本公开涉及使用了层叠型压电元件的压力传感器。
背景技术：
将压电元件收纳于壳体内而成的构件被作为燃料喷射装置用的驱动源、压力传感器来使用。在作为驱动源使用的情况下，通过在压电元件上连接轴那样的较长的构件来向外部传递较强的力。另一方面，在作为压力传感器使用的情况下，为了通过连接厚度较薄的构件而获得高灵敏度的输出，将压电元件放入壁厚较薄的壳体内，并使压电元件的端面与壳体的内表面抵接。近年来，为了在外部与压电元件之间有效地传递力，还设计出使与压电元件抵接的部分向内侧突出而加厚壳体的壁厚的形状(例如，参照专利文献1及专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-53315号公报
专利文献2：日本特表2014-518383号公报
技术实现要素：
本公开的压力传感器的特征在于，具备：层叠型压电元件，其包含交替地层叠压电体层及内部电极而成的层叠体；以及壳体，其包围该层叠型压电元件，所述壳体包含壳体主体和从该壳体主体向内侧突出的第一凸部，该第一凸部的端面与所述层叠体的层叠方向的端面抵接，并且位于比所述层叠体的端面的外周靠内侧的位置。
附图说明
图1是表示压力传感器的实施方式的一例的概略立体图。
图2是表示图1的压力传感器的ii-ii线剖面(纵剖面)的剖视图。
图3的(a)是将图2的主要部分(a部)放大表示的剖视图，(b)是俯视观察(a)的俯视图。
图4是表示压力传感器的变形例的主要部分的剖视图。
图5的(a)是表示压力传感器的变形例的主要部分的剖视图，(b)是俯视观察(a)的俯视图。
图6是表示压力传感器的变形例的主要部分的剖视图。
图7是表示压力传感器的变形例的主要部分的剖视图。
图8是表示压力传感器的变形例的主要部分的剖视图。
图9的(a)是表示压力传感器的变形例的主要部分的剖视图，(b)是俯视观察(a)的压电元件的俯视图。
图10的(a)是表示压力传感器的变形例的主要部分的剖视图，(b)是俯视观察(a)的压电元件的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明压力传感器的实施方式的一例。在图1等中，相对于压力传感器1标注固定定义了的正交坐标系xyz。在以下的说明中，有时参照该坐标系说明方向。就压电部件1而言，可以将任一方向设为铅垂方向或水平方向，且有时将z轴方向称为上下方向或高度方向或厚度方向。另外，在关于压力传感器1仅称为俯视观察的情况下，是指沿z轴方向观察的情况。需要说明的是，并不通过以下所示的实施方式来限定本发明。
如图1～图3所示的例子那样，本实施方式的压力传感器1具备：包含交替层叠压电体层21及内部电极22而成的层叠体23的层叠型压电元件2(以下，也仅称为压电元件2)；包围层叠型压电元件2的壳体3。壳体3包括壳体主体31以及从壳体主体31的内表面向内侧突出的第一凸部32。第一凸部32的端面32a与层叠体23的层叠方向的端面抵接，并且位于比层叠体23的端面的外周靠内侧的位置。
当如图1及图2所示的空白箭头那样对压力传感器1施加压力时，会经由壳体3对压电元件2施加压力。压力传感器1将对压电元件2的压电体层21施加压力而产生的电压向外部输出。根据该电压的大小，算出压力的大小。
在本实施方式的压力传感器1中，在圆筒状的壳体3的内部空间收纳有层叠型压电元件2。为了将对壳体3的外表面施加的压力向压电元件2传递，以由壳体3的上下的壁夹持压电元件2的方式收纳压电元件2。壳体3的上侧外表面是被施加外力的面，在与该上侧外表面对置的壳体3的内表面(内部空间的顶面)设置的第一凸部32的端面与压电元件2的上端面抵接。第一凸部32的端面是向压电元件2传递外力的面。压电元件2是包含交替层叠压电体层21及内部电极22而成的层叠体23的层叠型压电元件2，第一凸部32的端面与层叠体23的层叠方向的一方的端面(上端面)抵接。层叠体23的另一方的端面(下端面)与壳体3的和下侧外表面对置的内表面(内部空间的底面)抵接。
本实施方式的压力传感器1具备从壳体3的内部空间内向外部延伸的引线端子5。引线端子5与压电元件2电连接。由压电元件2产生的电压经由引线端子5向外部输出。
在此，如图3所示的例子那样，第一凸部32的端面32a位于比层叠体23的端面(上端面)的外周靠内侧的位置。
作为压力传感器的要求，要求能在更强的应力下反复长期稳定地使用。就以往的压力传感器而言，使壳体3的壁厚较厚的部分(第一凸部32的端面)比压电元件2的端面大或与压电元件2的端面为相同的大小，因此，存在对壳体3的外表面施加的力集中在压电元件2的端面的外缘部、端面与侧面的角部附近的情况。由此，容易在压电元件2产生裂纹，存在随着裂纹的发展而压力传感器的灵敏度逐渐降低的情况。
与此相对，就本实施方式的压力传感器1而言，在对壳体3的上表面施加了应力时，该力容易施加于压电元件2的端面32a的中央区域，因此，在压电元件2的端面的外缘部产生裂纹的可能性降低。
也就是说，当壳体3的上侧的壁(顶板)发生变形且层叠型压电元件2被压缩时，第一凸部32的端面32a不会与压电元件2的上端面的外缘部接触，不会发生应力集中，因此，不易在压电元件2的端面的外缘部产生裂纹。因此，不会发生伴随反复使用引起的裂纹的发展而灵敏度降低的情况，成为可靠性优异的压力传感器1。
另外，如图4～图7所示的例子那样，壳体3也可以具有第二凸部33。第二凸部33以隔着壳体主体31与第一凸部32对置的方式设置，且从壳体主体31的外表面向外侧突出。壳体3的与压电元件2抵接的部分的厚度变厚，因此，在对压力传感器1施加有外力的情况下，即使壳体3的壳体主体部31整体发生变形，第一凸部32的端面32a的变形也较小，平坦性得以维持。因此，第一凸部32的端面32a不会与压电元件2(层叠体23)的端面单侧接触，对压电元件2的端面均匀地施加应力，因此，不易产生裂纹。
而且，如图5～图7所示的例子那样，第一凸部32与壳体主体31的交界处的剖视观察下的长度与第二凸部33与壳体主体31的交界处的剖视观察下的长度也可以不同。需要说明的是，在此所说的剖面是沿第一凸部32及第二凸部33的厚度方向、即层叠体23的层叠方向剖切而得到的剖面。
在附图中，第一凸部32与壳体主体31的交界以及第二凸部33与壳体主体31的交界由双点划线表示。换言之，在剖视观察下，第一凸部32及第二凸部33各自的靠壳体主体31侧的端部的宽度(根部的宽度)可以彼此不同。进一步说，在俯视透视观察下，第一凸部32的靠壳体主体31侧的端部的外周不与第二凸部33的靠壳体主体31侧的端部的外周重叠。第一凸部32的侧面与壳体3的内表面之间的角部、以及第二凸部33的侧面与壳体3的外表面之间的角部是因反复施加的外力引起的弯曲应力容易集中的部分。这两个角部未隔着壳体主体31而位于相同的位置，因此，与两个角部位于相同的位置的情况相比，在两个角部之间产生裂纹的可能性降低。因此，压力传感器1成为壳体3的耐久性提高了的可靠性高的压力传感器。第一凸部32的靠壳体主体31侧的端部的外周与第二凸部33的靠壳体主体31侧的端部的外周例如错开壳体主体31的厚度以上即可。在图5～图7所示的例子中，第一凸部31大于第二凸部32，但不限于此，也可以为相反的情况。若第二凸部32小于第一凸部31，则作为检测外部压力的部分的第二凸部32的端面变小，能够检测更精细的部分的压力。
另外，也可以为如图6～图10所示的例子那样，从第一凸部32的端面32a到壳体主体31的内表面，第一凸部32的壳体主体31侧(壳体3的内表面侧)变大，第一凸部32的侧面相对于壳体主体31的内表面倾斜。第一凸部32的端面与侧面之间的角部的角度成为钝角，因此，即使该角部与压电元件2的端面接触，也能减少应力的集中。因此，能够降低将因该角部接触而使应力集中的部分作为起点而在层叠体23产生裂纹的可能性。另外，由于第一凸部32的侧面与壳体主体31的内表面之间的角部的角度成为钝角，因此，能够降低由于压力传感器1的反复使用而在该角部集中应力从而在壳体主体31产生裂纹的可能性。在该方面，第二凸部33也是同样的，因此，也可以如图6及图7所示的例子那样，从第二凸部33的端面到壳体主体31的外表面，第二凸部33的壳体主体31侧变大，第二凸部33的侧面相对于壳体主体31的外表面倾斜。第一凸部32的端面与侧面之间的角部以及第一凸部32的侧面与壳体主体31的内表面之间的角部的角度例如设定为105°～150°。
而且，也可以如图7所示的例子那样，第一凸部32的端面与侧面之间的角部带有圆度而成为曲面。能够进一步降低将因该角部接触而使应力集中的部分作为起点而在层叠体23产生裂纹的可能性。同样地，第一凸部32的侧面与壳体主体31的内表面之间的角部也可以带有圆度而成为曲面。能够进一步降低将该角部作为起点而在壳体主体31产生裂纹的可能性。需要说明的是，第一凸部32的端面与侧面之间的角部带有圆度而成为曲面的结构、以及第一凸部32的侧面与壳体主体31的内表面之间的角部带有圆度而成为曲面的结构均起到与第一凸部32的侧面未倾斜的情况同样的效果。另外，第二凸部33的端面与侧面之间的角部也同样，能够降低损伤压力的测定对象物的可能性。而且，第二凸部33的侧面与壳体主体31的外表面之间的角部也同样，能够进一步降低将该角部作为起点而在壳体主体31产生裂纹的可能性。
另外，也可以如图8所示的例子那样，在第一凸部32所抵接的层叠体23的端面(上端面)与壳体主体31之间设有树脂4。更具体而言，在压电元件2的层叠体23的端面(上端面)的第一凸部32的周围设有树脂4。由于在第一凸部32的周围设置树脂4，因此，即使在对压力传感器1施加有较大的外力而壳体3发生较大变形的情况下，也能抑制第一凸部32的端面32a的位置移动。因此，能抑制第一凸部32的端面32a相对于层叠体23的端面倾斜地接触，能降低在层叠体23产生裂纹的可能性。
树脂4例如能够使用环氧系、酚醛系的树脂。也可以为包含陶瓷粒子等填充物的树脂。树脂4设于层叠体23的端面上的供第一凸部32的端面32a抵接的区域以外的区域。其厚度例如设定为0.01mm～0.5mm。通过使树脂4的厚度为不与壳体3的第一凸部32的周围的内表面(壳体主体31)接触的厚度，从而外力能够从第一凸部32的端面32a传递至压电元件2的层叠体23的端面。在树脂4由上述的材料构成、壳体3的材质由后述的不锈钢等金属构成的情况下，与壳体3相比，树脂4为充分软质，不会对层叠体23的端面的外缘部施加较大的应力，因此，树脂4也可以为与壳体3的第一凸部32的周围的内表面接触那样的厚度。另外，树脂4也可以从压电体23的端面设置到侧面。
另外，如图9所示的例子那样，内部电极22包含第一极221和第二极222。层叠体23包含在层叠方向上重叠内部电极22的第一极221及第二极222而成的活性部231与在层叠方向上未重叠内部电极22的第一极221及第二极222的不活性部232。并且，如图9所示的例子那样，第一凸部32的端面32a能够为从层叠方向观察时(俯视观察)从活性部231重叠到不活性部232的一部分的结构。这样，第一凸部32的端面32a与侧面之间的角部与层叠体23的不活性部232接触。即使在对压力传感器1施加有更强的外力的情况下，因第一凸部32的角部接触而成为裂纹的起点的位置也为不活性部232。由于裂纹的发展方向为层叠体23的侧面的方向，因此，能降低裂纹在活性部231发展的可能性，能降低损害压电元件2的功能的可能性。在从层叠方向观察第一凸部32的端面32a的外周整周与不活性部231重叠时，该效果更加可靠。但是，由于在接近层叠体23的侧面的部分容易产生裂纹，因此，第一凸部32的端面32a的外周的、最接近层叠体23的侧面(层叠体23的端面的外周)的部分与不活性部232重叠即可。在图9所示的例子中，层叠体23的端面为正方形，第一凸部32的端面32a为圆形，第一凸部32的端面32a的外周的、仅接近层叠体23的端面的边部的部分与不活性部232重叠。由于不需要使不活性部232为不必要地较大的部分，因此，能够使用活性部的比例较多的压电元件2，能够使压力传感器1为小型且高灵敏度的压力传感器。
另外，也可以如图10所示的例子那样，第一凸部32的端面32a在从层叠方向观察时仅与活性部231重叠。由于对压力传感器1施加的力仅施加于活性部231的中心部，因此，成为灵敏度较好的压力传感器1。
层叠型压电元件2具备交替地层叠多层压电体层21与内部电极层22而成的层叠体23。层叠体20例如形成为纵2mm～10mm、横2mm～10mm、层叠方向的高度1mm～20mm程度的长方体状。需要说明的是，图1所示的层叠体20为四棱柱形状，但例如也可以为六棱柱形状、八棱柱形状或圆柱形状等。
构成层叠体23的多个压电体层21由压电陶瓷构成，该压电磁器的平均粒径例如形成为1.6～2.8μm。作为压电陶瓷，例如能够使用由锆钛酸铅(pbzro3-pbtio3)等构成的钙钛矿型氧化物、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)。
另外，内部电极层22例如为以银、银-钯、银-白金、铜等金属为主成分的层。例如，正极的第一极221与负极的第二极222分别沿层叠方向交替地配置。在层叠体23的一个侧面导出第一极221，在另一侧面导出第二极222。
在层叠体20的被导出内部电极层22的第一极221及第二极222的侧面分别覆盖有外部电极24，与导出的内部电极层22接合。外部电极24例如为由银及玻璃的烧结体构成的金属化层，与内部电极层22电导通。
壳体3例如由不锈钢(例如jis规格的sus304、sus316l)等的金属材料构成。壳体3为在内部具有收纳压电元件2的空间的容器。在图1所示的例子中，壳体3为外观呈圆柱状或圆盘状的圆筒，但不限于此。在呈圆筒的情况下，由于被施加外力的上侧的壁(顶板)为圆形，因此，在被施加有外力时均匀地变形。因此，位于上侧的壁的内侧的第一凸部32的端面32a相对于压电元件2的端面不倾斜地抵接，因此优选。另外，第一凸部32的形状具有与压电元件2的层叠体23的层叠方向的端面抵接的平坦的端面32a即可。第一凸部32的形状例如为四棱柱、六棱柱、八棱柱等棱柱状、壳体主体31侧的部分比端面32a大的棱锥台状、或图1所示的例子那样的圆柱状或圆锥台状。若壳体主体31侧的形状为不具有角部的圆形状即圆柱状或圆锥台状，则在被施加外力而壳体3的上侧的壁(顶板)发生了变形时，在第一凸部32的壳体主体31侧的端部没有在外周方向上应力集中的部分，因此，能够降低裂纹进入壳体3的可能性。第二凸部33的形状最好也与第一凸部32的形状同样。壳体3例如外部尺寸设定为直径4mm～20mm、高度2.5mm～25mm，内部空间设定为直径3.4mm～19.8mm、高度1.3mm～24.8mm。壳体主体31的厚度例如设定为0.1mm～1mm。第一凸部32及第二凸部33例如设定为端面的直径1.2mm～9.8mm、厚度0.05mm～0.5mm。这样的第一凸部32及第二凸部33例如能够通过使用与这些形状对应的模具对金属进行加工而形成。
在图1及图2所示的例子中，壳体3由作为下侧的壁的底板与具有作为上侧的壁的顶板及作为侧壁的筒部的帽状的盖部这两个部分构成，底板的侧面(外周面)与盖部(筒部)的内表面的下端部例如通过焊接等接合。也可以对底板的上表面外缘部与盖部的下端部进行接合。壳体3的结构不限于此。也可以与图1及图2所示的例子相反，壳体3由作为上侧的壁的板状的盖部与具有作为侧壁的筒部及作为下侧的壁的底板的杯状的容器这两个部分构成。或者，壳体3也可以由具有作为上侧的壁的顶板及作为上侧的侧壁的筒部的帽状的盖部与具有作为下侧的侧壁的筒部及作为下侧的壁的底板的杯状的容器这两个部分构成。而且，壳体3还可以由作为上侧的壁的顶板、作为侧壁的筒部与作为下侧的壁的底板这三个部分构成。
另外，在图1及图2所示的例子中，在壳体3的底板形成有两个贯通孔。在该贯通孔分别贯穿有引线端子5，在引线端子5与贯通孔的内表面之间例如填充有玻璃、树脂等的绝缘性的密封件6。引线端子5通过密封件6固定于壳体3(的底板)。引线端子5的内部空间内的端部与压电元件2的外部电极24例如经由引线7及焊料等的接合件8电连接。由此，能够将由压电元件2产生的电压信号经由引线端子5向外部输出。引线端子5也可以不经由引线7而通过接合件8直接与压电元件2的外部电极24接合。若经由与引线端子5相比具有柔软性的引线7而将外部电极24与引线端子5连接，则能够降低由于压电元件2的伸缩而对外部电极24与引线7的连接部施加的应力。另外，也可以在壳体3的顶板设置贯通孔，使引线端子5从壳体3的上表面向外部延伸。引线端子5的从壳体3的外表面突出的长度例如能够设定为1mm～10mm。引线端子5例如使用由包覆了瓷漆的铜线等金属构成的直径0.1mm～1.0mm、长度1.5mm～25mm的线材即可。引线7例如为由铜线等金属构成的直径0.1mm～1.0mm、长度1.0mm～5.0mm的线材，例如通过点焊等与引线端子5接合。
附图标记说明
1…压力传感器
2…层叠型压电元件
21…压电体层
22…内部电极
221…第一极
222…第二极
23…层叠体
231…活性部
232…不活性部
24…外部电极
3…壳体
31…壳体主体
32…第一凸部
32a…第一凸部的端面
33…第二凸部
4…树脂
5…引线端子
6…密封件
7…引线
8…接合件。