JP2017161246A - Stack type pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層型圧力センサに関し、さらに詳しくは、高温、高圧及び振動環境下において、積層した圧電素子の側面電極部と外部電極部材との間の電気的な接続性を向上させた積層型圧力センサに関する。 The present invention relates to a laminated pressure sensor, and more specifically, a laminated type in which electrical connectivity between a side electrode portion of a laminated piezoelectric element and an external electrode member is improved under a high temperature, high pressure and vibration environment. The present invention relates to a pressure sensor.
ガスタービンやエンジン等の内燃機関のような高温、高圧及び振動環境下で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知られている。特に脈動圧力等の動的圧力現象を測定する場合には、高い精度で測定できる積層型圧力センサが用いられている。積層型圧力センサは、平板状の圧電素子を積層したものであり、各圧電素子の端面には側面電極がそれぞれ設けられており、その側面電極は外部電極にそれぞれ電気的に導通する構造になっている。 A pressure sensor including a piezoelectric element is known as a sensor for detecting pressure under a high temperature, high pressure, and vibration environment such as an internal combustion engine such as a gas turbine or an engine. In particular, when measuring a dynamic pressure phenomenon such as a pulsating pressure, a stacked pressure sensor capable of measuring with high accuracy is used. A laminated pressure sensor is a laminate of flat piezoelectric elements. Each piezoelectric element is provided with a side electrode, and the side electrode is electrically connected to an external electrode. ing.
こうした積層型圧力センサとして、特許文献1では、消費エネルギーが小さく,高速応答が可能で、外部電極と側面電極との接合性を高めたインジェクタ用圧電体素子が提案されている。この圧電体素子は、圧電体素子の側面電極には外部との電気的な導通を図る外部電極が配設され、その外部電極は,芯材とその少なくとも一部を被覆する金属被覆とよりなると共に少なくとも側面電極に接合されている。この技術によれば、外部電極に形状面から柔軟性を持たせることができ、圧電体素子の伸長時の応力を緩和することができるため、亀裂の発生等を抑制することができ、また、導電性接着剤を隙間なく充填することで、外部電極と側面電極との接合を確実にできるというものである。
As such a laminated pressure sensor,
また、特許文献2では、積層体の全体が伸縮する積層型圧電体素子の側面電極と、伸縮しない外部電極との間に応力が発生し、その応力に起因して外部電極の剥離や破壊等の不具合が発生しにくく、長期間に渡って使用しても耐久性に優れたインジェクタ用圧電体素子が提案されている。この圧電体素子は、複数の圧電層と複数の内部電極とが交互に積層された角柱状積層体の2以上の側面に、前記内部電極の端部を1つおきに絶縁するための複数の絶縁被覆層、及び、前記内部電極の前記絶縁被覆層により絶縁されていない側の端部を電気的に並列に接続するための外部電極がそれぞれ形成されている。そして、前記外部電極は、前記絶縁被覆層上を含む前記角柱状積層体の前記側面に形成された第一の外部電極層、前記第一の外部電極層と少なくとも2箇所で接触する第二の外部電極層、及び、前記第一の外部電極層と前記第二の外部電極層とを接合する複数の導電接合材から構成されており、前記第一の外部電極層は、少なくとも2層の前記圧電層の側面を一体的に覆うように形成されている点に特徴があるというものである。
Further, in
特許文献1,2で提案された積層型圧力センサは、側面電極と外部電極との接合構造や接合部材を改良して外部電極の剥離や破壊等の不具合を防いでいる。
The stacked pressure sensor proposed in
しかしながら、側面電極と外部電極とを接合する場合は、特に動的圧力現象の測定環境下で加わる負荷によって接合部分の破壊や剥離が生じるおそれがある。また、積層体の伸縮を吸収できる形状からなる外部電極を側面電極に接合した場合であっても、測定環境下で加わる負荷によってその接合部分の破壊や剥離が生じるおそれがある。 However, when the side electrode and the external electrode are bonded, there is a possibility that the bonded portion may be broken or peeled off due to a load applied in a measurement environment of a dynamic pressure phenomenon. Further, even when an external electrode having a shape capable of absorbing the expansion and contraction of the laminate is bonded to the side electrode, the bonded portion may be broken or peeled off by a load applied in a measurement environment.
また、積層型圧力センサでは、一定サイズの圧電素子が使用されるが、その圧電素子を積層した後の積層体の側面は必ずしも平坦ではなく、各側面電極で凹凸になっていることがある。この凹凸を生じさせる側面電極への外部電極の接合は、その凹凸の程度を考慮して行う必要があり、接合が難しく、接合強度が安定しないという難点がある。 In the laminated pressure sensor, a piezoelectric element having a certain size is used, but the side surface of the laminated body after the piezoelectric element is laminated is not necessarily flat, and the side electrodes may be uneven. The bonding of the external electrode to the side electrode that causes the unevenness needs to be performed in consideration of the degree of the unevenness, and there is a problem that the bonding is difficult and the bonding strength is not stable.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、高温、高圧及び振動環境下において、積層した圧電素子の側面電極部と外部電極部材との間の電気的な接続性を向上させた積層型圧力センサを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to provide an electrical connection between a side electrode portion of a laminated piezoelectric element and an external electrode member in a high temperature, high pressure and vibration environment. An object of the present invention is to provide a stacked pressure sensor with improved connectivity.
本発明に係る積層型圧力センサは、積層された複数の圧電素子及び該圧電素子それぞれの側面に設けられた側面電極部を有する圧電素子積層体と、前記側面電極部に電気的に接続する導電部材と、前記導電部材に電気的に接続する外部電極部材とを有する積層型圧力センサであって、前記導電部材は、前記側面電極部に向かう力で各側面電極部を押す押圧部を有することを特徴とする。なお、側面電極部に向かう力を「付勢力」又は「押圧力」ともいうことができる。 The laminated pressure sensor according to the present invention includes a piezoelectric element laminate having a plurality of laminated piezoelectric elements and side electrode portions provided on the side surfaces of the piezoelectric elements, and a conductive element electrically connected to the side electrode portions. A laminated pressure sensor having a member and an external electrode member electrically connected to the conductive member, wherein the conductive member has a pressing portion that presses each side electrode portion with a force toward the side electrode portion. It is characterized by. Note that the force toward the side electrode portion can also be referred to as “biasing force” or “pressing force”.
この発明によれば、圧電素子積層体の側面電極部に電気的に接続する導電部材として、側面電極部に向かう力で各側面電極部を押す押圧部を有する導電部材を備えている。したがって、この発明での導電部材は、側面電極部一つ一つを押圧しているので、高温、高圧及び振動環境下で圧力センサに高温や振動が加わったり圧電素子積層体自体の伸縮が生じたとしても、また、圧電素子積層体の側面が凹凸になっていたとしても、各側面電極部への押圧力は変化しない。その結果、側面電極部と導電部材との間の接触が安定するので、電気的な接続性を向上させることができる。なお、この発明での導電部材は側面電極部にはんだや導電ペースト等で接合されていないので、従来のような接合部での破壊や剥離が生じるおそれがない。 According to the present invention, the conductive member electrically connected to the side electrode portion of the piezoelectric element laminate is provided with a conductive member having a pressing portion that presses each side electrode portion with a force toward the side electrode portion. Therefore, since the conductive member in the present invention presses the side electrode portions one by one, high temperature and vibration are applied to the pressure sensor under high temperature, high pressure and vibration environment, and the piezoelectric element laminate itself expands and contracts. Even if the side surface of the piezoelectric element laminate is uneven, the pressing force to each side electrode portion does not change. As a result, the contact between the side electrode portion and the conductive member is stabilized, so that the electrical connectivity can be improved. In addition, since the electrically-conductive member in this invention is not joined to the side electrode part with solder, a conductive paste, or the like, there is no possibility of causing breakage or peeling at the joint part as in the prior art.
本発明に係る積層型圧力センサにおいて、前記押圧部のピッチは、前記圧電素子積層体の積層方向に並ぶ前記側面電極部のピッチと同じ又はそれ以下である。 In the stacked pressure sensor according to the present invention, the pitch of the pressing portions is equal to or less than the pitch of the side electrode portions arranged in the stacking direction of the piezoelectric element stack.
この発明によれば、押圧部のピッチが、圧電素子積層体の積層方向に並ぶ側面電極部のピッチと同じ又はそれ以下であるので、各側面電極部に対応する押圧部が必ず存在することになり、側面電極部と導電部材との間の接触が確実に行われ、電気的な接続性を向上させることができる。なお、側面電極部のピッチは、圧電素子積層体が最大収縮した場合における側面電極部のピッチであることが好ましく、側面電極部と導電部材との間の接触をより確実に行うことができる。 According to this invention, since the pitch of the pressing portions is equal to or less than the pitch of the side electrode portions arranged in the stacking direction of the piezoelectric element laminate, there is always a pressing portion corresponding to each side electrode portion. Thus, the contact between the side electrode portion and the conductive member is reliably performed, and the electrical connectivity can be improved. In addition, it is preferable that the pitch of a side electrode part is a pitch of a side electrode part when a piezoelectric element laminated body contracts to the maximum, and a contact between a side electrode part and a conductive member can be performed more reliably.
本発明に係る積層型圧力センサにおいて、前記導電部材が、コイルばねであることが好ましい。 In the stacked pressure sensor according to the present invention, the conductive member is preferably a coil spring.
この発明によれば、コイルばねを用いるので、コイル状に巻き線されたコイルばね外周の各線の表面は、コイルばねの中心軸方向に直交する方向への付勢力を備えている。その結果、コイルばね外周の各線の表面が、側面電極部に向かう力で各側面電極部を押す押圧部となって各側面電極部を押圧することができる。なお、コイルバネには、引張コイルばね、圧縮コイルばね、密着コイルばね等があり、そのピッチを合わせて使用することができる。 According to the present invention, since the coil spring is used, the surface of each wire on the outer periphery of the coil spring wound in a coil shape has a biasing force in a direction orthogonal to the central axis direction of the coil spring. As a result, the surface of each wire on the outer periphery of the coil spring becomes a pressing portion that presses each side electrode portion with a force toward the side electrode portion, and can press each side electrode portion. In addition, there exist a tension coil spring, a compression coil spring, a close-contact coil spring, etc. in a coil spring, The pitch can be match | combined and can be used.
本発明に係る積層型圧力センサにおいて、前記導電部材を前記側面電極部側に付勢する付勢部材を備えることが好ましい。 The laminated pressure sensor according to the present invention preferably includes a biasing member that biases the conductive member toward the side electrode portion.
この発明によれば、導電部材を側面電極部側に付勢する付勢部材を備えるので、導電部材が有する押圧部を、より安定した状態で各側面電極部に押圧することができる。 According to this invention, since the urging member that urges the conductive member toward the side electrode portion is provided, the pressing portion of the conductive member can be pressed to each side electrode portion in a more stable state.
本発明に係る積層型圧力センサにおいて、前記付勢部材が、前記導電部材とともに前記圧電素子積層体を位置決めするガイド部材であることが好ましい。 In the multilayer pressure sensor according to the present invention, it is preferable that the biasing member is a guide member that positions the piezoelectric element multilayer body together with the conductive member.
この発明によれば、導電部材を側面電極部側に付勢するための付勢部材が、導電部材とともに圧電素子積層体を位置決めするガイド部材として機能するので、導電部材と圧電素子積層体とが位置決めされた状態で、導電部材を側面電極部に押圧することができる。その結果、導電部材の押圧部と各側面電極部との接触がより確実になる。 According to the present invention, the biasing member for biasing the conductive member toward the side electrode portion functions as a guide member for positioning the piezoelectric element laminate together with the conductive member. The conductive member can be pressed against the side electrode part in the positioned state. As a result, the contact between the pressing portion of the conductive member and each side electrode portion becomes more reliable.
本発明に係る積層型圧力センサにおいて、前記付勢部材は、前記導電部材を前記側面電極部側に向けるガイド部材と、該ガイド部材を前記側面電極部側に付勢するばね部材とを有するように構成できる。 In the stacked pressure sensor according to the present invention, the biasing member includes a guide member that directs the conductive member toward the side electrode portion, and a spring member that biases the guide member toward the side electrode portion. Can be configured.
付勢部材の構造形態は種々設計できるが、この発明によれば、導電部材を側面電極部側に向けるガイド部材と、そのガイド部材を側面電極部側に付勢するばね部材とを有するので、ガイド部材とばね部材の簡単な組合せによって、導電部材や圧電素子積層体をガイドした上で、そのガイド部材を側面電極部側に付勢することができる。 Although the structural form of the biasing member can be designed in various ways, according to the present invention, the biasing member has a guide member that directs the conductive member toward the side electrode part and a spring member that biases the guide member toward the side electrode part. With a simple combination of the guide member and the spring member, the guide member can be biased to the side electrode portion side after guiding the conductive member and the piezoelectric element laminate.
本発明によれば、高温、高圧及び振動環境下において、積層した圧電素子の側面電極部と外部電極部材との間の電気的な接続性を向上させた積層型圧力センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a stacked pressure sensor in which electrical connectivity between the side electrode portions of the stacked piezoelectric elements and the external electrode member is improved in a high temperature, high pressure and vibration environment. .
特に、この発明での導電部材は、側面電極部一つ一つを押圧しているので、高温、高圧及び振動環境下で圧力センサに高温や振動が加わったり圧電素子積層体自体の伸縮が生じたとしても、また、圧電素子積層体の側面が凹凸になっていたとしても、各側面電極部への押圧は変化しない。その結果、側面電極部と導電部材との間の接触が安定するので、電気的な接続性を向上させることができる。この発明での導電部材は側面電極部にはんだや導電ペースト等で接合されていないので、従来のような接合部での破壊や剥離が生じるおそれがない。 In particular, since the conductive member in the present invention presses the side electrode portions one by one, high temperature and vibration are applied to the pressure sensor under high temperature, high pressure and vibration environment, and the piezoelectric element laminate itself expands and contracts. Even if the side surface of the piezoelectric element laminate is uneven, the pressure on each side electrode portion does not change. As a result, the contact between the side electrode portion and the conductive member is stabilized, so that the electrical connectivity can be improved. Since the conductive member in this invention is not joined to the side electrode part with solder, conductive paste, or the like, there is no possibility of causing breakage or peeling at the joint part as in the prior art.
本発明に係る積層型圧力センサについて図面を参照しつつ説明する。本発明に係る積層型圧力センサは、以下の実施形態及び図面に限定されず、本発明の要旨を有する範囲内で種々の変形が可能である。 A laminated pressure sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings. The laminated pressure sensor according to the present invention is not limited to the following embodiments and drawings, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention.
[積層型圧力センサ]
本発明に係る積層型圧力センサ10は、図1に示すように、積層された複数の圧電素子11及びその圧電素子11それぞれの側面に設けられた側面電極部15を有する圧電素子積層体1と、側面電極部15に電気的に接続する導電部材2と、導電部材2に電気的に接続する外部電極部材3とを有している。そして、導電部材2は、側面電極部15に向かう力F1で各側面電極部15を押す押圧部21を有することを特徴とする。なお、側面電極部に向かう力を「付勢力」又は「押圧力」ともいうことができる。
[Laminated pressure sensor]
As shown in FIG. 1, a
この積層型圧力センサ10は、ガスタービンやエンジン等の内燃機関のような高温、高圧及び振動環境下で圧力を検知するセンサとして、圧力の被測定体に取り付けて使用されるものである。そして、積層型圧力センサ10を構成する導電部材2が、側面電極部15一つ一つを押圧しているので、高温、高圧及び振動環境下で圧力センサに高温や振動が加わったり圧電素子積層体自体の伸縮が生じたとしても、また、圧電素子積層体1の側面が凹凸になっていたとしても、各側面電極部15への押圧力F1は変化しない。その結果、側面電極部15と導電部材2との間の接触が安定するので、電気的な接続性を向上させることができる。なお、この導電部材2は側面電極部15にはんだや導電ペースト等で接合されていないので、従来のような接合部での破壊や剥離が生じるおそれがない。
The
以下、積層型圧力センサの構成要素について具体的に説明する。 Hereinafter, the components of the stacked pressure sensor will be specifically described.
<圧電素子積層体>
圧電素子積層体1は、図1〜図4に示すように、複数枚の圧電素子11で積層されている。この圧電素子積層体1は、圧電作用を利用して圧力を検出するセンサ部材であり、ダイアフラムヘッド56に加わる被測定体の圧力が変動することによって圧電素子積層体1に電荷が発生し、その電荷が、側面電極部15、外部電極部材3及び電極ピン6を経て検出するように構成されている。圧電素子積層体1は、積層された圧電素子11それぞれで発生した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、圧電素子積層体1は一体化したブロック状であるので、個々の圧電素子11では強度が不十分な場合であっても、高温、高圧及び振動環境下という過酷な作動環境でも使用することができる。
<Piezoelectric element laminate>
As shown in FIGS. 1 to 4, the
圧電素子積層体1の形状は、図1〜図4に示すように、四角形で薄板状の圧電素子11を積層しているので、平面視で四角形の四角柱状となっている。なお、平面視の形状は、四角形が好ましいが、四角形以外の多角形であってもよいし、曲面部を有する角形でもよいし、角部を含まない曲面形であってもよい。圧電素子積層体1の大きさは特に限定されないが、例えばガスタービンでの測定に用いる場合の一例としては、厚さ0.5mm程度、縦5mm程度、横3mm程度とすることができる。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
(圧電素子)
圧電素子11は、圧電素子積層体1を構成する素子であり、四角形等の薄板状であることが好ましいが、特にその形状に限定されない。圧電素子11の構成材料としては、その用途によって選択すればよく、高温、高圧及び振動環境下で圧力を検知する圧電素子11としては、ランガテイト結晶からなる素子であることが好ましい。ランガテイト結晶を使用した場合には、ランガテイト結晶(Langatate(La3Ga5.5Ta0.5O14/LGT)結晶)が焦電性を有さず、キュリー点も存在しないので、例えば600℃以上の高温での使用が可能であり、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。なお、ランガテイト結晶以外の圧電素子10としては、その使用環境にもよるが、ランガサイト、ゲーレナイト、リン酸ガリウム、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、トルマリン、リチウムタンタルオキサイド、タンタル酸リチウム等からなる圧電素子を挙げることができる。
(Piezoelectric element)
The
(電極)
圧電素子11は、図3及び図4に示すように、上面に上面電極13が設けられ、下面に下面電極14が設けられている。上面電極13と下面電極14は、それぞれ異なる端面に設けられた側面電極12(12a,12b)に電気的に接続されている。例えば図3に示すように、所定厚さの電極膜が上面電極13及び左側の側面電極12aとして連続して設けられて、上面電極13と左側の側面電極12aとを電気的に接続している。同様に、所定厚さの電極膜が下面電極14及び右側の側面電極12bとして連続して設けられて、下面電極14と右側の側面電極12bとを電気的に接続している。なお、上面電極13と下面電極14とは接続しないので、上面電極13は一方の側面電極12aだけに電気的に接続し、下面電極14は他方の側面電極12bだけに電気的に接続する。
(electrode)
As shown in FIGS. 3 and 4, the
側面電極12は、圧電素子11の二つの側面に設けられており、圧電素子11が四角形の場合は、図3及び図4に示すように、対向する二辺に設けられている。なお、四角形の二つの側面であれば、対向する二辺でなくてもよく、隣り合う二辺でもよい。
The
圧電素子積層体1は、こうした圧電素子10が交互に積層されている。積層形態は、積層方向に隣り合う2つの圧電素子の一方の端面だけが共通する側面電極部15が設けられている。具体的には、図4に示すように、一番下の圧電素子とその上の圧電素子とは、左側の側面電極同士が接続して側面電極部15が形成されるように上面電極13と下面電極14とが面接続して積層されており、下から2番目の圧電素子その上の圧電素子1とは、右側の側面電極同士が接続して側面電極部15が形成されるように上面電極13と下面電極14とが面接続して積層されている。こうした形態で圧電素子10が順次積層されている。なお、非側面電極部16は、図4に示すように、側面電極部15ではない部分であり、側面電極部15と非側面電極部16は、積層方向に交互に存在するように設けられている。
In the
側面電極12、上面電極13及び下面電極14は、電極膜で構成されている。電極膜は、良導電性の導電層と、圧電素子と導電層との間に設けられて両者の密着性を向上させる密着層とで構成されている。電極膜の構成材料は特に限定されないが、例えば導電層としては、Au、Pd、Pt、Ag、Cu及びこれらの合金等から選択することができ、密着層としては、Ti、Pt、TiW、Co、Ni、Cr及びこれらの合金等から選択することができる。各電極膜は、圧電素子上に電極膜材料を成膜した後にフォトリソグラフィーでパターニングして形成してもよいし、圧電素子上に電極膜形成部を開口させたメタルマスクを載せた後にスパッタリング又は蒸着して形成してもよい。電極膜の厚さは特に限定されないが、例えば300nm以上、500nm以下の範囲内とすることができる。
The
(位置決め)
こうして構成された圧電素子積層体1は、図1及び図2に示すように、積層型圧力センサ10を構成する上プレート51と下プレート52との間に位置決めされて設置される。位置決めは、図2及び図7に示すように、側面電極部15が設けられていない二辺に配置された位置決めピン71,71で行われるが、必ずしもこうした位置決め手段に限定されない。なお、側面電極部15が設けられていない二辺とは、図2及び図7では対向する二辺であるが、側面電極部15の位置によっては隣り合う二辺であってもよい。
(Positioning)
The
位置決めピン71は、図2の例では、一対の位置決めピン71,71が対向した状態(向かい合う状態)で下プレート52に取り付けられている。対向した位置決めピン71,71の間には、圧電素子積層体1が挿入されて位置決めされる。位置決めピン71は、最終的には、上プレート51に設けられた位置決めピンガイド穴72に挿入して動かないように固定される。
In the example of FIG. 2, the positioning pins 71 are attached to the
積層型圧力センサ10においては、本体カバー55の前端部にダイアフラムヘッド56が設けられている。このダイアフラムヘッド56は、本体カバー55に溶接等の手段で取り付けられ、封着されている。積層型圧力センサ10の先端部に位置するダイアフラムヘッド56から加わる圧力は、ダイアフラムヘッド56の下面側から上プレート51を経て圧電素子積層体1に加わる。こうした構造形態により、ダイアフラムヘッド56に加わる被測定体の圧力が変動することによって圧電素子積層体1に電荷が発生し、その電荷が、側面電極部15、外部電極部材3及び電極ピン6を経て検出するように構成されている。
In the
<導電部材>
導電部材2は、図1、図2及び図5に示すように、圧電素子積層体1の対向する二辺に位置する側面電極部15に接触して電気的に接続するように設けられている。「接触」とは、従来のようなはんだや導電ペースト等で接合されていないことを意味している。図1及び図2の例では、対向する二辺に設けられているが、上記した電極の説明欄で述べたように、二辺であれば必ずしも対向する二辺でなくてもよい。「電気的に接続」とは、側面電極部15と導電部材2との接触によって、両者が電気的な接続状態が確保されるということを意味している。
<Conductive member>
As shown in FIGS. 1, 2, and 5, the
導電部材2は、側面電極部15に向かう力F1(付勢力又は押圧力ともいい、以下「付勢力F1」という。)で各側面電極部15を押す押圧部21を有している。具体的には、ばね性を有する部材が用いられる。中でもばね材、特に図6に示すようなコイルばねが好ましく用いられるが、必ずしもコイルばね等のばね材に限定されない。
The
すなわち、本発明においては、図5に示すように、側面電極部15に導電部材2が接触する際に、その側面電極部15に向かう付勢力F1を備えた導電部材2であることが必要である。そうした付勢力F1を備える導電部材2は、ばね性を有する部材であればよく、そうした部材のばね性により、導電部材2が側面電極部15に接触する際に、付勢力F1をもって接触することになる。その結果、導電部材2と側面電極部15との電気的な接続が確保される。
That is, in the present invention, as shown in FIG. 5, when the
導電部材2は、側面電極部15との電気的な接続と、外部電極部材3との電気的な接続とを確保するものである。したがって、導電性がよく、接触抵抗も小さい材質であることが好ましい。そうした導電部材2の材質としては、例えば、Cu、Fe、Ni又はその合金等が好ましい。さらにその表面には、Au等の耐食性で良導電性の金属がめっきされていることが好ましい。また、ガスタービンのように高温環境下で使用する場合は、耐熱系Ni合金が好ましく、例えばインコネル(登録商標)やハステロイ(登録商標)を挙げることができる。
The
導電部材2と側面電極部15との位置関係は、図5に示すように、導電部材2の位置と側面電極部15との位置が対応している。より好ましくは、積層型圧力センサ10に加わる圧力により圧電素子積層体1が圧縮することを考慮すれば、その圧縮の程度にもよるが、導電部材2の押圧部21のピッチP1は、圧電素子積層体1の積層方向Yに並ぶ側面電極部15のピッチP2と同じ又はそれ以下であることが好ましい。そうしたピッチとすることにより、各側面電極部15には、対応する押圧部21が必ず存在する位置関係になり、側面電極部15と導電部材2との間の接触が確実に行われ、電気的な接続性を向上させることができる。なお、側面電極部15のピッチP2は、圧電素子積層体1が最大収縮した場合における側面電極部15のピッチであることが好ましく、側面電極部15と導電部材2との間の接触をより確実に行うことができる。
The positional relationship between the
コイルばね22としては、図6に示すように、圧縮コイルばね23、引張コイルばね24、密着コイルばね(図示しない)等を挙げることができる。ここで用いるコイルばねは、ばね性だけが要求される一般的なばねではなく、同時に電気伝導性を備える必要がある。したがって、コイルばね22の選択にあたっては、電気伝導性、ピッチP1、コイル外径、線径、自由高さ等を考慮し、さらに、中心軸方向に直交する方向Xにおける側面電極部15への付勢力F1の大きさを加味して選択することが望ましい。こうしたコイルばね22では、コイル状に巻き線されたコイルばね外周の各線の表面22aは、コイルばね22の中心軸方向に直交する方向Xへの付勢力F1を備えているので、コイルばね外周の各線の表面22aが、各側面電極部15を押す押圧部21となって各側面電極部15を押圧する。
As the coil spring 22, as shown in FIG. 6, a
一例としては、圧電素子積層体1の積層方向Yの長さが1.2mmで側面電極部15のピッチP2が0.2mm程度である場合は、例えばNi合金からなる外径3.1mmの線で構成され、コイル線径が0.2mm、ピッチP1が0.2mmの圧縮コイルばねを用いることができる。
As an example, when the length in the stacking direction Y of the
<外部電極部材>
外部電極部材3は、導電部材2に電気的に接続する部材である。こうした機能を有する外部電極部材3であれば、その構造形態は特に限定されないが、一例としては、図1及び図2に示すように、コイルばね22からなる導電部材2の中に挿入されるピン状の外部電極部材3であることが好ましい。外部電極部材3は、図1及び図2の例では、下プレート52を貫通するように取り付けられ、最終的には、上プレート51に設けられたガイド穴32に挿入して動かないように固定される。なお、外部電極部材3が接触する可能性のある上プレート51は絶縁性であるか、ガイド穴32部やその内周面が絶縁されていることが望ましい。
<External electrode member>
The
外部電極部材3の材質は、導電性のよいものであれば特に限定されないが、例えば、Au、Pd、Pt、Ag、Cu、Ni、Fe又はこれらの合金等の材質からなるものであることが好ましい。なお、外部電極部材3の表面には、耐摩耗性、耐食性、導電性の向上のためのめっき皮膜が設けられていてもよい。また、外部電極部材3のサイズも特に限定されないが、導電部材2の形状や寸法に応じたものであればよく、例えば、導電部材2がコイルばね22である場合は、コイルばね2の内径よりも小さい直径の線材であることが好ましい。
The material of the
外部電極部材3は、その一端側が導電部材2に電気的に接続され、他端側が電極ピン6に電気的に接続されている。それ以外の部分は、絶縁されている。例えば、絶縁パイプ等の絶縁性の電極ピンガイド61によって、インナーボディ53等の他の部材と絶縁している。このとき、外部電極部材3に接触する可能性のあるインナーボディ53、下プレート52、その他の構成部材自体が絶縁性である場合は、必ずしも電極ピンガイド61が絶縁性である必要はないが、好ましくは絶縁性であることが好ましい。絶縁パイプからなる電極ピンガイド61としては、アルミナセラミックスパイプを好ましく用いることができ、耐熱性を必要としない場合は樹脂パイプを用いてもよい。
One end side of the
外部電極部材3は、図2に示す電極ピン6に接続されている。外部電極部材3と電極ピン6は別体のものでもよいし、一体物からなる同じものであってもよい。別体のものである場合には、はんだやカシメ等によって接合されていればよい。
The
外部電極部材3が接属する電極ピン6は、図2の例では、インナーボディ53の内部を通って、ダイアフラムヘッド56の反対側に引き出されている。なお、積層型圧力センサ10では、この電極ピン6が接続部材であるレセプタクル(図示しない)に接続され、そのレセプタクルを経由して、電極ピン6から出力された電荷信号が検知されるように構成される。
In the example of FIG. 2, the
<付勢部材>
付勢部材4は、図1、図2及び図7に示すように、導電部材2を側面電極部15の側に付勢する部材である。ばね性のある導電部材2が側面電極部15に対して所定の付勢力F1で接触するためには、ばね性のある導電部材2を、外周側(すなわち、側面電極部15の反対側)からある程度押し付けるとともに、その位置を位置決めして固定するガイド部材として機能させる必要がある。この付勢部材4はそうした機能を有するものであり、その機能を有するものであればその構造形態は特に限定されない。
<Biasing member>
The urging
付勢部材4としては、上記した機能と役割を有するものであれば種々の構造形態とすることができる。付勢部材4の例としては、図1及び図2に示すように、圧電素子積層体1の対向端面に電気的に接続する2つの導電部材2の位置を固定するように機能する割型のガイド部材41と、両側から押し付けるように機能するバネ部材42との組合せ部材を例示することができる。こうした組合せ部材からなる付勢部材4は、ばね性のある導電部材2を側面電極部15の側に付勢することができるので、導電部材2が有する押圧部21を、より安定した状態で各側面電極部15に押圧することができる。その結果、導電部材2の押圧部21と各側面電極部15との接触がより確実になる。
As the urging
ガイド部材41とバネ部材42とを組み合わせた付勢部材4は、図1、図2及び図7に示す形態を例示することができる。ガイド部材41は、導電部材2を収容する導電部材収容部43と、上方から押し下げられたばね部材42が当接するばね部材当接部44と、位置決めピン71を収容する位置決めピン収容部45とを備えた割型部材である。図2及び図7に示す装着例のように、割型部材が圧電素子積層体1を両端から挟むように配置されている。こうした付勢部材4により、上記した付勢部材4の機能や役割を発揮することができる。
The biasing
ばね部材42としては、図2及び図7に示すように、割型のガイド部材41を装着した状態で、それらを外周から内方に圧縮力を加えるように作用する大型スプリングを好ましく挙げることができる。こうした大型コイルスプリングは、内方に加わる圧縮力を考慮して、線径や材質が選択される。また、この大型コイルスプリングは上方から割型部材にはめ込むように装着するので、その大型スプリングが当接部44で当接するまで上方から押し下げて装着する。
As the
図8は、付勢部材の他の形態であり、ばね部材42を大型コイルスプリングではなく、皿ばね46とワッシャー47に変更した例である。ワッシャー47は、割型部材4を外周から拘束する機能を有し、皿ばね46は、ワッシャー47を下方に押さえつける機能を有する。こうした組合せの付勢部材4によっても、付勢部材4の機能と役割を発揮することができる。
FIG. 8 shows another form of the urging member, in which the
(その他の構成)
図9は、上プレート51の形態を変更した例である。この例は、上プレート51の大きさを小さくして軽量化したものであり、小さくした上プレート51は、大型コイルスプリングからなるばね部材42の内側に配置されている。したがって、大型コイルスプリングは、ダイアフラムヘッド56で上方から押し付けられている。それ以外は、図2に示す構造形態と同様である。この例では、上プレート51を小さくして軽量化できるので、圧力センサに加速度が加わった際に上プレート51がダイアフラムヘッド56に及ぼす圧力を低減することができ、ダイアフラムヘッド56の破損や疲労による破壊を抑制することができる。
(Other configurations)
FIG. 9 shows an example in which the form of the
以上説明したように、本発明に係る積層型圧力センサ10によれば、高温、高圧及び振動環境下において、積層した圧電素子11の側面電極部15と外部電極部材3との間の電気的な接続性を向上させた積層型圧力センサ10を提供することができる。
As described above, according to the
特に、この発明での導電部材2は、側面電極部一つ一つを押圧しているので、高温、高圧及び振動環境下で圧力センサに高温や振動が加わったり圧電素子積層体自体の伸縮が生じたとしても、また、圧電素子積層体1の側面が凹凸になっていたとしても、各側面電極部15への押圧は変化しない。その結果、側面電極部15と導電部材2との間の接触が安定するので、電気的な接続性を向上させることができる。この発明での導電部材2は側面電極部15にはんだや導電ペースト等で接合されていないので、従来のような接合部での破壊や剥離が生じるおそれがない。
In particular, since the
1 圧電素子積層体
2 導電部材
3 外部電極部材
4 付勢部材(割型部材)
6 電極ピン
10 積層型圧力センサ
11 圧電素子
12,12a,12b 側面電極
13 上面電極
14 下面電極
15 側面電極部
16 側面非電極部
21 押圧部
22 コイルばね
22a 線の表面
23 圧縮コイルばね
24 引張コイルばね
32 外部電極部材のガイド穴
41 ガイド部材
42 ばね部材
43 導電部材収容部
44 ばね部材当接部
45 位置決めピン収容部
46 皿ばね
47 ワッシャー
51 上プレート
52 下プレート
53 インナーボディ
54 カバープレート
55 本体カバー
56 ダイアフラムヘッド
57 負荷部
61 電極ピンガイド
71 位置決めピン
72 位置決めピンガイド穴
Y 積層方向
X ばねの中心軸方向に直交する方向
F1 側面電極部に向かう力(付勢力又は押圧力)
P1 押圧部のピッチ
P2 側面電極部のピッチ
DESCRIPTION OF
6
P1 Pitch of pressing part P2 Pitch of side electrode part
Claims (6)
前記導電部材は、前記側面電極部に向かう力で各側面電極部を押す押圧部を有することを特徴とする積層型圧力センサ。 A plurality of stacked piezoelectric elements and a piezoelectric element laminate having a side electrode portion provided on each side surface of the piezoelectric element, a conductive member electrically connected to the side electrode portion, and electrically connected to the conductive member A laminated pressure sensor having an external electrode member to be connected;
The conductive pressure member includes a pressing portion that presses each side electrode portion with a force directed toward the side electrode portion.
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