JP4794185B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に取付けることにより燃焼室の圧力を検出する際などに用いて好適な圧力センサに関する。

従来、内燃機関の燃焼室（シリンダ内）のように高温かつ高圧となる空間内の圧力を検出する際に適した圧力センサとしては、特開２００４−２６４０３７号公報で開示される圧力センサが知られている。

同公報で開示される圧力センサは、筒状に形成された本体の前端部にダイアフラムが封着され、ダイアフラムが受ける圧力を圧力伝達部材を介してダイアフラムの後方に配置された圧電素子に伝達し、圧電素子に生じる電荷信号を検知することにより圧力を計測する圧力センサであって、圧電素子として、厚さ方向を正負の電極とし、軸心中央に貫通孔を有する一対の圧電素子を同極側を向かい合わせて導電材からなる電極板を中間に挟圧する配置として設け、電極板の中央部にリードピンの一端を接続し、圧電素子の開口部および本体の貫通孔を通過してリードピンの他端側を本体の後端側へ引出して圧電素子の電極面に生じる電荷信号を検知可能に設けたものであり、これにより、圧電素子から確実に電荷信号を取り出すことができるとともに、圧力センサの小径化及び小型化を小型を図ることができる。

そして、このような用途の圧力センサに好適な圧電素子として、同公報や特許第３２５６７９９号等に開示されるランガサイト系の単結晶材料も用いられるに至っている。ランガサイト系の単結晶材料は、高温での使用が可能であり、かつ広い温度範囲において安定した圧電特性が得られる特長がある。
特開２００４−２６４０３７号 特許第３２５６７９９号

ところで、このような単結晶材料を圧電素子として用いる場合、通常、直方体状にカッティングするとともに、特許第３２５６７９９号公報にも開示されるように、圧電素子の各カット角が、結晶学上の座標軸ｘ，ｙ，ｚに対して平行となるように選定している。一方、圧電素子の感度（公称電荷感度）は、付加される圧力に対する発生電荷の量で表すことができ、圧力に対する発生電荷量が多いほど感度が高く、圧力センサには望ましい。このため、従来、圧電素子の感度を確保する場合、圧電素子材料を選定した後、専ら電荷発生面積の確保や圧電横効果を用いた際の面比率を設計するなどの手法に頼っていた。

しかし、このような面積の確保や面比率を設計する手法では、内燃機関（エンジン）のように取付部位が狭くて制限されるような場合、必要な感度及びＳ／Ｎ比を高めるには限界を生じるとともに、他方において、必要な感度及びＳ／Ｎ比を確保するには、圧力センサ自身の大型化やコストアップを招いてしまう。また、温度による発生電荷量の変動が１０〔％〕程度に達するなど、温度ドリフトに対しても十分とは言えない問題があった。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した圧力センサの提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、単結晶材料による圧電素子Ｃを用いたセンサ部２を備える圧力センサ１を構成するに際して、圧電素子Ｃとして、単結晶材料をカッティングする際の角度となる結晶学上のｘ軸を中心にｙｚ面の面方向に振ったｙ軸に対するカット角θを、５°≦θ≦３０°の範囲に選定したランガテイト（Ｌａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄：ＬＴＧ）を用いるとともに、圧力作用方向Ｆｆに対して垂直方向Ｆｓに電荷が発生する圧電横効果を用いたことを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、圧力センサ１には、筒状のボディ部１１における前端部１１ｆに設けたダイアフラム部１２とこのダイアフラム部１２の受けた圧力をセンサ部２に伝達する圧力伝達部１３を有する圧力伝達構造Ｕ１を設けることができるとともに、センサ部２は、複数の圧電素子Ｃ…を積層した積層構造Ｕ２により構成できる。特に、圧力センサ１は、内燃機関１５に取付けることにより燃焼室１６の圧力を検出する際に用いることができる。

このような構成を有する本発明に係る圧力センサ１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 単結晶材料をカッティングする際の角度となる結晶学上のｘ軸を中心にｙｚ面の面方向に振ったｙ軸に対するカット角θを、５°≦θ≦３０°の範囲に選定したランガテイト（ＬＴＧ）を用いたため、圧電素子Ｃにおける発生電荷量を最大領域まで増加させることができ、圧電素子Ｃの感度、更にはＳ／Ｎ比をより高めることができる。

（２） 圧電素子Ｃの発生電荷量を最大領域まで増加させ得ることから、その分、圧電素子Ｃのサイズダウンが可能となり、圧力センサ１全体の小型コンパクト化やコストダウンに寄与できるとともに、設計自由度の向上にも寄与できる。

（３） 単結晶材料を直方体状にカッティングする際のカット角θが最適化されることに伴って圧電特性も安定化し、結果的に、温度による発生電荷量の変動、即ち、温度ドリフトを低減することができる。

（４） 圧電素子Ｃとして、圧力作用方向Ｆｆに対して垂直方向Ｆｓに電荷が発生する圧電横効果を用いたため、圧電縦効果を用いた際には得ることができないカット角θの選定に伴う有効性を確実に確保することができる。

（５） 好適な態様により、圧力センサ１に、筒状のボディ部１１における前端部１１ｆに設けたダイアフラム部１２とこのダイアフラム部１２の受けた圧力をセンサ部２に伝達する圧力伝達部１３を有する圧力伝達構造Ｕ１を設ければ、本発明による基本的効果を享受できる実用的な圧力センサ１を容易かつ確実に得ることができる。

（６） 好適な態様により、センサ部２を、複数の圧電素子Ｃ…を積層した積層構造Ｕ２により構成すれば、感度及びＳ／Ｎ比の更なる向上やセンサ部２の強度アップ及び圧力の検出範囲拡大に寄与できる。

（７） 好適な態様により、圧力センサ１を、内燃機関１５に取付けることにより燃焼室１６の圧力を検出するようにすれば、高温環境下における内燃機関１５の燃焼室１６の圧力検出にとって最適となる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る圧力センサ１に用いる圧電素子Ｃについて、図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態に係る圧力センサ１は、主に、図４に示すような内燃機関（エンジン）１５に取付けることにより燃焼室（シリンダ内部）１６の圧力（燃焼圧）を検出する場合を想定している。図４中、１７はシリンダ、１８はピストン、１９は点火プラグをそれぞれ示し、圧力センサ１は、シリンダ１７におけるシリンダヘッド１７ｈに取付けることができる。これにより、圧力センサ１の先端部は燃焼室１６の内部に臨み、燃焼室１６の圧力を検出することができる。このため、圧力センサ１に使用する圧電素子Ｃとしては、通常、８００〜１０００〔℃〕程度の高温にも十分に耐える材料選定が行われる。

本発明は、圧電素子Ｃとして、ランガサイト系の単結晶材料であるＬＴＧ（ランガテイト）に着目し、このＬＴＧに対して、理論上の確認，シミレーションの実施及びサンプルの実測等のアプローチを行うことにより最適なカット角θの取得を実現したものである。即ち、図１に示すように、ＬＴＧ（単結晶材料）をカッティングする際の角度となる結晶学上のｘ軸を中心にｙｚ面の面方向に振ったｙ軸に対するカット角θを、５°≦θ≦３０°の範囲（図２中、カット角範囲Ｚｍ）に選定、望ましくは１０°≦θ≦２５°の範囲（図２中、カット角範囲Ｚｎ）に選定し、これにより、発生電荷量の最大領域を確保したものである。

以下、発生電荷量の最大領域が５°≦θ≦３０°（望ましくは１０°≦θ≦２５°）のカット角θにより得られる理由について、フローチャート（図３）を参照して具体的に説明する。

ＬＴＧは、高温に十分に耐え、かつ圧力センサにおける諸特性を満足する点群３２のランガサイト系の単結晶材料である。ＬＴＧは、融液からの大型結晶の成長が可能であり、融点まで相転移がないこと、非強誘電体の有極性圧電結晶であり、分極処理の必要がなく、焦電性を持たないこと、温度安定性に優れ、電気機械結合係数が大きいこと、弾性表面波の速度が遅く、圧電素子の小型化に有利であること、等の様々な利点を有していることが知られている。なお、点群３２とは、一本の三回回転軸と三本の二回回転軸を有する点群のことであり、ＬＴＧは、水晶やランガサイト（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄）と同様、点群３２に属している。

ところで、ＬＴＧの結晶学上におけるｘｙ面の面方向及びｘｚ面の面方向にカット角を振っても圧電定数は、０〔°〕に比べて小さくなるのみであって大きくなる現象は見られない。これに対して、ｙｚ面の方向にカット角θを振った場合には、圧電定数ｄ₁₄が関与し、理論上、ｘｙ面及びｘｚ面の場合とは異なる変化（現象）を示すことが知られている（ステップＳ１）。なお、この現象は実験的にも確認できた。

そして、この場合の圧電定数ｄ₁₂´は、
ｄ₁₂´＝−（１／２）・ｃｏｓ２θｄ₁₁＋（１／２）・ｓｉｎ２θｄ₁₄ …（ａ）
で表される。（ａ）式において、圧電定数ｄ₁₄は、ｄ₁₄＝ｄ₁₂₃で表わすことができる。ｄ₁₂₃において、「₁」は、電荷の発生方向となるｘ軸を示し、「₂₃」は、圧力作用方向となるｙｚ面の方向に対する剪断応力を示す。（ａ）式から明らかなように、角度を異ならせた二つのカット角θ…による圧電定数ｄ₁₂´を測定すれば、連立一次方程式から圧電定数ｄ₁₄を求めることができるため、あらゆる圧電定数ｄ₁₂´をシミレーションすることができる。

このため、まず、カット角θを異ならせた０〔°〕と１４．８〔°〕の二つのサンプルワーク（図５中、符号Ｗｓ）を用意した（ステップＳ２）。なお、１４．８〔°〕は、文献等により公知であるｄ₁₁とｄ₁₄から得られた理論上における最大の電荷量を発生するカット角である。サンプルワークは、ＬＴＧを直方体状にカッティングしたｘ平板（ｙ軸方向：２０〔ｍｍ〕，ｚ軸方向：４〔ｍｍ〕，ｘ軸方向：０．５〔ｍｍ〕）を使用した。そして、図５に示す測定装置２０を利用して各種物理量の測定を行い、温度変化に対する圧電定数ｄ₁₂の変化を求めた（ステップＳ３）。

図５に示す測定装置２０は、次のような構成を備えている。２１は電気炉（均熱管状炉）であり、内部空間を加熱する加熱用ヒータ２２を内蔵する。また、電気炉２１の内部には、内部空間の温度を検出する温度センサ２３を配設し、この温度センサ２３と加熱用ヒータ２２は、温調機２４に接続する。これにより、電気炉２１の内部空間は、目的の温度、少なくとも本実施形態に係るサンプルワークＷｓを加熱する２５℃（常温）〜５００℃が得られるように温度制御が行われる。一方、電気炉２１の内部には、ワーク支持機構２５を配設し、このワーク支持機構２５によりサンプルワークＷｓを支持する。サンプルワークＷｓは、図中、上下方向がｘ軸方向となり、上下面にｙｚ面が位置する。この上下のｙｚ面にはワーク電極面Ｗｓｕ，Ｗｓｄを設け、このワーク電極面Ｗｓｕ，Ｗｓｄに金電極２６ｕ，２６ｄをそれぞれ接触させる。そして、金電極２６ｕ，２６ｄは、インピーダンスアナライザ２７に接続する。

これにより、サンプルワークＷｓの圧電定数ｄ₁₂は、次の手順により求めることができる。まず、インピーダンスアナライザ２７に内蔵するキャパシタンスメータを使用し、サンプルワークＷｓの静電容量を測定するとともに、この測定結果（静電容量）から誘電率を求める。一方、測定装置２０を使用し、インピーダンスアナライザ２７により各温度下における各周波数に対応するインピーダンス特性を求める。得られる周波数データから公知の算出式を用いて圧電定数ｄ₁₂を求めることができる。図６に、カット角θを０〔°〕と１４．８〔°〕にしたサンプルワークＷｓの温度に対する圧電定数ｄ₁₂の変化特性を示す。図６中、Ｐｏが０〔°〕の場合の変化特性、Ｐｐが１４．８〔°〕の場合の変化特性をそれぞれ示す。

また、得られた圧電定数ｄ₁₂は、圧電定数ｄ₁₁に対して、ｄ₁₁＝−ｄ₁₂の関係が成立するため、圧電定数ｄ₁₂から圧電定数ｄ₁₁が得られる。これにより、圧電定数ｄ₁₁とｄ₁₂を（ａ）式に代入して圧電定数ｄ₁₄を求めることができる。図７に、求めた圧電定数ｄ₁₄の温度に対する変化特性Ｐｅを示す。よって、パラメータとなる圧電定数ｄ₁₁とｄ₁₄が得られる（ステップＳ４）。

さらに、得られた圧電定数ｄ₁₁とｄ₁₄は、パラメータとして（ａ）式に設定する。そして、（ａ）式におけるカット角θを１〔°〕ずつ変化させ、発生電荷量（ｄ₁₂）のシミレーションを行う（ステップＳ５）。シミレーションを行った結果、最大電荷量（ｄ₁₂）を発生するカット角θとして１７．８〔°〕を得た。図６に、１７．８〔°〕のカット角θによるシミレーション結果である温度に対する圧電定数ｄ₁₂の変化特性Ｐｄを示す。この１７．８〔°〕のカット角θは、シミレーション上の最適値として設定する（ステップＳ６）。

一方、最適値としたカット角θ（１７．８〔°〕）の前後における発生電荷量を実測するためのカット角θを選定し、対応するサンプル単板を用意する（ステップＳ７）。具体的には、１７．８〔°〕を中心として、０〔°〕，１０〔°〕，１７，８〔°〕，２０〔°〕，３０〔°〕，４０〔°〕の六つのカット角θを選定し、各カット角θによりカッティングしたＬＴＧのサンプル単板を用意した。サンプル単板は、ｘ軸方向長さを３．０〔ｍｍ〕，ｙ軸方向長さを１．９〔ｍｍ〕，ｚ軸方向長さを１．８〔ｍｍ〕に選定した直方体状にカッティングしたものを各カット角θ毎に六個、計三十六個用意した。そして、各カット角θにおける発生電荷量〔ｐＣ／ｂａｒ〕の測定を行った（ステップＳ８）。この場合、各サンプル単板は、後述する実際の圧力センサに使用するボディ部１１に組込み、規定の手順で組み上げるとともに、完成した圧力センサを静圧測定機にセットし、この後、２００〔ｂａｒ〕までの圧力を加えることにより、基準センサとの相関値から発生感度となる発生電荷量〔ｐＣ／ｂａｒ〕を求めた。

求めた発生電荷量のデータを図２に示す。同図は、カット角θ毎に得られた発生電荷量をグラフ化したものであり、カット角θに対する発生電荷量の変化特性を示す（ステップＳ９）。図２中、ｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄ，ｐｅ，ｐｆは、各サンプル単板を実測して得た発生電荷量の数値をプロットした際の数値範囲を示している。また、Ｐｉで示す変化特性は実測データの近似曲線であり、Ｐｓで示す変化特性は理論曲線である。

図２に示す変化特性（近似曲線）Ｐｉから明らかなように、実測データはシミレーション結果ともほぼ一致している。即ち、上述した１７．８〔°〕のカット角θ付近が発生電荷量の最大領域となり、その前後では緩やかに低下する曲線となる。カット角θが０〔°〕の場合、発生電荷量は概ね３．６０〔ｐＣ／ｂａｒ〕であるのに対し、カット角θが１７．８〔°〕付近での発生電荷量がピーク値である４．０６〔ｐＣ／ｂａｒ〕となり、この場合、１３〔％〕程度増加する。そして、図２中、Ｚｎで示す１０°≦θ≦２５°の範囲では、０〔°〕に対して、概ね１０〔％〕以上の増加率を確保している。また、図２中、Ｚｍで示す５°≦θ≦３０°の範囲であっても、０〔°〕に対して概ね５〔％〕以上の増加率を確保しており、これらの条件により本実施形態に係る圧力センサ１に用いる圧電素子Ｃとしての優位性が確保される（ステップＳ１０）。

次に、このようにして得られる圧電素子Ｃを用いて好適な圧力センサ１について、図８〜図１１を参照して説明する。

圧力センサ１は、図８に示すように、円筒状に形成したボディ部１１の内部に、上述した圧電素子Ｃ…を用いたセンサ部２を配設したものであり、基本的な構成として、ボディ部１１における前端部１１ｆに設けたダイアフラム部１２とこのダイアフラム部１２の受けた圧力をセンサ部２に伝達する圧力伝達部１３を有する圧力伝達構造Ｕ１を備える。

この場合、センサ部２は、図１０及び図１１に示すように、複数の圧電素子Ｃ…を積層した積層構造Ｕ２により構成し、具体的には、次のように製作することができる。

まず、前述したカット角θの条件によりカッティングしたＬＴＧを用いたｙ軸寸法×ｚ軸（光学軸）寸法×ｘ軸寸法が２０〔ｍｍ〕×２０〔ｍｍ〕×０．３４〔ｍｍ〕となる圧電素子基材を用意する。これにより、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圧電横効果を利用することができる。

実施形態は四枚の圧電素子基材をｘ軸方向に順次積層した場合を例示する。この際、各圧電素子基材のｘ軸方向における正極と負極は交互に反転するように積層し、各圧電素子基材の相対向する面を同極にする（図１０参照）。各圧電素子基材の接合面はスパッタリング或いは蒸着等により下地膜を形成し、半田等の導電材を用いて一体化した積層体として構成する。これにより、各接合面には電荷を取り出すための導体層３１ｐ…，３１ｎが形成される。この後、ｙ軸方向寸法が３．０〔ｍｍ〕となるようにカッティング及び寸法出しを行う。

また、積層体におけるｘ軸方向とｙ軸方向の４面にはメタライズを施し、ｙ軸方向の両端面に電極膜３２ｐ，３２ｎを形成するとともに、ｘ軸方向の両端面に導体膜３３，３３を形成する。これにより、導体膜３３，３３，電極膜３２ｐ，３２ｎ及び導体層３１ｐ…，３１ｎの全てが連続した状態となる。次いで、センサ部２のｙ軸方向の両端面における各圧電素子基材の接合位置をＵ形の断面形状により研削し、電極分離溝３４…を形成する（図１０及び図１１参照）。各電極分離溝３４…は各端面において各圧電素子基材の二枚毎に研削し、積層体における一方の端面と他方の端面では電極分離溝３４…を形成する位置が一段ずつ異なる。このような電極分離溝３４…により、ｙ軸方向の端面の一方が正極の電極膜３２ｐとなり、他方が負極の電極膜３２ｎとなる。そして、積層体をｚ軸方向長さが１．４〔ｍｍ〕となるように順次カッティング及び寸法出しを行うとともに、ｙ軸方向の電極膜３２ｐと３２ｎを除いた他の四面及び電極分離溝３４…に絶縁コート材を塗布する。これにより、図１１に示すような圧電素子Ｃ…が四枚積層され、かつ全体形状が直方体状となるセンサ部２を得ることができる。したがって、例示したセンサ部２の大きさは、１．４〔ｍｍ〕（ｘ軸方向）×３．０〔ｍｍ〕（ｙ軸方向）×１．４〔ｍｍ〕（ｚ軸方向）となる。

圧力センサ１は、このようにして製作したセンサ部２を内蔵する。圧力センサ１は、図８に示すように、筒状に形成したボディ部１１を備え、このボディ部１１の前端部１１ｆにダイアフラムヘッド３６を溶接する。これにより、前端部１１ｆは、ダイアフラムヘッド３６により閉塞される。ダイアフラムヘッド３６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するダイアフラム部１２と、ダイアフラムヘッド３６の周縁部を形成するフランジ部３７と、ダイアフラム部１２の後面に一体形成した電極部３８を有し、この電極部３８は、ダイアフラム部１２の受けた圧力をセンサ部２に伝達する圧力伝達部１３を兼用する。したがって、電極部３８（圧力伝達部１３）の端面は圧力伝達面１３ｓとなり、この圧力伝達面１３ｓはセンサ部２の端面（電極膜３２ｎ）のほぼ全面に接触する。この際、圧力伝達面１３ｓを、ダイアフラム部１２に対して平行面に形成し、かつ平滑面に形成することにより、ダイアフラム部１２が受ける圧力を均等にセンサ部２に作用させることができる。なお、例示の電極部３８（圧力伝達部１３），ダイアフラム部１２及びフランジ部３７は一体形成するため、部品点数の削減及び組立の容易化を図ることができる。また、溶接部が圧力や高湿に曝され腐蝕する問題を解消でき、圧力センサ１の耐久性を向上させることができる。さらに、ダイアフラム部１２と電極部３８を一体構造としたため、ダイアフラム部１２が受ける圧力を電極部３８を介してセンサ部２に効率的に伝達することができる。

一方、３９はセンサ部２の他方の端面（電極膜３２ｐ）に当接する電極部である。この電極部３９にはリードピン４０の先端を固定する。これにより、電極部３９から電荷信号（検出信号）を取り出すことができる。なお、４１は絶縁部材としての絶縁リングであり、電極部３９を電気的に絶縁する機能を有する。また、４２は断面円筒形状の絶縁スリーブであり、絶縁リング４１，電極部３９及びセンサ部２の外周部分をガイドして支持する機能を有する。この場合、絶縁リング４１及び絶縁スリーブ４２はアルミナセラミック等により形成する。

さらに、センサ部２は、圧力作用方向に一定の予圧を加えた状態で使用するため、電極部３９には、センサ部２を押圧し、電極部３８との間でセンサ部２に対して一定の予圧を付与する機能を兼用させている。このため、絶縁リング４１の後面には前インナブロック４３を当接させるとともに、前インナブロック４３の後面には後インナブロック４４を当接させる。この場合、後インナブロック４４はボディ部１１に収容し、外周面に設けた雄ネジ部をボディ部１１の内周面に設けた雌ネジ部に螺合する。これにより、後インナブロック４４は、予圧ネジとして機能する。また、前インナブロック４３の後部は円錐状の凹面として形成するとともに、後インナブロック４４の前部は球面状の凸面として形成する。これにより、アライメントの予圧時において、前インナブロック４３に後インナブロック４４が当接した際に自動的に軸心を一致させることができ、前インナブロック４３への偏荷重を防止できる。しかも、ダイアフラムヘッド３６に衝撃や振動が作用した際には、センサ部２に偏荷重が作用することを抑制でき、センサ部２における欠け等を防止し、センサ部２の耐久性を向上させることができる。センサ部２に作用させる予圧力は、後インナブロック４４のねじ込み位置によって調整できる。予圧力の調整は、後インナブロック４４を所定のねじ込み位置にセットし、ボディ部１１の外側方から前インナブロック４３をボディ部１１にレーザ溶接部Ｊ等で溶接して固定すればよい。なお、後インナブロック４４は、この後、前インナブロック４３と同様にレーザ溶接部等によってボディ部１１に固定してもよいし、前インナブロック４３をボディ部１１に固定した後、ボディ部１１から取り外してもよい。

一方、リードピン４０は前インナブロック４３及び後インナブロック４４の中心空間を貫通させることによりボディ部１１の他端側（後端側）へ導出し、レセプタクル４５に接続する。このレセプタクル４５には検出装置側のコネクタが接続される。なお、４６はリードピン４０に装着した絶縁パイプである。絶縁パイプ４６はリードピン４０が振動等して前インナブロック４３や後インナブロック４４に接触することを防止するものであり、アルミナセラミック等により形成する。

このように構成される圧力センサ１は、内燃機関１５のシリンダヘッド１７ｈにねじ込んで取り付けることができる。これにより、ダイアフラムヘッド３６のダイアフラム部１２には被測定体の圧力変動が付与されるため、電極部３８と電極部３９によって挟圧されたセンサ部２に圧力変動が作用することにより、センサ部２に生じた電荷がリードピン４０を介して出力する。

よって、本実施形態に係る圧力センサ１によれば、単結晶材料をカッティングする際の角度となる結晶学上のｘ軸を中心にｙｚ面の面方向に振ったｙ軸に対するカット角θを、５°≦θ≦３０°の範囲に選定したＬＴＧを用いたため、圧電素子Ｃにおける発生電荷量を最大領域まで増加させることができ、圧電素子Ｃの感度、更にはＳ／Ｎ比をより高めることができる。また、圧電素子Ｃの発生電荷量を最大領域まで増加させ得ることから、その分、圧電素子Ｃのサイズダウンが可能となり、圧力センサ１全体の小型コンパクト化やコストダウンに寄与できるとともに、設計自由度の向上にも寄与できる。しかも、単結晶材料を直方体状にカッティングする際のカット角θが最適化されることに伴って圧電特性も安定化し、結果的に、温度による発生電荷量の変動、即ち、温度ドリフトを低減することができる。

特に、圧力センサ１は、筒状のボディ部１１における前端部１１ｆに設けたダイアフラム部１２とこのダイアフラム部１２の受けた圧力をセンサ部２に伝達する圧力伝達部１３を有する圧力伝達構造Ｕ１を設けたため、本発明による基本的効果を享受できる実用的な圧力センサ１を容易かつ確実に得ることができる。また、センサ部２は、複数の圧電素子Ｃ…を積層した積層構造Ｕ２により構成するため、より感度及びＳ／Ｎ比の向上に寄与できるとともに、単体では脆くて大きな外力を付与し難い圧電素子Ｃ…に対しても内燃機関１５のシリンダ１７で発生するような大きな圧力を付与することができるなど、センサ部２の強度アップ及び圧力の検出範囲拡大に寄与できる。

さらに、圧電素子Ｃ…は、圧力作用方向に対して垂直方向に電荷が発生する圧電横効果を用いるため、圧電縦効果を用いた際には得ることができないカット角θの選定に伴う有効性を確実に確保することができる。加えて、センサ部２の両端面に電極部３８，３９を面接触する配置となるため、ダイアフラムヘッド３６で受ける熱が速やかに内部構造体へ伝達する構成となり、前インナブロック４３がボディ部１１と強固に接触する配置となる等、圧力センサ１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できる。
以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、圧力センサ１の構造は、例示の構造に限定されるものではなく、要部となるセンサ部２を用いる以上、任意の構造により実施することができる。また、センサ部２は、複数の圧電素子Ｃ…を積層した積層構造Ｕ２により構成した場合を示したが勿論積層することなく単体で用いてもよい。さらに、用途として、内燃機関１５に取付けることにより燃焼室１６の圧力を検出する際に用いる場合を例示したが、排気圧や燃料噴射圧などを始め、各種用途における圧力測定用として利用することができる。

本発明の最良の実施形態に係る圧力センサに用いる圧電素子のカット角を説明するための原理説明図、 同圧力センサに用いる圧電素子のカット角に対する発生電荷量の関係を示す変化特性図、 同圧力センサに用いる圧電素子における発生電荷量の最大領域が得られる理由を説明するためのフローチャート、 同圧力センサを取付けた状態を示す内燃機関の構造図、 圧電素子の圧電定数を測定する測定装置のブロック系統図、 圧電素子の温度に対する圧電定数の変化特性図、 圧電素子の温度に対する他の圧電定数の変化特性図、 同圧力センサの断面側面図、 同圧力センサの一部を拡大して示す断面側面図、 同圧力センサに用いるセンサ部の構成説明図、 同圧力センサに用いるセンサ部の外観斜視図、

符号の説明

１ 圧力センサ
２ センサ部
１１ ボディ部
１１ｆ 前端部
１２ ダイアフラム部
１３ 圧力伝達部
１５ 内燃機関
１６ 燃焼室
Ｃ 圧電素子
θ カット角
ＬＴＧ ランガテイト
Ｆｆ 圧力作用方向
Ｆｓ 垂直方向
Ｕ１ 圧力伝達構造
Ｕ２ 積層構造

Claims (4)

1. 単結晶材料による圧電素子を用いたセンサ部を備える圧力センサにおいて、前記圧電素子として、単結晶材料をカッティングする際の角度となる結晶学上のｘ軸を中心にｙｚ面の面方向に振ったｙ軸に対するカット角θを、５°≦θ≦３０°の範囲に選定したランガテイト（Ｌａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄：ＬＴＧ）を用いるとともに、圧力作用方向に対して垂直方向に電荷が発生する圧電横効果を用いたことを特徴とする圧力センサ。
2. 筒状のボディ部における前端部に設けたダイアフラム部とこのダイアフラム部の受けた圧力を前記センサ部に伝達する圧力伝達部を有する圧力伝達構造を備えることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記センサ部は、複数の前記圧電素子を積層した積層構造を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の圧力センサ。
4. 内燃機関に取付けることにより燃焼室の圧力を検出することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。

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