JPH0476420B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は光のパワーや広く電力を検出したり
測定したりするために使用するパワーセンサに係
り、特に固体物質の表面を伝搬する表面弾性波
（SAW：Surface Acoustic Wave）を利用した
SAW遅延線の感温機能を応用したパワーセンサ
に関する。

〔従来の技術〕

電力及び光のパワーを検出するパワーセンサに
は、半導体の光電効果を利用したホトダイオー
ド・ホトトランジスタ等や、サーミスタ・熱電対
のように入力パワーを熱量に変換し、さらに該熱
量を抵抗値及び熱起電力に変化して、その変化を
検出する熱形センサなどがある。

この熱形センサには、サーミスタ・熱電対自身
が発熱するタイプと、近傍に発熱体を設け、該発
熱体から発生する熱量をサーミスタ・熱電対で検
出するタイプとがある。また、このほかこの技術
に属するものとしてSAW遅延線を用いたSAWパ
ワーセンサ（特願昭60−14523号、同一出願人・
同一発明者による）がある。

このSAWパワーセンサは、SAW温度センサを
応用したものであり、その主たる構成要素は、発
熱体・表面弾性波遅延線素子を含むSAW遅延線
発振器で、この発振器の発振回路においてSAW
伝搬路の状態を熱的に歪ませ、SAWの伝搬速度、
もしくはSAW伝搬経路長に変化を生じさせるこ
とにより、前記発振回路の固有の発振周波数を変
化させ、その変化量から前記発熱体の受けたパワ
ーを検出するものである。

なお、このSAWパワーセンサは、小型軽量、
高精度であり、SAWセンサ部の製作が容易で再
現性が高いといつた特徴を有している。また、デ
ジタル的な計測が容易な周波数の変化量として信
号を出力するため、マイクロコンピユータを用い
た計測、プロセス制御にすぐに対応できるという
特色を持つている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記したSAWパワーセンサを構成するSAW遅
延線は圧電性基板上に発熱体を備えた構造であ
る。この発熱体は、圧電基板上であればいずれの
場所に設けてもよいが、パワーセンサの感度を考
慮した場合、送信用交差指型電極と、受信用交差
指型電極との間で、かつ、表面弾性波が伝搬する
場所に設けるのが最良である。

しかしながら、発熱体の端面が、送信用交差指
型電極と平行に設けられた場合、表面弾性波
（SAW）は該発熱体の端面で反射され、同位相で
送信用交差指型電極に到達することになる。その
ためSAW遅延線の通過帯域にリツプルを生じ、
同時に群遅延歪も生じる。この結果、発振器を構
成してパワーセンサとしたときに、センサとして
の直線性が悪化する原因となつた。

また、発熱体の抵抗値を調整する場合において
該抵抗値を高くする必要が生じたときには、第１
図及び第２図に示すように該発熱体４は細長くな
り、表面弾性波の伝搬路上を折り返すパターンと
なる。しかし、この場合、第１図に示すように発
熱体が表面弾性波の伝搬方向に対し垂直に折り返
すときには、該発熱体４の端面が増加し、そのた
めに該表面弾性波が送信用交差型電極２に同位相
で反射し、通過帯域のリツプルと群遅延歪とを生
じた。また、第２図に示すように表面弾性波の伝
搬方向に対し平行に該発熱体４を折り返すと、表
面弾性波の伝搬路上で該発熱体４の分布が不均一
となり、そのために２つの表面波伝搬速度を生じ
ることとなり、発振器を構成することが困難とな
る。

さらに、これに加えて、SAW遅延線の中心周
波数を高くし、SAW発振器を構成してパワーセ
ンサとした場合、これを低い周波数のSAW遅延
線で構成したパワーセンサと比較すると同一の入
力パワーに対する変化率は同等であるけれども変
化量が大きくなる。そのためセンサの分解能は向
上する。しかしながら、周波数が高くなると、送
信用交差指型電極２と受信用交差型電極３との間
を表面弾性波ではなく電気信号が流れ始め、
SAW遅延線本来の周波数特性を示さなくなる。
これを防止するには、送信用交差指型電極２と受
信用交差指型電極３との間にシールド電極を設け
る必要がある。しかし、該シールド電極は熱容量
を持つため、発熱体４に生じた熱量が吸収され、
センサの感度が低下するなどの不都合が生じた。

以上説明しように、従来のSAWパワーセンサ
は発熱体の形状を考慮せずに設けられており、発
熱体のセンサの直線性に与える影響が考えられて
いなかつた。また、センサ分解能を向上させるた
めに発振周波数を高くするとシールド電極が必要
となり、該シールド電極の熱容量でセンサの感度
が低下するという欠点があつた。

この発明は、かかる実状に鑑みてなされたもの
で発熱体の形状によりセンサの直線性を向上させ
るとともに発熱体自体にシールド効果を持たせ、
センサの感度を低下させずに発振周波数を高くす
ることによりセンサの分解能を向上させることを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明では、温度特性を有する圧電性結晶を
基板に用い、表面弾性波を送信及び受信する交差
指型電極（IDT：Inter−Digital Transducerと
呼ばれる。）をこの基板上に設け、表面弾性波が
伝搬する２つの交差指型電極間に表面弾性波の径
路をさえぎつて、しかも送信用交差指型電極に同
位相の表面弾性波の反射を起さないような形状を
もち、また表面弾性波の伝搬方向に均等に発熱を
生ぜしめるように発熱体を分布して設けたSAW
遅延線で発振器を構成し、入力されたパワーを発
振器の発振周波数の変化量として出力する構造と
した。

また、電力パワー測定においてセンサの分解能
を向上させるための発振周波数を高くした場合、
送信用交差指型電極（以下、送信用電極ともい
う。）と受信用交差指型電極（以下、受信用電極
ともいう。）との間に直接電気信号が流れないよ
うに発熱体を被測定パワー入力用端子（ホツト
側）を中心に左右に折り返し、電流の流れる部分
を左右２方向に設け、この左右に分かれた発熱体
をもう一方の被測定パワー入力用端子（接地側）
に接続する。

この方法を用いると、左右に分かれた発熱体の
最も外側の部分は接地側の入力用端子からの長さ
が高電位側に比べ短いため、ほぼ接地電位と同電
位にすることができ、シールド効果を持たせるこ
とができる。

〔実施例〕

第３図は本発明の一実施例の構成図を示してい
る。

圧電性基板１の表面に表面弾性波（SAW）を
発射するたメの送信用交差指型電極２と、SAW
を受信するための受信用交差指型電極３と、該送
信用交差指型電極２より発射された表面弾性波が
同位相で該送信用交差指型電極２に反射しないよ
うにするために、表面弾性波の伝搬方向に対し斜
め方向に折り返して設け、外部より入力したパワ
ーを熱に変換する発熱体４を設けてSAW遅延線
素子を形成している。

前記した各交差指型電極の一方の側の電極は、
全て接地されており、また送信用交差指型電極２
の信号入力側の電極と受信用交差指型電極３の信
号出力側の電極との間には表面弾性波遅延線発振
器を構成する増幅器５が接続されている。この増
幅器５と前記送信用交差指型電極２及び受信用交
差指型電極３によつて電気的ループ回路を作り、
表面弾性波遅延線の中心周波数を固有振動とする
自励発振をさせる。この自励発振によつて該送信
用交差指型電極２で生じた表面弾性波は圧電性基
板１上を進行し、その一部が発熱体４で反射され
送信用交差指型電極２に到達し再び該送信用交差
指型電極２で反射されるが位相が揃つていないた
めに表面弾性波の通過帯域にリツプルを生かせず
群遅延歪も生じない。発熱体４で反射されなかつ
た波は、前記受信用交差指型電極３で受信され
る。

この時、発熱体４は表面弾性波の伝搬方向に均
等に分布しているため、受信用交差指型電極３で
受信される表面弾性波は同位相になる。この圧電
性基板１上に設けられた発熱体４にパワーを入力
し発熱させると圧電性基板１の温度が上昇し、
SAW遅延線の表面弾性波速度が変化する。

また、送信用交差指型電極２及び受信用交差指
型電極３の電極間距離が熱膨張により変化し、
SAW遅延線の遅延時間が変化する。

この変化を受けSAW遅延線の中心周波数を固
有振動数とする自励発振の振動数が変化する。

この振動数（周波数）もしくはその変化量を周
波数カウンタ６によつて検出すれば圧電性基板１
の歪量、すなわちSAW遅延線に加えられたパワ
ーの大きさが検出できる。

次に入力端子を用いて電力を測定するパワーセ
ンサにおいて発熱体にシールド効果を持たせる実
施例について述べる。

SAWパワーセンサの分解能を向上させるには
発振器を構成した時の固有振動数を高くする必要
がある。

これはパワーセンサの発振周波数を高くすると
それに伴つて周波数変化量が大きくなるためであ
る。しかし、センサの発振周波数を高くすると圧
電性基板表面を電気信号が送信用交差指型電極か
ら受信用交差指型電極に直接伝わる現象が現わ
れ、この傾向は高い中心周波数程、顕著に現れ
る。このためSAW遅延線としての周波数選択性
がなくなり、SAW遅延線の中心周波数で発振器
を発振させることができなくなる。この現象を防
ぐためには、圧電性基板表面にシールド電極を設
ければよいが、このSAWパワーセンサはSAW伝
搬路上に熱を加えて入力パワーを検出する機構で
あるため、シールド電極の熱容量により発熱体で
生じた熱量が吸収され、センサの感度は低下す
る。そこで、発熱体にシールド効果を持たせれば
よい。

第４図にこのシールド効果を持つた発熱体を備
えたセンサの実施例を示す。

圧電性基板１の表面に送信用交差指型電極２と
受信用交差指型電極３を設ける。

この２つの交差指型電極間の表面弾性波が伝搬
する部分に発熱体４を設ける。この発熱体４は被
測定電力の入力用電極７に接続され、左右に折り
返して同等の長さになるように設け、接地用電極
８に接続する。

このような発熱体の形状にすると、左右に分か
れた発熱体の最も外側、つまり送信用交差指型電
極と受信用交差指型電極に隣接する部分は接地用
電極からの長さが短いため電圧を加えた場合、ほ
ぼ接地電位とすることができ、シールド効果を兼
ね備えた発熱体とすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のパワーセンサは
SAW遅延線上の発熱体端面による表面波の反射
送信用交差指型電極に同一位相で起きないように
例えば、発熱体を斜めに設けているので、従来の
SAWパワーセンサで問題となつたSAW遅延線の
通過帯域でのリツプルと、群遅延歪が軽減され、
SAWパワーセンサを構成した時のセンサの直線
性を向上させることができる。

また、発熱体にシールド効果を持たせる構造と
したため、従来感度向上のため高い発振周波数と
した時に必要であつたシールド電極を省略するこ
とができ、シールド電極自体の熱容量によるセン
サの感度の低下を防ぐことができた。

以上述べたように本発明のSAWパワーセンサ
は、信頼性、安定性を備え、加えて高感度のセン
サであり、従来のSAWパワーセンサに代つて広
く産業上利用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、発熱体の抵抗値を調整する場合にお
いて送信用交差指型電極に対して発熱体を平行に
折り返す図である。第２図は、発熱体の抵抗値を
調整する場合において送信用交差指型電極に対し
て発熱体を垂直に折り返す図である。第３図は、
本発明のパワーセンサの電気回路の構成図であ
る。第４図は、発熱体にシールド効果を持たせた
SAW遅延線を示す図である。 図において、１は圧電性基板、２は送信用交差
指型電極（送信用電極）、３は受信用交差指型電
極（受信用電極）、４は発熱体、５は増幅器、６
は周波数カウンタ、７は入力用電極、８は接地用
電極を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電性基板と、該圧電性基板の表面に設けら
   れ、表面弾性波を発射するための送信用電極と、
   該送信用電極から発射された表面弾性波を受信す
   るための受信用電極とからなる表面弾性波遅延線
   素子と；該表面弾性波遅延線素子の該送信用電極
   と受信用電極との間の表面弾性波の径路をさえぎ
   り、表面弾性波の全波面に対して均等に分布し、
   かつ、位相不揃いの反射波を送信用電極に向けて
   発生するようなパターンを有して前記圧電性基板
   上に設けられ測定すべきパワーを吸収し発熱する
   発熱体と；該表面弾性波遅延線素子を含む表面弾
   性波遅延線発振器と；前記発熱体の発熱によつて
   生じた該表面弾性波遅延線発振器の周波数もしく
   は周波数の変化量を計数する計数手段とからなる
   SAWパワーセンサ。 ２ 前記発熱体は接地電位に接続される側が他側
   を包囲するような形状をもつパターンを有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   SAWパワーセンサ。