JP6622400B2 - 圧力センサおよび圧力を測定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は圧力センサに関する。ここでは、圧力あるいは機械的応力を、圧電効果を用いて測定する圧力センサに関する。ここでこの圧力センサに作用する圧力は、電荷の流れに変換される。この特性は、圧力あるいは圧力変動を測定するために利用することができる。さらに、本発明は圧力を測定するための方法に関する。

たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミックまたは石英のような圧電材料をベースにした圧力センサが知られている。図１は、このようなモノリシックな１つの圧電型圧力センサ１０１を示す。この圧力センサは、１つのモノリシックな基体１０２を備え、この基体は圧力感受性のある材料の１つの均質な層から成っている。この基体１０２の上面１０９および下面１１０上には、それぞれ１つの外部電極１０５，１０８が配設されており、こうしてこの圧力感受性材料の層は、これらの外部電極１０５，１０８の間に存在している。これらの外部電極１０５，１０８は、圧力負荷の際に発生する電気信号の取出しに用いられる。

上記のセンサ１０１では、測定される圧力は、これらの外部電極１０５，１０８に直接作用する。これには多くの欠点がある。これらの外部電極１０５，１０８は、リーク電流の発生を防ぐために、絶縁層（複数）で覆われていなければならない。さらに上記の上面および下面１０６，１０７上には、さらにこれらの外部電極１０５，１０８の電気的接続部が設けられていなければならず、こうしてこれらの面１０６，１０７は、圧力負荷用に全面的に利用することができない。これらの外部電極１０５，１０８は、妥当なコストでは不十分な平坦性でしか作製することができない金属材料を含んでいる。これらの面１０６，１０７上の凹凸は、測定の不正確さをもたらしかねない。さらに定常的に発生する負荷圧力変化の状態では、これらの外部電極は、大きな劣化効果を示し、これはこの圧力センサ１０１の寿命を短くしかねない。

したがって本発明の課題は、上述の欠点の少なくとも１つを克服することを可能とする、改善された圧力センサを提示することである。もう１つの課題は、圧力を測定するための改善された方法を提示することである。

これらの課題は請求項１に記載の圧力センサによって解決される。

本発明は１つの圧力センサを提示し、この圧力センサは１つの基体を備え、ここでこの基体は、１つの圧電材料およびこの圧電材料内に配設された少なくとも２つの内部電極を備える。ここでこれらの少なくとも２つの内部電極は、この圧電材料内に配設され、圧力印加用に設けられているこの基体の側面に圧力が作用した場合に、これらの少なくとも２つの内部電極の間に電圧が発生するように配設されている。

ここでこれらの内部電極は、これらが上記の圧電材料の２つの層の間に配設されている場合に、「圧電材料内に配設されている」と表現される。これに対応して各々の内部電極の上面および下面は、上記の圧電材料によって覆われていてよい。１つの外部電極に接する側面には、しかしながらこの圧電材料が存在しなくともよい。

上記の圧力印加用に設けられる上記の基体の側面は、具体的には上記の内部電極（複数）と並行に配設されている、この基体の１つの側面であってよい。この基体は、上記の圧力印加用に設けられる複数の側面を備えてよい。

上記の圧力センサは、任意の数の内部電極を備えてよい。具体的には、この圧力センサは、３つ以上の内部電極を備えてよい。これらの内部電極は、第１の外部電極と接続されている第１の内部電極と、第２の外部電極と接続されている第２の内部電極と、に分けることができ、ここでこれらの第１の内部電極および第２の内部電極の数は必ずしも同じでなくともよい。

上記の圧電材料内に配設されている内部電極（複数）を有する上記の圧力センサは、上述の欠点を克服することができる。上記の圧力印加用に設けられている側面は、上記の圧電材料から成っていてよい。この圧電材料は、恒常的な負荷圧力変化に際して、金属材料よりも顕著に高い負荷耐性を備え得るので、これよりこの圧力センサの寿命を長くすることができる。さらに、上記の圧電材料は、極めて良好な平坦性で製造することができ、これより上記の圧力印加用に設けられる面に凹凸が無く、そしてこれにより測定誤差が全く生じ得ない。

上記の圧力センサのもう１つの利点は、その改善された設計自由度である。この圧力センサによって生成される出力信号は、多様な数の内部電極によって、所望に制御することができる。具体的にはこの際、この信号の電流値またはこの信号の電圧を増大することができる。

さらにこの圧力センサは、１つの第１の外部電極および１つの第２の外部電極を備えてよい。上記の少なくとも２つの内部電極の各々は、この第１の外部電極またはこの第２の外部電極と接続されていてよい。この第１の外部電極は、上記の基体の第１の側面に配設されていてよい。この第２の外部電極は、上記の基体の第２の側面に配設されていてよい。この第１の側面も、またこの第２の側面も、上記の圧力印加用に設けられているものではない。これに対応して、これら第１および第２の側面は、上記の圧力印加用に設けられている側面と異なり、具体的にはこの圧力印加用の側面に対して垂直に配設されている。これらの第１および第２の側面は、互いに反対側にあってよい。

上記の第１の外部電極は、上記の少なくとも２つの内部電極に対して垂直に配設されていてよい。上記の第２の外部電極は、上記の少なくとも２つの内部電極に対して垂直に配設されていてよい。

上記の圧力は上記の内部電極（複数）に対して垂直な方向に作用するので、この圧力は、これと同じ方向に延伸する上記の外部電極に極小の力を印加する。

上記の圧力印加用に設けられている上記の基体の側面は、上記の少なくとも２つの内部電極に対して平行に配設されていてよい。これに対応して上記の圧力は、この側面に最大の力を印加する。

さらに上記の圧力センサは、上記の少なくとも２つの内部電極と接続されている１つの分析ユニットを備え、この分析ユニットは、上記の基体に作用する圧力を確定するように構成されている。この際上記の少なくとも２つの内部電極は、この分析ユニットを介して相互に電気的に接続することができ、ここでこの分析ユニットは、これら少なくとも２つの内部電極の間に流れる電流を測定し、そしてこれからこの基体に作用している圧力を確定するように構成されている。代替としてこの分析ユニットは、これら少なくとも２つの内部電極の間に印加される電圧を測定し、そしてこれからこの基体に作用する圧力を確定するように構成されていてよい。

上記の分析ユニットの構成に応じて、上記の圧力センサは、上記の基体に作用する圧力の結果生じる電気信号の電流値または電圧が特に大きくなるように構成することができる。大きな電圧は、少ない数の内部電極の際に生じる。大きな電流値は、内部電極の数が多い場合に生じる。

上記の圧電性の基体は、チタン酸ジルコン酸鉛を備えてよい。代替としてこの圧電基体は、他の圧電材料、たとえば圧電性の石英を備えてよい。上記の内部電極（複数）は、銀，銀−パラジウム，または銅を含んでよく、あるいはこれらの材料の１つから成っていてよい。

上記の第１および第２の外部電極は、部分的にガラスを含む、銀，銀−パラジウム，または銅、を含むかまたはこれらからなる１つの焼成メタライジング部を備えてよい。さらに上記の第１および第２の外部電極は、ＣｕＡｇまたはＣｒＮｉＡｇを含むスパッタ層を備えてよい。

もう１つの態様によれば、本発明は圧力を測定するための方法に関する。

本発明は、１つの圧力センサを用いて圧力を測定する方法を提示し、ここでこの圧力センサは、１つの基体を備え、この基体は、１つの圧電材料，この圧電材料内に配設された少なくとも２つの内部電極，１つの第１の外部電極，および１つの第２の外部電極を備え、これら少なくとも２つの内部電極の各々は、この第１の外部電極またはこの第２の外部電極と接続されており、この第１の外部電極は、この基体の１つの第１の側面上に配設されており、この第２の外部電極は、この基体の１つの第２の側面上に配設されており、そしてさらにこの基体は、この第１の外部電極およびこの第２の外部電極が存在しない、１つの第３の側面を備える。本方法では、測定される圧力はこの第３の側面に印加される。

具体的には、上述の圧力センサは、以下に説明する態様の方法に対して使用することができる。これに対応して、上記の圧力センサに対して開示された構造的および機能的な特徴全ては、この方法にも当てはまるものである。

以下に説明する方法では、測定される圧力は、この基体の電極の存在しない側面上に印加される。これにより様々な利点を達成することができる。上記の圧力印加用に設けられている第３の側面は、上記の圧電材料から成っていてよい。この圧電材料は、恒常的な負荷圧力変化に際して、金属材料よりも顕著に高い負荷耐性を備え得るので、これよりこの圧力センサの寿命を長くすることができる。さらに、上記の圧電材料は、極めて良好な平坦性で製造することができ、これより上記の圧力印加用に設けられる面に凹凸が無く、そしてこれにより測定誤差が全く生じ得ない。

さらに上記の第３の側面上に印加される圧力の結果、上記の少なくとも２つの内部電極の間に電圧が発生し、ここでこの圧力センサは、さらに上記の少なくとも２つの内部電極と接続されている１つの分析ユニットを備えてよい。本方法は、上記の基体に作用する圧力を、この分析ユニットによって測定された電流値に基づいて、またはこの分析ユニットによって測定された電圧に基づいて確定するステップを備えてよい。

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。

従来技術で公知のモノリシックな圧力センサを示す。 １つの圧力センサの１つの第１の実施形態例を示す。 圧力作用下での１つの圧電材料の分極の変化を概略的に示す。 １つの圧力センサの１つの第２の実施形態例を示す。

図２は、１つの第１の実施形態例による、１つの圧力センサ１を示す。この圧力センサ１は、１つの基体２を備え、この基体は１つの圧電材料１３を備える。この基体２内には、第１の内部電極（複数）３および第２の内部電極（複数）４が配設されている。この際これらの内部電極３，４は、それぞれこの圧電材料１３の層（複数）の間に配設されている。

これらの第１の内部電極３は、１つの第１の外部電極５と電気的に接続されている。この第１の外部電極５は、基体２の第１の側面６上に配設されている。ここでこの基体２の第１の側面６ならびにこの第１の外部電極５は、内部電極（複数）３，４に対して垂直になっている。さらに第１の内部電極３は、第１の側面６の反対側にある第２の外面７に対して後退している。この第２の側面７上には、１つの第２の外部電極８が配設されている。第１の内部電極３は、この第２の外部電極８とは接続されていない。

第２の内部電極（複数）４は、１つの第２の外部電極８と電気的に接続されている。これらの内部電極４は、第１の側面６に対して後退しており、そしてこれに対応して、第１の外部電極５とは電気的に接続されていない。

内部電極（複数）３，４に対して垂直になっている積層方向Ｓにおいて、第１の内部電極（複数）３と第２の内部電極（複数）４とは交互になっており、ここでそれぞれ２つの内部電極３，４の間に、圧電材料１３から成る１つの層が配設されている。

さらに基体２は、圧力印加用に設けられている、少なくとも１つの側面９，１０を備える。圧力がこの基体２に作用する方向は、図１においては２つの対応する矢印によって示されている。これらの圧力印加用に設けられている側面９，１０は、内部電極３，４に対して平行に延伸している。図１に示す圧力センサでは、上側の側面９および下側の側面１０がこの圧力印加用に設けられている。

ここで圧力が上記の圧力印加用に設けられている側面９に作用すると、これよりこの圧力は、基体２の圧電材料１３に作用する。以上により、圧電効果のために、この圧力の作用下で、この圧電材料１３の分極が変化される。これには、この圧電材料１３内で発生する電荷の集合が関係しており、この電荷は内部電極３，４を介して放電され得る。この圧力センサ１に作用する圧力が大きくなるほど、より多くの電荷がこの基体２内に生成され、そしてこれらの内部電極３，４を介してそれぞれの外部電極５，８に放電される。

基体２内に生成される電界と、この基体２に印加される圧力との間の関係は、以下の２つの式（１）および（２）によって記述される。

ｓ ＝ ｄ_３３Ｅ ＋ ｓ_３３Ｔ （１）
Ｄ ＝ ε_３３ε_０Ｅ ＋ ｄ_３３Ｔ （２）

ここでｓは基体２の機械的伸長を与え、Ｄは電束密度を与え、Ｅは圧電効果の結果生じる電界の電界強度を与え、Ｔは基体に作用する機械的応力を与え、ｄはこの基体２の圧電材料１３の圧電定数を与え、ε_３３およびε_０は誘電定数を与え、そしてｓ_３３はコンプライアンスを与える。さらにこれらの式（１）および（２）においては、圧力軸、分極軸、および検出軸がそれぞれ一致して、積層方向Ｓにあり、この積層方向はここでは３３方向としても示されている。

ここで上記の生成された電界が測定されると、これから基体２に作用している圧力を計算することができる。この電界を測定するために、外部電極５，８に印加される電圧か、またはこれらの外部電極５，８を短絡した際に流れる電流の電流値が測定されてよい。

図３には、圧電材料１３の分極方向１２が、圧力作用下で変化することが示されている。部分図ｉは、圧力の作用無しの場合の分極を示し、部分図ｉｉは圧力作用有りの場合の分極を示す。

図４は、圧力センサ１を用いた圧力測定のための１つの可能な構成を示し、ここでは１つの第２の実施形態例による１つの圧力センサ１が用いられている。この第２の実施形態例による圧力センサ１は、第１および第２の内部電極３，４の数が、上記の第１の実施形態例による圧力センサ１と異なっている。

さらにこの圧力センサ１は１つの電子分析ユニット１１と接続されている。図４に示す実施形態例によれば、第１の外部電極５および第２の外部電極８は、この電子分析ユニット１１を介して互いに電気的に接続されている。これに対応して、圧力が基体２に作用した場合に、この第１の外部電極５からこの分析ユニット１１を介して第２の外部電極８まで電流が流れる。この分析ユニット１１は、この電流の電流値を測定するように構成されている。この測定値から基体２に作用している圧力を計算することができる。

１つの代替の実施形態例によれば、第１の外部電極５および第２の外部電極８は、この分析ユニット１１を介して互いに短絡されない。この場合この分析ユニット１１は、これら２つの外部電極５，８の間に印加される電圧を確定し、そしてこれから基体２に作用している圧力を計算することができる。

本願に記載する、基体２内に配設された内部電極３，４を有する圧力センサ１は、図１に示すモノリシックな圧力センサ１０１に対して顕著な利点を備える。具体的には、この圧力センサ１は、圧力負荷が、外部電極５，８が存在する側面６，７に作用しないように構成されている。上記の圧力印加用に設けられている側面９，１０は、１つの電気的に絶縁性の圧電材料１３から成っている。このため、リーク電流を避けるための追加的な絶縁層は全く必要でない。さらにこれらの圧力印加面上には電気的接続部が全く無く、これによりこれらの面は全面的に圧力負荷を受けることができる。これに対し、外部電極が上記の圧力印加用の側面に設けられていると、これよりこの面の一部は、これらの外部電極の電気的接続のために使用されなければならない。

この圧力印加用に設けられている側面は、圧電材料１３から成っているので、この側面は高い平坦性で製造することができ、これからとりわけ高い測定精度がもたらされ得る。圧電材料１３からなる面（複数）は、金属で製造可能な面よりも少ないコストで非常に良好な平坦性で製造することができる。さらに圧電材料１３は、負荷圧力変化に対して極めて耐久性があり、こうして圧電材料１３から成る側面は、圧力センサ１の寿命を長くすることができる。

本願に記載する圧力センサのもう１つの利点は、その改善された設計自由度である。内部電極の数を所望に変更することができることにより、これらの内部電極を介して放電される出力電荷あるいはこれらの内部電極間に印加される電圧を所望に調整することができる。これらの値の間の関係は、以下の式（３）〜（５）で記述される。

Ｑ_ｎ ＝ ｎ・Ｑ_０ （３）
Ｕ_ｎ ＝ Ｕ_０／ｎ （４）
Ｅ_ｎ ＝ （Ｑ_ｎ・Ｕ_ｎ）／２ ＝ （Ｑ_０・Ｕ_０）／２ ＝ Ｅ_０ （５）

ここでｎは、圧電層の数を与える。Ｑ_ｎは、ｎ個の圧電層を有する圧力センサ１の電荷出力を与える。Ｑ_０は、組込まれた内部電極（複数）を有せず、かつ同体積のモノリシックな圧力センサ１０１の電荷出力を与える。Ｕ_ｎは、外部電極５，８の間に印加される、ｎ個の圧電層を有する圧力センサ１の、これらの外部電極が互いに短絡されていない場合の開放電圧を与える。Ｕ_０は、これに対応するモノリシックなセンサ１０１の外部電極１０５，１０８の間に印加される開放電圧を与える。Ｅ_ｎは、ｎ個の圧電層を有する圧力センサ１の出力エネルギーを与え、この出力エネルギーは開放電圧と電荷出力との積に比例している。Ｅ_０は、モノリシックなセンサ１０１の出力エネルギーを与える。

上記の式（３）〜（５）は、出力エネルギーＥ_ｎが内部電極３，４の数に依存しないことを示している。これに対して、電荷出力Ｑ_ｎは、内部電極３，４の数に反比例している。この電荷出力Ｑ_ｎは、実質的に２つの外部電極５，８を接続した場合の電気信号の電流値を確定し、内部電極の数に直接比例している。上記の出力電流の電流値に基づいた測定が行われることになる分析ユニット１１用には、したがって多数の内部電極３，４を有する圧力センサが有利である。これはここで大きな出力電流値が達成されるからであり、これによってこのセンサ１の感度を大きくすることができるからである。これに対して、分析ユニット１１が上記の出力電圧に基づいて測定するセンサ１用には、少ない数の内部電極３，４を有するセンサ１が有利である。これはこのようにして最大の感度を達成することができるからである。

１ ： 圧力センサ
２ ： 基体
３ ： 第１の内部電極
４ ： 第２の内部電極
５ ： 第１の外部電極
６ ： 第１の側面
７ ： 第２の外面
８ ： 第２の外部電極
９ ： 圧力印加用に設けられている上側の側面
１０ ： 圧力印加用に設けられている下側の側面
１１ ： 分析ユニット
１２ ： 分極方向
１３ ： 圧電材料

１０１ ： 圧力センサ
１０２ ： 基体
１０５ ： 外部電極
１０８ ： 外部電極
１０９ ： 上側の側面
１１０ ： 下側の側面

Ｓ ： 積層方向

Claims (13)

1. 圧力センサ（１）であって、
   １つの基体（２）を備え、
   前記基体は、１つの圧電材料（１３）および当該圧電材料（１３）内に配設された少なくとも２つの内部電極（３，４）を備え、
   前記内部電極は、圧力印加用に設けられている前記基体（２）の側面（９，１０）に圧力が作用した場合に、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）の間に電圧が発生するように配設され、
   前記圧力センサ（１）は、１つの第１の外部電極（５）および１つの第２の外部電極（８）を備え、
   前記少なくとも２つの内部電極（３，４）の各々は、前記第１の外部電極（５）または前記第２の外部電極（８）と接続されており、
   前記第１の外部電極（５）は、前記基体（２）の第１の側面（６）上に配設されており、
   前記第２の外部電極（８）は、前記基体（２）の第２の側面（７）上に配設されており、
   前記第１の側面（６）も、また前記第２の側面（７）も、前記圧力印加用に設けられているものではなく、
   前記圧電材料（１３）は、前記基体（２）に前記圧力が印加されたときに、その分極方向が変化する、
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 圧力印加用に設けられている前記基体（２）の側面（９，１０）は、前記圧電材料（１３）から成っていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 請求項１に記載の圧力センサにおいて、
   前記第１の外部電極（５）は、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）に対して垂直に配設されており、
   前記第２の外部電極（８）は、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）に対して垂直に配設されている、
   ことを特徴とする圧力センサ。
4. 前記圧力印加用に設けられている前記基体（２）の側面（９，１０）は、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）に対して平行に配設されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 請求項１または４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて、
   さらに前記圧力センサ（１）は、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）と接続されている１つの分析ユニット（１１）を備え、
   前記分析ユニットは、前記基体（２）に作用する圧力を確定するように構成されている、
   ことを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項５に記載の圧力センサにおいて、
   前記少なくとも２つの内部電極（３，４）は、前記分析ユニット（１１）を介して相互に電気的に接続されており、
   前記分析ユニット（１１）は、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）の間に流れる電流を測定し、そしてこれから前記基体（２）に作用している圧力を確定するように構成されている、
   ことを特徴とする圧力センサ。
7. 前記分析ユニット（１１）は、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）の間に印加される電圧を測定し、そしてこれから前記基体（２）に作用する圧力を確定するように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の圧力センサ。
8. 圧電性の前記基体（２）は、チタン酸ジルコン酸鉛のセラミックを備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
9. 前記内部電極（３，４）は、銀，銀−パラジウム，または銅を含むことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧力センサ。
10. 前記第１および第２の外部電極（５，８）は、部分的にガラスを含む、銀，銀−パラジウム，または銅、からなる１つの焼成メタライジング部を備えることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧力センサ。
11. 前記第１および第２の外部電極（５，８）は、ＣｕＡｇまたはＣｒＮｉＡｇから成るスパッタ層を備えることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧力センサ。
12. １つの圧力センサ（１）を用いて圧力を測定するための方法であって、
    前記圧力センサ（１）は、１つの基体（２）を備え、前記基体は、１つの圧電材料，この圧電材料内に配設された少なくとも２つの内部電極（３，４），１つの第１の外部電極（５），および１つの第２の外部電極（８）を備え、
    前記少なくとも２つの内部電極（３，４）の各々は、前記第１の外部電極（５）または前記第２の外部電極（８）と接続されており、
    前記第１の外部電極（５）は、前記基体（２）の第１の側面（６）上に配設されており、
    前記第２の外部電極（８）は、前記基体（２）の第２の側面（７）上に配設されており、
    前記基体はさらに、１つの第３の側面（９）を備え、
    前記第３の側面には、前記第１の外部電極（５）および前記第２の外部電極（８）が存在せず、
    測定される前記圧力は、前記第３の側面（９）に印加され、
    前記圧電材料（１３）は、前記基体（２）に前記圧力が印加されたときに、その分極方向が変化する、
    ことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、
    前記第３の側面（９）上に印加される圧力の結果、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）の間に電圧が発生し、
    前記圧力センサ（１）はさらに、前記少なくとも２つの内部電極（３，４）と接続されている１つの分析ユニット（１１）を備え、
    前記方法は、前記基体（２）に作用する圧力を、前記分析ユニット（１１）によって測定された電流値に基づいて、または前記分析ユニット（１１）によって測定された電圧に基づいて確定するステップを備える、
    ことを特徴とする方法。

Images