JP2017020861A

JP2017020861A - センシング装置

Info

Publication number: JP2017020861A
Application number: JP2015137817A
Authority: JP
Inventors: 孫　勇; Isamu Son; 勇孫
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: JP6598194B2

Abstract

【課題】圧電体に生じる弾性表面波を利用して、被検体の物理量を安定的に計測するセンシング装置を提供する。
【解決手段】圧電体１１に弾性表面波Ｗを発生させて、圧電体１１に接触させた被検体Ｔの物理量を求めるセンシング装置１０において、被検体Ｔの接触位置Ｐを通過する弾性表面波Ｗを、圧電体１１に発生させる入力電極１２と、圧電体１１を進む弾性表面波Ｗの進行路の接触位置Ｐより下流側に光を照射する照射手段１３と、進行路の接触位置Ｐの下流側で光が反射して生じるｒ次回折光及びｓ次回折光の各強度を計測する光検出手段１４と、計測されたｒ次回折光及びｓ次回折光の各強度を基に弾性表面波Ｗの振幅を算出し、被検体Ｔの物理量を求める演算機１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体の物理量を検出するセンシング装置に関する。

従来、圧電体による弾性表面波（ＳＡＷ：ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）の発生作用を利用して、被検体の物理量を検出するセンシング技術が存在し、その具体例が、例えば、特許文献１、２に記載されている。
特許文献１には、入力電極に電気信号を与えて圧電体に弾性表面波を発生させ、出力電極で生じた電気信号を基に、弾性表面波の速度を計測し、センシングを行う方法が記載されている。特許文献２には、入力電極に電気信号を与えて圧電体に弾性表面波を発生させ、出力電極で生じた電気信号を利用してセンシングを行う方法が記載されている。

特開平６−１３３７５９号公報特開２００７−８５９０５号公報

しかしながら、入力電極に電気信号を入力した際、その電気信号のエネルギーの一部は、空間中に電磁波として出力され、出力電極は、空間中の電磁波を受信して電気信号に変換することがあり、出力電極で生じる電気信号を基に、被検体の物理量を検出する特許文献１、２に記載の方法は、安定的な検出を行えないという課題がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、圧電体に生じる弾性表面波を利用して、被検体の物理量を安定的に計測するセンシング装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るセンシング装置は、圧電体に弾性表面波を発生させて、該圧電体に接触させた被検体の物理量を求めるセンシング装置において、前記被検体の接触位置を通過する前記弾性表面波を、前記圧電体に発生させる入力電極と、前記圧電体を進む前記弾性表面波の進行路の前記接触位置より下流側に光を照射する照射手段と、前記進行路の前記接触位置の下流側で前記光が反射して生じるｒ次回折光及びｓ次回折光の各強度を計測する光検出手段と、計測された前記ｒ次回折光及び前記ｓ次回折光の各強度を基に前記弾性表面波の振幅を算出し、前記被検体の物理量を求める演算機とを備える。

本発明に係るセンシング装置において、前記進行路上には、前記光を反射する光反射片が設けられているのが好ましい。

本発明に係るセンシング装置において、前記光反射片は、平行配置された複数の金属線部を備えるのが好ましい。

本発明に係るセンシング装置において、前記演算機は、前記接触位置に前記被検体が接触した状態で計測された前記ｒ次回折光及び前記ｓ次回折光の各強度を基に算出した前記弾性表面波の振幅と、前記圧電体に前記被検体が非接触な状態で計測された前記ｒ次回折光及び前記ｓ次回折光の各強度を基に算出した前記弾性表面波の振幅との差異から、前記被検体の物理量を求めるのが好ましい。

本発明に係るセンシング装置において、前記ｒ次回折光は０次回折光であり、前記ｓ次回折光は１次回折光であるのが好ましい。

本発明に係るセンシング装置は、圧電体の弾性表面波の進行路の接触位置より下流側で光が反射して生じるｒ次回折光及びｓ次回折光の各強度を計測する光検出手段と、計測されたｒ次回折光及びｓ次回折光の各強度を基に弾性表面波の振幅を算出し、被検体の物理量を求める演算機とを備えるので、被検体の物理量の導出に、空間中の電磁波を受信して生成され得る電気信号を用いる必要がなく、被検体の物理量を安定的に計測することが可能である。

本発明の一実施の形態に係るセンシング装置の説明図である。入力電極及び光反射片の説明図である。圧電体の表面の歪と光の回折を示す説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、圧電体表面の変位及び傾きによる光路差を示す説明図である。光の照射方向を変えたセンシング装置の説明図である。１次回折光の強度とグルコースの濃度の関係を示すグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係るセンシング装置１０は、圧電体１１に弾性表面波Ｗを発生させて、圧電体１１に接触させた被検体Ｔの物理量を求める装置である。以下、これらについて詳細に説明する。

センシング装置１０は、図１に示すように、表面に被検体Ｔが載せられる圧電体１１、圧電体１１に弾性表面波Ｗを発生させる入力電極１２、圧電体１１の表面に向かって光を照射する照射手段１３、光の強度を計測する光検出手段１４、及び、被検体Ｔの物理量を求める演算機１５を備えている。
圧電体１１は、図１、図２に示すように、外部から電界を与えられて歪が生じる素材を用いて、矩形の板状に形成されている。本実施の形態の圧電体１１の素材は、ニオブ酸リチウムであるが、これに限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛やタングステン酸ナトリウムであってもよい。

圧電体１１の表面には、長手方向両側に、それぞれ入力電極１２及び光反射片１６が取り付けられ、入力電極１２と光を反射する光反射片１６の間に、被検体Ｔが配置される。以下、圧電体１１の表面において、被検体Ｔが接触する位置を接触位置Ｐとする。なお、本実施の形態においては、被検体Ｔに液体を用いているが、被検体Ｔは、固体やゲルであってもよく、固体やゲルの場合も、被検体Ｔを圧電体１１に接触させることに変わりはない。

入力電極１２は、対となる金属製の櫛歯部材１７、１８を有し、櫛歯部材１７、１８は、平行配置された複数の金属線部１９及び同じく平行配置された複数の金属線部２０をそれぞれ具備している。櫛歯部材１７、１８は、金属線部１９、２０が、圧電体１１の長手方向に沿って、交互に配されるように設けられ、櫛歯部材１７、１８に、電気信号を出力する信号生成器２１が接続されている。
信号生成器２１は、演算機１５に信号接続され、演算機１５から送信される指令信号に応じて、電気信号を出力する。演算機１５は、信号生成器２１の動作の制御も担う電子コンピュータによって構成されている。

信号生成器２１から櫛歯部材１７、１８に電気信号を出力することで、櫛歯部材１７、１８間を中心に電界が発生して、圧電体１１に歪が生じ、圧電体１１の表面には、入力電極１２から接触位置Ｐを通過して光反射片１６に向かう弾性表面波Ｗが発生する。即ち、入力電極１２は、電気信号を与えられて、接触位置Ｐを通過する弾性表面波Ｗを圧電体１１に生じさせる。
弾性表面波Ｗは、接触位置Ｐを通過の際に、接触位置Ｐに設けられた被検体Ｔにエネルギーの一部が吸収され、振幅が小さくなる。

光反射片１６は、図２に示すように、入力電極１２と同様に、対となる金属製の櫛歯部材２２、２３を有し、櫛歯部材２２、２３は、平行配置された複数の金属線部２４及び平行配置された複数の金属線部２５をそれぞれ具備し、金属線部２４、２５は、圧電体１１の長手方向に沿って、交互に配されている。櫛歯部材２２、２３には、図１に示すように、弾性表面波Ｗの波形を検知する波形測定器２６が接続されている。光反射片１６に圧電体１１を伝わる弾性表面波Ｗが達することによって、光反射片１６において電気信号が発生する。波形測定器２６は、光反射片１６で発生する電気信号を計測することによって光反射片１６に到達した弾性表面波Ｗの発生を検出することができる。

照射手段１３は、圧電体１１から離れた位置から圧電体１１の表面に対して斜め方向に光（本実施の形態では、レーザー光）を照射するように配置されている。照射手段１３には、演算機１５から与えられる指令信号に応じて照射手段１３を制御する制御機２７、及び、照射手段１３に電気エネルギーを供給する電源２８が接続されている。
照射手段１３は、図示しない支持部材によって支持されて、レーザー光が光反射片１６に照射されるように、照射方向が調整されている。従って、照射手段１３は、圧電体１１上を伝わる弾性表面波Ｗの進行路の接触位置Ｐより下流側にレーザー光を照射することになる。

光反射片１６は、レーザー光の径より大きく、櫛歯部材２２、２３に到達したレーザー光を全反射する。圧電体１１は、透光性を有するため、櫛歯部材２２、２３の間（例えば、隣り合う金属線部２４、２５の間）の圧電体１１の表面に到達したレーザー光は、一部が反射され、残りが圧電体１１内に進入する。
櫛歯部材２２、２３及び圧電体１１表面のレーザー光が当たる領域においては、弾性表面波Ｗによって周期的な歪が発生するため、当該領域でレーザー光が反射することで、光の回折が生じる。以下、光の回折と弾性表面波の関係について説明する。

レーザー光を、図３に示すように、圧電体の表面の０≦ｘ≦Ｌの範囲に、入射角φ（歪が生じていない圧電体の表面に対する角度）で進む複数の光線として扱うと、弾性表面波により歪が発生している圧電体表面に対しては、各光線の反射光に、図４（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示すように、圧電体表面の変位による光路差△ｌ_１と圧電体表面の傾きによる光路差△ｌ_２が生じる。
△ｌ_１及び△ｌ_２は、ａを弾性表面波の振幅、ω_１を弾性表面波の角周波数、θを圧電体１１表面の傾きによる反射光の反射角の変位、λを光の波長、ｋをｋ＝２πｃｏｓφ／λの値として、それぞれ以下の式１、式２で表わされる。

従って、反射光の振幅Ａ（θ）は、ｊ_ｎをｎ次のベッセル関数、Ｋを弾性表面波の波数、Λを弾性表面波の波長、Ｋ＝２π／Λ、ω＝（４πａ／λ）ｃｏｓφとして、以下の式３で表わされる。

そして、β_ｎを以下の式４で定義した値とすると、Ａ（θ）は、以下の式５で表わされる。

また、反射光によるｎ次回折光（ｎ次回折波）の強度Ｉ_ｎ（θ）は、以下の式６で表わされ、ｎ＝０の０次回折光（０次回折波）は、θ＝０で強度が最大となり、ｎ＝１の１次回折光（１次回折波）は、θ＝±Ｋ／ｋで強度が最大となる。

０次回折光の強度の最大値に対する１次回折光の強度の最大値の関係は、以下の式７で表わされるから、レーザー光の入射角、レーザー光の波長、０次回折光の強度及び１次回折光の強度を基にして、弾性表面波の振幅を算出可能であることが解る。

本実施の形態では、図１に示すように、光検出手段１４が、光反射片１６（即ち、圧電体１１の弾性表面波Ｗの進行路上で、接触位置Ｐの下流側に設けられている光反射片１６）でレーザー光が反射して生じる０次回折光及び１次回折光を検出する受光部２９、及び、受光部２９で検出された０次回折光及び１次回折光の各強度を計測する測定部３０を備えている。測定部３０は、デジタルマルチメータ３１を介して接続された演算機１５に対し、０次回折光及び１次回折光の各強度の計測値を送る。なお、受光部２９は、１つである必要がなく、例えば、２つであってもよい。

ここで、入力電極１２に与える電気信号の大きさを基にして、圧電体１１の材質や形状等から、被検体Ｔが非接触な状態の圧電体１１に生じる弾性表面波Ｗの振幅の大きさを算出することは、理論上、可能である。そして、圧電体１１を伝わる弾性表面波Ｗが被検体Ｔに吸収されるエネルギー量は、被検体Ｔの物理量（例えば、濃度、粘度、分子量）に応じて決まり、被検体Ｔにエネルギーを吸収されたことによる弾性表面波Ｗの振幅の変化量は、被検体Ｔによって吸収されたエネルギー量の大きさに応じて決まる。
従って、被検体Ｔのエネルギーの吸収によって小さくなった弾性表面波Ｗの振幅の変化量が導出できれば、被検体Ｔの物理量を検知可能である。

演算機１５は、記憶していたレーザー光の入射角及びレーザー光の波長と、光検出手段１４によって計測された０次回折光及び１次回折光の各強度を基に、式７を用いて、被検体Ｔにエネルギーを吸収された（即ち、被検体Ｔが接触位置Ｐに接触した状態の）弾性表面波Ｗの振幅を算出し、エネルギーを吸収されていない（即ち、被検体Ｔが非接触な状態の）弾性表面波Ｗの振幅と被検体Ｔにエネルギーを吸収された弾性表面波Ｗの振幅の差異から被検体Ｔの物理量を求める。
この被検体Ｔの物理量の算出には、弾性表面波を出力電極によって電気信号に変換した値が用いられていないため、出力電極が空間中の電磁波を受信する点について影響を受けることはない。

また、本実施の形態では、入力電極１２に与える電気信号の大きさを基に、被検体Ｔが非接触な状態の圧電体１１に生じる弾性表面波Ｗの振幅の大きさを算出する代わりに、圧電体１１に被検体Ｔが非接触な状態で、０次回折光の強度及び１次回折光の強度を計測して、被検体Ｔが非接触な状態の圧電体１１に生じる弾性表面波Ｗの振幅の大きさを求めるようにしている。そのようにすることで、被検体Ｔが非接触な状態の圧電体１１に生じる弾性表面波Ｗの振幅の大きさについて、入力電極１２に与える電気信号の大きさから算出した値と実際の値の間に生じ得る差異を検討する必要がなくなる。

以下、本実施の形態における被検体Ｔの物理量を求める手順について説明する。
まず、光検出手段１４が、圧電体１１に被検体Ｔが非接触な状態で、０次回折光の強度及び１次回折光の強度を計測し、演算機１５が、計測された０次回折光の強度及び１次回折光の強度を基に、式７を用いて、弾性表面波Ｗの振幅（以下、「第１の振幅」とも言う）を算出する。次に、光検出手段１４が、圧電体１１の接触位置Ｐに被検体Ｔが接触した状態で、０次回折光の強度及び１次回折光の強度を計測し、演算機１５が、計測された０次回折光の強度及び１次回折光の強度を基に、式７を用いて、弾性表面波Ｗの振幅（以下、「第２の振幅」とも言う）を算出する。そして、演算機１５は、第１の振幅と第２の振幅の差異から、被検体Ｔの物理量を求める。

なお、弾性表面波の振幅は、０次回折光の強度及び１次回折光の強度以外の回折光の組み合わせによっても算出できることから、演算機１５は、ｒ次回折光及びｓ次回折光の各強度を基に、被検体Ｔの物理量を求めることが可能である。但し、ｒ、ｓは、０もしくは自然数で、ｒ≠ｓである。
ｎ次回折光は、ｎの値が大きくなると、強度が弱まる傾向があることから、０次回折光及び１次回折光の各強度を採用することは、被検体Ｔの物理量を安定的に求める点において、好適である。

また、照射手段１３によるレーザー光の照射は、図５に示すように、圧電体１１を進む弾性表面波Ｗの進行路の接触位置Ｐより下流側に対してなされればよく、光反射片１６に対してなされる必要はない。これは、圧電体１１表面にレーザー光を照射した際にも、ｒ次回折光及びｓ次回折光が生じるためである。従って、弾性表面波の振幅を基に被検体の物理量を算出する点において、光反射片１６は必ずしも必要ではない。

ここまで、被検体が液体、固体及びゲルの場合について説明したが、被検体は気体であってもよい。
被検体として気体を採用する場合は、圧電体１１に被検体である気体が触れていない状態で、０次回折光及び１次回折光の各強度を基に算出した弾性表面波Ｗの振幅と、被検体である気体の雰囲気内に圧電体１１の接触位置Ｐを配した状態（即ち、圧電体１１の接触位置Ｐに被検体が接触した状態）で、０次回折光及び１次回折光の各強度を基に算出した弾性表面波Ｗの振幅とから、被検体の物理量が求められる。
なお、液体が被検体であるセンシング装置として、例えば、バイオセンサーが挙げられ、気体が被検体であるセンシング装置として、例えば、ガスセンサーが挙げられる。また、固体の被検体の一例として、半導体が考えられる。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
本実験においては、試料を載せた圧電体に、入力電極に与える電気信号の大きさを変えて弾性表面波を発生させ、１次回折光の強度を計測した。
試料は、濃度が７．３ｗｔ％、１９．３ｗｔ％、２８．９ｗｔ％のグルコースであり、試料ごとに１次回折光の強度を計測した結果を図６のグラフに示す。

図６のグラフにおいて、縦軸は、１次回折光の強度を示している。同グラフの横軸は、入力電極に与えた電気信号の大きさを意味するが、これは、弾性表面波の振幅に換算できるため、「表面波振幅」として記載している。
実験結果より、１次回折光の強度が、試料の濃度（物理量の一つ）に依存していること（即ち、異なる弾性表面波の振幅において、各試料の１次回折光の強度の関係が一様であること）が解り、回折光の強度から、試料の濃度が求められることが明らかとなった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、圧電体は、矩形の板状である必要はない。
また、光反射片を用いる場合、光反射片は、複数の金属線部を備えたものである必要はなく、例えば、光反射片に金属製のシートを採用してもよい。
更に、圧電体に照射する光はレーダー光でなくてもよく、例えは、アーク放電を利用した高輝度放電ランプを用いてもよい。但し、レーザー光を用いた場合、センシング装置のコンパクト化及び設計の簡素化を図ることが可能である。

１０：センシング装置、１１：圧電体、１２：入力電極、１３：照射手段、１４：光検出手段、１５：演算機、１６：光反射片、１７、１８：櫛歯部材、１９、２０：金属線部、２１：信号生成器、２２、２３：櫛歯部材、２４、２５：金属線部、２６：波形測定器、２７：制御機、２８：電源、２９：受光部、３０：測定部、３１：デジタルマルチメータ、Ｐ：接触位置、Ｔ：被検体、Ｗ：弾性表面波

Claims

圧電体に弾性表面波を発生させて、該圧電体に接触させた被検体の物理量を求めるセンシング装置において、
前記被検体の接触位置を通過する前記弾性表面波を、前記圧電体に発生させる入力電極と、
前記圧電体を進む前記弾性表面波の進行路の前記接触位置より下流側に光を照射する照射手段と、
前記進行路の前記接触位置の下流側で前記光が反射して生じるｒ次回折光及びｓ次回折光の各強度を計測する光検出手段と、
計測された前記ｒ次回折光及び前記ｓ次回折光の各強度を基に前記弾性表面波の振幅を算出し、前記被検体の物理量を求める演算機とを備えることを特徴とするセンシング装置。
請求項１記載のセンシング装置において、前記進行路上には、前記光を反射する光反射片が設けられていることを特徴とするセンシング装置。
請求項２記載のセンシング装置において、前記光反射片は、平行配置された複数の金属線部を備えることを特徴とするセンシング装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンシング装置において、前記演算機は、前記接触位置に前記被検体が接触した状態で計測された前記ｒ次回折光及び前記ｓ次回折光の各強度を基に算出した前記弾性表面波の振幅と、前記圧電体に前記被検体が非接触な状態で計測された前記ｒ次回折光及び前記ｓ次回折光の各強度を基に算出した前記弾性表面波の振幅との差異から、前記被検体の物理量を求めることを特徴とするセンシング装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンシング装置において、前記ｒ次回折光は０次回折光であり、前記ｓ次回折光は１次回折光であることを特徴とするセンシング装置。