(57)【要約】      （修正有）【課題】極めて高い検出精度を維持しつつ良好な生産性を確保可能な気体検出用弾性表面波センサを提供する。【解決手段】弾性表面波が複数回周回する周回経路を有する表面を含み単結晶又は圧電性結晶材料から形成される基体１１と、周回経路に弾性表面波を励起させるとともに周回経路に励起され周回した弾性表面波を受信する弾性表面波励起／受信部１２と、周回経路の少なくとも一部に設けられて接触する気体に応じて弾性的性質を変化させる感応膜１３とを有する弾性表面波素子１４を備えた水素ガスセンサ１０において、基体１１を、互いに対向する第１の面及び第２の面と、第１の面及び第２の面のそれぞれに接する第３の面である曲面とから形成した。【選択図】図１
2014025741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波が複数回周回する周回経路を有する表面を含み単結晶又は圧電性結晶材料から形成される基体と、前記周回経路に弾性表面波を励起させるとともに前記周回経路に励起され周回した弾性表面波を受信する弾性表面波励起／受信手段と、前記周回経路の少なくとも一部に設けられて接触する気体に応じて弾性的性質を変化させる感応膜とを有する弾性表面波素子を備えていて、周辺雰囲気中に存在する特定の気体を検出する気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記基体を、
互いに対向する第１の面及び第２の面と、
前記第１の面及び第２の面のそれぞれに接する曲面を有する第３の面とから形成したことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記第３の面を、
一般面と、前記第１の面及び前記第２の面と前記一般面とのそれぞれに接して接続する接続曲面とから構成したことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記第１の面及び前記第２の面を、
平面に形成したことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項４】
請求項３に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記第１の面及び前記第２の面を、
互いに平行に形成したことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記第１の面及び前記第２の面を、
直径の等しい円形の平面に形成したことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記第３の面を、
前記第１の面及び前記第２の面との間の面間隔を直径とする断面形状が半円の曲面によって形成したことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項７】
請求項３ないし請求項６のうちのいずれか一つに記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記基体が単結晶から形成されるとき、
前記基体の上下軸方向における前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方の回転角を、気体を検出する周辺雰囲気の温度に基づいて決定することを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のうちのいずれか一つに記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記基体のうち、前記励起された弾性表面波が周回する前記周回経路以外の部分を切り欠くことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項９】
請求項８に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記基体が単結晶から形成されるとき、
前記励起された弾性表面波が周回する前記周回経路以外の部分を、
前記弾性表面波励起／受信手段によって励起された弾性表面波の特定の伝搬方向に合わせて直線状に切り欠くことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項７のうちのいずれか一つに記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記基体が単結晶から形成されるとき、
前記弾性表面波励起／受信手段によって励起された弾性表面波の特定の伝搬方向に合わせて、前記基体の表面上に直線状の印を付すことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のうちのいずれか一つに記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記周回経路の少なくとも一部に設けられた前記感応膜上を伝搬して周回した弾性表面波を受信した前記弾性表面波励起／受信手段から出力された電気信号の周波数、前記電気信号の強度、前記電気信号の位相及び弾性表面波励起／受信手段から出力された複数の電気信号間の時間差異に基づいて、周辺雰囲気中に存在する前記特定の気体の濃度を評価する評価手段を備えたことを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のうちのいずれか一つに記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記感応膜は、周辺雰囲気中に存在する前記特定の気体として、
少なくとも、水素ガスを検出することを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記感応膜を、
パラジウム合金、セラミック−金属コンポジット材料、希土類金属及び水素化物、並びに、イットリウム化合物のうちの少なくとも一つの材料から形成することを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のうちのいずれか一つに記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記弾性表面波励起／受信手段が、
少なくとも、前記周回経路上に１つ以上設けられた１対の櫛形電極を有することを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載した気体検出用弾性表面波センサにおいて、
前記弾性表面波励起／受信手段が、
前記周回経路に弾性表面波を励起させる１対の櫛形電極と、前記周回経路に励起され周回した弾性表面波を受信する１対の櫛形電極とを有することを特徴とする気体検出用弾性表面波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起された弾性表面波の伝搬特性に変化を利用して周辺雰囲気中に存在する特定の気体を検出する気体検出用弾性表面波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、下記特許文献１に示された環境差異検出装置は知られている。この従来の環境差異検出装置は、円環状の弾性表面波周回経路を有した表面を含む球状の基体と、周回経路に弾性表面波を励起し周回された弾性表面波を受信する弾性表面波励起／受信手段と、周回経路に設けられて隣接する環境の変化に応じて弾性的性質を変化させる感応膜とを有する弾性表面波素子を備えている。
【０００３】
又、従来から、例えば、下記特許文献２に示された球状弾性表面波センサも知られている。この従来の球状弾性表面波センサは、球状の基体表面の円周上にある弾性表面波周回経路に設置され、この周回経路に沿って弾性表面波を発生及び伝搬させるすだれ状電極を備えている。そして、この従来の球状弾性表面波センサは、弾性表面波周回経路を挟み、球状の基体表面の互いに対向する両極にそれぞれ形成された第１電極及び第２電極と、すだれ状電極と第１電極及び第２電極とを接続する引出し線と、第１電極及び第２電極にその一端がそれぞれ接合された第１電極棒及び第２電極棒とを備えている。
【０００４】
更に、上記下従来の環境差異検出装置及び球状弾性表面波センサを構成する球状の基体に関連して、従来から、例えば、下記特許文献３に示された異方性球状材料の方向測定方法、異方性球状材料の方向測定装置及び球状弾性表面波素子の製造方法も知られている。この従来の異方性球状材料の方向測定方法等では、弾性表面波制御手段が、マニピュレータに保持された球状材料の表面の所定の位置で、軸に垂直な平面状の大円に沿って伝搬する弾性表面波を発生させ、前記所定の位置における大円に沿って周回した弾性表面波の所定の物理量を測定するようになっている。そして、従来の方法では、マニピュレータによって保持した球状材料に対し、その周囲で大円に沿って弾性表面波制御手段を相対的に回転させ、互いに異なる複数の回転角ごとに弾性表面波の発生及び物理量の測定を繰り返し、各回転角ごとに測定された物理量に基づいて、球状材料の異方性を示す方向を決定するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９１９５５号公報
【特許文献２】特開２００９−１６８７３６号公報
【特許文献３】特開２００７−３１５７７８号公報
【発明の概要】
【０００６】
ところで、上記特許文献１に示された従来の環境差異検出装置及び特許文献２に示された従来の球状弾性表面波センサにおいては、球体の基体を採用するようになっている。この場合、高い検出精度を確保するためには、正確な球体とされた基体が必要であり、更には、上記特許文献３に示された従来の異方性球状材料の方向測定方法等を用いて異方性を測定し、この測定結果に基づいて球体の所定の位置にて弾性表面波が所定の方向に伝搬するように弾性表面波励起／受信手段やすだれ状電極を設置することが要求されるため、生産性を向上させることが難しくなる。又、弾性表面波を球体の基体表面上を伝搬させる必要があるため、小型化及び軽量化が難しい。
【０００７】
本発明は、上記した問題に対処するためになされたものであり、その目的は、極めて高い検出精度を維持しつつ良好な生産性を確保することができる気体検出用弾性表面波センサを提供することにある。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、弾性表面波が複数回周回する周回経路を有する表面を含み単結晶又は圧電性結晶材料から形成される基体と、前記周回経路に弾性表面波を励起させるとともに前記周回経路に励起され周回した弾性表面波を受信する弾性表面波励起／受信手段と、前記周回経路の少なくとも一部に設けられて接触する気体に応じて弾性的性質を変化させる感応膜とを有する弾性表面波素子を備えていて、周辺雰囲気中に存在する特定の気体を検出する気体検出用弾性表面波センサにおいて、前記基体を、互いに対向する第１の面及び第２の面と、前記第１の面及び第２の面のそれぞれに接する曲面を有する第３の面とから形成したことにある。この場合、前記第３の面を、一般面と、前記第１の面及び前記第２の面と前記一般面とのそれぞれに接して接続する接続曲面とから構成することができる。
【０００９】
そして、これらの場合、前記第１の面及び前記第２の面を平面に形成することができ、更に、この場合には、前記第１の面及び前記第２の面を互いに平行に形成することができる。より具体的に、これらの場合、前記第１の面及び前記第２の面を直径の等しい円形の平面に形成することができ、前記第３の面を、前記第１の面及び前記第２の面との間の面間隔を直径とする断面形状が半円の曲面によって形成することもできる。又、これらの場合、前記基体が単結晶から形成されるとき、前記基体の上下軸方向における前記第１の面及び前記第２の面のうちの少なくとも一方の回転角を、気体を検出する周辺雰囲気の温度に基づいて決定することができる。
【００１０】
そして、これらの場合、前記周回経路の少なくとも一部に設けられた前記感応膜上を伝搬して周回した弾性表面波を受信した前記弾性表面波励起／受信手段から出力された電気信号の周波数、前記電気信号の強度、前記電気信号の位相及び弾性表面波励起／受信手段から出力された複数の電気信号間の時間差異に基づいて、周辺雰囲気中に存在する前記特定の気体の濃度を評価する評価手段を備えることができる。又、これらの場合、前記感応膜は、周辺雰囲気中に存在する前記特定の気体として、少なくとも、水素ガスを検出することができる。そして、この場合、前記感応膜を、例えば、パラジウム合金、セラミック−金属コンポジット材料、希土類金属及び水素化物、並びに、イットリウム化合物のうちの少なくとも一つの材料から形成することができる。
【００１１】
これらによれば、気体検出用弾性表面波センサを構成する弾性表面波素子を形成する基体の形状を、少なくとも、互いに対向する第１の面と第２の面とを有する円盤状に形成することができる。そして、このような円盤状の基体において、第１の面と第２の面とは、これら両面に接する曲面を有する第３の面によって滑らかに接続される。これにより、基体を厳密に球体に形成する必要がなく、基体を容易に成形することができ、その結果、気体検出用弾性表面波センサの生産性を大幅に向上させることができる。又、弾性表面波励起／受信手段及び感応膜を基体における第１の面又は第２の面に設けることができるため、球面上に弾性表面波励起／受信手段及び感応膜を設ける場合に比して容易となり、これによっても気体検出用弾性表面波センサの生産性を大幅に向上させることができる。又、第１の面又は第２の面を有するように基体を円盤状に形成した場合には、第３の面を設けることにより、広く知られているホイヘンスの原理に従って、第３の面をレンズのように作用させて基体の表面にて励起された弾性表面波を拡散と収束を繰り返しながら多数回に渡り周回させることができ、特定の気体（具体的には、水素ガス）を高い検出精度によって検出することができる。
【００１２】
更に、基体が単結晶（例えば、水晶等）から形成されるとき、基体の上下軸方向における第１の面及び第２の面のうちの少なくとも一方の回転角を変更することにより、表面弾性波素子における表面弾性波の伝搬特性（具体的には、伝搬時間の変化率）の温度特性を、電気信号から弾性表面波に変換するときの変換効率を劣化させることなく、変化させることができる。従って、気体を検出する周辺雰囲気の温度に基づいて回転角を決定することにより、表面弾性波の伝搬特性を最適化することができ、特定の気体（具体的には、水素ガス）を高い検出精度によって検出することができる。
【００１３】
又、本発明の他の特徴は、気体検出用弾性表面波センサを構成する弾性表面波素子を形成する前記基体のうち、前記励起された弾性表面波が周回する前記周回経路以外の部分を切り欠くことにもある。この場合、特に、前記基体が単結晶から形成されるとき、前記励起された弾性表面波が周回する前記周回経路以外の部分を、前記弾性表面波励起／受信手段によって励起された弾性表面波の特定の伝搬方向に合わせて直線状に切り欠くことができる。又、特に、前記基体が単結晶から形成されるとき、前記弾性表面波励起／受信手段によって励起された弾性表面波の特定の伝搬方向に合わせて、前記基体の表面上に直線状の印を付すこともできる。
【００１４】
更に、本発明の他の特徴は、前記弾性表面波励起／受信手段が、少なくとも、前記周回経路上に１つ以上設けられた１対の櫛形電極を有することにもある。そして、この場合、より具体的に、前記弾性表面波励起／受信手段が、例えば、前記周回経路に弾性表面波を励起させる１対の櫛形電極と、前記周回経路に励起され周回した弾性表面波を受信する１対の櫛形電極とを有することができる。
【００１５】
これらによれば、第３の面がレンズのように作用して基体の表面を伝搬する弾性表面波の拡散を適切に抑制（適切に収束）させることができるため、気体検出用弾性表面波センサによる気体の検出精度を犠牲にすることなく、気体検出用弾性表面波センサの小型化及び軽量化を極めて容易に達成することができる。又、このような直線状の切り欠きや直線状の印を弾性表面波の特定の伝搬方向に合わせることにより、弾性表面波励起／受信手段を適切な位置や方向に極めて容易にかつ正確に実装することができる。従って、気体検出用弾性表面波センサの生産性を高めることができる。更に、前記弾性表面波励起／受信手段が、少なくとも周回経路上に１つ以上設けられた１対の櫛形電極を有する、具体的に、周回経路に弾性表面波を励起させる１対の櫛形電極と周回経路に励起され周回した弾性表面波を受信する１対の櫛形電極とを有することにより、弾性表面波素子に接続される周辺回路を小型化することができる。従って、気体検出用弾性表面波センサの小型化及び軽量化を極めて容易に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係り、水素ガスセンサの主要部を示す概略図である。
【図２】図１の基体を説明するための概略的な斜視図である。
【図３】図２の基体の形状を説明するための断面図である。
【図４】図１の高周波装置の構成を示す概略的なブロック図である。
【図５】図１のすだれ状電極によって励起される弾性表面波の伝搬幅を説明するための図である。
【図６】水素ガスの検出動作を説明するための図である。
【図７】本発明の変形例に係り、基体の一部を切り欠いた状態を説明するための斜視図である。
【図８】本発明の変形例に係り、第３の面を形成する一般面と接続曲面とを説明するための断面図である。
【図９】本発明の変形例に係り、周回経路上に設けられた２対のすだれ状電極からなる弾性表面波励起／受信部を有する弾性表面波素子を説明するための斜視図である。
【図１０】本発明の変形例に係り、基体の上下軸方向における第１の面（又は、第２の面）の回転角の大きさごとにおける、弾性表面波素子の周辺温度と伝搬時間の変化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係り、特定の気体としての水素ガスの検出に用いられる水素ガスセンサ１０の主要部を概略的に示している。尚、本実施形態に係る水素ガスセンサ１０は、例えば、水素ガスを用いて電気を発電する燃料電池を搭載した燃料電池車両に設置することができる。
【００１８】
水素ガスセンサ１０は、任意に励起させた弾性表面波ＳＡＷをその表面にて伝搬させて周回させる基体１１と、この基体１１に形成されて弾性表面波ＳＡＷを励起するとともに励起され基体１１の表面を周回した弾性表面波ＳＡＷを受信する弾性表面波励起／受信部１２と、基体１１の少なくとも一部に設けられ水素ガスの検出状態に応じて弾性的性質を変化させる感応膜１３とを備えた弾性表面波素子１４を備えている。又、水素ガスセンサ１０には、弾性表面波励起／受信部１２を作動させるための高周波装置２０が接続される。
【００１９】
基体１１は、その表面にて弾性表面波ＳＡＷを励起させることが可能であり、かつ、励起させた弾性表面波ＳＡＷを伝搬させることが可能な材料から形成されている。ここで、基体１１を形成する材料としては、水晶等の単結晶、或いは、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)等の圧電性結晶を採用することができる。尚、基体１１は、必ずしも単一の材料から形成されている必要はなく、複数の層から形成することも可能である。この場合には、例えば、弾性表面波ＳＡＷを励起及び伝搬不能な材料（具体的には、ガラス材料等）を、弾性表面波ＳＡＷを励起及び伝搬可能な圧電性結晶からなる膜（層）によって覆うようにして基体１１を形成することが可能である。
【００２０】
そして、基体１１は、図１〜図３に示すように、励起された弾性表面波ＳＡＷが多数回周回できるように、円盤状に形成される。具体的に、本実施形態における基体１１は、図２及び図３に示すように、円形に形成された第１の面としての平面１１ａと、円形に形成された第２の面としての平面１１ｂと、これら２つの平面１１ａ，１１ｂに接する（内接する）第３の面としての曲面１１ｃとを有している。ここで、図３に示すように、基体１１において、上面側の平面１１ａと下面側の平面１１ｂとは、互いに平行となるように形成されている。そして、曲面１１ｃは、図３に示すように、その断面形状が平面１１ａと平面１１ｂの二面間の面間隔を直径とする半円となるように形成されている。これにより、平面１１ａ及び平面１１ｂに対して曲面１１ｃを数学的に接した状態（内接した状態）とすることができ、平面１１ａ、曲面１１ｃ及び平面１１ｂを極めて滑らかに接続することができる。その結果、後述するように、励起された弾性表面波ＳＡＷを、減衰を抑えて、基体１１の表面を多数回に渡り周回させることができる。
【００２１】
弾性表面波励起／受信部１２は、図１に示すように、基体１１の平面１１ａ又は平面１１ｂ上に設けられて、基体１１に対して弾性表面波ＳＡＷを励起させるとともに基体１１の表面を周回した弾性表面波ＳＡＷを受信するための１対の櫛形電極(Interdigital Transducer:IDT)、所謂、すだれ状電極１２ａ，１２ｂを備えている。すだれ状電極１２ａ，１２ｂは、基体１１の平面１１ａ又は平面１１ｂ上に積層された１層又は多層の金属層を有しており、例えば、フォトリソグラフィー法を用いて形成されるすだれ状パターンである。ここで、後述するように、すだれ状電極１２ａ，１２ｂは弾性表面波ＳＡＷが周回する経路上に設けられるため、周回している弾性表面波ＳＡＷがすだれ状電極１２ａ，１２ｂを通過する際には伝搬状態に極力影響を与えないことが好ましい。このため、基体１１の表面に直接設けられるすだれ状電極１２ａ，１２ｂは、例えば、金やアルミニウム等のできる限り小さな質量となる材料によって形成されることが好ましい。
【００２２】
そして、すだれ状電極１２ａ，１２ｂを備えた弾性表面波励起／受信部１２は、高周波電気信号を発生して出力する高周波装置２０に接続されて作動が制御される。高周波装置２０は、図４に示すように、接続線２１，２２と、高周波発振器２３と、サーキュレータ２４と、オシロスコープ２５とから構成される。接続線２１，２２は、それぞれ、すだれ状電極１２ａ，１２ｂと高周波装置２０とを電気的に接続するものである。高周波発振器２３は、高周波電気信号を生成するための回路である。サーキュレータ２４は、３端子の受動的な電子部品であり、高周波発振器２３及びオシロスコープ２５をそれぞれすだれ状電極１２ａ，１２ｂに電気的に接続するものである。そして、サーキュレータ２４は、高周波発振器２３から出力された高周波電気信号を接続線２１を介してすだれ状電極１２ａ，１２ｂにのみ出力し、すだれ状電極１２ａ，１２ｂから接続線２１を介して入力された高周波電気信号をオシロスコープ２５にのみ出力する。オシロスコープ２５は、高周波電気信号を観測するための装置である。
【００２３】
感応膜１３は、特定の気体、本実施形態においては水素ガスと接触したことに伴って、基体１１の表面にて励起されて周回しながら伝搬する弾性表面波ＳＡＷの伝搬特性に変化を与えるものである。具体的に、感応膜１３は、例えば、特定の気体（水素ガス）を表面に吸着させたり吸蔵することができる。これにより、特定の気体（水素ガス）の分子（水素分子）の質量が感応膜１３に、所謂、質量効果をもたらし、基体１１の表面を周回している弾性表面波ＳＡＷを感応膜１３上を伝搬（通過）させると、弾性表面波ＳＡＷの伝搬特性の１つである伝搬速度を変化させたり強度（振幅）を減衰させたりすることができる。
【００２４】
従って、特定の気体（水素ガス）と接触したときに弾性表面波ＳＡＷの伝搬特性に変化を与えるために、感応膜１３は、特定の気体（水素ガス）に対してのみ反応（吸着や吸蔵）を起こし、可逆反応を起こす材料から形成されることが必要である。このような特性を有する材料としては、例えば、水素分子を吸蔵（吸着）するパラジウム合金や、セラミック−金属コンポジット材料、イットリウム等の希土類金属及びその水素化物等を挙げることができる。尚、本実施形態においては、水素ガスを選択的に検出する必要があるため、例えば、蒸着法等を用いて、基体１１の表面にパラジウム合金からなる感応膜１３が成膜されるものとして実施する。
【００２５】
次に、上記のように構成される本実施形態における弾性表面波素子１４を備えた水素ガスセンサ１０の作動を具体的に説明する。
【００２６】
まず、弾性表面波素子１４の動作から説明する。本実施形態における弾性表面波素子１４は、基体１１が上下２つの平面１１ａ，１１ｂとこれら平面１１ａ，１１ｂに接する曲面１１ｃとから形成されているため、基体１１の表面にて励起された弾性表面波ＳＡＷを実質的に減衰させることなく繰り返し周回させることができる。以下、このことを詳細に説明する。
【００２７】
一般に、例えば、球体からなる基体を採用する従来の弾性表面波素子においては、励起された弾性表面波ＳＡＷが基体の表面を周回するとき、回折効果によって弾性表面波ＳＡＷが基体表面上で広がり、その結果、減衰する。これに対し、円盤状の基体１１、すなわち、円形の上下２つの平面１１ａ，１１ｂと断面形状が半円である曲面１１ｃとからなる円盤状の基体１１を有する弾性表面波素子１４では、曲面１１ｃをレンズのように作用させることができるため、一旦拡散された弾性表面波ＳＡＷを収束させることができる。これにより、回折による減衰を大幅に低減させることができ、励起された弾性表面波ＳＡＷは円盤状の基体１１の表面を多数回に渡り周回することができる。
【００２８】
このような弾性表面波素子１４による弾性表面波ＳＡＷの拡散及び収束は、ホイヘンスの原理を用いて、以下のように説明することができる。理解を容易とするために、本実施形態における基体１１は、図２，３に示したように、上面側の平面１１ａは点Ｐを中心とする円形の平面であり、下面側の平面１１ｂは点Ｑを中心とする円形の平面であり、これらの平面１１ａと平面１１ｂとは共に直径が等しくかつ平行となるように形成されている。又、基体１１においては、例えば、平面１１ａに垂直な直線上に点Ｐと点Ｑが存在するように、平面１１ａと平面１１ｂとが配置される。更に、基体１１において、平面１１ａと平面１１ｂとを接続する曲面１１ｃは、例えば、平面１１ａに垂直な平面によって基体１１を切断したときの切断面における形状が、平面１１ａと平面１１ｂとの面間隔を直径とする半円とされている。
【００２９】
従って、基体１１においては、例えば、円形の平面１１ａの中心である点Ｐを波源として励起された弾性表面波ＳＡＷを想定した場合、この弾性表面波ＳＡＷは点Ｐから同心円状に平面１１ａの表面を伝搬し、円形の平面１１ａの端（端部）に同時に到達する。このように、円形の平面１１ａの端（端部）に到達した弾性表面波ＳＡＷは、ホイヘンスの原理に従って曲面１１ｃを介して円形の平面１１ｂに伝搬する。ここで、ホイヘンスの原理によれば、前進波の波面の各点が二次波と呼ばれる新しい波の波源となり、全体としての前進波は全て二次波を重ね合わせたものとなる。このため、弾性表面波ＳＡＷの波面は断面形状が半円の曲面１１ｃの表面を平面１１ａと平行に平面１１ｂに向けて伝搬（進行）することになる。
【００３０】
そして、曲面１１ｃの端（端部）すなわち円形の平面１１ｂの端（端部）に到達した弾性表面波ＳＡＷは、平面１１ａにおける伝搬方向（進行方向）とは逆に、平面１１ｂの表面を同心円状に点Ｑに向けて伝搬し、円形の平面１１ｂの中心すなわち収束点である点Ｑに同時に到達する。従って、弾性表面波素子１４においては、基体１１の２つの平面１１ａ，１１ｂに接する曲面１１ｃが一種のレンズのように作用することにより、波の回折作用で拡散しながら伝搬する弾性表面波ＳＡＷを収束させて伝搬させることができる。
【００３１】
次に、上記した弾性表面波素子１４を備えて、水素ガスを検出する水素ガスセンサ１０の作動を具体的に説明する。高周波装置２０から弾性表面波励起／受信部１２のすだれ状電極１２ａ，１２ｂに高周波電気信号（高周波電圧）が供給されると、すだれ状電極１２ａ，１２ｂは基体１１の表面に弾性表面波ＳＡＷを励起させる。すなわち、本実施形態における基体１１は圧電性材料である単結晶の水晶から形成されているため、この基体１１上、より具体的には、平面１１ａ上に形成されたすだれ状電極１２ａ，１２ｂに高周波電気信号（高周波電圧）を供給することにより、弾性表面波ＳＡＷがすだれ状電極１２ａ，１２ｂの交差する部位で励起される。そして、励起された弾性表面波ＳＡＷは、電極の並んでいる方向にて、効率よく伝搬するようになる。従って、すだれ状電極１２ａ，１２ｂ付近では、弾性表面波ＳＡＷは、ほぼ、図５に示すように、すだれ状電極１２ａ，１２ｂの設置幅Ｗ内を伝搬する。
【００３２】
しかし、伝搬距離が長くなると、波の回折作用により、弾性表面波ＳＡＷの伝搬幅は広がっていき、円形の平面１１ａの端（端部）に到達するころには、弾性表面波ＳＡＷの伝搬幅は設置幅Ｗの２倍程度まで広がるようになる。ところで、上述したように、基体１１は断面形状が半円であり上下２つの平面１１ａ，１１ｂに接する（内接する）曲面１１ｃを有している。これにより、この曲面１１ｃがレンズのように作用するため、平面１１ａ又は平面１１ｂの表面を伝搬することで一旦広がった弾性表面波ＳＡＷは、曲面１１ｃの表面を伝搬（進行）することによって、伝搬幅が設置幅Ｗと同程度となるまで収束するようになる。従って、弾性表面波素子１４を備えた水素ガスセンサ１０においては、弾性表面波ＳＡＷが基体１１の表面を周回するときには、拡散と収束を繰り返しながら伝搬する。
【００３３】
又、このような拡散と収束が繰り返される領域、すなわち、励起された弾性表面波ＳＡＷが周回する周回経路は、基体１１の表面のうち、すだれ状電極１２ａ，１２ｂの電極配置方向にて配置幅Ｗの２倍程度の帯状の領域となる。このため、本実施形態における水素ガスセンサ１０では、パラジウム合金から成膜される感応膜１３を基体１１の表面上の周回経路内に設けるようにする。これにより、水素ガスセンサ１０が設置された周辺雰囲気中に水素ガス（水素分子）が存在する、或いは、周辺雰囲気中の水素ガス濃度が変化すると、感応膜１３を形成するパラジウム合金が水素分子を吸着（吸蔵）したり、吸着（吸蔵）した水素分子を放出したりして、感応膜１３を通過しながら周回経路内を周回する弾性表面波ＳＡＷの伝搬特性が変化する。従って、この伝搬特性の変化具合を高周波装置２０のオシロスコープ２５を利用して検知することにより、水素ガスを極めて精度よく検出することができる。
【００３４】
この水素ガスの検知を具体的に説明すると、本実施形態における水素ガスセンサ１０では、高周波装置２０から高周波電気信号を供給することに起因して、すだれ状電極１２ａ，１２ｂによって励起された弾性表面波ＳＡＷを送出する。そして、水素ガスセンサ１０は、送出後一定時間が経過し、特定の回数だけ周回した後の弾性表面波ＳＡＷを表面弾性波励起／受信部１２であるすだれ状電極１２ａ，１２ｂによって高周波電気信号に変換する。このように変換された高周波電気信号は、オシロスコープ２５によって観察することができる。
【００３５】
このため、水素ガスセンサ１０の周辺雰囲気に水素ガスが存在しておらず、感応膜１３に水素分子が吸着（吸蔵）されていないときには、図６にて実線により示すような高周波電気信号の波形（以下、不検出時波形と称呼する。）が得られる。尚、図６においては、高周波電気信号（高周波電圧）をすだれ状電極１２ａ，１２ｂに出力して基体１１の表面に弾性表面波ＳＡＷを励起させた時点を「０」とし、特定の回数を周回した後の波形近傍の時間軸を拡大して示す。ここで、より具体的に、例えば、基体１１の直径を１．８ｍｍ、厚みを０．５ｍｍとした場合、弾性表面波ＳＡＷは周回経路における１周回あたりの伝搬長が約３ｍｍであるため、基体１１を水晶から形成した場合の１周回あたりの伝搬時間は約１μ秒となる。従って、弾性表面波ＳＡＷを励起させた時点を「０」とすると、例えば、１００回目の周回は、励起後約１００μ秒が経過した後の現象（波形）ということになる。
【００３６】
一方、水素ガスセンサ１０の周辺雰囲気に水素ガスが存在しており、感応膜１３に水素分子が吸着（吸蔵）されたときには、図６にて破線により示すような高周波電気信号の波形（以下、検出時波形と称呼する。）が得られる。すなわち、感応膜１３に水素分子が吸着（吸蔵）されたときには、水素分子の質量効果により、周回経路内に設けられた感応膜１３を弾性表面波ＳＡＷが伝搬するときの伝搬特性として、本実施形態においては弾性表面波ＳＡＷの伝搬速度が遅くなる。このため、図６に不検出時波形（実線）と検出時波形（破線）とを対比して示すように、水素ガスが存在しているときには弾性表面波ＳＡＷの検出時波形に遅延ｔが生じる。従って、このような遅延ｔの有無やその大きさに基づくことにより、水素ガスセンサ１０の周辺雰囲気に水素ガスが存在するか否かやその濃度等を検出することができる。尚、この場合、検出時波形（すなわち高周波電気信号）の遅延ｔの有無や大きさに基づくことに代えて、又は、加えて、検出時波形（すなわち高周波電気信号）の周波数、検出時波形（すなわち高周波電気信号）の強度又は検出時波形（すなわち高周波電気信号）の位相に基づいて、水素ガスセンサ１０の周辺雰囲気に水素ガスが存在するか否かやその濃度等を検出することも可能である
【００３７】
ここで、本実施形態における水素ガスセンサ１０においては、励起された弾性表面波ＳＡＷが弾性表面波素子１４の基体１１の表面上を多数回に渡り周回して伝搬することができる。これにより、水素ガスセンサ１０は、高い検出精度を確保することができる。すなわち、例えば、従来から広く採用されている弾性表面波ＳＡＷを周回させない方式を採用した水素ガスセンサと比較すると、この従来の方式において、伝搬長が約３ｍｍ及び伝搬地時間が約１μ秒として１ｎ秒の分解能を有していれば、この水素ガスセンサは１０００ｐｐｍの分解能を有することになる。これに対して、弾性表面波ＳＡＷを多数回に渡り周回させることができる本実施形態に係る水素ガスセンサ１０においては、弾性表面波ＳＡＷを１００周回させた後、すなわち、伝搬長が約３００ｍｍ及び伝搬時間が約１００μ秒であり、同様に１ｎ秒の分解能を有していれば、上記従来の方式に比して、１／１００となる１０ｐｐｍの高分解能で測定することができる。
【００３８】
以上の説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、水素ガスセンサ１０を構成する弾性表面波素子１４を形成する基体１１の形状を、互いに平行に対向するように形成された円形の平面１１ａと平面１１ｂとを有する円盤状に形成することができる。そして、このような円盤状の基体１１において、平面１１ａと平面１１ｂとは、これら両面１１ａ，１１ｂに接するように面間隔を直径とする断面形状半円の曲面１１ｃによって滑らかに接続される。これにより、例えば、基体１１を従来のように厳密に球体に形成する必要がなく、基体１１を容易に成形することができ、その結果、水素ガスセンサ１０の生産性を大幅に向上させることができる。又、弾性表面波励起／受信部１２を形成するすだれ状電極１２ａ，１２ｂ及び感応膜１３を基体１１における平面１１ａ又は平面１１ｂに極めて容易に実装することができるため、これによっても水素ガスセンサ１０の生産性を大幅に向上させることができる。更に、基体１１を円盤状に形成した場合であっても、レンズのように作用する曲面１１ｃを設けることにより、ホイヘンスの原理に従って基体１１の表面にて励起された弾性表面波ＳＡＷを拡散と収束を繰り返しながら多数回に渡り周回させることができ、水素ガスを高い検出精度によって検出することができる。
【００３９】
上記実施形態においては、弾性表面波素子１４を構成する基体１１を円盤状に形成して実施した。ところで、上述したように、基体１１の表面に励起された弾性表面波ＳＡＷは、第３の面である曲面１１ｃがレンズのように作用することにより、拡散と収束を繰り返しながら特定の周回経路内を周回して伝播する。又、基体１１は単結晶又は圧電性結晶から形成されるものであり、その物性上、ある特定の結晶軸に対して弾性表面波ＳＡＷを効率よく伝搬させる方向（結晶方位）が存在する。従って、結晶方位と周回経路の向きとを合わせる場合には、基体１１は円盤状に形成する必要がない。すなわち、図７に示すように、基体１１の一部を切り欠いて弾性表面波素子１４を形成するように実施することも可能である。これにより、弾性表面波素子１４を小型化することが可能となり、その結果、水素ガスの検出精度を犠牲にすることなく、水素ガスセンサ１０も小型化及び軽量化することが可能となる。
【００４０】
又、上述したように基体１１の一部を切り欠いて弾性表面波素子１４を形成する場合、特に、基体１１が異方性を有する単結晶からなるときには、この異方性を加味して決定される結晶方位に合わせて切り欠くことも可能である。すなわち、弾性表面波素子１４においては、上述したように、基体１１の表面上にすだれ状電極１２ａ，１２ｂを設けるため、すだれ状電極１２ａ，１２ｂの配置方向（すなわち、周回経路方向）が特定の良好な結晶方位と異なると励起される弾性表面波ＳＡＷの伝搬特性（具体的には、伝搬速度や振幅等）に大きな違いが生じ、その結果、周回可能な回数に差が生じる可能性がある。従って、すだれ状電極１２ａ，１２ｂの配置方向は、前記結晶方位と一致させることが好ましい。
【００４１】
このため、図７に示したように、基体１１の一部を切り欠くときに、前記結晶方位に合わせて一部に直線状の部位を設けておくことにより、この直線状の部位を基準線として前記結晶方位を容易に把握することができる。そして、直線状の部位を基準線とすることにより、すだれ状電極１２ａ，１２ｂの配置方向を容易に前記結晶方位に一致させて実装することができ、励起された弾性表面波ＳＡＷを効率よく伝搬させて多数回に渡り周回させることができる。従って、水素ガスの検出精度を極めて良好に維持することができる。
【００４２】
ここで、基体１１の一部を切り欠くことに代えて、前記結晶方位に合わせて基体１１の表面に直線状の傷（印）を付すように実施することも可能である。これによっても、直線状に付した傷（印）を基準線とすることにより、すだれ状電極１２ａ，１２ｂの配置方向を容易に前記結晶方位に一致させることができ、励起された弾性表面波ＳＡＷを効率よく伝搬させて多数回に渡り周回させることができる。従って、この場合には、基体１１を切り欠くための工程を設ける必要がなく、水素ガスの検出精度を極めて良好に維持することができる。
【００４３】
又、上記実施形態においては、弾性表面車素子１４を構成する基体１１を、互いに平行な上下２つの円形の平面１１ａ，１１ｂと、これらの平面１１ａ，１１ｂに接する（内接する）第３の面として断面形状が二面間の面間隔を直径とする半円の曲面１１ｃとで構成して実施した。この場合、第３の面としては、２つの平面１１ａ，１１ｂに接する（内接する）半円に限定されるものではなく、励起された弾性表面波ＳＡＷを滑らかに伝搬させることが可能な形状であれば、種々の断面形状（例えば、楕円形状等）を採用することが可能である。この場合、平面１１ａ及び平面１１ｂのうちの少なくとも一方から励起された弾性表面波ＳＡＷを第３の面を介して平面１１ａ及び平面１１ｂのうちの他方に滑らかに伝搬させるために、第３の面を、図８に示すように、一般面１１ｄと、平面１１ａ，１１ｂと一般面１１ｄとに接する（内接する）接続曲面１１ｅとから形成することが好ましい。
【００４４】
このように一般面１１ｄと接続曲面１１ｅとから第３の面を形成した場合、平面１１ａは一般面１１ｄと基体１１の上側に配置される接続曲面１１ｅを介して接続され、平面１１ｂは一般面１１ｄと基体１１の下側に配置される接続曲面１１ｅを介して接続される。これにより、上記実施形態と同様に、励起された弾性表面波ＳＡＷは、平面１１ａから接続曲面１１ｅから一般面１１ｄに伝搬し、更に、接続曲面１１ｅを介して平面１１ｂに伝搬する。そして、平面１１ｂに伝搬した弾性表面波ＳＡＷは、接続曲面１１ｅ、一般面１１ｄ及び接続曲面１１ｅを介して再び平面１１ａに伝搬することによって、基体１１の表面を極めて滑らかに多数回に渡り周回することができる。従って、このような一般面１１ｄと接続曲面１１ｅとからなる第３の面を採用した場合であっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
又、上記実施形態においては、弾性表面波素子１４が平面１１ａ及び平面１１ｂが互いに平行である基体１１を有するように実施した。しかしながら、上述した接続曲面１１ｅを採用する場合には、平面１１ａ及び平面１１ｂが互いに平行である必要はない。この場合においても、接続曲面１１ｅが平面１１ａ及び平面１１ｂと一般面１１ｄとに接して（内接して）滑らかに接続することができるため、上記実施形態と同様に、弾性表面波ＳＡＷを基体１１の表面上にて多数回に渡り周回させることができる。
【００４６】
又、上記実施形態においては、基体１１を形成する第１の面及び第２の面がそれぞれ平面１１ａ及び平面１１ｂであるとして実施した。しかしながら、上述した接続曲面１１ｅを採用する場合には、第１の面及び第２の面が、基体１１が球面とならない程度の曲面であってもよい。この場合においても、接続曲面１１ｅが曲面とされた第１の面及び第２の面と一般面１１ｄとに接して（内接して）滑らかに接続することができるため、上記実施形態と同様に、弾性表面波ＳＡＷを基体１１の表面上にて多数回に渡り周回させることができる。
【００４７】
又、上記実施形態においては、図１に示したように、基体１１の平面１１ａ上に弾性表面波励起／受信部１２を構成する１対のすだれ状電極１２ａ，１２ｂを形成するように実施した。そして、この弾性表面波励起／受信部１２のすだれ状電極１２ａ，１２ｂに高周波装置２０を接続することによって、１対のすだれ状電極１２ａ，１２ｂが基体１１の表面上に弾性表面波ＳＡＷを励起させるとともに基体１１の表面上を周回して伝搬した弾性表面波ＳＡＷを受信するように実施した。ここで、上述したように、基体１１は平面１１ａ，１１ｂを有しており、この平面１１ａ，１１ｂ上には弾性表面波励起／受信部１２を構成するすだれ状電極１２ａ，１２ｂを容易に実装することができる。従って、図９に示すように、弾性表面波励起／受信部１２として、平面１１ａの周回経路に、更に、もう１対のすだれ状電極１２ｃ、１２ｄを設けて、例えば、一方のすだれ状電極１２ａ，１２ｂが基体１１の表面上に弾性表面波ＳＡＷを励起させ、他方のすだれ状電極１２ｃ，１２ｄが基体１１の表面上を周回して伝搬した弾性表面波ＳＡＷを受信するように実施することも可能である。
【００４８】
この場合、図９に示すように、一方のすだれ状電極１２ａ，１２ｂには、基体１１の表面上に弾性表面波ＳＡＷを励起させるための高周波電気信号を出力する高周波発振器２３が接続され、他方のすだれ状電極１２ｃ、１２ｄには、基体１１の表面上を周回して伝搬した弾性表面波ＳＡＷを受信して変換した高周波電気信号を観察するためのオシロスコープ２５が接続される。これにより、一方のすだれ状電１２ａ，１２ｂは、上記実施形態と同様に、高周波発振器２３から供給される高周波電気信号（高周波電圧）に応じて基体１１の表面上に弾性表面波ＳＡＷを励起させることができる。又、他方のすだれ状電極１２ｃ，１２ｄは、上記実施形態と同様に、特定の回数だけ基体１１の表面上を周回した後の弾性表面波ＳＡＷを受信して高周波電気信号に変換しオシロスコープ２５に出力することができる。従って、この変形例においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００４９】
又、この変形例においては、一方のすだれ状電極１２ａ，１２ｂに直接的に高周波発振器２３が接続され、他方のすだれ状電極１２ｃ，１２ｄに直接的にオシロスコープ２５が接続されることにより、上記実施形態にて高周波装置２０に設けたサーキュレータ２４を省略することができる。すなわち、上記実施形態において設けたサーキュレータ２４は、高周波発振器２３から出力されて弾性表面波ＳＡＷを励起させるため高周波電気信号（励起信号）と、基体１１の表面上を伝搬した弾性表面波ＳＡＷを受信して変換しオシロスコープ２５に出力される高周波電気信号（受信信号）とを分離する機能を発揮するものである。このため、２対のすだれ状電極１２ａ，１２ｂ及びすだれ状電極１２ｃ，１２ｄを用い、それぞれに対して独立して高周波発振器２３とオシロスコープ２５とが直接的に接続される場合には、励起信号と受信信号とを分離する必要がなくてサーキュレータ２４を省略することができ、その結果、周辺回路である高周波装置２０の構成を簡略化することができる。従って、水素ガスセンサ１０（気体検出用弾性表面波センサ）をより小型化及び軽量化を達成することが可能となる。
【００５０】
更に、上記実施形態及び各変形例における水素ガスセンサ１０（気体検出用弾性表面波センサ）では、基体１１として単結晶である水晶を用いて実施した。このように、水晶（単結晶）を用いた基体１１において平面１１ａ，１１ｂを形成し、弾性表面波励起／受信部１２（すだれ状電極１２ａ，１２ｂ（１２ｃ，１２ｄ））を実装する場合、図２に示した基体１１のＺ軸（上下軸）方向におけるＸＹ平面すなわち平面１１ａ（又は平面１１ｂ）の回転角θ（以下、この回転角θをカット角θとも称呼する。）の大きさに応じて、水素ガス（気体）の検出精度に影響する温度特性を制御することが可能となる。
【００５１】
例示的に、今、カットθを３２°〜４３°まで変化させた平面１１ａ（平面１１ｂ）を形成した基体１１を用い、Ｘ軸方向に弾性表面波ＳＡＷを伝搬させたときの弾性表面波素子１４の温度特性を図１０に示す。尚、図１０においては、横軸は弾性表面波素子１４（基体１１）の周辺温度（℃）であり、縦軸は弾性表面波素子１４における弾性表面波ＳＡＷの伝搬時間の変化率（ｐｐｍ）である。
【００５２】
上述した実施形態において説明したように、本発明の気体検出用弾性表面波センサである水素ガスセンサ１０においては、１０ｐｐｍ程度の高分解能（精度）で伝搬時間を測定することが可能でため、周辺温度に依存する伝搬時間の変化率を１０ｐｐｍ以下とすることは測定精度（分解能）を向上させる、或いは、維持する上で極めて重要である。この点に関し、図１０からも明らかなように、水晶を用いた基体１１を備えた弾性表面波素子１４においては、温度特性が非常に良好であり、温度による伝搬時間の変化率がほぼ「０」となる領域がカット角θの大きさに応じて異なっている。例えば、カット角θが４３°では、周辺温度が略＋１７℃付近で温度特性が良好であり、略−２℃から＋３６℃の間で伝搬時間の変化率が１０ｐｐｍ以下となる。一方、例えば、カット角θが３８°では、周辺温度が略＋５５℃付近で温度特性が良好となる。従って、弾性表面波素子１４、言い換えれば、水素ガスセンサ１０を使用する周辺温度に合わせてカット角θを決定することにより、センサ１０の使用温度付近における伝搬時間の変化を小さくする、すなわち、表面弾性波ＳＡＷの伝搬特性を最適化することができ、水素ガスの検出精度を極めて良好に維持することができる。
【００５３】
本発明の実施にあたっては、上記実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００５４】
例えば、上記実施形態及び各変形例においては、特定の気体として水素ガスを検出するように実施した。このため、水素ガスセンサ１０を構成する弾性表面波素子１４の感応膜１３をパラジウム合金から成膜するように実施した。この場合、上述したように感応膜１３を形成する材料を、検出対象となる気体に合わせて変更することにより、例えば、酸素や、水蒸気、エタノール、テトラクロロエチレン等の気体を検出することができる。このように、検出対象が変更される場合であっても、上記実施形態及び各変形例と同様に、弾性表面波素子１４においては基体１１の表面上にて弾性表面波ＳＡＷを多数回に渡り周回させたときの伝搬特性の変化を検知することができるため、極めて高い精度により特定の気体を検出することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…水素ガスセンサ（気体検出用弾性表面波センサ）、１１…基体、１１ａ…平面（第１の面）、１１ｂ…平面（第２の面）、１１ｃ…曲面（第３の面）、１１ｄ…一般面（第３の面）、１１ｅ…接続曲面（第３の面）、１２…弾性表面波励起／受信部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…すだれ状電極、１３…感応膜、１４…弾性表面波素子、２０…高周波装置、２１，２２…接続線、２３…高周波発振器、２４…サーキュレータ、２５…オシロスコープ
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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【図１】
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【図３】
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【図７】
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【図９】
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