JP5843198B2 - 圧電素子およびその製造方法、ならびに圧電センサ - Google Patents

Description

本発明は、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電体薄膜を備えた圧電素子およびその製造方法、ならびに圧電センサに関する。

従来、燃焼圧センサなどに使用される圧電センサは、脆性材料である水晶やセラミックスの単結晶をかまぼこ型に加工して３個の素子を三角形に組み合わせる、あるいは、結晶軸をそろえて切り出した薄い板を積層する等の複雑な構造であり、かつ、出力が小さいためアンプ等の使用条件に制限があるという問題点がある。

このような問題点を解決する手法として、特許文献１に開示された圧電素子、および特許文献２に開示された圧電体薄膜がある。

上記特許文献１に開示された圧電素子は、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、貫通孔の、少なくとも壁面を除く、基板の全面に成膜されているＡｌＮ素子膜と、導電性を有しており、ＡｌＮ素子膜を被覆する金属箔電極と、を備えている。

同圧電素子は、上記の構成を採用することにより、圧電センサが挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化を可能にしている。

また、上記特許文献２に開示された圧電体薄膜は、窒化アルミニウム薄膜に対してスカンジウムを添加することにより、圧電応答性を向上させている。

特開２００９−１０９２６（２００９年１月１５日公開） 特開２００９−２８８１４４（２００９年１２月１０日公開）

ところで、近年のエンジンの更なる低燃費化、排気ガスの浄化のため、エンジン燃焼圧の制御は極めて重要な課題となっており、これに伴って、これまで得られなかった情報、例えば、クリーンディーゼルエンジン等での多段噴射時の燃焼状態の把握等が求められている。しかしながら、現在の圧電センサではこれらのニーズに対して十分満足できるような感度（圧電応答性）を有していないという問題点がある。

例えば、上記特許文献１に開示された圧電素子における窒化アルミニウム薄膜は、他の圧電材料に比べて、その圧電定数が低いという問題点がある。具体的には、窒化アルミニウム薄膜の圧電定数ｄ３３が５．１〜６．７ｐＣ／Ｎ程度であるのに対して、酸化亜鉛薄膜の圧電定数ｄ３３は９．９〜１２．４ｐＣ／Ｎ程度であり、ニオブ酸リチウム薄膜の圧電定数ｄ３３は６〜１２ｐＣ／Ｎ程度であり、そしてチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の圧電定数ｄ３３は９７〜１００ｐＣ／Ｎ程度である。すなわち、窒化アルミニウム薄膜は、他の圧電材料の１／２〜１／２０程度の圧電定数しか有していない。

また、燃費削減のためには、エンジンの燃焼圧を直接モニターしてフィードバックし、燃焼を制御することが非常に有効であるが、そのためには、圧電センサの小型化とともに制御系を含めた環境での使用に耐え得る高い出力が必要となるが、現在の圧電センサは十分なものとは言えない状況にある。例えば、上記特許文献２に開示された技術では、圧電体薄膜の圧電応答性を向上させる点については考慮されているものの、圧電センサの小型化については、考慮されていない。

さらに、自動車や船舶、建設機械等で使用されるエンジンに実装するためには、低価格なものでなければならないが、現在の圧電センサは、上述のように、脆性材料である水晶やセラミックスの単結晶をかまぼこ型に加工して３個の素子を三角形に組み合わせる、あるいは、結晶軸をそろえて切り出した薄い板を積層する等の複雑な構造で、素子自体非常に高価なものとなっている。

本発明は、上記の問題に鑑みて為されたものであり、その目的は、圧電応答性を向上させつつ、高出力化、小型化、低価格化を実現することができる圧電素子などを提供することにある。

本発明の圧電素子は、上記の課題を解決するために、貫通孔が形成された金属製の基板と、上記貫通孔の周囲の壁面、または、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面のいずれかを少なくとも除く、上記基板の全面に成膜されており、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜からなる圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜の少なくとも一部を被覆している電極部と、を備え、上記圧電体薄膜に含まれるスカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする。

上記の構成によれば、基板は、金属製であり、貫通孔が形成されている。また、圧電体薄膜は、上記貫通孔の周囲の壁面（以下、単に「貫通孔の壁面」という）、または、（上記基板の面内方向に対して）上記貫通孔の壁面の裏側に当たる面のいずれかを少なくとも除く、上記基板の全面に成膜されている。

これにより、圧電素子は、少なくとも金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。

結果、本発明の圧電素子では、上記圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電素子を設けた圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。

つまり、本発明の圧電素子では、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となる。

また、上記の圧電素子を複数個積層するという簡単な構造とし、後述する圧電センサの信号線を複数個の圧電素子のそれぞれの貫通孔に嵌挿させることで、複数個の圧電素子のそれぞれの圧電体薄膜にて基板側に発生した電荷を一括して引き出すことが可能となる。このため、圧電素子の小型化、高出力化、低価格化を実現することができる。

ところで、圧電材料の圧電応答性を向上させる方法として、本発明者らは、窒化アルミニウムにスカンジウムを適当量添加することによって、窒化アルミニウムの結晶構造を変化させることができ、その圧電応答性を向上させることができるものと考え、スカンジウムの添加量を鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。

また、窒化ガリウムおよび窒化インジウムは、発光ダイオードなどの発光デバイスにおいて非常に注目を集めている素材であり、発光デバイスの小型化および省電力化を実現するために研究が盛んに行われている。一方、バンドギャップが広い窒化アルミニウムは、
可視光において発光しないため、窒化ガリウムを発光デバイスとして用いるためのバッファ層として用いられており、窒化アルミニウムの圧電応答性を向上させる研究は、ほとんど行われていない。

そこで、本発明の圧電素子では、圧電体薄膜を、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を含む構成とし、上記スカンジウムの原子数と上記窒化アルミニウム薄膜におけるアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率を、０．５〜５０原子％の範囲内としている。

窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値（機械的品質係数）、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上させることができる。

また、ＡｌＮ薄膜素子で高出力を得るためには表面積を増加させる必要があり、小さな外形で表面積を座生化するためには積層構造にする必要があるが、素子１枚当たりの発生電荷が増えれば少ない枚数で高出力を得ることが可能になる。

これにより、従来の圧電素子で検出できなかった細かい圧力変化まで検出することが可能になる。従来の圧電素子は、水晶（セラミックス）を素子として使用していることから、素子の破壊を防ぐために緩衝材を使用する等の感度の低下をもたらす構造を採らざるを得ないが、本発明の圧電素子ではそのような構造を採る必要が無く、非常に高感度で、市販のセンサでは検出できない細かい圧力変化まで検出することが可能になる。

以上により、圧電応答性を向上させつつ、高出力化、小型化、低価格化を実現することができる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記貫通孔の周囲の壁面における上記貫通孔の一端側から上記基板の外側に向けて突出する突出部が、上記基板に形成され、上記突出部の表面に、上記圧電体薄膜が成膜されていなくても良い。

上記の構成によれば、貫通孔の周囲の壁面における貫通孔の一端側から基板の外側に向けて突出する突出部が、基板に形成されている。また、突出部の表面には、圧電体薄膜が成膜されていない。

これにより、例えば、２枚の圧電素子を積層した場合に、下側に配置する圧電素子の突出部を、上側に配置する圧電素子の貫通孔の他端側から嵌挿させることにより、２枚の圧電素子の貫通孔の壁面間を導通させることができる。このため、上側に配置する圧電素子の突出部に後述する信号線の一端を接触させることで、圧電体薄膜にて基板側に発生した電荷を引き出すことが可能となる。

このため、上記の圧電素子を複数個積層するという簡単な構造とするだけで、複数個の圧電素子のそれぞれの圧電体薄膜にて基板側に発生した電荷を一括して引き出すことが可能となる。すなわち、上記特許文献１に開示された圧電センサにおける信号線付電極を単に信号線に代替えし、絶縁板を除くことにより、構成、組み立ては極めて簡単になることから、大幅な低価格化が実現できる。

ここで、圧電体薄膜が、貫通孔の周囲の壁面を少なくとも除く、基板の全面に成膜されているケースでは、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、基板における貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面を電極部によって少なくとも被覆することが好ましい。

ここで、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されており、電極部によって当該圧電体薄膜が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、本発明の圧電素子では、基板に貫通孔を形成し、基板における当該貫通孔の周囲の壁面を少なくとも露出させることで、基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である貫通孔の周囲の壁面から得られる。

また、本発明の圧電素子では、圧電体薄膜における基板側からの電荷が、基板の露出部分である貫通孔の周囲の壁面から放出され、圧電体薄膜における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電体薄膜を被覆している電極部がもたらすシールド効果により、圧電体薄膜における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。こうした圧電素子は、圧電センサに用いる場合において都合が良い。

即ち、上記の構成によれば、貫通孔に圧電センサの信号線を通すことにより、基板と信号線とを接触および導通させることが可能となる。また、上述した、圧力が加えられる場合における圧電体薄膜の特性により、圧電素子では、基板側と電極部側とが絶縁されることとなる。さらに、例えば、圧電センサの筐体、ねじ込み等で接触する圧電センサの押し金具等と電極部とを接触させることにより、電極部と圧電センサの筐体とを導通させることが可能となる。

つまり、上記本発明の圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線が、当該圧電素子に形成された貫通孔を通じて引き出される。さらに、上記圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線と筐体との、圧電素子による絶縁が可能となる。

また、上記圧電素子を複数個積層することで、圧電センサでは、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。

さらに、本発明の圧電素子を備える圧電センサでは、圧電素子の電極部がもたらす上記シールド効果により、圧電体薄膜から圧電センサの信号線へと供給される電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

一方、圧電体薄膜が、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面を少なくとも除く、上記基板の全面に成膜されているケースでは、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、貫通孔の周囲の壁面の一部を電極部で被覆することが好ましい。

これにより、貫通孔を通じる圧電センサの信号線に電極部が咬合する（即ち、咬み合う）ように電極部で被覆する部分を設計することで、信号線と電極部とが通電可能な状態となる。

上記の構成によれば、本発明の圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。

結果、本発明の圧電素子では、上記圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電素子を設けた圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。

つまり、本発明の圧電素子では、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となる。

ここで、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されており、当該圧電体薄膜に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、本発明の圧電素子では、基板の少なくとも側面（貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面）を露出させることで、当該基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である基板の側面から得られる。

また、本発明の圧電素子では、圧電体薄膜における基板側からの電荷が、基板の露出部分である基板の側面から放出され、圧電体薄膜における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電体薄膜を被覆している電極部がもたらすシールド効果により、圧電体薄膜における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

こうした圧電素子は、圧電センサに用いる場合において都合が良い。

即ち、上記の構成によれば、壁面の一部が電極部によって被覆されている貫通孔に圧電センサの信号線を通すことにより、電極部と信号線とを接触および導通させることが可能となる。また、上述した、圧力が加えられる場合における圧電体薄膜の特性により、圧電素子では、基板側と電極部側とが絶縁されることとなる。さらに、圧電センサの筐体、ねじ込み等で接触する圧電センサ押し金具等と基板の側面とを接触させることにより、基板と圧電センサの筐体とを導通させることが可能となる。

つまり、上記本発明の圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線が、当該圧電素子に形成された貫通孔を通じて引き出される。さらに、上記圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線と筐体との、圧電素子による絶縁が可能となる。

また、上記圧電素子を複数個積層することで、圧電センサでは、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。

さらに、本発明の圧電素子を備える圧電センサでは、圧電素子の電極部がもたらす上記シールド効果により、圧電体薄膜から圧電センサの信号線へと供給される電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記貫通孔の周囲の壁面に対して略垂直方向に起立する突起部が、当該壁面に形成されていても良い。

上記構成によれば、貫通孔の突起部は、貫通孔に後述する圧電センサの信号線を挿入するときに変形して、挿入された圧電センサの信号線に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、圧電センサの信号線と基板との導通がとり易くなる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、上記金属箔電極部材は、上記圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面を被覆する圧電薄膜被覆部と、上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電体薄膜が成膜された上記基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材を当該基板に固定している折曲突出部と、を有していても良い。

上記の構成によれば、電極部は、圧電薄膜被覆部と折曲突出部とを有する金属箔電極部材を含んで構成されている。そして、折曲突出部は、上記圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられる、即ち、折曲突出部が折り返されることによって、金属箔電極部材自身と圧電素子の筐体との導通を良好なものとすることができる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記折曲突出部が、上記基板における他方の表面側に成膜された圧電体薄膜の全面もしくは略全面を被覆していても良い。もしくは、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記金属箔電極部材を２枚有しており、上記２枚の金属箔電極部材におけるそれぞれの圧電薄膜被覆部は、上記圧電体薄膜が成膜された基板において、互いに異なる表面を被覆しており、かつ、上記２枚の金属箔電極部材の一方における折曲突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の他方における圧電薄膜被覆部を被覆するように折り曲げられており、上記２枚の金属箔電極部材の他方における折曲突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の一方における圧電薄膜被覆部を被覆するように折り曲げられていても良い。

ここで、圧電体薄膜が成膜された基板に、１枚の金属箔電極部材が、基板の一方の表面または他方の表面から被覆されている構成の場合は、圧電素子自身の加圧時において、圧電体薄膜の折曲突出部に接する部位に応力が集中することで剪断力が生じ、この剪断力に起因して、圧電体薄膜に絶縁破壊が発生してしまう虞がある。即ち、圧電センサにおいて、圧電素子を複数個積層する構造をより有効に機能させるためには、複数個の圧電素子を加圧して当該圧電素子同士を密着させる必要があるが、このとき、加圧力を高めると、圧電体薄膜の折曲突出部に接する部位に応力が集中して絶縁破壊が発生してしまう虞がある。

このため、上記の構成によれば、圧電薄膜被覆部により被覆されない基板における面（他方の表面）が、上記折曲突出部により被覆される。もしくは、２枚の金属箔電極部材を用いられており、当該２枚の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部は、上記圧電体薄膜が成膜された基板において、互いに異なる面に被覆される。即ち、一方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が一方の表面に、他方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が他方の表面に被覆される。

これにより、上記の構成によれば、折曲突出部への応力の集中を抑制することができるため、圧電体薄膜に絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制することができる。また、上記の構成によれば、圧電体薄膜と電極部との接触部分を増加させることができるため、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内であっても良い。

上記の構成によれば、圧電体薄膜は、スカンジウムを０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内で含有する窒化アルミニウム薄膜からなる。特に、基板上にスカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜を直接形成する場合に、窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上することができる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記窒化アルミニウム薄膜は基板上に設けられており、上記窒化アルミニウム薄膜と上記基板との間には、少なくとも１層の中間層が設けられていても良い。

基板と窒化アルミニウム薄膜との間に中間層を設けることによって、中間層を設けない場合に生じる圧電応答性の低下を抑制させることができる。すなわち、スカンジウム濃度が３５原子％よりも大きく４０原子％よりも小さい場合に生じる圧電応答性の低下を抑制させることができる。

これによって、組成を厳密に管理する必要がなくなるため、圧電応答性を向上した窒化アルミニウム薄膜を容易に得ることができる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、１５〜４５原子％の範囲内であっても良い。

上記の構成によれば、基板と窒化アルミニウム薄膜との間に中間層を設けた場合であっても。窒化アルミニウム薄膜の有する弾性波の伝播速度、Ｑ値、および周波数温度係数の特性を失うことなく、圧電応答性を向上させることができる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、１０〜３５原子％の範囲内であっても良い。

窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、表面粗さを低減できる。すなわち、圧電体薄膜の膜厚の均一性を向上させることができる。

一般的に、フィルタなどの共振周波数は、膜厚の厚さによって決定されている。したがって、圧電体薄膜を、例えば、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイスに用いることによって、膜厚の精度を向上し、伝搬損失を抑制できる。これによって、挿入損失がより少なく、かつノイズを低減したＳＡＷフィルタを実現できる。また、上記圧電体薄膜における表面粗さを低減させることによって、多結晶における粒界を消滅させ、圧電体薄膜を高密度化できる。これによって、圧電体薄膜を、例えばＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）フィルタに用いる場合には、窒化アルミニウム薄膜を電極によって挟む際の短絡を防止することができる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、４０〜５０原子％の範囲内であっても良い。

窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の有する特性を失うことなく、圧電応答性をより一層向上させることができる。

これによって、圧電体薄膜は、従来の窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜ではなし得なかったより一層の効果を奏する。具体的には、上記構成の窒化アルミニウムを備えた圧電体薄膜をデバイス、例えばＲＦ−ＭＥＭＳ（Radio Frequency−Micro Electro Mechanical System）デバイスに備える場合には、より一層の低電圧での作動を実現できる。また、上記デバイスがアクチュエータの場合には、その可動領域をより一層拡大し、フィルタの場合には、挿入損失をより一層低減できる。したがって、上記圧電体薄膜を備えるデバイスにおけるより一層の小型化および省電力化を実現するとともに、その性能をより一層向上させることができる。また、圧電体薄膜をジャイロセンサーおよび圧力センサ、加速度センサなどの物理センサに応用した場合は、検出感度をより一層向上させることができる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記中間層は、窒化チタンまたはスカンジウムの含有率の異なる窒化アルミニウム薄膜であっても良い。

また、本発明の圧電センサは、上記の構成に加えて、上記圧電素子を備えた圧電センサであって、上記圧電素子を収容する導電性の筐体と、一方の端子が上記筐体の外部に引き出され、他方の端子が上記貫通孔の周囲の壁面と接触させられた、導体からなる信号線と、を備え、上記筐体が、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面を被覆している上記電極部の部分と導通されており、上記基板と当該導電体被覆膜とが上記圧電体薄膜により絶縁されていても良い。

ここで、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されており、電極部によって当該圧電体薄膜が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、本発明の圧電センサが備える圧電素子では、基板に貫通孔を形成し、基板における当該貫通孔の周囲の壁面を少なくとも露出させることで、基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である貫通孔の周囲の壁面から得られる。

また、本発明の圧電センサが備える圧電素子では、圧電体薄膜における基板側からの電荷が、基板の露出部分である貫通孔の周囲の壁面から放出され、圧電体薄膜における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電体薄膜を被覆している電極部がもたらすシールド効果により、圧電体薄膜における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。こうした圧電素子は、圧電センサに用いる場合において都合が良い。

即ち、上記の構成によれば、貫通孔に圧電センサの信号線を通すことにより、基板と信号線とを接触および導通させることが可能となる。また、上述した、圧力が加えられる場合における圧電体薄膜の特性により、圧電素子では、基板側と電極部側とが絶縁されることとなる。さらに、例えば、圧電センサの筐体、ねじ込み等で接触する圧電センサの押し金具等と電極部とを接触させることにより、電極部と圧電センサの筐体とを導通させることが可能となる。

つまり、上記本発明の圧電センサでは、信号線が、当該圧電素子に形成された貫通孔を通じて引き出される。さらに、上記圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線と筐体との、圧電素子による絶縁が可能となる。

また、上記圧電素子を複数個積層することで、圧電センサでは、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。

さらに、本発明の圧電センサでは、圧電素子の電極部がもたらす上記シールド効果により、圧電体薄膜から圧電センサの信号線へと供給される電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

また、本発明の圧電素子は、上記の構成に加えて、上記圧電素子を備えた圧電センサであって、上記圧電素子を収容する導電性の筐体と、一方の端子が上記筐体の外部に引き出され、他方の端子が上記貫通孔の周囲の壁面の一部を被覆している上記電極部の部分と接触させられた、導体からなる信号線と、を備え、上記筐体が上記基板の上記貫通孔の壁面の裏側に当たる面と導通されており、上記基板と当該被覆導電体膜とが上記圧電体薄膜により絶縁されていても良い。

なお、本発明の圧電センサと、上述した、圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜を被覆する電極部と、を備えるものであり、上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されている圧電センサと、は、互いに逆の極性を有する圧電センサとなる。

圧電センサに接続されている各種回路（例えば、圧電センサの外部に設けられている圧電センサの制御回路系）では、一般的に、自身の駆動に好適である当該圧電センサの極性が予め決定されており、実際の圧電センサの極性に応じて設計を変更することが非常に煩雑である。そのため、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることは、従来、決して容易ではなかった。

一方、本発明の圧電センサでは、上記各種回路の駆動に好適である当該圧電センサの極性に応じて、上述したいずれかの圧電センサを適宜選択することにより、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることが簡単であるため都合が良い。

また、本発明の圧電センサは、上記の構成に加えて、上記圧電素子を少なくとも２つ備えた圧電センサであって、上記少なくとも２つの圧電素子を収容する導電性の筐体と、一方の端子が上記筐体の外部に引き出され、他方の端子が上記２つの圧電素子のうちの一方の圧電素子の突出部と接触させられた、導体からなる信号線と、を備え、上記２つの圧電素子のうちのもう一方の圧電素子の突出部が、上記一方の圧電素子の貫通孔に嵌挿されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該被覆導電体膜とが上記圧電体薄膜により絶縁されていても良い。

これにより、例えば、圧電センサの筐体内部において、２枚の圧電素子を積層した場合に、上側に配置する圧電素子の突出部を、下側に配置する圧電素子の貫通孔の他端側から嵌挿させることにより、２枚の圧電素子の貫通孔の壁面間を導通させることができる。このため、上側に配置する圧電素子の突出部に信号線の一端を接触させることで、圧電体薄膜にて基板側に発生した電荷を引き出すことが可能となる。

よって、上記の圧電素子を複数個積層するという簡単な構造とするだけで、複数個の圧電素子のそれぞれの圧電体薄膜にて基板側に発生した電荷を一括して引き出すことが可能となる。すなわち、上記特許文献１に開示された圧電センサにおける信号線付電極を単に信号線に代替えし、絶縁板を除くことにより、構成、組み立ては極めて簡単になることから、大幅な低価格化が実現できる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、上記貫通孔よりも大きな面を有する治具本体と、当該治具本体における貫通孔よりも大きな面から伸びており、上記貫通孔を通ずることが可能なワイヤ部材と、を備える治具を用意する第１の工程と、上記貫通孔の一端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第２の工程と、上記ワイヤ部材を中空の蓋部材に挿入すると共に、当該蓋部材と上記治具本体とにより上記基板を圧着固定する第３の工程と、上記第３の工程により、上記基板を圧着固定した上記治具を、成膜装置に装着する第４の工程と、上記成膜装置により、上記基板に、上記圧電体薄膜を成膜する第５の工程と、を含んでいても良い。

上記の方法によれば、信号線と接触する基板における貫通孔の壁面に、圧電体薄膜が成膜されていない基板を製造することが可能となる。このため、本発明の圧電素子の製造方法は、上述した、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜に被覆されている電極部と、を備える圧電素子を製造するのに都合が良い。従って、本発明の圧電素子の製造方法は、圧電センサに設けられた場合において、信号線に供給する電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積を狭小化することを可能とする圧電素子を製造するのに都合が良い。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、上記貫通孔の他端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第６の工程と、上記第６の工程の後に、上記第３の工程から上記第５の工程までを順次実施する第７の工程と、をさらに含んでいても良い。

上記の方法によれば、基板における貫通孔の壁面と、蓋部材と治具本体とにより基板を圧着している部分を除く全面に圧電体薄膜を成膜することができる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、上記第５の工程は、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、アルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、かつ、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であっても良い。

上記の方法によれば、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を０．５〜４５原子％とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が、０．５〜４５原子％である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する圧電素子を製造することができる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であっても良い。

上記の方法によれば、スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を０．５〜３５原子％または４０〜４５原子％の範囲内とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜４５原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する圧電素子を製造することができる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、アルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、上記スパッタリング工程の前に、上記基板上に中間層を形成する中間層形成工程をさらに含み、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であっても良い。

上記の方法によれば、スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、中間層上に形成される窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を１５〜４５原子％の範囲内とすることができる。これによって、中間層上に形成された、スカンジウムを１５〜４５原子％の範囲内で含む窒化アルミニウム薄膜と同様の作用効果を奏する圧電素子を製造することができる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、上記スパッタリング工程における上記電力密度が、２〜６．５Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であっても良い。

上記の方法によれば、スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜のスカンジウムの含有率を１０〜３５原子％の範囲内とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が、１０〜３５原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する圧電素子を製造することができる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、上記スパッタリング工程における上記電力密度が、９．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であっても良い。

上記の方法によれば、スカンジウムを上記範囲の電力密度によりスパッタリングすることによって、窒化アルミニウム薄膜中のスカンジウムの含有率を４０〜４５原子％の範囲内とすることができる。したがって、スカンジウムの含有率が４０〜４５原子％の範囲内である窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜と同様の効果を奏する圧電素子を製造することができる。

また、本発明の圧電素子の製造方法は、上記スパッタリング工程における上記基板の温度が２０〜６００℃の範囲内であっても良い。

上記の方法によれば、アルミニウムおよびスカンジウムを付着させる基板の温度を上記範囲とすることによって、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性をより一層向上させることができる効果を奏する圧電素子を製造することができる。

本発明の圧電素子は、以上のように、貫通孔が形成された金属製の基板と、上記貫通孔の周囲の壁面、または、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面のいずれかを少なくとも除く、上記基板の全面に成膜されており、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜からなる圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜の少なくとも一部を被覆している電極部と、を備え、上記圧電体薄膜に含まれるスカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内である構成である。

これにより、圧電応答性を向上させつつ、高出力化、小型化、低価格化を実現することができるという効果を奏する。

本発明における圧電センサの実施の一形態の構成を示す断面図である。 スカンジウムの含有率とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。 上記圧電センサに関し、圧電体薄膜の一例を示す概略断面図である。 上記圧電センサに関し、圧電体薄膜他の一例を示す概略断面図である。 中間層を設けた場合における、スカンジウムの含有率とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。 上記圧電体薄膜の具体的な例を示す図であり、（ａ）は中間層を設けない場合であり、（ｂ）は中間層としてＳｃ_０．４０Ａｌ_０．６０Ｎ層を設けた場合であり、（ｃ）は中間層としてＳｃ_０．４２Ａｌ_０．５８Ｎ層を設けた場合であり、（ｄ）はＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜としてＳｃ_０．５０Ａｌ_０．５０Ｎを用いた場合に、中間層としてＳｃ_０．４２Ａｌ_０．５８Ｎ層を設けた場合であり、（ｅ）は中間層が複数層からなる場合である。 スカンジウムのターゲット電力密度と、スカンジウムの含有率と、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。 基板温度とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。 中間層を備えた圧電体薄膜における、スカンジウムのターゲット電力密度と、スカンジウムの含有率と、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。 ターゲット電力密度と、圧電応答性との関係を示す図であり、（ａ）は窒化アルミニウム薄膜にマグネシウムを添加した場合であり、（ｂ）はホウ素を添加した場合であり、（ｃ）はケイ素を添加した場合であり、（ｄ）はチタンを添加した場合であり、（ｅ）はクロムを添加した場合である。 Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜または窒化アルミニウム薄膜の表面形状を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて観測した図であり、（ａ）はＳｃ含有量を２５原子％とした場合であり、（ｂ）はＳｃ含有量を０原子％とした場合であり、（ｃ）はＳｃ含有量を３８原子％とした場合であり、（ｄ）Ｓｃ含有量を４２原子％とした場合である。 本発明における圧電素子の実施の一形態の構成要素である基板の構造を模式的に示す平面図である。 上記圧電素子に設けられている貫通孔を示す平面図である。 上記圧電体薄膜が成膜された上記基板における上記貫通孔を示す平面図である。 上記圧電素子の製造方法を示す図であり、（ａ）は、管部を基板の貫通孔に挿入した状態を示す図であり、（ｂ）は、蓋部を、管部に嵌め込み、蓋部により、基板を治具に圧着固定した状態を示す図であり、（ｃ）は、上記（ｂ）を逆さまにした状態を示す図である。 上記の製造方法により、上記圧電体薄膜が成膜された上記基板を示す図である。 上記圧電素子の構成要素である金属箔電極の構成を示す平面図である。 上記圧電体薄膜が成膜された上記基板に上記金属箔電極が被覆された様子を示す平面図であり、（ａ）は、上記圧電体薄膜が成膜された上記基板の片面に１枚の上記金属箔電極が被覆された様子を示す平面図であり、（ｂ）は、上記圧電体薄膜が成膜された上記基板の両面に２枚の上記金属箔電極が被覆された様子を示す平面図である。 （ａ）は、上記金属箔電極の別の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、上記（ａ）に示す金属箔電極が、上記圧電体薄膜が成膜された上記基板に被覆された状態を示す図である。 本発明における圧電センサの別の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明における圧電センサのさらに別の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は、上記別の実施形態の断面構造を模式的に示し、（ｂ）は、上記別の実施形態の圧電センサが備える圧電素子における突出部に関し、ほぼ実際の縮尺に沿った断面構造の一例を示し、（ｃ）は、上記突出部の断面構造の他の一例を示す。 本発明における圧電素子の別の形態の構成要素である基板の構造およびその突出部の形成方法の例を示す図であり、（ａ）は、基板を上側から見たときの様子を模式的に示し、（ｂ）は、上記突出部の形成方法の各工程における上記基板の断面構造の変化の一例を示し、（ｃ）は、上記突出部の形成方法の各工程における上記基板の断面構造の変化の他の一例を示す。 上記圧電体薄膜が成膜された上記基板における貫通孔および突出部を示す平面図である。 市販のセンサとＡｌＮ薄膜を３枚積層した図２１に示す圧電センサとの出力波形の比較結果を示す図である。

本発明の一実施形態について図１〜図２４に基づいて説明すれば、次の通りである。以下の特定の実施形態で説明する構成以外の構成については、必要に応じて説明を省略する場合があるが、他の実施形態で説明されている場合は、その構成と同じである。また、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。

〔実施の形態１〕
（薄膜素子積層センサ１）
図１は、本発明における圧電センサの実施の一形態である薄膜素子積層センサ（圧電センサ）１の構成を示す断面図である。図１に示すように、薄膜素子積層センサ１は、筐体２の内部に、絶縁板３１、信号線付電極４、絶縁板３２、複数個（本実施の形態および後述する実施の形態では４個）の圧電素子５、および押し金具６が順次積層された構成である。

（筐体２）
筐体２は、耐熱性に優れた金属により構成された、中空かつ一端が閉じた形状を有する部材、即ち、底面２１を有する中空の部材である。なお、薄膜素子積層センサ１は、筐体２の底面２１側から、例えば図示しないシリンダー（自動車等の内燃機関のシリンダー）に挿入されるものである。

（絶縁板３１、３２）
絶縁板３１、３２は、例えば酸化アルミニウム（いわゆる、アルミナ）により構成されている。絶縁板３１は、信号線付電極４を、筐体２と絶縁するために設けられている。また、絶縁板３２は、信号線付電極４を、圧電素子５と絶縁するために設けられている。

（信号線付電極４）
信号線付電極４は、信号線４１が引き出された電極層であり、圧電素子５から発生された電荷を、圧力検出信号として、信号線４１を通じて伝達するものである。信号線付電極４から引き出された信号線４１は、絶縁板３２に形成された貫通孔８ｂと、圧電素子５の基板５１に形成された貫通孔８ａと、を通じて、薄膜素子積層センサ１の外部にまで引き伸ばされている。

なお、信号線付電極４は、圧電素子５を積層するときの固定に際して有用であるが、必須の構成ではなく、圧電素子５の基板５１が信号線４１への嵌合に十分な強度を有していれば省略可能である。つまり、この場合、圧力検出信号を伝達するための構成としては、信号線４１のみで構成可能である。同様に、圧電素子５の基板５１が信号線４１への嵌合に十分な強度を有している場合、信号線付電極４と圧電素子５とが離間さえされていれば、絶縁板３２についても省略可能である。

（圧電素子５）
圧電素子５は、インコネル等の耐熱性に優れた金属により構成される基板５１に成膜された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）素子膜（圧電体薄膜）５２に、金属箔電極（電極部、金属箔電極部材）５３が被覆された構成である。

（基板５１）
基板５１には、信号線４１を通すことが可能であるように、具体的には、貫通孔８ａを通じた信号線４１と基板５１とが接触するように、貫通孔８ａが形成されている。ここで、貫通孔８ａの周囲の壁面１８（以下、単に、貫通孔８ａの壁面１８という）については、少なくともＡｌＮ素子膜５２が成膜されておらず、基板５１が露出している（後述する露出部分５４参照）。露出した貫通孔８ａの壁面１８は、貫通孔８ａを通じる信号線４１と接触しており、これにより、信号線４１と基板５１とを接触および導通させている。

なお、貫通孔８ａは、基板５１の表面２８ａに形成されている。ここで、基板５１の表面２８ａとは、薄膜素子積層センサ１（または、後述する薄膜素子積層センサ１０）が挿入される方向に対して垂直となる基板５１の面を意味する。一方、薄膜素子積層センサ１（または、後述する薄膜素子積層センサ１０）が挿入される方向に沿った基板５１の面は、基板５１の側面２８ｂである。つまり、貫通孔８ａは、薄膜素子積層センサ１が挿入される方向に対して、平行または略平行となる方向に、貫通する孔となる。

（ＡｌＮ素子膜５２）
ＡｌＮ素子膜５２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。即ち、ＡｌＮ素子膜５２には、基板５１から伝達される圧力に付随して、撓みが発生する。そして、この撓みに応じて、ＡｌＮ素子膜５２の内部には、圧縮応力および引張応力が発生する。この内部応力の働きによって、ＡｌＮ素子膜５２からは、電荷が発生される。こうして、ＡｌＮ素子膜５２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、ＡｌＮ素子膜５２は、ＡｌＮを、スパッタリング法で成膜することが好ましい。

なお、ＡｌＮ素子膜５２の厚さについては、特に限定されない。

但し、ＡｌＮ素子膜５２は、薄くし過ぎると、該ＡｌＮ素子膜５２自身が剥離し易くなったり、該ＡｌＮ素子膜５２の成膜が不完全な部分もしくは該ＡｌＮ素子膜５２が成膜されない部分が生じやすくなったりする、という欠陥が発生する虞がある。また、該欠陥に起因して、基板５１と金属箔電極５３との間においては、ショートが発生しやすくなるという問題が発生する。

一方、該ＡｌＮ素子膜５２（１５μｍ以上）を厚くすることは、技術的に困難である。また、該ＡｌＮ素子膜５２は、厚くし過ぎると、圧電特性の劣化が発生する虞がある。

これらのことを考慮すると、ＡｌＮ素子膜５２の厚さは、０．１μｍ〜１０μｍ程度とするのが好ましい。

また、ＡｌＮ素子膜５２は、上記基板５１が露出している部分を除く、基板５１部分に成膜されており、かつ、貫通孔８ａを通ずる信号線４１と離間されるように基板５１の略全面に成膜されている。

つまり、ＡｌＮ素子膜５２は、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであると共に、貫通孔８ａの少なくとも壁面１８を除く、基板５１の全面に成膜されているものである。

（ＡｌＮ素子膜５２の具体例）
次に、ＡｌＮ素子膜５２の具体例について、図２および３を参照して以下に説明する。

なお、本発明の圧電体薄膜は、圧電現象を利用した圧電素子に用いる場合、その具体的な用途は特に限定されるものではない。例えば、圧電体薄膜は、ＳＡＷデバイスまたはＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに利用することができる。ここで、本明細書等における「圧電体」とは、力学的な力が印加されることにより電位差を生じる性質、すなわち圧電性（以下、圧電応答性とも称する）を有する物質を意味する。また、「圧電体薄膜」とは、上記性質を有する薄膜を意味する。

また、本明細書等における「原子％」とは、原子百分率を指しており、具体的には、スカンジウム原子数とアルミニウム原子数との総量を１００原子％としたときのスカンジウム原子の数またはアルミニウム原子の数を表す。すなわち、スカンジウムを含有した窒化アルミニウムにおけるスカンジウム原子およびアルミニウム原子の濃度と言い換えることもできる。また、本実施形態においては、スカンジウムの原子％を、窒化アルミニウムに対するスカンジウムの含有率として以下に説明する。

本実施の形態に係るスカンジウムを含有した窒化アルミニウム薄膜（以下、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜とも称する）は、一般式を用いて、Ｓｃ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（式中、ｘはスカンジウムの含有率（濃度）を示し、０．００５〜０．５の範囲である）と表すこともできる。例えば、スカンジウムの含有率が１０原子％である窒化アルミニウム薄膜の場合には、Ｓｃ_０．１Ａｌ_０．９Ｎと表す。

（圧電応答性を向上するスカンジウムの含有率）
図２に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜に含有されるスカンジウムの含有率を変化させることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性（圧電性）を向上させることができる。図２は、スカンジウムの含有率とＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。図２に示すように、スカンジウムの含有率が０％である場合に比べて、スカンジウムをわずかでも含有する場合は圧電応答性が向上している。具体的には、スカンジウムの含有率を０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を向上させることができる。スカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は６〜２４．６ｐＣ／Ｎ程度となる。一般的な窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、５．１〜６．７ｐＣ／Ｎ程度であるため、スカンジウムの含有率を上記範囲内とすることによって、圧電応答性を１．４〜４倍程度向上させることができる。

これによって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電素子５を、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに備える場合には、低電圧での作動を実現できる。また、圧電素子５を、ＲＦ−ＭＥＭＳアクチュエータに備える場合には、その可動領域を拡大し、ＦＢＡＲフィルタに備える場合には、挿入損失を低減できる。また、圧電素子５をジャイロセンサー、圧力センサ、および加速度センサなどの物理センサに応用した場合には、その検出感度を向上させることができる。

したがって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるとき、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜を有するデバイスにおける小型化および省電力化を実現するとともに、その性能を向上させることができる。

（圧電応答性をさらに向上させるスカンジウムの含有率）
圧電応答性のさらなる向上の観点によれば、スカンジウムの含有率は、４０〜５０原子％の範囲内であることが好ましい。図２に示すように、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、スカンジウムの含有率が４５原子％（Ｓｃ_０．４５Ａｌ_０．５５Ｎ）であるとき、最大値を示し（約２４．６ｐＣ／Ｎ）、スカンジウムを含有しない窒化アルミニウムの圧電応答性の約４倍となる。なお、圧電応答性を最大とするスカンジウムの含有率は、測定条件などの条件により±５原子％程度の誤差を示す。

したがって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるとき、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜を有するデバイスにおける小型化および省電力化をより一層実現するとともに、その性能をより一層向上させることができる。

なお、上述した効果は圧電体薄膜に限定されるものではなく、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内のスカンジウムを含有する窒化アルミニウムを備えた圧電体であっても、本実施形態に係る圧電体薄膜と同様の効果を得ることができる。

（圧電素子５の構成）
ここで、圧電素子５の一構成例について、図３を参照してより具体的に説明する。圧電素子５は、図３に示すように、基板５１上にスカンジウムを含有した窒化アルミニウム薄膜（以下、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜とも称する）５２を備えている。ＡｌＮ素子膜５２は、スカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、０．５〜５０原子％の範囲内のスカンジウムを含有している。図３は、圧電素子５の概略断面図である。

（基板５１）
基板５１は、ＡｌＮ素子膜５２を変形することなく保持する。基板５１の材質としては、特に限定されるものではなく、シリコン（Ｓｉ）単結晶、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドおよびその他の多結晶膜を形成したものを用いることができる。

（ＡｌＮ素子膜５２）
ＡｌＮ素子膜５２は、スカンジウムを含む窒化アルミニウム薄膜であり、圧電応答性を有する。

（圧電素子の変形例）
次に、図４〜６を参照して圧電素子の変形例（圧電素子５ｂ）について説明する。

（圧電素子５ｂの構成）
図４に示すように、本実施形態に係る圧電素子５ｂは、基板５１とＡｌＮ素子膜５２との間に中間層９が形成されている。すなわち、圧電素子５ｂにおいて、ＡｌＮ素子膜５２は、基板５１に中間層９を介して設けられている。基板５１およびＡｌＮ素子膜５２は実施形態１において説明したので、ここではその詳細な説明を省略する。したがって、本実施形態では、中間層９についてのみ以下に説明する。図４は、圧電素子５ｂの概略断面図である。

（中間層９）
中間層９は、ＡｌＮ素子膜５２と相互作用を引き起こすために設けられている。中間層９の材質としては、ＡｌＮ素子膜５２および基板５１の双方と相互作用を引き起こしやすい材質であることが好ましい。中間層９の材料としては、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）およびニッケル（Ｎｉ）などを用いることができる。

例えば、ＡｌＮ素子膜５２としてＳｃ_０．４５Ａｌ_０．５５Ｎを用いた場合には、中間層９として窒化スカンジウム（ＳｃＮ）を用いることにより、中間層を設けない場合と比較して、圧電応答性を約４ｐＣ／Ｎ向上させることができる。

（圧電応答性を向上するスカンジウムの含有率）
中間層９を備えている場合の圧電素子５ｂの圧電応答性の変化について、図５を参照して以下に説明する。図５は、中間層９を備えている場合のスカンジウムの含有率とＡｌＮ素子膜５２の圧電応答性との関係を示す図である。

図５に示すように、中間層９を設けることにより、スカンジウムの含有率が３５原子％よりも大きく４０原子％よりも小さい場合であっても、圧電素子５ｂの圧電応答性を向上させることができる。すなわち、図３に示す圧電素子５において問題となっていた圧電応答性の低下を抑制することができる。これによって、圧電体薄膜を製造する際に、ＡｌＮ素子膜５２の組成を厳密に管理する必要がなくなるため、圧電応答性を向上した圧電体薄膜の製造を容易にすることができる。

また、スカンジウムの含有率を１５〜４５原子％の範囲内とすることによって、窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性を向上させることができる。スカンジウムの含有率を上記範囲とすることによって、ＡｌＮ素子膜５２の圧電応答性は６〜１８ｐＣ／Ｎ程度となる。一般的な窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、５．１〜６．７ｐＣ／Ｎ程度であるため、スカンジウムの含有率を上記範囲内とすることによって、圧電応答性を１．１〜３倍程度向上させることができる。

これによって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるＡｌＮ素子膜５２を備えている圧電素子５ｂを、ＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに備える場合には、低電圧での作動を実現することができる。また、圧電素子５ｂをＲＦ−ＭＥＭＳアクチュエータに備える場合には、その可動領域を拡大し、ＦＢＡＲフィルタに備える場合には、挿入損失を低減することができる。また、圧電素子５ｂをジャイロセンサー、圧力センサ、および加速度センサなどの物理センサに応用した場合には、その検出感度を向上させることができる。

したがって、スカンジウムの含有率が上記範囲内であるとき、ＡｌＮ素子膜５２を備えている圧電素子５ｂを有するデバイスにおける小型化および省電力化を実現するとともに、その性能を向上させることができる。

（中間層９の変形例）
中間層９は、図６（ｂ）〜（ｅ）に示すように、ＡｌＮ素子膜５２と組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜としてもよい。中間層９として組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を用いることにより、圧電素子５ｂの圧電応答性を向上させることができる。

例えば、図６（ａ）に示すように、ＡｌＮ素子膜５２としてＳｃ_０．４７Ａｌ_０．５３Ｎ層を用いた圧電素子５は約７ｐＣ／Ｎの圧電応答性を示す。これに対して、図６（ｂ）に示すように、Ｓｃ_０．４７Ａｌ_０．５３Ｎ層と基板５１との間に、中間層９としてＳｃ_０．４０Ａｌ_０．６０Ｎ層を設けることにより、圧電素子５ｂの圧電応答性は約１０ｐＣ／Ｎに向上する。また、図６（ｃ）に示すように、中間層９としてＳｃ_０．４２Ａｌ_０．５８Ｎ層を設けることにより、圧電素子５ｂの圧電応答性を２５ｐＣ／Ｎに大幅に向上させることができる。

また、基板５１上にＡｌＮ薄膜５２としてＳｃ_０．５０Ａｌ_０．５０Ｎ層を設けた圧電素子５の圧電応答性は、０ｐＣ／Ｎである。しかし、図６（ｄ）に示すように、基板５１とＡｌＮ薄膜５２との間に中間層９としてＳｃ_０．４２Ａｌ_０．５８Ｎ層を設けることにより、圧電応答性を０ｐＣ／Ｎから１４ｐＣ／Ｎに向上させることができる。

すなわち、組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を中間層９として用いることにより、圧電体薄膜の圧電応答性を大幅に向上させることができる。

また、中間層９として用いる組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、１層に限定されるものではなく、複数層備えられていてもよい。

例えば、図６（ｅ）に示すように、ＡｌＮ薄膜５２としてＳｃ_０．４７Ａｌ_０．５３Ｎを用い、中間層９として、基板側から順に、Ｓｃ_０．４０Ａｌ_０．６０Ｎ層、Ｓｃ_０．４２Ａｌ_０．５８Ｎ層、およびＳｃ_０．４５Ａｌ_０．５５Ｎ層の３層を用いた圧電素子５ｂは、約１９ｐＣ／Ｎの圧電応答性を示す。このように、中間層９が複数の層からなる場合であっても、圧電素子５ｂの圧電応答性を向上させることができる。

このように、ＡｌＮ素子膜５２を中間層９を介して基板５１に設けることによって、圧電素子５ｂの圧電応答性の向上だけでなく、スカンジウムの含有率がわずかに変化することにより圧電体薄膜自体の圧電応答性が大きく低下することを抑制することができる。すなわち、中間層９を設けることにより、物性の一定した圧電体薄膜の製造を容易にすることができる。なお、図６（ａ）〜（ｅ）では、基板５１としてＳｉ基板を用いているが、もちろんこれに限定されるものではない。

（圧電素子５の製造方法）
次に、圧電素子５の製造方法の一実施形態について、図７を参照して以下に説明する。なお、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜は、圧電現象を利用した圧電素子に用いるのであれば、その具体的な用途は特に限定されるものではない。例えば、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜を備えている圧電体薄膜をＳＡＷデバイスまたはＲＦ−ＭＥＭＳデバイスに利用することができる。また、本実施形態において、実施形態１と同一の用語は同一の意味として用いる。

圧電素子５の製造方法は、窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気下、または窒素ガス（Ｎ_２）およびアルゴンガス（Ａｒ）混合雰囲気下において、基板５１（例えばシリコン（Ｓｉ）基板）にスカンジウムおよびアルミニウムを同時にスパッタ処理するスパッタリング工程を含む。これによって、密着性に優れ、純度の高いＡｌＮ素子膜５２を形成することができる。また、スカンジウムとアルミニウムとを同時にスパッタリングすることによって、窒化スカンジウムおよび窒化アルミニウムが一部に偏在することなく、均一に分布したＡｌＮ素子膜５２とすることができる。

（圧電応答性を向上する電力密度の範囲）
スパッタリング工程において、アルミニウムのターゲット電力密度を７．９Ｗ/ｃｍ^２の範囲内と固定した場合、スカンジウムのターゲット電力密度は、０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内となる。

なお、本明細書等における「電力密度」とは、スパッタリング電力をターゲット面積で割った値である。また、本発明の圧電体薄膜の製造方法では、スカンジウムとアルミニウムとを同時にスパッタリングするため、スカンジウムのターゲット電力密度と、アルミニウムのターゲット電力密度との２種類のターゲット電力密度がある。本明細書等において、単に「ターゲット電力密度」と称する場合には、スカンジウムのターゲット電力密度のことを指す。

ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内とすることによって、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜における圧電応答性を向上させることができる。

すなわち、図７に示すように、ターゲット電力密度が０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２の範囲内である場合には、スカンジウムの含有率が０．５〜３５原子％の範囲内である場合に対応し、８．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内である場合には、含有率が４０〜５０原子％の範囲内である場合に対応する。図７は、ターゲット電力密度と、スカンジウムの含有率と、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を示す図である。

図７に示すように、ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内とすることによって、スカンジウムの含有率は、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内となり、６〜２４．６ｐＣ／Ｎ程度の圧電応答性を得ることができる。したがって、ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２または９．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内とすることによって、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内のＡｌＮ素子膜５２を備えている圧電素子５と同様の効果を得ることができる。

なお、スパッタリング工程において、ターゲット電力密度が上記範囲内であれば、その他の条件は、特に限定されるものではない。例えば、スパッタリング圧力およびスパッタリング時間は適宜設定することができる。

（圧電応答性を向上する基板温度の範囲）
スパッタリング工程において、ターゲット電力密度を０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内としたとき、基板温度を変化させることによって、ＡｌＮ素子膜５２の圧電応答性をさらに向上させることができる。基板温度とＡｌＮ素子膜５２の圧電応答性との関係について図８に示す。

図８に示すように、スパッタリング工程において、基板の温度を２０〜６００℃の範囲内、より好ましくは２００〜４５０℃の範囲内、さらに好ましくは４００〜４５０℃の範囲内とすることによって、ＡｌＮ素子膜５２の圧電応答性を向上させることができる。具体的には、基板の温度を２０〜６００℃の範囲内とすることによって、圧電応答性を１５〜２８ｐＣ／Ｎ程度とすることができ、２００〜４５０℃の範囲内とすることによって、圧電応答性を２６〜２８ｐＣ／Ｎ程度とすることができる。なお、基板温度を４００〜４５０℃の範囲内としたときには、ＡｌＮ素子膜５２の圧電応答性を最大（約２８ｐＣ／Ｎ）とすることができる。

したがって、スパッタリング工程における基板温度を上記範囲内とすることによって、作製したＡｌＮ素子膜５２を備えた圧電素子５を有するデバイスをより一層小型化および省電力化することができるとともに、その性能をより一層向上させることができる。

（圧電応答性をさらに向上する電力密度の範囲）
圧電応答性のさらなる向上の観点によれば、ターゲット電力密度は、上記範囲の中でも９．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であることが好ましく、１０Ｗ/ｃｍ^２であることがより好ましい。図７に示すように、ターゲット電力密度を５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内とすることによって、圧電応答性はより向上する。特に、ターゲット電力密度が１０Ｗ/ｃｍ^２であるとき、ＡｌＮ素子膜５２におけるスカンジウムの含有率は４５原子％となり、圧電応答性が最大値（２４．６ｐＣ／Ｎ）を示す。すなわち、ターゲット電力密度が１０Ｗ/ｃｍ^２である場合には、スカンジウムの含有率が４５原子％であるときと同様の効果を得ることができる。

なお、圧電応答性を最大とするスカンジウムの含有率は、測定条件などの条件により、±５原子％程度の誤差を示す。

（中間層９を備えた圧電素子５ｂの製造方法）
上記では、圧電素子５の製造方法について説明したが、圧電素子５ｂであっても同様の製造方法により製造することができる。

圧電素子５ｂは、基板５１に中間層９を形成する中間層形成工程をさらに含む点が異なるのみである。中間層９の形成方法は、中間層９として用いる材質に応じて適宜設定することができる。例えば、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、モレキュラービームエピタキシー（ＭＢＥ）、レーザーアブレーション、メッキなどを挙げることができる。

中間層９を設けた圧電素子５ｂにおける、スカンジウムのターゲット電力密度と、スカンジウムの含有率と、Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性との関係を、図９に示す。なお、図９は、中間層９として窒化チタン（ＴｉＮ）を用いた場合の図である。

図９に示すように、中間層９を設けることにより、中間層９を設けない場合に圧電応答性の低下していた、スカンジウムの含有率が３５原子％よりも大きく、４０原子％よりも小さい場合、すなわち、ターゲット電力密度が６．５Ｗ/ｃｍ^２より大きく、８．０Ｗ/ｃｍ^２よりも小さい場合における圧電応答性の低下を抑制することができる。

なお、中間層９を、ＡｌＮ素子膜５２と組成の異なるＳｃ含有窒化アルミニウムとする場合には、ＡｌＮ素子膜５２の形成方法と同様の方法を用いればよい。

以下、実施例を示し、本発明の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な様態が可能である。

〔実施例１〕
（スカンジウムを添加した窒化アルミニウム薄膜の作製方法）
シリコン基板に対して、窒素雰囲気下でアルミニウムおよびスカンジウムをスパッタリングし、シリコン基板上にＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜を作製した。スパッタリングの条件は、アルミニウムターゲット電力密度７．９Ｗ／ｃｍ^２、スカンジウムターゲット電力密度０〜１０Ｗ／ｃｍ^２、基板温度５８０℃、窒素ガス濃度４０％、およびスパッタリング時間４時間である。なお、ターゲット電力密度０Ｗとは、窒化アルミニウム薄膜にスカンジウムを添加していないことを示している。

（圧電応答性測定方法）
Ｓｃ含有窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、ピエゾメーターを用いて、加重０．２５Ｎ，周波数１１０Ｈｚによって測定した。

〔比較例１〕
スカンジウムの代わりにマグネシウム（Ｍｇ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜２Ｗ／ｃｍ^２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。

〔比較例２〕
スカンジウムの代わりにホウ素（Ｂ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜７．６Ｗ／ｃｍ^２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。

〔比較例３〕
スカンジウムの代わりにケイ素（Ｓｉ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜１．５Ｗ／ｃｍ^２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。

〔比較例４〕
スカンジウムの代わりにチタン（Ｔｉ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜１．８Ｗとした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。

〔比較例５〕
スカンジウムの代わりにクロム（Ｃｒ）を用いて、ターゲット電力密度を０〜０．８Ｗ／ｃｍ^２とした以外は、実施例１と同様の方法を用いて窒化アルミニウム薄膜を作製し、圧電応答性を測定した。

〔実施例１および比較例１〜５の測定結果〕
実施例１における測定結果は上記において説明したため、ここではその説明を省略する。比較例１〜５における測定結果を図１０（ａ）〜（ｅ）に示す。図１０（ａ）〜（ｅ）は、ターゲット電力密度と圧電応答性との関係を示す図であり、（ａ）は、マグネシウムを添加した場合であり、（ｂ）はホウ素を添加した場合であり、（ｃ）はケイ素を添加した場合であり、（ｄ）はチタンを添加した場合であり、（ｅ）はクロムを添加した場合である。

図１０（ａ）〜（ｅ）に示すように、スカンジウム以外の元素を添加しても、窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性は、減少するのみであり、向上しないことが示された。なお、図７に示すように、電力密度が６．５〜８．５Ｗ／ｃｍ^２の範囲内、すなわちスカンジウムの含有率が３５〜４０原子％の範囲内の場合には、スカンジウムを含有していない窒化アルミニウム薄膜の圧電応答性よりも圧電応答性が低下してしまうことが示された。

〔実施例２〕
スカンジウムの含有量（以下、Ｓｃ含有量とも称する）を２５原子％としたＳｃ含有窒化アルミニウム薄膜における表面粗さを測定した。

表面粗さの測定方法は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。なお、本明細書等における「表面粗さ」とは、算術平均粗さ（Ｒａ）を意味している。

〔比較例６〕
Ｓｃを含有しない窒化アルミニウム薄膜（Ｓｃ含有量が０原子％である窒化アルミニウム薄膜）を用いた以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。

〔比較例７〕
Ｓｃ含有量を３８原子％とした以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。

〔比較例８〕
Ｓｃ含有量を４２原子％とした以外は、実施例２と同様の方法によって表面粗さを測定した。

〔表面粗さの測定結果〕
実施例２および比較例６〜８における表面粗さの結果を図１１（ａ）〜（ｄ）に示す。図１１（ａ）〜（ｄ）は、実施例２および比較例６〜８における表面粗さを原子間力顕微鏡を用いて観察した図であり、（ａ）はＳｃ含有量を２５原子％とした場合であり、（ｂ）はＳｃ含有量を０原子％とした場合であり、（ｃ）はＳｃ含有量を３８原子％とした場合であり、（ｄ）Ｓｃ含有量を４２原子％とした場合である。

Ｓｃ含有量を２５原子％とした場合、すなわち図１１（ａ）では、表面粗さＲａは０．６ｎｍであった。それに対して、Ｓｃ含有量を０原子％とした場合、すなわち図１１（ｂ）では、表面粗さＲａは０．９ｎｍ程度であった。これによって、Ｓｃの添加量を０．５原子％〜３５原子％とすることによって、表面粗さを減少できることが示された。

Ｓｃ含有量を３８原子％とした場合および４２原子％とした場合、すなわち図１１（ｃ）および（ｄ）に示す場合の表面粗さＲａは、３．５ｎｍおよび３．０ｎｍであり、表面粗さは、Ｓｃ含有量を２５原子％とした場合に比べて約５倍以上増加することが示された。

（金属箔電極５３）
次に、金属箔電極５３は、導電性を有する材料、例えば銅からなる。金属箔電極５３は、少なくとも、自身と筐体２とが導通するように、ＡｌＮ素子膜５２に被覆されている。例えば、金属箔電極５３は、自身と筐体２とが接触するように、もしくは、押し金具６が筐体２と導通した状態で設けられている場合、自身と押し金具６とが接触するように、ＡｌＮ素子膜５２に被覆されている。これにより、金属箔電極５３は、圧電素子５に設けられているＡｌＮ素子膜５２と、筐体２とを導通している、即ち、金属箔電極５３と筐体２とは導通している。

圧電素子５は、基板５１の表面２８ａを覆うようにＡｌＮ素子膜５２が成膜されている構成となるため、圧電素子５自身の小型化に伴う、ＡｌＮ素子膜５２の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。

結果、圧電素子５では、ＡｌＮ素子膜５２の表面積の狭小化を抑制しつつ、小型化が可能となるため、当該圧電素子５を設けた薄膜素子積層センサ１においても同様に小型化が可能となる。

ここで、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された金属製の基板５１を有しており、ＡｌＮ素子膜５２に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子においては、基板５１から放出される電荷を得るべく、基板５１が露出する部分、即ち、薄膜素子積層センサ１において基板５１と信号線４１とが接触する部分を確保する必要がある。これは、ＡｌＮ素子膜５２に圧力が加えられると、ＡｌＮ素子膜５２は、基板５１側および金属箔電極５３側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、圧電素子５では、基板５１の表面２８ａに貫通孔８ａを形成し、貫通孔８ａの少なくとも壁面１８を露出させることで、基板５１が露出する部分を確保している。これにより、基板５１から放出される電荷は、基板５１の露出部分である貫通孔８ａの壁面１８から得られる。

また、圧電素子５では、ＡｌＮ素子膜５２における基板５１側からの電荷が、貫通孔８ａの壁面１８から放出され、ＡｌＮ素子膜５２における金属箔電極５３側からの電荷が、金属箔電極５３から放出されるが、ＡｌＮ素子膜５２に被覆されている金属箔電極５３がもたらすシールド効果により、ＡｌＮ素子膜５２からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

（押し金具６）
押し金具６は、薄膜素子積層センサ１の上部、即ち、筐体２の閉じていない他端側から、図示しない固定金具をねじ込むことで、絶縁板３１、信号線付電極４、絶縁板３２、および圧電素子５を筐体２内に圧着固定するためのものである。

絶縁板３２および押し金具６にはそれぞれ、信号線４１が通すことが可能であるように、貫通孔８ｂが形成されている。

（信号線４１）
信号線４１と押し金具６との間は、例えばアルミナにより構成されている絶縁管７により絶縁されている。信号線４１は、貫通孔８ａにおける基板５１の露出部分、即ち、貫通孔８ａの壁面１８と接触することで基板５１と導通しているが、基板５１と接触および導通する部分を除いては、他の部材と接触していない、もしくは、他の部材と絶縁されている。金属箔電極５３は、筐体２と導通している。

なお、本発明の特徴をより明確に図示するため、図１および後述する図２０に示す圧電センサの断面図において、信号線４１の奥（信号線４１よりも紙面裏側）、かつ、信号線４１の近傍に位置する部材（圧電素子５、押し金具６等）については、一部図示を省略している。

外部からの圧力が圧電素子５に加えられると、ＡｌＮ素子膜５２は、上述したとおり、基板５１側および金属箔電極５３側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有する。こうした特性を有するＡｌＮ素子膜５２を、基板５１の両面に成膜することで、圧電素子５では、圧力を受ける時においても、基板５１側と金属箔電極５３側との絶縁が可能となる。こうして、基板５１と金属箔電極５３とは、ＡｌＮ素子膜５２により絶縁されている。

そして、基板５１側から放出された電荷は、基板５１の露出部分である貫通孔８ａの壁面１８から信号線４１に供給される。一方、金属箔電極５３側から放出された電荷は、金属箔電極５３から筐体２（もしくは、筐体２および押し金具６）へと放出される。結果として、薄膜素子積層センサ１では、基板５１からの電荷のみが圧力検出信号として信号線４１に供給される構成を実現することができる。

また、上述したシールド効果により、信号線４１へは、重畳するノイズ成分が十分に除去された圧力検出信号が供給可能となる。

なお、図１に示す薄膜素子積層センサ１では、筐体２に圧電素子５が複数個（４個）積層されている構成であるが、これに限定されず、本発明の圧電センサでは、圧電素子５が筐体２に１個だけ設けられている構成であっても構わない。この場合であっても、本発明の圧電センサでは、基板と信号線、筐体と電極部との導通を良好なものとすることができるため、感度が向上し、結果、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となる。

但し、図１の薄膜素子積層センサ１に示すとおり、本発明の圧電センサは、圧電素子を複数個積層することで、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能であるためより好ましい。

後述する、図２０に示す薄膜素子積層センサ１０についても同様に、圧電素子５は、筐体２内部に１個だけ設けられている構成であっても構わないが、複数個積層されている構成であるのがより好ましい。

図１２は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の基板５１を模式的に示す平面図である。また、図１３は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の基板５１に形成された貫通孔８ａを示す平面図である。また、図１４は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における当該貫通孔８ａを示す平面図である。

貫通孔８ａは、口径が信号線４１の直径よりも長い円孔部８１の壁面、即ち、貫通孔８ａの壁面１８に、突起部８２をさらに有する孔として、基板５１に設けられている。

また、円孔部８１の開口方向に対して垂直となる面（円孔部８１の壁面に対して垂直となる面）における貫通孔８ａの中心Ｃと、当該面における突起部８２の先端部分８３との距離はいずれも、信号線４１の半径よりも短い。

例えば、信号線４１の直径が０．６ｍｍである場合、円孔部８１の口径は０．８ｍｍ、貫通孔８ａの中心と突起部８２の先端部分との距離は０．５／２ｍｍ、即ち、０．２５ｍｍとするのが好ましい。

貫通孔８ａが円孔部８１のみを有する丸穴として設けられる場合、信号線４１と基板５１の露出部分である貫通孔８ａの壁面１８とを確実に接触させること（図１参照）は決して容易でない。

そこで、信号線４１と基板５１の露出部分とを確実に接触させ、信号線４１と基板５１との導通を確実なものとするために、貫通孔８ａは、円孔部８１に加え、突起部８２をさらに有する形状の孔（図１３参照）として設けられるのが好ましい。

即ち、貫通孔８ａの突起部８２は、貫通孔８ａに信号線４１を挿入するときに変形し、信号線４１に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、信号線４１と基板５１との導通は、確実なものとなる。

また、図１２、３に示す基板５１により、図１に示す圧電素子５の構成を実現するためには、図１４に示すとおり、貫通孔８ａの壁面１８を含む基板５１の所定部分が露出するように、ＡｌＮ素子膜５２を基板５１に成膜する必要がある。

図１５は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の製造方法を示す図であり、基板５１にＡｌＮ素子膜５２を成膜する様子を示す図である。

なお、後述する薄膜素子積層センサ２０の圧電素子５は、基板５２の貫通孔８ａの一端から基板５２の外側に向けて突出する突出部８４が存在していること以外は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の構造とほとんど変らない。このため、ここで説明する製造方法により薄膜素子積層センサ２０の圧電素子５を製造することも可能である。

図１５に示す、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の製造方法では、まず、貫通孔８ａよりも大きな面を有する治具本体１１０と、治具本体１１０から伸びており、貫通孔８ａの口径よりも若干短い口径を有する、円柱状もしくは円筒状の管部（ワイヤ部材）１０１と、を有する治具１００を用意する（第１の工程）。次に、貫通孔８ａの一端側（治具本体１１０と接触している基板５１の表面２８ａ側）から管部１０１を挿入すると共に、治具本体１１０に基板５１を載置して、基板５１を治具１００に装着する（第２の工程、図１５（ａ）参照）。なお、参照符号５４は、貫通孔８ａの壁面１８（図１参照）を含む基板５１の露出部分を示しており、参照符号５５は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜される基板５１部分を示している。次に、管部１０１の口径よりも長い内径を有する中空のキャップ（蓋部材）１０２に、管部１０１を挿入して、キャップ１０２と治具本体１１０とにより、基板５１を治具１００に圧着固定する（第３の工程、図１５（ｂ）参照）。このとき、キャップ１０２は、基板５１の露出部分５４と密着することとなる。次に、基板５１が装着された治具１００を逆さまにして、即ち、管部１０１における治具本体１１０と接していない端部が下向きになるようにして（図１５（ｃ）参照）、基板５１が装着された治具１００を、図示しない周知のスパッタリング装置（成膜装置）に装着する（第４の工程）。次に、基板５１の成膜部分５５に、ＡｌＮを、スパッタリング法により成膜する（第５の工程）。次に、キャップ１０２を、管部１０１から取り外し、続いて管部１０１から基板５１を取り外す。

なお、この時点で、基板５１は、上記成膜時において治具本体１１０と接触していた基板５１の成膜部分５５に、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されていない状態となっている。

そこで、基板５１を裏返して、即ち、貫通孔８ａの他端側から管部１０１を挿入する。さらに、治具本体１１０に基板５１を載置して、基板５１を治具１００に装着する（第６の工程）。以下、上記成膜時において治具１００と接触していた基板５１の成膜部分５５についても、上記第３の工程〜第５の工程と同様の工程により、ＡｌＮ素子膜５２を成膜する（第７の工程）。

上記の方法により、露出部分５４には、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されておらず、成膜部分５５全面には、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１（図１６参照）を製造することが可能となる。

図１７は、金属箔電極５３の構成例を示す平面図である。図１８は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に金属箔電極５３が被覆された様子を示す平面図である。

図１７に示すとおり、金属箔電極５３は、貫通孔８ａを露出させる孔部５３１と、基板５１の表面よりもわずかに小さいサイズを有しており、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における一方の表面２８ａに被覆される環状部（圧電薄膜被覆部）５３２と、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１を包みこむべく環状部５３２から突出して形成された突出部（折曲突出部）５３３とを備える構成である。また、突出部５３３は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における一方の表面２８ａ側から他方の表面２８ａ側へと折り曲げられることで、金属箔電極５３をＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に固定することが可能なものである。

図１７に示す金属箔電極５３は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に、以下の要領により被覆される。

即ち、まずは、図１７に示す形状を有する金属箔電極５３を２枚用意する。一方の金属箔電極５３は、孔部５３１を、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１の貫通孔８ａと一致させて、環状部５３２を、基板５１の一方の表面２８ａに成膜されたＡｌＮ素子膜５２と一致させる。また、他方の金属箔電極５３は、孔部５３１を、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１の貫通孔８ａと一致させて、環状部５３２を、基板５１の他方の表面２８ａに成膜されたＡｌＮ素子膜５２と一致させる。そして、一方の金属箔電極５３の突出部５３３を基板５１の他方の表面２８ａ側に折り曲げて、ＡｌＮ素子膜５２を包み込むと共に、他方の金属箔電極５３の突出部５３３を基板５１の一方の表面２８ａ側に折り曲げて、ＡｌＮ素子膜５２を包み込む。こうして、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１には、２枚の金属箔電極５３が基板５１の両表面から被覆される（図１８（ｂ）参照）。このとき、一方の金属箔電極５３の突出部５３３は、他方の金属箔電極５３の環状部５３２に被覆されるように折り曲げられ、他方の金属箔電極５３の突出部５３３は、一方の金属箔電極５３の環状部５３２に被覆されるように折り曲げられる。

なお、図１８（ａ）に示すとおり、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に、図１７に示す金属箔電極５３が１枚だけ、基板５１のいずれかの面から被覆される構成の場合、即ち、突出部５３３がＡｌＮ素子膜５２に直接的に接触する場合は、圧電素子５の加圧時において、ＡｌＮ素子膜５２の突出部５３３に接する部位に応力が集中することで生じる剪断力に起因して、圧電素子５のＡｌＮ素子膜５２に絶縁破壊が発生してしまう虞がある。

そこで、図１８（ｂ）に示すとおり、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１は、２枚の金属箔電極５３により被覆される。これにより、上記絶縁破壊を抑制することができる。

また、図１９（ａ）は、金属箔電極５３の別の構成を示す平面図である。図１９（ｂ）は、同図（ａ）に示す金属箔電極５３´が、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に被覆された状態を示す図である。

図１９（ａ）に示す金属箔電極５３´は、図１７に示す金属箔電極５３の構成において、突出部５３３のかわりに、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における他方の表面２８ａの全面もしくは略全面を被覆することが可能な程度に大きな突出部（折曲突出部）５３３´を備える構成である。

図１９（ａ）に示す金属箔電極５３´を１枚用いて、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における他方の表面２８ａの全面もしくは略全面を被覆する、図１９（ｂ）に示す構造の場合は、応力集中する虞のある部分を形成することなく、図１７に示す電極２枚で基板５１の両面から被覆される構造と同様の効果が得られる。

図１９に示す形状の金属箔電極５３´を用いる場合は、１枚の金属箔電極部材を折り曲げるだけで、ＡｌＮ素子膜５２の大部分を被覆することができ、特定の部位での応力集中が発生しにくくなる。そのため、上下２枚の金属箔電極５３をそれぞれ突出部５３３が基板５１を挟んで反対側の金属箔電極５３の上から折り曲げられる場合（図１７参照）と同じ絶縁破壊の抑制効果がある。

そして、図１に示す薄膜素子積層センサ１では、筐体２内部に、図１８（ｂ）もしくは図１９（ｂ）の構成を有する圧電素子５を積層している。これにより、上述したＡｌＮの特性を生かして、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積を狭小化することが可能となる。

〔実施の形態２〕
本発明の別の実施の形態について図２０に基づいて説明すると以下の通りである。

図２０は、本発明の圧電センサの別の構成を示す断面図である。

図２０に示す薄膜素子積層センサ１０は、図１に示す薄膜素子積層センサ１の構成において、以下の点が異なる構成である。

まず、薄膜素子積層センサ１０は、薄膜素子積層センサ１に係る絶縁板３１、３２のかわりに、絶縁板３が、信号線付電極４の下部に設けられている（即ち、絶縁板３２が省略される）点が、図１に示す薄膜素子積層センサ１と異なる。

また、薄膜素子積層センサ１０は、圧電素子５が、以下の構成を有している点が、図１に示す薄膜素子積層センサ１と異なる。

即ち、図２０に示す薄膜素子積層センサ１０に係る圧電素子５は、基板５１と、ＡｌＮ素子膜５２と、金属箔電極５３と、を備える。但し、ＡｌＮ素子膜５２については、貫通孔８ａの少なくとも壁面１８を除く基板５１の全面でなく、基板５１の少なくとも側面２８ｂを除く当該基板５１の全面に成膜されている。また、図２０に示す薄膜素子積層センサ１０に係る圧電素子５には、貫通孔８ａが形成されているものの、この貫通孔８ａは、基板５１、ＡｌＮ素子膜５２、および金属箔電極５３を貫通するように、かつ、貫通孔８ａの壁面１８が金属箔電極５３からなるように設けられている。なお、薄膜素子積層センサ１０に係る圧電素子５は、図２０に示すとおり、基板５１の一方の表面２８ａに成膜されたＡｌＮ素子膜５２にのみ、金属箔電極５３が被覆されている構成であってもよい。

また、薄膜素子積層センサ１０は、ＡｌＮ素子膜５２が筐体２と離間されており、さらに、信号線４１が金属箔電極５３と導通されており、筐体２が基板５１の側面２８ｂと接触および導通されており、基板５１と金属箔電極５３とがＡｌＮ素子膜５２により絶縁されている点が、図１に示す薄膜素子積層センサ１と異なる。

基板５１は、少なくとも薄膜素子積層センサ１０における筐体２との導通部分となる側面２８ｂにおいて、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されておらず、金属箔電極５３により被覆されていない、即ち、筐体２と導通している基板５１の側面２８ｂは露出している。

基板５１側から放出された電荷は、基板５１の側面２８ｂから、筐体２（もしくは、筐体２および押し金具６）へと放出される。一方、上記ＡｌＮ素子膜５２の表面側から放出された電荷は、金属箔電極５３を介して、信号線４１に供給される。結果として、薄膜素子積層センサ１０では、金属箔電極５３からの電荷のみが圧力検出信号として信号線４１に供給される構成を実現することができる。

なお、薄膜素子積層センサ１０に係る金属箔電極５３は、自身が信号線４１に咬み合って、変形することによって、信号線４１と接触する構成であればよく、金属箔電極５３により基板５１を巻き込む必要は無い。そのため、薄膜素子積層センサ１０に係る金属箔電極５３は、図１７、図１９に示す金属箔電極５３、５３´のように、突出部５３３、５３３´を有する必要が特になく、周知の構造を有する金属箔電極部材を用いることができる。こうした薄膜素子積層センサ１０に係る金属箔電極５３の形状としては例えば、自身の外周が基板５１の側面２８ｂでショートしない程度の大きさの環状である形状が考えられる。

図１に示す薄膜素子積層センサ１に対して、逆の極性が必要である場合は、図２０に示す薄膜素子積層センサ１０を用いることにより、図１に示す薄膜素子積層センサ１と同様の作用効果を得ることができるため、都合がよい。

つまり、圧電センサに接続されている各種回路（例えば、圧電センサの外部に設けられている圧電センサの制御回路系）では、一般的に、自身の駆動に好適である当該圧電センサの極性が予め決定されており、実際の圧電センサの極性に応じて設計を変更することが非常に煩雑である。そのため、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることは、従来、決して容易ではなかった。

一方、本発明の圧電センサでは、上記各種回路の駆動に好適である当該圧電センサの極性に応じて、薄膜素子積層センサ１および薄膜素子積層センサ１０のいずれかを適宜選択することにより、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることが簡単である。

なお、上述した図１に係る形態と同様に、信号線付電極４は、圧電素子５を積層するときの固定に際して有用であるが、圧電素子５の金属箔電極５３が信号線４１への嵌合に十分な強度を有しており、かつ、基板５１と筐体２との接触による積層構造が十分確保できれば、最下部に金属箔電極５３を挿入するだけで、信号線付電極４は省略可能であり、この場合、圧力検出信号を伝達するための構成としては、信号線４１のみで構成可能である。

また、図示はしていないが、図２０に示す薄膜素子積層センサ１０の圧電素子５においては、基板５１の側面２８ｂと筐体２との導通をより確実にするために、基板５１の側面２８ｂに突起を設けても良い。即ち、基板５１の側面２８ｂに突起を設ける構成によれば、当該圧電素子５を筐体２に積層するときに、即ち、基板５１の側面２８ｂを筐体２に接触させるときに変形し、接触された筐体２に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、薄膜素子積層センサ１０の圧電素子５の基板５１と筐体２との導通は、より確実なものとなる。

なお、本発明の圧電センサでは、圧電素子の圧電体薄膜の材料として、ＡｌＮを用いたが、これに限定されない。即ち、圧電体薄膜の材料としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が用いられてもよい。さらに言えば、圧電体薄膜の材料は、ウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質等の、キュリー点の存在しない圧電材料であればよく、他に窒化ガリウム（ＧａＮ）等が挙げられる。この種の圧電材料は、結晶が融解あるいは昇華するまで圧電性を失うことがない。こうした物質（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性を備えており、また強誘電体でないので、キュリー点が存在しない。従って、係る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ーのように、５００℃近い高温中に曝されたとしても、その機能を失うことがない。そのため、圧電素子の冷却手段が不要となり、温度の低い位置に圧電素子を設置しなければならないという制限もなくなるので圧電センサの構造を単純化することができる。

また、図１に示す薄膜素子積層センサ１において、圧電素子５に設けられる貫通孔８ａは、その一例として、図１３に示すとおり、円孔部８１に加え、突起部８２をさらに有する形状の孔として設けられている。ここで、隣り合う２個の突起部８２の間隔、突起部８２の具体的な形状等については、特に限定されない。即ち、例えば、貫通孔８ａは、図１３、図１４に示す形状（花形）以外にも、歯車形（即ち、各突起部８２が、方形の形状を有している）、スリット付円形（即ち、隣り合う２個の突起部８２の間隔が非常に狭い）といった形状を有していてもよい。

さらに、本発明の圧電素子では、電極部として、圧電体薄膜に被覆される金属箔電極部材のかわりに、圧電体薄膜の表面に、蒸着もしくはスパッタリング法により形成した電極の膜を使用してもよい。

〔実施の形態３〕
本発明の別の実施の形態について説明すると以下の通りである。

ここでは、本発明の圧電体薄膜が成膜された基板（以下、「基準素子」と称する）を用いて、
１：外径７ｍｍ、内径５ｍｍであって、一端が閉じた円筒状の筐体に基準素子を１個だけ組み込んだ圧電センサ。

２：図１７に示す金属箔電極５３と同様の形状を有しており、孔部５３１の直径が１．５ｍｍ、環状部５３２の外径が４．５ｍｍ、突出部５３３の寸法が１ｍｍ×１ｍｍの正方形となる銅箔電極２枚で基準素子を被覆し、突出部５３３が、それぞれ基準素子における反対側の銅箔電極の上から重なるように折り返した状態のもの（圧電素子）を、筐体に１個だけ組み込んだ圧電センサ。

３：上記銅箔電極で被覆した基準素子を、図１に示す要領により、筐体に６個積層して組み込んだ圧電センサ。
の各圧電センサについて、９０ｃｃのツーストロークエンジンに当該圧電センサを取り付け、約１５００回転毎分でエンジンを運転した場合における出力および発生電荷を計測した。

なお、上記基準素子は、以下の要領により作製した。

即ち、基板は、外径４．６ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの円形のステンレス板の中心部に、貫通孔を形成して作製したステンレス基板を用いた。ここで、貫通孔の形状は、図１３に示した貫通孔８ａと同様の形状を有しており、直径約０．８ｍｍの円孔部８１に加え、先端部分と貫通孔８ａの中心との距離がそれぞれ約０．２５ｍｍである６個の突起部８２を有する形状を有している。また、ステンレス基板の両面には、上述した、図１５に示す圧電素子５の製造方法により、当該ステンレス基板の中心部（図１５に係る露出部分５４）以外の全面にＡｌＮ薄膜を製膜して製造された素子の層、即ち、圧電体薄膜を、スパッタリング法により製膜した。なおここで、該ＡｌＮ薄膜の厚さは、３μｍとした。またここで、ＡｌＮ薄膜の厚さ（３μｍ）は、基板の外径（４．６ｍｍ）に対して、無視できる程度に小さい。そこで、ここでは便宜上、上記基準素子の直径は、基板の外径と同じ４．６μｍであるものとして説明を行う。

その結果、下記の〔表１〕のように、基準素子を銅箔電極で被覆すること、および銅箔電極により被覆された基準素子を筐体内部に複数個積層することによって、大幅な感度の向上が見られることが分かった。

さらに、上記〔表１〕では、比較例として、直径９ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのインコネル製円板の片面に、ＡｌＮ薄膜を製膜した素子（比較例素子）を同一条件で測定した結果を併記した。

〔実施の形態４〕
次に、図２１および２２に基づき、本発明のさらに別の実施の形態である薄膜素子積層センサ（圧電センサ）２０について説明すると以下の通りである。図２１は、本実施形態の薄膜素子積層センサ２０の構成を示す図である。なお、図２１（ａ）は、薄膜素子積層センサ２０の断面構造を模式的に示し、図２１（ｂ）は、薄膜素子積層センサ２０が備える圧電素子５における突出部８４に関し、ほぼ実際の縮尺に沿った断面構造の一例（突出部８４ａ）を示し、図２１（ｃ）は、上記突出部の断面構造の他の一例（突出部８４ｂ）を示す。

本実施形態の、薄膜素子積層センサ２０は、上記の薄膜素子積層センサ１と比較して、以下の点が異なる。

すなわち、（１）圧電素子５の構造が異なる点、および（２）信号線４１および信号線付電極４に替えて、信号線４１ａを備える点である。

（信号線４１ａ）
図２１（ａ）〜（ｃ）に示すように、信号線４１ａの下端は、最も上側に配置する圧電素子５の突出部８４、突出部８４ａまたは突出部８４ｂに接触されているので、圧電体薄膜にて基板５１側に発生した電荷を引き出すことが可能となっている。すなわち、複数枚の圧電素子５のそれぞれから発生された電荷は、圧力検出信号として、信号線４１ａを通じて伝達される。信号線４１ａは、薄膜素子積層センサ２０の外部にまで引き伸ばされている。

（圧電素子５）
圧電素子５は、インコネル等の耐熱性に優れた金属により構成される基板５１に上述したＡｌＮ素子膜５２に、金属箔電極５３が被覆された構成である。

（基板５１）
基板５１には、貫通孔８ａが形成され、さらに、この貫通孔８ａの周囲の壁面１８における貫通孔８ａの一端側（上端側）から基板５１の外側に向けて突出する突出部８４、突出部８４ａまたは突出部８４ｂ（以下、これらの代表として突出部８４を示して説明する）が、基板５１に形成されている。また、貫通孔８ａの周囲の壁面１８および突出部８４の表面には、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されていない。なお、ねじ込みを考えなければ、貫通孔８ａおよび突出部８４は基板５１の中心付近に有る必要はない。また、突出部８４の形状は、以下で説明するように花弁状の形状を為している（図２２（ａ）参照）が、突出部８４の形状は、このような形状に限定されず、筒状に突出する筒形状であっても良い。筒形状の突出部の形状は、円筒形状であっても良く、また、多角筒形状などであっても良い。

これにより、例えば、３枚の圧電素子５を積層した場合に、下側に配置する圧電素子５の突出部８４を、上側に配置する圧電素子５の貫通孔８ａの他端側（下端側）から嵌挿させることにより、３枚の圧電素子の貫通孔の壁面間を導通させることができる。なお、圧電素子５の枚数は、これに限定されず、２枚以上の任意の枚数を採用できるが、薄膜素子積層センサ２０の小型化のためには、少ない枚数とすることが好ましい。

上記構成によれば、最も上側に配置する圧電素子５の突出部８４に信号線４１ａの一端を接触させることで、３枚の圧電素子５のＡｌＮ素子膜５２にて基板５１側に発生した電荷を引き出すことが可能となる。

このため、上記の圧電素子５を複数枚積層するという簡単な構造とするだけで、複数枚の圧電素子５のそれぞれのＡｌＮ素子膜５２にて基板５１側に発生した電荷を一括して引き出すことが可能となる。すなわち、上記の薄膜素子積層センサ１における信号線４１および信号線付電極４を単に信号線４１ａに代替えし、絶縁板３２を除くことにより、構成、組み立ては極めて簡単になることから、大幅な低価格化が実現できる。

以上の構成によれば、上述したＳｃを含有するＡｌＮ素子膜５２を３枚積層することで市販の圧電センサの約３倍の出力が得られる。積層枚数はさらに増やすことが可能で、１０倍程度まで出力を上げることが可能になる。すなわち、Ｓｃを含有するＡｌＮ素子膜５２の枚数は、３枚以上であることが好ましい。また、感度が上がることによって、これまで検出できなかった圧力変化もとらえることが可能になる。

図２２（ａ）は、薄膜素子積層センサ２０が備える圧電素子５の基板５１の構造の例を示す図である。なお、同図は、基板５１を上側から見たときの様子を模式的に示しており、同図において、突出部８４は、紙面に対して奥側に突出しているものとする。図２３は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の基板５１に形成された貫通孔８ａおよび突出部８４の一実施例を示す平面図である。

貫通孔８ａは、口径が信号線４１ａの直径よりも長い円孔部８１の周囲の壁面、即ち、貫通孔８ａの壁面１８に、突起部８２をさらに有する孔として、基板５１に設けられている。

また、円孔部８１の手前側の円形の外縁に沿う面（基板５１の面内方向に沿う面）における貫通孔８ａの中心Ｃと、突起部８２の先端部分８３との図２２（ａ）における紙面に対して手前側から見たときの見かけ上の距離はいずれも、信号線４１の半径よりも短い。

例えば、信号線４１ａの直径が０．６ｍｍである場合、円孔部８１の口径は０．８ｍｍ、貫通孔８ａの中心と突起部８２の先端部分との距離は０．５／２ｍｍ、即ち、０．２５ｍｍとするのが好ましい。

また、下側に配置する圧電素子５の突出部８４を、上側に配置する圧電素子５の貫通孔８ａの他端側（下端側）から嵌挿させることが可能なように、突出部８４の外径は、円孔部８１の下端部の径より小さいことが好ましい。

（基板５１の突出部の形成方法）
次に、図２２図（ｂ）および（ｃ）に基づき、基板５１の突出部の形成方法の例について説明する。２２図（ｂ）は、突出部８４ａの形成方法の各工程における基板５１の断面構造の変化の一例を示し、２２図（ｃ）は、突出部８４ｂの形成方法の各工程における基板５１の断面構造の変化の他の一例を示す。

まず、円形の基板５１の中心付近に予め図１２に示すような複数の突起部８２が面内方向に起立した花弁状の貫通孔を形成しておく（貫通孔形成工程）。

次に、図２２図（ｂ）および（ｃ）に示すように、先端が尖った円錐状の治具（押金具）を当該貫通孔の紙面に対して上側からに挿入し、複数の突起部８２を下側に向けて押し込み、折り曲げて突出部８４ａおよび突出部８４ｂを形成する（押し込み変形工程）。

なお、上記のように、円形の基板５１の中心付近に花弁状の貫通孔を形成しているのは、花弁状の複数の突起部８２であれば、単純な円孔部のみの貫通孔よりも弾性変形させ易いと考えられるためである。

図２２図（ｃ）では、例えば、片面エッチング等の方法で、図２２図（ｂ）（または図１２）に示す花弁状の貫通孔の壁面の上端側（貫通孔の片面側の周辺部）を減肉している。

その理由は、図２２図（ｂ）に示す花弁状の貫通孔では、凹部の曲率が凸部の曲率よりも小さくなるため、基板５１の厚みが大きい場合、上記押金具による加圧では、複数の突起部８２を十分に折り曲げる（変形させる）ことができず、複数の圧電素子５を積層する際に、一方の圧電素子５が他方の圧電素子５に対して基板５１の中央部で浮き上がり、各圧電素子５の金属箔電極５３同士が密着しない可能性があるためである。

一方、図２２図（ｃ）に示すように、花弁状の貫通孔を形成した後に、片面エッチングの方法で、該貫通孔の壁面の上端側を減肉してやれば、凹部と凸部の曲率の差は小さくなり、複数の突起部８２の弾性変形が容易になるため、各圧電素子５の金属箔電極５３同士が密着がより確実になると考えられる。

なお、図１２に示す基板５１は両面エッチングで成形している。このため、基板５１の片面側に花弁状の形を形成するようなマスクを、反対側の面の側には円形の孔を形成するようなマスクをかけてやれば両面エッチングにて図２２図（ｃ）に示す基板５１の片面側の周辺部を減肉した花弁状の貫通孔の壁面を形成することもできる。

（薄膜素子積層センサ２０と市販のセンサとの比較結果）
次に、図２４は、市販のセンサ（Kistler社製6001）と本実施形態の薄膜素子積層センサ２０との出力波形の比較結果を示す。カッコ内の数値は発生電荷を示す。同図に示すように、本実施形態の薄膜素子積層センサ２０は、市販品の約３倍の出力があり、かつ市販のセンサでは見えない波形の細かい変化まで明瞭に観察でき、感度が高いことが分かる。

このため、薄膜素子積層センサ２０によれば、例えば、エンジン筒内の燃焼圧センサとして、特に実車に搭載して燃焼の制御を行うことが可能になり、燃焼状態の制御により、燃費の向上、排出ガスの浄化等が可能となる。

〔本発明の別の表現〕
本発明は、以下のように表現することもできる。

また、本発明の圧電素子は、金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜に被覆されている電極部と、を備え、上記基板の表面、上記圧電体薄膜、および上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、上記貫通孔の壁面が、上記電極部からなっていても良い。

つまり、本発明の圧電素子は、貫通孔の壁面が電極部からなっており、貫通孔を通じる圧電センサの信号線に電極部が咬合する（即ち、咬み合う）ことによって、信号線と電極部とが通電可能な構成であると解釈できる。

上記の構成によれば、本発明の圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。

結果、本発明の圧電素子では、上記圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電素子を設けた圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。

つまり、本発明の圧電素子では、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。

ここで、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されており、当該圧電体薄膜に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、本発明の圧電素子では、基板の少なくとも側面を露出させることで、当該基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である基板の側面から得られる。

また、本発明の圧電素子では、圧電体薄膜における基板側からの電荷が、基板の露出部分である基板の側面から放出され、圧電体薄膜における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電体薄膜に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電体薄膜における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

こうした圧電素子は、圧電センサに用いる場合において都合が良い。

即ち、上記の構成によれば、壁面が電極部からなっている貫通孔に圧電センサの信号線を通すことにより、電極部と信号線とを接触および導通させることが可能となる。また、上述した、圧力が加えられる場合における圧電体薄膜の特性により、圧電素子では、基板側と電極部側とが絶縁されることとなる。さらに、圧電センサの筐体、ねじ込み等で接触する圧電センサ押し金具等と基板の側面とを接触させることにより、基板と圧電センサの筐体とを導通させることが可能となる。

つまり、上記本発明の圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線が、当該圧電素子に形成された貫通孔を通じて引き出される。さらに、上記圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線と筐体との、圧電素子による絶縁が可能となる。

また、上記圧電素子を複数個積層することで、圧電センサでは、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。

さらに、本発明の圧電素子を備える圧電センサでは、圧電素子の電極部がもたらす上記シールド効果により、圧電体薄膜から圧電センサの信号線へと供給される電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

また、本発明の圧電素子は、上記基板の一方の表面に成膜された圧電体薄膜にのみ、上記電極部が被覆されていても良い。

また、本発明の圧電素子は、上記電極部は、電極の膜であっても良い。

上記の構成によっても、本発明の圧電素子の圧電体薄膜では、電極部として金属箔電極部材を使用する場合と同様に、絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制する効果を得ることができ、かつ、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。

また、本発明の圧電センサは、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜に被覆されている電極部と、を備えるものであり、上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されていても良い。

上記の構成によれば、本発明の圧電センサに備えられる圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されている構成となるため、当該圧電素子の小型化に伴う、圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。

結果、本発明の圧電センサでは、上記圧電素子の圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。

つまり、本発明の圧電センサでは、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。

ここで、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されており、当該圧電体薄膜に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、本発明の圧電センサの圧電素子では、基板の表面に貫通孔を形成し、当該貫通孔の少なくとも壁面を露出させることで、基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である貫通孔の壁面から得られる。

また、本発明の圧電センサでは、圧電素子の圧電体薄膜における基板側からの電荷が、基板の露出部分である貫通孔の壁面から放出され、圧電体薄膜における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電体薄膜に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電体薄膜における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

また、上記の構成によれば、信号線が貫通孔の壁面と接触および導通されており、筐体が電極部と導通されている。

ところで、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有する。

上記の特性を有する圧電体薄膜を、基板の両表面に成膜することで、圧電素子では、圧力を受ける時においても、基板側と電極部側との絶縁が可能となる。こうして、基板と電極部とは、圧電体薄膜により絶縁されている。

即ち、基板側から放出された電荷は、基板に形成された貫通孔の壁面から信号線に供給される。一方、電極部側から放出された電荷は、電極部を介して、筐体へと放出される。さらに、基板と電極部とは、圧電体薄膜により絶縁されている。結果として、本発明の圧電センサでは、基板の露出部分からの電荷のみが信号線に供給される構成を実現することができる。

また、こうした構成を有する、本発明の圧電センサでは、筐体内に圧電素子を複数個積層する構造を容易に適用することができる。これは、本発明の圧電センサにおいては、複数個積層された圧電素子のそれぞれにおける基板の貫通孔からの電荷のみが、当該貫通孔に通された信号線に供給可能であることによる。但し、上記圧電素子は、筐体内部に１個だけ設けられる場合であっても、基板と信号線、筐体と電極部との導通を良好なものとすることができるため、感度が向上する。

また、本発明の圧電センサは、上記貫通孔は、口径が上記信号線の直径よりも長い円孔部の壁面に、当該円孔部の壁面に対して垂直となる面における中心と、当該面における自身の先端部分との距離が、上記信号線の半径よりも短い突起部が形成された孔であっても良い。

貫通孔が円孔部のみを有する孔として設けられる場合、即ち、貫通孔が丸穴である場合、信号線と貫通孔の壁面とを確実に接触させることは決して容易でないため、信号線と基板とを確実に導通させることは決して容易ではない。

そこで、信号線と貫通孔の壁面とを確実に接触させ、信号線と基板との導通を確実なものとするために、貫通孔は、円孔部に加え、突起部をさらに有する形状の孔として設けられるのが好ましい。

上記の構成によれば、貫通孔の突起部は、貫通孔に信号線を挿入するときに変形して、挿入された信号線に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、信号線と基板との導通は、確実なものとなる。

また、本発明の圧電センサは、上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、上記金属箔電極部材は、上記圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面に被覆されている圧電薄膜被覆部と、上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電体薄膜が成膜された基板に固定している突出部と、を有していても良い。

つまり、本発明の圧電センサの圧電素子は、貫通孔の壁面が電極部からなっており、貫通孔を通じる信号線に電極部が咬合する（即ち、咬み合う）ことによって、信号線と電極部とが通電可能な構成であると解釈できる。

上記の構成によれば、本発明の圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。

結果、本発明の圧電センサの圧電素子では、上記圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。

つまり、本発明の圧電センサでは、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。

ここで、金属製の基板の全面に圧電体薄膜が成膜されており、当該圧電体薄膜に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、本発明の圧電センサの圧電素子では、基板の少なくとも側面を露出させることで、当該基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である基板の側面から得られる。

また、本発明の圧電センサでは、圧電素子の圧電体薄膜における基板側からの電荷が、基板の露出部分である基板の側面から放出され、圧電体薄膜における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電体薄膜に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電体薄膜における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

また、上記の構成によれば、筐体が基板の側面と接触および導通されており、筐体が電極部を介して圧電素子の圧電体薄膜と接触されている。

ところで、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有する。

上記の特性を有する圧電体薄膜を、基板に成膜することで、圧電素子では、圧力を受ける時においても、基板側と電極部側との絶縁が可能となる。こうして、基板と電極部とは、圧電体薄膜により絶縁されている。

即ち、圧電体薄膜の表面から放出された電荷は、電極部を介して、基板に形成された貫通孔を通じる信号線に供給される。一方、基板側から放出された電荷は、筐体へと放出される。さらに、基板と電極部とは、圧電体薄膜により絶縁されている。結果として、本発明の圧電センサでは、基板側から放出される電荷とは逆の極性となる、圧電体薄膜の表面の電荷のみが、電極部を介して信号線に供給される構成を実現することができる。

また、こうした構成を有する、本発明の圧電センサでは、筐体内に圧電素子を複数個積層する構造を容易に適用することができる。これは、本発明の圧電センサにおいては、複数個積層された圧電素子のそれぞれにおける電極部からの電荷のみが、当該貫通孔に通された信号線に供給可能であることによる。但し、上記圧電素子は、筐体内部に１個だけ設けられる場合であっても、電極部と信号線、基板と筐体との導通を良好なものとすることができるため、感度が向上する。

なお、本発明の圧電センサと、上述した、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜に被覆されている電極部と、を備えるものであり、上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されている圧電センサと、は、互いに逆の極性を有する圧電センサとなる。

圧電センサに接続されている各種回路（例えば、圧電センサの外部に設けられている圧電センサの制御回路系）では、一般的に、自身の駆動に好適である当該圧電センサの極性が予め決定されており、実際の圧電センサの極性に応じて設計を変更することが非常に煩雑である。そのため、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることは、従来、決して容易ではなかった。

一方、本発明の圧電センサでは、上記各種回路の駆動に好適である当該圧電センサの極性に応じて、上述したいずれかの圧電センサを適宜選択することにより、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることが簡単であるため都合が良い。

また、本発明の圧電センサは、上記突出部が、上記基板における他方の表面側に成膜された圧電体薄膜の全面もしくは略全面に被覆されていても良い。

また、本発明の圧電センサは、上記金属箔電極部材を２枚有しており、上記２枚の金属箔電極部材におけるそれぞれの圧電薄膜被覆部は、上記圧電体薄膜が成膜された基板において、互いに異なる表面に被覆されており、かつ、上記２枚の金属箔電極部材の一方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の他方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられており、上記２枚の金属箔電極部材の他方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の一方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられていても良い。

上記の構成によれば、圧電薄膜被覆部により被覆されない基板における面（他方の表面）が、上記突出部により被覆される。もしくは、２枚の金属箔電極部材を用いられており、当該２枚の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部は、上記圧電体薄膜が成膜された基板において、互いに異なる面に被覆される。即ち、一方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が一方の表面に、他方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が他方の表面に被覆される。

これにより、本発明の圧電素子では、突出部への応力の集中を抑制することができるため、圧電体薄膜に絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制することができる。また、本発明の圧電素子では、圧電体薄膜と電極部との接触部分を増加させることができるため、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。

また、本発明の圧電センサは、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、自身が上記筐体と離間されるように、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜に被覆されている電極部と、を備え、上記基板の表面、上記圧電体薄膜、および上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、上記貫通孔の壁面が、上記電極部からなっているものであり、上記信号線が上記電極部と導通されており、上記筐体が上記基板の側面と接触されており、当該基板と当該電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されていても良い。

つまり、本発明の圧電センサの圧電素子は、貫通孔の壁面が電極部からなっており、貫通孔を通じる信号線に電極部が咬合する（即ち、咬み合う）ことによって、信号線と電極部とが通電可能な構成であると解釈できる。

上記の構成によれば、本発明の圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電体薄膜が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。

結果、本発明の圧電センサの圧電素子では、上記圧電体薄膜の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。

つまり、本発明の圧電センサでは、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。

ここで、金属製の基板の全面に圧電体薄膜が成膜されており、当該圧電体薄膜に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。

そこで、本発明の圧電センサの圧電素子では、基板の少なくとも側面を露出させることで、当該基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である基板の側面から得られる。

また、本発明の圧電センサでは、圧電素子の圧電体薄膜における基板側からの電荷が、基板の露出部分である基板の側面から放出され、圧電体薄膜における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電体薄膜に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電体薄膜における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。

また、上記の構成によれば、筐体が基板の側面と接触および導通されており、筐体が電極部を介して圧電素子の圧電体薄膜と接触されている。

ところで、圧電素子の圧電体薄膜に圧力が加えられると、圧電体薄膜は、基板側および電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有する。

上記の特性を有する圧電体薄膜を、基板に成膜することで、圧電素子では、圧力を受ける時においても、基板側と電極部側との絶縁が可能となる。こうして、基板と電極部とは、圧電体薄膜により絶縁されている。

即ち、圧電体薄膜の表面から放出された電荷は、電極部を介して、基板に形成された貫通孔を通じる信号線に供給される。一方、基板側から放出された電荷は、筐体へと放出される。さらに、基板と電極部とは、圧電体薄膜により絶縁されている。結果として、本発明の圧電センサでは、基板側から放出される電荷とは逆の極性となる、圧電体薄膜の表面の電荷のみが、電極部を介して信号線に供給される構成を実現することができる。

また、こうした構成を有する、本発明の圧電センサでは、筐体内に圧電素子を複数個積層する構造を容易に適用することができる。これは、本発明の圧電センサにおいては、複数個積層された圧電素子のそれぞれにおける電極部からの電荷のみが、当該貫通孔に通された信号線に供給可能であることによる。但し、上記圧電素子は、筐体内部に１個だけ設けられる場合であっても、電極部と信号線、基板と筐体との導通を良好なものとすることができるため、感度が向上する。

なお、本発明の圧電センサと、上述した、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電体薄膜と、導電性を有しており、上記圧電体薄膜に被覆されている電極部と、を備えるものであり、上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されている圧電センサと、は、互いに逆の極性を有する圧電センサとなる。

圧電センサに接続されている各種回路（例えば、圧電センサの外部に設けられている圧電センサの制御回路系）では、一般的に、自身の駆動に好適である当該圧電センサの極性が予め決定されており、実際の圧電センサの極性に応じて設計を変更することが非常に煩雑である。そのため、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることは、従来、決して容易ではなかった。

一方、本発明の圧電センサでは、上記各種回路の駆動に好適である当該圧電センサの極性に応じて、上述したいずれかの圧電センサを適宜選択することにより、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることが簡単であるため都合が良い。

また、本発明の圧電センサは、上記圧電素子は、上記基板の一方の表面に成膜された圧電体薄膜にのみ、上記電極部が被覆されていても良い。

また、本発明の圧電センサは、上記電極部は、電極の膜であっても良い。

上記の構成によっても、本発明の圧電センサの圧電素子の圧電体薄膜では、電極部として金属箔電極部材を使用する場合と同様に、絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制する効果を得ることができ、かつ、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。

また、本発明の圧電センサは、上記圧電素子が、上記筐体内部に複数個積層されていても良い。

上記の構成によれば、本発明の圧電センサでは、圧電素子を複数個積層することで、圧電素子から信号線に供給される電荷量の低下をさらに抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。

また、本発明の金属箔電極部材は、上記圧電素子における上記電極部として使用される金属箔電極部材であって、上記圧電素子の基板の表面に形成された貫通孔を露出させるための孔部と、上記圧電素子の圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面に被覆される圧電薄膜被覆部と、上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電体薄膜が成膜された基板に固定可能な突出部と、を備えても良い。

上記の構成によれば、圧電素子の電極部として、本発明の金属箔電極部材を、圧電体薄膜が成膜された基板に被覆すると、孔部により基板に形成された貫通孔を露出させ、圧電薄膜被覆部により圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面または他方の表面を被覆して、突出部により金属箔電極自身を圧電体薄膜が成膜された基板に固定することが可能となる。つまり、本発明の金属箔電極部材は、上記の圧電素子に係る電極部として好適に用いられるものである。

また、上記圧電体薄膜を備えていることを特徴とする圧電薄膜共振子、およびそれを備えたフィルタ、ならびに上記圧電体薄膜を備えていることを特徴とするアクチュエータ素子、およびジャイロセンサー、圧力センサおよび加速度センサなどの物理センサも本発明の範疇に含まれる。

〔付記事項〕
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の圧電センサは、自動車等の内燃機関のシリンダー内に設けられる燃焼圧センサ等に好適に用いられるものである。

１、１０、２０ 薄膜素子積層センサ（圧電センサ）
２ 筐体
３、３１、３２ 絶縁板
４ 信号線付電極
５、５ｂ 圧電素子
６ 押し金具
７ 絶縁管
８ａ、８ｂ 貫通孔
９ 中間層
１８ 壁面
２８ａ 表面
２８ｂ 側面
４１、４１ａ 信号線
５１ 基板
５２ ＡｌＮ素子膜（圧電体薄膜）
５３、５３´ 金属箔電極（電極部、金属箔電極部材）
８１ 円孔部
８２ 突起部
８３ 先端部分
８４、８４ａ、８４ｂ 突出部
１００ 治具
１０１ 管部（ワイヤ部材）
１０２ キャップ（蓋部材）
１１０ 治具本体
５３１ 孔部
５３２ 環状部（圧電薄膜被覆部）
５３３、５３３´ 突出部（折曲突出部）

Claims (24)

1. 貫通孔が形成された金属製の基板と、
   上記貫通孔の周囲の壁面、または、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面のいずれかを少なくとも除く、上記基板の全面に成膜されており、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜からなる圧電体薄膜と、
   導電性を有しており、上記圧電体薄膜の少なくとも一部を被覆している電極部と、を備え、
   上記圧電体薄膜に含まれるスカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内であり、
   上記壁面に対して略垂直方向に起立して花弁状の貫通孔を形成する複数の突起部が折り曲げられて上記基板の外側に向けて突出するように形成された複数の突出部が、上記基板に形成され、
   上記突出部の表面に、上記圧電体薄膜が成膜されていないことを特徴とする圧電素子。
2. 上記電極部は、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面を少なくとも被覆していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 上記電極部は、上記貫通孔の周囲の壁面の一部を少なくとも被覆していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
4. 上記貫通孔の周囲の壁面に対して略垂直方向に起立する突起部が、当該壁面に形成されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の圧電素子。
5. 上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、
   上記金属箔電極部材は、
   上記圧電体薄膜が成膜された基板における一方の表面を被覆する圧電薄膜被覆部と、
   上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電体薄膜が成膜された上記基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材を当該基板に固定している折曲突出部と、を有していることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の圧電素子。
6. 上記折曲突出部が、上記基板における他方の表面側に成膜された圧電体薄膜の全面もしくは略全面を被覆していることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
7. 上記金属箔電極部材を２枚有しており、
   上記２枚の金属箔電極部材におけるそれぞれの圧電薄膜被覆部は、上記圧電体薄膜が成膜された基板において、互いに異なる表面を被覆しており、かつ、
   上記２枚の金属箔電極部材の一方における折曲突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の他方における圧電薄膜被覆部を被覆するように折り曲げられており、
   上記２枚の金属箔電極部材の他方における折曲突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の一方における圧電薄膜被覆部を被覆するように折り曲げられていることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
8. 上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、０．５〜３５原子％または４０〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の圧電素子。
9. 上記窒化アルミニウム薄膜は基板上に設けられており、上記窒化アルミニウム薄膜と上記基板との間には、少なくとも１層の中間層が設けられていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の圧電素子。
10. 上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、１５〜４５原子％の範囲内であることを特徴とする請求項９に記載の圧電素子。
11. 上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、１０〜３５原子％の範囲内であることを特徴とする請求項１０に記載の圧電素子。
12. 上記圧電体薄膜における上記スカンジウムの含有率が、４０〜５０原子％の範囲内であることを特徴とする請求項１１に記載の圧電素子。
13. 上記中間層は、窒化チタンまたはスカンジウムの含有率の異なる窒化アルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項９または１０に記載の圧電素子。
14. 請求項２に記載の圧電素子を備えた圧電センサであって、
    上記圧電素子を収容する導電性の筐体と、
    一方の端子が上記筐体の外部に引き出され、他方の端子が上記貫通孔の周囲の壁面と接触させられた、導体からなる信号線と、を備え、
    上記筐体が、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面を被覆している上記電極部の部分と導通されており、上記基板と上記電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されていることを特徴とする圧電センサ。
15. 請求項３に記載の圧電素子を備えた圧電センサであって、
    上記圧電素子を収容する導電性の筐体と、
    一方の端子が上記筐体の外部に引き出され、他方の端子が上記貫通孔の周囲の壁面の一部を被覆している上記電極部の部分と接触させられた、導体からなる信号線と、を備え、
    上記筐体が上記基板の上記貫通孔の壁面の裏側に当たる面と導通されており、上記基板と上記電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されていることを特徴とする圧電センサ。
16. 貫通孔が形成された金属製の基板と、
    上記貫通孔の周囲の壁面、または、上記基板における上記貫通孔の周囲の壁面の裏側に当たる面のいずれかを少なくとも除く、上記基板の全面に成膜されており、スカンジウムを含有する窒化アルミニウム薄膜からなる圧電体薄膜と、
    導電性を有しており、上記圧電体薄膜の少なくとも一部を被覆している電極部と、を備え、
    上記圧電体薄膜に含まれるスカンジウムの原子数とアルミニウムの原子数との総量を１００原子％としたとき、上記スカンジウムの含有率が、０．５〜５０原子％の範囲内であり、
    上記貫通孔の周囲の壁面における上記貫通孔の一端側から上記基板の外側に向けて突出する突出部が、上記基板に形成され、
    上記突出部の表面に、上記圧電体薄膜が成膜されていない圧電素子を少なくとも２つ備えた圧電センサであって、
    上記少なくとも２つの圧電素子を収容する導電性の筐体と、
    一方の端子が上記筐体の外部に引き出され、他方の端子が上記２つの圧電素子のうちの一方の圧電素子の突出部と接触させられた、導体からなる信号線と、を備え、
    上記２つの圧電素子のうちのもう一方の圧電素子の突出部が、上記一方の圧電素子の貫通孔に嵌挿されており、
    上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と上記電極部とが上記圧電体薄膜により絶縁されていることを特徴とする圧電センサ。
17. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法であって、
    上記貫通孔よりも大きな面を有する治具本体と、当該治具本体における貫通孔よりも大きな面から伸びており、上記貫通孔を通ずることが可能なワイヤ部材と、を備える治具を用意する第１の工程と、
    上記貫通孔の一端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第２の工程と、
    上記ワイヤ部材を中空の蓋部材に挿入すると共に、当該蓋部材と上記治具本体とにより上記基板を圧着固定する第３の工程と、
    上記第３の工程により、上記基板を圧着固定した上記治具を、成膜装置に装着する第４
    の工程と、
    上記成膜装置により、上記基板に、上記圧電体薄膜を成膜する第５の工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
18. 上記貫通孔の他端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第６の工程と、
    上記第６の工程の後に、上記第３の工程から上記第５の工程までを順次実施する第７の工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の圧電素子の製造方法。
19. 上記第５の工程は、少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、アルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、かつ、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であることを特徴とする請求項１７または１８に記載の圧電素子の製造方法。
20. 上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜６．５Ｗ/ｃｍ^２または８．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であることを特徴とする請求項１９に記載の圧電素子の製造方法。
21. 少なくとも窒素ガスを含む雰囲気下で、アルミニウムと、スカンジウムとを同時にスパッタリングするスパッタリング工程を含み、
    上記スパッタリング工程の前に、上記基板上に中間層を形成する中間層形成工程をさらに含み、上記スパッタリング工程における上記スカンジウムの電力密度が、０．０５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であることを特徴とする請求項１９に記載の圧電素子の製造方法。
22. 上記スパッタリング工程における上記電力密度が、２〜６．５Ｗ/ｃｍ^２の範囲内であることを特徴とする請求項２０に記載の圧電素子の製造方法。
23. 上記スパッタリング工程における上記電力密度が、９．５〜１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲内で
    あることを特徴とする請求項２０に記載の圧電素子の製造方法。
24. 上記スパッタリング工程における上記基板の温度が２０〜６００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１９から２３のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法。