JP6541601B2 - 圧力検出装置および圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用いて圧力を検出する圧力検出装置および圧電素子に関する。

従来、例えば内燃機関に装着されて燃焼室内の圧力を検出する装置として、圧電素子を圧力検出部に使用した装置が提案されている。

公報記載の従来技術として、圧電センサを内蔵した外部筐体と、外部筐体内に配置され、圧電センサに被測定体からの圧力を伝達する、圧電センサを含む内部構造体とを備えた圧力センサにおいて、被測定体の温度変化に伴って変動する、外部筐体と内部構造体との熱膨張量をマッチングさせたものが存在する（特許文献１参照）。

また、他の公報記載の従来技術として、一端側に圧力に応じて撓み変形するダイヤフラムが設けられたケーシング本体と、一端側がダイヤフラムに当接するようにケーシング本体内に設けられ、ダイヤフラムの変形に応じて軸方向に変位する受圧ロッドと、受圧ロッドの他端側に位置してケーシング本体内に設けられ、受圧ロッドの変位に応じた検出信号を出力する圧電体と、ケーシング本体内に設けられ、圧電体に予荷重を与えるように、圧電体を受圧ロッドとの間で位置決めした位置決め手段とからなる圧力センサにおいて、周囲温度の変化による圧電体の温度特性に基づき、ケーシング本体が有する熱膨張率に対し、受圧ロッドの熱膨張率が小さくなる関係をもった材料によって形成するものが存在する（特許文献２参照）。

特開２００５−２２７００１号公報 特開平８−１８４５２０号公報

ここで、圧電素子を有する圧力検出装置が取り付けられた内燃機関等においては、停止時と運転時とで温度が大きく変化することが多い。このようにして内燃機関等で生じた温度変化は、内燃機関等に取り付けられた圧力検出装置さらには圧力検出装置に設けられた圧電素子にも伝達されることになる。そして、このような温度変化が発生すると、温度変化に伴う圧電素子の熱膨張あるいは熱収縮に伴って、圧電素子自身に損傷が生じる懸念があった。
本発明は、温度変化に起因する圧電素子の損傷を抑制することを目的とする。

本発明の圧力検出装置は、圧電性を有し且つランガサイト型の結晶構造を有する酸化物単結晶で構成され、当該酸化物単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力するとともに、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数がＺ方向の線膨張係数よりも大きく設定され、且つ、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の長さがＺ方向の長さよりも小さく設定される圧電素子と、前記酸化物単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該酸化物単結晶に圧力を付与する第１付与部材と、前記酸化物単結晶のうち前記一方の面に対向し且つ前記Ｘ軸が貫通する他方の面に接触して配置され、前記第１付与部材とともに当該酸化物単結晶に圧力を付与する第２付与部材とを含み、前記第１付与部材の線膨張係数および前記第２付与部材の線膨張係数が、前記酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数とＺ方向の線膨張係数との間に設定されることを特徴としている。
このような圧力検出装置において、前記第１付与部材および前記第２付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とすれば、高温環境下においても圧電素子を安定して保持できるとともに、構成を簡易化できる点で好ましい。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧力検出装置は、圧電性を有する酸化物単結晶で構成され、当該酸化物単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力するとともに、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数がＺ方向の線膨張係数よりも大きく設定され、且つ、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の長さがＺ方向の長さよりも小さく設定される圧電素子と、前記酸化物単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該酸化物単結晶に圧力を付与する第１付与部材と、前記酸化物単結晶のうち前記一方の面に対向し且つ前記Ｘ軸が貫通する他方の面に接触して配置され、前記第１付与部材とともに当該酸化物単結晶に圧力を付与する第２付与部材とを含み、前記第１付与部材の線膨張係数および前記第２付与部材の線膨張係数が、前記酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数とＺ方向の線膨張係数との間に設定され、前記第１付与部材および前記第２付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴としている。
このような圧力検出装置において、前記圧電素子を構成する前記酸化物単結晶が、直方体状に形成されることを特徴とすれば、圧電素子を得るための加工が容易となる点で好ましい。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧力検出装置は、ＬＴＧＡ（Ｌａ_３Ｔａ_０．５Ｇａ_{５．５−ｘ}Ａｌ_ｘＯ_１４）単結晶で構成され、当該ＬＴＧＡ単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子と、前記ＬＴＧＡ単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該ＬＴＧＡ単結晶に圧力を付与する第１付与部材と、前記ＬＴＧＡ単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通し且つ前記一方の面に対向する他方の面に接触して配置され、前記第１付与部材とともに当該ＬＴＧＡ単結晶に圧力を付与する第２付与部材とを含み、前記ＬＴＧＡ単結晶におけるＹ方向の長さＬｙとＺ方向の長さＬｚとが、３／７≦Ｌｙ／Ｌｚ≦６／７なる関係を有していることを特徴としている。
このような圧力検出装置において、前記第１付与部材および前記第２付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とすれば、高温環境下においても圧電素子を安定して保持できるとともに、構成を簡易化できる点で好ましい。
さらに、他の観点から捉えると、本発明の圧電素子は、ＬＴＧＡ（Ｌａ_３Ｔａ_０．５Ｇａ_{５．５−ｘ}Ａｌ_ｘＯ_１４）単結晶で構成され、当該ＬＴＧＡ単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子において、前記ＬＴＧＡ単結晶におけるＹ方向の長さＬｙとＺ方向の長さＬｚとが、３／７≦Ｌｙ／Ｌｚ≦６／７なる関係を有していることを特徴としている。

本発明によれば、温度変化に起因する圧電素子の損傷を抑制することができる。

実施の形態に係る圧力検出装置を備えた内燃機関の概略構成図である。 図１に示す圧力検出装置のＩＩ部の拡大図である。 圧力検出装置の概略構成図である。 図３に示す圧力検出装置のＩＶ−ＩＶ部の断面図である。 図４に示す圧力検出装置のＶ部の拡大図である。 図４に示す圧力検出装置のＶＩ部の拡大図である。 圧電素子の形状および寸法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は圧電素子の形状と圧電素子の熱膨張量との関係を模式的に示した図である。 Ａｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）で構成された圧電素子の形状と破壊発生温度との関係を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る圧力検出装置５を備えた内燃機関１の概略構成図である。また、図２は、図１に示す圧力検出装置５のＩＩ部の拡大図である。
内燃機関１は、シリンダ２ａを有するシリンダブロック２と、シリンダ２ａ内を往復動するピストン３と、シリンダブロック２に締結されてシリンダ２ａおよびピストン３などとともに燃焼室Ｃを形成するシリンダヘッド４と、を備えている。また、内燃機関１は、シリンダヘッド４に装着されて燃焼室Ｃ内の圧力を検出する圧力検出装置５と、圧力検出装置５が検出した圧力に基づいて内燃機関１の作動を制御する制御装置６と、圧力検出装置５とシリンダヘッド４との間に介在して燃焼室Ｃ内の気密性を保つためのシール部材７と、圧力検出装置５と制御装置６との間で電気信号を伝送する伝送ケーブル８と、を備えている。そして、図２に示すように、伝送ケーブル８は、３本のケーブルすなわち第１ケーブル８１、第２ケーブル８２および第３ケーブル８３と、これら第１ケーブル８１〜第３ケーブル８３を圧力検出装置５に接続するためのコネクタ８０とを有している。

また、図２に示すように、シリンダヘッド４には、燃焼室Ｃと外部とを連通する連通孔４ａが形成されている。連通孔４ａは、燃焼室Ｃ側から、第１孔部４ｂと、第１孔部４ｂの孔径から徐々に径が拡大している傾斜部４ｃと、第１孔部４ｂの孔径よりも孔径が大きい第２孔部４ｄと、を有している。第２孔部４ｄを形成する周囲の壁には、圧力検出装置５に形成された後述するハウジング３０の雄ねじ３３２ａがねじ込まれる雌ねじ４ｅが形成されている。

以下に、圧力検出装置５について詳述する。
図３は、圧力検出装置５の概略構成図である。図４は、図３に示す圧力検出装置５のＩＶ−ＩＶ部の断面図である。図５は、図４に示す圧力検出装置５のＶ部の拡大図である。また、図６は、図４に示す圧力検出装置５のＶＩ部の拡大図である。
圧力検出装置５は、燃焼室Ｃ内の圧力を電気信号に変換する圧電素子１０を有するセンサ部１００と、センサ部１００からの電気信号を処理する信号処理部２００と、信号処理部２００を保持する保持部材３００と、を備えている。この圧力検出装置５をシリンダヘッド４に装着する際には、センサ部１００の後述するダイアフラムヘッド４０の方から先に、シリンダヘッド４に形成された連通孔４ａに挿入していく。以下の説明において、図４の左側（センサ部１００側）を圧力検出装置５の先端側、右側（保持部材３００側）を圧力検出装置５の後端側とする。

先ずは、センサ部１００について説明する。
センサ部１００は、受けた圧力を電気信号に変換する圧電素子１０と、筒状であってその内部に圧電素子１０などを収納する円柱状の孔が形成されたハウジング３０と、を備えている。以下では、ハウジング３０に形成された円柱状の孔の中心線方向を、単に中心線方向と称す。
また、センサ部１００は、ハウジング３０における先端側の開口部を塞ぐように設けられて、燃焼室Ｃ内の圧力が作用するダイアフラムヘッド４０と、ダイアフラムヘッド４０と圧電素子１０との間に設けられた第１電極部５０と、圧電素子１０に対して第１電極部５０とは反対側に配置された第２電極部５５と、を備えている。
また、センサ部１００は、第２電極部５５を電気的に絶縁するアルミナセラミック製の絶縁リング６０と、絶縁リング６０よりも後端側に設けられて、信号処理部２００の後述する覆い部材２３の端部を支持する支持部材６５と、第２電極部５５と後述する伝導部材２２との間に介在するコイルスプリング７０と、を備えている。

圧電素子１０は、圧電縦効果の圧電作用を示す圧電体を有している。圧電縦効果とは、圧電体の電荷発生軸（電気軸）と同一方向に外力を作用させると、電気軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。本実施形態に係る圧電素子１０は、中心線方向が電気軸の方向となるようにハウジング３０内に収納されている。
なお、圧電素子１０の具体的な構成については後述する。

ハウジング３０は、図５に示すように、先端側に設けられた第１ハウジング３１と、後端側に設けられた第２ハウジング３２と、を有する。
第１ハウジング３１は、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔３１０が形成された薄肉円筒状の部材である。外周面には、中心線方向の中央部に、外周面から突出する突出部３１５が周方向の全域に渡って設けられている。
孔３１０は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第１孔３１１と、第１孔３１１の孔径よりも大きな孔径の第２孔３１２と、から構成される。突出部３１５は、先端部に、先端側から後端側にかけて徐々に径が大きくなる傾斜面３１５ａを有し、後端部に、中心線方向に垂直な垂直面３１５ｂを有している。

第２ハウジング３２は、図４に示すように、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔３２０が形成された筒状の部材であり、外部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された外周面３３０が設けられている。
孔３２０は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第１孔径を有する第１円柱孔３２１と、第１孔径よりも小さな第２孔径を有する第２円柱孔３２２と、第２孔径よりも大きな第３孔径を有する第３円柱孔３２３と、第３孔径よりも大きな第４孔径を有する第４円柱孔３２４と、第４孔径よりも大きな第５孔径を有する第５円柱孔３２５と、から構成される。
第２ハウジング３２における先端部は、第１ハウジング３１における後端部にしまりばめで嵌合（圧入）されるように、第１円柱孔３２１における第１孔径は、第１ハウジング３１の外周面の径以下となるように設定されている。

外周面３３０は、先端側から後端側にかけて、第１外周面３３１と、第１外周面３３１の外径よりも大きな外径の第２外周面３３２と、第２外周面３３２の外径よりも大きな外径の第３外周面３３３と、第３外周面３３３の外径よりも大きな外径の第４外周面３３４と、第４外周面３３４の外径よりも小さな外径の第５外周面３３５と、から構成される。
第２外周面３３２における先端部には、シリンダヘッド４の雌ねじ４ｅにねじ込まれる雄ねじ３３２ａが形成されている。第３外周面３３３には、後述する第１シール部材７１がすきまばめで嵌め込まれ、第３外周面３３３の外径と第１シール部材７１の内径との寸法公差は、例えば零から０．２ｍｍとなるように設定される。第４外周面３３４における後端部は、周方向に等間隔に６つの面取りを有する正六角柱に形成されている。この正六角柱に形成された部位が、圧力検出装置５をシリンダヘッド４に締め付ける際に、締付用の工具が嵌め込まれ、工具に付与された回転力が伝達される部位となる。第５外周面３３５における中心線方向の中央部には、外周面から凹んだ凹部３３５ａが全周に渡って形成されている。

また、図６に示すように、第２ハウジング３２は、第４円柱孔３２４から第５円柱孔３２５への移行部分であり、第５円柱孔３２５における先端部には、信号処理部２００の後述する覆い部材２３の基板被覆部２３２における先端側の端面が突き当たる突当面３４０が設けられている。突当面３４０には、後述する信号処理部２００における回路基板部２１の第２接続ピン２１ｂが差し込まれるピン用凹部３４０ａが形成されている。

第１ハウジング３１および第２ハウジング３２は、燃焼室Ｃに近い位置に存在するため、少なくとも、−４０〜３５０〔℃〕の使用温度環境に耐える材料を用いて製作することが望ましい。具体的には、耐熱性の高いステンレス鋼材、例えば、ＪＩＳ規格のＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０等を用いることが望ましい。そして、第１ハウジング３１および第２ハウジング３２を構成する材料の線膨張係数（以下の説明では、「ハウジング線膨張係数αｈ」と称することがある）は、１０〜１２（×１０^−６／Ｋ）の範囲であることが望ましい。

ダイアフラムヘッド４０は、図５に示すように、円筒状の円筒状部４１と、円筒状部４１の内側に形成された内側部４２と、を有している。
円筒状部４１における後端部は、ハウジング３０の第１ハウジング３１における先端部としまりばめで嵌合（圧入）されて、この先端部の内部に入り込む進入部４１ａと、この先端部における端面３１ａと同形状に形成され、嵌合された際にこの端面３１ａが突き当たる突当面４１ｂと、を有している。
内側部４２は、円筒状部４１における先端側の開口を塞ぐように設けられた円盤状の部材であり、後端側の面における中央部にはこの面から圧電素子１０側に突出する突出部４２ａが設けられている。また、内側部４２の、先端側の面における中央部にはこの面から圧電素子１０側に凹んだ凹部４２ｂが設けられている。
ダイアフラムヘッド４０を構成する材料としては、高温でありかつ高圧となる燃焼室Ｃ内に存在するため、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金製であることが望ましく、具体的には、耐熱性に優れるステンレス鋼材、例えばＳＵＨ６６０等を用いることが望ましい。そして、ダイアフラムヘッド４０を構成する材料の線膨張係数（以下の説明では、「ダイアフラム線膨張係数αｄ」と称することがある）は、１０〜１２（×１０^−６／Ｋ）の範囲であることが望ましい。

第１付与部材の一例としての第１電極部５０は、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の部材であり、第１円柱部５１と、第１円柱部５１の半径よりも大きな半径の第２円柱部５２と、から構成される。第１円柱部５１の外径はダイアフラムヘッド４０の進入部４１ａの内径よりも小さく、第２円柱部５２の外径は第１ハウジング３１の第１孔３１１の孔径と略同じである。そして、第１円柱部５１における先端側の端面がダイアフラムヘッド４０の内側部４２の突出部４２ａと、第２円柱部５２における後端側の端面が圧電素子１０における先端側の面とに接触するように配置される。第２円柱部５２の外周面が第１ハウジング３１の内周面と接触すること、および／または第１円柱部５１における先端側の端面がダイアフラムヘッド４０と接触することによって、圧電素子１０における先端部は、ハウジング３０と電気的に接続される。
第１電極部５０は、燃焼室Ｃ内の圧力を圧電素子１０に作用させるものであり、圧電素子１０側の端面である第２円柱部５２における後端側の端面が圧電素子１０の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成される。また、第１電極部５０は、ダイアフラムヘッド４０から受ける圧力を均等に圧電素子１０に作用させることができるように、中心線方向の両端面が、それぞれ平滑面に形成されるとともに、中心線方向と直交する面に沿って互いに略平行に設けられている。

また、第１電極部５０を構成する材料としては、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物を Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄系金属で焼結した複合材料（所謂超硬合金）を用いることが望ましい。ここで、超硬合金としては、例えばＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−Ｎｉ系合金等が挙げられる。そして、第１電極部５０を構成する材料の線膨張係数（以下では、「第１電極線膨張係数αｅ１」と称することがある）は、５〜６（×１０^−６／Ｋ）の範囲であることが望ましい。

第２付与部材の一例としての第２電極部５５は、円柱状の部材であり、先端側の端面が圧電素子１０における後端側の端面に接触し、後端側の端面が絶縁リング６０に接触するように配置される。第２電極部５５における後端側の端面には、この端面から後端側に突出する円柱状の突出部５５ａが設けられている。突出部５５ａは、端面側の基端部と、この基端部の外径よりも小さな外径の先端部と、を有する。突出部５５ａの外径は絶縁リング６０の内径よりも小さく設定されるとともに、突出部５５ａの長さは絶縁リング６０の幅（中心線方向の長さ）よりも長く設定され、突出部５５ａの先端が絶縁リング６０から露出している。この第２電極部５５は、第１電極部５０との間で圧電素子１０に対して一定の荷重を加えるように作用する部材であり、圧電素子１０側（先端側）の端面は、圧電素子１０の後端側の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成されるとともに、平滑面且つ圧電素子１０の後端側の端面と平行な面に形成されている。第２電極部５５の外径は第１ハウジング３１の第２孔３１２の孔径よりも小さくなるように設定されており、第２電極部５５の外周面と第１ハウジング３１の内周面との間には隙間がある。

また、第２電極部５５を構成する材料としては、第１電極部５０と同様に超硬合金を用いることが望ましく、第１電極部５０と第２電極部５５とを、同一組成の超硬合金で構成することがさらに望ましい。そして、第２電極部５５を構成する材料の線膨張係数（以下では、「第２電極線膨張係数αｅ２」と称することがある）は、５〜６（×１０^−６／Ｋ）の範囲であることが望ましい。

絶縁リング６０は、アルミナセラミックス等により形成された円筒状の部材であり、内径（中央部の孔径）は、第２電極部５５の突出部５５ａの基端部の外径よりもやや大きく、外径は、第１ハウジング３１の第２孔３１２の孔径と略同じに設定されている。第２電極部５５は、突出部５５ａが絶縁リング６０の中央部の孔に挿入されて配置されることで、第２電極部５５の中心位置と第１ハウジング３１の第２孔３１２の中心とが同じになるように配置される。

支持部材６５は、先端側から後端側にかけて、内部に、径が異なる複数の円柱状の孔６５０が形成され、外周面の径が同一の、筒状の部材である。
孔６５０は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第１孔６５１と、第１孔６５１の孔径よりも大きな孔径の第２孔６５２と、第２孔６５２の孔径よりも大きな孔径の第３孔６５３と、から構成される。第１孔６５１の孔径は、第２電極部５５の突出部５５ａの基端部の外径よりも大きく、この突出部５５ａが支持部材６５の内部まで露出する。第２孔６５２の孔径は、後述する信号処理部２００の伝導部材２２における先端部の外径よりも大きい。第３孔６５３の孔径は、後述する信号処理部２００の覆い部材２３における先端側の端部の外径よりも小さく、この覆い部材２３が第３孔６５３を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合される。これにより、支持部材６５は、覆い部材２３の端部を支持する部材として機能する。

コイルスプリング７０は、内径が、第２電極部５５の突出部５５ａにおける先端部の外径以上で基端部の外径より小さく、外径が、後述する伝導部材２２の挿入孔２２ａの径よりも小さい。コイルスプリング７０の内側に第２電極部５５の突出部５５ａの先端部が挿入されるとともに、コイルスプリング７０は、後述する伝導部材２２の挿入孔２２ａに挿入される。コイルスプリング７０の長さは、第２電極部５５と伝導部材２２との間に圧縮した状態で介在することができる長さに設定されている。コイルスプリング７０の材質としては、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金を用いるとよい。また、コイルスプリング７０の表面に金メッキを施すことで、電気伝導を高めるとよい。

次に、信号処理部２００について説明する。
信号処理部２００は、図３および図４に示すように、センサ部１００の圧電素子１０から得られる微弱な電荷である電気信号を少なくとも増幅処理する回路基板部２１と、圧電素子１０に生じた電荷を回路基板部２１まで導く棒状の伝導部材２２と、これら回路基板部２１、伝導部材２２などを覆う覆い部材２３と、回路基板部２１などを密封するＯリング２６と、を備えている。

回路基板部２１は、センサ部１００の圧電素子１０から得られる微弱な電荷を増幅するための回路を構成する電子部品などが実装された実装基板２１０を有する。実装基板２１０における先端部には、伝導部材２２における後端部を電気的に接続するための第１接続ピン２１ａと、接地用および位置決め用の第２接続ピン２１ｂとが、半田付けなどにより接続されている。また、実装基板２１０における後端部には、伝送ケーブル８の先端部に設けられたコネクタ８０を介して制御装置６と電気的に接続するための第３接続ピン２１ｃが３つ、半田付けなどにより接続されている。これら３つの第３接続ピン２１ｃは、それぞれ、制御装置６から実装基板２１０への電源電圧およびＧＮＤ電圧の供給、実装基板２１０から制御装置６への出力電圧の供給に用いられる。

伝導部材２２は、棒状（円柱状）の部材であり、先端部には、第２電極部５５の突出部５５ａの先端部が挿入される挿入孔２２ａが形成されている。伝導部材２２における後端部は、回路基板部２１の実装基板２１０に、導線（図示せず）および第１接続ピン２１ａを介して電気的に接続される。伝導部材２２の材質としては、真鍮及びベリリウム銅等を例示することができる。この場合、加工性およびコストの観点からは、真鍮が望ましい。これに対して、電気伝導性、高温強度、信頼性の観点からは、ベリリウム銅が望ましい。

覆い部材２３は、伝導部材２２の外周を覆う伝導部材被覆部２３１と、回路基板部２１の実装基板２１０の側面および下面を覆う基板被覆部２３２と、実装基板２１０に接続された第３接続ピン２１ｃの周囲を覆うとともに伝送ケーブル８の先端部に設けられたコネクタ８０が嵌め込まれるコネクタ部２３３と、を有している。

伝導部材被覆部２３１は、図３に示すように、中心線方向に沿って延び、伝導部材２２を先端部が露出するように覆っている。
また、伝導部材被覆部２３１は、先端側から後端側にかけて段階的に外径が異なるように、複数の円筒形状の部分から構成される。具体的には、先端側から後端側にかけて、第１外径を有する第１円筒部２４１と、第１外径よりも小さな第２外径を有する第２円筒部２４２と、第２外径よりも大きな第３外径を有する第３円筒部２４３と、第３外径よりも大きな第４外径を有する第４円筒部２４４とが並んで形成されている。
第１円筒部２４１における第１外径は、支持部材６５の第３孔６５３の孔径よりも大きく形成されている。これにより、伝導部材被覆部２３１における先端部は、支持部材６５の第３孔６５３を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合（圧入）される。

図３に示すように、伝導部材被覆部２３１には、伝導部材被覆部２３１の外周面から突出するとともに、それぞれが中心線方向に延びる複数の凸部２５０が設けられている。本実施の形態では、凸部２５０は、伝導部材被覆部２３１の第２円筒部２４２における先端部に設けられる第１凸部２５１と、伝導部材被覆部２３１の第４円筒部２４４に設けられる第２凸部２５２を有する。
この例では、第１凸部２５１は、第２円筒部２４２の外周面において、周方向に沿って９０度間隔で４個設けられている。また、第２凸部２５２は、第４円筒部２４４の外周面において、周方向に沿って９０度間隔で４個設けられている。
なお、この例では、４個の第１凸部２５１は、伝導部材被覆部２３１における第２円筒部２４２と一体的に形成され、４個の第２凸部２５２は、伝導部材被覆部２３１における第４円筒部２４４と一体的に形成されている。

信号処理部２００においては、図５に示すように、第２円筒部２４２に設けられた４個の第１凸部２５１が、それぞれ第２ハウジング３２における第２円柱孔３２２を形成する壁に当接する。また、図６に示すように、第４円筒部２４４に設けられた複数の第２凸部２５２が、それぞれ第２ハウジング３２における第４円柱孔３２４を形成する壁に当接する。これにより、伝導部材被覆部２３１が第２ハウジング３２に支持されることになる。

基板被覆部２３２は、基本的には円筒状の部位であり、その側面には、実装基板２１０を内部に設置するための矩形の開口部２３２ａが設けられている。また、基板被覆部２３２における後端側には、ハウジング３０内および実装基板２１０設置部を密封するためのＯリング２６用のリング溝２３２ｂが形成されている。

コネクタ部２３３は、基板被覆部２３２における後端側の端面２３２ｃから突出し、実装基板２１０に接続された３つの第３接続ピン２１ｃの周囲を覆うように形成された薄肉の部位である。コネクタ部２３３における後端部は開口しており、内部に伝送ケーブル８の先端部に設けられたコネクタ８０を受け入れることが可能になっている。また、コネクタ部２３３における後端側には、内部と外部とを連通する孔２３３ａが形成されており、伝送ケーブル８のコネクタ８０に設けられたフックがこの孔２３３ａに引っ掛ることで、伝送ケーブル８のコネクタ８０がコネクタ部２３３から脱落することが抑制される。

以上のように構成された覆い部材２３は、樹脂などの絶縁性を有する材料にて成形されている。また、覆い部材２３は、伝導部材２２、第１接続ピン２１ａ、第２接続ピン２１ｂおよび３つの第３接続ピン２１ｃとともに一体成形されている。より具体的には、覆い部材２３は、これら伝導部材２２、第１接続ピン２１ａ、第２接続ピン２１ｂおよび３つの第３接続ピン２１ｃをセットした金型に加熱した樹脂が押し込まれることで成形される。

信号処理部２００をユニット化するにあたっては、成形された覆い部材２３の開口部２３２ａから、回路基板部２１の実装基板２１０を挿入し、基板被覆部２３２の中央部に設置する。実装基板２１０を設置する際、板厚方向に貫通されたスルーホールに、第１接続ピン２１ａ、第２接続ピン２１ｂおよび３つの第３接続ピン２１ｃの先端を通し、半田付けする。その後、第１接続ピン２１ａと伝導部材２２とを導線を用いて接続する。また、覆い部材２３の基板被覆部２３２のリング溝２３２ｂにＯリング２６を装着する。Ｏリング２６は、フッ素系ゴムからなる周知のＯ状のリングである。

次に、保持部材３００について説明する。
保持部材３００は、薄肉円筒状の部材であり、図４に示すように、後端部に内周面から内側に突出した突出部３００ａが設けられている。保持部材３００は、第２ハウジング３２に装着された後、外部から、第５外周面３３５に設けられた凹部３３５ａに対応する部位が加圧されることでかしめられる。これにより、保持部材３００は、ハウジング３０に対して移動し難くなり、信号処理部２００がハウジング３０に対して移動することを抑制している。

ここで、上述した圧力検出装置５における電気的な接続構造について説明する。
先ず、圧電素子１０における先端側の端面は、金属製の第１電極部５０およびダイアフラムヘッド４０を介して、金属製のハウジング３０と電気的に接続される。

これに対し、圧電素子１０における後端側の端面は、金属製の第２電極部５５と電気的に接続され、第２電極部５５は、突出部５５ａを介して金属製のコイルスプリング７０と電気的に接続される。また、コイルスプリング７０は、金属製の伝導部材２２と電気的に接続され、伝導部材２２は、第１接続ピン２１ａを介して実装基板２１０の入力信号端子２１１ａと電気的に接続される。他方、第２電極部５５の突出部５５ａの外径は支持部材６５の第１孔６５１の孔径よりも小さく、伝導部材２２における先端部の外径は支持部材６５の第２孔６５２の孔径よりも小さい。つまり、第２電極部５５、コイルスプリング７０および伝導部材２２は、支持部材６５と直接接触していないために、電気的に接続されていない。それゆえ、第２電極部５５からコイルスプリング７０および伝導部材２２を介して実装基板２１０へと至る電荷信号の伝送経路は、それぞれが絶縁体で構成された、絶縁リング６０および覆い部材２３によって、金属製のハウジング３０と電気的に絶縁される。

以上のように構成された圧力検出装置５をシリンダヘッド４に装着する際には、センサ部１００のダイアフラムヘッド４０の方から先にシリンダヘッド４に形成された連通孔４ａに挿入していき、ハウジング３０の第２ハウジング３２に形成された雄ねじ３３２ａをシリンダヘッド４の連通孔４ａに形成された雌ねじ４ｅにねじ込む。
圧力検出装置５をシリンダヘッド４に装着することにより、ハウジング３０は、金属製のシリンダヘッド４と電気的に接続される。このシリンダヘッド４は、電気的に接地された状態にあるため、圧力検出装置５では、ハウジング３０を介して、圧電素子１０における先端部が接地される。ここで、この例では、圧電素子１０の側面とハウジング３０の内壁面とが接触し得る構造になっているが、圧電素子１０が絶縁体で構成されていることにより抵抗値が極めて大きいことと、圧力変化に伴って発生する電荷が、圧電素子１０における中心線方向の両端部に発生することとにより、特に問題とはならない。

続いて、シール部材７について説明する。
シール部材７は、図２に示すように、シリンダヘッド４における連通孔４ａを形成する周囲の壁のセンサ部１００の締め付け方向の端面と、圧力検出装置５のハウジング３０の第３外周面３３３と第４外周面３３４とを接続する接続面との間に配置された第１シール部材７１を有している。また、シール部材７は、シリンダヘッド４の連通孔４ａの傾斜部４ｃと、圧力検出装置５のハウジング３０の第１ハウジング３１の傾斜面３１５ａとの間に配置された第２シール部材７２を有している。

次に、本実施の形態の圧力検出装置５による圧力検出動作について説明する。
内燃機関１の作動時には、センサ部１００のダイアフラムヘッド４０の内側部４２に、燃焼室Ｃ内で発生した燃焼圧が付与される。そして、ダイアフラムヘッド４０に付与された燃焼圧が、第１電極部５０と第２電極部５５とによって挟まれた圧電素子１０に作用することにより、この圧電素子１０に燃焼圧に応じた電荷が生じる。圧電素子１０に生じた電荷は、第２電極部５５、コイルスプリング７０および伝導部材２２を介して、入力電荷として回路基板部２１の実装基板２１０に供給される。実装基板２１０に供給された入力電荷は、実装基板２１０に設けられた各種回路にて積分処理および増幅処理がなされた後、その電荷に応じた外部出力電圧が、回路基板部２１に接続された第３接続ピン２１ｃおよび伝送ケーブル８を介して、制御装置６に供給される。

ではここで、本実施の形態の圧力検出装置５で用いる圧電素子１０について、より具体的に説明を行う。
本実施の形態の圧電素子１０は、圧電性を有する酸化物単結晶のバルク体で構成される。そして、圧電素子１０として用いられる酸化物単結晶は、圧電性を有する一方で、焦電性を有していないことが好ましい。

また、圧電素子１０に用いられる酸化物単結晶としては、種々の結晶構造を有するものを用いても差し支えないが、三方晶系の結晶構造を有するものを用いることが望ましい。そして、本実施の形態の圧力検出装置５が、比較的高温となり得る内燃機関１で使用されることを考慮すると、三方晶系の結晶構造を有する酸化物単結晶の中でも、Ａ_３ＢＣ_３Ｄ_２Ｏ_１４で表されるランガサイト型の結晶構造を有するものを用いることがさらに望ましい。さらに、ランガサイト型の結晶構造を有する酸化物単結晶の中でも、Ｌａ_３Ｔａ_０．５Ｇａ_５．５Ｏ_１４で表されるランガテイト（ＬＴＧ）を用いることが望ましく、ランガテイトにおいてＧａの一部をＡｌで置換した、Ｌａ_３Ｔａ_０．５Ｇａ_{５．５−ｘ}Ａｌ_ｘＯ_１４で表されるＡｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）を用いることがさらに望ましい。
なお、本実施の形態では、圧電素子１０として、Ａｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）からなる酸化物単結晶を用いた。

次に、圧電素子１０として用いる酸化物単結晶の結晶軸について説明を行う。
Ａｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）、水晶（α−ＳｉＯ_２）あるいはオルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ_４）などの三方晶系の結晶構造は、ｃ軸と、ｃ軸と直交する面において１２０°の間隔で放射状に延びるａ_１軸、ａ_２軸およびａ_３軸とを有している。ここで、三方晶系の結晶構造において、ｃ軸をＺ軸とし、ａ_１軸、ａ_２軸およびａ_３軸のうちのいずれか１つ（例えばａ_１軸）をＸ軸とし、これらＸ軸とＺ軸とに直交する軸をＹ軸とすることで、直交座標系における結晶学上のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を定義することができる。なお、酸化物単結晶からなる圧電素子１０においては、Ｘ軸のことを「電気軸」、Ｙ軸のことを「機械軸」、そして、Ｚ軸のことを「光学軸」と称することがある。

続いて、圧電素子１０として用いる酸化物単結晶の線膨張係数について説明を行う。
圧電性を有する酸化物単結晶では、通常、線膨張係数に異方性が存在する。
ここで、圧電素子１０を構成する酸化物単結晶に関し、Ｘ軸に沿うＸ方向の線膨張係数を素子Ｘ方向線膨張係数αｘとし、Ｙ軸に沿うＹ方向の線膨張係数を素子Ｙ方向線膨張係数αｙとし、Ｚ軸に沿うＺ方向の線膨張係数を素子Ｚ方向線膨張係数αｚとしたとき、本実施の形態では、素子Ｙ方向線膨張係数αｙと素子Ｚ方向線膨張係数αｚとが、『αｙ＞αｚ』の関係を有している。
なお、本実施の形態で圧電素子１０として用いたＡｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）の場合、素子Ｘ方向線膨張係数αｘは約７．２（×１０^−６／Ｋ）であり、素子Ｙ方向線膨張係数αｙは約７．２（×１０^−６／Ｋ）であり、素子Ｚ方向線膨張係数αｚは約４．９（×１０^−６／Ｋ）である。したがって、この場合においては、『αｙ＞αｚ』であるのに加え、『αｘ＞αｚ』であるとともに『αｘ≒αｙ』である。

さらに、圧電素子１０の形状および寸法について説明を行う。
図７は、圧電素子１０の形状および寸法を説明するための図である。
本実施の形態の圧電素子１０は、直方体状の形状を有している。これにより、圧電素子１０は、Ｘ軸に沿う４つの稜線、Ｙ軸に沿う４つの稜線およびＺ軸に沿う４つの稜線を有しており、その結果、２つのＸＹ平面と２つのＹＺ平面と２つのＸＺ平面とを備えている。

ここで、圧電素子１０に関し、Ｘ方向の長さをＸ方向素子長Ｌｘとし、Ｙ方向の長さをＹ方向素子長Ｌｙとし、Ｚ方向の長さをＺ方向素子長Ｌｚとしたとき、本実施の形態では、Ｙ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとが、『Ｌｙ＜Ｌｚ』の関係を有している。すなわち、本実施の形態では、線膨張係数と素子長とに関し、Ｙ方向とＺ方向とで大小関係が逆転している。
なお、本実施の形態のように圧電素子１０としてＡｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）を用いた場合、Ｙ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとが、『３／７≦Ｌｙ／Ｌｚ≦６／７』の関係を有していることが望ましい。この理由については後述する。そして、この例では、Ｘ方向素子長ＬｘとＹ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとが、『Ｌｘ：Ｌｙ：Ｌｚ＝４．５：４．５：７』の関係を有しており、『Ｌｙ＜Ｌｚ』であるのに加え、『Ｌｘ＜Ｌｚ』であるとともに『Ｌｘ＝Ｌｙ』である。

今度は、第１電極部５０と、圧電素子１０と、第２電極部５５との関係について説明を行う。
本実施の形態では、上述したように、圧力検出装置５の中心線方向と、圧電素子１０における電気軸（Ｘ軸）とを一致させるように、第１電極部５０と第２電極部５５とを用いて、圧電素子１０を挟み込んでいる。このため、第１電極部５０（第２円柱部５２）における後端側の端面と圧電素子１０における一方（先端側）のＹＺ平面とが接触し、且つ、第２電極部５５における先端側の端面と圧電素子１０における他方（後端側）のＹＺ平面とが接触する。

ここで、第１電極部５０の第１電極線膨張係数αｅ１と、圧電素子１０の素子Ｙ方向線膨張係数αｙおよび素子Ｚ方向線膨張係数αｚとは、『αｚ＜αｅ１＜αｙ』の関係を有している。一方、第２電極部５５の第２電極線膨張係数αｅ２と、圧電素子１０の素子Ｙ方向線膨張係数αｙおよび素子Ｚ方向線膨張係数αｚとは、『αｚ＜αｅ２＜αｙ』の関係を有している。

そして、第１電極部５０、圧電素子１０および第２電極部５５を内部に収容するハウジング３０（より具体的には第１ハウジング３１）のハウジング線膨張整数αｈと、圧電素子１０の素子Ｘ方向線膨張係数αｘ、素子Ｙ方向線膨張係数αｙおよび素子Ｚ方向線膨張係数αｚとは、『αｈ＞αｘ』、『αｈ＞αｙ』および『αｈ＞αｚ』の関係を有している。また、ハウジング３０（より具体的には第１ハウジング３１）のハウジング線膨張整数αｈと、第１電極部５０の第１電極線膨張係数αｅ１および第２電極部５５の第２電極線膨張係数αｅ２とは、『αｈ＞αｅ１』および『αｈ＞αｅ２』の関係を有している。

さらに、第１電極部５０の先端側に位置するダイアフラムヘッド４０のダイアフラム線膨張係数αｄと、圧電素子１０の素子Ｘ方向線膨張係数αｘ、素子Ｙ方向線膨張係数αｙおよび素子Ｚ方向線膨張係数αｚとは、『αｄ＞αｘ』、『αｄ＞αｙ』および『αｄ＞αｚ』の関係を有している。さらにまた、ダイアフラムヘッド４０のダイアフラム線膨張係数αｄと、第１電極部５０の第１電極線膨張係数αｅ１および第２電極部５５の第２電極線膨張係数αｅ２とは、『αｄ＞αｅ１』および『αｄ＞αｅ２』の関係を有している。

なお、この例では、上述したように、αｈ＝１０〜１２（×１０^−６／Ｋ）、αｄ＝１０〜１２（×１０^−６／Ｋ）、αｘ≒７．２（×１０^−６ ／Ｋ）、αｙ≒７．２（×１０^−６ ／Ｋ）、αｚ≒４．９（×１０^−６ ／Ｋ）、αｅ１＝５〜６（×１０^−６ ／Ｋ）、αｅ２＝５〜６（×１０^−６ ／Ｋ）である。

本実施の形態の圧力検出装置５は、上述したように例えば内燃機関１におけるシリンダ２ａ内の圧力（燃焼圧）を測定するために用いられる。このとき、燃料の燃焼に伴って圧電素子１０にかかる圧力（圧縮力）は数百ニュートンに及ぶこととなる。また、圧電素子１０には、圧力だけでなく、燃料の燃焼に伴う熱も伝達される。その結果、圧電素子１０には、Ｘ軸に沿う圧縮力および復元力と、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿う膨張力とが働くことになる。

ここで、本実施の形態の圧電素子１０は、上述したように第１電極部５０と第２電極部５５とに挟まれた状態となっている。したがって、燃料の燃焼に伴う熱は、圧電素子１０だけでなく、第１電極部５０および第２電極部５５にも伝達される。このとき、例えば圧電素子１０と第１電極部５０との接触部位において、圧電素子１０の熱膨張量と第１電極部５０の熱膨張量とに大きな違いが存在していると、圧電素子１０にかかる応力が過大となり、結果として圧電素子１０に損傷を招いてしまう懸念がある。また、例えば圧電素子１０と第２電極部５５との接触部位において、圧電素子１０の熱膨張量と第２電極部５５の熱膨張量とに大きな違いが存在していると、圧電素子１０にかかる応力が過大となり、結果として圧電素子１０に損傷を招いてしまう懸念がある。なお、一般的な内燃機関１の場合、ダイアフラムヘッド４０は例えば１７０℃〜２５０℃に加熱され、第１電極部５０、圧電素子１０および第２電極部５５は例えば１５０℃〜２００℃に加熱される。

特に、本実施の形態では、第１電極部５０および第２電極部５５を、線膨張係数の異方性がほぼない金属材料で構成しているのに対し、圧電素子１０のうち第１電極部５０および第２電極部５５と接触する面を、線膨張係数の異方性があるＹＺ平面で構成している。このため、圧電素子１０にかかる応力が、Ｙ方向とＺ方向とで異なる大きさとなりやすい。

そこで、本実施の形態では、圧電素子１０における、Ｙ方向およびＺ方向の線膨張係数と素子長との関係を、上述したように『αｙ＞αｚ』且つ『Ｌｙ＜Ｌｚ』とし、第１電極部５０および圧電素子１０の線膨張係数の関係を、『αｚ＜αｅ１＜αｙ』とすることで、第１電極部５０と圧電素子１０との熱膨張量の違いを低減し、第１電極部５０と圧電素子１０との接触部位を起点とする圧電素子１０の損傷を抑制している。
また、本実施の形態では、圧電素子１０における、Ｙ方向およびＺ方向の線膨張係数と素子長との関係を、上述したように『αｙ＞αｚ』且つ『Ｌｙ＜Ｌｚ』とし、圧電素子１０および第２電極部５５の線膨張係数の関係を、『αｚ＜αｅ２＜αｙ』とすることで、圧電素子１０と第２電極部５５との熱膨張量の違いを低減し、圧電素子１０と第２電極部５５との接触部位を起点とする圧電素子１０の損傷を抑制している。

では、このことについて、具体例を挙げて説明を行う。
図８は、圧電素子１０の形状と圧電素子１０の熱膨張量との関係を模式的に示した図である。なお、ここでは、圧電素子１０における素子Ｙ方向線膨張係数αｙと素子Ｚ方向線膨張係数αｚとが、『αｙ＞αｚ』の関係を有しているものとする。

図８（ａ）は、第１温度Ｔ１（例えば２５℃とする、以下同じ）において、Ｙ方向素子長Ｌｙが第１Ｙ方向素子長Ｌｙ１に設定され、且つ、Ｚ方向素子長Ｌｚが第１Ｙ方向素子長Ｌｙ１と等しい第１Ｚ方向素子長Ｌｚ１（Ｌｚ１＝Ｌｙ１）に設定された圧電素子１０を例示している。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す圧電素子１０を、第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２（例えば３００℃とする、以下同じ）に加熱したときの状態を例示している。なお、図８（ｂ）においては、温度上昇に伴い、圧電素子１０におけるＹ方向素子長Ｌｙが第１Ｙ方向素子長Ｌｙ１よりも大きい第２Ｙ方向素子長Ｌｙ２（Ｌｙ２＞Ｌｙ１）まで伸びており、圧電素子１０におけるＺ方向素子長Ｌｚが第１Ｚ方向素子長Ｌｚ１よりも大きい第２Ｚ方向素子長Ｌｚ２（Ｌｚ２＞Ｌｚ１）まで伸びている。

一方、図８（ｃ）は、第１温度Ｔ１において、Ｙ方向素子長Ｌｙが第３Ｙ方向素子長Ｌｙ３に設定され、且つ、Ｚ方向素子長Ｌｚが第３Ｙ方向素子長Ｌｙ３よりも大きい第３Ｚ方向素子長Ｌｚ３（Ｌｚ３＞Ｌｙ３）に設定された圧電素子１０を例示している。また、図８（ｄ）は、図８（ｃ）に示す圧電素子１０を、第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２に加熱したときの状態を例示している。なお、図８（ｄ）においては、温度上昇に伴い、圧電素子１０におけるＹ方向素子長Ｌｙが第３Ｙ方向素子長Ｌｙ３よりも大きい第４Ｙ方向素子長Ｌｙ４（Ｌｙ４＞Ｌｙ３）まで伸びており、圧電素子１０におけるＺ方向素子長Ｌｚが第３Ｚ方向素子長Ｌｚ３よりも大きい第４Ｚ方向素子長Ｌｚ４まで伸びている。

まず、図８（ａ）に示すように、第１温度Ｔ１において圧電素子１０のＹ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとを等しくした場合（Ｌｙ１＝Ｌｚ１）について考えてみる。このとき、素子Ｙ方向線膨張係数αｙと素子Ｚ方向線膨張係数αｚとは、『αｙ＞αｚ』の関係を有していることから、図８（ｂ）に示すように、第２温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）では、圧電素子１０におけるＹ方向の伸び量（＝Ｌｙ２−Ｌｙ１）が、圧電素子１０におけるＺ方向の伸び量（＝Ｌｚ２−Ｌｚ１）よりも大きくなる。

次に、図８（ｃ）に示すように、第１温度Ｔ１において圧電素子１０のＹ方向素子長ＬｙよりもＺ方向素子長Ｌｚを大きくした場合（Ｌｙ＜Ｌｚ）について考えてみる。このとき、素子Ｙ方向線膨張係数αｙと素子Ｚ方向線膨張係数αｚとは、『αｙ＞αｚ』の関係を有していることから、図８（ｄ）に示すように、第２温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）では、圧電素子１０におけるＹ方向の伸び量（＝Ｌｙ４−Ｌｙ３）と、圧電素子１０におけるＺ方向の伸び量（＝Ｌｚ４−Ｌｚ３）との差が、第１温度Ｔ１においてＹ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとを等しくした圧電素子１０を用いた場合（図８（ｂ）参照）よりも小さくなる。特に、第１温度Ｔ１における圧電素子１０のＹ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとの比（Ｌｙ／Ｌｚ）を、圧電素子の素子Ｚ方向線膨張係数αｚと素子Ｙ方向線膨張係数αｙとの比（αｚ／αｙ）に近づける（Ｌｙ／Ｌｚ≒αｚ／αｙ）ことにより、温度上昇に伴う圧電素子１０のＹ方向の伸び量とＺ方向の伸び量とを、同じ大きさに近づけることが可能になる。

なお、ここでは図示しなかったが、仮に、第１温度Ｔ１において圧電素子１０のＹ方向素子長ＬｙをＺ方向素子長Ｌｚよりも大きくした場合（Ｌｙ＞Ｌｚ）には、第２温度Ｔ２におけるＹ方向の伸び量とＺ方向の伸び量との差は、第１温度Ｔ１においてＹ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとを等しくした圧電素子１０を用いた場合（図８（ｂ）参照）に比べて、さらに大きくなる。

そして、本実施の形態では、例えば図８（ｃ）に示した構成において、第１電極部５０の第１電極線膨張係数αｅ１と、圧電素子１０の素子Ｙ方向線膨張係数αｙおよび素子Ｚ方向線膨張係数αｚとが、『αｚ＜αｅ１＜αｙ』の関係を有している。このため、Ｙ方向における第１電極部５０と圧電素子１０との熱膨張量の差、および、Ｚ方向における第１電極部５０と圧電素子１０との熱膨張量の差、をそれぞれ小さくすることが可能になる。これにより、温度上昇に起因する圧電素子１０の損傷を抑制することが可能になる。

また、本実施の形態では、例えば図８（ｃ）に示した構成において、第２電極部５５の第２電極線膨張係数αｅ２と、圧電素子１０の素子Ｙ方向線膨張係数αｙおよび素子Ｚ方向線膨張係数αｚとが、『αｚ＜αｅ２＜αｙ』の関係を有している。このため、Ｙ方向における第２電極部５５と圧電素子１０との熱膨張量の差、および、Ｚ方向における第２電極部５５と圧電素子１０との熱膨張量の差、をそれぞれ小さくすることが可能になる。これにより、温度上昇に起因する圧電素子１０の損傷を抑制することが可能になる。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
本発明者は、圧電素子１０としてＡｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）単結晶を用い、Ｙ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとの関係を種々異ならせた圧電素子１０を作製し、得られた各圧電素子１０を図２等に示す圧力検出装置５に組み込むとともに図１に示す内燃機関１に装着し、圧電素子１０の破壊が発生する温度（破壊発生温度）に関する評価を行った。

なお、ここでは、圧電素子１０におけるＹ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとを、「Ｌｙ：Ｌｚ」すなわち比で表すようにした。そして、「Ｌｙ：Ｌｚ」がそれぞれ、「２：７」、「３：７」、「４：７」、「４．５：７」、「５：７」、「５．５：７」、「６：７」、「７：７」、「８：７」となる９つの圧電素子１０を準備した。なお、各圧電素子１０におけるＸ方向素子長Ｌｘは、それぞれのＹ方向素子長Ｌｙと同じ大きさ（Ｌｘ＝Ｌｙ）に設定した。

図９は、Ａｌ置換ランガテイト（ＬＴＧＡ）で構成された圧電素子１０の形状と破壊発生温度との関係を説明するための図である。図９において、横軸はＹ方向素子長ＬｙとＺ方向素子長Ｌｚとの比（Ｌｙ：Ｌｚ）であり、縦軸は破壊発生温度（℃）である。

図９に示すように、「Ｌｙ：Ｌｚ」を「７：８」すなわちＬｙ＜Ｌｚとなるように設定した圧電素子１０を用いた場合、その破壊発生温度は１００℃程度であった。また、「Ｌｙ：Ｌｚ」を「７：７」すなわちＬｙ＝Ｌｚとなるように設定した圧電素子１０を用いた場合、その破壊温度は２４０℃程度であった。

一方、「Ｌｙ：Ｌｚ」を「３：７」〜「６：７」に設定した圧電素子１０を用いた場合、その破壊発生温度はそれぞれ３００℃以上となった。特に、これらの中で、「Ｌｙ：Ｌｚ」を「４．５：７」に設定した圧電素子１０を用いた場合において、その破壊発生温度は、最も高いほぼ４００℃となった。なお、「Ｌｙ：Ｌｚ」を「２：７」に設定した圧電素子１０を用いた場合、その破壊発生温度は２２０℃程度となった。

ここで、内燃機関１において圧力検出装置５を使用する場合、圧電素子１０の温度は、上述したように１５０℃〜２００℃となり得る。そして、安全性を確保するために若干の余裕を加味すると、内燃機関１で使用する圧力検出装置５に設けられた圧電素子１０の破壊発生温度は、３００℃以上であることが望ましい。したがって、このような用途で用いられる場合において、Ａｌ置換ランガテイトを用いた圧電素子１０におけるＹ方向素子長ＬｙおよびＺ方向素子長Ｌｚは、３／７≦Ｌｙ／Ｌｚ≦６／７の関係を満足していることが望ましいことになる。

１…内燃機関、２…シリンダブロック、３…ピストン、４…シリンダヘッド、５…圧力検出装置、６…制御装置、７…シール部材、８…伝送ケーブル、１０…圧電素子、２１…回路基板部、２２…伝導部材、２３…覆い部材、２６…Ｏリング、３０…ハウジング、４０…ダイアフラムヘッド、５０…第１電極部、５５…第２電極部、６０…絶縁リング、６５…支持部材、７０…コイルスプリング、８０…コネクタ、８１…第１ケーブル、８２…第２ケーブル、８３…第３ケーブル、１００…センサ部、２００…信号処理部、３００…保持部材

Claims (7)

1. 圧電性を有し且つランガサイト型の結晶構造を有する酸化物単結晶で構成され、当該酸化物単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力するとともに、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数がＺ方向の線膨張係数よりも大きく設定され、且つ、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の長さがＺ方向の長さよりも小さく設定される圧電素子と、
   前記酸化物単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該酸化物単結晶に圧力を付与する第１付与部材と、
   前記酸化物単結晶のうち前記一方の面に対向し且つ前記Ｘ軸が貫通する他方の面に接触して配置され、前記第１付与部材とともに当該酸化物単結晶に圧力を付与する第２付与部材と
   を含み、
   前記第１付与部材の線膨張係数および前記第２付与部材の線膨張係数が、前記酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数とＺ方向の線膨張係数との間に設定されること
   を特徴とする圧力検出装置。
2. 前記第１付与部材および前記第２付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
3. 圧電性を有する酸化物単結晶で構成され、当該酸化物単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力するとともに、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数がＺ方向の線膨張係数よりも大きく設定され、且つ、当該酸化物単結晶におけるＹ方向の長さがＺ方向の長さよりも小さく設定される圧電素子と、
   前記酸化物単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該酸化物単結晶に圧力を付与する第１付与部材と、
   前記酸化物単結晶のうち前記一方の面に対向し且つ前記Ｘ軸が貫通する他方の面に接触して配置され、前記第１付与部材とともに当該酸化物単結晶に圧力を付与する第２付与部材と
   を含み、
   前記第１付与部材の線膨張係数および前記第２付与部材の線膨張係数が、前記酸化物単結晶におけるＹ方向の線膨張係数とＺ方向の線膨張係数との間に設定され、
   前記第１付与部材および前記第２付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とする圧力検出装置。
4. 前記圧電素子を構成する前記酸化物単結晶が、直方体状に形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の圧力検出装置。
5. ＬＴＧＡ（Ｌａ_３Ｔａ_０．５Ｇａ_{５．５−ｘ}Ａｌ_ｘＯ_１４）単結晶で構成され、当該ＬＴＧＡ単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子と、
   前記ＬＴＧＡ単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通する一方の面に接触して配置され、当該ＬＴＧＡ単結晶に圧力を付与する第１付与部材と、
   前記ＬＴＧＡ単結晶のうち前記Ｘ軸が貫通し且つ前記一方の面に対向する他方の面に接触して配置され、前記第１付与部材とともに当該ＬＴＧＡ単結晶に圧力を付与する第２付与部材と
   を含み、
   前記ＬＴＧＡ単結晶におけるＹ方向の長さＬｙとＺ方向の長さＬｚとが、
   ３／７≦Ｌｙ／Ｌｚ≦６／７
   なる関係を有していることを特徴とする圧力検出装置。
6. 前記第１付与部材および前記第２付与部材のそれぞれは、超硬合金で構成されるとともに前記圧電素子で発生した電荷を取り出すための電極としての機能を備えることを特徴とする請求項５記載の圧力検出装置。
7. ＬＴＧＡ（Ｌａ_３Ｔａ_０．５Ｇａ_{５．５−ｘ}Ａｌ_ｘＯ_１４）単結晶で構成され、当該ＬＴＧＡ単結晶における電気軸をＸ軸、当該電気軸に直交する機械軸をＹ軸、当該電気軸と当該機械軸とに直交する光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ方向に付与される圧力に応じた電荷を出力する圧電素子において、
   前記ＬＴＧＡ単結晶におけるＹ方向の長さＬｙとＺ方向の長さＬｚとが、
   ３／７≦Ｌｙ／Ｌｚ≦６／７
   なる関係を有していることを特徴とする圧電素子。

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