JP2004347451A - ワイヤレス温度計測モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化、高温計測を行うことが可能なワイヤレス温度計測モジュールを提供すること。
【解決手段】電波を送受信するアンテナ機構２と、アンテナ機構２に励振電極３が接続された表面弾性波素子４と、表面弾性波素子４の設けられたモジュール本体５とを備えたワイヤレス温度計測モジュール１において、アンテナ機構２が、モジュール本体５の表面に形成された平面電極７を備えていることを特徴とする。また、モジュール本体５が誘電体で構成され、平面アンテナ７とは反対の表面に形成されたグラウンド電極８を備えていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】電波を送受信するアンテナ機構２と、アンテナ機構２に励振電極３が接続された表面弾性波素子４と、表面弾性波素子４の設けられたモジュール本体５とを備えたワイヤレス温度計測モジュール１において、アンテナ機構２が、モジュール本体５の表面に形成された平面電極７を備えていることを特徴とする。また、モジュール本体５が誘電体で構成され、平面アンテナ７とは反対の表面に形成されたグラウンド電極８を備えていることを特徴とする。
【選択図】 図１
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。しかし、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計測は非常に困難である。
【０００３】
他方、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、計測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計測が困難である。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、水晶基板を用いた表面弾性波（以下、ＳＡＷと略称する：Ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）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（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【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 （第３頁、第１図）
【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、以下の問題が残されていた。すなわち、上記従来のワイヤレスセンサでは、センサとアンテナとが別々であるために、半導体、セラミックスなどのプロセス装置中などの狭いスペースでの測定が難しいと共に、高温化で使用した場合、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。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたもので、小型化、高温計測を行うことが可能な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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上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、電波を送受信するアンテナ機構と、前記アンテナ機構に励振電極が接続された表面弾性波素子と、該表面弾性波素子の設けられたモジュール本体とを備えたワイヤレス温度計測モジュールにおいて、前記アンテナ機構が、前記モジュール本体の表面に形成された平面電極を備えていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記アンテナ機構が、前記モジュール本体表面に平面電極を備えているので、電波の送受信を直接的に行う平面電極が、外部に張り出すことがないため、小型化が可能である。また、外部にヘリカルアンテナを設けた場合に比べて、平面電極を用いたアンテナであるので、周波数が安定するといった利点もある。
【０００８】
また、本発明にかかるワイヤレス温度計測モジュールは、前記モジュール本体が誘電体で構成され、平面電極とは反対の表面に形成されたグラウンド電極を備えていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、誘電体の誘電率によって前記アンテナ機構の容量成分が決まるため、前記アンテナ機構の共振周波数は周囲の物体の影響を受けにくく、より安定に送受信することができる。
【０００９】
また、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面電極と前記グラウンド電極とが、電気的に導通していることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記平面電極は前記グラウンド電極に導通されているので、前記平面電極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前記アンテナ機構の共振周波数以外の周波数成分は導通部分から逃がすことができる。すなわち、前記表面弾性波素子に過剰な電圧がかかることがなく、該表面弾性波素子の損傷が防止される。
【００１０】
また、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面電極が、金、白金、銅、銀の内のいずれか、或いはこれらの内のいずれかの合金からなることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記平面アンテナは抵抗率の温度係数が小さいため、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の性能低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、本発明に係る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、前記モジュール本体内に密封されていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記表面弾性波素子がモジュール本体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前記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。
【００１２】
また、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面アンテナと前記表面弾性波素子とが整合回路を介して接続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、前記整合回路によって前記アンテナ機構と前記表面弾性波素子とのインピーダンスマッチングが行われるので、前記アンテナ機構と前記表面弾性波素子との間で生じる信号の反射などが抑制され、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る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、前記圧電基板が、Ｌａ２Ｇａ５ＳｉＯ１４単結晶で形成されていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記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℃）まで相転移の発生はなく、安定な圧電性を保持するため、より高い信頼性を得ることができる。
【００１４】
また、本発明にかかるワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面電極と前記励振電極との間にインダクタが設けられていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記平面電極と前記励振電極の間にインダクタが設けられていることによって、前記アンテナ機構の共振周波数が低下し、前記モジュール本体の小型化が可能となる。
【００１５】
【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一実施形態を、図１から図１０を参照しながら説明する。
本実施形態によるワイヤレス温度計測モジュール１は、図１から図３に示されるように、電波を送受信するアンテナ機構２と、アンテナ機構２に励振電極３が接続された表面弾性波素子４と、表面弾性波素子４の設けられたパッケージ（モジュール本体）５とを備えて構成されている。
前記パッケージ５は、酸化チタン等のセラミックスからなる誘電体ブロックであり、表面弾性波素子４を収納する溝部６が形成されている。
【００１６】
アンテナ機構２は、パッケージ５の表面に形成された平面アンテナ（平面電極）７と、平面アンテナ７と反対のパッケージ５の表面に形成されたグラウンド電極８とを備えている。すなわち、このアンテナ機構２は、平面アンテナ７とグラウンド電極８とで構成された、パッチアンテナ構造を有している。平面アンテナ７及びグラウンド電極８は、パッケージ５の表面に形成された銀と白金との多層電極である。また、パッケージ５と励振電極３とは、整合回路９を介して接続されている。
【００１７】
パッケージ５の溝部６内には、表面弾性波素子４及び整合回路９が接着固定されている。この溝部６は、蓋部材１０により密封状態に塞がれている。この際、溝部６は、キャブセル１１を構成しており、この内部は真空及び不活性ガスが充填された状態とされる。
【００１８】
表面弾性波素子４は、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ランガサイト）単結晶で形成されている圧電基板１３の表面に、励振電極３と、励振電極３の櫛形に平行に且つ離間した位置にそれぞれ所定距離を開けて形成されたグレーティング金属パターンである反射子１２とを形成したものである。
励振電極３は、櫛形電極３ａ、３ｂが対向して配された一対の櫛形電極であり、櫛形電極３ａが整合回路９を介して平面アンテナ７に、櫛形電極３ｂがグラウンド電極８に接続される。
【００１９】
また、パッケージ５には、平面アンテナ７と整合回路９とを接続する端子１４ａ及びグラウンド電極８と櫛形電極３ｂとを接続するための端子１４ｂが設けられている。
端子１４ａ及び１４ｂは一部を溝部６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１４ａにおいて溝部６内に露出した領域と整合回路９とが接続され、端子１４ｂにおいて溝部６内に露出した領域と櫛形電極３ｂとが、ボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続されている。同様に、整合回路９と櫛形電極３ａとが、ボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続されている。ここで、ボンディングワイヤ１５に限らず、フリップチップ接続（この場合櫛形電極３ａ、３ｂは、底面側に配される。）等によって電気的に接続してもよい。
【００２０】
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１４ａ、１４ｂ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、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６となる領域に孔が形成されており、積層状態で溝部６を構成するようになっている。ここで、粉体をプレスによって形成し、焼結したブロックを用いてもよい。
また、パッケージ５の側面に平面アンテナ１とグラウンド電極８とを接続する導体である短絡用パターン１６が形成されている。
【００２１】
整合回路９は、圧電基板１３上に設けられた導体パターンであって、圧電基板１３の誘電性を利用して所定のインピーダンスに設定されている。
図２はアンテナ機構２及び櫛形電極３のインピーダンスを示したスミスチャートである。平面アンテナ７と端子１４ａの接続点である給電点１７の位置を調整することによって、平面アンテナ７のインピーダンスを適切な値とし（図３に示すａ点）、励振電極３のインピーダンス（図３に示すｂ点）と平面アンテナ７のインピーダンスとを共役関係にするような整合回路９が、前記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製作されている（図３に示すｃ点）。
【００２２】
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。
【００２３】
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１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、前記基地局から表面弾性波素子４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１は、平面アンテナ７によりバースト信号を受信すると共に、励振電極３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１３の表面に伝搬して反射子１２で反射され、櫛形電極を通り再び電波に変換して放射する。
【００２４】
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１３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或いは位相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。
【００２５】
なお、本実施形態では、反射子１２を圧電基板１３上に設けているので、励振電極３で発生したＳＡＷは、各反射子１２で反射して励振電極３でそれぞれ電波に変換されて放出される。したがって、各反射子１２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１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１で別々の反射子１２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１を個別認識することができる。
【００２６】
上記の構成によれば、平面アンテナ７がパッケージ５に一体的に形成され、外部に張り出すことがないため、小型化が可能である。
また、平面アンテナ７に用いている銀及び白金は、抵抗率の温度係数が小さく、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機構２の性能の低下を防ぐことができる。また、アンテナ機構２の容量成分がパッケージ５の誘電率によって決まり、周囲物体による容量成分への寄与が無視できるため、アンテナ機構２の共振周波数は、周囲の物体の影響を受けにくく、安定した送受信を行うことができる。
【００２７】
さらに、グラウンド電極８がついているため、アンテナ機構２の容量成分がパッケージ５のセラミックスの誘電率によって決まり、周囲物体による容量成分への寄与が無視できるため、ワイヤレス温度計測モジュール１が置かれる物体の性質によらず、アンテナ機構２の中心周波数などの放射特性が安定である。設置箇所が、その結果、金属でも非金属でもその上に設置して送受信ができ、温度を計測することができる。
また、平面アンテナ７が短絡用パターン１６によってグラウンド電極８に接続されているため、平面アンテナ７はグラウンド電極８に直流的に導通され、平面アンテナ７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機構２の共振周波数以外の周波数成分は導通部分から逃がすことができる。その結果、表面弾性波素子４に過剰な電圧がかかることがなく、表面弾性波素子４の損傷が防止される。
【００２８】
また、表面弾性波素子４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４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、表面弾性波素子４の圧電基板１３が、ランガサイト単結晶で形成されているため、水晶の様な相転移点を持っていないため、より高い温度計測が可能になる。
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。
【００２９】
また、平面アンテナ７と励振電極３とが、整合回路９を介して接続されているので、整合回路９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。このときアンテナ機構２のインピーダンスは給電点１７の位置を調節することによって適切な値となっているため、励振電極３のインピーダンスと近く、整合回路９はコイルまたはコンデンサの１点を櫛形電極３に直列または並列に接続するだけで済み、小型化が可能となる。
【００３０】
次に、第２の実施形態について、図５から図８を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施の形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図５においては、図１と同一構成要素に同一符号をし、この説明を省略する。
【００３１】
図５において、この実施形態によるワイヤレス温度計測モジュール２０は、平面アンテナ７と端子１４ａとの間にコイル（インダクタ）２１が設けられている。
コイル２１は、多層構造とされたパッケージ５に設けられたスルーホール及び、平面アンテナ７が形成される層を挟んだ両面にスクリーン印刷等によって設けられた導体パターンを用いて形成されている。
【００３２】
また、図６に示すように、パッケージ５の底面に溝部２２が設けられ、表面弾性波素子４が接着固定されている。また、櫛形電極３ａと端子１４ａとが、フリップチップ構造により電気的に接続され、同様に櫛形電極３ｂと端子１４ｂとがフリップチップ構造により電気的に接続されている。また、溝部２２はリッド２３により密封状態に塞がれており、内部が真空及び不活性ガスが充填された状態とされている。
【００３３】
また、平面アンテナ７は、図７に示すように平面アンテナ７のインピーダンス（図７に示すａ点）と励振電極３のインピーダンス（図７に示すｂ点）とが共役関係になるような形状、及び面積となっている。したがって、本実施形態では、第１の実施形態のような整合回路を有していない。
また、図８に示すように、パッケージ５における溝部２２の上部近傍には、側面に開口部２５ａをゆする空洞部２５が設けられている。
【００３４】
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。
【００３５】
上述と同様に測定対象のワークに直接又はその近傍にワイヤレス温度計測モジュール２０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。
ワイヤレス温度計測モジュール２０は、遠隔計測するための基地局（図示略）からのバースト信号を受信し、上述と同様に返信波を放射する。上記返信波が返ってくる時間或いは位相を測定することにより、基地局の演算回路において温度を算出する。
【００３６】
本実施形態では、平面アンテナ７と端子１４ａとの間にコイル２１が設けられていることによって、コイル２１のインダクタンスによりアンテナ機構２の共振周波数が低下する。その結果、パッケージ５に比誘電率の小さい誘電体を用いてもパッケージ５の小型化が可能となる。これにより割安なアルミナ等の誘電率の低い誘電体を用いても、ワイヤレス温度計測モジュール２０の小型化が可能となる。
また、表面弾性波素子４は、リッド２３に密着しているため、表面弾性波素子４の熱容量が小さくなる。また、溝部２２の近傍に空洞部２５が設けられていることによって、表面弾性波素子４の両面が測定雰囲気中に近くなるため、温度変化に対する追従を早くすることができる
【００３７】
また、給電点１７は、平面アンテナ７のインピーダンスと励振電極３とのインピーダンスが共役関係をなす所に位置しているため、効率よく送受信することができる。また、インピーダンスマッチングをとる整合回路を使用していないため、損失が少なく、より効率よく送受信することができる。
【００３８】
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、平面アンテナ７及びグラウンド電極８の金属膜を銀及び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、金属膜は、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。
また、グラウンド電極８を上に曲げてパッケージ５を包むような形にすることや、多層構造にすることにより、グラウンド電極８を平面アンテナ７よりも大きくすることが望ましい。
【００３９】
また、上記実施の形態では、パッケージ５の形状を四角形にしているが、四角形に限らず、円盤形でも、三角形でも、多角形でもよい。また、表面弾性波素子４の取り付け位置は、測定対象によって温度の感知が最適になるように、パッケージ５の上面でもよい。例えば、環境雰囲気の温度を計測したい場合は、パッケージ５の側面か上面に表面弾性波素子４を取り付けて使用する。
【００４０】
【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、実施例により具体的に説明する。
【００４１】
上記第１の実施形態のワイヤレス温度計測モジュール１を電気炉により３０〜８００℃の範囲で校正し、図９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１をトンネル電気炉内に配置してその温度分布を計測した結果を、図１０に示す。なお、比較として従来の熱電対で計測した結果も併せて示す。
【００４２】
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計測では、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。
【００４３】
次に、上記第２の実施形態のワイヤレス温度計測モジュール２０を上述と同様にトンネル電気炉内に配置してその温度分布を計測した。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のワイヤレス温度計測モジュールによれば、アンテナ機構が、モジュール本体表面に平面電極を備えているので、電波の送受信を直接的に行う平面電極が、外部に張り出すことがないため、小型化が可能である。
また、平面電極の抵抗率の温度係数が小さく、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機構の性能の低下を防ぐことができる。
また、アンテナ機構の容量成分がモジュール本体の誘電率によって決まり、周囲物体による容量成分への寄与が無視できるため、アンテナ機構の共振周波数は、周囲の物体の影響を受けにくく、安定した送受信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる第１の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示す斜視図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの要部を示す正面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線矢視断面図である。
【図４】本発明に係る第１の実施形態におけるアンテナと櫛形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５】本発明に係る第２の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示す斜視図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示すリッド取り付け前の裏面図である。
【図７】本発明に係る第２の実施形態におけるアンテナと櫛形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８】本発明に係る第２の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示す側面図である。
【図９】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１０】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】
２ アンテナ機構 ３ 励振電極 ４ 表面弾性波素子 ５ パッケージ（モジュール本体） ７ 平面アンテナ（平面電極） ８ グラウンド電極 ９ 整合回路 １３ 圧電基板 ２１ コイル（インダクタ）
【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。しかし、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計測は非常に困難である。
【０００３】
他方、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、計測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計測が困難である。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、水晶基板を用いた表面弾性波（以下、ＳＡＷと略称する：Ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）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（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【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 （第３頁、第１図）
【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、以下の問題が残されていた。すなわち、上記従来のワイヤレスセンサでは、センサとアンテナとが別々であるために、半導体、セラミックスなどのプロセス装置中などの狭いスペースでの測定が難しいと共に、高温化で使用した場合、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。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたもので、小型化、高温計測を行うことが可能な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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上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、電波を送受信するアンテナ機構と、前記アンテナ機構に励振電極が接続された表面弾性波素子と、該表面弾性波素子の設けられたモジュール本体とを備えたワイヤレス温度計測モジュールにおいて、前記アンテナ機構が、前記モジュール本体の表面に形成された平面電極を備えていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記アンテナ機構が、前記モジュール本体表面に平面電極を備えているので、電波の送受信を直接的に行う平面電極が、外部に張り出すことがないため、小型化が可能である。また、外部にヘリカルアンテナを設けた場合に比べて、平面電極を用いたアンテナであるので、周波数が安定するといった利点もある。
【０００８】
また、本発明にかかるワイヤレス温度計測モジュールは、前記モジュール本体が誘電体で構成され、平面電極とは反対の表面に形成されたグラウンド電極を備えていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、誘電体の誘電率によって前記アンテナ機構の容量成分が決まるため、前記アンテナ機構の共振周波数は周囲の物体の影響を受けにくく、より安定に送受信することができる。
【０００９】
また、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面電極と前記グラウンド電極とが、電気的に導通していることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記平面電極は前記グラウンド電極に導通されているので、前記平面電極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前記アンテナ機構の共振周波数以外の周波数成分は導通部分から逃がすことができる。すなわち、前記表面弾性波素子に過剰な電圧がかかることがなく、該表面弾性波素子の損傷が防止される。
【００１０】
また、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面電極が、金、白金、銅、銀の内のいずれか、或いはこれらの内のいずれかの合金からなることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記平面アンテナは抵抗率の温度係数が小さいため、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の性能低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、本発明に係る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、前記モジュール本体内に密封されていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記表面弾性波素子がモジュール本体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前記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。
【００１２】
また、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面アンテナと前記表面弾性波素子とが整合回路を介して接続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、前記整合回路によって前記アンテナ機構と前記表面弾性波素子とのインピーダンスマッチングが行われるので、前記アンテナ機構と前記表面弾性波素子との間で生じる信号の反射などが抑制され、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る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、前記圧電基板が、Ｌａ２Ｇａ５ＳｉＯ１４単結晶で形成されていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記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℃）まで相転移の発生はなく、安定な圧電性を保持するため、より高い信頼性を得ることができる。
【００１４】
また、本発明にかかるワイヤレス温度計測モジュールは、前記平面電極と前記励振電極との間にインダクタが設けられていることを特徴とする。
本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールでは、前記平面電極と前記励振電極の間にインダクタが設けられていることによって、前記アンテナ機構の共振周波数が低下し、前記モジュール本体の小型化が可能となる。
【００１５】
【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一実施形態を、図１から図１０を参照しながら説明する。
本実施形態によるワイヤレス温度計測モジュール１は、図１から図３に示されるように、電波を送受信するアンテナ機構２と、アンテナ機構２に励振電極３が接続された表面弾性波素子４と、表面弾性波素子４の設けられたパッケージ（モジュール本体）５とを備えて構成されている。
前記パッケージ５は、酸化チタン等のセラミックスからなる誘電体ブロックであり、表面弾性波素子４を収納する溝部６が形成されている。
【００１６】
アンテナ機構２は、パッケージ５の表面に形成された平面アンテナ（平面電極）７と、平面アンテナ７と反対のパッケージ５の表面に形成されたグラウンド電極８とを備えている。すなわち、このアンテナ機構２は、平面アンテナ７とグラウンド電極８とで構成された、パッチアンテナ構造を有している。平面アンテナ７及びグラウンド電極８は、パッケージ５の表面に形成された銀と白金との多層電極である。また、パッケージ５と励振電極３とは、整合回路９を介して接続されている。
【００１７】
パッケージ５の溝部６内には、表面弾性波素子４及び整合回路９が接着固定されている。この溝部６は、蓋部材１０により密封状態に塞がれている。この際、溝部６は、キャブセル１１を構成しており、この内部は真空及び不活性ガスが充填された状態とされる。
【００１８】
表面弾性波素子４は、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ランガサイト）単結晶で形成されている圧電基板１３の表面に、励振電極３と、励振電極３の櫛形に平行に且つ離間した位置にそれぞれ所定距離を開けて形成されたグレーティング金属パターンである反射子１２とを形成したものである。
励振電極３は、櫛形電極３ａ、３ｂが対向して配された一対の櫛形電極であり、櫛形電極３ａが整合回路９を介して平面アンテナ７に、櫛形電極３ｂがグラウンド電極８に接続される。
【００１９】
また、パッケージ５には、平面アンテナ７と整合回路９とを接続する端子１４ａ及びグラウンド電極８と櫛形電極３ｂとを接続するための端子１４ｂが設けられている。
端子１４ａ及び１４ｂは一部を溝部６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１４ａにおいて溝部６内に露出した領域と整合回路９とが接続され、端子１４ｂにおいて溝部６内に露出した領域と櫛形電極３ｂとが、ボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続されている。同様に、整合回路９と櫛形電極３ａとが、ボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続されている。ここで、ボンディングワイヤ１５に限らず、フリップチップ接続（この場合櫛形電極３ａ、３ｂは、底面側に配される。）等によって電気的に接続してもよい。
【００２０】
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１４ａ、１４ｂ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、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６となる領域に孔が形成されており、積層状態で溝部６を構成するようになっている。ここで、粉体をプレスによって形成し、焼結したブロックを用いてもよい。
また、パッケージ５の側面に平面アンテナ１とグラウンド電極８とを接続する導体である短絡用パターン１６が形成されている。
【００２１】
整合回路９は、圧電基板１３上に設けられた導体パターンであって、圧電基板１３の誘電性を利用して所定のインピーダンスに設定されている。
図２はアンテナ機構２及び櫛形電極３のインピーダンスを示したスミスチャートである。平面アンテナ７と端子１４ａの接続点である給電点１７の位置を調整することによって、平面アンテナ７のインピーダンスを適切な値とし（図３に示すａ点）、励振電極３のインピーダンス（図３に示すｂ点）と平面アンテナ７のインピーダンスとを共役関係にするような整合回路９が、前記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製作されている（図３に示すｃ点）。
【００２２】
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。
【００２３】
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１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、前記基地局から表面弾性波素子４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１は、平面アンテナ７によりバースト信号を受信すると共に、励振電極３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１３の表面に伝搬して反射子１２で反射され、櫛形電極を通り再び電波に変換して放射する。
【００２４】
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１３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或いは位相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。
【００２５】
なお、本実施形態では、反射子１２を圧電基板１３上に設けているので、励振電極３で発生したＳＡＷは、各反射子１２で反射して励振電極３でそれぞれ電波に変換されて放出される。したがって、各反射子１２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１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１で別々の反射子１２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１を個別認識することができる。
【００２６】
上記の構成によれば、平面アンテナ７がパッケージ５に一体的に形成され、外部に張り出すことがないため、小型化が可能である。
また、平面アンテナ７に用いている銀及び白金は、抵抗率の温度係数が小さく、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機構２の性能の低下を防ぐことができる。また、アンテナ機構２の容量成分がパッケージ５の誘電率によって決まり、周囲物体による容量成分への寄与が無視できるため、アンテナ機構２の共振周波数は、周囲の物体の影響を受けにくく、安定した送受信を行うことができる。
【００２７】
さらに、グラウンド電極８がついているため、アンテナ機構２の容量成分がパッケージ５のセラミックスの誘電率によって決まり、周囲物体による容量成分への寄与が無視できるため、ワイヤレス温度計測モジュール１が置かれる物体の性質によらず、アンテナ機構２の中心周波数などの放射特性が安定である。設置箇所が、その結果、金属でも非金属でもその上に設置して送受信ができ、温度を計測することができる。
また、平面アンテナ７が短絡用パターン１６によってグラウンド電極８に接続されているため、平面アンテナ７はグラウンド電極８に直流的に導通され、平面アンテナ７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機構２の共振周波数以外の周波数成分は導通部分から逃がすことができる。その結果、表面弾性波素子４に過剰な電圧がかかることがなく、表面弾性波素子４の損傷が防止される。
【００２８】
また、表面弾性波素子４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４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、表面弾性波素子４の圧電基板１３が、ランガサイト単結晶で形成されているため、水晶の様な相転移点を持っていないため、より高い温度計測が可能になる。
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。
【００２９】
また、平面アンテナ７と励振電極３とが、整合回路９を介して接続されているので、整合回路９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。このときアンテナ機構２のインピーダンスは給電点１７の位置を調節することによって適切な値となっているため、励振電極３のインピーダンスと近く、整合回路９はコイルまたはコンデンサの１点を櫛形電極３に直列または並列に接続するだけで済み、小型化が可能となる。
【００３０】
次に、第２の実施形態について、図５から図８を参照しながら説明する。
なお、ここで説明する実施の形態は、その基本的構成が上述した第１の実施形態と同様であり、上述の第１の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図５においては、図１と同一構成要素に同一符号をし、この説明を省略する。
【００３１】
図５において、この実施形態によるワイヤレス温度計測モジュール２０は、平面アンテナ７と端子１４ａとの間にコイル（インダクタ）２１が設けられている。
コイル２１は、多層構造とされたパッケージ５に設けられたスルーホール及び、平面アンテナ７が形成される層を挟んだ両面にスクリーン印刷等によって設けられた導体パターンを用いて形成されている。
【００３２】
また、図６に示すように、パッケージ５の底面に溝部２２が設けられ、表面弾性波素子４が接着固定されている。また、櫛形電極３ａと端子１４ａとが、フリップチップ構造により電気的に接続され、同様に櫛形電極３ｂと端子１４ｂとがフリップチップ構造により電気的に接続されている。また、溝部２２はリッド２３により密封状態に塞がれており、内部が真空及び不活性ガスが充填された状態とされている。
【００３３】
また、平面アンテナ７は、図７に示すように平面アンテナ７のインピーダンス（図７に示すａ点）と励振電極３のインピーダンス（図７に示すｂ点）とが共役関係になるような形状、及び面積となっている。したがって、本実施形態では、第１の実施形態のような整合回路を有していない。
また、図８に示すように、パッケージ５における溝部２２の上部近傍には、側面に開口部２５ａをゆする空洞部２５が設けられている。
【００３４】
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。
【００３５】
上述と同様に測定対象のワークに直接又はその近傍にワイヤレス温度計測モジュール２０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。
ワイヤレス温度計測モジュール２０は、遠隔計測するための基地局（図示略）からのバースト信号を受信し、上述と同様に返信波を放射する。上記返信波が返ってくる時間或いは位相を測定することにより、基地局の演算回路において温度を算出する。
【００３６】
本実施形態では、平面アンテナ７と端子１４ａとの間にコイル２１が設けられていることによって、コイル２１のインダクタンスによりアンテナ機構２の共振周波数が低下する。その結果、パッケージ５に比誘電率の小さい誘電体を用いてもパッケージ５の小型化が可能となる。これにより割安なアルミナ等の誘電率の低い誘電体を用いても、ワイヤレス温度計測モジュール２０の小型化が可能となる。
また、表面弾性波素子４は、リッド２３に密着しているため、表面弾性波素子４の熱容量が小さくなる。また、溝部２２の近傍に空洞部２５が設けられていることによって、表面弾性波素子４の両面が測定雰囲気中に近くなるため、温度変化に対する追従を早くすることができる
【００３７】
また、給電点１７は、平面アンテナ７のインピーダンスと励振電極３とのインピーダンスが共役関係をなす所に位置しているため、効率よく送受信することができる。また、インピーダンスマッチングをとる整合回路を使用していないため、損失が少なく、より効率よく送受信することができる。
【００３８】
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、平面アンテナ７及びグラウンド電極８の金属膜を銀及び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、金属膜は、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。
また、グラウンド電極８を上に曲げてパッケージ５を包むような形にすることや、多層構造にすることにより、グラウンド電極８を平面アンテナ７よりも大きくすることが望ましい。
【００３９】
また、上記実施の形態では、パッケージ５の形状を四角形にしているが、四角形に限らず、円盤形でも、三角形でも、多角形でもよい。また、表面弾性波素子４の取り付け位置は、測定対象によって温度の感知が最適になるように、パッケージ５の上面でもよい。例えば、環境雰囲気の温度を計測したい場合は、パッケージ５の側面か上面に表面弾性波素子４を取り付けて使用する。
【００４０】
【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、実施例により具体的に説明する。
【００４１】
上記第１の実施形態のワイヤレス温度計測モジュール１を電気炉により３０〜８００℃の範囲で校正し、図９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１をトンネル電気炉内に配置してその温度分布を計測した結果を、図１０に示す。なお、比較として従来の熱電対で計測した結果も併せて示す。
【００４２】
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計測では、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。
【００４３】
次に、上記第２の実施形態のワイヤレス温度計測モジュール２０を上述と同様にトンネル電気炉内に配置してその温度分布を計測した。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のワイヤレス温度計測モジュールによれば、アンテナ機構が、モジュール本体表面に平面電極を備えているので、電波の送受信を直接的に行う平面電極が、外部に張り出すことがないため、小型化が可能である。
また、平面電極の抵抗率の温度係数が小さく、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機構の性能の低下を防ぐことができる。
また、アンテナ機構の容量成分がモジュール本体の誘電率によって決まり、周囲物体による容量成分への寄与が無視できるため、アンテナ機構の共振周波数は、周囲の物体の影響を受けにくく、安定した送受信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる第１の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示す斜視図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの要部を示す正面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線矢視断面図である。
【図４】本発明に係る第１の実施形態におけるアンテナと櫛形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５】本発明に係る第２の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示す斜視図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示すリッド取り付け前の裏面図である。
【図７】本発明に係る第２の実施形態におけるアンテナと櫛形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８】本発明に係る第２の実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールを示す側面図である。
【図９】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１０】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】
２ アンテナ機構 ３ 励振電極 ４ 表面弾性波素子 ５ パッケージ（モジュール本体） ７ 平面アンテナ（平面電極） ８ グラウンド電極 ９ 整合回路 １３ 圧電基板 ２１ コイル（インダクタ）
Claims (8)
- 電波を送受信するアンテナ機構と、前記アンテナ機構に励振電極が接続された表面弾性波素子と、該表面弾性波素子の設けられたモジュール本体とを備えたワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記アンテナ機構が、前記モジュール本体の表面に形成された平面電極を備え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に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記モジュール本体が誘電体で構成され、平面電極とは反対の表面に形成されたグラウンド電極を備え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、
前記平面電極と前記グラウンド電極とが、電気的に導通し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から請求項３のいずれか１項に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記平面電極が、金、白金、銅、銀の内のいずれか、或いはこれらの内のいずれかの合金からな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から請求項４のいずれか１項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、前記モジュール本体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から請求項５のいずれか１項に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記平面電極と前記励振電極とが、整合回路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１から請求項６のいずれか１項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、前記圧電基板が、Ｌａ２Ｇａ５ＳｉＯ１４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。 - 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記平面電極と前記励振電極との間にインダクタ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。
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- 2003-05-22 JP JP2003144730A patent/JP2004347451A/ja active Pending
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