成る基体から成るもので
あってもよい。又、本発明のZrO2磁器においては、
基体又は筒状部材と、接触部又は接続層との間の少なく
とも1箇所に、立方晶の割合が基体又は筒状部材よりも
多く、かつ接触部又は接続層よりも少ないZrO2中間
層を設けてもよく、上記ZrO2中間層における立方晶
の割合は60%以上95%以下であることが好ましい。
又、本発明のZrO2磁器はZrO2磁器たわみ部材の表
面に圧電・電歪素子を設けたものであってもよい。さら
に、本発明のZrO2磁器は、鉛を含有するものであっ
てもよい。
【0018】 又、本発明によっては、上記のZrO2
磁器を用いた流体センサが提供される。さらに、本発明
によっては、上記のZrO2磁器を構成するZrO2磁器
たわみ部材の筒状部材を配置した面とは反対の面に圧電
膜及び圧電膜に接して設けられた少なくとも1対の電極
とを有する圧電素子と、ZrO2磁器たわみ部材の筒状
部材を配置した面とは反対の面上にあって、上記1対の
電極に電気的に接続する電極端子と、上記ZrO2磁器
たわみ部材を固定するための支持体と、圧電素子と支持
体とを非接触の状態に保持するための隔離部材とを備
え、上記隔離部材を、圧電素子を包囲するようにZrO
2磁器たわみ部材の筒状部材を配置した面とは反対の面
上に周設し、かつ支持体が隔離部材を介してZrO2
器たわみ部材を当接固定する流体センサにおいて、上記
隔離部材が接するZrO2磁器たわみ部材の筒状部材を
配置した面とは反対の面上にガラス層を形成した流体セ
ンサが提供される。
【0019】 さらに、本発明によっては、水又は水蒸
気を含む雰囲気下にて使用する耐水性ZrO2部材であ
って、正方晶、立方晶と正方晶又は立方晶と正方晶と単
斜晶の混合相からなるZrO2を基体とし、水又は水蒸
気を含む雰囲気に晒される部分に、相対密度(嵩密度/
理論密度)が95%以上であり、かつ、立方晶を75%
以上含有するZrO2層を設けた耐水性ZrO2部材が提
供される。尚、水又は水蒸気を含む雰囲気は酸性雰囲気
であってもよい。
【0020】
【発明の実施の形態】 本発明のZrO2磁器において
は、その液体又は液体の蒸気を含む気体に接する部分、
即ち接触部の相対密度(嵩密度/理論密度)が95%以
上であり、上記接触部が立方晶を75%以上含有する。
立方晶は、液体又は液体の蒸気を含む気体中で結晶構造
が安定である一方、靱性が小さいため、接触部のみを立
方晶とすることにより、ZrO2磁器に、侵蝕されにく
く、かつ強度が大きいという性質を付与することができ
る。接触部を立方晶とするためには、具体的には、例え
ば、接触部に、イットリア(Y23)を6〜15モル
%、好ましくは8〜10モル%含有させることにより行
われる。
【0021】 相対密度(嵩密度/理論密度)を95%
以上としたのは、95%未満では十分な強度と気密性を
得ることができないからである。尚、相対密度(嵩密度
/理論密度)は98%以上であることがより好ましい。
一方、立方晶の含有率を75%以上としたのは、75%
未満では十分な耐蝕性を付与することができないからで
ある。尚、立方晶の含有率は90%以上であることが耐
蝕性の上から好ましい。但し、立方晶の含有率を90%
以上とすると、75%以上90%未満の場合に比べ若干
の強度低下が見られるため、求められる耐蝕性の程度や
後述する基体の構成に応じて適宜採用される。
【0022】 一般に、結晶系に含まれる各種結晶相の
同定、割合の算出は、X−ray回折法、ラマン分光法
等により行われるが、本願においてはX−ray回折法
を用い、各種結晶相の代表的回折線の強度比により、そ
の存在割合を求めた。セラミック基板中の酸化ジルコニ
ウムの成分判定は、薄膜用X線回折装置を用いて結晶相
を観察することにより、次の手順で行う。まず、酸化ジ
ルコニウムの結晶相において、単斜晶と立方晶は、その
結晶格子の対称性の違いから、格子面間隔が大きく異な
るため、メインの回折X線の強度比から定量を行うこと
ができる。一方、正方晶と立方晶とは、格子面間隔の値
が近似しており、メインの回折X線からは、その分離と
定量を直接かつ正確に行うことができない。従って、観
測したX線像において、立方晶[C]の回折X線像:C
(111)、C(200)、C(220)、C(31
1)、C(222)と正方晶[T]の回折X線像:T
(111)、T(002)、T(200)、T(20
2)、T(220)、T(113)、T(131)、T
(222)とを対比し、試料中に正方晶が存在している
か否かを確認する。
【0023】 立方晶の存在割合は、立方晶+正方晶に
対する立方晶の存在割合で定義され、それぞれのメイン
の回折線の強度比で立方晶の含有率を求めた。そして、
「立方晶を75%以上含有する」とは、次の関係を満た
すことを意味することとした。
【0024】
【数1】
【0025】 又、正方晶と立方晶における上記メイン
の回折線が接近していて分離が困難な場合は、より高次
の回折線をもって、メインの回折線の強度を代用しても
よい。但し、その場合は、あらかじめJCPDSカード
等で分かっているメインの回折線強度と高次の回折線強
度の値を用い、求められた高次の回折線強度をメインの
回折線強度により基準化する必要がある。例えば、立方
晶(200)と正方晶(002)+(200)の回折線
強度より、存在割合を求める場合は、JCPDSカード
により、それぞれの回折線強度はメイン(111)回折
線強度100に対し、25、43((002)と(20
0)の和)であるため、
【0026】
【数2】
【0027】 を上記条件式の代用とする。尚、数式中
の各記号は以下の意味を有する。 I.T(111):正方晶の(111)回折強度 I.C(111):立方晶の(111)回折強度 I.T(002):正方晶の(002)回折強度 I.C(200):立方晶の(200)回折強度 I.T(200):正方晶の(200)回折強度
【0028】 尚、本願において、「液体の蒸気を含む
気体」とは、液面近傍の空間、又は霧状の液体を含む気
体を意味し、具体的には、電池内部の空間に含まれる気
体等がある。又、ZrO2磁器たわみ部材とは、ZrO2
磁器から成る部材であり、使用の際に、その一部又は全
部がたわむようなものをいい、具体的には、流体セン
サ、アクチュエータ等の振動板、ダイヤフラム等があ
る。
【0029】 本発明において、ZrO2磁器は、接触
部と接触部に隣接する基体とから構成し、基体を正方
晶、立方晶と正方晶又は立方晶と正方晶と単斜晶の混合
相から構成することが好ましい。ZrO2磁器に十分な
靱性を付与するためである。基体を正方晶、立方晶と正
方晶又は立方晶と正方晶と単斜晶の混合相とするには、
具体的には、例えば、基体に、イットリアを1.5〜6
モル%、好ましくは2.5〜4.5モル%含有させる。
【0030】 又、接触部が基体の少なくとも1つの面
の表面を覆うことが好ましく、かつ、接触部の厚さが基
体の最も薄い部分の厚さの0.2〜2倍であることが好
ましい。ZrO2磁器に十分な耐蝕性を付与するためで
ある。
【0031】 本発明のZrO2磁器は、図1(a)に
示すように、ZrO2磁器から成る筒状部材1と、上記
基体から成る板状部材2の少なくとも一方の面に接触部
3を設けて成るZrO2磁器たわみ部材4とから成り、
上記筒状部材1の一方の端面と、板状部材2に設けた接
触部3とが接触し、かつ、接触部3が筒状部材1の開口
部を閉塞するように、ZrO2磁器たわみ部材4とその
支持部材である筒状部材1とを一体構造物としたもので
あってもよい。
【0032】 又、本発明のZrO2磁器は、図2
(a)に示すように、ZrO2磁器から成る筒状部材1
と、上記接触部3から成る板状部材2であるZrO2
器たわみ部材4とから成り、上記筒状部材1の一方の端
面と、上記板状部材2とが接触し、かつ、接触部3が筒
状部材1の開口部を閉塞するように、ZrO2磁器たわ
み部材4とその支持部材である筒状部材1とを一体構造
物としたものであってもよい。ZrO2磁器たわみ部材
4を立方晶を多く含む接触部から構成した場合、ZrO
2磁器たわみ部材4自体は靱性が小さく、もろいが、筒
状部材1によりZrO2磁器たわみ部材4を支持するこ
とにより、ZrO2磁器5全体の強度を維持することが
できる。
【0033】 又、本発明のZrO2磁器においては、
図1(b)、図2(b)に示すように、筒状部材1の少
なくとも一方の端面とZrO2磁器たわみ部材4の接触
部3との間に接触部と同じ構成を有する接続層6を配し
てもよい。接続層6を設けることにより、筒状部材1の
変態により生じる応力により、靱性の小さい接触部3に
クラックが生じ、例えば、流体センサとして電池の劣化
の評価に用いた場合、硫酸が振動板の反対側に漏出する
という事態を回避することができる。
【0034】 又、上記の一体構造物であるZrO2
器においては、図3に示すように、ZrO2磁器たわみ
部材4とその支持部材である筒状部材1とで形成される
空間7の内壁にさらに相対密度(嵩密度/理論密度)が
95%以上であり、かつ、立方晶を75%以上含有する
層8を設けてもよい。このような構成とすることによ
り、接触する部分は全て十分な耐蝕性を有することとな
ると共に、応力によりクラックが生じやすいZrO2
器たわみ部材4と筒状部材1との接合部分を強化するこ
とができる。
【0035】 又、本発明のZrO2磁器においては、
図4に示すように、筒状部材1の開口部を閉塞すること
により形成される空間7の内壁にのみ相対密度(嵩密度
/理論密度)が95%以上であり、かつ、立方晶を75
%以上含有する層を設けてもよい。内壁全面にそのよう
な層を形成することにより、接触する部分はすべて十分
な耐蝕性を有することとなり好ましい。
【0036】 さらに、本発明のZrO2磁器におい
て、筒状部材を正方晶、立方晶と正方晶又は立方晶と正
方晶と単斜晶の混合相から構成すれば、ZrO2磁器全
体の強度をさらに高めることができ、又、図1〜図4に
示すように、基体又は筒状部材と、接触部又は接続層と
の間の少なくとも1箇所に、立方晶の割合が基体又は筒
状部材よりも多く、かつ接触部又は接続層よりも少ない
ZrO2中間層9を設ければ、応力によりクラックが生
じやすいZrO2磁器たわみ部材と支持部材との接合部
分をさらに強化することができる。上記ZrO2中間層
9における立方晶の割合は、基体又は筒状部材よりも多
く、かつ接触部又は接続層よりも少ないことを前提とし
た上で、60%以上95%以下であることが好ましい。
このような中間層9は、具体的には、例えば、中間層9
に、イットリアを5〜7モル%、好ましくは5.5〜
6.5モル%含有させることにより行われる。
【0037】 一方、本発明のZrO2磁器において
は、筒状部材の立方晶含有率を、前述の基体の立方晶含
有率よりも高く、接触部の立方晶含有率よりも低くして
もよく、この場合には耐蝕性と強度を両立させることが
できるという利点がある。このようなZrO2磁器とし
ては、例えば、図1(a)に示すように、基体、接触部
3及び中間層9を有するZrO2磁器たわみ部材4並び
に筒状部材1から成るZrO2磁器において、筒状部材
1の立方晶含有率を60%以上95%以下としたものが
挙げられる。立方晶の含有率を上記の範囲にするには、
具体的には、筒状部材1に、例えば、イットリアを5〜
7モル%、好ましくは5.5〜6.5モル%含有させ
る。
【0038】 さらに、本発明のZrO2磁器は、筒状
部材の相対密度(嵩密度/理論密度)が95%以上であ
り、かつ、筒状部材が立方晶を75%以上含有するもの
であってもよい。このような構成とすることにより、Z
rO2磁器の耐蝕性を向上させることができる。この場
合、筒状部材のイットリア含有率は、6〜15モル%、
好ましく8〜10モル%となる。但し、この構成の場
合、筒状部材の靱性が小さくなるため、ZrO2磁器の
強度が不十分になるおそれがある。従って、後述の蓋材
との組み合わせにて用いることが好ましい。
【0039】 さらに、本発明のZrO2磁器におい
て、図7に示すように、筒状部材1のZrO2磁器たわ
み部材4を取り付けた端面とは異なる端面に、筒状部材
1の開口部を覆うように蓋材12を取り付け、その蓋材
12に設けた孔部13が筒状部材1の内部空間と連通す
るように、蓋材12と筒状部材1とを一体構造物とすれ
ば、磁器全体の強度を大きくすることができる。又、流
体センサとして用いた場合、振動部に外部からのノイズ
が入りにくいという利点がある。この場合において、上
記蓋材12を、正方晶、立方晶と正方晶又は立方晶と正
方晶と単斜晶の混合相から構成することが、強度をさら
に向上させることができるためより好ましい。
【0040】 振動板等のZrO2磁器には、圧電体を
焼成する場合の雰囲気調整、圧電体構成物質の拡散等の
理由により、鉛が含有している場合が多いが、この場合
にはZrO2磁器の変態がさらに進み易くなるため、上
記の接触部を設けることが有効となる。又、本発明のZ
rO2磁器においては、接触部の上にさらに、ポリエス
テル樹脂、エポキシアクリレート樹脂等の耐酸性樹脂、
ガラス等を被覆することにより、耐蝕性をさらに強化し
てもよい。尚、被覆の方法としては、例えばディッピン
グ、吹き付け、塗布等が挙げられる。
【0041】 本発明のZrO2磁器は、ZrO2磁器た
わみ部材の表面に圧電・電歪素子を設けることにより、
流体センサ、アクチュエータ等として用いられるもので
あってもよい。この場合、圧電・電歪素子は、ZrO2
磁器たわみ部材の基体部分に設置される。
【0042】 本発明のZrO2磁器を用いた流体セン
サは、図8に示すように、隔離部材15及び支持部材1
8を備えたものであってもよい。図8に示す流体センサ
16において、隔離部材15及び支持部材18は、Zr
2磁器たわみ部材4の表面に設けられた圧電・電歪素
子17及び電極端子を流体から気密に保持するために設
置される。又、隔離部材15は、圧電・電歪素子17が
設置されたZrO2磁器たわみ部材4が振動した場合
に、支持部材18が圧電・電歪素子17に接触するのを
防ぐために設置されるもので、従って、圧電・電歪素子
17を包囲するように配置される。電極端子にはリード
線14が接続されており、リード線14は、支持部材1
8に開いた孔を通して外部に配線されている。孔の部分
は接着剤等で気密に保たれている。さらに、ZrO2
器たわみ部材4上の隔離部材15との当接部分にはガラ
ス層19が形成されている。このガラス層19は、隔離
部材15のZrO2磁器たわみ部材4上での気密性を長
期間にわたり確保するために形成されるものである。つ
まり、このような構成の流体センサにおいては、通常セ
ンサ全体が流体中に浸漬されて使用されるが、そのよう
な場合、ZrO2磁器たわみ部材4と筒状部材1とから
形成される空間及び隔離部材15及び支持部材18によ
り気密に保たれる部分以外は全て流体に接触することに
なるため、隔離部材15の外側のZrO2磁器たわみ部
材4表面においても、基体が直接流体に接触することと
なり、長期間の使用に際しては侵蝕が進み、隔離部材1
5による気密性が劣化することになる。ガラス層19は
このような事態を防ぐために設けられるものである。隔
離部材15の形状に特に制限はなく、例えば、ロの字状
のブロック部材等の形状を用いることができるが、気密
性を保つという観点からは、断面が円形のO−リング形
状であることが好ましい。又、その材質は、流体に対し
耐蝕性を有することはもちろんであるが、緩衝材から成
ることが気密性の上から好ましい。隔離部材15が緩衝
材から形成されていると、ZrO2磁器たわみ部材4の
不要振動を抑え込むのに有効であり、もってセンサの精
度を向上させるという利点もあわせもつ。一方、支持部
材18の形状、材質にも制限はなく、隔離部材15との
組み合わせによって、ZrO2磁器たわみ部材4と筒状
部材1を保持し、圧電・電歪素子17及び電極端子を流
体から気密に保持するものであればよい。例えば、図9
(a)及び(b)に示す流体センサの場合、塩化ビニル
からなる支持部材18、フッ素系ゴムのO−リングから
成る隔離部材15と、同じく塩化ビニルから成る押さえ
部材20とで、ZrO2磁器たわみ部材4、筒状部材
1、蓋材12、圧電・電歪素子17及び電極端子22か
ら成るセンサ素子23を挟持し、隔離部材15の緩衝材
の弾性により、保持する構造をとっている。各部材の固
定は、支持部材18、押さえ部材20にセン設した孔部
に軸体21を貫通させることにより行った。軸体21の
材質は、同じく塩化ビニルからなってもよいが、強度、
耐蝕性の観点から、セラミック製、又はガラス製である
ことが好ましい。
【0043】 図8、図9に示す流体センサにおいて、
筒状部材1は、相対密度(嵩密度/理論密度)が95%
以上であり、かつ、立方晶を75%以上含有するもので
あることが、流体センサの耐蝕性を向上させる上でより
好ましい。又、ZrO2磁器たわみ部材4は、図8
(b)に示すように、基体、接触部3及び、基体と接触
部3の間に配置された、立方晶の割合が基体よりも多
く、かつ接触部よりも少ない中間層9から成ることが好
ましい。さらに、図8(b)に示すように、上記の流体
センサ16は、筒状部材1のZrO2磁器たわみ部材4
を取り付けた端面とは異なる端面に、筒状部材1の開口
部を覆うように取り付けられ、筒状部材1の内部空間と
連通する孔部13を有する蓋材12を備えることが好ま
しい。
【0044】 本発明のZrO2磁器であるZrO2磁器
たわみ部材の厚みは、流体センサの振動板として使用す
る場合、幅が0.3〜0.5mmの場合は10〜50μ
mであることが好ましい。この場合、基体の厚みは5〜
30μm、接触部の厚みは5〜30μmであることが好
ましく、中間層を形成する場合には、その厚みは5〜1
5μmであることが好ましい。それぞれの厚みが上記の
値を超えると、ZrO2磁器たわみ部材全体の厚みが大
きくなり、振動が抑制させるからであり、又、それぞれ
の厚みが上記の値に満たない場合は、基体についてはZ
rO2磁器の強度が不十分となり、接触部については耐
水性が不十分となり、中間層については応力緩和機能を
維持し、基体及び接触部との連続性を確保する観点によ
るものである。
【0045】
【実施例】 本発明を実施例を用いてさらに詳しく説明
するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではな
い。
【0046】(実施例1) 筒状部材と振動板とから成
り、振動板に設けた接触部と筒状部材に設けた接続層と
が接触する、図1(b)に示すような流体センサ用Zr
2磁器を製造した。
【0047】 まず、厚さ10μmの振動板用のグリー
ンシートと厚さ330μmの筒状部材用のグリーンシー
トを用意した。上記グリーンシートには、イットリアを
2〜4モル%含有させたZrO2を用いた。
【0048】 次に、振動板用グリーンシートの酸に接
触する側に、イットリアを6モル%含有するZrO2
ら成る中間層を、スクリーン印刷又はグリーンシート積
層・熱圧着にて形成した。中間層の厚さは6μmtとし
た。
【0049】 次に、振動板用グリーンシートに形成し
た中間層の上に、スクリーン印刷9はグリーンシート積
層・熱圧着にて、イットリアを8モル%含有するZrO
2から成る接触部を形成した。接触部の厚みは、9μm
tとした。
【0050】 筒状部材用のグリーンシートの端面の一
方に、イットリアを6モル%含有するZrO2から成る
中間層を、スクリーン印刷又はグリーンシート積層・熱
圧着にて形成した。中間層の厚さは25μmtとした。
【0051】 次に、筒状部材用のグリーンシートに形
成した中間層の上に、スクリーン印刷又はグリーンシー
ト積層・熱圧着にて、イットリアを8モル%含有するZ
rO2から成る接続層を形成した。接続層の厚みは25
μmtとした。
【0052】 次に、筒状部材用のグリーンシートに貫
通孔を形成し、筒状のグリーンシートとした。
【0053】 最後に、振動板用グリーンシートが筒状
のグリーンシートの一方の開口部を閉塞するように、振
動板用グリーンシートと筒状のグリーンシートとを積層
した後、1450℃、2時間、焼成を行い、ZrO2
器を得た。
【0054】 上記のZrO2磁器を流体センサとして
用い、80℃−40%硫酸が、筒状部材と反対側の振動
板の面に漏出してくるまでの日数を調べた。
【0055】(実施例2) 筒状部材と振動板とから成
り、振動板に設けた接触部と筒状部材の一方の端面とが
接触し、かつ、筒状部材の内壁に相対密度(嵩密度/理
論密度)が95%以上であり、かつ、立方晶を75%以
上含有する層を設けた、図3に示すような流体センサ用
ZrO2磁器を製造した。
【0056】 筒状部材用のグリーンシートの端面に中
間層及び接続層を形成しなかった点を除いては、実施例
1と同様に製造を行った。但し、筒状部材の内壁への接
触部の形成は、以下のように行った。まず、イットリア
を6モル%含有するZrO2から成る中間層を、スクリ
ーン印刷(スルーホール印刷)又はディッピング等にて
行った。次に、中間層の上に、中間層の形成と同様に、
イットリアを8モル%含有するZrO2から成る接続層
を形成した。中間層及び接続層の厚みは、それぞれ、6
μmt及び13μmtとした。
【0057】 上記のZrO2磁器を流体センサとして
用い、80℃−40%硫酸が、筒状部材と反対側の振動
板の面に漏出してくるまでの日数を調べた。
【0058】(実施例3) 筒状部材と振動板とから成
り、振動板が筒状部材の一方の開口部を閉塞するように
端面に接合し、筒状部材と振動板により形成される空間
の内壁に相対密度(嵩密度/理論密度)が95%以上で
あり、かつ、立方晶を75%以上含有する層を設けた、
図4に示すような流体センサ用ZrO2磁器を製造し
た。
【0059】 まず、振動板用のグリーンシートと筒状
部材用のグリーンシートを用意した。上記グリーンシー
トの厚さ及びイットリア含有率は実施例1と同様とし
た。
【0060】 次に、筒状部材用のグリーンシートに貫
通孔を形成し、振動板用グリーンシートが筒状のグリー
ンシートの一方の開口部を閉塞するように、振動板用グ
リーンシートと筒状のグリーンシートとを積層し、14
50℃、2時間、で焼成を行った。
【0061】 最後に、筒状部材と振動板により形成さ
れる空間の内壁に、スクリーン印刷(スルーホール印
刷)又はディッピング等にて、中間層及び接触部を形成
し、焼成してZrO2磁器を得た。中間層及び接触部の
厚さ、イットリア含有率、焼成条件は実施例1と同様と
した。
【0062】 上記のZrO2磁器を流体センサとして
用い、80℃−40%硫酸が、筒状部材と反対側の振動
板の面に漏出してくるまでの日数を調べた。
【0063】(実施例4) 筒状部材と振動板とから成
り、振動板を接触部にて構成し、筒状部材に設けた接続
層と振動板が接触した状態にて、振動板が筒状部材の一
方の開口部を閉塞するように端面に接合した、図2
(b)に示すような流体センサ用ZrO2磁器を製造し
た。
【0064】 まず、振動板用のグリーンシートと筒状
部材用のグリーンシートを用意した。筒状部材用のグリ
ーンシートの厚さ及びイットリア含有率は実施例1と同
様とした。振動板用のグリーンシートの厚さは20μm
とした。一方、振動板用のグリーンシートは、イットリ
アを8モル%含有するZrO2により構成した。
【0065】 次に、実施例1と同様に、筒状部材用の
グリーンシートの端面の一方に、中間層と接続層を形成
した。中間層及び接続層の厚みは、それぞれ、25μm
t及び25μmtとした。
【0066】 次に、筒状部材用のグリーンシートに貫
通孔を形成し、筒状のグリーンシートとした。
【0067】 最後に、振動板用グリーンシートが筒状
のグリーンシートの一方の開口部を閉塞するように、振
動板用グリーンシートと筒状のグリーンシートとを積層
した後、1450℃、2時間、焼成を行い、ZrO2
器を得た。
【0068】 上記のZrO2磁器を流体センサとして
用い、80℃−40%硫酸が、筒状部材と反対側の振動
板の面に漏出してくるまでの日数を調べた。
【0069】(実施例5) 筒状部材、振動板及び蓋材
とから成る図7に示すような流体センサ用ZrO2磁器
を製造した。図7に示すZrO2磁器5において、振動
板4は基体、接触部3及び基体と接触部3の間に、立方
晶の割合が基体よりも多く、かつ接触部よりも少ない中
間層9を有する。又、蓋材12は筒状部材1の振動板4
を取り付けた端面とは異なる端面に、筒状部材1の開口
部を覆うように取り付けられ、筒状部材1の内部空間と
連通する孔部13を有する。又、筒状部材1は、接触部
3と同様に、相対密度(嵩密度/理論密度)が95%以
上であり、立方晶を75%以上含有する。
【0070】 まず、実施例1と同様の振動板用のグリ
ーンシートに、実施例1と同様に、イットリアを6モル
%を含有する中間層及びイットリアを8モル%を含有す
る接触部を形成した。
【0071】 又、イットリアを2〜4モル%含有させ
たZrO2を用いて筒状部材用のグリーンシート及び蓋
材用のグリーンシートを製造した。
【0072】 次に、筒状部材用のグリーンシートに貫
通孔を形成し、筒状のグリーンシートととするととも
に、蓋材用のグリーンシートにも孔部を形成した。
【0073】 最後に、振動板用グリーンシートが筒状
のグリーンシートの一方の開口部を閉塞するように、振
動板用グリーンシートと筒状のグリーンシートとを積層
し、さらに、蓋材用のグリーンシートを筒状のグリーン
シートの他方の開口部を閉塞するように積層して、14
50℃、2時間、焼成を行い、ZrO2磁器を得た。
【0074】 上記のZrO2磁器を流体センサとして
用い、80℃−40%硫酸が、筒状部材と反対側の振動
板の面に漏出してくるまでの日数を調べた。
【0075】(比較例1) 筒状部材と振動板を、とも
にイットリアを3モル%含有するZrO2にて形成した
流体センサ用ZrO2磁器を製造し、流体センサとして
用いた場合に、80℃−40%硫酸が、筒状部材と反対
側の振動板の面に漏出してくるまでの日数を調べた。
【0076】 比較例1のZrO2磁器では、5〜30
日経過後に80℃−40%硫酸の漏出が見られたが、実
施例のZrO2磁器では、120日以上経過しても80
℃−40%硫酸の漏出は見られなかった。
【0077】
【発明の効果】 本発明のZrO2磁器は、液体又は液
体の蒸気を含む気体と接触する部分の結晶構造が立方晶
であるため、侵蝕されにくく、かつ強度が大きいという
性質を有する。従って、流体センサ等として使用した場
合でも、硫酸等の液体が振動板の反対側に漏出すること
がなく、流体センサをはじめ、ZrO2磁器たわみ部材
を使用した器具等の寿命を伸ばすことができる。本発明
のZrO2磁器において、基体を正方晶、立方晶と正方
晶又は立方晶と正方晶と単斜晶の混合相から構成すれ
ば、ZrO2磁器にさらに十分な靱性を付与することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のZrO2磁器の(a)一例及び
(b)他の例を示す模式断面図である。
【図2】 本発明のZrO2磁器のさらに他の例を示す
模式断面図である。
【図3】 本発明のZrO2磁器のさらに他の例を示す
模式断面図である。
【図4】 本発明のZrO2磁器のさらに他の例を示す
模式断面図である。
【図5】 流体センサの構造を示す模式断面図である。
【図6】 従来のZrO2磁器の一例を示す模式断面図
である。
【図7】 本発明のZrO2磁器のさらに他の例を示す
模式断面図である。
【図8】 (a)及び(b)本発明のZrO2磁器のさ
らに他の例を示す模式断面図である。
【図9】 (a)及び(b)本発明のZrO2磁器のさ
らに他の例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
1…筒状部材、2…板状部材、3…接触部、4…ZrO
2磁器たわみ部材(振動板)、5…ZrO2磁器、6…接
続層、7…空間、8…接触部、9…中間層、10…圧電
・電歪素子、11…クラック、12…蓋材、13…孔
部、14…リード線、15…隔離部材、16…流体セン
サ、17…圧電・電歪素子、18…支持部材、19…ガ
ラス層、20…押さえ部材、21…軸体、22…電極端
子、23…センサ素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武内 幸久 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

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくともその一部が液体又は液体の蒸
    気を含む気体に接するZrO2磁器たわみ部材におい
    て、 該接触部の相対密度(嵩密度/理論密度)が95%以上
    であり、かつ、該接触部が立方晶を75%以上含有する
    ことを特徴とするZrO2磁器。
  2. 【請求項2】 該ZrO2磁器たわみ部材が、接触部と
    該接触部に隣接する基体とからなり、該基体が正方晶、
    立方晶と正方晶又は立方晶と正方晶と単斜晶の混合相か
    らなる請求項1に記載のZrO2磁器。
  3. 【請求項3】 該接触部が該基体の少なくとも1つの面
    の表面を覆い、かつ、該接触部の厚さが該基体の最も薄
    い部分の厚さの0.2〜2倍である請求項1又は2に記
    載のZrO2磁器。
  4. 【請求項4】 ZrO2磁器から成る筒状部材と、 該基体から成る板状部材の少なくとも一方の面に該接触
    部を設けて成るZrO2磁器たわみ部材とから成り、 該筒状部材の一方の端面と、該板状部材に設けた接触部
    とが接触し、かつ、該接触部が該筒状部材の開口部を閉
    塞するように、該ZrO2磁器たわみ部材とその支持部
    材である筒状部材とを一体構造物とした請求項1、2又
    は3に記載のZrO2磁器。
  5. 【請求項5】 ZrO2磁器から成る筒状部材と、 該基体から成る板状部材の少なくとも一方の面に該接触
    部を設けて成るZrO2磁器たわみ部材とから成り、 該筒状部材の少なくとも一方の端面に、該接触部と同じ
    構成を有する接続層を有し、 該接続層と該板状部材に設けた該接触部とが接触し、か
    つ、該接触部が該筒状部材の開口部を閉塞するように、
    該ZrO2磁器たわみ部材とその支持部材である筒状部
    材とを一体構造物とした請求項4に記載のZrO2
    器。
  6. 【請求項6】 ZrO2磁器から成る筒状部材と、 該接触部から成る板状部材であるZrO2磁器たわみ部
    材とから成り、 該筒状部材の一方の端面と、該板状部材とが接触し、か
    つ、該接触部が該筒状部材の開口部を閉塞するように、
    該ZrO2磁器たわみ部材とその支持部材である筒状部
    材とを一体構造物とした請求項1に記載のZrO2
    器。
  7. 【請求項7】 ZrO2磁器から成る筒状部材と、 該接触部から成る板状部材であるZrO2磁器たわみ部
    材とから成り、 該筒状部材の少なくとも一方の端面に、該接触部と同じ
    構成を有する接続層を有し、 該接続層と該板状部材とが接触し、かつ、該接触部が該
    筒状部材の開口部を閉塞するように、該ZrO2磁器た
    わみ部材とその支持部材である筒状部材とを一体構造物
    とした請求項6に記載のZrO2磁器。
  8. 【請求項8】 ZrO2磁器たわみ部材とその支持部材
    である該筒状部材とで形成される空間の内壁にさらに相
    対密度(嵩密度/理論密度)が95%以上であり、か
    つ、立方晶を75%以上含有する接触部を設けた請求項
    4、5、6又は7に記載のZrO2磁器。
  9. 【請求項9】 ZrO2磁器から成る筒状部材と、 該基体から成る板状部材とから成り、 該筒状部材の一方の端面と、該板状部材とが接触し、か
    つ、該筒状部材の開口部を閉塞することにより形成され
    る空間の内壁に相対密度(嵩密度/理論密度)が95%
    以上であり、かつ、立方晶を75%以上含有する接触部
    を設けた、ZrO2磁器たわみ部材とその支持部材であ
    る筒状部材とが一体構造物である請求項1、2又は3に
    記載のZrO2磁器。
  10. 【請求項10】 該筒状部材が正方晶、立方晶と正方晶
    又は立方晶と正方晶と単斜晶の混合相から成る基体から
    成る請求項4〜9のいずれか1項に記載のZrO2
    器。
  11. 【請求項11】 該筒状部材が、相対密度(嵩密度/理
    論密度)が95%以上であり、かつ、立方晶を75%以
    上含有する接触部から成る請求項4〜9のいずれか1項
    に記載のZrO2磁器。
  12. 【請求項12】 該筒状部材が、立方晶含有率が該基体
    の立方晶含有率よりも高く、該接触部の立方晶含有率よ
    りも低い中間層から成る請求項4〜9のいずれか1項に
    記載のZrO2磁器。
  13. 【請求項13】 該筒状部材の他方の端面に、該筒状部
    材の開口部を覆うように蓋材を取り付け、該蓋材に設け
    た孔部が該筒状部材の内部空間と連通するように、該蓋
    材と該筒状部材とを一体構造物とした請求項4〜12の
    いずれか1項に記載のZrO2磁器。
  14. 【請求項14】 該蓋材が正方晶、立方晶と正方晶又は
    立方晶と正方晶と単斜晶の混合相から成る基体から成る
    請求項4〜13のいずれか1項に記載のZrO2磁器。
  15. 【請求項15】 該基体又は該筒状部材と、該接触部又
    は該接続層との間の少なくとも1箇所に、立方晶の割合
    が該基体又は該筒状部材よりも多く、かつ該接触部又は
    該接続層よりも少ないZrO2中間層を設けた請求項1
    0、11、12、13又は14に記載のZrO2磁器。
  16. 【請求項16】 該ZrO2中間層における立方晶の割
    合が60%以上95%以下である請求項15に記載のZ
    rO2磁器。
  17. 【請求項17】 該ZrO2磁器たわみ部材の表面に圧
    電・電歪素子を設けた請求項1〜16のいずれか1項に
    記載のZrO2磁器。
  18. 【請求項18】 鉛を含有する請求項1〜17のいずれ
    か1項に記載のZrO2磁器。
  19. 【請求項19】 請求項1〜18のいずれか1項に記載
    のZrO2磁器を用いたことを特徴とする流体センサ。
  20. 【請求項20】 請求項4〜18のいずれか1項に記載
    のZrO2磁器を構成する該ZrO2磁器たわみ部材の該
    筒状部材を配置した面とは反対の面に圧電膜及び該圧電
    膜に接して設けられた少なくとも1対の電極とを有する
    圧電素子と、 該ZrO2磁器たわみ部材の該筒状部材を配置した面と
    は反対の面上にあって、該1対の電極に電気的に接続す
    る電極端子と、 該ZrO2磁器たわみ部材を固定するための支持体と、 該圧電素子と該支持体とを非接触の状態に保持するため
    の隔離部材とを備え、 該隔離部材を、該圧電素子を包囲するように該ZrO2
    磁器たわみ部材の該筒状部材を配置した面とは反対の面
    上に周設し、かつ該支持体が該隔離部材を介して該Zr
    2磁器たわみ部材を当接固定する流体センサにおい
    て、 該隔離部材が接する該ZrO2磁器たわみ部材の該筒状
    部材を配置した面とは反対の面上にガラス層を形成した
    ことを特徴とする流体センサ。
  21. 【請求項21】 水又は水蒸気を含む雰囲気下にて使用
    する耐水性ZrO2部材であって、 正方晶、立方晶と正方晶又は立方晶と正方晶と単斜晶の
    混合相からなるZrO2を基体とし、 水又は水蒸気を含む雰囲気に晒される部分に、相対密度
    (嵩密度/理論密度)が95%以上であり、かつ、立方
    晶を75%以上含有するZrO2層を設けたことを特徴
    とする耐水性ZrO2部材。
  22. 【請求項22】 水又は水蒸気を含む雰囲気が酸性雰囲
    気である請求項21に記載の耐水性ZrO2部材。
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