(57)【要約】【課題】耐電圧以上の高い電圧が圧電／電歪体にかかり難く、それが故に、絶縁破壊が防止され、且つ、静電気が帯電され難く、それが故に、静電破壊が防止され、埃、ゴミ等を誘引しない圧電／電歪膜型センサを提供すること。【解決手段】圧電／電歪体５が、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含有するとともに、その圧電／電歪体５の表面近傍に、硫化物と、端子電極１８，１９の主成分と、を含有する圧電／電歪膜型センサ２０の提供による。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉ダイヤフラム部、及びその薄肉ダイヤフラム部の周縁に一体的に架設された厚肉部、を有し、それら薄肉ダイヤフラム部及び厚肉部によって、外部に連通した空洞が形成されたセラミック基体と、
そのセラミック基体の前記薄肉ダイヤフラム部の外表面上に配設された、膜状の圧電／電歪体、及びその圧電／電歪体を挟んだ下部電極及び上部電極、を含む積層構造を有する圧電／電歪素子と、
前記下部電極及び上部電極を電源に接続するためのそれぞれの端子電極を具備し、
前記圧電／電歪素子の駆動に連動して、前記セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部が振動する圧電／電歪膜型センサであって、
前記圧電／電歪体が、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含有するとともに、その圧電／電歪体の表面近傍に、硫化物、及び前記端子電極の主成分、を含有する圧電／電歪膜型センサ。
【請求項２】
前記圧電／電歪体の表面近傍に含有される前記硫化物は、加熱処理によって、前記圧電／電歪体に含有されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属と、硫黄と、が結合したものである請求項１に記載の圧電／電歪膜型センサ。
【請求項３】
前記圧電／電歪体の表面近傍に含有される前記端子電極の主成分は、その端子電極を形成した後の加熱処理によって、その端子電極から前記圧電／電歪体の表面近傍に拡散したものである請求項１又は２に記載の圧電／電歪膜型センサ。
【請求項４】
前記端子電極が、銀、又はこれを主成分とする導電材料からなる請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型センサ。
【請求項５】
前記上部電極が、金、又はこれを主成分とする導電材料からなる請求項４に記載の圧電／電歪膜型センサ。
【請求項６】
前記下部電極が、白金、又はこれを主成分とする導電材料からなる請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型センサ。
【請求項７】
前記圧電／電歪体が、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３、又はこれを主成分とする圧電／電歪材料からなる請求項１〜６の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁破壊及び静電破壊の防止が図られた圧電／電歪膜型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電／電歪膜型センサは、それに備わる膜状の圧電／電歪体を一対の電極で挟んでなる圧電／電歪素子の機械−電気変換作用を利用して、粘度、密度、濃度等の流体の特性を測定するために用いることが出来るものである。流体中において圧電／電歪膜型センサ（圧電／電歪素子）を振動させると、流体の粘性抵抗によって機械的抵抗を受け、その機械的抵抗と一定の関係において圧電／電歪素子の電気的定数が変化するので、それを検出して、流体の粘度等を測定することが可能である。
【０００３】
尚、以下に示す本発明の課題と、課題を同じ又は共通にする先行文献は存在しないようであるが、参考となる圧電／電歪膜型センサの先行文献として、特許文献１〜６を挙げることが出来る。
【特許文献１】特開平８−２０１２６５号公報
【特許文献２】特開平５−２６７７４２号公報
【特許文献３】特開平６−２６０６９４号公報
【特許文献４】特開２００５−１６４４９５号公報
【特許文献５】特開平２−５１０２３号公報
【特許文献６】特開平８−９８８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したような圧電／電歪膜型センサ（単にセンサともいう）では、近年、半導体集積回路チップ（ＩＣ、ＬＳＩ）等と同様に、以下の問題を抱えている。
【０００５】
先ず、膜状の圧電／電歪体（絶縁体）が絶縁破壊を起こし、圧電／電歪膜型センサが動作不能となる問題がある。シリコン製のチップにおいては、高速化を進めるには薄膜化と高い電圧（電界）の印加が必須であり、それによって酸化膜（絶縁体）が絶縁破壊し易くなるという問題が知られる。これと同様に、圧電／電歪膜型センサにおいても、例えば縦効果振動子では、圧電／電歪体を薄膜化して、印加電圧を高めると振幅が大きくなり、センサの感度向上に有効であるため、圧電／電歪体を薄膜化し印加電圧を高める場合があるが、圧電／電歪体が絶縁破壊され易くなり、これによって圧電／電歪膜型センサの信頼性低下を招来するため、絶縁破壊を防止することが解決すべき課題となっている。
【０００６】
又、上記絶縁破壊に関連して、静電気による破壊（静電破壊）が問題となっている。全ての物質は原子中に電子を持っており、そのような物質からなる物と物あるいは人と物が、接触（摩擦、衝突等を含む）又は剥離する際に、電子が移動し、電気的に不安定な状態になることで、静電気は生じると考えられている。この静電気の発生においては、電子の移動に伴い、電子を受け取った方が−極となり、電子を放出した方が＋極となる。圧電／電歪膜型センサの場合には、絶縁体である圧電／電歪体が、その表面で、他の物、人、あるいは空気中から、電子を受け取り、−極に帯電している状態になり得る。そして、その状態から、他の物、人、あるいは空気中へ、電子を放出する（放電する）と、その放電時に数ｋＶの電圧がかかり、圧電／電歪体が破壊（静電破壊）され得る。又、−極に帯電している状態において、圧電／電歪体の表面に、＋極を帯びている埃、ゴミ等が誘引され付着すると、それらによって圧電／電歪体を挟んだ一対の電極間が短絡し、圧電／電歪体に所望の電圧がかからず、センサとしての振動が不安定になり、あるいは、ゴミ等の質量によってセンサの共振周波数がずれて誤検出等が生じ、流体の特性又は流体の有無が正確に測定することが出来なくなるおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、耐電圧以上の高い電圧が圧電／電歪体にかかり難く、それが故に、絶縁破壊が防止され、且つ、静電気が帯電され難く、それが故に、静電破壊が防止され、埃、ゴミ等を誘引しない圧電／電歪膜型センサを提供することである。研究が重ねられた結果、圧電／電歪体の表面近傍に、硫化物及び端子電極の主成分を適度に存在させた圧電／電歪膜型センサによって、上記目的が達成されることが見出された。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、本発明によれば、薄肉ダイヤフラム部、及びその薄肉ダイヤフラム部の周縁に一体的に架設された厚肉部、を有し、それら薄肉ダイヤフラム部及び厚肉部によって、外部に連通した空洞が形成されたセラミック基体と、そのセラミック基体の薄肉ダイヤフラム部の外表面上に配設された、膜状の圧電／電歪体、及びその圧電／電歪体を挟んだ下部電極及び上部電極、を含む積層構造を有する圧電／電歪素子と、下部電極及び上部電極を電源に接続するためのそれぞれの端子電極を具備し、圧電／電歪素子の駆動に連動して、セラミック基体の薄肉ダイヤフラム部が振動する圧電／電歪膜型センサであって、圧電／電歪体が、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含有するとともに、その圧電／電歪体の表面近傍に、硫化物、及び端子電極の主成分、を含有する圧電／電歪膜型センサが提供される。
【０００９】
補助電極を設けて、セラミック基体上に配設される（上部電極用の）端子電極と、圧電／電歪体の上に形成される上部電極とを接続してもよい。補助電極を設ける場合、上部電極と同一の材料で形成することが出来る。又、上部電極の一部として補助電極を構成してもよい。下部電極はセラミック基体上に配設されるから、同じくセラミック基体上に配設される（下部電極用の）端子電極と直接に接続され、下部電極と（下部電極用の）端子電極との間には、補助電極は不要である。尚、本明細書において、圧電／電歪体の表面近傍とは、表面の近傍ではなく、表面及びその近傍を意味し、表面を含んで表面の近傍部分を指すものとする。
【００１０】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサにおいては、圧電／電歪体の表面近傍に含有される硫化物は、加熱処理によって、圧電／電歪体に含有されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属と、硫黄と、が（圧電／電歪体の表面近傍で）結合したものであることが好ましい。
【００１１】
換言すれば、本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、その製造に際し加熱処理（例えば焼成処理）を行うことによって、圧電／電歪体に含有されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属と、空気中の硫黄と、を反応させ、圧電／電歪体の表面近傍に硫化物を生成させることによって、得ることが出来る。空気中には、特別なクリーンルームでない限り、必ず硫黄は存在するが、その量は僅かである。従って、圧電／電歪体の表面近傍に含有される硫化物は、極微少量である。
【００１２】
又、予め、硫黄を電極の材料に含有させ、その硫黄で硫化物を形成することが出来、これは好ましい手段である。電極の材料に含有させる硫黄の量を調整することによって、圧電／電歪体の表面近傍に含有される硫化物の量を、極微少とすることが可能だからである。
【００１３】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサにおいては、圧電／電歪体の表面近傍に含有される端子電極の主成分は、その端子電極を形成した後の加熱処理によって、その端子電極から圧電／電歪体の表面近傍に拡散したものであることが好ましい。
【００１４】
換言すれば、本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、端子電極を形成した後に、加熱処理（例えば焼成処理）を行うことによって、圧電／電歪体の表面近傍に、端子電極を構成する導電材料の主成分を拡散（熱拡散）させることによって、得ることが出来るものである。従って、圧電／電歪体の表面近傍に含有される端子電極の主成分は、極微少量である。
【００１５】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサにおいては、端子電極が、銀、又はこれを主成分とする導電材料からなることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサにおいては、上部電極が、金、又はこれを主成分とする導電材料からなることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサにおいては、下部電極が、白金、又はこれを主成分とする導電材料からなることが好ましい。尚、本明細書において、単に電極というとき、端子電極、上部電極、下部電極、及び（存在する場合には）補助電極、の全てを指すものとする。
【００１８】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサにおいては、圧電／電歪体が、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３、又はこれを主成分とする圧電／電歪材料からなることが好ましい。即ち、圧電／電歪体に含有されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の好適な例としては、ナトリウムが挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、薄肉ダイヤフラム部の上に配設された圧電／電歪素子を備え、圧電／電歪素子の駆動に連動して薄肉ダイヤフラム部が振動するものであるので、従来知られた粘度、密度、濃度等の流体の特性を測定するセンサとして利用することが出来る（特許文献１〜４を参照）。流体中において圧電／電歪膜型センサ（圧電／電歪素子）を振動させ、流体の粘性抵抗によって機械的抵抗を受け、その機械的抵抗と一定の関係において圧電／電歪素子の電気的定数が変化するので、その電気的定数を検出して、流体の粘度を測定することが可能である。
【００２０】
そして、それに加えて、本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、圧電／電歪体の表面近傍に、硫化物を含有しており、耐電圧以上の高い電圧が圧電／電歪体にかかり難いので、絶縁破壊が防止され、信頼性の高いものとなっている。硫化物は、一定湿度下において、導電性を発揮するから、圧電／電歪体の表面近傍のうち硫化物を含有する部分は、絶縁体である圧電／電歪体を挟む上部電極と下部電極の間の絶縁抵抗を低下させる。従って、印加電圧が高い使用状況下において、何らかの要因で異常に高い電圧がかかったとしても、その絶縁抵抗が低下した部分を通じて導通する（僅かに短絡電流が流れる）ことで、電極間の放電にまでは至らない。そのため、本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、圧電／電歪体にかかる電圧がその耐電圧以上の高いものにはなり難いのである。又、膜状の圧電／電歪体の表面における絶縁破壊を、膜状の圧電／電歪体の厚さ方向の絶縁破壊より先に発生させることによって、膜状の圧電／電歪体の厚さ方向の致命的な破壊を防止することが出来る。よって、上記絶縁破壊は防止される。
【００２１】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、周囲の湿度が高くなったときに、圧電／電歪体の内部に水分が浸透して破壊に至ることを、圧電／電歪体の表面でリークさせることによって防止出来るので、季節により湿度の変動があっても、破壊され難い。
【００２２】
これまで知られた圧電／電歪膜型センサには、圧電／電歪体の表面近傍に、硫化物が含有されているものは存在していない。又、従来、圧電／電歪膜型センサにおいて圧電／電歪体の表面近傍に、硫化物を含有させる技術も知られていなかった。そのため、今までの圧電／電歪膜型センサにおいては、シリコン製のチップ等と同様に、絶縁破壊の問題が起こり得たが、本発明に係る圧電／電歪膜型センサによれば、そのような問題を回避することが可能である。
【００２３】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサによれば、膜状の圧電／電歪体の絶縁破壊は防止されるので、従来の圧電／電歪膜型センサと比して、圧電／電歪体をより薄くし、印加電圧をより高めることが可能である。従って、従来の圧電／電歪膜型センサと比べて、より大きな振幅で振動させることが出来、センサの感度を向上させることが出来る。
【００２４】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、その好ましい態様において、圧電／電歪体の表面近傍に含有される硫化物は、加熱処理によって、圧電／電歪体に含有されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属と、空気中の硫黄又は電極の材料に含有された硫黄と、が（圧電／電歪体の表面近傍で）結合したものであるので、圧電／電歪体の表面近傍に含有される硫化物は、極微少量である。そのため、耐電圧以上の高い電圧を圧電／電歪体にかかり難くするが、上部電極と下部電極の間に流れる短絡電流は極僅かであるから、圧電／電歪体には所望の電圧がかかる。従って、圧電／電歪素子を駆動させ、その駆動に連動して薄肉ダイヤフラム部を振動させることが出来、センサとして、優れた性能を発揮し得る。
【００２５】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサでは、その好ましい態様において、電極の材料に金及び白金の少なくとも何れかが含有される。従って、圧電／電歪体の表面近傍に含有される硫化物が、圧電／電歪体に含有されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属と、空気中の硫黄又は電極の材料に含まれ（焼成後にも残留する）硫黄と、が結合したものである場合に、金及び白金の少なくとも何れかが触媒となって、その結合反応を促進する。よって、この場合に、硫化物は、極微少量であるが、必ず圧電／電歪体の表面近傍に含有される。
【００２６】
更に加えて、本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、圧電／電歪体の表面近傍に、端子電極の主成分を含有しており、静電気が帯電され難いので、静電破壊が防止され、この点においても信頼性の高いものとなっている。端子電極の主成分は導電材料であるから、圧電／電歪体の表面近傍のうち端子電極の主成分を含有する部分は低抵抗部になり、絶縁体である圧電／電歪体が、その表面で電子を受け取っても、その電子は、直ぐに、その低抵抗部を介して放出される。そのため、本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、電子が滞留して静電気を帯びる状態にはなり難いのである。従って、上記静電破壊の防止が図られる他、表面に埃やゴミ等が誘引され付着することもなく、それらに起因して圧電／電歪体を挟んだ上部電極と下部電極が短絡し圧電／電歪体に所望の電圧をかけられなくなってセンサとしての精度低下を招来する、といった問題も生じ難い。
【００２７】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、硫化物が局所的に表面近傍に存在しない状態においても、上記した致命的な絶縁破壊を防止することが出来る。即ち、高い湿度下において、結露（圧電／電歪体の表面の微小な結露を含む）が生じ、局所的に硫化物が集まっても、表面の電子は移動しない。よって、圧電／電歪膜型センサの性能は安定した状態で得られる。
【００２８】
これまで知られた圧電／電歪膜型センサには、圧電／電歪体の表面近傍に、端子電極の主成分が含有されているものは存在していない。又、従来、圧電／電歪膜型センサにおいて圧電／電歪体の表面近傍に、端子電極の主成分を含有させる技術も知られていなかった。そのため、今までの圧電／電歪膜型センサにおいては、半導体集積回路チップを含む他の電子部品と同様に、静電破壊の問題が常に起こり得たが、本発明に係る圧電／電歪膜型センサによれば、そのような問題を回避することが可能である。
【００２９】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、その好ましい態様において、圧電／電歪体の表面近傍に含有される端子電極の主成分は、その端子電極を形成した後の加熱処理によって、その端子電極から圧電／電歪体の表面近傍に拡散したものであるので、圧電／電歪体の表面近傍に含有される端子電極の主成分は、極微少量である。そのため、静電気を帯電し難くするが、その一方において、端子電極の主成分が圧電／電歪体の表面近傍に含有されていることのみに起因しては、上部電極と下部電極とを短絡させることには至らず、圧電／電歪体に所望の電圧をかけ得る。従って、圧電／電歪素子を駆動させ、その駆動に連動して薄肉ダイヤフラム部を振動させることが出来、センサとして、優れた性能を発揮し得る。
【００３０】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、その好ましい態様において、端子電極が、低融点材料である銀又はこれを主成分とする導電材料からなり、補助電極及び上部電極が、銀より融点の高い金又はこれを主成分とする導電材料からなるので、上記加熱処理に伴う拡散によって、端子電極の主成分である銀のみを圧電／電歪体の表面近傍に含有させ易い。即ち、この好ましい態様の本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、製造容易なものということが出来る。
【００３１】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、その好ましい態様において、圧電／電歪体が、残留分極が大きい（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３若しくはこれを主成分とする圧電／電歪材料からなるものであるので、高出力を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。
【００３３】
先ず、本発明に係る圧電／電歪膜型センサの構成について説明する。図１は、本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す平面図（上面図）であり、図２は、図１におけるＡＡ断面を表す断面図であり、図３は、図１におけるＢＢ断面を表す断面図である。
【００３４】
図１〜図３に示される圧電／電歪膜型センサ２０は、セラミック基体１と圧電／電歪素子１２とを備えている。セラミック基体１は、薄肉ダイヤフラム部３と、その薄肉ダイヤフラム部３の周縁に一体的に架設された厚肉部２と、を有し、そのセラミック基体１には、それら薄肉ダイヤフラム部３及び厚肉部２によって、貫通孔９で外部に連通する空洞１０が形成されている。圧電／電歪素子１２は、セラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部３の外表面上に配設されており、膜状の圧電／電歪体５及びその圧電／電歪体５を挟んだ一対の膜状の電極（上部電極６及び下部電極４）による積層構造を呈するものである。
【００３５】
圧電／電歪膜型センサ２０では、圧電／電歪体５の下側であってセラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部３の上に形成された下部電極４は、（下部電極用の）端子電極１８と、直接に接続され導通されている。圧電／電歪体５の上側に形成された上部電極６は、（上部電極用の）端子電極１９とは、補助電極８を介して導通され接続される。尚、補助電極８は、本来、上部電極６の一部を構成するものであるが、本実施形態（圧電／電歪膜型センサ２０）においては、機能が理解し易いように、補助電極８として示した。
【００３６】
（上部電極用の）端子電極１９と下部電極４とは、結合層７を挟むことで絶縁される。その結合層７は、圧電／電歪体５の下側に入り込むように形成されており、圧電／電歪体５と薄肉ダイヤフラム部３を結合させる役割を担う層である。圧電／電歪体５は、下部電極４を覆う大きさで形成されており、その圧電／電歪体５に跨るように、上部電極６が形成されている。上部電極６及び補助電極８で覆われていない圧電／電歪体５の露になった表面近傍には、硫化物と、後述する端子電極１８，１９の主成分と、が含有されている。尚、結合層７は、センサの用途に応じて、適宜、適用し得るものであり、結合層７の部分を不完全結合状態にしてもよい。
【００３７】
圧電／電歪膜型センサ２０では、圧電／電歪素子１２を駆動（変位発生）させると、それに連動して、セラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部３が振動する。セラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部３の厚さは、圧電／電歪体５の振動を妨げないために、一般に、５０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、更に好ましくは１５μｍ以下とされる。薄肉ダイヤフラム部３の平面形状としては、長方形、正方形、三角形、楕円形、真円形等の如何なる形状も採り得るが、励起される共振モードを単純化させる必要のあるセンサの応用では、長方形や真円形が必要に応じて選択される。
【００３８】
次に、本発明に係る圧電／電歪膜型センサの各構成要素の材料について、上記した圧電／電歪膜型センサ２０を例にして説明する。
【００３９】
セラミック基体１に使用される材料は、耐熱性、化学的安定性、絶縁性を有する材質が好ましい。これは、下部電極４、圧電／電歪体５、上部電極６を一体化する際に、熱処理する場合があること、及び、圧電／電歪膜型センサが液体の特性をセンシングする場合、その液体が導電性や、腐食性を有する場合があるためである。好ましく使用可能な材料としては、安定化された酸化ジルコニウム、部分的に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、窒化珪素及びガラス等を例示することが出来る。これらのうち、安定化された酸化ジルコニウム及び部分的に安定化された酸化ジルコニウムは、薄肉ダイヤフラム部を極薄く形成した場合にも機械的強度を高く保てること、靭性に優れること等から、最も好適である。
【００４０】
圧電／電歪体５の材料としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を含有し、圧電／電歪効果を示す材料であれば、何れの材料でもよい。条件を満たす好適な材料として、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３若しくはこれを主成分とする材料、又は、（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＫＮｂＯ３（ｘはモル分率で０≦ｘ≦０．０６）若しくはこれを主成分とする材料が挙げられる。
【００４１】
結合層の材料としては、圧電／電歪体５とセラミック基体１の双方と密着性、結合性が高い、有機材料又は無機材料を使用することが出来る。使用する材料は、その熱膨張係数が、セラミック基体１の材料の熱膨張係数、及び、圧電／電歪体５に用いられる材料の熱膨張係数の中間の値を有するものであることが、信頼性の高い結合性を得るために、好ましい。圧電／電歪体５が熱処理される場合には、圧電／電歪体５の熱処理温度以上の軟化点を有するガラス材料が好適に用いられる。圧電／電歪体５とセラミック基体１を強固に結合せしめ、軟化点が高いために熱処理による変形が抑制されるからである。更に、圧電／電歪体５が、上記に挙げた２つの好適材料で構成される場合には、結合層の材料としては、（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＫＮｂＯ３（ｘはモル分率で０．０８≦ｘ≦０．５）を主成分とするものを採用することが好ましい。圧電／電歪体５とセラミック基体１の双方との密着性が高く、熱処理の際の圧電／電歪体５及びセラミック基体１への悪影響を抑制出来るからである。即ち、圧電／電歪体５と同様の成分を有することから、圧電／電歪体５との密着性が高く、又、ガラスを用いた場合に生じ得る異種元素の拡散による問題が少なく、更に、ＫＮｂＯ３を多く含むことから、セラミック基体１との反応性が高く、強固な結合が可能となる。加えて、（１−ｘ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＫＮｂＯ３（ｘはモル分率で０．０８≦ｘ≦０．５）は、圧電／電歪特性を殆ど示さないので、使用時に下部電極４と補助電極８に生じる電界に対し、変位を発生しないため、安定したセンサ特性を得ることが可能である。
【００４２】
各電極の材料については、端子電極が銀又はこれを主成分とする導電材料、補助電極及び上部電極が金又はこれを主成分とする導電材料、下部電極が白金又はこれを主成分とする導電材料、がそれぞれ採用される。
【００４３】
次に、本発明に係る圧電／電歪膜型センサの製造方法について、上記した圧電／電歪膜型センサ２０を製造する場合を例にして説明する。
【００４４】
（工程１．セラミック基体の作製）セラミック基体１は、グリーンシート積層法によって作製することが出来る。具体的には、既述のセラミック材料を主成分とする、所定枚数のセラミックグリーンシートを用意し、パンチとダイとを備える打抜加工機を用いて、得られたセラミックグリーンシートのうちの必要枚数に、積層後に空洞１０になる所定形状の孔部を開け、他の必要枚数に、積層後に貫通孔９になる所定形状の孔部を開ける。そして、のちに薄肉ダイヤフラム部３を構成するセラミックグリーンシート、空洞１０になる孔部を開けたセラミックグリーンシート、貫通孔９になる孔部を開けたセラミックグリーンシート、の順に積層しグリーン積層体を得て、それを焼成することによって、セラミック基体１が得られる。セラミックグリーンシートの一枚の厚さは、既述の薄肉ダイヤフラム部３を構成するものを除いて、１００〜３００μｍ程度とする。
【００４５】
セラミックグリーンシートは、従来知られたセラミック製造方法によって作製することが出来る。一例を挙げると、所望のセラミック材料の粉末を用意し、これにバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を望む組成に調合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、ドクターブレード法、リバースロールコーター法、リバースドクターロールコーター法等のシート成形法によって、セラミックグリーンシートを得ることが可能である。
【００４６】
（工程２．下部電極の形成）膜状の下部電極４は、公知の各種の膜形成手法による膜形成、乾燥、焼成を経て、セラミック基体１の薄肉ダイヤフラム部３の外表面上に形成される。具体的には、膜形成手法として、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ、イオンプレーティング、メッキ等の薄膜形成手法や、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング等の厚膜形成手法が、適宜、選択される。特に、スパッタリング法及びスクリーン印刷法が、好適に選択される。乾燥は、５０〜１５０℃で行われる。焼成は、１１００〜１３００℃で行い、焼成時間は、１〜２時間程度である。
【００４７】
（工程３．結合層の形成）結合層７の形成には、通常の厚膜手法が用いられ、特にスタンピング法、スクリーン印刷法、あるいは、形成すべき部分の大きさが数十μｍ〜数１００μｍ程度の場合には、インクジェット法が好適に用いられる。結合層７の熱処理が必要な場合には、次の圧電／電歪体５の形成前に熱処理されてもよいし、圧電／電歪体５の形成後、同時に熱処理されてもよい。
【００４８】
（工程４．圧電／電歪体の形成）膜状の圧電／電歪体５は、下部電極４と同様に、公知の各種膜形成法により膜形成され、焼成を経て、形成される。膜形成手法としては、低コストの観点から、スクリーン印刷が好適に用いられる。膜厚は、１００μｍ以下が好ましく、更に、変位量を大きくする（即ち特性を上げる）ためには、５０μｍ以下が好適であり、より好ましい膜厚は５〜２０μｍである。これにより形成された圧電／電歪体５は、焼成時に、先に形成した下部電極４及び結合層７と、一体化される。焼成の温度は、９００〜１４００℃程度であり、焼成時間は、２〜５０時間程度である。高温時に圧電／電歪体５が不安定にならないように、圧電／電歪材料の蒸発源とともに雰囲気制御を行いながら、焼成を行うことが好ましい。
【００４９】
（工程５．端子電極の形成）上部電極６のための端子電極１９、及び下部電極４のための端子電極１８は、下部電極４と同様の膜形成法により膜形成され、乾燥、焼成を経て、形成される。端子電極１８は、焼成の際に、下部電極４及び圧電／電歪体５と接合され、一体構造とされる。
【００５０】
（工程６．上部電極の形成）上部電極６は、下部電極４と同様の膜形成法により膜形成され、乾燥、焼成を経て、形成される。焼成は、５００〜９００℃で行い、焼成時間は、１〜２時間程度である。
【００５１】
この上部電極の形成工程において、先に形成した端子電極１８，１９の主成分（銀）が、熱によって拡散され、先に形成した圧電／電歪体５の表面近傍に含有される。図４及び図５は、本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図である。図４は、走査型電子顕微鏡により圧電／電歪体の表面を示す写真である。図５は、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）により圧電／電歪体の表面を示す写真であり、圧電／電歪体に端子電極の材料である銀が拡散している様子を表している。尚、ＥＰＭＡによる写真では、青、緑、黄、朱、赤の順に、徐々に対象物質が多くなる（存在する）ことを表している（青が最も少なく、赤が最も多い）。端子電極の形成（焼成を含む）の後に、上部電極の形成（焼成を含む）をすることによって、図５に示されるように、圧電／電歪体５の表面近傍に端子電極１８，１９の材料である銀を含有させることが可能である。銀は、厚さ方向の極表層に存在させることが好ましく、スパッタ等でも形成する（存在させる）ことは可能であるが、より薄く、極表層に容易に且つ均一に拡散出来る点、絶縁を保持したまま抵抗を微小に下げることが可能な点で、熱による拡散が好ましい。尚、圧電／電歪体５の膜厚を５〜２０μｍとした実施例において、銀の拡散は２μｍ以下の状態であり、良好な特性が得られたことが確認されている。
【００５２】
又、上記焼成温度の調整によって、あるいは、端子電極を形成するために使用する材料に含まれる主成分（銀）の含有量を調整することによって、得られる圧電／電歪膜型センサ２０の圧電／電歪体５の表面近傍に含有される端子電極の主成分（銀）の量を調節することが出来る。
【００５３】
（工程７．補助電極の形成）補助電極８は、上部電極６と同様の膜形成法により膜形成され、乾燥、焼成を経て、形成される。補助電極８は、焼成の際に、上部電極６、圧電／電歪体５、及び端子電極１９と接合され、一体構造とされる。
【００５４】
以上のようにして圧電／電歪素子１２が得られるが、圧電／電歪素子１２は、別途、それのみを作製した後に、セラミック基体１に貼り付けてもよく、セラミック基体１の上に、直接、形成してもよい。
【００５５】
尚、端子電極１８，１９の形成工程で焼成を行い、上部電極６の形成工程で焼成を行う限り、下部電極４、結合層７、圧電／電歪体５、及び端子電極１８，１９は、上述したような、それぞれを形成の都度、焼成（熱処理）する他、それぞれを、順次、膜形成し、一括して同時に焼成（熱処理）してもよい。又、上部電極６及び補助電極８も、それぞれを形成の都度、焼成（熱処理）する他、それぞれを、順次、膜形成し、一括して同時に焼成（熱処理）してもよい。これらの際、良好な接合性を実現するために、温度が適切に選ばれることはいうまでもない。
【００５６】
以上の工程によって、セラミック基体１及び圧電／電歪素子１２を備えた圧電／電歪膜型センサ２０が、構造上は完成する。
【００５７】
（工程８．分極）圧電／電歪膜型センサ２０の圧電／電歪素子１２における上部電極６と下部電極４との間に、直流高電圧（一例としてＤＣ３００Ｖの電圧）をかけて、分極処理を行う。
【００５８】
（工程９．変位測定）０〜２００Ｖ、１ｋＨｚの交流正弦波電圧を印加し、レーザードップラー振動計を使用して、分極処理を施した圧電／電歪膜型センサ２０の圧電／電歪素子１２の変位測定を行う。
【００５９】
（工程１０．ＵＶシート貼付）圧電／電歪膜型センサ２０は、通常、多数個取りで製造される。この場合、圧電／電歪膜型センサ２０の圧電／電歪素子１２とは反対側の面に、固定手段としてＵＶシートを貼付し、所定の場所に固定する。
【００６０】
（工程１１．外形切断）多数個取りの場合に、前工程までは、分断せずに行われるが、ここで、ダイサーを使用して切断し、個々の圧電／電歪膜型センサ２０を得る。
【００６１】
（工程１２．選別）良品のみを選別すべく、工程９で変位が基準値以下となったものは、不良品として除外する。
【００６２】
（工程１３．加熱処理）外形切断は、通常、水洗浄しながら行われるので、水分を排除すべく、良品に対し、加熱処理を施し、乾燥させる。温度条件は、６０℃以上９００℃以下である。この工程における温度調整によっても、得られる圧電／電歪膜型センサ２０の圧電／電歪体５の表面近傍に含有される端子電極の主成分（銀）の量を調節することが可能である。
【００６３】
この最後の加熱処理、及びそれ以前に行われる焼成、を含む複数回の加熱処理によって、圧電／電歪体５に含有されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属が、空気中の硫黄又は電極の材料に含有され焼成後に残留する硫黄と反応し、硫化物が圧電／電歪体の表面近傍に生成され、そこに含有される。圧電／電歪体５が（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３の場合には、圧電／電歪体５の表面近傍にはナトリウムと硫黄の化合物が含有されることになる。このこと及び既述の端子電極の主成分を含有させることを併せることによって、圧電／電歪膜型センサ２０が、本発明に係る圧電／電歪膜型センサとなる。
【００６４】
図６〜図９は、本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図である。図６は、走査型電子顕微鏡により圧電／電歪体の表面を示す写真である。図７及び図８は、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）により圧電／電歪体の表面を示す写真であり、そのうち図７は、圧電／電歪体にナトリウムが存在している様子を表すものであり、図８は、圧電／電歪体に硫黄が存在している様子を表すものである。尚、既述のように、ＥＰＭＡによる写真では、青、緑、黄、朱、赤の順に、徐々に対象物質が多くなる（存在する）ことを表している（青が最も少なく、赤が最も多い）。又、図９は、走査型電子顕微鏡により圧電／電歪体の表面を示す写真であり、圧電／電歪体に硫化物であるナトリウムと硫黄の化合物が含有されている（存在している）様子を示している。図９において、黒点となって現われている部分が、ナトリウムと硫黄の化合物である。圧電／電歪体の材料としてアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含有するものを用い、作製完成するまでに加熱処理（焼成を含む）を行うことによって、図６〜図９に示されるように、圧電／電歪体５の表面近傍に硫化物であるナトリウムと硫黄の化合物を含有させることが可能である。
【００６５】
尚、焼成及び最後の加熱処理における温度調整によって、あるいは、圧電／電歪体の材料に含まれるアルカリ金属又はアルカリ土類金属の含有量を調整することによって、得られる圧電／電歪膜型センサ２０の圧電／電歪体５の表面近傍に含有される硫化物（ナトリウムと硫黄の化合物）の量を調節することが出来る。ナトリウム（Ｎａ）と硫黄（Ｓ）の化合物の組成は、Ｎａ／Ｓ（比）が０．５〜２の範囲となることが好ましい。又、ナトリウムと硫黄の化合物の大きさ及び形状は、表面からの投影形状が１００〜５００ｎｍの円形又は楕円形であることが好ましい、更に、ナトリウムと硫黄の化合物は、圧電粒子の粒界又は粒上に存在し、粒上に存在する場合は稜部ではなく斜面部に存在させることが好ましい。これら好ましい態様によれば、高湿下で絶縁破壊等の発生がなく、特性を満たすことが可能である。
【００６６】
（工程１４．外観検査）最後に外観の検査を行い、その後、出荷となる。
【００６７】
次に、本発明に係る圧電／電歪膜型センサの用途について説明する。本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、流体特性測定装置を構成するセンサとして用いることが出来る。流体特性測定装置は、本発明に係る圧電／電歪膜型センサと、この圧電／電歪膜型センサの圧電／電歪素子を駆動させるべく上部電極と下部電極の間に電圧を印加するための電源と、圧電／電歪膜型センサの薄肉ダイヤフラム部の振動に伴う電気的定数の変化を検出するための電気的定数監視手段と、で構成することが出来る。
【００６８】
流体特性測定装置は、電気的定数監視手段による電気的定数の検出によって流体の特性を測定することが可能な装置である。流体中において、圧電／電歪膜型センサにおいて圧電／電歪素子を駆動させて薄肉ダイヤフラム部を振動させると、流体の粘性抵抗によって機械的抵抗を受けて、その機械的抵抗と一定の関係において圧電／電歪素子の電気的定数が変化するので、それを検出して、流体の粘度を測定することが出来る。
【００６９】
この流体特性測定装置の、流体の特性を測定する上での基本的原理は、振動子である圧電／電歪素子及び薄肉ダイヤフラム部の振幅と、この振動子に接触する流体の特性とに相関性があることを利用したものである。流体の特性が粘性抵抗である場合、その流体の粘性抵抗が大きいと振動子の振幅は小さくなり、粘性抵抗が小さくなれば振動子の振幅は大きくなる。そして、振動子の振動のような機械系における振動形態は、電気系の等価回路に置き換えることが出来、この場合、振幅は電流と対応すると考えればよいことになる。又、等価回路の振動状態は、共振点近傍で種々の電気的定数の変化を示すが、流体特性測定装置は、これら損失係数、位相、抵抗、リアクタンス、コンダクタンス、サセプタンス、インダクタンス及びキャパシタンス等の電気的定数のうち、等価回路の共振周波数近傍での変化が極大又は極小の変化点を１つもつ損失係数又は位相を好ましく指標として用いるものである。損失係数又は位相の検知は、他の電気的定数の場合と比較して、より容易に行うことが可能である。
【００７０】
勿論、流体の特性が粘性抵抗以外の場合（例えば流体の圧力（いうまでもなく流体の有無））においても、振動子の振動に対して影響を及ぼす要素が特性を測定すべき流体に存在すれば、その特性を、圧電／電歪素子及び薄肉ダイヤフラム部の振動の変化に関連させることによって、測定することが出来る。流体が溶液であって、その溶液の濃度が変化することにより、粘度ないし密度が変化すれば、溶液中における圧電／電歪素子及び薄肉ダイヤフラム部の振動形態が変化するため、溶液濃度の測定を行うことが可能である。即ち、本発明に係る流体特性測定装置は、溶液の粘度測定、密度測定、濃度測定を行うことが出来る。
【００７１】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサが流体の特性を測定することが出来ることを応用して、流体の流れ状態、流体の存在の有無を判断することが可能である。例えば測定対象である流体が存在しなければ、振動子（圧電／電歪素子及び薄肉ダイヤフラム部）の振幅変化は如実なものとなり、これを検知することは容易である。具体的には、本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、医療用の点滴装置の点滴状態を監視することを含み、あらゆる液体の送液あるいは輸液の状態を、即ち、液が（計画通り）流れているか否かを、監視する計器のセンサとして、好適に利用することが出来る（点滴に関する従来技術につき、特許文献５及び特許文献６を参照）。
【００７２】
薬液が入ったボトルと、チューブと、薬液の滴下が目視出来るドリップチャンバと、注射針とからなる点滴装置において、ボトル、チューブ、ドリップチャンバの何れかに（必要なら複数個所に）、本発明に係る圧電／電歪膜型センサを取り付け、それによって検出された流体の流れ状態や流体の存在の有無（電気的定数の変化）の情報を入力して、演算、表示、通信等を行う制御監視装置を設けることにより、点滴管理装置を構築することが出来る。演算には制御監視装置に備わるタイマーに基づく点滴終了時刻の予測や予定時間経過に伴う異常検知等が含まれ、表示対象には流量等のデータ及び警報等が含まれ、通信には看護士（ナース）ステーションへの出力等が含まれる。この点滴管理装置を医療用の点滴装置に適用することによって、患者を安心させ、看護士及び看護者の負担を軽減することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明に係る圧電／電歪膜型センサは、流体特性測定用センサとして、利用することが出来る。具体的には、粘度、密度、濃度の各測定計器のセンサとして利用が可能であり、加えて、医療用の点滴装置の点滴状態を監視することを含み、あらゆる液体の送液あるいは輸液の状態を監視する計器のセンサとして、好適に利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡＡ断面を表す断面図である。
【図３】図１におけるＢＢ断面を表す断面図である。
【図４】本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図であり、走査型電子顕微鏡により圧電／電歪体の表面を示す写真である。
【図５】本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図であり、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）により圧電／電歪体の表面を示す写真であり、圧電／電歪体に端子電極の材料である銀が拡散している様子を表すものである。
【図６】本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図であり、走査型電子顕微鏡により圧電／電歪体の表面を示す写真である。
【図７】本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図であり、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）により圧電／電歪体の表面を示す写真であり、圧電／電歪体にナトリウムが存在している様子を表すものである。
【図８】本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図であり、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）により圧電／電歪体の表面を示す写真であり、圧電／電歪体に硫黄が存在している様子を表すものである。
【図９】本発明に係る圧電／電歪膜型センサの一の実施形態を示す図であり、走査型電子顕微鏡により圧電／電歪体の表面を示す写真であり、圧電／電歪体に硫化物であるナトリウムと硫黄の化合物が含有されている様子を示すものである。
【符号の説明】
【００７５】
１  セラミック基体
２  厚肉部
３  薄肉ダイヤフラム部
４  下部電極
５  圧電／電歪体
６  上部電極
７  結合層
８  補助電極
９  貫通孔
１０  空洞
１２  圧電／電歪素子
１８  端子電極
１９  端子電極
２０  圧電／電歪膜型センサ
【図１】
2008113522.tif 000003
【図２】
2008113522.tif 000004
【図３】
2008113522.tif 000005
【図４】
2008113522.tif 000006
【図５】
2008113522.tif 000007
【図６】
2008113522.tif 000008
【図７】
2008113522.tif 000009
【図８】
2008113522.tif 000010
【図９】
2008113522.tif 000011