(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状の基体と、
前記基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する一対の櫛形電極と、
前記基体の中心を通る光学軸の両極点近傍に形成され、前記一対の櫛形電極の各々に接続された第１及び第２の入出力用電極と、
前記第１の入出力電極上に形成された外部端子と、
前記第２の入出力電極に対向して非接触で形成された外部電極とを備える球状弾性表面波素子。
【請求項２】
前記第２の入出力電極と前記外部電極との間に、柔軟性を有する導電性物質が充填されたことを特徴とする請求項１に記載の球状弾性表面波素子。
【請求項３】
前記基体が水晶よりも大きな電気機械結合係数を有する圧電性材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の球状弾性表面波素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の球状弾性表面波素子を備える環境差異検出装置。
【請求項５】
前記球状弾性表面波素子を複数備え、当該複数の球状弾性表面波素子の外部電極が共通であることを特徴とする請求項４に記載の環境差異検出装置。
【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し、特にセンサに用いる球状弾性表面波素子する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波（ＳＡＷ：surface acoustic wave）が、水晶、ランガサイト、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の圧電性材料の単結晶からなる球の表面を伝播する場合、周囲の水素濃度によりその伝播速度が変化することを利用した水素センサ（ボールＳＡＷセンサ）が知られている（特許文献１及び２参照）。上記球の表面に弾性表面波を励起すると、弾性表面波は、通常の波のように拡がらず、所定の光学軸回りの球の大円に沿った有限幅の円環状領域を、ほとんど減衰することなく、多数回周回する。この弾性表面波が球を周回する回数に比例して、上記伝播速度の変化が増幅されるため、ボールＳＡＷセンサは非常に高感度な水素センサである。
【０００３】
図３に弾性表面波素子の構成を簡単に示す。圧電性材料の単結晶からなる球形状の基体１１上に櫛形電極１２、感応膜１３、入出力用電極１４及び外部端子１５が形成されている。感応膜１３は、水素を吸蔵するＰｄ、Ｎｉ、Ｐｄ−Ｎｉ合金等からなる。水素を吸収した感応膜１３は硬くなり、感応膜１３上では、弾性表面波の伝播速度が速くなるため、水素センサとして利用できる。
【０００４】
ここで、櫛形電極１２、感応膜１３、入出力用電極１４及び外部端子１５は各々、基体１１上の所定の位置に形成される必要がある。具体的には、図８に示すように、基体１１の中心を通る光学軸１６を地軸とした場合、赤道上に櫛形電極１２及び感応膜１３が形成されている。また、光学軸１６の両極点には、入出力用電極１４が形成されている。そして、入出力用電極１４上であって、まさに光学軸１６の両極点の位置に外部端子１５が形成されている。なお、光学軸については、圧電結晶の種類によって称呼が異なる。例えば、水晶及びランガサイドではＺ軸と呼ばれ、一つである（一軸結晶）。またＬｉＮｂＯ３では光学軸が複数あることが分かっている（二軸結晶）。上記各構成要素の形成位置がずれるとボールＳＡＷセンサの感度が急激に低下するため、高い精度で形成することが要求される。
【特許文献１】特開２００３−１１５７４３号公報
【特許文献２】特開２００５−２９１９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、直径０．３ｍｍのピン状の外部端子１５を、直径１ｍｍの球状の基体１１の２つの極点に正確に接着する必要がある。この接着作業は、観察しながら位置合わせせざるを得ず、長時間を要していた。特に、２本目の外部端子１５の接着は、片側の外部端子１５が接着された状態で行うため、極めて困難な作業であった。すなわち、従来の球状弾性表面波素子は、生産性に劣っていた。
【０００６】
本発明は、生産性に優れる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】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る球状弾性表面波素子は、球状の基体と、前記基体の表面を周回する弾性表面波を励起するとともに周回した当該弾性表面波を受信する一対の櫛形電極と、前記基体の中心を通る光学軸の両極点近傍に形成され、前記一対の櫛形電極の各々に接続された第１及び第２の入出力用電極と、前記第１の入出力電極上に形成された外部端子と、前記第２の入出力電極に対向して非接触で形成された外部電極とを備えるものである。
【０００８】
本発明の態様２に係る球状弾性表面波素子は、上記第１の態様において、前記第２の入出力電極と前記外部電極との間に、柔軟性を有する導電性物質が充填されたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の態様３に係る球状弾性表面波素子は、上記発明の態様において、前記基体が水晶よりも大きな電気機械結合係数を有する圧電性材料からなることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の態様４に係る環境差異検出装置は、上記発明の態様の球状弾性表面波素子を備えるものである。
【００１１】
本発明の態様５に係る環境差異検出装置は、上記第４の態様において、前記球状弾性表面波素子を複数備え、当該複数の球状弾性表面波素子の外部電極が共通であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、生産性に優れる球状弾性表面波素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化されている。
【００１４】
実施の形態１
図１を用いて、本発明の実施の形態に係る水素センサについて説明する。図１は実施の形態に係る水素センサの構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る水素センサ１００は、図１に示すように、球状弾性表面波素子１１０、発信機１２０、インピーダンスマッチング回路１３０、高周波アンプ１４０、デジタルオシロスコープ１５０、濃度信号生成部１６０を備える。また、球状弾性表面波素子１１０は、基体１１１、櫛形電極１１２、感応膜１１３、入出力用電極１１４、外部端子１１５、外部電極１１６を備える。
【００１５】
基体１１１は、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の圧電性材料の単結晶からなり、球形状に形成されている。球の直径は１ｍｍ程度が好ましい。基体１１１の表面に弾性表面波を励起すると、この弾性表面波は、所定の光学軸回りの球の大円に沿って伝播する。球の弾性表面波は、通常の波のように拡がらず、上記大円に沿った有限幅の円環状領域を、ほとんど減衰することなく、多数回周回する。ここで、基体１１１を構成する材料としては、電気機械結合係数の大きいものほど、発信する弾性表面波が高強度となるため、好ましい。
【００１６】
櫛形電極１１２は、基体１１１上に形成されており、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等の金属からなる。櫛歯が向き合い、かつ、互い違いになるように形成された一対の電極である。櫛形電極１１２は、例えば、真空蒸着、スパッタリング等により基体１１１上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成することができる。櫛形電極１１２に電気信号を入力すると、弾性表面波が励起される。また、櫛形電極１１２は、基体１１１の表面を周回した弾性表面波を受信し、信号を発生する。すなわち、櫛形電極１１２は、本発明に係る水素センサにおける弾性表面波励起部兼受信部に該当する。
【００１７】
感応膜１１３は、基体１１１上における弾性表面波の周回経路の少なくとも一部に形成されている。感応膜１１３は、水素を吸蔵するＰｄ、Ｎｉ又はＰｄ−Ｎｉ合金層からなる。感応膜１１３は、例えば、感応膜１１３形成部分以外をマスクした状態で真空蒸着、スパッタリング等を行うことにより基体１１１上に形成することができる。感応膜１１３上において水蒸気が酸素と水素に分解し、この水素が感応膜１１３中に吸収される。水素を吸収した感応膜１１３は硬くなるため、感応膜１１３上では、弾性表面波の伝播速度が速くなる。従って、水素濃度が高いほど弾性表面波の伝播速度が速くなり、一方、水素濃度が低いほど弾性表面波の伝播速度が遅くなる。感応膜１１３は、水素濃度に応じて、可逆的に水素を吸収、放出する。そのため、弾性表面波の伝播速度を測定することにより、水素濃度を測定することができる。
【００１８】
入出力用電極１１４も、櫛形電極１１２と同様に、基体１１１上に形成されており、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等の金属からなる。入出力用電極１１４も、例えば、真空蒸着、スパッタリング等により基体１１１上に金属膜を形成した後、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより形成することができる。入出力用電極１１４は２つ形成されており、各々一対の電極からなる櫛形電極１１２の片方に接続されている。また、一方の入出力用電極１１４上には、外部端子１１５が形成されている。他方の入出力用電極１１４上には、外部端子は形成されておらず、代わりに非接触の外部電極１１６が形成されている。
【００１９】
外部端子１１５は、一方の入出力用電極１１４上であって、基体１１１の光学軸の極点に接触して形成されている。外部端子１１５は、例えば、直径０．３ｍｍのピン状の端子である。外部端子１１５は、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等の金属からなる。外部端子１１５は、導電性接着剤を用いて、基体１１１の光学軸の極点近傍に正確に接着される。
【００２０】
外部電極１１６は、外部端子１１５が形成された一方の入出力用電極１１４ではなく、もう一方の入出力用電極１１４に対向して非接触で形成された電極である。外部電極１１６は、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ等からなる金属板である。すなわち、外部電極１１６と入出力用電極１１４とがコンデンサを形成している。例えば、直径１ｍｍの水晶球を基体１１１とした場合、外部電極１１６と入出力用電極１１４との間隔を約１０μｍとすることにより、両極点に外部端子１１５を形成した従来の素子の３０％程度の強度の弾性表面波を励起することができる。３０％程度の強度が得られれば、センサとして十分使用することができる。
【００２１】
ここで、平行板コンデンサの場合、コンデンサの容量ＣはＣ＝ε０・εr・Ｓ／ｄで表され（ただし、ε０は真空の誘電率、εrは物質の比誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離）で表される。空気の比誘電率は約１．０であるため、入出力電極１１４と外部電極１１６が非接触であっても空気を媒介として弾性波を励起することができる。
【００２２】
また、上述の通り、圧電材料の種類により電極間に加えた電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する効率を表す定数（電気機械結合係数）が異なる。そのため、電気機械結合係数が水晶よりも大きな材料を選択すれば、少ない電位差でも弾性表面波を発生させることが可能である。すなわち、水晶と同程度の弾性表面波の強度を得ることを条件とすれば、水晶の場合に比べてさらに電極間距離ｄを大きくとることができる。
【００２３】
さらに、外部電極１１６と入出力用電極１１４との間に柔軟性を有する導電性物質を充填してもよい。コンデンサの容量Ｃは前述の式より電極間物質の比誘電率εrに比例するため、空気よりも比誘電率の大きな物質を充填することでより高強度の弾性波を励起することができる。導電性物質として、プロピレンカーボネート、シリコーンゴム、ウレタンゴム等を用いることができる。
【００２４】
上述のように、本発明に係る球状弾性表面波素子では、一方の入出力用電極１１４上に外部端子１１５を形成する必要がない。そのため、製造工程が簡略化され、生産性に優れた球状弾性表面波素子を提供することができる。従来の球状弾性表面波素子では、２本目の外部端子１１５の形成が極めて困難であった。そのため、生産性に劣っていた。
【００２５】
次に、図１を用いて、本発明の実施の形態に係る水素センサの動作について説明する。まず、発信機１２０から出力された信号は、インピーダンスマッチング回路１３０、外部端子１１５、外部電極１１６及び入出力用電極１１４を介し、櫛形電極１１２に入力される。櫛形電極１１２に入力された信号により、弾性表面波が基体１１１の表面に励起される。この弾性表面波は、上述の通り、所定の光学軸回りの球の大円に沿った周回経路上を、ほとんど減衰することなく多数回周回する。
【００２６】
周回する弾性表面波は、櫛形電極１１２により受信され、これにより発生した信号が、入出力用電極１１４、インピーダンスマッチング回路１３０を介し、高周波アンプ１４０に入力される。高周波アンプ１４０において増幅された信号がデジタルオシロスコープ１５０に入力される。弾性表面波の周回経路上には感応膜１１４が形成されており、上述の通り、感応膜１１４は周囲の水素濃度により硬さが変化する。そのため、弾性表面波の伝播速度が変化する。この伝播速度の変化を、デジタルオシロスコープ１５０において出力される信号の位相のずれすなわち遅延時間として知ることができる。デジタルオシロスコープ１５０から出力された信号は、その信号に基づいて水素濃度信号を生成する濃度信号生成部１６０に入力される。最終的に、濃度信号生成部１６０から水素濃度信号が出力される。
【００２７】
実施の形態２
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、複数の基体１１１が同一平面上に配置されている。そして、図２（ｂ）に示すように、外部電極１１６が共通となっている。また、各素子の外部端子１１５は互いに平行になるように配置されている。それ以外の構成は実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。
【００２８】
球状弾性表面波素子を匂いセンサやエレクトリックノーズなどに応用する場合、多数の球状弾性表面波素子を実装する必要がある。ここで、両側に複数の外部電極を接続すると配線の取り回しの影響で構造の自由度が阻害されるだけでなく、複数の電極の傾きや長さ等を厳密に調整する必要があった。本発明に係る球状弾性表面波素子を用いることにより、このような問題点を解決することができる。そして、多数の球状弾性表面波素子を高密度で実装することができる。また水素センサや匂いセンサを含め、圧力センサや露点センサ等の環境差異検出装置としても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施の形態１に係る水素センサの構成を示す模式図である。
【図２】実施の形態２に係る水素センサの構成を示す模式図である。
【図３】従来の水素センサの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３０】
１００  水素センサ
１１０  弾性表面波素子
１１１  基体
１１２  櫛形電極
１１３  感応膜
１１４  入出力用電極
１１５  外部端子
１１６  外部電極
１２０  発信機
１３０  インピーダンスマッチング回路
１４０  高周波アンプ
１５０  デジタルオシロスコープ
１６０  濃度信号生成部
【図１】
0005000473.tif 000002
【図２】
0005000473.tif 000003
【図３】
0005000473.tif 000004