JP7235378B2 - 弾性表面波センサおよびそれを用いた計測システム - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）素子を用いた弾性表面波センサおよびそれを用いた計測システムに関する。

弾性表面波を発生させることができるＳＡＷ素子は、温度、圧力、応力等の物理量の変化を検出するセンサとして利用することができる。この種のＳＡＷ素子は、圧電基板上に弾性表面波を励振するための櫛形電極（ＩＤＴ：Interdigital Transducer）が形成されており、ＳＡＷ素子が設置されている周囲環境の物理量に応じて弾性表面波の共振周波数や反射信号、遅延時間が変化することを利用し、周囲環境の物理量の変化を応答信号の変化としてセンシングしている。

例えば特許文献１には、－５５℃～１５０℃の温度範囲で精度良くセンシングできるＳＡＷ温度センサが開示されている。この種の温度センサを測定対象に接触させる形態は、測定対象に載置したり、センサと測定対象の接合面に凹凸を形成して嵌合する構成とする例が特許文献２に開示されている。

またＳＡＷ素子は、専用の電源を必要とせず、アンテナから受信した電力のみで動作可能で、パッシブ型のワイヤレスセンサとして利用されている。無給電ワイヤレスセンサとそれを用いた計測システムは、特許文献３に開示されている。

特表２０１８－５０２３０１号公報 特開２０１８－１９４４７０号公報 特開２０１７－９６８４１号公報

弾性表面波センサは無給電ワイヤレスセンサであり、電源配線等を必要としないことから設置場所を選ばないセンサとして利用の拡大が期待されている。しかしながら現状は、利用拡大が進んでいるとは言い難い。利用が拡大しない理由の一つは、ワイヤレスセンサとしての利点を生かせる設置場所が大きく振動する場所や高温の場所などで、従来の弾性表面波センサの構造では長期間の使用に耐えられなかったためである。そこで本発明は、大きな振動が発生する場所や高温の場所等での使用に耐えることができる弾性表面波センサおよびそれを用いた計測システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、検知素子としてＳＡＷ素子を備えた弾性表面波センサにおいて、前記ＳＡＷ素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、前記パッケージは、取付部材に接合していることと、前記ＳＡＷ素子と前記本体部との接合、前記本体部と前記蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の弾性表面波センサにおいて、前記取付部材は、変形して設置位置に密着接合する取付部を有することを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、電気信号を出力する送信機と、該送信機から送信された電気信号を受信し、応答信号を出力する弾性表面波センサと、該弾性表面波センサから出力される応答信号を受信する受信機とを備えた計測システムにおいて、前記弾性表面波センサは、検知素子としてＳＡＷ素子を備え、該ＳＡＷ素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、前記パッケージは、取付部材に接合していることと、前記ＳＡＷ素子と前記本体部との接合、前記本体部と蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする。

本発明の弾性表面波センサは、ＳＡＷ素子とパッケージの本体部との接合、パッケージの本体部と蓋部との接合、パッケージの本体部と取付部材との接合を、いずれも焼結層を介した接合とすることで、相互に強固な接合を形成することを可能とした。その結果、大きな振動が発生している場所に設置することが可能となる。さらに、従来より高温領域でもセンシングが可能となり、利用の拡大が期待できる。

また本発明の弾性表面波センサは、パッケージに取付部材を接合し、この取付部材に変形可能な取付部を備える構成とすることで、設置場所に密着させ、あるいは確実に接合することを可能とした。このような取付部材を備える構成によっても設置位置の制約を緩和することが可能となり、利用の拡大が期待できる。

特に取付部を変形可能とし、設置位置に密着させることができるので、設置場所から取付部を介して熱が効果的に伝導し、温度センサとしての利用が期待できる。

本発明の弾性表面波センサを用いた計測システムは、無給電の計測システムを構成することができるので、給電のための配線が不要となり、常に動いている場所や振動の大きな場所、温度の高い場所への設置が可能となり、センサの設置場所を選ばない計測システムとして利用の拡大が期待できる。

本発明の弾性表面波センサのＳＡＷ素子の説明図である。 本発明の弾性表面波センサの説明図である。 本発明の弾性表面波センサの説明図である。 本発明の弾性表面波センサの説明図である。 本発明の弾性表面波センサの説明図である。 本発明の計測システムの説明図である。 本発明の計測システムの説明図である。

本発明の弾性表面波センサおよびそれを用いた計測システムは、検知素子であるＳＡＷ素子を無機材料のパッケージに実装し、ＳＡＷ素子とパッケージの本体部とを、パッケージの本体部と蓋部とを、さらにパッケージの本体部と取付部材とを焼結層を介した接合としている。このように構成することで、振動の大きい場所や、高温となる場所でのセンシングが可能となる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、弾性表面波センサとして温度センサを構成した場合を例にとり詳細に説明する。まず、ＳＡＷ素子を用意する。図１は、本発明の温度センサに利用可能なＳＡＷ素子１０Ａを模式的に示している。図1に示すように、ＳＡＷ素子１０Ａは、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）などからなる圧電基板１上に、第１の櫛形電極２ａと第２の櫛形電極２ｂが形成されている。第１の櫛形電極２ａに接続する第１の引出電極３ａと、第２の櫛形電極２ｂに接続する第２の引出電極３ｂは、圧電基板１の一方の端部側に配置する。圧電基板１の他方の端部側には、反射器４が配置されている。なお、第１および第２の引出電極３ａ、３ｂを圧電基板１の一方の端部側に配置することを除けば、櫛形電極や反射器の形状、配置等は適宜変更することが可能である。

ＳＡＷ素子１０Ａは、パッケージ内に実装される。このパッケージは、金属、ガラス、セラミック等焼結層による接合が可能な無機材料で形成することができる。特に耐熱性、耐久性、加工性の観点から、汎用的にはセラミックパッケージが選択できる。例えばセラミックパッケージは、ＳＡＷ素子を搭載する本体部と蓋部とで構成することができる。

図２および図３に、セラミックパッケージ内に図１で説明したＳＡＷ素子１０Ａを実装した弾性表面波センサ２０Ａを示す。図２はセラミックパッケージの蓋部６を接合しない状態の平面図を、図３は蓋部６を接合した状態の断面図をそれぞれ示す。図２に示すようにパッケージの本体部５上にＳＡＷ素子１０Ａが実装される。ここで図３に示すようにＳＡＷ素子１０Ａは、その一端部側だけが接合材７に接触して本体部５と接合する片持ち梁構造で実装されている。図３に示す例では、パッケージの本体部５の底部の一部を高くするように段差を付け、この段差により接合材７を堰き止め、比較的高さの高い接合材７を形成している。接合材７とパッケージの本体部５との接着性を向上させるため本体部５の表面（底面）に選択的に金属膜を形成しておいても良い。なお、段差の形成は必ずしも必須ではなく、接合材７が所望の場所に形成できれば、種々変更可能である。

図３に示すようにＳＡＷ素子１０Ａの一方の端部側の接合材７とＳＡＷ素子１０Ａとの接合部上に、ＳＡＷ素子１０Ａの第１の引出電極３ａおよび第２の引出電極３ｂを配置することで、第１の引出電極３ａおよび第２の引出電極３ｂは、ワイヤ８によりパッケージ側電極９と接続することが可能となる。

このようなワイヤ８による接続を形成するためには、接合材７としてかたい接合層を形成する材料を選択するのが好ましい。例えば、金、銅、銀のような金属微粒子を含有する金属粉焼結ペーストを用いて、接合層として焼結層を形成するのが好ましい。３００℃程度の高温領域の温度センサとして使用する場合には、金属微粒子の含有量が７０ｗｔ％以上、好ましくは８５ｗｔ％含み、その他の成分である有機物の量が少ない金属粉焼結ペーストを選択し、焼結層とするのが好ましい。これは、金属微粒子の含有量が７０ｗｔ％未満となると有機物の含有量が多くなり、３００℃程度の高温での長期信頼性が低下するおそれがあるからである。

なお金属粉焼結ペーストは、窒素または大気雰囲気下で加熱処理されることにより金属粒子が融着し焼結が進行し、生成した焼結層により接合を形成するものである。

パッケージ側電極９は、図示しない貫通孔等によりパーケージの外部に形成される外部電極と接続する構造としている。このパッケージの外部電極は、後述する計測システムを構成する際、所望の電位を接続したり、電気信号を送受信するためのアンテナを接続することになる。

パッケージの本体部５は、蓋部６と接合して密閉される。ここで、本体部５と蓋部６との接合も本体部５とＳＡＷ素子１０Ａとの接合に使用した接合材７を用いることができる。先に説明したように、高温での長期信頼性を確保するためである。接着性を向上させるため、それぞれの接合部の表面には、選択的に金属膜を形成しておいても良い。

このように形成した弾性表面波センサ２０Ａを所望の設置位置に固定するため、パッケージに取付部材３０Ａを接合する。図４は、図２に示した蓋部を外した状態の弾性表面波センサ２０Ａを取付部材３０Ａに接合した平面図を示す。取付部材３０Ａは、弾性表面波センサ２０Ａを接合する搭載部３１と、設置位置に固定するための取付部３２を備えている。図４に示す例では、取付部３２には固定のためのねじ等を取り付ける貫通孔３３が形成されている。

図５は、図３に示す蓋部をつけた状態の弾性表面波センサ２０Ａを取付部材３０Ａに接合した断面図を示す。弾性表面波センサ２０Ａの底面が接合材７を介して取付部材３０Ａに接合している。この接合材７も、パッケージの本体部と蓋部との接合、本体部とＳＡＷ素子との接合に使用した接合材７を用いることができる。先に説明したように、高温での長期信頼性を確保するためである。それぞれの接合部の表面には、選択的に金属膜を形成しておいても良い。パッケージの本体部５と蓋部６との接合と、本体部５と取付部材３０Ａとの接合のため、焼結層を形成する工程は同時に行うことも可能である。

取付部材３０Ａを金属板で形成すると、熱伝導性が良く好ましい。また、弾性表面波センサ２０Ａを接合した状態では、セラミックパッケージに接合した搭載部３１は変形しないものの、取付部３２は変形可能となる。取付部３２を変形可能とすることは、後述する計測システムを構成する際、測定位置に密着させて取り付けることができ好適である。

取付部材３０Ａを構成する金属板は、例えば通常の半導体装置の製造工程で使用されるリードフレームを用いることができる。リードフレームを用いると、複数の取付部材３０Ａの集合体上に、弾性表面波センサ２０Ａを実装し、その後リードフレームを切断して個片化することで、取付部材３０Ａが接合した弾性表面波センサ２０Ａを簡便に形成することができる。

このような構造の本実施例の弾性表面波センサ２０Ａは、ＳＡＷ素子１０Ａがパッケージ内に確実に接着、実装され、動きのある設置位置、あるいは振動の大きな設置場所での使用が可能となる。また、３００℃程度の比較的高温領域でも使用が可能となり、従来の温度センサより高温領域のセンシングが可能となる。具体的な計測システムについては、第２の実施例として以下に詳述する。

次に、本発明の第２の実施例について、ワイヤレスの温度センサとして使用可能な計測システムを構成した場合を例にとり詳細に説明する。図６は、本実施例の計測システムの概略説明図である。上記第１の実施例で説明した取付部材３０Ａを接合した弾性表面波センサ２０Ａを被測定物の所定の設置位置に取り付ける。この取付けは、図４で説明した貫通孔３３内にネジ等を貫入させ、被測定物表面に固定すれば良い。被測定物が、例えば配管やエンジン等の場合、その表面は平坦でない場合が多い。その際には、取付部３２を変形させることで、少なくとも取付部３２は、被測定物の表面に沿うように取り付けるようにする。

弾性表面波センサ２０Ａの一対の櫛形電極のうち第１の櫛形電極２ａにアンテナ６１ａを接続する。その場合、第２の櫛形電極２ｂには接地電位が接続する。逆の接続でも良い。被測定物から離れた位置には、送受信機４０Ａを配置する。送受信機４０Ａにもアンテナ６１ｂが接続されている。送受信機４０Ａと弾性表面波センサ２０Ａとの間のワイヤレス通信は通常のＳＡＷ素子を用いた通信と同様となる。

即ち、送受信機４０Ａのアンテナ６１ｂから電気信号を送信する。この電気信号はアンテナ６１ａが受信し、一対の櫛形電極によって表面弾性波に変換される。この表面弾性波は、圧電基板１上を伝搬し、反射器４で櫛形電極に向かって反射する。櫛形電極に伝搬した表面弾性波は、応答信号に変換される。この応答信号はアンテナ６１ａから送信され、アンテナ６１ｂで受信された応答信号は送受信機４０Ａで信号処理され、被測定物の温度が検知される。

図７は、送信信号と応答信号の位相差から被測定物の温度を検知する例を示している。図７に示すように、２５℃から２８０℃程度の広い温度範囲で、温度検知が可能となる結果が得られている。

このような構成の本実施例の計測システムは、ＳＡＷ素子１０Ａがパッケージ内に確実に接合し、このパッケージが接合部材３０Ａに確実に接続し、さらに接合部材３０Ａが被測定物に確実に接合するため、動きのある設置場所、あるいは振動の大きな設置場所での使用が可能となる。また、３００℃程度の比較的高温領域でも使用が可能となり、従来の温度センサより高温領域のセンシングが可能となる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明の弾性表面波センサは温度センサに限定されるものではなく、圧力等の物理量センサに適用可能である。また上記実施例では、接合材７を同一の金属粉焼結ペーストを用いて焼結層を形成する旨説明したが、確実な接合が形成可能な範囲で、異なる種類の焼結層により接合を形成してもよい。

本発明の弾性表面波センサを製造する際、取付部材３０Ａとパッケージの本体部５との接合は、ＳＡＷ素子１を接合する前のパッケージの本体部５を取付部材３０Ａ（リードフレーム）に接合しても良い。

１： 圧電基板、２ａ：第１の櫛形電極、２ｂ：第２の櫛形電極、３ａ：第１の引出電極、３ｂ：第２の引出電極、４：反射器、５:本体部、６：蓋部、７：接合材、８：ワイヤ、９：パッケージ側電極、３１：搭載部、３２：取付部、３３：貫通孔、６１：アンテナ、１０Ａ：ＳＡＷ素子、２０Ａ：弾性表面波センサ、３０Ａ：取付部材、４０Ａ：送受信機

Claims (3)

1. 検知素子としてＳＡＷ素子を備えた弾性表面波センサにおいて、
   前記ＳＡＷ素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、
   前記パッケージは、取付部材に接合していることと、
   前記ＳＡＷ素子と前記本体部との接合、前記本体部と前記蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする弾性表面波センサ。
2. 請求項１記載の弾性表面波センサにおいて、
   前記取付部材は、変形して設置位置に密着接合する取付部を有することを特徴とする弾性表面波センサ。
3. 電気信号を出力する送信機と、該送信機から送信された電気信号を受信し、応答信号を出力する弾性表面波センサと、該弾性表面波センサから出力される応答信号を受信する受信機とを備えた計測システムにおいて、
   前記弾性表面波センサは、検知素子としてＳＡＷ素子を備え、該ＳＡＷ素子は、本体部と蓋部とで構成された無機材料からなるパッケージの前記本体部に一方の端部側のみ接合して実装されていることと、
   前記パッケージは、取付部材に接合していることと、
   前記ＳＡＷ素子と前記本体部との接合、前記本体部と蓋部との接合、および前記本体部と前記取付部材との接合が、焼結層を介した接合であることを特徴とする計測システム。

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