弾性表面波センサ素子及び弾性表面波センサ
【課題】部品点数を少なくして製造コストを低減した高感度かつ高分解能のＳＡＷセンサを提供する。
【解決手段】ＳＡＷセンサ素子１は長さ方向に薄板部３ａと厚板部３ｂとを有する圧電基板２と、薄板部上に形成された検出用ＳＡＷ共振子５及び第１ＳＡＷフィルタ６と、厚板部上に形成された基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とを備える。検出用ＳＡＷ共振子と第１ＳＡＷフィルタ間に第１発振回路２２を接続して検出用の発振周波数を発振させ、基準用ＳＡＷ共振子と第２ＳＡＷフィルタ間に第２発振回路２３を接続して基準用の発振周波数を発振させ、それらを第１及び第２ＳＡＷフィルタを通過させて不要な信号成分を除去した後、周波数混合器２４に入力してそれらの差分又は和分を検出する。
【解決手段】ＳＡＷセンサ素子１は長さ方向に薄板部３ａと厚板部３ｂとを有する圧電基板２と、薄板部上に形成された検出用ＳＡＷ共振子５及び第１ＳＡＷフィルタ６と、厚板部上に形成された基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とを備える。検出用ＳＡＷ共振子と第１ＳＡＷフィルタ間に第１発振回路２２を接続して検出用の発振周波数を発振させ、基準用ＳＡＷ共振子と第２ＳＡＷフィルタ間に第２発振回路２３を接続して基準用の発振周波数を発振させ、それらを第１及び第２ＳＡＷフィルタを通過させて不要な信号成分を除去した後、周波数混合器２４に入力してそれらの差分又は和分を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電基板上に形成したＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）により励振される弾性表面波（ＳＡＷ）を利用して、加速度、外力、変位等を検出測定するＳＡＷセンサ及びそれに使用するためのＳＡＷセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳＡＷを利用して加速度、外力又は変位を測定する様々なセンサが提案されている（特許文献１乃至３）。例えば、特許文献１記載の外力センサは、圧電材料からなる長板状のビームを片持ちに支持し、該ビームの表裏両面にそれぞれＳＡＷを励振する送信電極及び受信電極と増幅器とからなる発振器を設けた構成を有する。前記ビームが外力の作用により撓むと、その表面に生じた歪みによりＳＡＷの伝搬速度が変化して両発振器の発振周波数が変化するので、それら発振周波数の差をローパスフィルタで取り出して、外力の大きさを測定する。更に特許文献２記載の傾斜センサは、カンチレバーの両面に形成したＳＡＷ共振器の送信電極及び受信電極の電極パターンを互いに相似パターンとすることにより、両ＳＡＷ共振器の温度特性の相違に起因する差周波数の温度ドリフトを抑えて計測精度の向上を図っている。
【０００３】
また、特許文献３記載の外力センサは、同様に片持ちに支持したカンチレバーの表面にそれぞれ櫛形電極からなる送信部及び受信部を有するＳＡＷ共振器が配置されている。送信部及び受信部を前記カンチレバーの長さ方向に配置した実施例では、該レバーの長さ方向即ち上下の変位を検出でき、該レバーの長さ方向と垂直に即ち幅方向に配置した実施例では、ねじれ即ち幅方向の変位を検出することができる。更に、前記カンチレバーの表面に２つの平行に配置した受信部と共通の送信部とを設けた実施例では、各受信部の信号の和と差とから長さ方向の変位及びねじれ変位を同時に検出することができる。
【０００４】
更に、ＳＡＷを利用して圧力を測定する圧力センサ装置が知られている（例えば、特許文献４を参照）。この圧力センサ装置は、圧電基板の厚みを薄くした肉薄部に圧力検出用ＳＡＷ素子を設け、かつそれ以外の肉厚部に参照用ＳＡＷ素子を設け、両ＳＡＷ素子の共振周波数の差分をとり、その変化により圧力を検出する。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−２２８５３０号公報
【特許文献２】特開平５−１４１９６９号公報
【特許文献３】特開平９−１３３６９１号公報
【特許文献４】特再表ＷＯ２００５／０５２５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般にＳＡＷを利用したセンサは、ＳＡＷ共振器から出力される周波数の変化を検出するので、出力される電圧の変化を検出するタイプのセンサに比して、測定対象の僅かな変動も高感度に検出し得る特徴を有する。高いセンサ感度を確保するためには、出力される信号の純度を高くする必要があり、そのためにバンドパスフィルタが使用されている。しかしながら、上述した従来のＳＡＷを利用したセンサは、検出される２つの周波数を混合するミキサの後段に、ＳＡＷ共振器を形成したカンチレバー状の圧電基板とは別個のバンドパスフィルタを接続している。その結果、部品点数が増加して製造コストが増大し、かつセンサ全体の構成が複雑になるという問題が生じる。
【０００７】
また、高感度かつ高分解能のセンサを実現するためには、圧電基板のＳＡＷ共振器及び／又はそれからなる発振器と後段のバンドパスフィルタとをバランス良くマッチングさせることが必要である。しかしながら、従来のように圧電基板とバンドパスフィルタとを別個に構成した場合、例えば温度特性等において両者の個体差が大きくなり易く、センサ全体として性能にばらつきや低下を生じる等の不都合を生じる虞がある。
【０００８】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を少なくして製造コストの増大を抑制でき、性能のばらつきが少なく、高感度かつ高分解能のＳＡＷセンサを実現することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、かかるＳＡＷセンサを実現するのに適したＳＡＷセンサ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、上記目的を達成するために、長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板、圧電基板の薄板部上に形成されてＳＡＷを励振するための検出用ＩＤＴ、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための基準用ＩＤＴ、圧電基板上に形成されかつ検出用ＩＤＴの出力に接続する第１ＳＡＷフィルタ、及び圧電基板上に形成されかつ基準用ＩＤＴの出力に接続する第２ＳＡＷフィルタを備えるＳＡＷセンサ素子と、ＳＡＷセンサ素子の検出用ＩＤＴと第１ＳＡＷフィルタとの間を接続する第１発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の基準用ＩＤＴと第２ＳＡＷフィルタとの間を接続する第２発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の第１ＳＡＷフィルタ及び第２ＳＡＷフィルタの各出力に接続した周波数混合器と、周波数混合器に接続した周波数検波器とを備えるＳＡＷセンサが提供される。
【００１１】
ＳＡＷを励振する検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴは、例えばそれぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴとその両側に配置した反射器とを有する２ポート型のＳＡＷ共振子若しくはＳＡＷフィルタとして、又は１対の交差指電極対からなるＩＤＴとその両側に配置した反射器とを有する１ポート型のＳＡＷ共振子として、又は、それぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴを有するトランスバーサル型のＳＡＷフィルタとして構成することができる。
【００１２】
外力等の負荷がＳＡＷセンサ素子に作用したとき、それにより生じた薄板部表面の歪みによってＳＡＷの伝搬速度が変化して、周波数混合器から取り出される検出側の発振周波数と基準側の発振周波数との差分及び和分が無負荷状態での周波数値から変動するので、これらのいずれか一方を周波数検波器で検出することにより、作用した外力等を測定することができる。その際に第１及び第２発振回路から出力される発振周波数は、それぞれ第１及び第２ＳＡＷフィルタによって、ノイズとなり得る余分な周波数成分がカットされ、所望範囲の周波数成分のみが後段の周波数混合器に入力するので、作用した外力等を高感度にかつ高分解能で検出することができる。
【００１３】
更に、検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと同じ圧電基板上に第１及び第２ＳＡＷフィルタが形成されているので、ＳＡＷセンサ全体として構成を簡単にしかつ部品点数を少なくすることができる。また、検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと第１及び第２ＳＡＷフィルタとは、従来の製造工程をそのまま利用して圧電基板上に同時に形成できるので、製造コストを低減でき、かつそれらの個体差による性能のばらつきを少なくすることができる。
【００１４】
このとき、第１ＳＡＷフィルタを検出用ＩＤＴと共に圧電基板の薄板部に設けると、その周波数特性は、温度変化や該薄板部に生じる歪み等の影響を受けて検出用ＩＤＴと同様にシフトなどするので、好都合である。特に検出用ＩＤＴと第１ＳＡＷフィルタとは、圧電基板の長さ方向に互いに平行に配置すると、薄板部の撓みにより生じる歪みが圧電基板の長さ方向に沿って略等しく作用するので、好都合である。
【００１５】
また、圧電基板の薄板部には検出用ＩＤＴのみを設けて、それ以外の圧電基板の領域に第１ＳＡＷフィルタを設けると、薄板部の面積を小さくできるので、ＳＡＷセンサ素子に作用する外力等が同じ大きさであっても、薄板部の単位面積当たりに受ける応力が大きくなる。その結果、検出側の発振周波数の変動量がより大きくなるので、ＳＡＷセンサをより高感度にすることができる。
【００１６】
或る実施例では、第１発振回路及び第２発振回路の構成部品の全部又は一部がＳＡＷセンサ素子の圧電基板上に形成される。これにより、ＳＡＷセンサを構成する部品点数をより少なくして構成全体をより簡単にし、製造コストをより低減することができる。
【００１７】
別の実施例では、圧電基板をその長さ方向に沿って厚板部側の端部を自由端としかつ薄板部側の端部を剛固に固定して、ＳＡＷセンサ素子を片持ちに支持する。これにより、ＳＡＷセンサ素子に外力や加速度が作用すると、その大きさ及び向きに対応して厚板部側の端部が変位して薄板部が撓み、該薄板部表面におけるＳＡＷの伝搬速度が変化するので、検出側の発振周波数と基準側発振周波数との差分又は和分から加速度、外力又は変位を測定するためのセンサを構成することができる。
【００１８】
更に別の実施例では、周波数混合器と周波数検波器との間に接続したバンドパスフィルタを更に備える。これにより、周波数混合器から出力される前記発振周波数の差分又は和分を選択的に取り出すことができる。
【００１９】
本発明の別の側面によれば、長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、圧電基板の薄板部上に形成されてＳＡＷを励振するための検出用ＩＤＴと、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための基準用ＩＤＴと、圧電基板上に形成されかつ検出用ＩＤＴの出力に接続する第１ＳＡＷフィルタと、圧電基板上に形成されかつ基準用ＩＤＴの出力に接続する第２ＳＡＷフィルタとを備えるＳＡＷセンサ素子が提供される。
【００２０】
このＳＡＷセンサ素子は、第１及び第２ＳＡＷフィルタが、それぞれ検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴの共振周波数に基づいて発振される発振周波数からノイズとなり得る余分な周波数成分をカットし、所望帯域の周波数成分のみを出力させるので、高感度かつ高分解能のＳＡＷセンサを実現することができる。１つの圧電基板上に検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと第１及び第２ＳＡＷフィルタとが形成されているので、これを用いてＳＡＷセンサを構成したとき、センサ全体の構成を簡単にしかつその部品点数を少なくすることができる。
【００２１】
或る実施例では、ＳＡＷセンサ素子が、検出用ＩＤＴと第１ＳＡＷフィルタとの間を接続する第１発振回路の構成部品の全部又は一部と、基準用ＩＤＴと第２ＳＡＷフィルタとの間を接続する第２発振回路の構成部品の全部又は一部とを圧電基板上に備える。これを用いて構成されるＳＡＷセンサは、その部品点数をより少なくし、製造コストをより低減することができる。また、これら第１発振回路及び第２発振回路の構成部品を含めて、圧電基板上の構成要素及び配線は、従来の製造工程をそのまま利用して形成できるので、より好都合である。
【００２２】
別の実施例では、第１ＳＡＷフィルタ及び第２ＳＡＷフィルタの出力に接続されるバンドパスフィルタの構成部品の一部を圧電基板上に備える。これを用いて構成されるＳＡＷセンサは、その部品点数を更に少なくし、製造コストを更に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。各図において、同一又は類似の構成要素には、同一又は類似の参照符号を付して表示する。
【００２４】
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第１実施例の構成を概略的に示している。本実施例のＳＡＷセンサ素子１は、所定の長さ及び幅を有する矩形の水晶からなる圧電基板２を有する。圧電基板２は、長さ方向に沿って図中左側の長さ方向端部２ａ寄りにエッチング等で下面に凹部を設けた薄板部３ａと、それから右側の長さ方向端部２ｂまで延長する厚板部３ｂとを有する。圧電基板２は、例えばリチウムタンタレート、リチウムナイオベート等の水晶以外の公知の圧電材料で形成することができる。ＳＡＷセンサ素子１を用いるＳＡＷセンサが加速度、外力又は変位を測定するセンサである場合、圧電基板２は、一方の長さ方向端部２ａを固定端として支持部４に剛固に固定し、かつ他方の長さ方向端部２ｂを自由端として、片持ちに支持する。
【００２５】
圧電基板２の上面には、薄板部３ａの領域に検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６とが形成され、厚板部３ｂの領域に基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とが形成されている。検出用ＳＡＷ共振子５は２ポート型で、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂからなる入力側ＩＤＴ９及び出力側ＩＤＴ１０と、それらの両側に配置された各１個の反射器１１，１１とを有する。第１ＳＡＷフィルタ６は縦二重モードで、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂからなる入力側ＩＤＴ１２及び出力側ＩＤＴ１３と、それらの両側に配置された各１個の反射器１４，１４とを有する。本実施例の検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６とは、それぞれＳＡＷの伝搬方向を圧電基板２の長さ方向と平行に、かつ互いに並列に配置されている。
【００２６】
第１ＳＡＷフィルタ６の通過帯域は、検出用ＳＡＷ共振子５の共振周波数が確実に含まれるように設定する。或る実施例では、第１ＳＡＷフィルタ６の中心周波数を検出用ＳＡＷ共振子５の共振周波数と一致させることができる。これは、例えば基準用ＳＡＷ共振子７の入力側及び出力側ＩＤＴ９，１０の電極ピッチと第１ＳＡＷフィルタ６の入力側及び出力側ＩＤＴ１２，１３の電極ピッチとを同じにすることにより実現される。
【００２７】
同様に、基準用ＳＡＷ共振子７は２ポート型で、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂからなる入力側ＩＤＴ１５及び出力側ＩＤＴ１６と、それらの両側に配置された各１個の反射器１７，１７とを有する。第２ＳＡＷフィルタ８は縦二重モードで、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂからなる入力側ＩＤＴ１８及び出力側ＩＤＴ１９と、それらの両側に配置された各１個の反射器２０，２０とを有する。本実施例の基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とは、それぞれＳＡＷの伝搬方向を圧電基板２の長さ方向と平行に、かつ互いに並列に配置されている。
【００２８】
第２ＳＡＷフィルタ８の通過帯域は、基準用ＳＡＷ共振子７の共振周波数が確実に含まれるように設定する。或る実施例では、第２ＳＡＷフィルタ８の中心周波数を基準用ＳＡＷ共振子７の共振周波数と一致させることができる。これは、同様に基準用ＳＡＷ共振子７の入力側及び出力側ＩＤＴ１５，１６の電極ピッチと第２ＳＡＷフィルタ８の入力側及び出力側ＩＤＴ１８，１９の電極ピッチとを同じにすることにより実現される。
【００２９】
図２は、図１のＳＡＷセンサ素子１を用いたＳＡＷセンサ２１の構成を示している。ＳＡＷセンサ２１は、ＳＡＷセンサ素子１に加えて、検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６との間に接続された第１発振回路２２と、基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８との間に接続された第２発振回路２３とを有する。前記第１及び第２ＳＡＷフィルタの各出力端子６ａ，８ａは周波数混合器２４に接続され、その出力は周波数検波器２５に接続されている。周波数検波器２５は、例えば周波数カウンタで構成される。
【００３０】
第１発振回路２２は、例えば前記検出用ＳＡＷ共振子の出力用ＩＤＴ１０に接続された増幅器と位相器とＤＣカット用キャパシタからなり、該位相器の出力が前記検出用ＳＡＷ共振子の入力用ＩＤＴ９に帰還させる帰還回路で構成されている。第１発振回路２２は、検出用ＳＡＷ共振子５の共振周波数に基づいて所定の検出周波数ｆs を発振させて出力する。
【００３１】
同様に、第２発振回路２３は、例えば前記基準用ＳＡＷ共振子の出力用ＩＤＴ１６に接続された増幅器と位相器とＤＣカット用キャパシタからなり、該位相器の出力が前記検出用ＳＡＷ共振子の入力用ＩＤＴ１５に帰還させる帰還回路で構成されている。第２発振回路２３は、基準用ＳＡＷ共振子７の共振周波数に基づいて所定の基準周波数ｆr を発振させて出力する。
【００３２】
第１発振回路２２から出力された発振周波数ｆs は、第１ＳＡＷフィルタ６によりノイズとなり得る余分な周波数成分をカットし、所望範囲の周波数成分を通過させて周波数混合器２４に出力する。同様に、第２発振回路２３から出力された発振周波数ｆr は、第２ＳＡＷフィルタ８によりノイズとなり得る余分な周波数成分をカットし、所望範囲の周波数成分を通過させて前記周波数混合器に出力する。周波数混合器２４は、入力した２つの発振周波数ｆs ，ｆr の差分（Δｆ＝ｆs −ｆr ）と和分（ｆs ＋ｆr ）とを取り出し、周波数検波部２５に出力する。前記発振周波数の差分及び和分は、周波数混合器２４と周波数検波部２５との間にローパスフィルタ又はハイパスフィルタを挿入することにより、選択的に取り出すことができる。
【００３３】
ＳＡＷセンサ２１は、上述したようにＳＡＷセンサ素子１を一方の長さ方向端部２ａで支持部４に剛固に固定して片持ちに支持した場合、次のように動作する。ＳＡＷセンサ素子１は、加速度や外力が作用すると、長さ方向端部２ａを支点として、自由端の長さ方向端部２ｂが、図１（Ｂ）に矢印２６で示すように圧電基板２の表面に対して垂直方向に変位する。
【００３４】
ＳＡＷセンサ素子１に加速度又は外力が全く作用せず、長さ方向端部２ｂが変位していない無負荷状態において、検出側の発振周波数ｆs と基準側の発振周波数ｆr とを同一に設定することができる。この場合、発振周波数ｆs ，ｆr の差分Δｆは０である。別の実施例では、発振周波数ｆs ，ｆr を異なる値に設定することができる。
【００３５】
ＳＡＷセンサ素子１に加速度又は外力が作用して長さ方向端部２ｂが変位すると、圧電基板２の薄板部３ａが撓み、その上面に撓みの向きによって引張歪み又は圧縮歪みが発生する。これにより、薄板部３ａ上面におけるＳＡＷの伝搬速度が変化し、検出側の第１発振回路２２からの発振周波数が増加又は減少する。他方、厚板部３ｂは、長さ方向端部２ｂが変位しても撓まないので、基準側の第２発振回路２３からの発振周波数ｆr は変動しない。従って、前記ＳＡＷセンサ素子に作用した加速度又は外力の大きさを、発振周波数ｆs ，ｆr の差分又は和分として高感度に検出することができる。
【００３６】
本実施例では、検出用ＳＡＷ共振子５及び基準用ＳＡＷ共振子７を形成した１つの圧電基板２上に第１及び第２ＳＡＷフィルタ６，８を形成することにより、ＳＡＷセンサを構成する部品点数を少なくでき、かつそれらを同時に従来の製造工程をそのまま利用して形成できるので、製造コストを低く抑制することができる。
【００３７】
更に本実施例では、第１ＳＡＷフィルタ６が検出用ＳＡＷ共振子５と同じ薄板部３ａに設けられるので、その周波数範囲は温度変化や該薄板部の歪みに応じて、検出用ＳＡＷ共振子５と同様に変化する。従って、それらを別個に設けた場合に比して性能のばらつきを少なくすることができ、第１ＳＡＷフィルタ６を比較的狭帯域に設定しても、その周波数範囲に検出側の発振周波数ｆs が確実に含まれるようにできるので、より高性能で高感度なＳＡＷセンサが得られる。
【００３８】
図３は、本実施例のＳＡＷセンサ２１の周波数特性を示している。同図において、実線は、本実施例において周波数検波部２５から出力された信号を電圧に変換して表示したものである。更に同図には、比較例として、本実施例のＳＡＷセンサ素子１から第１及び第２ＳＡＷフィルタ６，８を省略した場合の出力信号を破線で示す。同図から、本実施例では、中心周波数付近の狭い範囲以外の周波数領域に含まれるノイズ成分を有効に除去できることが分かる。
【００３９】
また別の実施例では、検出用ＳＡＷ共振子５及び基準用ＳＡＷ共振子７をそれぞれＳＡＷフィルタで構成することができる。この場合、これらの検出用及び基準用ＳＡＷフィルタは位相器として使用し、それぞれ所定の発振周波数ｆs ，ｆr を発振できるように第１及び第２発振回路２２，２３を構成する。
【００４０】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の変形例の構成を概略的に示している。本実施例は、第１及び第２発振回路２２，２３の一部を構成するＤＣカット用キャパシタ２７，２８を圧電基板１上に形成した点において、図１の構成と異なる。これにより、ＳＡＷセンサを構成する部品点数をより少なくし、製造コストをより低く抑制することができる。また、ＳＡＷセンサ素子１は、圧電基板上に各構成要素及び配線を同時に従来の製造工程をそのまま利用して形成できるので、より好都合である。
【００４１】
更に別の実施例では、ＤＣカット用キャパシタ２７，２８だけでなく、第１及び第２発振回路２２，２３を構成する他の全ての構成部品を圧電基板２上に形成することができる。これにより、更に部品点数を少なくしかつ製造コストを低減させることができる。
【００４２】
図５（Ａ）、（Ｂ）図は、第１実施例の別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例は、図２のＳＡＷセンサ２１において周波数混合器２５の出力から発振周波数の和分を除去するためのローパスフィルタの一部を構成するキャパシタ２９を圧電基板１上に形成した点において、図１の構成と異なる。この実施例では、キャパシタ２９以外の前記ローパスフィルタを構成するインダクタ等の部品３０が、ＳＡＷセンサ素子１とは別個の構成要素としてキャパシタ２９と周波数混合器２４との間に接続され、かつその出力３０ａが周波数検波器２５に接続されている。これにより、同様にＳＡＷセンサを構成する部品点数をより少なくし、製造コストをより低く抑制することができる。
【００４３】
図６（Ａ）、（Ｂ）図は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第２実施例の構成を概略的に示している。第２実施例のＳＡＷセンサ素子３１は、圧電基板３２が第１実施例の圧電基板２よりも細長く形成され、その上面には薄板部３３ａの領域に検出用ＳＡＷ共振子５のみが形成され、それと固定端である図中左側の長さ方向端部３２ａとの間の厚板部分に第１ＳＡＷフィルタ６が形成されている点において、第１実施例と異なる。検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６とは、圧電基板３２の長さ方向に沿って、かつＳＡＷの伝搬方向を圧電基板３２の長さ方向と平行に配置されている。
【００４４】
更に、本実施例では、自由端である図中右側の長さ方向端部３２ｂとの間の厚板部３３ｂの領域に基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とが、圧電基板３２の長さ方向に沿って形成されている点において、第１実施例と異なる。基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とは、同様にＳＡＷの伝搬方向を圧電基板２の長さ方向と平行に配置されている。
【００４５】
本実施例では、薄板部３３に検出用ＳＡＷ共振子５のみが設けられるので、その面積を小さくすることができる。これにより、ＳＡＷセンサ素子３１に作用する外力が同じ大きさであっても、薄板部３２ａが単位面積当たりに受ける応力が大きくなるので、周波数の変動量がより大きくなる。その結果、より高感度なＳＡＷセンサが得られる。
【００４６】
また、本発明は、上記各実施例と異なるタイプのＳＡＷ素子を第１実施例の検出用ＳＡＷ共振子５及び基準用ＳＡＷ共振子７に代えて用いることができる。
【００４７】
図７（Ａ）、（Ｂ）図は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第３実施例の構成を概略的に示している。第３実施例のＳＡＷセンサ素子４１は、第１実施例と同じ圧電基板２を有するが、薄板部３ａの検出用ＳＡＷ共振子５及び厚板部３ｂの基準用ＳＡＷ共振子７が、それぞれトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ４２，４３で構成されている点において、第１実施例と異なる。検出用ＳＡＷフィルタ４２は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極からなる入力側ＩＤＴ４４及び出力側ＩＤＴ４５と、その間に配置された遮蔽電極４６とを備える。基準用ＳＡＷフィルタ４３は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極からなる入力側ＩＤＴ４７及び出力側ＩＤＴ４８と、その間に配置された遮蔽電極４９とを備える。
【００４８】
図８（Ａ）、（Ｂ）図は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第４実施例の構成を概略的に示している。第４実施例のＳＡＷセンサ素子５１は、第１実施例と同じ圧電基板２を有するが、薄板部３ａの検出用ＳＡＷ共振子５及び厚板部３ｂの基準用ＳＡＷ共振子７が、それぞれ１ポート型ＳＡＷ共振子５２，５３で構成されている点において、第１実施例と異なる。検出用ＳＡＷ共振子５２は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って１対の交差指電極からなるＩＤＴ５４とその両側に配置された反射器５５，５５とを備える。基準用ＳＡＷ共振子５３は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って１対の交差指電極からなるＩＤＴ５６とその両側に配置された反射器５７，５７とを備える。
【００４９】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、特許文献４に記載されるような圧力センサにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第１実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図２】第１実施例のＳＡＷセンサ素子を用いた本発明によるＳＡＷセンサのブロック図。
【図３】図２のＳＡＷセンサの周波数特性を示す線図。
【図４】（Ａ）図は第１実施例の変形例を示す概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図５】（Ａ）図は第１実施例の別の変形例を示す概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図６】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第２実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図７】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第３実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図８】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第４実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【符号の説明】
【００５１】
１，３１，４１，５１…ＳＡＷセンサ素子、２，３２…圧電基板、２ａ，２ｂ，３２ａ，３２ｂ…長さ方向端部、３ａ，３３ａ…薄板部、３ｂ，３３ｂ…厚板部、４…支持部、５…検出用ＳＡＷ共振子、６…第１ＳＡＷフィルタ、７…基準用ＳＡＷ共振子、８…第２ＳＡＷフィルタ、９，１２，１５，１８，４４，４７…入力側ＩＤＴ、９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ…交差指電極、１０，１３，１６，１９，４５，４８…出力側ＩＤＴ、１１，１４，１７，２０，５５，５７…反射器、２１…ＳＡＷセンサ、２２…第１発振回路、２３…第２発振回路、２４…周波数混合器、２５…周波数検波器、２６…矢印、２７，２８，２９…キャパシタ、３０…部品、３０ａ…出力、４２，４３…トランスバーサル型ＳＡＷフィルタ、４６，４９…遮蔽電極、５２，５３…１ポート型ＳＡＷ共振子、５４，５６…ＩＤＴ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電基板上に形成したＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）により励振される弾性表面波（ＳＡＷ）を利用して、加速度、外力、変位等を検出測定するＳＡＷセンサ及びそれに使用するためのＳＡＷセンサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳＡＷを利用して加速度、外力又は変位を測定する様々なセンサが提案されている（特許文献１乃至３）。例えば、特許文献１記載の外力センサは、圧電材料からなる長板状のビームを片持ちに支持し、該ビームの表裏両面にそれぞれＳＡＷを励振する送信電極及び受信電極と増幅器とからなる発振器を設けた構成を有する。前記ビームが外力の作用により撓むと、その表面に生じた歪みによりＳＡＷの伝搬速度が変化して両発振器の発振周波数が変化するので、それら発振周波数の差をローパスフィルタで取り出して、外力の大きさを測定する。更に特許文献２記載の傾斜センサは、カンチレバーの両面に形成したＳＡＷ共振器の送信電極及び受信電極の電極パターンを互いに相似パターンとすることにより、両ＳＡＷ共振器の温度特性の相違に起因する差周波数の温度ドリフトを抑えて計測精度の向上を図っている。
【０００３】
また、特許文献３記載の外力センサは、同様に片持ちに支持したカンチレバーの表面にそれぞれ櫛形電極からなる送信部及び受信部を有するＳＡＷ共振器が配置されている。送信部及び受信部を前記カンチレバーの長さ方向に配置した実施例では、該レバーの長さ方向即ち上下の変位を検出でき、該レバーの長さ方向と垂直に即ち幅方向に配置した実施例では、ねじれ即ち幅方向の変位を検出することができる。更に、前記カンチレバーの表面に２つの平行に配置した受信部と共通の送信部とを設けた実施例では、各受信部の信号の和と差とから長さ方向の変位及びねじれ変位を同時に検出することができる。
【０００４】
更に、ＳＡＷを利用して圧力を測定する圧力センサ装置が知られている（例えば、特許文献４を参照）。この圧力センサ装置は、圧電基板の厚みを薄くした肉薄部に圧力検出用ＳＡＷ素子を設け、かつそれ以外の肉厚部に参照用ＳＡＷ素子を設け、両ＳＡＷ素子の共振周波数の差分をとり、その変化により圧力を検出する。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−２２８５３０号公報
【特許文献２】特開平５−１４１９６９号公報
【特許文献３】特開平９−１３３６９１号公報
【特許文献４】特再表ＷＯ２００５／０５２５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般にＳＡＷを利用したセンサは、ＳＡＷ共振器から出力される周波数の変化を検出するので、出力される電圧の変化を検出するタイプのセンサに比して、測定対象の僅かな変動も高感度に検出し得る特徴を有する。高いセンサ感度を確保するためには、出力される信号の純度を高くする必要があり、そのためにバンドパスフィルタが使用されている。しかしながら、上述した従来のＳＡＷを利用したセンサは、検出される２つの周波数を混合するミキサの後段に、ＳＡＷ共振器を形成したカンチレバー状の圧電基板とは別個のバンドパスフィルタを接続している。その結果、部品点数が増加して製造コストが増大し、かつセンサ全体の構成が複雑になるという問題が生じる。
【０００７】
また、高感度かつ高分解能のセンサを実現するためには、圧電基板のＳＡＷ共振器及び／又はそれからなる発振器と後段のバンドパスフィルタとをバランス良くマッチングさせることが必要である。しかしながら、従来のように圧電基板とバンドパスフィルタとを別個に構成した場合、例えば温度特性等において両者の個体差が大きくなり易く、センサ全体として性能にばらつきや低下を生じる等の不都合を生じる虞がある。
【０００８】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を少なくして製造コストの増大を抑制でき、性能のばらつきが少なく、高感度かつ高分解能のＳＡＷセンサを実現することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、かかるＳＡＷセンサを実現するのに適したＳＡＷセンサ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、上記目的を達成するために、長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板、圧電基板の薄板部上に形成されてＳＡＷを励振するための検出用ＩＤＴ、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための基準用ＩＤＴ、圧電基板上に形成されかつ検出用ＩＤＴの出力に接続する第１ＳＡＷフィルタ、及び圧電基板上に形成されかつ基準用ＩＤＴの出力に接続する第２ＳＡＷフィルタを備えるＳＡＷセンサ素子と、ＳＡＷセンサ素子の検出用ＩＤＴと第１ＳＡＷフィルタとの間を接続する第１発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の基準用ＩＤＴと第２ＳＡＷフィルタとの間を接続する第２発振回路と、ＳＡＷセンサ素子の第１ＳＡＷフィルタ及び第２ＳＡＷフィルタの各出力に接続した周波数混合器と、周波数混合器に接続した周波数検波器とを備えるＳＡＷセンサが提供される。
【００１１】
ＳＡＷを励振する検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴは、例えばそれぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴとその両側に配置した反射器とを有する２ポート型のＳＡＷ共振子若しくはＳＡＷフィルタとして、又は１対の交差指電極対からなるＩＤＴとその両側に配置した反射器とを有する１ポート型のＳＡＷ共振子として、又は、それぞれ交差指電極対からなる入力用及び出力用の２つのＩＤＴを有するトランスバーサル型のＳＡＷフィルタとして構成することができる。
【００１２】
外力等の負荷がＳＡＷセンサ素子に作用したとき、それにより生じた薄板部表面の歪みによってＳＡＷの伝搬速度が変化して、周波数混合器から取り出される検出側の発振周波数と基準側の発振周波数との差分及び和分が無負荷状態での周波数値から変動するので、これらのいずれか一方を周波数検波器で検出することにより、作用した外力等を測定することができる。その際に第１及び第２発振回路から出力される発振周波数は、それぞれ第１及び第２ＳＡＷフィルタによって、ノイズとなり得る余分な周波数成分がカットされ、所望範囲の周波数成分のみが後段の周波数混合器に入力するので、作用した外力等を高感度にかつ高分解能で検出することができる。
【００１３】
更に、検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと同じ圧電基板上に第１及び第２ＳＡＷフィルタが形成されているので、ＳＡＷセンサ全体として構成を簡単にしかつ部品点数を少なくすることができる。また、検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと第１及び第２ＳＡＷフィルタとは、従来の製造工程をそのまま利用して圧電基板上に同時に形成できるので、製造コストを低減でき、かつそれらの個体差による性能のばらつきを少なくすることができる。
【００１４】
このとき、第１ＳＡＷフィルタを検出用ＩＤＴと共に圧電基板の薄板部に設けると、その周波数特性は、温度変化や該薄板部に生じる歪み等の影響を受けて検出用ＩＤＴと同様にシフトなどするので、好都合である。特に検出用ＩＤＴと第１ＳＡＷフィルタとは、圧電基板の長さ方向に互いに平行に配置すると、薄板部の撓みにより生じる歪みが圧電基板の長さ方向に沿って略等しく作用するので、好都合である。
【００１５】
また、圧電基板の薄板部には検出用ＩＤＴのみを設けて、それ以外の圧電基板の領域に第１ＳＡＷフィルタを設けると、薄板部の面積を小さくできるので、ＳＡＷセンサ素子に作用する外力等が同じ大きさであっても、薄板部の単位面積当たりに受ける応力が大きくなる。その結果、検出側の発振周波数の変動量がより大きくなるので、ＳＡＷセンサをより高感度にすることができる。
【００１６】
或る実施例では、第１発振回路及び第２発振回路の構成部品の全部又は一部がＳＡＷセンサ素子の圧電基板上に形成される。これにより、ＳＡＷセンサを構成する部品点数をより少なくして構成全体をより簡単にし、製造コストをより低減することができる。
【００１７】
別の実施例では、圧電基板をその長さ方向に沿って厚板部側の端部を自由端としかつ薄板部側の端部を剛固に固定して、ＳＡＷセンサ素子を片持ちに支持する。これにより、ＳＡＷセンサ素子に外力や加速度が作用すると、その大きさ及び向きに対応して厚板部側の端部が変位して薄板部が撓み、該薄板部表面におけるＳＡＷの伝搬速度が変化するので、検出側の発振周波数と基準側発振周波数との差分又は和分から加速度、外力又は変位を測定するためのセンサを構成することができる。
【００１８】
更に別の実施例では、周波数混合器と周波数検波器との間に接続したバンドパスフィルタを更に備える。これにより、周波数混合器から出力される前記発振周波数の差分又は和分を選択的に取り出すことができる。
【００１９】
本発明の別の側面によれば、長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、圧電基板の薄板部上に形成されてＳＡＷを励振するための検出用ＩＤＴと、圧電基板の厚板部上に形成されてＳＡＷを励振するための基準用ＩＤＴと、圧電基板上に形成されかつ検出用ＩＤＴの出力に接続する第１ＳＡＷフィルタと、圧電基板上に形成されかつ基準用ＩＤＴの出力に接続する第２ＳＡＷフィルタとを備えるＳＡＷセンサ素子が提供される。
【００２０】
このＳＡＷセンサ素子は、第１及び第２ＳＡＷフィルタが、それぞれ検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴの共振周波数に基づいて発振される発振周波数からノイズとなり得る余分な周波数成分をカットし、所望帯域の周波数成分のみを出力させるので、高感度かつ高分解能のＳＡＷセンサを実現することができる。１つの圧電基板上に検出用ＩＤＴ及び基準用ＩＤＴと第１及び第２ＳＡＷフィルタとが形成されているので、これを用いてＳＡＷセンサを構成したとき、センサ全体の構成を簡単にしかつその部品点数を少なくすることができる。
【００２１】
或る実施例では、ＳＡＷセンサ素子が、検出用ＩＤＴと第１ＳＡＷフィルタとの間を接続する第１発振回路の構成部品の全部又は一部と、基準用ＩＤＴと第２ＳＡＷフィルタとの間を接続する第２発振回路の構成部品の全部又は一部とを圧電基板上に備える。これを用いて構成されるＳＡＷセンサは、その部品点数をより少なくし、製造コストをより低減することができる。また、これら第１発振回路及び第２発振回路の構成部品を含めて、圧電基板上の構成要素及び配線は、従来の製造工程をそのまま利用して形成できるので、より好都合である。
【００２２】
別の実施例では、第１ＳＡＷフィルタ及び第２ＳＡＷフィルタの出力に接続されるバンドパスフィルタの構成部品の一部を圧電基板上に備える。これを用いて構成されるＳＡＷセンサは、その部品点数を更に少なくし、製造コストを更に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。各図において、同一又は類似の構成要素には、同一又は類似の参照符号を付して表示する。
【００２４】
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第１実施例の構成を概略的に示している。本実施例のＳＡＷセンサ素子１は、所定の長さ及び幅を有する矩形の水晶からなる圧電基板２を有する。圧電基板２は、長さ方向に沿って図中左側の長さ方向端部２ａ寄りにエッチング等で下面に凹部を設けた薄板部３ａと、それから右側の長さ方向端部２ｂまで延長する厚板部３ｂとを有する。圧電基板２は、例えばリチウムタンタレート、リチウムナイオベート等の水晶以外の公知の圧電材料で形成することができる。ＳＡＷセンサ素子１を用いるＳＡＷセンサが加速度、外力又は変位を測定するセンサである場合、圧電基板２は、一方の長さ方向端部２ａを固定端として支持部４に剛固に固定し、かつ他方の長さ方向端部２ｂを自由端として、片持ちに支持する。
【００２５】
圧電基板２の上面には、薄板部３ａの領域に検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６とが形成され、厚板部３ｂの領域に基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とが形成されている。検出用ＳＡＷ共振子５は２ポート型で、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂからなる入力側ＩＤＴ９及び出力側ＩＤＴ１０と、それらの両側に配置された各１個の反射器１１，１１とを有する。第１ＳＡＷフィルタ６は縦二重モードで、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂからなる入力側ＩＤＴ１２及び出力側ＩＤＴ１３と、それらの両側に配置された各１個の反射器１４，１４とを有する。本実施例の検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６とは、それぞれＳＡＷの伝搬方向を圧電基板２の長さ方向と平行に、かつ互いに並列に配置されている。
【００２６】
第１ＳＡＷフィルタ６の通過帯域は、検出用ＳＡＷ共振子５の共振周波数が確実に含まれるように設定する。或る実施例では、第１ＳＡＷフィルタ６の中心周波数を検出用ＳＡＷ共振子５の共振周波数と一致させることができる。これは、例えば基準用ＳＡＷ共振子７の入力側及び出力側ＩＤＴ９，１０の電極ピッチと第１ＳＡＷフィルタ６の入力側及び出力側ＩＤＴ１２，１３の電極ピッチとを同じにすることにより実現される。
【００２７】
同様に、基準用ＳＡＷ共振子７は２ポート型で、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂからなる入力側ＩＤＴ１５及び出力側ＩＤＴ１６と、それらの両側に配置された各１個の反射器１７，１７とを有する。第２ＳＡＷフィルタ８は縦二重モードで、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂからなる入力側ＩＤＴ１８及び出力側ＩＤＴ１９と、それらの両側に配置された各１個の反射器２０，２０とを有する。本実施例の基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とは、それぞれＳＡＷの伝搬方向を圧電基板２の長さ方向と平行に、かつ互いに並列に配置されている。
【００２８】
第２ＳＡＷフィルタ８の通過帯域は、基準用ＳＡＷ共振子７の共振周波数が確実に含まれるように設定する。或る実施例では、第２ＳＡＷフィルタ８の中心周波数を基準用ＳＡＷ共振子７の共振周波数と一致させることができる。これは、同様に基準用ＳＡＷ共振子７の入力側及び出力側ＩＤＴ１５，１６の電極ピッチと第２ＳＡＷフィルタ８の入力側及び出力側ＩＤＴ１８，１９の電極ピッチとを同じにすることにより実現される。
【００２９】
図２は、図１のＳＡＷセンサ素子１を用いたＳＡＷセンサ２１の構成を示している。ＳＡＷセンサ２１は、ＳＡＷセンサ素子１に加えて、検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６との間に接続された第１発振回路２２と、基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８との間に接続された第２発振回路２３とを有する。前記第１及び第２ＳＡＷフィルタの各出力端子６ａ，８ａは周波数混合器２４に接続され、その出力は周波数検波器２５に接続されている。周波数検波器２５は、例えば周波数カウンタで構成される。
【００３０】
第１発振回路２２は、例えば前記検出用ＳＡＷ共振子の出力用ＩＤＴ１０に接続された増幅器と位相器とＤＣカット用キャパシタからなり、該位相器の出力が前記検出用ＳＡＷ共振子の入力用ＩＤＴ９に帰還させる帰還回路で構成されている。第１発振回路２２は、検出用ＳＡＷ共振子５の共振周波数に基づいて所定の検出周波数ｆs を発振させて出力する。
【００３１】
同様に、第２発振回路２３は、例えば前記基準用ＳＡＷ共振子の出力用ＩＤＴ１６に接続された増幅器と位相器とＤＣカット用キャパシタからなり、該位相器の出力が前記検出用ＳＡＷ共振子の入力用ＩＤＴ１５に帰還させる帰還回路で構成されている。第２発振回路２３は、基準用ＳＡＷ共振子７の共振周波数に基づいて所定の基準周波数ｆr を発振させて出力する。
【００３２】
第１発振回路２２から出力された発振周波数ｆs は、第１ＳＡＷフィルタ６によりノイズとなり得る余分な周波数成分をカットし、所望範囲の周波数成分を通過させて周波数混合器２４に出力する。同様に、第２発振回路２３から出力された発振周波数ｆr は、第２ＳＡＷフィルタ８によりノイズとなり得る余分な周波数成分をカットし、所望範囲の周波数成分を通過させて前記周波数混合器に出力する。周波数混合器２４は、入力した２つの発振周波数ｆs ，ｆr の差分（Δｆ＝ｆs −ｆr ）と和分（ｆs ＋ｆr ）とを取り出し、周波数検波部２５に出力する。前記発振周波数の差分及び和分は、周波数混合器２４と周波数検波部２５との間にローパスフィルタ又はハイパスフィルタを挿入することにより、選択的に取り出すことができる。
【００３３】
ＳＡＷセンサ２１は、上述したようにＳＡＷセンサ素子１を一方の長さ方向端部２ａで支持部４に剛固に固定して片持ちに支持した場合、次のように動作する。ＳＡＷセンサ素子１は、加速度や外力が作用すると、長さ方向端部２ａを支点として、自由端の長さ方向端部２ｂが、図１（Ｂ）に矢印２６で示すように圧電基板２の表面に対して垂直方向に変位する。
【００３４】
ＳＡＷセンサ素子１に加速度又は外力が全く作用せず、長さ方向端部２ｂが変位していない無負荷状態において、検出側の発振周波数ｆs と基準側の発振周波数ｆr とを同一に設定することができる。この場合、発振周波数ｆs ，ｆr の差分Δｆは０である。別の実施例では、発振周波数ｆs ，ｆr を異なる値に設定することができる。
【００３５】
ＳＡＷセンサ素子１に加速度又は外力が作用して長さ方向端部２ｂが変位すると、圧電基板２の薄板部３ａが撓み、その上面に撓みの向きによって引張歪み又は圧縮歪みが発生する。これにより、薄板部３ａ上面におけるＳＡＷの伝搬速度が変化し、検出側の第１発振回路２２からの発振周波数が増加又は減少する。他方、厚板部３ｂは、長さ方向端部２ｂが変位しても撓まないので、基準側の第２発振回路２３からの発振周波数ｆr は変動しない。従って、前記ＳＡＷセンサ素子に作用した加速度又は外力の大きさを、発振周波数ｆs ，ｆr の差分又は和分として高感度に検出することができる。
【００３６】
本実施例では、検出用ＳＡＷ共振子５及び基準用ＳＡＷ共振子７を形成した１つの圧電基板２上に第１及び第２ＳＡＷフィルタ６，８を形成することにより、ＳＡＷセンサを構成する部品点数を少なくでき、かつそれらを同時に従来の製造工程をそのまま利用して形成できるので、製造コストを低く抑制することができる。
【００３７】
更に本実施例では、第１ＳＡＷフィルタ６が検出用ＳＡＷ共振子５と同じ薄板部３ａに設けられるので、その周波数範囲は温度変化や該薄板部の歪みに応じて、検出用ＳＡＷ共振子５と同様に変化する。従って、それらを別個に設けた場合に比して性能のばらつきを少なくすることができ、第１ＳＡＷフィルタ６を比較的狭帯域に設定しても、その周波数範囲に検出側の発振周波数ｆs が確実に含まれるようにできるので、より高性能で高感度なＳＡＷセンサが得られる。
【００３８】
図３は、本実施例のＳＡＷセンサ２１の周波数特性を示している。同図において、実線は、本実施例において周波数検波部２５から出力された信号を電圧に変換して表示したものである。更に同図には、比較例として、本実施例のＳＡＷセンサ素子１から第１及び第２ＳＡＷフィルタ６，８を省略した場合の出力信号を破線で示す。同図から、本実施例では、中心周波数付近の狭い範囲以外の周波数領域に含まれるノイズ成分を有効に除去できることが分かる。
【００３９】
また別の実施例では、検出用ＳＡＷ共振子５及び基準用ＳＡＷ共振子７をそれぞれＳＡＷフィルタで構成することができる。この場合、これらの検出用及び基準用ＳＡＷフィルタは位相器として使用し、それぞれ所定の発振周波数ｆs ，ｆr を発振できるように第１及び第２発振回路２２，２３を構成する。
【００４０】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の変形例の構成を概略的に示している。本実施例は、第１及び第２発振回路２２，２３の一部を構成するＤＣカット用キャパシタ２７，２８を圧電基板１上に形成した点において、図１の構成と異なる。これにより、ＳＡＷセンサを構成する部品点数をより少なくし、製造コストをより低く抑制することができる。また、ＳＡＷセンサ素子１は、圧電基板上に各構成要素及び配線を同時に従来の製造工程をそのまま利用して形成できるので、より好都合である。
【００４１】
更に別の実施例では、ＤＣカット用キャパシタ２７，２８だけでなく、第１及び第２発振回路２２，２３を構成する他の全ての構成部品を圧電基板２上に形成することができる。これにより、更に部品点数を少なくしかつ製造コストを低減させることができる。
【００４２】
図５（Ａ）、（Ｂ）図は、第１実施例の別の変形例の構成を概略的に示している。本実施例は、図２のＳＡＷセンサ２１において周波数混合器２５の出力から発振周波数の和分を除去するためのローパスフィルタの一部を構成するキャパシタ２９を圧電基板１上に形成した点において、図１の構成と異なる。この実施例では、キャパシタ２９以外の前記ローパスフィルタを構成するインダクタ等の部品３０が、ＳＡＷセンサ素子１とは別個の構成要素としてキャパシタ２９と周波数混合器２４との間に接続され、かつその出力３０ａが周波数検波器２５に接続されている。これにより、同様にＳＡＷセンサを構成する部品点数をより少なくし、製造コストをより低く抑制することができる。
【００４３】
図６（Ａ）、（Ｂ）図は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第２実施例の構成を概略的に示している。第２実施例のＳＡＷセンサ素子３１は、圧電基板３２が第１実施例の圧電基板２よりも細長く形成され、その上面には薄板部３３ａの領域に検出用ＳＡＷ共振子５のみが形成され、それと固定端である図中左側の長さ方向端部３２ａとの間の厚板部分に第１ＳＡＷフィルタ６が形成されている点において、第１実施例と異なる。検出用ＳＡＷ共振子５と第１ＳＡＷフィルタ６とは、圧電基板３２の長さ方向に沿って、かつＳＡＷの伝搬方向を圧電基板３２の長さ方向と平行に配置されている。
【００４４】
更に、本実施例では、自由端である図中右側の長さ方向端部３２ｂとの間の厚板部３３ｂの領域に基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とが、圧電基板３２の長さ方向に沿って形成されている点において、第１実施例と異なる。基準用ＳＡＷ共振子７と第２ＳＡＷフィルタ８とは、同様にＳＡＷの伝搬方向を圧電基板２の長さ方向と平行に配置されている。
【００４５】
本実施例では、薄板部３３に検出用ＳＡＷ共振子５のみが設けられるので、その面積を小さくすることができる。これにより、ＳＡＷセンサ素子３１に作用する外力が同じ大きさであっても、薄板部３２ａが単位面積当たりに受ける応力が大きくなるので、周波数の変動量がより大きくなる。その結果、より高感度なＳＡＷセンサが得られる。
【００４６】
また、本発明は、上記各実施例と異なるタイプのＳＡＷ素子を第１実施例の検出用ＳＡＷ共振子５及び基準用ＳＡＷ共振子７に代えて用いることができる。
【００４７】
図７（Ａ）、（Ｂ）図は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第３実施例の構成を概略的に示している。第３実施例のＳＡＷセンサ素子４１は、第１実施例と同じ圧電基板２を有するが、薄板部３ａの検出用ＳＡＷ共振子５及び厚板部３ｂの基準用ＳＡＷ共振子７が、それぞれトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ４２，４３で構成されている点において、第１実施例と異なる。検出用ＳＡＷフィルタ４２は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極からなる入力側ＩＤＴ４４及び出力側ＩＤＴ４５と、その間に配置された遮蔽電極４６とを備える。基準用ＳＡＷフィルタ４３は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って各１対の交差指電極からなる入力側ＩＤＴ４７及び出力側ＩＤＴ４８と、その間に配置された遮蔽電極４９とを備える。
【００４８】
図８（Ａ）、（Ｂ）図は、本発明によるＳＡＷセンサ素子の第４実施例の構成を概略的に示している。第４実施例のＳＡＷセンサ素子５１は、第１実施例と同じ圧電基板２を有するが、薄板部３ａの検出用ＳＡＷ共振子５及び厚板部３ｂの基準用ＳＡＷ共振子７が、それぞれ１ポート型ＳＡＷ共振子５２，５３で構成されている点において、第１実施例と異なる。検出用ＳＡＷ共振子５２は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って１対の交差指電極からなるＩＤＴ５４とその両側に配置された反射器５５，５５とを備える。基準用ＳＡＷ共振子５３は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って１対の交差指電極からなるＩＤＴ５６とその両側に配置された反射器５７，５７とを備える。
【００４９】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、特許文献４に記載されるような圧力センサにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第１実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図２】第１実施例のＳＡＷセンサ素子を用いた本発明によるＳＡＷセンサのブロック図。
【図３】図２のＳＡＷセンサの周波数特性を示す線図。
【図４】（Ａ）図は第１実施例の変形例を示す概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図５】（Ａ）図は第１実施例の別の変形例を示す概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図６】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第２実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図７】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第３実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図８】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷセンサ素子の第４実施例の概略平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【符号の説明】
【００５１】
１，３１，４１，５１…ＳＡＷセンサ素子、２，３２…圧電基板、２ａ，２ｂ，３２ａ，３２ｂ…長さ方向端部、３ａ，３３ａ…薄板部、３ｂ，３３ｂ…厚板部、４…支持部、５…検出用ＳＡＷ共振子、６…第１ＳＡＷフィルタ、７…基準用ＳＡＷ共振子、８…第２ＳＡＷフィルタ、９，１２，１５，１８，４４，４７…入力側ＩＤＴ、９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ…交差指電極、１０，１３，１６，１９，４５，４８…出力側ＩＤＴ、１１，１４，１７，２０，５５，５７…反射器、２１…ＳＡＷセンサ、２２…第１発振回路、２３…第２発振回路、２４…周波数混合器、２５…周波数検波器、２６…矢印、２７，２８，２９…キャパシタ、３０…部品、３０ａ…出力、４２，４３…トランスバーサル型ＳＡＷフィルタ、４６，４９…遮蔽電極、５２，５３…１ポート型ＳＡＷ共振子、５４，５６…ＩＤＴ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、前記圧電基板の前記薄板部上に形成されて弾性表面波を励振するための検出用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための基準用ＩＤＴと、前記圧電基板上に形成されかつ前記検出用ＩＤＴの出力に接続する第１弾性表面波フィルタと、前記圧電基板上に形成されかつ前記基準用ＩＤＴの出力に接続する第２弾性表面波フィルタとを備える弾性表面波センサ素子と、
前記弾性表面波センサ素子の前記検出用ＩＤＴと前記第１弾性表面波フィルタとの間を接続する第１発振回路と、
前記弾性表面波センサ素子の前記基準用ＩＤＴと前記第２弾性表面波フィルタとの間を接続する第２発振回路と、
前記弾性表面波センサ素子の前記第１弾性表面波フィルタ及び前記第２弾性表面波フィルタの各出力に接続した周波数混合器と、
前記周波数混合器に接続した周波数検波器とを備えることを特徴とする弾性表面波センサ。
【請求項２】
前記第１発振回路及び前記第２発振回路の構成部品の全部又は一部が前記弾性表面波センサ素子の前記圧電基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波センサ。
【請求項３】
前記圧電基板をその長さ方向に沿って前記厚板部側の端部を自由端としかつ前記薄板部側の端部を剛固に固定して、前記弾性表面波センサ素子を片持ちに支持したことを特徴とする請求項１又は２記載の弾性表面波センサ。
【請求項４】
前記周波数混合器と前記周波数検波器との間に接続したバンドパスフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の弾性表面波センサ。
【請求項５】
長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、前記圧電基板の前記薄板部上に形成されて弾性表面波を励振するための検出用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための基準用ＩＤＴと、前記圧電基板上に形成されかつ前記検出用ＩＤＴの出力に接続する第１弾性表面波フィルタと、前記圧電基板上に形成されかつ前記基準用ＩＤＴの出力に接続する第２弾性表面波フィルタとを備えることを特徴とする弾性表面波センサ素子。
【請求項６】
前記検出用ＩＤＴと前記第１弾性表面波フィルタとの間を接続する第１発振回路の構成部品の全部又は一部と、前記基準用ＩＤＴと前記第２弾性表面波フィルタとの間を接続する第２発振回路の構成部品の全部又は一部とを前記圧電基板上に備えることを特徴とする請求項５記載の弾性表面波センサ素子。
【請求項７】
前記第１弾性表面波フィルタ及び前記第２弾性表面波フィルタの出力に接続されるバンドパスフィルタの構成部品の一部を前記圧電基板上に備えることを特徴とする請求項５又は６記載の弾性表面波センサ。
【請求項１】
長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、前記圧電基板の前記薄板部上に形成されて弾性表面波を励振するための検出用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための基準用ＩＤＴと、前記圧電基板上に形成されかつ前記検出用ＩＤＴの出力に接続する第１弾性表面波フィルタと、前記圧電基板上に形成されかつ前記基準用ＩＤＴの出力に接続する第２弾性表面波フィルタとを備える弾性表面波センサ素子と、
前記弾性表面波センサ素子の前記検出用ＩＤＴと前記第１弾性表面波フィルタとの間を接続する第１発振回路と、
前記弾性表面波センサ素子の前記基準用ＩＤＴと前記第２弾性表面波フィルタとの間を接続する第２発振回路と、
前記弾性表面波センサ素子の前記第１弾性表面波フィルタ及び前記第２弾性表面波フィルタの各出力に接続した周波数混合器と、
前記周波数混合器に接続した周波数検波器とを備えることを特徴とする弾性表面波センサ。
【請求項２】
前記第１発振回路及び前記第２発振回路の構成部品の全部又は一部が前記弾性表面波センサ素子の前記圧電基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波センサ。
【請求項３】
前記圧電基板をその長さ方向に沿って前記厚板部側の端部を自由端としかつ前記薄板部側の端部を剛固に固定して、前記弾性表面波センサ素子を片持ちに支持したことを特徴とする請求項１又は２記載の弾性表面波センサ。
【請求項４】
前記周波数混合器と前記周波数検波器との間に接続したバンドパスフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の弾性表面波センサ。
【請求項５】
長さ方向に沿って薄板部と厚板部とを有する圧電基板と、前記圧電基板の前記薄板部上に形成されて弾性表面波を励振するための検出用ＩＤＴと、前記圧電基板の前記厚板部上に形成されて弾性表面波を励振するための基準用ＩＤＴと、前記圧電基板上に形成されかつ前記検出用ＩＤＴの出力に接続する第１弾性表面波フィルタと、前記圧電基板上に形成されかつ前記基準用ＩＤＴの出力に接続する第２弾性表面波フィルタとを備えることを特徴とする弾性表面波センサ素子。
【請求項６】
前記検出用ＩＤＴと前記第１弾性表面波フィルタとの間を接続する第１発振回路の構成部品の全部又は一部と、前記基準用ＩＤＴと前記第２弾性表面波フィルタとの間を接続する第２発振回路の構成部品の全部又は一部とを前記圧電基板上に備えることを特徴とする請求項５記載の弾性表面波センサ素子。
【請求項７】
前記第１弾性表面波フィルタ及び前記第２弾性表面波フィルタの出力に接続されるバンドパスフィルタの構成部品の一部を前記圧電基板上に備えることを特徴とする請求項５又は６記載の弾性表面波センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２４６５７２（Ｐ２００９−２４６５７２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８８８６７（Ｐ２００８−８８８６７）
【出願日】平成２０年３月２９日（２００８．３．２９）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２９日（２００８．３．２９）
【出願人】（０００００３１０４）エプソントヨコム株式会社 (1,528)
【Ｆターム（参考）】
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