JP5942656B2

JP5942656B2 - 弾性表面波センサ

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Publication number: JP5942656B2
Application number: JP2012157873A
Authority: JP
Inventors: 拓也中村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: JP2014020841A

Description

本発明は、遅延線タイプの弾性表面波素子を用いて物理量を測定する弾性表面波センサに関する。

圧電体基板上に弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を励振するための櫛形電極（ＩＤＴ：InterDigital Transducer）が形成されたＳＡＷ素子が知られている。このＳＡＷ素子が用いられたＳＡＷセンサ、とくに、特許文献１のような遅延線タイプのＳＡＷセンサでは、例えば、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴを有するＳＡＷ素子が採用されている。ＳＡＷセンサは、入力用ＩＤＴで発生させたＳＡＷと、出力用ＩＤＴで検出されたＳＡＷの位相の差（位相角）を基に測定対象の物理量を求めるものである。より詳しくは、入力用ＩＤＴにより励振されたＳＡＷが圧電体基板の表面を伝搬する際に、測定対象の変化から圧電体基板の大きさや音速（ＳＡＷの伝搬経路の長さや伝搬速度）が変化し、出力用ＩＤＴが検出するＳＡＷの位相角が変化する。この位相角の変化量から測定対象の物理量を求めるものである。

なお、遅延線タイプのＳＡＷ素子の構成として、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴを別に有する構成（非反射型）のほかに、ＳＡＷを反射する反射器を設けることにより、一つのＩＤＴに入力と出力を兼用させた構成（反射型）もある。

特開２００５−９２４９０号公報

上記したように、遅延線タイプのＳＡＷセンサにおいては、出力側ＩＤＴで検出されたＳＡＷの位相角から物理量を求める。位相角は、−１８０ｄｅｇ〜＋１８０ｄｅｇの範囲で検出される。このため、位相角の変化が物理量の変化に対して大きい、すなわち、感度の高いＳＡＷ素子を用いると、位相角が±１８０ｄｅｇ以上変動してしまい、正しい位相角が分からなくなるという問題があった。換言すれば、測定可能な物理量の範囲が、位相角の範囲に限定されてしまう。

これを解決するため、測定対象の物理量の変化範囲が、位相角の範囲を超えないように、低感度のＳＡＷ素子を使用する方法が一般的に知られている。低感度のＳＡＷ素子とは、例えば、ＳＡＷの伝搬経路の長さを短くすることにより、物理量の変化に対する位相角の変化を小さくしたものである。

しかしながら、ＳＡＷの伝搬経路の長さが短くなると次に記載するような問題がある。非反射型のＳＡＷ素子の場合には、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴとの間の距離が短くなるため、物理量の変化に対する、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴとの間の距離の変化量も小さくなり、物理量に対する分解能が低下する。一方、反射型のＳＡＷ素子の場合には、ＩＤＴに入力されるバースト信号（入力信号）と、反射器に反射してＩＤＴで検出される検出信号が重なって分解できないという問題がある。また、入力信号と検出信号が重ならないように、バースト信号自体の長さを小さくすると、バースト信号を最大出力に至らせることができないことがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＳＡＷ素子の伝搬経路の長さを変えることなく、物理量の測定可能範囲を拡張することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、
複数の遅延線タイプの弾性表面波素子（１１）と、
該弾性表面波素子と通信可能に接続され、弾性表面波素子で検出された弾性表面波の位相角を検出するセンシング装置（１２）と、を有し、
該センシング装置が、
弾性表面波素子に入力するバースト信号を発生させるための信号源（３０）と、
バースト信号と、バースト信号が弾性表面波素子により遅延して出力された検出信号と、から位相角を算出する位相角算出部（３５）と、
を有する弾性表面波センサであって、
信号源は、バースト信号として、所定の周波数とされた第１信号と、該第１信号と異なる周波数の第２信号と、を発生させ、
一部の弾性表面波素子は、第１信号および第２信号のうち、一方のバースト信号のみにより動作し、
位相角算出部は、位相角のうち、
第１信号により得られる第１位相角θ_１と、第２信号により得られる第２位相角θ_２と、から次の数式２を計算する差分処理部（３６）を含むことを特徴としている。

この弾性表面波（以下、ＳＡＷと示す）センサは、バースト信号を発生させる信号源が、互いに異なる周波数の２つのバースト信号を発生させる。ＳＡＷ素子に個々に入力される２つのバースト信号により、異なる２つの位相角が得られる。これらの差分を計算することにより、ＳＡＷ素子の感度を擬似的に低感度化させることができる。以下、詳細に説明する。

遅延線タイプのＳＡＷ素子は、バースト信号と検出信号とから位相角を検出することにより、測定対象の物理量を特定する。ＳＡＷの伝搬経路の長さをｘ、ＳＡＷの伝搬速さ（音速）をｖとし、信号源から周波数ｆのバースト信号を入力すると、位相角θ＝ｆ・（ｘ／ｖ）となる検出信号が検波される。伝搬経路の長さｘと音速ｖは、測定対象の物理量ｐにより変化する因子である。仮に、（ｘ／ｖ）が物理量ｐに比例すると仮定すれば、
（ｘ／ｖ）＝ａｐ＋ｂ
と表すことができる（ａ：比例定数、ｂ：定数）。よって、位相角θは、
θ＝ｆａｐ＋ｆｂ
となる。ここで、ＳＡＷ素子の感度とは、物理量ｐの変化に対する位相角θの変化であるから、ｄθ／ｄｐ＝ｆａが感度に相当する。本発明では、異なる２つの周波数ｆ_１，ｆ_２のバースト信号（第１信号および第２信号）が、それぞれＳＡＷ素子に入力される。このため、位相角θとして、２つの異なる位相角θ_１，θ_２が得られる。すなわち、
θ_１＝ｆ_１ａｐ＋ｆ_１ｂ
θ_２＝ｆ_２ａｐ＋ｆ_２ｂ
である。本発明は、これらの差分Δθ＝θ_２−θ_１を計算する差分処理部を備える。この差分処理部により、Δθは、
Δθ＝θ_２−θ_１＝（ｆ_２−ｆ_１）ａｐ＋（ｆ_２−ｆ_１）ｂ
と計算される。差分Δθは、感度が（ｆ_２−ｆ_１）ａのＳＡＷ素子によって得られる位相角に相当する。すなわち、所定のＳＡＷ素子に、周波数ｆ_１のバースト信号を入力した場合の感度ｆ_１ａに対して、このＳＡＷ素子の感度を、擬似的に、（ｆ_２−ｆ_１）／ｆ_１倍に低感度化させることができる。このように、ＳＡＷ素子の伝搬経路の長さを変えることなく、擬似的に低感度化させることができ、測定対象の物理量の変化に対して、位相角が−１８０ｄｅｇ〜＋１８０ｄｅｇの範囲を超えにくくすることができる。したがって、物理量の測定可能範囲を拡張することができる。また、複数の弾性表面波素子のうち、一部は第１信号および第２信号のうち、一方のバースト信号のみにより動作するようになっている。これによれば、物理量の測定可能範囲を拡張する必要のない弾性表面波素子は１つのバースト信号に対してのみ出力を返すので、サンプリングレートを向上することができる。

なお、差分処理部は、計算する差分Δθについて、数式２に示すように、θ_１とθ_２の差分値によって、差分値をそのまま出力する、あるいは、差分値に３６０ｄｅｇを加算する、あるいは、差分値から３６０ｄｅｇを減算する操作を行うようになっている。観測可能なθ_１，θ_２は、−１８０ｄｅｇ以上、１８０ｄｅｇ以下であるため、θ_１とθ_２の差分値（θ_２−θ_１）が、−１８０≦θ_２−θ_１≦１８０の範囲を超えることがある。上記操作は、Δθを−１８０ｄｅｇ以上、１８０ｄｅｇ以下の範囲にする操作である。

第１実施形態に係るＳＡＷセンサの概略構成を示す図である。位相角の温度依存性を示す図である。真の位相角の温度依存性を示す図であり、差分処理部が行う演算の概略を示す。第２実施形態に係るＳＡＷセンサの概略構成を示す図である。バースト信号および検出信号の入出力タイミングを示す図である。第３実施形態に係るＳＡＷセンサの概略構成を示す図である。その他の実施形態に係るＳＡＷセンサの概略構成を示す図である。その他の実施形態に係るＳＡＷ素子の概略構成を示す図である。その他の実施形態に係るＳＡＷ素子の概略構成を示す図である。その他の実施形態に係るＳＡＷ素子の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る弾性表面波（ＳＡＷ）センサの概略構成について説明する。

本実施形態におけるＳＡＷセンサ１０は、ひとつのＳＡＷ素子１１と、ＳＡＷ素子１１で検出されるＳＡＷの位相角を検出するセンシング装置１２を有する。

本実施形態におけるＳＡＷ素子１１は反射型である。ＳＡＷ素子１１は、圧電体基板２０に、バースト信号の入力によりＳＡＷを生じさせる櫛形電極２１（以下、ＩＤＴと示す）と、ＳＡＷを反射する反射器２２と、を有する。

本実施形態において、圧電体基板２０は、例えばニオブ酸リチウムからなる。また、ＩＤＴ２１は、例えばアルミニウムからなる。ＩＤＴ２１は、一例として、櫛の歯数が２０本の２つの電極が対となって構成され、計４０本の歯が９．６μｍのピッチで配置されている。対となった電極のうち、１つの電極は接地されており、もう１つの電極が、後述するスイッチ３１を介して後述する信号源３０に電気的に接続されている。

反射器２２は、ＩＤＴ２１と同一の材料であるアルミニウムからなり、ＳＡＷの進行方向と垂直な方向に延びた４０本の電極が９．６μｍのピッチで並設されてなる。信号源からＩＤＴ２１に所定周波数の信号が入力されると、圧電体基板２０に横波のＳＡＷが発生し、ＩＤＴ２１から反射器２２に向かって進行していく。そして、ＳＡＷは反射器２２により反射され、ＩＤＴ２１に戻ることによって、検出信号として検出される。本実施形態では、ＩＤＴ２１と反射器２２は、３ｍｍ離れて配置されている。このＳＡＷ素子１１におけるＳＡＷの伝搬経路の長さｘは、ＩＤＴ２１における実効的なＳＡＷの発生位置から反射器２２における実効的なＳＡＷの反射位置に向かう往路と、反射器２２における実効的なＳＡＷの反射位置からＩＤＴ２１における実効的なＳＡＷの発生位置に戻る復路との合計である。例えば、本実施形態ではｘ≒６．４３ｍｍとなる。

なお、以上のような構成のＳＡＷ素子１１は、このＳＡＷ素子１１を動作させるバースト信号の周波数として、２０４±４ＭＨｚなる仕様とすることができる。換言すれば、このＳＡＷ素子１１は、バースト信号の周波数として、２００ＭＨｚ以上、２０８ＭＨｚ以下の範囲において動作する。

本実施形態におけるセンシング装置１２は、信号源３０と、ＳＡＷ素子１１の接続先を切り替えるスイッチ３１と、入力された波を進相あるいは遅相させる移相器３２と、入力された２つの波を乗算する第１ミキサー３３ａおよび第２ミキサー３３ｂと、所定の周波数以上の波の成分をカットする低域通過フィルタ３４ａおよび３４ｂと、バースト信号と検出信号から位相角を算出する位相角算出部３５と、を有する。また、位相角算出部３５には、２つの位相角に基づいて、位相角の差分を計算する差分処理部３６が含まれる。

信号源３０は、スイッチ３１を介して上記ＩＤＴ２１と接続される。信号源３０は、ＩＤＴ２１に対して、電圧を周期的に変動させて印加できるようになっている。また、信号源３０は、ＩＤＴ２１に、複数の周波数ｆのバースト信号を、個々に入力できるようになっている。本実施形態では、２種類の周波数（ｆ_１，ｆ_２）でバースト信号をＩＤＴ２１に入力できるようになっている。すなわち第１信号と第２信号をＩＤＴ２１に入力できるようになっている。例えば、ｆ_１＝２００ＭＨｚ、ｆ_２＝２０８ＭＨｚ、のように印加できる。信号源３０は、本発明の特徴部分であり、詳細は後述する。

スイッチ３１は、ＳＡＷ素子１１と信号源３０とを電気的に仲介するとともに、第１ミキサー３３ａおよび第２ミキサー３３ｂとも接続されている。すなわち、このスイッチ３１は、ＳＡＷ素子１１と電気的に接続される対象として、信号源３０と、ミキサー３３ａ，３３ｂと、を切り替えられるようになっている。ＩＤＴ２１にバースト信号を入力するタイミングでは、スイッチ３１が信号源３０とＳＡＷ素子１１とを電気的に接続する。一方、ＩＤＴ２１から検出信号を出力させるタイミングでは、スイッチ３１がミキサー３３ａ，３３ｂとＳＡＷ素子１１とを電気的に接続する。

移相器３２は、信号源３０と第２ミキサー３３ｂと電気的に接続されている。信号源３０から入力されるバースト信号の位相を所定の角度だけ進相あるいは遅相させ、第２ミキサー３３ｂに出力する。なお、本実施形態における移相器３２は、入力されるバースト信号を９０ｄｅｇ進相させる９０ｄｅｇ移相器である。

第１ミキサー３３ａは、入力側の端子に、信号源３０と、スイッチ３１のうちＩＤＴ２１から検出信号が出力される側と、が電気的に接続されている。また、第１ミキサー３３ａの出力側の端子には、低域通過フィルタ３４ａを介して、位相角算出部３５が電気的に接続されている。すなわち、第１ミキサー３３ａには、バースト信号と検出信号とが入力され、ミキシング（乗算）される。

第２ミキサー３３ｂは、入力側の端子に、移相器３２と、スイッチ３１のうちＩＤＴ２１から検出信号が出力される側と、が電気的に接続されている。また、第２ミキサー３３ｂの出力側の端子には、低域通過フィルタ３４ｂを介して、位相角算出部３５が電気的に接続されている。第２ミキサー３３ｂには、バースト信号を９０ｄｅｇだけ遅相させた信号と、検出信号と、が入力され、ミキシング（乗算）される。

位相角算出部３５は、低域通過フィルタ３４ａ，３４ｂを介して、第１ミキサー３３ａおよび第２ミキサー３３ｂと電気的に接続されている。位相角算出部３５は、第１ミキサー３３ａから出力され、低域通過フィルタ３４ａを通過した信号と、第２ミキサー３３ｂから出力され、低域通過フィルタ３４ｂを通過した信号と、に基づいて、バースト信号と検出信号との位相の差（位相角）を算出する。

差分処理部３６は、２つの位相角の差分を計算する。２つの位相角とは、信号源３０により個々に出力された、周波数の異なる２つのバースト信号に対して、それぞれ得られる位相角である。差分処理部３６は、本発明の特徴部分であり、詳細は後述する。

次に、図１を参照して、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１０の作用効果について説明する。以下、ＳＡＷセンサ１０を用いて測定する物理量を温度として、測定の順を追って説明する。

先ず、ＳＡＷ素子１１が所定温度下に置かれた状況において、スイッチ３１によりＳＡＷ素子１２と信号源３０とを電気的に接続させる。

次いで、信号源３０から周波数ｆ_１＝２００ＭＨｚのバースト信号を出力させる。このバースト信号は、ＳＡＷ素子１１に入力されるとともに、移相器３２と、第１ミキサー３３ａに入力される。移相器３２に入力されたバースト信号は位相が９０ｄｅｇ進相されて第２ミキサー３３ｂに入力される。ＳＡＷ素子１１に入力されたバースト信号により、ＩＤＴ２１の対をなす電極間に電位差が生じる。これにより、圧電体基板２０が変形してＳＡＷが発生し、波として反射器２２に伝わっていく。

次いで、上記したＳＡＷが反射器２２にて反射され、ＩＤＴ２１に戻るまえに、スイッチ３１を切り替える。すなわち、ＳＡＷ素子１１と第１ミキサー３３ａおよび第２ミキサー３３ｂを接続させる。反射器２２で反射されたＳＡＷはＩＤＴ２２を振動させる。これにより、ＩＤＴ２１の対をなす電極間に電位差が生じる。この電位差が検出信号となる。検出信号は、スイッチ３１を経由して第１ミキサー３３ａおよび第２ミキサー３３ｂに入力される。ここで、検出信号は、バースト信号よりも、ＳＡＷ素子１１の構成条件と、ＳＡＷ素子１１が置かれた条件（ＳＡＷが伝搬する条件）、および、バースト信号の周波数ｆにより規定される角度だけ遅相する。遅相量（すなわち位相角）θ_１は、伝搬経路の長さｘと、ＳＡＷが圧電体基板２０を伝わる速さ（音速）ｖと、バースト信号の周波数ｆ_１とを用いて、θ_１＝ｆ_１・（ｘ／ｖ）と表される。この位相角θ_１が特許請求の範囲の第１位相角に相当する。

この時点で、第１ミキサー３３ａには、バースト信号と検出信号とが入力され、ミキシング（乗算）される。また、第２ミキサー３３ｂには、バースト信号を９０ｄｅｇだけ遅相させた信号と、検出信号と、が入力され、ミキシング（乗算）される。

次いで、ミキサー３３ａ，３３ｂは、ミキシングした信号を、それぞれ低域通過フィルタ３４ａ，３４ｂに出力する。低域通過フィルタ３４ａ，３４ｂは入力された信号を積分処理して位相角算出部３５に出力する。位相角算出部３５は、第１ミキサー３３ａから出力され、積分処理された信号と、第２ミキサー３３ｂから出力され、積分処理された信号と、に基づいて位相角θ_１を算出する。位相角θ_１は、図示しないメモリに一時的に記憶される。

次いで、再びスイッチ３１を切り替えてＳＡＷ素子１２と信号源３０とを電気的に接続させる。信号源３０から出力させるバースト信号の周波数ｆをｆ_２＝２０８ＭＨｚとして、上記と同一の手順を経て、位相角算出部３５に位相角θ_２を算出させる。位相角θ_２は、周波数ｆ_２のバースト信号と、このバースト信号がＳＡＷ素子１１を経由して出力された検出信号との位相差である。すなわち、θ_２＝ｆ_２・（ｘ／ｖ）である。この位相角θ_２が特許請求の範囲の第２位相角に相当する。第２位相角θ_２は、図示しないメモリに一時的に記憶される。

位相角θ_１，θ_２を規定する伝搬経路の長さｘと音速ｖは、ＳＡＷ素子１１の置かれた条件に依存する。本実施形態では、伝搬経路の長さｘと音速ｖに影響する因子は温度であり、ｘ／ｖは、温度Ｔにほぼ比例する。比例定数をａとし、切片をｂ（定数）とすれば、ｘ／ｖ＝ａＴ＋ｂであり、位相角θ_１，θ_２は、
θ_１＝ｆ_１ａＴ＋ｆ_１ｂ
θ_２＝ｆ_２ａＴ＋ｆ_２ｂ
と書き換えることができる。なお、温度に対する位相角に変化（感度）は、上式の傾きに相当し、バースト信号の周波数ｆがｆ_１のときにはｆ_１ａであり、周波数ｆがｆ_２のときにはｆ_２ａである。

次いで、差分処理部３６は、メモリに記憶された位相角θ_１およびθ_２の差分を計算する。そして、計算された差分値を基に温度を特定する。

以下、図２および図３を参照して、この差分処理の効果についての詳細を説明する。

位相角算出部３５において、位相角θは、−１８０ｄｅｇ≦θ≦１８０ｄｅｇの範囲でのみ検出される。換言すれば、−１８０ｄｅｇ≦θ≦１８０ｄｅｇの範囲を超える範囲で温度の測定をすることができない。例えば、温度の変化によって位相角θが２７０ｄｅｇ回転していたとしても、２７０ｄｅｇは−９０ｄｅｇと等価であり、位相角検出部３５は、２７０ｄｅｇの位相角を−９０ｄｅｇと誤って判断してしまう。このように、必要とする温度の測定範囲において、温度と位相角とが一対一で対応しない虞がある。具体的には、本実施形態におけるＳＡＷ素子１１の感度は、バースト信号の周波数ｆがｆ_１（＝２００ＭＨｚ）のときには８．０ｄｅｇ／℃であり、周波数ｆがｆ_２（＝２０８ＭＨｚ）のときには８．３２ｄｅｇ／℃である。感度が８．０ｄｅｇ／℃の場合、図２中、実線Ａに示すように、温度変化として４５℃毎に、同一の位相角が検出されてしまう。つまり、測定可能な温度範囲が、位相角の範囲−１８０ｄｅｇ≦θ≦１８０ｄｅｇの制限を受けてしまう。

上記の問題を解決するためには、感度を低下させればよい。図３に示すように、温度Ｔと真の位相角θ（温度の変化により本来遅相する角度）とは、線形の関係となり、その傾向が感度に相当する。なお、バースト信号の周波数ｆがｆ_１の場合を実線Ａで示し、周波数ｆがｆ_２の場合を破線Ｂで示す。

本実施形態では、本発明の特徴部分として、位相角算出部３５が差分処理部３６を有している。差分処理部３６は、位相角θ_１とθ_２の差分Δθ（＝θ_２−θ_１）を計算する。この差分処理部３６により、Δθは、
Δθ＝θ_２−θ_１＝（ｆ_２−ｆ_１）ａＴ＋（ｆ_２−ｆ_１）ｂ
と計算される。差分Δθは、感度が（ｆ_２−ｆ_１）ａのＳＡＷ素子によって得られる位相角に相当する。図３においては、一点鎖線Ｃに示す直線が、Δθの温度依存性を示す。すなわち、所定のＳＡＷ素子１１に、周波数ｆ_１のバースト信号を入力した場合の感度ｆ_１ａに対して、このＳＡＷ素子１１の感度を、擬似的に、（ｆ_２−ｆ_１）／ｆ_１倍に低感度化させることができる。このように、ＳＡＷ素子１１の伝搬経路の長さｘを変えることなく、擬似的に低感度化させることができ、温度の変化に対して、位相角が−１８０ｄｅｇ≦θ≦１８０ｄｅｇの範囲を超えにくくすることができる。したがって、温度の測定可能な変化量を拡張することができる。

実際には、検出される位相角θ_１，θ_２は、図２に示すように、−１８０ｄｅｇ以上、１８０ｄｅｇ以下の範囲であるため、バースト信号の周波数ｆがｆ_１（＝２００ＭＨｚ）の場合の、位相角の温度依存性は、実線Ａで示すようになる。また、周波数ｆがｆ_２（＝２０８ＭＨｚ）の場合は破線Ｂで示すようになる。そして、数式２に示す演算を行うことにより、一点鎖線Ｃに示す、位相角（差分Δθ）の温度依存性を計算する。本実施形態では、ＳＡＷ素子１１に周波数ｆがｆ_１（＝２００ＭＨｚ）のバースト信号を入力した場合の感度８．０ｄｅｇ／℃に対して、感度を（２０８−２００）／２００倍、すなわち４％まで低感度化させることができる。したがって、位相角が−１８０ｄｅｇ以上、１８０ｄｅｇ以下の範囲を超える温度の測定可能な変化量を、略４５℃から略１１００℃まで拡張させることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、ＳＡＷセンサ１０が１つのＳＡＷ素子１１を有する構成について例示した。これに対して、本実施形態では、図４に示すように、ＳＡＷセンサ１０が複数のＳＡＷ素子１１，１３，１４を有する構成について例示する。なお、センシング装置１２の構成については、第１実施形態と同様であるため、記載を省略する。

本実施形態において、ＳＡＷセンサ１０は、第１ＳＡＷ素子１１と第２ＳＡＷ素子１３と第３ＳＡＷ素子１４とを有する。各ＳＡＷ素子１１，１３，１４は、並列接続されている。

第１ＳＡＷ素子１１は、圧電体基板２０、ＩＤＴ２１、および、反射器２２ともに、第１実施形態に記載のＳＡＷ素子１１と同一の構成である。すなわち、第１ＳＡＷ素子１１を動作させることのできるバースト信号の周波数は、２０４±４ＭＨｚである。

第２ＳＡＷ素子１３は、圧電体基板４０に、ＩＤＴ４１と反射器４２とを有する。圧電体基板４０、ＩＤＴ４１、および、反射器４２の構成材料は第１ＳＡＷ素子１１と同一である。ただし、ＩＤＴ４１の歯のピッチ、および、反射器４２の電極間のピッチが、第１ＳＡＷ素子１１に較べて大きくされている。また、ＩＤＴ４１の歯数、および、反射器４２の電極の本数、が第１ＳＡＷ素子１１に較べて多くされている。これにより、第２ＳＡＷ素子１３を動作させることのできるバースト信号の周波数が、２０２±２ＭＨｚとなっている。また、ＩＤＴ４１と反射器４２は、互いに５ｍｍ離れて配置されている。すなわち、ＳＡＷの伝搬経路の長さｘが、第１ＳＡＷ素子１１よりも長くされ、感度が高くされている。

第３ＳＡＷ素子１４は、圧電体基板５０に、ＩＤＴ５１と反射器５２とを有する。圧電体基板５０、ＩＤＴ５１、および、反射器５２の構成材料、および、ＩＤＴ５１の歯のピッチ、反射器５２の電極間のピッチは、第２ＳＡＷ素子１３と同一とされている。つまり、第３ＳＡＷ素子１４を動作させることのできるバースト信号の周波数は、２０２±２ＭＨｚである。また、第１ＳＡＷ素子１１よりも感度が高くされている。

このように、ＳＡＷセンサ１０が複数のＳＡＷ素子１１，１３，１４を有することにより、複数の物理量を、１つのＳＡＷセンサ１０を用いて測定することができる。例えば、第１ＳＡＷ素子１１を用いて温度を測定し、第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４を用いて部材の変形量を測定する、などとすることができる。なお、部材の変形量の測定を行うセンサとは、例えば、トルクセンサなどが有る。トルクセンサは、トルク印加時の部材の変形量による位相角の変化量に基づいて、トルクを測定することができる。本実施形態では、図４に示すように、第２ＳＡＷ素子１３と第３ＳＡＷ素子１４とが、ＳＡＷの伝搬方向が互いに直交するように配置されている。

このような構成とした場合、第１実施形態に示したように、測定対象の温度の変化量に対して、位相角が大きいため、第１ＳＡＷ素子１１について、２つの位相角の差分を計算することにより低感度化を行うことが好ましい。一方、測定対象の部材の変形量に対する位相角は温度の場合よりも小さい。このため、第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４について、第１実施形態に示したような２つの位相角の差分に基づく低感度化を行う必要はない。

本実施形態では、センシング装置１２の信号源３０から各ＳＡＷ素子１１，１３，１４に入力されるバースト信号について、全てのＳＡＷ素子を動作させることのできる周波数と、一部のＳＡＷ素子のみを動作させることのできる周波数とが存在する。具体的には、バースト信号のうち、周波数ｆ_１（＝２００ＭＨｚ）のバースト信号を入力すれば、全てのＳＡＷ素子１１，１３，１４を動作させることができる。一方、周波数ｆ_２（＝２０８ＭＨｚ）のバースト信号を入力すると、第１ＳＡＷ素子１１のみを動作させることができる。換言すれば、第１ＳＡＷ素子１１は、信号源３０が出力する２つのバースト信号（周波数ｆがｆ_１とｆ_２）の両方で動作させることができる。また、第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４は、信号源３０が出力するバースト信号のうち、周波数ｆがｆ_１とされたバースト信号のみで動作させることができる。

したがって、本実施形態に示す構成とすることにより、温度については、本発明の特徴である、２種類のバースト信号と差分処理部３６を用いて擬似的な低感度化を行うことによって測定することができる。且つ、部材の変形量については、従来の構成と同様に、所定のバースト信号のみによって測定することができる。

さらに、本実施形態では、複数のＳＡＷ素子１１，１３，１４のうちに、１種類の周波数のバースト信号のみで動作するＳＡＷ素子１３，１４が存在する。これにより、全てのＳＡＷ素子１１，１３，１４が２種類の周波数のバースト信号で動作する構成に較べて、サンプリングレートを向上させることができる。

本実施形態では、第１ＳＡＷ素子１１に較べて、第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４の伝搬経路の長さが長くされている。すなわち、第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４の伝搬経路の長さをＳＡＷが伝わる時間は、第１ＳＡＷ素子の伝搬経路の長さよりも長くなっている（遅延時間が長くなっている）。

１度の測定に要する時間を図５に示す。仮に、全てのＳＡＷ素子１１，１３，１４が２種類の周波数のバースト信号で動作する場合には、次に示す過程により測定が行われる。まず、周波数ｆ_１のバースト信号が入力される（図５中、Ｉで示す）。その後、遅延時間の早い第１ＳＡＷ素子１１からの検出信号が検出される（図５中、IIで示す）。その後、第１ＳＡＷ素子１１の検出信号よりも遅れて第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４の検出信号が検出される（図５中、IIIで示す）。その後、周波数ｆ_２のバースト信号が入力される（図５中、ＩＶで示す）。その後、遅延時間の早い第１ＳＡＷ素子１１からの検出信号が検出される（図５中、Ｖで示す）。その後、第１ＳＡＷ素子１１の検出信号よりも遅れて第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４の検出信号が検出される（図５中、ＶＩで示す）。

一方、第１ＳＡＷ素子１１のみが２種類の周波数のバースト信号で動作する場合には、上記した過程のうち、図５のＶＩに示す検出信号を検出しない。これは、第２ＳＡＷ素子１３および第３ＳＡＷ素子１４が、周波数ｆ_２のバースト信号では動作しないためである。

上記したように、遅延時間の遅いＳＡＷ素子１３，１４を１種類の周波数のみで動作させる構成とすることにより、１度の測定の測定時間を短縮させることができる。したがって、サンプリングレートを向上させることができる。

（第３実施形態）
上記した各実施形態では、ＳＡＷ素子１１とセンシング装置１２とが有線接続された例を示した。しかしながら、有線接続に限定されるものではなく、図６に示すように、ＳＡＷ素子１１側のＩＤＴ２１、および、サンプリング装置１２側のスイッチ３１の端子に、信号の送受信用の無線アンテナ６０を有する、無線接続の構成としてもよい。

また、上記した各実施形態では、１つの信号源３０が、２種類の周波数（ｆ_１，ｆ_２）のバースト信号を出力できる例を示した。しかしながら、１つの信号源３０に２種類の周波数のバースト信号を出力させる必要はない。図６に示すように、２つの信号源３０ａ，３０ｂを有し、ＳＡＷ素子１１に入力するバースト信号を切り替えるスイッチ７０を有する構成としてもよい。例えば、信号源３０ａは周波数ｆ_１のバースト信号を出力し、信号源３０ｂは周波数ｆ_２のバースト信号を出力するような構成とする。これにより、第１実施形態と同様に、ＳＡＷ素子１１に２種類の周波数のバースト信号を各々入力することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した各実施形態では、ＳＡＷ素子１１，１３，１４が、反射型であり、同一の圧電体基板２０，４０，５０に、それぞれ１つのＩＤＴ２１，４１，５１と、それぞれ１つの反射器２２，４２，５２を有する構成について例示した。しかしながら、ＳＡＷ素子の構成は上記例に限定されるものではない。例えば、図７に示すように、第１実施形態における反射型のＳＡＷ素子１１に替えて、非反射型のＳＡＷ素子１５を採用してもよい。このＳＡＷ素子１５は、圧電体基板８０上に、入力用のＩＤＴ８１ａと、出力用のＩＤＴ８１ｂが形成されている。各ＩＤＴ８１ａ，８１ｂの構成は第１実施形態におけるＩＤＴ２１と同様である。入力用ＩＤＴ８１ａを構成する対になった電極のうちの一方は接地され、他方は信号源３０に接続されている。また、出力用ＩＤＴ８１ｂを構成する対になった電極のうちの一方は接地され、他方はミキサー３３ａ，３３ｂに接続されている。なお、この実施形態では、１つのＩＤＴ８１ａ，８１ｂが入出力を共有する構成ではないため、センシング装置１２にスイッチ３１を必要としない。

また、ＳＡＷ素子として、上記以外にも種々の形態のものを採用することができる。例えば、図８に示すように、共通の圧電体基板９０に、ＩＤＴ９１ａとＩＤＴ９１ｂ、および、反射器９２ａと反射器９２ｂが形成されたＳＡＷ素子を採用することもできる。このような形態では、ＩＤＴ９１ａと反射器９２ａとが互いの間でＳＡＷの伝達を行う入出力系を成し、ＩＤＴ９１ｂと反射器９２ｂとが互いの間でＳＡＷの伝達を行う入出力系を成す。そして、それぞれの入出力系が互いに並列にセンシング装置１２に接続されている。なお、センシング装置１２は構成が第１実施形態と同様であるため、図８では図示を省略している。

他の形態として、図８に示す形態のうち、片方の入出力系において、ＩＤＴが２つの反射器に挟まれて形成されるような構成でもよい。具体的には、図９に示すように、ＩＤＴ９１ａが、反射器９２ａと、反射器９２ｃとによって挟まれた構成としてもよい。なお、図９では、２つの入出力系のうち１つについて、ＩＤＴ９１ａが反射器９２ａ，９２ｃに挟まれる構成を示したが、２つの入出力系の両方において、ＩＤＴが反射器の挟まれる構成となっていてもよい。

さらに他の形態として、図１０に示すように、図８に示す形態のうち、片方の入出力系が、入力用ＩＤＴ１００ａと出力用ＩＤＴ１００ｂとから成る非反射型の構成としてもよい。この実施形態では、特に、入力用ＩＤＴ１００ａと出力用ＩＤＴ１００ｂとを短絡して形成されている。上記した各実施形態と同様に、バースト信号をＳＡＷ素子に入力する際には、スイッチ３１により、ＳＡＷ素子と信号源３０が接続される。また、検出信号は、スイッチ３１を切り替えることにより、ミキサー３３ａ，３３ｂに入力される。

なお、ＳＡＷ素子は、上記例に限定されず、上記以外にも種々の形態のものを採用することができる。

また、各実施形態において、ＳＡＷ素子とセンシング装置との信号の送受信は、有線接続により行われてもよいし、第３実施形態のように、無線接続により行われてもよい。

また、上記した各実施形態では、ＳＡＷセンサ１０の測定対象となる物理量について、温度、および、部材の変形量について記載したが、測定対象は上記に限定されない。ＳＡＷ素子が置かれた条件において、位相角θ＝ｆ・（ｘ／ｖ）が変化するような物理量の測定であれば、本発明を適用することができる。

１０・・・弾性表面波センサ
１１・・・弾性表面波素子
１２・・・センシング装置
３０・・・信号源
３２・・・移相器
３３ａ，３３ｂ・・・ミキサー
３４ａ，３４ｂ・・・低域通過フィルタ
３５・・・位相角算出部
３６・・・差分処理部

Claims

複数の遅延線タイプの弾性表面波素子（１１）と、
該弾性表面波素子と通信可能に接続され、前記弾性表面波素子で検出された弾性表面波の位相角を検出するセンシング装置（１２）と、を有し、
該センシング装置が、
前記弾性表面波素子に入力するバースト信号を発生させるための信号源（３０）と、
前記バースト信号と、前記バースト信号が前記弾性表面波素子により遅延して出力された検出信号と、から前記位相角を算出する位相角算出部（３５）と、
を有する弾性表面波センサであって、
前記信号源は、前記バースト信号として、所定の周波数とされた第１信号と、該第１信号と異なる周波数の第２信号と、を発生させ、
一部の前記弾性表面波素子は、前記第１信号および前記第２信号のうち、一方の前記バースト信号のみにより動作し、
前記位相角算出部は、前記位相角のうち、
前記第１信号により得られる第１位相角θ_１と、前記第２信号により得られる第２位相角θ_２と、から次の数式１を計算する差分処理部（３６）を含むことを特徴とする弾性表面波センサ。
前記第１信号および前記第２信号のうち、一方の前記バースト信号のみにより動作する前記弾性表面波素子には、複数の前記弾性表面波素子のうち遅延時間の最も長い前記弾性表面波素子が含まれることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センサ。
前記信号源は、前記第１信号および前記第２信号のうち一方の前記バースト信号に対するすべての前記弾性表面波素子からの前記検出信号が検出されてから、他方の前記バースト信号を発生させるものであり、
一方の前記バースト信号に対するすべての前記検出信号が検出されてから、他方の前記バースト信号を発生させるまでの時間は、
前記第１信号および前記第２信号の両方により動作する前記弾性表面波素子の最長の遅延時間と、前記第１信号および前記第２信号のうち一方のみにより動作する前記弾性表面波素子の最長の遅延時間との差よりも短く設定されることを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波センサ。