JP5157828B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波素子に関する。

平坦な基体上に配置された平坦な圧電体の上面の相互に離間した２つの位置に弾性表面波励起手段及び弾性表面波検知手段が相互に対向して配置された板状の弾性表面波素子は従来良く知られている。

このような従来の板状の弾性表面波素子においては、弾性表面波励起手段及び弾性表面波検知手段の夫々としてすだれ状電極（櫛形電極とも呼ばれている）が使用されている。弾性表面波励起手段に高周波電流が供給されると弾性表面波励起手段は圧電体の上面に弾性表面波を励起し励起された弾性表面波を平坦な圧電体の上面に沿い弾性表面波検知手段に向かい伝搬させ弾性表面波検知手段により検知させる。

このような従来の板状の弾性表面波素子は、遅延線，発振器の為の発振素子及び共振素子，周波数選択フィルター，化学センサー，バイオセンサー，そしてリモートタグ等に使用されている。そして、圧電体の上面の弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離を長くとれればとれるほど、弾性表面波素子を利用したこれら種々の装置の精度は高まる。

しかしながら、このような従来の板状の弾性表面波素子においては、平坦な基体上に配置された圧電体が平坦である為に、弾性表面波励起手段が圧電体の上面に励起した弾性表面波は平坦な圧電体の上面に沿い弾性表面波検知手段に向かい伝搬される間にその伝搬方向に対し直交する方向に拡散してしまい、そのエネルギーを失う。従って、平坦な圧電体の上面において設定可能な弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離は、おのずと限りがある。

弾性表面波励起手段に供給する高周波電流のエネルギーを増加させ平坦な基体の表面積を拡大すれば、上記距離を長くすることが出来るが、弾性表面波素子の駆動に要する電力が増大し、また弾性表面波素子の外形寸法が大形化する。

国際公開 ＷＯ ０１／４５２５５ 号公報（特許文献１）は、弾性表面波を励起させ伝搬させることが出来る球形状の基体の表面に対し弾性表面波励起検知手段としてのすだれ状電極を載置し、基体の半径とすだれ状電極により基体の表面に励起させる弾性表面波の周波数及び幅（基体の表面を弾性表面波が伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向における弾性表面波の寸法）とを所定の条件に設定することにより、すだれ状電極により基体の表面に励起された弾性表面波を、基体の表面に沿い伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく、伝搬させることが出来、ひいては繰り返し周回させることが出来ることが明らかにされている。

球形状の基体の表面を弾性表面波が周回する軌跡は、球形状の基体の表面において球形状の基体の最大外周線を含んでいる球の一部が円環状に連続している領域内にあり、この領域を弾性表面波周回路と呼んでいる。そして、球形状の基体を使用したこのような従来の弾性表面波素子は、弾性表面波周回路に沿い弾性表面波周回路の延出方向と交差する方向に拡散することなく弾性表面波を多数回周回させることが出来る（即ち、すだれ状電極が弾性表面波を励起させてから弾性表面波周回路を周回する弾性表面波をすだれ状電極が正確に検知することが出来なくなるまでに弾性表面が周回する回数が多い）ので、周回数の増大に伴う弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を精密に測定することが出来る。

伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度は、球状弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化（例えば、ガス濃度の増加）の程度に比例する。従って、上述した種々の程度を測定することは球状弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化を測定することを意味する。
国際公開 ＷＯ ０１／４５２５５ 号公報

弾性表面波を励起させ伝搬させることが可能な球形状の基体の材料としては、水晶，ランガサイト，リチウムナイオベート（ニオブ酸リチウム：LiNbO₃），そしてリチウムタンタレート（タンタル酸リチウム：LiTaO₃）などの圧電性結晶材料が広く知られている。

これらの圧電性結晶材料においてランガサイトは、水晶に比べると高価ではあるがリチウムナイオベート（ニオブ酸リチウム：LiNbO₃）やリチウムタンタレート（タンタル酸リチウム：LiTaO₃）に比べて安価であり、また水晶に比べると電気機械的結合定数が大きくて励起され伝搬された弾性表面波の伝搬速度が比較的遅いので、弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を観察して、球状弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化（例えば、ガス濃度の増加）の程度を精密に観測するのが容易である。

とはいうものの、ランガサイトを弾性表面波を励起させ伝搬させることが可能な球形状の基体の材料として使用した場合、１つの弾性表面波周回路中を伝搬する弾性表面波の軌跡（経路）を詳細に検討した結果、弾性表面波周回軌跡が異なると伝搬する弾性表面波の強度の減衰の仕方が相互に異なり伝搬速度が相互に異なることがわかった。そして、当然のことながら、伝搬する弾性表面波の強度の減衰の仕方が指数関数的な減衰にできる限り一致し伝搬速度が速くなるほうが環境の変化（例えば、ガス濃度の増加）の程度をより精密に観測することができる。

この発明は上記事情の下でなされ、この発明の目的は、弾性表面波を励起させ伝搬させることが可能な球形状の一部で円環形状の弾性表面波周回路を含む弾性表面波周回基体の材料としてランガサイトを使用した場合、弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を正確に精密に測定することが出来る、弾性表面波素子を提供することである。

上述したこの発明の目的を達成する為に、この発明に従った弾性表面波素子は：弾性表面波が励起可能な結晶材料により形成されていて、球面の一部により円環状に規定され励起された弾性表面波が周回可能な少なくとも１つの弾性表面波周回路を含む弾性表面波周回基体と；そして、弾性表面波周回基体の弾性表面波周回路に弾性表面波を励起させて励起された弾性表面波を弾性表面波周回路に沿い周回させるとともに周回した弾性表面波を検知する弾性表面波励起検知手段と；を備えている。そして、弾性表面波周回基体がランガサイトにより形成されていて、弾性表面波周回基体においては、ランガサイトの１つの結晶軸回りの結晶面が弾性表面波周回基体の外表面と交差した交線が上記外表面の最大外周線となり弾性表面波周回路が上記交線に沿い円環状に設定されており、弾性表面波励起検知手段が弾性表面波周回路において、弾性表面波周回路に励起させ周回させた弾性表面波の減衰が指数関数的な減衰に最も良く一致するとともに上記弾性表面波の伝搬速度が最も早くなる位置に配置されている、ことを特徴としている。

上述した如く構成されたことを特徴とするこの発明に従った弾性表面波素子は、弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を正確に精密に測定することが出来る。

以下、この発明の一実施の形態及び種々の変形例に従った弾性表面波素子を使用した外部環境測定装置について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態に従った弾性表面波素子１０を使用した外部環境測定装置１２の基本的な構成を概略的に図示している。

弾性表面波素子１０は：弾性表面波が励起可能な結晶材料であるランガサイトにより形成されていて、球面の一部により円環状に規定され励起された弾性表面波が周回可能な少なくとも１つの弾性表面波周回路１４ａを含む弾性表面波周回基体１４と；そして、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに弾性表面波ＡＳＷを励起させて励起された弾性表面波ＡＳＷを弾性表面波周回路１４ａに沿い周回させるとともに周回した弾性表面波ＡＳＷを検知する弾性表面波励起検知手段１６と；を備えている。

ランガサイトなどの圧電性結晶材料は、夫々の球形状の外表面において夫々が有している結晶面が球形状の外表面と交差する交線１４ｂに沿い弾性表面波を励起させると励起された弾性表面波は上記交線１４ｂに沿い伝搬することが判っている。そして、国際公開 ＷＯ ０１／４５２５５ 号公報（特許文献１）によれば、弾性表面波を励起させ伝搬させることが出来る球形状の弾性表面波周回基体１４の半径と弾性表面波周回基体１４の外表面に励起させる弾性表面波の周波数及び幅（弾性表面波周回基体１４の表面を弾性表面波が伝搬する方向に対し弾性表面波周回基体１４の表面に沿い直交する方向における弾性表面波の寸法）とを所定の条件に設定することにより、弾性表面波周回基体１４の表面に励起された弾性表面波を、弾性表面波周回基体１４の表面に沿い伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく、伝搬させることが出来、ひいては繰り返し周回させることが出来ることが明らかにされている。

上記交線１４ｂは、弾性表面波周回基体１４の外表面において最大の径の外周となる線であり、上記交線１４ａに沿って励起された弾性表面波が伝搬する球面の一部により円環状に規定される領域が弾性表面波周回路１４ａである。

ランガサイトは３つの結晶面を有していることが知られている。従ってランガサイトを弾性表面波周回基体１４の為の圧電結晶性材料として使用した場合には、その球形状の外表面に３個の弾性表面波周回路１４ａが設定可能であることになる。

弾性表面波励起検知手段１６としては、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに励起した弾性表面波ＡＳＷをその伝搬方向に対し弾性表面波周回基体１４の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく伝搬させ周回繰り返し周回させることを可能にする前述した所定の条件を満たす波長と幅とを容易に設定可能にする為に、すだれ状電極又は櫛歯状電極と言われている公知の電気音響変換素子が通常使用される。

すだれ状電極又は櫛歯状電極は、夫々が複数の櫛歯状電極枝１６ａを有した１対の櫛歯状電極部を、一方の櫛歯状電極部の複数の櫛歯状電極枝１６ａの複数の隙間の夫々の中央に他方の櫛歯状電極部の複数の櫛歯状電極枝１６ａの夫々を配置することにより構成されている。このような構成のすだれ状電極又は櫛歯状電極は、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａの所望の位置に公知の形成方法（例えば、フォトリソグラフィー法）により容易に精密に形成することが可能である。弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに複数の櫛歯状電極枝１６ａを前記交線１４ｂと交差する方向に向けた状態ですだれ状電極又は櫛歯状電極を形成し、１対の櫛歯状電極部に対し相互に対向している２つの櫛歯状電極枝１６ａの相互間の離間距離に対応した周波数の高周波電流を供給すると、すだれ状電極又は櫛歯状電極は相互に対向している２つの櫛歯状電極枝１６ａの相互間の離間距離に対応した周波数を有しているとともに相互に対向している２つの櫛歯状電極枝１６ａの夫々の相互に対向している部分の長さの幅を有している弾性表面波ＡＳＷを弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａの上記所望の位置に励起させ、励起した弾性表面波ＡＳＷを１対の櫛歯状電極部の複数の櫛歯状電極枝１６ａが並んでいる方向に進行（即ち、伝搬させ）させる。

なおここで、弾性表面波とは、通常のバルク波と呼ばれる縦波や横波と異なり、物質表面にそのエネルギーの多くを集中して伝搬する弾性波であり、レーリー波，セザワ波，擬セザワ波，ラブ波等を例示することができる。

弾性表面波励起検知手段１６には、弾性表面波励起検知手段１６の動作を制御する為の動作制御手段１８が接続されている。動作制御手段１８は、弾性表面波周回基体１４の弾性表面波周回路１４ａに対し所望のタイミングで弾性表面波励起検知手段１６に弾性表面波ＡＳＷをバースト状に励起させ伝搬させるとともに弾性表面波周回路１４ａに励起され伝搬された弾性表面波ＡＳＷを弾性表面波励起検知手段１６に所望のタイミングで検知させる。例えば、動作制御手段１８は、弾性表面波励起検知手段１６を構成しているすだれ状電極又は櫛歯状電極の１対の櫛歯状電極部の一方に接続された入出力切り替え部１８ａと、入出力切り替え部１８ａの入力端子に接続された高周波信号発生部１８ｂと、入出力切り替え部１８ｂの出力端子にアンプ１８ｃを介して接続された検出・出力部１８ｄと、を含んでいる。そして、弾性表面波励起検知手段１６を構成しているすだれ状電極又は櫛歯状電極の１対の櫛歯状電極部の他方は接地されている。

弾性表面波励起検知手段１６が入出力切り替え部１８ａにより高周波信号発生部１８ｂに所望のタイミングで接続されることにより、高周波信号発生部１８ｂから弾性表面波励起検知手段１６に供給された高周波信号が弾性表面波周回路１４ａ中にバースト上に弾性表面ＡＳＷを励起させ、励起されたバースト状の弾性表面波ＡＳＷは弾性表面波周回路１４ａ中を前述した交線１４ｂに沿い伝搬し弾性表面波周回路１４ａ中を周回する。弾性表面波励起検知手段１６が入出力切り替え部１８ａによりアンプ１８ｃを介して検出・出力部１８ｄに所望のタイミングで接続されることにより、弾性表面波周回路１４ａ中を周回しているバースト状の弾性表面波ＡＳＷは所望のタイミングでアンプ１８ｃを介して検出・出力部１８ｄにより検知される。

本願の発明者である柳沢は、弾性表面波周回基体１４が三方晶系の圧電性単結晶材料であるランがサイトの場合について、弾性表面波周回路１４ａ中を伝搬する弾性表面波ＡＳＷの軌跡（経路）を詳細に検討した結果、同じ弾性表面波周回路１４ａ中でも励起された弾性表面波ＡＳＷを１周毎に同じ軌跡で周回させることが可能な１つの主周回軌跡２０が存在することに気づいた。同じ弾性表面波周回路１４ａ中でも１つの主周回軌跡２０に沿って伝搬する弾性表面波ＡＳＷはその強度の減衰が指数関数的な減衰と良く一致し、また弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度が最も速くなる。

そして、主周回軌跡２０は、弾性表面波周回基体１４の圧電性単結晶材料であるランガサイトが異方性を有していて上記交線１４ｂに沿った複数の位置の夫々において、そこを通過する弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度や、電気機械結合定数や、パワーフローアングルが相互に僅かに異なっていることから、上記交線１４ｂと一致せず、弾性表面波周回基体１４が、三方晶系の圧電性単結晶材料であるランガサイトの場合には、図１中に図示されている如く、弾性表面波周回路１４ａ中で上記交線１４ｂに沿った１２０°の回転角毎に上記交線１４ｂに対し直交する一方向及び他方向に１°乃至３°の回転角αの範囲内で順次交互に正弦的に振れ蛇行している。

なお、図１中には、三方晶系の圧電性単結晶材料の一種であるランガサイトの有する１つの結晶軸であるＺ軸周りの結晶面が規定している交線１４ｂに沿った弾性表面波周回路１４ａの場合について例示しており、球状の弾性表面波周回基体１４を地球に見立てＺ軸を地軸に上記交線１４ｂを赤道とした場合の−Ｙ軸方位の緯度方向では主周回軌跡２０は上記交線１４ｂから＋２°振れている。

弾性表面波励起検知手段１６を、弾性表面波周回路１４ａにおいて、弾性表面波周回路１４ａに励起させ周回させた弾性表面波ＡＳＷの減衰が指数関数的な減衰に最も良く一致するとともに上記弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度が最も早くなる位置に配置すれば、弾性表面波励起検知手段１６は主周回軌跡２０上に載置されたことになり、弾性表面波周回路１４ａにおいて最も効率良くしかも精密に制御して弾性表面波ＡＳＷを伝搬させることができる。

１つの弾性表面波周回路１４ａにおいて主周回軌跡２０が通過する領域に弾性表面波素子１０を取り巻く外部環境の変化を検知する感応膜２４が設けられている。

感応膜２４は、外部環境の特定の物質に接触することにより、接触した特定の物質の量に応じてそこを通過する弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度に変化を生じさせる。例えば、特定の物質を吸着することによりその質量効果によりそこを通過する弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度を減速させ減衰率を急激に低下させたり、特定の物質が吸蔵されることによりその機械的な硬度が変化しそこを通過する弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度や減衰率を変化させたり、特定の物質と反応することにより吸熱又は発熱反応を生じてそこを通過する弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度や減衰率を変化させたりする。そして、感応膜２４は、特定の物質に対する可逆反応を生じさせることが好ましい。

このような感応膜２４としては、水素（H₂）を吸蔵して水素化物を形成し機械的な特性を変化させるパラジウム（Pd），アンモニア（NH₃）に対する吸着性が高いプラチナ（Pt），水素化物を吸着する酸化タングステン（WO₃），一酸化炭素（CO）や二酸化炭素（CO₂）や二酸化硫黄（SO₂）や二酸化窒素（NO₂）を選択的に吸着するフタロシアニン（Phthalocyanine）等が知られている。

即ち、感応膜２４を通過した弾性表面波ＡＳＷの伝搬速度や減衰率の変化、即ち感応膜２４を通過した弾性表面波ＡＳＷの位相や強度の変化、の程度を測定すれば感応膜２４が上述した如く感応する外部環境中の特定の物質の変化を検知することができる。

主周回軌跡２０上に弾性表面波励起検知手段１６を載置する場合には、弾性表面波励起検知手段１６の中心を主周回軌跡２０に一致させればより効率良くより精密に制御して弾性表面波ＡＳＷを伝搬させることが可能である。

図１を参照した前述した説明から明らかなように、主周回軌跡２０は、上記交線１４ｂと一致せず、弾性表面波周回路１４ａ中で上記交線１４ｂに沿った１２０°の回転角毎に上記交線１４ｂに対し直交する一方向及び他方向に１°乃至３°の回転角αの範囲内で順次交互に正弦的に振れ蛇行しているので、弾性表面波励起検知手段１６の中心を主周回軌跡２０に一致させれば、弾性表面波励起検知手段１６は図１中に図示されている如く、弾性表面波周回路１４ａ中で上記交線１４ｂから離れている場合と、図２中に図示されている如く上記交線１４ｂと一致する場合と、がある。

弾性表面波励起検知手段１６の中心を主周回軌跡２０に一致させる場合、弾性表面波励起検知手段１６が弾性表面波周回路１４ａにおいて励起させ伝搬させる弾性表面波ＡＳＷの波面が主周回軌跡２０に対し直交していればさらに効率良くさらに精密に制御して弾性表面波ＡＳＷを伝搬させることが可能である。

弾性表面波励起検知手段１６がすだれ状電極又は櫛歯状電極の場合、図２中に参照符号１６´により指摘されている弾性表面波励起検知手段の如く１対の櫛歯状電極部の夫々の複数の櫛歯状電極枝１６´ａを主周回軌跡２０に対し出来る限り直交するよう配置すれば良い。

より精密には、図２中に参照符号１６´´により指摘されている弾性表面波励起検知手段の如く、主周回軌跡２０上ですだれ状電極又は櫛歯状電極が載置される位置において交線１４に対し直交する方向に延出した複数の櫛歯状電極枝１６´´ａを上記位置における主周回軌跡２０の交線１４に対する傾斜に対応して上記直交する方向に順次ずれて配置することがさらに好ましい。

図１は、この発明の一実施の形態に従った弾性表面波素子を使用した外部環境測定装置の構成を概略的に示す概略図である。 図２は、図１中に図示されていた弾性表面波素子において使用されている弾性表面波励起検知手段の種々の変形例を概略的に示す概略図である。

符号の説明

１０…弾性表面波素子、１２…外部環境測定装置、１４…弾性表面波周回基体、１４ａ…弾性表面波周回路、１４ｂ…交線、１６，１６´，１６´´…弾性表面波励起検知手段、１６ａ，１６´ａ，１６´´ａ…電極枝、１８…動作制御手段、１８ａ…入出力切り替え部、１８ｂ…高周波信号発生部、１８ｃ…アンプ、１８ｄ…検出・出力部、２０…主周回軌跡、２４…感応膜、ＡＳＷ…弾性表面波。

Claims (5)

1. 弾性表面波が励起可能な結晶材料により形成されていて、球面の一部により円環状に規定され励起された弾性表面波が周回可能な少なくとも１つの弾性表面波周回路を含む弾性表面波周回基体と；そして、
   弾性表面波周回基体の弾性表面波周回路に弾性表面波を励起させて励起された弾性表面波を弾性表面波周回路に沿い周回させるとともに周回した弾性表面波を検知する弾性表面波励起検知手段と；
   を備えており、
   弾性表面波周回基体がランガサイトにより形成されていて、
   弾性表面波周回基体においては、ランガサイトの１つの結晶軸回りの結晶面が弾性表面波周回基体の外表面と交差した交線が上記外表面の最大外周線となり弾性表面波周回路が上記交線に沿い円環状に設定されており、
   弾性表面波励起検知手段が弾性表面波周回路において、弾性表面波周回路に励起させ周回させた弾性表面波の減衰が指数関数的な減衰に最も良く一致するとともに上記弾性表面波の伝搬速度が最も早くなる位置に配置されている、
   ことを特徴とする弾性表面波素子。
2. 弾性表面波励起検知手段の中心が弾性表面波周回路において前記交線から離れて配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載に弾性表面波素子。
3. 弾性表面波励起検知手段の中心が弾性表面波周回路において前記交線上に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載に弾性表面波素子。
4. 弾性表面波励起検知手段が弾性表面波周回路において励起させ伝搬させた弾性表面波の波面が、前記交線に対し直交する方向を向いている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載に弾性表面波素子。
5. 弾性表面波励起検知手段が弾性表面波周回路において励起させ伝搬させた弾性表面波は、弾性表面波周回基体の中心を中心として前記交線に沿った１２０°の回転角毎に前記交線に対し直交する方向の一方及び他方に１°から３°の回転角の範囲内で順次交互に振れる正弦波形状をした周回軌跡上を伝搬する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載に弾性表面波素子。

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