JP5387919B2 - 温度感度を向上させた弾性表面波トルク・温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、トルクと温度の両方を測定するための弾性表面波（ＳＡＷ）に基づくセンサの温度感度の向上に関する。

出願人自身による先願である英国特許出願公開第２４２６３３６号は、Ｙ＋３４°カットの水晶からなる基板上に第１および第２のＳＡＷ共振器を備えた非接触型のＳＡＷに基づくトルク・温度センサを開示する。第１のＳＡＷは、使用時に、トルク測定対象となる装置の長手方向軸に揃う向きないし垂直な向きに配置される基板のＸ軸に対して、その主軸が＋４５°傾いており、第２のＳＡＷは、その主軸が、この基板のＸ軸に対して−４５°傾いている。前記第１および第２の共振器の両方の主軸に対して、主軸がある角度で傾いている第３のＳＡＷも存在する。

（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 英国特許出願公開第２４２６３３６号
英国特許出願公開第２４２６３３６号の図１および６に示されている第１および第３実施形態において、トルク測定用ＳＡＷ共振器Ｍ１ＳＡＷおよびＭ２ＳＡＷは、温度測定に用いられる共振器ＴＳＡＷ（または共振器Ｔ１ＳＡＷおよびＴ２ＳＡＷ）と同じ基板上に配置されている。基板はＹ＋３４°カットの水晶からなり、周波数差Ｆ_ｔ（Ｆ_ｔについては、Ｔ００６０に詳述されており、第１実施形態では、Ｍ２ＳＡＷとＴＳＡＷの共振周波数の差と等しい）の温度に対する感度を最大化するために、ＴＳＡＷ（Ｔ１ＳＡＷおよびＴ２ＳＡＷ）のＳＡＷ伝搬方向と基板のＸ軸とのなす角度αをほぼ３０°としている。

水晶基板上のＳＡＷ共振器のパターンは、通常、薄いアルミニウム膜から作られている。英国特許出願公開第２４２６３３６号は、Ａｌ膜の厚みｈについては何ら開示していない。英国特許出願公開第２４２６３３６号の図３に示されている周波数差Ｆ_ｔの温度による変化は、ｈ＝０として純理的に算出されている。それは、およそ９ｋＨｚ／℃の平均温度感度に対応する。

実際には、Ａｌ膜厚には有限値があるのであって、市販されている製品としてのＳＡＷセンサの場合、およそｈ＝２６０ｎｍのＡｌ膜厚を有し、Ｍ１ＳＡＷ、Ｍ２ＳＡＷおよびＴＳＡＷの共振周波数がそれぞれ４３７ＭＨｚ、４３５ＭＨｚおよび４３３ＭＨｚに等しい。

Ａｌ電極および反射ストリップによって水晶基板面の属性が修正されていたので、従来技術のシステムにおけるＦ_ｔの実際の温度感度は、わずかに２．４ｋＨｚ／℃に過ぎないことがわかっている。これは、純理的に予測された値である９ｋＨｚ／℃に比べて極めて低い値である。

本発明にしたがって提供される非接触型のＳＡＷに基づくトルク・温度センサは、Ｙ＋３４°カットの（または回転角度についてそれに近似した）水晶からなる基板上に第１および第２のＳＡＷ共振器を備えてなり、当該第１のＳＡＷ共振器は、使用時に、トルク測定対象となる装置の長手方向軸に揃う向きないし垂直な向きに配置される前記基板のＸ軸に対して、そのＳＡＷ伝搬方向が＋４５°傾いており、当該第２のＳＡＷ共振器は、そのＳＡＷ伝搬方向が、前記基板のＸ軸に対して−４５°傾いており、さらに、ＳＡＷ伝搬方向が、前記基板のＸ軸に対して実質的に３０°に等しい角度で傾いている第３のＳＡＷ共振器を備え、前記各ＳＡＷ共振器は、前記基板上に厚み（ｈ）のアルミニウム膜を配置することにより形成され、該ＳＡＷ共振器が平均動作波長λを有し、ｈ／λが０．０２１〜０．０３２の範囲にあることを特徴とする。

本発明によるセンサは、従来技術と比較すると、温度感度が大幅に向上するという強みがある。

センサが４３０ＭＨｚの範囲で動作するものである場合には、アルミニウム厚は、１６０ｎｍ〜２４０ｎｍの範囲とするのが好ましい。

ｈ／λの比（λはＭ１ＳＡＷ、Ｍ２ＳＡＷおよびＴＳＡＷに対する平均ＳＡＷ波長であるとする）を計算することで、任意のセンサ動作周波数に適合するようパラメータを正規化する。正規化されたＡｌ厚ｈ／λのおおよその範囲を０．０２１〜０．０３２とすることで、（ＴＳＡＷ共振周波数に対する）平均感度がほぼ１０ｐｐｍ／℃、Ｑ≧１００００で、＋１５０℃に達するまでＦ_ｔの線形温度特性が得られる。

有利な発展形態において、センサは、第３のＳＡＷの傾きの角度に大きさは等しいが向きが反対の角度で傾いている第４のＳＡＷ共振器を備え、該第４のＳＡＷ共振器は、第３のＳＡＷ共振器と同じ厚みのアルミニウム膜で形成されている。第３および第４のＳＡＷ共振器は、基板のＸ軸に対して対称的に配置すると特に有利である。ここで、第３および第４のＳＡＷはともに温度情報を提供するために用いられる。好ましくは、第３および第４のＳＡＷは、基板のＸ軸に対してそれぞれ＋α°および−α°傾けて同じ基板上に設けられる。基板は、第１および第２のＳＡＷ共振器を保持する基板とは別に形成したものでもよいが、一体に形成したものが好ましい。

本発明がよく理解されるように、以下の添付図面を参照しつつ、例示として、いくつかの実施形態を説明する。

本発明が適用された第１のトルク・温度センサの模式図である。 本発明が適用された第２のトルク・温度センサの模式図である。 異なるアルミニウム厚（ｈ）でのＭ２ＳＡＷ−ＴＳＡＷ間の周波数差の温度による変化を示す図である。

まず、図１を参照すると、本発明が適用可能なタイプのセンサの模式図が示されている。センサは、Ｙ＋３４°カット水晶からなる基板１を備え、その上に、第１のＳＡＷ共振器Ｍ１ＳＡＷ２および第２のＳＡＷ共振器Ｍ２ＳＡＷ３が形成されている。これら共振器は、Ｘ軸に対してそれぞれ＋４５°および−４５°の角度で音波が伝搬するように基板のＸ軸に対する角度が設定され、すなわち、Ｘ軸に対してそれぞれ＋４５°および−４５°の角度で２つのＳＡＷの主軸を傾けて作られている（ここで、共振器の主軸とは、共振器内を伝搬するＳＡＷの位相速度の方向として定義される）。これにより、これらの共振周波数ｆ_２およびｆ_１の温度Ｔによる変化が最小化し、トルクＭに対するＦ_Ｍ＝ｆ_１−ｆ_２の感度が最大化するとともに、この感度の温度による変化が小さく抑えられる。第３の共振器ＴＳＡＷ４は、同じ基板上に、その共振器中のＳＡＷがＸ軸に対して実質的に３０度の角度で伝搬するように、Ｘ軸に対して角度をつけて作製されている。３つの共振器はすべて、基板上の導電トラックまたはボンドワイヤによって直列または並列に電気的に接続されている。共振周波数は、例えば、Ｍ１ＳＡＷ：ｆ_１＝４３７ＭＨｚ、Ｍ２ＳＡＷ：ｆ_２＝４３５ＭＨｚ、ＴＳＡＷ：ｆ_３＝４３３ＭＨｚのように選択することができる。

水晶基板のカット角度が３４°からわずかにずれている場合には、Ｍ１ＳＡＷおよびＭ２ＳＡＷの共振周波数の温度による変化を最小化するために、Ｍ１ＳＡＷおよびＭ２ＳＡＷにおけるＳＡＷ伝搬方向も、±４５°からわずかにずらすことができる。

各ＳＡＷ共振器は、ＳＡＷ装置の指部を構成するストリップを形成するため、基板上にアルミニウムの膜を配置することにより形成される。ゼロトルクにおけるＦ_ｔの温度特性は、図３に示すように、Ａｌ膜厚により変化することがわかっている。

図３からわかるように、Ａｌ膜厚を２６０ｎｍより薄くすると、線形性が大幅に向上し、温度に対する周波数差Ｆ_ｔの感度が上がる。これにより、温度測定をより正確にすることができるので、自動車産業で標準として認められている−４０℃〜＋１２５℃の全温度範囲内でトルクの測定値の温度補償が改善される。

トルク測定を目的とする場合に必要とされる温度範囲は、しばしば＋１５０℃に達するまでに拡張されることがある。ｈ＝３３５ｎｍとすると、確実な温度測定が可能なのは、およそ＋７０℃までに過ぎない。ｈ＝２６３ｎｍとすると、温度に対するＦ_ｔの曲線は、Ｔ＞＋１３０°でやや非線形となり、温度測定精度が低下する。しかし、ｈ＝２００ｎｍとすると、Ｆ_ｔの温度特性が＋１５０℃まで線形を維持し、感度はｈ＝２６０ｎｍのときの２倍となる。

図３から、Ｆ_ｔの温度感度をさらに向上させるためにはｈを最小化するべきであると言えそうである。しかし、Ａｌ膜厚を２００ｎｍより薄くすると、ＡｌストリップからのＳＡＷ反射が減少し、共振器のＱ因子が減少してしまうことがわかっている。この減少は、ある程度までは、格子中の反射ストリップの数を増やすことで補償可能である。しかし、センサのコストを最小化するため、水晶基板面積の広さには、通常、限界がある。Ａｌ膜厚を１６０ｎｍより薄くすると、４×６ｎｍの固定基板面積に対して４３０ＭＨｚの範囲で作用する共振器のＱ因子に無視できない悪影響がある。

したがって、１６０ｎｍ〜２４０ｎｍの厚み範囲が感度を最適化することになる。

基板１は、使用時、トルク測定対象となるシャフト等の表面に取り付けられる。このトルクは、圧力監視アプリケーションにおいて展開する一軸応力場の対語としての二軸応力場を生じさせる。この二軸応力場（応力の主成分が基板のＸ軸に対して±４５°の方向に沿った引っ張り・圧縮応力である）は、基板に伝達され、３つの共振器すべてに歪力が加わる。

図１の実施形態においては、３つのＳＡＷすべてが同じ基板に取り付けられている。しかし、これは、必須の要件ではないと理解されるべきであり、代替例として、前記引用した従来技術において教示されているように、別々の基板に取り付けられていてもかまわない。

図２のセンサは、Ｆ_Ｔがトルクに依存するという潜在的な問題を回避する代替的な構成を示すものである。

この実施形態においては、センサは、単一のＹ＋３４°カット水晶基板２０上に設けられているが、前記実施形態とは異なり、Ｘ軸に対して±４５°の方向に配置された２つのトルク検出素子Ｍ１ＳＡＷ２１およびＭ２ＳＡＷ２２に加え、大きさは等しいが向きが反対の実質的に＋／−３０度の角度で基板のＸ軸に対して対称に配置され共振周波数ｆ_４およびｆ_３を有する２つの温度検出素子−Ｔ１ＳＡＷ２３およびＴ２ＳＡＷ２４が設けられている。第１の温度素子２３は、ＳＡＷ伝搬方向がＸ軸に対して実質的に−３０度、第２の温度素子２４は、ＳＡＷ伝搬方向がＸ軸に対して実質的に＋３０度である。

Ｆ_Ｍ＝ｆ_１−ｆ_２は、主にトルクに依存して測定され、Ｆ_Ｔ″＝ｆ_１＋ｆ_２−ｆ_３−ｆ_４は、温度のみに依存して測定される。Ｆ_Ｔ″の測定値を用いれば、容易に温度が算出可能である。さらに、Ｆ_Ｍ′＝ｆ_３−ｆ_４は、主にトルクに依存するがトルク感度を低くした値として測定される。その結果、Ｆ_Ｍ′の値からもトルクが算出できるので、トルク測定の信頼性を高める冗長性が得られる。

この実施形態の弱みは、チップ（die）面積とセンサ呼びかけ時間が増え、センサが占有する周波数範囲が広くなることである。

本発明は、さらに、動作波長に対する厚みの比ｈ／λが０．０２１〜０．０３２の範囲にあるアルミニウム膜を基板上に設けたＳＡＷ共振器を提供する。より詳細には、動作周波数範囲が約４３０ＭＨｚ、例えば４２８〜４３７ＭＨｚの場合について、本発明は、２６０ｎｍ未満、より詳しくは、２４０ｎｍ未満、好ましくは、１６０ｎｍ〜２４０ｎｍの範囲のアルミニウム厚を規定する。

Claims (4)

1. Ｙ＋実質的に３４°カットの（すなわち、Ｙ＋３４°または回転角度についてそれに近似した）水晶からなる基板上に第１および第２のＳＡＷ共振器を備えてなり、当該第１のＳＡＷは、使用時に、トルク測定対象となる装置の長手方向軸に揃う向きないし垂直な向きに配置される前記基板のＸ軸に対して、その主軸が実質的に＋４５°傾いており、当該第２のＳＡＷは、その主軸が、前記基板のＸ軸に対して実質的に−４５°傾いており、さらに、主軸が、前記基板のＸ軸に対して実質的に３０°に等しい角度で傾いている第３のＳＡＷ共振器を備え、前記各ＳＡＷ共振器は、前記基板上に厚み（ｈ）のアルミニウム膜を配置することにより形成され、該第１〜第３のＳＡＷが平均動作波長λを有し、ｈ／λが０．０２１〜０．０３２の範囲にあることを特徴とする非接触型のＳＡＷに基づくトルク・温度センサ。
2. 前記各共振器が４２８ＭＨｚ〜４３７ＭＨｚの周波数範囲で動作することを特徴とする請求項１に記載の非接触型のＳＡＷに基づくトルク・温度センサ。
3. アルミニウムが２４０ｎｍ未満の厚みを有することを特徴とする請求項２に記載の非接触型のＳＡＷに基づくトルク・温度センサ。
4. アルミニウムが１６０〜２４０ｎｍの厚みを有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の非接触型のＳＡＷに基づくトルク・温度センサ。

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