(57)【要約】  【課題】  静電気など外来の電荷が長時間残留せず速やかに排除され、圧力または荷重測定精度に優れた圧力センサ素子およびこれを備えた圧力センサを提供する。  【解決手段】  本発明の圧力センサ素子は、電極１と、電極１の一方主面上に設けられた圧電膜２と、圧電膜２を覆うように設けられた導体膜３とを含み、導体膜３の主面には凹部４または凸部５があることを特徴とするものである。これによって、導体膜が剥れることなく安定的に外部圧力に比例した信号を発生させ、正しい圧力を検知することができる。【選択図】  図１
2013134115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、該電極の一方主面上に設けられた圧電膜と、該圧電膜を覆うように設けられた導体膜とを含み、該導体膜の主面には凹部または凸部があることを特徴とする圧力センサ素子。
【請求項２】
前記凹部または凸部が複数あることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ素子。
【請求項３】
前記導体膜の主面には凹部があることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ素子。
【請求項４】
前記導体膜の主面には複数の前記凹部が細長く連なるようにあることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ素子。
【請求項５】
前記導体膜の主面には平面視で細長い凹部があることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ素子。
【請求項６】
前記細長い凹部における少なくとも一方の端部が平面視で先細り形状になっていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ素子。
【請求項７】
請求項１に記載の圧力センサ素子における前記導体膜上に第２の電極が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の圧力センサ素子が複数積層されたことを特徴とする圧力センサ。
【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力センサ素子およびこれを備えた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサ素子として、電極の上に圧電膜が設けられ、圧電膜の上に電極が設けられた構成のものが知られている（特許文献１を参照）。特許文献１に記載の圧力センサ素子は、タングステンをコーティングしたガラス基板等を電極として、この電極の上にスパッタリング法等により圧電膜として例えばＡｌＮ薄膜が形成され、さらに圧電膜の上に蒸着方法等により導体膜が形成されている。
【０００３】
この圧力センサ素子を含む圧力センサは、他の部品に組み込まれたり、金属などでできたハウジングに封止された形で独立した部品とされたりして、所望の部位に圧力または荷重を計測できる状態に取り付けられる。例えば、自動車エンジンのシリンダヘッドに取り付けられた点火プラグや燃料インジェクタなどの装置の座面に上記の圧力センサを挿入することにより、自動車エンジンのシリンダ内の圧力が計測できるようになる（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６５３５号公報
【特許文献２】特開２００２−２３１４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された圧力センサ素子は、自動車のエンジンルームのような温度変化や機械的振動が大きな環境で使用すると、導体膜が温度変化により膨張収縮したり、繰り返し大きな荷重が加わって歪んだりすることで、広範囲に膜剥がれを起こすおそれがある。これにより、発生した電荷を十分に集電することができなくなって、感度がばらついたり大きく低下したりして正しい圧力が検知できなくなるおそれがあるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、使用環境によらず、導体膜の剥がれを抑制して正しい圧力を検知する圧力センサ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】
本発明の圧力センサ素子は、電極と、該電極の一方主面上に設けられた圧電膜と、該圧電膜を覆うように設けられた導体膜とを含み、該導体膜の主表面には凹部または凸部があることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧力センサ素子によれば、導体膜の主面に凹部または凸部があることで、温度変化により膨張収縮したり、繰り返し大きな荷重が加わって歪んだりしても、応力が緩和されて弱まる。したがって、導体膜が剥れることなく安定的に外部圧力に比例した信号を発生させ、正しい圧力を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は本発明の圧力センサ素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した部分断面図である。
【図２】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部断面図である。
【図３】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部平面図である。
【図４】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部平面図である。
【図５】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部平面図である。
【図６】（ａ）は本発明の圧力センサの実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線で切断した部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の圧力センサ素子および圧力センサ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。
【００１１】
図１（ａ）は本発明の圧力センサ素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した部分断面図である。図１に示す圧力センサ素子１０は、電極１と、電極１の一方主面上に設けられた圧電膜２と、圧電膜２を覆うように設けられた導体膜３とを含み、導体膜３の主面には凹部４または凸部５があることを特徴とする。
【００１２】
電極１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ステンレス、炭素鋼、ニッケル、銅等で、その用途に応じて例えば円板状、矩形板状、円環状（リング板状）などに形成されたものであり、薄膜形成プロセスにおける結晶成長に適しているものが好ましい。なお、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、電極１の形状が円板状の場合は、電極１は例えば直径２〜５０ｍｍ、厚み０．１〜２ｍｍに形成される。
【００１３】
電極１の一方主面上に設けられた圧電膜２は、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法によって成膜してなる結晶配向性を有する膜であって、例えば窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランガサイト等の圧電性を有する薄膜の形成が可能な圧電材料からなる。この圧電膜２は、対向する２つの主面間で圧力または荷重を受けるものであり、２つの主面間の距離（厚み）は、例えば０．１〜２０μｍである。
【００１４】
圧電膜２を覆うように設けられた導体膜３は、圧電膜２と同様にスパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法によって成膜してなるもので、金、銀、白金、パラジウム、銅、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、導電性カーボンなどからなる。この導体膜３の厚みは、例えば１５ｎｍ〜１０μｍである。
【００１５】
そして、導体膜３の主面には凹部４または凸部５がある。凹部４の深さおよび凸部５の高さは、導体膜３の厚みの例えば５％〜９０％であり、具体的な数値としては、例えば、凹部４の深さが０．５ｎｍ〜５μｍ、断面で見た幅が０．０５〜１００μｍ、凸部５の高さが０．５ｎｍ〜５μｍ、断面で見た幅が０．０５〜１００μｍである。この構成によれば、温度変化により膨張収縮したり、繰り返し大きな荷重が加わって歪んだりしても、細かいクラックを発生させて応力、歪みの低減をもたらし、導体膜３の剥がれの発生を抑制して、感度低下を低減することができる。
【００１６】
ここで、図２に示すように、導体膜３の主面には凹部４があるのが好ましい。導体膜３の主面には凹部４があることで、凸部５よりも凹部４のほうがコントロールされたより小さなクラックを発生させやすいことから、導体膜３の圧電膜２からの剥がれがさらに抑制
され、使用中の感度低下をより低減することができる。なお、凹部４または凸部５は、導体膜３の主面のいずれか一方に設けられていてもよく、両方に設けられていてもよい。
【００１７】
また、図３に示すように、導体膜３の主面に設けられた凹部４または凸部５は複数あるのが好ましい。例えば、複数の凹部４または凸部５のそれぞれの平面視による面積の合計の面積が、導体膜３の主面の面積に対して０．５〜６０％であるのが好ましい。凹部４または凸部５が複数あることで、分散されたクラックが発生して応力、歪みが低減し、導電層３の圧電膜２からの剥がれがより発生しにくく、感度低下やバラツキが起こりにくくなる。特に、複数の凹部４または凸部５は適当な間隔で配置され分散していることで、クラックが間隔をもってほぼ規則的に配列され、クラックで囲まれた領域の応力を制御して低減できる。
【００１８】
また、図４に示すように、導体膜３の主面には複数の凹部４が細長く連なるようにあるのが好ましい。例えば、深さ０．５ｎｍ〜５μｍ、断面で見た幅０．１〜１０μｍの凹部４が０．１〜１０μｍの間隔で細長く連なるようにあるのが好ましい。この構成によれば、導体膜３の剥がれが凹部４の細長い連なりの長手方向から進行してきた場合に、細長く連なった凹部４の集合の内部で、導体膜３の剥がれに起因する曲げ応力が個々の凹部４に集中し、凹部４の細長い連なりの短手方向（幅方向）に向かうクラックが発生しやすいことから、クラックの方向を制御することができ、導体膜３の圧電膜２からの剥がれがさらに抑制され、使用中の感度低下をさらに低減することができる。
【００１９】
また、図５に示すように、導体膜３の主面には平面視で細長い凹部４があるのが好ましい。この構成によれば、クラックが凹部４の長手方向に沿って発生しやすいことから、クラックの方向を制御することができ、クラックで囲まれる領域の大きさや範囲の設計を容易にして、導体膜３の圧電膜２からの剥がれや使用中の感度低下をより低減することができる。
【００２０】
さらに、図５に示すように、細長い凹部４における少なくとも一方の端部が平面視で先細り形状になっているのが好ましい。なお、先細りの形状としては、先端が丸みを帯びていてもよく尖っていてもよい。この構成によれば、凹部４の端部に長手方向に沿ったクラックがより発生しやすくなり、クラックの発生形態を想定どおりにする事によって、導体膜３の剥がれや使用中の感度低下をさらに低減することができる。
【００２１】
また本発明は、図６に示すように、上記の圧力センサ素子１０における導体膜３上に第２の電極６が設けられていることを特徴とする圧力センサである。
【００２２】
第２の電極６は、圧力センサ素子１０を構成する電極１と同様に、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ステンレス、炭素鋼、ニッケル、銅等で、その用途に応じて例えば円板状、矩形板状、円環状（リング板状）などに形成されたものであり、特に限定はない。なお、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２の電極６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。
【００２３】
そして、図示しないが、信号線を電極１および第２の電極６に抵抗溶接や熱固化性あるいは反応固化性の導電ペーストで接続することで、圧電膜３に発生し電極１、第２の電極６に集められた電荷を、同軸ケーブルなどで圧力センサ素子１０の外部に出力することが可能な圧力センサ２０が得られる。
【００２４】
具体的には、圧電膜２の対向する２つの主面が直接的または間接的に圧力または荷重を受けると、圧電膜２の圧電的性質により、対向する２つの主面のうちの一方に正電荷が、
他方に負電荷が圧力または荷重に比例して発生する。そして、例えば電極１に正の電荷が集められ、第２の電極６に負の電荷が集められる。電極１または第２の電極６に集められた電荷は、信号線、ＧＮＤ線（図示せず）等を介して、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。
【００２５】
なお、図６に示した圧力センサ２０は、金属などで製作されたハウジングに圧力センサ素子１０および第２の電極６を収納し、封止された様態としてもよい。
【００２６】
このような構造とすることで、水分や腐食性ガスの進入や粉塵類の付着など、外部環境の影響を受けにくく、長期にわたって特性劣化のない圧力センサとなる。
【００２７】
上記の構成によれば、高感度かつリニアリティの良好な圧力センサ２０とすることができる。
【００２８】
また本発明は、上述の圧力センサ素子１０が複数積層された圧力センサ（図示せず）であってもよい。
【００２９】
ここで、図１に示す構成の圧力センサ素子１０が積層方向に隣りあうように複数積層されている場合は、互いに接触する導体膜３と電極１とが同符号の電荷を集めるように、圧電膜２の主面が配置されているのが好ましい。
【００３０】
また、第２の電極６を介して圧力センサ素子１０が複数積層されてもよく、ガラス、セラミックスなどの絶縁材を介して圧力センサ素子１０が複数積層されてもよい。なお、絶縁材を介して積層された場合は、圧電膜２の主面はいかなる符号の電荷が発生する配置であってもよい。
【００３１】
それぞれの電極１における正極同士または負極同士は、例えばワイヤボンディングで側面を直接互いに電気的に接続してから外部に接続されていてもよく、それぞれの電極１に各々信号線が直接外部から接続されていてもよい。
【００３２】
圧力センサ素子１０が複数積層されて構成された圧力センサは、単独の圧力センサ素子１０とこれに接する第２の電極６とにより構成された圧力センサ２０と比較して、印加される圧力または荷重に対して発生する電荷の総量が多い、すなわちセンサ感度を高くすることができる。
【００３３】
次に、本発明の圧力センサ素子１０および圧力センサ２０の製造方法の例を説明する。
【００３４】
まず、電極１の一方主面上に、圧電膜２をスパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法にて成膜する。
【００３５】
続いて、圧電膜２を覆うように、導体膜３をスパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法にて成膜する。
【００３６】
ここで、導体膜３の主面（上面）に凹部４または凸部５を設けるには、例えば、所望の凹部４または凸部５に対応して反転させた形状の凹凸を設けた金型を導体膜３の主面に押し当てた状態で、油圧プレス機などで加圧する方法が挙げられる。なお、金型面の凹凸を構成するには、例えばエッチングなどの製版技術を応用できるほか、多数の凹凸をランダムにつける場合は例えばブラスト法を用いればよい。また、凹部４を細長く配列させるなど、所望の範囲に限定して設けるには、エッチングのほか、マスキングをしてブラストす
ればよい。
【００３７】
また、導体膜３の下側主面に凹部を形成するには、導体膜３の成膜後に熱的な負荷をかけてシワが寄るようにしたり、導体膜３の成膜条件で残留応力の発生度合いを調整したりする方法が挙げられる。
【００３８】
その後、導体膜３の上に電極板を重ね、さらに電極１と電極板の間に直流電圧を印加して圧電膜２に分極処理を施すことで、圧力センサ素子１０が得られる。
【００３９】
さらに、導体膜３の上に第２の電極６を重ねて配置することで、圧力センサ２０が得られる。
【００４０】
以上のような形態、製造方法で製作された本発明の圧力センサ素子１０および圧力センサ２０は、例えば、内燃機関の気筒（シリンダ）の燃焼室に挿入される、点火プラグ、燃料噴射装置等の装置の取り付け部分に配置される。これらの装置はネジの締め込みやバネなどの弾性材による押さえ込みにより内燃機関の気筒（シリンダ）に固定されている。この固定力は、気筒（シリンダ）内における、ピストンの運動による燃焼室体積の変動、燃料の爆発による燃焼室内ガスの膨張、給排気などに伴う圧力変化により変動する。圧力センサ２０はそれを挿入された装置の固定力変動に伴って電荷を生じるため、結果的に間接的に内燃機関の燃焼室内の圧力を計測することが可能となる。なお、内燃機関とは、前述の気筒（シリンダ）、点火プラグ、燃料噴射装置、ピストンのほか、グロープラグ、燃料供給や給排気のためのバルブなどを有するものである。具体的には、自動車等の乗物あるいは貨物運搬車両等に用いられるガソリンエンジン、アルコール混合ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、アルコールエンジンまたは水素ガスエンジン等である。
【００４１】
本発明の圧力センサ素子１０および圧力センサ２０は、内燃機関の燃焼室の圧力を測定する燃焼圧センサとして機能し、静電気など外来の電荷が付着してもすみやかに排除されて残留せず、高い測定精度を有するものであるので、内燃機関の制御特性ひいては燃焼特性を高めることができるものである。
【実施例】
【００４２】
φ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの平板状の電極を１枚、ステンレス材（ＳＵＳ３０４）から切り出して作製した。
【００４３】
さらに、電極の一方の面には鏡面加工処理を施し、面粗さＲａ０．０２μｍに仕上げた。
【００４４】
次に、電極の鏡面処理面を基板として、高周波マグネトロンスパッタリング法にて、ターゲットにはφ５０の高純度セラミックスＰＺＴ板を用い、基板温度７５０℃、到達真空度２×１０−４Ｐａで予熱を行った後、アルゴンガス導入し、成膜圧力３．０Ｐａ、電流密度７０Ｗ／ｍ２で１０ｈｒかけて成膜し、膜厚１μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜を製作し、圧電膜とした。
【００４５】
次に、ターゲットを高純度白金（Ｐｔ）を用い、ＤＣスパッタリング法にて、電力密度２０Ｗ／ｃｍ２、基板温度４００℃、基板間距離６０ｍｍで１０分間成膜し、膜厚０．０５μｍの導体膜を得た。さらに、成膜した導体膜にあらかじめ微細な凹凸を施した超硬金属板を載せ、油圧プレス装置で５０００Ｎ印加して、金属板表面の凹凸を導体膜に転写し、複数の凹部および凸部を構成した。レーザー干渉計の測定により、凹部の深さは０．０１〜０．０３５μｍ、凸部の高さは０．０１〜０．０２μｍであった。
【００４６】
圧電膜に成膜された導体膜の上に電極板を重ね、さらに電極と電極板の間に直流電圧６０Ｖを印加し、圧電膜に分極処理を施し、本発明実施例の圧力センサ素子を作製した。
【００４７】
圧電特性は、圧力センサ素子に油圧プレス装置で荷重１０００Ｎを印加したときの発生電荷を測定して確認し、１１２ｐＣ／Ｎを得た。
【００４８】
次に、同様に比較例の圧力センサ素子を、前述の手順のうち導体膜に凹凸を構成する工程を省略することで製作した。圧電特性は、１０９ｐＣ／Ｎであった。
【００４９】
これらの圧力センサ素子について、長時間振動試験を行い、耐久性を評価した。評価条件は、圧力センサ素子の導電膜の上に第２の電極を重ね、電極と第２の電極を手動加圧ジグで１０００Ｎ印加した状態で、５〜５０００Ｈｚ、１０Ｇの振動数スイープ試験を２００時間実施した。この間、電極、第２の電極をチャージアンプに接続し、試験中の出力変動を測定し、集電特性の変動をモニターした。
【００５０】
この結果、比較例の圧力センサ素子では、試験時間９０時間を経過したころから振動試験の振動に対応する出力変動に加えて微小な変動を伴うようになった。微小な変動の大きさは振動試験の振動に伴う出力変動値の最大１０％に達した。一方、本発明実施例の圧力センサ素子では、同様の微小な変動が試験時間１３０時間を経過したころから発生したが、その大きさは最大２％程度であった。
【００５１】
また、試験後に圧電特性を測定したところ、本発明比較例の圧力センサ素子は１１２ｐＣ／Ｎで試験前からの変動は認められなかったのに対し、比較例の圧力センサ素子は１０７ｐＣ／Ｎで約２％の感度低下があった。
【００５２】
これらの圧力センサ素子を分解し、導体膜を観察したところ、比較例の圧力センサ素子では、導体膜の部分的な剥離が複数個所で発生し、時間的に拡大した形跡が見られた。一方、本発明実施例の圧力センサ素子では、同様の剥離は認められたものの、近隣の凹部または凸部近傍で、剥離の拡大が停止していることが確認できた。これにより、試験中に見られた出力の微小変動が、導体膜の剥離に伴う、発生電荷の集電特性の不安定化に起因するものと推定され、本発明の圧力センサ素子においては上記不安定挙動の増加を抑制することができることができた。
【符号の説明】
【００５３】
１：電極
２：圧電膜
３：導体膜
４：凹部
５：凸部
６：第２の電極
１０：圧力センサ素子
２０：圧力センサ
【図１】
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【図２】
2013134115.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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