(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、
自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、
導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、
上記貫通孔は、円孔部の壁面に突起部が形成された孔であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、
自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、
導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、
上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、
上記金属箔電極部材は、
上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面に被覆されている圧電薄膜被覆部と、
上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電薄膜部が成膜された基板に固定している突出部と、を有していることを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、
上記金属箔電極部材は、
上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面に被覆されている圧電薄膜被覆部と、
上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電薄膜部が成膜された基板に固定している突出部と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
上記突出部が、上記基板における他方の表面側に成膜された圧電薄膜部の全面もしくは略全面に被覆されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧電素子。
【請求項５】
上記金属箔電極部材を２枚有しており、
上記２枚の金属箔電極部材におけるそれぞれの圧電薄膜被覆部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板において、互いに異なる表面に被覆されており、かつ、
上記２枚の金属箔電極部材の一方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の他方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられており、
上記２枚の金属箔電極部材の他方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の一方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧電素子。
【請求項６】
金属製の基板と、
自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、
導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、
上記基板の表面、上記圧電薄膜部、及び上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、
上記貫通孔の壁面が上記電極部からなっており、上記基板の上記側面に突起が設けられていることを特徴とする圧電素子。
【請求項７】
上記基板の一方の表面に成膜された圧電薄膜部にのみ、上記電極部が被覆されていることを特徴とする請求項６に記載の圧電素子。
【請求項８】
自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、
上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、
上記圧電素子は、
表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、
上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、
導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備えるものであり、
上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電薄膜部により絶縁されていることを特徴とする圧電センサ。
【請求項９】
上記貫通孔は、口径が上記信号線の直径よりも長い円孔部の壁面に、当該円孔部の壁面に対して垂直となる面における中心と、当該面における自身の先端部分との距離が、上記信号線の半径よりも短い突起部が形成された孔であることを特徴とする請求項８に記載の圧電センサ。
【請求項１０】
上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、
上記金属箔電極部材は、
上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面に被覆されている圧電薄膜被覆部と、
上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電薄膜部が成膜された基板に固定している突出部と、を有していることを特徴とする請求項８又は９に記載の圧電センサ。
【請求項１１】
上記突出部が、上記基板における他方の表面側に成膜された圧電薄膜部の全面もしくは略全面に被覆されていることを特徴とする請求項１０に記載の圧電センサ。
【請求項１２】
上記金属箔電極部材を２枚有しており、
上記２枚の金属箔電極部材におけるそれぞれの圧電薄膜被覆部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板において、互いに異なる表面に被覆されており、かつ、
上記２枚の金属箔電極部材の一方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の他方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられており、
上記２枚の金属箔電極部材の他方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の一方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられていることを特徴とする請求項１０に記載の圧電センサ。
【請求項１３】
自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、
上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、
上記圧電素子は、
金属製の基板と、
自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、自身が上記筐体と離間されるように、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、
導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、
上記基板の表面、上記圧電薄膜部、及び上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、
上記貫通孔の壁面が、上記電極部からなっているものであり、
上記信号線が上記電極部と導通されており、上記筐体が上記基板の側面と接触されており、当該基板と当該電極部とが上記圧電薄膜部により絶縁されていることを特徴とする圧電センサ。
【請求項１４】
上記圧電素子は、
上記基板の一方の表面に成膜された圧電薄膜部にのみ、上記電極部が被覆されていることを特徴とする請求項１３に記載の圧電センサ。
【請求項１５】
上記圧電素子が、上記筐体内部に複数個積層されていることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１項に記載の圧電センサ。
【請求項１６】
表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、当該貫通孔を通じる信号線が当該基板と接触するように、当該基板に成膜されている圧電薄膜部と、を備える圧電素子の製造方法であって、
上記貫通孔よりも大きな面を有する治具本体と、当該治具本体における貫通孔よりも大きな面から伸びており、上記貫通孔を通ずることが可能なワイヤ部材と、を備える治具を用意する第１の工程と、
上記貫通孔の一端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第２の工程と、
上記ワイヤ部材を中空の蓋部材に挿入すると共に、当該蓋部材と上記治具本体とにより上記基板を圧着固定する第３の工程と、
上記第３の工程により、上記基板を圧着固定した上記治具を、成膜装置に装着する第４の工程と、
上記成膜装置により、上記基板に、上記圧電薄膜部を成膜する第５の工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１７】
上記貫通孔の他端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第６の工程と、
上記第６の工程の後に、上記第３の工程〜上記第５の工程を順次実施する第７の工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関のシリンダ内に設けられる燃焼圧センサ等に好適に用いられる圧電センサの圧電素子に関するものである。特に、本発明は、圧電薄膜部（例えば、ＡｌＮ膜）が成膜された金属製の基板を有しており、当該圧電薄膜部に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子、当該圧電素子を備える圧電センサ、当該圧電素子の製造方法、及び当該圧電素子に設けられる金属箔電極部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電薄膜部が成膜された金属製の基板を有しており、当該圧電薄膜部に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子は、金属製の基板における一方の面に圧電薄膜部が成膜された構造を有するものが一般的である。
【０００３】
また、上記の構造を有する圧電素子を用いた、従来技術に係る圧電センサとしては、例えば中空かつ一端が閉じた形状を有する筐体の内部に上記圧電素子を設け、圧電薄膜部からの電荷を外部に伝達するための信号線を含む信号線付電極と当該圧電素子の金属製の基板とにより、当該圧電素子の圧電薄膜部を挟みこむ構造を有するものが一般的である。
【０００４】
なお、上記従来技術に係る圧電センサにおいて、上記圧電素子に圧力が加えられると、上記圧電薄膜部から発生される電荷のうち、正極の電荷は、信号線付電極の信号線を介して外部に供給され、負極の電荷は、金属製の基板から筐体へと放出される（例えば、特許文献１、特許文献２、及び非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１５６９９１号公報（２００４年６月３日公開）
【特許文献２】特開２００４−１８４２７４号公報（２００４年７月２日公開）
【非特許文献１】大石康宣・岸和司・秋山守人・野間弘昭・諸藤ゆかり・河合信次著  「インコネル基板上に作製した配向性ＡｌＮ薄膜を用いた燃焼圧センサ」  Journal of the Ceramic Society of Japan 115 [5]  ３４４頁〜３４７頁  ２００７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、圧電センサに限らず、センサは、常に小型化を求められている。
【０００６】
とりわけ、自動車の内燃機関のシリンダ内に設けられる燃焼圧センサ用途の圧電センサ等では、近年の構造の進歩に伴う、内燃機関の燃焼室の容積の減少等により、当該圧電センサ自身の小型化傾向が顕著である。換言すれば、こうした圧電センサでは、自身の小型化の実現が困難であるが故に、使用されない、もしくは、使用できないものも多々ある。
【０００７】
ここで、上記従来技術に係る圧電センサでは、小型化、即ち、圧電センサ自身が挿入される方向（即ち、上記筐体における、閉じた端部から閉じていない端部へと向かう方向）に対して垂直となる面の面積の狭小化が困難であるという問題が発生する。
【０００８】
即ち、圧電薄膜部が成膜された金属製の基板を有しており、当該圧電薄膜部に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子を備える圧電センサでは、当該圧電薄膜部の表面積によって発生する電荷量が決定される、即ち、当該圧電薄膜部の表面積を大きくすると発生する電荷量が増大し、当該圧電薄膜部の表面積を小さくすると発生する電荷量が減少するが、上記従来技術に係る圧電センサを小型化すると、圧電薄膜部の表面積が非常に小さくなり、これにより発生する電荷量が非常に減少し、感度が非常に低下し、実用に供されなくなってしまう虞がある。結果、上記従来技術に係る圧電センサにおいては、小型化が困難であるという問題が発生する。
【０００９】
そこで、圧電薄膜部が成膜された金属製の基板を有しており、当該圧電薄膜部に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子を備える圧電センサにおいては、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が実現可能な、圧電素子及び圧電センサの構造の開発が強く求められている。
【００１０】
本発明は、上記の問題に鑑みて為されたものであり、その目的は、圧電センサが挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能な、圧電センサの圧電素子、圧電センサ、圧電素子の製造方法、及び金属箔電極部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記の問題に鑑みて鋭意検討を行った結果、圧電素子において、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備えることを特徴とすることによって、圧電センサが挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能な圧電センサの圧電素子を提供することが可能であるということを独自に見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
上記の構成によれば、本発明に係る圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電薄膜部が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。
【００１３】
結果、本発明に係る圧電素子では、上記圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電素子を設けた圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。
【００１４】
つまり、本発明に係る圧電素子では、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。
【００１５】
ここで、金属製の基板の両表面に圧電薄膜部が成膜されており、当該圧電薄膜部に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電薄膜部に圧力が加えられると、圧電薄膜部は、基板側及び電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。
【００１６】
そこで、本発明に係る圧電素子では、基板の表面に貫通孔を形成し、当該貫通孔の少なくとも壁面を露出させることで、基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である貫通孔の壁面から得られる。
【００１７】
また、本発明に係る圧電素子では、圧電薄膜部における基板側からの電荷が、基板の露出部分である貫通孔の壁面から放出され、圧電薄膜部における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電薄膜部に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電薄膜部における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。
【００１８】
こうした圧電素子は、圧電センサに用いる場合において都合が良い。
【００１９】
即ち、上記の構成によれば、貫通孔に圧電センサの信号線を通すことにより、基板と信号線とを接触及び導通させることが可能となる。また、上述した、圧力が加えられる場合における圧電薄膜部の特性により、圧電素子では、基板側と電極部側とが絶縁されることとなる。さらに、圧電センサの筐体、ねじ込み等で接触する圧電センサの押し金具等と電極部とを接触させることにより、電極部と圧電センサの筐体とを導通させることが可能となる。
【００２０】
つまり、上記本発明に係る圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線が、当該圧電素子に形成された貫通孔を通じて引き出される。さらに、上記圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線と筐体との、圧電素子による絶縁が可能となる。
【００２１】
また、上記圧電素子を複数個積層することで、圧電センサでは、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。
【００２２】
さらに、本発明に係る圧電素子を備える圧電センサでは、圧電素子の電極部がもたらす上記シールド効果により、圧電薄膜部から圧電センサの信号線へと供給される電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。
【００２３】
また、本発明に係る圧電素子は、上記貫通孔は、円孔部の壁面に突起部が形成された孔であることを特徴としている。
【００２４】
貫通孔が円孔部のみを有する孔として設けられる場合、即ち、貫通孔が丸穴である場合、圧電センサの信号線と貫通孔の壁面とを確実に接触させることは決して容易でないため、圧電センサの信号線と基板とを確実に導通させることは決して容易ではない。
【００２５】
そこで、圧電センサの信号線と基板の貫通孔の壁面とを確実に接触させ、信号線と基板との導通を確実なものとするために、本発明に係る圧電素子の貫通孔は、円孔部に加え、円孔部の壁面に突起部をさらに有する形状の孔として設けられるのが好ましい。
【００２６】
即ち、貫通孔の突起部は、本発明に係る圧電素子を圧電センサの筐体に積層するときに、即ち、貫通孔に圧電センサの信号線を挿入するときに変形して、挿入された圧電センサの信号線に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、圧電センサの信号線と基板との導通は、確実なものとなる。
【００２７】
また、本発明に係る圧電素子は、上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、上記金属箔電極部材は、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面に被覆されている圧電薄膜被覆部と、上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電薄膜部が成膜された基板に固定している突出部と、を有していることを特徴としている。
【００２８】
上記の構成によれば、電極部は、圧電薄膜被覆部と突出部とを有する金属箔電極部材を含んで構成されている。そして、突出部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられる、即ち、突出部が折り返されることによって、金属箔電極部材自身と圧電センサの筐体との導通を良好なものとすることができる。
【００２９】
ここで、圧電薄膜部が成膜された基板に、１枚の金属箔電極部材が、基板の一方の表面または他方の表面から被覆されている構成の場合は、圧電素子自身の加圧時において、圧電薄膜部の突出部に接する部位に応力が集中することで剪断力が生じ、この剪断力に起因して、圧電薄膜部に絶縁破壊が発生してしまう虞がある。即ち、圧電センサにおいて、圧電素子を複数個積層する構造をより有効に機能させるためには、複数個の圧電素子を加圧して当該圧電素子同士を密着させる必要があるが、このとき、加圧力を高めると、圧電薄膜部の突出部に接する部位に応力が集中して絶縁破壊が発生してしまう虞がある。
【００３０】
そこで、本発明に係る圧電素子は、さらに、上記突出部が、上記基板における他方の表面側に成膜された圧電薄膜部の全面もしくは略全面に被覆されているのが好ましい。もしくは、本発明に係る圧電素子は、さらに、上記金属箔電極部材を２枚有しており、上記２枚の金属箔電極部材におけるそれぞれの圧電薄膜被覆部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板において、互いに異なる表面に被覆されており、かつ、上記２枚の金属箔電極部材の一方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の他方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられており、上記２枚の金属箔電極部材の他方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の一方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられているのが好ましい。
【００３１】
上記の構成によれば、圧電薄膜被覆部により被覆されない基板における面（他方の表面）が、上記突出部により被覆される。もしくは、２枚の金属箔電極部材を用いられており、当該２枚の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板において、互いに異なる面に被覆される。即ち、一方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が一方の表面に、他方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が他方の表面に被覆される。
【００３２】
これにより、本発明に係る圧電素子では、突出部への応力の集中を抑制することができるため、圧電薄膜部に絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制することができる。また、本発明に係る圧電素子では、圧電薄膜部と電極部との接触部分を増加させることができるため、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。
【００３３】
本発明者らは、上記の問題に鑑みて鋭意検討を行った結果、圧電素子において、金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、上記基板の表面、上記圧電薄膜部、及び上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、上記貫通孔の壁面が、上記電極部からなっていることを特徴とすることによって、圧電センサが挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能な圧電センサの圧電素子を提供することが可能であるということを独自に見出し、本発明を完成するに至った。
【００３４】
つまり、本発明に係る圧電素子は、貫通孔の壁面が電極部からなっており、貫通孔を通じる圧電センサの信号線に電極部が咬合する（即ち、咬み合う）ことによって、信号線と電極部とが通電可能な構成であると解釈できる。
【００３５】
上記の構成によれば、本発明に係る圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電薄膜部が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。
【００３６】
結果、本発明に係る圧電素子では、上記圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電素子を設けた圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。
【００３７】
つまり、本発明に係る圧電素子では、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。
【００３８】
ここで、金属製の基板の両表面に圧電薄膜部が成膜されており、当該圧電薄膜部に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電薄膜部に圧力が加えられると、圧電薄膜部は、基板側及び電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。
【００３９】
そこで、本発明に係る圧電素子では、基板の少なくとも側面を露出させることで、当該基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である基板の側面から得られる。
【００４０】
また、本発明に係る圧電素子では、圧電薄膜部における基板側からの電荷が、基板の露出部分である基板の側面から放出され、圧電薄膜部における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電薄膜部に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電薄膜部における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。
【００４１】
こうした圧電素子は、圧電センサに用いる場合において都合が良い。
【００４２】
即ち、上記の構成によれば、壁面が電極部からなっている貫通孔に圧電センサの信号線を通すことにより、電極部と信号線とを接触及び導通させることが可能となる。また、上述した、圧力が加えられる場合における圧電薄膜部の特性により、圧電素子では、基板側と電極部側とが絶縁されることとなる。さらに、圧電センサの筐体、ねじ込み等で接触する圧電センサ押し金具等と基板の側面とを接触させることにより、基板と圧電センサの筐体とを導通させることが可能となる。
【００４３】
つまり、上記本発明に係る圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線が、当該圧電素子に形成された貫通孔を通じて引き出される。さらに、上記圧電素子が設けられた圧電センサでは、信号線と筐体との、圧電素子による絶縁が可能となる。
【００４４】
また、上記圧電素子を複数個積層することで、圧電センサでは、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。
【００４５】
さらに、本発明に係る圧電素子を備える圧電センサでは、圧電素子の電極部がもたらす上記シールド効果により、圧電薄膜部から圧電センサの信号線へと供給される電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。
【００４６】
また、本発明に係る圧電素子は、上記基板の一方の表面に成膜された圧電薄膜部にのみ、上記電極部が被覆されていることを特徴としてもよい。
【００４７】
また、本発明に係る圧電素子は、上記電極部は、電極の膜であることを特徴としている。
【００４８】
上記の構成によっても、本発明に係る圧電素子の圧電薄膜部では、電極部として金属箔電極部材を使用する場合と同様に、絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制する効果を得ることができ、かつ、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。
【００４９】
本発明に係る圧電センサは、上記の問題を解決するために、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備えるものであり、上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電薄膜部により絶縁されていることを特徴としている。
【００５０】
上記の構成によれば、本発明に係る圧電センサに備えられる圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電薄膜部が成膜されている構成となるため、当該圧電素子の小型化に伴う、圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。
【００５１】
結果、本発明に係る圧電センサでは、上記圧電素子の圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。
【００５２】
つまり、本発明に係る圧電センサでは、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。
【００５３】
ここで、金属製の基板の両表面に圧電薄膜部が成膜されており、当該圧電薄膜部に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電薄膜部に圧力が加えられると、圧電薄膜部は、基板側及び電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。
【００５４】
そこで、本発明に係る圧電センサの圧電素子では、基板の表面に貫通孔を形成し、当該貫通孔の少なくとも壁面を露出させることで、基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である貫通孔の壁面から得られる。
【００５５】
また、本発明に係る圧電センサでは、圧電素子の圧電薄膜部における基板側からの電荷が、基板の露出部分である貫通孔の壁面から放出され、圧電薄膜部における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電薄膜部に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電薄膜部における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。
【００５６】
また、上記の構成によれば、信号線が貫通孔の壁面と接触及び導通されており、筐体が電極部と導通されている。
【００５７】
ところで、圧電素子の圧電薄膜部に圧力が加えられると、圧電薄膜部は、基板側及び電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有する。
【００５８】
上記の特性を有する圧電薄膜部を、基板の両表面に成膜することで、圧電素子では、圧力を受ける時においても、基板側と電極部側との絶縁が可能となる。こうして、基板と電極部とは、圧電薄膜部により絶縁されている。
【００５９】
即ち、基板側から放出された電荷は、基板に形成された貫通孔の壁面から信号線に供給される。一方、電極部側から放出された電荷は、電極部を介して、筐体へと放出される。さらに、基板と電極部とは、圧電薄膜部により絶縁されている。結果として、本発明の圧電センサでは、基板の露出部分からの電荷のみが信号線に供給される構成を実現することができる。
【００６０】
また、こうした構成を有する、本発明に係る圧電センサでは、筐体内に圧電素子を複数個積層する構造を容易に適用することができる。これは、本発明に係る圧電センサにおいては、複数個積層された圧電素子のそれぞれにおける基板の貫通孔からの電荷のみが、当該貫通孔に通された信号線に供給可能であることによる。但し、上記圧電素子は、筐体内部に１個だけ設けられる場合であっても、基板と信号線、筐体と電極部との導通を良好なものとすることができるため、感度が向上する。
【００６１】
また、本発明に係る圧電センサは、上記貫通孔は、口径が上記信号線の直径よりも長い円孔部の壁面に、当該円孔部の壁面に対して垂直となる面における中心と、当該面における自身の先端部分との距離が、上記信号線の半径よりも短い突起部が形成された孔であることを特徴としている。
【００６２】
貫通孔が円孔部のみを有する孔として設けられる場合、即ち、貫通孔が丸穴である場合、信号線と貫通孔の壁面とを確実に接触させることは決して容易でないため、信号線と基板とを確実に導通させることは決して容易ではない。
【００６３】
そこで、信号線と貫通孔の壁面とを確実に接触させ、信号線と基板との導通を確実なものとするために、貫通孔は、円孔部に加え、突起部をさらに有する形状の孔として設けられるのが好ましい。
【００６４】
上記の構成によれば、貫通孔の突起部は、貫通孔に信号線を挿入するときに変形して、挿入された信号線に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、信号線と基板との導通は、確実なものとなる。
【００６５】
また、本発明に係る圧電センサは、上記電極部は、金属箔電極部材により構成されており、上記金属箔電極部材は、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面に被覆されている圧電薄膜被覆部と、上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電薄膜部が成膜された基板に固定している突出部と、を有していることを特徴としている。
【００６６】
上記の構成によれば、電極部は、圧電薄膜被覆部と突出部とを有する金属箔電極部材を含んで構成されている。そして、突出部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられる、即ち、突出部が折り返されることによって、金属箔電極部材自身と筐体との導通を良好なものとすることができる。
【００６７】
ここで、圧電センサの圧電素子が、圧電薄膜部が成膜された基板に、１枚の金属箔電極部材が、基板の一方の表面または他方の表面から被覆されている構成の場合は、圧電素子自身の加圧時において、圧電薄膜部の突出部に接する部位に応力が集中することで剪断力が生じ、この剪断力に起因して、圧電薄膜部に絶縁破壊が発生してしまう虞がある。即ち、圧電センサにおいて、圧電素子を複数個積層する構造をより有効に機能させるためには、複数個の圧電素子を加圧して当該圧電素子同士を密着させる必要があるが、このとき、加圧力を高めると、圧電薄膜部の突出部に接する部位に応力が集中して絶縁破壊が発生してしまう虞がある。
【００６８】
そこで、本発明に係る圧電センサは、さらに、上記突出部が、上記基板における他方の表面側に成膜された圧電薄膜部の全面もしくは略全面に被覆されているのが好ましい。もしくは、本発明に係る圧電センサは、さらに、上記金属箔電極部材を２枚有しており、上記２枚の金属箔電極部材におけるそれぞれの圧電薄膜被覆部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板において、互いに異なる表面に被覆されており、かつ、上記２枚の金属箔電極部材の一方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の他方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられており、上記２枚の金属箔電極部材の他方における突出部は、上記２枚の金属箔電極部材の一方における圧電薄膜被覆部に被覆されるように折り曲げられているのが好ましい。
【００６９】
上記の構成によれば、圧電薄膜被覆部により被覆されない基板における他方の表面が、上記突出部により被覆される。もしくは、２枚の金属箔電極部材を用いられており、当該２枚の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部は、上記圧電薄膜部が成膜された基板において、互いに異なる面に被覆されている。即ち、一方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が一方の表面に、他方の金属箔電極部材の圧電薄膜被覆部が他方の表面に被覆されている。
【００７０】
これにより、本発明に係る圧電センサでは、圧電素子において、突出部への応力の集中を抑制することができるため、圧電薄膜部に絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制することができる。また、本発明に係る圧電センサでは、圧電素子において、圧電薄膜部と電極部との接触部分を増加させることができるため、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。
【００７１】
本発明に係る圧電センサは、上記の問題を解決するために、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、自身が上記筐体と離間されるように、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、上記基板の表面、上記圧電薄膜部、及び上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、上記貫通孔の壁面が、上記電極部からなっているものであり、上記信号線が上記電極部と導通されており、上記筐体が上記基板の側面と接触されており、当該基板と当該電極部とが上記圧電薄膜部により絶縁されていることを特徴としている。
【００７２】
つまり、本発明に係る圧電センサの圧電素子は、貫通孔の壁面が電極部からなっており、貫通孔を通じる信号線に電極部が咬合する（即ち、咬み合う）ことによって、信号線と電極部とが通電可能な構成であると解釈できる。
【００７３】
上記の構成によれば、本発明に係る圧電素子は、金属製の基板の両表面に圧電薄膜部が成膜されている構成となるため、当該圧電素子自身の小型化に伴う、圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。
【００７４】
結果、本発明に係る圧電センサの圧電素子では、上記圧電薄膜部の表面積の狭小化を抑制しつつ、当該圧電素子の小型化が可能となるため、当該圧電センサにおいても同様に小型化が可能となる。
【００７５】
つまり、本発明に係る圧電センサでは、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。
【００７６】
ここで、金属製の基板の全面に圧電薄膜部が成膜されており、当該圧電薄膜部に電極部が被覆されている圧電素子においては、当該基板から放出される電荷を得るべく、当該基板が露出する部分を確保する必要がある。これは、圧電素子の圧電薄膜部に圧力が加えられると、圧電薄膜部は、基板側及び電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。
【００７７】
そこで、本発明に係る圧電センサの圧電素子では、基板の少なくとも側面を露出させることで、当該基板が露出する部分を確保している。これにより、基板から放出される電荷は、基板の露出部分である基板の側面から得られる。
【００７８】
また、本発明に係る圧電センサでは、圧電素子の圧電薄膜部における基板側からの電荷が、基板の露出部分である基板の側面から放出され、圧電薄膜部における電極部側からの電荷が、電極部から放出されるが、圧電薄膜部に被覆されている電極部がもたらすシールド効果により、圧電薄膜部における基板側からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。
【００７９】
また、上記の構成によれば、筐体が基板の側面と接触及び導通されており、筐体が電極部を介して圧電素子の圧電薄膜部と接触されている。
【００８０】
ところで、圧電素子の圧電薄膜部に圧力が加えられると、圧電薄膜部は、基板側及び電極部側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有する。
【００８１】
上記の特性を有する圧電薄膜部を、基板に成膜することで、圧電素子では、圧力を受ける時においても、基板側と電極部側との絶縁が可能となる。こうして、基板と電極部とは、圧電薄膜部により絶縁されている。
【００８２】
即ち、圧電薄膜部の表面から放出された電荷は、電極部を介して、基板に形成された貫通孔を通じる信号線に供給される。一方、基板側から放出された電荷は、筐体へと放出される。さらに、基板と電極部とは、圧電薄膜部により絶縁されている。結果として、本発明の圧電センサでは、基板側から放出される電荷とは逆の極性となる、圧電薄膜部の表面の電荷のみが、電極部を介して信号線に供給される構成を実現することができる。
【００８３】
また、こうした構成を有する、本発明に係る圧電センサでは、筐体内に圧電素子を複数個積層する構造を容易に適用することができる。これは、本発明に係る圧電センサにおいては、複数個積層された圧電素子のそれぞれにおける電極部からの電荷のみが、当該貫通孔に通された信号線に供給可能であることによる。但し、上記圧電素子は、筐体内部に１個だけ設けられる場合であっても、電極部と信号線、基板と筐体との導通を良好なものとすることができるため、感度が向上する。
【００８４】
なお、本発明の圧電センサと、上述した、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備えるものであり、上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電薄膜部により絶縁されている圧電センサと、は、互いに逆の極性を有する圧電センサとなる。
【００８５】
圧電センサに接続されている各種回路（例えば、圧電センサの外部に設けられている圧電センサの制御回路系）では、一般的に、自身の駆動に好適である当該圧電センサの極性が予め決定されており、実際の圧電センサの極性に応じて設計を変更することが非常に煩雑である。そのため、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることは、従来、決して容易ではなかった。
【００８６】
一方、本発明に係る圧電センサでは、上記各種回路の駆動に好適である当該圧電センサの極性に応じて、上述したいずれかの圧電センサを適宜選択することにより、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることが簡単であるため都合が良い。
【００８７】
また、本発明に係る圧電センサは、上記圧電素子は、上記基板の一方の表面に成膜された圧電薄膜部にのみ、上記電極部が被覆されていることを特徴としてもよい。
【００８８】
また、本発明に係る圧電センサは、上記電極部は、電極の膜であることを特徴としている。
【００８９】
上記の構成によっても、本発明に係る圧電センサの圧電素子の圧電薄膜部では、電極部として金属箔電極部材を使用する場合と同様に、絶縁破壊が発生してしまう危険性を抑制する効果を得ることができ、かつ、大きな感度の低下の抑制効果が得られる。
【００９０】
また、本発明に係る圧電センサは、上記圧電素子が、上記筐体内部に複数個積層されていることを特徴としている。
【００９１】
上記の構成によれば、本発明に係る圧電センサでは、圧電素子を複数個積層することで、圧電素子から信号線に供給される電荷量の低下をさらに抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、当該圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。
【００９２】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、上記の問題を解決するために、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、当該貫通孔を通じる信号線が当該基板と接触するように、当該基板に成膜されている圧電薄膜部と、を備える圧電素子の製造方法であって、上記貫通孔よりも大きな面を有する治具本体と、当該治具本体における貫通孔よりも大きな面から伸びており、上記貫通孔を通ずることが可能なワイヤ部材と、を備える治具を用意する第１の工程と、上記貫通孔の一端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第２の工程と、上記ワイヤ部材を中空の蓋部材に挿入すると共に、当該蓋部材と上記治具本体とにより上記基板を圧着固定する第３の工程と、上記第３の工程により、上記基板を圧着固定した上記治具を、成膜装置に装着する第４の工程と、上記成膜装置により、上記基板に、上記圧電薄膜部を成膜する第５の工程と、を含むことを特徴としている。
【００９３】
上記の方法によれば、信号線と接触する基板における貫通孔の壁面に、圧電薄膜部が成膜されていない基板を製造することが可能となる。このため、本発明に係る圧電素子の製造方法は、上述した、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備える圧電素子を製造するのに都合が良い。従って、本発明に係る圧電素子の製造方法は、圧電センサに設けられた場合において、信号線に供給する電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積を狭小化することを可能とする圧電素子を製造するのに都合が良い。
【００９４】
また、本発明に係る圧電素子の製造方法は、上記貫通孔の他端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第６の工程と、上記第６の工程の後に、上記第３の工程〜上記第５の工程を順次実施する第７の工程と、をさらに含むことを特徴としている。
【００９５】
上記の方法によれば、基板における貫通孔の壁面と、蓋部材と治具本体とにより基板を圧着している部分を除く全面に圧電薄膜部を成膜することができる。
【００９６】
本発明に係る金属箔電極部材は、上記の問題を解決するために、上記の圧電素子における上記電極部として使用される金属箔電極部材であって、上記圧電素子の基板の表面に形成された貫通孔を露出させるための孔部と、上記圧電素子の圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面に被覆される圧電薄膜被覆部と、上記圧電薄膜被覆部から突出して形成されており、上記圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面側から他方の表面側へと折り曲げられることで、上記金属箔電極部材自身を当該圧電薄膜部が成膜された基板に固定可能な突出部と、を備えることを特徴としている。
【００９７】
上記の構成によれば、圧電素子の電極部として、本発明に係る金属箔電極部材を、圧電薄膜部が成膜された基板に被覆すると、孔部により基板に形成された貫通孔を露出させ、圧電薄膜被覆部により圧電薄膜部が成膜された基板における一方の表面または他方の表面を被覆して、突出部により金属箔電極自身を圧電薄膜部が成膜された基板に固定することが可能となる。つまり、本発明に係る金属箔電極部材は、上記の圧電素子に係る電極部として好適に用いられるものである。
【発明の効果】
【００９８】
以上のとおり、本発明に係る圧電素子は、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備える構成である。従って、圧電センサが挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能な圧電センサの圧電素子を提供することが可能であるという効果を奏する。
【００９９】
また、本発明に係る圧電素子は、金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、上記基板の表面、上記圧電薄膜部、及び上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、上記貫通孔の壁面が、上記電極部からなっている構成である。従って、圧電センサが挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能な圧電センサの圧電素子を提供することが可能であるという効果を奏する。
【０１００】
以上のとおり、本発明に係る圧電センサは、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、表面に上記貫通孔が形成された金属製の基板と、上記電荷を発生するものであり、自身が上記信号線と離間されるように、上記貫通孔の少なくとも壁面を除く、上記基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備えるものであり、上記信号線が上記貫通孔の壁面と接触されており、上記筐体が上記電極部と導通されており、上記基板と当該電極部とが上記圧電薄膜部により絶縁されている構成である。従って、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。また、圧電センサにおいて、複数個の圧電素子の積層構造が実現可能となり、これにより、当該面積の狭小化に加え、圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。
【０１０１】
また、本発明に係る圧電センサは、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子が、筐体内部に設けられており、上記電荷が供給される信号線が、上記圧電素子に形成された貫通孔を通じて上記筐体外部に引き出されており、上記圧電素子は、金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、自身が上記筐体と離間されるように、上記基板の少なくとも側面を除く、当該基板の全面に成膜されている圧電薄膜部と、導電性を有しており、上記圧電薄膜部に被覆されている電極部と、を備え、上記基板の表面、上記圧電薄膜部、及び上記電極部を貫通するように貫通孔が設けられており、上記貫通孔の壁面が、上記電極部からなっているものであり、上記信号線が上記電極部と導通されており、上記筐体が上記基板の側面と接触されており、当該基板と当該電極部とが上記圧電薄膜部により絶縁されている構成である。従って、発生される電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となるという効果を奏する。また、圧電センサにおいて、複数個の圧電素子の積層構造が実現可能となり、これにより、当該面積の狭小化に加え、圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能である。
【０１０２】
以上のとおり、本発明に係る圧電素子の製造方法は、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであり、当該貫通孔を通じる信号線が当該基板と接触するように、当該基板に成膜されている圧電薄膜部と、を備える圧電素子の製造方法であって、上記貫通孔よりも大きな面を有する治具本体と、当該治具本体における貫通孔よりも大きな面から伸びており、上記貫通孔を通ずることが可能なワイヤ部材と、を備える治具を用意する第１の工程と、上記貫通孔の一端側から上記ワイヤ部材を挿入すると共に、上記治具本体に上記基板を載置して、当該基板を上記治具に装着する第２の工程と、上記ワイヤ部材を中空の蓋部材に挿入すると共に、当該蓋部材と上記治具本体とにより上記基板を圧着固定する第３の工程と、上記第３の工程により、上記基板を圧着固定した上記治具を、成膜装置に装着する第４の工程と、上記成膜装置により、上記基板に、上記圧電薄膜部を成膜する第５の工程と、を含む方法である。従って、本発明に係る圧電素子の製造方法は、圧電センサに設けられた場合において、信号線に供給する電荷量の低減を抑制しつつ、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積を狭小化することを可能とする圧電素子を適切に製造可能であるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０３】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施の形態について図１〜図９に基づいて説明すると以下の通りである。
【０１０４】
図１は、本発明に係る圧電センサの構成を示す断面図である。
【０１０５】
図１に示す薄膜素子積層センサ（圧電センサ）１は、筐体２内部に、絶縁板３１、信号線付電極４、絶縁板３２、複数個（本実施の形態及び後述する実施の形態では４個）の圧電素子５、及び押し金具６が順次積層された構成である。
【０１０６】
筐体２は、耐熱性に優れた金属により構成された、中空かつ一端が閉じた形状を有する部材、即ち、底面２１を有する中空の部材である。なお、薄膜素子積層センサ１は、筐体２の底面２１側から、例えば図示しないシリンダ（自動車等の内燃機関のシリンダ）に挿入されるものである。
【０１０７】
絶縁板３１、３２は、例えば酸化アルミニウム（いわゆる、アルミナ）により構成されている。絶縁板３１は、信号線付電極４を、筐体２と絶縁するために設けられている。また、絶縁板３２は、信号線付電極４を、圧電素子５と絶縁するために設けられている。
【０１０８】
信号線付電極４は、信号線４１が引き出された電極層であり、圧電素子５から発生された電荷を、圧力検出信号として、信号線４１を通じて伝達するものである。信号線付電極４から引き出された信号線４１は、圧電素子５の基板５１に形成された貫通孔８ａと、貫通孔８ｂと、を通じて、薄膜素子積層センサ１外部にまで引き伸ばされている。
【０１０９】
なお、信号線付電極４は、圧電素子５を積層するときの固定に際して有用であるが、必須の構成ではなく、圧電素子５の基板５１が信号線４１への嵌合に十分な強度を有していれば省略可能である。つまり、この場合、圧力検出信号を伝達するための構成としては、信号線４１のみで構成可能である。同様に、圧電素子５の基板５１が信号線４１への嵌合に十分な強度を有している場合、信号線付電極４と圧電素子５とが離間さえされていれば、絶縁板３２についても省略可能である。
【０１１０】
圧電素子５は、インコネル等の耐熱性に優れた金属により構成される基板５１に成膜された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）素子膜（圧電薄膜部）５２に、金属箔電極（電極部、金属箔電極部材）５３が被覆された構成である。
【０１１１】
基板５１には、信号線４１を通すことが可能であるように、具体的には、貫通孔８ａを通じた信号線４１と基板５１とが接触するように、貫通孔８ａが形成されている。ここで、貫通孔８ａの少なくとも壁面１８については、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されておらず、基板５１が露出している（後述する露出部分５４参照）。露出した貫通孔８ａの壁面１８は、貫通孔８ａを通じる信号線４１と接触しており、これにより、信号線４１と基板５１とを接触及び導通させている。
【０１１２】
なお、貫通孔８ａは、基板５１の表面２８ａに形成されている。ここで、基板５１の表面２８ａとは、薄膜素子積層センサ１（または、後述する薄膜素子積層センサ１０）が挿入される方向に対して垂直となる基板５１の面を意味する。一方、薄膜素子積層センサ１（または、後述する薄膜素子積層センサ１０）が挿入される方向に沿った基板５１の面は、基板５１の側面２８ｂである。つまり、貫通孔８ａは、薄膜素子積層センサ１が挿入される方向に対して、平行または略平行となる方向に、貫通する孔となる。
【０１１３】
ＡｌＮ素子膜５２は、圧電特性を有するものであり、外部からの圧力を受けることによって電荷を発生するものである。即ち、ＡｌＮ素子膜５２には、基板５１から伝達される圧力に付随して、撓みが発生する。そして、この撓みに応じて、ＡｌＮ素子膜５２の内部には、圧縮応力及び引張応力が発生する。この内部応力の働きによって、ＡｌＮ素子膜５２からは、電荷が発生される。こうして、ＡｌＮ素子膜５２は、圧力を受けることによって、その圧力に応じた電荷を発生する。なお、ＡｌＮ素子膜５２は、ＡｌＮを、スパッタリング法で成膜することが好ましい。
【０１１４】
なお、ＡｌＮ素子膜５２の厚さについては、特に限定されない。
【０１１５】
但し、ＡｌＮ素子膜５２は、薄くし過ぎると、該ＡｌＮ素子膜５２自身が剥離し易くなったり、該ＡｌＮ素子膜５２の成膜が不完全な部分もしくは該ＡｌＮ素子膜５２が成膜されない部分が生じやすくなったりする、という欠陥が発生する虞がある。また、該欠陥に起因して、基板５１と金属箔電極５３との間においては、ショートが発生しやすくなるという問題が発生する。
【０１１６】
一方、該ＡｌＮ素子膜５２（１５μｍ以上）を厚くすることは、技術的に困難である。また、該ＡｌＮ素子膜５２は、厚くし過ぎると、圧電特性の劣化が発生する虞がある。
【０１１７】
これらのことを考慮すると、ＡｌＮ素子膜５２の厚さは、０．１μｍ〜１０μｍ程度とするのが好ましい。
【０１１８】
また、ＡｌＮ素子膜５２は、上記基板５１が露出している部分を除く、基板５１部分に成膜されており、かつ、貫通孔８ａを通ずる信号線４１と離間されるように基板５１の略全面に成膜されている。
【０１１９】
つまり、ＡｌＮ素子膜５２は、自身に加えられた圧力に応じて電荷を発生するものであると共に、貫通孔８ａの少なくとも壁面１８を除く、基板５１の全面に成膜されているものである。
【０１２０】
金属箔電極５３は、導電性を有する材料、例えば銅からなる。金属箔電極５３は、少なくとも、自身と筐体２とが導通するように、ＡｌＮ素子膜５２に被覆されている。例えば、金属箔電極５３は、自身と筐体２とが接触するように、もしくは、押し金具６が筐体２と導通した状態で設けられている場合、自身と押し金具６とが接触するように、ＡｌＮ素子膜５２に被覆されている。これにより、金属箔電極５３は、圧電素子５に設けられているＡｌＮ素子膜５２と、筐体２とを導通している、即ち、金属箔電極５３と筐体２とは導通している。
【０１２１】
圧電素子５は、基板５１の表面２８ａを覆うようにＡｌＮ素子膜５２が成膜されている構成となるため、圧電素子５自身の小型化に伴う、ＡｌＮ素子膜５２の表面積の狭小化を抑制することが可能となり、これにより、発生する電荷量の減少の抑制が可能となり、感度の低下の抑制が可能となる。
【０１２２】
結果、圧電素子５では、ＡｌＮ素子膜５２の表面積の狭小化を抑制しつつ、小型化が可能となるため、当該圧電素子５を設けた薄膜素子積層センサ１においても同様に小型化が可能となる。
【０１２３】
ここで、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された金属製の基板５１を有しており、ＡｌＮ素子膜５２に加えられた圧力に応じて電荷を発生する圧電素子においては、基板５１から放出される電荷を得るべく、基板５１が露出する部分、即ち、薄膜素子積層センサ１において基板５１と信号線４１とが接触する部分を確保する必要がある。これは、ＡｌＮ素子膜５２に圧力が加えられると、ＡｌＮ素子膜５２は、基板５１側及び金属箔電極５３側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有することによる。
【０１２４】
そこで、圧電素子５では、基板５１の表面２８ａに貫通孔８ａを形成し、貫通孔８ａの少なくとも壁面１８を露出させることで、基板５１が露出する部分を確保している。これにより、基板５１から放出される電荷は、基板５１の露出部分である貫通孔８ａの壁面１８から得られる。
【０１２５】
また、圧電素子５では、ＡｌＮ素子膜５２における基板５１側からの電荷が、貫通孔８ａの壁面１８から放出され、ＡｌＮ素子膜５２における金属箔電極５３側からの電荷が、金属箔電極５３から放出されるが、ＡｌＮ素子膜５２に被覆されている金属箔電極５３がもたらすシールド効果により、ＡｌＮ素子膜５２からの電荷に重畳するノイズ成分の除去が可能となる。
【０１２６】
押し金具６は、薄膜素子積層センサ１の上部、即ち、筐体２の閉じていない他端側から、図示しない固定金具をねじ込むことで、絶縁板３１、信号線付電極４、絶縁板３２、及び圧電素子５を筐体２内に圧着固定するためのものである。
【０１２７】
絶縁板３２及び押し金具６にはそれぞれ、信号線４１が通すことが可能であるように、貫通孔８ｂが形成されている。
【０１２８】
信号線４１と押し金具６との間は、例えばアルミナにより構成されている絶縁管７により絶縁されている。信号線４１は、貫通孔８ａにおける基板５１の露出部分、即ち、貫通孔８ａの壁面１８と接触することで基板５１と導通しているが、基板５１と接触及び導通する部分を除いては、他の部材と接触していない、もしくは、他の部材と絶縁されている。金属箔電極５３は、筐体２と導通している。
【０１２９】
なお、本発明の特徴をより明確に図示するため、図１及び後述する図１０に示す圧電センサの断面図において、信号線４１の奥（信号線４１よりも紙面裏側）、かつ、信号線４１の近傍に位置する部材（圧電素子５、押し金具６等）については、一部図示を省略している。
【０１３０】
外部からの圧力が圧電素子５に加えられると、ＡｌＮ素子膜５２は、上述したとおり、基板５１側及び金属箔電極５３側のうちの、一方から正極の電荷を発生し、他方から負極の電荷を発生する特性を有する。こうした特性を有するＡｌＮ素子膜５２を、基板５１の両面に成膜することで、圧電素子５では、圧力を受ける時においても、基板５１側と金属箔電極５３側との絶縁が可能となる。こうして、基板５１と金属箔電極５３とは、ＡｌＮ素子膜５２により絶縁されている。
【０１３１】
そして、基板５１側から放出された電荷は、基板５１の露出部分である貫通孔８ａの壁面１８から信号線４１に供給される。一方、金属箔電極５３側から放出された電荷は、金属箔電極５３から筐体２（もしくは、筐体２及び押し金具６）へと放出される。結果として、薄膜素子積層センサ１では、基板５１からの電荷のみが圧力検出信号として信号線４１に供給される構成を実現することができる。
【０１３２】
また、上述したシールド効果により、信号線４１へは、重畳するノイズ成分が十分に除去された圧力検出信号が供給可能となる。
【０１３３】
なお、図１に示す薄膜素子積層センサ１では、筐体２に圧電素子５が複数個（４個）積層されている構成であるが、これに限定されず、本発明に係る圧電センサでは、圧電素子５が筐体２に１個だけ設けられている構成であっても構わない。この場合であっても、本発明に係る圧電センサでは、基板と信号線、筐体と電極部との導通を良好なものとすることができるため、感度が向上し、結果、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積の狭小化が可能となる。
【０１３４】
但し、図１の薄膜素子積層センサ１に示すとおり、本発明に係る圧電センサは、圧電素子を複数個積層することで、圧電素子から信号線に供給される電荷量を低下させることなく、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積のさらなる狭小化が可能となり、ひいては、圧電センサから発生される電荷量を増加させることさえも可能であるためより好ましい。
【０１３５】
後述する、図１０に示す薄膜素子積層センサ１０についても同様に、圧電素子５は、筐体２内部に１個だけ設けられている構成であっても構わないが、複数個積層されている構成であるのがより好ましい。
【０１３６】
図２は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の基板５１を模式的に示す平面図である。また、図３は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の基板５１に形成された貫通孔８ａを示す平面図である。また、図４は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における当該貫通孔８ａを示す平面図である。
【０１３７】
貫通孔８ａは、口径が信号線４１の直径よりも長い円孔部８１の壁面、即ち、貫通孔８ａの壁面１８に、突起部８２をさらに有する孔として、基板５１に設けられている。
【０１３８】
また、円孔部８１の開口方向に対して垂直となる面（円孔部８１の壁面に対して垂直となる面）における貫通孔８ａの中心Ｃと、当該面における突起部８２の先端部分８３との距離はいずれも、信号線４１の半径よりも短い。
【０１３９】
例えば、信号線４１の直径が０．６ｍｍである場合、円孔部８１の口径は０．８ｍｍ、貫通孔８ａの中心と突起部８２の先端部分との距離は０．５／２ｍｍ、即ち、０．２５ｍｍとするのが好ましい。
【０１４０】
貫通孔８ａが円孔部８１のみを有する丸穴として設けられる場合、信号線４１と基板５１の露出部分である貫通孔８ａの壁面１８とを確実に接触させること（図１参照）は決して容易でない。
【０１４１】
そこで、信号線４１と基板５１の露出部分とを確実に接触させ、信号線４１と基板５１との導通を確実なものとするために、貫通孔８ａは、円孔部８１に加え、突起部８２をさらに有する形状の孔（図３参照）として設けられるのが好ましい。
【０１４２】
即ち、貫通孔８ａの突起部８２は、貫通孔８ａに信号線４１を挿入するときに変形し、信号線４１に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、信号線４１と基板５１との導通は、確実なものとなる。
【０１４３】
また、図２、３に示す基板５１により、図１に示す圧電素子５の構成を実現するためには、図４に示すとおり、貫通孔８ａの壁面１８を含む基板５１の所定部分が露出するように、ＡｌＮ素子膜５２を基板５１に成膜する必要がある。
【０１４４】
図５は、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の製造方法を示す図であり、基板５１にＡｌＮ素子膜５２を成膜する様子を示す図である。
【０１４５】
図５に示す、薄膜素子積層センサ１の圧電素子５の製造方法では、まず、貫通孔８ａよりも大きな面を有する治具本体１１０と、治具本体１１０から伸びており、貫通孔８ａの口径よりも若干短い口径を有する、円柱状もしくは円筒状の管部（ワイヤ部材）１０１と、を有する治具１００を用意する（第１の工程）。次に、貫通孔８ａの一端側（治具本体１１０と接触している基板５１の表面２８ａ側）から管部１０１を挿入すると共に、治具本体１１０に基板５１を載置して、基板５１を治具１００に装着する（第２の工程、図５（ａ）参照）。なお、参照符号５４は、貫通孔８ａの壁面１８（図１参照）を含む基板５１の露出部分を示しており、参照符号５５は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜される基板５１部分を示している。次に、管部１０１の口径よりも長い内径を有する中空のキャップ（蓋部材）１０２に、管部１０１を挿入して、キャップ１０２と治具本体１１０とにより、基板５１を治具１００に圧着固定する（第３の工程、図５（ｂ）参照）。このとき、キャップ１０２は、基板５１の露出部分５４と密着することとなる。次に、基板５１が装着された治具１００を逆さまにして、即ち、管部１０１における治具本体１１０と接していない端部が下向きになるようにして（図５（ｃ）参照）、基板５１が装着された治具１００を、図示しない周知のスパッタリング装置（成膜装置）に装着する（第４の工程）。次に、基板５１の成膜部分５５に、ＡｌＮを、スパッタリング法により成膜する（第５の工程）。次に、キャップ１０２を、管部１０１から取り外し、続いて管部１０１から基板５１を取り外す。
【０１４６】
なお、この時点で、基板５１は、上記成膜時において治具本体１１０と接触していた基板５１の成膜部分５５に、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されていない状態となっている。
【０１４７】
そこで、基板５１を裏返して、即ち、貫通孔８ａの他端側から管部１０１を挿入する。さらに、治具本体１１０に基板５１を載置して、基板５１を治具１００に装着する（第６の工程）。以下、上記成膜時において治具１００と接触していた基板５１の成膜部分５５についても、上記第３の工程〜第５の工程と同様の工程により、ＡｌＮ素子膜５２を成膜する（第７の工程）。
【０１４８】
上記の方法により、露出部分５４には、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されておらず、成膜部分５５全面には、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１（図６参照）を製造することが可能となる。
【０１４９】
図７は、金属箔電極５３の構成例を示す平面図である。図８は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に金属箔電極５３が被覆された様子を示す平面図である。
【０１５０】
図７に示すとおり、金属箔電極５３は、貫通孔８ａを露出させる孔部５３１と、基板５１の表面よりもわずかに小さいサイズを有しており、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における一方の表面２８ａに被覆される環状部（圧電薄膜被覆部）５３２と、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１を包みこむべく環状部５３２から突出して形成された突出部５３３とを備える構成である。また、突出部５３３は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における一方の表面２８ａ側から他方の表面２８ａ側へと折り曲げられることで、金属箔電極５３をＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に固定することが可能なものである。
【０１５１】
図７に示す金属箔電極５３は、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に、以下の要領により被覆される。
【０１５２】
即ち、まずは、図７に示す形状を有する金属箔電極５３を２枚用意する。一方の金属箔電極５３は、孔部５３１を、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１の貫通孔８ａと一致させて、環状部５３２を、基板５１の一方の表面２８ａに成膜されたＡｌＮ素子膜５２と一致させる。また、他方の金属箔電極５３は、孔部５３１を、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１の貫通孔８ａと一致させて、環状部５３２を、基板５１の他方の表面２８ａに成膜されたＡｌＮ素子膜５２と一致させる。そして、一方の金属箔電極５３の突出部５３３を基板５１の他方の表面２８ａ側に折り曲げて、ＡｌＮ素子膜５２を包み込むと共に、他方の金属箔電極５３の突出部５３３を基板５１の一方の表面２８ａ側に折り曲げて、ＡｌＮ素子膜５２を包み込む。こうして、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１には、２枚の金属箔電極５３が基板５１の両表面から被覆される（図８（ｂ）参照）。このとき、一方の金属箔電極５３の突出部５３３は、他方の金属箔電極５３の環状部５３２に被覆されるように折り曲げられ、他方の金属箔電極５３の突出部５３３は、一方の金属箔電極５３の環状部５３２に被覆されるように折り曲げられる。
【０１５３】
なお、図８（ａ）に示すとおり、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に、図７に示す金属箔電極５３が１枚だけ、基板５１のいずれかの面から被覆される構成の場合、即ち、突出部５３３がＡｌＮ素子膜５２に直接的に接触する場合は、圧電素子５の加圧時において、ＡｌＮ素子膜５２の突出部５３３に接する部位に応力が集中することで生じる剪断力に起因して、圧電素子５のＡｌＮ素子膜５２に絶縁破壊が発生してしまう虞がある。
【０１５４】
そこで、図８（ｂ）に示すとおり、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１は、２枚の金属箔電極５３により被覆される。これにより、上記絶縁破壊を抑制することができる。
【０１５５】
また、図９（ａ）は、金属箔電極５３の別の構成を示す平面図である。図９（ｂ）は、同図（ａ）に示す金属箔電極５３´が、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１に被覆された状態を示す図である。
【０１５６】
図９（ａ）に示す金属箔電極５３´は、図７に示す金属箔電極５３の構成において、突出部５３３のかわりに、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における他方の表面２８ａの全面もしくは略全面を被覆することが可能な程度に大きな突出部５３３´を備える構成である。
【０１５７】
図９（ａ）に示す金属箔電極５３´を１枚用いて、ＡｌＮ素子膜５２が成膜された基板５１における他方の表面２８ａの全面もしくは略全面を被覆する、図９（ｂ）に示す構造の場合は、応力集中する虞のある部分を形成することなく、図７に示す電極２枚で基板５１の両面から被覆される構造と同様の効果が得られる。
【０１５８】
図９に示す形状の金属箔電極５３´を用いる場合は、１枚の金属箔電極部材を折り曲げるだけで、ＡｌＮ素子膜５２の大部分を被覆することができ、特定の部位での応力集中が発生しにくくなる。そのため、上下２枚の金属箔電極５３をそれぞれ突出部５３３が基板５１を挟んで反対側の金属箔電極５３の上から折り曲げられる場合（図７参照）と同じ絶縁破壊の抑制効果がある。
【０１５９】
そして、図１に示す薄膜素子積層センサ１では、筐体２内部に、図８（ｂ）もしくは図９（ｂ）の構成を有する圧電素子５を積層している。これにより、上述したＡｌＮの特性を生かして、圧電センサ自身が挿入される方向に対して垂直となる面の面積を狭小化することが可能となる。
〔実施の形態２〕
本発明の別の実施の形態について図１０に基づいて説明すると以下の通りである。
【０１６０】
図１０は、本発明に係る圧電センサの別の構成を示す断面図である。
【０１６１】
図１０に示す薄膜素子積層センサ１０は、図１に示す薄膜素子積層センサ１の構成において、以下の点が異なる構成である。
【０１６２】
まず、薄膜素子積層センサ１０は、薄膜素子積層センサ１に係る絶縁板３１、３２のかわりに、絶縁板３が、信号線付電極４の下部に設けられている（即ち、絶縁板３２が省略される）点が、図１に示す薄膜素子積層センサ１と異なる。
【０１６３】
また、薄膜素子積層センサ１０は、圧電素子５が、以下の構成を有している点が、図１に示す薄膜素子積層センサ１と異なる。
【０１６４】
即ち、図１０に示す薄膜素子積層センサ１０に係る圧電素子５は、基板５１と、ＡｌＮ素子膜５２と、金属箔電極５３と、を備える。但し、ＡｌＮ素子膜５２については、貫通孔８ａの少なくとも壁面１８を除く基板５１の全面でなく、基板５１の少なくとも側面２８ｂを除く当該基板５１の全面に成膜されている。また、図１０に示す薄膜素子積層センサ１０に係る圧電素子５には、貫通孔８ａが形成されているものの、この貫通孔８ａは、基板５１、ＡｌＮ素子膜５２、及び金属箔電極５３を貫通するように、かつ、貫通孔８ａの壁面１８が金属箔電極５３からなるように設けられている。なお、薄膜素子積層センサ１０に係る圧電素子５は、図１０に示すとおり、基板５１の一方の表面２８ａに成膜されたＡｌＮ素子膜５２にのみ、金属箔電極５３が被覆されている構成であってもよい。
【０１６５】
また、薄膜素子積層センサ１０は、ＡｌＮ素子膜５２が筐体２と離間されており、さらに、信号線４１が金属箔電極５３と導通されており、筐体２が基板５１の側面２８ｂと接触及び導通されており、基板５１と金属箔電極５３とがＡｌＮ素子膜５２により絶縁されている点が、図１に示す薄膜素子積層センサ１と異なる。
【０１６６】
基板５１は、少なくとも薄膜素子積層センサ１０における筐体２との導通部分となる側面２８ｂにおいて、ＡｌＮ素子膜５２が成膜されておらず、金属箔電極５３により被覆されていない、即ち、筐体２と導通している基板５１の側面２８ｂは露出している。
【０１６７】
基板５１側から放出された電荷は、基板５１の側面２８ｂから、筐体２（もしくは、筐体２及び押し金具６）へと放出される。一方、上記ＡｌＮ素子膜５２の表面側から放出された電荷は、金属箔電極５３を介して、信号線４１に供給される。結果として、薄膜素子積層センサ１０では、金属箔電極５３からの電荷のみが圧力検出信号として信号線４１に供給される構成を実現することができる。
【０１６８】
なお、薄膜素子積層センサ１０に係る金属箔電極５３は、自身が信号線４１に咬み合って、変形することによって、信号線４１と接触する構成であればよく、金属箔電極５３により基板５１を巻き込む必要は無い。そのため、薄膜素子積層センサ１０に係る金属箔電極５３は、図７、図９に示す金属箔電極５３、５３´のように、突出部５３３、５３３´を有する必要が特になく、周知の構造を有する金属箔電極部材を用いることができる。こうした薄膜素子積層センサ１０に係る金属箔電極５３の形状としては例えば、自身の外周が基板５１の側面２８ｂでショートしない程度の大きさの環状である形状が考えられる。
【０１６９】
図１に示す薄膜素子積層センサ１に対して、逆の極性が必要である場合は、図１０に示す薄膜素子積層センサ１０を用いることにより、図１に示す薄膜素子積層センサ１と同様の作用効果を得ることができるため、都合がよい。
【０１７０】
つまり、圧電センサに接続されている各種回路（例えば、圧電センサの外部に設けられている圧電センサの制御回路系）では、一般的に、自身の駆動に好適である当該圧電センサの極性が予め決定されており、実際の圧電センサの極性に応じて設計を変更することが非常に煩雑である。そのため、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることは、従来、決して容易ではなかった。
【０１７１】
一方、本発明に係る圧電センサでは、上記各種回路の駆動に好適である当該圧電センサの極性に応じて、薄膜素子積層センサ１及び薄膜素子積層センサ１０のいずれかを適宜選択することにより、実際の圧電センサの極性と、当該各種回路の駆動に好適である圧電センサの極性と、を一致させることが簡単である。
【０１７２】
なお、上述した図１に係る形態と同様に、信号線付電極４は、圧電素子５を積層するときの固定に際して有用であるが、圧電素子５の金属箔電極５３が信号線４１への嵌合に十分な強度を有しており、かつ、基板５１と筐体２との接触による積層構造が十分確保できれば、最下部に金属箔電極５３を挿入するだけで、信号線付電極４は省略可能であり、この場合、圧力検出信号を伝達するための構成としては、信号線４１のみで構成可能である。
【０１７３】
また、図示はしていないが、図１０に示す薄膜素子積層センサ１０の圧電素子５においては、基板５１の側面２８ｂと筐体２との導通をより確実にするために、基板５１の側面２８ｂに突起を設けても良い。即ち、基板５１の側面２８ｂに突起を設ける構成によれば、当該圧電素子５を筐体２に積層するときに、即ち、基板５１の側面２８ｂを筐体２に接触させるときに変形し、接触された筐体２に咬合する（即ち、咬み合う）。これにより、薄膜素子積層センサ１０の圧電素子５の基板５１と筐体２との導通は、より確実なものとなる。
【０１７４】
なお、本発明に係る圧電センサでは、圧電素子の圧電薄膜部の材料として、ＡｌＮを用いたが、これに限定されない。即ち、圧電薄膜部の材料としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が用いられてもよい。さらに言えば、圧電薄膜部の材料は、ウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質等の、キュリー点の存在しない圧電材料であればよく、他に窒化ガリウム（ＧａＮ）等が挙げられる。この種の圧電材料は、結晶が融解あるいは昇華するまで圧電性を失うことがない。こうした物質（ウルツ鉱構造の結晶構造をもつ物質）は、結晶に対称性が存在しないため圧電性を備えており、また強誘電体でないので、キュリー点が存在しない。従って、係る圧電材料からなる圧電素子は、耐熱性に優れ、圧電特性が劣化することがなく、内燃機関のシリンダのように、５００℃近い高温中に曝されたとしても、その機能を失うことがない。そのため、圧電素子の冷却手段が不要となり、温度の低い位置に圧電素子を設置しなければならないという制限もなくなるので圧電センサの構造を単純化することができる。
【０１７５】
また、図１に示す薄膜素子積層センサ１において、圧電素子５に設けられる貫通孔８ａは、その一例として、図３に示すとおり、円孔部８１に加え、突起部８２をさらに有する形状の孔として設けられている。ここで、隣り合う２個の突起部８２の間隔、突起部８２の具体的な形状等については、特に限定されない。即ち、例えば、貫通孔８ａは、図３、図４に示す形状（花形）以外にも、歯車形（即ち、各突起部８２が、方形の形状を有している）、スリット付円形（即ち、隣り合う２個の突起部８２の間隔が非常に狭い）といった形状を有していてもよい。
【０１７６】
さらに、本発明に係る圧電素子では、電極部として、圧電薄膜部に被覆される金属箔電極部材のかわりに、圧電薄膜部の表面に、蒸着もしくはスパッタリング法により形成した電極の膜を使用してもよい。
〔実施の形態３〕
本発明の別の実施の形態について説明すると以下の通りである。
【０１７７】
ここでは、本発明に係る圧電薄膜部が成膜された基板（以下、「基準素子」と称する）を用いて、
１：外径７ｍｍ、内径５ｍｍであって、一端が閉じた円筒状の筐体に基準素子を１個だけ組み込んだ圧電センサ。
【０１７８】
２：図７に示す金属箔電極５３と同様の形状を有しており、孔部５３１の直径が１．５ｍｍ、環状部５３２の外径が４．５ｍｍ、突出部５３３の寸法が１ｍｍ×１ｍｍの正方形となる銅箔電極２枚で基準素子を被覆し、突出部５３３が、それぞれ基準素子における反対側の銅箔電極の上から重なるように折り返した状態のもの（圧電素子）を、筐体に１個だけ組み込んだ圧電センサ。
【０１７９】
３：上記銅箔電極で被覆した基準素子を、図１に示す要領により、筐体に６個積層して組み込んだ圧電センサ。
の各圧電センサについて、９０ｃｃのツーストロークエンジンに当該圧電センサを取り付け、約１５００回転毎分でエンジンを運転した場合における出力及び発生電荷を計測した。
【０１８０】
なお、上記基準素子は、以下の要領により作製した。
【０１８１】
即ち、基板は、外径４．６ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの円形のステンレス板の中心部に、貫通孔を形成して作製したステンレス基板を用いた。ここで、貫通孔の形状は、図３に示した貫通孔８ａと同様の形状を有しており、直径約０．８ｍｍの円孔部８１に加え、先端部分と貫通孔８ａの中心との距離がそれぞれ約０．２５ｍｍである６個の突起部８２を有する形状を有している。また、ステンレス基板の両面には、上述した、図５に示す圧電素子５の製造方法により、当該ステンレス基板の中心部（図５に係る露出部分５４）以外の全面にＡｌＮ薄膜を製膜して製造された素子の層、即ち、圧電薄膜部を、スパッタリング法により製膜した。なおここで、該ＡｌＮ薄膜の厚さは、３μｍとした。またここで、ＡｌＮ薄膜の厚さ（３μｍ）は、基板の外径（４．６ｍｍ）に対して、無視できる程度に小さい。そこで、ここでは便宜上、上記基準素子の直径は、基板の外径と同じ４．６μｍであるものとして説明を行う。
【０１８２】
その結果、下記の〔表１〕のように、基準素子を銅箔電極で被覆すること、及び銅箔電極により被覆された基準素子を筐体内部に複数個積層することによって、大幅な感度の向上が見られることが分かった。
【０１８３】
【表１】
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【０１８４】
さらに、上記〔表１〕では、比較例として、直径９ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのインコネル製円板の片面に、ＡｌＮ薄膜を製膜した素子（比較例素子）を同一条件で測定した結果を併記した。
【０１８５】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１８６】
本発明の圧電センサは、自動車等の内燃機関のシリンダ内に設けられる燃焼圧センサ等に好適に用いられるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１８７】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、圧電センサの構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る圧電素子の基板を模式的に示す平面図である。
【図３】上記圧電素子に設けられている貫通孔を示す平面図である。
【図４】上記圧電薄膜部が成膜された上記基板における上記貫通孔を示す平面図である。
【図５】上記圧電素子の製造方法を示す図であり、図５（ａ）は、管部を基板の貫通孔に挿入した状態を示す図であり、図５（ｂ）は、蓋部を、管部に嵌め込み、蓋部により、基板を治具に圧着固定した状態を示す図であり、図５（ｃ）は、同図（ｂ）を逆さまにした状態を示す図である。
【図６】上記の製造方法により、上記圧電薄膜部が成膜された上記基板を示す図である。
【図７】本発明に係る金属箔電極の構成を示す平面図である。
【図８】上記圧電薄膜部が成膜された上記基板に上記金属箔電極が被覆された様子を示す平面図であり、図８（ａ）は、上記圧電薄膜部が成膜された上記基板の片面に１枚の上記金属箔電極が被覆された様子を示す平面図であり、図８（ｂ）は、上記圧電薄膜部が成膜された上記基板の両面に２枚の上記金属箔電極が被覆された様子を示す平面図である。
【図９】図９（ａ）は、上記金属箔電極の別の構成を示す平面図であり、図９（ｂ）は、同図（ａ）に示す金属箔電極が、上記圧電薄膜部が成膜された上記基板に被覆された状態を示す図である。
【図１０】本発明の別の実施形態を示すものであり、圧電センサの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１８８】
１、１０  薄膜素子積層センサ（圧電センサ）
２  筐体
３、３１、３２  絶縁板
４  信号線付電極
５  圧電素子
６  押し金具
７  絶縁管
８ａ、８ｂ  貫通孔
１８  壁面
２８ａ  表面
２８ｂ  側面
４１  信号線
５１  基板
５２  ＡｌＮ素子膜（圧電薄膜部）
５３、５３´  金属箔電極（電極部、金属箔電極部材）
８１  円孔部
８２  突起部
８３  先端部分
１００  治具
１０１  管部（ワイヤ部材）
１０２  キャップ（蓋部材）
１１０  治具本体
５３１  孔部
５３２  環状部（圧電薄膜被覆部）
５３３、５３３´  突出部
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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