(57)【要約】【課題】広い温度範囲において、水晶片に加わる圧力を高精度に検出することができる圧力検出装置を提供すること。【解決手段】水晶板２に作用する圧力を、水晶板２の圧電効果に基づく電圧の変化として捉えて検出する圧力検出装置において、水晶板２に第１の振動領域２１と、この第１の振動領域２１と双晶の関係にある第２の振動領域２２とを形成する。前記水晶板２に圧力を与えたときに、第１の振動領域２１に発生する電圧を第１の電圧検出部４にて検出すると共に、第２の振動領域２２に発生する電圧を第２の電圧検出部５にて検出する。前記電圧検出値Ｖ１と電圧検出値Ｖ２の差分と圧力Ｐとは温度に依存しない関数式により表すことができるので、圧力算出部６にてこれら電圧検出値Ｖ１、Ｖ２に基づいて圧力Ｐを求めることにより、広い温度範囲において水晶板２に加わる圧力を高精度に検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電片に作用する圧力を、圧電片の圧電効果に基づく電圧の変化として捉えて検出する圧力検出装置において、
測定雰囲気の圧力が作用する圧電片に形成された第１の振動領域と、
測定雰囲気の圧力が作用する圧電片に形成され、前記第１の振動領域と双晶の関係にある第２の振動領域と、
前記圧電片の変形により第１の振動領域にて発生する電圧を検出する第１の電圧検出部と、
前記圧電片の変形により第２の振動領域にて発生する電圧を検出する第２の電圧検出部と、
前記第１の電圧検出部にて検出された第１の電圧検出値と前記第２の電圧検出部にて検出された第２の電圧検出値とに基づいて圧力を求める圧力算出部と、を備えたことを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】
圧力算出部は、第１の振動領域の圧電ひずみ定数と第２の振動領域の圧電ひずみ定数との差分と、第１の電圧検出値と第２の電圧検出値との差分とに基づいて、圧力を求める演算部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。
【請求項３】
前記圧電片は水晶片であり、第２の振動領域は第１の振動領域とはＸ軸の正負の向きが異なることを特徴とする請求項１又は２記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電片に作用する圧力を、圧電片の圧電効果に基づく電圧の変化として捉えて検出する技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体の圧電効果を利用した圧力センサが知られている。この圧力センサは、圧電体に圧力を加えるとその結晶構造が変化し、圧力の大きさに応じた電圧を発生させる現象を用いて圧力を検出するものである。圧電体としては例えば水晶が用いられ、この水晶を用いた圧力センサは耐熱性や耐剛性が大きいため、種々の分野にて利用されている。
【０００３】
センサ用の水晶としては例えば人工水晶が用いられるが、本発明者らは、品質グレードの異なる種々の人工水晶を用いて実験を行った結果、品質グレードが高い人工水晶であれば広い温度範囲において信頼性の高い圧力検出を行うことができるが、品質グレードが低くなると測定誤差が大きくなることを把握している。この品質グレードとは例えばＩＥＣ規格に基づいて区分されるものである。
【０００４】
近年、自動車エンジンのシリンダ内の圧力検出等のように高温環境下での使用が求められており、広い温度範囲において圧力を高精度に検出する要求が高まりつつある。従って圧電体として水晶を利用する場合には品質グレードの高い高純度の人工水晶を用いることが望ましいが、このような人工水晶は高価である。このため比較的廉価な品質グレードの人工水晶を用いて、品質グレードの高い人工水晶を用いた場合と同程度の性能を確保することが期待されている。
【０００５】
特許文献１には、水晶板に第１の振動領域と、この第１の振動領域とは厚さ及びＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域を備えた水晶振動子において、第２の振動領域の振動に基づいて水晶板の温度を推定し、第１の振動領域の発振周波数を温度補償する技術が記載されている。また特許文献２には、粒径が０．２μｍ〜０．５μｍのチタン酸バリウムの多結晶からなる圧電膜を用いることにより、鉛を含まず、温度特性に優れた圧電膜型アクチュエータを構成する技術が記載されている。しかしながら、これらの特許文献１、２には、圧電効果を利用した圧力センサにおいて高温環境下で精度よく圧力検出を行うことについては言及されておらず、これらの特許文献１、２の技術を用いても本発明の課題を解決することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−５１６７３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、広い温度範囲において、圧電片に加わる圧力を高精度に検出することができる圧力検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため本発明は、圧電片に作用する圧力を、圧電片の圧電効果に基づく電圧の変化として捉えて検出する圧力検出装置において、
測定雰囲気の圧力が作用する圧電片に形成された第１の振動領域と、
測定雰囲気の圧力が作用する圧電片に形成され、前記第１の振動領域と双晶の関係にある第２の振動領域と、
前記圧電片の変形により第１の振動領域にて発生する電圧を検出する第１の電圧検出部と、
前記圧電片の変形により第２の振動領域にて発生する電圧を検出する第２の電圧検出部と、
前記第１の電圧検出部にて検出された第１の電圧検出値と前記第２の電圧検出部にて検出された第２の電圧検出値とに基づいて圧力を求める圧力算出部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
圧電片に作用する圧力を、圧電片の圧電効果に基づく電圧の変化として捉えて検出する圧力検出装置において、圧電片に第１の振動領域と、この第１の振動領域と双晶の関係にある第２の振動領域とを形成する。圧電片に圧力を作用させて、第１の電圧検出部により第１の振動領域の変形に基づく第１の電圧検出値を取得すると共に、第２の電圧検出部により第２の振動領域の変形に基づく第２の電圧検出値を取得する。前記第１の電圧検出値と第２の電圧検出値との差分と圧力との関係を温度に依存しない関数式により表すことにより、広い温度範囲で高精度に圧力を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る圧力検出装置の第１の実施形態を示す縦断側面図である。
【図２】圧力検出装置に用いられる水晶片を示す構成図である。
【図３】水晶片の温度と圧電ひずみ定数との関係を模式的に示す特性図である。
【図４】水晶片の温度と圧電ひずみ定数との関係を示す特性図である。
【図５】水晶片の温度と圧電ひずみ定数との関係を示す特性図である。
【図６】水晶片の温度と圧電ひずみ定数との関係を示す特性図である。
【図７】水晶片の温度と圧電ひずみ定数との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の圧力検出装置の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。図中１は例えば一端側が塞がれた絶縁性の筒状体よりなるシリンダである。このシリンダ１の内部には、水晶片をなす水晶板２が、その一面側が前記シリンダ１の一端側の壁面と接触するように設けられている。水晶板２について図２を参照して説明すると、水晶板２には、その長さ方向（水晶の結晶軸のＹ軸方向）に沿って、第１の振動領域２１及び第２の振動領域２２が各々形成されている。
【００１２】
第１の振動領域２１は０度Ｘカットされた領域であり、その表面及び裏面が水晶の結晶軸であるＸ軸に対して直交する平面として形成されている。また第２の振動領域２２は、その表面及び裏面が水晶の結晶軸であるＸ軸に対して直交する平面として形成され、Ｘ軸の正負の向きは第１の振動領域２１のＸ軸の正負の向きと逆になるように構成されている。つまりこの水晶板２は第１の振動領域２１は非双晶領域、第２の振動領域２２は双晶領域として構成され、第２の振動領域２２は第１の振動領域２１に対して双晶の関係にある。
【００１３】
水晶板２の表面及び裏面には、第１の振動領域２１と第２の振動領域２２とを区画するように夫々凹部２３が形成されている。各凹部２３は水晶板２の幅方向（水晶の結晶軸のＺ軸方向）に沿って筋状に形成され、互いに対向している。また第１の振動領域２１の表裏面には夫々電極膜２４、２５が形成され、これら電極膜２４、２５は水晶板２の端部に向けて引き出された電極２６を介して第１の電圧検出部４に接続されている。さらにまた第２の振動領域２２の表裏面には夫々電極膜２７、２８が形成され、これら電極膜２７、２８は水晶板２の端部に向けて引き出された電極２９を介して第２の電圧検出部５に接続されている。
【００１４】
このような水晶板２は、先ず水晶板２にエッチングにより凹部２３を形成し、第１の振動領域２１及び第２の振動領域２２を形成する。続いて第２の振動領域２２を例えば６００℃まで加熱し、第２の振動領域２２のＸ軸の正負を反転させることにより双晶領域として形成される。こうして第１の振動領域２１の表面と第２の振動領域２２の表面に現れる電荷は、一方がプラス電荷になり、他方がマイナス電荷となる。
【００１５】
第２の振動領域２２は例えば炭酸ガスレーザの照射による加熱や、第２の振動領域２２を金属膜で覆って加熱することによって、双晶領域に変化される。第１の振動領域２１と第２の振動領域２２との間に凹部２３を形成することにより、第２の振動領域２２のみが双晶となり、また一方の振動領域の弾性波が他方の振動領域に伝播することが抑えられるので、各振動領域２１、２２から独立して電気信号を取り出すことができる。
水晶板２の大きさの一例を挙げると、幅２．５ｍｍ、長さ５．０ｍｍ、厚さｄが０．０５ｍｍ程度であり、この例の水晶板２は後述する第３の品質グレードの人工水晶により構成されている。
【００１６】
図１を参照して圧力センサの構造の説明に戻ると、水晶板２の他面側には絶縁性の押圧プレート３１が水晶板２の第１の振動領域２１及び第２の振動領域２２に接触するように設けられている。この押圧プレート３１の他面側は、支持部材３２を介してピストン３３に接続されている。ピストン３３は、水晶板２が設けられた雰囲気と、圧力を検出する測定雰囲気とを区画し、前記測定雰囲気の圧力を受けてシリンダ１の内部を摺動移動するように構成され、シリンダ１の内面とピストン３３の外面との間には、弾性体例えばゴム製のリング状のシール部材３４が設けられている。これら押圧プレート３１と支持部材３２とピストン３３とは圧力の検出対象である測定雰囲気の圧力を受けて水晶板２を押圧する圧力伝達部材３を構成している。
【００１７】
前記水晶板２の第１の振動領域２１の一面側は電極膜２４及び電極２６を介して第１の電圧検出部４の一端側に、前記第１の振動領域２１の他面側は電極膜２５及び図示しない電極を介して第１の電圧検出部４の他端側に夫々電気的に接続されている。また前記水晶板２の第２の振動領域２２の一面側は電極膜２７及び電極２９を介して第２の電圧検出部５の一端側に、前記第２の振動領域２２の他面側は電極膜２８及び図示しない電極を介して第２の電圧検出部５の他端側に夫々電気的に接続されている。さらに圧力センサには圧力算出部６が設けられている。この圧力算出部６は、第１の電圧検出部４にて検出された第１の電圧検出値Ｖ１と第２の電圧検出部５にて検出された第２の電圧検出値Ｖ２とに基づいて圧力Ｐを求め、表示する機能を備えており、その詳細については後述する。
【００１８】
圧力センサを測定雰囲気に配置すると、ピストン３３の他面側が測定雰囲気の圧力を受ける。これによりピストン３３が水晶板２側に移動し、押圧プレート３を介して水晶板２を押圧するため、測定雰囲気の圧力が水晶板２に伝達される。Ｘカットの水晶板２は、水晶の結晶軸のＸ軸に垂直な面を持つようにカットされているので、図１に示すように、水晶板２の面内方向（水晶のＺ軸とＹ軸に平行な方向）に直交する方向（水晶のＸ軸方向）から圧力が作用すると、水晶板２のＸ軸の表面に電荷が発生し、第１の電圧検出部４及び第２の電圧検出部５にて夫々電圧が検出される。
【００１９】
このとき水晶板２の第１の振動領域２１と第２の振動領域２２には同じ力（Ｐ）が加えられるが、同一の水晶片２であっても非双晶領域である第１の振動領域２１と、双晶領域である第２の振動領域２２とは互いに異なる性質を持つ。このため第１の電圧検出部４にて検出される電圧検出値Ｖ１と第２の電圧検出部５にて検出される電圧検出値Ｖ２とは互いに異なる値となる。
【００２０】
そして水晶片２に加える力（圧力）Ｐ（Ｎ／ｍ２）と、第１の電圧検出部４にて検出される電圧Ｖ１との間には、次の（１）式の関係が成立し、前記加える力（圧力）Ｐと、第２の電圧検出部５にて検出される電圧Ｖ２との間には、次の（２）式の関係が成立する。
【００２１】
Ｖ１＝ｇ１１×(ｄ×Ｐ)／Ａ１        ・・・（１）
Ｖ２＝ｇ１１´×(ｄ×Ｐ)／Ａ２        ・・・（２）
ここで、Ｖ１は第１の振動領域２１の検出電圧（Ｖ）、ｇ１１は第１の振動領域２１の圧電ひずみ定数（ｍ２／Ｃ）、ｄは第１の振動領域２１の厚さ（ｍ）、Ａ１は圧力が作用する第１の振動領域２１の面積（ｍ２）である。
また、Ｖ２は第２の振動領域２２の電圧（Ｖ）、ｇ１１´は第２の振動領域２２の圧電ひずみ定数（ｍ２／Ｃ）、ｄは第２の振動領域２２の厚さ（ｍ）、Ａ２は圧力が作用する第２の振動領域２２の面積（ｍ２）である。
【００２２】
ところで人工水晶は、ＩＥＣ規格において、赤外線吸収計数α、インクルージョン密度、エッチチャンネル密度により夫々品質がグレード分けされている。本発明者らは、後述するように、品質グレードの異なる種々の水晶に対して、水晶の温度と圧電ひずみ定数ｇ１１との関係を取得した結果、前記圧電ひずみ定数ｇ１１と人工水晶の品質グレードとの間に、次のような関係があることを見出した。
（１）人工水晶の品質グレードが高い場合には、圧電ひずみ定数ｇ１１は、水晶板の温度に関わらずほぼ一定であること。
（２）品質グレードが低い場合には、前記水晶板の温度がある温度以上になると圧電ひずみ定数ｇ１１が変化し、温度と圧電ひずみ定数ｇ１１との間には相関関係があること。
（３）同じ品質グレードの人工水晶における、非双晶領域（第１の振動領域）と双晶領域（第２の振動領域）の圧電ひずみ定数は、図３に模式的に示すように、温度に対する変化の仕方がほぼ一定であること。つまり非双晶領域の圧電ひずみ定数ｇ１１と双晶領域の圧電ひずみ定数ｇ１１´との差分（ｇ１１−ｇ１１´）は温度に依存する程度が小さく、ほぼ一定とみなせること。
【００２３】
このように、電圧Ｖ１と圧力Ｐとの間、電圧Ｖ２と圧力Ｐとの間には夫々比例関係が成立する。また第１の振動領域２１の圧電ひずみ定数ｇ１１と第２の圧電ひずみ定数ｇ１１´との差分（ｇ１１−ｇ１１´）がほぼ一定であり、これを定数とみなして扱うことができることから、次の（３）式に示すように、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とを検出することによって圧力Ｐを求めることができる。
【００２４】
Ｐ＝(Ａ１・Ｖ１―Ａ２・Ｖ２)／（ｇ１１−ｇ１１´)・ｄ・・・（３）
続いて前記圧力算出部６について具体的に説明する。図１に示すように、圧力算出部６は、減算部６１と除算部６２と表示部６３とを備え、前記減算部６１と除算部６２とにより演算部が構成されている。例えば圧力センサでは、当該圧力センサに用いられる水晶板２毎に、予め前記第１の振動領域２１と第２の振動領域２２の圧電ひずみ定数の差分（ｇ１１−ｇ１１´）と、第１の振動領域２１の面積Ａ１及び第２の振動領域２２の面積Ａ２と、第１の振動領域２１及び第２の振動領域２２の厚さｄとを設定しておく。
【００２５】
そして例えば減算部６１にて、第１の電圧検出値Ｖ１及び第２の電圧検出値Ｖ２と、第１の振動領域２１の面積Ａ１及び第２の振動領域２２の面積Ａ２とに基づいて、（Ａ１・Ｖ１−Ａ２・Ｖ２）の減算処理が行われる。前記除算部６２では減算部６１にて得られた（Ａ１・Ｖ１−Ａ２・Ｖ２）を、圧電ひずみ定数の差分（ｇ１１−ｇ１１´）を水晶板２の厚さｄで除算した値（（ｇ１１−ｇ１１´）／ｄ）で除算して圧力Ｐを求める処理が行われる。こうして演算部では、第１の振動領域２１の圧電ひずみ定数ｇ１１と第２の振動領域の圧電ひずみ定数ｇ１１´との差分と、第１の電圧検出値Ｖ１と第２の電圧検出値Ｖ２との差分とに基づいて、圧力が算出されることになる。算出された圧力は、例えば電圧検出値Ｖ１、Ｖ２と共に表示部６３に表示される。
このように、圧力センサは、ピストン３３の他面側が測定雰囲気に位置するように配置され、第１の電圧検出値Ｖ１と第２の電圧検出値Ｖ２とを取得することによって、圧力算出部６にて圧力Ｐが求められる。
【００２６】
上述の実施の形態は、本発明者らが、水晶板２に第１の振動領域２１と、この第１の振動領域２１と双晶の関係にある第２の振動領域２２とを形成し、水晶板２に圧力を作用させて、第１の振動領域２１の変形に基づく第１の電圧検出値Ｖ１と、第２の振動領域２２の変形に基づく第２の電圧検出値Ｖ２とを取得したとき、前記第１の電圧検出値Ｖ１と第２の電圧検出値Ｖ２との差分と圧力との関係は、温度に依存しない関数式にて表すことができることを見出した結果なされたものである。
【００２７】
水晶片に作用する圧力を、水晶片の圧電効果に基づく電圧の変化として捉えて検出する圧力センサにおいては、既述のように、圧力は圧電ひずみ定数に比例するが、本発明者らは、圧電ひずみ定数が圧電片の温度に応じて変化すること、及び第１の振動領域と、この第１の振動領域に対して双晶の関係にある第２の振動領域との間では、夫々の圧電ひずみ定数の温度に対してほぼ一定であることを見出した。また前記第１の電圧検出部にて検出された第１の振動領域の変形に基づく第１の電圧検出値と、前記第２の電圧検出部にて検出された第２の振動領域の変形に基づく第２の電圧検出値との差分と圧力とは、前記圧電ひずみ定数の差分を定数とみなす関数式により表すことができる。従って前記第１の電圧検出値と第２の電圧検出値とに基づいて圧力を求めることにより、温度に依存しない関数式を用いて圧力を求めることができるので、温度に応じて圧電ひずみ定数が変化する品質グレードの人工水晶を用いた場合でも、広い温度範囲において、精度の高い圧力検出を行うことができる。
【００２８】
ここで温度に依存しないとは、必ずしも完全に温度に依存しないということではなく、多少温度に依存するが温度に依存する程度が小さいということである。つまり圧電ひずみ定数ｇ１１は水晶片がある温度以上になると、大きく変化するが、圧電ひずみ定数の差分（ｇ１１−ｇ１１´）は、圧電ひずみ定数ｇ１１に比べると、温度に対する変化量が極めて小さく、ほぼ一定とみなせるため、圧電ひずみ定数に比べるとほぼ温度に依存しないとみなせる。このように本発明の圧力センサは、圧電片の温度に関わらずに高精度な圧力検出を行うことができる。従って品質グレードの高い人工水晶に比べて安価な人工水晶を用いて、品質グレードの高い人工水晶を用いた場合と同程度の性能を確保することができ、安価で高性能な圧力センサを提供することができる。
【００２９】
ここで品質グレードの異なる人工水晶の圧電ひずみ定数の温度特性について図４〜図７に示す。これら図４〜図７においては、縦軸が圧電ひずみ定数、横軸が水晶の温度を夫々示している。図４は第１の人工水晶、図５は第２の人工水晶、図６は第３の人工水晶、図７の人工水晶についての圧電ひずみ定数の温度特性である。品質グレードとしては第１の人工水晶が最も高く、グレードの高い順から、第１の人工水晶＞第２の人工水晶＞第３の人工水晶＞第４の人工水晶であり、夫々については次の特性を持つものを用いた。
【００３０】
第１の人工水晶：赤外線吸収計数αが０．０１３、インクルージョン密度が８μｍ／ｃｍ３、エッチチャンネル密度が７本／ｃｍ２
第２の人工水晶：赤外線吸収計数αが０．０６１、インクルージョン密度が７８μｍ／ｃｍ３、エッチチャンネル密度が２２本／ｃｍ２ 
第３の人工水晶：赤外線吸収計数αが０．１２０、インクルージョン密度が８５μｍ／ｃｍ３、エッチチャンネル密度が１１９本／ｃｍ２
第４の人工水晶：赤外線吸収計数αが０．１５５、インクルージョン密度が１０６μｍ／ｃｍ３、エッチチャンネル密度が２１８本／ｃｍ２
これら圧電ひずみ定数の温度特性は、第１〜第４の夫々の人工水晶により、夫々０度Ｘカット、８．０ｍｍ×８．０ｍｍ×０．３ｍｍの大きさの水晶板を形成し、これら水晶板に夫々に１ｋｇの錘を付け、このときに水晶板に発生する電圧を検出することにより取得した。水晶板の温度を５℃〜４００℃の間で変えて、設定された温度間隔で電圧を測定し、既述の（１）式（Ｖ＝ｇ１１×(ｄ×Ｆ１)／Ａ）を用いて夫々の温度における圧電ひずみ定数を求めた。
【００３１】
図４〜図７の圧電ひずみ定数の温度特性より、第１の人工水晶及び第２の人工水晶では、圧電ひずみ定数は温度が２００℃以上であってもほぼ一定であり、第１の人工水晶は第２の人工水晶に比べて偏差が小さいことが認められる。また第３の人工水晶及び第４の人工水晶では、圧電ひずみ定数は温度が２００℃以上になると急激に小さくなり、第４の人工水晶は第３の人工水晶に比べて変化量が大きいことが認められる。
【００３２】
以上において本発明の圧力検出装置は、第１の振動領域と第２の振動領域とを異なる水晶片に形成し、これら水晶片に測定雰囲気の圧力を同じように加えるようにしてもよい。また測定雰囲気内に直接水晶板を配置し、第１の振動領域の変形により発生した第１の電圧検出値と、第２の振動領域の変形により発生した第２の電圧検出値とを検出して、圧力算出部にて圧力を求めるように構成してもよい。
またＸカットの水晶板に対して、水晶のＹ軸方向から圧力を作用させて水晶のＸ軸方向の電荷を電圧検出部にて検出するようにしてもよい。さらに水晶板としてはＸカット以外に、ＡＴカット、ＢＴカットやＳＢＴＣカット等を用いることができる。また水晶片以外の例えばランガサイト等の圧電セラミックスよりなる圧電片を用いるようにしてもよい。このような圧電片であっても、熱により双晶領域を形成することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１              シリンダ
２              水晶板
２１            第１の振動領域
２２            第２の振動領域
３              圧力伝達部材
３３            ピストン
４              第１の電圧検出部
５              第２の電圧検出部
６              圧力算出部
【図１】
2015007554.tif 000003
【図２】
2015007554.tif 000004
【図３】
2015007554.tif 000005
【図４】
2015007554.tif 000006
【図５】
2015007554.tif 000007
【図６】
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【図７】
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