(57)【要約】【課題】  弾性表面波素子の大型化を招くこと無く、測定精度を向上させる。【解決手段】  高周波バースト信号を、弾性表面波ＳＡＷが１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的にすだれ状電極３２に印加し、弾性表面波ＳＡＷが１周した後に印加される高周波バースト信号により、弾性表面波ＳＡＷの振幅を増大させる。これにより、弾性表面波ＳＡＷの周回による減衰を抑制でき、より長期間にわたって弾性表面波ＳＡＷを周回させた後の周回受信信号を計測できるようになるので、測定精度を向上させることができる。また、平板状の弾性表面波素子を用いず、球状弾性表面波素子を用いて実現できることから、素子の大型化を招くことが無い。また、小型で且つ高性能高機能の無給電無線素子を提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、
高周波バースト信号の印加により、前記３次元基体の表面に弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波を受信して周回受信信号を励起し出力可能な電気音響変換手段とを備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法であって、
前記電気音響変換手段を駆動するための高周波バースト信号を発生する工程と、
前記発生した高周波バースト信号を、前記弾性表面波が１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的あるいは断続的に電気音響変換手段に印加する工程と、
前記弾性表面波が１周した後に印加される高周波バースト信号により、当該弾性表面波の振幅を増大させる工程と、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、
前記弾性表面波の振幅を増大させる工程は、
前記電気音響変換手段に印加される高周波バースト信号の位相と、前記電気音響変換手段に励起される周回受信信号の位相とを一致させる工程、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、
前記高周波バースト信号としては、広帯域の高周波信号又は互いに異なる周波数成分を含む高周波信号を用いており、
前記弾性表面波の振幅を増大させる工程の後に、前記電気音響変換手段から出力された周回受信信号の周波数特性を計測する工程と、
前記計測した周波数特性に基づいて、前記弾性表面波の伝搬速度を検出する工程と、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、
複数回印加する高周波バースト信号の信号間の位相差をシフトさせる工程と、
前記位相差に応じて周回受信信号の強度の変化を得る工程と、
得られた強度の変化に基づいて、前記弾性表面波の伝搬速度を検出する工程と、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項５】
弾性表面波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、
高周波バースト信号の印加により、前記３次元基体の表面に弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波を受信して周回受信信号を励起し出力可能な電気音響変換手段とを備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法であって、
前記電気音響変換手段を駆動するための高周波バースト信号を発生する工程と、
前記発生した高周波バースト信号を電磁波として送信する工程と、
前記電磁波を受信して得られた高周波バースト信号を前記電気音響変換手段に印加し、前記円環状の表面を多重周回する弾性表面波を励起する工程と、
前記多重周回する弾性表面波を前記電気音響変換素子により、電気的な周回受信信号に変換し、この周回受信信号を電磁波として放射する工程と、
前記放射された電磁波を受信し、得られた周回受信信号を計測する工程と、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、
前記高周波バースト信号を発生する工程と、当該発生した高周波バースト信号を電気音響変換手段に印加する工程との間には、前記発生した高周波バースト信号を電磁波として送信し、この電磁波を受信して高周波バースト信号を得る工程とを備えており、
前記弾性表面波の振幅を増大させる工程の後には、前記電気音響変換手段から出力された周回受信信号を電磁波として送信し、この電磁波を受信して周回受信信号を得る工程とを備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、
前記球状弾性表面波素子は、前記電気音響変換手段に接続され、前記電磁波を送受信するための送受信アンテナを備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項８】
請求項６に記載の球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、
前記球状弾性表面波素子は、
弾性表面波を反射するための複数の電極部が前記３次元基材の表面に形成されてなる反射器と、
前記各電極部から出力される電気信号を電磁波として放射するための放射アンテナと、
前記放射アンテナと前記反射器の各電極との間を接続又は絶縁するための切換スイッチと、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の駆動測定方法。
【請求項９】
弾性表面波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、
高周波バースト信号の印加により、前記３次元基体の表面に弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波を受信して周回受信信号を出力可能な電気音響変換手段とを備えた球状表面弾性表面波素子に対し、
電磁波を受信して得られた高周波バースト信号を前記電気音響変換手段に印加し、前記電気音響変換手段から出力された周回受信信号を電磁波として送信する電磁波送受信手段と備えた球状表面弾性表面波素子の電磁波送受信システムであって、
前記球状弾性表面波素子を駆動するための高周波バースト信号を発生する手段と、
前記弾性表面波が１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的あるいは断続的に、前記高周波バースト信号を電磁波として前記電磁波送受信手段に送信する手段と、
前記電磁波送受信手段から電磁波を受信し、得られた周回受信信号を計測する手段と、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の電磁波送受信システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、
前記電気音響変換手段は、前記弾性表面波により励起される周回受信信号の位相と同じ位相で印加される高周波バースト信号により、当該弾性表面波の振幅を増大させることを特徴とする球状弾性表面波素子の電磁波送受信システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、
弾性表面波を反射するための複数の電極部が前記３次元基材の表面に形成されてなる反射器と、
前記各電極部から出力される電気信号を電磁波として放射するための放射アンテナと、
前記放射アンテナと前記反射器の各電極との間を接続又は絶縁するための切換スイッチと、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の電磁波送受信システム。
【請求項１２】
請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、
前記球状弾性表面波素子及び前記電磁波送受信手段を複数個設け、
各々の球状弾性表面波素子は互いに異なる周波数応答特性を有しており、
前記周回受信信号を計測する手段は、各々の球状弾性表面波素子から電磁波送受信手段を介して送信された電磁波を受信し、得られた周回受信信号の周波数成分に基づいて、各々の球状弾性表面波素子を区別する手段、を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の電磁波送受信システム。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、
前記高周波バースト信号を電磁波として前記電磁波送受信手段に送信する手段は、高周波バースト信号の周波数及び／又は高周波バースト信号間の位相差をシフトさせて電磁波を放射する機能を有し、
前記周回受信信号を計測する手段は、
前記電磁波送受信手段から受信した電磁波の強度が最大になる、前記高周波バースト信号の周波数及び／又は位相の条件に基づいて、前記弾性表面波の周回速度を検出する手段、
を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の電磁波送受信システム。
【請求項１４】
請求項９乃至請求項１３のいずれか１項に記載の球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、
前記周回受信信号を計測する手段は、この計測結果に基づいて得られた前記弾性表面波の周回速度に基づいて、前記３次元基材の表面状態を検知する手段を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の電磁波送受信システム。
【請求項１５】
請求項９乃至請求項１４のいずれか１項に記載の球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、
前記電気音響変換手段は、前記３次元基材上に形成された すだれ状電極を備えたことを特徴とする球状弾性表面波素子の電磁波送受信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状弾性表面波素子の駆動測定方法及び電磁波送受信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、平板部材ではなく、球状部材（あるいは少なくとも円環状部材）の表面に一対のすだれ状電極を備えた球状弾性表面波素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この種の球状弾性表面波素子は、球状部材自体、又は球状部材とすだれ状電極との部材が圧電性材料で形成されている。
【０００３】
このため、図１７に示すように、球状弾性表面波素子１０は、高周波信号発生部１から短時間の高周波電圧がスイッチ部２を介してすだれ状電極１１に供給されると、すだれ状電極１１のすだれ部に直交する方向に沿って弾性表面波（Surface Acoustic Wave）を球状部材１２の表面に放出すると、この弾性表面波ＳＡＷが球状部材１２の表面を周回する毎にすだれ状電極１１に受信されて高周波電圧の周回受信信号に変換される。周回受信信号は、スイッチ部２及びアンプ３を介して計測部４により計測される。
【０００４】
すなわち、球状弾性表面波素子１０は、圧電性材料により、すだれ状電極１１に供給された高周波電圧を弾性表面波ＳＡＷに変換する機能と、周回する毎にすだれ状電極１１に受信される弾性表面波ＳＡＷを高周波電圧に変換する機能とをもっている。
【０００５】
このような球状弾性表面波素子は、弾性表面波が表面付近にエネルギーを集中させて伝搬することにより、球状又は円環状表面の幾何学的な特徴から弾性表面波が拡散を抑制されて多重周回することを利用している。係る弾性表面波としては、球内部の表面に沿って伝搬する回廊波、レーリー波、あるいは、球表面が他の物質に被覆されていて被覆の境界を伝搬する境界波、のいずれであってもよい。このため、球状弾性表面波素子は、様々な形状のものが提案されている。また、球状弾性表面波素子は、球状部材の結晶軸に依存して決まる特定の表面位置にすだれ状電極をパターン形成するだけでも実現可能なため、安価に製造可能となっている。
【０００６】
球状弾性表面波素子の使用方法としては、図１８に示すように、すだれ状電極にインパルス信号や高周波バースト信号を励起信号Ｓ０として印加し、得られた弾性表面波を繰返し周回させた後、すだれ状電極から取り出された周回受信信号Ｓｎと、印加した励起信号Ｓｏとの位相差ｄＰを測定することにより、温度計や水素センサを構成可能なことが知られている。
【０００７】
例えば、この位相差の測定により、弾性表面波の周回速度を０．０５ｐｐｍの精度で測定可能なので、水晶の球状部材を用いて水晶のＺ軸シリンダー経路を周回するようにすだれ状電極を形成した場合、０．０１℃以上の精度を持った温度計を製造可能である。
【特許文献１】国際公開第ＷＯ  ０１／４５２５５号公報。
【非特許文献１】「第２４回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム講演論文集」、ＩＳＳＮ  １３４８−８２３６、２００３年１１月１２日発行。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、以上のような球状弾性表面波素子１０は、すだれ状電極の電極要素の繰り返し数やその長さを増やすには球表面であることから制限があり、励起あるいは電気信号に変換する効率が低いため、測定精度を低下させる可能性がある。
【０００９】
一方、図１９に示すように、平板状の圧電基板２１を用いた弾性表面波素子２０が知られている。この弾性表面波素子２０では、図示しない送信器から送信された電磁波としての高周波信号をアンテナ２２で受信し、得られた高周波信号をすだれ状電極２３に印加して弾性表面波ＳＡＷを発生させる。この弾性表面波ＳＡＷは、圧電基板２１の表面を伝搬して反射器２４で反射され、再びすだれ状電極２３に到達すると、高周波信号に変換されてアンテナ２２から電磁波として返信される。この電磁波は、図示しない受信器に受信されて解析される。
【００１０】
かかる弾性表面波素子２０は、素子上の伝搬経路、反射器２４の電極形状、又はそれらの電気的な結合状態により、弾性表面波ＳＡＷが影響を受けるという原理を用い、素子表面又はその周辺環境に応じた電気信号を応答可能となっている。この弾性表面波素子２０は、ＲＦ−ＩＤタグ（無線タグ）や温度計への応用が提案されているが、弾性表面波ＳＡＷの伝搬距離が短いことから測定精度を向上させにくく、また、伝搬距離を長くすると大型化を招く不都合がある。
【００１１】
また、図１９に示す従来の平面型弾性表面波素子を無線無給電素子として使用する場合には、例えばすだれ状電極２３を挟んだ位置にもう一つ反射器を形成した構成とし、弾性表面波（ＳＡＷ）に多重反射を繰り返させて、高精度測定を実現することも可能である。しかしながら、そのような構成にすると、反射器の電極の本数を増やす必要が生じて、さらに素子を大型化してしまい、周波数によっては１ｃｍを超える長さが必要にある場合もある。
【００１２】
また、図１９に図示しないが、反射器２４とは反対側にも弾性表面波（ＳＡＷ）を励起するが、素子の端面で反射して再びすだれ状電極２３に到達して雑音にならないために、吸収体を形成したり、すだれ状電極２３自体を一方向性すだれ状電極とする必要がある。しかし、弾性表面波を完全に吸収することは難しく、また、一方向性すだれ状電極を形成する工程は、複雑でコストがかさみ、工業的に不利である。
【００１３】
本発明は上記実情を考慮してなされたもので、大型化を招くこと無く、測定精度を向上し得る球状弾性表面波素子の駆動測定方法及び電磁波送受信システムを提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、電磁波を用いて非接触で駆動し得る球状弾性表面波素子の駆動測定方法及び電磁波送受信システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に対応する発明は、弾性表面波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、高周波バースト信号の印加により、前記３次元基体の表面に弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波を受信して周回受信信号を励起し出力可能な電気音響変換手段とを備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法であって、前記電気音響変換手段を駆動するための高周波バースト信号を発生する工程と、前記発生した高周波バースト信号を、前記弾性表面波が１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的あるいは断続的に電気音響変換手段に印加する工程と、前記弾性表面波が１周した後に印加される高周波バースト信号により、当該弾性表面波の振幅を増大させる工程と、を備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００１６】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、前記弾性表面波の振幅を増大させる工程としては、前記電気音響変換手段に印加される高周波バースト信号の位相と、前記電気音響変換手段に励起される周回受信信号の位相とを一致させる工程、を備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００１７】
請求項３に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、  前記高周波バースト信号としては、広帯域の高周波信号又は互いに異なる周波数成分を含む高周波信号を用いており、前記弾性表面波の振幅を増大させる工程の後に、前記電気音響変換手段から出力された周回受信信号の周波数特性を計測する工程と、前記計測した周波数特性に基づいて、前記弾性表面波の伝搬速度を検出する工程と、を備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００１８】
請求項４に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、複数回印加する高周波バースト信号の信号間の位相差をシフトさせる工程と、前記位相差に応じて周回受信信号の強度の変化を得る工程と、得られた強度の変化に基づいて、前記弾性表面波の伝搬速度を検出する工程と、を備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００１９】
請求項５に対応する発明は、弾性表面波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、高周波バースト信号の印加により、前記３次元基体の表面に弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波を受信して周回受信信号を励起し出力可能な電気音響変換手段とを備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法であって、前記電気音響変換手段を駆動するための高周波バースト信号を発生する工程と、前記発生した高周波バースト信号を電磁波として送信する工程と、前記電磁波を受信して得られた高周波バースト信号を前記電気音響変換手段に印加し、前記円環状の表面を多重周回する弾性表面波を励起する工程と、前記多重周回する弾性表面波を前記電気音響変換素子により、電気的な周回受信信号に変換し、この周回受信信号を電磁波として放射する工程と、前記放射された電磁波を受信し、得られた周回受信信号を計測する工程と、を備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００２０】
請求項６に対応する発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に対応する球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、前記高周波バースト信号を発生する工程と、当該発生した高周波バースト信号を電気音響変換手段に印加する工程との間には、前記発生した高周波バースト信号を電磁波として送信し、この電磁波を受信して高周波バースト信号を得る工程とを備えており、前記弾性表面波の振幅を増大させる工程の後には、前記電気音響変換手段から出力された周回受信信号を電磁波として送信し、この電磁波を受信して周回受信信号を得る工程とを備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００２１】
請求項７に対応する発明は、請求項６に対応する球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、前記球状弾性表面波素子としては、前記電気音響変換手段に接続され、前記電磁波を送受信するための送受信アンテナを備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００２２】
請求項８に対応する発明は、請求項６に対応する球状弾性表面波素子の駆動測定方法において、前記球状弾性表面波素子としては、弾性表面波を反射するための複数の電極部が前記３次元基材の表面に形成されてなる反射器と、前記各電極部から出力される電気信号を電磁波として放射するための放射アンテナと、前記放射アンテナと前記反射器の各電極との間を接続又は絶縁するための切換スイッチと、を備えた球状弾性表面波素子の駆動測定方法である。
【００２３】
請求項９に対応する発明は、弾性表面波を伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体と、高周波バースト信号の印加により、前記３次元基体の表面に弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波を受信して周回受信信号を出力可能な電気音響変換手段とを備えた球状表面弾性表面波素子に対し、電磁波を受信して得られた高周波バースト信号を前記電気音響変換手段に印加し、前記電気音響変換手段から出力された周回受信信号を電磁波として送信する電磁波送受信手段と備えた球状表面弾性表面波素子の電磁波送受信システムであって、前記球状弾性表面波素子を駆動するための高周波バースト信号を発生する手段と、前記弾性表面波が１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的あるいは断続的に、前記高周波バースト信号を電磁波として前記電磁波送受信手段に送信する手段と、前記電磁波送受信手段から電磁波を受信し、得られた周回受信信号を計測する手段と、を備えた球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムである。
【００２４】
請求項１０に対応する発明は、請求項９に対応する球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、前記電気音響変換手段としては、前記弾性表面波により励起される周回受信信号の位相と同じ位相で印加される高周波バースト信号により、当該弾性表面波の振幅を増大させる球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムである。
【００２５】
請求項１１に対応する発明は、請求項１０に対応する球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、弾性表面波を反射するための複数の電極部が前記３次元基材の表面に形成されてなる反射器と、前記各電極部から出力される電気信号を電磁波として放射するための放射アンテナと、前記放射アンテナと前記反射器の各電極との間を接続又は絶縁するための切換スイッチと、を備えた球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムである。
【００２６】
請求項１２に対応する発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に対応する球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、前記球状弾性表面波素子及び前記電磁波送受信手段を複数個設け、各々の球状弾性表面波素子は互いに異なる周波数応答特性を有しており、前記周回受信信号を計測する手段としては、各々の球状弾性表面波素子から電磁波送受信手段を介して送信された電磁波を受信し、得られた周回受信信号の周波数成分に基づいて、各々の球状弾性表面波素子を区別する手段、を備えた球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムである。
【００２７】
請求項１３に対応する発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に対応する球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、前記高周波バースト信号を電磁波として前記電磁波送受信手段に送信する手段は、高周波バースト信号の周波数及び／又は高周波バースト信号間の位相差をシフトさせて電磁波を放射する機能を有し、前記周回受信信号を計測する手段としては、前記電磁波送受信手段から受信した電磁波の強度が最大になる、前記高周波バースト信号の周波数及び／又は位相の条件に基づいて、前記弾性表面波の周回速度を検出する手段、を備えた球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムである。
【００２８】
請求項１４に対応する発明は、請求項９乃至請求項１３のいずれか１項に対応する球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、前記周回受信信号を計測する手段としては、この計測結果に基づいて得られた前記弾性表面波の周回速度に基づいて、前記３次元基材の表面状態を検知する手段を備えた球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムである。
【００２９】
請求項１５に対応する発明は、請求項９乃至請求項１４のいずれか１項に対応する球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムにおいて、前記電気音響変換手段としては、前記３次元基材上に形成された すだれ状電極を備えた球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムである。
【００３０】
（用語）
ここで、本発明において「弾性表面波」と表記している波は、疑似弾性表面波やあるいは回廊波やＳＨ波等の、表面近傍に弾性エネルギーを集中させて伝搬する弾性波全般を包含し、さらに球表面に他の物質が形成されることによって伝搬する弾性境界波も包含する。同様に、本発明においては、球形の境界を持つ弾性表面波素子も球形の表面あるいは境界を弾性表面波が多重周回伝搬する現象に基づいた素子であれば、球状弾性表面波素子と呼ぶこととする。
【００３１】
また、本発明で使用する弾性表面波素子に発生される弾性表面波の波長は、球表面の曲率半径の１／５以下であることが望ましく、より好ましくは１／１０以下である。さらに、すだれ状電極における弾性表面波を励起する実効的な長さ（電極の重なり幅）は、球表面の曲率半径の１．５分の１であることが望ましい。これら、弾性表面波の波長の条件やすだれ状電極の実効長の条件を満たさないと、特に圧電結晶を球状部材に用いる素子の場合は効率良く弾性表面波を励起できず、また、球表面全体に弾性表面波が広がり素子自体の固定が困難になるためである。
【００３２】
（作用）
従って、請求項１に対応する発明は以上のような手段を講じたことにより、高周波バースト信号を、弾性表面波が１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的あるいは断続的に電気音響変換手段に印加し、弾性表面波が１周した後に印加される高周波バースト信号により、弾性表面波の振幅を増大させる。
【００３３】
これにより、弾性表面波の周回による減衰を抑制でき、より長期間にわたって弾性表面波を周回させた後の周回受信信号を計測できるようになるので、測定精度を向上させることができる。また、平板状の弾性表面波素子を用いず、球状弾性表面波素子を用いて実現できることから、素子の大型化を招くことが無い。
【００３４】
請求項２に対応する発明は、弾性表面波の振幅を増大させる際に、印加される高周波バースト信号の位相と、受信される弾性表面波により励起される周回受信信号の位相とを一致させるので、請求項１に対応する作用に加え、効率良く弾性表面波の振幅を増大させることができる。
【００３５】
請求項３に対応する発明は、高周波バースト信号としては広帯域の高周波信号又は互いに異なる周波数成分を含む高周波信号を用いており、また、弾性表面波の振幅を増大させる工程の後に、周回受信信号の周波数特性を計測し、計測した周波数特性に基づいて、弾性表面波の伝搬速度を検出するので、請求項１，２に対応する作用に加え、素子毎に周波数応答特性が異なる場合でも、高周波バースト信号の周波数を調整することなく、伝搬速度を測定することができる。
【００３６】
請求項４に対応する発明は、複数回印加する高周波バースト信号の信号間の位相差をシフトさせ、位相差に応じて強度の変化を得ると、この強度の変化に基づいて、弾性表面波の伝搬速度を検出するので、請求項３に対応する作用に加え、強度が高くなったときに検出を行なうことにより、測定精度の向上を図ることができる。
【００３７】
請求項５に対応する発明は、発生した高周波バースト信号を電磁波として送信し、この電磁波を受信して高周波バースト信号を得る一方、周回受信信号を電磁波として送信し、この電磁波を受信して周回受信信号を得るので、電磁波を用いて非接触で球状弾性表面波素子を駆動することができる。
【００３８】
請求項６に対応する発明は、請求項１〜４の作用に加え、請求項５と同様に電磁波を用いて非接触で球状弾性表面波素子を駆動することができる。
【００３９】
請求項７に対応する発明は、球状弾性表面波素子としては、電気音響変換手段に接続され、電磁波を送受信するための送受信アンテナを備えたので、請求項６に対応する作用に加え、送受信の構成を簡素化することができる。
【００４０】
請求項８に対応する発明は、切換スイッチが反射器を接続又は絶縁することにより、請求項６に対応する作用に加え、周回受信信号に含まれる特定周波数の周波数成分を維持又は削減できるので、削減させる周波数成分に応じた情報を送信することができる。
【００４１】
請求項９に対応する発明は、弾性表面波が１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的あるいは断続的に、高周波バースト信号を電磁波として送信する。
【００４２】
このため、弾性表面波が１周した後に印加される高周波バースト信号により、弾性表面波の振幅を増大して周回による減衰を抑制でき、より長期間にわたって弾性表面波を周回させた後の周回受信信号を計測できるようになるので、測定精度を向上させることができる。また、平板状の弾性表面波素子を用いず、球状弾性表面波素子を用いて実現できることから、素子の大型化を招くことが無い。さらに、弾性表面波の振幅を増大して周回による減衰を抑制できることから、電磁波を用いて非接触で球状弾性表面波素子を駆動することができる。
【００４３】
請求項１０に対応する発明は、電気音響変換手段としては、弾性表面波により励起される周回受信信号の位相と同じ位相で印加される高周波バースト信号により、弾性表面波の振幅を増大させるので、請求項９に対応する作用と同様の作用を奏することができる。
【００４４】
請求項１１に対応する発明は、切換スイッチが反射器を接続又は絶縁することにより、請求項９に対応する作用に加え、周回受信信号に含まれる特定周波数の周波数成分を維持又は削減できるので、削減させる周波数成分に応じた情報を送信することができる。
【００４５】
請求項１２に対応する発明は、各々の球状弾性表面波素子から電磁波送受信手段を介して送信された電磁波を受信し、得られた周回受信信号の周波数成分に基づいて、各々の球状弾性表面波素子を区別するので、請求項９〜１１に対応する作用に加え、複数の球状弾性表面波素子から周回受信信号を受けた場合でも、各素子を区別して円滑に測定を行なうことができる。
【００４６】
請求項１３に対応する発明は、送信する手段が、高周波バースト信号の周波数及び／又は高周波バースト信号間の位相差をシフトさせて電磁波を放射する機能を有し、計測する手段が、電磁波の強度が最大になる周波数及び／又は位相の条件に基づいて、弾性表面波の周回速度を検出するので、請求項９〜１１に対応する作用に加え、電磁波の強度が最大のときに検出を行なうことから、測定精度の向上を図ることができる。
【００４７】
請求項１４に対応する発明は、周回受信信号を計測する手段が、計測結果に基づいて得られた弾性表面波の周回速度に基づいて、３次元基材の表面状態を検知するので、請求項９〜１３に対応する作用に加え、３次元基材表面の反応膜又は付着物の特性を測定することができる。
【００４８】
請求項１５に対応する発明は、電気音響変換手段が、３次元基材上に形成された すだれ状電極を備えたので、請求項９〜１４に対応する作用に加え、電極パターンの寸法に応じて、周波数特性を容易に設定することができる。
【発明の効果】
【００４９】
以上説明したように本発明によれば、球状表面弾性波素子に大きな強度の弾性表面波を励起でき、且つ十分な強度で出力を受けることが可能であり、大型化を招くこと無く、測定精度を向上できる球状弾性表面波素子の駆動測定方法及び電磁波送受信システムを提供できる。また、電磁波を用いて非接触で駆動できる球状弾性表面波素子の駆動測定方法及び電磁波送受信システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
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。  
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る球状弾性表面波素子の駆動測定装置の構成を示す模式図である。この駆動測定装置は、球状弾性表面波素子３０を用いるもので、高周波信号発生部４０、切換部５０、アンプ６０及び計測部７０を備えている。
【００５１】
ここで、球状弾性表面波素子３０は球状部材３１及びすだれ状電極３２を備えている。
【００５２】
球状部材３１は、弾性表面波ＳＡＷを伝搬可能な曲面が連続した円環状の表面を有する３次元基体であり、表面の一部にすだれ状電極３２が形成されている。
【００５３】
すだれ状電極３２は、高周波バースト信号の印加により、球状部材３１の表面に弾性表面波ＳＡＷを励起し表面に沿い弾性表面波ＳＡＷを伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波ＳＡＷを受信して周回受信信号を励起し出力可能な電気音響変換手段である。なお、すだれ状電極３２は、電極パターンの寸法に応じて、励起する弾性周波数や周回受信信号の周波数特性を容易に設定可能となっている。
【００５４】
高周波信号発生部４０は、すだれ状電極３２を駆動するための高周波バースト信号を発生する機能と、発生した高周波バースト信号を、弾性表面波ＳＡＷが１周する周回周期Ｔｃよりも長い時間Ｔにわたって連続的あるいは断続的にすだれ状電極３２に印加する機能とをもっている。但し、本実施形態では「連続的に印加する」ものとする。
【００５５】
なお、「周回周期Ｔｃ（の１倍）より長い時間Ｔにわたって印加する」とは、連続波を印加してもよいし、断続波を印加しても良いが、励起されて１回以上周回した弾性表面波がすだれ状電極３２を通過する際に高周波が印加されなくてはならない。
【００５６】
これは、弾性表面波ＳＡＷが１周した後に印加される高周波バースト信号により、弾性表面波ＳＡＷの振幅が増大されるからである。この増幅の際には、すだれ状電極３２に印加される高周波バースト信号の位相と、すだれ状電極３２に励起される周回受信信号の位相とを一致させることが好ましい。高周波バースト信号を連続的に印加する場合、周回受信信号の位相と一致させる観点から、高周波バースト信号の各パルスの周期を、周回周期Ｔｃの整数分の１に設定することが好ましい。なお、周回周期Ｔｃは、高周波バースト信号の各パルスの周期の２０倍以上であることが好ましい。なお、周回周期Ｔｃは、切ってから観測するのも良いし、共振する遅延時間を探すことで周回周期を測定してもよい。
【００５７】
切換部５０は、球状弾性表面波素子３０のすだれ状電極３２に対し、高周波信号発生部４０又はアンプ６０を切換えて接続するものである。
【００５８】
アンプ６０は、切換部５０から受けた周回受信信号を増幅して計測部７０に出力するものである。
【００５９】
計測部７０は、アンプ６０から受けた周回受信信号を計測する機能と、計測された周回受信信号と、印加された高周波バースト信号との間の位相差を得る機能と、得られた位相差に弾性表面波ＳＡＷの周期を乗じて弾性表面波ＳＡＷの伝搬速度の差異を検出する機能とをもっている。また、計測部７０は、計測結果に基づいて得られた弾性表面波の周回速度に基づいて、球状部材３１の表面状態を検知することも可能であり、例えば球状部材３１表面の反応膜又は付着物の特性（例、反応の程度など）を測定可能である。
【００６０】
次に、以上のように構成された球状弾性表面波素子の駆動方法について説明する。  
始めに、切換部５０は、球状弾性表面波素子３０のすだれ状電極３２と、高周波信号発生部４０とを接続している。
【００６１】
高周波信号発生部４０は、すだれ状電極３２を駆動するための高周波バースト信号を発生し、この高周波バースト信号を、弾性表面波ＳＡＷが１周する周回周期Ｔｃよりも長い時間Ｔにわたって連続的にすだれ状電極３２に印加する。
【００６２】
すだれ状電極３２は、高周波バースト信号の印加により、球状部材３１の表面に弾性表面波ＳＡＷを励起し表面に沿い弾性表面波ＳＡＷを伝搬させると共に、当該伝搬した弾性表面波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ＳＡＷは、周回周期Ｔｃ毎に、すだれ状電極３２を通過しながら球状部材３１の表面を周回する。
【００６３】
所定時間の経過後、切換部５０は、球状弾性表面波素子３０のすだれ状電極３２と、アンプ６０を接続する。
【００６４】
すだれ状電極３２は、励起した周回受信信号を切換部５０に出力し、切換部５０は、この周回受信信号をアンプ６０に入力する。アンプ６０は、この周回受信信号を増幅して計測部７０に出力する。
【００６５】
計測部７０は、周回受信信号を計測する、以上の操作を高周波バースト信号の周波数を変えて行ない、出力が極大になる周波数、あるいは極小になる周波数等から、球状部材３１の表面を伝搬する弾性表面波の共振周波数やそれらの周波数の値同士の間隔などの特徴的パラメーターを求めることによって、弾性表面波の周回速度の情報を得ることができる。
【００６６】
次に、以上のような駆動方法において、印加される高周波バースト信号と、計測される周回受信信号との関係を述べる。始めに、図２（ａ）〜（ｂ）に、高周波インパルス信号をすだれ状電極３２に印加した時の周回受信信号とその拡大波形の例を示す。この例では、すだれ状電極３２の電極周期は７１μｍであり、中心周波数は４５ＭＨｚに設計した。また、すだれ状電極３２の電極の重なり幅は約１．１ｍｍである。球状弾性表面波素子３０は、球状部材３１の直径が１０ｍｍであり、直径と弾性表面波の波長とに応じて適当な電極の重なり幅で弾性表面波を直線状や経線（Ｚ軸を地軸として仮定）に沿って励起し、略帯状に弾性表面波を多重周回可能となっている。
【００６７】
次に、高周波インパルス信号の印加により計測された周回受信信号を周波数分析した結果を図３に示す。大きなピークは１００ｋＨｚ間隔で存在するが、大きなピークを拡大すると細かなリップルが観察された。この微細な構造は、周回によって高周波バースト信号が繰り返されていることに起因するもので、さらに拡大すると、より細かなピークを観察することができる。
【００６８】
次に、高周波インパルス信号ではなく、周回周期Ｔｃの０．３倍の信号幅をもった高周波バースト信号を印加した後に観測される周回受信信号の例を図４に示す。高周波インパルス信号よりも長い高周波バースト信号を印加することにより、長い信号幅をもつ周回受信信号が発生する。なお、周回受信信号の各ピークの強度は互いに略等しい。
【００６９】
ところで、球状弾性表面波素子３０は、球状部材３１の最大円周線（例えば直径）に沿って弾性表面波ＳＡＷを周回させる。このとき、球状部材３１が圧電結晶材料で構成されると、弾性表面波ＳＡＷは、結晶の異方性に応じて種々の伝搬速度の領域を通過して周回する。ここで、最大円周線に沿った周回周期Ｔｃを整数Ｎで割った時間（Ｔｃ／Ｎ）を周期とする周波数ｆ（＝１／（Ｔｃ／Ｎ）＝Ｎ／Ｔｃ）の高周波バースト信号を周回周期Ｔｃより長い時間印加する場合、弾性表面波ＳＡＷは、再び同じ位相ですだれ状電極３２で励起されるため、図５に示すように、先の条件に合う場合（Ａ）の方が合わない場合（Ｂ）に比べて強度が大きくなる。
【００７０】
一方、高周波バースト信号で弾性表面波ＳＡＷを増幅する際に、高周波バースト信号の各パルスの周期があまりに長い（＝周波数ｆが低い）と、弾性表面波ＳＡＷの伝搬経路の幅が大きくなり、結晶の異方性からすだれ状電極３２の弾性表面波の励起効率は、全体としては低下する。なお、球状部材３１の周長は３１．４１２ｍｍ（＝１０πｍｍ）であり、先の条件で弾性表面波ＳＡＷの周回周期Ｔｃは約１０μ秒であり、４５ＭＨｚの高周波バースト信号においては、整数Ｎ＝４５０で割った場合に相当している（ｆ＝Ｎ／Ｔｃ）。
【００７１】
図６は高周波バースト信号を連続的に周回周期Ｔｃよりも延長した場合の周回受信信号の強度を示す図である。少なくとも周回周期Ｔｃの４倍に延長するまでは周回受信信号の強度が単調に上昇しており、高周波バースト信号の延長分を周回経路上で弾性表面波のエネルギーとして蓄積することが確認できた。但し、弾性表面波のエネルギーの蓄積は、送信側の電圧などの条件による限界があり、また、周回過程での弾性表面波エネルギーの熱への変換や検出回路へのエネルギー放出によっても限界がある。
【００７２】
球状弾性表面波素子３０は、直径の３.１４倍のさらに周回数倍の伝搬長を得られるので、平面型の弾性表面波素子に比べ、小型に実現することができる。
【００７３】
なお、４５ＭＨｚの高周波バースト信号を連続的に周回周期Ｔｃよりも延長する際に、各パルスの周波数を周回周期Ｔｃの４５０分の１ではなく、周回周期Ｔｃの４５０．５分の１の周波数（＝４５．０５ＭＨｚ）とした場合、周回受信信号を増幅できない。このため、高周波バースト信号を連続的に周回周期Ｔｃよりも延長する場合、高周波バースト信号の各パルスの周期を周回周期Ｔｃの整数分の１とすることにより、高周波バースト信号の位相と周回受信信号の位相とを一致させることが必要である。
【００７４】
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を、弾性表面波ＳＡＷが１周する周回周期よりも長い時間にわたって連続的にすだれ状電極３２に印加し、弾性表面波ＳＡＷが１周した後に印加される高周波バースト信号により、弾性表面波ＳＡＷの振幅を増大させる。
【００７５】
これにより、より長期間にわたって弾性表面波ＳＡＷを周回させた後の周回受信信号を計測できるようになるので、信号のＳ／Ｎを向上できることから、測定精度を向上させることができる。また、平板状の弾性表面波素子を用いず、球状弾性表面波素子を用いて実現できることから、素子の大型化を招くことが無い。
【００７６】
また、弾性表面波ＳＡＷの振幅を増大させる際に、高周波バースト信号の周期（１／周波数）が周回周期Ｔｃの整数分の１でなくとも、高周波バースト信号の各パルスの周期を周回周期の整数分の１にすることにより、印加される高周波バースト信号の位相と、受信される弾性表面波により励起される周回受信信号の位相とを一致させる場合、効率良く弾性表面波の振幅を増大させることができる。
【００７７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、前述した図１を参照しながら説明する。すなわち、第２の実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、高周波信号発生部４０による高周波バースト信号の印加を、「連続的に印加する」場合に代えて、「断続的に印加する」場合に変更したものである。
【００７８】
具体的には、高周波信号発生部４０は、信号幅Ｔｗの高周波バースト信号をすだれ状電極３２に印加する際に、図７に示すように、弾性表面波ＳＡＷが１周する周回周期Ｔｃよりも長い時間Ｔにわたって断続的に印加するものとなっている。
【００７９】
次に、以上のように構成された球状弾性表面波素子の駆動測定方法について説明する。
【００８０】
図７中、高周波バースト信号の周波数ｆ＝４５ＭＨｚであり、周回周期Ｔｃ＝１０μ秒であるとする。次に、周波数ｆ＝４５ＭＨｚの高周波バースト信号と、ｆ＝４５．０５ＭＨｚの高周波バースト信号とをそれぞれ周回周期Ｔｃの間隔で印加した結果を図８（ａ）〜（ｃ）に示す。図示するように、第１の実施形態で連続波を入力した場合に４５．０５ＭＨｚでは出力が小さくなった結果とは対称的に、共振関係（ｆ＝Ｎ／Ｔｃ）にある場合と無い場合のいずれも信号強度が増すことが分かる。
【００８１】
すなわち、周回周期Ｔｃよりも短い信号幅Ｔｗの高周波バースト信号を繰り返して入力する場合、すだれ状電極３２を通過する弾性表面波の位相と、高周波バースト信号の位相を一致させることにより、周波数ｆ＝Ｎ／Ｔｃ（但し、Ｎは整数）の時に限らずに弾性表面波を追加励振することができる。
【００８２】
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を、弾性表面波ＳＡＷが１周する周回周期よりも長い時間にわたって断続的にすだれ状電極３２に印加し、弾性表面波ＳＡＷが１周した後に印加される高周波バースト信号により、弾性表面波ＳＡＷの振幅を増大させる構成としても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができた。
【００８３】
一方、弾性表面波ＳＡＷの振幅を増大させる際に、印加される高周波バースト信号の位相と、受信される弾性表面波により励起される周回受信信号の位相とを一致させることにより、第１の実施形態とは異なり、高周波バースト信号の各パルスの周期を周回周期の整数分の１にする場合に限らず、効率良く弾性表面波の振幅を増大させることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、高周波バースト信号の繰返し周期を周回周期Ｔｃに合わせた場合を説明したが、これに限らず、高周波バースト信号の繰返し周期を、周回周期Ｔｃから高周波バースト信号の各パルス周期の整数倍だけ増減するように変形してもよい。つまり、すだれ状電極を通過する弾性表面波の位相と印加する高周波バースト信号の位相差をＴｃ±Ｎ（１／ｆ）にすれば強度を増すことができる。このように変形しても、高周波バースト信号の位相と弾性表面波の位相とが一致するので、弾性表面波を追加励振することができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
図９は本発明の第３の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の外観を示す模式図であり、図１０は同電磁波送受信システムの構成を示す模式図であって、図１と同種の部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について主に述べる。なお、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。
【００８６】
すなわち、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、切換部５０と球状弾性表面波素子３０との間を一対のアンテナ８１，８２を介して無線通信により接続した構成となっている。
【００８７】
なお、ここでは、球状部材３１は、直径１０ｍｍの水晶基材を用いている。すだれ状電極３２は、この水晶基材のＺ軸シリンダ上に形成されており、直径０．１ｍｍ、長さ２０ｃｍの２本の金線が両極に接続されている。２本の金線のうち、１本は送受信用のアンテナ８２として機能し、残りの１本は接地されている。
【００８８】
一方、切換部５０は、同様に、直径０．１ｍｍで長さ２０ｃｍの金線からなる送受信用のアンテナ８１に接続されている。ここで、各アンテナ８１，８２は、互いに２０ｃｍ離して配置されている。  
次に、以上のように構成された球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムの動作について説明する。  
この電磁波送受信システムは、前述した駆動測定方法において、図１０に示すように、高周波信号発生部４０が発生した高周波バースト信号をアンテナ８１が電磁波として送信する。高周波バースト信号は、例えば信号幅Ｔｗが３μ秒であり、周波数が４５ＭＨｚのものである。アンテナ８２は、この電磁波を受信して得られた高周波バースト信号をすだれ状電極３２に印加する。ここで、弾性表面波は、前述同様に振幅が増大されながら球状部材３１を周回する。
【００８９】
しかる後、すだれ状電極３２から出力された周回受信信号をアンテナ８２が電磁波として送信する。アンテナ８１は、この電磁波を受信して得られた周回受信信号を切換部５０に送出する。
【００９０】
以下、前述同様に、周回受信信号は、アンプ６０を介して計測部７０により計測され、弾性表面波ＳＡＷの伝搬速度が検出される。
【００９１】
このような電磁波送受信システムにおいて、アンテナ８１が高周波バースト信号を送信してから周回受信信号を受信するまでの遅延時間が１０μ秒であり、切換部５０が１μ秒で切換可能であることから、十分な時間的余裕を切換動作を行うことができた。また、遅延時間が弾性表面波ＳＡＷの周回周期Ｔｃに等しかったので、周回受信信号も理論的に予想されたひし形をしていた。
【００９２】
さらに、送信する高周波バースト信号の信号幅Ｔｗを１０μ秒づつ延長した場合の周回受信信号の強度を測定した所、前述した図６と同様の結果が得られた。すなわち、高周波バースト信号の信号幅Ｔｗを延長すると、前述同様に弾性表面波ＳＡＷが増幅されることから、球状弾性表面波素子３０から受信される周回受信信号の強度が大きくなる旨の結果を得た。これに伴い、２０ｃｍの約４倍まで両アンテナ８１，８２間を離しても信号を送受信することができた。逆に、両アンテナ８１，８２間の距離を一定とした場合に、高周波バースト信号の出力を１０分の１にして送信しても、前述同様に弾性表面波ＳＡＷが増幅されることから、十分な強度の周回受信信号を受信することができた。
【００９３】
上述したように本実施形態によれば、切換部５０と球状弾性表面波素子３０との間を一対のアンテナ８１，８２を介して無線通信により接続した構成なので、第１の実施形態と同様の効果を得ることに加え、電磁波を用いて非接触で球状弾性表面波素子３０を駆動することができる。
【００９４】
これに加え、球状弾性表面波素子３０に電磁波送受信用のアンテナを形成して駆動し、素子３０に加速度が加えられた場合でも、断線により不具合を生じることがない。さらに、長い伝搬距離を得るために反射器を設ける必要がなく、すだれ状電極３２から互いに反対方向に励起される弾性表面波は吸収体を形成しなくとも互いが雑音化することが無い。よって、小型化と伝搬状態の高精度な測定とが必要で、特に低コストに製造する必要がある無線無給電によるＲＦ−ＩＤタグを実現するために非常な有効性があることが分かった。
【００９５】
補足すると、従来の球状弾性表面波素子を使用する場合、球形状をもつ球状部材を基板上に固定するには、ボールバンプと呼ばれる方法によって、基板に結線することが可能である。しかし、ボールバンプ法は、強度的に弱くなり断線などの不具合を生じる可能性があり、また、多数の球状弾性表面波素子を実装するには多くの工数を要する。特に、長い距離を離して測定したり、真空装置やガラスを隔てた位置に設置するときに、配線を困難にする。しかしながら、本実施形態の無線通信を用いた構成によれば、断線の心配や配線が困難であるといったボールバンプ法の不具合を解消することができる。
【００９６】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、前述した図１０を参照しながら説明する。すなわち、第４の実施形態は、第３の実施形態に第２の実施形態を適用した例であり、高周波信号発生部４０による高周波バースト信号の印加を、「連続的に印加する」に代えて、「断続的に印加する」ように変更したものである。
【００９７】
具体的には、高周波信号発生部４０は、各パルス幅を合計した信号幅Ｔｗの高周波バースト信号を両アンテナ８１，８２を介してすだれ状電極３２に印加する際に、図７に示したように、弾性表面波ＳＡＷが１周する周回周期Ｔｃよりも長い時間Ｔにわたって断続的に印加するものとなっている。
【００９８】
次に、以上のように構成された球状弾性表面波素子の電磁波送受信システムの動作について説明する。
【００９９】
図７中、高周波バースト信号は、４μ秒の信号幅Ｔｗを有し、１０μ秒の繰返し周期毎に１５回連続させた信号とした。この結果、１５０μ秒の連続波の高周波バースト信号を送った場合の周回受信信号と略同じ強度の周回受信信号を得ることができた。これは、すだれ状電極３１を通過する弾性表面波の位相と、送信される高周波バースト信号の位相とが一致しているため、弾性表面波の強度が周回毎に追加励振されたためである。
【０１００】
次に、高周波バースト信号の周波数ｆを４５ＭＨｚから４５．０５ＭＨｚに変更した場合の周回受信信号を観測した。その結果、４５ＭＨｚの高周波バースト信号を用いた時と同じ周回受信信号を得ることができた。
【０１０１】
この結果は、図１１（ａ）〜（ｂ）に示すような連続波で４５．０５ＭＨｚの高周波バースト信号を送信して周回受信信号を減衰させた場合とは、大きく異なる。すなわち、この結果は、断続的な高周波バースト信号が時間的に限られた波であることから、弾性表面波の周回周期Ｔｃの整数分の１の周期の信号のみが増幅されるという制約が無いことによる。
【０１０２】
この制約が無い特性は、電波法などで周波数が制限される場合に有用である。例えば温度が変わる場合、弾性表面波の周回周期Ｔｃは、約２５ｐｐｍ／℃の比率で変化する。このため、例えば温度が４５℃上昇する場合、高周波バースト信号の周波数ｆをｆ＝４５．０５ＭＨｚに変更する必要がある反面、電波法により変更できない状況にあるとする。
【０１０３】
このような状況でも電磁波送受信システムは、断続的に高周波バースト信号を送信する場合に、周波数ｆ＝４５ＭＨｚのままでよく、替わりに、高周波バースト信号の繰返し周期を１１．２５ｎ秒だけ延長することで対応することができる。このような繰返し周期の延長又は変更は、周回する弾性表面波と印加する高周波バースト信号とのすだれ状電極３２における位相が一致すれば弾性表面波を追加励振できることからも、有用である。
【０１０４】
上述したように本実施形態によれば、第３の実施形態の電磁波送受信システムに対し、第２の実施形態の断続的な高周波バースト信号を適用したので、第２及び第３の実施形態の作用効果を同時に得ることができる。
【０１０５】
（第５の実施形態）
図１２は本発明の第５の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。本実施形態は、第３又は第４の実施形態の具体例であり、球状弾性表面波素子３０がガスセンサとして構成されている。
【０１０６】
すなわち、球状弾性表面波素子としてのガスセンサ３０Ａは、球殻形状の空洞３３が形成された球状部材３１Ａを有し、この空洞３３に連通された配管３４Ａを備えている。ここで、空洞３３の内壁３３ａには、すだれ状電極３２が形成されている。すだれ状電極３２の一端は、金線からなるアンテナ８２に接続され、他端は金線を介してアース（図示せず）に接続されている。
【０１０７】
球状部材３１Ａは、水晶材料からなり、直径１０ｍｍの球形の空洞３３によってなる円環領域にすだれ状電極３２がＺ軸シリンダーに沿って形成されている。配管３４Ａは、例えば内径５ｍｍのガラス管である。
【０１０８】
以上のような構成としても、第３又は第４の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、球状弾性表面波素子をガスセンサ３０Ａとして用いたので、ガスの導入導出に応じた弾性表面波の伝搬速度の変化により、ガスの導入導出状況を検知することができる。
【０１０９】
さらに、第３又は第４の実施形態と同様にアンテナ８２を用いて電磁波を送受信する構成であることから、すだれ状電極３２から配管３４Ａを貫通して駆動用の配線を作る必要が無いので、故障も少なく、また交換も容易なシステムを実現することができる。
【０１１０】
なお、本実施形態の変形例として、前後の配管３４Ａをステンレス配管等の導電性配管とした場合、配管３４Ａ自体をアンテナとして使用しても良い。さらに、配管３４Ａがガラス配管の場合でも、配管３４Ａ内部に銅パターンを形成してその銅パターンにすだれ状電極３２を接続する構成により、球状弾性表面波素子を駆動することができる。
【０１１１】
また、第３〜第５の実施形態では電界による送受信を行ったが、これに限らず、磁界結合を用いて送受信を行うように変形してもよい。磁界結合を用いた送受信の具体的な原理や具体的な回路構成は公知であるからその説明を省略する。
【０１１２】
また、第３〜第５の実施形態では、図１０及び図１２において、アンテナ８２が球状弾性表面波素子３０，３０Ａの表面から離れて構成されているが、これに限らず、アンテナ８２を球状部材３１，３１Ａの表面にパターニングによって形成してもよく、あるいはアンテナ８２を球状部材３１，３１Ａの内部に形成しても良い。
【０１１３】
（第６の実施形態）
図１３は本発明の第６の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。
【０１１４】
本実施形態は、第３〜第５の実施形態の変形例であり、球状弾性表面波素子の共振周波数（ｆ＝Ｎ／Ｔｃ）や弾性表面波の周回周期Ｔｃ以外の情報を積極的に球状弾性表面波素子３０から計測部７０に送信するためのものである。
【０１１５】
具体的には、球状弾性表面波素子３０は、球状部材３１上の弾性表面波ＳＡＷの周回経路に形成され、周回経路と垂直方向（＝弾性表面波波面平行）に沿い、電気的に結合された複数の細線パターンからなる反射器３６を備えている。
【０１１６】
ここで、反射器３６は、球状部材３１の表面に形成された複数の細線パターンの集合体であり、周回経路上を伝搬する弾性表面波ＳＡＷのうち、特定の周波数成分の弾性表面波を反射する機能をもっている。例えば、すだれ状電極３２の各電極要素の数が少ない場合、すだれ状電極３２が発生する弾性表面波は、広帯域の周波数成分を持つ。ここで、周回経路上に梯子形の狭帯域の反射器３６を設けた場合、弾性表面波の反射された周波数成分は周回によって増幅されることが無いので、出力される周回受信信号はその周波数成分で極小となる。従って、減衰させる特定の周波数成分に関連させて特定の情報を伝達可能である。また、反射器３６の周回経路上の位置を変えることにより、反射される成分の出力される時間が、反射されない成分の出力される時間とは変わる。このため、反射される成分の出力される時間を情報として伝達できる。
【０１１７】
特定の情報としては、例えば互いに異なる周波数特性をもつ複数対のすだれ状電極３２を素子上に設けた場合の周回経路（すだれ状電極３２）の識別情報や、互いに異なる周波数特性をもつ複数の球状弾性表面波素子を用いる場合の球状弾性表面波素子３０（又はすだれ状電極３２）の識別情報などがある。
【０１１８】
また、このような反射器３６の周波数特性を設計する方法は、弾性表面波の伝播現象に対して、さらに伝搬経路に導電パターンでは無く、円環状表面を削ったり、エッチングすることによるグレーティング等の形成による機械的な影響、あるいは電極パターンの形成などの電気的な影響を与えて特定の周波数成分を減衰させる旨の種々の手法が知られており、任意の手法を適用可能である。
【０１１９】
以上のような構成によれば、第３〜第５の実施形態の作用効果に加え、球状弾性表面波素子の共振周波数や弾性表面波の周回周期Ｔｃ以外の情報を積極的に球状弾性表面波素子３０から計測部７０に送信することができる。
【０１２０】
（第７の実施形態）
図１４は本発明の第７の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の外観を示す模式図であり、図１５は同球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。
【０１２１】
本実施形態は、第６の実施形態の変形例であり、図１３の反射器３６に代えて、周波数特性を電気的に切換え可能な反射器３７と、この反射器３７の周波数特性を切換えるための切換スイッチ９０とを備えている。
【０１２２】
ここで、反射器３７は、前述した反射器３６と同様に周回経路と垂直方向に沿って形成された複数の細線パターンの集合体であるが、反射器３６とは異なり、各々の細線パターンのうち、約半分が切換スイッチ９０に接続され、残りの半分がアースに接続されている。
【０１２３】
切換スイッチ９０は、スイッチ部９１、回路変更部９２及び放射アンテナ９３を備えている。
【０１２４】
スイッチ部９１は、回路変更部９２に制御され、反射器３７の細線パターンと、放射アンテナ９３との間を電気的に接続又は絶縁する切換機能をもっている。
【０１２５】
回路変更部９２は、予め設定された内容により、スイッチ部９１による接続又は絶縁を制御する機能をもっている。
【０１２６】
放射アンテナ９３は、反射器３７の細線パターンからスイッチ部９１を介して受ける電気信号を電磁波として放射する機能をもっている。
【０１２７】
以上のような構成によれば、切換スイッチ９０が反射器３７の細線パターンと、放射アンテナ９３との間を電気的に接続することにより、反射器３７から受ける電気信号を放射アンテナ９３が電磁波として放射し、反射器３７の周波数特性に応じた周波数成分が弾性表面波から減衰される。
【０１２８】
一方、切換スイッチ９０が反射器３７の細線パターンと、放射アンテナ９３との間を電気的に絶縁することにより、反射器３７が機能せず、反射器３７に応じた周波数成分が弾性表面波から減衰されない。
【０１２９】
例えば切換スイッチ９０が反射器３７と放射アンテナ９３との間を絶縁した場合、４５ＭＨｚの高周波バースト信号を印加したときの周回受信信号を観測した所、十分な強度の周回受信信号を得られた。一方、切換スイッチ９０が反射器３７と放射アンテナ９３との間を接続すると、細線パターンが４５ＭＨｚの反射器３７として機能し、非常に弱い強度で且つ不均一な時間間隔の信号が観測された。この信号は、反射器３７がすだれ状電極３２に対して球状部材３１の反対面からずれている為に反射されることで周回周期Ｔｃとは異なる時間タイミングで電磁波が放射されることにより観測されたものと考えられる。
【０１３０】
上述したように本実施形態によれば、第６の実施形態の作用効果に加え、特定の周波数成分の減衰又は維持を切換えることができるので、周波数成分の有無に応じて特定情報の有無を切換えることができる。換言すると、切換スイッチ９０が反射器３７を接続又は絶縁することにより、周回受信信号に含まれる特定周波数の周波数成分を維持又は削減できるので、削減させる周波数成分に応じた情報を送信することができる。
【０１３１】
また、切換スイッチ９０をＩＣ回路で構成し、切換スイッチ９０の駆動をレーザ光などの別のエネルギー媒体で制御する等、公知のスイッチ制御技術を適用して実現することができる。
【０１３２】
また、切換スイッチ９０が電子回路を有し、周回する弾性表面波ＳＡＷが反射器３７により変換された高周波電気信号がその電子回路を駆動し、電子回路がその高周波電気信号を修飾して放射アンテナ９３を介して放射するようにしてもよい。
【０１３３】
（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。前述した第１〜第７の実施形態は単一の周回経路で単一の周波数の電磁波又は弾性表面波を励起する例であったが、第８の実施形態は複数の周回経路で複数の周波数の電磁波又は弾性表面波を励起する例を述べる。なお、複数の周回経路は、単一の素子上に形成される場合と、複数の素子上に形成される場合とがあるが、ここでは単一の素子上に形成される場合について述べる。
【０１３４】
図１６（ａ）は本発明の第８の実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。本実施形態は、第１〜第７の実施形態の変形例であり、互いに異なる周波数特性を有する２対のすだれ状電極３２ａ，３２ｂが球状部材３１の表面に形成されている。
【０１３５】
ここで、球状部材３１は、例えばＬｉＮｂＯ３結晶が使用されている。この球状部材３１は、各すだれ状電極３２ａ，３２ｂに対応した周回経路ｒ１，ｒ２から外れた部分に支持部材３８が取付けられ、この支持部材３８により支持されている。
【０１３６】
例えば球状部材３１の直径は２５．４ｍｍである。すだれ状電極３２ａ，３２ｂは、金とクロム膜によって形成されており、その電極周期が５０３μｍであり、電極の重なり幅が３．１ｍｍであって、電極の繰り返し数が２０本である。ＬｉＮｂＯ３の結晶方向Ｚは図１６（ａ）中に示しているように、周回経路ｒ１の法線がＺ軸である。ＬｉＮｂＯ３は、４種類の周回経路を有していることが非特許文献１によって分かっており、各周回経路の周回周期はそれぞれ異なる。例えば周回経路ｒ１の伝搬速度Ｖは３７４０ｍ／ｓであり、周回経路ｒ２の伝搬速度Ｖは３６５８ｍ／ｓである。各周回経路ｒ１，ｒ２の周回周期は、それぞれの伝搬速度Ｖで円周長を割った値に等しくなる。周波数は夫々６．９４ＭＨｚと６．５１ＭＨｚである。
【０１３７】
一方、高周波バースト信号としては、広帯域の高周波信号又は互いに異なる周波数成分を含む高周波信号が用いられる。
【０１３８】
計測部７０は、周回受信信号の周波数特性を計測する機能と、計測した周波数特性に基づいて、高周波バースト信号と周回受信信号との間の同一周波数成分における位相差を得る機能と、この位相差に基づいて、弾性表面波の伝搬速度の差異を検出する機能とを有する。
【０１３９】
ここでの計測方法としては、例えば、高周波信号発生部４０が、印加する高周波バースト信号の周波数又は周回毎に印加する信号間の位相差をシフトさせることによる、計測部７０が、強度の変化に基づいて、弾性表面波の伝搬速度の差異を検出するようにしてもよい。強度の変化としては、電磁波の強度が最大のときを用い、この強度が最大のときの位相差に基づいて伝搬速度の差異を検出することが、測定精度の向上を図る観点から好ましい。
【０１４０】
以上のような構成によれば、第１〜第７の実施形態の作用効果に加え、計測部７０が２種類の周回受信信号を独立に受信し、その周波数特性に応じて各周回経路ｒ１，ｒ２を区別することができる。これは、素子毎に周波数特性が異なる場合でも同様である。
【０１４１】
また、繰返し印加される高周波バースト信号の信号間の位相のシフト量に応じた周回受信信号の強度の変化に基づき、弾性表面波の伝搬速度の差異を検出する場合、強度が最大のときに検出を行なうことにより、測定精度の向上を図ることができる。
【０１４２】
また、周波数特性に応じて各周回経路ｒ１，ｒ２を区別できるので、２種類の周回受信信号を用い、例えば片方の周波数の電磁波をスイッチ信号として用いる等、種々の用途を実現させることができる。
【０１４３】
また、本実施形態は、２本の周回経路ｒ１，ｒ２を有するため、各測定結果からの測定結果の平均値を得ることができる。また、一方の周回経路ｒ１に異物が付着した場合の突然の動作不良を他方の周回経路ｒ２の測定結果と比較して検知し、使用者に警告することができる。
【０１４４】
また、本実施形態は、２本の周回経路ｒ１，ｒ２を単一の球状弾性表面波素子３０Ｂ上に形成した場合について説明したが、これに限らず、２つの球状弾性表面波素子上に各周回経路ｒ１，ｒ２を個別に形成しても、各周回受信信号の周波数特性に応じて各周回経路ｒ１，ｒ２（及び各球状弾性表面波素子）を区別して円滑に測定を行なうことができ、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１４５】
さらに、図１６（ａ）〜（ｂ）を用いて第８の実施形態の変形例を説明する。次のように多チャンネルの球状弾性表面波素子を用いた通信システムを構築できた。
【０１４６】
この変形例では、すだれ状電極３２ａ，３２ｂを同じ周波数特性を持つように設計する。具体的には、すだれ状電極３２ｂの電極周期を５００μｍにすることで何れの励起する弾性表面波の周波数も６．９４ＭＨｚとした。
【０１４７】
この素子に対して、６．９４ＭＨｚの４μ秒の時間幅を持つ高周波バースト信号を送信して、その出力を観測した。高周波バースト信号を打出し周期２１．５μ秒で５回連続して送信し、その後、周回受信信号を受信する。その結果、図１６（ｂ）に示すように、５回の打出し直後に観測できる弾性表面波の周回に基づいた信号は、経過時間が短い間は分離できないが、４４８μ秒経過時点（約２１周周回時間に相当）の波形を見ると、２つの波形ｍ，ｎに分離されている。このうち、波形ｍは、周回経路ｒ１を周回する弾性表面波に起因する波形であり、波形ｎは、周回経路ｒ２を周回する弾性表面波に起因する波形である。各波形ｎ，ｍは、互いに周回周期が異なるために、一定の周回時間の経過によって時間的に分離されたものである。
【０１４８】
解析は、以上の測定を５回繰り返して発振される高周波バースト信号の信号間の位相差を０ｒａｄから６．３ｒａｄまで変えながら信号ｍの振幅を観測して行なった。この解析の結果、位相差１．５ｒａｄで信号ｍの振幅が極大をもつことが分かった。同様に信号ｎは、位相差０．８ｒａｄのときに振幅が極大を持つことが分かった。
【０１４９】
上述した測定の後に、周回経路ｒ２のみに部分的に蝋を塗って同じ室温で同様の測定を行なった。この測定の結果、周回経路ｒ１は先程と同様に位相差１．５ｒａｄで駆動したときに信号の強度が最大になったが、周回経路ｒ２の方は、振幅が最大となる位相差が０．９５ｒａｄに変化した。周回回路ｒ２における位相差の変化から１周回当り６．９４ＭＨｚの弾性表面波について、その０．１５ｒａｄだけ周回速度が遅くなったことを測定できる。具体的には、(1/6940000)×(0.15/6.283)/0.00002133＝０．０００１７倍だけ周回速度が遅くなった旨を測定できた。
【０１５０】
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】
【０１５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る球状弾性表面波素子の駆動測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】同実施形態における周回受信信号を説明するための波形図である。
【図３】同実施形態における周回受信信号の周波数分析結果を説明するための波形図である。
【図４】同実施形態における周回受信信号を説明するための波形図である。
【図５】同実施形態における周回受信信号を説明するための波形図である。
【図６】同実施形態における周回受信信号の強度を示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における高周波バースト信号を説明するための波形図である。
【図８】同実施形態における動作を説明するための模式図及び波形図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の外観を示す模式図である。
【図１０】同実施形態における電磁波送受信システムの構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における動作を説明するための波形図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態に係る電磁波送受信システムにおける球状弾性表面波素子の外観を示す模式図である。
【図１５】同実施形態における球状弾性表面波素子の構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の第８の実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成及び波形を示す模式図である。
【図１７】従来の球状弾性表面波素子の駆動測定装置の構成を示す模式図である。
【図１８】従来の球状弾性表面波素子の使用方法を説明するための模式図である。
【図１９】従来の弾性表面波素子の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１５２】
３０…球状弾性表面波素子、３０Ａ…ガスセンサ、３１，３１Ａ…球状部材、３２，３２ａ，３２ｂ…すだれ状電極、３３…空洞、３３ａ…内壁、３４Ａ…配管、３６，３７…反射器、３８…支持部材、４０…高周波信号発生部、５０…切換部、６０…アンプ、７０…計測部、８１，８２…アンテナ、９０…切換スイッチ、９１…スイッチ部、９２…回路変更部、９３…放射アンテナ、ＳＡＷ…弾性表面波素子、Ｔｃ…周回周期、ｆ…周波数、ｒ１，ｒ２…周回経路。
【図１】
2005159580.tif 000003
【図２】
2005159580.tif 000004
【図３】
2005159580.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005159580.tif 000009
【図８】
2005159580.tif 000010
【図９】
2005159580.tif 000011
【図１０】
2005159580.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005159580.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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