JP5166999B2

JP5166999B2 - 被測定物特性測定装置

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Publication number: JP5166999B2
Application number: JP2008175671A
Authority: JP
Inventors: 崇小貝; 博美谷津田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: JP2010014587A

Description

本発明は、入出力電極間に被測定物が負荷される伝搬路が形成された弾性表面波素子を備え、前記被測定物の特性を求める被測定物特性測定装置に関する。

一般に、弾性表面波素子は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられた櫛歯状電極指からなる入力電極及び出力電極を備えている。弾性表面波素子では、入力電極に電気信号が入力されると、電極指間に電界が発生し、圧電効果により弾性表面波が励振され、圧電基板上を伝搬していく。この弾性表面波のうち、伝搬方向と直交する方向に変位するすべり弾性表面波（SH-SAW:Shear horizontal Surface Acoustic Wave）を利用する弾性表面波素子を用いた各種物質の検出や物性値等の測定を行うための弾性波センサが研究されている（特許文献１）。

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

また、弾性波センサとしては、弾性表面波を遅延線として利用し、化学物質の吸着量を測定することができる（特許文献３）。この弾性表面波センサは、入力変換器の一方の端子と出力変換器の一方の端子とを高周波増幅器を介して結線して高周波数のループを形成し、全体としては帰還型発振器を構成している。この弾性波センサでは、入力変換器と出力変換器間にアラキン酸ＬＢ膜が形成され、このアラキン酸ＬＢ膜に吸着する化学物質の吸着量を、出力変換器に接続した周波数カウンタで周波数変化を測定することにより、その吸着量を検知している。

特許第３４８１２９８号公報特許第３２４８６８３号公報特開平０２−３６３５０号公報（第１図参照）

導電性の低い被測定物の物理的特性を測定する場合には、分解能を高くする必要がある。一般的に、導電性の変化では、周波数に反比例して分解能が高くなることが知られており、導電性の低い被測定物の物理的特性を測定する場合には、分解能を高くするために周波数を低くする必要がある。

しかしながら、低周波化を図るためには伝搬路長を長くする必要があり、そのためには弾性表面波が伝搬する方向に基板を長くする必要があり、弾性波センサ自体が大型化する。また、単に伝搬路長を長くした場合には、回折や被測定物の伝搬路への負荷により伝搬する弾性表面波が減衰するために測定精度の低下を招くおそれがある。

また、特許文献３の弾性波センサでは、入力変換器と出力変換器間で遅延線が形成され、この遅延線を長くすると発振点が複数存在することとなり、多重発振状態となり、発振周波数の変化で化学物質の吸着量を検知することが困難になる。

本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、装置を小型化するとともに、弾性表面波の減衰を防ぎ、測定精度の維持を図ることが可能となる被測定物特性測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る被測定物特性測定装置は、入出力電極間に被測定物が負荷される伝搬路が形成された弾性表面波素子を備え、入力端子から前記入力電極へバースト波信号を入力し、前記出力電極から出力端子へ出力された出力信号に基づいて前記被測定物の特性を求める被測定物特性測定装置であって、前記出力信号を前記入力電極に帰還する帰還路と、前記入力電極と、前記入力端子との接続又は前記帰還路の一端との接続を切り替える第１切替器と、前記出力電極と、前記出力端子との接続又は前記帰還路の他端との接続を切り替える第２切替器と、を有することを特徴とする。

被測定物特性測定装置では、前記第１切替器を切り替えて、前記入力電極と前記入力端子とを接続し、前記第２切替器を切り替えて、前記出力電極と前記帰還路の他端とを接続した後に、前記入力端子から前記入力電極へ前記バースト波信号を入力し、さらに、前記第１切替器を切り替えて、前記入力電極と前記帰還路の一端とを接続し、所定時間経過後に、前記第２切替器を切り替えて、前記出力電極と前記出力端子とを接続して、前記出力端子へ出力信号を出力する。

また、被測定物特性測定装置では、前記帰還路に増幅器を接続してもよい。

本発明によれば、前記出力信号を前記入力電極に帰還する帰還路と、前記入力電極と、前記入力端子との接続又は前記帰還路の一端との接続を切り替える第１切替器と、前記出力電極と、前記出力端子との接続又は前記帰還路の他端との接続を切り替える第２切替器とを有することにより、伝搬路の長さを短くし、導電性が低い被測定物の物理的特性を測定する測定装置として小型化することができる。

また、前記第１切替器を切り替えて、前記入力電極と前記入力端子とを接続し、前記第２切替器を切り替えて、前記出力電極と前記帰還路の他端とを接続した後に、前記入力端子から前記入力電極へ前記バースト波信号を入力し、さらに、前記第１切替器を切り替えて、前記入力電極と前記帰還路の一端とを接続し、所定時間経過後に、前記第２切替器を切り替えて、前記出力電極と前記出力端子とを接続して、前記出力端子へ出力信号を出力することにより、伝搬路の長さを短くしても、弾性表面波素子と帰還路で弾性表面波を循環させ、被測定物の物理的特性を測定するために必要な伝搬路長を得られることができる。さらに、帰還路に増幅器を設けることにより、被測定物が負荷される伝搬路で減衰が大きい被測定物であっても、物理的特性を精度良く測定することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る被測定物特性測定装置１０の構成の説明図であり、図２Ａ〜図２Ｃは、弾性表面波素子１４と帰還路２２で循環する弾性表面波と、第１切替器２４、第２切替器２６の切り替えとの関係の説明図である。

被測定物特性測定装置１０は、弾性表面波素子１４と、高周波のバースト波信号を発生する発振器１６と、弾性波検出器１８と、被測定物４０の物理量を算出する物理量算出部２０、弾性表面波素子１４からの出力信号を弾性表面波素子１４の入力電極３０に帰還させる帰還路２２と、弾性表面波素子１４の入力電極３０と、発振器１６との接続又は帰還路２２との接続を切り替える第１切替器２４と、弾性表面波素子１４の出力電極３２と、弾性波検出器１８との接続又は帰還路２２との接続を切り替える第２切替器２６と、第１切替器２４、第２切替器２６の切り替えを制御する切替制御器２８とを備える。

弾性表面波素子１４は、入力電極３０及び出力電極３２を備え、入力電極３０と出力電極３２との間には、短絡伝搬路３４が形成される。入力電極３０は、発振器１６から出力されたバースト波信号に基づいて弾性表面波を励振させるために櫛形電極で構成され、出力電極３２は、入力電極３０から励振され伝搬してきた弾性表面波を受信するために櫛形電極で構成されている。

弾性波検出器１８は、発振器１６から出力されたバースト波信号と、弾性表面波に対応した出力信号との振幅比、位相差等を測定するとともに、バースト波信号が入力電極３０から入力されて、出力電極３２から弾性波検出器１８へ出力されるまでの経過時間を測定する。

第１切替器２４は、入力電極３０と帰還路２２の一端子（一端）４６との接続と、入力電極３０と弾性表面波素子１４に設けられている入力端子４２との接続とを切り替え、第２切替器２６は、出力電極３２と帰還路２２の他端子（他端）４８との接続と、弾性波検出器１８に設けられている出力端子４４との接続とを切り替える。

切替制御器２８は、第１切替器２４、第２切替器２６を切り替えて、発振器１６から入力電極３０へのバースト波信号の供給、弾性表面波素子１４と帰還路２２における弾性表面波を循環させるための帰還路２２への出力、出力電極３２から弾性波検出器１８への出力を制御する。切替制御器２８には弾性波検出器１８が接続されており、発振器１６からバースト波信号が出力されると同時に、弾性波検出器１８からの切替開始信号が切替制御器２８に出力される。弾性表面波素子１４と帰還路２２で形成される循環路５０で弾性表面波を循環させる時間は、短絡伝搬路３４の伝搬路長との関係で所定時間として定められる。前記所定時間の計測は、弾性波検出器１８からの切替開始信号の受信時からの経過時間としてもよい。また、予め短絡伝搬路３４を伝搬する弾性表面波の伝搬速度、循環路５０の長さを求めておき、弾性表面波の循環数を計測することにより所定時間を算出してもよい。さらに、基準となる被測定物４０を短絡伝搬路３４に負荷した状態で弾性表面波の伝搬速度を求めておき、この伝搬速度と循環路５０の循環数の積として所定時間を算出してもよい。

短絡伝搬路３４は、圧電基板３６上に蒸着された金属膜３８で形成され、金属膜３８は電気的に短絡された短絡伝搬路である。金属膜３８の材料は特に限られないが、被測定物４０に対して、化学的に安定している金で形成することが好ましい。

圧電基板３６は、すべり弾性表面波を伝搬することができれば、特に限られないが、３６度Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ₃であることが好ましい。

被測定物特性測定装置１０による被測定物４０の物理的特性の測定は、次のように行われる。

まず、被測定物４０が短絡伝搬路３４に負荷された後に、発振器１６からのバースト波信号が弾性波検出器１８へ出力され、弾性波検出器１８でバースト波信号の振幅、位相が測定される。その後、発振器１６から入力電極３０へバースト波信号が出力されると同時に、弾性波検出器１８から切替制御器２８に対して開始制御信号が出力される。切替制御器２８は、弾性波検出器１８から開始制御信号を受信すると第１切替器２４を入力端子４２側に切り替えて発振器１６と入力電極３０とを接続するとともに、第２切替器２６を他端子４８側に切り替えて出力電極３２と帰還路２２の他端子４８とを接続する（図２Ａ参照）。

切替制御器２８は、発振器１６から出力されたバースト波信号が第１切替器２４を通過したことを確認した後に、第１切替器２４を入力端子４２側から一端子４６側に切り替えて、入力電極３０と帰還路２２とを接続する（図２Ｂ参照）。

入力電極３０では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、短絡伝搬路３４上を伝搬して出力電極３２で受信される。出力電極３２と帰還路２２とは第２切替器２６によって接続されているために、出力電極３２で受信された信号は、帰還路２２に出力される。また、入力電極３０と帰還路２２とは第１切替器２４によって接続されているために、発振器１６から出力されたバースト波信号は循環路５０を循環する。

切替制御器２８は、弾性波検出器１８から受信した開始制御信号の受信時からの所定時間が経過したときに第２切替器２６を他端子４８側から出力端子４４側に切り替え、出力電極３２と弾性波検出器１８とを接続することにより出力電極３２で受信された信号が弾性波検出器１８に出力される（図２Ｃ参照）。

弾性波検出器１８では、発振器１６から出力されたバースト波信号と、出力電極３２からの出力信号との振幅比、位相差及び伝搬遅延差が検出され、当該検出された振幅比、位相差に基づく信号が物理量算出部２０に出力されて、物理量算出部２０で被測定物４０の物理量が求められる。この物理量は、予め基準となる被測定物４０を負荷した場合に検出される振幅比、位相差との差分に基づいて求められる。

以上説明したように、被測定物特性測定装置１０は、入力電極３０と出力電極３２との間に被測定物４０が負荷される短絡伝搬路３４が形成された弾性表面波素子１４を備え、入力端子４２から入力電極３０へバースト波信号を入力し、出力電極３２から出力端子４４へ出力された出力信号に基づいて被測定物４０の特性を求める。

被測定物特性測定装置１０は、前記出力信号を伝達する帰還路２２と、入力電極３０と、入力端子４２との接続又は帰還路２２の一端子４６との接続を切り換える第１切替器２４と、出力電極３２と、出力端子４４との接続又は帰還路２２の他端子４８との接続を切り換える第２切替器２６を有することによって、短絡伝搬路３４の長さを短くし、導電性が低い被測定物４０の物理的特性を測定する測定装置として小型化することができる。

また、被測定物特性測定装置１０では、第１切替器２４を切り替えて、入力電極３０と入力端子４２とを接続し、第２切替器２６を切り替えて、出力電極３２と帰還路２２の他端子４８とを接続した後に、入力端子４２から入力電極３０へ前記バースト波信号を入力し、さらに、第１切替器２４を切り替えて、入力電極３０と帰還路２２の一端子４６とを接続し、所定時間経過後に、第２切替器２６を切り替えて、出力電極３２と出力端子４４とを接続して、出力端子４４へ出力信号を出力することにより、短絡伝搬路３４の長さを短くしても、弾性表面波素子１４と帰還路２２で弾性表面波を循環させ、被測定物４０の物理的特性を測定するために必要な伝搬路長を得られることができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。図３は、本実施形態の変形例に係る被測定物特性測定装置１０Ａの構成の説明図である。被測定物特性測定装置１０Ａでは、被測定物特性測定装置１０に対して、帰還路２２に増幅器５２が接続されている。

被測定物特性測定装置１０Ａでは、帰還路２２に増幅器５２を接続することにより、被測定物４０に対応した弾性表面波が短絡伝搬路３４で大きく減衰する場合であっても、増幅器５２で適切に増幅することにより被測定物４０に対応した弾性表面波の位相変化を正確に測定し、被測定物４０の物理的特性を算出することができる。また、増幅器５２の増幅度を予め求めておくことにより、被測定物４０に対応した弾性表面波の振幅を正確に測定し、被測定物４０の物理的特性を算出することができる。

なお、上記実施形態では、被測定物特性測定装置１０、１０Ａの短絡伝搬路３４を開放伝搬路又は格子状伝搬路で構成してもよい。

また、被測定物としては、特に限定されるものではなく、少なくとも液体が含まれていればよい。また、純液、混合液のいずれであってもよく、メタノール、エタノール等のアルコールの物理的特性を測定する場合に特に有効である。さらにまた、被測定物に抗原、抗体、バクテリア等が含まれる状態においても、物理的特性を測定できることは言うまでもない。

この場合、例えば、被測定物の中に帯電しているバクテリアが含まれている場合には、被測定物の導電率を測定することにより、バクテリアの含有率を測定することができる。また、異なる極性で帯電しているバクテリアが含まれている場合には、被測定物の導電率を測定することにより、被測定物に最も多く含まれるバクテリアの種類を特定することもできる。さらに、被測定物が負荷された伝搬路にバクテリアが付着している場合には、被測定物の密度、粘性を測定することにより、付着したバクテリアの増減量を検知することができる。

また、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本発明の実施形態に係る被測定物特性測定装置の構成の説明図である。図２Ａ〜図２Ｃは、弾性表面波素子と帰還路で循環する弾性表面波と、第１、第２切替器の切り替えとの関係の説明図である。本発明の実施形態に係る被測定物特性測定装置の変形例の構成の説明図である。

符号の説明

１０、１０Ａ…被測定物特性測定装置１４…弾性表面波素子
１６…発振器１８…弾性波検出器
２０…物理量算出部２２…帰還路
２４…第１切替器２６…第２切替器
２８…切替制御器３０…入力電極
３２…出力電極３４…短絡伝搬路
３６…圧電基板３８…金属膜
４０…被測定物４２…入力端子
４４…出力端子４６…一端子
４８…他端子５０…循環路
５２…増幅器

Claims

入出力電極間に被測定物が負荷される伝搬路が形成された弾性表面波素子を備え、入力端子から前記入力電極へバースト波信号を入力し、前記出力電極から出力端子へ出力された出力信号に基づいて前記被測定物の特性を求める被測定物特性測定装置であって、
前記出力信号を前記入力電極に帰還する帰還路と、
前記入力電極と、前記入力端子との接続又は前記帰還路の一端との接続を切り替える第１切替器と、
前記出力電極と、前記出力端子との接続又は前記帰還路の他端との接続を切り替える第２切替器と、
を有する
ことを特徴とする被測定物特性測定装置。
請求項１記載の被測定物特性測定装置において、
前記第１切替器を切り替えて、前記入力電極と前記入力端子とを接続し、
前記第２切替器を切り替えて、前記出力電極と前記帰還路の他端とを接続した後に、前記入力端子から前記入力電極へ前記バースト波信号を入力し、
さらに、前記第１切替器を切り替えて、前記入力電極と前記帰還路の一端とを接続し、
所定時間経過後に、前記第２切替器を切り替えて、前記出力電極と前記出力端子とを接続して、前記出力端子へ出力信号を出力する
ことを特徴とする被測定物特性測定装置。
請求項１又は２記載の被測定物特性測定装置において、
前記帰還路に増幅器が接続されている
ことを特徴とする被測定物特性測定装置。