(57)【要約】【課題】  圧力方向の微小変化にともなう計測結果のばらつきを抑制する。【解決手段】  貫通孔１１の中心軸Ｓを含む圧電基体４１の断面のうち、貫通孔１１を挟んで両側に配置された２つの部分領域４１αおよび４１βそれぞれにおける突部４６Ａの断面線を、中心軸Ｓに平行な方向に沿って圧電基体４１の外側に向けて凸な円弧状とし、圧力が印加される方向が微小に変化した場合も、この突部４６Ａの頂部に繰り返し集中して圧力がかかるようにする。
2013179752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形状の第１周縁を有する第１主面、円形状の第２周縁を有する、前記第１主面と反対側の第２主面、および前記第１主面と前記第２主面との間を貫通した円形状の貫通孔を備える圧電基体と、
前記第１主面に接合した第１電極層と、
前記第２主面に接合した第２電極層とを備え、
前記第１主面と前記第２主面との間に加わる荷重によって前記圧電基体に生じる電荷を前記第１電極層および前記第２電極層を介して出力する圧力センサー用圧電素子であって、
前記第１周縁を含む第１仮想平面と、前記第２周縁を含む前記第２仮想平面とはそれぞれ平行であり、
前記貫通孔の中心軸は、前記第１周縁の中心と前記第２周縁の中心とを通って前記第１仮想平面および前記第２仮想平面に直交しており、
前記第１主面は、前記貫通孔の開口を囲むように設けられた、前記第１周縁と同心円状の突部を備えており、
前記中心軸を含む前記圧電基体の断面のうち、前記貫通孔を挟んで両側に配置された２つの部分領域のそれぞれにおける前記突部の断面線が、前記中心軸に平行な方向に前記圧電基体の外側に向けて凸な円弧状であることを特徴する圧力センサー用圧電素子。
【請求項２】
前記第１電極層は、前記第１主面の前記突部の表面のみに接合していることを特徴とする請求項１記載の圧力センサー用圧電素子。
【請求項３】
前記第１電極層の前記圧電基体に接合した側と反対側の表面は、前記第１仮想平面と平行であることを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサー用圧電素子。
【請求項４】
前記第１主面は、前記第１周縁を含んで前記突部に連なる、前記第１仮想平面と面一な外側平面部と、前記貫通孔の前記開口の周縁を含んで前記突部に連なる、前記第１仮想平面と面一な内側平面部とを備えることを特徴する請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサー用圧電素子。
【請求項５】
前記第２主面は、前記貫通孔の開口を囲むように設けられた、前記第２周縁と同心円状の第２主面側突部を備えており、
前記中心軸を含む前記圧電基体の断面のうち、前記貫通孔を挟んで両側に配置された２つの部分領域のそれぞれにおける前記第２主面側突部の断面線が、前記中心軸に平行な方向に前記圧電基体の外側に向けて凸な円弧状であることを特徴する請求項１〜４のいずれかに記載の圧力センサー用圧電素子。
【請求項６】
前記第２電極層は、前記第２主面側突部の表面のみに接合していることを特徴とする請求項５記載の圧力センサー用圧電素子。
【請求項７】
前記第２電極層の前記圧電基体に接合した側と反対側の表面は、前記第２仮想平面と平行であることを特徴とする請求項５または６記載の圧力センサー用圧電素子。
【請求項８】
前記第２主面は、前記第２周縁を含んで前記第２主面側突部に連なる、前記第２仮想平面と面一な外側平面部と、前記貫通孔の前記開口の周縁を含んで前記突部に連なる、前記第１仮想平面と面一な内側平面部とを備えることを特徴する請求項５〜７のいずれかに記載の圧力センサー用圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の内燃機関エンジンの燃焼室内の圧力等を計測するために用いる圧力センサー用圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電素子は圧力、力、加速度など様々な物理量の計測手段として用いられており、その応用分野も産業用、自動車用、医療用、および家電用等多岐にわたっている。【０００３】
例えば、自動車のディーゼルエンジンにおいて、ディーゼルエンジンのエミッションの改善や燃費（燃料消費率）の低減、騒音や振動の低減を目的として、ディーゼルエンジンのシリンダ内の燃焼室の燃焼圧を圧電素子を用いて計測し、計測した燃焼圧情報に基き、燃料噴射装置やＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排出ガス再循環装置）の動作をフィードバック制御する燃焼制御システムが提案されている。【０００４】
ディーゼルエンジンの燃焼圧を圧電素子を用いて計測するには、圧電素子に燃焼圧を伝える必要がある。そこで、エンジン全体を大型化することなく、燃焼圧を正確に圧電素子に伝えるために、圧電素子を備えた圧力センサーをグロープラグに搭載した圧力センサー付きグロープラグが提案されている。【０００５】
グロープラグは、ディーゼルエンジンのシリンダ内の燃焼室もしくは副燃焼室内に配置されるヒータを備えており、始動開始前や始動時に、このヒーターで燃焼室や副燃焼室を加熱することにより、ディーゼルエンジンの始動を補助するものである。このようなグロープラグは、従来からディーゼルエンジンのシリンダヘッドに配置されており、このグロープラグに圧電素子を有する圧力センサーを併設することで、エンジン全体を大型化することなく燃焼圧を圧電素子に伝え、ディーゼルエンジンの燃焼圧を計測することができる。【０００６】
例えば下記特許文献１には、圧力センサーが搭載されたグロープラグの一例が開示されている。【０００７】
図７は、特許文献１に開示されている圧力センサー付きグロープラグ１００（以降、単にグロープラグ１００ともいう）について説明する図であり、グロープラグ１００に備えられた圧電素子１０１の近傍を拡大して示している。グロープラグ１００には、圧電素子１０１、圧電素子１０１の２つの主面と当接してこの圧電素子１０１を挟むように配置された電極板１０２および１０３、さらにその外側に配置された一対の絶縁基板１０４および１０５を備えている。絶縁基板１０５の上側主面は固定板１１７と当接している。圧電素子１０１、電極板１０２および１０３、さらに絶縁基板１０４および１０５には貫通孔が設けられており、この貫通孔に絶縁性円柱部材１１２が挿着されている。圧電素子１０１と、燃焼室や副燃焼室を加熱するための図示しないヒーターに電力を供給するための電線１１４とは、円柱部材１１２によって隔てられており、圧電素子１０１と電線１１４とは電気的に絶縁されている。グロープラグ１００は、圧電素子１０１よりも図７の下側に配置された図示しない燃焼室内の燃焼圧を図７中の上側に伝達するための伝達部材１１５を備えている。この伝達部材１１５と固定部材７との間に挟まれるように配置された圧電素子１０１には、この伝達部材１１５から燃焼圧が伝達される。圧電素子１０１は、上側主面１０１Ａおよび下側主面１０１Ｂの双方が平坦な面であり、これら上側主面１０１Ａと下側主面１０１Ｂとは平行とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図７に示す例のように、圧電素子１０１の２つの主面１０１Ａおよび１０１Ｂがいずれも平坦な場合は、上側主面１０１Ａおよび下側主面１０１Ｂに対して、精度良く垂直に圧力が印加されると、上側主面１０１Ａおよび下側主面１０１Ｂ全体に均等に分散するように圧力がかかる。しなしながら、伝達部材１１５から印加される圧力の方向が微小に変化した場合には、圧力が集中してかかる部位が、この圧力の方向の微小変化に伴って不規則に変化してしまう。圧力が集中してかかる部位が変化すると、圧電素子１０１内の応力分布も変化し、圧電素子１０１において発生する電荷量も変化する。特許文献１に開示されているグロープラグ１００では、圧電素子１０１に対して伝達部材１１５から同じ大きさの燃焼圧がかかった場合でも、圧力がかかる方向の微小な変化や、圧電素子１０１と電極板１０２および電極板１０３との接触状態の変化に伴い、出力される電圧が変化してしまうといった課題があった。すなわち、特許文献１に記載されている従来の圧力センサー用圧電素子１０１は、圧電素子１０１にかかる圧力の方向が微小に変化した際に、圧電素子１０１から出力される電圧がばらついてしまうといった課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、円形状の第１周縁を有する第１主面、円形状の第２周縁を有する、前記第１主面と反対側の第２主面、および前記第１主面と前記第２主面との間を貫通した円形状の貫通孔を備える圧電基体と、前記第１主面に接合した第１電極層と、前記第２主面に接合した第２電極層とを備え、前記第１主面と前記第２主面との間に加わる荷重によって前記圧電基体に生じる電荷を前記第１電極層および前記第２電極層を介して出力する圧力センサー用圧電素子であって、前記第１周縁を含む第１仮想平面と、前記第２周縁を含む前記第２仮想平面とはそれぞれ平行であり、前記貫通孔の中心軸は、前記第１周縁の中心と前記第２周縁の中心とを通って前記第１仮想平面および前記第２仮想平面に直交しており、前記第１主面は、前記貫通孔の開口を囲むように設けられた、前記第１周縁と同心円状の突部を備えており、前記中心軸を含む前記圧電基体の断面のうち、前記貫通孔を挟んで両側に配置された２つの部分領域のそれぞれにおける前記突部の断面線が、前記中心軸に平行な方向に沿って前記圧電基体の外側に向けて凸な円弧状であることを特徴する圧力センサー用圧電素子を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、円形状の第１周縁を有する第１主面、円形状の第２周縁を有する第２主面、および前記第１主面と前記第２主面との間を貫通した円形状の貫通孔を備える圧電基体を備える圧力センサー用圧電素子において、貫通孔の中心軸を含む圧電基体の断面のうち、貫通孔を挟んで両側に配置された２つの部分領域のそれぞれにおける突部の断面線を、中心軸に平行な方向に沿って圧電基体の外側に向けて凸な円弧状としており、圧力が印加される方向が微小に変化したとしても、この突部に繰り返し集中して圧力がかかるので、圧力方向の微小変化に伴う計測結果のばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の圧力センサー用圧電素子の一実施形態について説明する図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２】図１に示す圧電素子１が備える圧電基体の概略斜視図である。
【図３】図１に示す圧電素子を備える圧力センサー付きグロープラグを、ディーゼルエンジンのエンジンヘッドに取り付けた状態を示す断面図である。
【図４】図３に示す圧力センサー付きグロープラグの、圧力センサー部近傍を拡大して示す概略断面図である。
【図５】図３に示す圧力センサー付きグロープラグにおいて、圧電素子に対し圧力が印加された状態を示す図であり、圧電素子の第１電極層近傍を拡大して示す概略断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の圧電素子の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図７】従来の圧力センサー付きグロープラグについて説明する概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の圧力センサー用圧電素子の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の圧力センサー用圧電素子の一実施形態である圧力センサー用圧電素子１（以降、単に圧電素子１ともいう）について説明する図であり、図１（ａ）は圧電素子１の概略斜視図、図１（ｂ）は圧電素子１の概略断面図である。図２は圧電素子１が備える圧電基体４１の概略斜視図である。
【００１５】
圧電素子１は、円形状の第１周縁４２を有する第１主面４１Ａ（図１（ｂ）参照）、円形状の第２周縁４３を有する、第１主面４１Ａと反対側の第２主面４１Ｂ（図１（ｂ）参照）、および第１主面４１Ａと第２主面４１Ｂとの間を貫通した円形状の貫通孔４４を備える圧電基体４１と、第１主面４１Ａに接合した第１電極層５１と、第２主面４１Ｂに接合した第２電極層５２とを備える。圧電素子１は、第１主面４１Ａと第２主面４１Ｂとの間に加わる圧力によって圧電基体４１に生じる電荷を、第１電極層５１および第２電極層５２から出力する。
【００１６】
圧電基体４１の組成は特に限定されないが、ビスマス層状化合物、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）およびチタン酸鉛などの圧電磁器を使用すればよい。本実施形態では、高いキュリー温度を有するビスマス層状化合物を主成分とする圧電磁器を圧電基体４１として用いている。ビスマス層状化合物からなる圧電磁器は、作製が容易であり、酸化物であるため高温での信頼性が高く、高いキュリー温度を有し耐熱性も高い点で好ましい。
【００１７】
第１電極層５１および第２電極層５２は、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属を用いることができる。本実施形態の第１電極層５１および第２電極層５２は、比較的低価格で作製が容易であるとともに信頼性に優れるＡｇを主成分としている。第１周縁４２を含む第１仮想平面Ｐ１（図１（ｂ）参照）と、第２周縁４３（図１（ｂ）参照）を含む第２仮想平面Ｐ２とはそれぞれ平行であり、貫通孔４４の中心軸Ｓは、第１周縁４２の中心４２ｃと第２周縁４３の中心４３ｃとを通って、第１仮想平面Ｐ１および第２仮想平面Ｐ２に直交している。圧電基体４１は、中心軸Ｓに平行な方向に沿って分極されており、圧電基体４１は、中心軸Ｓに平行な方向に沿って第１主面４２と第２主面４３との間に加わる圧力に応じた電荷を発生する。
【００１８】
第１主面４１Ａは、貫通孔４４の開口４４ａを囲むように設けられた、第１周縁４２と同心円状の突部４６Ａを備えており、中心軸Ｓを含む圧電基体４１の断面のうち、貫通孔４４を挟んで両側に配置された２つの部分領域４１α（図１（ｂ）参照）および４１β（図１（ｂ）参照）のそれぞれにおける突部４６Ａの断面線が、中心軸Ｓに平行な方向に圧電基体４１の外側に向けて凸な円弧状とされている。
【００１９】
本実施形態の圧電素子１では、第１主面４１Ａに加えて第２主面４１Ｂも、貫通孔４４の開口４４ｂを囲むように設けられた、第２周縁４３と同心円状の第２主面側突部４６Ｂ（以降、単に突部４６Ｂともいう）を備えており、中心軸Ｓを含む圧電基体４１の断面のうち、貫通孔４４を挟んで両側に配置された２つの部分領域４１αおよび４１βのそれぞれにおける突部４６Ｂの断面線が、中心軸Ｓに平行な方向に圧電基体４１の外側に向けて凸な円弧状とされている。
【００２０】
圧電素子１では、第１電極層５１は、第１主面４１Ａの突部４６Ａの表面のみに配置されている。また、第１電極層５１の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５１Ａは、第１仮想平面Ｐ１と平行である。また、第１主面４１Ａは、第１周縁４２を含んで突部４６Ａに連なる、第１仮想平面Ｐ１と面一な外側平面部４７Ａと、貫通孔４４の開口４４ａの周縁を含んで突部４６Ａに連なる、第１仮想平面Ｐ１と面一な内側平面部４８Ａとを備えている。
【００２１】
第２主面４１Ｂの側も同様に、第２電極層５２は、第２主面４１Ｂの突部４６Ｂの表面のみに接合している。また、第２電極層５２の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５２Ｂは、第２仮想平面Ｐ２と平行である。また、第２主面４１Ｂは、第２周縁４３を含んで突部４６Ｂに連なる、第２仮想平面Ｐ２と面一な外側平面部４７Ｂと、貫通孔４４の開口４４ｂの周縁を含んで突部４６Ｂに連なる、第２仮想平面Ｐ２と面一な内側平面部４８Ｂとを備えている。
【００２２】
本実施形態では、第１主面４１Ａおよび第２主面４１Ｂの外径は、例えば３．５ｍｍ〜２０ｍｍ程度であり、第１電極層５１の表面５１Ａから第２電極層５２の表面５２Ｂまでの中心軸Ｓに沿った長さ（すなわち、圧電素子１の高さ）は、０．５ｍｍ〜１８ｍｍ程度である。また、貫通孔４４の直径は、例えば１〜５．５ｍｍ程度であり、第１電極層５１および第２電極層５２の厚みは、例えば２〜２００μｍ程度である。突部４６Ａの仮想平面Ｐ１からの突出高さ、および突部４６Ｂの仮想平面Ｐ２からの突出高さは、いずれも５０〜２００μm程度である。また、外側平面部４７Ａおよび内側平面部４８Ａの第１周縁４２の径方向に沿った長さ、外側平面部４７Ｂおよび内側平面部４８Ｂの第２周縁４３の径方向に沿った長さは、いずれも２０〜６０μｍ程度である。
【００２３】
圧電素子１は、例えばディーゼルエンジンの燃焼室内の温度を測定する圧力センサーに搭載されて用いられる。以下、圧電素子１を備えて構成される圧力センサーの一実施形態について説明するとともに、圧電素子１の機能について説明する。
【００２４】
図３は、圧電素子１を備える圧力センサー付きグロープラグ１０（以降、単にグロープラグ１０ともいう）について説明する図であり、グロープラグ１０をディーゼルエンジンのエンジンヘッド１１０に取り付けた状態を示す断面図である。
【００２５】
ディーゼルエンジンのエンジンヘッド１１０には、エンジンヘッド１１０内の燃焼室１２に通じる貫通孔１１が設けられている。貫通孔１１の内面には、図３の上側の端部近傍にねじ部１４が設けられており、図３の下側の端部近傍に、図３の下側に近づくにしたがって縮径したテーパー状の段部１３が設けられている。
【００２６】
グロープラグ１０は、ハウジング２と、伝達部材３と、シール部材８と、発熱体２６と電線２７と、圧電素子１を備えて構成された圧力センサー部（圧力センサー）６とを備えている。
【００２７】
ハウジング２は、エンジンヘッド１１０の貫通孔１１内に挿入された挿入部２９と、エンジンヘッド１１０の外側（燃焼室１２と反対、すなわち図３における上側）に配置された、圧電素子１が搭載された搭載部２５とを有する。ハウジング２の挿入部２９は、断面が円形状の中空部２１を有する略円筒形状であり、図３の下側（燃焼室１２に近い側）の先端部は、エンジンヘッド１１０のテーパ部１３と密着するテーパ部２２が設けられている。また、挿入部２９の図３の上側端部の外周には、貫通孔１１のねじ部１４と螺合するねじ部２３が設けられている。
【００２８】
ハウジング２とエンジンヘッド１１０とは、ねじ部１４とねじ部２３との螺合による軸力によって、ハウジング２のテーパ部２２とエンジンヘッド１１０のテーパ部１３とが押し合わされて密着し、燃焼室１２で発生する高圧の燃焼ガスが、エンジンヘッド１１０の貫通孔１１の内周とハウジング２の外周との間隙に漏れないようになっている。
【００２９】
ハウジング２の中空部２１内には、図３中の上側から下側に延びる、ステンレス等の耐熱金属からなる伝達部材３が配置されている。伝達部材３は、図３における上下方向に沿って延びた、断面が円形状の中空部３３が設けられている。伝達部材３は、シール部材８と接合して保持され、図３における上下方向に沿って移動可能に保持されている。
【００３０】
シール部材８は、ステンレス等の金属からなり、ハウジング２の先端と伝達部材３の受圧部３１とにレーザ溶接等によって気密に固定されており、燃焼室１２内の燃焼ガスがハウジング３の中空部２１内に侵入するのを防止している。シール部材８は蛇腹状であり図３における上下方向に沿って変形することができる。シール部材８が図３における上下方向に沿って変形することで、伝達部材３は図３における上下方向に沿って位置変動することができる。
【００３１】
エンジンヘッド１１０の貫通孔１１、ハウジング２の中空部２１、伝達部材３の中空部３３は、それぞれの中心軸（図３に中心軸Ｓで示す軸）が一致するように配置されている。伝達部材３の中空部３３は下側端部で閉塞されており、伝達部材３の下側の先端部が受圧部３１として燃焼室１２内に露出している。伝達部材３の上側の端部には、ハウジング２の搭載部２５に配置される円盤状の鍔部３２が設けられており、中空部３３の上側は開放されている。鍔部３２の上方主面３２Ａは、中心軸Sに対して垂直な平面となっている。
【００３２】
また、伝達部材３の中空部３３の下側端部近傍（すなわち、受圧部３１近傍）には発熱体２６が配置されており、この発熱体２６に電力を供給するための電線２７が、伝達部材３の上側の開口を通じて中空部３３内に挿通され、電線２７が発熱体２６と接続されている。
【００３３】
発熱体２６は、例えば公知のニクロム線等からなり、電線２７を介して電流が流れることで発熱する。発熱体２６が発熱することで、エンジンヘッド１１０の燃焼室１２内が加熱され、燃焼室１２内の温度が上昇する。これら発熱体２６と電線２７が伝達部材３に配置されたグロープラグ１０は、例えばディーゼルエンジンの低温始動時に、エンジンヘッド１１０の燃焼室１２内を暖める機能を有する。圧力センサー部６の圧電素子１は燃焼室１２内の圧力（燃焼圧）の大きさを計測することができる。本実施形態のグロープラグ１０は、燃焼室を暖めるのみでなく、燃焼室１２内の圧力を計測する機能も有する。
【００３４】
図４は、図３に示すグロープラグ１０の、圧力センサー部６近傍を拡大して示す概略断面図である。圧力センサー部６は、圧電素子１、圧電素子１から出力される電気信号を取り出すための電極板６２および電極板６３、電極板６２および電極板６３を挟む一対の絶縁基板６４および絶縁基板６５、ならびに固定基板７を有して構成されている。
【００３５】
固定基板７は側面にねじ部７１を有し、この側面のねじ部７１が、搭載部２５の内周面に設けられたねじ部７６に螺合され、固定基板７がハウジング２に固定されている。固定基板７の下方主面７Ｂは、鍔部３２の上方主面３２Ａと平行に配置されている。
【００３６】
固定基板７の下方主面７Ｂに、絶縁基板６４の上方主面６４Ａが当接し、絶縁基板６４の下方主面６４Ｂに、電極板６２の上方主面６２Ａが当接している。
【００３７】
鍔部３２の上方主面３２Ａには、絶縁基板６５の下方主面６５Ｂが当接し、絶縁基板６５の上方主面６５Ａには、電極板６３の下方主面６３Ｂが当接している。
【００３８】
固定基板７の下方主面７Ｂ、絶縁基板６４の上方主面６４Ａおよび下方主面６４Ｂ、電極板６２の上方主面６２Ａおよび下方主面６２Ｂ、電極板６３の上方主面６３Ａおよび下方主面６３Ｂ、絶縁基板６５の上方主面６５Ａおよび下方主面６５Ｂはいずれも平行となっており、互いに平行な下方主面６２Ｂと上方主面６３Ａとの間に、圧電素子１が配置されている。
【００３９】
また、固定基板７、絶縁基板６４、電極板６２、電極板６３および絶縁基板６５には、いずれも貫通孔が設けられており、これら貫通孔は、圧電素子１の貫通孔４４に連なり、これら貫通孔が連なった孔部に、円筒状の絶縁体７２が挿入されている。この絶縁体７２によって、固定基板７、絶縁基板６４、電極板６２、電極板６３、絶縁基板６５および圧電素子１の相対位置が設定されるとともに、電線２７とこれら各部材との絶縁を確保している。
【００４０】
なお、圧電素子１には、固定基板７がねじ込まれることで、図中の上下方向に沿って圧電素子１を圧縮する方向の予備圧力が予め印加されている。
【００４１】
ディーゼルエンジンのエンジンヘッド１１０に取り付けられたグロープラグ１０では、伝達部材３の受圧部３１が、エンジンヘッド１１０の燃焼室１２内の圧力を受けることで、この圧力が伝達部材３を介して、圧力センサー部６の圧電素子１に伝わる。すなわち、受圧部３１にかかった圧力は、伝達部材３の鍔部３２、絶縁基板６５および電極板６３を介して、圧電素子１を図３および図４の下側から上側に押し上げるように伝わる。圧電素子１の図３および図４の上側は、固定基板７によって上下方向の位置が固定されており、圧電素子１には、上下方向に沿って圧電素子１を圧縮する方向に燃焼室１２内の圧力が加わる。
【００４２】
図１に示すように、本実施形態の圧電素子１は、圧電基体４１の、貫通孔４４を挟んで両側に配置された２つの部分領域４１αおよび４１βのそれぞれにおける突部４６Ａの断面線が、中心軸Ｓに平行な方向に圧電基体４１の外側に向けて凸な円弧状とされている。これにより、伝達部材３から印加される圧力の方向が微小に変化した場合であっても、圧力が集中してかかる部位が大きく変動することを抑制して、圧電素子４１内の応力分布の変化を抑制し、圧電素子４１における、圧力方向の微小変化に伴う発生電圧の変化を抑制する。
【００４３】
図５は、図３に示すグロープラグ１０において、圧電素子１に対して圧力が印加された状態を示す図であり、圧電素子１の第１電極層５１近傍を拡大して示す概略断面図である。図５に示すように、圧電素子１に伝達部材３（図５では図示せず）を介して圧力が加わった場合に、圧電素子１は電極層５１が電極板６２に押し付けられるように上昇する。電極層５１はＡｇからなる金属層であり、比較的高い展延性を有しており、伝達部材３を介して加わる圧力によって、電極板６２と圧電基体４１とによって押し広げられるように変形していくとともに、電極板６２からの反力が圧電基体４１にかかる。
【００４４】
本実施形態では、圧電基体４１の突部４６Ａの断面線が、圧電基体４１の外側に向けて凸な円弧状とされており、電極板６２からの反力が、この突部４６Ａの頂部に集中してかかることになる。このため、繰り返し圧力がかかった場合に、圧力が印加される方向が微小に変化したとしても、この頂部に圧力が繰り返し集中してかかることになる。すなわち、本実施形態の圧電素子１では、圧力が加わる方向が微小に変化した場合も、図５に示すように、突部４６Ａの頂部近傍を通り、中心軸Ｓにほぼ平行な方向の圧力が繰り返し印加される。
【００４５】
一方、圧電基体４１の一方主面４１Ａが、突部４６Ａを有さず平坦な場合は、圧力が印加される方向が微小に変化すると、圧力が集中してかかる部位が変化し、圧電基体４１における圧力分布が、圧力が印加されるたびに変化してしまう。本実施形態の圧電素子１は、このような圧力分布のばらつきを低減し、燃焼室１２内の圧力を繰り返し再現性よく高精度に計測することができる。
【００４６】
本実施形態の圧電素子１は、第２主面４１Ｂの側でも、突部４６Ｂの断面線が、中心軸Ｓに平行な方向に沿って圧電基体４１の外側に向けて凸な円弧状とされている。これにより、伝達部材３側から繰り返し圧力がかかった場合に、圧力が印加される方向が微小に変化したとしても、突部４６Ｂの頂部に圧力が繰り返し集中してかかるので、高精度に燃焼室１２内の圧力を計測することができる。
【００４７】
本実施形態の圧電素子１はビスマス層状化合物からなり、高いキュリー温度を有し比較的高温でも使用可能となっているが、いわゆるＰＺＴ系の圧電素子と比較すると、入力される圧力の大きさに対する出力電圧の大きさの割合（いわゆる感度）が比較的低い。このため、ビスマス層状化合物を主成分とする圧電素子を使用する場合は、圧電素子の応力分布の変化に伴って発生するノイズ成分をなるべく低減しておくことが好ましい。本実施形態の圧電素子１は、ビスマス層状化合物を主成分としており、エンジン等の高温環境下で使用できるとともに、圧力の印加方向の微小な変化に伴う圧電基体４１内の応力分布のばらつきによるノイズ成分が少ない。圧電素子１は、例えばグロープラグに搭載される圧力センサーなど、比較的高温環境下の圧力を計測するための圧力センサーに好適に用いられる。
【００４８】
また、圧電素子１は図１（ｂ）に示すように、第１電極層５１が、第１主面４１Ａの突部４６Ａの表面のみに接合しているので、圧力が印加された際、図５に示すように第１電極層５１が変形して押し広げられた場合も、第１電極層５１が、圧電基体４１の側面まではみ出すことが少ない。同様に、第２電極層５２が、第２主面４１Ｂの突部４６Ｂの表面のみに接合しているので、圧力が印加された際に第２電極層５２が変形して押し広げられた場合も、第２電極層５２が突部４６Ｂの範囲に留まりやすく、圧電基体４１の側面まではみ出すことが少ない。
【００４９】
また図１（ｂ）に示すように、第１電極層５１の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５１Ａ（図３中の上側の表面）は、第１仮想平面Ｐ１と平行となっているので、第１電極層５１の表面５１Ａは、電極板６２と比較的広い面積で接触することができる。例えば、第１電極層５１の表面５１Ａが、突部４６Ａに沿って断面が円弧状の表面であると、特に圧電基体４１が傾いた場合、第１電極層５１と電極板６２とが部分的に大きく離れることもあり、この場合、圧電基体４１において発生した電圧を、高精度に計測できない場合もある。これに対し、本実施形態の圧電素子１は、図１（ｂ）に示すように、第１電極層５１の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５１Ａ（図３中の上側の表面）は、第１仮想平面Ｐ１と平行であり、図５に示すように圧電基体４１が多少傾いた場合も、第１電極層５１が圧力に応じて変形することで、第１電極層５１と電極板６２とが比較的広い接触面積を確保することができるので、圧電基体４１における発生電圧を繰り返し高精度に計測することができる。同様に、図１（ｂ）に示すように、第２電極層５２の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５１Ｂ（図３中の下側の表面）は、第２仮想平面Ｐ２と平行であり、第２電極層５２の表面５２Ｂは電極板６３と比較的広い接触面積を確保している。
【００５０】
また、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１主面４１Ａは、第１周縁４２を含んで突部４６Ａに連なる、第１仮想平面Ｐ１と面一な外側平面部４７Ａと、貫通孔４４の開口４４ａの周縁を含んで突部４６Ａに連なる、第１仮想平面Ｐ１と面一な内側平面部４８Ａとを備えている。このような外側平面部４７Ａと内側平面部４８Ａとを有することで、例えば図５に示すように、圧力が印加された際に第１電極層５１が変形して押し広げられた場合でも、これら外側平面部４７Ａや内側平面部４８Ａによって第１電極層５１の広がりが堰き止められ、圧電基体４１の側面への電極のたれ等が抑制される。図５では、第１電極層５１の広がりが、外側平面部４７Ａによって堰き止められている。同様に、第２主面４１Ｂが、第２周縁４３を含んで突部４６Ｂに連なる、第２仮想平面Ｐ２と面一な外側平面部４７Ｂと、貫通孔４４の開口４４ａの周縁を含んで突部４６Ｂに連なる、第２仮想平面Ｐ２と面一な内側平面部４８Ｂとを備えている。このような外側平面部４７Ｂと内側平面部４８Ｂとにより、仮に第２電極層が変形して押し広げられた場合も（図示せず）、変形による第２電極層５２の広がりが堰き止められ、圧電基体４１の側面への第２電極層５２のたれ等が抑制される。
【００５１】
このような圧電素子１は、例えば以下のように作製することができる。出発原料として純度９９．９％以上のＳｒＣＯ３粉末、ＢａＣＯ３粉末、Ｂｉ２Ｏ３粉末およびＴｉＯ２粉末を、組成式Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２・０．４７（Ｓｒ０．５Ｂａ０．５ＴｉＯ３）の比率となるように秤量する。
【００５２】
この主成分１００質量部に対して、０．５質量部のＭｎＯ２粉末を秤量して混合し、純度９９．９％のＺｒＯ２ボールと、水あるいはイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）とともに５００ｍｌの樹脂製ポットに投入し、その樹脂製ポットを回転台に置き、１６時間混合する。
【００５３】
混合後のスラリーを大気中で乾燥した後、＃４０メッシュを通し、その後、大気中で９５０℃に３時間保持して仮焼し、この合成粉末を純度９９．９％のＺｒＯ２ボールと水あるいはイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）とともに５００ｍｌの樹脂製ポットに投入し、その樹脂製ポットを回転台に置き２０時間粉砕する。
【００５４】
この粉砕した粉末に適量の有機バインダを添加して顆粒を造粒し、この顆粒を例えば一軸加圧成型法により成形し、圧電基体４１に対応する形状の生成形体を得る。この生成形体について脱バインダ処理を行なった後に、大気雰囲気中にて約１１５０℃で３時間かけて焼成を行ない、圧電基体４１を得る。
【００５５】
次に、圧電基体４１の第１主面４１Ａおよび第２主面４１Ｂに、印刷機を用いて、いわゆるＡｇペーストを印刷（塗布）して全体を焼成し、第１主面４１Ａおよび第２主面４１Ｂに、Ａｇを主成分とする電極層（第１電極層５１および第２電極層５２）を形成する。この際Ａｇペーストは、第１主面４１Ａについては突部４６Ａのみに印刷（塗布）し、第２主面４１Ｂについては突部４６Ｂのみに印刷（塗布）する。
【００５６】
印刷したＡｇペーストを焼成した後、必要に応じて、焼成によって形成されたＡｇ電極の表面を研磨して、第１電極層５１および第２電極層５２を形成した後、第１電極層５１と第２電極層５２との間に所定の電圧を印加して分極処理を行なう。本実施形態の圧電素子１は、このようにして形成することができる。
【００５７】
図６（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の圧電素子の他の実施形態を示す概略断面図である。図６の各実施形態では、圧電素子１に対応する構成については、図１〜図５と同じ符号を使って示している。本発明の圧電素子は、図６（ａ）に示す実施形態のように、第１主面４１Ａや第２主面４１Ｂが外側平面部や内側平面部を備えず、凸部４６Ａのみが第１主面４１Ａを構成してもよく、同様に凸部４６Ｂのみで第２主面４１Ｂを構成してもよい。ただし、第１電極層５１や第２電極層５２の変形に伴う、これら電極層の圧電基体４１からのはみ出しを抑制する点で、また、第１電極層５１や第２電極層５２の形成時におけるＡｇペーストのはみ出しを抑制する点で、外側平面部４７Ａおよび４７Ｂや、内側平面部４８Ａおよび４８Ｂを有することが好ましい。
【００５８】
また、図６（ｂ）に示す実施形態のように、第１電極層５１Ａの表面５１Ａおよび第２電極層５２の表面５２Ｂが、突部４６Ａや突部４６Ｂの表面に沿った形状となっていてもよい。ただし、電極板６２や電極板６３との接触面積を比較的大きくしておく点で、第１電極層５１Ａの表面５１Ａは第１仮想平面Ｐ１に平行であることが好ましく、第２電極層５２の表面５２Ｂは第２仮想平面Ｐ２に平行であることが好ましい。
【００５９】
また、図５（ｃ）に示すように、圧電基体４１は、例えば第１主面４１Ａのみに突部４６Ａを設け、第２主面４１Ｂの側は平坦面としてもよい。この場合も、第１主面１１Ａの側において、圧力印加方向がずれることにより、圧力が集中する部分の位置がばらつくことが抑制されるが、ばらつきをより確実に抑えるには、第１主面４１Ａに加えて、第２主面４２Ｂにも突部４６Ｂを設けることが好ましい。
【００６０】
なお、以上の実施形態では、燃焼室１２と反対の側を第１主面４１Ａとし、燃焼室１２の側を第２主面４１Ｂとしているが、第１主面４１Ａと第２主面４１Ｂとの燃焼室１２に対する位置関係は特に区別されない。例えば燃焼室１２の側を第１主面４１Ａとし、この燃焼室１２の側の第１主面４１Ａのみに突部４１Ａを設けても構わない。
【００６１】
本発明の圧力センサー用圧電素子は、上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００６２】
１  圧電素子
２  ハウジング
３  伝達部材
６  圧力センサー部（圧力センサー）
８  シール部材
１０  グロープラグ
２６  発熱体
２７  電線
４１  圧電基体
４１Ａ  第１主面
４１α、４１β  部分領域
４２  第１周縁
４１Ｂ  第２主面
４３  第２周縁
４４  貫通孔
４４ａ  開口
４６Ａ、４６Ｂ  突部
４７Ａ、４８Ａ  外側平面部
４７Ｂ、４８Ｂ  内側平面部
５１  第１電極層
５２  第２電極層
Ｐ１  第１仮想平面
Ｐ２  第２仮想平面
Ｓ  中心軸
【図１】
2013179752.tif 000003
【図２】
2013179752.tif 000004
【図３】
2013179752.tif 000005
【図４】
2013179752.tif 000006
【図５】
2013179752.tif 000007
【図６】
2013179752.tif 000008
【図７】
2013179752.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月24日(2014.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
また図１（ｂ）に示すように、第１電極層５１の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５１Ａ（図１（ｂ）中の上側の表面）は、第１仮想平面Ｐ１と平行となっているので、第１電極層５１の表面５１Ａは、電極板６２と比較的広い面積で接触することができる。例えば、第１電極層５１の表面５１Ａが、突部４６Ａに沿って断面が円弧状の表面であると、特に圧電基体４１が傾いた場合、第１電極層５１と電極板６２とが部分的に大きく離れることもあり、この場合、圧電基体４１において発生した電圧を、高精度に計測できない場合もある。これに対し、本実施形態の圧電素子１は、図１（ｂ）に示すように、第１電極層５１の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５１Ａ（図１（ｂ）中の上側の表面）は、第１仮想平面Ｐ１と平行であり、図５に示すように圧電基体４１が多少傾いた場合も、第１電極層５１が圧力に応じて変形することで、第１電極層５１と電極板６２とが比較的広い接触面積を確保することができるので、圧電基体４１における発生電圧を繰り返し高精度に計測することができる。同様に、図１（ｂ）に示すように、第２電極層５２の圧電基体４１に接合した側と反対側の表面５２Ｂ（図１（ｂ）中の下側の表面）は、第２仮想平面Ｐ２と平行であり、第２電極層５２の表面５２Ｂは電極板６３と比較的広い接触面積を確保している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
また、図６（ｃ）に示すように、圧電基体４１は、例えば第１主面４１Ａのみに突部４６Ａを設け、第２主面４１Ｂの側は平坦面としてもよい。この場合も、第１主面４１Ａの側において、圧力印加方向がずれることにより、圧力が集中する部分の位置がばらつくことが抑制されるが、ばらつきをより確実に抑えるには、第１主面４１Ａに加えて、第２主面４１Ｂにも突部４６Ｂを設けることが好ましい。
【国際調査報告】
2013179752.tif 000010
2013179752.tif 000011
2013179752.tif 000012
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