(57)【要約】      （修正有）【課題】多様な使用環境に対応できる統一的、かつ、合理的な温度センサの製造方法を提供し、温度センサの製造に必要な圧電基板の種類を極力少なくする。【解決手段】使用する周波数帯と使用する温度範囲と使用する子機数とに基づいて温度変化に対する周波数変化量を算出する工程と、算出された周波数変化量に基づいて圧電基板上の弾性表面波の伝播方向を算出する工程と、算出された伝播方向に沿うように櫛歯状電極を形成する工程と、を有する。周波数変化量は、使用周波数帯の幅を、周波数帯の下限値と温度範囲の幅と子機数の積で割って求める。また、圧電基板として、共振周波数温度係数の大きなオケルマナイトのＺ板を用いると効果的である。【選択図】図３
2018042201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板上に所定の周波数帯の信号に応じて弾性表面波を発生させる櫛歯状電極を有する温度センサ素子の製造方法であって、
使用する周波数帯と、使用する温度範囲と、使用する子機数とに基づいて、温度変化に対する周波数変化量を算出する工程と、
算出された前記周波数変化量に基づいて前記圧電基板上の前記弾性表面波の伝播方向を算出する工程と、
算出された前記伝播方向に沿うように前記櫛歯状電極を形成する工程と、を有する
ことを特徴とする温度センサ素子の製造方法。
【請求項２】
前記周波数変化量は、
｜（前記周波数帯の上限値−前記周波数帯の下限値）÷｛前記周波数帯の下限値×（前記温度範囲の上限値−前記温度範囲の下限値）×前記子機数｝｜
によって算出される請求項１の温度センサ素子の製造方法。
【請求項３】
前記周波数帯、前記温度範囲、前記子機数及び使用する温度分解能の使用条件を設定する工程と、
所定の周波数信号を送信する制御装置の周波数分解能と前記周波数変化量とに基づいて、
前記制御装置の温度分解能を算出する工程と、
算出された前記制御装置の温度分解能が、設定された前記使用する温度分解能以下ではないときに、前記使用条件のうちの少なくとも１つを補正して、他の使用条件を満たすように再設定する工程と、を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサ素子の製造方法。
【請求項４】
前記圧電基板の材料は、オケルマナイト（Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７）を主成分とし、
前記櫛歯状電極は、オケルマナイトの｛００１｝面に形成される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度センサ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスを使用した温度センサ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＡＷデバイスを用いた温度センサ素子により、多数の測定箇所の温度を検出する温度測定システムが知られている（例えば特許文献１）。温度測定システムは、例えば図５に示すように親機１００と複数の子機２００、３００で構成される。
親機１００は送信用発振器１０１、受信周波数の判別器１０２、及びアンテナ１０３を備える。子機２００、３００は、それぞれＳＡＷデバイス２０１、３０１及びアンテナ２０３、３０３を備える。
【０００３】
親機１００は、送信用発振器１０１によって所定の掃引周波数を発生させ、アンテナ１０３から子機に向けて電波で送信する。
子機２００、３００のＳＡＷデバイス２０１、３０１は、櫛歯状電極２０２、３０２と反射電極を有する共振型のＳＡＷデバイスとして構成されている。各櫛歯状電極２０２、３０２に周波数信号が入力されることによって、共振周波数に応じた弾性表面波を生じる。
この弾性表面波の伝搬速度は、各ＳＡＷデバイス２０１、３０１が配置される環境温度に依存し変化する。この伝搬速度と共振周波数は相関関係があり、共振周波数を求めることにより各ＳＡＷデバイス２０１、３０１は温度センサ素子として利用することができる。
【０００４】
櫛歯状電極２０２、３０２は、それぞれアンテナ２０３、３０３に接続されている。子機２００、３００はアンテナ２０３、３０３で親機１００から送信される掃引周波数を受信し、櫛歯状電極２０２、３０２の共振周波数に応じた弾性表面波を発生させる。この共振周波数は応答信号としてアンテナ２０３、３０３から親機１００に送信される。
親機１００は、判別器１０２を用いて各子機２００、３００の周波数を判別し、それぞれの温度を共振周波数から算出することができる。
【０００５】
また、弾性表面波の温度特性は、各ＳＡＷデバイスの圧電基板上に形成するＳＡＷ電極２０２、３０２の向き、つまり弾性表面波の伝播方向によって変化することが知られている（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７１０４７号公報（第６頁、図３）
【特許文献２】特公昭６１−６５６２号公報（第５頁、第１０図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
温度センサ素子を使用する目的や環境は様々なものがある。従来はそれら個々の要求に応じて、様々な使用環境に対して好適化された温度センサ素子の設計・製造を行うことが求められており、本発明は上記問題を解決した温度センサの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の温度センサ素子の製造方法は、上記目的を達成するため、以下の構成を採用す
る。
【０００９】
圧電基板上に所定の周波数帯の信号に応じて弾性表面波を発生させる櫛歯状電極を有する温度センサ素子の製造方法であって、使用する周波数帯と、使用する温度範囲と、使用する子機数とに基づいて、温度変化に対する周波数変化量を算出する工程と、算出された周波数変化量に基づいて圧電基板上の弾性表面波の伝播方向を算出する工程と、算出された伝播方向に沿うように櫛歯状電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
このように構成することによって、使用される環境条件に適した温度センサ素子を、合理的に製造することができる。また、温度センサを製造するために必要な圧電基板の種類を１つ又はごく少数にとどめることができる。
【００１１】
周波数変化量は、
｜（前記周波数帯の上限値−前記周波数帯の下限値）÷｛前記周波数帯の下限値×（前記温度範囲の上限値−前記温度範囲の下限値）×前記子機数｝｜
によって算出されることを特徴とする。
【００１２】
このように構成することによって、本発明の構成要件の一部が具体的に提案される。
【００１３】
周波数帯、温度範囲、子機数及び使用する温度分解能の使用条件を設定する工程と、所定の周波数信号を送信する制御装置の周波数分解能と周波数変化量とに基づいて、制御装置の温度分解能を算出する工程と、算出された制御装置の温度分解能が、設定された使用する温度分解能以下ではないときに、使用条件のうちの少なくとも１つを補正して、他の使用条件を満たすように再設定する工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
このように構成することによって、製造される温度センサ素子を、実現可能なものに補正することができる。
【００１５】
圧電基板の材料は、オケルマナイト（Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７）を主成分とし、櫛歯状電極は、オケルマナイトの｛００１｝面に形成されることを特徴とする。
【００１６】
このように構成することによって、オケルマナイトのＺ板が有する比較的大きな共振周波数温度係数を効果的に用いた温度センサ素子を実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
使用する周波数帯と使用温度範囲と必要な子機数を必須の共通要件として考慮することにより、様々な使用環境に対して好適化された温度センサ素子を実現するための統一的かつ合理的な製造方法を提供することができる。また圧電基板の種類を１個又はごく少数とすることができる。そしてそれらのことによって、温度センサ素子の設計・製造のためのコスト及び期間を縮減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】温度センサ素子の平面図である。
【図２】オケルマナイトのＺ板における弾性波伝播方向と温度係数の相関を示すグラフである。
【図３】第１実施形態における製造工程を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態における製造工程を示すフローチャートである。
【図５】従来の温度センサシステムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１〜図３を用いて本発明の温度センサ素子の製造方法の第１実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、温度センサ素子の平面図である。
温度センサ素子は、圧電基板１上に、弾性表面波を発生する１対の櫛歯状電極２と該櫛歯状電極２を挟む反射電極３が形成された構成である。この櫛歯状電極２に交流信号などの周波数信号を入力すると弾性表面波が発生する。
櫛歯状電極２の平行に配置された電極間距離をλ、発生する弾性表面波の共振周波数をｆ、伝搬速度をｖとすると、次式の関係が成り立つ。
ｖ＝ｆ×λ    ・・・式１
電極間距離λは定数であり、伝搬速度ｖと共振周波数ｆが比例関係にあるため、配置される環境温度に対するに応じて変化する伝搬速度ｖを共振周波数ｆの変化によって算出することができ、算出時の共振周波数の値から温度を算出することができる。
【００２１】
弾性表面波の伝播方向は点線４の方向であり、圧電基板１上をＸＹ平面とすると、Ｙ軸を基準として伝播角度θだけ傾いた方向である。また、伝播方向は櫛歯状電極２の交互に平行に配置された電極に対して垂直な方向であるため、所望の方向に伝播するためには、櫛歯状電極を点線４に沿って配置する。圧電基板１における櫛歯状電極２と伝播方向とにパワーフロー角（ＰＦＡ）が影響する場合は、ＰＦＡを考慮して櫛歯状電極２を配置すれば良い。
櫛歯状電極２及び反射電極３は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉなどの導電材料を用いることができ、蒸着法やスパッタ法などの薄膜形成技術を用いて形成される。
【００２２】
圧電基板１は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ２）、オケルマナイト（Ｃａ２ＭｇＳｉ２Ｏ７）などの圧電性を有する単結晶や圧電膜を用いることができる。以降の説明では、伝播角度θの変化に対する弾性表面波の伝搬速度の温度特性変化量が大きいオケルマナイト単結晶を用い、オケルマナイト単結晶のＺ板の｛００１｝面上に、櫛歯状電極２及び反射電極３を形成した例として説明する。
図１においては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸はオケルマナイトの結晶軸に相当する。角度θはＹ軸と弾性表面波の伝播方向とのなす角である。
なお、オケルマナイトは５００℃において１．０×１０９Ωｃｍ以上と絶縁抵抗値が高く、相転移がないため高温環境下でのセンシングに用いることができる材料である。さらに、弾性表面波の伝搬速度が３７００ｍ／ｓ以上と高速であるため、２．４５ＧＨｚ帯の高周波デバイス向けに適している。
【００２３】
図２は、オケルマナイトのＺ板における弾性表面波の伝播方向に対する温度係数の変化を示すグラフである。横軸は伝播方向を示し、Ｙ軸を基準（０°）とした伝播角度θ［°］で表す。縦軸は、温度に対する周波数変化量を変化率［ｐｐｍ／℃］で表す。
周波数変化量は各伝播角度θに対してセンシング温度範囲における共振周波数の変化を測定することにより算出することができる。
【００２４】
図２に示すように、伝播角度θが０°から３５°の範囲で室温付近の周波数の変化率は約４４ｐｐｍ／℃から−１１０ｐｐｍ／℃まで変化する。たとえば、高温用途に用いられるゲーレナイト単結晶基板の６０度回転Ｚカット（１１０伝搬）を用いた場合、周波数の変化率は約−４２ｐｐｍ／℃から−４５ｐｐｍ／℃までの変化であり、オケルマナイトのＺ板は周波数変化量が大きいことがわかる。
【００２５】
周波数変化量が大きいほど、温度変化に対する共振周波数の変化量が大きくなるため、高分解能となり精度が求められる使用環境に適する。
周波数変化量が小さいほど、温度変化に対する共振周波数の変化量は小さくなるため、
所定の周波数帯に対して設置する子機数を多くすることができ、多点測定が求められる使用環境に適する。
このように、任意の使用環境に応じて適する温度係数を選択できることが求められており、弾性表面波の伝播角度θを選択することによって、使用環境に応じた温度センサ素子を作製することができる。そのため、オケルマナイトのように伝播角度θに対する温度係数の変化が大きい材料であることが好ましい。
【００２６】
温度センサ素子の製造工程を説明する。
図３は、第１実施形態における温度センサ素子の製造工程を示すフローチャートである。
【００２７】
はじめに、周波数帯、測定温度範囲、子機数が入力され、パラメータとして設定される（工程１１）。
周波数帯は、温度センサ素子を使用する周波数の範囲であり、複数の温度センサ素子を作製する場合は、全ての温度センサ素子に対する周波数の範囲の下限値から上限値である。電波法に依拠して使用可能な帯域を選択してもよい。
測定温度範囲は測定する温度の範囲であり、上限値と下限値を指定してもよいし、温度範囲幅を指定するようにしてもよい。
子機数は、温度の測定点の数である。
【００２８】
次に入力されたパラメータから周波数変化量を算出する（工程１２）。周波数変化量の算出式を次式に示す。
【００２９】
周波数変化量＝｜（周波数帯の上限値−周波数帯の下限値）÷｛周波数帯の下限値×（温度範囲の上限値−温度範囲の下限値）×子機数｝｜  ・・・式２
【００３０】
算出された周波数変化量に基づいて、圧電基板の温度特性のテーブルから、該当する周波数変化量における弾性表面波の伝播方向を算出する（工程１３）。
温度特性のテーブルは、周波数変化量と伝播方向の相関テーブルであり、図２に示した伝播方向である伝播角度θと温度に対する周波数変化量のグラフまたは、これに基づいて作成された表などである。
【００３１】
次に算出された伝播方向に弾性表面波が発生するように、圧電基板１上に、櫛歯状電極２を形成する（工程１４）。オケルマナイトを用いる場合、パワーフロー角を考慮してＹ軸方向に櫛歯状電極が配列されるように形成することが好ましい。
【００３２】
以上の工程により、使用環境に対して好適化された温度センサ素子を製造することができる。本発明においては、所定のカット角の基板のみを用い、形成するＳＡＷ電極の方向を選択することにより弾性表面波の温度特性を変えることができるため、温度センサ素子の製造コスト削減並びに製造に要する期間を短縮できる効果がある。
【００３３】
なお、複数の子機のそれぞれが出力する共振周波数を判別できるように、互いに重複することがないように異ならせておくことが好ましい。基準とする所定の温度（伝搬速度ｖ）に対して共振周波数を異ならせるには式１に示す通り、電極間距離λを異ならせればよい。例えば、電極間距離λを少しずつ変えた櫛歯状電極パターンを複数種類用意して、パラメータ値として設定された温度範囲の所定温度における共振周波数を基準として、互いの共振周波数が使用環境において重複することがないように、それぞれの櫛歯状電極２を形成するように制御する。
また、角度θの変化に伴って弾性表面波の伝搬速度に変化が生じる場合は、電極材料や電極膜厚を調節することにより伝搬速度を補正することができる。
【００３４】
上記製造工程において、具体的な数値を適用した例を記載する。
【００３５】
利用する周波数帯を２４００ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚ、測定温度範囲を−２０℃〜６０℃、子機数を１０ｃｈとすると、式２より周波数変化量≒４２ｐｐｍが算出される。
【００３６】
図２のグラフを参照すると、周波数変化量の絶対値が４２ｐｐｍに対応する伝播角度θは３°又は２３°である。温度係数の正負は温度変化に対する共振周波数変化の方向が異なるだけなので、いずれの伝播角度θを採用しても差し支えない。
算出された伝播角度θ（３°又は２３°）に弾性表面波が発生するように圧電基板１であるオケルマナイト上に弾性表面波を形成することにより、使用条件である上記パラメータを満足する温度センサ素子を作成することができる。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態である温度センサ素子の製造方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。第２実施形態の製造方法は、第１実施形態における製造工程と主要な工程は同じであるが、パラメータに使用する測定温度の分解能と使用する親機の周波数分解能を追加し、作成される温度センサ素子の測定温度の分解能が設定されたパラメータを満たすかをチェックする工程を加えたものである。
【００３８】
図４において、工程１１、１２、１３、１４は図３の第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
工程１２の後に、親機固有の周波数分解能と、前工程１２で算出された周波数変化量から温度分解能を算出する（工程１５）。温度分解能を次式に示す。
【００３９】
温度分解能＝周波数分解能÷（周波数帯の下限値×周波数変化量）
【００４０】
次に算出された温度分解能は、パラメータとして設定された使用する温度分解能以下かどうかを判定する（工程１６）。判定がＹＥＳであれば工程１３に進むが、判定がＮＯであれば、更に工程１７にて、パラメータや条件等を少なくとも１つを補正し再設定して入力をやり直すか否かを判定する。
【００４１】
このように、第２実施形態においては、使用する温度分解能をパラメータに追加して温度センサ素子の製造方法に反映させることにより、使用条件に一致した温度センサ素子であるかを判断できるようになる。
【符号の説明】
【００４２】
１  圧電基板
２、２０２、３０２  櫛歯状電極
３  反射電極
４  弾性表面波の伝播方向
Ｘ、Ｙ、Ｚ  結晶軸
θ  伝播角度
１００  親機
１０１  送信用発振器
１０２  受信周波数判別器
１０３、２０３、３０３  アンテナ
２００、３００  子機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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