(57)【要約】【課題】劈開性を有する圧電素子の圧縮強度が向上した圧電モジュール及び圧力センサを提供する。【解決手段】正方晶系の単位格子の二つのａ軸をＸ軸及びＹ軸とし、ｃ軸をＺ軸とし、θ及びφを３０〜６０°の任意の角度としたとき、劈開性及び圧電性を有し且つ正方晶系に属する結晶を、（ＺＸｔ）θの方位でカット又は（ＸＹｔ）φの方位でカットし、直方体の形状とした圧電素子と、圧電素子の劈開面に平行な外面であるＺ面又は劈開面とφの角度をなす外面であるＺＸ面を加圧し、且つ、圧電素子を保持する保持部と、保持部に取り付けられ、且つ、圧電素子の劈開面に直交する外面であるＸＺ面又は劈開面とφの角度をなす外面であるＹＸ面に応力が作用した際に、Ｚ面又は劈開面と直交する外面であるＸ面に生じる電荷を取り出すための電極と、を有することを特徴とする圧電モジュール。【選択図】図６
2017183550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方晶系の単位格子の二つのａ軸をＸ軸及びＹ軸とし、ｃ軸をＺ軸とし、θ及びφを３０〜６０°の任意の角度としたとき、劈開性及び圧電性を有し且つ正方晶系に属する結晶を、（ＺＸｔ）θの方位でカット又は（ＸＹｔ）φの方位でカットし、直方体の形状とした圧電素子と、
前記圧電素子の劈開面に平行な外面であるＺ面又は前記劈開面とφの角度をなす外面であるＺＸ面を加圧し、且つ、前記圧電素子を保持する保持部と、
前記保持部に取り付けられ、且つ、前記圧電素子の前記劈開面に直交する外面であるＸＺ面又は前記劈開面とφの角度をなす外面であるＹＸ面に応力が作用した際に、前記Ｚ面又は前記劈開面と直交する外面であるＸ面に生じる電荷を取り出すための電極と、
を有することを特徴とする圧電モジュール。
【請求項２】
前記結晶は、４バー２ｍの結晶点群に属する、請求項１に記載の圧電モジュール。
【請求項３】
前記結晶は、メリライト構造を有する結晶である、請求項１又は２に記載の圧電モジュール。
【請求項４】
前記結晶は、オケルマナイト結晶である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電モジュール。
【請求項５】
θ及びφは４５°である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電モジュール。
【請求項６】
前記保持部は、前記圧電素子の前記Ｚ面を２０〜４８０ＭＰａで加圧する、請求項５に記載の圧電モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電モジュールを有する圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、劈開性及び圧電性を有する結晶を有する圧電モジュール及び圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲーレナイト結晶（組成式をＣａ2Ａｌ2ＳｉＯ7とする結晶）からなる圧電材料を直方体状に切出した圧電素子と、圧電素子の対向する二面に設けられた一対の電極とから構成される圧電モジュールを有する圧力センサが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
当該圧力センサは、圧電素子の応力作用面に台座を介して設けられたダイヤフラムを有する。エンジンの燃焼室等の圧力がダイヤフラムの受圧面に作用すると、ダイヤフラム及び台座を介して圧電素子に応力が生じる。圧電素子が応力により変形すると、圧電素子の応力作用面に直交する面に変形量に応じた電荷が発生する。当該電荷を検出することにより、エンジンの燃焼室等の圧力を測定することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１１３２７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、ゲーレナイト結晶は、特定方向の原子間結合力が他の方向の原子間結合力よりも弱い。そのため、ゲーレナイト結晶は劈開性、すなわち所定の方向の面（劈開面）で割れやすい性質を示す。
【０００６】
したがって、上述の圧力センサでは、ゲーレナイト結晶の劈開性の為に圧電素子の圧縮強度が小さくなり、過度な応力が作用すると圧電素子が破断する可能性があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した問題点を解消することを可能とした圧電モジュール及び圧力センサを提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、劈開性を有する圧電素子の圧縮強度が向上した圧電モジュール及び圧力センサ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】
【０００９】
本発明に係る圧電モジュールは、正方晶系の単位格子の二つのａ軸をＸ軸及びＹ軸とし、ｃ軸をＺ軸とし、θ及びφを３０〜６０°の任意の角度としたとき、劈開性及び圧電性を有し且つ正方晶系に属する結晶を、（ＺＸｔ）θの方位でカット又は（ＸＹｔ）φの方位でカットし、直方体の形状とした圧電素子と、圧電素子の劈開面に平行な外面であるＺ面又は劈開面とφの角度をなす外面であるＺＸ面を加圧し、且つ、圧電素子を保持する保持部と、保持部に取り付けられ、且つ、圧電素子の劈開面に直交する外面であるＸＺ面又は劈開面とφの角度をなす外面であるＹＸ面に応力が作用した際に、Ｚ面又は劈開面と直交する外面であるＸ面に生じる電荷を取り出すための電極と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る圧力モジュールでは、結晶は、４バー２ｍの結晶点群に属することが好ましい。
【００１１】
本発明に係る圧力モジュールでは、結晶は、メリライト構造を有する結晶であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る圧力モジュールでは、結晶は、オケルマナイト結晶であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る圧力モジュールでは、θ及びφは４５°であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る圧力モジュールでは、保持部は、圧電素子のＺ面を２０〜４８０ＭＰａで加圧することにより、圧電素子を保持することが好ましい。
【００１５】
本発明に係る圧力センサは、上述の圧力モジュールを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、劈開性を有する圧電素子の圧縮強度が向上した圧電モジュール及び圧力センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】圧電性及び劈開性を有する正方晶系結晶の一例であり、（ＸＹｔ）４５°の方位でカットしたときの圧電定数及び劈開面を説明するための図である。
【図２】圧電性及び劈開性を有する正方晶系結晶の一例であり、（ＺＸｔ）４５°の方位でカットしたときの圧電定数及び劈開面を説明するための図である。
【図３】（ＸＹｔ）４５°及び（ＺＸｔ）４５°それぞれの方位でカットした結晶の比較について説明するための図である。
【図４】オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットして形成した圧電素子において、Ｚ面への加圧力とＸＺ面の相対圧縮強度の関係を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明に係る圧電モジュール２００の上面図（絶縁部材５側から見たときの上面図、絶縁部材５は、図１２参照）であり、（ｂ）は、圧電モジュール２００の底面図（受圧面１Ａ側）である。
【図６】圧電モジュール２００の分解斜視図である。
【図７】圧電モジュール２００の製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明に係る他の圧電モジュール２０１の上面図（絶縁部材５側）である。
【図９】圧電モジュール２０１の製造方法を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る更に他の圧電モジュール２０２の上面図（絶縁部材５側）である。
【図１１】圧電モジュール２０２の製造方法を説明するための図である。
【図１２】本発明に係る圧力センサ１００の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の様々な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１９】
図１は、圧電性及び劈開性を有する正方晶系結晶の一例であり、（ＸＹｔ）４５°の方位でカットしたときの圧電定数及び劈開面を説明するための図である。
【００２０】
圧電素子１０は、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＸＹｔ）４５°の方位でカットし、略直方体の形状としたものである。
【００２１】
正方晶系結晶の単位格子の２つのａ軸をＸ軸及びＹ軸とし、ｃ軸をＺ軸とする。このとき、角度φについて（ＸＹｔ）φの方位でカットするとは、Ｘ軸を法線とする面（Ｘ面）と、Ｙ軸をＸ軸回りにφ回転した軸（ＹＸ軸）を法線とする面（ＹＸ面）と、Ｚ軸をＸ軸回りにφ回転した軸（ＺＸ軸）を法線とする面（ＺＸ面）で結晶を切り出すことを言う。図１に示す圧電素子１０は、φを４５°とした場合の方位、すなわち、（ＸＹｔ）４５°の方位でカットされている。
【００２２】
一般に、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＸＹｔ）φの方位でカットして成る圧電素子では、ＹＸ面に応力が作用すると、応力の大きさに応じた量の電荷がＸ面に発生する。このとき、ＹＸ面に作用する応力に対するＸ面に発生する電荷は、圧電定数ｄ１４及び｛sin(２φ)｝／２に比例する。よって、圧電素子１０では、発生電荷量を最大とするため回転角度であるφを４５°としている。しかしながら、φは４５°に限定されることはなく、ＹＸ面に作用する応力に対するＸ面に発生する電荷について、３０°〜６０°の回転角においても、φを４５°とした場合と比較して８５％以上の電荷量が確保できる。したがって、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＸＹｔ）φの方位でカットした圧電素子のうち、φを３０°〜６０°の範囲としたものは、圧力センサ用の圧電素子として良好に使用できる。なお、圧電定数ｄ１４は、圧電素子１０に用いる正方晶系結晶に固有の値である。
【００２３】
劈開性を有する正方晶系結晶においては、正方晶系結晶の単位格子のＺ軸（ｃ軸）を法線とする面に平行な任意の面が劈開面となる。したがって、圧電素子１０では、Ｚ軸を法線とする面と平行な任意の断面が劈開面（Ｈ１）となる。なお、図１では、点線によって６つの劈開面が描かれているが、点線は単に劈開面の方向を示すために模式的に示されたものであって、劈開面がこれら６つの面に限られるものではなく、圧電素子１０のＺ軸を法線とする面と平行な任意の断面が劈開面となる。
【００２４】
図２は、圧電性及び劈開性を有する正方晶系結晶の一例であり、（ＺＸｔ）４５°の方位でカットしたときの圧電定数及び劈開面を説明するための図である。
【００２５】
圧電素子２０は、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＺＸｔ）４５°の方位でカットし、略直方体の形状としたものである。
【００２６】
正方晶系結晶の単位格子の２つのａ軸をＸ軸及びＹ軸とし、ｃ軸をＺ軸とする。このとき、角度θについて（ＺＸｔ）θの方位でカットするとは、Ｚ軸を法線とする面（Ｚ面）と、Ｘ軸をＺ軸回りにθ回転した軸（ＸＺ軸）を法線とする面（ＸＺ面）と、Ｙ軸をＺ軸回りにθ回転した軸（ＹＺ軸）を法線とする面（ＹＺ面）で結晶を切り出すことを言う。図２に示す圧電素子２０は、θを４５°とした場合の方位、すなわち、（ＺＸｔ）４５°の方位でカットされている。
【００２７】
一般に、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＺＸｔ）θの方位でカットして成る圧電素子では、ＸＺ面に応力が作用すると、応力の大きさに応じた量の電荷がＺ面に発生する。このとき、ＸＺ面に作用する応力に対するＺ面に発生する電荷は、圧電定数ｄ３６及び｛sin(２θ)｝／２に比例する。よって、圧電素子２０では、発生電荷量を最大とするため回転角度であるθを４５°としている。しかしながら、θは４５°に限定されることはなく、ＸＺ面に作用する応力に対するＺ面に発生する電荷について、３０°〜６０°の回転角においても、θを４５°とした場合と比較して８５％以上の電荷量が確保できる。したがって、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＺＸｔ）θの方位でカットした圧電素子のうち、θを３０°〜６０°の範囲としたものは、圧力センサ用の圧電素子として良好に使用できる。なお、圧電定数ｄ３６は、圧電素子２０に用いる正方晶系結晶に固有の値である。
【００２８】
上述の通り、劈開性を有する正方晶系結晶においては、正方晶系結晶の単位格子のＺ軸（ｃ軸）を法線とする面に平行な任意の面が劈開面となる。したがって、圧電素子２０では、点線Ｈ２で示す様に、Ｚ軸を法線とする面と平行な任意の断面が劈開面となる。なお、図２では、点線によって３つの劈開面が描かれているが、点線は単に劈開面の方向を示すために模式的に示されたものであって、劈開面がこれら３つの面に限られるものではなく、圧電素子２０のＺ軸を法線とする面と平行な任意の断面が劈開面となる。
【００２９】
図３は、（ＸＹｔ）４５°及び（ＺＸｔ）４５°それぞれの方位でカットした結晶の比較について説明するための図である。
【００３０】
図３には、ゲーレナイト結晶及びオケルマナイト結晶の圧電定数の値と、（ＸＹｔ）４５°及び（ＺＸｔ）４５°それぞれの方位でカットしたゲーレナイト結晶及びオケルマナイト結晶のＹＸ面及びＸＺ面の圧縮強度の値を示した。なお、ゲーレナイト結晶は組成式をＣａ2Ａｌ2ＳｉＯ7とする圧電性及び劈開性を有する正方晶系結晶であり、オケルマナイト結晶は組成式をＣａ2ＭｇＳｉ2Ｏ7とする圧電性及び劈開性を有する正方晶系結晶である。また、図３に示す各圧電定数は圧電共振法に基づいて測定した値である。また、圧縮強度とは、圧縮荷重によって結晶が破断する時の最大応力を言うものとする。
【００３１】
一般的に、圧電定数が１．０ｐＣ／Ｎ以上であれば、圧力センサ用の圧電素子として良好に利用する事が可能である。また、ここでの圧電定数とは、カット角に応じて座標系を回転させた場合は、回転後の座標系における実質的な圧電定数のことを指す。したがって、図３に示した正方晶系結晶の中では、ゲーレナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットしたものの圧電定数は、図３の圧電定数ｄ14に１／２を乗じたものであるから、１／２・ｄ14＝３．３ｐＣ／Ｎであり、圧力センサ用の圧電素子として良好に利用可能である。また、同様にオケルマナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットしたものの圧電定数は、１／２・ｄ14＝２．５ｐＣ／Ｎであり、（ＺＸｔ）４５°カットしたものの圧電定数は、１／２・ｄ36＝２．８５ｐＣ／Ｎであり、圧力センサ用の圧電素子として良好に利用可能である。
【００３２】
また、エンジンの燃焼室等に用いられる圧力センサとしては、瞬間的な圧力の増加を考慮すると、圧縮強度は５００ＭＰａ以上であることが好ましい。したがって、図３に示した正方晶系結晶の中では、ゲーレナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットしたものは、圧力センサ用の圧電素子として良好に利用可能であるが、圧電定数が１／２・ｄ36＝０．５ｐＣ／Ｎと小さいために感度が低くなってしまっていた。
【００３３】
上記の様に、図３に示した正方晶系結晶の中で、圧電定数と圧縮強度とを共に満足するものはなかった。これに対して、本願の出願人は、劈開性を有する正方晶系結晶において、劈開面に平行な外面を加圧して、劈開面に直交する外面に作用する応力に対する圧縮強度を向上させることを試みた。以下に詳述する。
【００３４】
図４は、オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットして形成した圧電素子において、Ｚ面への加圧力とＸＺ面の相対圧縮強度の関係を示す図である。
【００３５】
図４に示す測定は、島津製作所製のオートグラフＡＧ−ＩＳ（試験装置）を用いて行った。まず、上述したオケルマナイト結晶を１辺が２.０００ｍｍの立方体形状に（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子を試験装置にセットし、劈開面に平行な外面であるＺ面に所定の大きさの圧力（加圧力）を加えておいた。次に、試験装置によってオケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子の、劈開面に直交する外面であるＸＺ面に応力を作用させると共に当該応力を徐々に大きくしていった。やがてオケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子が破断するので、破断時のＸＺ面に作用する応力を圧縮強度として記録した。
【００３６】
図４に示すグラフでは、横軸がＺ面への加圧力を表し、縦軸がＸＺ面に作用する応力に対する相対圧縮強度を表す。ｎ１〜ｎ５は上述の測定による測定値をプロットしたものであり、Ｌ１はｎ１〜ｎ５に基づく近似直線である。なお、相対圧縮強度とは、劈開面に平行な外面（Ｚ面）への加圧力を加えない場合のＸＺ面の圧縮強度に対する、加えた場合のＸＺ面の圧縮強度の比率を示している。
【００３７】
図４に示す通り、Ｚ面への加圧力とＸＺ面に作用する応力に対する相対圧縮強度とは比例関係にある事が理解できる。オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットして形成した圧電素子のＺ面への加圧力が０（ゼロ）の場合のＸＺ面の圧縮強度は、図３で示す通り４２０ＭＰａであるので、圧縮強度が５００ＭＰａ以上となるためには、相対圧縮強度は、１．２（＝５００ＭＰａ／４２０ＭＰａ）以上であれば良い。相対圧縮強度が１．２となるのは、図４により加圧力が２０ＭＰａよりやや小さい場合であるため、加圧力が概ね２０ＭＰａ以上であれば充分に相対圧縮強度が１．２以上になるといえる。したがって、オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットして形成した圧電素子のＺ面への加圧力は２０ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００３８】
オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子のＺ面への加圧力を増加していくと、ＸＺ面の相対圧縮強度は増加していくが、Ｚ面の圧縮強度はＸＺ面の圧縮強度よりも高強度であり、９６０ＭＰａ以上で加圧すると結晶が破断してしまう。そこで、安全率を考慮して、Ｚ面への加圧力の最大値を４８０ＭＰａとした（安全率を２とした）。以上より、オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子のＺ面への加圧力を２０〜４８０ＭＰａとすれば、オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子は、エンジンの燃焼室等に用いられる圧力センサとして良好に利用することが可能となる。
【００３９】
図４に示す測定結果より、オケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子では、Ｚ面への加圧力とＸＺ面の相対圧縮強度とは比例関係にある事が判明した。さらに、オケルマナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子及びゲーレナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子についても同様の傾向がみられる。すなわち、オケルマナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子及びゲーレナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子では、劈開面と４５°の角度をなすＺＸ面への加圧力とＹＸ面の相対圧縮強度とは比例関係にある。したがって、オケルマナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子及びゲーレナイト結晶を（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子でも、ＺＸ面へ所定の加圧力を与えることによって、ＹＸ面の相対圧縮強度が上がる。この理由としてはＺＸ面への加圧力とＹＸ面への加圧力の合成により、劈開面に垂直な圧縮応力が加わるため、破壊につながる劈開面の滑りが抑制されるためと考えられる。
【００４０】
オケルマナイト結晶及びゲーレナイト結晶はメリライト構造を有する。メリライト構造を有する結晶であれば、オケルマナイト結晶及びゲーレナイト結晶以外の結晶（構造を崩さず元素置換した結晶）であっても、（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子では、劈開面に平行なＺ面への加圧力によりＸＺ面の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。また、（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子では、劈開面と４５°の角度をなすＺＸ面への加圧力によりＹＸ面の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。この理由としてはＺＸ面への加圧力とＹＸ面への加圧力の合成により、劈開面に垂直な圧縮応力が加わるため、破壊につながる劈開面の滑りが抑制されるためと考えられる。
【００４１】
オケルマナイト結晶及びゲーレナイト結晶は正方晶系に属する結晶点群のうち４バー２ｍに属する。４バー２ｍに属する結晶点群の中で劈開性を有する結晶であれば、オケルマナイト結晶及びゲーレナイト結晶以外の結晶であっても、（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子では、劈開面に平行なＺ面への加圧力によりＸＺ面の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。また、（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子では、劈開面と４５°の角度をなすＺＸ面への加圧力によりＹＸ面の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。この理由としてはＺＸ面への加圧力とＹＸ面への加圧力の合成により、劈開面に垂直な圧縮応力が加わるため、破壊につながる劈開面の滑りが抑制されるためと考えられる。
【００４２】
さらに、４、４バー、４ｍｍ、４２２、の結晶点群に属する結晶の中で劈開性を有する結晶であれば、（ＺＸｔ）４５°カットした圧電素子では、劈開面に平行なＺ面への加圧力によりＸＺ面の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。また、（ＸＹｔ）４５°カットした圧電素子では、劈開面と４５°の角度をなすＺＸ面への加圧力によりＹＸ面の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。この理由としてはＺＸ面への加圧力とＹＸ面への加圧力の合成により、劈開面に垂直な圧縮応力が加わるため、破壊につながる劈開面の滑りが抑制されるためと考えられる。
【００４３】
また、θを３０〜６０°の任意の角度としたとき、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＺＸｔ）θカットした圧電素子では、劈開面に平行なＺ面への加圧力によりＸＺ面（Ｘ軸をＺ軸回りにθ回転した軸を法線とする面）の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。この理由としてはＺ面への加圧力により、劈開面に垂直な圧縮応力が加わるため、破壊につながる劈開面の滑りが抑制されるためと考えられる。
【００４４】
また、φを３０〜６０°の任意の角度としたとき、劈開性及び圧電性を有する正方晶系結晶を（ＸＹｔ）φカットした圧電素子では、劈開面とφの角度をなすＺＸ面への加圧力により、劈開面とφの角度をなすＹＸ面の相対圧縮強度が上がるものと考えられる。この理由としてはＺＸ面への加圧力とＹＸ面への加圧力の合成により、劈開面に垂直な圧縮応力が加わるため、破壊につながる劈開面の滑りが抑制されるためと考えられる。
【００４５】
図５（ａ）は、本発明に係る圧電モジュール２００の上面図（絶縁部材５側から見たときの上面図、絶縁部材５は、図１２参照）であり、図５（ｂ）は、圧電モジュール２００の底面図（受圧面１Ａ側）である。図６は、圧電モジュール２００の分解斜視図である。
【００４６】
圧電モジュール２００は、ガイドリング３と、圧電素子４と、電極９ａ、９ｂとを有する。
【００４７】
ガイドリング３は、アルミナから成り、中央に略長方形の貫通孔３ａが設けられた略円柱状の形状を有する。ガイドリング３は、アルミナに限らず、ジルコニアなどの他の絶縁性セラミックス、サファイアなどの単結晶、又は、アルミナ、酸化チタン、酸化マグネシウム、ジルコニアなどを用いたセラミック溶射などで表面絶縁性を施した金属材料であってもよい。
【００４８】
圧電素子４は、（ＺＸｔ）４５°の方位で１辺を２.０００ｍｍとする立方体形状にカットされたオケルマナイト結晶である。圧電素子４のＺ軸を法線とする外面（対向する二つの外面を含む）を第１の外面４１とし、ＸＺ軸を法線とする外面（対向する二つの外面を含む）を第２の外面４２とする。このとき、圧電素子４の劈開面４ａはＺ軸に直交し、第１の外面４１は劈開面４ａに平行であり、第２の外面４２は劈開面４ａに直交する。圧電素子４は、弾性力によって変形量０.００１ｍｍ当たり５０ＭＰａの復元力を生じさせる。
【００４９】
ガイドリング３は、圧電素子４の第１の外面４１を加圧することにより、圧電素子４を保持している。このとき、第２の外面４２は、上下方向（絶縁部材５及びダイヤフラム１の方向）を向いている。
【００５０】
ガイドリング３が圧電素子４を保持していない状態では、ガイドリング３の貫通孔３ａの圧電素子４に接する方向における幅Ｄ１は、1.９９９ｍｍである。図５（ａ）に示す様に、ガイドリング３が圧電素子４を保持している状態では、ガイドリング３が圧電素子４に弾性変形を及ぼすことにより、圧電素子４のガイドリング３に接する方向における幅Ｄ１は、１．９９９ｍｍに近い値になる。圧電素子４は、上述の通り、弾性力によって変形量０.００１ｍｍ当たり５０ＭＰａの復元力を生じさせる。したがって、ガイドリング３は、圧電素子４の第１の外面４１を５０ＭＰａで加圧する様に、圧電素子４を保持している。このとき、図４に示す測定結果より、加圧力５０ＭＰａのときの相対圧縮強度は約１．８であるので、第２の外面４２の圧縮強度は約７５０ＭＰａ（≒４２０ＭＰａ×１．８１）となる。
【００５１】
電極９ａ、９ｂは、蒸着法により形成されたＰｔ（白金）電極である。電極９ａ、９ｂは、ガイドリング３の上面の一部と、ガイドリング３における圧電素子４の第１の外面４１に当接する部分とに設けられている。電極９ａ、９ｂは、Ｐｔに限らず、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）−Ｐｄ合金等の、圧力センサ１００が使用される高温環境よりも高い融点を有する金属材料であってもよい。また、電極９ａ、９ｂは、蒸着法に限らず、メッキ法、スパッタ法等によって形成してもよい。
【００５２】
図７は、圧電モジュール２００の製造方法を説明するための図である。
【００５３】
まず、図７（ａ）に示す様に、所定の金型によりアルミナからガイドリング３を形成し、蒸着法によってガイドリング３にＰｔから成る電極９ａ、９ｂを設ける。このとき、ガイドリング３の貫通孔３ａの圧電素子４に接する方向における幅Ｄ１を1.９９９ｍｍとする。
【００５４】
次に、図７（ｂ）に示す様に、ガイドリング３の貫通孔３ａが大きくなるようにガイドリング３の貫通孔３ａの圧電素子４に接する方向における幅Ｄ１が２．００２ｍｍとなるように２００℃で加熱する。その後、常温のオケルマナイト結晶を（ＺＸｔ）４５°の方位でカットすることにより得られた圧電素子４を熱膨張により大きくなったガイドリング３の貫通孔３ａ内に配置する。
【００５５】
次に、ガイドリング３を常温に戻すことによりガイドリング３を収縮させ、圧電素子４に当接させ、ガイドリング３によって圧電素子４が加圧及び保持されるようにすることにより、圧電モジュール２００が得られる。
【００５６】
図８は、本発明に係る他の圧電モジュール２０１の上面図（絶縁部材５側）である。
【００５７】
圧電モジュール２０１は、ガイドリングの矢印Ｅに示す方向の弾性力により圧電素子を加圧及び保持している。以下では、圧電モジュール２０１について、圧電モジュール２００と異なる点のみを説明することとし、圧電モジュール２００と重複する部分は適宜その説明を省略する。
【００５８】
圧電モジュール２０１は、ステンレス鋼材を母材として表面にセラミックコーティングしたガイドリング１０を有する。ガイドリング１０は、中央に略長方形の貫通孔１０ａが設けられた略円柱状の形状を有する。ガイドリング１０は、更に、貫通孔１０ａから外周に向かって切り欠き部１０ｂが設けられており、平面図視において略Ｃ字形状をしている。
【００５９】
ガイドリング１０は、矢印Ｅに示す方向、すなわち切り欠き部１０ｂを閉じようとする方向に弾性力が生じている。したがって、ガイドリング１０は、当該弾性力によって、圧電素子４の第１の外面４１を５０ＭＰａで加圧することにより、圧電素子４を保持している。このとき、図４に示す測定結果より、加圧力５０ＭＰａのときの相対圧縮強度は約１．８であるので、第２の外面４２の圧縮強度は約７５０ＭＰａ（≒４２０ＭＰａ×１．８）となる。
【００６０】
図９は、圧電モジュール２０１の製造方法を説明するための図である。
【００６１】
まず、図９（ａ）に示す様に、ステンレス鋼材を切削により得られたガイドリング１０にアルミナのセラミック表面絶縁コーティングを行い、電極９ａ、９ｂを設ける。ここで、ガイドリング１０は、圧電素子４を配置する前は、弾性力によって図９（ａ）に示す様に切り欠き部１０ｂにおいて閉じた形状となっている。
【００６２】
次に、図９（ｂ）に示す様に、弾性力に抗してガイドリング１０の切り欠き部１０ｂの間隔を広げるようにガイドリング１０を保持し、貫通孔１０ａ内に圧電素子４を配置する。ガイドリング１０の変形はステンレス鋼材の弾性変形領域の変形に留める。
【００６３】
次に、ガイドリング１０の保持を止めると、ガイドリング１０が弾性力によって図９（ａ）に示す元の形状に戻ろうとして、圧電素子４を加圧及び保持することにより、圧電モジュール２０１が得られる。なお、ガイドリング１０はバネ部材を用いたクリップ形状としてもよい。また、ガイドリング１０は、圧電素子４の測定環境に合わせて樹脂部材としてもよい。
【００６４】
図１０は、本発明に係る更に他の圧電モジュール２０２の上面図（絶縁部材５側）である。
【００６５】
圧電モジュール２０２は、二部材のガイドリングをネジで締めることにより、圧電素子を加圧及び保持している。以下では、圧電モジュール２０２について、圧電モジュール２００と異なる点のみを説明することとし、圧電モジュール２００と重複する部分は適宜その説明を省略する。
【００６６】
圧電モジュール２０２は、ガイドリング２０と、固定ネジ３０ａ、３０ｂとを有する。ガイドリング２０は、略半円状の第１部材２１Ａ及び第２部材２１Ｂの二部材から成る。
【００６７】
第１部材２１Ａには、固定ネジ３０ａを挿入及び固定するためのネジ用孔２２ａ、及び、固定ネジ３０ｂを挿入及び固定するためのネジ用孔２２ｂが設けられている。ネジ用孔２２ａ、２２ｂは、第２部材２１Ｂに対向する側の一端において開放され、又、他端において閉じられている。
【００６８】
第２部材２１Ｂには、固定ネジ３０ａを挿入及び固定するためのネジ用孔２３ａ、及び、固定ネジ３０ｂを挿入及び固定するためのネジ用孔２３ｂが設けられている。ネジ用孔２３ａ、２３ｂは、第１部材２１Ａに対向する側の一端及び他端において開放されている。
【００６９】
固定ネジ３０ａは、ネジ用孔２２ａ及びネジ用孔２３ａに挿入及び固定され、固定ネジ３０ｂは、ネジ用孔２２ｂ及びネジ用孔２３ｂに挿入及び固定されている。すなわち、第１部材２１Ａと第２部材２１Ｂとが、固定ネジ３０ａ及び固定ネジ３０ｂによって固定されている。
【００７０】
固定ネジ３０ａ、３０ｂは、呼び径Ｍ１のネジであり、それぞれが約１００Ｎの軸力で締められている。したがって、ガイドリング２０は、圧電素子４の第１の外面４１を５０ＭＰａ（＝２×１００Ｎ÷４ｍｍ2）で加圧することにより、圧電素子４を保持している。このとき、図４に示す測定結果より、加圧力５０ＭＰａのときの相対圧縮強度は約１．８であるので、第２の外面４２の圧縮強度は約７５０ＭＰａ（≒４２０ＭＰａ×１．８）となる。
【００７１】
なお、固定ネジ３０ａ、３０ｂは、呼び径Ｍ１のネジに限られず、呼び径Ｍ１．４（軸力は３００Ｎ等とする）、Ｍ２（軸力は６００Ｎ等とする）、Ｍ４（軸力は２０００Ｎ等とする）等のネジであってもよい。
【００７２】
図１１は、圧電モジュール２０２の製造方法を説明するための図である。
【００７３】
まず、図１１（ａ）に示す様に、ステンレス鋼材にアルミナのセラミック表面絶縁コーティングを行いネジ用孔２２ａ、２２ｂを有する第１部材２１Ａを形成し、形成した第１部材２１Ａに電極９ａを設ける。
【００７４】
次に、図１１（ｂ）に示す様に、アルミナを用いてネジ用孔２３ａ、２３ｂを有する第２部材２１Ｂを形成し、形成した第２部材２１Ｂに電極９ｂを設ける。
【００７５】
次に、図１１（ｃ）に示す様に、第１部材２１Ａと第２部材２１Ｂとが圧電素子４を挟持するように、第１部材２１Ａと第２部材２１Ｂとの間に圧電素子４を配置する。
【００７６】
次に、図１１（ｄ）の矢印Ｓに示す様に、固定ネジ３０ａを、ネジ用孔２３ａ、２２ａに順次挿入及び固定し、固定ネジ３０ｂを、ネジ用孔２３ｂ、２２ｂに順次挿入及び固定することにより、圧電モジュール２０２が得られる。
【００７７】
なお、上述の説明では、圧電モジュール２００、２０１及び２０２はいずれも、劈開性及び圧電性を有し且つ正方晶系に属する結晶を（ＺＸｔ）４５°の方位でカットした圧電素子を用いることとした。しかしながら、劈開性及び圧電性を有し且つ正方晶系に属する結晶を（ＸＹｔ）４５°の方位でカットした圧電素子を用いてもよい。その場合、保持部は、劈開面と４５°の角度をなす外面であるＺＸ面に加圧し、且つ、圧電素子を保持するものとする。当該圧電素子では、応力が作用する面を劈開面と４５°の角度をなす外面であるＹＸ面とし、劈開面と直交する外面であるＸ面に生じる電荷を取り出すようにしてもよい。
【００７８】
図１２は、本発明に係る圧力センサ１００の断面図である。
【００７９】
圧力センサ１００は、圧電モジュール２００と、ダイヤフラム１と、筐体２と、絶縁部材５と、金属配線６ａ、６ｂと、絶縁封止材７ａ、７ｂと、固定用ネジ山８とを有する。圧力センサ１００は、固定用ネジ山８がエンジンの燃焼室の壁３００内のネジ孔３０１にねじ込まれることにより、エンジンの燃焼室（図１２の下側）の壁３００に固定される。
【００８０】
筐体２は、ステンレス製の略円筒形のケースである。筐体２の下側は開放されており、上側は略円柱形の貫通孔２ａ及び２ｂを除いて閉じられている。
【００８１】
ダイヤフラム１は、ステンレス製の円板状の部材であり、下側に測定対象の圧力を受ける受圧面１Ａが設けられている。ダイヤフラム１は、接合部１ａにおいて筐体２に接合されており、接合部１ｂにおいて後述する圧電モジュール２００の圧電素子４に接合されている。
【００８２】
絶縁部材５は、アルミナから成る絶縁部材であり、圧電モジュール２００の上部に設けられている。
【００８３】
絶縁封止材７ａ、７ｂは、ステンレス製の封止材である。絶縁封止材７ａ、７ｂは、それぞれ、貫通孔２ａ及び２ｂの内部を満たしており、筐体２の上側を封止している。
【００８４】
金属配線６ａ、６ｂは、セラミックフェルトで被覆された電線である。金属配線６ａ、６ｂは、超音波接合によりそれぞれ後述の圧電モジュール２００の電極９ａ、９ｂと電気的に接続されている。金属配線６ａ、６ｂと電極９ａ、９ｂとはハンダにより接合されていてもよい。金属配線６ａ、６ｂは、順次、絶縁部材５及び絶縁封止材７ａ、７ｂを貫通して、外部の電荷検出手段に接続される。
【００８５】
圧力センサ１００は、矢印Ｐによって示されたエンジンの燃焼室の圧力をダイヤフラム１の受圧面１Ａで受ける。ダイヤフラム１が受けた圧力により生じた応力は、ダイヤフラム１を通して、後述する圧電素子４の第２の外面４２に伝達される。圧電素子４は、伝達された応力により変形し、圧電効果により変形量に応じた電荷を後述する第１の外面４１に発生させる。第１の外面４１に発生した電荷は、電極９ａ、９ｂ及び金属配線６ａ、６ｂを通じて外部の電荷検出手段により検出され、当該電荷の量によって、ダイヤフラム１が受けた圧力が測定される。
【００８６】
なお、上述の説明では圧力センサ１００は圧電モジュール２００を有するものとした。しかしながら、本発明に係る圧力センサは、圧電モジュール２００に限らず、圧電モジュール２０１又は２０２を有していてもよい。また、本発明に係る圧力センサは、（ＸＹｔ）４５°の方位でカットした圧電結晶を有する本発明に係る圧電モジュールを有していてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１    ダイヤフラム
２    筐体
３、１０、２０    ガイドリング
４    圧電素子
５    絶縁部材
６ａ、６ｂ    金属配線
７ａ、７ｂ    絶縁封止材
８    固定用ネジ山
９ａ、９ｂ    電極
１０、２０    圧電素子
１００    圧力センサ
２００、２０１、２０２    圧電モジュール
【図１】
2017183550.tif 000003
【図２】
2017183550.tif 000004
【図３】
2017183550.tif 000005
【図４】
2017183550.tif 000006
【図５】
2017183550.tif 000007
【図６】
2017183550.tif 000008
【図７】
2017183550.tif 000009
【図８】
2017183550.tif 000010
【図９】
2017183550.tif 000011
【図１０】
2017183550.tif 000012
【図１１】
2017183550.tif 000013
【図１２】
2017183550.tif 000014