球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置
【課題】
高速に駆動周波数を変更することおよび、複数の周波数を同時に出力することを可能とする。
【解決手段】
球状表面弾性波素子に複数の周波数で駆動信号を印加するための駆動系回路と、
前記球状表面弾性波素子から出力される複数の周波数の周回受信信号を計測するため計測系回路と、
で構成される球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置であって、
前記駆動系回路および前記計測系回路から前記球状表面弾性波素子の間に、前記複数の周波数でそれぞれ共振する複数個の直列共振回路および、複数個の並列共振回路を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置を提供する。
高速に駆動周波数を変更することおよび、複数の周波数を同時に出力することを可能とする。
【解決手段】
球状表面弾性波素子に複数の周波数で駆動信号を印加するための駆動系回路と、
前記球状表面弾性波素子から出力される複数の周波数の周回受信信号を計測するため計測系回路と、
で構成される球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置であって、
前記駆動系回路および前記計測系回路から前記球状表面弾性波素子の間に、前記複数の周波数でそれぞれ共振する複数個の直列共振回路および、複数個の並列共振回路を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状表面弾性波素子の駆動および周回受信信号の計測装置に係り、特に複数の周波数による球状表面弾性波素子の駆動計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、平板形状ではなく、球形状の圧電性結晶基材の表面にすだれ状電極が形成された球状表面弾性波素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この球状表面弾性波素子は、駆動信号として高周波バースト信号がすだれ状電極に印加されると、すだれ状電極から表面弾性波(Surface Acoustic Wave)が励起され、表面弾性波が基材表面の円環状領域を多重に周回する。
【０００４】
ここで、表面弾性波は、基材表面の状態に応じて多重周回する速度が変化する。同様に、表面弾性波は、基材表面への分子の付着等により、円環状領域の周長が表面弾性波の波長の整数倍となるとき、共鳴周波数が変化する。
【０００５】
このため、球状表面弾性波素子は、基材表面の円環状領域に付着した分子や、円環状領域に成膜された反応膜と環境ガス等との反応を検出する等の用途が提案されている。
【０００６】
駆動信号として球状表面弾性波素子に印加する高周波バースト信号の周波数は、球状表面弾性波素子上のすだれ状電極の形状や、基材表面の付着物や円環状領域に成膜された反応膜等で決まり複数の周波数で駆動計測する場合がある。
【０００７】
特許文献等は以下の通りである。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ ０１／４５２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、駆動系回路および計測系回路と球状表面弾性波素子の間には信号伝達を効率よく行うためのインピーダンスマッチング回路が必要であるが、前記インピーダンスマッチング回路は、周波数によって回路定数が決まっている。
【０００９】
従って、複数の周波数で駆動する場合、おのおのの周波数にあわせた複数個のインピーダンスマッチング回路を駆動周波数に応じて切り替える手段か、インピーダンスマッチング回路定数を変更する手段をもって駆動計測を行う必要がある。
【００１０】
インピーダンスマッチング回路の切り替え手段、もしくはインピーダンスマッチング回路定数を変更する手段としては、切り替え時間が十分遅い場合、機械接点を持ったスイッチを手動で切り替えてもよいし、電磁リレーで機械接点を電気的に切り替えてもよいが数ｍＳ以下での高速スイッチングはできない。
【００１１】
しかしながら、高精度計測においてはドリフトの問題から駆動周波数を高速に切り替える必要がある。電子スイッチや、フォトモスリレーを用いれば高速スイッチングは可能であるが、球状表面弾性波素子の駆動周波数が１０ＭＨｚを越える高周波である場合、スイッチ素子の持つ静電容量の影響で、回路上は遮断状態にしても駆動信号および周回受信信号が漏洩してしまう問題があり高周波の複数の駆動周波数を高速に切り替えることは困難である。
【００１２】
さらに、計測精度を向上するために複数の周波数を切り替えるのではなく合成して同時に出力する方法も考えられているが、スイッチによる切り替え方式では実現不可能である。
【００１３】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する装置において、高速に駆動周波数を変更することおよび、複数の周波数を同時に出力することを可能とする、球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測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】
【００１４】
請求項１に対応する発明は、球状表面弾性波素子に複数の周波数で駆動信号を印加するための駆動系回路と、前記球状表面弾性波素子から出力される複数の周波数の周回受信信号を計測するため計測系回路と、で構成される球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置であって、前記駆動系回路および前記計測系回路から前記球状表面弾性波素子の間に、前記複数の周波数でそれぞれ共振する複数個の直列共振回路および、複数個の並列共振回路を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１５】
請求項２に対応する発明は、請求項１の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、駆動計測する複数の周波数がそれぞれ少なくとも１．３倍以上離れていることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１６】
請求項３に対応する発明は、請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、駆動計測する複数周波数の駆動信号は同時には一つの周波数を出力し、これを順次切り替えることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１７】
請求項４に対応する発明は、請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同時に複数周波数の合成駆動信号を出力することを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１８】
請求項５に対応する発明は、請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同一経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその同一経路の周回受信信号を計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１９】
請求項６に対応する発明は、請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、周波数毎に異なる経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその周波数毎に異なる経路の周回受信信号を各々計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００２０】
従って、請求項１から６に対応する発明は、たとえば、２つの周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する場合、第１周波数をｆ１とし、第２周波数をｆ２として（ただしｆ１＜１．３×ｆ２またはｆ１＞１．３×ｆ２）、駆動系回路および計測系回路から前記表面弾性波素子の間に、ｆ１で共振状態となる直列共振回路とｆ１で共振状態となる並列共振回路とをコイルで結合させた回路および、ｆ２で共振状態となる直列共振回路と、ｆ２で共振状態となる並列共振回路とをコイルで結合させた回路を並列に構成する。
【００２１】
なお、ｆ１で共振する前記並列共振回路および、ｆ２で共振する前記並列共振回路は前記球状表面弾性波素子に対するインピーダンスマッチング回路を兼ねている。
【００２２】
これにより、ｆ１で共振状態となる前記直列共振回路とｆ２で共振状態となる前記直列共振回路とにより、通過する周波数の選択性をもたせ、通過した周波数に適したインピーダンスマッチング回路へ駆動計測信号を伝達することができる。
【００２３】
また、インピーダンスマッチング回路がｆ１で共振する前記並列共振回路およびｆ２で共振状態となる前記並列共振回路で構成されているため、インピーダンスマッチングに適合しない周波数に対しては、インピーダンスマッチングに適合する側の並列共振回路のインピーダンスが無限大に近い値となることに比べ十分インピーダンスが低くなり、電気的にはその存在を無視できるようになる。
【００２４】
このことは、駆動計測する周波数に適合したインピーダンスマッチング回路が受動的に自動選択されることを示している。
【００２５】
これにより、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動および計測する装置において、前記複数の周波数にそれぞれ適合する複数個のインピーダンスマッチング回路をスイッチ等により切り替える必要が無くなった。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する装置において、高速に駆動計測周波数を変更することおよび、複数の駆動周波数を合成し同時に出力することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態にかかる球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の構成を示す模式図であり、図２はこの球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。
【００２９】
この複数周波数駆動計測装置は、球状表面弾性波素子１０、周波数選択部２０、インピーダンスマッチング部３０、分離部４０、高周波バースト信号発生部５０、計測部６０を備えている。
【００３０】
ここで、球状表面弾性波素子１０は、伝搬面１１を有する球状部材１２およびすだれ状電極１３を備えている。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、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表面弾性波ＳＡＷ１、ＳＡＷ２を周回させるための周回経路を備えている。球状部材１２は、一旦励起された表面弾性波が多重周回可能な伝搬面１１を有する三次元基体であり、本実施形態では、直径１０ｍｍの球状に加工された単結晶の水晶材料を用いている。
【００３１】
周波数選択部２０は、コイルとコンデンサを直列に接続した直列共振回路となっており、高周波バースト信号発生部５０からの駆動信号もしくは、球状表面弾性波素子１０からの受信周回信号を周波数選択性を持たせて通過させるものである。
【００３２】
インピーダンスマッチング部３０は、コイルとコンデンサを並列に接続した並列共振回
路となっており、高周波バースト信号発生部５０からの駆動系回路および計測部６０と球状表面弾性波素子１０とのインピーダンスマッチングを周波数選択性を持って行うものである。
【００３３】
分離部４０は、高周波バースト信号発生部５０からの駆動信号を計測部６０へ流さないように、また周回受信信号を高周波バースト信号発生部５０へ流さないようにするものである。
【００３４】
高周波バースト信号発生部５０は、任意周波数のバースト信号を断続的に発生させ、これを駆動信号として球状表面弾性波素子１０のすだれ状電極１３に印加するものである。
【００３５】
計測部６０は、すだれ状電極１３から出力された多重周回中の表面弾性波ＳＡＷ１、ＳＡＷ２の検出信号を増幅器６１で増幅し検出信号の強度を計測するものである。
【００３６】
次に、以上のように構成された前記球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の動作を詳細に説明する。
【００３７】
本実施形態では、複数周波数を第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２（ただしｆ１＜１．３×ｆ２またはｆ１＞１．３×ｆ２）の２つの周波数としている。
【００３８】
なぜ１．３以上が好ましいかというと、異なる周波数による差異を検出することで高精度な計測ができることが近い周波数ではそのメリットが活かせない、つまり、差異があまり出ないからである。
【００３９】
また、本方式では電気的特性から、１．３倍以下の周波数の切り分けが困難だらである。理論的には切り分けが可能だが、実際はＱ（共振の良さ）が有限で経験上１．３倍以上離れていないと本方式を有効に利用することができないからである。
【００４０】
高周波バースト信号発生部５０は、第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２のバースト信号を交互に断続的に発生させる。
【００４１】
周波数選択部２０は、通過周波数をｆ１とした周波数選択回路２１と通過周波数をｆ２とした周波数選択回路２２とが並列に接続されている。
【００４２】
周波数選択回路２１はコイルＬ２１とコンデンサＣ２１が直列に接続された直列共振回路を形成しており、周波数ｆ１で共振するようになっている。
【００４３】
周波数選択回路２２はコイルＬ２２とコンデンサＣ２２が直列に接続された直列共振回路を形成しており、周波数ｆ２で共振するようになっている。
【００４４】
ここで高周波バースト信号発生部５０から周波数ｆ１のバースト信号が出力されたとする。
【００４５】
周波数ｆ１のバースト信号は周波数選択回路２１、周波数選択回路２２にそれぞれに印加されるが、周波数選択回路２１は周波数ｆ１で直列共振するのでインピーダンスはほぼ零になる（理論的には直列共振回路における共振状態ではインピーダンスは零となるが、現実的にはコイルの純抵抗成分が残るためわずかにインピーダンスを持つ）のに対し、周波数選択回路２２は、共振状態とならないのでインピーダンスを持つ。図３はこの状態を等価的に表したもので直列共振状態である周波数選択回路２１はインピーダンスほぼ零の短絡状態２１ａとなる、言い換えれば単なる電線に等価となる。このため高周波バースト
信号発生部５０から出力された周波数ｆ１のバースト信号は、そのほとんどが周波数選択回路２１を通ることになる。
【００４６】
次に周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、インピーダンスマッチング部３０へ印加される。
【００４７】
インピーダンスマッチング部３０は、共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１と共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２とが直列に接続されている。
【００４８】
インピーダンスマッチング回路３１は、二次コイルＬ３１ａおよび二次コイルＬ３１ａとトランスを構成するコイルＬ３１ｂとコンデンサＣ３１が並列に接続された並列共振回路を形成しており、周波数ｆ１で共振するようになっている。
【００４９】
インピーダンスマッチング回路３２は、二次コイルＬ３２ａおよび二次コイルＬ３２ａとトランスを構成するコイルＬ３２ｂとコンデンサＣ３２が並列に接続された並列共振回路を形成しており、周波数ｆ２で共振するようになっている。
【００５０】
ここで、球状表面弾性波素子に対するインピーダンスマッチングについて補足説明をする。
【００５１】
本実施形態で使用した球状表面弾性波素子１０は動作インピーダンスが非常に高いのに対し、高周波電子機器、たとえば本実施形態で使用した高周波バースト信号発生部５０や計測部６０などは、入出力インピーダンスは一般的に５０Ωとなっている。また図示していない接続用高周波同軸ケーブルも特性インピーダンスは５０Ωである。このように５０Ω系の回路に動作インピーダンスが非常に高い球状表面弾性波素子１０を直接接続するとエネルギーロスが大きく効率よく球状表面弾性波素子１０を駆動することができない。
【００５２】
したがって、インピーダンスマッチング回路を高周波バースト信号発生部５０および計測部６０と球状表面弾性波素子１０の間に挿入することにより、球状表面弾性波素子１０の動作インピーダンスを５０Ωもしくはその近傍の低いインピーダンスに変換し、エネルギーロスを抑え効率よく球状表面弾性波素子１０を駆動することができる状態にしている。
【００５３】
具体的には、インピーダンスマッチング回路は、コイルＬ３１ｂとコンデンサＣ３１による並列共振回路もしくは、コイルＬ３２ｂとコンデンサＣ３２による並列共振回路で構成し、並列共振状態となったとき球状表面弾性波素子１０からみたインピーダンスマッチング回路は非常に高いインピーダンスとなり、動作インピーダンスが非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングがとれる。
【００５４】
一方、インピーダンスマッチング用コイルＬ３１ｂにトランスを構成するように二次コイルＬ３１ａを設け、二次コイルＬ３１ａの一端を接地し、他端を高周波バースト信号発生部５０および計測部６０へ接続して、高周波バースト信号発生部５０および計測部６０からみたインピーダンスマッチング回路のインピーダンスが、５０Ωになるようにしてある。また、二次コイルＬ３１ａの巻き数は、インピーダンスマッチング用コイルＬ３２ｂの巻き数より格段に少ない値である。
【００５５】
このように、本実施形態における、インピーダンスマッチング回路は、共振状態となったとき、高周波バースト信号発生部５０および計測部６０と球状表面弾性波素子１０のインピーダンスマッチングがとれるものである。
【００５６】
周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３１のインピーダンスが非常に高くなり（理論的には並列共振回路における共振状態ではインピーダンスは無限大となるが、現実的にはコイルの純抵抗成分が残るため無限大とはならない）、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００５７】
一方、周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、インピーダンスマッチング回路３１と直列に接続されている共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２にも流れるが、インピーダンスマッチング回路３２は並列共振状態とはならないので、並列共振状態にあるインピーダンスマッチング回路３１の非常に高いインピーダンスと比べ十分低い値となる。図４はこの状態を等価的に表したもので、インピーダンスマッチング回路３１は、十分低い抵抗３２ａを介して接地されていると見なすことができる。
【００５８】
この結果、周波数ｆ１のバースト信号は、周波数ｆ１に最適なインピーダンスマッチング回路３１を介してインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０へ駆動信号を印加する事ができる。
【００５９】
次に、すだれ状電極１３は、周波数ｆ１のバースト信号の印加により、球状部材１２の表面に互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起し、表面に沿い伝搬させると共に、伝搬した表面弾性波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の図示していない合成波ＳＡＷを受信して周回受信信号を励起出力可能とする。この弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２は、すだれ状電極１３を通過しながら球状部材１２の表面を多重周回する。
【００６０】
周波数ｆ１のバースト信号の印加終了後、すだれ状電極１３は、励起した周回受信信号を出力する。前記周回受信信号は印加されたバースト信号と同じ周波数で返される。したがって前記周回受信信号の周波数はｆ１である。
【００６１】
前記周回受信信号は、前記動作原理に基づきインピーダンスマッチング回路３１および周波数選択回路２１を通り、分離部４０を経て増幅器６１で検出信号を増幅し計測部６０へ入力される。
【００６２】
次に、高周波バースト信号発生部５０から周波数ｆ２のバースト信号が出力されたとする。
【００６３】
周波数ｆ２のバースト信号は周波数選択回路２１、周波数選択回路２２にそれぞれに印加されるが、周波数選択回路２２は周波数ｆ２で直列共振するのでインピーダンスはほぼ零になるのに対し、周波数選択回路２１は、共振状態とならないのでインピーダンスを持つ。図５はこの状態を等価的に表したもので直列共振状態である周波数選択回路２２はインピーダンスほぼ零の短絡状態２２ａとなる。このため高周波バースト信号発生部５０から出力された周波数ｆ２のバースト信号は、そのほとんどが周波数選択回路２２を通ることになる。
【００６４】
次に周波数選択回路２２を通った周波数ｆ２のバースト信号は、インピーダンスマッチング部３０へ印加され共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３２のインピーダンスが非常に高くなり、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００６５】
一方、周波数選択回路２２を通った周波数ｆ２のバースト信号は、インピーダンスマッチング回路３２と直列に接続されている共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１にも流れるが、インピーダンスマッチング回路３１は並列共振状態とはならないので、並列共振状態にあるインピーダンスマッチング回路３２の非常に高いインピーダンスと比べ十分低い値となる。図６はこの状態を等価的に表したもので、インピーダンスマッチング回路３２は、十分低い抵抗３１ａを介して球状表面弾性波素子１０へ接続されていると見なすことができる。
【００６６】
この結果、周波数ｆ２のバースト信号は、周波数ｆ２に最適なインピーダンスマッチング回路３２を介してインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０へ駆動信号を印加する事ができる。
【００６７】
次に、すだれ状電極１３は、周波数ｆ２のバースト信号の印加により、球状部材１２の表面に互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起し、表面に沿い伝搬させると共に、伝搬した表面弾性波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の合成波ＳＡＷを受信して周回受信信号を励起出力可能とする。この弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２は、すだれ状電極１３を通過しながら球状部材１２の表面を多重周回する。
【００６８】
周波数ｆ２のバースト信号の印加終了後、すだれ状電極１３は、励起した周回受信信号を出力する。前記周回受信信号は印加されたバースト信号と同じ周波数で返される。したがって前記周回受信信号の周波数はｆ２である。
【００６９】
前記周回受信信号は、前記動作原理に基づきインピーダンスマッチング回路３２および周波数選択回路２２を通り、分離部４０を経て増幅器６１で検出信号を増幅し計測部６０へ入力される。
【００７０】
上述したように、本実施形態によれば、高周波バースト信号発生部５０より出力された高周波バースト信号は、その周波数に適合したマッチング回路が受動的に自動選択されてインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０を駆動する。
【００７１】
球状表面弾性波素子１０より出力される周回受信信号は、その周波数に適合したインピーダンスマッチング回路を受動的に自動選択し、インピーダンスマッチングを行い計測部６０へ入力される。
【００７２】
以上の説明は、周回経路が単一経路の場合で説明したが、この周波数毎に異なる経路に信号を印加し、計測するものであっても構わない。
【００７３】
次に、本実施形態に関連する実施例１について述べる。
【００７４】
＜実施例１＞
複数周波数を２０ＭＨｚおよび、４５ＭＨｚの２つの周波数として、球状表面弾性波素子を駆動し、その周回受信信号を計測部６０で測定した。
【００７５】
本実施例の構成を示した模式図は、図１に示すとおりで第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７６】
図７は、は本実施例で使用する球状弾性表面波素子の構成を示した模式図である。
【００７７】
球状弾性表面波素子１０Ｓに用いるすだれ状電極は、２つのすだれ状電極１３ａ，１３
ｂを、球状部材１２に接して形成する。すだれ状電極１３ａは２０ＭＨｚで、１３ｂは４５ＭＨｚで表面弾性波が発生する電極パターンを持ち、同一の伝搬面１１に弾性表面波を励起する。２つのすだれ状電極１３ａ，１３ｂは、電気的には並列接続されている。
【００７８】
なお、すだれ状電極１３ａ，１３ｂに１５ＭＨｚと４５ＭＨｚのように、一方の周波数が他方の周波数の整数倍となる駆動信号で、同一の伝搬面に弾性表面波を励起すると、一方のすだれ状電極が他方のすだれ状電極が励起した弾性表面波の周回を阻害することがある。そのため、１５ＭＨｚと４５ＭＨｚの組合せより、２０ＭＨｚと４５ＭＨｚのような組合せの方が望ましい。
【００７９】
高周波バースト信号発生部５０は、駆動信号としての２０ＭＨｚの高周波バースト信号および４５ＭＨｚの高周波バースト信号を交互に出力する。いずれも出力電力は、２０ｄＢｍである。
【００８０】
まず２０ＭＨｚのバースト信号をゲート時間１００μＳで送出後、５０μＳの計測時間待機の後、４５ＭＨｚの周波数の高周波バースト信号をゲート時間１００μＳで送出し５０μＳの計測時間待機をする。その後は上記タイミングを繰り返し行う。
【００８１】
したがって、前記２つの周波数の高周波バースト信号は、１５０μＳごとに切り替えられることになる。
【００８２】
計測部６０は、連続して受信可能な状態となっており、任意時間の周回受信信号強度を測定することができ、本実施例では、バースト信号送出後２０μｓ後の周回受信信号強度を測定した。
【００８３】
その結果、２０ＭＨｚの高周波バースト信号印加時、周回受信信号は平均０．３ｄＢｍ。４５ＭＨｚの高周波バースト信号印加時、周回受信信号は平均４．６ｄＢｍであった。
【００８４】
２０ＭＨｚおよび４５ＭＨｚの高周波信号の交互の切り替え時間が１５０μＳのように高速であった場合、電磁リレーのような機械接点を持ったスイッチでは当然として切り替えられないし、フォトモスリレーのような電子スイッチでも内部容量の関係から切り替えにはｍＳ単位以上の時間がかかり、このような状態で駆動計測を行っても正しいインピーダンスマッチングが行われず、受信される周回受信信号強度は−３０ｄＢｍ以下となる。
【００８５】
従って、実施例１の実験は、１５０μＳの高速切り替えでありながら、良好に動作していることを示している。
【００８６】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
【００８７】
本実施形態の構成を示す模式図は、第１の実施形態における図１と図２と同様であるので説明は省略する。以上のように構成された前記球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の動作を説明する。
【００８８】
本実施形態では、複数周波数を第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２（ただしｆ１＜１．３×ｆ２またはｆ１＞１．３×ｆ２）の２つの周波数としている。
【００８９】
高周波バースト信号発生部５０は、第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２のバースト信号を合成して同時に発生させる。
【００９０】
第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２を合成したバースト信号は、周波数選択部２０へ印加されるが、周波数選択回路２１を通過する前記バースト信号は周波数選択回路２１の作用により周波数ｆ１のみ、周波数選択回路２２を通過する前記バースト信号は周波数選択回路２２の作用により周波数ｆ２のみが通過する。
【００９１】
周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３１のインピーダンスが非常に高くなり、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００９２】
周波数選択回路２２を通った周波数ｆ２のバースト信号は、共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３２のインピーダンスが非常に高くなり、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００９３】
次に、すだれ状電極１３は、周波数ｆ１およびｆ２の各バースト信号の印加により、球状部材１２の表面に互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起し、表面に沿い伝搬させると共に、伝搬した表面弾性波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の合成波ＳＡＷを受信して周回受信信号を励起出力可能とする。この弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２は、すだれ状電極１３を通過しながら球状部材１２の表面を多重周回する。
【００９４】
周波数ｆ１およびｆ２の合成バースト信号の印加終了後、すだれ状電極１３は、励起した周回受信信号を出力する。前記周回受信信号は印加されたバースト信号と同じ周波数で返される。したがって前記周回受信信号の周波数はｆ１とｆ２を合成したものである。
【００９５】
前記周回受信信号は、前記動作原理に基づきインピーダンスマッチング部３０および周波数選択部２０を通り、分離部４０を経て増幅器６１で検出信号を増幅し計測部６０へ入力される。
【００９６】
上述したように、本実施形態によれば、高周波バースト信号発生部５０より出力された高周波合成バースト信号は、その周波数に適合したインピーダンスマッチング回路が受動的に自動選択されてインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０を駆動する。
【００９７】
球状表面弾性波素子１０より出力される周回受信信号は、その周波数に適合したインピーダンスマッチング回路を受動的に自動選択し、インピーダンスマッチングを行い計測部６０へ入力される。
【００９８】
次に、本実施形態に関連する実施例２について述べる。
【００９９】
＜実施例２＞
複数周波数を２０ＭＨｚおよび、４５ＭＨｚの２つの周波数として、球状表面弾性波素子を駆動し、その周回受信信号を計測部６０で測定した。
【０１００】
本実施例の構成を示した模式図は、第１の実施形態における図１と同様であるので説明は省略する。
【０１０１】
また、本実施例で使用する球状弾性表面波素子の構成を示した模式図は、実施例１における図７と同様であるので説明は省略する。
【０１０２】
高周波バースト信号発生部５０は、駆動信号として２０ＭＨｚの高周波バースト信号および４５ＭＨｚの高周波バースト信号を合成し出力する。出力電力は、２０ｄＢｍである。
【０１０３】
計測部６０は、連続して受信可能な状態となっており、任意時間の周回受信信号強度を測定することができ、本実施例では、バースト信号送出後２０μｓ後の周回受信信号強度を測定した。
【０１０４】
計測部６０で受信した、周回受信信号強度は、２０ＭＨｚと４５ＭＨｚの合成波であるので、図示していない計算機によって高速フーリエ変換を行い２０ＭＨｚ成分と４５ＭＨｚ成分に分離した。
【０１０５】
その結果、２０ＭＨｚの周回受信信号は平均−１．０ｄＢｍ。４５ＭＨｚの周回受信信号は平均３．６ｄＢｍであった。
【０１０６】
本実施例のように周波数成分ごとに適したインピーダンスマッチングを行わず駆動計測を行ってもエネルギーロスが大きく、受信される周回受信信号強度は−４０ｄＢｍ以下となる。
【０１０７】
従って、実施例２の実験は、２つの周波数の同時駆動でありながら、良好に動作していることを示している。
【０１０８】
このように、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する装置において、前記複数の周波数にそれぞれ適合する複数個のインピーダンスマッチング回路をスイッチ等により切り替える必要が無くなったので、高速に駆動計測周波数を変更することおよび、複数の駆動周波数を合成し同時に出力することが可能となった
なお、本願発明は、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、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の構成を示す模式図である。
【図２】同実施形態にかかる球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。
【図３】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図４】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図５】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図６】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図７】本発明の実施例１にかかる球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０…球状表面弾性波素子、１１…伝搬面、１２…球状部材，１３、１３ａ、１３ｂ…すだれ状電極、２０…周波数選択部、２１、２２…周波数選択回路、２１ａ、２２ａ…等価回路、３０…インピーダンスマッチング部、３１、３２…インピーダンスマッチング回路、３１ａ、３２ａ…等価回路、４０…分離部、５０…高周波バースト信号発生部、６０…計測部、６１…増幅器、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２…コンデンサ、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３１ａ、Ｌ３１ｂ、Ｌ３２ａ、Ｌ３２ｂ…コイル、Ｒ…抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状表面弾性波素子の駆動および周回受信信号の計測装置に係り、特に複数の周波数による球状表面弾性波素子の駆動計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、平板形状ではなく、球形状の圧電性結晶基材の表面にすだれ状電極が形成された球状表面弾性波素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この球状表面弾性波素子は、駆動信号として高周波バースト信号がすだれ状電極に印加されると、すだれ状電極から表面弾性波(Surface Acoustic Wave)が励起され、表面弾性波が基材表面の円環状領域を多重に周回する。
【０００４】
ここで、表面弾性波は、基材表面の状態に応じて多重周回する速度が変化する。同様に、表面弾性波は、基材表面への分子の付着等により、円環状領域の周長が表面弾性波の波長の整数倍となるとき、共鳴周波数が変化する。
【０００５】
このため、球状表面弾性波素子は、基材表面の円環状領域に付着した分子や、円環状領域に成膜された反応膜と環境ガス等との反応を検出する等の用途が提案されている。
【０００６】
駆動信号として球状表面弾性波素子に印加する高周波バースト信号の周波数は、球状表面弾性波素子上のすだれ状電極の形状や、基材表面の付着物や円環状領域に成膜された反応膜等で決まり複数の周波数で駆動計測する場合がある。
【０００７】
特許文献等は以下の通りである。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ ０１／４５２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、駆動系回路および計測系回路と球状表面弾性波素子の間には信号伝達を効率よく行うためのインピーダンスマッチング回路が必要であるが、前記インピーダンスマッチング回路は、周波数によって回路定数が決まっている。
【０００９】
従って、複数の周波数で駆動する場合、おのおのの周波数にあわせた複数個のインピーダンスマッチング回路を駆動周波数に応じて切り替える手段か、インピーダンスマッチング回路定数を変更する手段をもって駆動計測を行う必要がある。
【００１０】
インピーダンスマッチング回路の切り替え手段、もしくはインピーダンスマッチング回路定数を変更する手段としては、切り替え時間が十分遅い場合、機械接点を持ったスイッチを手動で切り替えてもよいし、電磁リレーで機械接点を電気的に切り替えてもよいが数ｍＳ以下での高速スイッチングはできない。
【００１１】
しかしながら、高精度計測においてはドリフトの問題から駆動周波数を高速に切り替える必要がある。電子スイッチや、フォトモスリレーを用いれば高速スイッチングは可能であるが、球状表面弾性波素子の駆動周波数が１０ＭＨｚを越える高周波である場合、スイッチ素子の持つ静電容量の影響で、回路上は遮断状態にしても駆動信号および周回受信信号が漏洩してしまう問題があり高周波の複数の駆動周波数を高速に切り替えることは困難である。
【００１２】
さらに、計測精度を向上するために複数の周波数を切り替えるのではなく合成して同時に出力する方法も考えられているが、スイッチによる切り替え方式では実現不可能である。
【００１３】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する装置において、高速に駆動周波数を変更することおよび、複数の周波数を同時に出力することを可能とする、球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測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】
【００１４】
請求項１に対応する発明は、球状表面弾性波素子に複数の周波数で駆動信号を印加するための駆動系回路と、前記球状表面弾性波素子から出力される複数の周波数の周回受信信号を計測するため計測系回路と、で構成される球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置であって、前記駆動系回路および前記計測系回路から前記球状表面弾性波素子の間に、前記複数の周波数でそれぞれ共振する複数個の直列共振回路および、複数個の並列共振回路を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１５】
請求項２に対応する発明は、請求項１の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、駆動計測する複数の周波数がそれぞれ少なくとも１．３倍以上離れていることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１６】
請求項３に対応する発明は、請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、駆動計測する複数周波数の駆動信号は同時には一つの周波数を出力し、これを順次切り替えることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１７】
請求項４に対応する発明は、請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同時に複数周波数の合成駆動信号を出力することを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１８】
請求項５に対応する発明は、請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同一経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその同一経路の周回受信信号を計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００１９】
請求項６に対応する発明は、請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、周波数毎に異なる経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその周波数毎に異なる経路の周回受信信号を各々計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置である。
【００２０】
従って、請求項１から６に対応する発明は、たとえば、２つの周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する場合、第１周波数をｆ１とし、第２周波数をｆ２として（ただしｆ１＜１．３×ｆ２またはｆ１＞１．３×ｆ２）、駆動系回路および計測系回路から前記表面弾性波素子の間に、ｆ１で共振状態となる直列共振回路とｆ１で共振状態となる並列共振回路とをコイルで結合させた回路および、ｆ２で共振状態となる直列共振回路と、ｆ２で共振状態となる並列共振回路とをコイルで結合させた回路を並列に構成する。
【００２１】
なお、ｆ１で共振する前記並列共振回路および、ｆ２で共振する前記並列共振回路は前記球状表面弾性波素子に対するインピーダンスマッチング回路を兼ねている。
【００２２】
これにより、ｆ１で共振状態となる前記直列共振回路とｆ２で共振状態となる前記直列共振回路とにより、通過する周波数の選択性をもたせ、通過した周波数に適したインピーダンスマッチング回路へ駆動計測信号を伝達することができる。
【００２３】
また、インピーダンスマッチング回路がｆ１で共振する前記並列共振回路およびｆ２で共振状態となる前記並列共振回路で構成されているため、インピーダンスマッチングに適合しない周波数に対しては、インピーダンスマッチングに適合する側の並列共振回路のインピーダンスが無限大に近い値となることに比べ十分インピーダンスが低くなり、電気的にはその存在を無視できるようになる。
【００２４】
このことは、駆動計測する周波数に適合したインピーダンスマッチング回路が受動的に自動選択されることを示している。
【００２５】
これにより、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動および計測する装置において、前記複数の周波数にそれぞれ適合する複数個のインピーダンスマッチング回路をスイッチ等により切り替える必要が無くなった。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する装置において、高速に駆動計測周波数を変更することおよび、複数の駆動周波数を合成し同時に出力することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態にかかる球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の構成を示す模式図であり、図２はこの球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。
【００２９】
この複数周波数駆動計測装置は、球状表面弾性波素子１０、周波数選択部２０、インピーダンスマッチング部３０、分離部４０、高周波バースト信号発生部５０、計測部６０を備えている。
【００３０】
ここで、球状表面弾性波素子１０は、伝搬面１１を有する球状部材１２およびすだれ状電極１３を備えている。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、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表面弾性波ＳＡＷ１、ＳＡＷ２を周回させるための周回経路を備えている。球状部材１２は、一旦励起された表面弾性波が多重周回可能な伝搬面１１を有する三次元基体であり、本実施形態では、直径１０ｍｍの球状に加工された単結晶の水晶材料を用いている。
【００３１】
周波数選択部２０は、コイルとコンデンサを直列に接続した直列共振回路となっており、高周波バースト信号発生部５０からの駆動信号もしくは、球状表面弾性波素子１０からの受信周回信号を周波数選択性を持たせて通過させるものである。
【００３２】
インピーダンスマッチング部３０は、コイルとコンデンサを並列に接続した並列共振回
路となっており、高周波バースト信号発生部５０からの駆動系回路および計測部６０と球状表面弾性波素子１０とのインピーダンスマッチングを周波数選択性を持って行うものである。
【００３３】
分離部４０は、高周波バースト信号発生部５０からの駆動信号を計測部６０へ流さないように、また周回受信信号を高周波バースト信号発生部５０へ流さないようにするものである。
【００３４】
高周波バースト信号発生部５０は、任意周波数のバースト信号を断続的に発生させ、これを駆動信号として球状表面弾性波素子１０のすだれ状電極１３に印加するものである。
【００３５】
計測部６０は、すだれ状電極１３から出力された多重周回中の表面弾性波ＳＡＷ１、ＳＡＷ２の検出信号を増幅器６１で増幅し検出信号の強度を計測するものである。
【００３６】
次に、以上のように構成された前記球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の動作を詳細に説明する。
【００３７】
本実施形態では、複数周波数を第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２（ただしｆ１＜１．３×ｆ２またはｆ１＞１．３×ｆ２）の２つの周波数としている。
【００３８】
なぜ１．３以上が好ましいかというと、異なる周波数による差異を検出することで高精度な計測ができることが近い周波数ではそのメリットが活かせない、つまり、差異があまり出ないからである。
【００３９】
また、本方式では電気的特性から、１．３倍以下の周波数の切り分けが困難だらである。理論的には切り分けが可能だが、実際はＱ（共振の良さ）が有限で経験上１．３倍以上離れていないと本方式を有効に利用することができないからである。
【００４０】
高周波バースト信号発生部５０は、第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２のバースト信号を交互に断続的に発生させる。
【００４１】
周波数選択部２０は、通過周波数をｆ１とした周波数選択回路２１と通過周波数をｆ２とした周波数選択回路２２とが並列に接続されている。
【００４２】
周波数選択回路２１はコイルＬ２１とコンデンサＣ２１が直列に接続された直列共振回路を形成しており、周波数ｆ１で共振するようになっている。
【００４３】
周波数選択回路２２はコイルＬ２２とコンデンサＣ２２が直列に接続された直列共振回路を形成しており、周波数ｆ２で共振するようになっている。
【００４４】
ここで高周波バースト信号発生部５０から周波数ｆ１のバースト信号が出力されたとする。
【００４５】
周波数ｆ１のバースト信号は周波数選択回路２１、周波数選択回路２２にそれぞれに印加されるが、周波数選択回路２１は周波数ｆ１で直列共振するのでインピーダンスはほぼ零になる（理論的には直列共振回路における共振状態ではインピーダンスは零となるが、現実的にはコイルの純抵抗成分が残るためわずかにインピーダンスを持つ）のに対し、周波数選択回路２２は、共振状態とならないのでインピーダンスを持つ。図３はこの状態を等価的に表したもので直列共振状態である周波数選択回路２１はインピーダンスほぼ零の短絡状態２１ａとなる、言い換えれば単なる電線に等価となる。このため高周波バースト
信号発生部５０から出力された周波数ｆ１のバースト信号は、そのほとんどが周波数選択回路２１を通ることになる。
【００４６】
次に周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、インピーダンスマッチング部３０へ印加される。
【００４７】
インピーダンスマッチング部３０は、共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１と共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２とが直列に接続されている。
【００４８】
インピーダンスマッチング回路３１は、二次コイルＬ３１ａおよび二次コイルＬ３１ａとトランスを構成するコイルＬ３１ｂとコンデンサＣ３１が並列に接続された並列共振回路を形成しており、周波数ｆ１で共振するようになっている。
【００４９】
インピーダンスマッチング回路３２は、二次コイルＬ３２ａおよび二次コイルＬ３２ａとトランスを構成するコイルＬ３２ｂとコンデンサＣ３２が並列に接続された並列共振回路を形成しており、周波数ｆ２で共振するようになっている。
【００５０】
ここで、球状表面弾性波素子に対するインピーダンスマッチングについて補足説明をする。
【００５１】
本実施形態で使用した球状表面弾性波素子１０は動作インピーダンスが非常に高いのに対し、高周波電子機器、たとえば本実施形態で使用した高周波バースト信号発生部５０や計測部６０などは、入出力インピーダンスは一般的に５０Ωとなっている。また図示していない接続用高周波同軸ケーブルも特性インピーダンスは５０Ωである。このように５０Ω系の回路に動作インピーダンスが非常に高い球状表面弾性波素子１０を直接接続するとエネルギーロスが大きく効率よく球状表面弾性波素子１０を駆動することができない。
【００５２】
したがって、インピーダンスマッチング回路を高周波バースト信号発生部５０および計測部６０と球状表面弾性波素子１０の間に挿入することにより、球状表面弾性波素子１０の動作インピーダンスを５０Ωもしくはその近傍の低いインピーダンスに変換し、エネルギーロスを抑え効率よく球状表面弾性波素子１０を駆動することができる状態にしている。
【００５３】
具体的には、インピーダンスマッチング回路は、コイルＬ３１ｂとコンデンサＣ３１による並列共振回路もしくは、コイルＬ３２ｂとコンデンサＣ３２による並列共振回路で構成し、並列共振状態となったとき球状表面弾性波素子１０からみたインピーダンスマッチング回路は非常に高いインピーダンスとなり、動作インピーダンスが非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングがとれる。
【００５４】
一方、インピーダンスマッチング用コイルＬ３１ｂにトランスを構成するように二次コイルＬ３１ａを設け、二次コイルＬ３１ａの一端を接地し、他端を高周波バースト信号発生部５０および計測部６０へ接続して、高周波バースト信号発生部５０および計測部６０からみたインピーダンスマッチング回路のインピーダンスが、５０Ωになるようにしてある。また、二次コイルＬ３１ａの巻き数は、インピーダンスマッチング用コイルＬ３２ｂの巻き数より格段に少ない値である。
【００５５】
このように、本実施形態における、インピーダンスマッチング回路は、共振状態となったとき、高周波バースト信号発生部５０および計測部６０と球状表面弾性波素子１０のインピーダンスマッチングがとれるものである。
【００５６】
周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３１のインピーダンスが非常に高くなり（理論的には並列共振回路における共振状態ではインピーダンスは無限大となるが、現実的にはコイルの純抵抗成分が残るため無限大とはならない）、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００５７】
一方、周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、インピーダンスマッチング回路３１と直列に接続されている共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２にも流れるが、インピーダンスマッチング回路３２は並列共振状態とはならないので、並列共振状態にあるインピーダンスマッチング回路３１の非常に高いインピーダンスと比べ十分低い値となる。図４はこの状態を等価的に表したもので、インピーダンスマッチング回路３１は、十分低い抵抗３２ａを介して接地されていると見なすことができる。
【００５８】
この結果、周波数ｆ１のバースト信号は、周波数ｆ１に最適なインピーダンスマッチング回路３１を介してインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０へ駆動信号を印加する事ができる。
【００５９】
次に、すだれ状電極１３は、周波数ｆ１のバースト信号の印加により、球状部材１２の表面に互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起し、表面に沿い伝搬させると共に、伝搬した表面弾性波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の図示していない合成波ＳＡＷを受信して周回受信信号を励起出力可能とする。この弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２は、すだれ状電極１３を通過しながら球状部材１２の表面を多重周回する。
【００６０】
周波数ｆ１のバースト信号の印加終了後、すだれ状電極１３は、励起した周回受信信号を出力する。前記周回受信信号は印加されたバースト信号と同じ周波数で返される。したがって前記周回受信信号の周波数はｆ１である。
【００６１】
前記周回受信信号は、前記動作原理に基づきインピーダンスマッチング回路３１および周波数選択回路２１を通り、分離部４０を経て増幅器６１で検出信号を増幅し計測部６０へ入力される。
【００６２】
次に、高周波バースト信号発生部５０から周波数ｆ２のバースト信号が出力されたとする。
【００６３】
周波数ｆ２のバースト信号は周波数選択回路２１、周波数選択回路２２にそれぞれに印加されるが、周波数選択回路２２は周波数ｆ２で直列共振するのでインピーダンスはほぼ零になるのに対し、周波数選択回路２１は、共振状態とならないのでインピーダンスを持つ。図５はこの状態を等価的に表したもので直列共振状態である周波数選択回路２２はインピーダンスほぼ零の短絡状態２２ａとなる。このため高周波バースト信号発生部５０から出力された周波数ｆ２のバースト信号は、そのほとんどが周波数選択回路２２を通ることになる。
【００６４】
次に周波数選択回路２２を通った周波数ｆ２のバースト信号は、インピーダンスマッチング部３０へ印加され共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３２のインピーダンスが非常に高くなり、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００６５】
一方、周波数選択回路２２を通った周波数ｆ２のバースト信号は、インピーダンスマッチング回路３２と直列に接続されている共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１にも流れるが、インピーダンスマッチング回路３１は並列共振状態とはならないので、並列共振状態にあるインピーダンスマッチング回路３２の非常に高いインピーダンスと比べ十分低い値となる。図６はこの状態を等価的に表したもので、インピーダンスマッチング回路３２は、十分低い抵抗３１ａを介して球状表面弾性波素子１０へ接続されていると見なすことができる。
【００６６】
この結果、周波数ｆ２のバースト信号は、周波数ｆ２に最適なインピーダンスマッチング回路３２を介してインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０へ駆動信号を印加する事ができる。
【００６７】
次に、すだれ状電極１３は、周波数ｆ２のバースト信号の印加により、球状部材１２の表面に互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起し、表面に沿い伝搬させると共に、伝搬した表面弾性波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の合成波ＳＡＷを受信して周回受信信号を励起出力可能とする。この弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２は、すだれ状電極１３を通過しながら球状部材１２の表面を多重周回する。
【００６８】
周波数ｆ２のバースト信号の印加終了後、すだれ状電極１３は、励起した周回受信信号を出力する。前記周回受信信号は印加されたバースト信号と同じ周波数で返される。したがって前記周回受信信号の周波数はｆ２である。
【００６９】
前記周回受信信号は、前記動作原理に基づきインピーダンスマッチング回路３２および周波数選択回路２２を通り、分離部４０を経て増幅器６１で検出信号を増幅し計測部６０へ入力される。
【００７０】
上述したように、本実施形態によれば、高周波バースト信号発生部５０より出力された高周波バースト信号は、その周波数に適合したマッチング回路が受動的に自動選択されてインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０を駆動する。
【００７１】
球状表面弾性波素子１０より出力される周回受信信号は、その周波数に適合したインピーダンスマッチング回路を受動的に自動選択し、インピーダンスマッチングを行い計測部６０へ入力される。
【００７２】
以上の説明は、周回経路が単一経路の場合で説明したが、この周波数毎に異なる経路に信号を印加し、計測するものであっても構わない。
【００７３】
次に、本実施形態に関連する実施例１について述べる。
【００７４】
＜実施例１＞
複数周波数を２０ＭＨｚおよび、４５ＭＨｚの２つの周波数として、球状表面弾性波素子を駆動し、その周回受信信号を計測部６０で測定した。
【００７５】
本実施例の構成を示した模式図は、図１に示すとおりで第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７６】
図７は、は本実施例で使用する球状弾性表面波素子の構成を示した模式図である。
【００７７】
球状弾性表面波素子１０Ｓに用いるすだれ状電極は、２つのすだれ状電極１３ａ，１３
ｂを、球状部材１２に接して形成する。すだれ状電極１３ａは２０ＭＨｚで、１３ｂは４５ＭＨｚで表面弾性波が発生する電極パターンを持ち、同一の伝搬面１１に弾性表面波を励起する。２つのすだれ状電極１３ａ，１３ｂは、電気的には並列接続されている。
【００７８】
なお、すだれ状電極１３ａ，１３ｂに１５ＭＨｚと４５ＭＨｚのように、一方の周波数が他方の周波数の整数倍となる駆動信号で、同一の伝搬面に弾性表面波を励起すると、一方のすだれ状電極が他方のすだれ状電極が励起した弾性表面波の周回を阻害することがある。そのため、１５ＭＨｚと４５ＭＨｚの組合せより、２０ＭＨｚと４５ＭＨｚのような組合せの方が望ましい。
【００７９】
高周波バースト信号発生部５０は、駆動信号としての２０ＭＨｚの高周波バースト信号および４５ＭＨｚの高周波バースト信号を交互に出力する。いずれも出力電力は、２０ｄＢｍである。
【００８０】
まず２０ＭＨｚのバースト信号をゲート時間１００μＳで送出後、５０μＳの計測時間待機の後、４５ＭＨｚの周波数の高周波バースト信号をゲート時間１００μＳで送出し５０μＳの計測時間待機をする。その後は上記タイミングを繰り返し行う。
【００８１】
したがって、前記２つの周波数の高周波バースト信号は、１５０μＳごとに切り替えられることになる。
【００８２】
計測部６０は、連続して受信可能な状態となっており、任意時間の周回受信信号強度を測定することができ、本実施例では、バースト信号送出後２０μｓ後の周回受信信号強度を測定した。
【００８３】
その結果、２０ＭＨｚの高周波バースト信号印加時、周回受信信号は平均０．３ｄＢｍ。４５ＭＨｚの高周波バースト信号印加時、周回受信信号は平均４．６ｄＢｍであった。
【００８４】
２０ＭＨｚおよび４５ＭＨｚの高周波信号の交互の切り替え時間が１５０μＳのように高速であった場合、電磁リレーのような機械接点を持ったスイッチでは当然として切り替えられないし、フォトモスリレーのような電子スイッチでも内部容量の関係から切り替えにはｍＳ単位以上の時間がかかり、このような状態で駆動計測を行っても正しいインピーダンスマッチングが行われず、受信される周回受信信号強度は−３０ｄＢｍ以下となる。
【００８５】
従って、実施例１の実験は、１５０μＳの高速切り替えでありながら、良好に動作していることを示している。
【００８６】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
【００８７】
本実施形態の構成を示す模式図は、第１の実施形態における図１と図２と同様であるので説明は省略する。以上のように構成された前記球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の動作を説明する。
【００８８】
本実施形態では、複数周波数を第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２（ただしｆ１＜１．３×ｆ２またはｆ１＞１．３×ｆ２）の２つの周波数としている。
【００８９】
高周波バースト信号発生部５０は、第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２のバースト信号を合成して同時に発生させる。
【００９０】
第１周波数ｆ１および、第２周波数ｆ２を合成したバースト信号は、周波数選択部２０へ印加されるが、周波数選択回路２１を通過する前記バースト信号は周波数選択回路２１の作用により周波数ｆ１のみ、周波数選択回路２２を通過する前記バースト信号は周波数選択回路２２の作用により周波数ｆ２のみが通過する。
【００９１】
周波数選択回路２１を通った周波数ｆ１のバースト信号は、共振周波数をｆ１としたインピーダンスマッチング回路３１で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３１のインピーダンスが非常に高くなり、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００９２】
周波数選択回路２２を通った周波数ｆ２のバースト信号は、共振周波数をｆ２としたインピーダンスマッチング回路３２で並列共振状態となり、インピーダンスマッチング回路３２のインピーダンスが非常に高くなり、動作インピーダンスの非常に高い球状表面弾性波素子１０とインピーダンスマッチングをとることができる。
【００９３】
次に、すだれ状電極１３は、周波数ｆ１およびｆ２の各バースト信号の印加により、球状部材１２の表面に互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起し、表面に沿い伝搬させると共に、伝搬した表面弾性波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の合成波ＳＡＷを受信して周回受信信号を励起出力可能とする。この弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２は、すだれ状電極１３を通過しながら球状部材１２の表面を多重周回する。
【００９４】
周波数ｆ１およびｆ２の合成バースト信号の印加終了後、すだれ状電極１３は、励起した周回受信信号を出力する。前記周回受信信号は印加されたバースト信号と同じ周波数で返される。したがって前記周回受信信号の周波数はｆ１とｆ２を合成したものである。
【００９５】
前記周回受信信号は、前記動作原理に基づきインピーダンスマッチング部３０および周波数選択部２０を通り、分離部４０を経て増幅器６１で検出信号を増幅し計測部６０へ入力される。
【００９６】
上述したように、本実施形態によれば、高周波バースト信号発生部５０より出力された高周波合成バースト信号は、その周波数に適合したインピーダンスマッチング回路が受動的に自動選択されてインピーダンスマッチングが行われ、球状表面弾性波素子１０を駆動する。
【００９７】
球状表面弾性波素子１０より出力される周回受信信号は、その周波数に適合したインピーダンスマッチング回路を受動的に自動選択し、インピーダンスマッチングを行い計測部６０へ入力される。
【００９８】
次に、本実施形態に関連する実施例２について述べる。
【００９９】
＜実施例２＞
複数周波数を２０ＭＨｚおよび、４５ＭＨｚの２つの周波数として、球状表面弾性波素子を駆動し、その周回受信信号を計測部６０で測定した。
【０１００】
本実施例の構成を示した模式図は、第１の実施形態における図１と同様であるので説明は省略する。
【０１０１】
また、本実施例で使用する球状弾性表面波素子の構成を示した模式図は、実施例１における図７と同様であるので説明は省略する。
【０１０２】
高周波バースト信号発生部５０は、駆動信号として２０ＭＨｚの高周波バースト信号および４５ＭＨｚの高周波バースト信号を合成し出力する。出力電力は、２０ｄＢｍである。
【０１０３】
計測部６０は、連続して受信可能な状態となっており、任意時間の周回受信信号強度を測定することができ、本実施例では、バースト信号送出後２０μｓ後の周回受信信号強度を測定した。
【０１０４】
計測部６０で受信した、周回受信信号強度は、２０ＭＨｚと４５ＭＨｚの合成波であるので、図示していない計算機によって高速フーリエ変換を行い２０ＭＨｚ成分と４５ＭＨｚ成分に分離した。
【０１０５】
その結果、２０ＭＨｚの周回受信信号は平均−１．０ｄＢｍ。４５ＭＨｚの周回受信信号は平均３．６ｄＢｍであった。
【０１０６】
本実施例のように周波数成分ごとに適したインピーダンスマッチングを行わず駆動計測を行ってもエネルギーロスが大きく、受信される周回受信信号強度は−４０ｄＢｍ以下となる。
【０１０７】
従って、実施例２の実験は、２つの周波数の同時駆動でありながら、良好に動作していることを示している。
【０１０８】
このように、複数の周波数で球状表面弾性波素子を駆動計測する装置において、前記複数の周波数にそれぞれ適合する複数個のインピーダンスマッチング回路をスイッチ等により切り替える必要が無くなったので、高速に駆動計測周波数を変更することおよび、複数の駆動周波数を合成し同時に出力することが可能となった
なお、本願発明は、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、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置の構成を示す模式図である。
【図２】同実施形態にかかる球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。
【図３】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図４】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図５】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図６】同実施形態にかかる動作を説明するための等価回路図である。
【図７】本発明の実施例１にかかる球状表面弾性波素子の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０…球状表面弾性波素子、１１…伝搬面、１２…球状部材，１３、１３ａ、１３ｂ…すだれ状電極、２０…周波数選択部、２１、２２…周波数選択回路、２１ａ、２２ａ…等価回路、３０…インピーダンスマッチング部、３１、３２…インピーダンスマッチング回路、３１ａ、３２ａ…等価回路、４０…分離部、５０…高周波バースト信号発生部、６０…計測部、６１…増幅器、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２…コンデンサ、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３１ａ、Ｌ３１ｂ、Ｌ３２ａ、Ｌ３２ｂ…コイル、Ｒ…抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状表面弾性波素子に複数の周波数で駆動信号を印加するための駆動系回路と、
前記球状表面弾性波素子から出力される複数の周波数の周回受信信号を計測するため計測系回路と、
で構成される球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置であって、
前記駆動系回路および前記計測系回路から前記球状表面弾性波素子の間に、前記複数の周波数でそれぞれ共振する複数個の直列共振回路および、複数個の並列共振回路を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項２】
請求項１の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数の周波数がそれぞれ少なくとも１．３倍以上離れていることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は同時には一つの周波数を出力し、これを順次切り替えることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同時に複数周波数の合成駆動信号を出力することを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項５】
請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同一経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその同一経路の周回受信信号を計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項６】
請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、周波数毎に異なる経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその周波数毎に異なる経路の周回受信信号を各々計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項１】
球状表面弾性波素子に複数の周波数で駆動信号を印加するための駆動系回路と、
前記球状表面弾性波素子から出力される複数の周波数の周回受信信号を計測するため計測系回路と、
で構成される球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置であって、
前記駆動系回路および前記計測系回路から前記球状表面弾性波素子の間に、前記複数の周波数でそれぞれ共振する複数個の直列共振回路および、複数個の並列共振回路を備えたことを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項２】
請求項１の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数の周波数がそれぞれ少なくとも１．３倍以上離れていることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は同時には一つの周波数を出力し、これを順次切り替えることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２の球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同時に複数周波数の合成駆動信号を出力することを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項５】
請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、同一経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその同一経路の周回受信信号を計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【請求項６】
請求項１から４何れかの球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置において、
駆動計測する複数周波数の駆動信号は、周波数毎に異なる経路に印加するための駆動系回路であり、出計測系回路がその周波数毎に異なる経路の周回受信信号を各々計測する計測系回路であることを特徴とする球状表面弾性波素子の複数周波数駆動計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２３２４５１（Ｐ２００７−２３２４５１Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２０１８（Ｐ２００６−５２０１８）
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【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９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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