(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その上に電極フィンガー（ＥＦ）が配設された圧電基板（ＰＳＵ）と、
Ｎ個の電極フィンガー（ＥＦ）を有する長さλのセルと、を備えた電子音響変換器であって、
前記λは、音響波の波長の波長であり、
前記セルの前記Ｎ個の電極フィンガーは、前記音響波の伝搬方向に沿って配設されたグループ（複数）に分割されており、
第１のグループはｎ１個のフィンガー（ＥＦ）を備え、当該第１のグループ内の電極間隔はＤ１となっており、当該第１のグループと第２のグループの間の間隔はΔ１となっており、
前記第２のグループはｎ２個のフィンガー（ＥＦ）を備え、当該第２のグループ内の電極間隔はＤ２となっており、当該第２のグループと第３のグループの間の間隔はΔ２となっており、
前記第３のグループはｎ３個のフィンガー（ＥＦ）を備え、当該第３のグループ内の電極間隔はＤ３となっており、当該第３のグループと第４のグループの間の間隔はΔ３となっており、
前記第４のグループはｎ４個のフィンガー（ＥＦ）を備え、当該第４のグループ内の電極間隔はＤ４となっており、
ｎ１＋ｎ２＋ｎ３＋ｎ４＝Ｎとなっており、
Δ２は、Δ１と等しくなっておらず、あるいはΔ２は、Δ３と等しくなっておらず、
Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Δ２となっており、
Ｎはｋ≧２の整数ｋの４倍となっている、ことを特徴とする電子音響変換器。
【請求項２】
Δ２＜Δ１かつΔ２＜Δ３であることを特徴とする、請求項１に記載の電子音響変換器。
【請求項３】
前記セルの前に１つの先行フィンガー（ＥＦ）が配設されており、当該先行フィンガー（ＥＦ）と前記第１のグループとの間の距離は、Δ１より小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の電子音響変換器。
【請求項４】
前記セルの前に１つの先行フィンガー（ＥＦ）が配設されており、当該先行フィンガー（ＥＦ）と前記第１のグループとの間に、励起中心（ＥＣ）が配設されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子音響変換器。
【請求項５】
前記セルの後に１つの後続フィンガー（ＥＦ）が配設されており、前記第４のグループと当該後続フィンガー（ＥＦ）との間の距離は、Δ３より小さいことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子音響変換器。
【請求項６】
前記セルの後に１つの後続フィンガー（ＥＦ）が配設されており、前記第４のグループと当該後続フィンガー（ＥＦ）との間に、励起中心（ＥＣ）が配設されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子音響変換器。
【請求項７】
前記第２のグループと前記第３のグループとの間に励起中心（ＥＣ）が配設されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電子音響変換器。
【請求項８】
ｎ１＝ｎ２＝ｎ３＝ｎ４となっていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子音響変換器。
【請求項９】
Δ１＝Δ３となっていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子音響変換器。
【請求項１０】
ｋは、２，３，または４であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子音響変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子音響変換器に関し、たとえば音響波で動作するフィルターに用いることができる電子音響変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子音響変換器は、電磁的な高周波信号を音響波に変換し、またこの逆の変換を行う。このような変換器は、たとえばモバイル通信装置用のバンドパスフィルタまたはバンド阻止フィルタで使用するのに適している。
【０００３】
特許文献１には、スプリットフィンガー構造の電子音響変換器が開示されており、この電子音響変換器はそのパラメータである反射係数，挿入損失，およびその放射方向の指向性が特定の要求仕様に最適化されている。
【０００４】
音響波で動作する変換器に対するアプリケーション分野は広い。このアプリケーション分野には、上記のパラメータや他のパラメータの選択可能な最適化を必要とする、他の要求仕様を有するアプリケーションがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開公報２００３／００５７８０５Ａ１号  本発明の課題は、したがって１つの選択可能な変換器構造を提示することである。
【０００６】
上記の課題は、請求項１に記載の電気音響変換器によって解決される。従属項は本発明の有利な実施例を提示する。
【０００７】
音響変換器は、電極フィンガー（複数）を有する圧電基板を備え、これらの電極フィンガーはこの圧電基板の上に配設されている。この変換器は特に、長さλの１つのセルを備え、このセルはｎ個の電極フィンガーを含む。ここでλは、この変換器の動作周波数での音響波の波長である。このセルのｎ個の電極フィンガーは、この音響波の伝搬方向に沿って配設された４個のグループに分割されている。第１のグループはｎ１個のフィンガーを含む。この第１のグループ内のフィンガーの間隔は、Ｄ１となっている。この第１のグループと第２のグループとの間の間隔、すなわちこの第１のグループのフィンガー（複数）とこの第２のグループのフィンガー（複数）との間の間隔はΔ１となっている。この第２のグループは、ｎ２個のフィンガーを含む。この第２のグループ内のフィンガーの間隔はＤ２となっている。この第２のグループと第３のグループの間の間隔はΔ２となっている。この第２のグループはｎ３個のフィンガーを含む。この第３のグループ内のフィンガーの間隔はＤ３となっている。この第３のグループと第４のグループの間の間隔はΔ３となっている。この第４のグループは、ｎ４個のフィンガーを含む。この第４のグループ内のフィンガーの間隔はＤ４となっている。さらに、ｎ１＋ｎ２＋ｎ３＋ｎ４＝Ｎが成り立っている。その他に、以下のことが成り立っている。Δ２はΔ１と等しくなく、Δ２はΔ３と等しくない。Ｎはｋ≧１の整数ｋの４倍である。
【０００８】
１つの実施形態においては、以下のことが成り立っている。Δ２は、Δ１より小さく、Δ２は、Δ３より小さくなっている。
【０００９】
セル当たりのフィンガーの数の最も小さいものは、ｋ＝１に対してＮ＝４となっている。グループ当たりのフィンガーの最小数は、１となっている。ｋ＝１かつＮ＝４の場合は、全てのグループは、１個のフィンガーから成っている。
全てのグループが只１個のフィンガーを備えるので、１つのグループ内でのフィンガーの間隔は存在しない。このため１つのグループにおけるフィンガーの間隔は、ｋ≧２で漸く定義される。しかしながら、ｋ＝１の場合に、１つのグループ内でフィンガーの間隔が定義されないことは、以下の考察において何等問題とならない。特に全てのｋ，ｎ１，ｎ２，ｎ３，ｎ４およびＮ≧４に対して、Δ１，Δ２，およびΔ３は良好に定義される。
【００１０】
１つの電極フィンガーが属するグループは、このフィンガーがどのバスバーと電気的に導通して接続されているかを決定する。この際、逆極性に設定されたバスバーと接続されている、隣接した電極フィンガーが存在する。このような電極フィンガーの間には、音響波の１つの励起中心（Anregungszentrum）が存在する。これに対して、同じバスバーに回路接続された２つの電極フィンガーの間の空間は実質的に電場が無く、このためこれらのフィンガー間では実質的に音響波の励起が全く起こらない。
【００１１】
以上のように個々のグループ間の間隔Δ１，Δ２，およびΔ３が上記で説明したように設定されると、上記の変換器のセルは、音響波に対し有限な反射率を備えることになる。これにより、本発明のセルは、殆ど反射率がゼロの従来のスプリットフィンガー構成が記載された上記の特許文献１の図３に示されるセルと異なっている。有限であり、かつ特に調整可能な反射能力を有するこのようなセルを音響経路に合わせて配設することにより、多様な最適化の可能性がもたらされる。
【００１２】
さらに、異なるバスバーに回路接続されている電極フィンガーであって、かつこの結果これらの電極フィンガー間に音響波の励起中心がある場合、これらの電極フィンガー間の距離は変化されている。これに対応して、セル自体の全長の延長あるいは開口部またはフィンガー数の変更を行う必要無しに、上記のセルの静電容量は変化する。
【００１３】
上記のフィンガーのグループ間で異なる間隔を設けることにより、電子音響変換器の開発における、これらの変換器に対する特定の要求を満たすためのさらなる自由度が得られる。
【００１４】
上記の変換器は、多数のセルを備えてよい。これらのセルは周期的な構造あるいは部分的に周期的な構造で、次々に配設されてよい。
【００１５】
１つの実施形態においては、このセルの前に先行するフィンガーが配設されている。この先行するフィンガーと上記の第１のグループとの間の距離は、Δ１より小さい。またこの第１のグループと第１のグループに先行するフィンガーとの間の距離は、上記の第１のグループと第２のグループとの間の距離より小さくなっている。この先行するフィンガーと第１のグループとの間に励起中心があると、この部位での静電容量は大きくされる。
【００１６】
本発明の変換器は、正確には１つ以上または多数の上記のセルを備えてよい。これに対応して上記の音響波の伝搬方向に沿った局所的な静電容量を調整することができる。
【００１７】
１つの実施形態においては、セルの後に１つの後続フィンガーが配設されており、上記の第４のグループとこの後続フィンガーとの間の距離はΔ３より小さくなっている。
【００１８】
周期的に配設されたセルが次々にあると、１つのセルに先行するフィンガーは、これに先行するセルの最後のフィンガーに対応し、また現在のセルの最後のフィンガーに対しても同様である。後続のフィンガーに対しても同様に成り立っている。セル（複数）は周期的に次々に配設されていてよいが、必ずこのようになっていなくともよい。この周期的配設の最初および最後では、この周期性が破られていてよい。
【００１９】
１つの実施形態においては、さらに上記の第４のグループとその後続のフィンガーとの間に１つの励起中心が配設される。
【００２０】
１つの実施形態においては上記の第２のグループと上記の第３のグループとの間に１つの励起中心が配設されている。また上記の第２のグループのフィンガー（複数）が２つのバスバーの一つと回路接続されていてよく、これに対し上記の第３のグループのフィンガーは、他のバスバーと回路接続されている。
【００２１】
１つの実施形態においては、全てのグループにおけるフィンガーの数は同じである。すなわちｎ１＝ｎ２＝ｎ３＝ｎ４が成り立っている。
【００２２】
１つの実施形態においては、１つのグループのフィンガーが２以上である場合、異なるグループの内部のフィンガーの間隔は同一である。すなわち、Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４が成り立っている。
【００２３】
１つの実施形態においては、上記の第１のグループと上記の第２のグループとの間の距離は、上記の第３のグループと上記の第４のグループとの間の距離に等しく、Δ１＝Δ３である。この距離は上記の第２のグループと上記の第３のグループとの間の距離Δ２より大きくてよく、Δ１＝Δ３＞Δ２である。
換言すれば、全ての励起中心に対し、以下のことが成り立っている。励起中心を画定する異なる極性の電極フィンガーは、従来の反射の無い、スプリットフィンガー型変換器と比較して、互いにずらされている。それぞれのフィンガーグループでの対応する他のフィンガー（複数）は、フィンガーグループ内の間隔が同じになるように相応して移動される。たとえば１つのグループの第１のフィンガーが、励起中心に向かって距離ｄだけ移動されると、このグループの残りのフィンガーは、このグループ内のフィンガーの番号が大きいほどこの励起中心に向かって移動される。
【００２４】
この際その値は正でも負でもよい。正の値は、上記のフィンガー（複数）が上記の励起中心に向かって移動されることを意味する。負の値は、上記のフィンガー（複数）が上記の励起中心から離れるように移動されることを意味する。
【００２５】
ここで上記のグループの番号ならびに１つのグループ内のフィンガーの番号は、「左から右」となるように示されている。特に上記のセルが、その中心点に対して点対称である場合、この変換器をどの側から見るかは意味が無いことである。これに対応するグループおよびフィンガーの番号付は良好に規定される。
【００２６】
１つの実施形態においては、ｋは１，２，３または４であるか、あるいはさらに大きい自然数である。
【００２７】
さらに１つのグループＤ１，Ｄ２，Ｄ３，およびＤ４内のフィンガー間隔を上記の第２のグループと第３のグループとの間の距離Δ２と等しくしてもよい。この距離は、上記の第１のグループとこのセルの先行するフィンガーとの間の距離、および上記の第４のグループとこのセルの後続のフィンガーとの距離に等しくしてもよい。
【００２８】
１つの実施形態においては、本発明による音響変換器は、音響表面波（ＳＡＷ＝surface acoustic wave)またはガイド音響体積波（ＧＢＡＷ＝guided bulk acoustic waves）によって動作する。
【００２９】
以下では、概略実施例と図を参照して、本発明による音響変換器を詳細に説明する。ここで異なる図は、本発明の異なる態様を示すが、これらの態様は互いに排他的ではなく、むしろ組み合わせることが可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】波長λ当たり４個のフィンガーを有する１つの実施形態を示す。
【図２】波長λ当たり８個のフィンガーを有する１つの実施形態を示す。
【図３】計算された伝達関数Ｓ２１を、１つの励起中心の２つの電極フィンガーの間の距離を狭めたもの（実線の曲線）、および１つの励起中心のフィンガー間の距離を拡大したもの（点線の曲線）に対して示す。
【図４】変換器の入力ポートにおける計算された反射係数Ｓ１１を、距離を狭めたもの（実線の曲線）、および距離を拡大したもの（点線の曲線）に対して示す。
【図５】出力ポートにおける反射係数Ｓ１１を、距離を狭めたもの（実線の曲線）、および距離を拡大したもの（点線の曲線）に対して示す。
【図６】変換器のアドミッタンスの実数部を、距離を狭めたもの（実線の曲線）、および距離を拡大したもの（点線の曲線）に対して示す。
【図７】変換器のアドミッタンスの虚数部を、距離を狭めたもの（実線の曲線）、および拡張された間隔（点線の曲線）に対して示す。
【図８】変換器のアドミッタンスの大きさを、狭小とされた間隔（実線の曲線）、および距離を拡大したもの（点線の曲線）に対して示す。
【００３１】
図１は、第１の音響経路ＡＴ１における長さλの音響変換器の従来の（スプリットフィンガー型）セルを、音響経路ＡＴ２における第２の変換器の長さλの最適化されたセルと比較して示す。上記の経路ＡＴ１の変換器セルは、実質的に、たとえば上記の特許文献１に記載された、従来のスプリットフィンガー型変換器セルである。Δ１は、唯一つの電極フィンガーを備えた上記の第１のグループと、同様に１つの電極フィンガーを備えた上記の第２のグループとの間の距離を表している。Δ２は、上記の第２のグループと上記の第３のグループの唯一つのフィンガーとの間の距離を表している。Δ３は、この第３のグループの唯一つのフィンガーと上記の第４のグループの唯一つのフィンガーとの間の距離を表している。
【００３２】
上記とは対照的に、音響経路ＡＴ２の変換器構造は、最適化されたフィンガー配置となっており、第１のグループのフィンガーは、励起中心に向けて左方向にｄの大きさだけシフトされている。第２のグループのフィンガーは、励起中心に向けて右方向にｄの大きさだけシフトされている。第３のグループのフィンガーは、上記の第２のフィンガーと上記の第３のフィンガーとの間の励起中心に向けて左方向に大きさｄだけシフトされている。第４のグループのフィンガーは、上記の第４のフィンガーとその後続のフィンガーとの間の励起中心に向けて右方向に大きさｄだけシフトされている。すなわちまとめると、それぞれのグループの全てのフィンガーは、その最も近くにある励起中心に向けてシフトされている。上記の第２のグループと上記の第３のグループとの間の距離Δ２は、上記の第１のグループと上記の第２のグループとの間の距離Δ１より小さく、また上記の第３のグループと上記の第４のグループとの間の距離Δ３より小さい。
【００３３】
これはセルの数およびセル当たりのフィンガーの数に依存せず、Δ１＝Δ３およびΔ２＝Δ２が成り立っている。
【００３４】
上記の４つのグループは全て唯１つのフィンガーを備えているので、１つのグループ内でのフィンガーの間隔は存在しない。
【００３５】
図１とは対照的に、図２は、４つのグループがすべてちょうど２つの電極フィンガーを備えた２つのセルを示している。これよりこれら全てのグループにおいて、まさに第１のフィンガーと第２のフィンガーとの間の距離が存在している。このグループ内の間隔は、それぞれＤ１，Ｄ２，Ｄ３およびＤ４で示されている。Δ１，Δ２およびΔ３の大きさは上記と同様にそれぞれのグループ間の距離を表している。音響経路ＡＴ１のフィンガー配置は、グループの間隔が等しい１つの変換器の、長さλの１つのセルを示している。これに対して音響経路ＡＴ２は、励起中心ＥＣに隣接するフィンガーがこの励起中心に向けて大きさｄだけシフトされているフィンガー配置を備えている。１つのグループの残りのフィンガーは、それぞれ同様にこの励起中心の方向にシフトされているが、その大きさは３ｄである。
【００３６】
グループ当たり３以上のフィンガーを有するセルの構成の場合は、励起中心に隣接するフィンガーは大きさｄだけシフトされる。同じグループで上記のフィンガーの次のフィンガーは、大きさ３ｄだけシフトされる。１つのグループの３番目のフィンガーは、大きさ５ｄだけシフトされる。一般的に、１つのグループのｉ番目のフィンガーは、このグループの最も近くにある励起中心の方向に大きさ（２ｉ−１）ｄだけシフトされる。このことは、全てのグループでのフィンガー間隔が同じ大きさであり、かつ上記の第２のグループと上記の第３のグループとの距離Δ２がそれぞれ設定されたフィンガー間隔と等しくＤ１＝Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４となっている場合に成り立っている。こうしてまさにさらなるパラメータ、すなわちｄが得られ、このパラメータから個々の電極フィンガーのそれぞれのオフセット（２ｎ−１）ｄが与えられる。長さλの１つのセルの全ての電極フィンガーの配置は、このようにして１つの単一のパラメータによって十分規定される。まとめると、１つの変換器が得られ、この変換器はその反射率およびその電気的容量に関して最適化されている。こうしてそれぞれのセルは、変換器の最適化のプロセスにおいて個々のパラメータを変化させることによって調整することができる。さらに以下のことが成り立っている。与えられたフィンガー間の最小間隔ｄによって、等しいグループ間距離Ｄ１＝Ｄ２＝．．．を有するセルは、最大の静電容量および最大の反射率を有する。
【００３７】
このオフセットｄは、励起中心に隣接する１つのフィンガーがこの励起中心の方向にシフトされる場合は正の値である。このフィンガーが反対方向、すなわちこの励起中心から離れるようにシフトされのであれば、このオフセットｄは負の値である。
【００３８】
図３は、伝達関数Ｓ２１を正の値のｄ（実線の曲線）と負の値のｄ（点線の曲線）に対して示す。波長λに対応するこのセルの絶対的な長さは維持されるが、通過帯域（Durchlassbereich）の低周波数側のスロープの特性周波数がシフトされている。このように正の値のｄでは、低周波数側のスロープは、小さな遷移帯域（Ubergangsbreite）を備える。さらにこの通過帯域（Passband）におけるうねりが低減され得る。
【００３９】
図４は、正の値のｄ（実線の曲線）および負の値のｄ（点線の曲線）それぞれに対応して構成された変換器の反射係数Ｓ１１を示す。図４の左側には、周波数依存のインピーダンスがスミスチャートで示されている。図４の右側の部分には、通過帯域の領域の周波数に対して、この変換器が実質的に透明であることがを示されている。ここでもこれらの曲線は、上記の電極フィンガーがどの方向にシフトされているかによって異なっている。
【００４０】
図５は、出力ポートにおける反射係数Ｓ２２を、図４と同様に示す。
【００４１】
これらの図３，４，および５は、メタライズ部の厚さが２００ｎｍ、中間部のフィンガー周期（ピッチ）が５μｍ、およびメタライズ比ηが０．５のラダー型フィルターのものである。
【００４２】
図６は、対応する変換器のアドミッタンスの実数部を、正のｄ（実線の曲線）、および負のｄ（点線の曲線）に対して示す。
【００４３】
図７は、図６とは対照的に、このアドミッタンスの虚数部を示す。
【００４４】
図８は、このアドミッタンスの大きさを、正の値のｄ（実線の曲線）と負の値のｄ（点線の曲線）に対して示す。
【００４５】
これらの図６，７，および８は、メタライズ部の厚さが４００ｎｍ、ピッチが５．０μｍ、およびメタライズ比ηが０．３のラダー型フィルターのものである。
【００４６】
図３〜８の全ての図は、λ当たり４個のフィンガーを有するセルを備えた変換器のものであり、すなわちこれらは、図１で音響経路ＡＴ２に示されているようなセル構造のものである。
【００４７】
本発明による電子音響変換器は、上記で説明した実施形態例の１つに限定されない。圧電基板上、または電極フィンガー上に、または電極フィンガーと圧電基板との間に、音響波を音響経路に導くことに寄与する追加のセルおよび追加のメタライズ構造または層構造を有する変換器も、同様に本発明による実施形態例である。
【符号の説明】
【００４８】
ＡＴ１，ＡＴ２  ：  音響経路
ＢＢ            ：  バスバー
ｄ              ：  励起中心に隣接する電極フィンガーのオフセット
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４：  第１，第２，第３，および第４のグループ内のフィンガーの間隔
ＥＣ            ：    励起中心
ＥＦ            ：  電極フィンガー
Ｆ              ：  周波数
ＰＳＵ          ：  圧電基板
Ｓ１１          ：  入力ポートでの反射係数
Ｓ２１          ：  伝達関数
Ｓ２２          ：  出力ポートでの反射係数
Δ１，Δ２，Δ３  ：  第１，第２，第３，および第４のフィンガーグループの間の距離
λ              ：  音響波の波長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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