JP5648305B2 - Spherical surface acoustic wave device - Google Patents
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Description
本発明は、球状弾性表面波素子を用いて、周波数の違いによる弾性表面波の伝搬特性の変化から環境変化要因を計測する球状弾性表面波装置に関する。 The present invention relates to a spherical surface acoustic wave device that measures an environmental change factor from a change in propagation characteristics of a surface acoustic wave due to a difference in frequency using a spherical surface acoustic wave element.
従来、異なる構成の幾つかの球状弾性表面波装置装置が提案されている。 Conventionally, several spherical surface acoustic wave devices having different configurations have been proposed.
その1つの球状弾性表面波装置は、少なくとも球形状の一部の外表面に円環状をなす領域(以下、周回経路と呼ぶ)を有し、所定の高周波信号で励起された弾性表面波が周回経路を連続的に伝搬し周回する球状弾性表面波素子と、この球状弾性表面波素子の周回経路上または周回経路に対向して配置され、前記弾性表面波を励起し、この励起された弾性表面波を周回経路に沿って連続的に周回させるとともに、この周回してくる弾性表面波から発生する信号を受信して出力する弾性表面波励起・検知手段とを備えた構成である(特許文献1)。 One of the spherical surface acoustic wave devices has an annular region (hereinafter referred to as a circular path) on at least a part of the outer surface of the spherical shape, and a surface acoustic wave excited by a predetermined high-frequency signal circulates. A spherical surface acoustic wave element that continuously propagates and circulates along the path, and is disposed on or opposite to the circular path of the spherical surface acoustic wave element to excite the surface acoustic wave, and this excited surface The structure includes a surface acoustic wave excitation / detection unit that continuously circulates a wave along a circulation path and receives and outputs a signal generated from the circulating surface acoustic wave (Patent Document 1). ).
球状弾性表面波素子は、弾性表面波を励起させることが出来ない材料を使用して、少なくとも球形状の一部の外表面に弾性表面波を周回させる周回経路を含むように形成された球形基材と、この球形基材の外表面において少なくとも周回経路に沿って周回する弾性表面波を励起可能な材料で被覆することによって形成されるか、または弾性表面波を励起可能な材料を使用して少なくとも球形状の一部に周回経路を構成する部分を外表面に含むように形成される。 A spherical surface acoustic wave element is a spherical base formed using a material that cannot excite a surface acoustic wave and including a circular path that circulates the surface acoustic wave on at least a part of the outer surface of the spherical shape. Formed by coating a material and a surface acoustic wave that circulates at least along a circular path on the outer surface of the spherical substrate with a material that can be excited, or using a material that can excite a surface acoustic wave At least a part of the spherical shape is formed so as to include a part constituting the circulation path on the outer surface.
ここで、弾性表面波の励起可能な材料としては通常圧電材料が使用されるが、球状弾性表面波素子の全体を弾性表面波の励起可能な材料を使用して形成する場合には、例えば水晶,ニオブ酸リチウム(LiNbO3),タンタル酸リチウム(LiTaO3),ランガサイト(La3Ga5SiO14)及びこれらのファミリーの如き圧電性結晶材料が使用される。この場合には、少なくとも球形状の一部に構成される周回経路は圧電性結晶材料の結晶面が外表面と交差する線上にあり、周回経路に沿う方向は当該線のほぼ延出方向である。 Here, a piezoelectric material is usually used as a material capable of exciting a surface acoustic wave. However, when a spherical surface acoustic wave element is formed using a material capable of exciting a surface acoustic wave, for example, a quartz crystal is used. Piezoelectric crystal materials such as lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 ) and their families are used. In this case, the circular path formed in at least a part of the spherical shape is on a line where the crystal plane of the piezoelectric crystal material intersects the outer surface, and the direction along the circular path is a substantially extending direction of the line. .
なお、圧電性結晶材料の球状弾性表面波素子は、材料コストや適合周波数を考慮し、通常は略1mm〜略10mmの径の球形状に形成されている。 The spherical surface acoustic wave element made of a piezoelectric crystal material is usually formed in a spherical shape having a diameter of about 1 mm to about 10 mm in consideration of material cost and frequency of adaptation.
一方、弾性表面波励起・検知手段としては、種々の構成のものがあるが、製造コスト、装置の大きさ、変換効率などを考慮し、通常はいわゆるすだれ状電極(櫛形電極とも言われる)が使用される。 On the other hand, surface acoustic wave excitation / detection means have various configurations, but in consideration of manufacturing cost, device size, conversion efficiency, etc., so-called interdigital electrodes (also referred to as comb electrodes) are usually used. used.
すだれ状電極は、一対の櫛形状端子部からなり、各櫛形状端子部を構成する複数の櫛歯状電極枝が互い違いに入り込むように対峙させた形状であって、圧電性結晶材料からなる球形基材の外表面の少なくとも球形状の一部により周回経路を構成する部分に例えばフォトリソグラフィー(写真製版)により直接形成するか、または圧電性結晶材料の球状弾性表面波素子とは別体のすだれ状電極支持部材の表面に前記圧電性結晶材料よりなる球形基材の外表面の周回経路を構成する上記部分と相似形状に形作られた部分球形状凹所の内表面にフォトリソグラフィー(写真製版)により直接形成した後、球形基材の外表面に構成された周回経路の上記部分に対して、所定の隙間(励起する弾性表面波の波長の1/4以下)を有して対向するように配置される。 The interdigital electrode is composed of a pair of comb-shaped terminal portions, and has a shape in which a plurality of comb-shaped electrode branches constituting each comb-shaped terminal portion are opposed to each other, and is a spherical shape made of a piezoelectric crystal material. Directly formed by, for example, photolithography (photoengraving) on the part constituting the circulation path by at least a part of the spherical shape of the outer surface of the base material, or a blind that is separate from the spherical surface acoustic wave element of piezoelectric crystal material Photolithography (photoengraving) is performed on the inner surface of a partially spherical recess formed in a shape similar to the above-described portion constituting the circular path of the outer surface of the spherical base material made of the piezoelectric crystal material on the surface of the electrode support member After forming directly by the above, the above-mentioned portion of the circular path formed on the outer surface of the spherical base material is opposed to the part with a predetermined gap (1/4 or less of the wavelength of the surface acoustic wave to be excited). Arrangement It is.
すだれ状電極としては、一対の櫛形状端子部の間に所定の周波数の高周波バースト信号を印加することにより、相互に隣接した2つの櫛歯状電極枝間のパターンや周期に対応した波長の弾性表面波を球形基材の外表面に構成される周回経路に励起させることができ、この励起された弾性表面波の幅は互いに櫛歯状電極枝の交差している幅に対応している。 As an interdigital electrode, by applying a high-frequency burst signal of a predetermined frequency between a pair of comb-shaped terminal portions, the elasticity of a wavelength corresponding to the pattern or period between two adjacent comb-shaped electrode branches The surface wave can be excited in the circular path formed on the outer surface of the spherical substrate, and the width of the excited surface acoustic wave corresponds to the width at which the comb-like electrode branches intersect each other.
また、すだれ状電極を構成する一対の櫛形状端子部の複数の櫛歯状電極枝の垂直な方向が、前述した如く励起された弾性表面波の波面が球形基材の外表面に構成される周回経路に沿って進行する方向となる。従って、球形基材の外表面に構成される周回経路にすだれ状電極により弾性表面波を励起させて、当該弾性表面波を周回経路に沿って伝搬させるには、すだれ状電極における一対の櫛形状端子部の複数の櫛歯状電極枝が周回経路の沿う方向に垂直に配列されていなければならない。 In addition, the vertical direction of the plurality of comb-like electrode branches of the pair of comb-shaped terminal portions constituting the interdigital electrode is configured such that the wavefront of the surface acoustic wave excited as described above is formed on the outer surface of the spherical substrate. It becomes the direction which advances along a roundabout path. Therefore, in order to excite the surface acoustic wave by the interdigital electrode on the circular path formed on the outer surface of the spherical base material and propagate the surface acoustic wave along the circular path, a pair of comb shapes in the interdigital electrode The plurality of comb-like electrode branches of the terminal portion must be arranged perpendicular to the direction along the circulation path.
さらに、別の球状弾性表面波装置装置が提案されている(特許文献2)。
この球状弾性表面波装置は、球状弾性表面波素子の外表面に構成される周回経路の曲率や周回経路の方向(すなわち、励起された弾性表面波を伝搬させる方向)と直交する方向における励起する弾性表面波の幅(すだれ状電極の複数の電極枝が相互に入り込んで対向している部分の長さ)や周回経路に励起する弾性表面波の周波数(すだれ状電極の複数の電極枝の配列周期)などの所定の項目を設定し、周回経路を周回する弾性表面波を励起することにより、この励起された弾性表面波が素子外表面の周回経路に沿う方向に対し交差する方向に大きく拡散させることなく、繰り返し周回させることができる。
Furthermore, another spherical surface acoustic wave device has been proposed (Patent Document 2).
This spherical surface acoustic wave device excites in a direction orthogonal to the curvature of the circular path formed on the outer surface of the spherical surface acoustic wave element and the direction of the circular path (that is, the direction in which the excited surface acoustic wave propagates). The width of the surface acoustic wave (the length of the portion where the electrode branches of the interdigital electrode penetrate each other and face each other) and the frequency of the surface acoustic wave excited in the circuit path (arrangement of the multiple electrode branches of the interdigital electrode) By setting a predetermined item such as (period) and exciting a surface acoustic wave that circulates around the circuit path, the excited surface acoustic wave diffuses greatly in a direction that intersects the direction along the circuit path on the outer surface of the device. It can be made to circulate repeatedly without making it.
球状弾性表面波素子は、圧電性結晶材料よりなる球形基材の外表面の周回経路に外部環境の変化に感応する感応膜を設け、この感応膜が接する外部環境,例えばガス濃度等の変化に対応して周回経路を周回する弾性表面波の伝搬速度や減衰率が変化する。 A spherical surface acoustic wave element is provided with a sensitive film that is sensitive to changes in the external environment on the outer surface of a spherical base material made of a piezoelectric crystal material. Correspondingly, the propagation speed and attenuation rate of the surface acoustic wave that circulates in the circulation path change.
そこで、すだれ状電極を用いた弾性表面波励起・検知手段は、励起された高周波バースト信号の弾性表面波が1周するのに要する時間や1周する毎の弾性表面波の強度の変化を検知することにより、外部環境、例えばガス濃度の変化を計測できるので、球状弾性表面波素子を含んで物理量の計測装置として利用することができる。 Therefore, the surface acoustic wave excitation / detection means using the interdigital electrode detects the time required for one round of the surface acoustic wave of the excited high frequency burst signal and the change in the intensity of the surface acoustic wave every round. By doing so, it is possible to measure changes in the external environment, for example, gas concentration, so that it can be used as a physical quantity measuring device including a spherical surface acoustic wave element.
例えば検知対象となるガスの濃度が濃くなれば、この濃度変化に対応した感応膜の変化の影響により、周回経路に沿って周回する弾性表面波の周回速度が遅くなり、ひいては周回経路を弾性表面波が1周するのに要する時間が長くなる。また、1周する毎の弾性表面波の強度に低下が生じる。 For example, if the concentration of the gas to be detected increases, the circulatory velocity of the surface acoustic wave that circulates along the circulation path slows down due to the effect of the change in the sensitive film corresponding to this change in concentration. The time required for the wave to make one turn is longer. In addition, the strength of the surface acoustic wave is reduced every time it makes a round.
従って、弾性表面波が周回経路を1周する間の周回速度の変化、弾性表面波が1周するのに要する時間の変化、弾性表面波が1周する毎の位相の遅延、さらには弾性表面波からの発生出力の強度の低下等々について微小であるが変化している。その結果、弾性表面波が周回経路を周回する周回数が増加すればするほど、前述した変化は重畳されて大きくなる。よって、弾性表面波が周回経路を多周回することにより、外部環境の変化に対応した各種信号変化の計測精度が向上する。 Accordingly, a change in the rotation speed during one round of the surface acoustic wave travels, a change in the time required for the surface acoustic wave to make one round, a phase delay for each round of the surface acoustic wave, and a surface There is a slight change, such as a decrease in the intensity of the output generated from the wave. As a result, as the number of times that the surface acoustic wave circulates in the circulation path increases, the above-described change is superimposed and increased. Therefore, the measurement accuracy of various signal changes corresponding to the change in the external environment is improved by the surface acoustic wave circulating around the circulation path.
このことは、球状弾性表面波素子を使用して前述の如く外部環境の変化を計測する場合、周回経路を周回する弾性表面波の振動エネルギーが外部環境の変化以外の要因で変化することは好ましくないことは明らかである。 This is because when the change in the external environment is measured using the spherical surface acoustic wave element as described above, it is preferable that the vibration energy of the surface acoustic wave that circulates in the circulation path changes due to factors other than the change in the external environment. Clearly not.
ところで、以上のように球状弾性表面波素子に適用する従来公知の弾性表面波励起・検知手段としてすだれ状電極を使用する場合、特許文献1の中の前者で説明したように、周回経路にすだれ状電極を直接形成すると、当該すだれ状電極により圧電性結晶材料よりなる球形基材の外表面の周回経路を伝搬する励起された弾性表面波は、外表面の周回経路に沿って周回する間にすだれ状電極の質量による反射等の影響を受け、その度に散乱することで振動エネルギーが損失してしまう問題がある。
By the way, when the interdigital electrode is used as the conventionally known surface acoustic wave excitation / detection means applied to the spherical surface acoustic wave element as described above, as described in the former of
このことは、球状弾性表面波素子に適用する従来公知の弾性表面波励起・検知手段にすだれ状電極を使用する場合、特許文献1の中の後者で説明したように、圧電性結晶材料の球状弾性表面波素子とは別体のすだれ状電極支持部材の表面に圧電性結晶材料の球形基材の外表面に形成される周回経路部分と相似形状に形作られた部分球形状凹所の内表面にすだれ状電極を直接形成した後、当該形成されたすだれ状電極を球形基材の外表面に形成される周回経路に対して所定の間隔を有して対向するように配置することが好ましい。
This is because, in the case where a comb electrode is used in a conventionally known surface acoustic wave excitation / detection means applied to a spherical surface acoustic wave element, as described in the latter of
さらに、弾性表面波を励起して所望の物理量を計測する他の球状弾性表面波装置が提案されている(特許文献3)。
この球状弾性表面波装置は、球状弾性表面波素子を構成する圧電性結晶材料の球形基材中に複数の周波数を励起するすだれ状電極を形成し、例えば50MHzと150MHzの異なる複数の帯域の周波数を用いて周回する弾性表面波を励起し、この励起された周回してくる弾性表面波から発生する信号を各すだれ状電極で検知するものである。
Furthermore, another spherical surface acoustic wave device that measures a desired physical quantity by exciting a surface acoustic wave has been proposed (Patent Document 3).
This spherical surface acoustic wave device forms interdigital electrodes that excite a plurality of frequencies in a spherical base material of a piezoelectric crystal material constituting a spherical surface acoustic wave element, and, for example, frequencies in a plurality of different bands of 50 MHz and 150 MHz. Is used to excite a surface acoustic wave that circulates, and a signal generated from the excited surface acoustic wave that circulates is detected by each interdigital electrode.
近年、複数の周波数帯域で弾性表面波を励起/検知する計測方法を使用されており、このような球状弾性表面波素子を高調波素子と呼ばれている。 In recent years, measurement methods for exciting / detecting surface acoustic waves in a plurality of frequency bands have been used, and such spherical surface acoustic wave elements are called harmonic elements.
弾性表面波が圧電性結晶材料の球形基材の表面を伝搬(周回)する場合、周波数が大きくなると、より表面近傍の質量負荷、その質量負荷の変化、或いは感応膜の物性的な変化に対して、弾性表面波の伝搬速度や減衰定数により大きな影響を与えることを利用し、周波数の違いによる応答の違いから、表面近傍にのみ存在する変動要因による変動成分と、そうでない環境変化要因による変動成分とを分離して計測するものである。 When surface acoustic waves propagate (circulate) the surface of a spherical base material of piezoelectric crystal material, if the frequency increases, the mass load near the surface, the change in the mass load, or the change in the physical properties of the sensitive film Because of the large influence on the propagation speed and damping constant of surface acoustic waves, due to the difference in response due to the difference in frequency, the fluctuation component due to the fluctuation factors existing only near the surface and the fluctuation due to other environmental change factors The component is measured separately.
通常、高い周波数成分の弾性表面波の伝搬速度の変化率と、低い周波数成分の弾性表面波の伝搬速度の変化率とがほとんど変わらない場合、本来的に周波数における依存性が小さいと判断し、専ら圧電性結晶材料の球形基材の温度依存性による変化を計測したり、あるいは、高い周波数成分の弾性表面波の伝搬速度が大きく変化している場合、表面近傍にのみ存在する変動要因、例えば表面への分子の付着を検出することが可能である。つまり、周波数の違いに基づく2つの環境変動要因による変数よりなる連立方程式を解くことで、要因を分析することができる。 Usually, if the rate of change of the propagation speed of the surface acoustic wave of the high frequency component is almost the same as the rate of change of the propagation speed of the surface wave of the low frequency component, it is determined that the dependence on the frequency is essentially small, When measuring changes due to the temperature dependence of the spherical base material of the piezoelectric crystal material exclusively, or when the propagation speed of surface acoustic waves with high frequency components has changed significantly, the fluctuation factors that exist only near the surface, for example It is possible to detect the adhesion of molecules to the surface. In other words, the factors can be analyzed by solving simultaneous equations composed of variables due to two environmental variation factors based on the difference in frequency.
ところで、前述するように異なる帯域の周波数を用いて、周波数に依存した弾性表面波の周回速度の変化や減衰率の変化等を計測する場合、すだれ状電極としてはダブルフィンガー電極(図2参照)を用いることが多い。ダブルフィンガー電極は、1:3:5の周波数比の弾性表面波に対して、効率よく励起し、周回速度の変化等を検出することが知られている。 By the way, as described above, when measuring a change in the circumferential velocity of the surface acoustic wave and a change in the attenuation rate, etc., using frequencies in different bands, the interdigital electrode is a double finger electrode (see FIG. 2). Is often used. It is known that the double finger electrode efficiently excites a surface acoustic wave having a frequency ratio of 1: 3: 5 and detects a change in the rotation speed.
ダブルフィンガー電極は、単一の電極パターンで複数の周波数の弾性表面波を励起することが可能である利点を持つ一方、周波数の違いに対して任意の電極枝数を持たせることができず、また、ある周波数の電極を接近する際に他の周波数の電極も接近することから、その周波数の弾性表面波に影響を与えてしまう問題点も持っている。 Double finger electrodes have the advantage of being able to excite surface acoustic waves of multiple frequencies with a single electrode pattern, but cannot have any number of electrode branches for frequency differences, In addition, when an electrode having a certain frequency is approached, another frequency electrode is also approached, which has a problem of affecting the surface acoustic wave having that frequency.
弾性表面波の周回する周回経路上に複数の周波数に対応させて複数の単純なすだれ状電極を形成する場合も有るが、励起された弾性表面波が多数回にわたってなすだれ状電極を通過しなくてはならない。特に、周波数の高い成分は、すだれ状電極パターンの存在によって大きく減衰や反射を繰り返すことから、励起された弾性表面波が多数回にわたって周回できない問題がある。 In some cases, a plurality of simple interdigital electrodes are formed corresponding to a plurality of frequencies on the circulation path around the surface acoustic wave, but the excited surface acoustic waves do not pass through the interdigital electrode many times. must not. In particular, a component having a high frequency has a problem that the excited surface acoustic wave cannot circulate many times because it is repeatedly attenuated and reflected due to the presence of the interdigital electrode pattern.
従って、すだれ状電極としては、低い周波数の弾性表面波成分を励起するために、球形基材の外表面に周回経路上で長い距離にわたって形成することで計測精度を上げることができるが、高い周波数の弾性表面波の場合には当該電極を通過する際に減衰してしまう問題がある。 Therefore, as an interdigital electrode, in order to excite a low-frequency surface acoustic wave component, it is possible to increase the measurement accuracy by forming it on the outer surface of the spherical base material over a long distance on the circular path, but the high frequency In the case of the surface acoustic wave, there is a problem that the surface acoustic wave is attenuated when passing through the electrode.
従って、以上のように複数の周波数帯の弾性表面波を励起し検出して球状弾性表面波素子の表面や周囲のガス環境の状態を計測する場合、複数帯域の周波数を励起可能なすだれ状電極を用いたり、あるいは周波数帯域ごとに異なるすだれ状電極を形成すると、各すだれ状電極を通過する度に弾性表面波が大きく減衰し、結果として周回経路の周回数を延ばすことができず、ひいては計測精度が低下してしまう問題がある。 Therefore, when measuring the surface of the spherical surface acoustic wave element and the surrounding gas environment by exciting and detecting surface acoustic waves in a plurality of frequency bands as described above, interdigital electrodes capable of exciting frequencies in a plurality of bands If the interdigital transducers are used, or different interdigital electrodes are formed for each frequency band, the surface acoustic wave is greatly attenuated each time it passes through each interdigital transducer. As a result, the number of circulations of the circulation path cannot be extended, and as a result There is a problem that accuracy decreases.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、複数の周波数帯域の高周波信号を用いて球状弾性表面波素子の周回経路に弾性表面波を励起して検知し、周波数の違いによる弾性表面波の伝搬特性の変化から環境変化を精度よく計測する球状弾性表面波装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and uses a high-frequency signal in a plurality of frequency bands to excite and detect a surface acoustic wave in a circular path of a spherical surface acoustic wave device, and to detect an elastic surface due to a difference in frequency. An object of the present invention is to provide a spherical surface acoustic wave device that accurately measures environmental changes from changes in wave propagation characteristics.
上記課題を解決するために、本発明の球状弾性表面波装置は:
少なくとも球形状の一部の外表面に周回経路が構成され、高周波バースト信号で励起されたとき、弾性表面波が前記周回経路に沿って伝搬して周回する球状弾性表面波素子と;
複数の異なる周波数の高周波バースト信号を発生する高周波バースト信号発生手段と:
前記2個の相対距離調節手段に前記球状弾性表面波素子の前記周回経路に対向して相対的に移動可能に支持された2個の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極と;
前記球状弾性表面波素子の前記周回経路に沿って互いに所定の角度を有して配置され前記周回経路に対向して配置された2個の相対距離調節手段と;前記2個の相対距離調節手段に前記球状弾性表面波素子の前記周回経路に対向して相対的に移動可能に支持された2個の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極と;
前記2個の相対距離調節手段に前記球状弾性表面波素子の前記周回経路に対する前記2個の弾性表面波励起・検知手段の移動調節に関する指示を与え、前記2個の相対距離調節手段の一方に支持されている一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記複数の異なる周波数の高周波バースト信号の中の選択された1つにより球状弾性表面波素子の前記周回経路に弾性表面波を励起させ前記周回経路に沿って連続的に伝搬させて周回させる時及び前記周回経路を所定回数周回してきた弾性表面波から発生する信号を検知させ受信信号として出力させる時に、前記一方の相対距離調節手段により前記周回経路に対し前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を接近させ、前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記周回経路に前記弾性表面波を励起させて周回を開始させた後に前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を前記周回経路から遠ざけて前記周回する弾性表面波が電磁気的な影響を受けないようにし、前記2個の相対距離調節手段の他方に支持されている他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記複数の異なる周波数の高周波バースト信号の中の選択された別の1つにより球状弾性表面波素子の前記周回経路に弾性表面波を励起させ前記周回経路に沿って連続的に伝搬させて周回させる時及び前記周回経路を所定回数周回してきた弾性表面波から発生する信号を検知させ受信信号として出力させる時に、前記他方の相対距離調節手段により前記周回経路に対し前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を接近させ、前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記周回経路に前記弾性表面波を励起させて周回を開始させた後に前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を前記周回経路から遠ざけて前記周回する弾性表面波が電磁気的な影響を受けないようにし、
さらに、前記周回経路に対する前記一方の相対距離調節手段による前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極の前記接近と前記周回経路に対する前記他方の相対距離調節手段による前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極の前記接近とを異なる時刻に行い、
前記一方の弾性表面波励起・検知手段が検知した前記信号と前記他方の弾性表面波励起・検知手段が検知した前記信号との周波数の違いによる前記弾性表面波の伝搬特性の変化から所望とする環境変化を計測する制御処理系と;
を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the spherical surface acoustic wave device of the present invention includes:
A spherical surface acoustic wave element in which a circular path is formed on at least a part of the outer surface of the spherical shape and the surface acoustic wave propagates along the circular path when excited by a high frequency burst signal;
High-frequency burst signal generating means for generating a plurality of high-frequency burst signals of different frequencies:
Interdigital electrodes of two surface acoustic wave excitation / detection means supported by the two relative distance adjustment means so as to be relatively movable facing the circular path of the spherical surface acoustic wave element;
Two relative distance adjusting means arranged at a predetermined angle with each other along the circular path of the spherical surface acoustic wave element, and arranged opposite to the circular path ; and the two relative distance adjusting means; Two interdigital electrodes of the surface acoustic wave excitation / detection means that are supported so as to be relatively movable facing the circular path of the spherical surface acoustic wave element;
The two relative distance adjusting means are instructed to move the two surface acoustic wave excitation / detecting means with respect to the circular path of the spherical surface acoustic wave element, and one of the two relative distance adjusting means is provided. A surface acoustic wave is applied to the circular path of the spherical surface acoustic wave element by a comb electrode of one of the surface acoustic wave excitation / detection means supported by a selected one of the plurality of high frequency burst signals having different frequencies. The relative distance adjustment of the one when excited and continuously propagated along the circuit path and when a signal generated from a surface acoustic wave that has circulated the circuit path a predetermined number of times is detected and output as a received signal The interdigital electrode of the one surface acoustic wave excitation / detection means is brought close to the circular path by means of the interdigital electrode of the one surface acoustic wave excitation / detection means. Serial the one of the surface acoustic wave excitation and the surface acoustic waves the orbiting interdigital transducer away from the circular path of the sensing means electromagnetic influences the surface acoustic wave in the circumferential path after starting the circulation by pumping Selected from the plurality of high frequency burst signals of different frequencies by the interdigital electrode of the other surface acoustic wave excitation / detection means supported on the other of the two relative distance adjustment means. When another surface acoustic wave is excited in the circular path of the spherical surface acoustic wave element and continuously propagated along the circular path and circulated, and from the surface acoustic wave that has circulated the circular path a predetermined number of times When the generated signal is detected and output as a reception signal, the other surface-wave excitation / detection means of the interdigital electrode of the other surface acoustic wave excitation / detection means is performed by the other relative distance adjustment means. Is near, interdigital electrodes of the other surface acoustic wave excitation and detection means after the to initiate circulates a surface acoustic wave is excited in the circular path at interdigital electrodes of the other surface acoustic wave excitation and detection means The surface acoustic wave that circulates away from the circuit path is not affected electromagnetically,
Furthermore, the approach of the interdigital electrode of the one surface acoustic wave excitation / detection means by the one relative distance adjusting means with respect to the circular path and the other surface acoustic wave by the other relative distance adjusting means with respect to the circular path. Performing the approach of the interdigital electrode of the excitation / detection means at a different time,
Desirable from change in propagation characteristics of the surface acoustic wave due to a difference in frequency between the signal detected by the one surface acoustic wave excitation / detection means and the signal detected by the other surface acoustic wave excitation / detection means A control processing system that measures environmental changes;
It is provided with.
本発明によれば、複数の周波数帯域の高周波信号を用いて球状弾性表面波素子の周回経路に弾性表面波を励起して検知し、周波数の違いによる弾性表面波の伝搬特性の変化から環境変化を精度よく計測できる球状弾性表面波装置を提供できる。 According to the present invention, a surface acoustic wave is excited and detected in a circular path of a spherical surface acoustic wave element using high-frequency signals in a plurality of frequency bands, and the environment changes from a change in surface acoustic wave propagation characteristics due to a difference in frequency. Can be provided with a spherical surface acoustic wave device.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明に係る球状弾性表面波装置の第1の実施形態を示す構成図である。
この球状弾性表面波装置は、球状弾性表面波素子1と、弾性表面波励起・検知手段2と、相対距離調節手段3と、制御処理系4とで構成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a spherical surface acoustic wave device according to the present invention.
This spherical surface acoustic wave device includes a spherical surface
球状弾性表面波素子1は、少なくとも球形状の一部の外表面を利用して円環状の領域(以下、周回経路と呼ぶ)11が形成され、外部から高周波バースト信号により周回経路11に励起された弾性表面波12を当該周回経路11に沿って伝搬させて多数回周回させる機能を有する。
In the spherical surface
この実施形態における球状弾性表面波素子1は、圧電材料の一種である水晶を使用して3.3mm径の球形状に形成され、この球形状の外表面に形成される周回経路11は、球状弾性表面波素子1を地球とみなした時に水晶の結晶軸であるZ軸を地軸とする赤道付近に一周するように存在している(Z軸シリンダー)。
The spherical surface
なお、球状弾性表面波素子1は、球形状を有しているが、例えば周回経路11の両外側部分を平坦とし、いわゆる円盤形状とすることもできる。
The spherical surface
球状弾性表面波素子1は、弾性表面波12が周回する周回経路11と直交する方向のうち、素子下端部外表面が支持台13に支持されており、当該周回経路11は水平面内に位置している。
In the spherical surface
弾性表面波励起・検知手段2は、球状弾性表面波素子1の周回経路11に所望の距離を隔てて対向するよう支持体21に支持される。この弾性表面波励起・検知手段2は、周回経路11を周回する弾性表面波12を励起し、この励起された弾性表面波12を周回経路11に沿って連続的に周回させるとともに、この周回してくる弾性表面波から発生する信号を検知して受信信号として出力する機能を有する。
The surface acoustic wave excitation / detection means 2 is supported by the
支持体21は、溶融石英から所定の形状に形作られていて、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対面する表面が当該周回経路11と相似形状の球面の一部により湾曲状に形成され、その湾曲面の曲率半径は周回経路11の曲率半径と全く同じ3.3mmに形成してもよいが、本実施形態では、3.5mmとしている。なぜならば、3.3mmとすれば、弾性表面波励起・検知手段2を周回経路11に限りなく接近させることができるが、支持体21が弾性表面波12の周回経路11の表面に沿って僅かでも位置がずれると、弾性表面波励起・検知手段2が周回経路11に接触してしまう為である。つまり、支持体21表面の湾曲面を前述したように大きな曲率半径に作成することで、以上のような接触を防ぐことができる利点がある。
The
相対距離調節手段3は、球状弾性表面波素子1と弾性表面波励起・検知手段2との少なくとも何れか一方が他方に対して相対的に移動可能に支持する構成である。本実施形態では、弾性表面波励起・検知手段2の支持体21を移動可能に支持している。すなわち、相対距離調節手段3は、球状弾性表面波素子1と弾性表面波励起・検知手段2との間の距離を調節することにより、弾性表面波励起・検知手段2により周回経路11に励起する弾性表面波12の強度を変更したり、弾性表面波励起・検知手段2が周回してくる弾性表面波12から発する信号を検知して出力する受信信号の強度を変更する。
The relative distance adjusting means 3 is configured to support at least one of the spherical surface
ここで、相対距離調節手段3が距離を調節する理由は次の通りである。弾性表面波励起・検知手段2が複数の帯域の周波数を励起・検知するに際し、高い周波数の波長の方が短いことから、高い周波数(この例では150MHz)の弾性表面波12の波長の1/4の距離以下に接近させることが望まれる。そこで、弾性表面波励起・検知手段2を周回経路11に接近させていくことで、当該弾性表面波励起・検知手段2に印加する高周波信号の強度を変えることなく大きな強度で弾性表面波12を周回経路11に励起させることや弾性表面波12の周回回数が多くなって強度が下がっても、弾性表面波12から相対的に大きな受信信号を得る為である。
Here, the reason why the relative distance adjusting means 3 adjusts the distance is as follows. When the surface acoustic wave excitation / detection means 2 excites and detects frequencies in a plurality of bands, the wavelength of the high frequency (150 MHz in this example) is 1 / of the wavelength of the surface
逆に、弾性表面波励起・検知手段2を周回経路11から遠ざけることで、当該弾性表面波励起・検知手段2に印加する高周波信号の強度を変えることなく、周回経路11に励起する弾性表面波12の強度を弱くしたり、あるいは周回経路11における周回回数が少なくて強度が大きなままの弾性表面波12から減衰器を用いることなく、相対的に小さな受信信号を得ることにより、デジタイザーに過大な入力が入ることを防止し、ひいては受信信号の波形歪を防ぐことができる。
Conversely, by moving the surface acoustic wave excitation / detection means 2 away from the
相対距離調節手段3は、具体的には、固定台座(図示せず)に取り付けられ、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対面する方向に大きく進退移動可能とする粗動相対距離調節ステージ31と、この粗動相対距離調節ステージ31に対して4方向の位置に移動可能に設けた4方向位置調節ステージ32と、この4方向位置調節ステージ32に支持され、前記球状弾性表面波素子1の周回経路11と対面する方向に微小に進退移動可能とする微小相対距離調節手段33とを有し、この微小相対距離調節手段33の先端部に弾性表面波励起・検知手段2を支持する支持体21が取り付けられている。
Specifically, the relative distance adjusting means 3 is attached to a fixed pedestal (not shown), and is a coarse relative distance adjusting stage capable of moving forward and backward greatly in a direction facing the
すなわち、粗動相対距離調節ステージ31及び微小相対距離調節手段33は、図1の紙面の左右方向に移動し、4方向位置調節ステージ32は、紙面に直交する方向の2方向と紙面に沿った上下方向の2方向に移動する。紙面に直交する2方向は、黒点中心付き丸印及びバッテン付き丸印により示し、紙面に沿った上下方向の2方向は、白抜きの両方向矢印により示されている。
That is, the coarse relative
微小相対距離調節手段33は、例えば公知の圧電性操作部材(いわゆる圧電アクチュエータ)によって構成される。圧電性操作部材には、装置全体の統括制御を司る制御処理系4を構成する例えばCPU(Central Processing Unit)の如き中央制御装置41から制御信号発生器34を介して増幅器35の出力が印加される。
The minute relative distance adjusting means 33 is constituted by, for example, a known piezoelectric operation member (so-called piezoelectric actuator). The output of the
すなわち、圧電性操作部材は、制御信号発生器34から増幅器35を通して印加される直流電圧の値に応じて、0.01ミクロンの精度で支持体21を周回経路11の径方向に進退移動させることができる。また、微小相対距離調節手段33としては、増幅器35から所定の電圧信号を受けたときに変形移動する材料部材を含めてもよい。
That is, the piezoelectric operation member moves the
前記制御処理系4は、中央制御装置41からの周波数選択指令に基づき、2つの周波数(50MHzと150MHz)の高周波バースト信号を選択的に発生する高周波バースト信号発生器42と、この高周波バースト信号発生器42から所定の時間だけ、第1の周波数(例えば150MHz)の高周波バースト信号を弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極に印加して周回経路11に弾性表面波12(この実施形態では、レーリー波)を励起させて伝搬させ、かつ、周回してくる弾性表面波12から発生する信号をすだれ状電極で検知して出力される信号を取り込んで出力するサーキュレータ43と、このサーキュレータ43からの信号を所定増幅度で増幅する増幅器44と、所定の手順に従って装置全体の動作を制御し、かつ、増幅器44で増幅後の信号をデジタイザー45を介して取り込んで周波数帯域の違いによる弾性表面波の伝搬特性の変化から所望とする環境変化を計測する中央制御装置41と、表示部46とを備えている。
The control processing system 4 is based on a frequency selection command from the
図2は支持体21の湾曲面に形成する弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aを示す図である。
FIG. 2 is a view showing the
弾性表面波励起・検知手段2としては、複数の周波数(50MHzと150MHz)を励起・検知可能なダブルフィンガー電極と呼ばれるタイプのすだれ状電極2aが形成される。このすだれ状電極2aは、前記湾曲面に1000オングストロームの厚さのクロム接着層を蒸着させ、その上に2000オングストロームの厚さに金を蒸着させ、さらにフォトリソグラフィーにより所定の寸法形状にパターンニングすることにより形成される。このすだれ状電極2aの複数の電極枝のライン部分とスペース部分の幅は略21.3ミクロンであって、周波数帯域は50MHzと150MHzとに設定されている。
As the surface acoustic wave excitation / detection means 2, an
また、支持体21の湾曲面上で複数の電極枝の夫々が仮想的に表す周回経路11の延出方向と直交する方向に延出しているとともに、複数の電極枝の配列方向が前記延出方向となるように形成されている。
Further, each of the plurality of electrode branches extends on the curved surface of the
次に、以上のような球状弾性表面波装置の動作手順について、図4及び図5を参照して説明する。
先ず、球状弾性表面波装置で外部環境の変化を計測する前に、相対距離調節手段3の4方向位置調節ステージ32を使用して球状弾性表面波素子1の周回経路11の幅方向の中心に対し、すだれ状電極2aの中心(即ち、複数の電極枝においてその配列方向で相互に重複する部分の前記幅方向の中心)を一致させるとともに、周回経路11に対し支持体21の湾曲面が平行に対面するよう当該周回経路11に対する支持体21の相対位置を調整する。さらに、粗動相対距離調節ステージ33により球状弾性表面波素子1の周回経路11に対し支持体21の湾曲面(即ち、すだれ状電極2a)を周回経路11の近傍であるが、詳細には周回経路11からすだれ状電極2aの励起する高い側の周波数(150MHz)の弾性表面波12の波長の1/4以下の距離に接近させる。因みに、この例では、7.1ミクロンよりも短い位置である3ミクロンまで接近させる。
Next, the operation procedure of the spherical surface acoustic wave device as described above will be described with reference to FIGS.
First, before measuring a change in the external environment with the spherical surface acoustic wave device, the four-direction
以上のような位置設定は、中央制御装置41からの励起・検知制御指示を出し、4方向位置調節ステージ32や粗動相対距離調節ステージ33等の位置を制御し、すだれ状電極2aが周回経路11の所望の距離に接近させることにより、励起・検知できる状態を生成する。
In the position setting as described above, an excitation / detection control instruction is issued from the
次に、中央制御装置41からの信号発生指令に基づき、高周波バースト信号発生器42からサーキュレータ43を介して所定の時間(本実施形態では、0.3マイクロ秒)だけ、150MHzの周波数の高周波バースト信号を送出し、弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aに印加して周回経路11に弾性表面波12を励起させて伝搬させる。このとき、弾性表面波12は、略3.1マイクロ秒で周回経路11を1周し、多数回周回する。
Next, on the basis of a signal generation command from the
ここで、所定の時間だけ、所定の周波数の高周波バースト信号を弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aに印加することは、周回経路11に対し複数の位置(即ち、周回経路11からのすだれ状電極2aの複数の離間距離)に応じた複数の強度を持つ前記高周波バースト信号を印加することを意味している。
Here, applying a high-frequency burst signal having a predetermined frequency to the
図3は周回経路11を周回していくごとに弾性表面波の強度が減衰していく様子(同図a)及び多数回周回した弾性表面波が外部環境の変化に従って出力信号の位相を変化させる様子(同図b)を概略的に表す図である。 FIG. 3 shows a state in which the intensity of the surface acoustic wave attenuates as it circulates around the circulation path 11 (FIG. 3a), and the surface acoustic wave that has circulated a number of times changes the phase of the output signal in accordance with changes in the external environment. It is a figure which represents a mode (same figure b) roughly.
即ち、図3(a)には、弾性表面波12が周回経路11に沿って50回周回したときの当該弾性表面波12の信号強度の減衰状態を表している。一方、図3(b)は、球状弾性表面波素子1の周回経路11を外部環境に露出させる前に、当該周回経路11を周回する弾性表面波12が50周回したときの受信信号の出力波形を実線で表し、また、球状弾性表面波素子1の周回経路11を外部環境に露出させた後に、当該周回経路11を周回する弾性表面波12が50周回したときの受信信号の出力波形を点線で表したものである。
That is, FIG. 3A shows the attenuation state of the signal intensity of the surface
図3(b)から明らかなように、外部環境の影響により周回経路11上を伝搬する弾性表面波12の伝搬速度に影響が生じ、位相の変化Gが生じていることが判る。
As apparent from FIG. 3B, it can be understood that the propagation speed of the surface
なお、ここでは、図示の便宜上、実線の波形と点線の波形の大きさ(縦方向の振幅)が同じに描かれているが、デジタイザー45の測定可能範囲内であれば、実線の波形と点線の波形の大きさ(縦方向の振幅)の差異も正確に測定可能である。
Here, for the convenience of illustration, the size of the solid line waveform and the dotted line waveform (longitudinal amplitude) are drawn the same, but the solid line waveform and the dotted line are within the measurable range of the
次に、外部環境の実際の測定を実施する場合の球状弾性表面波装置の動作順序について、図4及び図5を参照して説明する。 Next, the operation sequence of the spherical surface acoustic wave device when actual measurement of the external environment is performed will be described with reference to FIGS.
先ず、中央制御装置41からすだれ状電極2aを所定の位置の一方(以下、第1の所定位置と呼ぶ)に配置させるため、位置決め指令を制御信号発生器34に送出する。制御信号発生器34は、増幅器35を通して1つの所定の電圧値DVを微小相対距離調節手段33に印加する。なお、このとき、粗動相対距離調節ステージ31や前述した4方向位置調節ステージ32の初期設定により、すだれ状電極2aが周回経路11と対面する初期位置に設定されている。
First, a positioning command is sent to the
そこで、微小相対距離調節手段33は、所定の電圧値DVが印加されると、その電圧値DVに応じて、高い側の周波数の高周波バースト信号に対応すべく周回経路11の径方向に微小距離移動し、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対し、支持体21表面の湾曲面に形成される弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aを第1の所定位置に設定する(ST1)。
Therefore, when a predetermined voltage value DV is applied, the minute relative distance adjusting means 33 is a minute distance in the radial direction of the
しかる後、中央制御装置41からの信号発生指令のもとに、高周波バースト信号発生器42から所定の継続時間だけ所定の周波数(例えば150MHz)の高周波バースト信号が発生し、サーキュレータ43を介して弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aに印加する。その結果、すだれ状電極2aが電圧値DVに応じた所定の距離(第1の所定の距離と呼ぶ)を介して対面している球状弾性表面波素子1の周回経路11に対し所定の強度で弾性表面波12を励起し、周回経路11に沿って伝搬させ、周回を開始させる。
Thereafter, a high frequency burst signal having a predetermined frequency (for example, 150 MHz) is generated from the high frequency
高周波バースト信号を弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aに印加して前述した所定の継続時間経過後、当該すだれ状電極2aが周回経路11上を伝搬する弾性表面波12に影響を与えないように、微小相対距離調節手段33に印加していた電圧値DVを停止させ、すだれ状電極2aを周回経路11から初期位置に移動させる(ST2)。
After the high frequency burst signal is applied to the
そして、弾性表面波12が周回経路11を5周回する時刻まで待機する。本実施の形態では、上記時刻は、弾性表面波12の励起開始から、3.1(μ秒)×5周=15.5(μ秒)である(ST3)。
And it waits until the time when the surface
さらに、5周回した弾性表面波12からの受信信号を検知するに適した距離に配置するため、中央制御装置41から位置決め指令を制御信号発生器34に送出する。制御信号発生器34は増幅器35を介して所定の電圧値EVを微小相対距離調節手段33に印加する(ST4)。その結果、電圧値EVに応じて、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対し、支持体21表面の湾曲面に形成される弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aを所定の位置の他方(以下、第2の所定位置と呼ぶ)に移動させ、弾性表面波12からの受信信号を検知するに適した距離に配置する(ST4)。
Further, a positioning command is sent from the
周回経路11を5周回した弾性表面波12が到達したとき、当該弾性表面波12から発生する信号を弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aで検知し、受信信号として出力する。この出力された受信信号は、サーキュレータ43、増幅器44、さらにデジタイザー45を介して中央制御装置41に送られる。この中央制御装置41は、外部環境の変化を把握するために必要な処理を行った後、表示部46に表示させる(ST5)。
When the surface
中央制御装置41は、5周目の受信信号が所定の強度範囲内にあるか否かを確認する(ST6)。ここで、5周目の受信信号が所定の強度範囲を超えた場合、周回経路11を周回する弾性表面波12を弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aで検知しなくなる所定の時間後(ST7)、再び、ステップST1に戻り、前述した一連の処理を繰り返し実行する。
The
このとき、ステップST4では、前回のステップST4にて中央制御装置41が相対距離調整手段3の微小相対距離調節手段33に対し、制御信号発生器34から増幅器35を介して印加した1つの所定の電圧値EVよりも所定量だけ弱い電圧値(更新された電圧値EV)を印加し、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対する弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aの距離を所定の値だけ大きくする。
At this time, in step ST4, the
この結果、今回のステップST1において所定の継続時間だけ高周波バースト信号発生器42から所定の周波数の高周波バースト信号を発生しサーキュレータ43を介して弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aに前回と同じ所定の強度で印加し、十分に強力な弾性表面波12を励起しながら、今回の再度のステップST5において5周回目の弾性表面波12を検知する際には、すだれ状電極2aが前回検知の際の所定の距離よりも所定量だけ長い距離(第2の所定の距離と呼ぶ)を介して周回経路11と対面しているので、5周回目の弾性表面波12からの受信信号の出力がデジタイザー45の測定許容範囲を超えることが防止でき、受信信号の出力の測定結果が不正確になることを防ぐことができる。
As a result, a high frequency burst signal having a predetermined frequency is generated from the high frequency
ステップST6において前述したのとは逆に5周回目の受信信号が所定の強度範囲より小さい場合、同様にステップST7を経由してステップST1に戻って再度ステップST4へと移行する。このとき、ステップST4では、前回のステップST4において相対距離調節手段3の微小相対距離調節手段33に対し、制御信号発生器34から増幅器35を介して印加される1つの所定の電圧値EVの値よりも所定量だけ強くし、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対する弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aの距離を所定の値だけ近づけることも可能であるのはいうまでもない。
Contrary to the above in step ST6, if the received signal in the fifth round is smaller than the predetermined intensity range, the process returns to step ST1 via step ST7 and again proceeds to step ST4. At this time, in step ST4, one predetermined voltage value EV applied from the
ところで、ステップST6において5周目の受信信号が所定の強度範囲にあることが確認された場合、弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aが周回経路11を周回する弾性表面波12を検知しなくなる所定の時間(例えば1ミリ秒)経過後(ST8)、前述したステップST1〜ステップST5と同じ内容を有したステップST9〜ステップST14の処理を行う。
By the way, when it is confirmed in step ST6 that the received signal in the fifth round is within a predetermined intensity range, the
即ち、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対し、支持体21表面の湾曲面に形成される弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aの前述した2つの所定の位置の一方である第1の所定位置に配置させるため、中央制御装置41から位置決め指令を制御信号発生器34に送出する。その結果、制御信号発生器34から増幅器35を介して1つの所定の電圧値DVが微小相対距離調節手段33に印加される(ST9)。
That is, one of the two predetermined positions of the
次に、所定の継続時間だけ、高周波バースト信号発生器42から所定の周波数の高周波バースト信号を発生し、サーキュレータ43を介して弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aに前回のステップST2の場合と同じ所定の強度で印加される。その結果、すだれ状電極2aが前回の所定の距離(第1の所定の距離)と同じ所定の距離を有して対面している球状弾性表面波素子1の周回経路11に対し、前回と同じ所定の強度の弾性表面波12を励起し(ST10)、周回経路11に沿って伝搬させ、周回を開始させる。
Next, a high frequency burst signal having a predetermined frequency is generated from the high frequency
その後、中央制御装置41は、弾性表面波励起・検知手段2が周回経路11上を伝搬する弾性表面波12に影響を与えないように、制御信号発生器34を通して微小相対距離調節手段33に対する所定の電圧値DVを停止させ、弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aを周回経路11から離れた初期位置(第3の所定の距離と呼ぶ)に移動させる(ST11)。
Thereafter, the
ここで、弾性表面波12が周回経路11を5周回する時刻まで待機する。本実施形態では、この時刻は、弾性表面波12の励起開始から、3.1(μ秒)×5周=15.5(μ秒)である(ST12)。
Here, it waits until the time when the surface
さらに、5周回した弾性表面波12からの受信信号を検知するに適した距離に配置するため、中央制御装置41から位置決め指令を制御信号発生器34に送出する。制御信号発生器34は増幅器35を介して所定の電圧値EVを出力し、微小相対距離調節手段33に印加する(ST13)。
Further, a positioning command is sent from the
周回経路11を5周回した弾性表面波12が到達したとき、当該弾性表面波12から発生する信号を弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aで検知し、受信信号として出力する。この出力された受信信号は、サーキュレータ43、増幅器44、さらにデジタイザー45を介して中央制御装置41に送られる。中央制御装置41は、少なくとも受け取った受信信号の位相を計測し、さらに計測対象とする外部環境の変化に応じた信号に処理して表示部46に表示する(ST14)。
When the surface
中央制御装置41は、5周目の受信信号を受け取って必要な処理を行った後、相対距離調節手段3の微小相対距離調節手段33に対し制御信号発生器34を通して既に印加している電圧値EVを停止させる。つまり、電圧値を0Vに設置する(ST15)。
The
その結果、相対距離調節手段3の微小相対距離調節手段33は、支持体21の湾曲面上に形成された弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aを、球状弾性表面波素子1の周回経路11から予め定める初期位置に移動させる(ST15)。
As a result, the minute relative distance adjusting means 33 of the relative distance adjusting means 3 uses the
その結果、弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aは、周回経路11を周回している弾性表面波12からは何の影響も受けず、周回している弾性表面波12から受信信号を検知することがない。このことは、周回経路11を周回している弾性表面波12は、周回経路11から十分に遠ざけられている初期位置に存在する弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aから何の影響も受けないことを意味する。
As a result, the
本実施の形態では、前述したように球状弾性表面波素子1の周回経路11の直径は3.3mmであり、また150MHzの高周波バースト信号によって周回経路11に励起された弾性表面波12が周回経路11を1周するのに要する時間は略3.1マイクロ秒である。
In the present embodiment, as described above, the diameter of the
そこで、本発明装置において、弾性表面波12が周回経路11を周回開始後、50周するまでに必要な略155マイクロ秒(略3.1マイクロ秒(1周)×50周)を経過した後(ST16)、前述した初期位置から前述した第1の所定の位置へと弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aを移動させるために、中央制御装置41は相対距離調節手段3の微小相対距離調節手段33に対し、制御信号発生器34から増幅器35を介して電圧値DVを印加する(ST17)。
Therefore, in the device of the present invention, after approximately 155 microseconds (approximately 3.1 microseconds (1 round) × 50 laps) required until the surface
第1の所定位置に再度配置された弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aは、球状弾性表面波素子1の周回経路11を周回中の弾性表面波12を再度検知し、その検知した弾性表面波12に対応した受信信号を発生させ、サーキュレータ43、増幅器35、デジタイザー45を通して中央制御装置41に送られる。
The
中央制御装置41は、少なくともデジタイザー45から受け取った受信信号の位相を計測する(ST18)。
なお、中央制御装置41ないし弾性表面波励起・検知手段2は、弾性表面波12を励起して周回を開始させた時点からの経過時間により何周目の弾性表面波12であるかを知ることができる。
The
また、ステップST13では、5周目の弾性表面波12を検知するために、弾性表面波励起・検知手段2を初期位置から第2の所定の位置に移動させるため、中央制御装置41から制御信号発生器34及び増幅器35を通して所定の電圧値DEを微小相対距離調節手段33に印加したが、ステップST17では、50周目の弾性表面波12を検知するために、中央制御装置41から制御信号発生器34及び増幅器35を通して所定の電圧値DEよりも大きな電圧値DVを微小相対距離調節手段33に印加し、弾性表面波励起・検知手段2をステップST13よりも周回経路11にさらに接近させるので、周回数の増加に伴って強度が減衰して弱くなった弾性表面波12を十分な強度で検知し、受信信号として中央制御装置41に送ることができる。
In step ST13, in order to detect the surface
その後、中央制御装置41は、球状弾性表面波素子1の周回経路11を周回する弾性表面波12が無くなるか、又は第1の所定の位置に配置された弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aが検知した弾性表面波12の強度が小さくなるのに十分な所定の時間(例えば1ミリ秒)の経過後(ST19)、何周回目の外部環境の変化の計測が行われたかを判断する(ST20)。
Thereafter, the
所定の周回数の計測が行われていない場合、ステップST10に戻り、同様の処理を繰り返し実行し、強度が減衰している50周回目の弾性表面波12からの受信信号を大きな出力で得るだけでなく、さらに平均化できることから精度良く求めて表示することができる。
If the predetermined number of rounds has not been measured, the process returns to step ST10, and the same process is repeated, and the received signal from the surface
従って、本発明の実施形態によれば、以上のような球状弾性表面波装置を用いて、外部環境の変化の下で弾性表面波励起・検知手段2のすだれ状電極2aで検知した受信信号を計測するようにすれば、外部環境の変化が例えば5周目の弾性表面波12における出力信号の強度や位相と比較し、50周回目の弾性表面波12における出力信号の強度や位相を精度よく計測できる。その結果、50周回目の弾性表面波12における出力信号の強度や位相を用いて、特に5周回目のような周回数が小さく強度が大きな出力信号の強度や位相を正確に計測でき、ひいては1周回目当りの弾性表面波12の減衰率を正確に求めることができることは明らかである。位相についても、5周回目の位相と50周回目の位相との差が弾性表面波12を励起するために印加する高周波信号の位相が不安定な場合でも精度よく計測できる。これにより、周回する弾性表面波12の伝搬速度の計測をより正確に行うことができる。
Therefore, according to the embodiment of the present invention, the received signal detected by the
以上述べた外部環境の変化の計測は、150MHzの周波数の高周波バースト信号を用いて、弾性表面波12を励起・検知する際の具体的な動作について説明したが、引き続き、50MHzの周波数の高周波バースト信号を用いて、同様に外部環境の変化の計測を行う。
The measurement of the change in the external environment described above has been described with respect to the specific operation when exciting and detecting the surface
一般に、弾性表面波12が周回経路11を1周回するに必要な時間は大きく変わらないが、弾性表面波12の周波数が低くなると、周回に伴う弾性表面波12の強度の減衰が小さくなるために、例えば150MHzにおける50周回目の信号計測と同様の精度を得るためには、略3.1マイクロ秒(1周)×150周=略456マイクロ秒の時間にわたって弾性表面波12を伝搬して計測するようにすれば、位相計測の精度を上げることができる。
In general, the time required for the surface
50MHzの周波数の高周波バースト信号を用いたときの周回経路11に対する弾性表面波励起・検知手段2の距離は150MHzの周波数の高周波バースト信号のときによりも距離的に離してよいが、その距離は計測する信号を十分なSN比で得られるように変えればよい。
The distance of the surface acoustic wave excitation / detection means 2 to the
中央制御装置41は、前述した2つの周波数の夫々について、基準とする表面状態及び表面に異物が付着した状態での弾性表面波速度や減衰定数を計測することができ、また、得られた例えば位相速度の変化率から温度環境変化の要因と表面に異物が付着した要因を求めることができる。
The
なお、50MHzの周波数について弾性表面波12の周回速度と減衰(強度)を計測する動作手順は、150MHzの周波数の時と同様に図4、図5に従って行うことが可能であるが、さらに短時間に計測することが可能である。つまり、高周波バースト信号発生器42においては、50MHzと150MHzの2つの周波数成分の高周波バースト信号を生成し、50MHzと150MHzの2つの周波数の弾性表面波を同時に圧電性結晶球(水晶)表面上に励起して伝搬させることができる。
The operation procedure for measuring the rotational speed and attenuation (intensity) of the surface
その後、5周回目の時点ですだれ状電極2aを短時間(1周回に相当する時間程度)圧電性結晶球(水晶)表面に接近させて2つの周波数の弾性表面波の信号を計測し、しかる後、150MHz成分信号のみが通過できるフィルターを通した信号を150MHz成分信号の計測結果として測定し、同時並行的に50MHz成分信号のみが通過できるフィルターを通した信号を50MHz成分信号の計測結果として測定することができる。
After that, at the time of the fifth round, the
次に、50周回目の時点で再びですだれ状電極2aを短時間(1周回に相当する時間程度)圧電性結晶球(水晶)表面に接近させ、150MHzの周波数成分を通すフィルターを介して150MHzの周波数成分の弾性表面波の強度と位相を計測して再びすだれ状電極2aを離間する。次に、50MHzの周波数成分による弾性表面波の150周回目の信号を計測する為に再度すだれ状電極2aを圧電性結晶球(水晶)表面に接近させ、そのときの出力の50MHzの周波数成分のみを抽出し、弾性表面波の強度と位相とを計測してもよい。この計測方法では、同時に複数の周波数による弾性表面波を周回できるために高速に計測できる利点がある。
Next, at the time of the 50th turn, the
また、本発明装置では、複数の周波数帯の弾性表面波12を励起するためにダブルフィンガー電極を用いたが、例えば図6に示すように50MHzの弾性表面波12を励起検出するすだれ状電極2bと、150MHzの弾性表面波12を励起検出するすだれ状電極2cとを並設するように形成することもできる。
In the device of the present invention, the double finger electrode is used to excite the surface
(第2の実施形態)
図7は本発明に係る球状弾性表面波装置の第2の実施形態を示す構成図である。なお、同図において、図1と同一の構成部分には同一符号を付してその重複する説明を省略し、以下、異なる部分について説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of the spherical surface acoustic wave device according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted. Hereinafter, different portions will be described.
この球状弾性表面波装置では、第1の実施形態で使用されている相対距離調節手段3とほぼ同じ構成を有する複数の相対距離調節手段3'、3"を用いられる。図では、球状弾性表面波素子1の周回経路11に対し、2個の相対距離調節手段3'、3"が互いに90度の角度を有して対向するよう配置されている。
In this spherical surface acoustic wave device, a plurality of relative distance adjusting means 3 ′, 3 ″ having substantially the same configuration as the relative distance adjusting means 3 used in the first embodiment is used. Two relative distance adjusting means 3 ′ and 3 ″ are arranged so as to face each other at an angle of 90 degrees with respect to the
各相対距離調節手段3'、3"は、それぞれ固定部材36、4方向位置調節ステージ32、2方向位置微調節ステージ37、微小相対距離調節手段33の順序で調節可能に連結され、各微小相対距離調節手段33先端部にそれぞれ弾性表面波励起・検知手段2'、2"を形成する支持体21が取り付けられている。
The relative distance adjusting means 3 ′ and 3 ″ are connected to each other in the order of the fixing
弾性表面波励起・検知手段2'としては図6示すようなすだれ状電極2bが形成されており、その中心周波数は50MHzである。もう一方の弾性表面波励起・検知手段2"としては、図6に示すようなすだれ状電極2cが形成され、その中心周波数は150MHzである。つまり、互いに異なる2つの周波数である50MHzと150MHzのそれぞれのすだれ状電極2b、2cが独立したタイミングで圧電性結晶球に接近し、弾性表面波12の励起と検知を行うものである。
As the surface acoustic wave excitation / detection means 2 ′, an
このように周波数毎にそれぞれ独立したすだれ状電極2b、2cの接近や離間を行うことの利点は、複数の周波数帯域を持ったすだれ状電極2b、2cを用いた場合、すだれ状電極2cを球状弾性表面波素子1に接近して150MHzの周波数成分の励起を行う場合、同時に50MHzの周波数のすだれ状電極2bが球状弾性表面波素子1に接近することがない点である。すだれ状電極2b、2cは、圧電性結晶球に接触していなくとも、電気的な相互作用により、周回中の弾性表面波12の伝搬に影響を与えてしまう。特に、50MHzの弾性表面波成分と150MHzの周波数成分では、前述したように検知・計測する周回数が異なる為に、高い周波数成分を検出する際に低い周波数成分の弾性表面波12が影響を受けることを避けることが望まれる。
Thus, the advantage of approaching and separating the
本実施形態の例では、50MHzのすだれ状電極2bと150MHzのすだれ状電極2cとを独立して移動させつつ励起・検知できることから、例えば150MHz周波数の弾性表面波12を検知する場合に50MHz周波数のすだれ状電極2cを接近したとしても、それに影響を与えることを避けることができる。
In the example of the present embodiment, the 50 MHz
また、本実施形態では、図示はしないが、50MHzと150MHzの周波数の高周波バースト信号を生成するバースト信号発生器やその周波数の励起に基づく弾性表面波12の信号を検出して増幅する増幅器、信号処理手段をそれぞれ別個に独立に作ることもできるし、あるいは一個の装置に両方の役割を果させることも可能である。
In this embodiment, although not shown, a burst signal generator that generates high-frequency burst signals with frequencies of 50 MHz and 150 MHz, an amplifier that detects and amplifies the signal of the surface
なお、本実施形態では、図7に示すように複数の弾性表面波励起・検知手段2'、2"は、直交するように配置したが、120度の角度を有して各弾性表面波励起・検知手段を配置することもできる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the plurality of surface acoustic wave excitation / detection means 2 ′ and 2 ″ are arranged so as to be orthogonal to each other, but each surface acoustic wave excitation has an angle of 120 degrees. -A detection means can also be arranged.
その他、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
1…球状弾性表面波素子、2、2'、2"…弾性表面波励起・検知手段、2a,2b,2c…すだれ状電極、3…相対距離調節手段、4…制御処理系、11…周回経路、12…弾性表面波、13…支持台、21…支持体、31…粗動相対距離調節ステージ、32…4方向位置調節ステージ、33…微小相対距離調節手段、36…固定部材、37…2方向位置微調節ステージ、41…中央制御装置、42…高周波バースト信号発生器、43…サーキュレータ、44…増幅器、45…デジタイザー、46…表示部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
複数の異なる周波数の高周波バースト信号を発生する高周波バースト信号発生手段と:
前記球状弾性表面波素子の前記周回経路に沿って互いに所定の角度を有して配置され前記周回経路に対向して配置された2個の相対距離調節手段と;
前記2個の相対距離調節手段に前記球状弾性表面波素子の前記周回経路に対向して相対的に移動可能に支持された2個の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極と;
前記2個の相対距離調節手段に前記球状弾性表面波素子の前記周回経路に対する前記2個の弾性表面波励起・検知手段の移動調節に関する指示を与え、前記2個の相対距離調節手段の一方に支持されている一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記複数の異なる周波数の高周波バースト信号の中の選択された1つにより球状弾性表面波素子の前記周回経路に弾性表面波を励起させ前記周回経路に沿って連続的に伝搬させて周回させる時及び前記周回経路を所定回数周回してきた弾性表面波から発生する信号を検知させ受信信号として出力させる時に、前記一方の相対距離調節手段により前記周回経路に対し前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を接近させ、前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記周回経路に前記弾性表面波を励起させて周回を開始させた後に前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を前記周回経路から遠ざけて前記周回する弾性表面波が電磁気的な影響を受けないようにし、前記2個の相対距離調節手段の他方に支持されている他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記複数の異なる周波数の高周波バースト信号の中の選択された別の1つにより球状弾性表面波素子の前記周回経路に弾性表面波を励起させ前記周回経路に沿って連続的に伝搬させて周回させる時及び前記周回経路を所定回数周回してきた弾性表面波から発生する信号を検知させ受信信号として出力させる時に、前記他方の相対距離調節手段により前記周回経路に対し前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を接近させ、前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極で前記周回経路に前記弾性表面波を励起させて周回を開始させた後に前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を前記周回経路から遠ざけて前記周回する弾性表面波が電磁気的な影響を受けないようにし、
さらに、前記周回経路に対する前記一方の相対距離調節手段による前記一方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極の前記接近と前記周回経路に対する前記他方の相対距離調節手段による前記他方の弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極の前記接近とを異なる時刻に行い、
前記一方の弾性表面波励起・検知手段が検知した前記信号と前記他方の弾性表面波励起・検知手段が検知した前記信号との周波数の違いによる前記弾性表面波の伝搬特性の変化から所望とする環境変化を計測する制御処理系と;
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波装置。 A spherical surface acoustic wave element in which a circular path is formed on at least a part of the outer surface of the spherical shape and the surface acoustic wave propagates along the circular path when excited by a high frequency burst signal;
High-frequency burst signal generating means for generating a plurality of high-frequency burst signals of different frequencies:
Two relative distance adjusting means arranged at a predetermined angle with each other along the circular path of the spherical surface acoustic wave element and opposed to the circular path ;
Interdigital electrodes of two surface acoustic wave excitation / detection means supported by the two relative distance adjustment means so as to be relatively movable facing the circular path of the spherical surface acoustic wave element;
The two relative distance adjusting means are instructed to move the two surface acoustic wave excitation / detecting means with respect to the circular path of the spherical surface acoustic wave element, and one of the two relative distance adjusting means is provided. A surface acoustic wave is applied to the circular path of the spherical surface acoustic wave element by a comb electrode of one of the surface acoustic wave excitation / detection means supported by a selected one of the plurality of high frequency burst signals having different frequencies. The relative distance adjustment of the one when excited and continuously propagated along the circuit path and when a signal generated from a surface acoustic wave that has circulated the circuit path a predetermined number of times is detected and output as a received signal The interdigital electrode of the one surface acoustic wave excitation / detection means is brought close to the circular path by means of the interdigital electrode of the one surface acoustic wave excitation / detection means. Serial the one of the surface acoustic wave excitation and the surface acoustic waves the orbiting interdigital transducer away from the circular path of the sensing means electromagnetic influences the surface acoustic wave in the circumferential path after starting the circulation by pumping Selected from the plurality of high frequency burst signals of different frequencies by the interdigital electrode of the other surface acoustic wave excitation / detection means supported on the other of the two relative distance adjustment means. When another surface acoustic wave is excited in the circular path of the spherical surface acoustic wave element and continuously propagated along the circular path and circulated, and from the surface acoustic wave that has circulated the circular path a predetermined number of times When the generated signal is detected and output as a reception signal, the other surface-wave excitation / detection means of the interdigital electrode of the other surface acoustic wave excitation / detection means is performed by the other relative distance adjustment means. Is near, interdigital electrodes of the other surface acoustic wave excitation and detection means after the to initiate circulates a surface acoustic wave is excited in the circular path at interdigital electrodes of the other surface acoustic wave excitation and detection means The surface acoustic wave that circulates away from the circuit path is not affected electromagnetically,
Furthermore, the approach of the interdigital electrode of the one surface acoustic wave excitation / detection means by the one relative distance adjusting means with respect to the circular path and the other surface acoustic wave by the other relative distance adjusting means with respect to the circular path. Performing the approach of the interdigital electrode of the excitation / detection means at a different time,
Desirable from change in propagation characteristics of the surface acoustic wave due to a difference in frequency between the signal detected by the one surface acoustic wave excitation / detection means and the signal detected by the other surface acoustic wave excitation / detection means A control processing system that measures environmental changes;
A spherical surface acoustic wave device comprising:
また、前記周回経路から前記弾性表面波励起・検知手段のすだれ状電極を遠ざける距離は、前記複数の周波数のうち最も低い周波数における弾性表面波の周回経路上における波長の1/4以上の距離まで前記すだれ状電極を前記周回経路から遠ざける、
ことを特徴とする請求項1に記載の球状弾性表面波装置。 The distance of the interdigital electrode of the surface acoustic wave excitation / detection means to the circular path is up to a distance of 1/4 or less of the wavelength on the circular path of the surface acoustic wave at the highest frequency among the plurality of frequencies. Bring the interdigital electrode closer to the circuit path,
Further, the distance of the interdigital electrode of the surface acoustic wave excitation / detection means from the circular path is a distance of 1/4 or more of the wavelength on the circular path of the surface acoustic wave at the lowest frequency among the plurality of frequencies. Moving the interdigital electrode away from the circuit path;
The spherical surface acoustic wave device according to claim 1.
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