JP5087964B2 - ワイヤレス表面弾性波センサ - Google Patents
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Description
このようにバッテリーレスで駆動されるものとしては、非接触ICカードに代表されるRFID(Radio Frequency Identification) があるが、これと比較しても、電力供給時の接近が不要であることから、広い領域をカバーする個体識別及びセンシングデバイスとして期待されている。
図14は、応答器を構成する従来の表面弾性波素子11の一例を示すものであって、図に示す表面弾性波素子11は、櫛歯電極構造をなす送受信電極12と複数の反射器13とを圧電基板14の上に形成することにより構成されている。
また、各反射器13は何れについても送受信電極12から距離的に異なる位置に形成されている。
つまり、反射器13がある場合は、反射信号が得られ、反射器13がない場合は反射信号が得られない。そこで、反射がある場合とない場合とでそれぞれデジタル信号として、1、0を割り当てて符号化することによって、数〜数十ビットのIDとして活用することができる。なお、上記図14は、「11011001」のIDデータが得られる例を示したものである。
なお、以上のような個体識別メカニズムを利用して個体情報を検出する装置に関しての先行技術文献としては、例えば特許文献1がある。一方、温度に関するワイヤレスのセンシング技術に関しては、特許文献2がある。
すなわち、図15に示すように、圧電基板に、上記したIDTを2箇所に設けて、IDT間に表面弾性波を伝搬させるものであって、遅延時間をコントロールするために、IDT間に磁歪を有する膜を設けて磁場を印加することによって、表面弾性波の伝搬速度を変化させることが試みられている。いわゆるチューナブルな遅延素子である(非特許文献1参照)。
また、伝搬経路上に磁歪を有する膜を設けることにより、磁界のセンシングに使うという提案もある(非特許文献3参照)。
図において、符号1は圧電基板であって、当該圧電基板1上の図中左側表面には、櫛歯電極(IDT)2を備え、当該櫛歯電極2の一方がアンテナ手段としてのアンテナ3に接続されていると共に、他方が接地されている。そして、上記圧電基板1上の図中右側表面には、磁歪膜4が設けてある。
なお、これ以外にものとしては、水晶、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、ランガサイト等を適切にカットした基板を使用してもよい。さらに、他の圧電材料としては、ZnO等の圧電性薄膜をガラス、シリコン単結晶、GaAs等の基板に形成して使用することも可能である。
上記したレーリー波は、水面の波のように圧電基板1の表面に対して垂直方向の変位を伴うのに対して、SH波はこのような垂直変位のない横波的な波(シェヤウェーヴ)であって、減衰が少なく、応力センサとしてはより好適なものとなる。
また、櫛歯電極2の構成材料は、アルミニウムとすることができるが、これ以外に銅、チタン、クロム、金等が適用可能であり、さらにこれらの材料を積層化、あるいは合金化することも可能である。
さらに、磁歪膜4としては、磁気異方性を有し、特にその磁化容易方向が表面波の伝播方向及び張力又は圧縮力の印加方向に対して略垂直であることが望ましく、これによって、密着性が向上し、応力検出の再現性が改善されるという効果が得られる。
図2は、反射エコーの強度を縦軸に、時間軸を横軸として示したグラフであって、反射エコーR1とR2との時間差は、表面弾性波が磁歪膜4の部分を伝搬するのに要する時間である。
したがって、反射エコーの時間差を、圧電基板1に働く応力に対して、予め校正しておけば、時間差から、圧電基板に働く応力(歪)が計測できることになる。
また、遅延線による磁界センサにおいても、計測原理は、チューナブル遅延素子と同じである。
表面弾性波の伝搬特性の変化については同じであるが、本発明は、応力による効果である点において、磁界による効果である従来技術と相違するものであり、表面弾性波分野において、磁歪膜の応力効果を利用したセンサ技術は知られていない。
このような反射帯5の材料としては、櫛歯電極2と同じ材料を用いればよく、大きさとしても、図に示しているように、櫛歯電極2の寸法と同程度の大きさでよい。また、厚さについても櫛歯電極と同程度でよいが、反射効率の点から適切な厚さを採用することが望ましい。
そして、3つのエコーの時間差から、演算によって圧電基板1に作用する応力(歪)の大きさと共に、圧電基板1の温度も求めることができる。
図4に示したワイヤレス表面弾性波センサの応答器において、一方のトラックは図3とまったく同じであり、もう一方のトラックは、磁歪膜4が配設されていないことにおいて相違する。
図6に示すように、LiNbO3の単結晶からなる20mm×40mm、厚さ0.5mmの圧電基板1に、2つの櫛歯電極の構成において、これら櫛歯電極2の間に、磁歪膜4として、4.0mm×3.0mm、厚さ3.0μmのNi膜(磁歪は負)をスパッタリングにより形成した。なお、櫛歯電極2の相対向する距離は3mm、2つの櫛歯電極2の間の距離は7.0mmとした。
そして、樹脂製薄板に種々の引張応力を印加して、2つの櫛歯電極間の表面弾性波(レーリー波)の伝搬時間τを計測した。引張応力の変化に対する伝搬時間の変化Δτをプロットした結果を図7に示す。
なお、図7において、横軸は引張応力を歪で表示しており、縦軸は伝搬時間τの変化率Δτを示している。
磁歪膜4として、Niの代わりに、Fe−17%Ga膜(Fe83Ga17、磁歪は正)を0.5μmの厚さにスパッタリングしたこと以外は、上記実施例1と同様の操作を繰り返し、同様に引張応力の変化に対する伝搬時間の変化を調査した。その結果、伝搬時間の変化率Δτは、図7とほぼ同様な傾向を示すことが確認された。
図1に示したような構造を有する応答器を試作し、ワイヤレスでの実験を行った。応答器の主要部分は、実施例2と同じとした。
その結果、エコーの時間差に基づいて、応答器である圧電基板1の接着されている場所での歪が計測できていることが確認できた。このとき、無線通信の周波数は100MHz付近を使用し、出力1mW、応答器と問合せ器との間の距離は1mとした。
図6に示すように、櫛歯電極(IDT)2を両サイドに備えた表面弾性波センサを試作した。
このとき、圧電基板1には8mm×10mmのLiTaO3(42°Y−Xカット)を用い、表面弾性波の伝播方向をX方向(基板の長手方向)とすると共に、櫛歯電極2としては、Au(金)を用い、ピッチ10μm、交差幅3mm、伝搬距離4mmとなるようにフォトリソグラフィにより作製した。
なお、このとき、基板温度を室温とし、スパッタガスとしてArを用いると共に、上記磁歪膜4に磁気異方性を持たせるために、図8に示すように永久磁石を配置し、伝搬方向と直角方向に150Oeの磁場を印加した状態でスパッタした。
また、10mm×10mmのマスクを用いて、同様の条件のもとにFe80Ga20を別途成膜した試料について、その磁気異方性をVSM(振動試料型磁力計)により調査した。
また、図10は、同一条件で別途成膜した上記Fe80Ga20試料についての磁化特性を示すものであって、図から明らかなように磁気異方性を備えていることが確認された。なお、飽和磁歪の大きさについて、上記試料を用いて測定した結果、約200ppmであった。
すなわち、ガラスエポキシの上に約1μmの厚さの銅箔を備えたプリント基板を使用し、ビニールテープでマスキングした状態でエッチングを施すことによって、入出力信号が取出せるようなプリント回路を形成した。
図から明らかなように、引張の場合には遅延する一方、圧縮の場合には速まっており、そのレベルは基板のみの場合に比べて約3倍程度まで増大することが確認された。なお、遅延する場合には位相変化は負であり、速まる場合には正である。
ターゲットとして正の磁歪を有するFe−Co合金を使用し、圧電基板1の上にFe50Co50から成る磁歪膜4を0.89μmの厚さに成膜したこと以外は、上記実施例4と同様の操作を繰り返して、本例の表面弾性波センサを得た。
そして、上記同様に、応力による遅延時間を測定した。その結果は、図12に併せて示すように、基板のみの場合と比較して、遅延の程度が大幅に増加することが判明した。
なお、飽和磁歪の大きさについては、約75ppmであった
2 櫛歯電極
3 アンテナ(アンテナ手段)
4 磁歪膜
5,6 反射帯
Claims (5)
- 圧電基板と櫛歯電極を有する表面弾性波素子とアンテナ手段を備えた応答器と、
上記応答器に対して駆動信号を発信すると共に、当該応答器からの応答信号を受信する問い合わせ器から成り、上記圧電基板に働く応力を当該圧電基板上に設けた磁歪膜による表面弾性波の伝搬特性の変化に基づいてワイヤレスで検出するセンサであって、
上記磁歪膜が表面弾性波の伝搬方向と一致する辺を有する略矩形状をなし、上記櫛歯電極から離間しており、
上記矩形磁歪膜における櫛歯電極側端部からの反射波に対応するエコーと、当該矩形磁歪膜における反櫛歯電極側端部からの反射波に対応するエコーとの時間差に基づいて圧電基板に働く応力を検出することを特徴とするワイヤレス表面弾性波センサ。 - 上記磁歪膜がFe−Ga合金又はFe−Co合金から成ることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス表面弾性波センサ。
- 上記磁歪膜の組成がFe1−xGax(x=0.16〜0.21)又はFe1−xCox(x=0.4〜0.7)であることを特徴とする請求項2に記載のワイヤレス表面弾性波センサ。
- 上記磁歪膜が磁気異方性を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載のワイヤレス表面弾性波センサ。
- 上記磁歪膜の磁化容易方向が表面波の伝播方向及び張力又は圧縮力の印加方向に対して略垂直であることを特徴とする請求項4に記載のワイヤレス表面弾性波センサ。
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