(57)【要約】【課題】簡易な構造で、耐熱性に優れ、応答速度の速い圧力センサを提供する。【解決手段】空洞（マイクロキャビティ）２及び、マイクロキャビティ２と外部空間とを連通させる連通孔３が内部に形成され、一方の面（感圧部内面）がマイクロキャビティ２に面し他方の面側から被測定空間の圧力を受けて歪むことが可能な膜状の感圧部５を有するセラミックス基材１と、マイクロキャビティ２に面するセラミックス基材１の内壁面のうち、感圧部内面７と、感圧部内面７に対向する面とに、それぞれ配設された膜状の電極（膜状電極）４とを備え、２枚の膜状電極４間の静電容量を検知することにより、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能な圧力センサ１０１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞（マイクロキャビティ）及び、前記マイクロキャビティと外部空間とを連通させる連通孔が内部に形成され、一方の面（感圧部内面）が前記マイクロキャビティに面し他方の面側から被測定空間の圧力を受けて歪むことが可能な膜状の感圧部を有するセラミックス基材と、
前記マイクロキャビティに面するセラミックス基材の内壁面のうち、前記感圧部内面と、前記感圧部内面に対向する面とに、それぞれ配設された膜状の電極（膜状電極）とを備え、
２枚の前記膜状電極間の静電容量を検知することにより、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能な圧力センサ。
【請求項２】
前記被測定空間が内燃機関のシリンダー内の空間である請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記感圧部を、マイクロキャビティを挟むようにして２つ有し、２つの前記感圧部の互いに対向する前記感圧部内面に、それぞれ前記膜状電極が１枚ずつ配設された請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記セラミックス基材が、前記連通孔が延びる方向（長手方向）に長く形成され、前記セラミックス基材の長手方向の長さが１〜１０ｃｍであり、前記長手方向に垂直な断面の面積が０．０１〜１ｃｍ２である請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記セラミックス基材の、前記長手方向の長さが２〜７ｃｍであり、前記長手方向に垂直な断面の面積が０．０３〜０．３ｃｍ２である請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
複数のセラミックスグリーンシートが積層され、一体焼成されて形成された請求項１〜５のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記セラミックス基材の材料が、窒化珪素、炭化珪素、コージェライト、アルミナ又はジルコニアである請求項１〜６のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項８】
０．１〜３０ＭＰａの範囲の圧力を測定することが可能な請求項１〜７のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記セラミックス基材内部に配設された２本のリード線を更に備え、
前記リード線の一方が、その一方の端部が２枚の前記膜状電極のうちの一方に接続され、その他方の端部が外部に露出するように配設され、
前記リード線の他方が、その一方の端部が２枚の前記膜状電極のうちの他方に接続され、その他方の端部が外部に露出するように配設された請求項１〜８のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項１０】
加熱電極を更に備え、被測定空間を加熱することが可能な請求項１〜９のいずれかに記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記加熱電極による加熱を、グロープラグによる加熱の代わりに用いることが可能な請求項１０に記載の圧力センサ。
【請求項１２】
前記加熱電極が前記セラミックス基材の先端部に配設された請求項１０又は１１に記載の圧力センサ。
【請求項１３】
マイクロキャビティ形成孔が形成されたテープ状セラミックスグリーンシート（マイクロキャビティ形成用シート）及び、膜状電極が印刷されたテープ状セラミックスグリーンシート（膜状電極印刷シート）２枚を含む３枚以上のテープ状セラミックスグリーンシートを、前記マイクロキャビティ形成孔を挟んで２つの前記膜状電極が対向するように重ねて積層し、一体焼成して、
空洞（マイクロキャビティ）及び、一方の面（感圧部内面）がマイクロキャビティに面し他方の面側から被測定空間の圧力を受けて歪むことが可能な膜状の感圧部を有するセラミックス基材と、前記マイクロキャビティに面するセラミックス基材の内壁面のうち、前記感圧部内面と、前記感圧部内面に対向する面とに、それぞれ配設された膜状の電極（膜状電極）とを備え、２枚の前記膜状電極間の静電容量を検知することにより、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能な圧力センサの製造方法。
【請求項１４】
前記３枚以上のテープ状セラミックスグリーンシートが、更に、加熱電極が印刷されたテープ状セラミックスグリーンシート（加熱電極印刷シート）を含み、前記加熱電極印刷シートを含む前記テープ状セラミックスグリーンシートを積層する請求項１３に記載の圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサ及びその製造方法に関し、更に詳しくは、簡易な構造で、耐熱性に優れ、応答速度の速い圧力センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関のシリンダー内の圧力を測定し、それにより燃焼状態を把握しながら内燃機関を最適状態で運転する試みがなされている。例えば、グロープラグやスパークプラグに圧力センサを内蔵させて、シリンダー内の圧力を測定しようとするものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、単独で圧力センサとして使用するものも提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００３】
近年、燃焼効率の向上及び窒素酸化物等の有害物質排出量の低減を同時に実現することが可能な、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジンが、次世代型エンジンとして注目され、検討が進められている。ＨＣＣＩエンジンは、希薄可燃限界を超えた超希薄混合気を利用することにより、火炎温度を低下させ、それによりＮＯｘ等の低減、及び高い燃焼効率を実現することを可能とするものである。しかし、ＨＣＣＩエンジンが採用する予混合圧縮自己着火燃焼は、予混合気がシリンダー内で自己着火するものであるため、着火時期、燃焼期間等の制御が困難であるという問題があった。そのため、ＨＣＣＩエンジンは、シリンダー内の燃焼状態を把握しながら運転する必要性が極めて高いものと考えられている。
【特許文献１】特開平９−７２８１１号公報
【特許文献２】特開２００１−１２４３３６号公報
【特許文献３】特開２００２−２０２２１６号公報
【特許文献４】特開２００３−１８５５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１〜３に記載の、グロープラグやスパークプラグに圧力センサを内蔵させてシリンダー内の圧力を測定するものは、いずれも、シリンダー内の圧力を直接受ける部分が、棒状等の重量の大きな構造物であるため、圧力を受けたときの応答速度が遅くなるという問題があった。また、上記特許文献４に記載の圧力センサは、シリンダー内の圧力を受けたときに、受圧ピン及び力検知素子の移動により圧力を検知するため、応答速度の問題と共に構造が複雑になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で、耐熱性に優れ、応答速度の速い圧力センサ及びその製造方法を提供することを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するため、本発明によって以下の圧力センサ及びその製造方法が提供される。
【０００７】
［１］  空洞（マイクロキャビティ）及び、前記マイクロキャビティと外部空間とを連通させる連通孔が内部に形成され、一方の面（感圧部内面）が前記マイクロキャビティに面し他方の面側から被測定空間の圧力を受けて歪むことが可能な膜状の感圧部を有するセラミックス基材と、前記マイクロキャビティに面するセラミックス基材の内壁面のうち、前記感圧部内面と、前記感圧部内面に対向する面とに、それぞれ配設された膜状の電極（膜状電極）とを備え、２枚の前記膜状電極間の静電容量を検知することにより、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能な圧力センサ。
【０００８】
［２］  前記被測定空間が内燃機関のシリンダー内の空間である［１］に記載の圧力センサ。
【０００９】
［３］  前記感圧部を、マイクロキャビティを挟むようにして２つ有し、２つの前記感圧部の互いに対向する前記感圧部内面に、それぞれ前記膜状電極が１枚ずつ配設された［１］又は［２］に記載の圧力センサ。
【００１０】
［４］  前記セラミックス基材が、前記連通孔が延びる方向（長手方向）に長く形成され、前記セラミックス基材の長手方向の長さが１〜１０ｃｍであり、前記長手方向に垂直な断面の面積が０．０１〜１ｃｍ２である［１］〜［３］のいずれかに記載の圧力センサ。
【００１１】
［５］  前記セラミックス基材の、前記長手方向の長さが２〜７ｃｍであり、前記長手方向に垂直な断面の面積が０．０３〜０．３ｃｍ２である［４］に記載の圧力センサ。
【００１２】
［６］  複数のセラミックスグリーンシートが積層され、一体焼成されて形成された［１］〜［５］のいずれかに記載の圧力センサ。
【００１３】
［７］  前記セラミックス基材の材料が、窒化珪素、炭化珪素、コージェライト、アルミナ又はジルコニアである［１］〜［６］のいずれかに記載の圧力センサ。
【００１４】
［８］  ０．１〜３０ＭＰａの範囲の圧力を測定することが可能な［１］〜［７］のいずれかに記載の圧力センサ。
【００１５】
［９］  前記セラミックス基材内部に配設された２本のリード線を更に備え、前記リード線の一方が、その一方の端部が２枚の前記膜状電極のうちの一方に接続され、その他方の端部が外部に露出するように配設され、前記リード線の他方が、その一方の端部が２枚の前記膜状電極のうちの他方に接続され、その他方の端部が外部に露出するように配設された［１］〜［８］のいずれかに記載の圧力センサ。
【００１６】
［１０］  加熱電極を更に備え、被測定空間を加熱することが可能な［１］〜［９］のいずれかに記載の圧力センサ。
【００１７】
［１１］  前記加熱電極による加熱を、グロープラグによる加熱の代わりに用いることが可能な［１０］に記載の圧力センサ。
【００１８】
［１２］  前記加熱電極が前記セラミックス基材の先端部に配設された［１０］又は［１１］に記載の圧力センサ。
【００１９】
［１３］  マイクロキャビティ形成孔が形成されたテープ状セラミックスグリーンシート（マイクロキャビティ形成用シート）及び、膜状電極が印刷されたテープ状セラミックスグリーンシート（膜状電極印刷シート）２枚を含む３枚以上のテープ状セラミックスグリーンシートを、前記マイクロキャビティ形成孔を挟んで２つの前記膜状電極が対向するように重ねて積層し、一体焼成して、空洞（マイクロキャビティ）及び、一方の面（感圧部内面）がマイクロキャビティに面し他方の面側から被測定空間の圧力を受けて歪むことが可能な膜状の感圧部を有するセラミックス基材と、前記マイクロキャビティに面するセラミックス基材の内壁面のうち、前記感圧部内面と、前記感圧部内面に対向する面とに、それぞれ配設された膜状の電極（膜状電極）とを備え、２枚の前記膜状電極間の静電容量を検知することにより、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能な圧力センサの製造方法。
【００２０】
［１４］  前記３枚以上のテープ状セラミックスグリーンシートが、更に、加熱電極が印刷されたテープ状セラミックスグリーンシート（加熱電極印刷シート）を含み、前記加熱電極印刷シートを含む前記テープ状セラミックスグリーンシートを積層する［１３］に記載の圧力センサの製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧力センサによれば、マイクロキャビティ内の感圧部内面と、感圧部内面に対向する面とに、膜状電極が配設されているため、感圧部が被測定空間の圧力の変化に応じて変形したときに、上記２枚の膜状電極間の静電容量が変化し、この静電容量を検知することにより被測定空間の圧力を測定することができる。そして、膜状の感圧部の圧力変化に対する応答性の良さにより、応答速度の速い圧力センサとすることができる。また、本発明の圧力センサは、セラミックスで形成されているため、耐熱性に優れたものである。
【００２２】
本発明の圧力センサの製造方法によれば、テープ状セラミックスグリーンシートを積層し、一体焼成して圧力センサを作製するため、圧力センサを構成する部材が内部で移動する等の複雑な動きはなく、簡易な構造とすることができる。また、一体焼成することにより、効率的に圧力センサを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００２４】
図１は、本発明の圧力センサの一の実施形態を模式的に示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。図１（ａ）においては、圧力センサ１０１の内部に配設される膜状電極４及びリード線６と、内部に形成されるマイクロキャビティ２及び連通孔３を破線で表している。図１に示すように、本実施形態の圧力センサ１０１は、空洞（マイクロキャビティ）２及び、空洞（マイクロキャビティ）２と外部空間とを連通させる連通孔３が内部に形成され、一方の面（感圧部内面７）がマイクロキャビティ２に面し他方の面側から被測定空間の圧力を受けて（圧力印可により）歪むことが可能な膜状の感圧部５を有するセラミックス基材１と、マイクロキャビティ２に面するセラミックス基材の内壁面のうち、感圧部内面７と、感圧部内面７に対向する面（対向面）８とに、それぞれ配設された膜状の電極（膜状電極）４とを備えるものであり、２枚の膜状電極４，４間の静電容量を検知することにより、被測定空間の圧力を測定することが可能である。そして、本実施形態の圧力センサ１０１は、このようにセラミックス基材で形成されているため、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能である。ここで、「マイクロキャビティに面するセラミックス基材の内壁面」というときは、マイクロキャビティの周囲を囲んでマイクロキャビティを形成する壁面であり、マイクロキャビティに向かって露出した（に面した）壁面をいう。この「内壁面」により、マイクロキャビティの形状が形成されている。本実施形態の圧力センサ１０１は、感圧部５を、マイクロキャビティ２を挟むようにして２つ有し、２つの感圧部５，５の互いに対向する感圧部内面７，７にそれぞれ膜状電極４が配設されている。従って、本実施形態は、感圧部内面７に対向する対向面８についても、感圧部内面７としたものである。このように、２枚の膜状電極４が配設される部分を、２つとも感圧部５とすることにより、より感度の高い圧力センサとすることができる。
【００２５】
このように、本実施形態の圧力センサ１０１は、膜状の感圧部５の一方の面がマイクロキャビティ２側に面し、他方の面が外部に露出していることより、圧力センサ１０１を感圧部５の部分を含めて被測定空間である内燃機関のシリンダー内に挿入したときに、感圧部５が、外部に露出した他方の面側から被測定空間の圧力を受けて（圧力印可により）マイクロキャビティ２側に押し込まれるように歪み、その歪により、２枚の膜状電極４，４間の距離が変化し、それにより２枚の膜状電極４，４間の静電容量が変化する。そして、その静電容量の変化を検知することにより圧力を測定することができる。このように、被測定空間であるシリンダー内の圧力を、圧力印可により薄い感圧部５が歪むことによる、２枚の膜状電極４，４間の静電容量の変化によって検知するため、応答速度の速い圧力センサとなる。
【００２６】
本実施形態の圧力センサ１０１を、被測定空間である内燃機関のシリンダー内に挿入して使用する場合には、上述のように、感圧部５を含む圧力センサ１０１の一部をシリンダー内に挿入し、連通孔３が外部に開口する開口部３ａをシリンダーの外の大気圧の空間（大気圧空間）に出すようにすることが好ましい。それにより、マイクロキャビティ２内の圧力は、連通孔３を通じて常に変化なく大気圧が維持されるため、感圧部５が、マイクロキャビティ２内の圧力による妨げを受けることなく、被測定空間の圧力に応じて安定して歪むことが可能となる。
【００２７】
図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、本実施形態の圧力センサ１０１において、セラミックス基材１は、３層のセラミックス層から構成され、図面において最上層から、膜状電極４が下面（一方の面）側に配設された第１セラミックス層１１、マイクロキャビティ２及び連通孔３を構成する空間部分が形成された第２セラミックス層１２、そして、最下層の、膜状電極４が上面（一方の面）側に配設された第３セラミックス層１３から構成されている。本実施形態の圧力センサ１０１は、感圧部５を、マイクロキャビティ２を挟むようにして２つ有し、２つの感圧部５，５の互いに対向する感圧部内面７，７に、それぞれ膜状電極４，４が１枚ずつ配設されている。「感圧部５を、マイクロキャビティ２を挟むようにして２つ有する」とは、２つの感圧部５，５の間にマイクロキャビティ２が形成されている状態をいう。このように、２つの膜状電極４，４は、マイクロキャビティ２を挟んで対向する感圧部内面７，７にそれぞれ配設されているが、本実施形態の圧力センサ１０１においては、一方の感圧部内面７に対向する対向面８が、他方の感圧部内面７となる（対向面８と他方の感圧部内面７とが共通となる）ように構成されている。第１セラミックス層１１及び第３セラミックス層１３のそれぞれに形成された感圧部５，５は、いずれも、マイクロキャビティ２に面し、圧力印可により、マイクロキャビティ２側に向かって歪むことができる部分であるため、感度を高くすることができる。本実施形態の圧力センサ１０１は、このように感圧部５を２つ有するが、第１セラミックス層１１又は第３セラミックス層１３のいずれか一方のみが感圧部５を有し、対向面８が被測定空間からの圧力印可によっては歪まないものであってもよい。
【００２８】
本実施形態の圧力センサ１０１は、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能であり、３５０℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能であることが好ましく、５００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能であることが更に好ましい。この様な温度範囲の被測定空間の圧力を測定できることにより、エンジン等の内燃機関のシリンダー内の圧力の測定が可能になる。圧力測定可能な温度の上限は、特に限定されないが、圧力測定可能な温度が８００℃より高い場合であって、実際に８００℃より高い温度で圧力測定した場合には、膜状電極の変質、例えば基材セラミックスとの反応等が発生し測定精度が低下するため好ましくない。従って、圧力測定可能な温度は８００℃以下であることが好ましい。これにより、不必要な耐熱性（８００℃より高い耐熱性）を有することによるコストアップ等を防止することができ、また、使用材料等を広い範囲のものから選択することが可能となる。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態の圧力センサ１０１を構成するセラミックス基材１は、連通孔３が延びる方向（長手方向）Ｌに長く形成され、セラミックス基材１の長手方向Ｌの長さが１〜１０ｃｍであり、長手方向Ｌに垂直な断面の面積が０．０１〜１ｃｍ２であることが好ましく、長手方向Ｌの長さが２〜７ｃｍであり、長手方向Ｌに垂直な断面の面積が０．０３〜０．３ｃｍ２であることが更に好ましい。このように連通孔３が延びる方向に長く形成されることにより、内燃機関のシリンダー等の被測定空間に挿入する場合に、被測定空間内に挿入すべき部分を容易且つ確実に被測定空間内に挿入し、被測定空間の外の大気圧空間に出すべき連通孔３の開口部３ａを容易且つ確実に大気圧空間に出すことができる。本実施形態の圧力センサ１０１においては、被測定空間内に挿入すべき部分は感圧部５である。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態の圧力センサ１０１は、平面形状が長方形の板状（四角柱状）に形成されているが、平面形状は長方形に限定されず、長円形、台形、その他の各辺が複雑に加工された形状等いずれの形状であってもよい。また、圧力センサ１０１の形状は、板状や四角柱状に限定されず、円柱状、五角柱状等の多角柱状、多角垂状、円錐状、針状、その他の、側面、上面及び底面が複雑に加工された柱状等、いずれの形状であってもよい。
【００３１】
本実施形態の圧力センサ１０１において、感圧部５の面積は１〜１６ｍｍ２が好ましく、２〜９ｍｍ２が更に好ましい。１ｍｍ２より小さいと被測定空間の圧力を感度よく検知し難くなることがあり、１６ｍｍ２より大きいと、センササイズが大きくなり、エンジン等のシリンダー内に収まり難くなることがある。図１（ａ）に示すように、感圧部５の平面形状は、長方形であるが、長方形に限定されず、円形、長円形、楕円形、長方形以外の多角形、その他の形状等のいずれであってもよい。また、感圧部５の感圧部内面７は、マイクロキャビティ２内で感圧部内面７と対向する対向面８（本実施形態においては、感圧部内面７）とは、平行度が高いことが好ましく、平行であることが更に好ましい。これは、平行度が高い場合には、感圧部が圧力印可により歪んだ際の静電容量変化をより小さな誤差で測定可能となり、かつ、圧力変化と静電容量変化間により高い直線性が得られるためである。
【００３２】
本実施形態の圧力センサ１０１は、マイクロキャビティ２に面するセラミックス基材１の内壁面のうち、感圧部内面７と、感圧部内面に対向する面（対向面８）とに、それぞれ膜状電極４が配設され、２枚の膜状電極間の静電容量を検知することにより、被測定空間の圧力を測定するものである。静電容量（Ｃ）は、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄの式で算出される。Ｃは静電容量（単位：Ｆ）を表し、εは感圧部内面７と対向面８との間の空間の誘電率（Ｆ／ｍ）を表し、Ｓは膜状電極４の面積（ｍ２）を表し、ｄは２枚の膜状電極４，４の間の距離（ｍ）を表す。圧力センサ１０１においては、誘電率ε及び膜状電極４の面積Ｓは一定である。そして、感圧部５は、被測定空間の圧力が変化すると、被測定空間の圧力とマイクロキャビティ内の圧力との差圧の変化により歪み、それにより２枚の膜状電極４，４の間の距離が変化することになる。従って、上記式において、２枚の膜状電極４，４の間の距離ｄが変数となり、ｄの変化により静電容量Ｃが変化することになる。そして、予め、２枚の膜状電極４，４間に一定の電圧を印加したときの、被測定空間の圧力と静電容量Ｃとの関係を把握しておけば、静電容量Ｃの値から被測定空間の圧力を得ることが可能となる。距離ｄは、１０〜２００μｍであることが好ましく、２０〜１００μｍであることが更に好ましい。距離ｄが小さい場合には、圧力印可による感圧部の歪みによる距離ｄの変化率を大きくとれる為、静電容量の測定感度の面から好ましいが、１０μｍより小さい距離であるとセラミックス基材及びマイクロキャビティの厚み寸法精度の確保が困難となり、感圧部が大きく歪んだ場合に膜状電極間が短絡し易くなる。反対に、距離ｄが大きな場合には、前記寸法精度の確保や膜状電極間が短絡することは無くなるが、２００μｍより大きい距離であると圧力印可による感圧部の歪みによる距離ｄの変化率が極めて小さくなり、静電容量の測定感度が極めて小さくなる。２枚の膜状電極４，４間に印加する電圧は、1〜１００Ｖが好ましく、車載時の電源確保の観点から１５Ｖ以下であることが更に好ましく、1〜５Ｖが特に好ましい。また、２枚の膜状電極４，４の間の距離の変化により静電容量Ｃが変化するため、感圧部内面７に対向する対向面８が被測定空間からの圧力印可によっても歪まない場合と比較して、対向面８を感圧部内面７とする（マイクロキャビティを挟んで２つの感圧部を配設する）ことにより被測定空間からの圧力印可によって歪むようにした場合のほうが、より感度を向上させることが可能となる。
【００３３】
本実施形態の圧力センサ１０１において、膜状電極４の材質としては、白金等の貴金属類、タングステン、モリブデン、炭素等が好ましい。セラミックス基材との熱膨張係数の差異を緩和する観点から、膜状電極材料とセラミックス基材材料との複合体の利用も有効である。このような材質とすることにより、１００〜８００℃の温度範囲においても使用することが可能であり、また、安価で製造することが可能となる。また、膜状電極４は、平面状であることが好ましい。また、図１（ａ）に示すように、本実施形態の圧力センサ１０１においては、膜状電極４の平面形状は、長方形であるが、長方形に限定されず、円形、長円形、楕円形、長方形以外の多角形、その他の形状等のいずれであってもよい。膜状電極４の面積は、感圧部内面７に配設することができれば特に限定されないが、１〜２０ｍｍ２が好ましく、２〜１０ｍｍ２が更に好ましい。１ｍｍ２より小さいと、静電容量Ｃが小さくなるため、静電容量Ｃの変化を把握し難くなることがあり、２０ｍｍ２より大きいと感圧部内面７に配設し難くなることがある。膜状電極４の厚さは特に限定されないが、２〜５０μｍが好ましく、５〜３０μｍが更に好ましい。２μｍより薄いと、均一かつ導電性を確保した膜状電極形成が困難となり、５０μｍより厚いとセラミックス基材１の感圧部５の変形を妨げたり、マイクロキャビティ２内への配設が困難となることがある。また、対向する２枚の膜状電極４は、一方の膜状電極４を、その表面に垂直な方向に移動させて他方の膜状電極４に重ねたときに、ずれることなく丁度重なり合うような位置に配置されていることが好ましい。
【００３４】
本実施形態の圧力センサ１０１において、連通孔３の長手方向に垂直な断面の面積は、０．０５〜１ｍｍ２が好ましく、０．１〜０．３ｍｍ２が更に好ましい。０．０５ｍｍ２より小さいと圧力損失により正確に圧力を測定し難くなることがあり、１ｍｍ２より大きいと圧力センサの強度が弱くなることがある。
【００３５】
本実施形態の圧力センサ１０１は、以下に説明する本発明の圧力センサの製造方法のように、複数のセラミックスグリーンシートが積層され、一体焼成されて形成されたものであることが好ましい。これにより、マイクロキャビティ、連通孔、膜状電極等を内部に備えた複雑な内部構造を有する、一体形成されたセラミックス体とすることができる。
【００３６】
本実施形態の圧力センサ１０１を構成するセラミックス基材１の材料は、窒化珪素、炭化珪素、アルミナ又はジルコニア、コージェライトであることが好ましく、窒化珪素及び炭化珪素であることが更に好ましい。これらの材質とすることにより、１００〜８００℃の温度範囲においても使用することが可能となると共に、強度的にも０．１〜３０ＭＰａの範囲の圧力を測定することが可能となる。
【００３７】
本実施形態の圧力センサ１０１は、０．０１〜５０ＭＰａの範囲の圧力を測定することが可能であることが好ましく、更に好ましくは０．１〜３０ＭＰａの範囲の圧力を測定することが可能であることが好ましい。この様な範囲の被測定空間の圧力を測定できることにより、エンジン等の内燃機関のシリンダー内の圧力の測定が可能になる。
【００３８】
図１に示すように、本実施形態の圧力センサ１０１は、セラミックス基材内部に配設された２本のリード線６を備えることが好ましい。そして、２本のリード線６のうちの一方が、その一方の端部が２枚の膜状電極４のうちの一方の膜状電極４に接続され、その他方の端部が外部に露出するように配設され、２本のリード線６のうちの他方が、その一方の端部が２枚の膜状電極４のうちの他方の膜状電極４に接続され、その他方の端部が外部に露出するように配設されていることが好ましい。これにより、２本のリード線６，６を通じて、２枚の膜状電極４，４間に電圧を印加することができ、膜状電極４，４間の静電容量及びその変化を検知することが可能となる。
【００３９】
本実施形態の圧力センサ１０１においては、リード線６は、膜状電極４と同様に、第１セラミックス層１１の下面（一方の面）側と、第３セラミックス層１３の上面側に配設されている。これにより、膜状電極４に容易に接続することができる。リード線６の材質は導電性を有するものであれば特に限定されないが、タングステン、モリブデン等の高融点金属材料や金、白金等の貴金属材料、もしくはこのような金属材料とセラミックスとの混合材料等を用いることが好ましい。リード線６の長手方向に垂直な断面積は特に限定されないが、０．１〜１ｍｍ２であることが好ましい。
【００４０】
図２は、本発明の圧力センサの他の実施形態を模式的に示し、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。図２（ａ）においては、圧力センサ１０２の内部に配設される膜状電極４、加熱電極２１及びリード線６と、内部に形成されるマイクロキャビティ２及び連通孔３を破線で表している。
【００４１】
図２に示すように、本実施形態の圧力センサ１０２は、図１に示す本発明の圧力センサの一実施形態（圧力センサ１０１）に対して、膜状電極４の配設位置の更に先端側に加熱電極２１が配設されている。そして、加熱電極２１は、第１セラミックス層１１の下面（マイクロキャビティ２に面する側の面）側に配設された構造となっている。加熱電極２１の配設位置はこれに限定されず、第１セラミックス層１１又は第３のセラミックス層１３の外表面（外部に露出している側の面）に更に第４のセラミックス層を有し、当該第４のセラミックス層と第１セラミックス層１１との間、又は第４のセラミックス層と第３のセラミックス層１３との間に加熱電極２１が配設されてもよい。加熱電極２１には２本のリード線６が接続され、それぞれの一方の端部が外部に露出するように配設されている。これらリード線６により、外部から加熱電極２１に電圧を印加することができる。加熱電極２１に印加する電圧は、特に限定されないが、１〜１００Ｖが好ましく、１〜１５Ｖが更に好ましい。
【００４２】
このように、加熱電極２１を備えることにより、被測定空間を加熱することが可能となる。被測定空間を加熱することが可能となることにより、例えば、ディーゼルエンジンやＨＣＣＩエンジンのように、スタート時にグロープラグによりシリンダー内を加熱する方式のエンジンに使用する場合に、圧力センサとグロープラグとが一体化したものとして機能させることが可能になり、狭いエンジンヘッド部分に容易に装着することが可能になる。これは、加熱電極２１による加熱を、グロープラグによる加熱の代わりに用いるものであり、このような場合には、加熱電極２１は、８００〜１４００℃に加熱できることが好ましい。尚、加熱電極２１の配設位置は、図２に示す位置が好ましいが、これに限定されず、被測定空間内に挿入でき、被加熱空間を加熱することができる位置であればよい。
【００４３】
加熱電極２１の材料としては、リード線と同種の電極材料を使用することができる。加熱電極を発熱させるため、リード線より抵抗値を増大させることが好ましい。例えば、加熱電極部分の電極断面積を減少させたり、長さを増加させたり、セラミックスとの配合割合比を変化させたりする等により、リード線より抵抗値を増大させ、加熱電極として作用させることが可能である。
【００４４】
本実施の形態の圧力センサ１０２においては、加熱電極２１の平面形状は、長方形であるが、長方形に限定されず、円形、長円形、楕円形、長方形以外の多角形、その他の形状等のいずれであってもよい。加熱電極２１の形状及びサイズは、特に限定されないが、セラミックス基材の材質及びサイズ等から決定される被発熱部分の熱容量、加熱電極の材質等から決定される加熱能力及び加熱温度、並びに前記加熱温度への到達時間等のグロープラグとしての機能等から適宜設計されることが好ましい。
【００４５】
次に、本発明の圧力センサの製造方法について説明する。
【００４６】
図３は、本発明の圧力センサの製造方法の一の実施形態を模式的に説明する斜視図であり、３枚のテープ状セラミックスグリーンシートを重ね合わせるところを示す斜視図である。図３に示すように、本実施形態の圧力センサの製造方法は、マイクロキャビティ形成孔３３が形成されたテープ状セラミックスグリーンシート３０（マイクロキャビティ形成用シート３１）及び、膜状電極３４が印刷されたテープ状セラミックスグリーンシート３０（膜状電極印刷シート３２）二枚を含む３枚以上のテープ状セラミックスグリーンシート３０を、マイクロキャビティ形成孔３３を挟んで２つの膜状電極３４，３４が対向するように重ねて積層し、一体焼成して圧力センサを作製する方法である。本実施形態の圧力センサの製造方法によれば、空洞（マイクロキャビティ）及び、一方の面（感圧部内面）がマイクロキャビティに面し他方の面側から被測定空間の圧力を受けて（圧力印可により）歪むことが可能な膜状の感圧部を有するセラミックス基材と、マイクロキャビティに面するセラミックス基材の内壁面のうち、感圧部内面と、感圧部内面に対向する面とに、それぞれ配設された膜状の電極（膜状電極）とを備え、２枚の膜状電極間の静電容量を検知することにより、１００℃以上の被測定空間の圧力を測定することが可能な、上述した本発明の圧力センサを製造することができる。
【００４７】
このように、各テープ状セラミックスグリーンシートに膜状電極、マイクロキャビティ形成孔等を配設又は形成することができるため、テープ状セラミックスグリーンシートの各層に各種の必要な機能を持たせて一体焼成することにより、複雑な内部構造の圧力センサであっても容易に作製することが可能である。
【００４８】
テープ状セラミックスグリーンシート３０は、セラミックス原料とバインダー等の有機材料等とを混合し、スラリー状になったものをドクターブレード法等によりテープ状のグリーンシートに成形したものである。セラミックス原料としては、窒化珪素、炭化珪素、アルミナ、ジルコニア、コージェライト等を挙げることができる。
【００４９】
テープ状セラミックスグリーンシート３０の形状及び大きさは特に限定されず、所望の圧力センサを製造するのに適した形状及び大きさとすることができる。例えば、図３に示すように、平面形状が長方形のテープ状とすることが好ましい。また、テープ状セラミックスグリーンシート３０は、以下に述べるように、マイクロキャビティ形成孔を形成したり、膜状電極を印刷したりして使用してもよい。これにより、種々の機能をテープ状セラミックスグリーンシート３０に付与して、種々の機能を有する圧力センサを製造することが可能となる。
【００５０】
マイクロキャビティ形成用シート３１は、上記方法により、例えば、平面形状が長方形のテープ状セラミックスグリーンシートを形成した後に、カッター等で、テープ状セラミックスグリーンシートを、マイクロキャビティ形成孔３３及び連通孔形成スリット３５が形成されるように切ることによって作製することが好ましい。マイクロキャビティ形成孔３３及び連通孔形成スリット３５の形状及び大きさは特に限定されることはなく、所望の圧力センサを製造するのに適した形状及び大きさとすることができる。例えば、マイクロキャビティ形成孔３３は、図３に示すように、平面形状が長方形であることが好ましい。また、連通孔形成スリット３５は、図３に示すように、平面形状が長手方向に長く延びる長方形であることが好ましい。また、マイクロキャビティ形成孔３３及び連通孔形成スリット３５のそれぞれの幅方向（平面形状において長手方向に垂直な方向）の長さは、マイクロキャビティ形成孔３３のほうが長いことが好ましい。
【００５１】
膜状電極印刷シート３２は、上記方法により、例えば、平面形状が長方形のテープ状セラミックスグリーンシートを形成した後に、膜状電極３４及びリード線３６を印刷することにより作製することが好ましい。膜状電極としては、上記本発明の圧力センサの実施形態において、膜状電極の材料として使用可能な材料を印刷することが好ましく、セラミックス原料とカーボンの複合材料を印刷することが更に好ましい。また、リード線３６としてはタングステンもしくはタングステンとセラミックス材料の混合体を印刷することが好ましい。膜状電極の形状及び大きさは特に限定されず、所望の圧力センサを製造するのに適した形状及び大きさとすることができる。例えば、図３に示すように、マイクロキャビティ形成孔３３の形状に合わせて、平面形状を長方形とすることが好ましい。
【００５２】
上記マイクロキャビティ形成用シート３１及び、二枚の膜状電極印刷シート３２を含む３枚以上のテープ状セラミックスグリーンシート３０を積層するときには、テープ状セラミックスグリーンシートを重ね合わせて加圧により接着したりすることが好ましい。加圧には一軸加圧、静水圧加圧等が利用できる。加圧中にテープ状セラミックスグリーンシートを加熱することにより、熱圧着することも好ましい。シート間に接着層を形成し加圧接着することは更に好ましい。
【００５３】
上記方法により積層したテープ状セラミックスグリーンシートを一体焼成するときには、１０００〜１８００℃で１〜１００時間加熱することが好ましい。これにより、本発明の圧力センサを得ることができる。例えば、図３に示す３枚のテープ状セラミックスグリーンシートからは、図１に示す、本発明の圧力センサの一の実施形態（圧力センサ１０１）を得ることができる。焼成装置としては、燃焼炉、電気炉等を使用することが好ましい。
【００５４】
本発明の圧力センサの製造方法の他の実施形態は、上述した本発明の圧力センサの製造方法の一の実施形態において、３枚以上のテープ状セラミックスグリーンシートが、更に、加熱電極が印刷されたテープ状セラミックスグリーンシート（加熱電極印刷シート）を含み、加熱電極印刷シートを含むテープ状セラミックスグリーンシートを積層する方法である。ここで、加熱電極印刷シートは、膜状電極印刷シート及びマイクロキャビティ形成用シートとは独立した一枚のシートとしてもよいし、膜状電極印刷シート又はマイクロキャビティ形成用シートと共通のシートとしてもよい。加熱電極印刷シートを、膜状電極印刷シートと共通にする場合には、一枚のテープ状セラミックスグリーンシートに、膜状電極及び加熱電極の双方を印刷することが好ましい。また、加熱電極印刷シートを、マイクロキャビティ形成用シートと共通にする場合には、マイクロキャビティ形成用シートに加熱電極を印刷することが好ましい。
【００５５】
例えば、図２に示すような、本発明の圧力センサの他の実施形態（圧力センサ１０２）を製造する場合には、本実施形態の圧力センサの製造方法を用いて、加熱電極印刷シートと膜状電極印刷シートとを共通にすることが好ましい。図２に示す圧力センサ１０２を製造する場合には、加熱電極が膜状電極より先端側に位置するように、加熱電極及びリード線を一の膜状電極印刷シートに印刷し、この加熱電極が印刷された膜状電極印刷シートと、マイクロキャビティ形成用シートと、加熱電極を印刷していない膜状電極印刷シートとを、この順番で（図２（ｂ）に示す順番になるようにして）積層して、一体焼成することが好ましい。
【００５６】
加熱電極が印刷されたテープ状セラミックスグリーンシートは、上述した、図３に示す膜状電極印刷シート３２を作製する場合と同様に、例えば、平面形状が長方形のテープ状セラミックスグリーンシートを形成した後に、加熱電極及びリード線を印刷することにより作製することが好ましい。加熱電極としては、タングステン、白金とテープ基材材料（セラミックス原料）との複合材料をリード線部分より抵抗が大きくなるように印刷することが好ましい。また、リード線としてはタングステン、白金もしくは前記金属材料と前記テープ基材材料との複合材料を印刷することが好ましい。加熱電極の形状及び大きさは特に限定されず、所望の温度、熱量等を得られる形状及び大きさとすることが好ましい。例えば、図２に示すように、平面形状を長方形とすることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の圧力センサは、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関のシリンダー内の圧力の測定に利用することができ、本発明により、高温下において、良好な応答速度で圧力を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の圧力センサの一の実施形態を模式的に示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【図２】本発明の圧力センサの他の実施形態を模式的に示し、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ’断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。
【図３】本発明の圧力センサの製造方法の一の実施形態を模式的に説明する斜視図であり、３枚のテープ状セラミックスグリーンシートを重ね合わせるところを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５９】
１：セラミックス基材、２：マイクロキャビティ（空洞）、３：連通孔、３ａ：開口部、４：膜状電極、５：感圧部、６：リード線、７：感圧部内面、８：対向面、１１：第１セラミックス層、１２：第２セラミックス層、１３：第３セラミックス層、２１：加熱電極、３０：テープ状セラミックスグリーンシート、３１：マイクロキャビティ形成用シート、３２：膜状電極印刷シート、３３：マイクロキャビティ形成孔、３４：膜状電極、３５：連通孔形成スリット、３６：リード線、１０１，１０２：圧力センサ、Ｌ：長手方向。
【図１】
2008139030.tif 000003
【図２】
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【図３】
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