(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面の一部で形成され最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域を含んでおり、前記表面領域には弾性表面波が励起され励起された弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い周回させる三方晶系の圧電性単結晶基材と、そして
前記三方晶系の圧電性単結晶基材の上記表面領域に弾性表面波を励起させ、励起させた弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い伝搬させる電気音響変換素子と、
を備えていて、
前記圧電性単結晶基材の前記表面領域において前記電気音響変換素子の中心が、前記球面の中心を通り前記圧電性単結晶基材のＺ軸と直交する平面と前記球面との交線と、異なる位置に配置されていて、多重周回する前記弾性表面波の強度の減衰が指数関数的な減衰とよく一致する、
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最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域を含んでおり、前記表面領域には弾性表面波が励起され励起された弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い周回させる三方晶系の圧電性単結晶基材と、そして
前記三方晶系の圧電性単結晶基材の上記表面領域に弾性表面波を励起させ、励起させた弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い伝搬させる電気音響変換素子と、
を備えていて、
前記圧電性単結晶基材の前記表面領域において前記電気音響変換素子の中心が、前記球面の中心を通り前記圧電性単結晶基材のＺ軸と直交する平面と前記球面との交線上にあって、前記弾性表面波の音速が最も高い位置に配置されていて、多重周回する前記弾性表面波の強度の減衰が指数関数的な減衰とよく一致する、
ことを特徴とする球状弾性表面波素子。
【請求項３】
前記弾性表面波の波面が、前記球面の中心を通る前記Z軸を地軸としたときの前記表面領域の経線と平行であることを特徴とする請求項１または請求項２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、球状弾性表面波素子に関係している。
【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の上記表面上の相互に離れた２つの位置に例えばすだれ状電極の如き高周波励起／高周波受信手段を設けた弾性表面波素子が知られている。
【０００３】
この従来の弾性表面波素子においては、一方の高周波励起/高周波受信手段に高周波電流を供給すると一方の高周波励起／高周波受信手段が弾性表面波（Surface Acoustic Wave；ＳＡＷ）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。そして他方の高周波励起／高周波受信手段は上記表面上で一方の高周波励起／高周波受信手段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。高周波励起／高周波受信手段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出来、異方性材料の表面にも存在しえる。
【０００５】
このような従来の弾性表面波素子は、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。
【０００６】
すだれ状電極が励起させた直後の弾性表面波の幅（弾性表面波の伝搬方向に対し直交する方向の寸法）は、すだれ状電極の複数の電極指において隣接する２つの電極指が対面している長さに等しい。
【０００７】
しかしながら、弾性表面波が伝搬する基板の表面が平坦である上述した如き従来の弾性表面波素子では、一方の高周波励起／高周波受信手段により励起され一方の高周波励起／高周波受信手段から伝搬された弾性表面波は、一方の高周波励起／高周波受信手段から遠ざかるにつれてその幅方向に拡散し続けそれが有しているエネルギーを弱めている。従って、弾性表面波励起用の高周波励起／高周波受信手段と弾性表面波受信用の高周波励起／高周波受信手段とを離して配置することが出来る距離には限界があり、この結果として、上述した如き従来の弾性表面波素子を利用した上述した如き種々の装置の動作精度の向上には限界があった。
【０００８】
このような従来の弾性表面波素子に対し、本願の発明者の一人である山中を含む数人の研究者グループは、弾性表面波を励起させ伝搬させることが可能な球状表面を有した基材の上記球状表面において所定の条件で弾性表面波を励起させ伝搬させることで、励起された弾性表面波を伝搬方向と交差する方向に拡散させ続けることなく上記球状表面の最大径の外周線に沿い多数回周回させることが出来ることを発見し、電子情報通信学会技術研究報告（Technical Report of Institute of Electronics, Information and Communication Engineers）US2000 巻14号（2000）のp.49（非特許文献１）に発表した。
【０００９】
また本願の発明者の一人である山中を含む複数の発明者は、上述した研究発表を基にして、実用化可能な球状弾性表面波素子を発明し、その内容は国際公開ＷＯ  ０１／４５２５５  号公報（特許文献１）により公開されている。この実用化可能な球状弾性表面波素子では、弾性表面波を励起させ伝搬方向と交差する方向に無限に拡散することなく伝搬させ周回させることが可能な最大径の外周線を含む球状表面の一部で構成された円環形状の表面領域を外表面に備えた球形状または円盤形状の基材の上記表面領域に、高周波励起／高周波受信手段としてすだれ状電極が設置され、また上記基材の外表面において上記表面領域以外（即ち、弾性表面波が全く伝搬されない領域）が支持部材により支持されている。そして、このような球状弾性表面波素子をボールＳＡＷデバイスとも称している。
【００１０】
球状弾性表面波素子では、基材の外表面において最大径の外周線を含む球状表面の一部で構成された円環形状の表面領域を弾性表面波がその伝搬方向と交差する方向に拡散し続けることなく（即ち、エネルギーを損失させ続けることなく）多数回周回可能である。従って、上述した如き従来の弾性表面波素子を利用した上述した如き種々の装置に比べ、上述した如き従来の弾性表面波素子に代わり球状弾性表面波素子を利用した上述した如き種々の装置は、さらに飛躍的に動作精度を向上させることが可能である。
【非特許文献１】電子情報通信学会技術研究報告（Technical Report of Institute of Electronics, Information and Communication Engineers）US2000 巻14号（2000）
【特許文献１】国際公開ＷＯ  ０１／４５２５５  号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このような球状弾性表面波素子において基材として最も安価に大量に調達可能な、例えば水晶を含む圧電性単結晶を使用した場合には、各球状弾性表面波素子間で、僅かではあるが弾性表面波の強度や減衰定数に個体差があることが分っている。そして、基材の円環形状の表面領域を伝搬する弾性表面波に生じる減衰が多数回周回を重ねるにつれて指数関数的な減衰から僅かにずれていくことがわかっている。このことは、基材の円環形状の表面領域を伝搬する弾性表面波を指数関数的に減衰させることが出来れば、球状弾性表面波素子を利用した上述した如き種々の装置の動作精度をさらに向上させることが出来ることを意味している。
【００１２】
この発明は上記事情の下でなされ、この発明の目的は、球状弾性表面波素子において基材として圧電性単結晶を使用した場合でも、基材の円環形状の表面領域を周回する弾性表面波を指数関数的に減衰させることが出来、従来に比べ球状弾性表面波素子を利用した種々の装置の動作精度をさらに向上させることが出来る球状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】
【００１３】
上述したこの発明の目的を達成するために、この発明に従った球状弾性表面波素子は、
球面の一部で形成され最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域を含んでおり、前記表面領域には弾性表面波が励起され励起された弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い周回させる三方晶系の圧電性単結晶基材と、そして
前記三方晶系の圧電性単結晶基材の上記表面領域に弾性表面波を励起させ、励起させた弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い伝搬させる電気音響変換素子と、
を備えていて、
前記圧電性単結晶基材の前記表面領域において前記電気音響変換素子の中心が、前記球面の中心を通り前記圧電性単結晶基材のＺ軸と直交する平面と前記球面との交線と、異なる位置に配置されているか、または、
前記圧電性単結晶基材の前記表面領域において前記電気音響変換素子の中心が、前記球面の中心を通り前記圧電性単結晶基材のＺ軸と直交する平面と前記球面との交線上にあって、前記弾性表面波の音速が最も高い位置に配置されていることによって、
多重周回する前記弾性表面波の強度の減衰が指数関数的な減衰とよく一致することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
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球状弾性表面波素子によれば、球状弾性表面波素子において基材として圧電性単結晶を使用した場合でも、基材の円環形状の表面領域を周回する弾性表面波を指数関数的に減衰させることが出来、従来に比べ球状弾性表面波素子を利用した種々の装置の動作精度をさらに向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本願の発明者等は、基材として最も安価に大量に調達可能な、例えば水晶を含む圧電性単結晶を使用した場合には、各球状弾性表面波素子間で、僅かではあるが弾性表面波の強度や減衰定数や周回速度に個体差があることの原因として、例えば水晶を含む圧電性単結晶の多くは異方性を有していることに注目し、以下に示す種々の実験を行った。その結果としてこのような基材の外表面において弾性表面波を周回させることが出来る所定の円環形状の表面領域（基材の結晶面が基材の球形状の外表面と交差する円環形状の線に沿った基材の外表面の表面領域）では、その幾つかの周方向位置で上記異方性の影響により上記表面領域を伝搬する弾性表面波の音速や電気機械結合定数やパワーフローアングルが異なり、弾性表面波の伝搬に影響を与える。
【００１６】
この実験では、図１中に図示されている如く、水晶により直径１０ｍｍの球状に形成された基材１をそのＺ軸を地球の地軸に見立ててＺ軸の回りに３６０°回転させ、複数の回転角度毎（１５°毎）に回転を停止させている間に電気音響変換素子としてのすだれ状電極２を基材１の赤道上の複数の回転角度位置に接近させて弾性表面波を上記赤道上に励起させ上記赤道に沿い伝搬させた時の経過時間に伴う弾性表面波の減衰傾向を測定し、さらに、すだれ状電極２を基材１を地球に見立てた時の南北の複数の緯度（＋−１．５°及び３°）で基材１の赤道上の複数の回転角度位置（１５°毎）に接近させて弾性表面波を上記赤道上に励起させ上記赤道に沿い伝搬させた時の経過時間に伴う弾性表面波の減衰傾向を１００周分測定した。
【００１７】
なお水晶において、基材１の外表面において弾性表面波を周回させることが出来る所定の円環形状の表面領域は、基材１の結晶面が基材の球形状の外表面と交差する円環形状の線に沿った基材１の外表面の表面領域であり、上記円環形状の線は基材１を地球に見立てた時の赤道である。
【００１８】
そして、基材１は、上記表面領域には含まれない基材１を地球に見立てた時の南極の地軸中心を、−Ｚ軸と同軸で−Ｚ軸方向に延びる回転中心軸３により支持されていて、回転中心軸３は図示しない公知の回転装置により所望の回転角度で回転可能である。
【００１９】
その測定結果を、以下の表１，表２，表３，表４，表５，表６，表７，表８，表９，表１０，表１１，そして表１２に示す。
【表１】
0005093593.tif 000002
【００２０】
【表２】
0005093593.tif 000003
【００２１】
【表３】
0005093593.tif 000004
【００２２】
【表４】
0005093593.tif 000005
【００２３】
【表５】
0005093593.tif 000006
【００２４】
【表６】
0005093593.tif 000007
【００２５】
【表７】
0005093593.tif 000008
【００２６】
【表８】
0005093593.tif 000009
【００２７】
【表９】
0005093593.tif 000010
【００２８】
【表１０】
0005093593.tif 000011
【００２９】
【表１１】
0005093593.tif 000012
【００３０】
【表１２】
0005093593.tif 000013
【００３１】
これらの表において、水晶により球状に形成された基材を赤道に沿い周回する弾性表面波の減衰が良好な指数関数的に行われる経度（即ち、赤道上の回転角度）と緯度との組み合わせ位置に丸印が付されている。
【００３２】
そして、経度の１２０°毎の周期で南北の緯度の３°の範囲内を、多重周回する弾性表面波の強度の減衰が指数関数的な減衰とよく一致する経度（即ち、赤道上の回転角度）と緯度との組み合わせ位置（丸印が付されている）が正弦的に蛇行するように分布していることが分る。このことは、水晶により球状に形成された基材において、すだれ状電極の中心を赤道上に接近させた場合に、多重周回する弾性表面波の強度の減衰が指数関数的な減衰とよく一致するわけではないことを意味している。
【００３３】
この実験結果は、水晶が有するパワーフローアングルや三方晶系の異方性とよく一致していることが分る。
【００３４】
従って、球面の一部で形成され最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域を含んでおり、前記表面領域には弾性表面波が励起され励起された弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い周回させる三方晶系の圧電性単結晶基材と、そして
前記三方晶系の圧電性単結晶基材の上記表面領域に弾性表面波を励起させ、励起させた弾性表面波を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い伝搬させる電気音響変換素子と、
を備えていて、
前記圧電性単結晶基材の前記表面領域において前記電気音響変換素子の中心が、前記球面の中心を通り前記Ｚ軸と直交する平面と前記球面との交線と、異なる位置に配置されていることにより、基材の円環形状の表面領域を伝搬する弾性表面波を、多重周回するとともに指数関数的に減衰させることが出来、従来に比べ球状弾性表面波素子を利用した種々の装置の動作精度を向上させることが出来る。
【００３５】
次に、図２を参照しながら本発明の一実施の形態に係る球状弾性表面波素子を用いた測定機を説明する。
【００３６】
球状弾性表面波素子１１は、球面の一部で形成され最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域１２を含んでおり、上記表面領域１２には弾性表面波１４が励起可能であり励起された弾性表面波１４を上記表面領域の円環状の延出方向に沿い周回させることが可能である。例えば水晶のような圧電性単結晶の基材１３を備えている。この実施の形態では、基材１３は球形状であるが、上記表面領域１２以外の部分を削除した形状とすることも出来る。
【００３７】
基材１３は、上記表面領域１２には含まれない基材１３を地球に見立てた時の南極の地軸中心を、−Ｚ軸と同軸で−Ｚ軸方向に延びる支柱ＳＣにより図示しない台座に支持されている。
【００３８】
水晶の場合、基材１３の外表面において弾性表面波１４を周回させることが出来る所定の円環形状の表面領域１２は、基材１３の結晶面が基材１３の球形状の外表面と交差する円環形状の線に沿った基材１３の外表面の表面領域であり、従って基材１３を地球に見立てて基材１３のＺ軸を地軸とした場合の上記円環形状の線は赤道となる。
【００３９】
球状弾性表面波素子１１はさらに、圧電性単結晶の基材１３の上記表面領域１２に弾性表面波１４を励起させ、励起させた弾性表面波１４を上記表面領域１２の円環状の延出方向に沿い伝搬させる電気音響変換素子１５を備えている。この実施の形態では、電気音響変換素子１５は高周波励起／高周波受信・手段の一種であるすだれ状電極を含み、上記表面領域１２上に後述する如く設けられている。
【００４０】
電気音響変換素子１５には、切り替え部１７を介して、高周波信号発生部１６、そしてアンプ１８及び検出・出力部１９の組み合わせが電気的に接続されている。高周波信号発生部１６は、切り替え部１７を介して電位音響変換素子１５に高周波信号を極短時間投入することにより、圧電性単結晶の基材１３の上記表面領域１２に弾性表面波１４を励起して伝搬させることが出来る。その後、切り替え部１７はアンプ１８及び検出・出力部１９の組み合わせの側に切り替えられ、電気音響変換素子１５が上記表面領域１２に沿い伝搬し周回してきて受信した弾性表面波１４に対応する高周波信号が切り替え部１７を介してアンプ１８及び検出・出力部１９の組み合わせに送られる。
【００４１】
なお、基材１３に用いることのできる圧電性結晶として水晶のほかにニオブ酸リチウム（LiNbO3）やタンタル酸リチウム（LiTaO3）等を例示することができる。水晶以外の圧電性結晶により基材１３を形成した場合でも、基材１３の外表面において弾性表面波を周回させることが出来る所定の円環形状の表面領域１２は、基材１３の結晶面が基材１３の球形状の外表面と交差する円環形状の線に沿った基材１３の外表面の表面領域となる。
【００４２】
なお、切り替え部１７に代わり、高周波信号発生部１６から電気音響変換素子１５へのみ一方向に高周波信号を送信する、及び電気音響変換素子１５において受信した弾性表面波１４から変換された高周波信号を検出・出力部１９へのみ送信する、公知の方向性結合回路等を使用することも出来る。
【００４３】
球状弾性表面波素子１１を、ガスセンサとして用いる場合、特定のガスに感応する感応膜２０を上記表面領域１２に設ける。感応膜２０は、例えば、特定のガスをその表面に吸着させることにより増加したその質量の量に応じて上記表面領域１２を伝搬する弾性表面波の伝搬速度を遅くさせても良いし、或いは、特定のガスを感応膜２０内に吸蔵し、その吸蔵量に応じてその薄膜の機械的堅さを変化させることにより、上記表面領域１２を伝搬する弾性表面波の伝搬速度や減衰率を変化させても良い。更には、特定のガスと反応することにより反応した特定のガスの量に応じて吸熱或いは発熱反応を起こし、吸熱或いは発熱反応の量に応じて上記表面領域１２を伝搬する弾性表面波の伝搬速度を変化させても良い。感応膜２０は、可逆反応を起こす材料であることが望ましい。
【００４４】
例えば、この様な感応膜２０として、水素（Ｈ２）を吸蔵し、水素化物を形成して機械的性質が変化するパラジウム（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）、二酸化炭素（ＣＯ２）、二酸化硫黄（ＳＯ２）、二酸化窒素（ＮＯ２）等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。
【００４５】
ここで基材１３に用いる圧電性結晶の多くは異方性をもち、表面領域１２内の位置によって弾性表面波１４の音速、電気機械結合定数、そしてパワーフローアングルが異なる。ここで、前述した如く、表面領域１２において、電気音響変換素子１５を配置する所定の領域２１は円とならないことがわかった。そして、表面領域１２において所定の領域２１から外れた場所に電気音響変換素子１５が配置されると、弾性表面波１４は表面領域１２内を周回するが強度が指数関数的に減衰しない。
【００４６】
そして水晶による圧電性結晶により形成された基材１３において表面領域１２における電気音響変換素子１５を配置する所定の領域２１は、水晶を地球とした場合の赤道に沿った経度の１２０°毎に水晶を地球とした場合の緯度において南北に１°乃至３°の範囲内で正弦的に蛇行した配置となっている。
【００４７】
電気音響変換素子１５の中心を、表面領域１２内において、蛇行した配置となる所定の領域２１の、赤道と異なる位置におき、好ましくは電気音響変換素子１５からの弾性表面波１４の伝搬方向を蛇行する所定の領域２１の延出方向と一致させることで、弾性表面波１４を良好に指数関数的に減衰させることができるようになる。それによって、球状弾性表面波素子１１を使用した上述したガスセンサを含む種々の装置の動作精度をさらに高めることができる。
【００４８】
また、蛇行した配置となる所定の領域２１が赤道と交差する位置は、赤道各位置において弾性表面波１４の音速が最も高くなる位置であることが、表１乃至表１２の測定結果からわかっている。そのため、電気音響変換素子１５の中心を、表面領域１２内において、蛇行した配置となる所定の領域２１が、赤道各位置において弾性表面波の音速が最も高くなる位置と交差する位置におき、好ましくは電気音響変換素子１５からの弾性表面波１４の伝搬方向を蛇行する所定の領域２１の延出方向と一致させることで、弾性表面波１４が多重周回するとともに、指数関数的な減衰と一致して減衰させることができるようになる。この際、弾性表面波１４の波面は、水晶のＺ軸を地球の地軸に見立てた時の経線と平行となるように配置することで実現する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】水晶による圧電性結晶により形成された球状基材における弾性表面波の経過時間に伴う弾性表面波の減衰傾向を、基材をそのＺ軸を地球の地軸に見たててＺ軸の回りに３６０°回転させている間に複数の回転角度毎（１５°毎）に南北の＋−１．５°と＋−３°の位置で測定する為の実験装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施の形態にかかわる球状弾性表面波素子を用いた測定機を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…基材
２…すだれ状電極
３…回転中心軸
１１…球状弾性表面波素子
１２…表面領域
１３…基材
１４…弾性表面波
ＳＣ…支柱
１５…電機音響変換素子
１６…高周波信号発生部
１７…切り替え部
１８…アンプ
１９…検出・出力部
２０…感応部
２１…所定の領域
【図１】
0005093593.tif 000014
【図２】
0005093593.tif 000015