JP4561251B2 - 多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法及びその素子 - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波の伝搬状態の測定時に用いられる多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法及びその素子に係り、特に、温度測定を不要としつつ、伝搬状態を変化させる要因を分析し得る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法及びその素子に関する。

従来、弾性波を使った伝搬面の材料分析方法として、水晶のＡＴカットを使ったＱＣＭと呼ばれる方法がある（例えば、［非特許文献１］参照。）。この方法は、薄く切った水晶板の表裏に電極を形成し電極に高周波を印加して弾性波を励起し、弾性波の共振周波数の変化を、表面に付着した物質の量に応じて測定するものである。ＡＴカットでは、伝搬面の温度が２０℃付近のとき、弾性波の伝搬速度の温度依存性が小さいという利点が知られており、この利点を用いている。しかしながら、高感度化のために非常に薄く水晶を研磨する技術が必要であり、製造が困難である。

一方、弾性表面波を使った伝搬面の材料分析方法としては、弾性表面波が伝搬する伝搬面にガス感応膜を形成し、感応膜のガス分子吸着や感応膜自体の弾性物性の変化を弾性表面波の伝搬速度の変化や共振周波数変化から測定するものがある。

しかしながら、従来の弾性表面波素子を用いた方法では、伝播速度の変化が小さく、十分な感度を得ることが難しい。

また一方、多重周回弾性表面波素子を用いた材料分析方法が考えられている。この方法は、弾性表面波を周回させ、測定感度の向上を図るものである。

ここで、多重周回弾性表面波素子は、３次元基体の表面に圧電性膜及びすだれ状電極を順次形成して作成される。作成された多重周回弾性表面波素子は、すだれ状電極から圧電性膜に電界を印加することにより、弾性表面波を励起する。励起された弾性表面波は３次元基体上の伝搬面を周回して、再びすだれ状電極に到達し高周波信号としての検出信号に変換される。この検出信号の測定により、得られた所定回数の周回に要した周回時間の変化に基づいて、３次元基体表面の物質量が測定される。なお、圧電性膜の形成が難しいことから、圧電性膜の形成に代えて、圧電結晶の3次元基体を球形に加工し、球形表面にすだれ状電極を形成して多重周回弾性表面波素子を製造しても良い。このような製造方法は、非常に安定して製造が可能であり、周回に伴う弾性表面波の減衰も小さい。ただし、周回する経路が圧電結晶の結晶軸に従って限られているので、水晶のＡＴカットのように温度依存性の小さいカットを選ぶことによって、周囲の温度変化に対して安定な測定値を得ることができない。

しかしながら、以上のような多重周回弾性表面波素子を用いた材料分析方法では、測定される周回時間の変化が数ppｍ以下の大きさである。これに対し、例えば水晶のＺ軸シリンダ経路を使った球状弾性表面波素子の場合、温度依存性が約２５ｐｐｍ／℃の大きさを持つ。そのため、周回時間の変化分から温度依存性による変化分を除去するためには、非常に高精度に伝搬面の温度を測定する必要がある。

例えば本発明者は、熱電対を多重周回弾性表面波素子の水晶球に接触させ、０．０１℃精度の温度計測を保温ケース内で行った。この実験では、高周波バースト信号（４５ＭＨｚ中心）の入力時刻から１００周目の信号の立ち上がり時刻までの時間Ｔａを測定した。続いて、多重周回弾性表面波素子をアルブミン溶液３％に３０分間浸漬し、純水リンスを１０回行って乾燥した後に、同じく、高周波バースト信号の入力時刻から立ち上がり時刻までの時間Ｔｂを測定した。この実験では、測定時刻の変化率（Ｔｂ−Ｔａ）／Ｔａを温度校正した結果から、アルブミンタンパクが付着したときの弾性表面波（この場合はレーリー波）の周回時間は２０ｐｐｍ長くなることが分かった。
D.S.Ballantine，R.M.White, S.J.Martin, A. J.Ricco, E.T.Zellers, G.C.Frye, H.Wohltjen著、「ACOUSTIC WAVE SENSORS」、ACADEMIC PRESS。 特開２００３−１１５７４４号公報

以上説明したように多重周回弾性表面波素子を用いた材料分析方法では、０．０１℃精度のように非常に高精度に伝搬面の温度を測定し、周回時間を温度校正する必要がある。しかしながら、このような高精度な温度測定は現実的でない。

本発明は上記実情を考慮してなされたもので、伝搬面の伝搬状態を測定する際に、温度測定を不要としつつ、伝搬状態を変化させる要因を分析し得る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法及びその素子を提供することを目的とする。

請求項１に対応する発明は、弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な伝搬面を有する３次元基体と、入力される駆動信号に応じて、前記伝搬面に弾性表面波を励起するための弾性表面波励起手段と、前記励起された弾性表面波を検出して検出信号を出力する弾性表面波検出手段とを備えた多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法であって、第1周波数をもつ駆動信号を前記弾性表面波励起手段に入力する駆動信号入力ステップと、前記弾性表面波励起手段により、駆動信号に応じて弾性表面波を前記伝搬面に励起する弾性表面波励起ステップと、前記励起されて伝搬面を多重周回する弾性表面波を弾性表面波検出手段で検出し、検出信号を出力する弾性表面波検出ステップと、前記出力された検出信号から前記伝搬面の伝搬状態を示す伝搬状態値における第１変化を測定する第1変化測定ステップと、前記第１周波数をもつ駆動信号に代えて前記第１周波数とは異なる第２周波数をもつ駆動信号を用い、前記駆動信号入力ステップ、前記弾性表面波励起ステップ及び前記弾性表面波検出ステップを実行し、この弾性表面波検出ステップにて出力された検出信号から前記伝搬面の伝搬状態値における第２変化を測定する第２変化測定ステップと、前記第1周波数、前記第１変化、前記第２周波数及び前記第２変化に基づいて、前記伝搬状態値を変化させる要因の変化量を分析する要因分析ステップとを備えた多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記伝搬状態値は、前記弾性表面波が前記３次元基体を多重周回する際の周回速度の変化を示す値である多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項３に対応する発明は、請求項２に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記要因の変化量は、伝搬面の質量変化量及び温度変化量であり、前記要因分析ステップは、前記周回速度の温度依存係数と前記周回速度の周波数依存係数とを保持し、前記第1周波数、前記周波数依存係数、前記質量変化量、前記温度変化量及び前記温度依存係数に基づいて前記第１変化を表す式と、前記第２周波数、前記周波数依存係数、前記質量変化量、前記温度変化量及び前記温度依存係数に基づいて前記第２変化を表す式とから得られる前記質量変化量の式と前記温度変化量の式とに基づいて、当該質量変化量及び温度変化量を個別に算出する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記弾性表面波検出ステップは、前記駆動信号の入力を停止した後に、前記多重周回された弾性表面波を検出して検出信号を出力し、前記第1及び第２変化測定ステップは、それぞれ検出信号の位相変化を測定することにより前記第1変化及び前記第２変化を測定する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項５に対応する発明は、請求項４に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記駆動信号入力ステップにおいて、前記弾性表面波励起手段に入力する駆動信号は、第1周波数と第2周波数の両方を有する高周波バースト信号であり、前記第1及び第２変化測定ステップは、それぞれ検出信号の波形の変化から前記第1周波数成分と前記第2周波数成分のそれぞれの位相変化を測定する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項６に対応する発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記駆動信号入力ステップにおいて、前記弾性表面波励起手段には共通の高周波信号源から生成される第1周波数の駆動信号と第2周波数の駆動信号を入力し、前記高周波信号源の周波数が変化しても、前記第1周波数と前記第2周波数の周波数比が一定になる多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項７に対応する発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか1項に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記弾性表面波励起ステップは、前記各駆動信号に応じて弾性表面波を同一３次元基体上の同一経路に励起する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項８に対応する発明は、請求項1乃至請求項７のいずれか1項に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記第1変化は、変化前の値に占める変化分の割合を示す第１変化率であり、前記第２変化は、変化前の値に占める変化分の割合を示す第２変化率である多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項９に対応する発明は、請求項２乃至請求項８のいずれか1項に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、前記伝搬状態値は、前記周回速度の変化を示す値に代えて、所定の周回に要する周回時間である多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法である。

請求項１０に対応する発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に対応する多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法に用いられる多重周回弾性表面波素子において、前記伝搬面は、球面によりなる連続した円環状の表面を有する周回経路を備えた多重周回弾性表面波素子である。

請求項１１に対応する発明は、請求項１０に対応する多重周回弾性表面波素子において、前記弾性表面波励起手段は、前記３次元基体の表面に接するかあるいは近接して設けられ、前記駆動信号の電界を印加するためのすだれ状電極と、前記すだれ状電極から印加される電界を圧電効果により弾性表面波に変換するための圧電材料とからなる伝搬面を有する多重周回弾性表面波素子である。

請求項１２に対応する発明は、請求項１０または請求項１２に対応する多重周回弾性表面波素子において、前記3次元基体は圧電結晶で構成されている多重周回弾性表面波素子である。

＜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、境界波、回廊波、内郭を周回する表面波、弾性表面波、漏洩弾性表面波、擬似弾性表面波、擬似漏洩弾性表面波等、球形表面にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波全般を包含する。

同様に、本発明においては、伝搬路が異なる材料との境界によって成る弾性表面波素子（球状弾性境界波素子）も境界を弾性波が多重周回伝搬する現象に基いた素子であれば、多重周回弾性表面波素子と呼ぶこととする。例えば多重周回弾性表面波素子は、３次元基体が球形状の素子に限らず、伝搬路が円環状表面を有していれば、球形状の一部が平面形状など他の形状に加工されている素子も包含する。

また、本発明において、周回速度とは、厳密な意味での伝搬速度ではない場合がある。一般に周囲の温度が変化すると、弾性表面波の伝搬速度は変化するが、伝搬路の周回長も熱膨張によって変化するため、これらの影響が重畳されて弾性表面波の周回に必要な時間が変わってしまう。また、異方性材料を用いて伝搬路を作る場合、場所によって物理的な意味における弾性表面波の伝搬速度は変化する。すなわち、本発明において、周回速度とは、周回経路を所定の周回数あるいは所定の位置の間を伝搬するのに必要な時間によって定義される速度をいう。

なお、周回経路を弾性表面波が伝搬する際に、上記周回速度の変化を、弾性表面波の周波数を変える際に変わる周期（弾性表面波の周波数の逆数）と、弾性表面波が周回に要する時間との関係からの特徴的な周波数応答から得ることができる。この際に実際に測定で得られる伝搬状態値は前記特徴的な周波数の値であるが、この値も、周回速度あるいは弾性表面波の伝搬速度の変化によって変化して定まるのであるから、請求項２においては、“周回速度の変化を示す値”と記述しており、直接観測する物理定数によって制限するものではない。

＜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、第１周波数をもつ駆動信号で励起したときの伝搬状態値における第１変化と、第２周波数をもつ駆動信号で励起したときの伝搬状態値における第２変化とを測定し、これら第１周波数、第１の変化、第２周波数及び第２の変化に基づいて、伝搬状態値を変化させる要因の変化量を分析する。すなわち、伝搬状態値を変化させる要因と駆動信号の周波数との関係に基づいて、要因の変化量を分析する構成により、伝搬面の伝搬状態を測定する際に、温度測定を不要としつつ、伝搬状態を変化させる要因を分析することができる。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する作用に加え、伝搬状態値として周回速度の変化を示す値を用いるので、容易に測定することができる。

請求項３に対応する発明は、請求項２に対応する作用に加え、周回速度の変化を示す値の変化が、伝搬面の温度と駆動信号の周波数とに依存して変化する場合に、伝搬面の質量変化量と温度変化量を容易に求めることができる。

請求項４に対応する発明は、請求項１〜３に対応する作用に加え、駆動信号の入力を停止してから、多重周回された弾性表面波を検出することにより、検出感度を向上させることができる。

請求項５に対応する発明は、請求項４に対応する作用に加え、検出信号の波形から弾性表面波の伝搬状態を測定することにより、簡易に測定を実施することができる。

請求項６に対応する発明は、請求項１〜５に対応する作用に加え、複数の異なる駆動信号の周波数の比を一定にすることにより、駆動信号の元となる高周波信号の変動の影響を除去することができ、測定精度を向上させることができる。

請求項７に対する発明は、請求項１〜６に対応する作用に加え、複数の異なる駆動信号で複数の弾性表面波を同一経路に励起することで、測定対象を一致させることができる。

請求項８に対する発明は、請求項１〜７に対応する作用に加え、第1の変化から第１の変化率求め、第２の変化から第２の変化率求めているので、容易に伝搬状態を変化させる要因の分析をすることができる。

請求項９に対する発明は、請求項２〜８に対応する作用に加え、伝搬状態値として、周回速度の変化を示す値の代わりに、周回時間を用いるので、容易に測定することができる。

請求項１０に対する発明は、伝搬面が、連続した曲面からなる円環状の表面を有する周回経路を備えた構成により、弾性表面波を多重周回させて伝搬面の測定をすることができる。

請求項１１に対応する発明は、請求項１０に対応する作用に加え、弾性表面波励起手段を、すだれ状電極及び圧電性材料から構成したので、効率的に弾性表面波を励起することができる。これにより、効率良く伝搬面の測定をすることができる。

請求項１２に対応する発明は、請求項１０〜１１に対応する作用に加え、３次元基体に圧電結晶を用いているので、圧電膜形成の必要が無く製造が容易で、効率的に弾性表面波を励起することができる。これにより、効率良く伝搬面の測定をすることができる。

以上説明したように本発明によれば、伝搬面の伝搬状態を測定する際に、温度測定を不要としつつ、伝搬状態を変化させる要因を分析できる。

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が、その前に本発明の概要を述べる。

弾性表面波素子の表面状態の変化は、周回する弾性表面波を検出した検出信号の変化に基づいて分析できる。ここで、本発明者の考察によれば、弾性表面波の伝搬速度（周回時間）は、弾性表面波の周波数に依存しない作用（あるいは比較的周波数に依存しない作用）と依存する作用により変化する。周波数に依存しない作用は、例えば伝搬面の温度がある。周波数に依存する作用は、例えば伝搬面に付着する物質の量がある。従って、互いに異なる周波数の駆動信号を用い、各駆動信号毎に伝搬速度の変化率を測定すれば、周波数に依存する作用と依存しない作用とを分離可能となり、ひいては伝搬面の表面状態を分析できると考えられる。
以下、このような考えに基づいて本発明の各実施形態を述べる。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置の構成を示す模式図である。この伝搬面の分析装置は、多重周回弾性表面波素子１０、周波数変更部２０、高周波信号源３０、スイッチ４０、増幅部４５、信号測定部５０、計算部６０及び制御部７０を備えている。

ここで、多重周回弾性表面波素子１０は、伝搬面１１を有する球状部材１２、及びすだれ状電極１３を備えている。

伝搬面１１は、連続した曲面からなる円環状の表面を有し、この円環状の表面の少なくとも一部にはすだれ状電極１３により励起される互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を周回させるための周回経路を備えている。

球状部材１２は、一旦励起された弾性表面波が多重周回可能な伝搬面１１を有する３次元基体であり、ここでは単結晶の水晶材料を直径１０ｍｍの球形状に加工したものを用いている。

すだれ状電極１３は、例えば金属の蒸着とフォトリソグラフィプロセスによるエッチングを用いる等により、球状部材１２の表面に接して形成され、高周波信号源３０からスイッチ４０を介して入力される駆動信号に応じて、伝搬面１１に弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起する機能と、励起された弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を検出してスイッチ４０に出力する機能を有している。但し、すだれ状電極１３は、必ずしも球状部材１２の表面に接して形成される必要はなく、例えば球状部材１２の表面に近接して設けられ、駆動信号の電界を球状部材１２に印加可能で且つ弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を検出可能なものとしてもよい。ここで、弾性表面波をＳＡＷ１とＳＡＷ２に分けて説明したが、実際には区別しなくても良い。特に、弾性表面波の励起と検出を同一のすだれ状電極で行う場合はそれらの検出信号は重なるために同一信号として得られる。

周波数変更部２０は、制御部７０により制御され、高周波信号源３０が出力する駆動信号の周波数を設定及び変更する機能をもっている。

高周波信号源３０は、周波数変更部２０により設定された周波数を持つ高周波信号を断続的に出力し、得られた駆動信号をスイッチ４０を介してすだれ状電極１３に出力するものである。

スイッチ４０は、すだれ状電極１３を高周波信号源３０又は増幅部４５に接続するか、両者３０，４５から絶縁するものである。

増幅部４５は、すだれ状電極１３から出力された多重周回中の弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の検出信号を増幅して信号測定部５０に出力するものである。

信号測定部５０は、増幅部４５で増幅された検出信号の強度を測定し、得られた測定結果を計算部６０に出力するものである。

計算部６０は、出力された検出信号から弾性表面波が球状部材１２を多重周回する際の所定回数（例、５０回）の周回に要する周回時間を測定する機能と、測定された周回時間と駆動信号の周波数から伝搬面１１を分析する機能をもっている。詳しくは計算部６０は、周回時間の温度依存係数Ａと周回時間の周波数依存係数Ｂとを保持し、駆動信号の第1周波数Ｆ１、周波数依存係数Ｂ、質量変化量Δｍ、温度変化量Δｔ及び温度依存係数Ａに基づいて第１変化率ｄＴ１を表す式（後述する（４）式）と、駆動信号の第２周波数Ｆ２、周波数依存係数Ｂ、質量変化量Δｍ、温度変化量Δｔ及び温度依存係数Ａに基づいて第２変化率ｄＴ２を表す式（同（５）式）とから得られる質量変化量Δｍの式（同（６）式）と温度変化量Δｔの式（同（７）式）とに基づいて、当該質量変化量Δｍ及び温度変化量Δｔを個別に算出する機能をもっている。

制御部７０は、周波数変更部２０及び信号測定部５０を制御し、各部の動作のタイミングを設定する機能を有している。

次に、以上のように構成された多重周回弾性表面波素子の伝搬路の分析方法について説明する。

始めに、スイッチ４０は、多重周回弾性表面波素子１０のすだれ状電極１３と高周波信号源３０とを接続している。

高周波信号源３０は、すだれ状電極１３を駆動するための高周波信号を発生し、この高周波信号を弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２が１周する周回周期Ｔｃよりも長い時間幅Ｔを持つように断続的に出力して駆動信号とする。この駆動信号はスイッチ４０を介してすだれ状電極１３に印加される。

すだれ状電極１３は、駆動信号の印加により、球状部材１２の表面に互いに逆方向に伝搬する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２を励起し、表面に沿い伝搬させる。また、周回中の弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２の合成波ＳＡＷを検出して検出信号を出力可能とする。この弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２は、すだれ状電極１３を通過しながら球状部材１２の表面を多重周回する。

所定時間の経過後、スイッチ４０は、多重周回弾性表面波素子１０と増幅部４５を接続する。

すだれ状電極１３は、弾性表面波の検出信号を増幅部４５を介して、信号測定部５０に入力する。

信号測定部５０は、検出信号をデジタル化し、その測定結果を計算部６０に出力する。なお、信号測定部５０は、デジタルオシロスコープ等を用いることもできて、信号の波形を表示して波形の変化から伝搬速度の変化を求めてもよい。図２は駆動信号（ａ）と、駆動信号によって励起され検出された弾性表面波の検出信号（ｂ）を示している。縦軸は電圧であり、横軸は時間である。一般に球表面を伝搬する弾性表面波は、その周波数が低いほど周回に要する時間（周回時間）は短くなることが知られている。このような周波数の違いによる伝搬速度（周回速度）の変化、いわゆる「周波数分散」を持っている。低周波数信号に比べ高周波数信号は遅れて周回する。図２においては、ある周回数に相当する信号を拡大した時間波形を模式的に示しているが、第１周波数Ｆ１の低周波信号の伝搬速度がΔＴ遅れると、第２周波数Ｆ２の高周波信号の伝搬速度はΔＴ（Ｆ２／Ｆ１）遅れてしまう。しかし、弾性表面波の周波数に影響を与えない要因、例えば温度変化や周囲の空気圧変化などにより、高い周波数を持つ信号の変化はΔＴ（Ｆ２／Ｆ１）ではなく、低周波信号と同じようにΔＴの変化となる。周波数に比例して弾性表面波の伝搬速度が変化する場合、このように位相の変化として観測でき、周波数分散に影響を与える要因を識別できる。ところで、各周波数の位相の違いから、周回速度の違いを測定することができる。この際、波形の変化と速度の変化を対応させた対応表を予め設定すれば、伝搬速度の変化を波形の変化から容易に観測可能となる。また、伝搬面上の周回経路の長さは一定なので、伝搬速度の変化率と周回時間の変化率の絶対値は近似的に等しくなる。これにより、伝搬速度の変化率から周回時間の変化率を求めることが可能である。但し、ここでは、前述した通り、信号測定部５０は、検出信号の強度値を計算部６０へ出力する。

計算部６０は、検出信号のデータに基づいて周回時間を算出する。算出された周回時間から、周回経路の温度変化量Δｔと、周回経路１１上の付着物による質量変化量Δｍとを計算する。

ここで、計算部６０における計算の前提条件として、弾性表面波の周回時間を変化させる作用について述べる。

弾性表面波の周回時間は、弾性表面波の周波数に依存する要因（周波数依存要因）と、周波数に依存しない要因（周波数非依存要因）とにより変化する。

周波数依存要因は、伝搬面１１の質量変化量Δｍである。周回時間の変化率ΔＴは、（１）式に示すように、質量変化量Δｍおよび弾性表面波の周波数Ｆに比例して変化すると仮定する。

ΔＴ ＝ Ｂ×Δｍ×Ｆ …（１）
但し、Ｂ：質量依存定数［ｐｐｍ／（（ｎｇ/ｃｍ^２）・ＭＨｚ）］
例えば、水晶のＡＴカット基板に１μｇ／ｃｍ^２の質量付着があった場合、１００ＭＨｚの弾性表面波の周回時間は３０ｐｐｍ（ｐｐｍは１０^−６の無次元数。）の変化を起こす。この場合、５０ＭＨｚの弾性表面波を同じ伝搬面に周回させると、１５ｐｐｍの変化となる。

このような関係は、伝搬面の質量変化量Δｍが弾性表面波の波長に比べて有意な大きさ（膜厚）を持たない場合に成り立つ。例えば、波長の５００分の１より大きな膜厚の物質が付着すると、弾性表面波は特定の周波数を除いて伝搬中に弾性エネルギを失うか（減衰定数が大きい）、伝搬が困難な状況になり、（１）式の関係から外れる。

なお、弾性表面波を多重周回させる素子でなければ、相応の質量変化量がなければ十分な分解能の測定は困難である。球状弾性表面波素子であれば、球表面上を弾性表面波が多重周回するので僅かな質量変化量Δｍの影響が重畳されて周回時間の大きな変化率ΔＴとして測定が可能となる。

一方、周波数非依存要因は、前述したように例えば伝搬面の温度変化量Δｔである。周回時間の変化率ΔＴは、温度変化量Δｔ及び温度依存係数Ａに比例して変化する。温度依存係数Ａは、例えば水晶のＺ軸シリンダ経路を周回する弾性表面波の周回時間の温度依存性を表し、約２５ｐｐｍ／℃の値をもつ。

次に、計算部６０は、周回時間の変化率に基づき、変化させた要因を分析する。具体的には、周波数依存要因の変化量と周波数非依存要因の変化量とを個別に算出する。ここでは最も簡単な場合を例に次の（i）〜（iii）の手順で説明する。

（i）周波数依存要因と周波数非依存要因のそれぞれの依存係数Ａ，Ｂを測定する。伝搬面１１の温度変化量Δｔに伴い、弾性表面波の周回時間は、１℃あたりＡ倍に変化するとする。この伝搬面１１の温度依存係数Ａは、温度制御可能な環境において、伝搬面１１の温度を変えて周回時間を測定したときの測定結果から求めることが可能である。

また、伝搬面１１の質量変化量Δｍに伴う弾性表面波の周回時間は、１ｎｇ／ｃｍ^２あたり、Ｂ倍に変化するとする。この伝搬面１１の質量依存係数Ｂは、模擬的に金などを周回経路上に形成して周回時間の変化を測定し、付着した金の量を蛍光Ｘ線分析法に基いて測定した結果から求めることが可能である。

依存係数Ａ，Ｂは、予め測定可能であり、弾性学から理論的にも計算可能である。

また、上記の例では、Ａ，Ｂは定数であるが、ＡとBが互いに影響し合う関係にある場合、例えばＡが温度の絶対値の関数であったりする場合でも、Ａが測定可能であればよい。つまり、実験から得られる周回時間の変化率の値を最も良く説明する温度変化量Δｔと質量変化量Δｍを求めれば良く、最適化問題として対応可能である。

（ii）計算部６０は、弾性表面波の周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２を測定する。第１の変化率ｄＴ１は、第１周波数Ｆ１の駆動信号において、物質の付着前の伝搬面１１における所定周回数に要する周回時間Ｔ１と、物質の付着後の伝搬面１１における所定周回数に要する周回時間Ｔ１’の差を付着前の周回時間Ｔ１で除した値（ｄＴ１＝（Ｔ１’−Ｔ１）／Ｔ１）として測定される。同様に、第２の変化率ｄＴ２は、第２周波数Ｆ２の駆動信号において、物質の付着前の伝搬面１１における所定周回数に要する周回時間Ｔ２と、物質の付着後の伝搬面１１における所定周回数に要する周回時間Ｔ２’の差を付着前の周回時間Ｔ２でを除した値（ｄＴ２＝（Ｔ２’−Ｔ２）／Ｔ２）として測定される。

（iii）計算部６０は、伝搬面の温度変化量Δｔと質量変化量Δｍを求める。弾性表面波の周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２から、下記の（２）式および（３）式が成立する。

１＋ｄＴ１＝周波数非依存効果×周波数依存効果
＝（１＋Ａ・Δｔ）×（１＋Ｂ・Δｍ・Ｆ１） …（２）
１＋ｄＴ２＝（１＋Ａ・Δｔ）×（１＋Ｂ・Δｍ・Ｆ２） …（３）
（２）式、（３）式において、ＡＢ×Δｔ×Δｍ×Ｆ１、及びＡＢ×Δｔ×Δｍ×Ｆ２、は非常に小さな値になるために省略できる。これにより、下記の（４）式および（５）式が成立する。

ｄＴ１＝Ａ・Δｔ＋Ｂ・Δｍ・Ｆ１ …（４）
ｄＴ２＝Ａ・Δｔ＋Ｂ・Δｍ・Ｆ２ …（５）
ここで、（４）式と（５）式の連立方程式を解くことにより、下記の（６）式および（７）式が成立し、伝搬面の温度変化量Δｔと質量変化量Δｍを独立に求めることが可能となる。

以上のように、計算部６０は、依存係数ＡとＢを予め求めておき、各周波数Ｆ１，Ｆ２毎の周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２に基づいて、（６）式及び（７）式から温度変化量Δｔおよび質量変化量Δｍを算出する。

なお、上記の例では２つの周波数Ｆ１，Ｆ２によって、伝搬面の温度変化量Δｔと質量変化量Δｍを求めたが、より多くもしくは連続的に異なる周波数の値に対して温度変化量Δｔと質量変化量Δｍを計算しても良い。その場合、周回時間の変化率の測定値を最も良く説明する値を採用することとなる。

次に、本実施形態に関連する実施例１について述べる。

＜実施例１＞
球状弾性表面波素子１０Ｓにアルブミンを付着して、付着前後の弾性表面波の周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２から、アルブミンの付着量Δｍを算出した。

図３は本実施例で使用する球状弾性表面波素子を示した図である。

球状弾性表面波素子１０Ｓに用いるすだれ状電極は、２つのすだれ状電極１３Ａ，１３Ｂを、球状部材１２に接して形成する。すだれ状電極１３Ａ，１３Ｂは、それぞれ２０ＭＨｚおよび４５ＭＨｚの駆動周波数をもつ駆動信号が個別に入力され、同一の伝搬面１１に弾性表面波を励起する。なお、すだれ状電極１３Ａ，１３Ｂに１５ＭＨｚと４５ＭＨｚのように、一方の周波数が他方の周波数の整数倍となる駆動信号で、同一の伝搬面に弾性表面波を励起すると、一方のすだれ状電極が他方のすだれ状電極が励起した弾性表面波の周回を阻害することがある。そのため、１５ＭＨｚと４５ＭＨｚの組合せより、２０ＭＨｚと４５ＭＨｚのような組合せの方が望ましい。

ところで、水晶のＺ軸シリンダ経路においてレーリー波の速度は約３２００ｍ／ｓである。そこで、すだれ状電極１３Ａのパターン周期は３２００ｍ／ｓを２０ＭＨｚで除することで求められ、１６０．０μｍとなる。パターン線素の幅及びスペースはその４分の１に設計している。また、すだれ状電極１３Ａの電極の重なり幅は、約０．８４ｍｍに設計している。

一方、すだれ状電極１３Ｂについては、すだれ状電極１３Ａと同様に計算して、パターン周期は７１．１１１１μｍとし、電極の重なり幅は約１．２７ｍｍに設計している。

ここで、各すだれ状電極１３Ａ，１３Ｂの重なり幅は、それぞれ弾性表面波を球状部材１２の赤道上に帯状に周回させるために設計される。すだれ状電極の重なり幅が最適値からずれても、周回経路上で弾性表面波のビーム幅が広がるものの、実用上大きな問題は生じない。しかし、励起される弾性表面波の波長が球状部材１２の直径の１０分の１以上であったり、すだれ状電極の重なり幅が球状部材の半径の１．５分の１以上であると、弾性表面波が球全体に広がり実質的に多重周回が困難になる。特に結晶基材の場合、すだれ状電極が大きくなると、異なる特性の結晶面にも電極が位置するようになるので、効率を維持することが困難になってくる。

信号発生源３０は、駆動信号としての２０ＭＨｚのＲＦバースト信号と４５ＭＨｚのＲＦバースト信号を、夫々すだれ状電極１３Ａ，１３Ｂに印加する。すだれ状電極１３Ａ，１３Ｂは、弾性表面波を励起して周回経路を５０周回させた後、検出信号を信号測定部５０に出力した。その結果、信号測定部５０は、下表に示す周回時刻を測定した。

この測定結果から、図示しない計算部６０は、アルブミン処理による周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２を求めた。２０ＭＨｚの信号で弾性表面波を励起した場合は、ｄＴ１＝３．８９６ｐｐｍとなり、４５ＭＨｚの信号で弾性表面波を励起した場合は、ｄＴ２＝１１．００８ｐｐｍとなった。

以上の数値を（６）式および（７）式に入力し、温度依存係数Ａを２５．６ｐｐｍ、質量依存係数Ｂを１．７７７ｐｐｍ／（（ng/cm2）・MHｚ）として、アルブミン付着量Δｍを計算した。その結果、質量変化は約１６０ng増加し、温度変化は約０．０７℃増加したことを求めることができた。

この実施例では２つの周波数（２０MHz,４５MHz）について行ったが、例えばインパルス信号を弾性表面波励起用に使用し、出力信号をデジタルオシロスコープで受信した後に計算装置によって周波数分析を行い、周波数別の位相差（遅延時間の変化）を求めることも可能である。

上述したように本実施形態によれば、第１周波数Ｆ１をもつ駆動信号で励起したときの周回時間の第１変化率ｄＴ１と、第２周波数Ｆ２をもつ駆動信号で励起したときの周回時間の第２変化率ｄＴ２とを測定し、これら第１周波数Ｆ１、第１変化率ｄＴ１、第２周波数Ｆ２及び第２変化率ｄＴ２に基づいて、周回時間（伝搬状態値）を変化させる要因の変化量を分析する。すなわち、周回時間を変化させる要因と駆動信号の周波数Ｆ１，Ｆ２との関係に基づいて、要因の変化量Δｔ，Δｍを分析する構成により、伝搬面の伝搬状態を測定する際に、温度測定を不要としつつ、伝搬状態を変化させる要因を分析することができる。これは例えば、プロテインチップやガスセンサに利用することが可能である。

＜第２の実施形態＞
図４は本発明の第２の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置の構成を示す模式図であり、図１と同一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。

すなわち、本実施形態では、周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２を求めた第１の実施形態とは異なり、共振周波数の変化から周回時間の変化率を求めている。

この伝搬面の分析装置は、多重周回弾性表面波素子１０、高周波信号源３０、周波数微調整変換部３１、ゲート回路３２、スイッチ４０Ａ、４０Ｂ，４０Ｃ、タイマ４１、干渉部４２、増幅部４５、信号強度測定部５０ａ、計算部６０ａ及び制御部７０を備えている。

ここで、多重周回弾性表面波素子１０は、図１に示したものであり、伝搬面１１を有する球状部材１２とすだれ状電極１３を備えている。

高周波信号源３０は、２０ＭＨｚ帯、４５ＭＨｚ帯の高周波信号を周波数微調整変換部３１に入力するものである。

周波数微調整変換部３１は、高周波信号源３０から入力された高周波信号の周波数を僅かに変更する機能と、基準信号をゲート回路及びスイッチ４０Ｃに入力する機能とを有している。なお、高周波信号源３０と周波数微調整変換部３１とは、単一の装置として設けても良い。

ゲート回路３２は、周波数微調整変換部３１から入力された基準信号を短い時間幅のＲＦバースト信号の駆動信号に変換し、この駆動信号をスイッチ４０Ａを介してすだれ状電極１３へ入力する。ここでは、０．５μ秒のパルス幅を持つバースト信号に変換している。

スイッチ４０Ａはタイマ４１により制御され、ゲート回路３２とすだれ状電極１３を接続又はしゃ断する。

スイッチ４０Ｂはタイマ４１により制御され、すだれ状電極１３と干渉部４２を接続又はしゃ断する。

スイッチ４０Ｃはタイマ４１により制御され、周波数微調整変換部３１と干渉部４２を接続又はしゃ断する。

タイマ４１は、弾性表面波が所定の周回したときの検出信号と基準信号とを干渉部４２へ入力するようにスイッチの開閉タイミングを制御するためのものであって、特定の周回数または特定の時刻を指定して、スイッチ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの接続としゃ断のタイミングを制御する。

干渉部４２は、すだれ状電極１３から出力された弾性表面波の検出信号と、周波数微調整変換部３１から入力された基準信号とを干渉させ、得られた干渉信号を増幅部４５に出力する。

増幅部４５は、干渉部４２から入力された干渉信号を増幅して信号強度測定部５０ａに出力する。

信号強度測定部５０ａは、増幅部４５から受けた干渉信号の強度を測定する機能と、得られた干渉信号の強度を計算部６０ａに出力する機能をもっている。

計算部６０ａは、信号強度測定部５０ａから得られた周波数変化に対する信号強度の変化を解析して、例えば信号強度が最も大きくなる周波数（共振周波数）を求めて、その周波数を伝搬状態値として得る。このように計算部６０ａは、共振周波数を求める機能に加えて、共振周波数の変化率から周回時間の変化率を算出する機能と、得られた周回時間の変化率に基づいて、前述した（６）式および（７）式から温度変化量Δｔと質量変化量Δｍを算出する機能とをもっている。但し、共振周波数を求める工程は常に計算機などによって行う必要はなく、ハード的に自動で共振周波数を追跡する手法が一般に存在し、それを用いても良い。例えば、ＡＴカット水晶を用いてＱＣＭ測定を行う際には、デバイスの共振周波数を用いる方法が一般に用いられている。

制御部７０aは、周波数微調整変換部３１を制御して高周波信号源３０からの信号を、例えば数Hzステップで変化させるとともに、信号強度測定部５０aの信号強度値をデータとして計算部６０ａに取り込ませている。制御部７０ａは、この作業を幾つか異なる周回（遅延時間）において行うように制御している。

次に、以上のように構成された分析装置による伝搬面の分析方法を説明する。

高周波信号源３０は高周波信号を出力する。高周波信号は、ゲート回路３２でＲＦバースト信号に変換され、多重周回弾性表面波素子１０のすだれ状電極１３に入力される。すだれ状電極１３は、受信したＲＦバースト信号により、球状部材１２の伝搬面１１に弾性表面波を励起して周回させる。弾性表面波の多重周回中、タイマ４１は、スイッチ４０Ａ及びスイッチ４０Ｂを制御する。スイッチ４０Ａはゲート回路３２とすだれ状電極１３をしゃ断し、スイッチ４０Ｂはすだれ状電極１３と干渉部４２をしゃ断する。これにより、多重周回弾性表面波素子１０を周回する弾性表面波ＳＡＷ１，ＳＡＷ２が、周回毎に電気信号を出力しエネルギが弱くなることを防いでいる。

しかる後、タイマ４１は、所定の周回数に達したタイミングでスイッチ４０Ｂを制御し、すだれ状電極１３と干渉部４２を接続する。これにより、すだれ状電極１３は、周回した弾性表面波の検出信号を干渉部４２に出力する。

この際、タイマ４１はスイッチ４０Ｃを制御し、周波数微調整変換部３１と干渉部４２を接続する。これにより、周回した弾性表面波の検出信号と周波数微調整変換部３１からの基準信号とが干渉部４２で干渉する。この干渉信号の強度を信号強度測定部５０ａが測定し、計算部６０ａに出力する。計算部６０ａは、基準信号の周波数変化に対する干渉信号の強度変化を解析して共振周波数を求め、伝搬面における共振周波数（極大周波数）の変化率を求める。計算部６０ａは、この共振周波数の変化率に基づいて、球状部材１２の表面を伝搬する弾性表面波の伝搬時間の変化率を求めることができる。

詳しくは、干渉部４２では、図５（ａ）に示すように、パルス状に周回する弾性表面波に応じた検出信号が周期的に入力される。弾性表面波が多重周回すればするほど、図５（ｂ）に示すように、基準信号と位相の差が生じてくる。この位相の差を干渉による信号強度の変化を観測する方法によって求めることによって、計算部６０ａは、共振周波数の変化率を求める。具体的には例えば、連続的に駆動信号をすだれ状電極１３に印加して、励起される弾性表面波の出力強度を信号強度測定部５０ａで測定すると、ある特定の周波数で強度が極大となる。この強度が極大になる状態を「共振状態」といい、弾性表面波の１周回分の周回時間が、弾性表面波の振動周期の整数倍にある状態で実現される。また、共振状態における弾性表面波の振動周波数を「共振周波数」という。

共振状態では、図６（ａ）に示すように、駆動信号がすだれ状電極１３に入力された場合に、弾性表面波の１周回分の周回時間が弾性表面波の振動周期の整数倍となる。このため、すだれ状電極１３は、既に周回している弾性表面波と同じ位相で、弾性表面波の振動を増幅する電界を球状部材１２に印加するので、弾性表面波の出力強度が極大となる。

共振状態では無い状態では、図６（ｂ）に示すように、駆動信号がすだれ状電極１３に入力された場合に、弾性表面波の１周回分の周回時間が弾性表面波の振動周期の整数倍にならない。このため、すだれ状電極１３は、周回中の弾性表面波に対して異なる位相の弾性表面波を印加し、既に周回中の弾性表面波を打ち消してしまう。よって、弾性表面波の強度は不十分になり、出力される検出信号の位相は、時間的に不安定になる。

このような共振状態では、弾性表面波の振動周期の変化と弾性表面波の周回時間の変化には比例関係が成立する。また、弾性表面波の振動周期の変化は、共振周波数の変化の逆数である。このため、弾性表面波の周回時間の変化率ΔＴと共振周波数の変化率ΔＦｃは等しくなり、近似的に下記の（８）式が成立する。

ΔＦｃ≒−ΔＴ …（８）
このように、計算部６０ａは、弾性表面波の周回時間の変化率ΔＴを共振周波数の変化率ΔＦｃから求める。

ここで、共振周波数の変化率ΔＦｃを求める方法を説明する。

弾性表面波の周回中、スイッチ４０Ａは多重周回弾性表面波素子１０とゲート回路３２をしゃ断している。そのため、周波数微調整変換部３１が基準信号の周波数Ｆを変化させても、多重周回弾性表面波素子１０を周回する弾性表面波の位相は変化しない。一方、基準信号の位相は、当然に、基準信号の周波数Ｆに応じて変化する。よって、干渉部４２では、弾性表面波の検出信号と基準信号とを干渉させて得た干渉信号が位相変化に伴って振動を生じる。

干渉信号の強度は、基準信号の周波数の微小な変化に対しても振動を起こす。この振動の周期は、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、周回数がＮ，２Ｎ，３Ｎ，…，６Ｎ周と大きくなるに従い、短くなる。理由は周回時間が長いため、出力されるまでの僅かな周波数の変化でも基準信号との位相差が大きく変化することによる。

このような干渉信号の強度変化は、基準信号を周波数微調整変換部３１で掃引することにより、得ることができる。図７において、横軸は周波数であり、縦軸は信号強度を示している。縦軸については相対的な波形変化を示すため、周回数Ｎ〜６Ｎの各波形の強度を任意単位で表している。

周回数が６Ｎ周目の場合、図７（ａ）に示すように、干渉信号の変化が激しいので分解能は高いが、ある特定の周波数に対する強度変化の時間推移あるいは測定ごとの追跡が困難である。逆に、周回数がＮ周目の場合、図７（ｄ）に示すように、干渉信号の変化が緩やかなので、ある特定の周波数に対する強度変化の時間推移の測定は容易だが、分解能が低いため共振周波数の特定が困難である。

そこで、周回数の小さい場合（周回数がＮの場合）から順次周回数の大きな信号を測定し、干渉強度の最大点を絞込み特定していく。この測定を行うためにタイマ４１を用いて、弾性表面波が特定回数周回したときの検出信号と基準信号を干渉部４１で干渉させている。

このように周回数に応じて干渉強度の最大点を探すことにより、周回数が大きい場合の共振周波数を求めることが可能となる。

これにより、信号強度測定部５０ａは、２つのあるいは複数の周波数帯域について、共振周波数を求め、共振周波数の変化率ΔＦｃ１，ΔＦｃ２を解析し、得られた共振周波数の変化量ΔＦｃ１，ΔＦｃ２を計算部６０ａに出力する。

計算部６０ａは、これら共振周波数の変化率ΔＦｃ１，ΔＦｃ２から（８）式に基づいて、周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２を算出する。以下、前述同様に、計算部６０ａは、（６）式及び（７）式に基づいて、所定の周波数依存性を持つ周波数変動要因（例えば温度変化量Δｔ，質量変化量Δｍ）を算出する。

上述したように本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加え、周回時間の変化率を求めるに際して、共振周波数の変化率を用いて求めることができるので精度の高い測定が可能となる。

なお、本実施形態では、干渉強度が最大の点を共振周波数として求めたが、必ずしも強度が極大になるときの周波数である必要は無い。すなわち、周回する弾性表面波の周回速度に対応する周波数の値が求められれば良く、例えば共振周波数から離れた強度が極小になるときの周波数であってもよい。

また、本実施形態では、２０MHｚ帯、及び４５MHｚ帯の2つの周波数領域でそれぞれの共振周波数を求めている。そのため、厳密な意味で固定された複数の周波数における伝搬状態値を求めてはおらず、周波数自体が測定値として変動している。この場合、２０MHｚと４５MHｚのそれぞれの周波数の近傍に置ける共振周波数の測定で近似的に同じ数値となることから、本発明はこれを除外しない。また、本発明は、伝搬状態値の周波数依存性の違いから、周波数依存性の異なる被計測要因を識別して測定することに主旨があるものであって、本実施形態に示すように計測する周波数自体が変動しても、この主旨に反しない限りにおいて本発明はこれを除外しない。

さらに、上述したように、弾性表面波の伝搬速度の変化を伝搬状態値として選ぶのではなく、より簡単に周回する弾性表面波の強度あるいは強度の周回に伴う減衰率によって得ることも可能である。

つまり、図４において、干渉する基準信号を用いず（基準信号の強度を０とする）、周波数を変更したときの信号強度を観測するだけであっても、弾性表面波の周回時間（又は周回速度）と弾性表面波の周期との数学的関係に従って、特定の周波数で周回する弾性表面波の強度が極大あるいは極小になる周波数が存在し、その周波数を伝搬状態値として採用しても良い。また、周回する弾性表面波の強度を測定するに際して、異なる周回数に相当する時刻（遅延時間）で測定し、周回に伴う弾性表面波の減衰の量（減衰率）を観測してその値を伝搬状態値として採用してもよい。

本発明では同一の3次元基体上の同一伝搬面（例えば水晶球のZ軸シリンダー経路など）に複数の周波数、あるいは複数の周波数帯の弾性表面波を周回させて、その伝搬状態値を得ることが好ましい。全く同一の経路を計測することからより厳密な計測が可能である。また、他の望ましい実施形態として、ＬｉＮｂ_３（ニオブ酸リチウム）やＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）、ＢＳＯ（ビスマスシリコンオキサイド）、ランガサイトなどの複数の弾性表面波の多重周回経路を持つ圧電結晶球を用い、同一の3次元基体上の異なる周回経路上に複数のすだれ状電極を形成してもよい。この場合、素子の製造自体は難しくなるが、単一の周回経路に異なる中心周波数を持つ複数のすだれ状電極を形成する場合に、互いのすだれ状電極が周回現象を妨害し合う現象を避けてより多数の周回を実現することができ、精度の高い測定を実現できる。

また、本発明は、別個の3次元基体上にわたって、異なる周波数や周波数帯の周回経路を形成して実施してもよい。弾性表面波が多数周回させることは簡単であるが、別個の基体上の測定を組み合わせることから基体間の温度の差や形状の差等の誤差を考慮する必要が生じてくる。特に異なる3次元基体間の温度の差を極力抑えるために、複数の3次元基体の一部分を例えば平面にカットして互いに大きな面積で接合させることで3次元基体間の温度差を小さくして対処することができる。

なお、上記するように弾性表面波が伝搬する伝搬路の領域以外の3次元基体の領域が加工されていたり、構造物が存在しても本発明に係る多重周回弾性表面波素子の性能に大きな影響は与えない。また、3次元基体全体にわたって球面である必要はなく、多重周回弾性表面波素子の出力に大きな影響を与えない伝搬路以外の領域が球面に加工されていない場合についても、本発明はこれを除外しない。

＜第３の実施形態＞
図８は本発明の第３の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置の構成を示す模式図である。

本実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、高周波信号源３０の高周波信号の周波数が変動した場合に、変動の影響を除去するものである。

この伝搬面の分析装置は、多重周回弾性表面波素子１０、高周波信号源３０、周波数微調整変換部３１、ゲート回路３２、高調波変換部３３、分離部３４、干渉部４２Ａ、４２Ｂ、信号強度測定部５０Ａ，５０Ｂ、計算部６０ｂ及び制御部７０を備えている。

高周波信号源３０は、例えば１５ＭＨｚ帯の高周波信号を周波数微調整変換部３１に入力するものである。ここでは、高周波信号の周波数は、温度等の影響により変動し易いものとする。

周波数微調整変換部３１は、制御部７０からの制御に従い、高周波信号源３０から入力された高周波信号の周波数を僅かに変更することで、位相を設定するとともに変更可能な第１基準信号ＳｉｇＡ１を生成する機能と、第１基準信号ＳｉｇＡ１をゲート回路３２、高調波変換部３３及び干渉部４２Ａに出力する機能とを有している。ここでは、周波数は１Ｈｚずつ変更可能となっている。周波数微調整変換部３１としては、通常、ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）と呼ばれる素子が使用可能となっている。

ゲート回路３２は、制御部７０により制御され、周波数微調整変換部３１から受けた第１基準信号ＳｉｇＡ１を断続的に出力し、得られた駆動信号ＳｉｇＡ２をすだれ状電極１３に印加する機能と、高調波変換部３３から受けた第２基準信号ＳｉｇＢ１を断続的に出力し、得られた駆動信号ＳｉｇＢ２をすだれ状電極１３に印加する機能とをもっている。

高調波変換部３３は、高周波信号源３０から受けた第１の基準信号ＳｉｇＡ１に基づいて、基準信号ＳｉｇＡ１の周波数を整数倍して第２の基準信号ＳｉｇＢ１を生成する機能と、得られた第２の基準信号ＳｉｇＢ１をゲート回路３２及び干渉部４２Ｂに出力する機能とをもっている。ここでは、１５ＭＨｚ帯の基準周波数ＳｉｇＡ１の信号を３逓倍させて４５ＭＨｚ帯の基準信号ＳｉｇＢ１を発生させる。この場合、温度等の影響により高周波信号の周波数が変動しても、基準信号ＳｉｇＡ１と基準信号ＳｉｇＢ１は、互いに一定の周波数比を維持したまま、周波数が変動する。

分離部３４は、すだれ状電極１３から検出される検出信号を周波数成分毎に分離する機能を有し、駆動信号ＳｉｇＡ２で励起された弾性表面波の検出信号ＳｉｇＡ３を干渉部４２Ａに入力する機能と、駆動信号ＳｉｇＢ２で励起された弾性表面波の検出信号ＳｉｇＢ３を干渉部４２Ｂへ入力する機能とをもっている。

干渉部４２Ａは、分離部３４から入力された検出信号ＳｉｇＡ３と、周波数微調整変換部３１から入力された基準信号ＳｉｇＡ１とを干渉させる機能と、得られた干渉信号ＳｉｇＡ４を信号強度測定部５０Ａに出力する機能とをもっている。

干渉部４２Ｂは、分離部３４から入力された検出信号ＳｉｇＢ３と、高調波変換部３３から入力された基準信号ＳｉｇＢ１とを干渉させる機能と、得られた干渉信号ＳｉｇＢ４を信号強度測定部５０Ｂに出力する機能とをもっている。

信号強度測定部５０Ａ，５０Ｂは、それぞれ干渉部４２Ａ，４２Ｂから受けた干渉信号ＳｉｇＡ４、ＳｉｇＢ４の強度を測定する機能を持つ。

計算部６０ｂは、得られた干渉信号の強度（干渉強度）から検出信号の位相変化を求める機能と、得られた位相変化から共振周波数の変化率を求める機能と、得られた共振周波数の変化率からそれぞれ（８）式に基づいて、周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２を算出する機能と、得られた周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２に基づいて、後述する（１０）式及び（１２）式から温度変化量Δｔ及び質量変化量Δｍを算出する機能とをもっている。なお、（１０）式及び（１２）式は、それぞれ前述した（６）式及び（７）式と同じ式である。

制御部７０は、周波数微調整部３１、ゲート回路３２、信号強度測定部５０Ａ，５０Ｂを制御し、各部３１，３２，５０Ａ，５０Ｂの動作のタイミングを設定する機能を有している。

次に、以上のように構成された分析装置による伝搬面の分析方法を説明する。

高周波信号源３０は、例えば１５ＭＨｚ帯の高周波信号を周波数微調整変換部３１に入力する。

周波数微調整変換部３１は、入力された高周波信号の周波数を僅かに変更することで、第１基準信号ＳｉｇＡ１を生成し、得られた第１基準信号ＳｉｇＡ１をゲート回路３２、高調波変換部３３及び干渉部４２Ａに出力する。

高調波変換部３３は、高周波信号源３０から受けた１５ＭＨｚ帯の基準信号ＳｉｇＡ１に基づいて、基準信号ＳｉｇＡ１の周波数を３倍して４５ＭＨｚ帯の基準信号ＳｉｇＢ１を生成し、得られた基準信号ＳｉｇＢ１をゲート回路３２及び干渉部４２Ｂに出力する。

ゲート回路３２は、制御部７０により制御され、第１基準信号ＳｉｇＡ１を断続的に出力し、得られた駆動信号ＳｉｇＡ２をすだれ状電極１３に印加する。また、ゲート回路３２は、制御部７０により制御され、第２基準信号ＳｉｇＢ１を断続的に出力し、得られた駆動信号ＳｉｇＢ２をすだれ状電極１３に印加する。

分離部３４は、すだれ状電極１３から出力される検出信号を周波数成分毎に分離し、駆動信号ＳｉｇＡ２で励起された弾性表面波の検出信号ＳｉｇＡ３を干渉部４２Ａに入力する。また、分離部３４は、駆動信号ＳｉｇＢ２で励起された弾性表面波の検出信号ＳｉｇＢ３を干渉部４２Ｂへ入力する。

干渉部４２Ａは、入力された検出信号ＳｉｇＡ３と、周波数微調整変換部３１から入力された基準信号ＳｉｇＡ１とを干渉させ、得られた干渉信号ＳｉｇＡ４を信号強度測定部５０Ａに出力する。

干渉部４２Ｂは、入力された検出信号ＳｉｇＢ３と、高調波変換部３３から入力された基準信号ＳｉｇＢ１とを干渉させ、得られた干渉信号ＳｉｇＢ４を信号強度測定部５０Ｂに出力する。

信号強度測定部５０Ａ，５０Ｂは、それぞれ干渉信号ＳｉｇＡ４、ＳｉｇＢ４の強度を測定する。

計算部６０ｂは、得られた干渉信号の強度から検出信号の位相変化を求め、得られた位相変化から共振周波数の変化率を求める。ここで、共振周波数の変化率ｄＦ１およびｄＦ２は、その絶対値が非常に小さいときは、次のように近似的に定義できる。

ｄＦｃＡ≒（ＦｃＡ２−ＦｃＡ１）／Ｆ１ ・・・（９）
ｄＦｃＢ≒（ＦｃＢ２−ＦｃＢ１）／Ｆ２ ・・・（１０）
ところで、共振周波数の変化率ｄＦｃＡとｄＦｃＢは、弾性表面波の周回時間の変化率と共振周波数の変化率との関係式である（８）式から、次のように表すことができる。

すなわち、周波数依存性をその変化率が持たない場合と持つ場合で識別できることを示している。

この式の中でＦ１，Ｆ２について共振周波数ＦｃＡ１，ＦｃＡ２やＦｃＢ１，ＦｃＢ２を用いてより正確な値を算出してもよいが、ここでは簡単の為にＦ１，Ｆ２を用いている。

ところで、基準信号ＳｉｇＡ１の変動Δｆが、ＦｃＡ１，ＦｃＢ１の測定時と、ＦｃＡ２，ＦｃＢ２の測定時の間で起きる場合の測定結果への影響を考える。Δｆの変動は測定で得られる共振周波数の値に対して周波数に依存することなく同じ変化率を与えることは明かである。これは前述したように温度の測定値に対して与える影響と同じであって、Δｔの値に影響を与える。一方、Δｍの測定値に対しては影響がなく、正しい測定ができることとなる。このことは伝搬路上の質量負荷効果によって付着量を計測する場合や、伝搬路が感応膜を持ち、感応膜の応答によって測定を行うに際して、そのシステムの周波数安定性や周波数の絶対値の正確さが劣っても正確な測定ができることを意味している。

次に、本実施形態に関連する実施例２について述べる。

（実施例２）
球弾性表面波素子１０Ｓにアルブミンを付着して、付着前後の弾性表面波の周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２から、アルブミンの付着量Δｍを算出した。

球状弾性表面波素子１０Ｓに用いるすだれ状電極は、図３に示したように、２つのすだれ状電極１３Ａ，１３Ｂを、球状部材１２に接して形成する。すだれ状電極１３Ａ，１３Ｂは、それぞれ１５ＭＨｚ帯および４５ＭＨｚ帯の駆動周波数が入力され、同一の伝搬面１１に弾性表面波を励起する。４５MHｚ帯の駆動信号で励起される弾性表面波の場合、駆動信号が約１００ｋHｚ毎に出力強度が大きくなることが観測された。

本実施例は、図９に示す手順に従って実施した。

始めに、アルブミンを球状弾性表面波素子１０Ｓの伝搬面１１に付着する前に、複数の異なる周波数帯（１５ＭＨｚ、４５ＭＨｚ）で励起する弾性表面波の共振周波数を高い分解能で求める。

始めに、周波数微調整変換部３１は、１５MHｚ帯の基準信号ＳｉｇＡ１を発生させる（ｓ１）。次に、高調波変換部３３は、基準信号ＳｉｇA1と一定の比を有する基準信号ＳｉｇＢ１を発生させる。ここでは、基準信号ＳｉｇＡ１と基準信号ＳｉｇB１の比を１対３として、４５MHｚ帯の基準信号ＳｉｇB１を発生させる（ｓ２）。

これらの基準信号ＳｉｇＡ１，ＳｉｇＢ１をゲート回路３２を介して、駆動信号ＳｉｇＡ２，ＳｉｇＢ２をそれぞれすだれ状電極１３Ａ，１３Ｂに印加し、弾性表面波ＳＡＷａ，ＳＡＷｂを励起する。励起した弾性表面波ＳＡＷａ，ＳＡＷｂはそれぞれすだれ状電極１３Ａ，１３Ｂにより検出信号ＳｉｇＡ３，ＳｉｇＢ３として検出される（ｓ３）。基準信号ＳｉｇＡ１と検出信号ＳｉｇＡ３を干渉部４２Ａで干渉させ、干渉信号ＳｉｇＡ４を信号強度測定部５０Ａで測定することにより、共振周波数ＦｃＡ１を測定する（ｓ４）。同様にして干渉信号ＳｉｇＢ４から共振周波数ＦｃＢ１を測定する（ｓ５）。

次に、アルブミンを伝搬面１１に付着した後の、複数の異なる周波数で励起する弾性表面波の共振周波数を求める。そこで、球状弾性表面波素子１０Ｓの伝搬面にアルブミンを付着する（ｓ６）。アルブミンを付着する前に求めた方法と同様の方法で、弾性表面波ＳＡＷａ，ＳＡＷｂの共振周波数ＦｃＡ２，ＦｃＢ２を測定する（ｓ７）。

最後に、アルブミン付着前後の共振周波数の変化率から周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２を算出し、周回時間の変化率ｄＴ１，ｄＴ２に基づいて、複数の要因（温度変化量Δｔ、質量変化量Δｍ）の環境変化を算出する（ｓ８）。

測定の結果、下表２の共振周波数を観測することができた。

この結果から、アルブミン処理による周回時間の変化量ｄＴ１，ｄＴ２を求めると、１５ＭＨｚ帯の信号で弾性表面波を励起した場合の変化量ｄＴ１は１５．１ｐｐｍとなり、４５ＭＨｚ帯の信号で弾性表面波を励起した場合の変化量ｄＴ２は１５．３６ｐｐｍとなった。

以上の数値を（１０）式及び（１２）式に入力し、温度依存係数Ａの値を２５．６ｐｐｍ、周波数依存係数Ｂの値を１．７７７ｐｐｍ／（（ng/cm2）・MHｚ）として、アルブミン付着量Δｍを計算した。その結果、質量変化は約２４０ng増加したことが求められ、実施例１と略同様の測定値を得ることができた。

上述したように本実施形態によれば、複数の異なる駆動信号ＳｉｇＡ２，ＳｉｇＢ２の周波数の比を一定にすることにより、駆動信号の元となる高周波信号の変動の影響を除去することができ、測定精度を向上させることができる。これにより、安価で小型の高周波信号源を用いてシステムを構成することが可能となる。

＜第４の実施形態＞
図１０は第４の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置に適用されるすだれ状電極の構成を示す模式図である。

本実施形態は、同一伝搬面に弾性表面波を励起可能なものである。なお、伝搬面の分析方法については、第１〜第３の実施形態までと同様であるので省略し、ここでは、最も単純なすだれ状電極の構成と励起される弾性表面波について主に説明する。

本実施形態にかかるすだれ状電極１３は、２０ＭＨｚ帯の周波数の駆動信号ＳｉｇＡ２で弾性表面波を励起するすだれ状電極１３Ａと、４５ＭＨｚ帯の周波数の駆動信号ＳｉｇＢ２で弾性表面波を励起するすだれ状電極１３Ｂとからなり、それぞれ同一の伝搬面に弾性表面波を励起する。

ここで、すだれ状電極１３Ａは、設計により、横幅Ｗ１，電極重なり幅Ｓ１，パターン周期ｒ１，電極幅p１の値が決められる。

同様に、すだれ状電極１３Bは、設計により、横幅Ｗ２，電極重なり幅Ｓ２，パターン周期ｒ２，電極幅p２の値が決められる。

設計を容易にするために、各電極１３A，１３Bの横幅W１，W２の値は同一の値Wとし、電極幅p１、ｐ２の値は同一の値ｐとしてある。

また、すだれ状電極１３Ａのパターン周期ｒ１と、すだれ状電極１３Bのパターン周期ｒ２との比は、駆動信号の周波数の逆数であり３対１となる。なお、球状部材１２が水晶の場合には周回経路上で結晶性に従って連続的に波長が変わる。そのため、互いに影響を与えないための電極の間隔と位置は必ずしも等間隔である必要はなく、厳密にはすだれ状電極の各電極線の間隔は、3次元基体の結晶方位に従って変化する弾性表面波の波長にあわせて連続的に変えて作成してもよい。

さらに、電極間隔ｒ１、ｒ２は一定にしているが、3次元基体が球である場合に、その周回経路を赤道として経線に沿って電極を形成する場合には、それらは緯度方向にしたがって一定ではなくなる。このように電極の間隔を形成することは、製造が多少難しくなるが、弾性表面波の多重周回にとって周回する過程で繰り返されるすだれ状電極における反射波が周回経路からずれた方向に拡散する影響を小さくできるので望ましい。さらに、すだれ状電極は３次元基体の伝搬路に直接形成せずに、近接して形成しても良い。この場合、すだれ状電極は、３次元基体から励起される弾性表面波の波長の４分の１以下の距離になる位置に、３次元基体に対向するように形成する。このような構造であっても、すだれ状電極に電界を印加すれば、３次元基体に弾性表面波を間接的に励起するとともに検出することが可能となる（例えば、［特許文献１］参照）。

また、このように複数の周波数帯域用のすだれ状電極が近接して作成される必要はなく、単一の3次元基体の同一周回経路状に形成しても、周回経路上の離れた位置に形成しても良い。

以上のような構成によれば、第１〜第３の実施形態の効果に加え、同一の伝搬面に複数の異なる周波数の弾性表面波を励起することができる。そのため、精度の高い温度校正を行うことができる。

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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置の構成を示す模式図である。 同実施形態における駆動信号と検出信号を示す波形図である。 同実施形態における実施例で使用する球状弾性表面波素子を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置の構成を示す模式図である。 同実施形態における信号強度測定部で観測する信号を示す模式図である。 同実施形態における共振状態を説明するための模式図である。 同実施形態における干渉信号の信号変化を説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置の構成を示す模式図である。 同実施形態における実施例の手順を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析装置に適用されるすだれ状電極の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０・・・多重周回弾性表面波素子、１０Ｓ・・・球状弾性表面波素子、１１・・・伝搬面、１２・・・球状部材、４０，４０Ａ，４０，４０Ｃ・・・スイッチ、４２，４２Ａ，４２Ｂ・・・干渉部、４５・・・増幅部。

Claims (12)

1. 弾性表面波を多重周回させて伝搬可能な伝搬面を有する３次元基体と、
   入力される駆動信号に応じて、前記伝搬面に弾性表面波を励起するための弾性表面波励起手段と、
   前記励起された弾性表面波を検出して検出信号を出力する弾性表面波検出手段と
   を備えた多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法であって、
   第1周波数をもつ駆動信号を前記弾性表面波励起手段に入力する駆動信号入力ステップと、
   前記弾性表面波励起手段により、駆動信号に応じて弾性表面波を前記伝搬面に励起する弾性表面波励起ステップと、
   前記励起されて伝搬面を多重周回する弾性表面波を弾性表面波検出手段で検出し、検出信号を出力する弾性表面波検出ステップと、
   前記出力された検出信号から前記伝搬面の伝搬状態を示す伝搬状態値における第１変化を測定する第1変化測定ステップと、
   前記第１周波数をもつ駆動信号に代えて前記第１周波数とは異なる第２周波数をもつ駆動信号を用い、前記駆動信号入力ステップ、前記弾性表面波励起ステップ及び前記弾性表面波検出ステップを実行し、この弾性表面波検出ステップにて出力された検出信号から前記伝搬面の伝搬状態値における第２変化を測定する第２変化測定ステップと、
   前記第1周波数、前記第１変化、前記第２周波数及び前記第２変化に基づいて、前記伝搬状態値を変化させる要因の変化量を分析する要因分析ステップと
   を備えたことを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
2. 請求項１に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記伝搬状態値は、前記弾性表面波が前記３次元基体を多重周回する際の周回速度の変化を示す値であることを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
3. 請求項２に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記要因の変化量は、伝搬面の質量変化量及び温度変化量であり、
   前記要因分析ステップは、
   前記周回時間の温度依存係数と前記周回速度の周波数依存係数とを保持し、
   前記第1周波数、前記周波数依存係数、前記質量変化量、前記温度変化量及び前記温度依存係数に基づいて前記第１変化を表す式と、前記第２周波数、前記周波数依存係数、前記質量変化量、前記温度変化量及び前記温度依存係数に基づいて前記第２変化を表す式とから得られる前記質量変化量の式と前記温度変化量の式とに基づいて、当該質量変化量及び温度変化量を個別に算出する
   ことを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記弾性表面波検出ステップは、前記駆動信号の入力を停止した後に、前記多重周回された弾性表面波を検出して検出信号を出力し、
   前記第1及び第２変化測定ステップは、それぞれ検出信号の位相変化を測定することにより前記第1変化及び前記第２変化を測定する
   ことを特徴とした多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
5. 請求項４に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記駆動信号入力ステップにおいて、前記弾性表面波励起手段に入力する駆動信号は、第1周波数と第2周波数の両方を有する高周波バースト信号であり、
   前記第1及び第２変化測定ステップは、それぞれ検出信号の波形の変化から前記第1周波数成分と前記第2周波数成分のそれぞれの位相変化を測定する
   ことを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記駆動信号入力ステップにおいて、前記弾性表面波励起手段には共通の高周波信号源から生成される第1周波数の駆動信号と第2周波数の駆動信号を入力し、前記高周波信号源の周波数が変化しても、前記第1周波数と前記第2周波数の周波数比が一定になる
   ことを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか1項に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記弾性表面波励起ステップは、前記各駆動信号に応じて弾性表面波を同一３次元基体上の同一経路に励起する
   ことを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
8. 請求項1乃至請求項７のいずれか1項に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記第1変化は、変化前の値に占める変化分の割合を示す第１変化率であり、
   前記第２変化は、変化前の値に占める変化分の割合を示す第２変化率であることを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
9. 請求項２乃至請求項８のいずれか1項に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法において、
   前記伝搬状態値は、前記周回速度の変化を示す値に代えて、所定の周回に要する周回時間であることを特徴とする多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の多重周回弾性表面波素子の伝搬面の分析方法に用いられる多重周回弾性表面波素子において、
    前記伝搬面は、球面によりなる連続した円環状の表面を有する周回経路を備えた
    ことを特徴とする多重周回弾性表面波素子。
11. 請求項１０に記載の多重周回弾性表面波素子において、
    前記弾性表面波励起手段は、
    前記３次元基体の表面に接するかあるいは近接して設けられ、前記駆動信号の電界を印加するためのすだれ状電極と、
    前記すだれ状電極から印加される電界を圧電効果により弾性表面波に変換するための圧電材料とからなる伝搬面を有する
    ことを特徴とする多重周回弾性表面波素子。
12. 請求項１０または請求項１２に記載の多重周回弾性表面波素子において、
    前記3次元基体は圧電結晶で構成されている
    ことを特徴とする多重周回弾性表面波素子。

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