JP5310975B2

JP5310975B2 - 球面弾性表面波センサ

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Publication number: JP5310975B2
Application number: JP2007084192A
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Inventors: 恭行柳沢
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Publication date: 2013-10-09
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Description

本発明は、球面弾性表面波センサの改良に関する。特に、本発明は、単結晶または圧電体（以後、これらを、「圧電性結晶」と称することもある。）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弧状帯である表面を有している基材を有しており、前記円弧状帯に沿って伝搬する弾性表面波（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ；ＳＡＷ）が励起される弾性表面波素子（以下、ＳＡＷデバイスとも称する）に関するものであり、ガスセンサに応用する上で好適な球面弾性表面波センサの改良に関する。

ガスセンサとしては、接触燃焼式，半導体式，弾性表面波センサ等、様々なタイプが用いられている。この中の弾性表面波センサは、図７に示すような平面型の弾性表面波素子を用いている。

図７に示すように、平行平板型の圧電基板１０の上に、弾性表面波を励起するための送信側すだれ状電極１１、弾性表面波を圧電変換で再び高周波電気信号に変換し、検出・出力部１４で検出するための受信側すだれ状電極１３、送信側すだれ状電極１１から受信側すだれ状電極１３に向かって弾性表面波を伝搬する伝搬路となり、且つ特定のガス分子を吸着或いは吸蔵する感応膜１５が設けられている。

圧電基板１０は、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＴａＯ₃），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）等の圧電結晶、或いは、表面に酸化膜を形成したシリコン基板やガラス基板上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電性薄膜等を形成した多層構造が用いられている。送信側すだれ状電極１１には、高周波発生部１２からの高周波電気信号が供給され、この高周波電気信号が送信側すだれ状電極１１で圧電変換され、弾性表面波が励起される。受信側すだれ状電極１３は、弾性表面波を圧電変換で再び高周波電気信号に変換し、検出・出力部１４に供給し、検出・出力部１４が高周波電気信号を検出する。送信側すだれ状電極１１及び受信側すだれ状電極１３は、例えばアルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ）等の金属よりなる。

図７に示す平面型ガスセンサでは、弾性表面波の伝搬路上に、特定のガス分子を吸着或いは吸蔵する感応膜１５が設けられているため、この感応膜１５が、特定のガス分子を吸着或いは吸蔵することによって、例えば、弾性表面波の伝搬速度、減衰係数、分散等が変化する。或いは、この様な直接的な伝搬特性の変化の他、膜自身の発熱などを介して、間接的に伝搬特性に変化が与えられる。したがって、送信側すだれ状電極１１から受信側すだれ状電極１３への弾性表面波の伝搬特性を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、ひいては特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

図７に示したような従来の平面弾性表面は素子においては、弾性表面波の伝搬における回折効果と圧電基板１０の大きさによって、その伝搬距離が１ｍｍから１０ｍｍ程度と短かい距離に限定される。このため、センサとして十分な感度を得るためには、例えば１００ｎｍ以上等のある程度の感応膜１５の膜厚が必要だった。したがって、特に感応膜１５を特定ガスの吸蔵薄膜にした場合は、反応速度が遅いという欠点を有していた。又、比較的厚い感応膜１５は、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵によって生じる薄膜の反応による相転移、温度変化による体積の膨張・収縮等の物理的変化及びその繰り返しの衝撃に対し弱いという欠点を有していた。

なお、高感度にするために、図７に示す構造を発展させ、平面上に弾性表面波の導波路
による周回リングを構成して、伝搬距離を増加することを提案することは可能である。しかし、平面上を伝搬する弾性表面波では、分散の影響を完全に回避することは困難であり、波形が歪んでしまう問題がある。更には、平面上に形成した導波路の曲率の大きい部分では、導波路からの漏れの抑制も困難であり、波が減衰する問題がある。

一方、非特許文献１において、球上の弾性表面波の無回折伝搬による多重周回する報告がなされており、球上の弾性表面波を利用したセンサが報告されている。上記文献によれば、高感度、高速応答で、なおかつ機械的に丈夫なセンサヘッド及びこれを用いたガスセンサ、更にはセンサヘッドを実装したセンサユニットが提供でき、大気中や気相化学プロセス等における種々のガス成分を分析する分野に利用可能である。

特許文献１は、球形状の弾性表面波素子（以下、ボールＳＡＷデバイスや球状弾性表面波素子と称することもある）を開示している。ボールＳＡＷデバイスの基材は、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。ボールＳＡＷデバイスにおける電気音響変換素子は、基材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おり、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る。ボールＳＡＷデバイスでは、基材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。

ここで、球状の基材に弾性表面波を多数回周回させる方法において、さらに以下のような課題もあげられる。球状の基材であるため、球状の球面基材を位置決めし、特定位置に櫛型電極や櫛型電極に端子を形成するなどの加工が極めて難しい。また、球状の弾性表面波素子を電気的に接続する加工も、困難となる。さらに、球状の基材が圧電性結晶の場合、加工時に球状であるため結晶軸がわからなくなり、加工後に結晶方位を同定することは、極めて困難となる。

また、ボールＳＡＷデバイスを応用したガスセンサでは、圧電材料基材の弾性表面波の伝搬速度の温度係数がゼロでない、すなわち弾性表面波の伝搬速度が温度の影響を受けて変化することで、センサの感度が温度の影響を受けるという問題を有している。

弾性表面波を周回させる周回帯は、球状の基材の最外周に制約される。周回帯には物理的に接触することができず保持方法が制限される。周回帯は弾性表面波を伝搬させるために表面の平坦性や清浄度などを良好にする必要があり、加工方法も制限される。同一の球状の基材に櫛形電極を複数設けて高集積化したい場合は、周回帯が最外周であることによって弾性表面波の伝搬経路が長くなり、球状基材における集積度が制限される。

球状の基材の同一の周回帯に、複数の櫛形電極を設け、それら複数の櫛形電極から複数の弾性表面波を同時に伝搬させた場合、各弾性表面波が干渉してしまう。さらに、ある櫛形電極から発生した弾性表面波が、別の櫛形電極で電気信号に変換されて検出されてしまうことがある。

球状の基材に櫛形電極を設け、弾性表面波を発生させて周回帯上に伝搬させた場合、周回ごとに弾性表面波が櫛形電極へ到達する伝搬距離は、球状の基材の最外周に制約される。そのため、櫛形電極から発生した弾性表面波が伝搬して櫛形電極へ到達する伝搬距離を、同一の球状の基材において任意に設定することができない。

特許文献等は以下の通り。
国際公開ＷＯ０１／４５２５５号公報電子情報通信学会技術研究報告（Technical Report of Institute of Electronics, Information and Communication Engineers）US2000 巻14号（2000）p.49

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、球面の周回帯の一部である円弧状帯を定義可能な三次元基材に電気音響変換素子を設け、電気音響変換素子から励起される弾性表面波を円弧状帯に設けられた反射器で反射して弾性表面波の伝搬経路を制限するとともに、圧電材料の弾性表面波の温度係数が０でない場合に、センサの感度に対する温度変化の影響を補償することが可能な球面弾性表面波センサを提供することを目的とする

本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項１に関する発明は、球面の周回帯の一部である円弧状帯を定義可能な三次元基材と、前記三次元基材の前記円弧状帯上に位置し前記円弧状帯に沿って双方向に弾性表面波を励起する電気音響変換素子と、前記円孤状帯に設けられ前記弾性表面波を前記円弧状帯に沿って多重反射する第１の反射器と、前記円孤状帯に設けられ前記弾性表面波を前記円弧状帯に沿って多重反射する第２の反射器と、少なくとも一部が前記三次元基材の前記円弧状帯に存在し周囲の環境変化に反応する感応膜とを備えたセンサヘッドと、前記電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部と、前記電気音響変換素子から前記弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部とを備え、前記円孤状帯において前記第１の反射器、前記感応膜、前記電気音響変換素子、前記第２の反射器がこの順に配置され、前記円孤状帯において前記前記電気音響変換素子と前記第２の反射器の間には前記感応膜が設けられておらず、前記第２の反射器と前記電気音響変換素子の間の前記感応膜が存在しない前記円弧状帯での弾性表面波、または前記第１の反射器と前記電気音響変換素子の間の前記感応膜が存在する前記円弧状帯での前記弾性表面波の遅延時間を計測することを特徴とする球面弾性表面波センサを提供する。

以上説明したように、本発明の弾性表面波素子によれば、球面の周回帯の一部である円
弧状帯に弾性表面波を伝搬させることで弾性表面波の拡散を防いで伝搬させつつ、反射器で弾性表面波を反射し、伝搬経路を周回帯の一部に限定することで素子加工を容易とし、周回帯に限定されず伝搬経路の長さを自在に定義でき、センサの集積度を高めることができる。さらに、球面を伝搬する弾性表面波の温度係数がゼロでない場合に、温度の影響を補正することができる。

以下、図１を参照して本発明の第一の実施形態を説明する。

（第一の実施形態）
センサヘッド２１は、球面の周回帯の一部である円弧状帯２２を定義可能な曲面を有する圧電性結晶の三次元基材２３と、三次元基材２３の円弧状帯２２上に位置し、円弧状帯２２に沿って弾性表面波３１を励起する電気音響変換素子２４と、弾性表面波３１を反射する反射器２５と、特定のガス分子と反応する感応膜２６とを備えている。ガスセンサとして、高周波信号発生部２７，切換部２８，アンプ２９及び検出・出力部３０を備えている。

三次元基材２３に用いことのできる圧電性結晶として水晶やリチウムナイオベート、リチウムタンタレート等を例示することができる。反射器２５には、一般的に金属ストライプを弾性表面波の波長の１／２の間隔でグレーティング構造に配置したものが用いられる。

電気音響変換素子２４は、所謂オルターニット・フェーズアレイであり、高周波信号発生部２７から切替部２８を介して供給された高周波電気信号を圧電変換して弾性表面波３１を励起する。電気音響変換素子２４が当該分野においては既知の一般的な櫛形電極の場合、弾性表面波３１は双方向に励起される。更に、電気音響変換素子２４は、円弧状帯２２を伝搬して反射器２５で反射された弾性表面波を圧電変換して、再び高周波電気信号に変換する機能をも兼ねている。

電気音響変換素子２４で弾性表面波から再び高周波電気信号に圧電変換された高周波電気信号は、切替部２８を介して、アンプ２９で増幅され、検出・出力部３０に供給され、検出・出力部３０で検出される。切替部２８は、高周波信号発生部２７と検出・出力部３０を切り換える。高周波信号発生部２７から高周波電気信号を電気音響変換素子２４に供給して、電気音響変換素子２４が弾性表面波３１を送出後、所定の反射回数（第ｎ周回：ｎ≧１）目の弾性表面波が戻ってくる前に、電気音響変換素子２４からの信号経路を検出・出力部３０に切り換える。勿論、高周波信号発生部２７から電気音響変換素子２４の方向、及び電気音響変換素子２４から検出・出力部３０の方向への、方向性結合回路等でも構わない。

センサヘッドとしての感度は、三次元基材２１の表面に形成された感応膜２６の材料と構造に依存する。この感応膜２６は、特定のガスと接触することにより、弾性表面伝搬速度に変化を及ぼすものであることが必要である。例えば、気体を表面に吸着させ、その質量効果により弾性表面波の伝搬速度を遅くなっても良いし、或いは、気体を感応膜２６内に吸蔵し、その薄膜の機械的堅さが変化し、弾性表面波の伝搬速度や減衰に変化を及ぼすものでも良い。更には、気体と反応することにより吸熱或いは発熱反応を起こし、弾性表面波の伝搬速度に影響を及ぼすものであっても良い。この感応膜２６は、特定の気体とのみ選択的に反応を起こし、なおかつ、可逆反応を起こす材料であることが望ましい。

例えば、この様な感応膜２６として、水素（Ｈ₂）を収蔵し、水素化物を形成して機械的性質が変化するパラジウム（Ｐｄ）、アンモニア（ＮＨ₃）に対する吸着性が高いプラ
チナ（Ｐｔ）、水素化物を吸着する酸化タングステン（ＷＯ₃）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、二酸化硫黄（ＳＯ₂）、二酸化窒素（ＮＯ₂）等を選択的に吸着するフタロシアニン（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）等が知られている。

第一の実施形態に係る図１（イ）のセンサヘッド２１では、電気音響変換素子２４より弾性表面波３１を送出した後、特定の回数を多重反射した後の弾性表面波３１の遅延時間を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。電気音響変換素子２４が、双方向に弾性表面波３１を励起することが可能な場合、いずれの弾性表面波３１の遅延時間を計測しても良い。反射器２５によって、弾性表面波３１は反射され、円弧状帯２２を多重周回せずに、円弧状帯２２において弾性表面波３１の伝搬距離を任意に設定することができる。

また、図１（ロ）のセンサヘッドはセンサヘッド３２のような構造とすることも可能である。センサヘッド３２において、三次元基材３３は、球面の周回帯の一部である円弧状帯３４を定義できれば、球形である必要はない。これにより、三次元基材３３には、球面レンズの加工技術がそのまま転用できるほか、円弧状帯３４以外の部分を任意の形状とすることができることから素子加工や実装が容易となること、また、三次元基材３４が圧電材料である場合の、結晶方位を示すオリフラを設けることができるなどの利点がある。

電気音響変換素子３５に高周波信号発生部２７から高周波電流を印加することで、三次元基材３３に弾性表面波３６、弾性表面波３７が励起され、円弧状帯３４に沿って伝搬する。センサヘッド３２は感応膜４０を弾性表面波３６の伝搬経路に位置する円弧状帯３４上に備える。反射器３８が存在しない方向に伝搬する弾性表面波３７は、必要に応じ吸音材３９を設けることで減衰することができる。弾性表面波３６は、反射器３８で反射されるため、円弧状帯３４を三次元基材３３に定義することで、弾性表面波３６を拡散させずに伝搬させて、任意の伝搬距離を設定することができる。

センサヘッド３２のように円弧状帯３４が周回帯の一部であり反射器３８で反射される弾性表面波３６が電気音響変換素子３５で一回しか検出されない場合、電気音響変換素子３５で送出された弾性表面波３６が戻ってくる前に、電気音響変換素子３５からの信号経路を検出・出力部３０で切り換える。電気音響変換素子３５より弾性表面波３６を送出した後、感応膜４０上を伝搬した弾性表面波３６の遅延時間を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

以下に図２を参照して本発明の第二の実施の形態を説明する。

（第二の実施形態）
図２は本発明の第二の実施形態に係る弾性表面波センサを示す実施図である。

図２（イ）のセンサヘッド５１は、球面の周回帯の一部である円弧状帯５２を定義可能な曲面を有する圧電性結晶の三次元基材５３と、三次元基材５３の円弧状帯５２上に位置し、円弧状帯５２に沿って弾性表面波５４、弾性表面波５５を励起する電気音響変換素子５６と、弾性表面波５４、弾性表面波５５を反射する反射器５７、反射器５８と、特定のガス分子と反応する感応膜５９とを備えている。ガスセンサとして、高周波信号発生部２７，切換部２８，アンプ２９及び検出・出力部３０を備えている。

高周波信号発生部２７から切替部２８を介して供給される高周波電気信号によって、電気音響変換素子５６から、双方向に弾性表面波５４、弾性表面波５５が励起される。弾性表面波５４、弾性表面波５５は、反射器５７、反射器５８で定義される伝搬経路において
多重反射する。

センサヘッド５３では、電気音響変換素子５６より弾性表面波５４、弾性表面波５５を送出した後、特定の回数を多重反射した後の弾性表面波５４または弾性表面波５５の遅延時間を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。反射器５７、反射器５８によって、３次元基材５３の周回帯を多重周回させずに、円弧状帯５２において弾性表面波５４、５５の伝搬距離を任意に設定することができる。

センサヘッドは図２（ロ）の様なセンサヘッド６０のような構造とすることも可能である。センサヘッド６０において、三次元基材６１は、球面の周回帯の一部である円弧状帯６２を定義できれば、球形である必要はない。電気音響変換素子６３に高周波信号発生部２７から高周波電流を印加することで、三次元基材６１に弾性表面波６４、弾性表面波６５が励起され、円弧状帯６２に沿って伝搬する。センサヘッド６０は感応膜６６を円弧状帯上６２上に備える。弾性表面波６４、弾性表面波６５は、反射器６７、反射器６８で定義される伝搬経路において多重反射される。

電気音響変換素子６３より弾性表面波６４、弾性表面波６５を送出した後、感応膜６６上を伝搬した弾性表面波６４、または弾性表面波６５の遅延時間を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

以下に図３を参照して本発明の第三の実施の形態を説明する。

（第三の実施形態）
図３は本発明の第三の実施形態に係る弾性表面波センサを示す実施図である。

センサヘッド７１は、球面の周回帯の一部である円弧状帯７２を定義可能な曲面を有する圧電性結晶の三次元基材７３と、三次元基材７３の円弧状帯７２上に位置し、円弧状帯７２に沿って弾性表面波７４を励起する電気音響変換素子７５と、弾性表面波７４を反射する反射器７６、反射器７７と、特定のガス分子と反応する感応膜７８とを備えている。電気音響変換素子７５は、当該分野においては周知の一方向性変換器とする。ガスセンサとして、高周波信号発生部２７，切換部２８，アンプ２９及び検出・出力部３０を備えている。

高周波信号発生部２７から切替部２８を介して供給される高周波電気信号によって、電気音響変換素子７５から、一方向に弾性表面波７４が励起される。弾性表面波７４は、反射器７６、反射器７７で定義される伝搬経路において多重反射する。

センサヘッド７１では、電気音響変換素子７５より弾性表面波７４を送出した後、特定の回数を多重反射した後の弾性表面波７４の遅延時間を計測することによって、特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。反射器７６、反射器７７によって、３次元基材７３の周回帯を多重周回させずに、円弧状帯７２において弾性表面波７４の伝搬距離を任意に設定することができる。

三次元基材７３は、第一の実施形態、第二の実施形態同様に、球面の周回帯の一部を有すれば球形である必要は無い。

以下に図４を参照して本発明の第四の実施の形態を説明する。

（第四の実施形態）
図４は本発明の第四の実施形態に係る弾性表面波センサを示す実施図である。

センサヘッド８０は、球面の周回帯の一部である円弧状帯８１と円弧状帯８２を定義可能な曲面を有する圧電性結晶の三次元基材８３と、三次元基材８３の円弧状帯８１上に位置し、円弧状帯８１に沿って弾性表面波８４と弾性表面波８５とを励起する電気音響変換素子８６と、円弧状帯８２に沿って弾性表面波８７と弾性表面波８８とを励起する電気音響変換素子８９と、弾性表面波８４と弾性表面波８５とを反射する反射器９０と反射器９１と、弾性表面波８７と弾性表面波８８とを反射する反射器９２と反射器９３と、特定のガス分子と反応する感応膜９４と感応膜９５とを備えている。ガスセンサとして、高周波信号発生部２７，切換部２８，アンプ２９及び検出・出力部３０を備えている。

高周波信号発生部２７から切替部２８を介して供給される高周波電気信号によって、電気音響変換素子８６から弾性表面波８４と弾性表面波８５が、電気音響変換素子８９から弾性表面波８７と弾性表面波８８が励起される。弾性表面波８４と弾性表面波８５は反射器９０、反射器９１で定義される伝搬経路において多重反射する。弾性表面波８７と弾性表面波８８は反射器９２、反射器９３で定義される伝搬経路において多重反射する。

センサヘッド８０では、電気音響変換素子８６より弾性表面波８４と弾性表面波８５を、電気音響変換素子８９より弾性表面波８７と弾性表面波８８を送出した後、特定の回数を多重反射した後の弾性表面波８４または弾性表面波８５と、弾性表面波８７または弾性表面波８８の遅延時間を計測することによって、感応膜９４、感応膜９５に反応する特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

三次元基材８３は、第一の実施形態、第二の実施形態、第三の実施形態同様に、球面の周回帯の一部を有すれば球形である必要は無い。

以下に図５を参照して本発明の第五の実施の形態を説明する。

（第五の実施形態）
図５は本発明の第五の実施形態に係る弾性表面波センサを示す実施図である。

センサヘッド１００は、球面の周回帯の一部である円弧状帯１０１と円弧状帯１０２を定義可能な曲面を有する圧電性結晶の三次元基材１０３と、三次元基材１０３の円弧状帯１０１上に位置し、円弧状帯１０１に沿って弾性表面波１０４と弾性表面波１０５とを励起する電気音響変換素子１０６と、円弧状帯１０２に沿って弾性表面波１０７と弾性表面波１０８とを励起する電気音響変換素子１０９と、弾性表面波１０４と弾性表面波１０５とを反射する反射器１１０と反射器１１１と、弾性表面波１０７と弾性表面波１０８とを反射する反射器１１２と反射器１１３と、特定のガス分子と反応する感応膜１１４とを備えている。ガスセンサとして、高周波信号発生部２７，切換部２８，アンプ２９及び検出・出力部３０を備えている。

高周波信号発生部２７から切替部２８を介して供給される高周波電気信号によって、電気音響変換素子１０６から弾性表面波１０４と弾性表面波１０５が、電気音響変換素子１０９から弾性表面波１０７と弾性表面波１０８が励起される。弾性表面波１０４と弾性表面波１０５は反射器１１０、反射器１１１で定義される伝搬経路において多重反射する。弾性表面波１０７と弾性表面波１０８は反射器１１２、反射器１１３で定義される伝搬経路において多重反射する。

センサヘッド１００では、電気音響変換素子１０６より弾性表面波１０４と弾性表面波１０５を、電気音響変換素子１０９より弾性表面波１０７と弾性表面波１０８を送出した後、特定の回数を多重反射した後の弾性表面波１０４または弾性表面波１０５と、弾性表面波１０７または弾性表面波１０８の遅延時間を計測する。円弧状帯１０１における弾性表面波の遅延時間と、円弧状帯１０２における弾性表面波の遅延時間の差をとることによって、
圧電性結晶の温度係数などの環境の影響を除いた、感応膜１１４に反応する特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

三次元基材１０３は、第一の実施形態、第二の実施形態、第三の実施形態、第四の実施形態同様に、球面の周回帯の一部を有すれば球形である必要は無い。

以下に図６を参照して本発明の第六の実施の形態を説明する。

（第六の実施形態）
図６は本発明の第六の実施形態に係る弾性表面波センサを示す実施図である。

センサヘッド１２０は、球面の周回帯の一部である円弧状帯１２１と円弧状帯１２２を定義可能な曲面を有する圧電性結晶の三次元基材１２３と、三次元基材１２３の円弧状帯１２１上に位置し、円弧状帯１２１に沿って弾性表面波１２４と弾性表面波１２５とを励起する電気音響変換素子１２６と、円弧状帯１２２に沿って弾性表面波１２７と弾性表面波１２８とを励起する電気音響変換素子１２９と、弾性表面波１２４と弾性表面波１２５とを反射する反射器１３０と反射器１３１と、弾性表面波１２７と弾性表面波１２８とを反射するｃ反射器１３２と反射器１３３と、特定のガス分子と反応する感応膜１３４とを備えている。ガスセンサとして、高周波信号発生部２７，切換部２８，アンプ２９及び検出・出力部３０を備えている。

高周波信号発生部２７から切替部２８を介して供給される高周波電気信号によって、電気音響変換素子１２６から弾性表面波１２４と弾性表面波１２５が、電気音響変換素子１２９から弾性表面波１２７と弾性表面波１２８が励起される。弾性表面波１２４と弾性表面波１２５は反射器１３０、反射器１３１で定義される伝搬経路において多重反射する。弾性表面波１２７と弾性表面波１２８は反射器１３２、反射器１３３で定義される伝搬経路において多重反射する。

センサヘッド１２０では、電気音響変換素子１２６より弾性表面波１２４と弾性表面波１２５を、電気音響変換素子１２９より弾性表面波１２７と弾性表面波１２８を送出した後、特定の回数を多重反射した後の弾性表面波１２４または弾性表面波１２５と、弾性表面波１２７または弾性表面波１２８の遅延時間を計測する。円弧状帯１２１における弾性表面波の温度係数と、円弧状帯１２２における弾性表面波の温度係数が異なるとする。このとき円弧状帯１２１での伝搬速度Ｖ₁は以下のように表される。

Ｖ₁＝Ｖｃ₁＋α₁Ｔ＋β₁ｍ
また、円弧状帯１２２での伝搬速度Ｖ₂は以下のように表される。

Ｖ₂＝Ｖｃ₂＋α₂Ｔ
ここで、Ｖｃ₁，Ｖｃ₂はそれぞれ円弧状帯１２１，円弧状帯１２２での一定温度の時の伝搬速度、α₁、α₂はそれぞれ円弧状帯１２１、１２２での温度係数、Ｔは温度、β₁は感応膜１２５において特定ガスの影響が伝搬速度Ｖ₁に及ぼす係数、ｍは特定ガスの感応膜１２５への感応量である。

Ｖ₁及びＶ₂は計測値であり、Ｖｃ₁及びＶｃ₂、α₁及びα₂は既知であるため、Ｖ₂を表す式から、温度Ｔを求め、Ｖ₁を表す式に代入することで、特定ガスの反応量β₁ｍを求めることができる。このように圧電性結晶の温度係数の影響を除いた、感応膜１２５に反応する特定のガス分子の吸着或いは吸蔵状態、更には特定のガス分子の有無や濃度を計測することができる。

三次元基材１２３は、第一の実施形態、第二の実施形態、第三の実施形態、第四の実施形態、第五の実施形態同様に、球面の周回帯の一部を有すれば球形である必要は無い。

本発明の第一の実施形態にかかわる弾性表面波素子を示すもので、（イ）は三次元基材が球形の場合、（ロ）は球形でない場合の斜視図とその配線図である。本発明の第二の実施形態にかかわる弾性表面波素子を示すもので、（イ）は三次元基材が球形の場合、（ロ）は球形でない場合の斜視図とその配線図である。本発明の第三の実施形態にかかわる弾性表面波素子を示す斜視図とその配線図である。本発明の第四の実施形態にかかわる弾性表面波素子を示す斜視図とその配線図である。本発明の第五の実施形態にかかわる弾性表面波素子を示す斜視図とその配線図である。本発明の第六の実施形態にかかわる弾性表面波素子を示す斜視図とその配線図である。従来の平面型ガスセンサを示す斜視図とその配線図である。

符号の説明

１０・・・圧電基板
１１・・・送信側すだれ状電極
１２・・・高周波発生部
１３・・・受信側すだれ状電極
１４・・・検出・出力部
１５・・・感応膜
２１・・・センサヘッド
２２・・・円弧状帯
２３・・・三次元基材
２４・・・電気音響変換素子
２５・・・反射器
２６・・・感応膜
２７・・・高周波信号発生部
２８・・・切換部
２９・・・アンプ
３０・・・検出・出力部
３１・・・弾性表面波
３２・・・センサヘッド
３３・・・三次元基材
３４・・・円弧状帯
３５・・・電気音響変換素子
３６・・・弾性表面波
３７・・・弾性表面波
３８・・・反射器
３９・・・吸音材
４０・・・感応膜
５１・・・センサヘッド
５２・・・円弧状帯
５３・・・三次元基材
５４・・・弾性表面波
５５・・・弾性表面波
５６・・・電気音響変換素子
５７・・・反射器
５８・・・反射器
５９・・・感応膜
６０・・・センサヘッド
６１・・・三次元基材
６２・・・円弧状帯
６３・・・電気音響変換素子
６４・・・弾性表面波
６５・・・弾性表面波
６６・・・感応膜
６７・・・反射器
６８・・・反射器
７１・・・センサヘッド
７２・・・円弧状帯
７３・・・三次元基材
７４・・・弾性表面波
７５・・・電気音響変換素子
７６・・・反射器
７７・・・反射器
７８・・・感応膜
８０・・・センサヘッド
８１・・・円弧状帯
８２・・・円弧状帯
８３・・・三次元基材
８４・・・弾性表面波
８５・・・弾性表面波
８６・・・電気音響変換素子
８７・・・弾性表面波
８８・・・弾性表面波
８９・・・電気音響変換素子
９０・・・反射器
９１・・・反射器
９２・・・反射器
９３・・・反射器
９４・・・感応膜
９５・・・感応膜
１００・・・センサヘッド
１０１・・・円弧状帯
１０２・・・円弧状帯
１０３・・・三次元基材
１０４・・・弾性表面波
１０５・・・弾性表面波
１０６・・・電気音響変換素子
１０７・・・弾性表面波
１０８・・・弾性表面波
１０９・・・電気音響変換素子
１１０・・・反射器
１１１・・・反射器
１１２・・・反射器
１１３・・・反射器
１１４・・・感応膜
１２０・・・センサヘッド
１２１・・・円弧状帯
１２２・・・円弧状帯
１２３・・・三次元基材
１２４・・・弾性表面波
１２５・・・弾性表面波
１２６・・・電気音響変換素子
１２７・・・弾性表面波
１２８・・・弾性表面波
１２９・・・電気音響変換素子
１３０・・・反射器
１３１・・・反射器
１３２・・・反射器
１３３・・・反射器
１３４・・・感応膜

Claims

球面の周回帯の一部である円弧状帯を定義可能な三次元基材と、前記三次元基材の前記円弧状帯上に位置し前記円弧状帯に沿って双方向に弾性表面波を励起する電気音響変換素子と、前記円孤状帯に設けられ前記弾性表面波を前記円弧状帯に沿って多重反射する第１の反射器と、前記円孤状帯に設けられ前記弾性表面波を前記円弧状帯に沿って多重反射する第２の反射器と、少なくとも一部が前記三次元基材の前記円弧状帯に存在し周囲の環境変化に反応する感応膜とを備えたセンサヘッドと、
前記電気音響変換素子に高周波電気信号を供給する高周波発生部と、
前記電気音響変換素子から前記弾性表面波の伝搬特性に関する高周波信号を計測する検出・出力部とを備え、
前記円孤状帯において前記第１の反射器、前記感応膜、前記電気音響変換素子、前記第２の反射器がこの順に配置され、前記円孤状帯において前記前記電気音響変換素子と前記第２の反射器の間には前記感応膜が設けられておらず、
前記第２の反射器と前記電気音響変換素子の間の前記感応膜が存在しない前記円弧状帯での弾性表面波、または前記第１の反射器と前記電気音響変換素子の間の前記感応膜が存在する前記円弧状帯での前記弾性表面波の遅延時間を計測する
ことを特徴とする球面弾性表面波センサ。