JP2002026688A

JP2002026688A - 球状弾性表面波素子

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Publication number: JP2002026688A
Application number: JP2000211105A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Nakaso; 教尊中曽
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2002-01-25
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: JP3823699B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来に比べ遥かに性能を高めることが出来るば
かりでなく、コンパクトで、取り扱いや外部環境の影響
を受けにくくすることが容易で、流体センサーにも応用
可能な球状弾性表面波素子を提供する。【解決手段】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内表面を有した基材と、上記基材の
内表面に設けられ、上記基材の内表面の連続する方向に
向かう弾性表面波を発生する弾性表面波発生手段と、を
備えており、弾性表面波発生手段が上記内表面に沿い上
記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記基材の
内表面の連続する方向に向かうよう弾性表面波を発生さ
せることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は弾性表面波素子に
関係しており、より詳細には、少なくとも球面形状の一
部で形成されていて円環状に連続している内表面を有し
た基材の上記内表面に弾性表面波発生手段を設けた球状
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。従来の弾
性表面波素子では圧電体上に１対の櫛形電極が設けられ
ていて、一方の櫛形電極に高周波電圧を供給することに
より一方の櫛形電極の並んでいる方向に弾性表面波を発
生させ、他方の櫛形電極が一方の櫛形電極から発生され
る弾性表面波の移動方向に配置されていて上記弾性表面
波を受け取る。弾性表面波素子は、遅延線，発信機の為
の発振素子及び共振素子，周波数を選択する為のフィル
ター，化学センサー，バイオセンサー，またはリモート
タグ等に使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そして弾性表面波素子
において共振周波数の精度を高める為には、１対の櫛形
電極相互間を弾性表面波が伝搬する際の伝搬損失を出来
る限り小さくすることが望まれている。

【０００４】しかしながら、通常の弾性表面波素子は１
対の櫛形電極が設けられている圧電体の表面及び基材の
表面が平坦であるので、一方の櫛形電極から発生された
弾性表面波は他方の櫛形電極に向かい伝搬する間に上記
表面上で伝搬方向と直交する方向にも拡散し弱まってし
まう。この為に弾性表面波の伝搬損失を小さくすること
が出来ず、ひいては弾性表面波素子における性能を高め
ることに限界がある。また、球状基材の外表面に櫛型電
極を用いるなどしてコンハ゜クトで電気的に優れた弾性表面波
素子を構成することも出来るが、外部に弾性表面波が伝
搬する領域が露出するために、接触が許されない部分が
存在し、取り扱いや固定、さらに、電気的な処理を行う
に必要な電気部品をそれに付加するにその十分なスヘ゜ース
を球の表面に確保できないなどの難がある。さらに、気
体や液体のセンサーとして用いるにしても、それら流体が流
れる経路の中に挿入しなくてはならず、特に小さな配管
中、或いは少量の被観測流体しか準備できない場合には
困難になる。

【０００５】この発明はこのような事情の下でなされ、
この発明の課題は、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出来るばかりでなく、コンパクトで
もある球状弾性表面波素子を提供し、且つ外部雰囲気の
影響を受けにくい構成にすることが容易で、固定が容易
で、さらに、流体を扱うセンサーを容易に構成出来、さ
らに、入出力に必要な電気部品などを容易に追加可能な
弾性表面波素子を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するものであり、請求項１の発明は、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内表面を
有した基材と、上記基材の内表面に設けられ、上記基材
の内表面の連続する方向に向かう弾性表面波を発生する
弾性表面波発生手段と、を備えており、弾性表面波発生
手段が上記内表面に沿い上記連続する方向と交差する方
向に拡散せずに上記基材の内表面の連続する方向に向か
うよう弾性表面波を発生させる、ことを特徴とする球状
弾性表面波素子、としたものである。

【０００７】本発明の請求項２の発明は、上記基材は非
圧電材料で形成されていて、上記弾性表面波発生手段
は、上記基材の内表面に設けられ、圧電材料膜を有する
と共に圧電材料膜に電界を印可して上記基材の内表面の
連続する方向に弾性表面波を発生させることを特徴とす
る請求項１に記載の球状弾性表面波素子、としたもので
ある。

【０００８】本発明の請求項３の発明は、上記基材は圧
電材料で形成されていて、上記弾性表面波発生手段は、
上記基材の内表面に設けられ、基材に電界を印可して上
記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発生させ
るように形成されていることを特徴とする請求項１に記
載の球状弾性表面波素子、としたものである。

【０００９】本発明の請求項４の発明は、上記電界を印
可する手段は、高周波電源に接続される櫛形電極を含ん
でいる、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記
載の球状弾性表面波素子、としたものである。

【００１０】本発明の請求項５の発明は、櫛形電極の発
生する弾性表面波の波長は上記球面の半径の１／１０以
下であることを特徴とする請求項４に記載の球状弾性表
面波素子、としたものである。

【００１１】本発明の請求項６の発明は、櫛型電極の、
発生する弾性表面波の伝搬方向に直交する方向における
電極の重なり幅は上記球面の直径の半分以下で上記半径
の１／１００以上である、ことを特徴とする請求項４又
は請求項５に記載の球状弾性表面波素子、としたもので
ある。

【００１２】本発明の請求項７の発明は、上記基材はレ
ーザービームを透過する材料で構成されるとともに、内
表面の少なくとも一部に、上記レーザービームを吸収し
て弾性表面波を含む弾性振動を発生するレーザービーム
吸収層を弾性表面波発生手段として有することを特徴と
する請求項１の球状弾性表面波素子、としたものであ
る。

【００１３】本発明の請求項８の発明は、上記基材の内
部は、真空あるいは特定の気体または液体が満たされて
いるか封入されていることを特徴とする請求項１から７
いずれか１項記載の弾性表面波素子、としたものであ
る。

【００１４】本発明の請求項９の発明は、上記基材は、
円環状に弾性表面波が伝搬する領域によって隔てられた
2つの球面領域の一方あるいは両方に、基材内部に/から
流体を流入/流出することを目的とした開口をもつこと
を特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の弾性表
面波素子、としたものである。

【００１５】本発明の請求項１０の発明は、上記基材の
内面側に、外部から流入される気体や液体と反応して、
弾性的性質が変化する反応性材料によりなる層が形成さ
れたことを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載
の弾性表面波素子、としたものである。

【００１６】上述した課題を達成する為に、この発明に
従った球状弾性表面波素子は、少なくとも球面形状の一
部で形成されていて円環状に連続している内表面を有し
た基材と、上記基材の内表面に設けられ、上記基材の内
表面の連続する方向に向かう弾性表面波を発生する弾性
表面波発生手段と、を備えており、弾性表面波発生手段
が上記内表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に
拡散せずに上記連続する方向に向かうよう弾性表面波を
発生させる、ことを特徴としている。この為に弾性表面
波は上記内表面に沿い少なくとも上記内表面の円周距離
を拡散することなく伝搬することが出来、ひいては無限
に伝搬することが出来る。

【００１７】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出来るし、基材が少なくとも球面
の一部で形成されていて円環状に連続している内表面を
有しているのでコンパクトでもある。

【００１８】さらに、上記基材は非圧電材料で形成され
ていて、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面
に設けられ、圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電
界を印可して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表
面波を発生させることを特徴とすることで、効率よく弾
性表面波を励起し、性能の良い素子を構成することがで
きる。

【００１９】また、上記基材が圧電材料で形成されてい
ている場合も、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の
内表面に設けられ、基材に電界を印可して上記基材の内
表面の連続する方向に弾性表面波を発生させることを特
徴とすることで効率よく弾性表面波を励起し、性能の良
い素子を容易に構成することができる。

【００２０】ここで、上記電界を印可する手段は、高周
波電源に接続される櫛形電極を含んでいることを特徴と
するのでさらに高い効率で、且つ特定の方向に弾性表面
波を励起することが出来、結果としてさらに性能の良い
素子を構成することができる。

【００２１】さらに、櫛形電極の発生する弾性表面波の
波長は上記球面の半径の１／１０以下であることを特徴
とすることにより、振動が球全体の固有振動ではなく、
波長が電極周期に等しい弾性表面波とみなせる。

【００２２】また、櫛型電極および付随の電気回路パタ
ーンなどの表面構造の全幅は、球の周囲長の半分以下で
ある必要があり、したがって櫛型電極の重なり部分の合
理的な幅は直径の半分以下となる。一方、櫛型電極の電
極の重なり幅が半径の1/100以下になると、表面波は伝
搬とともに大きく拡散し球全面において振動が無視でき
なくなるため、電極回路パターンや構造保持体などを球
面の内表面に設置することが困難になる。さらに、セン
サーなどを構成する際の基材内面にたとえば気体や液体
を流入排出するための開口を、弾性表面波の伝搬に影響
を与えないで作ることが困難となる。

【００２３】さらに基材をレーザービームを透過する材
料で構成されるとともに、内表面の少なくとも一部に上
記レーザービームを吸収して弾性表面波を含む弾性振動
を励起するレーザービーム吸収層を弾性表面波発生手段
として有する球状弾性表面波素子は、基材内部に圧電材
料や電極パターンを構成することなく弾性表面波を発生
且つ検出することができ、基材内面に圧電材料が腐食さ
れる活性の高い液体や気体を通過或いは封入しても使用
できる利点を持つ。

【００２４】さらに、上記基材の内部は、真空あるいは
特定の気体または液体が満たされているか封入すれば、
湿気等を初めとする外部雰囲気の変化の影響を意図的に
抑えることが出来る利点を持たせることが出来る。

【００２５】さらに、上記基材は、円環状に弾性表面波
が伝搬する領域によって隔てられた2つの球面領域の一
方あるいは両方に、基材内部に/から流体を流入/流出す
ることを目的とした開口をもつことで、それらの開口部
に被分析流体を接続するだけで、流体の存在が基材内部
を伝搬する弾性表面波の伝播状況に影響をあたえること
を介して流体検出センサーなどを容易に構成できる。

【００２６】上記基材の内面側に、外部から挿入される
気体や液体と反応して、弾性的性質が変化する反応性材
料によりなる層を構成すれば、特に、極少量の被分析流
体しか用意できない場合も、球形状の基材内部を満たす
に必要な量があればよい利点を持っている。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下この発明の第１の実施の形態
に従った球状弾性表面波素子について添付の図面中の図
１を参照しながら詳細に説明する。図１（ａ）は本発明
の球状弾性表面波素子の第一の実施の形態例を斜視で表
した説明図で、図１（ｂ）は本形態例に係る弾性表面波
発生手段を平面で表した説明図である。

【００２８】第１の実施の形態に従った球状弾性表面波
素子１は、球形状の内表面２ｃを持つ基材２と、基材２
の内表面２ｃ上の所望の位置に設置された弾性表面波発
生手段４と、を備えている。弾性表面波発生手段４は自
身の設置位置を通過する基材２の内表面２ｃの連続する
方向にある最大円周線２ａに沿い矢印Ａで示す如く移動
する弾性表面波を発生させる。弾性表面波発生手段４が
発生させる上記弾性表面波は、基材２の内表面２ｃにお
いて最大円周線２ａに沿い少なくとも球面の一部で構成
されていて円環状に連続している円環領域２ｂ内を移動
し、上記内表面２ｃに沿い上記内表面２ｃが連続する方
向にある最大円周線２ａに対し交差する方向において円
環領域２ｂ外に拡散しない。

【００２９】より詳細に説明すると、例えば直径１２．
５ｍｍの球形状の内面を持つ基材２は非圧電材料、例え
ばセラミック、により形成されている。弾性表面波発生
手段４は、基材２の内表面２ｃ上の上記所望の位置に貼
り付けられた圧電材料膜４ａと、圧電材料膜４ａ上下に
設けられ上記連続する方向に振動する振動手段４ｂと、
を備えている、この実施の形態において、振動手段４ｂ
は、高周波電源６に接続されている櫛形電極４ｃ（上部
電極）、４ｄ（下部電極）を備えている。櫛形電極４
ｃ、４ｄの複数の電極片は上記連続する方向に配列され
ていてその電極の重なり幅Ｗが2mmであり、且つ電極周
期Ｐは３５０ミクロンであり、最大円周線２ａに対し交
差する方向において円環領域２ｂ外から高周波電源６の
両極が接続されている。

【００３０】球状弾性表面波素子１は、最大円周線２ａ
に対し交差する方向において円環領域２ｂ外から球形状
の基材２の外表面に固定された１対の支持体８により基
板９上から上方に支持されている。

【００３１】弾性表面波発生手段４から発生される弾性
表面波の波長は３５０ミクロンであり、球形状内面を持
つ基材２の内表面２ｃの半径の１／１０以下に設定され
ていて、この為に櫛形電極４ｃの複数の電極周期Ｐの距
離も３５０ミクロンで球形状内面を持つ基材２の内表面
の半径の１／１０以下に設定されている。さらに、上記
内表面２ｃに沿い上記連続する方向と交差する方向にお
ける上記弾性表面波の幅は３ｍｍ弱であり、球形状の内
面の基材２の直径１２．５ｍｍ以下（より好ましくは、
この直径の半分以下）で上記半径の１／１００以上にな
るよう設定されている。この為に、櫛形電極４ｃ、４ｄ
の重なり幅は球形状の基材２の直径以下（より好ましく
は、この直径の半分以下）で上記半径の１／１００以上
になるよう設定されている。

【００３２】なおこの発明は、本願の発明者等が球面形
状を持つ材料内面において所定の範囲の円弧（球形状内
表面上の直線的な音源幅）で上記円弧と直交する方向に
弾性表面波を発生させることにより上記円弧と直交する
方向に沿い弾性表面波が上記円弧の方向に拡散すること
なく上記円弧と直交する方向に上記球状内面を周回する
ことを発見したことによりなされた。

【００３３】なお上記所定の範囲よりも小さな弾性表面
波の発生源（音源）では、話しを簡単にする為に弾性表
面波の発生源を点とすると、弾性表面波は発生源を中心
にして球形状内面を持つ基材の内表面上を同心円状に広
がった後に上記発生源とは正反対の側の地点に向かい同
心円状に集束し、また上記正反対の側の地点から球形状
の基材の内表面上を同心円状に広がった後に球形状の基
材の内表面において上記正反対の側の地点とは正反対に
位置する弾性表面波の発生源に再度集束する。即ち、上
記所定の範囲よりも小さな弾性表面波の発生源では、弾
性表面波の発生源から放射された弾性表面波は上記内表
面においてその進行方向と直交する方向に拡散してしま
い、電極取り出しや、内部に流体を入排出する為の開口
の形成によって弾性表面波の伝搬に影響を与えてしま
う。

【００３４】幅の広い弾性表面波の発生源では、発生源
から発生された弾性表面波は上記所定の範囲の中心を通
過し上記所定の範囲の円弧と直交する方向に沿い移動す
るとともに上記円弧を含む円周線を赤道と仮考えた時の
極に該当する位置に向かい集束し、極に該当する位置を
通過した後は上記円周線上において上記所定の範囲とは
正反対の側で上記所定の範囲と同じ所定の範囲に拡散
し、さらに別の極に該当する位置に向かい集束し、別の
極に該当する位置を通過した後は上記所定の範囲に再度
拡散するという、球の半周毎に集束と拡散とを繰り返し
ている。この場合も理論的には無限に繰り返し可能であ
るが、点に集束するときに局所的に振幅が大きくなりす
ぎることによって線形効果が生じて出力に予想外の影響
が出る事が考えられる。それ以外の場合でも、電極取り
出し口や流体の入排出項の取り付け場所が内面内に確保
できないなどの問題が生じる。

【００３５】弾性表面波が上記円弧の方向に拡散するこ
となく上記円弧と直交する方向に上記球面を周回する現
象の為の条件は以下のようにして求められた。ここで説
明図は球表面を仮定して行うが、内表面の場合も外表面
の場合もまったく同じである。

【００３６】図２には、本発明の効果を示す計算のため
の座標系が示されている。ｘｙｚ座標軸と半径ｒの球面
の交点をＡ，Ｂ，Ｃとして、円弧ＡＣに対し平行な円弧
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。角度φ_o，θ_o ，φ₁ ，θ₁ を図２
中に示したように取ると、点Ｐ，Ｑの座標は（ｒｃｏｓ
φ_o ｃｏｓθ_o ，ｒｓｉｎφ_o ，ｒｃｏｓφ_o ｓｉｎθ
_o ）及び（ｒｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ ，ｒｃｏｓθ₁ ｓｉ
ｎφ₁ ，ｒｓｉｎθ₁ ）となるため、ＰＱ² ＝２ｒ² ［１−ｃｏｓφ_o ｃｏｓθ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ − ｓｉｎφ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ −ｃｏｓφ_o ｓｉｎφ_o ｓｉｎθ₁ ］…(1) である。従って、角ＰＯＱ＝θとおくと余弦定理よりｃｏｓθ＝ｃｏｓφ_o ｃｏｓθ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ ＋ｓｉｎφ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ ＋ｃｏｓφ_o ｓｉｎφ_o ｓｉｎθ₁ …(2) の関係が成り立つ。

【００３７】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、

【００３８】

【数１】 …（３）

【００３９】である（Ｖｉｋｔｏｒｏｖ，Ｒａｙｌｅｉ
ｇｈａｎｄＬａｍｂＷａｖｅｓ）。なおここで、
Ｃは定数、ｍは円周の長さと弾性表面波の波長との比
で、波数パラメータと呼ぶ。またＣ_R はレイリー波速
度，ｔは時間である。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
θ₁ を変化させて計算することで求められる。

【００４０】図３の（ａ），（ｂ），（ｃ），そして
（ｄ）には点ＰがＸＺ面上にあるφ_o＝０の場合につい
て上記の式（３）を使用して求めた弾性表面波が球形状
の基材１２上を伝搬する４つの状態が示されている。

【００４１】図３の（ａ），（ｂ），そして（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θ₁ 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）φ₁が１０°の場合の音場であ
り、上に向かって２０°づつ増加した場合の音場が順に
プロットしてある。

【００４２】図３の（ａ）は、開口半角θ_A ＝３０°の
場合である。この場合には、図３の（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φ₁ が増加するにつれて音場の幅が減
少しφ₁ ＝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変えされ、何周回って
も同じ変化が繰り変えされる。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、θ₁
＜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、球形状の基材１２の外表面
においてθ₁ ＞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。

【００４３】図３の（ｃ）は、開口半角θ_A ＝１°の場
合である。この場合には、図３の（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φ₁ が増加するに
つれて音場の幅も増加しφ₁＝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の（ａ）を参照しながら
上述した集束ビームに場合とは異なり、θ₁ ＜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、φ₁ ＝９０°では略大円全体に広がってしま
う。この場合には、球形状の基材１２の外表面において
φ₁ ＝９０°において球形状の基材１２の外表面のθ₁
＞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。

【００４４】図３の（ｂ）は、開口半角θ_A ＝３．５°
の場合である。この場合には、図３の（ｂ）から明らか
なように、弾性表面波の伝搬状態は伝搬角φ₁ 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、θ₁ ＝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。

【００４５】図３の（ａ）乃至（ｃ）から明かなよう
に、開口半角θ_A がコリメート角θ_co _l 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。

【００４６】さらに、波数パラメータを変化させて上述
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の（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 は略４．５°にな
る。

【００４７】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。

【００４８】波数パラメータｍコリメート角θ_col （球の周囲長／弾性表面波波長）１５０７．０３００４．５４５０４．０６００３．５７５０３．０なおこれは、数値計算による近似値である。

【００４９】以上詳述したことから明かなように、この
実施の形態では、波数パラメータｍから上記の式（３）
を使用してコリメート角θ_col を求めるようにしてい
る。そして、球形状の内面を持つの基材２の内表面上の
所望の位置に弾性表面波発生手段４、より詳細には弾性
表面波発生手段４の振動手段４ｂの櫛形電極４ｃ、がコ
リメート角θ_col により規定される幅より広く設置さ
れ、この弾性表面波発生手段４により弾性表面波を発生
させると、この弾性表面波は球形状の内面を持つの基材
２の内表面上で電極の重なり幅により規定された範囲内
を上記コリメート角θ_col の方向に拡散することなく伝
搬する。図１では、電極の重なり幅により規定された上
記範囲が円環領域２ｂに相当しており、また上記コリメ
ート角θ_colと直交する方向が最大円周線２ａに沿った
方向に相当している。

【００５０】そして実際には、波長パラメータ（上記球
面の上記連続する方向における周囲長さ／弾性表面波波
長）が１００乃至８００であり、櫛形電極の電極の幅が
コリメート角（コリメートビームが得られる角）と等し
いかそれ以上である、ことが好ましい。

【００５１】ここで、発生する弾性表面波の波長は櫛型
電極に電界が印可されることで圧電材料中に生じる電界
分布の周期長すなわち電極周期に一般的に等しい。ま
た、広帯域用の弾性表面波素子に見られるように、電極
間隔が複数あるいは連続した幅を持つ場合にも、それに
相当する弾性表面波の各周波数成分の波長について上記
条件が成り立つ場合には、その周波数成分については伝
搬方向垂直に弾性表面波が拡散しない弾性表面波素子が
構成できる。

【００５２】図４は、他の実施の形態例を示した説明図
である。本発明の球状弾性表面波素子を用いて、液体セ
ンサーを構成した時の実施例を示す。ガラス製の厚板２
０（８ｍｍ厚）を図４（ａ）に示すようにくり貫いて断
面が、半径Ｒが６．２５ｍｍ（直径１２．５ｍｍ）の球
内面形状の一部となるように製作する。くり抜かれて、
厚板の上下に開いた円形の穴は、流体等の開口部３０、
３１として利用する。次に、図１（ｂ）で示した弾性表
面波発生手段を作成する。図４（ｂ）は上部電極および
下部電極を抵抗加熱蒸着により形成する方法を、模式的
に示した説明図である。蒸着材料２２（電極材料）を蒸
着ヒーター２３で加熱し目的物に蒸着するものである。
ガラス製厚板２０の断面一部に、図４（ｂ）に示すよう
に、電極パターンの形成された蒸着マスク２１（横方向
から見た形状を模式的に図示）を用い、電極材料を加熱
蒸着し、クロム膜（５００Å）と金（１５００Å）の下
部電極２４を形成する。電極周期Ｐは１００μｍにする
ことで、４０ＭＨｚのレーリー波（音速４０００ｍ／
ｓ）を励起しやすいように設計した。また、電極の重な
り幅Ｗは、２ｍｍであり、帯状に周回するための先の条
件を満たしている。図４（ｃ）はＤＣスパッタで圧電材
料の薄膜を形成する方法を模式的に示した説明図であ
る。図４（ｃ）に示すように、チャンバー２５内に下部
電極２４の形成された厚板２０、ＺｎＯのターゲット
２６、スパッタ用電極等を設置し、チャンバー内に酸素
ガスを導入し、ＺｎＯのターゲット２６とスパッタ用電
極間に、ＤＣ高圧電源２７よりＤＣ電圧を加え、ＺｎＯ
膜（厚さ２０μｍ）を形成する。この時、ＺｎＯ製のタ
ーゲットは開口部３０、３１近傍に配置するとともに、
対向する電極は反対側に設置することで、基材内面にＺ
ｎＯの圧電膜を成長させることが出来る。次に、上部電
極を下部電極同様に蒸着して形成する。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も、公知の方法を利用できる。

【００５３】この後、２箇所から電極を外部に取りだし
て後、図４（ｄ）に示すようにガラス厚板のくり貫き部
を挟んで液体配管を接続して、液体感知センサ４０を作
成した。櫛型電極の採用した櫛型電極の構成などは第１
の実施の形態に同じである。作成した流体感知センサー
４０に対して図５（ａ）に示すような回路を構成し、流
体感知センサー４０への信号の入出力ができる。図で、
インパルス信号発生器４４でパルス信号を発生し、サー
キュレーター４１を介し、流体感知センサー４０にパル
ス信号を入力する。流体感知センサー４０より発生した
信号は、サーキュレーター４１からアンプ４２を介しオ
シロスコープ４３に出力され、信号波形として表示され
る。図４（ｂ）の短時間幅のパルス信号（２００Ｖ）を
流体感知センサー４０に印可したところ、櫛型電極で発
生した弾性表面波は球内面形状の断面を伝播周回しその
反射波を再び櫛型電極に自身からの出力として図４
（ｃ）に示す信号として観測した。レーリー波成分（周
波数約４０ＭＨｚ）のみを観測するために５０ＭＨｚ以
上の周波数成分を除いて表示している。図中AとBの間の
時間は、特に液体配管の中に液体の流れていない状態で
は１１．５マイクロ秒であった。

【００５４】次に、液体が内部を流れたときにその強度
は弱くほとんど確認できなくなることによって、液体が
流れたことを検出出来ることを確認した。

【００５５】また、基材内面に導かれる気体や液体のセ
ンサーを構成するのに、それに接するように内面側の円
環領域の少なくともその一部にそれらと反応して弾性常
数の変化する材料を塗布すれば、結果として基材内面を
伝搬する弾性表面波の伝搬に影響を与えることから、臭
気など流体の化学的性質に基づくセンサーを構成可能
で、そのときに必要な被分析用気体や液体の量は基材内
部を満たすに必要な最小の量ですむことも非常な利点で
ある。気体によって弾性的な性質の変わるディグリセロ
ールやメチルシリコンなどがあるが、これらの材料を表
面に塗布することによる弾性的性質の変化については公
知であるのでここで説明しないし、これらの種類によっ
て本発明が制限されるものではない。

【００５６】このように、本願の発明に従った球状弾性
表面波素子は弾性表面波が伝搬される円環領域が基材の
内面にあるために素子の固定が容易であるばかりでな
く、基材の外部表面に、信号処理用の増幅装置などを設
置することも可能であり、全体を導体で囲えば、外部か
らの電気的な雑音に強く、また内部の信号を外部に漏洩
して他の装置に影響を与えることを防ぐことも容易であ
る。特に、周波数フィルターとして使用する場合などのよう
に、内部に流体を流す事がなければ、内部の弾性表面波
が伝搬する内表面に触らないないように他の素子や部品
を内部に格納することでよりコンパクト化をはかること
が可能である。

【００５７】なお上述した実施の形態及び変形例におい
て球状弾性表面波素子１は、非圧電体の球形状の内面を
持つ基材２の内表面の所定の位置に設けられた圧電材料
膜４ａ上に振動手段４ｂを設けることにより形成され
る。しかし基材２を圧電材料により形成することもで
き、図６（ａ）に示すように、圧電材料により形成され
た基材５０の内表面５１上に所定の位置に表面弾性波発
生手段５２（ダブル電極）を直接設けることが出来る。
この場合は例えば、基材５０はＰＺＴであり、直接図６
（ｂ）に示す電極パターンをクロムと金による蒸着によ
って形成するだけでよく、作成が非常に容易である。

【００５８】尚、図６（ｂ）に示した電極パターンにつ
いて、微細なパターンで形成してあるが、圧電体を電極
で挟んで形成するときと異なり、位置合わせが容易でこ
のような複雑な電極パターンでも内面に形成することが
可能であった。この周期は３５０ミクロンで、発生する
超音波の波長も同様で３５０ミクロンでった。

【００５９】また、周波数フィルターなどに使用する場
合には、基材内部を真空あるいは、特定のガスや液体で
みたして開口を塞ぐなどすれば、外気の湿度や雰囲気の
変化による内面の弾性表面波の伝搬が影響をうけること
によって素子の出力特性が変わることを防ぐことが容易
に可能である。

【００６０】また、この発明の球状弾性表面波素子にお
いて使用する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基材の内表面の直径には制限がなく
非常に大きな直径のものから非常に小さな直径のものま
で、現在知り得る全ての手段により準備することが出来
る。

【００６１】さらに、上記基材の内表面の所定の位置に
設けられる圧電材料膜も現在知り得る全ての手段により
準備することが出来るし、この圧電材料膜上または上記
基材の内表面の所定の位置に設けられる振動手段も現在
知り得る全ての手段により準備することが出来る。ここ
における現在知り得る全ての手段には、導電性箔から櫛
形電極状に独立して形成されたものを圧電材料膜上また
は上記基材の内表面の所定の位置に貼り付けたり、圧電
材料膜上または上記基材の内表面上に蒸着や印刷やスパ
ッタリング等により形成することを含んでいる。

【００６２】尚、内部に液体を充填た場合について、液
体が無い場合の弾性表面波と意図的に区別するために、
液体が接しているときの弾性表面波を漏洩弾性表面波と
呼ぶことがあるが本発明ではこの漏洩弾性表面波も弾性
表面波と呼んでおり、漏洩弾性表面波を除外するもので
はない。

【００６３】さらに、基材内面と液体境界近傍の、液体
側にエネルギーを集中させながら基材内表面に沿って伝
搬する回廊波とよばれるモードも存在し液体の音速に等
しいことから液体の音速測定センサーとしてもしようで
きるが、本発明は、これら回廊波と呼ばれる波の伝搬を
感知対象とした場合も除外しない。

【００６４】以下この発明のその他の実施の形態につい
て図７を用いて説明する。この第２の実施の形態では、
弾性波や弾性表面波を励起して検出する方法が異なる。
弾性表面波は以上詳述したような圧電材料に電界をかけ
ることによって発生させることが出来るが、レーザービ
ームを材料に照射して熱膨張を起こすことによっても漏
洩弾性波を発生して出力することが出来る。

【００６５】レーザービームの当て方としては、材料
（基材）表面に直線形状の照射域を移動することで、直
線に垂直方向に弾性波を励起伝播させることが出来る。
また、２本のレーザービームを材料表面上で干渉させる
ことで干渉縞を形成し、それによって特に弾性表面波を
効率良く発生させることができる。さらに効率良く弾性
表面波を発生させる方法として、走査干渉縞（ＳＩＦ）
を用いる方法がある。これらのレーザービームを用いて
弾性表面波を励起する方法は公知であるのでここでは詳
しく説明しないが、ＳＩＦを用いた方法についてその実
施の形態について説明を加える。

【００６６】球形状の円環状内面を含む基材はたとえば
透明ガラスで作成される。基材の外表面は固定が容易な
為に直方体に加工され、かつ２面についてはレーザーに
対して平滑に光学研磨を行った。透明ガラス内面につい
ては全面にアルミ蒸着を行っている。アルミ蒸着は、レ
ーザービームを吸収及び反射するに必要な最小限の厚さ
でよい。

【００６７】レーザー発振器からは新されたレーザービ
ームは２本のビームにビームスプリッタと呼ばれる光学
部品によって分けられ一方のみΔｆだけ周波数をかえ
る。これらのビームを基材内面のアルミ面上で干渉させ
ることで、レーザービームによる走査干渉縞が形成さ
れ、同じ干渉縞の分布でアルミ面が熱膨張をおこして弾
性波、特に表面弾性波を効率良く発振して内面上に弾性
表面波を伝播させることができる。

【００６８】図７（ａ）はその他の実施形態の例の、基
材内表面上における弾性表面波発生に使用される装置の
全体を概略的に示す説明図、図７（ｂ）は、本実施形態
例の表面弾性波素子を断面で表した説明図である。図７
の（ａ）が、球形状の基材１０の基材内表面１２上に弾
性表面波を発生させ、それを検出する為の装置を示して
いる。３ｍｍの直径の２本のＹＡＧレーザービームＬ
１，Ｌ２が基材１０の内表面１２の所定の範囲Ｗ（図７
の（ｂ））に対し略直角に向けられており、一方のＹＡ
ＧレーザービームＬ１に対し他方のＹＡＧレーザービー
ムＬ２はブラグセル１４ｇを使用して３０ＭＨｚだけ周
波数が偏移されている。異なった周波数を伴った２本の
レーザービームＬ１，Ｌ２の干渉により、基材１０の内
表面の所定の範囲Ｗ（図７（ｂ））において２本のレー
ザービームＬ１，Ｌ２が照射された部分に走査干渉縞が
形成される。

【００６９】第１の副回動反射鏡１４ｄ，第２の副回動
反射鏡１４ｈ，さらに主回動反射鏡１４ｅのような機械
的な調整手段により、干渉縞の平均隙間が弾性表面波の
波長に等しくされるとともに、干渉縞の走査速度は位相
速度に等しくされ、干渉縞と弾性表面波との位相の整合
が行われる。レーザービームＬ１，Ｌ２は、干渉縞と弾
性表面波との間の長い相互作用時間を達成する為に、１
００ｎｓ程度の特別に設計された長いパルスを有してい
る。

【００７０】なお上記所定の範囲Ｗ（図７の（ｂ））は
最大円周線１２ａに沿い球形状の基材１０の内周面（内
表面）の一部で規定されている円環状に連続している円
環領域１２ｂを規定している。このように、櫛型電極を
用いなくとも、球形状の内表面上に、ある音源幅をもっ
て条件に沿った波長の弾性表面波を特定の方向に伝搬す
るように励起することで、ある円環の幅内を、拡散する
ことなく周回させることが出来る。

【００７１】内面に励起伝播する弾性波の検出はナイフ
エッジ法等を用いて光学的に行うことが出来る。ナイフ
エッジ法を用いる場合は、細く絞ったレーザービームを
内面のレーザーを反射する材料表面の微小領域に集束照
射して、その反射光の一部をスリット等で遮蔽する。遮
蔽されなかったビームの強度を電気的にフォトダイオー
ドなどを用いて信号化するものであって、基材内面を弾
性表面波が伝播することで起きる内表面の微小な傾きに
よるレーザー反射波ビームの振れから非接触で弾性表面
波を電気信号として観測することが出来る。

【００７２】この構成の場合、弾性表面波を励起させる
ための圧電材料を形成する必要が無く、パターンニング
された電極も無い為に、圧電材料が励起されて基材内面
を周回する弾性表面波の伝播を阻害することがないだけ
でなく、任意の周波数を励起出来るなどの特徴を持つこ
とは明白である。

【００７３】また、以上説明した実施の形態でも、図４
（ｄ）に示すように本発明の弾性表面波素子を液体の搬
送される配管の途中に形成すれば、弾性表面波の伝播速
度は液体があるときと無いとき、或いは液体の弾性的性
質によっても変化することを利用して、液体センサーと
して利用できることが明らかである。

【００７４】特にレーザーを用いた方法では、内部を流
れる液体に圧電体などによって構成される弾性表面波発
生手段を形成する必要がなく、たとえば化学的に反応性
の高い液体のセンサーをも構成可能な利点を有する。

【００７５】なお、球の内面形状の基材内面を帯状に伝
播する弾性表面波は互いに伝播経路を交差しても互いに
影響しないことから、複数の弾性表面波発生手段を同一
内面に構成する事もできる。この事は、圧電材料を用い
て弾性表面波を励起するときも、レーザービームを用い
て励起するときも同様である。図８に、その例を示す。
この場合は２つの弾性表面波発生手段をたがいにそれぞ
れの発生した弾性表面波の帯状の周回経路６０、６１が
交差するように作成している。周回経路６０の領域をの
ぞいた部分には気体によって弾性的な性質が変化する材
料を塗布することで感受用周回経路を構成している。周
回経路６１の周回経路による出力は基材内部を流れる気
体の変化によって出力を変化させるとともに温度変化に
よっても影響されるが、温度変化を周回経路６０の信号
変化から測定して、周回経路６１の結果を構成する事が
可能である。

【００７６】

【発明の効果】以上詳述したことから明かなように、こ
の発明に従った球状弾性表面波素子は、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出来るばかりで
なく、コンパクトでもあり、液体や気体のセンサーを容
易に構成可能で、また、内部を真空や特定の気体や液体
で密封すれば外部の環境に対して安定な弾性表面波素子
を構成でき、また基材内部に弾性表面波の伝搬領域が形
成されているために、取り扱いや固定が容易で、且つ基
材外部の表面に電子回路等を形成することも出来る。

【００７７】なお、弾性表面波の発生を、レーザービー
ムを用いて行う方法によっても、上記の利点は共通であ
り、とくに、基材表面の加工よって光学系を兼ねさせる
こともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の球状弾性表面波素子の第１の実施形態
の例を示す説明図で、図１（ａ）はこの発明の第１の実
施の形態に従った球状弾性表面波素子の概略的な説明
図、図１（ｂ）は弾性表面波発生手段の一例を平面で示
した説明図てある。

【図２】球状弾性表面波素子の内表面の所定の位置に振
動手段を設ける幅を規定する為に使用する式の基礎とな
る座標系を概略的に示す斜視図である。

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ），そして（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弾性表面波素子の球形状の内面
を持つ基材上を伝搬する４つの状態を概略的に示す図で
ある。

【図４】図１の第１の実施の形態に従った球状弾性表面
波素子をつかった液体センサーを構成する時の説明図であ
る。

【図５】（ａ）は図４の液体センサーを用い回路を構成
した説明図、（ｂ）はセンサーに入力したパルス波形を
示す図、（ｃ）はセンサーより出力された波形を示す図
である。

【図６】本発明の球面弾性表面波素子の実施例の一部分
を示す説明図である。

【図７】（ａ）は、第２の実施例の形態で利用されるレ
ーザーを用いて弾性表面波を派生するにもちいられるレ
ーザー発振装置、その加工を行う光学系、及び弾性表面
波表面で発生する弾表面波をレーザーをもちいて検出す
る方法の説明図、（ｂ）は第２の実施の形態に従った、
レーザーを用いて弾性表面波を励起する方法を採用する
にもちいる弾性表面波素子の構成を断面で示す説明図で
ある。

【図８】本発明の球面弾性表面波素子の実施例の一部分
を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・・・球状弾性表面波素子２・・・・基材２ａ・・・最大円周線２ｂ・・・円環領域２ｃ・・・球形状の内表面４・・・・弾性表面波発生手段４ａ・・・圧電材料膜４ｂ・・・振動手段４ｃ・・・櫛形電極（上部電極）４ｄ・・・櫛形電極（下部電極）６・・・・高周波電源８・・・・支持体９・・・・基板１０・・・・基材１２・・・・基材内表面１２ａ・・・最大円周線１２ｂ・・・円環領域２０・・・・厚板２１・・・・蒸着マスク２２・・・・蒸着材料２３・・・・蒸着ヒーター２４・・・・下部電極２５・・・・チャンバー２６・・・・ターゲット２７・・・・ＤＣ高圧電源３０・・・・開口部３１・・・・開口部４０・・・・流体感知センサー４１・・・・サーキュレーター４２・・・・アンプ４３・・・・オシロスコープ４４・・・・インパルス信号発生器５０・・・・基材５１・・・・基材内表面５２・・・・表面弾性波発生手段６０・・・・温度補正用周回経路６１・・・・感受用周回経路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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内表面を有した基材と；上記基材の
内表面に設けられ、上記基材の内表面の連続する方向に
向かう弾性表面波を発生する弾性表面波発生手段と；を
備えており、弾性表面波発生手段が上記内表面に沿い上
記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記基材の
内表面の連続する方向に向かうよう弾性表面波を発生さ
せる、ことを特徴とする球状弾性表面波素子。
【請求項２】上記基材は非圧電材料で形成されていて、
上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けら
れ、圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電界を印可
して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発
生させることを特徴とする請求項１に記載の球状弾性表
面波素子。
【請求項３】上記基材は圧電材料で形成されていて、上
記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けら
れ、基材に電界を印可して上記基材の内表面の連続する
方向に弾性表面波を発生させるように形成されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の球状弾性表面波素子。
【請求項４】上記電界を印可する手段は、高周波電源に
接続される櫛形電極を含んでいる、ことを特徴とする請
求項２または請求項３に記載の球状弾性表面波素子。
【請求項５】櫛形電極の発生する弾性表面波の波長は上
記球面の半径の１／１０以下であることを特徴とする請
求項４に記載の球状弾性表面波素子。
【請求項６】櫛型電極の、発生する弾性表面波の伝搬方
向に直交する方向における電極の重なり幅は上記球面の
直径の半分以下で上記半径の１／１００以上である、こ
とを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の球状弾性
表面波素子。
【請求項７】上記基材はレーザービームを透過する材料
で構成されるとともに、内表面の少なくとも一部に、上
記レーザービームを吸収して弾性表面波を含む弾性振動
を発生するレーザービーム吸収層を弾性表面波発生手段
として有することを特徴とする請求項１の球状弾性表面
波素子。
【請求項８】上記基材の内部は、真空あるいは特定の気
体または液体が満たされているか封入されていることを
特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の球状弾性
表面波素子。
【請求項９】上記基材は、円環状に弾性表面波が伝搬す
る領域によって隔てられた2つの球面領域の一方あるい
は両方に、基材内部に/から流体を流入/流出することを
目的とした開口をもつことを特徴とする請求項１から８
いずれか１項記載の球状弾性表面波素子。
【請求項１０】上記基材の内面側に、外部から流入され
る気体や液体と反応して、弾性的性質が変化する反応性
材料によりなる層が形成されたことを特徴とする請求項
１から９いずれか１項記載の球状弾性表面波素子。