JP2005006128A - 圧電デバイスとこれを用いた高周波発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波発振器を低雑音化した上で、更に小型化を可能とする高周波発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】高周波発振器は、外部より電圧を印加して発振周波数を制御する電圧制御型の高周波発振器の実施例であり、所望の高周波出力を得ると共に、発振増幅器５が出力する周波数成分より低・高調波雑音を除去して出力する高周波発振部８と、高周波出力を増幅する増幅器３とにより構成する。又、高周波発振部８は、水晶振動子９とＭＣＦ１０の機能を備えた圧電デバイス１１と、水晶振動子９が発振動作を継続するよう帰還増幅する発振増幅器５と、抵抗６と電圧可変容量素子７とから成る周波数制御回路とを備えている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波発振器及び圧電デバイスに関し、特に伝送装置関連機器等に用いられる高周波で、且つ低位相雑音の電圧制御型の高周波発振器において、より小型化を進める手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＴＵ等において標準化された同期式の光ファイバーネットワークシステムとしてＳＤＨ／ＳＯＮＥＴが広く運用されている。ＳＤＨ／ＳＯＮＥＴとは、１５６Ｍｂｉｔ／ｓを基本伝送速度とし、各種の高速サービス信号を同期多重するもので、１５６Ｍｂｉｔ／ｓ×Ｎ倍の伝送速度を有するシステムが実用化されている。
【０００３】
このような伝送装置等の周波数源として用いられる高周波発振器においては、低位相雑音であり、特に、低ジッタであるものが要求されている。そこで、これらの要求に応えるため、発振回路の後段にモノリシック多重モードフィルタ（ＭＣＦ）や弾性表面波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）等のフィルタを接続し、低・高調波雑音を除去して所望の周波数成分のみを抽出する機能を備えた高周波発振器が実用化されている。
【０００４】
図５は、従来の高周波発振器の構成例を示す機能ブロック図である。図５に示した高周波発振器は、外部より電圧を印加して発振周波数を制御する電圧制御型の高周波発振器の例であり、所望の発振周波数を得る高周波発振部１と、高周波発振部１が出力する周波数成分より低・高調波雑音を除去するＭＣＦ２と、高周波出力を増幅する増幅器３とにより構成する。又、高周波発振部１は、例えばＡＴカットされた水晶振動子４と、水晶振動子４が発振動作を継続するよう帰還増幅する発振増幅器５と、抵抗６と電圧可変容量素子７とから成る周波数制御回路とを備えている。
【０００５】
そこで、高周波発振器は、抵抗６と電圧可変容量素子７とから成る周波数制御回路にて、与えられる制御電圧（図示していない）に応じて水晶振動子４の発振周波数を制御しつつ、発振増幅器５は水晶振動子４が発振動作を継続するよう動作し、発振増幅器５の出力からは制御がなされた所望の周波数成分が出力される。
【０００６】
次に、高周波発振部１が出力する周波数成分は、水晶基板に電極対を設けたＭＣＦ２に入力し、所望の周波数成分のみを抽出することにより位相雑音を低減し、ジッタの少ない高周波信号を出力する。更に、得られた高周波信号は、広帯域な増幅器３に入力して所望する信号レベルに増幅し、所定の電気的特性を備えた高周波信号を出力する。
【０００７】
又、上述した従来例においては、高周波発振部１が出力する周波数成分より低・高調波雑音を除去するフィルタとしてＭＣＦを用いたが、高周波発振部１が出力する周波数成分の高調波成分を抽出して高周波発振器の出力とする場合等は、水晶基板に櫛型電極を形成して弾性表面波の伝搬特性を利用したＳＡＷフィルタを使用しても良い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の高周波発振器は、圧電デバイスとして水晶振動子とＭＣＦの二つのデバイスが必要であり、高周波発振器を更に小型化する上で障害となっていた。
そこで本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、高周波発振器を低雑音化した上で、更に小型化を可能とする高周波発振器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係わる高周波発振器及び圧電デバイスは、以下の構成をとる。
請求項１記載の高周波発振器は、一つの圧電基板に圧電振動子とモノリシック多重モードフィルタ（ＭＣＦ）とを構成した圧電デバイスと、外部制御電圧を一端に入力すると共に他端を前記圧電振動子の一端に接続する抵抗と前記圧電振動子の一端に接続し他端を接地する電圧可変容量素子とからなる周波数制御部と、前記圧電振動子の他端と接続して圧電振動子が発振動作を継続するよう帰還増幅する発振増幅器と、該発振増幅器の出力に接続して所望の周波数成分を抽出する前記ＭＣＦと、 該ＭＣＦの出力に接続して得られた周波数成分を所定のレベルに増幅する増幅器とにより構成する。
【００１０】
請求項２記載の高周波発振器は、請求項１において、前記圧電基板は、圧電振動素子及びＭＣＦが形成された薄肉の振動部と該振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成した構造であって、前記振動部の片面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用分割電極とを形成し、前記振動部の他面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用共通電極とを形成したものである。
【００１１】
請求項３記載の圧電デバイスは、圧電振動素子及びＭＣＦが形成された薄肉の振動部と該振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成した圧電基板であって、該圧電基板の前記振動部の片面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用分割電極とを形成し、前記振動部の他面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用共通電極とを形成するよう構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
本実施例においては、圧電デバイスを高周波化する手段として、水晶基板の片面の中央部に、エッチング、或いは機械加工等により凹部を形成し、該凹部の薄肉部を振動させて高周波の共振周波数を得る方法を採用した。従って、圧電デバイスの共振周波数の逓倍やオーバトーンを用いること無しに高周波出力が実現出来ることから、水晶振動子を使用して発振させる周波数と、ＭＣＦを使用したフィルタ特性で通過させたい周波数とが同一となるため、水晶基板の薄肉の振動部の板厚が両者とも同一の板厚で実現出来、同一の水晶基板に水晶振動子とＭＣＦの二つの圧電デバイスを形成可能となる。そこで、本発明においては、圧電デバイスとして一つの圧電基板に水晶振動子とＭＣＦを形成させ、高周波発振器の小型化を図った。
【００１３】
図１は、本発明に係わる高周波出力発振器の実施形態を示す機能ブロック図である。図１に示した高周波発振器は、外部より電圧を印加して発振周波数を制御する電圧制御型の高周波発振器の実施例であり、所望の高周波出力を得ると共に、発振増幅器５が出力する周波数成分より低・高調波雑音を除去して出力する高周波発振部８と、高周波出力を増幅する増幅器３とにより構成する。又、高周波発振部８は、水晶振動子９とＭＣＦ１０の機能を備えた圧電デバイス１１と、水晶振動子９が発振動作を継続するよう帰還増幅する発振増幅器５と、抵抗６と電圧可変容量素子７とから成る周波数制御回路とを備えている。
【００１４】
そこで、高周波発振器の動作を説明すると、抵抗６と電圧可変容量素子７とから成る周波数制御回路にて、与えられる制御電圧（図示していない）に応じて、圧電デバイス１１に形成した水晶振動子９の発振周波数を制御しつつ、発振増幅器５は水晶振動子９が発振動作を継続するよう動作し、発振増幅器５の出力からは制御がなされた所望の周波数成分を出力する。
【００１５】
次に、圧電デバイス１１に形成したＭＣＦ１０において、所望の周波数成分のみを抽出することにより位相雑音を低減し、ジッタの少ない高周波信号を出力する。更に、得られた高周波信号は、広帯域な増幅器３に入力して所望する信号レベルに増幅し、所定の電気的特性を備えた高周波信号を出力する。
【００１６】
尚、高周波発振器の最終段に設けた増幅器３は、前段のＭＣＦ１０において所望の出力レベルが確保可能であれば、設置しなくともよい。
本実施例によれば、水晶振動子とＭＣＦとの二つの機能を備えた圧電デバイスを採用しており、圧電デバイスが１チップとなったため高周波発振器の小型化が可能となる。
【００１７】
次に、本実施例における圧電デバイスの構造について説明する。
図２は、本発明に係わる二つの機能に対応した圧電振動素子の実施形態を示す構造例であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ’における正面断面図、（ｃ）は底面図である。本実施形態による圧電振動素子１２は、水晶基板の片面の中央部に、エッチング、或いは機械加工により凹部１３を形成し、凹部１３の底面に設けた薄肉の振動部１４の周縁部に、肉厚の環状囲繞部１５を前記振動部１４と一体的に形成し、薄板状の振動部１４を機械的に支持した構造である。そこで、本実施例においては、該凹部１３の薄肉部を振動させて高周波の共振周波数を得る方法を採用している。
【００１８】
ここで仮に、１５０ＭＨｚの水晶振動子を実現しようとすると、薄肉の振動部１４の水晶基板の厚みは、以下の通りである。
水晶振動子は、ＡＴカット水晶圧電基板の厚みすべり振動を利用しているため、その共振周波数は水晶基板の板厚に反比例し、その関係式は、周知のとおり、次式で表現される。
Ｋ＝Ｆ・ｔ
Ｋ＝１６７０（ＭＨｚ・μｍ）、Ｆ＝周波数（ＭＨｚ）
ｔ＝水晶基板の板厚（μｍ）
そこで、水晶基板の板厚ｔを求めると、
ｔ＝１６７０／１５０＝１１．１３
従って、１５０ＭＨｚの水晶振動子を実現するためには、振動部１４の板厚は約１１μｍとなる。
【００１９】
薄肉の振動部１４には、凹部側主面に水晶振動子を構成する励振電極１６ａと、該励振電極１６ａから導出するリード電極１７ａと、圧電振動素子１２を収容するセラミックパッケージに接着固定するためのパッド電極１８ａとを所定の形状で形成し、一方、平坦側主面には、凹部側に形成した励振電極１６ａに対向する位置に励振電極１６ｂと、該励振電極１６ｂから導出するリード電極１７ｂと、圧電振動素子１２を収容するセラミックパッケージに接着固定するためのパッド電極１８ｂとを所定の形状で形成する。
【００２０】
次に、ＭＣＦについて説明すると、ＭＣＦを実現する上で水晶基板に必要な板厚については水晶振動子の板厚の場合と同様な方法で求められ、周波数帯が同一であれば水晶振動子と同じ板厚のものが使用される。そこで、薄肉の振動部１４には、所定の間隙を介して分割された励振用分割電極１９ａ及び１９ｂと、該励振用分割電極１９ａ、１９ｂから導出するリード電極２０ａ、２０ｂと、圧電振動素子１２を収容するセラミックパッケージに接着固定するためのパッド電極２１ａ、２１ｂとを所定の形状で形成する。
【００２１】
一方、平坦側主面には、凹部側に形成した励振用分割電極１９ａ、１９ｂに対向する位置に励振用共通電極１９ｃと、該励振用共通電極１９ｃから導出するリード電極２０ｃと、圧電振動素子１２を収容するセラミックパッケージに接着固定するためのパッド電極２１ｃとを所定の形状で形成する。
このように励振電極を形成することによりＭＣＦは、励振用分割電極１９ａ、及び１９ｂ上に励起される振動モードが、音響結合することにより生ずる二つの振動モードを利用して所定のフィルタ特性を得ることが出来る。
【００２２】
図３は、本発明に係わる高周波発振器に用いる圧電デバイスの第一の実施形態を示す構造例であり、（ａ）は上面透視図、（ｂ）は正面透視図を示す。本実施形態における圧電デバイス２２は、前述した図２に示した圧電振動素子１２を、開口部を有するセラミックパッケージ２３の底面に搭載した例を示す。そこで、所定の加工がなされた圧電振動素子１２をセラミックパッケージ２３の開口部底面に設けたパッド電極２４に導電性接着剤２５を用いて接続固定し、圧電振動素子１２の所定のパッド電極は、セラミックパッケージ２３の外底面に設けた外部端子２６に導通させ、セラミックパッケージ２３の開口部をリッド２７により気密封止した構造である。
【００２３】
図４は、本発明に係わる高周波発振器に用いる圧電デバイスの第二の実施形態を示す構造例であり、（ａ）は上面透視図、（ｂ）は正面透視図である。本実施形態における圧電デバイス２８は、第一の実施例と同様に、前述した図２に示した圧電振動素子１２を、開口部を有するセラミックパッケージ２９の底面に搭載した例を示し、第一の実施例とは圧電振動素子１２のセラミックパケージ２９への搭載位置を上下反対にしたことのみが異なる。そこで、所定の加工がなされた圧電振動素子１２をセラミックパッケージ２９の開口部底面に設けたパッド電極３０に導電性接着剤２５を用いて接続固定したものであり、圧電振動素子１２の所定のパッド電極は、セラミックパッケージ２９の外底面に設けた外部端子３１に導通させ、セラミックパッケージ２９の開口部をリッド３２により気密封止した構造である。
以上説明したように本発明においては、水晶振動子とＭＣＦを同一水晶基板に形成し、高周波発振器に使用する圧電デバイスを１チップ化した。
【００２４】
【発明の効果】
上述したように請求項１乃至３に記載の発明は、圧電デバイスとして、圧電基板の片面の中央部に、エッチング、或いは機械加工等により凹部を形成し、該凹部の薄肉部を振動させて高周波の共振周波数を得る方法を採用し、同一の板厚で構成できる圧電振動子とＭＣＦを一つの圧電基板に形成したことから、二つの機能を有する圧電デバイスを１チップで実現出来、圧電デバイスを小型化できると共に、これを使用した高周波発振器の小型化が進み、高周波発振器を使用する上で著しい効果を発揮することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる高周波出力発振器の実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明に係わる二つの機能に対応した圧電振動子素子の実施形態を示す構造例である。
【図３】本発明に係わる高周波発振器に用いる圧電デバイスの第一の実施形態を示す構造例である。
【図４】本発明に係わる高周波発振器に用いる圧電デバイスの第二の実施形態を示す構造例である。
【図５】従来の高周波発振器の構成例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１・・高周波発振部、 ２・・ＭＣＦ、
３・・増幅器、 ４・・圧電振動子、
５・・発振増幅器、 ６・・抵抗、
７・・電圧可変容量素子、 ８・・高周波発信部、
９・・圧電振動子、 １０・・ＭＣＦ、
１１・・圧電デバイス、 １２・・圧電振動素子、
１３・・凹部、 １４・・振動部、
１５・・環状囲繞部、 １６ａ、１６ｂ・・励振電極、
１７ａ、１７ｂ・・リード電極、 １８ａ、１８ｂ・・パッド電極、
１９ａ、１９ｂ・・励振用分割電極、
１９ｃ・・励振用共通電極、 ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ・・リード電極、
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ・・パッド電極、
２２・・圧電デバイス、 ２３・・セラミックパッケージ、
２４・・パッド電極、 ２５・・導電性接着剤、
２６・・外部端子、 ２７・・リッド、
２８・・圧電デバイス、 ２９・・セラミックパッケージ、
３０・・パッド電極、 ３１・・外部端子、
３２・・リッド

Claims (3)

1. 一つの圧電基板に圧電振動子とモノリシック多重モードフィルタ（ＭＣＦ）とを構成した圧電デバイスと、
   外部制御電圧を一端に入力すると共に他端を前記圧電振動子の一端に接続する抵抗と前記圧電振動子の一端に接続し他端を接地する電圧可変容量素子とからなる周波数制御部と、
   前記圧電振動子の他端と接続して圧電振動子が発振動作を継続するよう帰還増幅する発振増幅器と、
   該発振増幅器の出力に接続して所望の周波数成分を抽出する前記ＭＣＦと、
   該ＭＣＦの出力に接続して得られた周波数成分を所定のレベルに増幅する増幅器とからなることを特徴とする高周波発振器。
2. 前記圧電基板は、圧電振動素子及びＭＣＦが形成された薄肉の振動部と該振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成した構造であって、
   前記振動部の片面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用分割電極とを形成し、前記振動部の他面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用共通電極とを形成したものであることを特徴とする請求項１記載の高周波発振器。
3. 圧電振動素子及びＭＣＦが形成された薄肉の振動部と該振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成した圧電基板であって、
   該圧電基板の前記振動部の片面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用分割電極とを形成し、前記振動部の他面に圧電振動子の励振電極とＭＣＦの励振用共通電極とを形成したことを特徴とする圧電デバイス。

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