JP4631615B2 - Surface acoustic wave propagation state measuring device, surface acoustic wave propagation state measuring method, environment change measuring device, environment change measuring method, and multi-round surface acoustic wave element - Google Patents

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本発明は、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を算出する弾性表面波伝搬状態計測装置に係り、特に高精度に周波数変化量を算出する弾性表面波伝搬状態計測装置に関する。   The present invention relates to a surface acoustic wave propagation state measuring apparatus that calculates a frequency change amount in a multi-circular surface acoustic wave element, and more particularly to a surface acoustic wave propagation state measuring apparatus that calculates a frequency change amount with high accuracy.

近年、弾性表面波素子が各種センサーに応用されている。弾性表面波素子を応用したセンサーには、例えば球形状の水晶の伝搬面に弾性表面波を多重周回させて、多重周回後の弾性表面波の位相変化から物理状態の変化を検知するものがある。   In recent years, surface acoustic wave devices have been applied to various sensors. Sensors using surface acoustic wave elements include, for example, sensors that detect the change in the physical state from the phase change of the surface acoustic wave after multiple rounds by causing the surface acoustic wave to circulate around the propagation surface of a spherical crystal. .

詳しくは、多重周回させた検出信号の位相と基準となる参照信号の位相とを比較して、その位相の変化量から周波数変化量等の値を求めることにより、伝搬面の物理状態の変化を検知する。   Specifically, the phase of the detection signal that has been circulated multiple times is compared with the phase of the reference signal that is used as a reference, and the change in the physical state of the propagation surface is determined by obtaining a value such as a frequency change amount from the amount of change in the phase. Detect.

球状弾性表面波素子においては、弾性表面波がバースト信号により伝搬面に励起される。この励起された弾性表面波が伝搬面を多重周回する度に、周回受信信号としてエネルギーが放出される。すなわち、弾性表面波エネルギーが電気音響変換素子(すだれ状電極)を介して、電気エネルギーとして変換消費される。   In a spherical surface acoustic wave element, a surface acoustic wave is excited on a propagation surface by a burst signal. Each time this excited surface acoustic wave makes multiple rounds on the propagation surface, energy is released as a round received signal. That is, the surface acoustic wave energy is converted and consumed as electric energy via the electroacoustic transducer (interdigital electrode).

そこで、マッチングセクションを高インピーダンス回路にし、弾性表面波のエネルギーの放出を防ぐ。これにより、弾性表面波を多重周回させることができる(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−010098号公報
Therefore, the matching section is made a high impedance circuit to prevent the release of surface acoustic wave energy. As a result, the surface acoustic wave can be circulated multiple times (see, for example, Patent Document 1).
JP 2005-010098 A

しかしながら、バースト信号がすだれ状電極を通過する際に、異なる位相成分の波を発生し、バースト信号の波形を変えてしまう。すなわち、位相ノイズが発生することがある。   However, when the burst signal passes through the interdigital electrode, waves having different phase components are generated, and the waveform of the burst signal is changed. That is, phase noise may occur.

さらに、ノイズによるエネルギーが搬送周波数のエネルギーより相対的に大きくなる場合がある。この場合、測定結果に誤差が生じてしまうため、位相変化を正確に算出することが困難となる。結果として、位相の変化量から周波数変化量等を算出することができなくなる。   Furthermore, the energy due to noise may be relatively greater than the energy at the carrier frequency. In this case, since an error occurs in the measurement result, it is difficult to accurately calculate the phase change. As a result, it becomes impossible to calculate the frequency change amount or the like from the phase change amount.

さらに、搬送周波数の信号強度を上げる為に1周回より長い継続時間のバースト信号を入力しようとすると、1周回前に入力した信号により励起された弾性表面波と新たに入力した信号により励起した弾性表面波とが干渉を起こしてしまう。このため、弾性表面波素子から出力される弾性表面波の信号の正確な位相や強度の計測が困難になる。   Furthermore, if a burst signal having a duration longer than one round is to be input in order to increase the signal strength of the carrier frequency, the surface acoustic wave excited by the signal input before the first round and the elasticity excited by the newly input signal are used. Interference with surface waves occurs. For this reason, it is difficult to accurately measure the phase and intensity of the surface acoustic wave signal output from the surface acoustic wave element.

また、通常、位相の変化を算出する場合、検出信号と参照信号との強度を等しくするが、強度を等しくする過程において、信号の位相が変わってしまい、周波数変化量を算出することができなくなることがある。
本発明の目的は、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を高精度に算出することである。
Normally, when calculating the phase change, the detection signal and the reference signal have the same intensity. However, in the process of making the intensity equal, the phase of the signal changes, and the frequency change amount cannot be calculated. Sometimes.
An object of the present invention is to calculate the amount of frequency change in a multi-round surface acoustic wave element with high accuracy.

上記の目的を達成するために、以下のような手段を講じる。   In order to achieve the above object, the following measures are taken.

請求項1に対応する発明は、搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子に接続され、前記弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測装置であって、前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力手段と、前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力手段と、前記伝搬面を弾性表面波が1周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における1周期の割合が整数分の1となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶手段と、前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第1調整手段と、前記第1調整手段による調整の後、前記出力手段から出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶手段に記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第2調整手段と、前記第2調整手段による調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第2調整手段により調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出手段とを備えた弾性表面波伝搬状態計測装置である。   The invention corresponding to claim 1 is connected to a multi-round surface acoustic wave element that is excited by a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface by an input of a high-frequency burst signal having a carrier frequency, and an output from the surface acoustic wave element. A surface acoustic wave propagation state measuring device for measuring a change in frequency, wherein the multi-circular surface acoustic wave element inputs the high-frequency burst signal to the multi-circular surface acoustic wave element, and multi-circulates the propagation surface after the input. The output means for detecting the surface acoustic wave and outputting the obtained detection signal; and the ratio of one period in the carrier frequency to the circulation time required for the surface acoustic wave to make one round of the propagation surface is 1 / integer. Storage means for preliminarily storing reference signal data including a reference phase of the surface acoustic wave in the resonance state and a reference frequency for exciting the surface acoustic wave. First adjustment means for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal to a resonance frequency so that the detection signal of the surface acoustic wave is in a resonance state, and after the adjustment by the first adjustment means, the output Second adjusting means for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal so that the difference between the detection phase, which is the phase of the detection signal output from the means, and the reference phase stored in the storage means is constant; And calculating means for calculating a difference between the carrier frequency adjusted by the second adjusting means and the reference frequency stored in the storage means when the phase difference between the two becomes constant as a result of the adjustment by the second adjusting means. Is a surface acoustic wave propagation state measuring device.

請求項2に対応する発明は、請求項1に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、前記第2調整手段は、前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の5000倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する弾性表面波伝搬状態計測装置である。   According to a second aspect of the present invention, in the surface acoustic wave propagation state measuring apparatus corresponding to the first aspect, the multi-circular surface acoustic wave element has a spherical propagation surface, and the second adjustment means includes the detection signal. The waveform of the reference signal and the waveform of the reference signal are sequentially matched from the time when the number of laps is small after the high-frequency burst signal is input, and the waveform after the time corresponding to at least 5000 times the period of the resonance frequency is matched. A surface acoustic wave propagation state measuring device that adjusts the resonance frequency so that the resonance frequency is adjusted.

請求項3に対応する発明は、請求項1又は請求項2に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記高周波バースト信号は、10MHz以上の搬送周波数を有し、少なくとも1周回の周回時間以上の波からなる弾性表面波伝搬状態計測装置である。   The invention corresponding to claim 3 is the surface acoustic wave propagation state measuring device corresponding to claim 1 or claim 2, wherein the high-frequency burst signal has a carrier frequency of 10 MHz or more, and is at least one round of a lap time or more. This is a surface acoustic wave propagation state measuring device composed of the following waves.

請求項4に対応する発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記第2調整手段は、前記共振周波数の5ppm毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする弾性表面波伝搬状態計測装置である。   According to a fourth aspect of the present invention, in the surface acoustic wave propagation state measuring apparatus according to any one of the first to third aspects of the present invention, the second adjustment unit is configured to generate the high frequency signal every 5 ppm of the resonance frequency. This is a surface acoustic wave propagation state measuring device that makes the carrier frequency of a burst signal variable.

請求項5に対応する発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記入力手段は、前記弾性表面波が前記伝搬面を1周回するのに要する時間の2倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する弾性表面波伝搬状態計測装置である。   According to a fifth aspect of the present invention, in the surface acoustic wave propagation state measuring device corresponding to any one of the first to fourth aspects, the input means makes the surface acoustic wave go around the propagation surface once. It is a surface acoustic wave propagation state measuring device that inputs the high-frequency burst signal over a time that is at least twice as long as the time required for this.

請求項6に対応する発明は、請求項1に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置を用いた環境変化計測装置であって、前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、前記算出手段により算出された差分の周波数と、前記環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較の結果、前記環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えた環境変化計測装置である。   The invention corresponding to claim 6 is an environment change measuring device using the surface acoustic wave propagation state measuring device corresponding to claim 1, and is preset with respect to the environmental state around the multi-round surface acoustic wave element. Environmental storage means for storing the associated characteristic frequency and the environmental state in association with each other; comparison means for comparing the difference frequency calculated by the calculation means with the characteristic frequency stored by the environment storage means; The environmental change measuring device includes an environmental state output unit that outputs the environmental state stored by the environmental storage unit as a result of comparison by the comparison unit.

請求項7に対応する発明は、請求項1に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、前記伝搬面に対向して非接触で設置され、前記伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えた多重周回弾性表面波素子である。   The invention corresponding to claim 7 is a multi-surface acoustic wave device used in the surface acoustic wave propagation state measuring device corresponding to claim 1, and is installed in a non-contact manner facing the propagation surface. This is a multi-circular surface acoustic wave device including interdigital electrodes that excites surface acoustic waves by applying an electric field.

請求項8に対応する発明は、搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測方法であって、前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力ステップと、前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力ステップと、前記伝搬面を弾性表面波が1周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における1周期の割合が整数分の1となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶ステップと、前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第1調整ステップと、前記第1調整ステップによる調整の後、前記出力ステップから出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶ステップに記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第2調整ステップと、前記第2調整ステップによる調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第2調整ステップにより調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出ステップとを備えた弾性表面波伝搬状態計測方法である。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an elastic surface for measuring a change amount of an output frequency from a multi-circular surface acoustic wave element in which a surface acoustic wave that multi-circulates a propagation surface is excited by input of a high frequency burst signal having a carrier frequency A wave propagation state measurement method comprising: an input step of inputting the high-frequency burst signal to the multi-circular surface acoustic wave element; and a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface after the input is detected and obtained. An output step for outputting the detected signal and a resonance state in which a ratio of one period in the carrier frequency to a circulation time required for one round of the surface acoustic wave to travel around the propagation surface is 1 / integer. A step of storing in advance a reference signal data including a reference phase of the surface acoustic wave and a reference frequency for exciting the surface acoustic wave; A first adjustment step for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal to a resonance frequency so that the output signal is in a resonance state, and output from the output step after adjustment by the first adjustment step A second adjustment step for adjusting a carrier frequency of the high-frequency burst signal so that a difference between a detection phase that is a phase of the detection signal and a reference phase stored in the storage step is constant; As a result of the adjustment by the step, when the phase difference between the two becomes constant, an elasticity provided with a calculation step for calculating a difference between the carrier frequency adjusted by the second adjustment step and the reference frequency stored in the storage means This is a surface wave propagation state measurement method.

請求項9に対応する発明は、請求項8に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、前記第2調整ステップは、前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の5000倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する弾性表面波伝搬状態計測方法である。   The invention corresponding to claim 9 is the surface acoustic wave propagation state measuring method corresponding to claim 8, wherein the multi-round surface acoustic wave element has a spherical propagation surface, and the second adjustment step includes the detection signal. The waveform of the reference signal and the waveform of the reference signal are sequentially matched from the time when the number of laps is small after the high-frequency burst signal is input, and the waveform after the time corresponding to at least 5000 times the period of the resonance frequency is matched. It is a surface acoustic wave propagation state measuring method for adjusting the resonance frequency so that the resonance frequency is adjusted.

請求項10に対応する発明は、請求項8又は請求項9に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記高周波バースト信号は、10MHz以上の搬送周波数を有し、少なくとも1周回の周回時間以上の波からなる弾性表面波伝搬状態計測方法である。   The invention corresponding to claim 10 is the surface acoustic wave propagation state measuring method corresponding to claim 8 or claim 9, wherein the high-frequency burst signal has a carrier frequency of 10 MHz or more, and at least one or more lap times. This is a surface acoustic wave propagation state measurement method consisting of the following waves.

請求項11に対応する発明は、請求項8乃至請求項10のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記第2調整ステップは、前記共振周波数の5ppm毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする弾性表面波伝搬状態計測方法である。   The invention corresponding to claim 11 is the surface acoustic wave propagation state measuring method corresponding to any one of claims 8 to 10, wherein the second adjustment step is performed at every 5 ppm of the resonance frequency. This is a surface acoustic wave propagation state measuring method in which the carrier frequency of a burst signal is variable.

請求項12に対応する発明は、請求項8乃至請求項11のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記伝搬面を1周回するのに要する時間2倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する弾性表面波伝搬状態計測方法である。   The invention corresponding to claim 12 is the surface acoustic wave propagation state measuring method corresponding to any one of claims 8 to 11, wherein the input step makes the surface acoustic wave go around the propagation surface once. This is a surface acoustic wave propagation state measuring method in which the high-frequency burst signal is input over a period of time that is more than twice as long as it takes.

請求項13に対応する発明は、請求項8に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法を用いた環境変化計測方法であって、前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態と関連付けて記憶する環境記憶ステップと、前記算出ステップにより算出された差分の周波数と、前記環境記憶ステップにより記憶された特徴周波数とを比較する比較ステップと、前記比較ステップによる比較の結果、前記環境記憶ステップにより記憶された環境状態を出力する環境状態出力ステップとを備えた環境変化計測方法である。   The invention corresponding to claim 13 is an environmental change measurement method using the surface acoustic wave propagation state measurement method corresponding to claim 8, and is preset with respect to the environmental condition around the multi-round surface acoustic wave element. An environmental storage step for storing the characteristic frequency associated with the environmental state, a comparison step for comparing the difference frequency calculated by the calculation step with the characteristic frequency stored by the environmental storage step, and the comparison The environmental change measuring method includes an environmental state output step of outputting the environmental state stored in the environmental storage step as a result of the comparison by the step.

<用語>
ここで、本発明において、「弾性表面波」と表記している波は、境界波、回廊波、内郭を周回する表面波、弾性表面波、漏洩弾性表面波、擬似弾性表面波、擬似漏洩弾性表面波等、球形表面にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波全般を包含する。
<Terminology>
Here, in the present invention, the wave described as “surface acoustic wave” is a boundary wave, a corridor wave, a surface wave that circulates the inner shell, a surface acoustic wave, a leaky surface acoustic wave, a pseudo surface acoustic wave, a pseudo leak It includes all surface acoustic waves that propagate by concentrating energy on a spherical surface, such as surface acoustic waves.

同様に、本発明においては、伝搬路が異なる材料との境界によってなる弾性表面波素子(球状弾性境界波素子)も境界を弾性波が多重周回伝搬する現象に基づいた素子であれば、多重周回弾性表面波素子と呼ぶこととする。例えば多重周回弾性表面波素子は、3次元基体が球形状の素子に限らず、伝搬路が円環状表面を有していれば、球形状の一部が平面形状など他の形状に加工されている素子も包含する。   Similarly, in the present invention, a surface acoustic wave element (spherical boundary acoustic wave element) formed by a boundary with a material having a different propagation path is also an element based on a phenomenon in which an elastic wave propagates through the boundary multiple times. It is called a surface acoustic wave element. For example, in a multi-circular surface acoustic wave device, the three-dimensional substrate is not limited to a spherical device, and if the propagation path has an annular surface, a part of the spherical shape is processed into another shape such as a planar shape. The element which includes is included.

また、本発明において、周回速度とは、厳密な意味での伝搬速度ではない場合がある。一般に周囲の温度が変化すると、弾性表面波の伝搬速度は変化するが、伝搬路の周回長も熱膨張によって変化するため、これらの影響が重畳されて弾性表面波の周回に必要な時間が変わってしまう場合がある。また、異方性材料を用いて伝搬路を作る場合、場所によって物理的な意味における弾性表面波の伝搬速度は変化する。すなわち、本発明において、周回速度とは、周回経路を所定の周回数あるいは所定の位置の間を伝搬するのに必要な時間によって定義される速度をいう。   In the present invention, the circulation speed may not be a propagation speed in a strict sense. In general, when the ambient temperature changes, the propagation speed of the surface acoustic wave changes, but the circulation length of the propagation path also changes due to thermal expansion, so these effects are superimposed and the time required for the circulation of the surface acoustic wave changes. May end up. When a propagation path is made using an anisotropic material, the propagation speed of a surface acoustic wave in a physical sense changes depending on the location. That is, in the present invention, the circulation speed refers to a speed defined by a time required to propagate the circulation path between a predetermined number of times or a predetermined position.

また、本発明においては、電気信号を弾性波に変換するものとしては、1個のすだれ状電極を用いているが、2個以上の複数の電気音響変換素子を除外するものではない。例えば、1対のすだれ状電極を使用し、一方を送信用とし、他方を受信用として使用しても良い。   In the present invention, one interdigital electrode is used to convert an electric signal into an elastic wave, but it does not exclude two or more electroacoustic transducers. For example, a pair of interdigital electrodes may be used, one for transmission and the other for reception.

<作用>
従って、請求項1,8に対応する発明は、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第1調整手段と、前記高周波バースト信号の入力から搬送周波数の周期の所定の倍数の時間を経過させた後に、多重周回弾性表面波素子から出力された検出信号の位相を所定の値に一致させるように、前記搬送周波数を調整するための第2調整手段と、第2調整手段により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出手段とを備えた構成により、共振状態にしてから所定の波数の弾性表面波を伝搬した後の状態における位相の変化を求めているので、多重周回した弾性表面波の干渉の影響を抑えることができ、多重周回弾性表面波素子において同じ経路を伝搬する弾性表面波の周波数変化量を高精度に算出することができる。
<Action>
Therefore, the invention corresponding to claims 1 and 8 is the first adjusting means for adjusting the carrier frequency of the high frequency burst signal to the resonance frequency, and a predetermined multiple of the cycle of the carrier frequency from the input of the high frequency burst signal. A second adjusting means for adjusting the carrier frequency so that the phase of the detection signal output from the multi-circular surface acoustic wave element coincides with a predetermined value after the time elapses. The phase change in the state after the surface acoustic wave having a predetermined wave number is propagated after the resonance state is obtained by the configuration including the calculation means for calculating the difference between the carrier frequency adjusted by the reference frequency and the reference frequency Therefore, it is possible to suppress the influence of the interference of the surface acoustic wave that has been circulated multiple times, and to calculate the amount of change in the frequency of the surface acoustic wave propagating on the same path in the multiple lap surface acoustic wave element with high accuracy It can be.

請求項2,9に対応する発明は、請求項1,8に対応する作用に加え、第2調整手段は、検出信号の波形と参照信号の波形とを、高周波バースト信号を入力してから順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の5000倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整するので、多重周回による位相の変化を高確度で検出することができる。このように長時間伝搬をさせることは、弾性表面波の伝搬面が球形である場合には周回に伴う減衰を抑制できる。これにより、実用的な強度で検出できる。   In the invention corresponding to claims 2 and 9, in addition to the operation corresponding to claims 1 and 8, the second adjustment means sequentially detects the waveform of the detection signal and the waveform of the reference signal after inputting the high-frequency burst signal. Since the resonance frequency is adjusted so as to match and the waveform after the time corresponding to at least 5000 times the period of the resonance frequency is matched, a change in phase due to multiple rounds can be detected with high accuracy. Propagating in this way for a long time can suppress attenuation associated with circulation when the propagation surface of the surface acoustic wave is spherical. Thereby, it can detect with practical intensity | strength.

請求項3,10に対応する発明は、請求項1〜2,8〜9に対応する作用に加え、高周波バースト信号は、10MHz以上の搬送周波数を有し、少なくとも1周回の周回時間の3分の1以上の継続時間からなるので、弾性表面波の強度が多重周回により減衰しても位相の変化を求めることができる。   In the invention corresponding to claims 3 and 10, in addition to the actions corresponding to claims 1 to 2 and 8 to 9, the high frequency burst signal has a carrier frequency of 10 MHz or more, and is at least 3 minutes of the lap time. Therefore, even if the intensity of the surface acoustic wave is attenuated by multiple rounds, the phase change can be obtained.

請求項4,11に対応する発明は、請求項1〜3,8〜10に対応する作用に加え、第2調整手段は、共振周波数の5ppm毎に高周波バースト信号の搬送周波数を可変とするものであるので、高精度に波形を一致させることができる。   In the invention corresponding to claims 4 and 11, in addition to the actions corresponding to claims 1 to 3 and 8 to 10, the second adjusting means makes the carrier frequency of the high frequency burst signal variable every 5 ppm of the resonance frequency. Therefore, the waveforms can be matched with high accuracy.

請求項5,12に対応する発明は、請求項1〜4,8〜11に対応する作用に加え、入力手段は、1周回の周回時間の2倍の時間にわたり高周波バースト信号を入力するので、多重周回された検出信号の干渉によるノイズを抑えることができる。   In the invention corresponding to claims 5 and 12, in addition to the actions corresponding to claims 1 to 4 and 8 to 11, the input means inputs the high-frequency burst signal over a time twice as long as the round time of one round. It is possible to suppress noise due to interference of detection signals that have been circulated multiple times.

請求項6,13に対応する発明は、多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、算出手段により算出された差分の周波数と、環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、比較手段による比較の結果、環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えているので、環境の変化による周波数の変動幅から環境の変化を検知することができる。   The invention corresponding to claims 6 and 13 is calculated by an environmental storage means for storing a characteristic frequency set in advance with respect to an environmental condition around the multi-circular surface acoustic wave element and the environmental condition, and a calculation means. A comparison means for comparing the frequency of the difference and the characteristic frequency stored by the environment storage means, and an environmental state output means for outputting the environmental state stored by the environment storage means as a result of the comparison by the comparison means. Therefore, the change in the environment can be detected from the frequency fluctuation range due to the change in the environment.

請求項7に対応する発明は、弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、伝搬面に対向して非接触で設置され、伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えた構成により、すだれ状電極の質量による影響やすだれ状電極と弾性表面波との散乱効果による影響を受けずに、弾性表面波を伝搬面に伝搬させることができるので、周波数変化量を高精度に算出できる多重周回弾性表面波素子を提供できる。   The invention corresponding to claim 7 is a multi-surface acoustic wave device used in a surface acoustic wave propagation state measuring device, which is installed in a non-contact manner facing the propagation surface, and an electric field is applied to the propagation surface to generate the surface acoustic wave. The structure with the interdigital electrode that excites the surface wave can propagate the surface acoustic wave to the propagation surface without being affected by the mass of the interdigital electrode and the scattering effect between the interdigital electrode and the surface acoustic wave. Therefore, it is possible to provide a multi-circular surface acoustic wave device capable of calculating the frequency change amount with high accuracy.

本発明によれば、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を高精度に算出することができる。   According to the present invention, it is possible to calculate the amount of frequency change in the multi-round surface acoustic wave element with high accuracy.

これにより、弾性表面波の伝搬状態の変化をその共振周波数の変化から高精度に算出することができる。例えば、多重周回弾性表面波素子表面への物質や分子の付着があった場合に、その伝搬面の変化(環境変化)に利用することができる。   Thereby, the change in the propagation state of the surface acoustic wave can be calculated with high accuracy from the change in the resonance frequency. For example, when a substance or molecule adheres to the surface of the multi-circular surface acoustic wave element, it can be used for changing the propagation surface (environmental change).

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<第1の実施形態>
図1は本発明の第1の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成を示す模式図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a frequency variation calculation system according to the first embodiment of the present invention.

多重周回弾性表面波素子10は、図2に示すように、伝搬面11を有する球状部材12、すだれ状電極13を備えている。これにより、高周波信号源30による高周波信号の入力により伝搬面11を多重周回する弾性表面波が励起される。また、多重周回した弾性表面波は、すだれ状電極13で検出され、スイッチSWを介してデジタルオシロスコープDOS等で計測される。   As shown in FIG. 2, the multi-circular surface acoustic wave element 10 includes a spherical member 12 having a propagation surface 11 and an interdigital electrode 13. As a result, a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface 11 is excited by the input of a high-frequency signal from the high-frequency signal source 30. Further, the surface acoustic wave that has made multiple turns is detected by the interdigital electrode 13 and measured by a digital oscilloscope DOS or the like via the switch SW.

伝搬面11は、連続した曲面からなる円環状の表面を有し、この円環状の表面の少なくとも一部には、すだれ状電極13により励起される互いに逆方向に伝搬する弾性表面波を周回させるための周回経路を備えている。   The propagation surface 11 has an annular surface formed of a continuous curved surface, and at least part of the annular surface circulates surface acoustic waves propagating in opposite directions excited by the interdigital electrode 13. For this purpose, a circuit route is provided.

球状部材12は、一旦励起された弾性表面波が多重周回可能な伝搬面11を有する3次元基体であり、ここでは単結晶の水晶材料を球形状に加工したものを用いている。   The spherical member 12 is a three-dimensional substrate having a propagation surface 11 in which a surface acoustic wave once excited can circulate multiple times. Here, a single crystal crystal material processed into a spherical shape is used.

すだれ状電極13は、高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波を励起するとともに、多重周回した弾性表面波を検出するものである。例えば、金属の蒸着とフォトリソグラフィプロセスによるエッチングとを用いることにより、球状部材12の表面に接して形成される。   The interdigital electrode 13 is used to excite surface acoustic waves that circulate around the propagation surface in response to the input of a high-frequency burst signal and to detect surface acoustic waves that have circulated multiple times. For example, it is formed in contact with the surface of the spherical member 12 by using metal deposition and etching by a photolithography process.

周波数変化量算出装置(弾性表面波伝搬状態計測装置)20は、高周波信号源30による高周波信号の搬送周波数を変化させた量を算出するものであり、入力部21、出力部22、記憶部23、共振調整部24(第1調整手段)、波形調整部25(第2調整手段)、算出部26を備える。   The frequency change amount calculation device (surface acoustic wave propagation state measurement device) 20 calculates the amount by which the carrier frequency of the high-frequency signal from the high-frequency signal source 30 is changed, and includes an input unit 21, an output unit 22, and a storage unit 23. , A resonance adjustment unit 24 (first adjustment unit), a waveform adjustment unit 25 (second adjustment unit), and a calculation unit 26.

入力部21は、高周波信号源30から出力される高周波信号の搬送周波数を設定及び変更する機能を有し、多重周回弾性表面波素子10に高周波バースト信号を入力するものである。   The input unit 21 has a function of setting and changing the carrier frequency of the high-frequency signal output from the high-frequency signal source 30, and inputs a high-frequency burst signal to the multi-round surface acoustic wave element 10.

また、入力される高周波バースト信号は、10MHz以上の搬送周波数を有し、少なくとも1周回の周回時間以上の継続時間の波からなるものである。これにより、多重周回弾性表面波素子10の伝搬面11を周回する弾性表面波のバースト信号の両端の影響を小さくすることができる。また、励起する弾性表面波の振幅を大きくすることができる。   Further, the input high frequency burst signal has a carrier frequency of 10 MHz or more, and consists of a wave having a duration of at least one round or more. Thereby, the influence of both ends of the burst signal of the surface acoustic wave that circulates the propagation surface 11 of the multi-surface acoustic wave element 10 can be reduced. In addition, the amplitude of the excited surface acoustic wave can be increased.

なお、通常、100MHz以上の周波数により弾性表面波を励起する場合に、パルス幅の短い高周波信号(極端な場合はインパルス)を用いると、高周波信号の周波数成分のパワーは相対的に小さくなる。このため、1ppmの精度で計測を行うのが困難となる。ただし、特定周波数を有する狭帯域のバースト信号を用いて高周波信号源30の高周波信号と位相比較を行う場合に限り、計測の対象とする周波数の成分についての十分なパワーを確保でき、1ppmの計測を行うことができる。   Normally, when a surface acoustic wave is excited with a frequency of 100 MHz or higher, if a high-frequency signal with a short pulse width (impulse in an extreme case) is used, the power of the frequency component of the high-frequency signal becomes relatively small. For this reason, it becomes difficult to perform measurement with an accuracy of 1 ppm. However, only when the phase comparison with the high frequency signal of the high frequency signal source 30 is performed using a narrow band burst signal having a specific frequency, sufficient power can be secured for the frequency component to be measured, and a measurement of 1 ppm is possible. It can be performed.

出力部22は、入力部21による高周波バースト信号の入力後、伝搬面11を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を共振調整部24又は波形調整部25に出力するものである。なお、検出信号の位相はヘテロダイン検波により得られる。   The output unit 22 detects a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface 11 after inputting a high-frequency burst signal by the input unit 21, and outputs the obtained detection signal to the resonance adjustment unit 24 or the waveform adjustment unit 25. is there. Note that the phase of the detection signal is obtained by heterodyne detection.

記憶部23は、共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶するものである。   The storage unit 23 previously stores reference signal data including the reference phase of the surface acoustic wave in the resonance state and a reference frequency for exciting the surface acoustic wave.

ここで、「共振状態」とは、伝搬面11を弾性表面波が1周回するのに要する周回時間Tに占める弾性表面波の1周期の割合が周回時間Tの整数分の1となる状態である。   Here, the “resonant state” is a state in which the ratio of one period of the surface acoustic wave to the circulation time T required for the surface acoustic wave to make one revolution on the propagation surface 11 is 1 / integer of the circulation time T. is there.

共振状態では、図3(A)に示すように、駆動信号がすだれ状電極13に入力された場合に、弾性表面波の1周回分の周回時間Tが弾性表面波の振動周期の整数倍となる。このため、すだれ状電極13は、既に周回している弾性表面波と同じ位相で、弾性表面波の振動を増幅する電界を球状部材12に印加するので、弾性表面波の出力強度が極大となる。   In the resonance state, as shown in FIG. 3A, when a drive signal is input to the interdigital electrode 13, the rotation time T for one round of the surface acoustic wave is an integral multiple of the vibration period of the surface acoustic wave. Become. For this reason, the interdigital electrode 13 applies an electric field that amplifies the vibration of the surface acoustic wave to the spherical member 12 in the same phase as the surface acoustic wave that has already circulated, so that the output intensity of the surface acoustic wave is maximized. .

共振状態では無い状態では、図3(B)に示すように、駆動信号がすだれ状電極13に入力された場合に、弾性表面波の1周回分の周回時間Tが弾性表面波の振動周期の整数倍とはならない。このため、すだれ状電極13により、周回中の弾性表面波に対して異なる位相の弾性表面波が印加され、既に周回中の弾性表面波を打ち消してしまう。よって、弾性表面波の強度は不十分になり、出力される検出信号の位相は、時間的に不安定になる。   In a state that is not in the resonance state, as shown in FIG. 3B, when the drive signal is input to the interdigital electrode 13, the rotation time T for one round of the surface acoustic wave is equal to the vibration period of the surface acoustic wave. It is not an integer multiple. For this reason, surface acoustic waves having different phases are applied to the surface acoustic waves being circulated by the interdigital electrodes 13, and the surface acoustic waves already being circulated are canceled out. Therefore, the intensity of the surface acoustic wave becomes insufficient, and the phase of the output detection signal becomes unstable in terms of time.

共振調整部24は、出力部22により検出された弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするためのものである。   The resonance adjusting unit 24 is for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal to a resonance frequency so that the surface acoustic wave detection signal detected by the output unit 22 is in a resonance state.

共振状態にする理由は、弾性表面波素子の伝搬面の変化(以下、環境変化ともいう。)を、伝搬面の変化の前後の周波数応答から求める場合に、再現しやすい伝搬状態であるからである。共振状態は、1周期を波長比の何倍に相当させるかによって複数存在する。あらかじめ環境の変動幅を設定しておけば、一意にその周波数を環境に対する特定周波数として採用できる。   The reason for setting the resonance state is that the propagation state of the surface acoustic wave element (hereinafter also referred to as environmental change) is a propagation state that is easy to reproduce when the frequency response before and after the change of the propagation surface is obtained. is there. A plurality of resonance states exist depending on how many times one period corresponds to the wavelength ratio. If the fluctuation range of the environment is set in advance, the frequency can be uniquely adopted as a specific frequency for the environment.

もう一つの共振状態にする理由は、位相変動の小さい安定した振幅を有する信号を測定するためである。共振状態で測定を行うと、出力信号の位相が時刻に従って比例する為、位相の変化から弾性表面波の伝搬速度を求めることができる、という大きな利点がある。   Another reason for setting the resonance state is to measure a signal having a stable amplitude with small phase fluctuation. When the measurement is performed in a resonance state, the phase of the output signal is proportional to the time, so that there is a great advantage that the propagation speed of the surface acoustic wave can be obtained from the change in the phase.

例えば、温度が上昇して弾性表面波の伝搬速度が上昇する場合、図7(B)に示すように、出力信号の位相は時間に対して不規則になる為に、波形の変化を追いながら信号の出力時刻(位相)を測定しなくてはならない。しかし、共振状態の場合には図8(B)に示すように、出力信号は時間的に安定している。そのため、波形の変化を追う必要がなく、特定の時刻における出力信号の位相の変化から弾性表面波の伝搬速度を求めることができる。   For example, when the temperature rises and the propagation speed of the surface acoustic wave increases, the phase of the output signal becomes irregular with respect to time as shown in FIG. The output time (phase) of the signal must be measured. However, in the resonance state, the output signal is temporally stable as shown in FIG. Therefore, it is not necessary to follow the change in the waveform, and the propagation speed of the surface acoustic wave can be obtained from the change in the phase of the output signal at a specific time.

波形調整部25は、共振調整部24による調整の後、出力部22から出力された検出信号の位相である検出位相と記憶部23に記憶された参照位相との差が一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するためのものである。   The waveform adjustment unit 25 is adjusted so that the difference between the detection phase that is the phase of the detection signal output from the output unit 22 after the adjustment by the resonance adjustment unit 24 and the reference phase stored in the storage unit 23 becomes constant. This is for adjusting the carrier frequency of the high frequency burst signal.

具体的には、高周波バースト信号の搬送周波数を、共振周波数の5ppm毎に調整する。   Specifically, the carrier frequency of the high frequency burst signal is adjusted every 5 ppm of the resonance frequency.

また、波形調整部25は、高周波バースト信号を多重周回弾性表面波素子10に入力し、その検出信号の波形と参照信号の波形とを順次一致させるようにする。   In addition, the waveform adjustment unit 25 inputs the high frequency burst signal to the multi-circular surface acoustic wave element 10 so that the waveform of the detection signal and the waveform of the reference signal are sequentially matched.

そして、少なくとも周回時間Tの5000倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整する。ここで、伝搬面が球面の場合には周回に伴う弾性表面波の減衰率は小さい。そのため、波長の5000倍以上の周回時間が経過して検出信号の強度が減少したり、弾性表面波がすだれ状電極を通過する度に発生する反射波が増加したりしても位相検出が可能である。共振状態での測定は、5000倍以上の周回時間経過後の位相測定で有効である。   Then, the resonance frequency is adjusted so that the waveforms after the time corresponding to at least 5000 times the circulation time T are matched. Here, when the propagation surface is a spherical surface, the attenuation rate of the surface acoustic wave accompanying the circulation is small. Therefore, phase detection is possible even when the intensity of the detection signal decreases after a lap time longer than 5000 times the wavelength or the reflected wave generated every time a surface acoustic wave passes through the interdigital electrode increases. It is. The measurement in the resonance state is effective in the phase measurement after the lap time of 5000 times or more has elapsed.

算出部26は、波形調整部25による調整の結果、検出信号と参照信号との位相差が一定となるとき、波形調整部25により調整された搬送周波数と記憶部23に記憶された参照周波数との差分を算出するものである。   When the phase difference between the detection signal and the reference signal becomes constant as a result of adjustment by the waveform adjustment unit 25, the calculation unit 26 determines the carrier frequency adjusted by the waveform adjustment unit 25 and the reference frequency stored in the storage unit 23. Is calculated.

ここで、位相差を一定にさせた場合における周波数の変化量を求める手順について説明する。   Here, the procedure for obtaining the amount of change in frequency when the phase difference is made constant will be described.

図4(A)は、検出位相と参照位相との差を、駆動用のバースト信号を印加した直後に測定した結果の例である。ここで、図4において、縦軸は位相差を示し、横軸は経過時間を示す。すなわち、位相差を一定にさせた場合における周波数の変化量は、図4(A)の状態を図4(B)の状態にするように調整した時の周波数に他ならない。   FIG. 4A shows an example of a result obtained by measuring the difference between the detection phase and the reference phase immediately after applying the driving burst signal. Here, in FIG. 4, the vertical axis indicates the phase difference, and the horizontal axis indicates the elapsed time. That is, the amount of change in frequency when the phase difference is made constant is nothing but the frequency when the state of FIG. 4A is adjusted to the state of FIG. 4B.

なお、球状弾性表面波素子の直径は3.3mmであり、搬送周波数は150MHz近傍(ここでは、152.1MHz)である。   The spherical surface acoustic wave element has a diameter of 3.3 mm and a carrier frequency in the vicinity of 150 MHz (here, 152.1 MHz).

図4(A)において、時間0秒のときに位相差が110度であったものが、100μ秒経過後には−125度に変化している。   In FIG. 4A, the phase difference of 110 degrees at time 0 seconds changes to -125 degrees after 100 microseconds.

つまり、時間0秒から100μ秒の間に、180度―110度+(−125度―(−180))度=70度+55度=125度の位相が変化したことになる。   In other words, the phase of 180 degrees−110 degrees + (− 125 degrees − (− 180)) degrees = 70 degrees + 55 degrees = 125 degrees has changed between time 0 seconds and 100 μsec.

ここで、152.1MHzの信号の位相が125度変化する時間の変化は、1周期に要する時間と位相変化の割合との積となる。   Here, the change in time when the phase of the 152.1 MHz signal changes by 125 degrees is the product of the time required for one cycle and the rate of phase change.

換言すれば、
(信号周期)×(多重周回による位相変化量/360度)
=1/(152.1×10) × 125度/360度
となる。そして、これだけの変化が100μ秒で起きているので、その変化率は、
(信号周期)×(多重周回による位相変化量/360度)/(多重周回に要した全時間)
1/(152.1×10) × 125度/360度 /(100×10−6)となる。つまり、この比率だけ弾性表面波の信号の位相が早くなる。
In other words,
(Signal period) x (Phase change due to multiple rounds / 360 degrees)
= 1 / (152.1 × 10 6 ) × 125 degrees / 360 degrees. And since this change occurs in 100 microseconds, the rate of change is
(Signal period) x (phase change amount due to multiple rounds / 360 degrees) / (total time required for multiple rounds)
1 / (152.1 × 10 6 ) × 125 degrees / 360 degrees / (100 × 10 −6 ). That is, the phase of the surface acoustic wave signal is advanced by this ratio.

逆に、周波数をこの比率分だけ低くすると、位相の変化が打ち消されることになる。このときの周波数の変化量は、以下のように算出される。   Conversely, if the frequency is lowered by this ratio, the phase change will be canceled out. The amount of change in frequency at this time is calculated as follows.

(周波数の変化量)
=(搬送周波数)×{(多重周回による位相変化量/360度)×(信号周期)}/(多重周回に要した時間)
=152.1×10×(70+55)/360×(1/(152.1×10))/(100×10−6
=3470Hz
となる。
(Frequency change)
= (Carrier frequency) × {(phase change amount due to multiple rounds / 360 degrees) × (signal period)} / (time required for multiple rounds)
= 152.1 × 10 6 × (70 + 55) / 360 × (1 / (152.1 × 10 6 )) / (100 × 10 −6 )
= 3470Hz
It becomes.

すなわち、搬送周波数を3470Hz変化させると、図4(B)のように、検出位相が参照位相に平行に漸近する。   That is, when the carrier frequency is changed by 3470 Hz, the detection phase asymptotically approaches the reference phase in parallel as shown in FIG.

ところで、今回の測定の前に測定した際、共振周波数として測定した周波数は152.103464MHzであり、100マイクロ秒時刻における位相値は、−128.3度であった。よって、今回の値125度と3.3度の差がある。   By the way, when measured before the current measurement, the frequency measured as the resonance frequency was 152.103464 MHz, and the phase value at the time of 100 microseconds was −128.3 degrees. Therefore, there is a difference between the current value of 125 degrees and 3.3 degrees.

そこで、さらに前式に対して修正を行うと、求める周波数変化量は、
152.096634×10×(3.3)/360×(1/(152.096634×10))/(100×10
=9.2Hz
となる。
Therefore, if the previous equation is further corrected, the required frequency change amount is
152.096634 × 10 6 × (3.3) / 360 × (1 / (152.096634 × 10 6 )) / (100 × 10 6 )
= 9.2Hz
It becomes.

よって、
152096634Hz−9.2Hz=152096625Hz
となる。
Therefore,
1520966634Hz-9.2Hz = 152096625Hz
It becomes.

前回の測定結果の周波数152103464MHzとは、6839Hzの差がある。   There is a difference of 6839 Hz from the frequency 152103464 MHz of the previous measurement result.

これにより、6839Hz/152103464Hz=約44ppmの伝搬速度の変化があることを求めることができる。   Thereby, it can be determined that there is a change in propagation velocity of 6839 Hz / 152103464 Hz = about 44 ppm.

なお、記憶部23、共振調整部24、波形調整部25、算出部26は、ハードウェア構成で実現可能であり、ハードウェア構成とソフトウェア構成の組合せとしても実現可能となっている。後者の場合、ソフトウェア構成は、予めコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又はネットワークから得られたプログラムがコンピュータにインストールされることにより各機能が実現される。   The storage unit 23, the resonance adjustment unit 24, the waveform adjustment unit 25, and the calculation unit 26 can be realized by a hardware configuration, and can also be realized by a combination of a hardware configuration and a software configuration. In the latter case, each function of the software configuration is realized by installing a program obtained in advance from a computer-readable storage medium or a network.

高周波信号源30は、高周波を発生して入力部21に出力するものである。   The high frequency signal source 30 generates a high frequency and outputs it to the input unit 21.

(周波数変化量算出装置20の動作)
次に本実施形態に係る周波数変化量算出装置20の動作について図5のフローチャートを用いて説明する。
(Operation of Frequency Change Calculation Device 20)
Next, the operation of the frequency variation calculation device 20 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、入力部21により、多重周回弾性表面波素子10のすだれ状電極13に、高周波バースト信号が入力される(S1)。これにより、多重周回弾性表面波素子10における伝搬面11に弾性表面波が励起する。   First, a high frequency burst signal is input to the interdigital electrode 13 of the multi-round surface acoustic wave element 10 by the input unit 21 (S1). Thereby, a surface acoustic wave is excited on the propagation surface 11 in the multi-circular surface acoustic wave element 10.

そして、励起した弾性表面波は、すだれ状電極13により検出されて出力部22を介して、共振調整部24及び波形調整部25に出力される(S2)。   The excited surface acoustic wave is detected by the interdigital electrode 13 and output to the resonance adjustment unit 24 and the waveform adjustment unit 25 via the output unit 22 (S2).

次に、共振調整部24により共振状態になるように搬送周波数が調整される(S3)。ここで、共振状態でない場合、搬送周波数が変更される。そして、出力部22により出力される検出信号が共振状態となるまで、この動作が繰り返される(S3―No,S4)。   Next, the carrier frequency is adjusted by the resonance adjusting unit 24 so as to be in a resonance state (S3). Here, when the resonance state is not established, the carrier frequency is changed. Then, this operation is repeated until the detection signal output from the output unit 22 is in a resonance state (S3-No, S4).

なお、共振状態となったか否かの判断は、検出信号の強度によっても判断することができる。すなわち、共振状態では波が強め合うため強度値が急激に大きな値となる。   Note that whether or not the resonance state has been reached can also be determined based on the intensity of the detection signal. That is, since the waves strengthen each other in the resonance state, the intensity value rapidly increases.

次に、共振調整部24により共振状態になるように搬送周波数が調整された場合、出力部22から出力された検出信号の検出位相と記憶部23に予め記憶された参照位相との差が一定となるように、波形調整部25により高周波バースト信号の搬送周波数が調整される(S3−Yes,S5)。ここで、位相差が一定でない場合、搬送周波数が変更される。そして、出力部22により出力される検出位相と参照位相との差が一定となるまで、この動作が繰り返される(S5―No,S6)。   Next, when the carrier frequency is adjusted so that the resonance adjustment unit 24 enters a resonance state, the difference between the detection phase of the detection signal output from the output unit 22 and the reference phase stored in advance in the storage unit 23 is constant. The carrier frequency of the high frequency burst signal is adjusted by the waveform adjustment unit 25 (S3-Yes, S5). Here, when the phase difference is not constant, the carrier frequency is changed. Then, this operation is repeated until the difference between the detection phase output by the output unit 22 and the reference phase becomes constant (S5-No, S6).

次に、波形調整部25による調整の結果、検出位相と参照位相との位相差が一定となるとき、波形調整部25により調整された搬送周波数と記憶部23に記憶された参照周波数との差分が算出部26により算出される(S5−Yes,S7)。   Next, when the phase difference between the detected phase and the reference phase becomes constant as a result of adjustment by the waveform adjustment unit 25, the difference between the carrier frequency adjusted by the waveform adjustment unit 25 and the reference frequency stored in the storage unit 23 Is calculated by the calculation unit 26 (S5-Yes, S7).

以上説明したように、本実施形態に係る周波数変化量算出装置20によれば、共振状態における弾性表面波の少なくとも参照位相と好ましくは強度情報を有している参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶部23と、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための共振調整部24と、検出信号の位相である検出位相と参照位相との差が時間に対して一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための波形調整部25と、両者の位相差が一定となるとき、波形調整部25により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出部26とを備えた構成により、共振状態にしてから位相の変化を求めているので、多重周回した弾性表面波の干渉の影響を抑えることができ、多重周回弾性表面波素子10における周波数変化量を高精度に算出することができる。   As described above, according to the frequency variation calculation device 20 according to the present embodiment, the reference signal data having at least the reference phase and preferably the intensity information of the surface acoustic wave in the resonance state, and the surface acoustic wave. A storage unit 23 for preliminarily storing a reference frequency for exciting the signal, a resonance adjusting unit 24 for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal to a resonance frequency, a detection phase and a reference phase that are phases of the detection signal, The waveform adjustment unit 25 for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal so that the difference between them is constant with respect to time, and the carrier frequency adjusted by the waveform adjustment unit 25 when the phase difference between them is constant And a calculation unit 26 that calculates a difference between the reference frequency and the reference frequency, the change in the phase is obtained after the resonance state is obtained. Can be suppressed, it is possible to calculate the frequency change in the multi-turn surface acoustic wave element 10 with high precision.

なお、本実施形態に係る周波数変化量の算出方法は、通常の共振状態の周波数(共振周波数)を求めるだけのものではない。バースト信号を用いて共振状態にしたとしても、バースト信号を用いて計測する限り位相が時刻と完全な比例関係にはならない。このような場合であっても、共振状態を現出し、さらに記憶した参照位相と比較をすることで正確な測定を実現するものであれば、本実施形態に係る周波数変化量の算出方法はこれを除くものではない。   Note that the frequency change amount calculation method according to the present embodiment is not limited to obtaining a normal resonance frequency (resonance frequency). Even if a resonance state is established using a burst signal, the phase is not completely proportional to the time as long as measurement is performed using the burst signal. Even in such a case, the frequency variation calculation method according to the present embodiment can be used as long as accurate measurement is realized by revealing the resonance state and comparing it with the stored reference phase. Is not excluded.

さらに、本実施形態によれば、波形調整部25は、検出信号の波形と参照信号の波形とを、高周波バースト信号を入力してから順次一致させるようにし、伝搬面を球形にして周回に伴う波の回折の影響による減衰を小さくしている。そして、少なくとも周回時間の5000倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整するので、多重周回による位相の変化を高確度で検出することができる。   Furthermore, according to the present embodiment, the waveform adjustment unit 25 sequentially matches the waveform of the detection signal and the waveform of the reference signal after inputting the high-frequency burst signal, and makes the propagation surface spherical and accompanies the circulation. The attenuation due to wave diffraction is reduced. And since the resonance frequency is adjusted so that the waveform after the time corresponding to at least 5000 times the round time is matched, the phase change due to multiple rounds can be detected with high accuracy.

また、本実施形態によれば、波形調整部25は、共振周波数の5ppm毎に高周波バースト信号の搬送周波数を可変とするものであるので、高精度に波形を一致させることができる。   Further, according to the present embodiment, the waveform adjustment unit 25 makes the carrier frequency of the high-frequency burst signal variable every 5 ppm of the resonance frequency, so that the waveforms can be matched with high accuracy.

また、本実施形態によれば、高周波バースト信号は、10MHz以上の搬送周波数を有し、少なくとも1周回の周回時間以上の波からなるので、弾性表面波の強度が多重周回により減衰しても位相の変化を求めることができる。   In addition, according to the present embodiment, the high frequency burst signal has a carrier frequency of 10 MHz or more and is composed of a wave having a circulation time of at least one round. Therefore, even if the intensity of the surface acoustic wave is attenuated by multiple rounds, the phase is increased. Can be determined.

なお、検出信号の位相と参照位相との差が360度以上の場合は、2周目の信号の位相と比較するなど周回が重ならないようにする。これにより、位相差が大きくならない時刻での位相データを用いて、周回数が大きな時刻において共振周波数の算出を精密に行うことができる。   When the difference between the phase of the detection signal and the reference phase is 360 degrees or more, the laps do not overlap, for example, by comparison with the phase of the signal of the second round. Accordingly, the resonance frequency can be accurately calculated at a time when the number of circulations is large, using phase data at a time when the phase difference does not increase.

なお、共振周波数の算出とそれを用いた周波数値とによる伝搬状態の変化測定は、最低2個の位相データがあれば可能である。   It should be noted that the propagation state change measurement based on the calculation of the resonance frequency and the frequency value using the resonance frequency can be performed with at least two pieces of phase data.

なお、周波数変化量算出装置20に対して、さらに、多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、算出手段により算出された差分の周波数と環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、比較結果による比較の結果、環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えて環境計測装置を作成することもできる。この場合は、環境の変化による周波数の変動幅から環境の変化を検知することができる。   In addition, the frequency change amount calculation device 20 further includes an environment storage means for storing a characteristic frequency set in advance with respect to an environmental state around the multi-circular surface acoustic wave element and the environmental state, and a calculation A comparison means for comparing the difference frequency calculated by the means with the characteristic frequency stored by the environment storage means, and an environmental state output means for outputting the environmental state stored by the environment storage means as a result of the comparison by the comparison result. It is also possible to create an environmental measurement device. In this case, a change in the environment can be detected from the frequency fluctuation range due to the change in the environment.

<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態は、入力部21における高周波バースト信号を入力するタイミングを調整する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment of the present invention, the input timing of the high frequency burst signal in the input unit 21 is adjusted.

入力部21は、高周波バースト信号を周回時間Tの整数倍の時間にわたり多重周回弾性表面波素子10に入力する。これにより比較的安定した位相の信号を得ることができる。   The input unit 21 inputs the high frequency burst signal to the multi-round surface acoustic wave element 10 over a time that is an integral multiple of the round time T. As a result, a signal having a relatively stable phase can be obtained.

ここで、高周波バースト信号を入力するタイミングに応じて得られる3パターンの検出信号について説明する。   Here, three patterns of detection signals obtained according to the timing of inputting the high-frequency burst signal will be described.

(1.共振状態ではない短いバースト)
通常、弾性表面波は、多重周回弾性表面波素子10の表面に形成されるすだれ状電極13などよって僅かに反射される。そのため、検出される信号が、時間領域の前後に広がってしまう。
(1. Short burst not in resonance)
Usually, the surface acoustic wave is slightly reflected by the interdigital electrode 13 formed on the surface of the multi-circular surface acoustic wave element 10. Therefore, the detected signal spreads before and after the time domain.

すなわち、バースト信号の周波数が共振周波数でなく入力時間が周回時間Tの整数倍ではない場合、多重周回弾性表面波素子10を多重周回して出力される検出信号は、周回毎のバースト信号となる(図6(A)参照)。   That is, when the frequency of the burst signal is not the resonance frequency and the input time is not an integral multiple of the circulation time T, the detection signal output by performing multiple rotations of the multi-circular surface acoustic wave element 10 is a burst signal for each rotation. (See FIG. 6A).

この場合、周回数が大きくなると時間的に広がり、前後の信号と干渉してしまう(図6(B)参照)。   In this case, as the number of turns increases, the time spreads and interferes with the preceding and following signals (see FIG. 6B).

すなわち、周回数の大きい領域で位相を計測した場合、バースト信号が観測される領域(図6(B)のQ領域)では安定した位相値が得られるが、バースト信号が観測されない領域(図6(B)のP領域)では信号強度が小さく、位相自体も不明瞭となる。   That is, when the phase is measured in a region where the number of laps is large, a stable phase value is obtained in the region where the burst signal is observed (Q region in FIG. 6B), but the region where the burst signal is not observed (FIG. 6). In the (P region of (B)), the signal intensity is small and the phase itself is unclear.

この場合、温度が変わると観測の対象となるQ領域の時刻に、位相の不安定なP領域が移動してくる。そのため、直線的なデータの位相変化を測定することができなくなる。   In this case, when the temperature changes, the P region whose phase is unstable moves at the time of the Q region to be observed. Therefore, it becomes impossible to measure the phase change of linear data.

(2.共振状態ではない長いバースト)
バースト信号の周波数が共振周波数ではなく入力時間が周回時間Tの整数倍とした場合、バースト信号の時間長は共振周波数ではないため、隣り合う信号の重なる領域では干渉により強度が変化する(図7(A)参照)。そのため、この領域では、当然に位相は不連続となる(図7(B)参照)。
(2. Long burst that is not in resonance)
When the frequency of the burst signal is not the resonance frequency but the input time is an integral multiple of the round-trip time T, the time length of the burst signal is not the resonance frequency, so that the intensity changes due to interference in a region where adjacent signals overlap (FIG. 7). (See (A)). Therefore, the phase is naturally discontinuous in this region (see FIG. 7B).

(3.共振状態のバースト)
共振状態の場合、上述したパターンに比して、弾性表面波の反射した成分や早い時刻に広げられた弾性表面波の重畳による位相への影響が少ない。
(3. Burst in resonance state)
In the case of the resonance state, the influence of the reflected component of the surface acoustic wave and the superposition of the surface acoustic wave spread at an earlier time is less than the above-described pattern.

例えば、バースト信号の周波数が共振周波数であり入力時間が周回時間Tの整数倍であると、Q領域及びP領域のいずれの領域でも信号の位相は安定した分布となる(図8参照)。このため、多少信号の到達時刻が温度などによって変化しても測定値は安定する。   For example, if the frequency of the burst signal is the resonance frequency and the input time is an integral multiple of the circulation time T, the signal phase has a stable distribution in both the Q region and the P region (see FIG. 8). For this reason, the measured value is stabilized even if the arrival time of the signal is somewhat changed by the temperature or the like.

なお、バースト信号の周波数が共振周波数であれば、入力時間が周回時間Tより短い場合でも、比較的安定した位相の信号が得られる。結果として、測定を正確に行うことができる。   If the frequency of the burst signal is the resonance frequency, a signal having a relatively stable phase can be obtained even when the input time is shorter than the circulation time T. As a result, the measurement can be performed accurately.

上述したように、本実施形態によれば、入力部21は、周回時間Tの整数倍の時間にわたり高周波バースト信号を入力するので、多重周回された検出信号の干渉によるノイズを抑えることができる。   As described above, according to the present embodiment, the input unit 21 inputs the high-frequency burst signal over a time that is an integral multiple of the circulation time T, so that it is possible to suppress noise due to interference of the detection signal that has been circulated multiple times.

特に周回数(弾性表面波の伝搬長の波長に対する比率)が大きい場合には、高精度の位相検出ができる。   In particular, when the number of circulations (ratio of propagation length of surface acoustic wave to wavelength) is large, highly accurate phase detection can be performed.

例えば、弾性表面波の伝搬速度計測の分解能が3ppmを超えるような場合で、波長の5000倍を超える場合には、高精度の位相検出ができる。   For example, when the resolution of surface acoustic wave propagation velocity measurement exceeds 3 ppm and exceeds 5000 times the wavelength, highly accurate phase detection can be performed.

また、直径1cmの水晶のZ軸シリンダーを用いた45MHz素子であれば、20周を超える周回数(9500倍に相当)の場合に、この効果が現れる。一方、同様の水晶基材を用いて15MHzの素子を作成する場合、30周(4500倍)程度でバースト信号の形状は崩れる。波長の倍数からは十分小さな伝搬長であっても、周回する度に電極などから受ける影響が大きくなり、位相測定に影響を及ぼすからである。   In addition, in the case of a 45 MHz element using a crystal Z-axis cylinder having a diameter of 1 cm, this effect appears when the number of turns exceeds 20 turns (equivalent to 9500 times). On the other hand, when a 15 MHz element is produced using the same quartz crystal base material, the shape of the burst signal collapses in about 30 rounds (4500 times). This is because even if the propagation length is sufficiently small from the multiple of the wavelength, the influence from the electrode or the like increases every time it circulates, affecting the phase measurement.

また、本実施形態に係る周波数変化量算出装置20においては、信号強度は周回にしたがって指数関数的に変化する信号を測定対象とする。そのため、検出信号と参照信号との強度を等しくする過程において、位相の絶対値が変わることにより、測定が不正確になることを防ぐことができる。   In addition, in the frequency variation calculation device 20 according to the present embodiment, a signal whose signal intensity changes exponentially according to the circulation is a measurement target. Therefore, it is possible to prevent measurement from becoming inaccurate due to a change in the absolute value of the phase in the process of equalizing the intensities of the detection signal and the reference signal.

<第3の実施形態>
図9は本発明の第3の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成を示す模式図である。なお、第1の実施形態で説明した部分と同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態においても同様にして重複した説明を省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a frequency variation calculation system according to the third embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part same as the part demonstrated in 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In the following embodiments, duplicate descriptions are omitted in the same manner.

多重周回弾性表面波素子10Tは、温度較正のために用いられるものである。   The multi-circular surface acoustic wave element 10T is used for temperature calibration.

入力部21は、変調回路21A,RFスイッチ21B,一方向性結合器21C,RFスイッチ21D,素子切替スイッチ21Eを備えている。   The input unit 21 includes a modulation circuit 21A, an RF switch 21B, a unidirectional coupler 21C, an RF switch 21D, and an element changeover switch 21E.

変調回路21Aは、高周波信号源30の高周波信号の搬送周波数を150MHzで変調し、変調した周波数を1Hz間隔で微調整できるものである。   The modulation circuit 21A can modulate the carrier frequency of the high-frequency signal from the high-frequency signal source 30 at 150 MHz and finely adjust the modulated frequency at 1 Hz intervals.

RFスイッチ21Bは、変調回路21Aで調整した高周波信号をバースト信号にするものである。   The RF switch 21B converts the high frequency signal adjusted by the modulation circuit 21A into a burst signal.

一方向性結合器21Cは、多重周回弾性表面波素子10からの弾性表面波の検出信号が逆進行しないようにするためのものである。   The unidirectional coupler 21C is for preventing the detection signal of the surface acoustic wave from the multi-round surface acoustic wave element 10 from traveling backward.

RFスイッチ21Dは、一方向性結合器21Cと素子切替スイッチ21Eとを接続させるか、一方向性結合器21Cと増幅器22Aとを接続させるか、どちらとも接続させないか、を選択できるスイッチである。   The RF switch 21D is a switch that can select whether to connect the unidirectional coupler 21C and the element changeover switch 21E or to connect the unidirectional coupler 21C and the amplifier 22A.

素子切替スイッチ21Eは、多重周回弾性表面波素子10又は10Tを選択できるスイッチである。   The element changeover switch 21E is a switch that can select the multi-round surface acoustic wave element 10 or 10T.

出力部22は、増幅部22A,変調回路22B,乗算器22C,IFフィルター22D,A/D変換器22E,乗算器22F、I/D22G,乗算器22H,I/D22I,位相算出器22J,強度検出器22K,ローパスフィルター22L,A/D変換器22M,出力処理部22Nを備えている。   The output unit 22 includes an amplification unit 22A, a modulation circuit 22B, a multiplier 22C, an IF filter 22D, an A / D converter 22E, a multiplier 22F, an I / D 22G, a multiplier 22H, an I / D 22I, a phase calculator 22J, and an intensity. A detector 22K, a low-pass filter 22L, an A / D converter 22M, and an output processing unit 22N are provided.

また、変調回路22B,乗算器22C,IFフィルター22D,A/D変換器22Eにより、検出信号の波形をヘテロダイン検波により得ることを可能とする。   Further, the modulation circuit 22B, the multiplier 22C, the IF filter 22D, and the A / D converter 22E can obtain the waveform of the detection signal by heterodyne detection.

ヘテロダイン検波を用いる理由は以下の通りである。   The reason for using heterodyne detection is as follows.

弾性表面波の測定は、非常に僅かな位相の変化率を測定対象とする。そのため、駆動信号を同一にして素子間や素子の時間的な不安定性に影響されないような条件が必要である。   The measurement of the surface acoustic wave has a very slight phase change rate as a measurement target. For this reason, it is necessary to make the drive signals the same so as not to be affected by the instability between elements and elements.

特に広い帯域の信号を用いる場合、観測の対象とする特定周波数のみを通過させる周波数フィルターを用いても、その他の雑音信号の除去を行うことが困難である。   In particular, when a wide-band signal is used, it is difficult to remove other noise signals even if a frequency filter that passes only a specific frequency to be observed is used.

この場合、狭帯域の1周回以上の継続時間以上のバースト信号を用い、ヘテロダイン検波方式を用いて検波する場合に限り、周期の5000回分の伝搬距離の弾性表面波信号の位相を正確に捉えることができる。   In this case, the phase of a surface acoustic wave signal having a propagation distance of 5000 cycles can be accurately captured only when a burst signal having a duration of one or more rounds in a narrow band is used and detection is performed using a heterodyne detection method. Can do.

なお、A/D変換器22Eにより、ヘテロダイン検波におり得られた波形の強度をデジタル化し、デジタル強度値を得ている。   The A / D converter 22E digitizes the intensity of the waveform obtained in the heterodyne detection to obtain a digital intensity value.

なお、出力処理部22Nは、位相算出器22J及びA/D変換器22Mから得られた信号を共振調整部24及び波形調整部25に出力するためのものである。   The output processing unit 22N is for outputting signals obtained from the phase calculator 22J and the A / D converter 22M to the resonance adjusting unit 24 and the waveform adjusting unit 25.

記憶部23は、ヘテロダイン検波により得られた参照波形の強度をデジタル化して示すデジタル強度値を記憶する。   The storage unit 23 stores a digital intensity value obtained by digitizing the intensity of the reference waveform obtained by heterodyne detection.

波形調整部25は、A/D変換器22Eにより得られた検出信号のデジタル強度値と、参照波形のデジタル強度値とを一致させるように、搬送周波数を調整する。これにより、出力部22から出力された検出位相と記憶部23に記憶された参照位相との差を一定とすることができる。 The waveform adjustment unit 25 adjusts the carrier frequency so that the digital intensity value of the detection signal obtained by the A / D converter 22E matches the digital intensity value of the reference waveform. Thereby, the difference between the detected phase output from the output unit 22 and the reference phase stored in the storage unit 23 can be made constant.

上述したように本実施形態においては、出力部22は、検出信号の波形をヘテロダイン検波により得ており、さらに得られた波形の強度をデジタル化し、記憶部23には参照信号の波形の強度をデジタル化して示すデジタル強度値が記憶されており、波形調整部25はA/D変換器22Eにより得られたデジタル強度値と、参照信号の波形のデジタル強度値とを一致させるように、共振周波数を調整する。このように、波形をデジタル強度値により一致させる構成を備えているので、コンピュータによる信号処理を高精度に実行することができる。   As described above, in this embodiment, the output unit 22 obtains the waveform of the detection signal by heterodyne detection, digitizes the intensity of the obtained waveform, and stores the intensity of the waveform of the reference signal in the storage unit 23. The digitized digital intensity value is stored, and the waveform adjusting unit 25 resonates the resonance frequency so that the digital intensity value obtained by the A / D converter 22E matches the digital intensity value of the waveform of the reference signal. Adjust. As described above, since the waveform is matched with the digital intensity value, signal processing by a computer can be executed with high accuracy.

<第4の実施形態>
図10は本発明の第4の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子10Sの構成を示す模式図である。
<Fourth Embodiment>
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a multi-circular surface acoustic wave device 10S according to the fourth embodiment of the present invention.

多重周回弾性表面波素子10Sは、伝搬面11に対向して非接触で設置され、伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極13を備えている。   The multi-circular surface acoustic wave element 10 </ b> S includes an interdigital electrode 13 that is installed in a non-contact manner so as to face the propagation surface 11 and excites a surface acoustic wave by applying an electric field to the propagation surface.

具体的には、球状部材12の周囲に外部基材14を備え、球状部材12とモールド用基材14とに空隙領域Rを設け、この空隙領域Rにすだれ状電極13を形成している。   Specifically, an external base material 14 is provided around the spherical member 12, a void region R is provided in the spherical member 12 and the mold base material 14, and the interdigital electrode 13 is formed in the void region R.

また、図10中の矢印Zは水晶の結晶軸Z軸方向を示しており、すだれ状電極13が励起する弾性表面波の伝搬方向は紙面に垂直な方向である。   An arrow Z in FIG. 10 indicates the crystal axis Z-axis direction of the crystal, and the propagation direction of the surface acoustic wave excited by the interdigital electrode 13 is a direction perpendicular to the paper surface.

ところで、周回する弾性表面波がすだれ状電極を通過する際には、(a)弾性表面波が周回する毎にエネルギーを電気回路に漏出する(b)空中や水中に対して弾性表面波のエネルギーを漏洩する、(c)伝搬路上の物質により弾性表面波が反射散乱される等の原因により、弾性表面波のエネルギーが損失する。   By the way, when a circulating surface acoustic wave passes through the interdigital electrode, (a) the energy leaks to the electric circuit each time the surface acoustic wave circulates (b) the energy of the surface acoustic wave against the air or water. The energy of the surface acoustic wave is lost due to the reason that the surface acoustic wave is reflected and scattered by the substance on the propagation path.

このうち、回路へ漏出することによるエネルギーの損失(上記(c))の影響は、特に大きい。   Among these, the influence of energy loss (above (c)) due to leakage into the circuit is particularly large.

これに対し、本実施形態の多重周回弾性表面波素子10を用いれば、球状部材12とすだれ状電極13との電気的な相互作用はあるが、すだれ状電極13の質量や弾性表面波の散乱効果の影響は除去することができる。これにより、位相計測にかかわる悪影響を極力減らすことができる。   On the other hand, when the multi-round surface acoustic wave element 10 of the present embodiment is used, there is an electrical interaction between the spherical member 12 and the interdigital electrode 13, but the mass of the interdigital electrode 13 and the scattering of the surface acoustic wave. The effect of the effect can be eliminated. As a result, adverse effects related to phase measurement can be reduced as much as possible.

以上説明したように、本実施形態に係る多重周回弾性表面波素子10は、伝搬面11に対向して非接触で設置され、伝搬面11に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極13を備えた構成により、すだれ状電極13の質量による影響やすだれ状電極13と弾性表面波との散乱効果による影響を受けずに、弾性表面波を伝搬面11に伝搬させることができるので、周波数変化量を高精度に算出できる多重周回弾性表面波素子10を提供できる。   As described above, the multi-circular surface acoustic wave device 10 according to the present embodiment is installed in a non-contact manner so as to face the propagation surface 11 and applies an electric field to the propagation surface 11 to excite surface acoustic waves. With the configuration including the electrode 13, the surface acoustic wave can be propagated to the propagation surface 11 without being affected by the mass of the interdigital electrode 13 or the scattering effect between the interdigital electrode 13 and the surface acoustic wave. Therefore, it is possible to provide the multi-round surface acoustic wave device 10 that can calculate the amount of frequency change with high accuracy.

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組合せてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine a component suitably in different embodiment.

本発明の第1の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the frequency variation calculation system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 同実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the multiple circulation surface acoustic wave element which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る共振状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the resonance state which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る位相の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the phase which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る周波数変化量算出装置20の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation | movement of the frequency variation calculation apparatus 20 which concerns on the same embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る検出信号を示す図である。It is a figure which shows the detection signal which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 同実施形態に係る検出信号を示す図である。It is a figure which shows the detection signal which concerns on the same embodiment. 同実施形態に係る検出信号を示す図である。It is a figure which shows the detection signal which concerns on the same embodiment. 本発明の第3の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the frequency variation calculation system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子10の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the multi-around surface acoustic wave element 10 which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・多重周回弾性表面波素子、11・・・伝搬面、12・・・球状部材、13・・・すだれ状電極、20・・・周波数変化量算出装置、21・・・入力部、21A・・・変調回路、21B・・・RFスイッチ、21C・・・一方向性結合器、21D・・・RFスイッチ、21E・・・素子切替スイッチ、22・・・出力部、22A・・・増幅部、22B・・・変調回路、22C・・・乗算器、22D・・・IFフィルター、22E・・・A/D変換器、22F・・・乗算器、22G・・・I/D、22H・・・乗算器、22I・・・I/D、22J・・・位相算出器、22K・・・強度検出器、22L・・・ローパスフィルター、22M・・・A/D変換器、22N・・・出力処理部、23・・・記憶部、24・・・共振調整部、25・・・波形調整部、26・・・算出部、30・・・高周波信号源。       DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Multi-around surface acoustic wave element, 11 ... Propagation surface, 12 ... Spherical member, 13 ... Interdigital electrode, 20 ... Frequency change amount calculation apparatus, 21 ... Input part, 21A ... modulation circuit, 21B ... RF switch, 21C ... unidirectional coupler, 21D ... RF switch, 21E ... element selector switch, 22 ... output unit, 22A ... Amplifying section, 22B ... modulation circuit, 22C ... multiplier, 22D ... IF filter, 22E ... A / D converter, 22F ... multiplier, 22G ... I / D, 22H ... Multiplier, 22I ... I / D, 22J ... Phase calculator, 22K ... Intensity detector, 22L ... Low pass filter, 22M ... A / D converter, 22N ... Output processing unit, 23 ... storage unit, 24 ... resonance adjustment unit, 25 · Waveform adjusting section, 26 ... calculator, 30 ... high frequency signal source.

Claims (13)

搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子に接続され、前記弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測装置であって、
前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力手段と、
前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力手段と、
前記伝搬面を弾性表面波が1周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における1周期の割合が整数分の1となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶手段と、
前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第1調整手段と、
前記第1調整手段による調整の後、前記出力手段から出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶手段に記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第2調整手段と、
前記第2調整手段による調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第2調整手段により調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
An elastic surface connected to a multi-surface acoustic wave element that is excited by a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface by the input of a high-frequency burst signal having a carrier frequency, and measures the amount of change in the output frequency from the surface acoustic wave element A wave propagation state measuring device,
Input means for inputting the high-frequency burst signal to the multi-round surface acoustic wave element;
After the input, output means for detecting a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface and outputs the obtained detection signal;
A reference including a reference phase of the surface acoustic wave in the resonance state with respect to a resonance state in which the ratio of one period in the carrier frequency to the circulation time required for the surface acoustic wave to make one round on the propagation surface is 1 / integer Storage means for preliminarily storing signal data and a reference frequency for exciting the surface acoustic wave;
First adjusting means for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal to a resonance frequency so that the detection signal of the surface acoustic wave is in a resonance state;
After the adjustment by the first adjustment unit, the high-frequency burst signal is adjusted so that the difference between the detection phase that is the phase of the detection signal output from the output unit and the reference phase stored in the storage unit is constant. A second adjusting means for adjusting the carrier frequency;
A calculation means for calculating a difference between the carrier frequency adjusted by the second adjustment means and the reference frequency stored in the storage means when the phase difference between the two becomes constant as a result of the adjustment by the second adjustment means; A surface acoustic wave propagation state measuring apparatus comprising:
請求項1に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、
前記第2調整手段は、
前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の5000倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
In the surface acoustic wave propagation state measuring apparatus according to claim 1,
The multi-round surface acoustic wave element has a spherical propagation surface,
The second adjusting means includes
The waveform of the detection signal and the waveform of the reference signal are sequentially matched from the time when the number of laps is small after inputting the high-frequency burst signal, and at least after a time corresponding to 5000 times the period of the resonance frequency The surface acoustic wave propagation state measuring apparatus, wherein the resonance frequency is adjusted so as to match the waveforms.
請求項1又は請求項2に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記高周波バースト信号は、10MHz以上の搬送周波数を有し、少なくとも1周回の周回時間以上の波からなる
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
In the surface acoustic wave propagation state measuring device according to claim 1 or 2,
2. The surface acoustic wave propagation state measuring apparatus according to claim 1, wherein the high-frequency burst signal has a carrier frequency of 10 MHz or more and is composed of a wave having a circulation time of at least one round.
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記第2調整手段は、前記共振周波数の5ppm毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
The surface acoustic wave propagation state measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The surface acoustic wave propagation state measuring apparatus according to claim 2, wherein the second adjustment means makes the carrier frequency of the high-frequency burst signal variable every 5 ppm of the resonance frequency.
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記入力手段は、前記弾性表面波が前記伝搬面を1周回するのに要する時間の2倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
The surface acoustic wave propagation state measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The surface acoustic wave propagation state measuring apparatus according to claim 1, wherein the input means inputs the high-frequency burst signal over a time that is twice or more as long as the surface acoustic wave makes one round of the propagation surface.
請求項1に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置を用いた環境変化計測装置であって、
前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、
前記算出手段により算出された差分の周波数と、前記環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較の結果、前記環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段と
を備えたことを特徴とする環境変化計測装置。
An environment change measuring device using the surface acoustic wave propagation state measuring device according to claim 1,
Environmental storage means for storing a characteristic frequency set in advance with respect to an environmental state around the multi-circular surface acoustic wave element and the environmental state in association with each other;
A comparison means for comparing the difference frequency calculated by the calculation means with the characteristic frequency stored by the environment storage means;
An environmental change measuring apparatus comprising: an environmental state output unit that outputs an environmental state stored by the environmental storage unit as a result of comparison by the comparison unit.
請求項1に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、
前記伝搬面に対向して非接触で設置され、前記伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えたことを特徴とする多重周回弾性表面波素子。
In the multi-surface acoustic wave device used in the surface acoustic wave propagation state measuring device according to claim 1,
A multi-circular surface acoustic wave device comprising an interdigital electrode that is installed in a non-contact manner facing the propagation surface and applies an electric field to the propagation surface to excite a surface acoustic wave.
搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測方法であって、
前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力ステップと、
前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力ステップと、
前記伝搬面を弾性表面波が1周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における1周期の割合が整数分の1となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶ステップと、
前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第1調整ステップと、
前記第1調整ステップによる調整の後、前記出力ステップから出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶ステップに記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第2調整ステップと、
前記第2調整ステップによる調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第2調整ステップにより調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出ステップと
を備えたことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
A surface acoustic wave propagation state measuring method for measuring a change amount of an output frequency from a multi-surface acoustic wave element in which a surface acoustic wave that multi-circulates a propagation surface is excited by input of a high-frequency burst signal having a carrier frequency,
An input step of inputting the high-frequency burst signal to the multi-circular surface acoustic wave element;
After the input, an output step of detecting a surface acoustic wave that circulates around the propagation surface and outputting the obtained detection signal;
A reference including a reference phase of the surface acoustic wave in the resonance state with respect to a resonance state in which a ratio of one period in the carrier frequency occupying in a circulation time required for one round of the surface acoustic wave to circulate on the propagation surface is 1 / integer A storage step for preliminarily storing signal data and a reference frequency for exciting the surface acoustic wave;
A first adjustment step for adjusting the carrier frequency of the high-frequency burst signal to a resonance frequency so that the detection signal of the surface acoustic wave is in a resonance state;
After the adjustment in the first adjustment step, the high-frequency burst signal is adjusted so that the difference between the detection phase, which is the phase of the detection signal output from the output step, and the reference phase stored in the storage step is constant. A second adjustment step for adjusting the carrier frequency;
A calculation step for calculating a difference between the carrier frequency adjusted in the second adjustment step and the reference frequency stored in the storage means when the phase difference between the two becomes constant as a result of the adjustment in the second adjustment step; A surface acoustic wave propagation state measuring method comprising:
請求項8に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、
前記第2調整ステップは、
前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の5000倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
In the surface acoustic wave propagation state measuring method according to claim 8,
The multi-round surface acoustic wave element has a spherical propagation surface,
The second adjustment step includes
The waveform of the detection signal and the waveform of the reference signal are sequentially matched from the time when the number of laps is small after inputting the high-frequency burst signal, and at least after a time corresponding to 5000 times the period of the resonance frequency A surface acoustic wave propagation state measuring method, wherein the resonance frequency is adjusted so that the waveforms match.
請求項8又は請求項9に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記高周波バースト信号は、10MHz以上の搬送周波数を有し、少なくとも1周回の周回時間以上の波からなる
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
In the surface acoustic wave propagation state measuring method according to claim 8 or 9,
2. The surface acoustic wave propagation state measuring method according to claim 1, wherein the high-frequency burst signal has a carrier frequency of 10 MHz or more and is composed of a wave having a circulation time of at least one round.
請求項8乃至請求項10のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記第2調整ステップは、前記共振周波数の5ppm毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
The surface acoustic wave propagation state measurement method according to any one of claims 8 to 10,
In the second adjustment step, the carrier frequency of the high-frequency burst signal is made variable every 5 ppm of the resonance frequency.
請求項8乃至請求項11のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記伝搬面を1周回するのに要する時間2倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
The surface acoustic wave propagation state measuring method according to any one of claims 8 to 11,
The surface acoustic wave propagation state measuring method characterized in that the input step inputs the high-frequency burst signal over a time that is twice or more the time required for the surface acoustic wave to make one round of the propagation surface.
請求項8に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法を用いた環境変化計測方法であって、
前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態と関連付けて記憶する環境記憶ステップと、
前記算出ステップにより算出された差分の周波数と、前記環境記憶ステップにより記憶された特徴周波数とを比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較の結果、前記環境記憶ステップにより記憶された環境状態を出力する環境状態出力ステップと
を備えたことを特徴とする環境変化計測方法。
An environmental change measurement method using the surface acoustic wave propagation state measurement method according to claim 8,
An environment storage step for storing the characteristic frequency set in advance with respect to the environmental state around the multi-circular surface acoustic wave element in association with the environmental state;
A comparison step of comparing the frequency of the difference calculated by the calculation step with the characteristic frequency stored by the environment storage step;
An environmental change measurement method comprising: an environmental state output step of outputting the environmental state stored in the environmental storage step as a result of the comparison in the comparison step.
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