JP3974766B2

JP3974766B2 - 弾性表面波素子

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Publication number: JP3974766B2
Application number: JP2001311789A
Authority: JP
Inventors: 教尊中曽; 祐輔塚原; 一司山中
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2003115744A

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_３の単結晶およびＬｉＴａＯ_３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４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_３の単結晶、ＬｉＴａＯ_３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_３、ＬｉＴａＯ_３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_３、ＬｉＴａＯ_３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_３およびＬｉＴａＯ_３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_３およびＬｉＴａＯ_３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_０，θ_０，φ_１，θ_１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
（ｒｃｏｓφ_０ｃｏｓθ_o，ｒｓｉｎφ_０，ｒｃｏｓφ_０ｓｉｎθ_o）及び
（ｒｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１，ｒｃｏｓθ_１ｓｉｎφ_１，ｒｓｉｎθ_１）
となるため、
ＰＱ^２＝２ｒ^２［１−ｃｏｓφ_０ｃｏｓθ_oｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１−ｓｉｎφ_０ｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１−ｃｏｓφ_０ｓｉｎφ_０ｓｉｎθ_１］…（１）
である。従って、角ＰＯＱ＝θとおくと余弦定理より
ｃｏｓθ＝ｃｏｓφ_０ｃｏｓθ_oｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１＋ｓｉｎφ_０ｃｏｓφ_１ｃｏｓθ_１＋ｃｏｓφ_０ｓｉｎφ_０ｓｉｎθ_１ …（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】

である（Ｖｉｋｔｏｒｏｖ，ＲａｙｌｅｉｇｈａｎｄＬａｍｂＷａｖｅｓ）。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_Ｒ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_Ａの円弧状音源による点Ｑの音場は、式（３）をθ_oについて−θ_Ａからθ_Ａ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_１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＝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_１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_１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_Ａ＝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_１が増加するにつれて音場の幅が減少しφ_１＝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_Ａ＝３０°よりも音場が広がることがなく、θ_１＜θ_Ａ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_１＞θ_Ａ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_Ａ＝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_１が増加するにつれて音場の幅も増加しφ_１＝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_１＜θ_Ａ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_１＝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_１＝９０°かつθ_１＞θ_Ａ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_Ａ＝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_１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_１＝θ_Ａ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_Ａをコリメート角θ_ｃｏｌ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_Ａがコリメート角θ_ｃｏｌ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θ_ｃｏｌ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_Ａ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θ_ｃｏｌ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θ_ｃｏｌの値を示す。
【００５０】

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θ_ｃｏｌ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θ_ｃｏｌ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θ_ｃｏｌ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θ_ｃｏｌ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θ_ｃｏｌ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、

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θ_ｃｏｌ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_３、ＬｉＴａＯ_３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

Claims

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。
前記基材は、水晶の単結晶、ＬｉＮｂＯ_３の単結晶およびＬｉＴａＯ_３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。
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。
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。