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JP3974766B2 - Surface acoustic wave device - Google Patents
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JP3974766B2 - Surface acoustic wave device - Google Patents

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面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。
【0003】
従来の弾性表面波素子では平坦な基材上に1対の櫛形電極が設けられている。基材が圧電性材料で形成されているか、又は櫛形電極と基板の間には圧電体が設けられており、一方の櫛形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。他方の櫛形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。
【0004】
弾性表面波素子は、遅延線、発信機のための発振素子若しくは共振素子、周波数を選択するためのフィルタ、化学センサ、バイオセンサ、又はリモートタグ等に使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
弾性表面波素子の精度を高める方法として、球状の基材の表面に弾性表面波を伝搬させて基材を多数回周回させるものが知られている。このとき、弾性表面波は拡散せずに長い距離伝搬するが、基材の表面に電界を印加するために櫛形電極などを形成する必要がある。この場合、特に0.5mmよりも小さなパターンを形成するためには、フォトリソグラフィーの手法を採用しなくてはならず、工数が増えることにより高価なものになる。
【0006】
また、基材の表面に金属などの電極を直接に形成すると、基材の表面を周回する弾性表面波がこの電極によって反射されるなどして周回数が増える度に急激にその強度を小さくする。このため、例えば30回周回するのに必要な時間を測定して評価を行う用途のような場合に、20回程度で減衰や拡散によって消失してしまい、十分な精度での評価ができない。
【0007】
この発明はこのような事情の下でなされ、本発明の目的は、極めて多い回数の弾性表面波の周回を実現することで高い精度の信号処理や評価ができる弾性表面波素子を提供することである
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる弾性表面波素子は、
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円環状表面を有しており、圧電性材料で形成されている基材と、
円環状表面と間隔を置いて対向しており、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
を備えていて、
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櫛形電極を含んでおり、
前記櫛形電極と円環状表面との間隔が、この櫛形電極の電極周期の1/4以下である、
ことを特徴とする
【0009】
本発明の請求項2に係わる弾性表面波素子では、前記基材は、水晶の単結晶、LiNbOの単結晶およびLiTaOの単結晶からなる群から選択される単結晶で形成されている。
【0010】
本発明の請求項3に係わる弾性表面波素子では、前記弾性表面波励起手段により励起される弾性表面波の波長が、基材の球面の半径の1/10以下である。
【0013】
本発明の請求項に係わる弾性表面波素子では、前記櫛形電極の重なり幅は、前記基材の球面の直径の半分以下でこの球面の半径の1/100以上である。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1ないし図12を参照して、本発明の実施の形態に係わる弾性表面波素子を説明する。先ず、本発明の第1の実施の形態の弾性表面波素子を説明する。図1は弾性表面波素子の構成を示す斜視図である。弾性表面波素子は単結晶の水晶で形成されている球状の基材110を有している。本実施の形態では水晶の単結晶を用いているが、LiNbOの単結晶、LiTaOの単結晶等の圧電性材料の単結晶を用いてもよい。基材110は溶融石英で形成されている基台121に保持されている。基台121には基材110の球面の一部に適合する凹部122が設けられている。凹部122は基材110を透視して示されている。基材110は凹部122に嵌合している。本実施の形態では、基材110の半径及び凹部122の曲率半径はともに5mmである。しかしながら、基材110の寸法はこれに限定されない。
【0018】
凹部122にはハッチングで示されている櫛形電極123が基材110の表面に沿って設けられている。櫛形電極123は基台121の表面に積層された厚さ500Åのクロムの層と、クロムの層の上に積層された厚さ1500Åの金の層とを有している。これらの層は熱蒸着により形成され、その後フォトリソグラフィーにより1対の櫛形パターンが形成されるようにパターニングされている。基材110の表面には櫛形パターンの他に、櫛形パターンに接続される、電界を発生させるための回路等(図示せず)が形成される。櫛形電極123にはこのような回路等が含まれている。
【0019】
櫛形電極123はその他の形成方法により形成されてもよい。例えば、導電性の箔を櫛形に切り抜きこれを凹部122に貼り付けてもよい。また、印刷、スパッタリング、ゾルゲル法等を用いてもよい。櫛形電極123にはインピーダンスマッチング回路124とサーキュレータ125とを介して、高周波電源を有している発信器126に接続されている。櫛形電極123は弾性表面波励起手段として用いられている。
【0020】
水晶の基材110の表面には樹脂薄膜が形成されている。樹脂薄膜はレジスト薄膜パターンをフォトレジスト工程で作成して硬膜化処理を行って形成されている。
【0021】
櫛形電極123に電圧を印加すると、櫛形電極123は電界を発生する。この電界は、樹脂薄膜を通過し、凹部122に対向している基材110の表面に印加される。
【0022】
ところで、基台121に凹部122が設けられておらず、平板状の基台に櫛形電極が形成され、これらが基材110に対向している場合は、電界は基材110の表面の比較的狭い領域にしか印加されない。これに対して、本実施の形態のように凹部122が設けられていれば基材110の比較的広い領域に電界を印加できる。
【0023】
基材110を形成している水晶の結晶は圧電性材料である。基材110の表面に電界が印加されると、基材110の表面が圧電効果により振動し、基材110の表面に所定のモードの弾性表面波が励起される。櫛形電極123を用いた弾性表面波励起手段は比較的高い効率でかつ特定の方向に弾性表面波を励起することができる。
【0024】
本明細書では、単結晶の基材の表面にエネルギーを集中させて伝搬する弾性波を弾性表面波と総称している。単結晶の基材からエネルギーを放出しながら伝播する漏洩弾性表面波や、SH(シェアーホリゾンタル)波や、ラテラル波と呼ばれる弾性波も含まれる。
【0025】
励起された弾性表面波は円環状に連続している基材110の円環状表面111に沿って伝搬する。弾性表面波は基材110の表面を周回する。弾性表面波励起手段、本実施の形態では櫛形電極123は、円環状表面111と間隔を置いて対向しており、円環状表面111に沿って設けられている。櫛形電極123と円環状表面111との間には微小な樹脂粒子が散在させられており、櫛形電極123と円環状表面111とが直接接することがない。このため、基材110の表面を周回する弾性表面波は櫛形電極により散乱されることが少ない。
【0026】
基材の表面に直接櫛形電極が形成されている場合、基材の表面に励起された弾性表面波は櫛形電極により反射されたり散乱されたりする。本実施の形態ではこのようなことがない。
【0027】
所定の条件が揃った場合、樹脂薄膜を導波管として弾性波が励起される場合がある。このようなモードの弾性波も本実施の形態の弾性表面波に含まれる。
【0028】
発明者らの実験により、櫛形電極が基材の表面に接していないため十分な強度で弾性表面波を励起できるだけでなく、接している場合よりも極めて多数回の周回を実現できることが分かっており、このような特性は各種センサへの応用上、極めて好都合である。
【0029】
弾性表面波励起手段と円環状表面111との間隔は、電界を圧電性材料である水晶の基材110に及ぼすことができるならば、弾性表面波励起手段により励起される弾性表面波の波長の1/4以下であることが好ましい。この間隔が波長の1/4を超えると、櫛形電極の電圧勾配に基づく、基材の表面の電界強度の振幅がなだらかになり、励起される弾性表面波の強度が著しく弱くなることが確かめられている。
【0030】
後述するように、所定の条件下では弾性表面波の波長は櫛形電極123の電極周期に一般にはほぼ等しい。この事実を用いると、上記間隔と波長の関係を、櫛形電極123と円環状表面111との間隔は、櫛形電極123の電極周期の1/4以下である、と言い換えることができる。本実施の形態では、樹脂粒子の直径、即ち櫛形電極123と円環状表面111との間隔は10μmであり、後述するように、波長は0.209mmである。
【0031】
櫛形電極123には上述した発信器126の他にアンプ127、ディジタルオシロスコープ128が接続されている。櫛形電極123を利用すれば、周回した後に櫛形電極123に入力する弾性表面波を検出できる。ここで、櫛形電極123は弾性表面波を再び電気信号に変換することにより弾性表面波を検出する機能をもつために、1対の櫛形電極のみで弾性表面波の励起と検出とを行えるが、検出用の櫛形電極を弾性表面波の伝搬経路上に別個に形成してもよい。
【0032】
弾性表面波が球状の基材の円環状表面に沿って伝搬する現象は、等方性の材料で形成されている基材については知られていた。単結晶で形成された基材については、結晶方位に従って弾性表面波の伝搬速度が異なる。そして、単結晶で形成された球状の基材を周回する過程で伝搬不可能な結晶面を通過したり、エネルギーが拡散する結晶面を通過したりするために、弾性表面波が基材の表面を周回する際の効率が悪化し、周回する度に急激にエネルギーを消耗すると考えられていた。
【0033】
ところが、水晶、LiNbO、LiTaO等の三方晶系の単結晶の基材については、弾性表面波が伝搬する経路を適切に選べば同様の現象が起こることが発明者らにより実験で確認された。この経路は、後に示すように、結晶方位で決まる。この経路に沿って伝搬する弾性表面波は弾性波エネルギーの散逸や球表面における反射は小さいので、雑音の少ない良好な周回が実現できる。
【0034】
従来のように非圧電性材料で基材を形成する場合、基材と櫛形電極との間に圧電膜を形成する必要がある。LiNbO、LiTaOおよび本実施の形態の基材を形成している水晶は良好な圧電材料であるので、圧電膜を形成する必要がなく低コストである。また、圧電膜の形成プロセスの条件に伴って弾性表面波素子の特性が変わる危険性が無いので安定して同じ製品を生産できる。
【0035】
非圧電性材料の基材を用いた場合よりも、水晶、LiNbOおよびLiTaOの基材を用いた場合の方が信号純度が高い。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できる。
【0036】
上記単結晶の中で、水晶は硬度がたかく、加工が容易で、材料として安価に入手できるために非常に有用である。LiNbOおよびLiTaOについても電気機械結合係数が大きく、また弾性表面波の位相速度の温度依存性についての特徴から雑音の少ない良好な周回が実現できる。
【0037】
弾性表面波が拡散することなく球状の基材の表面を周回する条件は、近似的に以下のようにして求められた。以下の計算は等方性材料で基材を形成した場合について説明されているが、大部分の弾性表面波が周回する領域において、弾性表面波が伝搬する方向の弾性表面波位相速度が著しく変化しない場合に、理論的に近似的な推測を行うことができる。
【0038】
先ず、弾性表面波の発生源が点とみなせる場合について説明する。発生源は球状の基材の表面にある。これは、櫛形電極123の重なり幅が基材110の球面の半径の1/100未満であることに対応している。ここで、重なり幅は櫛形電極123一方の櫛形パターンの複数の電極片と、他方の櫛形パターンの複数の電極片とが相互に対面する長さである。
【0039】
弾性表面波は発生源を中心にして球面である表面上を同心円状に広がった後に発生源とは正反対の側の地点に向かい同心円状に集束する。そして、正反対の側の地点から球面上を同心円状に広がった後に発生源に集束する。即ち、発生源が点とみなせる場合は、指向性をもたずに拡散する。尚、基材に櫛形電極が直接形成されている場合や、基材を支持するための支持部が直接基材に接している場合は、櫛形電極の配線取り付け部、櫛形電極の櫛形パターンに接続される所定の回路、支持部などで弾性表面波が散乱される。本実施の形態ではこのようなことは起こらない。
【0040】
次に、弾性表面波の発生源が円弧とみなせる場合について説明する。これは、櫛形電極123の重なり幅が基材110の球面の半径の1/100以上であることに対応している。但し、付随の電気回路パターンなどを含めた櫛形電極の全幅は、基材110の周囲長の半分以下である必要があるので、櫛形電極123の重なり幅は基材110の球面の直径の半分以下である。図2には、球状の基材の中心を原点Oとする座標系が示されている。XYZ座標軸と基材の半径rの球面の交点をそれぞれ点A、B,Cとする。また、OB間にあり、Y軸上の点を点E、点E通りZ軸に平行な直線と上記球面との交点を点F、点E通りX軸に平行な直線と上記球面との交点を点Dとする。円弧DF上の点Pから発生した弾性表面波が円弧CG上の点Qに達するとする。ここで、点Gは円弧AB上の点である。角度φ,θ,φ,θを図2中に示したように取ると、点P,Qの座標はそれぞれ
(rcosφcosθo,rsinφ,rcosφsinθo)及び
(rcosφcosθ,rcosθsinφ,rsinθ
となるため、
PQ=2r[1−cosφcosθocosφcosθ−sinφcosφcosθ−cosφsinφsinθ]…(1)
である。従って、角POQ=θとおくと余弦定理より
cosθ=cosφcosθocosφcosθ+sinφcosφcosθ+cosφsinφsinθ …(2)
の関係が成り立つ。
【0041】
点Pで発生した弾性表面波の点Qにおける粒子変位の半径方向成分は、
【数1】

Figure 0003974766
Figure 0003974766
である(Viktorov,Rayleigh and Lamb Waves)。式(3)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弾性表面波一般にも適用できる。なおここで、Cは定数、Cはレイリー波速度、tは時間である。mは
m=円周の長さ/弾性表面波の波長
であり、波数パラメータと呼ぶ。
【0042】
角度θは式(2)から求められる。点Eから見こむ角度が2θの円弧状音源による点Qの音場は、式(3)をθoについて−θからθ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θを変化させて計算することで求められる。
【0043】
図3には点PがXZ面上にあるφ=0の場合について式(3)を使用して求めた弾性表面波が球面上を伝搬する4つの状態が示されている。
【0044】
図3(A)、図3(B)及び図3(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θ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表面波の伝搬を表す角度(伝搬角)φが0°の場合の音場であり、上に向かって15°づつ増加した場合の音場が順にプロットしてある。
【0045】
図3(A)は、開口半角θ=30°の場合である。この場合には、図3(A)から明らかなように、弾性表面波の伝搬状態は集束ビーム形状である。即ち、伝搬角φが増加するにつれて音場の幅が減少しφ=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返され、何周回っても同じ変化が繰り返される。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θ=30°よりも音場が広がることがなく、θ<θの帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められている。この場合には球面のθ>θの部分に他の物体を接触させても音場に擾乱は生じない。
【0046】
図3(C)は、開口半角θ=1°の場合である。この場合には、図3(C)から明らかなように、弾性表面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φが増加するにつれて音場の幅も増加しφ=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(A)を参照しながら上述した集束ビームの場合とは異なり、θ<θの帯状部分に弾性表面波のエネルギーが閉じ込められることが無く、φ=90°では球の表面全体に広がってしまう。この場合には、球面のφ=90°かつθ>θの部分に他の物体を接触させると音場に擾乱が生じる。
【0047】
図3(B)は、開口半角θ=3.5°の場合である。この場合には、図3(B)から明らかなように、弾性表面波の伝搬状態は伝搬角φ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、θ=θの帯状部分に弾性表面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θをコリメート角θcolと呼ぶ。
【0048】
図3(A)、図3(B)及び図3(C)から明らかなように、開口半角θ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表面波のエネルギーが閉じ込められている
さらに、波数パラメータm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3(D)は、波数パラメータmが300の場合に弾性表面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θ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は約4.5°になる。
【0049】
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。
【0050】
Figure 0003974766
なおこれは、数値計算による近似値である。このように、コリメート角θcolは波数パラメータmから式(3)を用いて求められる。
【0051】
再び図1を参照して本実施の形態の弾性表面波素子を説明する。櫛形電極123から弾性表面波が出力されると、上述のように円環状表面111に沿って伝搬する。説明の便宜上、円環状表面111の幅を櫛形電極123の重なり幅と等しく取る。櫛形電極123の重なり幅は、コリメート角θcolにより規定される弾性表面波の発生源の幅以上である。より好ましくは重なり幅はコリメート角θcolにより規定される幅に等しい。弾性表面波は、上記数値計算の結果から円環状表面111の幅を超えて拡散することなく、円環状表面111に沿って伝搬する。この伝搬の様子は図3(A)及び図3(B)に対応する。コリメート角θcolを決定する波数パラメータmの代表的な値は、100〜800であるが、本発明の波数パラメータmはこの値に限定されない。
【0052】
上記数値計算では、弾性表面波の波長及び位相速度は弾性表面波が伝搬する球面の全ての場所で一定であるとして説明した。しかしながら、結晶である水晶で形成された球状の基材では、ある振動数をもった弾性表面波の波長及び位相速度は結晶方位に従って一般に異なる。よって、波数パラメータmも球面上で一定ではないが、近似的に一定であるとする。この一定の波数パラメータmを求めるために、弾性表面波励起手段により弾性表面波が励起される基材の部分を伝搬している弾性表面波の波長を用いる。即ち、櫛形電極123が設けられた基材110の部分の波長を用いる。さらに、それぞれの電極片の位置の基材110上の波長に合わせて櫛形電極123の電極パターンの形状を設定することが望ましい。
【0053】
弾性表面波が伝搬する円環状表面111は、上述したように基材110を形成しいている単結晶の結晶方位で決まる所定の経路に沿って形成されている。この経路は三方晶系に属する水晶については発明者らの実験によって確認されている。この経路は水晶のZ軸に関係している。水晶の結晶軸は図4に示されている。
【0054】
図5はこの経路を示す図である。説明の便宜上、Z軸は球状の基材110の中心を通るものとする。結晶方位で決まる所定の経路は4つの経路a,b1,b2,b3を含んでいる。経路aは基材110の表面である球面と、この球面の中心を通り、Z軸と直交する平面との交線である。経路b1,b2,b3はそれぞれ基材110の表面である球面と、この球面の中心を通り、Z軸と平行な3つの平面との交線である。経路b1を含む平面は経路b2,b3を含む平面とそれぞれ60°,−60°の角度をなしている。Z軸を球状の基材110の地軸と考えると、経路aは赤道であり、経路b1,b2,b3は60°間隔で並んでいる6つの経線で構成される。
【0055】
本実施の形態では、弾性表面波は図1に示されているように経路aに沿って伝搬する。即ち、円環状表面111は経路aに沿って形成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。経路a,b1,b2,b3の内の少なくとも2つの経路に沿って弾性表面波を伝搬させてもよい。例えば経路aと経路b1に沿って伝搬させる場合、経路a,b1に対向させて弾性表面波励起手段をそれぞれ設ける。また、経路aと経路b1が交差する基材110の部分に弾性表面波を散乱する散乱体又は弾性表面波を反射する反射体を設け、経路aを伝搬する弾性表面波を経路b1に分岐してもよい。経路a上の弾性表面波の乱れが無視できる程度の散乱体又は反射体を設ければ、経路a上で励起され、経路aを周回する弾性表面波を経路aの外で検出できる。
【0056】
櫛形電極123をより詳細に説明する。図6は櫛形電極123の平面図である。櫛形電極123は1対の櫛形パターン123a,123bを備えている。櫛形パターン123aは弾性表面波が伝搬する方向に配列している複数の電極片l1,l2,l3,…を有している。後述するように、弾性表面波が伝搬する方向は図6のように基材110の経路aに一致させられる。櫛形パターン123bは電極片l1,l2,l3,…と互い違いに配列している複数の電極片r1,r2,r3,…を有している。隣り合う電極(例えば電極片r1と電極片l1、又は電極片l1と電極片r2)の間隔は全て等しい。電極片l1,l2,l3,…と電極片r1,r2,r3,…とは経路aに対して垂直に延びている。即ち、Z軸を基材110の地軸とすれば、これらの電極片は経線に沿って延びている。これらの電極片は周期的に並んでいる。即ち、電極片l1,r1を経路aに沿って移動すれば、電極片l2,r2、電極片l3,r3、…にそれぞれほぼ重なる。電極片l1,r1は周期的に並んだ電極片の単位を形成する。この電極片の単位を弾性表面波が伝搬する方向に並べれば、櫛形電極123の1対の櫛形パターン123a,123bが形成される。
【0057】
弾性表面波が伝搬する方向の電極片の単位の長さである電極周期Pは一定である。弾性表面波励起手段により励起される弾性表面波の波長は、基材の球面の半径の1/10以下である。このとき、この波長は基材110全体の固有振動ではなく、電極周期Pにほぼ等しくなる。但し、上述したように、弾性表面波励起手段により励起される弾性表面波の波長、即ち櫛形電極123に対向する基材110の部分を伝搬する弾性表面波の波長は、基材110のその他の部分の波長と異なる場合がある。
【0058】
再び図1を参照して説明する。水晶の基材110のZ軸は水平にされている。上述したように、基材110は、経路aに沿って櫛形電極123の電極片が並ぶように凹部122に対して位置決めされている。
【0059】
櫛形電極123の電極周期は以下のようにして設定される。以下、基材110を等方性の材料で形成されていると見なす。水晶の結晶のYカット面のX軸伝搬のレイリー波の位相速度のある値は3160m/sである。これを弾性表面波の代表的な位相速度と見なす。周波数が15.1MHzの弾性表面波が励起される素子を作るときを考える。波数パラメータが150の素子を作成しようとする。弾性表面波の波長は3160m/s÷15.1MHz=209.3μmより、0.209mmである。従って、電極周期を0.209mmに設定する。尚、周囲長が31.415mmであるから半径は5.0mmである。上述したように、弾性表面波の波長は基材110の球面の半径の1/10以下である。
【0060】
弾性表面波が拡散しないような重なり幅は以下のようにして設定される。150である波数パラメータに対応するコリメート角θcolは、上記数値計算から7.0°である。コリメート角の定義から重なり幅は、
Figure 0003974766
従って、重なり幅を1.22mmに設定する。
【0061】
本実施の形態の弾性表面波素子に、信号振幅20V、時間幅2ナノ秒にインパルス信号を1mm秒置きに入力して、その出力信号の観測を20MHzのローパスフィルターを通して測定した波形を図7に示す。雑音信号が非常に小さく、10回まで周回することが確認できた。
【0062】
次に、櫛形電極の変形例を説明する。図8は本変形例の櫛形パターン123c,123dの平面図を変形した図である。図8では水晶の基材110のZ軸を地軸としたとき、全ての緯線が同じ長さにされている。即ち、地軸に対して垂直に基材110を見ると、基材110は正方形に見える。
【0063】
櫛形パターン123cは経路aに沿って配列している複数の電極片S1,s1,S2,s2,S3,s3,…を有している。これらの電極片は経線方向に延びている。電極片S1,s1、電極片S2,s2、電極片S3,s3…はそれぞれ組みになっている。これらの電極片は周期的に並んでいる。電極片S1と電極片S2の間隔、電極片S2と電極片S3の間隔、…は全て等しい。電極片S1と電極片s1の間隔、電極片S2と電極片s2の間隔、電極片S3と電極片s3の間隔、…は全て等しい。電極片S1,s1を経路aに沿って移動すれば、電極片S2,s2、電極片S3,s3…にそれぞれ重なる。
【0064】
櫛形パターン123dは経路aに沿って配列している複数の電極片T0,T1,T2,T3,…を有している。これらの電極片は経線方向に延びている。電極片T1は電極片s1と電極片S2の間に、電極片T2は電極片s2と電極片S3の間に、それぞれ配置されている。T3以降の電極片Ti(i=3,4,5…)も電極片T1,T2と同様に電極片siと電極片Si+1の間に配置されている。電極片T0は、電極片T0と電極片T1との間に電極片S1,s1が位置するように配置されている。電極片T0,T1,T2,T3,…の内の隣り合う電極片の間隔は全て等しい。電極片T0を経路aに沿って移動すれば、電極片T1,T2,T3,…にそれぞれ重なる。
【0065】
電極片S1,s1,T1、電極片S2,s2,T3、電極片S3,s3,T3…はそれぞれ組みになっている。上記説明からこれらの電極片の組みは周期的に並んでいることは明らかである。電極片S1,s1,T1は周期的に並んだ電極片の単位を形成する。櫛形パターン123c,123dの寸法を説明する。電極周期Pは図8に示されているように、
電極周期P=(電極片S1と電極片S2の間隔)+(経路aに沿った方向の電極片S1の幅)
で表される。電極周期Pを用いて櫛形パターン123c,123dの寸法は、
経路aに沿った方向の電極片S1の幅=P/4
経路aに沿った方向の電極片T1の幅=P/8
電極片T1と電極片S2の間隔=3P/16
となるように設定されている。
【0066】
櫛形パターン123c,123dを上記のように形成すると、経路aに沿って一方向(図8の矢印の方向)に弾性表面波を出力することができる。
【0067】
本実施の形態の櫛形電極123及びこれの上記変形例には様々な修正と変形とが可能である。例えば、電極片は基材110の経線に沿って延びているが、経線に交差する方向に延びてもよい。図9のような各部が縦方向と横方向に直線的に延びる穴を有する板状のフォトマスクを基台121の凹部122に対向させてフォトレジストにより櫛形電極を形成する場合、電極片は経線に交差する方向に延びる。このようなフォトマスクは容易に設計することができ、またフォトレジストを容易に行うことができる。
【0068】
また、隣り合う電極片の間隔(例えば、電極片S1と電極片s1の間隔、電極片s1と電極片T1の間隔等)又は、電極片の組みの間隔(電極片T1と電極片S2の間隔)、又は電極周期を一定にしなくともよい。上述したように、結晶である水晶で形成された球では、波長及び位相速度は結晶方位に従って一般に異なる。電極片が位置する基材110の部分の波長に応じて電極周期等を設定すれば、所望の周波数をもつ弾性表面波を効率よく励起できる。
【0069】
ところで、従来、基材が平板状であり、広帯域用の弾性表面波素子として、電極片の組みが周期的に並んでいる弾性表面波素子が知られている。このような弾性表面波素子を球状の基材110に応用すれば、広い波長域にわたって弾性表面波が励起される。波長と関係しているコリメート角θcolが櫛形電極の重なり幅以上であるような波長をもつ弾性表面波だけが拡散せずに基材110を周回できる。
【0070】
また、本実施の形態では櫛形電極123には高周波電源を有する発信器126が接続されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、高周波電源123の代わりに、高周波の電波を受信するアンテナを櫛形電極123に接続してもよい。アンテナに高周波の電波が受信されると、発信器126が接続されていた場合と同様に、櫛形電極123に電界が発生し、弾性表面波が励起される。
【0071】
次に、本発明の第2の実施の形態の弾性表面波素子を説明する。本実施の形態の構成の大部分は、基本的に第1の実施の形態の構成の大部分と同じである。本実施の形態において、第1の実施の形態の図1を参照して説明した構成部材と実質的に同一の構成部材は、第1の実施の形態の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【0072】
本実施の形態の構成が第1の実施の形態の構成と異なる点は基材の構成である。本実施の形態の基材には樹脂薄膜が設けられていない。図10は基台121の斜視図である。基台121には、櫛形電極123が基材と間隔を置いて対向するようにスペーサ231,232が設けられている。スペーサ231,232はレジスト樹脂を硬化させて設けられる。スペーサ231,232は櫛形電極123の櫛形パターンが形成されている部分の両側に配置されており、弾性表面波の伝搬に影響を与えないように設けられている。
【0073】
図11は基台121を図10のL11−L11断面線で切断した断面図であり、スペーサ231,232に基材210が保持されている。L11−L11断面線は2つのスペーサ231,232を貫き、櫛形電極123の電極片が並んでいる方向に対して直交する方向に延びている。
【0074】
基材210は、等方性の材料であるガラス材料で形成されている球状部材212と、これを覆う厚さ1000Åの金膜213と、金膜213を覆うZnOのZ軸配向膜214とを有している。図11では、金膜213と配向膜214は球状部材212の表面から一部取り除かれて示されている。配向膜214は圧電性材料である。即ち、基材210の一部は圧電性材料で形成されている。
【0075】
金膜213は蒸着などにより形成される。配向膜214はDCスパッタにより形成される。基材210を回転させながらスパッタを行うことで基材210を一周する環状の領域に配向膜を形成できる。これを利用して基材210の表面の全てにわたって配向膜を形成できる。DC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は基本的に公知の技術を利用できる。
【0076】
櫛形電極123により基材210に電界が印加されると、圧電効果によりZnOのZ軸配向膜214が振動する。この結果、基材210の円環状表面211に沿って伝搬する弾性表面波が励起される。円環状表面211は櫛形電極123の電極片が並んでいる方向に沿ってスペーサ231,232の間で延びている。円環状表面211はスペーサ231,232から離れている。これにより、弾性表面波は散乱したり反射されたりせずに円環状表面211を伝搬できる。尚、円環状表面211は、図5を用いて第1の実施の形態で説明した水晶の基材110のように、材料の性質に基づく特定の経路に沿っていない。但し、円環状表面211は基材210の最大円周線に沿って延びている。
【0077】
本実施の形態では櫛形電極123の重なり幅は2mm、電極周期は350μmである。スペーサ231,232の高さ、即ち櫛形電極123と円環状表面211との間隔は第1の実施の形態と同様に10μmである。これは電極周期の1/4以下である。
【0078】
本実施の形態では、櫛形電極123の櫛形が形成されている部分の両側に2つのスペーサが設けられているが、本発明はこれに限定されない。例えば両側に2つずつ設けられていてもよい。あるいは、微小な樹脂の粒子を基材210と櫛形電極123の間に分散させても比較的よいスペーサになり得る。
【0079】
次に、本発明の第3の実施の形態の弾性表面波素子を説明する。本実施の形態の構成の大部分は、基本的に第2の実施の形態の構成と同じである。本実施の形態において、第2の実施の形態の図10及び図11を参照して説明した構成部材と実質的に同一の構成部材は、第2の実施の形態の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【0080】
本実施の形態では、第2の実施の形態の基台121の代わりに、基台321を用いている。図13は基台321の斜視図である。基台321の上面には縦方向に延びている角柱状の電極片u1,v1,u2,v2,u3,v3,u4がこの順に横方向に並んでいる。これらの電極片は櫛形電極を形成している。これらの電極片の上面にわたって、基材210の球面の一部沿った形状をもつ凹面が形成されている。電極片u1,v1,u2,v2,u3,v3,u4内の隣り合う電極片はそれぞれ別の電極に接続されている。即ち、電極片u1,u2,u3,u4は電極335に、電極片v1,v2,v3は電極336にそれぞれ接続されている。これらの電極片と基台321とは、ガラスエポキシ材料の切削し、電極片の上面に対応する部分に銅をメッキすることにより形成される。これらの電極片で形成されている櫛形電極の重なり幅と電極周期は第2の実施の形態のものと同じである。電極335,336は所定の回路を介してインピーダンスマッチング回路124(図1参照)に接続されている。電極片u1,v1,u2,v2,u3,v3,u4と電極335,336は弾性表面波励起手段として用いられている。
【0081】
基台321の上面には基材210を保持するための4つの保持部材331,332,333,334が設けられている。保持部材331,332,333,334に基材210が保持されるとき、電極片u1,v1,u2,v2,u3,v3,u4の上面は基材210の表面と間隔を置いて対向する。これらの電極片により基材210に電界が印加されると、基材210の円環状表面211に沿って伝搬する弾性表面波が励起される。円環状表面211は、第2の実施の形態と同様に、最大円周線に沿って延びている。これらの電極片で形成されている櫛形電極は円環状表面211と間隔を置いて対向している。この間隔は第2の実施の形態のものと同じであり、上記電極周期の1/4以下である。保持部材331,332,333,334は円環状表面211の両側に位置する。
【0082】
このように弾性表面波素子を構成しても、第2の実施の形態と同様の効果が得られる。
【0083】
本実施の形態では櫛形電極は7つの電極片u1,v1,u2,v2,u3,v3,u4で形成されているが、本発明はこれに限定されない。電極片の数は2〜6つでもよいし、8以上でもよい。
【0084】
上記第1から第3の実施の形態には様々な修正と変形とが可能である。例えば、第1の実施の形態の水晶の基材110は第2の実施の形態の基台121又は第3の実施の形態の基台321に保持されてもよい。この場合、第1の実施の形態の基材110には樹脂薄膜が形成されない。基材110は、基材110の経路aが第1の実施の形態の櫛形電極123又は第2の実施の形態の櫛形電極の電極片が並ぶ方向に沿うように、第2の実施の形態の基台121又は第3の実施の形態の基台321に位置決めされる。
【0086】
次に、本発明の第1の実施の形態の分析方法を説明する。先ず、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用意する(基材用意工程)。本実施の形態では、圧電性材料である水晶の単結晶で形成された球状の基材を用意する。この基材は水晶の表面に形成されていて、人の所定の体内物質と反応する反応膜を有している。即ち、反応膜は円環状表面に沿って形成されている。本実施の形態では体内物質を被検物質として分析する。反応膜は反応部として用いられている。反応膜は体内物質と反応すると硬度が増す材料で形成されている。本実施の形態では基材に水晶が用いられているが、水晶と同じ三方晶系であり、圧電性材料であるLiNbO、LiTaO等の単結晶を用いてもよい。
【0087】
次に、反応膜と体内物質を反応させる(反応工程)。反応させるには、基材を人に経口投与する(投与工程)。このとき比較的多数の基材を投与する。基材の反応膜は体内物質と反応し硬化する。これらの基材を排泄物から取り出すことにより、投与工程で経口投与した基材を回収する(回収工程)。このとき、経口投与した基材210の全てを回収する必要はない。反応工程には多数の基材が必要であるが、基材は殆ど加工を要しないために非常に安価であるので、反応工程にかかるコストは比較的低い。
【0088】
次に、回収した基材を図1を用いて説明した第1の実施の形態の弾性表面波素子の基台121の凹部122に載置する。尚、図1を参照して説明した構成部材と実質的に同一の構成部材は、第1の実施の形態の弾性表面波素子の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。載置されるとき、基材110は、基材110の経路aが櫛形電極123の電極片が並ぶ方向に沿うように、位置決めされる。経路aは図5を用いて説明したように、水晶の基材110のZ軸を地軸としたときの赤道である。経路aに沿って上記円環状表面が形成されている。基材110はこのZ軸が水平にされたときに適切に位置決めされる。Z軸を地軸としたとき北極と南極に対応する部分には印が設けられている。この印は基材110をエッチングするなどしてくぼみを作るなどして形成してもよい。位置決め後、円環状表面に沿って弾性表面波を伝搬させる(伝搬工程)。尚、基材110は、基材110の経路b1,b2,b3が櫛形電極123の電極片が並ぶ方向に沿うように、位置決めされてもよい。
【0089】
次に、伝搬工程で伝搬させられた弾性表面波を検出する(検出工程)。
【0090】
この後、検出工程で検出された弾性表面波と、基材用意工程で用意された基材の円環状表面を伝搬する弾性表面波とを比較する。後者の弾性表面波は体内物質と反応していない反応膜を有している基材の円環状表面を伝搬する弾性表面波である。この弾性表面波は予め検出しておく。体内物質の性質、例えば特定の化学物質の濃度に応じて、体内物質と反応した反応膜の硬度は変化する。そして、反応膜の硬度に応じて弾性表面波の周波数や速度は変化する。即ち、体内物質の性質に応じて、検出工程後の弾性表面波と基材用意工程直後の弾性表面波の周波数や速度の差は変化する。これを利用して化学物質の性質を分析することができる。
【0091】
本実施の形態では、人の体内物質を被検物質として分析していたが、動物の体内物質を被検物質として分析してもよい。
【0092】
次に、本発明の第2の実施の形態の分析方法を説明する。本実施の形態の分析方法は例えば、配管内のアルカリ濃度を評価するために用いられる。先ず、基材用意工程を説明する。先ず直径3mmの水晶の単結晶で形成された球状の基材を用意する。この基材は水晶の表面に形成されていて、アルカリ溶液に溶出するレジスト樹脂膜を有している。即ち、レジスト樹脂膜は円環状表面に沿って形成されている。レジスト樹脂膜は反応部を形成している。水晶の基材のZ軸を地軸としたとき北極と南極に対応する部分には印が設けられている。
【0093】
続く反応工程では基材を配管に入れ、配管内でレジスト樹脂膜をアルカリ溶液と反応させる。レジスト樹脂膜はアルカリ溶液に溶出し膜の厚さはうすくなる。反応後、基材を配管から回収する。
【0094】
回収後、第1の実施の形態の分析方法と同様に、伝搬工程、検出工程及び比較工程を行う。本実施の形態では、レジスト樹脂膜の厚さに応じて弾性表面波の周波数や速度が変化することを利用して配管内のアルカリ溶液を分析する。
【0095】
上記第1又は第2の実施の形態の分析方法では硬化又は溶出する反応部を用いているが、本発明はこれらに限定されない。被検物質と遊離する、結合する、分解するなどをして反応する様々な反応部を含む。
【0096】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【0097】
【発明の効果】
以上詳述したことから明らかなように、本発明に従った弾性表面波素子においては、極めて多い回数の弾性表面波の周回を実現することで高い精度の信号処理や評価ができる
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態における弾性表面波素子の構成を示す斜視図である。
【図2】弾性表面波の振幅を計算するために用いた座標系を示す図である。
【図3】(A)、(B)、(C)及び(D)は、図2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(円周の長さと弾性表面波の波長の比)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表面波が球状の基材の表面を伝搬する4つの状態を概略的に示す図である。
【図4】水晶の結晶軸を示す図である。
【図5】弾性表面波が伝搬する経路を示す図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態における弾性表面波素子の櫛形電極の平面図である。
【図7】図1の弾性表面波素子で測定された弾性表面波の波形を示す図である。
【図8】図6の櫛形電極の変形例の平面図を変形した図である。
【図9】櫛形電極のフォトマスクの穴の平面図である。
【図10】本発明の第2の実施の形態における弾性表面波素子の基台の斜視図である。
【図11】図10のL11−L11断面線で切断した基台の断面図である。
【図12】本発明の第3の実施の形態における弾性表面波素子の基台の斜視図である。
【符号の説明】
110 基材
111 円環状表面
121 基台
123 櫛形電極
210 基材
211 円環状表面
321 基台[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a surface acoustic wave element.For childIn relationYes.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A surface acoustic wave element has been well known for generating surface acoustic waves on a base material and receiving surface acoustic waves generated on the base material.
[0003]
In the conventional surface acoustic wave device, a pair of comb-shaped electrodes is provided on a flat substrate. The base material is formed of a piezoelectric material, or a piezoelectric body is provided between the comb-shaped electrode and the substrate, and an elastic surface is provided in the direction in which the electrodes are arranged by supplying a high-frequency voltage to one of the comb-shaped electrodes. Excites the wave. The other comb-shaped electrode is arranged in the propagation direction of the surface acoustic wave and receives the surface acoustic wave.
[0004]
The surface acoustic wave element is used for a delay line, an oscillation element or a resonance element for a transmitter, a filter for selecting a frequency, a chemical sensor, a biosensor, a remote tag, or the like.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As a method for improving the accuracy of a surface acoustic wave element, a method is known in which a surface acoustic wave is propagated to the surface of a spherical base material and the base material is circulated many times. At this time, the surface acoustic wave propagates a long distance without diffusing, but it is necessary to form a comb-shaped electrode or the like in order to apply an electric field to the surface of the substrate. In this case, in particular, in order to form a pattern smaller than 0.5 mm, a photolithography method must be adopted, and the number of man-hours increases and the cost becomes high.
[0006]
In addition, when an electrode such as a metal is directly formed on the surface of the base material, the surface acoustic wave that circulates around the surface of the base material is reflected by this electrode, and the strength is rapidly reduced as the number of turns increases. . For this reason, for example, when the evaluation is performed by measuring the time required to go around 30 times, it disappears by attenuation or diffusion after about 20 times, and evaluation with sufficient accuracy cannot be performed.
[0007]
  The present invention has been made under such circumstances, and the objects of the present invention are extremely numerous.TimesIt is to provide a surface acoustic wave device that can perform highly accurate signal processing and evaluation by realizing the surface acoustic wave circulation.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, a surface acoustic wave device according to claim 1 of the present invention includes:
  It has an annular surface that is formed of at least a part of a spherical surface and is continuous in an annular shape.PressureA base material formed of an electrically conductive material;
  A surface acoustic wave excitation means that is opposed to the annular surface at an interval and excites the surface acoustic wave propagating along the annular surface;,
  WithAnd
  The surface acoustic wave excitation means includes a comb-shaped electrode provided along the annular surface and connected to a high-frequency power source,
  The interval between the comb electrode and the annular surface is ¼ or less of the electrode period of the comb electrode.
  It is characterized by.
[0009]
In the surface acoustic wave device according to claim 2 of the present invention, the base material is a single crystal of crystal, LiNbO.3Single crystal and LiTaO3And a single crystal selected from the group consisting of the single crystals.
[0010]
In the surface acoustic wave element according to claim 3 of the present invention, the wavelength of the surface acoustic wave excited by the surface acoustic wave excitation means is 1/10 or less of the radius of the spherical surface of the substrate.
[0013]
  Claims of the invention4In the surface acoustic wave device according to the above, the overlapping width of the comb-shaped electrodes is not more than half of the diameter of the spherical surface of the substrate and is not less than 1/100 of the radius of the spherical surface.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A surface acoustic wave device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the surface acoustic wave element according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a surface acoustic wave element. The surface acoustic wave element has a spherical substrate 110 made of single crystal quartz. In this embodiment, a single crystal crystal is used, but LiNbO.3Single crystal of LiTaO3A single crystal of a piezoelectric material such as a single crystal may be used. The substrate 110 is held on a base 121 made of fused quartz. The base 121 is provided with a recess 122 that fits a part of the spherical surface of the substrate 110. The recess 122 is shown through the substrate 110. The base material 110 is fitted in the recess 122. In the present embodiment, the radius of the substrate 110 and the radius of curvature of the recess 122 are both 5 mm. However, the dimension of the base material 110 is not limited to this.
[0018]
A comb-shaped electrode 123 indicated by hatching is provided in the recess 122 along the surface of the substrate 110. The comb-shaped electrode 123 has a 500 mm thick chromium layer laminated on the surface of the base 121 and a 1500 mm thick gold layer laminated on the chromium layer. These layers are formed by thermal evaporation and then patterned by photolithography to form a pair of comb patterns. In addition to the comb pattern, a circuit for generating an electric field (not shown) connected to the comb pattern is formed on the surface of the substrate 110. The comb electrode 123 includes such a circuit.
[0019]
The comb electrode 123 may be formed by other forming methods. For example, conductive foil may be cut into a comb shape and attached to the recess 122. Further, printing, sputtering, sol-gel method or the like may be used. The comb electrode 123 is connected to a transmitter 126 having a high frequency power source via an impedance matching circuit 124 and a circulator 125. The comb electrode 123 is used as a surface acoustic wave excitation means.
[0020]
A resin thin film is formed on the surface of the quartz substrate 110. The resin thin film is formed by creating a resist thin film pattern by a photoresist process and performing a hardening process.
[0021]
When a voltage is applied to the comb electrode 123, the comb electrode 123 generates an electric field. This electric field is applied to the surface of the substrate 110 that passes through the resin thin film and faces the recess 122.
[0022]
By the way, when the recessed part 122 is not provided in the base 121, and the comb-shaped electrode is formed in the flat base, and these are facing the base material 110, an electric field is relatively on the surface of the base material 110. It is applied only to a narrow area. In contrast, if the recess 122 is provided as in the present embodiment, an electric field can be applied to a relatively wide area of the substrate 110.
[0023]
The crystal of quartz forming the substrate 110 is a piezoelectric material. When an electric field is applied to the surface of the substrate 110, the surface of the substrate 110 vibrates due to the piezoelectric effect, and a surface acoustic wave of a predetermined mode is excited on the surface of the substrate 110. The surface acoustic wave excitation means using the comb electrode 123 can excite surface acoustic waves in a specific direction with relatively high efficiency.
[0024]
In this specification, the elastic wave which propagates by concentrating energy on the surface of a single crystal base material is collectively referred to as a surface acoustic wave. Also included are leaky surface acoustic waves that propagate while releasing energy from a single crystal substrate, SH (shear horizontal) waves, and elastic waves called lateral waves.
[0025]
The excited surface acoustic wave propagates along the annular surface 111 of the substrate 110 that is continuous in an annular shape. The surface acoustic wave goes around the surface of the substrate 110. The surface acoustic wave excitation means, in this embodiment, the comb-shaped electrode 123 is opposed to the annular surface 111 at an interval, and is provided along the annular surface 111. Fine resin particles are interspersed between the comb-shaped electrode 123 and the annular surface 111, and the comb-shaped electrode 123 and the annular surface 111 are not in direct contact with each other. For this reason, the surface acoustic wave that circulates around the surface of the substrate 110 is less likely to be scattered by the comb electrodes.
[0026]
When the comb electrode is directly formed on the surface of the substrate, the surface acoustic wave excited on the surface of the substrate is reflected or scattered by the comb electrode. This is not the case in this embodiment.
[0027]
When predetermined conditions are met, an elastic wave may be excited using a resin thin film as a waveguide. Such a mode of acoustic wave is also included in the surface acoustic wave of the present embodiment.
[0028]
The inventors' experiments have shown that the comb-shaped electrode is not in contact with the surface of the substrate, so that it can excite surface acoustic waves with sufficient strength and can realize extremely many rounds compared to the case where it is in contact. Such characteristics are extremely advantageous for application to various sensors.
[0029]
If the space between the surface acoustic wave excitation means and the annular surface 111 can apply an electric field to the quartz crystal substrate 110, which is a piezoelectric material, the distance between the surface acoustic wave excitation means and the surface acoustic wave wavelength excited by the surface acoustic wave excitation means. It is preferable that it is 1/4 or less. When this interval exceeds 1/4 of the wavelength, it is confirmed that the amplitude of the electric field strength on the surface of the base material based on the voltage gradient of the comb electrode becomes gentle, and the strength of the excited surface acoustic wave becomes extremely weak. ing.
[0030]
As will be described later, the wavelength of the surface acoustic wave is generally substantially equal to the electrode period of the comb-shaped electrode 123 under predetermined conditions. If this fact is used, the relationship between the distance and the wavelength can be paraphrased as that the distance between the comb-shaped electrode 123 and the annular surface 111 is ¼ or less of the electrode period of the comb-shaped electrode 123. In the present embodiment, the diameter of the resin particles, that is, the interval between the comb electrode 123 and the annular surface 111 is 10 μm, and the wavelength is 0.209 mm as will be described later.
[0031]
In addition to the transmitter 126 described above, an amplifier 127 and a digital oscilloscope 128 are connected to the comb electrode 123. If the comb-shaped electrode 123 is used, it is possible to detect a surface acoustic wave that is input to the comb-shaped electrode 123 after it circulates. Here, since the comb electrode 123 has a function of detecting the surface acoustic wave by converting the surface acoustic wave into an electric signal again, the excitation and detection of the surface acoustic wave can be performed with only one pair of comb electrodes. The comb electrode for detection may be separately formed on the propagation path of the surface acoustic wave.
[0032]
The phenomenon of surface acoustic waves propagating along the annular surface of a spherical substrate has been known for substrates made of isotropic materials. About the base material formed with the single crystal, the propagation speed of a surface acoustic wave changes according to crystal orientation. Then, in order to pass through a crystal plane that cannot propagate in the process of circling a spherical base material formed of a single crystal or through a crystal face where energy is diffused, surface acoustic waves are generated on the surface of the base material. It was thought that the efficiency at the time of orbiting deteriorated, and energy was consumed rapidly each time it orbited.
[0033]
However, quartz, LiNbO3LiTaO3It has been experimentally confirmed by the inventors that a similar phenomenon occurs with a trigonal single crystal base material such as the same, if a path through which surface acoustic waves propagate is appropriately selected. This path is determined by the crystal orientation as will be described later. The surface acoustic wave propagating along this path is less dissipated in the energy of the elastic wave and reflected on the surface of the sphere, so that it is possible to realize a good circulation with less noise.
[0034]
When forming a base material with a non-piezoelectric material as in the past, it is necessary to form a piezoelectric film between the base material and the comb-shaped electrode. LiNbO3LiTaO3Since the quartz crystal forming the base material of the present embodiment is a good piezoelectric material, it is not necessary to form a piezoelectric film and the cost is low. In addition, since there is no risk of changing the characteristics of the surface acoustic wave element with the conditions of the piezoelectric film formation process, the same product can be produced stably.
[0035]
Quartz, LiNbO than when using a non-piezoelectric material substrate3And LiTaO3The signal purity is higher when the base material is used. Therefore, the performance can be greatly improved as compared with the conventional surface acoustic wave device.
[0036]
Among the single crystals, quartz is very useful because it has high hardness, can be easily processed, and can be obtained at low cost as a material. LiNbO3And LiTaO3In addition, a good circulation with less noise can be realized because of the large electromechanical coupling coefficient and the characteristics of the temperature dependence of the phase velocity of the surface acoustic wave.
[0037]
The conditions for circling the surface of the spherical base material without the surface acoustic wave diffusing were determined approximately as follows. The following calculation explains the case where the base material is formed of an isotropic material. However, in the region where most of the surface acoustic waves circulate, the surface acoustic wave phase velocity in the direction in which the surface acoustic waves propagate significantly changes. If not, a theoretical approximation can be made.
[0038]
First, a case where the surface acoustic wave generation source can be regarded as a point will be described. The source is on the surface of the spherical substrate. This corresponds to the overlapping width of the comb electrodes 123 being less than 1/100 of the radius of the spherical surface of the substrate 110. Here, the overlapping width is a length in which the plurality of electrode pieces of one comb-shaped pattern and the plurality of electrode pieces of the other comb-shaped pattern face each other.
[0039]
A surface acoustic wave concentrically converges on a surface opposite to the source after concentrically spreading on a spherical surface around the source. Then, after concentrically spreading on the spherical surface from a point on the opposite side, the light is focused on the generation source. That is, when the source can be regarded as a point, it diffuses without directivity. When the comb electrode is directly formed on the substrate, or when the support part for supporting the substrate is in direct contact with the substrate, the wiring attachment part of the comb electrode and the comb pattern of the comb electrode are connected. The surface acoustic wave is scattered by a predetermined circuit, support portion, and the like. This does not happen in this embodiment.
[0040]
Next, a case where the surface acoustic wave generation source can be regarded as an arc will be described. This corresponds to the overlapping width of the comb-shaped electrode 123 being 1/100 or more of the radius of the spherical surface of the substrate 110. However, the entire width of the comb-shaped electrode including the accompanying electric circuit pattern needs to be less than or equal to half of the peripheral length of the substrate 110, and therefore the overlapping width of the comb-shaped electrode 123 is less than or equal to half of the diameter of the spherical surface of the substrate 110. It is. FIG. 2 shows a coordinate system in which the center of the spherical substrate is the origin O. Points of intersection of the XYZ coordinate axis and the spherical surface with the radius r of the base material are points A, B, and C, respectively. Further, the point between the OBs, the point on the Y-axis is the point E, the point E is the intersection of the straight line parallel to the Z-axis and the spherical surface, the point F is the point of intersection, Is a point D. It is assumed that the surface acoustic wave generated from the point P on the arc DF reaches the point Q on the arc CG. Here, the point G is a point on the arc AB. Angle φ0, Θ0, Φ1, Θ1Is taken as shown in FIG. 2, the coordinates of points P and Q are respectively
(Rcosφ0cosθo, Rsinφ0, Rcosφ0sinθo)as well as
(Rcosφ1cosθ1, R cos θ1sinφ1, Rsinθ1)
So that
PQ2= 2r2[1-cosφ0cosθocosφ1cosθ1-Sinφ0cosφ1cosθ1-Cosφ0sinφ0sinθ1] ... (1)
It is. Therefore, if the angle POQ = θ, the cosine theorem
cos θ = cos φ0cosθocosφ1cosθ1+ Sinφ0cosφ1cosθ1+ Cosφ0sinφ0sinθ1  ... (2)
The relationship holds.
[0041]
The radial component of the particle displacement at point Q of the surface acoustic wave generated at point P is
[Expression 1]
Figure 0003974766
Figure 0003974766
(Viktorov, Rayleigh and Lamb Waves). Equation (3) is obtained for Rayleigh waves and Lamb waves, but can also be applied to surface acoustic waves in general. Here, C is a constant, CRIs the Rayleigh wave velocity and t is time. m is
m = circumference length / surface acoustic wave wavelength
Which is called the wavenumber parameter.
[0042]
The angle θ is obtained from the equation (2). The angle seen from point E is 2θAThe sound field at point Q by the arc-shaped sound source ofoAbout -θATo θAIs obtained by integrating up to. Sound field distribution is angle of attack θ of point Q1It is calculated by changing
[0043]
FIG. 3 shows that the point P is on the XZ plane.0Four states are shown in which the surface acoustic wave obtained using Equation (3) for the case of = 0 propagates on the spherical surface.
[0044]
3 (A), 3 (B), and 3 (C) show the sound field (the angle θ of the absolute value of the particle displacement) when the wave number parameter m = 600.1(Dependency) is the result of examining. In each of the figures, the bottom plot is an angle (propagation angle) φ representing the propagation of a surface acoustic wave on a spherical surface.1Is the sound field in the case of 0 °, and the sound field in the case of increasing by 15 ° upwards is plotted in order.
[0045]
FIG. 3A shows the opening half angle θ.A= 30 °. In this case, as is apparent from FIG. 3A, the propagation state of the surface acoustic wave is a focused beam shape. That is, the propagation angle φ1As the value increases, the width of the sound field decreases and φ1After reaching the minimum at 90 °, the width increases again, and the same distribution as that on the sound source is reproduced at the counter electrode 180 °. Thereafter, the same change is repeated every 180 °, and the same change is repeated no matter how many times it circulates. This is a phenomenon peculiar to a spherical surface where there is no wave diffusion due to diffraction. In this case, the opening half angle θA= The sound field does not spread more than 30 °, θ1AThe energy of the surface acoustic wave is confined in the belt-like portion. In this case, the spherical θ1> ΘAEven if another object is brought into contact with this part, the sound field is not disturbed.
[0046]
FIG. 3C shows the opening half angle θ.A= 1 °. In this case, as is apparent from FIG. 3C, the propagation state of the surface acoustic wave has a divergent beam shape similar to that of the point sound source. That is, the propagation angle φ1As the value increases, the width of the sound field also increases and φ1After reaching the maximum at 90 °, the width decreases again, and the same distribution as that on the sound source is reproduced at the counter electrode 180 °. In this case, unlike the case of the focused beam described above with reference to FIG.1AThe energy of the surface acoustic wave is not confined in the band-like portion of1= 90 ° spreads over the entire surface of the sphere. In this case, the φ of the spherical surface1= 90 ° and θ1> ΘAIf another object is brought into contact with this part, the sound field is disturbed.
[0047]
FIG. 3B shows the opening half angle θ.A= 3.5 °. In this case, as is apparent from FIG. 3B, the propagation state of the surface acoustic wave is the propagation angle φ.1The width of the sound field hardly changes even when the value increases. That is, θ1= ΘAThe energy of the surface acoustic wave is confined in the belt-like portion. This is the same characteristic as a Bessel beam in an infinite medium. And the aperture half angle θ at which the collimated beam is obtainedAThe collimating angle θcolCall it.
[0048]
As is clear from FIGS. 3A, 3B, and 3C, the opening half angle θAIs the collimating angle θcolWhen the surface wave energy is confined to the narrowest band,
Further, as a result of performing the same numerical analysis as described above by changing the wave number parameter m, the collimation angle θ is determined by the wave number parameter m.colWas found to change. FIG. 3D shows that when the wave number parameter m is 300, the propagation state of the surface acoustic wave becomes a collimated beam shape.AIs approximately 4.5 °, and in this case the collimating angle θcolBecomes about 4.5 °.
[0049]
Below, the collimating angle θ when the wave number parameter m changescolIndicates the value of.
[0050]
Figure 0003974766
This is an approximate value by numerical calculation. Thus, the collimating angle θcolIs obtained from the wave number parameter m using equation (3).
[0051]
With reference to FIG. 1 again, the surface acoustic wave device of the present embodiment will be described. When a surface acoustic wave is output from the comb electrode 123, it propagates along the annular surface 111 as described above. For convenience of explanation, the width of the annular surface 111 is made equal to the overlapping width of the comb electrodes 123. The overlapping width of the comb electrode 123 is determined by the collimating angle θcolThe width of the surface acoustic wave source defined by More preferably, the overlap width is the collimating angle θcolIs equal to the width defined by The surface acoustic wave propagates along the annular surface 111 without diffusing beyond the width of the annular surface 111 from the result of the numerical calculation. This propagation state corresponds to FIG. 3 (A) and FIG. 3 (B). Collimation angle θcolA typical value of the wave number parameter m for determining the value is 100 to 800, but the wave number parameter m of the present invention is not limited to this value.
[0052]
In the above numerical calculation, the wavelength and phase velocity of the surface acoustic wave have been described as being constant at all locations on the spherical surface through which the surface acoustic wave propagates. However, in the case of a spherical base material made of crystal, which is a crystal, the wavelength and phase velocity of a surface acoustic wave having a certain frequency generally differ according to the crystal orientation. Therefore, it is assumed that the wave number parameter m is not constant on the spherical surface but is approximately constant. In order to obtain the constant wave number parameter m, the wavelength of the surface acoustic wave propagating through the portion of the substrate where the surface acoustic wave is excited by the surface acoustic wave excitation means is used. That is, the wavelength of the portion of the substrate 110 on which the comb electrode 123 is provided is used. Furthermore, it is desirable to set the shape of the electrode pattern of the comb-shaped electrode 123 according to the wavelength on the substrate 110 at the position of each electrode piece.
[0053]
The annular surface 111 on which the surface acoustic wave propagates is formed along a predetermined path determined by the crystal orientation of the single crystal forming the substrate 110 as described above. This route has been confirmed by the inventors' experiments for crystals belonging to the trigonal system. This path is related to the Z axis of the crystal. The crystal axis of the quartz is shown in FIG.
[0054]
FIG. 5 is a diagram showing this route. For convenience of explanation, it is assumed that the Z axis passes through the center of the spherical substrate 110. The predetermined path determined by the crystal orientation includes four paths a, b1, b2, and b3. The path a is a line of intersection between a spherical surface that is the surface of the substrate 110 and a plane that passes through the center of the spherical surface and is orthogonal to the Z axis. Paths b1, b2, and b3 are intersections of a spherical surface that is the surface of the substrate 110 and three planes that pass through the center of the spherical surface and are parallel to the Z axis. The plane including the path b1 forms an angle of 60 ° and −60 ° with the plane including the paths b2 and b3, respectively. Considering the Z axis as the ground axis of the spherical substrate 110, the path a is the equator, and the paths b1, b2, and b3 are composed of six meridians arranged at intervals of 60 °.
[0055]
In the present embodiment, the surface acoustic wave propagates along the path a as shown in FIG. That is, the annular surface 111 is formed along the path a. However, the present invention is not limited to this. A surface acoustic wave may be propagated along at least two of the paths a, b1, b2, and b3. For example, when propagating along the path a and the path b1, surface acoustic wave excitation means are provided to face the paths a and b1, respectively. Further, a scatterer that scatters a surface acoustic wave or a reflector that reflects a surface acoustic wave is provided at a portion of the substrate 110 where the path a and the path b1 intersect, and the surface acoustic wave propagating through the path a is branched into the path b1. May be. If a scatterer or reflector that can ignore the disturbance of the surface acoustic wave on the path a is provided, the surface acoustic wave that is excited on the path a and circulates on the path a can be detected outside the path a.
[0056]
The comb electrode 123 will be described in more detail. FIG. 6 is a plan view of the comb electrode 123. The comb electrode 123 includes a pair of comb patterns 123a and 123b. The comb pattern 123a has a plurality of electrode pieces l1, l2, l3,... Arranged in the direction in which the surface acoustic wave propagates. As will be described later, the direction in which the surface acoustic wave propagates is made to coincide with the path a of the substrate 110 as shown in FIG. The comb pattern 123b has electrode pieces l1, l2, l3,... And a plurality of electrode pieces r1, r2, r3,. The intervals between adjacent electrodes (for example, electrode piece r1 and electrode piece l1, or electrode piece l1 and electrode piece r2) are all equal. The electrode pieces l1, l2, l3,... And the electrode pieces r1, r2, r3,. That is, if the Z axis is the ground axis of the substrate 110, these electrode pieces extend along meridians. These electrode pieces are arranged periodically. That is, if the electrode pieces l1 and r1 are moved along the path a, the electrode pieces l2 and r2, and the electrode pieces l3, r3,. The electrode pieces l1 and r1 form a unit of electrode pieces arranged periodically. By arranging the units of the electrode pieces in the direction in which the surface acoustic wave propagates, a pair of comb patterns 123a and 123b of the comb electrode 123 are formed.
[0057]
The electrode period P, which is the unit length of the electrode piece in the direction in which the surface acoustic wave propagates, is constant. The wavelength of the surface acoustic wave excited by the surface acoustic wave excitation means is 1/10 or less of the radius of the spherical surface of the substrate. At this time, this wavelength is not the natural vibration of the entire substrate 110 but is substantially equal to the electrode period P. However, as described above, the wavelength of the surface acoustic wave excited by the surface acoustic wave excitation means, that is, the wavelength of the surface acoustic wave propagating through the portion of the base 110 facing the comb-shaped electrode 123 is the other of the base 110. It may be different from the wavelength of the part.
[0058]
A description will be given with reference to FIG. 1 again. The Z-axis of the quartz substrate 110 is horizontal. As described above, the substrate 110 is positioned with respect to the recess 122 so that the electrode pieces of the comb-shaped electrode 123 are arranged along the path a.
[0059]
The electrode period of the comb electrode 123 is set as follows. Hereinafter, the substrate 110 is considered to be formed of an isotropic material. A certain value of the phase velocity of the Rayleigh wave of the X-axis propagation on the Y-cut surface of the crystal of the crystal is 3160 m / s. This is regarded as a typical phase velocity of a surface acoustic wave. Consider a case where an element that excites a surface acoustic wave having a frequency of 15.1 MHz is produced. An element with a wave number parameter of 150 is to be created. The wavelength of the surface acoustic wave is 0.209 mm from 3160 m / s ÷ 15.1 MHz = 209.3 μm. Therefore, the electrode period is set to 0.209 mm. Since the perimeter is 31.415 mm, the radius is 5.0 mm. As described above, the wavelength of the surface acoustic wave is 1/10 or less of the radius of the spherical surface of the substrate 110.
[0060]
The overlap width so that the surface acoustic wave does not diffuse is set as follows. Collimation angle θ corresponding to a wave number parameter of 150colIs 7.0 ° from the above numerical calculation. From the definition of the collimating angle, the overlap width is
Figure 0003974766
Therefore, the overlap width is set to 1.22 mm.
[0061]
FIG. 7 shows a waveform obtained by inputting an impulse signal into the surface acoustic wave device of this embodiment every 1 mm second with a signal amplitude of 20 V and a time width of 2 nanoseconds, and observing the output signal through a 20 MHz low-pass filter. Show. It was confirmed that the noise signal was very small and it circulated up to 10 times.
[0062]
Next, a modification of the comb electrode will be described. FIG. 8 is a diagram obtained by modifying the plan view of the comb patterns 123c and 123d of the present modification. In FIG. 8, when the Z axis of the quartz base material 110 is the ground axis, all the parallels are set to the same length. That is, when the base material 110 is viewed perpendicular to the ground axis, the base material 110 looks square.
[0063]
The comb pattern 123c has a plurality of electrode pieces S1, s1, S2, s2, S3, s3,... Arranged along the path a. These electrode pieces extend in the meridian direction. The electrode pieces S1, s1, the electrode pieces S2, s2, the electrode pieces S3, s3,. These electrode pieces are arranged periodically. The distance between the electrode piece S1 and the electrode piece S2, the distance between the electrode piece S2 and the electrode piece S3, are all equal. The distance between the electrode piece S1 and the electrode piece s1, the distance between the electrode piece S2 and the electrode piece s2, the distance between the electrode piece S3 and the electrode piece s3, are all equal. If the electrode pieces S1, s1 are moved along the path a, they overlap with the electrode pieces S2, s2, the electrode pieces S3, s3,.
[0064]
The comb pattern 123d has a plurality of electrode pieces T0, T1, T2, T3,... Arranged along the path a. These electrode pieces extend in the meridian direction. The electrode piece T1 is arranged between the electrode piece s1 and the electrode piece S2, and the electrode piece T2 is arranged between the electrode piece s2 and the electrode piece S3. The electrode pieces Ti (i = 3, 4, 5,...) After T3 are also arranged between the electrode pieces si and the electrode pieces Si + 1, similarly to the electrode pieces T1, T2. The electrode piece T0 is disposed such that the electrode pieces S1 and s1 are located between the electrode piece T0 and the electrode piece T1. Among the electrode pieces T0, T1, T2, T3,..., The intervals between adjacent electrode pieces are all equal. If the electrode piece T0 is moved along the path a, it overlaps with the electrode pieces T1, T2, T3,.
[0065]
The electrode pieces S1, s1, T1, the electrode pieces S2, s2, T3, the electrode pieces S3, s3, T3,. From the above description, it is apparent that these electrode pieces are arranged periodically. The electrode pieces S1, s1, T1 form a unit of electrode pieces arranged periodically. The dimensions of the comb patterns 123c and 123d will be described. The electrode period P is as shown in FIG.
Electrode period P = (Distance between electrode piece S1 and electrode piece S2) + (Width of electrode piece S1 in the direction along path a)
It is represented by Using the electrode period P, the dimensions of the comb patterns 123c and 123d are
Width of electrode piece S1 in the direction along path a = P / 4
Width of electrode piece T1 in the direction along path a = P / 8
Distance between electrode piece T1 and electrode piece S2 = 3P / 16
It is set to become.
[0066]
When the comb patterns 123c and 123d are formed as described above, surface acoustic waves can be output in one direction (the direction of the arrow in FIG. 8) along the path a.
[0067]
Various modifications and variations can be made to the comb-shaped electrode 123 of the present embodiment and the above-described modifications thereof. For example, the electrode piece extends along the meridian of the substrate 110, but may extend in a direction intersecting the meridian. When a comb-like electrode is formed by a photoresist with a plate-like photomask having holes extending linearly in the vertical direction and the horizontal direction as shown in FIG. It extends in the direction that intersects. Such a photomask can be easily designed, and a photoresist can be easily formed.
[0068]
Further, the interval between adjacent electrode pieces (for example, the interval between the electrode piece S1 and the electrode piece s1, the interval between the electrode piece s1 and the electrode piece T1, etc.) or the interval between the electrode pieces (the interval between the electrode piece T1 and the electrode piece S2). ), Or the electrode period may not be constant. As described above, in a sphere formed of crystal, which is a crystal, the wavelength and phase velocity generally differ according to the crystal orientation. If an electrode period or the like is set according to the wavelength of the portion of the substrate 110 where the electrode piece is located, a surface acoustic wave having a desired frequency can be excited efficiently.
[0069]
By the way, conventionally, a surface acoustic wave element in which a base material is a flat plate and a set of electrode pieces is periodically arranged is known as a surface acoustic wave element for a wide band. When such a surface acoustic wave element is applied to the spherical substrate 110, surface acoustic waves are excited over a wide wavelength range. Collimation angle θ related to wavelengthcolHowever, only surface acoustic waves having a wavelength that is equal to or greater than the overlapping width of the comb electrodes can circulate the substrate 110 without diffusing.
[0070]
In this embodiment, the comb-shaped electrode 123 is connected to the transmitter 126 having a high-frequency power source, but the present invention is not limited to this. For example, instead of the high-frequency power supply 123, an antenna that receives high-frequency radio waves may be connected to the comb-shaped electrode 123. When a high-frequency radio wave is received by the antenna, an electric field is generated in the comb-shaped electrode 123 and a surface acoustic wave is excited, as in the case where the transmitter 126 is connected.
[0071]
Next, a surface acoustic wave device according to a second embodiment of the present invention will be described. Most of the configuration of the present embodiment is basically the same as most of the configuration of the first embodiment. In the present embodiment, substantially the same components as those described with reference to FIG. 1 of the first embodiment refer to the corresponding components of the first embodiment. The same reference numerals as the reference numerals are assigned and detailed description is omitted.
[0072]
The difference between the configuration of the present embodiment and the configuration of the first embodiment is the configuration of the base material. The base material of the present embodiment is not provided with a resin thin film. FIG. 10 is a perspective view of the base 121. Spacers 231 and 232 are provided on the base 121 so that the comb-shaped electrode 123 faces the base material with a gap. The spacers 231 and 232 are provided by curing a resist resin. The spacers 231 and 232 are arranged on both sides of the portion of the comb electrode 123 where the comb pattern is formed, and are provided so as not to affect the propagation of the surface acoustic wave.
[0073]
11 is a cross-sectional view of the base 121 taken along the line L11-L11 in FIG. 10, and the base material 210 is held by the spacers 231 and 232. The L11-L11 cross-sectional line passes through the two spacers 231 and 232 and extends in a direction orthogonal to the direction in which the electrode pieces of the comb-shaped electrode 123 are arranged.
[0074]
The base member 210 includes a spherical member 212 formed of a glass material which is an isotropic material, a gold film 213 having a thickness of 1000 mm covering the spherical member 212, and a ZnO Z-axis alignment film 214 covering the gold film 213. Have. In FIG. 11, the gold film 213 and the alignment film 214 are shown partially removed from the surface of the spherical member 212. The alignment film 214 is a piezoelectric material. That is, a part of the substrate 210 is formed of a piezoelectric material.
[0075]
The gold film 213 is formed by vapor deposition or the like. The alignment film 214 is formed by DC sputtering. By performing sputtering while rotating the substrate 210, an alignment film can be formed in an annular region that goes around the substrate 210. By utilizing this, an alignment film can be formed over the entire surface of the substrate 210. Known techniques can be basically used for the concentration of gas used in DC sputtering, the voltage of DC high voltage, and the like, and for the method of creating a vapor deposition mask.
[0076]
When an electric field is applied to the substrate 210 by the comb-shaped electrode 123, the Z-axis alignment film 214 of ZnO vibrates due to the piezoelectric effect. As a result, the surface acoustic wave propagating along the annular surface 211 of the substrate 210 is excited. The annular surface 211 extends between the spacers 231 and 232 along the direction in which the electrode pieces of the comb-shaped electrode 123 are arranged. The annular surface 211 is separated from the spacers 231 and 232. Thereby, the surface acoustic wave can propagate through the annular surface 211 without being scattered or reflected. The annular surface 211 does not follow a specific path based on the properties of the material, like the quartz substrate 110 described in the first embodiment with reference to FIG. However, the annular surface 211 extends along the maximum circumference of the substrate 210.
[0077]
In the present embodiment, the overlapping width of the comb-shaped electrode 123 is 2 mm, and the electrode period is 350 μm. The height of the spacers 231 and 232, that is, the distance between the comb-shaped electrode 123 and the annular surface 211 is 10 μm as in the first embodiment. This is ¼ or less of the electrode period.
[0078]
In the present embodiment, two spacers are provided on both sides of the comb-shaped portion of the comb-shaped electrode 123, but the present invention is not limited to this. For example, two may be provided on both sides. Alternatively, a relatively good spacer can be obtained by dispersing fine resin particles between the substrate 210 and the comb-shaped electrode 123.
[0079]
Next, a surface acoustic wave device according to a third embodiment of the present invention will be described. Most of the configuration of the present embodiment is basically the same as the configuration of the second embodiment. In the present embodiment, substantially the same components as those described with reference to FIGS. 10 and 11 of the second embodiment indicate the corresponding components of the second embodiment. The same reference numerals as those used in the above description are attached and detailed description thereof is omitted.
[0080]
In the present embodiment, a base 321 is used instead of the base 121 of the second embodiment. FIG. 13 is a perspective view of the base 321. On the upper surface of the base 321, prismatic electrode pieces u 1, v 1, u 2, v 2, u 3, v 3, u 4 extending in the vertical direction are arranged in the horizontal direction in this order. These electrode pieces form comb electrodes. A concave surface having a shape along a part of the spherical surface of the substrate 210 is formed over the upper surfaces of these electrode pieces. Adjacent electrode pieces in the electrode pieces u1, v1, u2, v2, u3, v3, u4 are connected to different electrodes, respectively. That is, the electrode pieces u1, u2, u3, u4 are connected to the electrode 335, and the electrode pieces v1, v2, v3 are connected to the electrode 336, respectively. These electrode pieces and the base 321 are formed by cutting a glass epoxy material and plating copper on a portion corresponding to the upper surface of the electrode pieces. The overlapping width and electrode period of the comb-shaped electrodes formed of these electrode pieces are the same as those in the second embodiment. The electrodes 335 and 336 are connected to the impedance matching circuit 124 (see FIG. 1) via a predetermined circuit. The electrode pieces u1, v1, u2, v2, u3, v3, u4 and the electrodes 335, 336 are used as surface acoustic wave excitation means.
[0081]
Four holding members 331, 332, 333, and 334 for holding the base material 210 are provided on the upper surface of the base 321. When the substrate 210 is held by the holding members 331, 332, 333, and 334, the upper surfaces of the electrode pieces u 1, v 1, u 2, v 2, u 3, v 3, u 4 face the surface of the substrate 210 with a gap. When an electric field is applied to the substrate 210 by these electrode pieces, a surface acoustic wave propagating along the annular surface 211 of the substrate 210 is excited. The annular surface 211 extends along the maximum circumferential line as in the second embodiment. Comb electrodes formed of these electrode pieces are opposed to the annular surface 211 at a distance. This interval is the same as that of the second embodiment, and is ¼ or less of the electrode period. The holding members 331, 332, 333, and 334 are located on both sides of the annular surface 211.
[0082]
Even if the surface acoustic wave element is configured in this way, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
[0083]
In the present embodiment, the comb electrode is formed of seven electrode pieces u1, v1, u2, v2, u3, v3, u4, but the present invention is not limited to this. The number of electrode pieces may be 2 to 6, or 8 or more.
[0084]
Various modifications and variations can be made to the first to third embodiments. For example, the quartz crystal substrate 110 of the first embodiment may be held on the base 121 of the second embodiment or the base 321 of the third embodiment. In this case, a resin thin film is not formed on the substrate 110 of the first embodiment. The substrate 110 has the same structure as that of the second embodiment so that the path a of the substrate 110 is along the direction in which the comb electrodes 123 of the first embodiment or the electrode pieces of the comb electrodes of the second embodiment are arranged. It is positioned on the base 121 or the base 321 of the third embodiment.
[0086]
Next, an analysis method according to the first embodiment of the present invention will be described. First, a base material having an annular surface that is formed of at least a part of a spherical surface and is continuous in an annular shape is prepared (base material preparation step). In the present embodiment, a spherical base material formed of a single crystal of quartz that is a piezoelectric material is prepared. This base material is formed on the surface of the crystal and has a reaction film that reacts with a predetermined human body substance. That is, the reaction film is formed along the annular surface. In this embodiment, the in-vivo substance is analyzed as a test substance. The reaction membrane is used as a reaction part. The reaction film is formed of a material that increases in hardness when it reacts with a substance in the body. In this embodiment, quartz is used as the base material, but it is the same trigonal system as quartz and is a piezoelectric material, LiNbO.3LiTaO3A single crystal such as may be used.
[0087]
Next, the reaction film is reacted with the substance in the body (reaction process). To react, the substrate is orally administered to a person (administration process). At this time, a relatively large number of substrates are administered. The reaction film of the base material reacts with the substance in the body and hardens. By removing these base materials from the excrement, the base material orally administered in the administration step is recovered (recovery step). At this time, it is not necessary to collect all of the base material 210 administered orally. Although a large number of substrates are required for the reaction process, the cost for the reaction process is relatively low because the substrate requires very little processing and is very inexpensive.
[0088]
Next, the recovered base material is placed in the concave portion 122 of the base 121 of the surface acoustic wave element according to the first embodiment described with reference to FIG. Note that components substantially the same as the components described with reference to FIG. 1 have the same reference numerals as the reference numerals indicating the corresponding components of the surface acoustic wave element according to the first embodiment. Detailed description will be omitted. When placed, the base 110 is positioned so that the path a of the base 110 is along the direction in which the electrode pieces of the comb-shaped electrodes 123 are arranged. As described with reference to FIG. 5, the path a is the equator when the Z axis of the quartz base material 110 is the ground axis. The annular surface is formed along the path a. The substrate 110 is properly positioned when the Z axis is leveled. Marks are provided on portions corresponding to the north and south poles when the Z axis is the ground axis. This mark may be formed, for example, by etching the base material 110 to create a recess. After positioning, a surface acoustic wave is propagated along the annular surface (propagation process). The substrate 110 may be positioned so that the paths b1, b2, and b3 of the substrate 110 are along the direction in which the electrode pieces of the comb-shaped electrode 123 are arranged.
[0089]
Next, the surface acoustic wave propagated in the propagation process is detected (detection process).
[0090]
Thereafter, the surface acoustic wave detected in the detection step is compared with the surface acoustic wave propagating on the annular surface of the base material prepared in the base material preparation step. The latter surface acoustic wave is a surface acoustic wave that propagates on the annular surface of a substrate having a reaction film that does not react with the body substance. This surface acoustic wave is detected in advance. The hardness of the reaction film that has reacted with the internal substance varies depending on the nature of the internal substance, for example, the concentration of a specific chemical substance. The frequency and speed of the surface acoustic wave change according to the hardness of the reaction film. That is, the difference in the frequency and speed between the surface acoustic wave after the detection step and the surface acoustic wave immediately after the substrate preparation step changes depending on the properties of the in-vivo substance. This can be used to analyze the properties of chemical substances.
[0091]
In the present embodiment, the human body substance is analyzed as the test substance, but the animal body substance may be analyzed as the test substance.
[0092]
Next, an analysis method according to the second embodiment of the present invention will be described. The analysis method of the present embodiment is used, for example, for evaluating the alkali concentration in the pipe. First, the base material preparation step will be described. First, a spherical substrate formed of a single crystal of quartz having a diameter of 3 mm is prepared. This base material is formed on the surface of quartz and has a resist resin film that elutes into an alkaline solution. That is, the resist resin film is formed along the annular surface. The resist resin film forms a reaction part. Marks are provided on portions corresponding to the north and south poles when the Z axis of the quartz base material is the ground axis.
[0093]
In the subsequent reaction step, the base material is put in a pipe, and the resist resin film is reacted with an alkaline solution in the pipe. The resist resin film elutes in the alkaline solution and the film thickness is thin. After the reaction, the substrate is recovered from the pipe.
[0094]
After the collection, the propagation step, the detection step, and the comparison step are performed as in the analysis method of the first embodiment. In the present embodiment, the alkaline solution in the pipe is analyzed using the fact that the frequency and speed of the surface acoustic wave change according to the thickness of the resist resin film.
[0095]
In the analysis method of the first or second embodiment, a reaction part that hardens or elutes is used, but the present invention is not limited thereto. It includes various reaction parts that react with the test substance by releasing, binding, or decomposing.
[0096]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications and applications can be made without departing from the spirit of the invention.
[0097]
【The invention's effect】
  As is clear from the above detailed description, the surface acoustic wave device according to the present invention is extremely numerous.TimesHigh-accuracy signal processing and evaluation can be achieved by realizing the surface acoustic wave circulation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a surface acoustic wave element according to a first embodiment of the present invention.Of childIt is a perspective view which shows a structure.
FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system used for calculating the amplitude of a surface acoustic wave.
3 (A), (B), (C) and (D) are wave number parameters m (circumference length and surface acoustic wave) calculated by an equation created using the coordinate system of FIG. FIG. 6 is a diagram schematically showing four states in which surface acoustic waves obtained by changing the ratio of the wavelength and the half angle of the opening (1/2 of the width at which the vibration means is provided) propagate through the surface of a spherical substrate.
FIG. 4 is a diagram showing crystal axes of quartz.
FIG. 5 is a diagram illustrating a path through which a surface acoustic wave propagates.
FIG. 6 is a plan view of a comb electrode of the surface acoustic wave device according to the first embodiment of the invention.
7 is a diagram showing a surface acoustic wave waveform measured by the surface acoustic wave device of FIG. 1; FIG.
FIG. 8 is a modified plan view of a modification of the comb electrode of FIG. 6;
FIG. 9 is a plan view of a photomask hole of a comb electrode.
FIG. 10 is a perspective view of a base of a surface acoustic wave element according to a second embodiment of the invention.
11 is a cross-sectional view of the base taken along the line L11-L11 in FIG.
FIG. 12 is a perspective view of a base of a surface acoustic wave element according to a third embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
110 Substrate
111 toroidal surface
121 base
123 Comb electrode
210 Base material
211 Annular surface
321 base

Claims (4)

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おり、圧電性材料で形成されている基材と、
円環状表面と間隔を置いて対向しており、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
を備えていて、
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櫛形電極を含んでおり、
前記櫛形電極と円環状表面との間隔が、この櫛形電極の電極周期の1/4以下である、
ことを特徴とする弾性表面波素子。
And at least a portion of the spherical surface be formed Propelled by one of the annular surfaces are continuous in an annular shape, groups are formed by pressure-conductive material member,
A surface acoustic wave excitation means that is opposed to the annular surface at an interval and excites a surface acoustic wave that propagates along the annular surface ;
The equipped,
The surface acoustic wave excitation means includes a comb-shaped electrode provided along the annular surface and connected to a high-frequency power source,
The interval between the comb electrode and the annular surface is ¼ or less of the electrode period of the comb electrode.
A surface acoustic wave device.
前記基材は、水晶の単結晶、LiNbOの単結晶およびLiTaOの単結晶からなる群から選択される単結晶で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。2. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the base material is formed of a single crystal selected from the group consisting of a single crystal of crystal, a single crystal of LiNbO 3, and a single crystal of LiTaO 3. . 前記弾性表面波励起手段により励起される弾性表面波の波長が、基材の球面の半径の1/10以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の弾性表面波素子。  The surface acoustic wave device according to claim 1 or 2, wherein the surface acoustic wave excited by the surface acoustic wave excitation means has a wavelength of 1/10 or less of a radius of a spherical surface of the substrate. 前記櫛形電極の重なり幅は、前記基材の球面の直径の半分以下でこの球面の半径の1/100以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の弾性表面波素子。 4. The elastic surface according to claim 1 , wherein an overlapping width of the comb-shaped electrode is not more than half of a diameter of the spherical surface of the base material and not less than 1/100 of a radius of the spherical surface. Wave element.
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