(57)【要約】【課題】弾性表面波センサを備えた被測定物特性測定装置において、適正な発振を確保しつつ、測定感度・精度を高める。【解決手段】発振器２１からの基準周波数に基づいて、所定周波数の第１の出力信号Ｓ１を出力するシンセサイザ２と、第１の出力信号Ｓ１を受信し、被測定物の特性に応じた第２の出力信号Ｓ２を出力する弾性表面波センサ３と、第１の出力信号Ｓ１と第２の出力信号Ｓ２との位相差を検出する第１の位相比較器４と、第１の位相比較器４によって検出された位相差に基づいて、シンセサイザ２の基準周波数を制御する第１のループフィルタ５と、シンセサイザ２から出力される第１の出力信号Ｓ１の周波数変化を検出する周波数カウンタ６と、を備える。【選択図】  図１
2012225856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振器からの基準周波数に基づいて、所定周波数の第１の出力信号を出力するシンセサイザと、
前記第１の出力信号を受信し、被測定物の特性に応じた第２の出力信号を出力する弾性表面波センサと、
前記第１の出力信号と第２の出力信号とを受信して、前記第１の出力信号と第２の出力信号との位相差を検出する位相比較手段と、
前記位相比較手段によって検出された位相差に基づいて、前記シンセサイザの基準周波数を制御する制御手段と、
前記シンセサイザから出力される前記第１の出力信号の周波数変化を検出する周波数変化検出手段と、
を備えることを特徴とする被測定物特性測定装置。
【請求項２】
前記弾性表面波センサに送信される前記第１の出力信号を所定波形のバースト波に変換するバースト変換手段を備え、
前記制御手段は、前記位相比較手段によって検出された位相差パルスのうち主応答信号成分のみを計測し、主応答信号成分が現れていない期間には主応答信号成分の値を保持して、前記主応答信号成分に基づいて前記基準周波数を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の被測定物特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）センサを備え、例えば、液体の粘性度や導電率などの特性を測定する被測定物特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の被測定物特性測定装置として、従来、発振回路からの基準波（送信信号）と、弾性表面波センサを経由・通過した反射波（受信信号）との位相差を検出するものが知られている（例えば、特許文献１等参照。）。すなわち、図３に示すように、発振回路１０１からの送信信号を、分配器１０２を介して弾性表面波センサ１０３と位相比較器１０４とに伝送し、弾性表面波センサ１０３に伝送された送信信号を、弾性表面波センサ１０３を通過することで受信信号として位相比較器１０４に伝送する。そして、位相比較器１０４において、送信信号と受信信号との位相を比較し、その位相差を電圧に変換して出力するものである。
【０００３】
また、発振器内の共振器に直接溶液を滴下し、周波数の変化を測定パラメータとする方法が知られている。すなわち、図４に示すように、弾性表面波センサ１１１に発振回路１１２が組み込まれ、発振回路１１２内に直接溶液を滴下し、滴下前後の周波数変化を周波数カウンタ１１３で測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０４２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のように位相差を検出する装置では、位相比較器（位相検出器）の分解能が一般に０．５°程度であるため、測定感度・精度が低い、という問題がある。すなわち、１８０°の移動変化を１．８Ｖに変換し、電圧測定の分解能を約５ｍVとした場合、位相比較器の測定分解能が２７７７ｐｐｍと小さく、測定感度・精度に限界がある。
【０００６】
また、発振器内に直接溶液を滴下する方法では、粘性が高い溶液を滴下した場合に、発振強度が低下し、発振停止に至る場合がある。しかも、温度変化によって発振周波数が変動するため、溶液自体の変化と温度特性変化とを分離する必要があり、そのために、ＲＥＦ用（比較・参照用）の発振器を設けなければならない。
【０００７】
さらに、測定感度・精度を上げるために、圧電基板上に入力用の櫛形電極と出力用の櫛形電極とを所定の間隔をあけて配置したトランスバーサルタイプの弾性表面波センサを使用し、伝搬距離を長くする方法も考えられるが、発振条件を満たす周波数が複数発生し、異常発振を招いてしまう。
【０００８】
そこでこの発明は、適正な発振を確保しつつ、測定感度・精度を高めることができる被測定物特性測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、発振器からの基準周波数に基づいて、所定周波数の第１の出力信号を出力するシンセサイザと、前記第１の出力信号を受信し、被測定物の特性に応じた第２の出力信号を出力する弾性表面波センサと、前記第１の出力信号と第２の出力信号とを受信して、前記第１の出力信号と第２の出力信号との位相差を検出する位相比較手段と、前記位相比較手段によって検出された位相差に基づいて、前記シンセサイザの基準周波数を制御する制御手段と、前記シンセサイザから出力される前記第１の出力信号の周波数変化を検出する周波数変化検出手段と、を備えることを特徴とする被測定物特性測定装置である。
【００１０】
この発明によれば、基準周波数に基づく所定周波数の第１の出力信号が、シンセサイザから出力され、弾性表面波センサにおいて、第１の出力信号が被測定物の特性に応じた第２の出力信号として出力される。次に、位相比較手段によって、第１の出力信号と第２の出力信号との位相差が検出され、この位相差に基づいて、制御手段によってシンセサイザの基準周波数が制御される。これにより、シンセサイザから出力される第１の出力信号の周波数が変化し、この変化が周波数変化検出手段によって検出される。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の被測定物特性測定装置において、前記弾性表面波センサに送信される前記第１の出力信号を所定波形のバースト波に変換するバースト変換手段を備え、前記制御手段は、前記位相比較手段によって検出された位相差パルスのうち主応答信号成分のみを計測し、主応答信号成分が現れていない期間には主応答信号成分の値を保持して、前記主応答信号成分に基づいて前記基準周波数を制御する、ことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、バースト変換手段によって、第１の出力信号がバースト波に変換されて弾性表面波センサに送信され、弾性表面波センサを経て出力される第２の出力信号も、バースト波（パルス信号）として位相比較手段に入力される。そして、制御手段において、位相比較手段からの位相差パルスのうち、主応答信号成分のみが計測され、主応答信号成分が現れていない期間には主応答信号成分の値が保持されて、主応答信号成分に基づいて基準周波数が制御される。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、シンセサイザからの第１の出力信号と、弾性表面波センサを経た第２の出力信号との位相差に基づいて、シンセサイザから出力される第１の出力信号の周波数が変化し、この変化が周波数変化検出手段によって検出される。つまり、弾性表面波センサによる測定結果が、周波数変化として検出、出力されるため、測定分解能が高く、測定感度・精度を高めることができる。しかも、シンセサイザから第１の出力信号を発振、出力するため、発振停止や異常発振などを生じることがなく、適正な発振を確保することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、直接波（直達波）と希望波（主応答信号）とを分離するために、第１の出力信号をバースト波に変換しても、制御手段において、主応答信号成分に基づいた基準周波数の制御が連続的・継続的に行われる。このため、シンセサイザから常に適正に、所定周波数の第１の出力信号を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る被測定物特性測定装置を示す構成ブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る被測定物特性測定装置を示す構成ブロック図である。
【図３】弾性表面波センサを備えた従来の被測定物特性測定装置を示す構成ブロック図である。
【図４】弾性表面波センサを備えた従来の別の被測定物特性測定装置を示す構成ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、この実施の形態に係る被測定物特性測定装置１を示す構成ブロック図である。この被測定物特性測定装置１は、弾性表面波センサ３を備え、液体の粘性度や導電率などの特性を測定する装置であり、主として、シンセサイザ２と、弾性表面波センサ３と、第１の位相比較器（位相比較手段）４と、第１のループフィルタ（制御手段）５と、周波数カウンタ（周波数変化検出手段）６とを備えている。
【００１８】
シンセサイザ２は、水晶発振器（ＴＣＸＯ、発振器）２１からの基準周波数に基づいて、所定周波数の第１の出力信号Ｓ１を出力するＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ、位相同期）シンセサイザである。具体的には、水晶発振器２１で生成された基準周波数信号を第２の位相比較器（ＰＤ：Ｐｈａｓｅ  Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）２２に入力するとともに、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）２３で生成された信号を、分周器２４で所定の分周数倍の出力周波数信号に分周・生成して、第２の位相比較器２２に入力する。
【００１９】
次に、第２の位相比較器２２において、水晶発振器２１からの基準周波数信号と、分周器２４からの出力周波数信号とを比較し、出力周波数信号の位相が基準周波数信号の位相よりも進んでいる場合には、Ｈ信号（充電電流の吐き出し）を第２のループフィルタ２５に伝送する。一方、出力周波数信号の位相が基準周波数信号の位相よりも遅れている場合には、Ｌ信号（放電電流の吸い込み）を第２のループフィルタ２５に伝送する。
【００２０】
続いて、第２のループフィルタ２５は、第２の位相比較器２２による電流を積分して電圧信号に変換するとともに、平滑化処理を施して制御電圧を生成する。そして、電圧制御発振器２３は、第２のループフィルタ２５からの制御電圧に応じた周波数信号、つまり第１の出力信号Ｓ１を発振、出力する。と同時に、電圧制御発振器２３からの周波数信号が、上記のように分周器２４に入力される。
【００２１】
このようにして、電圧制御発振器２３からの第１の出力信号Ｓ１の位相が、水晶発振器２１からの基準周波数信号の位相と一致するように制御電圧を増減させて、電圧制御発振器２３からの発振周波数を調整する。これにより、電圧制御発振器２３からの第１の出力信号Ｓ１が、基準周波数信号の位相と一致（近接）するとともに、基準周波数信号の分周数倍の周波数となるものである。また、水晶発振器２１の制御電圧入力端子には、第１のループフィルタ５の出力側が接続され、後述するようにして、第１のループフィルタ５からの制御電圧に応じて、水晶発振器２１からの基準信号の周波数（基準周波数）が変わるようになっている。
【００２２】
弾性表面波センサ３は、分配器７を介して、シンセサイザ２からの第１の出力信号Ｓ１を受信し、被測定物の特性に応じた第２の出力信号Ｓ２を出力するセンサである。すなわち、第１の出力信号Ｓ１が弾性表面波センサ３に入力されると、被測定物の特性に応じて位相が変動し、第２の出力信号Ｓ２として出力されるものである。
【００２３】
第１の位相比較器４は、第１の出力信号Ｓ１と第２の出力信号Ｓ２とを受信して、第１の出力信号Ｓ１と第２の出力信号Ｓ２との位相差を検出、出力するものであり、チャージポンプの機能をも備えている。すなわち、第１の出力信号Ｓ１と第２の出力信号Ｓ２とを比較し、第２の出力信号Ｓ２の位相が第１の出力信号Ｓ１の位相よりも進んでいる場合には、Ｈ信号を第１のループフィルタ５に伝送する（第１のループフィルタ５に所定の充電電流を吐き出す。）。一方、第２の出力信号Ｓ２の位相が第１の出力信号Ｓ１の位相よりも遅れている場合には、Ｌ信号を第１のループフィルタ５に伝送する（第１のループフィルタ５から所定の放電電流を吸い込む。）。
【００２４】
第１のループフィルタ５は、第１の位相比較器４によって検出された位相差に基づいて、シンセサイザ２の基準周波数を制御するものである。すなわち、シンセサイザ２の水晶発振器２１の制御電圧入力端子に接続され、第１の位相比較器４による電流を積分して電圧信号に変換するとともに、平滑化処理を施して制御電圧を生成する。そして、この制御電圧を水晶発振器２１の制御電圧入力端子に入力することで、制御電圧に応じて水晶発振器２１からの基準信号の周波数が変わる。
【００２５】
周波数カウンタ６は、シンセサイザ２から出力される第１の出力信号Ｓ１の周波数変化量を検出・カウントするカウンタである。すなわち、上記のように、第１のループフィルタ５からの制御電圧に基づいて、水晶発振器２１からの基準周波数が変わり、これに伴ってシンセサイザ２から出力される第１の出力信号Ｓ１の周波数が変化するため、この変化量を検出する。そして、この検出された変化量が、第１の位相比較器４で検出された位相差、すなわち弾性表面波センサ３による測定結果に相当するものである。
【００２６】
次に、このような構成の被測定物特性測定装置１の作用などについて説明する。ここで、弾性表面波センサ３は、被測定物の環境下に配置されたり、被測定物に接触されたりして、被測定物の特性を測定可能な状態にあるものとする。
【００２７】
まず、シンセサイザ２において、上記のような位相同期ループ処理により、水晶発振器２１からの基準周波数信号の位相と一致し、かつ基準周波数に基づく所定の周波数の第１の出力信号Ｓ１が、シンセサイザ２から生成、出力される。この第１の出力信号Ｓ１は、分配器７を介して、弾性表面波センサ３と第１の位相比較器４とに入力されるとともに、周波数カウンタ６に入力される（このときの信号Ｓ１を「信号Ｓ１−１」と称する。）。
【００２８】
次に、弾性表面波センサ３に入力された第１の出力信号Ｓ１の位相が、被測定物の特性に応じて変動し、第２の出力信号Ｓ２として弾性表面波センサ３から出力され、第１の位相比較器４に入力される。続いて、第１の位相比較器４において、第１の出力信号Ｓ１と第２の出力信号Ｓ２との位相差が検出され、その位相差に基づいて、上記のようなＨ信号やＬ信号が第１のループフィルタ５に入力される。
【００２９】
そして、第１のループフィルタ５において、上記のようにして位相差に基づく制御電圧が生成され、水晶発振器２１の制御電圧入力端子に入力される。これにより、制御電圧に応じて水晶発振器２１からの基準周波数が変わり、これに伴ってシンセサイザ２から出力される第１の出力信号Ｓ１の周波数が変化する（このときの信号Ｓ１を「信号Ｓ１−２」と称する。）。
【００３０】
この第１の出力信号Ｓ１−２は、上記と同様にして、弾性表面波センサ３と第１の位相比較器４とに入力されるとともに、周波数カウンタ６に入力され、周波数カウンタ６において、第１の出力信号Ｓ１の周波数変化、つまり信号Ｓ１−１から信号Ｓ１−２への周波数の変化量が検出・カウントされる。そして、このようなループ処理を繰り返すことで、第１の出力信号Ｓ１が所定の周波数に収束する（このときの信号Ｓ１を「信号Ｓ１−３」と称する。）。その結果として、第１の出力信号Ｓ１の最終的な周波数変化、つまり信号Ｓ１−１から信号Ｓ１−３への周波数変化が周波数カウンタ６で検出され、弾性表面波センサ３による測定結果が、周波数変化として得られるものである。
【００３１】
以上のように、この被測定物特性測定装置１によれば、弾性表面波センサ３による測定結果が、周波数変化として検出、出力されるため、測定分解能が高く、測定感度・精度を高めることができる。すなわち、１８０°の位相変化を０．４ＭＨｚの周波数変化に変換し、周波数測定の分解能を１Ｈｚとした場合、測定分解能が２．５ｐｐｍと大きく、電圧に変換する従来の場合（測定分解能が２７７７ｐｐｍ）に比べて、１０００倍以上の測定感度・精度を得ることが可能となる。
【００３２】
しかも、シンセサイザ２から第１の出力信号Ｓ１を発振、出力するため、発振停止や異常発振などを生じることがなく、適正な発振を確保することができる。つまり、適正な発振を確保しつつ、測定感度・精度を高めることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
図２は、この実施の形態に係る被測定物特性測定装置１０を示す構成ブロック図である。この実施の形態では、出力信号の直接波と希望波とを分離する点で実施の形態１と構成が異なり、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することで、その説明を省略する。
【００３４】
この実施の形態では、バースト回路（バースト変換手段）８１と、タイミング発生回路（バースト変換手段）８２と、サンプルホールド回路（制御手段）８３とを備えている。
【００３５】
バースト回路８１とタイミング発生回路８２とは、弾性表面波センサ３に送信される第１の出力信号Ｓ１を所定波形のバースト波に変換する回路である。すなわち、バースト回路８１は、分配器７と弾性表面波センサ３との間に配置されたパルス発生回路であり、タイミング発生回路８２は、所定の周期信号を発振する回路である。そして、バースト回路８１が、シンセサイザ２（分配器７）からの第１の出力信号Ｓ１を、タイミング発生回路８２からのタイミング（周期信号）に基づいて、バースト波（パルス信号）に変換、生成して、弾性表面波センサ３に入力するものである。
【００３６】
サンプルホールド回路８３は、第１の位相比較器４によって検出された位相差パルスのうち主応答信号成分のみを計測し、主応答信号成分が現れていない期間には主応答信号成分の値を保持して、主応答信号成分に基づいて基準周波数を制御する回路である。具体的には、サンプリング対象となる入力信号を受ける第１のオペアンプと、タイミング発生回路８２からのタイミング（周期信号）に基づいて第１のオペアンプの出力信号を通過させるスイッチと、第１のオペアンプの出力信号に応じた電荷を蓄積するコンデンサと、コンデンサに蓄積された電荷による電圧をホールド信号として出力する第２のオペアンプとを備えている。
【００３７】
そして、スイッチは、タイミング発生回路８２からの周期信号がハイレベルのときに、第１のオペアンプの出力信号を第２のオペアンプに出力するとともに、第１のオペアンプの出力信号に応じた電荷をコンデンサに蓄積させる。また、スイッチは、タイミング発生回路８２からの周期信号がローレベルのときには、第１のオペアンプの出力信号を第２のオペアンプに出力させずに、コンデンサに蓄積された電荷による電圧を第２のオペアンプから出力させる。
【００３８】
このように、サンプルホールド回路８３は、タイミング発生回路８２からの周期信号がハイレベル（希望波）のときに、第１の位相比較器４からの出力信号を出力するとともに、出力信号に応じた電荷をコンデンサに蓄積する。一方、タイミング発生回路８２からの周期信号がローレベル（直接波）のときには、コンデンサに蓄積された電荷による電圧を出力するものである。
【００３９】
このような構成の被測定物特性測定装置１０によれば、まず、実施の形態１と同等に、基準周波数に基づく所定周波数の第１の出力信号Ｓ１が、シンセサイザ２から生成、出力される。この第１の出力信号Ｓ１は、そのまま第１の位相比較器４と周波数カウンタ６とに入力されるとともに、バースト回路８１を介してバースト波に変換されて、弾性表面波センサ３に入力される。
【００４０】
次に、弾性表面波センサ３からの第２の出力信号Ｓ２が第１の位相比較器４に入力され、第１の位相比較器４において、第１の出力信号Ｓ１と第２の出力信号Ｓ２との位相差が検出され、その検出結果がパルス信号（位相差パルス）としてサンプルホールド回路８３に入力される。
【００４１】
そして、サンプルホールド回路８３から水晶発振器２１に対して、上記のようにして、第１の位相比較器４からの出力信号や、コンデンサに蓄積された電荷による電圧、に基づく制御電圧が入力される。これにより、水晶発振器２１からの基準周波数、さらには、シンセサイザ２から出力される第１の出力信号Ｓ１の周波数が変化し、実施の形態１と同等に、周波数カウンタ６によってその周波数変化量が検出・カウントされるものである。
【００４２】
以上のように、この実施の形態によれば、直接波（直達波）と希望波（主応答信号）とを分離するために、第１の出力信号Ｓ１をバースト波に変換しても、サンプルホールド回路８３から水晶発振器２１に制御電圧が連続的・継続的に入力され、基準周波数の制御が行われる。このため、シンセサイザ２から常に（連続的に）適正に、所定周波数の第１の出力信号Ｓ１を出力することができる。
【００４３】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、第１の位相比較器４から第１のループフィルタ５にＨ信号やＬ信号を伝送しているが、検出信号を直接第１のループフィルタ５に送るようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１、１０  被測定物特性測定装置
２        シンセサイザ
２１      水晶発振器（発振器）
２２      第２の位相比較器
２３      電圧制御発振器
２４      分周器
２５      第２のループフィルタ
３        弾性表面波センサ
４        第１の位相比較器（位相比較手段）
５        第１のループフィルタ（制御手段）
６        周波数カウンタ（周波数変化検出手段）
８１      バースト回路（バースト変換手段）
８２      タイミング発生回路（バースト変換手段）
８３      サンプルホールド回路（制御手段）
Ｓ１      第１の出力信号
Ｓ２      第２の出力信号
【図１】
2012225856.tif 000003
【図２】
2012225856.tif 000004
【図３】
2012225856.tif 000005
【図４】
2012225856.tif 000006