JP7345117B2

JP7345117B2 - 温度センサ及び温度測定装置

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Publication number: JP7345117B2
Application number: JP2021093016A
Authority: JP
Inventors: 耕一永井; 直文日野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2041-06-02
Also published as: JP2022185375A; CN115435921A; US11913842B2; US20220390293A1

Description

本発明は、無線通信によって表面弾性波を利用して温度を測定する温度センサ及び温度測定装置に関するものである。

近年、様々な工業製品もしくは家電の組み立て製造工程、又はそれらの製品の構成部品となる各種電子部品、各種の電池、もしくは、電子部品が実装された基板などのデバイス製造工程において、熱処理のための炉も多様化し、それぞれの機能が大幅に向上している。

また、被加熱物の温度管理が製品の性能に大きく影響するようになって来ている。

一般的に、小型の炉又は、被加熱物を搬送する速度が非常に遅い炉の場合は、被加熱物の温度推移について、炉内に熱電対を取り付けて、炉外の計測部と接続したまま計測することが可能な場合がある。しかし、搬送距離の長い大型の炉、搬送速度が著しく速い炉、又は搬送経路にシャッターなどの構造物がある場合などは、熱電対を炉外の計測部と接続した状態での温度測定が困難な場合が多い。このような炉で熱電対を使用する場合、短い熱電対を無線ユニットに接続して無線ユニットと共に炉内に投入し、熱電対の情報を無線で炉外の計測部に送信する方法、あるいは前記の無線ユニット内にデータ記憶装置を搭載しておいて、熱電対の情報等を記憶させておき、無線ユニットを炉外に搬出した後に、記憶装置からデータ情報を抜き出す方法もある。しかし、炉内の温度によっては無線で送信する際の送信器やデータの記憶装置等の駆動電源となる電池、送信器、又は記憶装置そのものの耐熱温度を超えてしまい、使用できない場合も非常に多い。そのため、耐熱温度の低い電池、送信器、又は記憶装置等を搭載しない無線計測センサとして、圧電基板の表面弾性波を利用して温度を測定するセンシング技術が用いられ、例えば特許文献１の方式が知られている。

図１１は特許文献１の従来の物理量測定装置についての説明図である。特許文献１には、圧電基板上に櫛歯状電極を設けた無線、無給電で、物理量として圧力を測定するＳＡＷセンサの一例について記載されている。特許文献１のＳＡＷセンサは、圧電基板６０、櫛歯電極部６１、圧力検出用反射器６２、ダイヤフラム部６３、及び温度補償用反射器６４を有する。櫛歯電極部６１は、外部からの無線信号を受信して圧電基板６０上に表面弾性波を励振する一方で、圧電基板６０上を伝搬する表面弾性波を受波して応答信号に変換する。圧力検出用反射器６２は、櫛歯電極部６１で励振された表面弾性波を反射する。ダイヤフラム部６３は、櫛歯電極部６１と圧力検出用反射器６２との間に設けられ、圧電基板６０内部の空洞部と外部との圧力差に応じて変形することにより表面弾性波の伝搬経路の経路長を変化させる。温度補償用反射器６４は、表面弾性波の伝搬経路上にダイヤフラム部６３を基準として櫛歯電極部６１側に設けられ、櫛歯電極部６１で励振された表面弾性波を反射する。この表面弾性波の特性について読み取り装置６５で受信した情報をコンピュータ６６で分析することで、ＳＡＷセンサが置かれた場所での圧力を測定するとしている。

特開２００９－２２２５８９号公報

しかしながら、前記特許文献１の構成では、圧電基板６０の周囲の圧力が圧電基板内部の空洞部の圧力よりも高い側あるいは低い側のどちらか一方のみに変化する場合は、ダイヤフラム部６３の変形量によって表面弾性波の伝播距離の変化を検出して外部圧力の変化を算出することは出来るが、圧電基板６０の周囲の圧力が基板内部の空洞部の圧力よりも高くなる場合と、周囲の圧力が基板内部の空洞部の圧力よりも低くなる場合とが共存する場合は、ダイヤフラム部６３が凹になる方向と凸になる方向とに変形した際の変形方向を見分けることは困難である。そのため、ダイヤフラム部６３の変形による表面弾性波が伝播する距離の変化だけでは、圧力の高低について見分けることは困難であるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、物理量を検出するＳＡＷセンサの圧電基板において、外部環境の物理量の変化によって生じる表面弾性波が伝播する状況の変化を正確に把握し、物理量の一つである温度について正確に測定することが可能な温度センサ及び温度測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の１つの態様にかかる温度センサは、
表面弾性波を伝播する第一の圧電基板と、
前記第一の圧電基板上に設けられ、電気信号を受信して前記第一の圧電基板上に表面弾性波を励振するとともに、前記第一の圧電基板上を伝播して受け取った表面弾性波を電気信号に変換する第一の櫛歯状電極と、
前記第一の圧電基板上に前記第一の櫛歯状電極と対向する位置に設けられ、前記第一の櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記第一の櫛歯状電極に向けて反射する第一の温度検出用反射器と、
表面弾性波を伝播する第二の圧電基板と、
前記第二の圧電基板上に設けられ、電気信号を受信して前記第二の圧電基板上に表面弾性波を励振するとともに、前記第二の圧電基板上を伝播して受け取った表面弾性波を電気信号に変換する第二の櫛歯状電極と、
前記第二の圧電基板上に前記第二の櫛歯状電極と対向する位置に設けられ、前記第二の櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記第二の櫛歯状電極に向けて反射する第二の温度検出用反射器と、
前記第二の圧電基板上の表面弾性波が伝播する面の裏面に接合され、熱電対の起電力によって変形することにより前記第二の圧電基板上の表面弾性波の伝播経路の経路長を前記起電力による変形前の経路長に対して変化させる圧電体と、を有する。

さらに本発明の別の態様にかかる温度センサは、
表面弾性波を伝播する圧電基板と、
前記圧電基板上に設けられ、無線信号を受信して前記圧電基板上に表面弾性波を励振するとともに、前記圧電基板上を伝播する表面弾性波を電気信号に変換する櫛歯状電極と、
前記圧電基板上に前記櫛歯状電極と対向する位置に設けられ、前記櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記櫛歯状電極に向けて反射する第一の温度検出用反射器と、
前記圧電基板上に前記櫛歯状電極と対向する位置でかつ前記櫛歯状電極を基準として前記第一の温度検出用反射器と反対側の位置に設けられ、前記櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記櫛歯状電極に向けて反射する第二の温度検出用反射器と、
前記圧電基板の前記櫛歯状電極と前記第二の温度検出用反射器との間の前記表面弾性波が伝播する面の裏面に接合され、熱電対の起電力によって変形することにより前記圧電基板上の前記表面弾性波の伝播経路の経路長を前記起電力による変形前の経路長に対して変化させる圧電体と、を有する。

また、本発明の態様にかかる温度測定装置は、
前記のいずれか１つに記載の温度センサと、
電気信号を無線で送受信する計測部と、を備えた温度測定装置であって、
前記計測部は、前記第一の温度検出用反射器と前記第二の温度検出用反射器とで反射された表面弾性波から変換された電気信号の時間変化に基づいて、前記熱電対の先端部の温度を算出する温度算出手段を備える。

以上のように、本発明の前記態様にかかる温度センサ及び温度測定装置によれば、圧電基板上を伝播して圧電基板の温度情報を含んだ表面弾性波の周波数特性を分析するとともに、熱電対の起電力によって変化する圧電基板の表面弾性波の伝播時間の変化を検出する。これにより、圧電基板の温度と、圧電基板に接続されている熱電対の起電力を利用して圧電基板の温度と熱電対の先端部が設置されている測定箇所の温度との温度差を検出することが可能となる。このため、任意の位置に設置した熱電対の先端部の温度について、無線及び無給電で圧電基板の表面弾性波を利用したセンシングが可能となる。

よって、物理量を検出するＳＡＷセンサの圧電基板において、外部環境の物理量の変化によって生じる表面弾性波が伝播する状況の変化を正確に把握し、物理量の一つである温度について正確に測定することが可能となる。

本発明の実施の形態における温度測定装置の説明図本発明の実施の形態における第一のＳＡＷデバイスの説明図本発明の実施の形態における第二のＳＡＷデバイスの説明図圧電体の分極についての説明図圧電体の分極の方向と電圧印加による変形方法についての説明図圧電基板の電位による変形と遅延の影響についての説明図圧電基板の電位による変形と遅延の影響についての説明図熱電対先端部の温度の算出方法について説明図圧電体の分極の方向と電圧印加による変形方法の変形例についての説明図本発明の実施の形態の変形例における温度測定装置の説明図従来の物理量測定装置を示す説明図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施の形態における温度測定装置の説明図である。

温度測定装置１は、温度センサ２と、計測部３とを備えている。

温度センサ２は、第一のＳＡＷデバイス１０と、第二のＳＡＷデバイス２０と、複合圧電体２９とを備えている。

計測部３は、高周波の電気信号を無線で送受信する計測部アンテナ４に接続されている。

さらに、温度測定装置１は、計測部３に接続された温度算出手段７５を備えている。温度算出手段７５は、計測部３内に配置されてもよいし、計測部３外に配置されてもよい。温度算出手段７５は、後述する第一の温度検出用反射器１３と第二の温度検出用反射器２３とで反射された表面弾性波から変換された電気信号の時間変化に基づいて、熱電対３０の先端部３３の温度を算出する。言い換えれば、温度算出手段７５は、圧電基板２１、１１上を伝播して圧電基板２１、１１の温度情報を含んだ表面弾性波の周波数特性を分析するとともに、熱電対３０の起電力によって変化する圧電基板２１の表面弾性波の伝播時間の変化を検出することで、熱電対３０の先端部３３の温度を正確に測定する。

温度センサ２は、計測部アンテナ４から送信された電気信号を受信するための温度センサアンテナ５を備えている。

また、第二のＳＡＷデバイス２０には熱電対３０が接続されており、熱電対３０は同一温度域３６を超えて外部に延伸している。ここで、同一温度域３６とは、第一のＳＡＷデバイス１０と第二のＳＡＷデバイス２０とを取り囲む空間でかつ同一温度の領域を意味する。また、第二のＳＡＷデバイス２０は、例えば直方体の第一の支持体６及び直方体の第二の支持体７によってその一端（すなわち、後述する複合圧電体２９の一端）が挟持されて片持ち支持されている。

図２は本発明の実施の形態における第一のＳＡＷデバイス１０の詳細な説明図である。
第一のＳＡＷデバイス１０は、第一の圧電基板１１と、温度センサアンテナ５と、第一の櫛歯状電極１２と、第一の温度検出用反射器１３とを備えている。

第一の圧電基板１１には、計測部３と電気信号を送受信するための温度センサアンテナ５が設けられている。
温度センサアンテナ５は、第一の圧電基板１１上に設けられた第一の櫛歯状電極１２と電気的に接続されている。第一の櫛歯状電極１２は、矩形板状の第一の圧電基板１１の長手方向の一端部側の第一の圧電基板１１上に配置されている。

この第一の櫛歯状電極１２と対向する位置の第一の圧電基板１１の長手方向の他端部側に、第一の温度検出用反射器１３が第一の圧電基板１１上に配置されている。

計測部３では、所定の周波数、例えば電波法で特定小電力となる４２０～４３０ＭＨｚ、又は、ＲＦＩＤの９１５～９３０ＭＨｚの範囲の周波数を含む高周波を掃引する形で電気信号を、計測部アンテナ４から無線で送信する。

前記第一のＳＡＷデバイス１０の構成によれば、計測部３に接続されている計測部アンテナ４から送信される高周波の電気信号を温度センサアンテナ５で受信して、第一の圧電基板１１上に第一の櫛歯状電極１２で表面弾性波として励振する。励振したのち、励振された表面弾性波が第一の圧電基板１１上を伝播して第一の温度検出用反射器１３に到達して、第一の温度検出用反射器１３から第一の櫛歯状電極１２に向かって反射し、第一の櫛歯状電極１２に到達して再び電気信号に変換されて、温度センサアンテナ５から送信する。温度センサアンテナ５から送信した、この電気信号を計測部３に接続されている計測部アンテナ４で受信する。計測部アンテナ４で受信した、この電気信号を計測部３の温度算出手段（温度算出部）７５で分析することで第一の圧電基板１１の温度を算出することが出来る。

図３は本発明の実施の形態における第二のＳＡＷデバイス２０の詳細な説明図である。図３（Ａ）は第二のＳＡＷデバイス２０の平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の第二のＳＡＷデバイス２０の平面図におけるＣ－Ｃ線に沿った断面図である。

第二のＳＡＷデバイス２０は、第二の圧電基板２１と、前記温度センサアンテナ５と、第二の櫛歯状電極２２と、第二の温度検出用反射器２３とを備えている。

第二の圧電基板２１には、計測部３と電気信号を送受信するための前記した温度センサアンテナ５が設けられている。温度センサアンテナ５は、第一のＳＡＷデバイス１０と第二のＳＡＷデバイス２０とで共用している。

温度センサアンテナ５は、第二の圧電基板２１上に設けられた第二の櫛歯状電極２２と電気的に接続されている。第二の櫛歯状電極２２は、矩形板状の第二の圧電基板２１の長手方向の一端部側の第二の圧電基板２１上に配置されている。

この第二の櫛歯状電極２２と対向する位置の第二の圧電基板２１の長手方向の他端部側に、第二の温度検出用反射器２３が第二の圧電基板２１上に配置されている。

前記第二のＳＡＷデバイス２０の構成によれば、前述の第一のＳＡＷデバイス１０と同様に、計測部３に接続されている計測部アンテナ４から送信される高周波の電気信号を温度センサアンテナ５で受信して、第二の圧電基板２１上に第二の櫛歯状電極２２で表面弾性波として励振する。励振したのち、励振された表面弾性波が第二の圧電基板２１上を伝播して第二の温度検出用反射器２３に到達して、第二の温度検出用反射器２３から第二の櫛歯状電極２２に向かって反射し、第二の櫛歯状電極２２に到達して再び電気信号に変換されて、温度センサアンテナ５から送信する。温度センサアンテナ５から送信した、この電気信号を計測部３に接続されている計測部アンテナ４で受信する。計測部アンテナ４で受信した、この電気信号を計測部３の温度算出手段（温度算出部）７５で分析することで、第二の圧電基板２１によって熱電対３０の先端部３３と同一温度域３６との温度差が温度算出手段７５で算出できる。

ここで、第二の圧電基板２１の例えば下面は、第一の圧電体２５と第二の圧電体２７等とで構成される複合圧電体２９に接合されている。複合圧電体２９は、それぞれ板状からなる、第一の電極２４と、第一の圧電体２５と、第二の電極２６と、第二の圧電体２７と、第三の電極２８とがそれぞれ接合されて構成されている。

さらに、熱電対３０は、第一の金属導体３１と、第二の金属導体３２とで構成され、一方の端子同士が溶接されて先端部３３となっており、第一の金属導体３１と第二の金属導体３２とのそれぞれのもう一方の端子は、絶縁端子台３４に接続されている。絶縁端子台３４に接続された、これらのそれぞれの端子と、複合圧電体２９の第一の電極２４及び第三の電極２８がそれぞれ配線３５によって電気的に接続されている。

なお、複合圧電体２９は、第一の支持体６と第二の支持体７とによって挟持されつつ片持ち支持の状態となっている。

上述した第二のＳＡＷデバイス２０の構成によれば、熱電対３０における先端部３３と絶縁端子台３４との温度差によって、第一の金属導体３１と第二の金属導体３２との間に起電力が発生し、この起電力によって複合圧電体２９は変形する。複合圧電体２９の変形方法については、後述する。また、複合圧電体２９が変形することによって、これに接合されている第二の圧電基板２１も変形し、第二の圧電基板２１上の表面弾性波の伝播経路の長さに影響を与えて、長さを長短に変化させることができる。この表面弾性波の伝搬経路の長さの変化は、表面弾性波の伝播の遅延時間として検出することが可能であり、この遅延時間について計測部３の温度算出手段７５で分析することで、熱電対３０の起電力と関連付けて、熱電対３０の先端部３３と、絶縁端子台３４が含まれる同一温度域３６との温度差を温度算出手段７５で算出することが出来る。

上述した温度センサ２の構成によれば、第一のＳＡＷデバイス１０の第一の圧電基板１１と、第二のＳＡＷデバイス２０の第二の圧電基板２１と、複合圧電体２９とが同一温度域３６にある場合、第一の圧電基板１１で同一温度域３６の温度が温度算出手段７５で算出され、同時に、第二の圧電基板２１によって熱電対３０の先端部３３と同一温度域３６との温度差が温度算出手段７５で算出できる。これらの温度と温度差とより、熱電対３０の先端部３３の温度を温度算出手段７５で算出することが可能となる。

ここで、複合圧電体２９の電位による変形について図４及び図５を用いて説明する。

図４は一般的な圧電体の分極についての説明図である。図４において、圧電体の例としてセラミックスの拡大図を示しており、セラミックスは、強誘電体微結晶の集合体で、一般に１～５μｍ程度の結晶粒４０から構成されている。

このセラミックスの結晶粒４０における分極方向４１は、当初はあらゆる方向を向いており、このセラミックスに圧電性を持たせるためには、セラミックスに強い直流電界（数ＫＶ／ｍｍ）を印加して、分極方向４１を同一方向に揃える必要がある。

図４（Ａ）は分極前、図４（Ｂ）は強い直流電界を印加している様子、図４（Ｃ）は分極を終えた状態を示している。

図５は圧電体の分極の方向と電圧印加による変形方法とについての説明図である。分極方向４１を揃えた第一の圧電体２５と第二の圧電体２７とを複合圧電体２９の材料として用い、第一の圧電体２５と第二の圧電体２７との分極方向４１を図５のように互いに反対向きとなるように配置する。このような複合圧電体２９の構成で、第一の電極２４と第三の電極２８とに対して、第一の電極２４の方を第三の電極２８よりも高電位になるように電圧を印加する。すると、この複合圧電体２９の上面は伸びる方向に力が働き、複合圧電体２９の下面は縮む方向に力が働く。第一の電極２４と第三の電極２８とに印加する電位を逆にし、複合圧電体２９の構成は同様のままで、第三の電極２８の方を第一の電極２４よりも高電位になるように電圧を印加する。すると、複合圧電体２９の上面は縮む方向に力が働き、複合圧電体２９の下面は伸びる方向に力が働く。

図６及び図７は圧電基板の電位による変形と遅延の影響についての説明図である。

図６（Ａ）は温度差による熱電対３０の起電力によって第二の金属導体３２よりも第一の金属導体３１の電位の方が高い場合（すなわち、起電力Ｅ１＞Ｅ２）を示している。第二の金属導体３２よりも第一の金属導体３１の電位の方が高い場合は、複合圧電体２９の上面は伸び、複合圧電体２９の下面が縮まるために、複合圧電体２９には下向きの力が働く。このとき、複合圧電体２９に接合されている第二の圧電基板２１が伸ばされ、これによって、第二の圧電基板２１の表面弾性波が伝播する距離が延びるために、第二の圧電基板２１上を表面弾性波が伝播するのにかかる時間が遅れることとなる。このとき、図６（Ｂ）において、熱電対３０に電位差が発生しない状態の基準の返信波５０に対し、時間が遅延した場合は、返信波５０よりもピークが遅延した返信波５１のようになる。

図７（Ａ）は温度差による熱電対３０の起電力によって第一の金属導体３１よりも第二の金属導体３２の電位の方が高い場合（すなわち、起電力Ｅ２＞Ｅ１）を示している。第一の金属導体３１よりも第二の金属導体３２の電位の方が高い場合は、複合圧電体２９の上面は縮み、複合圧電体２９の下面が伸びるために、複合圧電体２９には上向きの力が働く。このとき、複合圧電体２９に接合されている第二の圧電基板２１が縮められ、これによって、第二の圧電基板２１の表面弾性波が伝播する距離が縮むために、第二の圧電基板２１上を表面弾性波が伝播するのにかかる時間が短くなる。このとき、図７（Ｂ）のように熱電対３０に電位差が無い状態の基準の返信波５０に対し、時間が短くなった場合は、返信波５０よりもピークが早い返信波５２のようになる。

これらのような時間の変化について計測部３の温度算出手段７５で分析することで、熱電対３０の起電力と関連付け、熱電対３０の先端部３３の温度と同一温度域３６の温度との温度差を温度算出手段７５で算出することが可能となる。

図８は、温度算出手段７５による、熱電対先端部の温度の算出方法についての説明図である。同一温度域３６の中にある第一のＳＡＷデバイス１０の第一の圧電基板１１の温度の推移の例が、図８の同一温度域３６の温度５４のグラフとなる。同一温度域３６の中にある第二のＳＡＷデバイス２０の第二の圧電基板２１の温度と熱電対３０の先端部３３の温度との温度差５５は、熱電対３０の先端部３３の温度が同一温度域３６の温度よりも低い場合は負の値、熱電対３０の先端部３３の温度が同一温度域３６の温度よりも高い場合は正の値として、計測部３の温度算出手段７５で算出される。このため、熱電対３０の先端部３３の温度は、熱電対先端部の温度５３のように温度差５５が加味されたグラフとなる。これが熱電対３０の先端部３３の温度の推移となる。

なお、温度差の無い領域５６は、同一温度域３６の温度と熱電対３０の先端部３３の温度との温度差が無い場合で、熱電対３０の熱起電力が０となる領域である。

以上のように、本実施形態によれば、無線及び無給電で温度測定を行う圧電基板１１、２１の表面弾性波を利用した温度測定装置として、圧電基板１１上を伝播して圧電基板１１の温度情報を含んだ表面弾性波の周波数特性を分析するとともに、熱電対３０の起電力によって変化する圧電基板２１の表面弾性波の伝播時間の変化を検出する。これにより、圧電基板１１の温度と、圧電基板２１に接続されている熱電対３０の起電力を利用して圧電基板２１の温度と熱電対３０の先端部３３が設置されている測定箇所の温度との温度差とをそれぞれ検出することが可能となる。このため、任意の位置に設置した熱電対３０の先端部３３の温度について、無線及び無給電で圧電基板２１の表面弾性波を利用したセンシングが可能となる。

よって、物理量を検出するＳＡＷセンサ２０の圧電基板２１において、外部環境の物理量の変化によって生じる表面弾性波が伝播する状況の変化を正確に把握し、物理量の一つである温度について正確に測定することが可能となる。

（変形例）
図９は圧電体の分極の方向と電圧印加による変形方法との変形例についての説明図である。複合圧電体２９を構成する第一の圧電体２５と第二の圧電体２７の分極方向４１を図９のように同じ方向となるように設定し、さらに第一の電極２４と第三の電極２８とを同電位とし、第二の電極２６と、第一の電極２４及び第三の電極２８との間に電圧を印加する方法を用いることで、図５の構成の場合と比較して、同じ電圧を印加した場合、複合圧電体２９の電圧印加による伸縮が約２倍となるため、表面弾性波の伝播距離の変化も約２倍となり、表面弾性波の伝播の遅延時間を拡大させる方法として好適である。
（変形例）
図１０は本発明の実施の形態の変形例における温度測定装置の説明図である。

温度測定装置１Ｂは温度センサ２Ｂと計測部３とを備えている。

温度センサ２Ｂの圧電基板５７には、計測部３と計測部アンテナ４を介して電気信号を送受信するための温度センサアンテナ５が設けられている。温度センサアンテナ５は、圧電基板５７上に設けられた櫛歯状電極５８と電気的に接続されている。

この櫛歯状電極５８と対向する位置の矩形板状の圧電基板５７の長手方向の一端部側と他端部側とに、櫛歯状電極５８を挟んで第一の温度検出用反射器１３と第二の温度検出用反射器２３が圧電基板５７上に配置されている。

櫛歯状電極５８と第二の温度検出用反射器２３との間の表面弾性波が伝播する範囲の圧電基板５７の裏面には、複合圧電体２９が接合されている。複合圧電体２９には、熱電対３０の一端が同一温度域３６の範囲内において配線されており、熱電対３０の先端部３３は同一温度域３６の外部まで伸延して配置されている。

また、複合圧電体２９は、第一の支持体６及び第二の支持体７で一端が挟持されて片持ち支持されており、反対側の一端は自由端となっている。

このような構成では、計測部３に接続されている計測部アンテナ４から送信される高周波の電気信号を温度センサアンテナ５で受信して、圧電基板５７上に櫛歯状電極５８で表面弾性波として励振する。励振された表面弾性波は、圧電基板５７上を伝播して第一の温度検出用反射器１３及び第二の温度検出用反射器２３に到達し、それぞれの反射器１３、２３から櫛歯状電極５８に向かって反射される。反射された表面弾性波は、櫛歯状電極５８に到達して再び電気信号に変換されて、温度センサアンテナ５から送信される。この電気信号を、計測部３に接続されている計測部アンテナ４で受信する。このとき、同一温度域３６にある圧電基板５７の温度は、温度算出手段７５により、第一の温度検出用反射器１３による表面弾性波の反射波を分析して算出する。

一方、第二の温度検出用反射器２３による表面弾性波の反射波は、同一温度域３６の温度と熱電対３０の先端部３３の温度に温度差がある場合には、圧電基板５７の裏面に接合された複合圧電体２９が熱電対３０の起電力により変形するため、表面弾性波の伝播距離が変化する影響を受ける。この表面弾性波の遅延時間を計測部３の温度算出手段７５で分析することで同一温度域３６の温度と熱電対３０の先端部３３の温度との温度差が温度算出手段７５で算出される。

第一の温度検出用反射器１３の反射波の分析による同一温度域３６の温度と、第二の温度検出用反射器２３の反射波の分析による同一温度域３６の温度と熱電対３０の先端部３３の温度との温度差とによって、熱電対３０の先端部３３の温度が温度算出手段７５で算出できる。

なお、計測部３で受信した電気信号を温度算出手段７５で分析する際、第一の温度検出用反射器１３と第二の温度検出用反射器２３による表面弾性波の反射波を区別する必要がある場合は、第一の温度検出用反射器１３と第二の温度検出用反射器２３との表面弾性波の減衰率に差を付けることで、両者を容易に区別することが出来る。例えば第一の温度検出用反射器１３による表面弾性波の反射率を第二の温度検出用反射器２３の表面弾性波の反射率よりも大きく設定することで、第一の温度検出用反射器による反射波の減衰のピークは第二の温度検出用反射器による反射波の減衰ピークよりも多きい値を取るため、容易に区別することが可能となる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる温度センサ及び温度測定装置は、無線通信のためのアンテナを有するＳＡＷデバイスの温度だけでなく、ＳＡＷデバイスから延伸した熱電対の先端部の温度を検出することができ、無線通信のための制約条件によらず、必要な個所に熱電対を設置して温度を測定することが可能となる。このため、本発明の前記態様は、無線、無給電において高精度に温度を測定するシステムとして、搬送を伴う工業製品又は家電製品の製造工程又は各種電子部品の製造工程における乾燥炉、キュア炉、又はリフロー炉などの各種熱処理を行う熱処理方法及び装置に適用できる。

１、１Ｂ温度測定装置
２、２Ｂ温度センサ
３計測部
４計測部アンテナ
５温度センサアンテナ
６第一の支持体
７第二の支持体
１０第一のＳＡＷデバイス
１１第一の圧電基板
１２第一の櫛歯状電極
１３第一の温度検出用反射器
２０第二のＳＡＷデバイス
２１第二の圧電基板
２２第二の櫛歯状電極
２３第二の温度検出用反射器
２４第一の電極
２５第一の圧電体
２６第二の電極
２７第二の圧電体
２８第三の電極
２９複合圧電体
３０熱電対
３１第一の金属導体
３２第二の金属導体
３３先端部
３４絶縁端子台
３５配線
３６同一温度域
４０結晶粒
４１分極方向
５０基準の返信波
５１返信波
５２返信波
５３熱電対先端部の温度
５４同一温度域の温度
５５温度差
５６温度差の無い領域
５７圧電基板
５８櫛歯状電極
６０圧電基板
６１櫛歯電極部
６２圧力検出用反射器
６３ダイヤフラム部
６４温度補償用反射器
６５読み取り装置
６６コンピュータ
７５温度算出手段

Claims

表面弾性波を伝播する第一の圧電基板と、
前記第一の圧電基板上に設けられ、電気信号を受信して前記第一の圧電基板上に表面弾性波を励振するとともに、前記第一の圧電基板上を伝播して受け取った表面弾性波を電気信号に変換する第一の櫛歯状電極と、
前記第一の圧電基板上に前記第一の櫛歯状電極と対向する位置に設けられ、前記第一の櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記第一の櫛歯状電極に向けて反射する第一の温度検出用反射器と、
表面弾性波を伝播する第二の圧電基板と、
前記第二の圧電基板上に設けられ、電気信号を受信して前記第二の圧電基板上に表面弾性波を励振するとともに、前記第二の圧電基板上を伝播して受け取った表面弾性波を電気信号に変換する第二の櫛歯状電極と、
前記第二の圧電基板上に前記第二の櫛歯状電極と対向する位置に設けられ、前記第二の櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記第二の櫛歯状電極に向けて反射する第二の温度検出用反射器と、
前記第二の圧電基板上の表面弾性波が伝播する面の裏面に接合され、熱電対の起電力によって変形することにより前記第二の圧電基板上の表面弾性波の伝播経路の経路長を前記起電力による変形前の経路長に対して変化させる圧電体と、を有する温度センサ。
表面弾性波を伝播する圧電基板と、
前記圧電基板上に設けられ、無線信号を受信して前記圧電基板上に表面弾性波を励振するとともに、前記圧電基板上を伝播する表面弾性波を電気信号に変換する櫛歯状電極と、
前記圧電基板上に前記櫛歯状電極と対向する位置に設けられ、前記櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記櫛歯状電極に向けて反射する第一の温度検出用反射器と、
前記圧電基板上に前記櫛歯状電極と対向する位置でかつ前記櫛歯状電極を基準として前記第一の温度検出用反射器と反対側の位置に設けられ、前記櫛歯状電極で励振された前記表面弾性波を前記櫛歯状電極に向けて反射する第二の温度検出用反射器と、
前記圧電基板の前記櫛歯状電極と前記第二の温度検出用反射器との間の前記表面弾性波が伝播する面の裏面に接合され、熱電対の起電力によって変形することにより前記圧電基板上の前記表面弾性波の伝播経路の経路長を前記起電力による変形前の経路長に対して変化させる圧電体と、を有する温度センサ。
前記第一の温度検出用反射器と前記第二の温度検出用反射器とは、表面弾性波を反射する減衰率に差がある請求項１又は請求項２に記載の温度センサ。
請求項１～３のいずれか１つに記載の温度センサと、
電気信号を無線で送受信する計測部と、を備えた温度測定装置であって、
前記計測部は、前記第一の温度検出用反射器と前記第二の温度検出用反射器とで反射された表面弾性波から変換された電気信号の時間変化に基づいて、前記熱電対の先端部の温度を算出する温度算出手段を備える温度測定装置。