表面弾性波計測装置および方法
【課題】励起信号と周回信号との位相差を正確に計測する。
【解決手段】表面弾性波計測装置１０は、周回信号を互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配器２１と、励起信号を互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配器２２と、一の第１基準信号の位相を変換して第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する位相シフタ２３と、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部２４と、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部２５と、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測する計測部３０とを備える。
【解決手段】表面弾性波計測装置１０は、周回信号を互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配器２１と、励起信号を互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配器２２と、一の第１基準信号の位相を変換して第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する位相シフタ２３と、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部２４と、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部２５と、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測する計測部３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測し得る表面弾性波計測装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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」が各種センサに応用されている。
【０００３】
球状表面弾性波素子では、すだれ状電極に高周波信号が印加されると、基材表面上の伝搬面に表面弾性波(Surface Acoustic Wave)が励起される。また、励起された表面弾性波は、球状表面弾性波素子が平板形状ではなく球形状であるため、円環状の伝搬面を多重周回するようになる。
【０００４】
多重周回する表面弾性波の伝搬速度は、基材表面の状態に応じて変化する。例えば、基材表面への分子の付着等により、表面弾性波の伝搬速度が変化する。また、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には、共鳴周波数が変化する。
【０００５】
そこで、このような伝搬速度の変化に基づいて、基材表面に成膜された反応膜に付着する分子等を検出するセンサの開発が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１０１９７４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、伝搬速度の変化を計測するためには、表面弾性波を励起するための励起信号と、表面弾性波が素子を多重周回した後に検出される周回信号との位相差を測定する必要がある。
【０００７】
ところが、位相は、０〜２πの間で変化する値である。それゆえ、２πを超えて位相が変化する場合には、位相が遅れていても進んでいるように計測されてしまい、両信号の位相差を正確に捉えることが困難になる。
【０００８】
本発明は上記実情を鑑みてなされたものであり、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測し得る表面弾性波計測装置および方法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】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じる。
【００１０】
請求項1に対応する発明は、球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測装置において、前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波手段と、前記検波手段により検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測手段とを備えた表面弾性波計測装置である。
【００１１】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する表面弾性波計測装置であって、前記検波手段は、前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配手段と、前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配手段と、前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成手段と、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部とを備え、前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段を備えた表面弾性波計測装置である。
【００１２】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する表面弾性波計測装置であって、前記検波手段は、前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配手段と、前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成手段と、前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配手段と、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部とを備え、前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段を備えた表面弾性波計測装置である。
【００１３】
請求項４に対応する発明は、球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測方法において、前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波ステップと、前記検波ステップにより検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測ステップとを備えた表面弾性波計測方法である。
【００１４】
請求項５に対応する発明は、請求項４に対応する表面弾性波計測方法であって、前記検波ステップは、前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配ステップと、前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配ステップと、前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成ステップと、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップとを備え、前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップを備えた表面弾性波計測方法である。
【００１５】
請求項６に対応する発明は、請求項４に対応する表面弾性波計測方法であって、前記検波ステップは、前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配ステップと、前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成ステップと、前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配ステップと、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップとを備え、前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップを備えた表面弾性波計測方法である。
【００１６】
＜作用＞
従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより、以下の作用を有する。
【００１７】
請求項１・４に対応する発明は、表面弾性波を励起するための励起信号と、表面弾性波からの周回信号とに基づいて、表面弾性波の振動変化を計測しており、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【００１８】
請求項２・５に対応する発明は、請求項１・４に対応する作用に加え、周回信号を互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配し、励起信号を互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配し、一の第１基準信号の位相を変換して第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成し、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力し、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力し、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測するので、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【００１９】
請求項３・６に対応する発明は、請求項１・４に対応する作用に加え、周回信号を互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配し、一の第１周回信号の位相を変換して第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成し、励起信号を互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配し、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力し、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力し、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測するので、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
＜第1の実施形態＞
（１−１．構成）
図１は本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の構成を示す模式図である。
【００２３】
表面弾性波計測装置１０は、球状表面弾性波素子９０のすだれ状電極９２に励起信号を印加し、その励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から表面弾性波の振動変化を計測するものである。
【００２４】
具体的には、表面弾性波計測装置１０は、高周波信号発振部１１と高周波信号用カプラー１２・高周波スイッチ部１３・高周波増幅部１４・高周波パワースイッチ部１５・切換スイッチ部１６・整合器１７・制御部１８・プリアンプ部２０・周回信号分配器２１・基準信号分配器２２・位相シフタ２３・Ｉ系統乗算回路部２４・Ｑ系統乗算回路部２５・ローパスフィルター部２６，２７・直流増幅部２８，２９・計測部３０とを備えている。
【００２５】
なお、球状表面弾性波素子９０は、図２に示すように、表面弾性波が周回可能に伝搬し得る伝搬面９１Ｓを有する基材９１と、その基材９１上にすだれ状電極９２とを備えている。すだれ状電極９２は、伝搬面９１Ｓ上に表面弾性波を励起するとともに、周回した表面弾性波の周回信号を検出する機能を有している。
【００２６】
高周波信号発振部１１は、球状表面弾性波素子９０の基材表面上を多重周回する表面弾性波振動を発生させるための高周波信号（周波数ｆｐ）を生成するものである。高周波信号発振部１１により生成された高周波信号は、「励起信号」として、高周波スイッチ部１３へ出力される。ただし、高周波信号の一部は、高周波信号用カプラー１２により、基準信号分配器２２へ出力される。
【００２７】
高周波スイッチ部１３は、高アイソレーション特性を有するスイッチであり、制御部１８により制御される。高周波スイッチ部１３に入力された高周波信号は、高周波増幅部１４により必要な高周波エネルギーレベルまで増幅されてから、高周波パワースイッチ部１５を経由して、切換スイッチ部１６に送られる。なお、高周波スイッチ部１３および高周波パワースイッチ部１５は、高アイソレーション特性であるため、高周波信号発振部１１からの漏れ信号成分が殆ど含まれない高周波信号を出力する。
【００２８】
高周波パワースイッチ部１５は、高アイソレーション特性を有するスイッチであり、高周波増幅部１４により増幅された高周波信号の高エネルギー出力に対して耐久性を有している。
【００２９】
切換スイッチ部１６は、球状表面弾性波素子９０のすだれ状電極９２に励起信号を入力するか、すだれ状電極９２から出力される周回信号を検出するかを切り換えるスイッチである。具体的には、切換スイッチ部１６は、整合器１７と高周波パワースイッチ部１５とを接続するか（図３（Ａ））、整合器１７とプリアンプ部２０とを接続するか（図３（Ｂ））、整合器１７を高周波パワースイッチ部１５およびプリアンプ部２０のいずれにも接続しないか（図３（Ｃ））の状態に切り換える機能を有している。なお、整合器１７と高周波パワースイッチ部１５とを接続し（図３（Ａ））、表面弾性波が励起した後に、整合器１７を高周波パワースイッチ部１５およびプリアンプ部２０のいずれにも接続しないようにすると（図３（Ｃ））、表面弾性波が伝搬面９１Ｓを多重周回し続けることになる。
【００３０】
整合器１７は、球状表面弾性波素子９０の入力インピーダンスとのインピーダンス整合を行なうためのものである。
【００３１】
制御部１８は、各装置の動作を制御するものである。具体的には、コントロール信号を出力して、高周波スイッチ部１３・高周波パワースイッチ部１５・切換スイッチ部１６を同時に切り換える制御を行なう。これにより、高周波信号発振部１１から出力される連続波をＯＮ−ＯＦＦし、球状表面弾性波素子９０に高周波バースト信号を印加することができる。
【００３２】
プリアンプ部２０は、球状表面弾性波素子９０から出力される電気信号（周波数ｆｒ）を増幅するものであり、増幅した電気信号を「周回信号」として周回信号分配器２１へ出力する。
【００３３】
周回信号分配器２１は、プリアンプ部２０から送られてくる周回信号を、互いに同位相の「第１周回信号」と「第２周回信号」とに等分配するものであり、第１周回信号をＩ系統乗算回路部２４に送出し、第２周回信号をＱ系統乗算回路部２５に送出する。
【００３４】
基準信号分配器２２は、高周波信号用カプラー１２から送られてくる高周波信号を、互いに同位相の２つの基準信号に等分配するものである。そして、基準信号分配器２２は、２つの基準信号のうち一方を、「第１基準信号」として、そのままＩ系統乗算回路部２４へ送出する。また、他方の基準信号を位相シフタ２３に送出する。
【００３５】
位相シフタ２３は、等分配された基準信号の一方の位相を変換するものであり、第１基準信号の位相に直交する位相を有する「第２基準信号」を生成する機能を有する。すなわち、第２基準信号は、第１基準信号の位相のみを９０°ずらしたものである。位相を９０°シフトする方法としては、伝送線路による遅延方法を用いることができる。また、分配器と位相器とを一体化し、コイルとコンデンサとを組み合わせて、各出力端子において位相差が９０°で同レベルの出力信号を得られるようにする方法を用いることもできる。なお、位相シフタ２３により生成された第２基準信号はＱ系統乗算回路部２５へ出力される。
【００３６】
I系統乗算回路部２４は、周回信号分配器２１から入力された第１周回信号と、基準信号分配器２２から入力された第１基準信号とに基づいて「Ｉ信号」を出力するためのものである。具体的には、ダイオードやＤＢＭ（ダブルバランスドミキサー）にような非線形素子により構成される。
【００３７】
ここで、Ｉ系統乗算回路部２４における入出力特性は非線形である。そのため、入力信号ｅinと出力信号ｅoutとには、以下の式が成立する。なお、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は定数である。
【００３８】
ｅout＝Ｋ１ｅin＋Ｋ２ｅin２＋Ｋ３ｅin３＋・・・・・
この式から、Ｉ系統乗算回路部２４において、基準信号をＡ０ｃｏｓ（ωｔ）とし、球状表面弾性波素子９０からの周回信号をＡRｃｏｓ（ωｔ＋θ）とし、基準信号と周回信号との和を入力信号ｅinに代入して計算すると、それぞれの成分が１次項より発生する。また、それぞれの２次高調波成分および位相差θによる直流成分であるＫ２・Ａ０・ＡRｃｏｓ（θ）の信号が２次項より出力される。また、３次項以降は出力が小さいので無視できる。
【００３９】
そして、Ｉ系統乗算回路部２４から出力される電気信号は、ローパスフィルター部２６により周波数選択された後、直流増幅器２８により増幅され、Ｉ信号として計測部３０へ出力される。
【００４０】
Ｑ系統乗算回路部２５は、周回信号分配器２１から入力された第２周回信号と、位相シフタ２３から入力された第２基準信号とに基づいて「Ｑ信号」を出力するためのものである。Ｑ系統乗算回路部２５は、Ｉ系統乗算回路部２４において基準信号の位相を９０°ずらして計算するものであり、その出力信号はＫ２・Ａ０・ＡRｓｉｎ（θ）となる。
【００４１】
また、Ｑ系統乗算回路部２５から出力される電気信号は、ローパスフィルター部２７により周波数選択された後、直流増幅器２９により増幅され、Ｑ信号として計測部３０へ出力される。
【００４２】
ローパスフィルター部２６・２７は、直流成分は通過させるが、基準信号の周波数以上の周波数を有する信号は遮断するフィルターである。
【００４３】
計測部３０は、直流増幅器２８・２９から送出されるＩ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振動変化を計測するものである。
【００４４】
ここで、基準信号と周回信号との位相差をθとすると、Ｉ信号（ＳＩ）とＱ信号（ＳＱ）とは、それぞれ下記のように表わされる。
【００４５】
ＳＩ＝Ｋ２・Ａ０・ＡRｃｏｓ（θ）
ＳＱ＝Ｋ２・Ａ０・ＡRｓｉｎ（θ）
それゆえ、Ｉ信号とＱ信号とをそれぞれ直交座標で表わすと、図４に示すように、円周状の点で表わされることになる。これにより、２次元座標上で位相の進みや遅れを計測できるようになる。
【００４６】
また、図５に示すように、あるバースト信号に対応する周回信号Ｒ１から次のバースト信号に対応する周回信号Ｒ２の減衰率を調べる事により、表面弾性波の振幅変化を計測することができる。
【００４７】
（１−２．動作）
次に本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。
【００４８】
始めに、球状表面弾性波素子９０の基材表面上を多重周回する表面弾性波振動を発生させるための高周波信号が高周波信号発振部１１で生成される（ステップＳ１）。この高周波信号は、高周波信号用カプラー１２・高周波スイッチ部１３を経由して高周波増幅部１４に送られる。そして、高周波増幅部１４により、球状表面弾性波を励起するために必要な高周波エネルギーレベルまで高周波信号が増幅される。
【００４９】
続いて、高周波パワースイッチ部１５および切換スイッチ部１６を介して、球状表面弾性波素子９０に高周波バースト信号が励起信号として印加される（ステップＳ２）。
【００５０】
補足すると、高周波信号発振部１１からの出力は、常に連続波である。そこで、制御部１８のコントロール信号によって高周波スイッチ部１３や高周波パワースイッチ部１５を同時に切り換えることにより、高周波エネルギーがＯＮ−ＯＦＦされた高周波バースト信号が励起信号として球状表面弾性波素子９０に印加される。
【００５１】
高周波バースト信号が印加されると（ＯＮ状態）、すだれ状電極９２に与えられた高周波エネルギーによって、球状表面弾性波素子９０の基材表面上に表面弾性波振動が発生し、表面弾性波が伝搬面９１Ｓを多重周回するようになる。
【００５２】
次に、制御部１８のコントロール信号によって各スイッチ部１３・１５がＯＦＦ状態に切り換えられ、切換スイッチ部１６の動作によって、整合器１７とプリアンプ部２０とが接続される（ステップＳ３）。これにより、すだれ状電極９２を表面弾性波が通過する毎に、プリアンプ部２０へ電気信号が送られる。なお、各スイッチ部１３・１５は高アイソレーション特性であるため、高周波信号発振部１１からの漏れ信号成分が殆ど含まれない高周波信号が出力される。
【００５３】
続いて、プリアンプ部２０で増幅された電気信号は、周回信号として、周回信号分配器２１に加えられる。周回信号分配器２１からは、同位相で且つ同レベルの信号が出力される。そして、これらの信号が、第１周回信号および第２周回信号として、Ｉ系統乗算回路部２４およびＱ系統乗算回路部２５にそれぞれ入力される（ステップＳ４）。なお、Ｉ系統乗算回路部２４とＱ系統乗算回路部２５とに入力される各周回信号は、互いに等しいレベルで、位相差が０°の信号である。
【００５４】
一方、高周波信号発振部１１から出力された信号の一部は、高周波信号用カプラー１２によって取り出され、各乗算回路部２４・２５に基準信号が入力される（ステップＳ５）。
【００５５】
具体的には、まず、高周波信号用カプラー１２からの信号が、基準信号分配器２２に加えられる。そして、基準信号分配器２２において、同位相・同レベルの２系統の基準信号が出力される。２系統の基準信号のうち一方は、第１基準信号として、Ｉ系統乗算回路部２４にそのまま入力される。また、他方は、位相シフタ２３に入力されて、位相が９０°シフトされる。この後、位相が９０°シフトされた信号は、第２基準信号として、Ｑ系統乗算回路部２５に入力される。なお、Ｉ系統乗算回路部２４とＱ系統乗算回路部２５とに入力される各基準信号は、互いに等しいレベルで、９０°の位相差を持ったものである。
【００５６】
このようにして、各乗算回路部２４・２５に周回信号と基準信号とが入力されると、周回信号と基準信号との積を表わす信号が各乗算回路部２４・２５から出力される（ステップＳ６）。
【００５７】
続いて、各乗算回路部２４・２５からの出力信号が、ローパスフィルター部２６・２７を経由した後、直流増幅部２８・２９によって、信号処理を施しやすいレベルまで増幅されて、Ｉ信号およびＱ信号が生成される（ステップＳ７）。これらのＩ信号およびＱ信号には、表面弾性波の振幅情報および位相情報が含まれる。
【００５８】
次に、これらのＩ信号およびＱ信号を基にして、球状表面弾性波素子９０の基材表面の状態や、その基材表面への分子の付着等による表面弾性波振動の振幅レベルの変化および位相の変化が計測部３０により計測される（ステップＳ８）。
【００５９】
（１−３．効果）
以上説明したように、本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０は、周回信号を互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配器２１と、励起信号を互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配器２２と、一の第１基準信号の位相を変換して第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する位相シフタ２３と、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部２４と、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部２５と、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測する計測部３０とを備えた構成により、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【００６０】
また、表面弾性波計測装置１０により出力されるＩ信号とＱ信号とに基づいて、周回信号の減衰率を計測すれば、表面弾性波の振幅レベルの変化を計測することもできる。
【００６１】
なお、本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０によれば、一般的なヘテロダイン方式のように局部発振器を用いる必要がない。それゆえ、全体の回路構成が簡単になる。また、振幅のみならず、位相差も正確に捉えることができる。
【００６２】
（変形例）
なお、本実施形態においては、基準信号分配器２２により分配された基準信号の位相を９０°シフトしてＱ信号を求めているが、周回信号の位相を９０°シフトしてＱ信号を求めてもよい。すなわち、図７に示すように、基準信号分配器２２により分配された基準信号はＱ系統乗算回路部２５にそのまま入力し、周回信号分配器２１により分配された周回信号は位相を９０°シフトしてから入力する。
【００６３】
このような構成であっても、Ｉ信号とＱ信号とを得ることができるので、球状表面弾性波素子９０の基材表面の状態や、その基材表面への分子の付着等による表面弾性波振動の変化に伴う、すだれ状電極９２に発生する周回信号の振幅変化および位相変化を検出することができる。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
図８は本発明の第２の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの構成を示す模式図である。なお、既に説明した部分と同一部分には同一符号を付し、特に説明がない限りは重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
【００６５】
本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓは、高周波信号発振部１１と高周波信号用カプラー１２・高周波スイッチ部１３・高周波増幅部１４・高周波パワースイッチ部１５・切換スイッチ部１６・整合器１７・制御部１８・プリアンプ部２０・周波数変換用局部発振部４０・基準信号用カプラー４１・周波数変換器４２・中間周波フィルター４３・中間周波増幅部４４・復調型対数増幅器４５・中間周波用リミットアンプ４６・基準周波数変換器４７・基準信号用フィルター４８・基準信号用リミットアンプ４９・位相比較器５０・ローパスフィルター部５１・計測部５２とを備えている。
【００６６】
すなわち、表面弾性波計測装置１０Ｓは、いわゆるヘテロダイン方式の構成をしており、高周波信号発振部１１により発振される高周波信号を、別の発振源である周波数変換用局部発振部４０と周波数変換器４２とを用いて、信号処理の行ないやすい低い周波数帯（中間周波）に変換させている。
【００６７】
次に本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの動作を図９のフローチャートを用いて説明する。
【００６８】
始めに、表面弾性波計測装置１０Ｓにおいて、前述した処理Ｓ１〜Ｓ３と同一の処理が実行される（Ｔ１〜Ｔ３）。これにより、球状表面弾性波素子９０の伝搬面９１Ｓに表面弾性波が励起される。そして、表面弾性波がすだれ状電極９２を通過する毎に発生する電気信号がプリアンプ部２０へ送られる。
【００６９】
続いて、プリアンプ部２０で増幅された電気信号は、周波数変換用局部発振部４０で生成される基準信号（周波数ｆ０）とともに周波数変換器４２に注入され、ミキシング動作が実行される（ステップＴ４）。
【００７０】
これにより、周波数変換器４２において各種周波数成分の信号が発生する。この各種周波数成分の信号は、所定の中間周波数成分の信号だけを通過する中間周波フィルター４３によって必要な周波数帯の成分のみ（周波数ｆｍｒ）に絞られる。そして、必要な周波数帯の成分のみに絞られた信号が、中間周波増幅部４４によって増幅される（ステップＴ５）。
【００７１】
その後、中間周波増幅部４４により増幅された信号の一部が復調型対数増幅器４５に入力される。これにより、復調型対数増幅器４５にて、球状表面弾性波素子９０の基材表面上を周回する表面弾性波振動の振幅成分が対数圧縮された復調出力として得られる（ステップＴ６）。
【００７２】
この復調出力が計測部５２によりモニタリングされて、球状表面弾性波素子９０の表面における状況変化が計測される（ステップＴ７）。
【００７３】
一方、ステップＴ５の後、中間周波増幅部４４により増幅された信号の一部は、中間周波用リミットアンプ４６によって振幅が最大限まで増幅される。これにより、表面弾性波の「位相情報信号」が生成され、位相比較器５０に加えられる（ステップＴ８）。
【００７４】
なお、位相比較器５０には、位相情報信号から表面弾性波の位相の遅れを検出するために「基準信号」を入力する必要がある。この基準信号は、次のようにして求める。まず、高周波信号発振部１１から出力された信号の一部が高周波信号用カプラー１２により取り出される。さらに、周波数変換用発振部４０から出力された信号の一部が基準信号用カプラー４１により取り出される。そして、これらの信号が、基準信号生成用周波数変換器４７に入力される。基準信号生成用周波数変換器４７からは各種周波数成分の信号が発生し、基準信号用フィルター４８によって所定の中間周波数成分の信号（周波数ｆｍｓ）だけが選択される。さらに、その出力信号の振幅が基準信号用リミットアンプ４９により最大限まで増幅されることにより、基準信号が生成される。
【００７５】
基準信号と位相情報信号とが位相比較器５０に入力されると、位相比較器５０から位相比較信号が出力される（ステップＴ９）。そして、この位相比較信号が、ローパスフィルター部５１を介して計測部５２に入力される。計測部５２では、各信号の位相差の変化を直流的な変化にする。そして、これをモニタリングすることにより、位相差が計測される（ステップＴ１０）。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓは、周波数変換用局部発振部４０と周波数変換器４２とを備えているので、周回信号を中間周波に変換することにより高精度に位相差の変化を計測することができる。
【００７７】
＜その他＞
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み合わ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み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の構成を示す模式図である。
【図２】同実施形態に係る表面弾性波素子９０の構成を示す模式図である。
【図３】同実施形態に係る切換スイッチ部１６の動作を説明するための概念図である。
【図４】同実施形態に係る計測部３０による位相差の計測方法の概念図である。
【図５】同実施形態に係る計測部３０による振幅変化の計測方法の概念図である。
【図６】同実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】同実施形態に係る表面弾性波計測装置の他の構成例を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの構成を示す模式図である。
【図９】同実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１０，１０Ｓ・・・表面弾性波計測装置、１１・・・高周波信号発振部、１２・・・高周波信号用カプラー、１３・・・高周波スイッチ部、１４・・・高周波増幅部、１５・・・高周波パワースイッチ部、１６・・・切換スイッチ部、１７・・・整合器、１８・・・制御部、２０・・・プリアンプ部、２１・・・周回信号分配器、２２・・・基準信号分配器、２３・・・位相シフタ、２４・・・Ｉ系統乗算回路部、２５・・・Ｑ系統乗算回路部、２６，２７・・・ローパスフィルター部、２８，２９・・・直流増幅部、３０・・・計測部、４０・・・周波数変換用局部発振部、４１・・・基準信号用カプラー、４２・・・周波数変換器、４３・・・中間周波フィルター、４４・・・中間周波増幅部、４５・・・復調型対数増幅器、４６・・・中間周波用リミットアンプ、４７・・・基準周波数変換器、４８・・・基準信号用フィルター、４９・・・基準信号用リミットアンプ、５０・・・位相比較器、５１・・・ローパスフィルター部、５２・・・計測部、９０・・・球状表面弾性波、９１・・・基材、９１Ｓ・・・伝搬面、９２・・・すだれ状電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測し得る表面弾性波計測装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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」が各種センサに応用されている。
【０００３】
球状表面弾性波素子では、すだれ状電極に高周波信号が印加されると、基材表面上の伝搬面に表面弾性波(Surface Acoustic Wave)が励起される。また、励起された表面弾性波は、球状表面弾性波素子が平板形状ではなく球形状であるため、円環状の伝搬面を多重周回するようになる。
【０００４】
多重周回する表面弾性波の伝搬速度は、基材表面の状態に応じて変化する。例えば、基材表面への分子の付着等により、表面弾性波の伝搬速度が変化する。また、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には、共鳴周波数が変化する。
【０００５】
そこで、このような伝搬速度の変化に基づいて、基材表面に成膜された反応膜に付着する分子等を検出するセンサの開発が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１０１９７４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、伝搬速度の変化を計測するためには、表面弾性波を励起するための励起信号と、表面弾性波が素子を多重周回した後に検出される周回信号との位相差を測定する必要がある。
【０００７】
ところが、位相は、０〜２πの間で変化する値である。それゆえ、２πを超えて位相が変化する場合には、位相が遅れていても進んでいるように計測されてしまい、両信号の位相差を正確に捉えることが困難になる。
【０００８】
本発明は上記実情を鑑みてなされたものであり、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測し得る表面弾性波計測装置および方法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】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するために以下の手段を講じる。
【００１０】
請求項1に対応する発明は、球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測装置において、前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波手段と、前記検波手段により検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測手段とを備えた表面弾性波計測装置である。
【００１１】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する表面弾性波計測装置であって、前記検波手段は、前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配手段と、前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配手段と、前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成手段と、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部とを備え、前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段を備えた表面弾性波計測装置である。
【００１２】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する表面弾性波計測装置であって、前記検波手段は、前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配手段と、前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成手段と、前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配手段と、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部とを備え、前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段を備えた表面弾性波計測装置である。
【００１３】
請求項４に対応する発明は、球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測方法において、前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波ステップと、前記検波ステップにより検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測ステップとを備えた表面弾性波計測方法である。
【００１４】
請求項５に対応する発明は、請求項４に対応する表面弾性波計測方法であって、前記検波ステップは、前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配ステップと、前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配ステップと、前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成ステップと、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップとを備え、前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップを備えた表面弾性波計測方法である。
【００１５】
請求項６に対応する発明は、請求項４に対応する表面弾性波計測方法であって、前記検波ステップは、前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配ステップと、前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成ステップと、前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配ステップと、前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップとを備え、前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップを備えた表面弾性波計測方法である。
【００１６】
＜作用＞
従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより、以下の作用を有する。
【００１７】
請求項１・４に対応する発明は、表面弾性波を励起するための励起信号と、表面弾性波からの周回信号とに基づいて、表面弾性波の振動変化を計測しており、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【００１８】
請求項２・５に対応する発明は、請求項１・４に対応する作用に加え、周回信号を互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配し、励起信号を互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配し、一の第１基準信号の位相を変換して第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成し、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力し、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力し、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測するので、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【００１９】
請求項３・６に対応する発明は、請求項１・４に対応する作用に加え、周回信号を互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配し、一の第１周回信号の位相を変換して第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成し、励起信号を互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配し、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力し、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力し、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測するので、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
＜第1の実施形態＞
（１−１．構成）
図１は本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の構成を示す模式図である。
【００２３】
表面弾性波計測装置１０は、球状表面弾性波素子９０のすだれ状電極９２に励起信号を印加し、その励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から表面弾性波の振動変化を計測するものである。
【００２４】
具体的には、表面弾性波計測装置１０は、高周波信号発振部１１と高周波信号用カプラー１２・高周波スイッチ部１３・高周波増幅部１４・高周波パワースイッチ部１５・切換スイッチ部１６・整合器１７・制御部１８・プリアンプ部２０・周回信号分配器２１・基準信号分配器２２・位相シフタ２３・Ｉ系統乗算回路部２４・Ｑ系統乗算回路部２５・ローパスフィルター部２６，２７・直流増幅部２８，２９・計測部３０とを備えている。
【００２５】
なお、球状表面弾性波素子９０は、図２に示すように、表面弾性波が周回可能に伝搬し得る伝搬面９１Ｓを有する基材９１と、その基材９１上にすだれ状電極９２とを備えている。すだれ状電極９２は、伝搬面９１Ｓ上に表面弾性波を励起するとともに、周回した表面弾性波の周回信号を検出する機能を有している。
【００２６】
高周波信号発振部１１は、球状表面弾性波素子９０の基材表面上を多重周回する表面弾性波振動を発生させるための高周波信号（周波数ｆｐ）を生成するものである。高周波信号発振部１１により生成された高周波信号は、「励起信号」として、高周波スイッチ部１３へ出力される。ただし、高周波信号の一部は、高周波信号用カプラー１２により、基準信号分配器２２へ出力される。
【００２７】
高周波スイッチ部１３は、高アイソレーション特性を有するスイッチであり、制御部１８により制御される。高周波スイッチ部１３に入力された高周波信号は、高周波増幅部１４により必要な高周波エネルギーレベルまで増幅されてから、高周波パワースイッチ部１５を経由して、切換スイッチ部１６に送られる。なお、高周波スイッチ部１３および高周波パワースイッチ部１５は、高アイソレーション特性であるため、高周波信号発振部１１からの漏れ信号成分が殆ど含まれない高周波信号を出力する。
【００２８】
高周波パワースイッチ部１５は、高アイソレーション特性を有するスイッチであり、高周波増幅部１４により増幅された高周波信号の高エネルギー出力に対して耐久性を有している。
【００２９】
切換スイッチ部１６は、球状表面弾性波素子９０のすだれ状電極９２に励起信号を入力するか、すだれ状電極９２から出力される周回信号を検出するかを切り換えるスイッチである。具体的には、切換スイッチ部１６は、整合器１７と高周波パワースイッチ部１５とを接続するか（図３（Ａ））、整合器１７とプリアンプ部２０とを接続するか（図３（Ｂ））、整合器１７を高周波パワースイッチ部１５およびプリアンプ部２０のいずれにも接続しないか（図３（Ｃ））の状態に切り換える機能を有している。なお、整合器１７と高周波パワースイッチ部１５とを接続し（図３（Ａ））、表面弾性波が励起した後に、整合器１７を高周波パワースイッチ部１５およびプリアンプ部２０のいずれにも接続しないようにすると（図３（Ｃ））、表面弾性波が伝搬面９１Ｓを多重周回し続けることになる。
【００３０】
整合器１７は、球状表面弾性波素子９０の入力インピーダンスとのインピーダンス整合を行なうためのものである。
【００３１】
制御部１８は、各装置の動作を制御するものである。具体的には、コントロール信号を出力して、高周波スイッチ部１３・高周波パワースイッチ部１５・切換スイッチ部１６を同時に切り換える制御を行なう。これにより、高周波信号発振部１１から出力される連続波をＯＮ−ＯＦＦし、球状表面弾性波素子９０に高周波バースト信号を印加することができる。
【００３２】
プリアンプ部２０は、球状表面弾性波素子９０から出力される電気信号（周波数ｆｒ）を増幅するものであり、増幅した電気信号を「周回信号」として周回信号分配器２１へ出力する。
【００３３】
周回信号分配器２１は、プリアンプ部２０から送られてくる周回信号を、互いに同位相の「第１周回信号」と「第２周回信号」とに等分配するものであり、第１周回信号をＩ系統乗算回路部２４に送出し、第２周回信号をＱ系統乗算回路部２５に送出する。
【００３４】
基準信号分配器２２は、高周波信号用カプラー１２から送られてくる高周波信号を、互いに同位相の２つの基準信号に等分配するものである。そして、基準信号分配器２２は、２つの基準信号のうち一方を、「第１基準信号」として、そのままＩ系統乗算回路部２４へ送出する。また、他方の基準信号を位相シフタ２３に送出する。
【００３５】
位相シフタ２３は、等分配された基準信号の一方の位相を変換するものであり、第１基準信号の位相に直交する位相を有する「第２基準信号」を生成する機能を有する。すなわち、第２基準信号は、第１基準信号の位相のみを９０°ずらしたものである。位相を９０°シフトする方法としては、伝送線路による遅延方法を用いることができる。また、分配器と位相器とを一体化し、コイルとコンデンサとを組み合わせて、各出力端子において位相差が９０°で同レベルの出力信号を得られるようにする方法を用いることもできる。なお、位相シフタ２３により生成された第２基準信号はＱ系統乗算回路部２５へ出力される。
【００３６】
I系統乗算回路部２４は、周回信号分配器２１から入力された第１周回信号と、基準信号分配器２２から入力された第１基準信号とに基づいて「Ｉ信号」を出力するためのものである。具体的には、ダイオードやＤＢＭ（ダブルバランスドミキサー）にような非線形素子により構成される。
【００３７】
ここで、Ｉ系統乗算回路部２４における入出力特性は非線形である。そのため、入力信号ｅinと出力信号ｅoutとには、以下の式が成立する。なお、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は定数である。
【００３８】
ｅout＝Ｋ１ｅin＋Ｋ２ｅin２＋Ｋ３ｅin３＋・・・・・
この式から、Ｉ系統乗算回路部２４において、基準信号をＡ０ｃｏｓ（ωｔ）とし、球状表面弾性波素子９０からの周回信号をＡRｃｏｓ（ωｔ＋θ）とし、基準信号と周回信号との和を入力信号ｅinに代入して計算すると、それぞれの成分が１次項より発生する。また、それぞれの２次高調波成分および位相差θによる直流成分であるＫ２・Ａ０・ＡRｃｏｓ（θ）の信号が２次項より出力される。また、３次項以降は出力が小さいので無視できる。
【００３９】
そして、Ｉ系統乗算回路部２４から出力される電気信号は、ローパスフィルター部２６により周波数選択された後、直流増幅器２８により増幅され、Ｉ信号として計測部３０へ出力される。
【００４０】
Ｑ系統乗算回路部２５は、周回信号分配器２１から入力された第２周回信号と、位相シフタ２３から入力された第２基準信号とに基づいて「Ｑ信号」を出力するためのものである。Ｑ系統乗算回路部２５は、Ｉ系統乗算回路部２４において基準信号の位相を９０°ずらして計算するものであり、その出力信号はＫ２・Ａ０・ＡRｓｉｎ（θ）となる。
【００４１】
また、Ｑ系統乗算回路部２５から出力される電気信号は、ローパスフィルター部２７により周波数選択された後、直流増幅器２９により増幅され、Ｑ信号として計測部３０へ出力される。
【００４２】
ローパスフィルター部２６・２７は、直流成分は通過させるが、基準信号の周波数以上の周波数を有する信号は遮断するフィルターである。
【００４３】
計測部３０は、直流増幅器２８・２９から送出されるＩ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振動変化を計測するものである。
【００４４】
ここで、基準信号と周回信号との位相差をθとすると、Ｉ信号（ＳＩ）とＱ信号（ＳＱ）とは、それぞれ下記のように表わされる。
【００４５】
ＳＩ＝Ｋ２・Ａ０・ＡRｃｏｓ（θ）
ＳＱ＝Ｋ２・Ａ０・ＡRｓｉｎ（θ）
それゆえ、Ｉ信号とＱ信号とをそれぞれ直交座標で表わすと、図４に示すように、円周状の点で表わされることになる。これにより、２次元座標上で位相の進みや遅れを計測できるようになる。
【００４６】
また、図５に示すように、あるバースト信号に対応する周回信号Ｒ１から次のバースト信号に対応する周回信号Ｒ２の減衰率を調べる事により、表面弾性波の振幅変化を計測することができる。
【００４７】
（１−２．動作）
次に本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。
【００４８】
始めに、球状表面弾性波素子９０の基材表面上を多重周回する表面弾性波振動を発生させるための高周波信号が高周波信号発振部１１で生成される（ステップＳ１）。この高周波信号は、高周波信号用カプラー１２・高周波スイッチ部１３を経由して高周波増幅部１４に送られる。そして、高周波増幅部１４により、球状表面弾性波を励起するために必要な高周波エネルギーレベルまで高周波信号が増幅される。
【００４９】
続いて、高周波パワースイッチ部１５および切換スイッチ部１６を介して、球状表面弾性波素子９０に高周波バースト信号が励起信号として印加される（ステップＳ２）。
【００５０】
補足すると、高周波信号発振部１１からの出力は、常に連続波である。そこで、制御部１８のコントロール信号によって高周波スイッチ部１３や高周波パワースイッチ部１５を同時に切り換えることにより、高周波エネルギーがＯＮ−ＯＦＦされた高周波バースト信号が励起信号として球状表面弾性波素子９０に印加される。
【００５１】
高周波バースト信号が印加されると（ＯＮ状態）、すだれ状電極９２に与えられた高周波エネルギーによって、球状表面弾性波素子９０の基材表面上に表面弾性波振動が発生し、表面弾性波が伝搬面９１Ｓを多重周回するようになる。
【００５２】
次に、制御部１８のコントロール信号によって各スイッチ部１３・１５がＯＦＦ状態に切り換えられ、切換スイッチ部１６の動作によって、整合器１７とプリアンプ部２０とが接続される（ステップＳ３）。これにより、すだれ状電極９２を表面弾性波が通過する毎に、プリアンプ部２０へ電気信号が送られる。なお、各スイッチ部１３・１５は高アイソレーション特性であるため、高周波信号発振部１１からの漏れ信号成分が殆ど含まれない高周波信号が出力される。
【００５３】
続いて、プリアンプ部２０で増幅された電気信号は、周回信号として、周回信号分配器２１に加えられる。周回信号分配器２１からは、同位相で且つ同レベルの信号が出力される。そして、これらの信号が、第１周回信号および第２周回信号として、Ｉ系統乗算回路部２４およびＱ系統乗算回路部２５にそれぞれ入力される（ステップＳ４）。なお、Ｉ系統乗算回路部２４とＱ系統乗算回路部２５とに入力される各周回信号は、互いに等しいレベルで、位相差が０°の信号である。
【００５４】
一方、高周波信号発振部１１から出力された信号の一部は、高周波信号用カプラー１２によって取り出され、各乗算回路部２４・２５に基準信号が入力される（ステップＳ５）。
【００５５】
具体的には、まず、高周波信号用カプラー１２からの信号が、基準信号分配器２２に加えられる。そして、基準信号分配器２２において、同位相・同レベルの２系統の基準信号が出力される。２系統の基準信号のうち一方は、第１基準信号として、Ｉ系統乗算回路部２４にそのまま入力される。また、他方は、位相シフタ２３に入力されて、位相が９０°シフトされる。この後、位相が９０°シフトされた信号は、第２基準信号として、Ｑ系統乗算回路部２５に入力される。なお、Ｉ系統乗算回路部２４とＱ系統乗算回路部２５とに入力される各基準信号は、互いに等しいレベルで、９０°の位相差を持ったものである。
【００５６】
このようにして、各乗算回路部２４・２５に周回信号と基準信号とが入力されると、周回信号と基準信号との積を表わす信号が各乗算回路部２４・２５から出力される（ステップＳ６）。
【００５７】
続いて、各乗算回路部２４・２５からの出力信号が、ローパスフィルター部２６・２７を経由した後、直流増幅部２８・２９によって、信号処理を施しやすいレベルまで増幅されて、Ｉ信号およびＱ信号が生成される（ステップＳ７）。これらのＩ信号およびＱ信号には、表面弾性波の振幅情報および位相情報が含まれる。
【００５８】
次に、これらのＩ信号およびＱ信号を基にして、球状表面弾性波素子９０の基材表面の状態や、その基材表面への分子の付着等による表面弾性波振動の振幅レベルの変化および位相の変化が計測部３０により計測される（ステップＳ８）。
【００５９】
（１−３．効果）
以上説明したように、本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０は、周回信号を互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配器２１と、励起信号を互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配器２２と、一の第１基準信号の位相を変換して第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する位相シフタ２３と、第１周回信号と第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部２４と、第２周回信号と第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部２５と、Ｉ信号とＱ信号とに基づいて、表面弾性波の振幅および位相を計測する計測部３０とを備えた構成により、励起信号と周回信号との位相差を正確に計測することができる。
【００６０】
また、表面弾性波計測装置１０により出力されるＩ信号とＱ信号とに基づいて、周回信号の減衰率を計測すれば、表面弾性波の振幅レベルの変化を計測することもできる。
【００６１】
なお、本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０によれば、一般的なヘテロダイン方式のように局部発振器を用いる必要がない。それゆえ、全体の回路構成が簡単になる。また、振幅のみならず、位相差も正確に捉えることができる。
【００６２】
（変形例）
なお、本実施形態においては、基準信号分配器２２により分配された基準信号の位相を９０°シフトしてＱ信号を求めているが、周回信号の位相を９０°シフトしてＱ信号を求めてもよい。すなわち、図７に示すように、基準信号分配器２２により分配された基準信号はＱ系統乗算回路部２５にそのまま入力し、周回信号分配器２１により分配された周回信号は位相を９０°シフトしてから入力する。
【００６３】
このような構成であっても、Ｉ信号とＱ信号とを得ることができるので、球状表面弾性波素子９０の基材表面の状態や、その基材表面への分子の付着等による表面弾性波振動の変化に伴う、すだれ状電極９２に発生する周回信号の振幅変化および位相変化を検出することができる。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
図８は本発明の第２の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの構成を示す模式図である。なお、既に説明した部分と同一部分には同一符号を付し、特に説明がない限りは重複した説明を省略する。また、以下の各実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
【００６５】
本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓは、高周波信号発振部１１と高周波信号用カプラー１２・高周波スイッチ部１３・高周波増幅部１４・高周波パワースイッチ部１５・切換スイッチ部１６・整合器１７・制御部１８・プリアンプ部２０・周波数変換用局部発振部４０・基準信号用カプラー４１・周波数変換器４２・中間周波フィルター４３・中間周波増幅部４４・復調型対数増幅器４５・中間周波用リミットアンプ４６・基準周波数変換器４７・基準信号用フィルター４８・基準信号用リミットアンプ４９・位相比較器５０・ローパスフィルター部５１・計測部５２とを備えている。
【００６６】
すなわち、表面弾性波計測装置１０Ｓは、いわゆるヘテロダイン方式の構成をしており、高周波信号発振部１１により発振される高周波信号を、別の発振源である周波数変換用局部発振部４０と周波数変換器４２とを用いて、信号処理の行ないやすい低い周波数帯（中間周波）に変換させている。
【００６７】
次に本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの動作を図９のフローチャートを用いて説明する。
【００６８】
始めに、表面弾性波計測装置１０Ｓにおいて、前述した処理Ｓ１〜Ｓ３と同一の処理が実行される（Ｔ１〜Ｔ３）。これにより、球状表面弾性波素子９０の伝搬面９１Ｓに表面弾性波が励起される。そして、表面弾性波がすだれ状電極９２を通過する毎に発生する電気信号がプリアンプ部２０へ送られる。
【００６９】
続いて、プリアンプ部２０で増幅された電気信号は、周波数変換用局部発振部４０で生成される基準信号（周波数ｆ０）とともに周波数変換器４２に注入され、ミキシング動作が実行される（ステップＴ４）。
【００７０】
これにより、周波数変換器４２において各種周波数成分の信号が発生する。この各種周波数成分の信号は、所定の中間周波数成分の信号だけを通過する中間周波フィルター４３によって必要な周波数帯の成分のみ（周波数ｆｍｒ）に絞られる。そして、必要な周波数帯の成分のみに絞られた信号が、中間周波増幅部４４によって増幅される（ステップＴ５）。
【００７１】
その後、中間周波増幅部４４により増幅された信号の一部が復調型対数増幅器４５に入力される。これにより、復調型対数増幅器４５にて、球状表面弾性波素子９０の基材表面上を周回する表面弾性波振動の振幅成分が対数圧縮された復調出力として得られる（ステップＴ６）。
【００７２】
この復調出力が計測部５２によりモニタリングされて、球状表面弾性波素子９０の表面における状況変化が計測される（ステップＴ７）。
【００７３】
一方、ステップＴ５の後、中間周波増幅部４４により増幅された信号の一部は、中間周波用リミットアンプ４６によって振幅が最大限まで増幅される。これにより、表面弾性波の「位相情報信号」が生成され、位相比較器５０に加えられる（ステップＴ８）。
【００７４】
なお、位相比較器５０には、位相情報信号から表面弾性波の位相の遅れを検出するために「基準信号」を入力する必要がある。この基準信号は、次のようにして求める。まず、高周波信号発振部１１から出力された信号の一部が高周波信号用カプラー１２により取り出される。さらに、周波数変換用発振部４０から出力された信号の一部が基準信号用カプラー４１により取り出される。そして、これらの信号が、基準信号生成用周波数変換器４７に入力される。基準信号生成用周波数変換器４７からは各種周波数成分の信号が発生し、基準信号用フィルター４８によって所定の中間周波数成分の信号（周波数ｆｍｓ）だけが選択される。さらに、その出力信号の振幅が基準信号用リミットアンプ４９により最大限まで増幅されることにより、基準信号が生成される。
【００７５】
基準信号と位相情報信号とが位相比較器５０に入力されると、位相比較器５０から位相比較信号が出力される（ステップＴ９）。そして、この位相比較信号が、ローパスフィルター部５１を介して計測部５２に入力される。計測部５２では、各信号の位相差の変化を直流的な変化にする。そして、これをモニタリングすることにより、位相差が計測される（ステップＴ１０）。
【００７６】
以上説明したように、本実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓは、周波数変換用局部発振部４０と周波数変換器４２とを備えているので、周回信号を中間周波に変換することにより高精度に位相差の変化を計測することができる。
【００７７】
＜その他＞
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み合わ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み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の構成を示す模式図である。
【図２】同実施形態に係る表面弾性波素子９０の構成を示す模式図である。
【図３】同実施形態に係る切換スイッチ部１６の動作を説明するための概念図である。
【図４】同実施形態に係る計測部３０による位相差の計測方法の概念図である。
【図５】同実施形態に係る計測部３０による振幅変化の計測方法の概念図である。
【図６】同実施形態に係る表面弾性波計測装置１０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】同実施形態に係る表面弾性波計測装置の他の構成例を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの構成を示す模式図である。
【図９】同実施形態に係る表面弾性波計測装置１０Ｓの動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１０，１０Ｓ・・・表面弾性波計測装置、１１・・・高周波信号発振部、１２・・・高周波信号用カプラー、１３・・・高周波スイッチ部、１４・・・高周波増幅部、１５・・・高周波パワースイッチ部、１６・・・切換スイッチ部、１７・・・整合器、１８・・・制御部、２０・・・プリアンプ部、２１・・・周回信号分配器、２２・・・基準信号分配器、２３・・・位相シフタ、２４・・・Ｉ系統乗算回路部、２５・・・Ｑ系統乗算回路部、２６，２７・・・ローパスフィルター部、２８，２９・・・直流増幅部、３０・・・計測部、４０・・・周波数変換用局部発振部、４１・・・基準信号用カプラー、４２・・・周波数変換器、４３・・・中間周波フィルター、４４・・・中間周波増幅部、４５・・・復調型対数増幅器、４６・・・中間周波用リミットアンプ、４７・・・基準周波数変換器、４８・・・基準信号用フィルター、４９・・・基準信号用リミットアンプ、５０・・・位相比較器、５１・・・ローパスフィルター部、５２・・・計測部、９０・・・球状表面弾性波、９１・・・基材、９１Ｓ・・・伝搬面、９２・・・すだれ状電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測装置において、
前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波手段と、
前記検波手段により検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測手段と
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面弾性波計測装置であって、
前記検波手段は、
前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配手段と、
前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配手段と、
前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成手段と、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部と
を備え、
前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の表面弾性波計測装置であって、
前記検波手段は、
前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配手段と、
前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成手段と、
前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配手段と、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部と
を備え、
前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測装置。
【請求項４】
球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測方法において、
前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波ステップと、
前記検波ステップにより検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測ステップと
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測方法。
【請求項５】
請求項４に記載の表面弾性波計測方法であって、
前記検波ステップは、
前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配ステップと、
前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配ステップと、
前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成ステップと、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップと
を備え、
前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップ
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測方法。
【請求項６】
請求項４に記載の表面弾性波計測方法であって、
前記検波ステップは、
前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配ステップと、
前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成ステップと、
前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配ステップと、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップと
を備え、
前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップ
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測方法。
【請求項１】
球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測装置において、
前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波手段と、
前記検波手段により検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測手段と
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面弾性波計測装置であって、
前記検波手段は、
前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配手段と、
前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配手段と、
前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成手段と、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部と
を備え、
前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の表面弾性波計測装置であって、
前記検波手段は、
前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配手段と、
前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成手段と、
前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配手段と、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ信号を出力するＩ系統乗算回路部と、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ信号を出力するＱ系統乗算回路部と
を備え、
前記計測手段は、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測する手段
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測装置。
【請求項４】
球状表面弾性波素子の電極に励起信号を印加し、該励起信号により励起される表面弾性波の周回信号から該表面弾性波の振動変化を計測する表面弾性波計測方法において、
前記励起信号と前記周回信号とに基づいて表面弾性波を検波するための検波ステップと、
前記検波ステップにより検波された表面弾性波の振動変化を計測する計測ステップと
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測方法。
【請求項５】
請求項４に記載の表面弾性波計測方法であって、
前記検波ステップは、
前記周回信号を、互いに同位相の第１周回信号と第２周回信号とに等分配する周回信号分配ステップと、
前記励起信号を、互いに同位相の２つの第１基準信号に等分配する基準信号分配ステップと、
前記２つの第１基準信号の一方の位相を変換し、該第１基準信号の位相に直交する位相を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成ステップと、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップと
を備え、
前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップ
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測方法。
【請求項６】
請求項４に記載の表面弾性波計測方法であって、
前記検波ステップは、
前記周回信号を、互いに同位相の２つの第１周回信号に等分配する周回信号分配ステップと、
前記２つの第１周回信号の一方の位相を変換し、該第１周回信号の位相に直交する位相を有する第２周回信号を生成する第２周回信号生成ステップと、
前記励起信号を、互いに同位相の第１基準信号と第２基準信号とに等分配する基準信号分配ステップと、
前記第１周回信号と前記第１基準信号とに基づいてＩ系統乗算回路部によりＩ信号を出力するステップと、
前記第２周回信号と前記第２基準信号とに基づいてＱ系統乗算回路部によりＱ信号を出力するステップと
を備え、
前記計測ステップは、前記Ｉ信号と前記Ｑ信号とに基づいて、前記表面弾性波の振幅および位相を計測するステップ
を備えたことを特徴とする表面弾性波計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−８２８８０（Ｐ２００８−８２８８０Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６３１１１（Ｐ２００６−２６３１１１）
【出願日】平成１８年９月２７日（２００６．９．２７）
【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２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２７日（２００６．９．２７）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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