ラム波型高周波共振子を用いた変調器
【課題】良好な周波数温度特性と広い周波数帯域を有し、簡素な構成で小型化を実現するラム波型高周波共振子を用いた変調器を提供する。
【解決手段】変調器１は、水晶基板２０の主面に、一組の櫛歯状のＩＤＴ電極３０と該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器４０，５０とを有するラム波型高周波共振子１０と、ＩＤＴ電極３０と接続される第１発振回路８０、第２発振回路８１と、入力端子９６から入力されるデジタル変調信号に対応して第１発振回路８０、第２発振回路８１からの出力信号を選択出力する切替回路９０と、が備えられ、選択された出力信号を出力端子９５から出力する。
【解決手段】変調器１は、水晶基板２０の主面に、一組の櫛歯状のＩＤＴ電極３０と該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器４０，５０とを有するラム波型高周波共振子１０と、ＩＤＴ電極３０と接続される第１発振回路８０、第２発振回路８１と、入力端子９６から入力されるデジタル変調信号に対応して第１発振回路８０、第２発振回路８１からの出力信号を選択出力する切替回路９０と、が備えられ、選択された出力信号を出力端子９５から出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調器に関し、詳しくは、ひとつのラム波型高周波共振子と、複数の発振回路と、複数の発振回路からの出力信号を選択出力する切替回路と、を備える変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式によるデジタル信号を通信する方法が知られている。ＦＳＫ方式は、例えば、０、１のデジタル信号に応じて搬送波ｆ０、ｆ１の瞬時周波数を離散的に変化させる変調方式であり、振幅変化を一定にしながら変調をかけることが可能であり、レベル（信号強度）変動や雑音の影響が少ない方式とされている。また、回路構成が簡単であり、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）やＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）などの方式よりも帯域幅が広くなるという特徴を有している。
【０００３】
また、共振子に用いられる信号波の種類としては、レイリー波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ）、ＳＨ波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ）、リーキー波（Ｌｅａｋｙ Ｗａｖｅ）等があり、共振子としては、レイリー波、またはＳＨ波を用いた弾性表面波共振子、バルク波であるラム波（Ｌａｍｂ ｗａｖｅ）を用いたラム波共振子が代表される。
【０００４】
例えば、レイリー波型弾性表面波素子は、ＳＴカット水晶と呼ばれる水晶基板の表面において、Ｚ’軸方向にＩＤＴ電極が形成されて構成されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、ＳＨ波型弾性表面波素子として、ＳＴＷカット水晶、つまり、ＳＴカット水晶に対して弾性表面波の伝搬方向を９０度ずらした横波を伝搬する弾性表面波素子も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、弾性表面波ではなく、圧電基板の上下面で反射を繰り返して伝搬するバルク波（体積波）を用いる方式のラム波素子も知られており、ラム波素子は、位相速度が弾性表面波よりも大きいことから、特に高周波に適していることが知られている（例えば、非特許文献２、及び特許文献２参照）。
【０００７】
また、ＦＳＫ方式に用いられる変調器として、同一の半導体集積回路基板上に複数の発振回路とこの複数の発振回路からの各出力信号をデジタル変調信号に応じて選択出力するとともに、同一部材の圧電基板上に互いに共振周波数の異なる弾性表面波共振子を前記発振回路と同数形成し、この複数の弾性表面波共振子と複数の発振回路とを一対一に各々電気的に接続して構成した変調器というものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２３３６４５号公報（第３〜第６頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−２５８５９６号公報
【特許文献３】特許第２９２５１５８号公報（第２、第３頁、図１）
【非特許文献１】信学技報 ＴＥＣＨＮＩＡＬＣＡＬＲＥＰＯＲＴ ＯＦ ＩＥＩＣＥ．ＵＳ９９−２０（１９９−０６）３７頁〜４２頁、「有限要素法を用いた弾性表面波の周波数―温度特性解析」、神名重男
【非特許文献２】第３３回ＥＭシンポジウム２００４、第９３〜９６頁、「ラム波型弾性表面波素子用基板」中川恭彦、百瀬雅之、垣尾省司
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような特許文献１によれば、所望の出力信号を得るために、複数の弾性表面波素子を備える必要があり、圧電基板が大型化し、変調器全体としても小型化が困難になる。また、複数の弾性表面波各々に対応する発振回路とを接続することから回路構成が複雑になり、コストアップにもなるという課題を有している。
【００１０】
また、非特許文献１のように共振子としてＳＴカット水晶を用いるレイリー波型弾性表面波素子は弾性表面波素子としては優れた周波数温度特性を示すが、位相速度の理論値が約３１００ｍ／ｓ程度とされ、高周波帯域には対応が困難とされている。
【００１１】
また、特許文献１に示されるＳＴＷカット水晶を用いたＳＨ波型弾性表面波素子は、周波数温度特性が前述したレイリー波型弾性表面波素子よりも悪いということが知られ、電極材料としてアルミニウムに比べ密度が大きいタンタルやタングステンを用いて周波数温度特性を改善しているが、電気抵抗損が大きくなり、さらに、位相速度が減少してしまうというような課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、上述した課題を解決することを要旨とし、良好な周波数温度特性と広い周波数帯域を有し、簡素な構成で小型化を実現する変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の変調器は、圧電基板の主面に、一組の櫛歯状のＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器とを有するラム波型高周波共振子と、前記ＩＤＴ電極と接続される複数の発振回路と、入力されるデジタル変調信号に対応して前記複数の発振回路からの出力信号を選択出力する切替回路と、が備えられていることを特徴とする。
【００１４】
ラム波型高周波共振子は、詳しくは後述する実施の形態にて説明するが、入力されるデジタル変調信号の周波数に対応して複数の振動モードを有している。従って、本発明の変調器は、ひとつのラム波型高周波共振子と複数の発振回路とを備え、複数の出力信号の中から所望の出力信号を選択出力することから、広い周波数帯域を有しながら簡素な構成で小型化を実現する変調器を提供することができる。
【００１５】
また、前記圧電基板が、水晶基板であることが好ましい。
圧電基板として水晶を用い、ラム波を振動モードとすることにより、前述したＳＴカット水晶に比べて高周波帯域への対応性が優れ、ＳＴＷカット水晶に比べて優れた周波数温度特性を有する共振子を実現することができるので、高周波、且つ高精度な変調器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図８は実施形態１に係るラム波型高周波共振子の構成、共振特性、及び周波数温度特性及び変調器の構成を示し、図９は実施形態２に係る変調器の構成を示す説明図である。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）
【００１７】
図１は、実施形態１に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ切断面を表す断面図である。図１、図２において、ラム波型高周波共振子１０は、圧電基板としての水晶基板２０の主面に、一対の交差指電極３１，３２とから構成されるＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極３０と、このＩＤＴ電極３０のラム波の進行方向の両側に配設され格子状の電極指５０ａ，５０ｂを有する反射器５０と、同様な電極指を有する反射器４０とから構成されている。なお、以降、交差指電極３１を第１交差指電極３１、交差指電極３２を第２交差指電極３２と呼称する。
【００１８】
ＩＤＴ電極３０の第１交差指電極３１と第２交差指電極３２とは、それぞれ相互に間挿されて構成されている。ここで、第１交差指電極３１を構成する櫛歯形状の電極指３１ａの端部から電極指３１ｂまでの間の距離は、ラム波の波長λに設定され、電極指３１ａ，３１ｂそれぞれの幅をＬｉとする。
【００１９】
また、電極指３１ａの端部と、電極指３１ａ，３１ｂの間に間挿される第２交差指電極３２の電極指３２ａと、の距離（電極間ピッチと称することがある）はＰｉと表す。なお、電極指３２ａの幅もＬｉである。従って、ラム波の波長λはＩＤＴ電極３０の電極間ピッチＰｉの２倍である。
【００２０】
また、反射器５０の電極指５０ａの端部から電極指５０ｂまでの距離を（電極間ピッチと称することがある）Ｐｒとし、電極指５０ａ，５０ｂそれぞれの幅をＬｒとする。
【００２１】
そして、ＩＤＴ電極３０の電極指３１ａ，３１ｂ，３２ａの厚さをＨｉとし、反射器５０の電極指５０ａ、５０ｂの厚さをＨｒとする。
【００２２】
なお、説明を省略しているが、ＩＤＴ電極３０の符号を附していない他の電極指、符号を附していない反射器５０及び反射器４０の電極指それぞれの電極幅、電極間ピッチ、厚さも同様な関係に設定されている。
【００２３】
このように構成されたＩＤＴ電極３０に所定の周波数の駆動信号を入力することによってラム波が励振され、水晶基板２０の表裏の面を反射しながら、水晶基板２０の長手方向両側に伝搬し、反射器４０，５０によって反射される。
【００２４】
続いて、本実施形態に係るラム波型高周波共振子の共振特性について説明する。
図３は、ラム波の波長λと水晶基板２０の厚さｔとで規格化した規格化基板厚みｔ／λと位相速度との関係の一部を示すグラフである。図３において、横軸には規格化基板厚みｔ／λ、縦軸には音速（ｍ／ｓ）が示されている。
【００２５】
図３において、ラム波型高周波共振子１０には複数の振動モードが存在していることを示している。ここで、図示されている音速が低い方から二つのモード（ラム波モードＳ1、Ｓ2で表している）は、ラム波の対称、または反対称の関係にある最低次のモードであり、規格化基板厚みｔ／λを大きくしていくと二つのモードの音速間隔（つまり、周波数間隔であり、差分周波数数差と表す）は小さくなることを示している。
【００２６】
図４は、ラム波モードＳ1,Ｓ2を有するラム波型高周波共振子の差分周波数差と規格化基板厚みｔ／λとの関係を表すグラフである。図４に示すように、規格化基板厚みｔ／λを大きくすれば、二つの差分周波数数差を小さくことができる。従って、二つのモードにおける差分周波数差はラム波の波長λと水晶基板２０の厚さｔによって容易に制御することができる。つまり、後述するＦＳＫ変調における出力信号を設定しやすくしている。
【００２７】
続いて、上述したラム波型高周波共振子１０を用いた変調器について図面を参照して説明する。
図５は、ラム波型高周波共振子１０を用いたＦＳＫ方式における変調器１の構成を示す説明図である。図５において、変調器１は、ラム波型高周波共振子１０と、同一の半導体集積基板７０に設けられた第１発振回路８０と第２発振回路８１と切替回路９０とから構成されている。第１発振回路８０と第２発振回路８１とはそれぞれ、ラム波型高周波共振子１０のＩＤＴ電極３０（図１，２も参照する）に接続されている。
【００２８】
ここで、第１発振回路８０は発振周波数ｆ０、第２発振回路８１は発振周波数ｆ１に対応する構成である。また、第１発振回路８０及び第２発振回路８１の出力は切替回路９０に入力され、切替回路９０によって選択された出力信号は出力端子９５から出力される。
【００２９】
また、切替回路９０にはデジタル変調信号が入力端子９６から入力される。なお、第１発振回路８０、第２発振回路８１、切替回路９０には、図示しない電源端子から電力が供給されている。
【００３０】
このように構成される変調器１において、図３に示す二つの最低次のラム波モードＳ1、Ｓ2のそれぞれの共振周波数は、入力端子９６から入力されるデジタル変調信号“０”のときに必要とされる出力信号周波数ｆ０と、デジタル変調信号“１”のときに必要とされる出力周波数ｆ１にそれぞれ一致するように設計されている。
【００３１】
また、切替回路９０は、入力端子９６から入力されるデジタル変調信号が“０”のときには第１発振回路８０の発振出力を選択して出力し、デジタル変調信号が“１”のときには第２発振回路８１の発振出力を選択して出力するように設計されている。
【００３２】
以上のように構成された変調器１では、入力端子９６から入力されたデジタル変調信号によってＦＳＫ変調された信号が出力端子９５から出力される。
【００３３】
なお、デジタル変調信号は、図示しないバリキャップダイオード（バラクタと呼称することがある）により所定の二つの周波数を形成した後、“０、１”のデジタル信号に変換して入力される。
【００３４】
また、図３においてラム波型高周波共振子には、複数の振動モードを有することを示したが、さらに詳しく説明する。
図６，７は、本実施形態のラム波型高周波共振子の周波数と信号強度の関係の一部を表すグラフである。図６，７に示すように、各周波数において信号強度が著しく高い帯域が存在する。すなわち、複数の共振領域が存在していることを示している。このグラフでは、１２０ＭＨｚ帯域から１．２ＧＨｚ帯域に渡って共振領域が存在していることを示しているが、シミュレーションでは、２ＧＨｚ帯の高周波領域まで存在していることが確認されている。
【００３５】
これらの周波数のうち、隣り合う二つの周波数を選択してデジタル変調信号に変換して入力端子９６から入力すればよく、図６，７に示されるような幅広い周波数帯域のＦＳＫ変調された信号を出力端子９５から出力することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、圧電基板として水晶基板２０を採用している。水晶基板２０は、特に周波数温度特性を改善するために採用している。
図８は、水晶基板２０を用いたラム波型高周波共振子１０、ＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波素子、ＳＴＷカット水晶を用いたＳＨ波型弾性表面波素子それぞれの周波数温度特性を示すグラフである。横軸に温度、縦軸に共振周波数偏差を表している。図８に示すように、本実施形態によるラム波型高周波共振子１０は、ＳＴ型水晶基板を用いたレイリー波型弾性表面波素子、ＳＴＷ型水晶基板を用いたＳＨ波型弾性表面波素子よりも温度特性が良好である。
【００３７】
従って、本実施形態によれば、ラム波型高周波共振子１０は、複数の振動モードを有しているので、水晶基板２０上に形成される一組のＩＤＴ電極３０と反射器４０、５０によって構成されるラム波型高周波共振子１０と第１発振回路８０と第２発振回路８１とを備え、二つの出力信号の中から所望の出力信号をほぼ自在に選択出力することができる。さらに、簡素な構成で小型化を実現する変調器を提供することができる。
【００３８】
また、ラム波型高周波共振子１０は、広帯域の共振領域を有しているため、ＦＳＫ変調により広い周波数帯域の出力信号を選択的に出力することができる。
【００３９】
また、圧電基板を水晶基板２０とし、ラム波を振動モードとすることにより、前述したＳＴカット水晶に比べて高周波帯域への対応が優れ、ＳＴＷカット水晶に比べて優れた周波数温度特性を有する共振子を実現することができるので、高周波、且つ高精度な変調器を提供することができる。
【００４０】
さらに、規格化基板厚みｔ／λを制御することにより、所望の差分周波数偏差を容易に設定することができ、複雑な電極構造を必要としないという効果がある。
（実施形態２）
【００４１】
続いて、本発明の実施形態２について図面を参照して説明する。実施形態２は、前述した実施形態１が２値のデジタル変調信号を入力端子から入力する構成に対し、複数値のデジタル変調信号を入力してＦＳＫ変調することを特徴としている。実施形態１（図５、参照）と同一部分には同じ符号を附し、重複する部分の説明を省略する。
なお、本発明は、２値以上の複数値のデジタル変調信号に対して対応可能であるが、本実施形態では４値のデジタル変調信号を入力する変調器を例示して説明する。
【００４２】
図９は、実施形態２に係るラム波型高周波共振子１０を用いたＦＳＫ方式における変調器の構成を示す説明図である。図９において、変調器１は、ひとつのラム波型高周波共振子１０と、同一の半導体集積基板７０に設けられた第１発振回路８０、第２発振回路８１、第３発振回路８２、第４発振回路８３と切替回路９０とから構成されている。
【００４３】
ラム波型高周波共振子１０は、前述した実施形態１と同様に一組のＩＤＴ電極３０と反射器４０，５０とを水晶基板２０の主面に形成し構成されている。
【００４４】
第１発振回路８０、第２発振回路８１、第３発振回路８２、第４発振回路８３は、それぞれＩＤＴ電極３０に接続されており、さらに、切替回路９０に接続されている。各発振回路からの出力信号は切替回路９０に入力され、ひとつの出力信号として出力端子９５から出力される。
【００４５】
切替回路９０に入力される２ビットのデジタル変調信号は、それぞれ入力端子９６，９７から入力されるように構成されている。
【００４６】
このように構成された図９に示す回路では、入力端子９６，９７から入力される２ビットのデジタル変調信号が“００”のときには、第１発振回路８０からの発振周波数ｆ０の出力信号が出力端子９５から出力される。
【００４７】
同様に、デジタル変調信号が“０１”のときには、第２発振回路８１からの発振周波数ｆ１の信号が、デジタル変調信号が“１０”の時には第３発振回路８２からの発振周波数ｆ２が、デジタル変調信号が“１１”のときには第４発振回路８３からの発振周波数ｆ３が出力端子９５から出力される。すなわち、入力端子９６，９７から入力される２ビットのデジタル変調信号によって４値のＦＳＫ変調を実現できる。
同様な考え方により、３値や５値、さらにそれ以上のＦＳＫ変調を実現することができる。
【００４８】
従って、上述した実施形態２によれば、変調器１は、一組のＩＤＴ電極３０と反射器４０，５０を備えるラム波型高周波共振子１０と必要な数の発振回路との構成により、複数の発振周波数の中から選択的にＦＳＫ変調を行うことができる。
また、ラム波型高周波共振子１０ひとつで上述したようなＦＳＫ変調が可能であるために、簡素な構成で小型化が実現できるとともに、変調器のコスト低減を実現できるという効果がある。
【００４９】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態では圧電基板として水晶基板を用いているが、水晶基板の他に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト、ニオブ酸カリウム等の圧電基板を採用できる。また、酸化亜鉛、窒化アルミ、五酸化タンタル等の圧電性薄膜、硫化カドミウム、硫化亜鉛、ガリウム砒素、インジウムアンチモン等の圧電半導体にも応用可能である。
【００５０】
また、前述の実施形態１、実施形態２では、ラム波型高周波共振子として１ポート共振子を例示して説明したが、例えば、２ポート共振子またはＩＤＴ電極と反射器とを備えたフィルタであっても構わない。
【００５１】
さらに、実施形態１では、二つの発振周波数を用いてＦＳＫ変調器を例示したが、他のモードによりひとつの共振子で三つ以上の周波数を発振できるＦＳＫ変調器としてもよい。
【００５２】
従って、本実施形態によれば、良好な周波数温度特性と広い周波数帯域を有し、簡素な構成で小型化、低コストを実現する変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態１に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ切断面を表す断面図。
【図３】本発明の実施形態１に係る規格化基板厚みｔ／λと位相速度との関係の一部を示すグラフ。
【図４】本発明の実施形態１に係る差分周波数差と規格化基板厚みｔ／λとの関係を表すグラフ。
【図５】本発明の実施形態１に係る変調器の構成を示す説明図。
【図６】本発明の実施形態１に係るラム波型高周波共振子の周波数と信号強度の関係の一部を表すグラフ。
【図７】本発明の実施形態１に係るラム波型高周波共振子の周波数と信号強度の関係の一部を表すグラフ。
【図８】本発明の実施形態１に係る水晶基板を用いたラム波型高周波共振子、ＳＴ型、ＳＴＷ型の周波数温度特性を示すグラフ。
【図９】本発明の実施形態２に係る変調器の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００５４】
１…変調器、１０…ラム波型高周波共振子、３０…ＩＤＴ電極、４０、５０…反射器、８０…第１発振回路、８１…第２発振回路、９０…切替回路、９５…出力端子、９６…入力端子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調器に関し、詳しくは、ひとつのラム波型高周波共振子と、複数の発振回路と、複数の発振回路からの出力信号を選択出力する切替回路と、を備える変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）方式によるデジタル信号を通信する方法が知られている。ＦＳＫ方式は、例えば、０、１のデジタル信号に応じて搬送波ｆ０、ｆ１の瞬時周波数を離散的に変化させる変調方式であり、振幅変化を一定にしながら変調をかけることが可能であり、レベル（信号強度）変動や雑音の影響が少ない方式とされている。また、回路構成が簡単であり、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）やＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）などの方式よりも帯域幅が広くなるという特徴を有している。
【０００３】
また、共振子に用いられる信号波の種類としては、レイリー波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ）、ＳＨ波（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｗａｖｅ）、リーキー波（Ｌｅａｋｙ Ｗａｖｅ）等があり、共振子としては、レイリー波、またはＳＨ波を用いた弾性表面波共振子、バルク波であるラム波（Ｌａｍｂ ｗａｖｅ）を用いたラム波共振子が代表される。
【０００４】
例えば、レイリー波型弾性表面波素子は、ＳＴカット水晶と呼ばれる水晶基板の表面において、Ｚ’軸方向にＩＤＴ電極が形成されて構成されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、ＳＨ波型弾性表面波素子として、ＳＴＷカット水晶、つまり、ＳＴカット水晶に対して弾性表面波の伝搬方向を９０度ずらした横波を伝搬する弾性表面波素子も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、弾性表面波ではなく、圧電基板の上下面で反射を繰り返して伝搬するバルク波（体積波）を用いる方式のラム波素子も知られており、ラム波素子は、位相速度が弾性表面波よりも大きいことから、特に高周波に適していることが知られている（例えば、非特許文献２、及び特許文献２参照）。
【０００７】
また、ＦＳＫ方式に用いられる変調器として、同一の半導体集積回路基板上に複数の発振回路とこの複数の発振回路からの各出力信号をデジタル変調信号に応じて選択出力するとともに、同一部材の圧電基板上に互いに共振周波数の異なる弾性表面波共振子を前記発振回路と同数形成し、この複数の弾性表面波共振子と複数の発振回路とを一対一に各々電気的に接続して構成した変調器というものが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２３３６４５号公報（第３〜第６頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−２５８５９６号公報
【特許文献３】特許第２９２５１５８号公報（第２、第３頁、図１）
【非特許文献１】信学技報 ＴＥＣＨＮＩＡＬＣＡＬＲＥＰＯＲＴ ＯＦ ＩＥＩＣＥ．ＵＳ９９−２０（１９９−０６）３７頁〜４２頁、「有限要素法を用いた弾性表面波の周波数―温度特性解析」、神名重男
【非特許文献２】第３３回ＥＭシンポジウム２００４、第９３〜９６頁、「ラム波型弾性表面波素子用基板」中川恭彦、百瀬雅之、垣尾省司
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような特許文献１によれば、所望の出力信号を得るために、複数の弾性表面波素子を備える必要があり、圧電基板が大型化し、変調器全体としても小型化が困難になる。また、複数の弾性表面波各々に対応する発振回路とを接続することから回路構成が複雑になり、コストアップにもなるという課題を有している。
【００１０】
また、非特許文献１のように共振子としてＳＴカット水晶を用いるレイリー波型弾性表面波素子は弾性表面波素子としては優れた周波数温度特性を示すが、位相速度の理論値が約３１００ｍ／ｓ程度とされ、高周波帯域には対応が困難とされている。
【００１１】
また、特許文献１に示されるＳＴＷカット水晶を用いたＳＨ波型弾性表面波素子は、周波数温度特性が前述したレイリー波型弾性表面波素子よりも悪いということが知られ、電極材料としてアルミニウムに比べ密度が大きいタンタルやタングステンを用いて周波数温度特性を改善しているが、電気抵抗損が大きくなり、さらに、位相速度が減少してしまうというような課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、上述した課題を解決することを要旨とし、良好な周波数温度特性と広い周波数帯域を有し、簡素な構成で小型化を実現する変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の変調器は、圧電基板の主面に、一組の櫛歯状のＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器とを有するラム波型高周波共振子と、前記ＩＤＴ電極と接続される複数の発振回路と、入力されるデジタル変調信号に対応して前記複数の発振回路からの出力信号を選択出力する切替回路と、が備えられていることを特徴とする。
【００１４】
ラム波型高周波共振子は、詳しくは後述する実施の形態にて説明するが、入力されるデジタル変調信号の周波数に対応して複数の振動モードを有している。従って、本発明の変調器は、ひとつのラム波型高周波共振子と複数の発振回路とを備え、複数の出力信号の中から所望の出力信号を選択出力することから、広い周波数帯域を有しながら簡素な構成で小型化を実現する変調器を提供することができる。
【００１５】
また、前記圧電基板が、水晶基板であることが好ましい。
圧電基板として水晶を用い、ラム波を振動モードとすることにより、前述したＳＴカット水晶に比べて高周波帯域への対応性が優れ、ＳＴＷカット水晶に比べて優れた周波数温度特性を有する共振子を実現することができるので、高周波、且つ高精度な変調器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図８は実施形態１に係るラム波型高周波共振子の構成、共振特性、及び周波数温度特性及び変調器の構成を示し、図９は実施形態２に係る変調器の構成を示す説明図である。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）
【００１７】
図１は、実施形態１に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ切断面を表す断面図である。図１、図２において、ラム波型高周波共振子１０は、圧電基板としての水晶基板２０の主面に、一対の交差指電極３１，３２とから構成されるＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極３０と、このＩＤＴ電極３０のラム波の進行方向の両側に配設され格子状の電極指５０ａ，５０ｂを有する反射器５０と、同様な電極指を有する反射器４０とから構成されている。なお、以降、交差指電極３１を第１交差指電極３１、交差指電極３２を第２交差指電極３２と呼称する。
【００１８】
ＩＤＴ電極３０の第１交差指電極３１と第２交差指電極３２とは、それぞれ相互に間挿されて構成されている。ここで、第１交差指電極３１を構成する櫛歯形状の電極指３１ａの端部から電極指３１ｂまでの間の距離は、ラム波の波長λに設定され、電極指３１ａ，３１ｂそれぞれの幅をＬｉとする。
【００１９】
また、電極指３１ａの端部と、電極指３１ａ，３１ｂの間に間挿される第２交差指電極３２の電極指３２ａと、の距離（電極間ピッチと称することがある）はＰｉと表す。なお、電極指３２ａの幅もＬｉである。従って、ラム波の波長λはＩＤＴ電極３０の電極間ピッチＰｉの２倍である。
【００２０】
また、反射器５０の電極指５０ａの端部から電極指５０ｂまでの距離を（電極間ピッチと称することがある）Ｐｒとし、電極指５０ａ，５０ｂそれぞれの幅をＬｒとする。
【００２１】
そして、ＩＤＴ電極３０の電極指３１ａ，３１ｂ，３２ａの厚さをＨｉとし、反射器５０の電極指５０ａ、５０ｂの厚さをＨｒとする。
【００２２】
なお、説明を省略しているが、ＩＤＴ電極３０の符号を附していない他の電極指、符号を附していない反射器５０及び反射器４０の電極指それぞれの電極幅、電極間ピッチ、厚さも同様な関係に設定されている。
【００２３】
このように構成されたＩＤＴ電極３０に所定の周波数の駆動信号を入力することによってラム波が励振され、水晶基板２０の表裏の面を反射しながら、水晶基板２０の長手方向両側に伝搬し、反射器４０，５０によって反射される。
【００２４】
続いて、本実施形態に係るラム波型高周波共振子の共振特性について説明する。
図３は、ラム波の波長λと水晶基板２０の厚さｔとで規格化した規格化基板厚みｔ／λと位相速度との関係の一部を示すグラフである。図３において、横軸には規格化基板厚みｔ／λ、縦軸には音速（ｍ／ｓ）が示されている。
【００２５】
図３において、ラム波型高周波共振子１０には複数の振動モードが存在していることを示している。ここで、図示されている音速が低い方から二つのモード（ラム波モードＳ1、Ｓ2で表している）は、ラム波の対称、または反対称の関係にある最低次のモードであり、規格化基板厚みｔ／λを大きくしていくと二つのモードの音速間隔（つまり、周波数間隔であり、差分周波数数差と表す）は小さくなることを示している。
【００２６】
図４は、ラム波モードＳ1,Ｓ2を有するラム波型高周波共振子の差分周波数差と規格化基板厚みｔ／λとの関係を表すグラフである。図４に示すように、規格化基板厚みｔ／λを大きくすれば、二つの差分周波数数差を小さくことができる。従って、二つのモードにおける差分周波数差はラム波の波長λと水晶基板２０の厚さｔによって容易に制御することができる。つまり、後述するＦＳＫ変調における出力信号を設定しやすくしている。
【００２７】
続いて、上述したラム波型高周波共振子１０を用いた変調器について図面を参照して説明する。
図５は、ラム波型高周波共振子１０を用いたＦＳＫ方式における変調器１の構成を示す説明図である。図５において、変調器１は、ラム波型高周波共振子１０と、同一の半導体集積基板７０に設けられた第１発振回路８０と第２発振回路８１と切替回路９０とから構成されている。第１発振回路８０と第２発振回路８１とはそれぞれ、ラム波型高周波共振子１０のＩＤＴ電極３０（図１，２も参照する）に接続されている。
【００２８】
ここで、第１発振回路８０は発振周波数ｆ０、第２発振回路８１は発振周波数ｆ１に対応する構成である。また、第１発振回路８０及び第２発振回路８１の出力は切替回路９０に入力され、切替回路９０によって選択された出力信号は出力端子９５から出力される。
【００２９】
また、切替回路９０にはデジタル変調信号が入力端子９６から入力される。なお、第１発振回路８０、第２発振回路８１、切替回路９０には、図示しない電源端子から電力が供給されている。
【００３０】
このように構成される変調器１において、図３に示す二つの最低次のラム波モードＳ1、Ｓ2のそれぞれの共振周波数は、入力端子９６から入力されるデジタル変調信号“０”のときに必要とされる出力信号周波数ｆ０と、デジタル変調信号“１”のときに必要とされる出力周波数ｆ１にそれぞれ一致するように設計されている。
【００３１】
また、切替回路９０は、入力端子９６から入力されるデジタル変調信号が“０”のときには第１発振回路８０の発振出力を選択して出力し、デジタル変調信号が“１”のときには第２発振回路８１の発振出力を選択して出力するように設計されている。
【００３２】
以上のように構成された変調器１では、入力端子９６から入力されたデジタル変調信号によってＦＳＫ変調された信号が出力端子９５から出力される。
【００３３】
なお、デジタル変調信号は、図示しないバリキャップダイオード（バラクタと呼称することがある）により所定の二つの周波数を形成した後、“０、１”のデジタル信号に変換して入力される。
【００３４】
また、図３においてラム波型高周波共振子には、複数の振動モードを有することを示したが、さらに詳しく説明する。
図６，７は、本実施形態のラム波型高周波共振子の周波数と信号強度の関係の一部を表すグラフである。図６，７に示すように、各周波数において信号強度が著しく高い帯域が存在する。すなわち、複数の共振領域が存在していることを示している。このグラフでは、１２０ＭＨｚ帯域から１．２ＧＨｚ帯域に渡って共振領域が存在していることを示しているが、シミュレーションでは、２ＧＨｚ帯の高周波領域まで存在していることが確認されている。
【００３５】
これらの周波数のうち、隣り合う二つの周波数を選択してデジタル変調信号に変換して入力端子９６から入力すればよく、図６，７に示されるような幅広い周波数帯域のＦＳＫ変調された信号を出力端子９５から出力することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、圧電基板として水晶基板２０を採用している。水晶基板２０は、特に周波数温度特性を改善するために採用している。
図８は、水晶基板２０を用いたラム波型高周波共振子１０、ＳＴカット水晶を用いたレイリー波型弾性表面波素子、ＳＴＷカット水晶を用いたＳＨ波型弾性表面波素子それぞれの周波数温度特性を示すグラフである。横軸に温度、縦軸に共振周波数偏差を表している。図８に示すように、本実施形態によるラム波型高周波共振子１０は、ＳＴ型水晶基板を用いたレイリー波型弾性表面波素子、ＳＴＷ型水晶基板を用いたＳＨ波型弾性表面波素子よりも温度特性が良好である。
【００３７】
従って、本実施形態によれば、ラム波型高周波共振子１０は、複数の振動モードを有しているので、水晶基板２０上に形成される一組のＩＤＴ電極３０と反射器４０、５０によって構成されるラム波型高周波共振子１０と第１発振回路８０と第２発振回路８１とを備え、二つの出力信号の中から所望の出力信号をほぼ自在に選択出力することができる。さらに、簡素な構成で小型化を実現する変調器を提供することができる。
【００３８】
また、ラム波型高周波共振子１０は、広帯域の共振領域を有しているため、ＦＳＫ変調により広い周波数帯域の出力信号を選択的に出力することができる。
【００３９】
また、圧電基板を水晶基板２０とし、ラム波を振動モードとすることにより、前述したＳＴカット水晶に比べて高周波帯域への対応が優れ、ＳＴＷカット水晶に比べて優れた周波数温度特性を有する共振子を実現することができるので、高周波、且つ高精度な変調器を提供することができる。
【００４０】
さらに、規格化基板厚みｔ／λを制御することにより、所望の差分周波数偏差を容易に設定することができ、複雑な電極構造を必要としないという効果がある。
（実施形態２）
【００４１】
続いて、本発明の実施形態２について図面を参照して説明する。実施形態２は、前述した実施形態１が２値のデジタル変調信号を入力端子から入力する構成に対し、複数値のデジタル変調信号を入力してＦＳＫ変調することを特徴としている。実施形態１（図５、参照）と同一部分には同じ符号を附し、重複する部分の説明を省略する。
なお、本発明は、２値以上の複数値のデジタル変調信号に対して対応可能であるが、本実施形態では４値のデジタル変調信号を入力する変調器を例示して説明する。
【００４２】
図９は、実施形態２に係るラム波型高周波共振子１０を用いたＦＳＫ方式における変調器の構成を示す説明図である。図９において、変調器１は、ひとつのラム波型高周波共振子１０と、同一の半導体集積基板７０に設けられた第１発振回路８０、第２発振回路８１、第３発振回路８２、第４発振回路８３と切替回路９０とから構成されている。
【００４３】
ラム波型高周波共振子１０は、前述した実施形態１と同様に一組のＩＤＴ電極３０と反射器４０，５０とを水晶基板２０の主面に形成し構成されている。
【００４４】
第１発振回路８０、第２発振回路８１、第３発振回路８２、第４発振回路８３は、それぞれＩＤＴ電極３０に接続されており、さらに、切替回路９０に接続されている。各発振回路からの出力信号は切替回路９０に入力され、ひとつの出力信号として出力端子９５から出力される。
【００４５】
切替回路９０に入力される２ビットのデジタル変調信号は、それぞれ入力端子９６，９７から入力されるように構成されている。
【００４６】
このように構成された図９に示す回路では、入力端子９６，９７から入力される２ビットのデジタル変調信号が“００”のときには、第１発振回路８０からの発振周波数ｆ０の出力信号が出力端子９５から出力される。
【００４７】
同様に、デジタル変調信号が“０１”のときには、第２発振回路８１からの発振周波数ｆ１の信号が、デジタル変調信号が“１０”の時には第３発振回路８２からの発振周波数ｆ２が、デジタル変調信号が“１１”のときには第４発振回路８３からの発振周波数ｆ３が出力端子９５から出力される。すなわち、入力端子９６，９７から入力される２ビットのデジタル変調信号によって４値のＦＳＫ変調を実現できる。
同様な考え方により、３値や５値、さらにそれ以上のＦＳＫ変調を実現することができる。
【００４８】
従って、上述した実施形態２によれば、変調器１は、一組のＩＤＴ電極３０と反射器４０，５０を備えるラム波型高周波共振子１０と必要な数の発振回路との構成により、複数の発振周波数の中から選択的にＦＳＫ変調を行うことができる。
また、ラム波型高周波共振子１０ひとつで上述したようなＦＳＫ変調が可能であるために、簡素な構成で小型化が実現できるとともに、変調器のコスト低減を実現できるという効果がある。
【００４９】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態では圧電基板として水晶基板を用いているが、水晶基板の他に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト、ニオブ酸カリウム等の圧電基板を採用できる。また、酸化亜鉛、窒化アルミ、五酸化タンタル等の圧電性薄膜、硫化カドミウム、硫化亜鉛、ガリウム砒素、インジウムアンチモン等の圧電半導体にも応用可能である。
【００５０】
また、前述の実施形態１、実施形態２では、ラム波型高周波共振子として１ポート共振子を例示して説明したが、例えば、２ポート共振子またはＩＤＴ電極と反射器とを備えたフィルタであっても構わない。
【００５１】
さらに、実施形態１では、二つの発振周波数を用いてＦＳＫ変調器を例示したが、他のモードによりひとつの共振子で三つ以上の周波数を発振できるＦＳＫ変調器としてもよい。
【００５２】
従って、本実施形態によれば、良好な周波数温度特性と広い周波数帯域を有し、簡素な構成で小型化、低コストを実現する変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態１に係るラム波型高周波共振子を示す斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ切断面を表す断面図。
【図３】本発明の実施形態１に係る規格化基板厚みｔ／λと位相速度との関係の一部を示すグラフ。
【図４】本発明の実施形態１に係る差分周波数差と規格化基板厚みｔ／λとの関係を表すグラフ。
【図５】本発明の実施形態１に係る変調器の構成を示す説明図。
【図６】本発明の実施形態１に係るラム波型高周波共振子の周波数と信号強度の関係の一部を表すグラフ。
【図７】本発明の実施形態１に係るラム波型高周波共振子の周波数と信号強度の関係の一部を表すグラフ。
【図８】本発明の実施形態１に係る水晶基板を用いたラム波型高周波共振子、ＳＴ型、ＳＴＷ型の周波数温度特性を示すグラフ。
【図９】本発明の実施形態２に係る変調器の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００５４】
１…変調器、１０…ラム波型高周波共振子、３０…ＩＤＴ電極、４０、５０…反射器、８０…第１発振回路、８１…第２発振回路、９０…切替回路、９５…出力端子、９６…入力端子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板の主面に、一組の櫛歯状のＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器とを有するラム波型高周波共振子と、
前記ＩＤＴ電極と接続される複数の発振回路と、入力されるデジタル変調信号に対応して前記複数の発振回路からの出力信号を選択出力する切替回路と、
が備えられていることを特徴とする変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の変調器において、
前記圧電基板が、水晶基板であることを特徴とする変調器。
【請求項１】
圧電基板の主面に、一組の櫛歯状のＩＤＴ電極と該ＩＤＴ電極のラム波の進行方向両側に配設される反射器とを有するラム波型高周波共振子と、
前記ＩＤＴ電極と接続される複数の発振回路と、入力されるデジタル変調信号に対応して前記複数の発振回路からの出力信号を選択出力する切替回路と、
が備えられていることを特徴とする変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の変調器において、
前記圧電基板が、水晶基板であることを特徴とする変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−４８１８６（Ｐ２００８−４８１８６Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２２２９７（Ｐ２００６−２２２２９７）
【出願日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]