JP2004279397A - ワイヤレス温度計測モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイヤレス温度計測モジュールにおいて、高温計測を行うこと。
【解決手段】電波を送受信するアンテナ部と、該アンテナ部に励振電極が接続された表面弾性波素子とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、アンテナ部は、外部に露出された導体線Ｗによって構成する。この導体線Ｗの芯材Ｃは、高温下でも形状を維持することができるＮｉやハステロイ（登録商標）等のＮｉ基合金によって構成する。芯材Ｃの表面には、金、白金、銅、銀のうちのいずれかからなる低抵抗層Ｌを設ける。導体線Ｗの表面（最外層）には、絶縁材料からなる絶縁層Ｆを形成する。
【選択図】 図２
【解決手段】電波を送受信するアンテナ部と、該アンテナ部に励振電極が接続された表面弾性波素子とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、アンテナ部は、外部に露出された導体線Ｗによって構成する。この導体線Ｗの芯材Ｃは、高温下でも形状を維持することができるＮｉやハステロイ（登録商標）等のＮｉ基合金によって構成する。芯材Ｃの表面には、金、白金、銅、銀のうちのいずれかからなる低抵抗層Ｌを設ける。導体線Ｗの表面（最外層）には、絶縁材料からなる絶縁層Ｆを形成する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面弾性波素子を用いたワイヤレス温度計測モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体、セラミックス等の製造プロセスでは、チャンバ内やトンネル電気炉内の加工されるワークの位置における温度を動的にかつ精密に測定する必要がある。従来、このような温度計測の手段として、熱電対やサーミスタ等がよく用いられている。このような計測方法はセンサからの信号を取り込むためのケーブル及びセンサに電力を供給するためのケーブルが必要なため、真空のチャンバ内やトンネル炉内のようなワークが移動する場所の測定は非常に困難である。
【０００３】
電池を使用したワイヤレス或いは記憶による温度測定方法もあるが、回路が複雑で高価であり、回路及び電池が耐えられる温度限界があるため、測定できる温度範囲は制限される。また、回路を保温材で保護する方法もあるが、その場合は長時間の測定が困難である。このため、ワイヤレスによる遠隔計測可能なかつセンサ本体に電源を必要としない温度センサの開発が望まれている。
【０００４】
近年、この研究の一環として、例えば下記特許文献１、２、３に記載されているように、表面弾性波（以下、ＳＡＷとも略称する）素子を用いるワイヤレスセンサシステムが提案されている。なお、表面弾性波素子として水晶基板が用いられている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第４，６２０，１９１号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，１４４，３３２号明細書
【特許文献３】
特開平７−１２６５４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、以下の課題が残されていた。すなわち、このような用途に用いられるアンテナは、帯域幅が狭いためにその形状が送受信性能に強く反映される。そして、上記従来のワイヤレスセンサシステムを高温下で使用した場合、熱によってアンテナ自体が変形してしまうため、信号が不安定になって送受信ができなくなってしまう。このため、上記従来のワイヤレスセンサは、高温下での測定に用いることができなかった。
また、従来の構成は比較的大きな構成であるため、半導体、セラミックス等のプロセス装置中などの狭いスペースで測定ができない場合もあった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高温計測を行うことができるワイヤレス温度計測モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、電波を送受信するアンテナ部と、該アンテナ部に励振電極が接続された表面弾性波素子とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、前記アンテナ部が、外部に露出された導体線によって構成され、該導体線の芯材が、ＮｉまたはＮｉ基合金によって構成されていることを特徴とする。
【０００９】
このワイヤレス温度計測モジュールでは、アンテナ部が導体線のみによって構成されており、この導体線の芯材が、高温下でも形状を維持することができるＮｉ（ニッケル）またはＮｉ基合金によって構成されているので、熱によるアンテナ部の変形が生じにくく、高温下でもアンテナ性能の低下が生じにくい。
また、アンテナ部が導体線のみによって構成されているのでアンテナ部の熱容量が小さく、また導体線は外部に露出されていて周辺雰囲気に接触する面積が大きい。このため、周囲の温度変化に追従してアンテナ部の温度も迅速に変化し、雰囲気に対して素早く熱平衡状態となるので、ワイヤレス温度計測モジュール全体としての周辺雰囲気の温度変化に対する追従性が高く、測定対象の温度変化の測定精度が高い。
なお、このワイヤレス温度計測モジュールでは、送受信距離や信号強度を最優先とし、かつ設置スペースが十分に確保できる場合には、アンテナ部を、棒状の導体線を用いたダイポールアンテナやホイップアンテナとする。
ここで、本明細書中でいう導体線とは、線材に限られるものではなく、幅の狭い帯状の導体板も含んでいる。
【００１０】
また、このワイヤレス温度測定モジュールは、前記導体線の少なくとも一部が螺旋状に形成されていることを特徴とする。すなわち、アンテナ部を構成する導体線の少なくとも一部が螺旋状に形成されていて、これによって導体線にインダクタンス成分をもたせているので、アンテナ部の全長をλ／４よりも短縮することが可能となり、アンテナ部をその性能を維持しつつ小型化することができる。ここで、導体線において螺旋状に形成される部分の形状は、アンテナ性能を大きく左右するものであるが、このワイヤレス温度測定モジュールでは、導体線に熱による変形が生じにくいので、高温下で使用しても、螺旋状に形成される部分の形状が維持され、アンテナ性能の低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、このワイヤレス温度測定モジュールは、前記芯材の表面に、金、白金、銅、銀のうちのいずれか、或いはこれらのうちのいずれかの合金からなる低抵抗層が設けられていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、導体線の芯材の表面が、低抵抗の上記金属層によって被覆されている。この金属層を構成する金属は、抵抗率の温度係数が芯材よりも小さいものであり、このような材質で芯材を被覆された導体線は、温度上昇による抵抗の増加が少ないので、温度上昇によるアンテナ性能の低下を防ぐことができる。
また、導体線の芯材の表面が、低抵抗の上記金属層によって被覆されているので、アンテナ部の高周波抵抗を低減して、アンテナ性能を向上させることができる。
【００１２】
また、このワイヤレス温度計測モジュールは、前記導体線の表面に、絶縁材料からなる絶縁層が形成されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、導体線が絶縁材料によって被覆されているので、アンテナ部に外部から静電気や漏電電流等の電流が直接入力されることがなく、表面弾性波素子内でのサージ電流の発生が防止されて、表面弾性波素子の損傷が防止される。
そして、絶縁層の厚みを厚くするか、絶縁層を低誘電率の絶縁材料によって構成するなどして絶縁層の静電容量を表面弾性波素子の静電容量に対して十分小さくすることで、電磁誘導や静電誘導によって表面弾性波素子に加わる電圧を小さくして、電磁誘導や静電誘導由来の表面弾性波素子内でのサージ電流の発生を防止することができる。
【００１３】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記アンテナ部と前記励振電極とが、整合回路部を介して接続されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、アンテナ部と励振電極とが、整合回路部を介して接続されているので、整合回路部によりインピーダンスマッチングを行うことができ、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００１４】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記整合回路部が、インダクタによって構成されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、インダクタ１点によって、インピーダンスマッチングを行うことができるため、損失を小さくすることができ、より効率よく送受信することが可能となる。
また、アンテナ部が、インダクタを介して接続されており、直流的に短絡されているので、アンテナ部に入力した静電気を逃がすことができる。また、広い周波数成分を含むサージが入力してもアンテナ部の共振周波数以外の周波数成分を逃がすことができる。したがって、表面弾性波素子に過剰な電圧がかかることがなく、表面弾性波素子の損傷が防止される。
【００１５】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記表面弾性波素子が、パッケージ内に密封されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、表面弾性波素子がパッケージ内に密封されているので、測定環境の雰囲気ガスによって表面弾性波素子が劣化することがなく、高い信頼性を得ることができる。
【００１６】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、 前記表面弾性波素子が、前記励振電極を表面に有する圧電基板を有し、該圧電基板が、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４単結晶で形成されていることが好ましい。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、表面弾性波素子における励振電極を表面に有する圧電基板がランガサイト単結晶で形成されているので、ＬｉＴａＯ３や水晶等とは異なり、融点（１４８０°Ｃ）まで相転移の発生はなく、安定な圧電性を保持するため、より高い温度計測が可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールは、図１に示すように、電波を送受信するアンテナ部１と、該アンテナ部１に励振電極２が接続された表面弾性波素子３と、アンテナ部１と励振電極２との間に介された整合回路部４とを有している。これらのうち、表面弾性波素子３及び整合回路部４は、耐熱性を有する絶縁材料（例えばアルミナ等のセラミックス）からなるパッケージ５に収納されている。
【００１９】
上記アンテナ部１は、パッケージ５の上方に突出して設けられている。
アンテナ部１は、パッケージ５外に露出された導体線Ｗによって構成されている。なお、この導体線Ｗとしては、線材以外にも、幅の狭い帯状の導体板を用いることができる。
図２に示すように、この導体線Ｗの芯材Ｃは、高温下でも形状を維持することができる材質、具体的にはＮｉや、ハステロイ（登録商標）等のＮｉ基合金によって構成されている。
【００２０】
ここでは、導体線Ｗ全体を螺旋状に形成して、導体線Ｗに所望のインダクタンス成分をもたせることで、アンテナ部１の全長を短くしている。すなわち、アンテナ部１をヘリカルアンテナとしている。
【００２１】
また、導体線Ｗの芯材Ｃの表面には、白金からなる低抵抗層Ｌが設けられている。
さらに、導体線Ｗの表面（最外層）には、絶縁材料（例えばガラス）からなる絶縁層Ｆが形成されている。
【００２２】
上記表面弾性波素子３は、パッケージ５の中央部に形成された溝部５ａ内に接着固定されて搭載され、該溝部５ａ上部を蓋部材６により塞いでキャブセル５ｂを形成している。なお、この際、キャブセル５ｂ内は真空或いは不活性ガスで充填され密封されている。
【００２３】
上記表面弾性波素子３は、励振電極２を表面に有する圧電基板７がＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ランガサイト）単結晶で形成されている。
上記励振電極２は、対向して配された一対の櫛形電極であり、各櫛形電極には、それぞれ別のアンテナ部１が整合回路部４を介して接続されている。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールは、２つのアンテナ部１で構成されたダイポール構造を有している。
【００２４】
なお、パッケージ５には、アンテナ部１と整合回路部４とが接続される端子８が設けられている。図１に示す例では、この端子８は、一部を溝部５ａ内に露出させた状態にしてパッケージ５内に埋め込まれており、この端子８において溝部５ａ内に露出した領域と整合回路部４とが、ボンディングワイヤ９にて電気的に接続される。これに限らず、端子８と整合回路部４とをフリップチップ接続等によって電気的に接続してもよい。また、端子８においてパッケージ５内に埋め込まれる領域には、アンテナ部１の導体線Ｗが接続されている。アンテナ部１は、このように端子８との接続部をパッケージ５内に埋め込まれることによってパッケージ５に保持されている。
【００２５】
上記圧電基板７の表面には、励振電極２の櫛形に平行にかつ離間した位置にそれぞれ所定距離を開けて棒状金属パターンの反射子１０が複数本形成されている。
【００２６】
上記整合回路部４は、圧電基板７上に設けられている。図１では、整合回路部４を圧電基板７上に形成した例を示している。この場合には、圧電基板７上には、圧電基板７の誘電性を利用し、整合回路部４を構成する導体パターンが設けられる。そして、整合回路部４は、この導体パターンの形状を制御して必要なコンデンサ及びインダクタとして電極板及びコイルを構成して作製されている。
【００２７】
上記パッケージ５は、いわゆるセラミックスのグリーンシートに端子８となる導体パターンをスクリーン印刷したものを積層し、さらにアンテナ部１の導体線Ｗを端子８となる導体パターンに接続したのちに焼結させて構成されている。なお、予めグリーンシートには、溝部５ａとなる領域に孔が形成されており、積層状態で溝部５ａを構成するようになっている。
【００２８】
次に、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを用いた温度計測方法について、説明する。
【００２９】
まず、測定対象のワークに直接又はその近傍に本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを取り付け、チャンバ内やトンネル炉内等の所定位置に設置する。また、遠隔計測するための基地局（図示略）を設置し、該基地局から表面弾性波素子３の周波数と一致したバースト信号を出力する。
ワイヤレス温度計測モジュールは、アンテナ部１によりバースト信号を受信すると共に、励振電極２の一方の櫛形電極により電気エネルギーをＳＡＷに変換し、このＳＡＷが圧電基板７の表面に伝搬して他方の櫛形電極を通り再び電磁波に変換して放射する。
【００３０】
したがって、バースト信号が放射されてしばらく後に返信波が基地局に返ってくることになる。圧電基板７上のＳＡＷは温度によって伝搬速度が変化するため、上記返信波が返ってくる時間を測定することにより、基地局の演算回路においてＳＡＷの温度遅延から温度を算出する。
【００３１】
なお、本実施形態では、反射子１０を圧電基板７上に設けているので、一方の櫛形電極で発生したＳＡＷは、各反射子１０で反射して他方の櫛形電極でそれぞれ電磁波に変換されて放出される。したがって、各反射子１０と櫛形電極との距離の相違により、反射信号にパルス序列が得られるので、ワイヤレス温度計測モジュール個別の返信波信号を得ることができる。これにより、複数のワイヤレス温度計測モジュールで別々の反射子１０構成を採用することで、各ワイヤレス温度計測モジュールを個別認識することができる。
【００３２】
本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、アンテナ部１は導体線Ｗのみによって構成されており、この導体線Ｗの芯材Ｃが、高温下でも形状を維持することができる、Ｎｉ（ニッケル）またはＮｉ基合金によって構成されているので、熱によるアンテナ部１の変形が生じにくく、高温下でもアンテナ性能の低下が生じにくい。このため、従来は不可能であった高温下での温度測定を行うことが可能となる。
【００３３】
また、アンテナ部１が導体線Ｗのみによって構成されているのでアンテナ部１の熱容量が小さく、また導体線Ｗは外部に露出されていて周辺雰囲気に接触する面積が大きい。このため、周囲の温度変化に追従してアンテナ部１の温度も迅速に変化し、雰囲気に対して素早く熱平衡状態となるので、ワイヤレス温度計測モジュール全体としての周辺雰囲気の温度変化に対する追従性が高く、測定対象の温度変化の測定精度が高い。
【００３４】
さらに、アンテナ部１がパッケージ５の上方に突出しているので、温度測定に用いられる弾性表面波素子３が収納されるパッケージ５を測定対象物に接触または近接させた状態としながら、アンテナ部１を測定対象物から離間した位置に位置させることができる。
これにより、例えば測定対象物が導体である場合にも、測定対象物による干渉を低減して、良好な通信を行うことができる。また、測定対象物が液体である場合には、弾性表面波素子３が設けられるパッケージ５を水没させた状態でもアンテナ部１を液面から突出させることができ、液体による電波障害をなくして良好な通信を行うことができる。
【００３５】
また、このワイヤレス温度測定モジュールは、導体線Ｗの少なくとも一部が螺旋状に形成されていて、これによって導体線Ｗにインダクタンス成分をもたせているので、アンテナ部１の全長をλ／４よりも短縮することが可能となり、アンテナ部１をその性能を維持しつつ小型化することができる。
ここで、導体線Ｗにおいて螺旋状に形成される部分の形状は、アンテナ性能を大きく左右するものであるが、このワイヤレス温度測定モジュールでは、上記のように導体線Ｗに熱による変形が生じにくいので、高温下で使用しても、螺旋状に形成される部分の形状が維持され、アンテナ性能の低下が生じにくい。
【００３６】
また、導体線Ｗの芯材Ｃの表面には、白金からなる低抵抗層Ｌが設けられている。白金は、抵抗率の温度係数が芯材Ｃよりも小さいものであり、このような材質で芯材Ｃを被覆された導体線Ｗは、温度上昇による抵抗の増加が少ないので、温度上昇によるアンテナ性能の低下を防ぐことができる。
また、導体線Ｗの芯材Ｃの表面が、低抵抗層Ｌによって被覆されているので、アンテナ部１の高周波抵抗を低減して、アンテナ性能を向上させることができる。
【００３７】
また、導体線Ｗが絶縁層Ｆによって被覆されているので、アンテナ部１に外部から静電気や漏電電流等の電流が直接入力されることがなく、表面弾性波素子３内でのサージ電流の発生が防止されて、表面弾性波素子３の損傷が防止される。そして、絶縁層Ｆの厚みを厚くするか、絶縁層Ｆを低誘電率の絶縁材料によって構成するなどして絶縁層Ｆの静電容量を表面弾性波素子３の静電容量に対して十分小さくすることで、電磁誘導や静電誘導によって表面弾性波素子に加わる電圧を小さくして、電磁誘導や静電誘導由来の表面弾性波素子３内でのサージ電流の発生を防止して、表面弾性は素子３の損傷を確実に防止することができる。
【００３８】
また、表面弾性波素子３がパッケージ５内に密封されているので、測定環境の雰囲気ガスによって表面弾性波素子３が劣化することがなく、高い信頼性を得ることができる。
また、アンテナ部１と励振電極２とが、整合回路部４を介して接続されているので、整合回路部４によりインピーダンスマッチングを行うことができ、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００３９】
また、パッケージ５をセラミックスで形成することにより、測定環境の雰囲気ガスによる腐食作用に強く、劣化し難くなる。
また、表面弾性波素子３の圧電基板７がランガサイト単結晶で形成されているので、水晶よりも相転移点が高く、より高い温度計測が可能になる。
さらに、励振電極２の一対の櫛形電極には、それぞれ別のアンテナ部１が接続されているので、いわゆる対称的な２つのアンテナで構成されたダイポール構造となり、金属以外の物体の遠隔温度測定に適している。
【００４０】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第２実施形態を、図３を参照しながら説明する。
【００４１】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態ではアンテナ部１が一対の櫛形電極の両方にそれぞれ接続されているのに対し、第２実施形態では、図３に示すように、アンテナ部１１は一つであると共にパッケージ１５の裏面にグラウンド電極部Ｇが形成され、さらに一対の櫛形電極うち一方にアンテナ部１１が接続され、他方の櫛形電極にはグラウンド電極部Ｇが接続されている点である。
【００４２】
なお、他方の櫛形電極とグラウンド電極部Ｇとの電気的接続は、パッケージ５内に設けた導体パターンに接続形成されたスルーホールやパッケージ５の側面にスクリーン印刷等によって設けた導体パターン等を用いて行っている。図３に示す例では、他方の櫛形電極にワイヤボンディング９で接続された端子８とグラウンド電極部Ｇとをスルーホール部８ａを介して行っている。
また、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、測定対象として金属物体等の導電体を想定しており、当該導電体にグラウンド電極部Ｇを接触させた状態で設置される。
【００４３】
すなわち、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、一方の櫛形電極に、アンテナ部１１が接続され、他方の櫛形電極に、グラウンド電極部Ｇが接続されているので、アンテナ部１１が一方だけであり、さらに小型化ができると共に、グラウンド電極部Ｇが測定対象に導通することにより、アンテナ送受信効率を向上させることができ、導電体の遠隔温度測定に適している。
【００４４】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第３実施形態を、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００４５】
第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第３実施形態では、図４に示すように、図１における整合回路４を具体的にコイル（インダクタ）２４として構成したものであり、一方を端子２８Ａに電気的に接続し、他方をワイヤボンディング２９を介して端子２８Ｂに電気的に接続した点である。
【００４６】
なお、コイル２４は、パッケージ５上に設けられた導体パターンである。
また、図５はアンテナ部１及び励振電極２のインピーダンスを示したスミスチャートであり、アンテナ部１の中心周波数を調節することによって、アンテナ部１のインピーダンスを適切な値とし（図５に示すａ点）、励振電極２のインピーダンス（図５に示すｂ点）とアンテナ部１のインピーダンスとを共役関係にするようなインダクタンスを有するコイル２４が構成されている（図５に示すｃ点）。
【００４７】
すなわち、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、コイル２４の１点によってアンテナ部１と、励振電極２とのインピーダンスマッチングを行うことができるため、送受信の際の損失が少なく、より効率よく送受信することが可能となる。
また、アンテナ部１が、コイル２４を介して電気的に接続されており、直流的に短絡されているので、アンテナ部１に入力した静電気を逃がすことができる。また、広い周波数成分を含むサージが入力してもアンテナ部１の共振周波数以外の周波数成分を逃がすことができる。その結果、表面弾性波素子３に過剰な電圧がかかることがなく、表面弾性波素子３の損傷が防止される。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施の形態では、アンテナ部を、パッケージの上方に突出して設けた例を示したが、これに限られることなく、ワイヤレス温度計測モジュールが、パッケージの上面側に十分なスペースが確保できないところに設置されるものである場合には、アンテナ部をパッケージの側方に突出させて設けた構成として、ワイヤレス温度計測モジュールの高さを低減してもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、アンテナ部の導体線Ｗの芯材のみをＮｉやＮｉ基合金によって構成した例を示したが、これに限られることなく、導体線Ｗ全体をＮｉやＮｉ基合金によって構成してもよい。
また、上記実施の形態では、アンテナ部の導体線Ｗに設けられる低抵抗層Ｌを、白金によって構成した例を示したが、これに限られることなく、低抵抗層Ｌは、金、銅、銀のうちのいずれかによって構成してもよく、或いは、金、白金、銅、銀のうちのいずれかの合金によって構成してもよい。
【００５０】
また、上記実施の形態では、アンテナ部を、導体線Ｗ全体が螺旋状に形成されたヘリカルアンテナとしたが、これに限られることなく、例えば図４に示すアンテナ部３１のように、導体線Ｗの一部のみが螺旋状に形成されたいわゆるショートホイップアンテナとしてもよい。また、送受信距離や信号強度を最優先とし、かつ十分な設置スペースが確保できる場合には、アンテナ部は、棒状の導体線Ｗによって構成する。
【００５１】
また、上記実施の形態では、整合回路部４を圧電基板７上に設けた例を示したが、これに限られることなく、整合回路部４をパッケージ５上に設けてもよい。この場合には、パッケージ５には、整合回路部４を構成する導体パターンが設けられる。そして、整合回路部４は、パッケージ５を構成する絶縁材料の誘電性を利用し、導電体の形状を制御して必要なコンデンサ及びインダクタとして電極板及びコイルを構成して作製される。また、整合回路部４と励振電極２とは、ワイヤボンディングやフリップチップ接続等によって電気的に接続される。
【００５２】
このように整合回路部４をパッケージ５上に設ける場合には、パッケージ５の製造工程において、グリーンシートには、端子８となる導体パターンに加えて、整合回路部４となる導体パターンをスクリーン印刷によって形成する。ここで、グリーンシート上下層の電気的接続は、パッケージ５内に設けた導体パターンに接続形成されたスルーホールやパッケージ５の側面にスクリーン印刷等によって設けた導体パターン等を用いて行う。
【００５３】
【実施例】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールを、実施例により図７及び図８を参照して具体的に説明する。
【００５４】
上記第１実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを電気炉により３０〜８００℃の範囲で校正し、図７に示すように、ＳＡＷの伝搬速度と温度との関係を予め調べておいた。この関係に基づいて、実際に本発明のワイヤレス温度計測モジュールをトンネル電気炉内に配置してその温度分布を測定した結果を、図８に示す。なお、比較として従来の熱電対で測定した結果も併せて示す。
【００５５】
この測定結果からわかるように、高温下でも温度測定の精度は従来の熱電対と同程度であった。なお、従来の熱電対の測定点数は熱電対の数に限られることに対し、本発明のワイヤレス温度計測モジュールでの測定では、測定点に制限が特になく、詳細な温度分布測定が可能になる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のワイヤレス温度計測モジュールによれば、アンテナ部は導体線のみによって構成されており、この導体線の芯材が、高温下でも形状を維持することができる材質によって構成されているので、熱によるアンテナ部の変形が生じにくく、高温下でもアンテナ性能の低下が生じにくい。
これにより、従来は不可能であった高温下での温度測定が可能となる。
また、アンテナ部が導体線のみによって構成されているのでアンテナ部の熱容量が小さく、また導体線は外部に露出されていて周辺雰囲気に接触する面積が大きい。このため、周囲の温度変化に追従してアンテナ部の温度も迅速に変化し、雰囲気に対して素早く熱平衡状態となるので、ワイヤレス温度計測モジュール全体としての周辺雰囲気の温度変化に対する追従性が高く、測定対象の温度変化の測定精度が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの側断面図及び蓋部取り付け前の平面図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールにおいてアンテナ部に用いられる導体線の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの側断面図及び蓋部取り付け前の平面図である。
【図４】本発明に係る第３実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの蓋部取り付け前の平面図である。
【図５】本発明に係る第３実施形態におけるアンテナ部と励振電極とのインピーダンス整合関係を示すスミスチャートである。
【図６】本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの他の形態例を示す側断面図である。
【図７】本発明に係る実施例におけるＳＡＷ伝搬時間の温度依存性を示すグラフである。
【図８】本発明に係る実施例におけるトンネル炉中の温度分布測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１１、３１ アンテナ部
２ 励振電極
３ 表面弾性波素子
４ 整合回路部
５、１５ パッケージ
７ 圧電基板
２４ コイル（インダクタンス）
Ｃ 芯材
Ｆ 絶縁層
Ｌ 低抵抗層
Ｗ 導体線
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面弾性波素子を用いたワイヤレス温度計測モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体、セラミックス等の製造プロセスでは、チャンバ内やトンネル電気炉内の加工されるワークの位置における温度を動的にかつ精密に測定する必要がある。従来、このような温度計測の手段として、熱電対やサーミスタ等がよく用いられている。このような計測方法はセンサからの信号を取り込むためのケーブル及びセンサに電力を供給するためのケーブルが必要なため、真空のチャンバ内やトンネル炉内のようなワークが移動する場所の測定は非常に困難である。
【０００３】
電池を使用したワイヤレス或いは記憶による温度測定方法もあるが、回路が複雑で高価であり、回路及び電池が耐えられる温度限界があるため、測定できる温度範囲は制限される。また、回路を保温材で保護する方法もあるが、その場合は長時間の測定が困難である。このため、ワイヤレスによる遠隔計測可能なかつセンサ本体に電源を必要としない温度センサの開発が望まれている。
【０００４】
近年、この研究の一環として、例えば下記特許文献１、２、３に記載されているように、表面弾性波（以下、ＳＡＷとも略称する）素子を用いるワイヤレスセンサシステムが提案されている。なお、表面弾性波素子として水晶基板が用いられている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第４，６２０，１９１号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，１４４，３３２号明細書
【特許文献３】
特開平７−１２６５４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、以下の課題が残されていた。すなわち、このような用途に用いられるアンテナは、帯域幅が狭いためにその形状が送受信性能に強く反映される。そして、上記従来のワイヤレスセンサシステムを高温下で使用した場合、熱によってアンテナ自体が変形してしまうため、信号が不安定になって送受信ができなくなってしまう。このため、上記従来のワイヤレスセンサは、高温下での測定に用いることができなかった。
また、従来の構成は比較的大きな構成であるため、半導体、セラミックス等のプロセス装置中などの狭いスペースで測定ができない場合もあった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高温計測を行うことができるワイヤレス温度計測モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、電波を送受信するアンテナ部と、該アンテナ部に励振電極が接続された表面弾性波素子とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、前記アンテナ部が、外部に露出された導体線によって構成され、該導体線の芯材が、ＮｉまたはＮｉ基合金によって構成されていることを特徴とする。
【０００９】
このワイヤレス温度計測モジュールでは、アンテナ部が導体線のみによって構成されており、この導体線の芯材が、高温下でも形状を維持することができるＮｉ（ニッケル）またはＮｉ基合金によって構成されているので、熱によるアンテナ部の変形が生じにくく、高温下でもアンテナ性能の低下が生じにくい。
また、アンテナ部が導体線のみによって構成されているのでアンテナ部の熱容量が小さく、また導体線は外部に露出されていて周辺雰囲気に接触する面積が大きい。このため、周囲の温度変化に追従してアンテナ部の温度も迅速に変化し、雰囲気に対して素早く熱平衡状態となるので、ワイヤレス温度計測モジュール全体としての周辺雰囲気の温度変化に対する追従性が高く、測定対象の温度変化の測定精度が高い。
なお、このワイヤレス温度計測モジュールでは、送受信距離や信号強度を最優先とし、かつ設置スペースが十分に確保できる場合には、アンテナ部を、棒状の導体線を用いたダイポールアンテナやホイップアンテナとする。
ここで、本明細書中でいう導体線とは、線材に限られるものではなく、幅の狭い帯状の導体板も含んでいる。
【００１０】
また、このワイヤレス温度測定モジュールは、前記導体線の少なくとも一部が螺旋状に形成されていることを特徴とする。すなわち、アンテナ部を構成する導体線の少なくとも一部が螺旋状に形成されていて、これによって導体線にインダクタンス成分をもたせているので、アンテナ部の全長をλ／４よりも短縮することが可能となり、アンテナ部をその性能を維持しつつ小型化することができる。ここで、導体線において螺旋状に形成される部分の形状は、アンテナ性能を大きく左右するものであるが、このワイヤレス温度測定モジュールでは、導体線に熱による変形が生じにくいので、高温下で使用しても、螺旋状に形成される部分の形状が維持され、アンテナ性能の低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、このワイヤレス温度測定モジュールは、前記芯材の表面に、金、白金、銅、銀のうちのいずれか、或いはこれらのうちのいずれかの合金からなる低抵抗層が設けられていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、導体線の芯材の表面が、低抵抗の上記金属層によって被覆されている。この金属層を構成する金属は、抵抗率の温度係数が芯材よりも小さいものであり、このような材質で芯材を被覆された導体線は、温度上昇による抵抗の増加が少ないので、温度上昇によるアンテナ性能の低下を防ぐことができる。
また、導体線の芯材の表面が、低抵抗の上記金属層によって被覆されているので、アンテナ部の高周波抵抗を低減して、アンテナ性能を向上させることができる。
【００１２】
また、このワイヤレス温度計測モジュールは、前記導体線の表面に、絶縁材料からなる絶縁層が形成されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、導体線が絶縁材料によって被覆されているので、アンテナ部に外部から静電気や漏電電流等の電流が直接入力されることがなく、表面弾性波素子内でのサージ電流の発生が防止されて、表面弾性波素子の損傷が防止される。
そして、絶縁層の厚みを厚くするか、絶縁層を低誘電率の絶縁材料によって構成するなどして絶縁層の静電容量を表面弾性波素子の静電容量に対して十分小さくすることで、電磁誘導や静電誘導によって表面弾性波素子に加わる電圧を小さくして、電磁誘導や静電誘導由来の表面弾性波素子内でのサージ電流の発生を防止することができる。
【００１３】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記アンテナ部と前記励振電極とが、整合回路部を介して接続されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、アンテナ部と励振電極とが、整合回路部を介して接続されているので、整合回路部によりインピーダンスマッチングを行うことができ、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００１４】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記整合回路部が、インダクタによって構成されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、インダクタ１点によって、インピーダンスマッチングを行うことができるため、損失を小さくすることができ、より効率よく送受信することが可能となる。
また、アンテナ部が、インダクタを介して接続されており、直流的に短絡されているので、アンテナ部に入力した静電気を逃がすことができる。また、広い周波数成分を含むサージが入力してもアンテナ部の共振周波数以外の周波数成分を逃がすことができる。したがって、表面弾性波素子に過剰な電圧がかかることがなく、表面弾性波素子の損傷が防止される。
【００１５】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記表面弾性波素子が、パッケージ内に密封されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、表面弾性波素子がパッケージ内に密封されているので、測定環境の雰囲気ガスによって表面弾性波素子が劣化することがなく、高い信頼性を得ることができる。
【００１６】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、 前記表面弾性波素子が、前記励振電極を表面に有する圧電基板を有し、該圧電基板が、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４単結晶で形成されていることが好ましい。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、表面弾性波素子における励振電極を表面に有する圧電基板がランガサイト単結晶で形成されているので、ＬｉＴａＯ３や水晶等とは異なり、融点（１４８０°Ｃ）まで相転移の発生はなく、安定な圧電性を保持するため、より高い温度計測が可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールは、図１に示すように、電波を送受信するアンテナ部１と、該アンテナ部１に励振電極２が接続された表面弾性波素子３と、アンテナ部１と励振電極２との間に介された整合回路部４とを有している。これらのうち、表面弾性波素子３及び整合回路部４は、耐熱性を有する絶縁材料（例えばアルミナ等のセラミックス）からなるパッケージ５に収納されている。
【００１９】
上記アンテナ部１は、パッケージ５の上方に突出して設けられている。
アンテナ部１は、パッケージ５外に露出された導体線Ｗによって構成されている。なお、この導体線Ｗとしては、線材以外にも、幅の狭い帯状の導体板を用いることができる。
図２に示すように、この導体線Ｗの芯材Ｃは、高温下でも形状を維持することができる材質、具体的にはＮｉや、ハステロイ（登録商標）等のＮｉ基合金によって構成されている。
【００２０】
ここでは、導体線Ｗ全体を螺旋状に形成して、導体線Ｗに所望のインダクタンス成分をもたせることで、アンテナ部１の全長を短くしている。すなわち、アンテナ部１をヘリカルアンテナとしている。
【００２１】
また、導体線Ｗの芯材Ｃの表面には、白金からなる低抵抗層Ｌが設けられている。
さらに、導体線Ｗの表面（最外層）には、絶縁材料（例えばガラス）からなる絶縁層Ｆが形成されている。
【００２２】
上記表面弾性波素子３は、パッケージ５の中央部に形成された溝部５ａ内に接着固定されて搭載され、該溝部５ａ上部を蓋部材６により塞いでキャブセル５ｂを形成している。なお、この際、キャブセル５ｂ内は真空或いは不活性ガスで充填され密封されている。
【００２３】
上記表面弾性波素子３は、励振電極２を表面に有する圧電基板７がＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ランガサイト）単結晶で形成されている。
上記励振電極２は、対向して配された一対の櫛形電極であり、各櫛形電極には、それぞれ別のアンテナ部１が整合回路部４を介して接続されている。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールは、２つのアンテナ部１で構成されたダイポール構造を有している。
【００２４】
なお、パッケージ５には、アンテナ部１と整合回路部４とが接続される端子８が設けられている。図１に示す例では、この端子８は、一部を溝部５ａ内に露出させた状態にしてパッケージ５内に埋め込まれており、この端子８において溝部５ａ内に露出した領域と整合回路部４とが、ボンディングワイヤ９にて電気的に接続される。これに限らず、端子８と整合回路部４とをフリップチップ接続等によって電気的に接続してもよい。また、端子８においてパッケージ５内に埋め込まれる領域には、アンテナ部１の導体線Ｗが接続されている。アンテナ部１は、このように端子８との接続部をパッケージ５内に埋め込まれることによってパッケージ５に保持されている。
【００２５】
上記圧電基板７の表面には、励振電極２の櫛形に平行にかつ離間した位置にそれぞれ所定距離を開けて棒状金属パターンの反射子１０が複数本形成されている。
【００２６】
上記整合回路部４は、圧電基板７上に設けられている。図１では、整合回路部４を圧電基板７上に形成した例を示している。この場合には、圧電基板７上には、圧電基板７の誘電性を利用し、整合回路部４を構成する導体パターンが設けられる。そして、整合回路部４は、この導体パターンの形状を制御して必要なコンデンサ及びインダクタとして電極板及びコイルを構成して作製されている。
【００２７】
上記パッケージ５は、いわゆるセラミックスのグリーンシートに端子８となる導体パターンをスクリーン印刷したものを積層し、さらにアンテナ部１の導体線Ｗを端子８となる導体パターンに接続したのちに焼結させて構成されている。なお、予めグリーンシートには、溝部５ａとなる領域に孔が形成されており、積層状態で溝部５ａを構成するようになっている。
【００２８】
次に、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを用いた温度計測方法について、説明する。
【００２９】
まず、測定対象のワークに直接又はその近傍に本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを取り付け、チャンバ内やトンネル炉内等の所定位置に設置する。また、遠隔計測するための基地局（図示略）を設置し、該基地局から表面弾性波素子３の周波数と一致したバースト信号を出力する。
ワイヤレス温度計測モジュールは、アンテナ部１によりバースト信号を受信すると共に、励振電極２の一方の櫛形電極により電気エネルギーをＳＡＷに変換し、このＳＡＷが圧電基板７の表面に伝搬して他方の櫛形電極を通り再び電磁波に変換して放射する。
【００３０】
したがって、バースト信号が放射されてしばらく後に返信波が基地局に返ってくることになる。圧電基板７上のＳＡＷは温度によって伝搬速度が変化するため、上記返信波が返ってくる時間を測定することにより、基地局の演算回路においてＳＡＷの温度遅延から温度を算出する。
【００３１】
なお、本実施形態では、反射子１０を圧電基板７上に設けているので、一方の櫛形電極で発生したＳＡＷは、各反射子１０で反射して他方の櫛形電極でそれぞれ電磁波に変換されて放出される。したがって、各反射子１０と櫛形電極との距離の相違により、反射信号にパルス序列が得られるので、ワイヤレス温度計測モジュール個別の返信波信号を得ることができる。これにより、複数のワイヤレス温度計測モジュールで別々の反射子１０構成を採用することで、各ワイヤレス温度計測モジュールを個別認識することができる。
【００３２】
本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、アンテナ部１は導体線Ｗのみによって構成されており、この導体線Ｗの芯材Ｃが、高温下でも形状を維持することができる、Ｎｉ（ニッケル）またはＮｉ基合金によって構成されているので、熱によるアンテナ部１の変形が生じにくく、高温下でもアンテナ性能の低下が生じにくい。このため、従来は不可能であった高温下での温度測定を行うことが可能となる。
【００３３】
また、アンテナ部１が導体線Ｗのみによって構成されているのでアンテナ部１の熱容量が小さく、また導体線Ｗは外部に露出されていて周辺雰囲気に接触する面積が大きい。このため、周囲の温度変化に追従してアンテナ部１の温度も迅速に変化し、雰囲気に対して素早く熱平衡状態となるので、ワイヤレス温度計測モジュール全体としての周辺雰囲気の温度変化に対する追従性が高く、測定対象の温度変化の測定精度が高い。
【００３４】
さらに、アンテナ部１がパッケージ５の上方に突出しているので、温度測定に用いられる弾性表面波素子３が収納されるパッケージ５を測定対象物に接触または近接させた状態としながら、アンテナ部１を測定対象物から離間した位置に位置させることができる。
これにより、例えば測定対象物が導体である場合にも、測定対象物による干渉を低減して、良好な通信を行うことができる。また、測定対象物が液体である場合には、弾性表面波素子３が設けられるパッケージ５を水没させた状態でもアンテナ部１を液面から突出させることができ、液体による電波障害をなくして良好な通信を行うことができる。
【００３５】
また、このワイヤレス温度測定モジュールは、導体線Ｗの少なくとも一部が螺旋状に形成されていて、これによって導体線Ｗにインダクタンス成分をもたせているので、アンテナ部１の全長をλ／４よりも短縮することが可能となり、アンテナ部１をその性能を維持しつつ小型化することができる。
ここで、導体線Ｗにおいて螺旋状に形成される部分の形状は、アンテナ性能を大きく左右するものであるが、このワイヤレス温度測定モジュールでは、上記のように導体線Ｗに熱による変形が生じにくいので、高温下で使用しても、螺旋状に形成される部分の形状が維持され、アンテナ性能の低下が生じにくい。
【００３６】
また、導体線Ｗの芯材Ｃの表面には、白金からなる低抵抗層Ｌが設けられている。白金は、抵抗率の温度係数が芯材Ｃよりも小さいものであり、このような材質で芯材Ｃを被覆された導体線Ｗは、温度上昇による抵抗の増加が少ないので、温度上昇によるアンテナ性能の低下を防ぐことができる。
また、導体線Ｗの芯材Ｃの表面が、低抵抗層Ｌによって被覆されているので、アンテナ部１の高周波抵抗を低減して、アンテナ性能を向上させることができる。
【００３７】
また、導体線Ｗが絶縁層Ｆによって被覆されているので、アンテナ部１に外部から静電気や漏電電流等の電流が直接入力されることがなく、表面弾性波素子３内でのサージ電流の発生が防止されて、表面弾性波素子３の損傷が防止される。そして、絶縁層Ｆの厚みを厚くするか、絶縁層Ｆを低誘電率の絶縁材料によって構成するなどして絶縁層Ｆの静電容量を表面弾性波素子３の静電容量に対して十分小さくすることで、電磁誘導や静電誘導によって表面弾性波素子に加わる電圧を小さくして、電磁誘導や静電誘導由来の表面弾性波素子３内でのサージ電流の発生を防止して、表面弾性は素子３の損傷を確実に防止することができる。
【００３８】
また、表面弾性波素子３がパッケージ５内に密封されているので、測定環境の雰囲気ガスによって表面弾性波素子３が劣化することがなく、高い信頼性を得ることができる。
また、アンテナ部１と励振電極２とが、整合回路部４を介して接続されているので、整合回路部４によりインピーダンスマッチングを行うことができ、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００３９】
また、パッケージ５をセラミックスで形成することにより、測定環境の雰囲気ガスによる腐食作用に強く、劣化し難くなる。
また、表面弾性波素子３の圧電基板７がランガサイト単結晶で形成されているので、水晶よりも相転移点が高く、より高い温度計測が可能になる。
さらに、励振電極２の一対の櫛形電極には、それぞれ別のアンテナ部１が接続されているので、いわゆる対称的な２つのアンテナで構成されたダイポール構造となり、金属以外の物体の遠隔温度測定に適している。
【００４０】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第２実施形態を、図３を参照しながら説明する。
【００４１】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態ではアンテナ部１が一対の櫛形電極の両方にそれぞれ接続されているのに対し、第２実施形態では、図３に示すように、アンテナ部１１は一つであると共にパッケージ１５の裏面にグラウンド電極部Ｇが形成され、さらに一対の櫛形電極うち一方にアンテナ部１１が接続され、他方の櫛形電極にはグラウンド電極部Ｇが接続されている点である。
【００４２】
なお、他方の櫛形電極とグラウンド電極部Ｇとの電気的接続は、パッケージ５内に設けた導体パターンに接続形成されたスルーホールやパッケージ５の側面にスクリーン印刷等によって設けた導体パターン等を用いて行っている。図３に示す例では、他方の櫛形電極にワイヤボンディング９で接続された端子８とグラウンド電極部Ｇとをスルーホール部８ａを介して行っている。
また、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、測定対象として金属物体等の導電体を想定しており、当該導電体にグラウンド電極部Ｇを接触させた状態で設置される。
【００４３】
すなわち、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、一方の櫛形電極に、アンテナ部１１が接続され、他方の櫛形電極に、グラウンド電極部Ｇが接続されているので、アンテナ部１１が一方だけであり、さらに小型化ができると共に、グラウンド電極部Ｇが測定対象に導通することにより、アンテナ送受信効率を向上させることができ、導電体の遠隔温度測定に適している。
【００４４】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第３実施形態を、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００４５】
第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第３実施形態では、図４に示すように、図１における整合回路４を具体的にコイル（インダクタ）２４として構成したものであり、一方を端子２８Ａに電気的に接続し、他方をワイヤボンディング２９を介して端子２８Ｂに電気的に接続した点である。
【００４６】
なお、コイル２４は、パッケージ５上に設けられた導体パターンである。
また、図５はアンテナ部１及び励振電極２のインピーダンスを示したスミスチャートであり、アンテナ部１の中心周波数を調節することによって、アンテナ部１のインピーダンスを適切な値とし（図５に示すａ点）、励振電極２のインピーダンス（図５に示すｂ点）とアンテナ部１のインピーダンスとを共役関係にするようなインダクタンスを有するコイル２４が構成されている（図５に示すｃ点）。
【００４７】
すなわち、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、コイル２４の１点によってアンテナ部１と、励振電極２とのインピーダンスマッチングを行うことができるため、送受信の際の損失が少なく、より効率よく送受信することが可能となる。
また、アンテナ部１が、コイル２４を介して電気的に接続されており、直流的に短絡されているので、アンテナ部１に入力した静電気を逃がすことができる。また、広い周波数成分を含むサージが入力してもアンテナ部１の共振周波数以外の周波数成分を逃がすことができる。その結果、表面弾性波素子３に過剰な電圧がかかることがなく、表面弾性波素子３の損傷が防止される。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施の形態では、アンテナ部を、パッケージの上方に突出して設けた例を示したが、これに限られることなく、ワイヤレス温度計測モジュールが、パッケージの上面側に十分なスペースが確保できないところに設置されるものである場合には、アンテナ部をパッケージの側方に突出させて設けた構成として、ワイヤレス温度計測モジュールの高さを低減してもよい。
【００４９】
また、上記実施の形態では、アンテナ部の導体線Ｗの芯材のみをＮｉやＮｉ基合金によって構成した例を示したが、これに限られることなく、導体線Ｗ全体をＮｉやＮｉ基合金によって構成してもよい。
また、上記実施の形態では、アンテナ部の導体線Ｗに設けられる低抵抗層Ｌを、白金によって構成した例を示したが、これに限られることなく、低抵抗層Ｌは、金、銅、銀のうちのいずれかによって構成してもよく、或いは、金、白金、銅、銀のうちのいずれかの合金によって構成してもよい。
【００５０】
また、上記実施の形態では、アンテナ部を、導体線Ｗ全体が螺旋状に形成されたヘリカルアンテナとしたが、これに限られることなく、例えば図４に示すアンテナ部３１のように、導体線Ｗの一部のみが螺旋状に形成されたいわゆるショートホイップアンテナとしてもよい。また、送受信距離や信号強度を最優先とし、かつ十分な設置スペースが確保できる場合には、アンテナ部は、棒状の導体線Ｗによって構成する。
【００５１】
また、上記実施の形態では、整合回路部４を圧電基板７上に設けた例を示したが、これに限られることなく、整合回路部４をパッケージ５上に設けてもよい。この場合には、パッケージ５には、整合回路部４を構成する導体パターンが設けられる。そして、整合回路部４は、パッケージ５を構成する絶縁材料の誘電性を利用し、導電体の形状を制御して必要なコンデンサ及びインダクタとして電極板及びコイルを構成して作製される。また、整合回路部４と励振電極２とは、ワイヤボンディングやフリップチップ接続等によって電気的に接続される。
【００５２】
このように整合回路部４をパッケージ５上に設ける場合には、パッケージ５の製造工程において、グリーンシートには、端子８となる導体パターンに加えて、整合回路部４となる導体パターンをスクリーン印刷によって形成する。ここで、グリーンシート上下層の電気的接続は、パッケージ５内に設けた導体パターンに接続形成されたスルーホールやパッケージ５の側面にスクリーン印刷等によって設けた導体パターン等を用いて行う。
【００５３】
【実施例】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールを、実施例により図７及び図８を参照して具体的に説明する。
【００５４】
上記第１実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを電気炉により３０〜８００℃の範囲で校正し、図７に示すように、ＳＡＷの伝搬速度と温度との関係を予め調べておいた。この関係に基づいて、実際に本発明のワイヤレス温度計測モジュールをトンネル電気炉内に配置してその温度分布を測定した結果を、図８に示す。なお、比較として従来の熱電対で測定した結果も併せて示す。
【００５５】
この測定結果からわかるように、高温下でも温度測定の精度は従来の熱電対と同程度であった。なお、従来の熱電対の測定点数は熱電対の数に限られることに対し、本発明のワイヤレス温度計測モジュールでの測定では、測定点に制限が特になく、詳細な温度分布測定が可能になる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のワイヤレス温度計測モジュールによれば、アンテナ部は導体線のみによって構成されており、この導体線の芯材が、高温下でも形状を維持することができる材質によって構成されているので、熱によるアンテナ部の変形が生じにくく、高温下でもアンテナ性能の低下が生じにくい。
これにより、従来は不可能であった高温下での温度測定が可能となる。
また、アンテナ部が導体線のみによって構成されているのでアンテナ部の熱容量が小さく、また導体線は外部に露出されていて周辺雰囲気に接触する面積が大きい。このため、周囲の温度変化に追従してアンテナ部の温度も迅速に変化し、雰囲気に対して素早く熱平衡状態となるので、ワイヤレス温度計測モジュール全体としての周辺雰囲気の温度変化に対する追従性が高く、測定対象の温度変化の測定精度が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの側断面図及び蓋部取り付け前の平面図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールにおいてアンテナ部に用いられる導体線の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの側断面図及び蓋部取り付け前の平面図である。
【図４】本発明に係る第３実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの蓋部取り付け前の平面図である。
【図５】本発明に係る第３実施形態におけるアンテナ部と励振電極とのインピーダンス整合関係を示すスミスチャートである。
【図６】本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの他の形態例を示す側断面図である。
【図７】本発明に係る実施例におけるＳＡＷ伝搬時間の温度依存性を示すグラフである。
【図８】本発明に係る実施例におけるトンネル炉中の温度分布測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１１、３１ アンテナ部
２ 励振電極
３ 表面弾性波素子
４ 整合回路部
５、１５ パッケージ
７ 圧電基板
２４ コイル（インダクタンス）
Ｃ 芯材
Ｆ 絶縁層
Ｌ 低抵抗層
Ｗ 導体線
Claims (8)
- 電波を送受信するアンテナ部と、該アンテナ部に励振電極が接続された表面弾性波素子とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、前記アンテナ部が、外部に露出された導体線によって構成され、該導体線の芯材が、ＮｉまたはＮｉ基合金によって構成されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
- 請求項１記載のワイヤレス温度測定モジュールにおいて、
前記導体線の少なくとも一部が螺旋状に形成されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。 - 請求項１または２に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記芯材の表面に、金、白金、銅、銀のうちのいずれか、或いはこれらのうちのいずれかの合金からなる低抵抗層が設けられていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。 - 請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記導体線の表面に、絶縁材料からなる絶縁層が形成されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。 - 請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記アンテナ部と前記励振電極とが、整合回路部を介して接続されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。 - 請求項５に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、前記整合回路部が、インダクタによって構成されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
- 請求項１から６のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記表面弾性波素子が、パッケージ内に密封されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。 - 請求項１から７のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記表面弾性波素子が、前記励振電極を表面に有する圧電基板を有し、該圧電基板が、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４単結晶で形成されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
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| JP2003156942A Pending JP2004279397A (ja) | 2003-01-24 | 2003-06-02 | ワイヤレス温度計測モジュール |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004279397A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101762333B (zh) * | 2010-01-11 | 2011-02-16 | 山西大学 | 高压电力线无线温度采集系统 |
| JP2016011945A (ja) * | 2014-06-06 | 2016-01-21 | シチズンホールディングス株式会社 | ワイヤレス温度センサ及びその製造方法 |
| KR20170113386A (ko) * | 2016-03-31 | 2017-10-12 | 에이비비 슈바이쯔 아게 | 비-간섭성 온도 측정 장치 |
| US11901875B2 (en) | 2020-10-12 | 2024-02-13 | Applied Materials, Inc. | Surface acoustic wave sensor assembly |
| US11920994B2 (en) | 2020-10-12 | 2024-03-05 | Applied Materials, Inc. | Surface acoustic wave sensor assembly |
-
2003
- 2003-06-02 JP JP2003156942A patent/JP2004279397A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101762333B (zh) * | 2010-01-11 | 2011-02-16 | 山西大学 | 高压电力线无线温度采集系统 |
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| KR101876407B1 (ko) * | 2016-03-31 | 2018-07-09 | 에이비비 슈바이쯔 아게 | 비-간섭성 온도 측정 장치 |
| US10386246B2 (en) | 2016-03-31 | 2019-08-20 | Abb Schweiz Ag | Nonintrusive temperature measuring apparatus |
| US11901875B2 (en) | 2020-10-12 | 2024-02-13 | Applied Materials, Inc. | Surface acoustic wave sensor assembly |
| US11920994B2 (en) | 2020-10-12 | 2024-03-05 | Applied Materials, Inc. | Surface acoustic wave sensor assembly |
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