JP5092490B2 - 球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置、並びに、該球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置に用いる球状弾性表面波素子に関するものである。

近年、平板形状ではなく、球形状の圧電性結晶基材の表面にすだれ状電極が形成された球状弾性表面波素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この球状弾性表面波素子は、駆動信号として高周波バースト信号がすだれ状電極に印加されると、すだれ状電極から弾性表面波（ＳＡＷ： Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）が励起され、弾性表面波が基材表面の円環状領域を多重に周回する。

弾性表面波は、基材表面の状態に応じて多重周回する速度が変化する。同様に弾性表面波は、基材表面への分子の付着等によっても同様に速度が変化する。

このため、球状弾性表面波素子は、基材表面の円環状領域に付着した分子や、円環状領域に反応膜を形成することにより環境ガス等の反応を検出できる。

また、球状弾性表面波素子は、平板型の弾性表面波素子で可能な温度特性のよい結晶面のみを用いることができないことから、温度、圧力等の補償法として複数の周波数で駆動し計測する場合がある。

また、弾性表面波素子において、ダブル電極を用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
国際公開第０１／４５２５５号パンフレット 特開昭５６−３４２１７号公報

しかしながら、球状弾性表面波素子を複数の周波数で駆動し計測する場合、用いる周波数毎に、周波数を駆動する駆動系回路と、周波数を計測する計測系回路と、が必要であり、駆動系回路／計測系回路は複数用意する必要があった。
このため、複数周波数駆動計測装置が大規模になると、駆動系回路／計測系回路はアナログ部品を多く使うことから、コストが高くなる問題があった。

そこで、本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、単一の駆動系回路／計測系回路を用いた構成でありながら複数の周波数で駆動し計測することが出来る球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、基本周波数を分岐し一方を逓倍器にて所望の定数倍周波数を作り、前記定数倍周波数をそれぞれミキサー回路にて合成し複数の周波数成分を持つ信号を作り、前記複数の周波数信号を球状弾性表面波素子に励振させる駆動系回路と、
球状弾性表面波素子を周回した複数の周波数をそれぞれの周波数に分解し、低周波数側の信号を逓倍器にて所望の定数倍周波数を作り、前記定数倍周波数と高周波数側の信号同士をかけ合わせた信号と、前記定数倍周波数と高周波数側の信号同士のいずれか一方の位相を９０°回転させてかけ合わせた信号と、の位相差、強度を、読み取り演算にて算出する計測系回路と、を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置であって、逓倍器は、奇数倍に周波数を定数倍する回路であることを特徴とする球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置である。

請求項３に記載の本発明は、複数の周波数を励振可能な球状弾性表面波素子であって、少なくとも、励振電極であるすだれ状電極を備え、前記すだれ状電極はダブル電極であることを特徴とする球状弾性表面波素子である。

本発明の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置の構成によれば、逓倍器を活用することにより、単一周波数から複数の周波数を作り、かつ、該複数の周波数の伝搬変化を、周波数ごとの位相差／強度を計測することによって観測することが出来る。このため、単一の駆動系回路／計測系回路を用いた構成でありながら複数の周波数で駆動し計測することが出来る。

本発明の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置は、
基本周波数を分岐し一方を定倍回路にて所望の定倍周波数を作り、前記定数倍周波数をそれぞれミキサー回路にて合成し複数の周波数を作り、前記複数の周波数を球状弾性表面波素子に励振させる駆動系回路と、
球状弾性表面波素子を周回した複数の周波数をそれぞれの周波数に分解し、低周波数側の信号を定倍回路にて所望の定倍周波数を作り、位相を変えずに前記定倍周波数と高周波数側の信号同士をかけ合わせた信号と、前記定倍周波数と高周波数側の信号同士のいずれか一方の位相を９０°回転させてかけ合わせた信号と、の位相差、強度を、読み取り演算にて算出する計測系回路と、
を備えたことを特徴とする。

このとき、逓倍器は、奇数倍に周波数を定数倍する回路であることが好ましい。
奇数倍に周波数を定数倍することにより、弾性表面波の励振部である、すだれ状電極の構造をダブル電極にすることが出来る。

また、本発明の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置に用いる球状弾性表面波素子について、励振電極であるすだれ状電極はダブル電極であることが好ましい。
ダブル電極は構造が単純であるという利点の他、弾性表面波の電極内反射を極力抑えることが出来る。また、電極構造より奇数倍の周波数とすることで、複数の周波数を励振することが出来る。

本発明の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置は、単一の周波数のみで複数周波数励振可能な球状弾性表面波素子を駆動し、位相差のみを高速抽出することが出来る。このため、単一の駆動系回路／計測系回路を用いた構成でありながら複数の周波数で駆動し計測することが出来る。

以下、本発明の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置について、具体的に図１を用いて一例を挙げながら説明を行う。当然のことながら、本発明の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置は下記の構成に限定されず、類推できる他の構成をも含むものとする。また、寸法、駆動周波数などは、下記の記述に限定されず、仕様などに応じて適宜設計することが可能である。

本発明の複数周波数駆動計測装置の一例は、球状弾性表面波素子１０、送信部２０１、受信部２０２、送受信切り替え器２０３、インピーダンス整合回路２０４を備えている。

球状弾性表面波素子１０は、伝搬面１１を有し球状部材１２およびすだれ状ダブル電極１３を備えている。
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、すだれ状ダブル電極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（ＳＡＷ）を周回させるための周回経路を備えている。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を有する三次元基体であり、本実施形態では、直径１０ｍｍの球状に加工された単結晶の水晶材料を用い、伝搬面としてＺ軸シンダーを用いている。

送信部２０１は、基本周波数より定数倍の周波数を作り出す回路で、基本周波数バースト入力部２０５より高周波バースを印可し、分配機２１１で二つに分け、基本周波数は増幅器２１４、バンドパスフィルター２１６を通る。また分配されたもう一方の高周波は増幅器２１４を、逓倍器２１５にて定数倍され、バンドパスフィルターを通り周波数結合器２１３にて結合される。

結合された２つの周波数成分を含むバースト信号は送受信切り替え器２０３にてインピーダンス整合回路２０４へとバースト信号が送られる。送受信切り替え器は一方向性結合器を用いてもよいし、電界効果型トランジスタを用いてもよいし、ダイオードスイッチを用いてもよい。

インピーダンス整合回路２０４は、コイルとコンデンサを並列に接続した並列共振回路となっており、周波数選択性を持ちながら、送信部２０１および受信部２０２と球状表面弾性波素子１０とのインピーダンスマッチングを行う。

球状弾性表面波素子１０の多重周回信号は再びインピーダンス整合回路２０４を通り、送受信切り替え器２０３で受信部２０２に信号が送られる。

受信部２０２は周波数分配機２１２により、基本周波数と定数倍された周波数に分離される。基本周波数信号は増幅器２１４を通り逓倍器２１５、バンドパスフィルター２１６、増幅器２１４を通る。一方定数倍された信号は増幅器２１４、バンドパスフィルター、増幅器２１４を通る。
このとき、逓倍器を通過した基本周波数と定数倍された周波数の二つの信号の周波数は同じになっている。この片方を０°、９０°の位相変調を位相変調器２１７およびミキサー２１９にて乗算を行いアナログデジタル変換器でデジタル変換し、位相を変えずに得られた周波数同士をかけ合わせた信号（Ｉ）と、一方の高周波の位相を９０°回転させそれぞれをかけあわせた信号（Ｑ）のデーターを得る。

ＱをＩで割り、アークタンジェントを計算することにより複数の周波数で球状弾性表面波素子を励起した際の位相差を算出する。

図２に、一例として、基本周波数を１５ＭＨｚ、逓倍器の定数を３倍、とし、１５ＭＨｚおよび４５ＭＨｚを２つの周波数として、球状弾性表面波素子を駆動し、その周回受信信号を計測する場合における球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置の構成を示す模式回路図を示す。

本発明の球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。 本発明の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置の構成を示す模式回路図である。

符号の説明

１０…球状弾性表面波素子
１１…伝搬面
１２…球状部材
１３…すだれ状ダブル電極
２０１…送信部
２０２…受信部
２０３…送受信切り替え器
２０４…インピーダンス整合回路
２０５…基本周波数バースト入力部
２１１…分配機
２１２…周波数分配器
２１３…周波数結合器
２１４…増幅器
２１５…定倍装置
２１６…バンドパスフィルター
２１７…位相変調器
２１８…９０°位相変調器
２１９…ミキサー
２２０…アナログデジタル変換器

Claims (2)

1. 基本周波数を分岐し一方を逓倍器にて所望の定数倍周波数を作り、前記基本周波数と前記定数倍周波数とを周波数結合器で合成し複数の周波数成分を持つ信号を作り、前記複数の周波数信号を球状弾性表面波素子に励振させる駆動系回路と、
   球状弾性表面波素子を周回した複数の周波数をそれぞれの周波数に分解し、低周波数側の信号を逓倍器にて所望の定数倍周波数を作り、前記定数倍周波数と高周波数側の信号同士をかけ合わせた信号と、前記定数倍周波数と高周波数側の信号同士のいずれか一方の位相を９０°回転させてかけ合わせた信号と、の位相差、強度を、読み取り演算にて算出する計測系回路と、
   を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置。
2. 請求項１に記載の球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置であって、
   逓倍器は、奇数倍に周波数を定数倍する回路であること
   を特徴とする球状弾性表面波素子の複数周波数駆動計測装置。