JP5478883B2 - 表面波で作動するｓｐｕｄｔフィルタ - Google Patents

Description

文献ＵＳ２００３／００５７８０５Ａ１号から、ＳＰＵＤＴ（SPUDT＝Single Phase Unidirectional Transducer：単相一方向性変換器）フィルタが公知である。ここでこのＳＰＵＤＴフィルタは、そのセル、すなわちＳＰＵＤＴセルがそれぞれ、音響波が配向して放射されるように構成されている、という特徴を有する。

解決されるべき課題は、ＳＰＵＤＴフィルタの伝達関数の遮断領域において不所望なピークを抑圧することである。

電気音響変換器の音響的な特性（局部的に長手軸方向における）は、重み付け関数（励振関数ないし反射関数）によって特徴付けられる。重み付け関数は、長手軸方向の座標に依存し、変換器内での励振力ないし反射強度の変換器内の分布をあらわす。変換器の重み付け関数は、所定の電気的なフィルタリング特性に基づいて特定される。計算された重み付け関数から、電極指の必要な接続シーケンスおよび構成を推測することができる。

励振中心は、隣接した、異なった極性を有する２つの電極指の間に位置する。従って隣接した、異なった極性を有する２つの電極指は励振作用を有する電極指対を構成する。同一の電極指は、冷（kalter）電極指と熱（heisser）電極指が交互に列を成す場合には、２つの異なる励振電極指対に属する。なぜならこの電極指は両側で、異なった極性を有する電極指に面しているからである。励振電極指対が、熱電極指グループと冷電極指グループの終端の、相互に隣接した電極指によって構成されてもよい。

異なる符号を有する２つの励振部は、フィルタの中心周波数に関して、例えば半波長ぶんだけ相互に間隔をあけて配置され、同じ符号を有する２つの励振部は、全波長ぶんだけ相互に間隔をあけて配置される。反射中心と励振中心との間の位相差は有利には約４５°または−４５°である。すなわち、励振中心と反射中心は通常はラスターパターンを成すが、基本的にはこれと異なっていてもよい。

励振および反射のための連続的な重み付け関数を有する変換器の周波数特性に相応する周波数特性を有する変換器ジオメトリーを実現するために、間引き重み付け（Weglasswichtung）が用いられる。間引き重み付けとは、離散しているセルの重みによって、連続的な重み付け関数を近似することである。すなわち、励振および反射の連続的な分布は、励振セルおよび反射セルの密度分布によって次のように近似される。すなわち、励振関数と反射関数の積分ができるだけ変化しないように近似される。間引き重み付けにおいて、励振関数における小さいサイドローブ（殊にその積分励振がセルの最大励振よりも小さいサイドローブ）もあらわされるようにするためには、その励振力が格段に最大励振を下回るセルを使用するのは有用である。

表面波で作動する変換器を提示する。この変換器は変換器セルを含み、変換器セルは電極指を含み、その長さは変換器の中心周波数の場合に波長λである。このλが長い少なくとも変換器の１つの領域では、少なくとも４つの励振中心が設けられる。

変換器は有利にはＳＰＵＤＴ変換器であり、中心周波数のもとで、音響波が有利には１つの方向で放射される変換器である。

変換器セルは有利には、第１のタイプの少なくとも１つのセルを含む。これは少なくとも４つの励振中心を有している。この第１のタイプのセルは有利には、ＳＰＵＤＴセルである。

変換器セルは、有利な実施形態ではさらに、第２のセルタイプのセルを含む。これはＳＰＵＤＴセルであり、１００％の励振力を有している。第１のセルタイプのセルの励振中心は、この実施形態では次のように分布している。すなわち、第１のセルタイプのセルの励振力が最大で３０％であるように分布されている。

エレメントセルは最小単位であり、ここでは励振中心と反射中心との間の相応のシフトによって、所与の波長を有する音響波の配向された放射が実現される。セル内の比較的小さい、しかし０とは異なる励振力は、変換器ジオメトリーにおける小さいサイドローブを伴う（連続的な）励振関数を使用する場合には有利である。

表面波で以て作動する変換器またはＳＡＷ変換器（ＳＡＷ＝Surface Acoustic Wave）は通常は２つの櫛の歯状の電極を有している。これは相互に噛み合った電極指を有している。このような構造体はピエゾ圧電基板上に配置され、（高周波）電気信号を音響波に電気音響変換するため、および音響波を電気信号に電気音響変換するために使用される。

電気的および機械的な不連続性によって、各電極指で、入射音響波の一部が逆方向に反射される。１つの点（反射中心）での反射が局部化される。この点では反対方向で伝播する波の反射係数が等しい、ないしは単に架空のものである。反射に関して対称な、方向に依存しない特性を有している主な圧電基板上では、これは電極指の中心である。

第２のセルタイプのセルはＳＰＵＤＴセルである。ここでは有利には反射中心と励振中心との間の位相差は波放射の優先方向に応じて、４５°または−４５°である。ＳＰＵＤＴセルはそれぞれ、優先方向における音響波の配向された放射のために用いられる。この配向された放射は、励振され、反射された波の一方向における建設的重畳ないしは励振され、反射された波の、反対方向における破壊的重畳によって実現される。

第１のセルタイプのセル内では、励振中心部の数および位置は次のように選択される。すなわちセル毎に逆相の励振が残余値（Restbetrag）を除いて相殺される（aufheben）ように選択される。ここでこの残余値の力は最大で、ＳＰＵＤＴセルの励振力の３０％である。第１のセルタイプのセルでは、例えば電極指の数、電極指の幅および電極指間の間隔は次のように選択されている。すなわち、セル毎に逆相の励振が、上述の残余値を除いて相殺されるように選択されている。

第１のセルタイプのセル内には、配置構成毎に少なくとも１つの熱電極指を有する少なくとも２つの熱電極指配置構成が設けられる。第１のセルタイプのセルに割り当てられた各熱電極指配置構成は、配置構成毎に少なくとも１つの冷電極指を有する、２つの冷電極指配置構成の間に配置される。これは同じセルの冷電極指であってよい。択一的に同じセルの冷電極指と、隣接するセルの冷電極指を割り当てることもできる。

複数の熱電極指を有する配置構成の場合には、熱電極指は順次連続する。複数の冷電極指を有する配置構成の場合には、冷電極指が順次連続する。２つの冷電極指ないし熱電極指は共同で、冷スプリット電極指ないし熱スプリット電極指を形成する。

第１のセルタイプのセルは、有利には少なくとも４つの励振電極指対を含む。しかし、励振中心が、隣接セルに対する第１のセルタイプのセルの境界に配置されるか、またはこの隣接セルに属することも可能である。このような場合には、第１のセルタイプのセルの励振電極指対の第１の電極指およびこの電極指対の第２の電極指は、この隣接セルに属する。隣接セルは、例えば第１または第２のセルタイプのセルであってよい。

有利な実施形態では、変換器内には第１の電極指グループおよび第２の電極指グループが設けられる。第１の電極指グループはそれぞれ少なくとも１つの冷電極指を含み、第２の電極指グループは少なくとも１つの熱電極指を有するか、または第１の電極指グループは少なくとも１つの熱電極指を含み、第２の電極指グループは少なくとも１つの冷電極指を有する。しかしこれらの電極指グループがそれぞれ、同じ集電極に接続され、順次連続する複数の電極指を含んでもよい。第１の電極指グループの電極指は変換器の第１の集電極に接続され、第２の電極指グループの電極指は第２の集電極に接続される。順次連続する複数の電極指を有する実施形態は、所望の反射強度を調整するのには有利である。

ある実施形態では、第１のセルタイプのセルは少なくとも２つの第１電極指グループと、このセルの２つの第１電極指グループの間に配置された少なくとも１つの第２電極指グループを有する。各第１の電極指グループは、同じセルの２つの第２電極指グループの間に配置される。同じセルの第１電極指グループは択一的に、同じセルの第２電極指グループと、隣接セルの第２電極指グループとの間に配置される。

ある実施形態では、第１のセルタイプのセルは、実質的に同じ幅でかつ等距離に配置された５つの電極指の列によって構成される。これらの電極指は交互に、異なって極性付けされた母線に接続されている。第１のセルタイプのセルの隣接する２つの電極指の間の間隔は、有利には指の幅と同じである。

第１のセルタイプのセル内での総励振の位相は、スプリット電極指セル内での総励振の位相と実質的に等しい。これは、第１のセルタイプの全てのセル、または全ての変換器セルに対しても有利である。ここで全セルにおいて、励振されるべき波の同じ位相長が得られる。これに対して、第１のセルタイプのセル内の総励振の値は、スプリット電極指セルの励振力の約３０％である。

スプリット電極指セルは、本出願では波長λの理想的なセルである。ここでは各電極指は同じポテンシャルを有する電極指と、反対のポテンシャルを有する電極指との間に配置されている。スプリット電極指セル内では、その結合点が、同じポテンシャルにある隣接した電極指間の中心にある音響波が励振可能である。このスプリット電極指セルは例えば長さλのセルであり、ここでは、幅λ／８の４つの同じ幅の電極指が設けられる。このようなセルの電極指は等間隔に配置されている。ＳＰＵＤＴ変換器は、少なくとも１つのスプリット電極指セルを有している。

第１のセルタイプのセルは、音響波を励振し、反射するセルである。ここで励振中心と反射中心との間の位相差は、第２のセルタイプのセルと同じであり、すなわち実質的に４５°または−４５°である。第１のセルタイプのセル内の、反射中心と励振中心との間の位相差は、有利な実施形態では４５°または−４５°である。

反射中心の位置を、第１のセルタイプのセル内での電極指幅と電極指間隔との調整によって次のように選択することができる。すなわち、このセル内での反射寄与の総計が実質的に０と等しくなるように選択することができる。すなわち第１のセルタイプのこのセルは、音響波を励振するが、反射しないセルである。後者は次のことによって実現される。すなわち、第１のセルタイプのセルの種々異なる電極指で反射された波が、このセル内で、消去されることによって実現される。

ＳＰＵＤＴ変換器内に、種々異なる、上述した特性ないし異なる励振力を有する第１のセルタイプの複数のセルが設けられてよい。

次に、上述した変換器を、概略的であり、かつ縮尺通りではない図面に基づいて説明する。

図１は、非常に低い励振力を有する、５つの電極指を有する第１のセルタイプのセルであり；
図２、３は、スプリット電極指セルの２０％の励振力を有している、第１のセルタイプの別の各セルを示しており、ここで波の配向された放射が得られる；
図４、５、６は、スプリット電極指セルの２０％の励振力を有している、第１のセルタイプの別の各セルを示しており、ここでは反射寄与が消去される；
図７は、ＳＰＵＤＴ変換器の連続的な励振関数および反射関数である。

図１は、第１のセルタイプのセルＺ２の領域におけるＳＰＵＤＴ変換器部分を示している。これは同じ幅である５つの電極指の列を有しており、これらの電極指は、第１の電極１００と第２の電極２００に交互に接続されている。電極指１０１、１０２は第１の電極１００に接続されており、電極指２０１〜２０５は第２の電極２００に接続されている。

例えば電極１００は「熱く」、電極２００は「冷たい」。別の実施形態では、この熱電極と冷電極は相互に置き換えられる。

比較的幅の広い熱電極指、すなわち図１における電極指１０１または１０２をスプリット電極指、すなわちより細い２つの部分電極指に置き換えることが可能である。ここでこれらの部分電極指は、順次連続する熱電極指の配置構成を構成する。

反対の極性を有する、隣接した２つの指の間には、励振中心が配置される。音響波が局部的に励振される励振中心には矢印が付されている。ここで矢印の方向は局部的な励振の符号を示している。

これと異なり、同じ電極に接続されている、隣接する２つの電極指の間（例えば図１の電極指２０１と２０２の間、ないしは２０４と２０５の間）では、励振は生じない。

２つの電極指２０２と１０１の間の間隔、１０１と２０３の間の間隔、２０３と１０２の間の間隔、１０２と２０４の間の間隔は、実質的には電極指の幅と同じである。この場合には２つの同じ大きさの励振がほぼ逆相で音響波内に結合される。従って、セルＺ２内の励振寄与の総計はほぼ０の励振力を示す。電極指の幅は種々に変更可能であり、セルＺ２の任意の励振力が調整可能である。

図２〜６は、第１のセルタイプの種々のセルを示している。これらのセルは、スプリット電極指セルの励振力のそれぞれ２０％であり、スプリット電極指セルと同じ励振の位相を有している。これらのセル内での電極指の幅および間隔は、圧電基板としてのＬＩＮｂＯ_３ １２７，８６°ＹＸに対して最適化されている。

第１のセルタイプのセル内での電極指の幅および間隔は、図２および３に示された例では次のように選択されている。すなわち、反射中心が励振中心に対して＋４５°ないし−４５°でずれているように選択されている。ここで、波長λを有する音響波の最大放射が右方向ないし左方向で得られる。

図２、３に示された実施形態では、セルＺ２毎に、相違した幅を有する４つの電極指が設けられている。ここで、隣接する電極指１０１と２０２、２０２と１０２、１０２と２０３との間の間隔は異なっている。

図４、５に示された実施形態では、セルＺ２毎に、相違した幅を有する５つの電極指が設けられ、図６に示された実施形態では、相違した幅を有する６つの電極指が設けられている。図６における電極指２０３ａおよび２０３ｂは、電極指が順次連続する配置構成を構成する。これらの電極指は、図５における幅の広い電極指２０３に相当する。

第１のセルタイプのセル内の電極指幅および間隔は、図４、５および６に示された実施例では次のように選択されている。すなわち、全反射寄与の総計がこのセルおいて０と等しくなるように選択されている。

図１〜６に示された実施形態では、セルＺ２毎に４つの局部的な励振部、すなわち励振中心部が設けられている。しかし基本的には、複数の励振中心をセル毎に設けてもよい。

図７は、ＳＰＵＤＴ変換器の連続的な励振関数（上方）および連続的な反射関数（下方）を示している。ジオメトリーに置き換えるために、これらの関数を個々のセルの励振力の重み付けによってできるだけ正確にスキャンしなければならない。励振の小さいサブローブに対しては、このためには第１のセルタイプのセルＺ２が用いられる。

第２のセルタイプのセル（図示されていないＳＰＵＤＴセル）の他に第１のセルタイプのセルＺ２を使用することによって、第２のタイプのセルのみの場合よりも、励振関数のサブ極値が格段に正確にスキャンされる。

ＳＰＵＤＴセルは、優先方向における音響波の放射を伴う任意のセルであってよい。変換器内では、種々のＳＰＵＤＴセルは相互に異なっていてよい。

低い励振力を有する、５つの電極指を有する第１のセルタイプのセルを示す図； 分割電極指セルの２０％の励振力を有している、第１のセルタイプの別のセルを示す図であり、ここで波の配向された放射が得られる。 分割電極指セルの２０％の励振力を有している、第１のセルタイプの別のセルを示す図であり、ここで波の配向された放射が得られる。 分割電極指セルの２０％の励振力を有している、第１のセルタイプの別のセルを示す図であり、ここでは反射寄与が消去される。 分割電極指セルの２０％の励振力を有している、第１のセルタイプの別のセルを示す図であり、ここでは反射寄与が消去される。 分割電極指セルの２０％の励振力を有している、第１のセルタイプの別のセルを示す図であり、ここでは反射寄与が消去される。 ＳＰＵＤＴ変換器の連続的な励振関数および反射関数である。

１００ 第１の電極、 １０１〜１０３ 第１の電極に接続された電極指、 ２００ 第２の電極、 ２１０〜２０６ 第２の電極に接続された電極指、 Ｚ２ 第１のセルタイプのセル

Claims (9)

1. 表面波で作動するＳＰＵＤＴフィルタであって、当該ＳＰＵＤＴフィルタは、
   ・ＳＰＵＤＴセルを有しており、当該ＳＰＵＤＴセルはそれぞれ電極指を有しており、異なった極性を有する、隣接した２つの電極指の間に励振中心が定められ、
   ・前記ＳＰＵＤＴセルは、第１のセルタイプの少なくとも１つのセル（Ｚ２）と第２のセルタイプの少なくとも１つのセルを含み、当該セルの長さは、ＳＰＵＤＴフィルタの中心周波数における波長の長さであり、
   ・前記第１のセルタイプの少なくとも１つのセルは少なくとも４つの励振中心を有しており、
   ・前記第２のセルタイプのセルは、自身の最大励振力を有しており、
   ・前記第１のセルタイプのセルは、自身の最大励振力よりも小さい励振力を有し、
   ・前記第１のセルタイプのセルにおいて、前記低減された励振力は、励振中心の数および位置を選択することによって調整される、
   ことを特徴とする、表面波で作動するＳＰＵＤＴフィルタ。
2. ・前記第１のセルタイプの少なくとも１つのセル内に前記励振中心が分配されており、当該セルの励振力は最大で３０％である、請求項１記載のＳＰＵＤＴフィルタ。
3. 前記第１のセルタイプのセル内で、最大で３０％の励振力が調整され、セル毎の逆相の励振が残余値を除いて相殺され、当該残余値の力は最大で、前記第２のタイプのセルの励振力の３０％である、請求項２記載のＳＰＵＤＴフィルタ。
4. 前記第１のセルタイプのセル内では、電極指の数、電極指の幅および電極指間の間隔は、セル毎に逆相の励振が残余値を除いて相殺されるように選択されており、当該残余値の力は最大で、前記第２のタイプのセルの励振力の３０％である、請求項１から３までのいずれか１項記載のＳＰＵＤＴフィルタ。
5. ・前記第１のセルタイプのセル内では、配置構成毎に少なくとも１つの冷電極指を有する少なくとも２つの冷電極指配置構成、並びに、配置構成毎に少なくとも１つの熱電極指を有する少なくとも２つの熱電極指配置構成が設けられており、
   ・各熱電極指配置構成は、２つの冷電極指配置構成の間に配置されており、
   ・複数の熱電極指を有する配置構成では、当該電極指は順次連続しており、
   ・複数の冷電極指を有する配置構成では、当該電極指は順次連続している、請求項１記載のＳＰＵＤＴフィルタ。
6. 前記第１のセルタイプのセル内での総励振の位相は、スプリット電極指セル内の総励振の位相と同じである、請求項１から５までのいずれか１項記載のＳＰＵＤＴフィルタ。
7. ・前記第１のセルタイプの少なくとも１つのセルは、少なくとも１つの反射中心を有しており、
   ・反射中心と、隣接する励振中心との間の位相差は４５°または−４５°である、請求項１から６までのいずれか１項記載のＳＰＵＤＴフィルタ。
8. 前記反射中心と前記励振中心との間の位相差は、４５°または−４５°と最大で１０°異なる、請求項７記載のＳＰＵＤＴフィルタ。
9. 前記第１のセルタイプの少なくとも１つのセルにおいて、電極指の間隔および幅は、当該セルの総励振の位相が、スプリット電極指セルの総励振の位相に相当するように選択されており、前記励振力は最大で、前記スプリット電極指セルの励振力の３０％である、請求項１から８までのいずれか１項記載のＳＰＵＤＴフィルタ。

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