(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが０．２ｍｍ以下、気孔率が１．５〜１０％、且つ室温におけるヤング率が３００ＧＰａ以下であり、Ｃｅ、Ｓｍ、ＮｄおよびＧｄのうちの１種の希土類元素（ＲＥ）とＭｇとを酸化物換算による合量で４〜３０モル％含有するとともに、Ａｌの含有量が酸化物換算で１．０モル％以下である窒化珪素質セラミックスからなるダイヤフラム基板の表面に、電極と圧電体と電極との積層体を被着したパンク検知素子。
【請求項２】
前記希土類元素（ＲＥ）およびＭｇを酸化物換算によるモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＭｇＯ）が０．１〜１５であることを特徴とする請求項１記載のパンク検知素子。
【請求項３】
前記ダイヤフラム基板のたわみ量が０．０４２μｍ／ｋＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２記載のパンク検知素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に電極及び圧電／電歪層からなる圧電／電歪作動部とを備えた圧電／電歪素子、または表面弾性波（ＳＡＷ）発振部／増幅部からなる周波数変換部を備えたユニモルフ型やバイモルフ型等の基板として屈曲変位を発生させたり、変位によって素子電極間に電気容量変化を発生させるためのダイヤフラム基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、光学や精密加工等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素子が所望されるようになってきており、これに応えるものとして、強誘電体等の圧電／電歪材料に電界を加えた時に起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位或いはその逆の現象を利用した素子である、アクチュエータやセンサの如き圧電／電歪素子の開発が進められている。
【０００３】
ところで、自動車のタイヤのパンク時の空気圧変化を検知してパンクを検知するパンクチュアルセンサとしては、ダイヤフラム基板の表面に圧電／電歪素子を搭載し、空気圧の変化によるダイヤフラム基板の変位を圧電／電歪素子によって電気信号や静電容量に変換するものが用いられている。
【０００４】
そして、そのような素子を用いたパンクチュアルセンサのパンク感知性能等の向上が要求されており、それに応えるべく、かかる圧電／電歪素子の小型高密度化、低電圧作動化、高速応答化を図るための開発が進められている。
【０００５】
また、それらのユニモルフ型やバイモルフ型の圧電／電歪素子においては、大きな屈曲変位や発生力或いは発生電位を得るために、振動板となるダイヤフラム基板の厚さを薄くすることが重要とされている。
【０００６】
従来、この種のダイヤフラム基板には、基板強度、たわみ量を維持するためにＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属基板が用いられてきた。また、最近では、ダイヤフラム基板としてジルコニアセラミックスを用いることも特開平５−２７０９１２号や特開平７−１６２０４８号等にて提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近のパンクチュアルセンサでは、センサ自体をタイヤ内部やその周辺部に取り付けるためにタイヤに含まれる硫化物等により、振動板が腐食しやすく、経時的に検知特性が変化するという問題があった。
【０００８】
このような耐蝕性に対してはセラミックスが好適である。セラミックダイヤフラム基板として、ジルコニアセラミックスは靱性が高く変位量が大きく、耐蝕性にも優れているが、絶対的な強度が低く、また、研磨等により表面に残留応力が残りやすいために過酷な条件下で使用した場合の信頼性が劣るという問題があった。
【０００９】
このようなジルコニアセラミックスに対して、従来より耐熱衝撃性、強度に優れたセラミックスとして窒化珪素セラミックスが知られているが、従来の高強度窒化珪素質セラミックスをダイヤフラム基板として用いた場合、基板自体の強度が高いものの脆いために、圧力による変位を十分に圧電／電歪素子に伝えるために基板厚みを０．２ｍｍ以下と非常に薄くした場合には、圧力によって基板に微細なクラックが発生したり、場合によってはダイヤフラム基板が破壊するという問題があった。
【００１０】
従って、本発明の目的は、厚さが薄い場合においても大きな負荷に対して優れた耐久性と高変位性を有し、負荷に対して直線的なたわみ量を有するセラミック系のダイヤフラム基板を用いたパンク検知素子を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題に対して検討を重ねた結果、ダイヤフラム基板表面に、電極と圧電体と電極との積層体を被着したパンク検知素子のダイヤフラム基板を窒化珪素質セラミックスによって形成するとともに、この窒化珪素質セラミックスとして、窒化珪素を主成分とし、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｎｄ、およびＧｄのうち１種の希土類元素（ＲＥ）とＭｇとを酸化物換算による合量で４〜３０モル％、Ａｌを酸化物換算で１．０モル％以下の範囲で含有してなり、厚さが０．２ｍｍ以下、気孔率が１．５〜１０％、且つ室温におけるヤング率が３００ＧＰａ以下の窒化珪素質セラミックスにより形成したことによって、応力に対して大きなたわみを発生させることができ、セラミック基板の厚さが薄い場合においても圧力などの応力に対してクラックの発生や破壊が生じにくくなることを見出し、本発明に至った。
【００１２】
さらに、上記窒化珪素質のセラミックスとしては、希土類元素（ＲＥ）およびＭｇを酸化物換算によるモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＭｇＯ）が０．１〜１５となる割合で含有することが望ましい。また、ダイヤフラム基板のたわみ量が０．０４２μｍ／ｋＰａ以上であることが望ましい。
【００１３】
本発明のパンク検知素子を構成するダイヤフラム基板は、窒化珪素を主成分とするセラミックスによって形成するものであるが、従来、窒化珪素質セラミックスにおいて、イットリアなどの希土類元素酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯは、窒化珪素原料中の不純物酸素と反応し液相を生成することにより焼結を促進する働きを有することが知られており、セラミックスの熱伝導性や高強度化などの特性を最大限生かすためには、緻密化を促進し、相対密度はより高く９９％以上であることが望まれている。
【００１４】
ところが、このように高緻密化された窒化珪素質セラミックスは、室温におけるヤング率は概して３５０ＧＰａ以上を有する。このような高ヤング率を有するセラミックスを厚さが薄いダイヤフラム基板として用いると、外的な圧力が基板に負荷された場合、セラミック基板にクラックが発生したり、破壊が生じやすくなる。
【００１５】
これに対して、本発明によれば、気孔率が１．５〜１０％と比較的大きい気孔率を有し、且つヤング率が３００ＧＰａ以下の窒化珪素質セラミックスは、比較的高い強度を有しつつ、荷重に対するたわみ量が大きく、基板に発生する歪み、応力を有効に圧電素子等に伝え得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の態様】
以下、本発明のパンク検知素子を構成するダイヤフラム基板は、窒化珪素質セラミックスからなるものであるが、その厚さが０．２ｍｍ以下、特に０．１５ｍｍ以下であることが必要である。これは、ダイヤフラム基板としてたわみ量を大きくするために必要であり、厚さが０．２ｍｍよりも厚いとたわみ量が小さくなり、外的応力による変位が小さく、圧電／電歪素子などの電気信号への変換素子に十分な変位量を伝えられなくなるためである。
【００１７】
また、この窒化珪素質セラミックスは、気孔率が１．５〜１０％、室温におけるヤング率が３００ＧＰａ以下であることが重要である。
【００１８】
即ち、気孔率が１０％よりも高いと、窒化珪素質セラミックスが有する優れた強度が発揮されず、逆に、気孔率が１．５％よりも低いと焼結体中の気孔量が減少し、ヤング率が３００ＧＰａよりも高くなってしまうためである。気孔率は特に２〜５％が望ましい。
【００１９】
また、ヤング率が３００ＧＰａよりも高いと、たわみ量が小さくなり、外的応力による変位が小さく、圧電／電歪素子などの電気信号への変換素子に十分な変位量を伝えられなくなってしまう。なお、ヤング率は２５０〜３００ＧＰａの範囲が特に望ましい。
【００２０】
また、応力負荷時のたわみ量としては、圧電／電歪素子などに十分に変位を伝えるために、０．０４２μｍ／ｋＰａ以上であることが望ましい。
【００２１】
さらに、セラミックスの室温における３点曲げ強度が７００ＭＰａよりも低いと、低ヤング率化によってたわみ量が大きくなっても、その応力に対して十分に耐えることができず、クラックの発生や破壊を招く結果となる。このセラミックスの強度は特に７５０ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００２２】
ダイヤフラム基板を構成する窒化珪素質セラミックスを構成する主相は、β−窒化珪素結晶を主結晶相とし、焼結体の断面における電子顕微鏡写真より求めた平均アスペクト比が１．５〜５、短軸径が０．１〜１μｍの結晶から構成されることがヤング率を小さくする上で望ましい。
【００２３】
また、この窒化珪素結晶の粒界には、焼結助剤成分として、Ｃｅ、Ｓｍ、ＮｄおよびＧｄのうちの１種の希土類元素（ＲＥ）を含有するものである。
【００２４】
また、本発明によれば、上記の特性を具備するために、Ｍｇを含有し、前記希土類元素、Ｍｇは酸化物換算による合量で４〜３０モル％、特に５〜２５モル％の範囲で含有される。特に、前記希土類元素とＭｇとの酸化物換算によるモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＭｇＯ）が０．１〜１５、特に０．５〜１３の範囲となることが望ましい。
【００２５】
これは上記合量が４モル％より少ないと、焼成による緻密化不足を招き、気孔率１０％以下を達成できず、３０モル％を越えると、焼結体中での粒界相の占める割合が増加するために強度、たわみ量が低下するためである。また前記ＲＥ2Ｏ3／ＭｇＯの比率が１５を越えたり、０．１より小さくなっても、緻密化は不十分となり、強度、たわみ量は低下する。
【００２６】
また、セラミックス中にはＡｌが含まれていてもよいが、Ａｌは、緻密化を促進させてしまうために、気孔率を上記の範囲に制御することが難しいことから、酸化物換算で１．０モル％以下とすることが重要であり、望ましくは０．５モル％以下、より望ましくは０．１モル％以下、更には０．０１モル％以下にすることが望ましい。なお、このセラミックス中には、前記特性を阻害しない範囲で、着色あるいは特性改善のために、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなど周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属のうち少なくとも１種を含有してもよく、具体的には、酸化物換算で１重量％以下の割合で含んでいてもよい。
【００２７】
本発明のパンク検知素子を構成するダイヤフラム基板を製造するには、窒化珪素粉末に対して、焼結助剤として、希土類元素化合物、Ｍｇ化合物を前述の比率に配合する。この時、用いる窒化珪素粉末としては不純物酸素量が０．５〜３．０重量％のものが望ましい。これは不純物酸素量が３．０重量％よりも多いと、焼結体表面が荒れ、強度劣化を招く虞があり、０．５重量％よりも少ないと焼結性が悪くなるためである。また、平均粒径は、０．１〜１．５μｍであり、α率が８０％以上であることが望ましい。また、焼結助剤となる化合物は、酸化物、炭酸塩、酢酸塩など焼成によって酸化物を形成しうる化合物であることが望ましい。
【００２８】
次に、該混合粉末に有機バインダーと溶媒とを添加してスラリーを調製し、ドクターブレード法、圧延法、押し出し成形法等の周知の成形方法で基板状成形体を作製する。この基板状成形体は、単層でもよいし、薄肉のシート状成形体を積層したものであってもよい。
【００２９】
その後、上記成形体を弱酸化性雰囲気中にて、脱バインダー処理した後、窒素などの非酸化性雰囲気中で、１８００℃以下の温度で気孔率が１．５〜１０％になるように焼成することによりセラミック基板を作製することができる。
【００３０】
本発明のパンク検知素子は、図１に示すように、ダイヤフラム基板１の表面に、電極２、圧電体または電歪体３、電極４との積層体からなる圧電／電歪素子Ａが被着形成された圧電／電歪型の変位素子で、空気圧の変化によってダイヤフラム基板１が変形し、その変形が圧電／電歪素子Ａによって電気信号に変換され、パンクセンサの検知素子として機能するものである。
【００３１】
【実施例】
平均粒径が１．２μｍ、酸素量が１．３重量％、α率９３％の直接窒化法により製造された窒化珪素原料粉末に、希土類元素酸化物、ＭｇＯ（ＭｇＣＯ3）を表１に示すような組成となるように添加混合し、その混合粉末に対して成形用バインダーとしてアクリル樹脂バインダーを、溶媒としてトルエンを添加してスラリー化する。そして、そのスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ０．２ｍｍのグリーンシートを得た。かくして得られたグリーンシートを適宜積層し、強度、ヤング率測定用に６０×６×４ｍｍの角柱を成形した。
【００３２】
そしてこの成形体を弱酸化性雰囲気中、所定温度で脱バインダーした後、常圧窒素雰囲気中、表１の温度で焼成して窒化珪素質セラミックスを作製し、特性評価用の試料とした。
【００３３】
得られた評価用試料を用いて、まず、アルキメデス法により窒化珪素質セラミックスの密度を測定し、理論密度に対する比率である相対密度（％）を算出し、気孔率（１００−相対密度（％））を求めた。ついで、超音波パルス法によるヤング率を、ＪＩＳＲ１６０１に基づく３点曲げ試験による３点曲げ強度を、それぞれ室温中で測定した。
【００３４】
また、上記各組成物を用いて、６０×４×０．１５〜０．３ｍｍであるセラミックス基板を作製した。そしてこのセラミック基板に対して、ＪＩＳＲ１６０１の３点曲げ強度試験に基づき、スパン３０ｍｍで２点支持しその反対側の中央部に荷重を印加し、印加荷重に対するたわみ量を測定した。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１の結果によれば、本発明に基づく試料は、気孔率が１．５〜１０％、室温におけるヤング率が３００ＧＰａ以下であることから、絶縁基板にクラックや破壊を生じさせること無く、たわみ量を金属基板と同等以上の０．０４２μｍ／ｋＰａ以上と大きくすることができた。
【００３７】
これに対して、気孔率が１０％よりも大きい試料Ｎｏ．１〜３では、強度が低く、応力付加時に絶縁基板の破壊が発生し、たわみ量も小さいものであった。また、気孔率が１．５％未満の試料Ｎｏ．１９は、３点曲げ強度が７００ＭＰａ以上であるにも拘らず、ヤング率が３００ＧＰａを越えるものであり、その結果、たわみ量が０．００８μｍ／ｋＰａと小さく、ダイヤフラム基板には適さないものであった。さらに、基板厚みが０．２ｍｍよりも厚い試料Ｎｏ．２１では、撓み量が０．００６μｍ／ｋＰａと小さいものであった。
【００３８】
また、セラミックスの組成の観点からは、希土類元素（ＲＥ）及びＭｇを酸化物換算による合量が４モル％よりも少ない試料Ｎｏ．１、２、３では、緻密化不足となり強度が低下した。
【００３９】
また、希土類金属およびＭｇの酸化物換算によるモル比（ＲＥ2Ｏ3／ＭｇＯ）が１５よりも大きい試料Ｎｏ．１４は、緻密化不足となり、強度が低下した。
【００４０】
さらに、Ａｌの含有量が酸化物換算で１．０モル％よりも多い試料Ｎｏ．１９では、緻密化が促進されすぎてヤング率が３００ＧＰａ以上となり、たわみ量も０．００８μｍ／ｋＰａと小さくなった。
【００４１】
これに対して、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｎｄ、およびＧｄのうち１種の希土類元素（ＲＥ）と、Ｍｇを酸化物換算による合量で４〜３０モル％、前記希土類元素（ＲＥ）およびＭｇを酸化物換算によるモル比（ＲＥ２Ｏ３／ＭｇＯ）が０．１〜１５、Ａｌの含有量が酸化物換算で１．０モル％以下のものは、気孔率１．５〜１０％、ヤング率３００ＧＰａ以下を有しつつ、３点曲げ強度が７５０ＭＰａ以上、たわみ量が０．０４２μｍ／ｋＰａ以上の優れた特性を示した。
【００４２】
【発明の効果】
上述したとおり、本発明のパンク検知素子に用いるダイヤフラム基板は、特定の気孔率および低ヤング率の窒化珪素質セラミックスを用いることにより、厚みが０．２ｍｍ以下の薄い場合においても、高いたわみ量を有することから、ダイヤフラム基板への応力の負荷に対しても基板にクラックの発生や破壊を招くことがなく、優れた耐久性、たわみ量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイヤフラム基板の応用例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１  ダイヤフラム基板
２  電極
３  圧電体／電歪体
４  電極
Ａ  圧電／電歪素子
【図１】
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