JP2005505775A - 三次弾性定数による温度安定ｓａｗセンサー - Google Patents

Abstract

基板（２３）の上に設けられた変換器（２４）を備えている表面弾性波（ＳＡＷ）センサーであって、その変換器（２４）が前記基板（２３）の上に特定方向へ向けて置かれ、その結果、弾性波伝播の方向は、基板の三次弾性定数の温度変動量に関連したセンサー出力の温度変動量が、基板の膨脹一次温度係数と基板の一次弾性定数および基板の密度の温度変動量とに関連したセンサー出力の温度変動量の総計に実質的に等しいが符号が反対であるようなものであるＳＡＷセンサー。これによって、センサー出力の温度変化の影響は最小になる。これは、３５度の配置で、あるいは垂線に対して３．１度の角度で傾けられた反射格子で達成される。さらに、皿の備わった丈夫なパッケージがもたらされる。特定の用途はトルクの測定である。

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＳＡＷセンサー、すなわち物理的パラメーターを感知するための表面弾性波（ＳＡＷ）装置を使用するセンサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
当業者にはわかると思われるが、ＳＡＷ装置は、そのＳＡＷ装置における基板の物理的寸法の変化を検知するために使用することができる。ＳＡＷ装置の共振周波数（ＳＡＷ共振器の場合における）またはＳＡＷ装置の群遅延あるいは位相遅延（遅延線ＳＡＷ共振器の場合における）は、そのＳＡＷ装置における基板の寸法の変化によって変わる。したがって、ＳＡＷ装置を、物理的条件の変化によってＳＡＷ装置における基板の寸法の変化が生じるように配置することによって、ＳＡＷ装置は当該物理的条件の測定値をもたらすために使用することができる。典型的には、ＳＡＷ装置は、このようなやり方で、歪ゲージとして使用することができる。このような技術の一つの特定用途はトルクの測定である。これに関連して、ＳＡＷ装置の好ましい特性は、ＳＡＷ装置が、そのＳＡＷ装置とそれに関連した応答指令信号発信回路装置との間にハードワイヤードの電気的接続をもたらすことなく、応答指令信号発信を行うことができることである。この事実は、ＳＡＷ装置が受動的に作動することができる（言い換えると、それらがそのＳＡＷ装置に直接関連した電源装置を備えることなく作動することができる）ことと組み合わされて、回転軸におけるトルクの測定のためにそれらを理想的なものにする。
【０００３】
二つのＳＡＷ共振器に基づいた従来技術の一つのシステムが図１に模式的に示されている。このシステムでは、二つのＳＡＷ共振器がシャフトに固定されているが、これらはシャフト軸に対して±４５度の角度で方位付けられている。このシャフトにトルクが加わると、これらの共振器の共振周波数は、一方のＳＡＷ装置が引張状態にあり、他方のＳＡＷ装置が圧縮状態にあるため、反対方向に変化する。前記トルクに比例している二つの周波数の差が応答指令信号発信ユニットによって測定される。これらのＳＡＷ装置には遠隔操作可能なＲＦカプラーを介してＲＦ信号がもたらされる。前記シャフト軸に対して±４５度のＳＡＷ装置の方位によって、このセンサーの最大感度が保証される。
【０００４】
二つのＳＡＷ遅延線装置に基づいた別のシステムが図２に模式的に示されている。このシステムでは、反射格子が取り付けられた二つのＳＡＷ遅延線が、（シャフト軸に一線配置されている）基板の結晶軸に対して±４５度の角度で、配置されてもいる。この場合に、応答指令信号発信ユニットによって、群遅延かあるいは二つの遅延線の衝撃共振におけるパルス同士の間の位相遅延差かのいずれかが測定される。この差もまた、前記トルクに比例している。遅延線装置は、図１に示されたような相異なる二つの基板の上か、あるいは図２に示されたような単一の基板の上かのいずれかに作ることができる。
【０００５】
ＳＡＷ共振器の共振周波数あるいはＳＡＷ遅延線装置の遅延特性は、この装置のさまざまな表面要素の相互間隔とこのＳＡＷの位相速度とに左右されるので、基板の物理的寸法におけるあらゆる変化と温度変化によって引き起こされたこのＳＡＷの位相速度とが補正される点を保証することを配慮しなければならない。温度補償の必要性は、測定されるトルクにより引き起こされる歪みによって生じた基板の寸法変化とＳＡＷの位相速度の変化とが小さく、したがって温度変化により引き起こされる寸法変化あるいは位相速度変化に価値が匹敵するであろう高感度トルク測定装置の場合にとりわけ深刻である。
【０００６】
従来技術では、温度安定化の問題は、基板の結晶軸に対する装置の表面構成要素の方位を調整することによって解決される程度のものであった。より詳しく説明すると、装置の表面構成要素を、弾性波の伝播方向が、両方のＳＡＷ装置について基板の結晶軸に対して同じであるように据え付けることが配慮された。このような方法によって、二つの共振周波数あるいは二つの遅延同士の差を測定することは、周波数の温度係数（ＴＣＦ）が等しいために結果から自動的に排除された温度変化によるものであるとみなされた。
【０００７】
図１に示された型の装置では、周波数の最小絶対温度変化あるいは遅延は、ＳＴカットされた水晶と弾性波のＸ軸伝播とを用いて得られたが、これは、ゼロの一次ＴＣＦと転移温度あたりの小さい二次温度変化とがもたらされるからである。図２に示された型の装置では、シャフトのねじり変形によってＳＡＷ装置に引き起こされた歪みを最小にするために好ましい±４５度の一線配置が考慮された。両方のＳＡＷ装置が基板のＸ軸に対して同じ角度（４５度）で配置されたという事実は、二つのＳＡＷ軸のＴＣＦが等しいことを意味しており、また、このような排除された温度依存変化は、ＴＣＦがゼロでないにもかかわらず、ＳＡＷ装置の性能におけるものであると、思われていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、われわれは、このような取り組みによってはトルクセンサーの完全な温度安定化がもたらされないこと、すなわち、このような取り組みはシャフトに加わるトルクが存在しないときにだけ機能することをここで発見した。その理由は、一次ＴＣＦが基板の歪みに左右されるためである。トルクが加わると、圧縮力を受けたＳＡＷ装置のＴＣＦは、引張力を受けたＳＡＷ装置のＴＣＦとは異なる。ＴＣＦがゼロである、ＳＴ−Ｘカットされた水晶基板の場合には、その歪みによって転移温度が変わる。その結果、トルクセンサーの感度は温度によって変化する。例えば、二つのＳＡＷ装置がＳＴカットされた水晶の上にＸ方向の方位で作られているときには、その感度は、温度が−４０度から＋９０度まで変化すると３７％増大する。この変化は、多くの工業的用途には受け入れることができないほど大きい。
【０００９】
感度の温度変化の一因となる主要因子は、
１．膨張線形温度係数
２．ゼロでない三次弾性定数、
３．一次弾性定数の温度変化、
４．基板密度の温度変化、
５．三次弾性定数の温度変化である。
【００１０】
従来のＳＴ−Ｘカットされた水晶基板の場合には、これらの因子の最後である三次弾性定数の温度変化は、他の諸因子よりも実質的に大きく、かつ、さまざまな因子の最終結果をしのぐ。大体において、ＳＴ−Ｘカットされた水晶基板の場合には、三次弾性定数の温度変化によって感度の温度変化が引き起こされる。
【００１１】
われわれは、全体の温度感度が実質的に減少する手段をここで発見した。この好ましい特性は、基板の三次弾性定数の温度変化をある水準まで、つまり、基板の三次弾性定数が前記の他の四因子における最終結果によって相殺される水準まで、かなりの程度減少させることで達成される。言い換えると、われわれは、前記の因子５が実質的に因子１〜４の総計効果に実質的に等しくて符号が反対である水準まで減少されると、感度の温度変化がきわめて少ない装置を製造することができる、ということを発見した。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の好ましい一つの実施形態では、ＳＡＷ装置の表面構成要素は、表面弾性波がＳＴカットされた水晶のＸ軸に対してある角度をなして伝播するように、ＳＴカットされた水晶の基板の上に据え付けられており、ここでは、この基板の三次弾性定数の温度変動量は、温度の線膨脹係数、ゼロでない三次弾性定数、一次弾性定数の温度変動量および基板密度の温度変動量の総計に実質的に等しく、かつ、符号が反対である。
【００１３】
この発明におけるいくつかの実施形態については、前記五つの因子についての温度変動量の総計によって、−４０度〜＋９０度の温度範囲内で、１０％未満、好ましくはおよそ６％の感度変化がもたらされるのが好ましい。このような特性は、ＳＴ−Ｘカットされた水晶が前記基板のために用いられ、かつ、表面弾性波がＸ軸に沿って伝播するようにＳＡＷ装置の表面構成要素が据え付けられた従来のＳＡＷ装置の場合におけるものよりも、およそ６倍良好である。
【００１４】
表面弾性波の伝播の軸がＳＴカットされた水晶基板のＸ軸に対して０度あるいは±４５度以外のある角度をなしているという提案は、当業界において容認された教示に反するものであるということ、すなわち、表面弾性波がＳＴカットされた水晶基板のＸ軸の方向に伝播するときに達成されるゼロの一次ＴＣＦ特性、あるいは表面弾性波が前記Ｘ軸に対して±４５度で伝播するときに得られる最大感度を利用することが好ましいということは、わかるであろう。
【００１５】
基板としてＳＴカットされた水晶を使用するこの発明の好ましい実施形態では、ＳＡＷ装置の表面構成要素は、表面弾性波が前記Ｘ軸に対して３０度〜４０度におけるある角度で伝播するように、据え付けられている。この発明における特に好ましい実施形態では、弾性波は前記Ｘ軸に対して３５度に実質的に等しい角度で伝播する。
【００１６】
前記伝播角に対して垂直に方位付けされた格子からの反射を最適なものにするために、格子の細長片は、アルミニウムではなく、金あるいは銅、あるいはＳＴカットされた水晶のＸ軸に沿って特定方向へ向けて置かれた格子の標準であろうと思われる水晶基板の表面の実質的な質量実装を引き起こす他の材料から作られているのが好ましい。
【００１７】
この発明は、例示としてだけ与えられ、添付図面を参照した以下の好ましい実施形態から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
まず、図１によれば、シャフト１によって担持された、トルクを測定するための装置が示されている。この装置にはＳＡＷ装置２，３が備わっており、これらのＳＡＷ装置は前記シャフトの表面に固定されており、それぞれが前記シャフトの回転軸４に対して実質的に４５度で方位付けられている。これらのＳＡＷ装置には、普通は水晶材料からなる別々の基板がそれぞれ備わっており、これらの基板には、表面弾性波装置を形成するために表面伝導体が据え付けられている。これらの表面弾性波装置は、共振器あるいは遅延線装置であってよい。これらの装置では、遠隔操作可能なＲＦ接続具６、７を介する応答指令信号発信装置５によって応答指令信号が発信される。このような装置は知られている。今までは、これらのＳＡＷ装置の表面構成要素は、表面弾性波の方向および伝播がＳＴカットされた水晶基板結晶のＸ軸あるいはＹカットされたＬｉＮｂＯ_３のＺ軸に平行であるように、それらの基板に据え付けられていた。
【００１９】
図２に示された装置では、二つのＳＡＷ装置８、９が単一の水晶基板１０の上に据え付けられている。これらの装置８、９は両方とも、それぞれに弾性波送信機／受信機１１と二つの反射格子１２とが備わっている遅延線装置である。それぞれの装置８、９については、弾性波の方向および伝搬は、ＳＴカットされた水晶基板結晶のＸ軸にそれぞれ沿っている。
【００２０】
先に説明したように、図１および図２の装置は従来のものである。
【００２１】
さて、図３によれば、この発明における好ましい実施形態が示されている。シャフト２０には一対のＳＡＷ装置２１、２２が固定されている。これらの装置にはそれぞれ、共通の基板２３の上に据え付けられた表面構成要素が備わっている。この基板は、適切な任意の材料から作ることができ、普通はＳＴカットされた水晶であるであろう。
【００２２】
これらのＳＡＷ装置２１、２２は両方とも、弾性波変換器２４および反射格子２５が組み込まれている遅延線装置つまり共振装置である。
【００２３】
基板２３は、この基板のＸ軸２６がシャフトの回転軸２７と実質的に一列になるようにシャフト２０に固定されている。基板２３は、この基板のＸ軸２６に沿ってシャフト２０に固定されている。これらのＳＡＷ装置２１、２２を形成している表面構成要素は、弾性波の伝播軸２８、２９がこの基板のＸ軸に対してそれぞれ３５度の角度になるように、据え付けられている。この装置では、それぞれのＳＡＷ装置には、ゼロＴＣＦの従来技術におけるような目に見える利点は備わっていない。しかしながら、われわれは、この型の装置について、三次弾性定数の温度変化によって生じた感度の温度変動量が、膨張線形温度係数、ゼロでない三次弾性定数、一次弾性定数の温度変化および基板密度の温度変化による温度感度の正味変動量に近いものであり、かつ、符号が反対であるということを発見した。実際に、われわれは、そのような装置について、およそ６％の感度全変化を温度範囲−４５℃〜＋９０℃で達成することができることを発見した。さらに、シャフト２０の特性を適切に選択することによって、感度の温度依存変動量をさらに減少させることができるが、それは温度によるシャフト弾性定数の変化によって生じた、大きさが等しくて方向が反対である変化により先に概説された残り６％の変化について補償することができるからである、と思われる。
【００２４】
この発明は、二つのＳＡＷ装置が共通の基板の上に据え付けられている実施形態を特に参照して説明されてきたが、この発明は二つ以上の別々のＳＡＷ装置が例えば図１に示されたやり方で利用される装置に適用することができる、ということを認識すべきである。これらの環境では、それぞれのＳＡＷ装置は、弾性波の伝播方向がＳＴカットされた水晶基板のＸ軸に対して適切な角度になるように、それぞれの基板に上に据え付けられている。
【００２５】
さらに、この発明は、トルク測定を特に参照して説明されてきたが、説明されたこれらの技術は、他に存在する感度の温度依存変化を減少するために、他のいくつかの測定に適用することができる、ということが認識されるであろう。
【００２６】
この発明は、ＳＴカットされた水晶の基板の状況において説明されてきた。そのような基板については、弾性波伝播の好ましい方向は、そのＸ軸に対して±３５度の方向である。しかしながら、この発明は他の基板で実施することができる。他の基板によるこの発明の重要な側面は、その基板の規定軸に対する伝播の方向が、三次弾性定数の変化による温度の周波数感度変動量が、膨張線形温度係数、ゼロでない三次弾性定数、一次弾性定数の温度変化および基板密度の温度変化の合わさった効果による温度の周波数感度変動量に等しいものであり、かつ、符号が反対であるようなものであり、その結果、さまざまな因子の変化によってこの装置の感度の温度変動量が最小になる、ことである。
【００２７】
先に記載された実施形態には、温度によるトルク感度の変化が小さい（およそ６％）という利点がある。しかしながら、その実施形態には、室温での周波数線形温度係数（ＴＣＦ）はゼロでないという不都合がある。このことは、両方の共振器の温度による共振周波数の絶対変動量が、例えばＳＴカットされた水晶の基板のＸ軸に沿って方位付けられた装置のそれよりも大きいであろう、ということを意味している。いくつかの用途では、このようなことは好ましくない。
【００２８】
図４に示された別の実施形態には、互いに９０度で方位付けられた両ＳＡＷ装置３１、３２のために単一の基板３０を使用する（これによって、前記トルクに対する最大感度がもたらされる）ということと、両方の共振器についての一次ＴＣＦがゼロであるということについての利点がある。温度によるトルク感度の変動量は−４０℃から＋９０℃までの間でおよそ１２％であり、この値は先の実施形態よりは悪いが、ＳＴ−Ｘカットされた水晶の表面に組み立てられた伝統的な装置よりも良好である。両方のＳＡＷ共振器には、Ｙ方向に４５度カットされた水晶から作られた基板のＸ軸に対して４５度の方位が付けられた軸３３、３４がある。ＩＤＴの電極および前記格子の反射体は、ＳＡＷの位相方向同士の差と群速度同士の差とを説明するために、関連した共振器の軸３３、３４に対して、３．１度〜３．２度の角度だけ傾けられている。
【００２９】
最後に、前記ＳＡＷセンサーの基板は、接着用（接着剤）ハンダあるいは、図３および図４に示されたような他の任意の結合技術によって、前記シャフトに直接取り付けることができ、また、これらの装置の作業面は、好ましくは水晶から作られて例えば接着剤によってそれらの基板に取り付けられた蓋によって、保護することができる。いっそう丈夫な設計によれば、図５および図６に示されたようなパッケージ３５を使うことができる。このパッケージ３５は皿（好ましくは円筒形状のもの）であり、また、ＳＡＷ装置３６、３７（別々の基板の上におけるものかあるいは単一の基板３８の上におけるもの）は、パッケージ３５の底部に所要角度でしっかり取り付けられる。パッケージ３５は、蓋３９で封止されて、接着剤あるいはハンダを用いるか、あるいはこのパッケージの周縁周りでそれを溶接するかのいずれかによって、シャフト４０に取り付けられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、別々の基板に据え付けられた二つのＳＡＷ共振器を使用する従来技術のトルク測定装置を示している。
【図２】図２は、共通の基板に据え付けられた二つのＳＡＷ遅延線装置を使用する従来技術のトルク測定装置を示している。
【図３】図３は、この発明の好ましい第一実施形態を示している。
【図４】図４は、この発明の第二実施形態を示している。
【図５】図５は、二つ以上のＳＡＷ共振器のための、分解された保護パッケージを示している。
【図６】図６は、ＳＡＷ共振器のための、組み立てられた保護パッケージを示している。

Claims (9)

1. 基板の上に設けられた変換器を備えている表面弾性波（ＳＡＷ）センサーであって、基板の三次弾性定数の温度変動量に関連したセンサー出力の温度変動量が、基板の膨張線形温度係数と基板の一次弾性定数および基板の密度の温度変動量とに関連したセンサー出力の温度変動量の総計に実質的に等しいが符号が反対となる弾性波伝播の方向に向けて、その変換器が置かれているＳＡＷセンサー。
2. 前記基板が、ＳＴカットされた水晶であり、かつ、前記基板の上に置かれた二つの変換器のそれぞれの弾性波伝播の方向が前記基板のＸ軸に対してそれぞれ３０度〜４２度の角度をなしており、これらの変換器が前記Ｘ軸に対して対称的に配置されている、請求項１記載のＳＡＷセンサー。
3. 前記角度が３０度〜４０度である請求項２記載のＳＡＷセンサー。
4. 前記角度が３５度である請求項３記載のＳＡＷセンサー。
5. 前記基板が、Ｙ＋３４度カットされた水晶であり、かつ、前記基板上の二つの変換器のそれぞれの弾性波伝播の方向が前記基板のＸ軸に対してそれぞれ４５度の角度をなしている請求項１記載のＳＡＷセンサー。
6. このセンサーが、互いに平行にかつ前記変換器の電極に対して平行に方位付けされた材料細長片の形態にある反射格子をさらに備えている先行請求項のいずれか１つに記載のＳＡＷセンサー。
7. 前記反射格子は、一本の直線がその格子およびその変換器を二分するように、かつ、その直線が弾性波伝播の方向へある角度で延びるように、前記基板の上に配置されている請求項６記載のＳＡＷセンサー。
8. 前記直線が、前記基板のＸ軸に対して４５度の角度で延びている請求項７記載のＳＡＷセンサー。
9. 弾性波伝播の方向への垂線に対して３．１度〜３．２度の角度で傾けられた材料細長片の形態にある反射格子をさらに備えている請求項５記載のＳＡＷセンサー。