JP2005101974A - 球状表面弾性波素子の駆動測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波信号及びクロック信号の高精度化を不要としつつ、高精度の測定を実現する。
【解決手段】 測定系Ａ及び校正系Ｂの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂを用い、高周波信号発生部２０、駆動用スイッチ２１Ａ，２１Ｂ、計測用スイッチ２２Ａ，２２Ｂ、位相シフタ２３、増幅器２４、計測部２５及びスイッチ切換部２６を備える。ここで、計測部２５が各素子１０Ａ，１０Ｂからの周回受信信号同士の位相差を計測することにより、直接的に伝搬速度の差異を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、球状表面弾性波素子の駆動測定方法及び装置に関する。

近年、平板形状ではなく、球形状の圧電性結晶基材の表面にすだれ状電極が形成された球状表面弾性波素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この球状表面弾性波素子は、駆動信号としての高周波バースト信号がすだれ状電極に印加されると、すだれ状電極から表面弾性波（Surface Acoustic Wave）が励起され、表面弾性波が基材表面の円環状領域を多重に周回する。ここで、表面弾性波は、基材表面の状態に応じて多重周回する速度が変化する。同様に、表面弾性波は、基材表面への分子の付着等により、円環状領域の周長が表面弾性波の波長の整数倍になるとき、共鳴周波数が変化する。

このため、球状表面弾性波素子は、基材表面の円環状領域に付着した分子や、円環状領域に成膜された反応膜と環境ガス等との反応を検出する等の用途が提案されている。

係る球状表面弾性波素子は、高い精度が要求される用途の場合、表面弾性波の伝搬速度の温度依存性が問題となる。圧電性結晶基材自体又は基材表面の反応膜における表面弾性波は、例えば水晶球のＺ軸シリンダと呼ばれる円環状領域を伝搬する場合、伝搬速度が１℃当り１００万分の２６だけ変化する。すなわち、表面弾性波の伝搬速度は、２６ｐｐｍ／℃程度の温度依存性をもっている。

この温度依存性を解決する観点から、第１及び第２の対策が考えられている。

第１の対策は、別途、熱電対などで測定した温度に基づいて、圧電性結晶基材等の温度依存性に従い、伝搬速度の変化を補正する方法である。

第２の対策は、例えば反応膜が存在しない温度だけに反応する校正用の球状表面弾性波素子を同じ環境に配置し、その測定結果によって校正する方法である。
国際公開第ＷＯ ０１／４５２５５号公報。

しかしながら、以上のような球状表面弾性波素子の駆動方法は、以下の不都合がある。
第１の対策は、表面弾性波の位相速度の０．１ｐｐｍ以下の変化を測定したいとすると、球状表面弾性波素子の周回速度が例えば２５ｐｐｍ／℃の温度依存性を持つ場合、例えば０．００４℃以下の誤差で基材表面の温度を測定する必要があるので、容易ではない。

また、第１及び第２の対策のいずれにおいても、０．１ｐｐｍ以下の精度の高周波信号を用意するか、あるいは０．１ｐｐｍ以下の精度で球状表面弾性波素子からの出力信号の位相（遅延時間）を測定する必要がある。このため、非常に高精度のクロックを源信号とする駆動測定回路が必要になるので、コスト高と装置の大型化とを生じさせる。

本発明は上記実情を考慮してなされたもので、高周波信号及びクロック信号の高精度化を不要としつつ、高精度の測定を実現し得る球状表面弾性波素子の駆動測定方法及び装置を提供することを目的とする。

請求項１に対応する発明は、表面弾性波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、前記３次元基体の表面に個別に表面弾性波を励起し前記表面に沿い前記表面弾性波を伝搬させると共に、当該伝搬した表面弾性波を受信可能な電気音響変換素子と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、前記電気音響変換素子を駆動するための高周波バースト信号を発生する工程と、前記発生した高周波バースト信号を複数の信号線路に分岐する工程と、前記分岐した高周波バースト信号の少なくとも１つを電気音響変換素子に印加し、前記分岐した他の高周波バースト信号を校正用の電気音響変換素子に印加し、当該各電気音響変換素子からの周回受信信号を出力する工程と、前記分岐した２つの高周波バースト信号の印加後、意図した時刻帯における互いの周回受信信号間の位相差を計測する工程と、前記計測した位相差に基づいて、前記表面弾性波の伝搬速度の差異を検出する工程と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定方法である。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、前記位相差を計測する工程としては、前記周回受信信号同士を互いに干渉させ、得られた干渉出力を測定する工程と、前記分岐された信号経路のうち、いずれか１本の経路上で高周波バースト信号又は周回受信信号の位相をシフトさせる工程と、前記位相をシフトさせるシフト量を変化させ、この変化に対応する前記干渉出力の強度の変化に基づいて、前記位相差を得る工程と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定方法である。

請求項３に対応する発明は、請求項２に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、前記位相差を計測する工程としては、互いに異なる複数の時刻帯にて夫々実行される球状表面弾性波素子の駆動測定方法である。

請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、前記電気音響変換素子と前記校正用の電気音響変換素子とは、同一の３次元基材に形成されている球状表面弾性波素子の駆動測定方法である。

請求項５に対応する発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、前記校正用の電気音響変換素子が、３次元基材の内部にバルク波を励起すると共に、このバルク波を多重反射させて周回受信信号を遅延させる球状表面弾性波素子の駆動測定方法である。

請求項６に対応する発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、球状表面弾性波の伝搬経路のうち、少なくとも１通りの伝搬経路は、前記３次元基体の表面に形成された反応膜を含む球状表面弾性波素子の駆動測定方法である。

請求項７に対応する発明は、表面弾性波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、前記３次元基体の表面に個別に表面弾性波を励起し前記表面に沿い前記表面弾性波を伝搬させると共に、当該伝搬した表面弾性波を受信可能な電気音響変換素子と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、前記電気音響変換素子を駆動するための高周波バースト信号を発生する手段と、前記発生した高周波バースト信号を複数の信号線路に分岐する手段と、前記分岐した高周波バースト信号の少なくとも１つが電気音響変換素子に印加され、前記分岐した他の高周波バースト信号が校正用の電気音響変換素子に印加され、当該各電気音響変換素子からの周回受信信号が出力されるとき、前記分岐した２つの高周波バースト信号の印加後、意図した時刻帯における互いの周回受信信号間の位相差を計測する手段と、前記計測した位相差に基づいて、前記表面弾性波の伝搬速度の差異を検出する手段と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定装置である。

請求項８に対応する発明は、請求項７に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、前記位相差を計測する手段としては、前記周回受信信号同士を互いに干渉させ、得られた干渉出力を測定する手段と、前記分岐された信号経路のうち、いずれか１本の経路上で高周波バースト信号又は周回受信信号の位相をシフトさせる手段と、前記位相をシフトさせるシフト量を変化させ、この変化に対応する前記干渉出力の強度の変化に基づいて、前記位相差を得る手段と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定装置である。

請求項９に対応する発明は、請求項８に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、前記位相差を計測する手段が、互いに異なる複数の時刻帯にて夫々実行されることを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定装置である。

請求項１０に対応する発明は、請求項７乃至請求項９のいずれか１項に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、前記電気音響変換素子と前記校正用の電気音響変換素子とは、同一の３次元基材に形成されている球状表面弾性波素子の駆動測定装置である。

請求項１１に対応する発明は、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、前記校正用の電気音響変換素子が、３次元基材の内部にバルク波を励起すると共に、このバルク波を多重反射させて周回受信信号を遅延させる球状表面弾性波素子の駆動測定装置である。

請求項１２に対応する発明は、請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に対応する球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、球状表面弾性波の伝搬経路のうち、少なくとも１通りの伝搬経路が、前記３次元基体の表面に形成された反応膜を含む球状表面弾性波素子の駆動測定装置である。

（作用）
従って、請求項１，７に対応する発明は、測定用の表面弾性波と校正用の表面弾性波との位相差を計測することにより、直接的に伝搬速度の差異を検出するので、高周波信号及びクロック信号の高精度化を不要としつつ、高精度の測定を実現することができる。

請求項２，８に対応する発明は、位相差を計測する工程としては、測定用及び校正用の周回受信信号同士を干渉出力させながら、一方の経路の高周波バースト信号又は周回受信信号の位相をシフトさせ、シフト量の変化に応じた干渉出力の強度変化に基づいて、位相差を得るので、請求項１，７に対応する作用に加え、測定を容易に実行することができる。

請求項３，９に対応する発明は、位相差を計測する工程を複数の時刻帯で実行するので、請求項２，８に対応する作用に加え、位相差の時刻依存性が分かることから、２πラジアン以上の位相変化があった場合でも高い測定精度での測定を行なうことができ、時刻依存性を修正することができるようになるので、測定精度の向上を図ることができる。

請求項４，１０に対応する発明は、同一の３次元基材上に形成された電気音響変換素子を用いるので、請求項１〜３，７〜９に対応する作用に加え、測定温度などの測定環境を容易に共通化することができる。

請求項５，１１に対応する発明は、校正用の電気音響変換素子にて、素子内部にバルク波を多重反射させるので、請求項１〜４，７〜１０に対応する作用に加え、周囲の環境にほとんど影響されない校正用の弾性波を容易に作成することができる。

請求項６，１２に対応する発明は、少なくとも１通りの伝搬経路が、３次元基体の表面に形成された反応膜を含むので、請求項１〜５，７〜１１に対応する作用に加え、反応膜又は付着物の特性を測定することができる。

以上説明したように本発明によれば、高周波信号及びクロック信号の高精度化を不要としつつ、高精度の測定を実現できる球状表面弾性波素子の駆動測定方法及び装置を提供できる。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る球状表面弾性波素子の駆動測定装置の構成を示す模式図である。この駆動測定装置は、２つの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂを用いるもので、高周波信号発生部２０、駆動用スイッチ２１Ａ，２１Ｂ、計測用スイッチ２２Ａ，２２Ｂ、位相シフタ２３、増幅器２４、計測部２５及びスイッチ切換部２６を備えている。なお、高周波発生部２０と増幅器２４との間は、Ａで示す測定系と、Ｂで示す校正系との２系統の線路に分岐している。なお、測定系Ａ及び校正系Ｂは、合計２本の経路を表したが、合計３本以上の経路を設け、各系Ａ，Ｂ毎に測定結果を平均するように変形してもよい。

ここで、球状表面弾性波素子１０Ａは、球状部材表面に反応膜を有する測定用の素子であり、球状表面弾性波素子１０Ｂは、球状部材表面に何も施していない校正用の素子である。

各球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂは、反応膜の有無以外は互いに同一構成であるので、ここでは球状表面弾性波素子１０Ａを例に挙げて述べる。

球状表面弾性波素子１０Ａは、図２に示すように、固定用支持材１１の一端に支持された直径１ｃｍの水晶製の球状部材（３次元基体）１２と、この球状部材１２の表面において水晶の結晶軸から定義される一般にＺ軸シリンダと呼ばれる経路に沿って形成されたすだれ状電極（電気音響変換素子）１３とから構成されている。

球状部材１２は、すだれ状電極１３から励起される表面弾性波を伝搬可能な円環状の表面を有している。

すだれ状電極１３は、高周波バースト信号の入力により、球状部材１２の表面に個別に表面弾性波を励起し、この表面に沿い表面弾性波（ＳＡＷ）を伝搬させるためのすだれ状の要素電極１３ａ，１３ｂを備えている。なお、すだれ状電極には様々な形状が使用可能であり、電気信号を効率良く表面弾性波に変換するものであれば、特定の形状には限定されない。ここでは、図３に一部を拡大して示すように、要素電極１３ａ，１３ｂは、複数のすだれ部が約７０μｍの周期Ｄ毎に形成された形状となっている。

なお、表面弾性波がＺ軸シリンダ上を周回する周期は約１０μ秒であって、１００周以上の周回受信信号がすだれ状電極１３から周回毎に出力され、長いのべ伝搬距離によって周回速度の高精度測定を可能にしている。

一方、高周波信号発生部２０は、パルス幅が２μ秒の狭帯域の４５ＭＨｚ・ＲＦバーストの高周波信号を発生し、この高周波信号を２つの駆動用スイッチ２１Ａ，２１Ｂ向けに出力するものである。

駆動用スイッチ２１Ａ，２１Ｂは、高周波信号発生部２０と、対応する系Ａ，Ｂの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂとの間に個別に接続され、スイッチ切換部２６によりオン（導通）／オフ（しゃ断）制御されるスイッチである。

計測用スイッチ２２Ａは、測定用の球状表面弾性波素子１０Ａと位相シフタ２３との間に接続され、スイッチ切換部２６によりオン（導通）／オフ（しゃ断）制御されるスイッチである。

計測用スイッチ２２Ｂは、校正用の球状表面弾性波素子１０Ｂと増幅器２４との間に接続され、スイッチ切換部２６によりオン（導通）／オフ（しゃ断）制御されるスイッチである。

位相シフタ２３は、計測用スイッチ２２Ａを通過した周回受信信号を増幅器２４向けに出力する機能と、出力する前に、周回受信信号の位相を少なくとも０〜２πラジアン（ｒａｄ）の範囲内でシフト（移動）させる機能とをもっている。なお、位相シフタ２３は、高周波信号発生部２０と増幅器２４との間において、測定系Ａと校正系Ｂとが分岐している線路の途中であれば、任意の系の任意の位置に挿入可能となっている。

増幅器２４は、位相シフタ２３を通過した測定用の周回受信信号と、計測用スイッチ２２Ｂを通過した校正用の周回受信信号とが互いに干渉して得られる干渉信号を増幅して計測部２５に出力するものである。

計測部２５は、増幅器２５から入力された干渉信号の強度を測定する機能と、この強度に基づいて、干渉信号に含まれる測定用及び校正用の周回受信信号間の位相差を計測する機能と、得られた位相差に基づいて、両球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂ上の表面弾性波の伝搬速度の差異を検出する機能とをもっている。

スイッチ切換部２６は、図示しないタイマの動作に基づいて、計測開始時のみ駆動用スイッチ２１Ａ〜Ｂをオン制御する機能と、計測開始時から所定時間経過後の時刻帯（意図した時刻帯）のみ計測用スイッチ２２Ａ〜Ｂをオン制御する機能とをもっている。なお、計測用スイッチ２２Ａ〜Ｂのオン制御は、互いに異なる時間経過後の複数の時刻帯に実行しても良い。

次に、以上のように構成された球状表面弾性波素子の駆動測定装置による駆動測定方法について図４の波形図を参照しながら説明する。なお、図４（ａ）〜（ｆ）は、図１の（ａ）〜（ｆ）に対応する。

いま、高周波信号発生部２０は、図４（ａ）に示すように、４５ＭＨｚの高周波信号を発生すると共に、この高周波信号を出力する。出力された高周波信号は、２本の信号線路に分岐され、それぞれ駆動用スイッチ（ｓｗ）２１Ａ，２１Ｂに入力される。

駆動用スイッチ２１Ａ，２１Ｂは、図４（ｂ）に示すように、計測開始時のみオン状態に制御され、図４（ｃ）に示すように、オン状態の間だけ高周波信号を２つの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂのすだれ状電極１３に印加する。

各球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂは、高周波信号によりすだれ状電極１３が表面弾性波を励起する。励起された表面弾性波は、球状部材１２の表面上を約１０μ秒毎に周回してすだれ状電極１３に受信され、図４（ｄ）に示すように、周回毎に、周回受信信号としてすだれ状電極１３から計測用スイッチ２２Ａ，２２Ｂに出力される。

計測用スイッチ２２Ａ，２２Ｂは、図４（ｅ）に示すように、計測開始時から所定時間経過後の時刻帯のみオン状態に制御され、オン状態の間だけ周回受信信号を出力する。なお、計測用スイッチ２２Ａ，２２Ｂは、球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂを周回する表面弾性波が電気的な周回受信信号に変換される際に失う僅かなエネルギーを抑制し、表面弾性波の周回回数を延長するために、表面弾性波の励起直後にオフ状態に制御される。

計測用スイッチ２２Ａ及び位相シフタ２３を通過した周回受信信号と、計測用スイッチ２２Ｂを通過した信号とは互いに干渉し、干渉信号として増幅器２４に入力される。

増幅器２４は、図４（ｆ）に示すように、この干渉信号を増幅して計測部２５に出力する。

計測部２５は、この干渉信号の強度を測定し、得られた強度に基づいて、干渉信号に含まれる測定用及び校正用の周回受信信号間の位相差を計測する。なお、干渉信号の強度は、両素子１０Ａ，１０Ｂからの周回受信信号の位相差が０の場合には最高になり、逆に位相差がπラジアンの場合には最小あるいは０となる。

ここで、位相差を計測する方法としては、各素子１０Ａ，１０Ｂの周回受信信号のいずれか一方の位相を意図的に２πだけ変化させる方式を用いる。この方式は、一方の周回受信信号の位相を２πだけ変化させた際に、干渉信号の強度が正弦波状に変化することを利用しており、干渉信号の強度変化に基づいて現状（意図的に位相を変更しない初期状態〉の位相差を計測するものである。

具体的には、図５に示すように、測定用の球状表面弾性波素子１０Ａにアルブミン（被測定サンプル）を付着する前の位相シフトによる干渉信号の強度曲線を得ておき、次に、アルブミン付着後に全く同様の位相シフトによる干渉信号の強度曲線を得れば、アルブミン付着による位相変化（位相シフト量ΔＰ）を正確に得ることができる。この方式は、表面弾性波又は周回受信信号の中心周波数が時間と共にずれても、両素子１０Ａ，１０Ｂで全く同様の位相変化が起こることから測定精度を悪化させない利点を奏することができる。

次に、実際の測定で必要になる補正方法を説明する。図５に示したように、位相シフト量ΔＰを得られる場合、両素子１０Ａ，１０Ｂの周回受信信号は、位相シフト量△Ｐから２πの整数倍（ΔＰ＋Ｎ・２π；Ｎは整数）だけ変化しても、同じ測定結果が得られる。

このため、スイッチ切換部２６のタイマによって両素子からの出力時刻を短く設定することで、両素子上を周回する表面弾性波の周回速度の差による位相差が例えば１／２πを越えない充分小さい値である早い時刻で１回目に位相シフト量△Ｐ（１）を測定する。

次に、観測時刻を長く取り、２回目に位相シフト量△Ｐ（２）を測定する。測定時刻の長さの違いから、１回目の位相シフト量△Ｐ（１）に基づいて、２回目の位相シフト量△Ｐ（２）が△Ｐ＋Ｎ・２πのときのＮの値を推測できる。

徐々に、このような作業（フェイズアンラップと呼ばれる）を行なえば、十分なダイナミックレンジを確保しながら位相差を計測することができる。

係る位相差の計測方法は、連続的に位相が変化する球状表面弾性波出力の測定において非常に有効である。そこで、図６を用いて詳細に説明する。

駆動用スイッチ２１Ａ，２１Ｂをオン状態にした時から、計測用スイッチ２２Ａ，２２Ｂをオン状態にするまでを測定時刻Ｔとする。測定時刻Ｔ＝２００μ秒のとき及びＴ＝１０００μ秒のときの、夫々の位相シフト量ΔＰの測定値を測定値（２００）及び測定値（１０００）とする。

球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂにおける表面弾性波の周回速度がＴ＝２００〜１０００μ秒の間でほぼ一定とすると、△Ｐの測定値は測定時刻Ｔに比例して大きくなる。図６の場合、測定時刻Ｔ＝２００μ秒の時の測定値から、Ｔ＝１０００μ秒の時の測定値を類推（外挿）すると、測定値（１０００）から２π減じた値に近い値（類推測定値）が得られる。

ここで、測定値（１０００）の値は、測定値（１０００）−２πとした値（２π加減修正後の測定値）と修正され、両素子１０Ａ，１０Ｂの周回受信信号は、高周波信号の印加時から１０００μ秒間に測定値（１０００）−２π変化したと修正される。

次に、２つの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂの特性差を修正する方法について説明する。なお、この方法は、図３中、加減修正後の測定値から＋ｄＰ補正後の測定値を求める方式に対応する。

２πラジアンの加減修正は、２つの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂが全く同じ出力特性を持っている旨を前提とする。実際には、各素子１０Ａ，１０Ｂの周回路の長さの僅かな違い、また測定用の表面弾性波伝搬路に形成された反応膜やその温度依存性により、反応膜が反応していない状態でも両素子１０Ａ，１０Ｂの間に位相差（ｄＰ）が生じる。

この種の特性差による位相差（ｄＰ）は、表面弾性波の周回時間差に起因する誤差が時間Ｔの関数として直線状に得られるが、その他、測定時刻Ｔの違いに起因する誤差がある。これらの誤差に基づく測定値の追加修正が必要な場合、図７に示す如き、位相値ｄＰ（Ｔ）を補正すれば、各素子１０Ａ，１０Ｂの特性差による誤差を修正できる。

また、図７の例では測定時刻Ｔの違いに基いて補正したが、当然周囲温度の変化に従った修正データや、あるいはまた駆動する源信号の周波数に従った修正データをしても有用であり、複数のこれら変数の関数として補正値が定義されていても良い。

いずれにしても、計測部２６は、以上のような補正を行ない、最終的に位相差を計測する。しかる後、計測部２６は、計測した位相差に基づいて、両球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂ上の表面弾性波の伝搬速度の差異を検出する。具体的には、位相差ΔＰに高周波信号の周期ｔを乗じ、得られた値が表面弾性波の伝搬速度の差異となる。

上述したように本実施形態によれば、測定用の表面弾性波と校正用の表面弾性波との位相差を計測することにより、直接的に伝搬速度の差異を検出するので、高周波信号及びクロック信号の高精度化を不要としつつ、高精度の測定を実現することができる。

例えば高周波信号の周波数安定精度が１０００μ秒の間に３ｐｐｍも変化する様な場合では、測定が不可能になったり、せいぜい３ｐｐｍの精度しか得られないが、本実施形態の方法によれば、位相シフト量△Ｐの値の約３ｐｐｍに近い精度で測定可能である。一方、従来技術では時間Ｔの３ｐｐｍの精度でしか測定できない。

また、位相差を計測する際には、測定用及び校正用の周回受信信号同士を干渉出力させながら、一方の経路の高周波信号又は周回受信信号の位相をシフトさせ、シフト量の変化に応じた干渉出力の強度変化に基づいて、位相差を得るので、測定を容易に実行することができる。さらに、位相差の計測を複数の時刻帯で実行するので、位相差の時刻依存性を修正でき、測定精度の向上を図ることができる。

次に、第１の実施形態に関連する実施例１について述べる。
＜実施例１＞
図１において、直径１０ｍｍの水晶球のＺ軸シリンダ上に経路を形成した例を示す。

球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂは、前述した通りである。高周波信号の周波数は４５ＭＨｚ付近を中心周波数としている。位相シフタ２３としては、５０Ωの同軸信号ケーブル長を変更することで位相シフトする方法（株式会社 サムウエイ製、製品番号 Ｔ０７２−２０６６Ａ（４５ＭＨｚ））を採用した。

なお、位相シフタ２３は、測定系Ａと校正系Ｂとに分岐した直後に、測定系Ａの線路に直列に挿入した。なお、各素子１０Ａ，１０Ｂにおいて、測定用の素子１０Ａの球状部材１２の表面をサンプルに曝す前に、Ｔ＝４０μ秒及び８００μ秒で位相差を測定した結果、干渉信号の位相差が夫々０．３０３［ｒａｄ］及び４．２０５［ｒａｄ］であった。

次に、測定用の素子１０Ａを０．０１％のアルブミン蛋白溶液に３０分さらした後に１０回の純水リンスを行なって自然乾燥させ、再度、両素子１０Ａ，１０Ｂからの干渉信号をＴ＝２０μ秒及び８０μ秒にて図５の如き強度曲線を作成し、位相シフト量△Ｐを測定した。この測定結果を図８に示す。

図示するように、２２ｐｐｍの微小の表面弾性波の伝搬速度の変化を１ｐｐｍ以上の精度で検出することができた。

４０μ秒における付着による位相変化は、０．２４９ｒａｄであった。このため、８００μ秒における推定位相変化は、０．２４９×８００μ秒／４０μ秒＝４．９８０ｒａｄである。

付着後の４０μ秒における位相値４．２０５ｒａｄに基づいて、付着後の８００μ秒における予想位相値を、４．２０５ｒａｄ＋４．９８０ｒａｄ＝９．１８５ｒａｄ、と算出した。付着後の８００μ秒の位相値２．９１２は、この予想位相値と比較すると、２π（６．２８３）ｒａｄだけ既に変化した値であることが分かった。

よって、付着後の８００μ秒の測定値を２π（６．２８３）ｒａｄだけ加算した１．９１２ｒａｄ＋６．２８３ｒａｄ＝９．１９５ｒａｄが８００μ秒におけるフェイズアンラップした位相値とした。

付着処理前の値４．２０５ｒａｄからの位相変化は、４．９９ｒａｄと判明した。４５ＭＨｚにおいて４．９９ｒａｄの位相変化は２２ｐｐｍに相当し、この値から付着したアルブミン量を見積もることができた。

（第２の実施形態）
図９は本発明の第２の実施形態に係る球状表面弾性波素子の駆動測定装置の構成を示す模式図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について主に述べる。なお、以下の各実施形態等も同様にして重複した説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、２つの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂのすだれ状電極１３を、２つの球状部材１２に代えて、同一の球状部材１２に形成した構成となっている。

換言すると、本実施形態は、２つの球状表面弾性波素子１０Ａ，１０Ｂに代えて、測定用のすだれ状電極１３と、校正用のすだれ状電極１３とが同一の球状部材１２に形成されてなる球状表面弾性波素子１０Ｃを備えている。

以上のような構成によれば、同一の球状１２上に形成された２個のすだれ状電極１３を用いるので、第１の実施形態の効果に加え、測定温度などの測定環境を容易に共通化することができる。

次に、第２の実施形態に関連する実施例２について述べる。
＜実施例２＞
図１０はＬｉＮｂＯ_３結晶を用いた球状表面弾性波素子１０Ｃの構成を示す模式図である。この球状表面弾性波素子１０Ｃは、球状部材１２の表面に３対のすだれ状電極１３〜１５が形成されている。３対のすだれ状電極１３〜１５は、夫々、測定用第１経路ｒ１、測定用第２経路ｒ２及び校正用経路ｒ３を使用する。

ここで、校正用経路ｒ３は、球状部材１２の表面に何の処理も行われていない。
測定用第１及び第２経路ｒ１，ｒ２は、球状部材１２の表面に、１０ｎｍ厚のＰｄ（パラジウム）からなる反応膜が形成されており、水素を吸収するＰｄを用いて水素センサを構成している。

熱電対１６は、球状表面弾性波素子１０Ｃの温度を高精度に計測する観点から、ＬｉＮｂＯ_３の基材表面に直接、熱電対を蒸着によって形成して球表面の温度測定を行なえる構成とした。

この球状表面弾性波素子１０Ｃにおける，ある特定の時刻、例えばＴ＝７００μ秒での測定値の温度依存性を図１１に示す。この温度依存性は、図７とは別の種類の補正値ｄＰとして図７と同様に使用可能であり、前述した実施例１と同様に測定して求める。

また、本実施例２は、２本の測定用経路ｒ１，ｒ２を有するため、両測定結果からの測定結果の平均値を得ることができる。また、一方の測定用経路ｒ１に異物が付着した場合の突然の動作不良を他方の測定用経路ｒ２の測定結果と比較して検知し、使用者に警告することができる。

（第３の実施形態）
図１２は本発明の第３の実施形態に係る球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。
本実施形態は、校正用の電気音響変換素子を球表面の平面に形成してバルク波による構成を第２実施形態の球状表面弾性波素子１０Ｃに応用したものである。すなわち、本実施形態の球状電気音響変換素子１０Ｃ’は、校正系Ｃに使用される素子であり、前述した表面弾性波に代えて、高周波信号の入力により、弾性波を励起し素子内部にこの弾性波を多重反射させると共に、当該伝搬した弾性波を受信して電気的な受信信号を出力するものである。ここで、使用される電気音響変換素子３０，３１は、すだれ状電極で構成してもよいが、弾性表面波を励起するものではないから、すだれ状電極である必要は無く通常の円形や四角形の平面電極で構成する電気音響変換素子で構成することができる。

具体的には球状電気音響変換素子１０Ｃ’は、互いに対向する２つの平面領域１７を有する球状部材１２’と、２つの平面領域１７に個別に形成された電気音響変換素子３０，３１とを備えている。

これにより、校正用の球状電気音響変換素子１０Ｃ’は、駆動用スイッチ２１Ｂから高周波信号が入力された電気音響変換素子３０が弾性波を励起し素子内部にこの弾性波を多重反射させると共に、当該多重反射した弾性波を電気音響変換素子３１が受信して電気的な受信信号を計測用スイッチ２２Ｂに出力する。この場合、弾性波が素子内部を伝搬するので、ほとんど周囲の環境に影響されない。

従って、本実施形態によれば、周囲の環境にほとんど影響されない校正用の弾性波を容易に作成することができる。

なお、本実施形態は、図１３に示すように、１対の電気音響変換素子３０，３１を一方の平面領域１７に形成した球状表面弾性波素子１０Ｃ”に変形してもよい。このような変形例としても本実施形態と同様の効果を得ることができる。

第３の実施形態で述べた電気音響変換素子は、圧電材料をコンデンサ形状に平面電極で挟んだものでも良く、バルク波を球の内部に発生してその多重反射を出力するものであれば良い。

なお、本願発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る球状表面弾性波素子の駆動測定装置の構成を示す模式図である。 同実施形態における球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。 同実施形態におけるすだれ状電極の部分構成を示す模式図である。 同実施形態における駆動測定方法を説明するための波形図である。 同実施形態における位相差の計測方法を説明するための波形図である。 同実施形態における位相差の補正方法を説明するための図である。 同実施形態における補正値を説明するための図である。 同実施形態に関連する実施例１の結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る球状表面弾性波素子の駆動測定装置の構成を示す模式図である。 同実施形態に関連する実施例２の球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。 同実施例における補正値を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。 同実施形態における変形例の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ〜１０Ｃ”…球状表面弾性波素子、１１…固定用支持材、１２…球状部材、１３〜１５…すだれ状電極、１６…熱電対、１７…平面領域、２０…高周波信号発生部、２１Ａ，２１Ｂ…駆動用スイッチ、２２Ａ，２２Ｂ…計測用スイッチ、２３…位相シフタ、２４…増幅器、２５…計測部、２６…スイッチ切換部、３０，３１…電気音響変換素子、ｒ１〜ｒ３…経路、Ａ…測定系、Ｂ，Ｃ…校正系。

Claims (12)

1. 表面弾性波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、
   前記３次元基体の表面に個別に表面弾性波を励起し前記表面に沿い前記表面弾性波を伝搬させると共に、当該伝搬した表面弾性波を受信可能な電気音響変換素子と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、
   前記電気音響変換素子を駆動するための高周波バースト信号を発生する工程と、
   前記発生した高周波バースト信号を複数の信号線路に分岐する工程と、
   前記分岐した高周波バースト信号の少なくとも１つを電気音響変換素子に印加し、前記分岐した他の高周波バースト信号を校正用の電気音響変換素子に印加し、当該各電気音響変換素子からの周回受信信号を出力する工程と、
   前記分岐した２つの高周波バースト信号の印加後、意図した時刻帯における互いの周回受信信号間の位相差を計測する工程と、
   前記計測した位相差に基づいて、前記表面弾性波の伝搬速度の差異を検出する工程と、
   を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定方法。
2. 請求項１に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、
   前記位相差を計測する工程は、
   前記周回受信信号同士を互いに干渉させ、得られた干渉出力を測定する工程と、
   前記分岐された信号経路のうち、いずれか１本の経路上で高周波バースト信号又は周回受信信号の位相をシフトさせる工程と、
   前記位相をシフトさせるシフト量を変化させ、この変化に対応する前記干渉出力の強度の変化に基づいて、前記位相差を得る工程と、
   を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定方法。
3. 請求項２に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、
   前記位相差を計測する工程は、互いに異なる複数の時刻帯にて夫々実行されることを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、
   前記電気音響変換素子と前記校正用の電気音響変換素子とは、同一の３次元基材に形成されていることを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、
   前記校正用の電気音響変換素子は、３次元基材の内部にバルク波を励起すると共に、このバルク波を多重反射させて周回受信信号を遅延させることを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定方法において、
   球状表面弾性波の伝搬経路のうち、少なくとも１通りの伝搬経路は、前記３次元基体の表面に形成された反応膜を含むことを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定方法。
7. 表面弾性波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、
   前記３次元基体の表面に個別に表面弾性波を励起し前記表面に沿い前記表面弾性波を伝搬させると共に、当該伝搬した表面弾性波を受信可能な電気音響変換素子と、を備えた球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、
   前記電気音響変換素子を駆動するための高周波バースト信号を発生する手段と、
   前記発生した高周波バースト信号を複数の信号線路に分岐する手段と、
   前記分岐した高周波バースト信号の少なくとも１つが電気音響変換素子に印加され、前記分岐した他の高周波バースト信号が校正用の電気音響変換素子に印加され、当該各電気音響変換素子からの周回受信信号が出力されるとき、前記分岐した２つの高周波バースト信号の印加後、意図した時刻帯における互いの周回受信信号間の位相差を計測する手段と、
   前記計測した位相差に基づいて、前記表面弾性波の伝搬速度の差異を検出する手段と、
   を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定装置。
8. 請求項７に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、
   前記位相差を計測する手段は、
   前記周回受信信号同士を互いに干渉させ、得られた干渉出力を測定する手段と、
   前記分岐された信号経路のうち、いずれか１本の経路上で高周波バースト信号又は周回受信信号の位相をシフトさせる手段と、
   前記位相をシフトさせるシフト量を変化させ、この変化に対応する前記干渉出力の強度の変化に基づいて、前記位相差を得る手段と、
   を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定装置。
9. 請求項８に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、
   前記位相差を計測する手段は、互いに異なる複数の時刻帯にて夫々実行されることを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定装置。
10. 請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、
    前記電気音響変換素子と前記校正用の電気音響変換素子とは、同一の３次元基材に形成されていることを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定装置。
11. 請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、
    前記校正用の電気音響変換素子は、３次元基材の内部にバルク波を励起すると共に、このバルク波を多重反射させて周回受信信号を遅延させることを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定装置。
12. 請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載の球状表面弾性波素子の駆動測定装置において、
    球状表面弾性波の伝搬経路のうち、少なくとも１通りの伝搬経路は、前記３次元基体の表面に形成された反応膜を含むことを特徴とする球状表面弾性波素子の駆動測定装置。

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