JP2012112824A - 圧力センサ素子およびこれを備えた圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 外来振動に対して圧電体の破損が起こりにくく、耐久性に優れた圧力センサ素子およびこれを備えた圧力センサを提供する。
【解決手段】
本発明は、平板状の電極２と圧電膜３とが積層された圧力センサ素子であって、少なくとも１つの電極が他の電極２２とは異なる形状の電極２１であることを特徴とするものである。これによって、振動波が乱反射されるようになり、外来振動による共振を抑制し、共振による圧電膜の破損を防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、気体、液体等の圧力、特に自動車用エンジンの燃焼圧力を計測するための圧力センサ素子およびこれを備えた圧力センサに関する。

図３および図４に示すように、圧力センサ素子５１として、平板状の電極５２と圧電膜５３とを交互に積層した形態のものが知られている。また、上記の圧力センサ素子５１を筐体（素子ケース５４および素子ケースキャップ５５）の内部に収納して封止し、例えば圧力センサ素子５１を構成する電極５２のうち正負一方の極側の電極と筐体（素子ケース５４および素子ケースキャップ５５）とを、また他方の極側の電極と出力用ケーブルの信号線（図示せず）とを、それぞれ電気的に接続させて、圧力センサ５０が構成されている。なお、図では、圧力センサ素子５１を構成する電極５２および圧電膜５３は円環状に形成され、圧力センサ素子５１を収納する圧力センサ５０の内部空間も圧力センサ素子５１の積層方向から見て円環状となっている。

この圧力センサ５０は、圧力センサ素子５１の積層方向に対して上下となる上下面に印加された圧力を電荷に変換する機能を有し、電気信号による圧力計測を可能とするものである。

そして、例えば、自動車エンジンのシリンダヘッドに取り付けられた点火プラグや燃料インジェクタなどの装置の座面に上記の圧力センサ５０を挿入することにより、自動車エンジンのシリンダ内の圧力が計測できるようになる（例えば特許文献１、２を参照）。

特開2002-231413号公報 特開2008-128805号公報

しかしながら、圧力センサに外来振動（外部からのノイズ）が加わって、この外来振動に電極５２が共振してしまう場合がある。特に、自動車エンジンにおいては、外来振動が多いことから、共振によって圧電膜５３に大きな歪みが生じて破損してしまうおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外来振動による圧電膜の破損が起こりにくく、耐久性に優れた圧電センサ素子およびこれを備えた圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の圧力センサ素子は、平板状の電極と圧電膜とが積層された圧力センサ素子であって、少なくとも１つの電極が他の電極とは異なる形状の電極であることを特徴とする。

ここで、本発明の圧力センサ素子は、上記構成において、前記電極が円環状であることが好ましい。

また、前記他の電極とは異なる形状の電極は、側面に突起が形成されていることが好ま
しい。

さらに、前記他の電極とは異なる形状の電極は、内側の側面に突起が形成されていることが好ましい。

さらに、前記突起が２個以上あることが好ましい。

さらに、前記突起が等間隔に配置されていることが好ましい。

さらに、前記突起の厚さが、その他の部位の厚さよりも薄いことが好ましい。

さらに、前記他の電極とは異なる形状の電極における側面と前記突起の先端面とが平行であることが好ましい。

さらに、前記他の電極とは異なる形状の電極は、側面の少なくとも一部を覆うように圧電膜が回り込んでいることが好ましい。

さらに、前記他の電極とは異なる形状の電極は、前記側面に形成された前記突起を覆うように圧電膜が回り込んでいることが好ましい。

さらに、前記圧電膜が２重に形成されていることが好ましい。

また、本発明の圧力センサは、上記いずれかの圧力センサ素子と、該圧力センサ素子を収容し前記電極のうち正負一方の極側の電極と電気的に接続された筐体とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の圧力センサ素子は、少なくとも１つの電極が他の電極とは異なる形状の電極であることによって、振動波が乱反射されるようになり、外来振動による共振を抑制し、共振による圧電膜の破損を防止することができる。

本発明の圧力センサ素子および圧力センサの実施の形態の一例を示す上方透視図である。 図１に示す圧力センサ素子および圧力センサのＡ−Ａ線断面図である。 従来の圧力センサ素子および圧力センサの一例を示す上方透視図である。 図３の圧力センサ素子および圧力センサのＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明の圧力センサ素子および圧力センサの実施の形態の例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の圧力センサ素子および圧力センサの実施の形態の一例を示す上方透過図である。また、図２は、図１の圧力センサ素子および圧力センサのＡ−Ａ線断面図である。

図１および図２に示す圧力センサ素子１は、平板状の電極２と圧電膜３が交互に積層されて構成された積層体である。この圧力センサ素子１は、例えば自動車エンジンの点火プラグ取付部に実装してエンジンのシリンダ内圧を測定するために使用する場合、直径１２〜２５ｍｍ程度、高さ０．５〜６ｍｍ程度の大きさとされる。

平板状の電極２は、ステンレス、銅、インコネルなどの金属からなる。図１および図２に示すように、平板状の電極２は例えば円環状に形成されたものであり、外周の直径が１０〜２５ｍｍ、外周の半径と内周の半径との差が０．２〜７．５ｍｍ、厚みが０．０２〜５ｍｍとなっている。電極２には正極と負極とが含まれていて、例えば正極と負極とが交互に配置されていてもよく、交互ではなく一定の規則性をもたせた配置になっていてもよい。また、電極２における正極同士または負極同士は直接電気的に接続されていてもよく、分岐させた信号線がそれぞれの電極２に接続されていてもよい。

なお、平板状の電極２としては、その用途に応じて円板状や矩形板状のものなどを採用することもできるが、本例のように円環状であることによって、中央の穴が外来振動の電極２の内部での伝播及び圧力センサ素子１（電極２と圧電膜３との積層体）の内部での伝播を妨げ、振動波の往復により生じる共振が発生しにくい構造となる。

圧電膜３は、膜の厚さ方向に圧電性を有する圧電材料、例えば水晶、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランガサイト、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなり、０．３μｍ〜１００μｍ程度の厚みに形成されたものである。この圧電膜３に圧力が伝達されると、その圧電的性質により印加された圧力に応じた量だけ圧電膜３の両面に電荷が発生するようになっている。圧電膜３としては、膜の厚さ方向に特に大きな圧電定数を有する結晶方向で配向されていることが好ましい。ただし、その組織形態は単結晶、多結晶のいずれでもよく、なんら限定されるものではない。なお、図１に示す電極２は、表面に圧電膜３が被覆された電極（電極２１）と圧電膜の被覆されていない電極（電極２２）とが交互に配置された例を示しているが、このような配置に限定されない。また、圧電膜３は、電極２１の表面全体を被覆するように設けられた膜であるが、このような形態に限られず、例えば電極２と同様に平板状のものであってもよい。

そして、電極２のうち、少なくとも１つの電極が他の電極とは異なる形状の電極となっている。本例では、電極２２を他の電極とし、電極２１を他の電極とは異なる形状の電極としている。

少なくとも１つの電極が他の電極とは異なる形状の電極であることによって、電極の積層構造の周期性、対称性が失われ、外来振動の振動波が乱反射されて共振が起こりにくくなる。そして、外来振動による共振が起こりにくくなることで、電極２ひいては圧電膜３に大きな歪みが発生しにくく、圧電膜３の破損がおきにくくなる。

ここで、他の電極２２とは異なる形状の電極２１としては、図１および図２に示すように、側面に突起２３が形成されているのが好ましい。側面に突起２３が形成されていることによって、突起２３の部分が他の部分に比べて振動しやすいことから、圧力センサ素子１の振動をより大きく乱すことができる。したがって、外来振動による共振がさらに起きにくくなって圧電膜３に大きな歪が生じにくくなり、圧電膜３の破損もより起きにくくなる。なお、突起２３の形状としては、例えば電極２１が円環状であって後述する圧力センサ１０を構成する筐体４（素子ケース４１および素子ケースキャップ４２）の内部の空間（圧力センサ素子１の収容空間）も同様に積層方向から見て円環状である場合は、図１に示すように、薄く張り出した形状であるのがよい。

また、電極２が円環状のものである場合において、他の電極２２とは異なる形状の電極２１は、内側の側面に突起２３が形成されていることが好ましい。突起２３が内側の側面に形成されていることによって、外来振動が圧力センサ素子１の内側で乱反射され、共振振動がさらに起こりにくく、圧電膜３の破損もより起こりにくくなる。また、突起２３が内側の側面に形成されていることによって、圧力センサ素子１の内側の空間の温度と圧力
センサ素子１自身の温度とが均一に近づくようになり、外部の温度変化の影響を受けないことから、圧力センサ素子１の温度変化が小さく抑えられる。したがって、外部の温度変化によって発生する各部材の熱歪みまたは圧電センサ素子１を保持する予荷重の変動に伴う非感圧性のセンサ出力（測定対象である気体、液体の圧力とは無関係のセンサ出力）が小さく抑えられ、圧力の測定精度を改善できる。

また、突起２３は、他の電極２２とは異なる形状の電極２１（一つの電極）において２個以上あるのが好ましい。一つの電極に突起２３が２個以上あることによって、圧力センサ素子１の内側の空間の温度と圧力センサ素子１自身の温度との均一性がより高められ、圧力センサ素子１の温度変化がさらに小さく抑えられる。したがって、熱歪みや予荷重の変動に伴う非感圧性のセンサ出力がより小さく抑えられて、圧力の測定精度がより改善される。さらに、バランスがよくなって振動時の重心変動が抑制されることから、圧力センサ素子１の重心変動に伴う加速度を低減でき、加速度に起因する非感圧性の出力が小さく抑えられて、圧力測定精度をより改善できる。なお、突起の数としては３個以上あると、重心変動抑制効果が電極全周でより確実に発揮されるため、より好ましい。

また、突起２３は、図１に示す例のように円周方向に等間隔に配置されていることが好ましい。突起２３が円周方向に等間隔に配置されていることによって、吸放熱が圧力センサ素子１の円環形状全周にわたって温度分布が均一となり、熱歪みが小さく抑えられる。したがって、熱歪みに伴う非感圧性の出力がより小さく抑えられ、圧力測定精度をさらに改善できる。なお、突起２３間の代表半径上での曲線距離が同じ半径上での各突起２３の幅（円周方向の幅）の３倍以下であると、圧力センサ素子１の温度分布が円環形状全周ほぼ均一となることから、より好ましい。

さらに、突起２３の厚さがその他の部位の厚さよりも薄いことが好ましい。突起２３の厚さが、電極２１におけるその他の部位の厚さよりも薄いことによって、電極２１における他の部位に比べて突起２３の剛性が低くなり、振動時の歪みが突起２３に集中して、電極２１の他の部位の歪みが小さく抑えられる。したがって、振動時の電極２の積層領域の圧電膜３の歪みを小さくでき、圧電膜３の破損をより起こりにくくすることができる。このとき、突起２３の表面に圧電膜３があることで、曲率半径の小さな歪みが発生しにくく、歪みの大きな突起２３と歪みの小さな積層領域との間は歪みが緩やかに変化するため、これらの境界近傍でも歪みが小さく抑えられる。なお、望ましくは、振動による疲労破壊を生じさせにくく、歪みを突起２３に集中させる点で効果的な範囲として、突起２３の厚さがその他の部位の厚さ（電極２１厚さ）の２０〜８５％の厚さであるのがよい。

さらに、他の電極２２とは異なる形状の電極２１における側面と突起２３の先端面とが平行であることが好ましい。他の電極２２とは異なる形状の電極２１における側面と突起２３の先端面とが平行であることによって、突起２３の全幅にわたって均一な温度勾配になる。結果として、電極周方向の温度分布が小さく抑えられ、熱歪みが小さくなり、誤差要因である測定対象の圧力変動以外の歪みによる圧電膜３の電荷発生（熱歪みに伴う非感圧性の出力）がさらに小さく抑えられ、圧力測定精度をより改善できる。

さらに、他の電極２２とは異なる形状の電極２１は、側面の少なくとも一部を覆うように圧電膜３が回り込んでいることが好ましく、特に側面の全域を覆うように圧電膜３が回り込んでいることが好ましい。ここで、側面の少なくとも一部を覆うように圧電膜３が回り込んでいるとは、例えば図２に示すように圧電膜３の回り込み領域３１が形成されていることを意味している。他の電極とは異なる形状の電極２１は、側面の少なくとも一部を覆うように圧電膜３が回り込んでいることによって、電極２１の厚み方向の剛性が増して厚み振動（厚みが変化するような振動）が抑制される。したがって、振動に伴って発生する圧電膜３の歪みをさらに低減できる。結果として、外来振動に対する共振がさらに起こ
りにくくなり、圧電膜３の破損もよりおきにくくすることができる。

さらに、他の電極２２とは異なる形状の電極２１は、側面に形成された突起２３を覆うように圧電膜３が回り込んでいることが好ましい。上下に隣接する電極２１または電極２２で厚さ方向の変位が拘束されていないため、特に厚み振動が発生しやすい突起２３の側面に圧電膜３を設けることで、厚み振動の抑制効果が最大限に発現される。結果として、外来振動に対して共振がより起こりにくく、圧電膜３の破損もさらにおきにくくできる。

さらに、他の電極２２とは異なる形状の電極２１における側面の少なくとも一部（好ましくは全域）を覆うように圧電膜３が回り込んでいる場合において、圧電膜３が２重に形成されていることが好ましい。圧電膜３が２重になっていることによって、電極２１の厚み方向の剛性がさらに高められ突起２３における厚み振動がより抑制される。よって振動に伴って発生する圧電膜３の歪みをより効果的に低減できる。結果として、外来振動に対する共振がさらに抑えられ、圧電膜３の破損をさらに起こりにくくできる。

図１および図２に示す圧力センサ１０は、上述の圧力センサ素子１を筐体４（素子ケース４１および素子ケースキャップ４２）の内部に収納して封止している。

筐体４は、例えばステンレス、インコネル、コバール、銅またはその合金などの金属で形成されている。ここで、筐体４（素子ケース４１および素子ケースキャップ４２）は、図に示す例では、圧力センサ素子１を収容する内部空間が、圧力センサ素子１と同様に積層方向から見て円環状の空間となっている。なお、図示しないが、筐体４は圧力センサ素子１を収容する円環状の空間を設ける形状のみならず、積層方向から見て円環状の形状の一部を外側に張り出すようにした形状として、後述する信号線を配置するなどしてもよい。

圧力センサ１０では、上下面いずれか一方から圧力が印加されると、素子ケース４１の底面または素子ケースキャップ４２を介して、圧力センサ素子１に圧力が伝達される。そして、圧力センサ素子１の内部では、電極２を介して圧電膜３に圧力が伝達される。また、圧電膜３で発生した正負おのおのの電荷は圧電膜３に接触した電極２１または電極２２に集められる。

電極２１または電極２２に集められた電荷は、例えば分岐された信号線や筐体４（素子ケース４１および素子ケースキャップ４２）に接続された同軸ケーブルの信号線、ＧＮＤ線（図示せず）を介して、圧力センサ１０の外部へと出力される。圧力センサ１０の外部に出力された電荷は、アンプにより電圧信号に変換されるなどして、印加された圧力の測定に供する。

このような圧力センサ１０においては、素子ケース４１と素子ケースキャップ４２により圧力センサ素子１の封止構造が形成されるが、この構造により、圧力センサ素子１が、外来の異物接触による破損や、水分をはじめとする液体や気体による腐食や絶縁不良などの不具合から保護される。また、電磁気的にシールドされた状態とし、外来の電磁的ノイズの影響による圧力センサとしての精度低下を最小化する機能も有する。なお、これらの機能のいずれかあるいは全てを有し、かつ圧力センサ素子１に圧力を伝達できるものであれば、素子ケース４１と素子ケースキャップ４２の形態は図１、図２に示されたものになんら限定されることはない。

なお、素子ケース４１の底面および素子ケースキャップ４２が電極２の機能を兼ねても良い。すなわち、積層された圧電膜３のうち少なくとも１枚が、素子ケース４１の底面および素子ケースキャップ４２のいずれか一方または両方と隣接するように積層され、圧電
膜３の表面に発生した電荷を集める機能を併せ持ってもよい。

次に、図１および図２に示す本発明の圧力センサ素子１および圧力センサ１０の製造方法の例を説明する。

電極２（電極２２および電極２２と異なる形状の電極２１）は、例えば、圧延加工された金属材を金型打ち抜き加工やエッチング加工で所望の形状に成形することで得られる。

圧電膜３は、蒸着法、スパッタリング法、ディッピング法、スピンコート法などの成膜法によって電極２１に直接形成するほか、原材料を成膜後、焼成工程などの熱処理を経て所望の圧電体とすることによって製造することもできる。

また、多結晶性の材料においては、圧電膜３の圧電感度を高めるため、膜の厚さ方向に電圧を印加することで結晶配向性を高くすることもできる。また、前記のような圧電膜３を電極２１および電極２２とは別に製作し、密着機で貼り合わせたり、積層機で電極２１や電極２２とともに積層したりするなどしてもよい。

圧力センサ素子１は、これらの部材を位置決め機能を有する積層機で所望の順序に積層することにより得られる。位置決めは金型やジグにより電極２１、電極２２および圧電膜３の側面を整列させることのほか、必要に応じて突起２３の位置を所望の位置に合わせることなどを含む。

また、電極２のうちの正極側同士および負極側同士を、例えば側面をワイヤボンディングで直接接続したり、信号線を各電極板に抵抗溶接や熱固化性あるいは反応固化性の導電ペーストで接続したりすることで、圧電膜３に発生し電極２１、電極２２に集められた電荷を、同軸ケーブルなどで圧力センサ素子１の外部に出力することが可能な圧力センサ素子１が得られる。

次に、図１および図２に示した本発明の圧力センサ１０は、上記の方法で製作された圧力センサ素子１を、素子ケース４１に収納し、素子ケースキャップ４２で封止することによって製作できる。

素子ケース４１と素子ケースキャップ４２の接合により圧力センサ素子１の封止構造が形成されるが、その方法は、抵抗溶接、レーザー溶接のような溶着法でも、半田付けやロー付け、金属導体入りペースト材塗布のように第３の金属材料を介した接合方法でも構わない。また、特定の周波数範囲など、限定されたシールド特性のみ要求される場合は、ゴム、シリコーン、ポリテトラフルオロエチレン、ガラスなどの非金属材により封止しても構わない。

以上のような形態、製造方法で製作された本発明の圧力センサ素子１および圧力センサ１０は、例えば、内燃機関の気筒（シリンダ）の燃焼室に挿入される、点火プラグ、燃料噴射装置等の装置の取り付け部分に配置される。これらの装置はネジの締め込みやバネなどの弾性材による押さえ込みにより内燃機関の気筒（シリンダ）に固定されている。この固定力は、気筒（シリンダ）内における、ピストンの運動による燃焼室体積の変動、燃料の爆発による燃焼室内ガスの膨張、給排気などに伴う圧力変化により変動する。圧力センサ１０はそれを挿入された装置の固定力変動に伴って電荷を生じるため、結果的に間接的に内燃機関の燃焼室内の圧力を計測することが可能となる。なお、内燃機関とは、前述の気筒（シリンダ）、点火プラグ、燃料噴射装置、ピストンのほか、グロープラグ、燃料供給や給排気のためのバルブなどを有するものである。具体的には、自動車等の乗物あるいは貨物運搬車両等に用いられるガソリンエンジン、アルコール混合ガソリンエンジン、デ
ィーゼルエンジン、アルコールエンジンまたは水素ガスエンジン等である。

本発明の圧力センサ素子１および圧力センサ１０は、内燃機関の燃焼室の圧力を測定する燃焼圧センサとして機能し、内燃機関のピストン運動により生じる振動や自動車等の乗物等として動作したときの振動の影響を受けにくく、高い測定精度と優れた耐久性を有するものであるので、内燃機関の制御特性ひいては燃焼特性を高めることができ、また耐久性に優れたものである。

φ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの平板状の電極２２を１枚、ステンレス材（ＳＵＳ３０４）から切り出して作製した。

また同様の方法で、φ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで側面に円周方向の長さ１０ｍｍ、径方向の幅１ｍｍの突起２３を１つ設け、電極２２とは異なる形状とした電極２１を１枚作製した。さらに、電極２１の一方の面には鏡面加工処理を施し、面粗さＲａ０．０２μｍに仕上げた。

次に、電極２１の鏡面処理面を基板として、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、ターゲットにはφ５０の高純度セラミックスＰＺＴ板を用い、基板温度７５０℃、到達真空度２×１０^−４Ｐａで予熱を行った後、アルゴンガス導入し、成膜圧力３．０Ｐａ、電流密度７０Ｗ／ｍ^２で１０ｈｒ成膜し、膜厚１μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜を製作し、圧電膜３とした。

次に、電極２１、圧電膜３、電極２２の順になるよう積層し、さらに電極２１と電極２２の間に直流電圧６０Ｖを印加し、圧電膜３に分極処理を施して、本発明の圧力センサ素子１を作製した。

圧電特性は、圧力センサ素子１に油圧プレス装置で荷重１０００Ｎを印加したときの発生電荷を測定して確認し、１０２ｐＣ／Ｎを得た。

同様に従来の圧力センサ素子５１を、２枚の平板状の電極５２を作製、うち１枚の一方の面に鏡面加工処理を施した後、高周波マグネトロンスパッタリング法にて膜厚１μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜（圧電膜５３）を製作、圧電膜５３が中間層となるような順番で積層後、６０Ｖの電圧を印加して製作した。圧電特性は、１０３ｐＣ／Ｎであった。

これらの圧力センサ素子１、５１について、長時間振動試験を行い、耐久性を評価した。評価条件は、５〜５０００Ｈｚ、２０Ｇの振動数スイープ試験を２００時間実施した。

この結果、従来の圧力センサ素子５１は電極間がショートし、圧電特性の計測が不可能となった。分解したところ、圧電膜５３にクラックが生じていた。

これに対し、本発明の圧力センサ素子１ではショートは発生せず、圧電特性は試験前と同じ１０２ｐＣ／Ｎであった。

１：圧力センサ素子
２、２１、２２：電極
２３：突起
３：圧電膜
３１：回り込み領域
４：筐体
４１：素子ケース
４２：素子ケースキャップ

Claims (12)

1. 平板状の電極と圧電膜とが積層された圧力センサ素子であって、少なくとも１つの電極が他の電極とは異なる形状の電極であることを特徴とする圧力センサ素子。
2. 前記電極は円環状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ素子。
3. 前記他の電極とは異なる形状の電極は、側面に突起があることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ素子。
4. 前記他の電極とは異なる形状の電極は、内側の側面に突起があることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ素子。
5. 前記突起が２個以上あることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧力センサ素子。
6. 前記突起が等間隔に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ素子。
7. 前記突起の厚さが、その他の部位の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の圧力センサ素子。
8. 前記他の電極とは異なる形状の電極における側面と前記突起の先端面とが平行であることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれかに記載の圧力センサ素子。
9. 前記他の電極とは異なる形状の電極は、側面の少なくとも一部を覆うように圧電膜が回り込んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の圧力センサ素子。
10. 前記他の電極とは異なる形状の電極は、前記側面に形成された前記突起を覆うように圧電膜が回り込んでいることを特徴とする請求項３乃至請求項８のいずれかに記載の圧力センサ素子。
11. 前記圧電膜が２重に形成されていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の圧力センサ素子。
12. 請求項１に記載の圧力センサ素子と、該圧力センサ素子を収容し前記電極のうち正負一方の極側の電極と電気的に接続された筐体とを備えた圧力センサ。

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