球状弾性表面波素子
【課題】球状弾性表面波素子を加熱しながらその熱を周囲に放出する程度を計測することによって、ガスの状態の計測を行う用途において、加熱部分と温度計測を行う弾性表面波の周回領域の位置的なズレによる計測精度の低下を抑制した球状弾性表面波素子を提供する。
【解決手段】球状弾性表面波素子１０は、樽型形状の圧電性結晶基材１１と、この基材１１の弾性表面波周回径路１２上に形成されたすだれ状電極１３および加熱用配線パターン１４とを具備して構成される。
【解決手段】球状弾性表面波素子１０は、樽型形状の圧電性結晶基材１１と、この基材１１の弾性表面波周回径路１２上に形成されたすだれ状電極１３および加熱用配線パターン１４とを具備して構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗加熱による加熱機能を有する球状弾性表面波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電材料で形成されている平坦な表面を有する基材において同基材の表面上の相互に離れた２つの位置に電気音響変換素子を設けた弾性表面波素子が知られている。電気音響変換素子は通常、例えばすだれ状電極の如き高周波励起／高周波受信手段である。
【０００３】
この従来の弾性表面波素子においては、一方の電気音響変換素子に高周波電流を供給すると、この一方の電気音響変換素子が弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を基材の表面に発生させ、所定の方向に伝搬させることができる。そして、他方の電気音響変換素子は上記表面上で一方の電気音響変換素子からの弾性表面波を受信し、受信した弾性表面波に対応した高周波電流を生じさせることができる。電気音響変換素子がすだれ状電極の場合には、すだれ状電極の複数の電極枝が並んでいる方向がすだれ状電極により発生された弾性表面波が伝搬する方向となり、また上記弾性表面波を効率よく受信する方向となる。
【０００４】
なお弾性表面波とは、通常のバルク波と呼ばれる縦波や横波と異なり、物質表面にそのエネルギーの多くを集中して伝搬する弾性波である。弾性表面波としては、レーリー波、セザワ波、擬セザワ波、ラブ波等を例示することができ、異方性材料の表面にも存在し得る。
【０００５】
この球状弾性表面波素子の周回経路を伝搬する弾性表面波の周回速度や周回に要する時間は、一般には温度依存性を持つことから、その変化を計測することで高精度の温度計として使用できる。この弾性表面波の伝搬状態の変化から温度計測する方法は現在様々な用途で使用されており、ここではその説明を省略する。
【０００６】
従来の板状の弾性表面波素子は、遅延線，発振器のための発振素子及び共振素子，周波数選択フィルター，化学センサー，バイオセンサー，そしてリモートタグ等に使用されている。そして、圧電体の上面の弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離を長くとればとるほど、弾性表面波素子を利用したこれら種々の装置の精度は高まる。
【０００７】
しかしながら、このような従来の板状の弾性表面波素子においては、平坦な基体上に配置された圧電体が平坦であるために、弾性表面波励起手段が圧電体の上面に励起した弾性表面波は平坦な圧電体の上面に沿い弾性表面波検知手段に向かい伝搬される間に、その伝搬方向に対し直交する方向に拡散してしまい、そのエネルギーを失う。従って、平坦な圧電体の上面において設定可能な弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離は自ずと限界がある。
【０００８】
球状弾性表面波素子は、弾性表面波を励起させ伝搬させることができる球形状の基体の表面に、弾性表面波励起検知手段としてのすだれ状電極を載置し、基体の半径とすだれ状電極により基体の表面に励起させる弾性表面波の周波数および幅（基体の表面を弾性表面波が伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向における弾性表面波の寸法）とを所定の条件に設定することにより、すだれ状電極により基体の表面に励起された弾性表面波を、基体の表面に沿い伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく、伝搬させることができ、繰り返し周回させることができることが明らかにされている。
【０００９】
球形状の基体の表面を弾性表面波が周回する軌跡は、球形状の基体の表面において球形状の基体の最大外周線を含んでいる球面の一部が円環状に連続している領域内にあり、この領域を弾性表面波周回路と呼んでいる。このような球形状の基体を使用した球状弾性表面波素子は、弾性表面波周回路に沿い弾性表面波周回路の延出方向と交差する方向に拡散することなく弾性表面波を多数回周回させることができる（すなわち、すだれ状電極が弾性表面波を励起させてから弾性表面波周回路を周回する弾性表面波をすだれ状電極が正確に検知することができなくなるまでに弾性表面が周回する回数が多い）ので、周回数の増大に伴う弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を精密に測定することができる。
【００１０】
伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度は、球状弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化（例えば、ガス濃度の増加）の程度に対応する。従って、上述した種々の程度を測定することは球状弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化を測定することを意味する。
【００１１】
そのひとつの応用例が、流速計への応用として提案されている。
【００１２】
特許文献１には、球状弾性表面波素子の球形基材の表面、あるいはそれに接触させて加熱するヒーターが説明されている。とくに、この特許文献では、弾性表面波の周回経路の両側に抵抗加熱のための配線を実装している。球形基材を加熱しながら、周囲のガスの流れに伴って熱が奪われる現象を計測してガスの流速を計測する。この計測に用いる計測アルゴリズムは、弾性表面波素子を周回する弾性表面波の周回速度をその位相速度が一定になる温度調節をするためのヒーターの電流値を計測する方法がある。あるいはさらに単純に、一定の電流を流すことで同じ熱量が球状弾性表面波素子に印加される状態を作り、弾性表面波の周回速度の変化から素子温度を計測することで間接的に周囲のガスによって熱が奪われる量を計測するものである。
【００１３】
これらの加熱配線付球状弾性表面波素子は、球状弾性表面波素子が高精度の温度計になることが期待されているが、球形基材が大きな熱容量を有しているために高速の応答を得ることが難しかった。
【００１４】
さらに、従来の加熱配線付球状弾性表面波素子は、温度計測の対象である弾性表面波素子の周回経路とは異なる位置に加熱配線が形成されているために温度計測位置と加熱位置が異なり、最も放熱が大きくなる領域の温度が正確に計測できない可能性がある。
【００１５】
また、特許文献２には、弾性表面波素子の弾性表面波の位相速度から温度を計測するのではなく、弾性表面波の周回する伝搬路上に直接抵抗測温体を形成することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１０１４５０号公報
【特許文献２】特開２００８−０８２９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、表面に加熱用配線を有した球状弾性表面波素子は、周囲のガスの流れ等を計測する用途において、その使用が期待されているに関わらず、球形基材の大きな熱容量や、加熱用配線が弾性表面波の伝搬位置と位置的に離れていることから、応答が遅く正確な計測ができないという問題があった。
【００１８】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、球状弾性表面波素子を加熱しながらその熱を周囲に放出する程度を計測することによって、ガスの状態の計測を行う用途において、加熱部分と温度計測を行う弾性表面波の周回領域の位置的なズレによる計測精度の低下を抑制した球状弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明で使用する球形基材は、弾性表面波の周回経路に、抵抗加熱用の配線を形成することで、加熱領域と弾性表面波の伝搬領域（周回経路）とが一致した加熱配線付球状弾性表面波素子を提供する。
【００２０】
本発明の実施形態は、球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する基材と、上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、上記基材の上記表面領域に形成され外部から供給された動作用電圧により加熱制御される抵抗加熱用の配線パターンと、を具備した球状弾性表面波素子を特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、球状弾性表面波素子が抵抗加熱用配線を有して自身を加熱しながら、周囲のガスの流速などの熱の漏出の程度を弾性表面波の周回速度の変化に基づく温度計測を高速かつ正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子の要部の構成を概略的に示す斜視図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子の要部の構成を概略的に示す斜視図。
【図３】上記第２実施形態に係る球状弾性表面波素子に対して結線を行う状況を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
先ず図１を参照して本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成を説明する。なお、この実施形態では電気音響変換素子として、すだれ状電極を使用するが、すだれ状電極は球形基材の表面に実装することを前提に説明する。しかし、結晶球とは別個の基材の上にすだれ状電極を形成して、すだれ状電極を結晶球の表面に接近することでも球状弾性表面波素子として機能する。本発明においては、この構成を含めて「球形結晶球の表面にすだれ状電極を形成する」と表現するものとする。この球状弾性表面波素子の周回経路を伝搬する弾性表面波の周回速度や周回に要する時間は、一般には温度依存性を持つことから、その変化を計測することで高精度の温度計として使用できる。この弾性表面波の伝搬状態の変化から温度計測する方法は現在様々な用途で使用されており、この実施形態ではその説明を省略する。
【００２５】
本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子１０は、球形状の両極に平坦面を形成した樽型形状の基材（圧電性結晶基材）１１と、この基材１１の周回径路（弾性表面波の周回径路）１２上に形成されたすだれ状電極１３および加熱用配線パターン１４と、上記基材１１の周回径路１２を挟む両極の平坦面に形成された弾性表面波励起検出用電極取り出し部１５とを具備して構成される。基材１１の周回径路１２上に形成された加熱用配線パターン１４にはその両端間に加熱用電源１６から動作用電圧が印加される。周回径路１２は球面の一部で、且つ球面の最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域により形成される。
【００２６】
上記球状弾性表面波素子１０は、例えば水晶又はランガサイトのような三方晶系圧電性単結晶の基材１１により構成されている。この実施形態では、直径３．３ｍｍのランガサイト結晶球を使用した。球形に加工されたランガサイト材により構成された基材１１は、Ｚ軸を地軸として赤道近傍を弾性表面波の周回経路１２としている。
【００２７】
本発明に使用する結晶球は、加熱によって圧電特性が変わり難い圧電性結晶材の使用が望まれる。ランガサイト材は１０００度以上の高温でも圧電性を失うことがなく弾性表面波を励起できる。水晶は３００度以上になると相変化を起して圧電性を失うために、温度が上がり過ぎないようにする配慮が必要である。
【００２８】
本発明の実施形態に使用する圧電性結晶基材１１は、温度が変わると、弾性表面波の周回速度が変わる、温度依存性を持った圧電性結晶基材であることが求められる。たとえば水晶球を用いた球状弾性表面波素子の温度依存性は室温付近で２５ｐｐｍ／度であり、ランガサイト結晶球を使用した場合は４０ｐｐｍ／度である。温度依存性が高いほど正確に弾性表面波の周回速度から温度を計測できる。
【００２９】
基材１１の赤道に沿って弾性表面波が周回するように、すだれ状電極１３の電極枝が赤道に垂直になる方向に形成される。すだれ状電極１３の周期は励起或いは検出する弾性表面波の周波数を決定するが、この実施例では１５０ＭＨｚの弾性表面波を励起する為に１５ミクロンの周期にすだれ状電極を形成する。
【００３０】
なお、三方晶系の圧電性単結晶を用いて球形基材を作る場合にはＺ軸結晶方位を地軸とする赤道に沿って（Ｚ軸シリンダー経路と呼称される）弾性表面波の周回経路を形成できるが、例えばニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなど多くの圧電結晶でＺ軸シリンダー経路以外の経路で弾性表面波が周回することが知られており、本発明に使用する圧電性結晶基材は弾性表面波の多重周回が可能でその周回速度が温度依存性を有していればよく、赤道に沿った経路以外を除外するものではない。
【００３１】
機材１１は球形基材のＺ軸を地軸として両極を切削、研磨して樽型形状とすることにより作製される。Ｚ軸シリンダー領域（弾性表面波の周回経路）は幅０．８ｍｍにわたって球形表面を残している。加工方法は、製作した球形の水晶球を樹脂に埋め込み、樹脂ごと研磨を北極と南極側の両面について行って、その後に樹脂を溶解除去して樽型とする。
【００３２】
次に、すだれ状電極１３と加熱用配線パターン１４を周回経路１２となる予定の経路上に形成する。ここではＺ軸を中心に球形のランガサイト球を回転させながら、その周回経路に対してクロム（１０００Å）と金（５００Å）の積層薄膜を真空成膜によって形成する。
【００３３】
成膜後にフォトリソグラフィー方法に従って、すだれ状電極１３と加熱用配線パターン１３を形成する。すだれ状電極１３および加熱用配線パターン１４はそれぞれ２つの電極取り出し部を有している。しかし、両者いずれかの配線を例えばアース線として一本の電極取り出しにしても構わない。
【００３４】
すだれ状電極部分は、金とクロムのエッチング液を使用してパターン形成されたレジストパターンの上から両金属薄膜のエッチングを行ってすだれ状電極パターンを形成する。一方、上記加熱用配線パターンについては、抵抗加熱を行うために高い抵抗値をもたせることが必要であり、金膜層のエッチングを行ってクロム膜のみの抵抗加熱用配線とすることができる。
【００３５】
この実施形態においては、すだれ状電極の形成と加熱用配線パターン（抵抗加熱方式）の形成を一度の金属膜形成によって実施することが可能で素子製造が安価に効率よくできるメリットを有している。この実施形態では、すだれ状電極を単一に形成して弾性表面波の励起と検出を行っているが、弾性表面波の励起（送信）用と受信用に別個に製作することもできる。
【００３６】
このように、弾性表面波の周回経路と加熱配線を同一領域に形成する加熱配線付球状弾性表面波素子は容易に作製が可能で、且つ、弾性表面波の伝搬経路と、加熱部分が同じ領域に存在するために、周回経路が加熱されるタイミングと加熱された周回経路から熱が周囲のガスに奪われるタイミングは一致することから、周囲のガスに熱を奪われる速度など周囲のガスの状態の変化を正確且つ高速に計測することが可能である。
【００３７】
この実施形態では、円環状の弾性表面波周回経路以外の領域を研磨や削除によって取り除いているために、圧電性結晶球の比熱も小さく、より高速に加熱や冷却が行われ、もって周囲のガスとの熱の送受が圧電性結晶基材の温度に正確に反映する。圧電性結晶基材１１の温度は弾性表面波の周回速度が温度に従って変更することから計測できる。つまり、周囲のガスの状況をより正確且つ高速に計測できる。
【００３８】
また、円環状の弾性表面波周回経路以外の領域を研磨や削除により取り除いて形成した円環状の表面領域に、加熱用配線パターン１４を形成することで、加熱用配線パターン１４と弾性表面波の周回経路１２が一致し、切削により形成された平坦面上で加熱用電源の配線（結線）を行うことで、加熱用電源１６の加熱用配線パターン１４への結線も容易に行える等の加工上のメリットを有している。
【００３９】
なお、加熱用配線パターン１４は、図１に示すような単純な形状でもよいし、波形等の模様形状であってもよい。上述した特許文献１の図２に展開されているように蛇行形状に形成することで抵抗値の増大と発熱分布の均一化やその分布の制御を可能にすることもできる。しかし、加熱用配線パターンが厚いと、場合によっては弾性表面波の伝搬減衰が大きくなり、大きな周回数を得ることが難しく、また、膜厚が変化していると伝搬減衰が大きくなる。さらに、パターン化することで弾性表面波はパターンのある領域とない領域で反射し伝搬減衰を起すことから複雑なパターンを形成することには困難が伴う。
【００４０】
本発明は上記加熱用配線の膜厚について特に制限はしない。圧電性結晶の表面に導体膜、あるいは半導体膜が形成されている場合の、弾性表面波の伝搬現象については現在の弾性学によって解明されており、適宜設計すればよい。
【００４１】
本発明は、加熱した球状弾性表面波素子の熱放射の応答を高める効果があることは明らかで、その効果は、熱放射の速度を利用する他の用途についても同様の応答速度の向上が得られることが期待される。
【００４２】
次に図２を参照して本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成を説明する。この第２実施例では、第１の実施例で示した球状弾性表面波素子よりもさらに熱容量を小さくした加熱配線付球状弾性表面波素子について説明する。貫通孔Ｈがあることを除けは第１の実施形態と同じである。
【００４３】
この第２実施形態に係る球状弾性表面波素子は、上記第１実施形態で示した球状弾性表面波素子よりもさらに熱容量を小さくした加熱機能付球状弾性表面波素子を実現できる。
【００４４】
本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子２０は、貫通孔Ｈを有する樽型形状の基材（圧電性結晶基材）２１と、この基材２１の周回径路（弾性表面波の周回径路）２２上に形成されたすだれ状電極２３、および加熱用配線パターン２４と、基材２１の平坦面に形成された弾性表面波励起検出用電極取り出し部２５、および一対の加熱配線結線部２６，２６とを具備して構成される。一対の加熱配線結線部２６，２６には上記平坦面上で加熱用配線パターン２４の両端電極が回路結合されるとともに加熱用電源２７から動作用電圧が印加される。
【００４５】
球状弾性表面波素子２０を構成する結晶球は直径３．３ｍｍのランガサイト球であって、Ｚ軸シリンダー経路近傍を０．７ｍｍの厚さを残して平面部を両極に形成し、さらに、地軸に沿って貫通させている。貫通孔Ｈの直径Ｄは２ｍｍである。
【００４６】
貫通させる孔の大きさ（貫通孔Ｈの孔径Ｄ）は大きい方が、より結晶基材の熱容量を小さくすることができるが、孔径を大きくすると結晶基材そのものの剛性が弱くなり、加熱用の電力供給用の結線プロセスや、すだれ状電極２３との結線プロセスで結晶基材に圧力が掛かる方法であると結晶基材そのものの破壊に繋がる。さらに、弾性表面波の波長に比較して、例えば２０倍以上の厚さが弾性表面波の周回経路幅に亘ってないと、弾性表面波の伝搬自体を阻害することから問題が生じる。
【００４７】
本実施形態では、１５０ＭＨｚの結晶中の代表的な波長は約１５ミクロンであり、３００ミクロンの幅を残すために、３３００マイクロメートル−（３００マイクロメートル×２）＝２６００マイクロメートル、により、２６００マイクロメートル以上の直径を持った貫通孔を空けることは、弾性表面波素子として動作しなくなる。周回経路１２の肉厚を薄くする限度については、弾性表面波の周波数や伝搬モード、結晶材料についても考慮して弾性表面波が伝搬可能な大きさに選べばよい。
【００４８】
平坦面部に電極取り出し部分を位置させることは次のような利点がある。つまり、図３に示すように、プリント配線板への実装や、超音波結線器を用いて結線する際に、平面のテーブルに基材を設置して上方から圧力や超音波振動を印加でき、これにより基材にかかる圧力や超音波振動が結晶材を破壊する不具合を回避して歩留まりを向上できる。
【００４９】
なお実施形態では、加熱用配線パターン２４を円環状に延出している表面領域（弾性表面波の周回径路２２上）に形成した例を示したが、上記表面領域を挟んで形成された平坦面領域に形成してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０…球状弾性表面波素子、１１，２１…基材（圧電性結晶基材）、１２，２２…周回径路（弾性表面波の周回径路）、１３，２３…すだれ状電極、１４，２４…加熱用配線パターン、１５，２５…弾性表面波励起検出用電極取り出し部、１６，２７…加熱用電源、２７…加熱配線結線部、Ｈ…貫通孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗加熱による加熱機能を有する球状弾性表面波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電材料で形成されている平坦な表面を有する基材において同基材の表面上の相互に離れた２つの位置に電気音響変換素子を設けた弾性表面波素子が知られている。電気音響変換素子は通常、例えばすだれ状電極の如き高周波励起／高周波受信手段である。
【０００３】
この従来の弾性表面波素子においては、一方の電気音響変換素子に高周波電流を供給すると、この一方の電気音響変換素子が弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を基材の表面に発生させ、所定の方向に伝搬させることができる。そして、他方の電気音響変換素子は上記表面上で一方の電気音響変換素子からの弾性表面波を受信し、受信した弾性表面波に対応した高周波電流を生じさせることができる。電気音響変換素子がすだれ状電極の場合には、すだれ状電極の複数の電極枝が並んでいる方向がすだれ状電極により発生された弾性表面波が伝搬する方向となり、また上記弾性表面波を効率よく受信する方向となる。
【０００４】
なお弾性表面波とは、通常のバルク波と呼ばれる縦波や横波と異なり、物質表面にそのエネルギーの多くを集中して伝搬する弾性波である。弾性表面波としては、レーリー波、セザワ波、擬セザワ波、ラブ波等を例示することができ、異方性材料の表面にも存在し得る。
【０００５】
この球状弾性表面波素子の周回経路を伝搬する弾性表面波の周回速度や周回に要する時間は、一般には温度依存性を持つことから、その変化を計測することで高精度の温度計として使用できる。この弾性表面波の伝搬状態の変化から温度計測する方法は現在様々な用途で使用されており、ここではその説明を省略する。
【０００６】
従来の板状の弾性表面波素子は、遅延線，発振器のための発振素子及び共振素子，周波数選択フィルター，化学センサー，バイオセンサー，そしてリモートタグ等に使用されている。そして、圧電体の上面の弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離を長くとればとるほど、弾性表面波素子を利用したこれら種々の装置の精度は高まる。
【０００７】
しかしながら、このような従来の板状の弾性表面波素子においては、平坦な基体上に配置された圧電体が平坦であるために、弾性表面波励起手段が圧電体の上面に励起した弾性表面波は平坦な圧電体の上面に沿い弾性表面波検知手段に向かい伝搬される間に、その伝搬方向に対し直交する方向に拡散してしまい、そのエネルギーを失う。従って、平坦な圧電体の上面において設定可能な弾性表面波励起手段と弾性表面波検知手段との間の距離は自ずと限界がある。
【０００８】
球状弾性表面波素子は、弾性表面波を励起させ伝搬させることができる球形状の基体の表面に、弾性表面波励起検知手段としてのすだれ状電極を載置し、基体の半径とすだれ状電極により基体の表面に励起させる弾性表面波の周波数および幅（基体の表面を弾性表面波が伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向における弾性表面波の寸法）とを所定の条件に設定することにより、すだれ状電極により基体の表面に励起された弾性表面波を、基体の表面に沿い伝搬する方向に対し基体の表面に沿い直交する方向に無限に拡散させることなく、伝搬させることができ、繰り返し周回させることができることが明らかにされている。
【０００９】
球形状の基体の表面を弾性表面波が周回する軌跡は、球形状の基体の表面において球形状の基体の最大外周線を含んでいる球面の一部が円環状に連続している領域内にあり、この領域を弾性表面波周回路と呼んでいる。このような球形状の基体を使用した球状弾性表面波素子は、弾性表面波周回路に沿い弾性表面波周回路の延出方向と交差する方向に拡散することなく弾性表面波を多数回周回させることができる（すなわち、すだれ状電極が弾性表面波を励起させてから弾性表面波周回路を周回する弾性表面波をすだれ状電極が正確に検知することができなくなるまでに弾性表面が周回する回数が多い）ので、周回数の増大に伴う弾性表面波の伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度を精密に測定することができる。
【００１０】
伝搬速度の減速の程度や弾性表面波の位相の遅れの程度や弾性表面波の強度の減少の程度は、球状弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化（例えば、ガス濃度の増加）の程度に対応する。従って、上述した種々の程度を測定することは球状弾性表面波素子の弾性表面波周回路が接している環境の変化を測定することを意味する。
【００１１】
そのひとつの応用例が、流速計への応用として提案されている。
【００１２】
特許文献１には、球状弾性表面波素子の球形基材の表面、あるいはそれに接触させて加熱するヒーターが説明されている。とくに、この特許文献では、弾性表面波の周回経路の両側に抵抗加熱のための配線を実装している。球形基材を加熱しながら、周囲のガスの流れに伴って熱が奪われる現象を計測してガスの流速を計測する。この計測に用いる計測アルゴリズムは、弾性表面波素子を周回する弾性表面波の周回速度をその位相速度が一定になる温度調節をするためのヒーターの電流値を計測する方法がある。あるいはさらに単純に、一定の電流を流すことで同じ熱量が球状弾性表面波素子に印加される状態を作り、弾性表面波の周回速度の変化から素子温度を計測することで間接的に周囲のガスによって熱が奪われる量を計測するものである。
【００１３】
これらの加熱配線付球状弾性表面波素子は、球状弾性表面波素子が高精度の温度計になることが期待されているが、球形基材が大きな熱容量を有しているために高速の応答を得ることが難しかった。
【００１４】
さらに、従来の加熱配線付球状弾性表面波素子は、温度計測の対象である弾性表面波素子の周回経路とは異なる位置に加熱配線が形成されているために温度計測位置と加熱位置が異なり、最も放熱が大きくなる領域の温度が正確に計測できない可能性がある。
【００１５】
また、特許文献２には、弾性表面波素子の弾性表面波の位相速度から温度を計測するのではなく、弾性表面波の周回する伝搬路上に直接抵抗測温体を形成することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−１０１４５０号公報
【特許文献２】特開２００８−０８２９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、表面に加熱用配線を有した球状弾性表面波素子は、周囲のガスの流れ等を計測する用途において、その使用が期待されているに関わらず、球形基材の大きな熱容量や、加熱用配線が弾性表面波の伝搬位置と位置的に離れていることから、応答が遅く正確な計測ができないという問題があった。
【００１８】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、球状弾性表面波素子を加熱しながらその熱を周囲に放出する程度を計測することによって、ガスの状態の計測を行う用途において、加熱部分と温度計測を行う弾性表面波の周回領域の位置的なズレによる計測精度の低下を抑制した球状弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明で使用する球形基材は、弾性表面波の周回経路に、抵抗加熱用の配線を形成することで、加熱領域と弾性表面波の伝搬領域（周回経路）とが一致した加熱配線付球状弾性表面波素子を提供する。
【００２０】
本発明の実施形態は、球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環上に延出している表面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する基材と、上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、上記基材の上記表面領域に形成され外部から供給された動作用電圧により加熱制御される抵抗加熱用の配線パターンと、を具備した球状弾性表面波素子を特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、球状弾性表面波素子が抵抗加熱用配線を有して自身を加熱しながら、周囲のガスの流速などの熱の漏出の程度を弾性表面波の周回速度の変化に基づく温度計測を高速かつ正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子の要部の構成を概略的に示す斜視図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子の要部の構成を概略的に示す斜視図。
【図３】上記第２実施形態に係る球状弾性表面波素子に対して結線を行う状況を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
先ず図１を参照して本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成を説明する。なお、この実施形態では電気音響変換素子として、すだれ状電極を使用するが、すだれ状電極は球形基材の表面に実装することを前提に説明する。しかし、結晶球とは別個の基材の上にすだれ状電極を形成して、すだれ状電極を結晶球の表面に接近することでも球状弾性表面波素子として機能する。本発明においては、この構成を含めて「球形結晶球の表面にすだれ状電極を形成する」と表現するものとする。この球状弾性表面波素子の周回経路を伝搬する弾性表面波の周回速度や周回に要する時間は、一般には温度依存性を持つことから、その変化を計測することで高精度の温度計として使用できる。この弾性表面波の伝搬状態の変化から温度計測する方法は現在様々な用途で使用されており、この実施形態ではその説明を省略する。
【００２５】
本発明の第１実施形態に係る球状弾性表面波素子１０は、球形状の両極に平坦面を形成した樽型形状の基材（圧電性結晶基材）１１と、この基材１１の周回径路（弾性表面波の周回径路）１２上に形成されたすだれ状電極１３および加熱用配線パターン１４と、上記基材１１の周回径路１２を挟む両極の平坦面に形成された弾性表面波励起検出用電極取り出し部１５とを具備して構成される。基材１１の周回径路１２上に形成された加熱用配線パターン１４にはその両端間に加熱用電源１６から動作用電圧が印加される。周回径路１２は球面の一部で、且つ球面の最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域により形成される。
【００２６】
上記球状弾性表面波素子１０は、例えば水晶又はランガサイトのような三方晶系圧電性単結晶の基材１１により構成されている。この実施形態では、直径３．３ｍｍのランガサイト結晶球を使用した。球形に加工されたランガサイト材により構成された基材１１は、Ｚ軸を地軸として赤道近傍を弾性表面波の周回経路１２としている。
【００２７】
本発明に使用する結晶球は、加熱によって圧電特性が変わり難い圧電性結晶材の使用が望まれる。ランガサイト材は１０００度以上の高温でも圧電性を失うことがなく弾性表面波を励起できる。水晶は３００度以上になると相変化を起して圧電性を失うために、温度が上がり過ぎないようにする配慮が必要である。
【００２８】
本発明の実施形態に使用する圧電性結晶基材１１は、温度が変わると、弾性表面波の周回速度が変わる、温度依存性を持った圧電性結晶基材であることが求められる。たとえば水晶球を用いた球状弾性表面波素子の温度依存性は室温付近で２５ｐｐｍ／度であり、ランガサイト結晶球を使用した場合は４０ｐｐｍ／度である。温度依存性が高いほど正確に弾性表面波の周回速度から温度を計測できる。
【００２９】
基材１１の赤道に沿って弾性表面波が周回するように、すだれ状電極１３の電極枝が赤道に垂直になる方向に形成される。すだれ状電極１３の周期は励起或いは検出する弾性表面波の周波数を決定するが、この実施例では１５０ＭＨｚの弾性表面波を励起する為に１５ミクロンの周期にすだれ状電極を形成する。
【００３０】
なお、三方晶系の圧電性単結晶を用いて球形基材を作る場合にはＺ軸結晶方位を地軸とする赤道に沿って（Ｚ軸シリンダー経路と呼称される）弾性表面波の周回経路を形成できるが、例えばニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなど多くの圧電結晶でＺ軸シリンダー経路以外の経路で弾性表面波が周回することが知られており、本発明に使用する圧電性結晶基材は弾性表面波の多重周回が可能でその周回速度が温度依存性を有していればよく、赤道に沿った経路以外を除外するものではない。
【００３１】
機材１１は球形基材のＺ軸を地軸として両極を切削、研磨して樽型形状とすることにより作製される。Ｚ軸シリンダー領域（弾性表面波の周回経路）は幅０．８ｍｍにわたって球形表面を残している。加工方法は、製作した球形の水晶球を樹脂に埋め込み、樹脂ごと研磨を北極と南極側の両面について行って、その後に樹脂を溶解除去して樽型とする。
【００３２】
次に、すだれ状電極１３と加熱用配線パターン１４を周回経路１２となる予定の経路上に形成する。ここではＺ軸を中心に球形のランガサイト球を回転させながら、その周回経路に対してクロム（１０００Å）と金（５００Å）の積層薄膜を真空成膜によって形成する。
【００３３】
成膜後にフォトリソグラフィー方法に従って、すだれ状電極１３と加熱用配線パターン１３を形成する。すだれ状電極１３および加熱用配線パターン１４はそれぞれ２つの電極取り出し部を有している。しかし、両者いずれかの配線を例えばアース線として一本の電極取り出しにしても構わない。
【００３４】
すだれ状電極部分は、金とクロムのエッチング液を使用してパターン形成されたレジストパターンの上から両金属薄膜のエッチングを行ってすだれ状電極パターンを形成する。一方、上記加熱用配線パターンについては、抵抗加熱を行うために高い抵抗値をもたせることが必要であり、金膜層のエッチングを行ってクロム膜のみの抵抗加熱用配線とすることができる。
【００３５】
この実施形態においては、すだれ状電極の形成と加熱用配線パターン（抵抗加熱方式）の形成を一度の金属膜形成によって実施することが可能で素子製造が安価に効率よくできるメリットを有している。この実施形態では、すだれ状電極を単一に形成して弾性表面波の励起と検出を行っているが、弾性表面波の励起（送信）用と受信用に別個に製作することもできる。
【００３６】
このように、弾性表面波の周回経路と加熱配線を同一領域に形成する加熱配線付球状弾性表面波素子は容易に作製が可能で、且つ、弾性表面波の伝搬経路と、加熱部分が同じ領域に存在するために、周回経路が加熱されるタイミングと加熱された周回経路から熱が周囲のガスに奪われるタイミングは一致することから、周囲のガスに熱を奪われる速度など周囲のガスの状態の変化を正確且つ高速に計測することが可能である。
【００３７】
この実施形態では、円環状の弾性表面波周回経路以外の領域を研磨や削除によって取り除いているために、圧電性結晶球の比熱も小さく、より高速に加熱や冷却が行われ、もって周囲のガスとの熱の送受が圧電性結晶基材の温度に正確に反映する。圧電性結晶基材１１の温度は弾性表面波の周回速度が温度に従って変更することから計測できる。つまり、周囲のガスの状況をより正確且つ高速に計測できる。
【００３８】
また、円環状の弾性表面波周回経路以外の領域を研磨や削除により取り除いて形成した円環状の表面領域に、加熱用配線パターン１４を形成することで、加熱用配線パターン１４と弾性表面波の周回経路１２が一致し、切削により形成された平坦面上で加熱用電源の配線（結線）を行うことで、加熱用電源１６の加熱用配線パターン１４への結線も容易に行える等の加工上のメリットを有している。
【００３９】
なお、加熱用配線パターン１４は、図１に示すような単純な形状でもよいし、波形等の模様形状であってもよい。上述した特許文献１の図２に展開されているように蛇行形状に形成することで抵抗値の増大と発熱分布の均一化やその分布の制御を可能にすることもできる。しかし、加熱用配線パターンが厚いと、場合によっては弾性表面波の伝搬減衰が大きくなり、大きな周回数を得ることが難しく、また、膜厚が変化していると伝搬減衰が大きくなる。さらに、パターン化することで弾性表面波はパターンのある領域とない領域で反射し伝搬減衰を起すことから複雑なパターンを形成することには困難が伴う。
【００４０】
本発明は上記加熱用配線の膜厚について特に制限はしない。圧電性結晶の表面に導体膜、あるいは半導体膜が形成されている場合の、弾性表面波の伝搬現象については現在の弾性学によって解明されており、適宜設計すればよい。
【００４１】
本発明は、加熱した球状弾性表面波素子の熱放射の応答を高める効果があることは明らかで、その効果は、熱放射の速度を利用する他の用途についても同様の応答速度の向上が得られることが期待される。
【００４２】
次に図２を参照して本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子の構成を説明する。この第２実施例では、第１の実施例で示した球状弾性表面波素子よりもさらに熱容量を小さくした加熱配線付球状弾性表面波素子について説明する。貫通孔Ｈがあることを除けは第１の実施形態と同じである。
【００４３】
この第２実施形態に係る球状弾性表面波素子は、上記第１実施形態で示した球状弾性表面波素子よりもさらに熱容量を小さくした加熱機能付球状弾性表面波素子を実現できる。
【００４４】
本発明の第２実施形態に係る球状弾性表面波素子２０は、貫通孔Ｈを有する樽型形状の基材（圧電性結晶基材）２１と、この基材２１の周回径路（弾性表面波の周回径路）２２上に形成されたすだれ状電極２３、および加熱用配線パターン２４と、基材２１の平坦面に形成された弾性表面波励起検出用電極取り出し部２５、および一対の加熱配線結線部２６，２６とを具備して構成される。一対の加熱配線結線部２６，２６には上記平坦面上で加熱用配線パターン２４の両端電極が回路結合されるとともに加熱用電源２７から動作用電圧が印加される。
【００４５】
球状弾性表面波素子２０を構成する結晶球は直径３．３ｍｍのランガサイト球であって、Ｚ軸シリンダー経路近傍を０．７ｍｍの厚さを残して平面部を両極に形成し、さらに、地軸に沿って貫通させている。貫通孔Ｈの直径Ｄは２ｍｍである。
【００４６】
貫通させる孔の大きさ（貫通孔Ｈの孔径Ｄ）は大きい方が、より結晶基材の熱容量を小さくすることができるが、孔径を大きくすると結晶基材そのものの剛性が弱くなり、加熱用の電力供給用の結線プロセスや、すだれ状電極２３との結線プロセスで結晶基材に圧力が掛かる方法であると結晶基材そのものの破壊に繋がる。さらに、弾性表面波の波長に比較して、例えば２０倍以上の厚さが弾性表面波の周回経路幅に亘ってないと、弾性表面波の伝搬自体を阻害することから問題が生じる。
【００４７】
本実施形態では、１５０ＭＨｚの結晶中の代表的な波長は約１５ミクロンであり、３００ミクロンの幅を残すために、３３００マイクロメートル−（３００マイクロメートル×２）＝２６００マイクロメートル、により、２６００マイクロメートル以上の直径を持った貫通孔を空けることは、弾性表面波素子として動作しなくなる。周回経路１２の肉厚を薄くする限度については、弾性表面波の周波数や伝搬モード、結晶材料についても考慮して弾性表面波が伝搬可能な大きさに選べばよい。
【００４８】
平坦面部に電極取り出し部分を位置させることは次のような利点がある。つまり、図３に示すように、プリント配線板への実装や、超音波結線器を用いて結線する際に、平面のテーブルに基材を設置して上方から圧力や超音波振動を印加でき、これにより基材にかかる圧力や超音波振動が結晶材を破壊する不具合を回避して歩留まりを向上できる。
【００４９】
なお実施形態では、加熱用配線パターン２４を円環状に延出している表面領域（弾性表面波の周回径路２２上）に形成した例を示したが、上記表面領域を挟んで形成された平坦面領域に形成してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０…球状弾性表面波素子、１１，２１…基材（圧電性結晶基材）、１２，２２…周回径路（弾性表面波の周回径路）、１３，２３…すだれ状電極、１４，２４…加熱用配線パターン、１５，２５…弾性表面波励起検出用電極取り出し部、１６，２７…加熱用電源、２７…加熱配線結線部、Ｈ…貫通孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する基材と、
上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、
上記基材の上記表面領域に形成され外部から供給された動作用電圧により加熱制御される抵抗加熱用の配線パターンと、
を具備したことを特徴とする球状弾性表面波素子。
【請求項２】
上記基材は、上記表面領域を挟む上記球面の両極に平坦面領域を有し、上記平坦面領域に弾性表面波励起検出用電極取り出し部を形成し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。
【請求項３】
上記基材は、上記表面領域を挟む上記球面の両極間に貫通された貫通孔を有することを特徴とする請求項１または２に記載の球状弾性表面波素子。
【請求項１】
球面の一部で形成され上記球面の最大径の外周線を含み円環状に延出している表面領域を有して形成され、上記表面領域に上記表面領域の円環状の延出方向に沿い励起された弾性表面波が上記外周線に沿い周回する基材と、
上記基材の上記表面領域に形成され上記表面領域の円環状の延出方向に沿い弾性表面波を励起させる電気音響変換素子と、
上記基材の上記表面領域に形成され外部から供給された動作用電圧により加熱制御される抵抗加熱用の配線パターンと、
を具備したことを特徴とする球状弾性表面波素子。
【請求項２】
上記基材は、上記表面領域を挟む上記球面の両極に平坦面領域を有し、上記平坦面領域に弾性表面波励起検出用電極取り出し部を形成し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。
【請求項３】
上記基材は、上記表面領域を挟む上記球面の両極間に貫通された貫通孔を有することを特徴とする請求項１または２に記載の球状弾性表面波素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−７５００４（Ｐ２０１２−７５００４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１９２８９（Ｐ２０１０−２１９２８９）
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２９日（２０１０．９．２９）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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