(57)【要約】【課題】ワイヤレス温度計測モジュールにおいて、小型化が可能で、信頼性も向上でき、そして高温計測を行うこと。【解決手段】電波を送受信するアンテナ部１と、該アンテナ部に励振電極２が接続された表面弾性波素子３とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、誘電体材料のパッケージ本体５を備え、前記アンテナ部は、前記パッケージ本体に形成された電極パターンで構成され、前記表面弾性波素子は、前記パッケージ本体に搭載されている。【選択図】      図１
2004150860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を送受信するアンテナ部と、該アンテナ部に励振電極が接続された表面弾性波素子とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、
誘電体材料のパッケージ本体を備え、
前記アンテナ部は、前記パッケージ本体に形成された電極パターンで構成され、
前記表面弾性波素子は、前記パッケージ本体に搭載されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、前記表面弾性波素子は、前記パッケージ本体内に密封されていることを特徴とするワイヤレス温度モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記アンテナ部と前記励振電極とは、整合回路部を介して接続されていることを特徴とするワイヤレス温度モジュール。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記パッケージ本体は、セラミックスで形成されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記表面弾性波素子は、前記励振電極を表面に有する圧電基板がＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４単結晶で形成されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記励振電極は、対向して配された一対の櫛形電極を備え、
各櫛形電極には、それぞれ別の前記アンテナ部が接続されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス温度計測モジュールにおいて、
前記パッケージ本体は、裏面にグラウンド電極部が形成され、
前記励振電極は、対向して配された一対の櫛形電極であり、一方の櫛形電極には、前記アンテナ部が接続され、他方の櫛形電極には、前記グラウンド電極部が接続されていることを特徴とするワイヤレス温度計測モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面弾性波デバイスを用いたワイヤレス温度計測モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体、セラミックス等の製造プロセスでは、チャンバ内やトンネル電気炉内の加工されるワークの位置における温度を動的にかつ精密に測定する必要がある。従来、このような温度計測の手段として、熱電対やサーミスタ等がよく用いられている。このような計測方法はセンサからの信号を取り込むためのケーブル及びセンサに電力を供給するためのケーブルが必要なため、真空のチャンバ内やトンネル炉内のようなワークが移動する場所の測定は非常に困難である。
【０００３】
電池を使用したワイヤレス或いは記憶による温度測定方法もあるが、回路が複雑で高価であり、回路及び電池が耐えられる温度限界があるため、測定できる温度範囲は制限される。また、回路を保温材で保護する方法もあるが、その場合は長時間の測定が困難である。このため、ワイヤレスによる遠隔計測可能なかつセンサ本体に電源を必要としない温度センサの開発が望まれている。
【０００４】
近年、この研究の一環として、例えば下記特許文献１及び特許文献２に記載されているように、表面弾性波（以下、ＳＡＷとも略称する）デバイスを用いるワイヤレスセンサシステムが提案されている。なお、ＳＡＷデバイスとして水晶基板が用いられている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第４，６２０，１９１号明細書
【特許文献２】
特開平７−１２６５４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、以下の課題が残されていた。すなわち、上記従来のワイヤレスセンサでは、センサとアンテナとが別々であるために、小型化が難しいと共に、半導体やセラミックス等のプロセスにおける雰囲気ガスによりＳＡＷデバイスが劣化しやすく、信頼性が低かった。また、ＳＡＷデバイスの基板として相転移点が５７３℃の水晶を用いているため、これ以上の温度で計測することができなかった。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、小型化が可能で、信頼性も向上でき、そして高温計測を行うことができるワイヤレス温度計測モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、電波を送受信するアンテナ部と、該アンテナ部に励振電極が接続された表面弾性波素子とを備えたワイヤレス温度計測モジュールであって、誘電体材料のパッケージ本体を備え、前記アンテナ部は、前記パッケージ本体に形成された電極パターンで構成され、前記表面弾性波素子は、前記パッケージ本体に搭載されていることを特徴とする。
【０００９】
このワイヤレス温度計測モジュールでは、誘電体材料のパッケージ本体を備え、アンテナ部が、パッケージ本体に形成された電極パターンで構成され、表面弾性波素子が、パッケージ本体に搭載されているので、パッケージ本体にアンテナ部と表面弾性波素子とが一体になっていると共に、アンテナ部が誘電体材料の誘電性を利用したいわゆるチップアンテナタイプとなるため、全体として大幅な小型化を図ることができる。
【００１０】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記表面弾性波素子が、前記パッケージ本体内に密封されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、表面弾性波素子がパッケージ本体内に密封されているので、測定環境の雰囲気ガスによってＳＡＷデバイスが劣化することがなく、高い信頼性を得ることができる。
【００１１】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記アンテナ部と前記励振電極とが、整合回路部を介して接続されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、アンテナ部と励振電極とが、整合回路部を介して接続されているので、整合回路部によりインピーダンスマッチングを行うことができ、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００１２】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記パッケージ本体がセラミックスで形成されていることが好ましい。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、パッケージ本体がセラミックスで形成されているので、測定環境の雰囲気ガスによる腐食作用に強く、劣化し難くなる。
【００１３】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記表面弾性波素子が、前記励振電極を表面に有する圧電基板がＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１（Ｌａｎｇａｓｉｔｅ：ランガサイト）４単結晶で形成されていることが好ましい。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、表面弾性波素子における励振電極を表面に有する圧電基板がランガサイト単結晶で形成されているので、ＬｉＴａＯ３や水晶等とは異なり、融点（１４８０℃）まで相転移の発生はなく、安定な圧電性を保持するため、より高い温度計測が可能になる。
【００１４】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記励振電極が、対向して配された一対の櫛形電極を備え、各櫛形電極には、それぞれ別の前記アンテナ部が接続されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、励振電極が、対向して配された一対の櫛形電極を備え、各櫛形電極には、それぞれ別のアンテナ部が接続されているので、いわゆる２つのアンテナで構成されたダイポール構造となり、金属以外の物体の遠隔温度測定に適している。
【００１５】
また、本発明のワイヤレス温度計測モジュールは、前記パッケージ本体の裏面にグラウンド電極部が形成され、前記励振電極が、対向して配された一対の櫛形電極であり、一方の櫛形電極には、前記アンテナ部が接続され、他方の櫛形電極には、前記グラウンド電極部が接続されていることを特徴とする。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールでは、一方の櫛形電極に、アンテナ部が接続され、他方の櫛形電極に、グラウンド電極部が接続されているので、アンテナ部が一方だけであり、さらに小型化ができると共に、グラウンド電極部が測定対象の金属物体に導通することにより、アンテナ送受信効率を向上させることができ、金属物体の遠隔温度測定に適している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。
【００１７】
本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールは、図１に示すように、電波を送受信するアンテナ部１と、該アンテナ部１に励振電極２が接続された表面弾性波素子３と、アンテナ部１と励振電極２との間に解された整合回路部４と、これらを搭載した誘電体材料のパッケージ本体５とを備えている。
【００１８】
上記アンテナ部１は、パッケージ本体５に形成された白金等の電極パターンで構成され、送受信を効率よく行うように誘電体焼成物のパッケージ本体５外周を螺旋状に配されている。
上記表面弾性波素子３は、パッケージ本体５の中央部に形成された溝部５ａ内に接着固定されて搭載され、該溝部５ａ上部を蓋部材６により塞いでセンターキャブセル５ｂを形成している。なお、この際、センターキャブセル５ｂ内は真空或いは不活性ガスで充填され密封されている。
【００１９】
上記パッケージ本体５は、アルミナ等のセラミックス（誘電体焼成物）で形成されている。また、表面弾性波素子３は、励振電極２を表面に有する圧電基板７がＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４（ランガサイト）単結晶で形成されている。
上記励振電極２は、対向して配された一対の櫛形電極であり、各櫛形電極には、それぞれ別のアンテナ部１が整合回路部４を介して接続されている。すなわち、このワイヤレス温度計測モジュールは、２つのアンテナ部で構成されたダイポール構造を有している。なお、パッケージ本体５の溝部５ａには、整合回路部４の端子８が設けられ、該端子８と励振電極２とがボンディングワイヤ９にて電気的に接続される。
【００２０】
上記圧電基板７の表面には、励振電極２の櫛形に平行にかつ離間した位置にそれぞれ所定距離を開けて棒状金属パターンの反射子１０が複数本形成されている。
上記整合回路部４は、パッケージ本体５の焼成物の誘電性を利用し、導電体の形状を制御して必要なコンデンサ及びインダクタとして電極板及びコイルを構成して作製されている。
【００２１】
上記パッケージ本体５は、いわゆるセラミックスのグリーンシートに励振電極２や整合回路部４となる金属パターンをスクリーン印刷したものを積層し、さらに焼結させて構成されている。なお、予めグリーンシートには、溝部５ａとなる領域に孔が形成されており、積層状態で溝部５ａを構成するようになっている。また、グリーンシート上下層の電気的接続は、金属パターンに接続形成されたスルーホールや積層したグリーンシート側面へスクリーン印刷した金属パターン等で行っている。
【００２２】
次に、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを用いた温度計測方法について、説明する。
【００２３】
まず、測定対象のワークに直接又はその近傍に本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを取り付け、チャンバ内やトンネル炉内等の所定位置に設置する。また、遠隔計測するための基地局（図示略）を設置し、該基地局から表面弾性波素子３の周波数と一致したバースト信号を出力する。
ワイヤレス温度計測モジュールは、アンテナ部１によりバースト信号を受信すると共に、励振電極２の一方の櫛形電極により電気エネルギーをＳＡＷに変換し、このＳＡＷが圧電基板７の表面に伝搬して他方の櫛形電極を通り再び電磁波に変換して放射する。
【００２４】
したがって、バースト信号が放射されてしばらく後に返信波が基地局に返ってくることになる。圧電基板７上のＳＡＷは温度によって伝搬速度が変化するため、上記返信波が返ってくる時間を測定することにより、基地局の演算回路においてＳＡＷの温度遅延から温度を算出する。
【００２５】
なお、本実施形態では、反射子１０を圧電基板７上に設けているので、一方の櫛形電極で発生したＳＡＷは、各反射子１０で反射して他方の櫛形電極でそれぞれ電磁波に変換されて放出される。したがって、各反射子１０と櫛形電極との距離の相違により、反射信号にパルス序列が得られるので、ワイヤレス温度計測モジュール個別の返信波信号を得ることができる。これにより、複数のワイヤレス温度計測モジュールで別々の反射子１０構成を採用することで、各ワイヤレス温度計測モジュールを個別認識することができる。
【００２６】
本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、誘電体材料のパッケージ本体５を備え、アンテナ部１が、パッケージ本体５に形成された電極パターンで構成され、表面弾性波素子３が、パッケージ本体５に搭載されているので、パッケージ本体５にアンテナ部１と表面弾性波素子３とが一体になっていると共に、アンテナ部１が誘電体材料の誘電性を利用したいわゆるチップアンテナタイプとなるため、全体として大幅な小型化を図ることができる。
【００２７】
また、表面弾性波素子３がパッケージ本体５内に密封されているので、測定環境の雰囲気ガスによってＳＡＷデバイス（表面弾性波素子３）が劣化することがなく、高い信頼性を得ることができる。
また、アンテナ部１と励振電極２とが、整合回路部４を介して接続されているので、整合回路部４によりインピーダンスマッチングを行うことができ、効率的に信号伝達を行うことができる。
【００２８】
また、パッケージ本体５がセラミックスで形成されているので、測定環境の雰囲気ガスによる腐食作用に強く、劣化し難くなる。
また、表面弾性波素子３の圧電基板７がランガサイト単結晶で形成されているので、相転移は発生しなく、より高い温度計測が可能になる。
さらに、励振電極２の一対の櫛形電極には、それぞれ別のアンテナ部１が接続されているので、いわゆる対称的な２つのアンテナで構成されたダイポール構造となり、金属以外の物体の遠隔温度測定に適している。
【００２９】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールの第２実施形態を、図２を参照しながら説明する。
【００３０】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態ではアンテナ部１が一対の櫛形電極の両方にそれぞれ接続されているのに対し、第２実施形態では、図２に示すように、電極パターンのアンテナ部１は一つであると共にパッケージ本体１５の裏面にグラウンド電極部Ｇが形成され、さらに一対の櫛形電極うち一方にアンテナ部１が接続され、他方の櫛形電極にはグラウンド電極部Ｇが接続されている点である。
【００３１】
なお、他方の櫛形電極とグラウンド電極部Ｇとの電気的接続は、他方の櫛形電極にワイヤボンディング９で接続された端子８とグラウンド電極部Ｇとをスルーホール部８ａを介して行っている。
また、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、測定対象として金属物体を想定しており、当該金属物体にグラウンド電極部Ｇを接触させた状態で設置される。
【００３２】
すなわち、本実施形態のワイヤレス温度計測モジュールでは、一方の櫛形電極に、アンテナ部１が接続され、他方の櫛形電極に、グラウンド電極部Ｇが接続されているので、アンテナ部１が一方だけであり、さらに小型化ができると共に、グラウンド電極部Ｇが測定対象の金属物体に導通することにより、アンテナ送受信効率を向上させることができ、金属物体の遠隔温度測定に適している。
【００３３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明に係るワイヤレス温度計測モジュールを、実施例により図３及び図４を参照して具体的に説明する。
【００３５】
上記第１実施形態のワイヤレス温度計測モジュールを電気炉により３０〜１１００℃の範囲で校正し、図３に示すように、ＳＡＷの伝搬速度と温度との関係を予め調べておいた。この関係に基づいて、実際に本発明のワイヤレス温度計測モジュールをトンネル電気炉内に配置してその温度分布を測定した結果を、図４に示す。なお、比較として従来の熱電対で測定した結果も併せて示す。
【００３６】
この測定結果からわかるように、温度測定の精度は従来の熱電対と同程度であった。なお、従来の熱電対の測定点数は熱電対の数に限られることに対し、本発明のワイヤレス温度計測モジュールでの測定では、測定点に制限が特になく、詳細な温度分布測定が可能になる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のワイヤレス温度計測モジュールによれば、誘電体材料のパッケージ本体を備え、アンテナ部が、パッケージ本体に形成された電極パターンで構成され、表面弾性波素子が、パッケージ本体に搭載されているので、パッケージ本体にアンテナ部と表面弾性波素子とが一体構造になっていると共に、アンテナ部がチップアンテナタイプとなるため、全体として大幅な小型化を図ることができ、測定対象の適用範囲が広くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの一部を破断した側面図及び蓋部取り付け前の平面図である。
【図２】本発明に係る第２実施形態におけるワイヤレス温度計測モジュールの一部を破断した側面図及び蓋部取り付け前の平面図である。
【図３】本発明に係る実施例におけるＳＡＷ伝搬時間の温度依存性を示すグラフである。
【図４】本発明に係る実施例におけるトンネル炉中の温度分布測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  アンテナ部
２  励振電極
３  表面弾性波素子
４  整合回路部
５、１５  パッケージ本体
７  圧電基板
Ｇ  グラウンド電極部
【図１】
2004150860.tif 000003
【図２】
2004150860.tif 000004
【図３】
2004150860.tif 000005
【図４】
2004150860.tif 000006