WO2016104659A1

WO2016104659A1 - 弾性表面波デバイス

Info

Publication number: WO2016104659A1
Application number: PCT/JP2015/086141
Authority: WO
Inventors: 陽一野々垣; 嘉将木下; 隆志赤羽; 智史早田
Original assignee: シチズンホールディングス株式会社
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-06-30
Also published as: JP6633544B2; JPWO2016104659A1; US10648868B2; CN107112978A; US20170350769A1; CN107112978B

Abstract

　高温環境に対する耐性と、２～２．５ＧＨｚ帯以上の帯域の使用を可能とする新規かつ、安定供給可能な圧電材料を使用する弾性表面波デバイス（１）を提供する。弾性表面波デバイス（１）は、ゲーレナイト（ＣＡＳ：Ｃａ２Ａｌ（ＡｌＳｉ）Ｏ７）単結晶からなる圧電基板（１０）と、前記圧電基板（１０）の弾性表面波伝播面（１１）に形成された櫛型電極（１２，１３）と、を有する。

Description

弾性表面波デバイス

　本発明は、弾性表面波デバイスに関する。

　弾性表面波を用いる弾性表面波デバイスは、いわゆるバンドパスフィルタとしての利用や、測定対象の温度や圧力を遠隔測定するセンサとして利用することが知られている。

　例えば、特許文献１には、弾性表面波（ＳＡＷ；Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ）を利用したワイヤレス温度計測センサが開示されている。同センサは、温度以外にも、圧力、変位、湿度、ガス成分分析等の各種センサとしても適用できるとされている。同センサに用いられる圧電材料としては、ニオブ酸リチウムの他、水晶、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、ランガサイトが例示されている。

　また、特許文献２には、無線化が可能な弾性表面波センサであって、圧電材料にランガテイトを用いたものが開示されている。

特開２００４－１２９１８５号公報特許第４４７０５９０号公報

　上掲特許文献に種々記載されている圧電材料は、弾性表面波デバイスのある種の用途によっては、その構成材料として不適当である。例えば、水晶は代表的な圧電材料であるが、５７３℃でβ転移を起こし、圧電性を失うため、高温環境下での使用ができない。一方、ランガサイトやランガテイトでは、１５００℃近くまで相転移することなく圧電性を保つものの、弾性表面波の音速が２５００ｍ／ｓ前後と、他の材料に対し遅い。

　ここで、弾性表面波の周波数は、その音速に比例し、波長に反比例するところ、音速が遅いと、弾性表面波の周波数が低くなることを意味している。この周波数を上げるためには、波長を短くすればよいが、圧電材料の表面に励振される弾性表面波の波長は、その表面に形成される櫛型電極（ＩＤＴ；Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）のピッチに依存しており、櫛型電極を形成する際の分解能には限界がある。したがって、弾性表面波デバイスに利用できる弾性表面波の周波数には、圧電材料に応じた上限がある。

　このことは、弾性表面波デバイスを、フィルタとして使用する際には、その通過帯域に上限が生じることを示している。また、弾性表面波デバイスをワイヤレスセンサとして用いる際には、その弾性表面波の周波数は、遠隔測定をする際の電磁波通信の周波数でもあるため、周波数が低いと、送受信のためのアンテナが大型化し、取り扱いに優れた小型の弾性表面波センサを得ることができなくなることを示している。実際、前述のランガサイトやランガテイトでは、２～２．５ＧＨｚ帯以上の帯域を使用することができないため、フィルタとしての用途に制限を受け、また、実用的なサイズのワイヤレスセンサを得ることは難しい。さらに、その構成元素にランタン、ガリウム、タンタルといった、いわゆるレアメタル、レアアースと称される希少元素が含まれるため、安定供給に難がある。

　そして、これまで弾性表面波デバイスに使用可能とされた圧電材料として知られているものに、水晶を超え、１０００℃に達する高温耐性と、２～２．５ＧＨｚ帯以上の帯域の使用を可能とする早い音速を併せ持つものは見当たらない。

　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、高温環境に対する耐性と、２～２．５ＧＨｚ帯以上の帯域の使用を可能とする新規かつ、安定供給可能な圧電材料を使用する弾性表面波デバイスを提供することである。

　上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

　（１）ゲーレナイト（ＣＡＳ：Ｃａ２Ａｌ（ＡｌＳｉ）Ｏ７）単結晶からなる圧電基板と、前記圧電基板の弾性表面波伝播面に形成された櫛型電極と、を有する弾性表面波デバイス。

　（２）（１）において、前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１１０］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１１０］方向であって、０°≦θ≦８０°である弾性表面波デバイス。

　（３）（１）において、前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１１０］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１１０］方向であって、６０°≦θ≦９０°である弾性表面波デバイス。

　（４）（１）において、前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１００］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１００］方向であって、４０°≦θ≦７５°である弾性表面波デバイス。

　（５）（１）において、前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１００］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１００］方向であって、４５°≦θ≦８０°である弾性表面波デバイス。

　（６）（１）において、前記弾性表面波伝播面は、（１００）面を［００１］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［００１］方向であって、２０°≦θ≦７０°である弾性表面波デバイス。

　（７）（１）において、前記弾性表面波伝播面は、（００１）面である弾性表面波デバイス。

　（８）（１）において、前記弾性表面波伝播面は、４５°Ｙ面であり、弾性表面波進行方向は、４５°Ｚ方向を０°として、－４５°～４５°の範囲にある弾性表面波デバイス。

　（９）（１）において、弾性表面波進行方向は、前記弾性表面波伝播面内において、伝播角度に対する音速の値が極値を示す伝播角度であるか、又はその近辺である弾性表面波デバイス。

　（１１）（１）～（１０）のいずれかにおいて、前記弾性表面波デバイスは、センサである弾性表面波デバイス。

　（１２）（１１）において、前記櫛型電極に接続されたアンテナを有し、無線による遠隔センシング可能な弾性表面波デバイス。

　（１３）（１１）において、前記櫛型電極に接続された端子を有し、有線によるセンシング可能な弾性表面波デバイス。

　（１３）（１）～（１０）のいずれかにおいて、前記弾性表面波デバイスは、フィルタである弾性表面波デバイス。

　上記本出願において開示される発明の種々の側面によれば、高温環境に対する耐性と、２～２．５ＧＨｚ帯以上の帯域の使用を可能とする新規かつ、安定供給可能な圧電材料を使用する弾性表面波デバイスが得られる。

本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波デバイスである、ワイヤレス温度センサの外観斜視図である。ゲーレナイトの単結晶を特定の切断面において切断したときの、切断面における音速の測定結果を、伝播角度（切断面内の方角）に対して示したグラフである。ゲーレナイトを（００１）面で切断した時の伝播角度ψを説明する図である。ゲーレナイトを（１１１）面で切断した時の伝播角度ψを説明する図である。４５°Ｙ面を説明する図である。ゲーレナイトを、［１１０］伝播θ回転Ｚ面で切断し、［１１０］方向を伝播角度０°としたときの伝播角度と音速との関係を示すグラフである。［１１０］伝播θ回転Ｚ面を説明する図である。ゲーレナイトを［１１０］伝播θ回転Ｚ面で切断した時の伝播角度ψを説明する図である。［１１０］伝播θ回転Ｚ面において、伝播角度を０°とした場合の、θと音速及び、θと電気機械結合係数との関係を示すグラフである。ゲーレナイトを、［１００］伝播θ回転Ｚ面で切断し、［１００］方向を伝播角度０°としたときの伝播角度と音速との関係を示すグラフである。［１００］伝播θ回転Ｚ面を説明する図である。ゲーレナイトを［１００］伝播θ回転Ｚ面で切断した時の伝播角度ψを説明する図である。［１００］伝播θ回転Ｚ面において、伝播角度を０°とした場合の、θと音速及び、θと電気機械結合係数との関係を示すグラフである。ゲーレナイトを、［００１］伝播θ回転Ｘ面で切断し、［００１］方向を伝播角度０°としたときの伝播角度と音速との関係を示すグラフである。［００１］伝播θ回転Ｘ面を説明する図である。ゲーレナイトを［００１］伝播θ回転Ｘ面で切断した時の伝播角度ψを説明する図である。［００１］伝播θ回転Ｘ面において、伝播角度を０°とした場合の、θと音速及び、θと電気機械結合係数との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波デバイスである、ワイヤレス圧力センサの外観斜視図である。本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波デバイスである、フィルタの外観斜視図である。

　以下、本発明の第１の実施形態を図１～図１７を参照しつつ説明する。

　図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波デバイスである、ワイヤレス温度センサ１の外観斜視図である。ワイヤレス温度センサ１は、平板形状にカットされた圧電基板１０と、圧電基板１０の一の表面であって、弾性表面波が励振され、伝播する面である弾性表面波伝播面１１に形成された櫛型電極である、励振電極１２と、励振電極１２を挟むように形成された一対のやはり櫛型電極である、反射電極１３を備えている。

　励振電極１２は、整合回路１４を介して、アンテナ１５に接続されている一方、反射電極１３は、本実施形態では、浮遊電極となっている。そして、本実施形態では、アンテナ１５により送受信される電磁波の周波数帯は、極超短波領域であり、一例として、２．４５ＧＨｚを想定している。整合回路１４は、２．４５ＧＨｚの電磁波を用いて、励振電極１２とエネルギーの授受をするにあたり、電気的整合、いわゆるインピーダンスマッチングをとるための回路である。

　整合回路１４及びアンテナ１５は、実装基板１６上に実装され、ベース基板１７上に取り付けられる。圧電基板１０と実装基板１６は、適宜の手法、例えばワイヤボンディングにより電気的に接続される。さらに、実装基板１６上には、端子１８が設けられている。この端子１８は、励振電極１２と直接又は整合回路１４を介して接続されている。

　なお、ここでは、整合回路１４は統合されたチップ部品を用いるものとして示しているが、インダクタ及びキャパシタを個別に実装したり、実装基板１６上に形成される配線のパターンにより整合回路１４を作成してもよい。また、アンテナ１５は、小型化が容易であることから、ここではヘリカルモノポールアンテナを用いるものとして図示しているが、アンテナの形式は、使用する周波数帯に応じて任意のものを用いて良く、整合回路１４と同様に、実装基板１６上に形成される配線のパターンにより作成してもよい。

　また、圧電基板１０と実装基板１６を別々に用意することなく、整合回路１４及びアンテナ１５を直接圧電基板１０上に設けてもよい。その場合、ベース基板１７を省略することもできる。

　ワイヤレス温度センサ１に所定の周波数の電磁波（ここでは、上述した２．４５ＧＨｚ）を送信すると、アンテナ１５より励振電極１２に入力された電力により、圧電基板１０上には、図中矢印Ａで示した方向に進行する弾性表面波が励振される。なお、この弾性表面波の進行方向は、櫛型電極の櫛歯部分に直交する向きである。弾性表面波は、反射電極１３で反射するため、圧電基板１０上には定在波が発生し、エネルギーが蓄積されることになる。

　その後電磁波の送信を停止すると、ワイヤレス温度センサ１は、弾性表面波として蓄積したエネルギーを消費しながら、共振周波数に等しい周波数で、アンテナ１５から電磁波を放射する。この放射された電磁波を受信することにより、ワイヤレス温度センサ１の共振周波数を知ることができる。圧電基板１０の音速には温度依存性があるため、この共振周波数を知ることにより圧電基板１０の音速を、ひいては温度を知ることができる。

　そして、本実施形態では、圧電基板１０として、ゲーレナイト（ＣＡＳ：Ｃａ２Ａｌ（ＡｌＳｉ）Ｏ７）の単結晶を用いている。圧電基板１０は、例えばチョクラルスキー法により作成したゲーレナイトの単結晶インゴットを、所望の弾性表面波伝播面１１が得られるよう、適宜の角度でカットすることにより得られる。

　ここで、ゲーレナイト単結晶は、１２００℃程度まで安定した圧電特性を示し、十分に高温に耐える。また、弾性表面波の音速は、後述するようにそのカット面にも依存するものの、おおむね３５００～４１００ｍ／ｓと高い値を示し、一般的なステッパ、例えばｉ線ステッパを用いた場合の分解能である３６５ｎｍを半波長とする櫛型電極を用いて、２～２．５ＧＨｚ帯以上の高周波帯域を使用することができる。

　さらに、ゲーレナイトの構成元素は、カルシウム、アルミニウム、シリコン及び酸素であり、極めてありふれた元素のみから構成されているため、安価かつ安定的な供給が可能である。

　なお、以上の温度測定方法は、端子１８に直接測定機器を有線で接続した場合にも同様に実施することができる。すなわち、端子１８より所定の周波数の交流を印加し、その後、交流の印加を停止し、端子１８より出力される交流の周波数を測定することにより、ワイヤレス温度センサ１の共振周波数を知ることができるからである。図１に示したワイヤレス温度センサ１では、無線による遠隔センシングと、有線によるセンシングの両方が可能なように、アンテナ１５と端子１８の両方が設けられているが、無線による遠隔センシングのみ可能とする場合には端子１８は不要であり省略してよい。また、有線によるセンシングのみ可能とする場合には、アンテナ１５と、場合によっては整合回路１４を省略してよい。

　ところで、圧電基板１０の弾性表面波伝播面１１上の音速や損失の程度は、弾性表面波伝播面１１の方位及び弾性表面波伝播方向に依存するため、これらを定めるにあたっては、原料となるゲーレナイトの結晶方位を考慮する必要がある。

　図２は、ゲーレナイトの単結晶を特定の切断面において切断したときの、切断面における音速の測定結果を、伝播角度ψ（切断面内の方角）に対して示したグラフである。グラフ中縦軸は音速を、横軸は伝播角度を示している。ここで示す切断面は弾性表面波伝播面１１に対応し、また音速の伝播角度ψは、弾性表面波伝播方向に対応する。なお、同グラフで示した音速は、漏洩弾性表面波についての測定結果である。

　グラフ中の曲線（１）は、ゲーレナイトを（００１）面で切断した時の結果である。このとき、伝播角度ψは、図３に示すように、［１００］方向を０°として、切断面内で反時計回りを正としてその方位を示している。ここで、本明細書では、Ｘ，Ｙ，Ｚで示す結晶軸は右手系により説明をするものとし、回転方向については右ネジの方向を正とすることとする。図２に戻り、グラフよりわかるように、この場合の音速は、おおよそ３５００～３６００ｍ／ｓの範囲内にあり、ほとんど伝播角度依存性を持たず、概ね一定値を示している。このことは、弾性表面波伝播面１１として、（００１）面を用いると、弾性表面波伝播方向をあまり考慮しなくとも概ね一定の音速が得られることを示しており、圧電基板１０を作成する上で、櫛型電極を作成する際に、面内の結晶方位を考慮する必要がなく、その製造が極めて容易となることを意味している。

　理解を容易にするため、図３に、４５°Ｙ面を図示した。４５°Ｙ面は、同図中に示した（０１０）面を、Ｘ軸を中心に図示の方向に４５°回転した面である。また、４５°Ｚ方向は、Ｚ軸を、ＹＺ平面内でＸ軸を中心に、図示の方向に４５°回転した方向となっており、伝播角度ψは図中示したように、４５°Ｚ方向に対して反時計回りを正とした切断面内での向きを示している。

　図２に戻り、グラフよりわかるように、この場合の音速は、伝播角度ψが０°のときに極大値を示し、その分布は概ね３６００～４０００ｍ／ｓの範囲に跨る。さらに、伝播角度ψが、－４５°から４５°程度の範囲においては、大きな変化を示すことなく、ほぼ最大値に近い音速を示す。このことは、４５°Ｙ面を弾性表面波伝播面１１とした場合には、弾性表面波伝播方向を厳密に定めなくとも、広い範囲でほぼ一定の音速が得られ、またその損失も小さいことを意味している。したがって、圧電基板１０を作成する上で、櫛型電極を作成する際に、面内の結晶方位を厳密に考慮する必要がなく、多少の角度のずれは許容されることになるから、この場合にもやはりその製造が容易となる。

　なお、グラフ中の曲線（４）は、比較のために、ランガテイトを（０１０）面で切断し、［１００］方向の伝播角度ψを０°とし、反時計回りを正としたときの結果である。この場合の音速は概ね２２５０～２７５０ｍ／ｓと低い値を示していることがわかる。

　以上の議論におけるように、本明細書中で結晶中の特定の面や特定の方向を明示した場合には、その面や方向として示された理論的な面や方向に厳密に一致する面や方向だけでなく、実用上それらの面や方向と同一視し得る範囲を含むものとする。すなわち、ある特定の結晶面、例えば、（００１）面というときには、理論上特定される結晶面（この場合、（００１）面）と物理的な性状が実用上同一又は近似していると考えられる範囲の面を含めたものと考える。方向についても同様であり、ある特定の方向をいうときには、理論上特定される方向と物理的な性状が実用上同一又は近似していると考えられる範囲の方向を含めたものと考える。より具体的には、特定の面を言う場合には、理論上特定される当該面に対し、法線の向きが±１０°以内の面、好ましくは±５°以内の面、より好ましくは±２．５°以内の面を含む。また、特定の方向をいう場合には、理論上特定される当該方向に対し、±１０°以内の方向、好ましくは±５°以内の方向、より好ましくは±２．５°以内の方向を含むものとする。

　以下、さらに弾性表面波デバイスに適したゲーレナイトの切断面と、弾性表面波伝播方向を図６～図１４を参照しつつ示す。

　図６は、ゲーレナイトを、（００１）面を［１１０］方向に関して反時計回りに角度θだけ回転させた面（以降、この面を「［１１０］伝播θ回転Ｚ面」と称する）で切断し、［１１０］方向の伝播角度ψを０°としたときの伝播角度ψと音速との関係を示すグラフである。同図には、θを０°、３０°、４５°、６０°、８０°及び９０°とした場合の音速の伝播角度ψに対する変化がそれぞれ示されている。

　図６に戻り、同図より明らかなように、［１１０］伝播θ回転Ｚ面を弾性表面波伝播面１１とした場合には、θの値に関わらず伝播角度ψ＝０°において音速は極値を取る。さらに、θが小さい場合、例えばθ＝０°近くの場合を除き、少なくともθ≧３０°であれば、伝播角度ψ＝０°で音速は極小値を取ることが分かる。

　ここで、音速が極小値を示す伝播角度では損失が少なくなることはすでに説明した通りであるが、極小値における曲率が大きい（グラフ上では、より幅が狭く、鋭い凹みとして示される）ほど、より弾性表面波が音速が極小値を示す伝播角度ψに集中するため、損失の点では好ましいといえる。したがって、伝播角度ψを０°としたときには、損失の点では、θが９０°に近いほどよいといえる。また、音速も概ね３６１０ｍ／ｓ～３７１０ｍ／ｓであり、図２の曲線（４）で示したランガテイトの場合に比べ高速である。

　しかしながら、弾性表面波デバイスとしての適性は、音速と損失の大小のみによっては決めることはできない。図９は、［１１０］伝播θ回転Ｚ面において、伝播角度ψを０°とした場合の、θと音速及び、θと電気機械結合係数（ＥＭＣＣ；ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）との関係を示すグラフである。グラフ中、音速は実線で、電気機械結合係数は破線で示されている。

　ここで、電気機械結合係数は、圧電体に交流を印加して振動歪を生じさせる際の、圧電体に蓄積される弾性歪エネルギーと、投入される電気エネルギーとの比であって、この値が大きいほど電気エネルギーが効率よく弾性歪エネルギーに変換されることを示す指標である。図９に示されるように、［１１０］伝播θ回転Ｚ面では、電気機械結合係数は、θが０°から増加するにつれ増大し、θ＝６０°をやや下回る辺りで最大値を示し、その後θが９０°に近づくにつれて急速に減少する。

　電気機械結合係数が大きいと、投入した電気エネルギーが弾性歪みエネルギーに変換されやすいのであるから、即応性を要求される弾性表面波デバイスにおいては、この電気機械結合係数が大きいことが重要である。そのような弾性表面波デバイスは、例えば、バンドパスフィルタや、サンプリングレートの高いセンサ等である。一方、共振による定在波を利用し、サンプリングレートがあまり高くないセンサ、例えば温度センサでは、電気機械結合係数はさほど重要でなく、損失が小さい方が有利となる。したがって、弾性表面波デバイスとしての適性は、用途に応じて、音速と損失、並びに電気機械結合係数を総合的に勘案して定めていくことになる。

　ここで示した［１１０］伝播θ回転Ｚ面では、即応性を要求される弾性表面波デバイス向けには、電気機械結合係数の大きさが損失よりも重要であるから、θの範囲として、０°≦θ≦８０°程度が望ましい。音速が極小値を示す伝播角度を選択するようにすると、さらに、θ≧３０°となる面を選べばよい。音速の大きさと電気機械結合係数の大きさを両立し得る条件としては、４０°≦θ≦７０°の範囲が優れている。

　一方、共振による定在波を利用し、即応性を要求しない弾性表面波デバイス向けには、電気機械結合係数の大きさよりも損失の小ささが重要であるから、θの範囲として、図６に示すグラフにおいて、極小値における曲率が大きい、６０°≦θ≦９０°の範囲を選べばよい。電気機械結合係数があまり小さくなく、損失が小さいという点では、θ＝８０°近辺が優れている。

　図１０は、ゲーレナイトを、（００１）面を［１００］方向に関して反時計回りに角度θだけ回転させた面（以降、この面を「［１００］伝播θ回転Ｚ面」と称する）で切断し、［１００］方向の伝播角度ψを０°としたときの伝播角度ψと音速との関係を示すグラフである。同図には、θを０°、３０°、４５°及び６０°とした場合の音速の伝播角度ψに対する変化がそれぞれ示されている。

　図１１は、［１００］伝播θ回転Ｚ面を説明する図である。［１００］伝播θ回転Ｚ面は、図中破線で示した（００１）面を、同図に示したように［１００］方向に関して反時計回りにθだけ回転させた、実線で示した面である。θ＝０°の場合には、この面は（００１）面に等しい。また、θ＝４５°の場合には、対称性を考慮すると、この面は先に説明した４５°Ｙ面に一致する。また、伝播角度ψは、図１２に示すように、［１００］方向を０°として、切断面内で反時計回りを正とする（図１２では切断面として（００１）面を示した）。

　図１０に戻り、同図より明らかなように、［１００］伝播θ回転Ｚ面を弾性表面波伝播面１１とした場合においては、θの値に関わらず伝播角度ψ＝０°において音速は極小値を取る。

　さらに、図１３は、［１００］伝播θ回転Ｚ面において、伝播角度ψを０°とした場合の、θと音速及び、θと電気機械結合係数との関係を示すグラフである。同図に示されるように、［１００］伝播θ回転Ｚ面では、電気機械結合係数は、θが０°から増加するにつれ増大し、θ＝６０°付近で最大値を示し、その後θが９０°に近づくにつれて急速に減少し、θ＝８０°付近でほぼ０となる。

　従って、ここで示した［１００］伝播θ回転Ｚ面では、即応性を要求される弾性表面波デバイス向けには、θの範囲として、４０°≦θ≦７５°程度が望ましく、５０°≦θ≦７０°の範囲がさらに優れている。

　一方、共振による定在波を利用し、即応性を要求しない弾性表面波デバイス向けには、θの範囲として、概ねθ≧４５°の範囲を選べばよいが、電気機械結合係数がほぼ０となる範囲は不適当であるため、４５°≦θ≦８０°の範囲を選べばよい。

　図１４は、ゲーレナイトを、（１００）面を［００１］方向に関して反時計回りに角度θだけ回転させた面（以降、この面を「［００１］伝播θ回転Ｘ面」と称する）で切断し、［００１］方向の伝播角度ψを０°としたときの伝播角度ψと音速との関係を示すグラフである。同図には、θを０°、１５°、３０°及び４５°とした場合の音速の伝播角度に対する変化がそれぞれ示されている。

　図１５は、［００１］伝播θ回転Ｘ面を説明する図である。［００１］伝播θ回転Ｘ面は、図中破線で示した（１００）面を、同図に示したように［００１］方向を反時計回りにθだけ回転させた、実線で示した面である。θ＝０°の場合には、この面は（１００）面に等しい。また、θ＝４５°の場合にはこの面は（１１０）面に、θ＝９０°の場合にはこの面は（０１０）面に等しい。また、伝播角度ψは、図１６に示すように、［００１］方向を０°として、切断面内で反時計回りを正とする（図１６では切断面として（１００）面を示した）。

　図１４に戻り、同図より明らかなように、［００１］伝播θ回転Ｘ面を弾性表面波伝播面１１とした場合においても、θの値に関わらず伝播角度ψ＝０°度において音速は極小値を取る。伝播角度ψ＝０°における音速及びその曲率は、θの値によってはあまり大きな変化は見られず、概ね一定である。

　さらに、図１７は、［００１］伝播θ回転Ｘ面において、伝播角度ψを０°とした場合の、θと音速及び、θと電気機械結合係数との関係を示すグラフである。同図に示されるように、［１００］伝播θ回転Ｚ面では、電気機械結合係数は、θが０°から増加するにつれ増大し、θ＝４５°付近で最大値を示し、その後θが９０°に近づくにつれて減少する。

　従って、ここで示した［００１］伝播θ回転Ｘ面では、即応性を要求される弾性表面波デバイス向けには、θの範囲として、２０°≦θ≦７０°程度が望ましく、３０°≦θ≦６０°の範囲がさらに優れている。

　一方、［００１］伝播θ回転Ｘ面では、θによっては音速及び損失の大小はほとんど変化が無い。よって、共振による定在波を利用し、即応性を要求しない弾性表面波デバイス向けにおいても、先の即応性を要求される弾性表面波デバイスと同様に、電気機械結合係数のより大きい範囲として、２０°≦θ≦７０°、より優れた範囲として、３０°≦θ≦６０°を選択するとよい。

　続いて、本発明の第２の実施形態を図１８を参照しつつ説明する。

　図１８は、本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波デバイスである、ワイヤレス圧力センサ２の外観斜視図である。ワイヤレス圧力センサ２は、円板上にカットされたベース基板１７が、リング状の保持部材１９に保持された構造であり、ベース基板１７上に圧電基板１０及び実装基板１６が配置されている。そして、ベース基板１７はダイアフラムとなって、ワイヤレス圧力センサ２の表裏の圧力差に応じて弾性変形するようになっている。これに伴い、圧電基板１０もまた曲げ変形を受け、それにより弾性表面波の音速が変化するから、先の実施形態で説明したと同様の方法により、圧電基板１０上の弾性表面波の共振周波数を測定することにより、ベース基板１７に作用した力、すなわち、ワイヤレス圧力センサ２の表裏の圧力差を知ることができる。ワイヤレス圧力センサ２は、測定対象となる空間の開口部に、保持部材１９を接着やボルト止め等適宜の方法により固定することで取り付けられる。

　圧電基板１０の表面は、弾性表面波伝播面１１となっており、先の実施形態に係るワイヤレス温度センサ１と同様に励振電極１２及び反射電極１３が設けられている。また、実装基板１６の構成も同様である。本実施形態において、先の実施形態と対応する構成については、同符号を付し、その重複する説明は省略するものとする。

　なお、この例では、ベース基板１７がダイアフラムとなる構造を示したが、圧電基板１０自体がダイアフラムとして機能するような構造としてもよい。その場合、整合回路１４及びアンテナ１５は、圧電基板１０上に直接設けてもよいし、圧電基板１０上にさらに実装基板１６を設け、かかる実装基板１６上に実装するようにしてもよい。

　このワイヤレス圧力センサ２においても、先のワイヤレス温度センサ１と同様に、圧電基板１０の弾性表面波伝播面１１上に定在波を励振し、その後、アンテナ１５から放射される電磁波を受信することにより測定を行う。この場合、圧電基板１０の音速は、圧電基板１０の歪みの影響を受けて変化するため、アンテナ１５から放射される電磁波からワイヤレス圧力センサ２の共振周波数を知り、さらに圧電基板１０の音速を知ることにより、圧電基板１０の歪みを知ることができる。圧電基板１０の歪みはベース基板１７の歪みを反映したものと考えられ、ベース基板１７の機械特性は既知であるから、圧電基板１０の歪みから、圧電基板１０内外の圧力差を求めることは容易である。

　このワイヤレス圧力センサ２においても、圧電基板１０として、ゲーレナイト単結晶を用いることにより、高温環境に対する耐性が得られるとともに、２～２．５ＧＨｚ帯以上の帯域の使用が可能である。また、圧電基板１０の安価かつ安定的な供給が可能であること、弾性表面波伝播面１１及び弾性表面波進行方向の選定については、先に述べたワイヤレス温度センサ１と同様である。

　さらに、本発明の第３の実施形態を図１９を参照しつつ説明する。

　図１９は、本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波デバイスである、フィルタ３の外観斜視図である。フィルタ３は、バンドパスフィルタとしての通過帯域特性を持つ濾波器であり、圧電基板１０上の弾性表面波伝播面１１の一方の側に励振電極１２が、また他方の側に受信電極２０がそれぞれ櫛型電極として形成されている。圧電基板１０はベース基板１７上に取り付けられ、ベース基板１７上に設けられた端子２１と励振電極１２、受信電極２０はそれぞれ適宜の方法、例えばワイヤボンディングにより接続されている。

　このフィルタ３では、励振電極１２側の端子２１より電力を入力すると、櫛型電極のピッチと弾性表面波伝播面１１上の音速により定まる周波数帯域の信号が、図中Ｂ方向に弾性表面波として伝播し、受信電極２０に受信され、励振電極１２側の端子２１より出力される。なお、この実施形態ではフィルタ３をいわゆるトランスバーサル型ＳＡＷフィルタとして示したが、これをＳＡＷ共振器型フィルタとして設計してもよいし、各電極の配置は、ここで示した単純な対向型のものでなく、ラダー型等種々の配置を採用してよい。

　このフィルタ３においても、圧電基板１０として、ゲーレナイト単結晶を用いることにより、高温環境に対する耐性が得られるとともに、２～２．５ＧＨｚ帯以上の帯域の使用が可能である。また、圧電基板１０の安価かつ安定的な供給が可能であること、弾性表面波伝播面１１及び弾性表面波進行方向の選定については、先に述べたワイヤレス温度センサ１と同様である。

　以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更したり、例示された実施形態を互いに組み合わせたりしてもよい。また、本明細書で開示された弾性表面波デバイスを、温度及び圧力以外の物理量を測定するセンサやフィルタ以外の電気的素子に用いてもよい。本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

Claims

　ゲーレナイト（ＣＡＳ：Ｃａ２Ａｌ（ＡｌＳｉ）Ｏ７）単結晶からなる圧電基板と、
　前記圧電基板の弾性表面波伝播面に形成された櫛型電極と、を有する弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１１０］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１１０］方向であって、０°≦θ≦８０°である請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１１０］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１１０］方向であって、６０°≦θ≦９０°である請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１００］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１００］方向であって、４０°≦θ≦７５°である請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波伝播面は、（００１）面を［１００］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［１００］方向であって、４５°≦θ≦８０°である請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波伝播面は、（１００）面を［００１］方向に関して角度θだけ回転させた面であり、弾性表面波進行方向は、［００１］方向であって、２０°≦θ≦７０°である請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波伝播面は、（００１）面である請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波伝播面は、４５°Ｙ面であり、弾性表面波進行方向は、４５°Ｚ方向を０°として、－４５°～４５°の範囲にある請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　弾性表面波進行方向は、前記弾性表面波伝播面内において、伝播角度に対する音速の値が極値を示す伝播角度であるか、又はその近辺である請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波デバイスは、センサである請求項１～１０のいずれか１項に記載の弾性表面波デバイス。
　前記櫛型電極に接続されたアンテナを有し、無線による遠隔センシング可能な請求項１１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記櫛型電極に接続された端子を有し、有線によるセンシング可能な請求項１１に記載の弾性表面波デバイス。
　前記弾性表面波デバイスは、フィルタである請求項１～１０のいずれか１項に記載の弾性表面波デバイス。