JP3222965B2 - エラスティックコンボルバ装置 - Google Patents
エラスティックコンボルバ装置Info
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
/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。
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。
明することにより、本発明を明らかにする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
×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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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d31 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。
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。
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。
ボルバ装置を説明するための斜視図。
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。
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。
際の効率の変化を示す図。
電界を印加した際の出力波形を示す図。
クコンボルバの出力波形を示す図。
較例における効率−周波数特性を示す図。
を説明するための斜視図。
図。
Claims (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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP00598493A JP3222965B2 (ja) | 1993-01-18 | 1993-01-18 | エラスティックコンボルバ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP00598493A JP3222965B2 (ja) | 1993-01-18 | 1993-01-18 | エラスティックコンボルバ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06216701A JPH06216701A (ja) | 1994-08-05 |
JP3222965B2 true JP3222965B2 (ja) | 2001-10-29 |
Family
ID=11626080
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP00598493A Expired - Lifetime JP3222965B2 (ja) | 1993-01-18 | 1993-01-18 | エラスティックコンボルバ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3222965B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US12064567B2 (en) | 2015-07-20 | 2024-08-20 | Roivios Limited | Percutaneous urinary catheter |
-
1993
- 1993-01-18 JP JP00598493A patent/JP3222965B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US12064567B2 (en) | 2015-07-20 | 2024-08-20 | Roivios Limited | Percutaneous urinary catheter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06216701A (ja) | 1994-08-05 |
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