(57)【要約】  弾性波測定装置（１０）は、高周波バースト信号を最初のボールＳＡＷデバイス（５Ａ）に入力した場合、その最初のボールＳＡＷデバイス（５Ａ）からの出力信号を検出する検出時刻前に、高周波バースト信号の入力先を他のボールＳＡＷデバイス（５Ｂ）〜（５Ｎ）に順次切り替え、検出時刻以後、最初のボールＳＡＷデバイス（５Ａ）から最後のボールＳＡＷデバイス（５Ｎ）までの応答特性の出力信号を順次検出する。
2009037977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号の入力に応じて弾性波を励起する複数の弾性波素子（５Ａ〜５Ｎ）からの応答特性を測定する弾性波測定装置（１０）であって、
前記高周波信号を発生する単一の高周波信号発生手段（１１）と、
前記高周波信号を前記各弾性波素子に入力する入力手段（１３）と、
前記高周波信号を最初の弾性波素子（５Ａ）に入力した場合、該最初の弾性波素子からの出力信号を検出する検出時刻前に、前記高周波信号の入力先を他の弾性波素子に順次切り替える切替手段（１３，２１）と、
前記検出時刻以後、最初の弾性波素子（５Ａ）から最後の弾性波素子（５Ｎ）までの応答特性の出力信号を順次検出する検出手段（１４Ａ〜１４Ｎ，１５，１６）と、
前記検出手段により検出された出力信号に基づいて、前記各弾性波素子に励起された弾性波を測定する測定手段（１７，１８）と
を備えたことを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相を測定することを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の強度を測定することを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相と強度同時に測定することを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の基準時間に対する遅延時間を測定することを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項６】
請求項１記載の弾性波測定装置において、
前記最初の弾性波素子から最後の弾性波素子までの高周波信号の入力を、予め設定された平均化回数繰り返して実行し、該各弾性波素子からの出力信号あるいはその計測値を平均化する平均化手段（１８）
をさらに備えたことを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項７】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記検出手段は、前記弾性波素子からの出力信号がアナログ信号である場合、該アナログ信号をデジタル信号に変換してから検出することを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項８】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記切替手段は、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を一定の時間間隔で切り替えることを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項９】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記切替手段は、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を切り替える時刻と、前記弾性波素子のいずれかからの出力信号が検出される時刻とが一致する場合、該高周波信号の入力を待機することを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の弾性波測定装置において、
前記弾性波素子は、圧電性物質の表面に弾性表面波を励起する弾性表面波素子であることを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の弾性波測定装置において、
前記弾性波素子は、前記圧電性物質が円筒面を有し、該円筒面に励起される弾性表面波が周回する周回経路を含むことを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の弾性波測定装置において、
前記弾性波素子は、前記圧電性物質が球状に形成され、励起される弾性表面波が周回する周回経路を有する球状弾性表面波素子であることを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の弾性波測定装置において、
前記入力手段は、前記弾性表面波が前記周回経路を１周する周回時間よりも短くなるように、前記各弾性波素子へ高周波信号を入力することを特徴とする弾性波測定装置。
【請求項１４】
高周波信号の入力に応じて弾性波の応答特性を出力する複数の弾性波素子（５Ａ〜５Ｎ）と、前記高周波信号を発生する単一の高周波信号発生手段（１１）と、前記高周波信号発生手段により発生された高周波信号を前記各弾性波素子に切り替えて入力する切替手段（１３，２１）とを備えた弾性波測定装置（１０）に用いられる弾性波測定方法であって、
前記高周波信号を最初の弾性波素子に入力する入力ステップと、
前記最初の弾性波素子に高周波信号を入力した後、該最初の弾性波素子からの出力信号を検出する検出時刻前に、前記高周波信号の入力先を他の弾性波素子に順次切り替えて入力する切替ステップと、
前記検出時刻以後、最初の弾性波素子から最後の弾性波素子までの応答特性の出力信号を順次検出する検出ステップと、
前記検出ステップにより検出された出力信号に基づいて、前記各弾性波素子に励起された弾性波を測定する測定ステップと
を備えたことを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相を測定することを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の強度を測定することを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相と強度を同時に測定することを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の基準時間に対する遅延時間を測定することを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記入力ステップから前記測定ステップまでの処理を、予め設定された平均化回数繰り返して実行し、該各弾性波素子からの出力信号あるいはその計測値を平均化する平均化ステップ
をさらに備えたことを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記検出ステップは、前記弾性波素子からの出力信号がアナログ信号である場合、該アナログ信号をデジタル信号に変換してから検出することを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項２１】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記切替ステップは、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を一定の時間間隔で切り替えることを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項２２】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記切替ステップは、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を切り替える時刻と、前記弾性波素子のいずれかからの出力信号が検出される時刻とが一致する場合、該高周波信号の入力を待機することを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項２３】
請求項１４に記載の弾性波測定方法において、
前記弾性波素子は、圧電性物質の表面に弾性表面波を励起する弾性表面波素子であることを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の弾性波測定方法において、
前記弾性波素子は、前記圧電性物質が円筒面を有し、該円筒面に励起される弾性表面波が周回する周回経路を含むことを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項２５】
請求項２３に記載の弾性波測定方法において、
前記弾性波素子は、前記圧電性物質が球状に形成され、励起される弾性表面波が周回する周回経路を有する球状弾性表面波素子であることを特徴とする弾性波測定方法。
【請求項２６】
請求項２４または請求項２５に記載の弾性波測定方法において、
前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記周回経路を１周する周回時間よりも短くなるように、前記各弾性波素子へ高周波信号を入力することを特徴とする弾性波測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一の高周波信号発生手段からの高周波信号が入力される複数の弾性波素子の応答特性を高速に測定し得る弾性波測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、弾性波素子を用いて各種センサー等が開発されている。【０００３】
弾性波素子には、例えば、弾性表面波（Surface Acoustic Wave；以下ＳＡＷとも称する）を励起するＳＡＷデバイスや、水晶発振子マイクロバランス（Quarts Crystal Microbalance；以下ＱＣＭとも称する）を利用したものがある。【０００４】
弾性表面波を励起するＳＡＷデバイスは、圧電性物質と櫛状電極とを備えている。圧電性物質は、インパルス信号や高周波バースト信号を印加するとひずみが生じるものであり、水晶やランガサイト等が使われる。ＳＡＷデバイスには、代表的なものとして、圧電性物質を平面型にしたものと、球状にした球状弾性表面波素子（以下、ボールＳＡＷデバイスともいう）とがある。【０００５】
平面型のＳＡＷデバイスは、圧電性物質の両端に櫛状電極を備えている。この平面型のＳＡＷデバイスでは、一端の櫛状電極に入力信号が印加されると、超音波の弾性表面波を発生する。そして、他端の櫛状電極に弾性表面波が伝播すると、櫛状電極に電圧が生じ、出力信号の取り出しが可能となる。ここで、弾性表面波の周波数は基材の弾性定数と櫛型電極の間隔とで決定される。そのため、このようなＳＡＷデバイスはＲＦの小型フィルタとして主に使用される。【０００６】
また、平面型のＳＡＷデバイスには、櫛状電極を伝播経路の中央付近に配置し、その左右の対向する位置に反射器を設置するものがある。これによれば、櫛状電極で励振した弾性表面波が反射器を反射して櫛状電極を往復する。そして、弾性表面波が櫛状電極を通過する際に、出力信号が取り出される。ここで、１往復、２往復・・・と弾性表面波が往復を重ねている間に、伝播経路上に物質が付着すると、弾性表面波の速度が変化する。そこで、弾性表面波の速度変化を測定することにより、ＳＡＷデバイスの各種センサーへの応用が可能となる。【０００７】
ボールＳＡＷデバイスでは、圧電性物質を球状に形成し、超音波の伝播経路上に櫛状電極を配置している。このボールＳＡＷデバイスの櫛状電極にインパルス信号や高周波バースト信号が印加されると、圧電性物質の表面上に弾性表面波が発生する。弾性表面波は、球状の圧電性物質を周回し、元の櫛状電極に戻ってくる。櫛状電極では、高周波のＲＦ信号を取り出すことができる。また、圧電性物質の表面上の弾性表面波は周回を続け、１０周、２０周、・・・、１００周、・・・と多重周回する。この特性上、ボールＳＡＷデバイスは、平面型のＳＡＷデバイスよりも小型で伝播距離も長く取れる。また、反射器もないのでロスが少ない。それゆえ、ボールＳＡＷデバイスは、高周波フィルタだけでなく、高感度センサーとしての利用が可能である。【０００８】
例えば、ボールＳＡＷデバイスにおいて、圧電性物質の伝播経路上を弾性表面波が周回しているときに、その伝播経路上に物質が付着すると、質量負荷効果により弾性表面波の速度や強度が低下したり、付着物質によっては、伝播経路上の表面が硬化することで、弾性表面波の速度が増加したり強度が変化したりする。また、表面に物質が付着しなくとも、伝播経路の周囲の雰囲気が変化することにより、弾性表面波のエネルギーが奪われる量が変わり、速度や強度が変化する。それゆえ、弾性表面波の速度や強度の変化を調べることにより、伝播経路上に物質が付着したか否かを検知できる。ここで、1周分の速度低下や強度低下は微小であるが、周回を重ねることで変化が増していく。そのため、ボールＳＡＷデバイスでは弾性表面波の伝播距離を長くできるので、付着した物質を高感度に検出できる（例えば、特開２００５−３３３４５７号公報参照）。【０００９】
また、弾性表面波の伝播経路上に、特定の物質が吸着するような膜（以下、感応膜という)を形成しておけば、付着物質の特定が可能となる。【００１０】
さらに、感応膜の種類を増やすことにより、同時に複数種類の物質の特定が可能となり、ガスセンサーや匂いセンサー等に応用できる。ただし、感応膜は、ボールＳＡＷデバイス毎に形成されるものであるため、複数種類の物質を調べるためには、複数個のボールＳＡＷデバイスが必要になる。【００１１】
なお、球状弾性表面波素子からの出力信号の強度を測定する事は、弾性表面波が周回する過程における、その減衰率を観測する事に他ならない。また、一般的な方法により、弾性表面波の伝播に伴う強度変化から減衰率を求めることができる。【００１２】
なお、高周波信号における位相とは一般に、所定の時刻を定義した際にその時刻における該当信号の時間的な位置を意味する。球状弾性表面波素子の出力計測における位相計測は、弾性表面波の励起される時刻から所定の時間経過した時刻における、球状弾性表面波素子からの高周波信号出力の時間的な位置（位相）をフーリエ解析やクアドラチャ検波やあるいはウエーブレット変換などを用いて計測することを一般的には指す。また、その計測から弾性表面波の伝播（周回）速度を直接的に計測する、あるいは、例えば球状弾性表面波素子が所定の回数出力し終わった時刻（所定の介す周回し終わった時刻）をもとめ、その時刻の周回開始時刻からの時間的な距離を求める事も、“位相を計測する”と呼ぶ。このような位相を計測することによって弾性表面波の伝播（周回）速度の情報を得ることもある。
【発明の開示】
【００１３】
上述したように、各種センサー等への応用のために、複数個の弾性波素子を同時に使用することがある。ここで、一般的には、複数の弾性波素子の応答特性を測定する場合でも、複数の高周波信号発生手段が用いられるわけではなく、単一の高周波信号発生手段が用いられる。単一の高周波信号発生手段を用いないと、各弾性波素子の計測処理タイミングの同期や、検出手段との位相計測の基準とすべきタイミングの同期が取れず、時系列的な測定や位相計測が困難となるからである。
【００１４】
しかしながら、単一の高周波信号発生手段を用いて、複数個の弾性波素子の応答特性を測定すると、弾性波素子の個数に応じて、弾性波を励起するまでの時間が長くなる。
【００１５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、単一の高周波信号発生手段からの高周波信号が入力される複数の弾性波素子の応答特性を高速に測定し得る弾性波測定装置を提供する。
【００１６】
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。
【００１７】
請求項１に対応する発明は、高周波信号の入力に応じて弾性波を励起する複数の弾性波素子からの応答特性を測定する弾性波測定装置であって、前記高周波信号を発生する単一の高周波信号発生手段と、前記高周波信号を前記各弾性波素子に入力する入力手段と、前記高周波信号を最初の弾性波素子に入力した場合、該最初の弾性波素子からの出力信号を検出する検出時刻前に、前記高周波信号の入力先を他の弾性波素子に順次切り替える切替手段と、前記検出時刻以後、最初の弾性波素子から最後の弾性波素子までの応答特性の出力信号を順次検出する検出手段と、前記検出手段により検出された出力信号に基づいて、前記各弾性波素子に励起された弾性波を測定する測定手段とを備えた弾性波測定装置である。
【００１８】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相を測定する弾性波測定装置である。
【００１９】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の強度を測定する弾性波測定装置である。
【００２０】
請求項４に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相と強度の両方を同時に測定する弾性波測定装置である。
【００２１】
請求項５に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記測定手段は、前記各弾性波素子に励起された弾性波の基準時間に対する遅延時間を測定する弾性波測定装置である。
【００２２】
請求項６に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記最初の弾性波素子から最後の弾性波素子までの高周波信号の入力を、予め設定された平均化回数繰り返して実行し、該各弾性波素子からの出力信号あるいはその計測値を平均化する平均化手段をさらに備えた弾性波測定装置である。
【００２３】
請求項７に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記検出手段は、前記弾性波素子からの出力信号がアナログ信号である場合、該アナログ信号をデジタル信号に変換してから検出する弾性波測定装置である。
【００２４】
請求項８に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記切替手段は、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を一定の時間間隔で切り替える弾性波測定装置である。
【００２５】
請求項９に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記切替手段は、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を切り替える時刻と、前記弾性波素子のいずれかからの出力信号が検出される時刻とが一致する場合、該高周波信号の入力を待機する弾性波測定装置である。
【００２６】
請求項１０に対応する発明は、請求項１に対応する弾性波測定装置において、前記弾性波素子は、圧電性物質の表面に弾性表面波を励起する弾性表面波素子である弾性波測定装置である。
【００２７】
請求項１１に対応する発明は、請求項１０に対応する弾性波測定装置において、前記弾性波素子は、前記圧電性物質が円筒面を有し、該円筒面に励起される弾性表面波が周回する周回経路を含む弾性波測定装置である。
【００２８】
請求項１２に対応する発明は、請求項１０に対応する弾性波測定装置において、前記弾性波素子は、前記圧電性物質が球状に形成され、励起される弾性表面波が周回する周回経路を有する球状弾性表面波素子である弾性波測定装置である。
【００２９】
請求項１３に対応する発明は、請求項１１または請求項１２に対応する弾性波測定装置において、前記入力手段は、前記弾性表面波が前記周回経路を１周する周回時間よりも短くなるように、前記各弾性波素子へ高周波信号を入力する弾性波測定装置である。
【００３０】
請求項１４に対応する発明は、高周波信号の入力に応じて弾性波の応答特性を出力する複数の弾性波素子と、前記高周波信号を発生する単一の高周波信号発生手段と、前記高周波信号発生手段により発生された高周波信号を前記各弾性波素子に切り替えて入力する切替手段とを備えた弾性波測定装置に用いられる弾性波測定方法であって、前記高周波信号を最初の弾性波素子に入力する入力ステップと、前記最初の弾性波素子に高周波信号を入力した後、該最初の弾性波素子からの出力信号を検出する検出時刻前に、前記高周波信号の入力先を他の弾性波素子に順次切り替えて入力する切替ステップと、前記検出時刻以後、最初の弾性波素子から最後の弾性波素子までの応答特性の出力信号を順次検出する検出ステップと、前記検出ステップにより検出された出力信号に基づいて、前記各弾性波素子に励起された弾性波を測定する測定ステップとを備えた弾性波測定方法である。
【００３１】
請求項１５に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相を測定する弾性波測定方法である。
【００３２】
請求項１６に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の強度を測定する弾性波測定方法である。
【００３３】
請求項１７に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の位相と強度を同時に測定する弾性波測定方法である。
【００３４】
請求項１８に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記測定ステップは、前記各弾性波素子に励起された弾性波の基準時間に対する遅延時間を測定する弾性波測定方法である。
【００３５】
請求項１９に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記入力ステップから前記測定ステップまでの処理を、予め設定された平均化回数繰り返して実行し、該各弾性波素子からの出力信号あるいはその計測値を平均化する平均化ステップをさらに備えた弾性波測定方法である。
【００３６】
請求項２０に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記検出ステップは、前記弾性波素子からの出力信号がアナログ信号である場合、該アナログ信号をデジタル信号に変換してから検出する弾性波測定方法である。
【００３７】
請求項２１に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記切替ステップは、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を一定の時間間隔で切り替える弾性波測定方法である。
【００３８】
請求項２２に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記切替ステップは、前記各弾性波素子への高周波信号の入力先を切り替える時刻と、前記弾性波素子のいずれかからの出力信号が検出される時刻とが一致する場合、該高周波信号の入力を待機する弾性波測定方法である。
【００３９】
請求項２３に対応する発明は、請求項１４に対応する弾性波測定方法において、前記弾性波素子は、圧電性物質の表面に弾性表面波を励起する弾性表面波素子である弾性波測定方法である。
【００４０】
請求項２４に対応する発明は、請求項２３に対応する弾性波測定方法において、前記弾性波素子は、前記圧電性物質が円筒面を有し、該円筒面に励起される弾性表面波が周回する周回経路を含む弾性波測定方法である。
【００４１】
請求項２５に対応する発明は、請求項２３に対応する弾性波測定方法において、前記弾性波素子は、前記圧電性物質が球状に形成され、励起される弾性表面波が周回する周回経路を有する球状弾性表面波素子である弾性波測定方法である。
【００４２】
請求項２６に対応する発明は、請求項２４または請求項２５に対応する弾性波測定方法において、前記入力ステップは、前記弾性表面波が前記周回経路を１周する周回時間よりも短くなるように、前記各弾性波素子へ高周波信号を入力する弾性波測定方法である。
【００４３】
＜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。
【００４４】
請求項１・１４に対応する発明は、高周波信号を最初の弾性波素子に入力した場合、該最初の弾性波素子からの出力信号を検出する検出時刻前に、高周波信号の入力先を他の弾性波素子に順次切り替え、検出時刻以後、最初の弾性波素子から最後の弾性波素子までの応答特性の出力信号を順次検出するので、単一の高周波信号発生手段からの高周波信号が入力される複数の弾性波素子の応答特性を測定する場合、一の弾性波素子の応答特性を測定してから他の弾性波素子の応答特性を測定するものに比して、高速に測定し得る弾性波測定装置を提供できる。
【００４５】
請求項２・１５に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、測定手段は、各弾性波素子に励起された弾性波の位相を測定するので、その位相変化に基づいて弾性波素子表面に付着した物質の量や、感応膜の弾性率の変化や、弾性波素子の温度依存性より温度変化を求めることができる。
【００４６】
請求項３・１６に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、測定手段は、各弾性波素子に励起された弾性波の強度を測定するので、その強度変化に基づいて弾性波素子表面に付着した物質の量や、感応膜の超音波吸収率の変化や、ガス濃度を求めることができる。
【００４７】
請求項４・１７に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、測定手段は、各弾性波素子に励起された弾性波の位相と強度を同時に測定するので、その位相と強度に基づいて弾性波素子表面に付着した物質の量や、感応膜の弾性変化や、ガス濃度や、弾性波素子の温度依存性より温度変化を求めることができるだけでなく、位相と強度の双方の変化を比較することで計測の確からしさを向上する事が出来る。
【００４８】
請求項５・１８に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、測定手段は、各弾性波素子に励起された弾性波の基準時間に対する遅延時間を測定するので、その遅延時間に基づいて弾性波素子表面に付着した物質の量や、弾性波素子の温度依存性より温度変化を求めることができる。
【００４９】
請求項６・１９に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、最初の弾性波素子から最後の弾性波素子までの高周波信号の入力を、予め設定された平均化回数繰り返して実行し、該各弾性波素子からの出力信号や計測データを平均化するので、高精度な弾性波測定装置を提供できる。
【００５０】
請求項７・２０に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、検出手段は、弾性波素子からの出力信号がアナログ信号である場合、該アナログ信号をデジタル信号に変換してから検出するので、位相と強度を同時に測定することが出来、データの演算等を容易に行なうこともできる。
【００５１】
請求項８・２１に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、切替手段は、各弾性波素子への高周波信号の入力先を一定の時間間隔で切り替えるので、効率の良い切り替え処理を実行することができる。
【００５２】
請求項９・２２に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、切替手段は、各弾性波素子への高周波信号の入力先を切り替える時刻と、弾性波素子のいずれかからの出力信号が検出される時刻とが一致する場合、該高周波信号の入力を待機するので、高精度に出力信号を検出することができる。
【００５３】
請求項１０・２３に対応する発明は、請求項１・１４に対応する作用に加え、弾性波素子は、圧電性物質の表面に弾性表面波を励起する弾性表面波素子であるので、弾性波の応答特性を高速に測定し得る弾性波測定装置を提供できる。
【００５４】
請求項１１・２４に対応する発明は、請求項１０・２３に対応する作用において、弾性波素子は、圧電性物質が円筒面を有し、該円筒面に励起される弾性表面波が周回する周回経路を含むので、弾性表面波の伝播距離を長くすることができ、高精度な弾性波測定装置を提供できる。
【００５５】
請求項１２・２５に対応する発明は、請求項１０・２３に対応する作用に加え、弾性波素子は、圧電性物質が球状に形成され、励起される弾性表面波が周回する周回経路を有する球状弾性表面波素子であるので、弾性表面波の伝播距離を長くすることができ、高精度な弾性波測定装置を提供できる。
【００５６】
請求項１３・２６に対応する発明は、請求項１１・１２・２４・２５に対応する作用に加え、弾性表面波が周回経路を１周する周回時間よりも短くなるように、各弾性波素子へ高周波信号を入力するので、各弾性波素子から時間分離された出力信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波測定装置１０の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、同実施形態に係る弾性波測定装置１０の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図３は、同実施形態に係る弾性波測定装置１０の動作を説明するための信号相関図である。
【図４】図４は、一般的な弾性波測定装置１０Ｓの構成を示す模式図である。
【図５】図５は、リモート水素センサーの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。【００５９】
＜第１の実施形態＞
（弾性波測定装置の構成）
図１は本発明の第１の実施形態に係る弾性波測定装置１０の構成を示す模式図である。【００６０】
弾性波測定装置１０は、高周波信号の入力に応じて弾性波を励起する複数の弾性波素子からの応答特性を測定するものである。本実施形態では、弾性波素子として、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎを用いる。ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎを複数個用いることにより、複数種類のガスを識別して計測するガスセンサーや匂いセンサーなどに用いることが可能である。ガスや匂いの識別にはその表面に感応膜を形成する事が一般的である。その他、ボールＳＡＷデバイスは、温度計や圧力計等にも用いることができる。また、感応膜として抗体などの生理物質を選択的に吸着する材料を使用することでバイオセンサにも用いる事が出来る。なお、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎは、球状の圧電性物質の表面に弾性表面波が周回可能な周回経路を有している。【００６１】
弾性波測定装置１０は、設定周波数発生装置（高周波信号発生手段）１１・設定長バースト切り出し装置１２・送信スイッチ装置（切替手段）１３・受信スイッチ装置１４Ａ〜１４Ｎ・ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１５・検波装置１６・加算装置１７・平均化装置１８Ａ〜１８Ｎ・記憶装置１９Ａ〜１９Ｎ・インターフェイス２０・制御装置２１・表示装置２２・入力装置２３を備えている。【００６２】
設定周波数発生装置１１は、ボールＳＡＷデバイスの特性に合わせた目的の周波数を励振する装置である。ここでは、単一の設定周波数発生装置１１が高周波信号を発生する。【００６３】
設定長バースト切り出し装置１２は、設定周波数発生装置１１で励振された高周波信号を任意に定めた時間長毎に切り出すスイッチ装置である。これにより、高周波バースト信号が生成される。また、設定長バースト切り出し装置１２は、弾性表面波が周回経路を１周する周回時間よりも短くなるように、高周波信号を切り出す時間を調整する。これにより、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎから繰り返し出力される信号を時間分離することができる。【００６４】
尚、設定周波数発生装置１１と設定長バースト切り出し装置１２の組み合わせによってバースト信号を成しているが、連続的に発生されている信号を切り出すのではなく、所定のクロックで動作するＬＳＩ(大規模集積回路)それ自身の動作によって、継続時間および位相及び強度がデジタル的に定義された信号を直接生成することで同じ機能を持たせることが出来る事は公知であり、本発明はそれを除かない。【００６５】
また本発明は、上記の各装置が役割を分担することを仮定して説明を行うが、これらの各装置を例えば一枚のＬＳＩチップに収める事も公知であり、本発明はそれを除かない。【００６６】
送信スイッチ装置１３は、設定長バースト切り出し装置１２により切り出された高周波バースト信号を、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに切り替えながら入力するものである。ここでは、送信スイッチ装置１３は、ボールＳＡＷデバイス５上の伝播経路を弾性表面波が１周する周回時間以上の時間をかけて高周波バースト信号の入力先を順次切り替える。補足すると、高周波バースト信号の入力先の切り替えタイミングと、ボールＳＡＷデバイス５の圧電性物質の直径の長さとは比例する。そのため、送信スイッチ装置１３は、ボールＳＡＷデバイス５の圧電性物質が直径１ｍｍの水晶球である場合、高周波バースト信号が１５０ＭＨｚであれば、１μｓ以上の時間をかけて入力先を切り替える。また、直径が３．３ｍｍであれば、３．３μｓ以上の時間が経ってから切り替える。【００６７】
なお、送信スイッチ装置１３は、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎへの高周波バースト信号の入力先を切り替える時刻と、それらのボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎのいずれかからの出力信号が検出される時刻とが一致する場合、高周波バースト信号の入力を待機する。これにより、一般には大きな電圧値を持つ入力信号が出力信号に雑音として加わることを回避できるので、高精度に出力信号を検出することができる。【００６８】
受信スイッチ装置１４Ａ〜１４Ｎは、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎ毎に設けられており、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに励起された弾性表面波の周回信号を取り出すものである。ここでは、受信スイッチ装置１４Ａ〜１４Ｎは、１００周目の周回信号を解析すべき信号として各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎから取り出す。取り出された周回信号は、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからの出力信号として、ＡＤコンバータ１５に送出される。なお、上記の１００周目というのは例示であり、測定対象の周回数はボールＳＡＷデバイスの特性に応じて設定される。【００６９】
ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１５は、アナログの出力信号をデジタル信号に変換する装置である。このアナログ信号は、ボールＳＡＷデバイス５からの出力信号を、ヘテロダイン検波を行う事により周波数をダウンコンバートされた信号も含む。【００７０】
なお、送信スイッチ装置１３により、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎには、時間差が設けられて高周波バースト信号が入力される。そのため、送信スイッチ装置１３の切り替えの時間差に応じて、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからの出力信号がＡＤコンバータ１５に入ってくる。この結果、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからの出力信号は分離されているので、ＡＤコンバータ１５の使用は1つだけよいことになる。【００７１】
検波装置１６は、ＡＤコンバータ１５でデジタル化された出力信号を、位相と強度のデータに変換する装置である。また、検波装置１６は、位相と強度のデータに変換する際の演算機能も有している。【００７２】
加算装置１７は、検波装置１６で演算された位相と強度のデータを加算する装置である。この加算装置１７は、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに対応して記憶領域１７Ａ〜１７Ｎを有しており、各記憶領域１７Ａ〜１７Ｎにおいて加算されたデータを一時保存する。また、加算装置１７は、データを演算する機能も有している。【００７３】
平均化装置１８Ａ〜１８Ｎは、データを演算する機能を有しており、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａから最後のボールＳＡＷデバイス５Ｎへの高周波バースト信号の入力が、後述する制御装置２１により設定される「平均化回数」繰り返して実行された場合、それらの各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからの出力信号を平均化するものである。具体的には、平均化装置１８Ａ〜１８Ｎは、加算装置１７で加算された位相データと強度データとを平均化する。【００７４】
補足すると、ボールＳＡＷデバイス５の応答特性の測定では、１回だけの測定ではノイズの影響を除去することができず、データは複数回測定される。すなわち、ｎ個目のボールＳＡＷデバイス５Ｎの測定データが記憶されると、再度、1個目のボールＳＡＷデバイス５Ａから測定が開始される。ただし、２回目以降、１個目のボールＳＡＷデバイス５Ａを測定する場合は、前回励起された弾性表面波の周回の影響がなくなってから行なわれる必要がある。具体的には、直径１ｍｍの水晶球のボールＳＡＷデバイスに１５０ＭＨｚの高周波バースト信号を入力した場合、１ｍｓ以上の時間を待てば十分である。【００７５】
なお、弾性波測定装置１０では、複数個の平均化装置１８Ａ〜１８Ｎにより、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからのデータが平均化されるとしてもよいが、単一の平均化装置１８により、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからのデータが順次平均化されるとしてもよい。【００７６】
記憶装置１９Ａ〜１９Ｎは、平均化装置１８Ａ〜１８Ｎで平均化されたデータを、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎのそれぞれに対応させて記憶するものである。また、各記憶装置１９Ａ〜１９Ｎは、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからの位相と強度との他に付帯データを保存する領域も有している。なお、ここでは、各記憶装置１９Ａ〜１９Ｎが、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに対応して複数個用いられているが、単一の記憶装置１９の中で各々のデータをアドレスで切り分けて保存するとしてもよい。また、データを順次保存するとともに、外部のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等に送信できるような構成としてもよい。【００７７】
インターフェイス（ＩＦ）２０は、上述した各装置１１〜１９と、弾性波測定装置１０の全体を制御している制御装置２１とのデータの中継を可能とするものである。具体的には、インターフェイス２０は、USBやEthernet（登録商標）、Bluetooth（登録商標）、IEEE-1394、PHS、WCDMA、CDMA2000、IEEE-802.xx等の有線及び無線に関係なく命令やデータが転送できるようなものである。また、インターフェイス２０は、他の弾性波測定装置１０と連動して動作する際の通信を可能とする。【００７８】
制御装置２１は、弾性波測定装置１０の全体を制御するコンピュータであり、高周波バースト信号の周波数制御や、バースト信号長の調整、送信スイッチ装置１３の切り替え制御、受信スイッチ装置１４Ａ〜１４Ｎの切り替え制御等を行ない、測定プログラムを実行して弾性波の応答測定を開始する。【００７９】
具体的には、制御装置２１は、高周波信号を最初のボールＳＡＷデバイス５Ａに入力した場合、その最初のボールＳＡＷデバイス５Ａからの出力信号を検出する前に、高周波信号の入力先を他のボールＳＡＷデバイス５Ｂ〜５Ｎに順次切り替えるように送信スイッチ装置１３を制御する。【００８０】
また、制御装置２１は、「平均化回数」を設定し、平均化装置１８Ａ〜１８Ｎの演算を制御する。それから、制御装置２１は、平均化装置１８Ａ〜１８Ｎにより平均化された出力信号に基づいて、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに励起された弾性表面波の応答特性を測定する。【００８１】
さらに、制御装置２１は、独自でも動作可能であるが、他のコンピュータとの通信や、表示装置２２の制御、入力装置２３からのデータ入力の受付及び入力数値のエラー処理等を行なう。他にも、制御装置２１は、データを吸い上げ、外部の記憶装置に保存して管理したり、報告書を作成したり、測定結果をインターネット等に公開したりする機能を有している。また、弾性波測定装置１０を複数台用意した場合、それらを統合的に制御する機能も有している。【００８２】
表示装置２２は、一般的なディスプレイまたはタッチパネル式ディスプレイであり、弾性波測定装置１０の状態や、タスク状況等を表示する。【００８３】
入力装置２３は、一般的なキーボードやマウス、専用の入力装置、上記タッチパネルディスプレイなどで構成され、弾性波測定装置１０の各種設定値や、バースト信号の周波数、バースト長、平均化回数等の入力を可能にするものである。【００８４】
（弾性波測定装置の動作）
次に本実施形態に係る弾性波測定装置１０の動作を図２のフローチャート及び図３の信号相関図を用いて説明する。【００８５】
まず、設定周波数発生装置１１により、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎの特性に合わせた高周波信号が作り出される（ステップＳ１）。ここで、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａへの信号の入力が1回目である場合、設定長バースト切り出し装置２を介して、入力用高周波バースト信号が生成される（ステップＳ２−Ｙｅｓ，Ｓ３）。なお、設定長バースト切り出し装置１２では、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎから出力される信号が時間分離されるように、弾性表面波が周回経路を1周する周回時間よりも短くなるような高周波バースト信号が生成される。【００８６】
次に、高周波バースト信号が、送信スイッチ装置１３及び受信スイッチ装置１４Ａを介して、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａに入力される。【００８７】
そして、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａに高周波バースト信号が入力されると、送信スイッチ装置１３により、高周波信号の入力先が他のボールＳＡＷデバイス５Ｂ〜５Ｎに順次切り替えられる（ステップＳ４）。この際、送信スイッチ装置１３により、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａからの出力信号が検出される検出時刻前に、高周波バースト信号の入力先が他のボールＳＡＷデバイス５Ｂ〜５Ｎに順次切り替えられる。【００８８】
高周波バースト信号が入力されると、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎの伝播経路に弾性表面波が励起される。各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎの伝播経路は周回経路であるので、励起された弾性表面波は伝播経路を周回し続けることになる。【００８９】
そして、最初の検出時刻以後、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａから最後のボールＳＡＷデバイス５Ｎまでの出力信号が受信スイッチ装置１４Ａ〜１４Ｎを介して順次検波される（ステップＳ５−Ｙｅｓ）。ここでは、弾性表面波が１００周したときの周回信号が測定対象とされているので、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａに高周波バースト信号を入力してから１００μｓ以後に出力信号が順次検出される。【００９０】
検波工程では、検出信号の回数を示すカウンタ値がカウントされた後（ステップＳ６）、ＡＤ(Analog to Digital)コンバータ１５によりデジタル化された出力信号から、位相データと強度データとが検波装置１６により求められる（ステップＳ７）。そして、カウンタ値に基づいて、加算装置１７のデータ保管場所にデータが振り分けられる（ステップＳ８）。なお、カウンタ値がボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎの総数より多くなる場合には、その値がリセットされる（ステップＳ９−Ｙｅｓ，Ｓ１０）。これにより、カウンタ値と各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎとを対応付けることが可能となる。【００９１】
尚、位相データや強度データを、クワドラチャ検波(直交検波)方法を用いて得ることもできる。測定されるべき出力信号を、ＡＤコンバータを用いてデジタル化した信号から算出された正弦成分と余弦成分から位相データと強度データを求める事が出来る。【００９２】
この後、予め設定された平均化回数分の応答特性の測定が行われる（ステップＳ１１−Ｎｏ）。【００９３】
なお、弾性表面波の周回信号の影響がなくなるまでには１ｍｓ程度の時間を要するので、２回目以降の測定は、前回の測定から１ｍｓ以上経ってから行われる（ステップＳ１２）。すなわち、最初のボールＳＡＷＡデバイス５Ａに入力後、再度、ボールＳＡＷデバイス５Ａに入力する場合、制御装置２１が、１ｍｓ以上経過しているかどうかを判断し、１ｍｓ以上経っていなければ（ステップＳ３−Ｎｏ）、１ｍｓ以上待つ。また、制御装置２１は、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに高周波バースト信号を入力するタイミングがステップＳ５の検波タイミングと重ならないないかどうかを判断し、重なっていたら、重ならないように入力するタイミングをずらす（ステップＳ１３）。その後、ステップＳ３に進む。ここで、測定するボールＳＡＷデバイス１５の数と、その出力の評価から、弾性表面波の周回信号の影響がなくなるまでの時間は通常は判っているのであるから、上記したような論理的な判断工程ではなく、所定の時間の間次の測定を待機するプログラムで実施しても良い。【００９４】
上述のステップＳ３〜Ｓ１３までの処理が平均化回数実行されると、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎ毎の測定データの平均値が平均化装置１７により算出される（ステップＳ１１−Ｙｅｓ，Ｓ１４）。算出された測定データの平均値は、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに対応して設けられた記憶装置９Ａ〜９Ｎに記憶される。【００９５】
この後、上述のステップＳ３〜Ｓ１４までの処理が予め設定された測定回数実施される（ステップＳ１５）。【００９６】
（弾性波測定装置の作用効果）
以上説明したように、本実施形態に係る弾性波測定装置１０は、高周波バースト信号を最初のボールＳＡＷデバイス５Ａに入力した場合、その最初のボールＳＡＷデバイス５Ａからの出力信号を検出する検出時刻前に、高周波バースト信号の入力先を他のボールＳＡＷデバイス５Ｂ〜５Ｎに順次切り替え、最初の検出時刻以後、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａから最後のボールＳＡＷデバイス５Ｎまでの応答特性の出力信号を順次検出する。それゆえ、弾性波測定装置１０によれば、単一の設定周波数発生装置１１からの高周波信号が入力される複数のボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎの応答特性を測定する場合、一つのボールＳＡＷデバイスの応答特性を測定してから他のボールＳＡＷデバイスの応答特性を測定するものに比較して、高速に測定することができる。【００９７】
以下、具体例を挙げて説明する。【００９８】
前提として、ボールＳＡＷデバイスの直径は１ｍｍであり、送信スイッチ装置１３の切り替えタイミングは１μｓであるとする。そして、測定データを１つ得るのに２５６回分の測定データを平均化するものとする。また、前回の周回の影響を受けないように、1回の測定毎に１ｍｓ待機する。【００９９】
このような条件の下、ボールＳＡＷデバイスの伝播経路を１００周回した弾性表面波の出力信号を測定する。【０１００】
直径１ｍｍのボールＳＡＷデバイスにおいて、弾性表面波が伝播経路を１周するには１μｓの時間がかかる。ここで、送信スイッチ装置１３が入力先を１μｓ毎に切り替えると、前回励起された弾性表面波の周回の影響が無くなる時間である１ｍｓを待機する間に、１０００個のボールＳＡＷデバイスに切り替えることが可能となる。それゆえ、２５６回の測定データの平均値を求める場合、１ｍｓ／回×２５６回＝２５６ｍｓとなり、１スキャンに要する時間が２５６ｍｓとなる。【０１０１】
一方、従来方式の一般的な弾性波測定装置１０Ｓは、図４に示すような構成を備えている。図４において、図１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。このような弾性波測定装置１０Ｓでは、一つのボールＳＡＷデバイス５Ａに高周波バースト信号を入力した後、そのボールＳＡＷデバイス５Ａからの出力信号が得られるまでは、他のボールＳＡＷデバイス５Ｂ〜５Ｎへは高周波バースト信号を入力しない。それゆえ、設定周波数発生装置１１が単一のものである場合、１個のボールＳＡＷデバイスの測定データを１つ得るだけで２５６ｍｓの時間を要することになる。【０１０２】
比較すると、本実施形態に係る弾性波測定装置１０によれば、同じ２５６ｍｓの時間で、１０００個のボールＳＡＷデバイスからそれぞれ１つずつ測定データを得ることができる。換言すれば、１０００個のボールＳＡＷデバイスのそれぞれから1つずつ測定データを得る場合、従来方式の弾性波測定装置１０Ｓに比して、全体として、１０００分の１の速さで測定できる。【０１０３】
つまり、弾性表面波の伝播速度を計測する方法として、バースト状の出力信号が所定の閾値を超える時刻を測定する方法に従ったり、ウエーブレット変換などを用いて出力波形の時間軸における位置の僅かな変化を算出して遅延時間を直接求める方法を採用したりする事が出来る。【０１０４】
なお、弾性表面波の測定に際し、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎに励起された弾性表面波の基準時間に対する遅延時間を測定してもよい。その遅延時間からボールＳＡＷデバイス表面に付着した物質の量の変化や温度変化を求めることができる。【０１０５】
また、弾性波測定装置１０は、最初のボールＳＡＷデバイス５Ａから最後のボールＳＡＷデバイス５Ｎまでの高周波信号の入力を、予め設定された平均化回数繰り返して実行し、それらの各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからの出力信号を平均化する。それゆえ、ランダムなノイズは打ち消され、高精度な弾性波測定装置１０を提供できる。【０１０６】
また、本実施形態に係るボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎは、圧電性物質が球状に形成され、励起される弾性表面波の周回経路を有するので、弾性表面波の伝播距離を長くすることができる。それゆえ、弾性波測定装置１０は、高精度な測定が可能である。【０１０７】
なお、本実施形態に係るボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎは、圧電性物質が円筒面を有し、その円筒面に励起される弾性表面波が周回する周回経路を含むものであってもよい。この場合でも、弾性表面波の伝播距離を長くすることができるので、弾性波測定装置１０は高精度な測定が可能である。【０１０８】
また、本実施形態に係る弾性波測定装置１０は、弾性表面波が周回経路を１周する周回時間よりも短くなるように、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎへ高周波信号を入力するので、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎから時間分離された出力信号を得ることができる。【０１０９】
また、本実施形態に係る弾性波測定装置１０は、ＡＤコンバータ１５により、ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎからの出力信号がアナログ信号である場合、そのアナログ信号をデジタル信号に変換してから検出するので、データの演算等を容易に行なうことができる。【０１１０】
なお、本実施形態においては、送信スイッチ装置１３は、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎへの高周波信号の入力先を一定の時間間隔で切り替えるとしてもよい。これにより、効率の良い切り替え処理を実行することができる。【０１１１】
ただし、入力先を一定の時間間隔で切り替えると、各ボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎへの高周波バースト信号の入力先を切り替える時刻と、それらのボールＳＡＷデバイス５Ａ〜５Ｎのいずれかからの出力信号が検出される時刻とが一致する場合が生じる。このような場合には、送信スイッチ装置１３は、高周波バースト信号の入力を待機する。これにより、入力信号の影響により出力信号が検出されなくなることを回避できるので、高精度に出力信号を検出することができる。【０１１２】
＜実施例１＞  多種類ガスセンサー(ガス検知器)
本実施形態に係る弾性波測定装置１０は、多種類ガスセンサーとして利用することができる。【０１１３】
弾性波測定装置１０を多種類ガスセンサーとして利用する場合、ボールＳＡＷデバイスの周回経路の表面にガスと吸着する吸着物質を塗布して感応膜を形成する。ここで、複数種類のガスが吸着する感応膜ではガスの特定ができないので、１つの感応膜においては１種類のガスしか吸着しないようにする。そのため、複数種類のガスを検知するためには、検知するガスの種類の数、あるいはそれより多くの種類の感応膜を用意する必要がある。【０１１４】
また、ボールＳＡＷデバイスは温度依存性が強いので、温度校正用に感応膜を有していないボールＳＡＷデバイスを用意しておく必要がある。例えば、検知するガスが９種類とすると、ボールＳＡＷデバイスは温度校正用のものを入れて１０個必要になる。【０１１５】
ここでは、ボールＳＡＷデバイスとして、直径が１ｍｍの水晶を用いる。また、入力信号は１５０ＭＨｚのバースト信号、バースト長は０．８μｓ、平均化回数は２５６回、測定周回数は１００周目とし、検波するのに周波数を変換するヘテロダイン検波方式を採用する。なお、ボールＳＡＷデバイスを周回する弾性表面波の周回が収まるのに１ｍｓを要する。また、ボールＳＡＷデバイスを２次元的または３次元的に配列するものとする。【０１１６】
このようなボールＳＡＷデバイスに対して、従来方式の弾性波測定装置１０Ｓでは、前回の周回の影響がなくなるのを待ってから測定するため、１回の測定毎に１ｍｓ待機することになる。また、測定データを１つ得るのに２５６回の測定データを平均化する。すなわち、１個のボールＳＡＷデバイスについて、平均化した測定データを１つ得るのに、１ｍｓ×２５６＝０．２５６ｓの時間を要することになる。それゆえ、１０個のボールＳＡＷデバイスの測定データを得るには、０．２５６ｓ／個×１０個＝２．５６ｓかかることになる。このため、従来方式の弾性波測定装置１０Ｓでは、各ボールＳＡＷデバイスにおいて、２．５６ｓ以下の変化は観測不能である。【０１１７】
一方、本実施例の弾性波測定装置１０においては、送信スイッチ装置１３が１００μｓのタイミングで入力先を切り替える。それゆえ、弾性波測定装置１０は、弾性表面波の影響がなくなるまでの１ｍｓの間に、１０個のボールＳＡＷデバイスに入力信号を入力できる。また、１００周目の周回信号が観測されるので、１０個のボールＳＡＷデバイスのそれぞれについて１つの測定データを得るのには、１００μｓ×１０＝１ｍｓの時間がかかる。よって、１０個のボールＳＡＷデバイスのそれぞれについて、２５６回の測定で平均化したデータを得るためには、１ｍｓ×２５６＝０．２５６ｓかかることになる。この結果、１個のボールＳＡＷデバイスに着目した場合、０．２５６ｓ以下の変化に対しては観測不能であるが、従来方式の弾性波測定装置１０Ｓに比べると１０倍の時間分解能があることになる。【０１１８】
この点は、ボールＳＡＷデバイスを多種類ガスセンサーとして利用する際の重要な相違となる。すなわち、検知対象９種類中３種類のガスがボールＳＡＷデバイスのところに流れてきて１秒以内になくなったことを想定すると、従来方式の弾性波測定装置１０Ｓを用いたガスセンサーでは、１秒÷０．２５６秒≒３．９回となることから、多くても、３個のボールＳＡＷデバイスのそれぞれから測定データが1つ得られるだけである。測定データが1つしか得られないとすれば、その測定データ自身がノイズであるか否かの判別すら難しく、ガスセンサーとしての使用に耐え得ない。【０１１９】
これに対し、本実施に係る弾性波測定装置１０によれば、１秒÷０．２５６秒≒３．９回の測定を１０個のボールＳＡＷデバイスに対して行う事が出来るのであるから、３個のボールＳＡＷデバイスのそれぞれから測定データが３〜４点ずつ得られる。そのため、従来方式の弾性波測定装置１０Ｓを用いたガスセンサーに比して、信頼性が高いものとなる。【０１２０】
なお、同じ感応膜を有するボールＳＡＷデバイスを２個ずつ備え、合計１９個になった場合、反応の時間差により、ガスの流れてきた方向を検知することができる。この場合の送信スイッチ装置１３の切り替えタイミングは、５３μｓが妥当である。同じ感応膜を備えたボールＳＡＷデバイスの数が増えれば増えるほど、ガスの流れる方向を把握しやすくなる。【０１２１】
＜実施例２＞  リモート水素センサー
本実施形態に係る弾性波測定装置１０は、リモート水素センサーとして利用することができる。図５は本実施例に係るリモート水素センサーの構成を示す模式図である。【０１２２】
本実施例では、前提として、水素製造装置５０が設置された無人の部屋があり、その水素製造装置５０には水素漏れの生じるおそれのある箇所が１００箇所あるとする。そこで、水素漏れの生じるおそれのある箇所に、水素検知用の感応膜付きのボールＳＡＷデバイス５Ｘを１００個と、それらの温度較正用のボールＳＡＷデバイス５Ｙを１００個との合計２００個を配置する。なお、ボールＳＡＷデバイスの圧電性物質は、直径が１ｍｍのものである。【０１２３】
また、本実施例においては、水素漏れが生じているか否かを遠隔地から検知する。そのために、弾性波測定装置１０がＷｅｂサーバとなり、インターネットを介してクライアント端末６０にデータを送信する。各ボールＳＡＷデバイスと弾性波測定装置１０とは、有線もしくは無線により接続される。弾性波測定装置１０の制御装置２１には、ボールＳＡＷデバイスから測定データが常時送られる。制御装置２１は、その測定データをグラフ化し、クライアント端末６０に送信する。さらに、制御装置２１は、水素漏れを検知した場合、アラート信号を出力する。【０１２４】
ここで、監視対象の部屋は合計２００個の直径１ｍｍのボールＳＡＷデバイスが設置されているので、送信スイッチ装置１３の切り替えタイミングを１ｍｓ／２００＝５μｓとし、バースト長を０．８μｓに設定することにより、１ｍｓの間に２００個のボールＳＡＷデバイスの測定データを得ることができる。それゆえ、測定対象の周回数が１００周目で、平均化回数が６４回とすると、平均化された測定データを１つ得るのに要する時間は、１ｍｓ×６４＝６４ｍｓとなる。【０１２５】
すなわち、本実施例のリモート水素センサーによれば、６４ｍｓ毎にボールＳＡＷデバイスを切り替えており、ほぼリアルタイムに水素製造装置５０全体を監視することができる。【０１２６】
以下、リモート水素センサーの動作について補足する。水素を検知する為の感応膜はパラジウムとニッケルの合金を使用する事が出来る事が公知である。水素製造装置５０にリモート水素センサーが設置された状態で、例えば５１番目のボールＳＡＷデバイス付近から水素が漏れたと想定する。ここで、感応膜は水素を吸着すると硬くなり音速を早くする性質があるので、その箇所に設置された感応膜付きのボールＳＡＷデバイス５Ｘからの出力信号は、速度の速くなった弾性表面波の波形を示す。また、弾性表面波のエネルギーを感応膜が吸収する事によって起こる弾性表面波の減衰が大きくなる現象を、強度の低下から観測することが出来る。それゆえ、感応膜付きのボールＳＡＷデバイス５Ｘからの出力信号は、水素濃度に応じて変化が大きくなり、水素が漏れていると判断ができるようになる。なお、感応膜のない温度較正用のボールＳＡＷデバイス５Ｙからの出力信号においては、温度に対する変化以外の変化はない。【０１２７】
また、水素は徐々に周りに広がっていき、５１番目のボールＳＡＷデバイスのとなりに設置された５０番目・５２番目のボールＳＡＷデバイスの近辺にも漂っていく。そして、５０番目及び５２番目のボールＳＡＷデバイスも５１番目のボールＳＡＷデバイスと同様に反応をする。この際、水素の濃度に依存して弾性表面波の音速と強度とが変化するので、それぞれのボールＳＡＷデバイスにおいて時間的変化率が異なる。【０１２８】
さらに、ボールＳＡＷデバイスを３次元的に配置すると、水素濃度に応じて音速と強度とが異なるので、どの部分で水素漏れが発生し、どのようにガスが広がっていくかを観測できる。また、水素の漏れた箇所も特定できるので、水素製造装置を修理する際に迅速な対応ができる。【０１２９】
また、弾性表面波測定装置はインターネットに接続されているので、遠隔地から、この部屋を監視することが可能であり、水素漏れの確認を安全に行なうことができる。なお、制御装置２１は、インターネットにつながっており、同じ建物内だけでなく、遠隔地においてもインターネット経由で情報の閲覧ができるようになっている。【０１３０】
なお、本発明における複数の弾性波素子は、弾性表面波が伝播する基材が、必ずしも別個に形成されていなくても良く、また、弾性表面波が周回して伝播する表面が必ずしも分離されている必要もない。相互の弾性波素子や弾性表面波素子において、互いに独立して弾性波あるいは弾性表面波を励起できればよく、伝播媒体である基材や基板を共通している弾性波素子や弾性表面波素子も複数の弾性波素子としてみなして良い事は本発明の主旨から明白である。【０１３１】
例えば、球形弾性表面波素子においては、圧電性結晶基材としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）など、単一の球形基材に、１０本程度の複数の弾性表面波の周回経路を形成できることが知られているが、このような単一の球形基材表面の各周回経路上に独立した櫛型電極を形成して複数の球形弾性表面波素子と同じ機能を単一の機材上に形成できることがしられており、本発明はこのような球状弾性表面波素子への適用も除外するものではない。【０１３２】
＜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。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明によれば、単一の高周波信号発生手段からの高周波信号が入力される複数の弾性波素子の応答特性を高速に測定できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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