JP2014192692A - 弾性表面波デバイス及びこれを用いた物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波で駆動する精度の高い振幅比位相差検出器が不要である弾性表面波デバイスおよび弾性表面波デバイスを用いた物理量検出器を提供する。
【解決手段】圧電基板上に２つの励振用電極を形成し、それぞれの電極に励振信号を入力する。それぞれの励振用電極から発生した弾性表面波は、それぞれの励振用電極からの弾性表面波が加算され干渉波となって現れる位置に配置される干渉波検出用電極から得る。干渉波検出用電極には、干渉の効果によりそれぞれの弾性表面波の伝搬経路で発生する位相差が出力電圧に変換され出力されるので、それを用いて周波数を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波の伝搬を利用するデバイスに関するものであり、特に２つの弾性表面波の干渉を用いる弾性表面波デバイス及びこれを用いた物理量検出器に関する。

弾性表面波デバイスは、圧電基板表面に弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）を発生させ、その弾性表面波の伝搬経路における表面の物性変化による弾性表面波の変調を検知することができるデバイスである。

一般に、弾性表面波デバイスは、圧電基板と、圧電基板上に少なくとも２つの櫛歯形状の電極を配置する。第１の櫛歯形状の電極は励振用電極であり、この励振用電極により弾性表面波を発生させる。弾性表面波は圧電基板表面を伝搬し、第２の櫛歯形状の電極まで伝搬する。第２の櫛歯形状の電極は検出用電極であり、弾性表面波を検出することができる。

弾性表面波デバイスを構成する圧電基板の表面は、環境の影響を受け表面近傍の密度、誘電率、導電率が変化する。
弾性表面波は、縦波型弾性表面波と横波型弾性表面波とがある。一般に、これらの波の違いを弾性表面波のモードと呼ぶ。
圧電基板表面の特異的な表面修飾と弾性表面波のモードとによって、環境の影響を受けて変化する弾性表面波の伝搬速度や振幅の変化に変換される。

従って、換言すると、弾性表面波の伝搬速度や振幅の変化を検出することにより、環境の変化を検出することが可能である。

このような弾性表面波デバイスを利用して、圧電基板の表面に堆積した被測定物の検出や、環境から影響を受ける表面の物理量の変化を検出する研究が行われている。

圧電基板表面に現れる弾性表面波のモードは使用する圧電基板により変わる。検出対象となる被測定物や検出したい環境（物理量）によって、適するモードがある。例えば、被測定物が液体の場合は、縦波型弾性表面波を用いるよりも横波型弾性表面波の方が適しているといわれている。液体中に縦波型弾性表面波が放射して減衰してしまうためである。

このように、圧電基板表面の特異的な表面修飾と被測定物に適した弾性表面波を用いて、被測定物の表面への堆積を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術は、横波型弾性表面波のＳＨ（Ｓｈｅａｒ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）モードを用いている。
この弾性表面波デバイスの構成について詳細に説明をする。図６は、特許文献１に示した従来技術を説明しやすいようにその主旨を逸脱しない程度に変更して記載した模式図であり、弾性表面波デバイスの平面図である。

図６に示す弾性表面波デバイス６００は、３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ_３基板１０１上に、励振用電極１１６、第１検出用電極１１７、第２検出用電極１１８を備えている。
励振用電極１１６と第１検出用電極１１７との間には、弾性表面波が伝搬する第１伝搬
経路１１３が形成され、励振用電極１１６と第２検出用電極１１８との間には、同じく第２伝搬経路１２３が形成されている。

図６には図示はしないが、第１伝搬経路１１３上は、金属膜で覆われており、第２伝搬経路１２３は、その一部が開口するような金属膜で覆われている。この開口部分に被検出物となる物質を付着させる。

図６に示したように、特許文献１に示した従来技術は、１つの励振用電極に対して２つの検出用電極を設けている。
励振用電極１１６に励振信号が印加されると圧電現象によりＳＨモードの弾性表面波が発生する。その弾性表面波は伝搬経路１１３、１２３を通り、それぞれ第１検出電極１１７及び第２検出電極１１８に到達する。

特許文献１に示した従来技術は、被検出物となる物質が付着することにより、伝搬経路１１３と伝搬経路１２３とで弾性表面波が変化する。それを第１検出用電極１１７と第２検出用電極１１８との信号間の振幅比や位相差として検出することにより、物質の付着による表面の密度変化を算出することができる。

特開２００８−２６７９６８号公報（４頁、図１）

しかしながら、特許文献１に示した従来技術は、２つの検出電極から得られる信号を比較するために、精度の高い振幅比位相差検出器が必要となる。数百ＭＨｚを超える高周波領域で精度の高い振幅比位相差検出器を作るのは困難であるという課題を有していた。
また、そのような振幅比位相差検出器を用いなければ、検出精度が低下してしまうという課題を有していた。

本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、精度の高い振幅比位相差検出器を用いずとも表面の変化を検出でき、また、検出精度が高い弾性表面波デバイス及び物理量検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の弾性表面波デバイスは、下記記載の構成を採用する。

本発明の弾性表面波デバイスは、圧電基板の一表面に弾性表面波を発生させ弾性表面波の変化を検出する弾性表面波デバイスにおいて、
その一表面の第１の部位に、所定の周波数の第１励振信号が入力され、第１の弾性表面波を発生される第１励振用電極と、
第１の部位と離間する第２の部位に、所定の周波数の第２の励振信号が入力され、第２の弾性表面波を発生させる第２励振用電極と、
第１の弾性表面波と第２の弾性表面波とが到来し、これらの弾性表面波が加算される一表面の第３の部位に、干渉波を検出する検出用電極とを有することを特徴とするものである。

また、検出用電極は、平面的に前記第１及び第２の励振用電極とそれぞれ略等しい距離を離間して設けるようにしてもよい。

また、第１及び第２の励振用電極と検出用電極とが対向する方向とは異なる方向の一表面に、第１及び第２の弾性表面波を検出用電極の方向にそれぞれ反射させる反射電極を備えるようにしてもよい。

また、一表面を覆い、第１又は第２の伝搬経路のどちらか一方を開口する保護膜を備えるようにしてもよい。

また、第１又は第２の伝搬経路のどちらか一方に、付着する物質により第１又は第２の弾性表面波の周波数を変化させる検出用感応膜を備えるようにしてもよい。

また、検出用感応膜を設けていない方の第２又は第１の伝搬経路に、検出用感応膜と同一の物質で構成する参照用感応膜を備えるようにしてもよい。

上記課題を解決するため、本発明の物理量検出器は、下記記載の構成を採用する。

上述の弾性表面波デバイスを用いる物理量検出装置であり、
第１の励振信号を発生する第１の発振器と、
第２の励振信号を発生する第２の発振器と、
干渉波を所定の時間取り込み、所定の波形を抽出する波形検出器と、
所定の波形を取り込み、その周波数を計測する周波数カウンタと、
を備え、
波形検出器は、干渉波の包絡線を所定の波形として抽出し、
周波数カウンタは、包絡線の周波数を計測し、
周波数カウンタの計測結果から、第１の弾性表面波又は第２の弾性表面波の変化を検出することを特徴とする。

また、第１の励振信号と第２の励振信号との所定の周波数は、それぞれ異なるようにしてもよい。

本発明によれば、２つの弾性表面波を合わせることにより干渉波を発生させる。被検出物が到来することにより基板表面の変化が起こり、位相のずれが起き、そのずれが振幅に変換されることにより、被検出物を検出できる。これにより、振幅比位相差検出器を用いずとも、検出することができる。

また、励振周波数に差を設けると、発振周波数の差が干渉波のうなりに変換されるため、被検出物の検出や所定の物理量を精度よく検出することができる。

本発明の第１の形態にかかる弾性表面波デバイスの構成を示す平面図である。 本発明の第２の形態にかかる物理量検出装置の構成を示す平面図である。 本発明の第２の形態にかかる物理量検出装置の構成を示す平面図である。 本発明の第２の形態の第１の変形例にかかる物理量検出装置の構成を示す平面図である。 本発明の第２の形態の第２の変形例にかかる物理量検出装置の構成を示す平面図である。 特許文献１に示した従来技術を説明する平面図である。

以下、本発明の弾性表面波デバイスの好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。説明にあっては、弾性表面波デバイスに到来する被測定物（例えば、液体や気体など）を検出する場合を例にして説明する。

［第１の実施形態の説明：図１］
弾性表面波デバイスの第１の実施形態を、図１を用いて説明する。
第１の実施形態の弾性表面波デバイスの特徴は、２つの励振用電極を同じ周波数の２つの励振信号で駆動する。それにより発生した２つの弾性表面波は、それぞれの伝搬経路を伝わり、所定の部位で加算される。これにより干渉波を作り出す。
そしてその干渉波を検出することにより、弾性表面波デバイスに到来する被測定物を検出することができる。

以降、第１の実施形態の弾性表面波デバイスの構成について図１を用いて詳述する。説明にあっては、例えば、圧電基板の材料をＳＴカット水晶基板とし、電極材料を金とする例で説明する。

図１に示すように、弾性表面波デバイス４００は、圧電基板１００の一表面に、第１の部位１１０と第２の部位１２０と第３の部位１３０とをそれぞれ離間して設けている。
第１の部位１１０には第１の励振用電極１１１が、第２の部位１２０には第２の励振用電極１２１が、第３の部位１３０には干渉波検出用電極１３２が、それぞれ設けてある。

第１の部位１１０と第３の部位１３０との間は、第１の励振用電極１１１から生じる第１の弾性表面波が伝搬する第１の伝搬経路１１３となっている。
第２の部位１２０と第３の部位１３０との間は、第２の励振用電極１２１から生じる第２の弾性表面波が伝搬する第２の伝搬経路１２３となっている。
第３の部位１３０は、このように第１の弾性表面波と第２の弾性表面波とが伝搬し、双方の弾性表面波が加算される位置となっている。

弾性表面波デバイス４００は、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３が、被測定物を検出する部位となっている。例えば、これらのどちらか一方に被測定物が到来するようにする。
詳しくは後述するが、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３のどちらか一方のみ開口するように保護膜を圧電基板１００の表面に設けるようにしてもよい。また、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３どちらか一方に被検出物に反応する所定の感応膜を設けるようにしてもよい。

弾性表面波デバイス４００は、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３への被測定物の到来により、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３の部分の弾性表面波が変化する。その変化は、双方の弾性表面波の位相差になる。この位相差を被測定物の検出に用いるのである。

第１の励振用電極１１１は、２つの櫛歯状電極を所定の距離だけ離間して対向配置してなる金属電極であり、櫛歯状電極の一方に第１の励振信号２０１が入力されており、他方は接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。

第２の励振用電極１２１は、２つの櫛歯状電極を所定の距離だけ離間して対向配置してなる金属電極であり、櫛歯状電極の一方に第２の励振信号２０２が入力されており、他方は接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。

干渉波検出用電極１３２も２つの櫛歯状電極を所定の距離だけ離間して対向配置してなる金属電極であり、櫛歯状電極の一方に電圧計２０３が接続されており、他方は接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。

第１の励振用電極１１１と第２の励振用電極１２１とは、それぞれの部位において、例えば、圧電基板１００の端部などからの距離が、略均等になるようにバランスよく配置されている。干渉波検出用電極１３２からは、双方の励振用電極までの距離が略等しくなっている。

第１の励振信号２０１及び第２の励振信号２０２を生成する図示しない信号源と電圧計２０３とは、弾性表面波デバイス４００とは異なる基板に設ける。例えば、シリコン半導体基板に設ける。もちろん、圧電基板１００に設けてもよい。

次に、干渉波検出用電極１３２からどのように被測定物を検出するかを説明する。

第１の励振用電極１１１から生じる第１の弾性表面波は、第１の伝搬経路１１３を伝搬し干渉波検出用電極１３２に到達し、第２の励振用電極１２１から生じる第２の弾性表面波は、第２の伝搬経路１２３を伝搬し干渉波検出用電極１３２に到達する。
第１の励振用電極１１１及び第２の励振用電極１２１を同時に励振した場合、第３の部位１３０で第１及び第２の弾性表面波の干渉が起こる。

これらの２つの弾性表面波は、周波数と振幅とが同じであれば干渉波検出用電極１３２では、その表面波は定在波となる。第１の励振用電極１１１と第２の励振用電極１２１とから等しい距離にある点が定在波の腹（最大振幅の位置）となる。

２つの励振用電極に印加する第１の励振信号２０１と第２の励振信号２０２とは、全く同じ周波数が好ましいが、わずかであれば異なっていてもよい。
異なる周波数の波である場合、定在波の条件が成立しないため干渉波の節が移動し、振幅はうなりをもったものとなる。しかし、周波数のずれがわずかであれば定在波に近いため、励振直後に検出すれば周波数のずれの影響は小さい。

圧電基板１００の第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３に、被測定物が到来するなどして、第１の伝搬経路１１３の第１の弾性表面波の伝搬速度と、第２の伝搬経路１２３の第２の弾性表面波の伝搬速度とが異なると、それぞれの波に位相差が生じる。これにより定在波の節の位置が移動する。この節の移動により干渉波検出用電極１３２に発生する電圧が変化する。

干渉波検出用電極１３２は、上述のごとく櫛歯形状の金属パターンとなっており、電極近傍の圧電基板１００の表面においては、この金属パターンに被覆された部分と金属パターンに被覆されていない部分とがある。

この金属パターンに被覆されていない部分と、第１の弾性表面波と第２の弾性表面波とによる定在波の最大振幅とが重なる場合、電圧計２０３から検出される出力電圧は最大となる。定在波の節が移動するとこの条件から外れるため、出力電圧は減少する。

この電圧計２０３から得られる出力電圧の増減は、定在波の位相差そのものである。従って、位相差を電圧差として検出できるので、精度の高い振幅比位相差検出器を用いることが不要となるのである。

ところで、上記のように伝搬速度の変化のみが起こることはまれであり、同時に弾性表面波の振幅の減衰が生じる。その場合でも電圧計２０３から得られる出力電圧は減少し、表面の変化を検知することができる。

減衰率と位相差との両方を検出するには、以下のようにすれば良い。
まず、第１の励振用電極１１１のみで第１の弾性表面波を発生させ、干渉波検出用電極１３２で測定を行い。第１の伝搬経路１１３での減衰率を決める。
次に、第２の励振用電極１２１のみで第２の弾性表面波を発生させ、干渉波検出用電極１３２で測定を行い、第２の伝搬経路１２３での減衰率を決める。
その後、第１の励振用電極１１１と第２の励振用電極１２１とを同時に励振し、弾性表面波を発生させ、干渉波検出用電極１３２で測定を行う。

第１の伝搬経路１１３で減衰した弾性表面波の振幅をＡ、第２の伝搬経路１２３で減衰した弾性表面波の振幅をＢとすると、ＡとＢとが等しい場合を考える。
干渉波の最大振幅は、波が強め合う条件で得られ２×Ａとなり、最小振幅は、波が弱め合う条件で得られ０となる。

この場合、位相θと干渉波検出用電極１３２とでの振幅Ｖとは、Ｖ／２Ａ＝ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ＋θ）の関係がある。ここでｆ_０は発振器の発振周波数とした。時間平均をとり、＜Ｖ＞／２＜Ａ＞＝ｓｉｎ（θ）として位相を算出することができる。

次に、第１の伝搬経路１１３で減衰した弾性表面波の振幅をＡ、第２の伝搬経路１２３で減衰した弾性表面波の振幅をＢとし、ＢがＡより小さい場合を考える。
干渉波の最大振幅は、波が強め合う条件で得られＡ＋Ｂとなり、最小振幅は、波が弱め合う条件で得られＡ−Ｂとなる。

この場合、位相θとある地点での振幅Ｖとは［Ｖ−（Ａ−Ｂ）］／２Ｂ＝ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ＋θ）の関係がある。時間平均をとり、［＜Ｖ＞−（＜Ａ＞−＜Ｂ＞）］／２＜Ｂ＞＝ｓｉｎ（θ）として位相を算出することができる。

ＡがＢより小さい場合も、上述のＡとＢの記号を入れ替えれば算出できる。

以上の手法により、伝搬経路での減衰率と位相差とを得ることができる。

弾性表面波の伝搬速度の差は、第１の伝搬経路１１３と第２の伝搬経路１２３との表面近傍での密度、導電率、誘電率から生じる。逆に弾性表面波の伝搬速度の差から表面近傍での密度を求めることができる。

弾性表面波デバイス４００は、圧電基板１００の表面に、保護膜や感応膜を付加することで、さらに被測定物の検出をし易くすることができる。

［保護膜の付加］
圧電基板１００の一表面全体を所定の保護膜で覆い、被測定物の付着を妨げるようにする。第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３のどちらか一方に開口部を設ける。例えば、第２の伝搬経路１２３に開口部を設ける。

そうすると、到来した被測定物は、開口部を通り第２の伝搬経路１２３の圧電基板１００の表面に付着する。こうすると、第２の伝搬経路１２３の弾性表面波の伝搬速度が遅くなる。

これを検出することにより、被測定物の付着量を検出することができる。この保護膜の材料については特に限定されるものではなく、無機物、有機物いずれでもよく、例えば、酸化物、樹脂、ゴム等であってもよい。

［検出用感応膜の付加］
また、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３のどちらか一方に検出用感応膜を設けるようにしてもよい。例えば、第２の伝搬経路１２３に検出用感応膜を設ける。
検出用感応膜は、ある特定の被測定物に特異的な付着を促すものであるとより好適である。

被測定物が到来し、この検出用感応膜に付着することにより、第２の伝搬経路１２３の弾性表面波の伝搬速度が遅くなる。

これを検出することにより、被測定物の付着量を検出することができる。この検出用感応膜の材料については限定されるものではなく、無機物、有機物いずれでもよく、金属、酸化物、樹脂、ゴム、ゲルでもよい。感応膜中に抗原、抗体を含むものであってもよい。測定したい被測定物に応じて自由に選択することができる。

また、上記の例に加えて、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３のどちらか一方に参照用感応膜を設けるようにしてもよい。例えば、第２の伝搬経路１２３に検出用感応膜を設けるときは、この参照用感応膜は第１の伝搬経路１１３に設ける。

参照用感応膜は、検出用感応膜と同一の物質を利用し、ある特定の被測定物質の特異付着がないものを参照用感応膜に用い、ある特定の被測定物質の特異付着があるものを検出用感応膜とする。
こうすると、環境温度のみならず湿度などの付着による変化も相殺できることとなり、被測定物に対する感度が高くなる。

以上の説明のように、弾性表面波デバイス４００は、圧電基板１００の表面に、保護膜や感応膜を付加することで、さらに被測定物の検出をし易くすることができるが、上述の例を組み合わせて用いてもよいことは、無論である。

例えば、保護膜を設け、その開口部を覆うように、又はその開口部の内部に感応膜を設けるようにしてもよい。

ところで、以上の説明にあっては、被測定物は、液体や気体である場合を例示して説明した。例えば、水やアルコールを検知する例である。もちろん、検出する対象は、純物質、混合物のいずれでもよく、被測定物に抗原、抗体が含まれていてもよい。
また、被測定物を環境からの物理量としてもよい。例えば、熱の測定である。弾性表面波デバイス４００に伝搬する熱を測定することができる。熱を測定すれば、周囲環境からの影響を調べることもできる。

［第２の実施形態の説明：図２、図３］
第２の実施形態では、弾性表面波デバイスを用いた物理量検出装置を、図２、図３を用いて説明する。なお、すでに説明した同一の構成には同一の番号を付与している。

すでに説明した第１の実施形態は、第１の弾性表面波と第２の弾性表面波とを干渉させ、干渉波検出用電極１３２からの出力信号を電圧計２０３で検出し、その電圧の振幅のみで弾性表面波の伝搬速度の変化を検知する。第２の実施形態は、電極を追加し発振器によ
り発振させる構成とすることにより、感度高く伝搬速度の変化を検出することができる。

図２に示す物理量検出器５００は、弾性表面波デバイス４０１と波形検出器２００と周波数カウンタ３００とで構成している。

弾性表面波デバイス４０１は、第１の部位１１０に第１の励振用電極１１１と離間して対向するように第１の対向電極１１２を設けている。第２の部位１２０に第２の励振用電極１２１と離間して対向するように第２の対向電極１２２を設けている。
双方の部位の励振用電極と対向電極との間が、それぞれ第１の伝搬経路１１３と第２の伝搬経路１２３となっている。

励振用電極及び対向電極は、第１の実施形態と同様に、２つの櫛歯状電極を所定の距離だけ離間して対向配置してなる金属電極であり、櫛歯状電極である。

第１の励振用電極１１１の櫛歯状電極の一方と第１の対向電極１１２の櫛歯状電極の一方との間に第１のアンプ１１５が接続されており、第１の励振用電極１１１及び第１の対向電極１１２の櫛歯状電極の他方は接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。

第２の励振用電極１２１の櫛歯状電極の一方と第２の対向電極１２２の櫛歯状電極の一方との間に第２のアンプ１２５が接続されており、第２の励振用電極１２１及び第２の対向電極１２２の櫛歯状電極の他方は接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。

第１のアンプ１１５は、その入力側が第１の対向電極１１２となり、第２のアンプ１２５は、その入力側が第２の対向電極１２２となるよう接続されている。

第１の励振用電極１１１と第１の対向電極１１２と第１のアンプ１１５で、第１の発振器１１４を構成している。同じく、第２の励振用電極１２１と第２の対向電極１２２と第２のアンプ１２５で、第２の発振器１２４を構成している。

第１の実施形態で説明した弾性表面波デバイス４００は、第１の励振信号及び第２の励振信号は、これを生成する信号源から入力していたが、この弾性表面波デバイス４０１は、第１の励振信号及び第２の励振信号を、弾性表面波による共振現象を用いて発生させている。

すなわち、第１の発振器１１４は、第１の対向電極１１２からの出力電圧を第１のアンプ１１５により増幅し、第１の励振用電極１１１へ印加するため、第１の伝搬経路１１３には第１の弾性表面波が発生する。同様に、第２の対向電極１２２からの出力電圧を第２のアンプ１２５により増幅し、第２の励振用電極１２１へ印加するため、第２の伝搬経路１２３には第２の弾性表面波が発生するのである。

これら２つの発振器を同時に発振させると、第１の弾性表面波と第２の弾性表面波は、第３の部位１３０で干渉する。そしてこの干渉波を干渉波検出用電極１３２で検出する。
第３の部位１３０は、圧電基板１００の表面において、第１の部位１１０と第２の部位１２０との間に挟まれるように配置しているが、この部分に第１の弾性表面波と第２の弾性表面波とが伝搬される。

次に、干渉波検出用電極１３２からどのように被測定物を検出するかを説明する。

［２つの発振器の周波数を同じにしておく場合］
まず、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との発振周波数を同じにしておく場合
を、引き続き図２を用いて説明する。
２つの発振周波数を同じにする状態で、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３のどちらか一方に被測定物が到来する場合を考える。例えば、第２の伝搬経路１２３に被測定物が付着したとする。

すでに説明したように、この弾性表面波デバイス４０１は、励振信号を弾性表面波による共振現象を用いて発生させているから、被測定物の付着により第２の伝搬経路１２３に発生している第２の弾性表面波の伝搬速度が変化し、第１の発振器の発振周波数変化を引き起こす。結果として第２の励振信号の周波数が変化する。

そうすると、第３の部位１３０には、第１の励振信号と第２の励振信号との違いによるうなり振動成分を有する干渉波（以降、うなり干渉波と呼ぶ）が現れる。

波形検出器２００は、干渉波検出用電極１３２から入力されたうなり干渉波を所定の時間取り込む。そして、取り込んだ波形からうなり干渉波の包絡線波形を抽出する。この包絡線波形は、うなり干渉波のうち、うなり振動のみを抽出したものである。

周波数カウンタ３００は、この包絡線波形の周波数を計測する。うなり振動の周波数は第２の発振器１２４の発振周波数に比べて低いため、桁数の多い周波数カウンタは不要である。

なお、波形検出器２００及び周波数カウンタ３００の回路構成やその動作は、公知の技術を用いることができるため、その詳細な説明は省略する。

［２つの発振器の周波数を異ならせておく場合］
次に、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との発振周波数を異ならせておく場合を、引き続き図２を用いて説明する。
２つの発振周波数を異ならせておく状態で、第１の伝搬経路１１３又は第２の伝搬経路１２３のどちらか一方に被測定物が到来する場合を考える。この例も、第２の伝搬経路１２３に被測定物が付着したとする。

第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との発振周波数が異なるため、第３の部位１３０には、双方の発振周波数の違いにより生じるうなり干渉波が現れている。

被測定物の付着により第２の伝搬経路１２３に発生している第２の弾性表面波の周波数が変化する。そうすると、さらに第２の励振信号の周波数が変化することになるので、うなり干渉波は、被測定物が付着した分の変化量を含むものになる。

以降、波形検出器２００及び周波数カウンタ３００の処理は上述の例と同様である。
この例は、発生しているうなり干渉波の変化で被測定物の到来を検出するのである。例えば、弾性表面波デバイス４０１が曝されている環境がノイジーであり、干渉波検出用電極１３２に振動等が断続的に印加されており、被測定物の到来の瞬間を検出し難い場合などに適していると言えよう。

もちろん、そのような環境ではない場合にあっては、予め第２の発振器１２４の発振周波数を第１の発振器１１４より低くしておくと都合がよい。
そのようにすると、周波数カウンタ３００からの情報を元に被測定物の検知を処理する手順が簡単になる。

すなわち、第２の発振器１２４の発振周波数が第１の発振器１１４の発振周波数より高
い場合、付着量が増加するに従い第２の発振器１２４の発振周波数が減少し、第１の発振器１１４の発振周波数に等しくなる。さらに付着量が増加すると第１の発振器１１４の発振周波数より低い周波数となる。このときうなり干渉波の周波数は最初に減少し、双方の発振周波数が等しくなるところで０となり、その後増加に転じる。つまり、被測定物の付着量に伴い、単調に増加しないこととなる。

しかし、第２の発振器１２４の発振周波数を第１の発振器１１４より低くしておくと、被測定物の付着量に伴い、計測した周波数が増加するだけであるから、それを認識すればよく、信号処理が簡単になる場合がある。

伝搬経路の伝搬速度と発振周波数とは比例の関係があり、伝搬速度の変化が発振周波数の変化となる。第３の部位１３０では、第１の発振器１１４より生じる第１の弾性表面波と、第２の発振器１２４より生じる第２の弾性表面波とが干渉するから、ここで発生するうなり干渉波の周波数は、第１の伝搬経路１１３と第２の伝搬経路１２３との伝搬速度差と比例関係を持つ。従って、このうなり振動の周波数を計測することで、被測定物の到来を測定することができるのである。

［２つの発振器の周波数を同じにしておき、次第に異ならせる場合：図３］
ところで、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との発振周波数を同じにしておき、次第に異ならせるようにしても構わない。この場合の物理量検出器の一例を、図３を用いて説明する。
図３に示すように、この例は、第２のアンプ１２５の出力に位相器１２６を接続し、位相器１２６の出力を第２の励振用電極１２１に印加する構成である。

例えば、初期条件として、第１の伝搬経路１１３の弾性表面波の伝搬速度と、第２の伝搬経路１２３の弾性表面波の伝搬速度とが等しい場合、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との発振周波数を同じにすると、干渉波検出電極１３２ではうなりのない干渉波が得られる。これを波形検出器２００により包絡線を抽出すると一定値が得られる。

次に、例えば第２の部位１２０に被測定物が到来すると、第２の伝搬経路１２３の第２の弾性表面波の伝搬速度が遅くなる。そうすると、干渉波検出用電極１３２ではうなり干渉波が得られ、伝搬速度が遅くなるにつれてうなり干渉波の周波数が増加することとなる。

その後に、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との発振周波数を異ならせるようにする。このとき、双方の発振周波数を、うなり干渉波の周波数が減少するような差にする。これは伝搬速度の遅延によって生じる位相差を位相器１２６で逆に進展させることにより行う。その後、被測定物が再度到来したときを検出することができる。この手法を用いることにより、被測定物の付着量が大きくなっても検出感度を損なわず、正確に測定することができる。

位相器１２６は、いわゆるフェイズシフタ回路やディレイ回路などと呼ばれる公知の回路を用いることができるため、その詳細な説明は省略する。

ところで、位相器１２６を用いずに伝搬速度の遅延によって生じる位相差を進展させることもできる。例えば、第２の伝搬経路１２３長さを可変できるようにするとよい。
つまり、上述の例でいえば、図示はしないが、第２の励振用電極１２１又は第２の対向電極１２２を複数の電極で構成し、それぞれが対をなすように配置する。それぞれの励振用電極と対向電極とが対向する距離（つまり、第２の伝搬経路１２３長さ）が異なるようにするのである。そして、それぞれの電極を電気的な信号により切り換えられるようなス
イッチを備えるようにする。

そのようにすれば、第２の伝搬経路１２３における伝搬速度を変え、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との発振周波数を、うなり干渉波の周波数が減少するような差にすることができる。

以上の例にあっても、すでに説明した例と同様に、圧電基板１００の表面に、保護膜や感応膜を付加することで、さらに被測定物の検出をし易くすることができるのは、言うまでもない。

［温度補償ができることの説明：図２］
また、第１の発振器１１４又は第２の発振器１２４を、弾性表面波の温度特性を補償することに用いることもできる。図２を用いて説明する。
弾性表面波デバイスは圧電基板１００のカット角を適当に選定することにより、発振周波数の温度依存性を小さくすることができる。しかし、その値はゼロではなく、通常数ｐｐｍ／℃から数十ｐｐｍ／℃の周波数変化がある。

例えば、第１の伝搬経路１１３の表面を保護膜で覆い第２の伝搬経路１２３の表面を開口させた場合、被測定物の到来によって、第１の伝搬経路１１３では被測定物の付着が抑制されるが第２の伝搬経路１２３では被測定物の付着が起こる。それぞれの発振周波数の変化は被測定物の付着によるものと同時に環境温度の変化量によるものを含んでいる。

例えば、第１の発振器１１４の第１の発振周波数と第２の発振器１２４の第２の発振周波数とが同一の３００ＭＨｚであり、１Ｈｚの発振周波数の変化が１０^−１１ｇの質量変化に対応し、その発振周波数の温度係数が０．１ｐｐｍ／℃である弾性表面波デバイス４０１（説明のため、そのような弾性表面波デバイスを４０１と称する）を例に挙げて説明する。

この弾性表面波デバイスの第２の伝搬経路１２３に、１ｎｇの付着が生じると第２の発振周波数は、１００Ｈｚ高くなる。また、環境温度が＋３℃変化した場合、その温度変化が引き起こす第２の発振周波数の変化は０．３ｐｐｍ、つまり、３００ＭＨｚ×０．３ｐｐｍ＝９０Ｈｚ高くなる。温度変化と被測定物の付着が同時に起こった場合、これらの周波数変化は加算されるため＋１９０Ｈｚの発振周波数の変化が生じる。

一方、第１の伝搬経路１１３は被測定物の付着は保護膜により抑制されているため、温度変化による第１の発振周波数の変化が生じる。上記の例では、３℃の温度変化により発振周波数は９０Ｈｚ高くなる。

弾性表面波デバイス４０１は、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４とによるうなり干渉波を検出するものであるため、うなりの周波数はそれぞれの発振周波数の増加の差である１００Ｈｚとなる。つまり、環境温度の変化による周波数の変化は相殺され、その結果、被測定物の付着による周波数変化のみが得られる。

［第２の実施形態の第１の変形例の説明：図４］
次に、第２の実施形態の第１の変形例を、図４を用いて説明する。
なお、説明にあっては、すでに説明した実施の形態と重複する部分は省略し、その特徴点のみ説明する。

この例は、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との位置関係によって、発振が不安定になることを回避するものである。つまり、第１の部位１１０と第２の部位１２０か
らの弾性表面波を第３の部位１３０にて直接干渉させるのではなく、漏れ出た弾性表面波を干渉させるようにするものである。

図４に示す物理量検出器５０１は、弾性表面波デバイス４０２と波形検出期２００と周波数カウンタ３００とで構成している。

図４に示す弾性表面波デバイス４０２は、第１の部位１１０と第２の部位１２０との間で、一方の部位からの弾性表面波が他方の部位に入らないようにするために、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４の間に、弾性波を吸収するダンパ１３６を設けている。
ダンパ１３６の材料は特に限定されるものではなく、例えば、ゴム、樹脂やフォトレジストなどでもよい。

第３の部位１３０は、すでに説明した例とは異なり、第１の部位１１０と第２の部位１２０との間には設けおらず、圧電基板１００の表面上、位置をずらしてある。
第３の部位１３０の干渉波検出用電極１３２からは、漏れ出た第１の弾性表面波と第２の弾性表面波とによる干渉波が検出されるのである。

このような構成にすれば、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との間で不必要な振動が伝わらず、発振が不安定になることはない。

［第２の実施形態の第２の変形例の説明：図５］
次に、第２の実施形態の第２の変形例を、図５を用いて説明する。
なお、説明にあっては、すでに説明した実施の形態と重複する部分は省略し、その特徴点のみ説明する。

この例は、第１の変形例と同じく、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との位置関係によって、発振が不安定になることを回避するものである。第１の変形例と異なる点は、ダンパ１３６と共に反射器を用いる点である。

図５に示す物理量検出器５０２は、弾性表面波デバイス４０３と波形検出期２００と周波数カウンタ３００とで構成している。

図５に示す弾性表面波デバイス４０３は、第１の部位１１０と第２の部位１２０との間で、一方の部位からの弾性表面波が他方の部位に入らないようにするために、圧電基板１００の一表面上、第１の部位１１０と第２の部位１２０とをずらして配置している。

第３の部位１３０は、第１の部位１１０及び第２の部位１２０と平面的に斜めに配置しており、近傍に弾性波を吸収するダンパ１３６ａ、１３６ｂを設けている。
圧電基板１００を時計文字盤と見立てると、第３の部位１３０は指針軸中心に、第１の部位１１０は１０時方向、第２の部位１２０は４時方向、ダンパ１３６ａは１２時方向、ダンパ１３６ｂは６時方向に配置している。なお、ダンパ１３６ａ、１３６ｂはすでに説明したダンパ１３６と同様な材質である。

第１の部位１１０と第３の部位１３０との間には反射器１１９ａを、第２の部位１２０と第３の部位１３０との間には反射器１１９ｂを、それぞれ配置している。

図５に示す仮想線１５０ａ、１５０ｂは、それぞれ第１の弾性表面波と第２の弾性表面波とを模式的に示すものである。
図５に示すように、第１の部位１１０からの第１の弾性表面波は、反射器１１９ａにて反射され、第３の部位１３０に到来する。同様に、第２の部位１２０からの第２の弾性表
面波は、反射器１１９ｂにて反射され、第３の部位１３０に到来する。

反射器１１９ａ、１１９ｂは、反射電極であって、第１の励振用電極１１１及び第２の励振用電極１２１、第１の対向電極１１２及び第２の対向電極１２２と同じ材質の金属電極とすることができる。
もちろん、第１の弾性表面波及び第２の弾性表面波の周波数等を鑑みて反射器の反射率を設定するから、その材質は自由に選択することができる。

このような構成にすれば、第１の発振器１１４と第２の発振器１２４との間で不必要な振動が伝わったり、互いの発振器への過剰な干渉を減らすことができるため、発振が不安定になることはなく、干渉波検出用電極１３２から安定した信号を得ることができる。

本発明にかかる弾性表面波デバイスおよび物理量検出器は、２つの弾性表面波の干渉を用いて位相振幅比比較器なしで感応膜への被測定物質の付着量を検知することができる。このため、安価で高感度な匂いセンサおよびガスセンサに対して有用である。

１００ 圧電基板
１１０ 第１の部位
１１１ 第１の励振用電極
１１２ 第１の対向電極
１１３ 第１の伝搬経路
１１４ 第１の発振器
１１５ 第１のアンプ
１１６ 励振用電極
１１７ 第１の検出用電極
１１８ 第２の検出用電極
１１９ａ、１１９ｂ 反射器
１２０ 第２の部位
１２１ 第２励振用電極
１２２ 第２対向電極
１２３ 第２の伝搬経路
１２４ 第２の発振器
１２５ 第２のアンプ
１２６ 位相器
１３０ 第３の部位
１３２ 干渉波検出用電極
１３６、１３６ａ、１３６ｂ ダンパ
１５０ａ、１５０ｂ 仮想線
２００ 波形検出器
３００ 周波数カウンタ
４００、４０１、４０２、４０３ 弾性表面波デバイス
５００、５０１、５０２ 物理量検出器

Claims (8)

1. 圧電基板の一表面に、弾性表面波を発生させ、該弾性表面波の変化を検出する弾性表面波デバイスにおいて、
   前記一表面の第１の部位に、所定の周波数の第１の励振信号が入力され、第１の弾性表面波を発生させる第１の励振用電極と、
   前記第１の部位と離間する前記一表面の第２の部位に、所定の周波数の第２の励振信号が入力され、第２の弾性表面波を発生させる第２の励振用電極と、
   前記第１の弾性表面波と前記第２の弾性表面波とが到来し、これらの弾性表面波が加算される前記一表面の第３の部位に、干渉波を検出する検出用電極と、
   を有する弾性表面波デバイス。
2. 前記検出用電極は、平面的に前記第１及び第２の励振用電極とそれぞれ略等しい距離を離間して設ける
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
3. 前記第１及び第２の励振用電極と前記検出用電極とが対向する方向とは異なる方向の前記一表面に、前記第１及び第２の弾性表面波を前記検出用電極の方向にそれぞれ反射させる反射電極を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記一表面を覆い、前記第１又は第２の伝搬経路のどちらか一方を開口する保護膜を備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の弾性表面波デバイス。
5. 前記第１又は第２の伝搬経路のどちらか一方に、付着する物質により前記第１又は前記第２の弾性表面波の周波数を変化させる検出用感応膜を備える
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の弾性表面波デバイス。
6. 前記検出用感応膜を設けていない方の前記第２又は第１の伝搬経路に、前記検出用感応膜と同一の物質で構成する参照用感応膜を備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の弾性表面波デバイス。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の弾性表面波デバイスを用いる物理量検出装置であり、
   前記第１の励振信号を発生する第１の発振器と、
   前記第２の励振信号を発生する第２の発振器と、
   前記干渉波を所定の時間取り込み、所定の波形を抽出する波形検出器と、
   前記所定の波形を取り込み、その周波数を計測する周波数カウンタと、
   を備え、
   前記波形検出器は、前記干渉波の包絡線を前記所定の波形として抽出し、
   前記周波数カウンタは、前記包絡線の周波数を計測し、
   前記周波数カウンタの計測結果から、前記第１の弾性表面波又は前記第２の弾性表面波の変化を検出することを特徴とする物理量検出装置。
8. 前記第１の励振信号と前記第２の励振信号との前記所定の周波数は、それぞれ異なることを特徴とする請求項７に記載の物理量検出装置。
   

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