JP5136175B2

JP5136175B2 - 周波数変換器および周波数変換方法

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Publication number: JP5136175B2
Application number: JP2008103125A
Authority: JP
Inventors: 暁小路口; 満山本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: JP2009253932A

Description

本発明は、電気信号の周波数変換器と周波数変換方法に関し、特に、電気信号を弾性振動に変換した後、その振動周波数を、非線形弾性体を用いて変換する周波数変換器と周波数変換方法に関する。

近年、電子機器、電子素子の電磁放射による機器間、素子間の電磁干渉が問題になっている。そのための一対策として、電気信号を弾性振動に変換した後、弾性振動の操作を行うことにより信号処理を行う弾性素子が開発されている。弾性素子は、弾性波の波長が同じ周波数の電磁波の波長よりも６桁小さいことから、部品を小さくできるというメリットを持つため機器の小型化の面でも歓迎されている。弾性素子の中で、周波数フィルタとしては、弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタや、周波数変換器としては特許文献１、２で採用しているようなヘテロダイン方式のものが提案されている。
しかしながら、ＳＡＷフィルタは、フィルタリングする周波数が可変でないという問題点があった。この原因は、とりだす周波数の値は出力部の櫛形電極の櫛の間隔に依存しているが、それが固定されているためである。この問題を解決する技術として、特許文献３に示す技術が提案されている。特許文献３に示す技術では、図１３に示すように、弾性表面波６０をいったん櫛形電極２０で電気信号に変えた後、その電気信号が純粋な単一の周波数でなくある程度のバンド幅を持っていることを利用して、インピーダンス素子９０を接続し、電気的な共鳴を利用してその中から増幅する周波数を選択することで、周波数を変換し、変換した周波数を固有周波数に持つ櫛形電極３０に送ることで、元の弾性波６０と異なった周波数の弾性波を生成するというしくみで、周波数変換を行っている。
特開平０４-０６８９０７号公報特開２００７−１６６４８９号公報特開平０６−０５３７７２号公報

上述した従来技術の内ヘテロダイン方式の周波数変換器では、別個に参照周波数を生成するデバイスを用意する必要があり、信号生成器のような能動デバイスは同時に電源も確保する必要があるので、部品コスト、スペース確保、省電力の面で問題がある。この原因は、ヘテロダイン方式は、二つの波のうなり現象を利用しているからであり、入力周波数を変換するために、参照信号が必要であるためである。
一方で、特許文献３に示す技術は、第一に、出力の櫛形電極は、作り込んであるため、作った後は変換周波数を変更できないという問題と、第二に、周波数変換に電気的な共振を利用しているため電磁放射が存在するという問題と、第三に、櫛形電極を多数用意する必要があるためスペース確保の点で難点があるという問題と、第四に、ヘテロダイン式でなく参照周波数生成器のような能動デバイスを必要としないが、櫛形電極からの信号の固有周波数ないしその近傍の一定の周波数幅を利用しているため周波数の変換幅が小さいという問題がある。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、電磁放射を起こさず、参照周波数生成器のような能動デバイスを必要とせず、周波数変換の変換幅が大きく、変換周波数が可変である周波数変換装置を提供できるようにすることである。

上述した目的を達成するため、本発明によれば、入力信号を弾性振動に変換する第１の変換手段と、その弾性振動を受け取る、変位と応力の関係が比例関係にない非線形弾性体と、前記非線形弾性体の振動を受け取る、その変位と応力の関係が比例関係にある線形弾性体と、その線形弾性体の振動を受け取り、その弾性振動を前記入力信号と同種の物理量に変換する第２の変換手段と、を有し、前記第１の変換手段によって生成された振動の周波数を前記非線形弾性体において変換し、その変換された周波数を、前記非線形弾性体と前記線形弾性体との共振によって取り出すことを特徴とする周波数変換器、が提供される。

そして、好ましくは、前記線形弾性体の固有振動数は入力振動数とは異なっている。また、好ましくは、前記線形弾性体が、印加電圧が制御される、その印加電圧に依存して弾性率が変化する圧電体、または、印加磁界が制御される、その印加磁界に依存して弾性率が変化する磁歪材、または、温度が制御される、その温度に依存して弾性率が変化する部材、によって構成されている。
また、好ましくは、前記非線形弾性体が、その変位と応力の関係の、比例関係からの外れ方の度合いが異なる複数の非線形弾性体を積層化したものから構成されている。

また、上述した目的を達成するため、本発明によれば、入力信号を弾性振動に変換し、その弾性振動を、変位と応力の関係が比例関係にない非線形弾性体に伝達し、その非線形弾性体の振動を、変位と応力の関係が比例関係にある線形弾性体に伝達し、その線形弾性体の振動を、入力信号と同種の物理量に変換する、入力信号の周波数を他の周波数に変換する周波数変換方法であって、非線形弾性体における、エネルギー変化に伴って固有周波数が連続的に変化する性質を利用して、入力振動の周波数を前記非線形弾性体において変換し、その変換された周波数を、前記非線形弾性体と前記線形弾性体とを共振させて取り出すことを特徴とする周波数変換方法、が提供される。

［作用］
本発明の周波数変換器では、非線形弾性体がそのエネルギーに依存して固有周波数を変化させる性質を利用して周波数変換を行なっているため、周波数変換は非線形弾性体の部分で自発的に行われ、参照信号生成器等の別個の部品を必要としない。
また、本発明の周波数変換器では、変換周波数の受け取る線形弾性体に、印加電圧によって弾性定数の変化する圧電体、または、印加磁界によって弾性定数の変化する磁歪材料を用い、印加電圧または印加磁界を制御することにより、変換周波数の受け取り部変形させ弾性率を可変にすることで、出力周波数を可変にすることができる。

本発明によれば、第１に、電気信号を弾性振動に変換し、弾性振動の状態で周波数変換を行うことで電磁放射の抑制を実現した周波数変換器を提供することができる。第２に、非線形弾性体のエネルギーに依存して自発的に固有周波数変換するという性質を用いて、周波数変換を行うことで、参照周波数生成器のような別個の能動素子を必要としない周波数変換器を提供することができる。第３に、変換した周波数を受け取る弾性体の固有周波数を、電気的または磁気的に制御することで、変換周波数を可変にすることを実現した周波数変換器を提供することができる。第４に、周波数変換を行う非線形弾性体を積層化することにより、周波数変化値を増大させることを可変にすることを実現した周波数変換器を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である周波数変換器の断面図である。一方の端部に、入力電気信号を弾性振動に変換する、電極３ではさまれた圧電体１が配置され、他方の端部には、変換された弾性振動を出力電気信号に変換する、電極３ではさまれた圧電体２が配置されている。入力側の圧電体１の隣には、非線形弾性体４が配置され、その隣には、線形弾性体５が配置されていて出力側の圧電体２に連なっている。線形弾性体５は、この周波数変換器の動作上の変形範囲で、フックの法則に従う線形弾性体と見なすことができ、一定の固有周波数（固有振動の周波数）を持つものとする。

次に、本発明の周波数変換器で利用する非線形弾性体４の性質を説明する。この周波数変換器で利用する弾性体の非線形性は、伸縮方向のみであるので、簡単のため説明では、弾性体を非線形バネとして説明する。
一例として、バネ定数が変位ｘの２次式で記述される弾性率を持つ非線形弾性体に、質量ｍの錘をつるした場合の問題を考えてみる。以下の（１）式に示すように、１次の項がないのは、伸びと縮みで対称性を課したからである。この式は、一般の（上の意味で対称な）非線形弾性体の弾性率を、伸びに関してテイラー展開し２次までを残した一般式（２次の非線形性まで効いてくる領域の一般式）と見なすこともできる。

Ｆ＝ω_０ ^２（１±εｘ^２）ｘ …（１）
ここで、Ｆは弾性力、ｘは伸び、ω_０は線形周波数（微小な固有振動の周波数）、εは正の定数である。εの前の符号が正の場合は、伸びに従いバネが硬くなる漸硬バネと呼ばれ、負の場合は、伸びに従いバネが柔らかくなる漸軟バネと呼ばれる。このような弾性体の固有周波数は、弾性体の持つ弾性エネルギーＥ（ここでは運動エネルギーと位置エネルギーの和）に従って変化する。例えば、上式の漸硬バネの固有周波数は以下のように求めることができる。なお、本明細書においては、周波数と角周波数とを区別せずに記載されており、「周波数」の表記は、「角周波数」である場合を含んでいる。

ここに、関数Ｋは、以下のように第一種完全楕円積分で定義されるものである。

漸硬バネと漸軟バネの固有周波数を弾性エネルギーの関数として表したグラフを図２に示す。図２より、漸硬バネと漸軟バネの固有周波数は、弾性エネルギーが増加するに従い、各々、線形周波数ω_０に対して、増加・減少を示すことが分かる。本発明の周波数変換器では、この性質を周波数変換に利用している。

次に、本発明の周波数変換器の動作原理について説明する。入力信号の中で、非線形弾性体４の線形周波数ω_０近辺の周波数成分は、共振により非線形弾性体４を励振する。すると、上述の非線形弾性体４の性質により、励振により非線形弾性体４にエネルギーが移動し、これに伴い、振動周波数が変化する。この周波数はある時点で所望の変換周波数に達するが、線形弾性体５の固有周波数を、この所望周波数に合わせておくことで、この時点で非線形弾性体４と線形弾性体５の間で共振が起こり、線形弾性体５に大きなエネルギー移動が起こる。つまり、線形弾性体５は、所望の周波数を取り出すフィルターの役割を果たしている。この振動エネルギーを圧電体２で取り出すことで、所望周波数の信号を得ることができる。
このとき、入力信号の周波数は、非線形弾性体４の線形周波数ω_０の周辺であるとエネルギーの移動効率がよいが、非線形弾性体４の周波数可変域内であれば、入力周波数がω_０から離れていても、非線形弾性体４を励振することができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態である周波数変換器を示す断面図である。第２の実施形態は、変換周波数を可変とするものである。本発明では、第１の実施形態におけるフィルタの役割をする線形弾性体５の部分に、印加電界制御部７ａによって印加電界が制御される圧電体６が配置されている。
圧電体は、多くの場合では、電界強度に対する歪みが線形に変化する線形領域を使って制御を行うが、一般には、電界強度と歪みの関係は非線形であって、線形弾性体というものは、その線形領域が広い物質を線形領域で使用しているだけである。従って、圧電体は一般に、電界強度を大きく変化させることで、弾性率を変化させることができる。多くの物質では、この弾性率の非線形変化は、図４に見られるように、区分線形として近似することができる。そして、圧電体６に印加される電界を印加電界制御部７ａによって制御することにより、弾性率の異なる領域に移動させることができる。

本発明では、この性質を利用して、電界を制御することで弾性率を変化させ、圧電体６の固有周波数を変化させる。このことにより、圧電体６が非線形弾性体４と共振を起こす周波数が変化し、フィルタリングされる周波数が変化する。一方で、非線形弾性体による周波数の変換は図２の例の様に連続的に起こるので、フィルタリング周波数が、非線形弾性体の周波数変域に入っているならば、この機構により、変換周波数を効率よく取り出すことができる。
このとき、共振が起こり、圧電体６にも弾性エネルギーが流入するに従い歪みが増大するので、印加電界制御部７ａは、圧電体６の歪みを監視し、その弾性定数が規定の値に留まるように、歪みをコントロールするしくみを加えることもでき、これによって、本実施形態の周波数変換器に入力される信号の動作電力域が広げることができる。
最良の形態としては、圧電体の歪み−応力関係が区分線形に見なせる、歪み領域の各々がなるべく広い方が制御しやすく、弾性率の変域も大きい方が、取り出す周波数の変域も広がる。しかし、材料の限界で、区分線形領域が狭い場合には、電界強度の制御の精度を上げることによってその限界をカバーできる。

（第２の実施形態の変形例１）
図５は、本発明の第２の実施形態の変形例１を示す断面図である。一般に弾性体はポアソン比を持つため、変形を加えた方向と垂直方向にも変形を起こす。この性質を利用し、図５に示すように制御のための電極を側面に付ければ、電極方向に変形に起こすことによって、電極の対向方向と垂直方向に伸縮を起こすことができ、この変形により、圧電体を異なる弾性率を持つ変形領域に移すことができ、圧電体の固有周波数を変化させることができる。これ以外は、第２の実施形態と同様のしくみで、変換周波数を変化させることができる。

（第２の実施形態の変形例２）
図６は、本発明の第２の実施形態の変形例２を示す断面図である。第２の実施形態で利用した、圧電体の弾性率の歪みに対する非線形な関係は、程度の差はあれ弾性体一般が備えている性質であるので、磁歪材料もその性質を備えている。磁歪材の場合は、外部磁界をかけることにより、異なる弾性率の弾性体に変化させることができる。本発明では、図６のように、圧電体６の代わりに磁歪材８を用い、磁歪材８の変形（固有周波数制御）のための磁界を発生させるコイル９を配置し、電流制御部７ｂによりコイル９に流れる電流を制御することにより磁歪材の歪みを制御して、磁歪材を異なる弾性率を持つ変形領域に移すことができ、磁歪材の固有周波数を変化させることができる。これ以外の点は、第２の実施形態と同様のしくみで、変換周波数を変化させることができる

（第２の実施形態の変形例３）
図７は、本発明の第２の実施形態の変形例３を示す断面図である。第２の実施形態で用いた、弾性体の弾性率は、温度によっても変化する。そこで、図７に示すように、弾性体５ａに対して、加熱・冷却装置装置１０をとりつけ、電流制御部７ｃにより供給する加熱・冷却装置装置１０への電流を制御して温度を制御することで、弾性体５ａの弾性率並びにその固有周波数を変化させることができる。
上述した変形例１〜３のいずれに対しても、第２の実施形態と同様に、圧電体６、磁歪材８、弾性体５ａの歪みを監視し、その歪みを制御して弾性定数が所定の値に留まるように制御を行なうことができる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態である周波数変換器を示す断面図である。第３の実施形態は、周波数の変換域を拡大させることを特徴とする。本実施形態では、第１の実施形態における非線形弾性体４の部分を、線形周波数ω_０の異なる非線形弾性体４ａ、４ｂ、４ｃを積層してなる非線形弾性体積層体１１としたものである。

例として、(１)式（正符号の場合）示される２次の漸硬性非線形弾性体の場合、図９に示すように、非線形弾性体４ａ、４ｂ、４ｃを、その線形周波数ω_０が徐々に大きくなるように選定すると、入力側の圧電体１から注入されるエネルギーに応じて励振される非線形弾性体が選択される。したがって、一つの非線形弾性体による変換域が小さくとも、積層化させることで全体として変換幅を拡大することができる。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態である周波数変換器を示す斜視図である。第４の実施形態は、増加方向に変化した周波数と、減少方向に変化した周波数を同時に出力することを可能にするものである。本実施形態では、第１の実施形態の周波数変換器を二つ並べ、一方の非線形弾性体４ｄに漸硬性のものを、もう一方の非線形弾性体４ｅに漸軟性のものを配置し、入力信号を枝分かれさせ、同時に入力部である圧電体１に入力し、出力は、出力側の圧電体２より取り出し、二種の出力を得る。
図２に示したように、漸硬性弾性体は周波数を増加方向に変換し、漸軟性弾性体は減少方向に変換するので、本発明の構成により、同時に元の周波数に比べ、高い周波数と低い周波数の変換信号を得られる。

次に、具体的な実施例を用いて、第１の実施形態の動作を説明する。本発明を数学的にモデル化し、シミュレーションによって動作を確認した。
図１１に示すように、入出力の圧電体部分は除去し、入力側圧電体から伝わる力を周期的外力として非線形弾性体４に加え、線形弾性体５の固有周波数を変化したときに、線形弾性体に伝達されるエネルギーはどのように変化するかを調べた。すなわち、入力周波数と線形弾性体５の固有周波数とが異なるとき、線形弾性体からなる系においては、共振は起こらずエネルギー移動は起こらないはずであるが、中間に非線形弾性体４を配置することで、周波数変換が起こり、非線形弾性体４と線形弾性体５の間に共振が起こりエネルギー移動が起こるという本発明の基本原理が動作することを確認した。
本計算においては、弾性体は一方向の伸びのみを利用するので、非線形弾性体４は単純に減衰のある漸硬バネとして記述し、線形弾性体５は減衰のある線形バネとして記述する。双方の相互作用は一般的な非線形な相互作用を仮定した。
入力周波数をΩ＝１と、漸硬バネの線形周波数をω_０＝１（（１）式を参照のこと）と固定したときに、フィルタの線形弾性体５の固有周波数ω１を変化させたときの、線形弾性体５に流入するエネルギーを計算した。線形弾性体５の初期エネルギーは０で、エネルギーは入力信号のみから得られるものとする。共振条件が満たされないとエネルギー移動は起こらないのでエネルギー移動が起こっているときは、線形弾性体５が固有振動を起こし、所望の周波数の信号が得られたということを意味する。シミュレーション結果を図１２に示す。フィルタの固有周波数はω１＝１．２、１．５、１．８と変化させた。いずれの場合も線形弾性体に共鳴は起こらない条件である。図１２を見ると、いずれの場合もエネルギー移動が起こり周波数変換が起こっていることを示している。しかし、変換幅が大きくなるに従い、エネルギー移動が減少した。これは、非線形弾性体の周波数変換幅も限界があるため、あまり入力周波数との差が大きいと、共振が起こりにくくなるために起こっている。実際、さらにω１を大きくすると、エネルギー移動はほとんど起こらなくなる。このように、周波数変換の幅は、非線形弾性体の性質に依存している。同時に、エネルギーの移動効率は、共振の効率に依存しており、エネルギー移動効率を上げるためには、効率のよい接合が重要になる。シミュレーションの解析結果では、非線形弾性体と線形弾性体との相互作用の非線形性が強いほど、共振の強度が強くなるという傾向があり、両者間の接合は、相互作用の非線形性を強める構造が望ましいといえる。

本発明の周波数変換器の第１の実施形態を示す断面図。非線形弾性体の固有周波数のエネルギー依存性を示す図。本発明の周波数変換器の第２の実施形態を示す断面図。弾性体の弾性力の変形に対する非線形応答を区分線形的に近似する様子を示した図。本発明の周波数変換器の第２の実施形態の変形例１を示す断面図。本発明の周波数変換器の第２の実施形態の変形例２を示す断面図。本発明の周波数変換器の第２の実施形態の変形例３を示す断面図。本発明の周波数変換器の第３の実施形態を示す断面図。本発明の周波数変換器の第３の実施形態で有効な非線形弾性体の固有周波数特性の設定の一例を示す図。本発明の周波数変換器の第４の実施形態を示す斜視図。本発明の実施例を説明するための断面図。本発明の実施例の結果を示す特性図。従来技術による周波数変換器の平面図。

符号の説明

１圧電体（信号入力側）
２圧電体（信号出力側）
３電極
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ非線形弾性体
５線形弾性体
５ａ弾性体
６圧電体
７ａ印加電界制御部
７ｂ、７ｃ電流制御部
８磁歪材
９コイル
１０加熱・冷却装置
１１非線形弾性体積層体
２０入力櫛形電極
３０出力櫛形電極
６０表面弾性波
９０インピーダンス素子

Claims

入力信号を弾性振動に変換する第１の変換手段と、その弾性振動を受け取る、変位と応力の関係が比例関係にない非線形弾性体と、前記非線形弾性体の振動を受け取る、その変位と応力の関係が比例関係にある線形弾性体と、その線形弾性体の振動を受け取り、その弾性振動を前記入力信号と同種の物理量に変換する第２の変換手段と、を有し、前記第１の変換手段によって生成された振動の周波数を前記非線形弾性体において変換し、その変換された周波数を、前記非線形弾性体と前記線形弾性体との共振によって取り出すことを特徴とする周波数変換器。
前記線形弾性体の固有振動数は、前記第１の変換手段によって生成される振動の振動数と異なっていることを特徴とする請求項１に記載の周波数変換器。
前記線形弾性体が、印加電界が制御される、その印加電界に依存して弾性率が変化する圧電体によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数変換器。
前記線形弾性体が、印加磁界が制御される、その印加磁界に依存して弾性率が変化する磁歪材によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数変換器。
前記線形弾性体は、温度が制御される、その温度に依存して弾性率が変化する部材によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数変換器。
前記線形弾性体の弾性定数が所定の範囲内にとどまるように制御する機構が備えられていることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の周波数変換器。
前記非線形弾性体が、その変位と応力の関係の、比例関係からの外れ方の度合いが異なる複数の非線形弾性体を積層化したものから構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の周波数変換器。
前記非線形弾性体の非線形性が互いに異なる複数の請求項１から７のいずれかに記載された周波数変換器が、入力信号を共有して並置してあり、並置された前記第２の変換手段からそれぞれ互いに異なる周波数の出力が取り出されることを特徴とする周波数変換器。
前記第１または第２の変換手段が、一対の電極を有する圧電体であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の周波数変換器。
入力信号を弾性振動に変換し、その弾性振動を、変位と応力の関係が比例関係にない非線形弾性体に伝達し、その非線形弾性体の振動を、変位と応力の関係が比例関係にある線形弾性体に伝達し、その線形弾性体の振動を、入力信号と同種の物理量に変換する、入力信号の周波数を他の周波数に変換する周波数変換方法であって、非線形弾性体における、エネルギー変化に伴って固有周波数が連続的に変化する性質を利用して、入力振動の周波数を前記非線形弾性体において変換し、その変換された周波数を、前記非線形弾性体と前記線形弾性体とを共振させて取り出すことを特徴とする周波数変換方法。
前記線形弾性体は弾性定数が異なる複数の領域を有しており、特定の弾性定数の領域を選択して使用することを特徴とする請求項１０に記載の周波数変換方法。
前記非線形弾性体は、複数の線形周波数を有し、前記非線形弾性体において複数の周波数に変換が行なわれることを特徴とする請求項１０または１１に記載の周波数変換方法。