JP4883768B2 - Piezoelectric sensor - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のエンジン内部や、原子力発電所等のプラント内部のような高温環境下で、アコースティックエミッションや、振動、加速度といった物理量を、圧電性セラミックス薄膜素子によって検出する圧電センサに関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric sensor that detects a physical quantity such as acoustic emission, vibration, and acceleration with a piezoelectric ceramic thin film element in a high-temperature environment such as an internal combustion engine or a plant such as a nuclear power plant. is there.

原子力発電所などのプラントにおける配管やバルブ、または内燃機関のエンジンなどの高温雰囲気を生じる構造物の異常探知を行うために、構造物の内部にセンサを設置している。例えば、構造物に亀裂や割れが生じる時に発生する弾性波であるアコースティックエミッションを検出するアコースティックエミッションセンサや、異常振動、加速度の情報を検出する圧電型の振動センサが用いられており、これらには、圧縮型、片持ち梁型、ダイアフラム型、せん断型等種々の形式のものが知られている。   In order to detect abnormalities in structures that generate high-temperature atmosphere such as piping and valves in a plant such as a nuclear power plant or an engine of an internal combustion engine, sensors are installed inside the structure. For example, acoustic emission sensors that detect acoustic emissions, which are elastic waves generated when cracks or cracks occur in structures, and piezoelectric vibration sensors that detect abnormal vibration and acceleration information are used. Various types such as a compression type, a cantilever type, a diaphragm type, and a shear type are known.

この中で、圧縮型の薄膜型圧電センサは、特許文献1に記載されているように(図1に示すように)、台座、台座側電極、圧電体、荷重体側電極、及び荷重体を順次積層した積層体からなり、その台座の下面を構造物に取り付けて使用されるものである。構造物に振動が発生すると、その振動がセンサの台座側に伝達される。そして、センサの台座側に伝達された振動が圧電体に伝達され、圧電体に振動加速度に比例した圧縮応力、または引張応力が発生する。そして、その応力に比例した電気信号(電荷)が圧電体の両面に発生し、圧電体両側に配設された上記2枚の電極がその電荷を取り出す。その取り出された電荷を測定することによって構造物の振動の大きさや加速度を検出することができる。   Among these, as described in Patent Document 1 (as shown in FIG. 1), the compression type thin film type piezoelectric sensor sequentially includes a pedestal, a pedestal side electrode, a piezoelectric body, a load body side electrode, and a load body. It consists of the laminated body which laminated | stacked, and attaches the lower surface of the base to a structure, and is used. When vibration occurs in the structure, the vibration is transmitted to the pedestal side of the sensor. Then, the vibration transmitted to the pedestal side of the sensor is transmitted to the piezoelectric body, and a compressive stress or a tensile stress proportional to the vibration acceleration is generated in the piezoelectric body. An electric signal (charge) proportional to the stress is generated on both sides of the piezoelectric body, and the two electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body take out the charge. By measuring the extracted electric charge, the magnitude and acceleration of the vibration of the structure can be detected.

従来、このような圧電型のセンサに用いられる圧電体としては、表1に示すような種々のものが使用されている。   Conventionally, as a piezoelectric body used in such a piezoelectric sensor, various types as shown in Table 1 have been used.

特許文献1および2には、圧電体としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やポリフッ化ビニリデン(PVDF)を使用した圧電センサの一例が開示されている。ところが、これらの圧電体はキュリー温度が低く、その適用限界温度は最高でも300℃程度である。これに対して、構造物の内部は高い燃焼温度(500℃前後)となる。そのため、その内部に設置される圧電センサの圧電体は、かなりの高温(400℃前後)となり、キュリー温度に達してしまう。圧電体がキュリー温度を超える高温になると、圧電特性が劣化し使用に耐え得ないものとなる。そのため、上記のようなキュリー温度の低い圧電体を使用する場合には、特許文献3に記載されているように、圧電体を適温に維持するための冷却手段を別途設ける必要がある。しかしながら、冷却手段を設けることによって圧電センサは、その構造が複雑化し、コストが増大化してしまうという問題が生じる。   Patent Documents 1 and 2 disclose examples of a piezoelectric sensor using lead zirconate titanate (PZT) or polyvinylidene fluoride (PVDF) as a piezoelectric body. However, these piezoelectric bodies have a low Curie temperature, and their application limit temperature is about 300 ° C. at the maximum. On the other hand, the inside of the structure has a high combustion temperature (around 500 ° C.). For this reason, the piezoelectric body of the piezoelectric sensor installed in the inside becomes a considerably high temperature (around 400 ° C.) and reaches the Curie temperature. When the piezoelectric body becomes a high temperature exceeding the Curie temperature, the piezoelectric characteristics are deteriorated and cannot be used. Therefore, when using a piezoelectric body having a low Curie temperature as described above, it is necessary to separately provide cooling means for maintaining the piezoelectric body at an appropriate temperature, as described in Patent Document 3. However, the provision of the cooling means causes a problem that the structure of the piezoelectric sensor becomes complicated and the cost increases.

そこで、上記の問題を解決するために、キュリー温度が高い圧電体を高温環境下で使用する方法が考えられる。特許文献4には、キュリー温度の高いニオブ酸リチウム(LiNbO)を使用する方法が開示されている。ニオブ酸リチウムは、表1に示すように、キュリー温度が約1210℃であり、冷却手段を用いることなく高温環境下での使用が可能である。ところが、ニオブ酸リチウムは加工性に劣り、薄膜化が困難であり、また単結晶体の状態でなければ圧電特性が得られないという問題点がある。さらに、作製や加工が困難でコストがかかるという問題点もある。 In order to solve the above problem, a method of using a piezoelectric body having a high Curie temperature in a high temperature environment is conceivable. Patent Document 4 discloses a method of using lithium niobate (LiNbO 3 ) having a high Curie temperature. As shown in Table 1, the lithium niobate has a Curie temperature of about 1210 ° C., and can be used in a high temperature environment without using a cooling means. However, lithium niobate is inferior in workability, is difficult to be thinned, and has a problem that piezoelectric characteristics cannot be obtained unless it is in a single crystal state. In addition, there is a problem that production and processing are difficult and costly.

また、圧電体に水晶を使用した場合にも、上記と同様に薄膜化が困難であるという問題点がある。   In addition, when quartz is used for the piezoelectric body, there is a problem that it is difficult to reduce the thickness as described above.

そこで、これらの問題点を解決する方法の一例が特許文献5に開示されている。上記特許文献5の圧電センサは、キュリー温度が存在しない圧電体、例えば、窒化アルミニウム(AlN)や酸化亜鉛(ZnO)を利用したものである。具体的には、上記圧電センサは、金属ダイアフラム上に、下地層、圧電薄膜層(窒化アルミニウム)、および上部電極がこの順に積層して形成されており、圧電薄膜層から発生する電荷を取り出す上部電極に信号出力棒が圧着固定されている。そして、金属ダイアフラムが外部から受けた圧力が圧電薄膜層に伝達され、その圧力に応じて圧電薄膜層が電荷を発生する。この電荷を信号出力棒を介して測定することによって前記圧力を検出するものである。これにより、小型で耐熱性に優れた低価格の圧電センサを実現することができる。
特開平6−148011号公報(公開日1994年5月27日) 特開平10−206399号公報(公開日1998年8月7日) 特開平5−203665号公報(公開日1993年8月10日) 特開平5−34230号公報(公開日1993年2月9日) 特開2004−156991号公報(公開日2004年6月3日)
An example of a method for solving these problems is disclosed in Patent Document 5. The piezoelectric sensor of Patent Document 5 uses a piezoelectric body having no Curie temperature, for example, aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO). Specifically, the piezoelectric sensor is formed by laminating a base layer, a piezoelectric thin film layer (aluminum nitride), and an upper electrode in this order on a metal diaphragm, and an upper portion that extracts charges generated from the piezoelectric thin film layer. A signal output rod is fixed to the electrode by crimping. The pressure received by the metal diaphragm from the outside is transmitted to the piezoelectric thin film layer, and the piezoelectric thin film layer generates an electric charge according to the pressure. The pressure is detected by measuring the electric charge through a signal output rod. Thereby, a low-priced piezoelectric sensor that is small and excellent in heat resistance can be realized.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-148011 (release date May 27, 1994) Japanese Patent Laid-Open No. 10-206399 (publication date: August 7, 1998) Japanese Patent Laid-Open No. 5-203665 (Released on August 10, 1993) Japanese Patent Laid-Open No. 5-34230 (publication date February 9, 1993) JP 2004-156991 A (publication date June 3, 2004)

ところが、上記従来の構成では、圧電素子の圧電体として、表1に示すような圧電定数d33の小さい窒化アルミニウムを用いているため、外部からの圧力に応じた電荷を十分に発生することができない。また、この圧電素子が信号出力棒に密着固定されているため、外部からの圧力による圧電素子の変形量が制限されてしまう。圧電素子は外部からの圧力により変形し、その内部に生じる応力に応じて電荷を発生するものであるため、圧電素子の変形量が小さいと外部からの圧力に応じた電荷を正確に発生することができない。したがって、このような圧電素子を使用した圧電センサは感度が低いという問題点がある。特に、構造物の異常を検出するためのセンサは、僅かな異常をも検出する必要があるため、その感度は重要な問題である。また、表1に示す圧電定数d33が大きい他の圧電体は、上述した問題が生じるため高温環境下での使用には適さない。   However, in the above-described conventional configuration, aluminum nitride having a small piezoelectric constant d33 as shown in Table 1 is used as the piezoelectric body of the piezoelectric element, so that it is not possible to generate sufficient charges according to external pressure. . In addition, since the piezoelectric element is tightly fixed to the signal output rod, the deformation amount of the piezoelectric element due to external pressure is limited. Piezoelectric elements are deformed by pressure from the outside and generate electric charges according to the stress generated inside them. Therefore, if the amount of deformation of the piezoelectric element is small, electric charges according to external pressure can be generated accurately. I can't. Therefore, a piezoelectric sensor using such a piezoelectric element has a problem that sensitivity is low. In particular, since a sensor for detecting an abnormality of a structure needs to detect even a slight abnormality, its sensitivity is an important problem. In addition, other piezoelectric bodies having a large piezoelectric constant d33 shown in Table 1 are not suitable for use in a high temperature environment because the above-described problems occur.

ここで、上記圧電定数d33とは、圧電体に加えられる圧力に対して該圧電体から発生する電荷量を表す値である。つまり、圧電定数d33の値が大きければ発生する電荷量が多いということである。そして、発生する電荷量が多い程、加えられる圧力が僅かでもその圧力に応じた電荷を発生させることができる。したがって、この電荷量の多さは圧電素子の感度に影響を与えるものである。   Here, the piezoelectric constant d33 is a value representing the amount of charge generated from the piezoelectric body with respect to the pressure applied to the piezoelectric body. That is, if the value of the piezoelectric constant d33 is large, the amount of generated charge is large. As the amount of generated charge increases, even if the applied pressure is small, it is possible to generate charges corresponding to the pressure. Therefore, the large amount of charge affects the sensitivity of the piezoelectric element.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、感度の低い圧電素子を使用して、高感度が得られる圧電センサを提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor that can obtain high sensitivity using a piezoelectric element having low sensitivity.

本発明に係る圧電センサは、上記の課題を解決するために、第1の面にて圧力を受け、その圧力により電荷を発生する圧電素子を備えた圧電センサにおいて、前記第1の面とは反対の第2の面が臨む領域に空間が形成されていることを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, a piezoelectric sensor according to the present invention includes a piezoelectric element that receives a pressure on a first surface and generates a charge by the pressure. A space is formed in a region where the opposite second surface faces.

圧電素子は、外部から力を受けて変形すると、その内部に圧縮応力および引張応力が発生し、この応力に応じた電荷を発生する。したがって、変形量が大きければその内部に発生する応力も大きくなり、より多くの電荷を発生する。   When the piezoelectric element is deformed by receiving a force from the outside, a compressive stress and a tensile stress are generated inside the piezoelectric element, and a charge corresponding to the stress is generated. Therefore, if the amount of deformation is large, the stress generated in the inside becomes large and more charges are generated.

上記の構成によれば、圧電素子の第1の面とは反対の第2の面が臨む領域に空間が形成されているので、圧力を受けた圧電素子は、圧力の方向つまり空間の方向へ、その圧力に応じて撓むことができる。このように、圧力を受ける面とは反対の面に空間を形成することによって、圧電素子は妨害されることなく空間の方向へ撓むことができる。これにより、外部で発生する圧力が僅かでも、圧電素子を撓ませることができるため、圧電素子はその圧力に応じた電荷を正確に発生することができる。したがって、感度の低い圧電素子を使用した場合であっても高感度の圧電センサを得ることができる。   According to the above configuration, since the space is formed in the region where the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric element faces, the piezoelectric element that has received the pressure moves in the direction of pressure, that is, the direction of the space. , And can bend according to the pressure. Thus, by forming the space on the surface opposite to the surface receiving the pressure, the piezoelectric element can be bent in the direction of the space without being obstructed. Thereby, even if the pressure generated outside is slight, the piezoelectric element can be bent, so that the piezoelectric element can accurately generate electric charges according to the pressure. Therefore, a highly sensitive piezoelectric sensor can be obtained even when a piezoelectric element with low sensitivity is used.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子の前記第2の面に導電部材をさらに備えており、前記導電部材が、前記圧電素子と電気的に接続されている接続面が前記圧電素子の前記第2の面における外周側の領域のみと接していることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, a conductive member is further provided on the second surface of the piezoelectric element, and a connection surface where the conductive member is electrically connected to the piezoelectric element is the piezoelectric element. It is preferable that the second surface is in contact with only the outer peripheral region.

上記の構成によれば、導電部材は、圧電素子の圧力を受ける面とは反対の電荷を発生する面における外周側の領域のみと接しているので、圧電素子における電荷が発生する側には、空間が形成されている。そのため圧力を受け取った圧電素子は、圧力の方向つまり空間の方向へ撓むことができ、その内部に発生する応力に応じて電荷を発生する。そして、圧電素子から発生した電荷を導電部材が取り出すことによって圧電素子に加えられた圧力を検出することができる。このように、圧電素子は、電荷を取り出す導電部材に妨害されることなく空間の方向へ撓むことができるため、その圧力に応じた電荷を正確に発生することができる。したがって、感度の低い圧電素子を使用した場合であっても高感度の圧電センサを得ることができる。   According to the above configuration, the conductive member is in contact with only the outer peripheral region of the surface that generates the charge opposite to the surface receiving the pressure of the piezoelectric element. A space is formed. Therefore, the piezoelectric element that has received the pressure can bend in the direction of the pressure, that is, in the direction of the space, and generates an electric charge according to the stress generated therein. The pressure applied to the piezoelectric element can be detected by the conductive member taking out the electric charge generated from the piezoelectric element. Thus, since the piezoelectric element can bend in the direction of the space without being obstructed by the conductive member that extracts the electric charge, the electric charge corresponding to the pressure can be generated accurately. Therefore, a highly sensitive piezoelectric sensor can be obtained even when a piezoelectric element with low sensitivity is used.

本発明に係る圧電センサでは、前記導電部材は、導電性の棒状部材であって軸方向の一端面が前記接続面となり、この接続面の中央部寄りの位置に凹部が形成されていることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, the conductive member is a conductive rod-shaped member, and one end surface in the axial direction serves as the connection surface, and a recess is formed at a position near the center of the connection surface. preferable.

上記の構成によれば、導電部材における、導電部材と圧電素子との接続面の中央部寄りの位置に凹部が形成されている。これにより、圧電素子の圧力を受ける面とは反対の面側には空間が形成されることになる。したがって、圧電素子が外部から圧力を受けると、その圧力に応じて圧力の方向、つまり、導電部材の凹部の内部方向に導電部材に妨害されることなく撓むことができる。そして、圧電素子の撓みに応じた応力が圧電素子の内部に発生し、その応力に応じた電荷が発生する。このように、導電部材に凹部を形成することによって圧電素子は撓むことができる。   According to said structure, the recessed part is formed in the position near the center part of the connection surface of a conductive member and a piezoelectric element in a conductive member. As a result, a space is formed on the surface opposite to the surface receiving the pressure of the piezoelectric element. Therefore, when the piezoelectric element receives pressure from the outside, the piezoelectric element can be deflected in the direction of pressure, that is, in the inner direction of the concave portion of the conductive member without being obstructed by the conductive member. And the stress according to the bending of a piezoelectric element generate | occur | produces inside a piezoelectric element, and the electric charge according to the stress generate | occur | produces. As described above, the piezoelectric element can be bent by forming the concave portion in the conductive member.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子を装着するための筐体をさらに備えており、前記筐体の前端壁に形成される開口部が前記第1の面に位置し、前記第2の面に配置された前記棒状部材により前記圧電素子が前記前端壁と前記棒状部材との間に固定されていることが好ましい。   The piezoelectric sensor according to the present invention further includes a housing for mounting the piezoelectric element, wherein an opening formed in a front end wall of the housing is located on the first surface, and the second surface It is preferable that the piezoelectric element is fixed between the front end wall and the rod-shaped member by the rod-shaped member disposed on the surface.

上記の構成によれば、圧電素子を装着するための筐体の前端壁に開口部が形成されており、その開口部は前記第1の面に位置している。そして、前記第2の面に配置された棒状部材により圧電素子が前記前端壁と棒状部材との間に固定されている。   According to said structure, the opening part is formed in the front-end wall of the housing | casing for mounting | wearing with a piezoelectric element, The opening part is located in the said 1st surface. And the piezoelectric element is being fixed between the said front end wall and the rod-shaped member with the rod-shaped member arrange | positioned at the said 2nd surface.

これにより、圧電素子は、その圧力を受ける面(第1の面)が開口部から露出した状態で、開口部が形成される筐体の前端壁と棒状部材との間に固定される。したがって、圧電素子は、外部からの圧力を受け、その圧力の方向にのみ撓むことができる。   Accordingly, the piezoelectric element is fixed between the front end wall of the housing in which the opening is formed and the rod-like member in a state where the pressure receiving surface (first surface) is exposed from the opening. Therefore, the piezoelectric element can receive a pressure from the outside and bend only in the direction of the pressure.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子は、該圧電素子から発生する電荷を取り出す上部電極を備えており、前記上部電極は、前記圧力が作用して前記圧電素子の内部に生じる圧縮応力または引張応力によって発生する電荷を取り出すように設けられていることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, the piezoelectric element includes an upper electrode that extracts charges generated from the piezoelectric element, and the upper electrode has a compressive stress generated in the piezoelectric element due to the action of the pressure. It is preferable to be provided so as to take out electric charges generated by tensile stress.

圧電素子は、撓みが作用してその内部に圧縮応力と引張応力とが発生する。具体的には、圧電素子に圧力が加わり撓みが発生したとき、圧電素子の中央付近は両端方向へ引っ張られる。これにより、圧電素子の中央付近には引張応力が発生する。一方、圧電素子の両端付近は収縮方向へ圧縮される。これにより、圧電素子の両端付近には圧縮応力が発生する。   The piezoelectric element is bent to generate a compressive stress and a tensile stress therein. Specifically, when pressure is applied to the piezoelectric element and bending occurs, the vicinity of the center of the piezoelectric element is pulled toward both ends. Thereby, tensile stress is generated near the center of the piezoelectric element. On the other hand, the vicinity of both ends of the piezoelectric element is compressed in the contraction direction. Thereby, compressive stress is generated near both ends of the piezoelectric element.

ところで、圧電素子において圧縮応力によって発生する電荷と引張応力によって発生する電荷とは、その極性が異なる。そのため、電極層によって両応力により発生する電荷を取り出すと、互いに相殺されてしまい十分な電荷を取り出すことができない。   By the way, the charge generated by the compressive stress in the piezoelectric element and the charge generated by the tensile stress have different polarities. For this reason, if charges generated by both stresses are taken out by the electrode layer, they are canceled out and sufficient charges cannot be taken out.

上記の構成によれば、上部電極が、圧電素子の圧縮応力または引張応力によって発生する電荷を取り出すように設けられている。   According to said structure, the upper electrode is provided so that the electric charge which generate | occur | produces with the compressive stress or tensile stress of a piezoelectric element may be taken out.

これにより、例えば、上部電極は、圧縮応力によって発生した電荷を引張応力によって発生した電荷に相殺されることなく、圧電素子から取り出すことができる。したがって、上部電極は、圧電素子から十分な量の電荷を取り出すことができる。これにより、圧電素子に加わる圧力が僅かでも、圧電素子からより多くの電荷を取り出すことができるため、外部で発生した僅かな圧力をも検出することができる。   Thereby, for example, the upper electrode can be taken out from the piezoelectric element without canceling out the charge generated by the compressive stress with the charge generated by the tensile stress. Therefore, the upper electrode can extract a sufficient amount of charge from the piezoelectric element. Thereby, even if the pressure applied to the piezoelectric element is small, more charges can be taken out from the piezoelectric element, so that even a slight pressure generated outside can be detected.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子は、圧力を受けて電荷を発生する圧電薄膜層と前記圧電薄膜層から発生する電荷を取り出す上部電極とを備えており、前記上部電極は前記圧電薄膜層の前記第2の面における外周側の領域のみと接していることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, the piezoelectric element includes a piezoelectric thin film layer that generates a charge under pressure, and an upper electrode that extracts the charge generated from the piezoelectric thin film layer, and the upper electrode is the piezoelectric thin film. It is preferable that only the area | region of the outer peripheral side in the said 2nd surface of a layer is in contact.

上記の構成によれば、上部電極は、圧電薄膜層の圧力を受ける面とは反対の電荷を発生する面における外周側の領域のみと接しているので、圧電薄膜層における電荷が発生する側には、空間が形成されている。そのため、圧力を受け取った圧電薄膜層は、圧力の方向つまり空間の方向へ撓むことができ、その内部に発生する応力に応じて電荷を発生する。そして、圧電薄膜層から発生した電荷を上部電極が取り出すことによって圧電素子に加えられた圧力を検出することができる。   According to the above configuration, the upper electrode is in contact with only the outer peripheral side region of the surface that generates the charge opposite to the surface receiving the pressure of the piezoelectric thin film layer, so that the charge is generated on the piezoelectric thin film layer side. A space is formed. Therefore, the piezoelectric thin film layer that has received the pressure can bend in the direction of the pressure, that is, the direction of the space, and generates an electric charge according to the stress generated in the inside. The pressure applied to the piezoelectric element can be detected by the upper electrode taking out the charge generated from the piezoelectric thin film layer.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子を装着するための筐体を備えており、前記圧電素子は、圧力を受けて電荷を発生する圧電薄膜層を備えており、前記圧電薄膜層は前記筐体の前端壁に形成され、この前端壁における前記圧電薄膜層が形成されている部分はダイアフラムとして機能するように加工されていることが好ましい。具体的には、圧電薄膜層が形成される前端壁の厚さを0.005mm以上10mm以下とすることが好ましい。   The piezoelectric sensor according to the present invention includes a housing for mounting the piezoelectric element, and the piezoelectric element includes a piezoelectric thin film layer that generates a charge under pressure, and the piezoelectric thin film layer includes the piezoelectric thin film layer. It is preferable that a portion of the front end wall where the piezoelectric thin film layer is formed is processed so as to function as a diaphragm. Specifically, the thickness of the front end wall on which the piezoelectric thin film layer is formed is preferably 0.005 mm or more and 10 mm or less.

上記の構成によれば、圧力を受けて電荷を発生する圧電薄膜層が筐体の前端壁に直接形成されている。そして、圧電薄膜層が形成されている前端壁はダイアフラムとして機能するように加工されている。ここで、ダイアフラムとは、加えられる圧力に応じて変形する膜状体を言う。   According to said structure, the piezoelectric thin film layer which generate | occur | produces an electric charge according to a pressure is directly formed in the front-end wall of a housing | casing. And the front end wall in which the piezoelectric thin film layer is formed is processed so that it may function as a diaphragm. Here, the diaphragm refers to a film-like body that deforms according to an applied pressure.

これにより、圧力を受ける前端壁は圧力の方向に撓むことができ、この撓みに付随して圧電薄膜層も撓むことができる。このように、圧電薄膜層は筐体に直接形成されても撓むことができるため、圧電素子の構成を簡略化できる。したがって、小型でコストの低い高感度の圧電センサを得ることができる。   Thereby, the front end wall which receives pressure can bend in the direction of pressure, and the piezoelectric thin film layer can also be bent accompanying this bend. As described above, since the piezoelectric thin film layer can be bent even if it is directly formed on the housing, the structure of the piezoelectric element can be simplified. Therefore, a highly sensitive piezoelectric sensor that is small in size and low in cost can be obtained.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子を装着するための筐体を備えており、前記圧電素子は、前記第1の面側に位置する圧力伝達部材と、前記第2の面側に位置する、圧力を受けて電荷を発生する圧電薄膜層と、前記圧電薄膜層から発生する電荷を取り出す上部電極とを備えており、前記筐体は開口部を有し、前記圧力伝達部材は、前記圧電薄膜層と前記上部電極とが前記筐体内部に収容され、かつ前記圧力伝達部材の外周側の領域のみが前記開口部の周囲の領域と接するように前記開口部に設けられていることが好ましい。   The piezoelectric sensor according to the present invention includes a housing for mounting the piezoelectric element. The piezoelectric element is positioned on the first surface side and on the second surface side. A piezoelectric thin film layer that generates a charge under pressure, and an upper electrode that extracts the charge generated from the piezoelectric thin film layer, the housing has an opening, and the pressure transmission member includes The piezoelectric thin film layer and the upper electrode are accommodated in the housing, and only the outer peripheral side region of the pressure transmission member is provided in the opening so as to be in contact with the region around the opening. preferable.

上記の構成によれば、圧力を受ける圧力伝達部材は、圧電薄膜層と上部電極とを収容する筐体における開口部の周囲の領域と接するように前記開口部に設けられている。   According to said structure, the pressure transmission member which receives a pressure is provided in the said opening part so that the area | region around the opening part in the housing | casing which accommodates a piezoelectric thin film layer and an upper electrode may be contact | connected.

これにより、筐体と圧力伝達部材とは、外周側の領域以外つまり中央側の領域において接することがない。すなわち、筐体の内部方向、つまり圧電薄膜層における電荷が発生する側には空間が形成されている。そのため圧力を受け取った圧力伝達部材は、圧力の方向つまり空間の方向へ撓むことができ、その撓みに付随して圧電薄膜層も撓むことができる。このように、圧力を受ける面とは反対の面に空間を形成することによって、圧電素子は妨害されることなく空間の方向へ撓むことができる。   As a result, the casing and the pressure transmission member do not contact each other in the region on the central side other than the region on the outer peripheral side. That is, a space is formed in the inner direction of the casing, that is, on the side where electric charges are generated in the piezoelectric thin film layer. Therefore, the pressure transmission member that has received the pressure can bend in the direction of the pressure, that is, the direction of the space, and the piezoelectric thin film layer can be bent along with the bending. Thus, by forming the space on the surface opposite to the surface receiving the pressure, the piezoelectric element can be bent in the direction of the space without being obstructed.

本発明に係る圧電センサでは、前記上部電極に導線が接続されていることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, it is preferable that a conductive wire is connected to the upper electrode.

上記の構成によれば、上部電極に導線が接続されているので、圧電薄膜層から発生した電荷は導線にて取り出される。そして、取り出された電荷を検出することによって、圧力伝達手段に加えられた圧力を検出することができる。   According to said structure, since the conducting wire is connected to the upper electrode, the electric charge generated from the piezoelectric thin film layer is taken out by the conducting wire. And the pressure applied to the pressure transmission means can be detected by detecting the taken-out electric charge.

本発明に係る圧電センサでは、上部電極は、円環状部材であって一面が前記圧電薄膜層と接続する接続面となり、この接続面が前記圧電薄膜層の前記第2の面における外周側の領域のみと接していることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, the upper electrode is an annular member, and one surface serves as a connection surface connected to the piezoelectric thin film layer, and this connection surface is a region on the outer peripheral side of the second surface of the piezoelectric thin film layer. It is preferable that it touches only.

上記の構成によれば、円環状の上部電極は、圧電薄膜層の第2の面における外周側の領域のみと接しているので上部電極の内部は中空空間が形成されている。したがって、圧電薄膜層は上部電極の空間方向に撓むことができる。   According to said structure, since the annular | circular shaped upper electrode is in contact with only the area | region of the outer peripheral side in the 2nd surface of a piezoelectric thin film layer, the hollow space is formed in the inside of an upper electrode. Therefore, the piezoelectric thin film layer can be bent in the spatial direction of the upper electrode.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子は、該圧電素子から発生する電荷を取り出す上部電極を備えており、前記上部電極は、前記圧力が作用して前記圧電素子の内部に生じる圧縮応力によって発生する電荷および引張応力によって発生する電荷を、それぞれ個別に取り出すように設けられていることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, the piezoelectric element includes an upper electrode that extracts electric charges generated from the piezoelectric element, and the upper electrode is caused by a compressive stress generated in the piezoelectric element by the action of the pressure. It is preferable that the electric charges generated and the electric charges generated by the tensile stress are individually taken out.

圧電素子は、外部からの圧力により生じる撓みが作用して、その内部に圧縮応力および引張応力が発生する。しかしながら、圧電素子において圧縮応力によって発生する電荷と引張応力によって発生する電荷とは、その極性が異なるため、電極層によって両応力により発生する電荷を取り出すと、互いに相殺されてしまい十分な電荷を取り出すことができない。   The piezoelectric element is subjected to bending caused by external pressure, and compressive stress and tensile stress are generated inside the piezoelectric element. However, the charge generated by the compressive stress in the piezoelectric element and the charge generated by the tensile stress have different polarities. Therefore, if the charges generated by both stresses are taken out by the electrode layer, they are canceled out and sufficient charges are taken out. I can't.

これに対して、上記の構成によれば、上部電極は、圧縮応力によって発生する電荷および引張応力によって発生する電荷を、それぞれ個別に取り出すように設けられている。   On the other hand, according to said structure, the upper electrode is provided so that the electric charge generated by a compressive stress and the electric charge generated by a tensile stress may each be taken out separately.

これにより、圧縮応力によって発生した電荷と、引張応力によって発生した電荷とを別々に取り出せるため、両者を足し合わせた十分な量の電荷を検出することができる。なお、両者を足し合わせて、増幅した電荷(出力)を得るためには、一方の電荷の極性を反転させることにより可能となる。これにより、圧電素子に加わる圧力が僅かでも、圧電素子全体からより多くの電荷を取り出すことができるため、外部で発生した僅かな圧力をも検出することができる。すなわち、圧電センサの感度をより向上させることができる。   Thereby, since the electric charge generated by the compressive stress and the electric charge generated by the tensile stress can be taken out separately, a sufficient amount of electric charges can be detected by adding both together. In addition, in order to obtain the amplified charge (output) by adding both, it is possible to invert the polarity of one charge. Thereby, even if the pressure applied to the piezoelectric element is small, more charges can be taken out from the entire piezoelectric element, so that even a slight pressure generated outside can be detected. That is, the sensitivity of the piezoelectric sensor can be further improved.

本発明に係る圧電センサでは、前記圧電素子は、圧力を受けて電荷を発生する圧電薄膜層と前記圧電薄膜層から発生する電荷を取り出す上部電極とを備えており、前記上部電極は、前記圧電薄膜層の前記第2の面における、外周側の領域および中央部寄りの領域にそれぞれ個別に設けられていることが好ましい。   In the piezoelectric sensor according to the present invention, the piezoelectric element includes a piezoelectric thin film layer that generates an electric charge upon receiving pressure, and an upper electrode that extracts an electric charge generated from the piezoelectric thin film layer, and the upper electrode includes the piezoelectric element. It is preferable that the second surface of the thin film layer is individually provided in the outer peripheral region and the central region.

ここで、圧電素子は、外部からの圧力により生じる撓みが作用して、前記第2の面における外周側の領域には圧縮応力が発生し、前記第2の面における中央部寄りの領域には引張応力が発生する。   Here, the piezoelectric element is subjected to bending caused by pressure from the outside, and compressive stress is generated in a region on the outer peripheral side of the second surface, and in a region near the center portion of the second surface. Tensile stress is generated.

上記の構成によれば、上部電極は、圧電薄膜層の圧力を受ける面とは反対の電荷を発生する面における、外周側の領域および中央部寄りの領域にそれぞれ個別に設けられるため、圧縮応力によって発生する電荷および引張応力によって発生する電荷を、それぞれ個別に取り出すことが可能となる。   According to the above configuration, the upper electrode is individually provided in the outer peripheral side region and the central region on the surface that generates charges opposite to the surface receiving the pressure of the piezoelectric thin film layer. It is possible to individually take out the charge generated by the above and the charge generated by the tensile stress.

したがって、いずれか一方の電荷の極性を反転させる方法等により、圧縮応力および引張応力によって発生した電荷を足し合わせた十分な量の電荷を検出することができる。これにより、圧電素子に加わる圧力が僅かでも、圧電素子からより多くの電荷を取り出すことができるため、外部で発生した僅かな圧力をも検出することができる。すなわち、圧電センサの感度をより向上させることができる。   Therefore, a sufficient amount of charges obtained by adding the charges generated by compressive stress and tensile stress can be detected by a method of reversing the polarity of one of the charges. Thereby, even if the pressure applied to the piezoelectric element is small, more charges can be taken out from the piezoelectric element, so that even a slight pressure generated outside can be detected. That is, the sensitivity of the piezoelectric sensor can be further improved.

本発明に係る圧電センサは、以上のように、第1の面にて圧力を受け、その圧力により電荷を発生する圧電素子を備えた圧電センサにおいて、前記第1の面とは反対の第2の面が臨む領域に空間が形成されている構成である。   As described above, the piezoelectric sensor according to the present invention includes a piezoelectric sensor that includes a piezoelectric element that receives pressure on the first surface and generates electric charge by the pressure, and is opposite to the first surface. In this configuration, a space is formed in a region facing the surface.

これにより、外部で発生する圧力に応じて圧電素子を空間内部に撓ませることができ、この撓みに応じた電荷を正確に発生させることができる。したがって、感度の低い圧電素子を使用して、高感度が得られる圧電センサを提供することができるという効果を奏する。   Accordingly, the piezoelectric element can be bent into the space according to the pressure generated outside, and the electric charge according to the bending can be generated accurately. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric sensor that can obtain high sensitivity by using a piezoelectric element with low sensitivity.

本発明の実施の一形態について図1〜図13に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態では、圧電センサを内燃機関に適用した場合を例にとって説明する。   The following describes one embodiment of the present invention with reference to FIGS. In the present embodiment, a case where a piezoelectric sensor is applied to an internal combustion engine will be described as an example.

図1は、本実施の形態にかかる、圧電センサの概略構成を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a piezoelectric sensor according to the present embodiment.

圧電センサ1は、内燃機関シリンダ内から発生する圧力を検知することによって、当該シリンダ内の異常を検出するものである。圧電センサ1は、信号伝達部2および圧電素子10を備えている。   The piezoelectric sensor 1 detects an abnormality in the cylinder by detecting a pressure generated from the internal combustion engine cylinder. The piezoelectric sensor 1 includes a signal transmission unit 2 and a piezoelectric element 10.

圧電素子10は、上記シリンダ内で発生する圧力を受けて、該圧力に応じた電荷を発生するものである。なお、圧電素子10の詳細については後述する。   The piezoelectric element 10 receives a pressure generated in the cylinder and generates a charge corresponding to the pressure. Details of the piezoelectric element 10 will be described later.

信号伝達部2は、筐体20、信号出力棒(導電部材、電極層)30および電気絶縁環柱40を備えている。信号伝達部2は、圧電素子10から発生された電荷を信号出力棒30を介して信号搬送用ケーブル(図示せず)に検出信号として伝達するものである。   The signal transmission unit 2 includes a housing 20, a signal output rod (conductive member, electrode layer) 30, and an electrically insulating ring column 40. The signal transmission unit 2 transmits the electric charge generated from the piezoelectric element 10 as a detection signal to a signal carrying cable (not shown) via the signal output rod 30.

筐体20は、前部筐体22と後部筐体21とを軸方向の前後に備え、その内部には前端から後端まで貫通した軸孔50が形成されている。なお、筐体20は、高温となる内燃機関に備えられるため、耐熱性金属により構成されていることが好ましい。   The housing 20 includes a front housing 22 and a rear housing 21 in front and rear in the axial direction, and a shaft hole 50 penetrating from the front end to the rear end is formed therein. In addition, since the housing | casing 20 is equipped with the internal combustion engine used as high temperature, it is preferable to be comprised with the heat resistant metal.

後部筐体21は、大径部21aと小径部21bとを軸方向の前後に備えており、当該大径部21aは内径および外径が小径部21bのそれらよりも大きくなっている。大径部21aの内部には、図示しない信号搬送用ケーブルを取り付けるためのコネクタが挿嵌される。   The rear housing 21 includes a large-diameter portion 21a and a small-diameter portion 21b in front and rear in the axial direction, and the large-diameter portion 21a has an inner diameter and an outer diameter larger than those of the small-diameter portion 21b. A connector for attaching a signal carrying cable (not shown) is inserted into the large diameter portion 21a.

前部筐体22は、外径が大きい大径部22aと外径が小さい小径部22bとを軸方向の前後に備えている。前部筐体22の内部には上記軸孔50の一部を構成する大径孔51が形成され、大径部22aの大径孔51には後部筐体21の小径部21bが例えば螺合により嵌合されている。   The front housing 22 includes a large-diameter portion 22a having a large outer diameter and a small-diameter portion 22b having a small outer diameter at the front and rear in the axial direction. A large-diameter hole 51 that constitutes a part of the shaft hole 50 is formed inside the front housing 22, and the small-diameter portion 21b of the rear housing 21 is screwed into the large-diameter hole 51 of the large-diameter portion 22a, for example. Are fitted.

小径部22bの前端壁22dには、外部からの圧力を取り入れるために、大径孔51よりも小径の開口部53が形成されている。さらに、上記前端壁22dの内面における開口部53の周りには、圧電素子10を載置するための段部22cが形成されている。   An opening 53 having a smaller diameter than the large-diameter hole 51 is formed in the front end wall 22d of the small-diameter portion 22b in order to take in pressure from the outside. Further, a step 22c for mounting the piezoelectric element 10 is formed around the opening 53 in the inner surface of the front end wall 22d.

軸孔50は、小径部22b側の径の大きな大径孔51と、小径部21b側の径の小さな小径孔52との連接孔である。大径孔51には、当該大径孔51の孔径よりも僅かに小さい外径を有する筒状の電気絶縁環柱40が挿嵌されており、電気絶縁環柱40の貫通孔には金属製の信号出力棒30が設置されている。   The shaft hole 50 is a connecting hole of a large diameter hole 51 having a large diameter on the small diameter portion 22b side and a small diameter hole 52 having a small diameter on the small diameter portion 21b side. A cylindrical electrical insulating ring column 40 having an outer diameter slightly smaller than the diameter of the large diameter hole 51 is inserted into the large diameter hole 51, and the through hole of the electrical insulating ring column 40 is made of metal. The signal output rod 30 is installed.

信号出力棒30は、丸棒状であり、その前端側の外径が他の部分よりも大きく、段部31を備えている。また、信号出力棒30の前端面には、凹部32が形成されている。したがって、信号出力棒30の前端面はリング状の円環状面となっている。なお、凹部32の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、円柱状、角柱状、円錐状、角錐状などを適宜選択することができる。   The signal output bar 30 is in the shape of a round bar, and has an outer diameter on the front end side that is larger than that of other parts, and is provided with a step part 31. A recess 32 is formed in the front end surface of the signal output rod 30. Therefore, the front end surface of the signal output rod 30 is a ring-shaped annular surface. In addition, the shape of the recessed part 32 is not specifically limited, For example, cylindrical shape, prismatic shape, cone shape, pyramid shape etc. can be selected suitably.

また、信号出力棒30の後端部は、後部筐体21の小径部21bにおける小径孔52を貫通して大径部21aの内部まで達し、図示しない信号搬送ケーブルと接続される。また、信号出力棒30の前端面には金属製の電極33が設けられており、電極33は前部筐体22の小径部22bの段部22cにおいて圧電素子10と接触できる構成である。   Further, the rear end portion of the signal output rod 30 passes through the small diameter hole 52 in the small diameter portion 21b of the rear housing 21 and reaches the inside of the large diameter portion 21a, and is connected to a signal carrying cable (not shown). Further, a metal electrode 33 is provided on the front end surface of the signal output rod 30, and the electrode 33 is configured to be able to contact the piezoelectric element 10 at the step portion 22 c of the small diameter portion 22 b of the front housing 22.

開口部53はシリンダ内部に位置しており、シリンダ内部で発生する圧力は開口部53から進入し、圧電素子10に到達する。また、信号出力棒30は、軸孔50において圧電素子10および電気絶縁環柱40とのみ接触しており、筐体20からは電気的に絶縁されている。   The opening 53 is located inside the cylinder, and pressure generated inside the cylinder enters from the opening 53 and reaches the piezoelectric element 10. Further, the signal output rod 30 is in contact only with the piezoelectric element 10 and the electrically insulating ring column 40 in the shaft hole 50 and is electrically insulated from the housing 20.

圧電センサ1は以上のような構成である。ここで、圧電センサ1の組立方法について以下に説明する。   The piezoelectric sensor 1 is configured as described above. Here, a method for assembling the piezoelectric sensor 1 will be described below.

まず、圧電素子10は前部筐体22の段部22cに載置される。このとき、圧電素子10の前端面(第1の面)は、前部筐体22の開口部53から露出した状態となる。次に、信号出力棒30が前部筐体22内に挿入され、圧電素子10の後端面(第2の面)と接触し固定される。次に、電気絶縁環柱40が、その内部に信号出力棒30を嵌通させながら前部筐体22内に挿入され、信号出力棒30の前端の段部31と接触し固定される。その後、後部筐体21の小径部21bが前部筐体22の大径部22a内に挿入され、後部筐体21の前端壁が電気絶縁環柱40の後端壁を押し込む。そして、圧電素子10と信号出力棒30と電気絶縁環柱40とが、前部筐体22の内部で圧着した状態で固定される。以上の方法によって、圧電センサ1を形成することができる。   First, the piezoelectric element 10 is placed on the step 22 c of the front housing 22. At this time, the front end surface (first surface) of the piezoelectric element 10 is exposed from the opening 53 of the front housing 22. Next, the signal output rod 30 is inserted into the front housing 22 and is in contact with and fixed to the rear end surface (second surface) of the piezoelectric element 10. Next, the electrically insulating ring column 40 is inserted into the front housing 22 with the signal output rod 30 inserted therein, and is in contact with and fixed to the step portion 31 at the front end of the signal output rod 30. Thereafter, the small diameter portion 21 b of the rear housing 21 is inserted into the large diameter portion 22 a of the front housing 22, and the front end wall of the rear housing 21 pushes the rear end wall of the electrical insulating ring column 40. Then, the piezoelectric element 10, the signal output rod 30, and the electrically insulating ring column 40 are fixed in a state where they are crimped inside the front housing 22. The piezoelectric sensor 1 can be formed by the above method.

次に、図2を用いて圧電素子10について詳細に説明する。図2は、本実施の形態にかかる圧電素子10を示す断面図である。   Next, the piezoelectric element 10 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the piezoelectric element 10 according to the present embodiment.

圧電素子10は、金属ダイアフラム(圧力伝達部材)11上に、下地層12、圧電薄膜層13および上部電極14がこの順に成膜されてなるものである。   The piezoelectric element 10 is formed by forming a base layer 12, a piezoelectric thin film layer 13, and an upper electrode 14 in this order on a metal diaphragm (pressure transmission member) 11.

それぞれの成膜には、物理気相成長法(PVD)法、すなわち、物理的方法で物質を蒸発させ、成膜する部材上で凝縮させて薄膜を形成する方法を用いることができる。具体的には、例えば、抵抗加熱蒸着または電子ビーム加熱蒸着等の真空蒸着法、DCスパッタリング、高周波スパッタリング、RFプラズマ支援スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、ECRスパッタリングまたはイオンビームスパッタリング等の各種スパッタリング方法、高周波イオンプレーティング法、活性化蒸着またはアークイオンプレーティング等の各種イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、レーザアプレーション法、イオンクラスタビーム蒸着法、並びにイオンビーム蒸着法などの方法である。   For each film formation, a physical vapor deposition method (PVD) method, that is, a method of forming a thin film by evaporating a substance by a physical method and condensing it on a member to be formed can be used. Specifically, for example, vacuum deposition methods such as resistance heating deposition or electron beam heating deposition, various sputtering methods such as DC sputtering, high frequency sputtering, RF plasma assisted sputtering, magnetron sputtering, ECR sputtering, or ion beam sputtering, and high frequency ion plating. These include various ion plating methods such as a plating method, activated vapor deposition or arc ion plating, molecular beam epitaxy, laser application, ion cluster beam vapor deposition, and ion beam vapor deposition.

金属ダイアフラム11は、圧力が発生するシリンダ内の空間と接しており、開口部53から進入してきた該シリンダ内で発生した圧力を受ける。そして、金属ダイアフラム11は、上記圧力を下地層12を介して圧電薄膜層13に伝達するものである。また、金属ダイアフラム11は、圧電素子10を支える基板としての機能も有している。なお、ダイアフラムとは、加えられる圧力に応じて変形する膜状体を言う。したがって、金属ダイアフラム11は、外部から圧力を受けることによって撓みが発生するものである。   The metal diaphragm 11 is in contact with the space in the cylinder in which pressure is generated, and receives the pressure generated in the cylinder that has entered from the opening 53. The metal diaphragm 11 transmits the pressure to the piezoelectric thin film layer 13 through the base layer 12. The metal diaphragm 11 also has a function as a substrate that supports the piezoelectric element 10. In addition, a diaphragm means the film-like body which deform | transforms according to the applied pressure. Therefore, the metal diaphragm 11 is bent by receiving pressure from the outside.

なお、金属ダイアフラム11は、高温となる内燃機関シリンダ内に設置されるため耐熱性を有している必要がある。そのため、金属ダイアフラム11は、例えば、インコネルまたはSUS630相当の耐熱金属材料を使用するのが好ましい。また、金属ダイアフラム11における、圧電薄膜層13を形成する側の表面は、圧電薄膜層13のひびや剥がれを防ぐため、また、結晶軸の配向性を高めるために、研磨や化学的な方法によって鏡面加工していることが好ましい。   In addition, since the metal diaphragm 11 is installed in the internal combustion engine cylinder which becomes high temperature, it needs to have heat resistance. Therefore, it is preferable to use a heat resistant metal material equivalent to, for example, Inconel or SUS630 for the metal diaphragm 11. Further, the surface of the metal diaphragm 11 on the side on which the piezoelectric thin film layer 13 is formed is ground by a polishing method or a chemical method in order to prevent the piezoelectric thin film layer 13 from cracking or peeling and to enhance the orientation of the crystal axis. It is preferable to carry out mirror surface processing.

下地層12は、金属ダイアフラム11と当該下地層12上に成膜される圧電薄膜層13との緩衝層である。また、下地層12は、圧電薄膜層13の極性の配向、結晶軸の配向および金属ダイアフラム11との濡れ性の改善などの役割を有している。さらに、下地層12は下部電極としての機能を有している。   The underlayer 12 is a buffer layer between the metal diaphragm 11 and the piezoelectric thin film layer 13 formed on the underlayer 12. The underlayer 12 has a role of improving the polar orientation of the piezoelectric thin film layer 13, the orientation of the crystal axis, and the wettability with the metal diaphragm 11. Further, the base layer 12 has a function as a lower electrode.

なお、下地層12の材料としては、TiN、MoSi2、Si3N4、Cr、Fe、Mg、Mo、Nb、Ta、Ti、Zn、Zr、W、Pt、Al、Ni、Cu、Pd、Rh、Ir、Ru、AuまたはAgを用いることができ、単層または複数の材料を用いた2層以上の複層とすることができる。   As the material of the underlayer 12, TiN, MoSi2, Si3N4, Cr, Fe, Mg, Mo, Nb, Ta, Ti, Zn, Zr, W, Pt, Al, Ni, Cu, Pd, Rh, Ir, Ru, Au, or Ag can be used, and a single layer or a multilayer of two or more layers using a plurality of materials can be used.

圧電薄膜層13は、圧電特性を有するものであり、外部からの圧力を受けることによって電荷を発生するものである。具体的には、圧電薄膜層13には、金属ダイアフラム11に生じた撓みに付随して、撓みが発生する。そして、圧電薄膜層13の撓みに応じて、圧電薄膜層13の内部に圧縮応力および引張応力が発生する。そして、この内部応力の働きによって、圧電薄膜層13から電荷が発生する。このように、圧電薄膜層13は、圧力を受けることによって、その圧力に応じた電荷を発生する。なお、圧電薄膜層13は、窒化アルミニウム(AlN)または酸化亜鉛(ZnO)を、スパッタリング法で成膜することが好ましい。   The piezoelectric thin film layer 13 has piezoelectric characteristics, and generates electric charges when it receives pressure from the outside. Specifically, the piezoelectric thin film layer 13 is bent along with the bending generated in the metal diaphragm 11. A compressive stress and a tensile stress are generated inside the piezoelectric thin film layer 13 according to the bending of the piezoelectric thin film layer 13. Electric charges are generated from the piezoelectric thin film layer 13 by the action of the internal stress. As described above, the piezoelectric thin film layer 13 receives the pressure and generates a charge corresponding to the pressure. The piezoelectric thin film layer 13 is preferably formed by sputtering aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO).

上部電極14は、金属ダイアフラム11が受けた圧力によって圧電薄膜層13から発生された電荷を下地層12と共に取り出すものである。そして、取り出された電荷は、上部電極14と接触している信号出力棒30を介して図示しない信号搬送ケーブルに検出信号として伝達される。なお、上部電極14の材料は、下地層12と同様の材料を用いることができるが、同一のものである必要はなく、圧電薄膜層13や電極33との相性によって適時選択すれば良く、またその構造は単層であっても複層であっても良い。   The upper electrode 14 takes out the electric charge generated from the piezoelectric thin film layer 13 by the pressure received by the metal diaphragm 11 together with the base layer 12. The extracted electric charge is transmitted as a detection signal to a signal carrying cable (not shown) through a signal output bar 30 in contact with the upper electrode 14. The material of the upper electrode 14 can be the same material as that of the underlayer 12, but need not be the same, and may be appropriately selected depending on the compatibility with the piezoelectric thin film layer 13 and the electrode 33. The structure may be a single layer or multiple layers.

次に、図3を用いて圧電素子10と信号出力棒30との構成について説明する。   Next, the configuration of the piezoelectric element 10 and the signal output rod 30 will be described with reference to FIG.

上述のように、圧電素子10の上部電極14と接触する信号出力棒30の前端部には、凹部32が形成されているため、圧電素子10と信号出力棒30との間には、空間が形成される。これにより、圧電素子10は、外部から圧力を受けた際に、信号出力棒30に妨害されることなく上記空間の方向へ撓むことができる。   As described above, since the recess 32 is formed at the front end portion of the signal output rod 30 that contacts the upper electrode 14 of the piezoelectric element 10, there is a space between the piezoelectric element 10 and the signal output rod 30. It is formed. Thereby, the piezoelectric element 10 can bend in the direction of the space without being obstructed by the signal output rod 30 when receiving pressure from the outside.

なお、本実施の形態では、信号出力棒30における凹部32の形状は、図4(a)および図4(b)に示すようにリング状の円環状面としているが、これに限定されるものではない。他の形状として例えば、図4(c)に示すように、半球形状としても良い。また、図4(d)に示すように、信号出力棒30における凹部32の横断面が角形状であっても良い。また、凹部32の深さは、0.01mm以上10mm以下であることが好ましい。   In the present embodiment, the shape of the recess 32 in the signal output rod 30 is a ring-shaped annular surface as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), but is not limited to this. is not. Another shape may be a hemispherical shape as shown in FIG. Moreover, as shown in FIG.4 (d), the cross section of the recessed part 32 in the signal output rod 30 may be square shape. Moreover, it is preferable that the depth of the recessed part 32 is 0.01 mm or more and 10 mm or less.

また、本実施の形態では、信号出力棒30は凹部32を有する棒状部材としているが、円環状の電極層であっても良い。これにより、前記電極層の内部は中空空間が形成されているので、圧電素子10は前記電極層の空間方向に撓むことができる。   In the present embodiment, the signal output rod 30 is a rod-shaped member having a recess 32, but may be an annular electrode layer. Thereby, since the hollow space is formed in the inside of the electrode layer, the piezoelectric element 10 can be bent in the space direction of the electrode layer.

次に、圧電センサ1の動作について図3に基づいて説明する。   Next, the operation of the piezoelectric sensor 1 will be described with reference to FIG.

まず、金属ダイアフラム11は、内燃機関シリンダ内部で振動等によって発生する圧力を受ける。上記圧力を受け取った金属ダイアフラム11には、圧力が加わる方向つまり信号出力棒30の凹部32の空間方向に、その圧力に応じた撓みが発生する。そして、金属ダイアフラム11の撓みに付随して、下地層12および圧電薄膜層13にも同様に凹部32の内部方向に撓みが発生する。圧電薄膜層13に撓みが発生することによって、圧電薄膜層13の内部には応力が発生する。そして、圧電薄膜層13内部で発生した応力に応じた電荷が、圧電薄膜層13から発生する。次に、圧電薄膜層13の両面に配設された下地層12および上部電極14が、圧電薄膜層13で発生した上記電荷を取り出す。そして、取り出された電荷が電極33に伝達され信号出力棒30を介して、図示しない信号搬送ケーブルに検出信号として伝達される。この検出信号を測定することによって、内燃機関シリンダ内部で発生した圧力を検出することができる。以上のように、本実施の形態にかかる圧電センサ1は、圧電素子10の撓み効果を利用して、外部で発生する圧力を検出する構成である。   First, the metal diaphragm 11 receives pressure generated by vibration or the like inside the internal combustion engine cylinder. The metal diaphragm 11 that has received the pressure is bent according to the pressure in the direction in which the pressure is applied, that is, in the spatial direction of the recess 32 of the signal output rod 30. Along with the bending of the metal diaphragm 11, the underlying layer 12 and the piezoelectric thin film layer 13 are similarly bent in the inner direction of the recess 32. When the piezoelectric thin film layer 13 is bent, stress is generated inside the piezoelectric thin film layer 13. Then, charges corresponding to the stress generated inside the piezoelectric thin film layer 13 are generated from the piezoelectric thin film layer 13. Next, the base layer 12 and the upper electrode 14 disposed on both surfaces of the piezoelectric thin film layer 13 take out the charges generated in the piezoelectric thin film layer 13. The extracted charge is transmitted to the electrode 33 and transmitted as a detection signal to a signal carrying cable (not shown) via the signal output bar 30. By measuring this detection signal, the pressure generated in the internal combustion engine cylinder can be detected. As described above, the piezoelectric sensor 1 according to the present embodiment is configured to detect the pressure generated outside using the bending effect of the piezoelectric element 10.

このように、本実施の形態の圧電素子10は、信号出力棒30に妨害されることなく凹部32の空間方向へ撓むことができる。これにより、外部で発生する圧力が僅かでも、圧電素子10を撓ませることができ、この撓みに応じて発生した電荷に基づいて上記圧力を検出することができる。したがって、感度の低い圧電素子を使用した場合にも、圧電素子の撓み効果を利用することによって、高感度の圧電センサを得ることができる。   As described above, the piezoelectric element 10 according to the present embodiment can be bent in the spatial direction of the recess 32 without being obstructed by the signal output rod 30. Thereby, even if the pressure generated outside is slight, the piezoelectric element 10 can be bent, and the pressure can be detected based on the electric charge generated according to the bending. Therefore, even when a piezoelectric element with low sensitivity is used, a highly sensitive piezoelectric sensor can be obtained by utilizing the bending effect of the piezoelectric element.

ここで、圧電薄膜層13から発生する電荷を信号出力棒30に代えて導線を用いて取り出す構成について説明する。図5は、圧電薄膜層13から発生する電荷を導線により取り出す圧電センサ1の概略構成を示す断面図である。   Here, the structure which takes out the electric charge which generate | occur | produces from the piezoelectric thin film layer 13 using a conducting wire instead of the signal output rod 30 is demonstrated. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the piezoelectric sensor 1 that takes out the electric charge generated from the piezoelectric thin film layer 13 by a conducting wire.

本構成における筐体20は、一端面のみが解放された円筒状部材であることが好ましい。そして、前記一端面が金属ダイアフラム11と接続されている。したがって、筐体20の内部には、密閉された空間が形成される。また、金属ダイアフラム11の前記空間側の面には、圧電薄膜層13と上部電極14とがこの順に成膜されており、上部電極14には導線60が電気的に接続されている。   The housing 20 in this configuration is preferably a cylindrical member with only one end face released. The one end face is connected to the metal diaphragm 11. Therefore, a sealed space is formed inside the housing 20. Further, the piezoelectric thin film layer 13 and the upper electrode 14 are formed in this order on the surface of the metal diaphragm 11 on the space side, and a conductive wire 60 is electrically connected to the upper electrode 14.

これにより、外部からの圧力を受けることによって、圧電素子10は上記空間の方向に撓み、電荷を発生する。そして、この電荷は上部電極14にて取り出され、導線を介して信号搬送ケーブルに検出信号として伝達される。このように、筐体20と圧電素子10との間に空間を形成することによって圧力を受ける面と反対の面側、つまり空間の方向に圧電素子10が撓むことができる。したがって、圧電素子10の撓み効果を利用して十分な電荷を得ることができる。   Thereby, the piezoelectric element 10 bends in the direction of the space by receiving pressure from the outside, and generates electric charges. Then, this electric charge is taken out by the upper electrode 14 and transmitted as a detection signal to the signal carrying cable through the conducting wire. Thus, by forming a space between the housing 20 and the piezoelectric element 10, the piezoelectric element 10 can bend in the direction opposite to the surface receiving pressure, that is, in the direction of the space. Therefore, a sufficient charge can be obtained by utilizing the bending effect of the piezoelectric element 10.

ここで、金属ダイアフラム11の厚みと圧電薄膜層13から発生する電荷量との関係について以下に説明する。   Here, the relationship between the thickness of the metal diaphragm 11 and the amount of charge generated from the piezoelectric thin film layer 13 will be described below.

例えば、金属ダイアフラム11の厚みを薄くした場合には、その撓み量は大きくなる。そのため、圧電薄膜層13からは、より多くの電荷が発生する。また、金属ダイアフラム11の厚みを厚くした場合には、その撓み量は小さくなる。そのため、圧電薄膜層13から発生する電荷量は少なくなる。このように、金属ダイアフラム11の厚みを変化させることによって、圧電薄膜層13から発生される電荷量を変化させることができる。つまり、金属ダイアフラム11の厚みを任意に設定することによって、圧電センサ1の感度を変化させることができる。   For example, when the thickness of the metal diaphragm 11 is reduced, the amount of bending is increased. Therefore, more charges are generated from the piezoelectric thin film layer 13. Further, when the thickness of the metal diaphragm 11 is increased, the amount of bending is reduced. Therefore, the amount of charge generated from the piezoelectric thin film layer 13 is reduced. Thus, by changing the thickness of the metal diaphragm 11, the amount of charge generated from the piezoelectric thin film layer 13 can be changed. That is, the sensitivity of the piezoelectric sensor 1 can be changed by arbitrarily setting the thickness of the metal diaphragm 11.

ここで、上部電極14が、圧電薄膜層13に生じる圧縮応力または引張応力によって発生する電荷を取り出すように形成されていても良い。   Here, the upper electrode 14 may be formed so as to take out electric charges generated by compressive stress or tensile stress generated in the piezoelectric thin film layer 13.

本実施の形態では、上部電極14が、圧電薄膜層13に生じる圧縮応力によって発生する電荷を取り出す構成について説明する。図6は、上部電極14を圧電薄膜層13の外周側の領域のみに成膜した圧電素子10の断面図である。   In the present embodiment, a configuration in which the upper electrode 14 takes out electric charges generated by compressive stress generated in the piezoelectric thin film layer 13 will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view of the piezoelectric element 10 in which the upper electrode 14 is formed only in the outer peripheral side region of the piezoelectric thin film layer 13.

圧電薄膜層13は、金属ダイアフラム11に生じる撓みに付随して撓みを発生することによって、その内部に圧縮応力と引張応力とが発生する。具体的には、図7に示すように、圧電薄膜層13の中央付近10aは、金属ダイアフラム11の撓みにより両端方向へ引っ張られる。これにより、圧電薄膜層13の中央付近10aには引張応力が発生する。また、圧電薄膜層13の両端付近10bは、収縮方向へ圧縮される。これにより、圧電薄膜層13の両端付近10bには圧縮応力が発生する。   The piezoelectric thin film layer 13 generates a bend accompanying the bend generated in the metal diaphragm 11, thereby generating a compressive stress and a tensile stress therein. Specifically, as shown in FIG. 7, the central vicinity 10 a of the piezoelectric thin film layer 13 is pulled toward both ends by the bending of the metal diaphragm 11. As a result, a tensile stress is generated near the center 10 a of the piezoelectric thin film layer 13. Further, the vicinity 10b of both ends of the piezoelectric thin film layer 13 is compressed in the contraction direction. Thereby, compressive stress is generated in the vicinity 10 b of both ends of the piezoelectric thin film layer 13.

ところで、圧縮応力によって発生する電荷と引張応力によって発生する電荷とは、その極性が異なる。そのため、上部電極14によって両応力により発生する電荷を取り出すと、互いに相殺されてしまい十分な電荷を取り出すことができない。そこで、上部電極14を圧電薄膜層13の圧縮応力が生じる範囲のみに成膜する。   By the way, the charge generated by the compressive stress and the charge generated by the tensile stress have different polarities. Therefore, if charges generated by both stresses are taken out by the upper electrode 14, they are canceled out and sufficient charges cannot be taken out. Therefore, the upper electrode 14 is formed only in a range where the compressive stress of the piezoelectric thin film layer 13 is generated.

上記の構成によれば、上部電極14は、圧縮応力によって発生した電荷のみを引張応力によって発生した電荷に相殺されることなく、圧電薄膜層13から取り出すことができる。したがって、上部電極14は、圧電薄膜層13から十分な量の電荷を取り出すことができる。これにより、金属ダイアフラム11に伝達される外部からの圧力が僅かでも、圧電薄膜層13からより多くの電荷を取り出すことができるため、内燃機関のシリンダ内部で発生した僅かな圧力をも検出することができる。すなわち、検出感度をさらに向上させた圧電センサ1を実現することができる。   According to the above configuration, the upper electrode 14 can take out only the electric charge generated by the compressive stress from the piezoelectric thin film layer 13 without canceling out the electric charge generated by the tensile stress. Therefore, the upper electrode 14 can extract a sufficient amount of charge from the piezoelectric thin film layer 13. As a result, even if the external pressure transmitted to the metal diaphragm 11 is small, more electric charge can be taken out from the piezoelectric thin film layer 13, so that the slight pressure generated inside the cylinder of the internal combustion engine can be detected. Can do. That is, the piezoelectric sensor 1 with further improved detection sensitivity can be realized.

また、上部電極14は、圧力が作用して圧電薄膜層13の内部に生じる圧縮応力によって発生する電荷および引張応力によって発生する電荷を、それぞれ個別に取り出すように設けられていてもよい。具体的には、図8(a)および図8(b)に示すように、上部電極14が、圧電薄膜層13の外周側の領域および中央部寄りの領域にそれぞれ個別に設けられている構成である。同図8(a)(b)では、上記外周側の領域に設けられる電極を外部電極14bとして、上記中央部寄りの領域に設けられる電極を中心電極14aとして図示している。なお、圧電薄膜層13から発生する電荷を取り出すために、下部電極なる下地層12を圧電薄膜層13の下面に設けてもよく、また、図8(a)(b)に示すように金属ダイアフラム11の任意の位置に電極14cを設けてもよい。上述の電極14a・14b・14cには、それぞれ電気配線(図示せず)が接続されている。   Further, the upper electrode 14 may be provided so as to individually take out the charge generated by the compressive stress generated in the piezoelectric thin film layer 13 due to the pressure and the charge generated by the tensile stress. Specifically, as shown in FIGS. 8A and 8B, the upper electrode 14 is individually provided in a region on the outer peripheral side and a region near the center of the piezoelectric thin film layer 13, respectively. It is. 8A and 8B, the electrode provided in the outer peripheral region is illustrated as the external electrode 14b, and the electrode provided in the region closer to the center is illustrated as the central electrode 14a. In order to take out the electric charge generated from the piezoelectric thin film layer 13, an underlayer 12 serving as a lower electrode may be provided on the lower surface of the piezoelectric thin film layer 13, and a metal diaphragm as shown in FIGS. You may provide the electrode 14c in the arbitrary positions of 11. Electrical wiring (not shown) is connected to each of the electrodes 14a, 14b, and 14c.

これにより、圧電薄膜層13の外周側の領域に作用する圧縮応力によって発生する電荷を外部電極14bにより、また、圧電薄膜層13の中央部寄りの領域に作用する引張応力によって発生する電荷を中心電極14aにより、それぞれ個別に取り出すことができる。   As a result, the charge generated by the compressive stress acting on the outer peripheral side region of the piezoelectric thin film layer 13 is centered on the charge generated by the external electrode 14b and the tensile stress acting on the region near the center of the piezoelectric thin film layer 13. The electrodes 14a can be taken out individually.

そのため、それぞれ個別に取り出した電荷を足し合わせることにより、十分な量の電荷を検出することができる。なお、両者を足し合わせて、増幅した電荷(出力)を得るためには、一方の電荷の極性を反転させることにより可能となる。これにより、圧電センサ1の感度をより向上させることができる。   Therefore, a sufficient amount of charges can be detected by adding the charges taken out individually. In addition, in order to obtain the amplified charge (output) by adding both, it is possible to invert the polarity of one charge. Thereby, the sensitivity of the piezoelectric sensor 1 can be further improved.

なお、上部電極14を圧電薄膜層13の圧縮応力が発生する範囲に形成するために、上部電極14の形状を円環状に形成した構成としても良く、また、2個以上に分割した構成としても良い。   In order to form the upper electrode 14 in a range where the compressive stress of the piezoelectric thin film layer 13 is generated, the upper electrode 14 may be formed in an annular shape, or may be divided into two or more. good.

なお、上記の構成では、圧電薄膜層13の両端に上部電極14を設けているため、上部電極14間に空間が形成される。これにより、圧電薄膜層13は、圧力を受けたとき信号出力棒30の方向へ撓むことができる。したがって、信号出力棒30に凹部32を設けることなく、圧電薄膜層13の撓みを利用して電荷を発生させることができる。   In the above configuration, since the upper electrodes 14 are provided at both ends of the piezoelectric thin film layer 13, a space is formed between the upper electrodes 14. Thereby, the piezoelectric thin film layer 13 can bend in the direction of the signal output rod 30 when receiving pressure. Accordingly, electric charges can be generated by utilizing the bending of the piezoelectric thin film layer 13 without providing the recess 32 in the signal output rod 30.

さらに、上部電極14を圧電薄膜層13の引張応力が発生する範囲のみに成膜する構成としても良い。これにより、上部電極14は、引張応力によって圧電薄膜層13から発生した電荷のみを取り出すことができる。これにより、上述した圧縮応力により発生した電荷のみを取り出す場合と同様の効果を得ることができる。   Furthermore, the upper electrode 14 may be formed only in a range where the tensile stress of the piezoelectric thin film layer 13 is generated. Thereby, the upper electrode 14 can take out only the electric charge generated from the piezoelectric thin film layer 13 by the tensile stress. Thereby, the same effect as the case where only the electric charge generated by the compressive stress is taken out can be obtained.

また、図9(a)および図9(b)に示すように、圧電薄膜層13を圧縮応力と引張応力とが発生する範囲それぞれに分割して金属ダイアフラム11に成膜し、分割した圧電薄膜層13に対応して中心電極14aと外部電極14bとを成膜する構成としても良い。そして、圧縮応力によって発生する電荷または引張応力によって発生する電荷のいずれか一方の電荷の極性を反転させる構成とする。これにより、圧縮応力によって発生した電荷と引張応力によって発生した電荷とを合算させた電荷を取り出すことができる。したがって、圧電薄膜層13から取り出すことのできる電荷をさらに増加させることができるため、さらに高感度の圧電センサ1を実現することができる。   Further, as shown in FIGS. 9A and 9B, the piezoelectric thin film layer 13 is divided into ranges where compressive stress and tensile stress are generated and formed on the metal diaphragm 11, and the divided piezoelectric thin film is formed. The center electrode 14 a and the external electrode 14 b may be formed corresponding to the layer 13. And it is set as the structure which reverses the polarity of any one of the electric charge which generate | occur | produces by the compressive stress, or the electric charge which generate | occur | produces by tensile stress. As a result, it is possible to take out a charge obtained by adding the charge generated by the compressive stress and the charge generated by the tensile stress. Therefore, since the charge that can be taken out from the piezoelectric thin film layer 13 can be further increased, the piezoelectric sensor 1 with higher sensitivity can be realized.

また、本実施の形態では、上部電極14を圧電薄膜層13に成膜する構成としているが、特に限定されるものではなく、上部電極14と圧電薄膜層13とを信号線によって接続する構成としても良い。これにより、圧電薄膜層13に生じる圧縮応力または引張応力によって発生する電荷を信号線を介して検出することができる。   In the present embodiment, the upper electrode 14 is formed on the piezoelectric thin film layer 13. However, the upper electrode 14 is not particularly limited, and the upper electrode 14 and the piezoelectric thin film layer 13 are connected by a signal line. Also good. Thereby, the electric charge generated by the compressive stress or tensile stress generated in the piezoelectric thin film layer 13 can be detected via the signal line.

ここで、図10に示すように、金属ダイアフラム11において圧縮応力が発生する範囲のみに圧電薄膜層13を成膜する構成としても良い。これにより、圧電薄膜層13には圧縮応力のみが働くため、上部電極14は、圧縮応力によって発生する電荷のみを圧電薄膜層13から取り出すことができる。したがって、上記と同様、金属ダイアフラム11に伝達される外部からの圧力が僅かでも上部電極14は圧電薄膜層13からより多くの電荷を取り出すことができる。すなわち、高感度の圧電センサ1を実現することができる。なお、圧電薄膜層13の形状は環状に形成した構成としても良く、また、2個以上に分割した構成としても良い。また、圧電薄膜層13を引張応力が発生する範囲のみに成膜する構成としても良い。   Here, as shown in FIG. 10, the piezoelectric thin film layer 13 may be formed only in a range where the compressive stress is generated in the metal diaphragm 11. As a result, only the compressive stress acts on the piezoelectric thin film layer 13, so that the upper electrode 14 can extract only the electric charge generated by the compressive stress from the piezoelectric thin film layer 13. Therefore, as described above, the upper electrode 14 can extract more charges from the piezoelectric thin film layer 13 even if the external pressure transmitted to the metal diaphragm 11 is small. That is, a highly sensitive piezoelectric sensor 1 can be realized. In addition, the shape of the piezoelectric thin film layer 13 may be formed in an annular shape, or may be divided into two or more. Alternatively, the piezoelectric thin film layer 13 may be formed only in a range where tensile stress is generated.

ここで、図11および図12に示すように、圧電薄膜層13を前部筐体22の前端壁22dに直接成膜し、前端壁22dにおける圧電薄膜層13が成膜される部分をダイアフラム加工する構成としても良い。これにより、外部からの圧力を受ける前端壁22dの撓みに付随して、圧電薄膜層13が信号出力棒30に形成された凹部32の内部方向へ撓むことができる。そして、圧電薄膜層13の撓みに応じて電荷が発生する。このように、圧電素子10を装着するための筐体20が金属ダイアフラム11としての機能を兼ねることができるため、金属ダイアフラム11が不要になる。そのため、圧電素子10の構成を簡略化できるので、圧電センサを小型化することができ、コストを低減することができる。   Here, as shown in FIGS. 11 and 12, the piezoelectric thin film layer 13 is directly formed on the front end wall 22d of the front housing 22, and the portion of the front end wall 22d where the piezoelectric thin film layer 13 is formed is subjected to diaphragm processing. It is good also as composition to do. As a result, the piezoelectric thin film layer 13 can be bent toward the inside of the recess 32 formed in the signal output rod 30 in association with the bending of the front end wall 22 d that receives external pressure. Electric charges are generated according to the bending of the piezoelectric thin film layer 13. Thus, since the housing | casing 20 for mounting | wearing with the piezoelectric element 10 can serve as the function of the metal diaphragm 11, the metal diaphragm 11 becomes unnecessary. Therefore, since the structure of the piezoelectric element 10 can be simplified, the piezoelectric sensor can be reduced in size and the cost can be reduced.

なお、上記ダイアフラムの加工方法としては、例えば、機械加工、化学エッチング、放電加工、レーザ加工等が挙げられる。そして、上記加工により、前端壁22dにおける圧電薄膜層13が成膜される部分の厚みを0.005mm以上10mm以下とすることが好ましい。   Examples of the diaphragm processing method include machining, chemical etching, electric discharge machining, and laser machining. And it is preferable that the thickness of the part by which the piezoelectric thin film layer 13 in the front end wall 22d is formed by the said process shall be 0.005 mm or more and 10 mm or less.

また、図13に示すように、圧電薄膜層13を成膜した前部筐体22の前端壁22dに凹部22eを設け、凹部22e内のエッジ部22fの上方にのみ上部電極14を設けた構成としても良い。これにより、凹部22e内の上面に形成される圧力受部22gが圧力を受け、撓みが発生したとき、エッジ部22fの上方に位置する圧電薄膜層13には、圧縮応力が生じ電荷が発生する。そして、この圧縮応力により発生した電荷を上部電極14が取り出すことができる。このように、金属ダイアフラム11を使用することなく、筐体20の撓みを利用して十分な電荷を取り出すことができる。したがって、簡易な構成により高感度の圧電センサ1を実現することができる。   Further, as shown in FIG. 13, a configuration is provided in which a recess 22e is provided in the front end wall 22d of the front casing 22 on which the piezoelectric thin film layer 13 is formed, and the upper electrode 14 is provided only above the edge portion 22f in the recess 22e. It is also good. As a result, when the pressure receiving portion 22g formed on the upper surface in the concave portion 22e receives pressure and is bent, a compressive stress is generated in the piezoelectric thin film layer 13 located above the edge portion 22f to generate charges. . And the upper electrode 14 can take out the electric charge which generate | occur | produced by this compressive stress. Thus, sufficient charges can be taken out by utilizing the bending of the housing 20 without using the metal diaphragm 11. Therefore, a highly sensitive piezoelectric sensor 1 can be realized with a simple configuration.

なお、上述ように、上部電極14の間には空間が形成されるので、圧電薄膜層13は、圧力を受けたとき信号出力棒30の方向へ撓むことができる。したがって、信号出力棒30に凹部32を設けない構成としても良い。   As described above, since a space is formed between the upper electrodes 14, the piezoelectric thin film layer 13 can bend in the direction of the signal output rod 30 when receiving pressure. Therefore, the signal output rod 30 may not be provided with the recess 32.

また、圧電薄膜層13を成膜する前端壁22dは、シリコン等の半導体によって形成されていても良い。シリコンを用いることにより、大量生産が可能となり安価で小型の圧電センサ1を実現することができる。図14は、図13に示した前端壁22dをシリコンにより形成した場合の圧電センサ1の概略構成を示す断面図である。   Further, the front end wall 22d on which the piezoelectric thin film layer 13 is formed may be formed of a semiconductor such as silicon. By using silicon, mass production becomes possible and an inexpensive and small piezoelectric sensor 1 can be realized. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the piezoelectric sensor 1 when the front end wall 22d shown in FIG. 13 is formed of silicon.

ここで、本実施の形態では、圧電薄膜層13を下地層12に成膜する構成としているが、圧電薄膜層13を金属ダイアフラム11に直接成膜する構成としても良い。なお、本実施の形態のように下地層12を設けた場合には、ダイアフラムは金属に限定されるものではなく、例えば、高分子や金属酸化物、金属窒化物、シリコン等の半導体を用いても良い。   Here, in the present embodiment, the piezoelectric thin film layer 13 is formed on the base layer 12, but the piezoelectric thin film layer 13 may be formed directly on the metal diaphragm 11. Note that when the base layer 12 is provided as in the present embodiment, the diaphragm is not limited to a metal, and for example, a semiconductor such as a polymer, a metal oxide, a metal nitride, or silicon is used. Also good.

また、本実施の形態に用いる圧電薄膜層13の材料は、窒化アルミニウム(AIN)を用いることが好ましい。その理由としては、窒化アルミニウムは、高温下でも安定した圧電特性を有し、また鉛等の重金属を使用していないため環境に影響も少ないことである。なお、圧電薄膜層13は、キュリー温度の存在しない圧電材料であれば他の材料を用いても良い。この「キュリー温度の存在しない圧電材料」とは、圧電特性を有し、かつ温度の上昇に伴った極性転位を起こさない材料であり、例えばウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質が挙げられる。ウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質としては、具体的には、窒化アルミニウム(AlN)や酸化亜鉛(ZnO)等が挙げられる。   The material of the piezoelectric thin film layer 13 used in this embodiment is preferably aluminum nitride (AIN). The reason for this is that aluminum nitride has stable piezoelectric characteristics even at high temperatures, and has no influence on the environment because it does not use heavy metals such as lead. The piezoelectric thin film layer 13 may be made of other materials as long as the piezoelectric material does not have a Curie temperature. The “piezoelectric material having no Curie temperature” is a material that has piezoelectric characteristics and does not cause polar dislocation as the temperature rises, and includes, for example, a substance having a crystal structure of a wurtzite structure. Specific examples of the substance having a wurtzite crystal structure include aluminum nitride (AlN) and zinc oxide (ZnO).

このような圧電材料は、結晶が融解あるいは昇華するまで圧電特性を失うことがない。また、ウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質は、結晶に対称性が存在しないため圧電特性を備えており、また強誘電体ではないのでキュリー温度が存在しない。そのため、上記圧電材料からなる圧電素子は、耐熱性に優れ、圧電特性が劣化することがなく、内燃機関のシリンダ内部のように500℃近い高温中に曝されたとしても、その圧電素子としての機能を失うことがない。したがって、圧電素子の冷却装置を使用することなく、内燃機関シリンダ内での使用が可能となる。このように、上記圧電材料からなる圧電素子は、耐熱性に優れ、高温でも圧電特性が劣化することがない。また、加工性に優れ、薄膜化を図る上でも適している。   Such a piezoelectric material does not lose its piezoelectric properties until the crystal melts or sublimes. Further, a substance having a wurtzite crystal structure has piezoelectric properties because there is no symmetry in the crystal, and since it is not a ferroelectric material, there is no Curie temperature. Therefore, the piezoelectric element made of the above-described piezoelectric material has excellent heat resistance and does not deteriorate the piezoelectric characteristics. Even if it is exposed to a high temperature close to 500 ° C. like the inside of a cylinder of an internal combustion engine, the piezoelectric element There is no loss of functionality. Therefore, it is possible to use the internal combustion engine cylinder without using a piezoelectric element cooling device. As described above, the piezoelectric element made of the above-described piezoelectric material has excellent heat resistance and does not deteriorate the piezoelectric characteristics even at high temperatures. Moreover, it is excellent in workability and suitable for reducing the thickness.

ここで、キュリー温度が存在しない圧電材料の薄膜を形成する方法については、公知の技術を用いて実現することができる。具体的には、酸化物系、炭素系、窒素系またはホウ化物系セラミックスの焼結体や石英ガラスからなる絶縁性の基板や、インコネル又はSUS630相当のような耐熱性金属材料からなる導電性基板上に圧電性セラミックスを極性制御しながら単結晶状に成長させることによって薄膜を形成することができる。   Here, a method for forming a thin film of a piezoelectric material having no Curie temperature can be realized by using a known technique. Specifically, an insulating substrate made of a sintered body of oxide-based, carbon-based, nitrogen-based or boride-based ceramics or quartz glass, or a conductive substrate made of a heat-resistant metal material such as Inconel or SUS630. A thin film can be formed by growing a piezoelectric ceramic on a single crystal while controlling the polarity.

また、本発明の圧電センサ1の圧電薄膜層13の厚さは、0.1μmから100μmの範囲とすることが好ましい。また、0.5μm以上20μm以下とすることがより好ましく、1μm以上10μm以下とすることがさらに好ましい。圧電薄膜層13の厚さが、0.1μmより薄いと下地層12と上部電極14との間で短絡が発生しやすく、100μmより厚いと成膜時間が長時間になってしまう。   In addition, the thickness of the piezoelectric thin film layer 13 of the piezoelectric sensor 1 of the present invention is preferably in the range of 0.1 μm to 100 μm. Further, it is more preferably 0.5 μm or more and 20 μm or less, and further preferably 1 μm or more and 10 μm or less. If the thickness of the piezoelectric thin film layer 13 is less than 0.1 μm, a short circuit is likely to occur between the base layer 12 and the upper electrode 14, and if it is greater than 100 μm, the film formation time becomes long.

また、圧電薄膜層13は、良好な圧電特性を保つために、その双極子配向度を75%以上とすることが好ましく、90%以上とすることがさらに好ましい。この双極子配向度とは、電気双極子をなす結晶柱の薄膜表面の極性が正あるいは負の、同一方向のものが占める割合である。もし、結晶柱の極性の方向が完全にランダムであれば、それぞれの結晶柱の圧電性は互いに打ち消しあって、薄膜全体では圧電性が消滅してしまう。圧電薄膜層13の双極子配向度が75%より小さいと、見かけ上の圧電定数d33が双極子配向度100%のときの半分以下になってしまい、圧電薄膜層13の圧電特性が劣化し、良好に圧力を検出できなくなるためである。双極子配向度が75%以上であれば、十分な圧電特性を確保することができる。   The piezoelectric thin film layer 13 preferably has a dipole orientation degree of 75% or more, and more preferably 90% or more, in order to maintain good piezoelectric characteristics. The degree of dipole orientation is the ratio of the crystal column forming the electric dipole with the positive or negative polarity of the thin film surface in the same direction. If the polarity direction of the crystal column is completely random, the piezoelectric properties of the crystal columns cancel each other, and the piezoelectric property disappears in the entire thin film. When the dipole orientation degree of the piezoelectric thin film layer 13 is less than 75%, the apparent piezoelectric constant d33 becomes less than half that when the dipole orientation degree is 100%, and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric thin film layer 13 deteriorate, This is because the pressure cannot be detected well. If the degree of dipole orientation is 75% or more, sufficient piezoelectric characteristics can be secured.

上記双極子配向度を75%以上とするためには、結晶柱が成長する際に最初の原子をそろい易くする必要があり、下地層12の材料は圧電薄膜層13の材料と同じ成分の金属、例えば、圧電薄膜層13にAlNを用いる場合には下地層12をAl、圧電薄膜層13にZnOを用いる場合には下地層12をZnとすることが好ましい。また、下地層12を複層とする場合には、最上層、つまり圧電薄膜層13と接する層を圧電薄膜層13の材料と同じ成分の金属を材料とするのが好ましい。   In order to set the dipole orientation to 75% or more, it is necessary to easily align the first atoms when the crystal column grows, and the material of the underlayer 12 is a metal having the same component as the material of the piezoelectric thin film layer 13. For example, when AlN is used for the piezoelectric thin film layer 13, the base layer 12 is preferably made of Al, and when ZnO is used for the piezoelectric thin film layer 13, the base layer 12 is preferably made of Zn. When the underlayer 12 is a multilayer, it is preferable that the uppermost layer, that is, the layer in contact with the piezoelectric thin film layer 13 is made of a metal having the same component as the material of the piezoelectric thin film layer 13.

また、本実施の形態では、圧力伝達部材として金属ダイアフラム11を用いたが、金属ダイアフラム11から圧力伝達棒等の他の部材を介して、圧電薄膜層13に圧力を伝達する構成であっても、耐熱性に優れ、冷却手段が不要な圧電センサ1を実現することができる。   In this embodiment, the metal diaphragm 11 is used as the pressure transmission member. However, even if the pressure is transmitted from the metal diaphragm 11 to the piezoelectric thin film layer 13 through another member such as a pressure transmission rod. In addition, the piezoelectric sensor 1 having excellent heat resistance and no cooling means can be realized.

また、圧力伝達部材は、金属ダイアフラム11に限定されるものではなく、例えば、ガラス基板などのセラミックスであってもよい。具体的なセラミックスとしては、酸化アルミ、酸化マグネシウム、酸化ジルコニア、 酸化チタン、酸化イットリウム、酸化ケイ素などの酸化物系セラミックスや、窒化アルミ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ガリウムなどの窒化物系セラミックスや、炭化ケイ素、炭化タングステンなどの炭化物系セラミックスや、二ケイ化モリブデンなどのケイ化物系セラミックスなどが挙げられる。これにより、金属と比較して、耐腐食性、耐熱性および耐圧性などが向上する。なお、ガラス基板を用いたときの圧電センサの特性を調べた実験結果については後述する。   Further, the pressure transmission member is not limited to the metal diaphragm 11 and may be ceramics such as a glass substrate, for example. Specific ceramics include oxide ceramics such as aluminum oxide, magnesium oxide, zirconia, titanium oxide, yttrium oxide, and silicon oxide, and nitride ceramics such as aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, and gallium nitride. And carbide ceramics such as silicon carbide and tungsten carbide, and silicide ceramics such as molybdenum disilicide. Thereby, compared with a metal, corrosion resistance, heat resistance, pressure resistance, etc. improve. In addition, the experimental result which investigated the characteristic of the piezoelectric sensor when a glass substrate is used is mentioned later.

本実施の形態にかかる圧電センサ1について、圧電素子10に加えられる圧力に対する圧電素子10から発生される電荷量を測定する実験を行った。   For the piezoelectric sensor 1 according to the present embodiment, an experiment was performed to measure the amount of charge generated from the piezoelectric element 10 with respect to the pressure applied to the piezoelectric element 10.

図15は、本実験に用いた測定系を示すものである。具体的には、圧電素子10を円筒状のガラス管で覆い、その内部に大気圧と等しい密封空間を作る。そして、圧電素子10の上部電極14とアンプとをローノイズ同軸ケーブルにより接続し、アンプはオシロスコープと接続する。なお、本実験では、スパッタリング法により、厚さ0.2mmのインコネル601の金属ダイアフラム11上に厚さ200nmの上部電極14と厚さ1μmの窒化アルミニウム(圧電薄膜層13)とを成膜したAタイプと、上記金属ダイアフラム11上に上記窒化アルミニウムを成膜したBタイプの2種類の圧電素子10を用いた。   FIG. 15 shows the measurement system used in this experiment. Specifically, the piezoelectric element 10 is covered with a cylindrical glass tube, and a sealed space equal to the atmospheric pressure is created inside. Then, the upper electrode 14 of the piezoelectric element 10 and the amplifier are connected by a low noise coaxial cable, and the amplifier is connected to an oscilloscope. In this experiment, the upper electrode 14 having a thickness of 200 nm and the aluminum nitride (piezoelectric thin film layer 13) having a thickness of 1 μm were formed on the metal diaphragm 11 having a thickness of 0.2 mm by the sputtering method. Two types of piezoelectric elements 10 of type and B type in which the aluminum nitride film was formed on the metal diaphragm 11 were used.

上記測定系において、密封空間の大気圧を一気に抜き急減圧させる。このとき、圧電素子10の金属ダイアフラム11は、この急減圧に伴い密封空間の方向へ力を受け撓みが発生する。そして、金属ダイアフラム11の撓みに付随して圧電薄膜層13が撓み、その内部に応力が発生する。そして、圧電薄膜層13内部に発生した応力によって、圧電薄膜層13から電荷が発生する。このとき発生した電荷を上部電極14が取り出し、オシロスコープによって測定することができる。   In the above measurement system, the atmospheric pressure in the sealed space is drawn at once and suddenly depressurized. At this time, the metal diaphragm 11 of the piezoelectric element 10 receives a force in the direction of the sealed space due to the sudden pressure reduction, and is bent. And the piezoelectric thin film layer 13 bends along with the bending of the metal diaphragm 11, and stress is generated in the inside thereof. Electric charges are generated from the piezoelectric thin film layer 13 due to the stress generated in the piezoelectric thin film layer 13. The charges generated at this time can be taken out by the upper electrode 14 and measured with an oscilloscope.

図16は、上記密封空間を急減圧させたときの圧電素子10から取り出された電荷量を測定した波形図である。また、図17は、圧電素子10に加えられる力と図16の波形図に示す信号振幅から求めた電荷量との関係を示したグラフであり、図18は、上記力と上記電荷量とから換算した、圧力と出力電圧との関係を示したグラフである。   FIG. 16 is a waveform diagram obtained by measuring the amount of charge taken out from the piezoelectric element 10 when the sealed space is rapidly depressurized. FIG. 17 is a graph showing the relationship between the force applied to the piezoelectric element 10 and the charge amount obtained from the signal amplitude shown in the waveform diagram of FIG. 16. FIG. 18 shows the relationship between the force and the charge amount. It is the graph which showed the relationship between the pressure and output voltage which converted.

図17の結果より、金属ダイアフラム11に加えられる力と上部電極14から取り出される電荷量とは比例関係となることが分かった。そして、この比例関係を示す直線の傾きは、見かけ上の圧電定数d33(pC/N)、つまり圧電素子10の圧電定数を示している。ここで、圧電素子10の撓み効果を利用しない従来の構成では、その圧電定数d33は、d33=2であった。これに対して、本実施の形態における圧電素子10の撓み効果を利用した場合には、圧電素子10の圧電定数d33は、上記Aタイプでd33=30.808、上記Bタイプでd33=22.305であった。このように、圧電素子10の撓み効果を利用することによって、圧電素子10の圧電定数d33の値が大幅に増加することが分かった。   From the results of FIG. 17, it was found that the force applied to the metal diaphragm 11 and the amount of charge taken out from the upper electrode 14 are in a proportional relationship. The slope of the straight line indicating the proportional relationship indicates the apparent piezoelectric constant d33 (pC / N), that is, the piezoelectric constant of the piezoelectric element 10. Here, in the conventional configuration in which the bending effect of the piezoelectric element 10 is not used, the piezoelectric constant d33 is d33 = 2. On the other hand, when the bending effect of the piezoelectric element 10 in the present embodiment is used, the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric element 10 is d33 = 30.808 for the A type and d33 = 222 for the B type. 305. Thus, it has been found that the value of the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric element 10 is greatly increased by utilizing the bending effect of the piezoelectric element 10.

次に、図8(a)(b)に示す構成、つまり圧電薄膜層13の上面における外周側の領域に外部電極14b、中央部寄りの領域に中央電極14aをそれぞれ個別に設け、金属ダイアフラム11の任意の位置に電極14cを設けた構成において、圧電素子10に加えられる圧力に対する圧電素子10(圧電薄膜層13)から出力される電圧を測定する実験を行った。   Next, the configuration shown in FIGS. 8A and 8B, that is, the external electrode 14 b is separately provided in the outer peripheral region on the upper surface of the piezoelectric thin film layer 13, and the central electrode 14 a is separately provided in the region closer to the center. In the configuration in which the electrode 14c is provided at any position, an experiment was performed to measure the voltage output from the piezoelectric element 10 (piezoelectric thin film layer 13) with respect to the pressure applied to the piezoelectric element 10.

図19は、本実験に用いた測定系を示すものである。この測定系は、上述した図15の測定系と同等であり、厚さ0.2mmのインコネル601の金属ダイアフラム11上に厚さ1μmの窒化アルミニウム(圧電薄膜層13)を成膜し、その上に厚さ0.05〜0.3μmの中央電極14aおよび外部電極14bを設けた圧電素子を使用している。なお、金属ダイアフラムの一端には、厚さ0.05〜0.3μmの電極14cを設けている。そして、外部電極14bと電極14cとをローノイズ同軸ケーブルを介してアンプ1に接続すると共に、中央電極14aと電極14cとをローノイズ同軸ケーブルを介してアンプ2に接続し、アンプ1,2はそれぞれオシロスコープと接続する。   FIG. 19 shows the measurement system used in this experiment. This measurement system is equivalent to the measurement system shown in FIG. 15 described above, and a 1 μm thick aluminum nitride film (piezoelectric thin film layer 13) is formed on a metal diaphragm 11 of Inconel 601 having a thickness of 0.2 mm. A piezoelectric element provided with a central electrode 14a and an external electrode 14b having a thickness of 0.05 to 0.3 μm is used. An electrode 14c having a thickness of 0.05 to 0.3 μm is provided at one end of the metal diaphragm. The external electrode 14b and the electrode 14c are connected to the amplifier 1 via a low noise coaxial cable, and the center electrode 14a and the electrode 14c are connected to the amplifier 2 via a low noise coaxial cable. Connect with.

図20は、上記測定系において、圧電素子10に圧力を印加したときの圧電薄膜層13から出力される圧力の波形を示すグラフである。なお、上記測定系では、圧電素子10の出力特性を容易に得られるように、本来、圧電素子10に印加される方向とは反対側の方向から圧力を印加している。   FIG. 20 is a graph showing a waveform of pressure output from the piezoelectric thin film layer 13 when pressure is applied to the piezoelectric element 10 in the measurement system. In the measurement system, the pressure is originally applied from the direction opposite to the direction applied to the piezoelectric element 10 so that the output characteristics of the piezoelectric element 10 can be easily obtained.

図20に示すように、アンプ1に接続される外部電極14bおよびアンプ2に接続される中央電極14aから、同時に出力信号を検出できることが分かった。このように、複数の電極を用いた場合でも、それぞれにおいて同時に出力信号を検出できることが分かった。これにより、出力信号の極性を合わせることにより、個別に検出された出力信号を足し合わせることが可能となる。したがって、外部から印加される圧力が僅かでも、より大きな出力を得ることができるため、圧電センサの感度を向上させることができる。   As shown in FIG. 20, it was found that the output signal can be detected simultaneously from the external electrode 14b connected to the amplifier 1 and the central electrode 14a connected to the amplifier 2. Thus, it was found that even when a plurality of electrodes are used, the output signals can be detected simultaneously in each. As a result, the output signals individually detected can be added together by matching the polarities of the output signals. Therefore, even if the pressure applied from the outside is small, a larger output can be obtained, so that the sensitivity of the piezoelectric sensor can be improved.

次に、本実施の形態にかかる圧電センサ1における温度特性および周波数特性を調べる実験を行った。   Next, an experiment for examining temperature characteristics and frequency characteristics in the piezoelectric sensor 1 according to the present embodiment was performed.

図21は、圧電センサ1の温度変化に対する圧電応答性の変化を測定したグラフである。なお、圧電応答性は、1ニュートン(N)当たりの電荷量、すなわち圧電定数を測定することにより考察できる。図21に示すように、圧電センサ1は、600℃まで安定した圧電特性を維持できることが分かった。これにより、本実施形態における圧電センサ1によれば、構造物内部等の500℃程度の高温環境下において、安定した測定が可能となる。   FIG. 21 is a graph obtained by measuring the change in piezoelectric response to the temperature change of the piezoelectric sensor 1. The piezoelectric response can be considered by measuring the amount of charge per Newton (N), that is, the piezoelectric constant. As shown in FIG. 21, it was found that the piezoelectric sensor 1 can maintain stable piezoelectric characteristics up to 600 ° C. Thereby, according to the piezoelectric sensor 1 in the present embodiment, it is possible to perform stable measurement in a high temperature environment of about 500 ° C. inside the structure or the like.

また、図22は、圧電センサ1における周波数特性を示すグラフである。図22に示すように、0.3Hz〜100Hzまで測定可能であることが分かった。   FIG. 22 is a graph showing frequency characteristics in the piezoelectric sensor 1. As shown in FIG. 22, it was found that measurement was possible from 0.3 Hz to 100 Hz.

次に、本実施の形態にかかる圧電センサ1において、圧力伝達部材にガラス基板11aを用いた場合の圧電素子10に加えられる圧力に対する圧電素子10(圧電薄膜層13)から発生される電荷量を測定する実験を行った。   Next, in the piezoelectric sensor 1 according to the present embodiment, the amount of electric charge generated from the piezoelectric element 10 (piezoelectric thin film layer 13) with respect to the pressure applied to the piezoelectric element 10 when the glass substrate 11a is used as the pressure transmission member. Experiments to measure were performed.

図23(a)は、圧電センサ1において、圧力伝達部材にガラス基板11aを用いた場合の圧電素子10の概略構成を示す平面図であり、図23(b)は、本実験に用いた測定系を示すものである。この測定系では、厚さ1mmのガラス基板11a上に、厚さ1μmの窒化アルミニウム(圧電薄膜層13)を成膜し、その上に厚さ0.05〜0.3μmの上部電極14を設けた圧電素子を使用している。なお、ガラス基板11aと圧電薄膜層13との間には下部電極12を設けている。そして、下部電極12および上部電極14とアンプとをそれぞれローノイズ同軸ケーブルにより接続し、アンプはオシロスコープと接続する。   FIG. 23A is a plan view showing a schematic configuration of the piezoelectric element 10 when the glass substrate 11a is used as the pressure transmission member in the piezoelectric sensor 1, and FIG. 23B is a measurement used in this experiment. This shows the system. In this measurement system, an aluminum nitride (piezoelectric thin film layer 13) having a thickness of 1 μm is formed on a glass substrate 11a having a thickness of 1 mm, and an upper electrode 14 having a thickness of 0.05 to 0.3 μm is provided thereon. Piezoelectric elements are used. A lower electrode 12 is provided between the glass substrate 11 a and the piezoelectric thin film layer 13. Then, the lower electrode 12 and the upper electrode 14 are connected to the amplifier by a low noise coaxial cable, and the amplifier is connected to an oscilloscope.

図24は、上記測定系において、圧電素子10に圧力を印加したときの圧電薄膜層13から発生する電荷量を示すグラフである。図の結果より、ガラス基板11aに加えられる力と圧電薄膜層13から取り出される電荷量とは比例関係となることが分かった。そして、この比例関係を示す直線の傾きから圧電応答性すなわち圧電定数d33(pC/N)を算出すると、d33=75.4となった。ここで、窒化アルミニウムを用いた従来の構成では、上述のようにd33=2であった。このように、圧力伝達部材にガラス基板を用いた場合でも、圧電素子10の撓み効果を利用することによって、圧電素子10の圧電定数d33の値が大幅に増加することが分かった。   FIG. 24 is a graph showing the amount of charge generated from the piezoelectric thin film layer 13 when pressure is applied to the piezoelectric element 10 in the measurement system. From the results shown in the figure, it was found that the force applied to the glass substrate 11a and the amount of charge taken out from the piezoelectric thin film layer 13 are in a proportional relationship. When the piezoelectric response, that is, the piezoelectric constant d33 (pC / N) is calculated from the slope of the straight line indicating the proportional relationship, d33 = 75.4 is obtained. Here, in the conventional configuration using aluminum nitride, d33 = 2 as described above. Thus, it has been found that even when a glass substrate is used as the pressure transmission member, the value of the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric element 10 is significantly increased by utilizing the bending effect of the piezoelectric element 10.

本発明の圧電センサは、高温環境下において被測定物の振動、圧力等を検出することができるため、原子力発電所等のプラントにおけるパイプやタンク内の高温高圧流体の圧力変動計測等へも適用できる。   The piezoelectric sensor of the present invention can detect vibrations, pressures, etc. of an object to be measured in a high-temperature environment, and therefore can be applied to pressure fluctuation measurement of high-temperature and high-pressure fluid in pipes and tanks in plants such as nuclear power plants. it can.

本発明の一実施形態を示すものであり、圧電センサの概略構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention. 図1に示した圧電センサにおける圧電素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric element in the piezoelectric sensor shown in FIG. 図1に示した圧電センサにおける圧電素子と信号出力棒との関係を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the relationship between the piezoelectric element in the piezoelectric sensor shown in FIG. 1, and a signal output rod. 図4(a)は円柱状の凹部を有する信号出力棒の縦断面図であり、図4(b)は円柱状の凹部を有する信号出力棒の横断面図であり、図4(c)は半球状の凹部を有する信号出力棒の縦断面図であり、図4(d)は角柱状の凹部を有する信号出力棒の横断面図である。4A is a longitudinal sectional view of a signal output rod having a cylindrical recess, FIG. 4B is a transverse sectional view of the signal output rod having a cylindrical recess, and FIG. FIG. 4D is a longitudinal sectional view of a signal output rod having a hemispherical recess, and FIG. 4D is a transverse sectional view of the signal output rod having a prismatic recess. 導線を使用して圧電素子から発生する電荷を取り出す圧電センサの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the piezoelectric sensor which takes out the electric charge which generate | occur | produces from a piezoelectric element using conducting wire. 図1に示した圧電センサにおいて上部電極を圧電薄膜層の外周側の領域のみに成膜した圧電素子の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a piezoelectric element in which an upper electrode is formed only in a region on the outer peripheral side of a piezoelectric thin film layer in the piezoelectric sensor shown in FIG. 1. 図1に示した圧電センサにおいて圧電素子に撓みが発生したときの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric sensor shown in FIG. 1 when bending occurs in the piezoelectric element. 図8(a)は図1に示した圧電センサにおいて上部電極を圧電薄膜層の外周側の領域および中央部寄りの領域にそれぞれ個別に設けた場合の圧電素子の平面図であり、図8(b)は当該圧電素子のa−a断面図である。FIG. 8A is a plan view of the piezoelectric element in the case where the upper electrode is individually provided in the outer peripheral side region and the central portion of the piezoelectric thin film layer in the piezoelectric sensor shown in FIG. b) is an aa cross-sectional view of the piezoelectric element. 図9(a)は図1に示した圧電センサにおいて圧電薄膜層と上部電極とを分割して成膜した圧電素子の断面図であり、図9(b)は当該上部電極の平面図である。9A is a cross-sectional view of a piezoelectric element formed by dividing a piezoelectric thin film layer and an upper electrode in the piezoelectric sensor shown in FIG. 1, and FIG. 9B is a plan view of the upper electrode. . 図1に示した圧電センサにおいて圧電薄膜層を外周側の領域のみに成膜した圧電素子の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a piezoelectric element in which a piezoelectric thin film layer is formed only in a region on the outer peripheral side in the piezoelectric sensor shown in FIG. 1. 図1に示した圧電薄膜層を筐体の前端壁に直接成膜した場合の圧電センサの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the piezoelectric sensor at the time of directly forming into a front end wall of a housing | casing the piezoelectric thin film layer shown in FIG. 図1に示した圧電薄膜層を筐体の前端壁に直接成膜した場合の筐体を拡大した断面図である。It is sectional drawing to which the housing | casing at the time of forming the piezoelectric thin film layer shown in FIG. 1 directly on the front end wall of a housing | casing was expanded. 図1に示した圧電薄膜層を成膜した筐体の前端壁に凹部を設け場合の圧電センサの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the piezoelectric sensor in the case of providing a recessed part in the front end wall of the housing | casing which formed the piezoelectric thin film layer shown in FIG. 図13に示した凹部を有する前端壁をシリコンにより形成した場合の圧電センサの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the piezoelectric sensor at the time of forming the front end wall which has a recessed part shown in FIG. 13 with silicon. 本実施形態にかかる圧電センサについて圧電素子に加えられる圧力に対する圧電素子から発生される電荷量を測定するための測定系を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the measurement system for measuring the electric charge generated from a piezoelectric element with respect to the pressure applied to a piezoelectric element about the piezoelectric sensor concerning this embodiment. 上記測定系において圧電素子から取り出された電荷量をオシロスコープによって測定した結果を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the result of having measured the electric charge taken out from the piezoelectric element in the said measurement system with the oscilloscope. 上記測定系において圧電素子に加えられる力とオシロスコープによって測定された波形図に示す信号振幅から求めた電荷量との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the force applied to a piezoelectric element in the said measurement system, and the electric charge amount calculated | required from the signal amplitude shown in the waveform diagram measured with the oscilloscope. 上記測定系において圧電素子に加えられる力とオシロスコープによって測定された波形図に示す信号振幅から求めた電荷量とから換算した圧力と出力電圧との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the pressure converted from the force applied to the piezoelectric element in the said measurement system, and the electric charge amount calculated | required from the signal amplitude shown in the waveform figure measured with the oscilloscope, and output voltage. 図8(a)および図8(b)に示す圧電素子に加えられる圧力に対する当該圧電素子から発生される電荷量を測定するための測定系を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the measurement system for measuring the electric charge generated from the said piezoelectric element with respect to the pressure applied to the piezoelectric element shown to Fig.8 (a) and FIG.8 (b). 図19に示す測定系において圧電素子に圧力が印加されたときの、当該圧電素子から出力される電圧の波形を示したグラフである。20 is a graph showing a waveform of a voltage output from the piezoelectric element when pressure is applied to the piezoelectric element in the measurement system shown in FIG. 本実施形態にかかる圧電センサの温度変化に対する圧電応答性の変化を測定したグラフである。It is the graph which measured the change of the piezoelectric response with respect to the temperature change of the piezoelectric sensor concerning this embodiment. 本実施形態にかかる圧電センサにおける周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic in the piezoelectric sensor concerning this embodiment. 図23(a)は、本実施の形態にかかる圧電センサにおいて、圧力伝達部材にガラス基板を用いた場合の圧電素子の概略構成を示す平面図であり、図23(b)は、当該圧電素子に加えられる圧力に対する当該圧電素子から発生される電荷量を測定するための測定系を示す断面図である。FIG. 23A is a plan view showing a schematic configuration of a piezoelectric element when a glass substrate is used as a pressure transmission member in the piezoelectric sensor according to the present embodiment, and FIG. It is sectional drawing which shows the measurement system for measuring the electric charge generated from the said piezoelectric element with respect to the pressure applied to a. 図23(b)に示す測定系において、圧電素子に圧力を印加したときの圧電薄膜層から発生する電荷量を示すグラフである。It is a graph which shows the electric charge amount which generate | occur | produces from a piezoelectric thin film layer when a pressure is applied to a piezoelectric element in the measurement system shown in FIG.23 (b).

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電センサ
2 信号伝達部
10 圧電素子
10a 中央付近
10b 両端付近
11 金属ダイアフラム(圧力伝達部材)
12 下地層
13 圧電薄膜層
14 上部電極
20 筐体
21 後部筐体
22 前部筐体
22d 前端壁
30 信号出力棒(導電部材、電極層)
32 凹部
40 電気絶縁環柱
53 開口部
60 導線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric sensor 2 Signal transmission part 10 Piezoelectric element 10a Near center 10b Near both ends 11 Metal diaphragm (pressure transmission member)
12 Underlayer 13 Piezoelectric thin film layer 14 Upper electrode 20 Housing 21 Rear housing 22 Front housing 22d Front end wall 30 Signal output bar (conductive member, electrode layer)
32 Concave portion 40 Electrically insulating ring column 53 Opening portion 60 Conductor

Claims (3)

第1の面にて圧力を受け、その圧力により電荷を発生する圧電素子を備えた圧電センサにおいて、
前記圧電素子は、圧力を受けて電荷を発生する圧電薄膜層と前記圧電薄膜層から発生する電荷を取り出す上部電極とを備えており、
前記上部電極は、前記圧電薄膜層の前記第1の面とは反対の第2の面における外周側の領域のみと接しており、
前記圧電素子の前記第2の面に設けられた、導電性の棒状部材であって軸方向の一端面に凹部のない導電部材が、該端面で前記上部電極と接していることによって、前記導電部材と前記圧電素子とが電気的に接続されていると共に、前記第2の面と前記導電部材との間に空間が形成されていることを特徴とする圧電センサ。
In a piezoelectric sensor having a piezoelectric element that receives pressure on the first surface and generates electric charge by the pressure,
The piezoelectric element includes a piezoelectric thin film layer that generates an electric charge under pressure and an upper electrode that extracts electric charge generated from the piezoelectric thin film layer,
The upper electrode is in contact only with the outer peripheral region of the second surface opposite to the first surface of the piezoelectric thin film layer,
A conductive rod-shaped member provided on the second surface of the piezoelectric element and having no recess on one end surface in the axial direction is in contact with the upper electrode at the end surface. A piezoelectric sensor, wherein a member and the piezoelectric element are electrically connected, and a space is formed between the second surface and the conductive member .
記上部電極は、前記圧力が作用して前記圧電素子の内部に生じる圧縮応力によって発生する電荷を取り出すように設けられていることを特徴とする請求項に記載の圧電センサ。 Before SL upper electrode, the piezoelectric sensor according to claim 1, wherein the pressure is provided to retrieve to thus generated charges to compressive stress generated in the interior of the piezoelectric element action. 前記圧電素子を装着するための筐体を備えており
記圧電薄膜層は前記筐体の前端壁に形成され、この前端壁における前記圧電薄膜層が形成されている部分はダイアフラムとして機能するように加工されていることを特徴とする請求項に記載の圧電センサ。
A housing for mounting the piezoelectric element ;
Before SL piezoelectric thin film layer is formed on the front end wall of the housing, in claim 1, wherein the portion of the piezoelectric thin-film layer is formed is processed so as to function as a diaphragm in the front end wall The piezoelectric sensor as described.
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