JP5164882B2

JP5164882B2 - 圧力センサー用圧電素子およびそれを用いた圧力センサー

Info

Publication number: JP5164882B2
Application number: JP2009041980A
Authority: JP
Inventors: 修三岩下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JP2010197192A

Description

本発明は圧力センサー用圧電素子およびそれを用いた圧力センサーに関するものである。

従来、圧電素子は圧力、力、加速度など様々な物理量の計測手段として用いられており、その応用分野も産業用、自動車用、医療用、および家電用等多岐にわたっている。

一般に圧電素子は、圧電体と電極を一体化して機能するようになっており、構造が極めて簡単である。そのため小型化できるとともに、生産性も高い。また、感度も優れたものにできる。

近年、自動車のエンジンやサスペンションといった部分に圧電素子が組み込まれ、正圧電効果を利用して、圧電素子に加えられた圧力をセンシングしてエンジンの燃焼制御や車体の姿勢制御に用いられている。特に、エンジン制御に用いられる圧電素子としては、排気ガスのクリーン化と燃費向上の目的で普及しているリーンバーン方式のエンジンの中のアンチノックセンサがある。また、圧電素子は、次世代エンジンとして検討されている燃焼プラグを用いないＨＣＣＩ（Homogenous Charge Compression Ignition）方式のエンジンの中で、希薄ガスの安定した燃焼を目的として燃焼圧の測定に使用が検討されている。

これら、圧電素子はエンジンルーム内に搭載されるため、耐熱性の高い素子材料が必要となる。さらに、燃費を向上させるためには、エンジンシリンダー内の圧力を精密に測定して、きめ細かなリーンバーン制御をする必要があるため、シリンダー内の圧力変化に対する出力信号特性（発生電荷の圧力特性）の変化の少ないことが重要とされる。

このようなエンジン内の圧力を測定する圧力センサーとしては、例えば、ディーゼルエンジンのグロープラグを介して圧力の測定を行なうものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−９０９５４号公報

しかしながら、引用文献１に記載の発明の圧力センサー用圧電素子は、円盤状のものであるため、圧電素子の圧力の加わる面に対して完全に直角ではない力が加わった際に、その力により発生するノイズにより出力信号のＳ／Ｎ比が低くなるという問題があった。

すなわち、本発明の目的は、圧力センサーに用いた際に、出力のノイズを少なくすることのできる圧力センサー用圧電素子および圧力センサーを提供することにある。

本発明の圧力センサー用圧電素子は、圧電基体の対向する主面に電極を具備してなり、一方の前記主面が外側に凸の球面であり、他方の前記主面が平面であるとともに、前記主面の間に加わる荷重により生じる電荷を測定することを特徴とする。

また、本発明の圧力センサー用圧電素子は、圧電基体の対向する主面に電極を具備してなり、両方の前記主面が外側に凸の球面であるとともに、前記主面の間に加わる荷重により生じる電荷を測定することを特徴とする。

さらに、前記圧電基体の対向する主面の間の横断面の形状が半径ｒ（ｍ）の円形状であり、前記球面の曲率半径をＲ（ｍ）とすると１≦Ｒ／ｒ≦１０であることが好ましい。

さらに、前記圧電基体の主成分がビスマス層状化合物であることが好ましい。

本発明の圧力センサーは、前記圧力センサー用圧電素子の前記主面の両方に荷重を伝達する台座をそれぞれ当接させてなり、該台座の間に加わる荷重を測定する圧力センサーであって、前記主面のうち外側に凸の球面からなる主面に当接する前記台座は、当該主面との接触が略円環状の面となる凹面を有することを特徴とする。

また、本発明の圧力センサー用圧電素子の前記主面の両方に荷重を伝達する台座をそれぞれ当接させてなり、該台座の間に加わる荷重を測定する圧力センサーであって、前記主面のうち外側に凸の球面からなる主面に当接する前記台座の面が、当該主面と曲率が同じで内側に凹の球面であることを特徴とする。

本発明の圧力センサー用圧電素子によれば、圧電基体の対向する主面に電極を具備してなり、一方の前記主面が外側に凸の球面であり、他方の前記主面が平面であるとともに、前記主面の間に加わる荷重により生じる電荷を測定することにより、前記主面の一方の前記主面に対して、形状が内側に凹んだ形状の台座を介して圧力が加わるようにすることにより、圧電素子の主面に、圧電素子の主面に直交する方向以外の力が加わった時に発生するノイズを少なくすることができる。

また、本発明の圧力センサー用圧電素子は、圧電基体の対向する主面に電極を具備してなり、両方の前記主面が外側に凸の球面であるとともに、前記主面の間に加わる荷重により生じる電荷を測定することにより、前記圧電素子の主面に、前記圧電素子の主面に直交する方向以外の力が加わった時に発生するノイズを少なくすることができる。

さらに、前記圧電基体の対向する主面の間の横断面の形状が半径ｒ（ｍ）の円形状であり、前記球面の曲率半径をＲ（ｍ）とすると１≦Ｒ／ｒ≦１０である場合、ノイズをより少なくすることができる。

またさらに、前記圧電基体の主成分がビスマス層状化合物である場合、圧電定数ｄ₃₃が低く、もともとのシグナルが低くても、出力のＳ／Ｎ比を高くできる。

本発明の圧力センサーによれば、前記圧力センサー用圧電素子の前記主面の両方に荷重を伝達する台座をそれぞれ当接させてなり、該台座の間に加わる荷重を測定する圧力センサーであって、前記主面のうち外側に凸の球面からなる主面に当接する前記台座は、当該主面との接触が略円環状の面となる凹面を有することにより、前記台座の間に、前記圧電素子の主面に直交する方向以外の力が加わった時に発生するノイズを少なくすることができる。

また、本発明の圧力センサー用圧電素子の前記主面の両方に荷重を伝達する台座をそれぞれ当接させてなり、該台座の間に加わる荷重を測定する圧力センサーであって、前記主面のうち外側に凸の球面からなる主面に当接する前記台座の面が、当該主面と曲率が同じで内側に凹の球面であることにより、前記台座の間に、前記圧電素子の主面に直交する方向以外の力が加わった時に発生するノイズを少なくすることができる。

（ａ）本発明の一実施形態である圧力センサー用圧電素子の縦断面図であり、（ｂ）はその平面図である。（ａ）本発明の他の実施形態である圧力センサー用圧電素子の縦断面図であり、（ｂ）はその平面図である。（ａ）〜（ｄ）は図１の圧力センサー用圧電素子を用いた圧力センサーの要部の縦断面図である。（ａ）、（ｂ）は図２の圧力センサー用圧電素子を用いた圧力センサーの要部の縦断面図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明以外の参考例である圧力センサー用圧電素子を用いた圧力センサーの要部の縦断面図である。

図１（ａ）本発明の一実施形態である圧力センサー用圧電素子１０（以下で単に圧電素子と呼ぶことがある）の縦断面図であり、（ｂ）はその平面図である。

圧力センサー用圧電素子１０は、圧電基体１１の対向する主面１１ａ、１１ｂに、それぞれ電極１３ａ、１３ｂを具備したものである。圧電基体１１の一方の主面１１ａは外側に凸の球面であり、その曲率半径はＲ（ｍ）である。他方の主面１１ｂは平面であり、主面１１ａと主面１１ｂの間に加わる荷重により生じる電荷を電極１３ａ、１３ｂで集めて測定することにより、圧電素子１０に加わっている荷重を測定することができる。

圧電基体１１の組成は、特に限定されないが、ビスマス層状化合物、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）およびチタン酸鉛などの圧電磁器を例示できる。後述のノイズの抑制は、圧電素子１０が発生する出力が低いほど必要とされるため、圧電定数の低い組成の圧電磁器を使用したものに適し、圧電ｄ₃₃定数が３０ｐＣ／Ｎ以下の圧電磁器に使用すると特に効果的である。

圧力センサー用の圧電磁器としては、ＰＺＴを代表とする鉛を含んだ複合酸化物系の強誘電体材料が多く用いられている。特にＰＺＴ系の圧電磁器は圧電特性に優れているため、圧力等の入力に対する、電荷または電位差等の出力が大きくできる。しかし、ＰＺＴを代表とする強誘電体材料は、キュリー温度以上では圧電性が消失するために高温での使用は困難である。また、強誘電体材料は歪−電界特性にヒステリシスを示すために精密な測定には向いていない。このようなことから、内燃機関の燃焼圧センサーとしては、高温特性および応答の線形性の観点を考慮して、強誘電体ではない窒化アルミニウムや、強誘電体でも高いキュリー温度を有するビスマス層状化合物などの圧電磁器が好ましい。

しかし、これらの圧電磁器は圧電特性がＰＺＴ系に比べ２０分の１以下程度しかないために出力が小さく、感度が低いため、特にノイズを低減する必要がある。使用する圧電磁器は通常のセラミックス作製工程で作製が可能であるため作製が簡便であり、酸化物であるため高温での信頼性が高く、高いキュリー温度を有し耐熱性の高いビスマス層状化合物を主体とする圧電磁器を用いるのが好ましい。

圧電基体１１は、電極１３ａ、１３ｂ間に電圧を加えて主面１１ａ、１１ｂの対向する方向に分極させてある。つまり、圧電素子１０では、主面１１ａ、１１ｂに加わる圧力で、圧電ｄ₃₃定数により電荷が発生する。圧電素子１０の対向する主面１１ａ、１１ｂの間の横断面の形状は円形状で、球面である主面１１ａを除いた全体の形状は円柱状あることが好ましいが、対向する主面１１ａ、１１ｂの間の横断面の形状が長方形などの多角形で、球面である主面１１ａを除いた全体の形状は角柱形状などでもかまわない。円柱形状であれば、圧力センサーに組み込む際に圧電素子１０の回転による位置ずれの影響などを考慮する必要がなくなる。円柱形状である場合は、圧電基体１１の対向する主面１１ａ、１１ｂの間の横断面の半径ｒ（ｍ）と主面１１ａの曲率半径Ｒ（ｍ）は、１≦Ｒ／ｒ≦１０であることが好ましい。Ｒ／ｒが１未満では、圧電基体に直接応力が加わらない部分ができ、効率が悪くなる。Ｒ／ｒが１０より大きくなると、主面１１ａが平面である場合との差が少なくなり、効果が低くなる。

また、主面１１ａ、１１ｂの表面粗さＲａは２μｍ以下、特に１μｍ以下である場合には、後述のノイズを少なくできる。圧電基体１１の半径ｒは０．２５〜２．５ｍｍであることがＳ／Ｎ比向上のために望ましく、また圧電素子１０の破損を低減できる。

さらに、主面１１ａと主面１１ｂとで形状が異なるため、圧力センサーに組み込む際に、方向を揃えやすく、組み込んだ後に方向の間違いを発見しやすい。

電極１３ａ、１３ｂは、主面１１ａ、１１ｂの略全面に形成される。電極１３ａ、１３ｂはＡｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属を用いることが可能であるがコスト、大気中での焼成が可能な点、信頼性の優れるためＡｇを主成分とするものが好適である。電極１３ａ、１３ｂの厚みは２〜２０μｍであることが好ましい。電極１３ａ、１３ｂが金属あれば、主面１１ａ、１１ｂと後述の台座のとの形状の僅かな違いや、主面１１ａ、１１ｂの表面、あるいは台座の表面の凹凸を、電極１３ａ、１３ｂが展性により変形して吸収できる。厚みを２μｍ以上とすることで吸収が充分になり、２０μｍ以下とすることで、変形した電極１３ａ、１３ｂが圧電素子の１０の外部にはみ出すなどして不具合を生じる可能性を少なくできる。

図３（ａ）は圧電素子１１０ａを組み込んだ本発明の一実施形態の圧力センサーの縦断面図である。圧電素子１１０ａの構造の詳細は省略してあるが、図１に示すものと同じである。圧力伝達部材１４０ａ、１５０ａから伝わる圧力を台座１２０ａ、１３０ａを介して圧電素子１１０ａに伝わるようになっている。圧電素子１１０ａの電極（図示せず）に集まった電荷は、台座１２０ａ、１３０ａを導電性のものにして伝えるか、台座１２０ａ、１３０ａと圧電素子１１０ａとの間に導電性の部材を入れて伝えれば良い。台座１２０ａの圧電素子１１０ａ側は圧電素子１１０ａの主面と同じ曲率半径で凹んだ球面の形状になっている。なお、加工ばらつきなどで生じる圧電素子１１０ａと台座１２０ａとの曲率半径の僅かな差や表面の凹凸による形状の差は、圧電素子１１０ａに形成された電極や台座１２０ａ、１３０ａと圧電素子１１０ａとの間に入れた導電性の部材の変形により吸収させることができる。形状の差は、電極の厚さの１／３以下にするのが好ましい。台座１３０ａの圧電素子１１０ａ側は平面形状になっている。

このような構造をしている場合、台座１２０ａと接触している圧電素子１１０ａの接触面が球面形状の主面を有するため、台座１２０ａもしくは台座１３０ａが僅かに傾いた場合においても確実に圧電素子１１０ａへ圧力を伝達することが可能となる。特に、圧力センサーを、圧力伝達部材１５０ａの側を固定し、圧力伝達部材１４０ａ側の圧力変化を測定する際に、圧力伝達部材１４０ａ側から加わる力が圧電素子１１０ａの主面が対向する方向に平行な力だけでなく、その方向からずれた力が加わった場合に、圧電素子１１０ａと台座１２０ａとの間の接触が平面である場合に発生する、接触部の不均一性に起因するノイズ成分を少なくすることができる。つまり、接触面が平面である場合、垂直な方向からのずれのある力が加わると、微細なレベルで圧電素子１１０ａと台座１２０ａがずれたり、接触の仕方が変わったりすることにより、電荷が発生してノイズになるのである。つまり、力が変動する側が台座１２０ａ側の場合、圧電素子１１０ａと台座１２０ａとが接触する面が平面であるかどうかが重要となる。

図３（ｂ）は圧電素子１１０ｂを組み込んだ本発明の一実施形態の圧力センサーの縦断面図である。圧電素子１１０ｂの構造の詳細は省略してあるが、図１に示すものと同じである。圧力伝達部材１４０ｂ、１５０ｂから伝わる圧力を台座１２０ｂ、１３０ｂを介して圧電素子１１０ｂに伝わるようになっている。台座１２０ｂの圧電素子１１０ｂ側は円錐の表面の形状の凹面になっている。圧電素子１１０ｂに形成された電極の変形などにより、圧電素子１１０ｂと台座１２０ｂの接触面は、略円環状になる。これにより、上述の場合と同様に力の加わる方向がずれた場合のノイズの発生を抑制する効果を有する。接触面が一平面でなくなることにより、接触部の不均一性に起因するノイズは低減できるが、接触面積の大きくなる図２（ａ）の示した圧力センサーの方が好ましい。

なお、略円環状とは、接触面が一平面内にはなく、円錐の斜面の一部のように３次元の形状をしている状態を含む。また、略円環状とは、圧電素子１２０ｂや台座１２０ｂの形状が製造上ばらつきにより、僅かに変形した形状を含む。

図２（ａ）本発明の一実施形態である圧力センサー用圧電素子２０の縦断面図であり、（ｂ）はその平面図である。

圧力センサー用圧電素子２０は、圧電基体２１の対向する主面２１ａ、２１ｂに、それぞれ電極２３ａ、２３ｂを具備したものである。主面２１ａ、２１ｂの形状は外側に凸の球面であり、その曲率半径はＲ（ｍ）である。主面２１ａと主面２１ｂの間に加わる荷重により生じる電荷を電極２３ａ、２３ｂで集めて測定することにより、圧電素子２０に加わっている荷重を測定することができる。

このような形状にする場合、主面２１ａと主面２１ｂとで曲率を変えておくと、形状が異なるため、圧力センサーに組み込む際に、方向を揃えやすく、組み込んだ後に方向の間違いを発見しやすい。

図３（ｃ）、図３（ｄ）は圧電素子１１０ｃ、１１０ｄを組み込んだ本発明の一実施形態の圧力センサーの縦断面図である。圧電素子１１０ｃ、１１０ｄの構造の詳細は省略してあるが、図１に示すものと同じである。台座１３０ｃ、１３０ｄは外部構造などに固定されており、圧電素子１１０ｃ、１１０ｄは与圧部材１７０ｃ、１７０ｄにより、台座１３０ｃ、１３０ｄを介して、あらかじめ荷重（予備荷重）を加えられている。与圧部材１７０ｃ、１７０ｄは、例えば、ばねなどである。圧力伝達部材１６０ｃ、１６０ｄから力が加わると、その力の分、圧電素子１１０ｃ、１１０ｄに加わる圧力が減り、その変化を測定することにより、圧力伝部材１６０ｃに加わる荷重を測定できる。

台座１３０ｃの圧電素子１１０ｃ側は圧電素子１１０ｃの主面と同じ曲率半径で凹んだ球面の形状になっている。台座１３０ｄの圧電素子１１０ｄ側は円錐の表面の形状になっている。

このような構造の圧力センサーは、圧力伝達部材１６０ｃ、１６０ｄを台座１３０ｃ、１３０ｄから絶縁し、電圧供給などを行なえば、圧力伝達部材１６０ｃ、１６０ｄをグロープラグとしても用いることができ、グロープラグ一体型圧力センサーとなる。

圧電素子１１０ｃ、１１０ｄと台座１３０ｃ、１３０ｄとの間には微細な空間が存在しており、予備加重を大きくしてもこの空間を埋めることはできない。また、予備加重を大きくしすぎると圧電素子１１０ｃ、１１０ｄの破損するおそれがある。予備荷重はばねなどにより行なわれるが、上述の微細な空間が原因となる圧力印加冶具の微小ながたつきが発生し信号にノイズが重畳する。また、ノッキングといった内燃機関の異常燃焼といったより大きな圧力信号が印加させた場合、より顕著にノイズが重畳することになる。このような場合に、圧電素子１１０ｃ、１１０ｄの主面を球面にすることによって、圧電素子１１０ｃ、１１０ｄと台座１３０ｃ、１３０ｄとの間に微細な空間が存在しても安定して圧電素子１１０ｃ、１１０ｄに荷重を加えることが可能となるため、ノイズの重畳を低減できる。

図４（ａ）は圧電素子１１０ｅを組み込んだ本発明の一実施形態である圧力センサーの縦断面図である。圧電素子１１０ｅの構造の詳細は省略してあるが、図２に示すものと同じである。圧力伝達部材１４０ｅ、１５０ｅから伝わる圧力が台座１２０ｅ、１３０ｅを介して圧電素子１１０ｅに伝わるようになっている。台座１２０ｅ、１３０ｅの圧電素子１１０ｅ側は圧電素子１１０ｅの主面と同じ曲率半径で凹んだ球面の形状になっている。なお、加工ばらつきなどで生じる圧電素子１１０ｅと台座１２０ｅ、１３０ｅとの曲率半径の僅かな差や表面の凹凸による形状の差は、圧電素子１１０ｅに形成された電極や台座１２０ｅ、１３０ｅと圧電素子１１０ｅとの間に入れた導電性の部材の変形により吸収させることができる。形状の差は、電極の厚さの１／３以下にするのが好ましい。

このような構造をしている場合、上述の場合と同様、台座１２０ｅもしくは台座１３０ｅが僅かに傾いた場合においても確実に圧電素子１１０ｅへ圧力信号を印加することが可能となる。またこの場合、圧力伝達部材１４０ｅ、１５０ｅの双方から加わる力が変動しても、接触部の不均一性に起因するノイズを少なくすることができる。

図４（ａ）は圧電素子１１０ｆを組み込んだ本発明の一実施形態の圧力センサーの縦断面図である。圧電素子１１０ｆの構造の詳細は省略してあるが、図２に示すものと同じである。台座１２０ｆは外部構造などに固定されており、圧電素子１１０ｆは与圧部材１７０ｆにより台座１３０ｆを介して、あらかじめ荷重（予備荷重）を加えられている。与圧部材１７０ｆ、例えば、ばねなどである。圧力伝達部材１６０ｆから力が加わると、その力の分、圧電素子１１０ｆに加わる圧力が減り、その変化を測定することにより、圧力伝部材１６０ｆに加わる荷重を測定できる。

台座１２０ｆ、１３０ｆの圧電素子１１０ｆ側は圧電素子１１０ｆの主面と同じ曲率半径で凹んだ球面の形状になっている。

このような構造の圧力センサーは、圧力伝達部材１６０ｆを台座１３０ｆ、１３０ｆから絶縁し、電圧供給などを行なえば、圧力伝達部材１６０ｆをグロープラグとしても用いることができ、グロープラグ一体型圧力センサーとなる。

圧電素子１１０ｆと台座１２０ｆとの間、および、圧電素子１１０ｆと台座１３０ｆとの間には微細な空間が存在しており、予備加重を大きくしてもこの空間を埋めることはできない。また、予備加重を大きくしすぎると圧電素子１１０ｆの破損するおそれがある。予備荷重はばねなどにより行なわれるが、上述の微細な空間が原因となる圧力印加冶具の微小ながたつきが発生し信号にノイズが重畳する。また、ノッキングといった内燃機関の異常燃焼といったより大きな圧力信号が印加させた場合、より顕著にノイズが重畳することになる。このような場合に、圧電素子１１０ｆの主面を球面にすることによって、圧電素子１１０ｆと台座１２０ｆ、１３０ｆとの間に微細な空間が存在しても安定して圧電素子１１０ｆに荷重を加えることが可能となるため、ノイズの重畳を低減できる。

なお、内燃機関の燃焼圧センサーとして直接機関内の部品に組みこむ構造がとられる圧力センサーには、高い耐熱性が求められる。ビスマス層状化合物、窒化アルミおよび酸化亜鉛といった圧電材料がこのような環境下で好適に使用されるが、脆弱材料であるため、あまりに大きい予備荷重は圧電素子１１０ｄ〜１１０ｆを破損させるおそれがある。本発明の圧電素子１１０ｄ〜１１０ｆでは予備荷重を小さくしてもノイズを少なくできるため好ましい。

出発原料として純度９９．９％以上のＳｒＣＯ_３粉末、ＢａＣＯ_３粉末、Ｂｉ_２Ｏ_３粉末およびＴｉＯ_２粉末を、組成式Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２・０．４７（Ｓｒ_０．５Ｂａ_０．５ＴｉＯ_３）の比率となるように秤量した。

この主成分１００重量部に対して、０．５質量部のＭｎＯ_２粉末を秤量し混合し、純度９９．９％のジルコニアボールと、水あるいはイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と共に５００ｍｌの樹脂製ポットに投入し、その樹脂製ポットを回転台に置き１６時間混合した。

混合後のスラリーを大気中で乾燥し、＃４０メッシュを通し、その後、大気中９５０℃、３時間保持して仮焼し、この合成粉末を純度９９．９％のＺｒＯ_２ボールと水あるいはイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）と共に５００ｍｌの樹脂製ポットに投入し、その樹脂製ポットを回転台に置き２０時間粉砕した。

この粉砕した粉末に適量の有機バインダを添加して造粒し、成形して、円柱の成形体を作製した。成形体は、脱バインダ処理を行ない、次いで大気雰囲気中にて、約１１５０℃、３時間の条件で焼成を行ない、直径２ｍｍ、厚みが３ｍｍの円柱状の圧電磁器を得た。

この圧電磁器を研磨加工し、円柱の上下面の少なくとも一方が外側に凸の球面である圧電磁器を作成した、圧電磁器の上下の凸部を除く厚みは１ｍｍとした。なお主面となる上下面の表面粗さＲａは１．０μｍ以下に加工した。

圧電磁器の上下面には、シリコーンゴムの印刷面を持つ印刷機でＡｇ電極を印刷し、焼き付けた。焼成後のＡｇ電極の厚さは６μｍとした。なお、印刷は、球面の曲率半径が大きい場合には、スクリーン印刷などでも可能である。その後、２００℃のシリコンオイル中で分極処理を行った。

ステンレス製の直径２ｍｍ、圧電素子との接触面はＲが圧電素子と同じ曲率で凹面の球面の台座を作成した。また同じ材料でその他の台座、圧力伝達冶具を作製し、図３（ａ）、図３（ｃ）、図４（ａ）、図４（ｂ）および図５（ａ）〜図５（ｄ）の圧力センサーを作製した。

作製した圧力センサーに予備加重３００ＭＰａを印加し、圧力信号を三角波で周波数１００Ｈｚ、圧力３００−２５０ＭＰａで印加し圧電素子からの発生電荷をチャージアンプで検出した。圧力印加波形はキスラー社製圧力センサーを圧力伝達冶具の上に取り付けて測定した。Ｓ／Ｎ比は圧力印加波形（キスラー社製圧力センサーが検出した波形）をリファレンスとして圧電素子出力に生じているノイズを定量化してその割合を算出した。その結果を表１に示した。

表１から明らかなように、本発明の圧電素子を用いた試料Ｎｏ．１〜１０および１３〜２２ではＳ／Ｎ比が８．１％以下と低くなった。特に、１≦主面の曲率半径Ｒ／圧電素子の半径ｒ≦１０である試料Ｎｏ．１〜４、６〜９、１３〜１６および１８〜２２ではＳ／Ｎ比が２．６％以下と低くなった。

１０、２０・・・圧力センサー用圧電素子
１１、２１・・・圧電基体
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ・・・圧電基体の主面
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ・・・電極
Ｐ・・・分極方向
１１０ａ〜１１０ｆ・・・圧力センサー用圧電素子
１２０ａ〜１２０ｆ、１３０ａ〜１３０ｆ・・・台座
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｅ・・・圧力伝達部材
１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｅ・・・圧力伝達部材
１６０ｃ、１６０ｄ、１６０ｆ・・・圧力伝達部材
１７０ｃ、１７０ｄ、１７０ｆ・・・与圧部材

Claims

圧電基体の対向する主面に電極を具備してなり、一方の前記主面が外側に凸の球面であり、他方の前記主面が平面であるとともに、前記主面の間に加わる荷重により生じる電荷を測定することを特徴とする圧力センサー用圧電素子。
圧電基体の対向する主面に電極を具備してなり、両方の前記主面が外側に凸の球面であるとともに、前記主面の間に加わる荷重により生じる電荷を測定することを特徴とする圧力センサー用圧電素子。
前記圧電基体の対向する主面の間の横断面の形状が半径ｒ（ｍ）の円形状であり、前記球面の曲率半径をＲ（ｍ）とすると１≦Ｒ／ｒ≦１０であることを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサー用圧電素子
前記圧電基体の主成分がビスマス層状化合物であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧力センサー用圧電素子。
請求項１から４のいずれかに記載の圧力センサー用圧電素子の前記主面の両方に荷重を伝達する台座をそれぞれ当接させてなり、該台座の間に加わる荷重を測定する圧力センサーであって、前記主面のうち外側に凸の球面からなる主面に当接する前記台座は、当該主面との接触が略円環状の面となる凹面を有することを特徴とする圧力センサー。
請求項１から４のいずれかに記載の圧力センサー用圧電素子の前記主面の両方に荷重を伝達する台座をそれぞれ当接させてなり、該台座の間に加わる荷重を測定する圧力センサーであって、前記主面のうち外側に凸の球面からなる主面に当接する前記台座の面が、当該主面と曲率が同じで内側に凹の球面であることを特徴とする圧力センサー。