JP2015141165A - 弾性表面波センサおよび測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性表面波が反射部で反射される際に発生するバルク波の影響を抑制し、測定精度を改善する。【解決手段】本発明による弾性表面波センサは、圧電基板上に形成され、入力信号により励振されて前記圧電基板上に第１弾性表面波を発生させる第１電極部と、前記第１弾性表面波を反射させる第１反射部と、前記第１電極部と前記第１反射部との間の前記第１弾性表面波の伝搬経路上に形成され、被測定物が配置される第１反応場と、前記圧電基板上に形成され、前記入力信号により励振されて前記圧電基板上に第２弾性表面波を発生させる第２電極部と、前記第２弾性表面波を反射させる第２反射部と、前記第２電極部と前記第２反射部との間の前記第２弾性表面波の伝搬経路上に形成され、前記第２弾性表面波の位相を反転させる位相反転部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、弾性表面波センサおよび測定装置に関し、更に詳しくは、圧電基板上に形成され弾性表面波を励振させる櫛形電極と、前記櫛形電極と前記弾性表面波の伝搬方向における前記圧電基板の端部との間に被測定物が配置される反応場とが形成される弾性表面波素子を備えた弾性表面波センサおよび測定装置に関する。

一般に、弾性表面波素子は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられた櫛歯状電極指からなる送信電極及び受信電極とを備えている。このように構成される弾性表面波素子では、送信電極に電気信号が供給されると、電極指間に電界が発生し、圧電効果により弾性表面波が励振され、その弾性表面波が圧電基板上を伝搬して受信電極を励振させ、電気信号に変換される。この弾性表面波のうち、圧電基板の表面に平行に偏波するすべり弾性表面波（SH-SAW：Shear horizontal Surface Acoustic Wave）を利用し、各種物質の検出や物性値等の測定を行うための弾性表面波センサが研究されている（特許文献１）。

弾性表面波センサでは、圧電基板上に負荷された被測定物の領域が電気的に開放されている場合と短絡されている場合とで、受信電極で得られる信号の特性に差異があることを利用し、被測定物の物理的特性として誘電率、導電率を求めることができる。また、圧電基板上の送信電極と受信電極との間の伝搬路上に凹凸構造を形成し、その凹部に被測定物を負荷すると、負荷された被測定物は擬似的に膜を形成する。この膜が圧電基板とともに励振し、膜の質量に基づいて共振周波数が変化する質量負荷効果を利用して、被測定物の密度を求めることができる（特許文献２）。

弾性表面波センサの一形態として特許文献４には、圧電性基板上に配置した送信電極と受信電極との間に、検体である液体が導入される検出領域を備えたバイオセンサが開示されている。一般にバイオセンサでは、滴下された液体試料によって検査領域の弾性表面波の伝搬速度または振幅の変化が生じ、該変化量を測定することで液体試料に含まれている検体の物性を検出する。

特許文献１、２の弾性表面波センサは、送信電極及び受信電極が圧電基板上に形成されているが、弾性表面波の反射を利用した１つの送受信電極からなる弾性表面波センサが知られている（特許文献３）。この弾性表面波センサでは、送受信電極で励振された弾性波は、被測定物が負荷された反応場を伝搬した後、圧電基板の端部で反射され、再び送受信電極に入力される。この信号に基づき、被測定物の物理的特性を測定することができる。この場合、弾性表面波素子を１つの送受信電極で構成することにより、弾性表面波素子を小型に構成することができる。

なお、特許文献３の弾性表面波センサでは、送受信電極で励振された弾性波を圧電基板の端部で反射させているが、圧電基板の端部に代えて、グレーティング等を用いた反射器により弾性波を反射させる構成を用いることもできる。

特許第３４８１２９８号公報 特許第３２４８６８３号公報 特開２００９−３００３０２号公報 特開２００８−２８６６０６号公報

ところで、弾性波には、圧電基板の表面に沿って伝搬する弾性表面波と、圧電基板の内部を伝搬するバルク波とが含まれている。特許文献３に開示された構成からなる弾性表面波センサの場合、送受信電極で励振された弾性表面波が圧電基板の端部等の反射部で反射される際にバルク波が発生する。これら弾性表面波の反射波及びバルク波を含めた弾性波が共に送受信電極に入力される。従って、送受信電極で得られた信号には、弾性表面波に基づく信号と、バルク波に基づく信号とが混在しているため、被測定物の物理的特性を高精度に求めることができない場合がある。

従って、本発明の課題の一つは、弾性表面波が反射部で反射される際に発生するバルク波の影響を抑制し、測定精度を改善することができる弾性表面波センサおよび測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明にかかる弾性表面波センサは、圧電基板上に形成され、入力信号により励振されて前記圧電基板上に第１弾性表面波を発生させ、前記第１弾性表面波に基づく反射波を受信する第１電極部と、前記第１弾性表面波の伝搬方向における前記圧電基板上に形成され、前記第１弾性表面波を反射させる第１反射部と、前記第１電極部と前記第１反射部との間の前記第１弾性表面波の伝搬経路上に形成され、被測定物が配置される第１反応場と、前記圧電基板上に形成され、前記入力信号により励振されて前記圧電基板上に第２弾性表面波を発生させ、前記第２弾性表面波に基づく反射波を受信する第２電極部と、前記第２弾性表面波の伝搬方向における前記圧電基板上に形成され、前記第２弾性表面波を反射させる第２反射部と、前記第２電極部と前記第２反射部との間の前記第２弾性表面波の伝搬経路上に形成され、前記第２弾性表面波の位相を反転させる位相反転部とを備え、例えば、前記位相反転部は、前記第１弾性表面波に対して前記第２弾性表面波の音速を相対的に変化させることにより、前記第２弾性表面波の位相を反転させることを特徴とする。この構成によれば、第１弾性表面波に対し第２弾性表面波の進行速度が変化される。これにより、第１弾性表面波に対し第２弾性表面波の位相を１８０°だけ遅延させて、その位相を反転させることができる。

この構成によれば、第１電極部により発生された第１弾性表面波は、第１反射部により反射されて第１電極部により受信される。このとき、第１反射部により第１弾性表面波の反射波と共にバルク波が発生されて第１電極部により受信される。一方、第２電極部により発生された第２弾性表面波は、第２反射部により反射されて第２電極部により受信される。このとき、第２弾性表面波は位相反転部により前記第１弾性表面波に対して前記第２弾性表面波の音速が相対的に変化させられることにより、位相反転されて第１弾性表面波に対し逆相となる。上記位相反転された第２弾性表面波は、第２反射部により反射される。このとき、第２反射部により、上記位相反転された第２弾性表面波の反射波と共にバルク波が発生される。このうち、上記位相反転された第２弾性表面波の反射波は、位相反転部により位相反転されて第２電極部により受信される。これにより、第２反射部から第２電極部により受信される第２弾性表面波の反射波の位相は、第１反射部から第１電極部により受信される第１弾性表面波の反射波と同相になる。これに対し、第２反射部から第２電極部により受信されるバルク波の位相は、位相反転部により反転されず、第１反射部から第１電極部により受信されるバルク波の位相に対して逆相になる。このため、第１反射部から第１電極部により受信されるバルク波と、第２反射部から第２電極部により受信されるバルク波とを合成すれば、第１反射部および第２反射部によりそれぞれ発生されるバルク波が相殺される。これにより、反射部から発生するバルク波を抑制することが可能になる。

前記弾性表面波センサにおいて、例えば、前記位相反転部は、前記第２弾性表面波の音速を変化させるためのグレーティング構造を有することを特徴とする。または、前記弾性表面波センサにおいて、例えば、前記位相反転部は、前記第２電極部と前記第２反射部との間の前記圧電基板上に形成され、前記第２弾性表面波の音速を変化させるように膜厚が調整されたメタル層を備えたことを特徴とする。または、前記弾性表面波センサにおいて、例えば、前記位相反転部は、前記第２電極部と前記第２反射部との間の前記圧電基板上に形成された反応場に形成された構造体を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、第１弾性表面波に対し第２弾性表面波の伝搬時間が変化される。これにより、第１弾性表面波に対し第２弾性表面波の音速を変化させ、第１弾性表面波に対し第２弾性表面波の位相を反転させることができる。

前記弾性表面波センサにおいて、例えば、前記圧電基板の端部は、前記第１電極部および第２電極部が励振されることにより発生するバルク波の反射波の進行方向を変更するように形成されたことを特徴とする。この構成によれば、圧電基板の端部から第１電極部および第２電極部に向かうバルク波の反射波が低減される。

上記課題を解決するための本発明にかかる測定装置は、前記弾性表面波センサを備えた測定装置の構成を有する。

本発明によれば、弾性表面波が反射部で反射される際に発生するバルク波の影響を抑制し、測定精度を改善することができる。

本発明の第１実施形態による測定装置の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサの構成例を模式的に示す図であり、測定装置の上視図および断面図である。 本発明の第１実施形態による測定装置の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、弾性表面波の位相を説明するための図であり、（Ｂ）は、弾性表面波の反射波およびバルク波の位相を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による測定装置の動作を説明するための図であり、圧電基板の端部でのバルク波の反射波に着目した動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサの構成例を模式的に示す上視図である。 本発明の第３実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサの構成例を模式的に示す上視図である。 本発明の第４実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサの構成例を模式的に示す上視図である。 本発明の第５実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサの構成例を模式的に示す上視図である。 本発明の実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサの変形例を模式的に示す上視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
（構成の説明）
図１は、本発明の第１実施形態による測定装置１０の構成例を示す図である。
測定装置１０は、例えば液体状の被測定物の物理的特性を測定するものであり、弾性表面波センサ１００と、発振器１４、分配器１６、スイッチ１７及び弾性波検出器１８から構成される測定部２０と、パソコン等で構成される処理部２２とを備える。

図２は、本実施形態による測定装置１０が備える弾性表面波センサ１００の構成例を模式的に示す図であり、弾性表面波センサ１００の上視図（上段）および断面図（下段）である。
弾性表面波センサ１００は、圧電基板１１０と、櫛形電極（第１電極部）１２１および櫛形電極（第２電極部）１２２と、反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂと、反射器（反射部）１４１および反射器（反射部）１４２と、位相反転部１５０と、バルク波伝搬部１６０とを備える。

ここで、圧電基板１１０は、弾性表面波を伝搬させることができるものであれば、特に限定されないが、例えば水晶であり、あるいは、３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム単結晶）である。櫛形電極１２１および櫛形電極１２２は、入力端子Ｓに供給される入力信号により励振されて圧電基板１１０上に弾性波を発生させると共に、この弾性波に基づく反射波を受信するるものであり、それぞれ圧電基板１１０上に形成されている。反射器１４１および反射器１４２は、弾性表面波を反射させるものであり、それぞれ、櫛形電極１２１および櫛形電極１２２から発生された弾性波の伝搬方向（矢印Ｘ方向）における圧電基板１１０上に形成されている。反応場１３１は、櫛形電極１２１と反射器１４１との間の弾性表面波の伝搬経路上に形成され、被測定物が配置されるものである。また、反応場１３２Ａ，１３２Ｂは、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の弾性表面波の伝搬経路上に形成され、同じく被測定物が配置されるものである。

本実施形態では、圧電基板１１０は、概略長方形の形状を有している。櫛形電極１２１および櫛形電極１２２は、圧電基板１１０の長辺方向の一端側の圧電基板１１０上に、圧電基板１１０の短辺方向に配列されるようにして形成されている。また、反射器１４１および反射器１４２は、圧電基板１１０の長辺方向の他端側の圧電基板１１０上に、櫛形電極１２１，１２２に対応して、圧電基板１１０の短辺方向に配列されるようにして形成されている。反応場１３１は、櫛形電極１２１と反射器１４１との間の弾性波の伝搬経路上に形成されている。また、反応場１３２Ａおよび反応場１３２Ｂは、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の弾性波の伝搬経路上に形成されている。

位相反転部１５０は、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の弾性表面波の伝搬経路上に形成され、この弾性表面波の位相を反転させるものである。位相反転部１５０は、反応場１３２Ａと反応場１３２Ｂとの間に形成されている。本実施形態では、位相反転部１５０は、櫛形電極１２１により発生される弾性表面波に対して、櫛形電極１２２により発生される弾性表面波の音速を相対的に変化させることにより、位相を反転させる。このため、位相反転部１５０は、櫛形電極１２２により発生された弾性表面波の音速を変化させるためのグレーティング構造を有する。即ち、位相反転部１５０は、すべり弾性表面波の伝搬方向と直交するようにして、一定の間隔をおいて圧電基板１１０上に並列に配置した複数の電極指１５１，１５２から構成されている。また、複数の電極指１５１，１５２の配置ピッチは、すべり弾性表面波の波長λの８分の１に設定している。このようなグレーティング構造を有する位相反転部１５０を採用したことにより、位相反転部１５０から圧電基板１１０の内部への弾性波の漏えいを抑制しつつ、位相反転に必要な音速の調整を実現している。

なお、本実施形態では、位相反転部１５０は、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の弾性波の伝搬経路の略中間に形成されているが、この例に限らず、櫛形電極１２２により発生されたすべり弾性表面波の位相を反転させることができることを限度として、任意の位置に配置することができる。また、圧電基板１１０への弾性波の漏えいが許容される限度において、電極指１５１，１５２を省略し、位相反転部１５０での金属膜の膜厚をゼロとすることも可能である。この場合、位相反転を効果的に行うことができる。

バルク波伝搬部１６０は、反射器１４１および反射器１４２のそれぞれと端部Ｅとの間に形成されるバルク波の伝搬領域である。
なお、反射器１４１，１４２から発生されるバルク波の影響を抑制する本発明の目的からすれば、バルク波伝搬部１６０は本発明の必須の要素ではないが、後述するように、櫛形電極１２１，１２２から発生されたバルク波の端部Ｅでの反射波と、櫛形電極１２１，１２２から発生されて反射器１４１，１４２により反射された弾性表面波の反射波とをバルク波伝搬部１６０により時間分離することにより、更にいっそうバルク波の影響を抑制して測定精度を改善することができる。

弾性波は、弾性表面波、バルク波等の各種の波を含む。弾性表面波は、圧電基板１１０の表面に沿って伝搬する波であり、バルク波は、圧電基板１１０の内部を伝搬する波である。また、被測定物が液体の場合、弾性表面波は、すべり弾性表面波である。本実施形態では、弾性表面波の例としてすべり弾性表面波を用いて説明する。本実施形態では、すべり弾性表面波は、圧電基板１１０の表層部分を伝搬し、一部が反射器１４１，１４２で反射される。また、バルク波は、圧電基板１１０の全体に伝搬し、反射器１４１，１４２の下方を通過してバルク波伝搬部１６０を伝搬した後、圧電基板１１０の端部Ｅで反射される。

本実施形態では、櫛形電極１２１は、極性の異なる複数対の電極指１２１ａ、１２１ｂを弾性表面波の波長λの間隔で伝搬方向にＮ対が配列して構成される（例えば、図１では４対）。櫛形電極１２１は、発振器１４で生成された高周波発振信号（例えば、中心周波数が２５０ＭＨｚ）に基づいて弾性表面波を励振させて反応場１３１に伝搬させる。櫛形電極１２１は、反応場１３１を伝搬して反射器１４１により反射されて戻ってきたすべり弾性表面波を受信する。また、櫛形電極１２１は、反応場１３１からバルク波伝搬部１６０に伝搬して圧電基板１１０の端部Ｅにより反射されて戻ってきたバルク波を受信する。櫛形電極１２１は、被測定物が付着することで測定精度が低下することを回避するため、樹脂又はガラス等の封止部材（図示省略）により密閉される。

櫛形電極１２２についても櫛形電極１２１と同様に構成されている。即ち、櫛形電極１２２は、極性の異なる複数対の電極指１２２ａ、１２２ｂを弾性表面波の波長λの間隔で伝搬方向にＮ対が配列して構成される（例えば、図１では４対）。櫛形電極１２２は、発振器１４で生成された高周波発振信号（例えば、中心周波数が２５０ＭＨｚ）に基づいて弾性表面波を励振させて反応場１３２Ａ，１３２Ｂに伝搬させる。櫛形電極１２２は、反応場１３２Ａ，１３２Ｂおよび位相反転部１５０を伝搬して反射器１４２により反射されて戻ってきたすべり弾性表面波を受信する。また、櫛形電極１２２は、反応場１３２Ａ，１３２Ｂからバルク波伝搬部１６０に伝搬して圧電基板１１０の端部Ｅにより反射されて戻ってきたバルク波を受信する。櫛形電極１２２は、櫛形電極１２１と同様に、被測定物が付着することで測定精度が低下することを回避するため、樹脂又はガラス等の封止部材（図示省略）により密閉される。

櫛形電極１２１の電極指１２１ｂと櫛形電極１２２の電極指１２２ｂは入力端子Ｓに共通に接続されている。入力端子Ｓを介して測定部２０から櫛形電極１２１，１２２に高周波発振信号が供給される。また、櫛形電極１２１の電極指１２１ａと櫛形電極１２２の電極指１２２ａは固定電位端子Ｇに接続されている。本実施形態では、固定電位端子Ｇにはたえグランド電位が供給されている。

反射器１４１は、複数の電極指１４１ａを並列接続して構成される。複数の電極指１４１ａの配置ピッチ（幅）は、例えば弾性表面波の波長λの４分の１に設定されている。これにより、波長λの弾性表面波は反射器１４１により受信されずに反射される。反射器１４２についても反射器１４１と同様に構成されている。即ち、反射器１４２は、複数の電極指１４２ａを並列接続して構成される。複数の電極指１４２ａのそれぞれの配置ピッチ（幅）は、例えば弾性表面波の波長λの４分の１に設定されている。これにより、波長λの弾性表面波は反射器１４２に受信されずに反射される。
なお、本実施形態では、反射器１４１，１４２としてグレーティングを用いるが、これに代えて、例えば、弾性表面波の伝搬経路と直交するように圧電基板１１０上に溝を形成し、この溝の側壁部を反射器として用いてもよい。

反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂのそれぞれには、圧電基板１１０上に蒸着された金属膜が形成される。金属膜は、電気的に短絡された短絡伝搬路を構成する。金属膜４０の材料は、特に限られないが、各反応場に滴下される被測定物に対して化学的に安定している金とすることが好ましい。

バルク波伝搬部１６０は、バルク波が伝搬される領域であり、反射器１４１，１４２から圧電基板１１０の端部Ｅまでの距離Ｌ２は、次式（１）の関係を満たす値に設定される。
Ｌ２≧Ｎ×λ／２ …（１）
ここで、λは弾性表面波の波長であり、Ｎは、電極指１２１ａ、１２１ｂおよび電極指１２２ａ、１２２ｂのそれぞれの対の数である。

測定部２０を構成する発振器１４は、高周波発振信号を生成する。分配器１６は、高周波発振信号を櫛形電極１２１，１２２に供給するとともに、弾性波検出器１８に供給する。弾性波検出器１８は、分配器１６で分配された高周波発振信号と、櫛形電極１２１，１２２により受信された弾性表面波に基づく信号との振幅比、位相差及び伝搬遅延差を検出し、検出した振幅比、位相差及び伝搬遅延差に基づく信号を処理部２２に出力する。処理部２２は、弾性波検出器１８から供給される信号に基づき、被測定物の物理的特性を求める。また、処理部２２は、所定のタイミングで、スイッチ１７の端子１と端子３との接続、または端子２と端子３との接続を切り替える。なお、物理的特性とは、例えば、被測定物の粘度、密度等である。処理部２２は、例えば、反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂに何も滴下されていない状態で、供給された信号の振幅変化、位相変化を求める。反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂに何も滴下しない場合、被測定物は空気である。次に、反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂに被測定物が滴下されている状態で、供給された信号の振幅変化、位相変化を求める。処理部２２は、この２つの測定データの算出することで、滴下された被測定物の粘度や密度等を算出する。

（動作の説明）
次に、図３を参照して、櫛形電極１２１，１２２により発生された弾性表面波が反射器１４１，１４２により反射される際に発生するバルク波を抑制する観点から、測定装置１０の動作を説明する。
図３は、本実施形態による測定装置１０が備える弾性表面波センサ１００の動作を説明するための図であり、（Ａ）は、弾性表面波の位相を説明するための図であり、（Ｂ）は、弾性表面波の反射波およびバルク波の位相を説明するための図である。

測定者は、弾性表面波センサ１００の反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂに被測定物を滴下する。この場合、櫛形電極１２１，１２２は、封止部材（図示省略）によって密閉されているため、櫛形電極１２１，１２２に被測定物が付着することで測定精度が低下する事態を回避することができる。なお、被測定物としては、液体状のものであれば、例えば、純液、混合液のいずれであってもよく、メタノール、エタノール等のアルコールの物理的特性を測定する場合に特に有効である。また、被測定物に抗原、抗体、バクテリア等が含まれる状態においても、物理的特性を測定できることは言うまでもない。

次に、発振器１４でバースト的に生成された高周波発振信号は、分配器１６で分配され、櫛形電極１２１，１２２及び弾性波検出器１８に同一の高周波発振信号が供給される。櫛形電極１２１，１２２は、供給された高周波発振信号に基づいて励振して弾性波を発生させる。ここで、図３（Ａ）に示すように、櫛形電極１２１により発生された弾性波のうち、すべり弾性表面波Ｗ１は、圧電基板１１０の表層部分を伝搬し、被測定物が滴下された反応場１３１に沿って矢印Ｘ方向に伝搬する。そして、図３（Ｂ）に示すように、反応場１３１を伝搬したすべり弾性表面波Ｗ１の一部が反射器１４１によって反射された後、反射波ＲＷ１となって、再度、反応場１３１を伝搬し、櫛形電極１２１で受信される。ここで、反射器１４１によりすべり弾性表面波Ｗ１が反射される際、バルク波ＲＢ１が発生する。このバルク波ＲＢ１は、すべり弾性表面波Ｗ１の反射波ＲＷ１と共に櫛形電極１２１で受信される。

また、図３（Ａ）に示すように、櫛形電極１２２により発生された弾性波のうち、すべり弾性表面波Ｗ２は、圧電基板１１０の表層部分を伝搬し、被測定物が滴下された反応場１３２Ａ，１３２Ｂおよび位相反転部１５０に沿って矢印Ｘ方向に伝搬する。そして、図３（Ｂ）に示すように、反応場１３２Ａ，１３２Ｂおよび位相反転部１５０を伝搬したすべり弾性表面波Ｗ２の一部が反射器１４２によって反射された後、反射波ＲＷ２となって、再度、反応場１３２Ａ，１３２Ｂおよび位相反転部１５０を伝搬し、櫛形電極１２２で受信される。ここで、反射器１４２によりすべり弾性表面波Ｗ２が反射される際、バルク波ＲＢ２が発生する。このバルク波ＲＢ２は、すべり弾性表面波Ｗ２の反射波ＲＷ２と共に櫛形電極１２２で受信される。

上述のように、櫛形電極１２１，１２２により発生されたすべり弾性表面波Ｗ１，Ｗ２が反射器１４１，１４２により反射され、その反射波ＲＷ１，ＲＷ２がバルク波ＲＢ１，ＲＢ２と共に櫛形電極１２１，１２２により受信される。

ここで、すべり弾性表面波Ｗ１，Ｗ２、反射波ＲＷ１，ＲＷ２、バルク波ＲＢ１，ＲＢ２の各位相関係を検討する。
櫛形電極１２１により発生されたすべり弾性表面波Ｗ１は反射器１４１に反射される際、その位相は反転されずに維持される。このため、すべり弾性表面波Ｗ１と、その反射波ＲＷ１は同相の関係にある。また、櫛形電極１２２により発生されたすべり弾性表面波Ｗ２は、位相反転部１５０に到達する前の反応場１３２Ａにおいては、櫛形電極１２１により発生されたすべり弾性表面波Ｗ１と同相であるが、位相反転部１５０を通過することにより、その位相が反転される。

位相反転されたすべり弾性表面波Ｗ２は、反応場１３２Ｂを伝搬した後、反射器１４２により反射されて反射波ＲＷ２となる。この反射波ＲＷ２は、反応場１３２Ｂを伝搬して位相反転部１５０を通過することにより、再度、その位相が反転される。この結果、櫛形電極１２２により受信される反射波ＲＷ２の位相は元の状態に戻り、櫛形電極１２１により受信される反射波ＲＷ１と同相になる。従って、櫛形電極１２１と櫛形電極１２２が接続された入力端子Ｓには、櫛形電極１２２により受信される反射波ＲＷ２と、櫛形電極１２１により受信される反射波ＲＷ１との合成波が供給される。この場合、反射波ＲＷ２と反射波ＲＷ１は同相の関係にあるから、受信信号の振幅が拡大される。

次に、バルク波の位相を検討すると、櫛形電極１２１により発生されたすべり弾性表面波Ｗ１が反射器１４１に反射される際に発生するバルク波ＲＢ１は、すべり弾性表面波Ｗ１の反射波ＲＷ１と同相である。これに対し、櫛形電極１２２により発生されて位相反転部１５０により位相反転されたすべり弾性表面波Ｗ２が反射器１４２に反射される際に発生するバルク波ＲＢ２は、上述のバルク波ＲＢ１と逆相となる。即ち、バルク波ＲＢ１とバルク波ＲＢ２は相互に逆相の関係になる。この逆相の関係を維持した状態で、バルク波ＲＢ２は、反応場１３２Ｂ、位相反転部１５０、反応場１３２Ａの下方の圧電基板１１０の内部を通って櫛形電極１２１により受信される。

従って、櫛形電極１２１と櫛形電極１２２が接続された入力端子Ｓには、櫛形電極１２２により受信されるバルク波ＲＢ２と、櫛形電極１２１により受信されるバルク波ＲＢ１との合成波が供給される。この場合、バルク波ＲＢ１とバルク波ＲＢ２は逆相の関係にあるから、相互に打消し合う。これにより、反射器１４１および反射器１４２によりそれぞれ発生されたバルク波が抑制される。

このように、本実施形態によれば、すべり弾性表面波Ｗ１，Ｗ２の反射波ＲＷ１，ＲＷ２は同相の関係になり、すべり弾性表面波Ｗ１，Ｗ２が反射器１４１，１４２により反射される際に発生するバルク波ＲＢ１，ＲＢ２は逆相の関係になる。このため、反射波ＲＷ１，ＲＷ２による信号成分が増加し、逆に、バルク波ＲＢ１，ＲＢ２による信号成分が低減される。従って、受信信号のＳＮ比が改善され、測定精度が向上する。
また、本実施形態によれば、反応場１３１と反応場１３２Ａ，１３２Ｂを隣接して配置したので、被測定物を分散させて滴下する必要がなく、一か所に滴下すればよい。従って、測定作業を軽減することができる。

次に、図４を参照しながら、圧電基板１１０の端部Ｅでのバルク波の反射波を抑制する観点から、測定装置１０の動作を説明する。
図４は、本発明の第１実施形態による測定装置１０の動作を説明するための図であり、圧電基板１１０の端部でのバルク波の反射波に着目した動作を説明するための図である。

上述と同様に、測定者は、被測定物を弾性表面波センサ１００の反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂに滴下する。そして、発振器１４でバースト的に生成された高周波発振信号は、分配器１６で分配され、櫛形電極１２１，１２２及び弾性波検出器１８に同一の高周波発振信号が供給される。櫛形電極１２１，１２２は、供給された高周波発振信号に基づいてすべり弾性表面波Ｗ１，Ｗ２を発生させる。このとき、櫛形電極１２１はバルク波Ｂ１を発生させ、櫛形電極１２２はバルク波Ｂ２を発生させる。バルク波Ｂ１は、圧電基板１１０の全体に伝搬し、その一部が反射器１４１の下方の圧電基板１１０の内部を通過してバルク波伝搬部１６０を伝搬し、圧電基板１１０の端部Ｅに到達する。バルク波Ｂ２は、圧電基板１１０の全体に伝搬し、その一部が反射器１４２の下方の圧電基板１１０の内部を通過してバルク波伝搬部１６０を伝搬し、圧電基板１１０の端部Ｅに到達する。これらバルク波Ｂ１，Ｂ２は、端部Ｅによって反射された後、再度、バルク波伝搬部１６０及び反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂを伝搬し、櫛形電極１２１，１２２で受信される。

ここで、本実施形態では、反射器１４１，１４２によって反射されたすべり弾性表面波の反射波ＲＷ１，ＲＷ２と、バルク波伝搬部１６０を伝搬して圧電基板１１０の端部Ｅによって反射されたバルク波Ｂ１，Ｂ２を時間的に分離して検出する。このため、設計者は、バルク波伝搬部１６０の距離Ｌ２を以下のように設定する。すなわち、櫛形電極１２１を構成する極性の異なる複数対の電極指１２１ａ，１２１ｂの間隔は、弾性波の波長λであり、電極指１２１ａ、１２１ｂの対の数をＮとすると、櫛形電極１２１の幅は、（Ｎ×λ）である（ただし、Ｎは１以上の整数）。櫛形電極１２２についても同様である。すべり弾性表面波とバルク波とを確実に分離するために、すべり弾性表面波が反射器１４１，１４２で反射されて櫛形電極１２１，１２２に戻るまでの時間ｔ１と、バルク波が圧電基板１１０の端部Ｅで反射されて櫛形電極１２１，１２２に戻るまでの時間ｔ２との時間差（ｔ２−ｔ１）は、次式（２）の関係を満たす値に設定される。
ｔ２−ｔ１≧Ｎ×λ／ｖ …（２）
ここで、ｖは弾性波の伝搬速度である。この時間差（ｔ２−ｔ１）は、バルク波が距離Ｌ２のバルク波伝搬部１６０を往復するのに要する時間であるから、次式（３）が成り立つ。
ｔ２−ｔ１＝２×Ｌ２／ｖ …（３）

従って、受信した弾性波からバルク波を時間的に分離し、すべり弾性表面波を高精度に検出するために、（２）、（３）式から、バルク波伝搬部１６０の距離Ｌ２は、次式（４）の関係を満たす値に設定される。
Ｌ２≧Ｎ×λ／２ …（４）

櫛形電極１２１，１２２により受信されたすべり弾性表面波及びバルク波は、すべり弾性表面波信号及びバルク波信号に変換された後、弾性波検出器１８に供給される。弾性波検出器１８は、分配器１６から供給された高周波発振信号と、受信した信号との振幅比、位相差及び伝搬遅延差を検出し、当該検出された振幅比、位相差及び伝搬遅延差に基づく信号を処理部２２に出力する。処理部２２は、弾性波検出器１８から供給されたこれらの信号のうち、すべり弾性表面波信号に対して所定時間遅延しているバルク波信号を分離し、すべり弾性表面波信号に係る信号に基づき、被測定物の物理的特性を求める。

このように、第１実施形態によれば、反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂを伝搬し、反射器１４１，１４２によって反射された後、櫛形電極１２１，１２２に入力する上述のすべり弾性表面波の反射波ＲＷ１，ＲＷ２と、反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂから反射器１４１，１４２の下部を通過してバルク波伝搬部１６０を伝搬し、圧電基板１１０の端部Ｅによって反射された後、櫛形電極１２１，１２２に入力されるバルク波Ｂ１，Ｂ２の反射波との間に所定の時間差が生じる。従って、処理部２２は、弾性波検出器１８より供給された信号から、すべり弾性表面波に基づく信号に対して所定時間遅延して供給されるバルク波に基づく信号を分離することができる。この結果、処理部２２は、すべり弾性表面波に係る信号に基づいて、反応場１３１，１３２Ａ，１３２Ｂに滴下された被測定物の物理的性を高精度に求めることができる。
従って、第１実施形態によれば、反射器１４１，１４２により発生されるバルク波と、圧電基板１１０の端部Ｅで発生するバルク波との両方の影響を抑制することができるため、測定精度を有効に改善することができる。ただし、必要に応じて、圧電基板１１０の端部Ｅで発生するバルク波の影響を抑制せず、反射器１４１，１４２により発生されるバルク波の影響のみを抑制してもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図５は、本発明の第２実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサ２００の構成例を模式的に示す上視図である。
第２実施形態による弾性表面波センサ２００は、図２に示す第１実施形態の弾性表面波センサ１００の構成において、位相反転部１５０に代えて位相反転部２５０を備える。位相反転部３５０の構成および機能は第１実施形態の位相反転部１５０と同様である。ただし、第２実施形態では、位相反転部３５０は、櫛形電極１２２と反射器１４２との略中間よりも、櫛形電極１２２に寄った位置に配置されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

第２実施形態によれば、位相反転部２５０の両側に位置する反応場２３２Ａ，２３２Ｂのうち、反応場２３２Ｂの面積を第１実施形態の反応場１３２Ｂに比較して拡大することができる。従って、位相反転部２５０が反応場に介在することによる影響を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図６は、本発明の第３実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサ３００の構成例を模式的に示す上視図である。
第３実施形態による弾性表面波センサ３００は、図２に示す第１実施形態の弾性表面波センサ１００の構成において、位相反転部１５０に代えて位相反転部３５０を備える。第２実施形態では、図６の下段の断面図から理解されるように、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の反応場３３２には、連続した金属膜が形成され。その金属膜上に、位相反転部３５０を構成する複数の電極指からなるグレーティングが形成されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

第３実施形態によれば、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の反応場３３２において、金属膜が存在しない開放領域を無くすことができるので、バイオセンサとしての利用に適している。また、第３実施形態によれば、櫛形電極１２２から発生されたすべり弾性表面波が位相反転部３５０を伝搬する過程で、位相反転部３５０から圧電基板１１０の内部に侵入するバルク波を防止することができる。

＜第４実施形態＞
図７は、本発明の第４実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサ４００の構成例を模式的に示す上視図である。
第４実施形態による弾性表面波センサ４００は、図２に示す第１実施形態の弾性表面波センサ１００の構成において、位相反転部１５０に代えて位相反転部４５０を備える。位相反転部４５０は、櫛形電極１２２と反射部１４２との間の圧電基板１１０上に形成され、櫛形電極１２２と反射部１４２との間を伝搬する弾性表面波の音速を変化させるように膜厚が調整された金属膜から構成される。

具体的には、図７の下段の断面図から理解されるように、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の反応場４３２には、位相反転部４５０として、連続した金属膜が形成される。この位相反転部４５０として形成された金属膜は反応場４３２としての機能を兼ねる。位相反転部４５０を形成する金属膜の膜厚は、櫛形電極１２２から発生されたすべり弾性表面波の位相が反射器１４２に到達した時点で反転した状態となるような弾性表面波の音速が得られるように、調整されている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

第４実施形態によれば、第３実施形態と同様に、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の反応場４３２において、金属膜が存在しない開放領域を無くすことができるので、バイオセンサとしての利用に適している。また、第４実施形態によれば、第３実施形態と同様に、櫛形電極１２２から発生されたすべり弾性表面波が位相反転部４５０を伝搬する過程で、位相反転部４５０から圧電基板１１０の内部に侵入するバルク波を防止することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態を説明する。
図８は、本発明の第５実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサ５００の構成例を模式的に示す上視図である。
第５実施形態による弾性表面波センサ５００は、図２に示す第１実施形態の弾性表面波センサ１００の構成において、位相反転部１５０に代えて位相反転部５５０を備える。位相反転部５５０は、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の圧電基板１１０上に形成された反応場５３２上に配置された構造体を有する。

具体的には、第５実施形態では、図８の下段の断面図から理解されるように、櫛形電極１２２と反射器１４２との間の反応場５３２には、第３実施形態と同様に、連続した金属膜が形成され、その金属膜上に、位相反転部５５０として構造体が配置されている。この構造体としては、すべり弾性表面波を減衰させず、音速を変化させ得る任意の材料が用いられる。その他の構成は第１実施形態と同様である。

第５実施形態によれば、第３および第４実施形態と同様に、櫛形電極１２２から発生されたすべり弾性表面波が位相反転部５５０を伝搬する過程で、位相反転部５５０から圧電基板１１０の内部に侵入するバルク波を防止することができる。

[変形例]
次に、上述した本発明の各実施形態の変形例を説明する。
図９は、本発明の実施形態による測定装置が備える弾性表面波センサの変形例を模式的に示す上視図である。
本変形例では、圧電基板の端部は、櫛形電極１２１および櫛形電極１２２励振されることにより発生するバルク波の反射波の進行方向を変更するように形成されている。即ち、圧電基板の端部は、櫛形電極１２１および櫛形電極１２２が励振されることにより発生するバルク波の進行方向に対して一定の傾きを有する傾斜面を有している。

図９（Ａ）に示す例では、櫛形電極１２１，１２２と反射器１４１，１４２との間のすべり弾性表面波の進行方向Ｘに対し、圧電基板１１０の両端部に傾斜を設けている。この例では、圧電基板１１０ａの上面方向から見て、圧電基板１１０ａの端部Ｅａに傾斜が設けられている。この例によれば、端部Ｅａで反射したバルク波が、櫛形電極１２１，１２２と反射器１４１，１４２との間のバルク波の伝搬経路とは異なる圧電基板１１０ａの側面に向かって反射される。圧電基板１１０ａの他端側でも同様である。このため、端部Ｅａで反射されたバルク波が櫛形電極１２１，１２２に受信される確率が低下する。従って、端部Ｅａで反射されたバルク波の影響が低減され、測定精度が改善される。

図９（Ｂ）に示す例では、圧電基板１１０ｂの側面方向から見て、台形をなすように、圧電基板１１０ｂの端部Ｅｂに傾斜が設けられている。この例によれば、端部Ｅｂで反射したバルク波が、櫛形電極１２１，１２２と反射器１４１，１４２との間のバルク波の伝搬経路とは異なる圧電基板１１０ｂの下面に向かって反射される。このため、端部Ｅｂで反射されたバルク波が櫛形電極１２１，１２２に受信される確率が低下する。従って、端部Ｅｂで反射されたバルク波の影響が低減され、測定精度が改善される。

図９（Ｃ）に示す例では、圧電基板１１０ｃの側面方向から見て、逆台形をなすように、圧電基板１１０ｃの端部Ｅｃに傾斜が設けられている。この例によれば、端部Ｅｃで反射したバルク波が、櫛形電極１２１，１２２と反射器１４１，１４２との間のバルク波の伝搬経路とは異なる圧電基板１１０ｂの上面に向かって反射される。このため、端部Ｅｃで反射されたバルク波が櫛形電極１２１，１２２に受信される確率が低下する。従って、端部Ｅｃで反射されたバルク波の影響が低減され、測定精度が改善される。

図９（Ｄ）に示す例は、上述の図９（Ｂ）に示す例と、図９（Ｃ）に示す例の組み合わせである。即ち、圧電基板１１０ｄの端部Ｅｄは、上述の図９（Ｂ）に示す端部Ｅｂに対応する傾斜面と、図９（Ｃ）に示す端部Ｅｃに対応する傾斜面とを有する。この例によれば、端部Ｅｄで反射したバルク波が、櫛形電極１２１，１２２と反射器１４１，１４２との間のバルク波の伝搬経路とは異なる圧電基板１１０ｂの下面または上面に向かって反射される。このため、端部Ｅｄで反射されたバルク波が櫛形電極１２１，１２２に受信される確率が低下する。従って、端部Ｅｂで反射されたバルク波の影響が低減され、測定精度が改善される。

以上、本発明の実施形態および変形例を説明したが、本発明は、上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、種々の変形、修正、置換、付加等が可能である。
例えば、上述の第１実施形態では、櫛形電極１２１から反射器１４１に向かう弾性波の第１伝搬方向と、櫛形電極１２２から反射器１４２に向かう弾性波の第２伝搬方向が並行となるように、各要素を圧電基板１１０上に形成したが、第１伝搬方向と第２伝搬方向が相互に対向するように各要素を配置してもよく、逆に、第１伝搬方向と第２伝搬方向とが離反するように各要素を配置してもよく、これらの伝搬方向は任意に設定し得る。
また、上述の第１実施形態では、櫛形電極１２２と反射器１４２との間に反応場１３２Ａ，１３２Ｂを形成したが、これらの反応場１３２Ａ，１３２Ｂを省略し、反応場１３１のみを備えてもよい。

以下、既述の実施形態に開示された発明の、特許請求の範囲に記載しなかった発明の構成、作用および効果を「特許請求の範囲」、「課題を解決するための手段」、「発明の効果」の各欄に準じた様式により列記する。

〔請求項７〕
請求項５に記載の弾性表面波センサにおいて、
前記圧電基板の端部は、
前記第１電極部および第２電極部が励振されることにより発生するバルク波の進行方向に対して一定の傾きを有する傾斜面を有することを特徴とする弾性表面波センサ。

前記弾性表面波センサにおいて、例えば、前記圧電基板の端部は、前記第１電極部および第２電極部が励振されることにより発生するバルク波の進行方向に対して一定の傾きを有する傾斜面を有することを特徴とする。この構成によれば、圧電基板の端部によるバルク波の反射波の進行方向が変更される。

〔請求項８〕
請求項５または請求項７の何れか１項に記載された弾性表面波センサを備えた測定装置。

上記課題を解決するための本発明にかかる測定装置は、前記弾性表面波センサを備えた測定装置の構成を有する。

１０ 測定装置
２０ 測定部
２２ 処理部
１００，２００，３００，４００，５００ 弾性表面波センサ
１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ 圧電基板
１２１ 櫛形電極（第１電極部）
１２２ 櫛形電極（第２電極部）
１３１，１３２Ａ，１３２Ｂ 反応場
１４１，１４２ 反射器（反射部）
１５０，２５０，３５０，４５０，５５０ 位相反転部

Claims (6)

1. 圧電基板上に形成され、入力信号により励振されて前記圧電基板上に第１弾性表面波を発生させ、前記第１弾性表面波に基づく反射波を受信する第１電極部と、
   前記第１弾性表面波の伝搬方向における前記圧電基板上に形成され、前記第１弾性表面波を反射させる第１反射部と、
   前記第１電極部と前記第１反射部との間の前記第１弾性表面波の伝搬経路上に形成され、被測定物が配置される第１反応場と、
   前記圧電基板上に形成され、前記入力信号により励振されて前記圧電基板上に第２弾性表面波を発生させ、前記第２弾性表面波に基づく反射波を受信する第２電極部と、
   前記第２弾性表面波の伝搬方向における前記圧電基板上に形成され、前記第２弾性表面波を反射させる第２反射部と、
   前記第２電極部と前記第２反射部との間の前記第２弾性表面波の伝搬経路上に形成され、前記第２弾性表面波の位相を反転させる位相反転部を有し、
   前記位相反転部は、
   前記第１弾性表面波に対して前記第２弾性表面波の音速を相対的に変化させることにより、前記第２弾性表面波の位相を反転させること
   を特徴とする弾性表面波センサ。
2. 前記位相反転部は、
   前記第２弾性表面波の音速を変化させるためのグレーティング構造を有することを特徴とする請求項１に記載された弾性表面波センサ。
3. 前記位相反転部は、
   前記第２電極部と前記第２反射部との間の前記圧電基板上に形成され、前記第２弾性表面波の音速を変化させるように膜厚が調整されたメタル層を備えたことを特徴とする請求項１に記載された弾性表面波センサ。
4. 前記位相反転部は、
   前記第２電極部と前記第２反射部との間の前記圧電基板上に形成された反応場に形成された構造体を備えたことを特徴とする請求項１に記載された弾性表面波センサ。
5. 前記圧電基板の端部は、
   前記第１電極部および第２電極部が励振されることにより発生するバルク波の反射波の進行方向を変更するように形成されたことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載された弾性表面波センサ。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載された弾性表面波センサを備えた測定装置。

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