JP2003115743A

JP2003115743A - 弾性表面波素子、弾性表面波素子を用いた電気信号処理装置、及び電気信号処理装を用いた環境評価装置

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Publication number: JP2003115743A
Application number: JP2001311788A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Nakaso; 教尊中曽; Yusuke Tsukahara; 祐輔塚原; Ichiji Yamanaka; 一司山中
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-18
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP3974765B2

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶材料の基材を用いた弾性表面波素子、弾性
表面波素子を用いた電気信号処理装置、及び電気信号処
理装置を用いた環境評価装置を提供する。【解決手段】球状の水晶の基材２１０のＺ軸を地軸とし
て、赤道上の経路ａに沿って円環状表面２１１が形成さ
れている。円環状表面２１１には櫛形電極２２３が対向
している。発信器２２６から入力信号が櫛形電極２２３
に入力されると円環状表面２１１に沿って伝搬する弾性
表面波が励起される。この弾性表面波に応じた出力信号
がディジタルオシロスコープ２２８に入力される。混合
周波数をもつ入力信号を入力すると特定の周波数成分が
出力される。基材２１０を加湿すると出力信号の出力が
小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性表面波素子、
弾性表面波素子を用いた電気信号処理装置、及び電気信
号処理装を用いた環境評価装置に関する。より詳細に
は、本発明は、単結晶で形成されており、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有しており、円環状表面に沿っ
て伝搬する弾性表面波が励起される弾性表面波素子に関
する。さらに本発明は、所定の電気信号が入力され、こ
の電気信号を処理し、電気信号を出力する電気信号処理
装置に関する。またさらに本発明は、環境の変化を感知
する環境評価装置に関する。

【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、化学センサー、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】このような弾性表面波
素子の性能を高めるためには、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。

【０００６】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、一方の櫛形電極で励起された弾
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くなる。こ
のために弾性表面波の伝搬損失を小さくすることができ
ない。また、弾性表面波の発信から受信までの時間変化
を測定対象として観測して応用する場合に、伝搬距離が
長くなることにより伝搬損失が大きくなると十分な強度
の信号を得ることができない。これらの問題から、性能
を高めることに限界がある。

【０００７】このような問題解決のために、球状の基材
を用いることが考えられている。この基材の表面に弾性
表面波を励起させると、弾性表面波は拡散せずに多数回
基材を周回する。これを利用すれば、長い伝搬距離を獲
得することができる。

【０００８】しかしながら、基材が圧電性材料で形成さ
れていない場合は基材の表面に圧電性材料の膜を設ける
必要がある。また、この膜の厚さなどによって弾性波の
伝搬特性が変わるので、大量に安定した素子を作成する
ことが困難である。さらに、基材を圧電性材料で形成す
る場合、良質な圧電性材料として水晶、ＬｉＮｂＯ_３、
ＬｉＴａＯ_３等の単結晶が適切であるが、これらの単結
晶の表面上では弾性表面波の伝搬速度が異なるために一
般には弾性表面波の周回が起きず、その実現が困難だっ
た。

【０００９】本発明はこのような事情の下でなされ、本
発明の目的は、結晶材料で形成された基材を用い、より
性能の優れた弾性表面波素子、弾性表面波素子を用いた
電気信号処理装置、及び電気信号処理装置を用いた環境
評価装置を提供することである。

【００１０】

【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、単結晶で形成されている基
材と、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る。

【００１１】本発明の請求項２に係わる弾性表面波素子
では、前記円環状表面は、前記基材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。

【００１２】本発明の請求項３に係わる弾性表面波素子
では、前記基材の少なくとも一部は、圧電性材料で形成
されている。

【００１３】本発明の請求項４に係わる弾性表面波素子
では、前記基材を形成しいている単結晶の結晶系は、三
方晶系である。

【００１４】本発明の請求項５に係わる弾性表面波素子
では、前記基材を形成しいている単結晶は、水晶であ
る。

【００１５】本発明の請求項６に係わる弾性表面波素子
では、前記基材を形成しいている単結晶は、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ある。

【００１６】本発明の請求項７に係わる弾性表面波素子
では、前記基材を形成しいている単結晶の結晶系は三方
晶系であり、結晶方位で決まる前記所定の経路は、球面
と、この球面の中心を通り、前記三方晶系の単結晶のＺ
軸と直交する平面との交線を含んでいる。

【００１７】本発明の請求項８に係わる弾性表面波素子
では、前記基材を形成しいている単結晶の結晶系は三方
晶系であり、結晶方位で決まる前記所定の経路は、球面
と、この球面の中心を通り、前記三方晶系の単結晶のＺ
軸と平行な平面との交線を含んでいる。

【００１８】本発明の請求項９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。

【００１９】本発明の請求項１０に係わる弾性表面波素
子では、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
んでいる。

【００２０】本発明の請求項１１に係わる弾性表面波素
子では、前記櫛形電極は前記円環状表面から離間してい
る。

【００２１】本発明の請求項１２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。

【００２２】本発明の請求項１３に係わる弾性表面波素
子では、前記弾性表面波励起手段は、前記円環状表面に
設けられ、レーザ光を吸収し熱弾性効果により弾性表面
波を励起するレーザ吸収部材を有している。

【００２３】本発明の請求項１４に係わる電気信号処理
装置は、請求項１乃至１２いずれか１項に記載の弾性表
面波素子と、所定の電気信号を前記弾性表面波励起手段
に入力し、この結果弾性表面波励起手段は前記円環状表
面に沿って伝搬する弾性表面波を励起する入力部と、こ
の円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波を検出する検
出手段と、前記検出手段により検出された弾性表面波に
応じた電気信号を出力する出力部とを備えている。

【００２４】本発明の請求項１５に係わる電気信号処理
装置は、請求項１０乃至１２いずれか１項に記載の弾性
表面波素子を備えている電気信号処理装置であって、前
記櫛形電極は、電気信号が入力されたときに前記円環状
表面に沿って伝搬する弾性表面波を励起し、前記円環状
表面に沿って伝搬する弾性表面波がこの櫛形電極に入射
したときにこの弾性表面波に応じた電気信号を発生し、
この電気信号処理装置は、前記櫛形電極に所定の電気信
号を入力するとともに、この櫛形電極により発生された
電気信号を出力する入出力部をさらに備えている。

【００２５】本発明の請求項１６に係わる環境評価装置
は、請求項１４又は１５に記載の電気信号処理装置と、
前記電気信号処理装置により出力された電気信号の周波
数、この電気信号の強度、及び前記電気信号処理装置に
電気信号が入力されてから前記電気信号処理装置により
電気信号が出力されるまでの時間の内の少なくとも１つ
に基づいて前記基材の周りの環境又は前記基材が置かれ
ていた環境を評価する処理部をさらに備えている。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１から図１４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、並びにこの弾
性表面波素子を用いた本発明の実施の形態に係わる電気
信号処理装置、及びこの弾性表面波素子を用いた本発明
の実施の形態に係わる環境評価装置を説明する。先ず、
本発明の第１の実施の形態の弾性表面波素子と、この弾
性表面波素子を用いた本発明の実施の形態に係わる電気
信号処理装置とを説明する。図１は弾性表面波素子と、
これを用いた電気信号処理装置の構成を示す図である。
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、ＬｉＴａＯ_３等の三
方晶系の単結晶を用いてもよい。

【００２７】基材１１０の表面には高周波電源１２３に
接続されている１対の櫛形電極１２１，１２２が設けら
れている。櫛形電極１２１，１２２は弾性表面波励起手
段として用いられている。基材１１０と櫛形電極１２
１，１２２は弾性表面波素子を構成している。高周波電
源１２３は所定の電気信号を出力する。櫛形電極１２
１，１２２は、基材１１０の表面に積層されたクロムの
層と、クロムの層の上に積層された金の層とを有してお
り、フォトリソグラフィーを用いて形成される櫛形パタ
ーンである。この櫛形パターンには高周波電源１２３に
接続されている入力用電極１２０ａ，１２０ｂが設けら
れている。入力用電極１２０ａ，１２０ｂは入力部とし
て用いられている。入力用電極１２０ａ，１２０ｂは、
高周波電源１２３からの所定の電気信号を櫛形電極１２
１，１２２に入力する。この結果、櫛形電極１２１，１
２２は、以下に説明するように、基材１１０の円環状表
面に沿って伝搬しこの電気信号に応じた弾性表面波を励
起する。

【００２８】水晶の基材１１０は圧電性材料である。即
ち、基材１１０の表面は圧電性材料で形成されている。
高周波電源１２３により櫛形電極１２１，１２２に電圧
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１２１，１２２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。

【００２９】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。円環状表面
１１１には、円環状表面１１１に沿って伝搬する弾性表
面波を検出する検出手段（図示せず）が設けられてい
る。本実施の形態では検出手段として櫛形電極１２１，
１２２とは別の櫛形電極を用いている。この検出用の櫛
形電極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。検出用の櫛形電極には、検出
用の櫛形電極により検出された弾性表面波に応じた電気
信号を出力する出力用電極が設けられている。出力用電
極は出力部として用いられている。入力用電極１２０
ａ，１２０ｂと検出用の櫛形電極と出力用電極とは電気
信号処理装置を構成している。尚、基材１１０の表面に
は、この検出用の櫛形電極及び励起用の櫛形電極１２
１，１２２、の他に、弾性表面波の伝搬を変化せるため
の所望のパターンが形成されていてもよい。

【００３０】本明細書では、単結晶の基材の表面近傍に
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。

【００３１】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。

【００３２】ところが、水晶、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａ
Ｏ_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、多数回の周回が実現できる。

【００３３】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。Ｌｉ
ＮｂＯ_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。

【００３４】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、非圧電性材料の場
合に比べ遥かに性能を高めることができる。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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１２１，１２２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（図１参照）。ここで、重なり幅は櫛形電極１
２１の複数の電極片と、櫛形電極１２２の複数の電極片
とが相互に対面する長さである。この重なり幅は櫛形電
極１２１，１２２により励起される弾性表面波の幅に一
般的には対応することは明らかである。

【００３８】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
性をもたずに拡散し、櫛形電極の配線取り付け部、櫛形
電極の回路パターン、基材を支持するための支持部など
で弾性表面波が散乱される。

【００３９】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１２１，１
２２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１２
１，１２２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、Ｏ
Ｂ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（ｒｃｏ
ｓφ_１ｃｏｓθ_１，ｒｃｏｓθ_１ｓｉｎφ_１，ｒｓｉｎ
θ_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。

【００４０】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】 …（３）である（Ｖｉｋｔｏｒｏｖ，Ｒａｙｌｅｉｇｈａｎｄ
ＬａｍｂＷａｖｅｓ）。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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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１
８０°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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。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。

【００５０】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１２１，１２２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１２１，１２２の重なり幅と等しく取る。
櫛形電極１２１，１２２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。このよ
うに、弾性表面波が、コリメート角θ_ｃ _ｏｌにより規定
される幅と等しい幅かこの幅に近い幅をもつように弾性
表面波を励起することで、過度のエネルギーの集中や散
乱が円環状表面１１１で起きない利点がある。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。

【００５１】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。但し、振動数は一定である。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１２１，１２２が設けられた
基材１１０の部分の波長を用いる。

【００５２】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。

【００５３】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，ｂ
１，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１
１０の地軸と考えると、経路ａは赤道であり、経路ｂ
１，ｂ２，ｂ３は６０°間隔で並んでいる６つの経線で
構成される。

【００５４】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上に弾性
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。

【００５５】櫛形電極１２１，１２２をより詳細に説明
する。図６は櫛形電極１２１，１２２の平面図である。
櫛形電極１２１は弾性表面波が伝搬する向きに配列して
いる複数の電極片ｌ１，ｌ２，ｌ３，…を有している。
櫛形電極１２２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
れぞれ重なる。

【００５６】電極周期Ｐは一定である。ところで、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以下であることが好まし
い。このとき、この波長は電極周期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１２１，１
２２が設けられた基材１１０の部分の弾性表面波の波長
は、基材１１０のその他の部分の波長と異なる場合があ
る。

【００５７】櫛形電極１２１，１２２が配置されている
基材１１０の位置は、図１のように経路ａ上にある。櫛
形電極１２１，１２２は、これから出力された弾性表面
波が経路ａに沿って伝搬するように向けられている。経
路ａはＸ線回折方法などを用いて明らかにされたＺ軸に
基づいて求められる。

【００５８】電極周期Ｐは以下のようにして決められ
る。以下、１５．１ＭＨｚの弾性表面波のみを励起して
周回させる場合について説明する。電極周期Ｐは、水晶
の表面の弾性表面波の代表的な位相速度値３１６０ｍ／
ｓを周波数で割って求める。

【００５９】３１６０（ｍ／ｓ）／１５．１（ＭＨｚ）
＝２０９．３μｍ予定する周波数に正確に且つ高精度に出力特性が実現で
きるように電極周期Ｐを決めるには、先ず、結晶方位の
Ｘ軸あるいはＹ軸を求める。次に、櫛形電極１２１，１
２２の設置予定位置の理論的なＺ軸周回方向の位相速度
を求め、その速度を周波数で割った値を電極周期Ｐとす
る。

【００６０】重なり幅Ｗは、上述したように、基材１１
０の球面の直径の半分以下でこの球面の半径の１／１０
０以上である。

【００６１】次に、櫛形電極の変形例を説明する。図７
は本変形例の櫛形電極１２５，１２６の平面図を変形し
た図である。図７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。

【００６２】櫛形電極１２５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，ｓ
３，…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。

【００６３】櫛形電極１２６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。

【００６４】電極片Ｓ１，ｓ１，Ｔ１、電極片Ｓ２，ｓ
２，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。櫛形電極１２５，
１２６の寸法を説明する。電極周期Ｐは図７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を用いて櫛形電極１２５，１２
６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。

【００６５】櫛形電極１２５，１２６を上記のように形
成すると、経路ａに沿って一方向（図７の矢印の方向）
に弾性表面波を出力することができる。

【００６６】本実施の形態の櫛形電極１２１，１２２及
び櫛形電極１２５，１２６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、経線に沿って湾曲していてもよい。図８
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材１１０の球面に対向させ
て露光するフォトプロセスにより櫛形電極を形成する場
合、電極片は経線に沿って湾曲する。このようなフォト
マスクは容易に設計することができる。

【００６７】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
それぞれの電極片の間隔や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。特
に、電極片の数が比較的多く、かつ弾性表面波が基材１
１０を１周するために必要な位相変化が２π（ｒａｄ）
の整数倍になるように櫛形電極が形成されている場合、
このような弾性表面波素子を用いた電気信号処理装置
は、特定の周波数において強い出力をもつ共振器として
使用できる。

【００６８】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では、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。

【００６９】また、本実施の形態の弾性表面波素子を用
いた電気信号処理装置では、入力用電極１２０ａ，１２
０ｂに高周波電源１２３が接続されている。しかしなが
ら、本発明はこのような構成に限定されない。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
アンテナを入力用電極１２０ａ，１２０ｂに接続しても
よい。

【００７０】アンテナに接続された電気信号処理装置を
周波数フィルタとして使用する例を説明する。アンテナ
に高周波の電波が受信されると、高周波電源１２３が接
続されていた場合と同様に、櫛形電極１２１，１２２に
電界が発生し、弾性表面波が励起される。櫛形電極１２
１，１２２は、電界が発生したとき、特定の周波数をも
つ弾性表面波のみが励起されるように形成されている。
櫛形電極の形状によって特徴づけられた周波数成分のみ
が励起される。この弾性表面波に応じた電気信号が出力
用電極から出力される。

【００７１】次に、本発明の第２の実施の形態の弾性表
面波素子と、この弾性表面波素子を用いた本発明の実施
の形態に係わる電気信号処理装置と、この電気信号処理
装置を用いた本発明の実施の形態に係わる環境評価装置
とを説明する。図９は弾性表面波素子と、弾性表面波素
子を用いた電気信号処理装置の構成を示す図である。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２１０を有している。基材２１０は石英ガラスで形成
されている基台２２１に保持されている。基台２２１に
は基材２１０の球面の一部に適合する凹部２２２が設け
られている。凹部２２２は基材２１０を透視して示され
ている。基材２１０は凹部２２２に嵌合している。本実
施の形態では、基材２１０の半径及び凹部２２２の曲率
半径はともに５ｍｍである。

【００７２】凹部２２２にはハッチングで示されている
櫛形電極２２３が形成されている。櫛形電極２２３は弾
性表面波励起手段として用いられている。基材２１０と
櫛形電極２２３は弾性表面波素子を構成している。櫛形
電極２２３は基台２２１の表面に積層された厚さ５００
Åのクロムの層と、クロムの層の上に積層された厚さ１
５００Å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櫛
形のパターンが形成されるようにパターニングされてい
る。櫛形電極２２３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２２２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。

【００７３】櫛形電極２２３はこれに電気信号が入力さ
れたときに、後に述べるように、円環状表面に沿って伝
搬しこの電気信号に応じた弾性表面波を励起する。この
ように弾性表面波を励起するとともに、櫛形電極２２３
は、円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波がこの櫛形
電極に入射したときにこの弾性表面波に応じた電気信号
を発生する。

【００７４】櫛形電極２２３にはインピーダンスマッチ
ング回路２２４を介してサーキュレータ２２５、発信器
２２６、アンプ２２７、ディジタルオシロスコープ２２
８が接続されている。インピーダンスマッチング回路２
２４は櫛形電極２２３に設けられた入出力用電極２２０
ａ，２２０ｂに接続されている。入出力用電極２２０
ａ，２２０ｂは、櫛形電極２２３に所定の電気信号を入
力するとともに、櫛形電極２２３により発生された電気
信号を出力する。入出力用電極２２０ａ，２２０ｂは入
出力部として用いられている。櫛形電極２２３に入力さ
れる電気信号は発信器２２６により発生され、櫛形電極
２２３により発生された電気信号はディジタルオシロス
コープ２２８に入力される。基材２１０と櫛形電極２２
３と入出力用電極２２０ａ，２２０ｂとは電気信号処理
装置を構成している。本実施の形態では、電気信号処理
装置は、周波数が１５．１ＭＨｚの狭帯域周波数フィル
タを形成する。

【００７５】水晶の基材２１０のＺ軸は水平にされてい
る。基材２１０は、経路ａに沿って櫛形電極２２３の電
極片が並ぶように凹部２２２に対して位置決めされてい
る。第１の実施の形態で説明したように、経路ａはＺ軸
を地軸としたときの赤道である。

【００７６】櫛形電極２２３の電極周期は以下のように
して設定される。以下、基材２１０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は３１６０ｍ／ｓである。
上述したように周波数が１５．１ＭＨｚになるように電
極周期を設定する。波数パラメータは１５０になるよう
にする。ことから弾性表面波の波長は３１６０ｍ／ｓ÷
１５．１ＭＨｚ＝２０９．３μｍである。従って、電極
周期を０．２０９ｍｍに設定する。

【００７７】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。基材２１０の周囲長は３
１．４１５ｍｍである。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、第１の実施の形態の
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、重なり幅＝（２×θ_ｃｏｌ／３６０）×周囲長＝（２×７．０／３６０）×３１．４１５＝１．２２従って、重なり幅を１．２２ｍｍに設定する。

【００７８】水晶の基材２１０の表面には５０００Åの
樹脂薄膜が形成されている。櫛形電極２２３に電圧を印
加すると、櫛形電極２２３は電界を発生する。この電界
は、樹脂薄膜を通過し、凹部２２２に対向している基材
２１０の表面に印加される。これに対して、基台に凹部
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２１０に対向している場合は、電界は
基材２１０の表面の比較的狭い領域にしか印加されな
い。

【００７９】尚、樹脂薄膜は基材２１０の周りの環境の
変化に応じて物性が変化する材料で形成されていてもよ
い。また、特定の物質と反応して物性が変化する材料で
形成されていてもよい。

【００８０】基材２１０の表面に電界が印加されると、
水晶の圧電効果により基材２１０の表面上の円環状表面
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は経路ａに沿って延びている。櫛形電極２
２３の近傍での円環状表面２１１の幅は櫛形電極２２３
の重なり幅とほぼ等しい。

【００８１】基材２１０の表面に形成された樹脂薄膜と
櫛形電極２２３との間には粒径１０μｍの樹脂粒子が分
散している。これにより、櫛形電極２２３が円環状表面
２１１から離間しているので、励起された弾性表面波は
櫛形電極２２３等により反射されたり散乱されたりしな
い。櫛形電極２２３と円環状表面２１１との間隔は電極
周期の１／４以下が望ましい。本実施の形態では、この
間隔は約１０μｍであり、電極周期は０．２０９ｍｍで
ある。

【００８２】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。

【００８３】上記のように設定された電極周期と重なり
幅をもつ櫛形電極２２３に、信号振幅２０Ｖ、時間幅２
ナノ秒のインパルス信号を１ミリ秒置きに入力して、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１０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。

【００８４】また、この周波数フィルタとして用いられ
ている電気信号処理装置の入出力用電極２２０ａ，２２
０ｂに１５ＭＨｚと１０ＭＨｚの周波数が混合した電気
信号を入力した。入出力用電極２２０ａ，２２０ｂから
出力された電気信号をディジタルオシロスコープ２２８
で捉え、電気信号の周波数分析を行ったところ、１５Ｍ
Ｈｚの周波数成分のみが観測され、１０ＭＨｚの周波数
成分は除去されることが確認された。

【００８５】次に、本発明の実施の形態に係わる環境評
価装置を説明する。環境評価装置は入出力用電極２２０
ａ，２２０ｂを有する上述の電気信号処理装置を備えて
いる。ここでは、基材２１０の周りの環境を評価しよう
としている。環境評価装置は、この電気信号処理装置に
より出力された電気信号の周波数、この電気信号の強
度、及び電気信号処理装置に電気信号が入力されてから
電気信号処理装置により電気信号が出力されるまでの時
間の内の少なくとも１つに基づいて基材２１０の周りの
環境を評価する処理部をさらに備えている。環境を評価
する、とは温度や湿度などのこの環境の状態を決定する
物理量を得ることである。この処理部は入出力用電極２
２０ａ，２２０ｂに接続されている。

【００８６】ところで、ここで用いられている電気信号
処理装置に図１０を用いて説明したインパルス信号と同
じ信号を入力すると、基材２１０の周りの温度の変化に
応じて、このインパルス信号を入力してから基材２１０
を４周目した信号が電気信号処理装置から出力されるま
での時間（遅延時間）が変化することが確認されてい
る。

【００８７】環境評価装置の説明に戻る。処理部は予め
遅延時間と温度の対応関係を記憶しているメモリを有し
ている。上記インパルス信号が入出力用電極２２０ａ，
２２０ｂに入力されると、処理部は遅延時間を検出し、
メモリに記憶された対応関係を用いて温度を得る。この
ようにして処理部は遅延時間に基づいて温度を評価す
る。

【００８８】また、ここで用いられている電気信号処理
装置に所定の電気信号を入力し、基材２１０を加湿した
ところ、急激に電気信号の出力が低下することが確認さ
れた。これは基材２１０の表面に結露が生じ、弾性表面
波の伝搬が妨げられたことに起因している。湿度と電気
信号の出力の対応関係を記憶するメモリを有する処理部
を用意すれば、湿度を評価できる。

【００８９】また、環境変化検地装置は周波数を利用し
ても基材２１０の周りの環境を評価できる。

【００９０】次に、環境評価装置の別の実施の形態を説
明する。環境評価装置は本第２の実施の形態の弾性表面
波素子を有する電気信号処理装置を用いている。ここで
は、基材２１０が置かれていた環境を評価しようとして
いる。基材２１０は基台２２１に着脱可能に保持され
る。基材２１０の表面には特定の化学物質と反応して硬
度を増す反応膜が形成されている。このような反応膜に
ついては多くの研究がなされている。先ず、基材２１０
を評価したい化学物質にさらさせる環境に置く。このと
き、反応が起こり、化学物質の濃度等に応じて反応膜の
硬度が増す。この後、基材２１０を基台２２１に保持さ
せ、弾性表面波の周波数や速度を処理部に入力する。反
応膜の硬度に応じて弾性表面波の周波数や速度は決ま
る。処理部はこれを利用して化学物質の濃度等の性質を
評価することができる。即ち、基材２１０が置かれてい
た環境を評価できる。

【００９１】生体内の生体物質、例えば消化器系の生体
物質の評価に用いる場合には、多数の基材２１０を経口
投与する。これらの基材２１０は排泄物から取り出され
る。ここで、基材２１０が置かれていた環境は生体内で
ある。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。回収された基材２１０を用いて上述し
たのと同様にして生体物質の性質を評価することができ
る。このような評価には多数の基材２１０が必要である
が、基材２１０は殆ど加工を要しないために非常に安価
であるので、このような評価にかかるコストは比較的低
い。これに対して、第１の実施の形態のように基材１１
０に櫛形電極１２１，１２２が形成されているものをこ
のような評価に用いる場合には、このような評価にかか
るコストは比較的高くなる。

【００９２】尚、櫛形電極は、第１の実施の形態の弾性
表面波素子のように、基台２２１ではなく、基材２１０
に設けられていてもよい。

【００９３】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の大部分と同じであ
る。本実施の形態において、第２の実施の形態の図９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。

【００９４】本実施の形態の構成が第２の実施の形態の
構成と異なる点は、基材２１０に樹脂薄膜が設けられて
いないことである。図１１は基台２２１の斜視図であ
る。基台２２１には、樹脂粒子の代わりに、櫛形電極２
２３と基材２１０を離間させるためのスペーサ３３１，
３３２が設けられている。スペーサ３３１，３３２は櫛
形電極２２３の櫛形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。

【００９５】図１２は基台２２１を図１１のＬ１２−Ｌ
１２断面線で切断した断面図であり、スペーサ３３１，
３３２に基材２１０が保持されている。Ｌ１２−Ｌ１２
断面線は２つのスペーサ３３１，３３２を貫き、櫛形電
極２２３が弾性表面波を出力する方向に対して直交する
方向に延びている。この間隔は第２の実施の形態と同様
に櫛形電極２２３の電極周期の１／４以下が望ましい。
本実施の形態では、この間隔は１０μｍである。

【００９６】円環状表面２１１の両側に２つのスペーサ
３３１，３３２がそれぞれ接している基材２１０の２つ
の部分があり、これらの部分は円環状表面２１１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。

【００９７】本実施の形態では、櫛形電極２２３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２２３の間に分散させ
ても比較的よいスペーサになり得る。

【００９８】次に、本発明の第４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３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３の実施の形態の図１１及び図１２
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３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。

【００９９】本実施の形態では、第３の実施の形態の基
台２２１の代わりに、基台４２１を用いている。図１３
は基台４２１の斜視図である。基台４２１の上面には縦
方向に延びている角柱状の電極片ｕ１，ｖ１，ｕ２，ｖ
２，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る。即ち、電極片ｕ１，ｕ
２，ｕ３，ｕ４は電極４３５に、電極片ｖ１，ｖ２，ｖ
３は電極４３６にそれぞれ接続されている。電極４３
５，４３６は所定の回路を介してインピーダンスマッチ
ング回路２２４に接続されている。電極片ｕ１，ｖ１，
ｕ２，ｖ２，ｕ３，ｖ３，ｕ４と電極４３５，４３６は
弾性表面波励起手段として用いられている。

【０１００】基台４２１の上面には基材２１０を保持す
るための４つの保持部材４３１，４３２，４３３，４３
４が設けられている。保持部材４３１，４３２，４３
３，４３４に基材２１０が保持されるとき、基材２１０
は、円環状表面２１１が電極片ｕ１，ｖ１，ｕ２，ｖ
２，ｕ３，ｖ３，ｕ４の上面にわたって対向し、円環状
表面２１１が、櫛形電極により弾性表面波が出力される
方向に延びるように位置決めされる。電極片ｕ１，ｖ
１，ｕ２，ｖ２，ｕ３，ｖ３，ｕ４の上面と基材２１０
の表面との間隔は、これらが対向する全ての部分にわた
って一定である。この間隔は第３の実施の形態の櫛形電
極２２３と基材２１０の表面との間隔と同じである。保
持部材４３１，４３２，４３３，４３４は円環状表面２
１１の両側に位置する。

【０１０１】このように弾性表面波素子を構成しても、
第３の実施の形態と同様の効果が得られる。

【０１０２】次に、本発明の第５の実施の形態の弾性表
面波素子を説明する。図１４（Ａ）は、弾性表面波の励
起と検出に使用される装置の全体を概略的に示す平面図
である。図１４（Ｂ）は基材１０の拡大された側面図で
ある。

【０１０３】本実施の形態では球状の基材１０はＬｉＮ
ｂＯ_３の単結晶で形成されているが、その他の単結晶、
例えば三方晶系に属する水晶、ＬｉＴａＯ_３等の単結晶
であってもよい。第１の実施の形態の水晶で形成された
基材１１０と同様に、ＬｉＮｂＯ_３の基材１０の円環状
表面１０ｂは、図５に示すように、Ｚ軸を地軸として赤
道上の経路ａ、と経線上の経路ｂ１，ｂ２，ｂ３とに沿
って形成され得る。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。本実施の形態では、円環状表面１０ｂは経路ａに
沿って形成されている。

【０１０４】経路ａと基材１０の表面沿い直交する方向
の所定の範囲ｗには弾性表面波を発生させるようレーザ
照射手段１４からレーザ光が照射される。所定の範囲ｗ
は円環状表面１０ｂを規定している。

【０１０５】レーザ照射手段１４は、ＹＡＧパルスレー
ザー光源１４ａから出射されたレーザービームＬをスプ
リッタ１４ｂにより２つに分割し、分割された一方のレ
ーザービームＬ１を、遅延素子１４ｃを介して第１の副
回動反射鏡１４ｄに導き、第１の副回動反射鏡１４ｄか
らさらに主回動反射鏡１４ｅに導き、主回動反射鏡１４
ｅから基材１０の外周面の所定の範囲ｗに照射してい
る。分割された他方のレーザービームＬ２は反射鏡１４
ｆ及びブラグセル（Ｂｒａｇｇｃｅｌｌ）１４ｇを介
して第２の副回動反射鏡１４ｈに導かれ、第２の副回動
反射鏡１４ｈからさらに主回動反射鏡１４ｅに導かれ、
主回動反射鏡１４ｅから基材１０の表面の所定の範囲ｗ
に照射されている。

【０１０６】２つのレーザービームＬ１，Ｌ２は、所定
の範囲ｗにおいて熱弾性効果を伴う干渉縞を発生させる
よう第１の副回動反射鏡１４ｄ，第２の副回動反射鏡１
４ｈ，そして主回動反射鏡１４ｅにより位置決めされ
る。

【０１０７】円環状表面１０ｂを含む基材１０の表面に
はレーザ吸収部材として用いられている金の膜が施され
ている。レーザ吸収部材は弾性表面波励起手段を形成し
ている。レーザービームＬ１，Ｌ２が基材の表面の所定
の範囲ｗで重なると干渉縞が発生する。このとき、金の
膜にレーザービームＬ１，Ｌ２が吸収される。この結
果、熱弾性効果により所定の範囲ｗにおいて弾性表面波
が励起される。励起された弾性表面波は円環状表面１０
ｂに沿って経路ａに沿った矢印Ｙで示す方向に拡散せず
に周回する。

【０１０８】本実施の形態ではレーザ吸収部材を用いて
いるが、基材がレーザ光を吸収する材料で形成され、基
材の表面でレーザ光が吸収され弾性表面波が励起される
場合は、レーザ吸収部材を用いなくともよい。

【０１０９】このように、レーザ光の干渉縞を利用して
弾性表面波を発生する方法は、走査干渉縞（ＳＩＦ）法
（Ｈ．Ｎｉｓｈｉｎｏ，Ｙ．Ｔｓｕｋａｈａｒａ，Ｙ．
Ｎａｇａｔａ，Ｔ．ＫｏｄａａｎｄＫ．Ｙａｍａｎ
ａｋａ；Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３２，１９９
３，２０３６：Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ，Ｏ．Ｋｏｌｏｓ
ｏｖ，Ｈ．Ｎｉｓｈｉｎｏ，Ｙ．Ｔｓｕｋａｈａｒａ，
Ｙ．Ｎａｇａｔａ，ａｎｄＴ．Ｔｏｄａ；Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．７４，１９９３，６５１１）として知ら
れている。

【０１１０】本実施の形態の弾性表面波素子はレーザ光
の干渉縞を利用しているので、第１の実施の形態のよう
に円環状表面に弾性表面波を散乱や反射させるもの、例
えば櫛形電極が接触しない。干渉縞を用いて励起される
弾性表面波の波長は干渉縞の間隔に応じている。干渉縞
の間隔は容易に変えることができるので、比較的容易に
所望の波長をもつ弾性表面波を励起できる。これに対し
て、櫛形電極を用いた弾性表面波素子では特定の波長の
代わりに別の波長をもつ弾性表面波を励起するためには
別の櫛形電極を用意する必要がある。

【０１１１】図１４（Ａ）の装置はさらに、球状の基材
１０の円環状表面１０ｂ中に発生し円環状表面１０ｂ中
を上述した如く伝搬する弾性表面波を非接触で検出する
ための検出手段１６を備えている。検出手段１６は、Ａ
ｒレーザー光源１６ａと、Ａｒレーザー光源１６ａから
出射されたレーザービームＲを球状の基材１０の円環状
表面１０ｂ中で２つのレーザービームＬ１，Ｌ２が照射
される位置から離れた位置へと導く種々の光学部材１６
ｂと、上記離れた位置で反射されたレーザービームＲ´
をＡｒレーザー光検出器（ＡＰＤ）１６ｅに導く光学部
材１６ｃ及びナイフエッジ１６ｄを備えている。

【０１１２】図１４（Ａ）に示されている装置の動作を
説明する。３ｍｍの直径の２本のＹＡＧレーザービーム
Ｌ１，Ｌ２が基材１０の表面の所定の範囲ｗ（図１４
（Ｂ））に対し略直角に向けられており、一方のＹＡＧ
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の表面
の所定の範囲ｗ（図１４（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。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、干渉縞の平均間隔が弾性表面波の波
長に等しくされるとともに、干渉縞の走査速度は弾性表
面波の平均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
成するために、１００ｎｓ程度の特別に設計された長い
パルスを有している。長い相互作用時間は、バルク超音
波（ＢＡＷ）を抑制（Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ：Ｊｐｎ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６，１９９７，２９３９）する
一方で、ＳＡＷの選択的な発生と増幅のためには必須で
あると考えられる。

【０１１３】弾性表面波は干渉縞に対して直角な、基材
１０の経路ａ（図１４（Ｂ））に沿い、所定の範囲ｗの
円環状表面１０ｂ（図１４（Ｂ））中を繰り返し伝搬す
る。次に弾性表面波は、干渉縞から所定の距離だけ離れ
た位置で集光されたＡｒレーザーを用いた光学的ナイフ
エッジ法による検出手段１６によりに検出される。

【０１１４】本実施の形態の弾性表面波素子はレーザ光
の干渉縞を利用しているので、第１の実施の形態のよう
に円環状表面に弾性表面波を散乱や反射させるもの、例
えば櫛形電極が接触しない。干渉縞を用いて励起される
弾性表面波の波長は干渉縞の間隔に応じている。干渉縞
の間隔は容易に変えることができるので、比較的容易に
所望の波長をもつ弾性表面波を励起できる。これに対し
て、櫛形電極を用いた弾性表面波素子では特定の波長の
代わりに別の波長をもつ弾性表面波を励起するためには
別の櫛形電極を用意する必要がある。

【０１１５】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。

【０１１６】

【発明の効果】以上詳述したことから明らかなように、
結晶材料で形成された基材を用い、より性能の優れた弾
性表面波素子、弾性表面波素子を用いた電気信号処理装
置、及び電気信号処理装置を用いた環境評価装置を提供
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
素子と、この弾性表面波素子を用いた本発明の実施の形
態における電気信号処理装置との構成を示す図である。

【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６の櫛形電極の変形例の平面図を変形した図
である。

【図８】櫛形電極のフォトマスクの穴の平面図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態における弾性表面波
素子と、この弾性表面波素子を用いた電気信号処理装置
の構成を示す図である。

【図１０】図９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１１】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。

【図１２】図１１のＬ１２−Ｌ１２断面線で切断した基
台の断面図である。

【図１３】本発明の第４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１４】（Ａ）は弾性表面波の励起と検出に使用され
る装置の全体を概略的に示す平面図であり、（Ｂ）は基
材の拡大された側面図である。

【符号の説明】

１０基材１０ｂ円環状表面１４レーザ照射手段１４ａＹＡＧパルスレーザー光源１４ｂスプリッタ１４ｃ遅延素子１４ｄ第１の副回動反射鏡１４ｅ主回動反射鏡１４ｆ反射鏡１４ｇブラグセル１４ｈ第２の副回動反射鏡１６検出手段１６ａレーザ光源１６ｂ光学部材１６ｅレーザ光検出器１６ｃ光学部材１６ｄナイフエッジ１１１円環状表面１２０ａ，１２０ｂ入力用電極（入力部）１２１，１２２櫛形電極１２３高周波電源１２５，１２６櫛形電極２１１円環状表面２２０ａ，２２０ｂ入出力用電極（入出力部）２２１基台２２２凹部２２３櫛形電極２２４インピーダンスマッチング回路２２５サーキュレータ２２６発信器２２７アンプ２２８ディジタルオシロスコープ３３１，３３２スペーサ４２１基台４３１，４３２保持部材４３５，４３６電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者塚原祐輔東京都台東区台東１丁目５番１号凸版印刷株式会社内 (72)発明者山中一司宮城県仙台市泉区桂２−６−３Ｆターム(参考） 5J097 AA23 BB01 CC15 DD04 EE01 EE08

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円環状表面を有しており、単結晶
で形成されている基材と、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ることを特徴とする弾
性表面波素子。
【請求項２】前記円環状表面は、前記基材を形成しい
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
成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表
面波素子。
【請求項３】前記基材の少なくとも一部は、圧電性材
料で形成されてい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。
【請求項４】前記基材を形成しいている単結晶の結晶
系は、三方晶系であることを特徴とする請求項１乃至３
いずれか１項に記載の弾性表面波素子。
【請求項５】前記基材を形成しいている単結晶は、水
晶であることを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波
素子。
【請求項６】前記基材を形成しいている単結晶は、Ｌ
ｉＮｂＯ_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あることを特徴とする請求
項４に記載の弾性表面波素子。
【請求項７】前記基材を形成しいている単結晶の結晶
系は三方晶系であり、結晶方位で決まる前記所定の経路
は、球面と、この球面の中心を通り、前記三方晶系の単
結晶のＺ軸と直交する平面との交線を含んでいることを
特徴とする請求項４乃至６いずれか１項に記載の弾性表
面波素子。
【請求項８】前記基材を形成しいている単結晶の結晶
系は三方晶系であり、結晶方位で決まる前記所定の経路
は、球面と、この球面の中心を通り、前記三方晶系の単
結晶のＺ軸と平行な平面との交線を含んでいることを特
徴とする請求項４乃至７いずれか１項に記載の弾性表面
波素子。
【請求項９】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乃至８いずれか１項
に記載の弾性表面波素子。
【請求項１０】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
電極を含んでいることを特徴とする請求項１乃至９いず
れか１項に記載の弾性表面波素子。
【請求項１１】前記櫛形電極は前記円環状表面から離
間していることを特徴とする請求項９に記載の弾性表面
波素子。
【請求項１２】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１０又は１１に記載
の弾性表面波素子。
【請求項１３】前記弾性表面波励起手段は、前記円環
状表面に設けられ、レーザ光を吸収し熱弾性効果により
弾性表面波を励起するレーザ吸収部材を有していること
を特徴とする請求項１乃至９いずれか１項に記載の弾性
表面波素子。
【請求項１４】請求項１乃至１２いずれか１項に記載
の弾性表面波素子と、所定の電気信号を前記弾性表面波励起手段に入力し、こ
の結果弾性表面波励起手段は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入力部と、この円環状表面に沿って伝搬する弾性表面波を検出する
検出手段と、前記検出手段により検出された弾性表面波に応じた電気
信号を出力する出力部とを備えていることを特徴とする
電気信号処理装置。
【請求項１５】請求項１０乃至１２いずれか１項に記
載の弾性表面波素子を備えている電気信号処理装置であ
って、前記櫛形電極は、電気信号が入力されたときに前記円環
状表面に沿って伝搬する弾性表面波を励起し、前記円環
状表面に沿って伝搬する弾性表面波がこの櫛形電極に入
射したときにこの弾性表面波に応じた電気信号を発生
し、この電気信号処理装置は、前記櫛形電極に所定の電気信
号を入力するとともに、この櫛形電極により発生された
電気信号を出力する入出力部をさらに備えていることを
特徴とする電気信号処理装置。
【請求項１６】請求項１４又は１５に記載の電気信号
処理装置と、前記電気信号処理装置により出力された電気信号の周波
数、この電気信号の強度、及び前記電気信号処理装置に
電気信号が入力されてから前記電気信号処理装置により
電気信号が出力されるまでの時間の内の少なくとも１つ
に基づいて前記基材の周りの環境又は前記基材が置かれ
ていた環境を評価する処理部をさらに備えていることを
特徴とする環境評価装置。