(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した内部基材と；
さらに上記外表面と円環状に接する外部基材と；
上記内部基材と外部基材の円環状の境界に設けられた弾性境界波発生手段とを備えており、かつ、
上記弾性境界波発生手段は高周波電源に接続される櫛形電極を含んでおり、かつ、
弾性境界波発生手段が上記境界に沿い境界の連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記境界の連続する方向に向かうよう境界波を発生させる、ことを特徴とする球状境界波素子。
【請求項２】
上記内部基材と外部基材の間に少なくとも一層の中間基材の層が上記連続する方向に存在する、請求項１に記載の球状境界波素子。
【請求項３】
上記のいずれの基材も非圧電材料で形成されていて、上記弾性境界波発生手段は、上記基材間のいずれかの境界に圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電界を印可して上記基材の境界の連続する方向に弾性境界波を発生させることを特徴とする請求項１に記載の球状境界波素子。
【請求項４】
上記内部基材、中間基材、外部基材のいずれかが圧電材料で形成されていて、上記弾性境界波発生手段は、圧電材料の基材に電界を印可して上記基材の境界の連続する方向に弾性境界波を発生することを特徴とする請求項２に記載の球状境界波素子。
【請求項５】
上記弾性境界波発生手段が発生する弾性境界波は、ストーンリー波を含み、上記内部基材、中間基材、外部基材の少なくともいずれか一対（ａ、ｂ）の基材間のそれぞれの横波音速度Ｖｔ（ａ）、Ｖｔ（ｂ）、それぞれのレーリー波位相速度Ｖｒ（ａ）、Ｖｒ（ｂ）が、Ｖｔ（ａ）とＶｔ（ｂ）のいずれか小さい値が、Ｖｒ（ａ）とＶｒ（ｂ）のいずれか大きい値よりさらに大きくなっている関係にある、請求項２または４に記載の球状境界波素子。
【請求項６】
櫛形電極の発生する弾性境界波の波長は上記外部基材の内側の球面の半径の１／１０以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の球状境界波素子。
【請求項７】
櫛型電極の発生する弾性境界波の伝搬方向に直交する方向における電極の重なり幅は上記外部基材の内側の球面の直径の半分以下で上記内部基材の球面の半径の１／１００以上である、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の球状境界波素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は弾性境界波素子に関係しており、より詳細には、少なくとも一部は球面形状の表面を有する内部基材あるいはそれに中間層を有して形成されていて円環状に連続した境界面の一部に弾性境界波発生手段を設けた球状弾性境界波素子に関係している。
【０００２】
【従来の技術】
基材上に弾性表面波を発生させるとともに基材上に発生された弾性表面波を受信するものとして弾性表面波素子は従来から良く知られている。従来の弾性表面波素子では圧電体上に１対の櫛形電極が設けられていて、一方の櫛形電極に高周波電圧を供給することにより一方の櫛形電極の並んでいる方向に弾性表面波を発生させ、他方の櫛形電極が一方の櫛形電極から発生される弾性表面波の移動方向に配置されていて上記弾性表面波を受け取る。弾性表面波素子は、遅延線，発信機の為の発振素子及び共振素子，周波数を選択する為のフィルター，化学センサー，バイオセンサー，またはリモートタグ等に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの弾性表面波素子の精度を高める為には、１対の櫛形電極相互間を弾性表面波が伝搬する際の伝搬損失を出来る限り小さくすることが望まれている。
【０００４】
しかしながら、通常の弾性表面波素子は１対の櫛形電極が設けられている圧電体の表面及び基材の表面が平坦であるので、一方の櫛形電極から発生された弾性表面波は他方の櫛形電極に向かい伝搬する間に上記表面上で伝搬方向と直交する方向にも拡散し弱まってしまう。この為に弾性表面波の伝搬損失を小さくすることが出来ず、また弾性表面波の発信から受信までの時間変化を測定対象として観測して応用する場合に、伝搬損失が大きくなると十分な強度の信号を得ることが出来ず、性能を高めることに限界がある。
また、球状基材の外表面に櫛型電極を用いるなどしてコンパクトで電気的に優れた弾性表面波素子を構成することも出来るが、外部に弾性表面波が伝搬する領域が露出するために、接触が許されない部分が存在し、取り扱いや固定、さらに、電気的な処理を行うに必要な電気部品をそれに付加するにその十分なスペースを球の表面に確保できないなどの難がある。
さらに、一般の固体材料は、温度が変化すると弾性的な性質がかわり出力が変化してしまうことによってセンサーとして使用する場合はその測定精度に、また共振素子などに使用する場合はその共振周波数を変化させてしまう一因になっていた。
【０００５】
この発明はこのような事情の下でなされ、この発明の課題は、従来の弾性表面波素子に比べ遥かに性能を高めることが出来るばかりでなく、コンパクトでもある球状境界波素子を提供し、且つ外部雰囲気の影響を受けにくい構成にすることが容易で、固定が容易で、さらに、入出力に必要な電気部品などを容易に追加可能な球状境界波素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項１の発明は球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した内部基材と；さらに上記外表面と円環状に接する外部基材と；上記内部基材と外部基材の円環状の境界に設けられた弾性境界波発生手段とを備えており、かつ、上記弾性境界波発生手段は高周波電源に接続される櫛形電極を含んでおり、かつ、弾性境界波発生手段が上記境界に沿い境界の連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記境界の連続する方向に向かうよう境界波を発生させる、ことを特徴とする球状境界波素子としたものである。
【０００７】
さらに、請求項２においては、上記内部基材と外部基材の間に少なくとも一層の中間基材の層が上記連続する方向に存在する、請求項１に記載の球状境界波素子としたものである。
【０００８】
さらに、請求項３においては、上記のいずれの基材も非圧電材料で形成されていて、上記弾性境界波発生手段は、上記基材間のいずれかの境界に圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電界を印可して上記基材の境界の連続する方向に弾性境界波を発生させることを特徴とする請求項１に記載の球状境界波素子としたものである。
【０００９】
また、請求項４では、上記内部基材、中間基材、外部基材のいずれかが圧電材料で形成されていて、上記弾性境界波発生手段は、圧電材料の基材に電界を印可して上記基材の境界の連続する方向に弾性境界波を発生することを特徴とする請求項２に記載の球状境界波素子としたものである。
【００１０】
また、請求項５では、上記弾性境界波発生手段が発生する弾性境界波は、ストーンリー波を含み、上記内部基材、中間基材、外部基材の少なくともいずれか一対（ａ、ｂ）の基材間のそれぞれの横波音速度Ｖｔ（ａ）、Ｖｔ（ｂ）、それぞれのレーリー波位相速度Ｖｒ（ａ）、Ｖｒ（ｂ）が、Ｖｔ（ａ）とＶｔ（ｂ）のいずれか小さい値が、Ｖｒ（ａ）とＶｒ（ｂ）のいずれか大きい値よりさらに大きくなっている関係にある、請求項２または４に記載の球状境界波素子としたものである。
【００１２】
また、請求項６では、櫛形電極の発生する弾性境界波の波長は上記外部基材の内側の球面の半径の１／１０以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の球状境界波素子としたものである。
【００１３】
また、請求項７では、櫛型電極の発生する弾性境界波の伝搬方向に直交する方向における電極の重なり幅は上記外部基材の内側の球面の直径の半分以下で上記内部基材の球面の半径の１／１００以上である、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の球状境界波素子としたものである。
【００１５】
尚、本発明では、内部基材と外部基材の境界や中間層にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波を境界波と総称しており、通常ストーンリー波とよばれる狭義弾性境界波だけでなく、中間層が有る場合に中間層にエネルギーを集中させて伝搬するガイディッドウエーブや、SH（シェアーホリゾンタル）波をふくみ、さらに、基材が異方性材料である場合に励起伝搬する擬似的な境界波も含んでいる。
このような弾性波を発生する場合についても、本発明ではその発生手段を弾性境界波発生手段と呼んでいる。
【００１６】
さらに、弾性境界波発生手段は、一般に弾性波を発生するだけでなく自身の部分に弾性波が伝搬してきた場合に弾性波を検出する機能を持つ。本発明は弾性境界波発生手段を検出手段として用いる場合も区別して述べることはせずに弾性境界波発生手段と呼ぶ事とする。
【００１７】
上述した課題を達成する為に、この発明に従った球状弾性境界波素子は、少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している外表面を有した内部基材とさらに上記外表面と少なくとも円環状に接する外部基材と；
上記内部基材と外部基材の円環状の境界に設けられた弾性境界波発生手段と
を備えており、弾性境界波発生手段が上記境界に沿い境界の連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記境界の連続する方向に向かうよう弾性境界波を発生させる、ことを特徴とする球状弾性境界波素子としたものである、ことを特徴としている。
この為に弾性境界波は上記各基材間境界を円周方向に繰り返し伝搬することが出来、ひいては無限に伝搬することが出来る。
【００１８】
従って、従来の弾性表面波素子に比べ遥かに性能を高めることが出来るし、円環状に連続している境界を弾性境界波の伝搬路としているのでコンパクトでもある。
【００１９】
さらに、上記内部基材と外部基材の間に中間基材を設ける事によって、中間基材にエネルギーを集中させて伝搬する弾性境界波を用いた弾性素子を作成すれば、より様々な材料の組み合わせで弾性境界波の伝搬経路を構成出来る。
さらに内部基材、中間基材、外部基材のいずれも非圧電材料で形成されていて、上記弾性境界波発生手段は、上記基材のいずれかの基材間に設けられ、圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電界を印可して上記基材の境界や中間層の連続する方向に弾性境界波を発生させることを特徴とすることで、効率よく弾性境界波を励起し、外部の環境の影響を受けにくい性能の良い素子を構成することができる。
【００２０】
また、上記内部基材、中間基材、外部基材のいずれかが圧電材料で形成されていている場合も、上記弾性境界波発生手段は、上記いずれかの基材の表面あるいは圧電材料で構成された中間層を挟んで設けられ、圧電材料でできた基材に電界を印可して上記基材の境界の連続する方向に弾性境界波を発生させることを特徴とすることで、作成が容易で、効率よく弾性境界波を励起し、性能の良い素子を容易に構成することができる。
また、上記弾性境界波が異種基材間境界にエネルギーを集中させて伝搬するストーンリー波である場合、より精度の高い素子を構成する事が出来る。
【００２１】
ここで、上記電界を印可する手段は、高周波電源に接続される櫛形電極を含んでいることを特徴とするのでさらに高い効率で、且つ特定の方向に弾性境界波を励起することが出来、結果としてさらに性能の良い素子を構成することができる。
【００２２】
さらに、櫛形電極の発生する弾性境界波の波長は上記外部基材の球面の半径の１／１０以下であることを特徴とすることにより、振動が球全体の固有振動ではなく、波長が電極周期に等しい弾性境界波とみなせる。
【００２３】
また、櫛型電極および付随の電気回路パターンなどの表面構造の全幅は、球の周囲長の半分以下である必要があり、したがって櫛型電極の重なり部分の合理的な幅は直径の半分以下となる。一方、櫛型電極の電極の重なり幅が櫛形電極が形成される球面の半径の1/100以下になると、境界波は伝搬とともに大きく拡散し、電極取り出し部や電極回路パターンや構造保持体などを球面形状の境界に設置することが困難になる。
【００２４】
さらに外部基材をレーザービームを透過する材料で構成されるとともに、外部基材と内部基材表面の間の少なくとも一部に、上記レーザービームを吸収して弾性境界波を含む弾性振動を発生するレーザービーム吸収層を弾性境界波発生手段として有する場合には、基材内部に圧電材料や電極パターンを構成することなく弾性境界波を発生且つ検出することができる利点を持つ。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下この発明の第１の実施の形態に従った球状弾性境界波素子について添付の図面中の図１を参照しながら詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の球状弾性境界波素子の第一の実施の形態例を斜視で表した説明図で、図１（ｂ）は本形態例に係る弾性境界波発生手段を平面で表した説明図である。図１（ｃ）は本形態例に係る弾性境界波発生手段の断面を模式的に示した説明図である。
【００２６】
第１の実施の形態に従った球状弾性境界波素子１は、球形状の外表面２ｃを持つ内部基材２と、それと少なくとも円環状に接する外部基材１０と、その接する境界の所望の位置に設置された弾性境界波発生手段４とを備えている。弾性境界波発生手段４は自身の設置位置を通過する内部基材２と外部基材１０の境界面（２ｃ）の連続する方向にある最大円周線２ａに沿い矢印Ａで示す如く伝搬する弾性境界波を発生させる。弾性境界波発生手段４が発生させる上記弾性境界波は、内部基材と外部基材の境界において最大円周線２ａに沿い少なくとも球面の一部で構成されていて円環状に連続している境界面内の円環領域２ｂ内を移動し、上記外表面（２ｃ）に沿い上記境界（２ｃ）が連続する方向にある最大円周線２ａに対し交差する方向において円環領域２ｂ外に拡散しない。
【００２７】
より詳細に説明すると、例えば直径１２．５ｍｍの球形状を持つ内部基材２は非圧電材料、例えば溶融石英、により形成されている。弾性境界波発生手段４は、内部基材２の外表面２ｃ上の上記所望の位置に形成された圧電材料膜４ａと、圧電材料膜４ａ上下に設けられる櫛型電極４ｄ、４ｃと、を備えている。さらにそれと接して先の溶融石英とは異なるガラス材で外部基材１０で覆われている。外部基材１０は固定用治具８で、固定基板９に設置されている。
この実施の形態において、弾性境界波発生手段４は、高周波電源６に接続されている櫛形電極４ｃ及び、４ｄで圧電材料膜４ｃを挟んだ構造を成している。櫛形電極４ｃ、４ｄの複数の電極片は上記連続する方向に配列されていてその電極の重なり幅Ｗが2mmであり、且つ電極周期Ｐは３５０μｍであり、最大円周線２ａに対し交差する方向において円環領域２ｂ外から外部基材を貫いて高周波電源６の両極が接続されている。なお、櫛型電極４ｄの形成後、圧電膜の形成は、ＺｎＯのDCスパッタ法などによって形成することが出来る。次に、上部電極を下部電極同様に蒸着して形成する。スパッタで用いるガスの濃度やＤＣ高圧電圧の電圧など、また蒸着マスクの作成方法についても、公知の方法を利用できる。
尚、電極周期Pは図２に示すような形状の櫛型電極でも定義される。一般にPの値は櫛型電極の最も発振しやすい弾性境界波の波長にほぼ等しい。また通常の平面基板に構成される櫛型電極は電極の重なり部分が直線であるが、曲線であったり電極周期が一定でない場合も本特許はそれを除外しない。
また弾性境界波発生手段において、圧電材料に電界を印可する為の電極の一方を内部基材、中間基材、外部基材のいずれかが兼ねていても良い。
【００２８】
球状弾性境界波素子１は、直方体の外部基材２の外表面にさらに金属膜（図示せず）でおおわれており、内部を外部雑音から守っている。
【００２９】
弾性境界波発生手段４から発生される弾性境界波の波長は３５０μｍであり、球形状の内部基材と外部基材境界のなす球半径の１／１０以下に設定されていて、この為に櫛形電極４ｃ、４ｄの複数の電極周期Ｐの距離も３５０μｍで球形状境界の半径の１／１０以下に設定されている。さらに、上記外表面２ｃに沿い上記連続する方向と交差する方向における上記弾性境界波の幅は３ｍｍ弱であり、球形状の境界の直径１２．５ｍｍ以下（より好ましくは、この直径の半分以下）で上記内部基材の球面の半径の１／１００以上になるよう設定されている。この為に、櫛形電極４ｃ、４ｄの重なり幅は球形状の基材境界の直径以下（より好ましくは、この直径の半分以下）で上記内部基材の球面の半径の１／１００以上になるよう設定されている。
図３は、ZnOを中間層４ｅとして構成した球状境界波素子の他の実施例の一部分を、断面で示した説明図である。このような構成にすることで、ZnO膜の有る部分と無い部分で境界波の反射が起こり精度が悪化することが無い。内部基材と外部基材の密着が悪い場合には境界波が発生しないために、密着させるために中間層を用いても良く、中間層の役割について本特許は制限しない。
また圧電材料膜に電界を印可する構成であれば問題はなく、櫛形電極は、圧電材料膜の表裏に形成された構造であっても、また図３のような構造であっても良い。
【００３０】
なおこの発明は、本願の発明者等が球面形状を持つ材料境界において所定の範囲の円弧（球形状境界面上の直線的な音源幅）で上記円弧と直交する方向に弾性境界波を発生させることにより上記円弧と直交する方向に沿い弾性境界波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球状境界面を周回することを発見するとともに、2種類の材料の境界に境界波を伝搬させることで取り扱いやすく、安定した信号の送受が出来ることを発見したことによりなされた。
ストーンリー波（狭義の弾性境界波）は異種材料の境界に、両基材の弾性定数、例えば基材aと基材bの基材間のそれぞれの横波音速度Vt(a)、Vt(b)、レーリー波位相速度Vr(a)、Vr(b)が、次の場合にのみ伝搬可能であって、境界からエネルギーが外部に漏れる事のない波である。
「Vt(a)とVt(b)のいずれか小さい値が、Vr(a)とVr(b)のいずれか大きい値よりさらに大きくなっている」
このために、逆に境界以外の部分の素子の構造や環境の変化にその伝搬過程が影響されることを小さくできるとともに、例えば腐食性ガス中でも安定した素子を構成できる。ストーンリー波（狭義の弾性境界波）は公知の現象であるのでここではこれ以上の説明は加えないこととする。
また、レーリー波位相速度についても同様に公知であるので説明を要しない。
なお、内部基材と外部基材の間に境界波の波長以下の厚さで中間層を形成することでも球状弾性境界波素子を構成出来、特に中間層を圧電体で構成すればその表裏あるいはその一方に電極を形成する事によって弾性境界波発生手段を容易に構成でき、さらに横波を発生する圧電材料を用いれば、SH（シェアー ホリゾンタル）波と呼ばれる弾性波を中間層を中心に発生して伝搬させることも容易である。
【００３１】
なお、弾性境界波の伝搬する球面の半径の１／１００よりも小さな弾性境界波の発生源（音源）では、話を簡単にする為に弾性境界波の発生源を点とすると、弾性境界波は発生源を中心にして球形境界面を同心円状に広がった後に上記発生源とは正反対の側の地点に向かい同心円状に集束し、また上記正反対の側の地点から球形状の基材の内表面上を同心円状に広がった後に球形状の基材の内表面において上記正反対の側の地点とは正反対に位置する弾性境界波の発生源に再度集束する。即ち、上記球面の半径の１／１００よりも小さな弾性境界波の発生源では、弾性境界波の発生源から放射された弾性境界波は上記境界においてその進行方向と直交する方向に拡散してしまい、電極取り出しなどの影響によって弾性境界波の伝搬に影響を与えてしまう。
【００３２】
幅の広い弾性境界波の発生源では、発生源から発生された弾性境界波は上記所定の範囲の中心を通過し上記所定の範囲の円弧と直交する方向に沿い移動するとともに上記円弧を含む円周線を赤道と仮に考えた時の極に該当する位置に向かい集束し、極に該当する位置を通過した後は上記円周線上において上記所定の範囲とは正反対の側で上記所定の範囲と同じ所定の範囲に拡散し、さらに別の極に該当する位置に向かい集束し、別の極に該当する位置を通過した後は上記所定の範囲に再度拡散するという、球の半周毎に集束と拡散とを繰り返している。この場合も理論的には無限に繰り返し可能であるが、点に集束するときに局所的に振幅が大きくなりすぎることによって線形効果が生じて出力に予想外の影響が出る事が考えられる。それ以外の場合でも、電極取り出し口などの取り付け場所が弾性波の伝搬を妨害しない領域に確保できないなどの問題が生じる。
【００３３】
弾性境界波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球面を周回する為の条件は以下のようにして求められた。
【００３４】
図４には、本発明の効果を示す計算のための座標系が示されている。ｘｙｚ座標軸と半径ｒの球面の交点をＡ，Ｂ，Ｃとして、円弧ＡＣに対し平行な円弧ＤＦ上の点Ｐから発生した弾性境界波が円弧ＣＧ上の点Ｑに達するとする。角度φo ，θo ，φ1 ，θ1 を図２中に示したように取ると、点Ｐ，Ｑの座標は
（ｒｃｏｓφo ｃｏｓθo ，ｒｓｉｎφo ，ｒｃｏｓφo ｓｉｎθo ）及び
（ｒｃｏｓφ1 ｃｏｓθ1 ，ｒｃｏｓθ1 ｓｉｎφ1 ，ｒｓｉｎθ1 ）
となるため、
ＰＱ2 ＝２ｒ2 ［１−ｃｏｓφo ｃｏｓθo ｃｏｓφ1 ｃｏｓθ1 −
ｓｉｎφo ｃｏｓφ1 ｃｏｓθ1 −ｃｏｓφo ｓｉｎφo ｓｉｎθ1 ］…(1)
である。従って、角ＰＯＱ＝θとおくと余弦定理より
ｃｏｓθ＝ｃｏｓφo ｃｏｓθo ｃｏｓφ1 ｃｏｓθ1 ＋
ｓｉｎφo ｃｏｓφ1 ｃｏｓθ1 ＋ｃｏｓφo ｓｉｎφo ｓｉｎθ1   …(2)
の関係が成り立つ。
【００３５】
点Ｐで発生した弾性境界波の点Ｑにおける粒子変位の半径方向成分は、
【００３６】
【数１】
0004604335.tif 000002
…(３)
【００３７】
である（Ｖｉｋｔｏｒｏｖ，Ｒａｙｌｅｉｇｈ  ａｎｄ  Ｌａｍｂ  Ｗａｖｅｓ）。この式はレイリー波やラム波について求められたものであるが境界波にも適用できる。なおここで、Ｃは定数、ｍは円周の長さと弾性境界波の波長との比で、波数パラメータと呼ぶ。またＣR は境界波の位相速度，ｔは時間である。角度θは式（２）から求められる。点Ｅから見こむ角度が２θA の円弧状音源による点Ｑの音場は、式（３）をθo について−θA からθA まで積分することにより得られる。音場分布は点Ｑの迎角θ1 を変化させて計算することで求められる。
【００３８】
図５の（ａ），（ｂ），（ｃ），そして（ｄ）には点ＰがＸＺ面上にあるφo＝０の場合について上記の式（３）を使用して求めた弾性境界波が球形状の内部基材２と外部基材１０の境界面上を伝搬する４つの状態が示されている。
【００３９】
図３の（ａ），（ｂ），そして（ｃ）は、波数パラメータｍ＝６００の場合の音場（粒子変位の絶対値の角度θ1 依存性）を調べた結果である。図の各々において、最も下のプロットは球面上の弾性境界波の伝搬を表す角度（伝搬角）φ1 が１０°の場合の音場であり、上に向かって２０°づつ増加した場合の音場が順にプロットしてある。
【００４０】
図５の（ａ）は、開口半角θA ＝３０°の場合である。この場合には、図５の（ａ）から明らかなように、弾性境界波の伝搬状態は集束ビーム形状である。即ち、伝搬角φ1 が増加するにつれて音場の幅が減少しφ1 ＝９０°で最小になった後は再び幅が増加し対極点１８０°で音源上と同じ分布が再現される。以降は１８０°毎に上記同じ変化が繰り変えされ、何周回っても同じ変化が繰り変えされる。これは回折による波の拡散が全く無い球面に独特な現象である。この場合、開口半角θA ＝３０°よりも音場が広がることがなく、θ1 ＜θA の帯状部分に弾性境界波のエネルギーが閉じ込められている。この場合には、球形状の基材１２の境界上においてθ1 ＞θA の部分に他の構造物や欠陥などがあっても音場に擾乱は生じない。
【００４１】
図５の（ｃ）は、開口半角θA ＝１°の場合である。この場合には、図５の（ｃ）から明らかなように、弾性境界波の伝搬状態は点音源の場合と類似した発散ビーム形状である。即ち、伝搬角φ1 が増加するにつれて音場の幅も増加しφ1 ＝９０°で最大になった後は再び幅が減少し対極点１８０°で音源上と同じ分布が再現される。この場合は、図３の（ａ）を参照しながら上述した集束ビームに場合とは異なり、θ1 ＜θA の帯状部分に弾性境界波のエネルギーが閉じ込められることが無く、φ1 ＝９０°では略大円全体に広がってしまう。この場合には、球形状の内部基材２と外部基材１０の境界においてθ1 ＞θA の部分に他の構造物や欠陥などがあると音場に擾乱が生じる。
【００４２】
図５の（ｂ）は、開口半角θA ＝３．５°の場合である。この場合には、図５の（ｂ）から明らかなように、弾性境界波の伝搬状態は伝搬角φ1 が増加しても音場の幅は殆ど変化しないコリメートビーム形状である。即ち、θ1 ＝θA の帯状部分に弾性境界波のエネルギーが閉じ込められている。これは無限媒体中のベッセルビームと同様な特性である。そしてコリメートビームが得られる開口半角θA をコリメート角θcol と呼ぶ。
【００４３】
図５の（ａ）乃至（ｃ）から明かなように、開口半角θA がコリメート角θcol に略等しい時、最も幅の狭い帯状部分に弾性境界波のエネルギーが閉じ込められている。
【００４４】
さらに、波数パラメータを変化させて上述したのと同様の数値解析を行った結果、波数パラメータｍによりコリメート角θcol が変化することが分かった。図５の（ｄ）は、波数パラメータｍが３００の場合に弾性境界波の伝搬状態がコリメートビーム形状になるのは、開口半角θA が略４．５°であることを示しており、この場合のコリメート角θcol は略４．５°になる。
【００４５】
以下には、波数パラメータｍが変化した場合のコリメート角θcol の値を示す。
【００４６】
波数パラメータｍ                  コリメート角θcol
（球の周囲長／弾性境界波波長）
１５０                            ７．０
３００                            ４．５
４５０                            ４．０
６００                            ３．５
７５０                            ３．０
なおこれは、数値計算による近似値である。
【００４７】
以上詳述したことから明かなように、この実施の形態では、波数パラメータｍから上記の式（３）を使用してコリメート角θcol を求めるようにしている。そして、球形状の表面を持つの基材２の境界の所望の位置に弾性境界波発生手段４、より詳細には弾性境界波発生手段４の櫛形電極４ｃ及び４ｄの相対位置で決まる電極の重なり幅W、がコリメート角θcol により規定される幅より広く設置され、この弾性境界波発生手段４により弾性境界波を発生させると、この弾性境界波は球形状を持つの内部基材２の境界面上で電極の重なり幅により規定された範囲内を上記コリメート角θcol の方向に拡散することなく伝搬する。図１では、電極の重なり幅により規定された上記範囲が円環領域２ｂに相当しており、また上記コリメート角θcol と直交する方向が最大円周線２ａに沿った方向に相当している。
【００４８】
そして実際には、波長パラメータ（上記球面の上記連続する方向における周囲長さ／弾性境界波波長）が１００乃至８００であり、櫛形電極の電極の幅がコリメート角（コリメートビームが得られる角）と等しいかそれに近いことが好ましい。
【００４９】
ここで、発生する弾性境界波の波長は櫛型電極に電界が印可されることで圧電材料中に生じる電界分布の周期長すなわち電極周期に一般的に等しい。また、広帯域用の弾性境界波素子に見られるように、電極間隔が複数あるいは連続した幅を持つ場合にも、それに相当する弾性境界波の各周波数成分の波長について上記条件が成り立つ場合には、その周波数成分については伝搬方向垂直に弾性境界波が拡散しない弾性境界波素子が構成できる。
【００５０】
図６は、圧電材料による基材を用いた時の第２の実施の形態例を示した説明図である。本発明の球状弾性境界波素子を用いて、温度センサーを構成した時の実施例を示す。
PZTセラミック製で半径Ｒが６．２５ｍｍ（直径１２．５ｍｍ）の球の2面を削るとともに、円筒形に貫通穴４０を形成した内部基材４１の外側表面に櫛型電極によりなる弾性境界波発生手段４を作成する。櫛型電極は抵抗加熱蒸着により形成できる。最後に表１に示す弾性定数を持つ溶融したガラス材料を5mmの厚さにモールドして外部基材とした。さらにPZT圧電材料は高電圧をかけてポーリングする必要がありこれについて、内部貫通穴４０に電極を挿入すると共に、外部基材４２の外周にポーリング用の電極で囲んだ上で両電極間に高電圧をかけることで内部基材であるPZTセラミックの分極処理を施した。
この場合には、弾性境界波素子は、弾性境界波の励起手段が櫛形電極だけであるので、素子の境界を周回する境界波の伝搬を妨害する圧電材料による膜などを作る必要がなく、高精度な素子の作成が可能であった。
【００５１】
【表１】
0004604335.tif 000003
【００５２】
このように、本願の発明に従った球状弾性境界波素子は弾性境界波が伝搬される円環領域が外部基材で覆われている為に素子の固定が容易であるばかりでなく、基材の外部表面に、信号処理用の増幅装置などを設置することも可能であり、全体を導体で囲えば、外部からの電気的な雑音に強く、また内部の信号を外部に漏洩して他の装置に影響を与えることを防ぐことも容易である。特にレーザービームを用いて境界波を励起して使用する外部基材が透明な材料を用いた素子を構成する場合に、外部基材表面自体にレンズやプリズムの形状加工を行うことも可能である。
【００５３】
また、この発明の球状弾性境界波素子において使用する少なくとも球面の一部で形成されていて円環状に連続している基材間境界の直径には制限がなく非常に大きな直径のものから非常に小さな直径のものまで、現在知り得る全ての手段により準備することが出来る。
【００５４】
さらに、上記基材の境界の所定の位置に設けられる圧電材料膜も現在知り得る全ての手段により準備することが出来るし、この圧電材料膜上または上記基材の境界の所定の位置に設けられる弾性境界波発生手段も現在知り得る全ての手段により準備することが出来る。ここにおける現在知り得る全ての手段には、導電性箔から櫛形電極状に独立して形成されたものを圧電材料膜上または上記基材境界の所定の位置に貼り付けたり、圧電材料膜上または上記基材の基材境界に蒸着や印刷やスパッタリングや、ゾルゲル法等により形成することを含んでいる。
【００５５】
さらに、内部基材と外部基材の間に液体やオイルなどを中間基材として使用し、ガイデッドウエーブや、先に述べたように、SH（シェアー ホリゾンタル）波と呼ばれる、通常境界波と呼ばれないが内部基材と外部基材の境界や中間層にエネルギーを集中して伝搬する弾性波を用いても良い。
【００５６】
以下この発明のその他の実施の形態について図７を用いて説明する。この第３の実施の形態では、弾性波や弾性境界波を励起して検出する方法が異なる。
弾性境界波は以上詳述したような圧電材料に電界をかけることによって発生させることが出来るが、レーザービームを材料に照射して熱膨張を起こすことによっても弾性境界波を発生することが出来る。この場合にはレーザービームを吸収して熱膨張を起こす膜を内部基材と外部基材の間に構成して弾性境界波発生手段を構成しても良い。前記レーザービーム吸収膜を縞形状に形成すれば、縞の間隔で決まる波長の弾性境界波を強く励振する事ができる。あるいは内部基材がその表面でレーザービームを吸収する材料で構成される場合には内部基材の表面が弾性境界波発生手段を兼ねることになる。この場合も、レーザービームを吸収しない膜を縞形状に構成して縞の間隔で決まる波長の弾性境界波のみを強く励振する事ができる。
【００５７】
レーザービームのあて方としては、材料（基材）境界に直線形状の照射域を移動することで、直線に垂直方向に弾性境界波を励起伝搬させることが出来る。
また、効率良く弾性境界波を発生させる方法として、走査干渉縞（ＳＩＦ）を用いる方法がある。これらのレーザービームを用いて弾性境界波を励起する方法は公知であるのでここでは詳しく説明しないが、ＳＩＦを用いた方法についてその実施の形態について説明を加える。
【００５８】
球形状の内部基材２は、たとえばPZTで作成される。外部基材１０はガラス製で固定が容易な為に直方体に加工され平滑に光学研磨されている。
この構成の場合に、PZT外表面はレーザービームL1及びL2を吸収するために、この表面は弾性境界波発生手段を兼ねている。
【００５９】
レーザー発振器から発信されたレーザービームLは２本のビームL1,L2にビームスプリッタと呼ばれる光学部品１４ｂ,１４ｆによって分けられ一方のみΔｆだけ周波数をかえる。これらのビームを内部基材２のPZT面上で干渉させることで、レーザービームによる走査干渉縞が形成され、同じ干渉縞の分布でPZT面が熱膨張をおこして弾性波、特に境界波を効率良く発振して伝搬させることができる。
【００６０】
図７（ａ）はその他の実施形態の例の、弾性境界波発生に使用される装置の全体を概略的に示す説明図、図７（ｂ）は、本実施形態例の弾性境界波素子を断面で表した説明図である。図７の（ａ）が、球形状の内部基材２と外部基材１０の境界２ｃ上に弾性境界波を発生させ、それを検出する為の装置を示している。３ｍｍの直径の２本のＹＡＧレーザービームＬ１，Ｌ２が内部基材２の表面１２の所定の範囲Ｗ（図７の（ｂ））に対し略直角に向けられており、一方のＹＡＧレーザービームＬ１に対し他方のＹＡＧレーザービームＬ２はブラグセル１４ｇを使用して３０ＭＨｚだけ周波数が偏移されている。異なった周波数を伴った２本のレーザービームＬ１，Ｌ２の干渉により、基材１０の内表面の所定の範囲Ｗ（図７（ｂ））において２本のレーザービームＬ１，Ｌ２が照射された部分に走査干渉縞が形成される。
なお、レーザーに対して透明な外部基材の外側を凸形状にする等してレンズの役割をはたさせることが出来る。
【００６１】
第１の副回動反射鏡１４ｄ，第２の副回動反射鏡１４ｈ，さらに主回動反射鏡１４ｅのような機械的な調整手段により、干渉縞の平均隙間が弾性境界波の波長に等しくされるとともに、干渉縞の走査速度は位相速度に等しくされ、干渉縞と弾性境界波との位相の整合が行われる。レーザービームＬ１，Ｌ２は、干渉縞と弾性境界波との間の長い相互作用時間を達成する為に、１００ｎｓ程度の特別に設計された長いパルスを有している。
【００６２】
なお上記所定の範囲Ｗ（図７の（ｂ））は最大円周線１２ａに沿い球形状の内部基材２と外部基材１０の境界２ｃの一部で規定されている円環状に連続している円環領域１２ｂを規定している。
このように、櫛型電極を用いなくとも、内部基材と外部基材の間に、ある音源幅をもって条件に沿った波長の弾性境界波を特定の方向に伝搬するように励起することで、ある円環の幅内を、拡散することなく周回させることが出来る。
【００６３】
内部基材と外部基材境界を伝搬する弾性境界波の検出はナイフエッジ法等を用いて光学的に行うことが出来る。ナイフエッジ法を用いる場合は、細く絞ったレーザービームをレーザーを反射する内部基材表面の微小領域に集束照射して、その反射光の一部をスリット１６ｄ等で遮蔽する。遮蔽されなかったビームの強度を電気的にフォトダイオード１６ｅなどを用いて信号化するものであって、基材境界を弾性境界波が伝搬することで起きる内部基材表面の微小な傾きによるレーザー反射波ビームの振れから非接触で弾性境界波を電気信号として観測することが出来る。
【００６４】
この構成の場合、弾性境界波を励起させるための圧電材料を形成する必要が無く、パターンニングされた電極も無い為に、圧電材料が励起されて基材境界を周回する弾性境界波の伝搬を阻害することがないだけでなく、任意の周波数を励起出来るなどの特徴を持つことは明白である。
【００６５】
なお、内部基材表面を帯状に伝搬する弾性境界波は互いに伝搬経路を交差しても互いに影響しないことから、図８に示すように複数の弾性境界波発生手段を同一境界面上に構成する事もできる。図に２つの弾性境界波発生手段による境界波伝搬経路１，２（６０，６１）を模式的に示した。この事は、圧電材料を用いて弾性境界波を励起するときも、レーザービームを用いて励起するときも同様である。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述したことから明かなように、この発明に従った球状弾性境界波素子は、従来の弾性表面波素子に比べ遥かに性能を高めることが出来るばかりでなく、コンパクトでもあり、外部の環境に対して安定な弾性境界波素子を構成でき、取り扱いや固定が容易で、且つ基材外部の表面に電子回路等を形成することも出来る。
【００６７】
なお、弾性境界波の発生を、レーザービームを用いて行う方法によっても、上記の利点は共通であり、とくに、基材表面の加工よって光学系を兼ねさせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の球状弾性境界波素子の第１の実施形態の例を示す説明図で、図１（ａ）はこの発明の第１の実施の形態に従った球状弾性境界波素子の概略的な説明図、図１（ｂ）は弾性境界波発生手段の一例を平面で示した説明図、図１（ｃ）はその断面の説明図である。
【図２】本発明の弾性境界波発生手段に用いる櫛型電極の一例を示す説明図である。
【図３】中間層を有する場合の断面の説明図である。
【図４】球状弾性境界波素子の内表面の所定の位置に振動手段を設ける幅を規定する為に使用する式の基礎となる座標系を概略的に示す斜視図である。
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ），そして（ｄ）は、図４の座標系を使用して作成された式により計算された波数パラメータｍ（円周の長さと弾性境界波の波長の比）と開口半角（振動手段を設ける幅の１／２）を変えて得られた弾性境界波が球状弾性境界波素子の球形状の境界を伝搬する４つの状態を概略的に示す図である。
【図６】内部基材にＰＺＴセラミックを使用した実施例の説明図である。
【図７】（ａ）は、第２の実施例の形態で利用されるレーザーを用いて弾性境界波を発生するにもちいられるレーザー発振装置、その加工を行う光学系、及び弾性境界波表面で発生する弾境界波をレーザーをもちいて検出する方法の説明図、（ｂ）は第２の実施の形態に従った、レーザーを用いて弾性境界波を励起する方法を採用するにもちいる弾性境界波素子の構成を断面で示す説明図である。
【図８】本発明の球面弾性境界波素子の実施例の一部分を示す説明図である。
【符号の説明】
１球状弾性境界波素子・・・・
２・・・・内部基材
２ａ・・・・最大円周線
２ｂ・・・・円環領域
２ｃ・・・・外表面
４・・・・弾性境界波発生手段
４ａ・・・・圧電材料膜
４ｃ・・・・櫛型電極
４ｄ・・・・櫛型電極
４ｅ・・・・中間層（ＺｎＯ圧電膜材料）
８・・・・固定用治具
９・・・・固定基板
１０・・・・外部基材
１２ａ・・・・最大円周線
１２ｂ・・・・円環領域
１４ｂ・・・・光学部品
１４ｄ・・・・第１の副回動反射鏡
１４ｅ・・・・主回動反射鏡
１４ｆ・・・・光学部品
１４ｇ・・・・ブラグセル
１４ｈ・・・・第２の副回動反射鏡
１６ｄ・・・・スリット
１６ｅ・・・・フォトダイオード
４０・・・・貫通穴
４１・・・・内部基材（ＰＺＴセラミックス）
４２・・・・外部基材（ガラス材）
６０・・・・境界波伝搬経路１
６１・・・・境界波伝搬経路２
L、Ｌ２、Ｌ３・・・・レーザービーム
【図１】
0004604335.tif 000004
【図２】
0004604335.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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