特許 6550070 動的及び静的な圧力並びに／或いは温度を測定するための圧電測定素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6550070

(24)【登録日】2019年7月5日

(45)【発行日】2019年7月24日

(54)【発明の名称】動的及び静的な圧力並びに／或いは温度を測定するための圧電測定素子

(51)【国際特許分類】

   G01L 23/10 20060101AFI20190711BHJP

   H01L 41/047 20060101ALI20190711BHJP

   H01L 41/338 20130101ALI20190711BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20190711BHJP

   H01L 41/22 20130101ALI20190711BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20190711BHJP

   G01L 1/16 20060101ALI20190711BHJP

   G01K 7/32 20060101ALI20190711BHJP

   G01L 1/10 20060101ALI20190711BHJP

【ＦＩ】

   G01L23/10

   H01L41/047

   H01L41/338

   H01L41/187

   H01L41/22

   H01L41/113

   G01L1/16 Z

   G01K7/32 Z

   G01L1/10 A

【請求項の数】12

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-558054(P2016-558054)

(86)(22)【出願日】2015年3月20日

(65)【公表番号】特表2017-514113(P2017-514113A)

(43)【公表日】2017年6月1日

(86)【国際出願番号】CH2015000044

(87)【国際公開番号】WO2015139149

(87)【国際公開日】20150924

【審査請求日】2018年3月19日

(31)【優先権主張番号】434/14

(32)【優先日】2014年3月21日

(33)【優先権主張国】CH

(73)【特許権者】

【識別番号】502281471

【氏名又は名称】キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ソマー、ローランド

(72)【発明者】

【氏名】カヴァローニ、クラウディオ

【審査官】 大森 努

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５７−１９８８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０７３６４８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００６−２５０７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０１１３２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１０３４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２７７６１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１６４０１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１３３１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０３−５０２６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１０５９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５５７８７５９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／１０，１／１６，７／００−２３／３２，

Ｇ０１Ｌ ２７／００−２７／０２，

Ｇ０１Ｋ ７／３２，

Ｈ０１Ｌ ４１／０４７，４１／１１３，４１／１８７，４１／２２，

Ｈ０１Ｌ ４１／３３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

動的な圧力を測定するため、また追加的に温度及び／又は静的な圧力を測定するための測定素子（２）であって、前記測定素子が圧電材料で作った本体（２０、２０’）を含み、前記本体（２０、２０’）が横方向（Ｔａ）に互いに対向して配置される側面（２１、２２）を有し、その個々の上に側面電極（２１０、２２０）が配置され、前記測定素子（２）が圧電効果を利用する目的で与圧方式で縦方向（Ｌ）に測定素子台（１）内に配置することができると共に力（Ｆ）を受けることができる、測定素子（２）において、
前記本体（２０、２０’）の圧電材料は、圧電ｅテンソル（ｅｉｊｋ）がゼロ以外のスラスト係数（ｅｉｉｊ）を有するように選ばれ（ここで、ｉ（ｉ＝１．．３）とｊ（ｊ＝１．．３））、したがって、逆圧電効果は、厚みすべり振動子の形式で動作中に利用することができ、圧電ｄテンソル（ｄｉｊｋ）は、ゼロ以外の横係数（ｄｉｊｊ）を追加的に有し（ここで、ｉ（ｉ＝１．．３）とｊ（ｊ＝１．．３））、及び／又は、圧電ｄテンソル（ｄｉｊｋ）は、ゼロ以外の縦係数（ｄｉｉｉ）を有し（ここで、ｉ（ｉ＝１．．３）とｊ（ｊ＝１．．３））、したがって、横方向（Ｔａ）の横圧電効果、及び／又は、縦方向（Ｌ）の縦圧電効果は、前記本体（２０、２０’）の逆圧電効果と同時に利用することができる、ことを特徴とする測定素子（２）。

【請求項2】

前記本体（２０、２０’）の前記圧電材料は、十分な振動品質を達成する目的で、電気機械結合係数（ｋｉｉｊ^２）が０．００１よりも大きいか又は等しいように選択される、請求項１に記載の測定素子。

【請求項3】

前記本体（２０、２０’）は、圧電結晶から切り出され、前記本体（２０、２０’）が切り出されたときに露出する平面（４０）は、前記圧電結晶の主軸（ｚ）に対して、切断角度（α）に沿って配向され、本体（２０、２０’）は、ゼロ以外の、スラスト係数（ｅｉｉｊ）、横係数（ｄｉｊｊ）及び／又は縦係数（ｄｉｉｉ）を有する、請求項１又は２に記載の測定素子。

【請求項4】

前記圧電材料は、単結晶圧電材料である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の測定素子。

【請求項5】

前記圧電材料は、結晶学的な空間群Ｐ３２１に所属する単結晶圧電材料である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の測定素子。

【請求項6】

前記圧電材料は、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）と同じ結晶質構造を有する結晶である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の測定素子。

【請求項7】

前記本体（２０、２０’）の前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、Ｐｂ［Ｚｒ_ｘＴｉ_１−_ｘ］Ｏ３、０≦ｘ≦１）、チタン酸ビスマス、又は、メタニオブ酸鉛、の形式の圧電セラミックである、請求項１又は２に記載の測定素子。

【請求項8】

前記本体（２０、２０’）は、縦方向（Ｌ）に互いに対向して配置される端面（２３、２４）上の端面電極（２３０、２４０）を特徴的に有し、前記端面電極は、供給ラインを介して電子的な評価及び励起システム（３）に接続することができ、したがって、前記縦圧電効果は、前記端面電極（２３０、２４０）で測定することができ、前記逆圧電効果は、同時に励振されて前記側面電極（２１０、２２０）で測定することができる、請求項１から７までのいずれか一項に記載の測定素子。

【請求項9】

前記側面電極の一方（２１０）は、第１の端面電極（２３０）に導電接続され、前記側面電極の他方（２２０）は、第２の端面電極（２４０）に導電接続され、前記測定素子は、前記測定素子を動作させる目的のためには、２つの供給ラインを用いて電子的な励起システム（３）に接続することだけ必要である、請求項１から８までのいずれか一項に記載の測定素子。

【請求項10】

測定素子受容体（１）を含み、請求項１から９までのいずれか一項に記載の測定素子（２、２’）が機能的な接続方式でクランプされ、前記測定素子（２、２’）は、電子的な評価及び励起システム（３）に接続することができ、前記逆圧電効果は、圧電効果に加えて同時に利用することができる、センサ構造（０）。

【請求項11】

前記励起システム（３）は、２つの供給ラインを用いて、即ち、第１の端面電極（２３０）に導電接続される第１の側面電極（２１０）と、第２の端面電極（２４０）に導電接続される第２の側面電極（２２０）とで、前記測定素子（２、２’）に接続することができる、請求項１０に記載のセンサ構造（０）。

【請求項12】

測定素子受容体（１）内で縦方向（Ｌ）にクランプされる圧電体（２０）を含む測定素子を用いて静的及び動的な圧力並びに／或いは温度を測定するための方法であって、前記圧電体（２０）が、横方向（Ｔａ）に互いに隔置されてその上に側面電極（２１０、２２０）が配置される側面（２１、２２）を特徴的に有する、方法において、
前記測定素子は、請求項１から９までのいずれか一項に記載の測定素子（２、２’）であり、前記測定素子（２、２’）は、供給ラインを介して電子的な評価及び励起システム（３）に機能的に接続され、前記測定素子（２、２’）は、前記電子的な評価及び励起システム（３）を用いて電子的に励振されて厚みすべり振動周波数（ｆ）で振動する厚みすべり振動子として動作し、外力（Ｆ）又は前記温度に起因する周波数偏差は、前記静的な圧力又は前記温度を決定するために使用され、前記測定素子（２、２’）は、前記動的な圧力を決定する目的で、前記電子的な評価及び励起システム（３）の助けを借りて、前記縦方向（Ｌ）に互いに隔置される端面（２３、２４）上に端面電極（２３０、２４０）を配置することにより、横圧電効果の測定、及び／又は、縦圧電効果の測定を同時に可能とする、ことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、動的な圧力を測定するため、また追加的に温度及び／又は静的な圧力を測定するための測定素子であって、前記測定素子が圧電材料で作った本体を含み、本体が横方向に互いに対向して配置される側面を有し、その個々の上に割り当ての側面電極が配置され、測定素子が圧電効果を利用する目的で与圧方式で縦方向に測定素子台内に配置することができると共に力を受けることができる、測定素子、測定素子を備えるセンサ構造、並びに、測定素子受容体内で縦方向にクランプされる圧電体を含む測定素子を用いて静的及び動的な圧力並びに／或いは温度を測定するための方法であって、圧電体が、横方向に互いに隔置されてその上に側面電極が配置される側面を有する、方法、を記載している。

【背景技術】

【0002】

その特別な特性のおかげで、圧電物質又は圧電体を含む測定素子は、測定素子を備えるセンサ構造の幾つかに使用されている。

【0003】

国際公開第２０１２／１６４０１６号には、圧電材料の複合本体を含んでいる複数の測定素子で構成されるセンサ構造が開示されている。測定素子は、圧力及び／又は力を測定するために使用することができる。センサ構造は、小型の設計を有し、圧電材料の測定素子は、動的な力又は圧力の測定のために圧電効果を利用する目的で、与圧方式でハウジングの中に直立に配置されて互いに隔置される。力は、ダイアフラムを介して測定素子の端面に伝達される。それぞれの力又は圧力を決定するための測定信号は、測定素子のひずみに基づいて記録される。静的な力又は圧力の値を記録するために、少なくとも１つの追加の測定素子が設けられ、この追加の測定素子は、逆圧電効果を利用し、厚みすべり振動子（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｓｈｅａｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）の形式で動作する。この厚みすべり振動子は、圧電共振子の形式で動作し、測定素子の側面に適用される電極を用いて電子的な励起信号に従って振動するために励振される。厚みすべり振動子の共振周波数は、それに作用する力又は圧力に基づいて変化し、それは、静的な力又は圧力をそれぞれ決定するために使用することができる。

【0004】

そういったセンサ構造を組み立てるためには、多数の部品が必要となり、それらはハウジングの中に正確に配向されて実装されねばならず、勿論、他の測定素子の励振された高周波振動と使用する電子システムの励起電圧とによって様々の測定素子が妨害されないように、相当注意して電気的に結線されねばならない。積極的な設計の結果として、測定素子は、局所的に隔置され、したがって、ハウジング内での測定素子の設置と接触は、実際に単純化されるが、力及び／又は圧力の測定は、それ故に局所的に異なった点で行われ、したがって、不正確な測定を招くことになる。

【0005】

ＡＴ５０３５５８には、再生方式が可能な位置の出来る限り近くで、そして測定精度を改善するための、力又は圧力の測定を実施する、異なったアプローチが開示されている。圧電材料で作った本体を含む測定素子は、いわゆるＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ 表面弾性波）構造を備えた圧電測定薄層で構成される追加の第２の測定素子を具備する。測定素子は通常、圧電効果を利用することによって支配的な動的な圧力を送達する。ＳＡＷ構造は、測定素子に直接接触するように、圧電材料で作った本体上に配置されるので、さらに小型化したセンサ構造が達成される。測定素子は、同様に測定素子上に実装されて表面電極の前にＳＡＷ構造に同調されねばならない表面電極を特徴的に有し、ＳＡＷ構造は、電子的な評価及び励起システムに接続することができる。

【0006】

測定モードでは、電子的な評価及び励起システムは、ＳＡＷ構造に沿った音波（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）の形式の表面波を生成し、それらの音波のトランジットタイムは、測定素子とＳＡＷ構造に作用している力に基づいて変化する。絶対圧力は、ＳＡＷ構造を用いてトランジットタイムの変化から決定することができる。

【0007】

ＳＡＷ構造を測定素子上に固定することは、ほぼ同じ位置で圧力又は力の測定をそれぞれ可能にするマルチパート・センサ構造をもたらすが、測定素子とＳＡＷ構造とにおいて、結果として不均一な力の分配が起きる。測定素子上へのＳＡＷ構造の実装において、並びに、測定素子上への表面電極の配置において、２つの独立した圧電素子も、それら２つの圧電素子から発せられる測定信号も、互いに妨害することがない、ということが確実にされねばならない。ＡＴ５０３５５８に係るセンサ構造を実現するためには、測定素子は、ＳＡＷ構造を備えた圧電測定薄層に対して、綿密に、したがって、費用を投じた製造ステップを用いて正確に接続されねばならない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】国際公開第２０１２／１６４０１６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、ほんの少しの部品だけを使用するより単純で費用効果的なやり方で構築される測定素子とセンサ構造をそれぞれ発展させるという目的に基づき、従来技術に係る測定素子より、ずっと正確な動的及び静的な力及び／又は圧力の測定並びに／或いは温度の測定を実施することができる。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この目的は、センサ構造が、適切な圧電材料の本体を備えて２つの測定モードで同時に動作し得るただ１つの測定素子を特徴的に有することで達せられる。測定素子が一部品で製造され、圧電体を１つだけ備えるので、設置と電気的接触は、大幅に単純化され、力若しくは圧力の測定又は温度の測定は、両測定モードで１つの位置で行われる。

【0011】

本発明の目的は、添付した図面に関して例示的な方式で以下に記載する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1a】測定している数値の取得のためにそれについての圧電効果と逆圧電効果が同時に利用可能である、圧電体を含む測定素子を備えたセンサ構造の断面図である。

【図1b】図１ａに係る適切な測定素子の斜視図である。

【図2】厚みすべり振動子の形式でその動作中の圧電体の概略断面図であり、この図には本体中のすべり（ｓｈｅａｒｉｎｇ）も示されている。

【図3a】測定素子が圧電体を備え、その圧電効果と逆圧電効果が、厚みすべり振動子の形式でその動作中に測定値を取得するために同時利用することができる、センサ構造の断面を示す図である。

【図3b】図３ａに係るセンサ構造で動作するのに適した測定素子の可能的な設計の斜視図である。図３ｃにも電子的な評価及び励起システムが示されている。

【図3c】図３ａに係るセンサ構造で動作するのに適した測定素子の可能的な設計の斜視図である。図３ｃにも電子的な評価及び励起システムが示されている。

【図4a】主軸に対して角度付けされる平面で圧電体が切断される、主軸を備えた単結晶の概略斜視図である。

【図4b】石英結晶の実例を使用する主軸に対する切断角度に基づくスラスト係数と横係数の角度依存を示す図である。

【図4c】石英結晶の実例を使用する共振周波数の相対偏差の温度依存を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

記載した測定素子２は、センサ構造０に実装して、例えば、機関の燃焼室内の構成の中の、動的及び／又は静的な圧力並びに／或いは温度を測定するために使用することができる。センサ構造０は、測定素子２と測定素子受容体１から構成される。

【0014】

測定素子２は、圧電材料から形成されて測定素子受容体１の中に位置安定方式で実装される一部品の本体２０を特徴的に有し、したがって、測定素子２即ち本体２０は、測定モードで力をそれぞれ吸収することができる。この目的のために、測定素子２は、形状適合及び／又は摩擦結合の方式で縦方向Ｌに沿って、測定素子受容体１の中に可分又は不可分にクランプされる。

【0015】

このケースでは、測定素子受容体１は、ダイアフラム１０と当接部１１を特徴的に有し、その間には、本体２０がクランプされる。縦方向Ｌに本体２０上に作用している力Ｆは、測定素子２の動作中に決定することができ、支配的な圧力Ｐは、その後にそれらの力から決定することができる。本体２０は、第１の側面２１を特徴的に有し、その上には、第１の側面電極２１０が配置される。第２の側面電極２２０は、横方向Ｔａにおいて第１の側面２１の反対側に存在する第２の側面２２上に配置される。電圧信号又は電荷信号は、力又は圧力が縦方向Ｌに本体２０上に作用するときに、電子的な評価及び励起システム３によって測定することができる。電子的な評価及び励起システム３は、供給ラインを介して側面電極２１０、２２０の双方に接続される。

【0016】

提案した測定素子２は、２つの測定モードで同時に動作するために設計されており、動的な圧力は、横効果の形式の圧電（又は直接圧電）効果を利用することによって測定することができ、静的な圧力は、同じ測定素子２を用いて逆圧電効果を利用することによって、即ち、厚みすべり振動子の形式の測定素子２を動作させることによって同時に測定することができる。厚みすべり振動周波数ｆを用いた本体２０の電子的な励起は、側面電極２１０、２２０に接続された電子的な評価及び励起システム３を用いて同様に実現される。厚みすべり振動は、縦方向に平行に又はそれを横切って起き、矢印で示すが、図２を参照してより詳細に後述する。このケースでは、厚みすべり振動が励振されて、横効果のせいで電荷の測定が側面電極２１０、２２０で起きるので、電子的な評価及び励起システム３につながっている２つの供給ラインだけが必要となる。

【0017】

図１ｂによれば、本体２０は、第１の端面２３と第２の端面２４の間に延びる長さｌと、横方向Ｔａに延在する厚みａと、勿論、幅ｂも有する。このケースでは、長さｌは、本体２０が棒状の設計を有するように、幅ｂと厚みａよりもはるかに長い。斜視図であるせいで、第１の側面電極２１０を備えた第１の側面２１だけがこの図で見えている。第２の側面２２と第２の側面電極２２０は、曖昧になっている。側面電極２１０、２２０は、側面２１、２２上に平らに配置され、測定結果を改善する目的のためには、全面構造が有利であることもある。しかしながら、側面電極２１０、２２０は、側面２１、２２を部分的にカバーだけすることもあり、部分的に丸いか又は楕円形状の表面領域を用いて実現されることもある。

【0018】

測定素子２の本体２０は、圧電材料で作られ、両方の圧電効果を同時に利用することを可能にする。

【0019】

圧電材料、このケースでは本体２０、の中の圧電気が、圧電係数を備えた圧電テンソルの形式で記載されることは、よく知られている。

【0020】

３階のテンソルである圧電ｄテンソルｄｉｊｋは、適用される電場Ｅの結果として発生する本体２０のひずみＳ、又は、応力Ｔの機械的状態の関数として発生する本体２０の電気変位場Ｄを表す。

【0021】

ｄテンソルｄｉｊｋは、次の形式で定義され、

【数1】

ここで、Ｄは、電気変位場のベクトルであり、Ｔは、応力テンソルであり、Ｓは、ひずみテンソルであり、Ｅは、電場のベクトルである。

【0022】

このケースでは、圧電効果は、横方向Ｔａで利用される第１の測定モードであり、力Ｆは、縦軸Ｌに平行に延びる方向に本体２０上に作用する。圧電材料の各単位セル内の正及び負の電荷の電荷濃度が互いに対して移動するので、圧電材料内のイオンの移動の結果として分極が起きる。電圧又は電荷は、その後に横方向Ｔａにおいて測定することができる。

【0023】

横効果は、圧電ｄテンソルｄｉｊｋがゼロ以外の横係数ｄｉｊｊを有するように圧電体２０の材料が選択される場合に、利用することができ、縦軸Ｌの方向に作用する外力Ｆの影響を受けて、縦軸Ｌに直交して延びる横方向Ｔａの電荷の移動が結果的に起きる。縦軸Ｌの方向に端面２３、２４に作用する力Ｆが電圧の発生につながるように横効果の形式の圧電効果を利用する目的のためには、本体２０は、縦軸Ｌに垂直に延びる方向のゼロ以外の横感度を持たねばならない。

【0024】

このため、本体２０又は圧電材料は、圧電ｄテンソルｄｉｊｋが、ｉ＝１．．．３とｊ＝１．．．３のためにゼロ以外の横係数ｄｉｊｊを持つようにそれぞれ選択されねばならない。横係数ｄｉｊｊは、Ｃ／Ｎ（クーロン／ニュートン）で表され、選んだ材料の表からそれぞれ測定又は習得することができる。

【0025】

横圧電効果は、本体２０の材料をその横係数ｄｉｊｊがゼロに等しいように選ぶ場合には、利用することができない。

【0026】

同じ測定素子２を用いて静的な圧力を同時に測定する目的のためには、圧電体２０は、厚みすべり振動子の形式で同時に動作される。このケースでは、電子的な評価及び励起システム３は、圧電体２０を励振して、厚みすべり振動周波数ｆで振動させる。

【0027】

図２は、第１及び第２の側面電極２１０、２２０によって厚みすべり振動が励振される間の本体２０内のすべり作用を概略示している。このケースでは、実際には、側面電極２１０、２２０の領域内だけにすべり作用が生じ、端部には、すべり作用が生じないか又はすべり作用が殆ど生じない。厚みすべり振動周波数ｆは、縦方向Ｌに平行に作用する力Ｆの影響を受けて変化し、圧力Ｐの大きさは、この周波数変化から演繹することができる。本体２０には、交番電圧が作用し、これにより、メガヘルツ程度、好ましくは０．５から１００ＭＨｚの周波数の厚みすべり振動を行うように励振され、したがって、厚みすべり振動子の形式で動作する。

【0028】

逆圧電効果は、この第２の測定モードで利用され、直接の圧電効果の利用と同時にそれが起きる。

【0029】

本体２０又は厚みすべり振動子の形式の圧電材料を動作させ、それにより逆圧電効果を利用する目的のためには、圧電ｅテンソルｅｉｊｋは、ｉ＝１．．３とｊ＝１．．３のためにゼロ以外のスラスト係数ｅｉｊｊを持たねばならない。

【0030】

【数2】

厚みすべり振動子の形式でその動作中の本体２０の最高の振動品質を可能的に達成する目的のために、圧電ｅテンソルｅｉｊｋのスラスト係数ｅｉｉｊの値は、出来る限り高くすべきである。スラスト係数ｅｉｉｊの値がゼロである場合、厚みすべり振動は達成することができず、したがって本体２０は、厚みすべり振動子の形式で動作することができない。

【0031】

図１ｂによれば、側面電極２１０、２２０だけを備える本体２０は、適切な圧電材料が選ばれる場合に使用することができ、圧電横効果は、利用することができ、厚みすべり振動は、電子的な評価及び励起システム３と側面電極２１０、２２０の間の接続を用いて、本体２０の電子的な励起のせいで同時に発生することができ、したがって、逆圧電効果は、力若しくは圧力及び／又は温度をそれぞれ測定又は決定するために同様に利用することができる。

【0032】

圧電体２０に関する要件は、側面電極２１０、２２０の構成、並びに、圧電材料の選択であり、圧電ｅテンソルｅｉｊｋは、ゼロ以外のスラスト係数ｅｉｉｊを有し、圧電ｄテンソルｄｉｊｋは、ゼロ以外の横係数ｄｉｊｊをさらに有する。

【0033】

図３ａは、測定素子２’を示しており、測定素子２’は、測定素子受容体１の内部に配置され、縦方向Ｌに直接圧電効果を有する本体２０’を特徴的に有する。この縦効果では、力の作用の方向と電荷の移動の方向は、同一である。したがって、端面電極２３０、２４０は、このケースでは、縦方向Ｌに隔置した端面２３、２４上に配置される。端面電極２３０、２４０は、この実施例の端面２３、２４を完全にカバーする。

【0034】

端面電極２３０、２４０、並びに、側面電極２１０、２２０は、例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）や化学蒸着（ＣＶＤ）などの従来の方法を用いて、それぞれの表面上に蒸着される。この点に関して、最小の厚みを有する閉じた電極層を作るのに十分である。

【0035】

この実施例では、電子的な評価及び励起システム３は、供給ラインを介して端面電極２３０、２４０と側面電極２１０、２２０に接続される。縦効果のおかげで、端面電極２３０、２４０間の電荷は、縦方向Ｌに作用する力の影響下で供給ラインを介して電子的な評価及び励起システム３によって測定することができる。本体２０’が同時に励起されて厚みすべり振動子の形式で動作する場合、横方向Ｔａの逆圧電効果は、上述した形式で同時測定することもできる。

【0036】

このケースでは、圧電体２０’に関する要件は、側面電極２１０、２２０及び端面電極２３０、２４０の構成、並びに、圧電材料の選択であり、圧電ｅテンソルｅｉｊｋは、ゼロ以外のスラスト係数ｅｉｉｊを有し、圧電ｄテンソルｄｉｊｋは、ゼロ以外の縦係数ｄｉｉｉをさらに有する。

【0037】

厚みすべり振動子の最高の振動品質を可能的に達成する目的のために、圧電材料又は本体２０、２０’は、０．００１よりも大きいか又はそれと等しく、好ましくは、０．０１よりも大きいか又はそれと等しい電気機械結合係数ｋｉｉｊ^２をそれぞれ有するべきである。圧電材料では、結合係数ｋｉｉｊ^２は、消費電気エネルギに対する貯蔵機械エネルギの比を表す。

【0038】

現在まで、測定素子に使用される材料は、直接又は逆圧電効果のいずれかのために最適化され、したがって、複数の本体を備えた測定素子が使用されるべきであった。

【0039】

図３ｂは、縦圧電効果を有する圧電体２０’を備えた測定素子２’の実例を示しており、第１の端面２３と第２の端面２４は、互いに隔置され、縦方向Ｌに互いに対向して配置される。第１の端面２３は、第１の端面電極２３０を具備し、第２の端面２４は、第２の端面電極２４０を具備する。端面電極２３０、２４０は、図示しない電子的な評価及び励起システムに接続される。電圧は、タップ給電することができ、或いは、電荷は、縦方向に本体２０’に作用する力の影響を受けて端面電極２３０、２４０間で測定することができる。側面電極２１０、２２０が、このケースでは、横方向Ｔａに互いに対向して位置する側面２１、２２上にも配置することができ、本体２０’が同様に厚みすべり振動子の形式で動作することができるので、逆圧電効果は、このケースでは、縦効果と同時に圧力測定及び／又は温度測定のために利用することができる。

【0040】

測定素子２、２’の僅かに修正した実施例では、本体２０、２０’は、特別な電極の設計を特徴的に有する。このケースでは、第１の側面電極２１０は、第１の端面電極２３０に導電接続され、この接続は、最初の側面２１と最初の端面２３の間に存在する本体２０、２０’の角部で作られる。したがって、第２の側面電極２２０は、第２の端面電極２４０に導電接続される。この接続は、第２の側面２２と第２の端面２４の間に存在する本体２０、２０’の角部で作られる。本体２０、２０’は、逆圧電効果若しくは選択的な横効果、及び／又は、縦効果を有するように選ばれることがある。

【0041】

隣接する側面電極２１０、２２０と端面電極２３０、２４０の間の導電接続は、本体２０、２０’が縦効果又は横効果を有し、厚みすべり振動子の形式で動作すべき場合に特に有利である。このケースでは、電子的な評価及び励起システム３は、２つの供給ラインを用いて本体２０、２０’に単に接続されねばならない。

【0042】

圧電セラミックは、本体２０、２０’用の圧電材料として使用することができ、意図した使用に基づいて上述した要件を充足するように選ぶことができる。適切な圧電セラミックは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、Ｐｂ［Ｚｒ_ｘＴｉ_１−_ｘ］Ｏ３、０≦ｘ≦１）、チタン酸ビスマス、例えば、ＰｂＮｂ_２Ｏ_６などのメタニオブ酸鉛、の形式で利用可能である。

【0043】

しかしながら、例えば、トルマリン、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、レア・アース（Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ）の形式のＲｅを有するＲｅＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３の形式のオキシボレート、又は結晶学的な空間群Ｐ３２１に所属する結晶、例えば、α石英（α−ＳｉＯ２）又はオルトリン酸ガリウム、などの単結晶材料の形式の圧電材料は、本体２０、２０’用に使用してもよい。この空間群の他の結晶は、例えば、ランガテート（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４）やランガナイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４）、Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４、ＬａＧａ５ＧｅＯ１４、Ｃａ３ＴａＧａ３ＳｉＯ１４、Ｃａ３ＮｂＧａ３ＳｉＯ１４、Ｓｒ３ＴａＧａ３ＳｉＯ１４、又はＳｒ３ＮｂＧａ３ＳｉＯ１４、などのランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）に類似した結晶質構造を有する。

【0044】

高純度単結晶は、成長している場合があり、又は、既に商業的に入手可能であり、天然には存在しない結晶、例えば、ランガサイトも意図的に成長する場合がある。そういった単結晶で構成される圧電体２０、２０’に関する上記規定の要件を充足する目的で、意図的な調製が行われねばならない。

【0045】

図４ａは、主軸ｚを備えた石英結晶４を概略示しており、石英結晶４は、石英結晶４の主軸ｚに対して切断角度αで延びる平面４０で切断される。切り出した圧電体２０、２０’は、角度αの選び方にもよるが、異なった横係数ｄｉｊｊ、縦係数ｄｉｉｉ、及びスラスト係数ｅｉｉｊを有する。

【0046】

図４ｂは、石英結晶の例示的な線図を示しており、対応する角度依存性の横係数ｄｉｊｊとスラスト係数ｅｉｉｊは、主軸ｚに対して異なった切断角度αにそれぞれ割り当てられる。

【0047】

０°で（又は６０°で）、係数ｅ２２１は、最大であり、最高の振動品質が達成されるので、厚みすべり振動を発生させるには理想的である。残念ながら、係数ｄ２１１は、ゼロであり、横効果が存在しない。３０°（又は９０°でも）回転後には、ｄ２１１が最大であるので、最高の横感度に到達するが、係数ｅ２２１は、ゼロであり、厚みすべり振動が発生しない。

【0048】

両係数ｄｉｊｊ、ｅｉｉｊがゼロ以外であるという要件は、５°から２５°の間、３５°から５５°の間、及び、６５°から８５°の間の切断角度αで充足する。単結晶に関して、圧電体２０、２０’は、それに応じて作り出すことができ、したがって、条件が充足され、十分な振動品質を備えた厚みすべり振動が発生でき、圧電効果が同時利用できる。

【0049】

単結晶に関して、適切な角度αを見つけることができ、その角度で、切り出した圧電体２０、２０’は、ゼロ以外の縦係数ｄｉｉｉとゼロ以外のスラスト係数ｅｉｉｊとを同時に有する。このため、圧電体２０、２０’は、所望の圧電特性を達成するように、単結晶から切り出すことができる。

【0050】

厚みすべり振動子の共振周波数ｆ_Ｒは、以下の式に従って、主として弾性係数ｃ_６６、結晶密度ρ、及び、振動子の厚みｄによって決まる。

【0051】

【数3】

【0052】

弾性係数、結晶密度、及び、厚みは、温度Ｔによって決まり、したがって、振動子の温度が変化するとき、共振周波数はシフトする。こうして、温度は、厚みすべり振動子の共振周波数の決定に基づいて算出することができる。温度に依存する共振周波数ＴＣ（ｆ_Ｒ）の相対偏差は、石英の実例を用いている図４ｃに示す。

【0053】

弾性係数ｃ_６６が機械的応力にも依存する場合、共振周波数ｆ_Ｒの式は、次のように展開することができる。

【0054】

【数4】

ここで、Ｆは、厚みすべり振動子に作用する力である。このため、力は、共振周波数の決定に基づいて算出することもできる。この原理は、例えば、力センサを製造する目的で水晶振動子のＡＴカットと共に使用される。力若しくは圧力又は温度を決定する目的で厚みすべり振動のハーモニクスを評価することも勿論可能である。

【0055】

［項目１］
動的な圧力を測定するため、また追加的に温度及び／又は静的な圧力を測定するための測定素子（２）であって、前記測定素子が圧電材料で作った本体（２０、２０’）を含み、前記本体（２０、２０’）が横方向（Ｔａ）に互いに対向して配置される側面（２１、２２）を有し、その個々の上に側面電極（２１０、２２０）が配置され、前記測定素子（２）が圧電効果を利用する目的で与圧方式で縦方向（Ｌ）に測定素子台（１）内に配置することができると共に力（Ｆ）を受けることができる、測定素子（２）において、
前記本体（２０、２０’）の圧電材料は、圧電ｅテンソル（ｅｉｊｋ）がゼロ以外のスラスト係数（ｅｉｉｊ）を有するように選ばれ（ここで、ｉ（ｉ＝１．．３）とｊ（ｊ＝１．．３））、したがって、逆圧電効果は、厚みすべり振動子の形式で動作中に利用することができ、圧電ｄテンソル（ｄｉｊｋ）は、ゼロ以外の横係数（ｄｉｊｊ）を追加的に有し（ここで、ｉ（ｉ＝１．．３）とｊ（ｊ＝１．．３））、及び／又は、圧電ｄテンソル（ｄｉｊｋ）は、ゼロ以外の縦係数（ｄｉｉｉ）を有し（ここで、ｉ（ｉ＝１．．３）とｊ（ｊ＝１．．３））、したがって、横方向（Ｔａ）の横圧電効果、及び／又は、縦方向（Ｌ）の縦圧電効果は、同じ本体（２０、２０’）の逆圧電効果と同時に利用することができる、ことを特徴とする測定素子（２）。
［項目２］
前記本体（２０、２０’）の前記圧電材料は、十分な振動品質を達成する目的で、前記電気機械結合係数（ｋｉｉｊ２）が０．００１よりも大きいか又は等しく、好ましくは、０．０１よりも大きいか又は等しいように選択される、項目１に記載の測定素子。
［項目３］
前記圧電体（２０、２０’）は、圧電結晶から切り出され、前記切断平面（４０）は、前記圧電結晶の主軸（ｚ）に対して、切断角度（α）に沿って配向され、本体（２０、２０’）は、ゼロ以外の、スラスト係数（ｅｉｉｊ）、横係数（ｄｉｊｊ）及び／又は縦係数（ｄｉｉｉ）を有する、項目１又は２に記載の測定素子。
［項目４］
前記圧電材料は、例えば、トルマリン、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、又は、Ｒｅがレア・アース（Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ）である、ＲｅＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３の形式のオキシボレートなどの単結晶圧電材料である、項目１から３までのいずれか一項に記載の測定素子。
［項目５］
前記圧電材料は、例えば、石英又はＧａＰＯ４などの結晶学的な空間群Ｐ３２１に所属する単結晶圧電材料である、項目１から３までのいずれか一項に記載の測定素子。
［項目６］
前記圧電材料は、例えば、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４、Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４、Ｌａ３Ｇａ５Ｇｅ０．５Ｏ１４、Ｃａ３ＴａＧａ３ＳｉＯ１４、Ｃａ３ＮｂＧａ３ＳｉＯ１４、Ｓｒ３ＴａＧａ３ＳｉＯ１４、Ｓｒ３ＮｂＧａ３ＳｉＯ１４、Ｃａ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４、又はＳｒ３Ｇａ２Ｇｅ４Ｏ１４、などのランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）に類似した結晶質構造を有する結晶である、項目１から３までのいずれか一項に記載の測定素子。
［項目７］
前記本体（２０、２０’）の前記圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１−ｘ］Ｏ３、０≦ｘ≦１）、チタン酸ビスマス、又は、例えば、ＰｂＮｂ２Ｏ６などのメタニオブ酸鉛、の形式の圧電セラミックである、項目１又は２に記載の測定素子。
［項目８］
前記本体（２０、２０’）は、縦方向（Ｌ）に互いに対向して配置される端面（２３、２４）上の端面電極（２３０、２４０）を特徴的に有し、前記端面電極は、供給ラインを介して電子的な評価及び励起システム（３）に接続することができ、したがって、前記縦効果は、前記端面電極（２３０、２４０）で測定することができ、前記逆圧電効果は、同時に励振されて前記側面電極（２１０、２２０）で測定することができる、項目１から７までのいずれか一項に記載の測定素子。
［項目９］
前記第１の側面電極（２１０）は、第１の端面電極（２３０）に導電接続され、前記第２の側面電極（２２０）は、第２の端面電極（２４０）に導電接続され、前記測定素子は、前記測定素子を動作させる目的のためには、２つの供給ラインを用いて電子的な励起システム（３）に接続することだけ必要である、項目１から８までのいずれか一項に記載の測定素子。
［項目１０］
測定素子受容体（１）を含み、項目１から９までのいずれか一項に記載の測定素子（２、２’）が機能的な接続方式でクランプされ、前記測定素子（２、２’）は、電子的な評価及び励起システム（３）に接続することができ、前記逆圧電効果は、圧電効果に加えて同時に利用することができる、センサ構造（０）。
［項目１１］
前記励起システム（３）は、２つの供給ラインを用いて、即ち、第１の端面電極（２３０）に導電接続される第１の側面電極（２１０）と、第２の端面電極（２４０）に導電接続される第２の側面電極（２２０）とで、前記測定素子（２、２’）に接続することができる、項目１０に記載のセンサ構造（０）。
［項目１２］
測定素子受容体（１）内で縦方向（Ｌ）にクランプされる圧電体（２０）を含む測定素子を用いて静的及び動的な圧力並びに／或いは温度を測定するための方法であって、前記圧電体（２０）が、横方向（Ｔａ）に互いに隔置されてその上に側面電極（２１０、２２０）が配置される側面（２１、２２）を特徴的に有する、方法において、
前記測定素子は、項目１から９までのいずれか一項に記載の測定素子（２、２’）であり、前記測定素子（２、２’）は、供給ラインを介して電子的な評価及び励起システム（３）に機能的に接続され、前記測定素子（２、２’）は、前記電子的な評価及び励起システム（３）を用いて電子的に励振されて厚みすべり振動周波数（ｆ）で振動する厚みすべり振動子として動作し、外力（Ｆ）又は前記温度に起因する周波数偏差は、前記静的な圧力又は前記温度を決定するために使用され、前記測定素子（２、２’）は、前記動的な圧力を決定する目的で、前記電子的な評価及び励起システム（３）の助けを借りて、前記縦方向（Ｌ）に互いに隔置される端面（２３、２４）上に端面電極（２３０、２４０）を配置することにより、横方向（Ｔａ）の前記直接圧電効果の測定、及び／又は、縦方向（Ｌ）の前記直接圧電効果の測定を同時に可能とする、ことを特徴とする方法。

【符号の説明】

【0056】

０ センサ構造
１ 測定素子受容体
２ 測定素子
３ 電子的な評価及び励起システム
４ クオーツクリスタル
１０ ダイアフラム
１１ 当接部
２０ 本体（圧電性結晶又は圧電セラミック）
２１ 第１の側面
２２ 第２の側面
２３ 第１の端面
２４ 第２の端面
４０ 切断平面
２１０ 第１の側面電極
２２０ 第２の側面電極
２３０ 第１の端面電極
２４０ 第２の端面電極
ａ 厚み
ｂ 幅
ｄ 圧電ｄテンソル（３階のテンソル）
ｄｉｊｊ 横係数
ｄｉｉｉ 縦係数
ｅ 圧電ｅテンソル
ｅｉｉｊ スラスト係数
ｆ 厚みすべり振動周波数
ｋｉｉｊ 電気機械結合係数
ｌ 長さ
ｚ 主軸
Ｄ 電気変位場のベクトル
Ｅ 電場のベクトル
Ｆ 力
Ｌ 縦方向
Ｐ 圧力
Ｓ ひずみテンソル
Ｔ 応力テンソル
Ｔａ 横方向
α 主軸に対する切断角度

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図4a】

【図4b】

【図4c】