JP3823699B2

JP3823699B2 - Spherical surface acoustic wave device

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Publication number: JP3823699B2
Application number: JP2000211105A
Authority: JP
Inventors: 教尊中曽
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: JP2002026688A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は弾性表面波素子に関係しており、より詳細には、少なくとも球面形状の一部で形成されていて円環状に連続している内表面を有した基材の上記内表面に弾性表面波発生手段を設けた球状弾性表面波素子に関係している。
【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。従来の弾性表面波素子では圧電体上に１対の櫛形電極が設けられていて、一方の櫛形電極に高周波電圧を供給することにより一方の櫛形電極の並んでいる方向に弾性表面波を発生させ、他方の櫛形電極が一方の櫛形電極から発生される弾性表面波の移動方向に配置されていて上記弾性表面波を受け取る。弾性表面波素子は、遅延線，発信機の為の発振素子及び共振素子，周波数を選択する為のフィルター，化学センサー，バイオセンサー，またはリモートタグ等に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そして弾性表面波素子において共振周波数の精度を高める為には、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。
【０００４】
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、一方の櫛形電極から発生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まってしまう。この為に弾性表面波の伝搬損失を小さくすることが出来ず、ひいては弾性表面波素子における性能を高めることに限界がある。
また、球状基材の外表面に櫛型電極を用いるなどしてコンパクトで電気的に優れた弾性表面波素子を構成することも出来るが、外部に弾性表面波が伝搬する領域が露出するために、接触が許されない部分が存在し、取り扱いや固定、さらに、電気的な処理を行うに必要な電気部品をそれに付加するにその十分なスペースを球の表面に確保できないなどの難がある。
さらに、気体や液体のセンサーとして用いるにしても、それら流体が流れる経路の中に挿入しなくてはならず、特に小さな配管中、或いは少量の被観測流体しか準備できない場合には困難になる。
【０００５】
この発明はこのような事情の下でなされ、この発明の課題は、従来の弾性表面波素子に比べ遥かに性能を高めることが出来るばかりでなく、コンパクトでもある球状弾性表面波素子を提供し、且つ外部雰囲気の影響を受けにくい構成にすることが容易で、固定が容易で、さらに、流体を扱うセンサーを容易に構成出来、さらに、入出力に必要な電気部品などを容易に追加可能な弾性表面波素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項１の発明は、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内表面を有した基材と、上記基材の内表面に設けられ、上記基材の内表面の連続する方向に向かう弾性表面波を発生する弾性表面波発生手段と、を備えており、弾性表面波発生手段が上記内表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記基材の内表面の連続する方向に向かうよう弾性表面波を発生させる、ことを特徴とする球状弾性表面波素子、としたものである。
【０００７】
本発明の請求項２の発明は、上記基材は非圧電材料で形成されていて、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けられ、圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電界を印可して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発生させることを特徴とする請求項１に記載の球状弾性表面波素子、としたものである。
【０００８】
本発明の請求項３の発明は、上記基材は圧電材料で形成されていて、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けられ、基材に電界を印可して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発生させるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の球状弾性表面波素子、としたものである。
【０００９】
本発明の請求項４の発明は、上記電界を印可する手段は、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２または請求項３に記載の球状弾性表面波素子、としたものである。
【００１０】
本発明の請求項５の発明は、櫛形電極の発生する弾性表面波の波長は上記球面の半径の１／１０以下であることを特徴とする請求項４に記載の球状弾性表面波素子、としたものである。
【００１１】
本発明の請求項６の発明は、櫛型電極の、発生する弾性表面波の伝搬方向に直交する方向における電極の重なり幅は上記球面の直径の半分以下で上記半径の１／１００以上である、ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の球状弾性表面波素子、としたものである。
【００１２】
本発明の請求項７の発明は、上記基材はレーザービームを透過する材料で構成されるとともに、内表面の少なくとも一部に、上記レーザービームを吸収して弾性表面波を含む弾性振動を発生するレーザービーム吸収層を弾性表面波発生手段として有することを特徴とする請求項１の球状弾性表面波素子、としたものである。
【００１３】
本発明の請求項８の発明は、上記基材の内部は、真空あるいは特定の気体または液体が満たされているか封入されていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の弾性表面波素子、としたものである。
【００１４】
本発明の請求項９の発明は、上記基材は、円環状に弾性表面波が伝搬する領域によって隔てられた2つの球面領域の一方あるいは両方に、基材内部に/から流体を流入/流出することを目的とした開口をもつことを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の弾性表面波素子、としたものである。
【００１５】
本発明の請求項１０の発明は、上記基材の内面側に、外部から流入される気体や液体と反応して、弾性的性質が変化する反応性材料によりなる層が形成されたことを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の弾性表面波素子、としたものである。
【００１６】
上述した課題を達成する為に、この発明に従った球状弾性表面波素子は、少なくとも球面形状の一部で形成されていて円環状に連続している内表面を有した基材と、上記基材の内表面に設けられ、上記基材の内表面の連続する方向に向かう弾性表面波を発生する弾性表面波発生手段と、を備えており、弾性表面波発生手段が上記内表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記連続する方向に向かうよう弾性表面波を発生させる、ことを特徴としている。
この為に弾性表面波は上記内表面に沿い少なくとも上記内表面の円周距離を拡散することなく伝搬することが出来、ひいては無限に伝搬することが出来る。
【００１７】
従って、従来の弾性表面波素子に比べ遥かに性能を高めることが出来るし、基材が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内表面を有しているのでコンパクトでもある。
【００１８】
さらに、上記基材は非圧電材料で形成されていて、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けられ、圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電界を印可して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発生させることを特徴とすることで、効率よく弾性表面波を励起し、性能の良い素子を構成することができる。
【００１９】
また、上記基材が圧電材料で形成されていている場合も、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けられ、基材に電界を印可して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発生させることを特徴とすることで効率よく弾性表面波を励起し、性能の良い素子を容易に構成することができる。
【００２０】
ここで、上記電界を印可する手段は、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のでさらに高い効率で、且つ特定の方向に弾性表面波を励起することが出来、結果としてさらに性能の良い素子を構成することができる。
【００２１】
さらに、櫛形電極の発生する弾性表面波の波長は上記球面の半径の１／１０以下であることを特徴とすることにより、振動が球全体の固有振動ではなく、波長が電極周期に等しい弾性表面波とみなせる。
【００２２】
また、櫛型電極および付随の電気回路パターンなどの表面構造の全幅は、球の周囲長の半分以下である必要があり、したがって櫛型電極の重なり部分の合理的な幅は直径の半分以下となる。一方、櫛型電極の電極の重なり幅が半径の1/100以下になると、表面波は伝搬とともに大きく拡散し球全面において振動が無視できなくなるため、電極回路パターンや構造保持体などを球面の内表面に設置することが困難になる。さらに、センサーなどを構成する際の基材内面にたとえば気体や液体を流入排出するための開口を、弾性表面波の伝搬に影響を与えないで作ることが困難となる。
【００２３】
さらに基材をレーザービームを透過する材料で構成されるとともに、内表面の少なくとも一部に上記レーザービームを吸収して弾性表面波を含む弾性振動を励起するレーザービーム吸収層を弾性表面波発生手段として有する球状弾性表面波素子は、基材内部に圧電材料や電極パターンを構成することなく弾性表面波を発生且つ検出することができ、基材内面に圧電材料が腐食される活性の高い液体や気体を通過或いは封入しても使用できる利点を持つ。
【００２４】
さらに、上記基材の内部は、真空あるいは特定の気体または液体が満たされているか封入すれば、湿気等を初めとする外部雰囲気の変化の影響を意図的に抑えることが出来る利点を持たせることが出来る。
【００２５】
さらに、上記基材は、円環状に弾性表面波が伝搬する領域によって隔てられた2つの球面領域の一方あるいは両方に、基材内部に/から流体を流入/流出することを目的とした開口をもつことで、それらの開口部に被分析流体を接続するだけで、流体の存在が基材内部を伝搬する弾性表面波の伝播状況に影響をあたえることを介して流体検出センサーなどを容易に構成できる。
【００２６】
上記基材の内面側に、外部から挿入される気体や液体と反応して、弾性的性質が変化する反応性材料によりなる層を構成すれば、特に、極少量の被分析流体しか用意できない場合も、球形状の基材内部を満たすに必要な量があればよい利点を持っている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下この発明の第１の実施の形態に従った球状弾性表面波素子について添付の図面中の図１を参照しながら詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の球状弾性表面波素子の第一の実施の形態例を斜視で表した説明図で、図１（ｂ）は本形態例に係る弾性表面波発生手段を平面で表した説明図である。
【００２８】
第１の実施の形態に従った球状弾性表面波素子１は、球形状の内表面２ｃを持つ基材２と、基材２の内表面２ｃ上の所望の位置に設置された弾性表面波発生手段４と、を備えている。弾性表面波発生手段４は自身の設置位置を通過する基材２の内表面２ｃの連続する方向にある最大円周線２ａに沿い矢印Ａで示す如く移動する弾性表面波を発生させる。弾性表面波発生手段４が発生させる上記弾性表面波は、基材２の内表面２ｃにおいて最大円周線２ａに沿い少なくとも球面の一部で構成されていて円環状に連続している円環領域２ｂ内を移動し、上記内表面２ｃに沿い上記内表面２ｃが連続する方向にある最大円周線２ａに対し交差する方向において円環領域２ｂ外に拡散しない。
【００２９】
より詳細に説明すると、例えば直径１２．５ｍｍの球形状の内面を持つ基材２は非圧電材料、例えばセラミック、により形成されている。弾性表面波発生手段４は、基材２の内表面２ｃ上の上記所望の位置に貼り付けられた圧電材料膜４ａと、圧電材料膜４ａ上下に設けられ上記連続する方向に振動する振動手段４ｂと、を備えている、この実施の形態において、振動手段４ｂは、高周波電源６に接続されている櫛形電極４ｃ（上部電極）、４ｄ（下部電極）を備えている。櫛形電極４ｃ、４ｄの複数の電極片は上記連続する方向に配列されていてその電極の重なり幅Ｗが2mmであり、且つ電極周期Ｐは３５０ミクロンであり、最大円周線２ａに対し交差する方向において円環領域２ｂ外から高周波電源６の両極が接続されている。
【００３０】
球状弾性表面波素子１は、最大円周線２ａに対し交差する方向において円環領域２ｂ外から球形状の基材２の外表面に固定された１対の支持体８により基板９上から上方に支持されている。
【００３１】
弾性表面波発生手段４から発生される弾性表面波の波長は３５０ミクロンであり、球形状内面を持つ基材２の内表面２ｃの半径の１／１０以下に設定されていて、この為に櫛形電極４ｃの複数の電極周期Ｐの距離も３５０ミクロンで球形状内面を持つ基材２の内表面の半径の１／１０以下に設定されている。さらに、上記内表面２ｃに沿い上記連続する方向と交差する方向における上記弾性表面波の幅は３ｍｍ弱であり、球形状の内面の基材２の直径１２．５ｍｍ以下（より好ましくは、この直径の半分以下）で上記半径の１／１００以上になるよう設定されている。この為に、櫛形電極４ｃ、４ｄの重なり幅は球形状の基材２の直径以下（より好ましくは、この直径の半分以下）で上記半径の１／１００以上になるよう設定されている。
【００３２】
なおこの発明は、本願の発明者等が球面形状を持つ材料内面において所定の範囲の円弧（球形状内表面上の直線的な音源幅）で上記円弧と直交する方向に弾性表面波を発生させることにより上記円弧と直交する方向に沿い弾性表面波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球状内面を周回することを発見したことによりなされた。
【００３３】
なお上記所定の範囲よりも小さな弾性表面波の発生源（音源）では、話しを簡単にする為に弾性表面波の発生源を点とすると、弾性表面波は発生源を中心にして球形状内面を持つ基材の内表面上を同心円状に広がった後に上記発生源とは正反対の側の地点に向かい同心円状に集束し、また上記正反対の側の地点から球形状の基材の内表面上を同心円状に広がった後に球形状の基材の内表面において上記正反対の側の地点とは正反対に位置する弾性表面波の発生源に再度集束する。即ち、上記所定の範囲よりも小さな弾性表面波の発生源では、弾性表面波の発生源から放射された弾性表面波は上記内表面においてその進行方向と直交する方向に拡散してしまい、電極取り出しや、内部に流体を入排出する為の開口の形成によって弾性表面波の伝搬に影響を与えてしまう。
【００３４】
幅の広い弾性表面波の発生源では、発生源から発生された弾性表面波は上記所定の範囲の中心を通過し上記所定の範囲の円弧と直交する方向に沿い移動するとともに上記円弧を含む円周線を赤道と仮考えた時の極に該当する位置に向かい集束し、極に該当する位置を通過した後は上記円周線上において上記所定の範囲とは正反対の側で上記所定の範囲と同じ所定の範囲に拡散し、さらに別の極に該当する位置に向かい集束し、別の極に該当する位置を通過した後は上記所定の範囲に再度拡散するという、球の半周毎に集束と拡散とを繰り返している。この場合も理論的には無限に繰り返し可能であるが、点に集束するときに局所的に振幅が大きくなりすぎることによって線形効果が生じて出力に予想外の影響が出る事が考えられる。それ以外の場合でも、電極取り出し口や流体の入排出項の取り付け場所が内面内に確保できないなどの問題が生じる。
【００３５】
弾性表面波が上記円弧の方向に拡散することなく上記円弧と直交する方向に上記球面を周回する現象の為の条件は以下のようにして求められた。ここで説明図は球表面を仮定して行うが、内表面の場合も外表面の場合もまったく同じである。
【００３６】
図２には、本発明の効果を示す計算のための座標系が示されている。ｘｙｚ座標軸と半径ｒの球面の交点をＡ，Ｂ，Ｃとして、円弧ＡＣに対し平行な円弧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。角度φ_o ，θ_o ，φ₁ ，θ₁ を図２中に示したように取ると、点Ｐ，Ｑの座標は
（ｒｃｏｓφ_o ｃｏｓθ_o ，ｒｓｉｎφ_o ，ｒｃｏｓφ_o ｓｉｎθ_o ）及び
（ｒｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ ，ｒｃｏｓθ₁ ｓｉｎφ₁ ，ｒｓｉｎθ₁ ）
となるため、
ＰＱ² ＝２ｒ² ［１−ｃｏｓφ_o ｃｏｓθ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ −ｓｉｎφ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ −ｃｏｓφ_o ｓｉｎφ_o ｓｉｎθ₁ ］…(1)
である。従って、角ＰＯＱ＝θとおくと余弦定理より
ｃｏｓθ＝ｃｏｓφ_o ｃｏｓθ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ ＋ｓｉｎφ_o ｃｏｓφ₁ ｃｏｓθ₁ ＋ｃｏｓφ_o ｓｉｎφ_o ｓｉｎθ₁ …(2)
の関係が成り立つ。
【００３７】
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、
【００３８】
【数１】

【００３９】
である（Ｖｉｋｔｏｒｏｖ，ＲａｙｌｅｉｇｈａｎｄＬａｍｂＷａｖｅｓ）。なおここで、Ｃは定数、ｍは円周の長さと弾性表面波の波長との比で、波数パラメータと呼ぶ。またＣ_R はレイリー波速度，ｔは時間である。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θ₁ を変化させて計算することで求められる。
【００４０】
図３の（ａ），（ｂ），（ｃ），そして（ｄ）には点ＰがＸＺ面上にあるφ_o＝０の場合について上記の式（３）を使用して求めた弾性表面波が球形状の基材１２上を伝搬する４つの状態が示されている。
【００４１】
図３の（ａ），（ｂ），そして（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θ₁ 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）φ₁ が１０°の場合の音場であり、上に向かって２０°づつ増加した場合の音場が順にプロットしてある。
【００４２】
図３の（ａ）は、開口半角θ_A ＝３０°の場合である。この場合には、図３の（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φ₁ が増加するにつれて音場の幅が減少しφ₁ ＝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変えされ、何周回っても同じ変化が繰り変えされる。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、θ₁ ＜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、球形状の基材１２の外表面においてθ₁ ＞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。
【００４３】
図３の（ｃ）は、開口半角θ_A ＝１°の場合である。この場合には、図３の（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φ₁ が増加するにつれて音場の幅も増加しφ₁ ＝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の（ａ）を参照しながら上述した集束ビームに場合とは異なり、θ₁ ＜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、φ₁ ＝９０°では略大円全体に広がってしまう。この場合には、球形状の基材１２の外表面においてφ₁ ＝９０°において球形状の基材１２の外表面のθ₁ ＞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。
【００４４】
図３の（ｂ）は、開口半角θ_A ＝３．５°の場合である。この場合には、図３の（ｂ）から明らかなように、弾性表面波の伝搬状態は伝搬角φ₁ 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、θ₁ ＝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。
【００４５】
図３の（ａ）乃至（ｃ）から明かなように、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。
【００４６】
さらに、波数パラメータ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の（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 は略４．５°になる。
【００４７】
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。
【００４８】
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）
１５０７．０
３００４．５
４５０４．０
６００３．５
７５０３．０
なおこれは、数値計算による近似値である。
【００４９】
以上詳述したことから明かなように、この実施の形態では、波数パラメータｍから上記の式（３）を使用してコリメート角θ_col を求めるようにしている。そして、球形状の内面を持つの基材２の内表面上の所望の位置に弾性表面波発生手段４、より詳細には弾性表面波発生手段４の振動手段４ｂの櫛形電極４ｃ、がコリメート角θ_col により規定される幅より広く設置され、この弾性表面波発生手段４により弾性表面波を発生させると、この弾性表面波は球形状の内面を持つの基材２の内表面上で電極の重なり幅により規定された範囲内を上記コリメート角θ_col の方向に拡散することなく伝搬する。図１では、電極の重なり幅により規定された上記範囲が円環領域２ｂに相当しており、また上記コリメート角θ_col と直交する方向が最大円周線２ａに沿った方向に相当している。
【００５０】
そして実際には、波長パラメータ（上記球面の上記連続する方向における周囲長さ／弾性表面波波長）が１００乃至８００であり、櫛形電極の電極の幅がコリメート角（コリメートビームが得られる角）と等しいかそれ以上である、ことが好ましい。
【００５１】
ここで、発生する弾性表面波の波長は櫛型電極に電界が印可されることで圧電材料中に生じる電界分布の周期長すなわち電極周期に一般的に等しい。また、広帯域用の弾性表面波素子に見られるように、電極間隔が複数あるいは連続した幅を持つ場合にも、それに相当する弾性表面波の各周波数成分の波長について上記条件が成り立つ場合には、その周波数成分については伝搬方向垂直に弾性表面波が拡散しない弾性表面波素子が構成できる。
【００５２】
図４は、他の実施の形態例を示した説明図である。本発明の球状弾性表面波素子を用いて、液体センサーを構成した時の実施例を示す。
ガラス製の厚板２０（８ｍｍ厚）を図４（ａ）に示すようにくり貫いて断面が、半径Ｒが６．２５ｍｍ（直径１２．５ｍｍ）の球内面形状の一部となるように製作する。くり抜かれて、厚板の上下に開いた円形の穴は、流体等の開口部３０、３１として利用する。次に、図１（ｂ）で示した弾性表面波発生手段を作成する。図４（ｂ）は上部電極および下部電極を抵抗加熱蒸着により形成する方法を、模式的に示した説明図である。蒸着材料２２（電極材料）を蒸着ヒーター２３で加熱し目的物に蒸着するものである。ガラス製厚板２０の断面一部に、図４（ｂ）に示すように、電極パターンの形成された蒸着マスク２１（横方向から見た形状を模式的に図示）を用い、電極材料を加熱蒸着し、クロム膜（５００Å）と金（１５００Å）の下部電極２４を形成する。電極周期Ｐは１００μｍにすることで、４０ＭＨｚのレーリー波（音速４０００ｍ／ｓ）を励起しやすいように設計した。また、電極の重なり幅Ｗは、２ｍｍであり、帯状に周回するための先の条件を満たしている。図４（ｃ）はＤＣスパッタで圧電材料の薄膜を形成する方法を模式的に示した説明図である。図４（ｃ）に示すように、チャンバー２５内に下部電極２４の形成された厚板２０、ＺｎＯのターゲット２６、スパッタ用電極等を設置し、チャンバー内に酸素ガスを導入し、ＺｎＯのターゲット２６とスパッタ用電極間に、ＤＣ高圧電源２７よりＤＣ電圧を加え、ＺｎＯ膜（厚さ２０μｍ）を形成する。この時、ＺｎＯ製のターゲットは開口部３０、３１近傍に配置するとともに、対向する電極は反対側に設置することで、基材内面にＺｎＯの圧電膜を成長させることが出来る。次に、上部電極を下部電極同様に蒸着して形成する。スパッタで用いるガスの濃度やＤＣ高圧電圧の電圧など、また蒸着マスクの作成方法についても、公知の方法を利用できる。
【００５３】
この後、２箇所から電極を外部に取りだして後、図４（ｄ）に示すようにガラス厚板のくり貫き部を挟んで液体配管を接続して、液体感知センサ４０を作成した。櫛型電極の採用した櫛型電極の構成などは第１の実施の形態に同じである。
作成した流体感知センサー４０に対して図５（ａ）に示すような回路を構成し、流体感知センサー４０への信号の入出力ができる。図で、インパルス信号発生器４４でパルス信号を発生し、サーキュレーター４１を介し、流体感知センサー４０にパルス信号を入力する。流体感知センサー４０より発生した信号は、サーキュレーター４１からアンプ４２を介しオシロスコープ４３に出力され、信号波形として表示される。図４（ｂ）の短時間幅のパルス信号（２００Ｖ）を流体感知センサー４０に印可したところ、櫛型電極で発生した弾性表面波は球内面形状の断面を伝播周回しその反射波を再び櫛型電極に自身からの出力として図４（ｃ）に示す信号として観測した。レーリー波成分（周波数約４０ＭＨｚ）のみを観測するために５０ＭＨｚ以上の周波数成分を除いて表示している。図中AとBの間の時間は、特に液体配管の中に液体の流れていない状態では１１．５マイクロ秒であった。
【００５４】
次に、液体が内部を流れたときにその強度は弱くほとんど確認できなくなることによって、液体が流れたことを検出出来ることを確認した。
【００５５】
また、基材内面に導かれる気体や液体のセンサーを構成するのに、それに接するように内面側の円環領域の少なくともその一部にそれらと反応して弾性常数の変化する材料を塗布すれば、結果として基材内面を伝搬する弾性表面波の伝搬に影響を与えることから、臭気など流体の化学的性質に基づくセンサーを構成可能で、そのときに必要な被分析用気体や液体の量は基材内部を満たすに必要な最小の量ですむことも非常な利点である。
気体によって弾性的な性質の変わるディグリセロールやメチルシリコンなどがあるが、これらの材料を表面に塗布することによる弾性的性質の変化については公知であるのでここで説明しないし、これらの種類によって本発明が制限されるものではない。
【００５６】
このように、本願の発明に従った球状弾性表面波素子は弾性表面波が伝搬される円環領域が基材の内面にあるために素子の固定が容易であるばかりでなく、基材の外部表面に、信号処理用の増幅装置などを設置することも可能であり、全体を導体で囲えば、外部からの電気的な雑音に強く、また内部の信号を外部に漏洩して他の装置に影響を与えることを防ぐことも容易である。特に、周波数フィルターとして使用する場合などのように、内部に流体を流す事がなければ、内部の弾性表面波が伝搬する内表面に触らないないように他の素子や部品を内部に格納することでよりコンパクト化をはかることが可能である。
【００５７】
なお上述した実施の形態及び変形例において球状弾性表面波素子１は、非圧電体の球形状の内面を持つ基材２の内表面の所定の位置に設けられた圧電材料膜４ａ上に振動手段４ｂを設けることにより形成される。しかし基材２を圧電材料により形成することもでき、図６（ａ）に示すように、圧電材料により形成された基材５０の内表面５１上に所定の位置に表面弾性波発生手段５２（ダブル電極）を直接設けることが出来る。この場合は例えば、基材５０はＰＺＴであり、直接図６（ｂ）に示す電極パターンをクロムと金による蒸着によって形成するだけでよく、作成が非常に容易である。
【００５８】
尚、図６（ｂ）に示した電極パターンについて、微細なパターンで形成してあるが、圧電体を電極で挟んで形成するときと異なり、位置合わせが容易でこのような複雑な電極パターンでも内面に形成することが可能であった。この周期は３５０ミクロンで、発生する超音波の波長も同様で３５０ミクロンでった。
【００５９】
また、周波数フィルターなどに使用する場合には、基材内部を真空あるいは、特定のガスや液体でみたして開口を塞ぐなどすれば、外気の湿度や雰囲気の変化による内面の弾性表面波の伝搬が影響をうけることによって素子の出力特性が変わることを防ぐことが容易に可能である。
【００６０】
また、この発明の球状弾性表面波素子において使用する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基材の内表面の直径には制限がなく非常に大きな直径のものから非常に小さな直径のものまで、現在知り得る全ての手段により準備することが出来る。
【００６１】
さらに、上記基材の内表面の所定の位置に設けられる圧電材料膜も現在知り得る全ての手段により準備することが出来るし、この圧電材料膜上または上記基材の内表面の所定の位置に設けられる振動手段も現在知り得る全ての手段により準備することが出来る。ここにおける現在知り得る全ての手段には、導電性箔から櫛形電極状に独立して形成されたものを圧電材料膜上または上記基材の内表面の所定の位置に貼り付けたり、圧電材料膜上または上記基材の内表面上に蒸着や印刷やスパッタリング等により形成することを含んでいる。
【００６２】
尚、内部に液体を充填た場合について、液体が無い場合の弾性表面波と意図的に区別するために、液体が接しているときの弾性表面波を漏洩弾性表面波と呼ぶことがあるが本発明ではこの漏洩弾性表面波も弾性表面波と呼んでおり、漏洩弾性表面波を除外するものではない。
【００６３】
さらに、基材内面と液体境界近傍の、液体側にエネルギーを集中させながら基材内表面に沿って伝搬する回廊波とよばれるモードも存在し液体の音速に等しいことから液体の音速測定センサーとしてもしようできるが、本発明は、これら回廊波と呼ばれる波の伝搬を感知対象とした場合も除外しない。
【００６４】
以下この発明のその他の実施の形態について図７を用いて説明する。この第２の実施の形態では、弾性波や弾性表面波を励起して検出する方法が異なる。
弾性表面波は以上詳述したような圧電材料に電界をかけることによって発生させることが出来るが、レーザービームを材料に照射して熱膨張を起こすことによっても漏洩弾性波を発生して出力することが出来る。
【００６５】
レーザービームの当て方としては、材料（基材）表面に直線形状の照射域を移動することで、直線に垂直方向に弾性波を励起伝播させることが出来る。
また、２本のレーザービームを材料表面上で干渉させることで干渉縞を形成し、それによって特に弾性表面波を効率良く発生させることができる。
さらに効率良く弾性表面波を発生させる方法として、走査干渉縞（ＳＩＦ）を用いる方法がある。これらのレーザービームを用いて弾性表面波を励起する方法は公知であるのでここでは詳しく説明しないが、ＳＩＦを用いた方法についてその実施の形態について説明を加える。
【００６６】
球形状の円環状内面を含む基材はたとえば透明ガラスで作成される。基材の外表面は固定が容易な為に直方体に加工され、かつ２面についてはレーザーに対して平滑に光学研磨を行った。透明ガラス内面については全面にアルミ蒸着を行っている。アルミ蒸着は、レーザービームを吸収及び反射するに必要な最小限の厚さでよい。
【００６７】
レーザー発振器からは新されたレーザービームは２本のビームにビームスプリッタと呼ばれる光学部品によって分けられ一方のみΔｆだけ周波数をかえる。これらのビームを基材内面のアルミ面上で干渉させることで、レーザービームによる走査干渉縞が形成され、同じ干渉縞の分布でアルミ面が熱膨張をおこして弾性波、特に表面弾性波を効率良く発振して内面上に弾性表面波を伝播させることができる。
【００６８】
図７（ａ）はその他の実施形態の例の、基材内表面上における弾性表面波発生に使用される装置の全体を概略的に示す説明図、図７（ｂ）は、本実施形態例の表面弾性波素子を断面で表した説明図である。図７の（ａ）が、球形状の基材１０の基材内表面１２上に弾性表面波を発生させ、それを検出する為の装置を示している。３ｍｍの直径の２本のＹＡＧレーザービームＬ１，Ｌ２が基材１０の内表面１２の所定の範囲Ｗ（図７の（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の内表面の所定の範囲Ｗ（図７（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。
【００６９】
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、干渉縞の平均隙間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為に、１００ｎｓ程度の特別に設計された長いパルスを有している。
【００７０】
なお上記所定の範囲Ｗ（図７の（ｂ））は最大円周線１２ａに沿い球形状の基材１０の内周面（内表面）の一部で規定されている円環状に連続している円環領域１２ｂを規定している。
このように、櫛型電極を用いなくとも、球形状の内表面上に、ある音源幅をもって条件に沿った波長の弾性表面波を特定の方向に伝搬するように励起することで、ある円環の幅内を、拡散することなく周回させることが出来る。
【００７１】
内面に励起伝播する弾性波の検出はナイフエッジ法等を用いて光学的に行うことが出来る。ナイフエッジ法を用いる場合は、細く絞ったレーザービームを内面のレーザーを反射する材料表面の微小領域に集束照射して、その反射光の一部をスリット等で遮蔽する。遮蔽されなかったビームの強度を電気的にフォトダイオードなどを用いて信号化するものであって、基材内面を弾性表面波が伝播することで起きる内表面の微小な傾きによるレーザー反射波ビームの振れから非接触で弾性表面波を電気信号として観測することが出来る。
【００７２】
この構成の場合、弾性表面波を励起させるための圧電材料を形成する必要が無く、パターンニングされた電極も無い為に、圧電材料が励起されて基材内面を周回する弾性表面波の伝播を阻害することがないだけでなく、任意の周波数を励起出来るなどの特徴を持つことは明白である。
【００７３】
また、以上説明した実施の形態でも、図４（ｄ）に示すように本発明の弾性表面波素子を液体の搬送される配管の途中に形成すれば、弾性表面波の伝播速度は液体があるときと無いとき、或いは液体の弾性的性質によっても変化することを利用して、液体センサーとして利用できることが明らかである。
【００７４】
特にレーザーを用いた方法では、内部を流れる液体に圧電体などによって構成される弾性表面波発生手段を形成する必要がなく、たとえば化学的に反応性の高い液体のセンサーをも構成可能な利点を有する。
【００７５】
なお、球の内面形状の基材内面を帯状に伝播する弾性表面波は互いに伝播経路を交差しても互いに影響しないことから、複数の弾性表面波発生手段を同一内面に構成する事もできる。この事は、圧電材料を用いて弾性表面波を励起するときも、レーザービームを用いて励起するときも同様である。図８に、その例を示す。この場合は２つの弾性表面波発生手段をたがいにそれぞれの発生した弾性表面波の帯状の周回経路６０、６１が交差するように作成している。周回経路６０の領域をのぞいた部分には気体によって弾性的な性質が変化する材料を塗布することで感受用周回経路を構成している。
周回経路６１の周回経路による出力は基材内部を流れる気体の変化によって出力を変化させるとともに温度変化によっても影響されるが、温度変化を周回経路６０の信号変化から測定して、周回経路６１の結果を構成する事が可能である。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳述したことから明かなように、この発明に従った球状弾性表面波素子は、従来の弾性表面波素子に比べ遥かに性能を高めることが出来るばかりでなく、コンパクトでもあり、液体や気体のセンサーを容易に構成可能で、また、内部を真空や特定の気体や液体で密封すれば外部の環境に対して安定な弾性表面波素子を構成でき、また基材内部に弾性表面波の伝搬領域が形成されているために、取り扱いや固定が容易で、且つ基材外部の表面に電子回路等を形成することも出来る。
【００７７】
なお、弾性表面波の発生を、レーザービームを用いて行う方法によっても、上記の利点は共通であり、とくに、基材表面の加工よって光学系を兼ねさせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の球状弾性表面波素子の第１の実施形態の例を示す説明図で、図１（ａ）はこの発明の第１の実施の形態に従った球状弾性表面波素子の概略的な説明図、図１（ｂ）は弾性表面波発生手段の一例を平面で示した説明図てある。
【図２】球状弾性表面波素子の内表面の所定の位置に振動手段を設ける幅を規定する為に使用する式の基礎となる座標系を概略的に示す斜視図である。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ），そして（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弾性表面波素子の球形状の内面を持つ基材上を伝搬する４つの状態を概略的に示す図である。
【図４】図１の第１の実施の形態に従った球状弾性表面波素子をつかった液体センサーを構成する時の説明図である。
【図５】（ａ）は図４の液体センサーを用い回路を構成した説明図、（ｂ）はセンサーに入力したパルス波形を示す図、（ｃ）はセンサーより出力された波形を示す図である。
【図６】本発明の球面弾性表面波素子の実施例の一部分を示す説明図である。
【図７】（ａ）は、第２の実施例の形態で利用されるレーザーを用いて弾性表面波を派生するにもちいられるレーザー発振装置、その加工を行う光学系、及び弾性表面波表面で発生する弾表面波をレーザーをもちいて検出する方法の説明図、（ｂ）は第２の実施の形態に従った、レーザーを用いて弾性表面波を励起する方法を採用するにもちいる弾性表面波素子の構成を断面で示す説明図である。
【図８】本発明の球面弾性表面波素子の実施例の一部分を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・・球状弾性表面波素子
２・・・・基材
２ａ・・・最大円周線
２ｂ・・・円環領域
２ｃ・・・球形状の内表面
４・・・・弾性表面波発生手段
４ａ・・・圧電材料膜
４ｂ・・・振動手段
４ｃ・・・櫛形電極（上部電極）
４ｄ・・・櫛形電極（下部電極）
６・・・・高周波電源
８・・・・支持体
９・・・・基板
１０・・・・基材
１２・・・・基材内表面
１２ａ・・・最大円周線
１２ｂ・・・円環領域
２０・・・・厚板
２１・・・・蒸着マスク
２２・・・・蒸着材料
２３・・・・蒸着ヒーター
２４・・・・下部電極
２５・・・・チャンバー
２６・・・・ターゲット
２７・・・・ＤＣ高圧電源
３０・・・・開口部
３１・・・・開口部
４０・・・・流体感知センサー
４１・・・・サーキュレーター
４２・・・・アンプ
４３・・・・オシロスコープ
４４・・・・インパルス信号発生器
５０・・・・基材
５１・・・・基材内表面
５２・・・・表面弾性波発生手段
６０・・・・温度補正用周回経路
６１・・・・感受用周回経路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface acoustic wave element, and more specifically, an elastic surface is formed on the inner surface of a base material having an inner surface that is formed of at least a part of a spherical shape and is continuous in an annular shape. The present invention relates to a spherical surface acoustic wave element provided with a wave generating means.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A surface acoustic wave element has been well known as one that generates surface acoustic waves on a substrate and receives surface acoustic waves generated on the substrate. In a conventional surface acoustic wave element, a pair of comb electrodes are provided on a piezoelectric body, and by supplying a high frequency voltage to one comb electrode, a surface acoustic wave is generated in the direction in which the one comb electrode is aligned. The other comb-shaped electrode is arranged in the moving direction of the surface acoustic wave generated from the one comb-shaped electrode and receives the surface acoustic wave. The surface acoustic wave element is used for a delay line, an oscillation element and a resonance element for a transmitter, a filter for selecting a frequency, a chemical sensor, a biosensor, or a remote tag.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In order to increase the accuracy of the resonance frequency in the surface acoustic wave element, it is desired to reduce the propagation loss when the surface acoustic wave propagates between the pair of comb electrodes as much as possible.
[0004]
However, since a normal surface acoustic wave element has a flat piezoelectric substrate surface and a substrate surface on which a pair of comb electrodes are provided, the surface acoustic wave generated from one comb electrode is the other comb electrode. While propagating toward the surface, the light diffuses and weakens in the direction perpendicular to the propagation direction on the surface. For this reason, the propagation loss of the surface acoustic wave cannot be reduced, and there is a limit to improving the performance of the surface acoustic wave device.
In addition, it is possible to construct a compact and electrically excellent surface acoustic wave element by using a comb-shaped electrode on the outer surface of the spherical base material, but because the region where the surface acoustic wave propagates is exposed to the outside There is a portion where contact is not allowed, and there is a difficulty that a sufficient space cannot be secured on the surface of the sphere for handling, fixing, and adding an electrical component necessary for electrical processing.
Furthermore, even if it is used as a gas or liquid sensor, it must be inserted into a path through which the fluid flows, and it becomes difficult especially when a small pipe or a small amount of fluid to be observed can be prepared.
[0005]
The present invention has been made under such circumstances, and the object of the present invention is to provide a spherical surface acoustic wave element that not only can have a much higher performance than conventional surface acoustic wave elements, but is also compact. In addition, it is easy to make a configuration that is not easily affected by the external atmosphere, it is easy to fix, and a sensor that handles fluids can be easily configured. A surface wave device is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves such a problem, and the invention of claim 1 includes a base material having an inner surface that is formed of at least a part of a spherical surface and is continuous in an annular shape, and an inner surface of the base material. A surface acoustic wave generating means that is provided on the surface and generates a surface acoustic wave that travels in a continuous direction of the inner surface of the substrate, and the surface acoustic wave generating means is in the continuous direction along the inner surface. A spherical surface acoustic wave element is characterized in that a surface acoustic wave is generated so as to be directed in a continuous direction of the inner surface of the base material without diffusing in a direction intersecting with the surface.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, the base material is formed of a non-piezoelectric material, and the surface acoustic wave generating means is provided on the inner surface of the base material and has a piezoelectric material film and a piezoelectric material film. 2. The spherical surface acoustic wave device according to claim 1, wherein an electric field is applied to the surface to generate surface acoustic waves in a continuous direction of the inner surface of the substrate.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, the base material is formed of a piezoelectric material, and the surface acoustic wave generating means is provided on the inner surface of the base material, and an electric field is applied to the base material to 2. The spherical surface acoustic wave element according to claim 1, wherein the surface acoustic wave element is formed so as to generate a surface acoustic wave in a continuous direction of the inner surface of the material.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, in the spherical surface acoustic wave according to the second or third aspect, the means for applying the electric field includes a comb electrode connected to a high frequency power source. It is a device.
[0010]
The invention according to claim 5 of the present invention is characterized in that the surface acoustic wave generated by the comb-shaped electrode has a wavelength of 1/10 or less of the radius of the spherical surface, It is a thing.
[0011]
According to a sixth aspect of the present invention, the electrode overlap width in the direction perpendicular to the propagation direction of the generated surface acoustic wave of the comb electrode is less than half of the diameter of the spherical surface and more than 1/100 of the radius. The spherical surface acoustic wave element according to claim 4 or 5, wherein the spherical surface acoustic wave element is provided.
[0012]
According to a seventh aspect of the present invention, the base material is made of a material that transmits a laser beam, and at least a part of the inner surface absorbs the laser beam and generates elastic vibration including a surface acoustic wave. 2. A spherical surface acoustic wave device according to claim 1, further comprising a laser beam absorbing layer for generating the surface acoustic wave.
[0013]
The invention according to claim 8 of the present invention is characterized in that the inside of the base material is filled or sealed with vacuum or a specific gas or liquid. This is a surface wave device.
[0014]
According to a ninth aspect of the present invention, the base material is configured to flow in / out of fluid into / from the base material into one or both of two spherical regions separated by a region where the surface acoustic wave propagates in an annular shape. 9. A surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the surface acoustic wave device has an opening for the purpose.
[0015]
The invention of claim 10 of the present invention is characterized in that a layer made of a reactive material that changes in elastic properties by reacting with a gas or liquid flowing from the outside is formed on the inner surface side of the base material. The surface acoustic wave device according to claim 1.
[0016]
In order to achieve the above-described problems, a spherical surface acoustic wave device according to the present invention comprises a base material having an inner surface that is formed of at least a part of a spherical shape and is continuous in an annular shape, and the above-described base. A surface acoustic wave generating means that generates a surface acoustic wave that is provided on the inner surface of the material and that travels in a direction in which the inner surface of the base material continues, and the surface acoustic wave generating means is provided along the inner surface. A surface acoustic wave is generated so as to go in the continuous direction without diffusing in a direction intersecting with the continuous direction.
For this reason, the surface acoustic wave can propagate along the inner surface without diffusing at least the circumferential distance of the inner surface, and thus can propagate infinitely.
[0017]
Therefore, the performance can be greatly improved as compared with the conventional surface acoustic wave element, and the base material is formed of at least a part of a spherical surface and has an inner surface that is continuous in an annular shape. is there.
[0018]
Further, the substrate is made of a non-piezoelectric material, and the surface acoustic wave generating means is provided on the inner surface of the substrate, has a piezoelectric material film and applies an electric field to the piezoelectric material film to By generating the surface acoustic wave in the continuous direction of the inner surface of the material, it is possible to efficiently excite the surface acoustic wave and configure an element with good performance.
[0019]
Further, even when the base material is formed of a piezoelectric material, the surface acoustic wave generating means is provided on the inner surface of the base material, and an electric field is applied to the base material to By generating a surface acoustic wave in a continuous direction, the surface acoustic wave can be efficiently excited, and an element with good performance can be easily configured.
[0020]
Here, the means for applying the electric field includes a comb-shaped electrode connected to a high-frequency power source, so that the surface acoustic wave can be excited in a specific direction with higher efficiency, and the result As a result, it is possible to configure an element with higher performance.
[0021]
Furthermore, the surface acoustic wave generated by the comb-shaped electrode has a wavelength of 1/10 or less of the radius of the spherical surface, so that the vibration is not the natural vibration of the entire sphere, and the surface has a wavelength equal to the electrode period. It can be regarded as a wave.
[0022]
Also, the total width of the surface structure such as the comb electrode and the accompanying electrical circuit pattern should be less than half the circumference of the sphere, so the reasonable width of the overlapping part of the comb electrode is less than half the diameter. Become. On the other hand, when the overlapping width of the electrodes of the comb-shaped electrode is 1/100 or less of the radius, the surface wave is greatly diffused as it propagates and vibrations cannot be ignored on the entire surface of the sphere. It becomes difficult to install on the surface. Furthermore, it becomes difficult to make an opening for inflowing and discharging, for example, gas or liquid, on the inner surface of the base material when forming a sensor or the like without affecting the propagation of the surface acoustic wave.
[0023]
Furthermore, the surface of the substrate is made of a material that transmits a laser beam, and a laser beam absorbing layer that absorbs the laser beam and excites elastic vibrations including surface acoustic waves on at least a part of the inner surface of the surface acoustic wave generating means The spherical surface acoustic wave device has a surface active wave that can be generated and detected without forming a piezoelectric material or electrode pattern inside the substrate, and a highly active liquid that corrodes the piezoelectric material on the inner surface of the substrate. It has the advantage that it can be used even if gas is passed or sealed.
[0024]
Furthermore, if the inside of the base material is filled or sealed with a vacuum or a specific gas or liquid, it has the advantage that the influence of changes in the external atmosphere such as humidity can be intentionally suppressed. I can do it.
[0025]
Furthermore, the base material has an opening intended to allow fluid to flow into / out of the base material in one or both of two spherical regions separated by a region where the surface acoustic wave propagates in an annular shape. By simply connecting the fluid to be analyzed to these openings, fluid detection sensors can be easily configured by affecting the propagation of surface acoustic waves propagating inside the substrate. it can.
[0026]
If only a very small amount of fluid to be analyzed can be prepared on the inner surface of the base material, if a layer made of a reactive material that changes its elastic properties by reacting with gas or liquid inserted from the outside can be constructed However, there is an advantage that a necessary amount is sufficient to fill the inside of the spherical base material.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A spherical surface acoustic wave device according to a first embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to FIG. 1 in the accompanying drawings. FIG. 1A is an explanatory view showing a first embodiment of the spherical surface acoustic wave element of the present invention in perspective, and FIG. 1B is a plan view of the surface acoustic wave generating means according to this embodiment. It is explanatory drawing represented.
[0028]
The spherical surface acoustic wave element 1 according to the first embodiment includes a base material 2 having a spherical inner surface 2c and a surface acoustic wave generation installed at a desired position on the inner surface 2c of the base material 2. Means 4. The surface acoustic wave generating means 4 generates a surface acoustic wave that moves as indicated by an arrow A along the maximum circumferential line 2a in the continuous direction of the inner surface 2c of the base material 2 that passes through its installation position. The surface acoustic wave generated by the surface acoustic wave generating means 4 is an annular region which is formed of at least a part of a spherical surface along the maximum circumferential line 2a on the inner surface 2c of the substrate 2 and is continuous in an annular shape. It moves within 2b and does not diffuse out of the annular region 2b in a direction intersecting the maximum circumferential line 2a in the direction in which the inner surface 2c continues along the inner surface 2c.
[0029]
More specifically, the substrate 2 having a spherical inner surface with a diameter of 12.5 mm, for example, is formed of a non-piezoelectric material, such as ceramic. The surface acoustic wave generating means 4 includes a piezoelectric material film 4a affixed at the desired position on the inner surface 2c of the substrate 2, and vibration means 4b provided above and below the piezoelectric material film 4a and vibrating in the continuous direction. In this embodiment, the vibration means 4b includes comb-shaped electrodes 4c (upper electrodes) and 4d (lower electrodes) connected to the high-frequency power source 6. The plurality of electrode pieces of the comb-shaped

electrodes

4c and 4d are arranged in the continuous direction, the overlapping width W of the electrodes is 2 mm, and the electrode period P is 350 microns, which intersects the maximum circumference line 2a. In the direction, both poles of the high-frequency power source 6 are connected from the outside of the annular region 2b.
[0030]
The spherical surface acoustic wave element 1 is moved upward from above the substrate 9 by a pair of supports 8 fixed to the outer surface of the spherical base material 2 from the outside of the annular region 2b in the direction intersecting the maximum circumferential line 2a. It is supported by.
[0031]
The wavelength of the surface acoustic wave generated from the surface acoustic wave generating means 4 is 350 microns, and is set to 1/10 or less of the radius of the inner surface 2c of the base material 2 having a spherical inner surface. The distance of the plurality of electrode periods P of the electrode 4c is also set to 1/10 or less of the radius of the inner surface of the base material 2 having a spherical inner surface with 350 microns. Further, the width of the surface acoustic wave in the direction intersecting the continuous direction along the inner surface 2c is less than 3 mm, and the diameter of the base material 2 having a spherical inner surface is 12.5 mm or less (more preferably, this diameter). Is set to be 1/100 or more of the radius. For this reason, the overlapping width of the

comb electrodes

4c and 4d is set to be not more than the diameter of the spherical base material 2 (more preferably not more than half of this diameter) and not less than 1/100 of the radius.
[0032]
In the present invention, the inventors of the present application generate a surface acoustic wave in a direction perpendicular to the arc with a predetermined range of arc (linear sound source width on the spherical inner surface) on the inner surface of the spherical material. Thus, it was made by discovering that the surface acoustic wave circulates along the spherical inner surface in the direction orthogonal to the arc without diffusing in the direction of the arc along the direction orthogonal to the arc.
[0033]
In the case of a surface acoustic wave source (sound source) smaller than the predetermined range, if the surface acoustic wave source is a point for the sake of simplicity, the surface acoustic wave is centered on the spherical inner surface. After concentrically spreading on the inner surface of the substrate having a concentric shape, it converges concentrically toward the point on the opposite side of the source and on the inner surface of the spherical substrate from the point on the opposite side. After concentrically spreading, the laser beam is focused again on a surface acoustic wave source located on the inner surface of the spherical substrate opposite to the point on the opposite side. That is, in a surface acoustic wave generation source smaller than the predetermined range, the surface acoustic wave radiated from the surface acoustic wave generation source diffuses in the direction perpendicular to the traveling direction on the inner surface, and the electrode is removed. In addition, the propagation of the surface acoustic wave is affected by the formation of the opening for entering and discharging the fluid inside.
[0034]
In a wide surface acoustic wave source, the surface acoustic wave generated from the source passes along the center of the predetermined range, moves along a direction orthogonal to the arc of the predetermined range, and includes a circle including the arc. Focusing toward the position corresponding to the pole when the circumference is considered to be the equator, and after passing through the position corresponding to the pole, the predetermined range on the opposite side of the predetermined range on the circumference Focusing is performed for each half of the sphere, diffusing into the same predetermined range, focusing toward a position corresponding to another pole, and passing through a position corresponding to another pole and then diffusing again into the predetermined range. It repeats diffusion. In this case as well, theoretically it can be repeated indefinitely. However, it is conceivable that a linear effect occurs due to an excessively large amplitude when focusing on a point and an unexpected influence is exerted on the output. Even in other cases, there arises a problem that the mounting position of the electrode outlet and the fluid entry / exit term cannot be secured in the inner surface.
[0035]
The conditions for the phenomenon in which the surface acoustic wave circulates around the spherical surface in the direction orthogonal to the arc without diffusing in the direction of the arc were determined as follows. Here, the explanation is made on the assumption that the surface of the sphere is the same, but the case of the inner surface and the case of the outer surface are exactly the same.
[0036]
FIG. 2 shows a coordinate system for calculation showing the effect of the present invention. It is assumed that the surface acoustic wave generated from the point P on the arc DF parallel to the arc AC reaches the point Q on the arc CG, with the intersections of the xyz coordinate axis and the spherical surface having the radius r as A, B, and C. Angle φ_o , Θ_o , Φ₁ , Θ₁ Is taken as shown in FIG. 2, the coordinates of the points P and Q are
(Rcosφ_o cosθ_o , Rsinφ_o , Rcosφ_o sinθ_o )as well as
(Rcosφ₁ cosθ₁ , R cos θ₁ sinφ₁ , Rsinθ₁ )
So that
PQ² = 2r² [1-cosφ_o cosθ_o cosφ₁ cosθ₁ -Sinφ_o cosφ₁ cosθ₁ -Cosφ_o sinφ_o sinθ₁ ] ... (1)
It is. Therefore, if the angle POQ = θ, the cosine theorem
cos θ = cos φ_o cosθ_o cosφ₁ cosθ₁ + Sinφ_o cosφ₁ cosθ₁ + Cosφ_o sinφ_o sinθ₁ … (2)
The relationship holds.
[0037]
The radial component of the particle displacement at point Q of the surface acoustic wave generated at point P is
[0038]
[Expression 1]

[0039]
(Viktorov, Rayleigh and Lamb Waves). Here, C is a constant, m is a ratio of the circumference length to the surface acoustic wave wavelength, and is called a wave number parameter. Also C_R Is Rayleigh wave velocity and t is time. The angle θ is obtained from the equation (2). The angle seen from point E is 2θ_A The sound field at point Q by the arc-shaped sound source of_o About -θ_A To θ_A Is obtained by integrating up to. Sound field distribution is angle of attack θ of point Q₁ It is calculated by changing
[0040]
3 (a), (b), (c), and (d), the point P is on the XZ plane._oIn the case of = 0, four states are shown in which the surface acoustic wave obtained by using the above equation (3) propagates on the spherical substrate 12.
[0041]
(A), (b), and (c) of FIG. 3 show the sound field (the angle θ of the absolute value of the particle displacement) when the wave number parameter m = 600.₁ (Dependency) is the result of examining. In each of the figures, the bottom plot is an angle (propagation angle) φ representing the propagation of a surface acoustic wave on a spherical surface.₁ Is the sound field in the case of 10 °, and the sound field in the case of increasing by 20 ° upwards is plotted in order.
[0042]
FIG. 3A shows an opening half angle θ._A = 30 °. In this case, as is clear from FIG. 3A, the propagation state of the surface acoustic wave is a focused beam shape. That is, the propagation angle φ₁ As the value increases, the width of the sound field decreases and φ₁ After reaching the minimum at 90 °, the width increases again, and the same distribution as that on the sound source is reproduced at the counter electrode 180 °. Thereafter, the same change is repeated every 180 °, and the same change is repeated no matter how many turns. This is a phenomenon peculiar to a spherical surface where there is no wave diffusion due to diffraction. In this case, the opening half angle θ_A = The sound field does not spread more than 30 °, θ₁ <Θ_A The energy of the surface acoustic wave is confined in the belt-like portion. In this case, θ on the outer surface of the spherical substrate 12₁ > Θ_A Even if another object is brought into contact with this part, the sound field is not disturbed.
[0043]
FIG. 3C shows the opening half angle θ._A = 1 °. In this case, as apparent from FIG. 3C, the propagation state of the surface acoustic wave has a divergent beam shape similar to that of the point sound source. That is, the propagation angle φ₁ As the value increases, the width of the sound field also increases and φ₁ After reaching the maximum at 90 °, the width decreases again, and the same distribution as that on the sound source is reproduced at the counter electrode 180 °. In this case, unlike the case of the focused beam described above with reference to FIG.₁ <Θ_A The energy of the surface acoustic wave is not confined in the band-like portion of₁ At = 90 °, it spreads over the entire great circle. In this case, φ is formed on the outer surface of the spherical substrate 12.₁ = Θ of the outer surface of the spherical substrate 12 at 90 °₁ > Θ_A If another object is brought into contact with this part, the sound field is disturbed.
[0044]
FIG. 3B shows an opening half angle θ._A = 3.5 °. In this case, as is apparent from FIG. 3B, the propagation state of the surface acoustic wave is the propagation angle φ.₁ The width of the sound field hardly changes even when the value increases. That is, θ₁ = Θ_A The energy of the surface acoustic wave is confined in the belt-like portion. This is the same characteristic as a Bessel beam in an infinite medium. And the aperture half angle θ at which the collimated beam is obtained_A The collimating angle θ_col Call it.
[0045]
As is clear from (a) to (c) of FIG._A Is the collimating angle θ_col Is substantially the same, the energy of the surface acoustic wave is confined in the narrowest band.
[0046]
Further, as a result of performing the same numerical analysis as described above by changing the wave number parameter, the collimating angle θ is determined by the wave number parameter m._col Was found to change. In FIG. 3D, when the wave number parameter m is 300, the propagation state of the surface acoustic wave becomes a collimated beam shape._A Is approximately 4.5 °, and in this case the collimating angle θ_col Is approximately 4.5 °.
[0047]
Below, the collimating angle θ when the wave number parameter m changes_col Indicates the value of.
[0048]
Wave number parameter m Collimating angle θ_col
(Surround length / surface acoustic wave wavelength)
150 7.0
300 4.5
450 4.0
600 3.5
750 3.0
This is an approximate value by numerical calculation.
[0049]
As is clear from the above detailed description, in this embodiment, the collimation angle θ is calculated from the wave number parameter m using the above equation (3)._col Asking for. Then, the surface acoustic wave generating means 4 at a desired position on the inner surface of the substrate 2 having a spherical inner surface, more specifically, the comb-shaped electrode 4c of the vibrating means 4b of the surface acoustic wave generating means 4 is collimated. θ_col When the surface acoustic wave is generated by the surface acoustic wave generating means 4, the surface acoustic wave is overlapped on the inner surface of the substrate 2 having a spherical inner surface. The collimating angle θ_col Propagate without spreading in the direction of. In FIG. 1, the range defined by the overlapping width of the electrodes corresponds to the annular region 2b, and the collimating angle θ_col The direction perpendicular to the direction corresponds to the direction along the maximum circumferential line 2a.
[0050]
Actually, the wavelength parameter (peripheral length of the spherical surface in the continuous direction / surface acoustic wave wavelength) is 100 to 800, and the electrode width of the comb-shaped electrode is defined as a collimating angle (an angle at which a collimated beam is obtained). Preferably it is equal to or greater than.
[0051]
Here, the wavelength of the generated surface acoustic wave is generally equal to the period length of the electric field distribution generated in the piezoelectric material, that is, the electrode period, when an electric field is applied to the comb-shaped electrode. In addition, as seen in a surface acoustic wave device for a wide band, even when the electrode interval has a plurality or a continuous width, if the above condition holds for the wavelength of each frequency component of the surface acoustic wave corresponding thereto, With respect to the frequency component, a surface acoustic wave element in which surface acoustic waves do not diffuse perpendicular to the propagation direction can be configured.
[0052]
FIG. 4 is an explanatory view showing another embodiment. An embodiment when a liquid sensor is configured using the spherical surface acoustic wave element of the present invention will be described.
As shown in Fig. 4 (a), a glass plate 20 (8mm thick) is cut through and the cross-section is formed to be a part of the spherical inner surface with a radius R of 6.25mm (diameter 12.5mm). To do. The circular holes that are cut out and opened up and down the plank are used as

openings

30 and 31 for fluid or the like. Next, the surface acoustic wave generating means shown in FIG. FIG. 4B is an explanatory view schematically showing a method of forming the upper electrode and the lower electrode by resistance heating vapor deposition. The vapor deposition material 22 (electrode material) is heated by the vapor deposition heater 23 and vapor-deposited on the object. As shown in FIG. 4B, the electrode material is heated on a part of the cross section of the glass thick plate 20 by using a vapor deposition mask 21 in which an electrode pattern is formed (a shape schematically viewed from the lateral direction). Evaporation is performed to form a lower electrode 24 of a chromium film (500 Å) and gold (1500 Å). The electrode period P was set to 100 μm so that a 40 MHz Rayleigh wave (sound velocity 4000 m / s) was easily excited. Moreover, the overlapping width W of the electrodes is 2 mm, which satisfies the previous condition for circling in a strip shape. FIG. 4C is an explanatory view schematically showing a method of forming a thin film of piezoelectric material by DC sputtering. As shown in FIG. 4C, a thick plate 20 with a lower electrode 24 formed in a chamber 25, a ZnO target 26, a sputtering electrode, etc. are installed, oxygen gas is introduced into the chamber, and a ZnO target is obtained. A DC voltage is applied from a DC high-voltage power source 27 between the electrode 26 and the sputtering electrode to form a ZnO film (thickness 20 μm). At this time, the ZnO target is disposed in the vicinity of the

openings

30 and 31, and the opposing electrodes are disposed on the opposite side, so that a ZnO piezoelectric film can be grown on the inner surface of the substrate. Next, the upper electrode is formed by vapor deposition in the same manner as the lower electrode. Known methods can be used for the gas concentration used in sputtering, the voltage of the DC high voltage, and the like, and also for the method of creating the vapor deposition mask.
[0053]
Thereafter, the electrodes were taken out from two locations, and then a liquid pipe was connected to sandwich the hollow portion of the thick glass plate as shown in FIG. The configuration of the comb electrode employed by the comb electrode is the same as that of the first embodiment.
A circuit as shown in FIG. 5A is configured for the created fluid sensor 40, and signals can be input and output to the fluid sensor 40. In the figure, a pulse signal is generated by an impulse signal generator 44, and the pulse signal is input to the fluid sensing sensor 40 via the circulator 41. A signal generated from the fluid sensor 40 is output from the circulator 41 to the oscilloscope 43 via the amplifier 42 and displayed as a signal waveform. When a pulse signal (200 V) having a short time width shown in FIG. 4B is applied to the fluid sensor 40, the surface acoustic wave generated by the comb-shaped electrode propagates around the spherical inner cross section and the reflected wave is recombined. The signal was observed as a signal shown in FIG. In order to observe only the Rayleigh wave component (frequency about 40 MHz), the frequency component of 50 MHz or more is excluded and displayed. The time between A and B in the figure was 11.5 microseconds, particularly when no liquid was flowing in the liquid piping.
[0054]
Next, it was confirmed that the liquid flow could be detected by the fact that when the liquid flowed inside, its strength was weak and could hardly be confirmed.
[0055]
In addition, to configure a gas or liquid sensor guided to the inner surface of the substrate, a material whose elastic constant changes by reacting with at least a part of the annular region on the inner surface side so as to be in contact therewith is applied. As a result, it influences the propagation of surface acoustic waves propagating on the inner surface of the substrate, so sensors based on the chemical properties of fluids such as odor can be constructed, and the amount of gas or liquid to be analyzed required at that time is It is also a great advantage to use the minimum amount necessary to fill the interior of the substrate.
There are diglycerol and methyl silicon whose elastic properties change depending on the gas, but the change in elastic properties due to the application of these materials to the surface is well known and will not be described here. The invention is not limited.
[0056]
As described above, the spherical surface acoustic wave device according to the invention of the present application is not only easy to fix the device because the annular region where the surface acoustic wave propagates is on the inner surface of the substrate, but also the outside of the substrate. It is also possible to install an amplification device for signal processing on the surface. If the whole is surrounded by a conductor, it is resistant to external electrical noise and leaks internal signals to other devices. It is easy to prevent the influence. In particular, if no fluid is allowed to flow inside, such as when used as a frequency filter, other elements and components should be stored inside so as not to touch the inner surface where the surface acoustic waves propagate. It is possible to make it more compact.
[0057]
In the embodiment and the modification described above, the spherical surface acoustic wave element 1 is provided with vibration means on the piezoelectric material film 4a provided at a predetermined position on the inner surface of the substrate 2 having a non-piezoelectric spherical inner surface. It is formed by providing 4b. However, the base material 2 can also be formed of a piezoelectric material. As shown in FIG. 6A, the surface acoustic wave generating means 52 (at a predetermined position on the inner surface 51 of the base material 50 formed of the piezoelectric material). Double electrode) can be provided directly. In this case, for example, the base material 50 is PZT, and it is only necessary to directly form the electrode pattern shown in FIG. 6B by vapor deposition with chromium and gold, and the production is very easy.
[0058]
Note that the electrode pattern shown in FIG. 6B is formed in a fine pattern, but unlike the case where the piezoelectric body is sandwiched between the electrodes, the alignment is easy and even such a complicated electrode pattern is used. It was possible to form on the inner surface. This period was 350 microns, and the wavelength of the generated ultrasonic wave was also 350 microns.
[0059]
When used in frequency filters, etc., if the inside of the substrate is viewed with a vacuum or specific gas or liquid and the opening is closed, propagation of surface acoustic waves on the inner surface due to changes in the humidity and atmosphere of the outside air It is possible to easily prevent the output characteristics of the element from changing due to the influence of.
[0060]
Further, the diameter of the inner surface of the base material which is formed of at least a part of the spherical surface used in the spherical surface acoustic wave element of the present invention and which is continuous in an annular shape is not limited, and has a very large diameter. Even small diameters can be prepared by all means currently known.
[0061]
Furthermore, a piezoelectric material film provided at a predetermined position on the inner surface of the base material can be prepared by all currently known means, and on the piezoelectric material film or at a predetermined position on the inner surface of the base material. The provided vibration means can also be prepared by all means currently known. Here, all means that can be known at present are the ones that are independently formed in the form of comb-shaped electrodes from the conductive foil, and are pasted on the piezoelectric material film or at predetermined positions on the inner surface of the substrate. Forming on the upper surface or the inner surface of the substrate by vapor deposition, printing, sputtering, or the like.
[0062]
Note that the surface acoustic wave when the liquid is in contact may be called a leaky surface acoustic wave in order to intentionally distinguish the surface filled with liquid from the surface acoustic wave when there is no liquid. In the invention, this leaky surface acoustic wave is also called a surface acoustic wave and does not exclude the leaky surface acoustic wave.
[0063]
In addition, there is a mode called corridor wave that propagates along the inner surface of the substrate while concentrating energy on the liquid side near the boundary between the inner surface of the substrate and the liquid. However, the present invention does not exclude the case where the wave propagation called corridor wave is a sensing object.
[0064]
Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, a method of exciting and detecting an elastic wave or a surface acoustic wave is different.
A surface acoustic wave can be generated by applying an electric field to a piezoelectric material as described in detail above. However, a leakage elastic wave can also be generated and output by irradiating the material with a laser beam to cause thermal expansion. I can do it.
[0065]
As a method of applying the laser beam, an elastic wave can be excited and propagated in a direction perpendicular to the straight line by moving a linear irradiation region on the surface of the material (base material).
Further, interference fringes can be formed by causing two laser beams to interfere with each other on the surface of the material, and thereby surface acoustic waves can be generated particularly efficiently.
As a method for generating surface acoustic waves more efficiently, there is a method using scanning interference fringes (SIF). Methods for exciting surface acoustic waves using these laser beams are well known and will not be described in detail here, but embodiments of the method using SIF will be described.
[0066]
The base material including the spherical annular inner surface is made of, for example, transparent glass. The outer surface of the substrate was processed into a rectangular parallelepiped because it was easy to fix, and the two surfaces were optically polished smoothly with respect to the laser. The inner surface of the transparent glass is deposited with aluminum. Aluminum deposition may be the minimum thickness necessary to absorb and reflect the laser beam.
[0067]
A new laser beam from the laser oscillator is divided into two beams by an optical component called a beam splitter, and only one of them is changed in frequency by Δf. By making these beams interfere with the aluminum surface on the inner surface of the substrate, a scanning interference fringe is formed by the laser beam, and the aluminum surface undergoes thermal expansion with the same interference fringe distribution, so that elastic waves, particularly surface acoustic waves, are efficient. It can oscillate well and propagate surface acoustic waves on the inner surface.
[0068]
FIG. 7A is an explanatory view schematically showing the whole apparatus used for generating a surface acoustic wave on the inner surface of the substrate, and FIG. 7B is an example of this embodiment. It is explanatory drawing which represented the surface acoustic wave element of this by the cross section. FIG. 7A shows a device for generating a surface acoustic wave on the inner surface 12 of the spherical substrate 10 and detecting it. Two YAG laser beams L1 and L2 having a diameter of 3 mm are directed substantially at right angles to a predetermined range W (FIG. 7B) of the inner surface 12 of the substrate 10, and one YAG laser beam L1 is provided. On the other hand, the frequency of the other YAG laser beam L2 is shifted by 30 MHz using the Bragg cell 14g. A portion irradiated with the two laser beams L1 and L2 in the predetermined range W (FIG. 7B) on the inner surface of the base material 10 due to interference between the two laser beams L1 and L2 having different frequencies. Scanning interference fringes are formed in
[0069]
By means of mechanical adjustment means such as the first sub-rotating reflecting mirror 14d, the second sub-rotating reflecting mirror 14h, and the main rotating reflecting mirror 14e, the average gap of the interference fringes is equal to the wavelength of the surface acoustic wave. At the same time, the scanning speed of the interference fringes is made equal to the phase speed, and the phase matching between the interference fringes and the surface acoustic wave is performed. The laser beams L1, L2 have specially designed long pulses on the order of 100 ns in order to achieve a long interaction time between the interference fringes and the surface acoustic waves.
[0070]
The predetermined range W ((b) in FIG. 7) is continuous with an annular shape defined by a part of the inner peripheral surface (inner surface) of the spherical substrate 10 along the maximum circumferential line 12a. An annular region 12b is defined.
In this way, even if a comb-shaped electrode is not used, an annular surface is excited on a spherical inner surface so as to propagate a surface acoustic wave having a certain sound source width in a specific direction with a certain sound source width. It is possible to circulate within the width without spreading.
[0071]
Detection of the elastic wave excited and propagated on the inner surface can be performed optically using a knife edge method or the like. When the knife edge method is used, a finely focused laser beam is focused on a minute region of the material surface that reflects the laser on the inner surface, and a part of the reflected light is shielded by a slit or the like. The intensity of the unshielded beam is electrically converted into a signal using a photodiode or the like, and the reflected laser beam caused by the minute inclination of the inner surface caused by the surface acoustic wave propagating on the inner surface of the substrate. A surface acoustic wave can be observed as an electric signal without contact from the vibration.
[0072]
In this configuration, there is no need to form a piezoelectric material for exciting the surface acoustic wave, and since there is no patterned electrode, the piezoelectric material is excited to propagate the surface acoustic wave that goes around the inner surface of the substrate. It is obvious that it has not only an obstruction but also a feature that it can excite any frequency.
[0073]
Also in the embodiment described above, if the surface acoustic wave element of the present invention is formed in the middle of a pipe for transporting liquid as shown in FIG. 4D, the propagation speed of the surface acoustic wave is liquid. It is clear that it can be used as a liquid sensor by utilizing the fact that it changes depending on the elastic properties of the liquid, sometimes or not.
[0074]
In particular, the method using a laser does not require the formation of a surface acoustic wave generating means composed of a piezoelectric body or the like in the liquid flowing inside, and has an advantage that it can be configured, for example, as a chemically reactive liquid sensor. Have.
[0075]
Since the surface acoustic waves propagating in a band shape on the inner surface of the base material of the sphere do not affect each other even if they cross the propagation paths, a plurality of surface acoustic wave generating means can be configured on the same inner surface. This is the same when exciting a surface acoustic wave using a piezoelectric material and when exciting using a laser beam. An example is shown in FIG. In this case, the two surface acoustic wave generating means are formed so that the belt-

like circulation paths

60 and 61 of the generated surface acoustic waves intersect each other. A sensitive circulation path is configured by applying a material whose elastic property changes depending on the gas to a portion except the area of the circulation path 60.
The output by the circulation path of the circulation path 61 changes the output by the change of the gas flowing inside the base material and is also influenced by the temperature change, but the temperature change is measured from the signal change of the circulation path 60, and the output of the circulation path 61 It is possible to compose the result.
[0076]
【The invention's effect】
As is clear from the above detailed description, the spherical surface acoustic wave device according to the present invention not only can greatly improve the performance as compared with the conventional surface acoustic wave device, but also is compact, and can be liquid or gas. The sensor can be easily configured, and if the inside is sealed with a vacuum or a specific gas or liquid, a surface acoustic wave element that is stable against the external environment can be configured, and the propagation of surface acoustic waves inside the substrate is possible. Since the region is formed, handling and fixing are easy, and an electronic circuit or the like can be formed on the surface outside the substrate.
[0077]
Note that the above-mentioned advantages are common also by a method of generating surface acoustic waves using a laser beam, and in particular, processing of the substrate surface can also serve as an optical system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an example of a first embodiment of a spherical surface acoustic wave element according to the present invention. FIG. 1 (a) is a diagram of a spherical surface acoustic wave element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a schematic explanatory view, and FIG. 1B is an explanatory view showing an example of a surface acoustic wave generating means in a plan view.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a coordinate system serving as a basis of an expression used for defining a width in which a vibration means is provided at a predetermined position on the inner surface of a spherical surface acoustic wave element.
3 (a), (b), (c), and (d) are wave number parameters m (circumference length and elastic surface) calculated by an equation created using the coordinate system of FIG. The surface acoustic wave obtained by changing the ratio of the wave wavelength and the half angle of the opening (1/2 of the width for providing the vibration means) propagates on the substrate having the spherical inner surface of the spherical surface acoustic wave element. It is a figure which shows a state roughly.
4 is an explanatory diagram when configuring a liquid sensor using a spherical surface acoustic wave device according to the first embodiment of FIG. 1; FIG.
5A is an explanatory diagram of a circuit configured using the liquid sensor of FIG. 4, FIG. 5B is a diagram illustrating a pulse waveform input to the sensor, and FIG. 5C is a diagram illustrating a waveform output from the sensor. is there.
FIG. 6 is an explanatory view showing a part of an embodiment of the spherical surface acoustic wave element of the present invention.
FIG. 7A shows a laser oscillation device that can be used to derive a surface acoustic wave by using the laser used in the second embodiment, an optical system that performs the processing, and a surface acoustic wave surface. Explanatory drawing of the method to detect the generated elastic surface wave using a laser, (b) is the elastic surface which employ | adopts the method of exciting a surface acoustic wave using a laser according to 2nd Embodiment It is explanatory drawing which shows the structure of a wave element in a cross section.
FIG. 8 is an explanatory view showing a part of an embodiment of a spherical surface acoustic wave element of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Spherical surface acoustic wave element
2 ... Base material
2a ... Maximum circumference line
2b ... circular region
2c ... spherical inner surface
4... Surface acoustic wave generating means
4a ... Piezoelectric material film
4b: Vibration means
4c ... Comb electrode (upper electrode)
4d ... Comb electrode (lower electrode)
6. High frequency power supply
8 ... Support
9 ... Board
10 .... Base material
12 .... Base material inner surface
12a ... Maximum circumference line
12b ... Ring region
20 ··· Thick plate
21 ... Vapor deposition mask
22 ... Vapor deposition material
23 ... Vapor deposition heater
24... Lower electrode
25 ... Chamber
26 ... Target
27 ... DC high voltage power supply
30 ... Opening
31... Opening
40 .... Fluid sensor
41 ... circulator
42... Amplifier
43 ... Oscilloscope
44... Impulse signal generator
50 .... Base material
51... Base material inner surface
52... Surface acoustic wave generating means
60 .. Circulation path for temperature correction
61...

Claims

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内表面を有した基材と；
上記基材の内表面に設けられ、上記基材の内表面の連続する方向に向かう弾性表面波を発生する弾性表面波発生手段と；
を備えており、弾性表面波発生手段が上記内表面に沿い上記連続する方向と交差する方向に拡散せずに上記基材の内表面の連続する方向に向かうよう弾性表面波を発生させる、ことを特徴とする球状弾性表面波素子。A substrate having an inner surface formed of at least a part of a spherical surface and continuous in an annular shape;
A surface acoustic wave generating means that is provided on the inner surface of the substrate and generates a surface acoustic wave directed in a continuous direction of the inner surface of the substrate;
The surface acoustic wave generating means generates surface acoustic waves so as to be directed in a continuous direction of the inner surface of the base material without diffusing in a direction crossing the continuous direction along the inner surface. A spherical surface acoustic wave device.

上記基材は非圧電材料で形成されていて、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けられ、圧電材料膜を有すると共に圧電材料膜に電界を印可して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発生させることを特徴とする請求項１に記載の球状弾性表面波素子。The base material is formed of a non-piezoelectric material, and the surface acoustic wave generating means is provided on the inner surface of the base material, has a piezoelectric material film, and applies an electric field to the piezoelectric material film to 2. The spherical surface acoustic wave device according to claim 1, wherein surface acoustic waves are generated in a direction in which the inner surface continues.

上記基材は圧電材料で形成されていて、上記弾性表面波発生手段は、上記基材の内表面に設けられ、基材に電界を印可して上記基材の内表面の連続する方向に弾性表面波を発生させるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の球状弾性表面波素子。The base material is formed of a piezoelectric material, and the surface acoustic wave generating means is provided on the inner surface of the base material, and applies an electric field to the base material to be elastic in the continuous direction of the inner surface of the base material. 2. The spherical surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the surface acoustic wave element is formed so as to generate a surface wave.

上記電界を印可する手段は、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２または請求項３に記載の球状弾性表面波素子。4. The spherical surface acoustic wave device according to claim 2, wherein the means for applying the electric field includes a comb electrode connected to a high frequency power source.

櫛形電極の発生する弾性表面波の波長は上記球面の半径の１／１０以下であることを特徴とする請求項４に記載の球状弾性表面波素子。5. The spherical surface acoustic wave device according to claim 4, wherein the wavelength of the surface acoustic wave generated by the comb-shaped electrode is 1/10 or less of the radius of the spherical surface.

櫛型電極の、発生する弾性表面波の伝搬方向に直交する方向における電極の重なり幅は上記球面の直径の半分以下で上記半径の１／１００以上である、ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の球状弾性表面波素子。The electrode overlap width in a direction orthogonal to the propagation direction of the generated surface acoustic wave of the comb-shaped electrode is not more than half of the diameter of the spherical surface and not less than 1/100 of the radius. The spherical surface acoustic wave device according to claim 5.

上記基材はレーザービームを透過する材料で構成されるとともに、内表面の少なくとも一部に、上記レーザービームを吸収して弾性表面波を含む弾性振動を発生するレーザービーム吸収層を弾性表面波発生手段として有することを特徴とする請求項１の球状弾性表面波素子。The base material is made of a material that transmits a laser beam, and at least a part of the inner surface absorbs the laser beam and generates an elastic vibration including a surface acoustic wave to generate a surface acoustic wave. The spherical surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the surface acoustic wave device is provided as means.

上記基材の内部は、真空あるいは特定の気体または液体が満たされているか封入されていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の球状弾性表面波素子。The spherical surface acoustic wave device according to any one of claims 1 to 7, wherein the inside of the base material is filled or sealed with a vacuum or a specific gas or liquid.

上記基材は、円環状に弾性表面波が伝搬する領域によって隔てられた2つの球面領域の一方あるいは両方に、基材内部に/から流体を流入/流出することを目的とした開口をもつことを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の球状弾性表面波素子。The base material has an opening intended to allow fluid to flow into / out of the base material in one or both of the two spherical regions separated by the region where the surface acoustic wave propagates in an annular shape. The spherical surface acoustic wave device according to claim 1, wherein:

上記基材の内面側に、外部から流入される気体や液体と反応して、弾性的性質が変化する反応性材料によりなる層が形成されたことを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の球状弾性表面波素子。10. A layer made of a reactive material that changes in elastic properties by reacting with a gas or liquid flowing from the outside on the inner surface side of the substrate. The spherical surface acoustic wave device according to item.