(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却装置不要で、構造簡単、小型で、安価な筒内圧センサを提供する。【解決手段】Ｇａ（ガリウム）をＡｌ（アルミナ）に置換してＧａ（ガリウム）の量を減らし、更に結晶の固有抵抗値の変化が５００℃を越えても１０１１Ωに留まるＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ、ＬＴＧＡのいずれかを圧電素子に使うことで課題を解決する。例えばＬＧＡＳ単結晶はＧａ５をＧａ４．８とＡｌ０．２で置換しＬａ３Ｇａ４．８Ａｌ０．２ＳｉＯ１４としてＧａの量を減らしている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランガサイトＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ＬＧＳ）とその置換型単結晶であるランガナイト（ＬＮＧ）及びランガテイト（ＬＴＧ）のＧａ（ガリウム）のサイトをＡｌ（アルミナ）で置換した「Ａｌ置換ＬＧＳ単結晶」即ちＬａ３Ｇａ５−ｘＡｌｘＳｉＯ１４（ＬＧＡＳ）、Ｌａ３Ｎｂ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４（ＬＮＧＡ）及びＬａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４（ＬＴＧＡ）のいずれかを圧力検出用の圧電素子として用いた内燃機関の筒内圧センサ。
【請求項２】
Ａｌ置換ＬＧＳ単結晶、ＬＧＡＳ、ＬＮＧＡおよびＬＴＧＡを結晶学上最も圧電感度が大きい切断角ｄ１１に従って切断した圧力検出用圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】ランガサイトＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ＬＧＳ）とランガサイトのＳｉ（ケイ素）をＮｂ（ナイベイト）に置換したランガナイトＬａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４（ＬＮＧ）及びＳｉをＴａ（タンタル）に置換したランガテイトＬａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４（ＬＴＧ）［下記図参照］は高温域では電気抵抗値に温度依存性を有する。実際、ＬＧＳ、ＬＮＧ及びＬＴＧの各結晶の温度依存性は１００℃では電気抵抗値が１０１２〜１０１３であるが、５００℃では１０６．５〜１０７に低下する。これを改善するため、これらの単結晶のＧａ（ガリウム）のサイトを更にＡｌ（アルミナ）で置換した「Ａｌ置換ＬＧＳ単結晶」即ちＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ及びＬＴＧＡの単結晶が作成され［下記図参照］、測定の結果これらは５００℃で電気抵抗値の温度依存性が約１０９に向上したと報告されている。（高温度域における電気的特性については近々新しいデータに基づく発表が予定されている。）
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【０００２】本発明の筒内圧センサに使用されるＡｌ置換ＬＧＳ単結晶、ＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ及びＬＴＧＡはいずれの結晶もその構造は水晶と同じ三方晶系・点群３２に分類され、融液から大型結晶の成長が可能で、例えば引き上げ法では５インチ程度のものが可能であり、融点まで相転移が無く、非強誘電体の有極性圧電結晶であるので分極処理を必要としないこと、焦電性を持たないこと、電気機械結合係数が水晶の約３倍であること、温度５００℃を越える雰囲気中でも電気抵抗の温度依存性は１０１１Ωを維持する。更に結晶の育成、加工や取り扱い易さなどにおいて多くの特徴を有する。尚、溶解温度はＬＧＡＳが１４９０℃、ＬＮＧＡは１４７０℃、ＬＴＧＡは１５００℃であり、融点まで相違点がないため燃焼の際の瞬間ピーク温度約１０００℃に対しても冷却装置なしで燃焼室に取り付けが可能であり、気化した混合ガスの燃焼に伴い発生するガス圧を直接計測できるものである。この筒内圧センサは内燃機関のシリンダ内の圧力を直接計測するため筒内圧センサの外に指圧センサなどとも呼ばれる。
【背景技術】
【０００３】
【特許文献１】特許３１２３７９９
【特許文献２】特許３２５６７９９
【非特許文献１】第６３回応用物理学関係連合講演会講演予稿集（２００２．９新潟大学）
２５ｐ−ＹＫ−２  ｐ２４６
Ｌａ３Ｇａ５−ｘＡｌｘＳｉＯ１４，Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４，ａｎｄ  Ｌａ３Ｎｂ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４
単結晶の作製
東北大金研、東北大多元研  鎌田  圭、吉川  彰、Ｉ．Ｈ．Ｊｕｎｇ，福田  承生【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｊａｐａｎ  １１，４３−４９（２００４）
Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４型新圧電材料の開発
武田  博明・島村  清史・岡村総一郎・塩崎  忠
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】近年、海外の圧電型センサにガリウム燐酸塩をセンサ素子として使い冷却装置を必要としない筒内圧センサを開発しているメーカーもある（オーストリアＡＶＬ社）。
一方わが国ではすでにセンサ素子としてＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）を使った筒内圧センサが特許３１２３７９９により、またランガテイトＬａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４（ＬＴＧ）またはランガナイトＬａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４（ＬＮＧ）を使った筒内圧センサが特許３２５６７９９によりそれぞれ認められている。これらはいずれも冷却装置を必要としない筒内圧センサとして発表されているが、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）を使ったものは市場に殆ど出ておらず、またランガテイト（ＬＴＧ）あるいはランガナイト（ＬＮＧ）を使ったセンサは圧電素子を構成するＧａ（ガリウム）の価格が高価なためセンサの単価がある一定値以上廉価にならない（実際の大量生産において工場出荷価格が￥９００を切れない）等の問題がある。筒内圧センサは、例えば自動車のエンジン搭載用の場合、小型で冷却装置を必要とせず、しかも価格的にも廉価であることが絶対条件である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】センサを構成する構造部材と素子とに分けて考えると、構造部材については構造設計を出来るだけ簡潔なものとし、部品点数を極力減らさねばならない。一方センサ素子についてはＧａ（ガリウム）のような高価な物質を全く使わないか、使っても量を極力少なくすることが必要である。このような観点から本特許においてはＧａ（ガリウム）をＡｌ（アルミナ）に置換してＧａ（ガリウム）の量を減らし、更に結晶の固有抵抗値の変化が５００℃を越えても１０１１Ωに留まるＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ、ＬＴＧＡのいずれかを圧電素子に使うことで課題を解決する。例えばＬＧＡＳ単結晶はＧａ５をＧａ４．８とＡｌ０．２で置換しＬａ３Ｇａ４．８Ａｌ０．２ＳｉＯ１４としてＧａの量を減らしている。【０００６】しかしながらＧａとＡｌの置換はＧａ４．５からＧａ４．１まで、即ちＡｌ０．５からＡｌ０．９まで増やすことも可能である。従ってＬＧＡＳは実際にはＬａ３Ｇａ４．８Ａｌ０．２ＳｉＯ１４からＬａ３Ｇａ４．５Ａｌ０．５ＳｉＯ１４〜Ｌａ３Ｇａ４．１Ａｌ０．９ＳｉＯ１４まで存在する。しかも実際にこれらの材料を坩堝内で高周波加熱し、バルクまたはプレート状にして坩堝から取り出す方法はＣｚ（チョコラスキー）法、ＢＭ（ブリッジマン）法、μ−ＰＤ（マイクロ−プルダウン）法など幾多の方法がある。しかしこれらはいずれも単結晶の置換技術及び製造技術に関わることである。【０００７】一方本件は用途の特許であるから、これらの置換量および製造方法に関しては詳しく言及せず、ＬＧＡＳ（Ｌａ３Ｇａ５−ｘＡｌｘＳｉＯ１４）、ＬＮＧＡ（Ｌａ３Ｎｂ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４）、及びＬＴＧＡ（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４）のＡｌ置換ＬＧＳ単結晶のいずれかを圧力検出用の圧電素子として利用した筒内圧センサに限定するものである。
【発明の効果】
【０００８】ＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ及びＬＴＧＡの融点はそれぞれ１４９０℃、１４７０℃、１５００℃に到達するまでキューリー点が存在せず、その電気的抵抗値の温度依存性は５００℃を越えても１０１１Ωを維持する。この単結晶材料を圧電素子に利用することでセンサ単体は冷却装置を必要とせず、その為構造を簡潔にし筒内圧センサを極端に小型化することができる。更に年間の総生産量も１０００万本を越えると価格的にも従来の製品の３００分の１程度まで下がるという試算が成立する。【０００９】本センサの採用によりエンジンのノック検知、ＥＧＲ（排ガス還流）およびＭＢＴ（最大トルクのため最小電気位置）制御、トルク変動の即時検出によるリーンバーン制御、即ち燃料と空気の最適混合比の制御が可能になる。従って本筒内圧力計測用センサを市販車に搭載することにより排ガス対策に多大な貢献が出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】本発明による筒内圧センサの実施の形態について添付の図面を使って説明する。
図１および図２はＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ、及びＬＴＧＡの各単結晶の縦軸効果を利用したものである。図１は縦軸効果で加圧方向に＋Ｆｘ（正の力）が作用すると−Ｑｘの電荷が力が加わった面に帯電し、図２は逆に力−Ｆｘ（負の力）が作用する（力が引っ張りの方向に作用する）と電荷は極性が逆転し＋Ｑｘとなり帯電する様子を示す。電荷の量Ｑｘは加わった力の大きさに直接比例し、その量（電荷感度）は次の式で示される。尚、定数のｄ１１は使用される単結晶固有の圧電感度により決定される。
Ｑｘ＝ｄ１１・Ｆｘ【００１１】図３および図４はＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ、及びＬＴＧＡの各単結晶の横軸効果を利用したものである。横軸効果の場合、電荷の発生は加圧方向の力＋Ｆｙ（正の力）または引っ張りの力−Ｆｙ（負の力）は力が作用した面ではなく圧電素子の側面に−Ｑｘまたは＋Ｑｘとして現れる。図３は加圧方向の力＋Ｆｙ（正の力）により圧電素子の側面に電荷−Ｑｘが帯電し、図４は圧電素子に引っ張りの力−Ｆｙ（負の力）が加わると電荷の極性は＋Ｑｘに逆転して帯電する状態を示す。Ｑｘの量は加わった力の大きさに直接比例せずに圧電素子の横ａ及び縦ｂの寸法により異なる。帯電する電荷Ｑｘの量（圧電感度）は次の式で示される。
Ｑｘ＝ｄ１１・Ｆｙ・ｂ／ａ【００１２】この場合、ａを小さく、ｂを大きくすれば圧電感度を上げることが可能となるが、限定されたスペースではおのずと限界があり、また加圧による圧電素子に対する応力を考慮するとａ、ｂの比にも限界がある。尚、定数のｄ１１は使用される単結晶固有の圧電感度により決定される。【００１３】図５は縦軸効果を利用した圧電素子の配置の一例を示す。縦軸効果による場合、電荷は機械的応力が作用した面に帯電するので図５の如く極性が同じ向きの２個の圧電素子を電極（Ｐ）を挟んで向かい合わせにセットすれば絶縁物を使わずにセンサ素子としてセンサ本体に組み込むことができる。この場合、加えられた機械的応力に対し２倍の電荷が応力の加わった面に帯電する。【００１４】図６は横軸効果を利用した圧電素子の配列の一例を示したものである。横軸効果による場合、電荷は図のように機械的応力が作用した面に対し圧電素子の側面に現れるため、極性が同じ向きの２個の圧電素子を電極（Ｐ）を挟んで向かい合わせにセットする。この圧電素子の配列により機械的応力が負荷された時に検出できる電荷量は次の式により与えられる。尚、２枚の圧電素子は中心に配置する電極（Ｐ）に対し同一の極性の電荷を帯電する側をメタライジング加工等により固定する。
Ｑ＝ｄ１１・Ｆ・２・ｂ／ａ
Ｑ  は得られる電荷量
ｄ１１は使用される単結晶固有の圧電感度
Ｆ  は作用した機械的な応力
ａ  は圧電素子のａ方向の寸法
ｂ  は圧電素子のｂ方向の寸法
【実施例】
【００１５】内燃機関用筒内圧センサ。図７に筒内圧センサの断面図を示す。
【産業上の利用可能性】
【００１６】発電機、自動車、二輪車及び船舶等の内燃機関用筒内圧センサに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】縦軸効果で加圧方向に＋Ｆｘ（正の力）が作用すると−Ｑｘの電荷が力が加わった面に帯電する。
【図２】逆に−Ｆｘ（負の力）が作用すると電荷は極性が逆転し＋Ｑｘとなり力が加わった面に帯電する。
【図３】横軸効果で加圧方向の力＋Ｆｙ（正の力）が作用すると−Ｑｘの電荷が力が加わった側面に帯電する。
【図４】逆に−Ｆｙ（負の力）が作用すると電荷は極性が逆転し＋Ｑｘとなり力が加わった側面に帯電する。
【図５】縦軸効果を利用した圧電素子の配置の一例。２個の圧電素子を極性が同じ向きの２個の圧電素子を電極（Ｐ）を挟んで向かい合わせにセットして絶縁物を使わずにセンサ素子としてセンサ本体に組み込む。この場合、加えられた機械的応力に対し２倍の電荷が応力の加わった面に帯電する。
【図６】横軸効果を利用した圧電素子の配列の一例。電荷は機械的応力が作用した面に対し圧電素子の側面に現れるため、極性が同じ向きの２個の圧電素子を電極（Ｐ）を挟んで向かい合わせにセットする。
【図７】内燃機関用筒内圧センサの断面図を示す。
【符号の説明】
【００１８】＋Ｆｘ  正の力
−Ｆｘ  負の力
＋Ｆｙ  正の力
−Ｆｙ  負の力
−Ｑｘ  マイナスの極性を持った電荷
＋Ｑｘ  プラスの極性を持った電荷
Ｘ    座標軸（電気軸）
Ｙ    座標軸（電気軸）
Ｚ    座標軸（光学軸）
Ｐ    電極
１０    本体
１１ａ  本体取り付けネジ
１１ｂ  与圧用ネジ
１２    ダイアフラム
１３    ダイアフラムリング
１３ａ  ダイアフラムリング
１４    台座
１５    半球
１６    電極板
１９    インナーボデイ
２０    インナーボデイ
２１    絶縁スリーブ
２２    与圧調節ネジ
２３    レセプタクル
３０ａ  圧電素子
３０ｂ  圧電素子
４０    リードピン
【図１】
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【図２】
2006250916.tif 000005
【図３】
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【図４】
2006250916.tif 000007
【図５】
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【図６】
2006250916.tif 000009
【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年9月29日(2005.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ランガサイトＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ＬＧＳ）とその置換型単結晶であるランガナイト（ＬＮＧ）及びランガテイト（ＬＴＧ）のＧａ（ガリウム）のサイトの一部をＡｌ（アルミニウム）で置換した「Ａｌ置換ＬＧＳ系単結晶」即ちＬａ３Ｇａ５−ｘＡｌｘＳｉＯ１４（ＬＧＡＳ）、Ｌａ３Ｎｂ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４（ＬＮＧＡ）及びＬａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４（ＬＴＧＡ）のいずれかを圧力検出用の圧電素子として使用した内燃機関用の筒内圧センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
Ａｌ置換ＬＧＳ系単結晶、ＬＧＡＳ、ＬＮＧＡおよびＬＴＧＡを結晶学上最も圧電感度が大きい切断角ｄ１１に従って切断した圧力検出用圧電素子。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】ランガサイトＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ＬＧＳ）とランガサイトのＳｉ（ケイ素）をＮｂ（ナイベイト）に置換したランガナイトＬａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４（ＬＮＧ）及びＳｉをＴａ（タンタル）に置換したランガテイトＬａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４（ＬＴＧ）［下記図参照］は総称としてランガサイト系、ランガサイト型、またはランガサイトファミリー等と呼ばれている。これらの単結晶は高温域では電気抵抗値に温度依存性を有し、温度の上昇に依存して電気抵抗値が低下する。これを改善するため、これらの単結晶のＧａ（ガリウム）のサイトを更にＡｌ（アルミニウム）で置換した「Ａｌ置換ＬＧＳ系単結晶」即ちＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ及びＬＴＧＡの単結晶が作成され［下記図参照］、測定の結果これらは５００℃で電気抵抗値の温度依存性が約１０９Ωに向上したと報告されている。（高温度域における電気的特性については近々新しいデータに基づく発表が予定されている。）また「Ａｌ置換ＬＧＳ系単結晶」は、結果として結晶を構成する高価なガリウムの量を低減した。このことにより「Ａｌ置換ＬＧＳ系単結晶」は電気抵抗値の温度依存性の改善のみに留まらず、価格の低減にもつながり、実用化にあたっての「廉価」とうい絶対条件を満たすことが期待できる。
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【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】本発明の筒内圧センサに使用されるＡｌ置換ＬＧＳ系単結晶、ＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ及びＬＴＧＡはいずれの結晶もその構造は水晶と同じ三方晶系・点群３２に分類され、融液から大型結晶の成長が可能で、例えば引き上げ法では５インチ程度のものが可能であり、融点まで相転移が無く、非強誘電体の有極性圧電結晶であるので分極処理を必要としないこと、焦電性を持たないこと、電気機械結合係数が水晶の約３倍であること、温度５００℃を越える雰囲気中でも電気抵抗の温度依存性は約１０９Ωを維持する。更に結晶の育成、加工や取り扱い易さなどにおいて多くの特徴を有する。尚、溶解温度はＬＧＡＳが１４９０℃、ＬＮＧＡは１４７０℃、ＬＴＧＡは１５００℃であり、融点まで相転移がないため燃焼の際の瞬間ピーク温度約１０００℃に対しても冷却装置なしで燃焼室に取り付けが可能であり、気化した混合ガスの燃焼に伴い発生するガス圧を直接計測できるものである。この筒内圧センサは内燃機関のシリンダ内の圧力を直接計測するため筒内圧センサの外に指圧センサなどとも呼ばれる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
2006250916.tif 000012
2006250916.tif 000013
2006250916.tif 000014
2006250916.tif 000015
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】センサを構成する構造部材と素子とに分けて考えると、構造部材については構造設計を出来るだけ簡潔なものとし、部品点数を極力減らさねばならない。一方センサ素子についてはＧａ（ガリウム）のような高価な物質を全く使わないか、使っても量を極力少なくすることが必要である。このような観点から本特許においてはＧａ（ガリウム）の一部をＡｌ（アルミニウム）に置換してＧａ（ガリウム）の量を減らし、更に結晶の固有抵抗値の変化が５００℃を越えても約１０９Ωに留まるＬＧＡＳ、ＬＮＧＡ、ＬＴＧＡのいずれかを圧電素子に使うことで課題を解決する。例えばＬＧＡＳ単結晶はＧａ５をＧａ４．８とＡｌ０．２で置換しＬａ３Ｇａ４．８Ａｌ０．２ＳｉＯ１４としてＧａの量を減らしている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】一方本件は用途の特許であるから、これらの置換量および製造方法に関しては詳しく言及せず、ＬＧＡＳ（Ｌａ３Ｇａ５−ｘＡｌｘＳｉＯ１４）、ＬＮＧＡ（Ｌａ３Ｎｂ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４）、及びＬＴＧＡ（Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５−ｘＡｌｘＯ１４）のＡｌ置換ＬＧＳ系単結晶のいずれかを圧力検出用の圧電素子として利用した筒内圧センサに限定するものである。