JPH07318542A - 超音波ガスセンサ - Google Patents
超音波ガスセンサInfo
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- JPH07318542A JPH07318542A JP6133767A JP13376794A JPH07318542A JP H07318542 A JPH07318542 A JP H07318542A JP 6133767 A JP6133767 A JP 6133767A JP 13376794 A JP13376794 A JP 13376794A JP H07318542 A JPH07318542 A JP H07318542A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 すだれ状電極を備えた圧電薄板を非圧電基板
の一方の板面Ｆ１に設け、非圧電基板のもう一方の板面
Ｆ２に感応膜を備え、その感応膜が吸着したガスを定性
または定量する超音波ガスセンサを提供する。 【構成】 すだれ状電極Ｔに電気信号を入力するとその
電気信号の周波数のうちすだれ状電極Ｔに対応する中心
周波数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波
に変換されて圧電磁器薄板１を伝搬する。この弾性表面
波はアクリル板２中にバルク波として漏洩され、アクリ
ル板２と空気との界面において反射され、再びすだれ状
電極Ｒから電気信号として出力される。感応膜３が目的
のガスを吸着すると、すだれ状電極Ｒで出力される電気
信号が変化する。 【効果】 液体が感知するガスの検出感度が高く、装置
も小型軽量である。
の一方の板面Ｆ１に設け、非圧電基板のもう一方の板面
Ｆ２に感応膜を備え、その感応膜が吸着したガスを定性
または定量する超音波ガスセンサを提供する。 【構成】 すだれ状電極Ｔに電気信号を入力するとその
電気信号の周波数のうちすだれ状電極Ｔに対応する中心
周波数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波
に変換されて圧電磁器薄板１を伝搬する。この弾性表面
波はアクリル板２中にバルク波として漏洩され、アクリ
ル板２と空気との界面において反射され、再びすだれ状
電極Ｒから電気信号として出力される。感応膜３が目的
のガスを吸着すると、すだれ状電極Ｒで出力される電気
信号が変化する。 【効果】 液体が感知するガスの検出感度が高く、装置
も小型軽量である。
Description
【産業上の利用分野】本発明はすだれ状電極を備えた圧
電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設け、前記非圧
電基板のもう一方の板面Ｆ２に感応膜を備えることによ
り該感応膜に吸着したガスを定性または定量する超音波
ガスセンサに関する。
電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設け、前記非圧
電基板のもう一方の板面Ｆ２に感応膜を備えることによ
り該感応膜に吸着したガスを定性または定量する超音波
ガスセンサに関する。
【従来の技術】食品、化粧品および環境試験等の分野に
おける従来の臭気の評価方法としては、人間の嗅覚を利
用した官能試験法や機器分析による方法が主に挙げられ
る。官能試験法は感受性の個人差の問題や、生理的およ
び心理的影響により識別能力が変化する等の問題を有し
ており、客観性に乏しく信頼性に欠ける。機器分析によ
る方法としてはガスクロマトグラフ法および吸光光度法
等が挙げられるが、これらの方法は測定結果と感覚量が
必ずしも一致しないという問題点を有する。その他の方
法として、水晶振動子センサによる評価法等が挙げられ
る。これは、ガス感応膜を塗布した水晶振動子にガス分
子が吸着すると周波数が変化するということを利用した
ものである。この水晶振動子センサは水晶振動子に固有
の周波数が存在すること等から、製造技術、量産技術、
耐久性、感度、再現性等に問題を有している。このよう
にして、従来の臭気の評価方法では、客観性に乏しく信
頼性に欠けること、測定結果と感覚量が必ずしも一致し
ないこと、感度、再現性、製造技術および量産技術など
に問題を有していた。
おける従来の臭気の評価方法としては、人間の嗅覚を利
用した官能試験法や機器分析による方法が主に挙げられ
る。官能試験法は感受性の個人差の問題や、生理的およ
び心理的影響により識別能力が変化する等の問題を有し
ており、客観性に乏しく信頼性に欠ける。機器分析によ
る方法としてはガスクロマトグラフ法および吸光光度法
等が挙げられるが、これらの方法は測定結果と感覚量が
必ずしも一致しないという問題点を有する。その他の方
法として、水晶振動子センサによる評価法等が挙げられ
る。これは、ガス感応膜を塗布した水晶振動子にガス分
子が吸着すると周波数が変化するということを利用した
ものである。この水晶振動子センサは水晶振動子に固有
の周波数が存在すること等から、製造技術、量産技術、
耐久性、感度、再現性等に問題を有している。このよう
にして、従来の臭気の評価方法では、客観性に乏しく信
頼性に欠けること、測定結果と感覚量が必ずしも一致し
ないこと、感度、再現性、製造技術および量産技術など
に問題を有していた。
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、小型
軽量で、検出感度が高く、再現性に優れ、測定精度およ
び高速応答に優れ、測定方法が容易で、低消費電力駆動
で、加工性や量産性に優れた超音波ガスセンサを提供す
ることにある。
軽量で、検出感度が高く、再現性に優れ、測定精度およ
び高速応答に優れ、測定方法が容易で、低消費電力駆動
で、加工性や量産性に優れた超音波ガスセンサを提供す
ることにある。
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
ガスセンサは、少なくとも２組のすだれ状電極Ｔおよび
Ｒを備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設
け、前記非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２に感応膜を備
え、該感応膜に吸着されたガスを定性または定量するガ
ス感知手段を備えた超音波ガスセンサであって、前記圧
電薄板の厚さは前記すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期
長以下であり、前記ガス感知手段は、前記すだれ状電極
Ｔに電気信号を入力して前記非圧電基板と前記圧電薄板
との界面に弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非
圧電基板中にバルク波としてモード変換させ、該バルク
波を前記板面Ｆ２によって反射させ、その反射させた前
記バルク波を前記すだれ状電極Ｒから電気信号として出
力させる手段を含み、前記すだれ状電極ＴおよびＲの電
極周期長は前記弾性表面波の波長にほぼ等しく、前記界
面に励振され、前記非圧電基板中にバルク波としてモー
ド変換される前記弾性表面波の位相速度は前記非圧電基
板単体における横波の速度よりも大きいことを特徴とす
る。請求項２に記載の超音波ガスセンサは、前記すだれ
状電極Ｒの出力端が増幅器を介して前記すだれ状電極Ｔ
の入力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｔから前
記すだれ状電極Ｒに至る間の前記非圧電基板における弾
性表面波の伝搬路を遅延素子とする発振器が構成されて
いて、前記発振器の信号ループは前記すだれ状電極Ｔ
と、前記弾性表面波の伝搬路と、前記すだれ状電極Ｒ
と、前記増幅器とから成ることを特徴とする。請求項３
に記載の超音波ガスセンサは、前記すだれ状電極Ｔおよ
びＲが円弧状を成すことを特徴とする。請求項４に記載
の超音波ガスセンサは、前記非圧電基板がアクリル板で
成り、前記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セ
ラミックの分極軸の方向は該圧電セラミックにおけるす
だれ状電極を有する板面と垂直であることを特徴とす
る。請求項５に記載の超音波ガスセンサは、前記非圧電
基板がアクリル板で成り、前記圧電薄板がＬｉＮｂＯ3
その他の単結晶で成ることを特徴とする。請求項６に記
載の超音波ガスセンサは、前記感応膜がリン脂質膜、セ
ルロース膜またはその他の高分子薄膜で成ることを特徴
とする。
ガスセンサは、少なくとも２組のすだれ状電極Ｔおよび
Ｒを備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設
け、前記非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２に感応膜を備
え、該感応膜に吸着されたガスを定性または定量するガ
ス感知手段を備えた超音波ガスセンサであって、前記圧
電薄板の厚さは前記すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期
長以下であり、前記ガス感知手段は、前記すだれ状電極
Ｔに電気信号を入力して前記非圧電基板と前記圧電薄板
との界面に弾性表面波を励振し、該弾性表面波を前記非
圧電基板中にバルク波としてモード変換させ、該バルク
波を前記板面Ｆ２によって反射させ、その反射させた前
記バルク波を前記すだれ状電極Ｒから電気信号として出
力させる手段を含み、前記すだれ状電極ＴおよびＲの電
極周期長は前記弾性表面波の波長にほぼ等しく、前記界
面に励振され、前記非圧電基板中にバルク波としてモー
ド変換される前記弾性表面波の位相速度は前記非圧電基
板単体における横波の速度よりも大きいことを特徴とす
る。請求項２に記載の超音波ガスセンサは、前記すだれ
状電極Ｒの出力端が増幅器を介して前記すだれ状電極Ｔ
の入力端に接続されており、前記すだれ状電極Ｔから前
記すだれ状電極Ｒに至る間の前記非圧電基板における弾
性表面波の伝搬路を遅延素子とする発振器が構成されて
いて、前記発振器の信号ループは前記すだれ状電極Ｔ
と、前記弾性表面波の伝搬路と、前記すだれ状電極Ｒ
と、前記増幅器とから成ることを特徴とする。請求項３
に記載の超音波ガスセンサは、前記すだれ状電極Ｔおよ
びＲが円弧状を成すことを特徴とする。請求項４に記載
の超音波ガスセンサは、前記非圧電基板がアクリル板で
成り、前記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セ
ラミックの分極軸の方向は該圧電セラミックにおけるす
だれ状電極を有する板面と垂直であることを特徴とす
る。請求項５に記載の超音波ガスセンサは、前記非圧電
基板がアクリル板で成り、前記圧電薄板がＬｉＮｂＯ3
その他の単結晶で成ることを特徴とする。請求項６に記
載の超音波ガスセンサは、前記感応膜がリン脂質膜、セ
ルロース膜またはその他の高分子薄膜で成ることを特徴
とする。
【作用】本発明の超音波ガスセンサは、すだれ状電極を
備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設け、
非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２に感応膜を備えた簡単
な構造を有する。すだれ状電極Ｔに電気信号を入力する
構造を採用することにより、圧電薄板に速度ＶSの弾性
表面波を励振させることができる。その上、圧電薄板を
非圧電基板の板面Ｆ１上に固着させた構造を採用するこ
とにより、この弾性表面波を非圧電基板にバルク波とし
て漏洩する形でモード変換させることができる。このと
き漏洩される弾性表面波の位相速度は非圧電基板単体中
の横波の速度ＶATよりも大きい。つまり、圧電薄板に励
振される弾性表面波のうちＶSがＶA Tよりも大きいとい
う関係を満たすものが非圧電基板に漏洩される。圧電薄
板に励振される弾性表面波のうちＶSがＶATよりも小さ
いものは非圧電基板に漏洩されることはない。このよう
にして、圧電薄板に励振された弾性表面波のうち、位相
速度が非圧電基板単体中の横波の速度ＶATよりも大きく
縦波の速度ＶALよりも小さい波は速度ＶATとほぼ等しい
速度を有する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩
される。また、圧電薄板に励振された弾性表面波のう
ち、位相速度が非圧電基板単体中の縦波の速度ＶALより
も大きな波は速度ＶATあるいは速度ＶALとほぼ等しい速
度を有する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩さ
れる。非圧電基板に漏洩されたバルク波を板面Ｆ２によ
って反射させる構造を採用することにより、その反射さ
せたバルク波を非圧電基板と圧電薄板との界面において
再び弾性表面波に変換して圧電薄板に伝搬し、すだれ状
電極Ｒから電気信号として出力させることができる。本
発明の超音波ガスセンサの使用時、非圧電基板の板面Ｆ
２に固着された感応膜は特定のガスに対しガス感応性を
有することから、該感応膜が目的のガスを吸着すると、
超音波の伝搬速度が変化する。従って、すだれ状電極Ｒ
で出力される電気信号に伝搬遅延の位相差を生じる。つ
まり、前記感応膜がガスを吸着したこととその吸着量を
すだれ状電極Ｒに出力される電気信号の位相差としてと
らえることができる。なお、感応膜としては、たとえば
リン脂質膜やセルロース膜などが用いられる。このよう
にして、本発明の超音波ガスセンサはガスの定性が可能
であるばかりでなく、そのガスの吸着量を測定すること
も可能である。もちろん、前記液体を入れ換えることに
より別の種類のガスについて定性および定量を行なうこ
とも可能となる。すだれ状電極ＴおよびＲとして円弧状
すだれ状電極を用いることにより、第１に、すだれ状電
極Ｔに電気信号を入力することにより圧電薄板に励振さ
れる弾性表面波を非圧電基板の板面Ｆ２で反射させる
際、板面Ｆ２における反射箇所を同一箇所に点状に集中
させることができる。すなわち、非圧電基板に漏洩され
たバルク波をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で板
面Ｆ２における焦点に集中させて反射させることができ
る。第２には、このようにして反射させた反射波を再び
すだれ状電極Ｒから電気信号として効率よく出力させる
ことができる。すなわち、板面Ｆ２において前記焦点を
設けることにより、感応膜が感知するガスの検出感度を
向上させることができる。圧電薄板の厚さをすだれ状電
極ＴおよびＲの電極周期長以下にし、すだれ状電極Ｔお
よびＲの電極周期長を１次以上の高次モードの弾性表面
波の波長にほぼ等しくする構造を採用することにより、
すだれ状電極Ｔに加えられる電気的エネルギーが弾性表
面波に変換される度合を大きくすることができるだけで
なく、圧電薄板と非圧電基板との界面での音響インピー
ダンスの不整合等によって生じる反射等を抑圧すること
ができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への効果的
な漏洩を促進させることができる。なお、すだれ状電極
ＴおよびＲの電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに
対する圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さいほど
効果は大きい。本発明の超音波ガスセンサは、圧電薄板
の厚さｄを小さくすることに伴う脆弱性を圧電薄板を非
圧電基板に固着することによって克服している。すなわ
ち、非圧電基板は圧電薄板の脆弱性を克服するために重
要な役割を果たしている。すだれ状電極Ｒの出力端を増
幅器を介してすだれ状電極Ｔの入力端に接続する構造を
採用することにより、すだれ状電極Ｔからすだれ状電極
Ｒに至る間の非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を
遅延素子とする発振器を構成することができる。その発
振器の信号ループはすだれ状電極Ｔと、前記弾性表面波
の伝搬路と、すだれ状電極Ｒと、増幅器とから成る。こ
のようにして、回路構成が簡略化され、装置の小型軽量
化が促進されるとともに低電圧で低消費電力での駆動が
可能となる。非圧電基板としてアクリル板を採用し、圧
電薄板として圧電セラミックを採用し、その圧電セラミ
ックの分極軸の方向が圧電セラミックにおけるすだれ状
電極を有する板面と垂直になるような構造を採用するこ
とにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波を励振するこ
とができ、さらにその弾性表面波を非圧電基板に効率よ
く漏洩することができる。非圧電基板としてアクリル板
を採用し、圧電薄板としてＬｉＮｂＯ3その他の単結晶
を採用することにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波
を励振することができ、さらにその弾性表面波を非圧電
基板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板として
ＰＶＤＦその他の圧電高分子フィルムを採用することに
より、より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効率よく
弾性表面波を励振することができ、さらにその弾性表面
波を非圧電基板に効率よく漏洩することができる。
備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設け、
非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２に感応膜を備えた簡単
な構造を有する。すだれ状電極Ｔに電気信号を入力する
構造を採用することにより、圧電薄板に速度ＶSの弾性
表面波を励振させることができる。その上、圧電薄板を
非圧電基板の板面Ｆ１上に固着させた構造を採用するこ
とにより、この弾性表面波を非圧電基板にバルク波とし
て漏洩する形でモード変換させることができる。このと
き漏洩される弾性表面波の位相速度は非圧電基板単体中
の横波の速度ＶATよりも大きい。つまり、圧電薄板に励
振される弾性表面波のうちＶSがＶA Tよりも大きいとい
う関係を満たすものが非圧電基板に漏洩される。圧電薄
板に励振される弾性表面波のうちＶSがＶATよりも小さ
いものは非圧電基板に漏洩されることはない。このよう
にして、圧電薄板に励振された弾性表面波のうち、位相
速度が非圧電基板単体中の横波の速度ＶATよりも大きく
縦波の速度ＶALよりも小さい波は速度ＶATとほぼ等しい
速度を有する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩
される。また、圧電薄板に励振された弾性表面波のう
ち、位相速度が非圧電基板単体中の縦波の速度ＶALより
も大きな波は速度ＶATあるいは速度ＶALとほぼ等しい速
度を有する波に効率よく変換されて非圧電基板に漏洩さ
れる。非圧電基板に漏洩されたバルク波を板面Ｆ２によ
って反射させる構造を採用することにより、その反射さ
せたバルク波を非圧電基板と圧電薄板との界面において
再び弾性表面波に変換して圧電薄板に伝搬し、すだれ状
電極Ｒから電気信号として出力させることができる。本
発明の超音波ガスセンサの使用時、非圧電基板の板面Ｆ
２に固着された感応膜は特定のガスに対しガス感応性を
有することから、該感応膜が目的のガスを吸着すると、
超音波の伝搬速度が変化する。従って、すだれ状電極Ｒ
で出力される電気信号に伝搬遅延の位相差を生じる。つ
まり、前記感応膜がガスを吸着したこととその吸着量を
すだれ状電極Ｒに出力される電気信号の位相差としてと
らえることができる。なお、感応膜としては、たとえば
リン脂質膜やセルロース膜などが用いられる。このよう
にして、本発明の超音波ガスセンサはガスの定性が可能
であるばかりでなく、そのガスの吸着量を測定すること
も可能である。もちろん、前記液体を入れ換えることに
より別の種類のガスについて定性および定量を行なうこ
とも可能となる。すだれ状電極ＴおよびＲとして円弧状
すだれ状電極を用いることにより、第１に、すだれ状電
極Ｔに電気信号を入力することにより圧電薄板に励振さ
れる弾性表面波を非圧電基板の板面Ｆ２で反射させる
際、板面Ｆ２における反射箇所を同一箇所に点状に集中
させることができる。すなわち、非圧電基板に漏洩され
たバルク波をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で板
面Ｆ２における焦点に集中させて反射させることができ
る。第２には、このようにして反射させた反射波を再び
すだれ状電極Ｒから電気信号として効率よく出力させる
ことができる。すなわち、板面Ｆ２において前記焦点を
設けることにより、感応膜が感知するガスの検出感度を
向上させることができる。圧電薄板の厚さをすだれ状電
極ＴおよびＲの電極周期長以下にし、すだれ状電極Ｔお
よびＲの電極周期長を１次以上の高次モードの弾性表面
波の波長にほぼ等しくする構造を採用することにより、
すだれ状電極Ｔに加えられる電気的エネルギーが弾性表
面波に変換される度合を大きくすることができるだけで
なく、圧電薄板と非圧電基板との界面での音響インピー
ダンスの不整合等によって生じる反射等を抑圧すること
ができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への効果的
な漏洩を促進させることができる。なお、すだれ状電極
ＴおよびＲの電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに
対する圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さいほど
効果は大きい。本発明の超音波ガスセンサは、圧電薄板
の厚さｄを小さくすることに伴う脆弱性を圧電薄板を非
圧電基板に固着することによって克服している。すなわ
ち、非圧電基板は圧電薄板の脆弱性を克服するために重
要な役割を果たしている。すだれ状電極Ｒの出力端を増
幅器を介してすだれ状電極Ｔの入力端に接続する構造を
採用することにより、すだれ状電極Ｔからすだれ状電極
Ｒに至る間の非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を
遅延素子とする発振器を構成することができる。その発
振器の信号ループはすだれ状電極Ｔと、前記弾性表面波
の伝搬路と、すだれ状電極Ｒと、増幅器とから成る。こ
のようにして、回路構成が簡略化され、装置の小型軽量
化が促進されるとともに低電圧で低消費電力での駆動が
可能となる。非圧電基板としてアクリル板を採用し、圧
電薄板として圧電セラミックを採用し、その圧電セラミ
ックの分極軸の方向が圧電セラミックにおけるすだれ状
電極を有する板面と垂直になるような構造を採用するこ
とにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波を励振するこ
とができ、さらにその弾性表面波を非圧電基板に効率よ
く漏洩することができる。非圧電基板としてアクリル板
を採用し、圧電薄板としてＬｉＮｂＯ3その他の単結晶
を採用することにより、圧電薄板に効率よく弾性表面波
を励振することができ、さらにその弾性表面波を非圧電
基板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板として
ＰＶＤＦその他の圧電高分子フィルムを採用することに
より、より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効率よく
弾性表面波を励振することができ、さらにその弾性表面
波を非圧電基板に効率よく漏洩することができる。
【実施例】図１は本発明の超音波ガスセンサの一実施例
を示す断面図である。本実施例はすだれ状電極Ｔ，Ｒ、
圧電磁器薄板１、アクリル板２、感応膜３および増幅器
４から成る。すだれ状電極ＴおよびＲは円弧状を成し、
アルミニウム薄膜で成り、圧電磁器薄板１上に設けられ
ている。圧電磁器薄板１は直径１５ｍｍ、厚さ２００μ
ｍの円板状のＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成り、ア
クリル板２の一方の板面上にエポキシ系樹脂によって固
着されている。アクリル板２は直径１６ｍｍ、厚さ（Ｔ
A）１ｍｍの円板で成る。感応膜３はガス感応性を有す
るリン脂質膜で成り、アクリル板２のもう一方の板面上
に設けられている。図２は図１の超音波ガスセンサの部
分斜視図である。但し、図２ではすだれ状電極Ｔ、Ｒ、
圧電磁器薄板１およびアクリル板２が示される。すだれ
状電極ＴおよびＲは同一の形状を成し、電極周期長が２
Ｐで、１０対の電極指を有し、開口角（θA）は４５゜
である。図２の楕円内はすだれ状電極Ｔの部分拡大図で
あり、すだれ状電極Ｒについてもこれと同様である。す
だれ状電極ＴとＲとの電極離間距離（Ｌ）は１０ｍｍで
ある。図３は圧電磁器薄板１を伝搬する弾性表面波がア
クリル板２中に伝搬されるまでの伝搬形態を示す図であ
る。但し、図３ではすだれ状電極Ｔ、圧電磁器薄板１お
よびアクリル板２が示される。すだれ状電極Ｔに電気信
号を入力するとその電気信号の周波数のうちすだれ状電
極Ｔに対応する中心周波数とその近傍の周波数の電気信
号のみが弾性表面波に変換されて圧電磁器薄板１を速度
ＶSで伝搬する。もしも弾性表面波の速度ＶSがアクリル
板２単体中での横波の速度ＶATよりも大きく縦波の速度
ＶALよりも小さいときには、この弾性表面波は速度ＶAT
の横波に変換されてアクリル板２に漏洩される。圧電磁
器薄板１からバルク波が漏洩されるときの漏洩角θATは
ＶATとＶSとの比（ＶAT／ＶS）に相関する。なお、すだ
れ状電極Ｔに入力する電気信号の周波数に応じて速度Ｖ
Sが変化することから、その電気信号の周波数を変化さ
せることにより漏洩角θATを変動させることが可能とな
る。図４は圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表面波の速度
ＶSがアクリル板２単体中での縦波の速度ＶALよりも大
きい場合の超音波の伝搬形態を示す図である。この場
合、弾性表面波は速度ＶATの横波および速度ＶALの縦波
に変換されてアクリル板２に漏洩される。圧電磁器薄板
１からバルク波として横波が漏洩されるときの漏洩角θ
ATはＶATとＶSとの比（ＶAT／ＶS）に相関し、縦波の場
合の漏洩角θALはＶALとＶSとの比（ＶAL／ＶS）に相関
する。すだれ状電極Ｔに入力する電気信号の周波数に応
じて速度ＶSが変化することから、その電気信号の周波
数を変化させることにより、速度ＶSを図３のような条
件（ＶAT＜ＶS＜ＶAL）に設定することもでき、また図
４のような条件（ＶAL＜ＶS）に設定することもでき
る。また、それぞれの漏洩角θATおよびθALを変動させ
ることが可能となる。図５はアクリル板２と空気との界
面付近での超音波の伝搬形態を示す図である。但し、速
度ＶSが図３の条件（ＶAT＜ＶS＜ＶAL）を満たすときの
ものである。また、図５では感応膜３は描かれていな
い。アクリル板２を伝搬するバルク横波が該界面に達す
ると、反射角θATを示す横波反射率ＲTおよび反射角θ
ALを示す縦波反射率ＲLの２成分を生じる。このように
して、アクリル板２を伝搬するバルク横波は前記界面に
おいて一部が横波反射率ＲTおよび縦波反射率ＲLとして
反射される。ところで、すだれ状電極Ｔに入力する電気
信号の周波数を変化させることにより漏洩角θATおよび
θALを変動させることが可能なことから、前記界面にお
いて反射させたバルク波をすだれ状電極Ｒから再び電気
信号として出力することが可能となる。この際、すだれ
状電極ＴおよびＲが円弧状を成すことにより、前記界面
での反射箇所をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で
同一箇所に集中させることができる。従って、反射させ
たバルク波をすだれ状電極Ｒから電気信号として効率よ
く出力することが可能となる。図１の超音波ガスセンサ
では、すだれ状電極Ｔに電気信号を入力するとその電気
信号の周波数のうちすだれ状電極Ｔに対応する中心周波
数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波に変
換されて圧電磁器薄板１を速度ＶSで伝搬する。弾性表
面波の速度ＶSがアクリル板２単体中での横波の速度Ｖ
ATよりも大きく縦波の速度ＶALよりも小さい場合には、
この弾性表面波は速度ＶATの横波に変換されてアクリル
板２に漏洩される。弾性表面波の速度ＶSがアクリル板
２単体中での縦波の速度ＶALよりも大きい場合には、こ
の弾性表面波は速度ＶATの横波および速度ＶALの縦波に
変換されてアクリル板２に漏洩される。弾性表面波の速
度ＶSがアクリル板２単体中での横波の速度ＶATよりも
小さい場合には、この弾性表面波はすだれ状電極Ｒから
電気信号として出力され、この電気信号は増幅器４によ
って増幅され、再びすだれ状電極Ｔから入力される。こ
のようにして、すだれ状電極Ｔからすだれ状電極Ｒに至
る間のアクリル板２における弾性表面波の伝搬路を遅延
素子とする発振器を構成することができる。この発振器
の信号ループはすだれ状電極Ｔ、前記伝搬路、すだれ状
電極Ｒおよび増幅器４から成る。このような発振器を構
成することにより、回路構成が簡略化され、装置の小型
軽量化が促進されるとともに低電圧で低消費電力での駆
動が可能となる。図１の超音波ガスセンサの駆動時、感
応膜３が目的のガスを吸着すると、バルク波の伝搬速度
が変化することから、すだれ状電極Ｒで出力される電気
信号に伝搬遅延の位相差を生じる。つまり、感応膜３が
ガスを吸着したことおよびその吸着量をすだれ状電極Ｒ
に出力される電気信号の位相差としてとらえることがで
きる。図６は図１の超音波ガスセンサにおける圧電磁器
薄板１およびアクリル板２から成る層状媒体を伝搬する
弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、弾性表
面波の周波数ｆと圧電磁器薄板２の厚さｄとの積に対す
る各モードの位相速度を示す図である。但し、圧電磁器
薄板１は、圧電磁器薄板１のアクリル板２と接触する方
の板面（アクリル側板面）ともう一方の空気に接触する
方の板面（空気側板面）とがともに電気的に開放状態に
あるものを用いた。本図において”ｏｐｅｎ”は開放状
態であることを示す。また、○印は実測値を示す。弾性
表面波には複数個のモードがある。ｆｄ値がほぼ０．４
ＭＨｚ・ｍｍ以下のときのＡ0モードの波は速度がアク
リル板２の横波速度ＶATよりも小さい。このような波は
波のエネルギーが表面付近に局在して伝搬する表面波で
あり、アクリル板２に漏洩されることは無い。速度がＶ
ATよりも大きなＡ0モードおよびその他のモードの波に
は速度の虚数成分が存在し、波のエネルギーの一部はア
クリル板２中にバルク波として漏洩される。各モードの
弾性表面波のうち速度がＶATよりも大きくＶALよりも小
さい領域の波がアクリル板２中にバルク横波として効果
的に漏洩することができる。速度がＶALよりも大きい領
域の波はバルク縦波およびバルク横波としてアクリル板
２中に漏洩される。図７は図１の超音波ガスセンサにお
けるモード変換効率Ｃとｆｄ値との関係を示す特性図で
ある。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のアク
リル側板面ともう一方の空気側板面とがともに電気的に
開放状態にあるものを用いた。Ａ0モードを除くどのモ
ードにおいても圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表面波が
効率よくアクリル板２にバルク波として漏洩されること
がわかる。図８は圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的
境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機械
結合係数ｋ2とｆｄ値との関係を示す特性図である。但
し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１の空気側板面に
各すだれ状電極（ＩＤＴ）を設けアクリル側板面を電気
的に開放状態にしたものを用いている。Ａ0モードのｋ2
はｆｄ＝２．８ＭＨｚ・ｍｍ付近からほぼ一定の値（ｋ
2＝４％）を示している。Ｓ0モードはｆｄ＝１．４ＭＨ
ｚ・ｍｍ付近で１つのピーク（ｋ2＝１７．５％）が存
在する。このピークは圧電磁器薄板１からアクリル板２
へ漏洩される表面波に対応するものと考えられる。Ａ1
およびＡ2モードもまた効率的には良好な値を示してい
る。このようにして、Ａ0モードを除くどのモードにお
いても弾性表面波を圧電磁器薄板１からアクリル板２へ
効率よく漏洩させることができ、ｆｄ値を調整すること
によりアクリル板２への最も効率のよい漏洩を実現する
ことができる。また、圧電磁器薄板１の空気側板面に各
すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易性にもつなが
るという利点を有している。図９は圧電磁器薄板１の異
なる２つの電気的境界条件下での位相速度差から算出し
た実効的電気機械結合係数ｋ2とｆｄ値との関係を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板
１の空気側板面に各すだれ状電極を設けアクリル側板面
を電気的に短絡状態にしたものを用いている。本実施例
においては圧電磁器薄板１の板面に金属薄膜を被覆する
ことによりその板面を電気的に短絡状態にしている。本
図において”ｓｈｏｒｔ”は短絡状態であることを示
す。図９においても図８と同様に、Ａ0モードを除くど
のモードにおいても弾性表面波を圧電磁器薄板１からア
クリル板２へ効率よく漏洩させることができ、ｆｄ値を
調整することによりアクリル板２への最も効率のよい漏
洩を実現することができる。また、圧電磁器薄板１の空
気側板面に各すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易
性にもつながるという利点を有している。
を示す断面図である。本実施例はすだれ状電極Ｔ，Ｒ、
圧電磁器薄板１、アクリル板２、感応膜３および増幅器
４から成る。すだれ状電極ＴおよびＲは円弧状を成し、
アルミニウム薄膜で成り、圧電磁器薄板１上に設けられ
ている。圧電磁器薄板１は直径１５ｍｍ、厚さ２００μ
ｍの円板状のＴＤＫ製１０１Ａ材（製品名）で成り、ア
クリル板２の一方の板面上にエポキシ系樹脂によって固
着されている。アクリル板２は直径１６ｍｍ、厚さ（Ｔ
A）１ｍｍの円板で成る。感応膜３はガス感応性を有す
るリン脂質膜で成り、アクリル板２のもう一方の板面上
に設けられている。図２は図１の超音波ガスセンサの部
分斜視図である。但し、図２ではすだれ状電極Ｔ、Ｒ、
圧電磁器薄板１およびアクリル板２が示される。すだれ
状電極ＴおよびＲは同一の形状を成し、電極周期長が２
Ｐで、１０対の電極指を有し、開口角（θA）は４５゜
である。図２の楕円内はすだれ状電極Ｔの部分拡大図で
あり、すだれ状電極Ｒについてもこれと同様である。す
だれ状電極ＴとＲとの電極離間距離（Ｌ）は１０ｍｍで
ある。図３は圧電磁器薄板１を伝搬する弾性表面波がア
クリル板２中に伝搬されるまでの伝搬形態を示す図であ
る。但し、図３ではすだれ状電極Ｔ、圧電磁器薄板１お
よびアクリル板２が示される。すだれ状電極Ｔに電気信
号を入力するとその電気信号の周波数のうちすだれ状電
極Ｔに対応する中心周波数とその近傍の周波数の電気信
号のみが弾性表面波に変換されて圧電磁器薄板１を速度
ＶSで伝搬する。もしも弾性表面波の速度ＶSがアクリル
板２単体中での横波の速度ＶATよりも大きく縦波の速度
ＶALよりも小さいときには、この弾性表面波は速度ＶAT
の横波に変換されてアクリル板２に漏洩される。圧電磁
器薄板１からバルク波が漏洩されるときの漏洩角θATは
ＶATとＶSとの比（ＶAT／ＶS）に相関する。なお、すだ
れ状電極Ｔに入力する電気信号の周波数に応じて速度Ｖ
Sが変化することから、その電気信号の周波数を変化さ
せることにより漏洩角θATを変動させることが可能とな
る。図４は圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表面波の速度
ＶSがアクリル板２単体中での縦波の速度ＶALよりも大
きい場合の超音波の伝搬形態を示す図である。この場
合、弾性表面波は速度ＶATの横波および速度ＶALの縦波
に変換されてアクリル板２に漏洩される。圧電磁器薄板
１からバルク波として横波が漏洩されるときの漏洩角θ
ATはＶATとＶSとの比（ＶAT／ＶS）に相関し、縦波の場
合の漏洩角θALはＶALとＶSとの比（ＶAL／ＶS）に相関
する。すだれ状電極Ｔに入力する電気信号の周波数に応
じて速度ＶSが変化することから、その電気信号の周波
数を変化させることにより、速度ＶSを図３のような条
件（ＶAT＜ＶS＜ＶAL）に設定することもでき、また図
４のような条件（ＶAL＜ＶS）に設定することもでき
る。また、それぞれの漏洩角θATおよびθALを変動させ
ることが可能となる。図５はアクリル板２と空気との界
面付近での超音波の伝搬形態を示す図である。但し、速
度ＶSが図３の条件（ＶAT＜ＶS＜ＶAL）を満たすときの
ものである。また、図５では感応膜３は描かれていな
い。アクリル板２を伝搬するバルク横波が該界面に達す
ると、反射角θATを示す横波反射率ＲTおよび反射角θ
ALを示す縦波反射率ＲLの２成分を生じる。このように
して、アクリル板２を伝搬するバルク横波は前記界面に
おいて一部が横波反射率ＲTおよび縦波反射率ＲLとして
反射される。ところで、すだれ状電極Ｔに入力する電気
信号の周波数を変化させることにより漏洩角θATおよび
θALを変動させることが可能なことから、前記界面にお
いて反射させたバルク波をすだれ状電極Ｒから再び電気
信号として出力することが可能となる。この際、すだれ
状電極ＴおよびＲが円弧状を成すことにより、前記界面
での反射箇所をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で
同一箇所に集中させることができる。従って、反射させ
たバルク波をすだれ状電極Ｒから電気信号として効率よ
く出力することが可能となる。図１の超音波ガスセンサ
では、すだれ状電極Ｔに電気信号を入力するとその電気
信号の周波数のうちすだれ状電極Ｔに対応する中心周波
数とその近傍の周波数の電気信号のみが弾性表面波に変
換されて圧電磁器薄板１を速度ＶSで伝搬する。弾性表
面波の速度ＶSがアクリル板２単体中での横波の速度Ｖ
ATよりも大きく縦波の速度ＶALよりも小さい場合には、
この弾性表面波は速度ＶATの横波に変換されてアクリル
板２に漏洩される。弾性表面波の速度ＶSがアクリル板
２単体中での縦波の速度ＶALよりも大きい場合には、こ
の弾性表面波は速度ＶATの横波および速度ＶALの縦波に
変換されてアクリル板２に漏洩される。弾性表面波の速
度ＶSがアクリル板２単体中での横波の速度ＶATよりも
小さい場合には、この弾性表面波はすだれ状電極Ｒから
電気信号として出力され、この電気信号は増幅器４によ
って増幅され、再びすだれ状電極Ｔから入力される。こ
のようにして、すだれ状電極Ｔからすだれ状電極Ｒに至
る間のアクリル板２における弾性表面波の伝搬路を遅延
素子とする発振器を構成することができる。この発振器
の信号ループはすだれ状電極Ｔ、前記伝搬路、すだれ状
電極Ｒおよび増幅器４から成る。このような発振器を構
成することにより、回路構成が簡略化され、装置の小型
軽量化が促進されるとともに低電圧で低消費電力での駆
動が可能となる。図１の超音波ガスセンサの駆動時、感
応膜３が目的のガスを吸着すると、バルク波の伝搬速度
が変化することから、すだれ状電極Ｒで出力される電気
信号に伝搬遅延の位相差を生じる。つまり、感応膜３が
ガスを吸着したことおよびその吸着量をすだれ状電極Ｒ
に出力される電気信号の位相差としてとらえることがで
きる。図６は図１の超音波ガスセンサにおける圧電磁器
薄板１およびアクリル板２から成る層状媒体を伝搬する
弾性表面波の速度分散曲線を示す特性図であり、弾性表
面波の周波数ｆと圧電磁器薄板２の厚さｄとの積に対す
る各モードの位相速度を示す図である。但し、圧電磁器
薄板１は、圧電磁器薄板１のアクリル板２と接触する方
の板面（アクリル側板面）ともう一方の空気に接触する
方の板面（空気側板面）とがともに電気的に開放状態に
あるものを用いた。本図において”ｏｐｅｎ”は開放状
態であることを示す。また、○印は実測値を示す。弾性
表面波には複数個のモードがある。ｆｄ値がほぼ０．４
ＭＨｚ・ｍｍ以下のときのＡ0モードの波は速度がアク
リル板２の横波速度ＶATよりも小さい。このような波は
波のエネルギーが表面付近に局在して伝搬する表面波で
あり、アクリル板２に漏洩されることは無い。速度がＶ
ATよりも大きなＡ0モードおよびその他のモードの波に
は速度の虚数成分が存在し、波のエネルギーの一部はア
クリル板２中にバルク波として漏洩される。各モードの
弾性表面波のうち速度がＶATよりも大きくＶALよりも小
さい領域の波がアクリル板２中にバルク横波として効果
的に漏洩することができる。速度がＶALよりも大きい領
域の波はバルク縦波およびバルク横波としてアクリル板
２中に漏洩される。図７は図１の超音波ガスセンサにお
けるモード変換効率Ｃとｆｄ値との関係を示す特性図で
ある。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１のアク
リル側板面ともう一方の空気側板面とがともに電気的に
開放状態にあるものを用いた。Ａ0モードを除くどのモ
ードにおいても圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表面波が
効率よくアクリル板２にバルク波として漏洩されること
がわかる。図８は圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的
境界条件下での位相速度差から算出した実効的電気機械
結合係数ｋ2とｆｄ値との関係を示す特性図である。但
し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板１の空気側板面に
各すだれ状電極（ＩＤＴ）を設けアクリル側板面を電気
的に開放状態にしたものを用いている。Ａ0モードのｋ2
はｆｄ＝２．８ＭＨｚ・ｍｍ付近からほぼ一定の値（ｋ
2＝４％）を示している。Ｓ0モードはｆｄ＝１．４ＭＨ
ｚ・ｍｍ付近で１つのピーク（ｋ2＝１７．５％）が存
在する。このピークは圧電磁器薄板１からアクリル板２
へ漏洩される表面波に対応するものと考えられる。Ａ1
およびＡ2モードもまた効率的には良好な値を示してい
る。このようにして、Ａ0モードを除くどのモードにお
いても弾性表面波を圧電磁器薄板１からアクリル板２へ
効率よく漏洩させることができ、ｆｄ値を調整すること
によりアクリル板２への最も効率のよい漏洩を実現する
ことができる。また、圧電磁器薄板１の空気側板面に各
すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易性にもつなが
るという利点を有している。図９は圧電磁器薄板１の異
なる２つの電気的境界条件下での位相速度差から算出し
た実効的電気機械結合係数ｋ2とｆｄ値との関係を示す
特性図である。但し、圧電磁器薄板１は、圧電磁器薄板
１の空気側板面に各すだれ状電極を設けアクリル側板面
を電気的に短絡状態にしたものを用いている。本実施例
においては圧電磁器薄板１の板面に金属薄膜を被覆する
ことによりその板面を電気的に短絡状態にしている。本
図において”ｓｈｏｒｔ”は短絡状態であることを示
す。図９においても図８と同様に、Ａ0モードを除くど
のモードにおいても弾性表面波を圧電磁器薄板１からア
クリル板２へ効率よく漏洩させることができ、ｆｄ値を
調整することによりアクリル板２への最も効率のよい漏
洩を実現することができる。また、圧電磁器薄板１の空
気側板面に各すだれ状電極を設けた構造は製作上の容易
性にもつながるという利点を有している。
【発明の効果】本発明の超音波ガスセンサによれば、す
だれ状電極Ｔに電気信号を入力する構造を採用すること
により、圧電薄板に速度ＶSの弾性表面波を励振させる
ことができる。その上、圧電薄板を非圧電基板の板面Ｆ
１上に固着させた構造を採用することにより、この弾性
表面波を非圧電基板にバルク波として漏洩する形でモー
ド変換させることができる。圧電薄板に励振された弾性
表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の横波の速
度ＶATよりも大きく縦波の速度ＶALよりも小さい波は速
度ＶATとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換され
て非圧電基板に漏洩される。また、圧電薄板に励振され
た弾性表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の縦
波の速度ＶALよりも大きな波は速度ＶATあるいは速度Ｖ
ALとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非
圧電基板に漏洩される。非圧電基板に漏洩されたバルク
波を板面Ｆ２によって反射させる構造を採用することに
より、その反射させたバルク波を非圧電基板と圧電薄板
との界面において再び速度ＶSの弾性表面波に変換して
圧電薄板に伝搬し、すだれ状電極Ｒから電気信号として
出力させることができる。非圧電基板の板面Ｆ２に感応
膜を設ける構造を採用することにより、その感応膜が目
的のガスを吸着すると超音波の伝搬速度が変化すること
から、すだれ状電極Ｒで出力される電気信号に伝搬遅延
の位相差を生じる。つまり、感応膜がガスを吸着したこ
ととその吸着量をすだれ状電極Ｒに出力される電気信号
の位相差としてとらえることができる。このようにし
て、本発明の超音波ガスセンサはガスの定性および定量
を可能にする。すだれ状電極ＴおよびＲとして円弧状す
だれ状電極を用いることにより、非圧電基板のバルク波
を板面Ｆ２で反射させる際、板面Ｆ２における反射箇所
をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で同一箇所に点
状に集中させることができる。しかも、このようにして
反射させた反射波を再びすだれ状電極Ｒから電気信号と
して効率よく出力させることができる。従って、感応膜
が感知するガスの検出感度を向上させることができる。
圧電薄板の厚さをすだれ状電極の電極周期長以下にし、
すだれ状電極の電極周期長を１次以上の高次モードの弾
性表面波の波長にほぼ等しくする構造を採用することに
より、すだれ状電極Ｔに加えられる電気的エネルギーが
弾性表面波に変換される度合を大きくすることができる
だけでなく、圧電薄板と非圧電基板との界面での音響イ
ンピーダンスの不整合等によって生じる反射等を抑圧す
ることができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への
効果的な漏洩を促進させることができる。なお、すだれ
状電極の電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに対す
る圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さいほど効果
は大きい。すだれ状電極Ｒの出力端を増幅器を介してす
だれ状電極Ｔの入力端に接続する構造を採用することに
より、すだれ状電極Ｔからすだれ状電極Ｒに至る間の非
圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素子とする
発振器を構成することができる。その発振器の信号ルー
プはすだれ状電極Ｔと、前記弾性表面波の伝搬路と、す
だれ状電極Ｒと、増幅器とから成る。このようにして、
回路構成が簡略化され、装置の小型軽量化が促進される
とともに低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。非
圧電基板としてアクリル板を採用し、圧電薄板として圧
電セラミックを採用し、その圧電セラミックの分極軸の
方向が圧電セラミックにおけるすだれ状電極を有する板
面と垂直になるような構造を採用することにより、圧電
薄板に効率よく弾性表面波を励振することができ、さら
にその弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩すること
ができる。また、圧電薄板としてＬｉＮｂＯ3その他の
単結晶を採用することにより、圧電薄板に効率よく弾性
表面波を励振することができ、さらにその弾性表面波を
非圧電基板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板
としてＰＶＤＦその他の圧電高分子フィルムを採用する
ことにより、より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効
率よく弾性表面波を励振することができ、さらにその弾
性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩することができ
る。
だれ状電極Ｔに電気信号を入力する構造を採用すること
により、圧電薄板に速度ＶSの弾性表面波を励振させる
ことができる。その上、圧電薄板を非圧電基板の板面Ｆ
１上に固着させた構造を採用することにより、この弾性
表面波を非圧電基板にバルク波として漏洩する形でモー
ド変換させることができる。圧電薄板に励振された弾性
表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の横波の速
度ＶATよりも大きく縦波の速度ＶALよりも小さい波は速
度ＶATとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換され
て非圧電基板に漏洩される。また、圧電薄板に励振され
た弾性表面波のうち、位相速度が非圧電基板単体中の縦
波の速度ＶALよりも大きな波は速度ＶATあるいは速度Ｖ
ALとほぼ等しい速度を有する波に効率よく変換されて非
圧電基板に漏洩される。非圧電基板に漏洩されたバルク
波を板面Ｆ２によって反射させる構造を採用することに
より、その反射させたバルク波を非圧電基板と圧電薄板
との界面において再び速度ＶSの弾性表面波に変換して
圧電薄板に伝搬し、すだれ状電極Ｒから電気信号として
出力させることができる。非圧電基板の板面Ｆ２に感応
膜を設ける構造を採用することにより、その感応膜が目
的のガスを吸着すると超音波の伝搬速度が変化すること
から、すだれ状電極Ｒで出力される電気信号に伝搬遅延
の位相差を生じる。つまり、感応膜がガスを吸着したこ
ととその吸着量をすだれ状電極Ｒに出力される電気信号
の位相差としてとらえることができる。このようにし
て、本発明の超音波ガスセンサはガスの定性および定量
を可能にする。すだれ状電極ＴおよびＲとして円弧状す
だれ状電極を用いることにより、非圧電基板のバルク波
を板面Ｆ２で反射させる際、板面Ｆ２における反射箇所
をちょうどレンズが焦点を結ぶような形で同一箇所に点
状に集中させることができる。しかも、このようにして
反射させた反射波を再びすだれ状電極Ｒから電気信号と
して効率よく出力させることができる。従って、感応膜
が感知するガスの検出感度を向上させることができる。
圧電薄板の厚さをすだれ状電極の電極周期長以下にし、
すだれ状電極の電極周期長を１次以上の高次モードの弾
性表面波の波長にほぼ等しくする構造を採用することに
より、すだれ状電極Ｔに加えられる電気的エネルギーが
弾性表面波に変換される度合を大きくすることができる
だけでなく、圧電薄板と非圧電基板との界面での音響イ
ンピーダンスの不整合等によって生じる反射等を抑圧す
ることができる。従って、弾性表面波の非圧電基板への
効果的な漏洩を促進させることができる。なお、すだれ
状電極の電極周期長すなわち弾性表面波の波長λに対す
る圧電薄板の厚さｄの割合（ｄ／λ）が小さいほど効果
は大きい。すだれ状電極Ｒの出力端を増幅器を介してす
だれ状電極Ｔの入力端に接続する構造を採用することに
より、すだれ状電極Ｔからすだれ状電極Ｒに至る間の非
圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素子とする
発振器を構成することができる。その発振器の信号ルー
プはすだれ状電極Ｔと、前記弾性表面波の伝搬路と、す
だれ状電極Ｒと、増幅器とから成る。このようにして、
回路構成が簡略化され、装置の小型軽量化が促進される
とともに低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。非
圧電基板としてアクリル板を採用し、圧電薄板として圧
電セラミックを採用し、その圧電セラミックの分極軸の
方向が圧電セラミックにおけるすだれ状電極を有する板
面と垂直になるような構造を採用することにより、圧電
薄板に効率よく弾性表面波を励振することができ、さら
にその弾性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩すること
ができる。また、圧電薄板としてＬｉＮｂＯ3その他の
単結晶を採用することにより、圧電薄板に効率よく弾性
表面波を励振することができ、さらにその弾性表面波を
非圧電基板に効率よく漏洩することができる。圧電薄板
としてＰＶＤＦその他の圧電高分子フィルムを採用する
ことにより、より高周波対応が可能な形で圧電薄板に効
率よく弾性表面波を励振することができ、さらにその弾
性表面波を非圧電基板に効率よく漏洩することができ
る。
【図１】本発明の超音波ガスセンサの一実施例を示す断
面図。
面図。
【図２】図１の超音波ガスセンサの部分斜視図。
【図３】圧電磁器薄板１を伝搬する弾性表面波がアクリ
ル板２中に伝搬されるまでの伝搬形態を示す図。
ル板２中に伝搬されるまでの伝搬形態を示す図。
【図４】圧電磁器薄板１に伝搬する弾性表面波の速度Ｖ
Sがアクリル板２単体中での縦波の速度ＶALよりも大き
い場合の超音波の伝搬形態を示す図。
Sがアクリル板２単体中での縦波の速度ＶALよりも大き
い場合の超音波の伝搬形態を示す図。
【図５】アクリル板２と空気との界面付近での超音波の
伝搬形態を示す図。
伝搬形態を示す図。
【図６】図１の超音波ガスセンサにおける圧電磁器薄板
１およびアクリル板２から成る層状媒体を伝搬する弾性
表面波の速度分散曲線を示す特性図。
１およびアクリル板２から成る層状媒体を伝搬する弾性
表面波の速度分散曲線を示す特性図。
【図７】図１の超音波ガスセンサにおけるモード変換効
率Ｃとｆｄ値との関係を示す特性図。
率Ｃとｆｄ値との関係を示す特性図。
【図８】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2とｆｄ値との関係を示す特性図。
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2とｆｄ値との関係を示す特性図。
【図９】圧電磁器薄板１の異なる２つの電気的境界条件
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2とｆｄ値との関係を示す特性図。
下での位相速度差から算出した実効的電気機械結合係数
ｋ2とｆｄ値との関係を示す特性図。
１ 圧電磁器薄板 ２ アクリル板 ３ 感応膜 ４ 増幅器 Ｔ すだれ状電極 Ｒ すだれ状電極
Claims (6)
- 【請求項１】少なくとも２組のすだれ状電極ＴおよびＲ
を備えた圧電薄板を非圧電基板の一方の板面Ｆ１に設
け、前記非圧電基板のもう一方の板面Ｆ２に感応膜を備
え、該感応膜に吸着されたガスを定性または定量するガ
ス感知手段を備えた超音波ガスセンサであって、 前記圧電薄板の厚さは前記すだれ状電極ＴおよびＲの電
極周期長以下であり、 前記ガス感知手段は、前記すだれ状電極Ｔに電気信号を
入力して前記非圧電基板と前記圧電薄板との界面に弾性
表面波を励振し、該弾性表面波を前記非圧電基板中にバ
ルク波としてモード変換させ、該バルク波を前記板面Ｆ
２によって反射させ、その反射させた前記バルク波を前
記すだれ状電極Ｒから電気信号として出力させる手段を
含み、 前記すだれ状電極ＴおよびＲの電極周期長は前記弾性表
面波の波長にほぼ等しく、 前記界面に励振され、前記非圧電基板中にバルク波とし
てモード変換される前記弾性表面波の位相速度は前記非
圧電基板単体における横波の速度よりも大きいことを特
徴とする超音波ガスセンサ。 - 【請求項２】 前記すだれ状電極Ｒの出力端は増幅器を
介して前記すだれ状電極Ｔの入力端に接続されており、 前記すだれ状電極Ｔから前記すだれ状電極Ｒに至る間の
前記非圧電基板における弾性表面波の伝搬路を遅延素子
とする発振器が構成されていて、 前記発振器の信号ループは前記すだれ状電極Ｔと、前記
弾性表面波の伝搬路と、前記すだれ状電極Ｒと、前記増
幅器とから成ることを特徴とする請求項１に記載の超音
波ガスセンサ。 - 【請求項３】 前記すだれ状電極ＴおよびＲが円弧状を
成すことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波
ガスセンサ。 - 【請求項４】 前記非圧電基板がアクリル板で成り、前
記圧電薄板が圧電セラミックで成り、該圧電セラミック
の分極軸の方向は該圧電セラミックにおけるすだれ状電
極を有する板面と垂直であることを特徴とする請求項
１，２または３に記載の超音波ガスセンサ。 - 【請求項５】 前記非圧電基板がアクリル板で成り、前
記圧電薄板がＬｉＮｂＯ3その他の単結晶で成ることを
特徴とする請求項１，２または３に記載の超音波ガスセ
ンサ。 - 【請求項６】 前記感応膜がリン脂質膜、セルロース膜
またはその他の高分子薄膜で成ることを特徴とする請求
項１，２，３，４または５に記載の超音波ガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6133767A JPH07318542A (ja) | 1994-05-23 | 1994-05-23 | 超音波ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6133767A JPH07318542A (ja) | 1994-05-23 | 1994-05-23 | 超音波ガスセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07318542A true JPH07318542A (ja) | 1995-12-08 |
Family
ID=15112493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6133767A Pending JPH07318542A (ja) | 1994-05-23 | 1994-05-23 | 超音波ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07318542A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110067946A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-07-30 | 上海工程技术大学 | 一种基于声表面波模式的天然气传感器及泄漏监测系统 |
| CN111781271A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-10-16 | 电子科技大学 | 一种柔性声表面波气体传感器及其制备方法 |
-
1994
- 1994-05-23 JP JP6133767A patent/JPH07318542A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110067946A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-07-30 | 上海工程技术大学 | 一种基于声表面波模式的天然气传感器及泄漏监测系统 |
| CN111781271A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-10-16 | 电子科技大学 | 一种柔性声表面波气体传感器及其制备方法 |
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