(57)【要約】【課題】１つの周回路を使用し同時に複数の弾性表面波を多数回周回出来、複数の弾性表面波における周回数増大に伴う弾性表面波の伝搬速度減速や位相遅れや強度減少の程度を正確に精密に測定出来る、弾性表面波素子を提供することである。【解決手段】弾性表面波素子１０は、弾性表面波励起可能結晶材料で形成され励起された弾性表面波が周回可能な少なくとも１つの円環形状周回路１４ａを含む基体１４と、周回路に表面波を励起させ周回した弾性表面波を検知する弾性表面波励起検知手段１６と、を備える。周回路は、励起された表面波が１周毎に同じ軌跡で周回可能な１つの主周回軌跡２０と、励起された表面波が所定の周回数未満で相互に異なる軌跡で周回され所定の周回数で最初の周回の軌跡に一致する少なくとも１つの副周回軌跡２２と、を含む。上記励起検知手段が、副周回軌跡に表面波を励起させ副周回軌跡を周回した表面波を検知する。【選択図】    図２
2010107445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波が励起可能な結晶材料により形成されていて、球面の一部により円環状に規定され励起された弾性表面波が周回可能な少なくとも１つの弾性表面波周回路を含む弾性表面波周回基体と；そして、
弾性表面波周回基体の弾性表面波周回路に弾性表面波を励起させて励起された弾性表面波を弾性表面波周回路に沿い周回させるとともに周回した弾性表面波を検知する弾性表面波励起検知手段と；
を備えており、
弾性表面波周回路は、励起された弾性表面波を１周毎に同じ軌跡で周回させることが可能な１つの主周回軌跡と、励起された弾性表面波を所定の周回数未満で相互に異なる軌跡で周回させるとともに所定の周回数で最初の周回の軌跡に一致する少なくとも１つの副周回軌跡と、を含んでいて、
弾性表面波励起検知手段が、弾性表面波周回路の副周回軌跡に弾性表面波を励起させとともに副周回軌跡を周回した弾性表面波を検知する、
ことを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
１つの弾性表面波周回路は複数の副周回軌跡を含んでいて、弾性表面波励起検知手段は複数の複数回軌跡の少なくとも２つに弾性表面波を励起させとともに少なくとも２つの副周回軌跡を周回した弾性表面波を検知する、
ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
弾性表面波励起検知手段が、弾性表面波周回路の主周回軌跡及び副周回軌跡に弾性表面波を励起させとともに主周回軌跡及び副周回軌跡を周回した弾性表面波を検知する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
弾性表面波励起検知手段は、主周回軌跡及び１つの副周回軌跡の夫々に対し１つの電気音響変換素子を含んでいる、
ことを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波素子。
【請求項５】
弾性表面波周回基体が、水晶，ランガサイト，リチウムナイオベート，そしてリチウムタンタレートのいずれか１つである、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
【請求項６】
弾性表面波周回基体が水晶であり、
弾性表面波周回基体の弾性表面波周回路が、水晶のＺ軸を中心とする最大外径線を含む円環形状をしており、
弾性表面波周回路の主周回軌跡が、弾性表面波周回路中を上記最大外径線に沿った１２０°毎に上記最大外径線に対し直交する一方向及び他方向に１°乃至３°の回転角の範囲内で順次振れ蛇行する、
ことを特徴とする請求項５に記載の弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
平坦な基体上に配置された平坦な圧電体の上面の相互に離間した２つの位置に弾性表面波励起手段及び弾性表面波検知手段が相互に対向して配置された板状の弾性表面波素子は従来良く知られている。
【０００３】
このような従来の板状の弾性表面波素子においては、弾性表面波励起手段及び弾性表面波検知手段の夫々としてすだれ状電極（櫛形電極とも呼ばれている）が使用されている。弾性表面波励起手段に高周波電流が供給されると弾性表面波励起手段は圧電体の上面に弾性表面波を励起し励起された弾性表面波を平坦な圧電体の上面に沿い弾性表面波検知手段に向かい伝搬させ弾性表面波検知手段により検知させる。
【０００４】
このような従来の板状の弾性表面波素子は、遅延線，発振器の為の発振素子及び共振素子，周波数選択フィルター，化学センサー，バイオセンサー，そしてリモートタグ等に使用されている。そして、圧電体の上面の弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離を長くとれればとれるほど、弾性表面波素子を利用したこれら種々の装置の精度は高まる。
【０００５】
しかしながら、このような従来の板状の弾性表面波素子においては、平坦な基体上に配置された圧電体が平坦である為に、弾性表面波励起手段が圧電体の上面に励起した弾性表面波は平坦な圧電体の上面に沿い弾性表面波検知手段に向かい伝搬される間にその伝搬方向に対し直交する方向に拡散してしまい、そのエネルギーを失う。従って、平坦な圧電体の上面において設定可能な弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離は、おのずと限りがある。
【０００６】
弾性表面波励起手段に供給する高周波電流のエネルギーを増加させ平坦な基体の表面積を拡大すれば、上記距離を長くすることが出来るが、弾性表面波素子の駆動に要する電力が増大し、また弾性表面波素子の外形寸法が大形化する。
【０００７】
国際公開  ＷＯ  ０１／４５２５５  号公報（特許文献１）は、弾性表面波を励起させ伝搬させることが出来る球形状の基体の表面に対し弾性表面波励起検知手段としてのすだれ状電極を載置し、基体の半径とすだれ状電極により基体の表面に励起させる弾性表面波の周波数及び幅（基体の表面を弾性表面波が伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向における弾性表面波の寸法）とを所定の条件に設定することにより、すだれ状電極により基体の表面に励起された弾性表面波を、基体の表面に沿い伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく、伝搬させることが出来、ひいては繰り返し周回させることが出来ることが明らかにされている。
【０００８】
球形状の基体の表面を弾性表面波が周回する軌跡は、球形状の基体の表面において球形状の基体の最大外周線を含んでいる球の一部が円環状に連続している領域内にあり、この領域を弾性表面波周回路と呼んでいる。そして、球形状の基体を使用したこのような従来の弾性表面波素子は、弾性表面波周回路に沿い弾性表面波周回路の延出方向と交差する方向に拡散することなく弾性表面波を多数回周回させることが出来る（即ち、すだれ状電極が弾性表面波を励起させてから弾性表面波周回路を周回する弾性表面波をすだれ状電極が正確に検知することが出来なくなるまでに弾性表面が周回する回数が多い）ので、周回数の増大に伴う弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を精密に測定することが出来る。
【０００９】
伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度は、弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化（例えば、ガス濃度の増加）の程度に比例する。従って、上述した種々の程度を測定することは弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化を測定することを意味する。
【００１０】
そして上記測定は同じ環境条件で複数回行い、それら複数回の測定結果を平均することにより、より正確度が高まる。しかし、１つの弾性表面波周回路のみを使用して複数回の測定を行なうと複数間の測定に時間が係るし、その間に環境条件が変わる確率も高くなる。
【００１１】
そのために、１つの球形状の基体の外表面に複数の弾性表面波周回路を設定することが特開２００６−１２１２３４号公報（特許文献２）に記載されている。
【特許文献１】国際公開  ＷＯ  ０１／４５２５５  号公報
【特許文献２】特開２００６−１２１２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、複数の弾性表面波周回路をその外表面に設定できる基材は例えばリチウムナイオベートやリチウムタンタレートの如く比較的高価であり、さらに１つの球形状の基体の外表面に複数の弾性表面波周回路を設定することが出来た場合でも複数の弾性表面波周回路の夫々において弾性表面波伝搬特性が微妙に異なるので、弾性表面波周回路の夫々において同じ環境条件で測定したとしてもそれらの測定結果の平均が測定結果の正確性を増加させるとは限らない。
【００１３】
この発明は上記事情の下でなされ、この発明の目的は、１つの弾性表面波周回路のみを使用して同時に複数の弾性表面波を多数回周回させることが出来、従って複数の弾性表面波における周回数の増大に伴う弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を正確に精密に測定することが出来る、弾性表面波素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述したこの発明の目的を達成する為に、この発明に従った弾性表面波素子は：弾性表面波が励起可能な結晶材料により形成されていて、球面の一部により円環状に規定され励起された弾性表面波が周回可能な少なくとも１つの弾性表面波周回路を含む弾性表面波周回基体と；そして、弾性表面波周回基体の弾性表面波周回路に弾性表面波を励起させて励起された弾性表面波を弾性表面波周回路に沿い周回させるとともに周回した弾性表面波を検知する弾性表面波励起検知手段と；を備えている。弾性表面波周回路は、励起された弾性表面波を１周毎に同じ軌跡で周回させることが可能な１つの主周回軌跡と、励起された弾性表面波を所定の周回数未満で相互に異なる軌跡で周回させるとともに所定の周回数で最初の周回の軌跡に一致する少なくとも１つの副周回軌跡と、を含んでおり、そして、弾性表面波励起検知手段が、弾性表面波周回路の副周回軌跡に弾性表面波を励起させるとともに副周回軌跡を周回した弾性表面波を検知する、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
上述した如く構成されたことを特徴とするこの発明に従った弾性表面波素子は、１つの弾性表面波周回路のみを使用して同時に複数の弾性表面波を多数回周回させることが出来、従って複数の弾性表面波における周回数の増大に伴う弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を正確に精密に測定することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施の形態に従った弾性表面波素子を使用した外部環境測定装置について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明の一実施の形態に従った弾性表面波素子１０を使用した外部環境測定装置１２の基本的な構成を概略的に図示している。
【００１８】
弾性表面波素子１０は：弾性表面波が励起可能な結晶材料により形成されていて、球面の一部により円環状に規定され励起された弾性表面波が周回可能な少なくとも１つの弾性表面波周回路１４ａを含む弾性表面波周回基体１４と；そして、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに弾性表面波を励起させて励起された弾性表面波を弾性表面波周回路１４ａに沿い周回させるとともに周回した弾性表面波を検知する弾性表面波励起検知手段１６と；を備えている。
【００１９】
弾性表面波が励起可能な結晶材料としては、水晶，ランガサイト，リチウムナイオベート（ニオブ酸リチウム：LiNbO3），そしてリチウムタンタレート（タンタル酸リチウム：LiTaO3）などの圧電性結晶材料を例示することが出来る。これらの結晶材料は、夫々の球形状の外表面において夫々が有している結晶面が球形状の外表面と交差する交線１４ｂに沿い弾性表面波を励起させると励起された弾性表面波は上記交線１４ｂに沿い伝搬することが判っている。そして、国際公開  ＷＯ  ０１／４５２５５  号公報（特許文献１）によれば、弾性表面波を励起させ伝搬させることが出来る球形状の弾性表面波周回基体１４の半径と弾性表面波周回基体１４の外表面に励起させる弾性表面波の周波数及び幅（弾性表面波周回基体１４の表面を弾性表面波が伝搬する方向に対し弾性表面波周回基体１４の表面に沿い直交する方向における弾性表面波の寸法）とを所定の条件に設定することにより、弾性表面波周回基体１４の表面に励起された弾性表面波を、弾性表面波周回基体１４の表面に沿い伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく、伝搬させることが出来、ひいては繰り返し周回させることが出来ることが明らかにされている。
【００２０】
上記交線１４ｂは、弾性表面波周回基体１４の外表面において最大の径の外周となる線であり、上記交線１４ａに沿って励起された弾性表面波が伝搬する球面の一部により円環状に規定される領域が弾性表面波周回路１４ａである。
【００２１】
水晶及びランガサイトの夫々は３つの結晶面を有していることが知られている。従って水晶及びランガサイトの夫々を弾性表面波周回基体１４の為の圧電結晶性材料として使用した場合には、その球形状の外表面に３個の弾性表面波周回路１４ａが設定可能であることになる。
【００２２】
リチウムナイオベート及びリチウムタンタレートの夫々は１０個の結晶面を有していることが知られている。従ってリチウムナイオベート及びリチウムタンタレートの夫々を弾性表面波周回基体１４の為の圧電結晶性材料として使用した場合には、その球形状の外表面に１０個の弾性表面波周回路１４ａが設定可能であることになる。
【００２３】
弾性表面波励起検知手段１６としては、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに励起した弾性表面波をその伝搬方向に対し弾性表面波周回基体１４の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく伝搬させ周回繰り返し周回させることを可能にする前述した所定の条件を満たす波長と幅とを容易に設定可能にする為に、すだれ状電極又は櫛歯状電極と言われている公知の電気音響変換素子が通常使用される。
【００２４】
すだれ状電極又は櫛歯状電極は、夫々が複数の櫛歯状電極枝を有した１対の櫛歯状電極部を、一方の櫛歯状電極部の複数の櫛歯状電極枝の複数の隙間の夫々の中央に他方の櫛歯状電極部の複数の櫛歯状電極枝の夫々を配置することにより構成されている。このような構成のすだれ状電極又は櫛歯状電極は、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａの所望の位置に公知の形成方法（例えば、フォトリソグラフィー法）により容易に精密に形成することが可能である。弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに複数の櫛歯状電極枝を前記交線１４ｂと交差する方向に向けた状態ですだれ状電極又は櫛歯状電極を形成し、１対の櫛歯状電極部に対し相互に対向している２つの櫛歯状電極枝の相互間の離間距離に対応した周波数の高周波電流を供給すると、すだれ状電極又は櫛歯状電極は相互に対向している２つの櫛歯状電極枝の相互間の離間距離に対応した周波数を有しているとともに相互に対向している２つの櫛歯状電極枝の夫々の相互に対向している部分の長さの幅を有している弾性表面波を弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａの上記所望の位置に励起させ、励起した弾性表面波を１対の櫛歯状電極部の複数の櫛歯状電極枝が並んでいる方向に進行（即ち、伝搬させ）させる。
【００２５】
なおここで、弾性表面波とは、通常のバルク波と呼ばれる縦波や横波と異なり、物質表面にそのエネルギーの多くを集中して伝搬する弾性波であり、レーリー波，セザワ波，擬セザワ波，ラブ波等を例示することができる。
【００２６】
弾性表面波励起検知手段１６には、弾性表面波励起検知手段１６の動作を制御する為の動作制御手段１８が接続されている。動作制御手段１８は、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに対し所望のタイミングで弾性表面波励起検知手段１６に弾性表面波をバースト状に励起させ伝搬させるとともに弾性表面波周回路１４ａに励起され伝搬された弾性表面波を弾性表面波励起検知手段１６に所望のタイミングで検知させる。例えば、動作制御手段１８は、弾性表面波励起検知手段１６を構成しているすだれ状電極又は櫛歯状電極の１対の櫛歯状電極部の一方に接続された入出力切り替え部１８ａと、入出力切り替え部１８ａの入力端子に接続された高周波信号発生部１８ｂと、入出力切り替え部１８ｂの出力端子にアンプ１８ｃを介して接続された検出・出力部１８ｄと、を含んでいる。そして、弾性表面波励起検知手段１６を構成しているすだれ状電極又は櫛歯状電極の１対の櫛歯状電極部の他方は接地されている。
【００２７】
弾性表面波励起検知手段１６が入出力切り替え部１８ａにより高周波信号発生部１８ｂに所望のタイミングで接続されることにより、高周波信号発生部１８ｂから弾性表面波励起検知手段１６に供給された高周波信号が弾性表面波周回路１４ａ中にバースト上に弾性表面を励起させ、励起されたバースト状の弾性表面波は弾性表面波周回路１４ａ中を前述した交線１４ｂに沿い伝搬し弾性表面波周回路１４ａ中を周回する。弾性表面波励起検知手段１６が入出力切り替え部１８ａによりアンプ１８ｃを介して検出・出力部１８ｄに所望のタイミングで接続されることにより、弾性表面波周回路１４ａ中を周回しているバースト状の弾性表面波は所望のタイミングでアンプ１８ｃを介して検出・出力部１８ｄにより検知される。
【００２８】
本願の発明者である柳沢を含む研究グループは、弾性表面波周回路１４ａ中を伝搬する弾性表面波の軌跡（経路）を詳細に検討した結果、同じ弾性表面波周回路１４ａ中でも励起された弾性表面波を１周毎に同じ軌跡で周回させることが可能な１つの主周回軌跡２０が存在することに気づき、弾性表面波周回基体１４が三方晶系の圧電性単結晶材料である場合について、特願２００８−０６７４０８号の明細書に記載した。同じ弾性表面波周回路１４ａ中でも１つの主周回軌跡２０に沿って伝搬する弾性表面波はその強度の減衰が指数関数的な減衰と良く一致し、また弾性表面波の伝搬速度が最も速くなる。
【００２９】
そして、主周回軌跡２０は、弾性表面波周回基体１４の圧電性単結晶材料が異方性を有していて上記交線１４ｂに沿った複数の位置の夫々において、そこを通過する弾性表面波の伝搬速度や、電気機械結合定数や、パワーフローアングルが相互に僅かに異なっていることから、上記交線１４ｂと一致せず、弾性表面波周回基体１４が、三方晶系の圧電性単結晶材料の場合には、図１中に図示されている如く、弾性表面波周回路１４ａ中で上記交線１４ｂの沿った１２０°の回転角毎に上記交線１４ｂに対し直交する一方向及び他方向に１°乃至３°の回転角αの範囲内で順次交互に正弦的に振れ蛇行している。
【００３０】
なお、図１中には、三方晶系の圧電性単結晶材料の一種である水晶のＺ軸周りの結晶面が規定している交線１４ｂに沿った弾性表面波周回路１４ａの場合について例示しており、球状の弾性表面波周回基体１４を地球に見立てＺ軸を地軸に上記交線１４ｂを赤道とした場合の−Ｙ軸方位の緯度方向では主周回軌跡２０は上記交線１４ｂから＋２°振れている。
【００３１】
次に図２を参照しながら、この発明の一実施の形態に従った弾性表面波素子１０を使用した外部環境測定装置１２のさらに詳細な構成を説明する。
【００３２】
本願の発明者である柳沢は、弾性表面波周回路１４ａ中を伝搬する弾性表面波の軌跡（経路）をさらに詳細に検討した結果、同じ弾性表面波周回路１４ａ中で１つの主周回軌跡２０以外に、励起された弾性表面波を所定の周回数未満で相互に異なる軌跡で周回させるとともに所定の周回数で最初の周回の軌跡に一致する少なくとも１つの副周回軌跡２２が存在することに気が付いた。副周回軌跡２２の上記所定の周回数は、弾性表面波周回基体１４の圧電性単結晶材料における結晶の対称性に依存していて、図１中に図示されている弾性表面波周回基体１４が三方晶系の圧電性単結晶材料の一種である水晶である場合には３であり、図１では１周目の副周回軌跡２２に参照符号２２ａを付し、２周目の副周回軌跡２２に参照符号２２ｂを付し、３周目の副周回軌跡２２に参照符号２２ｃを付している。
【００３３】
副周回軌跡２２において、主周回軌跡２０と重複しない位置には、主周回軌跡２０に設置されていたのと同様に弾性表面波励起検知手段１６が設置されていて、副周回軌跡２２用の弾性表面波励起検知手段１６には、主周回軌跡２０に設置されていた弾性表面波励起検知手段１６の為の動作制御手段１８と同じ動作制御手段１８が接続されている。
【００３４】
弾性表面波励起検知手段１６により副周回軌跡２２に励起され伝搬される弾性表面波は、主周回軌跡２０を伝搬する弾性表面波ほどには良好に指数関数的に減衰はしないが、主周回軌跡２０を伝搬する弾性表面波の伝搬特性が弾性表面波素子１０を取り巻く温度の影響により変化するのを校正するという目的のためには十分利用価値がある。
【００３５】
例えば、１つの弾性表面波周回路１４ａにおいて主周回軌跡２０のみが通過し副周回軌跡２２は通過しない領域に弾性表面波素子１０を取り巻く外部環境の変化を検知する感応膜２４を設ける。
【００３６】
感応膜２４は、外部環境の特定の物質に接触することにより、接触した特定の物質の量に応じてそこを通過する弾性表面波の伝搬速度に変化を生じさせる。例えば、特定の物質を吸着することによりその質量効果によりそこを通過する弾性表面波の伝搬速度を減速させ減衰率を急激に低下させたり、特定の物質が吸蔵されることによりその機械的な硬度が変化しそこを通過する弾性表面波の伝搬速度や減衰率を変化させたり、特定の物質と反応することにより吸熱又は発熱反応を生じてそこを通過する弾性表面波の伝搬速度や減衰率を変化させたりする。そして、感応膜２４は、特定の物質に対する可逆反応を生じさせることが好ましい。
【００３７】
このような感応膜２４としては、水素（H2）を吸蔵して水素化物を形成し機械的な特性を変化させるパラジウム（Pd），アンモニア（NH3）に対する吸着性が高いプラチナ（Pt），水素化物を吸着する酸化タングステン（WO3），一酸化炭素（CO）や二酸化炭素（CO2）や二酸化硫黄（SO2）や二酸化窒素（NO2）を選択的に吸着するフタロシアニン（Phthalocyanine）等が知られている。
【００３８】
なお、上述した実施の形態においては、１つの弾性表面波周回路１４ａ中の１つの主周回軌跡２０及び１つの副周回軌跡２２の夫々に弾性表面波励起検知手段１６を設置していたが、１つの弾性表面波周回路１４ａ中に複数の副周回軌跡２２が含まれている場合には、複数の副周回軌跡２２の少なくとも２つに弾性表面波励起検知手段１６を設置し１つの主周回軌跡２０からは弾性表面波励起検知手段１６を無くしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に従った弾性表面波素子を使用した外部環境測定装置の基本的な構成を概略的に示す概略図である。
【図２】図２は、図１中に図示されていた弾性表面波素子を使用した外部環境測定装置のさらに詳細な構成を概略的に示す概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…弾性表面波素子、１２…外部環境測定装置、１４…弾性表面波周回基体、１４ａ…弾性表面波周回路、１４ｂ…交線、１６…弾性表面波励起検知手段、１８…動作制御手段、１８ａ…入出力切り替え部、１８ｂ…高周波信号発生部、１８ｃ…アンプ、１８ｄ…検出・出力部、２０…主周回軌跡、２２…副周回軌跡、２２ａ…１周目（副周回軌２２）、２２ｂ…２周目（副周回軌２２）、２２ｃ…３周目（副周回軌２２）、２４…感応膜。
【図１】
2010107445.tif 000003
【図２】
2010107445.tif 000004