JP2012181093A - 弾性表面波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】攪拌振動による攪拌効果を高めることができる弾性表面波センサを提供する。
【解決手段】圧電基板２の表面２ａに形成されて弾性表面波を送受信するための送信電極３及び受信電極４と、圧電基板２の表面２ａ及び裏面２ｂに形成され、攪拌用信号が入力される攪拌電極５及びグランド電極６と、圧電基板２の裏面２ｂに設けられた空間部（開口部７ａ及び開口部８ａ）とを備える弾性表面波センサである。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物質を介して伝搬する弾性表面波の伝搬特性の変化を検知するための弾性表面波センサに関する。

被測定物質を介して伝搬する弾性表面波（ＳＡＷ；Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）の伝搬特性の変化を検知するための弾性表面波センサの一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている弾性表面波センサでは、圧電基板上に設けられた電極に、弾性表面波の励振周波数とは異なる周波数の攪拌信号を入力することで、被測定物質である液体（あるいは液状物質）が攪拌されるようになっている。

特許文献１には、攪拌信号を入力するための電極の構成例が複数記載されているが、そのなかに、弾性表面波の送信電極や受信電極とは別に設けられた、攪拌電極とグランド電極とを用いて攪拌信号を入力する構成がある。この攪拌電極とグランド電極とを用いる構成では、攪拌電極が、被測定物質が滴下される圧電基板表面上の検知領域又はその近傍に設けられるともに、圧電基板裏面上にグランド電極が設けられている。そして、攪拌電極とグランド電極との間に攪拌信号を入力することで厚み振動を発生し、被測定物質が攪拌されるようになっている。

特開２００８−１２８７７８号公報

ところで、特許文献１では、圧電基板上の電極などの構成については詳細に記載がなされているものの、圧電基板の保持方法や弾性表面波センサのパーケンジグ方法などについては詳細な記載がなされていなかった。

本発明は、上記の技術を背景とするものであって、攪拌振動による攪拌効果を高めることができる弾性表面波センサを提供することを目的とする。

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板の表面に形成され、弾性表面波を送受信するための送受信手段と、前記圧電基板の表面及び裏面に形成され、攪拌用信号が入力される入力手段と、前記圧電基板の裏面に設けられた空間部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、圧電基板の裏面に設けられた空間部を利用して攪拌用信号によって攪拌振動を励振することができる。したがって、空間部を設けない場合に比べ、攪拌振動による攪拌効果を高めることができる。

本発明による弾性表面波センサの一実施形態を説明するための側面図（断面図）である。 図１に示す実施形態を説明するための平面図である。 図１に示す実施形態を説明するための下面図である。 本発明による弾性表面波センサの一実施例の効果を説明するための図である。 本発明による弾性表面波センサの他の実施形態を説明するための側面図（断面図）である。

以下、図面を参照して本発明による弾性表面波センサの一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態としての弾性表面波センサ１の断面形状を示す側面図である。図２は、図１に示す弾性表面波センサ１の平面図である。図３は、図１及び図２に示す弾性表面波センサ１の下面図である。なお、図１〜図３において同一の構成には同一の符号を用いている。また、図１〜図３は、平板状の部材の厚みを厚く示したり、信号入出力などに用いられる一部の電気的構成の図示を省略したりして各部を示した模式図である。

図１〜図３に示す弾性表面波センサ１は、圧電基板２、送信電極３、受信電極４、攪拌電極５、グランド電極６、基板７、パッケージ８、ダム９、ガラスキャップ１１及び１２、配線１３並びに樹脂コーティング１４から構成されている。

圧電基板２は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト等の圧電材料から形成された平板である。

送信電極３は、圧電基板２の表面２ａ上に１対の櫛歯状のパターンで形成された金属電極である。この送信電極３（すなわち１対の櫛歯状のパターン間）には、所定の周波数（例えば２５０ＭＨｚ）の検出用信号が入力され、圧電基板２の表面２ａ上に弾性表面波２０を励振（送信）する。この弾性表面波２０は、横波型弾性表面波（ＳＨ−ＳＡＷ：Ｓｈｅａｒ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ − Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）である。

受信電極４は、圧電基板２の表面２ａ上に１対の櫛歯状のパターンで形成された金属電極である。この受信電極４は、圧電基板２の表面２ａ上を伝搬する弾性表面波２０に応じた電気的な信号（検出用信号）を出力する。

攪拌電極５は、圧電基板２の表面２ａ上の送信電極３と受信電極４の間の検出領域１０に対応するように、表面２ａ上に形成された金属電極である。

グランド電極６は、圧電基板２の裏面２ｂ上に裏面２ｂの全面を覆うように形成された金属電極である。

攪拌電極５とグランド電極６間には、弾性表面波２０を励振するための信号の周波数とは異なる周波数の撹拌用信号が入力される。攪拌用信号は圧電基板２に厚み共振を励振する周波数を有する信号である。すなわち、攪拌電極５とグランド電極６との間の圧電効果によって発生する厚み振動波３０によって検出領域１０が振動させられる。この厚み振動波３０を発生させるために攪拌電極５とグランド電極６間に入力される撹拌用信号の周波数ｆは、厚み共振を生じる周波数である、例えばｆ＝ｖ／２ｈに設定することができる。ここで、ｖは厚み振動する縦波の音速、ｈは圧電基板２の厚みである。撹拌用信号は、検出用信号とは周波数が異なるため、弾性表面波２０の伝搬特性の取得には影響を与えずに、圧電基板２（の検出領域１０）を振動させることができる。

基板７は、圧電基板２を搭載するセラミック等の絶縁部材からなる平板である。基板７には、圧電基板２の表面２ａ又は裏面２ｂ上に形成された、送信電極３、受信電極４、攪拌電極５及びグランド電極６と、図示していない入出力用のピン、リードフレームなどとを接続するための金属部材からなる回路や端子が設けられている。基板７は開口部７ａを有している。図２と図３に示すように、開口部７ａは、攪拌電極５の平面形状とほぼ同一の平面形状を有し、攪拌電極５と対応する位置に設けられている空間である。基板７とグランド電極６とは、開口部７ａを除いて密着するように接着されている。

パッケージ８は、基板７を搭載する金属、セラミック、プラスチック等からなる容器である。ただし、この例では、パッケージ８は平板形状を有して構成されていて、圧電基板２の表面２ａ側は覆っていない。また、パッケージ８は開口部８ａを有している。図２と図３に示すように、開口部８ａは、開口部７ａと同様、攪拌電極５の平面形状とほぼ同一の平面形状を有し、攪拌電極５と対応する位置に設けられている空間である。パッケージ８と基板７とは、開口部８ａ及び開口部７ａを除いて密着するように接着されている。すなわち、開口部８ａと開口部７ａとは、パッケージ８と基板７とを貫通するように設けられている。

ダム９は、エポキシ樹脂などからなる壁状の構造物であり、送信電極３、受信電極４及び検出領域１０を別々に取り囲むような平面形状を有して、圧電基板２の表面２ａ上に形成されている。ダム９は、送信電極３上及び受信電極４上にそれぞれ空間を設けるために用いられるとともに、滴下された液体の被測定物質を検出領域１０内にとどまらせるために用いられる。

ガラスキャップ１１及び１２は、ガラスからなる平板であり、送信電極３及び受信電極４を取り囲むダム９に接着されている。ガラスキャップ１１と、送信電極３を取り囲むダム９とによって、送信電極３上に空間が形成されている。同様に、ガラスキャップ１２と、受信電極４を取り囲むダム９とによって、受信電極４上に空間が形成されている。

配線１３は、送信電極３、受信電極４、攪拌電極５などと、基板７上に形成された金属部材との間を接続するワイヤである。

樹脂コーティング１４は、エポキシ樹脂などからなる被覆であり、検出領域１０を除いて圧電基板２の表面２ａ全体を覆うように形成されている。

次に、図１に示す弾性表面波センサ１の使用例について説明する。弾性表面波センサ１は、図示しない信号発生器から送信電極３に所定の周波数（例えば２５０ＭＨｚ）の検出用信号が入力されると、圧電基板２の表面２ａ上に弾性表面波２０を励振する。このように励振された弾性表面波２０は、圧電基板２の表面２ａ上を伝搬して検出領域１０を介して受信電極４にて受信され出力される。送信電極３に入力した検出用信号と、受信電極４から出力された検出用信号とを比較することにより、送信電極３から受信電極４までの検出用信号の伝搬特性（例えば位相差など）が取得される。

次に、被測定物質である液体が検出領域１０に滴下さると、図示していない撹拌用信号発生器から攪拌電極５とグランド電極６間に検出用信号の周波数とは異なる周波数の撹拌用信号が入力される。撹拌用信号が入力された攪拌電極５及びグランド電極６は、圧電基板２に厚み振動波３０を励振する。このように励振された厚み振動波３０は、圧電基板２の表面２ａ上の検出領域１０を振動させる。このような振動によって、検出領域１０に滴下された液体が撹拌される。

そして、所定の時間、撹拌したのちに、前述したのと同様に、図示しない信号発生器によって送信電極３に所定の周波数（例えば２５０ＭＨｚ）の検出用信号が入力され、送信電極３から受信電極４までの検出用信号の伝搬特性（例えば位相差など）が取得される。そして、液体の導入前後の伝搬特性の変化を検出することによって、液体の特性が検知される。なお、検出用信号と撹拌用信号を同時に入力し（すなわち検出用信号を入力したままにして）、撹拌しながら伝搬特性変化を検知することもできる。

以上のように、図１〜図３に示す弾性表面波センサ１では、被測定物質である液体を攪拌するための厚み振動を発生する部位（すなわち検出領域１０に対応する圧電基板２）の裏面に空間（すなわち開口部７ａと開口部８ａ）が設けられている。図１〜図３に示す例では、圧電基板２の裏面２ｂに面する位置に配置されている空間部が、攪拌電極５に対応する形状を有し、かつ攪拌電極５に対応する位置に設けられている。そして、攪拌電極５とグランド電極６との間に、圧電基板２に厚み共振を励振する攪拌用信号が入力されるようになっている。そのため、裏面全体を固定する場合に比べ厚み振動（すなわち厚み共振）における振動効率を高めることができる。

図４は、図１〜図３に示すような弾性表面波センサ１を用いて、開口部７ａ及び開口部８ａを設けた場合と、設けていない場合の振動効率を比較するために行った実験の結果を示す図である。サンプルＡ（破線の曲線）が開口部７ａ及び開口部８ａを設けていない場合、サンプルＢ（実線の曲線）が開口部７ａ及び開口部８ａを設けた場合の特性である。検出領域１０にバッファー溶液（緩衝液）を滴下し、攪拌電極５とグランド電極６間に入力する攪拌信号の周波数を５〜８ＭＨｚの間で変化させた際の、検出用信号に生じた位相差（すなわち送信電極３の入力信号の位相と受信電極４の出力信号の位相との位相差）を測定した。

開口部７ａ及び開口部８ａを設けたサンプルＢ（実線の曲線）の位相差の方が、開口部７ａ及び開口部８ａを設けていないサンプルＡ（破線の曲線）の位相差より大きくなっている。この位相差は、温度差によるものと考えられ、その温度差は振動の大きさの違いによって生じていると考えられる。すなわち、開口部７ａ及び開口部８ａを設けた本実施形態の弾性表面波センサ１では、より温度上昇が大きく、つまり、より攪拌振動が大きくなっており、攪拌振動による攪拌効果を高めることができたと考えられる。

次に、図５を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図５において、図１に示すものと同一の構成には同一の符号を用いている。図５に示す弾性表面波センサ１００では、図１に示す弾性表面波センサ１と比べて、パッケージ８がパッケージ８０に変更されている。このパッケージ８０は、パッケージ８と比べて、開口部８ａを有していない点が異なっている。すなわち、図５に示す弾性表面波センサ１００では、圧電基板２の裏面２ｂに形成されているグランド電極６と、パッケージ８０とに挟まれた空間が、圧電基板２の裏面２ｂ側の厚み振動波３０用の振動空間となる。

上記の各実施形態では、攪拌用に厚み振動が励起される部材の裏面に空間を設けることで、振動効率を向上させ、攪拌効率を向上させることができる。

なお、本発明の実施の形態は上記のものに限定されず、例えばグランド電極６を圧電基板２の裏面２ｂの全面ではなく一部に形成するようにしたもの、基板７とパッケージ８（あるいはパッケージ８０）とを同一の材料で一体として形成するようにしたもの、攪拌電極５を検出領域１０よりも狭くしたり、複数の領域に分割したり、異なる形状としたりするものなども本発明の実施形態とすることができる。

また、上記実施形態において、受信電極４を省略し、送信電極３で弾性表面波の送信と受信とを行うようにしてもよい。この場合、まず、送信電極３から弾性表面波を送信する。そして、所定時間送信を行った後、送信を停止する。次に、圧電基板２の端面で反射してきた弾性表面波を送信電極３で受信する、というようにする。

また、上記実施形態における攪拌電極５やグランド電極６は次のように変更してもよい。例えば、攪拌電極５をグランド電極とし、グランド電極６を攪拌電極としてもよい。ここで、グランド電極とは、弾性表面波センサ１及び１００において基準となる電位が印加される電極を意味している。また、攪拌電極５及びグランド電極６をグランド電極が印加されない電極とすること、つまり、攪拌電極５をグランド電極ではない第１の攪拌電極とし、グランド電極６をグランド電極ではない第２の攪拌電極とすることもできる。この場合、第１及び第２の電極にグランド電位とは異なる平衡した正極及び負極の電位をもつ攪拌用信号を印加することができる。

また、攪拌用信号を入力するための電極は、図２などに示したように検出領域１０に対応するようにして表面２ａや裏面２ｂ上に形成されたものでなくてもよい。すなわち、攪拌用信号を入力するための電極は、検出領域１０の少なくとも一部の領域を振動させるような設置位置や形状を有するものであれば、例えば検出領域１０と対応する設置位置や形状を有しないようにして圧電基板２の表面２ａ及び裏面２ｂに形成されたものとすることができる。

なお、特許請求の範囲に記載した構成と、上記実施形態における構成との対応関係は次のとおりである。「圧電基板」は、圧電基板２に対応している。「送受信手段」は、送信電極３と送信電極４とを組み合わせたものに対応している。「入力手段」は、攪拌電極５とグランド電極６とを組み合わせたものに対応している。「空間部」は、開口部７ａ又は開口部７ａと開口部８ａとを組み合わせたものに対応している。「所定の容器」は、パッケージ８及び８０に対応している。「所定の基板」は、基板７に対応している。「第１の電極」は、攪拌電極５に対応している。「第２の電極」は、グランド電極６に対応している。「第１の接続手段」は、基板７に設けられている攪拌電極５と、図示していない入出力用のピン、リードフレームなどとを接続するための金属部材からなる回路や端子に対応している。そして、「第２の接続手段」は、基板７に設けられているグランド電極６と、図示していない入出力用のピン、リードフレームなどとを接続するための金属部材からなる回路や端子に対応している。

１、１００ 弾性表面波センサ
２ 圧電基板
３ 送信電極
４ 受信電極
５ 攪拌電極
６ グランド電極
７ 基板
７ａ 開口部
８、８０ パッケージ
８ａ 開口部

Claims (5)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板の表面に形成され、弾性表面波を送受信するための送受信手段と、
   前記圧電基板の表面及び裏面に形成され、攪拌用信号が入力される入力手段と、
   前記圧電基板の裏面に設けられた空間部と
   を備えることを特徴とする弾性表面波センサ。
2. 前記空間部が、前記入力手段に対応する形状を有し、かつ対応する位置に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センサ。
3. 前記攪拌用信号が、前記圧電基板に厚み共振を励振する信号である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波センサ。
4. 前記圧電基板が所定の容器に搭載された所定の基板上に搭載されるものであって、
   前記空間部が、前記所定の基板にのみ設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。
5. 前記入力手段が、
   前記圧電基板の表面に形成された第１の電極と、
   前記圧電基板の裏面に形成された第２の電極と、
   前記第１の電極に前記圧電基板外から前記攪拌用信号を入力するための第１の接続手段と、
   前記第２の電極に前記圧電基板外から前記攪拌用信号を入力するための第２の接続手段とから構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。

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