(57)【要約】      （修正有）【課題】固体微粒子の量を高感度に検出する。【解決手段】表面弾性波素子４００は、測定素子３００と参照素子２００とを備える。測定素子３００は、圧電性を有する第１の基板１１１と、第１の基板の第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第１の入力電極１０３−１と、第１の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第１の表面弾性波伝搬領域１０５−１と、第１の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第１の出力電極１０４−１と、を備える。参照素子２００は、第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第２の入力電極１０３−２と、第２の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第２の表面弾性波伝搬領域１０５−２と、第２の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第２の出力電極１０４−２と、を備える。第２の基板１５０は、第２の表面弾性波伝搬領域を第１の表面弾性波伝搬領域よりも大きい割合で覆っている。【選択図】図４Ａ
2020088539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性を有する第１の基板と、
前記第１の基板の第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第１の入力電極と、前記第１の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第１の表面弾性波伝搬領域と、前記第１の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第１の出力電極と、を備える測定素子と、
前記第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第２の入力電極と、前記第２の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第２の表面弾性波伝搬領域と、前記第２の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第２の出力電極と、を備える参照素子と、前記第１の基板の前記第１の面に対向して、前記第１の基板の前記第１の面に形成された第１の入力電極、第１の表面弾性波伝搬領域、第１の出力電極、第２の入力電極、第２の表面弾性波伝搬領域、および第２の出力電極に非接触で配置される第２の基板を備え、
前記第２の基板は、前記第２の表面弾性波伝搬領域を前記第１の表面弾性波伝搬領域よりも大きい割合で覆うことを特徴とする表面弾性波素子。
【請求項２】
前記第２の基板は、前記第２の表面弾性波伝搬領域の全てを覆うとともに、前記第１の表面弾性波伝搬領域の少なくとも一部を開放することを特徴とする、
請求項１記載の表面弾性波素子。
【請求項３】
前記第１の表面弾性波伝搬領域には、電位を制御可能な金属膜により固体微粒子付着領域が形成されており、
前記第２の基板は、前記固体微粒子付着領域の少なくとも一部を開放することを特徴とする、
請求項２記載の表面弾性波素子。
【請求項４】
前記第２の基板は、さらに、前記第１の入力電極、前記第１の出力電極、前記第２の入力電極、および前記第２の出力電極の全てを覆うことを特徴とする、
請求項２記載の表面弾性波素子。
【請求項５】
前記第１の基板と前記第２の基板の間隔を１００μｍ以下にすることを特徴とする、
請求項１記載の表面弾性波素子。
【請求項６】
前記第１の基板と前記第２の基板の間に、柱状のスペーサを配置して非接触に保つことを特徴とする、
請求項１記載の表面弾性波素子。
【請求項７】
前記第１の基板と前記第２の基板の間に、壁状のフレームを配置して非接触に保つことを特徴とする、
請求項１記載の表面弾性波素子。
【請求項８】
前記フレームが、前記第１の表面弾性波伝搬領域、前記第２の表面弾性波伝搬領域、前記第１の入力電極、前記第１の出力電極、前記第２の入力電極、および前記第２の出力電極に接触しないように配置することを特徴とする、
請求項７記載の表面弾性波素子。
【請求項９】
前記第１の入力電極、前記第１の出力電極、前記第２の入力電極、および前記第２の出力電極のそれぞれに対して信号を入出力する電気端子と、
前記電気端子に配置される金属バンプとを備え、
前記第１の基板と前記第２の基板の間に、前記金属バンプを配置して非接触に保つことを特徴とする、
請求項１記載の表面弾性波素子。
【請求項１０】
前記第２の基板に、前記金属バンプに対して信号を入出力する電気配線を形成したことを特徴とする、
請求項９記載の表面弾性波素子。
【請求項１１】
前記第１の表面弾性波伝搬領域には、電位を制御可能な金属膜により第１の固体微粒子付着領域が形成されており、
前記第２の表面弾性波伝搬領域には、電位を制御可能な金属膜により第２の固体微粒子付着領域が形成されており、
前記第１の固体微粒子付着領域と前記第２の固体微粒子付着領域に異なる電位を与えることを特徴とする、
請求項１記載の表面弾性波素子。
【請求項１２】
表面弾性波素子と、
前記表面弾性波素子を保持する筐体と、
前記表面弾性波素子を収容するハウジングを備え、
前記表面弾性波素子は、
圧電性を有する基板からなる第１の基板と、
前記第１の基板の第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第１の入力電極と、前記第１の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第１の表面弾性波伝搬領域と、前記第１の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第１の出力電極と、を備える測定素子と、
前記第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第２の入力電極と、前記第２の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第２の表面弾性波伝搬領域と、前記第２の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第２の出力電極と、を備える参照素子と、
前記第１の基板の前記第１の面に対向して、前記第１の基板の前記第１の面に形成された第１の入力電極、第１の表面弾性波伝搬領域、第１の出力電極、第２の入力電極、第２の表面弾性波伝搬領域、および第２の出力電極に非接触で配置される第２の基板を備え、
前記第２の基板は、前記第２の表面弾性波伝搬領域を前記第１の表面弾性波伝搬領域よりも大きい割合で覆っていることを特徴とする、
固体微粒子質量測定装置。
【請求項１３】
前記第２の基板の一端が前記筐体に固定されることにより、前記表面弾性波素子が筐体に保持されることを特徴とする、
請求項１２記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項１４】
前記ハウジングには、前記第１の表面弾性波伝搬領域に対向する箇所に窓が設けられていることを特徴とする、
請求項１２記載の固体微粒子質量測定装置。
【請求項１５】
前記第１の表面弾性波伝搬領域には、電位を制御可能な金属膜により第１の固体微粒子付着領域が形成されており、
前記第２の表面弾性波伝搬領域には、電位を制御可能な金属膜により第２の固体微粒子付着領域が形成されており、
前記ハウジングの電位と前記第１の固体微粒子付着領域の電位の電位差が、前記ハウジングの電位と前記第２の固体微粒子付着領域の電位の電位差より大きくなるようにしたことを特徴とする、
請求項１２記載の固体微粒子質量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体微粒子の質量測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、煤などの固体微粒子、いわゆるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｍａｔｔｅｒ）が含まれるが、この個体微粒子による大気汚染が世界的に問題となっている。
【０００３】
排気ガスに含有し大気に排出される個体微粒子の量を制御するために、内燃機関の排気ガス管に微粒子センサを取り付け、個体微粒子の排出量を制御する試みがなされている。
【０００４】
例えば特許文献１は、表面弾性波デバイス及びこれを用いた物理量検出器に関する文献である。特許文献１には、圧電基板の一表面に表面弾性波を発生させ表面弾性波の変化を検出する表面弾性波デバイスにおいて、その一表面の第１の部位に、所定の周波数の第１励振信号が入力され、第１の表面弾性波を発生される第１励振用電極と、第１の部位と離間する第２の部位に、所定の周波数の第２の励振信号が入力され、第２の表面弾性波を発生させる第２励振用電極と、第１の表面弾性波と第２の表面弾性波とが到来し、これらの表面弾性波が加算される一表面の第３の部位に、干渉波を検出する検出用電極とを有するものが開示されている（0018項）。また、一表面を覆い、第１又は第２の伝搬経路のどちらか一方を開口する保護膜を備えることが開示されている（0021項）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１９２６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、第１の伝搬経路の表面を保護膜で覆い第２の伝搬経路の表面を開口させた場合、被測定物の到来によって、第１の伝搬経路では被測定物の付着が抑制されるが第２の伝搬経路では被測定物の付着が起こることが示されている（0107項）。そして、表面弾性波デバイスは、第１の伝播経路を含む第１の発振器と第２の伝播経路を含む第２の発振器とによるうなり干渉波を検出するものであるため、うなりの周波数はそれぞれの発振周波数の増加の差となり、環境温度の変化による周波数の変化は相殺され、その結果、被測定物の付着による周波数変化のみが得られることが開示される（0111項）。
【０００７】
特許文献１に開示される技術によると、第１の伝搬経路では保護膜により被測定物の付着が抑制される。しかし、表面弾性波デバイスにおいて、表面弾性波の伝播経路では、弾性波の伝播に伴いデバイス表面の変位が生じている。よって、表面弾性波の伝播経路に保護膜が接触すると、表面弾性波の伝播に干渉することになり、表面弾性波の周波数や位相に影響を与えるおそれがある。すなわち、第１の伝搬経路と第２の伝搬経路では、表面弾性波の伝播特性が異なってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、参照素子と測定素子に表面弾性波を応用した固体微粒子質量測定技術において、参照素子への固体微粒子の付着を抑制し、気体中に含まれる固体微粒子の含有量を高感度・低製造コストに検出することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の好ましい一側面は、圧電性を有する第１の基板を備える表面弾性波素子である。この素子は、第１の基板の第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第１の入力電極と、第１の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第１の表面弾性波伝搬領域と、第１の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第１の出力電極と、を備える測定素子を有する。また、第１の基板の第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第２の入力電極と、第２の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第２の表面弾性波伝搬領域と、第２の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第２の出力電極と、を備える参照素子を有する。そして、第１の基板の第１の面に対向して、第１の基板の第１の面に形成された第１の入力電極、第１の表面弾性波伝搬領域、第１の出力電極、第２の入力電極、第２の表面弾性波伝搬領域、および第２の出力電極に非接触で配置される第２の基板を備える。第２の基板は、第２の表面弾性波伝搬領域を第１の表面弾性波伝搬領域よりも大きい割合で覆う。
【００１０】
本発明の他の好ましい一側面は、表面弾性波素子と、表面弾性波素子を保持する筐体と、表面弾性波素子を収容するハウジングを備える固体微粒子質量測定装置である。表面弾性波素子は、圧電性を有する第１の基板を備える。表面弾性波素子は、第１の基板の第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第１の入力電極と、第１の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第１の表面弾性波伝搬領域と、第１の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第１の出力電極と、を備える測定素子を有する。また、第１の基板の第１の面に設けられ、表面弾性波を励起する第２の入力電極と、第２の入力電極で励起された表面弾性波が伝搬する第２の表面弾性波伝搬領域と、第２の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する第２の出力電極と、を備える参照素子を有する。そして、第１の基板の第１の面に対向して、第１の基板の第１の面に形成された第１の入力電極、第１の表面弾性波伝搬領域、第１の出力電極、第２の入力電極、第２の表面弾性波伝搬領域、および第２の出力電極に非接触で配置される第２の基板を備える。第２の基板は、第２の表面弾性波伝搬領域を第１の表面弾性波伝搬領域よりも大きい割合で覆っている。
【発明の効果】
【００１１】
参照素子と測定素子に表面弾性波を応用した固体微粒子質量測定技術において、参照素子への固体微粒子の付着を抑制し、気体中に含まれる固体微粒子の含有量を高感度・低製造コストに検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】実施例１の固体微粒子質量測定装置の測定素子の構成を示す上面図である。
【図１Ｂ】実施例１の固体微粒子質量測定装置の測定素子の構成を示す断面図である。
【図２Ａ】櫛形電極の一例を示す上面図である。
【図２Ｂ】櫛形電極の一例を示す上面図である。
【図３】実施例１の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す上面図である。
【図４Ａ】実施例１の固体微粒子質量測定装置の固体微粒子収集手段を説明する上面図である。
【図４Ｂ】実施例１の固体微粒子質量測定装置の固体微粒子収集手段を説明する断面図である。
【図５】表面弾性波素子の出力信号の信号処理を説明するグラフ図である。
【図６】実施例２の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す上面図である。
【図７】実施例３の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す上面図である。
【図８】実施例３の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す上面図である。
【図９Ａ】実施例４の固体微粒子質量測定装置の構成を示す二面（上面及び断面）図である。
【図９Ｂ】実施例４の固体微粒子質量測定装置の構成を示す断面図である。
【図１０】実施例５の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す断面図である。
【図１１Ａ】実施例６の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す上面図である。
【図１１Ｂ】実施例６の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す断面図である。
【図１２】実施例７の固体微粒子質量測定装置の構成を示す二面（上面及び断面）図である。
【図１３】実施例８の固体微粒子質量測定装置の表面弾性波素子の構成を示す二面（上面及び断面）図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
【００１４】
以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。
【００１５】
同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
【００１６】
本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。
【００１７】
図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。  本発明の実施形態は、表面弾性波素子（ＳＡＷ）を用いた固体微粒子の固体微粒子質量測定装置に関し、排ガス中に含まれる煤などの固体微粒子の含有量（質量）を高感度に検出する。具体的には、固体微粒子の含有量を見積もるために、圧電基板上に形成した一対の電極により表面弾性波を伝搬させる表面弾性波素子を用い、伝搬路上にイオン化した固体微粒子を収集し付着させる領域、および付着させない領域を設け、その差により、大気中に含まれる固体微粒子の含有量（質量）を高精度に検出する。
【００１８】
実施例の一例は、気体中に含まれる固体微粒子の含有量を測定する固体微粒子質量測定装置である。この装置には、圧電基板と、圧電基板の一端に設けられ、表面弾性波を励起する入力電極と、圧電基板の他端に設けられ、入力電極で励起されて圧電基板上の表面弾性波伝搬領域を伝搬する表面弾性波を受信する出力電極と、表面弾性波伝搬領域に設けられ、固体微粒子を付着させる固体微粒子付着領域と、固体微粒子付着領域に付着した固体微粒子の付着量を検出する固体微粒子付着量検出部と、を有する。固体微粒子付着量検出部は、固体微粒子付着領域に付着した固体微粒子と表面弾性波との相互作用により、表面弾性波が表面弾性波伝搬領域を伝搬する伝搬速度が変化することにより生じた表面弾性波の位相の変化を出力電極で検出することにより、固体微粒子の付着量を検出する。入力電極及び出力電極は、表面弾性波の伝搬方向に対して垂直方向に対向して配置された櫛型の電極により形成されている二個以上の表面弾性波素子を有する。表面弾性波素子の少なくても一個はスペーサを介して基板にフェースダウン実装されており、表面弾性波素子の少なくても一個は表面弾性波伝搬領域が基板と対向し、表面弾性波素子の少なくても一個は表面弾性波伝搬領域が開放状態である。
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１を参照して、実施例１の固体微粒子質量測定装置の基本的な構成について説明する。
ここで、図１Ａは測定装置の測定素子３００の上面図であり、図１Ｂは図１Ａの点線Ａ−Ｂに沿った断面図である。
【００２０】
図１に示すように、固体微粒子質量測定装置は、圧電基板１１１と、圧電基板１１１上に表面弾性波１の伝搬路である表面弾性波伝搬領域１０５を挟んで形成された入力電極１０３及び出力電極１０４を有する。
【００２１】
入力電極１０３は、圧電基板１１１の一端に設けられ表面弾性波１を励起する。出力電極１０４は、圧電基板１１１の他端に設けられ入力電極１０３で励起されて圧電基板１１１上の表面弾性波伝搬領域１０５を伝搬する表面弾性波１を受信する。
【００２２】
表面弾性波伝搬領域１０５の全部又は一部には、固体微粒子を付着させる固体微粒子付着領域１０９が設けられている。図１では、固体微粒子付着領域１０９に金属膜が形成されており、電位を制御できるようになっている。入力電極１０３には、信号発生回路９１０が接続されている。一方、出力電極１０４には、信号検出回路９２０が接続されている。信号検出回路９２０は、固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子の付着量を検出する固体微粒子付着量検出部として機能する。
【００２３】
信号検出回路（固体微粒子付着量検出部）は、固体微粒子付着領域１０９に付着した固体微粒子と表面弾性波１との相互作用により、表面弾性波１が表面弾性波伝搬領域１０５を伝搬する伝搬速度が変化することにより生じた表面弾性波１の位相の変化を出力電極１０４で検出することにより、固体微粒子の付着量を検出する。
【００２４】
圧電基板１１１は、圧電性を有する材料を板状に整形された基板である。圧電性を有する材料とは、例えば水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどがよく知られており、電場を印加すると伸縮する機能を有する。また圧電基板１１１は圧電材料のみで形成されている必要は無く、非圧電基板の表面に圧電性を有する材料が形成された基板でも同様の効果がある。例えば、窒素化アルミニウム膜が成膜されたシリコン基板でもよい。
【００２５】
入力電極１０３及び出力電極１０４は、表面弾性波１の伝搬方向に対して垂直方向に対向して配置された櫛型の電極により形成されるのが好ましい。図２Ａおよび図２Ｂを参照して、入力電極１０３及び出力電極１０４を構成する櫛型電極について説明する。
図２Ａに示すように、櫛型電極は、複数の電極指１００と、複数の電極指１００を電気的に束ねる一対のバスバー１０１と、バスバー１０１により電気的に接続する電気端子１０２とで構成されている。電気端子１０２の間に、外部の信号発生器から高周波電気信号を印加すると、電極指１００の長手方向と直交する方向に高周波電気信号と同じ周波数の表面弾性波１を励振する。あるいは、伝搬してきた表面弾性波１を表面弾性波１と同じ周波数の高周波電気信号に変換する。このように、櫛型の入力電極１０３は表面弾性波１を励起し、櫛型の出力電極１０４は表面弾性波１を受信する。
【００２６】
櫛型の入力電極１０３の電気端子１０２間に信号発生回路９１０により高周波電気信号を入力すると、圧電基板１１１上に電場が誘起されて電極指１００に垂直な方向に表面弾性波１が励振される。
【００２７】
励振された表面弾性波１は、伝搬路としての表面弾性波伝搬領域１０５を伝搬し出力電極１０４に到達する。出力電極１０４に到達した表面弾性波１は出力電極１０４で再び高周波電気信号に変換され、出力電極１０４の電気端子１０２に高周波電気信号として出力され、外部の信号検出回路９２０により検出される。
【００２８】
表面弾性波伝搬領域１０５内に設けられた固体微粒子付着領域１０９に固体微粒子が付着すると、表面弾性波１と固体微粒子との相互作用により表面弾性波１の伝搬速度が変化し表面弾性波１の位相が変化する。この位相変化を出力電極１０４で出力される高周波電気信号の位相変化として検出することにより、固体微粒子の付着を検出することができる。
【００２９】
なお、実施例１では、図１の入力電極１０３及び出力電極１０４として、図１及び図２に示す櫛型電極を用いたが、櫛形電極の形状はこれに限ったものではなく、表面弾性波素子の特性が固体微粒子量の測定に最適となるように変更してもよい。
【００３０】
例えば、図２Ａに示すように、櫛型電極を構成する電極指１００の電極幅１３２及び隣接する電極指１００間のスペース１３３を表面弾性波１の波長の１／４で設計する。これにより、各電極で発生あるいは通過する表面弾性波同士が強め合うため低損失での測定が可能となる。
【００３１】
また、図２Ｂで示すスプリット電極を用いると、位相の歪が低減されるため、検出精度を向上することができる。また、スプリット電極を構成する電極指１００の電極幅１３２及び隣接する電極指１００間のスペース１３３を表面弾性波１の波長の１／８で設計する。これにより、低損失での測定が可能となる。
【００３２】
なお、図２Ａ、図２Ｂの櫛形電極は共に、電極に印加した入力信号により発生した表面弾性波１が電極の両側に伝搬してしまうが、例えば、一方向性電極を用いて表面弾性波１の伝搬方向を一方向に制限する。これにより、出力高周波電気信号のレベルを大きくすることができ、検出精度を向上することが可能となる。
【００３３】
図３から図５は、実施例１の固体微粒子質量測定装置の具体的な構成について説明した図である。
図３は、実施例１の固体微粒子質量測定装置に用いる表面弾性波素子の構成を説明した図である。固体微粒子を測定するための表面弾性波素子４００は、素子に固体微粒子を収集する手段により固体微粒子を付着し検出する測定素子３００と、固体微粒子の収集を阻害する手段により固体微粒子の付着を妨げている参照素子２００とで構成されている。測定素子３００と参照素子２００は、同じ形状の素子を一対として用い、たとえば両者の出力信号の差分を用いるなどして固体微粒子を測定することにより、測定における環境の変化による表面弾性波素子の特性変化を補償し正確な測定を行うことができる。
【００３４】
測定素子３００は、図１と同じく入力電極１０３−１と出力電極１０４−１、及びその間に表面弾性波伝搬領域１０５−１が設けられている。さらに入力電極１０３−１の電気端子３０１と電気端子３０２には外部の信号発生回路９１０が、また出力電極１０４−１の電気端子３０３と電気端子３０４の間には外部の第１の信号検出回路９２０−１が接続されている。
【００３５】
参照素子２００は、測定素子３００と同じく入力電極１０３−２と出力電極１０４−２、及びその間に表面弾性波伝搬領域１０５−２が設けられている。さらに入力電極１０３−２の電気端子２０１と電気端子２０２には外部の信号発生回路９１０が、また出力電極１０４−２の電気端子２０３と電気端子２０４の間には外部の第２の信号検出回路９２０−２が接続されている。
【００３６】
測定素子３００と参照素子２００共に、表面弾性波伝搬領域１０５の一部に金属膜が設置され、それぞれに電気端子３０５と電気端子２０５が設けられている。測定素子３００と参照素子２００共に、表面弾性波伝搬領域１０５には金属膜により固体微粒子を収集する手段が設けられているが、参照素子２００の表面弾性波伝搬領域１０５−２には固体微粒子の収集を阻害する手段が設けられている。
【００３７】
図４Ａおよび図４Ｂは、図３の固体微粒子付着領域１０９−１の固体微粒子収集手段と、固体微粒子付着領域１０９−２の固体微粒子の収集を阻害する手段について説明した図である。図４Ａは、図１と同様の上面図、図４ＢはＣＤ線の断面図である。分かりやすいように、図４Ａではセラミック基板１５０を透明に記載している。表面弾性波素子４００の電気的な配線は省略しているが、ここでは、電気端子２０５と電気端子３０５は接地されている。表面弾性波伝搬領域１０５およびそれと重複する固体微粒子付着領域１０９では、表面弾性波が伝播するため、表面の形状がミクロに変化する。
【００３８】
測定素子３００と参照素子２００は、スペーサ１７１で量を制御されたスペースを介してセラミック基板１５０に、圧電基板１１１の電極形成面をセラミック基板１５０の方向に向けてフェースダウン実装されている。セラミック基板１５０は、参照素子２００の固体微粒子付着領域１０９−２の少なくとも一部を覆うように設置されている。一方、セラミック基板１５０は、測定素子３００の固体微粒子付着領域１０９−１の少なくとも一部を覆わないように設置されている。ここで、セラミック基板１５０が覆う固体微粒子付着領域１０９−２の割合は、セラミック基板１５０が覆う固体微粒子付着領域１０９−１の割合より大きいものとする。例えば、セラミック基板１５０は、固体微粒子付着領域１０９−２の面積の１００％を覆い、固体微粒子付着領域１０９−１の面積の５％を覆う。
【００３９】
セラミック基板１５０と参照素子２００の固体微粒子付着領域１０９の間のスペースは、固体微粒子が入り難いスペース量（例えば数十μｍ）に調整されているため、セラミック基板１５０は、参照素子２００の固体微粒子付着領域１０９−２に固体微粒子が付着し難くする機能がある。
【００４０】
図５は、実施例１の効果を説明したグラフである。グラフ５０１は第２の信号検出回路９２０−２で計測された参照素子２００の出力信号の位相、グラフ５０２は第１の信号検出回路９２０−１で計測された測定素子３００の出力信号の位相、グラフ５０３はその差である。
【００４１】
固体微粒子質量測定装置に固体微粒子が降り注ぐと、測定素子３００の表面弾性波伝搬領域１０５−１に固体微粒子が付着し、測定素子３００の出力位相グラフ５０２はシフトする。また、測定素子３００は温度等外乱の影響を受けるため、出力位相グラフ５０２には、それらの影響も含まれる。一方、参照素子２００の表面弾性波伝搬領域１０５−２にも若干固体微粒子が付着するため、参照素子２００の出力位相のグラフ５０１も若干シフトする。また、参照素子２００も温度等外乱の影響を受けるため、出力位相のグラフ５０１には、それらの影響も含まれる。グラフ５０１とグラフ５０２の差であるグラフ５０３は、温度等の外乱要因の影響をキャンセルされている。そのため、グラフ５０３は、固体微粒子付着領域１０９−１に付着した固体微粒子の量と、固体微粒子付着領域１０９−２に付着した固体微粒子の量との差を示している。よって、グラフ５０３の時間微分値に、事前に測定している感度係数を掛けることにより、固体微粒子の流量を知ることができる、つまり固体微粒子質量測定装置として機能する。
【００４２】
このとき、セラミック基板１５０を設置し、スペーサ１７１のサイズを最適にし、十分スペースを小さくすることで、固体微粒子付着領域１０９−１に付着した固体微粒子の量と、固体微粒子付着領域１０９−２に付着した固体微粒子の量との差を大きくすることができる。別の言葉で表現すると、固体微粒子質量測定装置の感度を向上させることができる。
【００４３】
最適なスペースの値は、固体微粒子質量測定装置周辺の気流に依存するが、スペースのコンダクタンス（流体の流れやすさ）が十分小さくなるように、おおむね１００μｍ以下にすることが望ましい。なお、間隔が小さすぎ、例えばセラミック基板１５０が表面弾性波伝搬領域１０５−２に接触してしまうと、表面弾性波１に影響を与えるため好ましくない。表面弾性波伝搬領域１０５−１、１０５−２には、固体微粒子およびその媒体以外が接触しないようにすることが望ましい。スペーサ１７１は、セラミック基板１５０と参照素子２００との間に適切なスペースを設ける機能がある。スペースがないと、表面弾性波の励起・伝搬・受信に影響を与えるおそれがある。最小間隔は加工精度や表面弾性波による表面弾性波伝搬領域の変形を考慮して定めればよいが、例えば１０μｍ程度である。なお例えば、固体微粒子付着領域１０９−２に固体微粒子が付着しないように、固体微粒子付着領域を薄膜で覆うことも考えられるが、表面弾性波に影響を与える可能性があり、また固体微粒子付着領域１０９は振動するため、薄膜の耐久性の課題もある。
【００４４】
図４Ａの構成では、セラミック基板１５０は、入力電極１０３−１、１０３−２および出力電極１０４−１、１０４−２をも所定間隔を保って覆っている。この構成によると、固体微粒子付着領域１０９−２と同様に、入力電極１０３と出力電極１０４に対する固体微粒子の付着を妨げることができる。このため、電極間の電気的な短絡の可能性を低減することが可能となる。また、スペーサ１７１の機能により、セラミック基板１５０は入力電極１０３と出力電極１０４に接触することがなく、電極の動きに干渉しないため、固体微粒子質量測定装置の感度を向上させることができる。
【実施例２】
【００４５】
図６は、参照素子２００の固体微粒子付着領域１０９−２に固体微粒子が付着し難くする他の例である。セラミック基板１５０を透明に表示している。セラミック基板１５０は、測定素子３００の表面弾性波伝搬領域１０５−１以外の殆どを覆っている。
【００４６】
図６のように、スペーサ１７１の替わりに、参照素子２００の表面弾性波伝搬領域１０５−２を含む領域をフレーム１７２で囲うと、セラミック基板１５０と圧電基板１１１の隙間からの固体微粒子の流入が阻害される。このため、実施例１よりもさらに固体微粒子が固体微粒子付着領域１０９−２に付着できないため、さらに感度が高くなる。
【００４７】
この場合、フレーム１７２が表面弾性波伝搬領域１０５（もちろん入力電極１０３、出力電極１０４も）に接触してしまうと、表面弾性波１に影響を与える可能性があるので、表面弾性波伝搬領域１０５等の部分にはフレーム１７２を設けないようにしてもよい。あるいは、表面弾性波伝搬領域１０５の弾性波の伝播を阻害しないように、フレーム１７２の材質を選択してもよい。そのようなフレーム１７２の材質として例えばシリコンゴム等がある。
【００４８】
図６の構成では、セラミック基板１５０とフレーム１７２は、入力電極１０３−１、１０３−２および出力電極１０４−１、１０４−２をも所定間隔を保って覆っている。この構成によると、固体微粒子付着領域１０９−２と同様に、入力電極１０３と出力電極１０４に対する固体微粒子の付着を妨げることができる。このため、電極間の電気的な短絡の可能性を低減することが可能となる。
【実施例３】
【００４９】
図７は、セラミック基板１５０を表面弾性波伝搬領域１０５−１、１０５−２に触れないようにスペースを設けるための他の構成例である。スペースを設ける機能を有するものとして、スペーサ１７１の代わりに金属バンプ２０１ｂ〜２０５ｂ、３０１ｂ〜３０５ｂを用いている。この例では、電気端子２０１〜２０５、３０１〜３０５の上に金属バンプを設置している。この構成により、金属バンプを利用してセラミック基板１５０上に電気配線を設けることができる。
【００５０】
図８にセラミック基板１５０上（−ｚ面）の電気配線の透視図を示す。表面弾性波伝搬領域１０５−１，１０５−２周囲に散らばっていた電気端子２０１〜２０５、３０１〜３０５をセラミック基板の上方（電気端子２０１ｃ〜２０５ｃと電気端子３０１ｃ〜３０５ｃ）に纏めることができる。表面弾性波伝搬領域１０５，１０５−２周囲はセンシング部であるため、測定対象物（固体微粒子を含む気体や液体）に対して露出しており環境が苛酷である。このことから、電気端子をセンシング部から遠ざけることができ、過酷な環境下でも接触の不良や感度の劣化を少なくすることができる効果がある。別の言葉で言い換えると、感度が向上する効果がある。
【実施例４】
【００５１】
図９Ａおよび図９Ｂは、実施例１で説明した表面弾性波素子４００とセラミック基板１５０をハウジングに実装した構造を説明した図である。図９Ａは、図１と同様の上面図とＥＦ線の断面図、図９ＢはＧＨ線の断面図である。
【００５２】
表面弾性波素子４００がスペーサ１７１で固定されているセラミック基板１５０は、表面弾性波素子４００より離れた場所(＋ｙ方向)で筐体４２０に固定されている。また、表面弾性波素子４００とセラミック基板１５０は＋ｘ、−ｘ、＋ｚ、−ｚ及び−ｙ方向を囲うようにハウジング４１０で覆われている。このようなハウジングは、例えば測定対象物（固体微粒子を含む気体や液体）が流れるパイプ（筐体）の内側に取り付けられる。
【００５３】
固体微粒子がハウジング４１０の中に入れるように、ハウジング４１０には２箇所窓４３０が設けられている。そのため、ハウジングの窓４３０間を吹き抜ける固体微粒子を含む気体や液体は図中矢印の方向に流れ、表面弾性波伝搬領域１０５−１に垂直に吹き付けられ、固体微粒子付着領域１０９−１に効率的に付着する。
【００５４】
一方、表面弾性波伝搬領域１０５−２はセラミック基板１５０に隠されているため、固体微粒子は固体微粒子付着領域１０９−２には比較的付着し難い。そのため、測定素子３００の位相回転量は大きく、参照素子２００の位相回転量は小さくなり、その結果、高感度に固体微粒子を検出することができる効果がある。
【００５５】
表面弾性波素子４００の電気的な配線は省略しているが、図４の例と同様ここでは、電気端子２０５と電気端子３０５は接地することができる。そのため、電気的な外部雑音の影響を受け難く、高感度に固体微粒子を検出することができる効果がある。
【００５６】
一方、他の構成例として、ハウジング４１０を導電性の物質で形成し、ハウジング４１０に電気的な電圧を印加すると、ハウジング４１０と表面弾性波伝搬領域１０５との間に電気的な電位差が生じ、固体微粒子を、より効率的に付着させることができる。例えば、ハウジング４１０の電位を１００Ｖ、固体微粒子付着領域１０９−１，１０９−２の電位を０Ｖとするように、電気端子２０５，３０５の電位を制御する。一般に、固体微粒子はプラスあるいはマイナスに帯電していることが多く、これにより、固体微粒子付着領域１０９への吸着が促進され、さらに感度が向上する効果がある。
【００５７】
またハウジング４１０と固体微粒子付着領域１０９−２との間を等しい電位にすることで、固体微粒子付着領域１０９−２への固体微粒子の付着を減らすことができる。例えば、ハウジング４１０の電位を０Ｖ、固体微粒子付着領域１０９−２の電位を０Ｖ、固体微粒子付着領域１０９−１の電位を１００Ｖとするように、電気端子２０５，３０５の電位を制御する。別の言葉で言い換えると、ハウジング４１０の電位と固体微粒子付着領域１０９−１の電位の電位差が、ハウジング４１０の電位と固体微粒子付着領域１０９−２の電位の電位差より大きくなるようにすることで、いっそう感度が向上する効果がある。また印加する電圧は負電圧でも、また交流でも良い。
【００５８】
図９Ｂは図９ＡのＧＨ線の断面図であるが、この例では、セラミック基板１５０は出力電極１０４−１、１０４−２を所定間隔を保って覆っている。この構成によると、固体微粒子付着領域１０９−２と同様に、出力電極１０４−１、１０４−２に対する固体微粒子の付着を妨げることができる。このため、出力電極１０４−１、１０４−２の電極間の電気的な短絡の可能性を低減することが可能となる。入力電極１０３−１、１０３−２も同様である。
【実施例５】
【００５９】
実施例４（図９Ａ）の他の構成例ではハウジング４１０に電位を与え、ハウジング４１０と固体微粒子付着領域１０９との間に電界を発生させることで、浮遊する固体微粒子を固体微粒子付着領域１０９に集塵している。しかし、必ずしもハウジング４１０に電位を与える必要はない。
【００６０】
図１０に、ハウジング４１０に電位を与えず、電界発生用の電極４３１を用い、電極４３１と固体微粒子付着領域１０９との間に電界を発生し、固体微粒子を固体微粒子付着領域１０９に集塵する変形例を示す。ハウジング４１０との間に電界を発生させた場合と比較して、電界を発生させる電極間の距離が短いので、電界を強くすることができ、集塵効果が強まる。別の言葉で言い換えると、いっそう感度が向上する効果がある。
【実施例６】
【００６１】
以上の実施例では測定素子と参照素子はそれぞれ１個の場合を例に示した。しかし、必ずしもそれらは１個である必要はない。図１１Ａおよび図１１Ｂに参照素子２個と測定素子を１個用いた変形例を示す。図１１Ａは図１と同様の上面図、図１１ＢはＭＮ線の断面図である。
【００６２】
図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、２個の参照素子２００と１個の測定素子３００で構成されている。他の実施例と同様に、測定素子３００の固体微粒子付着領域１０９−１に対向するセラミック基板１５０には窓１５２が形成されているため、固体微粒子付着領域１０９−１には固体微粒子が付着することができる。一方、参照素子２００の固体微粒子付着領域１０９−２はセラミック基板１５０で覆われている。そのため、固体微粒子付着領域１０９−２には固体微粒子が付着しにくい。よって既に述べた実施例と同様の効果がある。さらに測定素子３００は、参照素子２００に挟まれているため、２個の参照素子２００の出力の平均を用いることにより、ｙ軸方向の外乱因子を除外することができ、外乱因子に強くすることができる。別の言葉で言い換えると、いっそう感度が向上する効果がある。
【実施例７】
【００６３】
図１２を参照して、他の実施例の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。図１２は、図１と同様の上面図とＩＪ線の断面図である。
【００６４】
セラミック基板１５０は、参照素子２００の固体微粒子付着領域１０９−２を覆い隠し、表面弾性波伝搬領域１０５−２に固体微粒子の付着を防ぐ機能が必要である。そのため、必ずしも実施例１の形状をする必要は無い。図１２に示すように、セラミック基板１５０を長方形にして、参照素子２００のみを覆い隠すことでも、同様の効果がある。
【００６５】
しかし、そのとき、測定素子３００の入力電極１０３−１と出力電極１０４−１を、電気的な短絡から防ぐため、電気的な絶縁膜で保護することが望ましい。本実施例では、測定素子３００の入力電極１０３−１と出力電極１０４−１の表面に絶縁膜１８０を形成している。このことにより、実施例１と同じ機能を有する固体微粒子質量測定装置を実現することができる。また、高価なセラミック基板の量を減らすことができ、またセラミック基板の形状が単純な長方形にすることができるため、材料や加工コストを低減することができる効果も有する。
【実施例８】
【００６６】
図１３を参照して、他の実施例の固体微粒子質量測定装置の構成について説明する。図１３は、図１と同様の上面図とＫＬ線の断面図である。
固体微粒子を有するガスは、固体微粒子付着領域１０９−１に垂直に吹き付けると、効率的に固体微粒子を捕獲できる。しかし、図９Ａで示したように、ハウジング４１０の電位を０Ｖ、固体微粒子付着領域１０９−２の電位を０Ｖ、固体微粒子付着領域１０９−１の電位を１００Ｖとすると、集塵する機能を有するため、固体微粒子を有するガスの流れは、必ずしも固体微粒子付着領域１０９−１と直交している必要はない。
【００６７】
図１３に示すように、固体微粒子付着領域１０９−１の＋ｘ、−ｘ方向のハウジングに窓４３０を設け、二重丸１３００の方向にガスを流しても、十分に固体微粒子を集塵することができる。さらに、気体の流れを妨げる物質が少ないため、コンダクタンスが大きくなり、集塵効果が上がる。別の言葉で言い換えると、いっそう感度が向上する効果がある。
【００６８】
本実施例では、セラミック基板１５０の最先端付近に過熱器としてヒータ１８２が形成されている。酸素を有する気体中で固体微粒子付着領域１０９−１、１０９−２を高温にすることで、付着した固体微粒子を燃焼・除去、つまり固体微粒子質量測定装置をリフレッシュすることができる。ヒータ１８２で加熱することでセラミック基板１５０の周辺が高温になり、スペーサを介して表面弾性波素子４００全体が加熱され、リフレッシュすることができる。
【００６９】
ヒータで発生する熱は筐体４２０から遠くにすることで、逃げる熱量を少なくし、少ない消費電力で固体微粒子付着領域１０９−１の温度を上げられる。本実施例に示したようにセラミック基板１５０の先端に、少なくても筐体４２０に最も近いスペーサ１７１より遠い位置にヒータ１８２を設置することで、筐体４２０の温度を上げずに固体微粒子付着領域１０９の温度を高くすることができる。このため、より高精度にリフレッシュすることができる効果がある。別の言葉で言い換えると、いっそう感度が向上する効果がある。
【００７０】
またヒータ１８２はスペーサ１７１より遠い位置であれば、表面弾性波素子４００に設置されていても良い。さらに圧電基板１１１をランガサイト材料で、固体微粒子付着領域１０９の金属膜を白金材料で、スペーサ１７１を金バンプで構成すると、これらは１０００℃まで安定しているため、さらに高い温度でリフレッシュでき、いっそう感度を向上する効果がある。
【００７１】
上記の各実施例では、同じ構成の測定素子３００と参照素子２００を用い、両者の検出信号を利用することにより高精度に固体微粒子の質量を測定する。この場合、測定素子３００の固体微粒子付着領域１０９−１にのみ固体微粒子が付着し、「その他の部分」には何も接触しないことが理想的な条件である。「その他の部分」とは具体的には、参照素子２００の固体微粒子付着領域１０９−２、測定素子３００と参照素子２００の入力電極１０３と出力電極１０４である。以上詳細に説明した実施例によれば、かかる理想的な条件を簡単な構成でほぼ満足することが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１  表面弾性波
１００  電極指
１０１  バスバー
１０２  電気端子
１０３  入力電極
１０４  出力電極
１０５  表面弾性波伝搬領域
１０９  固体微粒子付着領域
１１１  圧電基板
１５０  セラミック基板
１５２  窓
１７１  スペーサ
１７２  フレーム
２００  参照素子
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５  電気端子
２０１ｂ、２０２ｂ、２０３ｂ、２０４ｂ、２０５ｂ  金属バンプ
２０１ｃ、２０２ｃ、２０３ｃ、２０４ｃ、２０５ｃ  電気端子
３００  測定素子
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５  電気端子
３０１ｂ、３０２ｂ、３０３ｂ、３０４ｂ、３０５ｂ  金属バンプ
３０１ｃ、３０２ｃ、３０３ｃ、３０４ｃ、２０５ｃ  電気端子
４００  表面弾性波素子
４１０  ハウジング
４２０  筐体
【図１Ａ】
2020088539.tif 000003
【図１Ｂ】
2020088539.tif 000004
【図２Ａ】
2020088539.tif 000005
【図２Ｂ】
2020088539.tif 000006
【図３】
2020088539.tif 000007
【図４Ａ】
2020088539.tif 000008
【図４Ｂ】
2020088539.tif 000009
【図５】
2020088539.tif 000010
【図６】
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【図７】
2020088539.tif 000012
【図８】
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【図９Ａ】
2020088539.tif 000014
【図９Ｂ】
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【図１０】
2020088539.tif 000016
【図１１Ａ】
2020088539.tif 000017
【図１１Ｂ】
2020088539.tif 000018
【図１２】
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【図１３】
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