JP4700748B2

JP4700748B2 - 弾性表面波素子及び弾性表面波素子を用いた環境差異検出装置

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Publication number: JP4700748B2
Application number: JP2009222864A
Authority: JP
Inventors: 教尊中曽; 一司山中
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Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2023-09-19
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Description

本発明は、弾性表面波素子及び弾性表面波素子を用いた環境差異検出装置に関係している。

弾性表面波（ＳＡＷ：ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）が励起可能であり励起された弾性表面波を伝搬させることが可能な表面を有する基体と、前記基体の表面に前記弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させるとともに前記伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子と、を備えた弾性表面波素子は従来から良く知られている。

弾性表面波素子は、遅延線，発振素子，共振素子，周波数選択素子，例えば化学センサやバイオセンサや圧力センサを含む種々のセンサ，或いはリモートタグ等として使用されている。

国際公開ＷＯ０１／４５２５５号公報は、球形状の弾性表面波素子を開示している。この球形状の弾性表面波素子の基体は、弾性表面波が励起可能であり励起された弾性表面波を伝搬させることが可能な球形状の表面を有している。前記球形状の弾性表面波素子の電気音響変換素子は、基体の球形状の表面において円環状に連続している所定の幅を有した帯域に配置されていて、前記表面に励起した弾性表面波を前記帯域が連続している方向に沿い伝搬させ繰り返し周回させるよう構成されている。

球形状の弾性表面波素子では、基体の表面の円環状に連続している弾性表面波伝搬帯域に電気音響変換素子により励起された弾性表面波を、弾性表面波伝搬帯域内で実質的に減衰することなく上記表面を繰り返し周回させることが出来る。

国際公開ＷＯ０１／４５２５５号公報

弾性表面波素子の基体は、その表面に沿い弾性表面波を伝搬させるために、基体の全体が、弾性表面波が励起されることが可能であると共に励起された弾性表面波を伝搬可能な材料で作られているか、或いは、その表面に弾性表面波励起伝搬可能材料により形成された薄膜を付着させることにより作られている。

前記薄膜との組み合わせにより形成する前記基体は、現時点では製造コストが高く大量生産に不向きであることが分かっている。弾性表面波励起伝搬可能材料のみにより形成された前記基体では、前記基体の表面において前記弾性表面波を伝搬させようとする方向によって前記弾性表面波を伝搬或いは周回させることが出来ない等の弾性表面波を伝搬する性能に差異が生じることが分かっている。また前記表面において、前記弾性表面波を相互に異なった複数の方向に伝搬させる、或いは周回させる、ことが困難である。

この発明は、上記事情の下で為され、この発明の目的は、大量生産に適していて常に安定して良好な弾性表面波伝搬性能を発揮することが可能な弾性表面波素子、及びこのような弾性表面波素子を用いた環境差異検出装置を提供することである。

上記目的を達成する為に、この発明に従った別の弾性表面波素子は：
弾性表面波が伝搬可能な曲面が連続した少なくとも円環状の曲面の一部を含む表面を有する３次元基体と；
前記表面に前記弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させるとともに前記表面を伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子と；
を備えていて、
前記３次元基体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶であり、
前記３次元基体の前記表面において前記電気音響変換素子は、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶のＣ結晶軸と直交する方向を法線とする結晶面と前記表面との交線に沿い、前記励起した弾性表面波を伝搬させており、前記交線は前記表面の最大外周線になっている、
ことを特徴としている。

上記目的を達成する為に、この発明に従ったさらに別の弾性表面波素子はまた：
弾性表面波が伝搬可能な曲面が連続した少なくとも円環状の曲面の一部を含む表面を有する３次元基体と；
前記表面に前記弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させるとともに前記表面を伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子と；
を備えていて、
前記３次元基体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶であり、
前記３次元基体の前記表面において前記電気音響変換素子は、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶のＣ結晶軸から任意の方向に３０°と４０°との間で傾斜した方向を法線とする結晶面と前記表面との交線に沿い、前記励起した弾性表面波を伝搬させており、前記交線は前記表面の最大外周線になっている、
ことを特徴としている。

上記目的を達成する為に、この発明に従った環境差異検出装置は、この発明の上述した弾性表面波素子の表面において複数の交線に沿い複数の電気音響変換素子に弾性表面波を励起させ伝搬させるとともに伝搬する前記弾性表面波を受信させて受信信号を出力させ、複数の電気音響変換素子から出力される受信信号を比較し、前記表面において複数の弾性表面波が伝搬する複数の部分が接する空間の複数の部分の環境の差異を検出する、ことを特徴としている。

なおこの発明では、擬似弾性表面波や前記３次元基体を形成している結晶材料の表面の直下に電気音響変換素子により励起され伝搬される例えば回廊波も弾性表面波と称して記述している。さらに、例えば弾性境界波のように表面上に異なる物質が接している３次元基体の前記表面に沿い伝搬する、通常は弾性表面波と称さないような弾性波であっても、ここでは弾性表面波と称して記述している。

また、３次元基体の表面において弾性表面波が伝搬する部分に何等かの膜を形成したり、或いは前記表面に電気音響変換素子を何等かの膜を介して形成しても、そのような膜が弾性表面波の所望の伝搬を実質的に阻害しなければそのような膜の存在を許容する。

この発明に従った前述の弾性表面波素子、及びこの発明に従った前述の弾性表面波素子を使用したこの発明に従った環境差異検出装置においては、弾性表面波を伝搬させる表面を有している３次元基体を、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成し、しかも夫々の結晶の前記表面において夫々の結晶の特定の結晶面と前記表面との交線に沿い電気音響変換素子により前記表面に励起された弾性表面波を伝搬させるようにし、前記交線を前記表面の最大外周線にしていることにより、弾性表面波素子を容易に安価に大量生産することができ、しかも常に安定して良好な弾性表面波伝搬性能を発揮させることが可能になっている。

なお、３次元基体の表面に弾性表面波を励起しまた受信する為の本発明で記載する「送受信部分」は、「送信部分」と「受信部分」とに機能を分離した２つの相互に独立した部分として構成することも出来る。このように「送信部分」と「受信部分」とを相互に独立した部分として構成するとこれらの為の駆動回路及び検出回路の設計が容易になるが、弾性表面波が上記表面を周回する場合には、１回の周回の度に相互に独立した「送信部分」と「受信部分」を弾性表面波が通過するので弾性表面波の伝搬効率が「送信部分」と「受信部分」とを相互に独立した部分として構成しない場合に比べ幾分低下するが実用上は問題がない。

この発明の第１の実施の形態に従った弾性表面波素子の概略図である。この発明の第１の実施の形態に従った弾性表面波素子の３次元基体の全体をＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成した場合に３次元基体の外表面に弾性表面波を伝搬させる伝搬表面帯の基準となる最大外周線をＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶の一群の結晶面の１つに沿い規定する様子及び電気音響変換素子を配置するのに好ましい帯域を概略的に示す斜視図である。この発明の第１の実施の形態に従った弾性表面波素子の３次元基体の全体をＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成した場合に３次元基体の外表面に弾性表面波を伝搬させる伝搬表面帯の基準となる最大外周線をＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶の別の群の結晶面の１つに沿い規定する様子を概略的に示す斜視図である。（Ａ）は、この発明の第１の実施の形態に従った弾性表面波素子の３次元基体の伝搬表面帯中において対応する最大外周線に対し電気音響変換素子が配置される好ましい状態を概略的に示す図であり；そして、（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態に従った弾性表面波素子の３次元基体の伝搬表面帯中において対応する最大外周線に対しすだれ状電極による電気音響変換素子が配置されるさらに好ましい状態を概略的に示す図である。この発明の第２の実施の形態に従った弾性表面波素子を概略的に示す斜視図である。この発明の第３の実施の形態に従った弾性表面波素子を概略的に示す斜視図である。この発明の第４の実施の形態に従った弾性表面波素子を概略的に示す斜視図である。図７の弾性表面波素子の３次元基体の外表面の伝搬表面帯に対し所定の隙間を介し対向して配置されるよう３次元基体の台座に電気音響変換素子が形成されている様子を概略的に示す部分断面図である。この発明の第５の実施の形態に従った弾性表面波素子を概略的に示す斜視図である。

［第１の実施の形態］
以下、この発明に従った弾性表面波素子の第１の実施の形態を添付の図面中の図１ないし図３を参照しながら詳細に説明する。

図１には、第１の実施の形態の弾性表面波素子１０の外観が示されている。この弾性表面波素子１０は：弾性表面波が伝搬可能な曲面が連続した少なくとも円環状の曲面の一部によってなる伝搬表面帯１２ａを含む表面を有する３次元基体１２と；伝搬表面帯１２ａに前記弾性表面波を励起し伝搬表面帯１２ａに沿い弾性表面波を伝搬させるとともに伝搬表面帯１２ａに伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子１４と；を備えている。

なおここで伝搬表面帯１２ａは図面の簡略化の為に幅方向Ｗの寸法が伝搬表面帯１２ａが円環状に連続する方向において一定であるように描かれているが、実際には３次元基体１２の表面において伝搬表面帯１２ａが円環状に連続する方向に弾性表面波が伝搬する間には、弾性表面波は図１に示されているように幅方向Ｗにおける寸法が一定であることもあるし、幅方向Ｗにおける寸法が拡散と収縮とを繰り返すこともある。

いずれにせよ、伝搬表面帯１２ａを伝搬する弾性表面波は電気音響変換素子１４から所望の距離を、或いは１周回当たり、少なくとも８０％以上のエネルギーを保ち伝搬することが実用上望まれている。

この実施の形態において３次元基体１２は、全体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により球形状に形成されている。従って、この実施の形態においては、伝搬表面帯１２ａが３次元基体１２の球形状の表面において円環状に連続している。伝搬表面帯１２ａは３次元基体１２の最大外周線１２ｂに沿い連続しており、好ましくは伝搬表面帯１２ａの範囲内に最大外周線１２ｂが含まれている。

３次元基体１２の外表面において最大外周線１２ｂは、図２中に示されているように、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶のＣ結晶軸から任意の方向（なおここで、上記任意の方向とはＣ結晶軸を中心とした３６０°の全周中の任意の角度方向である）に３０°と４０°との間で傾斜した方向ＣＡを法線とする結晶面と３次元基体１２の外表面との交線に一致している。即ち、３次元基体１２の外表面において伝搬表面帯１２ａが沿っている最大外周線１２ｂは、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶の１つの結晶面上を延出している。３次元基体１２の外表面において上記結晶面に沿い弾性表面波が伝搬する間には、上記結晶面に対し交差するよう弾性表面波を伝搬させた場合に上記結晶面において生じる弾性表面波のエネルギーの大きな拡散が生じないので、３次元基体１２の外表面において弾性表面波を最も効率良く伝搬させることが出来る。

全体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により球形状に形成されている前述の第１の実施の形態の３次元基体１２の外表面においてはさらに、それに沿い伝搬表面帯１２ａが連続している最大外周線１２ｂを以下のようにしても規定することが出来る。

即ち、３次元基体１２の外表面において最大外周線１２ｂを、図３中に示されているように、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶のＣ結晶軸と直交する方向ＣＢを法線とする結晶面と３次元基体１２の外表面との交線に一致させる。このことは、この場合においても、３次元基体１２の外表面において伝搬表面帯１２ａが沿っている最大外周線１２ｂは、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶のＣ結晶軸から任意の方向（ここにおいても、上記任意の方向とはＣ結晶軸を中心とした３６０°の全周中の任意の角度方向である）に３０°と４０°との間で傾斜した方向ＣＡを法線とする結晶面とは別に規定されている結晶面上を延出していることを意味している。３次元基体１２の外表面においてこの別に規定されている結晶面に沿い弾性表面波が伝搬する間にも、図２を参照しながら説明した前述の結晶面の場合と同様に、上記別に規定されている結晶面に対し交差する方向には弾性表面波のエネルギーの大きな拡散が生じないので、３次元基体１２の外表面において弾性表面波を最も効率良く伝搬させることが出来る。

また、３次元基体１２の表面を伝搬する表面弾性波がその伝搬方向に対し上記表面に沿い直交する方向に実際にどの程度の幅を有しているのかは、例えば上記表面に水滴を付着させ上記表面において水滴が付着した部分では表面弾性波が伝搬しなくなることから視覚的に推測することも出来る。

また、一般に、電気音響変換素子としてすだれ状電極を用いて高い周波数の弾性表面波を励起する場合には、すだれ状電極の有効幅（即ち、すだれ状電極において、３次元基体の表面に対しすだれ状電極が弾性表面波を励起させ所望の方向に伝搬させることが出来るとともに上記表面を伝搬した弾性表面波を受信することが出来る部分の、上記表面に沿って上記所望の方向とは直交する方向の寸法）は小さくなるが、上記有効幅は、上記表面において弾性表面波が伝搬する伝搬表面帯（図１では、参照符号１２ａにより指摘されている）が上記所望の方向となる最大外周線（図１では、参照符号１２ｂにより指摘されている）に対し直交する方向において有している曲率の曲率半径の１．５倍よりも大きくなると、弾性表面波を励起し受信する効率が大きく低下することが分かっている。

３次元基体１２は、その外表面において電気音響変換素子１４により励起された弾性表面波が伝搬する伝搬表面帯１２ａ以外の部分が支持腕１６を介して支持台１８に支持されている。伝搬表面帯１２ａを伝搬する弾性表面波に対しいかなる影響も与えないようにする為に、伝搬表面帯１２ａには電気音響変換素子１４を除き何も接触させない。従って、この実施の形態においては、伝搬表面帯１２ａにおいて電気音響変換素子１４に弾性表面波を励起させる為や伝搬表面帯１２ａを伝搬し電気音響変換素子１４に受信された弾性表面波を電気音響変換素子１４から受け取る為の電気音響変換素子制御ユニット２０は、電気音響変換素子１４から３次元基体１２の外表面において伝搬表面帯１２ａ以外の領域上を延びるリード線により電気音響変換素子１４に接続されている。電気音響変換素子制御ユニット２０は例えば、図１中に示されている如く、インピーダンスマッチング回路２０ａ，サーキュレータ２０，高周波電源を含む発信器２０ｃ，アンプ２０ｄ，そしてディジタルオシロスコープ２０ｅ等を備えている。なお、発信器２０ｃに代わり高周波電波受
信アンテナを使用することも出来る。

電気音響変換素子１４は、図４の（Ａ）中に示されているように、伝搬表面帯１２ａに励起した弾性表面波のエネルギーの流れる密度が最大となる方位ＭＤが最大外周線１２ｂに対し２０°以内になるよう構成されていることが好ましい。なお、この角度はより好ましくは１０°以内であり、さらに好ましくは５°以内である。このことは、電気音響変換素子１４により伝搬表面帯１２ａに励起された弾性表面波は、３次元基体１２の外表面上で最大外周線１２ｂに沿い例えば周回毎にエネルギーの８０％以上を保つような小さな減衰率で周回することが出来るのであれば伝搬するにつれて励起された直後の幅よりも最大外周線１２ｂから拡散する傾向にあっても良いが、上記の角度範囲内にあることが好ましいことを意味している。

なお本発明において記載される「最大外周線に沿う」は、弾性表面波が周回或いは伝搬経路に亘り伝搬する場合に、弾性表面波のエネルギーの流れる密度が最大となる方向が最大外周線に対し好ましくは２０°以内、より好ましくは１０°以内、さらに好ましくは５°以内の範囲内である場合をいう。

この実施の形態において、電気音響変換素子１４は３次元基体１２の外表面上で伝搬表面帯１２ａの範囲内に直接形成されている。この実施の形態において電気音響変換素子１４は例えば櫛型電極のようなすだれ状電極２２であって、例えば蒸着や印刷やスパッタリングやゾル・ゲル法などの種々の公知の方法により上記外表面上に直接形成されることが出来る。

電気音響変換素子１４がすだれ状電極２２により形成されている場合、すだれ状電極２２は、図４の（Ｂ）中に良く示されているように、すだれ状電極２２において伝搬表面帯１２ａに対し弾性表面波を励起するとともに伝搬表面帯１２ａに伝搬する弾性表面波を受信可能な送受信部分（前述の有効幅の部分）に対し３次元基体１２の外表面に沿い直交する線が、伝搬表面帯１２ａが沿っている対応する最大外周線１２ｂに対し１０°以下の範囲に含まれるよう構成されていることが好ましい。より詳細には、すだれ状電極２２のパターンの各端子（線要素）２２ａにおける前記送受信部分（すだれ状電極２２の場合には、パターンの各端子（線要素）２２ａが最大外周線１２ｂに沿った方向において相互に重複する部分）に対し伝搬表面帯１２ａの外表面に沿って延出する直交線ＯＬが最大外周線１２ｂに対し１０°以下の範囲内にあることが好ましいことを意味している。

その理由は、図４の（Ａ）を参照しながら前述したように、電気音響変換素子１４を、伝搬表面帯１２ａに励起した弾性表面波のエネルギーの流れる密度が最大となる方位ＭＤを最大外周線１２ｂに対し２０°以内になるよう構成することが好ましい理由と同じである。

さらに、最大外周線１２ｂに沿った方向におけるすだれ状電極２２のパターンの複数の端子２２ａ（図４の（Ｂ）参照）の配列周期Ｐは、最大外周線１２ｂの曲率半径の１／１０以下であることが好ましい。配列周期Ｐは、すだれ状電極２２が励起する弾性表面波の一波長（即ち、振動周期）分の長さに相当している。

弾性表面波の波長（即ち、すだれ状電極２２のパターンの複数の端子２２ａの配列周期Ｐ）が弾性表面波が伝搬する伝搬表面帯１２ａに含まれる最大外周線１２ｂの曲率半径（伝搬表面帯１２ａがこの実施の形態のように球面の一部により構成されている場合は、上記球面の半径）の１／１０よりも大きいと、湾曲した伝搬表面帯１２ａの幾何学的な特徴が伝搬表面帯１２ａを伝搬する弾性表面波が拡散しようとするのを抑制する機能が弱くなる。従って、３次元基体１２の表面の伝搬表面帯１２ａに比較的長い波長の弾性表面波を所望の距離だけ伝搬させようとする場合には、伝搬表面体１２ａに含まれる最大外周線１２ｂの曲率半径を上記波長との上述した関係を充たすよう予め設定しなければならない。

従って、伝搬表面帯１２ｂにおいて効率良く弾性表面波を伝搬させるには前記配列周期にすることが好ましい。

さらに、３次元基体１２が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている場合、３次元基体１２の外表面に対し弾性表面波を励起し外表面に沿い弾性表面波を伝搬させるとともに外表面を伝搬する弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子１４の送受信部分が、３次元基体１２の外表面において前記交線（最大外周線１２ｂ）の一部を含むように配置されていることが好ましい事もわかっている。このような配置であると、電気音響変換素子１４の送受信部分が弾性表面波を励起し受信する効率をより高めることが出来る。

このような配置に加え、３次元基体１２が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されているとともに図２中に示されているように最大外周線１２ｂが規定されている場合には、電気音響変換素子１４の前記送受信部の上記効率をより高める為には、電気音響変換素子１４の前記送受信部がさらに、３次元基体１２の外表面において図２中に示されているように前記Ｃ軸から任意の方向に７５°と１０５°との間を示す帯域ＡＡに配置されていることがさらに好ましいことも分かっている。

球形状の３次元基体１２を地球と仮想すると、Ｃ軸は地球における地軸に相当し、図３中に示されているように規定された最大外周線１２ｂは地球における経線に相当し、そして図２中に示されているように規定された帯域ＡＡは地球における北緯１５°と南緯１５°とに挟まれ赤道に沿い円環状に連続して伸びる帯状の部分に相当する。

なお図２において帯域ＡＡは、図面の煩雑さを防ぐ為に、３次元基体１２の外表面上で見える部分しか示されていないが、実際には３次元基体１２の外表面上で見えない部分にも連続して円環状になっている。

［第２の実施の形態］
つぎに、図５を参照しながら、この発明に従った弾性表面波素子の第２の実施の形態を詳細に説明する。

この実施の形態の弾性表面波素子３０では、前述した第１の実施の形態に従った弾性表面波素子１０の３次元基体１２の外表面上に前述した如く規定することが出来る複数の伝搬表面帯１２ａの中の任意の複数の夫々において他の伝搬表面帯１２ａと交差しない部分に前述した如く電気音響変換素子１４を形成し、各電気音響変換素子１４は前述の電気音響変換素子制御ユニット２０に接続されている。

図５において伝搬表面帯１２ａは、図面の煩雑さを防ぐ為に、３次元基体１２の外表面上で見える部分しか示されていないが、実際には３次元基体１２の外表面上で見えない部分にも最大外周線１２ｂに沿い連続して円環状になっている。

なおここにおいて、３次元基体１２が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている場合、３次元基体１２の外表面に対し弾性表面波を励起し外表面に沿い弾性表面波を伝搬させるとともに外表面を伝搬する弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子１４の送受信部分が、３次元基体１２の外表面において前記交線（最大外周線１２ｂ）の一部を含むように配置されている、ことが好ましい。このような配置により電気音響変換素子１４の送受信部分が弾性表面波を励起し受信する効率をより高めることが出来る。

このような配置に加え、３次元基体１２が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されているとともに図２中に示されているように最大外周線１２ｂが規定されている場合には、電気音響変換素子１４の前記送受信部の上記効率をより高める為に、電気音響変換素子１４の前記送受信部がさらに、３次元基体１２の外表面において、図２中に示されているように前記Ｃ軸から任意の方向に７５°と１０５°との間を示す帯域ＡＡに配置されていることがさらに好ましい。

さらにこの実施の形態では、３次元基体１２の外表面において電気音響変換素子１４を形成した複数の伝搬表面帯１２ａや帯域ＡＡを除いた位置に、３次元基体１２を図示しない何等かの台座に支持する為の支持部材３２が固定されている。

このように構成されている第２の実施の形態に従った弾性表面波素子３０は、第１の実施の形態に従った弾性表面波素子１０に比べると、環境差異検出装置として使用した時により優れている。その理由は以下の通り。

前述の弾性表面波素子１０のように、１つの電気音響変換素子１４とそれに接続された1つの電気音響変換素子制御ユニット２０しか使用しない場合には、前述した外部環境の変化の影響で弾性表面波素子１０に何等かの物理的な変化（例えば、外部環境の温度の変化による３次元基体１２の膨張或いは収縮）が生じた時に、伝搬表面帯１２ａを伝搬する弾性表面波の伝搬速度や1周期当たりに要する伝搬時間に微妙な変化が生じる。

従って、前述したように伝搬表面帯１２ａが接する空間に満たされている流体（気体や流体）の変化（即ち、伝搬表面帯１２ａが接する外部環境の変化）をより精密に検出しようとするならば、前述した外部環境の変化の影響による弾性表面波素子１０の物理的な変化を考慮しなければならない。

図５を参照した第２の実施の形態に従った弾性表面波素子３０によれば、３次元基体１２の外表面において電気音響変換素子１４を形成した複数の伝搬表面帯１２ａの中の少なくとも1つの伝搬表面帯１２ａを変化を検出しようと意図している外部環境から隔離するとともに、電気音響変換素子１４を形成した複数の伝搬表面帯１２ａの中の残りの少なくとも１つの伝搬表面帯１２ａを前記外部環境に接触するよう構成する。

このような構成であれば、外部環境から隔離されている伝搬表面帯１２ａ上の電気音響変換素子１４からそれが対応している前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が受信した信号は外部環境の変化に伴なう弾性表面波素子１０の物理的な変化を示し、前記外部環境に接触した前記残りの少なくとも１つの伝搬表面帯１２ａの電気音響変換素子１４からそれが対応している前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が受信した信号は外部環境の変化に伴なう弾性表面波素子１０の物理的な変化に加えて外部環境の変化を示すことになる。

従って、前記外部環境に接触した前記残りの少なくとも１つの伝搬表面帯１２ａの電気音響変換素子１４からそれが対応している前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が受信した信号から、外部環境から隔離されている伝搬表面帯１２ａ上の電気音響変換素子１４からそれが対応している前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が受信した信号を差し引けば、純粋に外部環境の変化のみを検出することが可能になる。

［第３の実施の形態］
次に、図６を参照しながら、この発明に従った弾性表面波素子の第３の実施の形態を詳細に説明する。

第３の実施の形態に従った弾性表面波素子４０は、３次元基体１２が凹所又は中空部を有していて、これら凹所又は中空部の内表面１２ｃが、弾性表面波が伝搬可能な曲面が円環状に連続した伝播表面帯１２ａを含んでいる。図６には中空部の一種である貫通孔を有した３次元基体１２が示されている。

３次元基体１２は、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２と同様に、全体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている。そして、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２の外表面に３次元基体１２を形成している結晶の種類に特有の複数の結晶面の少なくとも１つと前記外表面との交線に伝搬表面帯１２ａを沿わせる基準となる最大外周線１２ｂが規定されていたのと同様に、第３の実施の形態に従った弾性表面波素子４０の３次元基体１２の内表面に３次元基体１２を形成している結晶の種類に特有の複数の結晶面の少なくとも１つと前記内表面との交線に伝搬表面帯１２ａを沿わせる基準となる少なくとも１つの最大外周線１２ｂが規定されている。そして、この内表面上で最大外周線１２ｂに沿い連続して延出するよう伝搬表面帯１２ａが規定されている。この実施の形態の３次元基体１２の内表面における伝搬表面帯１２ａの規定の仕方は、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２の外表面における伝搬表面帯１２ａの規定の仕方と同じである。従って好ましくは前記内表面上の伝搬表面帯１２ａの範囲内に最大外周線１２ｂが含まれる。

そして、この実施の形態の３次元基体１２の内表面における伝搬表面帯１２ａにも、伝搬表面帯１２ａの範囲内で最大外周線１２ｂに沿い弾性表面波を大きく減衰させることなく伝搬させるよう電気音響変換素子１４が形成されていて、電気音響変換素子１４には前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が接続されている。

この実施の形態においても、前記内表面は伝搬表面帯１２ａが前述した所定の方法により規定されていれば、伝搬表面帯１２ａ以外の部位の形状は任意である。

この実施の形態の弾性表面波素子４０は、電気音響変換素子１４により伝搬表面帯１２ａに励起され伝搬表面帯１２ａ内を例えば１周回当たり８０％以上のエネルギーを保って大きく減衰することなく伝搬する弾性表面波が、３次元基体１２の内表面における伝搬表面帯１２ａが接する環境である貫通孔の内部空間を通過する流体（気体又は流体）の種々の変化に対応して、変化するのを電気音響変換素子１４を介して電気音響変換素子制御ユニット２０により電気信号として受信することにより、前記環境の変化、即ち差異、を検知することが出来る。

さらに、この実施の形態においても、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、前記内表面に３次元基体１２を形成している結晶の種類に特有の複数の結晶面と前記内表面との複数の交線に一致させた複数の最大外周線１２ｂに沿った複数の伝搬表面帯１２ａの夫々に、他の伝搬表面帯１２ａとの交差部位を除き前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が接続されている電気音響変換素子１４を形成することが出来る。そしてこの場合も、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、より精密に環境の差異を検出することが出来る環境差異検出装置として使用することが出来る。

またさらに、この実施の形態においても、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、３次元基体１２が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている場合、３次元基体１２の内表面に対し弾性表面波を励起し外表面に沿い弾性表面波を伝搬させるとともに内表面を伝搬する弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子１４の送受信部分が、３次元基体１２の内表面において前記交線（最大外周線１２ｂ）の一部を含むことが好ましい。このような配置により電気音響変換素子１４の送受信部分が弾性表面波を励起し受信する効率をより高めることが出来る。

このような配置に加え、３次元基体１２が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されているとともに図２中に示されているように最大外周線１２ｂが規定されている場合には、電気音響変換素子１４の前記送受信部の上記効率をより高める為に、電気音響変換素子１４の前記送受信部がさらに、３次元基体１２の内表面において、図２中に示されているように前記Ｃ軸から任意の方向に７５°と１０５°との間を示す帯域ＡＡに配置されていることがさらに好ましい。

［第４の実施の形態］
次に、図７及び図８を参照しながら、この発明に従った弾性表面波素子の第４の実施の形態を詳細に説明する。

第４の実施の形態に従った弾性表面波素子５０は、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２と同様に、全体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている球形状の３次元基体１２を備えている。３次元基体１２の外表面には、３次元基体１２の材料の複数の結晶面と前記外表面との複数の交線の少なくとも１つを最大外周線１２ｂとし最大外周線１２ｂに沿い円環状に連続する伝搬表面帯１２ａを規定している。この実施の形態の弾性表面波素子５０の３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａもまた、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａと同様に、好ましくは伝搬表面帯１２ａの範囲内に最大外周線１２ｂを含んでいる。

この実施の形態の弾性表面波素子５０が、第１の実施の形態の弾性表面波素子１０と異なっているのは、３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａに表面弾性波を励起させ、励起させた弾性表面波を伝搬表面帯１２ａの範囲内で最大外周線１２ｂに沿い伝搬させる電気音響変換素子１４が３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａに直接形成されていないことである。

この実施の形態では、３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａ以外の部分を支持する台座５２が伝搬表面帯１２ａとの間に所定の隙間Ｓを介して対面する伝搬表面帯対面領域５２ａを有していて、台座５２の伝搬表面帯対面領域５２ａに電気音響変換素子１４が形成されている。伝搬表面帯１２ａに対する電気音響変換素子１４の寸法や配置は、第１の実施の形態の弾性表面波素子１０において伝搬表面帯１２ａに電気音響変換素子１４が直接形成されている場合と同様である。

なお所定の隙間Ｓは、電気音響変換素子１４が櫛型電極のようなすだれ状電極２２の場合、すだれ状電極２２のパターンの複数の線要素（端子）の配列周期Ｐ（図４の（Ｂ）参照）の４分の１以下であることが好ましい。所定の隙間Ｓが配列周期Ｐ（図４の（Ｂ）参照）の４分の１以上であると、電気音響変換素子１４は３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａに所望の弾性表面波を常に確実に励起させることが難しくなる。

第４の実施の形態に従った弾性表面波素子５０は、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２と同様に、使用することができる。しかも、電気音響変換素子１４が３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａに所定の隙間Ｓを介して対面している場合には、３次元基体１２の外表面上の伝搬表面帯１２ａに電気音響変換素子１４が直接形成されている場合と比べると、伝搬表面帯１２ａに直接形成されている電気音響変換素子１４が電気音響変換素子１４により伝搬表面帯１２ａに励起され伝搬表面帯１２ａ中を伝搬する弾性表面波に極僅かに与えるかも知れない影響を排除することが出来、伝搬表面帯１２ａ中を伝搬する弾性表面波の変化をより精密に検知することが出来る。

さらに、この実施の形態においても、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、前記外表面に３次元基体１２を形成している結晶の種類に特有の複数の結晶面と前記内表面との複数の交線に一致させた複数の最大外周線１２ｂに沿った複数の伝搬表面帯１２ａの夫々に、他の伝搬表面帯１２ａとの交差部位を除き、台座５２の伝搬表面帯対面領域５２ａを対面させるとともに、この伝搬表面帯対面領域５２ａに３次元基体１２の外表面上の複数の伝搬表面帯１２ａの上記交差領域に所定の隙間Ｓを介して対面する電気音響変換素子１４を形成することが出来る。そしてこの場合も、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、より精密に環境の差異を検出することが出来る環境差異検出装置として使用することが出来る。

またさらに、この実施の形態においても、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、３次元基体１２が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている場合、３次元基体１２の外表面に対し弾性表面波を励起し外表面に沿い弾性表面波を伝搬させるとともに内表面を伝搬する弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子１４の送受信部分が、３次元基体１２の外表面において前記交線（最大外周線１２ｂ）の一部を含むように配置されている、ことが好ましい。このような配置により電気音響変換素子１４の送受信部分が弾性表面波を励起し受信する効率をより高めることが出来る。

［第５の実施の形態］
次に、図９を参照しながら、この発明に従った弾性表面波素子の第５の実施の形態を詳細に説明する。

第５の実施の形態に従った弾性表面波素子６０は半球形状を有している３次元基体１２’を備えていて、３次元基体１２’の外表面に弾性表面波が伝搬可能な曲面が連続した少なくとも円環状の曲面の一部によってなる伝播表面帯１２’ａを含んでいる。

半球形状の３次元基体１２’は、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２と同様に、全体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている。そして、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２の外表面に３次元基体１２を形成している結晶の種類に特有の複数の結晶面の少なくとも１つと前記外表面との交線に、伝搬表面体１２ａを連続して沿わせる基準となる最大外周線１２ｂが規定されていたのと同様に、第５の実施の形態に従った弾性表面波素子６０の３次元基体１２’の半球形状の外表面に３次元基体１２’を形成している結晶の種類に特有の複数の結晶面の少なくとも１つと前記外表面との交線に一致させて、伝搬表面体１２’ａを連続して沿わせる基準となる少なくとも１つの最大外周線１２’ｂが規定されている。そして、好ましくは伝搬表面帯１２’ａの範囲内に最大外周線１２’ｂが含まれている。

この実施の形態の３次元基体１２’の外表面において伝搬表面帯１２’ａを沿わせる基準となる最大外周線１２’ｂの規定の仕方は、前述の第１の実施の形態の３次元基体１２の外表面における最大外周線１２ｂの規定の仕方と同じである。

そして、この実施の形態の３次元基体１２’の外表面における伝搬表面帯１２’ａにも、伝搬表面帯１２’ａの範囲内で最大外周線１２’ｂに沿い弾性表面波を少なくとも８０％以上のエネルギを保ち伝搬させるよう電気音響変換素子１４が直接形成されていて、電気音響変換素子１４には前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が接続されている。

この実施の形態においては、電気音響変換素子１４により伝搬表面帯１２’ａの範囲内に励起され伝搬表面帯１２’ａの範囲内で最大外周線１２’ｂに沿い伝搬する弾性表面波の伝搬方向に電気音響変換素子１４から離れた位置に、弾性表面波反射体６２が形成されている。弾性表面波反射体６２は、電気音響変換素子１４から伝搬表面帯１２’ａ中を弾性表面波反射体６２に向い伝搬して来た弾性表面波を伝搬表面帯１２’ａを同じ経路で電気音響変換素子１４に向うよう反射する。

この実施の形態においても、前記外表面は伝搬表面帯１２’ａが前述した所定の方法により規定されていれば、伝搬表面帯１２’ａ以外の部位の形状は任意である。

この実施の形態においても、３次元基体１２’は伝搬表面帯１２’ａ以外の部分が図示しない台座に支持されている。

この実施の形態の弾性表面波素子６０は、電気音響変換素子１４により少なくとも円環状の曲面の一部によってなる伝搬表面帯１２’ａに励起され伝搬表面帯１２’ａ内を大きく減衰することなく伝搬する弾性表面波が、３次元基体１２の外表面における伝搬表面帯１２’ａが接する環境である外部空間に含まれている流体（気体又は流体）の種々の変化に対応して、変化するのを電気音響変換素子１４を介して電気音響変換素子制御ユニット２０により電気信号として受信することにより、前記環境の変化、即ち差異、を検知することが出来る。

さらに、この実施の形態においても、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、前記外表面に３次元基体１２’を形成している結晶の種類に特有の複数の結晶面と前記外表面との複数の交線により規定された複数の最大外周線１２’ｂに沿った複数の伝搬表面帯１２’ａの夫々に、他の伝搬表面帯１２’ａとの交差部位を除き前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が接続されている電気音響変換素子１４を形成することが出来る。なおこの場合、複数の伝搬表面帯１２’ａの夫々において他の伝搬表面帯１２’ａとの交差部位を除き電気音響変換素子１４と対向する位置に弾性表面波反射体６２が設置される。

またさらに、この実施の形態においても、図５を参照しながら前述した第２の実施の形態の弾性表面波素子３０と同様に、３次元基体１２’が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されている場合、３次元基体１２’の外表面に対し弾性表面波を励起し外表面に沿い弾性表面波を伝搬させるとともに内表面を伝搬する弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子１４の送受信部分が、３次元基体１２’の外表面において前記交線（最大外周線１２’ｂ）の一部を含むように配置されている、ことが好ましい。このような配置により電気音響変換素子１４の送受信部分が弾性表面波を励起し受信する効率をより高めることが出来る。

このような配置に加え、３次元基体１２’が上述したようにＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶により形成されているとともに図２中に示されているように最大外周線１２’ｂが規定されている場合には、電気音響変換素子１４の前記送受信部の上記効率をより高める為に、電気音響変換素子１４の前記送受信部がさらに、３次元基体１２’の外表面において、図２中に示されているように前記Ｃ軸から任意の方向に７５°と１０５°との間を示す帯域ＡＡに配置されていることがさらに好ましい。

またさらに、この実施の形態においても、図６を参照しながら前述した第３の実施の形態の弾性表面波素子４０と同様に、３次元基体１２’に形成した例えば半球形状の凹所又は空洞の内表面に最大外周線１２’ｂを伴なった少なくとも円環状の曲面の一部によってなる伝搬表面帯１２’ａを規定し、このような伝搬表面帯１２’ａに最大外周線１２ａに沿い相互に離間し相互に対向する電気音響変換素子１４及び弾性表面波反射体６２を設置するよう変形させることも出来る。

またさらに、この実施の形態においても、図７及び図８を参照しながら前述した第４の実施の形態の弾性表面波素子５０と同様に、３次元基体１２’の伝搬表面帯１２’ａに直接電気音響変換素子１４を形成するのではなく、伝搬表面帯１２’ａに対し所定の隙間Ｓを介して対向するよう前述の図示しない台座に電気音響変換素子１４を形成することも出来る。

さらに、弾性表面波反射体６２の代わりに前述の電気音響変換素子制御ユニット２０が接続されているもう１つの電気音響変換素子１４を使用することも出来る。

１０…弾性表面波素子、１２，１２’…３次元基体、１２ａ，１２’ａ…伝搬表面帯、１２ｂ，１２’ｂ…最大外周線、１２ｃ…内表面、１４…電気音響変換素子、１４’…電気音響変換素子、２２…すだれ状電極、２２ａ…線要素（端子）、３０，４０，５０，６０…弾性表面波素子、ＡＡ…帯域，Ｃ…Ｃ軸，ＣＡ，ＣＢ…方向、Ｐ…配列周期。

Claims

弾性表面波が伝搬可能な曲面が連続した少なくとも円環状の曲面の一部を含む表面を有する３次元基体と；
前記表面に前記弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させるとともに前記表面を伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子と；
を備えていて、
前記３次元基体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶であり、
前記３次元基体の前記表面において前記電気音響変換素子は、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶のＣ結晶軸と直交する方向を法線とする結晶面と前記表面との交線に沿い、前記励起した弾性表面波を伝搬させており、前記交線は前記表面の最大外周線になっている、
ことを特徴とする弾性表面波素子。
前記３次元基体の前記表面が少なくとも球面の一部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
前記表面は、前記弾性表面波が伝搬可能な曲面が円環状に連続しており、
前記電気音響変換素子は、前記表面に前記弾性表面波を励起し前記交線に沿い前記弾性表面波を伝搬し周回させる、
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３次元基体の前記表面が球面である、ことを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波素子。
前記３次元基体の前記表面に対し前記弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させるとともに前記表面を伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子の送受信部分が、前記３次元基体の前記表面において前記交線の一部を含むように配置されている、ことを特徴とする請求項２又は４に記載の弾性表面波素子。
弾性表面波が伝搬可能な曲面が連続した少なくとも円環状の曲面の一部を含む表面を有する３次元基体と；
前記表面に前記弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させるとともに前記表面を伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子と；
を備えていて、
前記３次元基体がＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶であり、
前記３次元基体の前記表面において前記電気音響変換素子は、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７結晶のＣ結晶軸から任意の方向に３０°と４０°との間で傾斜した方向を法線とする結晶面と前記表面との交線に沿い、前記励起した弾性表面波を伝搬させており、前記交線は前記表面の最大外周線になっている、
ことを特徴とする弾性表面波素子。
前記３次元基体の前記表面が少なくとも球面の一部を有する、ことを特徴とする請求項６に記載の弾性表面波素子。
前記表面は、前記弾性表面波が伝搬可能な曲面が円環状に連続しており、
前記電気音響変換素子は、前記表面に前記弾性表面波を励起し前記交線に沿い前記弾性表面波を伝搬し周回させる、
ことを特徴とする請求項６に記載の弾性表面波素子。
前記３次元基体の前記表面が球面である、ことを特徴とする請求項８に記載の弾性表面波素子。
前記３次元基体の前記表面に対し前記弾性表面波を励起し前記表面に沿い前記弾性表面波を伝搬させるとともに前記表面を伝搬する前記弾性表面波を受信可能な電気音響変換素子の送受信部分が、前記３次元基体の前記表面において前記交線の一部を含むように配置されている、ことを特徴とする請求項７又は９に記載の弾性表面波素子。
電気音響変換素子の前記送受信部がさらに、前記３次元基体の前記表面において前記Ｃ軸から任意の方向に７５°と１０５°との間の領域に少なくとも一部を配置されている、ことを特徴とする請求項１０に記載の弾性表面波素子。
前記表面に沿い前記交線の延出方向と交差する方向において、前記電気音響変換素子が前記表面に対し弾性表面波を励起し前記交線に沿い前記弾性表面波のエネルギーを１周回当たり８０％以上保って伝搬するとともに前記弾性表面波を受信可能な寸法が、前記表面において前記交線と直交する方向に延びる曲面の曲率半径の１．５分の１以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
前記電気音響変換素子は、前記対応する交線に対し、前記交線に沿い前記電気音響変換素子から出射される弾性表面波のエネルギーの流れる密度が最大になる方位が２０°を含む２０°以内になるよう前記表面に配置されている、ことを特徴とする請求項１２に記載の弾性表面波素子。
前記電気音響変換素子が前記伝搬表面帯に形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
前記電気音響変換素子はすだれ状電極を備えていて、前記すだれ状電極は、前記すだれ状電極の複数の端子において前記表面に対し弾性表面波を励起するとともに前記表面に伝搬する前記弾性表面波を受信可能な送受信部分に対し前記表面に沿い直交する線が、対応する交線に対し１０°以下の範囲に含まれるよう構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
前記交線に沿った方向における前記すだれ状電極の複数の端子の配列周期は、前記交線の曲率半径の１／１０以下である、ことを特徴とする請求項１５に記載の弾性表面波素子。
前記３次元基体の前記表面は、前記３次元基体の外表面である、ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
前記３次元基体は凹所又は中空部を有していて、前記表面は、前記３次元基体の凹所又は中空部の内表面である、ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の弾性表面波素子の表面において複数の交線に沿い複数の電気音響変換素子に弾性表面波を励起させ伝搬させるとともに伝搬する前記弾性表面波を受信させて受信信号を出力させ、複数の電気音響変換素子から出力される受信信号を比較し、前記表面において複数の弾性表面波が伝搬する複数の部分が接する空間の複数の部分の環境の差異を検出する、ことを特徴とする環境差異検出装置。