JP2008128856A

JP2008128856A - 球状表面弾性波素子を用いた計測装置

Info

Publication number: JP2008128856A
Application number: JP2006315143A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Nakajima; 英実中島; Takumi Suemoto; 匠末本
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】
回路構成の簡素化が可能で、位相変化も正確に検出できる球状表面弾性波素子を用いた計測装置を提供する。
【解決手段】
球状表面弾性波素子の表面電極にバースト状の駆動信号を印加し、駆動信号によって球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動による信号を用いて計測する球状表面弾性波素子を用いた計測装置において、駆動信号発振部からの位相差および振幅レベルの検出の基準信号と、球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動から電気信号に変換され、再び受信処理部へ戻ってくる信号とを乗算回路部に加え検波し、低い周波数成分のみを通過させ、球状表面弾性波素子の表面周囲の状況変化による超音波振動変化を検出信号として取り出す計測装置において、検波回路等の周囲温度などによる変化分を取り除く回路を付加した球状表面弾性波素子を用いた計測装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は球状表面弾性波素子を用いた計測装置に係り、該球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動から電気信号に変換された受信信号において、超音波振動の振幅と位相を検出する技術に関する。

近年、平板形状でなく、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となるとき、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。

駆動信号として球状表面弾性波素子に印加する高周波バースト信号の周波数は、球状表面弾性波素子上のすだれ状電極の形状や、基材表面の付着物や円環状領域に成膜された反応膜等で決まるものである。

特許文献等は以下の通りである。
国際公開ＷＯ０１／４５２５５号公報

ところで、球状表面弾性波素子の基材表面上に多重周回する表面弾性波振動を発生させるために、駆動系回路から該素子のすだれ状電極に高周波バースト信号を印加するわけだが、高周波信号が印加されていないタイミングでは、該すだれ状電極には多重周回する表面弾性波振動が微弱ながらも電気信号として発生している。そして、該基材表面の状態や、該基材表面への分子の付着等により、表面弾性波振動が変化するので、これに応じて電気信号も変化する。

よって、高周波バースト信号を印加し、高周波がＯＦＦのタイミングの時に、該すだれ状電極から微弱な電気信号を取り出し、増幅・信号処理を行うことによって、球状表面弾性波素子の基材表面状態を推測することが可能となる。そして、この結果と周囲状況との関係が予め分かっていれば、各種センサとしての応用分野が期待される。

ここで、該すだれ状電極から微弱な電気信号を検出する方法だが、従来は図４に示す回路ブロック構成図のような方法で行われていた。先ず、該すだれ状電極からの電気信号は非常に微弱であるため、増幅器を介して増大される。そして、この信号は高周波成分であるため、処理しやすいように別の発振源（局部発振器）と周波数変換器を用いて、信号処理の行いやすい低い周波数帯（中間周波）に変換させる。この方式はいわゆるヘテロダイン方式でもある。

そして、中間周波数帯のフィルタを介し、復調して振幅成分の変化を取り出している。また、図示してないが、周波数変換に用いる別の発振源（局部発振器）の基準信号と比較することによって位相変化分も検出することが出来る。

また、別の検出方式として図５に示すような回路ブロック構成も考えられる。図５は測定用の球状表面弾性波素子（Ａ）と校正用の球状表面弾性波素子（Ｂ）の二つを配置し、高周波信号発生部からの高周波信号をスイッチ（Ａ１）およびスイッチ（Ｂ１）によって測定用および校正用球状表面弾性波素子にそれぞれ別のタイミングでバースト信号の形状で印加される。そしてスイッチ（Ａ２）、スイッチ（Ｂ２）では、バースト信号発生外のタイミング、つまりスイッチ（Ａ１）およびスイッチ（Ｂ１）がＯＦＦの状態でＯＮとなり、各球状表面弾性波素子から微弱な電気信号を増幅部・計測制御部へと伝送され、測定用および校正用の球状表面弾性波素子からの信号差を基にして計測動作が行われる。

しかしながら、図４による周波数変換方式による検出方式では、次のような問題点が存在する。先ず、中間周波数帯に変換するために別の発振源（局部発振器）が必要であり、そのため回路構成が複雑になり、発振出力の安定性などが要求される。また、昨今の球状表面弾性波素子の研究においては、該基材表面状態の変化による表面弾性波振動への影響は振幅変化のみならず、位相変化にも大きく関与していることが分かってきた。よって、表面弾性波振動による電気信号の振幅変化と位相変化を正しく検出することが重要となってきた。しかし、従来のヘテロダイン方式では振幅変化は捉えられるものは得意ではあるが、位相の変化量を正確に検出することは不得手である。位相変化を検出するためには図示している回路ブロック以外に位相検出のための各種機能ブロックが必要になり、回路構成が大変複雑になってしまう。

また、図５による方式においては測定用および校正用の球状表面弾性波素子の二つを用意する必要があり、高周波駆動信号を各球状表面弾性波素子に独立して供給するため、高周波信号発生部から各素子までの高周波特性、および各素子から計測制御部までの高周波特性などが完全に等しくなければ測定誤差の原因となってしまう。また、この高周波経路の特性を全く同じにすることは非常に困難である。

そこで本発明は上記事情を考慮してなされたものであり、球状表面弾性波素子を用いた計測装置において、該球状表面弾性波素子の基材表面の状態や、該基材表面への分子の付着等による表面弾性波振動の変化に伴なう、すだれ状電極に発生する微弱な電気信号の振幅変化および位相変化を正確に且つ簡単な回路構成で検出できる装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段として、
請求項１に記載の発明は、球状表面弾性波素子の表面電極にバースト状の駆動信号を印加し、該駆動信号によって球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動による信号を用いて計測する球状表面弾性波素子を用いた計測装置において、駆動信号発振部からの位相差および振幅レベルの検出の基準信号と、該球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動から電気信号に変換され、再び受信処理部へ戻ってくる信号とを乗算回路部に加え検波し、低い周波数成分のみを通過させ、該球状表面弾性波素子の表面周囲の状況変化による超音波振動変化を検出する検出信号として取り出す計測装置において、検波回路等の周囲温度などによる変化分を取り除く回路を付加したことを特徴とする球状表面弾性波素子を用いた計測装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の球状表面弾性波素子の表面電極にバースト状の駆動信号を印加し、該駆動信号によって球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波
振動による信号を用いて計測する球状表面弾性波素子を用いた計測装置において、２系統の乗算回路部を具備しており、駆動信号発振部からの基準信号が同位相で等分配された後、１系統の乗算回路部にはそのまま基準信号として入力し、別の１系統の乗算回路部には９０度位相をシフトして基準信号として入力され、さらに該球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動から電気信号に変換され、再び受信処理部へ戻ってくる受信信号は同位相で等分配された後、各乗算回路部に加わり、２系統の乗算回路部での検波後、低い周波数成分のみを通過させて得られる、２系統の異なる超音波振動変化を検出する検出信号を基にして、周回する超音波振動の振幅と位相を検出する計測装置において、各乗算回路部等の周囲温度などによる変化分を取り除く回路を付加したことを特徴とする球状表面弾性波素子を用いた計測装置である。

従って、請求項１から２に対応する発明では、球状表面弾性波素子の基材表面における表面弾性波振動の変化によるすだれ状電極に発生する電気信号と、駆動信号発振部からの基準信号とを、乗算回路部に加え検波する方式であるため、従来の周波数変換方式に比べて局部発振器が不要であり、かつ、基準信号と検出信号を直接的に比較するため、基準信号の周波数変動に強く、周波数変換方式に比べ確実に位相検出が行える。そして全体の回路構成も簡単にできる。また、測定用および校正用の球状表面弾性波素子の二つを用意する必要がなく、シンプルであり全体の回路構成上で測定用の系と校正用の系の高周波特性を全く同じにする必要がなくなる。

本発明によれば、球状表面弾性波素子の基材表面の状態や、該基材表面への分子の付着等による表面弾性波振動の変化に伴なう、すだれ状電極に発生する微弱な電気信号の振幅変化および位相変化を検出する方法として、従来方式である、局部発振器と周波数変換器を用いての周波数変換方式いわゆるヘテロダイン方式に比較して、回路構成の簡素化が可能であり、また、振幅変化のみならず位相変化を正確に検出することができた。また、測定用および校正用の球状表面弾性波素子の二つを用意して各素子にダイレクトに高周波信号を印加し、それぞれの検出信号から比較処理する方式のように回路全体における高周波特性の安定性を追求する必要がなく、比較的簡単な回路構成で振幅変化・位相変化を検出することができた。

では、本発明における実施形態を図１に示す回路構成ブロック図を用いて説明する。

図１は球状表面弾性波素子の基材表面を周回する超音波振動からすだれ状電極に発生する微弱な電気信号を検出するための、駆動信号発振部から検出部までの回路構成のブロック図である。

先ず、球状表面弾性波素子１の基材表面上に多重周回する表面弾性波振動を発生させるための高周波エネレギーｆ_pは駆動信号発振部２で作られる。そして方向性結合器３を介して高アイソレーションの高周波スイッチ部４を経由して高周波増幅部５に送られ、ここで該球状表面弾性波素子を駆動させるために必要な高周波エネルギーレベルまで増幅される。

その後、高アイソレーションであり、高出力に耐えられる高周波パワースイッチ部６、および送受信切換部７を介して、球状表面弾性波素子側の入力インピーダンスとのインピーダンス整合を整合器８で行い、球状表面弾性波素子１に高周波エネルギーが印加される。

ここで、駆動信号発振部２からの出力は常に連続波であるが、制御部９のコントロール
信号によって高周波スイッチ部４、高周波パワースイッチ部６、送受信切換部７が同時に切り換わるので、球状表面弾性波素子には高周波エネルギーがＯＮ−ＯＦＦされたバースト信号の形態で印加されることになる。ＯＮ時に図示しないすだれ状電極に与えられた高周波エネルギーによって、球状表面弾性波素子１の基材表面上には表面弾性波振動が発生し、多重周回を行う。そして、高周波エネルギーがＯＦＦ時、該すだれ状電極には表面弾性波素子の表面状態によって影響を受けた多重周回信号が微弱レベルの電気信号ｆ_rとして発生し、プリアンプ部１０へ送られ増幅される。

このとき、各スイッチ部４、６は高アイソレーション特性であるため、駆動信号発振部２からの漏れ信号成分が殆どない状態である。増幅された電気信号は、２系統の乗算回路であるＩ系統乗算回路部１１と、Ｑ系統乗算回路部１２に入力するために、受信信号側分配器１３の出力部において、その信号が同位相で且つ同レベルになるように動作する受信信号側分配器１３に加えられる。

一方、各乗算回路部１１、１２にて、表面弾性波素子の表面状態によって影響を受けた多重周回の電気信号ｆ_rとの比較に必要な基準信号は次のようにして作られる。先ず、駆動信号発振部２から出力された信号の一部を方向性結合器３によって取り出して基準信号側分配器１４に加えられ、２系統に分配される。そして、その出力部では同位相・同レベルの信号になるようにしてある。ここで、Ｉ系統乗算回路部１１へ基準信号の供給はそのまま行われ、基準信号ｆ_piとするが、Ｑ系統乗算回路部１２への基準信号供給は９０°位相器１５を介して、位相のみを９０°ずらしての基準信号ｆ_pqとして乗算回路部１２に加えられる。この時、Ｉ系統とＱ系統へのそれぞれの入力部分での基準信号ｆ_piとｆ_pqの関係は、レベルがお互いに等しく、９０°位相差を持つ信号形態であることが重要である。また、各乗算回路部１１、１２における、球状表面弾性波素子からの信号入力部での信号は、レベルが互いに等しく位相差が０°であることが重要である。

尚、位相器１５における９０°位相をシフトする方法として、伝送線路による遅延方法や、分配器１４と位相器１５を一体化し、コイルとコンデンサの組み合わせによって、各出力端子において同レベルであり位相差が９０°ある出力信号が得られるようにする方法でも構わない。

次に非線形素子である乗算回路部１１，１２に基準信号ｆ_pと、表面弾性波素子からの多重周回による電気信号ｆ_rが加わった時のその出力における信号成分について説明する。

先ず、基準信号ｆ_pをＡ_pｃｏｓ（ωｔ）とし、球状表面弾性波素子からの受信信号をＡ_Rｃｏｓ（ωｔ＋θ）とする。乗算回路部の入出力特性は非線形であるため、その入力信号をｅ_in、出力をｅ_outとすると
ｅ_out＝Ｋ₁ｅ_in＋Ｋ₂ｅ_in ²＋Ｋ₃ｅ_in ³＋・・・・・で現される。

ここで一般的に３次項以降は出力が小さいので無視できる。よって、入力信号をｅ_in、に基準信号ｆ_pと受信信号ｆ_rの和を代入して計算すると、１次項より、それぞれの周波数成分の信号が発生し、２次項よりそれぞれの２次高調波成分および位相差θによる直流成分であるＫ₂・Ａ_p・Ａ_Rｃｏｓ（θ）の信号Ｓ_qが出力される。

同様にして、基準信号側を９０°ずらして計算すると、その信号出力Ｓ_iはＫ₂・Ａ_p・Ａ_Rｓｉｎ（θ）となる。よって、上式から分かるように各乗算回路部１１、１２の出力後に直流成分は通過し、基準信号ｆ_pの周波数成分以上を阻止するローパスフィルター部１６、１７を介した検波信号はＳ_q、Ｓ_iは基準信号ｆ_pと球状表面弾性波素子からの受信信号ｆ_rとの位相差（θ）によって変化することが分かる。また、上式で回路定数Ｋ₂およ
び基準信号ｆ_pの振幅成分Ａ_pは一定であるため、受信信号ｆ_rの振幅成分Ａ_Rによっても変化することが分かる。そして、この二つの検波信号Ｓ_q、Ｓ_iより演算処理すれば、振幅成分Ａ₀および位相差（θ）が求まる。最も分かりやすい方法として、図３に示すようにオシロスコープのＸ軸上にＳ_q信号、Ｙ軸上にＳ_i信号を入力しリサージュ図形を描かせると図３のように位相差（θ），振幅成分Ａ₀が表示される。すなわち、直交座標系で表わすと円周状の点で表わされることになる。

しかし、ここで問題になるのが各乗算回路部１１、１２における回路定数Ｋ₂の変動である。これは、乗算回路部が非線形素子であるため、一般的にはダイオードなどの半導体素子が使われているものを用いる。従って半導体には周囲の温度変化によるドリフトが付き物であり、よって検波出力Ｓ_q、Ｓ_iも周囲温度によって直流成分のドリフトが加わり、それぞれの検波出力が図３におけるＸ軸上およびＹ軸上で直流的なシフトが加わり、正確な位相差成分（θ），振幅成分Ａ₀が検出できなくなるのも当然である。

本発明では、このような問題を解決するためにサンプルホールド部１８、１９および補正処理部２０、２１によって直流成分のドリフトを補正し正確な測定を行うことである。その補正方法として図２を用いて説明する。図２は球状表面弾性波素子に加わる高周波バースト信号ｆ_pと、球状表面弾性波素子からの受信信号ｆ_rとの時間的関係を示した図である。バースト信号ｆ_pが球状表面弾性波素子に加えられ、ｎ周回した表面弾性波から得られる電気的な受信信号ｆ_rnを検出しようとする時（Ｔ_n）、バースト信号ｆ_p発生中のタイミングＴ_calでサンプルホールド部１８、１９を動作させ、その時の検波出力Ｓ_q、Ｓ_iを保持させる。このタイミングＴ_calにおいて送受信切換部７は駆動信号発振部２側と接続されており、受信側（プリアンプ部１０側）には接続されていない。従って、各乗算回路部１１、１２による検波信号Ｓ_q、Ｓ_iの理想はゼロである。しかし実際には前記した温度ドリフト等により多少の出力電圧をもってしまう。この出力電圧が球状表面弾性波素子からの信号ｆ_rを受信中においては検波信号Ｓ_q、Ｓ_iに重乗され誤差の要因となってしまう。よって、受信信号ｆ_rを受信中の期間では、この保持された出力電圧を補正処理部２０、２１において補正値として利用し、正確な検波出力として次段の直流増幅部２２、２３に引き渡される。

直流増幅部２２、２３では、その後の位相振幅演算処理部２４が演算を施しやすいレベルＳ_I、Ｓ_Qまで増幅され、位相振幅演算処理部２４では図３に示すような内容の信号処理をして正確な位相差成分（θ），振幅成分Ａ₀を算出することができる。

このような手段を用いることによって、球状表面弾性波素子の基材表面の状態や、該基材表面への分子の付着等による表面弾性波振動の変化に伴なう、すだれ状電極に発生する微弱な電気信号の振幅変化および位相変化を検出することにおいて、従来方式のように局部発振器と周波数変換器を用いての周波数変換方式いわゆるヘテロダイン方式に比較して、回路構成の簡素化が可能であり、振幅変化と位相変化を正確に検出することができる。また、測定用および校正用の球状表面弾性波素子の二つを用意してのダイレクト高周波信号印加方式のように回路全体の高周波特性の安定性を重視することなく、比較的簡単な回路構成で振幅変化・位相変化を検出することができる。

本発明における実施形態を示した回路構成のブロック図である。本発明における実施形態での時間的な関係を示した図である。本発明における実施形態での検波信号の関係を示した図である。従来のヘテロダイン方式における実施形態を示した回路構成のブロック図である。従来の測定校正分離方式における別の実施形態を示した回路構成のブロック図である。

符号の説明

１・・・球状表面弾性波素子
２・・・駆動信号発振部
３・・・方向性結合器
４・・・高周波スイッチ部
５・・・高周波増幅部
６・・・高周波パワースイッチ部
７・・・送受信切換部
８・・・整合器
９・・・制御部
１０・・・プリアンプ部
１１・・・Ｉ系統乗算回路部
１２・・・Ｑ系統乗算回路部
１３・・・受信信号側分配器
１４・・・基準信号側分配器
１５・・・９０°位相器
１６、１７・・・ローパスフィルター部
１８、１９・・・サンプルホールド部
２０、２１・・・補正処理部
２２、２３・・・直流増幅部
２４・・・位相振幅演算処理部

Claims

球状表面弾性波素子の表面電極にバースト状の駆動信号を印加し、該駆動信号によって球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動による信号を用いて計測する球状表面弾性波素子を用いた計測装置において、駆動信号発振部からの位相差および振幅レベルの検出の基準信号と、該球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動から電気信号に変換され、再び受信処理部へ戻ってくる信号とを乗算回路部に加え検波し、低い周波数成分のみを通過させ、該球状表面弾性波素子の表面周囲の状況変化による超音波振動変化を検出信号として取り出す計測装置において、検波回路等の周囲温度などによる変化分を取り除く回路を付加したことを特徴とする球状表面弾性波素子を用いた計測装置。
請求項１に記載の球状表面弾性波素子の表面電極にバースト状の駆動信号を印加し、該駆動信号によって球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動による信号を用いて計測する球状表面弾性波素子を用いた計測装置において、２系統の乗算回路部を具備しており、駆動信号発振部からの基準信号が同位相で等分配された後、１系統の乗算回路部にはそのまま基準信号として入力し、別の１系統の乗算回路部には９０度位相をシフトして基準信号として入力され、さらに該球状表面弾性波素子の表面を周回する超音波振動から電気信号に変換され、再び受信処理部へ戻ってくる受信信号は同位相で等分配された後、各乗算回路部に加わり、２系統の乗算回路部での検波後、低い周波数成分のみを通過させて得られる、２系統の異なる超音波振動変化を検出する検出信号を基にして、周回する超音波振動の振幅と位相を検出する計測装置において、各乗算回路部等の周囲温度などによる変化分を取り除く回路を付加したことを特徴とする球状表面弾性波素子を用いた計測装置。