JP2005016984A - 圧力センサ、積層圧電体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温環境下で、圧力が大きく変動し、機械的振動が大きな環境においても安定して確実な感度を備え、耐久性にすぐれ、製造が容易で、小型化を図ることができる圧力センサを提供する。
【解決手段】センサ部として、複数枚の圧電素子を、接合面が同一の極性となるように極性方向を変えて圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体のブロック体に形成するとともに、ブロック体の応力印加軸方向の一方と他方の端面が個別にプラス極とマイナス極となる電極を形成した積層圧電体３０が使用され、ダイアフラムが、被測定体からの圧力を受けるダイアフラム部１２ａと、該ダイアフラム部１２ａと一体にダイアフラム部の後部に形成され、端面が前記積層圧電体３０の一方の端面に面接触により当接する電極部１４とを備えたダイアフラムヘッド１２に形成され、前記積層圧電体３０の後部側に、本体１０に対して電気的に絶縁されて前記積層圧電体３０の他方の端面に面接触により当接するとともに、積層圧電体３０に発生する電荷を検知するリードピン４０が接続された電極部１６が設けられている。
【選択図】 図１
【解決手段】センサ部として、複数枚の圧電素子を、接合面が同一の極性となるように極性方向を変えて圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体のブロック体に形成するとともに、ブロック体の応力印加軸方向の一方と他方の端面が個別にプラス極とマイナス極となる電極を形成した積層圧電体３０が使用され、ダイアフラムが、被測定体からの圧力を受けるダイアフラム部１２ａと、該ダイアフラム部１２ａと一体にダイアフラム部の後部に形成され、端面が前記積層圧電体３０の一方の端面に面接触により当接する電極部１４とを備えたダイアフラムヘッド１２に形成され、前記積層圧電体３０の後部側に、本体１０に対して電気的に絶縁されて前記積層圧電体３０の他方の端面に面接触により当接するとともに、積層圧電体３０に発生する電荷を検知するリードピン４０が接続された電極部１６が設けられている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力センサ、積層圧電体およびその製造方法に関し、より詳細には内燃機関のシリンダ内のような高温、高圧環境下において好適に使用できる圧力センサ、およびこれに好適に用いられる積層圧電体および積層圧電体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダ内のような高温、高圧環境下において圧力を検知するセンサとして圧電素子を備えた圧力センサが従来知られている。圧電素子は小型で、５０ｋＨｚまで平坦で高速な応答特性を備えていること、高温で連続使用が可能であるといった優れた特性を備えるものであり、圧力検知用の素子として種々の圧電素子が提案されてきた。圧電素子を備えた圧力センサとしては、水晶を使用するもの、リン酸ガリウムを使用するもの、ニオブ酸リチウムを使用するもの、ランガサイトを使用するもの等がある（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
圧電素子を用いた圧力センサには種々のタイプがあるが、検知しようとする圧力（外力）を圧力伝達部材を介して圧電素子に作用させ、圧電素子の表面に表れる電荷信号を検知する方法が基本的な方法である。圧力センサの例としては、２枚の圧電素子を同極側を向かい合わせにして電極を挟むように配置し、電極から電荷信号を取り出すようにしたもの（特許文献２参照）、ダイアフラムの変位を受圧ロッドを介してリング状に形成された圧電センサに伝達し、圧電素子の出力信号を取り出すようにしたもの（特許文献３参照）、シリンダヘッドに装着されるスパークプラグに圧電素子を取り付けたもの（特許文献４参照）、圧電素子の横軸効果を利用するもの（特許文献２参照）等がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１７２６８０号公報
【特許文献２】
特開平１０−５４７７３号公報
【特許文献３】
特開平７ー７７４７４号公報
【特許文献４】
特開平１１−９４６７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、圧電素子を用いた圧力センサには、内燃機関のシリンダ内の圧力を計測するといった場合のように、高温、高圧下で使用でき、十分な耐久性を備えるといった条件や、安定した応答特性を備え、出力感度も優れるといった種々の要件が求められる。また、内燃機関のエンジンに取り付けて圧力を検知するといった場合には、機械的な振動に耐えることができ、シリンダヘッド等に取り付けやすくするため小型化が求められる。
とくに、被測定体の圧力測定に関しては、直接的に圧力を検知するセンサ部分としての圧電素子の構成と信号の取り出し機構が重要であり、あわせて信頼性が高く生産が容易な構造であることが求められる。
【０００６】
本発明はこれらの圧電素子を用いた圧力センサに求められる課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関のシリンダ内圧力のように、高温環境下で、圧力が大きく変動し、機械的振動が大きな環境においても安定して確実な感度を備え、耐久性にすぐれるとともに、組み立て等の製造が容易で、小型化を図ることができる圧力センサおよびこの圧力センサに用いる積層圧電体およびその製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、筒状に形成された本体の前端部にダイアフラムが設けられ、ダイアフラムの後方に配置された圧電素子からなるセンサ部により、前記ダイアフラムを介して作用する圧力を検知可能に設けられた圧力センサにおいて、前記センサ部として、複数枚の圧電素子を、接合面が同一の極性となるように極性方向を変えて圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体のブロック体に形成するとともに、ブロック体の応力印加軸方向の一方と他方の端面が個別にプラス極とマイナス極となる電極を形成した積層圧電体が使用され、前記ダイアフラムが、被測定体からの圧力を受けるダイアフラム部と、該ダイアフラム部と一体にダイアフラム部の後部に形成され、端面が前記積層圧電体の一方の端面に面接触により当接する電極部とを備えたダイアフラムヘッドに形成され、前記積層圧電体の後部側に、前記本体に対して電気的に絶縁されて前記積層圧電体の他方の端面に面接触により当接するとともに、積層圧電体に発生する電荷を検知するリードピンが接続された電極部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記積層圧電体は、圧電素子の接合面に導体層が形成され、前記ブロック体の応力印加軸方向の一方の端面には、プラス極となる導体層あるいはマイナス極となる導体層のどちらかの導体層がすべて電気的に接続されている電極が設けられ、応力印加軸方向の他方の端面には、前記一方の端面の極性と逆の極性となる導体層がすべて電気的に接続されている電極が設けられていることを特徴とする。
また、前記積層圧電体は、ブロック体の応力印加軸方向の端面に、圧電素子の接合面の位置に合わせて圧電素子の２枚ごとに電極分離溝が形成され、ブロック体の一方の端面と他方の端面とで前記電極分離溝の位置が１段ずつ異なる配置とされていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記本体に、前記積層圧電体の後部側に配置された電極部に絶縁部材を介して当接するとともに、前記積層圧電体に予圧を作用させた状態で本体に固定された第１のインナーボディが設けられていることを特徴とする。第１のインナーボディは、積層圧電体に所定の予圧を加えた状態で、レーザ溶接等によって本体に固定することにより、積層圧電体に予圧を作用させた状態に保持することができる。
また、前記本体に、前記積層圧電体の後部側に配置された電極部に絶縁部材を介して当接する第１のインナーボディと、該第１のインナーボディの後部側に配置され、本体に螺合して、前記第１のインナーボディ、前記絶縁部材および前記電極部を介して前記積層圧電体に予圧を作用させるため第２のインナーボディが内設されていることを特徴とする。
また、前記第１のインナーボディの後部が円錐状の凹面に形成され、前記第２のインナーボディの前部が球面状の凸面に形成されていることにより、予圧加圧時に、自動的に軸心が一致し、積層圧電体の耐久性を向上させることができる。また、前記積層圧電体を構成する圧電素子としては、ランガサイト系結晶が好適に用いられる。ランガサイト系結晶には、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ランガナイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｎｄ０．５Ｏ１４）、ランガタイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４）等がある。
【００１０】
また、複数枚の圧電素子を積層して一体のブロック体に形成した積層圧電体であって、前記圧電素子が、圧電結晶の電荷発生軸方向に、接合面に導体層を介して接合面が同一の極性となるように積み重ねて一体に形成され、前記ブロック体の応力印加軸方向の両端面に、前記導体層のうちプラス極となるすべての導体層に電気的に接続する電極と、マイナス極となるすべての導体層に電気的に接続する電極とが、分離して設けられていることを特徴とする。
また、前記圧電素子として、ランガサイト系結晶が好適に用いられる。
【００１１】
また、積層圧電体の製造方法として、複数枚の圧電素子を、圧電結晶の電荷発生軸方向に、接合面が同一の極性となるように導体層を介して積み重ねて一体化することにより、圧電素子が積層されたブロック体を形成し、該ブロック体の応力印加軸方向の両端面に前記導体層と電気的に接続する電極膜を形成し、該ブロック体の応力印加軸方向の端面を、圧電素子の接合面の位置に合わせて、ブロック体の一方の端面と他方の端面とで圧電素子の１段ごと異なる配置として圧電素子の２枚ごとに電極分離溝を形成することにより、前記導体層のうちプラス極となる導体層に電気的に接続する電極と、前記導体層のうちマイナス極となる導体層に電気的に接続する電極とを、ブロック体の両端面に分離して形成し、前記ブロック体の応力印加軸方向の両端面を除いたブロック体の外面を絶縁コート材によって被覆することを特徴とする。
また、光学軸方向に多数個取り可能な圧電素子を、圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体化することにより、圧電素子が積層された積層体を形成し、該積層体の応力印加軸方向の両端面に電極膜を形成し、積層体の端面に電極分離溝を形成した後、積層体を光学軸方向に所定幅で切断して個片のブロック体を形成し、ブロック体の応力印加軸方向の両端面を除いたブロック体の外面を絶縁コート材によって被覆することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る圧力センサの一実施形態の全体構成を示す断面図である。本実施形態の圧力センサは内燃機関のシリンダヘッド等の圧力の被測定体に取り付けて圧力を計測できるように形成されたもので、円筒状に形成された本体１０の内部に横軸効果の圧電作用を利用する積層圧電体３０を装着し、被測定体の圧力が変動することによって積層圧電体３０に発生する電荷を本体１０内を挿通するように設けられたリードピン４０によって検出するように形成されているものである。
【００１３】
本実施形態の圧力センサにおける構成上の一つの特徴は、被測定体の圧力を検知するセンサ部分に、横軸効果を利用する圧電素子を複数枚積層した積層圧電体３０を使用している点にある。
圧電素子の横軸効果とは、圧電素子の電荷発生軸に対して直交する配置にある応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電素子の表面に電荷が発生する作用をいう。本実施形態では圧電素子としてランガサイト結晶を使用しているが、ランガサイト系結晶や水晶などの圧電素子ではこの横軸効果によって、圧電素子の表面に外力に比例した電荷が発生することが知られている。この横軸効果は、電荷発生軸方向の長さ（厚さ）に対する応力印加軸方向の長さの比に依存し、電荷発生軸方向の厚さを薄く、応力印加軸方向の長さを長くすることによって、より大きな出力を得ることができる。
【００１４】
本実施形態においては、薄く形成した圧電素子を複数枚積層して積層圧電体３０を形成している。このようにすることで、圧電素子の横軸効果による作用を有効に利用することができ、複数枚の圧電素子を使用することで圧電素子に発生する電荷を効率的に集めてセンサの感度を上げることができる。また、圧電素子を複数枚積層して一体のブロック状とすることによって、単体では脆くて大きな外力を作用させ難い圧電素子に対して、内燃機関のシリンダ部で発生するような大きな圧力を作用させることが可能になる。積層圧電体３０は薄板状に形成した圧電素子を積層して形成するから、外見上は端面が平坦面の四角柱状になる。
【００１５】
この積層圧電体３０の構造およびその製造方法の詳細については後述することとし、次に、本実施形態の圧力センサの各部の構成について説明する。
図１に示すように、本体１０の被測定体への取り付け側は本体１０の基体側よりもやや細径に形成され、この細径部の外周面に取り付け用のねじ１１が設けられている。これによって圧力センサは、内燃機関のシリンダヘッド等の被測定体にねじ込んで容易に固定することが可能となる。
１２は本体１０の前端部に溶接して封着したダイアフラムヘッド１２である。このダイアフラムヘッド１２は被測定体の圧力が作用するように被測定体に向けて露出して形成されたダイアフラム部１２ａと、ダイアフラムヘッド１２の周縁部に形成されたフランジ部１２ｂと、ダイアフラム部１２ａの後面にダイアフラム部１２ａと一体に形成された電極部１４とからなる。
【００１６】
図２に、圧力センサの前端部近傍の構成の断面を拡大して示す。電極部１４はダイアフラム部１２ａから本体１０の内部側に延出するように設けられ、前述した積層圧電体３０の端面に当接する端面形状が四角形となるブロック状に形成されている。電極部１４は積層圧電体３０の一方（前方側）の端面に当接して、積層圧電体３０に被測定体側の圧力変化にともなう押圧力を作用させるものであり、積層圧電体３０の端面の全面を押圧できる大きさの端面形状に形成されるとともに、ダイアフラム部１２ａの受圧面１２ｃと電極部１４の圧力伝達面１２ｄとが平行かつ平滑面に形成されている。これによって、ダイアフラム部１２ａが受ける圧力を均等に積層圧電体３０に作用させることができる。
【００１７】
本実施形態においては、ダイアフラム部１２ａとフランジ部１２ｂと電極部１４とを完全に一体形として形成しているから、たとえばダイアフラムを別体で形成して溶接して取り付けるといった方法にくらべて、部品点数を減らすことができ、組立が容易になるとともに、溶接部が圧力や高温に曝されて、腐蝕等を起こすといった問題を解消することができ、圧力センサの耐久性を向上させることができるという利点がある。
また、ダイアフラム部１２ａと電極部１４とを一体構造とすることで、ダイアフラム部１２ａが受ける圧力を電極部１４を介して積層圧電体３０に効率的に伝達することが可能になる。なお、電極部１４はダイアフラム部１２ａと積層圧電体３０との中間に介在して被測定体からの圧力を積層圧電体３０に伝達する作用を有すると同時に、積層圧電体３０に接する電極としても機能している。
【００１８】
１６は積層圧電体３０の他方の（後面側）の端面に当接する電極部である。この電極部１６にはリードピン４０の先端が固定されており、電極部１６から電荷信号が取り出される。電極部１６も積層圧電体３０の端面形状と同じく端面が四角形状となるブロック状に形成されている。電極部１６は積層圧電体３０の端面に当接して積層圧電体３０を押圧するとともに、積層圧電体３０から電荷信号を取り出す作用をなす。
１８は電極部１６を電気的に絶縁する絶縁部材としての絶縁リング、２０は絶縁リング１８、電極部１６、積層圧電体３０の外周部分をガイドして支持する断面円筒形状の絶縁スリーブである。本実施形態では絶縁リング１８および絶縁スリーブ２０はともにアルミナセラミックによって形成している。
【００１９】
積層圧電体３０の前方側に配置されているダイアフラムヘッド１２に設けられた電極部１４は本体１０と電気的に導通され、これによって接地電位となる。これに対して、積層圧電体３０の後方に配置される電極部１６は、上述したように本体１０に対して電気的に絶縁され、電荷信号を取り出すことが可能となっている。
積層圧電体３０は、応力印加軸に一定の予圧を加えた状態で使用する。電極部１６は電極部１４との間で積層圧電体３０に対して一定の予圧を加える作用もなすものであり、本実施形態においては、電極部１４および電極部１６の端面を平滑面に形成して積層圧電体３０の全体に対して均等に予圧が作用するようにしている。
【００２０】
図１に示すように、積層圧電体３０に予圧を作用させるために、本実施形態では、絶縁リング１８の後面に第１のインナーボディ２２を当接し、第１のインナーボディ２２の後面に第２のインナーボディ２４を当接させる構造としている。第１のインナーボディ２２は本体１０に内挿されて本体１０の軸線方向に可動に設けられているのに対して、第２のインナーボディ２４は本体１０の内周面に設けられたねじ２６に後部側で螺合し、予圧ねじとして作用するものとなっている。２７が第２のインナーボディ２４の外周面に設けられたねじであり、本体１０の内周面に設けられたねじ２６に螺合している。
【００２１】
本実施形態においては、第１のインナーボディ２２の後部を円錐状の凹面２２ａとし、第２のインナーボディ２４の前部を球面状の凸面２４ａに形成した。このように、第１のインナーボディ２２と第２のインナーボディ２４との当接部を円錐状の凹面２２ａと球面状の凸面２４ａとすることによって、第１のインナーボディ２２と第２のインナーボディ２４とが線的に当接し、アライメントの予圧加圧時に、自動的に軸心が一致し、第１のインナーボディへの偏荷重を防止することができ、その後ダイアフラムヘッド１２に衝撃や振動が作用した際に、積層圧電体３０に偏荷重が作用することを抑制することができる。これによって積層圧電体３０に欠けが生じたりすることを防止することができ、積層圧電体３０の耐久性を向上させることが可能となる。
【００２２】
積層圧電体３０に作用させる予圧力は、第２のインナーボディ２４のねじ込み位置を調節することによって調整することができる。積層圧電体３０に作用させる予圧を調整することによって積層圧電体３０の感度および直線性を調節することができる。
予圧調整は、第２のインナーボディ２４を所定の調整位置（ねじ込み位置）に動かしたところで、レーザ溶接等により第１のインナーボディ２２を本体１０に固定することによって行う。第２のインナーボディ２４は、この後、第１のインナーボディ２２と同様にレーザ溶接等によって本体１０に固定してもよいし、第１のインナーボディ２２を本体１０に固定した後、本体１０から取り外してしまってもよい。
【００２３】
リードピン４０は第１のインナーボディ２２および第２のインナーボディ２４の内側を通過して本体１０の他端側へ引き出され、レセプタクル２８に接続される。レセプタクル２８には検知器のコネクタが接続され、リードピン４０から出力された電荷信号が検知されるように構成されている。
なお、４２はリードピン４０に外挿された絶縁パイプである。絶縁パイプ４２はリードピン４０が振動等して第１のインナーボディ２２や第２のインナーボディ２４に接触して本体１０と電気的に導通することを防止し、電荷がリークすることを防止する作用をなす。本実施形態では、絶縁パイプ４２はアルミナセラミックによって形成している。
【００２４】
このように形成された圧力センサは、内燃機関のシリンダヘッド等にねじ込んで固定して設置することにより、被測定体の圧力変動がダイアフラムヘッド１２のダイアフラム部１２ａに作用し、電極部１４と電極部１６によって挟圧された積層圧電体３０の応力印加軸方向に圧力変動が作用することによって、積層圧電体３０に生じた電荷がリードピン４０を介して検知され、被測定体の圧力が検知されることになる。
【００２５】
前述したように本実施形態の圧力センサでは、圧電素子の横軸効果を利用し、圧電素子を複数枚積層した積層圧電体３０を利用してセンサ部を構成している。以下では、積層圧電体３０の構成とその製造方法について説明する。
なお、本実施形態では、圧電素子としてランガサイト結晶を使用し、電荷発生軸をＸ軸（Ｘ軸０°カット）、応力印加軸をＹ軸（Ｙ軸０°カット）、光学軸をＺ軸としている。以下では、電荷発生軸をＸ軸、応力印加軸をＹ軸、光学軸をＺ軸という。
図３は本実施形態の圧力センサで使用している積層圧電体３０の電極配置等の構成を示す説明図である。前述したように、積層圧電体３０は圧電素子のＹ軸方向に力を作用させた際に、Ｘ軸方向に電荷が発生する作用を利用するものであり、圧電素子を積層して積層圧電体３０を形成する場合は、Ｙ軸方向に外力を作用させた際に各々の圧電素子のＸ軸方向の両面で発生するプラス電荷とマイナス電荷を効率的に集められるようにする必要がある。
【００２６】
積層圧電体３０を形成する方法として本実施形態において採用している方法は、図３に示すように、圧電素子をＸ軸方向に順次積層する際に、まず、各々圧電素子のＸ軸方向のプラスとマイナスの極性が交互に逆になるように積層し、圧電素子の対向する面が同一の極性になるようにすることである。これによって、圧電素子の接合面は１層ごとに、プラス極とマイナス極となる。そして、プラス極については一方の極、たとえばダイアフラムヘッド１２の電極部１４に電荷を集めるようにし、マイナス極については他方の極、この場合は電極部１６に電荷を集めるようにする。
【００２７】
図３は、４枚の圧電素子３１、３２、３３、３４を積層して積層圧電体３０を形成した状態を示す。積層圧電体３０を構成する各々の圧電素子の表面に発生する電荷量を検知するため、圧電素子３１〜３４の接合面にスパッタリングあるいは蒸着等によって下地膜を形成し、はんだ等の導電材を用いて圧電素子３１〜３４をＸ軸方向に積み重ね一体化する。これによって、圧電素子３１〜３４の接合面が同極同士となり、接合面に電荷を取り出すための導体層３６が形成された圧電素子のブロック体が形成される。
【００２８】
次に、ブロック体のＹ軸方向の両端面に、メタライズ等により電極膜３７を形成し、圧電素子の３１〜３４の接合面に形成した導体層３６と電極膜３７とを電気的に接続する。
ブロック体の両端面に電極膜３７を形成した状態では圧電素子３１〜３４の接合面に形成された導体層３６がすべて電極膜３７と電気的に短絡した状態になっているから、ブロック体のＹ軸方向の両端面を圧電素子３１〜３４の接合位置に合わせて断面形状でＵ形に研削して電極分離溝３５を形成する。電極分離溝３５は各端面で圧電素子の２枚ごとに研削し、ブロック帯の一方の端面と他方の端面で電極分離溝３５を形成する位置が１段ずつ異なるようにする。
このように電極分離溝３５を形成することにより、ダイアフラムヘッド１２側の電極部１４に当接する端面にはプラス極に導通した電極３８ａが形成され、リードピン４０側の電極部１６に当接する端面にはマイナス極に導通した電極３８ｂが形成される。
【００２９】
本実施形態では、ブロック体の端面を断面形状でＵ形に研削することによってプラス極となる導体層３６とマイナス極となる導体層３６との電気的短絡を解消しているが、プラス極とマイナス極とを分離する方法としては、ブロック体を研削する方法に限らず、たとえばブロック体の端面に電極膜３７を形成する際に、ブロック体の一方の端面ではプラス極に導通する電極３８ａをパターン形成し、ブロック体の他方の端面ではマイナス極に導通する電極３８ｂをパターン形成する方法も可能である。
ただし、ブロック体の端面を研削して電極分離溝３５を形成する方法は、圧電素子の接合位置に合わせて導体層３６が部分的に彫り込まれるようになるから、プラス極とマイナス極とを確実に電気的に遮断できるという利点がある。
【００３０】
また、図３に示す実施形態では、電極部１４にプラス極が導通し、電極部１６にマイナス極が導通する配置となっており、検知部ではリードピン４０を介してマイナスの電荷が検知される状態となっている。積層圧電体３０を電極部１４と電極部１６との間に配置する向きは任意に選択可能であり、図３の配置とは逆に、電極部１４にマイナス極を当接させ、電極部１６にプラス極を当接させる配置とすることもできる。この場合は、検知部ではプラス電荷を検知することになる。なお、いずれの場合も電極部１４は接地電位となる。
【００３１】
以下では、上述した方法にしたがって積層圧電体３０を実際に作成した例について説明する。図５は、積層圧電体３０を製造工程をフロー図によって示したものである。
まず、Ｙ軸寸法と光学軸寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍのランガサイト結晶を研削し、Ｘ軸方向の厚み出し加工（ステップ５０）を行う。本実施形態では、Ｘ軸の厚さが０．３４ｍｍｍとなるように厚み出し加工を行った。
次に、ランガサイト結晶の接合面に成膜加工（ステップ５１）を施した。本実施形態では、スパッタリングによりランガサイト結晶の接合面に下地膜（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を形成した。
次に、ランガサイト結晶を積み重ねて一体に接合するため（ステップ５２）、下地膜にハンダ膜（ＡｕＳｎ）を形成し、４枚のランガサイト結晶を極方向を一致させてＸ軸方向に積み重ね、４００℃でリフローして積層体を形成した。
【００３２】
次に、積層体を研削して、Ｙ軸方向の寸法出しを行った（ステップ５３）。本実施形態ではＹ軸方向の長さが３ｍｍとなるようにした。これによって、積層体の大きさは、１．４ｍｍ（Ｘ軸）×３．０ｍｍ（Ｙ軸）×２０ｍｍ（光学軸）となった。
次に、積層体のＸ軸方向とＹ軸方向の４面にメタライズ（Ｔｉ／Ａｕ）を施し（ステップ５４）、Ｙ軸方向の両端面に電極膜３７を形成し、Ｘ軸方向の両端面に導体膜３９を形成する。Ｘ軸方向の両端面にメタライスを施して導体膜３９を形成しているのは、積層体の上面と下面の導体膜３９がコーナー部を介してＹ軸方向の両端面に形成された電極膜３７と電気的に導通するようにするためである。
【００３３】
次に、積層体のＹ軸方向の両端面に電極分離溝３５を形成する（ステップ５５）。電極分離溝３５は、ランガサイト結晶の接合面に合わせて断面Ｕ字状に研削することによってなされる。積層体はＺ軸方向に細長く（２０ｍｍ）形成されており、Ｚ軸方向に積層体を研削することによって一括して電極分離溝３５を形成することができる。
次に、積層体をＺ軸方向に所定長さごとに切断して、個片のブロック体（積層圧電体）を形成する（ステップ５６）。本実施形態ではブロック体のＺ軸方向の長さが１．４ｍｍとなるように積層体を切断した。
最後に、個片に形成されたブロック体のＹ軸方向の端面の電極３８ａ、３８ｂを除いた４面および電極分離溝３５に絶縁コート材を塗布し（ステップ５７）積層圧電体３０を得た。
【００３４】
図４は、こうして得られた積層圧電体３０の斜視図を示す。積層圧電体３０は圧電素子が４枚積層されて全体形状が四角柱状に形成されたものとなる。積層圧電体３０の大きさは１．４ｍｍ（Ｘ軸）×３．０ｍｍ（Ｙ軸）×１．４ｍｍ（Ｚ軸）である。
積層圧電体３０は、Ｘ軸方向については接合面に導体層が形成されて接合され、上面と下面にメタライズによって形成された導体膜３９が形成されている。また、Ｙ軸方向については、両端面に電極分離溝３５が形成され、Ｙ軸方向の一方の端面あるいは他方の端面に形成された電極３８は、プラス極またはマイナス極の導体層３６と電気的に接続されたものとなる。
【００３５】
本実施形態の積層圧電体３０をダイアフラム厚０．１ｍｍ、径３．２ｍｍの圧力センサに搭載することによって、２０ｐＣ／ｂａｒの電荷出力を得ることができた。この横軸効果形の圧力センサは、従来の縦軸効果形のランガサイト結晶を２枚利用した圧力センサと比較して、４〜５倍の出力感度を得ることができ、Ｓ／Ｎ比についても４〜５倍に向上させることができた。
上述したように、本実施形態の積層圧電体３０の製造方法では、ランガサイト結晶を積層してブロック状とした状態で寸法加工するから、加工が容易になるとともに、積層体を個片に切断して製品とすることから、量産が容易で小型化も容易であるという利点がある。
【００３６】
本発明に係る圧力センサでは、積層圧電体３０の両端面に電極部１４、１６を面接触する配置としている。したがって、ダイアフラムヘッド１２で受ける熱が速やかに内部構造体へ伝達する構成となっており、第１のインナーボディ２２が本体１０と強固に接触する配置になっている等により、圧力センサ全体の温度が短時間のうちに均一になる。これによって温度ドリフトを抑えることが可能になり、圧力の検知精度を向上させることが可能になる。
【００３７】
なお、圧電素子としてランガサイト結晶を使用した場合には、ランガサイト結晶が焦電性を有しないこと、キュリー点が存在しないことから、高温での使用が容易に可能となり広い温度範囲において安定した圧電特性を維持することができるという利点がある。これによって、内燃機関のシリンダ内の圧力を計測するといった、高温環境下での圧力計測に好適に使用することができる。
もちろん、本発明に係る圧力センサはシリンダ内の圧力測定用に限らず、排気圧や燃料噴射圧など種々用途の圧力測定用として利用することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係る圧力センサによれば、上述したように、横軸効果型の圧電素子を複数枚積層して使用することによって、センサ部による出力を増大させ、感度を向上させることが可能となり、高精度でかつ信頼性の高い圧力センサとして提供することが可能となる。また、センサ部の小型化が可能となり圧力センサの小径化、小型化を図ることが可能になる。
また、本発明に係る積層圧電体は、圧電素子を複数枚使用することで、感度のよいセンサとして使用することができ、内燃機関のシリンダ等の圧力検知用として好適に使用することができる。
また、本発明に係る積層圧電体の製造方法によれば、圧電素子を複数枚積層した積層圧電体を容易に製造することができ、個々の圧電素子に発生する電荷を効果的に検知できるセンサの構成とすることができ、圧力センサ用等として好適に使用できる積層圧電体を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力センサの一実施形態の全体構成を示す断面図である。
【図２】圧力センサの前端部近傍の構成を示す断面図である。
【図３】積層圧電体の構成を示す説明図である。
【図４】積層圧電体の斜視図である。
【図５】積層圧電体の製造工程を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０ 本体
１１ ねじ
１２ ダイアフラムヘッド
１２ａ ダイアフラム部
１２ｃ 受圧面
１２ｄ 圧力伝達面
１４、１６ 電極部
１８ 絶縁リング
２０ 絶縁スリーブ
２２ 第１のインナーボディ
２２ａ 凹面
２４ 第２のインナーボディ
２４ａ 凸面
２８ レセプタクル
３０ 積層圧電体
３１、３２、３３、３４ 圧電素子
３５ 電極分離溝
３６ 導体層
３７ 電極膜
３８、３８ａ、３８ｂ 電極
３９ 導体膜
４０ リードピン
４２ 絶縁パイプ
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力センサ、積層圧電体およびその製造方法に関し、より詳細には内燃機関のシリンダ内のような高温、高圧環境下において好適に使用できる圧力センサ、およびこれに好適に用いられる積層圧電体および積層圧電体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダ内のような高温、高圧環境下において圧力を検知するセンサとして圧電素子を備えた圧力センサが従来知られている。圧電素子は小型で、５０ｋＨｚまで平坦で高速な応答特性を備えていること、高温で連続使用が可能であるといった優れた特性を備えるものであり、圧力検知用の素子として種々の圧電素子が提案されてきた。圧電素子を備えた圧力センサとしては、水晶を使用するもの、リン酸ガリウムを使用するもの、ニオブ酸リチウムを使用するもの、ランガサイトを使用するもの等がある（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
圧電素子を用いた圧力センサには種々のタイプがあるが、検知しようとする圧力（外力）を圧力伝達部材を介して圧電素子に作用させ、圧電素子の表面に表れる電荷信号を検知する方法が基本的な方法である。圧力センサの例としては、２枚の圧電素子を同極側を向かい合わせにして電極を挟むように配置し、電極から電荷信号を取り出すようにしたもの（特許文献２参照）、ダイアフラムの変位を受圧ロッドを介してリング状に形成された圧電センサに伝達し、圧電素子の出力信号を取り出すようにしたもの（特許文献３参照）、シリンダヘッドに装着されるスパークプラグに圧電素子を取り付けたもの（特許文献４参照）、圧電素子の横軸効果を利用するもの（特許文献２参照）等がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１７２６８０号公報
【特許文献２】
特開平１０−５４７７３号公報
【特許文献３】
特開平７ー７７４７４号公報
【特許文献４】
特開平１１−９４６７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、圧電素子を用いた圧力センサには、内燃機関のシリンダ内の圧力を計測するといった場合のように、高温、高圧下で使用でき、十分な耐久性を備えるといった条件や、安定した応答特性を備え、出力感度も優れるといった種々の要件が求められる。また、内燃機関のエンジンに取り付けて圧力を検知するといった場合には、機械的な振動に耐えることができ、シリンダヘッド等に取り付けやすくするため小型化が求められる。
とくに、被測定体の圧力測定に関しては、直接的に圧力を検知するセンサ部分としての圧電素子の構成と信号の取り出し機構が重要であり、あわせて信頼性が高く生産が容易な構造であることが求められる。
【０００６】
本発明はこれらの圧電素子を用いた圧力センサに求められる課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関のシリンダ内圧力のように、高温環境下で、圧力が大きく変動し、機械的振動が大きな環境においても安定して確実な感度を備え、耐久性にすぐれるとともに、組み立て等の製造が容易で、小型化を図ることができる圧力センサおよびこの圧力センサに用いる積層圧電体およびその製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、筒状に形成された本体の前端部にダイアフラムが設けられ、ダイアフラムの後方に配置された圧電素子からなるセンサ部により、前記ダイアフラムを介して作用する圧力を検知可能に設けられた圧力センサにおいて、前記センサ部として、複数枚の圧電素子を、接合面が同一の極性となるように極性方向を変えて圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体のブロック体に形成するとともに、ブロック体の応力印加軸方向の一方と他方の端面が個別にプラス極とマイナス極となる電極を形成した積層圧電体が使用され、前記ダイアフラムが、被測定体からの圧力を受けるダイアフラム部と、該ダイアフラム部と一体にダイアフラム部の後部に形成され、端面が前記積層圧電体の一方の端面に面接触により当接する電極部とを備えたダイアフラムヘッドに形成され、前記積層圧電体の後部側に、前記本体に対して電気的に絶縁されて前記積層圧電体の他方の端面に面接触により当接するとともに、積層圧電体に発生する電荷を検知するリードピンが接続された電極部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記積層圧電体は、圧電素子の接合面に導体層が形成され、前記ブロック体の応力印加軸方向の一方の端面には、プラス極となる導体層あるいはマイナス極となる導体層のどちらかの導体層がすべて電気的に接続されている電極が設けられ、応力印加軸方向の他方の端面には、前記一方の端面の極性と逆の極性となる導体層がすべて電気的に接続されている電極が設けられていることを特徴とする。
また、前記積層圧電体は、ブロック体の応力印加軸方向の端面に、圧電素子の接合面の位置に合わせて圧電素子の２枚ごとに電極分離溝が形成され、ブロック体の一方の端面と他方の端面とで前記電極分離溝の位置が１段ずつ異なる配置とされていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記本体に、前記積層圧電体の後部側に配置された電極部に絶縁部材を介して当接するとともに、前記積層圧電体に予圧を作用させた状態で本体に固定された第１のインナーボディが設けられていることを特徴とする。第１のインナーボディは、積層圧電体に所定の予圧を加えた状態で、レーザ溶接等によって本体に固定することにより、積層圧電体に予圧を作用させた状態に保持することができる。
また、前記本体に、前記積層圧電体の後部側に配置された電極部に絶縁部材を介して当接する第１のインナーボディと、該第１のインナーボディの後部側に配置され、本体に螺合して、前記第１のインナーボディ、前記絶縁部材および前記電極部を介して前記積層圧電体に予圧を作用させるため第２のインナーボディが内設されていることを特徴とする。
また、前記第１のインナーボディの後部が円錐状の凹面に形成され、前記第２のインナーボディの前部が球面状の凸面に形成されていることにより、予圧加圧時に、自動的に軸心が一致し、積層圧電体の耐久性を向上させることができる。また、前記積層圧電体を構成する圧電素子としては、ランガサイト系結晶が好適に用いられる。ランガサイト系結晶には、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ランガナイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｎｄ０．５Ｏ１４）、ランガタイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４）等がある。
【００１０】
また、複数枚の圧電素子を積層して一体のブロック体に形成した積層圧電体であって、前記圧電素子が、圧電結晶の電荷発生軸方向に、接合面に導体層を介して接合面が同一の極性となるように積み重ねて一体に形成され、前記ブロック体の応力印加軸方向の両端面に、前記導体層のうちプラス極となるすべての導体層に電気的に接続する電極と、マイナス極となるすべての導体層に電気的に接続する電極とが、分離して設けられていることを特徴とする。
また、前記圧電素子として、ランガサイト系結晶が好適に用いられる。
【００１１】
また、積層圧電体の製造方法として、複数枚の圧電素子を、圧電結晶の電荷発生軸方向に、接合面が同一の極性となるように導体層を介して積み重ねて一体化することにより、圧電素子が積層されたブロック体を形成し、該ブロック体の応力印加軸方向の両端面に前記導体層と電気的に接続する電極膜を形成し、該ブロック体の応力印加軸方向の端面を、圧電素子の接合面の位置に合わせて、ブロック体の一方の端面と他方の端面とで圧電素子の１段ごと異なる配置として圧電素子の２枚ごとに電極分離溝を形成することにより、前記導体層のうちプラス極となる導体層に電気的に接続する電極と、前記導体層のうちマイナス極となる導体層に電気的に接続する電極とを、ブロック体の両端面に分離して形成し、前記ブロック体の応力印加軸方向の両端面を除いたブロック体の外面を絶縁コート材によって被覆することを特徴とする。
また、光学軸方向に多数個取り可能な圧電素子を、圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体化することにより、圧電素子が積層された積層体を形成し、該積層体の応力印加軸方向の両端面に電極膜を形成し、積層体の端面に電極分離溝を形成した後、積層体を光学軸方向に所定幅で切断して個片のブロック体を形成し、ブロック体の応力印加軸方向の両端面を除いたブロック体の外面を絶縁コート材によって被覆することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る圧力センサの一実施形態の全体構成を示す断面図である。本実施形態の圧力センサは内燃機関のシリンダヘッド等の圧力の被測定体に取り付けて圧力を計測できるように形成されたもので、円筒状に形成された本体１０の内部に横軸効果の圧電作用を利用する積層圧電体３０を装着し、被測定体の圧力が変動することによって積層圧電体３０に発生する電荷を本体１０内を挿通するように設けられたリードピン４０によって検出するように形成されているものである。
【００１３】
本実施形態の圧力センサにおける構成上の一つの特徴は、被測定体の圧力を検知するセンサ部分に、横軸効果を利用する圧電素子を複数枚積層した積層圧電体３０を使用している点にある。
圧電素子の横軸効果とは、圧電素子の電荷発生軸に対して直交する配置にある応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電素子の表面に電荷が発生する作用をいう。本実施形態では圧電素子としてランガサイト結晶を使用しているが、ランガサイト系結晶や水晶などの圧電素子ではこの横軸効果によって、圧電素子の表面に外力に比例した電荷が発生することが知られている。この横軸効果は、電荷発生軸方向の長さ（厚さ）に対する応力印加軸方向の長さの比に依存し、電荷発生軸方向の厚さを薄く、応力印加軸方向の長さを長くすることによって、より大きな出力を得ることができる。
【００１４】
本実施形態においては、薄く形成した圧電素子を複数枚積層して積層圧電体３０を形成している。このようにすることで、圧電素子の横軸効果による作用を有効に利用することができ、複数枚の圧電素子を使用することで圧電素子に発生する電荷を効率的に集めてセンサの感度を上げることができる。また、圧電素子を複数枚積層して一体のブロック状とすることによって、単体では脆くて大きな外力を作用させ難い圧電素子に対して、内燃機関のシリンダ部で発生するような大きな圧力を作用させることが可能になる。積層圧電体３０は薄板状に形成した圧電素子を積層して形成するから、外見上は端面が平坦面の四角柱状になる。
【００１５】
この積層圧電体３０の構造およびその製造方法の詳細については後述することとし、次に、本実施形態の圧力センサの各部の構成について説明する。
図１に示すように、本体１０の被測定体への取り付け側は本体１０の基体側よりもやや細径に形成され、この細径部の外周面に取り付け用のねじ１１が設けられている。これによって圧力センサは、内燃機関のシリンダヘッド等の被測定体にねじ込んで容易に固定することが可能となる。
１２は本体１０の前端部に溶接して封着したダイアフラムヘッド１２である。このダイアフラムヘッド１２は被測定体の圧力が作用するように被測定体に向けて露出して形成されたダイアフラム部１２ａと、ダイアフラムヘッド１２の周縁部に形成されたフランジ部１２ｂと、ダイアフラム部１２ａの後面にダイアフラム部１２ａと一体に形成された電極部１４とからなる。
【００１６】
図２に、圧力センサの前端部近傍の構成の断面を拡大して示す。電極部１４はダイアフラム部１２ａから本体１０の内部側に延出するように設けられ、前述した積層圧電体３０の端面に当接する端面形状が四角形となるブロック状に形成されている。電極部１４は積層圧電体３０の一方（前方側）の端面に当接して、積層圧電体３０に被測定体側の圧力変化にともなう押圧力を作用させるものであり、積層圧電体３０の端面の全面を押圧できる大きさの端面形状に形成されるとともに、ダイアフラム部１２ａの受圧面１２ｃと電極部１４の圧力伝達面１２ｄとが平行かつ平滑面に形成されている。これによって、ダイアフラム部１２ａが受ける圧力を均等に積層圧電体３０に作用させることができる。
【００１７】
本実施形態においては、ダイアフラム部１２ａとフランジ部１２ｂと電極部１４とを完全に一体形として形成しているから、たとえばダイアフラムを別体で形成して溶接して取り付けるといった方法にくらべて、部品点数を減らすことができ、組立が容易になるとともに、溶接部が圧力や高温に曝されて、腐蝕等を起こすといった問題を解消することができ、圧力センサの耐久性を向上させることができるという利点がある。
また、ダイアフラム部１２ａと電極部１４とを一体構造とすることで、ダイアフラム部１２ａが受ける圧力を電極部１４を介して積層圧電体３０に効率的に伝達することが可能になる。なお、電極部１４はダイアフラム部１２ａと積層圧電体３０との中間に介在して被測定体からの圧力を積層圧電体３０に伝達する作用を有すると同時に、積層圧電体３０に接する電極としても機能している。
【００１８】
１６は積層圧電体３０の他方の（後面側）の端面に当接する電極部である。この電極部１６にはリードピン４０の先端が固定されており、電極部１６から電荷信号が取り出される。電極部１６も積層圧電体３０の端面形状と同じく端面が四角形状となるブロック状に形成されている。電極部１６は積層圧電体３０の端面に当接して積層圧電体３０を押圧するとともに、積層圧電体３０から電荷信号を取り出す作用をなす。
１８は電極部１６を電気的に絶縁する絶縁部材としての絶縁リング、２０は絶縁リング１８、電極部１６、積層圧電体３０の外周部分をガイドして支持する断面円筒形状の絶縁スリーブである。本実施形態では絶縁リング１８および絶縁スリーブ２０はともにアルミナセラミックによって形成している。
【００１９】
積層圧電体３０の前方側に配置されているダイアフラムヘッド１２に設けられた電極部１４は本体１０と電気的に導通され、これによって接地電位となる。これに対して、積層圧電体３０の後方に配置される電極部１６は、上述したように本体１０に対して電気的に絶縁され、電荷信号を取り出すことが可能となっている。
積層圧電体３０は、応力印加軸に一定の予圧を加えた状態で使用する。電極部１６は電極部１４との間で積層圧電体３０に対して一定の予圧を加える作用もなすものであり、本実施形態においては、電極部１４および電極部１６の端面を平滑面に形成して積層圧電体３０の全体に対して均等に予圧が作用するようにしている。
【００２０】
図１に示すように、積層圧電体３０に予圧を作用させるために、本実施形態では、絶縁リング１８の後面に第１のインナーボディ２２を当接し、第１のインナーボディ２２の後面に第２のインナーボディ２４を当接させる構造としている。第１のインナーボディ２２は本体１０に内挿されて本体１０の軸線方向に可動に設けられているのに対して、第２のインナーボディ２４は本体１０の内周面に設けられたねじ２６に後部側で螺合し、予圧ねじとして作用するものとなっている。２７が第２のインナーボディ２４の外周面に設けられたねじであり、本体１０の内周面に設けられたねじ２６に螺合している。
【００２１】
本実施形態においては、第１のインナーボディ２２の後部を円錐状の凹面２２ａとし、第２のインナーボディ２４の前部を球面状の凸面２４ａに形成した。このように、第１のインナーボディ２２と第２のインナーボディ２４との当接部を円錐状の凹面２２ａと球面状の凸面２４ａとすることによって、第１のインナーボディ２２と第２のインナーボディ２４とが線的に当接し、アライメントの予圧加圧時に、自動的に軸心が一致し、第１のインナーボディへの偏荷重を防止することができ、その後ダイアフラムヘッド１２に衝撃や振動が作用した際に、積層圧電体３０に偏荷重が作用することを抑制することができる。これによって積層圧電体３０に欠けが生じたりすることを防止することができ、積層圧電体３０の耐久性を向上させることが可能となる。
【００２２】
積層圧電体３０に作用させる予圧力は、第２のインナーボディ２４のねじ込み位置を調節することによって調整することができる。積層圧電体３０に作用させる予圧を調整することによって積層圧電体３０の感度および直線性を調節することができる。
予圧調整は、第２のインナーボディ２４を所定の調整位置（ねじ込み位置）に動かしたところで、レーザ溶接等により第１のインナーボディ２２を本体１０に固定することによって行う。第２のインナーボディ２４は、この後、第１のインナーボディ２２と同様にレーザ溶接等によって本体１０に固定してもよいし、第１のインナーボディ２２を本体１０に固定した後、本体１０から取り外してしまってもよい。
【００２３】
リードピン４０は第１のインナーボディ２２および第２のインナーボディ２４の内側を通過して本体１０の他端側へ引き出され、レセプタクル２８に接続される。レセプタクル２８には検知器のコネクタが接続され、リードピン４０から出力された電荷信号が検知されるように構成されている。
なお、４２はリードピン４０に外挿された絶縁パイプである。絶縁パイプ４２はリードピン４０が振動等して第１のインナーボディ２２や第２のインナーボディ２４に接触して本体１０と電気的に導通することを防止し、電荷がリークすることを防止する作用をなす。本実施形態では、絶縁パイプ４２はアルミナセラミックによって形成している。
【００２４】
このように形成された圧力センサは、内燃機関のシリンダヘッド等にねじ込んで固定して設置することにより、被測定体の圧力変動がダイアフラムヘッド１２のダイアフラム部１２ａに作用し、電極部１４と電極部１６によって挟圧された積層圧電体３０の応力印加軸方向に圧力変動が作用することによって、積層圧電体３０に生じた電荷がリードピン４０を介して検知され、被測定体の圧力が検知されることになる。
【００２５】
前述したように本実施形態の圧力センサでは、圧電素子の横軸効果を利用し、圧電素子を複数枚積層した積層圧電体３０を利用してセンサ部を構成している。以下では、積層圧電体３０の構成とその製造方法について説明する。
なお、本実施形態では、圧電素子としてランガサイト結晶を使用し、電荷発生軸をＸ軸（Ｘ軸０°カット）、応力印加軸をＹ軸（Ｙ軸０°カット）、光学軸をＺ軸としている。以下では、電荷発生軸をＸ軸、応力印加軸をＹ軸、光学軸をＺ軸という。
図３は本実施形態の圧力センサで使用している積層圧電体３０の電極配置等の構成を示す説明図である。前述したように、積層圧電体３０は圧電素子のＹ軸方向に力を作用させた際に、Ｘ軸方向に電荷が発生する作用を利用するものであり、圧電素子を積層して積層圧電体３０を形成する場合は、Ｙ軸方向に外力を作用させた際に各々の圧電素子のＸ軸方向の両面で発生するプラス電荷とマイナス電荷を効率的に集められるようにする必要がある。
【００２６】
積層圧電体３０を形成する方法として本実施形態において採用している方法は、図３に示すように、圧電素子をＸ軸方向に順次積層する際に、まず、各々圧電素子のＸ軸方向のプラスとマイナスの極性が交互に逆になるように積層し、圧電素子の対向する面が同一の極性になるようにすることである。これによって、圧電素子の接合面は１層ごとに、プラス極とマイナス極となる。そして、プラス極については一方の極、たとえばダイアフラムヘッド１２の電極部１４に電荷を集めるようにし、マイナス極については他方の極、この場合は電極部１６に電荷を集めるようにする。
【００２７】
図３は、４枚の圧電素子３１、３２、３３、３４を積層して積層圧電体３０を形成した状態を示す。積層圧電体３０を構成する各々の圧電素子の表面に発生する電荷量を検知するため、圧電素子３１〜３４の接合面にスパッタリングあるいは蒸着等によって下地膜を形成し、はんだ等の導電材を用いて圧電素子３１〜３４をＸ軸方向に積み重ね一体化する。これによって、圧電素子３１〜３４の接合面が同極同士となり、接合面に電荷を取り出すための導体層３６が形成された圧電素子のブロック体が形成される。
【００２８】
次に、ブロック体のＹ軸方向の両端面に、メタライズ等により電極膜３７を形成し、圧電素子の３１〜３４の接合面に形成した導体層３６と電極膜３７とを電気的に接続する。
ブロック体の両端面に電極膜３７を形成した状態では圧電素子３１〜３４の接合面に形成された導体層３６がすべて電極膜３７と電気的に短絡した状態になっているから、ブロック体のＹ軸方向の両端面を圧電素子３１〜３４の接合位置に合わせて断面形状でＵ形に研削して電極分離溝３５を形成する。電極分離溝３５は各端面で圧電素子の２枚ごとに研削し、ブロック帯の一方の端面と他方の端面で電極分離溝３５を形成する位置が１段ずつ異なるようにする。
このように電極分離溝３５を形成することにより、ダイアフラムヘッド１２側の電極部１４に当接する端面にはプラス極に導通した電極３８ａが形成され、リードピン４０側の電極部１６に当接する端面にはマイナス極に導通した電極３８ｂが形成される。
【００２９】
本実施形態では、ブロック体の端面を断面形状でＵ形に研削することによってプラス極となる導体層３６とマイナス極となる導体層３６との電気的短絡を解消しているが、プラス極とマイナス極とを分離する方法としては、ブロック体を研削する方法に限らず、たとえばブロック体の端面に電極膜３７を形成する際に、ブロック体の一方の端面ではプラス極に導通する電極３８ａをパターン形成し、ブロック体の他方の端面ではマイナス極に導通する電極３８ｂをパターン形成する方法も可能である。
ただし、ブロック体の端面を研削して電極分離溝３５を形成する方法は、圧電素子の接合位置に合わせて導体層３６が部分的に彫り込まれるようになるから、プラス極とマイナス極とを確実に電気的に遮断できるという利点がある。
【００３０】
また、図３に示す実施形態では、電極部１４にプラス極が導通し、電極部１６にマイナス極が導通する配置となっており、検知部ではリードピン４０を介してマイナスの電荷が検知される状態となっている。積層圧電体３０を電極部１４と電極部１６との間に配置する向きは任意に選択可能であり、図３の配置とは逆に、電極部１４にマイナス極を当接させ、電極部１６にプラス極を当接させる配置とすることもできる。この場合は、検知部ではプラス電荷を検知することになる。なお、いずれの場合も電極部１４は接地電位となる。
【００３１】
以下では、上述した方法にしたがって積層圧電体３０を実際に作成した例について説明する。図５は、積層圧電体３０を製造工程をフロー図によって示したものである。
まず、Ｙ軸寸法と光学軸寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍのランガサイト結晶を研削し、Ｘ軸方向の厚み出し加工（ステップ５０）を行う。本実施形態では、Ｘ軸の厚さが０．３４ｍｍｍとなるように厚み出し加工を行った。
次に、ランガサイト結晶の接合面に成膜加工（ステップ５１）を施した。本実施形態では、スパッタリングによりランガサイト結晶の接合面に下地膜（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を形成した。
次に、ランガサイト結晶を積み重ねて一体に接合するため（ステップ５２）、下地膜にハンダ膜（ＡｕＳｎ）を形成し、４枚のランガサイト結晶を極方向を一致させてＸ軸方向に積み重ね、４００℃でリフローして積層体を形成した。
【００３２】
次に、積層体を研削して、Ｙ軸方向の寸法出しを行った（ステップ５３）。本実施形態ではＹ軸方向の長さが３ｍｍとなるようにした。これによって、積層体の大きさは、１．４ｍｍ（Ｘ軸）×３．０ｍｍ（Ｙ軸）×２０ｍｍ（光学軸）となった。
次に、積層体のＸ軸方向とＹ軸方向の４面にメタライズ（Ｔｉ／Ａｕ）を施し（ステップ５４）、Ｙ軸方向の両端面に電極膜３７を形成し、Ｘ軸方向の両端面に導体膜３９を形成する。Ｘ軸方向の両端面にメタライスを施して導体膜３９を形成しているのは、積層体の上面と下面の導体膜３９がコーナー部を介してＹ軸方向の両端面に形成された電極膜３７と電気的に導通するようにするためである。
【００３３】
次に、積層体のＹ軸方向の両端面に電極分離溝３５を形成する（ステップ５５）。電極分離溝３５は、ランガサイト結晶の接合面に合わせて断面Ｕ字状に研削することによってなされる。積層体はＺ軸方向に細長く（２０ｍｍ）形成されており、Ｚ軸方向に積層体を研削することによって一括して電極分離溝３５を形成することができる。
次に、積層体をＺ軸方向に所定長さごとに切断して、個片のブロック体（積層圧電体）を形成する（ステップ５６）。本実施形態ではブロック体のＺ軸方向の長さが１．４ｍｍとなるように積層体を切断した。
最後に、個片に形成されたブロック体のＹ軸方向の端面の電極３８ａ、３８ｂを除いた４面および電極分離溝３５に絶縁コート材を塗布し（ステップ５７）積層圧電体３０を得た。
【００３４】
図４は、こうして得られた積層圧電体３０の斜視図を示す。積層圧電体３０は圧電素子が４枚積層されて全体形状が四角柱状に形成されたものとなる。積層圧電体３０の大きさは１．４ｍｍ（Ｘ軸）×３．０ｍｍ（Ｙ軸）×１．４ｍｍ（Ｚ軸）である。
積層圧電体３０は、Ｘ軸方向については接合面に導体層が形成されて接合され、上面と下面にメタライズによって形成された導体膜３９が形成されている。また、Ｙ軸方向については、両端面に電極分離溝３５が形成され、Ｙ軸方向の一方の端面あるいは他方の端面に形成された電極３８は、プラス極またはマイナス極の導体層３６と電気的に接続されたものとなる。
【００３５】
本実施形態の積層圧電体３０をダイアフラム厚０．１ｍｍ、径３．２ｍｍの圧力センサに搭載することによって、２０ｐＣ／ｂａｒの電荷出力を得ることができた。この横軸効果形の圧力センサは、従来の縦軸効果形のランガサイト結晶を２枚利用した圧力センサと比較して、４〜５倍の出力感度を得ることができ、Ｓ／Ｎ比についても４〜５倍に向上させることができた。
上述したように、本実施形態の積層圧電体３０の製造方法では、ランガサイト結晶を積層してブロック状とした状態で寸法加工するから、加工が容易になるとともに、積層体を個片に切断して製品とすることから、量産が容易で小型化も容易であるという利点がある。
【００３６】
本発明に係る圧力センサでは、積層圧電体３０の両端面に電極部１４、１６を面接触する配置としている。したがって、ダイアフラムヘッド１２で受ける熱が速やかに内部構造体へ伝達する構成となっており、第１のインナーボディ２２が本体１０と強固に接触する配置になっている等により、圧力センサ全体の温度が短時間のうちに均一になる。これによって温度ドリフトを抑えることが可能になり、圧力の検知精度を向上させることが可能になる。
【００３７】
なお、圧電素子としてランガサイト結晶を使用した場合には、ランガサイト結晶が焦電性を有しないこと、キュリー点が存在しないことから、高温での使用が容易に可能となり広い温度範囲において安定した圧電特性を維持することができるという利点がある。これによって、内燃機関のシリンダ内の圧力を計測するといった、高温環境下での圧力計測に好適に使用することができる。
もちろん、本発明に係る圧力センサはシリンダ内の圧力測定用に限らず、排気圧や燃料噴射圧など種々用途の圧力測定用として利用することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係る圧力センサによれば、上述したように、横軸効果型の圧電素子を複数枚積層して使用することによって、センサ部による出力を増大させ、感度を向上させることが可能となり、高精度でかつ信頼性の高い圧力センサとして提供することが可能となる。また、センサ部の小型化が可能となり圧力センサの小径化、小型化を図ることが可能になる。
また、本発明に係る積層圧電体は、圧電素子を複数枚使用することで、感度のよいセンサとして使用することができ、内燃機関のシリンダ等の圧力検知用として好適に使用することができる。
また、本発明に係る積層圧電体の製造方法によれば、圧電素子を複数枚積層した積層圧電体を容易に製造することができ、個々の圧電素子に発生する電荷を効果的に検知できるセンサの構成とすることができ、圧力センサ用等として好適に使用できる積層圧電体を容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力センサの一実施形態の全体構成を示す断面図である。
【図２】圧力センサの前端部近傍の構成を示す断面図である。
【図３】積層圧電体の構成を示す説明図である。
【図４】積層圧電体の斜視図である。
【図５】積層圧電体の製造工程を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０ 本体
１１ ねじ
１２ ダイアフラムヘッド
１２ａ ダイアフラム部
１２ｃ 受圧面
１２ｄ 圧力伝達面
１４、１６ 電極部
１８ 絶縁リング
２０ 絶縁スリーブ
２２ 第１のインナーボディ
２２ａ 凹面
２４ 第２のインナーボディ
２４ａ 凸面
２８ レセプタクル
３０ 積層圧電体
３１、３２、３３、３４ 圧電素子
３５ 電極分離溝
３６ 導体層
３７ 電極膜
３８、３８ａ、３８ｂ 電極
３９ 導体膜
４０ リードピン
４２ 絶縁パイプ
Claims (11)
- 筒状に形成された本体の前端部にダイアフラムが設けられ、ダイアフラムの後方に配置された圧電素子からなるセンサ部により、前記ダイアフラムを介して作用する圧力を検知可能に設けられた圧力センサにおいて、
前記センサ部として、複数枚の圧電素子を、接合面が同一の極性となるように極性方向を変えて圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体のブロック体に形成するとともに、ブロック体の応力印加軸方向の一方と他方の端面が個別にプラス極とマイナス極となる電極を形成した積層圧電体が使用され、
前記ダイアフラムが、被測定体からの圧力を受けるダイアフラム部と、該ダイアフラム部と一体にダイアフラム部の後部に形成され、端面が前記積層圧電体の一方の端面に面接触により当接する電極部とを備えたダイアフラムヘッドに形成され、
前記積層圧電体の後部側に、前記本体に対して電気的に絶縁されて前記積層圧電体の他方の端面に面接触により当接するとともに、積層圧電体に発生する電荷を検知するリードピンが接続された電極部が設けられていることを特徴とする圧力センサ。 - 前記積層圧電体は、
圧電素子の接合面に導体層が形成され、
前記ブロック体の応力印加軸方向の一方の端面には、プラス極となる導体層あるいはマイナス極となる導体層のどちらかの導体層がすべて電気的に接続されている電極が設けられ、
応力印加軸方向の他方の端面には、前記一方の端面の極性と逆の極性となる導体層がすべて電気的に接続されている電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。 - 前記積層圧電体は、
ブロック体の応力印加軸方向の端面に、圧電素子の接合面の位置に合わせて圧電素子の２枚ごとに電極分離溝が形成され、ブロック体の一方の端面と他方の端面とで前記電極分離溝の位置が１段ずつ異なる配置とされていることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。 - 前記本体に、前記積層圧電体の後部側に配置された電極部に絶縁部材を介して当接するとともに、前記積層圧電体に予圧を作用させた状態で本体に固定された第１のインナーボディが設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
- 前記本体に、前記積層圧電体の後部側に配置された電極部に絶縁部材を介して当接する第１のインナーボディと、
該第１のインナーボディの後部側に配置され、本体に螺合して、前記第１のインナーボディ、前記絶縁部材および前記電極部を介して前記積層圧電体に予圧を作用させるため第２のインナーボディが内設されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。 - 前記第１のインナーボディの後部が円錐状の凹面に形成され、前記第２のインナーボディの前部が球面状の凸面に形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の圧力センサ。
- 積層圧電体を構成する圧電素子として、ランガサイト系結晶が用いられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の圧力センサ。
- 複数枚の圧電素子を積層して一体のブロック体に形成した積層圧電体であって、
前記圧電素子が、圧電結晶の電荷発生軸方向に、接合面に導体層を介して接合面が同一の極性となるように積み重ねて一体に形成され、
前記ブロック体の応力印加軸方向の両端面に、前記導体層のうちプラス極となるすべての導体層に電気的に接続する電極と、マイナス極となるすべての導体層に電気的に接続する電極とが、分離して設けられていることを特徴とする積層圧電体。 - 前記圧電素子として、ランガサイト系結晶が用いられていることを特徴とする請求項８記載の積層圧電体。
- 複数枚の圧電素子を、圧電結晶の電荷発生軸方向に、接合面が同一の極性となるように導体層を介して積み重ねて一体化することにより、圧電素子が積層されたブロック体を形成し、
該ブロック体の応力印加軸方向の両端面に前記導体層と電気的に接続する電極膜を形成し、
該ブロック体の応力印加軸方向の端面を、圧電素子の接合面の位置に合わせて、ブロック体の一方の端面と他方の端面とで圧電素子の１段ごと異なる配置として圧電素子の２枚ごとに電極分離溝を形成することにより、前記導体層のうちプラス極となる導体層に電気的に接続する電極と、前記導体層のうちマイナス極となる導体層に電気的に接続する電極とを、ブロック体の両端面に分離して形成し、
前記ブロック体の応力印加軸方向の両端面の電極の表面を除いたブロック体の外面を絶縁コート材によって被覆することを特徴とする積層圧電体の製造方法。 - 光学軸方向に多数個取り可能な圧電素子を、圧電結晶の電荷発生軸方向に積み重ねて一体化することにより、圧電素子が積層された積層体を形成し、
該積層体の応力印加軸方向の両端面に電極膜を形成し、積層体の端面に電極分離溝を形成した後、
積層体を光学軸方向に所定幅で切断して個片のブロック体を形成し、
ブロック体の応力印加軸方向の両端面の電極の表面を除いたブロック体の外面を絶縁コート材によって被覆することを特徴とする請求項１０記載の積層圧電体の製造方法。
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