JPH0473532B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は光や電気などのパワーを検出したり
測定したりするために使用するパワーセンサに係
り、特に固定物質の表面を伝搬する表面弾性波
（SAW：Surface Acoustic Wave）を利用した
SAW遅延線の感温機能を応用したパワーセンサ
に関する。

〔従来の技術〕

電力及び光のパワーを検出するパワーセンサに
は、半導体の光電効果を利用したホトダイオー
ド、 ホトトランジスタ等や、サーミスタ、熱電対の
ように入力パワーを熱量に変換し、さらに該熱量
を抵抗値変化及び熱起電力に変換して、その変化
を検出する熱形センサなどがある。

この熱形センサには、サーミスタ、熱電対自身
が発熱するタイプと、近傍に発熱体を設け、該発
熱体から発生する熱量をサーミスタ、熱電対で検
出するタイプとがある。

また、このほかこの技術に属するものとして
SAW遅延線を用いたSAWパワーセンサ（特願昭
60−14523号、特願昭60−049289号、同一出願
人・同一発明者による）がある。これらのSAW
パワーセンサは、SAW温度センサを応用したも
のであり、その主たる構成要素は、発熱体、
SAW遅延線を含むSAW遅延線発振器で、この発
振器の発振回路においてSAW伝搬路の状態を熱
的に歪ませ、SAWの伝搬速度、もしくはSAW伝
搬経路長に変化を生じさせることにより、前記発
振回路の固有の発振周波数を変化させ、その変化
量から前記発熱体の受けたパワーを検出するもの
である。なお、これらのSAWパワーセンサは、
小型軽量、高精度であり、SAWセンサ部の製作
が容易で再現性が高いといつた特徴を有してい
る。また、デジタル的な計測が容易な周波数の変
化量として信号を出力するため、マイクロコンピ
ユータを用いた計測、プロセス制御にすぐに対応
できるという特色を持つている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

SAWセンサはパワーセンサに限らず、その大
多数がSAW発振回路を構成し、この発振回路の
固有発振周波数の変化によつて測定量を表示する
方式である。これは、SAW遅延線自体が受動的
なデバイスであり、自発的にエネルギーを放出し
たり、被測定物の放出エネルギーを他の形に変換
して出力したりするタイプのデバイスではないた
めである。このため、SAW遅延線をセンサに用
いる場合には、まず、SAW遅延線が安定に動作
する状態、すなわち、SAW遅延線を含む閉回路
が固有振動数で定常発振する状態を作る必要があ
る。

しかしながら、SAW遅延線に用いる圧電性基
板は基板固有のSAW速度の温度係数を持つてお
り、SAWパワーセンサを構成する場合にはこの
温度係数の大きい材料を基板に用いて感度の向上
を計つているが、このため周囲温度に敏感にな
り、発振器の固有発振周波数が変動するという問
題が生ずる。より高感度のセンサにするにはこの
周囲温度による周波数の変動を補償する方法が必
要となる。また、SAW遅延線の経時変化による
発振周波数の変動も同時に補償することが必要と
なる。さらにまた、SAWセンサをより実用的に
使用するため、周波数の制御や出力周波数の零調
整なども実現させる必要がある。

従来のSAWパワーセンサは周囲温度、経時変
化等の補償を考慮せずに構成されており、また入
力電力が零時の零調整機能等に代表される発振周
波数の制御機能を備えていないため、実用化の面
で問題を残していた。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明では温度特性を有する圧電性結晶を基
板に用い、この基板上にSAWを送信及び受信す
る電極（交差指形電極ともIDTともいう。IDTは
Inter Digital Transducerの略）を設け、さらに
該SAWが伝搬する２つの電極、つまり、送信用
電極と受信用電極との間に入力されたパワーを熱
に変換する発熱体を有するSAW遅延線による発
振器を設け、この発振器により該入力されたパワ
ーを周波数の変化量として出力する発振器を２つ
用意し、２つの構造を実質的に同一または対称
（合同）とし、両発振器の周波数を混合してうな
り周波数を検出する構造とした。すなわち、温度
特性を補償するため上記SAW遅延線を同一圧電
性基板上に２個近接して配置し、一方を測定用、
もう一方を参照用とし、測定用のSAW遅延線上
の発熱体に電力信号を加える。この２つの伝搬路
を備えたSAW遅延線を使用し、各々の遅延線そ
れぞれに２つの発振回路を構成し、かつ、２つの
発振器の出力信号のうなりを検出することによ
り、外部温度の変動によるセンサの変動を補償す
ることができるようにした。このような構成によ
れば、同時に、センサの経時変化をも補償するこ
とができる。

また一方、参照用発振回路の遅延線に設けた発
熱体にも電力が供給できるようにしてあり、この
発熱体を熱して参照用発振回路の発振周波数を変
化させ、結果的にうなりの周波数を調整可能とし
た。

〔作 用〕

以上に述べた構成、すなわち、２つの合同構造
を同一基板上に形成し、うなり周波数を検出する
構成により、本発明のSAWパワーセンサは、外
部温度の変動を受けにくく、より直線性の良好な
センサになる。またSAWパワーセンサを構成す
る遅延線や電極の変質や劣化を原因とする経時変
化も差動方式にすることによつて補償できる。さ
らにまた、出力信号周波数の調整、及び零調整は
参照用発振回路の発熱体に電力を入力することに
より自由に行うことが可能である。

〔実施例〕

第１図は本発明に使用するSAW遅延線の一実
施例の構成図を示している。１枚の圧電性基板１
上にSAWを発射するための送信用IDT電極２ａ，
２ｂと、それぞれの送信用IDTから発射された
SAWを受信するための受信用IDT電極３ａ，３
ｂと、それぞれの送信用IDT電極から発射された
SAWが同位相でそれぞれの送信用IDT電極に反
射しないようにするために、SAWの伝搬方向に
対し斜め方向に折り返して設け、外部より入力し
た電力を熱に変換する発熱体４ａ，４ｂを設けて
２つの独立したSAW伝搬路を持つSAW遅延線を
形成している。図示のように二つの独立した
SAW遅延線の形状は互に実質的に合同（同一も
しくは対称）である。

第２図は本発明の一実施例の構成を示す図であ
る。同一の圧電性基板上に送信用IDT電極を２つ
備え、かつ、それぞれのIDT電極より発射された
SAWを受信するための２つの受信用IDT電極を
備え、それぞれのSAW伝搬路には発熱体を設け
構成したSAW遅延線５（第１図のものと同じ）
と、発振回路を構成する増幅器６ａと、発振回路
を構成する増幅器６ｂと、電力入力端子７と、発
振周波数調整入力端子８と、２つの発振回路の発
振信号のうなりを取るための混合器９と、この混
合器の信号の包絡線だけを取り出す検波回路１０
よりSAWパワーセンサは構成される。増幅器６
ａを含む発振回路はたとえば測定すべきパワーで
周波数が変化するもの、増幅器６ｂを含む発振回
路は参照用の周波数を出力するものである。全て
のIDT電極の一方の電極及び発熱体の一端は接地
電位に接続されている。また発振周波数調整入力
端子は、電力を入力しない時、接地電位に接続さ
れている。以上のような構成によれば測定用発振
回路は被測定電力を入力すると、その電力による
抵抗体の発熱に起因してSAW遅延線のSAW伝搬
速度が変化し、発振回路の固有発振周波数が変化
する。しかしながら同時に外部温度の変化にも敏
感に反応し、センサの感度の劣化を招く。この外
部温度の変化は参照用発振回路の遅延線にも同等
の影響を及ぼすから参照用発振回路の固有発振周
波数も変化する。この変化は外部温度の変化のみ
に起因するものであるから、温度変化補償用の参
照信号として使用することができ、測定用発振回
路と参照用発振回路のうなりを取ることにより外
部温度によるSAWパワーセンサの変動を補償で
きる。

第３図は本発明のセンサにおける回路の一実施
例を示す。電源電圧の変動による発振周波数の変
動を抑えるため測定用及び、参照用発振回路は定
電圧源を使用した。測定用、参照用それぞれの発
振回路は２段の増幅器とSAW遅延線で構成され
る。それぞれの発振器の信号を取り出すために、
トランジスタ１段の固定バツフアが個々に設けて
ある。２つの発振信号の混合器は１段の増幅器で
構成され、測定用及び参照用発振回路の信号のう
なり信号を出力する。

第４図はこの回路での実際の出力信号を示す波
形である。ａは測定用発振回路の出力信号であ
り、ｂは参照用発振回路の出力信号である。これ
ら２つの信号は混合器に導入され、うなり信号ｃ
を出力する。この出力信号を検波回路を通して出
力するとｄのようにうなりの包絡線だけの信号と
なる。

第５図は上記の回路を使用し構成したSAWパ
ワーセンサの特性を示す図である。横軸は被測定
信号の電力値であり縦軸はこの入力に対するうな
り信号の発振周波数変化量を示す。被測定信号は
直流電力を用いた。うなりの発振周波数は入力電
力に対し直線性良く変化する。この直線の相関係
数はγ＝0.99997であつた。

このほかの実施例として発熱体４ａ，４ｂを光
を吸収発熱する黒体で設けるとか、そのうちの一
方のみを該黒体とし、他方を電気抵抗の発熱体と
することも実用される。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明のSAWパワーセン
サは、同一の圧電性基板上に同一の構造でSAW
遅延線を隣接して構成し、測定用及び参照用の発
振回路を備え、２つの発振信号のうなりを出力す
るため、従来このようなSAW遅延線を用いたパ
ワーセンサで問題となつた外部温度の変動による
分解能の低下、及びSAW遅延線の経時変化に起
因する発振周波数の変動を減少させることができ
る。

さらに出力信号周波数の設定や零調整などの周
波数制御は参照用発振回路の発熱体に電力を入力
することにより容易に行なうことが可能であり、
実用性の高いセンサとすることができる。

この結果、本発明のSAWパワーセンサは、安
定性、直線性を備え、加えて高感度のセンサであ
り、しかも出力信号は制御可能な周波数信号であ
るため、簡単な波形整形によりデジタル測定系に
直接利用できる等、産業上利用価値の高いもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のSAWパワーセンサを構成
するSAW遅延線の一実施例を示す図である。第
２図は、本発明のSAWパワーセンサの一実施例
を示す図である。第３図は、本発明のSAWパワ
ーセンサの回路の一実施例を示す図である。第４
図は、本発明のSAWパワーセンサの回路の一実
施例の出力波形を示す図である。第５図は、本発
明のSAWパワーセンサの回路の一実施例におけ
る電力対周波数変化量を示す図である。 図において、１は圧電性基板、２ａは送信用電
極、２ｂは送信用電極、３ａは受信用電極、３ｂ
は受信用電極、４ａは発熱体、４ｂは発熱体、５
はSAW遅延線、６ａは増幅器、６ｂは増幅器、
７は電力入力端子、８は発振周波数調整入力端
子、９は混合器、１０は検波回路を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電性基板と； 該圧電性基板の表面に設けられ第１のパワーを
   吸収して発熱する第１の発熱体と、該第１の発熱
   体で熱せられる該圧電性基板の表面に第１の表面
   弾性波を発射するための第１の送信用電極と、該
   発射された第１の表面弾性波を受信するための第
   １の受信用電極とを備えた第１の表面弾性波遅延
   線と； 該第１の表面弾性波遅延線を含む第１の発振器
   と； 該圧電性基板の表面に設けられ第２のパワーを
   吸収して発熱する第２の発熱体と、該第２の発熱
   体で熱せられる該圧電性基板の表面に第２の表面
   弾性波を発射するための第２の送信用電極と、該
   発射された第２の表面弾性波を受信するための第
   ２の受信用電極とを備え該第１の表面弾性波遅延
   線とは隣接し、しかも合同の形状をした第２の表
   面弾性波遅延線と； 該第２の表面弾性波遅延線を含む第２の発振器
   と； 前記第１の発振器と、前記第２の発振器の出力
   信号を混合し、測定すべきパワーに対応した周波
   数のうなりを出力する混合器より成るSAWパワ
   ーセンサ。