JP2017102113A - 圧電型圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本質的に歪みがなく機械的に安定した電荷転送部を有する圧電型圧力センサを提供する。
【解決手段】力を受ける膜２１と、受けた力により分極電荷を生成させる圧電変換器２２とを有し、生成された分極電荷を受けて電荷転送部３１１を介して分極電荷を伝える電極２５を備える。電極２５は、電荷ピックオフ２５１と、少なくとも１つの電極ストリップ２５２とを備え、電荷ピックオフ２５１は、力の印加される圧電変換器２２の前面に対して平行に配置され、電極ストリップ２５２が、ある領域で材料結合により電荷転送部３１１に接続される。
【選択図】図７
【解決手段】力を受ける膜２１と、受けた力により分極電荷を生成させる圧電変換器２２とを有し、生成された分極電荷を受けて電荷転送部３１１を介して分極電荷を伝える電極２５を備える。電極２５は、電荷ピックオフ２５１と、少なくとも１つの電極ストリップ２５２とを備え、電荷ピックオフ２５１は、力の印加される圧電変換器２２の前面に対して平行に配置され、電極ストリップ２５２が、ある領域で材料結合により電荷転送部３１１に接続される。
【選択図】図７
Description
本発明は、独立請求項の前文に記載された圧電型圧力センサおよびこの圧電型圧力センサの製造方法に関するものである。
圧電変換器は、圧力、力、加速度、伸び、モーメントなどを検出するためのセンサに広く使用されている。そのため、圧電型圧力センサは、クランクシャフトの位置または時間に応じて変化する圧力チャンバのシリンダ圧力を検出するために、内燃機関の圧力の指示に使用される。内燃機関には、４サイクルエンジン、およびガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ワンケルエンジンなどの２サイクルエンジンがある。船用ディーゼルエンジンでは、シリンダ圧力の長期間の監視に使用される。なお、ジェットエンジン、ガスタービン、蒸気タービン、蒸気エンジンなどの圧力の監視に圧電型圧力センサを使用することもできる。
圧電変換器の製造に圧電性の結晶材料を使用することが多い。圧電性結晶材料は、受けるべき力に対して高い反応性を有するような特定の結晶学的方向に切断される。力が圧電性結晶材料の表面に作用すると、そこに電気分極による電荷が生成される。分極電荷の数は、力の大きさに相関する。
スイス特許出願公開第３９２１０３号（Ａ１）は、筐体の一端に縁部を溶接された膜を有する圧電型圧力センサを記載している。膜および筐体は、使用中の過度の極端な温度から圧電変換器を保護する働きをする。圧電変換器は、筐体内で膜の背後に設置される。膜が受けた力は、圧電型圧力センサの長手方向に圧電変換器に対して作用する。圧力変換器は、圧電性結晶材料でできた３つのバーならびに接触ばねの形態の電極およびブルドン管を備える。電極は導電材料で作製される。接触ばねは、相互に１２０度の角度をもって配列されたバーの間の中心で圧電変換器の長手方向軸線に沿って配置される。ブルドン管は、長手方向軸線に対してバーの外側に配置される。バーの前面に作用する垂直力により、前面を横切って位置する側面に分極電荷が生成され、この分極電荷は、負の電荷が接触ばねによって、正の電荷がブルドン管によって伝えられる。ブルドン管は、筐体に電気的および機械的に接続されており、筐体に正の電荷を導く。接触ばねは、電荷転送部（Ｃｈａｒｇｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）と一体に形成され、電荷転送部は、長手方向に沿って膜から離れる方向に中心に延在している。電荷転送部は、ソケットに電気的および機械的に接続される。ソケットは、膜から離れる方向に向いており、ラインのプラグを収容する筐体の一端に配置される。ソケットは筐体から電気的に絶縁されている。そのため、接触ばねが受け取った負の電荷は、電荷転送部を介してソケットに供給され、ソケットからラインへ供給される。ライン自体は、評価ユニットに電気的および機械的に接続されており、評価ユニットにより負の電荷が増幅され評価される。さらに、ブルドンばねは、圧電性結晶材料でできたバーをプレテンションすることで、引張力および圧縮力を測定することができる。
実際、継続的に使用する場合、圧電型圧力センサは、エンジンの強力な振動および２００℃を超える高温に曝される。これにより、接触ばねおよびブルドン管に接触しているバーの側面の接触領域のミクロ摩擦および擦過腐食につながる可能性があり、電荷転送部の機械的な安定性を弱めかねない。さらに、接触ばねおよびブルドン管に接触しているバーの側面での母材の拡散および局所的な酸化層の形成が高温で生じる可能性がある。このような作用は、単独でまたは組み合わさって起こる可能性がある。その結果、電荷を輸送する際の電気抵抗が変化する可能性がある。そうすると電気的接触抵抗がｍΩ範囲からＭΩ範囲まで数桁増大して、電荷転送部の破壊および評価ユニットでの不正確な評価につながる虞がある。
本発明の第１の目的は、本質的に歪みのない電荷転送部を有する圧電型圧力センサを提案することである。本発明の他の目的は、強力な永続的なエンジン振動があったとしても電荷転送部が機械的に安定している圧力センサを提供することである。最後に、圧力センサの製造はコスト効率がよくなければならない。
これらの目的の少なくとも１つは、独立請求項の構成によって達成される。
本発明は、力を受ける膜と、受けた力により分極電荷を生成させる圧電変換器とを有し、生成された分極電荷を受けて電荷転送部を介して分極電荷を伝える電極を備える圧電型圧力センサに関する。電極は、電荷ピックオフと、少なくとも１つの電極ストリップとを備え、電荷ピックオフが、力の印加される圧電変換器の前面に対して平行に配置され、電極ストリップが、ある領域で材料結合により電荷転送部に接続される。
文献スイス特許第３９２１０３号に記載された従来技術とは異なり、この圧電変換器は、中心接触ばねを囲むように配置されない。本発明によると、電荷の輸送は、圧電材料の前面から行なわれる。このようにして、電極と圧電材料とは、測定すべき力の作用下において、かつ機械的なプレテンションにより、その表面全体にわたって常に接触したままであり、たとえ強力なエンジン振動がある場合でも電気接触抵抗の増大および電荷転送部の歪みが生じることはない。
また、本発明は、この圧力センサの製造方法にも関する。ひずみ防止スリーブが、長手方向軸線に沿って圧電変換器上にわたって位置決めされ、電極ストリップが、ひずみ防止スリーブの電極開口を通って、長手方向軸線に対してある角度で突出している。
スイス特許第３９２１０３号に記載された従来技術においては、圧電変換器の側面が、電荷ピックオフおよび電荷転送部としての機能する中心接触ばねを囲むように配置される。本発明による電荷の輸送は、圧電変換器の前面に対して平行に行われる。さらに本発明によれば、電極は、材料結合によって電荷転送部に結合された電極ストリップを備える。電極ストリップは、長手方向軸線に対してある角度でひずみ防止スリーブの電極開口を通って突出する。これは、ひずみ防止スリーブの外から電極ストリップの外側端部の接触面にアクセス可能である点で有利であり、これにより時間を節約し、かつ基本的に故障のないように、したがってコスト効果の高い方法で圧力センサを製造することができる。
以下において、本発明を、図面を参照して例示の具体例をより詳細に説明する。
図１〜図３は、圧力センサ１の長手方向軸線ＡＡ’に沿った変換器装置２の一部を通る断面図を示している。変換器装置２は膜２１を備える。膜２１は、例えば純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの機械的に可撓性の材料で作製される。膜２１は、長手方向軸線ＡＡ’から半径方向に離間された膜要素２１１、長手方向軸線ＡＡ’に沿って延在する中心プレテンション要素２１２、およびプレテンション本体２１３を有するスタンプ状の形状を有する。膜要素２１１は、中心プレテンション要素２１２と一体に形成されることが好ましい。長手方向軸線ＡＡ’に対して膜要素２１１の反対側にある中心プレテンション要素２１２の一端が、プレテンション本体２１３に機械的に接続される。プレテンション本体２１３は円柱形状を有する。中心プレテンション要素２１２とプレテンション本体２１３との機械的接続は、溶接、拡散溶接、熱圧縮接合、半田付けなどの材料結合によって達成される。機械的接続によって、圧電変換器２２は、圧力センサ１の測定範囲の大きさ程度の機械的なプレ応力の下に置かれるため、圧力センサ１の構成要素は、互いに対してそれぞれの位置に動かないように保持される。
変換器装置２は、中空の円筒形状のひずみ防止スリーブ２３１を備える。ひずみ防止スリーブ２３１は、圧力センサ１の部品から圧力センサ１内の構成要素に機械的なひずみが伝達することを防止する。ひずみ防止スリーブ２３１は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの機械的に可撓性の材料で構成される。
変換器装置２は、圧電変換器２２を備える。圧電変換器２２は、長手方向軸線ＡＡ’に関して膜要素２１１とプレテンション本体２１３との間に配置される。圧電変換器２２は、膜２１の中心プレテンション要素２１２によって支持される。圧電変換器２２は、補償要素２２１、電気絶縁リング２２２および少なくとも１つの圧電変換要素２２３を備える。圧電変換要素２２３は、長手方向軸線ＡＡ’に対して補償要素２２１と電気絶縁リング２２２との間に配置される。補償要素２２１は、膜２１の受けた垂直の力を圧電変換要素２２３に対して均一に分散する作用を有する。垂直の力は、長手方向軸線ＡＡ’の方向に作用する。補償要素２２１は、円筒形の形状であり、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、導電性セラミック、導電性のコーティングを有するセラミックなどの導電性でありかつ機械的に剛性の高い材料で作製される。膜２１は、補償要素２２１と平坦な機械的接触状態にある。さらに補償要素２２１と圧電変換要素２２３とは、互いに平坦な機械的接触状態にある。補償要素２２１と圧電変換要素２２３との間のこのような平坦な機械的接触は、機械的な接続部を介する場合もある。この種の機械的な接続は、拡散溶接、熱圧縮接合、はんだづけなどの材料結合によって行なわれる。しかしながら本発明を知ることにより、当業者は、補償要素なしで圧電変換器を設計することも可能である。電気絶縁リング２２２は、中空の円筒の形態を有し、セラミック、Ａｌ２Ｏ３、サファイアなどの電気的に絶縁性かつ機械的に剛性の高い材料で作製される。電気絶縁リング２２２は、電極２５をプレテンション本体２１３から電気的に絶縁する働きをする。
圧電変換要素２２３は円筒形の形状であり、石英（ＳｉＯ２単結晶）、ガロゲルマニウム酸カルシウム（Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４またはＣＧＧ）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４またはＬＧＳ）、トルマリン、ガリウムオルトリン酸塩、圧電セラミックなどの圧電材料で構成される。圧電変換要素２２３が切断される結晶学的な方向は、受けるべき力に対して高い反応性を有する方向である。垂直の作用に関して、材料は、垂直の力が作用する表面上に分極電荷が生成される方向でスライスに切断されることが好ましい。横方向の作用を得るためには、圧電材料は、垂直の力に対して横向きの方向に配向された表面上に分極電荷が生成される方向にバーに切断されることが好ましい。
図示された本発明の具体例によれば、圧電材料は、横方向の作用を得るために、バーの形態の３つの圧電変換要素２２３に切断される。圧電変換要素２２３は、相互に１２０°の角度で配列される。圧電変換要素２２３は、長手方向軸線ＡＡ’から等距離に離間される。垂直の力の作用が、圧電変換要素２２３の前面から圧電材料に及び、圧電変換要素２２３の側面上に分極電荷を生成する。各々の圧電変換要素２２３に関して、長手方向軸線ＡＡ’に面している側面上に負電荷が生成され、長手方向軸線ＡＡ’から離れる方向を向く側面上に正電荷が生成される。圧電変換要素２２３は金属化処理をされている。金属化処理体は導電性である。各々の圧電変換要素２２３について、第１の金属化処理体が、長手方向軸線ＡＡ’に面する側面から膜２１から離れる方向の前面まで延在し、第２の金属化処理体が、長手方向軸線ＡＡ’から離れる方を向いている側面から膜２１に面する前面まで延在している。第１および第２の金属化処理体は、相互に電気的に絶縁されている。各々の圧電変換要素２２３について、第１の金属化処理体は、膜２１から離れる方向に向いている前面に負の電荷を伝え、第２の金属被覆材は、膜２１に向いている前面に正の電荷を伝える。しかし、本発明を知ることで、当業者は、このような電荷の電圧を逆にして、各々の圧電変換要素２２３に関して、膜から離れる方向を向いている前面に正の電荷を伝え、膜に向いている前面に正の電荷を伝えることもできる。さらに当業者は、垂直の作用に関してディスク形状の圧電変換要素に切断された圧電結晶材料を利用して本発明を実施することもできる。圧電変換要素２２３の前面を介して圧電材料に作用する垂直の力は、この前面上に分極電荷を生成する。例えば負の電荷は膜から離れる方向を向いている前面に生成されるのに対して、正の電荷は膜に面している前面上に生成される。
変換器装置２は、電極２５を備える。電極２５は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの導電材料で作製される。電極２５は箔状に設計される。電極２５は、２００μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下の厚さを有する。図５は電極２５を示す図である。電極２５は基本的に電極面ＢＣ内に位置決めされ、中空の円筒の形態の電荷ピックオフ２５１と、少なくとも１つの細長い電極ストリップ２５２とを備える。電極面ＢＣは、長手方向軸線ＡＡ’に対してある角度で、膜２１から離れる方向に向く圧電変換要素２２３の前面２２３１に対して平行に延びている。電極２５の厚さが小さいことにより、電極材料は、垂直の力の作用による長手方向軸線ＡＡ’に沿う寸法変化は小さい（フックの法則）。このように寸法変化が小さいことにより、力を測定する際、電極材料の誤差への寄与が最小になる。この事実を図示するために、３つの圧電変換要素２２３の３つの前面２２３１を図５に点線で示している。電荷ピックオフ２５１は、前面２２３１を完全に覆っていることが好ましい。３つの電極ストリップ２５２は相互に１２０°の角度で配列されることが好ましい。３つの電極ストリップ２５２によって冗長的に電荷の移動が可能になる。これは、電極ストリップ２５２のうちの１つまたは２つの電極ストリップ２５２が、例えば破損、ちぎれるなどにより故障した場合に、少なくとも１つの残りの電極ストリップ２５２が電荷の移動を保証することから有利である。電極２５は、電極２５の対称軸線ＣＣ’に関して鏡面対称である。対称軸線ＣＣ’は電極面ＢＣ内にある。電荷ピックオフ２５１は中心に配置される。電荷ピックオフ２５１の中心開口の直径は、中心プレテンション要素２１２の外径よりも大きいため、電極２５を中心プレテンション要素２１２に機械的にまたは電気的に接触させずに、中心プレテンション要素２１２を囲むように配置することができる。電極ストリップ２５２は、電荷ピックオフから半径方向に離れる方向に延在する。電極ストリップ２５２は、２つの端部２５２１、２５２２を備える。内側の端部２５２１において、電極ストリップ２５２は、電荷ピックオフ２５１と一体化されている。外側の端部２５２２において、電極ストリップ２５２は接触面を備える。３つの電極ストリップ２５２の内側端部２５２１は、中心開口から同一の半径方向の距離に配置されることが好ましい。３つの電極ストリップ２５２の内側端部２５２１は、開口の直径と電荷ピックオフ２５１の外径の間で本質的に同心円の半径方向距離に位置決めされることが好ましい。電極ストリップ２５２は、特定の領域の２つの溝２５２３、２５２３’によって電荷ピックオフ２５１から離間されていることが好ましい。溝２５２３、２５２３’は、電極ストリップ２５２の内側端部２５２１から電荷ピックオフ２５１の外径まで延在している。電極ストリップ２５２は、電荷ピックオフ２５１に対して電極面ＢＣから出るように撓ませることができる。この撓みは逆にすることもできる。撓ませる際、電極２５の材料は弾性変形され、電極２５の材料の塑性変形は防止される。電極２５の厚さ、電極ストリップ２５２の長さ、溝２５２３、２５２３’の長さなどのパラメータを利用して、撓みの許容範囲が調節され、この撓みの範囲では電極２５材料の塑性変形が生じることはない。許容範囲内のたわみは、電極ストリップ２５２の曲げ半径ｒによって規定される。しかし、本発明を知ることによって当業者は、異なる数の電極ストリップによって電極を構成することも可能である。
図１〜図３は、膜２１をひずみ防止スリーブ２３１に機械的に接続する方法のステップを示している。図１および図２に矢印により概略的に示されるように、ひずみ防止スリーブ２３１は、長手方向軸線ＡＡ’に沿って膜２１の頂部に摺動させることによって位置決めされる。図１では、膜２１とひずみ防止スリーブ２３１とは特定の距離のところにある。少なくとも１つの電極ストリップ２５２が、長手方向軸線ＡＡ’に対してある角度を有する電極面ＢＣ内に位置決めされる。図２では、ひずみ防止スリーブ２３１は、膜２１の頂部上にある程度位置決めされているが、電極ストリップ２５２は、ひずみ防止スリーブ２３１の壁によって圧電変換要素２２３に当たるように撓められており、電極ストリップ２５２は、長手方向軸線ＡＡ’に対してある程度平行に位置決めされている。曲げ半径ｒは、放物線形態を有する。曲げ半径ｒの大きさは、対称軸線ＣＣ’に沿った圧電変換要素２２３の前面２２３１の長手方向の延びに基本的に相当する。図３において、ひずみ防止スリーブ２３１は、膜２１の頂部に完全に位置決めされている。電極ストリップ２５２はもはや、ひずみ防止スリーブ２３１の壁によって撓められていない。図４の斜視図に示されるように、電極ストリップ２５２は、ひずみ防止スリーブ２３１の電極開口２３１１を通って突出する。電極ストリップ２５２は、電極面ＢＣ内に基本的に戻っている。従って、電極ストリップ２５２の接触面は、ひずみ防止スリーブ２３１の外からアクセスでき、そのために変換器装置２の外からもアクセス可能である。
膜要素２１１は、ひずみ防止スリーブ２３１の第１の端部に機械的に接続される。プレテンション本体２１３は、ひずみ防止スリーブ２３１の第２の端部に機械的に接続される。膜要素２１１とひずみ防止スリーブ２３１、ならびにプレテンション本体２１３とひずみ防止スリーブ２３１の機械的な接続は、溶接、拡散溶接、熱圧縮接合、はんだづけなどの材料結合によって行なわれることが好ましい。図３では、膜要素２１１のひずみ防止スリーブ２３１の第１の端部への第１の変換器装置接続部２０１が描かれており、図３ではプレテンション本体２１３のひずみ防止スリーブ２３１の第２の端部への第２の変換器装置接続部２０２も表されている。このようにして形成された変換器装置は、１つの組立体である。
図６および図７は、電極２５と、圧力センサ１の電荷転送装置３の電荷転送部３１１との材料結合を形成する方向のステップを示している。電荷転送装置３も１つの組立体である。電荷転送装置３は、電荷転送部３１１、電気プラグ接続部３４１および転送本体３３１を備える。電荷転送部３１１および電気プラグ接続部３４１は、転送本体３３１内に収容される。転送本体３３１は、電荷転送装置３の構成要素を互いの位置に動かないように維持する。転送本体３３１は、中空の円筒として形成され、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの機械的に耐性のある材料で作製される。電荷転送部３１１は、電気絶縁要素３２１によって転送本体３３１から電気的に絶縁される。電気絶縁要素３２１は、円筒形の形状を有し、セラミック、Ａｌ２Ｏ３セラミック、サファイアなどの機械的に剛性の高い材料で作製される。
電荷転送部３１１は、中空の円筒の形状を有し、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの導電材料で作製される。電荷転送部３１１は、電極２５から電気プラグ接続部３４１まで分極電荷を伝える。電荷転送部３１１と電気プラグ接続部３４１とは、互いに電気的および機械的に接続される。電荷転送部３１１と電気プラグ接続部３４１とは、溶接、拡散溶接、熱圧縮接合、はんだづけなどの材料結合によって特定の領域において互いに接続されることが好ましい。図６および図７において、電荷転送部３１１は、少なくとも１つの開口を備え、そこを通って接合工具が接続領域に到達し、材料接合を形成することができる。
図６、図７および図９では、電気プラグ接続部３４１の雌部品のみが示されている。電気プラグ接続部３４１の雌部品は、ソケットとして設計されている。ソケットは、電気プラグ接続部の一致する形状を有する雄部品に接続させるか、あるいは形態フィット方式かつ導電性の方式でプラグ接続させることができる。分極電荷は、電気プラグ接続部を介して評価ユニットに送られる。プラグ、ラインおよび評価ユニットは図面に示されていない。評価ユニットにおいて、分極電荷は、電気的に増幅され評価される。本発明を知る当業者は、ソケットの代わりに、評価ユニットへの分極電荷の伝送のために形態フィット方式かつ導電性の方式で一致する形状を有する継ぎ手に接続させることができるビルトインプラグとして電気プラグ接続部を設計することもできる。
変換器装置２および電荷転送装置３は組立体である。これは、圧力センサ１を構成する変換器装置２の変形を電荷転送装置３の変形と併せて形成することができ、同じ部品の数を増加させ、コスト効果の高い製造を行うことができる点で有利である。変換器装置２の変形形態は、膜２１の異なる膜厚さ、圧電変換要素２２３が横方向の作用により機能するか垂直方向の作用により機能するか、圧電変換器２２の異なる反応性、圧電変換器２２の異なる使用温度範囲などを含む。電荷転送装置３の変形形態は、電気プラグ接続部３４１の異なるタイプ、電気プラグ接続部３４１の種々の長さのラインなどを含む。
図６では変換器装置２と電荷転送装置３は、互いに特定の距離のところに位置決めされる。矢印によって概略的に示されるように、電荷転送装置３および変換器装置２は、互いに特定の位置に配置される。この位置決めは、変換器装置２に向けて電荷転送装置３を移動させることによって達成されることが好ましい。図７では、電荷転送装置３は、電荷転送部３１１が電極開口２３１１から突出する少なくとも１つの電極ストリップ２５２と機械的に接触するように変換器装置２に対して位置決めされる。電極ストリップ２５２が電荷転送部３１１に材料結合されない限り、電極ストリップ２５２は、電極面ＢＣから出るように可逆的に撓めることができる。電極ストリップ２５２が電荷転送部３１１に材料結合された後は、電極ストリップ２５２はもはや電極面ＢＣからでるように可逆的に撓めることはできない。接触位置において、電荷転送部３１１は、特定の領域における材料結合によって電極ストリップ２５２に接続される。材料結合は、溶接、拡散溶接、熱圧縮接合、はんだづけなどを利用して行われる。電荷転送部３１１と電極ストリップ２５２は、この接触位置に機械的に固定されることが好ましく、電極ストリップ２５２の接触面は接合工具を利用して、電荷転送部３１１の膜に面している端部に対して押圧されて溶接される。
電極ストリップ２５２は、本質的に機械的応力がないように電荷転送部３１１に接続されることが好ましい。したがって、電極ストリップ２５２は、基本的に機械的応力がなく電極開口２３１１内に配置される。このように、電極２５の厚さが小さいこと、および基本的に機械的応力のない電極ストリップ２５２の位置決めによって、垂直の力の一部が電極２５を介して電荷転送部３１１へと伝達され得る力の分岐も小さい。力の分岐が小さいことによって、力測定の誤差に対して電荷転送部が影響することが最小限になる。さらに、電極ストリップ２５２と電荷転送部３１１との結合は材料結合によって行われ、かつ応力がないことから、熱膨張の結合が達成される。特に高温では、変換器装置２、電荷転送装置３および本体４の材料は、膨張が異なる可能性があるが、この膨張は、圧電変換要素２２３に対して干渉する機械的応力として作用しないため、圧電変換要素２２３の切り離しを実現することができる。例えば、高温において長手方向軸線ＡＡ’に沿った変換器装置２の長さは、電荷転送装置３の長さに対して０．０５ｍｍの小さな膨張分だけ変化する。図７によると、この場合、膜２１から離れる方向を向く変換器装置２の端部は、膜２１に面する電荷転送装置３の端部に対して０．０５ｍｍ近づくことになる。電極ストリップ２５２は室温において、電荷転送部３１１から電荷ピックオフ２５１まで長手方向軸線ＡＡ’に対して直角に延びるが、電荷ピックオフ２５１は高温では電荷転送装置３に対して０．０５ｍｍの相対的な長さの変化だけ偏位され、その結果電極ストリップ２５２は、電荷転送部３１１から電荷ピックオフ２５１まで長手方向軸線ＡＡ’に対して直角とは異なる角度に延びる。
図８は、圧力センサ１の本体４を示している。本体４は、圧力および力センサ１の構成部材を、使用中に遭遇する衝撃、衝突、埃、湿気などから保護する。本体４は、中空の円筒の形態であり、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金などの機械的に抵抗性のある材料で作製される。本体４の内径は、電荷転送装置３の外径と同じか大きいため、本体は、長手方向軸線ＡＡ’に沿って摺動して電荷転送装置３の頂部に位置決めできる。図９に示されるように、本体４は、本体４の第１の端部が、変換器装置２のひずみ防止スリーブ２３１の突起に機械的に接触するまで、長手方向軸線ＡＡ’に沿って電荷転送装置３を覆うように位置決めされる。この接触位置において、変換器装置２と本体４及び電荷転送装置３と本体４は、溶接、拡散溶接、熱圧縮接合、はんだづけなどの材料結合によってある領域において互いに接続される。図９は、本体４の第１の端部に対するひずみ防止スリーブ２３１の第１の本体接続部４０１を示しており、図９は、本体４の第２の端部に対する転送本体３３１の第２の本体接続部４０２を示している。この接触位置において、電荷転送装置３および変換器装置２は本体４内に配置されることから、電極ストリップ２５２と電荷転送部３１１との材料結合は、電荷転送装置３と変換器装置２との唯一の直接的な機械的および電気的接続部を形成する。
ＡＡ’ 長手方向軸線
ＢＣ 電極面
ＣＣ’ 対称軸線
ｒ 曲げ半径
１ 圧力センサ
２ 変換器装置
３ 電荷転送装置
４ 本体
２１ 膜
２０１、２０２ 変換器装置接続部
２１１ 膜要素
２１２ 中心プレテンション要素
２１３ プレテンション本体
２２ 圧電変換器
２２１ 補償要素
２２２ 電気絶縁リング
２２３ 圧電変換要素
２２３１ 前面
２３１ ひずみ防止スリーブ
２３１１ 電極開口
２５ 電極
２５１ 電荷ピックオフ
２５２ 電極ストリップ
２５１２ 内側端部
２５２２ 外側端部
２５２３，２５２３’ 溝
３１１ 電荷転送部
３２１ 電気絶縁要素
３３１ 転送本体
３４１ 電気プラグ接続部
４０１，４０２ 本体接続部
ＢＣ 電極面
ＣＣ’ 対称軸線
ｒ 曲げ半径
１ 圧力センサ
２ 変換器装置
３ 電荷転送装置
４ 本体
２１ 膜
２０１、２０２ 変換器装置接続部
２１１ 膜要素
２１２ 中心プレテンション要素
２１３ プレテンション本体
２２ 圧電変換器
２２１ 補償要素
２２２ 電気絶縁リング
２２３ 圧電変換要素
２２３１ 前面
２３１ ひずみ防止スリーブ
２３１１ 電極開口
２５ 電極
２５１ 電荷ピックオフ
２５２ 電極ストリップ
２５１２ 内側端部
２５２２ 外側端部
２５２３，２５２３’ 溝
３１１ 電荷転送部
３２１ 電気絶縁要素
３３１ 転送本体
３４１ 電気プラグ接続部
４０１，４０２ 本体接続部
Claims (15)
- 力を受ける膜（２１）と、受けた前記力により分極電荷を生成させる圧電変換器（２２）とを有し、
生成された前記分極電荷を受けて電荷転送部（３１１）を介して前記分極電荷を伝える電極（２５）を備える圧電型圧力センサ（１）において、
前記電極（２５）が、電荷ピックオフ（２５１）と、少なくとも１つの電極ストリップ（２５２）とを備え、
前記電荷ピックオフ（２５１）が、前記力の印加される前記圧電変換器（２２）の前面（２２３１）に対して平行に配置され、
前記電極ストリップ（２５２）が、ある領域で材料結合により前記電荷転送部（３１１）に接続されていることを特徴とする圧電型圧力センサ。 - 前記電荷ピックオフ（２５１）および前記電極ストリップ（２５２）が、本質的に電極面（ＢＣ）内に配置されるか、あるいは
前記電荷ピックオフ（２５１）および前記電極ストリップ（２５２）が、前記圧電変換器（２２）の前記前面（２２３１）に対して平行に配置された電極面（ＢＣ）内に本質的に配置されることを特徴とする、請求項１に記載された圧電型圧力センサ。 - 前記電極ストリップ（２５２）が前記電荷ピックオフ（３１１）に材料結合されない限り、前記電極ストリップ（２５２）は、前記電極面（ＢＣ）から可逆的に撓めることができるようになっているか、あるいは
前記電極ストリップ（２５２）が前記電荷ピックオフ（３１１）に材料結合されない限り、前記電極ストリップ（２５２）は、前記電極（２５）の材料の弾性変形によって前記電極面（ＢＣ）から可逆的に撓めることができるようになっていることを特徴とする、請求項２に記載された圧電型圧力センサ。 - 前記電極（２５）は箔状に設計され、前記電極（２５）は、２００μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された圧電型圧力センサ。
- 前記電極ストリップ（２５２）は、本質的に機械的応力がないように前記電荷ピックオフ（３１１）に接続されていることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された圧電型圧力センサ。
- 前記電極ストリップ（２５２）は、ひずみ防止スリーブ（２３１）の電極開口（２３１１）から突出していることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された圧電型圧力センサ。
- 前記電極ストリップ（２５２）は、外側端部（２５２２）に接触面を備え、前記電極ストリップ（２５２）の前記接触面は、前記ひずみ防止スリーブ（２３１）の外部からアクセスできるようになっていることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された圧電型圧力センサ。
- 複数の電極ストリップ（２５２）が、材料結合によって前記電荷ピックオフ（３１１）に接続されており、前記電荷ピックオフ（３１１）に冗長的に分極電荷を送るようになっていることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された圧電型圧力センサ。
- 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された圧電型圧力センサ（１）を製造する方法であって、
ひずみ防止スリーブ（２３１）を、前記圧電変換器（２２）上を長手方向軸線（ＡＡ’）に沿って摺動させることによって位置決めし、
前記電極ストリップ（２５２）を、前記ひずみ防止スリーブ（２３１）の電極開口（２３１１）を通って前記長手方向軸線（ＡＡ’）に対してある角度で突出させることを特徴とする、方法。 - 前記ひずみ防止スリーブ（２３１）上を摺動させる際、前記電極ストリップ（２５２）が、前記ひずみ防止スリーブ（２３１）の壁によって電極面（ＢＣ）から撓められ、前記ひずみ防止スリーブ（２３１）上を摺動した後、前記電極ストリップ（２５２）は前記ひずみ防止スリーブ（２３１）の前記電極開口（２３１１）を通って突出し、本質的に前記電極面（ＢＣ）内に戻ることを特徴とする、請求項９に記載された方法。
- 前記膜（２１）が、膜要素（２１１）、中心プレテンション要素（２１２）およびプレテンション本体（２１３）を備え、
変換器装置（２）を
前記膜要素（２１１）から離れる方向を向いている前記中心プレテンション要素（２１２）の一端を、前記プレテンション本体（２１３）に機械的に接続すること、
前記圧電変換器（２２）を、前記長手方向軸線（ＡＡ’）に関して前記膜要素（２１１）と前記プレテンション本体（２１３）との間に配置すること、
前記圧電変換器（２２）を、前記中心プレテンション要素（２１２）によって支持すること、
前記ひずみ防止スリーブ（２３１）の第１の端部を、前記膜要素（２１１）に機械的に接続すること、
前記ひずみ防止スリーブ（２３１）の第２の端部を、前記プレテンション本体（２１３）に機械的に接続すること
により形成することを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載された方法。 - 前記電荷ピックオフ（３１１）と電気プラグ接続部（３４１）とを電気的および機械的に接続し、
前記電荷ピックオフ３１１および電気プラグ接続部（３４１）を、転送本体（３３１）内に収容し、
前記電荷ピックオフ（３１１）が分極電荷を前記電気プラグ接続部（３４１）に伝えることによって
電荷転送装置（３）を形成することを特徴とする、請求項１１に記載された方法。 - 前記電荷転送装置（３）と前記変換器装置（２）とを、互いに接触する接触位置において位置決めし、
前記電荷ピックオフ（３１１）を、前記電極開口（２３１１）から突出する前記電極ストリップ（２５２）に機械的に接触させ、
前記電極ストリップ（２５２）と前記電荷ピックオフ（３１１）とを、材料結合によって前記接触位置で結合することを特徴とする、請求項１２に記載された方法。 - 前記長手方向軸線（ＡＡ’）に沿って摺動させることによって本体（４）を前記接触位置において前記電荷転送装置（３）の頂部に位置決めし、
前記本体（４）の第１の端部を前記変換器装置（２）に機械的に接続し、前記本体（４）の第２の端部を前記電荷転送装置（３）に機械的に接続することを特徴とする、請求項１３に記載された方法。 - 前記電荷転送装置（３）および前記変換器装置（２）を前記接触位置において前記本体（４）内に配置し、それにより、前記電極ストリップ（２５２）と前記電荷ピックオフ（３１１）との前記材料結合による接続部が、前記電荷転送装置（３）と前記変換器装置（２）との唯一の直接的な電気的および機械的な接続部となることを特徴とする、請求項１３または請求項１４に記載された方法。
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