(57)【要約】【課題】耐衝撃性の高い圧力検知素子を提供する。  【解決手段】単結晶酸化亜鉛等の圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する絶縁板とを有する圧電素子であって、  圧電板と、絶縁板とを、前記圧電板と絶縁板との面方向を平行にして積層して束ねてなる圧電素子。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する絶縁板とを有する圧電素子であって、  
圧電板と、絶縁板とを、前記圧電板と絶縁板との面方向を平行にして積層してなる圧電素子。
【請求項２】
圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する第１絶縁板とを、前記圧電板と第１絶縁板との面方向を平行にして積層してなる積層板と、
前記積層板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第２絶縁板と、を
前記積層板と第２絶縁板との厚さ方向の面を突合わせてなる圧電素子。
【請求項３】
圧電板と、前記圧電板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第３絶縁板とを、前記圧電板と第３絶縁板との厚さ方向の面を突合わせて配設し、
更にこれら圧電板と第３絶縁板との上面を覆って前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第４絶縁板を積層してなる圧電素子。  
【請求項４】
圧電板が、単結晶酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又は水晶からなる請求項１乃至３の何れかに記載の圧電素子。      
【請求項５】
絶縁板が、石英ガラス、水晶、アルミナ又はダイヤモンドからなる(但し、圧電板が水晶からなる場合は絶縁板が水晶である場合を除く。)請求項１乃至３の何れかに記載の圧電素子。    
【請求項６】
請求項１乃至３の何れかに記載の圧電素子を組込んでなる圧力センサ。
【請求項７】
圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する絶縁板とを、前記圧電板と絶縁板との面方向を平行にして積層して束ねる圧電素子の耐衝撃強度の増加方法。
【請求項８】
圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する第１絶縁板とを、前記圧電板と第１絶縁板との面方向を平行にして積層してなる積層板と、
前記積層板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第２絶縁板と、を
前記積層板と第２絶縁板との厚さ方向の面を突合わせて束ねる圧電素子の耐衝撃強度の増加方法。  
【請求項９】
圧電板と、前記圧電板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第３絶縁板とを、前記圧電板と第３絶縁板との厚さ方向の面を突合わせて配設し、
更にこれら圧電板と第３絶縁板との上面を覆って前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第４絶縁板を積層して束ねる圧電素子の耐衝撃強度の増加方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力を検知する圧電素子に関し、更に詳述すれば、本発明は耐衝撃強度が高い圧電素子、耐衝撃強度が高い圧力センサ及び圧電素子の耐衝撃強度の増加方法に関する。本圧電素子は、特に自動車等の内燃機関の燃焼圧力の測定等に好適に使用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車業界に於いては、エンジンに種々のセンサを取付け、センサが検出するデータを基礎としてエンジンの動作を制御することが行われている。中でも、走行経済性を向上させるため、エンジンの動作の制御に種々の改良が加えられている。その例として、希薄燃焼制御システムがある。このシステムを採用するエンジンにおいては、圧電材料を圧力検知素子とする圧力センサをシリンダー内に組込んで、エンジンの燃焼圧を直接測定している(例えば特許文献１、２)。
【０００３】
希薄燃焼制御システムにおいては、燃料ガス濃度を希薄な状態にして燃焼させるので、通常のエンジンと比較してプレイグニッションが多発し、その際の燃焼圧は、通常の燃焼圧の数倍にも達する。従って、燃焼圧測定用センサに対しても、プレイグニッション時に発生する衝撃圧に耐え得る強度、特に圧電素子に高い耐衝撃強度を有することが求められている。しかし、既存の圧電材料は、十分の耐衝撃強度を持たず、プレイグニッション時に、圧電材料が破壊されることがある。
【０００４】
特許文献３は、圧電材料をチタン酸鉛系から、ニオブ酸リチウム（LiNbO3)に変更することにより、耐熱性を高める技術を開示している。
【０００５】
しかし、これら特許文献は、何れも耐衝撃圧を高めることについては言及していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許公開２０１１−１７４８８２
【特許文献２】特許公開平２０００−２７７２３３
【特許文献３】特許公開平５−１７２６８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、耐衝撃性の高い圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記目的を達成するために鋭意検討を行った。従来の圧電材料を利用する圧電素子の耐衝撃強度は、圧電素子を構成する材質の有する固有の値を示す。従って、圧力検知素子の耐衝撃強度は、圧電材料を変える以外は変更できないと従来考えられている。
【０００９】
一方、本発明者等は、圧電素子の耐衝撃強度よりも高い耐衝撃強度を有する絶縁材料を用いて形成した絶縁板を圧電素子に積重して圧電素子を構成すると、驚くことに、圧電素子の耐衝撃強度が大きく向上することを発見した。
【００１０】
本発明は、上記発見に基づいて完成するに到ったものである。
【００１１】
上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。
【００１２】
〔１〕  圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する絶縁板とを有する圧電素子であって、  
圧電板と、絶縁板とを、前記圧電板と絶縁板との面方向を平行にして積層してなる圧電素子。
【００１３】
〔２〕  圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する第１絶縁板とを、前記圧電板と第１絶縁板との面方向を平行にして積層してなる積層板と、
前記積層板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第２絶縁板とを、
前記積層板と第２絶縁板との厚さ方向の面を突合わせてなる圧電素子。
【００１４】
〔３〕  圧電板と、前記圧電板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第３絶縁板とを、前記圧電板と第３絶縁板との厚さ方向の面を突合わせて配設し、
更にこれら圧電板と第３絶縁板との上面を覆って前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第４絶縁板を積層してなる圧電素子。  
【００１５】
〔４〕  圧電板が、単結晶酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又は水晶からなる〔１〕乃至〔３〕の何れかに記載の圧電素子。      
【００１６】
〔５〕  絶縁板が、石英ガラス、水晶、アルミナ又はダイヤモンドからなる(但し、圧電板が水晶からなる場合は絶縁板が水晶である場合を除く。) 〔１〕乃至〔３〕に記載の圧電素子。    
【００１７】
〔６〕  〔１〕乃至〔３〕の何れかに記載の圧電素子を組込んでなる圧力センサ。
【００１８】
〔７〕  圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する絶縁板とを、前記圧電板と絶縁板との面方向を平行にして積層して束ねる圧電素子の耐衝撃強度の増加方法。
【００１９】
〔８〕  圧電板と、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有すると共にその表面に導電化手段を有する第１絶縁板とを、前記圧電板と第１絶縁板との面方向を平行にして積層してなる積層板と、
前記積層板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第２絶縁板と、を
前記積層板と第２絶縁板との厚さ方向の面を突合わせて束ねる圧電素子の耐衝撃強度の増加方法。  
【００２０】
〔９〕  圧電板と、前記圧電板の厚さに対して、±５μｍの厚さを有すると共に前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第３絶縁板とを、前記圧電板と第３絶縁板との厚さ方向の面を突合わせて配設し、
更にこれら圧電板と第３絶縁板との上面を覆って前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する第４絶縁板を積層して束ねる圧電素子の耐衝撃強度の増加方法。  
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧電素子は、圧電板と、絶縁板とを積重して用いているので、耐衝撃強度が高く、例えばエンジンの燃焼圧の測定等に好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の第１の態様の圧電素子の一例を示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第２の態様の圧電素子の一例を示す、側面図である。
【図３】図３は、本発明の第３の態様の圧電素子の一例を示す、側面図である。
【図４】図４は、本発明の圧電素子をセンサに組込んだ状態の一例を示す一部省略側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施態様に付き、詳細に説明する。
【００２４】
（第１の態様）
図１は、本発明の第１の圧電素子１００の形態例を示す。この例に於いては、圧電板２と、絶縁板４とは、互いの板面を平行にして積層され、束ねられている。６は、導電膜等の導電化手段で、圧電板２と絶縁板４との界面、絶縁板４の厚さ方向の面(本図に於いては、側面)、及び絶縁板４の表面（本図に於いては上面）に形成されている。センサにこの圧電素子を組込んで圧力を測定する場合、圧電板２の表面に誘起された電荷が、この導電化手段６を通して不図示の電極に供給される。
【００２５】
導電化手段６の形成方法としては、絶縁板４の表面に直接形成しても良い。例えば、導電ペースト、金、白金、銅等の導電性金属薄膜のコーティング等の公知の方法が制限無く採用できる。更には、金属板をコ字状に曲げた治具を形成し、この治具の中に絶縁板を挟み込む方法も例示できる。
【００２６】
このように積層されることにより、圧電素子１００の耐衝撃性は大きく向上する。
【００２７】
圧電板２の材質としては、圧電性を示す公知の圧電体の何れも使用することが出来る。具体的には、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、マグネシウムニオビウムチタン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ポリフッカビニリデン等が、例示される。
【００２８】
これらの圧電体の中でも、耐熱性が高く、大きな圧電性を示すことから、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、単結晶酸化亜鉛が好ましく、特に単結晶酸化亜鉛が好ましい。
【００２９】
圧電板２の平面形状（本態様に於いては長方形）は、特に制限が無く、正方形、長方形、多角形、不定形、円形、楕円形、菱形等の任意の形状を採用できる。圧電板の大きさも特に制限がないが、センサに組込むことを考えると、縦、横が０．５〜１０ｍｍが好ましく、１〜５ｍｍがより好ましく、１〜３ｍｍが特に好ましい。
【００３０】
圧電板２の厚みは、特に制限がないが、センサに組込むことを考慮すると、０．１〜５ｍｍが好ましく、０．３〜２ｍｍがより好ましい。
【００３１】
絶縁板４は、前記圧電板よりも大きな耐衝撃強度を有する電気的絶縁板である。絶縁抵抗は、比抵抗として、1.0E+13Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、1.0E+14Ω・ｃｍ以上であることがより好ましい。
【００３２】
絶縁板４の材質としては、石英ガラス、テンパックスガラス、ネオセラムガラス、バイコールガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、水晶、炭化ケイ素、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア、コーディエライト又はダイヤモンド等が例示される。
【００３３】
絶縁板４の耐衝撃性は、圧電板の耐衝撃強度の２倍以上、通常２〜２０倍が好ましく、５倍以上がより好ましい。耐衝撃強度の測定方法は、後述する。
【００３４】
この圧電素子は、センサに組込まれた際に、圧電板面に垂直方向Ｘから圧力が負荷される。
【００３５】
圧電板２と、絶縁板４とを束ねる形態としては、特に制限が無く、任意の束ね方が採用できる。
【００３６】
圧電板２と、絶縁板４とを束ねる方法としては、導電性ペースト、セラミック系接着材等を利用する接着方法がある。更には、金属やセラミックス製の枠を使用して、その内部に閉じこめる方法がある。
【００３７】
また、導電性ペーストの硬化膜に圧電板１２と、絶縁板１４とを貼着しても良い。
【００３８】
なお、上記例に於いては、圧電板２と絶縁板４とは束ねられて積層構造を形成しているが、具体的に何らかの束ね手段を用いて両者が固着されている必要はない。使用時に、例えば、センサに組込まれたときに、結果的に圧電板２と絶縁板４とが図１に示す積層構造に保たれていればよい。このことは、以下の各形態に於いても同様である。
【００３９】
本発明の圧電素子は、圧力センサに組込まれて、圧力測定に使用される。図４は、図１に示す圧電素子１００が組込まれた圧力センサの電極部分を示す一部省略断面図である。なお、圧力センサの構造自体は公知である。
【００４０】
図４中、４００は、圧力センサの電極部である。有底円筒状のダイヤフラム３２の底壁上には、下電極３４が載置されている。下電極３４の上面には、圧電板２と絶縁板４とが積層されて束ねられた本発明の圧電素子１００が載置されている。圧電素子１００の上面には、更に上電極４０が載置されている。
【００４１】
（第２の形態）
図２は、本発明の第２の形態の圧電素子２００の一例を示す。この例に於いては、圧電板６０と、第１絶縁板６２とが、互いの板面を平行にして厚さ方向に積層され、束ねられて、積層板６４が構成されている。６６は、導電膜からなる導電化手段で、圧電板６０と第１絶縁板６２との界面、第１絶縁板６２の厚さ方向の面、及び第１絶縁板６２の表面（本図に於いては上面）に形成されている。センサにこの圧電素子を組込んだ場合、この導電膜６６を通じて、圧電板６０に誘起された電荷が電極に供給される。
【００４２】
６８は、第２絶縁板で、前記積層板６４の厚さに対して、±５μｍ、好ましくは±３μｍ、より好ましくは±２μｍの厚さを有する。第２絶縁板６８と前記積層板６４とは、これらの厚さ方向の面を突合わせて束ねられている。厚さは、マイクロメーターを用いて測定できる。
【００４３】
ここで、圧電板、（第１、又は第２）絶縁板、導電膜等については、すでに述べた。
【００４４】
（第３の形態）
図３は、本発明の第３の形態の圧電素子３００の一例を示す。この例に於いて、１２は、圧電板で、１４は、第３絶縁板である。第３絶縁板１４は、圧電板１２の厚さに対して、±５μｍ以内の厚さであることが好ましく、±３μｍ以内であることがより好ましく、２μｍ以内であることが特に好ましい。
【００４５】
圧電板１２と、第３絶縁板１４とは、互いに厚さ方向の面を突合わせて配設されている。更に、これら圧電板１２と、第３絶縁板１４との一方の板面(本図に於いては上面)を覆って第４絶縁板１０が積層されている。なお、１６は、導電膜等からなる導電化手段で、圧電板１２と第４絶縁板１０との界面、第４絶縁板１０の厚さ方向の面(本図に於いては側面)、及び第４絶縁板１０の表面（本図に於いては上面）に形成されている。
【００４６】
第４絶縁板１０の厚さは、特に制限がないが、実用上、第３絶縁板１４とほぼ同様の厚さが好ましい。その他材質等は、第１の形態で述べた。
【００４７】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【実施例】
【００４８】
耐衝撃性試験
現在、圧電材料の耐衝撃性試験を行うために適当な装置は、市販されていない。そこで、本発明者等は、宮城県産業技術総合センターの加速式衝撃試験装置SM-110-MP（エアブラウン社製）を用いて、耐衝撃性試験を行った。
【００４９】
耐衝撃試験方法を、以下に記載する。先ず、試験治具を衝撃試験装置に取付け、この治具に試料（圧電素子）を取付けた。衝撃試験装置に取付けた治具の落下速度を所定値に設定した。治具を落下させ、試験装置の基台に衝突させた。この衝突により、試料に衝撃を与えた。その後、試料の割れの有無を目視で観察した。
【００５０】
一方、治具に取付けられた重力センサの加速度を読取った。この加速度を用いて、下記式から衝撃荷重を算出した。なお、治具重量は、１．０７０６６Kgであった。
衝撃荷重（N）＝加速度（m/s2）ｘ 治具重量（Kg）ｘ 9.80665
算出した衝撃荷重を試料面積（mm2)で除算することにより、単位面積あたりの衝撃強度(MPa)を算出した。
【００５１】
実施例１
図１に示す第１の形態の圧電素子を製造した。東京電波株式会社製の寸法が１０x１０x０．５mmの酸化亜鉛（ＺｎＯ）の単結晶板を、２ｍｍｘ２ｍｍｘ０．５ｍｍ（厚さ）の寸法に切断し、圧電板を製造した。一方、石英ガラスを用いて同寸法の絶縁板を製造した。スーパーエンジニアリングプラスチックＰＰＳＧＦ４０（ガラス繊維40%補強ポリフェニレンスルフィド）で作成した円筒ガイド内に、これらの圧電板と、絶縁板とを挿入し、これらを積層することにより、圧電素子を製造した。同様にして、圧電素子を合計10個製造した。
【００５２】
なお、この実施例に於いては、耐衝撃性試験の結果を得ることを主目的としていたので、導電膜は形成していなかった。
【００５３】
前記加速式衝撃試験装置を用いて、これらの圧電素子の耐衝撃性試験を行った。得られた破壊しない衝撃強度は６４０ＭＰａであった。
【００５４】
比較例１
圧電材料として、実施例１で用いた酸化亜鉛の単結晶と同一の単結晶を用いて２ｍｍｘ２ｍｍｘ０．５ｍｍ（厚さ）の圧電素子を製造した。
【００５５】
実施例１と同様にして、この圧電素子の耐衝撃性試験を行った。得られた破壊しない衝撃強度は１３０ＭＰａであった。
【００５６】
実施例２
図２に示す第２の形態の圧電素子を製造した。先ず、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の単結晶を用いて、１ｍｍｘ１ｍｍｘ０．５ｍｍ（厚さ）の圧電板６０を製造した。一方、石英ガラスを用いて同寸法の第１絶縁板６２を製造した。これらの圧電板と、絶縁板とをスーパーエンジニアリングプラスチックＰＰＳＧＦ４０で作成した円筒ガイド内に絶縁板とを積層し、積層板６４を製造した。
【００５７】
石英ガラスで、１ｍｍｘ１ｍｍｘ１ｍｍ（厚さ）の第２絶縁板６８を作製した。
前記積層板６４の厚さ面に、第２絶縁板６８の厚さ面を突合わせるように第２絶縁板６８を円筒ガイド内に挿入し、圧電素子を製造した。圧電素子は、合計10個製造した。なお、積層板の厚さと、第２絶縁板の厚さの差は、全て５μｍ以内であった。
【００５８】
なお、この実施例に於いては、耐衝撃性試験の結果を得ることを主目的としていたので、導電化手段６６は形成していなかった。
【００５９】
前記加速式衝撃試験装置を用いて、これらの圧電素子の耐衝撃性試験を行った。得られた破壊しない衝撃強度は６００ＭＰａであった。
【００６０】
比較例２
積層板６４の厚さが、第２絶縁板６８の厚さよりも１０μｍ小さい積層板を用いた以外は、実施例２と同様の圧電素子を製造した。この場合は、耐衝撃試験では、破壊しない衝撃強度は５５０ＭＰａと高かったが、センサ感度が、低下していた。
【００６１】
実施例３
図３に示す第３の形態の圧電素子を製造した。先ず、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の単結晶を用いて、１ｍｍｘ１ｍｍｘ０．５ｍｍ（厚さ）の圧電板１２を製造した。一方、石英ガラスを用いて同寸法の第３絶縁板１４を製造した。これらの圧電板１２と絶縁板１４とを、スーパーエンジニアリングプラスチックＰＰＳＧＦ４０で作成した円筒ガイド内に互いに厚さ面を突合わせて載置した。
【００６２】
次に、石英ガラスで、１ｍｍｘ１ｍｍｘ０．５ｍｍ（厚さ）の第４絶縁板１０を製造した。
【００６３】
前記載置した圧電板１２と第３絶縁板１４との上面に、第４絶縁板１０を積層し、圧電素子を製造した。圧電素子は、合計10個製造した。なお、圧電板の厚さと、第３絶縁板の厚さの差は、全て５μｍ以内であった。
【００６４】
なお、この実施例に於いては、耐衝撃性試験の結果を得ることを主目的としていたので、導電膜は形成していなかった。
【００６５】
前記加速式衝撃試験装置を用いて、これらの圧電素子の耐衝撃性試験を行った。得られた破壊しない衝撃強度は５５０ＭＰａであった。
【００６６】
比較例３
圧電板の厚さが、第３絶縁板の厚さよりも１０μｍ小さい圧電板を用いた以外は、実施例３と同様の圧電素子を製造した。この場合は、耐衝撃試験では、破壊しない衝撃強度は５５０ＭＰａと高かったが、センサ感度が、低下していた。
【符号の説明】
【００６７】
１００、２００、３００    圧電素子
２、１２、６０    圧電板
４    絶縁板
１０    第４絶縁板
１４    第３絶縁板
１６    導電化手段
３２    ダイヤフラム
３４    下電極
４０    上電極
６２    第１絶縁板
６４    積層板
６、６６    導電化手段
６８    第２絶縁板
【図１】
2014174075.tif 000003
【図２】
2014174075.tif 000004
【図３】
2014174075.tif 000005
【図４】
2014174075.tif 000006