JP4962109B2 - 検出装置及び検出システム - Google Patents

Description

本発明は、密閉空間内の圧力、温度、ガス量など密閉空間内の状態を検出する検出装置及び検出装置を含む検出システムに関する。

クリーンルームのような密閉空間内の温度、圧力、ガス量等（密閉空間内の状態）を、密閉空間の外部から検出するものがある。例えば、特許文献１に記載のテレメトリック圧力センサ（検出装置）は、密閉空間の壁の内側の表面に圧力センサが配置されているとともに、密閉空間の壁の外側の表面に圧力センサと対向するように駆動振動子が配置されており、駆動振動子から超音波を出力すると、圧力センサの振動部が励起されて、振動部の共振周波数の超音波が反射され、この超音波を駆動振動子が検出する。このとき、振動部は密閉空間の圧力変化によって変形するため、密閉空間の圧力によって駆動振動子は異なる周波数の超音波を検出する。これにより、密閉空間に配線を通すための穴を空けることなく、密閉空間の外部において密閉空間内の圧力を検出することが可能となる。

特開２００２−２６７５５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のテレメトリック圧力センサでは、圧力センサを密閉空間の壁の近傍に配置する必要があるため、密閉空間の壁から離れた位置の圧力を検出することはできない。また、密閉空間の複数の位置における圧力を検出するために、密閉空間に対して複数の圧力センサを配置することも考えられるが、この場合、特許文献１に記載のテレメトリック圧力センサでは、圧力センサ間の干渉を防止するため、複数の圧力センサ間で超音波の周波数を異ならせる必要があり、これにともなって、圧力センサ毎に設計を変更するなど、圧力センサの設計コスト及び製造コストが増大してしまう虞がある。

本発明の目的は、密閉空間内のいずれの位置における状態も検出することが可能な検出装置を提供することである。

また、本発明の別の目的は、設計コスト及び製造コストなどが過度に増大することがない、複数の検出装置を有する検出システムを提供することである。

本発明の検出装置は、圧電基板、圧電基板の一表面に互いに対向するように配置された１対の櫛型電極、及び、圧電基板の前記一表面に配置されており、圧電基板の前記一表面上を伝播してきた弾性表面波を反射させる反射器を有しており、密閉空間内に配置されたＳＡＷセンサと、第１圧電体、及び、第１圧電体を挟むように第１圧電体の表面に配置されているとともに、１対の櫛型電極に接続された１対の第１電極を有しており、密閉空間を画定する壁の内側の表面に配置された第１圧電ユニットと、第２圧電体、及び、第２圧電体を挟むように第２圧電体の表面に配置された１対の第２電極を有しており、密閉空間を画定する壁の外側の表面に第１圧電ユニットと対向するように配置された第２圧電ユニットと、１対の第２電極に、交流電圧を印加する交流電圧印加回路と、１対の第２電極の間の交流電圧を検出する交流電圧検出回路と、交流電圧検出回路によって検出された交流電圧から検出量を算出する検出量算出回路とを備えている（請求項１）。

交流電圧印加回路により１対の第２電極の間に交流電圧が印加されると、第２電極に挟まれた第２圧電体が振動する。そして、この振動が第１圧電体に伝播することにより第１圧電体が振動し、この振動により１対の第１電極の間、及び、１対の第１電極に接続された１対の櫛型電極の間に交流電圧が生じ、これにより、圧電基板の櫛型電極の間の部分が振動する。この振動は圧電基板上を伝播し、反射器において反射して櫛型電極の間の部分に戻ってくる。この戻ってきた振動により１対の櫛型電極の間及び１対の櫛型電極に接続された１対の第１電極の間に交流電圧が生じる。そして、第１電極の間に発生した交流電圧により、第１電極に挟まれた第１圧電体が振動し、この振動が伝播して第２圧電体が振動する。その結果、第２電極の間に交流電圧が発生し、この交流電圧が交流電圧検出回路によって検出される。

ここで、密閉空間内の圧力、温度、ガス量等によって、交流電圧検出回路により検出される交流電圧は異なる。したがって、本発明によると、検出量算出回路において、交流電圧検出回路により検出された交流電圧から、密閉空間内の圧力、温度、ガス量などを算出することができる。

また、ＳＡＷセンサは密閉空間に自由に配置することができるので、ＳＡＷセンサを配置する位置を変更することにより、密閉空間のいずれの位置における圧力、温度、ガス量なども検出することができる。

本発明の検出装置においては、ＳＡＷセンサが、圧電基板の一表面に互いに１対の櫛型電極を挟んで配置された２つの反射器を有しており、第２圧電ユニットを含む、交流電圧検出回路に接続された発振回路をさらに備えており、交流電圧検出回路が発振回路の発振周波数を検出し、検出量算出回路が、交流電圧検出回路によって検出された発振周波数から検出量を算出してもよい（請求項２）。これによると、ＳＡＷセンサにおいて共振子が構成され、密閉空間内の状態に応じてＳＡＷセンサ（共振子）の回路定数が変化する。これにより、発振回路における発振周波数が変化するので、発振回路の発信周波数を検出することにより、検出量算出回路において、密閉空間内の状態を算出することができる。

本発明の検出システムは、請求項１又は２に記載の検出装置を複数備えており、これら複数の検出装置の間で、交流電圧印加回路は、互いに異なる周波数の交流電圧を１対の第２電極に印加するように構成されているとともに、複数の検出装置の間で１対の櫛型電極の間隔が互いに異なっている（請求項３）。これによると、複数の検出装置の間で、電圧印加回路により互いに異なる周波数の交流電圧を第２電極に印加するとともに、１対の櫛型電極の間隔を互いに異ならせることにより、複数の検出装置の間での干渉を防止することができる。また、複数の検出装置の間で、第２電極に印加する交流電圧の周波数及び１対の櫛型電極の間隔を異ならせることにより、複数の検出装置の間での干渉を防止することができるので、検出装置の設計コスト及び製造コストが過度に増大することがない。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係る検出装置の概略構成図である。検出装置１は半導体を製造するためのクリーンルームのような密閉空間１００内の温度（検出量）を検出するための装置である。検出装置１は、図１に示すように、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）センサ２、圧電ユニット３、４及び送受信回路５を有している。

ＳＡＷセンサ２は、密閉空間１００の温度を検出したい位置に配置されており、圧電基板１１、１対の櫛型電極１２、１３及び反射器１４を有している。圧電基板１１は、圧電材料からなる板状体である。

１対の櫛型電極１２、１３は、平面視で略コの字型の電極であり、圧電基板１１の一表面に、互いに対向するように配置されている。ここで、櫛型電極１２と櫛型電極１３との間隔は、後述する交流電圧印加回路（図２参照）により、後述する電極３２と３３との間に印加される交流電圧の周波数に対応したものとなっている。

反射器１４は、圧電基板１１の一表面の櫛型電極１２、１３の図１における右側の部分に配置されており、圧電基板１１の一表面に沿って伝播してきた振動（弾性表面波、ＳＡＷ）を反射させる。

圧電ユニット（第１圧電ユニット）３は、密閉空間１００内に配置されており、圧電体（第１圧電体）２１及び１対の電極（第１電極）２２、２３を有している。圧電体２１は圧電材料からなり、壁１０１の内面１０１ａに固定されている。電極２２、２３は、それぞれ、圧電体２１の内面１０１ａに固定されている表面、及び、内面１０１ａに固定されているのと反対側の表面に設けられており、圧電体２１を挟むように配置されている。また、電極２２、２３は、それぞれ、櫛型電極１２、１３と接続されている。

圧電ユニット（第２圧電ユニット）４は、密閉空間１００の外側に配置されており、圧電体（第２圧電体）３１及び１対の電極（第２電極）３２、３３を有している。圧電体３１は圧電体２１と同様の圧電材料からなり、壁１０１の外面１０１ｂに固定されている。電極３２、３３は、それぞれ、圧電体３１の外面１０１ｂに固定されている表面、及び、外面１０１ｂに固定されているのと反対側の表面に設けられており、圧電体３１を挟むように配置されている。

図２は、送受信回路５の回路図である。図１、図２に示すように、送受信回路５は密閉空間１００の外側に配置されており、交流電圧印加回路４１、交流電圧検出回路４２及び温度算出回路（検出量算出回路）４３を有している。交流電圧印加回路４１は、電極３２、３３と接続されており、電極３２と電極３３との間に交流電圧を印加する。交流電圧検出回路４２は、電極３２、３３と接続されており、電極３２と電極３３との間に発生した交流電圧を検出する。温度算出回路４３は交流電圧検出回路４２に接続されており、交流電圧検出回路４２において検出された交流電圧から密閉空間１００のＳＡＷセンサ２が配置された位置における温度を算出する。

次に、検出装置１によって、密閉空間１００のＳＡＷセンサ２が配置された位置における温度を検出する方法について説明する。

密閉空間１００内の温度を検出する際には、まず、交流電圧印加回路４１により、電極３２と電極３３との間に所定時間、交流電圧を印加する。すると、電極３２と電極３３とに挟まれた圧電体３１に振動が発生する。

圧電体３１の振動は、壁１０１を介して圧電体３２に伝播し、圧電体２１にも振動が発生する。これにより、圧電体２１を挟む電極２２と電極２３との間、及び電極２２、２３に接続された櫛型電極１２と櫛型電極１３との間に交流電圧が発生する。

櫛型電極１２と櫛型電極１３との間に交流電圧が発生すると、圧電基板１１の櫛型電極１２と櫛型電極１３とに挟まれた部分に振動が発生し、この振動が圧電基板１１の表面に沿って伝播する。圧電基板１１の表面を伝播する振動（弾性表面波）は反射器１４において反射し、再び圧電基板１１の櫛型電極１２と櫛型電極１３とに挟まれた部分に戻ってきて、圧電基板１１の櫛型電極１２と櫛型電極１３とに挟まれた部分が振動する。

これにより、櫛型電極１２と櫛型電極１３との間、及び、櫛型電極１２、１３に接続された電極２２と電極２３との間に交流電圧が発生する。電極２２と電極２３との間に交流電圧が発生すると、電極２２と電極２３とに挟まれた圧電体２１に振動が発生し、この振動が壁１０１を介して圧電体３１に伝播し、圧電体３１が振動する。

圧電体３１が振動すると、圧電体３１を挟む電極３２と電極３３との間に交流電圧が発生し、交流電圧検出回路４２によりこの交流電圧が検出される。

ここで、密閉空間１００の温度が変化すると、ＳＡＷセンサ２の特性が変化するため、密閉空間１００の温度の変化に応じて、交流電圧検出回路４２において検出される交流電圧の振幅、位相、あるいは、交流電圧印加回路４１により電極２２、２３に交流電圧を印加してから交流電圧検出回路４２において交流電圧が検出されるまでの時間が変化する。したがって、温度算出回路４３は、交流電圧検出回路４２によって検出された交流電圧から密閉空間１００の温度を算出することができる。

また、本実施の形態においては、密閉空間１００内にＳＡＷセンサ２及び圧電ユニット３を配置するとともに、密閉空間１００の外側に圧電ユニット４及び送受信回路５を配置することにより、密閉空間１００を画定する壁１０１に配線を通すための穴を空けることなく、密閉空間１００内の温度を密閉空間１００の外部において検出することができる。壁１０１に穴を空けた場合には、密閉空間１００内に外部から穴を介して異物が入り込むこと等を防止するために、穴を空けた部分にシールなどをする必要があるが、本実施の形態の場合には、密閉空間１００の壁１０１に穴を空ける必要がないので、このような処理の必要がなく、密閉空間１００に対して検出装置１を設置するためのコストを低減することができる。

さらに、ＳＡＷセンサ２は、密閉空間１００内のいずれの位置にも配置することができるので、検出装置１により、密閉空間１００のいずれの位置における温度も検出することができる。

なお、本実施の形態のように、圧電体２１と３１との間の振動の伝播により、密閉空間１００の内側と外側との間で交流電圧の送受信を行う代わりに、電波などを用いて、交流電圧の送受信を行うことも考えられるが、壁１０１が金属などの場合には、電波を用いて交流電圧の送受信を行うことはできない。これに対して、本実施の形態では、圧電体２１と３１との間の振動の伝播により、密閉空間１００の内側と外側との間で交流電圧の送受信を行っているので、壁１０１の材質に関係なく、交流電圧の送受信を行うことができる。

以上に説明した実施の形態によると、密閉空間１００内の温度によってＳＡＷセンサ２の特性が変化し、交流電圧検出回路４２において検出される交流電圧が異なるため、温度算出回路４３により、交流電圧検出回路４２において検出された交流電圧から密閉空間１００内の温度を算出することができる。

次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、本実施の形態と同様の構成を有するものについては同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。

一変形例では、図３に示すように、ＳＡＷセンサ５０が、圧電基板１１の一表面に実施の形態と同様の櫛型電極１２、１３及び反射器１４に加え、圧電基板１１の一表面の櫛型電極１２、１３を挟んだ反射器１４と反対側の部分に、反射器５４が設けられている。つまり、櫛型電極１２、１３を挟むように２つの反射器１４、５４が配置されている。また、送受信回路５５は、実施の形態と同様の交流電圧印加回路４１及び交流電圧検出回路４２に加え、交流電圧印加回路４１及び交流電圧検出回路４２と並列に接続されているとともに互いに直列に接続された２つのコンデンサ６１、６２、及び、交流電圧印加回路４１及び交流電圧検出回路４２と並列に接続されているとともに、２つのコンデンサ６１、６２の間に接続されたトランジスタ６３とを有している。そして、２つのコンデンサ６１、６２、トランジスタ６３及び圧電ユニット４によりコルピッツ型の発振回路が構成されている（変形例１）。

この場合には、ＳＡＷセンサ５０が、圧電基板１１の一表面に櫛型電極１２、１３を挟むように反射器１４、５４が配置された構成となっており、圧電基板１１の表面を伝播する振動（弾性表面波）は反射器１４と５４との間で共振する。このように、ＳＡＷセンサ５０により発振回路と同様の電気的特性を示す共振子が構成されている。そして、密閉空間１００内の温度が変化すると、ＳＡＷセンサ５０の特性が変化するため、ＳＡＷセンサ５０（共振子）の回路定数が変化する。ＳＡＷセンサ５０の回路定数が変化すると、ＳＡＷセンサ５０に圧電ユニット３を介して接続された、圧電ユニット４、２つのコンデンサ６１、６２及びトランジスタ６３から構成される発振回路の発振周波数も変化することとなる。

したがって、交流電圧検出回路４２において、この発振回路の発振周波数を検出することにより、密閉空間１００内の温度を検出することができる。なお、変形例１では、送受信回路５５において、圧電ユニット４、２つのコンデンサ６１、６２及びトランジスタ６３によりコルピッツ型の発振回路を構成していたが、送受信回路５５において、圧電ユニット４を含む他の種類の発振回路が構成されていてもよい。

また、本実施の形態においては、密閉空間１００に対して１つの検出装置１が設けられていたが、密閉空間１００に対して複数の検出装置が配置されていてもよい。別の一変形例においては、図５に示すように、密閉空間１００に対して、実施の形態と同様の検出装置１に加え、検出装置２０１が設けられている。検出装置２０１は、ＳＡＷセンサ２０２の櫛型電極１１２と櫛型電極１１３との間隔が、櫛型電極１２と櫛型電極１３との間隔と異なっているとともに、送受信回路１０５の図示しない交流電圧印加回路により、電極３２と電極３３との間に、交流電圧印加回路４１（図２参照）とは異なる周波数の交流電圧を印加する。上記以外の点については、検出装置２０１は、検出装置１と同様の構成を有している（変形例２）。ここで、櫛型電極１１２と櫛型電極１１３との間隔は、送受信回路１０５の交流電圧印加回路により電極３２と３３との間に印加される交流電圧の周波数に対応したものとなっている。

密閉空間１００に対して複数の検出装置を設けた場合、各検出装置を同じ周波数で動作させると、検出装置間で干渉が生じてしまう虞があるが、変形例２においては、上述したように、検出装置２０１における櫛型電極１１２と１１３との間隔を、検出装置１における櫛型電極１２と１３との間隔と異ならせ、検出装置１及び検出装置２０１において電極３２と３３との間に異なる周波数の交流電圧を印加することにより、検出装置１と検出装置２０１とを異なる周波数で動作させている。したがって、検出装置１と検出装置２０１との間で干渉が生じることがない。

また、検出装置１と検出装置２０１とは、櫛型電極の間隔及び印加する交流電圧のみが異なっているだけであるので、検出装置１と検出装置２０１との間の設計変更が容易であり、検出装置１、２０１の設計コスト及び製造コストが過度に増大することもない。なお、変形例２において検出装置１と検出装置２０１とを合わせたものが、本発明に係る検出システムに相当する。

さらに、密閉空間１００に対して複数の検出装置が配置される場合としては、既に検出装置が配置された密閉空間１００に対して、新たに検出装置を増設する場合も考えられるが、この場合には、検出装置の増設の際に壁１０１に配線を通すための穴を空ける必要がないので、密閉空間１００の環境を確実に維持することができる。

また、本実施の形態では、検出装置１により密閉空間１００内の温度を検出したが、ＳＡＷセンサ２は、密閉空間１００内の圧力、ガス量などの変化によってもその特性が変化するため、検出装置１において、温度算出回路４３を交流電圧検出回路４２において検出された交流電圧から圧力、ガス量等を算出するための回路（検出量算出回路）に置き換えて、密閉空間１００内の圧力、ガス量など密閉空間１００内の温度以外の状態を検出することも可能である。

本発明における実施の形態に係る検出装置の概略構成図である。 図１の送受信回路の回路図である。 変形例１の図１相当の図である。 変形例１の図２相当の図である。 変形例２の図１相当の図である。

符号の説明

１ 検出装置
２ ＳＡＷセンサ
３、４ 圧電ユニット
５ 送受信回路
１１ 圧電基板
１２、１３ 櫛型電極
１４ 反射器
２１ 圧電体
２２、２３ 電極
３１ 圧電体
３２、３３電極
４１ 交流電圧印加回路
４２ 交流電圧検出回路
４３ 温度算出回路
５４ 反射器
５５ 送受信回路
６１、６２ コンデンサ
６３ トランジスタ
１０５ 送受信回路
１１２、１１３ 櫛型電極
２０１ 検出装置
２０２ ＳＡＷセンサ

Claims (3)

1. 圧電基板、前記圧電基板の一表面に互いに対向するように配置された１対の櫛型電極、及び、前記圧電基板の前記一表面に配置されており、前記圧電基板の前記一表面上を伝播してきた弾性表面波を反射させる反射器を有しており、密閉空間内に配置されたＳＡＷセンサと、
   第１圧電体、及び、前記第１圧電体を挟むように前記第１圧電体の表面に配置されているとともに、前記１対の櫛型電極に接続された１対の第１電極を有しており、前記密閉空間を画定する壁の内側の表面に配置された第１圧電ユニットと、
   第２圧電体、及び、前記第２圧電体を挟むように前記第２圧電体の表面に配置された１対の第２電極を有しており、前記密閉空間を画定する壁の外側の表面に前記第１圧電ユニットと対向するように配置された第２圧電ユニットと、
   前記１対の第２電極に、交流電圧を印加する交流電圧印加回路と、
   前記１対の第２電極の間の交流電圧を検出する交流電圧検出回路と、
   前記交流電圧検出回路によって検出された交流電圧から検出量を算出する検出量算出回路とを備えていることを特徴とする検出装置。
2. 前記ＳＡＷセンサが、前記圧電基板の前記一表面に互いに前記１対の櫛型電極を挟んで配置された２つの前記反射器を有しており、
   前記第２圧電ユニットを含む、前記交流電圧検出回路に接続された発振回路をさらに備えており、
   前記交流電圧検出回路が前記発振回路の発振周波数を検出し、
   前記検出量算出回路が、前記交流電圧検出回路によって検出された発振周波数から検出量を算出することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の検出装置を複数備えており、
   これら複数の検出装置の間で、
   前記交流電圧印加回路は、互いに異なる周波数の交流電圧を前記１対の第２電極に印加するように構成されているとともに、
   前記１対の櫛型電極の間隔が互いに異なっていることを特徴とする検出システム。

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