(57)【要約】  【課題】  温度変化の影響を小さくできる弾性表面波センサ，および，弾性表面波センサの圧力測定方法を提供する。  【解決手段】  弾性表面波センサ１は、発振回路１１〜１４，周波数ミキサ２１〜２４を備えている。  周波数ミキサ２１は、発振回路１１および発振回路１２の出力周波数の差の周波数Ｆｘ１＿Ｔを出力する。また、周波数ミキサ２２は、発振回路１２および発振回路１３の出力周波数の差の周波数Ｆｘ２＿Ｔを出力する。基準状態においてはＦｘ２＿０＝Ｆｘ１＿０となるように設定されている。  また、第３の周波数ミキサ２３は、第４の発振回路１４および第２の周波数ミキサ２２の出力周波数の差の周波数Ｆｘ３＿Ｔを出力する。Ｆｘ３＿Ｔ＝Ｆｘ２＿Ｔ−Ｆ４となる。第４の周波数ミキサ２４は、Ｆｘ１＿ＴとＦｘ３＿Ｔとの差の周波数を出力する。【選択図】図１
2010160101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板に形成される弾性表面波素子を有する発振回路を、前記圧電基板上に一対配置してなる第１の発振手段と、
前記圧電基板に形成される弾性表面波素子を有する発振回路を、前記圧電基板上に一対配置してなり、少なくとも一方の発振回路が前記第１の発振手段を構成する発振回路と異なる発振回路である第２の発振手段と、
前記第１の発振手段を構成する発振回路それぞれと接続し、それら発振回路の出力周波数の差の周波数である第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔを出力する第１のミキシング回路と、
前記第２の発振手段を構成する発振回路それぞれと接続し、それら発振回路の出力周波数の差の周波数である第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔを出力する第２のミキシング回路と、
前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔと、下記式においてＥが略０となる係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔと、の差の周波数を出力する第３のミキシング回路と、を備える
ことを特徴とする弾性表面波センサ。
Ｅ＝Ｆｘ１＿０−（α×Ｆｘ２＿０）
上式において、Ｆｘ１＿０は基準温度かつ前記圧電基板が所定の圧力にて加圧される状態である基準状態における前記第１の周波数であり、Ｆｘ２＿０は前記基準状態における前記第２の周波数である。
【請求項２】
前記第１の発振手段および前記第２の発振手段は、前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔおよび前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔが所定の周波数以上となるように構成されており、
前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔまたは前記係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔに対し、温度および前記圧電基板に加えられる圧力の変化に応じて変化しない固定周波数をミキシングするミキシング手段を備え、
前記第３のミキシング回路は、前記第１の周波数Ｆｘ＿１と前記係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ＿２とのいずれか一方に、前記ミキシング手段により前記固定周波数がミキシングされたものと、前記一方とは異なる他方と、の差の周波数を出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波センサ。
【請求項３】
前記圧電基板に対して圧力が加えられた場合に、前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔの変化度合と前記係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔの変化度合とが異なるように前記第１の発振手段および前記第２の発振手段が構成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弾性表面波センサ。
【請求項４】
前記基準状態における前記第１の周波数Ｆｘ１＿０と前記第２の周波数Ｆｘ２＿０とが略同一となるように、前記第１の発振手段および前記第２の発振手段が構成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の弾性表面波センサ。
【請求項５】
圧電基板に形成される弾性表面波素子を有する発振回路を、前記圧電基板上に一対配置してなる第１の発振手段と、前記圧電基板に形成される弾性表面波素子を有する発振回路を、前記圧電基板上に一対配置してなり、少なくとも一方の発振回路が前記第１の発振手段を構成する発振回路と異なる発振回路である第２の発振手段と、を有する弾性表面波センサの圧力測定方法であって、
前記第１の発振手段を構成する発振回路それぞれにおける出力周波数の差の周波数を第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔとし、
前記第２の発振手段を構成する発振回路それぞれにおける出力周波数の差の周波数を第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔとしたときに、
前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔと、下記式においてＥが略０となる係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔと、の差の周波数を出力する出力ステップを有する
ことを特徴とする弾性表面波センサの圧力測定方法。
Ｅ＝Ｆｘ１＿０−（α×Ｆｘ２＿０）
上式において、Ｆｘ１＿０は基準温度かつ前記圧電基板が所定の圧力にて加圧される状態である基準状態における前記第１の周波数であり、Ｆｘ２＿０は前記基準状態における前記第２の周波数である。
【請求項６】
前記第１の発振手段および前記第２の発振手段は、前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔおよび前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔが所定の周波数以上となるように構成されており、
前記出力ステップの前には、前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔまたは前記係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔに対し、温度および前記圧電基板に加えられる圧力の変化に応じて変化しない固定周波数をミキシングするミキシングステップを有しており、
前記出力ステップでは、前記第１の周波数Ｆｘ＿１と、前記係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ＿２と、のいずれか一方に前記固定周波数がミキシングされたものと、前記一方とは異なる他方と、の差の周波数を出力する
ことを特徴とする請求項５に記載の弾性表面波センサの圧力測定方法。
【請求項７】
前記圧電基板に対して圧力が加えられた場合に、前記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔの変化度合と前記係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔの変化度合とが異なるように前記第１の発振手段および前記第２の発振手段が構成されている
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の弾性表面波センサの圧力測定方法。
【請求項８】
前記基準状態における前記第１の周波数Ｆｘ１＿０と前記第２の周波数Ｆｘ２＿０とが略同一となるように、前記第１の発振手段および前記第２の発振手段が構成されている
ことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の弾性表面波センサの圧力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子を用いて構成される弾性表面波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体や液体などの圧力の変動を検出する圧力センサとして、印加される圧力の変動を発振周波数の変化として検出する弾性表面波センサが用いられている。
【０００３】
このような弾性表面波センサとして、例えば、櫛歯状電極より構成される弾性表面波素子を備える発振回路（発振器）を、圧電基板における厚みを薄くした領域の中心部と周縁部の２箇所に配置する構造の弾性表面波センサ（圧力トランスデューサ）が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
弾性表面波センサは、圧電基板に圧力が加えられると、圧電基板の表面応力が変化し弾性表面波の音速が変化するとともに、弾性表面波素子の電極の間隔も変化する。このことにより発振回路の発振周波数が変化するため、この発振周波数の変化を測定することで、圧電基板に加わる圧力の変化を検出することができる。さらに、上述した特許文献１の弾性表面波センサは、等しい発振周波数および温度特性を有する２つの発振回路の差の周波数を取り出すことで、温度変化に伴う発振周波数の変化の大半を取り除くことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５５−１５３４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のように等しい発振周波数を有する２つの発振回路における出力周波数の差の周波数は非常に低い周波数となる場合がある。周波数の計測には少なくとも発振１周期分の時間が必要となるため、その周波数が低すぎると、検出速度が遅くなることがある。
【０００７】
そこで、２つの発振回路に、予め所定以上の発振周波数の差を持たせると、その差の周波数が低くなりすぎることが抑制できる。
【０００８】
上述した従来の弾性表面波センサでは、２つの発振回路の発振周波数に大きな差が生じないことを前提としているため、２つの発振回路の発振周波数に製造上の誤差が生じてしまう場合や、異なる発振周波数を有する発振回路でセンサを構成する場合など、発振周波数に差がある場合には、温度変化による誤差が大きくなる。その理由を以下に説明する。
【０００９】
基準温度での２つの発振回路の発振周波数をそれぞれＦ１＿０、Ｆ２＿０としたとき（ここでは圧電基板に加わる圧力の変化は考えないものとする）、基準温度からＴ度温度上昇した場合の２つの発振器の発振周波数Ｆ１＿Ｔ、Ｆ２＿Ｔ、およびそれらの差の周波数Ｆｘ＿Ｔは、温度変化の係数をｋ、温度変化をＴ、絶対値の関数をabs（  ）として、次のように表せる。
【００１０】
Ｆ１＿Ｔ＝Ｆ１＿０×（１＋ｋＴ）
Ｆ２＿Ｔ＝Ｆ２＿０×（１＋ｋＴ）
Ｆｘ＿Ｔ＝abs（Ｆ１＿Ｔ−Ｆ２＿Ｔ）＝abs（Ｆ１＿０−Ｆ２＿０）×（１＋ｋＴ）
上記Ｆｘ＿Ｔにおいては、差の周波数（Ｆ１＿０−Ｆ２＿０）に温度係数ｋと温度変化Ｔとを掛けた分が、温度変化に伴う周波数の変化量となる。
【００１１】
具体例を挙げると、Ｆ１＿０が１００ＭＨｚ、Ｆ２＿０ が１０１ＭＨｚ、温度係数が１ｅ-4のとき、温度変化がない場合、Ｆｘ＿Ｔは１ＭＨｚであるが、温度が１００度上昇とすると、Ｆｘ＿Ｔは１．０１ＭＨｚとなり、温度による周波数の変化は０．０１ＭＨｚとなる。
【００１２】
センサが圧力を受けたときの周波数変化が数十ｋＨｚ程度である場合には、誤差の０．０１ＭＨｚ（＝１０ｋＨｚ）は無視できない大きさとなる。このように、従来の技術では、発振周波数に差があることに起因して、温度変化による測定誤差が発生してしまうという問題があった。
【００１３】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、温度変化の影響を小さくできる弾性表面波センサ，および，弾性表面波センサの圧力測定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】
【００１４】
上述した問題点を解決するためになされた請求項１に記載の弾性表面波センサは、圧電基板に形成される弾性表面波素子を有する発振回路を用いて圧電基板に加えられる圧力の変動を測定するものである。
【００１５】
この弾性表面波センサは、第１の発振手段と第２の発振手段とを備えている。これら発振手段は、それぞれ圧電基板上に形成される一対の発振回路から構成されている。なお、第２の発振手段を構成する一対の発振回路は、少なくとも一方の発振回路が第１の発振手段を構成する一対の発振回路と異なればよい。つまり、第１の発振手段と第２の発振手段とを構成する発振回路は全て異なる発振回路であってもよいし、１つの発振回路が両方の発振手段に共有されるように用いられる構成であってもよい。
【００１６】
また、この弾性表面波センサは、第１〜第３のミキシング回路を備えている。第１のミキシング回路は、第１の発振手段を構成する発振回路それぞれと接続し、それら発振回路の出力周波数の差の周波数である第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔを出力する。また、第２のミキシング回路は、第２の発振手段を構成する発振回路それぞれと接続し、それら発振回路の出力周波数の差の周波数である第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔを出力する。
【００１７】
また、第３のミキシング回路は、上記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔと、所定の係数αを付けた第２の上記周波数Ｆｘ２＿Ｔと、の差の周波数を出力する。
【００１８】
なお、「第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔに係数αを付ける」とは、Ｆｘ１＿ＴまたはＦｘ２＿Ｔを逓倍または分周して、Ｆｘ１＿Ｔの倍率に対してＦｘ２＿Ｔの倍率がα倍となるように設定することである。例えばα＝１／３であれば、Ｆｘ１＿Ｔに対しては逓倍も分周もせず、Ｆｘ２＿Ｔを１／３に分周することで、係数αを付けることを実現できる。
【００１９】
ここで、所定の係数αとは、Ｅ＝Ｆｘ１＿０−（α×Ｆｘ２＿０）という式において、Ｅが略０となるように設定した値である。なお、Ｆｘ１＿０は、基準温度かつ圧電基板が所定の圧力にて加圧される状態である基準状態における第１の周波数を示しており、Ｆｘ２＿０はその基準状態における第２の周波数を示している。
【００２０】
上述した構成の弾性表面波センサの効果を説明する。Ｅが略０になるということは、Ｆｘ１＿０とα×Ｆｘ２＿０とが略等しくなるということであり、つまり基準状態において第３のミキシング回路へ入力する周波数を略等しくなるように設定することである。
【００２１】
ここで、第１の発振手段を構成する発振回路の周波数をＦ１＿Ｔ、Ｆ２＿Ｔ，第２の発振手段を構成する発振回路の周波数をＦ３＿Ｔ、Ｆ４＿Ｔとし、各発振回路の基準状態における発振周波数をそれぞれＦ１＿０、Ｆ２＿０、Ｆ３＿０、Ｆ４＿０とする。圧電基板に圧力が加わって各発振回路の周波数が変化したときの変化した周波数をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすると、温度変化の係数を示す式ｆ（Ｔ）を用いて
Ｆ１＿Ｔ＝（Ｆ１＿０＋Ａ）×（１＋ｆ（Ｔ））
Ｆ２＿Ｔ＝（Ｆ２＿０＋Ｂ）×（１＋ｆ（Ｔ））
Ｆ３＿Ｔ＝（Ｆ３＿０＋Ｃ）×（１＋ｆ（Ｔ））
Ｆ４＿Ｔ＝（Ｆ４＿０＋Ｄ）×（１＋ｆ（Ｔ））
と表すことができる。
【００２２】
なお、温度変化の係数を示す式ｆ（Ｔ）は、実際には発振回路ごとに個体差がある場合があるが、同一の圧電基板に同形状の弾性表面波素子を形成した場合など、構成が等しい場合にはほぼ等しい値となるので、全ての発振回路で同一の値を用いて計算する。
【００２３】
ここで、第１のミキシング回路の出力周波数Ｆｘ１＿Ｔは次のように表せる。なお、Ｆ１＿Ｔ＞Ｆ２＿Ｔ、またその差がＡ，Ｂより十分大きいとして、abs（  ）を除いている。
【００２４】
Ｆｘ１＿Ｔ＝Ｆ１＿Ｔ−Ｆ２＿Ｔ＝｛（Ｆ１＿０＋Ａ）×（１＋ｆ（Ｔ））｝−｛（Ｆ２＿０＋Ｂ）×（１＋ｆ（Ｔ））｝
第２のミキシング回路の出力周波数Ｆｘ２＿Ｔは次のように表せる。なお、Ｆ３＿Ｔ＞Ｆ４＿Ｔ、またその差がＣ，Ｄより十分大きいとして、abs（  ）を除いている。
【００２５】
Ｆｘ２＿Ｔ＝Ｆ３＿Ｔ−Ｆ４＿Ｔ＝｛（Ｆ３＿０＋Ｃ）×（１＋ｆ（Ｔ））｝−｛（Ｆ４＿０＋Ｄ）×（１＋ｆ（Ｔ））｝
次に、第３ミキシング回路の出力値Ｆｏｕｔは、係数αを用いて、次のように表せる。
【００２６】
Ｆｏｕｔ＝Ｆｘ１＿Ｔ−Ｆｘ２＿Ｔ
＝［｛（Ｆ１＿０＋Ａ）×（１＋ ｆ（Ｔ））｝−｛（Ｆ２＿０＋Ｂ）×（１＋ｆ（Ｔ））｝］−α［｛（Ｆ３＿０＋Ｃ）×（１＋ｆ（Ｔ））｝−｛（Ｆ４＿０＋Ｄ）×（１＋ｆ（Ｔ））｝］
ここで、温度変化の係数を示す式ｆ（Ｔ）を含む項と含まない項に分けると、
Ｆｏｕｔ＝［（Ｆ１＿０＋Ａ）−（Ｆ２＿０＋Ｂ）−α｛（Ｆ３＿０＋Ｃ）−（Ｆ４＿０＋Ｄ）｝］＋［（Ｆ１＿０＋Ａ）−（Ｆ２＿０＋Ｂ）−α｛（Ｆ３＿０＋Ｃ）−（Ｆ４＿０＋Ｄ）｝］×ｆ（Ｔ）
となる。この式は、次のように書きなおせる。
【００２７】
Ｆｏｕｔ＝［（Ｆ１＿０−Ｆ２＿０）−α（Ｆ３＿０−Ｆ４＿０）＋Ａ−Ｂ−α（Ｃ−Ｄ）］＋［（Ｆ１＿０−Ｆ２＿０）−α（Ｆ３＿０−Ｆ４＿０）＋Ａ−Ｂ−α（Ｃ−Ｄ）］×ｆ（Ｔ）・・・（１）式
ここで、上述したＥを表す式が０となるようにαを設定すると、
Ｅ＝Ｆｘ１＿０−（α×Ｆｘ２＿０）＝（Ｆ１＿０−Ｆ２＿０）−α（Ｆ３＿０−Ｆ４＿０）＝０であるから、α（Ｆ３＿０−Ｆ４＿０）＝（Ｆ１＿０−Ｆ２＿０）となる。これを用いて上記（１）式を整理すると、Ｆｏｕｔは次のように表せる。
【００２８】
Ｆｏｕｔ＝［（Ａ）−（Ｂ）−α（Ｃ）＋α（Ｄ）］＋［（Ａ）−（Ｂ）−α（Ｃ）＋α（Ｄ）］×ｆ（Ｔ）
このように、第３のミキシング回路の出力する周波数Ｆｏｕｔは、圧電基板に圧力が加わって各発振回路の周波数が変化したときの変化した周波数に基づく値のみとなり、基準状態における発振回路の発振周波数の影響を受けない。そのため、複数の発振回路の基準状態における発振周波数に差があっても、温度変化による出力値への影響を小さくすることができる。
【００２９】
さらに、各発振回路は、製造上の発振周波数の誤差を勘案した状態で係数αの値を設定することで、製造上の周波数誤差によって発生する温度変化による影響を小さくすることができる。
【００３０】
ところで、２つのミキシングする周波数が近い値である場合、出力が非常に低い周波数となってしまう可能性があり、その場合、圧力の測定に時間が掛かるなどの問題が発生する。そのため、各ミキシング回路から出力される周波数はある程度の高さを有するほうが好ましい。そのためには、請求項１に記載の弾性表面波センサを、請求項２に記載のように構成するとよい。
【００３１】
請求項２に記載の弾性表面波センサは、第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔおよび第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔが所定の周波数以上となるように、上述した第１の発振手段および第２の発振手段が設定されている。言い換えると、第１の発振手段を構成する発振回路の周波数の差、および、第２の発振手段を構成する発振回路の周波数の差が、所定の周波数以上となるように構成されている。
【００３２】
ただし、これだけでは第３のミキシング回路が出力する周波数、つまり第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔと係数αを付けた前記第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔとの差の周波数が低くなりすぎる可能性が残るため、第３のミキシング回路に入力される周波数のいずれか一方に、温度および圧電基板に加えられる圧力の変化に応じて変化しない固定周波数をミキシングするように構成されている。
【００３３】
このように構成された弾性表面波センサであれば、第１〜第３のミキシング回路のいずれの出力周波数も低くなりすぎることがない。よって、各ミキシング回路の出力が低い周波数となり、圧力の測定に時間が掛かることを抑制できる。
【００３４】
ところで、上記構成の弾性表面波センサにおいて、圧電基板に加えられた圧力の大きさの測定は、圧力の変化に伴う各発振回路の周波数変動を測定することで実現する。しかしながら、上述したように、各発振回路の発振周波数は第１〜第３のミキシング回路でミキシングされるため、その各発振回路の周波数変動分もミキシングされることになる。このとき、ミキシングによって周波数変動分が０となると、圧力の変化が測定できないという問題が生じる。この問題を解決するためには、請求項３に記載の弾性表面波センサのように、圧電基板に対して加えられる圧力の大きさにより変化する第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔの変化度合と係数αを付けた第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔの変化度合とが異なるように、第１および第２の発振手段が構成されているとよい。
【００３５】
このように構成された弾性表面波センサであれば、圧電基板にある大きさの圧力が加えられたときの第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔの変化量と第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔの変化量とが異なるため、第３のミキシング回路の出力値において周波数変動分が０となることを防止できる。
【００３６】
請求項４に記載の弾性表面波センサは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の弾性表面波センサにおいて、上記基準状態における第１の周波数Ｆｘ１＿０と第２の周波数Ｆｘ２＿０とが略同一となるように、第１および第２の発振手段が設定されていることを特徴とする。
【００３７】
このように構成されている弾性表面波センサであれば、係数αが１となるため、周波数を分周するための分周器などを取り付ける必要がなくなるため都合がよい。
【００３８】
請求項５に記載の発明は、圧電基板に形成される弾性表面波素子を有する発振回路を、圧電基板上に一対配置してなる第１の発振手段と、圧電基板に形成される弾性表面波素子を有する発振回路を、圧電基板上に一対配置してなり、少なくとも一方の発振回路が第１の発振手段を構成する発振回路と異なる発振回路である第２の発振手段と、を有する弾性表面波センサの圧力測定方法である。
【００３９】
この弾性表面波センサの圧力測定方法では、第１の発振手段を構成する発振回路それぞれにおける出力周波数の差の周波数を第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔとし、第２の発振手段を構成する発振回路それぞれにおける出力周波数の差の周波数を第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔとしたときに、上記第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔと、式Ｅ＝Ｆｘ１＿０−（α×Ｆｘ２＿０）において、Ｅが略０となる係数αを付けた第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔと、の差の周波数を出力する出力ステップを有することを特徴とする。なお、係数αを付ける、とは、請求項１に記載された内容と同様の意味である。
【００４０】
このような方法により弾性表面波センサの圧力測定を行う場合、請求項１に記載の弾性表面波センサと同様の作用，効果を得ることができる。
【００４１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の弾性表面波センサの圧力測定方法であって、第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔおよび第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔが所定の周波数以上となるように、第１および第２の発振手段が設定されている。
【００４２】
この圧力測定方法では、出力ステップの前にはミキシングステップを有している。このミキシングステップでは、第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔまたは係数αを付けた第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔに対して、温度および圧電基板に加えられる圧力の変化に応じて変化しない固定周波数をミキシングする。
【００４３】
そして、出力ステップでは、第１の周波数Ｆｘ＿１と、係数αを付けた第２の周波数Ｆｘ＿２と、のいずれか一方に固定周波数がミキシングされたものと、上記一方とは異なる他方と、の差の周波数を出力する。
【００４４】
このような方法により弾性表面波センサの圧力測定を行う場合、請求項２に記載の弾性表面波センサと同様の作用，効果を得ることができる。
【００４５】
請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６に記載の弾性表面波センサの圧力測定方法であって、圧電基板に対して加えられる圧力の大きさにより変化する第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔの変化度合と係数αを付けた第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔの変化度合とが異なるように、第１および第２の発振手段が設定されていることを特徴とする。
【００４６】
このような方法により弾性表面波センサの圧力測定を行う場合、請求項３に記載の弾性表面波センサと同様の作用，効果を得ることができる。
【００４７】
請求項８に記載の発明は、請求項５から請求項７のいずれかに記載の弾性表面波センサの圧力測定方法であって、上述した基準状態における第１の周波数Ｆｘ１＿０と第２の周波数Ｆｘ２＿０とが略同一となるように、第１および第２の発振手段が設定されていることを特徴とする。
【００４８】
このような方法により弾性表面波センサの圧力測定を行う場合、請求項４に記載の弾性表面波センサと同様の作用，効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１の弾性表面波センサの構成を示す図
【図２】弾性表面波センサの圧電基板および発振回路の配置を示す斜視図
【図３】実施例２の弾性表面波センサの構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［実施例１］
（１）全体構成
本実施例の弾性表面波センサ１は、図１に示すように、第１〜第４の発振回路１１〜１４，第１〜第４の周波数ミキサ２１〜２４を備えている。
【００５１】
これらのうち、第１〜第３の発振回路１１〜１３、および、第１，第２の周波数ミキサ２１，２２は、測定領域２に配置され、発振回路１４および周波数ミキサ２３，２４は、出力調整領域３に配置される。
【００５２】
なお、測定領域２とは、弾性表面波センサ１が圧力を測定する対象が存在する領域（例えば、エンジン燃焼室内など）であって、−４０℃〜４００℃の温度変化が起こりうる領域である。一方、出力調整領域３とは、温度変化を受ける領域２とは離れた位置において、相対的に温度変化を受けにくく、−４０℃〜１２５℃の温度変化が起こりうる領域（例えば、エンジンルーム内など）である。
【００５３】
上述した発振回路１１〜１３は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどからなる圧電性を示す圧電基板に形成されてなる弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）型の共振器である弾性表面波素子やインダクタなどにより構成されている。
【００５４】
発振回路１１〜１３の弾性表面波素子１１Ａ〜１３Ａは、図２に示すように、全て１つの圧電基板４に形成されている。弾性表面波素子１１Ａは、圧電基板４において、圧力を加えられたときに変形可能となるように厚みを薄くした領域４Ａに配置されている。圧電基板４に圧力が加えられると、圧電基板４の表面応力が変化し、弾性表面波の音速が変化するとともに、弾性表面波素子１１Ａの電極の間隔も変化する。これにより発振周波数が変化するため、この発振周波数の変化を測定することで、圧力の変化を検出することができる。
【００５５】
また、弾性表面波素子１２Ａ，１３Ａは、圧電基板４において圧力を受けても表面応力が変化しない領域に配置されているため、圧電基板４が圧力を受けても発振回路１２，１３の発振周波数はほとんど変化しない。
【００５６】
所定の基準温度かつ所定の圧力である基準状態における発振回路１１〜１３の発振周波数Ｆｉ＿０（ｉ＝１〜３、それぞれ第１〜第３の発振回路１１〜１３に対応、以下同様）は、それぞれ１００，１０１，１０２ＭＨｚである。温度変化および圧電基板に加えられる圧力の変化を考慮したときの発振回路１１〜１３の発振周波数Ｆｉ＿Ｔは、次のように表せる。なお、圧力を受けた時の出力周波数の変化をＡ（Ａ≪Ｆｉ＿０），温度係数をｋとする。
【００５７】
Ｆ１＿Ｔ＝（１００＋Ａ）×（１＋ｋＴ）
Ｆ２＿Ｔ＝（１０１）×（１＋ｋＴ）
Ｆ３＿Ｔ＝（１０２）×（１＋ｋＴ）（単位：ＭＨｚ）
発振回路１４は、温度による周波数の変化の少ない発振回路（例えば水晶振動子からなる発振回路）であって、さらにこの発振回路１４は相対的に温度変化が小さい出力調整領域３に配置されているため、温度変化に拠らず常に一定の発振周波数Ｆ４（本実施例においては、Ｆ４＝０．１ＭＨｚ）の信号を出力する。
【００５８】
第１の周波数ミキサ２１は、第１の発振回路１１および第２の発振回路１２それぞれと接続しており、それらの出力周波数の差の周波数Ｆｘ１＿Ｔ（＝Ｆ２＿Ｔ−Ｆ１＿Ｔ）を出力する。
【００５９】
また、第２の周波数ミキサ２２は、第２の発振回路１２および第３の発振回路１３それぞれと接続しており、それらの出力周波数の差の周波数Ｆｘ２＿Ｔ（＝Ｆ３＿Ｔ−Ｆ２＿Ｔ）を出力する。
【００６０】
また、第３の周波数ミキサ２３は、第４の発振回路１４および第２の周波数ミキサ２２それぞれと接続しており、それらの出力周波数の差の周波数Ｆｘ３＿Ｔを出力する。なお、本実施例においては、Ｆｘ１＿０＝１，Ｆｘ２＿０＝１であるため、Ｅ＝Ｆｘ１＿０−（α×Ｆｘ２＿０）＝０を満たす係数α＝１となる結果、第２の周波数ミキサ２２と第３の周波数ミキサ２３との間に分周器などが配置されない。よって、Ｆｘ３＿Ｔは、Ｆｘ３＿Ｔ＝Ｆｘ２＿Ｔ−Ｆ４となる。
【００６１】
また、第４の周波数ミキサ２４は、第１の周波数ミキサ２１および第３の周波数ミキサ２３それぞれと接続しており、それらの出力周波数の差の周波数を、弾性表面波センサ１の出力周波数Ｆｏｕｔ（＝Ｆｘ１＿Ｔ−Ｆｘ３＿Ｔ）として出力する。
【００６２】
なお、本実施例において、第１の発振回路１１および第２の発振回路１２が本発明における第１の発振手段であり、第２の発振回路１２および第３の発振回路１３が本発明における第２の発振手段である。
【００６３】
また、第１、第２の周波数ミキサ２１，２２が本発明における第１、第２のミキシング回路である。
【００６４】
また、第３の周波数ミキサ２３および第４の発振回路１４が、本発明におけるミキシング手段である。
【００６５】
また、第４の周波数ミキサ２４が、本発明における第３のミキシング手段である。
（２）Ｆｏｕｔの算出
第１の周波数ミキサ２１が出力する周波数Ｆｘ１＿Ｔは次のように表せる。
【００６６】
Ｆｘ１＿Ｔ＝Ｆ２＿Ｔ−Ｆ１＿Ｔ＝（１−Ａ）×（１＋ｋＴ）
第２の周波数ミキサ２２が出力する周波数Ｆｘ２＿Ｔは次のように表せる。
【００６７】
Ｆｘ２＿Ｔ＝Ｆ３＿Ｔ−Ｆ２＿Ｔ＝（１）×（１＋ｋＴ）＝１＋ｋＴ
第３の周波数ミキサ２３が出力する周波数Ｆｘ３＿Ｔは次のように表せる。
【００６８】
Ｆｘ３＿Ｔ＝Ｆｘ２＿Ｔ−Ｆ４＝１＋ｋＴ−Ｆ４
第４の周波数ミキサ２４が出力する周波数Ｆｏｕｔは次のように表せる。
【００６９】
Ｆｏｕｔ＝Ｆｘ１＿Ｔ−Ｆｘ３＿Ｔ＝（１−Ａ）×（１＋ｋＴ）−（１＋ｋＴ−Ｆ４）
＝Ａ＋ＡｋＴ＋Ｆ４
ここで、圧力による周波数変化Ａを−４０ｋＨｚ（−０．０４ＭＨｚ）、基準温度との差Ｔを１００、関数ｋを１ｅ-4とすると、Ｆｏｕｔは次のような値になる。
【００７０】
Ｆｏｕｔ＝−０．０４−（０．０４×１ｅ-4×１００）＋Ｆ４
＝−０．０４０４＋Ｆ４＝０．０５９６
なお、Ｆｏｕｔにおいて、圧電基板４に加えられる圧力の変化に応じた発振周波数の変化量は、Ｆ４を基準としたときの周波数の差となるので、本実施例においては−０．０４０４ＭＨｚの周波数変動があったと検出される。
【００７１】
また、温度差Ｔが０のときには、Ｆｏｕｔ＝−０．０４＋Ｆ４＝０．０６となるので、温度変化による誤差は０．０００４ＭＨｚとなる。
（３）効果
上記構成の弾性表面波センサ１では、第１〜第３の発振回路１１〜１３には基準状態において１ＭＨｚごとの発振周波数の差があるが、Ｆｏｕｔにおいてはその差およびその差に基づく温度変化による周波数の変化量が補償されているため、温度変化による影響を小さくして、圧電基板に加わる圧力の変化に基づく発振周波数の変化を反映した周波数を出力することができる。
【００７２】
また、上述したように第１および第２の周波数ミキサ２１，２２の出力値は１ＭＨｚ前後の値となっており、さらに、第３の周波数ミキサにてＦ４（＝０．１ＭＨｚ）をミキシングしているため、出力周波数が低くなりすぎることによる検出速度の低下を招くことがなく、必要な測定時間間隔（サンプリングレート）を確保できるという点で都合が良い。
【００７３】
また、上記弾性表面波センサ１は、基準状態における第１および第２の周波数ミキサの出力値が同じになるように設定されているため、分周器などを設けずとも、温度による誤差を補償することができる。
［実施例２］
（１）全体構成
本実施例の弾性表面波センサ５は、基本的に実施例１の弾性表面波センサ１と同様の構成であるが、以下の点で弾性表面波センサ１と異なる。
【００７４】
本実施例の弾性表面波センサ５は、第２の周波数ミキサ２２と第３の周波数ミキサ２３の間に分周器３１が配置されている。また、第１〜第３の発振回路１１〜１３の基準状態における発振周波数が、それぞれ１００，１０１，１０４ＭＨｚである。温度変化および圧電基板に加えられる圧力の変化を考慮したときの発振回路１１〜１３の発振周波数Ｆｉ＿Ｔは、次のように表せる。
【００７５】
Ｆ１＿Ｔ＝（１００＋Ａ）×（１＋ｋＴ）
Ｆ２＿Ｔ＝（１０１）×（１＋ｋＴ）
Ｆ３＿Ｔ＝（１０４）×（１＋ｋＴ）（単位：ＭＨｚ）
ここで、Ｆｘ１＿０＝１，Ｆｘ２＿０＝３であるため、
Ｅ＝Ｆｘ１＿０−（α×Ｆｘ２＿０）＝１−（α×３）＝０を満たすαはα＝１／３となる。
【００７６】
よって、分周器３１は、周波数ミキサ２２の出力周波数Ｆｘ２＿Ｔを１／３とした周波数信号を出力して周波数ミキサ２３に入力するように設定される。
（２）Ｆｏｕｔの算出
第１の周波数ミキサ２１が出力する周波数Ｆｘ１＿Ｔは次のように表せる。
【００７７】
Ｆｘ１＿Ｔ＝Ｆ２＿Ｔ−Ｆ１＿Ｔ＝（１−Ａ）×（１＋ｋＴ）
第２の周波数ミキサ２２が出力する周波数Ｆｘ２＿Ｔは次のように表せる。
【００７８】
Ｆｘ２＿Ｔ＝Ｆ３＿Ｔ−Ｆ２＿Ｔ＝（３）×（１＋ｋＴ）
この周波数Ｆｘ２＿Ｔは、第３の周波数ミキサ２３に入力される前に分周器３１により１／３に分周されるため、第３の周波数ミキサ２３に入力される周波数は（３）×（１＋ｋＴ）×１／３＝１＋ｋＴとなる。
【００７９】
よって、第３の周波数ミキサ２３が出力する周波数Ｆｘ３＿Ｔは次のように表せる。
【００８０】
Ｆｘ３＿Ｔ＝１＋ｋＴ−Ｆ４
第４の周波数ミキサ２４が出力する周波数Ｆｏｕｔは次のように表せる。
【００８１】
Ｆｏｕｔ＝Ｆｘ１＿Ｔ−Ｆｘ３＿Ｔ＝（１−Ａ）×（１＋ｋＴ）−（１＋ｋＴ−Ｆ４）
＝Ａ＋ＡｋＴ＋Ｆ４
これは実施例１の弾性表面波センサ１と同様の出力値である。
（３）効果
本実施例の弾性表面波センサ５は、実施例１の弾性表面波センサ１と同様に、基準状態における発振周波数に差があっても温度変化による影響を小さくすることができる。
【００８２】
また、分周器３１を用いているため、基準状態における第１，第２の発振回路１１，１２の周波数差と、第２，第３の発振回路１２，１３の周波数差と、を等しく設定する必要がなくなる。これにより、例えば発振周波数に製造上の誤差が生じる場合、その誤差を考慮して分周器の分周率を決定することで製造上の発振周波数の誤差に基づく温度変化による誤差も補償することができる。例えば、第１〜第３の発振回路１１〜１３の基準状態における発振周波数が、それぞれ１００，１０１，１０４ＭＨｚを目指して製造した結果、１００．１，１００．９，１０４．１ＭＨｚとなった場合、Ｆｘ１＿０＝０．８，Ｆｘ２＿０＝３．２となるので、Ｅ＝０を満たすαはα＝１／４となるため、分周器の分周率を１／４とすればよい。
［変形例］
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００８３】
例えば上記各実施例においては、圧電基板４に圧力が加えられたとき、第１の発振回路１１のみが発振周波数を変化させる構成を例示したが、Ｆｏｕｔに圧力変化に基づく出力周波数の変化が反映されるように構成されていれば、第２の発振回路１２や第３の発振回路１３の発振周波数が変化する構成であってもよい。Ｆｏｕｔに圧力変化に基づく出力周波数の変化が反映される条件とは、圧電基板４に対して圧力が加えられた場合に、第１の周波数Ｆｘ１＿Ｔの変化度合と、係数αを付けた第２の周波数Ｆｘ２＿Ｔの変化度合と、が異なることである。
【００８４】
Ｆｏｕｔに圧力変化が反映されない例としては、Ｆ１＿０とＦ３＿０とが等しく、第２の発振回路１２のみが圧力変化に応じて発振周波数を変化させる場合や、Ｆ１＿０とＦ３＿０とが等しく、圧力変化に応じた周波数の変化量が、第１の発振回路１１と第３の発振回路１３とで等しい場合などである。このように構成されていると、Ｆｘ１＿ＴとＦｘ２＿Ｔとに含まれる周波数の変化量が等しい値となるため、それらの差分をとると圧力変化に基づく出力周波数の変化が相殺されてＦｏｕｔに反映されず、圧力変化が検出できなくなる。
【００８５】
また、上記実施例２においては、第２の周波数ミキサ２２と第３の周波数ミキサ２３との間に分周器３１を設置する構成を例示したが、第１の周波数ミキサ２１と第４の周波数ミキサ２４との間に設置する構成であってもよいし、第３の周波数ミキサ２３と第４の周波数ミキサ２４との間に設置する構成や、複数の箇所に設置する構成であってもよい。
【００８６】
また、上記各実施例では、計算上、温度変化を表す式として１次式のｋＴを用いたが、３つの発振回路それぞれの温度特性が略同じであれば、２次式以上の高次式であっても同様に温度変化の影響を小さくすることができる。
【００８７】
また、上記各実施例では、発振回路を３つ用い、第２の発振回路１２の出力が第１、第２の周波数ミキサ２１，２２に出力される構成を例示したが、第１の周波数ミキサ２１と第２の周波数ミキサそれぞれと接続する発振回路が全て異なり、合計４つの発振回路を用いる構成であってもよい。
【００８８】
また、上記各実施例では、１つの圧電基板４に全ての発振回路が形成されてなる構成を例示したが、温度変化により発振回路が受ける周波数の変化を等しくすることができれば、複数の圧電基板４に分かれて配置されていてもよい。例えば、同様の温度変化をうけるように隣り合わせて配置される同形状・同材質の圧電基板２つに発振回路が配置される場合、どちらに配置されても温度変化の影響を等しく受けることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１…弾性表面波センサ、２…測定領域、３…出力調整領域、４…圧電基板、４Ａ…領域、５…弾性表面波センサ、１１，１２，１３…発振回路、１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ…弾性表面波素子、１４…発振回路、２１〜２４…周波数ミキサ、３１…分周器
【図１】
2010160101.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010160101.tif 000005