(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電膜の膜剥がれを防ぎ、ショートしにくい高い耐久性を有する圧電素子を提供する。【解決手段】圧電素子は、平板状の第１の電極１０と、第１の電極１０の一方主面を被覆するように形成された第１の圧電膜１１と、第１の電極１０の他方主面を被覆するように形成された第２の圧電膜１２と、第１の圧電膜１１または第２の圧電膜１２を介して第１の電極１０と対向するように配置された第２の電極２０とを備え、第１の圧電膜１１が一方主面から両側面を経て他方主面まで回り込んで形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の第１の電極と、該第１の電極の一方主面を被覆するように形成された第１の圧電膜と、前記第１の電極の前記他方主面を被覆するように形成された第２の圧電膜と、前記第１の圧電膜または前記第２の圧電膜を介して前記第１の電極と対向するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の圧電膜が一方主面から両側面を経て他方主面まで回り込んで形成されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記第２の圧電膜と前記第１の電極の前記他方主面との間に前記第１の圧電膜が一部入り込んで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３】
前記第２の圧電膜が、少なくとも前記第１の電極の側面よりも外側で前記第１の圧電膜の上に重なるように、他方主面から側面を経て一方主面まで回り込んで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
平板状の第１の電極と、該第１の電極の一方主面を被覆するように形成された第１の圧電膜と、前記第１の電極の前記他方主面を被覆するように形成された第２の圧電膜と、前記第１の圧電膜または前記第２の圧電膜を介して前記第１の電極と対向するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の圧電膜が一方主面から一方の側面を経て他方主面まで回り込んで形成されているとともに、前記第２の圧電膜が他方主面から他方の側面を経て一方主面まで回り込んで形成されていることを特徴とする圧電素子。
【請求項５】
前記第２の圧電膜と前記第１の電極の前記他方主面との間に前記第１の圧電膜が一部入りこんでいるとともに、前記第１の圧電膜と前記第１の電極の前記一方主面との間に前記第２の圧電膜が一部入り込んでいることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の圧電素子を複数積層したことを特徴とする積層型圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体、液体等の圧力、特に自動車用エンジンの燃焼圧力を計測するための圧電素子および積層型圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電素子は、圧電体と電極板を重ね合わせて作製され、圧電体が電極板の両面に圧電膜を成膜して形成されている。この圧電素子に圧力が加わると、圧電体に電荷が発生し、電極板を通して電気信号として圧力が検出されるようになっている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、表面に貫通孔が形成された金属製の基板と、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、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圧電素子が提案されている。このものは、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を提供することができるという効果を奏するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２８８１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献１に記載された圧電素子において、基板（電極板）の全面（上下両面）に成膜した圧電膜の境界部は一般に基板の側面に形成されるが、圧電膜の境界部が基板の側面にあると、そこから圧電膜が剥がれてショートし易いという問題がある。例えば、自動車のエンジンルーム内のような繰り返し圧力がかかる環境で使用すると、圧電膜の端から膜剥がれが起き、ショートを起こす可能性があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電膜の膜剥がれを防ぎ、ショートにしくい高い耐久性を有する圧電素子および積層型圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電素子は、平板状の第１の電極と、該第１の電極の一方主面を被覆するように形成された第１の圧電膜と、前記第１の電極の前記他方主面を被覆するように形成された第２の圧電膜と、前記第１の圧電膜または前記第２の圧電膜を介して前記第１の電極と対向するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の圧電膜が一方主面から両側面を経て他方主面まで回り込んで形成されていることを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記第２の圧電膜と前記第１の電極の前記他方主面との間に前記第１の圧電膜が一部入り込んでいることが好ましい。
【０００９】
また、前記第２の圧電膜が、少なくとも前記第１の電極の側面よりも外側で前記第１の圧電膜の上に重なるように、他方主面から側面を経て一方主面まで回り込んで形成されていることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の圧電素子は、平板状の第１の電極と、該第１の電極の一方主面を被覆するように形成された第１の圧電膜と、前記第１の電極の前記他方主面を被覆するように形成された第２の圧電膜と、前記第１の圧電膜または前記第２の圧電膜を介して前記第１の
電極と対向するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の圧電膜が一方主面から一方の側面を経て他方主面まで回り込んで形成されているとともに、前記第２の圧電膜が他方主面から他方の側面を経て一方主面まで回り込んで形成されていることを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明の圧電素子は、前記第２の圧電膜と前記第１の電極の前記他方主面との間に前記第１の圧電膜が一部入りこんでいるとともに、前記第１の圧電膜と前記第１の電極の前記一方主面との間に前記第２の圧電膜が一部入り込んでいることが好ましい。
【００１２】
また本発明は、上記の圧電素子を複数積層したことを特徴とする積層型圧電素子である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧電素子は、上下からの圧力が加わって圧電膜が側面方向に膨らんでも、第１の圧電膜と第２の圧電膜との境界部を押し広げる力が加わりにくく、膜剥がれしにくくなる。したがって、圧電素子のショートを起こしにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の圧電素子の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の積層型圧電素子の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図７】第１の圧電膜及び第２の圧電膜の成膜装置（スパッタ装置）の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の圧電素子の実施の形態の例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の圧電素子の実施の形態の一例を示す概略断面図であって、図１に示す例の圧電素子は、平板状の第１の電極１０と、第１の電極１０の一方主面を被覆するように形成された第１の圧電膜１１と、第１の電極１１の他方主面を被覆するように形成された第２の圧電膜１２と、第１の圧電膜１１または第２の圧電膜１２を介して第１の電極１０と対向するように配置された第２の電極２０とを備え、第１の圧電膜１１が一方主面から両側面を経て他方主面まで回り込んで形成されている。換言すれば、この圧電素子は、第１の圧電膜１１が第１の電極１０の側面を完全に覆って一方主面から反対側の他方主面まで回りこんだ構造である。
【００１７】
第１の電極１０および第２の電極２０は、コバール、ステンレス、炭素鋼、ニッケル、銅等の金属材料で、その用途に応じて例えば円板状、矩形板状、環状（リング板状）に形成されたものであり、特に限定はない。なお、図では第１の電極１０および第２の電極２０が円板状の場合の断面を表している。自動車エンジンの点火プラグ取付部に実装してエンジンのシリンダ内圧を測定するために使用する場合であって、第１の電極１０の形状が円板状の場合は、例えば直径２〜５０ｍｍ、厚み０．１〜２ｍｍに形成される。
【００１８】
第１の電極１０を被覆するように形成された第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２は、ともにスパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法によって成膜してなるもので、窒化アルミニウム、酸化亜鉛等の薄膜化が可能な圧電材料からなる。第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２の厚みは、例えば０．１〜１０μｍである。
【００１９】
第２の電極２０は、第２の圧電膜１２と当接しており、第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２で被覆された第１の電極１０と第１の圧電膜１１を介して対向している。
【００２０】
また、これらはステンレス、コバール等の金属で例えば０．１〜１ｍｍの厚みに形成された筐体３０および蓋体３１からなるケースに収納されており、蓋体３１が第２の電極２０と当接し、筐体３０が第２の圧電膜１２および第１の圧電膜１１の他方主面に回り込んだ部分と当接している。
【００２１】
ここで、第１の圧電膜１１が一方主面から両側面を経て他方主面まで回り込んでいる。なお、図１は任意の一断面を表しているが、一周すべての断面においてこのような形状になっているのが好ましい。回り込んでいる距離である側面から第１の圧電膜１１の端部までの距離（図１に示す（ａ１−ａ２）／２）としては、第１の電極１０が円板状の場合は、例えば直径の２〜２５％であるのがよい。
【００２２】
筐体３０および蓋体３１からなるケースの上下面いずれか一方から圧力が印加されると、筐体３０の底面または蓋体３１を介して、圧電素子に圧力が伝達される。第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２に圧力が加わり、その圧電的性質により印加された圧力に応じた量だけ第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２のそれぞれの両面に電荷が発生し、例えば第１の電極１０に正の電荷が集められ、第２の電極２０に負の電荷が集められる。第１の電極１０または第２の電極２０に集められた電荷は、例えば分岐された信号線や筐体３０に接続された同軸ケーブルの信号線、ＧＮＤ線（図示せず）を介して、外部に出力される。外部に出力された電荷は、アンプにより電圧信号に変換されるなどして、印加された圧力の測定に供する。
【００２３】
このとき、第１の圧電膜１１が一方主面から両側面を経て他方主面まで回り込んでいることで、上下からの圧力が加わって圧電膜が側面方向に膨らんでも、第１の圧電膜１１と第２の圧電膜１２との境界部を押し広げる力が加わりにくく、膜剥がれしにくくなるため、ショートを起こりにくくすることができる。
【００２４】
図２は本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図であって、図２に示す例の圧電素子は、図１に示す例の圧電素子の構成に加えて、第２の圧電膜１２と第１の電極１０の他方主面との間に第１の圧電膜１１が一部入りこんでいる構成となっている。換言すれば、この圧電素子は、第１の圧電膜１１が第１の電極１０の側面を完全に覆って一方主面から反対側の他方主面まで回りこんでおり、さらにその一部が第２の圧電膜１２と第１の電極１０との間に入り込んだ構造である。なお、図２は任意の一断面を表しているが、一周すべての断面においてこのような形状になっているのが好ましい。ここで、入り込む距離（図２に示す（ｂ１−ｂ２）／２）としては、第１の圧電膜の膜厚の例えば０．５〜１００倍であるのがよい。
【００２５】
このような構成とすることで、圧電素子への圧力印加時には、第１の圧電膜１１と第２の圧電膜１２との境界部を押さえ付ける力が働き、この部分からの膜剥がれをより起こりにくく、ショートをより起こりにくくすることができる。
【００２６】
図３は本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図であって、図３に示す例の圧電素子は、図２に示す例の圧電素子の構成に加えて、第２の圧電膜１２が、少なくとも第１の電極１０の側面よりも外側で第１の圧電膜１１の上に重なるように、他方主面から側面を経て一方主面まで回り込んで形成されている構成となっている。換言すれば、この圧電素子は、第１の圧電膜１１が第１の電極１０の側面を完全に覆って一方主面から反対側の他方主面まで回り込み、さらに第２の圧電膜１２が第１の電極１０の側面を第１
圧電膜１１の外側から覆って他方主面から反対側の一方主面まで回り込んでいる。なお、図３は任意の一断面を表しているが、一周すべての断面においてこのような形状になっているのが好ましい。ここで、回り込んでいる距離である側面から第２の圧電膜１２の端部までの距離（図３に示す（ｃ１−ｃ２）／２）としては、第１の電極１０が円板状の場合は、例えば直径の２〜２５％であるのがよい。
【００２７】
このような構成とすることで、上下からの圧力が加わって圧電膜が側面方向に膨らんで、仮に外側の第２の圧電膜１２が剥がれるようなことがあっても第１の圧電膜１１まで剥がれるようなことにはならず、ショートに繋がる膜剥がれをさらに起こりにくくすることができる。
【００２８】
図４は本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図であって、図４に示す例の圧電素子は、平板状の第１の電極１０と、第１の電極１０の一方主面を被覆するように形成された第１の圧電膜１１と、第１の電極１０の他方主面を被覆するように形成された第２の圧電膜１２と、第１の圧電膜１１または第２の圧電膜１２を介して第１の電極１０と対向するように配置された第２の電極２０とを備え、第１の圧電膜１１が一方主面から一方の側面を経て他方主面まで回り込んで形成されているとともに、第２の圧電膜１２が他方主面から他方の側面を経て一方主面まで回り込んで形成されている。換言すれば、第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２が、第１の電極１０のそれぞれ別の側面を覆って反対側の主面に回りこんでいる。
【００２９】
ここで、回り込んでいる距離である側面から第１の圧電膜１１（第２の圧電膜１２）の端部までの距離（図４に示す（ｄ１−ｄ２）／２）としては、第１の電極１０が円板状の場合は、例えば直径の２〜２５％であるのがよい。
【００３０】
このような構成の場合、第１の電極１０の側面において第１の圧電膜１１と第２の圧電膜１２との境界線があらわれ、一断面において上記の形状であるが上記の形状とならない断面も有することとなる。この場合であっても、上下からの圧力が加わって圧電膜が側面方向に膨らんでも、第１の圧電膜１１と第２の圧電膜１２との境界部を押し広げる力が加わりにくく、膜剥がれしにくくなるため、ショートを起こりにくくすることができる。
【００３１】
図５は本発明の圧電素子の実施の形態の他の例を示す概略断面図であって、図５に示す例の圧電素子は、図４に示す例の圧電素子の構成に加えて、第２の圧電膜１２と第１の電極１０の他方主面との間に第１の圧電膜１１が一部入りこんでいるとともに、第１の圧電膜１１と第１の電極１０の一方主面との間に第２の圧電膜１２が一部入り込んでいる構成となっている。換言すれば、この圧電素子は、第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２が、第１の電極１０のそれぞれ別の側面を覆って反対側の面に回りこんでおり、さらにそれぞれの圧電膜の一部が他方の圧電膜と第１の電極１０との間に入り込んでいる。ここで、入り込む距離（図５に示す（ｅ１−ｅ２）／２）としては、それぞれの圧電膜の膜厚の例えば０．５〜１００倍であるのがよい。
【００３２】
このような構成の場合も、一断面において上記の形状であるが上記の形状とならない断面も有することとなる。この場合であっても、圧電素子への圧力印加時には、第１の圧電膜１１と第２の圧電膜１２との境界部を押さえ付ける力が働き、この部分からの膜剥がれをより起こりにくく、ショートをより起こりにくくすることができる。
【００３３】
以上の例では、１個の圧電素子の断面構造について述べたが、図６に示すように、複数個の圧電素子を積層した積層型圧電素子としても良い。なお、図６では３個の圧電素子を積層した構成の積層型圧電素子になっている。
【００３４】
このような構造とすることにより、第１の圧電膜１１および第２の圧電膜１２の受圧面積が拡がり、同じ圧力でより多くの電荷が発生するため、圧電素子（積層型圧電素子）の感度を向上させることができる。
【００３５】
以下、本発明の圧電素子の製造方法の例として、図１に示す圧電素子の製造方法を説明する。
【００３６】
まず始めに、第１の電極１０の片面に、第１の圧電膜１１を成膜する。第１の電極１０の材質としては、コバール、ステンレス、炭素鋼、ニッケル、銅等の金属材料を用いる。また、第１の圧電膜１１の材質としては、窒化アルミニウム、酸化亜鉛等の薄膜化が可能な圧電材料を用い、第１の圧電膜１１の成膜方法としては、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法を用いることができる。
【００３７】
例えばスパッタリングで第１の圧電膜１１を成膜する場合には、図７に示すように、成膜容器４０内の基板ホルダ４１に第１の電極１０をセットし、スパッタリングガス４３中で、スパッタ電源４２からスパッタリングターゲット４４に電力を供給し、成膜を行う。
【００３８】
ここで、第１の圧電膜１１を第１の電極１０の側面を覆って反対側に回り込ませるためには、第１の圧電膜１１の成膜時に、第１の電極１０において、側面および基板ホルダ４１に面する側の主面の周縁部を基板ホルダ４１から浮かせた状態にすることが有効である。
【００３９】
こうすることにより、スパッタリングターゲット４４から飛来したスパッタ粒子が、基板ホルダ４１の表面で反射されて第１の電極１０の側面及び反対側の主面にも回りこむため、第１の圧電膜１１が、第１の電極１０の側面を覆って反対側の主面にも回りこんで形成される。
【００４０】
この回り込みの範囲をより精度良く制御するには、反対側の主面の一部にマスクをしたり、反対側の主面の一部を基板ホルダ４１に直接またはスペーサを介して接触させる手法が効果的である。
【００４１】
第１の電極１０の側面および基板ホルダ４１に面する側の主面の周縁部を浮かせる第一の方法としては、次の（１）、（２）に述べる手順を用いることができる。
（１）第１の電極１０とフレーム部とからなり、第１の電極１０がフレーム部に繋がった形状の電極基板（図示せず）を作製する。電極基板を作製する手法は、機械加工、エッチング加工、レーザ加工等、金属加工に用いる手法であれば何でも良い。
（２）上記の電極基板を基板ホルダ４１にセットする際に、電極基板のフレーム部を基板ホルダ４１から浮き上がらせることで、第１の電極１０の側面および基板ホルダ４１に面する側の主面の周縁部を基板ホルダ４１から浮き上がらせることが可能になる。電極基板のフレーム部を浮き上がらせるためには、フレームを反らして基板ホルダ４１に固定したり、スペーサを挟んで基板ホルダ４１に固定することが効果的である。また、基板ホルダ４１に凹凸部を設けて、凸部にフレーム部を合わせ、凹部に第１の電極１０が合うように、固定する方法も効果的である。このときの固定の方法としては、ネジ留め、クリップ、ピン留め等の摩擦力による固定や、電極基板の自重、静電気力、磁力による吸引力等を利用した手法を用いる。
【００４２】
上記の状態に固定した電極基板に第１の圧電膜１１を成膜後、第１の電極１０をフレーム部から分離することで、第１の圧電膜１１が反対側の主面にも回りこんだ第１の電極１０が得られる。
【００４３】
また、第１の圧電膜１１の成膜時において、第１の電極１０の側面および基板ホルダ４１に面する側の主面の周縁部を浮かせる第二の方法として、基板ホルダ４１に凹凸部を設けて、第１の電極１０を基板ホルダ４１にセットする際に、基板ホルダ４１の凸部に第１の電極１０の中央部を合わせ、基板ホルダ４１の凹部に第１の電極１０の側面を合わせた状態で、ネジ留め、クリップ、ピン留め、及び、第１の電極の自重、静電気力、磁力による吸引力等により固定してもよい。この場合は、電極基板は不要である。
【００４４】
また、第１の電極１０の側面および基板ホルダ４１に面する側の主面の周縁部を浮かせる第三の手法として、第１の電極１０の側面からはみ出さないスペーサを介して第１の電極１０を基板ホルダ４１に固定する手法も用いることができる。固定手段としては、ネジ留め、クリップ、ピン留め、及び、第１の電極の自重、静電気力、磁力による吸引力等により固定する。この場合においても電極基板は不要である。
【００４５】
上記のような手法で第１の電極１０の一方主面に第１の圧電膜１１を成膜後、第１の電極１０の成膜面を反対にして、他方の主面に第２の圧電膜１２を成膜する。第２の圧電膜１２の材質としては、第１の圧電膜１１と同様に、窒化アルミニウム、酸化亜鉛等の薄膜化が可能な圧電材料を用い、第２の圧電膜１２の成膜方法としては、第１の圧電膜１１の成膜方法と同様に、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法を用いることができる。
【００４６】
ここで、第２の圧電膜１２の成膜時には、第１の電極１０の側面をマスクで覆って、第１の圧電膜１１が成膜された側の面に、第２の圧電膜１２が回りこまないようにして、基板ホルダ４１に固定する。
【００４７】
上記のようにして、第１の圧電膜１１及び第２の圧電膜１２を成膜した第１の電極１０と、第２の電極２０とを、筐体３０に納めて蓋体３１と筐体３０を接合する。
【００４８】
第２の電極２０、筐体３０および蓋体３１の材質としては、コバール、ステンレス、炭素鋼、ニッケル、銅等の金属材料を用いることができる。また、筐体３０と蓋体３１とを接合する方法としては、ガス溶接、レーザ溶接、抵抗溶接、電子ビーム溶接等の溶接法が挙げられる。摩擦圧接、ロー付け、拡散接合等の接合方法を用いてもよい。
【００４９】
このようにして得られた圧電素子は、上下からの圧力が加わって圧電膜が側面方向に膨らんでも、第１の圧電膜と第２の圧電膜との境界部を押し広げる力が加わりにくく、膜剥がれしにくくなるため、ショートが起こりにくく、耐久性に優れたものとなる。
【００５０】
なお、これまでは図１に示す例の圧電素子を作製する方法について述べたが、図２の圧電素子を作製する場合は、図１の圧電素子の第１の圧電膜１１の成膜条件を調整することで、スパッタ粒子の平均自由工程を大きくしたり、第１の電極１０の側面の基板ホルダ４１からの浮き上がりをより大きくしたりして、第１の電極１０の反対側の主面に第１の圧電膜１１を回りこみ易くすればよい。
【００５１】
また、図３の圧電素子を作製する場合は、図１の圧電素子の第１の圧電膜１１を成膜する手法と同様の手法で第２の圧電膜１２も成膜すればよい。
【００５２】
また、図４の圧電素子を作製する場合は、第１の圧電膜１１及び第２の圧電膜１２の成膜時に第１の電極１０の一方の側面および側面に隣接する主面の一部にマスクをすればよい。
【００５３】
また、図５の圧電素子を作製する場合は、図４の圧電素子に第１の圧電膜１１を成膜す
る時に、第１の電極１０の成膜面に対して、マスク端面を傾斜させればよい。
【００５４】
更に、図６に示す積層型圧電素子のように、上記の圧電素子を複数個積層することで、圧電膜の受圧面積が拡がり、同じ圧力でより多くの電荷が発生するため、圧電素子の感度も向上させることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０：第１の電極
１１：第１の圧電膜
１２：第２の圧電膜
２０：第２の電極
３０：筐体
３１：蓋体
４０：成膜容器
４１：基板ホルダ
４２：スパッタ電源
４３：スパッタリングガス
４４：スパッタリングターゲット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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