JP4868124B2

JP4868124B2 - 弾性表面波共振子

Info

Publication number: JP4868124B2
Application number: JP2006044867A
Authority: JP
Inventors: 道明 ▲高▼木
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: JP2007228125A

Description

本発明は、面内回転した回転ＳＴカット水晶板等の圧電体平板上に、レイリー型等の弾性表面波を利用して、３次高調波動作させた新しい形式の弾性表面波共振子に関する。

従来、圧電気を有する水晶ＳＴカット基板（圧電体平板の一例）を用いて構成する弾性表面波共振子は、その周波数温度特性が零温度係数をもち精度が良いために、各種高速ネットワーク系のデータ伝送用水晶発振器の発振素子として使用されているが、これはジッタが無く位相ノイズに優れた信号が高信頼性かつ低コストに容易に得られるという長所があるためである。

しかしながら近年、前述のネットワーク系の信号伝送速度がＧＨｚ帯にまで高速化するとともに、より高周波数かつ高精度な水晶発振器が求められるに至っている。そこで最近注目されて来たものとして、前述したＳＴカットの精度±１００ｐｐｍ（０〜７０℃範囲）に対して、約半分（精度±５０ｐｐｍ）の周波数温度特性が得られる面内回転した回転ＳＴカット水晶板を用いた弾性表面波共振子がある。この水晶板は、レイリー型弾性表面波を利用している（例えば、特許文献１）。

面内回転した回転ＳＴカット水晶板を利用した弾性表面波共振子についても、従来のＳＴカットと同様に例えば金属アルミニウムからなる多数の平行導体の電極指を周期的に配置した、すだれ状電極（以下、「ＩＤＴ」と書く）を形成し、さらにその両側に一対の反射器を多数のストリップ形状からなる電極導体を平行にかつ周期的に配置して構成し、１ポート型の弾性表面波共振子を形成できる。

特開昭５７−７３５１３号公報

しかしながら、前述の従来技術を使用したものはいずれも基本波動作する弾性表面波共振子であるため、ＩＤＴの電極指および反射器の導体ストリップの繰り返しの周期長Ｐと動作周波数との関係は、Ｖを弾性表面波の速度とし、ｆを動作周波数とすればｆ＝Ｖ／（２Ｐ）の関係にある。その結果、前記動作周波数ｆは速度ＶとＰに制約されており、圧電体基板の速度Ｖ＝３０００ｍ／ｓ、電極パターンを形成する露光機の分解能を０．５×１０^-6ｍとすれば、Ｐ＝１．０×１０^-6ｍとなり、１．５ＧＨｚ程度が高周波化の限界となっているのが現状である。

本発明はかかる課題を解決するものでその目的とするところは、基本波動作周波数の３倍で高調波動作可能な弾性表面波共振子を実現して、これらを用いて１から５ＧＨｚ帯で使用可能な、高精度かつ低位相ノイズなＳＡＷ発振器および電圧制御型ＳＡＷ発振器をギガビット系の高速有線通信市場に提供することにある。

（１）本発明の弾性表面波共振子は、圧電体平板上の位相伝播方向Ｘに弾性表面波を励振する少なくとも１個のすだれ状電極と、前記すだれ状電極の前記Ｘ方向両側に配置した一対の反射器と、を備える弾性表面波共振子であって、前記すだれ状電極は、前記Ｘ方向に配列された多数の電極指を備え、前記すだれ状電極の前記電極指の前記Ｘ方向の幅寸法をＬＴとし、前記すだれ状電極の前記電極指の存在しない領域の前記Ｘ方向の寸法をＳＴとして、前記すだれ状電極の配列周期長であるＰＴ＝ＬＴ＋ＳＴに対する線幅比ＬＴ／ＰＴが（１／６±１／１２）の範囲であり、前記反射器は、前記Ｘ方向に配列された多数の電極指を備え、前記反射器の前記電極指の前記Ｘ方向の幅寸法をＬＲとし、前記反射器の前記電極指の存在しない領域の前記Ｘ方向の寸法をＳＲとして、前記反射器の配列周期長であるＰＲ＝ＬＲ＋ＳＲに対する線幅比ＬＲ／ＰＲが（１／６±１／１２）の範囲であり、前記反射器の配列周期長ＰＲに対して前記すだれ状電極の配列周期長ＰＴの関係がＰＲ＜ＰＴであって、前記ＰＴと前記ＰＲとの差は、前記弾性表面波の基本波の３次高調波の周波数を前記反射器が反射可能な周波数帯域内に維持しつつ前記基本波の周波数を前記反射器が反射可能な周波数帯域外にする範囲とし、前記弾性表面波の動作周波数ｆと速度Ｖと前記配列周期長ＰＴとの関係がｆ＝３Ｖ／（２ＰＴ）であり、前記圧電体平板が水晶単結晶からなり、かつ水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回りに反時計方向にθ＝３１度から４２度回転し、さらに主平面の法線の回りに電気軸から４０度から４６度回転したＸＰ方向に弾性表面波の位相伝搬方向が存在するように電極指を配置しており、前記電極指および前記反射器が有する導体ストリップは、アルミニウムの薄膜をフォトリソ加工により形成した金属パターンからなり、前記アルミニウムの薄膜の膜厚Ｈと前記配列周期長ＰＲで表される２ＰＲとの比が（０．０３±０．０１）の範囲にあることを特徴とする。

上記（１）の構成によれば、基本波の３倍の動作周波数において、同一膜厚比Ｈ／λにあっても（λは弾性表面波の波長）、すだれ状電極の電極指および反射器の導体ストリップのもつ反射係数が基本波の場合の約８０％が確保できるため、２０％程度のＩＤＴ対数あるいは反射器本数を増加させるだけで、弾性表面波の振動エネルギの閉じ込めが可能となり、３次高調波動作する良好な弾性表面波共振子が実現できるという効果がある。さらに、上記（１）の構成によれば、基本波の発振を抑圧しつつ基本波の３倍の動作周波数を有する３次高調波を発振させることができる。

（２）本発明の弾性表面波共振子は、前記反射器が有する線幅比ＬＲ／ＰＲが（１／２±１／１２）の範囲であることを特徴とする。

上記（２）の構成によれば、基本波の３倍の動作周波数において、同一膜厚比Ｈ／λにあっても（λは弾性表面波の波長）、反射器の導体ストリップのもつ反射係数が基本波の場合の約８０％が確保できるため、２０％程度の反射器本数を増加させるだけで、弾性表面波の振動エネルギの閉じ込めが可能となり、小型で良好な弾性表面波共振子が実現できるという効果がある。

（３）本発明の弾性表面波共振子は、前記圧電体平板が水晶単結晶からなり、かつ水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回りに反時計方向にθ＝３１度から４２度回転し、さらに主平面の法線の回りに電気軸から４０度から４６度回転したＸＰ方向に弾性表面波の位相伝搬方向が存在するように電極指を配置しており、前記電極指および前記反射器が有する導体ストリップは、アルミニウムの薄膜をフォトリソ加工により形成した金属パターンからなり、前記アルミニウムの薄膜の膜厚Ｈと前記配列周期長ＰＲで表される２ＰＲとの比が（０．０３±０．０１）の範囲にあることを特徴とする。

上記（３）の基板構成であれば、基本波動作状態においては膜厚比Ｈ／λ₀＝Ｈ／（２ＰＲ）が０．０３であり反射係数が正値をとる。また、３次高調波動作時においては弾性表面波の波長λ₃がλ₀／３となるために、膜厚比Ｈ／λ₃が３倍の０．０９となるから反射係数が負値をとる。一方において強制なエネルギ閉じ込め状態を得るためのＩＤＴと反射器の電極周基長の条件は、反射係数が負値の場合にはＰＲ＜ＰＴが必要であり、反射係数が正値の場合にはＰＲ＞ＰＴが必要条件である。従って、基本波が抑圧される結果となり３次高調波動作のみが可能になるという効果がある。

最初に、本発明に使用する圧電体平板につき説明する。前記の圧電体平板は面内回転ＳＴカット水晶板であり、図１において水晶結晶からの切り出し方位を示す。図中の５０１が水晶結晶の基本軸である電気軸Ｘ、５０２が機械軸Ｙ、５０３が光軸Ｚである。面内回転ＳＴカット水晶板は、電気軸Ｘと光軸Ｚの２軸が作る面を主面とするＹ板を電気軸Ｘの回りに反時計方向にθ度（特に零温度係数が得られるθ＝３１度から４２度）回転した圧電体平板５００において、さらに圧電体平板５００の法線５０７の回りにＸ軸からの面内の回転角Ψが±（４０〜４６）度である方位を弾性表面波の位相伝播方位Ｘ'（素子のｘ軸５０６）としたものである。

さらに圧電体平板５００の表面を鏡面研磨した後、レイリー型等の弾性表面波の位相伝播方位Ｘ'に対して直交して、例えば金属アルミニウムからなる多数の平行導体の電極指を周期的に配置した少なくとも１個のすだれ状電極を構成し、その両側に一対の反射器を形成して弾性表面波共振子を構成する。

以下本発明の弾性表面波共振子の実施形態について、まず理解を容易ならしめるために、図２によって具体的な電極パターンの実施例を説明した後、図３、図４、図５、図６を用いてその動作原理を詳細に解説する。

図２は請求項１の本発明に係わる弾性表面波共振子（以下略して本素子と称すことがある）の一実施例について、圧電体平板上に形成した電極パターンを図示したものである。

図２中の各部位は、水晶からなる圧電体平板１００、反射器１０１，１０３、すだれ状電極（ＩＤＴ）１０２、反射器を構成する導体ストリップ１０４，１０５、給電導体（ブスバー）１０８に接続された正極側の電極指１０６、給電導体（ブスバー）１０９に接続された負極側の電極指１０７である。さらに、圧電体平板１００上の１１０は利用する弾性表面波の位相伝播方位Ｘ’を示す軸である（図５の５０６に対応）。

さらに説明すると、図２中の反射器１０１，１０３において、記号ＬＲは導体ストリップ１０４の幅（ライン）寸法ＬＲであり、ＳＲは導体で被服されていない幅（スペース）寸法ＳＲである。またＰＲは幅（ライン）寸法ＬＲと幅（スペース）寸法ＳＲの和からなる導体ストリップの配列周期長としての周期長ＰＲである。つぎに、すだれ状電極（ＩＤＴ）１０２において、記号ＬＴは電極指１０６および電極指１０７等の幅（ライン）寸法ＬＴであり、ＳＴは電極導体で被服されていない幅（スペース）寸法ＳＴである。またＰＴは幅（ライン）寸法ＬＴと幅（スペース）寸法ＳＴの和からなる電極指の配列周期長としての周期長ＰＴである。

さらに説明すると、すだれ状電極（ＩＤＴ）１０２において線幅比として定義される線幅比ＬＴ／ＰＴが（１／６±１／１２）の範囲であり、かつ反射器１０１，１０３においては、線幅比ＬＲ／ＰＲが（１／６±１／１２），（１／２±１／１２）の範囲に設定しており、スペース領域が広い構造となっている。周期長ＰＲと周期長ＰＴについては、ＰＲ＜ＰＴであって、周期長ＰＲと周期長ＰＴとの差が、周期長ＰＴに対して、おおむね大抵の基板に対して有効な１から１０％の範囲で設けてある。また電極指１０６，１０７および反射器１０１，１０３が有する導体ストリップ１０４，１０５は、アルミニウムの薄膜の膜厚Ｈをフォトリソ加工により形成した金属パターンからなり、アルミニウム薄膜の膜厚Ｈと周期長ＰＲとの比が（０．０３±０．０１）の範囲に構成する。

以上の構成からなる本素子において、すだれ状電極（ＩＤＴ）１０２に印加する信号の周波数は、ｆ０＝Ｖ／（２ＰＴ）を基本波の動作周波数とすれば、この３倍であるｆ３＝３Ｖ／（２ＰＴ）の弾性表面波の動作周波数ｆとしての周波数ｆ３で動作させて使用することが特徴である。

次に、図３と図４を用いて、本発明の素子の動作特性について説明する。

図３は本発明になる図２のような電極指あるいは導体ストリップの本数を２００本として、周期的構造をなすＩＤＴおよび反射器が有する反射特性２００を示すものである。また、図３は、弾性表面波の動作周波数ｆとしての周波数ｆ３（図２参照）の周波数による３次高調波動作状態での反射特性を示すものである。図３中の横軸はＩＤＴの電極指１０６，１０７（図２参照）が有する線幅Ｌと、反射器１０１，１０３（図２参照）の導体ストリップ１０４，１０５が有する線幅Ｐとの線幅比Ｌ／Ｐである。

線幅比Ｌ／ＰはＩＤＴであれば、線幅比ＬＴ／ＰＴ（図２参照）とほぼ同一であり、反射器であれば線幅比ＬＲ／ＰＲにほぼ相当する。縦軸はＩＤＴおよび反射器全体が有する弾性表面波の反射係数であり、個々の電極指および導体ストリップの反射係数ｒの総和からなる反射係数Γを示すものである。

図３に示すとおり、反射係数Γは線幅比Ｌ／Ｐがおよそ１／６＝１．６付近の値の場合、あるいは１／２付近の値、およそ５／６付近の値をとる場合において最大値０．８４をとっている。従って、線幅比Ｌ／Ｐとして、おおよそ（１／６±１／１２）の値、（１／２±１／１２）の値、あるいは（５／６±１／１２）の範囲の値に設定すれば、反射係数Γは最大値が得られ最小の小型な弾性表面波共振子が得られることになる。

一方図４は、図３と同様な反射特性３００を示す特性図であるが、動作周波数が前記の基本波ｆ０である点が異なっており、反射係数Γの最大値は０．９９７程度の値を示している。この場合、線幅比Ｌ／Ｐが０．５において反射係数Γは最大を示す。

図３は前述の周波数ｆ３において動作した場合に得られるものであるが、最大値０．８４は、基本波ｆ０における動作特性図である図４と比較しても約１６％程度の減少にとどまり、弾性表面波共振子の構成には支障をきたさない。ちなみに、電極指あるいは導体ストリップの本数は２００本より大きくとも少なくとも反射特性の最大値を示す線幅比Ｌ／Ｐの値は変わらない。

次に、図５は本発明の弾性表面波共振子の構成に使用する圧電体平板が有する特性を示すものである。

図５中の横軸は前述の線幅比Ｌ／Ｐであり、縦軸は電極指あるいは反射器が有する導体ストリップ１本当たりの反射係数ｒを単位％でみたものである。図中の白丸点４００（ｒ＝３％）は線幅比Ｌ／Ｐが０．５かつ膜厚比Ｈ／λが０．０３における反射係数ｒを示す点である。また４０１は、線幅比Ｌ／Ｐが０．５かつ膜厚比Ｈ／λが０．０９における反射係数ｒ（＝１０％）を示す点である。また曲線４０２は反射係数ｒがほぼゼロをとる境界線であり、同図紙面における右上半分の反射係数ｒが負値をとる負値領域４０３と同図紙面における下左半面の反射係数ｒが正値をとる正値領域４０４の境界線を示す。本発明になる弾性表面波共振子においては、図５の特性を利用して基本波動作状態における共振子の直列等価抵抗いわゆるＣＩ値を増大させて抑圧することができる。

そのメカニズムは次のようなものである。まず基本波ｆ０の動作において、本発明の弾性表面波共振子の膜厚比Ｈ／λを＋０．０３かつ線幅比Ｌ／Ｐを０．５に設定する（図５中の白丸点４００に対応）。このとき弾性表面波の波長λは周期長ＰＴの２倍である２ＰＴの状態となっている。次に基本波ｆ０の３倍の周波数ｆ３において動作させると、このとき弾性表面波の波長λは２ＰＴの１／３の状態になることから、膜厚比Ｈ／λはＨ／（２ＰＴ）の３倍となって０．０９となる（図５中の黒丸点４０１に対応）。結果として反射係数ｒは負値となる。ここから先のメカニズムは図６の概説図に示す。

図６は横軸が動作周波数ｆであり、縦軸はＩＤＴあるいは反射器における弾性表面波の反射係数および放射振幅の相対値を示している。
反射特性曲線６００はＩＤＴが有する反射係数Γであり、破線で示した曲線６０１、６０２、６０３は前記の同一ＩＤＴが有する弾性表面波の放射特性である。反射特性曲線６００の平坦部下側に配置する曲線６０１は、反射係数ｒが正値をとる基本波ｆ０近傍における動作時ものであり、また一方の平坦部上側に配置する曲線６０３は反射係数ｒが負値をとる３次高調波動作ｆ３状態における前記の同一ＩＤＴが有する弾性表面波の放射特性である。

弾性表面波共振子を構成する反射器の反射特性とＩＤＴの放射特性の周波数配置としては、反射器は図６の反射特性曲線６００をとるものとして、ＩＤＴは放射特性６０２の関係となるように設定する。すなわち反射特性曲線６００のほぼ中央にＩＤＴの放射特性６０２を配置して最も強制な反射現象が実現してＱ値の高い共振子となるように、反射器の導体ストリップの周期長ＰＲとＩＤＴの電極指の周期長ＰＴを設定する。このように設定するためには、基本波動作状態ではＩＤＴの周期長ＰＴの寸法を小さくして曲線６０１から６０２状態にシフトさせる。従って、ＰＴ＜ＰＲの関係が必要である。また一方、３次高調波動作状態においてはＩＤＴの周期長ＰＴの寸法を大きくして曲線６０３から６０２状態にシフトさせる。従って、ＰＴ＞ＰＲの関係が必要である。

以上から言えることは、３次高調波動作状態において最良な共振条件に設定するためにＰＴ＞ＰＲと設定すれば、基本波動作状態においては、ＩＤＴ放射特性は反射器の反射特性の平坦部下側にはずれて、十分な反射が実現されず良好な共振現象が得られない。従って基本波ｆ０における共振先鋭度Ｑは大幅に低下してその等価直列抵抗ＣＩ値は３次高調波動作のＣＩ値より数倍に増大する。結果として本発明の弾性表面波共振子を用いて水晶ＳＡＷ発振器を構成した場合には、３次高調波のＣＩ値が小さいために唯一この３次高調波周波数ｆ３が選択された発振のみが実現されることになる。

本発明の弾性表面波共振子の構成部品である圧電体平板の切断方位図。本発明の弾性表面波共振子の一実施例が有する電極パターンを示す平面図。本発明の弾性表面波共振子の３次高調波動作状態における反射特性を示す特性図。本発明の弾性表面波共振子の基本波動作状態における反射特性を示す特性図。本発明の弾性表面波共振子の構成部品である圧電体平板が有する特性図。本発明の弾性表面波共振子の動作原理を説明する概説図。

符号の説明

１００，５００…圧電体平板、１０１，１０３…反射器、１０２…すだれ状電極（ＩＤＴ）、１０４，１０５…反射器を構成する導体ストリップ、１０６，１０７…電極指、１０８，１０９…給電導体（ブスバー）、２００，３００…反射特性、４００…白丸点、４０１…黒丸点、４０２，６０１，６０３…曲線、４０３…負値領域、４０４…正値領域、５０６…素子のｘ軸、５０７…法線、６００…反射特性曲線、６０２…放射特性、ｆ…動作周波数、ｆ０…基本波、ｆ３…動作周波数ｆとしての３次高調波周波数、Ｈ…膜厚、Ｌ，Ｐ…線幅、ＬＲ，ＬＴ…幅（ライン）寸法、ＰＲ，ＰＴ…配列周期長としての周期長、Ｑ…共振先鋭度、ｒ，Γ…反射係数、ＳＲ，ＳＴ…幅（スペース）寸法、Ｖ…速度、Ｘ’…位相伝播方位、λ…波長、Ψ…回転角。

Claims

圧電体平板上の位相伝播方向Ｘに弾性表面波を励振する少なくとも１個のすだれ状電極と、前記すだれ状電極の前記Ｘ方向両側に配置した一対の反射器と、を備える弾性表面波共振子であって、
前記すだれ状電極は、前記Ｘ方向に配列された多数の電極指を備え、前記すだれ状電極の前記電極指の前記Ｘ方向の幅寸法をＬＴとし、前記すだれ状電極の前記電極指の存在しない領域の前記Ｘ方向の寸法をＳＴとして、前記すだれ状電極の配列周期長であるＰＴ＝ＬＴ＋ＳＴに対する線幅比ＬＴ／ＰＴが（１／６±１／１２）の範囲であり、
前記反射器は、前記Ｘ方向に配列された多数の電極指を備え、前記反射器の前記電極指の前記Ｘ方向の幅寸法をＬＲとし、前記反射器の前記電極指の存在しない領域の前記Ｘ方向の寸法をＳＲとして、前記反射器の配列周期長であるＰＲ＝ＬＲ＋ＳＲに対する線幅比ＬＲ／ＰＲが（１／６±１／１２）の範囲であり、
前記反射器の配列周期長ＰＲに対して前記すだれ状電極の配列周期長ＰＴの関係がＰＲ＜ＰＴであって、前記ＰＴと前記ＰＲとの差は、前記弾性表面波の基本波の３次高調波の周波数を前記反射器が反射可能な周波数帯域内に維持しつつ前記基本波の周波数を前記反射器が反射可能な周波数帯域外にする範囲とし、
前記弾性表面波の動作周波数ｆと速度Ｖと前記配列周期長ＰＴとの関係がｆ＝３Ｖ／（２ＰＴ）であり、
前記圧電体平板が水晶単結晶からなり、かつ水晶回転Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回りに反時計方向にθ＝３１度から４２度回転し、さらに主平面の法線の回りに電気軸から４０度から４６度回転したＸＰ方向に弾性表面波の位相伝搬方向が存在するように電極指を配置しており、
前記電極指および前記反射器が有する導体ストリップは、アルミニウムの薄膜をフォトリソ加工により形成した金属パターンからなり、前記アルミニウムの薄膜の膜厚Ｈと前記配列周期長ＰＲで表される２ＰＲとの比が（０．０３±０．０１）の範囲にあることを特徴とする弾性表面波共振子。