(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛単結晶からなる直方体状の圧電体と、前記圧電体の分極軸に垂直方向表面に互いに対向して形成された一対の電極とからなり、圧電体を形成する酸化亜鉛単結晶の不純物であるLi、Al、Feの濃度が１０ｐｐｍ以下で、圧電体の比抵抗が１０７Ω・ｃｍ以上である内燃機関の燃焼圧測定用圧力センサ素子。
【請求項２】
圧電体の分極軸に対して垂直断面の形状が正方形または長方形である請求項１に記載の圧力センサ素子。
【請求項３】
圧電体が、前記一対の電極と、圧電体の分極軸に平行方向の少なくとも表面の一部に形成された保護膜で被覆された請求項２に記載の圧力センサ素子。
【請求項４】
電極が、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ又はＡｌの１層又は多層の膜で形成されてなる請求項１に記載の圧力センサ素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の圧力センサ素子を備えた圧力センサ。
【請求項６】
一端が開放され他端が閉塞されたセンサ部を有する外装容器と、センサ部の一端にセンサ部に当接して取り付けられた受圧板と、
センサ部の他端側内壁と受圧板との間に介装された酸化亜鉛単結晶からなる直方体状の圧電体と前記圧電体の分極軸に互いに対向して形成された一対の電極とからなり、圧電体を形成する酸化亜鉛単結晶の不純物であるLi、Al、Feの濃度が１０ｐｐｍ以下で、圧電体の比抵抗が１０７Ω・ｃｍ以上である圧力センサ素子と、
前記圧力センサ素子の一対の電極間に生じる電気信号を取り出すリード線と
を有する内燃機関の燃焼圧測定用圧力センサ。
【請求項７】
圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して垂直である請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項８】
圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して平行である請求項６に記載の圧力センサ。
【請求項９】
圧力センサ素子と受圧板との間に断熱部材を有する請求項６に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体の圧電効果により発生する電気信号を検出することにより、付与された圧力を検知する圧力センサ素子及び圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体の圧電効果を利用して圧力を電気信号に変換して圧力を検知する圧力センサにおいて、圧電体には一般に水晶が使用されている。
【０００３】
圧電材料は応力が加えられると電荷を発生する圧電効果を有しているが、圧電体の圧電効果には圧電縦軸効果と圧電横軸効果があることが知られている。
【０００４】
第７図（Ａ）は、圧電体の結晶の分極軸と平行な一対の面に圧縮方向の応力Ｆが加えられた場合を示している。図７中、矢印Ｘは圧電体の分極軸方向を示す。分極軸と直交する面の一方（第７図（Ａ）においてはＳ1面）には正の電荷＋ｑが発生し、他方（第７図（Ａ）においてはＳ2面）には負の電荷−ｑが発生する。応力Ｆが引張方向の応力である場合は、第７図におけるＳ2面に正の電荷が発生し、Ｓ1面に負の電荷が発生する。この効果は、圧電横軸効果を表している。
【０００５】
第７図（Ｂ）は、結晶の分極軸と直交するＳ1、Ｓ2面に応力Ｆが加えられた場合を示している。この場合、Ｓ1面には正の電荷＋ｑが発生し、Ｓ2面には負の電荷−ｑが発生するが、この効果は圧電縦軸効果である。応力Ｆの向きが逆転すれば、発生する電荷の符号も逆転するのは圧電横軸効果の場合と同様である。
【０００６】
圧電縦軸効果は圧電横軸効果に比例することが知られている。圧電縦軸効果は一般に圧電横軸効果の約２倍といわれている。
【０００７】
圧力センサのセンサ感度は、加圧された圧力に対する出力の大きさで定義される。
【０００８】
圧電型圧力センサの場合、出力は圧電体の電荷発生量で示されるが、電荷発生量は圧電体の圧電定数に応じた値となる。圧電定数とは圧電体の電荷発生量の指標となる定数であり、圧電定数ｄが広く用いられている。圧電定数ｄの単位はＣ／Ｎで与えられ、圧電体に加えられた単位応力Ｎに対する電荷発生量Ｃを表している。圧電体は種類に応じて固有の圧電定数を有しているので、センサ感度は使用している圧電体の種類によって一義的に決定される。
【０００９】
センサ感度を大きくしたい場合、圧力を受ける面を大きくして圧電体に加わる力を大きくする方法が取られるが、必然的に圧力センサが大型となる問題がある。圧力センサも小型化への要請は大きいが、過剰な小型化はセンサ感度の低下を招くために小型化にも限界がある。
【００１０】
加えて、圧電体固有の特性に由来する課題として使用温度の制約がある。汎用されている圧電材料はキュリー点を有するものが多い。キュリー点とは結晶状態が転移して圧電性を失う温度を指し、圧電体の融点に達していなくてもキュリー点の近傍より高温側では圧電センサを使用することができない。圧力センサの使用温度範囲を上げるにはキュリー点が非常に高いか、あるいは融点までキュリー点を持たない圧電体を使用する必要がある。このような圧電材料として、例えば特許文献１にはタンタル酸リチウム、特許文献２にはニオブ酸リチウムやランガサイトが示されている。比較のためにそれぞれの圧電材料の圧電定数ｄの代表値、キュリー点、及び融点を表１に示す。
【００１１】
【表１】
0005256423.tif 000002
【特許文献１】特開平６−２５８１６５号公報（請求項１）
【特許文献２】特開平１０−５４７７３号公報（請求項１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
酸化亜鉛は圧電効果が大きく、かつ自身の融点１９７５℃までキュリー点をもたない圧電材料として知られている。圧電材料は高純度で結晶性が高く、かつ電気抵抗が十分に大きいことが要求される。そのような良質な酸化亜鉛単結晶はこれまで存在せず、圧電材料としての酸化亜鉛の利用は薄膜に限られている（例えば特開２００４−１５６９９１号公報）。酸化亜鉛単結晶は圧力センサには使用されていない。
【００１３】
本発明の目的は、酸化亜鉛単結晶を圧電材料に使用した圧力センサであって、小型で感度が高く、高温であっても使用できる圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、電子材料として市販されていない酸化亜鉛基板が圧力センサに利用できないかと考えて、前記基板を用いてセンサを作製し、その性能を調べた。すると、不純物の濃度が１０ｐｐｍ以下の単結晶が高感度センサとして利用できることを知得した。
【００１５】
上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。
【００１６】
〔１〕  酸化亜鉛単結晶からなる圧電体と、前記圧電体の分極軸に垂直方向表面に互いに対向して形成された一対の電極とからなる圧力センサ素子。
【００１７】
〔２〕  圧電体の分極軸に対して垂直断面の形状が正方形または長方形である〔１〕に記載の圧力センサ素子。
【００１８】
〔３〕  圧電体が、前記一対の電極と、圧電体の分極軸に平行方向の少なくとも表面の一部に形成された保護膜で被覆された〔２〕に記載の圧力センサ素子。
【００１９】
〔４〕  圧電体を形成する酸化亜鉛単結晶の不純物濃度が１０ｐｐｍ以下又は比抵抗が１０7Ω・ｃｍ以上である〔１〕に記載の圧力センサ素子。
【００２０】
〔５〕  電極が、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ又はＡｌの１層又は多層の膜で形成されてなる〔１〕に記載の圧力センサ素子。
【００２１】
〔６〕  〔１〕乃至〔５〕のいずれかに記載の圧力センサ素子を備えた圧力センサ。
【００２２】
〔７〕  一端が開放され他端が閉塞されたセンサ部を有する外装容器と、センサ部の一端にセンサ部に当接して取り付けられた受圧板と、センサ部の他端側内壁と受圧板との間に介装された酸化亜鉛単結晶からなる圧電体と前記圧電体の分極軸に互いに対向して形成された一対の電極とからなる圧力センサ素子と、前記圧力センサ素子の一対の電極間に生じる電気信号を取り出すリード線とを有する圧力センサ。
【００２３】
〔８〕  圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して垂直である〔７〕に記載の圧力センサ。
【００２４】
〔９〕  圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して平行である〔７〕に記載の圧力センサ。
【００２５】
〔１０〕  圧力センサ素子と受圧板との間に断熱部材を有する〔７〕に記載の圧力センサ。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の圧力センサ素子は圧電効果に優れた酸化亜鉛単結晶を使用しているので、従来の圧電材料と比較して、感度良く付与された圧力を計測することができる。圧力センサ素子の感度が良好であることから、本発明の圧力センサ素子を組み込んだ圧力センサは小型化が可能である。
【００２７】
圧力センサ素子に使用する酸化亜鉛単結晶は融点までキュリー点が存在せず、また融点が高温であることから、従来の圧電体材料では使用できなかった高温雰囲気においても使用できる。
【００２８】
上記圧力センサ素子を使用した本発明の圧力センサは、室温から高温雰囲気までの広い温度範囲において使用できる高感度の圧力センサである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の圧力センサ素子の一例を示す平面図を第１図（Ａ）に、側面断面図を第１図（Ｂ）に示す。
【００３０】
第１図中、１は圧力センサ素子である。圧力センサ素子１は、直方体状の酸化亜鉛単結晶からなる圧電体３と、圧電体３の一対の面４ａ、４ｂを被覆する薄膜電極５ａ及び５ｂとからなる。面４ａ、４ｂは、圧電体３を形成する酸化亜鉛単結晶の分極軸方向Ｘに対して垂直である。なお、第１図中、７ａ、７ｂはリード線、９ａ、９ｂは貴金属ペーストを示す。
【００３１】
圧電体３を形成する酸化亜鉛単結晶は、Ｌｉ、Ａｌ、Ｆｅ等の不純物濃度が１０ｐｐｍ以下であることが好ましく、２ｐｐｍ以下であることがより好ましい。
【００３２】
圧電体３の比抵抗は１０7Ω・ｃｍ以上とすることが好ましく、１０8Ω・ｃｍ以上とすることがより好ましい。
【００３３】
電極５ａ、５ｂの材料には、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ又はＡｌを使用することができる。電極は、これらの金属からなる１層の膜で形成されていてもよいし、多層の膜で形成されていてもよい。例えばスクリーン印刷でＡｇ等の膜を形成する際の電極５ａ、５ｂの厚さは１〜５０μｍとすることが好ましく、３〜１０μｍとすることがより好ましい。
【００３４】
電極５ａ、５ｂは公知の方法、例えば、蒸着、スパッタリング、スクリーン印刷、スピンコート法などの方法により形成できる。
【００３５】
本発明の圧力センサ素子の他の例を第２図に示す。第２図中、（Ａ）は圧力センサ素子の平面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すａ−ａ線に沿った断面図である。第２図においては、リード線及び貴金属ペーストについては省略してある。
【００３６】
圧力センサ素子１０は、酸化亜鉛単結晶からなる直方体状の圧電体１３を有している。圧電体１３を形成する酸化亜鉛単結晶の分極軸方向Ｘに対して垂直な一対の面１４ａ、１４ｂは、チタンからなる第１薄膜電極１５ａ及び１５ｂと、白金からなる第２薄膜電極１７ａ及び１７ｂで順次被覆されている。
【００３７】
圧電体１３の分極軸方向Ｘに対して平行な４つの側面１６は、それぞれ二酸化珪素（ＳｉＯ2）からなる４枚の保護膜１８で被覆されている。
【００３８】
保護膜１８の材質としては電極１５ａ、１５ｂ間を短絡しない絶縁材料であれば公知の材料を使用でき、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）やアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等を挙げることができる。
【００３９】
保護膜１８は、圧電体１３への二酸化炭素、一酸化炭素、酸素、水等の吸着や反応が防止できる程度の厚さに形成すればよい。具体的には膜厚を１〜３０μｍとすることが好ましく、５〜１０μｍとすることがより好ましい。保護膜１８の成膜方法としては、スパッタリング、真空蒸着、スクリーン印刷、スピンコート法、ＣＶＤ法等が例示される。
【００４０】
保護膜１８の形状としては、圧電体１３が圧力センサ素子の表面に露出しないような形状であれば他の形状のものも使用することが可能である。例えば、第３図の平面図（Ａ）及び平面図（Ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面図（Ｂ）に示すように、保護膜２８は圧電体１３の分極軸方向Ｘに対して平行な４つの側面２６上に一体に形成されていてもよい。更に、保護膜２８は、４側面２６と、第１薄膜電極２５ａ、２５ｂの外側に形成された第２薄膜電極２７ａ、２７ｂの周縁側とを一体になって被覆していてもよい。圧電体２３の表面は、保護膜２８と、第２薄膜電極２７ａ、２７ｂとにより気密に外界と遮蔽されていることが好ましい。
【００４１】
第１図に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの一例の断面図を第４図に示す。
【００４２】
第４図中、１００は圧電横軸効果を利用した圧力センサで、１０１は圧力センサ素子、１１５はステンレススチールで形成された外装容器である。外装容器１１５は、センサ部１１７と、前記センサ部１１７よりも大径の連結部１１９と、前記連結部１１９よりも更に大径に形成されたシールド部１２１とを一体に形成してなる。センサ部１１７、連結部１１９、シールド部１２１はいずれも筒状又は柱状（第４図においては、円筒状又は円柱状）に形成され、これらの中心軸は一致する。
【００４３】
外装容器１１５の一端側に設けられているセンサ部１１７は、一端が開放され他端が閉塞された円筒状の構造になっている。
【００４４】
センサ部１１７の一端には、一端が閉じた円筒状に形成された受圧部材１４１が取り付けられている。受圧部材１４１は、剛性を有する円板状の受圧板１４３と、受圧板１４３の周縁に形成された円筒状の支持部１４５とからなる。支持部１４５の内径はセンサ部１１７の一端側外径とほぼ同じ大きさである。受圧部材１４１をセンサ部の一端側に被せて装着することにより受圧部材１４１はセンサ部の一端を閉塞する。
【００４５】
センサ部の他端側内壁１１１と受圧板１４３との間には圧力センサ素子１０１と断熱部材１２３が介装されている。圧力センサ素子１０１は、直方体状に形成された酸化亜鉛単結晶からなる圧電体１０３と、圧電体の一対の対向面に取り付けられた薄膜電極１０５ａ及び１０５ｂで構成される。薄膜電極１０５ａ、１０５ｂは、センサ部１１７の中心軸に対して平行かつ圧電体１１３を構成する酸化亜鉛単結晶の分極軸方向Ｘに対して垂直である。薄膜電極１０５ａ、１０５ｂには、それぞれ不図示の貴金属ペーストによりリード線１０７ａ、１０７ｂが接着されている。断熱部材１２３はジルコニア等のセラミックスで例示される熱絶縁材料で円板状に形成されている。断熱部材１２３は、センサ部１１７の中心軸に対して垂直に配置されている。
【００４６】
外装容器１１５の連結部１１９は円柱状に形成され、その内部を中心軸に対して平行にリード線１０７ａ及び１０７ｂが貫通している。連結部１１９の外周面には螺旋状にねじ山１２５が設けられており、このねじ山１２５を利用して圧力センサ１００を装置等に取り付けることが可能になっている。
【００４７】
シールド部１２１は、外装容器１１５の他端側に一体に形成されており、円筒状の周壁１２７と、閉塞壁１２９とからなる。シールド部１２１には中心軸に沿ってパイプ１３１が挿入されており、このパイプ１３１を通して前記リード線１０７ａ、１０７ｂが圧力センサ１００の外部に引き出されている。パイプ１３１と周壁１２７との間には、パイプ保持部材１３７が配設されている。パイプ保持部材１３７の材料としては、ステンレススチール等の金属材料、アルミナ系セラミックス等が例示される。圧力センサ１００の使用温度によっては、シリコーン系樹脂で形成されたパイプ保持部材１３７を用いることも可能である。
【００４８】
受圧板１４３が加圧されると受圧部材１４１はセンサ部１１７の中心軸方向に沿って他端方向にたわむ。これにより絶縁部材１２３を介して圧電体１０３が圧縮される。圧電体１０３に形成された電極１０５ａ、１０５ｂ間に生じた電気信号は、リード線１０７ａ、１０７ｂが接続する不図示の検出部で検知される。
【００４９】
次に、第２図に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの断面図を第５図に示す。第５図は、圧力センサの一端側を拡大した断面図である。
【００５０】
第５図に示す圧力センサ２００は圧電横軸効果を利用したセンサである。圧電体２１３の分極軸方向Ｘは、センサ部２１７の中心軸に対して垂直である。圧力センサ２００において、受圧部材２４１は支持部２４５がセンサ部２１７の一端側に溶接部２１９で溶接されている。この溶接により受圧部材２４１はセンサ部２１７の一端を気密に閉塞する。受圧部材２４１で閉塞されたセンサ部２１７の内部空間２４９は、乾燥空気又はアルゴン等の不活性ガスが充填されている。なお、内部空間２４９への乾燥空気又は不活性ガスの充填は、公知の方法、例えば乾燥空気又は不活性ガス雰囲気で溶接することにより行うことができる。受圧部材２４１とセンサ部２１７を溶接して気密に封止する方法自体は公知である。
【００５１】
なお、第５図中、２１０は圧力センサ素子、２１３は圧電体、２１５ａ及び２１５ｂは第１薄膜電極、２１７ａ及び２１７ｂは第２薄膜電極、２１８は保護膜、２０７ａ、２０７ｂはリード線、２２３は断熱部材である。
【００５２】
圧力センサ素子の圧電縦軸効果を利用した圧力センサの例を第６図に示す。
【００５３】
第６図に示す圧力センサ３００において、圧力センサ素子３１０は、センサ部３１７内に配置された断熱部材３２３と３２４の間に挿入されている。圧力センサ素子を構成する圧電体３１３の分極軸方向Ｘはセンサ部３１７の中心軸に平行である。第１薄膜電極３１５ａ、３１５ｂ、及び第２薄膜電極３１７ａ、３１７ｂは、センサ部３１７の中心軸方向に対して垂直である。圧電体３１３の分極軸方向Ｘに対して平行方向の表面は、保護膜３１８で被覆されている。
【００５４】
なお、その他の点は第５図と同様であるので、同一部分に同一符号を付けてその説明を省略する。
【実施例】
【００５５】
実施例１
５×５×０．５ｍｍの寸法に加工した酸化亜鉛基板（東京電波（株）製、比抵抗公称値１０8Ω・ｃｍ）の５×５ｍｍの両面にＴｉのスパッタ膜を厚さ２０ｎｍに成膜した。更に、Ｔｉのスパッタ膜の上にＰｔのスパッタ膜を厚さ１００ｎｍに成膜し、圧力センサ素子を得た。なお、５×５ｍｍの面は、酸化亜鉛基板の分極軸方向に垂直である。
【００５６】
試験例１
実施例１で得られた圧力センサ素子の圧電横軸効果を評価した。圧電効果の評価は、「日本電子材料工業会標準規格  圧電セラミック振動子の電気的試験方法  ＥＭＡＳ−６１００」に準拠して行った。
【００５７】
Ｔｉ膜、Ｐｔ膜を成膜した両面の中心部に直径０．１ｍｍ、長さ２０ｍｍの金ワイヤを貴金属ペーストで固定して圧電特性測定用試料とした。
【００５８】
圧電定数ｄを算出したところ、酸化亜鉛単結晶の圧電定数ｄの測定値は、９×１０-12Ｃ／Ｎであった。
【００５９】
酸化亜鉛単結晶の圧電定数ｄは従来の圧電材料と比較して際だって大きい数値を示しており、表１に示した水晶の圧電定数ｄの４〜５倍に相当する値である。
【００６０】
実施例に圧電縦軸効果は示していないが、圧電縦軸効果は圧電横軸効果の約２倍といわれており、圧電横軸効果が大きい圧電体は圧電縦軸効果も大きいことが知られている。
【００６１】
従って、圧力センサに酸化亜鉛単結晶の圧電横軸効果、圧電縦軸効果のどちらを利用した場合も従来の圧電体より高感度の圧力センサとすることができる。
【００６２】
また、５００℃においても圧電性を維持していることが確認され、高温雰囲気でも使用可能なセンサ素子である。そのため、例えば自動車等の内燃機関の燃焼圧測定用として用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の圧力センサ素子の一例を示す平面図（Ａ）及び側面断面図（Ｂ）である。
【図２】本発明の圧力センサ素子の他の例を示す平面図（Ａ）及び側面断面図（Ｂ）である。
【図３】本発明の圧力センサ素子の他の例を示す平面図（Ａ）及び側面断面図（Ｂ）である。
【図４】図１に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの一例を示す断面図である。
【図５】図２に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの一例を示す拡大断面図である。
【図６】図２に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの他の例を示す拡大断面図である。
【図７】圧電体の圧電横軸効果を示す説明図（Ａ）と、圧電縦軸効果を示す説明図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００６４】
１、１０１    圧力センサ素子
３、１０３    圧電体
５ａ、５ｂ、１０５ａ、１０５ｂ    電極
７ａ、７ｂ、１０７ａ、１０７ｂ    リード線
９ａ、９ｂ    貴金属ペースト
１１１    内壁
１１５    外装容器
１１７    センサ部
１１９    連結部
１２１    シールド部
１２３    断熱部材
１２５    ねじ山
１２７    周壁
１２９    閉塞壁
１３１    パイプ
１４１    受圧部材
１４３    受圧板
１４５    支持部
１００    圧力センサ
Ｘ    分極軸方向
【図１】
0005256423.tif 000003
【図２】
0005256423.tif 000004
【図３】
0005256423.tif 000005
【図４】
0005256423.tif 000006
【図５】
0005256423.tif 000007
【図６】
0005256423.tif 000008
【図７】
0005256423.tif 000009