JP3222965B2 - エラスティックコンボルバ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弾性表面波の非線形性
を利用したエラスティックコンボルバ装置に関し、特
に、圧電体の圧電性の非線形挙動を増加させるための手
段が設けられたエラスティックコンボルバ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】エラスティックコンボルバは、二つの入
力信号のたたみ込み積分を行う演算素子であり、一方の
入力信号が他方の入力信号の時間反転である場合、出力
は相間出力となる。従って、マッチドフィルタの一種で
あるということができ、種々の信号処理分野においてそ
の利用が検討されている。

【０００３】上記エラスティックコンボルバは、弾性表
面波の有する高い非線形性挙動を利用したものである。
従来より公知のエラスティックコンボルバの構造を図１
０に示す。エラスティックコンボルバ１は、ＬｉＮｂＯ
₃ 等の圧電材料よりなる圧電体２の上面に所定距離を隔
てて入力用インターデジタルトランスデューサ（以下、
ＩＤＴと略す。）３，４を形成した構造を有する。ＩＤ
Ｔ３，４間には、出力用電極５が形成されている。ま
た、圧電体２の裏面には、アース電極６が形成されてい
る。

【０００４】エラスティックコンボルバ１では、入力用
ＩＤＴ３，４から入力信号が与えられ、表面波が励振さ
れる。そして、入力用ＩＤＴ３，４から伝搬してきた表
面波が、圧電体の非線形に基づいて、たたみ込み積分さ
れた信号として出力電極５及びアース電極６間で取り出
される。

【０００５】また、上記エラスティックコンボルバとは
別に、図１１に示す半導体コンボルバも知られている。
半導体コンボルバ１１は、Ｓｉ基板１２の上面にＳｉＯ
₂ 膜１３及びＺｎＯ膜１４を積層した構造を有する。Ｚ
ｎＯ膜上には、所定距離を隔てて入力用ＩＤＴ１５，１
６が形成されており、かつ入力用ＩＤＴ１５，１６間に
出力電極１７が形成されている。また、Ｓｉ基板の裏面
には、オーミック接触されたアース電極１８が形成され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】コンボルバの性能は、
一般的に、効率Ｆ及びＢＴ積（Ｂは帯域幅、Ｔは積分あ
るいはプロセス時間を示す。）で示される。エラスティ
ックコンボルバ１では、広帯域及び長時間の相互作用長
を得ることができるため、ＢＴ積は２０００程度と比較
的大きい。しかしながら、圧電性の非線形挙動が弱く、
効率Ｆは−７０ｄＢｍ〜−８０ｄＢｍ程度しか得られな
いという問題があった。

【０００７】他方、半導体コンボルバ１１では、出力電
極１７、アース電極１８間に直流の電圧を印加すること
によりＳｉ基板１２すなわち半導体の容量の非線形性が
高められ、効率よくたたみ込み積分された信号が出力さ
れる。従って、エラスティックコンボルバ１に比べて、
効率が高く、−４２ｄＢｍ程度の効率が得られる。しか
しながら、ＢＴ積については２０７程度と小さく、ダイ
ナミックレンジも３５ｄＢ程度と小さいという問題があ
った。さらに、半導体コンボルバ１１では、上述した半
導体基板を用意し、かつ幾つもの層を積層してなる積層
基板を用いなければならないため、コストが高くつくと
いう問題があった。なお、従来のエラスティックコンボ
ルバでは圧電体の非線形を利用しているため出力電極５
では直流電圧を印加されていなかった。

【０００８】本発明の目的は、ＢＴ積が大きいだけでな
く、弾性表面波の非線形性相互作用が高められており、
従って高効率であり、しかも安価なエラスティックコン
ボルバ装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、強誘電性を有
し、直流電圧を印加されると圧電性の非線形性挙動が増
加する材料よりなる圧電体と、前記圧電体表面において
所定距離を隔てて配置された一対の入力電極と、前記圧
電体表面に形成された出力電極とを有するエラスティッ
クコンボルバ素子と、前記エラスティックコンボルバ素
子の圧電体の少なくとも表面波伝搬路上に直流電界が加
わるように、前記圧電体に接続された直流電圧印加手段
とを備えることを特徴とするエラスティックコンボルバ
装置である。

【００１０】上記圧電体を構成する材料は、強誘電性を
有し、直流電圧を印加されると圧電性の非線形挙動が増
加する材料により構成されるが、このような材料として
は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック、チタン酸
鉛圧電セラミック等の強誘電性圧電体があげられる。

【００１１】

【作用】本発明では、直流電圧を印加されると、圧電性
の非線形性挙動が増大する材料により圧電体が構成され
ており、他方、圧電体の少なくとも表面波伝搬路に直流
電界を印加するための直流電圧印加手段が接続されてい
る。従って、直流電圧印加手段から直流電圧を印加する
ことにより、圧電体の表面波伝搬路上に直流電界が加え
られ、それによって圧電体の非線形性が高められる。そ
の結果、弾性表面波の非線形性相互作用が強められるこ
とになるため、効率が高められる。

【００１２】本発明の原理を、図２及び図３を参照して
説明する。エラスティックコンボルバは、圧電体の非線
形性を利用した素子であるが、この非線形性には、
（１）歪みの非線形性及び（２）物理的非線形性（媒質
の断熱状態式の非線形性）がある。上記物理的非線形性
は、さらに、弾性、誘電率、電歪、及び圧電性
の４つの項目の非線形性に分けられる。従って、エラス
ティックコンボルバの性能を評価する場合には、上記の
ような各種の非線形性について総合的に考慮する必要が
ある。

【００１３】もっとも、エラスティックコンボルバの出
力にもっとも大きく関与すると考えられるのは、上記の
うち圧電性の非線形性である。圧電性の非線形性を評価
する方法の一つとして、圧電体に静的または準静的な電
界を印加した場合の音速の変化を計測する方法がある。

【００１４】図２に示すように、圧電板２１の両面に電
極２２ａ，２２ｂを形成する。圧電板２１は、厚み方向
にすなわち矢印Ｐ方向に分極されている。この圧電板２
１に電極２２ａ，２２ｂから電界Ｅを印加し、その際の
伸び振動の音速Ｖの変化を測定すると図３に示すよう
に、下記の式（１）で表される曲線となる。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、圧電性の非線形性は、Ｅ−（ΔＶ
／Ｖ）特性の接線の傾きの絶対値で表され、下記の式
（２）の通りとなる。

【００１７】

【数２】

【００１８】従って印加する電界Ｅが大きいほど、非線
形性が大きくなる。よって、本発明では、この効果を利
用してエラスティックコンボルバ素子の出力が高められ
ている。

【００１９】

【実施例の説明】以下、本発明の非限定的な実施例を説
明することにより、本発明を明らかにする。

【００２０】図１は、本発明の一実施例にかかるエラス
ティックコンボルバ装置を示す斜視図である。本実施例
のエラスティックコンボルバ装置は、エラスティックコ
ンボルバ素子３１と直流電圧印加手段としての直流電源
３２とを有する。エラスティックコンボルバ素子３１
は、矩形板状の圧電体３３の上面に一対の入力用ＩＤＴ
３４，３５を所定距離を隔てて形成した構造を有する。
ＩＤＴ３４，３５間の表面波伝搬路上に、出力電極３６
が形成されている。また、圧電体３３の下面の全面にア
ース電極３７が形成されている。

【００２１】圧電体３３は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧
電セラミックにより構成されており、矢印Ｐ方向に、す
なわち厚み方向に分極処理されている。入力用ＩＤＴ３
４，３５は、それぞれ、一対の櫛歯電極３４ａ，３４ｂ
及び３５ａ，３５ｂを、互いの複数本の電極指が間挿し
合うように配置した構造を有する。

【００２２】本実施例のエラスティックコンボルバ装置
では、上記出力電極３６に、コイル３８を介して、直流
電源３２が接続されている。直流電源３２は、圧電体３
３に直流電界をその厚み方向に印加するために設けられ
ている。また、コイル３８は、２ωの周波数をカット
し、直流を通過させるために接続されている。さらに、
出力電極３６とコイル３８との間の接続点３９と出力端
Ａとの間にコンデンサ４０が接続されている。コンデン
サ４０はエラスティックコンボルバ装置の出力すなわち
２ωの信号を通し、他方、直流をカットするために接続
されている。

【００２３】本実施例のエラスティックコンボルバ装置
では、直流電源３２より印加される電圧により、圧電体
３３に厚み方向に直流電界が印加される。その結果、入
力用ＩＤＴ３４，３５から入力信号を与えた場合、出力
端子Ａとアース電位との間で取り出される出力が直流電
圧を印加しない場合に比べて高められる。これを、以下
の具体的な実験例に基づき明らかにする。

【００２４】圧電体３３として、幅６ｍｍ×長さ４０ｍ
ｍ×厚み０．７ｍｍの矩形のチタン酸ジルコン酸鉛より
なる圧電板を用意した。この圧電体３３の上面に、入力
用ＩＤＴ３４，３５として、電極指の対数Ｎ＝４０、電
極指間ピッチｂ＝６０μｍのＩＤＴを成形した。ＩＤＴ
３４，３５間の距離は、３２．４ｍｍとした。また、出
力電極３６の長さｌ（図１参照）は２１ｍｍとした。

【００２５】上記のようにして構成したエラスティック
コンボルバ素子３１の出力電極３６に直流電源３２から
印加する電圧を変化させ、圧電体３３に加えらえる電界
強度を変化させ、かつ入力信号として、１０ＭＨｚのＲ
Ｆバーストの信号をＩＤＴ３４，３５から加えた場合の
出力変化を測定した。結果を図４に示す。図４におい
て、縦軸は、直流電圧を出力電極３６に印加しなかった
場合を基準（０ｄＢ）とした場合の出力を示す。

【００２６】図４から明らかなように、圧電体３３に直
流電圧を印加することにより、出力が高められることが
分かる。また、一例として圧電体３３に加えられている
電界強度が２２５Ｖ／ｍｍの場合の出力波形を図５に示
す。同様に、直流電圧を印加しなかった場合の出力波形
を図６に示す。図５及び図６から明らかなように、直流
電界の強度が２２５Ｖ／ｍｍの場合、出力電圧は直流電
界を印加しなかった場合に比べて２２ｄＢ大きくなるこ
とがわかる。

【００２７】また、圧電体３３にとして、幅２．３ｍｍ
×長さ９．６ｍｍ×厚み０．７ｍｍのチタン酸ジルコン
酸鉛系圧電セラミックからなる圧電板を用い、入力用Ｉ
ＤＴ３４，３５の電極指の対数Ｎ＝１２．５、電極指間
ピッチｂ＝９．２８μｍとし、出力電極３６の長さｌ
（図１参照）＝３．５ｍｍとし、直流電源３２から印加
される電圧を変化させて、同様に効率の変化を測定し
た。結果を図７に示す。なお、図７の縦軸の効率は、直
流電圧を印加しなかったときの効率を０として表したも
のであり、横軸は電界強度の絶対値を表している。

【００２８】さらに、このエラスティックコンボルバ装
置において、６５ＭＨｚの入力信号を加えた場合、直流
電界が圧電体に加えられていないときの出力−周波数特
性を図８（ａ）に、直流電界Ｅ＝２０Ｖ／ｍｍを印加し
た場合の出力−周波数特性を図８（ｂ）に示す。

【００２９】図７及び図８から明らかなように、この出
力周波数１３０ＭＨｚの例においても、直流電界を圧電
体に印加することにより、効率を−６３．５ｄＢｍから
−５６ｄＢｍと７．５ｄＢｍ高め得ることがわかる。

【００３０】図１に示したエラスティックコンボルバ装
置では、厚み縦方向に分極処理された圧電体３３が用い
られていたが、他の方向に分極された圧電体を用いるこ
とも可能である。すなわち、図９は、厚み方向ではな
く、圧電体４３の主面と平行な方向に分極処理されてい
る。すなわち、本実施例で用いられるエラスティックコ
ンボルバ素子４１は、ＴＨＣ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ
ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＣｏｎｖｏｌｖｅｒ）と称され
ているものである。

【００３１】図９のエラスティックコンボルバ素子４１
では、圧電体４３の上面において、入力用ＩＤＴ３４，
３５間の領域において圧電体４３の長さ方向と平行に一
対の出力電極４６ａ，４６ｂが形成されている。そし
て、出力電極４６ａに対し、コイル３８を介して直流電
源３２が接続されている。また、接続点３９と出力端Ａ
との間にコンデンサ４０が接続されている。直流電源３
２の他端は、出力電極４６ｂに接続されており、該出力
電極４６ｂが他方出力端Ｂに接続されている。

【００３２】第２の実施例においても、出力電極４６
ａ，４６ｂ間に直流電源３２により直流電圧が印加さ
れ、入力用ＩＤＴ３４，３５間の表面波伝搬路上におい
て圧電体４３に直流電界が印加される。従って、第１の
実施例と同様に圧電体４３の圧電性の非線形性が高めら
れる。よって、第１の実施例と同様に高効率のエラステ
ィックコンボルバ装置を得ることができる。

【００３３】なお、第１，第２の実施例では、出力電極
３６，４６ａ，４６ｂは圧電体３３，４３の上面に形成
されていたが、出力電極は圧電体の他の面、例えば側面
に形成されていてもよい。また用いる圧電セラミックは
絶縁基板上に構成された薄膜でもよい。また、上記実施
例では、直流電源３２から直流電圧が圧電体３３に印加
されていたが、この直流電源３２は、直流パルス電圧を
印加するものであってもよい。

【００３４】本発明において、用いられる圧電体として
は、上記実施例のようにチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セ
ラミックスからなるものを用いることができるが、その
他、チタン酸鉛セラミックなどの強誘電性圧電体などか
らなるものを用いてもよい。チタン酸ジルコン酸鉛系圧
電セラミックスの非線形圧電定数ｄ₃₁₁ は１×１０^{-2 0}
ｍ³ ／ＶＮであり、約４．７×１０Ｖ／ｍの電界を印加
することにより該ｄ_{31 1} が１０倍程度大きくなり、２０
〜３０ｄＢの効率改善を果たすことができる。このよう
に効率の向上を実現するには、厚み０．５ｍｍの基板に
数十Ｖ程度の直流電圧を印加すればよく、この場合電流
は一切流れないため、エラスティックコンボルバ装置の
電力消費は原理的には０であることを指摘しておく。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、直流電
圧印加手段により少なくとも圧電体の表面波伝搬路上に
おいて、圧電体に直流電界が印加されることになる。従
って、圧電体の圧電性の非線形性が高められ、それによ
ってコンボルバの出力が増大される。

【００３６】よって、本発明によれば、ＢＴ積が大き
く、ダイナミックレンジが高いだけでなく、高効率のコ
ンボルバ素子を提供することが可能となる。しかも、エ
ラスティックコンボルバ素子を用いるものであるため、
半導体コンボルバに比べて安価に提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかるエラスティックコン
ボルバ装置を説明するための斜視図。

【図２】本発明の原理を説明するための斜視図であり、
圧電セラミックスの両主面に電極を形成した構造を示す
斜視図。

【図３】図２に示した圧電セラミックスの厚み方向に直
流電圧を印加した際の電界と音速変化割合（ΔＶ／Ｖ）
との関係を示す図。

【図４】第１の実施例において、直流電界を変化させた
際の効率の変化を示す図。

【図５】第１の実施例の具体的な実験例において、直流
電界を印加した際の出力波形を示す図。

【図６】直流電界を印加しなかった場合のエラスティッ
クコンボルバの出力波形を示す図。

【図７】電界強度と効率との関係を示す図。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施例及び比
較例における効率−周波数特性を示す図。

【図９】第２の実施例のエラスティックコンボルバ装置
を説明するための斜視図。

【図１０】従来のエラスティックコンボルバを示す斜視
図。

【図１１】半導体コンボルバの一例を示す斜視図。

【符号の説明】

３１…エラスティックコンボルバ素子 ３２…直流電源（直流電圧印加手段） ３３…圧電体 ３４，３５…入力用ＩＤＴ ３６…出力電極

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強誘電性を有し、直流電圧を印加される
   と圧電性の非線形性が増加する材料よりなる圧電体と、
   前記圧電体表面において所定距離を隔てて配置された一
   対の入力電極と、前記圧電体表面に形成された出力電極
   とを有するエラスティックコンボルバ素子と、 前記エラスティックコンボルバ素子の圧電体の少なくと
   も表面波伝搬路上に直流電界を加えるために、前記圧電
   体に接続された直流電圧印加手段とを備えることを特徴
   とするエラスティックコンボルバ装置。