(57)【要約】【課題】熱や外部からの電界に起因する検出感度の低下を抑制することにより、燃焼圧センサ用として好適な圧力センサ素子を提供する。【解決手段】圧力センサ素子１０は、複数の部材の積層体からなり、燃焼圧センサに用いられる圧力センサ素子であって、その積層方向を上下方向１００としたとき、水晶のＸ板からなる水晶部材１１と、水晶部材１１の下面１１ａに設けられた第一導電部材２１と、水晶部材１１の上面１１ｂに設けられた第二導電部材２２と、第一導電部材２１の下面２１ａに設けられた第一絶縁部材３１と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の部材の積層体からなり、燃焼圧センサに用いられる圧力センサ素子であって、その積層方向を上下方向としたとき、
水晶のＸ板からなる水晶部材と、
前記水晶部材の下面に設けられた第一導電部材と、
前記水晶部材の上面に設けられた第二導電部材と、
前記第一導電部材の下面に設けられた第一絶縁部材と、
を備えたことを特徴とする圧力センサ素子。
【請求項２】
前記第一導電部材が接地された、
請求項１記載の圧力センサ素子。
【請求項３】
前記第一導電部材が金属板からなる、
請求項１又は２記載の圧力センサ素子。
【請求項４】
前記第二導電部材が金属板からなる、
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の圧力センサ素子。
【請求項５】
前記第一絶縁部材が水晶のＺ板からなる、
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の圧力センサ素子。
【請求項６】
前記第二導電部材の上面に設けられた第二絶縁部材を更に備えた、
請求項１乃至５のいずれか一つに記載の圧力センサ素子。
【請求項７】
前記第二絶縁部材が水晶のＺ板からなる、
請求項６記載の圧力センサ素子。
【請求項８】
前記第二導電部材の上面から前記水晶部材の下面にまで形成され、前記第一導電部材の端子用となる貫通孔を更に備えた、
請求項１乃至７のいずれか一つに記載の圧力センサ素子。
【請求項９】
前記貫通孔は前記第二導電部材の上面及び前記水晶部材の下面を両端とする円柱状である、
請求項８記載の圧力センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼圧センサに用いられる圧力センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関における燃料の燃焼を精密に制御することにより、自動車、船舶等の輸送機器の燃費を向上させ二酸化炭素の排出量を減らすことが急務となっている。その燃焼制御技術には、高温高圧環境下で長期間安定に動作する燃焼圧センサが必要になる（例えば特許文献１参照）。燃焼圧センサには、圧力によって変形すると電荷を発生する圧電体が用いられる。従来、そのような圧電体として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウムなどの強誘電体が用いられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７４０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、強誘電体を燃焼圧センサに用いた場合には、次のような問題があった。
（１）強誘電体は、圧電体の他に焦電体としての特性も併せ持つ。そのため、強誘電体は、焦電効果が生じやすいことにより、温度が変化した場合にも電荷が発生しやすい。その結果、圧力だけでなく熱でも電荷が発生してしまうので、高温環境下では検出感度が低下する。
【０００５】
（２）強誘電体は、誘電率が高いことにより、外部からの電界によって分極しやすく、分極により電荷が発生しやすい。このため、圧力だけでなく外部からの電界でも電荷が発生してしまうので、そのような環境下では検出感度が低下する。この「外部からの電界」には、外部からの磁界が変化することによって生じる電界や、磁界中の運動によって生ずる電界など、外部からの磁界による電界も含む。
【０００６】
特に、燃料を燃焼して運動エネルギーに変換するタイプである内燃機関の近傍は、かなりの高温となる。また、自動車等の陸上の輸送機器については、道路走行の関係上車幅と車長を小さくするため、エンジンルーム内における部品レイアウトの省スペース化が必要となる。それらのエンジンルーム内には、オルターネータ、エアコン、モータ、バッテリー及びハーネス等数多くの電装品が搭載され、内燃機関に密接して配置される必要があり、それら電装品の消費電流は、非常に大きいことから大きな電界が発生する。また、輸送機器の走行中に、その外部から受けるノイズは、家電製品の使用環境のものとは異なる。このことから、内燃機関の燃焼状態をモニタする燃焼圧センサには、何らかの対策を講じる必要があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、熱に起因する検出感度の低下を抑制し、外部からのノイズを遮断しつつ検出感度をより向上することにより、燃焼圧センサ用として好適な圧力センサ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る圧力センサ素子は、
複数の部材の積層体からなり、燃焼圧センサに用いられる圧力センサ素子であって、その積層方向を上下方向としたとき、
水晶のＸ板からなる水晶部材と、
前記水晶部材の下面に設けられた第一導電部材と、
前記水晶部材の上面に設けられた第二導電部材と、
前記第一導電部材の下面に設けられた第一絶縁部材と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、強誘電体よりも焦電効果が生じにくく誘電率も低い、水晶のＸ板からなる水晶部材を、圧電体として用いたことにより、熱や外部からの電界に起因する検出感度の低下を抑制できるので、燃焼圧センサ用として好適な圧力センサ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１［Ａ］は、実施形態１の圧力センサ素子を示す断面図である。図１［Ｂ］は、実施形態１の圧力センサ素子において水晶部材に圧縮力が加わった場合を示す概略図である。図１［Ｃ］は、実施形態１の圧力センサ素子において水晶部材に引っ張り力が加わった場合を示す概略図である。
【図２】図２［Ａ］は、実施形態２の圧力センサ素子を示す断面図である。図２［Ｂ］は、実施形態３の圧力センサ素子を示す断面図である。図２［Ｃ］は、実施形態４の圧力センサ素子を示す断面図である。
【図３】図３［Ａ］は、実施形態５の圧力センサ素子を示す断面図である。図３［Ｂ］は、比較例１の圧力センサ素子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。
【００１２】
図１［Ａ］は、実施形態１の圧力センサ素子を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００１３】
本実施形態１の圧力センサ素子１０は、複数の部材の積層体からなり、燃焼圧センサに用いられる圧力センサ素子であって、その積層方向を上下方向１００としたとき、水晶のＸ板からなる水晶部材１１と、水晶部材１１の下面１１ａに設けられた第一導電部材２１と、水晶部材１１の上面１１ｂに設けられた第二導電部材２２と、第一導電部材２１の下面２１ａに設けられた第一絶縁部材３１と、を備えている。
【００１４】
図示するように、水晶部材１１は下面１１ａ及び上面１１ｂを有し、第一導電部材２１は下面２１ａ及び上面２１ｂを有し、第二導電部材２２は下面２２ａ及び上面２２ｂを有し、第一絶縁部材３１は下面３１ａ及び上面３１ｂを有する。それらの各面は、上下方向１００に対して垂直であり、かつ互いに平行である。第一導電部材２１及び第二導電部材２２にはそれぞれ出力信号用の端子２１ｃ，２２ｃが接続され、例えば端子２１ｃが接地される。
【００１５】
端子２１ｃは、第一導電部材２１の側面から取り出しているが、下面２１ａ又は上面２１ｂから取り出してもよい。同様に、端子２２ｃは、第二導電部材２２の側面から取り出しているが、下面２２ａ又は上面２２ｂから取り出してもよい。圧力センサ素子１０の平面形状すなわち上下方向１００から見た形状は、例えば円形、四角形、多角形など、どのような形状でもよい。
【００１６】
水晶部材１１は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の結晶軸を有し、Ｘ軸が上下方向１００と平行であり、Ｙ軸及びＺ軸が上下方向１００と垂直である。第一導電部材２１及び第二導電部材２２は、例えば金属膜又は金属板からなる。その金属としては、例えばＴｉ（チタン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｎ（すず）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）のいずれか一つ又は二つ以上の合金が挙げられる。第一絶縁部材３１は、例えばセラミックス、ガラス、石英又は水晶などからなる。
【００１７】
第一導電部材２１及び第二導電部材２２が金属膜からなる場合、その金属膜は例えば蒸着やスパッタリングによって水晶部材１１の表面に形成される。第一導電部材２１及び第二導電部材２２が金属板からなる場合、例えば、その金属板の表面及び水晶部材１１の表面を鏡面となるように処理し、互いを重ね合わせた状態で熱、圧力又はプラズマを印加することにより貼り合せる。
【００１８】
第一絶縁部材３１についても、第一導電部材２１及び第二導電部材２２と同じように、絶縁膜としてもよいし、絶縁板としてもよい。また、第一絶縁部材３１は、水晶部材１１と同じように、第一導電部材２１を形成してもよいし、第一導電部材２１を貼り合せてもよい。
【００１９】
図１［Ｂ］は、圧力センサ素子１０において水晶部材１１に圧縮力Ｆが加わった場合を示す概略図である。図１［Ｃ］は、圧力センサ素子１０において水晶部材１１に引っ張り力−Ｆが加わった場合を示す概略図である。以下、図１［Ａ］に図１［Ｂ］及び図１［Ｃ］を加えて、圧力センサ素子１０の動作について説明する。
【００２０】
圧力センサ素子１０では、水晶部材１１のＹ軸に対しＸ軸の方向に力を加えるとＹ軸に平行な両面（下面１１ａ及び上面１１ｂ）に電荷ｑを発生する縦軸効果を利用している。図１［Ｂ］に示すように水晶部材１１に圧縮力Ｆが加わった場合は、下面１１ａに−の電荷ｑが生じ、上面１１ｂに＋の電荷ｑが生じる。これとは逆に、図１［Ｃ］に示すように水晶部材１１に引っ張り力−Ｆが加わった場合は、下面１１ａに＋の電荷ｑが生じ、上面１１ｂに−の電荷ｑが生じる。なお、図１［Ｂ］及び図１［Ｃ］において、仮想線（二点鎖線）は力が加わる前の水晶部材１１を示し、実線は力が加わって変形した水晶部材１１を示している。
【００２１】
ここで、圧電効果により発生する電荷量をＱ、真空中の誘電率をε、圧電出力係数をｇ、圧縮力又は引っ張り力をＦとすると、電荷量Ｑは次式により与えられる。
Ｑ＝ε×ｇ×Ｆ
つまり、上式によれば、圧縮力又は引っ張り力Ｆに比例する電荷量Ｑが得られる。この電荷量Ｑを端子２１ｃ，２２ｃから出力信号として取り出すことにより、圧力センサ素子１０に加わった力の大きさ及び向きが測定される。
【００２２】
次に、本実施形態１の作用及び効果について説明する。
【００２３】
（１）本実施形態１によれば、強誘電体よりも焦電効果が生じにくく誘電率も低い、水晶のＸ板からなる水晶部材１１を、圧電体として用いたことにより、熱や外部からの電界に起因する検出感度の低下を抑制できるので、燃焼圧センサ用として好適な圧力センサ素子１０を提供できる。
【００２４】
（２）第一導電部材２１が接地された場合は、第一絶縁部材３１からのノイズを遮断できるので、検出感度をより向上できる。
【００２５】
（３）第一導電部材２１が金属板からなる場合は、第一導電部材２１が金属膜からなる場合と比べて、次のａ，ｂ，ｃの作用及び効果を奏する。ａ．金属板は、金属膜よりも厚くできることにより、圧力センサ素子１０の剛性を向上できるので、水晶部材１１の検出対象以外の力による変形が抑えられ、検出感度をより向上できる。ｂ．金属板は、金属膜よりも厚くできることにより、圧力センサ素子１０に部分的に加わる力を水晶部材１１全体に均一に分散できるので、検出感度をより向上できる。ｃ．金属板は、金属膜に比べて、外部との導通を得ることが容易である。なぜなら、水晶部材１１よりも広い面積の金属板を用いることにより、水晶部材１１からはみ出た部分で外部との導通をとれるからである（後述する図３［Ｂ］参照）。なお、金属膜は、それ自身で形状を保持できないので、水晶部材１１よりも広い面積にすることが難しい。
【００２６】
（４）第二導電部材２２が金属板からなる場合も、上記ａ，ｂ，ｃと同様の作用及び効果を奏する。
【００２７】
次に、実施形態２の圧力センサ素子について説明する。図２［Ａ］は、実施形態２の圧力センサ素子を示す断面図である。
【００２８】
本実施形態２の圧力センサ素子４０は、第一絶縁部材４１が水晶のＺ板からなる。第一絶縁部材４１は、下面４１ａ及び上面４１ｂを有し、Ｚ軸が上下方向１００と平行であり、Ｘ軸及びＹ軸が上下方向１００と垂直である。
【００２９】
本実施形態２によれば、第一絶縁部材４１が水晶部材１１と同じ水晶からなることにより、第一絶縁部材４１と水晶部材１１との熱膨張率を等しくできる。その結果、各部材間の熱膨張差に起因する歪み（反り、変形など）を抑制できるので、より検出感度を向上できる。例えば、第一絶縁部材４１及び水晶部材１１の熱膨張率と第一導電部材２１の熱膨張率とが異なる場合でも、第一絶縁部材４１と水晶部材１１とで第一導電部材２１を挟持する構造によって、圧力センサ素子４０に生じる歪を大幅に抑制できる。
【００３０】
しかも、第一絶縁部材４１が水晶のＺ板からなることにより、下面４１ａ及び上面４１ｂに加わる力によって電荷を生じないので、検出感度に悪影響を与えない。本実施形態２のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００３１】
次に、実施形態３の圧力センサ素子について説明する。図２［Ｂ］は、実施形態３の圧力センサ素子を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００３２】
本実施形態３の圧力センサ素子５０は、第二導電部材２２の上面２２ｂに設けられた第二絶縁部材３２を更に備えている。第二絶縁部材３２は、下面３２ａ及び上面３２ｂを有し、第一絶縁部材３１と同様の素材及び大きさとしてもよいし、第一絶縁部材３１と異なる素材又は大きさとしてもよい。なお、ここでいう「大きさ」とは、厚みや面積のことである。
【００３３】
本実施形態３によれば、第一絶縁部材３１と第二絶縁部材３２とによって水晶部材１１を挟持する構造を採用したことにより、次のａ〜ｃの作用及び効果を奏する。ａ．圧力センサ素子１０の剛性を向上できるので、水晶部材１１の検出対象以外の力による変形が抑えられ、検出感度をより向上できる。ｂ．圧力センサ素子５０に部分的に加わる力を、第一絶縁部材３１と第二絶縁部材３２によって水晶部材１１全体に均一に分散できるので、検出感度をより向上できる。ｃ．第二導電部材２２を第二絶縁部材３２によって保護できるので、第二導電部材２２の損耗又は劣化による導通不良を改善できる。本実施形態３のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００３４】
次に、実施形態４の圧力センサ素子について説明する。図２［Ｃ］は、実施形態４の圧力センサ素子を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００３５】
本実施形態４の圧力センサ素子６０は、第一絶縁部材４１及び第二絶縁部材４２の両方が水晶のＺ板からなる。第二絶縁部材４２は、下面４２ａ及び上面４２ｂを有し、第一絶縁部材４１と同様の大きさとしてもよいし、第一絶縁部材４１と異なる大きさとしてもよい。
【００３６】
本実施形態４によれば、第一絶縁部材４１と第二絶縁部材４２とによって水晶部材１１を挟持する構造を採用したことにより、実施形態３と同様の作用及び効果を奏する他に、次の作用及び効果を奏する。第一絶縁部材４１及び第二絶縁部材４２が水晶部材１１と同じ水晶からなることにより、第一絶縁部材４１、水晶部材１１及び第二絶縁部材４２のそれぞれの熱膨張率を等しくできる。これに加え、第一絶縁部材４１と第二絶縁部材４２とによって水晶部材１１を挟持することにより、各部材間の熱膨張差に起因する歪み（反り、変形など）を、より強く抑制できるので、更に検出感度を向上できる。例えば、第一絶縁部材４１、水晶部材１１及び第二絶縁部材４２の熱膨張率と第一導電部材２１及び第二導電部材２２の熱膨張率とが異なる場合でも、第一絶縁部材４１と水晶部材１１とで第一導電部材２１を挟持し、水晶部材１１と第二絶縁部材４２とで第二導電部材２２を挟持する構造によって、圧力センサ素子６０に生じる歪を大幅に抑制できる。
【００３７】
しかも、第一絶縁部材４１及び第二絶縁部材４２が水晶のＺ板からなることにより、下面４１ａ及び上面４１ｂ並びに下面４２ａ及び上面４２ｂに加わる力によって電荷を生じないので、検出感度に悪影響を与えない。本実施形態４のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００３８】
次に、実施形態５の圧力センサ素子について説明する。図３［Ａ］は、実施形態５の圧力センサ素子を示す断面図である。図３［Ｂ］は、比較例１の圧力センサ素子を示す断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。
【００３９】
本実施形態５の圧力センサ素子７０は、第二導電部材２２の上面２２ｂから水晶部材１１の下面１１ａにまで形成され、第一導電部材２１の端子用となる貫通孔７１を更に備えている。第二導電部材２２の上面２２ｂから、端子２２ｄが取り出されている。第一導電部材２１の上面２１ｂから貫通孔７１を介して端子２１ｄが取り出されている。
【００４０】
貫通孔７１は、例えば、第二導電部材２２の上面２２ｂ及び水晶部材１１の下面１１ａを両端とする円柱状としてもよい。この場合、上面２２ｂにおける貫通孔７１の開口部は円形になる。貫通孔７１の形成方法としては、水晶部材１１には例えばフォトリソグラフィ及びエッチング、第二導電部材２２には例えばボール盤による切削が適当である。なお、端子２１ｄのうち貫通孔７１内を通る部分は、簡略化して実線で示しているが、実際は円筒状の絶縁体とその絶縁体内の導電体とからなる。
【００４１】
比較例１の圧力センサ素子８０は、圧力センサ素子７０における第一導電部材２１よりも広い面積の金属板からなる第一導電部材８１を用いている。第一導電部材８１は、下面８１ａ及び上面８１ｂを有する。第二導電部材２２の上面２２ｂから、端子２２ｄが取り出されている。水晶部材１１からはみ出た第一導電部材８１の突出部８１ｅの上面８１ｂから、端子８１ｄが取り出されている。
【００４２】
本実施形態５によれば、比較例１と比較して、次の作用及び効果を奏する。第一導電部材２１の端子用となる貫通孔７１を備えたことにより、第二導電部材２２、水晶部材１１、第一導電部材２１及び第一絶縁部材３１の各主面（下面及び上面）を全て同一形状にできるので、圧力センサ素子８０の剛性を高めることができる。その結果、水晶部材１１の検出対象以外の力による変形が抑えられ、検出感度をより向上できる。例えば、各部材を同一形状にできれば、圧力センサ素子８０全体を強固な枠体で固定できるので、圧力センサ素子８０の剛性が向上する。なお、比較例１では、第一導電部材８１に突出部８１ｅが存在することにより、各部材の主面を同一形状にできない。
【００４３】
また、本実施形態５によれば、貫通孔７１を円柱状とすることにより、貫通孔７１に加わる応力を分散できるので、応力集中による貫通孔７１の破損を抑制できる。本実施形態５のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００４４】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、前述のエンジンの燃焼制御技術の他にも、様々な用途の燃焼圧センサに利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
＜実施形態１＞
１０  圧力センサ素子
１００  上下方向
１１  水晶部材
１１ａ  下面
１１ｂ  上面
２１  第一導電部材
２１ａ  下面
２１ｂ  上面
２１ｃ  端子
２２  第二導電部材
２２ａ  下面
２２ｂ  上面
２２ｃ  端子
３１  第一絶縁部材
３１ａ  下面
３１ｂ  上面
＜実施形態２＞
４０  圧力センサ素子
４１  第一絶縁部材
４１ａ  下面
４１ｂ  上面
＜実施形態３＞
５０  圧力センサ素子
３２  第二絶縁部材
３２ａ  下面
３２ｂ  上面
＜実施形態４＞
６０  圧力センサ素子
４２  第二絶縁部材
４２ａ  下面
４２ｂ  上面
＜実施形態５＞
７０  圧力センサ素子
７１  貫通孔
２１ｄ，２２ｄ  端子
＜比較例１＞
８０  圧力センサ素子
８１  第一導電部材
８１ａ  下面
８１ｂ  上面
８１ｄ  端子
８１ｅ  突出部
【図１】
2017203688.tif 000003
【図２】
2017203688.tif 000004
【図３】
2017203688.tif 000005