(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面または円筒面の一部で形成され、円環状に連続している円環状表面を有する基材と、
前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波を励起する弾性表面波励起手段とを備えており、前記円環状表面は、弾性表面波が伝搬可能な曲面からなる伝搬路を有していると共に、前記弾性表面波励起手段は、前記円環状表面に沿って設けられ、高周波電源に接続されるすだれ状電極を含んでいる弾性表面波素子の表面洗浄にあたって、
前記すだれ状電極への電圧印加に伴い、励起して伝搬する弾性表面波は、前記円環状表面を周回するのに要する時間と周波数の選択により、共振状態が維持されることによって、前記円環状表面に付着した被洗浄物を除去することを特徴とする弾性表面波素子の表面洗浄方法。
【請求項２】
弾性表面波素子の表面洗浄にあたって、少なくとも前記円環状表面に洗浄用液体を接触させた状態で行なうことを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子の表面洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子を用いた電気信号処理方法の改良に関する。
【０００２】
特に、本発明は、水晶またはＬｉＮｂＯ3あるいはＬｉＴａＯ3などの圧電体の結晶（以後、これらを、「圧電性結晶」と称することもある。）で形成されており、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円環状表面を有している基材を有しており、前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ；ＳＡＷ）が励起される弾性表面波素子（以下、ＳＡＷデバイスとも称する）を用いた各種測定に先駆けて、弾性表面波素子の表面を洗浄する方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００３】
基材上に弾性表面波を発生させると共に、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。
【０００４】
ＳＡＷデバイスは、平坦な基材上に１対の櫛形電極（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ＩＤＴ。以降は、すだれ状電極とも称する。）が設けられている。
【０００５】
基材が圧電性材料で形成されているか、又はすだれ状電極と基板の間には圧電体が設けられており、一方のすだれ状電極に高周波電圧を供給することにより、電極の並んでいる方向に弾性表面波を励起させる。他方のすだれ状電極はこの弾性表面波の伝搬方向に配置されていてこの弾性表面波を受信する。
【０００６】
ＳＡＷデバイスは、圧電効果によって発生する弾性表面波を利用した素子であり、以下のような特徴を有することから、遅延線，発信器のための発振素子もしくは共振素子，周波数を選択するためのフィルタ，化学センサー，バイオセンサ，またはリモートタグ等、応用範囲は多岐にわたっている。
１）伝搬速度が数千ｍ／ｓであり、波長は周波数１ＧＨｚで電磁波は３０ｃｍであるのに対して、弾性表面波は４μｍと短いので、素子の小型化（１ｍｍ角以下）が可能。
２）表面付近にエネルギ−のほぼ９０％が集中しているため表面から波の発生・検出及び伝搬途中での光等との自由なアクセスが可能。
３）固定化デバイスであるため無調整であり信頼性に優れている。
４）製造技術にＬＳＩと同じフォトリソグラフィ技術が適用できるため量産化が容易。
【０００７】
特許文献１は、球形状の弾性表面波素子（以下、ボールＳＡＷデバイスや球状弾性表面波素子と称することもある）を開示している。
【０００８】
ボールＳＡＷデバイスの基体は、弾性表面波が励起可能であり励起された弾性表面波を伝搬させることが可能な球形状の表面を有している。
【０００９】
ボールＳＡＷデバイスにおける電気音響変換素子は、基体の球形状の表面において円環状に連続している所定の幅を有した帯域に配置されており、前記表面に励起した弾性表面波を前記帯域が連続している方向に沿い伝搬させ繰り返し周回させるよう構成される。
【００１０】
ボールＳＡＷデバイスでは、基体の表面の円環状に連続している弾性表面波伝搬帯域に電気音響変換素子により励起された弾性表面波を、弾性表面波伝搬帯域内で実質的に減衰することなく上記表面を繰り返し周回させることが出来る。
【００１１】
特許文献は以下の通り。
【特許文献１】国際公開  ＷＯ  ０１／４５２５５  号公報  ボールＳＡＷデバイスでは、球状面に弾性表面波がエネルギーを集中させて伝搬する際に、エネルギーが球表面から球の内部やあるいはその他に漏洩することがないため、非常に多周回に球表面を伝搬する現象を利用している。
【００１２】
また、上記デバイスでは、限られた面積の領域を繰り返し弾性波を伝搬させるため、弾性表面波の伝搬速度の非常に小さな変化やあるいはその減衰の仕方を高精度に測定できることから、ガスセンサー等にその応用が進められている。
【００１３】
ＩＤＴを用いたＳＡＷデバイスにおけるＳＡＷの励起にあたっては、
弾性表面波を伝搬させる球（基材）を構成するガラスやセラミックなどの材料の表面に圧電性膜を形成し、圧電性膜に接触あるいは近接して配置されるすだれ状電極（ＩＤＴ）を用いて電界を印加し、生じる圧電性膜の弾性変形に基づいて超音波振動（弾性表面波）を発生させることが出来る。
【００１４】
あるいは、基材を圧電性結晶によって構成し、その表面に接触するかあるいは近接して電界を印加し、弾性表面波を励起することが出来る。
【００１５】
前者の場合、球表面上に任意の最大円周線に沿って周回経路を設計することが出来る。
【００１６】
後者の場合、結晶の結晶軸に依存した中心線を持つ経路に周回経路を設計しなくてはならないが、構造が簡単で弾性表面波の伝搬に伴う減衰が小さいという長所がある。
【００１７】
ＳＡＷは、伝搬面に接する媒質の特性変化や伝搬面上への物質の吸脱着により伝搬特性（速度と振幅）が摂動を受けるため、この変化を検出することによりセンサが実現できる。
【００１８】
伝搬特性とは、弾性表面波が素子表面を伝搬する際の速度（周回するに必要な速度でも、絶対速度を区別しない）、あるいはその速度の関数である弾性表面波の周波数依存性、あるいは伝搬に伴う弾性表面波の減衰量を指す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
高精度な各種測定が可能なボールＳＡＷデバイスは、素子表面状態に応じて非常に繊細であるため、高精度の測定を実現する上では、素子表面への異物の付着がその出力結果に及ぼす影響が大きい。
【００２０】
弾性表面波が周回する球表面上の伝搬経路で、不連続な基材の弾性物性や構造の変化があると、弾性表面波はその境界で反射されることから多重の周回が困難になり、測定精度に影響する。
【００２１】
また、ボールＳＡＷデバイスでは、ＳＡＷの伝搬経路に、外部環境の変化に応じて弾性物性を変化させたり、その表面にガス物質などを吸着してＳＡＷの伝搬特性を変えることで、外部環境の変化を高精度で検知する上で「感応膜」を形成することが有効であるが、感応膜の厚さや表面状態も、伝搬減衰が大きいと長い距離弾性表面波を伝搬させることが出来ず、所定の周回する際の必要時間からその伝搬速度を測定する際に測定感度の低下をきたすことから、素子表面同様に非常に繊細である。
【００２２】
センサー素子となるボール状基材（表面にＩＤＴが形成）を、電源，駆動回路，制御や
解析のための機器に接続して使用（測定）する際には、電子基板に実装して用いられる次回の使用（測定）前には、ボール状基材表面を洗浄する必要があるが、前記基材は機械的な接触を拒まれるほど非常に繊細であり、超音波洗浄装置への投入にあたっても、容器壁面への接触を避けて行なわれており、その取り扱いが難しい。
【００２３】
本発明は、ボール状基材（素子）表面の洗浄を容易とし、異物を取り去り、繰り返しの再利用も可能とする上で有効な弾性表面波素子表面の洗浄方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明による弾性表面波素子の表面洗浄方法は、
球面または円筒面の一部で形成され、円環状に連続している円環状表面を有する基材と、
前記円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波を励起する弾性表面波励起手段とを備えており、前記円環状表面は、弾性表面波が伝搬可能な曲面からなる伝搬路を有していると共に、前記弾性表面波励起手段は、前記円環状表面に沿って設けられ、高周波電源に接続されるすだれ状電極を含んでいる弾性表面波素子の表面洗浄にあたって、
前記すだれ状電極への電圧印加に伴い、励起して伝搬する弾性表面波は、前記円環状表面を周回するのに要する時間と周波数の選択により、共振状態が維持されることによって、前記円環状表面に付着した被洗浄物を除去することを特徴とする。
【００２５】
本発明において弾性表面波とは、漏洩弾性表面波であっても疑似漏洩弾性表面波えあっても、また回廊波であってもよく、基材表面にエネルギーを集中して伝搬する弾性表面波であれば良い。
【発明の効果】
【００２６】
接触に対して大きな影響を受け、測定感度の低下を招きやすいボール状基材表面（および感応膜）に非接触での表面洗浄が容易かつ確実となり、測定感度を維持したまま素子の繰り返し使用も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
図１は、ボールＳＡＷデバイスの使用状態を概念的に示す説明図である。
【００２９】
高周波信号発生装置（高周波信号源１４）から、信号増幅回路（増幅回路制御装置１３）を介して、センサー部となる球状弾性表面波素子に接続されて、バースト信号の入力が行なわれる。
【００３０】
素子は直径１０ｍｍのＬｉＮｂＯ3素子であり、駆動周波数は１５ＭＨｚである。
【００３１】
素子に接続される直前は、高周波信号の電気エネルギーが効率良く弾性表面波に変換されるように、整合回路を介している。
【００３２】
素子表面の超音波伝搬路に対して光学顕微鏡を配置して、その表面の異物付着などを観察する。
【００３３】
図２に、素子表面の洗浄を行なう場合に印加する高周波バースト信号を示す。
【００３４】
前記バースト信号は２００ミリ秒幅であり、その周波数は１５ＭＨｚ近傍とした。
【００３５】
周波数は、スイッチを出力観察側に切り替えした状態にして同じ周波数を印加し、常にその出力が最大になる周波数を探し、サイドスイッチを切り替えて、洗浄のための増幅を行った。
【００３６】
信号源用に素子に印加される際の表面状態の変化を空気中で観察した。
【００３７】
２００倍の光学顕微鏡を使用してその表面観察を行なったところ、表面に付着する直径１μｍ以上の複数の異物の剥離が確認された。
【００３８】
反面、共振周波数（図３）による洗浄を行なう場合には、伝搬経路上で周回方向に、洗浄が進む領域と進まない領域が発生する。
【００３９】
これは、すだれ状電極を両方向に弾性表面波が励起して伝搬する為に、互いに逆方向の弾性表面波が互いに干渉して定存波を形成し、節にあたる領域を周期的に形成して、その領域で振動が小さく、結果的に洗浄効果が得られない為である。
【００４０】
腹に相当する領域で洗浄が進むことは当然である。
【００４１】
実際に節の領域における異物の付着については、弾性表面波の周回速度に対して影響が小さいと考えられる。
【００４２】
このような洗浄されない領域を作る方法としては、異なる周波数での共振周波数での洗浄を行なえば、伝搬経路上で節の位置が変化するために洗浄ムラを少なくすることが可能である。
【００４３】
しかし、すだれ状電極の位置は、周波数を変更しても洗浄することは困難となる。
【００４４】
前記の洗浄ムラをなくす方法として、球状弾性表面波素子の周回経路を地軸とした場合の極方向、少なくとも伝搬路１２とは異なる方向に、洗浄のための弾性表面波振動を励起する電極を形成することが可能である。
【００４５】
最も簡単な例を図４に示す。
【００４６】
この電極はすだれ状電極である必要は無く、製造は簡単であり、且つ駆動する為に周波数をあまり選ばず、低い周波数で駆動する為に、良好な洗浄効果を得ることが出来る。
【００４７】
弾性表面波素子の表面洗浄にあたって、少なくとも前記円環状表面に洗浄用液体を接触させた状態で行なうことも可能である。
【００４８】
液体の接触では、機械的な接触に比べて、素子（感応膜）表面に悪影響は少ない。
【００４９】
純水中に素子を浸漬して、同様に洗浄実験を行なった。
【００５０】
純水を用いたのは、素子のすだれ状電極付近に導電性の液体があると弾性表面波を励起出来なくなるからであり、そのため、洗浄用液体の選択にあたっては、その導電性に考慮する必要がある。
【００５１】
浸漬前に素子表面を観察した後に、素子を浸漬して同様に超音波を入力して引き上げ、再度表面の清浄殿変化を観測を行ったところ、浸漬前に比べて、超音波を印加した場合で
のみ異物数の減少を確認することが出来た。
【００５２】
水晶を結晶球として使用する場合は、その表面に周回を行なうことが出来る弾性表面波はＺ軸シリンダーと呼ばれる経路（水晶のＣ軸（Ｚ軸）を地軸として赤道経路に伝搬する経路）においてはレイリー波に近い振動モードの波であるが洗浄効果は良好ではなかった。
【００５３】
それに対して、低い周波数を用いて洗浄する場合は、比較的洗浄が良好に実施できた。
【００５４】
図５に示すような、両極に電極を有した形状の球状弾性表面波素子を作成した。
【００５５】
上記形態の素子の場合、投入する周波数は１ＭＨｚから３ＭＨｚとした。
【００５６】
上記素子を洗浄液３１中に投入して、連続波の高周波信号の印加を行なうことで洗浄が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】ボールＳＡＷデバイスの使用状態を概念的に示す説明図である。
【図２】素子表面の洗浄を行なう場合に印加する高周波バースト信号を示す波形図である。
【図３】伝搬経路上で周回方向に、洗浄が進む領域と進まない領域の位置関係を示す概念断面図である。
【図４】洗浄状態のボールＳＡＷデバイスを概念的に示す説明図である。
【図５】電極を有した形状の球状弾性表面波素子の斜視図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１  すだれ状電極
１２  伝搬路
１３  増幅回路制御装置
１４  高周波信号源
１５  メカニカルスイッチ
１６  デジタルオシロスコープ
１７  周回速度解析装置
２１  洗浄用高周波電源
２２  ニオブ酸リチウム結晶
２３  計測用高周波バースト信号源
２４  周回速度計測装置
３１  洗浄液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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