(57)【要約】  高周囲圧力での操作に適合する複合弾性波デバイス（ＡＷＤ）が提供される。ＡＷＤは、背面関係にある２つの圧電板を備え、電極がその圧電板間に配置されている。これらの圧電板は、外圧の影響を中和するために、接着されている。さらに、ＡＷＤを用いたセンサと、高圧環境下で物理的測定を行うためにこのようなＡＷＤを利用する方法が開示されている。圧電板間に形成された任意のキャビティが、圧力を測定することと、測定精度に対する圧力の残りの影響をさらに中和する能力を与える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが内面と外面とを有する第１および第２の圧電板であって、前記圧電板の前記内面は向かい合って配向している、第１および第２の圧電板と、
前記第１および第２の圧電板の前記各内面の間に配置された少なくとも第１の電極と、
少なくとも１つのリターン電極と、
を備えた複合弾性波デバイス（ＡＷＤ）。
【請求項２】
前記リターン電極は、前記外面のうちの少なくとも一方の上に配置されている、請求項１に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項３】
前記第１および第２の圧電板の間に配置された第２の電極をさらに備えた、先の請求項のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項４】
前記第２の電極は、前記リターン電極である、請求項１または請求項３のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項５】
前記第１の電極と前記第２の電極はそれぞれ、前記リターン電極とともにそれぞれ平行板共振器を形成し、前記第１および第２の電極は、前記第１および第２の共振器間で音響エネルギーを伝達することが可能なほど十分に近接して配置されている、請求項４に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項６】
前記第１の電極は単一の平板電極である、先の請求項のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項７】
前記電極は、前記電極間の電荷供給に応じて、前記圧電板内で変位するように構成され、前記変位は、前記外面とほぼ平行である、先の請求項のうちのいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項８】
前記外面のうちの少なくとも一方の少なくとも一部の上に配置された被膜をさらに備える、先の請求項のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項９】
前記被膜は、耐摩耗性材料を含んでいる、請求項８に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１０】
前記被膜は、化学耐性材料を含んでいる、請求項８に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１１】
前記被膜は、ダイヤモンド状炭素を含んでいる、請求項８に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１２】
前記被膜は、測定量に高感度である、請求項８に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１３】
前記第１および第２の圧電板は、ほぼ同じ寸法でできている、先の請求項のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１４】
前記第１および第２の圧電板は、同様の結晶配向を有している、先の請求項のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１５】
前記第１の電極または前記第２の電極は、すだれ状トランスデューサである、請求項２から請求項１４に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１６】
前記圧電板のうち少なくとも一方には、前記外面内で凹部が設けられている、先の請求項のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１７】
前記内面のうち少なくとも一方に凹部をさらに備え、前記凹部は、前記第１および第２の圧電板間でキャビティを画定している、先の請求項のいずれかに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７のいずれかに記載の複合ＡＷＤと、
少なくとも前記第１の電極と前記リターン電極との間で電気エネルギーを結合する回路と、
を備えたセンサ。 
【請求項１９】
前記電気エネルギーの少なくとも１つのパラメータを測定するために測定回路をさらに備えている、請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２０】
取付ボルトをさらに備えている、請求項１８または請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記回路またはその一部が、前記ボルトに埋め込まれている、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記第１の電極は、電気信号を前記ＡＷＤへ導入するための入力トランスデューサとして機能し、前記第２の電極は、電気信号を前記ＡＷＤから抽出するための出力トランスデューサとして機能する、請求項５から請求項１７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項２３】
入力信号を前記入力トランスデューサに結合するために、前記入力トランスデューサに連結された信号源と、
前記入力信号と抽出信号の少なくとも１つの関係を測定するための測定回路と、
をさらに備えている、請求項２２に記載のセンサ。
【請求項２４】
取付ボルトをさらに備えている、請求項２２または請求項２３に記載のセンサ。
【請求項２５】
前記パラメータは、前記入出力信号の相対位相と、入出力信号の相対振幅と、定位相シフトを維持する信号の周波数と、前記センサによるパルス信号の遅延時間と、トランスデューサのインピーダンス、またはそれらの組み合わせからなる群から選ばれる、請求項２３に記載のセンサ。
【請求項２６】
高圧下で物質の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する方法であって、前記方法は、
請求項１から請求項１８のいずれかに記載のＡＷＤまたはその一部を、前記物質と接触させて配置する工程と、
前記第１の電極に電気信号を結合させる工程と、
前記ＡＷＤから抽出された電気信号を測定する工程と、
を含み、
前記抽出された信号は、前記結合された信号とは異なり、
前記差は、前記センサの測定パラメータを表し、
前記パラメータは、物理的または化学的測定量によって影響を受けることが知られている、方法。
【請求項２７】
前記測定工程は、前記抽出された信号と前記結合された信号との間の関係のパラメータを測定することを含み、前記パラメータは、周波数、挿入損失、位相、遅延時間またはそれらの組み合わせからなる群から選ばれる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記物理的パラメータは、粘性、密度、温度、圧力、化学的濃度またはそれらの組み合わせを含む群から選ばれる、請求項２６または請求項２７に記載の方法。 
【請求項２９】
前記ＡＷＤ活性電極は、第１の作動センサを形成し、前記内面のうちの少なくとも一方内にある凹部であって、前記凹部は、前記第１および第２の内面間でキャビティを画定する凹部を含む圧力センサと、前記凹部を有する前記圧電板の領域上で圧力の影響に高感度な検知要素であって、前記検知要素は前記キャビティ内に配置されている検知要素とをさらに備えている、請求項１７から請求項２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
前記検知要素はひずみゲージを含んでいる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記検知要素は、前記凹部を有する圧電板に電気エネルギーを与えるための少なくとも１つのトランスデューサを備えている、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記第２の内面は、前記第１の内面の前記凹部と同様の寸法で、それに対向して配向した凹部をさらに備え、前記第１および第２の凹部の組み合わせは、前記キャビティを画定し、
前記第１の凹部上に堆積された第１の入力トランスデューサおよび第１の出力トランスデューサと、
前記第２の凹部上に堆積された第２の入力トランスデューサおよび第２の出力トランスデューサと、
をさらに備えている、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の作動センサの出力を、前記圧力センサから得られた出力と比較する工程をさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、電気音響センサ、特に、高圧環境内で操作可能な電気音響センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電センサは周知である。圧電センサは、粘性や密度など物質の特性を検知するために、ある環境下で特定の物質の存在を検出するために、また、流体物質の純度を測定するためなどに使用されている。音響感知で知られている構造体は、簡単な結晶共振器、結晶フィルタ、音響板モードデバイス、ラム波デバイスなどから及んでいる。簡単に述べると、これらのデバイスは、石英、ランガサイトまたはニオブ酸リチウムなどの圧電材料でできた基板、または非圧電基板上の、窒化アルミニウム、亜鉛酸化物または硫化カドミウムなどの圧電材料でできた薄膜を備えている。基板は、少なくとも１つの活性圧電表面エリアを有し、活性圧電表面エリアは、高度に研磨されている。表面上には、入力された電気エネルギーを基板内で音響エネルギーに変換し、その音響エネルギーを電気出力信号へと再度変換するための、入出力トランスデューサが形成されている。これらのトランスデューサは、平行平板（バルク波）トランスデューサまたは周期的に互いにかみあう（表面発生波）トランスデューサからなってもよい。単一のトランスデューサが、入出力トランスデューサとして両方に機能し得ることに留意されたい。
【０００３】
上記各センサは、流体に十分浸漬しながら作動するよう設計可能である。しかし、高感度の電子機器は、少なくともノイズ信号と読み取りエラーを受けやすく、極端な場合には、腐食の危険、または爆発の危険に晒される。ラブ波および表面横波（ＳＴＷ）センサに見られるように、電子機器の表面のパッシベーション化がよく知られ、いくつかの限られた用途においては適している。これらは、例えば、Ｒ．Ｌ．Ｂａｅｒ、Ｃ．Ａ．Ｆｌｏｒｙ、Ｍ．Ｔｏｍ−ＭｏｙおよびＤ．Ｓ．Ｓｏｌｏｍｏｎによる「ＳＴＷ化学センサ（"STW Chemical Sensors"）、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  Ｓｙｍｐ．予稿集１９９２、 ２９３〜２９８ページ（１９９１年）に記載されている。しかし、パッシベーション化は完全ではなく、回路の電気構成部品は、依然として、容量性負荷とノイズ注入に晒されている。さらに、たいていのパッシベーション化方法は、単結晶材料と比べて音響特性が劣った材料を用いなければならない。最後に、これらのパッシベーション化されたＳＴＷセンサは、多くの液相測定に対して、望ましくない高剪断速度を呈する。このようなセンサは、数多くのセンサ用途に対処する可能性があるが、例えば、石油生産、特にダウンウェル環境において流体を測定する際には理想的ではない。
【０００４】
ほとんどの用途においては、トランスデューサと対抗する表面は、測定される流体と直接または間接的に接し、流体へ、および流体から音響エネルギーを受け渡ししている。この受け渡しの機能に加え、圧電材料は、流体とセンサの電気構成部品を収容するキャビティとの間で保護膜を形成する。圧電材料の背後にある容積は、通常、流体と同じレベルにまでは加圧されていないので、圧電材料は、流体とキャビティ内の圧力との間の圧力差を受ける。したがって、当該材料の有限強度によって、センサが受け得る作動圧力が制限される。材料が圧力に耐えるほど十分に強い場合であっても、膜が湾曲するというセンサの非線形効果が、センサ特性に厳しく影響するであろう。
【０００５】
その一方で、多くの技術領域は、圧力変動や高圧レベルに対して感度が低い流体を測定することから利益を得る可能性がある。このような技術の例として、非限定的な例であるが、ガス生産、油井および油管、油圧システム、射出成形装置、生物および化学物質検出用の対テロ検知システムなどがある。したがって、この産業界では、圧力変動に対して感度が低く、および／または高周囲圧環境で作動可能な電気音響センサの必要性が長い間感じられ、これまでにまだ解決されていない。本発明は、その必要性に対する解決法に関する。
【発明の概要】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、プローブが等圧になるために浸漬され得るセンサを提供することである。このようなセンサは、圧電板のより顕著な屈曲のためではなく、圧電材料の非線形の弾性定数によってのみ、かなり低減したレベルで、圧力の影響を受けるであろう。さらに、本発明の特定の態様においては、目的は、流体が高圧下にある場合でも、腐食性または有害であり得る測定流体から、センサの電気的構造を保護することである。さらなる目的は、検知環境と低圧のキャビティとの間にセンサ要素を隔膜として採用せずに、電気的構造を保護することである。
【０００７】
その目的のために、２つのほぼ同じ基板の複合体からなる圧電センサに基板が設けられる。複合基板は、自己パッシベーションプローブを提供し、自己パッシベーションプローブでは、圧電センサの活性電気接続部(active electrical connection)と電極とが、複合基板の中心線またはその近くで位置し、外面が接地されているか、または電気的に不活性である。
【０００８】
当業者には、電極という用語は、接地電極、トランスデューサ（特に、活性駆動(actively driving)または被駆動電極(driven electrodes)）、圧電結晶内での摂動の原因となるかもしくは摂動を反射する他の構造に関し得ることが認識されよう。
【０００９】
したがって、本発明の一態様においては、それぞれが内面と外面とを有する第１および第２の圧電板を備えた複合弾性波デバイス（ＡＷＤ）であって、上記板の内面は向かい合って配向している複合弾性波デバイスが提供される。少なくとも第１の電極は、第１および第２の圧電板の各内面と、少なくとも１つのリターン電極との間に配置されている。ある実施形態においては、リターン電極は、上記外面のうちの少なくとも一方の上に配置されている。より好適な実施形態では、リターン電極に加えて、別の第２の電極が、第１および第２の圧電板の間にさらに配置されている。しかし、いくつかの実施形態では、第２電極がリターン電極である。
【００１０】
好ましくは、第１の電極と第２の電極はそれぞれ、リターン電極とともに、平行平板共振器を形成し、第１および第２の電極は、第１および第２の共振器間で音響エネルギーを伝達することができるほど十分に近接して置かれている。第１の電極または第２の電極、および任意の数の他の電極は、単一の平板電極またはすだれ状電極であり得る。
【００１１】
本発明の一好適な実施形態においては、基板は選択され、電極は、電極間の電荷供給に応じて、上記圧電板内で変位(impart displacement)するように構成されている。この場合、変位は、上記外面とほぼ平行である。このような基板の選択、電極構成、および出来上がったセンサは、周知の厚み剪断モードセンサと類似している。
【００１２】
任意で、ＡＷＤは、上記外面のうちの少なくとも一方の少なくとも一部の上に配置された少なくとも１つの被膜をさらに備えている。複数の被膜層が存在し得、本明細書で使用される「被膜」という用語は、このような複数の被膜を単独の被膜と称していることに留意されたい。被膜は、耐摩耗性材料、化学耐性材料、ダイヤモンド状炭素、測定環境において特定の化学物質の存在または濃度に対して高感度な被膜などの測定量(measurand)高感度被膜、または被膜の任意で所望の組み合わせであり得る。
【００１３】
好適な実施形態においては、第１および第２の圧電板は、ほぼ同じ寸法でできている。より好ましくは、第１および第２の圧電板は、同様の結晶配向を有している。
【００１４】
本発明の最も好適な実施形態では、第１および／または第２のトランスデューサ（電極）は、単一の平板電極として形成されているが、すだれ状のトランスデューサについても検討されている。
【００１５】
実施形態の中には、所望の周波数を得るために、上記圧電板のうち少なくとも一方、好ましくは両方に、上記外面内で凹部が設けられている実施形態もある。
【００１６】
本発明のある好適な実施形態においては、上述した任意のＡＷＤに、上記内面のうち少なくとも一方に凹部が設けられ得る。凹部は、圧力に高感度なセンサの一領域を形成するために、上記第１および第２の圧電板間でキャビティを画定している。
【００１７】
本発明のさらに別の態様においては、上述の任意のＡＷＤと同様の複合ＡＷＤを備えたセンサが提供される。さらに、回路は、少なくとも第１の電極とリターン電極との間で、電気エネルギーを結合する。明らかに、上記電気エネルギーの少なくとも１つのパラメータを測定するために、測定回路をさらに有することが望まれる。しかし、このような回路は、別個に実装され得る。
【００１８】
本発明のこの態様の最も好適な実施形態は、取付ボルトを備えている。好ましくは、回路またはその一部は、ボルト、例えばボルトの底部に埋め込まれているが、ＡＷＤセンサ要素はこの底部から測定物質へと延びている。入力トランスデューサと出力トランスデューサが別個の実施形態では、第１の電極が電気信号をＡＷＤへ導入するための入力トランスデューサとして機能し、第２の電極が電気信号をＡＷＤから抽出するための出力トランスデューサとして機能する。典型的には、回路は、入力信号を入力トランスデューサに結合するためにそれに連結される信号源と、入力信号と抽出信号の少なくとも１つの関係を測定するための測定回路とを備えるであろう。
【００１９】
測定されたパラメータは、ＡＷＤの１つまたは複数の任意の特性を有し得る。特性は電気的に監視され得る。例えば、一例として、入出力信号の相対位相、入出力信号の個々または相対振幅、定位相シフトを維持する信号の周波数、センサによるパルス信号の遅延時間、トランスデューサのインピーダンス、またはそれらの任意で所望の組み合わせがある。
【００２０】
本発明のさらに別の実施形態においては、高圧から干渉されずに、少なくとも１つの物理的パラメータを測定する方法が提供される。この方法は、上述の任意のＡＷＤ、またはそのようなＡＷＤの一部を、上記物質と接触させて配置する工程と、電気信号を第１の電極に結合する工程と、ＡＷＤから抽出された電気信号を測定する工程とを含んでいる。この場合、抽出信号は上記結合信号とは異なり、この差がセンサの測定パラメータを表している。パラメータは、物理的または化学的測定量(measurand)によって影響を受けることが知られている。好ましくは、測定工程は、抽出信号と結合信号との間の関係のパラメータを測定することを含み、パラメータは、周波数、挿入損失、位相、遅延時間またはそれらの組み合わせからなる群から選択される。最も好適な実施形態においては、測定される物理的パラメータは、粘性、密度、温度、圧力、化学的濃度またはそれらの組み合わせからなる群から選ばれる。
【００２１】
最も好適な実施形態においては、ＡＷＤ活性電極は、上述のように、第１の作動センサを形成している。さらに、ＡＷＤは、上記内面のうちの少なくとも一方内にある凹部、最も好ましくは、両方の内面にある同じ凹部を含む圧力センサを備えている。凹部は、第１および第２の内面間でキャビティを画定している。上記凹部を有する上記圧電板の領域上の圧力の影響に高感度な検知要素が、キャビティ内に配置されている。検知要素は、ひずみゲージ、または、より好ましくは、少なくとも１つのトランスデューサであり得る。
【００２２】
最も好適な実施形態は、第１および第２の凹部の組み合わせがキャビティを画定するために、同様の寸法で、両方の内面で対向して配向している凹部を必要とし、第１の凹部の上に堆積された第１の入力トランスデューサと第１の出力トランスデューサ、および第２の凹部の上に堆積された第２の入力トランスデューサと第２の出力トランスデューサとをさらに備えている。
【００２３】
好ましくは、上述の方法（複数可）は、上記第１の作動センサの出力を、上記圧力センサから得られた出力と比較する工程をさらに含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
上記概要および以下の詳細な説明は、好適な実施形態の詳細を描いている同封の図面に鑑みて、よりよく理解されるであろう。しかし、本発明は、図面に示された正確な配置に限定されず、図面は単に例示として与えられていることに留意すべきである。
【００２５】
図１は、本発明の基本的な実施形態の断面図を描いている。
【００２６】
図２は、本発明の最も好適な実施形態の、簡略化された正面断面図を描いている。
【００２７】
図３ａは、電極と電気接続部の好適な実施形態を描いている。
【００２８】
図３ｂは、電極と電気接続部の別の好適な実施形態を描いている。
【００２９】
図４は、電気接続部を示す好適な実施形態の側面図を描いている。
【００３０】
図５は、最も好適な取り付け方法を代表するボルトに取り付けられたセンサを描いている。
【００３１】
図６は、エッチングされた膜の実施形態を描いている。
【００３２】
図７は、組み合わさった圧力粘性センサの一実施形態を描いている。
【００３３】
図８は、相補的な圧力高感度構造と圧力低感度構造とが実装された、組み合わさったセンサの好適な実施形態を描いている。
【００３４】
図９は、センサ要素に連結された好適な電子回路の簡略図を描いている。
【００３５】
図１０は、発振器の一部として機能するセンサ用の簡単な駆動回路である。
【発明の詳細な説明】
【００３６】
複合基板という用語は、ほぼ同様の興奮性基板(excitable substrate)からなる少なくとも２つの領域を指している。興奮性基板(excitable substrate)は、共通の圧電材料であるが、磁気ひずみ、電気ひずみ、ピエゾ磁気、強誘電または強磁性材料であってもよく、これらの全ては、一般的に、興奮性基板(excitable substrate)と記載され、同様に、明確にすべく、圧電物質として関連している。当業者には、圧電効果および圧電基板または材料に関する言及が全般的に適用され、電気信号が、基板内で弾性波または超音波を引き起こし、また弾性波または超音波が、基板内で電気信号を引き起こし得る他の方法を包括するよう意図されていることが認識されるであろう。本明細書および添付の請求項においては、領域は、通例、「圧電板」と称される。この用語が、所望の特性をセンサに与えるために所望される、任意の興奮性基板(excitable substrate)の種々の形状および断面に関することは明らかであろう。さらに、本明細書で記載された構造および解決法は、少なくとも１つの一次特性、および任意で、二次特性として関連付けられる流体の複数の特性を、あるパラメータが別のパラメータに何ら特別重要とならずに、適用可能であり得ることに留意されたい。よって、非限定的な一例として、一次特性は粘性であり得て、二次特性は、例えば、発明者のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１２５４６号で開示されているように、密度であり得るか、または米国特許出願第１０／９５８，８９６号に開示されているように、剪断速度であり得る。
【００３７】
最も基本的な態様においては、本発明は、上述のように、任意の興奮性材料(excitable substrate)でできた２枚の圧電板の複合基板を備えている。好ましくは、この２枚の圧電板は、同様の寸法で、同様の材料、結晶配向などからできている。２枚の圧電板の界面領域には、少なくとも１つ、好ましくは複数の活性電極(active electrodes)がある。いくつかの電極配置が、非限定的な例示として、以下に記載されている。この２枚の圧電板をともに結合し、電極を周囲環境から絶縁する封止体として機能するために、接着剤が用いられる。圧電板の間にキャビティは必要ではなく、また、両方の板は同様の圧力を受けているので、非対称圧力に伴う板の曲げ応力が効果的に中和される。したがって、圧電材料が圧縮されるが、この材料を崩壊する圧力まで、曲がったり破壊されたりしないであろう。さらなる利点は、センサが２倍の有効なトランスデューサ面積を有し、それによって、より低いトランスデューサインピーダンスと、より高質量の圧電材料とを与え、所定の音響出力レベルでより低い等価剪断速度(equivalent shear rate)を与えるという事実から生じる。現在公知の技術を利用すると、これらを改善するには、電極面積を２倍にし、それに対応して、センサのパッケージ全体の大きさと重量を増やさなければならないであろう。上記の各要因によって、最小の体積変化で、より高質のセンサを構成することができる。
【００３８】
最も基本的な実施形態では、本発明は、興奮性基板(excitable substrate)でできた２枚の同様の寸法の圧電板（すなわち領域）１０、１５を備えている。圧電板はそれぞれ、ほぼ平坦で研磨された、少なくとも１つの表面を有している。平坦な表面は「内面」と呼ばれ、互いに向かい合っている。平坦な表面の間には、活性電極５が置かれている。２枚の圧電板は、相溶性の物理特性と良好な音響特性とを有する接着材料７０でともに接着されている。好ましくは、接着材料は、低融解温度ホウケイ酸ガラスであるが、当業者は、低周波におけるある種のエポキシ材料や熱可塑性材料やポリイミド材料などの他の適切な材料、高周波におけるシランウェハボンディング方法やシロキサンウェハボンディング方法などを認識するであろう。接地電極２０、２５が圧電板の外面上に配置されている。すだれ状トランスデューサが、単一の電極５の代わりに用いられ得て、その場合、接地電極は任意であり、本発明および特許請求の範囲はこのような実施形態に及ぶが、この実施形態は、当業者に明確となるよう示されてはいないことに留意されたい。
【００３９】
図２は、本発明のさらに好適な実施形態を表している。図１に描かれたより簡単な実施形態と同様に、２枚の圧電板１０、１５が複合基板を形成する。入力トランスデューサ３０と出力トランスデューサ４０とが、２枚の圧電板の間に配置されている。最も好適な実施形態は、図３ａに示されているように、各トランスデューサに対して単一の電極を用いている。図３ｂは、すだれ状トランスデューサを利用した代替実施形態を示している。必要に応じて、トランスデューサ３０、４０の活性電極に加えて、２つのトランスデューサの中間にある領域５０は、当業者に公知のように、不活性電極(non-active electrode)などの中間格子(intermediate grating)を含み得る。好ましくは、任意の接地電極２０、２５が圧電板の外面に配置されている。
【００４０】
概略的な波の描写３１、３２によって見られることができるように、入力トランスデューサ３０は、対照的で、音響的にミラーのように、上部圧電板１０と下部圧電板１５の両方にエネルギーを結合し、エネルギーは、概略的な波の描写４１、４２で示されているように、連結された出力トランスデューサ４０に伝播する。好ましくは、入出力トランスデューサは、トランスデューサ間の音響的結合部３６、３７に影響を及ぼすのに十分に近接して配置されている。最も好ましくは、トランスデューサ間の距離は、多極共振器を形成するよう選択される。図３ａに示した構造は、本発明者に対する米国特許第６，０３３，８５２号に開示されているように、いわゆるモノリシック圧電センサに適合している。図３ｂに示した構造は、音響板モード、ラブ波、ラム波、ＳＡＷなどのすだれ状トランスデューサ（ＩＤＴ）を基にしたＡＷＤに適合している。
【００４１】
図３ａに示された最も好適な実施形態では、簡単な平板電極が、入出力トランスデューサ３０、４０のそれぞれに用いられている。両電極は、圧電板１０の上に堆積されている。図３ｂに示した実施形態では、トランスデューサ３０、４０は、少なくとも一方の圧電板の内面に堆積された周期電極(periodic electrodes)を備えている。図３ｂは、また、任意の中間格子を描いている。図３ａおよび図３ｂの両方において、挿入ワイヤ６５がトランスデューサから圧電板の端部へと延びている。そこで、図４で描かれているように、挿入ワイヤは、圧電板の端部を包み込んで接触パッド７５を形成する。図４は、センサの端部の側面図であり、２枚の圧電板１０、１５を示している。接触部７５は、トランスデューサと電気接続し、センサに接続するのに都合のよい表面を形成する。任意の接地電極のうちの一方のみが、対応する接地接触パッド８０とともに、２０で示されている。
【００４２】
センサ要素の最も好適な実施形態は、各トランスデューサ３０、４０に対して単一の金属電極を採用し、トランスデューサは、接地面を囲み、平行平板共振器(parallel plate resonators)を形成することと関連付けられている。各トランスデューサは、平行平板厚さモードの共振(parallel plate thickness mode resonance)を確立する。共振の周波数は、圧電板の全厚さによって決定され、全厚さは、圧電板の相対的な厚さ、それゆえに活性金属領域の位置を備えた所望の多数の弾性波長であり、多かれ少なかれ、所望の多数の波長にともなう電気電位のピークに対応する。最も好ましくは、多数の波長とは１つであり、各圧電板は実質的に同じ厚さを有していることが望ましい。トランスデューサ３０、４０の間の空間を適切に選択することによって、点線３６、３７で示されているように、トランスデューサ３０に挿入されるエネルギーをトランスデューサ４０によって形成される共振器へ結合することができ、その逆も可能である。結果として連結した共振器フィルタは、特に、本発明に基づいて構成される場合に、他のセンサよりも多数の利点を提供する。これらの利点には、簡単な金属パターニングや、接着材料領域において極度に低い音響出力レベルや、センサの剪断速度の優れた制御が含まれている。これらの構成の液相検出への現時点における適用可能性は、圧力の影響と過度のトランスデューサインピーダンスの両方によって制限を受けるので、圧力の影響を補正し、トランスデューサインピーダンスを半分にするため、本発明は特に有利である。
【００４３】
最も好適な実施形態は、容易な展開を目的としてセンサ組立体を形成するために、ボルト８５などのキャリアにセンサ要素を取り付ける必要がある。図５は、このような組立体の簡略化された実施形態を描いている。センサは、その縁部で、ボルトのネジ部９０で、またはその近くでボルトに連結されている。接触パッド７５、８０を合わせるために、電気接触部が設けられる。センサ要素をボルト上で支持するためと、接触部を環境から絶縁するために、高圧封止剤９５が塗布される。封止剤は、圧力と周囲環境に耐えるために必要な任意の材料から任意の厚さででき得る。一好適な実施形態では、セラミック材料がシール材として用いられる。ホウケイ酸ガラス、エポキシ、シリコーン、ポリイミドおよび同等物は、当業者が適切なシール材と認識するさらなる例である。
【００４４】
ボルトが取り付けられたセンサの電気接触部は、センサとは別個の支持電子機器に供給され得るので、最も好適な実施形態では、支持電子回路１００がセンサ組立体に埋め込まれ、条件付きの規格化されたデータのみが組立体から送られる。好適な実施形態では、回路はボルト内に配置されている。非限定的な一例として、回路は、弾性波を励起および測定するための無線周波数回路、周波数計測、出力検知および／または無線周波数信号をセンサ応答に変換するための位相測定回路、アナログ−デジタルインターフェース、および外部の制御システムに適したデジタルインターフェースを有するマイクロプロセッサ、またはこれらと他の所望の回路との任意の組み合わせを備え得る。
【００４５】
最も好適な実施形態においては、センサ要素は、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）を含む取付部９３または、電子回路を組み込み、接触パッドを有するセンサ端部に接着される同様のハイブリッド回路９３に取り付けられている。取付部は、ネジ付け、接着など任意の所望の方法によってボルトに連結されている。このような実施形態では、高圧封止体９５は、取付部９３の一部として形成されるのが好ましい。
【００４６】
２枚の圧電板間の接着剤は、圧電板の有効厚さよりもかなり薄いことが、必須ではないが望まれる。理想的な接着材料は、高質の音響特性を有し、空隙を防ぐために全ての特徴物にしっかりと固着し、熱膨張を可能にするために板の材料と熱的に互換性があるか、十分に可塑性である。接着材料は、圧電板間に位置しているので、トランスデューサと圧電板の間のエネルギー伝達の効果も最小限となるであろう。しかし、当業者には、２枚の圧電板の間の空間が接着剤または、圧力の影響と反対に作用する他の材料で充填され、トランスデューサが最大の定在波に相当する場所に位置している限り、圧電板は、互いに任意の所望の距離で位置し得ることが認識されよう。したがって、必要に応じて、中間層が、圧電板の間に配置され得る。明らかに、このような実施形態では、各圧電板に別個のトランスデューサが必要とされるであろう。
【００４７】
デバイスを製造する好適な方法は、結晶を平行なウェハにスライスすることに関する。各ウェハの少なくとも片面、より好ましくは両面が研磨される。１つまたは複数の平坦でない面が望まれる場合、所望の形状がエッチングされるか、そうでなければ、その表面に成形される。非限定的な例として、密度測定用の液体トラップを形成するテクスチャ表面、弾性波のエネルギー捕獲を向上させるための円筒形、楕円形、または円形の輪郭線作成、およびエッチングした薄膜がある。図６に描かれた一好適な実施形態では、エッチングされた膜の構成が描かれ、そこでは、より厚く、より丈夫な支持領域を維持しつつ、所望の高動作周波数と質量感度とを達成するために、外側の圧電板面に、凹部１０５が形成されている。
【００４８】
一旦、圧電板の表面が所望の形状と滑らかさで形成されると、全圧電板の外側のセンサ表面となる側が任意で金属化される。活性電極が、少なくとも半分の板の対向面上に堆積されている。電気的接触が、圧電板の縁部にももたらされる。各組の圧電板は、ともに接着されて、センサ要素が取付部９３に取り付けられる。他の方法も明らかに利用可能である。このような一方法は、各圧電板の内側に電極を堆積し、接着することに関し、それによって、所望する通り、２つの電極セット間が接触可能となるか、または接触可能とならない。
【００４９】
本発明の主な利点は、従来技術が提供する解決法において、外側の圧電板表面と内側の圧電板表面との間の圧力差に起因する板の曲げ歪を回避することである。しかし、この圧力差がある状況下では有利に用いられ得ることを認識することもまた重要である。したがって、例えば、図７に描かれるように、注意深く選択された寸法のキャビティ１１０が、２枚の圧電板間のセンサの分離部分で設けられ得る。ＭＥＭＳなどの応力センサ、ひずみゲージ、または好ましくはすだれ状トランスデューサ１２０が、キャビティ内で堆積され、測定される媒体の圧力に直接関係する曲げ歪を測定するために用いられる。したがって、センサは、主な測定パラメータに加えて、圧力を組み合わせて測定する。
【００５０】
図８は、測定量(measurands)のうちの１つが圧力である、組み合わせ測定量センサの好適な実施形態を描いている。センサは、実質的に、圧電板の異なった部分に位置する２つの相補的なセンサを備えている。第１のセンサ１５０は、実質的に、上述の実施例のいずれかに記載のように、所望の測定量（複数可）を測定するために、形成される。センサ１５０には、上述のように、圧電板の外側で凹部１０５が設けられている。相補的な第２のセンサ１６０が、圧電板の内面が互いに対向するとキャビティ１１０を形成するために、対向する（内側の）圧電板表面になるようエッチングされた同様の凹部１０６で形成されている。２つのセンサは、それぞれの活性領域で、同様の全厚とインピーダンスを有している。２つのセンサは、任意の所望のトランスデューサ様式を採用し得る。好適な実施形態は、入力トランスデューサ３０、１３０および出力トランスデューサ４０、１４０のそれぞれに対して単一の電極トランスデューサを用いている。好ましくは、各圧電板１０、１５は同様のトランスデューサ配置を有し、したがって、２つのトランスデューサが第１のセンサ１５０に用いられる場合、２つのトランスデューサ１３０、１４０が、第２のトランスデューサ１６０内の各圧電板上でそれぞれ採用される。第１および第２のセンサ１５０、１６０は同様のインピーダンス、質量、周波数および感度を有しているので、第１および第２のセンサは、圧力がなくても十分適合される。第１のセンサは、圧力に対して感度が極めて低くなるよう設計され、第２のセンサは、圧力感度を受けるよう知られている内側キャビティ１１０を用いて設計されているため、第１および第２のセンサの組み合わせは、異なったペアを形成し、それによって、唯一の圧電構造を利用しながら、圧力の影響を正確に測定することができる。さらに、測定された圧力は、圧力の感度が低い第１のセンサにおいて、任意の残圧効果を補正するために用いられ得て、それによって第１のセンサ部分の測定量（複数可）であってもより正確に測定することができる。
【００５１】
さらに、任意で、１つまたは複数の被膜層（被膜と総称する）が、センサの外面またはその一部に塗布され得る。このような被膜５５、６０は、測定物質の接着を防ぎ、磨耗に耐え、化学耐性を与えるなど、所望の特性を提供し得る。好適な実施形態では、このような被膜は、ダイヤモンド状炭素、窒化ホウ素、珪素アルミニウム酸窒化物または同様の材料をプローブ上に堆積することによって達成される。最も好適な実施形態では、フッ化ダイヤモンド状炭素層が耐熱性の金属接地面上に堆積されている。
【００５２】
任意で、物質に高感度な膜を、好ましくは、基板上の被膜５５、６０の一番外側の層として、直接的であろうと間接的であろうと、堆積することによって、特定の物質を検知するためにプローブが採用され得る。物質に高感度な膜は、高分子、生化学、金属酸化もしくは金属膜または、特定の分子または分子群を捕獲するよう化学的に構成された他の材料であり得る。このような分子が捕獲されると、膜の物理特性の変化（例えば、質量、剛性、粘性または導電性）によって、信号伝播特性が変化する。この変化は、このような分子の存在を検出するために測定されることができる。このような構成によって、少量の生化学物質でさえ、酵素、抗体、抗原または核酸分子を被膜として用いて検出するために、センサを容易に適用することができる。微量の溶解金属のために、金属膜上で電気化学方法を用いることも考慮されている。このようなセンサは、任意の電位に接続され得て、電気化学的セルの作用電極として採用され得る外側の伝導体(outer conductor)を含んでいる。当業者は、塗布され得る多数の他の化学選択的被膜と、このような組み合わせから生じ得る化学選択的センサに気付くであろう。
【００５３】
所望の測定量(measurand)に最もよく適合し、最適なセンサ特性を達成するエネルギーレベルなどの種々の物理的パラメータを達成するための、圧電材料、配向、デバイス形状および対応するトランスデューサの選択は、本発明の種々の態様の教示に鑑みて、当業者の能力の範囲内であり、技術的な選択事項である。同様に、適切な支持回路と計測は、所望の最終結果と最もよく適合させるための技術的な選択事項であり、種々の実施形態によって大きく変わるであろうが、当業者には明白であろう。
【００５４】
図９は、センサ要素に連結された好適な電子回路の簡略化された図を描いている。好適な実施形態においては、２つのトランスデューサ構成が採用され、それによって異なった入出力信号が提供される。信号源９００が入力トランスデューサ３０に適用され、信号検出器９１０が出力トランスデューサ４０を監視する。データ変換器９２０、９３０が、入出力トランスデューサの信号それぞれを、ＣＰＵ９４０によって解釈可能な信号に変換する。信号はＣＰＵで比較され、その関係がセンサの測定量(measurand)として解釈される。ＣＰＵは、デジタルバス９５０を介して測定結果を送信する。
【００５５】
単一のトランスデューサを備えたＡＷＤの場合、出力信号は、入力信号の反射部分である。これらは、インピーダンス分析器を用いて直接比較され、方向性結合器(directional coupler)を用いて分離され、または、コルピッツ形、ピアス形または同様の構成をしたインピーダンスに基づいた発振器を制御するために、ＡＷＤを用いて間接的に監視され得る。これらの測定方法は、当業者には明らかであろう。センサ組立回路の最も好適な実施形態は、図１０に見られるように、ループ発振器内の直列帰還要素としてセンサ要素を採用する。発振器は、天然結晶としてのセンサと、入出力トランスデューサ間で結合された増幅器９７０とを備えている。発振器は、出力信号を測定し、出力信号の増幅レプリカとして入力信号を適用し、予め選択された位相と、信号間の振幅関係を連続して評価するよう機能する。このような発振器は、帰還ループが多数の３６０°位相シフトを有する周波数で信号を自発的に形成する。信号の振幅は、センサの挿入損失と増幅器の飽和ゲインとがバランスを取るように、決定される。測定量(measurand)は、センサの挿入損失および／または自発的な発振点における信号の周波数を監視することによって決定される。
【００５６】
本発明は、単に一例として本明細書の上記で説明してきたことに限定されないことが理解されよう。現在、本発明の好適な実施形態と見なされていることが説明されてきたが、種々の他の実施形態、変更および改変が、本発明の精神または範囲を逸脱せずになされ得ること、それゆえに、本発明の真の精神と範囲内にあるような変更および改変の全てを包括するよう意図されていることは、当業者には明らかであろう。これらに対して特許証が付与される。
【図１】
2009534651.tif 000003
【図２】
2009534651.tif 000004
【図３ａ】
2009534651.tif 000005
【図３ｂ】
2009534651.tif 000006
【図４】
2009534651.tif 000007
【図５】
2009534651.tif 000008
【図６】
2009534651.tif 000009
【図７】
2009534651.tif 000010
【図８】
2009534651.tif 000011
【図９】
2009534651.tif 000012
【図１０】
2009534651.tif 000013
【誤訳訂正書】
【提出日】平成20年11月5日(2008.11.5)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００３６
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００３６】
複合基板という用語は、実質的に同様の興奮性基板(excitable substrate)からなる少なくとも２つの領域を指している。興奮性基板(excitable substrate)は、共通の圧電材料であるが、磁気ひずみ、電気ひずみ、ピエゾ磁気、強誘電または強磁性材料であってもよく、これらの全ては、一般的に、興奮性基板(excitable substrate)と記載され、同様に、明確にすべく、圧電物質として関連している。当業者には、圧電効果および圧電基板または材料に関する言及が全般的に適用され、電気信号が、基板内で弾性波または超音波を引き起こし、また弾性波または超音波が、基板内で電気信号を引き起こし得る他の方法を包括するよう意図されていることが認識されるであろう。本明細書および添付の請求項においては、当該領域は、通例、「圧電板」と称される。この用語が、所望の特性をセンサに与えるために所望される、任意の興奮性基板(excitable substrate)の種々の形状および断面に関することは明らかであろう。さらに、本明細書で記載された構造および解決法は、少なくとも１つの一次特性、および任意で、二次特性として関連付けられる流体の複数の特性を、あるパラメータが別のパラメータに何ら特別重要とならずに、適用可能であり得ることに留意されたい。よって、非限定的な一例として、一次特性は粘性であり得て、二次特性は、例えば、発明者のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１２５４６号で開示されているように、密度であり得るか、または米国特許出願第１０／９５８，８９６号に開示されているように、剪断速度であり得る。
【誤訳訂正２】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】００４２
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【００４２】
センサ要素の最も好適な実施形態は、各トランスデューサ３０、４０に対して単一の金属電極を採用し、当該トランスデューサは、囲み接地面（enclosing ground plane）に関連づけられ、平行平板共振器(parallel plate resonators)を形成している。各トランスデューサは、平行平板厚さモードの共振(parallel plate thickness mode resonance)を確立する。共振の周波数は、圧電板の全厚さによって決定され、全厚さは、圧電板の相対的な厚さ、それゆえに活性金属領域の位置を備えた所望の多数の弾性波長であり、多かれ少なかれ、所望の多数の波長にともなう電気電位のピークに対応する。最も好ましくは、多数の波長とは１つであり、各圧電板は実質的に同じ厚さを有していることが望ましい。トランスデューサ３０、４０の間の空間を適切に選択することによって、点線３６、３７で示されているように、トランスデューサ３０に挿入されるエネルギーをトランスデューサ４０によって形成される共振器へ結合することができ、その逆も可能である。結果として連結した共振器フィルタは、特に、本発明に基づいて構成される場合に、他のセンサよりも多数の利点を提供する。これらの利点には、簡単な金属パターニングや、接着材料領域において極度に低い音響出力レベルや、センサの剪断速度の優れた制御が含まれている。これらの構成の液相検出への現時点における適用可能性は、圧力の影響と過度のトランスデューサインピーダンスの両方によって制限を受けるので、圧力の影響を補正し、トランスデューサインピーダンスを半分にするため、本発明は特に有利である。
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月5日(2008.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが内面と外面とを有する第１および第２の圧電板であって、前記圧電板の前記内面は向かい合って接着されている、第１および第２の圧電板と、
前記第１および第２の圧電板の前記各内面の間に配置された少なくとも第１の電極と、
少なくとも１つのリターン電極と、
を備えた複合弾性波デバイス（ＡＷＤ）であって、
前記複合弾性波デバイスは、前記外面上に配置された囲み接地面を有する、少なくとも１つの厚み剪断モード共振器を形成していることによって特徴付けられる、複合弾性波デバイス（ＡＷＤ）。
【請求項２】
前記リターン電極は、前記外面のうちの少なくとも一方の上に配置されている、請求項１に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項３】
前記第１および第２の圧電板の間に配置された第２の電極をさらに備えた、請求項１または２に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項４】
実質的に同様の興奮性基板材料を含み、それぞれが内面と外面とを有する第１および第２の圧電板であって、前記圧電板の前記内面は向かい合って接着されている、第１および第２の圧電板と、
前記第１及び第２の圧電板の前記各内面の間に配置された少なくとも第１のトランスデューサと、
を備えた複合弾性波デバイス（ＡＷＤ）。
【請求項５】
前記トランスデューサは、すだれ状トランスデューサである、請求項４に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項６】
さらに、第２の厚み剪断モード共振器を備え、
前記第１および第２の電極は、前記第１および第２の共振器間で音響エネルギーを伝達することが可能なほど十分に近接して配置されている、請求項３に記載の複合ＡＷＤ。
【請求項７】
前記外面のうちの少なくとも一方の少なくとも一部の上に配置された被膜をさらに備える、請求項１から６のいずれか一つに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項８】
前記被膜は、測定量に高感度である、請求項１から７のいずれか一つに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項９】
前記第１および第２の圧電板は、同様の結晶配向を有している、請求項１から８のいずれか一つに記載の複合ＡＷＤ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一つに記載の複合ＡＷＤと、
少なくとも前記第１の電極と前記リターン電極との間で電気エネルギーを結合する回路と、
を備えたセンサ。 
【請求項１１】
前記電気エネルギーの少なくとも１つのパラメータを測定するために測定回路をさらに備えている、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
取付ボルトをさらに備えている、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記回路またはその一部が、前記ボルトに埋め込まれている、請求項１０から１２のいずれか一つに記載のセンサ。
【請求項１４】
高圧下で物質の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する方法であって、前記方法は、
請求項１から請求項９のいずれか一つに記載のＡＷＤまたはその一部を、前記物質と接触させて配置する工程と、
前記第１の電極に電気信号を結合させる工程と、
前記ＡＷＤから抽出された電気信号を測定する工程と、
を含み、
前記抽出された信号は、前記結合された信号とは異なり、且つ、その差は、前記センサの測定パラメータを表し、
前記パラメータは、物理的または化学的測定量によって影響を受けることが知られているパラメータである、方法。
【請求項１５】
前記測定工程は、前記抽出された信号と前記結合された信号との間の関係のパラメータを測定することを含み、前記パラメータは、周波数、挿入損失、位相、遅延時間またはそれらの組み合わせからなる群から選ばれる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記物理的パラメータは、粘性、密度、温度、圧力、化学的濃度またはそれらの組み合わせを含む群から選ばれる、請求項１４または請求項１５に記載の方法。
【国際調査報告】
2009534651.tif 000014