JP3974765B2 - 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 - Google Patents

Description

【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置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１２１，１２２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１２１，１２２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１２１，１２２に入力する。この結果、櫛形電極１２１，１２２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１２０ａ，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１２１，１２２、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、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、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。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。
【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１２１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１２１，１２２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１２１，１２２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、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。
【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】

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_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。
【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】

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_ｃｏｌ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，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。
【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１２１，１２２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１２１，１２２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１１０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。
【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，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。
【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，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。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１２５，１２６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１１０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，１２０ｂ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１２１，１２２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２２８が接続されている。インピーダンスマッチング回路２２４は櫛形電極２２３に設けられた入出力用電極２２０ａ，２２０ｂに接続されている。入出力用電極２２０ａ，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２２３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３１．４１５ｍｍ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、

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２２３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，２２０ｂ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、１５ＭＨｚ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２２０ａ，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２２０ａ，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１１０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２２３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−Ｌ１２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，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る。即ち、電極片ｕ１，ｕ２，ｕ３，ｕ４は電極４３５に、電極片ｖ１，ｖ２，ｖ３は電極４３６にそれぞれ接続されている。電極４３５，４３６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４３１，４３２，４３３，４３４が設けられている。保持部材４３１，４３２，４３３，４３４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，ｖ２，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，ｖ１，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２１１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ＬｉＮｂＯ_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１４ｅ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１４ｆ及びブラグセル（Ｂｒａｇｇ ｃｅｌｌ）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１４ｈ，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１０ｂ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．Ｋｏｄａ ａｎｄ Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ；Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３２，１９９３，２０３６：Ｋ．Ｙａｍａｎａｋａ，Ｏ．Ｋｏｌｏｓｏｖ，Ｈ．Ｎｉｓｈｉｎｏ，Ｙ．Ｔｓｕｋａｈａｒａ，Ｙ．Ｎａｇａｔａ， ａｎｄ Ｔ．Ｔｏｄａ；Ｊ．Ａｐｐｌ．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、Ａｒ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１６ｂ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
１４ａ ＹＡＧ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

Claims (16)

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。
2. 前記円環状表面は、前記基材を形成し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。
3. 前記基材は、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。
4. 前記基材を形成し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。
5. 前記基材を形成している単結晶は、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。
6. 前記基材を形成している単結晶は、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ことを特徴とする請求項４に記載の弾性表面波素子。
7. 前記基材を形成し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。
8. 前記基材を形成し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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

Images