ヘテロフォノニック構造を用いた非相反ラム波伝搬デバイスにおける整合層の効果

摘要

近年，音の伝搬方向を制御する手段として，音響ダイオードが注目されている．我々はその実用化を目指し，圧電体と誘電体からなる2種類のフォノニック構造を持つ薄板を接合したヘテロ構造による弾性波の非相反伝搬機構を提案しているが[1]，透過損失が大きいという課題があり，特に2種類のフォノニック構造間の界面での損失が大きく，実測上の障壁となる可能性がある．本研究では，界面に異なるバンド構造を持つ整合層を挟むことによってこの損失を低減する方法を，有限要素法による数値シミュレーションを用いて検討した．本研究では薄板を伝搬する弾性波の一種であるラム波を周期構造に伝搬させることにより解析を行った．ラム波には2つの伝搬モード（S，Aモード）が存在する[2,3]．我々が提案した非相反伝搬機構では，周期構造を変化させることにより各モードのバンド構造を制御し，モードごとの整流効果を実現する．Sモード整流の場合，順方向入射波（S波）がモード変換部で一部A波に変換され，S＋A波として伝搬する．この混成波がモード選択部に入射する際S波バンドギャップにより，S波だけが遮断され，A波のみが伝搬する．一方，逆方向入射波（S波）は，モード選択部のS波バンドギャップによって遮断（反射）され，これにより整流効果が実現される．このモデルでは，モード変換部とモード選択部の界面での透過損失が大きいという問題があり，その原因として，界面において変換部と選択部の音響インピーダンスの差が大きいことが考えられる．そこで，音響インピーダンスの差を小さくし界面での反射を抑制するように，変換部と選択部の中間の音響インピーダンスを持つ整合層の導入を検討する．整合層を界面に挿入することにより，各界面での反射を抑制し，透過損失を低減させることができるかを，有限要素シミュレーションにより評価した．