Extended Summary 本文は pp.1177-1185

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Principle and Application of Ball SAW Devices

Kazushi Yamanaka Non-member (Tohoku University) Noritaka Nakaso Non-member (Toppan Printing Co.) Takeshi Fukiura Non-member (Ball Semiconductor Inc.) Dong Youn Sim Non-member (Yamatake Co.)

Keywords : surface acoustic wave, naturally collimated beam, sphere, multiple roundtrips

1. Introduction

Hydrogen fuel cells are expected as the most promising clean energy source. However, security of fuel cells requires high performance hydrogen sensors. The surface acoustic wave (SAW) excited on a spherical surface under a specific condition is naturally collimated, realizing ultramultiple roundtrips along an equator of the sphere(1)-(3). The ball SAW sensor (Fig.1) based on this effect realized the high performance, such as high sensitivity and wide sensing range(3). Moreover, we investigated the effect of temperature on the response and found that the response time is reduced by heating to 124 ˚C(4).

2. Evaluation of the ball SAW sensor

The sensor was exposed to hydrogen gas at concentrations from 0.001 % to 100 % by using a flow cell using mass flow controllers. In the measurement system(3), the waveform was recorded by a digital oscilloscope and a computer. The measurement interval was 2 s with 20 times waveform averaging in the digital oscilloscope.

3. Sensitivity and sensing range

Figure 1 (a) shows the delay time response and (b) shows the amplitude responses using the ball SAW sensor. Concentration as low as 10 ppm (0.001%) was detected in (b), and that as high as 100% was detected in (a) without a sign of saturation. Then, a sensing range as wide as 105 was realized for the first time in hydrogen sensors(3). It is a key technology in safety of hydrogen station, where the catalyst combustion sensors are not adequate since a small leakage might soon become a high pressure flow.

Application of ball SAW device to sensor of other gasses is also discussed.

References

(1) K. Yamanaka, H. Cho, and Y. Tsukahara : Appl. Phys. Lett., Vol.76, p.2797 (2000)

(2) N. Nakaso, Y. Tsukahara, S. Ishikawa, and K. Yamanaka : Proc. IEEE Ultrason. Symp. 47 (2002)

(3) K. Yamanaka, S. Ishikawa, N. Nakaso, N. Takeda, D. Y. Sim, T. Mihara, A. Mizukami, I. Satoh, S. Akao, and Y. Tsukahara : IEEE Trans. UFFC 53, No.4, pp.793-801 (2006)

Fig. 1. SAW sensors

Fig. 2. Sensitivity and sensing range of ball SAW hydrogen gas sensor

電学論 C，127 巻 8 号，2007 年 1177

ボール SAW 素子の原理と応用

非会員 山中 一司＊,＊＊ 非会員 中曽 教尊＊＊＊

非会員 吹浦 健＊＊＊＊ 非会員 沈 東演＊5

Principle and Application of Ball SAW Devices

Kazushi Yamanaka＊,＊＊, Non-member, Noritaka Nakaso＊＊＊, Non-member, Takeshi Fukiura＊＊＊＊, Non-member, Dong Youn Sim＊5, Non-member

A thin beam of wave usually diverges due to diffraction, which is a limitation of any device using such waves. However, a

surface acoustic wave (SAW) on a sphere with an appropriate aperture does not diverge but is collimated, realizing ultramultiple roundtrips along an equator of the sphere. This effect is caused by the balance between diffraction and focusing on a spherical surface, and it enables realization of high-performance ball SAW sensors.

キーワード：弾性表面波，自然なコリメートビーム，球，多重周回

Keywords：surface acoustic wave, naturally collimated beam, sphere, multiple roundtrips

1. はじめに

本解説では，ボール SAW 素子とそのセンサへの応用につ

いて紹介する。 化学反応を用いるセンサや，電界効果トランジスタ (FET;

field effect transistor) など電気的なセンサが開発され，多く

の分野で使われている。燃料電池の開発にともなってクロ

ーズアップされている水素ガスセンサにおいても，水素の

酸化反応を触媒する接触燃焼式が早くから実用化され，Pdやその合金をゲート電極に用いて水素の解離と吸蔵による

電流の変化を計測する FET 型のセンサもある(1)。 しかし，これらのセンサは特定の化学あるいは物理現象

に基づくため，その現象によって決まる特定の濃度範囲で

しか動作できない。例えば，接触燃焼式水素ガスセンサは

水素を燃焼させるため，爆発限界以上の高濃度水素下では

用いられない。また FET 型センサは，濃度 1-10%以上で飽

和してしまう。しかし水素ステーションや燃料電池自動車

などでは，微量もれだけでなく，加圧水素の噴出や充満の

可能性もあり，濃度に応じた緊急措置を取る必要があるが，

このためのワイドレンジ水素センサは確立していない。 これに対して，弾性波は弾性率，粘性，導電性など，物

質の多様な物性に依存するため，弾性波センサは複数の原

理で働き，広い濃度範囲をカバーできる可能性がある。こ

れまで，水晶振動子マイクロバランスや弾性表面波 (SAW; surface acoustic wave) センサ(2)(3)が開発された。質量負荷に

よる共振周波数変化は蒸着膜厚計として実用化され，バイ

オセンサへも応用されている。しかし，反射損失や回折損

失により性能が制限され，振幅は利用しにくいため，本来

の可能性が十分に発揮されているとはいえない。 このような状況のもとで，我々のグループは，ボールベ

アリングの SAW による欠陥検査法の研究中に，球面上の

SAW は自然にコリメートビームを形成して，反射や回折に

よる損失をうけず 100 周以上も周回できるという現象を発

見した(4)～(8)。この現象を利用して，単結晶球に電極を形成

するボール SAW センサを開発した(8)～(11)。ここでは，音速

と減衰をともに高精度で計測できるため，10ppm-100％とい

う， も検出濃度範囲の広い水素ガスセンサが実現された。

本稿では，球の SAW 伝搬の基礎，無回折コリメートビーム，

ガスセンサ，及び今後の応用分野の展開について検討する。

2. 球における弾性表面波

〈2･1〉 球の弾性波の研究 球状物体には地球，ガス

タンクから軸受球に至るまで，様々な大きさと材質のもの

＊ 東北大学 〒980-85790 仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-02 Tohoku University, Aoba 6-6-02, Aramaki, Aoba-ku, Sendai 980-8579

＊＊ 科学技術振興機構 〒332-0012 埼玉県川口市本町 4-1-8 JST, CREST 4-1-8 Hon-chou, Kawaguchi, Saitama 332-0012

＊＊＊ 凸版印刷 〒345-8508 埼玉県北葛飾郡杉戸町 Sugito-machi, Kitakatsushika-gun, Saitama

＊＊＊＊ 株式会社 山武 〒251-8522 神奈川県藤沢市川名 1-12-2 1-12-2, Kawana, Fujisawa-shi, Kanagawa, 252-8522

＊5 Ball Semiconductor inc. Century Parkway, Allen, Texas 75013, U.S.A.

招待論文

1178 IEEJ Trans. EIS, Vol. 127, No.8, 2007

がある。そこに励起され伝搬する弾性波は，球という形状

の幾何的特性から共通の特徴を持つ。球状物体のバルク弾

性波は，Lamb により 初に計算が行われ(12)，半径および方

位方向の変位の解がベッセル関数と球面調和関数を用いて

Sezawa により与えられた(13)。Sato らは地球物理への応用の

観点から詳細な数値解を調べ，また高次の極限で Rayleighモードの SAW となることを示した(14)。

球状物体の SAW は，一方向に進んで行くとやがてすべて

のエネルギーが逆方向から出発点に戻って来る。この効果

のため，球を 1 周すると，波が空間に広がって失われて行

く回折による減衰は全く起こらず，減衰は専ら散乱と吸収

のみによる。周波数が低下すれば超音波吸収や散乱による

減衰が低下するので，伝搬損失が極めて小さくなる。また，

球の表面は連続で界面が存在しないので，反射損失もな い(15)。これらの特徴は，SAW の長距離伝搬にとっては魅力

的である。Royer ら(16)は，点状に集束されたパルスレーザー

を用いて球の SAW を実験的に観測した。しかし，線音源に

よる SAW を実測した例はなかった。 〈2･2〉 球面上の弾性表面波 弾性球における弾性波

の波動方程式 2

2 ( 2 ) .d u grad divu rot rotudt

ρ λ µ µ= + − .................... (１)

の解に対して，境界条件として応力分布が Fig.1 の座標系に

おいて時間の関数として， 0 0(cos ) ( ), (cos ) ( ), 0rr r rT R f t T f t Tθ ϕθ θ= = Θ =

............................................. (２)

で与えられた場合，変位の半径方向成分は

0 0 01 2

,

ˆ ˆ( ) (cos )2

l ll l l

l n

i U Uu t P D FdE d dE d

θω ω

= ⋅ +

∑

* ( )exp( ) n lf i tω ω ω ω

× =

............................... (３)

となる。ここで 10 0 00

1ˆ (cos ) (cos )( sin )l l lD K R P dθ θ θ θ

−= −∫ ............ (４)

{ }0

10 0

1

1ˆ sin (cos )( 1) sin

ll

K dFl l d

θ θθ θ−

= − ⋅Θ + ∫

0 (cos ) ( sin )lP dθ θ θ⋅ ⋅ − ........................................(５)

であり，ω は角周波数 n lω は spheroidal 型の共振角周波数，lは緯度方向のmode数，nは半径方向のmode数Pl

0はLegendre陪関数，f *は f(t)のフーリエ変換，E は表面応力成分の関数

である(14)(17)。 Fig.2(a)は，法線方向応力を Fig.3(a)のように円弧状に分布

させた場合に励起されたバルク波と SAW がφ1=90°伝搬し

た場所における時間波形を(５)式により計算した結果であ

る。球の内部を伝搬して表面で反射やモード変換を受ける

バルク波（S,2P,3S）と周回する SAW(RL1, RR1）が見られる。

SAW の振幅がバルク波より大きいがこれは表面にガイドさ

れた SAW の特徴である。Fig.2(b)は，計算と同じ物性値を持

つ鋼球にパルスレーザーをアブレーションモードで照射し

て励起し，90 度伝搬した弾性波を広帯域のレーザー干渉計

で検出した測定結果(17)で，計算と実験は良く一致しており，

理論の精度が高いことを表わしている。しかし，この精度

で計算するには方位モード次数 l について 495，半径モード

次数 n について 20 次まで計算する必要があり，SAW の多重

周回の詳細な伝搬形態を調べるのは容易ではない。なお，

Fig.2 の結果は，以下に述べる SAW の近似解によりコリメ

ートビームが見出された後，バルク波の影響を調べるため

行われた解析である。 〈2･3〉 近似解によるコリメートビームの発見 周波

数が十分高く波長が球の直径より十分小さい場合は，SAWの変位は近似的に

[ ]Re exp ( / )sinR RCu ika V t aθθ

= −

........................(６)

a Q

ϕ

θθ0

P

Trr

Trθ u

a Q

ϕ

θθ0

P

Trr

Trθ u

Fig. 1. Coordinate for calculation of elasic waves in a sphere

–0.4

0

0.4

0 2 4 6 8

–0.4

0

0.4

Disp

lace

men

t u (

arb

. uni

t )

Time t (μs )

P SP S2P 2SP 4S 5S2S

RL1 RR1

Disp

lace

men

t u (

arb

. uni

t )

RL1 RR1

(a)

(b)

S

S

3S

3S2P

2P

Fig. 2. Elastic waves in a sphere (a) Calculeted waveform

(b) Measured waveform

ボール SAW 素子の原理と応用

電学論 C，127 巻 8 号，2007 年 1179

と表わせる(15)。ここで，C は定数，θ は発生点と観測点を

結ぶ円弧の中心角（伝搬角），ka は波数と半径の積（円周と

SAW の波長の比）である。また， RV は SAW の位相速度，aは球の半径である。この SAW は，平面上と同じ速度で伝搬

する（周波数が低いと，分散効果が現れ，群速度は平面上

より大きくなる）。 (６)式は(１)の解の球面上における展開の 1 次の項として

導かれ，〈2･2〉節の計算より簡単であるが球面上の SAW の

重要な特徴を含んでいる。すなわち平面上の SAW は，1/ x（ x は音源からの距離）で幾何減衰項が与えられるが，(６)式では1/ sinθ に置き換わっている。 sinθ は伝搬角θ の周

期関数なので 1 周すると同じ値になり，幾何減衰は無くな

る。また，発生点（θ =0°）から離れるにつれて振幅の減少

した SAW が対極点で再び集まって，対極点（θ =180°）で

は無限大に発散する(15)。 我々は，Fig.3(a)の円弧状音源による球面上の SAW の伝搬

を(６)式を用いて初めて調べた(5)。音源上の点 P と観測点 Qが中心となす角度を POQ θ∠ = とおくと余弦定理より

0 0 1 1cos cos cos cos cosθ ϕ θ ϕ θ=

0 1 1 0 0 1sin cos cos cos sin sinϕ ϕ θ ϕ θ θ+ + ............ (７)

となる。中心 O から見た開口角が 2 Aθ の円弧状音源による

点 Q の音場は，(７)式に含まれる角度 0θ を独立変数にとっ

て，(６)式の Ru を Aθ− から Aθ まで積分することにより得ら

れる。求めた音場の空間分布は，点 Q の仰角 1θ の関数とし

て表示する(5)(6)。 Fig.3(b)は，波数パラメータ ka =600 の場合，円弧状音源

から放射される SAW のエネルギー分布を球面上に 3 次元的

に表示した例である(11)。球面からの高さがエネルギーを表

わす。開口角 2 Aθ =60°の場合，伝搬角 1φ が増加すると音場

の幅が減少し， 1φ =90°で 小になった後，再び幅が増加し

て，対極点 1φ =180°で音源上と同じ分布が再現する。これは

集束ビームである。これ以後は 180°毎に同じ変化を繰り返

し，何周回っても変化しない。この場合，音源の幅（開口

角 2 Aθ =60°）より音場が広がることが無いので， 1θ > Aθ の

部分には SAW のエネルギーが拡散しない。 次に，開口角が Aθ =2°と小さい場合，Fig.3(d)のように，

点音源の場合と類似した発散ビームとなった。伝搬角 1φ が

増加すると音場の幅が増加し， 1φ =90°で 大になった後，

再び減少して，対極点 1φ =180°で音源上と同じ分布が再現さ

れる。集束ビームの場合と異なり，SAW のエネルギーが

1θ < Aθ の帯状部分に閉じ込められず， 1φ =90°では，赤道か

ら離れた位置まで広がる。支持部など接触部がこの近傍に

あると SAW は散乱される。そのため，このような状態は，

球の精密な検査をする場合には好ましくない。ただし，無

重力の場合や空気圧による球の浮上が行える場合は，支持

部が無くて良いので，接触部による散乱の問題はなくなる。 後に，Fig.3(c)に示す開口角 2 Aθ がほぼ 7°の場合，伝搬

によって音場の幅はほとんど変化せず，常に 1θ = Aθ 程度の

幅で伝搬するコリメートビームが得られた。このようなビ

ームが得られる開口角をコリメート角 COLθ と呼ぶ。(b)-(d)

を比較すると，開口角 2 Aθ がコリメート角 COLθ にほぼ等し

いとき， も狭い帯状部分に SAW のエネルギーが閉じ込め

られることがわかる。球にひずみや不均一性があっても，

狭い軌道に閉じ込められた SAW の伝搬はあまり乱されな

い。支持部など接触部があっても軌道の外であれば SAW は

散乱されない。そこで，コリメートビームは も減衰が小

さく周回数が多いと期待される。 このコリメート角は波数パラメータ ka に依存するので，

ka を変化させて同様の数値解析を行った結果，Table 1 のよ

うに変化した(5)。 SAW の周波数が有限の帯域を持つパルスの場合は，変位

を波数パラメータについて積分する必要がある。 自然なコリメートビームの生因は，伝搬方向から回折効

果によって周辺に広がろうとするSAWの成分を球面の曲率

の効果により中心軸方向に戻すことによって実質的に回折

現象を抑制する結果と解釈できる。(６)式は弾性波に限定さ

れた特性を持たないことから，球における自然なコリメー

トビームは，SAW に限らず任意の表面波で起こる普遍的な

現象である。表 1 で表わされるコリメート条件は近似的に

2COL aλθ ≈ or 2 2COLw a aθ λ= = .........................(８)

で与えられる(11)(18)。ここで， ,wλ は，波長およびコリメー

θ1

O2θA

φ1

Source

Q (θ1 φ1)

Optimal source

Narrow source

Wide source

(a)

(d)

(b)

(c)

P

(a) Coordinate system (b)Focusing beam (c) 自 Collimated beam (d) Divergent beam

Fig. 3. Beam shape of SAW on a sphere

Table 1. Wave number parameter and collimate angle

(Approximate value based on numerical calculation) Wavenumber parameter ka (circumference/wavelength）

Collimate angle COLθ °

Circumference /Aperture width

150 300 450 600 750

15.0 9.0 8.0 7.0 6.0

24 40 45 51.4 60

1180 IEEJ Trans. EIS, Vol. 127, No.8, 2007

トビーム幅である。(８)式は，ボール SAW 素子において音

源の長さを設計する際に有用である。後述の異方性のある

結晶の場合でも，電極形成位置の波長を用いて近似的に適

用できる。 球の SAW の自然なコリメートビームを利用する SAW 素

子の開発には，圧電薄膜を非圧電材料の球に形成する方法(8)

と，圧電単結晶の球に電極を形成して SAW を送受信する方

法(9)(19),(20)がある。結晶球での周回特性は実験的に見出され，

たとえば，LiNbO3 の球では，Fig.4 のように，多くの周回経

路がある(19)(20)。ここで，( )内の数字は周回軌道を指定する

オイラー角である。これに対して，水晶やランガサイトで

は，Z 軸に垂直な赤道（Z シリンダー）に沿った経路の周回

特性が も良い(9)。周回ルートを理論的に計算して新しいル

ートを予測することは未だ実現していないが，極座標によ

る圧電有限要素法プログラムを開発して検討を開始してい

る(21)(22)。

3. ボール SAW センサの原理

従来の平面型の SAW センサでは，高周波パルスで励起さ

れた SAW が，ガス分子を吸収して弾性特性が変化した感応

膜を通る際，振幅や位相が変化する性質を利用する

（Fig.5(a)）。しかし，回折による損失のため伝搬距離には限

界があり，減衰の測定精度には限界がある。水素ガスセン

サも開発されたが(2)，低濃度の水素に対し十分な感度が得ら

れなかった。感度を向上するため感応膜を厚くする必要が

あり，この結果，応答時間が長く 短でも 100 秒であった(3)。 ボール SAW センサでは，SAW の自然なコリメートビー

ムは球の大円に沿った有限幅の円環状領域の中を伝わり，

減衰せずに多数回周回する。伝搬経路上の感応膜への分子

の吸収によるSAW伝搬特性の変化が周回ごとに積算される

ので，50-100 周後に検出すると，従来の弾性波センサより

著しく高感度になる。またそのため，感応膜を薄くできる

ので，従来の SAW センサより応答時間も顕著に短い（水素

ガスセンサの場合 50 分の 1）。さらに，振幅応答が使いやす

く，弾性波と分子の相互作用の多様性により，振幅と位相

が異なるメカニズムで変化するので，これらを使い分ける

ことにより，高感度でありながら高濃度でも飽和しない，

ワイドレンジセンサとなる。 ボール SAW センサの設計には，IDT の構造や感応膜の物

性と厚さを取り込んで，波形を計算する必要がある。そこ

で，すだれ状電極（IDT）で発生した周回数 n のバースト信

号波形を

[ ]2

1

2( ) ( ) ( ) exp ( )2 ( )

k

nPk

C nLs t A k S k i k tV k

ω ωπ

= −

∫

[ ]exp ( )k nL dkkωα ∂

× −∂

.....................................(９)

Fig. 4. Round trip routes on a LiNbO3 single crystal ball

Planar SAW sensor Ball SAW sensor

ElectrodesPiezoelectric plate

RF pulse

Film Molecules

SAW

Δφ

ElectrodesPiezoelectric plate

RF pulse

Film Molecules

SAW

Δφ

Piezoelectric sphere

Film

IDT

Naturally collimated beam of SAW

Molecule Multiple roundtrips⇒Enhanced sensitivity

1 2 3 100 turnsRF pulse

Zaxis

(a) (b)

Fig. 5. SAW sensors

401 402 403 404

–2

0

2

401 402 403 404

–2

0

2

402.4 402.6 402.8 403–1

0

1

402.4 402.6 402.8 403

0

(a) Exp.

(b) Theory

Ｔｉｍｅ t (μs) Fig. 6. (a) Experimental and (b) calculated waveform at 39th

turn with the 40 nm PdNi film. The parameters used for

calculation are given in Table 1

ボール SAW 素子の原理と応用

電学論 C，127 巻 8 号，2007 年 1181

ただし（nL /VR<t<(n+1)L /VR）により計算し，全波形を

SN(t)=Σsn(t) (n=1..N の和) の実部で計算する方法を開発し た(23)。ここで，L=2πa は球の周長，VR はゼロ周波数の音速，

C は定数，A(k)は IDT のアレー因子(24)，k は波数，S(ω)は回

路の周波数特性，ω=VRk+(∆V/2k0) k2 は角周波数，k0 は IDTによる設計値，∆V は感応膜などによる音速分散の大きさ，

Vp(k) =ω/k は位相速度，α =ω/(2QVR)は減衰定数である。 この(９)式では，球の無回折伝搬により 1 周しても波面が

保存されることを利用して，回折や反射の影響を省略でき

ることが背景にある。反射損失を低減し 3 倍周波数の高調

波を発生できるダブル電極 IDTを用いた 2周波数素子(30)に，

PdNi 感応膜を形成して周波数分散を付与した結果得られた

波形を，Fig.6 に示すように高精度に予測できた。

4. ボール SAW 水素ガスセンサ

ボールSAWセンサの 初の応用として水素ガスセンサを

開発した。水素の検出用の感応膜には，水素を吸収すると

弾性率が変化する Pd または Pd 合金の薄膜を周回路上に製

膜して用いた。直径 10mm の水晶球を用いた基礎実験では，

Z 軸を中心軸とした赤道上を SAW が周回する位置にすだれ

状電極（線幅 17.5µm，長さ 700µm，対数 10）を形成した。

Pd 膜は，マスクを使って SAW 伝搬面の 80%の領域に厚さ

20nm 蒸着し，センサ表面には，音速の温度変化による影響

を補正するため銅・コンスタンタン熱電対温度計を設置し

た。直径 1mm の水晶球を用いた実験(25)では，線幅 5µm の

すだれ状電極を用いており，PdNi 合金薄膜を伝搬面の 40%程度の部分に厚さ 40nm 蒸着した（Fig. 7）。

水素ガスセンサの特性評価は，アクリル製の円筒フロー

セル（40mmφ）内で，パルス反射型の超音波送受信機を用

いて行った。フローセル内に H2 ガスと純 Ar または窒素（キ

ャリアガス）を交互に流し，SAW 波形と温度を 2-10 秒間隔

で計測した。水素濃度はマスフロコントローラを使って調

節し，全ガス流量は 5l/min とした。 Fig.8(a)は空気中における直径 10mm センサの受信波形で

ある。Pd 成膜後において 51 周目の SAW（中心周波数

44.8MHz）が明瞭に確認でき，100 周回の多重周回を観測し

た。伝搬距離は 3142mm もあり，音源の幅が 0.7mm しかな

いことを考慮すると平面では回折の影響で検出不可能な距

離である。(b)は 3%H2 ガスおよび Ar ガス中の定常状態にお

ける 51 周目の波形である。H2ガス中では，キャリアガス中

と比べ SAW の音速が 0.059m/s 速くなった。これは水素吸収

により Pd の弾性率が増加したためである。また H2 ガス中

では振幅が 7%小さくなった。 次に，センサの応答時間と感度を評価するため，51 周回

目の波形に Gabor 関数を用いた wavelet 変換を施し，

506.070µs～506.085µs の間の波形のピーク値を与える遅延

時間（伝搬時間）を求めた。さらに別に測定した水晶の赤

道の 50 周の周回時間に対する温度係数 12.5ns/℃を用いて，

測定した温度の値から，周回時間に及ぼす温度の影響を補

正した。Fig.9 に，水素濃度を変えたときの遅延時間（Δt）の変化を示す。温度は約 22.5℃であった。全ての濃度範囲

a

bc (a) Evaluation circuit and module (b) 1mm-diameter quartz sensor (c) Interdigital electrode (IDT)

Fig. 7. Quartz ball SAW sensor system (1mm)

(a) Multiple roundtrips (b) Enlarged 51st turn signal

Fig. 8. Waveform in ball SAW hydrogen gas sensor

0.1 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 %

αphase

0 20 40 60

506.075

506.08

Del

ay ti

me

[ µs

]

Time [min]

t∆

Fig. 9. Delay time response for hydrogen gas sensor (10φ

quartz ball 45 MHz SAW ; 51th turn）

1182 IEEJ Trans. EIS, Vol. 127, No.8, 2007

において H2 ガスと Ar ガスの導入に同期して，伝搬時間の

変化が見られた。伝搬時間の変化量は水素濃度に依存し，

高濃度ほど大きくなった。また，キャリアガスへの切り替

えにより元の基準値へ回復した。 以上より，0.1%～3% H2 ガスに対して十分な検出感度と可

逆性を持つことが確認できた。直径 1mm の素子（Fig. 7(b), (c)）でも，50 周回の SAW（中心周波数 156MHz）の長距離

伝搬を実現した(25)。 純粋なPd膜は水素濃度3%で β相転移により膜が劣化する

が，Ni を添加することで相転移を抑制できる(1)。そこで，

Ni30%の合金化を行った結果，100%の水素でも安定な膜が

得られた。Fig.10 に，遅延時間と振幅応答による検出結果を

示す(10)(11)。遅延時間応答(a)により水素濃度 0.1%から 100%の範囲で応答が見られた。水素濃度 100%でも飽和の兆候を

見せないため，1 気圧の測定に限らず，高圧水素タンクのよ

うに 10 気圧を超える圧力でも，高圧力下の水素濃度に応じ

たセンサ出力が得られる可能性がある。振幅応答(b)では

10ppm の低濃度でも応答が見られ，低濃度水素の検出に適

していることがわかった。高濃度でも，漏洩減衰による振

幅変化（後述）を補正すれば使用できる。 このように，振幅と遅延時間応答は水素濃度依存性に異

なる挙動を示し，両方を相補的に用いることで 10ppm（0.001%）から 100％までの 5 桁にわたるワイドレンジ水素

ガスセンサを初めて実現できた。ボール SAW センサの音速

と減衰を高精度に測定できる利点が，ここで活かされてい

る。弾性波センサは複数の原理で動作し，広い濃度範囲で

働くが，ここで見た特性も，弾性波の多様性の例である。

それぞれの原理としては，遅延時間応答は結晶粒界が関与

した現象といわれているが，振幅応答は水素による内部摩

擦または電気伝導率の変化のいづれか不明であり，両者と

も今後解明する必要がある。 後に，Fig.11 に短時間の応答特性を示す。ここでは S/N

の良いランガサイト結晶を用いた。室温で 4s，130℃の加熱

で 2s の応答時間が得られ(26)，従来の SAW センサより 100倍の高速化が達成できた。計測回路の改良などにより，現

在は濃度 3%の水素に対し室温で 1s 以下の応答時間が得ら

れているが，なお高速化の可能性がある。

5. ガスクロへの応用

環境計測やセキュリティーの分野では，多くの種類の危

険・有害ガスを高感度で迅速に検知する必要がある。問題

のガス種が特定されている場合は，そのガスの高感度なセ

ンサを用意すれば良いが，問題のガスが不明の場合は，既

存のセンサを多数用意しても一般にはガスが特定できな

い。このような場合は，フィールドでガスを採取して，実

験室でガスクロマトグラフ（gas chromatograph; GC）等によ

り定性と定量を行う手法が行われてきたが，オンサイト・

リアルタイムでないとガスが特定できない場合も多い。フ

ィールドで使える個人ユースの網羅的小型ガスセンサが求

められているが，実用化には課題がある。これが今日のガ

ス計測技術における大きな課題の一つである。 我々は，ボール SAW センサの高度な機能を用いると，ガ

スクロの課題を解決できる可能性があると考えて，研究を

開始している。Fig.12 に検出器としてボール SAW センサを

用いるガスクロの概念図を示す。 ガスクロマトグラフでは，ガスを分離カラムによって時

間的に分離して計測する。特定のガスのピークが出るまで

Ball SAW sensor

Separation column

Sensing circuit

Precompressor

Pump, heater controller

Velocity（f1）

Attenuation（f1）

BMixed gasC

MixtureB and C

Attenuation (f2)

Retention time

A

!

Fig. 12. Concept of ball SAW GC

–40 0 40

310

320

Time (s)

Am

plitu

de (m

V)

(d) 124℃ 1.8%

–40 0 40

310

320

Time (s)

Am

plitu

de (m

V)

–40 0 40250

260

270

Time (s)

Am

plitu

de (m

V)

–40 0 40

260

270

Time (s)

Am

plitu

de (m

V)

(c) 124℃ 0.6%(a) 23℃0.6% H2

(b) 23℃ 1.8%

Fig. 11. Fast response ; 4s at RT and less than 2s at 124 ℃

(evaluated at measurement interval of 2s)

10–3 10–2

0.5

1

Hydrogen Concentration [%]

Ampl

itude

cha

nge

[%]

10–2 100 102

0

0.2

0.4

0.6

Hydrogen Concentration [%]

Del

ay T

ime

chan

ge [n

s]

(a) Delay time (b) Amplitude

Fig. 10. Response for hydrogen gas;10ppm (0.001%) to

100% (1 mm diameter quartz ball, 156MHz SAW measured at

50 turns)

ボール SAW 素子の原理と応用

電学論 C，127 巻 8 号，2007 年 1183

の時間（保持時間）は，キャピラリー（毛細管）カラムを

用いたガスクロの場合，近似的に

( ) /R g Lt V K V F= + ⋅ ................................................... (10)

で与えられる(27)。ここで， Rt は保持時間（あるガス分子が

カラムを通過する時間で，測定時間の目安）， gV はカラム中

の気相部分の体積， K は分離カラム内面に塗った液相への

試料ガスの分配係数で，近似的にそのガスの溶解度と考え

て良い。これがガス毎に異なるため Rt が異なり，クロマト

グラムの異なる時刻にピークを与えることで，ガスの識別

が可能になる。また LV は液相の体積（液相の厚さとカラム

の長さで決まる）， F はキャリアガスの流量である。 Fig.13.はガスクロの検出器としてボール SAW センサを用

いる予備実験の結果で，3%水素・窒素混合の試料ガスを 5ml注入した場合の振幅応答（上）である(28)。下段に，ガスク

ロの通常の検出器である熱伝導検出器（thermal conductivity detector ; TCD）の応答を示す。キャリアガス流量は 50ml/minとした（水素ガスセンサの場合の 1/100 の流量）。キャリア

ガスにアルゴンを用いた測定(a)とヘリウムを用いた測定(b)の両者において，水素による振幅応答が見られた。これは

従来の水素ガスセンサと同様に PdNi 感応膜に水素が吸蔵さ

れることによる応答である。検出器に到達した段階では，

水素ガス濃度は試料ガス中の 1/10 程度（0.数%）になってい

るが十分な感度がある。 また，窒素への応答も見られるが，これはキャリアガス

の種類によってピークが反転した。従って感応膜のためで

はなく，SAW の気体雰囲気への漏洩のためであると推定さ

れる。窒素ガスがボール SAW 検出器に到達した場合の漏洩

減衰を，窒素とキャリアガスによる漏洩減衰の和と仮定し，

音響インピーダンスによる漏洩減衰の近似式(29)を採用する

と，窒素ガス到達時の減衰 ∆αN2 は，キャリアガスのみの場

合より，

( ) ( )22 2

0 0 0

1N A AN N C C

v

v P c M Mk V t V RTαδ γ γ

ρ∆ = − − ∆

............................................. (11)

だけ増加する。ここで， Av は大気圧における試料ガスの体

積， AP は大気圧， vV はガス流量， t∆ はガス継続時間，c は

混合ガスにおける水素濃度， 2Nγ , Cγ は窒素，キャリアガス

の比熱比， 2NM , CM はそれぞれの分子量である。 窒素検出時の n 周目における振幅応答は，

( )21 exp NV V nLδ α∆ = − − ∆ ....................................... (12)

となる。ここで L は球の周囲長である。 キャリアガスが(a)アルゴンと(b)ヘリウムの場合の振幅応

答の(12)式による計算値（1 周および 68 周後），および 10mmφのランガサイトを用いたボール SAW センサによる

実験値（68 周後）を表 2 に示す。1 周後の振幅応答は 10-4

のオーダーしかなく測定が極めて難しいが，68 周後は変化

が 2%以上になり，測定は容易になる。これがボール SAWセンサを用いる利点である。また，計算値と実験値と比較

すると，両方のキャリアガスにおいて，漏洩減衰による振

幅変化はほぼ一致し，この近似式がガス分圧の定量測定に

有効であることがわかった。これは，感応膜による選択性

のある応答以外に，ボール SAW センサを用い，SAW の漏

洩減衰によって汎用性のあるガスの定量分析が行えるとい

う可能性を示している。 なお，Fig.13 では測定時間が 4 分以上かかっているが，(10)

式によって測定時間の短縮の手段を考えると，(１)カラムの

気相の体積を減らす，(２)分配係数の小さい液相を用いる，

(３)液相体積を減らす，(４)キャリアガス流量を増加するこ

とが考えられる。しかし，(１)～(３)は類似したガスの分離

能力の低下，(４)はキャリアガス使用量や駆動ポンプ系の負

担増加をもたらす。そこで対策として，分離していないガ

スの識別を行うガス分析法や効率の高いカラム及びセンサ

パッケージの開発が必要になる。また，ガス検出感度の向

上のため，圧縮器によるガスの濃縮も必要である。 以上のことを踏まえ，新しいガス分析法の開発に取り組

むとともに，ボール SAW の利点を活かすカラムや感応膜の

開発を今後行う計画である。

6. ま と め

球面を伝搬するSAWの自然に形成されるコリメートビー

ムと，ボール SAW センサを紹介した。コリメートビームの

多重周回現象により著しく高感度化でき，感応膜を薄くで

きる結果，従来の SAW センサより応答時間が短くできる。

また，音速と減衰をともに高精度で計測できるので，検出

濃度範囲の広いガスセンサを開発できる。なお，ボール SAWセンサは多様なメカニズムで応答するため，特定のガスの

H２

N２

N２

(a) (b)

H２

0.125

0.130

0 2 4 6 80

10

20

30

Am

plitu

de (V

)

Time ( min )

TC

D(m

V)

0.185

0.190

0.195

0 2 4 6 80

10

Am

plitu

de (V

)

Time ( min )

TCD

(mV

)

V+ΔV

V

Fig. 13. Amplitude response for 3vol% H2 in N2 (He carrier)

Top: ball SAW sensor Bottom: Thermal conductivity

detector

Table 2. Leaky loss in the amplitude response

-0.026-0.038-6×10-40.0183He

0.0190.0294×10-4-0.0133Ar

ΔV/V exp.

ΔV/V 68turns

ΔV/V 1turn

Δα[1/m]

Carrier gas

-0.026-0.038-6×10-40.0183He

0.0190.0294×10-4-0.0133Ar

ΔV/V exp.

ΔV/V 68turns

ΔV/V 1turn

Δα[1/m]

Carrier gas

1184 IEEJ Trans. EIS, Vol. 127, No.8, 2007

検出には感応膜の無い補償用の素子による差動型の配置で

クロストークを除去する必要がある。また周波数依存性を

持つ応答の抽出には，2 周波素子を用いた周波数分散を利用

する補償法(30)が有効である。 本研究では，よく知られた標準的な感応膜(1)(2)を用いた。

しかしボールSAWセンサは特定の感応膜に限定されるもの

ではなく，任意の感応膜を適用できる革新的なセンサプラ

ットフォームである。Fig.7(a)は，ゲートアレイを用いて遅

延時間と振幅を 1ms間隔で高速測定できるボールSAWセン

サ評価装置(31)で，既に供給体制が準備された。今後，多く

の分野で開発された優れた感応膜と組み合わせれば，新し

いセンサ技術の体系が構築できると期待される。 謝 辞 ボールベアリングの SAW の研究は，H10-12 年度新エネル

ギー・産業総合開発機構（NEDO）新規産業創造型提案公募

事業等，ボール SAW 水素ガスセンサの開発は，H16,17 年度

文部科学省科学技術振興調整費プロジェクト「産学官共同

研究の効果的な推進」の補助を受けて行われた。ボール SAWガスクロの研究は，H18～23 年度科学技術振興機構戦略的

創造研究推進事業(CREST)の補助を受けて行っている。本報

告の内容は，東北大学 石川暁，水上晶夫，阿部卓司，岩

田尚也，辻俊宏，三原毅，凸版印刷（株） 塚原祐輔，大

木恒郎，赤尾慎吾，中務琢也，ボールセミコンダクター（株）

竹田宣生，Bryan Maxey，（株）山武 風戸裕彦，田中秀一，

宮岸哲也，佐藤一太郎，海老裕介各氏との共同研究の成果

である。また，千葉大学橋本研也教授からは，種々有益な

示唆を受けている。あわせて感謝の意を表します。 （平成 19 年 2 月 27 日受付，平成 19 年 3 月 12 日再受付）

文 献

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Appl. Phys., Vol.40, p.3623 (2001) (７) Y. Tsukahara, N. Nakaso, H. Cho, and K. Yamanaka : Appl. Phys. Lett.,

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Tsukahara : Proc. 2003 IEEE Ultrason. Symp., p.299 (2004) (11) K. Yamanaka, S. Ishikawa, N. Nakaso, N. Takeda, D. Sim, T. Mihara, A.

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International UFFC Joint 50th Anniversary Conference (1557) (21) 甲斐智司・大手一憲・辻 俊宏・三原 毅・大木恒郎・中曽教尊・

佐藤一太郎・吹浦 健・田中秀一・山中一司：電子情報通信学会技

術研究報告 US2006-38 (2006) (22) 赤尾慎吾・甲斐智司・大手一憲・岩田尚也・辻 俊宏・三原 毅・

中曽教尊・山中一司：電子情報通信学会技術研究報告 US2006-76 (2006)

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書店, p.7 (28) 岩田尚也・阿部卓司・辻 俊宏・三原 毅・赤尾慎吾・山中一司：「ガ

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Y. Sim, Y. Ebi, T. Fukiura, H. Tanaka, and K. Yamanaka : Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol.27, p.101 (2006)

山 中 一 司 （非会員） 1949 年 9 月 7 日生。1977 年東京大

学大学院工学系研究科修士課程修了，1978 年通

産省工業技術院機械技術研究所研究員，1997年 東北大学大学院工学研究科教授，2005 年か

ら東北大学未来科学技術共同研究センター教

授。1987 年東北大学論博（電気）。[専門] 超音

波計測・材料評価学。1997 年応用物理学会論文

賞受賞。

中 曽 教 尊 （非会員）1960 年 3 月 1 日生。1985 年広島大学

理学部卒業，凸版印刷株式会社入社，超音波ス

ペクトロスコピーの研究に従事。1989IEEE，UFFC 優秀論文賞受賞，1995 年東北大学工学

研究科学位（工学）。現在凸版印刷総合研究所

次世代商品研究所でボール SAW デバイスの研

究に従事。[専門] 超音波計測。

ボール SAW 素子の原理と応用

電学論 C，127 巻 8 号，2007 年 1185

吹 浦 健 （非会員） 1959 年 9 月 10 日生。1984 年 3 月筑

波大学理工学研究科修了。現在（株）山武にて

センシングデバイス・システム開発に従事。

沈 東 演 （非会員） 1964 年 7 月 18 日生。1996 年 2 月東

北大学工学研究科精密工学専攻博士課程修了。

1998 年 4 月東北大学 ベンチャー·ビジネス·ラボラトリー中核的研究機関研究員，2000 年から

現在（株）Ball Semiconductor Inc./Ltd.にて Ball MEMS/ Semiconductor デバイス開発に従事。[専門]MEMS，センサ