JP6003789B2 - 弾性表面波センサ - Google Patents

Description

本発明は、遅延線タイプの弾性表面波素子を用いて、被取付体に作用する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、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を有するトランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子が用いられる。トランスバーサルフィルタ型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）、ひいては遅延時間の差、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、測定対象の変化により、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（トランスバーサルフィルタ型）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。

具体的な適用事例では、特許文献１に示すように、回転するシャフトにより動力が伝達される際に生じるトルクを検出するトルクセンサとして、シャフトに遅延線タイプのＳＡＷ素子が取り付けられたものが提案されている。このような構成のトルクセンサを用いれば、シャフトの回転による歪みを定量化することができる。

特許第３１０８８８１号公報

しかしながら、回転するシャフトには、軸の周りの力のモーメント（トルク）に起因する歪みだけでなく、軸に垂直な方向周りの力のモーメントも存在する。このモーメントによるシャフトの撓みは、本来トルクに起因する歪みのみを検出するはずのＳＡＷ素子に撓みに起因する変形を与えてしまう。このため、ひとつのＳＡＷ素子から得られる出力には、トルクに起因する信号成分に、シャフトの撓みに起因する信号成分が重畳されてしまう。このため、シャフトの撓みを検出するＳＡＷ素子を別途設けて、撓みに起因する信号成分を減算する補正処理を行う必要がある。さらには、温度に起因するＳＡＷ素子の変形やＳＡＷの音速変化を考慮に入れれば、温度に起因する信号成分を補正するためのＳＡＷ素子が必要となる。

複数のＳＡＷ素子の信号を区別する方法として、各ＳＡＷ素子の遅延時間を意図的に異ならせ、信号同士が干渉しないように分離する方法がある。遅延時間はＳＡＷが伝搬する伝搬経路の長さにより変更することができる。しかしながら、伝搬経路の長さの異なる複数のＳＡＷ素子を用意しなければならず、用意するＳＡＷ素子の中には、伝搬経路の長い、体格の大きなＳＡＷ素子を含まざるを得なくなる。換言すれば、ＳＡＷ素子の実装域の大きさに制限がある場合においては、複数のＳＡＷ素子の信号を分離できない虞がある。

また、複数のＳＡＷ素子を、それぞれ異なる駆動周波数で駆動させることにより、信号を分離する方法もある。しかしながら、ＳＡＷ素子ごとに所定の周波数のＳＡＷを発生させる信号源が必要になり、信号源の増加による体格、コストの増大に繋がる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で所望の物理量を精度良く測定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、被取付体（１００）に取り付けられ、該被取付体あるいは自身に作用した物理量を測定する弾性表面波センサ（１０）であって、被取付体に配置される複数のＳＡＷ素子（２０）と、該ＳＡＷ素子と通信可能に接続され、ＳＡＷ素子で検出されたＳＡＷの位相角θを検出する信号処理回路（３０）と、を有し、ｎ個のＳＡＷ素子が、信号処理回路に対して互いに電気的に直列に接続された直列素子群（２９）を成し、信号処理回路からｉ番目のＳＡＷ素子の位相角をθｉとするとき、測定対象となる物理量の変化に起因する位相角の変化量を除く、測定対象でないノイズとなる物理量の変化による位相角の変化量δθが、位相角θｉの変化量δθｉを用いて、次の数式２を満たすように、ＳＡＷ素子が配置されることを特徴とする。

複数のＳＡＷ素子を、信号処理回路に対して直列に接続した場合、位相角θは、数式３に示すように、各々のＳＡＷ素子の位相角θｉの和として観測される。

測定対象となる物理量の変化以外に、ＳＡＷ素子の位相角を変化させる因子が存在しなければ、物理量の変化に起因するＳＡＷ素子の位相角の変化Δは、各々のＳＡＷ素子の位相角の変化Δｉの和として表される。すなわち、観測される位相角は数式４のようになる。

したがって、位相角の変化Δから測定対象の物理量を算出することができる。しかしながら、ＳＡＷ素子の位相角を変化させる因子として、測定対象とする物理量以外のノイズが存在する。ノイズとなる物理量の変化に起因する位相角の変化量をδθとし、各々のＳＡＷ素子の位相角の変化量をδθｉとすると、観測される位相角は数式５のようになる。

ここで、各ＳＡＷ素子の配置を、数式２を満たすようにすることにより、ノイズとなる物理量の変化に起因する位相角の変化量δθをゼロとすることができる。すなわち、観測される位相角にノイズ成分が重畳しないようにすることができる。したがって、ノイズを補正しつつ測定対象の物理量を測定することができる。

また、ＳＡＷ素子のうち、１番目（ｉ＝１）のＳＡＷ素子に対して、並列に接続された複数のＳＡＷ素子を有し、これにより複数の直列素子群を備えるようにすることができる。

これによれば、複数のノイズに対して、個別に補正を行いつつ、測定対象の物理量を測定することができる。

数式２を満たすようなＳＡＷ素子の配置としては、ｉ≧２のＳＡＷ素子におけるＳＡＷの伝搬路方向と、ｉ＝１のＳＡＷの伝搬路方向との成す角を調整して所定の角度とする配置を採用することができる。また、励振用電極が形成された基板の厚さを調整して、複数のＳＡＷ素子ごとに所定の厚さとする配置を採用することができる。また、ＳＡＷ素子と被取付体とを接合する接合材の厚さを調整して、ＳＡＷ素子ごとに所定の厚さとする配置を採用することができる。また、ＳＡＷ素子の伝搬経路の長さを調整して、ＳＡＷ素子ごとに所定の長さとする配置を採用することができる。さらには、励振用電極が形成される基板の表面に励振用電極および伝搬路を覆う被覆膜を形成し、その被覆膜の膜厚を調整して、ＳＡＷ素子ごとに所定の膜厚とする配置を採用することができる。

第１実施形態に係る弾性表面波センサの回路構成を示す図である。 シャフトに配置された弾性表面波センサ（トルクセンサ）の概略構成を示す図である。 トルクセンサのｘｚ平面における断面図である。 トルクセンサのｚ軸正の方向から見た上面図である。 第２実施形態に係るトルクセンサのｚ軸正の方向から見た上面図である。 第２実施形態の変形例に係るトルクセンサのｘｚ平面における断面図である。 第３実施形態に係るトルクセンサのｘｚ平面における断面図である。 第４実施形態に係るトルクセンサの弾性表面波素子の断面を示す図であり、図１に示すＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。 第５実施形態に係る弾性表面波センサの回路構成を示す図である。 トルクセンサのｙｚ平面における断面図である。 第６実施形態に係る弾性表面波センサの回路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。また、各図において、空間内の方向をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸により規定する。ｙ軸はｘ軸に直交し、ｚ軸はｘ軸とｙ軸により規定されるｘｙ平面に直交する方向の軸と定義する。ｚ軸の正方向は、ｘ軸の正方向のベクトルとｙ軸の正方向のベクトルの外積が示す方向と定義する。

（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センサ（以下、弾性表面波をＳＡＷと略す）の概略構成について説明する。

本実施形態のＳＡＷセンサ１０は、図１に示すように、２つのＳＡＷ素子２０と、ＳＡＷ素子２０と通信可能に接続された信号処理回路３０と、を有する。このＳＡＷセンサ１０は、ＳＡＷ素子２０として、一つのトランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子２１と、一つの反射型ＳＡＷ素子２４と、を有する。そして、これらのＳＡＷ素子２１，２５は信号処理回路３０に対して、反射型ＳＡＷ素子２５が末端となるように互いに直列に接続される。すなわち、本実施形態のＳＡＷセンサ１０は、２つのＳＡＷ素子２１，２５からなり（ｎ＝２）し、１つの直列素子群２９を有する。なお、トランスバーサルフィルタ型のＳＡＷ素子２１が、信号処理回路３０から１番目（ｉ＝１）のＳＡＷ素子であり、反射型のＳＡＷ素子２５が、信号処理回路３０から２番目（ｉ＝２）のＳＡＷ素子である。

信号処理回路３０に含まれる信号源３１（後述）により生じた、所定の周波数を有する正弦波信号がトランスバーサルフィルタ型のＳＡＷ素子２１を経由して反射型のＳＡＷ素子２５に達し、ＳＡＷ素子２５の反射器２８（後述）で反射される。そして、その信号は再びトランスバーサルフィルタ型のＳＡＷ素子２１を経由して信号処理回路３０に戻る。信号処理回路３０は入力した信号と、反射して戻った信号とを比較して位相角を算出する。

各要素について、詳しく説明する。

本実施形態に係るＳＡＷセンサ１０は、上記したように、トランスバーサルフィルタ型のＳＡＷ素子２１と、反射型のＳＡＷ素子２５と、を有する。トランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子２１には、圧電体基板２２の表面に２つのＩＤＴ２３，２４が形成されている。反射型ＳＡＷ素子２５には、圧電体基板２６の表面に１つのＩＤＴ２７と、一つの反射器２８とが形成されている。本実施形態では、信号処理回路３０とトランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子２１のＩＤＴ２３が、無線通信可能なアンテナ４０を介して接続される。また、トランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子２１のＩＤＴ２４と、反射型ＳＡＷ素子２５のＩＤＴ２７とが電気的に接続される。

本実施形態において、圧電体基板２２，２６は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）からなる。また、ＩＤＴ２３，２４，２７は、例えばアルミニウムからなる。ＩＤＴ２３，２４，２７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。また、反射器２８は、ＩＤＴ２３，２４，２７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３１からＩＤＴ２３に所定周波数の正弦波信号が入力されると、圧電体基板２２にＳＡＷが発生し、ＩＤＴ２３からＩＤＴ２４に向かって進行していく。そして、ＳＡＷはＩＤＴ２４により電気的な信号に変換され、その信号がＩＤＴ２７に入力される。ＩＤＴ２４からの信号が入力されると、ＩＤＴ２７から反射器２８に向かってＳＡＷが進行していく。ＳＡＷは反射器２８により反射され、ＩＤＴ２７に戻る。反射したＳＡＷは再びＩＤＴ２７によって電気的な信号に変換されて、ＩＤＴ２４に入力される。そして、圧電体基板２２で再びＳＡＷに変換され、ＩＤＴ２３で電気的な信号に変換されて検出信号として検出される。

信号処理回路３０は、信号源３１と、ＳＡＷ素子２１の接続先を切り替えるスイッチ３２と、入力された波を進相あるいは遅相させる移相器３３と、入力された２つの波を乗算する第１ミキサー３４ａおよび第２ミキサー３４ｂ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３５ａおよび３５ｂと、低域通過フィルタ３５ａおよび３５ｂの出力信号と検出信号から位相角を算出する位相角算出部３６と、を有する。

信号源３１は、スイッチ３２を介して上記ＩＤＴ２３と無線接続される。信号源３１は、ＩＤＴ２３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。スイッチ３２は、ＳＡＷ素子２１と信号源３１とを電気的に仲介するとともに、第１ミキサー３４ａおよび第２ミキサー３４ｂとも接続されている。すなわち、このスイッチ３２は、ＳＡＷ素子２１と電気的に接続される対象として、信号源３１と、ミキサー３４ａ，３４ｂと、を切り替えられるようになっている。ＩＤＴ２３に正弦波信号を入力するタイミングでは、スイッチ３２が信号源３１とＳＡＷ素子２１とを電気的に接続する。一方、ＩＤＴ２３から検出信号を出力させるタイミングでは、スイッチ３２がミキサー３４ａ，３４ｂとＳＡＷ素子２１とを電気的に接続する。

移相器３３は、信号源３１と第２ミキサー３４ｂと電気的に接続されている。信号源３１から入力される正弦波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３４ｂに出力する。なお、本実施形態における移相器３３は、入力される信号を９０ｄｅｇ進相させる９０ｄｅｇ移相器である。

第１ミキサー３４ａは、入力側の端子に、信号源３１と、スイッチ３２のうちＩＤＴ２３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３４ａの出力側の端子には、低域通過フィルタ３５ａを介して、位相角算出部３６が電気的に接続されている。すなわち、第１ミキサー３４ａには、正弦波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３４ｂは、入力側の端子に、移相器３３と、スイッチ３２のうちＩＤＴ２３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３４ｂの出力側の端子には、低域通過フィルタ３５ｂを介して、位相角算出部３６が電気的に接続されている。第２ミキサー３４ｂには、正弦波信号を９０ｄｅｇだけ進相させた信号と、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３６は、低域通過フィルタ３５ａ，３５ｂを介して、第１ミキサー３４ａおよび第２ミキサー３４ｂと電気的に接続されている。位相角算出部３６は、第１ミキサー３４ａから出力され、低域通過フィルタ３５ａを通過した信号と、第２ミキサー３４ｂから出力され、低域通過フィルタ３５ｂを通過した信号と、に基づいて、正弦波信号と検出信号との位相の差（位相角）を算出する。

次に、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１０の動作について説明する。なお、信号処理回路３０内の動作については周知であるためその詳細説明を省略する。

ＳＡＷ素子における圧電体基板をＳＡＷが伝搬する伝搬速度をｖ、ＩＤＴ間、あるいはＩＤＴ−反射器間においてＳＡＷが伝搬する距離をｘとおき、入力される正弦波信号の周波数をｆとする。この場合、電極間をＳＡＷが伝搬する際の位相角は、概ねｆ・（ｘ／ｖ）で表すことができる。ｘ／ｖは遅延時間に相当する。以下、ＳＡＷ素子２１のＩＤＴ間をＳＡＷが伝搬する距離をｘ_１とし、伝搬速度をｖ_１とする。また、ＳＡＷ素子２５のＩＤＴ間をＳＡＷが伝搬する距離をｘ_２とし、伝搬速度をｖ_２とする。

本実施形態では、図１に示すように、ＳＡＷ素子２１とＳＡＷ素子２５とが直列に接続されている。信号処理回路３０から入力された正弦波信号は、ＳＡＷ素子２１および２５を往復する。ＳＡＷが伝搬する伝搬経路の長さは、ＳＡＷ素子２１において、概ね２ｘ_１である。これを伝搬経路の長さλ_１とおく。より詳しくは、この伝搬経路の長さλ_１は、ＩＤＴおよび反射器直下における音速変化等の要因を補正した実効的な伝搬経路長であり、λ_１≒２ｘ_１である。また、ＳＡＷ素子２１と同様に、ＳＡＷ素子２５における実効的な伝搬経路の長さは、概ね２ｘ_２である。これを伝搬経路の長さλ_２とおく。すなわち、λ_２≒２ｘ_２である。以降、この実効的な伝搬経路の長さλ（ここではλ_１およびλ_２）について、単に、伝搬経路の長さと表現することがあるが、ＩＤＴ間あるいはＩＤＴ−反射器間の幾何学的距離に加え、ＩＤＴおよび反射器の大きさ、ＩＤＴおよび反射器直下における音速変化の影響を補正した実効的な伝搬経路の長さを意味するものである。

なお、ＳＡＷ素子２１における遅延時間τ_１はτ_１＝λ_１／ｖ_１と表すことができる。さらに位相角θ_１はθ_１＝ｆ・（λ_１／ｖ_１）となる。また、ＳＡＷ素子２５における遅延時間τ_２はτ_２＝λ_２／ｖ_２と表すことができる。さらに位相角θ_２はθ_２＝ｆ・（λ_２／ｖ_２）となる。

したがって、本実施形態において観測される位相角θは、数式３より、次に示す数式６のように表される。

そして、ノイズとなる物理量の変化による位相角の変化量δθは、数式６を全微分したものに相当する。すなわち、数式７に示すように表すことができる。

本実施形態では、上記δθがゼロと等しくなる、あるいは可能な限りゼロに近づけるようにＳＡＷ素子２１，２５の配置を調整する。とくに、ＳＡＷ素子２１，２５を構成する圧電体基板２２，２６を伝搬するＳＡＷの伝搬方向の、相対的な角度を調整する。

図２〜図４を参照して、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１０の適用様態を具体的に説明する。言い換えれば、数式７に示すδθをゼロとするための様態の例を説明する。

なお、本実施形態において、運動していない（外力を受けていない）状態におけるＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５の特性（ＳＡＷの実効的な伝搬経路の長さや伝搬速度）は同一であると仮定する。

また、図２〜図４では、ＳＡＷ素子２１，２５を電気的に接続する配線、ＳＡＷ素子２１と信号処理回路３０とを通信可能に接続するアンテナ４０、および、信号処理回路３０は図示を省略している。

本実施形態におけるＳＡＷセンサ１０は、動力を伝達する、被取付体としてのシャフト１００に接合されてトルクを測定するトルクセンサである。測定対象はトルクであり、トルクは、シャフト１００が回転する際のシャフト１００の歪みを、ＳＡＷ素子２１，２５を用いて検出することにより得られる。

図２に示すように、シャフト１００の回転軸をｘ軸と規定する。すなわち、シャフト１００はｘ軸周りの力のモーメントにより回転する。このシャフト１００には、図２および図３に示すように、ＳＡＷセンサ２１，２５を配置するための凹状の切欠き１１０が形成される。この切欠き１１０のうち平面とされた底面１１０ａにＳＡＷ素子２１，２５が接合される。なお、底面１１０ａはｘｙ平面に平行とされ、切欠き１１０は、ｘｙ平面に対して対称となるように２箇所形成される。そして、２つの切欠き１１０にＳＡＷ素子２１，２５がそれぞれ配置される。なお、説明の便宜上、ＳＡＷ素子２１がｚ軸の正側、ＳＡＷ素子２５がｚ軸の負側に配置されるものとする。

本実施形態におけるＳＡＷ素子２１，２５は、図４に示すように、ＳＡＷの伝搬方向が、ｘ軸およびｙ軸に対して、例えば４５度を成すように配置されている。そして、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５におけるＳＡＷの伝搬方向は直交（互いの伝搬方向の成す角は９０度）している。

次に、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。

上記した様態の、ＳＡＷセンサ１０が取り付けられたシャフト１００が外部からのトルクを受けて回転運動を行う場合を考える。回転方向は、例えば、図２中、Ｒに示すように、シャフト１００の角運動量ベクトルがｘ軸の負方向を向く方向とする。

ＳＡＷ素子２１が接合された切欠き１１０の底面１１０ａ近傍では、トルクの影響により、ＳＡＷ素子２１を伝搬するＳＡＷの伝搬経路の長さが伸びる方向に変形する。一方、ＳＡＷ素子２５が接合された切欠き１１０の底面１１０ａ近傍においても、トルクの影響により、ＳＡＷ素子２５を伝搬するＳＡＷの伝搬経路の長さが伸びる方向に変形する。シャフト１００に印加される外力がトルクのみであれば、ＳＡＷ素子２１または２５のいずれか一つを備えていることにより、数式４から、トルクを検出することができる。

しかしながら、シャフト１００に印加される外力はトルクのみとは限らない。例えば、トルクに加えて、シャフト１００がｚ軸正方向に凸になるように、ｙ軸周りの力のモーメントが印加されたとする（図３中、Ｍと示す）。本実施形態のようにトルクを検出するＳＡＷセンサ１０にとって、ｙ軸周りの力のモーメント（以下、撓みと表現する）は、数式７に示すノイズに相当する。

シャフト１００の撓みに起因するＳＡＷ素子２１，２５の変形よる、ＳＡＷの伝搬速度の変化は極めて小さい（δｖｉ≒０）と仮定すると、数式７は数式８のように表すことができる。

従来構成のように、ただ一つのＳＡＷ素子を有するＳＡＷセンサにおいては、δλ≠０であるから、δθをゼロにすることができず、位相角θの観測値として、シャフト１００の撓みの成分δθが必ず重畳してしまう。

これに対して、本実施形態では、２つのＳＡＷ素子２１，２５が信号処理回路３０に対して直列に接続されている。加えて、上記したように、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５におけるＳＡＷの伝搬方向が直交する（互いの伝搬方向の成す角は９０度）ように配置されている。

このため、シャフト１００の撓みにより、ＳＡＷ素子２１が接合された切欠き１１０の底面１１０ａ近傍では、ＳＡＷ素子２１を伝搬するＳＡＷの伝搬経路の長さが伸びる方向に変形する。一方、ＳＡＷ素子２５が接合された切欠き１１０の底面１１０ａ近傍では、ＳＡＷ素子２５を伝搬するＳＡＷの伝搬経路の長さが縮む方向に変形する。また、ＳＡＷ素子２１，２５がｘｙ平面に対して対称に配置されている。このため、ＳＡＷ素子２１，２５の変形量は、絶対値が等しく、符号が逆の関係となる。すなわち、δλ_１＝−δλ_２（≠０）である。つまり、ＳＡＷ素子２１，２５を直列に接続しつつ、上記のように配置することにより、数式８から、δθ＝０とすることができる。したがって、本実施形態のようにＳＡＷセンサ１０を構成することにより、ノイズを補正しつつトルクによるシャフトの歪みを測定することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、数式７におけるδθがゼロと等しくなる、あるいは可能な限りゼロに近づけるように、ＳＡＷの伝搬方向の相対的な角度のみを調整する例を示した。これに対して、本実施形態では、ＳＡＷ素子２１，２５の、圧電体基板２２，２６の厚さを調整する例に説明する。例えば、ＳＡＷ素子２１，２５の設置角度に制限がある場合などに適用可能である。なお、信号処理回路３０およびＳＡＷ素子２１，２５の電気的接続の様態は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

先ず、ＳＡＷ素子２１，２５の幾何学的配置について説明する。

本実施形態におけるＳＡＷ素子２１，２５の配置は、図５に示すように、ＳＡＷ素子２１について、ＳＡＷの伝搬方向が、ｘ軸およびｙ軸に対して、例えば４５度を成すように配置されている（第１実施形態と同様）。一方、ＳＡＷ素子２５は、ＳＡＷの伝搬方向がｘ軸の沿うように配置されている。すなわち、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５におけるＳＡＷの伝搬方向の成す角が４５度となるように配置されている。

そして、本実施形態では、ＳＡＷ素子２５を構成する圧電体基板２６の厚さが、ＳＡＷ素子２１の圧電体基板２２の厚さよりも厚くされている。

次に、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。

第１実施形態と同様に、トルクに加えて、シャフト１００がｚ軸正方向に凸になるように、ｙ軸周りの力のモーメントが印加された場合を考える。トルクの影響によるシャフト１００の変形は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

そして、シャフト１００の撓みにより、ＳＡＷ素子２１が接合された切欠き１１０の底面１１０ａ近傍では、ＳＡＷ素子２１を伝搬するＳＡＷの実効的な伝搬経路の長さが伸びる方向に変形する。一方、ＳＡＷ素子２５が接合された切欠き１１０の底面１１０ａ近傍では、ＳＡＷ素子２５を伝搬するＳＡＷの伝搬経路の長さが縮む方向に変形する。本実施形態では、ＳＡＷ素子２５が、ＳＡＷの伝搬方向としてｘ軸と平行に配置されており、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５におけるＳＡＷの伝搬方向の成す角が４５度となるように配置されている。このため、仮に、ＳＡＷ素子２１，２５を構成する圧電体基板２２，２６の厚さが互いに同一である場合には、シャフト１００の撓みによる、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５の伝搬経路の長さの変化δλ_１およびδλ_２は、｜δλ_１｜＜｜δλ_２｜の関係となる（δλ_１≒−δλ_２ｃｏｓ４５°）。したがって、数式８に示すδθをゼロとすることができない。

このため、本実施形態では、ＳＡＷ素子２５を構成する圧電体基板２６の厚さが、ＳＡＷ素子２１の圧電体基板２２の厚さよりも厚くされている。これにより、ＳＡＷ素子２５の圧電体基板２６表面がシャフト１００の変形の影響を受けにくくなり、圧電体基板２６表面の変形量を減ずることができる。すなわち、圧電体基板２６の厚さを調整することで、｜δλ_１｜＝｜δλ_２｜の関係を満足するようにすることができる。このように、ＳＡＷ素子２１の圧電体基板２２の厚さと、ＳＡＷ素子２５の圧電体基板２６の厚さの関係を調整することにより、数式８に示すδθをゼロとすることができる。

なお、本実施形態では、ＳＡＷ素子２５が、ＳＡＷの伝搬方向としてｘ軸と平行にされ、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５におけるＳＡＷの伝搬方向の成す角が４５度となるように配置される例について説明したが、各素子２１，２５の配置はこの例に限定されない。各素子２１，２５の幾何学的な配置に応じて、圧電体基板２２，２６の厚さを調整すればよい。

（第２実施形態の変形例）
第２実施形態ではＳＡＷ素子２１，２５をそれぞれ構成する圧電体基板２２，２６の厚さを調整することにより、δθ＝０とするようにした。第２実施形態に変形例として、図６に示すように、シャフト１００とＳＡＷ素子２１，２５とを接合するための接合材５０の厚さを調整してもよい。具体的には、シャフト１００とＳＡＷ素子２１とを接合する接合材５１の厚さよりも、シャフト１００とＳＡＷ素子２５とを接合する接合材５２の厚さを厚くするようにすれば、第２実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、接合材５２の厚さを調整することで、｜δλ_１｜＝｜δλ_２｜の関係を満足するようにすることができる。このように、シャフト１００とＳＡＷ素子２１の接合材５１の厚さと、シャフト１００とＳＡＷ素子２５の接合材５２の厚さの関係を調整することにより、数式８に示すδθをゼロとすることができる。

なお、接合材５０は、例えば、ガラス素材を用いることができる。

（第３実施形態）
第２実施形態では、ＳＡＷ素子２１，２５を構成する圧電体基板２２，２６、若しくは、ＳＡＷ素子２１，２５とシャフト１００とを接合する接合材５１，５２の厚さを調整することで数式８に示すδθをゼロにする例を示した。これに対して、本実施形態では、ＳＡＷ素子２１，２５の体格もしくはＩＤＴ２３，２４，２７や反射器２８の配置を変更することによりＳＡＷの実効的な伝搬経路の長さ（λ_１，λ_２）を調整して数式８に示すδθをゼロにする例について説明する。

本実施形態においても、ＳＡＷ素子２１，２５が、図５に示すような幾何学的配置をされていることを仮定する。すなわち、第２実施形態と同様に、ＳＡＷ素子２５が、ＳＡＷの伝搬方向としてｘ軸と平行に配置されており、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５におけるＳＡＷの伝搬方向の成す角が４５度となるように配置されている。

図５に示すような幾何学的配置の場合、第２実施形態と同様に、仮にＳＡＷ素子２１，２５の伝搬経路の長さが互いに同一である場合には、シャフト１００の撓みによる、ＳＡＷ素子２１およびＳＡＷ素子２５の伝搬経路の長さの変化δλ_１およびδλ_２は、｜δλ_１｜＜｜δλ_２｜の関係となる。このため、数式８に示すδθをゼロにすることができない。

これに対して、本実施形態では、図７に示すように、反射型のＳＡＷ素子２５の体格自体を小さくすることにより伝搬経路の長さλ_２（換言すると、ＩＤＴ２７と反射器２８との間をＳＡＷが伝搬する距離ｘ_２）が短くされている。伝搬経路の長さの変化δλは、変形前の伝搬経路の長さλに比例する。このため、反射型のＳＡＷ素子２５の伝搬経路の長さλ_２を短くすることにより、｜δλ_１｜＝｜δλ_２｜の関係を満足するようにすることができる。このように、ＳＡＷ素子２１の伝搬経路の長さλ_１と、ＳＡＷ素子２５の伝搬経路の長さλ_２の関係を調整することにより、数式８に示すδθをゼロとすることができる。

（第４実施形態）
本実施形態に係るＳＡＷセンサ１０は、第１実施形態の構成に加えて、図８に示すように、ＳＡＷ素子２１において、ＩＤＴ２３，２４が形成された圧電体基板２２の表面に被覆膜６１を有する。また、ＳＡＷ素子２５においても、ＩＤＴ２３および反射器２８が形成された圧電体基板２６の表面に被覆膜６２を有する（以下、被覆膜６１，６２を合わせて被覆膜６０と示す）。なお、図８は、図１におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図であるが、ＳＡＷ素子２１，２５が、信号処理回路３０に対して互いに直列に接続されていることを明示するために、信号処理回路３０と配線とを描画している。

第１実施形態に係るＳＡＷセンサ１０では、シャフト１００の撓みによるノイズ成分を、ＳＡＷ素子２１，２５の幾何学的配置により相殺するものである。しかしながら、第１の実施形態に示した様態では、他のノイズ成分、例えば、温度によるＳＡＷ素子２１自身の変形やシャフト１００の変形の成分、を相殺することができない。また、温度変化に起因するＳＡＷの伝搬速度の変化についても補正することができない。

これに対して、本実施形態では、ＳＡＷ素子２１，２５が被覆膜６０を有する。この被覆膜６０は、励振用電極（ＩＤＴ２３，２４，２７、および反射器２８）を覆うように形成される。本実施形態における被覆膜６０はガラスを主成分としており、負の熱膨張率を有するタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ_２Ｏ_８）を含む。すなわち、ＳＡＷ素子２１，２５は、正の熱膨張率を有するニオブ酸リチウムを主成分とする圧電体基板２２，２６と、負の熱膨張率を有する被覆膜６０とから構成される。

被覆膜６０は、その負の熱膨張率により、圧電体基板２２，２６の変形を妨げる。また、被覆膜６０と圧電体基板２２，２６の界面を伝搬するＳＡＷの伝搬速度も、被覆膜６０の質量負荷効果により、被覆膜６０がない場合に較べて遅くなる。被覆膜６０のこれらの効果は、被覆膜６０の厚さに依存し、被覆膜６０の厚さを調整することによって、ＳＡＷ素子２１，２５全体の熱膨張率を調整できるとともに、ＳＡＷの伝搬速度も調整することができる。本実施形態では、トランスバーサルフィルタ型のＳＡＷ素子２１が有する被覆膜６１の膜厚よりも、反射型のＳＡＷ素子２５が有する被覆膜６２の膜厚が厚くされている。これにより、ＳＡＷ素子２１は圧電体基板２２の熱膨張特性が優位とされ正の熱膨張率を有し、ＳＡＷ素子２５は被覆膜６２の熱膨張特性が優位となって負の熱膨張率を有するようにできる。また、ＳＡＷ素子２５を伝搬するＳＡＷの伝搬速度はＳＡＷ素子２１の伝搬速度よりも小さくなる。

このように、被覆膜６０の厚さを調整することにより、各ＳＡＷ素子２１，２５の実効的な伝搬経路の長さの変化（δλｉ）の正負、および、ＳＡＷの伝搬速度の変化（δｖｉ）を変更することができる。したがって、被覆膜６０の厚さを調整することによって、数式７に示す位相角の変化δθをゼロにすることができる。本実施形態の構成は、とくに温度に起因するＳＡＷ素子２１，２５の変形による、位相角のノイズを補正することに好適である。なお、負の熱膨張率を有する材料としては、タングステン酸ジルコニウムに代えて、Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ｎＳｉＯ_２などのシリコン酸化物を用いてもよい。

（第５実施形態）
上記した各実施形態におけるＳＡＷセンサ１０は、２つのＳＡＷ素子２１，２５を有し、それが直列に接続された例を示した。すなわち、特許請求の範囲に記載のｎ個の弾性表面波素子において、ｎ＝２の場合を示した。また、直列素子群２９は１つである例を示した。これに対して、本実施形態では、１つの直列素子群２９において、ｎ＝３の例を示す。

本実施形態におけるＳＡＷセンサ１０は、図９に示すように、ＳＡＷ素子２０として、信号処理回路３０に対して直列に接続された３つのＳＡＷ素子７１，７２，７３を有する。具体的には、トランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子７１が信号処理回路３０に接続され、同じくトランスバーサルフィルタ型のＳＡＷ素子７２がＳＡＷ７１に直列接続され、反射型ＳＡＷ素子７３がＳＡＷ素子７２に直列接続される。そして、これらのＳＡＷ素子７１〜７３は、図１０に示すように、シャフト１００の円周に沿って順に配置される。例えば、ＳＡＷ素子７１は接合面７１ａがｚ軸に直交する面に沿うように配置される。また、ＳＡＷ素子７２は接合面７２ａがｙ軸に直交する面に沿うように配置される。また、ＳＡＷ素子７３は、接合面７３ａがｙｚ座標系における第４象限に位置するように配置される。そして、第１実施形態〜第４実施形態で示したように、ＳＡＷ素子７１〜７３の配置や被覆膜の厚さ等を調整する。

これによれば、本実施形態に係るＳＡＷセンサ１０は、第１実施形態に例示したようなｙ軸周りの力のモーメントに起因する撓みに加えて、ｚ軸周りの力のモーメントに起因する撓みに対しても感度を有する。よって、シャフト１００の撓みの成分をより正確に補正することができる。

（第６実施形態）
上記した各実施形態では、直列素子群２９が１つの例を示したが、この例に限定されない。本実施形態におけるＳＡＷセンサ１０は、図１１に示すように、直列素子群２９ａと２９ｂとを有する。直列素子群２９ａは、信号処理回路３０に接続されたＳＡＷ素子８１と、ＳＡＷ素子８１に直列接続されたＳＡＷ素子８２とを有する。また、直列素子群２９ａは、直列素子群２９ａと共通のＳＡＷ素子８１と、ＳＡＷ素子８１に直列接続されたＳＡＷ素子８３，８４とを有する。

このような構成では、複数のノイズ成分に対して、それぞれ個別に補正することができる。例えば、シャフト１００に取り付けられるトルクセンサにおいて、直列素子群２９ａでは温度によるＳＡＷ素子２０の変形を補正することができる。また、直列素子群２９ｂではシャフト１００の撓みによるＳＡＷ素子２０の変形を補正することができる。

なお、本実施形態では、例えば直列素子群２９ｂについて、トランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子８１，８３と反射型ＳＡＷ素子８４が直列に接続された例を示したが、トランスバーサルフィルタ型ＳＡＷ素子８１に直接反射型ＳＡＷ素子８４が接続された構成であってもよい。すなわち、直列素子群内のＳＡＷ素子の数は、ノイズを相殺するに十分な数だけでよい。

（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、ある直列素子群において、ｎ＝２、ｎ＝３の場合について説明したが、上記例に限定されるものではない。直列に接続して直列素子群を構成するＳＡＷ素子は任意の数でよい。ただし、ＳＡＷ素子はノイズとなる成分を補正するために必要な数を用いればよく、とくに上記実施形態のように、ｎ＝２であっても十分な効果を奏することができる。加えて、ｎ＝２とすることにより、より簡素な構成を以って、ノイズを補正しつつ所望の物理量を検出することができる。

また、直列素子群２９についても、上記した各実施形態に示した数に限定されるものではない。第６実施形態のように、直列素子群２９を複数有する場合には、直列素子群２９それぞれの遅延時間を意図的に異ならせるか、あるいは、それぞれ異なる駆動周波数ｆで動作させることにより、各直列素子群２９からの信号を分離することができる。

１０・・・弾性表面波センサ
２０（２１，２５）・・・弾性表面波素子
２９・・・直列素子群
３０・・・信号処理回路
４０・・・アンテナ

Claims (8)

1. 被取付体（１００）に取り付けられ、該被取付体あるいは自身に作用した物理量を測定する弾性表面波センサであって、
   前記被取付体に配置される複数の前記弾性表面波素子（２０）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θを検出する信号処理回路（３０）と、を有し、
   ｎ個の前記弾性表面波素子が、前記信号処理回路に対して互いに電気的に直列に接続された直列素子群（２９）を成し、
   前記信号処理回路からｉ番目の前記弾性表面波素子の位相角をθｉとするとき、
   測定対象となる物理量の変化に起因する位相角の変化量を除く、測定対象でないノイズとなる物理量の変化に起因する位相角の変化量δθが、位相角θｉの変化量δθｉを用いて、次の数式１を満たすように、前記弾性表面波素子が設けられることを特徴とする弾性表面波センサ。
   

   
2. 前記弾性表面波素子のうち、１番目（ｉ＝１）の弾性表面波素子に対して、並列に接続された複数の前記弾性表面波素子を有し、これにより複数の前記直列素子群を備え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。
3. ｎ＝２であることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波センサ。
4. ｉ≧２の前記弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬路方向と、ｉ＝１の前記弾性表面波素子における弾性表面波の伝搬路方向との成す角を所定の角度とすることにより数式１を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。
5. 前記弾性表面波素子において、励振用電極が形成される基板の表面に直交する、基板の厚さを、複数の前記弾性表面波素子ごとに所定の厚さとすることにより数式１を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。
6. 前記弾性表面波素子と前記被取付体とを接合する接合材の厚さを、複数の前記弾性表面波素子ごとに所定の厚さとすることにより数式１を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。
7. 前記弾性表面波素子において、伝搬経路の長さを、複数の前記弾性表面波素子ごとに所定の長さとすることにより数式１を満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。
8. 前記弾性表面波素子は、励振用電極（２３，２４，２７，２８）が形成される基板の表面に、前記励振用電極を覆う、負の熱膨張率を有する被覆膜（６０）を有し、
   前記被覆膜の膜厚を、複数の前記弾性表面波素子ごとに所定の膜厚とすることにより数式１を満たすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性表面波センサ。

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