比誘電率・導電率測定装置
【課題】被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することが可能な比誘電率・導電率測定装置を提供する。
【解決手段】比誘電・導電率測定装置４０は、入力電極１２と出力電極１４との間に電気的に短絡した短絡伝搬路１６を有する第１弾性表面波素子１０と、入力電極２２と出力電極２４との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造２９が形成された格子状伝搬路２６を有する第２弾性表面波素子２０と、入力電極３２と出力電極３４との間に電気的に開放した開放伝搬路３６を有する第３弾性表面波素子３０とを備え、第１弾性表面波素子１０と第２弾性表面波素子２０と第３弾性表面波素子３０とは互いに並列に配されている。この比誘電率測定装置４０を用いることにより、被測定物４６の比誘電率、導電率を正確に測定することできる。
【解決手段】比誘電・導電率測定装置４０は、入力電極１２と出力電極１４との間に電気的に短絡した短絡伝搬路１６を有する第１弾性表面波素子１０と、入力電極２２と出力電極２４との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造２９が形成された格子状伝搬路２６を有する第２弾性表面波素子２０と、入力電極３２と出力電極３４との間に電気的に開放した開放伝搬路３６を有する第３弾性表面波素子３０とを備え、第１弾性表面波素子１０と第２弾性表面波素子２０と第３弾性表面波素子３０とは互いに並列に配されている。この比誘電率測定装置４０を用いることにより、被測定物４６の比誘電率、導電率を正確に測定することできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を測定する弾性表面波素子を有する比誘電率・導電率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、弾性表面波素子は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられた櫛歯状電極指からなる入力電極及び出力電極を備えている。弾性表面波素子では、入力電極に電気信号が入力されると、電極指間に電界が発生し、圧電効果により弾性表面波が励振され、圧電基板上を伝搬していく。この弾性表面波のうち、伝搬方向と直交する方向に変位するすべり弾性表面波（SH-SAW:Shear horizontal Surface Acoustic Wave）を利用する弾性表面波素子を用いた各種物質の検出や物性値等の測定を行うための弾性波センサが研究されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
弾性波センサでは、圧電基板上に置かれた測定対象である液体状の被測定物の領域が電気的に開放されている場合と、短絡されている場合とでは、出力電極から出力される出力信号の特性に差異があることを利用している。すなわち、圧電基板上の領域が開放されている場合の出力信号は、電気的相互作用及び力学的相互作用を受けており、圧電基板上の領域が短絡されている場合の出力信号は、力学的相互作用のみを受けている。従って、両出力信号から力学的相互作用を相殺し、電気的相互作用を抽出することにより、被測定物の誘電率や導電率を求めることができる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３４８１２９８号公報
【非特許文献１】羽藤逸文他２名、「ＳＡＷ発振器一体型ＳＡＷセンサシステムの開発」、信学技報、電子情報通信学会、２００３年２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電基板上の開放されている表面領域を弾性表面波が伝搬する場合には、すべり弾性表面波は、圧電基板の表面近傍を潜り込みながら伝搬するバルク波となるために挿入損失が大きくなり、被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定できないことがあった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することが可能な比誘電率・導電率測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る比誘電率・導電率測定装置は、入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを備え、前記短絡伝搬路及び前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、前記各入力電極から同一の信号を入力し、前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求めることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【０００９】
また、他の本発明に係る比誘電率・導電率測定装置は、入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、入力電極と出力電極との間に電気的に開放した開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを備え、前記短絡伝搬路と前記格子状伝搬路と前記開放伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、又は、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求めることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【００１１】
さらに、他の本発明に係る比誘電率・導電率測定装置は、入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子とを備え、前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、前記入力電極に信号を入力し、前記出力電極から出力された出力信号の振幅及び位相から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求めることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子を用いることにより液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【００１３】
また、前記各弾性表面波素子が形成されている圧電基板の厚さが、前記圧電基板上を伝搬する弾性表面波の波長をλとして４λ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。また、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。さらに、凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子を用いることにより液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置４０の構成の説明図である。また、図２Ａ、図２Ｄは、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ端面図であって、図２Ａは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｄは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｂ、図２Ｅは、図１のＩＩＢ−ＩＩＢ端面図であって、図２Ｂは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｅは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｃ、図２Ｆは、図１のＩＩＣ−ＩＩＣ端面図であって、図２Ｃは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｆは、被測定物を負荷した後の状態を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、比誘電率・導電率測定装置４０は、第１弾性表面波素子１０と、第２弾性表面波素子２０と、第３弾性表面波素子３０と、高周波の電気信号を発生する発振器４８と、発振器４８からの電気信号を分配する分配器５０と、弾性表面波に対応した出力信号の振幅比及び位相差を測定する振幅比位相差検出器５６を備える。
【００１７】
第１弾性表面波素子１０は、入力電極１２及び出力電極１４を備え、入力電極１２と出力電極１４との間には、短絡伝搬路１６が形成される。第２弾性表面波素子２０は、入力電極２２及び出力電極２４を備え、入力電極２２と出力電極２４との間には、格子状伝搬路２６が形成される。第３弾性表面波素子３０は、入力電極３２及び出力電極３４を備え、入力電極３２と出力電極３４との間には、開放伝搬路３６が形成される。また、第１弾性表面波素子１０、第２弾性表面波素子２０及び第３弾性表面波素子３０は、圧電基板４２上に互いに並列になるように配置されている。
【００１８】
入力電極１２、入力電極２２及び入力電極３２は、発振器４８から分配器５０、切替器５２を介して入力された電気信号によって、弾性表面波を励振させるために櫛形電極で構成される。また、出力電極１４、出力電極２４及び出力電極３４は、入力電極１２、入力電極２２又は入力電極３２で励振され伝搬してきた弾性表面波を受信するために櫛形電極で構成されている。
【００１９】
短絡伝搬路１６、格子状伝搬路２６及び開放伝搬路３６は、圧電基板４２上に蒸着された金属膜４４で形成される。短絡伝搬路１６及び開放伝搬路３６に形成された金属膜４４は電気的に短絡され、当該金属膜４４は、被測定物の比誘電率、導電率の測定精度を向上させるために、共通に接地されている。金属膜４４の材料は特に限られないが、被測定物４６に対して、化学的に安定している金で形成することが好ましい。
【００２０】
格子状伝搬路２６には、入力電極２２から出力される弾性表面波の伝搬方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向に並列に延在する凸部２７が金属膜４４で形成される。凸部２７はＸ方向に等間隔に形成され、隣接する凸部２７の間には圧電基板４２が露出する凹部２８が形成される。つまり、格子状伝搬路２６には、Ｘ方向に凸部２７及び凹部２８から構成される凹凸構造２９が形成され、隣接する凸部２７同士は電気的に分離（開放）している。そして、主として、凹部２８に測定の対象となる被測定物４６が負荷される（図２Ｅ参照）。なお、凸部２７同士の間隔は、伝搬する弾性表面波の波長λよりも短いことが好ましく、より好ましくはλ／８である。
【００２１】
開放伝搬路３６には、金属膜４４の一部が剥離され、圧電基板４２が露出するように開放領域３８が形成されている。従って、圧電基板４２が露出している開放領域３８は電気的に開放状態となっている。なお、金属膜４４が残る部分については、短絡伝搬路１６と同様に電気的に短絡状態となっている。
【００２２】
圧電基板４２は、すべり弾性表面波を伝搬することができれば、特に限られないが、３６度回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ3であることが好ましい。
【００２３】
次に、比誘電率・導電率測定装置４０を用いた被測定物４６の比誘電率、導電率の測定について説明する。
【００２４】
まず、測定の対象である被測定物４６を短絡伝搬路１６、格子状伝搬路２６及び開放伝搬路３６に負荷する。短絡伝搬路１６では、被測定物４６は金属膜４４上に負荷され、格子状伝搬路２６では、凸部２７及び凹部２８から構成される凹凸構造２９が形成されているために、被測定物４６は主として凹部２８に負荷され、開放伝搬路３６では開放領域３８に負荷される（図２Ｄ〜図２Ｆ参照）。
【００２５】
次いで、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６を伝搬する各弾性表面波に対応する出力信号の振幅比及び位相差を測定するために切替器５２を切り換えて、分配器５０と入力電極２２と接続するとともに、切替器５４を切り換えて、出力電極２４と振幅比位相差検出器５６を接続する。そして、発振器４８より電気信号を分配器５０で分配して、入力電極１２及び入力電極２２へ同一信号を入力する。入力電極１２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、短絡伝搬路１６上を伝搬して、出力電極１４で受信される。同様に、入力電極２２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、格子状伝搬路２６上を伝搬して、出力電極２４で受信される。
【００２６】
出力電極１４と出力電極２４で受信した弾性表面波から取り出した両出力信号を振幅比位相差検出器５６で比較し振幅比及び位相差を検出する。
【００２７】
出力電極１４からの出力信号には、力学的相互作用を示す信号成分が含まれ、出力電極２４からの出力信号には、電気的相互作用及び力学的相互作用を示す信号成分が含まれている。この両出力信号から検出した差分の信号は、力学的相互作用が相殺され、電気的相互作用にのみ対応する信号であり、この信号から検出した振幅比及び位相差に基づいて、被測定物４６の比誘電率、導電率を算出する。
【００２８】
また、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６を伝搬する各弾性表面波に対応する出力信号の振幅比及び位相差を測定するために切替器５２を切り換えて、分配器５０と入力電極３２と接続するとともに、切替器５４を切り換えて、出力電極３４と振幅比位相差検出器５６を接続する。そして、発振器４８より、電気信号を分配器５０で分配して、入力電極１２及び入力電極３２へ同一信号を入力する。入力電極１２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、短絡伝搬路１６上を伝搬して、出力電極１４で受信される。同様に、入力電極３２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、開放伝搬路３６上を伝搬して、出力電極３４で受信される。
【００２９】
出力電極１４と出力電極３４で受信した弾性表面波から取り出した両出力信号を切替器５２で比較して振幅比及び位相差を検出し、この検出結果から被測定物４６の比誘電率、導電率を算出する。
【００３０】
被測定物４６の具体的な算出は、以下に説明する摂動法による算出式によって行われる。標準液として純水を用いた場合に標準液の複素誘電率をεt、比誘電率をεr、真空の誘電率をε0、導電率をσ、発振器５８から出力される信号の励振角周波数をωとすると、
εt＝εrε0−ｊσ／ω…（１）
となる。ここで、標準液では導電率σ＝０であるために、式（１）は、
εt＝εrε0…（２）
となる。
【００３１】
次に、測定対象である被測定物４６の複素誘電率をεt’、比誘電率をεr’、導電率をσ’とすると次式の関係となる。
εt'＝εr'ε0−ｊσ'/ω…（３）
【００３２】
伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋは、式（４）、式（５）で表される。
ΔＶ／Ｖ＝−Ｋs2／２・[(σ'／ω)2＋ε0(εr'−εr)(εr'ε0＋εpT)]／[(σ'／ω)2＋(εr'ε0＋εpT)2]…（４）
Δα／ｋ＝Ｋs2／２・[(σ'／ω)(εrε0＋εpT)]／[(σ'／ω)2＋(εr'ε0＋εpT)2]…（５）
【００３３】
ここで、Ｖは、伝搬路を伝搬する弾性表面波の伝搬速度、ΔＶは、標準液に対する被測定物４６における弾性表面波の伝搬速度の変化量、αは、弾性表面波の伝搬減衰、Δαは、標準液に対する被測定物４６における弾性表面波の伝搬減衰の変化量、ｋは波数で、ｋ＝２π／λであり、εpTは、実効誘電率である。
【００３４】
また、伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋと、振幅比Δａｍｐ、位相差Δφとの関係は、伝搬路長の差をＬとすると、次式で表される。
ΔＶ／Ｖ＝Δφ／ｋＬ…（６）
Δα／ｋ＝ｌｎ（Δａｍｐ）／ｋＬ…（７）
【００３５】
振幅比位相差検出器５６で検出した出力信号の位相差Δφを式（６）に、振幅比Δａｍｐを式（７）に代入して、速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋを求め、さらに求めた速度変化量ΔＶ／Ｖを式（４）に、減衰変化量Δα／ｋを式（５）に代入して、式（４）、（５）の連立方程式から測定対象である被測定物４６の比誘電率εr’、導電率σ’を求めることができる。なお、被測定物４６に対する振幅比位相差検出器５６で検出した出力信号の位相差Δφ、振幅比Δａｍｐは、予め被測定物４６と同様に標準液について検出した位相差、振幅比に対する変化量として規定化したうえで代入している。
【００３６】
次に、比誘電率・導電率測定装置４０で測定した比誘電率εr’、導電率σ’に関する測定結果について図３〜図６に基づいて説明する。被測定物４６として、ジオキサン（dioxane：Ｃ4Ｈ8Ｏ2）と、塩化カリウム（ＫＣｌ）とを対象として測定した。
【００３７】
図３は、ジオキサンの比誘電率εr’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図であり、図４は、ジオキサンの比誘電率εr’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図であり、図５は、塩化カリウムの導電率σ’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図であり、図６は、塩化カリウムの導電率σ’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図である。図３〜図６には、図１に示す短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせ、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせについての測定結果及び理論値が示されている。
【００３８】
図３では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、比誘電率εr’の全範囲において、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも減衰変化量Δα／ｋが抑制されている。また、図４では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、比誘電率εr’の全範囲において、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせと同様に理論値に近い値となっている。従って、図３、図４より総合的に勘案して、ジオキサンの比誘電率εr’の測定では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも減衰変化量Δα／ｋを抑制することができるために、正確に比誘電率εr’を測定することができる。
【００３９】
図５、図６では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、導電率σ’の全範囲において、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも、理論値に近い値となっている。従って、図５、図６より、塩化カリウムの導電率σ’の測定では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも正確に導電率σ’を測定することができる。
【００４０】
以上説明したように、比誘電率・導電率測定装置４０は、入力電極１２と出力電極１４との間に電気的に短絡した短絡伝搬路１６を有する第１弾性表面波素子１０と、入力電極２２と出力電極２４との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造２９が形成された格子状伝搬路２６を有する第２弾性表面波素子２０と、入力電極３２と出力電極３４との間に電気的に開放した開放伝搬路３６を有する第３弾性表面波素子３０とを備え、第１弾性表面波素子１０と第２弾性表面波素子２０と第３弾性表面波素子３０とは互いに並列に配されている。比誘電率・導電率測定装置４０において、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６と開放伝搬路３６に被測定物４６を負荷し、入力電極１２、入力電極２２に同一の信号を入力し、出力電極１４、出力電極２４から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、又は、入力電極１２、入力電極３２に同一の信号を入力し、出力電極１４、出力電極３４から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、被測定物４６の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【００４１】
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置４０Ａの構成の説明図である。比誘電率・導電率測定装置４０Ａは、比誘電率・導電率測定装置４０を構成する第２弾性表面波素子２０を備え、入力電極２２に発振器４８が接続され、出力電極２４に振幅・位相検出器６０が接続され、前記振幅・位相検出器６０には被測定物４６の温度を検出するための温度センサ６４が接続されている。なお、図１に示した比誘電率・導電率測定装置４０と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
次に、比誘電率・導電率測定装置４０Ａを用いた被測定物４６の比誘電率、導電率の測定について説明する。
【００４３】
まず、特定の温度ｔ0に対して比誘電率εr0、導電率σ0が既知である被測定物４６を標準溶液として格子状伝搬路２６に負荷する。格子状伝搬路２６では、凸部２７及び凹部２８から構成される凹凸構造２９が形成されているために、被測定物４６は主として凹部２８に負荷される（図２Ｅ参照）。
【００４４】
次いで、発振器４８より電気信号を入力電極２２へ入力すると弾性表面波が励振され、格子状伝搬路２６上を伝搬して、出力電極２４で受信される。出力電極２４で受信した弾性表面波から取り出した出力信号から振幅・位相検出器６０で振幅及び位相を検出し、当該検出した振幅、位相を振幅・位相検出器６０内のメモリ６２に記憶させる。
【００４５】
次に、前記標準溶液と同種で温度ｔの被測定物４６を格子状伝搬路２６に負荷し、前記標準溶液と同様に振幅、位相を振幅・位相検出器６０で検出する。検出した振幅、位相とメモリ６２に記憶した前記標準溶液の振幅、位相との差分を振幅比、位相差として求める。この求めた振幅比、位相差は、温度差Δｔ＝ｔ−ｔ0に対する振幅比Δａｍｐ、位相差Δφとなる。次いで、位相差Δφを式（６）に、振幅比Δａｍｐを式（７）に代入して、速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋを求め、さらに求めた速度変化量ΔＶ／Ｖを式（４）に、減衰変化量Δα／ｋを式（５）に代入する。式（４）、（５）の連立方程式から測定対象である被測定物４６の温度ｔ0から温度ｔへの温度変化に対応する比誘電率の変化量Δεr、導電率の変化量Δσが算出される。従って、求める温度ｔの比誘電率εrt’、導電率σt’は、比誘電率εrt’＝εr0＋Δεr、導電率σt’＝σ0＋Δσとして求めることができる。
【００４６】
比誘電率・導電率測定装置４０では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６又は短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６とを組み合わせて、力学的相互作用の相殺をして、電気的相互作用から被測定物４６の比誘電率、導電率を算出している。これに対して、比誘電率・導電率測定装置４０Ａでは、特定の温度に対して比誘電率、導電率が既知である被測定物４６を標準溶液として、異なる温度で同種の被測定物４６と標準溶液との差分として、振幅比、位相差を求めることにより、結果として力学的相互作用の相殺をして抽出した電気的相互作用の成分に基づいて、被測定物４６の比誘電率、導電率を算出している。
【００４７】
なお、被測定物４６の対象をジオキサンとした場合には、図３、図４における短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせで得られる結果と同様の結果が得られる。また、第２実施形態では、被測定物４６は、力学的相互作用を相殺する必要性から温度変化に対して密度、粘性が変化しないものとしているがこの場合に限定されるものでなく、温度変化に対する密度、粘性が既知の溶液を被測定物４６の対象とすることもできる。かかる場合には、標準溶液とした温度ｔ0の被測定物４６の密度、粘性に基づいて、温度ｔの被測定物４６の密度、粘性を補正することにより力学的相互作用を相殺することができる。
【００４８】
以上説明したように、比誘電率・導電率測定装置４０Ａは、入力電極２２と出力電極２４との間に凸部２７が電気的に分離した格子状の凹凸構造２９が形成された格子状伝搬路２６を有する第２弾性表面波素子２０（弾性表面波素子）とを備え、格子状伝搬路２６に液体状の被測定物４６を負荷した状態において、入力電極２２に信号を入力し、出力電極２４から出力された出力信号の振幅及び位相から、被測定物４６の比誘電率、導電率を正確に測定することできる。
【００４９】
次に、開放伝搬路が形成された圧電基板４２の基板の厚さと粒子変位との関係について説明する。図８は、比誘電率が異なる被測定物４６において、単位波長当たりの圧電基板の厚さに対する単位波長当たりの粒子変位について示した図である。図８に示す測定では、発振器４８から入力される入力信号の周波数を３０ＭＨｚとした。
【００５０】
図８から、比誘電率が５以上の被測定物４６においては、単位波長当たりの圧電基板４２の厚さが、圧電基板４２上を伝搬する弾性表面波の波長λに対して５λ以下である場合には、単位波長当たりの粒子変位を０．１以下が抑えられることがわかる。さらに好ましくは、単位波長当たりの圧電基板４２の厚さは、４λ以下である。
【００５１】
圧電基板４２上を伝搬する弾性表面波のうち、弾性表面波素子として利用するすべり弾性表面波は、伝搬方向と直交する方向に変位する。この変位が圧電基板４２の厚さよりも大きい場合には、減衰変化量Δα／ｋも大きくなり、被測定物４６の比誘電率、導電率の測定精度も低下する。従って、単位波長当たりの粒子変位は、所定値以下、好ましくは０．１以下に抑えることにより、被測定物４６の比誘電率、導電率の測定精度を向上することができる。
【００５２】
また、測定対象の液体状の被測定物は、特に限定されるものではなく、純液、混合液のいずれであってもよく、メタノール、エタノール等のアルコールの比誘電率、導電率を測定する場合に特に有効である。
【００５３】
また、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置の構成の説明図である。
【図２】図２Ａ、図２Ｄは、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ端面図であって、図２Ａは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｄは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｂ、図２Ｅは、図１のＩＩＢ−ＩＩＢ端面図であって、図２Ｂは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｅは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｃ、図２Ｆは、図１のＩＩＣ−ＩＩＣ端面図であって、図２Ｃは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｆは、被測定物を負荷した後の状態を示す図である。
【図３】ジオキサンの比誘電率εr’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図である。
【図４】ジオキサンの比誘電率εr’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図である。
【図５】塩化カリウムの導電率σ’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図である。
【図６】塩化カリウムの導電率σ’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置の構成の説明図である。
【図８】単位波長当たりの圧電基板の厚さに対する単位波長当たりの粒子変位について示した図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…第１弾性表面波素子 １２、２２、３２…入力電極
１４、２４、３４…出力電極 １６…短絡伝搬路
２０…第２弾性表面波素子 ２６…格子状伝搬路
２７…凸部 ２８…凹部
２９…凹凸構造 ３０…第３弾性表面波素子
３６…開放伝搬路 ３８…開放領域
４０、４０Ａ…比誘電率・導電率測定装置 ４２…圧電基板
４４…金属膜 ４６…被測定物
４８…発振器 ５０…分配器
５２、５４…切替器 ５６…振幅比位相差検出器
６０…振幅・位相検出器 ６２…メモリ
６４…温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を測定する弾性表面波素子を有する比誘電率・導電率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、弾性表面波素子は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられた櫛歯状電極指からなる入力電極及び出力電極を備えている。弾性表面波素子では、入力電極に電気信号が入力されると、電極指間に電界が発生し、圧電効果により弾性表面波が励振され、圧電基板上を伝搬していく。この弾性表面波のうち、伝搬方向と直交する方向に変位するすべり弾性表面波（SH-SAW:Shear horizontal Surface Acoustic Wave）を利用する弾性表面波素子を用いた各種物質の検出や物性値等の測定を行うための弾性波センサが研究されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
弾性波センサでは、圧電基板上に置かれた測定対象である液体状の被測定物の領域が電気的に開放されている場合と、短絡されている場合とでは、出力電極から出力される出力信号の特性に差異があることを利用している。すなわち、圧電基板上の領域が開放されている場合の出力信号は、電気的相互作用及び力学的相互作用を受けており、圧電基板上の領域が短絡されている場合の出力信号は、力学的相互作用のみを受けている。従って、両出力信号から力学的相互作用を相殺し、電気的相互作用を抽出することにより、被測定物の誘電率や導電率を求めることができる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３４８１２９８号公報
【非特許文献１】羽藤逸文他２名、「ＳＡＷ発振器一体型ＳＡＷセンサシステムの開発」、信学技報、電子情報通信学会、２００３年２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電基板上の開放されている表面領域を弾性表面波が伝搬する場合には、すべり弾性表面波は、圧電基板の表面近傍を潜り込みながら伝搬するバルク波となるために挿入損失が大きくなり、被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定できないことがあった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することが可能な比誘電率・導電率測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る比誘電率・導電率測定装置は、入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを備え、前記短絡伝搬路及び前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、前記各入力電極から同一の信号を入力し、前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求めることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【０００９】
また、他の本発明に係る比誘電率・導電率測定装置は、入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、入力電極と出力電極との間に電気的に開放した開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを備え、前記短絡伝搬路と前記格子状伝搬路と前記開放伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、又は、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求めることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【００１１】
さらに、他の本発明に係る比誘電率・導電率測定装置は、入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子とを備え、前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、前記入力電極に信号を入力し、前記出力電極から出力された出力信号の振幅及び位相から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求めることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子を用いることにより液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【００１３】
また、前記各弾性表面波素子が形成されている圧電基板の厚さが、前記圧電基板上を伝搬する弾性表面波の波長をλとして４λ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。また、短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを組み合わせることにより、液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。さらに、凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子を用いることにより液体状の被測定物の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置４０の構成の説明図である。また、図２Ａ、図２Ｄは、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ端面図であって、図２Ａは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｄは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｂ、図２Ｅは、図１のＩＩＢ−ＩＩＢ端面図であって、図２Ｂは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｅは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｃ、図２Ｆは、図１のＩＩＣ−ＩＩＣ端面図であって、図２Ｃは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｆは、被測定物を負荷した後の状態を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、比誘電率・導電率測定装置４０は、第１弾性表面波素子１０と、第２弾性表面波素子２０と、第３弾性表面波素子３０と、高周波の電気信号を発生する発振器４８と、発振器４８からの電気信号を分配する分配器５０と、弾性表面波に対応した出力信号の振幅比及び位相差を測定する振幅比位相差検出器５６を備える。
【００１７】
第１弾性表面波素子１０は、入力電極１２及び出力電極１４を備え、入力電極１２と出力電極１４との間には、短絡伝搬路１６が形成される。第２弾性表面波素子２０は、入力電極２２及び出力電極２４を備え、入力電極２２と出力電極２４との間には、格子状伝搬路２６が形成される。第３弾性表面波素子３０は、入力電極３２及び出力電極３４を備え、入力電極３２と出力電極３４との間には、開放伝搬路３６が形成される。また、第１弾性表面波素子１０、第２弾性表面波素子２０及び第３弾性表面波素子３０は、圧電基板４２上に互いに並列になるように配置されている。
【００１８】
入力電極１２、入力電極２２及び入力電極３２は、発振器４８から分配器５０、切替器５２を介して入力された電気信号によって、弾性表面波を励振させるために櫛形電極で構成される。また、出力電極１４、出力電極２４及び出力電極３４は、入力電極１２、入力電極２２又は入力電極３２で励振され伝搬してきた弾性表面波を受信するために櫛形電極で構成されている。
【００１９】
短絡伝搬路１６、格子状伝搬路２６及び開放伝搬路３６は、圧電基板４２上に蒸着された金属膜４４で形成される。短絡伝搬路１６及び開放伝搬路３６に形成された金属膜４４は電気的に短絡され、当該金属膜４４は、被測定物の比誘電率、導電率の測定精度を向上させるために、共通に接地されている。金属膜４４の材料は特に限られないが、被測定物４６に対して、化学的に安定している金で形成することが好ましい。
【００２０】
格子状伝搬路２６には、入力電極２２から出力される弾性表面波の伝搬方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向に並列に延在する凸部２７が金属膜４４で形成される。凸部２７はＸ方向に等間隔に形成され、隣接する凸部２７の間には圧電基板４２が露出する凹部２８が形成される。つまり、格子状伝搬路２６には、Ｘ方向に凸部２７及び凹部２８から構成される凹凸構造２９が形成され、隣接する凸部２７同士は電気的に分離（開放）している。そして、主として、凹部２８に測定の対象となる被測定物４６が負荷される（図２Ｅ参照）。なお、凸部２７同士の間隔は、伝搬する弾性表面波の波長λよりも短いことが好ましく、より好ましくはλ／８である。
【００２１】
開放伝搬路３６には、金属膜４４の一部が剥離され、圧電基板４２が露出するように開放領域３８が形成されている。従って、圧電基板４２が露出している開放領域３８は電気的に開放状態となっている。なお、金属膜４４が残る部分については、短絡伝搬路１６と同様に電気的に短絡状態となっている。
【００２２】
圧電基板４２は、すべり弾性表面波を伝搬することができれば、特に限られないが、３６度回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ3であることが好ましい。
【００２３】
次に、比誘電率・導電率測定装置４０を用いた被測定物４６の比誘電率、導電率の測定について説明する。
【００２４】
まず、測定の対象である被測定物４６を短絡伝搬路１６、格子状伝搬路２６及び開放伝搬路３６に負荷する。短絡伝搬路１６では、被測定物４６は金属膜４４上に負荷され、格子状伝搬路２６では、凸部２７及び凹部２８から構成される凹凸構造２９が形成されているために、被測定物４６は主として凹部２８に負荷され、開放伝搬路３６では開放領域３８に負荷される（図２Ｄ〜図２Ｆ参照）。
【００２５】
次いで、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６を伝搬する各弾性表面波に対応する出力信号の振幅比及び位相差を測定するために切替器５２を切り換えて、分配器５０と入力電極２２と接続するとともに、切替器５４を切り換えて、出力電極２４と振幅比位相差検出器５６を接続する。そして、発振器４８より電気信号を分配器５０で分配して、入力電極１２及び入力電極２２へ同一信号を入力する。入力電極１２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、短絡伝搬路１６上を伝搬して、出力電極１４で受信される。同様に、入力電極２２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、格子状伝搬路２６上を伝搬して、出力電極２４で受信される。
【００２６】
出力電極１４と出力電極２４で受信した弾性表面波から取り出した両出力信号を振幅比位相差検出器５６で比較し振幅比及び位相差を検出する。
【００２７】
出力電極１４からの出力信号には、力学的相互作用を示す信号成分が含まれ、出力電極２４からの出力信号には、電気的相互作用及び力学的相互作用を示す信号成分が含まれている。この両出力信号から検出した差分の信号は、力学的相互作用が相殺され、電気的相互作用にのみ対応する信号であり、この信号から検出した振幅比及び位相差に基づいて、被測定物４６の比誘電率、導電率を算出する。
【００２８】
また、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６を伝搬する各弾性表面波に対応する出力信号の振幅比及び位相差を測定するために切替器５２を切り換えて、分配器５０と入力電極３２と接続するとともに、切替器５４を切り換えて、出力電極３４と振幅比位相差検出器５６を接続する。そして、発振器４８より、電気信号を分配器５０で分配して、入力電極１２及び入力電極３２へ同一信号を入力する。入力電極１２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、短絡伝搬路１６上を伝搬して、出力電極１４で受信される。同様に、入力電極３２では、入力された信号に基づいて弾性表面波が励振され、開放伝搬路３６上を伝搬して、出力電極３４で受信される。
【００２９】
出力電極１４と出力電極３４で受信した弾性表面波から取り出した両出力信号を切替器５２で比較して振幅比及び位相差を検出し、この検出結果から被測定物４６の比誘電率、導電率を算出する。
【００３０】
被測定物４６の具体的な算出は、以下に説明する摂動法による算出式によって行われる。標準液として純水を用いた場合に標準液の複素誘電率をεt、比誘電率をεr、真空の誘電率をε0、導電率をσ、発振器５８から出力される信号の励振角周波数をωとすると、
εt＝εrε0−ｊσ／ω…（１）
となる。ここで、標準液では導電率σ＝０であるために、式（１）は、
εt＝εrε0…（２）
となる。
【００３１】
次に、測定対象である被測定物４６の複素誘電率をεt’、比誘電率をεr’、導電率をσ’とすると次式の関係となる。
εt'＝εr'ε0−ｊσ'/ω…（３）
【００３２】
伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋは、式（４）、式（５）で表される。
ΔＶ／Ｖ＝−Ｋs2／２・[(σ'／ω)2＋ε0(εr'−εr)(εr'ε0＋εpT)]／[(σ'／ω)2＋(εr'ε0＋εpT)2]…（４）
Δα／ｋ＝Ｋs2／２・[(σ'／ω)(εrε0＋εpT)]／[(σ'／ω)2＋(εr'ε0＋εpT)2]…（５）
【００３３】
ここで、Ｖは、伝搬路を伝搬する弾性表面波の伝搬速度、ΔＶは、標準液に対する被測定物４６における弾性表面波の伝搬速度の変化量、αは、弾性表面波の伝搬減衰、Δαは、標準液に対する被測定物４６における弾性表面波の伝搬減衰の変化量、ｋは波数で、ｋ＝２π／λであり、εpTは、実効誘電率である。
【００３４】
また、伝搬速度の速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋと、振幅比Δａｍｐ、位相差Δφとの関係は、伝搬路長の差をＬとすると、次式で表される。
ΔＶ／Ｖ＝Δφ／ｋＬ…（６）
Δα／ｋ＝ｌｎ（Δａｍｐ）／ｋＬ…（７）
【００３５】
振幅比位相差検出器５６で検出した出力信号の位相差Δφを式（６）に、振幅比Δａｍｐを式（７）に代入して、速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋを求め、さらに求めた速度変化量ΔＶ／Ｖを式（４）に、減衰変化量Δα／ｋを式（５）に代入して、式（４）、（５）の連立方程式から測定対象である被測定物４６の比誘電率εr’、導電率σ’を求めることができる。なお、被測定物４６に対する振幅比位相差検出器５６で検出した出力信号の位相差Δφ、振幅比Δａｍｐは、予め被測定物４６と同様に標準液について検出した位相差、振幅比に対する変化量として規定化したうえで代入している。
【００３６】
次に、比誘電率・導電率測定装置４０で測定した比誘電率εr’、導電率σ’に関する測定結果について図３〜図６に基づいて説明する。被測定物４６として、ジオキサン（dioxane：Ｃ4Ｈ8Ｏ2）と、塩化カリウム（ＫＣｌ）とを対象として測定した。
【００３７】
図３は、ジオキサンの比誘電率εr’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図であり、図４は、ジオキサンの比誘電率εr’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図であり、図５は、塩化カリウムの導電率σ’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図であり、図６は、塩化カリウムの導電率σ’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図である。図３〜図６には、図１に示す短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせ、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせについての測定結果及び理論値が示されている。
【００３８】
図３では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、比誘電率εr’の全範囲において、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも減衰変化量Δα／ｋが抑制されている。また、図４では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、比誘電率εr’の全範囲において、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせと同様に理論値に近い値となっている。従って、図３、図４より総合的に勘案して、ジオキサンの比誘電率εr’の測定では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも減衰変化量Δα／ｋを抑制することができるために、正確に比誘電率εr’を測定することができる。
【００３９】
図５、図６では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、導電率σ’の全範囲において、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも、理論値に近い値となっている。従って、図５、図６より、塩化カリウムの導電率σ’の測定では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせは、短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６との組み合わせよりも正確に導電率σ’を測定することができる。
【００４０】
以上説明したように、比誘電率・導電率測定装置４０は、入力電極１２と出力電極１４との間に電気的に短絡した短絡伝搬路１６を有する第１弾性表面波素子１０と、入力電極２２と出力電極２４との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造２９が形成された格子状伝搬路２６を有する第２弾性表面波素子２０と、入力電極３２と出力電極３４との間に電気的に開放した開放伝搬路３６を有する第３弾性表面波素子３０とを備え、第１弾性表面波素子１０と第２弾性表面波素子２０と第３弾性表面波素子３０とは互いに並列に配されている。比誘電率・導電率測定装置４０において、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６と開放伝搬路３６に被測定物４６を負荷し、入力電極１２、入力電極２２に同一の信号を入力し、出力電極１４、出力電極２４から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、又は、入力電極１２、入力電極３２に同一の信号を入力し、出力電極１４、出力電極３４から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、被測定物４６の比誘電率、導電率を正確に測定することができる。
【００４１】
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置４０Ａの構成の説明図である。比誘電率・導電率測定装置４０Ａは、比誘電率・導電率測定装置４０を構成する第２弾性表面波素子２０を備え、入力電極２２に発振器４８が接続され、出力電極２４に振幅・位相検出器６０が接続され、前記振幅・位相検出器６０には被測定物４６の温度を検出するための温度センサ６４が接続されている。なお、図１に示した比誘電率・導電率測定装置４０と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４２】
次に、比誘電率・導電率測定装置４０Ａを用いた被測定物４６の比誘電率、導電率の測定について説明する。
【００４３】
まず、特定の温度ｔ0に対して比誘電率εr0、導電率σ0が既知である被測定物４６を標準溶液として格子状伝搬路２６に負荷する。格子状伝搬路２６では、凸部２７及び凹部２８から構成される凹凸構造２９が形成されているために、被測定物４６は主として凹部２８に負荷される（図２Ｅ参照）。
【００４４】
次いで、発振器４８より電気信号を入力電極２２へ入力すると弾性表面波が励振され、格子状伝搬路２６上を伝搬して、出力電極２４で受信される。出力電極２４で受信した弾性表面波から取り出した出力信号から振幅・位相検出器６０で振幅及び位相を検出し、当該検出した振幅、位相を振幅・位相検出器６０内のメモリ６２に記憶させる。
【００４５】
次に、前記標準溶液と同種で温度ｔの被測定物４６を格子状伝搬路２６に負荷し、前記標準溶液と同様に振幅、位相を振幅・位相検出器６０で検出する。検出した振幅、位相とメモリ６２に記憶した前記標準溶液の振幅、位相との差分を振幅比、位相差として求める。この求めた振幅比、位相差は、温度差Δｔ＝ｔ−ｔ0に対する振幅比Δａｍｐ、位相差Δφとなる。次いで、位相差Δφを式（６）に、振幅比Δａｍｐを式（７）に代入して、速度変化量ΔＶ／Ｖ、減衰変化量Δα／ｋを求め、さらに求めた速度変化量ΔＶ／Ｖを式（４）に、減衰変化量Δα／ｋを式（５）に代入する。式（４）、（５）の連立方程式から測定対象である被測定物４６の温度ｔ0から温度ｔへの温度変化に対応する比誘電率の変化量Δεr、導電率の変化量Δσが算出される。従って、求める温度ｔの比誘電率εrt’、導電率σt’は、比誘電率εrt’＝εr0＋Δεr、導電率σt’＝σ0＋Δσとして求めることができる。
【００４６】
比誘電率・導電率測定装置４０では、短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６又は短絡伝搬路１６と開放伝搬路３６とを組み合わせて、力学的相互作用の相殺をして、電気的相互作用から被測定物４６の比誘電率、導電率を算出している。これに対して、比誘電率・導電率測定装置４０Ａでは、特定の温度に対して比誘電率、導電率が既知である被測定物４６を標準溶液として、異なる温度で同種の被測定物４６と標準溶液との差分として、振幅比、位相差を求めることにより、結果として力学的相互作用の相殺をして抽出した電気的相互作用の成分に基づいて、被測定物４６の比誘電率、導電率を算出している。
【００４７】
なお、被測定物４６の対象をジオキサンとした場合には、図３、図４における短絡伝搬路１６と格子状伝搬路２６との組み合わせで得られる結果と同様の結果が得られる。また、第２実施形態では、被測定物４６は、力学的相互作用を相殺する必要性から温度変化に対して密度、粘性が変化しないものとしているがこの場合に限定されるものでなく、温度変化に対する密度、粘性が既知の溶液を被測定物４６の対象とすることもできる。かかる場合には、標準溶液とした温度ｔ0の被測定物４６の密度、粘性に基づいて、温度ｔの被測定物４６の密度、粘性を補正することにより力学的相互作用を相殺することができる。
【００４８】
以上説明したように、比誘電率・導電率測定装置４０Ａは、入力電極２２と出力電極２４との間に凸部２７が電気的に分離した格子状の凹凸構造２９が形成された格子状伝搬路２６を有する第２弾性表面波素子２０（弾性表面波素子）とを備え、格子状伝搬路２６に液体状の被測定物４６を負荷した状態において、入力電極２２に信号を入力し、出力電極２４から出力された出力信号の振幅及び位相から、被測定物４６の比誘電率、導電率を正確に測定することできる。
【００４９】
次に、開放伝搬路が形成された圧電基板４２の基板の厚さと粒子変位との関係について説明する。図８は、比誘電率が異なる被測定物４６において、単位波長当たりの圧電基板の厚さに対する単位波長当たりの粒子変位について示した図である。図８に示す測定では、発振器４８から入力される入力信号の周波数を３０ＭＨｚとした。
【００５０】
図８から、比誘電率が５以上の被測定物４６においては、単位波長当たりの圧電基板４２の厚さが、圧電基板４２上を伝搬する弾性表面波の波長λに対して５λ以下である場合には、単位波長当たりの粒子変位を０．１以下が抑えられることがわかる。さらに好ましくは、単位波長当たりの圧電基板４２の厚さは、４λ以下である。
【００５１】
圧電基板４２上を伝搬する弾性表面波のうち、弾性表面波素子として利用するすべり弾性表面波は、伝搬方向と直交する方向に変位する。この変位が圧電基板４２の厚さよりも大きい場合には、減衰変化量Δα／ｋも大きくなり、被測定物４６の比誘電率、導電率の測定精度も低下する。従って、単位波長当たりの粒子変位は、所定値以下、好ましくは０．１以下に抑えることにより、被測定物４６の比誘電率、導電率の測定精度を向上することができる。
【００５２】
また、測定対象の液体状の被測定物は、特に限定されるものではなく、純液、混合液のいずれであってもよく、メタノール、エタノール等のアルコールの比誘電率、導電率を測定する場合に特に有効である。
【００５３】
また、本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置の構成の説明図である。
【図２】図２Ａ、図２Ｄは、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ端面図であって、図２Ａは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｄは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｂ、図２Ｅは、図１のＩＩＢ−ＩＩＢ端面図であって、図２Ｂは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｅは、被測定物を負荷した後の状態を示す図であり、図２Ｃ、図２Ｆは、図１のＩＩＣ−ＩＩＣ端面図であって、図２Ｃは、被測定物を負荷する前の状態を示す図であり、図２Ｆは、被測定物を負荷した後の状態を示す図である。
【図３】ジオキサンの比誘電率εr’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図である。
【図４】ジオキサンの比誘電率εr’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図である。
【図５】塩化カリウムの導電率σ’と減衰変化量Δα／ｋとの関係を示す図である。
【図６】塩化カリウムの導電率σ’と速度変化量ΔＶ／Ｖとの関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る比誘電率・導電率測定装置の構成の説明図である。
【図８】単位波長当たりの圧電基板の厚さに対する単位波長当たりの粒子変位について示した図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０…第１弾性表面波素子 １２、２２、３２…入力電極
１４、２４、３４…出力電極 １６…短絡伝搬路
２０…第２弾性表面波素子 ２６…格子状伝搬路
２７…凸部 ２８…凹部
２９…凹凸構造 ３０…第３弾性表面波素子
３６…開放伝搬路 ３８…開放領域
４０、４０Ａ…比誘電率・導電率測定装置 ４２…圧電基板
４４…金属膜 ４６…被測定物
４８…発振器 ５０…分配器
５２、５４…切替器 ５６…振幅比位相差検出器
６０…振幅・位相検出器 ６２…メモリ
６４…温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、
入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを備え、
前記短絡伝搬路及び前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、
前記各入力電極から同一の信号を入力し、前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求める
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【請求項２】
入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、
入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、
入力電極と出力電極との間に電気的に開放した開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを備え、
前記短絡伝搬路と前記格子状伝搬路と前記開放伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、
前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、
又は、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求める
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【請求項３】
入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子とを備え、
前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、
前記入力電極に信号を入力し、前記出力電極から出力された出力信号の振幅及び位相から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求める
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の比誘電率・導電率測定装置において、
前記各弾性表面波素子が形成されている圧電基板の厚さが、前記圧電基板上を伝搬する弾性表面波の波長をλとして４λ以下である
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【請求項１】
入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、
入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子とを備え、
前記短絡伝搬路及び前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、
前記各入力電極から同一の信号を入力し、前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求める
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【請求項２】
入力電極と出力電極との間に電気的に短絡した短絡伝搬路を有する第１弾性表面波素子と、
入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する第２弾性表面波素子と、
入力電極と出力電極との間に電気的に開放した開放伝搬路を有する第３弾性表面波素子とを備え、
前記短絡伝搬路と前記格子状伝搬路と前記開放伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、
前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第２弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、
又は、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各入力電極に同一の信号を入力し、前記第１弾性表面波素子と前記第３弾性表面波素子の前記各出力電極から出力された各出力信号の振幅比及び位相差から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求める
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【請求項３】
入力電極と出力電極との間に凸部分が電気的に分離した格子状の凹凸構造が形成された格子状伝搬路を有する弾性表面波素子とを備え、
前記格子状伝搬路に液体状の被測定物を負荷した状態において、
前記入力電極に信号を入力し、前記出力電極から出力された出力信号の振幅及び位相から、前記被測定物の比誘電率又は導電率の少なくとも一方を求める
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の比誘電率・導電率測定装置において、
前記各弾性表面波素子が形成されている圧電基板の厚さが、前記圧電基板上を伝搬する弾性表面波の波長をλとして４λ以下である
ことを特徴とする比誘電率・導電率測定装置。
【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２０１０−１０７４８５（Ｐ２０１０−１０７４８５Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８２５４０（Ｐ２００８−２８２５４０）
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
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