ボールSAWガスクロ

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研究代表者:
山中 一司 (東北大学 未来科学技術共同研究センター 教授)
研究課題:
多種類の危険・有害ガスに対する携帯型高感度ガスセンサシステム

技術解説

物理学の教科書には、音波や電磁波などのビームは伝搬するにつれて拡がると書かれている。これは回折という現象で、波を用いる素子の性能の限界をもたらす。しかし、軸受球の非破壊検査法の研究中に、これを超える発見がなされた。球の表面を大円に沿って伝搬する弾性表面波(SAW;surface acoustic wave)は特別な性質を持ち、図1のように、球の直径と波長の幾何平均に等しい幅を持つビームは回折せず、どこまで行っても同じ幅を保つ。
  本研究では、この物理学の常識を破る発見、無回折・コリメートビームを応用して、環境計測やセキュリティー分野で強く要望されている多種類の危険・有害ガスに対する携帯型高感度ガスセンサシステムを開発しており、ボールSAWガスクロマトグラフ(ガスクロ)と名づける。
  ボールSAWガスクロでは、捕集器で採取され、ガス分離カラムで成分ごとに分離されたガス分子を、球の大円に沿って流し、大円を周回するSAWのコリメートビームと相互作用させて、その特性を変化させる(図2)。ここで従来のSAWセンサは伝搬距離が短いので、微小な変化が検知できない(図3(a))が、球のSAWは100周以上周回するので、変化が増幅されて(図3(b))、音速だけでなく減衰の高精度測定も可能になる。
  この特長を用いて、10ppmから100%までの検出が必要な水素ガスをはじめ、二酸化炭素、水蒸気、メタノール、エタノールなど燃料電池関連ガス、および窒素、メタン、エタン、プロパンなど天然ガス関連ガス10種以上を検出するセンサシステムを開発する。プロジェクト終了後は、ポケットに収納して日常生活で使用し、計測データをセンサネットワークに発信する携帯型のガスクロを実用化する。この技術により個人ユーザーにアレルギー原因ガスなどの有害ガス検知手段を提供するとともに、危険ガスの分析をオンサイト短時間で可能にして安全安心な社会実現に貢献する。さらに、環境における危険・有害ガスの情報を時間的・空間的に蓄積することによって、広範囲な環境問題の原因解明と対策に有用な知見を得る体制の確立に貢献する。

概要図

図1  球の大円に形成される自然なコリメートビームのエネルギー分布(理論計算)

図1 球の大円に形成される自然なコリメートビームのエネルギー分布(理論計算)

図2  ボールSAWガスクロの構成

図2 ボールSAWガスクロの構成

図3  平面型SAWセンサとボールSAWセンサの比較

図3 平面型SAWセンサとボールSAWセンサの比較

論文等

  1. (1) K. Yamanaka : Ball SAW SENSORS FOR SAFETY AND RELIABILITY OF FUEL CELL TECHNOLOGIES (Plenary talk in First Conference on Advanced Nondestructive Evaluation 2005), Key Engineering Materials Advanced Nondestructive Evaluation I ,321-323, (2006) , pp 48-52
  2. (2) Kazushi Yamanaka, Kanwar Jit Singh, Naoya Iwata, Takuji Abe, Shingo Akao, Yusuke Tsukahara and Noritaka Nakaso : Acoustic dispersion in a ball-shaped surface acoustic wave device, Appl. Phys. Lett., 90, (2007) , 214105
  3. (3) Naoya IWATA, Takuji ABE, Toshihiro TSUJI, Tsuyoshi MIHARA, Shingo AKAO, and Kazushi YAMANAKA : Analysis of Ball Surface Acoustic Wave Sensor Response to Wide Variety of Gases Using Gas Chromatography, Japanese Journal of Applied Physics, 46, 7B, (2007),4532-4536
  4. (4) Satoshi KAI, Kazunori OTE, Tsuyoshi MIHARA, Tsuneo OHGI, Noritaka NAKASO, Ichitaro SATOH, Takeshi FUKIURA, Hidekazu TANAKA, and Kazushi YAMANAKA : Measurement of Surface Acoustic Wave on a Quartz Ball with Proximate Electrodes to Improve Performance of Ball Surface Acoustic Wave Device, Japanese Journal of Applied Physics, 46, 7B, (2007), 4723-4725
  5. (5) Takuji ABE, Naoya IWATA, Toshihiro TSUJI, Tsuyoshi MIHARA, Shingo AKAO, Kazuhiro NOGUCHI, Noritaka NAKASO, Dong Youn SIM, Yusuke EBI, Takeshi FUKIURA, Hidekazu TANAKA, and Kazushi YAMANAKA : Evaluation of Response Time in Ball Surface-Acoustic-Wave Hydrogen Sensor using Digital Quadrature Detector, Japanese Journal of Applied Physics, 46, 7B, (2007),4726-4728
  6. (6) 大手一憲,柳沢恭行,赤尾慎吾,中曽教尊,山中一司: 非接触IDTを用いた方位制御装置によるボールSAW素子の異方性解析, 電子情報通信学会技術研究報告,US2007-46,(2007),19-24
  7. (7) 岩田尚也,佐久間正典,辻俊宏,赤尾慎吾,野口和洋,中曽教尊,沈東演,竹田宣生,吹浦健,山中一司: ガス分離カラムを用いたボールSAWセンサによる多種類ガスの応答解析, 電子情報通信学会技術研究報告,US2007-47,(2007),25-29
  8. (8) Kanwar Jit Singh, Noritaka Nakaso, Shingo Akao, Dong Youn Sim, Takeshi Fukiura, Toshihiro Tsuji, and Kazushi Yamanaka: Frequency-dependent surface acoustic wave behavior of hydrogen-sensitive nanoscale PdNi thin films, Nanotechnology,18,(2007),435502
  9. (9) 山中一司, 中曽教尊, 吹浦健, 沈東演 : ボールSAW素子の原理と応用, 電気学会論文誌C, 127, 8,(2007), 1177-1185
  10. (10) 山中一司, 中曽教尊, 吹浦健, 沈東演 : SAW を用いた水素センサ -ボールSAWセンサ-, 精密工学会誌, 73, 8, (2007), 879-882
  11. 吹浦健:球状SAWガスセンサの開発、azbil Technical Review、Vol.24、16~20
  12. 山中一司,中曽教尊,吹浦健,沈東演: ボールSAWセンサの原理と応用, 化学センサ,23(4),(2007),120-125
  13. Takayuki YANAGISAWA, Kazunori OTE, Tsuneo OHGI, Noritaka NAKASO, and Kazushi YAMANAKA: Observation of Surface Acoustic Wave Propagation on a Quartz Ball with Concave Proximate Electrodes, Japanese Journal of Applied Physics,47(5),(2008),4081-4085
  14. Dongyoun SIM, Bryan MAXEY, Nobuo TAKEDA, Noritaka NAKASO, Naoya IWATA, Toshihiro TSUJI, and Kazushi YAMANAKA: One-Millimeter Diameter Harmonic Ball Surface Acoustic Wave Gas Sensor with Temperature Compensation by Itself, Japanese Journal of Applied Physics,47(5),(2008),4070-4075
  15. Shingo AKAO, Naoya IWATA, Masanori SAKUMA, Hidekazu OHNISHI, Kazuhiro NOGUCHI, Toshihiro TSUJI, Noritaka NKASO, and Kazushi YAMANAKA: Development of Microseparation Column for Ball Surface Acoustic Wave Gas Chromatograph, Japanese Journal of Applied Physics,47(5),(2008),4086-4090
  16. Kazushi Yamanaka, Noritaka Nakaso, Takeshi Fukiura, Dong Youn Sim: Principle and Application of Ball SAW Devices,Electrical Engineering in Japan,168(1),(2009),41-51
  17. Kentaro KOBARI, Yutaro YAMAMOTO, Masanori SAKUMA, Shingo AKAO, Toshihiro TSUJI, Kazushi YAMANAKA: Fabrication of Thin Sensitive Film of Ball Surface Acoustic Wave Sensor by Off-Axis Spin-Coating Method, Japanese Journal of Applied Physics,48(7),(2009),07GG13-1-6
  18. Yutaro YAMAMOTO, Shingo AKAO, Masanori SAKUMA, Kentaro KOBARI, Kazuhiro NOGUCHI, Noritaka NAKASO, Toshihiro TSUJI, Kazushi YAMANAKA: Development of Packed Column for Surface Acoustic Wave Gas Chromatograph Using Anodically Bonded Silicon-Glass Structure with a Cmpression Jacket, Japanese Journal of Applied Physics,48(7),(2009),07GG12-1-3

関連特許

  1. Noritaka Nakaso, Kazushi Yamanaka「Surface Acoustic Wave Device and Environmental Difference Detecting Apparatus Using the Surface Acoustic Wave Device」US Patent Number:7,247,969、Date of Patent:Jul. 24, 2007
  2. Kazushi Yamanaka, Noritaka Nakaso, Yuusuke Tsukahara「Surface Acoustic Wave Element, Electric Signal Processing Apparatus Using the Surface Acoustic Wave Element, Environment Evaluating Apparatus Using the Electric Signal Processing Apparatus and Analyzing Method Using the Surface Acoustic Wave Element」US Patent Number:7,170,213、 Date of Patent:Jan. 1, 2007
  3. 山中一司、池上泰史「異方性を有する球状表面波素子の解析方法」特許出願:2005-269025、特許公開:2007-080095
  4. 山中一司、三原毅、辻俊宏、中曽教尊、大木恒郎、赤尾慎吾、田中秀一、吹浦健、佐藤一太郎「異方性球状材料の方向測定方法、異方性球状材料の方向測定装置および球状弾性表面波素子の製造方法」特許出願:2006-142637、特許公開:2007-315778
  5. (5) 中曽教尊、赤尾慎吾、山中一司、沈東演「球状弾性表面波素子、回転角度測定装置及び回転角度測定方法」特許出願:2004-368101、特許公開:2006-177674

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