JP2012173012A

JP2012173012A - センサ

Info

Publication number: JP2012173012A
Application number: JP2011032460A
Authority: JP
Inventors: Masataka Araogi; 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: JP5709254B2

Abstract

【課題】感度および検出精度を向上させるとともに、小型化する。
【解決手段】センサ１０は、板状の基体２１と、片持ち梁状に基体２１の端部を支持する支持部２２と、該基体２１の表面２１Ａを伝搬する弾性表面波を励起するとともに、表面２１Ａを伝搬した弾性表面波を受信して、受信結果の信号を出力する櫛形電極２３とを備える弾性表面波素子１１と、櫛形電極２３から出力された信号に基づいて弾性表面波の伝搬特性を検出する伝搬特性検出部１５と、伝搬特性検出部１５により検出された伝搬特性に応じて温度を検出する状態量検出部１６とを備え、基体２１の裏面２１Ｂの少なくとも一部は、基体２１とは異なる熱膨張係数の被覆層２５により被覆されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、センサに関する。

従来、例えば圧電基板上に対向配置された櫛形電極と反射器との間で弾性表面波を往復伝搬させ、雰囲気の湿度や温度に応じた弾性表面波の伝搬特性の変化に基づき、雰囲気の湿度や温度を検出するセンサが知られている。（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開２０１０−９６５５８号公報特開２００５−１２１４９８号公報

ところで、上記従来技術に係るセンサにおいては、雰囲気の湿度や温度に対する感度および検出精度を向上させるとともに、小型化することが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、感度および検出精度を向上させるとともに、小型化することが可能なセンサを提供することを目的としている。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係るセンサは、板状の基体（例えば、実施の形態での基体２１）と、片持ち梁状に前記基体の端部を支持する支持部（例えば、実施の形態での支持部２２）と、該基体の表面を伝搬する弾性表面波を励起するとともに、前記表面を伝搬した前記弾性表面波を受信して、受信結果の信号を出力する弾性表面波励起受信部（例えば、実施の形態での櫛形電極２３）とを備える弾性表面波素子（例えば、実施の形態での弾性表面波素子１１）と、前記弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の伝搬特性を検出する伝搬特性検出部（例えば、実施の形態での伝搬特性検出部１５）と、前記伝搬特性検出部により検出された前記伝搬特性に応じて温度を検出する状態量検出部（例えば、実施の形態での状態量検出部１６）とを備え、前記基体の表面の少なくとも一部は、前記基体とは異なる熱膨張係数の被覆層（例えば、実施の形態での被覆層２５）により被覆されている。

また、本発明の第２態様に係るセンサは、板状の基体（例えば、実施の形態での基体２１）と、片持ち梁状に前記基体の端部を支持する支持部（例えば、実施の形態での支持部２２）と、該基体の表面を伝搬する弾性表面波を励起するとともに、前記表面を伝搬した前記弾性表面波を受信して、受信結果の信号を出力する弾性表面波励起受信部（例えば、実施の形態での櫛形電極２３）とを備える弾性表面波素子（例えば、実施の形態での弾性表面波素子１１）と、前記弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の伝搬特性を検出する伝搬特性検出部（例えば、実施の形態での伝搬特性検出部１５）と、前記伝搬特性検出部により検出された前記伝搬特性に応じて湿度または温度を検出する状態量検出部（例えば、実施の形態での状態量検出部１６）とを備え、前記基体の表面の少なくとも一部は、外部に開口した気孔（例えば、実施の形態での気孔３１ａ）が分散配置されている多孔質材（例えば、実施の形態での多孔質材３１）により被覆されている。

さらに、本発明の第３態様に係るセンサでは、前記状態量検出部は、前記弾性表面波の伝搬特性と前記弾性表面波素子の前記表面周辺の雰囲気の状態との対応関係を示すデータを記憶しており、前記伝搬特性検出部により検出された前記伝搬特性に対応する前記雰囲気の状態を前記データから取得する。

さらに、本発明の第４態様に係るセンサでは、前記弾性表面波励起受信部および前記伝搬特性検出部は互いに無線通信可能である。

本発明の第１態様に係るセンサによれば、弾性表面波が励起される基体の表面の少なくとも一部は、基体とは異なる熱膨張係数の被覆層を有することから、例えば被覆層を備えていない場合に比べて、温度変化に応じた基体の表面形状の変化が大きくなり、温度に対する感度および検出精度を向上させることができる。
これにより、温度に対する所望の感度および検出精度を確保しつつ、小型化することができる。

また、本発明の第２態様に係るセンサによれば、弾性表面波が励起される基体の表面の少なくとも一部は、多孔質材の被覆層を有することから、例えば被覆層を備えていない場合に比べて、温度変化または湿度変化に応じた基体の表面形状の変化が大きくなり、温度または湿度に対する感度および検出精度を向上させることができる。
これにより、温度または湿度に対する所望の感度および検出精度を確保しつつ、小型化することができる。

さらに、本発明の第３態様に係るセンサによれば、予め作成されたデータを参照して、伝搬特性検出部により検出された伝搬特性に対応した雰囲気の状態（例えば、温度や湿度）を容易に取得することができる。

さらに、本発明の第４態様に係るセンサによれば、利便性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るセンサの構成図である。本発明の実施の形態に係るセンサの弾性表面波素子の構成図である。本発明の実施の形態の変形例に係るセンサの弾性表面波素子の構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係るセンサについて添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態によるセンサ１０は、例えば図１に示すように、弾性表面波素子１１と、送受信部１２と、サーキュレータ１３と、発振器１４と、伝搬特性検出部１５と、状態量検出部１６とを備えて構成されている。

弾性表面波素子１１は、例えば、板状の基体２１と、片持ち梁状に基体２１の端部を支持する支持部２２と、櫛形電極２３と、反射器２４と、被覆層２５とを備えて構成されている。

板状の基体２１は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）や水晶などの圧電性材料の単結晶からなり、表面に励起される弾性表面波が櫛形電極２３と反射器２４との間で伝搬する伝搬経路２１ａを有している。

櫛形電極２３は、基体２１の表面２１Ａ上に形成されたＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒなどの金属層から成り、例えば櫛歯が向き合い、かつ、互い違いになるように形成された一対の電極である。
櫛形電極２３は、例えば真空蒸着やスパッタリングなどによって基体２１上に金属層が形成された後に、フォトリソグラフィーによるパターニングによって形成される。

櫛形電極２３は、発振器１４から高周波の電気信号（高周波信号）が入力されると弾性表面波を励起する。
また、櫛形電極２３は、反射器２４によって反射されつつ基体２１の表面２１Ａ上を伝搬した弾性表面波を受信し、受信結果の信号をアンテナ２３ａを介して出力する。

反射器２４は、例えば基体２１の表面２１Ａ上において櫛形電極２３から出力される弾性表面波の伝搬方向に櫛形電極２３から所定距離だけ離間した位置で伝搬方向に対して垂直な方向に延在するように設けられ、例えば金属膜の蒸着により形成されている。

被覆層２５は、基体２１とは異なる熱膨張係数を有する材料（例えば、基体２１よりも熱膨張係数が大きいＡｌなどの金属など）から成り、例えば基体２１の裏面２１Ｂを被覆している。
この被覆層２５は、例えば基体２１の裏面２１Ｂの全面に無電解めっきが行なわれて形成されている。

送受信部１２はアンテナ１２ａを備え、弾性表面波素子１１の櫛形電極２３と無線通信可能とされている。

サーキュレータ１３は、送受信部１２と発振器１４と伝搬特性検出部１５とに接続され、発振器１４から出力される高周波信号を送受信部１２に入力し、送受信部１２から出力される信号を伝搬特性検出部１５に入力する。

発振器１４は、高周波信号を出力する。
伝搬特性検出部１５は、例えば櫛形電極２３から出力されて送受信部１２により受信された信号に対するフーリエ変換などを行ない、弾性表面波素子１１の表面（つまり、基体２１の表面２１Ａ）を伝搬する弾性表面波の伝搬速度や位相や強度などの伝搬特性を検出する。

状態量検出部１６は、伝搬特性検出部１５により検出された伝搬特性の検出結果に基づき、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の状態量、例えば温度を検出する。

すなわち、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の温度に応じて弾性表面波素子１１の形状変化、例えば被覆層２５の膨張または収縮に起因する基体２１の裏面２１Ｂの膨張または収縮により伝搬経路２１ａの経路長や形状などの変化が生じると、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性が変化する。

状態量検出部１６は、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性の変化の検出結果に基づいて、例えば予め記憶している所定マップなどを参照して、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の温度を検出する。
なお、所定マップは、例えば、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の状態（例えば、温度）と、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性との対応関係を示すデータである。

上述したように、本実施の形態によるセンサ１０によれば、弾性表面波が励起される基体２１の裏面２１Ｂは基体２１とは異なる熱膨張係数の被覆層２５を有することから、例えば被覆層２５を備えていない場合に比べて、温度変化に応じた基体２１の表面形状の変化が大きくなり、温度に対する感度および検出精度を向上させることができる。
しかも、板状の基体２１に被覆層２５を容易かつ安定に形成することができ、形成に煩雑な手間がかかることを防止することができる。

しかも、予め作成されたデータを参照して、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性の変化の検出結果に対応した雰囲気の状態（例えば、温度）を容易に取得することができる。

なお、上述した実施の形態において、被覆層２５は、基体２１の裏面２１Ｂの全面に限定されず、基体２１の裏面２１Ｂの少なくとも一部を被覆していてもよい。
また、被覆層２５は、基体２１の側面の少なくとも一部を被覆してもよい。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図３に示す上述した実施の形態の変形例に係るセンサ１０のように、基体２１の裏面２１Ｂを被覆する被覆層２５の代わりに、外部に開口した気孔３１ａが分散配置されている多孔質材３１が基体２１の裏面２１Ｂを被覆していてもよい。

この多孔質材３１は、無機または有機の多孔質材料から成り、例えば多孔質ガラスから成る多孔質材３１は、複数のガラス材料を混合して熱処理することで得られる分相ガラスを、酸溶液に浸漬して特定相のみを溶出して形成される。

この変形例において、状態量検出部１６は、伝搬特性検出部１５により検出された伝搬特性の検出結果に基づき、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の状態量、例えば湿度および温度を検出する。

すなわち、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の湿度または温度に応じて弾性表面波素子１１の形状変化、例えば多孔質材３１の水分吸着による膨潤または水分離脱による収縮に起因する基体２１の裏面２１Ｂの膨張または収縮により伝搬経路２１ａの経路長や形状などの変化が生じると、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性が変化する。

状態量検出部１６は、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性の変化の検出結果に基づいて、例えば予め記憶している所定マップなどを参照して、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の湿度または温度を検出する。
なお、所定マップは、例えば、弾性表面波素子１１の表面周辺の雰囲気の状態（例えば、湿度または温度）と、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性との対応関係を示すデータである。

この変形例によれば、弾性表面波が励起される基体２１の裏面２１Ｂは多孔質材３１により被覆されていることから、例えば多孔質材３１を備えていない場合に比べて、湿度変化あるいは温度変化に応じた基体２１の表面形状の変化が大きくなり、湿度あるいは温度に対する感度および検出精度を向上させることができる。
しかも、多孔質材３１を容易かつ安定に形成することができ、形成に煩雑な手間がかかることを防止することができる。

しかも、予め作成されたデータを参照して、伝搬経路２１ａを伝搬する弾性表面波の伝搬特性の変化の検出結果に対応した雰囲気の状態（例えば、湿度または温度）を容易に取得することができる。

なお、この変形例において、多孔質材３１は、基体２１の裏面２１Ｂの全面に限定されず、基体２１の裏面２１Ｂの少なくとも一部を被覆していてもよい。
また、この変形例において、多孔質材３１は、基体２１の側面の少なくとも一部を被覆してもよい。

なお、上述した実施の形態および変形例において、センサ１０は、複数の異なる弾性表面波素子１１，…，１１を備えて構成されてもよい。

複数の異なる弾性表面波素子１１，…，１１は、例えば被覆層２５または多孔質材３１の厚さ（積層方向の厚さ）を同一として、弾性表面波の伝搬方向における基体２１の長さ（つまり、櫛形電極２３と反射器２４との間の長さ）が異なるように形成されてもよい。
また、複数の異なる弾性表面波素子１１，…，１１は、例えば弾性表面波の伝搬方向における基体２１の長さ（つまり、櫛形電極２３と反射器２４との間の長さ）を同一として、被覆層２５または多孔質材３１の厚さ（積層方向の厚さ）が異なるように形成されてもよい。

なお、上述した実施の形態および変形例においては、例えば各アンテナ１２ａ，２３ａおよび送受信部１２は省略されて、櫛形電極２３とサーキュレータ１３とは直接に接続されていてもよい。

１０センサ
１１弾性表面波素子
１５伝搬特性検出部
１６状態量検出部
２１基体
２１ａ伝搬経路
２２支持部
２３櫛形電極（弾性表面波励起受信部）
２５被覆層
３１多孔質材
３１ａ気孔

Claims

板状の基体と、片持ち梁状に前記基体の端部を支持する支持部と、該基体の表面を伝搬する弾性表面波を励起するとともに、前記表面を伝搬した前記弾性表面波を受信して、受信結果の信号を出力する弾性表面波励起受信部とを備える弾性表面波素子と、
前記弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の伝搬特性を検出する伝搬特性検出部と、
前記伝搬特性検出部により検出された前記伝搬特性に応じて温度を検出する状態量検出部とを備え、
前記基体の表面の少なくとも一部は、前記基体とは異なる熱膨張係数の被覆層により被覆されていることを特徴とするセンサ。
板状の基体と、片持ち梁状に前記基体の端部を支持する支持部と、該基体の表面を伝搬する弾性表面波を励起するとともに、前記表面を伝搬した前記弾性表面波を受信して、受信結果の信号を出力する弾性表面波励起受信部とを備える弾性表面波素子と、
前記弾性表面波励起受信部から出力された信号に基づいて前記弾性表面波の伝搬特性を検出する伝搬特性検出部と、
前記伝搬特性検出部により検出された前記伝搬特性に応じて湿度または温度を検出する状態量検出部とを備え、
前記基体の表面の少なくとも一部は、外部に開口した気孔が分散配置されている多孔質材により被覆されていることを特徴とするセンサ。
前記状態量検出部は、前記弾性表面波の伝搬特性と前記弾性表面波素子の前記表面周辺の雰囲気の状態との対応関係を示すデータを記憶しており、
前記伝搬特性検出部により検出された前記伝搬特性に対応する前記雰囲気の状態を前記データから取得することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ。
前記弾性表面波励起受信部および前記伝搬特性検出部は互いに無線通信可能であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載のセンサ。