JP2009243982A - 弾性表面波センサ素子及び弾性表面波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を少なくして製造コストを低減でき、低消費電力でジッタの影響を受け難い高性能のＳＡＷセンサを提供する。
【解決手段】ＳＡＷセンサ１１はＳＡＷセンサ素子１２とそれからの信号を処理するための集積回路１３とを有する。ＳＡＷセンサ素子１２は、片持ちに支持される圧電基板１４が固定端側の厚板部１６ａと自由端側の厚板部１６ｂとそれらの間の薄板部１６ｃとを有する。薄板部には検出用ＳＡＷ共振子１７が、固定端側の厚板部には基準用ＳＡＷ共振子１８が、自由端側の厚板部１６ｂには第１及び第２クロック用ＳＡＷ共振子１９，２０が形成される。集積回路は、検出用及び基準用ＳＡＷ共振子にそれぞれ接続した検出用及び検出用発振回路２１，２２と、第１及び第２クロック用ＳＡＷ共振子１９，２０にそれぞれ接続した第１及び第２クロック用発振回路２３，２４と、それらに接続した周波数混合器２９，３２及び周波数検波部３１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電基板上に形成したＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）により励振される弾性表面波（ＳＡＷ）を利用して、加速度、外力、変位等を検出測定するＳＡＷセンサ及びそれに使用するためのＳＡＷセンサ素子に関する。

従来、ＳＡＷを利用して加速度、外力又は変位を測定する様々なセンサが提案されている（特許文献１乃至３）。例えば、特許文献１記載の外力センサは、圧電材料からなる長板状のビームを片持ちに支持し、該ビームの表裏両面にそれぞれＳＡＷを励振する送信電極及び受信電極と増幅器とからなる発振器を設けた構成を有する。前記ビームが外力の作用により撓むと、その表面に生じた歪みによりＳＡＷの伝搬速度が変化して両発振器の発振周波数が変化するので、それら発振周波数の差をローパスフィルタで取り出して、外力の大きさを測定する。更に特許文献２記載の傾斜センサは、カンチレバーの両面に形成したＳＡＷ共振器の送信電極及び受信電極の電極パターンを互いに相似パターンとすることにより、両ＳＡＷ共振器の温度特性の相違に起因する差周波数の温度ドリフトを抑えて計測精度の向上を図っている。

また、特許文献３記載の外力センサは、同様に片持ちに支持したカンチレバーの表面にそれぞれ櫛形電極からなる送信部及び受信部を有するＳＡＷ共振器が配置されている。送信部及び受信部を前記カンチレバーの長さ方向に配置した実施例では、該レバーの長さ方向即ち上下の変位を検出でき、該レバーの長さ方向と垂直に即ち幅方向に配置した実施例では、ねじれ即ち幅方向の変位を検出することができる。更に、前記カンチレバーの表面に２つの平行に配置した受信部と共通の送信部とを設けた実施例では、各受信部の信号の和と差とから長さ方向の変位及びねじれ変位を同時に検出することができる。

更に、ＳＡＷを利用して圧力を測定する圧力センサ装置が知られている（例えば、特許文献４を参照）。この圧力センサ装置は、圧電基板の厚みを薄くした肉薄部に圧力検出用ＳＡＷ素子を設け、かつそれ以外の肉厚部に参照用ＳＡＷ素子を設け、両ＳＡＷ素子の共振周波数の差分をとり、その変化により圧力を検出する。

これらのセンサには、取り出した発振周波数の差分を演算処理して目的の加速度等を得るために、信号処理回路が接続される。この信号処理回路を構成するＭＰＵ等のデバイスは、信号処理のタイミングをとるための基準信号としてクロック信号を必要とし、一般に厚みすべりモードのＡＴカット水晶発振器やＳＡＷ発振器等の圧電発振器がクロック発生器として使用されている。ＳＡＷ発振器は、ジッタと呼ばれるクロック信号のゆらぎを抑制でき、機械的な振動に強いことから、携帯電話等の通信機器に広く採用されている（例えば、特許文献５を参照）。ＳＡＷ発振器において高い周波数安定度及び低コスト化を図るために、互いに異なる共振周波数及び温度−周波数特性を持つ一対の共振子を１つの圧電性基板上に設け、それらに接続した各発振回路からの発振周波数差を発振信号として出力する構成が提案されている（例えば、特許文献５を参照）。

特開平２−２２８５３０号公報 特開平５−１４１９６９号公報 特開平９−１３３６９１号公報 特再表ＷＯ２００５／０５２５３３号公報 特開２００３−１２４８０４号公報 特開平８−７０２３２号公報

図６（Ａ）、（Ｂ）は、加速度センサとして使用される従来の一般的なＳＡＷセンサの構成を例示している。このＳＡＷセンサ１は、水平なベース２に支持されたＳＡＷセンサ素子３を備える。ＳＡＷセンサ素子３は、水晶等からなる矩形平板状の圧電基板４とその上側主面に形成されたＳＡＷ共振子５とを有する。圧電基板４は、一方の長さ方向端部４ａ側に厚板支持部６ａと、反対側の長さ方向端部４ｂ側に厚板部６ｂと、それらの間の中央領域の下面に凹部を形成して設けた薄板部６ｃとを有する。ＳＡＷセンサ素子３は、圧電基板４の厚板支持部６ａをベース２に接着剤７で固定しかつ厚板部６ｂ及び薄板部６ｃをベース２にから浮かせて、概ね水平に片持ちに支持される。

ＳＡＷ共振子５は、ＳＡＷ伝搬方向に沿って１対の交差指電極８ａ，８ｂからなるＩＤＴ８とその両側に各１つの反射器９，９とを有する。ＩＤＴ８及び反射器９，９は、該ＩＤＴにより励振するＳＡＷの伝搬方向を圧電基板４の長さ方向に整合させて配置されている。ＩＤＴ８の交差指電極８ａ，８ｂは、それぞれバスバーから引き出した配線を介して厚板支持部６ａ上の電極パッド１０ａ，１０ｂに接続されている。

ＳＡＷセンサ素子３は、加速度等による外力Ｆが厚板部６ｂにその主面に関して垂直下向きに作用すると、薄板部６ｃを下方へ撓ませながら、自由端の長さ方向端部４ｂが下向きに変位する。これにより薄板部６ｃの上側主面には、圧電基板４の長さ方向に引張応力が発生し、かつ下面には圧縮応力が発生する。逆向きに外力Ｆが作用して圧電基板４が上方へ撓むと、薄板部６ｃの上側主面には、圧電基板の長さ方向に圧縮応力が発生し、かつ下面には引張応力が発生する。この引張又は圧縮応力が薄板部６ｃ上側主面におけるＳＡＷ伝搬速度を変化させ、これが、ＳＡＷセンサ素子３の電極パッド１０ａ，１０ｂから出力される発振周波数の変化として検出され、それを演算処理して外力Ｆの大きさ及び／又は向きを測定する。

ＳＡＷセンサ１には、前記発振周波数の変化を処理するために信号処理回路が接続される。信号処理回路は、ＳＡＷセンサ素子３とは別個の様々な電子部品で構成される。そのため、センサ全体として部品点数が多くなり、組立工数が増え、コストの増加や製造歩留まりの低下を招くという問題が生じる。更に、部品点数が多いと、装置全体が複雑な構成になったり大型化する虞がある。

また、ＳＡＷセンサの信号処理回路には、クロック信号を必要とするＭＰＵ等の電子部品が含まれる。従って、装置全体の消費電力を低減するためには、信号処理に要するクロック発生器も低消費電力化を図ることが望ましい。数ＭＨｚ程度の低周波発振器として従来から多く使用されているＡＴカット水晶発振器は、それ自体が比較的大きいので、装置全体が大型化するという問題を生じる。

他方、情報通信の高速化、大容量化に伴い、ジッタの少ない高精度なクロック信号が必要になっている。しかしながら、センサの信号処理回路の部品点数が多いと、それだけ配線が長くなったり複雑に引き回されるなどして、ジッタ等の雑音を発生したり外部から雑音を受ける虞が大きくなる。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を少なくして製造コストを低減することができ、かつ低消費電力でジッタ等の雑音の影響を受け難い高性能のＳＡＷセンサを実現することにある。
本発明の別の目的は、かかるＳＡＷセンサを実現するのに適したＳＡＷセンサ素子を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板、圧電基板の薄板部上に形成されてＳＡＷを励振するための検出用ＩＤＴ、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための基準用ＩＤＴ、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための第１クロック用ＩＤＴ、及び圧電基板の厚板部上に形成されて、該第１クロック用ＩＤＴとは異なる周波数のＳＡＷを励振するための第２クロック用ＩＤＴを備えるＳＡＷセンサ素子と、該ＳＡＷセンサ素子の検出用ＩＤＴに接続した検出用発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の基準用ＩＤＴに接続した基準用発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の第１クロック用ＩＤＴに接続した第１クロック用発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の第２クロック用ＩＤＴに接続した第２クロック用発振回路と、検出用発振回路及び基準用発振回路の各出力に接続したセンサ用周波数混合器と、センサ用周波数混合器に接続したセンサ用周波数検波器と、第１クロック用発振回路及び第２クロック用発振回路の各出力に接続したクロック用周波数混合器と、クロック用周波数混合器に接続した周波数検波器とを備えるＳＡＷセンサが提供される。

このＳＡＷセンサは、外力等の負荷がＳＡＷセンサ素子に作用すると、それによる薄板部表面の歪みがＳＡＷの伝搬速度を変化させることによって、センサ用周波数混合器から取り出される検出側の発振周波数と基準側の発振周波数との差分及び和分が、無負荷状態での周波数値から変動する。これを周波数検波器でセンサ信号として取り出して処理することによって、作用した外力等が検出される。更に、第１クロック用ＩＤＴと第１クロック用発振回路とにより第１クロック発振器が構成され、かつ第２クロック用ＩＤＴと第２クロック用発振回路とにより第２クロック発振器が構成されるので、それらの発振周波数の差分を周波数とするクロック信号をＳＡＷセンサ素子から発生させ、前記センサ信号を処理するために利用することができる。このクロック信号は、例えば前記センサ信号を出力するタイミングの基準信号として、又は前記センサ信号の出力後に必要な信号処理のために用いることができる。

第１及び第２クロック用ＩＤＴが、検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと同じ圧電基板上に形成されるので、ＳＡＷセンサ全体として部品点数を少なくしかつ構成を簡単にすることができる。第１及び第２クロック用ＩＤＴは、その電極ピッチを僅かに変えて形成することにより、それらの共振周波数を例えば数ＭＨｚ程度の周波数差に設定できる。これにより、低周波数のクロック信号発生器を形成して、ＳＡＷセンサの消費電力を低減することができる。更に、クロック信号のための配線の引き回しを短くかつ簡単にできるので、不要なジッタを発生させ得る要因を排除してクロック信号の安定性を確保し、高速かつ大容量の情報通信に適応したセンサの高性能化を実現することができる。

第１及び第２クロック用ＩＤＴは、従来の製造工程をそのまま利用して圧電基板上に検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと同時に形成できるので、製造コストを低減することができる。また、第１及び第２クロック用ＩＤＴは圧電基板の厚板部上に形成するので、外力等によるＳＡＷセンサ素子の撓みがクロック信号に影響を及ぼすことはない。しかも、ＳＡＷセンサ素子とクロック発生器とを別個の部品として構成する従来のＳＡＷセンサに比して、それらの個体差による性能のばらつきや温度変化の影響が大幅に少なく、センサの信頼性が向上する。

ＳＡＷを励振する検出用ＩＤＴ、基準用ＩＤＴ、第１及び第２クロック用ＩＤＴは、例えばそれぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴからなり、そのＳＡＷ伝搬方向の両側に反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子又はＳＡＷフィルタとして構成することができる。また、前記検出用ＩＤＴ、基準用ＩＤＴ、第１及び第２クロック用ＩＤＴは、１つの交差指電極対からなるＩＤＴからなり、その両側に配置した反射器とを有する１ポート型のＳＡＷ共振子として構成することができる。更に、前記検出用ＩＤＴ、基準用ＩＤＴ、第１及び第２クロック用ＩＤＴは、それぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴからなり、トランスバーサル型のＳＡＷフィルタとして構成することができる。

或る実施例では、前記ＳＡＷセンサ素子が更に、ＳＡＷを励振するための第１追加発振器用ＩＤＴと、該第１追加発振器用ＩＤＴとは異なる周波数のＳＡＷを励振するための第２追加発振器用ＩＤＴとを圧電基板の厚板部上に有し、前記ＳＡＷセンサが更に、ＳＡＷセンサ素子の第１追加発振器用ＩＤＴに接続した第１追加発振器用発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の第２追加発振器用ＩＤＴに接続した第２追加発振器用発振回路と、第１追加発振器用発振回路及び第２追加発振器用発振回路の各出力に接続した追加発振器用周波数混合器と、該追加発振器用周波数混合器に接続した周波数検波器とを備える。

第１追加発振器用ＩＤＴと第１追加発振器用発振回路とにより第１追加発振器が構成され、かつ第２追加発振器用ＩＤＴと第２追加発振器用発振回路とにより第２追加発振器が構成され、それらの発振周波数の差分を周波数とする追加の発振信号をＳＡＷセンサ素子から発生させることができる。この追加の発振信号は、ＳＡＷセンサの信号処理回路において、センサ信号を出力するタイミングの基準信号となるクロック信号以外の目的で使用することができる。第１及び第２追加発振器用ＩＤＴも同様に、その電極ピッチを僅かに変えて形成することにより、それらの共振周波数差を所望の値に簡単に設定できる。追加の発振信号を生成するＳＡＷ発振器が、ＳＡＷセンサ素子の圧電基板上に形成した第１及び第２の追加発振器用ＩＤＴにより構成されるので、ＳＡＷセンサ全体として部品点数を更に少なくしかつ構成を簡単にし、製造コストを更に低減することができる。

同様に、第１及び第２追加発振器用ＩＤＴは、例えばそれぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴからなり、そのＳＡＷ伝搬方向の両側に反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子又はＳＡＷフィルタとして構成することができる。また、前記第１及び第２追加発振器用ＩＤＴは、１つの交差指電極対からなるＩＤＴからなり、その両側に配置した反射器とを有する１ポート型のＳＡＷ共振子として構成することができる。更に、前記第１及び第２追加発振器用ＩＤＴは、それぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴからなり、トランスバーサル型のＳＡＷフィルタとして構成することができる。

別の実施例では、前記ＳＡＷセンサの全部の発振回路が１つの集積回路に集積化されていることにより、更に信号処理回路を構成する部品点数を少なくし、配線の引き回しを簡単にし、かつ装置全体の構成を簡単かつ小型化することができる。

更に別の実施例では、ＳＡＷセンサ素子と集積回路とを１つのパッケージに収容することにより、装置全体の構成を簡単にかつ小型化することができる。

別の実施例では、ＳＡＷセンサ素子を圧電基板の長さ方向に沿って厚板部側を自由端とし、その反対側で片持ちに支持する。これにより、ＳＡＷセンサ素子は、外力や加速度が作用すると、その大きさ及び向きに対応して自由端の厚板部側が薄板部を撓ませて変位する。その結果、薄板部表面におけるＳＡＷの伝搬速度が変化するので、検出側の発振周波数と基準側発振周波数との差分又は和分から加速度、外力又は変位を測定するセンサを構成することができる。

本発明の別の側面によれば、長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、圧電基板の薄板部上に形成されてＳＡＷを励振するための検出用ＩＤＴと、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための基準用ＩＤＴと、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための第１クロック用ＩＤＴと、圧電基板の厚板部上に形成されて、第１クロック用ＩＤＴとは異なる周波数のＳＡＷを励振するための第２クロック用ＩＤＴとを備えるＳＡＷセンサ素子が提供される。

このＳＡＷセンサ素子は、検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴの共振周波数に基づいて発振される発振周波数の差分又は和分を取り出して、圧電基板の薄板部に撓みを生じさせる外力等を測定するためのセンサ信号を発生させると共に、第１クロック用ＩＤＴに第１クロック用発振回路を接続して第１クロック発振器を構成し、かつ第２クロック用ＩＤＴに第２クロック用発振回路を接続して第２クロック発振器を構成して、それらの発振周波数の差分を取り出すことにより、前記センサ信号を処理するために必要なクロック信号を発生させることができる。従って、これを用いてＳＡＷセンサを構成したとき、センサ全体の部品点数を少なくしかつその構成を簡単にすることができる。

また、第１及び第２クロック用ＩＤＴは、そのピッチを僅かに変えるだけで、それらの共振周波数差を例えば数ＭＨｚ程度の低周波数に簡単に設定できるので、低消費電力のＳＡＷ発振器が得られる。更に、第１及び第２クロック用ＩＤＴが検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと同じ圧電基板に形成されているので、前記センサ信号の処理に必要なクロック信号の配線を短くしかつその引き回しを簡単にできるので、不要なジッタを発生させ得る要因を排除してクロック信号の安定性を確保できる。その結果、高速かつ大容量の情報通信に適応した高性能のＳＡＷセンサを実現することができる。

或る実施例では、前記ＳＡＷセンサ素子が更に、ＳＡＷを励振するための第１追加発振器用ＩＤＴと、第１追加発振器用ＩＤＴとは異なる周波数のＳＡＷを励振するための第２追加発振器用ＩＤＴとを圧電基板の厚板部上に備える。第１及び第２追加発振器用ＩＤＴにそれぞれ第１及び第２追加発振器用発振回路を接続すると、第１及び第２追加発振器が構成され、それらの発振周波数の差分を取り出すと、前記センサ信号を出力するタイミングの基準信号となるクロック信号以外の目的で、該センサ信号を処理するために必要な追加の発振信号を発生させることができる。

同様に、第１及び第２追加発振器用ＩＤＴも、そのピッチを僅かに変えることによりそれらの共振周波数差を所望の値に設定でき、かつ検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴ並びに第１及び第２クロック用ＩＤＴと同じ圧電基板上に従来の製造工程で同時に形成することができる。従って、これを用いて構成されるＳＡＷセンサの部品点数を更に少なくし、その製造コストを更に低減することができる。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。各図において、同一又は類似の構成要素には、同一又は類似の参照符号を付して表示する。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明によるＳＡＷセンサの第１実施例の構成を概略的に示している。本実施例のＳＡＷセンサ１１は、加速度、外力又は変位を測定するためのものであり、ＳＡＷセンサ素子１２と、該ＳＡＷセンサ素子からの信号を処理するための集積回路１３とを有する。ＳＡＷセンサ素子１２は、所定の長さ及び幅を有する矩形の水晶からなる圧電基板１４とを有する。圧電基板１４は、一方の長さ方向端部１４ａを支持部１５に剛固に固定し、かつ他方の長さ方向端部１４ｂを自由端として、片持ちに支持する。圧電基板１４は、長さ方向に沿って固定端の長さ方向端部１４ａ寄りにエッチング等で下面に凹部を形成することにより、固定端側の厚板部１６ａと、自由端側の厚板部１６ｂと、それらの間に設けた薄板部１６ｃとを有する。圧電基板１４は、例えばリチウムタンタレート、リチウムナイオベート等の水晶以外の公知の圧電材料で形成することができる。

圧電基板１４の上面には、薄板部１６ｃの領域に検出用ＳＡＷ共振子１７が形成され、固定端側の厚板部１６ａの領域に基準用ＳＡＷ共振子１８が形成されている。更に圧電基板１４の上面には、自由端側の厚板部１６ｂの領域に第１クロック用ＳＡＷ共振子１９と第２クロック用ＳＡＷ共振子２０とが形成されている。前記各ＳＡＷ共振子はいずれも２ポート型で、それぞれＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極からなる入力側ＩＤＴ１７ａ，１８ａ，１９ａ，２０ａ及び出力側ＩＤＴ１７ｂ，１８ｂ，１９ｂ，２０ｂと、それらの両側に各１個の反射器１７ｃ，１８ｃ，１９ｃ，２０ｃとを有し、圧電基板１４の長さ方向に沿って直列に配置されている。

図２は、図１のＳＡＷセンサ１１の構成を概略的に示している。集積回路１３は、検出用ＳＡＷ共振子１７の前記入力側及び出力側ＩＤＴ間に接続した検出用発振回路２１と、基準用ＳＡＷ共振子１８の前記入力側及び出力側ＩＤＴ間に接続した検出用発振回路２２と、第１クロック用ＳＡＷ共振子１９の前記入力側及び出力側ＩＤＴ間に接続した第１クロック用発振回路２３と、第２クロック用ＳＡＷ共振子２０の前記入力側及び出力側ＩＤＴ間に接続した第２クロック用発振回路２４とを有する。前記各発振回路は、例えば前記各ＳＡＷ共振子の出力側ＩＤＴに接続された増幅器と移相器とＤＣカット用キャパシタからなり、該移相器の出力を該ＳＡＷ共振子の入力側ＩＤＴに帰還させる帰還回路で構成される。

検出用ＳＡＷ共振子１７と検出用発振回路２１とにより検出用発振器２５が構成され、該検出用ＳＡＷ共振子の共振周波数に基づいて所定の検出周波数ｆs を発振する。基準用ＳＡＷ共振子１８と基準用発振回路２２とにより基準用発振器２６が構成され、該基準用ＳＡＷ共振子の共振周波数に基づいて所定の基準周波数ｆr を発振する。第１のクロック用ＳＡＷ共振子１９と第１クロック用発振回路２３とにより第１クロック用発振器２７が構成され、該第１クロック用ＳＡＷ共振子の共振周波数に基づいて所定の第１クロック用周波数ｆc1を発振する。第２クロック用ＳＡＷ共振子２０と第２クロック用発振回路２４とにより第２クロック用発振器２８が構成され、該第２のクロック用ＳＡＷ共振子の共振周波数に基づいて所定の第２クロック用周波数ｆc2を発振する。

集積回路１３は、検出用発振器２５即ち検出用発振回路２１の出力と基準用発振器２６即ち基準用発振回路２２の出力とに接続されたセンサ用周波数混合器２９を有する。センサ用周波数混合器２９は、検出用発振器２５の発振周波数ｆs と基準用発振器２６の発振周波数ｆr との差分（ｆs −ｆr ）及び和分（ｆs ＋ｆr ）を取り出して出力する。前記センサ用周波数混合器は、低域通過型フィルタ３０を介して周波数検波部３１に接続されている。低域通過型フィルタ３０は、前記発振周波数の差分又は和分を選択的に取り出して、センサ信号として周波数検波部３１に出力する。

更に集積回路１３は、第１クロック用発振器２７即ち第１クロック用発振回路２３の出力と第２クロック用発振器２８即ち第２クロック用発振回路２４の出力とに接続されたクロック用周波数混合器３２を有する。クロック用周波数混合器３２は、第１クロック用発振器２７の発振周波数ｆc1と基準用発振器２６の発振周波数ｆc2との差分Δｆc （＝ｆc1−ｆc2）及び和分（ｆc1＋ｆc2）を取り出して出力する。前記クロック用周波数混合器は、低域通過型フィルタ３３を介して周波数検波部３１に接続されている。低域通過型フィルタ３３は、前記発振周波数の差分Δｆc を選択的に取り出して、クロック信号として周波数検波部３１に出力する。周波数検波部３１は、例えば周波数カウンタで構成され、前記センサ信号を前記クロック信号によりタイミングをとって後段の信号処理回路に出力する。

ＳＡＷセンサ１１は、次のように動作する。ＳＡＷセンサ素子１２は、加速度や外力が作用すると、圧電基板１４が固定端の長さ方向端部１４ａを支点として、薄板部１６ｂを撓ませながら、自由端の長さ方向端部１４ｂを該圧電基板の表面に対して垂直方向に変位させる。

ＳＡＷセンサ素子１２に加速度又は外力が全く作用せず、圧電基板１４の長さ方向端部１４ｂが変位していない無負荷状態において、検出側の発振周波数ｆs と基準側の発振周波数ｆr とを同一に、例えば９００ＭＨｚに設定することができる。この場合、発振周波数ｆs ，ｆr の差分Δｆは０である。別の実施例では、発振周波数ｆs ，ｆr を異なる値に設定することができる。

クロック用の発振周波数ｆc1、ｆc2は、数ＭＨｚ又はそれ以下の僅かな周波数差に設定する。例えば、発振周波数ｆc1を９０１ＭＨｚ、発振周波数ｆc2を９００ＭＨｚに設定すると、その差分である周波数１ＭＨｚのクロック信号が得られる。この周波数差は、第１及び第２クロック用ＩＤＴ１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂをその電極ピッチを僅かに変えて形成することにより、容易に設定できる。これにより、低周波数のクロック信号発生器を形成して、ＳＡＷセンサの消費電力を低減することができる。

加速度又は外力の作用により圧電基板１４の長さ方向端部１４ｂが変位すると、薄板部１６ｃが撓み、その上面には撓みの向きによって引張歪み又は圧縮歪みが発生する。これにより前記薄板部上面におけるＳＡＷの伝搬速度が変化し、検出側の発振周波数ｆs が増加又は減少する。厚板部１６ａは、長さ方向端部１４ｂが変位しても撓まないので、基準側の発振周波数ｆr は変動しない。従って、前記ＳＡＷセンサ素子に作用した加速度又は外力の大きさを、発振周波数ｆs ，ｆr の差分又は和分として高感度に検出することができる。同様に、厚板部１６ｂは、長さ方向端部１４ｂが変位しても撓まないので、クロック用の発振周波数ｆc1、ｆc2は変動しない。従って、常に安定したクロック信号が発生する。

本実施例によれば、検出用及び基準用ＳＡＷ共振子１７，１８を形成した１つの圧電基板１４上に、センサ信号を出力するタイミングの基準信号となるクロック信号を発生するための第１及び第２クロック用ＳＡＷ共振子１９，２０を形成するので、ＳＡＷセンサ１１を構成する部品点数を少なくしかつその構成を簡単にすることができる。前記各ＳＡＷ共振子は、従来の製造工程をそのまま利用して前記圧電基板上に同時に形成できるので、製造コストを低く抑制することができる。しかも、ＳＡＷセンサ素子１２とクロック発生器とを別個に構成する従来のＳＡＷセンサに比して、それらの個体差による性能のばらつきや温度変化の影響が大幅に少なく、ＳＡＷセンサの信頼性が向上する。

更に、圧電基板１４上でクロック信号のための配線の引き回しを短くかつ簡単になるので、不要なジッタを発生させ得る要因を排除することができる。従って、クロック信号の安定性を確保することができ、高速かつ大容量の情報通信に適応したセンサの高性能化を実現できる。

別の実施例では、圧電基板１４の自由端側の厚板部１６ｂに形成した前記ＳＡＷ共振子は、センサ信号を出力するタイミングの基準信号となるクロック信号以外の目的で、発振出力を得るために利用することができる。この場合、周波数混合器３２の出力は、後段の信号処理回路又は他の外部回路に直接出力することができる。

図３（Ａ）、（Ｂ）図は、本発明によるＳＡＷセンサの第２実施例の構成を概略的に示している。本実施例のＳＡＷセンサ４１は、第１実施例と同様に、加速度、外力又は変位を測定するためのもので、ＳＡＷセンサ素子４２と、該ＳＡＷセンサ素子からの信号を処理するための集積回路４３とを有する。ＳＡＷセンサ素子４２は、第１実施例と同じ圧電基板１４を備え、該圧電基板は固定端側の厚板部１６ａと自由端側の厚板部１６ｂとそれらの間の薄板部１６ｃとを有する。圧電基板１４の上面には、薄板部１６ｃの領域に検出用ＳＡＷ共振子１７が形成され、固定端側の厚板部１６ａの領域に基準用ＳＡＷ共振子１８が形成されている。

本実施例のＳＡＷセンサ素子４２は、圧電基板１４上面の自由端側の厚板部１６ｂの領域に、第１クロック用ＳＡＷ共振子１９と第２クロック用ＳＡＷ共振子２０とに加えて、第１追加発振器用ＳＡＷ共振子４４と第２追加発振器用ＳＡＷ共振子４５とが更に形成されている点において、第１実施例と異なる。前記追加発振器用ＳＡＷ共振子はいずれも２ポート型で、それぞれＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極からなる入力側ＩＤＴ４４ａ，４５ａ及び出力側ＩＤＴ４４ｂ，４５ｂと、それらの両側に各１個の反射器４４ｃ，４５ｃとを有する。第１及び第２追加発振器用ＳＡＷ共振子４４，４５は、厚板部１６ｃの先端側にそれぞれ圧電基板１４の長さ方向に沿って直列に、かつ互いに並列に配置されている。第１及び第２クロック用ＳＡＷ共振子１９，２０は、厚板部１６ｂの薄板部１６ｃ側にそれぞれ圧電基板１４の長さ方向に沿って直列に、かつ互いに並列に配置されている。

別の実施例では、前記クロック用ＳＡＷ共振子及び追加発振器用ＳＡＷ共振子の一部を自由端側の厚板部１６ｂの裏面に配置することができる。これにより、厚板部１６ｂの平面寸法を小さくして、ＳＡＷセンサ素子４２を小型化することができる。

図４は、図３のＳＡＷセンサ４１の構成を概略的に示している。本実施例の集積回路４３は、検出用及び基準用発振回路２１，２２と第１及び第２クロック用発振回路２３，２４とに加えて、第１追加発振器用ＳＡＷ共振子４４の前記入力側及び出力側ＩＤＴ間に接続した第１追加発振器用発振回路４６と、第２追加発振器用ＳＡＷ共振子４５の前記入力側及び出力側ＩＤＴ間に接続した第２追加発振器用発振回路４７とを備える点において、第１実施例と異なる。前記各追加発振器用発振回路は、例えば前記各ＳＡＷ共振子の出力側ＩＤＴに接続された増幅器と移相器とＤＣカット用キャパシタからなり、該移相器の出力を該ＳＡＷ共振子の入力側ＩＤＴに帰還させる帰還回路で構成される。

第１追加発振器用ＳＡＷ共振子４４と第１追加発振器用発振回路４６とにより第１追加発振器４８が構成され、該第１追加発振器用ＳＡＷ共振子の共振周波数に基づいて所定の検出周波数ｆa1を発振する。第２追加発振器用ＳＡＷ共振子４５と第２追加発振器用発振回路４７とにより第２追加発振器４９が構成され、該第２追加発振器用ＳＡＷ共振子の共振周波数に基づいて所定の基準周波数ｆa2を発振する。

更に本実施例の集積回路４３は、第１追加発振器４８即ち第１追加発振器用発振回路４６の出力と第２追加発振器４９即ち第２追加発振器用発振回路４７の出力とに接続された追加発振器用周波数混合器５０を有する。前記追加発振器用周波数混合器は、低域通過型フィルタ５１を介して外部への出力端子に接続されている。

追加発振器用周波数混合器５０は、第１追加発振器４８の発振周波数ｆa1と第２追加発振器４９の発振周波数ｆa2との差分Δｆa （＝ｆa1−ｆa2）及び和分（ｆa1＋ｆa2）を取り出して出力する。低域通過型フィルタ５１は、前記発振周波数の差分Δｆa を選択的に取り出して、前記出力端子から発振信号として出力する。

追加発振器用の発振周波数ｆa1、ｆa2は、数ＭＨｚ又はそれ以下の僅かな周波数差に設定する。例えば、発振周波数ｆa1を９０８ＭＨｚ、発振周波数ｆa2を９００ＭＨｚに設定すると、その差分である周波数８ＭＨｚの発振信号が得られる。この周波数差は、同様に第１及び第２追加発振器用ＩＤＴ４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂをその電極ピッチを僅かに変えて形成することにより、容易に設定できる。

この低周波の発振信号は、センサ信号を出力するタイミングの基準信号となるクロック信号以外の目的で、例えば集積回路４３より後段の信号処理回路において使用することができる。この低周波発振器も、低消費電力化に貢献する。

図５（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例の変形例の構成を概略的に示している。本実施例のＳＡＷセンサ６１は、第２実施例と同様に、加速度、外力又は変位を測定するためのもので、ＳＡＷセンサ素子６２と、該ＳＡＷセンサ素子からの信号を処理するための集積回路６３とを有する。ＳＡＷセンサ素子６２は、圧電基板６４が、固定端側の厚板部６５ａと自由端側の厚板部６５ｂとそれらの間の薄板部６５ｃとを有する点において、第２実施例の圧電基板１４と共通する。しかしながら、固定端側の厚板部６５ａが第２実施例の厚板部１６ａよりも広い面積を有し、該厚板部に、基準用ＳＡＷ共振子１８に加えて、第１追加発振器用ＳＡＷ共振子４４と第２追加発振器用ＳＡＷ共振子４５とが配置されている点において、第２実施例と異なる。

集積回路６３は、第２実施例の集積回路４３と同じ構成を有する。また、本実施例のＳＡＷセンサ６１の動作及び作用効果は、第２実施例と同じあるので、更なる説明は省略する。

別の実施例において、前記各ＳＡＷ共振子は、それぞれそれぞれＳＡＷフィルタで構成することができる。また別の実施例では、前記各ＳＡＷ共振子を、それぞれＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極からなる入力側ＩＤＴと出力側ＩＤＴとを配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタで構成することができる。更に別の実施例では、前記各ＳＡＷ共振子を、それぞれＳＡＷの伝搬方向に沿って１対の交差指電極からなるＩＤＴとその両側に配置した反射器とからなる１ポート型ＳＡＷ共振子で構成することができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、特許文献４に記載されるような圧力センサにも同様に適用することができる。

（Ａ）図は本発明の第１実施例によるＳＡＷセンサ素子の平面図及びＳＡＷセンサ全体の構成を示す図、（Ｂ）図はＳＡＷセンサ素子の側面図。 第１実施例のＳＡＷセンサの構成を示すブロック図。 （Ａ）図は本発明の第２実施例によるＳＡＷセンサ素子の平面図及びＳＡＷセンサ全体の構成を示す図、（Ｂ）図はＳＡＷセンサ素子の側面図。 第２実施例のＳＡＷセンサの構成を示すブロック図。 （Ａ）図は本発明の第３実施例によるＳＡＷセンサ素子の平面図及びＳＡＷセンサ全体の構成を示す図、（Ｂ）図はＳＡＷセンサ素子の側面図。 （Ａ）図は従来の一般的なＳＡＷセンサを示す概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。

符号の説明

１，１１，４１，６１…ＳＡＷセンサ、２…ベース、３，１２，４２，６２…ＳＡＷセンサ素子、４，１４，６４…圧電基板、４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ…長さ方向端部、５，１７〜２０，４４，４５…ＳＡＷ共振子、６ａ…厚板支持部、６ｂ，１６ａ，１６ｂ，６５ａ，６５ｂ…厚板部、６ｃ，１６ｃ，６５ｃ…薄板部、７…接着剤、８，１７ａ〜２０ａ，１７ｂ〜２０ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂ…ＩＤＴ、８ａ，８ｂ…交差指電極、９，１７ｃ〜２０ｃ，４４ｃ，４５ｃ…反射器、１５…支持部、２１〜２４，４６，４７…発振回路、２９，３２，５０…周波数混合器、３０，３３，５１…低域通過型フィルタ、３１…周波数検波部。

Claims (7)

1. 長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、前記圧電基板の前記薄板部上に形成されて弾性表面波を励振するための検出用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための基準用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための第１クロック用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて、前記第１クロック用ＩＤＴとは異なる周波数の弾性表面波を励振するための第２クロック用ＩＤＴとを備える弾性表面波センサ素子と、
   前記弾性表面波センサ素子の前記検出用ＩＤＴに接続した検出用発振回路と、
   前記弾性表面波センサ素子の前記基準用ＩＤＴに接続した基準用発振回路と、
   前記弾性表面波センサ素子の前記第１クロック用ＩＤＴに接続した第１クロック用発振回路と、
   前記弾性表面波センサ素子の前記第２クロック用ＩＤＴに接続した第２クロック用発振回路と、
   前記検出用発振回路及び前記基準用発振回路の各出力に接続したセンサ用周波数混合器と、
   前記センサ用周波数混合器に接続した周波数検波器と、
   前記第１クロック用発振回路及び前記第２のクロック用発振回路の各出力に接続したクロック用周波数混合器と、
   前記クロック用周波数混合器に接続した周波数検波器とを備えることを特徴とする弾性表面波センサ。
2. 前記弾性表面波センサ素子が、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための第１追加発振器用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて、前記第１追加発振器用ＩＤＴとは異なる周波数の弾性表面波を励振するための第２追加発振器用ＩＤＴとを更に有し、
   前記弾性表面波センサ素子の前記第１追加発振器用ＩＤＴに接続した第１追加発振器用発振回路と、
   前記弾性表面波センサ素子の前記第２追加発振器用ＩＤＴに接続した第２追加発振器用発振回路と、
   前記第１追加発振器用発振回路及び前記第２追加発振器用発振回路の各出力に接続した追加発振器用周波数混合器と、
   前記追加発振器用周波数混合器に接続した周波数検波器とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波センサ。
3. 全部の前記発振回路が１つの集積回路に集積化されていることを特徴とする請求項１又は２記載の弾性表面波センサ。
4. 前記弾性表面波センサ素子と前記集積回路とを１つのパッケージに収容したことを特徴とする請求項３記載の弾性表面波センサ。
5. 前記弾性表面波センサ素子を前記圧電基板の長さ方向に沿って前記厚板部側を自由端とし、その反対側で片持ちに支持したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の弾性表面波センサ。
6. 長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、前記圧電基板の前記薄板部上に形成されて弾性表面波を励振するための検出用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための基準用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための第１クロック用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて、前記第１クロック用ＩＤＴとは異なる周波数の弾性表面波を励振するための第２クロック用ＩＤＴとを備えることを特徴とする弾性表面波センサ素子。
7. 前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための第１追加発振器用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて、前記第１追加発振器用ＩＤＴとは異なる周波数の弾性表面波を励振するための第２追加発振器用ＩＤＴとを更に備えることを特徴とする請求項６記載の弾性表面波センサ素子。

Images