弾性表面波伝搬状態計測装置、弾性表面波伝搬状態計測方法、環境変化計測装置、環境変化計測方法及び多重周回弾性表面波素子
【課題】多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を高精度に算出する。
【解決手段】周波数変化量算出装置２０は、共振状態における弾性表面波の参照強度と参照位相とを含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶部２３と、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための共振調整部２４と、検出信号の位相である検出位相と参照位相との差が一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための波形調整部２５と、両者の位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出部２６とを備える。
【解決手段】周波数変化量算出装置２０は、共振状態における弾性表面波の参照強度と参照位相とを含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶部２３と、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための共振調整部２４と、検出信号の位相である検出位相と参照位相との差が一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための波形調整部２５と、両者の位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出部２６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を算出する弾性表面波伝搬状態計測装置に係り、特に高精度に周波数変化量を算出する弾性表面波伝搬状態計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性表面波素子が各種センサーに応用されている。弾性表面波素子を応用したセンサーには、例えば球形状の水晶の伝搬面に弾性表面波を多重周回させて、多重周回後の弾性表面波の位相変化から物理状態の変化を検知するものがある。
【０００３】
詳しくは、多重周回させた検出信号の位相と基準となる参照信号の位相とを比較して、その位相の変化量から周波数変化量等の値を求めることにより、伝搬面の物理状態の変化を検知する。
【０００４】
球状弾性表面波素子においては、弾性表面波がバースト信号により伝搬面に励起される。この励起された弾性表面波が伝搬面を多重周回する度に、周回受信信号としてエネルギーが放出される。すなわち、弾性表面波エネルギーが電気音響変換素子（すだれ状電極）を介して、電気エネルギーとして変換消費される。
【０００５】
そこで、マッチングセクションを高インピーダンス回路にし、弾性表面波のエネルギーの放出を防ぐ。これにより、弾性表面波を多重周回させることができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−０１００９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、バースト信号がすだれ状電極を通過する際に、異なる位相成分の波を発生し、バースト信号の波形を変えてしまう。すなわち、位相ノイズが発生することがある。
【０００７】
さらに、ノイズによるエネルギーが搬送周波数のエネルギーより相対的に大きくなる場合がある。この場合、測定結果に誤差が生じてしまうため、位相変化を正確に算出することが困難となる。結果として、位相の変化量から周波数変化量等を算出することができなくなる。
【０００８】
さらに、搬送周波数の信号強度を上げる為に１周回より長い継続時間のバースト信号を入力しようとすると、１周回前に入力した信号により励起された弾性表面波と新たに入力した信号により励起した弾性表面波とが干渉を起こしてしまう。このため、弾性表面波素子から出力される弾性表面波の信号の正確な位相や強度の計測が困難になる。
【０００９】
また、通常、位相の変化を算出する場合、検出信号と参照信号との強度を等しくするが、強度を等しくする過程において、信号の位相が変わってしまい、周波数変化量を算出することができなくなることがある。
本発明の目的は、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を高精度に算出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、以下のような手段を講じる。
【００１１】
請求項１に対応する発明は、搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子に接続され、前記弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測装置であって、前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力手段と、前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力手段と、前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶手段と、前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整手段と、前記第１調整手段による調整の後、前記出力手段から出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶手段に記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整手段と、前記第２調整手段による調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整手段により調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出手段とを備えた弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１２】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、前記第２調整手段は、前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１３】
請求項３に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１４】
請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記第２調整手段は、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１５】
請求項５に対応する発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記入力手段は、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間の２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１６】
請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置を用いた環境変化計測装置であって、前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、前記算出手段により算出された差分の周波数と、前記環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較の結果、前記環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えた環境変化計測装置である。
【００１７】
請求項７に対応する発明は、請求項１に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、前記伝搬面に対向して非接触で設置され、前記伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えた多重周回弾性表面波素子である。
【００１８】
請求項８に対応する発明は、搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測方法であって、前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力ステップと、前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力ステップと、前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶ステップと、前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整ステップと、前記第１調整ステップによる調整の後、前記出力ステップから出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶ステップに記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整ステップと、前記第２調整ステップによる調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整ステップにより調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出ステップとを備えた弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００１９】
請求項９に対応する発明は、請求項８に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、前記第２調整ステップは、前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２０】
請求項１０に対応する発明は、請求項８又は請求項９に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２１】
請求項１１に対応する発明は、請求項８乃至請求項１０のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記第２調整ステップは、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２２】
請求項１２に対応する発明は、請求項８乃至請求項１１のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２３】
請求項１３に対応する発明は、請求項８に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法を用いた環境変化計測方法であって、前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態と関連付けて記憶する環境記憶ステップと、前記算出ステップにより算出された差分の周波数と、前記環境記憶ステップにより記憶された特徴周波数とを比較する比較ステップと、前記比較ステップによる比較の結果、前記環境記憶ステップにより記憶された環境状態を出力する環境状態出力ステップとを備えた環境変化計測方法である。
【００２４】
＜用語＞
ここで、本発明において、「弾性表面波」と表記している波は、境界波、回廊波、内郭を周回する表面波、弾性表面波、漏洩弾性表面波、擬似弾性表面波、擬似漏洩弾性表面波等、球形表面にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波全般を包含する。
【００２５】
同様に、本発明においては、伝搬路が異なる材料との境界によってなる弾性表面波素子（球状弾性境界波素子）も境界を弾性波が多重周回伝搬する現象に基づいた素子であれば、多重周回弾性表面波素子と呼ぶこととする。例えば多重周回弾性表面波素子は、３次元基体が球形状の素子に限らず、伝搬路が円環状表面を有していれば、球形状の一部が平面形状など他の形状に加工されている素子も包含する。
【００２６】
また、本発明において、周回速度とは、厳密な意味での伝搬速度ではない場合がある。一般に周囲の温度が変化すると、弾性表面波の伝搬速度は変化するが、伝搬路の周回長も熱膨張によって変化するため、これらの影響が重畳されて弾性表面波の周回に必要な時間が変わってしまう場合がある。また、異方性材料を用いて伝搬路を作る場合、場所によって物理的な意味における弾性表面波の伝搬速度は変化する。すなわち、本発明において、周回速度とは、周回経路を所定の周回数あるいは所定の位置の間を伝搬するのに必要な時間によって定義される速度をいう。
【００２７】
また、本発明においては、電気信号を弾性波に変換するものとしては、１個のすだれ状電極を用いているが、２個以上の複数の電気音響変換素子を除外するものではない。例えば、１対のすだれ状電極を使用し、一方を送信用とし、他方を受信用として使用しても良い。
【００２８】
＜作用＞
従って、請求項１，８に対応する発明は、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整手段と、前記高周波バースト信号の入力から搬送周波数の周期の所定の倍数の時間を経過させた後に、多重周回弾性表面波素子から出力された検出信号の位相を所定の値に一致させるように、前記搬送周波数を調整するための第２調整手段と、第２調整手段により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出手段とを備えた構成により、共振状態にしてから所定の波数の弾性表面波を伝搬した後の状態における位相の変化を求めているので、多重周回した弾性表面波の干渉の影響を抑えることができ、多重周回弾性表面波素子において同じ経路を伝搬する弾性表面波の周波数変化量を高精度に算出することができる。
【００２９】
請求項２，９に対応する発明は、請求項１，８に対応する作用に加え、第２調整手段は、検出信号の波形と参照信号の波形とを、高周波バースト信号を入力してから順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整するので、多重周回による位相の変化を高確度で検出することができる。このように長時間伝搬をさせることは、弾性表面波の伝搬面が球形である場合には周回に伴う減衰を抑制できる。これにより、実用的な強度で検出できる。
【００３０】
請求項３，１０に対応する発明は、請求項１〜２，８〜９に対応する作用に加え、高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間の３分の１以上の継続時間からなるので、弾性表面波の強度が多重周回により減衰しても位相の変化を求めることができる。
【００３１】
請求項４，１１に対応する発明は、請求項１〜３，８〜１０に対応する作用に加え、第２調整手段は、共振周波数の５ｐｐｍ毎に高周波バースト信号の搬送周波数を可変とするものであるので、高精度に波形を一致させることができる。
【００３２】
請求項５，１２に対応する発明は、請求項１〜４，８〜１１に対応する作用に加え、入力手段は、１周回の周回時間の２倍の時間にわたり高周波バースト信号を入力するので、多重周回された検出信号の干渉によるノイズを抑えることができる。
【００３３】
請求項６，１３に対応する発明は、多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、算出手段により算出された差分の周波数と、環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、比較手段による比較の結果、環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えているので、環境の変化による周波数の変動幅から環境の変化を検知することができる。
【００３４】
請求項７に対応する発明は、弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、伝搬面に対向して非接触で設置され、伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えた構成により、すだれ状電極の質量による影響やすだれ状電極と弾性表面波との散乱効果による影響を受けずに、弾性表面波を伝搬面に伝搬させることができるので、周波数変化量を高精度に算出できる多重周回弾性表面波素子を提供できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を高精度に算出することができる。
【００３６】
これにより、弾性表面波の伝搬状態の変化をその共振周波数の変化から高精度に算出することができる。例えば、多重周回弾性表面波素子表面への物質や分子の付着があった場合に、その伝搬面の変化（環境変化）に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００３８】
＜第1の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成を示す模式図である。
【００３９】
多重周回弾性表面波素子１０は、図２に示すように、伝搬面１１を有する球状部材１２、すだれ状電極１３を備えている。これにより、高周波信号源３０による高周波信号の入力により伝搬面１１を多重周回する弾性表面波が励起される。また、多重周回した弾性表面波は、すだれ状電極１３で検出され、スイッチＳＷを介してデジタルオシロスコープＤＯＳ等で計測される。
【００４０】
伝搬面１１は、連続した曲面からなる円環状の表面を有し、この円環状の表面の少なくとも一部には、すだれ状電極１３により励起される互いに逆方向に伝搬する弾性表面波を周回させるための周回経路を備えている。
【００４１】
球状部材１２は、一旦励起された弾性表面波が多重周回可能な伝搬面１１を有する３次元基体であり、ここでは単結晶の水晶材料を球形状に加工したものを用いている。
【００４２】
すだれ状電極１３は、高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波を励起するとともに、多重周回した弾性表面波を検出するものである。例えば、金属の蒸着とフォトリソグラフィプロセスによるエッチングとを用いることにより、球状部材１２の表面に接して形成される。
【００４３】
周波数変化量算出装置（弾性表面波伝搬状態計測装置）２０は、高周波信号源３０による高周波信号の搬送周波数を変化させた量を算出するものであり、入力部２１、出力部２２、記憶部２３、共振調整部２４（第１調整手段）、波形調整部２５（第２調整手段）、算出部２６を備える。
【００４４】
入力部２１は、高周波信号源３０から出力される高周波信号の搬送周波数を設定及び変更する機能を有し、多重周回弾性表面波素子１０に高周波バースト信号を入力するものである。
【００４５】
また、入力される高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の継続時間の波からなるものである。これにより、多重周回弾性表面波素子１０の伝搬面１１を周回する弾性表面波のバースト信号の両端の影響を小さくすることができる。また、励起する弾性表面波の振幅を大きくすることができる。
【００４６】
なお、通常、１００ＭＨｚ以上の周波数により弾性表面波を励起する場合に、パルス幅の短い高周波信号（極端な場合はインパルス）を用いると、高周波信号の周波数成分のパワーは相対的に小さくなる。このため、１ｐｐｍの精度で計測を行うのが困難となる。ただし、特定周波数を有する狭帯域のバースト信号を用いて高周波信号源３０の高周波信号と位相比較を行う場合に限り、計測の対象とする周波数の成分についての十分なパワーを確保でき、１ｐｐｍの計測を行うことができる。
【００４７】
出力部２２は、入力部２１による高周波バースト信号の入力後、伝搬面１１を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を共振調整部２４又は波形調整部２５に出力するものである。なお、検出信号の位相はヘテロダイン検波により得られる。
【００４８】
記憶部２３は、共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶するものである。
【００４９】
ここで、「共振状態」とは、伝搬面１１を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間Ｔに占める弾性表面波の１周期の割合が周回時間Ｔの整数分の１となる状態である。
【００５０】
共振状態では、図３（Ａ）に示すように、駆動信号がすだれ状電極１３に入力された場合に、弾性表面波の１周回分の周回時間Ｔが弾性表面波の振動周期の整数倍となる。このため、すだれ状電極１３は、既に周回している弾性表面波と同じ位相で、弾性表面波の振動を増幅する電界を球状部材１２に印加するので、弾性表面波の出力強度が極大となる。
【００５１】
共振状態では無い状態では、図３（Ｂ）に示すように、駆動信号がすだれ状電極１３に入力された場合に、弾性表面波の１周回分の周回時間Ｔが弾性表面波の振動周期の整数倍とはならない。このため、すだれ状電極１３により、周回中の弾性表面波に対して異なる位相の弾性表面波が印加され、既に周回中の弾性表面波を打ち消してしまう。よって、弾性表面波の強度は不十分になり、出力される検出信号の位相は、時間的に不安定になる。
【００５２】
共振調整部２４は、出力部２２により検出された弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするためのものである。
【００５３】
共振状態にする理由は、弾性表面波素子の伝搬面の変化（以下、環境変化ともいう。）を、伝搬面の変化の前後の周波数応答から求める場合に、再現しやすい伝搬状態であるからである。共振状態は、１周期を波長比の何倍に相当させるかによって複数存在する。あらかじめ環境の変動幅を設定しておけば、一意にその周波数を環境に対する特定周波数として採用できる。
【００５４】
もう一つの共振状態にする理由は、位相変動の小さい安定した振幅を有する信号を測定するためである。共振状態で測定を行うと、出力信号の位相が時刻に従って比例する為、位相の変化から弾性表面波の伝搬速度を求めることができる、という大きな利点がある。
【００５５】
例えば、温度が上昇して弾性表面波の伝搬速度が上昇する場合、図７（Ｂ）に示すように、出力信号の位相は時間に対して不規則になる為に、波形の変化を追いながら信号の出力時刻（位相）を測定しなくてはならない。しかし、共振状態の場合には図８（Ｂ）に示すように、出力信号は時間的に安定している。そのため、波形の変化を追う必要がなく、特定の時刻における出力信号の位相の変化から弾性表面波の伝搬速度を求めることができる。
【００５６】
波形調整部２５は、共振調整部２４による調整の後、出力部２２から出力された検出信号の位相である検出位相と記憶部２３に記憶された参照位相との差が一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するためのものである。
【００５７】
具体的には、高周波バースト信号の搬送周波数を、共振周波数の５ｐｐｍ毎に調整する。
【００５８】
また、波形調整部２５は、高周波バースト信号を多重周回弾性表面波素子１０に入力し、その検出信号の波形と参照信号の波形とを順次一致させるようにする。
【００５９】
そして、少なくとも周回時間Ｔの５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整する。ここで、伝搬面が球面の場合には周回に伴う弾性表面波の減衰率は小さい。そのため、波長の５０００倍以上の周回時間が経過して検出信号の強度が減少したり、弾性表面波がすだれ状電極を通過する度に発生する反射波が増加したりしても位相検出が可能である。共振状態での測定は、５０００倍以上の周回時間経過後の位相測定で有効である。
【００６０】
算出部２６は、波形調整部２５による調整の結果、検出信号と参照信号との位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と記憶部２３に記憶された参照周波数との差分を算出するものである。
【００６１】
ここで、位相差を一定にさせた場合における周波数の変化量を求める手順について説明する。
【００６２】
図４（Ａ）は、検出位相と参照位相との差を、駆動用のバースト信号を印加した直後に測定した結果の例である。ここで、図４において、縦軸は位相差を示し、横軸は経過時間を示す。すなわち、位相差を一定にさせた場合における周波数の変化量は、図４（Ａ）の状態を図４（Ｂ）の状態にするように調整した時の周波数に他ならない。
【００６３】
なお、球状弾性表面波素子の直径は３．３ｍｍであり、搬送周波数は１５０ＭＨｚ近傍（ここでは、１５２．１ＭＨｚ）である。
【００６４】
図４（Ａ）において、時間０秒のときに位相差が１１０度であったものが、１００μ秒経過後には−１２５度に変化している。
【００６５】
つまり、時間０秒から１００μ秒の間に、１８０度―１１０度＋（−１２５度―（−１８０））度＝７０度＋５５度＝１２５度の位相が変化したことになる。
【００６６】
ここで、１５２．１ＭＨｚの信号の位相が１２５度変化する時間の変化は、１周期に要する時間と位相変化の割合との積となる。
【００６７】
換言すれば、
（信号周期）×（多重周回による位相変化量／３６０度）
＝１／（１５２．１×１０６） × １２５度／３６０度
となる。そして、これだけの変化が１００μ秒で起きているので、その変化率は、
（信号周期）×（多重周回による位相変化量／３６０度）／（多重周回に要した全時間）
１／（１５２．１×１０６） × １２５度／３６０度 ／（１００×１０−６）となる。つまり、この比率だけ弾性表面波の信号の位相が早くなる。
【００６８】
逆に、周波数をこの比率分だけ低くすると、位相の変化が打ち消されることになる。このときの周波数の変化量は、以下のように算出される。
【００６９】
（周波数の変化量）
＝（搬送周波数）×｛（多重周回による位相変化量／３６０度）×（信号周期）｝／（多重周回に要した時間）
＝１５２．１×１０６×(７０＋５５)／３６０×（1／（１５２．１×１０６））／（１００×１０−６）
＝３４７０Hz
となる。
【００７０】
すなわち、搬送周波数を３４７０Ｈｚ変化させると、図４（Ｂ）のように、検出位相が参照位相に平行に漸近する。
【００７１】
ところで、今回の測定の前に測定した際、共振周波数として測定した周波数は１５２．１０３４６４ＭＨｚであり、１００マイクロ秒時刻における位相値は、−１２８．３度であった。よって、今回の値１２５度と３．３度の差がある。
【００７２】
そこで、さらに前式に対して修正を行うと、求める周波数変化量は、
１５２．０９６６３４×１０６×(３．３)／３６０×（1／（１５２．０９６６３４×１０６））／（１００×１０６）
＝９．２Hz
となる。
【００７３】
よって、
１５２０９６６３４Ｈｚ−９．２Ｈｚ＝１５２０９６６２５Ｈｚ
となる。
【００７４】
前回の測定結果の周波数１５２１０３４６４ＭＨｚとは、６８３９Ｈｚの差がある。
【００７５】
これにより、６８３９Ｈｚ／１５２１０３４６４Ｈｚ＝約４４ｐｐｍの伝搬速度の変化があることを求めることができる。
【００７６】
なお、記憶部２３、共振調整部２４、波形調整部２５、算出部２６は、ハードウェア構成で実現可能であり、ハードウェア構成とソフトウェア構成の組合せとしても実現可能となっている。後者の場合、ソフトウェア構成は、予めコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又はネットワークから得られたプログラムがコンピュータにインストールされることにより各機能が実現される。
【００７７】
高周波信号源３０は、高周波を発生して入力部２１に出力するものである。
【００７８】
（周波数変化量算出装置２０の動作）
次に本実施形態に係る周波数変化量算出装置２０の動作について図５のフローチャートを用いて説明する。
【００７９】
まず、入力部２１により、多重周回弾性表面波素子１０のすだれ状電極１３に、高周波バースト信号が入力される（Ｓ１）。これにより、多重周回弾性表面波素子１０における伝搬面１１に弾性表面波が励起する。
【００８０】
そして、励起した弾性表面波は、すだれ状電極１３により検出されて出力部２２を介して、共振調整部２４及び波形調整部２５に出力される（Ｓ２）。
【００８１】
次に、共振調整部２４により共振状態になるように搬送周波数が調整される（Ｓ３）。ここで、共振状態でない場合、搬送周波数が変更される。そして、出力部２２により出力される検出信号が共振状態となるまで、この動作が繰り返される（Ｓ３―Ｎｏ，Ｓ４）。
【００８２】
なお、共振状態となったか否かの判断は、検出信号の強度によっても判断することができる。すなわち、共振状態では波が強め合うため強度値が急激に大きな値となる。
【００８３】
次に、共振調整部２４により共振状態になるように搬送周波数が調整された場合、出力部２２から出力された検出信号の検出位相と記憶部２３に予め記憶された参照位相との差が一定となるように、波形調整部２５により高周波バースト信号の搬送周波数が調整される（Ｓ３−Ｙｅｓ，Ｓ５）。ここで、位相差が一定でない場合、搬送周波数が変更される。そして、出力部２２により出力される検出位相と参照位相との差が一定となるまで、この動作が繰り返される（Ｓ５―Ｎｏ，Ｓ６）。
【００８４】
次に、波形調整部２５による調整の結果、検出位相と参照位相との位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と記憶部２３に記憶された参照周波数との差分が算出部２６により算出される（Ｓ５−Ｙｅｓ，Ｓ７）。
【００８５】
以上説明したように、本実施形態に係る周波数変化量算出装置２０によれば、共振状態における弾性表面波の少なくとも参照位相と好ましくは強度情報を有している参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶部２３と、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための共振調整部２４と、検出信号の位相である検出位相と参照位相との差が時間に対して一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための波形調整部２５と、両者の位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出部２６とを備えた構成により、共振状態にしてから位相の変化を求めているので、多重周回した弾性表面波の干渉の影響を抑えることができ、多重周回弾性表面波素子１０における周波数変化量を高精度に算出することができる。
【００８６】
なお、本実施形態に係る周波数変化量の算出方法は、通常の共振状態の周波数（共振周波数）を求めるだけのものではない。バースト信号を用いて共振状態にしたとしても、バースト信号を用いて計測する限り位相が時刻と完全な比例関係にはならない。このような場合であっても、共振状態を現出し、さらに記憶した参照位相と比較をすることで正確な測定を実現するものであれば、本実施形態に係る周波数変化量の算出方法はこれを除くものではない。
【００８７】
さらに、本実施形態によれば、波形調整部２５は、検出信号の波形と参照信号の波形とを、高周波バースト信号を入力してから順次一致させるようにし、伝搬面を球形にして周回に伴う波の回折の影響による減衰を小さくしている。そして、少なくとも周回時間の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整するので、多重周回による位相の変化を高確度で検出することができる。
【００８８】
また、本実施形態によれば、波形調整部２５は、共振周波数の５ｐｐｍ毎に高周波バースト信号の搬送周波数を可変とするものであるので、高精度に波形を一致させることができる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなるので、弾性表面波の強度が多重周回により減衰しても位相の変化を求めることができる。
【００９０】
なお、検出信号の位相と参照位相との差が３６０度以上の場合は、２周目の信号の位相と比較するなど周回が重ならないようにする。これにより、位相差が大きくならない時刻での位相データを用いて、周回数が大きな時刻において共振周波数の算出を精密に行うことができる。
【００９１】
なお、共振周波数の算出とそれを用いた周波数値とによる伝搬状態の変化測定は、最低２個の位相データがあれば可能である。
【００９２】
なお、周波数変化量算出装置２０に対して、さらに、多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、算出手段により算出された差分の周波数と環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、比較結果による比較の結果、環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えて環境計測装置を作成することもできる。この場合は、環境の変化による周波数の変動幅から環境の変化を検知することができる。
【００９３】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態は、入力部２１における高周波バースト信号を入力するタイミングを調整する。
【００９４】
入力部２１は、高周波バースト信号を周回時間Ｔの整数倍の時間にわたり多重周回弾性表面波素子１０に入力する。これにより比較的安定した位相の信号を得ることができる。
【００９５】
ここで、高周波バースト信号を入力するタイミングに応じて得られる３パターンの検出信号について説明する。
【００９６】
（１．共振状態ではない短いバースト）
通常、弾性表面波は、多重周回弾性表面波素子１０の表面に形成されるすだれ状電極１３などよって僅かに反射される。そのため、検出される信号が、時間領域の前後に広がってしまう。
【００９７】
すなわち、バースト信号の周波数が共振周波数でなく入力時間が周回時間Ｔの整数倍ではない場合、多重周回弾性表面波素子１０を多重周回して出力される検出信号は、周回毎のバースト信号となる（図６（Ａ）参照）。
【００９８】
この場合、周回数が大きくなると時間的に広がり、前後の信号と干渉してしまう（図６（Ｂ）参照）。
【００９９】
すなわち、周回数の大きい領域で位相を計測した場合、バースト信号が観測される領域（図６（Ｂ）のＱ領域）では安定した位相値が得られるが、バースト信号が観測されない領域（図６（Ｂ）のＰ領域）では信号強度が小さく、位相自体も不明瞭となる。
【０１００】
この場合、温度が変わると観測の対象となるＱ領域の時刻に、位相の不安定なＰ領域が移動してくる。そのため、直線的なデータの位相変化を測定することができなくなる。
【０１０１】
（２．共振状態ではない長いバースト）
バースト信号の周波数が共振周波数ではなく入力時間が周回時間Ｔの整数倍とした場合、バースト信号の時間長は共振周波数ではないため、隣り合う信号の重なる領域では干渉により強度が変化する（図７（Ａ）参照）。そのため、この領域では、当然に位相は不連続となる（図７（Ｂ）参照）。
【０１０２】
（３．共振状態のバースト）
共振状態の場合、上述したパターンに比して、弾性表面波の反射した成分や早い時刻に広げられた弾性表面波の重畳による位相への影響が少ない。
【０１０３】
例えば、バースト信号の周波数が共振周波数であり入力時間が周回時間Ｔの整数倍であると、Ｑ領域及びＰ領域のいずれの領域でも信号の位相は安定した分布となる（図８参照）。このため、多少信号の到達時刻が温度などによって変化しても測定値は安定する。
【０１０４】
なお、バースト信号の周波数が共振周波数であれば、入力時間が周回時間Ｔより短い場合でも、比較的安定した位相の信号が得られる。結果として、測定を正確に行うことができる。
【０１０５】
上述したように、本実施形態によれば、入力部２１は、周回時間Ｔの整数倍の時間にわたり高周波バースト信号を入力するので、多重周回された検出信号の干渉によるノイズを抑えることができる。
【０１０６】
特に周回数（弾性表面波の伝搬長の波長に対する比率）が大きい場合には、高精度の位相検出ができる。
【０１０７】
例えば、弾性表面波の伝搬速度計測の分解能が３ｐｐｍを超えるような場合で、波長の５０００倍を超える場合には、高精度の位相検出ができる。
【０１０８】
また、直径１ｃｍの水晶のＺ軸シリンダーを用いた４５ＭＨｚ素子であれば、２０周を超える周回数（９５００倍に相当）の場合に、この効果が現れる。一方、同様の水晶基材を用いて１５ＭＨｚの素子を作成する場合、３０周（４５００倍）程度でバースト信号の形状は崩れる。波長の倍数からは十分小さな伝搬長であっても、周回する度に電極などから受ける影響が大きくなり、位相測定に影響を及ぼすからである。
【０１０９】
また、本実施形態に係る周波数変化量算出装置２０においては、信号強度は周回にしたがって指数関数的に変化する信号を測定対象とする。そのため、検出信号と参照信号との強度を等しくする過程において、位相の絶対値が変わることにより、測定が不正確になることを防ぐことができる。
【０１１０】
＜第３の実施形態＞
図９は本発明の第３の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態で説明した部分と同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態においても同様にして重複した説明を省略する。
【０１１１】
多重周回弾性表面波素子１０Ｔは、温度較正のために用いられるものである。
【０１１２】
入力部２１は、変調回路２１Ａ，ＲＦスイッチ２１Ｂ，一方向性結合器２１Ｃ，ＲＦスイッチ２１Ｄ，素子切替スイッチ２１Ｅを備えている。
【０１１３】
変調回路２１Ａは、高周波信号源３０の高周波信号の搬送周波数を１５０ＭＨｚで変調し、変調した周波数を１Ｈｚ間隔で微調整できるものである。
【０１１４】
ＲＦスイッチ２１Ｂは、変調回路２１Ａで調整した高周波信号をバースト信号にするものである。
【０１１５】
一方向性結合器２１Ｃは、多重周回弾性表面波素子１０からの弾性表面波の検出信号が逆進行しないようにするためのものである。
【０１１６】
ＲＦスイッチ２１Ｄは、一方向性結合器２１Ｃと素子切替スイッチ２１Ｅとを接続させるか、一方向性結合器２１Ｃと増幅器２２Ａとを接続させるか、どちらとも接続させないか、を選択できるスイッチである。
【０１１７】
素子切替スイッチ２１Ｅは、多重周回弾性表面波素子１０又は１０Ｔを選択できるスイッチである。
【０１１８】
出力部２２は、増幅部２２Ａ，変調回路２２B，乗算器２２C，ＩＦフィルター２２Ｄ，Ａ／Ｄ変換器２２Ｅ，乗算器２２Ｆ、Ｉ／Ｄ２２Ｇ，乗算器２２Ｈ，Ｉ／Ｄ２２Ｉ，位相算出器２２J，強度検出器２２K，ローパスフィルター２２L，Ａ／D変換器２２M，出力処理部２２Nを備えている。
【０１１９】
また、変調回路２２Ｂ，乗算器２２Ｃ，ＩＦフィルター２２Ｄ，Ａ／Ｄ変換器２２Ｅにより、検出信号の波形をヘテロダイン検波により得ることを可能とする。
【０１２０】
ヘテロダイン検波を用いる理由は以下の通りである。
【０１２１】
弾性表面波の測定は、非常に僅かな位相の変化率を測定対象とする。そのため、駆動信号を同一にして素子間や素子の時間的な不安定性に影響されないような条件が必要である。
【０１２２】
特に広い帯域の信号を用いる場合、観測の対象とする特定周波数のみを通過させる周波数フィルターを用いても、その他の雑音信号の除去を行うことが困難である。
【０１２３】
この場合、狭帯域の１周回以上の継続時間以上のバースト信号を用い、ヘテロダイン検波方式を用いて検波する場合に限り、周期の５０００回分の伝搬距離の弾性表面波信号の位相を正確に捉えることができる。
【０１２４】
なお、Ａ／D変換器２２Eにより、ヘテロダイン検波におり得られた波形の強度をデジタル化し、デジタル強度値を得ている。
【０１２５】
なお、出力処理部２２Ｎは、位相算出器２２Ｊ及びＡ／Ｄ変換器２２Ｍから得られた信号を共振調整部２４及び波形調整部２５に出力するためのものである。
【０１２６】
記憶部２３は、ヘテロダイン検波により得られた参照波形の強度をデジタル化して示すデジタル強度値を記憶する。
【０１２７】
波形調整部２５は、Ａ／D変換器２２Eにより得られた検出信号のデジタル強度値と、参照波形のデジタル強度値とを一致させるように、搬送周波数を調整する。これにより、出力部２２から出力された検出位相と記憶部２３に記憶された参照位相との差を一定とすることができる。
【０１２８】
上述したように本実施形態においては、出力部２２は、検出信号の波形をヘテロダイン検波により得ており、さらに得られた波形の強度をデジタル化し、記憶部２３には参照信号の波形の強度をデジタル化して示すデジタル強度値が記憶されており、波形調整部２５はＡ／Ｄ変換器２２Ｅにより得られたデジタル強度値と、参照信号の波形のデジタル強度値とを一致させるように、共振周波数を調整する。このように、波形をデジタル強度値により一致させる構成を備えているので、コンピュータによる信号処理を高精度に実行することができる。
【０１２９】
＜第４の実施形態＞
図１０は本発明の第４の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子１０Ｓの構成を示す模式図である。
【０１３０】
多重周回弾性表面波素子１０Ｓは、伝搬面１１に対向して非接触で設置され、伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極１３を備えている。
【０１３１】
具体的には、球状部材１２の周囲に外部基材１４を備え、球状部材１２とモールド用基材１４とに空隙領域Ｒを設け、この空隙領域Ｒにすだれ状電極１３を形成している。
【０１３２】
また、図１０中の矢印Ｚは水晶の結晶軸Ｚ軸方向を示しており、すだれ状電極１３が励起する弾性表面波の伝搬方向は紙面に垂直な方向である。
【０１３３】
ところで、周回する弾性表面波がすだれ状電極を通過する際には、（ａ）弾性表面波が周回する毎にエネルギーを電気回路に漏出する（ｂ）空中や水中に対して弾性表面波のエネルギーを漏洩する、（ｃ）伝搬路上の物質により弾性表面波が反射散乱される等の原因により、弾性表面波のエネルギーが損失する。
【０１３４】
このうち、回路へ漏出することによるエネルギーの損失（上記（ｃ））の影響は、特に大きい。
【０１３５】
これに対し、本実施形態の多重周回弾性表面波素子１０を用いれば、球状部材１２とすだれ状電極１３との電気的な相互作用はあるが、すだれ状電極１３の質量や弾性表面波の散乱効果の影響は除去することができる。これにより、位相計測にかかわる悪影響を極力減らすことができる。
【０１３６】
以上説明したように、本実施形態に係る多重周回弾性表面波素子１０は、伝搬面１１に対向して非接触で設置され、伝搬面１１に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極１３を備えた構成により、すだれ状電極１３の質量による影響やすだれ状電極１３と弾性表面波との散乱効果による影響を受けずに、弾性表面波を伝搬面１１に伝搬させることができるので、周波数変化量を高精度に算出できる多重周回弾性表面波素子１０を提供できる。
【０１３７】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】同実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の構成の一例を示す図である。
【図３】同実施形態に係る共振状態を説明するための図である。
【図４】同実施形態に係る位相の変化を示す図である。
【図５】同実施形態に係る周波数変化量算出装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る検出信号を示す図である。
【図７】同実施形態に係る検出信号を示す図である。
【図８】同実施形態に係る検出信号を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成の一例を示す模式図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子１０の構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１０・・・多重周回弾性表面波素子、１１・・・伝搬面、１２・・・球状部材、１３・・・すだれ状電極、２０・・・周波数変化量算出装置、２１・・・入力部、２１Ａ・・・変調回路、２１Ｂ・・・ＲＦスイッチ、２１Ｃ・・・一方向性結合器、２１Ｄ・・・ＲＦスイッチ、２１Ｅ・・・素子切替スイッチ、２２・・・出力部、２２Ａ・・・増幅部、２２Ｂ・・・変調回路、２２Ｃ・・・乗算器、２２Ｄ・・・ＩＦフィルター、２２Ｅ・・・Ａ／Ｄ変換器、２２Ｆ・・・乗算器、２２Ｇ・・・Ｉ／Ｄ、２２Ｈ・・・乗算器、２２Ｉ・・・Ｉ／Ｄ、２２Ｊ・・・位相算出器、２２Ｋ・・・強度検出器、２２Ｌ・・・ローパスフィルター、２２Ｍ・・・Ａ／Ｄ変換器、２２Ｎ・・・出力処理部、２３・・・記憶部、２４・・・共振調整部、２５・・・波形調整部、２６・・・算出部、３０・・・高周波信号源。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を算出する弾性表面波伝搬状態計測装置に係り、特に高精度に周波数変化量を算出する弾性表面波伝搬状態計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性表面波素子が各種センサーに応用されている。弾性表面波素子を応用したセンサーには、例えば球形状の水晶の伝搬面に弾性表面波を多重周回させて、多重周回後の弾性表面波の位相変化から物理状態の変化を検知するものがある。
【０００３】
詳しくは、多重周回させた検出信号の位相と基準となる参照信号の位相とを比較して、その位相の変化量から周波数変化量等の値を求めることにより、伝搬面の物理状態の変化を検知する。
【０００４】
球状弾性表面波素子においては、弾性表面波がバースト信号により伝搬面に励起される。この励起された弾性表面波が伝搬面を多重周回する度に、周回受信信号としてエネルギーが放出される。すなわち、弾性表面波エネルギーが電気音響変換素子（すだれ状電極）を介して、電気エネルギーとして変換消費される。
【０００５】
そこで、マッチングセクションを高インピーダンス回路にし、弾性表面波のエネルギーの放出を防ぐ。これにより、弾性表面波を多重周回させることができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−０１００９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、バースト信号がすだれ状電極を通過する際に、異なる位相成分の波を発生し、バースト信号の波形を変えてしまう。すなわち、位相ノイズが発生することがある。
【０００７】
さらに、ノイズによるエネルギーが搬送周波数のエネルギーより相対的に大きくなる場合がある。この場合、測定結果に誤差が生じてしまうため、位相変化を正確に算出することが困難となる。結果として、位相の変化量から周波数変化量等を算出することができなくなる。
【０００８】
さらに、搬送周波数の信号強度を上げる為に１周回より長い継続時間のバースト信号を入力しようとすると、１周回前に入力した信号により励起された弾性表面波と新たに入力した信号により励起した弾性表面波とが干渉を起こしてしまう。このため、弾性表面波素子から出力される弾性表面波の信号の正確な位相や強度の計測が困難になる。
【０００９】
また、通常、位相の変化を算出する場合、検出信号と参照信号との強度を等しくするが、強度を等しくする過程において、信号の位相が変わってしまい、周波数変化量を算出することができなくなることがある。
本発明の目的は、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を高精度に算出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、以下のような手段を講じる。
【００１１】
請求項１に対応する発明は、搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子に接続され、前記弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測装置であって、前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力手段と、前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力手段と、前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶手段と、前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整手段と、前記第１調整手段による調整の後、前記出力手段から出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶手段に記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整手段と、前記第２調整手段による調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整手段により調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出手段とを備えた弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１２】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、前記第２調整手段は、前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１３】
請求項３に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１４】
請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記第２調整手段は、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１５】
請求項５に対応する発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置において、前記入力手段は、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間の２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する弾性表面波伝搬状態計測装置である。
【００１６】
請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置を用いた環境変化計測装置であって、前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、前記算出手段により算出された差分の周波数と、前記環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較の結果、前記環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えた環境変化計測装置である。
【００１７】
請求項７に対応する発明は、請求項１に対応する弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、前記伝搬面に対向して非接触で設置され、前記伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えた多重周回弾性表面波素子である。
【００１８】
請求項８に対応する発明は、搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測方法であって、前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力ステップと、前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力ステップと、前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶ステップと、前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整ステップと、前記第１調整ステップによる調整の後、前記出力ステップから出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶ステップに記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整ステップと、前記第２調整ステップによる調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整ステップにより調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出ステップとを備えた弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００１９】
請求項９に対応する発明は、請求項８に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、前記第２調整ステップは、前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２０】
請求項１０に対応する発明は、請求項８又は請求項９に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２１】
請求項１１に対応する発明は、請求項８乃至請求項１０のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記第２調整ステップは、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２２】
請求項１２に対応する発明は、請求項８乃至請求項１１のいずれか1項に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法において、前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する弾性表面波伝搬状態計測方法である。
【００２３】
請求項１３に対応する発明は、請求項８に対応する弾性表面波伝搬状態計測方法を用いた環境変化計測方法であって、前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態と関連付けて記憶する環境記憶ステップと、前記算出ステップにより算出された差分の周波数と、前記環境記憶ステップにより記憶された特徴周波数とを比較する比較ステップと、前記比較ステップによる比較の結果、前記環境記憶ステップにより記憶された環境状態を出力する環境状態出力ステップとを備えた環境変化計測方法である。
【００２４】
＜用語＞
ここで、本発明において、「弾性表面波」と表記している波は、境界波、回廊波、内郭を周回する表面波、弾性表面波、漏洩弾性表面波、擬似弾性表面波、擬似漏洩弾性表面波等、球形表面にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波全般を包含する。
【００２５】
同様に、本発明においては、伝搬路が異なる材料との境界によってなる弾性表面波素子（球状弾性境界波素子）も境界を弾性波が多重周回伝搬する現象に基づいた素子であれば、多重周回弾性表面波素子と呼ぶこととする。例えば多重周回弾性表面波素子は、３次元基体が球形状の素子に限らず、伝搬路が円環状表面を有していれば、球形状の一部が平面形状など他の形状に加工されている素子も包含する。
【００２６】
また、本発明において、周回速度とは、厳密な意味での伝搬速度ではない場合がある。一般に周囲の温度が変化すると、弾性表面波の伝搬速度は変化するが、伝搬路の周回長も熱膨張によって変化するため、これらの影響が重畳されて弾性表面波の周回に必要な時間が変わってしまう場合がある。また、異方性材料を用いて伝搬路を作る場合、場所によって物理的な意味における弾性表面波の伝搬速度は変化する。すなわち、本発明において、周回速度とは、周回経路を所定の周回数あるいは所定の位置の間を伝搬するのに必要な時間によって定義される速度をいう。
【００２７】
また、本発明においては、電気信号を弾性波に変換するものとしては、１個のすだれ状電極を用いているが、２個以上の複数の電気音響変換素子を除外するものではない。例えば、１対のすだれ状電極を使用し、一方を送信用とし、他方を受信用として使用しても良い。
【００２８】
＜作用＞
従って、請求項１，８に対応する発明は、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整手段と、前記高周波バースト信号の入力から搬送周波数の周期の所定の倍数の時間を経過させた後に、多重周回弾性表面波素子から出力された検出信号の位相を所定の値に一致させるように、前記搬送周波数を調整するための第２調整手段と、第２調整手段により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出手段とを備えた構成により、共振状態にしてから所定の波数の弾性表面波を伝搬した後の状態における位相の変化を求めているので、多重周回した弾性表面波の干渉の影響を抑えることができ、多重周回弾性表面波素子において同じ経路を伝搬する弾性表面波の周波数変化量を高精度に算出することができる。
【００２９】
請求項２，９に対応する発明は、請求項１，８に対応する作用に加え、第２調整手段は、検出信号の波形と参照信号の波形とを、高周波バースト信号を入力してから順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整するので、多重周回による位相の変化を高確度で検出することができる。このように長時間伝搬をさせることは、弾性表面波の伝搬面が球形である場合には周回に伴う減衰を抑制できる。これにより、実用的な強度で検出できる。
【００３０】
請求項３，１０に対応する発明は、請求項１〜２，８〜９に対応する作用に加え、高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間の３分の１以上の継続時間からなるので、弾性表面波の強度が多重周回により減衰しても位相の変化を求めることができる。
【００３１】
請求項４，１１に対応する発明は、請求項１〜３，８〜１０に対応する作用に加え、第２調整手段は、共振周波数の５ｐｐｍ毎に高周波バースト信号の搬送周波数を可変とするものであるので、高精度に波形を一致させることができる。
【００３２】
請求項５，１２に対応する発明は、請求項１〜４，８〜１１に対応する作用に加え、入力手段は、１周回の周回時間の２倍の時間にわたり高周波バースト信号を入力するので、多重周回された検出信号の干渉によるノイズを抑えることができる。
【００３３】
請求項６，１３に対応する発明は、多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、算出手段により算出された差分の周波数と、環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、比較手段による比較の結果、環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えているので、環境の変化による周波数の変動幅から環境の変化を検知することができる。
【００３４】
請求項７に対応する発明は、弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、伝搬面に対向して非接触で設置され、伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えた構成により、すだれ状電極の質量による影響やすだれ状電極と弾性表面波との散乱効果による影響を受けずに、弾性表面波を伝搬面に伝搬させることができるので、周波数変化量を高精度に算出できる多重周回弾性表面波素子を提供できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、多重周回弾性表面波素子における周波数変化量を高精度に算出することができる。
【００３６】
これにより、弾性表面波の伝搬状態の変化をその共振周波数の変化から高精度に算出することができる。例えば、多重周回弾性表面波素子表面への物質や分子の付着があった場合に、その伝搬面の変化（環境変化）に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００３８】
＜第1の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成を示す模式図である。
【００３９】
多重周回弾性表面波素子１０は、図２に示すように、伝搬面１１を有する球状部材１２、すだれ状電極１３を備えている。これにより、高周波信号源３０による高周波信号の入力により伝搬面１１を多重周回する弾性表面波が励起される。また、多重周回した弾性表面波は、すだれ状電極１３で検出され、スイッチＳＷを介してデジタルオシロスコープＤＯＳ等で計測される。
【００４０】
伝搬面１１は、連続した曲面からなる円環状の表面を有し、この円環状の表面の少なくとも一部には、すだれ状電極１３により励起される互いに逆方向に伝搬する弾性表面波を周回させるための周回経路を備えている。
【００４１】
球状部材１２は、一旦励起された弾性表面波が多重周回可能な伝搬面１１を有する３次元基体であり、ここでは単結晶の水晶材料を球形状に加工したものを用いている。
【００４２】
すだれ状電極１３は、高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波を励起するとともに、多重周回した弾性表面波を検出するものである。例えば、金属の蒸着とフォトリソグラフィプロセスによるエッチングとを用いることにより、球状部材１２の表面に接して形成される。
【００４３】
周波数変化量算出装置（弾性表面波伝搬状態計測装置）２０は、高周波信号源３０による高周波信号の搬送周波数を変化させた量を算出するものであり、入力部２１、出力部２２、記憶部２３、共振調整部２４（第１調整手段）、波形調整部２５（第２調整手段）、算出部２６を備える。
【００４４】
入力部２１は、高周波信号源３０から出力される高周波信号の搬送周波数を設定及び変更する機能を有し、多重周回弾性表面波素子１０に高周波バースト信号を入力するものである。
【００４５】
また、入力される高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の継続時間の波からなるものである。これにより、多重周回弾性表面波素子１０の伝搬面１１を周回する弾性表面波のバースト信号の両端の影響を小さくすることができる。また、励起する弾性表面波の振幅を大きくすることができる。
【００４６】
なお、通常、１００ＭＨｚ以上の周波数により弾性表面波を励起する場合に、パルス幅の短い高周波信号（極端な場合はインパルス）を用いると、高周波信号の周波数成分のパワーは相対的に小さくなる。このため、１ｐｐｍの精度で計測を行うのが困難となる。ただし、特定周波数を有する狭帯域のバースト信号を用いて高周波信号源３０の高周波信号と位相比較を行う場合に限り、計測の対象とする周波数の成分についての十分なパワーを確保でき、１ｐｐｍの計測を行うことができる。
【００４７】
出力部２２は、入力部２１による高周波バースト信号の入力後、伝搬面１１を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を共振調整部２４又は波形調整部２５に出力するものである。なお、検出信号の位相はヘテロダイン検波により得られる。
【００４８】
記憶部２３は、共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶するものである。
【００４９】
ここで、「共振状態」とは、伝搬面１１を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間Ｔに占める弾性表面波の１周期の割合が周回時間Ｔの整数分の１となる状態である。
【００５０】
共振状態では、図３（Ａ）に示すように、駆動信号がすだれ状電極１３に入力された場合に、弾性表面波の１周回分の周回時間Ｔが弾性表面波の振動周期の整数倍となる。このため、すだれ状電極１３は、既に周回している弾性表面波と同じ位相で、弾性表面波の振動を増幅する電界を球状部材１２に印加するので、弾性表面波の出力強度が極大となる。
【００５１】
共振状態では無い状態では、図３（Ｂ）に示すように、駆動信号がすだれ状電極１３に入力された場合に、弾性表面波の１周回分の周回時間Ｔが弾性表面波の振動周期の整数倍とはならない。このため、すだれ状電極１３により、周回中の弾性表面波に対して異なる位相の弾性表面波が印加され、既に周回中の弾性表面波を打ち消してしまう。よって、弾性表面波の強度は不十分になり、出力される検出信号の位相は、時間的に不安定になる。
【００５２】
共振調整部２４は、出力部２２により検出された弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするためのものである。
【００５３】
共振状態にする理由は、弾性表面波素子の伝搬面の変化（以下、環境変化ともいう。）を、伝搬面の変化の前後の周波数応答から求める場合に、再現しやすい伝搬状態であるからである。共振状態は、１周期を波長比の何倍に相当させるかによって複数存在する。あらかじめ環境の変動幅を設定しておけば、一意にその周波数を環境に対する特定周波数として採用できる。
【００５４】
もう一つの共振状態にする理由は、位相変動の小さい安定した振幅を有する信号を測定するためである。共振状態で測定を行うと、出力信号の位相が時刻に従って比例する為、位相の変化から弾性表面波の伝搬速度を求めることができる、という大きな利点がある。
【００５５】
例えば、温度が上昇して弾性表面波の伝搬速度が上昇する場合、図７（Ｂ）に示すように、出力信号の位相は時間に対して不規則になる為に、波形の変化を追いながら信号の出力時刻（位相）を測定しなくてはならない。しかし、共振状態の場合には図８（Ｂ）に示すように、出力信号は時間的に安定している。そのため、波形の変化を追う必要がなく、特定の時刻における出力信号の位相の変化から弾性表面波の伝搬速度を求めることができる。
【００５６】
波形調整部２５は、共振調整部２４による調整の後、出力部２２から出力された検出信号の位相である検出位相と記憶部２３に記憶された参照位相との差が一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するためのものである。
【００５７】
具体的には、高周波バースト信号の搬送周波数を、共振周波数の５ｐｐｍ毎に調整する。
【００５８】
また、波形調整部２５は、高周波バースト信号を多重周回弾性表面波素子１０に入力し、その検出信号の波形と参照信号の波形とを順次一致させるようにする。
【００５９】
そして、少なくとも周回時間Ｔの５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整する。ここで、伝搬面が球面の場合には周回に伴う弾性表面波の減衰率は小さい。そのため、波長の５０００倍以上の周回時間が経過して検出信号の強度が減少したり、弾性表面波がすだれ状電極を通過する度に発生する反射波が増加したりしても位相検出が可能である。共振状態での測定は、５０００倍以上の周回時間経過後の位相測定で有効である。
【００６０】
算出部２６は、波形調整部２５による調整の結果、検出信号と参照信号との位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と記憶部２３に記憶された参照周波数との差分を算出するものである。
【００６１】
ここで、位相差を一定にさせた場合における周波数の変化量を求める手順について説明する。
【００６２】
図４（Ａ）は、検出位相と参照位相との差を、駆動用のバースト信号を印加した直後に測定した結果の例である。ここで、図４において、縦軸は位相差を示し、横軸は経過時間を示す。すなわち、位相差を一定にさせた場合における周波数の変化量は、図４（Ａ）の状態を図４（Ｂ）の状態にするように調整した時の周波数に他ならない。
【００６３】
なお、球状弾性表面波素子の直径は３．３ｍｍであり、搬送周波数は１５０ＭＨｚ近傍（ここでは、１５２．１ＭＨｚ）である。
【００６４】
図４（Ａ）において、時間０秒のときに位相差が１１０度であったものが、１００μ秒経過後には−１２５度に変化している。
【００６５】
つまり、時間０秒から１００μ秒の間に、１８０度―１１０度＋（−１２５度―（−１８０））度＝７０度＋５５度＝１２５度の位相が変化したことになる。
【００６６】
ここで、１５２．１ＭＨｚの信号の位相が１２５度変化する時間の変化は、１周期に要する時間と位相変化の割合との積となる。
【００６７】
換言すれば、
（信号周期）×（多重周回による位相変化量／３６０度）
＝１／（１５２．１×１０６） × １２５度／３６０度
となる。そして、これだけの変化が１００μ秒で起きているので、その変化率は、
（信号周期）×（多重周回による位相変化量／３６０度）／（多重周回に要した全時間）
１／（１５２．１×１０６） × １２５度／３６０度 ／（１００×１０−６）となる。つまり、この比率だけ弾性表面波の信号の位相が早くなる。
【００６８】
逆に、周波数をこの比率分だけ低くすると、位相の変化が打ち消されることになる。このときの周波数の変化量は、以下のように算出される。
【００６９】
（周波数の変化量）
＝（搬送周波数）×｛（多重周回による位相変化量／３６０度）×（信号周期）｝／（多重周回に要した時間）
＝１５２．１×１０６×(７０＋５５)／３６０×（1／（１５２．１×１０６））／（１００×１０−６）
＝３４７０Hz
となる。
【００７０】
すなわち、搬送周波数を３４７０Ｈｚ変化させると、図４（Ｂ）のように、検出位相が参照位相に平行に漸近する。
【００７１】
ところで、今回の測定の前に測定した際、共振周波数として測定した周波数は１５２．１０３４６４ＭＨｚであり、１００マイクロ秒時刻における位相値は、−１２８．３度であった。よって、今回の値１２５度と３．３度の差がある。
【００７２】
そこで、さらに前式に対して修正を行うと、求める周波数変化量は、
１５２．０９６６３４×１０６×(３．３)／３６０×（1／（１５２．０９６６３４×１０６））／（１００×１０６）
＝９．２Hz
となる。
【００７３】
よって、
１５２０９６６３４Ｈｚ−９．２Ｈｚ＝１５２０９６６２５Ｈｚ
となる。
【００７４】
前回の測定結果の周波数１５２１０３４６４ＭＨｚとは、６８３９Ｈｚの差がある。
【００７５】
これにより、６８３９Ｈｚ／１５２１０３４６４Ｈｚ＝約４４ｐｐｍの伝搬速度の変化があることを求めることができる。
【００７６】
なお、記憶部２３、共振調整部２４、波形調整部２５、算出部２６は、ハードウェア構成で実現可能であり、ハードウェア構成とソフトウェア構成の組合せとしても実現可能となっている。後者の場合、ソフトウェア構成は、予めコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又はネットワークから得られたプログラムがコンピュータにインストールされることにより各機能が実現される。
【００７７】
高周波信号源３０は、高周波を発生して入力部２１に出力するものである。
【００７８】
（周波数変化量算出装置２０の動作）
次に本実施形態に係る周波数変化量算出装置２０の動作について図５のフローチャートを用いて説明する。
【００７９】
まず、入力部２１により、多重周回弾性表面波素子１０のすだれ状電極１３に、高周波バースト信号が入力される（Ｓ１）。これにより、多重周回弾性表面波素子１０における伝搬面１１に弾性表面波が励起する。
【００８０】
そして、励起した弾性表面波は、すだれ状電極１３により検出されて出力部２２を介して、共振調整部２４及び波形調整部２５に出力される（Ｓ２）。
【００８１】
次に、共振調整部２４により共振状態になるように搬送周波数が調整される（Ｓ３）。ここで、共振状態でない場合、搬送周波数が変更される。そして、出力部２２により出力される検出信号が共振状態となるまで、この動作が繰り返される（Ｓ３―Ｎｏ，Ｓ４）。
【００８２】
なお、共振状態となったか否かの判断は、検出信号の強度によっても判断することができる。すなわち、共振状態では波が強め合うため強度値が急激に大きな値となる。
【００８３】
次に、共振調整部２４により共振状態になるように搬送周波数が調整された場合、出力部２２から出力された検出信号の検出位相と記憶部２３に予め記憶された参照位相との差が一定となるように、波形調整部２５により高周波バースト信号の搬送周波数が調整される（Ｓ３−Ｙｅｓ，Ｓ５）。ここで、位相差が一定でない場合、搬送周波数が変更される。そして、出力部２２により出力される検出位相と参照位相との差が一定となるまで、この動作が繰り返される（Ｓ５―Ｎｏ，Ｓ６）。
【００８４】
次に、波形調整部２５による調整の結果、検出位相と参照位相との位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と記憶部２３に記憶された参照周波数との差分が算出部２６により算出される（Ｓ５−Ｙｅｓ，Ｓ７）。
【００８５】
以上説明したように、本実施形態に係る周波数変化量算出装置２０によれば、共振状態における弾性表面波の少なくとも参照位相と好ましくは強度情報を有している参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶部２３と、高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための共振調整部２４と、検出信号の位相である検出位相と参照位相との差が時間に対して一定となるように、高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための波形調整部２５と、両者の位相差が一定となるとき、波形調整部２５により調整された搬送周波数と参照周波数との差分を算出する算出部２６とを備えた構成により、共振状態にしてから位相の変化を求めているので、多重周回した弾性表面波の干渉の影響を抑えることができ、多重周回弾性表面波素子１０における周波数変化量を高精度に算出することができる。
【００８６】
なお、本実施形態に係る周波数変化量の算出方法は、通常の共振状態の周波数（共振周波数）を求めるだけのものではない。バースト信号を用いて共振状態にしたとしても、バースト信号を用いて計測する限り位相が時刻と完全な比例関係にはならない。このような場合であっても、共振状態を現出し、さらに記憶した参照位相と比較をすることで正確な測定を実現するものであれば、本実施形態に係る周波数変化量の算出方法はこれを除くものではない。
【００８７】
さらに、本実施形態によれば、波形調整部２５は、検出信号の波形と参照信号の波形とを、高周波バースト信号を入力してから順次一致させるようにし、伝搬面を球形にして周回に伴う波の回折の影響による減衰を小さくしている。そして、少なくとも周回時間の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、共振周波数を調整するので、多重周回による位相の変化を高確度で検出することができる。
【００８８】
また、本実施形態によれば、波形調整部２５は、共振周波数の５ｐｐｍ毎に高周波バースト信号の搬送周波数を可変とするものであるので、高精度に波形を一致させることができる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなるので、弾性表面波の強度が多重周回により減衰しても位相の変化を求めることができる。
【００９０】
なお、検出信号の位相と参照位相との差が３６０度以上の場合は、２周目の信号の位相と比較するなど周回が重ならないようにする。これにより、位相差が大きくならない時刻での位相データを用いて、周回数が大きな時刻において共振周波数の算出を精密に行うことができる。
【００９１】
なお、共振周波数の算出とそれを用いた周波数値とによる伝搬状態の変化測定は、最低２個の位相データがあれば可能である。
【００９２】
なお、周波数変化量算出装置２０に対して、さらに、多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、算出手段により算出された差分の周波数と環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、比較結果による比較の結果、環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段とを備えて環境計測装置を作成することもできる。この場合は、環境の変化による周波数の変動幅から環境の変化を検知することができる。
【００９３】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態は、入力部２１における高周波バースト信号を入力するタイミングを調整する。
【００９４】
入力部２１は、高周波バースト信号を周回時間Ｔの整数倍の時間にわたり多重周回弾性表面波素子１０に入力する。これにより比較的安定した位相の信号を得ることができる。
【００９５】
ここで、高周波バースト信号を入力するタイミングに応じて得られる３パターンの検出信号について説明する。
【００９６】
（１．共振状態ではない短いバースト）
通常、弾性表面波は、多重周回弾性表面波素子１０の表面に形成されるすだれ状電極１３などよって僅かに反射される。そのため、検出される信号が、時間領域の前後に広がってしまう。
【００９７】
すなわち、バースト信号の周波数が共振周波数でなく入力時間が周回時間Ｔの整数倍ではない場合、多重周回弾性表面波素子１０を多重周回して出力される検出信号は、周回毎のバースト信号となる（図６（Ａ）参照）。
【００９８】
この場合、周回数が大きくなると時間的に広がり、前後の信号と干渉してしまう（図６（Ｂ）参照）。
【００９９】
すなわち、周回数の大きい領域で位相を計測した場合、バースト信号が観測される領域（図６（Ｂ）のＱ領域）では安定した位相値が得られるが、バースト信号が観測されない領域（図６（Ｂ）のＰ領域）では信号強度が小さく、位相自体も不明瞭となる。
【０１００】
この場合、温度が変わると観測の対象となるＱ領域の時刻に、位相の不安定なＰ領域が移動してくる。そのため、直線的なデータの位相変化を測定することができなくなる。
【０１０１】
（２．共振状態ではない長いバースト）
バースト信号の周波数が共振周波数ではなく入力時間が周回時間Ｔの整数倍とした場合、バースト信号の時間長は共振周波数ではないため、隣り合う信号の重なる領域では干渉により強度が変化する（図７（Ａ）参照）。そのため、この領域では、当然に位相は不連続となる（図７（Ｂ）参照）。
【０１０２】
（３．共振状態のバースト）
共振状態の場合、上述したパターンに比して、弾性表面波の反射した成分や早い時刻に広げられた弾性表面波の重畳による位相への影響が少ない。
【０１０３】
例えば、バースト信号の周波数が共振周波数であり入力時間が周回時間Ｔの整数倍であると、Ｑ領域及びＰ領域のいずれの領域でも信号の位相は安定した分布となる（図８参照）。このため、多少信号の到達時刻が温度などによって変化しても測定値は安定する。
【０１０４】
なお、バースト信号の周波数が共振周波数であれば、入力時間が周回時間Ｔより短い場合でも、比較的安定した位相の信号が得られる。結果として、測定を正確に行うことができる。
【０１０５】
上述したように、本実施形態によれば、入力部２１は、周回時間Ｔの整数倍の時間にわたり高周波バースト信号を入力するので、多重周回された検出信号の干渉によるノイズを抑えることができる。
【０１０６】
特に周回数（弾性表面波の伝搬長の波長に対する比率）が大きい場合には、高精度の位相検出ができる。
【０１０７】
例えば、弾性表面波の伝搬速度計測の分解能が３ｐｐｍを超えるような場合で、波長の５０００倍を超える場合には、高精度の位相検出ができる。
【０１０８】
また、直径１ｃｍの水晶のＺ軸シリンダーを用いた４５ＭＨｚ素子であれば、２０周を超える周回数（９５００倍に相当）の場合に、この効果が現れる。一方、同様の水晶基材を用いて１５ＭＨｚの素子を作成する場合、３０周（４５００倍）程度でバースト信号の形状は崩れる。波長の倍数からは十分小さな伝搬長であっても、周回する度に電極などから受ける影響が大きくなり、位相測定に影響を及ぼすからである。
【０１０９】
また、本実施形態に係る周波数変化量算出装置２０においては、信号強度は周回にしたがって指数関数的に変化する信号を測定対象とする。そのため、検出信号と参照信号との強度を等しくする過程において、位相の絶対値が変わることにより、測定が不正確になることを防ぐことができる。
【０１１０】
＜第３の実施形態＞
図９は本発明の第３の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態で説明した部分と同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態においても同様にして重複した説明を省略する。
【０１１１】
多重周回弾性表面波素子１０Ｔは、温度較正のために用いられるものである。
【０１１２】
入力部２１は、変調回路２１Ａ，ＲＦスイッチ２１Ｂ，一方向性結合器２１Ｃ，ＲＦスイッチ２１Ｄ，素子切替スイッチ２１Ｅを備えている。
【０１１３】
変調回路２１Ａは、高周波信号源３０の高周波信号の搬送周波数を１５０ＭＨｚで変調し、変調した周波数を１Ｈｚ間隔で微調整できるものである。
【０１１４】
ＲＦスイッチ２１Ｂは、変調回路２１Ａで調整した高周波信号をバースト信号にするものである。
【０１１５】
一方向性結合器２１Ｃは、多重周回弾性表面波素子１０からの弾性表面波の検出信号が逆進行しないようにするためのものである。
【０１１６】
ＲＦスイッチ２１Ｄは、一方向性結合器２１Ｃと素子切替スイッチ２１Ｅとを接続させるか、一方向性結合器２１Ｃと増幅器２２Ａとを接続させるか、どちらとも接続させないか、を選択できるスイッチである。
【０１１７】
素子切替スイッチ２１Ｅは、多重周回弾性表面波素子１０又は１０Ｔを選択できるスイッチである。
【０１１８】
出力部２２は、増幅部２２Ａ，変調回路２２B，乗算器２２C，ＩＦフィルター２２Ｄ，Ａ／Ｄ変換器２２Ｅ，乗算器２２Ｆ、Ｉ／Ｄ２２Ｇ，乗算器２２Ｈ，Ｉ／Ｄ２２Ｉ，位相算出器２２J，強度検出器２２K，ローパスフィルター２２L，Ａ／D変換器２２M，出力処理部２２Nを備えている。
【０１１９】
また、変調回路２２Ｂ，乗算器２２Ｃ，ＩＦフィルター２２Ｄ，Ａ／Ｄ変換器２２Ｅにより、検出信号の波形をヘテロダイン検波により得ることを可能とする。
【０１２０】
ヘテロダイン検波を用いる理由は以下の通りである。
【０１２１】
弾性表面波の測定は、非常に僅かな位相の変化率を測定対象とする。そのため、駆動信号を同一にして素子間や素子の時間的な不安定性に影響されないような条件が必要である。
【０１２２】
特に広い帯域の信号を用いる場合、観測の対象とする特定周波数のみを通過させる周波数フィルターを用いても、その他の雑音信号の除去を行うことが困難である。
【０１２３】
この場合、狭帯域の１周回以上の継続時間以上のバースト信号を用い、ヘテロダイン検波方式を用いて検波する場合に限り、周期の５０００回分の伝搬距離の弾性表面波信号の位相を正確に捉えることができる。
【０１２４】
なお、Ａ／D変換器２２Eにより、ヘテロダイン検波におり得られた波形の強度をデジタル化し、デジタル強度値を得ている。
【０１２５】
なお、出力処理部２２Ｎは、位相算出器２２Ｊ及びＡ／Ｄ変換器２２Ｍから得られた信号を共振調整部２４及び波形調整部２５に出力するためのものである。
【０１２６】
記憶部２３は、ヘテロダイン検波により得られた参照波形の強度をデジタル化して示すデジタル強度値を記憶する。
【０１２７】
波形調整部２５は、Ａ／D変換器２２Eにより得られた検出信号のデジタル強度値と、参照波形のデジタル強度値とを一致させるように、搬送周波数を調整する。これにより、出力部２２から出力された検出位相と記憶部２３に記憶された参照位相との差を一定とすることができる。
【０１２８】
上述したように本実施形態においては、出力部２２は、検出信号の波形をヘテロダイン検波により得ており、さらに得られた波形の強度をデジタル化し、記憶部２３には参照信号の波形の強度をデジタル化して示すデジタル強度値が記憶されており、波形調整部２５はＡ／Ｄ変換器２２Ｅにより得られたデジタル強度値と、参照信号の波形のデジタル強度値とを一致させるように、共振周波数を調整する。このように、波形をデジタル強度値により一致させる構成を備えているので、コンピュータによる信号処理を高精度に実行することができる。
【０１２９】
＜第４の実施形態＞
図１０は本発明の第４の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子１０Ｓの構成を示す模式図である。
【０１３０】
多重周回弾性表面波素子１０Ｓは、伝搬面１１に対向して非接触で設置され、伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極１３を備えている。
【０１３１】
具体的には、球状部材１２の周囲に外部基材１４を備え、球状部材１２とモールド用基材１４とに空隙領域Ｒを設け、この空隙領域Ｒにすだれ状電極１３を形成している。
【０１３２】
また、図１０中の矢印Ｚは水晶の結晶軸Ｚ軸方向を示しており、すだれ状電極１３が励起する弾性表面波の伝搬方向は紙面に垂直な方向である。
【０１３３】
ところで、周回する弾性表面波がすだれ状電極を通過する際には、（ａ）弾性表面波が周回する毎にエネルギーを電気回路に漏出する（ｂ）空中や水中に対して弾性表面波のエネルギーを漏洩する、（ｃ）伝搬路上の物質により弾性表面波が反射散乱される等の原因により、弾性表面波のエネルギーが損失する。
【０１３４】
このうち、回路へ漏出することによるエネルギーの損失（上記（ｃ））の影響は、特に大きい。
【０１３５】
これに対し、本実施形態の多重周回弾性表面波素子１０を用いれば、球状部材１２とすだれ状電極１３との電気的な相互作用はあるが、すだれ状電極１３の質量や弾性表面波の散乱効果の影響は除去することができる。これにより、位相計測にかかわる悪影響を極力減らすことができる。
【０１３６】
以上説明したように、本実施形態に係る多重周回弾性表面波素子１０は、伝搬面１１に対向して非接触で設置され、伝搬面１１に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極１３を備えた構成により、すだれ状電極１３の質量による影響やすだれ状電極１３と弾性表面波との散乱効果による影響を受けずに、弾性表面波を伝搬面１１に伝搬させることができるので、周波数変化量を高精度に算出できる多重周回弾性表面波素子１０を提供できる。
【０１３７】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】同実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の構成の一例を示す図である。
【図３】同実施形態に係る共振状態を説明するための図である。
【図４】同実施形態に係る位相の変化を示す図である。
【図５】同実施形態に係る周波数変化量算出装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る検出信号を示す図である。
【図７】同実施形態に係る検出信号を示す図である。
【図８】同実施形態に係る検出信号を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る周波数変化量算出システムの構成の一例を示す模式図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子１０の構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１０・・・多重周回弾性表面波素子、１１・・・伝搬面、１２・・・球状部材、１３・・・すだれ状電極、２０・・・周波数変化量算出装置、２１・・・入力部、２１Ａ・・・変調回路、２１Ｂ・・・ＲＦスイッチ、２１Ｃ・・・一方向性結合器、２１Ｄ・・・ＲＦスイッチ、２１Ｅ・・・素子切替スイッチ、２２・・・出力部、２２Ａ・・・増幅部、２２Ｂ・・・変調回路、２２Ｃ・・・乗算器、２２Ｄ・・・ＩＦフィルター、２２Ｅ・・・Ａ／Ｄ変換器、２２Ｆ・・・乗算器、２２Ｇ・・・Ｉ／Ｄ、２２Ｈ・・・乗算器、２２Ｉ・・・Ｉ／Ｄ、２２Ｊ・・・位相算出器、２２Ｋ・・・強度検出器、２２Ｌ・・・ローパスフィルター、２２Ｍ・・・Ａ／Ｄ変換器、２２Ｎ・・・出力処理部、２３・・・記憶部、２４・・・共振調整部、２５・・・波形調整部、２６・・・算出部、３０・・・高周波信号源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子に接続され、前記弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測装置であって、
前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力手段と、
前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力手段と、
前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶手段と、
前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整手段と、
前記第１調整手段による調整の後、前記出力手段から出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶手段に記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整手段と、
前記第２調整手段による調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整手段により調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、
前記第２調整手段は、
前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記第２調整手段は、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記入力手段は、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間の２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置を用いた環境変化計測装置であって、
前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、
前記算出手段により算出された差分の周波数と、前記環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較の結果、前記環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段と
を備えたことを特徴とする環境変化計測装置。
【請求項７】
請求項１に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、
前記伝搬面に対向して非接触で設置され、前記伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えたことを特徴とする多重周回弾性表面波素子。
【請求項８】
搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測方法であって、
前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力ステップと、
前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力ステップと、
前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶ステップと、
前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整ステップと、
前記第１調整ステップによる調整の後、前記出力ステップから出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶ステップに記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整ステップと、
前記第２調整ステップによる調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整ステップにより調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出ステップと
を備えたことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項９】
請求項８に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、
前記第２調整ステップは、
前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１１】
請求項８乃至請求項１０のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記第２調整ステップは、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１２】
請求項８乃至請求項１１のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法を用いた環境変化計測方法であって、
前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態と関連付けて記憶する環境記憶ステップと、
前記算出ステップにより算出された差分の周波数と、前記環境記憶ステップにより記憶された特徴周波数とを比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較の結果、前記環境記憶ステップにより記憶された環境状態を出力する環境状態出力ステップと
を備えたことを特徴とする環境変化計測方法。
【請求項１】
搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子に接続され、前記弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測装置であって、
前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力手段と、
前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力手段と、
前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶手段と、
前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整手段と、
前記第１調整手段による調整の後、前記出力手段から出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶手段に記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整手段と、
前記第２調整手段による調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整手段により調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、
前記第２調整手段は、
前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記第２調整手段は、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置において、
前記入力手段は、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間の２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置を用いた環境変化計測装置であって、
前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態とを関連付けて記憶する環境記憶手段と、
前記算出手段により算出された差分の周波数と、前記環境記憶手段により記憶された特徴周波数とを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較の結果、前記環境記憶手段により記憶された環境状態を出力する環境状態出力手段と
を備えたことを特徴とする環境変化計測装置。
【請求項７】
請求項１に記載の弾性表面波伝搬状態計測装置に用いられる多重周回弾性表面波素子において、
前記伝搬面に対向して非接触で設置され、前記伝搬面に電界を印加して弾性表面波を励起する、すだれ状電極を備えたことを特徴とする多重周回弾性表面波素子。
【請求項８】
搬送周波数を有する高周波バースト信号の入力により伝搬面を多重周回する弾性表面波が励起される多重周回弾性表面波素子からの出力周波数の変化量を計測する弾性表面波伝搬状態計測方法であって、
前記多重周回弾性表面波素子に、前記高周波バースト信号を入力する入力ステップと、
前記入力の後、前記伝搬面を多重周回する弾性表面波を検出し、得られた検出信号を出力する出力ステップと、
前記伝搬面を弾性表面波が１周回するのに要する周回時間に占める前記搬送周波数における１周期の割合が整数分の１となる共振状態に関し、当該共振状態における弾性表面波の参照位相を含む参照信号のデータ及びこの弾性表面波を励起するための参照周波数を予め記憶する記憶ステップと、
前記弾性表面波の検出信号を共振状態にするように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整して共振周波数にするための第１調整ステップと、
前記第１調整ステップによる調整の後、前記出力ステップから出力された検出信号の位相である検出位相と前記記憶ステップに記憶された参照位相との差が一定となるように、前記高周波バースト信号の搬送周波数を調整するための第２調整ステップと、
前記第２調整ステップによる調整の結果、両者の位相差が一定となるとき、前記第２調整ステップにより調整された搬送周波数と前記記憶手段に記憶された参照周波数との差分を算出する算出ステップと
を備えたことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項９】
請求項８に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記多重周回弾性表面波素子は、伝搬面が球形であり、
前記第２調整ステップは、
前記検出信号の波形と前記参照信号の波形とを、前記高周波バースト信号を入力してから周回数の小さな時刻から順次一致させるようにし、少なくとも前記共振周波数の周期の５０００倍に相当する時間以降の波形を一致させるように、前記共振周波数を調整する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記高周波バースト信号は、１０ＭＨｚ以上の搬送周波数を有し、少なくとも１周回の周回時間以上の波からなる
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１１】
請求項８乃至請求項１０のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記第２調整ステップは、前記共振周波数の５ｐｐｍ毎に、前記高周波バースト信号の搬送周波数を可変とする
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１２】
請求項８乃至請求項１１のいずれか1項に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法において、
前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記伝搬面を１周回するのに要する時間２倍以上の時間にわたり前記高周波バースト信号を入力する
ことを特徴とする弾性表面波伝搬状態計測方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の弾性表面波伝搬状態計測方法を用いた環境変化計測方法であって、
前記多重周回弾性表面波素子の周囲の環境状態に対して予め設定された特徴周波数と該環境状態と関連付けて記憶する環境記憶ステップと、
前記算出ステップにより算出された差分の周波数と、前記環境記憶ステップにより記憶された特徴周波数とを比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較の結果、前記環境記憶ステップにより記憶された環境状態を出力する環境状態出力ステップと
を備えたことを特徴とする環境変化計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−６４７９０（Ｐ２００７−６４７９０Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５１０８８（Ｐ２００５−２５１０８８）
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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