JP2012021945A - 被測定物特性測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 測定精度を向上させ、かつ、低コスト化を図ることができる被測定物特性測定装置を提供すること。
【解決手段】 基準信号発生部2から出力されたPSK信号等の基準信号は、ロールオフフィルタを通過した後、分配器において分配されて、同一の信号が、SAWセンサ3と、検出器4とに供給される。検出器4は、基準信号frとSAWセンサ3を経由した測定信号feとの自己相関をとって不要な直達信号等を除去して、主応答信号を抽出し出力する。
【選択図】 図1
【解決手段】 基準信号発生部2から出力されたPSK信号等の基準信号は、ロールオフフィルタを通過した後、分配器において分配されて、同一の信号が、SAWセンサ3と、検出器4とに供給される。検出器4は、基準信号frとSAWセンサ3を経由した測定信号feとの自己相関をとって不要な直達信号等を除去して、主応答信号を抽出し出力する。
【選択図】 図1
Description
この発明は、弾性表面波(SAW:Surface Acoustic Wave)等の弾性波を励振可能な弾性表面波センサを有し、例えば、液体の特性を測定するために用いられる被測定物特性測定装置に関する。
従来より、図6に示すように、例えば、液体の物理的特性を測定するための被測定物特性測定装置において用いられるSAWセンサ101は、圧電基板102と、圧電基板102上に形成された入力側櫛形電極103及び出力側櫛形電極104と、入力側櫛形電極103と出力側櫛形電極104との間に形成され、被測定物が負荷される反応場電極部105と、遅延部106とを有している(例えば、特許文献1等参照。)。
入力側櫛形電極103には、図8に示すように、入力信号Viとして、バースト波pa(図8(a))が入力される。入力側櫛形電極103では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、反応場電極部105上及び遅延部106上を伝搬して出力側櫛形電極104に到達し、受信される。SAWセンサ101から出力される出力信号Voには、主応答信号(希望波)ga(ra)(図7、図8(b))のほか、寄生容量成分に起因する直達信号gb(rb)等が含まれる。
主応答信号ga(ra)は、反応場電極部105及び遅延部106におけて遅延され、直達信号gb(rb)に対して、遅延時間tb遅延し分離され、測定される。ここで、回路制約により、主応答信号ga(ra)と直達信号gb(rb)とは2μs以上離す必要がある。すなわち、バースト波paは、図9に示すように、測定時間t2の前後に、立上時間t1と立下時間t3とが必要となる。2μsの遅延を得るためには、例えば、中心周波数250MHzのSAWセンサ101で、伝搬距離として9mmが必要となる。このため、チップサイズが大きくなり、低コスト化が困難となる。
また、図10に示すように、主応答信号(希望波)gaの近傍に、不要バルク波gcが発生する場合は、バースト波では時間的に信号分離できないため、除去できない。また、広帯域の周波数成分を持つバースト波信号を用いるため、周波数帯域の狭いSAWセンサ101で帯域制限の影響を受けて、S/N比が劣化する。図11に示すように、入力されたバースト波信号paは、帯域制限等の影響で、波形がなまった信号pbとなり、測定誤差が増大する。
S/N比の劣化対策として、バースト波信号を周波数成分の狭い信号に変更することが考えられるが、時間分解能が得られなくなり、直達波を分離できなくなる。また、入力信号の周波数を上昇させ、SAWセンサ101の帯域を広くすることで、S/N比が緩和されるが、SAWセンサ101の伝搬損失が上昇し、センシングができなくなるまで信号レベルが低下してしまう。
このように、上記従来技術では、測定誤差が増加してしまい、かつ、チップサイズが大きくなり、低コスト化が困難となるという問題がある。
この発明は、前記の課題を解決し、測定精度を向上させ、かつ、低コスト化を図ることができる被測定物特性測定装置を提供することを目的としている。
前記の課題を解決するために、請求項1の発明は、被測定物が負荷される反応場が形成された弾性表面波センサを備え、前記被測定物の特性を測定するために用いられる被測定物特性測定装置であって、基準信号を発生させ前記弾性表面波センサに供給する基準信号発生手段と、前記弾性表面波センサから出力された測定信号に基づいて、前記被測定物に応じて伝搬特性が変化した弾性表面波に基づく電気信号成分を示す主応答信号を検出する信号検出手段とを備え、前記基準信号発生手段は、前記弾性表面波センサの通過帯域よりも広帯域の前記基準信号を発生させ、前記信号検出手段は、前記基準信号と前記測定信号とに基づいて、前記測定信号から不要信号を除去して、前記主応答信号を抽出することを特徴としている。
請求項2の発明は、請求項1記載の被測定物特性測定装置であって、前記信号検出手段は、前記基準信号と前記測定信号とに基づいて相関信号処理を実行して、前記主応答信号を抽出することを特徴としている。
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の被測定物特性測定装置であって、前記基準信号発生手段は、前記弾性表面波センサの通過帯域よりも広帯域で、前記弾性表面波センサにおける帯域制限の影響を受け難い前記基準信号を発生させることを特徴としている。
請求項4の発明は、請求項3記載の被測定物特性測定装置であって、前記基準信号として位相シフトキーイング信号が用いられることを特徴としている。
本発明によれば、基準信号発生手段が、弾性表面波センサの帯域よりも広帯域の基準信号を発生させて弾性表面波センサに供給し、信号検出手段は、基準信号と測定信号とに基づいて、測定信号から不要信号を除去して、主応答信号を抽出するので、測定精度を向上させることができ、かつ、主応答信号を分離するための遅延部の距離を短くできるので、弾性表面波センサを小型化でき、コストを低下させることができる。
次に、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。
図1及び図2は、この発明の一実施の形態による被測定物特性測定装置の構成を示すブロック図、図3乃至図5は、同被測定物特性測定装置の機能を説明するための模式図である。
図1及び図2に示すように、この実施の形態による被測定物特性測定装置1は、基準信号発生部2と、SAWセンサ(弾性表面波センサ)3と、検出器4とを備え、パーソナルコンピュータ等からなる情報処理装置5に接続される。被測定物特性測定装置1において、基準信号発生部2から出力された基準信号(出力元信号)は、ロールオフフィルタ7を通過した後、分配器(不図示)において分配されて、同一の信号が、SAWセンサ3と、検出器4とに供給される。
基準信号発生部2は、基準信号として、SAWセンサ3の帯域(弾性表面波を電気信号に変換可能な通過帯域(通過周波数帯域幅)、例えば、2MHz)よりも広帯域で、SAWセンサ3の帯域制限の影響を受け難い、例えば、ディジタル変調信号としてのPSK(Phase Shift Keying)信号を出力する。この実施の形態では、基準信号の帯域として、SAWセンサ3の帯域の数十倍の帯域(例えば、25MHz〜50MHz)の信号を用いる。
SAWセンサ3は、圧電基板と、圧電基板上に形成された入力側櫛形電極及び出力側櫛形電極と、被測定物が負荷される反応場電極部(反応場)と、遅延部とを有している。入力側櫛形電極では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、反応場電極部上及び遅延部上を伝搬して出力側櫛形電極に到達し、受信される。SAWセンサ3からは、図3(b)に示すように、主応答信号(希望波)faのほか、直達信号fb等を含む測定信号feが出力される。主応答信号faは、直達信号fbに対して、遅延時間ta遅延する。
圧電基板としては、例えば、LiTaO3が用いられる。反応場電極部は、圧電基板上に蒸着された金等の金属膜で形成される。金属膜は、例えば、電気的に短絡された短絡伝搬路を構成している。なお、弾性表面波を励振させるとともに、反射波を受信する櫛形電極が形成されたSAWセンサを用いるようにしても良い。また、金属膜の一部が剥離されて圧電基板が露出され開放伝搬路が形成された反応場電極を有するSAWセンサを用いても良い。
検出器4は、基準信号frとSAWセンサ3を経由した測定信号feとの自己相関をとって直達信号fb等の不要信号を除去して、主応答信号faを抽出し出力する。ここで、SAWセンサ3帯域外の信号成分も含めて信号処理(この実施の形態では、相関信号処理)を施すことで、SAWセンサ3による帯域制限の影響を抑制し、測定精度を向上させている。
検出器4は、図2に示すように、遅延調整部8と、ロールオフフィルタ9a,9bと、FFT(Fast Fourier Transform)処理を行うフーリエ変換部11a,11bと、除算処理部12と、ロールオフフィルタ14と、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)処理を行う逆フーリエ変換部15と、インパルス応答解析部16とを有している。ロールオフフィルタ14、逆フーリエ変換部15、及びインパルス応答解析部16は、主応答信号faを選択するための選択器13を構成している。
遅延調整部8から出力された基準信号fr及び測定信号feは、それぞれ、ロールオフフィルタ9a,9bにおいて、ノイズが低減され、フーリエ変換部11a,11bにおいて、フーリエ変換される。
フーリエ変換部11a,11bから出力された信号は、除算処理部12において、複素除算処理された後、伝達特性(S21(S行列のパラメータ))が算出される。除算処理部12から出力された信号は、ロールオフフィルタ14を通過し、直達信号fbや、TTE(Tripple Transit Echo)等の不要信号が除去され、逆フーリエ変換部15において、逆フーリエ変換され、インパルス応答解析部16において、主応答信号faが解析される。
インパルス応答解析部16からは、図5に示すように、抽出された主応答信号faが出力される。なお、インパルス応答解析部16からは、主応答信号faと基準信号frとの振幅比及び位相差が出力されても良い。なお、遅延調整部8や、ロールオフフィルタ9a,9b,14、フーリエ変換部11a,11b、逆フーリエ変換部15等としては、信号処理ICを用いることができる。
情報処理装置5は、所定の制御プログラムに従って構成各部を制御する制御部と、各種制御プログラムやデータが記憶される記憶部と、入出力部と、操作部と、表示部とを有している。情報処理装置5では、検出器4からの出力信号に基づいて、被測定物の物理的特性が求められる。
次に、被測定物特性測定装置1の動作について説明する。被測定物特性測定装置1において、基準信号発生部2から出力された基準信号は、ロールオフフィルタ7を通過した後、分配器において分配されて、同一の信号が、SAWセンサ3と、検出器4とに供給される。SAWセンサ3からは、図3(b)に示すように、主応答信号faのほか、直達信号fb等を含む測定信号feが出力される。
遅延調整部8には、図3に示すように、基準信号fr(同図(a))と、主応答信号faや直達信号fb等を含む測定信号fe(同図(b))とが入力され、SAWセンサ3における測定信号feに対して遅延分の調整処理がなされ、図4に示すように、基準信号fr(同図(a))と、主応答信号faや直達信号fb等を含む測定信号fe(同図(b))とが出力される。
遅延調整部8から出力された基準信号fr及び測定信号feは、それぞれ、ロールオフフィルタ9a,9bにおいて、ノイズが低減され、フーリエ変換部11a,11bにおいて、フーリエ変換される。 フーリエ変換部11a,11bから出力された信号は、除算処理部12において、除算処理された後、伝達特性が算出される。
除算処理部12から出力された信号は、ロールオフフィルタ14を通過し、直達信号fbや、TTE等の不要信号が除去され、逆フーリエ変換部15において、逆フーリエ変換され、インパルス応答解析部16において、主応答信号faが解析される。インパルス応答解析部16からは、図5に示すように、抽出された主応答信号faが出力される。
こうして、この実施の形態の構成によれば、基準信号として、SAWセンサ3の帯域よりも広帯域で、SAWセンサ3の帯域制限の影響を受け難い信号を用い、SAWセンサ3帯域外の信号成分も利用する相関信号処理によって主応答信号faを抽出するので、バースト波を用いた従来技術に比べて、サンプリングデータ数を増加させることができ、直達信号fbやバルク波、TTE等の不要信号を除去して、測定精度、分解能を向上させることができる。すなわち、従来技術で、バースト波を用いる場合に、利用できなかった信号成分も、相関信号処理において利用することで、測定精度の向上を図っている。
また、相関信号処理によって主応答信号faを抽出するので、従来技術で、主応答信号faと直達信号fbとの分離のために要していた遅延時間を短くでき、SAWセンサ3の小型化を図ることができるとともに、コストを低下させることができる。
以上、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、上述した実施の形態では、SAWセンサ帯域外の信号成分も利用する信号処理として、相関信号処理を施す場合について述べたが、これに限らない。また、基準信号の帯域として、SAWセンサ3の帯域の数十倍の帯域の信号を用いる場合について述べたが、これ以上の帯域の信号を用いても良い。また、情報処理装置5として、パーソナルコンピュータ等を用いる場合について述べたが、これに限らず、例えば、高速AD(Analog Digital)コンバータや、DSP(Digital Signal Processor)等が含まれていても良い。
また、基準信号として、PSK信号のほか、例えば、FM(Frequency Modulation)信号等の他の種類の信号を用いても良い。また、除算処理部12で複素除算処理を行う場合について述べたが、複素乗算処理によっても良い。また、SAWセンサの圧電性基板の材料として、LiTaO3のほか、LiNbO3や、Li2B4O7、水晶等を用いても良い。
被測定物としては、液体として、純液のほか、混合液、溶液等を用いる場合に適用できる。
1 被測定物特性測定装置
2 基準信号発生部(基準信号発生手段)
3 SAWセンサ(弾性表面波センサ)
4 検出器(信号検出手段)
fa 主応答信号
fb 直達信号(不要信号)
fe 測定信号
fr 基準信号
2 基準信号発生部(基準信号発生手段)
3 SAWセンサ(弾性表面波センサ)
4 検出器(信号検出手段)
fa 主応答信号
fb 直達信号(不要信号)
fe 測定信号
fr 基準信号
Claims (4)
- 被測定物が負荷される反応場が形成された弾性表面波センサを備え、前記被測定物の特性を測定するために用いられる被測定物特性測定装置であって、
基準信号を発生させ前記弾性表面波センサに供給する基準信号発生手段と、前記弾性表面波センサから出力された測定信号に基づいて、前記被測定物に応じて伝搬特性が変化した弾性表面波に基づく電気信号成分を示す主応答信号を検出する信号検出手段とを備え、
前記基準信号発生手段は、前記弾性表面波センサの通過帯域よりも広帯域の前記基準信号を発生させ、
前記信号検出手段は、前記基準信号と前記測定信号とに基づいて、前記測定信号から不要信号を除去して、前記主応答信号を抽出する
ことを特徴とする被測定物特性測定装置。 - 前記信号検出手段は、前記基準信号と前記測定信号とに基づいて相関信号処理を実行して、前記主応答信号を抽出することを特徴とする請求項1記載の被測定物特性測定装置。
- 前記基準信号発生手段は、前記弾性表面波センサの通過帯域よりも広帯域で、前記弾性表面波センサにおける帯域制限の影響を受け難い前記基準信号を発生させることを特徴とする請求項1又は2記載の被測定物特性測定装置。
- 前記基準信号として位相シフトキーイング信号が用いられることを特徴とする請求項3記載の被測定物特性測定装置。
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2010
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