(57)【要約】【課題】従来よりも感度を向上して被検出体の物理量を精度良く検知することができる弾性波変調素子を提供する。【解決手段】弾性波変調素子１０は、圧電材料部１１と、圧電材料部１１に取り付けられ、圧電材料部１１に弾性波を励起するかまたは圧電材料部１１に発生した弾性波を受信する電極部１２と、電極部１２と電気的に接続され、金属磁性材料で構成されるアンテナ部１３と、上記弾性波が存在する領域またはその近傍に設けられ、アンテナ部１３と磁気的に結合するが電気的に絶縁された磁歪材料部１４と、を備える。【選択図】図１
2020112411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料部と、
前記圧電材料部に取り付けられ、前記圧電材料部に弾性波を励起するかまたは前記圧電材料部に発生した弾性波を受信する電極部と、
前記電極部と電気的に接続され、金属磁性材料で構成されるアンテナ部と、
前記弾性波が存在する領域またはその近傍に設けられ、前記アンテナ部と磁気的に結合するが電気的に絶縁された磁歪材料部と、
を備える、弾性波変調素子。
【請求項２】
前記圧電材料部に取り付けられ、前記弾性波を反射する一または複数の反射器を更に備える、請求項１に記載の弾性波変調素子。
【請求項３】
前記電極部および前記反射器の少なくとも一方が、前記圧電材料部上であって磁性材料部の下に配置される、請求項１または２に記載の弾性波変調素子。
【請求項４】
前記電極部および前記反射器の少なくとも一方と前記磁歪材料部との間に設けられた絶縁材料部を更に備える、請求項３に記載の弾性波変調素子。
【請求項５】
前記電極部は、前記圧電材料部に弾性波を励起すると共に、前記圧電材料部に発生した弾性波を受信する第１電極部および第２電極部とを有し、
前記アンテナ部は、前記第１電極部と電気的に接続された第１アンテナ部と、前記第２電極部と電気的に接続された第２アンテナ部とを有し、
前記磁歪材料部が、前記圧電材料部の厚み方向の投影面において、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部との間に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波変調素子。
【請求項６】
前記アンテナ部を構成する前記第１アンテナ部および前記第２アンテナ部の各々は、前記磁歪材料部とは反対側の一端部から前記磁歪材料部側の他端部に向かう方向に沿って断面積が小さくなる形状を有し、
前記磁歪材料部の磁場方向に垂直な断面積の最小値が、前記第１アンテナ部および第２アンテナ部の前記断面積の最小値と同じかそれよりも小さい、請求項５に記載の弾性波変調素子。
【請求項７】
前記アンテナ部を構成する第１アンテナ部および第２アンテナ部の各々は、前記磁歪材料部とは反対側の一端部から前記磁歪材料部側の他端部に向かう方向に沿って一定の断面積を有し、
前記第１アンテナ部および第２アンテナ部の各々の前記一定の断面積は、前記磁歪材料部の磁場方向に垂直な断面積よりも小さい、請求項５に記載の弾性波変調素子。
【請求項８】
前記アンテナ部および前記磁歪材料部が、前記圧電材料部に取り付けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性波変調素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の弾性波変調素子と、検出装置とを備え、
前記検出装置は、
前記弾性波変調素子に入力される信号を発生する信号発生器と、
前記信号発生器で発生した信号を送信すると共に、前記弾性波変調素子から送信される信号を受信する送受信アンテナと、
前記送受信アンテナで受信した信号に基づいて前記弾性波の変調を検出する変調検出部と、
を備える、物理量センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性波変調素子及び物理量センサシステムに関し、特に、表面弾性波の伝搬特性の変化に基づいて被検出体の物理量を検出可能な弾性波変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表面弾性波（以下、ＳＡＷ（Ｓｕｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）ともいう）を用いた遅延線型や共振子型のセンサがある。遅延線型のＳＡＷセンサの構成として、例えば、ＬｉＮｂＯ３基板と、該基板上に設けられた一対の櫛歯電極部と、該一対の櫛歯電極部間のＳＡＷ伝搬領域に配置された非晶質ＴｂＦｅ２膜とを備えるＳＡＷ遅延線が提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
また、遅延線型のＳＡＷセンサとして、圧電基板と櫛歯電極を有する表面弾性波素子とアンテナ手段を備えた応答器と、上記応答器に対して駆動信号を発信すると共に、当該応答器からの応答信号を受信する問い合わせ器とからなるワイヤレスＳＡＷセンサが提案されている。このＳＡＷセンサは、表面弾性波の伝搬方向と一致する辺を有する略矩形状をなし、かつ上記櫛歯電極から離間している磁歪膜を備えており、矩形磁歪膜における櫛歯電極側端部からの反射波に対応するエコーと、この矩形磁歪膜における反櫛歯電極側端部からの反射波に対応するエコーとの時間差に基づいて圧電基板に働く応力を検出している（特許文献１）。
【０００４】
この従来技術では、圧電基板に応力が作用することより磁歪膜にも応力が作用すると、磁歪膜における磁化状態が変わり、その結果として磁歪膜と圧電基板の弾性率が変化するΔＥ効果が生じる。このΔＥ効果によって、磁歪膜と圧電基板を伝搬する表面弾性波の速度が変化する。よって、上記エコーの時間差を、圧電基板に作用する応力に対して予め校正しておくことで、当該時間差から、圧電基板に働く応力（歪）が計測することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】山口、外２名、「非晶質ＴｂＦｅ２膜を用いた可変ＳＡＷ遅延線（VARIABLE SAW DELAY LINE USING AMORPHOUS TbFe2 FILM）」、第１６巻、第５号、１９８０年９月、アイトリプルイー・トランザクションズ・オン・マグネティックス（IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS）
【特許文献１】特許第５０８７９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、磁歪膜のいわゆるΔＥ効果は、磁歪膜における磁化状態の変化に依存するため、磁化状態の変化量が小さいとΔＥ効果が生じ難い。よって、圧電基板に働く応力が小さいと、圧電基板に働く応力を十分に検知できず、感度が良好でない場合がある。また、磁歪膜に印加された外部磁界（磁場）が小さい場合、外部磁界による磁化状態の変化量が小さいためΔＥ効果も小さくなり、センサとしての磁界感度が良好でない場合がある。
【０００７】
本発明は、従来よりも感度を向上して被検出体の物理量を精度良く検知することができる弾性波変調素子及び物理量センサ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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
［１］圧電材料部と、
前記圧電材料部に取り付けられ、前記圧電材料部に弾性波を励起するかまたは前記圧電材料部に発生した弾性波を受信する電極部と、
前記電極部と電気的に接続され、金属磁性材料で構成されるアンテナ部と、
前記弾性波が存在する領域またはその近傍に設けられ、前記アンテナ部と磁気的に結合するが電気的に絶縁された磁歪材料部と、
を備える、弾性波変調素子。
［２］前記圧電材料部に取り付けられ、前記弾性波を反射する一または複数の反射器を更に備える、上記［１］に記載の弾性波変調素子。
［３］前記電極部および前記反射器の少なくとも一方が、前記圧電材料部上であって磁性材料部の下に配置される、上記［１］または［２］に記載の弾性波変調素子。
［４］前記電極部および前記反射器の少なくとも一方と前記磁歪材料部との間に設けられた絶縁材料部を更に備える、上記［３］に記載の弾性波変調素子。
［５］前記電極部は、前記圧電材料部に弾性波を励起すると共に、前記圧電材料部に発生した弾性波を受信する第１電極部および第２電極部とを有し、
前記アンテナ部は、前記第１電極部と電気的に接続された第１アンテナ部と、前記第２電極部と電気的に接続された第２アンテナ部とを有し、
前記磁歪材料部が、前記圧電材料部の厚み方向の投影面において、前記第１アンテナ部と前記第２アンテナ部との間に配置される、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の弾性波変調素子。
［６］前記アンテナ部を構成する前記第１アンテナ部および前記第２アンテナ部の各々は、前記磁歪材料部とは反対側の一端部から前記磁歪材料部側の他端部に向かう方向に沿って断面積が小さくなる形状を有し、
前記磁歪材料部の磁場方向に垂直な断面積の最小値が、前記第１アンテナ部および第２アンテナ部の前記断面積の最小値と同じかそれよりも小さい、上記［５］に記載の弾性波変調素子。
［７］前記アンテナ部を構成する第１アンテナ部および第２アンテナ部の各々は、前記磁歪材料部とは反対側の一端部から前記磁歪材料部側の他端部に向かう方向に沿って一定の断面積を有し、
前記第１アンテナ部および第２アンテナ部の各々の前記一定の断面積は、前記磁歪材料部の磁場方向に垂直な断面積よりも小さい、上記［５］に記載の弾性波変調素子。
［８］前記アンテナ部および前記磁歪材料部が、前記圧電材料部に取り付けられている、上記［１］〜［７］のいずれかに記載の弾性波変調素子。
［９］上記［１］〜［８］のいずれかに記載の弾性波変調素子と、検出装置とを備え、
前記検出装置は、
前記弾性波変調素子に入力される信号を発生する信号発生器と、
前記信号発生器で発生した信号を送信すると共に、前記弾性波変調素子から送信される信号を受信する送受信アンテナと、
前記送受信アンテナで受信した信号に基づいて前記弾性波の変調を検出する変調検出部と、
を備える、物理量センサシステム。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来よりも感度を向上して被検出体の物理量を精度良く検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図であり、図３（ｂ）は、線Ｉ−Ｉに沿う断面図である。
【図４】図４は、図３の弾性波変調素子の変形例を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図であり、図５（ｂ）は、その変形例を示す平面図である。
【図６】図６は、図５（ａ）の弾性波変調素子の他の変形例を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の第５実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明の第６実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。
【図９】図９は、本発明の第７実施形態に係る物理量センサシステムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［弾性波変調素子の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。本実施形態では、物理量センサとしての弾性波変調素子が遅延線型である場合を例に挙げて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は図示するものに限らないものとする。
【００１２】
図１に示すように、弾性波変調素子１０は、圧電材料部１１と、圧電材料部１１に取り付けられ、圧電材料部１１に弾性波を励起するかまたは圧電材料部１１に発生した弾性波を受信する電極部１２と、電極部１２と電気的に接続され、金属磁性材料で構成されるアンテナ部１３と、上記弾性波が存在する領域またはその近傍に設けられ、アンテナ部１３と磁気的に結合するが電気的に絶縁された磁歪材料部１４と、を備える。
【００１３】
圧電材料部１１は、例えば圧電基板、あるいは圧電膜で構成されている。この圧電材料部１１は、ＳｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛）、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯおよびダイヤモンドからなる群から選択される少なくとも１つの材料で構成される。圧電材料部１１が上記群から選択される少なくとも１つの材料で構成されることにより、圧電材料部１１において弾性波を効率的に発生させることができる。
【００１４】
電極部１２は、本実施形態では、圧電材料部１１の一方の主面１１ａ上であって磁歪材料部１４の一方側に配置されている。この電極部１２は、例えば、圧電材料部１１に弾性波を励起すると共に、圧電材料部１１に発生した弾性波を受信する第１電極部１２ａおよび第２電極部１２ｂを有する。第１電極部１２ａ及び第２電極部１２ｂは、例えば、互いの歯が交互に並ぶように対向して配置された一対の櫛歯電極で構成されている。この電極部１２は、アンテナ部１３からの入力信号に基づいて弾性波、特に表面弾性波（ＳＡＷ）を発生させる入力電極に相当すると共に、弾性波、特にＳＡＷを受信して、該弾性波に対応する出力信号をアンテナ部１３に出力する出力電極に相当する。電極部１２を構成する一対の櫛歯電極の歯のピッチは、任意に設定可能であるが、例えばλ／４（λはＳＡＷの波長）で一定である。
【００１５】
電極部１２は、電極材料として適していればその材料に特に制限はないが、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、あるいはこれらの合金などの材料で構成される。
【００１６】
アンテナ部１３は、例えば、第１電極部１２ａと電気的に接続された第１アンテナ部１３ａと、第２電極部１２ｂと電気的に接続された第２アンテナ部１３ｂとを有している。第１アンテナ部１３ａは、第１導体部１５ａを介して第１電極部１２ａに電気的に接続され、第２アンテナ部１３ｂは、第２導体部１５ｂを介して第２電極部１２ｂに電気的に接続されている。第１アンテナ部１３ａおよび第２アンテナ部１３ｂは、圧電材料部１１の厚み方向に投影した投影面において、磁歪材料部１４の両側に配置されている。このアンテナ部１３は、外部との信号の送受信を行うアンテナとしての機能を有すると共に、外部磁界の磁束を伝搬可能な磁気ヨークとしての機能を有している。
【００１７】
アンテナ部１３は、磁性金属であり、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｏＮｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＡｌ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏＣｒ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＢＳｉＰ、ＦｅＢＳｉＣ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、ＦｅＣｏＮｉＢＳｉ、ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ２、ＤｙＦｅ２、ＥｒＦｅ２、ＴｍＦｅ２、ＳｍＦｅ２、ＧａＦｅ、Ｔｂ（０．２７〜０．３原子組成比率）、Ｄｙ（０．７〜０．７３原子組成比率）、Ｆｅ（１．９〜２．０原子組成比率）からなる群から選択される少なくとも１つの材料で構成される。アンテナ部１３が上記群から選択される少なくとも１つの材料で構成されることにより、磁歪材料部１４において磁歪を効率的に発生させることができる。
【００１８】
アンテナ部１３の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１ｃｍ以下である。アンテナ部１３の形成方法には制限はないが、例えばスパッタリング、蒸着、焼結などによって成膜することができる。
【００１９】
磁歪材料部１４は、例えば、圧電材料部上に設けられ、圧電材料部１１の厚み方向の投影面において、第１アンテナ部１３ａと第２アンテナ部１３ｂとの間に配置される。磁歪材料部１４は、アンテナ部１３と電気的（直流）に絶縁されており、これにより第１電極部１２ａと第２電極部１２ｂの短絡が防止される。
【００２０】
磁歪材料部１４は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｏＮｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＡｌ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏＣｒ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＢＳｉＰ、ＦｅＢＳｉＣ、Ｎｉ２ＭｎＧａ、ＦｅＣｏＮｉＢＳｉ、ＴｂＦｅＣｏ、Ｃｏフェライト、Ｎｉフェライト、Ｃｕフェライト、Ｌｉフェライト、Ｍｎフェライト、ＮｉＣｏフェライト、ＮｉＣｕＣｏフェライト、Ｆｅ３О４、ＴｂＦｅ２、ＤｙＦｅ２、ＥｒＦｅ２、ＴｍＦｅ２、ＳｍＦｅ２、ＧａＦｅ、Ｔｂ（０．２７〜０．３原子組成比率）、Ｄｙ（０．７〜０．７３原子組成比率）、Ｆｅ（１．９〜２．０原子組成比率）からなる群から選択される少なくとも１つの材料で構成される。磁歪材料部１４が上記群から選択される少なくとも１つの材料で構成されることにより、磁歪材料部１４において磁歪を効率的に発生させることができる。
【００２１】
磁歪材料部１４は、例えば磁歪膜で形成されており、その場合、第１アンテナ部１３ａおよび第２アンテナ部１３ｂも磁歪膜で形成される。磁歪材料部１４の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。磁歪材料部１４の形成方法には制限はないが、例えばマグネトロンスパッタリングなどのスパッタリングによって成膜することができる。
【００２２】
アンテナ部１３を構成する第１アンテナ部１３ａおよび第２アンテナ部１３ｂの各々は、磁歪材料部１４とは反対側の一端部から磁歪材料部１４側の他端部に向かう方向に沿って断面積が小さくなる形状を有しているのが好ましい。また、磁歪材料部１４の磁場方向に垂直な断面積の最小値は、第１アンテナ部１３ａおよび第２アンテナ部１３ｂの上記断面積の最小値と同じかそれよりも小さいのが好ましい。これにより、磁歪材料部１４に磁界が印加されたときに磁歪材料部１４で確実に集磁することができる。
【００２３】
弾性波変調素子１０は、圧電材料部１１上のアンテナ部１３及び磁歪材料部１４に磁界を印加する少なくとも１つの磁界印加部（不図示）を備えていてもよい。磁界印加部は、アンテナ部１３および磁歪材料部１４に磁歪を生じさせるための磁界を、アンテナ部１３および磁歪材料部１４に印加する。アンテナ部１３および磁歪材料部１４に印加される磁界（磁場）は、磁歪効果が得られる静磁場であるのが好ましいが、変動磁場であってもよい。アンテナ部１３および磁歪材料部１４に印加される磁界（磁場）が静磁場である場合、上記磁界印加部は、例えば永久磁石で構成される。このような磁界印加部により、磁化状態を最適な動作原点とするためのバイアス磁界を与えることができる。
【００２４】
［弾性波変調素子の動作］
上記のように構成される弾性波変調素子１０では、先ず、外部からの信号が、アンテナ部１３を構成する第１アンテナ部１３ａおよび第２アンテナ部１３ｂによって受信される。第１アンテナ部１３ａおよび第２アンテナ部１３ｂが外部からの信号を受信すると、入力信号が電極部１２に入力され、第１電極部１２ａおよび第２電極部１２ｂの間に電位差が生じ、第１電極部１２ａおよび第２電極部１２ｂを介して圧電材料部１１に電位差が生じる。これにより、圧電材料部１１の表面のうち、電極部１２が形成された部分で圧電効果によるＳＡＷが発生する。
【００２５】
次に、圧電材料部１１が、例えば表面弾性波のうちのＳＨ波（以下、ＳＨ−ＳＡＷともいう）を生じさせる構成である場合、ＳＨ−ＳＡＷは圧電材料部１１の主面１１ａ或いはその近傍のうち、磁歪材料部１４内の伝搬路１６を伝搬する。このとき、圧電材料部１１に応力が生じて、磁歪材料部１４にも応力が作用すると、磁歪材料部１４の磁化状態が変わり、その結果として磁歪材料部１４の弾性率が変わり（ΔＥ効果）、これにより、伝搬路１６を伝搬するＳＨ−ＳＡＷの伝搬速度が変わる。あるいは、磁歪材料部１４に外部磁界が印加されると、ΔＥ効果により伝搬路１６を伝搬するＳＨ−ＳＡＷの伝搬速度が変わる。
【００２６】
ここで、上述のように、磁歪材料部のΔＥ効果は、磁歪材料部における磁化状態の変化に依存するため、磁化状態の変化量が小さいとΔＥ効果が生じ難い。
一方、本実施形態では、アンテナ部１３の存在により、伝搬路１６上に配置された磁歪材料部１４に外部磁界の磁束（図１中の二点鎖線矢印）が集められるため、磁歪材料部１４の磁束密度がアンテナ部１３の磁束密度よりも高くなる。よって、磁歪材料部１４における磁歪が、アンテナ部１３を設けない場合の磁歪材料部１４における磁歪よりも大きくなる。すなわち、磁歪材料部１４において、磁化状態の変化に伴うΔＥ効果に加えて、集磁に伴う磁歪効果（ΔＥ効果）の増大により、伝搬路１６を伝搬するＳＨ−ＳＡＷの伝搬速度が大きく変化する。よって、例えば圧電材料部１１に小さい応力が生じた場合、アンテナ部１３を設けない場合と比較して、ＳＨ−ＳＡＷの伝搬速度の変化を十分に生じさせることができる。したがって、本実施形態の弾性波変調素子１０を、物理量センサ、例えば高感度な圧力センサとして機能させることができる。また、磁歪材料部１４に小さい外部磁界が印加された場合にも、ＳＨ−ＳＡＷの伝搬速度の変化を十分に生じさせることができる。したがって、本実施形態の弾性波変調素子１０を、高感度な磁気センサとしても機能させることができる。
【００２７】
ＳＡＷが、磁歪材料部１４や圧電材料部１１の端で反射されて電極部１２に到達すると、ＳＡＷに基づく出力信号が第１アンテナ部１３ａおよび第２アンテナ部１３ｂから出力される。上記出力信号が後述する検出装置の検出回路部に入力されると、該検出回路部により、ＳＡＷの伝搬特性の変化に基づいて、被検出体の物理量が検出される。
【００２８】
上述したように、本第１実施形態によれば、弾性波変調素子１０が、電極部１２と電気的に接続され、金属磁性材料からなるアンテナ部１３と、弾性波が存在する領域またはその近傍に設けられ、アンテナ部１３と磁気的に結合するが電気的に絶縁された磁歪材料部１４とを備えるので、アンテナ部１３および磁歪材料部１４に外部磁界を印加したときに、磁歪材料部１４での磁歪を増大させることができる。またこのとき、アンテナ部１３を金属磁性材料で構成し且つ磁気ヨークとしても機能させることで、磁歪材料部１４に集磁することができ、より微弱な磁界を検出することができる。よって、伝搬路１６を伝搬するＳＨ−ＳＡＷの伝搬速度の変化を十分かつ効率的に生じさせることができ、従来よりも感度を向上して圧電材料部１１に働く磁界または応力を精度良く検知することができる。
【００２９】
上記第１実施形態では、電極部１２、アンテナ部１３および磁歪材料部１４が、圧電材料部１１の一方の主面１１ａに配置されているが、これに限られず、電極部１２が圧電材料部１１の一方の主面１１ａに配置され、アンテナ部および磁歪材料部が、圧電材料部１１の他方の主面に配置されてもよい。
【００３０】
ここで、圧電材料部が、表面弾性波のうちのレイリー波を生じさせる構成である場合、レイリー波は圧電材料部の表面に対して垂直な方向の変位を伴う。よって、アンテナ部および磁歪材料部が電極部と同じ主面上に設けられていると、レイリー波が磁歪材料部に伝搬して減衰が大きくなり、ＳＡＷの伝搬速度を十分に検知できない場合がある。
【００３１】
アンテナ部および磁歪材料部が、圧電材料部１１の電極部１２とは反対側の主面に設けられることで、レイリー波が伝搬路１６を伝搬する際に、圧電材料部の他方の主面を伝搬するレイリー波が、磁歪材料部に伝搬するのを抑制することができる。よって、磁歪材料部において、磁化状態の変化に伴うΔＥ効果に加えて、集磁に伴う磁歪効果（ΔＥ効果）を増大させることができ、さらに、伝搬路１６を伝搬するレイリー波の減衰を抑制することが可能となり、レイリー波の伝搬速度の変化を十分かつ正確に生じさせることができる。
【００３２】
図２は、本発明の第２実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。本第２実施形態では、反射器が設けられる点で、第１実施形態と異なる。第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分を以下に説明する。
【００３３】
図２に示すように、弾性波変調素子２０は、圧電材料部１１に取り付けられ、弾性波を反射する反射器２１を更に備える。本実施形態では、一の反射器２１が、圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の一方側に配置されている。この反射器２１は、複数の電極指２１ａ，２１ａ，…を有し、複数の電極指２１ａ，２１ａ，…の間がスリット状になるように形成されている。反射器２１は、例えば電極部１２と同じ厚みを有しており、電極部１２と同じ材料で形成される。
【００３４】
複数の電極指２１ａ，２１ａ，…は、弾性波の伝搬方向に直交する方向に延在している。複数の電極指２１ａ，２１ａ，…は、一定の間隔で配置された長尺体であり、電極部１２で励起される弾性波を反射させるピッチで配置されるのが好ましい。複数の電極指２１ａ，２１ａ，…は、互いに開放され直流的に接続されていなくても、互いに短絡され電気的に接続されていても良い。
【００３５】
この弾性波変調素子２０では、アンテナ部１３で電波を受信すると、電極部１２によって励振した弾性波が、圧電材料部１１の伝搬路１６を介して反射器２１に到達する。その後、反射器２１での反射によって生じた反射波が伝搬路１６を介して電極部１２に到達し、アンテナ部１３から電波が送信される。このとき、磁歪材料部１４が弾性波の伝搬路１６上に配置されているので、磁歪材料部１４の磁歪により、伝搬路を伝搬する弾性波の伝搬速度の変化をより効率的に生じさせることができる。よって、遅延線型の弾性波変調素子２０を物理量センサとして機能させることで、ワイヤレスで、従来よりも感度を更に向上して圧電材料部１１に働く応力または磁界を精度良く検知することが可能となる。また、弾性波変調素子２０が、圧電材料部１１に取り付けられ、磁歪材料部１４の一方側に配置された一の反射器２１を更に備えるので、反射器２１によって弾性波をより効果的に電極部１２に戻すことができる。
【００３６】
図３（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図であり、図３（ｂ）は、線Ｉ−Ｉに沿う断面図である。本第３実施形態では、電極部および一対の反射器が磁歪材料部の下に設けられている点で、上記第２実施形態と異なる。それ以外は第２実施形態と同様であるため、以下に第２実施形態と異なる部分を説明する。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、弾性波変調素子３０は、圧電材料部１１に取り付けられ、圧電材料部１１に弾性波を励起するかまたは圧電材料部１１に発生した弾性波を受信する電極部３１と、圧電材料部１１に取り付けられ、弾性波を反射する一対の反射器３２ａ，３２ｂ（複数の反射器）を更に備える。弾性波変調素子３０は、共振子型であって、いわゆる１ポート共振子を構成している。
【００３８】
本第３実施形態では、電極部３１を構成する第１電極部３１ａおよび第２電極部３１ｂが、圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の下に配置され（図３（ｂ））、更に、一対の反射器３２ａ，３２ｂが、圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の下に配置されている。また、一対の反射器３２ａ，３２ｂは、第１電極部３１ａ及び第２電極部３１ｂの両側に配置されている。
【００３９】
また、弾性波変調素子３０の断面視において、磁歪材料部１４の下部（圧電材料部１１側の主面）が、櫛歯形状を有し、第１電極部３１ａおよび第２電極部３１ｂ間に入り込んでいるのが好ましい。これにより、磁歪材料部１４を圧電材料部１１により近い位置に配置することができ、弾性波の伝搬速度の変化を更に効率的に生じさせることができる。
【００４０】
この弾性波変調素子３０では、電極部３１によって励振した弾性波が、一対の反射器３２ａ，３２ｂ間に閉じ込められる。このとき、電極部３１が圧電材料部１１の一方の主面１１ａ上であって磁歪材料部１４の下に配置されているので、磁歪材料部１４の磁歪により、伝搬路１６を伝搬する弾性波（あるいは定在波）の伝搬速度の変化をより効率的に生じさせることができる。また、電極部３１および一対の反射器３２ａ，３２ｂが圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の下に配置されるので、電極部３１や一対の反射器３２ａ，３２ｂに存在する弾性波に対してもより効果的に変調を与えることができる。よって、１ポート共振子型の弾性波変調素子３０を物理量センサとして機能させることで、従来よりも感度を更に向上して圧電材料部１１に働く磁界または応力を精度良く検知することができる。
【００４１】
本第３実施形態では、弾性波変調素子３０は、共振子型であるが、これに限られず、遅延線型であってもよい。その場合、弾性波変調素子３０が、圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の下に配置された一の反射器を有していてもよい。
【００４２】
また、電極部３１および一対の反射器３２ａ，３２ｂが、圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の下に配置されているが、これに限られず、電極部および反射器の少なくとも一方が、圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の下に配置されていてもよい。
【００４３】
図４は、図３の弾性波変調素子３０の変形例を示す断面図である。
図４に示すように、弾性波変調素子３０は、電極部３１と磁歪材料部１４との間に設けられ、且つ、一対の反射器３２ａ，３２ｂと磁歪材料部１４との間に設けられた絶縁材料部３３を更に備える。絶縁材料部３３は、例えば絶縁層、あるいは絶縁膜で構成されている。
【００４４】
電極部３１（第１電極部３１ａおよび第２電極部３１ｂ）と磁歪材料部１４との間、および一対の反射器３２ａ，３２ｂと磁歪材料部１４との間に絶縁材料部３３を介在させることで、電極部３１や一対の反射器３２ａ，３２ｂの絶縁すべき部分を効果的に絶縁することができる。特に、磁歪材料部１４が金属で構成される場合、電極部３１を構成する第１電極部３１ａおよび第２電極部３１ｂ間での短絡を防止することができる。
【００４５】
尚、本変形例では、弾性波変調素子３０は、共振子型であるが、これに限られず、遅延線型であってもよい。その場合、弾性波変調素子３０が、圧電材料部１１上であって磁歪材料部１４の下に配置された一の反射器を有していてもよい。
【００４６】
図５（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図であり、図５（ｂ）は、その変形例を示す平面図である。上記第３実施形態では、磁歪材料部における磁束（図３中の二点鎖線矢印）が、弾性波の伝搬方向に垂直な方向に沿って形成されるが、本第４実施形態では、主に、磁歪材料部における磁束が弾性波の伝搬方向に沿って形成される点で、上記第３実施形態と異なる。
【００４７】
図５（ａ）に示すように、弾性波変調素子４０は、圧電材料部４１と、電極部４２と、アンテナ部４３と、磁歪材料部４４と、圧電材料部４１に取り付けられ、弾性波を反射する一の反射器４５とを備える。弾性波変調素子４０は、共振子型であって、いわゆる１ポート共振子を構成している。
【００４８】
本実施形態では、アンテナ部４３および磁歪材料部４４が、圧電材料部４１に取り付けられている。また、電極部４２を構成する第１電極部４２ａおよび第２電極部４２ｂが、圧電材料部４１上であって磁歪材料部４４の下に配置され、更に、一の反射器４５が、圧電材料部４１上であって磁歪材料部４４の下に配置される（図３（ｂ）参照）。
【００４９】
本第４実施形態では、圧電材料部４１の一方の主面４１ａに、電極部４２と、アンテナ部４３と、磁歪材料部４４とが配置されるが、これに限られず、圧電材料部４１の一方の主面４１ａに電極部４２が配置され、圧電材料部４１の他方の主面に、アンテナ部４３および磁歪材料部４４が配置されてもよい。
【００５０】
また、図５（ｂ）に示すように、磁歪材料部４４に、開口部４６（非成膜部）が設けられてもよい。このとき、電極部４２が、圧電材料部４１の一方の主面４１ａ上であって開口部４６に対応する位置に配置される。
【００５１】
また、図６に示すように、弾性波変調素子４０において、電極部４２を構成する第１電極部４２ａおよび第２電極部４２ｂが、圧電材料部４７上であって磁歪材料部４８の一方側に配置されてもよい。すなわち、磁歪材料部４８が、圧電材料部４７の厚み方向の投影面において、電極部４２を包含しない位置に配置されてもよい。
また、図６の弾性波変調素子４０では反射器が設けられていないが、これに限られず、一の反射器、あるいは一対の反射器が設けられてもよい。
【００５２】
この弾性波変調素子４０では、磁歪材料部４４，４８における磁束（図５（ａ），図５（ｂ）および図６中の二点鎖線矢印）が弾性波の伝搬方向に沿って形成される。本構成によっても、従来よりも感度を更に向上して圧電材料部４１，４７に働く磁界または応力を精度良く検知することができる。
【００５３】
図７は、本発明の第５実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。本第５実施形態では、アンテナ部が一つの部材で構成される点で、第１実施形態と異なる。
【００５４】
図７に示すように、弾性波変調素子５０は、一のアンテナ部５１を備えている。アンテナ部５１は、第１導体部１５ａを介して第１電極部１２ａに電気的に接続されている。また、第２電極部１２ｂは、接地されている。
弾性波変調素子５０では、一のアンテナ部５１が設けられているので、一のアンテナ部５１を金属磁性材料で構成し且つ磁気ヨークとしても機能させることで、磁歪材料部１４に集磁することができ、より微弱な磁界を検出することができる。
【００５５】
図８は、本発明の第６実施形態に係る弾性波変調素子の構成の一例を示す平面図である。本第６実施形態では、アンテナ部の形状が異なる点で、第１実施形態と異なる。
【００５６】
図８に示すように、弾性波変調素子６０は、電極部１２と電気的に接続され、金属磁性材料からなるアンテナ部６１を備える。アンテナ部６１は、第１電極部１２ａと電気的に接続された第１アンテナ部６１ａと、第２電極部１２ｂと電気的に接続された第２アンテナ部６１ｂとを有している。本実施形態では、弾性波変調素子６０の平面視において、第１アンテナ部６１ａおよび第２アンテナ部６１ｂが矩形状を有し、磁歪材料部１４も矩形状を有している。
【００５７】
第１アンテナ部６１ａおよび第２アンテナ部６１ｂの各々は、磁歪材料部１４とは反対側の一端部から磁歪材料部１４側の他端部に向かう方向に沿って一定の断面積を有している。そして、第１アンテナ部６１ａおよび第２アンテナ部６１ｂの各々の上記一定の断面積は、磁歪材料部１４の磁場方向に垂直な断面積よりも小さい。
本構成によっても、アンテナ部６１を金属磁性材料で構成し且つ磁気ヨークとしても機能させることで、磁歪材料部１４に集磁することができ、より微弱な磁界を検出することができる。
【００５８】
図９は、本発明の第７実施形態に係る物理量センサシステムの構成を示す模式図である。図９では、物理量センサシステムが図１の弾性波変調素子１０を備える場合を例に挙げて説明する。
図９に示すように、物理量センサシステム１は、弾性波変調素子１０と、検出装置７０とを備える。
検出装置７０は、弾性波変調素子１０に入力される信号を発生する信号発生器７１と、信号発生器７１で発生した信号を送信すると共に、弾性波変調素子１０から送信される信号を受信する送受信アンテナ７２と、送受信アンテナ７２で受信した信号に基づいて弾性波の変調を検出する変調検出部７３とを備える。
【００５９】
弾性波変調素子１０は、被検出体Ａに設置される。上記被検出体Ａとしては、例えば生体、ビルや橋などの構造物の壁や支柱、コンピューター等の電子機器、テレビや冷蔵庫等の家電製品を挙げることができる。測定される物理量としては、例えば磁界、トルク、圧力、温度、ガス量などが挙げられる。
【００６０】
信号発生器７１は、弾性波変調素子１０に弾性波を発生させるための駆動信号を生成し、
該駆動信号を送受信アンテナ７２に送信する。
【００６１】
送受信アンテナ７２は、信号発生器７１で発生した駆動信号を弾性波変調素子１０のアンテナ部１３に送信すると共に、弾性波変調素子１０のアンテナ部１３から送信された応答信号を受信し、該応答信号を変調検出部７３に送信する。駆動信号の種類は、特に制限はないが、例えばＲＦ信号などの高周波信号である。
上記駆動信号が送受信アンテナ７２から弾性波変調素子１０に送信されると、弾性波変調素子１０のアンテナ部１３によって受信される。そして、当該駆動信号が電極部１２に送信され、電極部１２によって弾性波が励起される。また、電極部１２によって受信された弾性波に相当する信号（応答信号）が、アンテナ部１３から検出装置７０の送受信アンテナ７２に送信される。
【００６２】
変調検出部７３は、送受信アンテナ７２で受信した信号、すなわち弾性波変調素子１０のアンテナ部１３から送信された応答信号に基づいて、弾性波の変調を検出する。上記応答信号の変調を検出することで、被検出体における物理量の変化が測定される。
【００６３】
本第７実施形態によれば、検出装置７０が、弾性波変調素子１０に入力される信号を送信すると共に、弾性波変調素子１０から受信した信号に基づいて弾性波の変調を検出するので、弾性波変調素子１０を物理量センサとして物理量センサシステム１に適用することにより、弾性波変調素子１０を用いたワイヤレスの磁界センサシステムを構築することができる。
【００６４】
また、弾性波変調素子２０，３０，４０，５０，６０を物理量センサシステム１に適用することにより、弾性波変調素子２０，３０，４０，５０，６０を用いたワイヤレス磁界センサシステムを構築することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の弾性波変調素子は、磁界、トルク、圧力、温度、ガス量等の各種物理量を検出するための物理量センサとして用いることができ、また、上記各種物理量を検出するための物理量センサシステムに適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  物理量センサシステム
１０  弾性波変調素子
１１  圧電材料部
１１ａ  主面
１２  電極部
１２ａ  第１電極部
１２ｂ  第２電極部
１３  アンテナ部
１３ａ  第１アンテナ部
１３ｂ  第２アンテナ部
１４  磁歪材料部
１５ａ  第１導体部
１５ｂ  第２導体部
１６  伝搬路
２０  弾性波変調素子
２１  反射器
２１ａ  電極指
３０  弾性波変調素子
３１  電極部
３１ａ  第１電極部
３１ｂ  第２電極部
３２ａ  反射器
３２ｂ  反射器
３３  絶縁材料部
４０  弾性波変調素子
４１  圧電材料部
４１ａ  主面
４２  電極部
４２ａ  第１電極部
４２ｂ  第２電極部
４３  アンテナ部
４４  磁歪材料部
４５  反射器
４６  開口部
４７  圧電材料部
４８  磁歪材料部
５０  弾性波変調素子
５１  アンテナ部
６０  弾性波変調素子
６１  アンテナ部
６１ａ  第１アンテナ部
６１ｂ  第２アンテナ部
７０  検出装置
７１  信号発生器
７２  送受信アンテナ
７３  変調検出部
【図１】
2020112411.tif 000003
【図２】
2020112411.tif 000004
【図３】
2020112411.tif 000005
【図４】
2020112411.tif 000006
【図５】
2020112411.tif 000007
【図６】
2020112411.tif 000008
【図７】
2020112411.tif 000009
【図８】
2020112411.tif 000010
【図９】
2020112411.tif 000011