JP6954861B2 - 圧電素子、圧力検出装置、圧電部材の温度測定方法、圧電部材の出力補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子、圧力検出装置、圧電部材の温度測定方法、圧電部材の出力補正方法に関する。

例えば内燃機関を有する自動車等の装置に対し、内燃機関の燃焼圧を検出する燃焼圧検出装置を搭載することが検討されている。
この種の燃焼圧検出装置として、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する圧電体を含む圧電素子を用いたものが知られている。ここで、圧電体の圧力感度には温度依存性が存在し、同じ圧力を受けた場合であっても、そのときの温度によって、出力される電荷の量に違いが発生し得る。

例えば特許文献１には、エンジンのシリンダ内圧を直接計測する筒内圧検出装置（燃焼圧検出装置）において、圧電素子等で構成された筒内圧センサに、温度センサを付設することで、筒内圧とともに筒内温度も測定し、所定の温度以上において、筒内圧のセンサ出力を温度で補正することが記載されている。また、特許文献１では、筒内圧検出装置のうち、筒内圧を受ける受圧面と、受圧面の直後に配置される圧電素子との間に、熱電対からなる温度センサを配置している。

特開昭６３−２８６７３３号公報

しかしながら、圧電素子から離れた位置に温度センサを配置した場合、実際の圧電素子の温度と温度センサによる温度測定結果とに違い（誤差）が生じる。このため、圧電素子の出力に対し、温度センサの出力に基づく補正（温度補正）を行ったとしても、その補正結果には、温度の測定位置に起因する誤差が含まれることになってしまう。

ここで、圧電素子を構成する圧電体に、温度センサを接触して配置することが考えられる。しかしながら、圧電体は、上述したように、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力するものであることから、この電荷が、圧電体に接触する温度センサに供給されてしまうおそれがある。すると、今度は、温度センサの出力に、圧電体の電荷が混入することとなってしまう。このため、圧電素子の出力に対し、温度センサの出力に基づく補正（温度補正）を行ったとしても、その補正結果には、圧電体が出力する電荷に起因する誤差が含まれることになってしまう。
本発明は、圧電性を有する酸化物単結晶で構成された圧電部材の温度の測定誤差を低減することを目的とする。

本発明の圧電素子は、酸化物単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材と、前記圧電部材の前記非出力面に接触して設けられ、当該圧電部材の温度測定に用いられる測温部材とを含んでいる。
このような圧電素子において、前記圧電部材はランガサイト系単結晶からなり、前記出力面が前記ランガサイト系単結晶のＸ面であり、前記非出力面が当該ランガサイト系単結晶のＺ面であることを特徴とすることができる。
また、前記測温部材は、熱電対からなることを特徴とすることができる。
また、前記熱電対は、Ｋ熱電対またはＥ熱電対であることを特徴とすることができる。
また、前記測温部材は、測温抵抗体からなることを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧電素子は、酸化物単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材と、無機材料、金属または合金で構成され、前記圧電部材の前記非出力面に積層される薄膜部材とを含んでいる。
このような圧電素子において、前記薄膜部材は、前記圧電部材のうち外部から受けた圧力が作用する圧力作用面の面方向に沿って、前記非出力面に積層されることを特徴とすることができる。
また、前記圧電部材はランガサイト系単結晶からなり、前記出力面が前記ランガサイト系単結晶のＸ面であり、前記非出力面が当該ランガサイト系単結晶のＺ面であることを特徴とすることができる。
また、前記薄膜部材は、金属または合金で構成され前記圧電部材の前記非出力面に積層される第１層と、当該第１層とは異なる金属または合金で構成され当該第１層と接合するように当該非出力面に積層される第２層とを有することを特徴とすることができる。
また、前記薄膜部材は、白金、銅またはニッケルで構成されることを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧電素子は、ランガサイト系単結晶で構成され、結晶学上のｚ軸に直交するＺ面を有する圧電部材と、前記圧電部材の前記Ｚ面に接触して設けられ、当該圧電部材の温度測定に用いられる測温部材とを含んでいる。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧電素子は、ランガサイト系単結晶で構成され、結晶学上のｚ軸に直交するＺ面を有する圧電部材と、無機材料、金属または合金で構成され、前記圧電部材の前記Ｚ面に積層される薄膜部材とを含んでいる。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧力検出装置は、酸化物単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材と、前記圧電部材の前記非出力面に接触して設けられ、当該圧電部材の温度測定に用いられる測温部材と、前記圧電部材からの電気的な出力に対し、前記測温部材からの電気的な出力に基づく補正を施す補正部とを含んでいる。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧電部材の温度測定方法は、酸化物単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材の当該非出力面に、熱電対または測温抵抗体を接触させ、前記熱電対または前記測温抵抗体からの電気的な出力に基づいて、前記圧電部材の温度を測定する。
また、他の観点から捉えると、本発明の圧電部材の出力補正方法は、酸化物単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材の当該非出力面に、熱電対または測温抵抗体を接触させ、前記熱電対または前記測温抵抗体からの電気的な出力に基づいて、前記圧電部材からの電気的な出力を補正する。

本発明によれば、圧電性を有する酸化物単結晶で構成された圧電部材の温度の測定誤差を低減することができる。

実施の形態が適用された圧力検出システムの概略構成図である。 圧力検出装置の斜視図である。 圧力検出装置のブロック図である。 圧電素子の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態１の薄膜部材を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態２の薄膜部材を説明するための図である。 第１の変形例の薄膜部材を説明するための図である。 第２の変形例の薄膜部材を説明するための図である。 第３の変形例の圧電素子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。
＜実施の形態１＞
［圧力検出システムの構成］
図１は、実施の形態が適用される圧力検出システム１の概略構成図である。
この圧力検出システム１は、内燃機関１０における燃焼室Ｃ内の圧力（燃焼圧）を検出する圧力検出装置２０と、圧力検出装置２０に対する給電を行うとともに圧力検出装置２０が検出した圧力に基づいて内燃機関１０の動作を制御する制御装置８０と、圧力検出装置２０と制御装置８０とを電気的に接続するケーブル７０とを備えている。

ここで、圧力の検出対象となる内燃機関１０は、内部にシリンダが形成されたシリンダブロック１１と、シリンダ内を往復動するピストン１２と、シリンダブロック１１に締結されてピストン１２等とともに燃焼室Ｃを構成するシリンダヘッド１３とを有している。また、シリンダヘッド１３には、燃焼室Ｃと外部とを連通する連通孔１３ａが設けられている。この連通孔１３ａの内部には雌ねじ（図示せず）が形成されており、圧力検出装置２０の外周面に形成された雄ねじ（図示せず）をねじ込むことで、内燃機関１０に対して圧力検出装置２０を取り付けている。なお、連通孔１３ａの両端部側には、シリンダヘッド１３と圧力検出装置２０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（図示せず）が設けられている。

［圧力検出装置の構成］
図２は、圧力検出装置２０の斜視図である。
圧力検出装置２０は、受けた圧力に応じた圧力信号と自身の温度に応じた温度信号とを出力する圧電素子３０と、圧力信号および温度信号に電気的な処理を施す電子回路等が搭載された処理部４０と、圧電素子３０および処理部４０を内部に収容する筐体５０とを備えている。そして、この圧力検出装置２０は、図１に示す内燃機関１０に対し、圧電素子３０が燃焼室Ｃ（図１において下方）を向くとともに処理部４０が外部（図１において上方）を向くように取り付けられる。なお、以下の説明では、図２において、図中左下側（圧電素子３０側）を圧力検出装置２０の「先端側」と称し、図中右上側（処理部４０側）を圧力検出装置２０の「後端側」と称する。また、以下の説明では、図２に一点鎖線で示す圧力検出装置２０の中心線方向を、単に中心線方向と称する。

図３は、圧力検出装置２０のブロック図である。ただし、図３には、圧力検出装置２０に加えて、ケーブル７０および制御装置８０も記載している。
（圧電素子）
圧電素子３０は、圧電体で構成される圧電部材３１と、圧電部材３１の外周面のうちの一部の領域に積層される薄膜部材３２とを備えている。すなわち、本実施の形態の圧電素子３０は、圧電部材３１と薄膜部材３２とを一体化した構成を有している。本実施の形態の圧電素子３０において、圧電部材３１は、圧力検出装置２０の外部から受けた圧力に応じた圧力信号を出力し、薄膜部材３２は、圧電部材３１の温度に応じた温度信号を出力する。なお、圧電素子３０の詳細については後述する。

（処理部）
処理部４０は、圧電素子３０の圧電部材３１から入力される圧力信号（本実施の形態では電荷信号）を積分することで電圧信号に変換する積分回路４１と、積分回路４１から入力される電圧信号を増幅する増幅回路４２とを備えている。また、処理部４０は、増幅回路４２から入力される増幅後の電圧信号に、圧電素子３０の薄膜部材３２から入力される温度信号（本実施の形態では電圧信号）に基づく補正（温度補正）を施す補正回路４３をさらに備えている。そして、補正部の一例としての補正回路４３が出力する補正後の電圧信号（以下では、出力信号と称する）は、ケーブル７０を介して制御装置８０に出力される。

（筐体）
筐体５０は、例えば全体として筒状を呈しており、その内部に圧電素子３０と処理部４０とを収容している（図２参照）。この筐体５０は、耐熱性が高いステンレス等の金属材料で構成されている。ただし、本実施の形態の圧力検出装置２０では、導電性を有する金属材料で構成された筐体５０と、圧電素子３０および処理部４０とが、電気的に絶縁されている。これにより、内燃機関１０に圧力検出装置２０を取り付けた際に、内燃機関１０のシリンダヘッド１３と、圧力検出装置２０の筐体５０とが接触することに起因して、シリンダヘッド１３側から筐体５０側に伝達されるノイズが、圧電素子３０による検出結果（圧力信号および温度信号）や処理部４０による処理結果（出力信号）に、影響を与えるのを抑制している。

［ケーブルの構成］
ケーブル７０は、制御装置８０から圧力検出装置２０の処理部４０に供給される電源電圧Ｖｃｃを受電するための受電線７１と、圧力検出装置２０のグランド（ＧＮＤ）を制御装置８０と共通にするための接地線７２と、圧力検出装置２０に設けられた処理部４０からの出力（ＯＵＴ）を制御装置８０に供給するための出力線７３とを有している。ここで、受電線７１、接地線７２および出力線７３は、それぞれ絶縁電線で構成されており、ケーブル７０は静電遮へいされている。

［圧電素子の構成］
では、本実施の形態で用いた圧電素子３０の詳細について説明を行う。
図４は、圧電素子３０の斜視図である。
本実施の形態の圧電素子３０は、四角柱状（この例では立方体状）に成形されてなる圧電部材３１と、圧電部材３１が有する複数の面（この例では６つの面）のうちの１つの面に積層されてなる薄膜部材３２とを有している。

（圧電部材）
本実施の形態の圧電部材３１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。ここで、圧電部材３１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、圧電部材３１として用いられる酸化物単結晶は、自身の融点まで相転移がないことが好ましい。さらに、圧電部材３１として用いられる酸化物単結晶は、キュリー点を持たないことが好ましい。

また、圧電部材３１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２０が、比較的高温となり得る内燃機関１０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。以下の説明においては、ランガサイト型の結晶構造を有する酸化物単結晶を、『ランガサイト系単結晶』と称する。また、以下では、ランガサイト系単結晶を、圧電部材３１として用いた場合を例として説明を行う。なお、ランガサイト系単結晶としては、ディスオーダー型であるＬＧＳ、ＰＧＳ、ＮＧＳ、ＬＴＧ、ＬＴＧＡ、ＬＮＧ、ＳＧＧ、ＮＣＧ等や、オーダー型であるＣＮＡＳ、ＣＴＡＳ、ＣＮＧＳ、ＣＴＧＳ、ＳＮＧＳ、ＳＴＧＳ等を挙げることができる。

次に、ランガサイト系単結晶の結晶構造および結晶軸について説明を行う。
ランガサイト系単結晶を含む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。ここで、結晶学においては、ｘ軸を「電気軸」、ｙ軸を「機械軸」、そして、ｚ軸を「光学軸」、と称することがある。

続いて、本実施の形態の圧電部材３１の切り出し方について説明を行う。
本実施の形態の圧電部材３１は、チョクラルスキー（Ｃｚ）法等で製造されたインゴット状のランガサイト系単結晶を、ｙ軸およびｚ軸に沿うｙｚ平面（２箇所）、ｚ軸およびｘ軸に沿うｚｘ平面（２箇所）、ｘ軸およびｙ軸に沿うｘｙ平面（２箇所）、に沿ってそれぞれ切り出すことにより、直方体状（ここでは立方体状）を呈するようになっている。したがって、本実施の形態の圧電部材３１は、ｘ軸に沿う４つの稜線と、ｙ軸に沿う４つの稜線と、ｚ軸に沿う４つの稜線とを有していることになる。なお、以下の説明においては、圧電部材３１に設けられた、２つのｙｚ平面をそれぞれＸ面３１１と称し、２つのｚｘ平面をそれぞれＹ面３１２と称し、２つのｘｙ平面をそれぞれＺ面３１３と称する。また、見方を変えれば、ｘ軸と直交する面がＸ面３１１であり、ｙ軸と直交する面がＹ面３１２であり、ｚ軸と直交する面がＺ面３１３であるといえる。なお、これらＸ面３１１、Ｙ面３１２およびＺ面３１３の切り出し角は、それぞれの面に対応する軸（ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）に対し、±２°の範囲内でずれていてもかまわない。そして、圧電部材３１の結晶方位は、例えば結晶方位測定装置Ｍｕｌｔｉ−ＸＣＯ（株式会社アールイーエス・ラボ社製）によって測定することができる。

また、本実施の形態の圧電部材３１では、圧電体の圧電縦効果を利用している。ここで、圧電縦効果とは、圧電体の電気軸と同一方向に外力を作用させると、電気軸と直交する圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。したがって、ランガサイト系単結晶を用いて構成した圧電部材３１で圧電縦効果を利用する場合、電気軸であるｘ軸と直交するＸ面３１１が、圧力作用面および電荷出力面の両者として機能することになる。そして、本実施の形態の圧電部材３１は、そのｘ軸が圧力検出装置２０の中心線方向（図２参照）と平行となる（一致する）ように、筐体５０内に収容される。その結果、圧電部材３１では、ｘ軸と直交するＸ面３１１に、外部から受けた圧力Ｐが作用することになる。そして、圧電部材３１のうち、一方のＸ面３１１には、筐体５０の内部に収容された正の電極（図示せず）が接触して配置され、他方のＸ面３１１には、筐体５０の内部に収容された負の電極（図示せず）が接触して配置される。

ここで、ランガサイト系単結晶を用いた圧電部材３１において、Ｘ面３１１に圧力を作用させた場合、Ｘ面３１１よりは少なくなるものの、Ｙ面３１２にも電荷が出力される。ただし、ランガサイト系単結晶を用いた圧電部材３１において、Ｘ面３１１に圧力を作用させた場合、Ｚ面３１１には電荷が出力されない。したがって、ランガサイト系単結晶を用いて圧電部材３１を構成した場合、Ｘ面３１１およびＹ面３１２は出力面の一例となり、Ｚ面３１３は非出力面の一例となる。

（薄膜部材）
測温部材の一例としての薄膜部材３２は、圧電部材３１の２つのＺ面３１３のうちの一方のＺ面３１３（図４において右下手前側）に形成されている。なお、薄膜部材３２は、圧電部材３１の他方のＺ面３１３（図４には図示せず）には形成されていない。ここで、薄膜部材３２を構成する材料は、圧電性を有していないことが好ましい。また、薄膜部材３２は、圧電部材３１の一方のＺ面３１３に対し、例えば各種気相成長法（スパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等）を用いて積層することが望ましい。

ここで、薄膜部材３２は、圧電部材３１の一方のＺ面３１３のうち、２つのＸ面３１１の中間となる部位（ｘ軸方向においてＺ面３１３のほぼ中央となる部位）に形成されている。また、薄膜部材３２は、圧電部材３１の一方のＺ面３１３に対し、ｘ軸方向の長さよりもｙ軸方向の長さが大きくなる（図４において横長となる）ように、矩形状に形成されている。すなわち、薄膜部材３２は、圧電部材３１において圧力作用面となる、Ｘ面３１１の面方向に沿って形成される。

次に、本実施の形態で用いた、薄膜部材３２の詳細について説明を行う。
図５は、本実施の形態の薄膜部材３２を説明するための図である。ただし、図５には、圧電部材３１と薄膜部材３２とを含む圧電素子３０を記載している。ここで、図５（ａ）は、薄膜部材３２を圧電部材３１のｚ軸方向下流側（図４において右下手前側）からみた図であり、図５（ｂ）は、薄膜部材３２を圧電部材３１のｘ軸方向上流側（図４において下側）からみた図である。

本実施の形態の薄膜部材３２は、圧電部材３１の一方のＺ面３１３の上に積層される下地層３２０と、下地層３２０の上に積層される第１金属層３２１および第２金属層３２２とを備えている。本実施の形態では、第１金属層３２１（第１層の一例）と第２金属層３２２（第２層の一例）とが、異なる組成の金属材料で構成されており、ｙ軸方向の下流側に第１金属層３２１が、ｙ軸方向の上流側に第２金属層３２２が、それぞれ配置されている。そして、薄膜部材３２におけるｙ軸方向の中央部には、第１金属層３２１と第２金属層３２２とを接合して（重ねて）なる接合部３２３が形成されている。その結果、第１金属層３２１および第２金属層３２２は、接合部３２３を測温接点（熱接点）とする熱電対を構成している。なお、この例では、接合部３２３において、圧電部材３１と近い側に第２金属層３２２が、圧電部材３１から遠い側（第２金属層３２２の上）に第１金属層３２１が、それぞれ配置されている。

また、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、第１金属層３２１に、導電性を有する第１リード線３３１が接続されており、第２金属層３２２に、導電性を有する第２リード線３３２が接続されている（図５（ｂ）では記載を省略）。これら第１リード線３３１および第２リード線３３２は、薄膜部材３２によって構成された熱電対から、温度信号を取り出すために用いられる。

〔下地層〕
下地層３２０は、圧電部材３１と、第１金属層３２１および第２金属層３２２との密着性を高めるために、下地として設けられる層である。下地層３２０には、例えば共晶はんだとして知られるＡｕＳｎ合金等を用いることができる。

〔熱電対〕
第１金属層３２１および第２金属層３２２によって構成される熱電対としては、Ｂ熱電対、Ｒ熱電対、Ｓ熱電対、Ｎ熱電対、Ｋ熱電対、Ｅ熱電対、Ｊ熱電対、Ｔ熱電対等を用いることができる。ここで、内燃機関１０が動作している場合、燃焼室Ｃ内の温度は数百度程度まで上昇することがあり、その場合に、圧力検出装置２０において筐体５０内に収容される圧電素子３０（圧電部材３１）は、＋３００〜４００℃程度となることがあり得る。また、内燃機関１０を搭載した自動車等が、例えば北海道やアラスカ等の寒冷地で使用される場合、内燃機関１０の始動時に、圧力検出装置２０に設けられた圧電部材３１の温度が、−５０℃程度まで低下していることがあり得る。そこで、このような範囲での温度を測定可能とするためには、Ｋ熱電対（使用温度範囲：−２００℃〜＋１０００℃程度）あるいはＥ熱電対（使用温度範囲：−２００℃〜＋７００℃程度）を採用することが望ましい。例えばＫ熱電対の場合は、第１金属層３２１および第２金属層３２２をクロメル（合金）およびアルメル（合金）で構成することとなり、また、例えばＥ熱電対の場合は、第１金属層３２１および第２金属層３２２をクロメル（合金）およびコンスタンタン（合金）で構成することとなる。

（圧電部材と薄膜部材との関係）
ではここで、圧電部材３１と薄膜部材３２との関係について説明を行う。
本実施の形態において、圧電部材３１はバルク体で、薄膜部材３２は薄膜で、それぞれ構成されている。ここで、圧電部材３１の大きさは、例えば、ｘ軸方向が２ｍｍ、ｙ軸方向が２ｍｍ、ｚ軸方向が２ｍｍである。これに対し、薄膜部材３２の大きさは、例えば、ｘ軸方向が０．１ｍｍ、ｙ軸方向が１．２ｍｍ、ｚ軸方向が０．００１μｍである。その結果、薄膜部材３２は、圧電部材３１よりも体積が小さくなっており、熱容量も小さくなっている。
また、薄膜部材３２を構成する各材料（本実施の形態では金属材料）の融点は、圧電部材３１が置かれ得る温度の最高値（最高温度：例えば＋４００℃）よりも高いことが好ましい。

［圧力検出装置による圧力検出動作］
では、本実施の形態の圧力検出装置２０による圧力検出動作について説明を行う。
（圧電部材の動作）
内燃機関１０が動作しているとき、圧力検出装置２０に設けられた圧電素子３０には、先端側から後端側へと向かう、中心線方向に沿った圧力が付与される。このとき、圧電素子３０を構成する圧電部材３１には、ｘ軸に沿った圧力Ｐが２つのＸ面３１１間に加えられることになる。すると、圧電部材３１では、受けた圧力に応じた電荷が発生する。本実施の形態では、圧電部材３１がランガサイト系単結晶で構成されていることから、圧力に応じて生じた電荷は、Ｘ面３１１およびＹ面３１２には出力される一方、Ｚ面３１３には出力されない。そして、圧電部材３１に生じた電荷は、圧電部材３１の２つのＸ面３１１に接触する正負の電極（図示せず）を介して、圧力信号（電荷信号）として処理部４０に伝達される。

（薄膜部材の動作）
この間、圧電部材３１とともに圧電素子３０を構成する薄膜部材３２では、第１金属層３２１と第２金属層３２２とが接する接合部３２３において、薄膜部材３２の積層対象である、圧電部材３１の温度に応じた熱起電力が生じる。このようにして発生した熱起電力（電圧信号）は、第１金属層３２１および第１リード線３３１と、第２金属層３２２および第２リード線３３２とを介して、温度信号として処理部４０に伝達される。

（処理部の動作）
処理部４０には、制御装置８０から、ケーブル７０（受電線７１および接地線７２）を介して、積分回路４１、増幅回路４２および補正回路４３等を動作させるための電源電圧Ｖｃｃが供給されている。そして、処理部４０では、積分回路４１が、圧電素子３０の圧電部材３１から供給される圧力信号（電荷信号）を積分して、電圧信号に変換する。次に、増幅回路４２が、積分回路４１から供給される積分後の電圧信号を増幅する。続いて、補正回路４３が、増幅回路４２から供給される増幅後の電圧信号に対し、圧電素子３０の薄膜部材３２から供給される温度信号（電圧信号）に基づく出力の補正（温度補正）を行う。補正回路４３から出力される補正後の電圧信号は、ケーブル７０（出力線７３および接地線７２）を介し、出力信号として制御装置８０に出力されることになる。

［実施の形態１のまとめ］
以上説明したように、本実施の形態では、酸化物単結晶（ランガサイト系単結晶）で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面（Ｘ面３１１、Ｙ面３１２）と圧力に応じた電荷を出力しない非出力面（Ｚ面３１３）とを有する圧電部材３１と、圧電部材３１の非出力面（Ｚ面３１３）に積層して設けられ、圧電部材３１の温度測定に用いられる薄膜部材３２とを含む圧電素子３０を用いた。

これにより、外部から受けた圧力を圧電部材３１で検出できるとともに、圧電部材３１の温度を薄膜部材３２で測定することができる。ここで、本実施の形態では、圧電部材３１に薄膜部材３２を積層（接触）させているため、圧電部材３１の温度を非接触で測定する場合と比較して、温度の測定誤差を低減することができる。また、本実施の形態では、圧電部材３１における電荷の非出力面（Ｚ面３１３）に薄膜部材３２を積層しているため、電荷の出力面（Ｘ面３１１、Ｙ面３１２）に薄膜部材３２を積層した場合と比較して、薄膜部材３２から出力される温度信号に、圧電部材３１から出力される圧力信号（電荷）が混入しにくくなる。その結果、圧電部材３１の温度の測定誤差をより低減することが可能になる。

そして、本実施の形態では、圧電部材３１が出力する圧力信号を、薄膜部材３２が出力する温度信号を用いて補正するようにした。これにより、圧力信号を補正しない場合と比較して、圧電部材３１を構成する酸化物単結晶（ランガサイト系単結晶）の温度特性に起因する圧力の検出誤差を低減することができる。

また、本実施の形態では、圧電部材３１に薄膜部材３２を積層することで、両者を一体化した圧電素子３０を用いた。さらに、本実施の形態では、薄膜部材３２を、圧電部材３１のＺ面３１３のうち、２つのＸ面３１１の中間となる位置に形成するようにした。さらにまた、本実施の形態では、圧電部材３１のＺ面３１３に形成される薄膜部材３２を、ｘ軸方向の長さよりもｙ軸方向の長さが大きい横長形状とした。ここで、本実施の形態の圧電素子３０は、中心線方向すなわちｘ軸方向に沿って圧力を受けることから、圧電部材３１は、受けた圧力に応じてｘ軸方向に圧縮・伸長され、圧電部材３１に積層される薄膜部材３２も、ｘ軸方向に沿う力が付与されることになる。これに対し、本実施の形態では、薄膜部材３２を、上述したような横長形状とすることにより、例えばｙ軸方向の長さよりもｘ軸方向の長さが大きい縦長形状とした場合と比較して、受けた圧力に起因する、圧電部材３１からの薄膜部材３２の剥がれを抑制することができる。

さらに、本実施の形態では、圧電部材３１よりも体積および熱容量が小さい薄膜部材３２を用いて、圧電部材３１の温度を測定するようにした。このため、例えば一対の金属線で構成された熱電対を用いて圧電部材３１の温度を測定する場合と比較して、その応答性を高速化することができる。特に、本実施の形態では、圧電素子３０を内蔵する圧力検出装置２０が、「吸入」→「圧縮」→「燃焼」→「排気」の４行程を繰り返す内燃機関１０に装着されており、これら各行程において、燃焼室Ｃ内の温度は刻々と変化する。このため、薄膜部材３２を用いることにより、各行程における温度を、より正確に把握することが可能となる。

また、本実施の形態では、薄膜部材３２を用いて熱電対を構成するようにした。熱電対の場合、接合部３２３において熱起電力が生じることから、測温抵抗体等とは異なり、定電流の供給等は不要である。このため、圧電部材３１の温度測定用の回路構成を簡易なものとすることができる。

さらに、本実施の形態では、薄膜部材３２によって構成される熱電対として、Ｋ熱電対またはＥ熱電対を採用するようにした。これにより、他の熱電対を使用する場合と比較して、圧力検出装置２０が取り付けられた内燃機関１０および内燃機関１０を搭載する自動車の使用環境（−５０℃〜＋４００℃）において、より正確な温度を測定することが可能になる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１の圧力検出装置２０では、薄膜部材３２によって構成された『熱電対』を用いて、圧電部材３１の温度を測定していた。これに対し、本実施の形態では、薄膜部材３２によって構成された『測温抵抗体』を用いて、圧電部材３１の温度を測定するようにしたものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様のものについては、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

［圧電素子の構成］
本実施の形態の圧電素子３０の基本的な構成は、実施の形態１と同じである（図４参照）。すなわち、圧電素子３０は、ランガサイト系単結晶で構成され、２つのＸ面３１１、２つのＹ面３１２および２つのＺ面３１３とを有する圧電部材３１と、圧電部材３１の一方のＺ面３１３に積層される薄膜部材３２とを備えている。なお、圧電部材３１については、実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。

（薄膜部材）
次に、本実施の形態で用いた、薄膜部材３２の詳細について説明を行う。
図６は、本実施の形態の薄膜部材３２を説明するための図である。ただし、図６には、圧電部材３１と薄膜部材３２とを含む圧電素子３０を記載している。ここで、図６（ａ）は、薄膜部材３２を圧電部材３１のｚ軸方向下流側（図４において右下手前側）からみた図であり、図６（ｂ）は、薄膜部材３２を圧電部材３１のｘ軸方向上流側（図４において下側）からみた図である。

本実施の形態の薄膜部材３２は、圧電部材３１の一方のＺ面３１３の上に積層される下地層３２０と、下地層３２０の上に積層される金属層３２４とを備えている。本実施の形態では、金属層３２４を、温度変化によって電気抵抗値が変化する金属材料で構成しており、金属層３２４は測温抵抗体として機能するようになっている。なお、下地層３２０については、実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。

また、本実施の形態では、金属層３２４の一端側（ｙ軸方向の下流側）に、導電性を有する第１リード線３３１が接続されており、金属層３２４の他端側（ｙ軸方向の上流側）に、導電性を有する第２リード線３３２が接続されている。これら第１リード線３３１および第２リード線３３２は、薄膜部材３２によって構成された測温抵抗体から、温度信号を取り出すために用いられる。

〔測温抵抗体〕
金属層３２４を構成する金属材料としては、白金、ニッケル、銅等を挙げることができる。ここで、実施の形態１と同様に、例えば−５０℃〜＋４００℃の範囲において、安定的に温度を測定するという観点からすれば、金属層３２４を白金（例えばＰｔ１００）で構成すること、換言すれば、白金測温抵抗体を用いることが望ましい。

［圧力検出装置による圧力検出動作］
では、本実施の形態の圧力検出装置２０による圧力検出動作について説明を行う。
（圧電部材の動作）
内燃機関１０が動作しているとき、圧力検出装置２０に設けられた圧電素子３０には、先端側から後端側へと向かう、中心線方向に沿った圧力が付与される。このとき、圧電素子３０を構成する圧電部材３１には、ｘ軸に沿った圧力Ｐが２つのＸ面３１１間に加えられることになる。すると、圧電部材３１では、受けた圧力に応じた電荷が発生する。本実施の形態では、圧電部材３１がランガサイト系単結晶で構成されていることから、圧力に応じて生じた電荷は、Ｘ面３１１およびＹ面３１２には出力される一方、Ｚ面３１３には出力されない。そして、圧電部材３１に生じた電荷は、圧電部材３１の２つのＸ面３１１に接触する正負の電極（図示せず）を介して、圧力信号（電荷信号）として処理部４０に伝達される。

（薄膜部材の動作）
この間、圧電部材３１とともに圧電素子３０を構成する薄膜部材３２では、第１リード線３３１および第２リード線３３２を介して、金属層３２４に電流が流されている。なお、この電流は、処理部４０（例えば補正回路４３）から供給される。すると、薄膜部材３２では、その積層対象である圧電部材３１の温度に応じて、金属層３２４の電気抵抗値が変化することに伴い、金属層３２４に流れる電流値に変化が生じる。金属材料の場合、温度の上昇に伴って電気抵抗値が増加することから、温度の上昇に伴って金属層３２４に流れる電流値は減少する。金属層３２４に流れる電流信号は、第１リード線３３１および第２リード線３３２を介して、温度信号として処理部４０に伝達される。

（処理部の動作）
処理部４０には、制御装置８０から、ケーブル７０（受電線７１および接地線７２）を介して、積分回路４１、増幅回路４２および補正回路４３等を動作させるための電源電圧Ｖｃｃが供給されている。そして、処理部４０では、積分回路４１が、圧電素子３０の圧電部材３１から供給される圧力信号（電荷信号）を積分して、電圧信号に変換する。次に、増幅回路４２が、積分回路４１から供給される積分後の電圧信号を増幅する。続いて、補正回路４３が、増幅回路４２から供給される増幅後の電圧信号に対し、圧電素子３０の薄膜部材３２から供給される温度信号（電流信号）に基づく出力の補正（温度補正）を行う。補正回路４３から出力される補正後の電圧信号は、ケーブル７０（出力線７３および接地線７２）を介し、出力信号として制御装置８０に出力されることになる。

［実施の形態２のまとめ］
以上説明したように、本実施の形態でも、実施の形態１と同等の効果を得ることができる。

ここで、本実施の形態では、薄膜部材３２を用いて測温抵抗体を構成するようにした。測温抵抗体の場合、熱電対とは異なり、第１金属層３２１、第２金属層３２２およびこれらの接合部３２３は不要となる。このため、圧電部材３１の温度測定に用いる薄膜の構成を簡易なものとすることができる。また、測温抵抗体の場合、１種類の金属（例えば白金）で構成することが可能であり、複数種の金属の合金が必要となることが多い熱電対（例えばＫ熱電対の場合は、クロメル（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎの合金）／アルメル（Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅの合金）の場合と比べて、薄膜の組成を簡易なものとすることができる。

さらに、本実施の形態では、薄膜部材３２によって構成される測温抵抗体として、白金測温抵抗体を採用するようにした。これにより、他の測温抵抗体を使用する場合と比較して、圧力検出装置２０が取り付けられた内燃機関１０および内燃機関１０を搭載する自動車の使用環境（−５０℃〜＋４００℃）において、より正確な温度を測定することが可能になる。

次に、上記各実施の形態の変形例について説明を行う。
＜第１の変形例＞
第１の変形例は、実施の形態１の変形例であって、薄膜部材３２が構成する熱電対（第１金属層３２１および第２金属層３２２）の形状を、実施の形態１（図５参照）とは異ならせたものである。

図７は、第１の変形例の薄膜部材３２を説明するための図である。ただし、図７には、圧電部材３１と薄膜部材３２とを含む圧電素子３０を記載している。ここで、図７は、薄膜部材３２を圧電部材３１のｚ軸方向下流側からみた図（図５（ａ）に対応）となっている。

第１の変形例の薄膜部材３２も、実施の形態１と同様に、圧電部材３１の一方のＺ面３１３の上に積層される下地層（図７では記載を省略）と、下地層の上に積層される第１金属層３２１および第２金属層３２２とを備えている。ただし、第１の変形例では、これら第１金属層３２１および第２金属層３２２の両者が、ｙ軸方向に沿って平行に伸びている。そして、第１金属層３２１が逆Ｌ字状を呈するとともに第２金属層３２２がＬ字状を呈することにより、ｙ軸方向の上流側で、第１金属層３２１と第２金属層３２２とが接合された接合部３２３を形成している。また、第１の変形例では、これら第１金属層３２１および第２金属層３２２がこのような配置となっていることにより、第１金属層３２１に接続される第１リード線３３１および第２金属層３２２に接続される第２リード線３３２が、ｙ軸方向の下流側に並べて配置されている。

＜第２の変形例＞
第２の変形例は、実施の形態２の変形例であって、薄膜部材３２が構成する測温抵抗体（金属層３２４）の形状を、実施の形態２（図６参照）とは異ならせたものである。

図８は、第２の変形例の薄膜部材３２を説明するための図である。ただし、図８には、圧電部材３１と薄膜部材３２とを含む圧電素子３０を記載している。ここで、図８は、薄膜部材３２を圧電部材３１のｚ軸方向下流側からみた図（図５（ａ）に対応）となっている。

第２の変形例の薄膜部材３２も、実施の形態２と同様に、圧電部材３１の一方のＺ面３１３の上に積層される下地層（図８では記載を省略）と、下地層の上に積層される金属層３２４とを備えている。ただし、第２の変形例では、金属層３２４がジグザグ形状に配置されている。また、第２の変形例では、これら金属層３２４がこのような配置となっていることにより、金属層３２４に接続される第１リード線３３１および第２リード線３３２が、ｙ軸方向の下流側に並べて配置されている。

＜第３の変形例＞
第３の変形例は、実施の形態１、２の変形例であって、圧電部材３１の形状を、実施の形態１、２（図４参照）とは異ならせたものである。また、圧電部材３１の形状を異ならせたことに伴って、薄膜部材３２の形状も、実施の形態１、２とは異ならせたものである。

図９は、第３の変形例の圧電素子３０の斜視図である。
第３の変形例の圧電素子３０は、円柱状に成形されてなる圧電部材３１と、圧電部材３１の円筒状の側面のうちの一部の領域に積層されてなる薄膜部材３２とを有している。

第３の変形例において、圧電部材３１は、実施の形態１、２と同様に、ランガサイト系単結晶で構成される。
そして、本実施の形態の圧電部材３１は、それぞれが円形状を呈する表面および裏面と、円筒状を呈し且つ表面と裏面とを接続する側面とを有しており、表面および裏面が、それぞれＸ面３１１となっている。そして、圧電部材３１のうち、一方のＸ面３１１には、筐体５０の内部に収容された正の電極（図示せず）が接触して配置され、他方のＸ面３１１には、筐体５０の内部に収容された負の電極（図示せず）が接触して配置される。

そして、圧電部材３１において曲面で構成される側面のうち、ｘｙ平面となるＺ面３１３に対応する領域に、薄膜部材３２が積層されている。この例において、薄膜部材３２は、圧電部材３１の一方のＺ面３１３に対し、ｙ軸方向の長さよりもｘ軸方向の長さが大きくなる（図中において縦長となる）ように形成されている。

また、第３の変形例において、薄膜部材３２には、実施の形態１および第１の変形例で説明した熱電対や、実施の形態２および第２の変形例で説明した測温抵抗体を用いることができる。

第３の変形例では、圧電部材３１を円柱状とすることで、圧電部材３１を角柱状とした場合と比べて、圧電部材３１にｘ軸方向に沿う圧力Ｐが加えられた際の、圧電部材３１の割れを生じにくくすることができる。

＜その他＞
実施の形態１、２では、圧電部材３１の圧電縦効果を利用していた。ただし、これに限られるものではなく、圧電部材３１の圧電横効果を利用することもできる。ここで、圧電横効果とは、圧電体の電気軸に対して直交する位置にある機械軸に外力を作用させると、電気軸と直交する圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。例えばランガサイト系単結晶からなる圧電部材３１を用いる場合は、機械軸であるｙ軸と直交するＹ面３１２を圧力作用面とし、電気軸であるｘ軸と直交するＸ面３１１を電荷出力面とすればよい。この場合も、Ｙ面３１２が受けた圧力に応じた電荷は、Ｚ面３１３からは出力されないため、圧電部材３１のＺ面３１３に薄膜部材３２を設ければよいことになる。

実施の形態１では、薄膜部材３２において、第１金属層３２１と第２金属層３２２とを用いて熱電対を構成する場合を例として説明を行った。また、実施の形態２では、薄膜部材３２において、金属層３２４を用いて測温抵抗体を構成する場合を例として説明を行った。ただし、これに限られるものではない。

例えば、薄膜部材３２において、ｐ型不純物を含むｐ型シリコンからなる第１半導体層と、ｎ型不純物を含むｎ型シリコン薄膜からなる第２半導体層とを接合させることで、温度測定に使用可能なシリコンダイオードを構成するようにしてもよい。

また、例えば、薄膜部材３２において、金属酸化物等の無機材料からなる半導体層を設け、この半導体層により、温度測定に使用可能なサーミスタ（ＰＴＣサーミスタ等）を構成するようにしてもよい。

また、実施の形態１、２では、圧電素子３０を構成する圧電部材３１を、直方体状すなわち四角柱状としていたが、これに限られるものではなく、三角柱状あるいは五角以上の角柱状としてもかまわない。このとき、圧電部材３１の側面のうちの少なくとも１つの面を、電荷の非出力面（ランガサイト系単結晶の場合はＺ面３１３）とし、この非出力面に、温度測定用の薄膜部材３２を形成すればよい。

また、実施の形態１では、熱電対を構成する第１金属層３２１および第２金属層３２２を外部に露出させ、実施の形態２では、測温抵抗体を構成する金属層３２４を外部に露出させていたが、これに限られるものではない。例えば、このような金属からなる層に対し、絶縁体からなる保護層を被覆するようにしてもかまわない。

また、実施の形態１、２では、圧電部材３１の一方のＺ面３１３に薄膜部材３２を積層することで、圧電部材３１および薄膜部材３２を一体化した圧電素子３０とする構成を採用していたが、これに限られるものではない。例えば、圧電部材３１の一方のＺ面３１３に、熱電対（の測温接点）あるいは測温抵抗体を接触して配置するようにしてもかまわない。すなわち、圧電部材３１と、熱電対あるいは測温抵抗体のような温度測定部材とを別体としてもよく、この場合、温度測定部材は、上記各実施の形態で説明したような薄膜（薄膜部材３２）でなくてよい。

また、実施の形態１、２では、圧電部材３１として、ランガサイト系単結晶を用いていたが、例えば、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ_４）や、ゲーレナイト（Ｃａ_２Ａｌ_２ＳｉＯ_７）等も、圧力を作用させた場合に電荷が出力される面と電荷が出力されない面とを有していることが知られている。したがって、圧電部材３１としてこれらの単結晶を用いた場合にも、本実施の形態で説明した手法を適用することができる。

また、実施の形態１、２では、圧力信号（電荷信号）を積分回路４１で積分し、得られた電圧信号を増幅回路４２で増幅した後、増幅後の電圧信号を補正回路４３で補正していたが、処理の順番はこれに限られない。例えば、圧力信号（電荷信号）を積分回路４１で積分し、得られた電圧信号を補正回路４３で補正した後、補正後の電圧信号を増幅回路４２で増幅するようにしてもかまわない。

また、実施の形態１、２では、内燃機関１０の燃焼圧を、圧力検出装置２０による圧力の検出対象としていたが、これに限られない。例えば、上述した圧力検出装置２０を、タイヤの空気圧センサや各種産業機器における圧力の検出に用いることもでき、また、加速度を応力として検出することでガスタービン等の加速度の検出に用いることもできる。

１…圧力検出システム、１０…内燃機関、２０…圧力検出装置、３０…圧電素子、３１…圧電部材、３１１…Ｘ面、３１２…Ｙ面、３１３…Ｚ面、３２…薄膜部材、３２０…下地層、３２１…第１金属層、３２２…第２金属層、３２３…接合部、３２４…金属層、４０…処理部、４１…積分回路、４２…増幅回路、４３…補正回路、５０…筐体、７０…ケーブル、８０…制御装置

Claims (10)

1. 単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材と、
   前記圧電部材の前記非出力面に接触して設けられ、当該圧電部材の温度測定に用いられる測温部材と
   を含む圧電素子。
2. 前記圧電部材はランガサイト系単結晶からなり、
   前記出力面が前記ランガサイト系単結晶のＸ面であり、前記非出力面が当該ランガサイト系単結晶のＺ面であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 前記測温部材は、熱電対からなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電素子。
4. 前記熱電対は、Ｋ熱電対またはＥ熱電対であることを特徴とする請求項３記載の圧電素子。
5. 前記測温部材は、測温抵抗体からなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電素子。
6. 前記測温部材は、前記圧電部材のうち外部から受けた圧力が作用する圧力作用面の面方向に沿って、前記非出力面に形成されることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項記載の圧電素子。
7. ランガサイト系単結晶で構成され、結晶学上のｚ軸に直交するＺ面を有する圧電部材と、
   前記圧電部材の前記Ｚ面に接触して設けられ、当該圧電部材の温度測定に用いられる測温部材と
   を含む圧電素子。
8. 単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材と、
   前記圧電部材の前記非出力面に接触して設けられ、当該圧電部材の温度測定に用いられる測温部材と、
   前記圧電部材からの電気的な出力に対し、前記測温部材からの電気的な出力に基づく補正を施す補正部と
   を含む圧力検出装置。
9. 単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材の当該非出力面に、熱電対または測温抵抗体を接触させ、
   前記熱電対または前記測温抵抗体からの電気的な出力に基づいて、前記圧電部材の温度を測定する
   圧電部材の温度測定方法。
10. 単結晶で構成され、外部から受けた圧力に応じた電荷を出力する出力面と当該圧力に応じた電荷を出力しない非出力面とを有する圧電部材の当該非出力面に、熱電対または測温抵抗体を接触させ、
    前記熱電対または前記測温抵抗体からの電気的な出力に基づいて、前記圧電部材からの電気的な出力を補正する
    圧電部材の出力補正方法。

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