(57)【要約】【課題】球状弾性表面波素子を加熱しながらその熱を周囲に放出する程度を計測することによって、ガスの状態の計測を行う用途において、球形基材の大きな熱容量による応答速度の低下、あるいは加熱部分と温度計測を行う弾性表面波の周回領域の位置的なズレによる計測精度の低下をもたらさない発熱機能を備えた球状弾性表面波素子を提供する。【解決手段】球状弾性表面波素子１０は、樽型形状の圧電性結晶基材１１と、この基材１１の弾性表面波周回径路１２上に形成されたすだれ状電極１３と、上記基材１１の周回径路１２を挟む両極の平坦面に形成された加熱電極膜１４および弾性表面波励起検出用電極取り出し部１５とを具備して構成される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域、およびこの表面領域を挟む上記球面の両極に平坦面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する抵抗発熱可能な基材と、
上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、
上記基材の上記平坦面領域に形成された加熱電極膜および弾性表面波励起検出用電極取り出し部と、
を具備したことを特徴とする球状弾性表面波素子。
【請求項２】
球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域、およびこの表面領域を挟む上記球面の両極間に貫通された貫通孔を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する抵抗発熱可能な基材と、
上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、
上記基材の上記貫通孔を介在した２領域に形成された加熱電極膜と、
上記基材の上記表面領域および上記加熱電極膜の形成領域を除く一部の領域に形成された弾性表面波励起検出用電極取り出し部と、
を具備したことを特徴とする球状弾性表面波素子。
【請求項３】
球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する抵抗発熱可能な基材と、
上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、
上記基材の上記表面領域を除く領域について抵抗を低下させ上記基材の互いに異なる２点間に電圧を印加することにより発熱する発熱手段と、
を具備したことを特徴とする球状弾性表面波素子。
【請求項４】
上記基材は、ニオブ酸リチウムあるいはタンタル酸リチウムに対して熱処理を含む抵抗低下処理を施した単結晶基材を用いて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の球状弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗加熱による加熱機能を有する球状弾性表面波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電材料で形成されている平坦な表面を有する基材において同基材の表面上の相互に離れた２つの位置に電気音響変換素子を設けた弾性表面波素子が知られている。電気音響変換素子は通常、例えばすだれ状電極の如き高周波励起／高周波受信手段である。
【０００３】
この従来の弾性表面波素子においては、一方の電気音響変換素子に高周波電流を供給すると、この一方の電気音響変換素子が弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を基材の表面に発生させ、所定の方向に伝搬させることができる。そして、他方の電気音響変換素子は上記表面上で一方の電気音響変換素子からの弾性表面波を受信し、受信した弾性表面波に対応した高周波電流を生じさせることができる。電気音響変換素子がすだれ状電極の場合には、すだれ状電極の複数の電極枝が並んでいる方向がすだれ状電極により発生された弾性表面波が伝搬する方向となり、また上記弾性表面波を効率よく受信する方向となる。
【０００４】
なお弾性表面波とは、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る。弾性表面波としては、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、異方性材料の表面にも存在し得る。
【０００５】
この球状弾性表面波素子の周回経路を伝搬する弾性表面波の周回速度や周回に要する時間は、一般には温度依存性を持つことから、その変化を計測することで高精度の温度計として使用できる。この弾性表面波の伝搬状態の変化から温度計測する方法は現在様々な用途で使用されており、ここではその説明を省略する。
【０００６】
従来の板状の弾性表面波素子は、遅延線，発振器のため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ばとるほど、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。
【０００７】
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ために、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自ずと限界がある。
【０００８】
球状弾性表面波素子は、弾性表面波を励起させ伝搬させることができる球形状の基体の表面に、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および幅（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、伝搬させることができ、繰り返し周回させることができることが明らかにされている。
【０００９】
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面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。このような球形状の基体を使用した球状弾性表面波素子は、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できる（すなわち、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でき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できる。
【００１０】
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、球状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）の程度に対応する。従って、上述した種々の程度を測定することは球状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。
【００１１】
そのひとつの応用例が、流速計への応用として提案されている。
【００１２】
特許文献１には、球状弾性表面波素子の球形基材の表面、あるいはそれに接触させて加熱するヒーターが説明されている。とくに、この特許文献では、弾性表面波の周回経路の両側に抵抗加熱のための配線を実装している。球形基材を加熱しながら、周囲のガスの流れに伴って熱が奪われる現象を計測してガスの流速を計測する。この計測に用いる計測アルゴリズムは、弾性表面波素子を周回する弾性表面波の周回速度をその位相速度が一定になる温度調節をするためのヒーターの電流値を計測する方法がある。あるいはさらに単純に、一定の電流を流すことで同じ熱量が球状弾性表面波素子に印加される状態を作り、弾性表面波の周回速度の変化から素子温度を計測することで間接的に周囲のガスによって熱が奪われる量を計測するものである。
【００１３】
これらの加熱配線付球状弾性表面波素子は、球状弾性表面波素子が高精度の温度計になることが期待されているが、球形基材が大きな熱容量を有しているために高速の応答を得ることが難しかった。
【００１４】
さらに、従来の加熱配線付球状弾性表面波素子は、温度計測の対象である弾性表面波素子の周回経路とは異なる位置に加熱配線が形成されているために温度計測位置と加熱位置が異なり、最も放熱が大きくなる領域の温度が正確に計測できない可能性がある。
【００１５】
さらに、加熱用配線は圧電性結晶球の赤道から離れた領域に長い距離に渡って微細な配線パターンを形成しなくてはならないが、球表面に渡って微細なパターニングをする方法は特殊な露光プロセスやフォトリソプロセスを要求するために製造コストが嵩む難点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１０１４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、表面に加熱用配線を有した従来の球状弾性表面波素子は、周囲のガスの流れ等の変化を計測する用途において、その使用が期待されているにも関わらず、球形基材の大きな熱容量や、加熱用配線が弾性表面波の伝搬位置と異なることを原因として応答が遅く正確な計測ができないという問題があった。
【００１８】
また、配線パターンを圧電性結晶の表面に形成する方法は、抵抗の大きな金属箔膜の形成プロセスやそのエッチングプロセスが必要であり、高コストになるという問題があり、さらに圧電性結晶の最大外周線から離れた位置に配線パターンを形成するための特殊な露光プロセス装置が必要になるという問題があった。
【００１９】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、球状弾性表面波素子を加熱しながらその熱を周囲に放出する程度を計測することによって、ガスの状態の計測を行う用途において、球形基材の大きな熱容量による応答速度の低下、あるいは加熱部分と温度計測を行う弾性表面波の周回領域の位置的なズレによる計測精度の低下をもたらさない発熱機能を備えた球状弾性表面波素子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】
【００２０】
本発明で使用する球形基材は、圧電性結晶基材の導電性を低下させた結晶球を用いるか、あるいは、少なくとも弾性表面波を励起検出する電気音響変換素子の領域以外の領域において、領域の抵抗を低下して抵抗加熱を可能にするための処理を施し、互いに離れた電極から電圧を印加することで電流を圧電性結晶基材に流して発熱させる。
【００２１】
特に、弾性表面波の周回経路によって分けられる二つの周回経路以外の領域について削除した形状とすることで、球形基材の熱容量を相対的に小さくするとともに、上記削除された断面の基材の抵抗を低下させ、抵抗加熱用の電極を形成することで、結晶基材自体に発熱機能を持たせた球状弾性表面波素子を提供する。
【００２２】
本発明の実施形態は、球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域、およびこの表面領域を挟む上記球面の両極に平坦面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する抵抗発熱可能な基材と、上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、上記基材の上記平坦面領域に形成された加熱電極膜および弾性表面波励起検出用電極取り出し部と、を具備した球状弾性表面波素子を特徴とする。
【００２３】
また、球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域、およびこの表面領域を挟む上記球面の両極間に貫通された貫通孔を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する抵抗発熱可能な基材と、上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、上記基材の上記貫通孔を介在した２領域に形成された加熱電極膜と、上記基材の上記表面領域および上記加熱電極膜の形成領域を除く一部の領域に形成された弾性表面波励起検出用電極取り出し部と、を具備した球状弾性表面波素子を特徴とする。
【００２４】
また、球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する抵抗発熱可能な基材と、上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、上記基材の上記表面領域を除く領域について抵抗を低下させ上記基材の互いに異なる２点間に電圧を印加することにより発熱する発熱手段と、を具備した球状弾性表面波素子を特徴とする。
【００２５】
また、上記基材は、ニオブ酸リチウムあるいはタンタル酸リチウムに対して熱処理を含む抵抗低下処理を施した単結晶基材を用いて構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、球状弾性表面波素子が抵抗加熱用配線をもつことなく結晶基材自体が自身を加熱することで、加熱用の配線の形成プロセスが不要である。また周囲のガスの流速などの熱の漏出の程度を弾性表面波の周回速度の変化に基づく温度計測を高速かつ正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子の要部の構成を概略的に示す斜視図。
【図２】上記実施形態に係る球状弾性表面波素子の要部の構成を概略的に示す側断面図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子の要部の構成を概略的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２９】
先ず図１を参照して本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成を説明する。なお、この実施形態では電気音響変換素子として、すだれ状電極を使用するが、すだれ状電極は球形基材の表面に実装することを前提に説明する。しかし、結晶球とは別個の基材の上にすだれ状電極を形成して、すだれ状電極を結晶球の表面に接近することでも球状弾性表面波素子として機能する。本発明においては、この構成を含めて「球形結晶球の表面にすだれ状電極を形成する」と表現するものとする。この球状弾性表面波素子の周回経路を伝搬する弾性表面波の周回速度や周回に要する時間は、一般には温度依存性を持つことから、その変化を計測することで高精度の温度計として使用できる。この弾性表面波の伝搬状態の変化から温度計測する方法は現在様々な用途で使用されており、この実施形態ではその説明を省略する。
【００３０】
本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子１０は、球形状の両極に平坦面を形成した樽型形状の基材（圧電性結晶基材）１１と、この基材１１の周回径路（弾性表面波の周回径路）１２上に形成されたすだれ状電極１３と、上記基材１１の周回径路１２を挟む両極の平坦面に形成された加熱電極膜１４および弾性表面波励起検出用電極取り出し部１５とを具備して構成される。基材１１の周回径路１２を挟む両平坦面に形成された一対の加熱電極膜１４、１４の間には加熱用電源１６から所定の電圧が印加される。
【００３１】
球状弾性表面波素子１０において、上記基材１１は、ニオブ酸リチウム単結晶をドープガス中で加熱処理してその抵抗を低下させた圧電性単結晶の基材（以後ブラックニオブ酸リチウムと呼ぶ）により構成される。ドープする材料は現在様々な材料が試みられており、本発明はそれについて説明を要せず、さらに限定もしないが、株式会社山寿セラミックス社でブラックニオブ酸リチウムやブラックタンタル酸リチウム等により抵抗を低下させたものを基材１１として使用できる。この実施形態では、直径３．３ｍｍの上記材料によりなる結晶球を作製して後に、結晶のＺ軸を地軸として赤道近傍を弾性表面波の周回経路１２とする。
【００３２】
導電性を付与したブラックタンタル酸リチウムやブラックニオブ酸リチウムは、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムと同様に、結晶球表面に１０本の弾性表面波の周回可能な経路を有しており、何れの経路を使用して球状弾性表面波素子を製作しても良い。
【００３３】
本発明の実施形態に使用する圧電性結晶基材１１は、温度が変わると、弾性表面波の周回速度が変わる、温度依存性を持った圧電性結晶基材であることが求められる。ブラックタンタル酸リチウムの場合、例えば約８０ｐｐｍ／度であり、正確に弾性表面波の周回速度から温度を計測できる。
【００３４】
すだれ状電極１３の周期は励起或いは検出する弾性表面波の周波数を決定することから、製作する周波数に応じた周期に電極を設計する。このすだれ状電極１３の設計方法は既知であり、ここでは説明を省略する。
【００３５】
上記基材１１は、球形基材のＺ軸を地軸として両極を切削、研磨して樽型形状とする。Ｚ軸シリンダー領域は幅０．８ｍｍにわたって球形表面を残している。加工方法は、製作した球形の水晶球を樹脂に埋め込み、樹脂ごと研磨を北極と南極側の両面について行って、その後に樹脂を溶解除去して樽型とする。
【００３６】
すだれ状電極１３は、少なくとも弾性表面波の周回経路１２の領域にアルミ薄膜（１０００Å）、あるいはクロム（５００Å）と金（１０００Å）の積層薄膜を真空成膜によって成膜後にフォトリソグラフィー方法に従ってパターン化して生成する。このすだれ状電極は２つの電極取り出し部１５，１５を有している。
【００３７】
しかる後に、上記切削研磨した領域にクロム（５００Å）と金（１０００Å）の積層薄膜によって形成した加熱用電極膜１４を表裏に真空蒸着方法に従って製膜する。
【００３８】
この実施形態において、球形状の３分の１以下の水晶基材の体積となり、熱容量も小さくなり、周回経路１２を挟んで位置する２つの平面に形成した加熱用電極膜１４，１４に加熱用電源１６から電圧を印加すると、弾性表面波の周回径路１２を挟む二つの面の間で電流が流れて結晶基材自体が発熱する。その際の弾性表面波素子１０の温度上昇を弾性表面波の周回速度の計測によって行うことができる。圧電性結晶球の比熱も小さく、より高速に加熱や冷却が行われ、もって周囲のガスとの熱の送受が圧電性結晶基材の温度に正確に反映する。つまり、周囲のガスの状況をより正確且つ高速に計測できる。
【００３９】
この実施形態では、すだれ状電極を単一に形成しているが、弾性表面波の送信用（励起用）と受信用に別個に製作することができる。
【００４０】
平面形状に切削した面に、加熱用配線を形成した本実施形態の断面を図２に示す。ここでは、加熱用電極膜１４，１４の対応する位置に金ワイヤを用いた加熱用配線１７が接合される。
【００４１】
上記実施形態の構成によれば、切削により形成された平面への電極形成であるため、加熱用電極への加熱用電源の結線も容易になる等の加工上のメリットを有している。
【００４２】
次に図３を参照して本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成を説明する。
【００４３】
この第２実施形態に係る球状弾性表面波素子は、上記第１実施形態で示した球状弾性表面波素子よりもさらに熱容量を小さくした加熱機能付球状弾性表面波素子を実現できる。
【００４４】
本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子２０は、貫通孔Ｈを有する樽型形状の基材（圧電性結晶基材）２１と、この基材２１の周回径路（弾性表面波の周回径路）２２上に形成されたすだれ状電極２３と、上記基材２１の貫通孔Ｈ周囲の平坦面に形成された加熱電極膜２４および弾性表面波励起検出用電極取り出し部２５とを具備して構成される。基材２１の平坦面に形成された一対の加熱電極膜２４、２４の間には加熱用電源２６から所定の電圧が印加される。
【００４５】
上記球状弾性表面波素子２０は、ここでは直径３．３ｍｍのブラックニオブ酸リチウム結晶球をもとに作製したものであって、Ｚ軸シリンダー経路近傍を０．７ｍｍの厚さを残して平坦面を両極に形成し、さらに、地軸に沿って貫通させている。貫通孔Ｈの直径は２ｍｍである。
【００４６】
この実施形態では、貫通孔Ｈを挟む平坦面の互いに対角をなす位置２箇所に加熱用電極膜２４，２４を形成する。球状弾性表面波素子として弾性表面波を励起検出するすだれ状電極２３の電極取り出し部２５も同様に平坦面に形成している。弾性表面波の例起用電気信号は数十メガヘルツ以上であり、一方、加熱用電力は、例えば直流電源であって、加熱用電源の信号がすだれ状電極２３に検出されても互いの周波数が全く異なることから、適切な周波数フィルターを用いることで完全に分離することができる。
【００４７】
貫通孔Ｈを挟む平坦面の互いに対向する位置（貫通孔Ｈの中心を通る線上の位置）に加熱用電極膜２４，２４を結線するのは、発熱を弾性表面波の周回経路にわたって均一にするためである。
【００４８】
貫通させる孔の大きさ（貫通孔Ｈの孔径）は大きい方が、より結晶基材の熱容量を小さくすることができるが、孔を大きくすると結晶基材そのものの剛性が弱くなり、加熱用の電力供給用の結線プロセスや、すだれ状電極２３との結線プロセスで結晶基材に圧力が掛かる方法であると結晶基材そのものの破壊に繋がる。さらに、弾性表面波の波長に比較して、例えば２０倍以上の厚さが弾性表面波の周回経路幅に亘ってないと、弾性表面波の伝搬自体を阻害することから問題が生じる。
【００４９】
また、直径から波長の４０倍の長さを引いた値の直径を持った貫通孔を空けた場合には、弾性表面波素子として動作しなくなる。周回経路の肉厚を薄くする限度については、弾性表面波の周波数や伝搬モード、結晶材料についても考慮して弾性表面波が伝搬可能な大きさに選べばよい。
【００５０】
上記した各実施形態では、それぞれ圧電性結晶球製作の段階で抵抗値を落としたブラックニオブ酸リチウムやブラックタンタル酸リチウムを使用したが、必要な発熱を得るために、さらに抵抗値を低下させて電流量を増やすことが望まれる。このような抵抗値の低下は熱処理条件を変えることでさらに可能であるが、すだれ状電極の箇所で抵抗値をあまりに低下させると弾性表面波を励起検出できなくなる。また弾性表面波の周回経路でも弾性表面波の伝搬に伴う減衰率が大きくなって長距離伝搬ができなくなり、結果的に温度計測が不正確になる。
【００５１】
この課題に対応する方法として、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶の状態で球状弾性表面波素子を構成し、しかる後に抵抗発熱部とする箇所にのみ加熱あるいは処理ガスを作用させる方法を採用してもよい。上記した第２実施形態におけるドーナツ形状の貫通孔断面にのみを抵抗低下処理を施すことで配線のない加熱領域を生成できる。
【符号の説明】
【００５２】
１０，２０…球状弾性表面波素子、１１，２１…基材（圧電性結晶基材）、１２，２２…周回径路（弾性表面波の周回径路）、１３，２３…すだれ状電極、１４，２４…加熱電極膜、１５，２５…弾性表面波励起検出用電極取り出し部、１６，２６…加熱用電源、１７…加熱用配線（金ワイヤ）、Ｈ…貫通孔。
【図１】
2012075003.tif 000003
【図２】
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【図３】
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