ＳＡＷ共振子
【課題】小型で広い温度範囲にわたり周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子を提供する。
【解決手段】水晶基板５にＩＤＴ２０が形成され、ＩＤＴ２０の上側および下側のストップバンド付近に共振を有し水晶基板５が斜対称性を備えたＳＡＷ共振子１０であって、前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成した。
【解決手段】水晶基板５にＩＤＴ２０が形成され、ＩＤＴ２０の上側および下側のストップバンド付近に共振を有し水晶基板５が斜対称性を備えたＳＡＷ共振子１０であって、前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレイリー波を励振するＳＡＷ共振子に関し、特には周波数温度特性を向上させるＳＡＷ共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術のＳＡＷ共振子は、水晶基板の表面に電極としてアルミニウム、銅、チタン、タングステン等の金属を用いて電極パターンを形成し、ＳＡＷ共振子を構成している。また、水晶基板の方位は、水晶結晶の基本軸において、オイラー角表示（φ，θ，ψ）で、まず光軸であるＺ軸まわりに反時計方向にφが０°±１°範囲であり、つぎに電気軸であるＸ軸回りに反時計方向にθが１２２°〜１２７°範囲であり、つぎに新たに生成した軸Ｚ´まわりに前記の圧電体平板内において、Ｘ軸を起点として反時計方向に面内回転して、ψが４０°〜４４°範囲である方向が弾性表面波の位相伝搬方位とする面内回転ＳＴカットがある。
この面内回転ＳＴカット基板において、ＳＡＷ共振子として利用する弾性表面波はレイリー波である。この弾性波は従来から有名なＳＴカット基板を用いたＳＡＷ共振子に使用されている表面波と類似しており属性も近いものであるため、周波数が安定で駆動電力に対する耐性および電極の残留応力に対する感度が小さく、優れた周波数安定性が維持できるものである（特許文献１参照）。
【０００３】
このような、ＳＡＷ共振子を用いて発振器を構成する際に、周波数精度と共に周波数温度特性の精度の高精度化が要求されている。特に高速ネットワーク市場において、周波数安定性の要求が強い。
周波数安定性のなかでも周波数温度特性の改善方法については幾つかの方法が知られており、特許文献２では、基板上に複数のＳＡＷ共振子を、それぞれの弾性表面波の伝搬方位を異なるようにして配置し、これらを結合して周波数温度特性を改善している。
さらに、特許文献３では、周波数温度特性を異ならせた２つのＳＡＷ共振子を平行に配置し、これらを斜対称モードとなるように励振して横弾性的に結合させることで平坦な周波数温度特性を図っている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３２１６１３７号公報
【特許文献２】米国特許第４１９３０４５号明細書
【特許文献３】米国特許第５９１２６０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のような面内回転ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷ共振子は、ＳＴカット基板を使用して製作したＳＡＷ共振子の周波数温度特性に対して２倍の周波数精度が得られるものであるが、最近の精度要求に対しては不十分な状況にある。
具体的には、このＳＡＷ共振子が有する周波数温度特性の２次温度係数は−１．６×１０-8／℃2であって、仮にその頂点温度を使用温度範囲（−３５℃〜＋８５℃）の中央に配置すると、温度変化による周波数変動量は約５８ｐｐｍとなり、これ以上の周波数温度特性の向上は困難である。
また、特許文献２，３では複数のＳＡＷ共振子を用いて周波数温度特性の向上を図っており、ＳＡＷ共振子の小型化が難しい。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型で広い温度範囲にわたり周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は水晶基板にＩＤＴが形成され、前記ＩＤＴの上側および下側のストップバンド付近に共振を有し前記水晶基板が斜対称性を備えたＳＡＷ共振子であって、前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成したことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードが同時に存在して駆動電圧により励振される。それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
また、一つのＳＡＷ共振子に存在する２個の共振を結合させて周波数温度特性の向上を図れるため、周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子の小型化が可能である。
【０００８】
前記水晶基板が水晶単結晶の機械軸Ｙに垂直な面を電気軸Ｘの回りの反時計方向に角度θ＝３２°以上３７°以下の範囲で回転させた平板であり、前記電気軸Ｘ回りの角度θの回転により新たに規定されるＹ´軸を、反時計方向を正として角度＋ψまたは−ψ回転させて新たに規定されるＸ´軸に沿って前記ＩＤＴが配置されており、ψ＝４０°以上４４°以下の範囲であることが望ましい。
【０００９】
この構成によれば、周波数温度特性における２次温度係数が小さい水晶基板を用いて、結合振動子を構成していることから、広い温度範囲に対してさらに周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子を提供することができる。
【００１０】
本発明のＳＡＷ共振子は、１個の前記ＩＤＴと前記ＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した１ポート型のＳＡＷ共振子であることが望ましい。
【００１１】
この構成によれば、小型化され周波数温度特性の良好な１ポート型のＳＡＷ共振子を提供できる。
【００１２】
本発明のＳＡＷ共振子は、２個の前記ＩＤＴと前記２個のＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子であることが望ましい。
【００１３】
この構成によれば、小型化され周波数温度特性の良好な２ポート型のＳＡＷ共振子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）
【００１５】
図１は本実施形態の１ポート型ＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、図１（ａ）は模式平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。
ＳＡＷ共振子１０は、水晶基板５の主面に形成されたＩＤＴ２０、反射器３０を備えている。ＩＤＴ２０は、アルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成され、極性の異なる交差指電極２１，２２が交互に間挿されるように構成されている。そして、ＩＤＴ２０の両側にはアルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成された、格子状の反射器３０が備えられている。
【００１６】
次に、水晶基板５について説明する。
図２は水晶基板が有する方位角を示す説明図である。まず、水晶基板５の母材となる水晶ウエハ１について説明する。水晶ウエハ１は、水晶の機械軸Ｙ（Ｙ軸とも言う）に垂直な、いわゆるＹ板２を水晶の電気軸Ｘ（Ｘ軸とも言う）の回りに反時計方向に角度θ回転させた面を備えている。この回転した面により、機械軸Ｙおよび光軸Ｚ（Ｚ軸とも言う）のθ回転した新たなＹ´軸およびＺ´軸が規定される。
さらに、ＳＡＷ共振子１０を構成するＩＤＴ２０および反射器３０は水晶の電気軸ＸをＹ´軸の回りに反時計方向を正として＋ψまたは−ψ回転させたＸ´軸に沿って配置される。そして、ＳＡＷ共振子１０を構成する水晶基板５は、水晶ウエハ１からＺ´軸を±ψ回転させたＺ´´軸およびＸ´軸で規定される主面６を有するように切断される。
ここで、本実施形態の水晶基板ではθ＝３２°以上３７°以下、ψ＝４０°以上４４°以下の範囲に設定される。
なお、上記の方位をオイラー角表示で表すと、（０°，θ＋９０°，±ψ）となる。また、角度の符号は反時計方向を正（＋）をする。角度ψについては＋方向に回転した場合と−方向に回転した場合とでは、その示す特性は同一である。
以上、このような方位を有する水晶基板は広義では面内回転ＳＴカット基板と呼ばれている。
【００１７】
ここで、本発明の理解を進めるために、このような面内回転ＳＴカット基板を用いたＩＤＴの電極周期長が一定なＳＡＷ共振子について説明する。
図３は上記の面内回転ＳＴカット基板を用いたＳＡＷ共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
このような面内回転ＳＴカット基板を用いたＩＤＴの電極周期長が一定なＳＡＷ共振子において、レイリー波が励振され下側のストップバンド付近に共振Ｅが存在する。通常この共振Ｅを用いて、ＳＡＷ共振子が構成されている。また、この共振Ｅの他に、上側のストップバンド付近に共振Ｈが確認されている。この共振Ｈは水晶基板の斜対称性に起因するものと考えられている。
この斜対称性は、ＳＡＷ共振子を構成するＩＤＴの電極導体の１本毎の区間についての左右進行方向の反射波位相差が等しくないことから発生するものと解釈している。水晶の場合において圧電定数が小さいことから、ＳＡＷ共振子が共振状態を維持した状態において、共振特性の属性は機械的な構造の斜対称性に起因すると推測される。例えば共振子の駆動信号を止めてもしばらくは振動状態を維持できることを考えれば、この仮説が正しいと推測する。
このように水晶基板の斜対称性により、ＳＴカット基板にはない上側のストップバンド付近の共振が出現する。本発明において、上側のストップバンド付近に共振が出現する水晶基板を、斜対称性を有する水晶基板と定義する。
発明者はこの上側のストップバンド付近の共振に着目し、本発明を着想した。以下にその詳細について説明する。
【００１８】
図４は、本実施形態のＳＡＷ共振子を構成する各部位が有する周波数特性を示す説明図である。
図４（ａ）はＩＤＴの有する反射特性を示し、下側ストップバンド４１と上側ストップバンド４２を有している。
図４（ｂ）、（ｃ）はＩＤＴ共振子のアドミタンス特性を示し、本実施形態に使用する水晶基板においては、基板上にＩＤＴを形成したいわゆるＩＤＴ共振子が有するアドミタンス特性が２個の共振特性を有している。この共振は図４（ｂ）、（ｃ）のＹup０（基本波モード）とＹlow０（基本波モード）がこれに相当し、それぞれ上側、下側ストップバンド付近に存在している。
さらに、両共振にはそれぞれ高次の縦モードが付随しており、本実施形態ではＳＡＷ共振子を構成するＩＤＴの対数Ｍの値を適切に選択することで、下側の共振の基本波モードＹlow０と上側の共振の縦高次モードＹup１の共振周波数を一致させている。ここで、共振周波数の一致というのは、目標周波数に対して０〜±２０ｐｐｍ程度の範囲をいう。
この状態において、図４（ｅ）のＳＡＷ共振子のアドミタンス特性に示すように、両共振のモードは駆動電圧により励振され、２個の共振が同時に存在して結合状態を形成する。結合の原因は、基板の斜対称性に起因している。
また、図４（ｄ）の反射器の反射特性に示すように、反射器は選択すべきＩＤＴの共振周波数を中央位置に配置すべく設定する。
なお、図４（ａ）、（ｄ）において縦軸は反射係数Γ、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）において縦軸はアドミタンスＹを表し、横軸は共通として周波数ｆを表している。
【００１９】
このような共振状態において、２個の共振が同時に存在して励振されている。各々の共振はその周波数温度特性が異なり、具体的には頂点温度が異なって出現する。
図５は各々の周波数温度特性の結合を説明する説明図である。頂点温度は、下側の共振の基本波モードＹlow０に対して上側の共振の縦高次モードＹup１が高い温度に出現し、両者間の頂点温度に差が生じている。この状態において、両者の共振間で結合が存在し、その合成される周波数温度特性は平坦に近くなり温度特性は著しく改善される。
【００２０】
この下側の共振の基本波モードＹlow０と上側の共振の縦高次モードＹup１との結合についてはつぎのように考えることができる。
基本波モードＹlow０で動作している場合において、基本波モードにより斜対称成分が発生する。この斜対称成分は、縦高次モードＹup１の高次成分を誘起することから、Ｙlow０とＹup１は結合状態にあることになる。図６は上記の各モードの結合状態を表した電気的な等価回路図である。
この等価回路は基本波モードＹlow０と上側の共振の縦高次モードＹup１とコンデンサ１５０とが並列接続されて構成されており、コンデンサ１５０が結合部を示している。コンデンサ１５０は機械的な斜対称な成分を含む振動現象により発生する。
【００２１】
次に、本発明に利用する振動モードについて図面を参照して説明する。
図７は本発明に利用する振動モードの１例について図示した説明図である。下方のグラフ表示は矢印Ｕ方向から視認した状態を表し、横軸ＸはＳＡＷ共振子の振動領域、縦軸には変位振幅を示している。
図中のＬＳ０は下側ストップバンド近傍の基本波モードＹlow０による振幅の包絡線変位状態を示すものである。一方、ＬＳ１は上側ストップバンド近傍の共振系に属する縦高次モードのひとつである１次モード振幅の包絡線変位状態について図示したものである。変位振幅の状態からいずれも電気的な駆動電圧により励振可能であることもわかる。従って、両者のモードが結合動作した場合にも全体のＳＡＷ共振子のインピーダンスは低く実現できる。なお、ＩＤＴ２０のピッチＰＴと反射器３０のピッチＰＲとの比はＰＴ／ＰＲ＝０．９９５に設定した。
【００２２】
また、両モードの周波数調整については、両者の周波数の平行シフトを領域Ｂで行い、両者の周波数差は領域Ａで行うことが可能である。例えば、領域Ｂの水晶基板をエッチングすることで両者の周波数を低い方向に平行シフトさせ、領域Ａの水晶基板をエッチングすることで、上側ストップバンド近傍の共振系に属する縦高次モードの周波数を低く調整し、両者の周波数差を近づけることが可能である。各モードの共振スペクトルは、ＬＳ０とＬＳ１ともに強烈であるためネットワークアナライザにて観測可能である。
【００２３】
続いて、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の共振周波数を一致させる方法について説明する。
図８はＩＤＴにおける交差指電極の対数と周波数の関係を示すグラフである。この図８は、図７の上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の共振周波数を一致させることができることを示したものである。
上側共振系列基本波モードＬＳ０と下側共振系列基本波モードＬＳ０はＳＡＷ共振子のＩＤＴの対数Ｍに依存して、ほぼ同様な傾斜カーブにより変化する。一方、上側共振系列１次モードＬＳは前記のＬＳ０よりＭによる依存性が強く急傾斜な特性となり、従って両者特性カーブは、特定のＩＤＴの対数Ｍ０において交差することができ、動作周波数Ｆ０にて、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の動作が可能となる。なお、図中ＬＡ０は斜対称基本波モードを示している。
【００２４】
次に、以上のことを考慮して設計したＳＡＷ共振子の特性の１例について説明する。
図９に本発明を利用したＳＡＷ共振子の特性の１例について説明する説明図であり、図９（ａ）はアドミタンス特性を示すグラフ、図９（ｂ）は結合のない場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフ、図９（ｃ）は結合の発生した場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフである。
ＩＤＴの交差指電極の膜厚みＨと表面波波長λとの比をＨ／λ＝２．５％，これに対応する反射係数はおよそ１％としたときの製作条件において、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の共振周波数を一致させる電極の対数はＭ０＝１５０対であった。また、交差幅は３５波長、反射器本数Ｎは１５０本とした。
【００２５】
このようなＳＡＷ共振子において、図９（ａ）のようなアドミタンス特性を示し、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の結合のない場合には図９（ｂ）のようなＳＡＷ共振子位相特性を示す。この場合、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の周波数差は周波数変化率で約５０００ｐｐｍである。
上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の結合が発生した場合には、図９（ｃ）の位相特性に示すように、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０が一致しているのがわかる。
【００２６】
図１０は上記ＳＡＷ共振子の周波数温度特性の１例を示すグラフである。
このグラフのように、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０が結合して、平坦な温特カーブが出現している。
【００２７】
以上、本実施形態のＳＡＷ共振子は、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードが同時に存在して駆動電圧により励振される。それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
また、一つのＳＡＷ共振子に存在する２個の共振を結合させて周波数温度特性の向上が図られるため、周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子の小型化が可能である。
さらに、周波数温度特性における２次温度係数が小さい水晶基板を用いて、結合振動子を構成していることから、広い温度範囲に対して周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子を提供することができる。
また、小型化され周波数温度特性の良好な１ポート型のＳＡＷ共振子を提供できる。
（第２の実施形態）
【００２８】
次に第２の実施形態について説明する。上記の第１の実施形態では１ポート型ＳＡＷ共振子について説明したが、２ポート型ＳＡＷ共振子においても実施が可能である。
図１１は本実施形態の２ポート型ＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、図１１（ａ）は模式平面図、図１１（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う模式断面図である。
ＳＡＷ共振子５０は、水晶基板５の主面に形成されたＩＤＴ６０，７０、反射器８０を備えている。ＩＤＴ６０，７０は、アルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成され、それぞれ極性の異なる交差指電極６１，６２，７１，７２が交互に間挿されるように構成されている。そして、ＩＤＴ６０，７０を挟むようにアルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成された、格子状の反射器８０が備えられている。
水晶基板５は上記実施形態の図２で説明した基板と同様の基板を使用している。
【００２９】
上記のＳＡＷ共振子５０においても、上側および下側のストップバンド付近に共振を有している。そして、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードの共振周波数を、ＩＤＴ６０，７０の対数を選択することで一致させることが可能である。
それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
このように、２ポート型ＳＡＷ共振子であっても、第１の実施形態のＳＡＷ共振子と同様な効果を得ることができる。
【００３０】
本発明のＳＡＷ共振子は、広い温度範囲に対して優れた周波数温度特性を有することから、今後ますます膨大なデータを送受することが必要な光通信ネットワーク市場における、周波数安定性の優れたＳＡＷ発振器用途として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の本実施形態におけるＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。
【図２】第１の実施形態の水晶基板が有する方位角を示す説明図。
【図３】第１の実施形態における面内回転ＳＴカット基板を用いたＳＡＷ共振子のインピーダンス特性を示すグラフ。
【図４】第１の実施形態のＳＡＷ共振子を構成する各部位が有する周波数特性を示す説明図。
【図５】第１の実施形態における周波数温度特性の結合を説明する説明図。
【図６】第１の実施形態における各モードの結合について説明する等価回路図。
【図７】本発明に利用する振動モードの１例について模式的に図示した説明図。
【図８】第１の実施形態における交差指電極の対数と周波数の関係を示すグラフ。
【図９】第１の実施形態におけるＳＡＷ共振子の特性の１例について説明する説明図であり、（ａ）はアドミタンス特性を示すグラフ、（ｂ）は結合のない場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフ、（ｃ）は結合の発生した場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフ。
【図１０】第１の実施形態におけるＳＡＷ共振子の周波数温度特性の１例を示すグラフ。
【図１１】第２の実施形態における２ポート型ＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う模式断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１…水晶ウエハ、２…Ｙ板、５…水晶基板、１０…ＳＡＷ共振子、２０…ＩＤＴ、２１，２２…交差指電極、３０…反射器、５０…ＳＡＷ共振子、６０，７０…ＩＤＴ、８０…反射器。
【技術分野】
【０００１】
本発明はレイリー波を励振するＳＡＷ共振子に関し、特には周波数温度特性を向上させるＳＡＷ共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術のＳＡＷ共振子は、水晶基板の表面に電極としてアルミニウム、銅、チタン、タングステン等の金属を用いて電極パターンを形成し、ＳＡＷ共振子を構成している。また、水晶基板の方位は、水晶結晶の基本軸において、オイラー角表示（φ，θ，ψ）で、まず光軸であるＺ軸まわりに反時計方向にφが０°±１°範囲であり、つぎに電気軸であるＸ軸回りに反時計方向にθが１２２°〜１２７°範囲であり、つぎに新たに生成した軸Ｚ´まわりに前記の圧電体平板内において、Ｘ軸を起点として反時計方向に面内回転して、ψが４０°〜４４°範囲である方向が弾性表面波の位相伝搬方位とする面内回転ＳＴカットがある。
この面内回転ＳＴカット基板において、ＳＡＷ共振子として利用する弾性表面波はレイリー波である。この弾性波は従来から有名なＳＴカット基板を用いたＳＡＷ共振子に使用されている表面波と類似しており属性も近いものであるため、周波数が安定で駆動電力に対する耐性および電極の残留応力に対する感度が小さく、優れた周波数安定性が維持できるものである（特許文献１参照）。
【０００３】
このような、ＳＡＷ共振子を用いて発振器を構成する際に、周波数精度と共に周波数温度特性の精度の高精度化が要求されている。特に高速ネットワーク市場において、周波数安定性の要求が強い。
周波数安定性のなかでも周波数温度特性の改善方法については幾つかの方法が知られており、特許文献２では、基板上に複数のＳＡＷ共振子を、それぞれの弾性表面波の伝搬方位を異なるようにして配置し、これらを結合して周波数温度特性を改善している。
さらに、特許文献３では、周波数温度特性を異ならせた２つのＳＡＷ共振子を平行に配置し、これらを斜対称モードとなるように励振して横弾性的に結合させることで平坦な周波数温度特性を図っている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３２１６１３７号公報
【特許文献２】米国特許第４１９３０４５号明細書
【特許文献３】米国特許第５９１２６０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のような面内回転ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷ共振子は、ＳＴカット基板を使用して製作したＳＡＷ共振子の周波数温度特性に対して２倍の周波数精度が得られるものであるが、最近の精度要求に対しては不十分な状況にある。
具体的には、このＳＡＷ共振子が有する周波数温度特性の２次温度係数は−１．６×１０-8／℃2であって、仮にその頂点温度を使用温度範囲（−３５℃〜＋８５℃）の中央に配置すると、温度変化による周波数変動量は約５８ｐｐｍとなり、これ以上の周波数温度特性の向上は困難である。
また、特許文献２，３では複数のＳＡＷ共振子を用いて周波数温度特性の向上を図っており、ＳＡＷ共振子の小型化が難しい。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型で広い温度範囲にわたり周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は水晶基板にＩＤＴが形成され、前記ＩＤＴの上側および下側のストップバンド付近に共振を有し前記水晶基板が斜対称性を備えたＳＡＷ共振子であって、前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成したことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードが同時に存在して駆動電圧により励振される。それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
また、一つのＳＡＷ共振子に存在する２個の共振を結合させて周波数温度特性の向上を図れるため、周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子の小型化が可能である。
【０００８】
前記水晶基板が水晶単結晶の機械軸Ｙに垂直な面を電気軸Ｘの回りの反時計方向に角度θ＝３２°以上３７°以下の範囲で回転させた平板であり、前記電気軸Ｘ回りの角度θの回転により新たに規定されるＹ´軸を、反時計方向を正として角度＋ψまたは−ψ回転させて新たに規定されるＸ´軸に沿って前記ＩＤＴが配置されており、ψ＝４０°以上４４°以下の範囲であることが望ましい。
【０００９】
この構成によれば、周波数温度特性における２次温度係数が小さい水晶基板を用いて、結合振動子を構成していることから、広い温度範囲に対してさらに周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子を提供することができる。
【００１０】
本発明のＳＡＷ共振子は、１個の前記ＩＤＴと前記ＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した１ポート型のＳＡＷ共振子であることが望ましい。
【００１１】
この構成によれば、小型化され周波数温度特性の良好な１ポート型のＳＡＷ共振子を提供できる。
【００１２】
本発明のＳＡＷ共振子は、２個の前記ＩＤＴと前記２個のＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子であることが望ましい。
【００１３】
この構成によれば、小型化され周波数温度特性の良好な２ポート型のＳＡＷ共振子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）
【００１５】
図１は本実施形態の１ポート型ＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、図１（ａ）は模式平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。
ＳＡＷ共振子１０は、水晶基板５の主面に形成されたＩＤＴ２０、反射器３０を備えている。ＩＤＴ２０は、アルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成され、極性の異なる交差指電極２１，２２が交互に間挿されるように構成されている。そして、ＩＤＴ２０の両側にはアルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成された、格子状の反射器３０が備えられている。
【００１６】
次に、水晶基板５について説明する。
図２は水晶基板が有する方位角を示す説明図である。まず、水晶基板５の母材となる水晶ウエハ１について説明する。水晶ウエハ１は、水晶の機械軸Ｙ（Ｙ軸とも言う）に垂直な、いわゆるＹ板２を水晶の電気軸Ｘ（Ｘ軸とも言う）の回りに反時計方向に角度θ回転させた面を備えている。この回転した面により、機械軸Ｙおよび光軸Ｚ（Ｚ軸とも言う）のθ回転した新たなＹ´軸およびＺ´軸が規定される。
さらに、ＳＡＷ共振子１０を構成するＩＤＴ２０および反射器３０は水晶の電気軸ＸをＹ´軸の回りに反時計方向を正として＋ψまたは−ψ回転させたＸ´軸に沿って配置される。そして、ＳＡＷ共振子１０を構成する水晶基板５は、水晶ウエハ１からＺ´軸を±ψ回転させたＺ´´軸およびＸ´軸で規定される主面６を有するように切断される。
ここで、本実施形態の水晶基板ではθ＝３２°以上３７°以下、ψ＝４０°以上４４°以下の範囲に設定される。
なお、上記の方位をオイラー角表示で表すと、（０°，θ＋９０°，±ψ）となる。また、角度の符号は反時計方向を正（＋）をする。角度ψについては＋方向に回転した場合と−方向に回転した場合とでは、その示す特性は同一である。
以上、このような方位を有する水晶基板は広義では面内回転ＳＴカット基板と呼ばれている。
【００１７】
ここで、本発明の理解を進めるために、このような面内回転ＳＴカット基板を用いたＩＤＴの電極周期長が一定なＳＡＷ共振子について説明する。
図３は上記の面内回転ＳＴカット基板を用いたＳＡＷ共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
このような面内回転ＳＴカット基板を用いたＩＤＴの電極周期長が一定なＳＡＷ共振子において、レイリー波が励振され下側のストップバンド付近に共振Ｅが存在する。通常この共振Ｅを用いて、ＳＡＷ共振子が構成されている。また、この共振Ｅの他に、上側のストップバンド付近に共振Ｈが確認されている。この共振Ｈは水晶基板の斜対称性に起因するものと考えられている。
この斜対称性は、ＳＡＷ共振子を構成するＩＤＴの電極導体の１本毎の区間についての左右進行方向の反射波位相差が等しくないことから発生するものと解釈している。水晶の場合において圧電定数が小さいことから、ＳＡＷ共振子が共振状態を維持した状態において、共振特性の属性は機械的な構造の斜対称性に起因すると推測される。例えば共振子の駆動信号を止めてもしばらくは振動状態を維持できることを考えれば、この仮説が正しいと推測する。
このように水晶基板の斜対称性により、ＳＴカット基板にはない上側のストップバンド付近の共振が出現する。本発明において、上側のストップバンド付近に共振が出現する水晶基板を、斜対称性を有する水晶基板と定義する。
発明者はこの上側のストップバンド付近の共振に着目し、本発明を着想した。以下にその詳細について説明する。
【００１８】
図４は、本実施形態のＳＡＷ共振子を構成する各部位が有する周波数特性を示す説明図である。
図４（ａ）はＩＤＴの有する反射特性を示し、下側ストップバンド４１と上側ストップバンド４２を有している。
図４（ｂ）、（ｃ）はＩＤＴ共振子のアドミタンス特性を示し、本実施形態に使用する水晶基板においては、基板上にＩＤＴを形成したいわゆるＩＤＴ共振子が有するアドミタンス特性が２個の共振特性を有している。この共振は図４（ｂ）、（ｃ）のＹup０（基本波モード）とＹlow０（基本波モード）がこれに相当し、それぞれ上側、下側ストップバンド付近に存在している。
さらに、両共振にはそれぞれ高次の縦モードが付随しており、本実施形態ではＳＡＷ共振子を構成するＩＤＴの対数Ｍの値を適切に選択することで、下側の共振の基本波モードＹlow０と上側の共振の縦高次モードＹup１の共振周波数を一致させている。ここで、共振周波数の一致というのは、目標周波数に対して０〜±２０ｐｐｍ程度の範囲をいう。
この状態において、図４（ｅ）のＳＡＷ共振子のアドミタンス特性に示すように、両共振のモードは駆動電圧により励振され、２個の共振が同時に存在して結合状態を形成する。結合の原因は、基板の斜対称性に起因している。
また、図４（ｄ）の反射器の反射特性に示すように、反射器は選択すべきＩＤＴの共振周波数を中央位置に配置すべく設定する。
なお、図４（ａ）、（ｄ）において縦軸は反射係数Γ、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）において縦軸はアドミタンスＹを表し、横軸は共通として周波数ｆを表している。
【００１９】
このような共振状態において、２個の共振が同時に存在して励振されている。各々の共振はその周波数温度特性が異なり、具体的には頂点温度が異なって出現する。
図５は各々の周波数温度特性の結合を説明する説明図である。頂点温度は、下側の共振の基本波モードＹlow０に対して上側の共振の縦高次モードＹup１が高い温度に出現し、両者間の頂点温度に差が生じている。この状態において、両者の共振間で結合が存在し、その合成される周波数温度特性は平坦に近くなり温度特性は著しく改善される。
【００２０】
この下側の共振の基本波モードＹlow０と上側の共振の縦高次モードＹup１との結合についてはつぎのように考えることができる。
基本波モードＹlow０で動作している場合において、基本波モードにより斜対称成分が発生する。この斜対称成分は、縦高次モードＹup１の高次成分を誘起することから、Ｙlow０とＹup１は結合状態にあることになる。図６は上記の各モードの結合状態を表した電気的な等価回路図である。
この等価回路は基本波モードＹlow０と上側の共振の縦高次モードＹup１とコンデンサ１５０とが並列接続されて構成されており、コンデンサ１５０が結合部を示している。コンデンサ１５０は機械的な斜対称な成分を含む振動現象により発生する。
【００２１】
次に、本発明に利用する振動モードについて図面を参照して説明する。
図７は本発明に利用する振動モードの１例について図示した説明図である。下方のグラフ表示は矢印Ｕ方向から視認した状態を表し、横軸ＸはＳＡＷ共振子の振動領域、縦軸には変位振幅を示している。
図中のＬＳ０は下側ストップバンド近傍の基本波モードＹlow０による振幅の包絡線変位状態を示すものである。一方、ＬＳ１は上側ストップバンド近傍の共振系に属する縦高次モードのひとつである１次モード振幅の包絡線変位状態について図示したものである。変位振幅の状態からいずれも電気的な駆動電圧により励振可能であることもわかる。従って、両者のモードが結合動作した場合にも全体のＳＡＷ共振子のインピーダンスは低く実現できる。なお、ＩＤＴ２０のピッチＰＴと反射器３０のピッチＰＲとの比はＰＴ／ＰＲ＝０．９９５に設定した。
【００２２】
また、両モードの周波数調整については、両者の周波数の平行シフトを領域Ｂで行い、両者の周波数差は領域Ａで行うことが可能である。例えば、領域Ｂの水晶基板をエッチングすることで両者の周波数を低い方向に平行シフトさせ、領域Ａの水晶基板をエッチングすることで、上側ストップバンド近傍の共振系に属する縦高次モードの周波数を低く調整し、両者の周波数差を近づけることが可能である。各モードの共振スペクトルは、ＬＳ０とＬＳ１ともに強烈であるためネットワークアナライザにて観測可能である。
【００２３】
続いて、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の共振周波数を一致させる方法について説明する。
図８はＩＤＴにおける交差指電極の対数と周波数の関係を示すグラフである。この図８は、図７の上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の共振周波数を一致させることができることを示したものである。
上側共振系列基本波モードＬＳ０と下側共振系列基本波モードＬＳ０はＳＡＷ共振子のＩＤＴの対数Ｍに依存して、ほぼ同様な傾斜カーブにより変化する。一方、上側共振系列１次モードＬＳは前記のＬＳ０よりＭによる依存性が強く急傾斜な特性となり、従って両者特性カーブは、特定のＩＤＴの対数Ｍ０において交差することができ、動作周波数Ｆ０にて、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の動作が可能となる。なお、図中ＬＡ０は斜対称基本波モードを示している。
【００２４】
次に、以上のことを考慮して設計したＳＡＷ共振子の特性の１例について説明する。
図９に本発明を利用したＳＡＷ共振子の特性の１例について説明する説明図であり、図９（ａ）はアドミタンス特性を示すグラフ、図９（ｂ）は結合のない場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフ、図９（ｃ）は結合の発生した場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフである。
ＩＤＴの交差指電極の膜厚みＨと表面波波長λとの比をＨ／λ＝２．５％，これに対応する反射係数はおよそ１％としたときの製作条件において、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の共振周波数を一致させる電極の対数はＭ０＝１５０対であった。また、交差幅は３５波長、反射器本数Ｎは１５０本とした。
【００２５】
このようなＳＡＷ共振子において、図９（ａ）のようなアドミタンス特性を示し、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の結合のない場合には図９（ｂ）のようなＳＡＷ共振子位相特性を示す。この場合、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の周波数差は周波数変化率で約５０００ｐｐｍである。
上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０の結合が発生した場合には、図９（ｃ）の位相特性に示すように、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０が一致しているのがわかる。
【００２６】
図１０は上記ＳＡＷ共振子の周波数温度特性の１例を示すグラフである。
このグラフのように、上側共振系列１次モードＬＳ１と下側共振系列基本波モードＬＳ０が結合して、平坦な温特カーブが出現している。
【００２７】
以上、本実施形態のＳＡＷ共振子は、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードが同時に存在して駆動電圧により励振される。それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
また、一つのＳＡＷ共振子に存在する２個の共振を結合させて周波数温度特性の向上が図られるため、周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子の小型化が可能である。
さらに、周波数温度特性における２次温度係数が小さい水晶基板を用いて、結合振動子を構成していることから、広い温度範囲に対して周波数温度特性に優れたＳＡＷ共振子を提供することができる。
また、小型化され周波数温度特性の良好な１ポート型のＳＡＷ共振子を提供できる。
（第２の実施形態）
【００２８】
次に第２の実施形態について説明する。上記の第１の実施形態では１ポート型ＳＡＷ共振子について説明したが、２ポート型ＳＡＷ共振子においても実施が可能である。
図１１は本実施形態の２ポート型ＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、図１１（ａ）は模式平面図、図１１（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う模式断面図である。
ＳＡＷ共振子５０は、水晶基板５の主面に形成されたＩＤＴ６０，７０、反射器８０を備えている。ＩＤＴ６０，７０は、アルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成され、それぞれ極性の異なる交差指電極６１，６２，７１，７２が交互に間挿されるように構成されている。そして、ＩＤＴ６０，７０を挟むようにアルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成された、格子状の反射器８０が備えられている。
水晶基板５は上記実施形態の図２で説明した基板と同様の基板を使用している。
【００２９】
上記のＳＡＷ共振子５０においても、上側および下側のストップバンド付近に共振を有している。そして、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードの共振周波数を、ＩＤＴ６０，７０の対数を選択することで一致させることが可能である。
それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
このように、２ポート型ＳＡＷ共振子であっても、第１の実施形態のＳＡＷ共振子と同様な効果を得ることができる。
【００３０】
本発明のＳＡＷ共振子は、広い温度範囲に対して優れた周波数温度特性を有することから、今後ますます膨大なデータを送受することが必要な光通信ネットワーク市場における、周波数安定性の優れたＳＡＷ発振器用途として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の本実施形態におけるＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。
【図２】第１の実施形態の水晶基板が有する方位角を示す説明図。
【図３】第１の実施形態における面内回転ＳＴカット基板を用いたＳＡＷ共振子のインピーダンス特性を示すグラフ。
【図４】第１の実施形態のＳＡＷ共振子を構成する各部位が有する周波数特性を示す説明図。
【図５】第１の実施形態における周波数温度特性の結合を説明する説明図。
【図６】第１の実施形態における各モードの結合について説明する等価回路図。
【図７】本発明に利用する振動モードの１例について模式的に図示した説明図。
【図８】第１の実施形態における交差指電極の対数と周波数の関係を示すグラフ。
【図９】第１の実施形態におけるＳＡＷ共振子の特性の１例について説明する説明図であり、（ａ）はアドミタンス特性を示すグラフ、（ｂ）は結合のない場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフ、（ｃ）は結合の発生した場合のＳＡＷ共振子位相特性を示すグラフ。
【図１０】第１の実施形態におけるＳＡＷ共振子の周波数温度特性の１例を示すグラフ。
【図１１】第２の実施形態における２ポート型ＳＡＷ共振子の構成を示す構成図であり、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う模式断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１…水晶ウエハ、２…Ｙ板、５…水晶基板、１０…ＳＡＷ共振子、２０…ＩＤＴ、２１，２２…交差指電極、３０…反射器、５０…ＳＡＷ共振子、６０，７０…ＩＤＴ、８０…反射器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板にＩＤＴが形成され、
前記ＩＤＴの上側および下側のストップバンド付近に共振を有し前記水晶基板が斜対称性を備えたＳＡＷ共振子であって、
前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成したことを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項２】
請求項１に記載のＳＡＷ共振子において、
前記水晶基板が水晶単結晶の機械軸Ｙに垂直な面を電気軸Ｘの回りの反時計方向に角度θ＝３２°以上３７°以下の範囲で回転させた平板であり、
前記電気軸Ｘ回りの角度θの回転により新たに規定されるＹ´軸を、反時計方向を正として角度＋ψまたは−ψ回転させて新たに規定されるＸ´軸に沿って前記ＩＤＴが配置されており、ψ＝４０°以上４４°以下の範囲であることを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＳＡＷ共振子において、
１個の前記ＩＤＴと前記ＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した１ポート型のＳＡＷ共振子であることを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項４】
請求項１または２に記載のＳＡＷ共振子において、
２個の前記ＩＤＴと前記２個のＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子であることを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項１】
水晶基板にＩＤＴが形成され、
前記ＩＤＴの上側および下側のストップバンド付近に共振を有し前記水晶基板が斜対称性を備えたＳＡＷ共振子であって、
前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成したことを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項２】
請求項１に記載のＳＡＷ共振子において、
前記水晶基板が水晶単結晶の機械軸Ｙに垂直な面を電気軸Ｘの回りの反時計方向に角度θ＝３２°以上３７°以下の範囲で回転させた平板であり、
前記電気軸Ｘ回りの角度θの回転により新たに規定されるＹ´軸を、反時計方向を正として角度＋ψまたは−ψ回転させて新たに規定されるＸ´軸に沿って前記ＩＤＴが配置されており、ψ＝４０°以上４４°以下の範囲であることを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＳＡＷ共振子において、
１個の前記ＩＤＴと前記ＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した１ポート型のＳＡＷ共振子であることを特徴とするＳＡＷ共振子。
【請求項４】
請求項１または２に記載のＳＡＷ共振子において、
２個の前記ＩＤＴと前記２個のＩＤＴ両側に１対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子であることを特徴とするＳＡＷ共振子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２７８３４９（Ｐ２００８−２７８３４９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２１４５４（Ｐ２００７−１２１４５４）
【出願日】平成１９年５月２日（２００７．５．２）
【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１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２日（２００７．５．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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