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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023139781
(43)【公開日】2023-10-04
(54)【発明の名称】原子発振器
(51)【国際特許分類】
H03L 7/26 20060101AFI20230927BHJP
H03H 9/25 20060101ALI20230927BHJP
【ＦＩ】
H03L7/26
H03H9/25 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022045488
(22)【出願日】2022-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000237444
【氏名又は名称】リバーエレテック株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】519368965
【氏名又は名称】株式会社多摩川ホールディングス
(71)【出願人】
【識別番号】519445060
【氏名又は名称】株式会社ＳＭＡＣｓ
(74)【代理人】
【識別番号】100097043
【弁理士】
【氏名又は名称】浅川 哲
(74)【代理人】
【識別番号】100197996
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 武彦
(72)【発明者】
【氏名】古屋 泰文
(72)【発明者】
【氏名】西野 仁
(72)【発明者】
【氏名】今 大健
(72)【発明者】
【氏名】村松 貴久
【テーマコード（参考）】
5J097
5J106
【Ｆターム（参考）】
5J097AA13
5J097BB01
5J097GG02
5J106AA01
5J106CC07
5J106EE12
5J106GG02
5J106JJ01
5J106KK24
5J106KK25
5J106KK26
5J106LL10
(57)【要約】
【課題】 位相ノイズやジッタを抑制し、且つ、高周波で安定的に原子共鳴に同期させた発振出力信号を得ることが可能な原子発振器を提供する。
【解決手段】 原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する共鳴ＶＣＸＯ１２１を備えた原子発振器１００であって、前記共鳴ＶＣＸＯ１２１は、右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲でカットされ、板波の位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化板厚Ｈ／λを１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲に規定した弾性波素子１１を備えた。
【選択図】 図１
【解決手段】 原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する共鳴ＶＣＸＯ１２１を備えた原子発振器１００であって、前記共鳴ＶＣＸＯ１２１は、右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲でカットされ、板波の位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化板厚Ｈ／λを１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲に規定した弾性波素子１１を備えた。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する電圧制御水晶発振器を備えた原子発振器であって、
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた原子発振器。
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた原子発振器。
【請求項2】
金属原子が封入されたガスセル部及び該ガスセル部を励起するレーザ駆動部を有する原子共鳴器と、
前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する電圧制御水晶発振器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた原子発振器であって、
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた原子発振器。
前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する電圧制御水晶発振器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた原子発振器であって、
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた原子発振器。
【請求項3】
前記電圧制御水晶発振器と前記原子共鳴器との間に配置され、前記電圧制御水晶発振器から出力される基準信号の周波数を所定の逓倍率に変換する同期発振ユニットを備えた請求項１又は２に記載の原子発振器。
【請求項4】
前記電圧制御水晶発振器は、前記原子共鳴に同期した周波数の基準信号を外部に出力する外部出力部と、前記基準信号を内部にフィードバックする内部出力部と、を備え、
前記外部出力部と内部出力部の周波数が同じか又は異なる請求項１又は２に記載の原子発振器。
前記外部出力部と内部出力部の周波数が同じか又は異なる請求項１又は２に記載の原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、電圧制御水晶発振器を備えた原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ(Coherent Population Trapping)現象を用いた小型の原子発振器の利用が進んでいる。この種の原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長を有するコヒーレント光を照射し、このコヒーレント光の吸収が停止する電磁誘起透過ＥＩＴ(Electro magnetically Induced Transparency)現象を利用している。このような構造の原子発振器では、光源から出射される光の波長を高精度に制御する必要がある。
【0003】
従来の小型原子発振器は、アルカリ金属原子を有するガスセルを中心とした受動素子部と、自律的に振動して安定な周波数を出力する能動素子部とによって構成されている。能動素子部には、約１０ＭＨｚの水晶振動子が用いられているため、小型原子発振器の出力周波数は１０ＭＨｚが一般的であった。
【0004】
一方、近年の移動体通信環境においては、１０ＭＨｚの１００倍から１０００倍、さらには、その１０倍といった高周波信号を用いる用途が増えている。それに合わせて、発振器も高周波のものが増えている。このような高周波の発振器には、水晶等の単結晶、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)あるいはスパッタで成膜される窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電共振子がある。
【0005】
非特許文献１には、小型原子時計を構成する能動素子として、ＡｌＮ発振器を用いている場合が記載されている。これによって、３．４ＧＨｚのマイクロ波の出力が可能となっている。
【0006】
また、特許文献１には、能動素子に電圧制御水晶発振器を用い、この出力をＰＬＬ回路へ入力し、このＰＬＬ回路のＶＣＯの出力とシンセサイザの出力とを混合することによって光マイクロ波共鳴器に必要な周波数信号を生成している場合が記載されている。前記電圧制御水晶発振器は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）による共振子を用いている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】M. Hara, Y. Yano, M. Kajita, H. Nishino, Y. Ibata, M. Toda, S. Hara, A. Kasamatsu, H. Ito, T. Ono, and T. Ido, “Microwave oscillator using piezoelectric thin-film resonator aiming for ultraminiaturization of atomic clock,” Rev. Sci. Instrum. 89(10), 105002 (2018).
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平５－１１０４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ＡｌＮ等の圧電共振子は、ボトムアップ型の成膜によって形成されるため、薄膜化が容易である。このため、フィルタ等の用途で広く利用されている。しかしながら、短期安定度と温度特性に劣っており、一般に、基準クロックとしては利用されていない。
【0010】
非特許文献１では、ＡｌＮの発振器を用いることで、３．４ＧＨｚのマイクロ波出力を得ているが、ＡｌＮ自体の短期安定度が低いため、原子共鳴器からのフィードバックがないと、ジッタが大きくなりクロックとしての精度が大きく劣化するといった問題があった。
【0011】
一方、特許文献１では、６．８ＧＨｚに逓倍した周波数信号を得る目的でＳＡＷ発振器が使用されている。このようなＳＡＷ発振器は、単体では温度ドリフトによる影響を受けやすい。このため、時間の経過と共に安定度が低下し、位相ノイズやジッタが大きくなり、精度の高い発振出力信号を得ることができないといった問題があった。
【0012】
上記原子発振器を利用したシステムとしては、通信基地局からの信号を受信する人工衛星等の小型原子時計を搭載する機器（マスタ側）と、前記人工衛星からの信号を受信することによって、小型原子時計に同期する移動体等のシステム（スレーブ側）とがある。このようなマスタ、スレーブ間においては、同期信号が切れた時や信号受信時間が長い場合、スレーブ内でのクロックの性能が時刻の性能に依存し、特に短期安定度が悪いと移動体に内蔵されている時計の性能が劣ることとなる。
【0013】
そこで、本願の目的は、位相ノイズやジッタを抑制し、且つ、高周波で安定的に原子共鳴に同期させた発振出力信号を得ることが可能な原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本願に開示の原子発振器は、原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する電圧制御水晶発振器を備えた原子発振器であって、
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた。
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた。
【0015】
本願に開示の原子発振器は、金属原子が封入されたガスセル部及び該ガスセル部を励起するレーザ駆動部を有する原子共鳴器と、
前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する電圧制御水晶発振器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた原子発振器であって、
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた。
前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を出力すると共に、前記基準信号によって前記原子共鳴器を励起する電圧制御水晶発振器と、
第１の検波部を有し、前記原子共鳴器から出力される原子共鳴信号に同期した基準信号を、前記第１の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックするレーザ波長安定化ユニットと、
第２の検波部を有し、前記電圧制御水晶発振器から出力される周波数の前記基準信号を、前記第２の検波部を介して前記レーザ駆動部にフィードバックする周波数安定化ユニットと、を備えた原子発振器であって、
前記電圧制御水晶発振器は、
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出され、
右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角によってカットされた水晶振動板と、この水晶振動板に板波を励振させる少なくとも１つの櫛形励振電極とを有し、
前記右手系のオイラー角（φ，θ，Ψ）で規定される回転角がφ＝０±２°、θ＝１６．０°～２０．０°、Ψ＝０±２°の範囲内であり、
前記板波は、位相速度が３５００～４０００ｍ／ｓの範囲の振動モードが選択され、
前記水晶振動板の板厚をＨ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲である弾性波素子を備えた。
【発明の効果】
【0016】
本願に開示の原子発振器を構成する電圧制御水晶発振器は、カット角、位相速度及び水晶振動板の板厚を特定することによって、従来のＳＡＷ素子やＡＴカット振動子よりも周波数温度特性が良好な弾性波素子を備えている。このような弾性波素子を備えたことによって、位相ノイズやジッタが抑制され、短期安定性に優れた原子発振器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】第１実施形態の原子発振器のブロック図である。
【図2A】第２実施形態の原子発振器のブロック図である。
【図2B】第３実施形態の原子発振器のブロック図である。
【図3】本願の一実施形態に係る弾性波素子の外観を示す斜視図である。
【図6】位相速度ＶとアドミタンスＹとの関係を示すグラフである。
【図7】各振動モードにおける位相速度Ｖを計算値及び実験値によって示した表である。
【図8】θ＝１８．５°～２０．５°におけるＨ／λとαとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図9】θ＝１８．５°～２０．５°におけるＨ／λとβとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図10】θ＝１８．５°～２０．５°におけるＨ／λとγとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図11】θ＝２０．０°におけるＨ／λとαとの関係を所定のＨｓ／λに対して計算値と実験値とによって比較したグラフである。
【図12】θ＝２０．０°におけるＨ／λとβとの関係を所定のＨｓ／λに対して計算値と実験値とによって比較したグラフである。
【図13】θ＝２０．０°におけるＨ／λとγとの関係を所定のＨｓ／λに対して計算値と実験値とによって比較したグラフである。
【図14】θ＝１７．４°におけるＨ／λとαとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図15】θ＝１７．４°におけるＨ／λとβとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図16】θ＝１７．４°におけるＨ／λとγとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図17】θ＝１７．７°におけるＨ／λとαとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図18】θ＝１７．７°におけるＨ／λとβとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図19】θ＝１７．７°におけるＨ／λとγとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図20】θ＝１８．０°におけるＨ／λとαとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図21】θ＝１８．０°におけるＨ／λとβとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図22】θ＝１８．０°におけるＨ／λとγとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図23】θ＝１９．５°におけるＨ／λとαとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図24】θ＝１９．５°におけるＨ／λとβとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図25】θ＝１９．５°におけるＨ／λとγとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図26】θ＝２０．０°におけるＨ／λとαとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図27】θ＝２０．０°におけるＨ／λとβとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図28】θ＝２０．０°におけるＨ／λとγとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図29】θ＝２０．５°におけるＨ／λとαとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図30】θ＝２０．５°におけるＨ／λとβとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図31】θ＝２０．５°におけるＨ／λとγとの関係を計算値及び実験値で示したグラフである。
【図32】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００１７におけるＨ／λとαとの関係を示したグラフである。
【図33】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００１７におけるＨ／λとβとの関係を示したグラフである。
【図34】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００１７におけるＨ／λとγとの関係を示したグラフである。
【図35】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００３４におけるＨ／λとαとの関係を示したグラフである。
【図36】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００３４におけるＨ／λとβとの関係を示したグラフである。
【図37】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００３４におけるＨ／λとγとの関係を示したグラフである。
【図38】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００６８におけるＨ／λとαとの関係を示したグラフである。
【図39】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００６８におけるＨ／λとβとの関係を示したグラフである。
【図40】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００６８におけるＨ／λとγとの関係を示したグラフである。
【図41】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００８５におけるＨ／λとαとの関係を示したグラフである。
【図42】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００８５におけるＨ／λとβとの関係を示したグラフである。
【図43】θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°、Ｈｓ／λ＝０．００８５におけるＨ／λとγとの関係を示したグラフである。
【図44】α，β＝０となる組み合わせの１例としての実測データを示すグラフである。
【図45】別の実施形態における弾性波素子の外観を示す斜視図である。
【図46】Ｈｓ／λ＝０．００１３における最大周波数偏差Δｆ／ｆの等高線図である。
【図47】Ｈｓ／λ＝０．００３４における最大周波数偏差Δｆ／ｆの等高線図である。
【図48】Ｈｓ／λ＝０．００５１における最大周波数偏差Δｆ／ｆの等高線図である。
【図49】Ｈｓ／λ＝０．００６８における最大周波数偏差Δｆ／ｆの等高線図である。
【図50】Ｈｓ／λ＝０．００８５における最大周波数偏差Δｆ／ｆの等高線図である。
【図51】励振電極構造における耐熱試験結果を示す比較表である。
【図52】裏面電極を設けた弾性波素子の外観を示す斜視図である。
【図53】本願の弾性波素子を用いた発振器を６４０ＭＨｚで位相ロックさせた際のジッタの測定値である。
【図54】本願の弾性波素子を用いた発振器を１ＧＨｚで位相ロックさせた際のジッタの測定値である。
【図55】従来の原子発振器におけるジッタの測定値である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本願に開示の原子発振器の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態の原子発振器１００の構成例を示したものである。本実施形態の原子発振器１００は、原子共鳴ユニット１０１と、この原子共鳴ユニット１０１を制御する制御ユニット１０２と、前記原子共鳴ユニット１０１を中心としたフィードバックループを形成するレーザ波長安定化ユニット１０３及び周波数安定化ユニット１０４とを備えている。
【0019】
原子共鳴ユニット１０１は、ルビジウム（Ｒｂ）やセシウム（Ｃｓ）等の金属原子を収容したガスセル部１１０と、このガスセル部１１０にレーザ光を照射するレーザ発光部１１１と、前記ガスセル部１１０を透過した透過光を検出する光検出部１１２と、前記レーザ発光部１１１を駆動するレーザ駆動部１１３とによって構成されている。制御ユニット１０２は、レーザ発光部１１１及びガスセル部１１０の温度をＰ（比例帯），Ｉ（積分時間），Ｄ（微分時間）によって制御する第１ＰＩＤ制御部１１４及び第２ＰＩＤ制御部１１５と、ガスセル部１１０に電流を供給するコイル電流源１１６によって構成されている。
【0020】
レーザ波長安定化ユニット１０３は、原子共鳴ユニット１０１から出力される原子共鳴信号（共鳴信号）ＲＰを検波する第１検波部１１７と、この第１検波部１１７によって検波された信号を変調して原子共鳴ユニット１０１のレーザ駆動部１１３にフィードバックする変調部１１８と、前記第１検波部１１７及び変調部１１８を駆動させる第１低周波発振部１１９とを備えている。
【0021】
周波数安定化ユニット１０４は、直流電圧発生部１２０と、前記共鳴信号ＲＰに位相同期させる電圧制御水晶発振器（共鳴同期ＶＣＸＯ）１２１とを備えている。前記直流電圧発生部１２０は、前記原子共鳴ユニット１０１から出力される共鳴信号ＲＰを検波する第２検波部１２２と、この第２検波部１２２を駆動させる第２低周波発振部１２３とを備えている。前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１は、図３に示す弾性波素子１１と、この弾性波素子１１を電圧制御する可変容量キャパシタ（図示せず）等を備えており、前記第２検波部１２２によって検波された直流電圧ＲＰｖによって、高周波の基準信号ＢＰとして前記原子共鳴ユニット１０１のレーザ駆動部１１３にフィードバックさせる。また、前記原子共鳴に同期した周波数の基準信号を外部出力信号ＯＰとして出力する外部出力部ＯＵＴ１と前記基準信号を前記原子共鳴ユニット１０１にフィードバックする内部出力部ＯＵＴ２を備えており、外部出力部ＯＵＴ１と内部出力部ＯＵＴ２から出力される信号の周波数を同じか又は異なるように設定することができる。前記原子共鳴ユニット１０１を励起させる基準信号ＢＰ及び外部出力信号ＯＰの周波数は、時計遷移周波数（６．８ＧＨｚ）の１／２となる３．４ＧＨｚに設定される。一方、同期前の共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の周波数偏差を抑えることができれば、３．４ＧＨｚの１／２となる１．７ＧＨｚあるいは１／３となる１．１３ＧＨｚ、さらには１／４となる８５０ＭＨｚ、１／５となる６８０ＭＨｚ等に設定しても同期をとることが可能となる。このように、周波数を下げることによって、原子発振器１００全体の消費電力を下げる効果が得られる。
【0022】
上記レーザ波長及び共鳴信号は、原子共鳴ユニット１０１のガスセル部１１０に収容される金属原子の種類及び共鳴に利用する金属原子の同位体によって異なる。以下、金属原子として、ルビジウム（Ｒｂ）の同位体であるＲｂ８７及びＲｂ８５と、セシウム（Ｃｓ）の同位体であるＣｓ１３３を用いた場合について説明する。
[Ｒｂ８７の場合]
レーザ光の波長は、７９４．９８ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８７の時計遷移周波数の
６．８３４ ６８２ ６１０ ９０４ ２９０ ＧＨｚ・・・（１）
を中心とすると、±５０ｋHzの範囲にあり、（１）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に６．８ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｒｂ８５の場合]
レーザ光の波長は、７８０．２４ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８５の時計遷移周波数の
３．０３５ ７３２ ４３９ ０ ＧＨｚ・・・（２）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（２）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に３．０ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｃｓ１３３の場合]
レーザ光の波長は、８９４．５９ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｃｓ１３３の時計遷移周波数の
９．１９２ ６３１ ７７０ ＧＨｚ・・・（３）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（３）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋHz程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に９．１ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｒｂ８７の場合]
レーザ光の波長は、７９４．９８ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８７の時計遷移周波数の
６．８３４ ６８２ ６１０ ９０４ ２９０ ＧＨｚ・・・（１）
を中心とすると、±５０ｋHzの範囲にあり、（１）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に６．８ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｒｂ８５の場合]
レーザ光の波長は、７８０．２４ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｒｂ８５の時計遷移周波数の
３．０３５ ７３２ ４３９ ０ ＧＨｚ・・・（２）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（２）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋＨｚ程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に３．０ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
[Ｃｓ１３３の場合]
レーザ光の波長は、８９４．５９ｎｍを中心とした±１．０ｎｍの範囲にあり、共鳴信号は、Ｃｓ１３３の時計遷移周波数の
９．１９２ ６３１ ７７０ ＧＨｚ・・・（３）
を中心とすると、±５０ｋＨｚの範囲にあり、（３）の１／２の場合や１／３等の場合があり得る。実際の周波数はガスセル部１１０内のバッファガスの圧力や温度等により、時計遷移周波数から±５０ｋHz程度の範囲にある値で共鳴信号をとるが、便宜的に９．１ＧＨｚとされる。また、様々な条件により前記周波数範囲を超えた場合においても、本願の構成により同等の効果を得ることができる。
【0023】
本実施形態の原子発振器１００は、ＰＬＬ回路や逓倍回路等を用いることなく、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１によって共鳴信号ＲＰに同期した高周波（３．４ＧＨｚ又は６．８ＧＨｚ）の発振が可能となっている。これによって、小型で高性能の原子発振器１００を実現することができる。
【0024】
図２Ａは第２実施形態の原子発振器２００の構成例を示したものである。本実施形態の原子発振器２００は、上記第１実施形態の原子発振器１００において、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の後段に共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から出力される第１の基準信号ＢＰ１の周波数を高めて、前記共鳴信号ＲＰの位相に同期させた第２の基準信号ＢＰ２を生成する位相同期発振ユニット２０１を追加したものである。
【0025】
また、前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１は、外部出力信号ＯＰとして、前記第１の基準信号ＢＰ１とは異なる周波数を出力するように構成することができる。例えば、第１の基準信号ＢＰ１を１００ＭＨｚとし、外部出力信号ＯＰを５００ＭＨｚ乃至２ＧＨｚ程度の周波数とすることができる。
【0026】
同期発振ユニット２０１は、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から出力される第１の基準信号ＢＰ１と内部の分周器２０２を介してフィードバックされた第２の基準信号ＢＰ２の位相を比較する位相比較器２０３と、この位相比較器２０３を通した信号を平滑化するループフィルタ２０４と、このループフィルタ２０４から出力された信号を所定の周波数となるように発振させる電圧制御発振器（ＶＣＯ）２０５とを備えている。前記ＶＣＯ２０５から出力される第２の基準信号ＢＰ２は、前記原子共鳴ユニット１０１のレーザ駆動部１１３を直接駆動すると共に、分周器２０２を介して１ＭＨｚ～２ＧＨｚに分周され、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から順次出力される第１の基準信号ＢＰ１と位相比較が行われる。このように、同期発振ユニット２０１は、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１から出力される第１の基準信号ＢＰ１を位相調整しながら所定の高周波信号に逓倍した状態で位相ロックさせることができる。例えば、第１の基準信号ＢＰ１を５００ＭＨｚ～２ＧＨｚとした場合、第２の基準信号ＢＰ２を３．４ＧＨｚ乃至６．８ＧＨｚに逓倍させることができる。
【0027】
前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数は一例であり、５００ＭＨｚから２ＧＨｚには限定されることはなく、同期発振ユニット２０１に備わる分周器２０２の分周比を調整することによって逓倍率を調整することができる。例えば、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数６８０ＭＨｚを同期発振ユニット２０１によって５逓倍することで、３．４ＧＨｚの共鳴信号ＲＰを得ることができる。また、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数８５０ＭＨｚとした場合、同期発振ユニット２０１によって２逓倍することで１．７ＧＨｚ、４逓倍することで３．４ＧＨｚの共鳴信号ＲＰを得ることができる。このように、共鳴同期ＶＣＸＯ１２１の出力周波数と、同期発振ユニット２０１における逓倍率を組み合わせることで、周波数精度の向上及び低消費電力化を図ることが可能となる。
【0028】
前記共鳴同期ＶＣＸＯ１２１は、原子発振器１００を起動させるための基準信号発生源となっており、電源投入時において出力した信号に基づいて原子共鳴ユニット１０１を励起させ、所定の共鳴信号ＲＰを出力する。ここで得た共鳴信号ＲＰは、上記レーザ波長安定化ユニット１０３によって位相ロックされると共に、周波数安定化ユニットによって前記共鳴信号ＲＰと同期した高周波（３．４ＧＨｚ）の基準信号ＢＰを安定的に原子共鳴ユニット１０１に供給することができる。
【0029】
図２Ｂは第３実施形態の原子発振器３００の構成例を示したものである。本実施形態の原子発振器３００は、共鳴信号ＲＰを入力とする低周波の電圧制御水晶発振器（低周波ＶＣＸＯ）３０１を中心として、内部にフィードバックする第１同期発振ユニット３０２及び外部に出力する第２同期発振ユニット３０３を備えた構造となっている。前記第１同期発振ユニット３０２は、図２Ａに示した同期発振ユニット２０１と同一構成であるが、第２同期発振ユニット３０３は、本願の弾性波素子１１を使用した高周波（１．０ＧＨｚ）の共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を使用している。例えば、前記低周波ＶＣＸＯ３０１の出力周波数を１０ＭＨｚとした場合に、前記第１同期発振ユニット３０２を介して逓倍した３．４ＧＨｚの基準信号ＢＰ２を原子共鳴ユニット１０１にフィードバックし、前記第２同期発振ユニット３０３を介して前記共鳴信号ＲＰに同期した１．０ＧＨｚの外部出力信号ＯＰ２を出力することができる。
【0030】
一般に、原子共鳴ユニットから出力される共鳴信号は温度特性の影響を受けることがないので、長期安定性に優れている。これに対して、基準信号を発生させる従来の電圧制御発振器は、温度特性による影響を受けやすく、信号周波数の不安定性を示す位相ノイズや時間領域での信号波形の変動を示すジッタ等によって、短期安定性に問題があった。本願では、以下に示す弾性波素子を用いた共鳴同期ＶＣＸＯ１２１によって、原子発振器の短期安定性を改善した。
【0031】
本願の共鳴同期ＶＣＸＯ１２１は、図３に示した弾性波素子１１を備えている。弾性波素子１１を構成する水晶振動板１２は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りに回転させて切り出されており、回転後のＹ軸をＹ’軸、回転後のＺ軸をＺ’軸とする。
【0032】
前記水晶振動板１２は、右手系のオイラー角（φ＝０±２°，θ＝１６．０°～２０．０°，Ψ＝０±２°）によって、所定の板厚にカット形成されている。また、水晶振動板の結晶の対称性から所定の回転角θに対して、φまたはΨ＝０でのα、β、γのφおよびΨの微分値はゼロ値になるため、φ＝０±２°、Ψ＝０±２°であれば周波数温度特性の変化は極めて小さい。
【0033】
前記励振電極１３は、櫛形励振電極１５，１６を対にして構成される。前記櫛形励振電極１５，１６は、水晶振動板１２の長手方向に沿って、互いに平行に延びるベース電極部１５ａ，１６ａと、このベース電極部１５ａ，１６ａそれぞれの一側面から対向する長手方向に向かって延びる複数の電極指１５ｂ，１６ｂと、を備えている。このように、励振電極１３は、一方のベース電極部１５ａから延びる電極指１５ｂと、他方のベース電極部１６ａから延びる電極指１６ｂとが非接触状態となるように配置される。前記電極指１５ｂと電極指１６ｂとの間の距離（ピッチ）は、励振させる板波の波長λに合わせて設定される。また、前記ピッチは、前記波長λに対してλ／２程度である。この励振電極１３は、櫛形励振電極１５と１６の極性が異なるように電圧を印加することによって、隣接する電極指との間に交番電界が発生し、板波が水晶振動板１２内に励起される。
【0034】
前記水晶振動板１２は、回転Ｙカットによって、板厚Ｈが励振させる板波の波長λと略同程度まで薄く形成されている。前記板厚Ｈは、励振電極１３の厚みとの関係に基づいて主振動が所定の周波数温度特性を満たすように調整される。同時に主振動より低位相速度側の不要振動の電気機械結合係数Ｋ２が主振動よりも小さくなるように設定される。
【0035】
前記励振電極１３は、図３に示されるように、水晶振動板１２の表面１２ａの略中央部に形成される金（Ａｕ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属膜であり、所定の厚みとなるように成膜して形成される。また、前記励振電極１３を挟んだ長手方向の両側に反射器（図示せず）を設けることもできる。反射器を設けることで、前記励振電極１３で励起させた板波を、両側に設けた反射器の間に閉じ込めて大きな共振を得ることができる。
【0036】
前記励振電極１３とは反対側の水晶振動板１２の裏面１２ｂには、図５２に示すような発振周波数調整用の裏面電極を設けることができる。詳細は後述する。
【0037】
図４は右手系のオイラー角の座標系（φ，θ，Ψ）を示したものである。ここで、φはＺ軸周りの回転角、θはＸ'軸（Ｘ軸をＺ軸周りにφ回転したもの）周りの回転角、ΨはＺ''軸（Ｚ軸をＸ'軸周りにθ回転したもの）周りの回転角を示す。また、オイラー角（φ＝０°，θ＝０°，Ψ＝０°）で表される水晶振動板は、水晶のＺ軸（光軸）に垂直な主面を有するＺ板となる。以下、弾性波素子１１の各種解析に関しては、この座標系を用いて説明する。図５はオイラー角（φ＝０°，θ＝２０．０°，Ψ＝０°）によってカットされた水晶振動板１２内を伝搬する板波について、波長λと櫛形励振電極の厚みＨｓで表される規格化励振電極膜厚（Ｈｓ／λ）＝０における分散曲線を示したものである。
【0038】
図５は、横軸を波数kと板厚Ｈとの積とし、縦波、速い横波、遅い横波、電磁波が結合した板波の分散曲線を示したものである。板波は前記それぞれの波が複雑に結合した波であり、位相速度Ｖが１００００ｍ／ｓ以上の速い振動モードから３０００ｍ／ｓ程度の遅い振動モードまでの多様な振動モードが無数に存在する。本願に開示の弾性波素子においては、前記複数の振動モードの中から、電気機械結合係数Ｋ２が大きく、所定の周波数温度特性を満たすような振動モードを選択して使用する。図５において本願で使用する振動モードを実線で、不要振動モードを破線で示してある。本願では、実線で示されるｋｈが５．０～７．５にて位相速度Ｖが３５００～４５００ｍ／ｓの振動モードを選択している。この選択された振動モードは、板波振動のうち位相速度Ｖが低い方から数えて、電気機械結合係数Ｋ２が最も大きくなる振動モードであり、さらに板波振動のうち位相速度Ｖが低い方から数えてフィガーオブメリットが２以上となる最初の振動モードでもある。前記振動モードより位相速度Ｖが遅いすべての振動モードの電気機械結合係数Ｋ２は０．０２％以下と非常に小さいため、主振動より位相速度Ｖの低い側に現れる振動モードのフィガーオブメリットが２以上になることはない。
【0039】
図６はオイラー角（０°，２０．０°，０°）、Ｈ／λ＝１．７、Ｈｓ／λ＝０．００２７、櫛形励振電極を３００対（６００本）にて弾性波素子を構成した場合におけるアドミタンスＹ特性を一例として示したものである。図７は前記弾性波素子について波形が観測される振動モードについて位相速度Ｖを計算値と比較したものである。これによれば、位相速度Ｖは略一致しており、十分な解析精度が得られていることがわかる。また図６及び図７から明らかなように主振動より低速度側の不要振動はすべて励振レベルが非常に小さくなっている。主振動以外で波形の大きいモードが位相速度Ｖ＝５７００ｍ／ｓ付近のところ（振動モードＳ９）にある。この振動モードは電気機械結合係数Ｋ２が主振動よりも小さく、等価直列抵抗Ｒ１が主振動より高く、さらに周波数が主振動より高いため、発振回路での発振に影響はない。
【0040】
図８乃至図１０は、電極材料にＡｕを用い、Ｈｓ／λ＝０．００２７にて弾性波素子を構成し、θ＝１８．５°、１９．５°、２０．０°、２０．５°の４条件において、Ｈ／λを変化させたときのα、β、γの関係を計算値と実験値について比較したものである。実験値と計算値は概ね良く一致しており、αについては、図８に示したように、４つのθにおけるＨ／λが１．４～１．７の範囲においてそれぞれ略ゼロ値となる。βについては、図９に示したように、θ＝１８．５°、１９．５°、２０．０°、２０．５°が略重なった曲線となり、Ｈ／λが１．６～１．７の範囲において略ゼロ値となっている。実験値も同様の傾向を示す。γについては、図１０に示したように、θ＝１８．５°、１９．５°、２０．０°、２０．５°が略重なった曲線となり、Ｈ／λが１．３～２．０の範囲において略ゼロ値となっている。実験値は計算値よりも若干大きい値ではあるが約０．４×１０－１０程度であり、非常に小さな値となる。各θに対してβ、γについては変動が少なく、αのみ大きく補正することができる。このため、所定の周波数温度特性を満たすには、β＝０となるＨ／λにてカット角を補正することでα＝０とすればよい。したがって、図８乃至図１０から示されるように、θ＝１８．５°、Ｈ／λ＝１．６７とすることで、所定の周波数温度特性を満たした弾性波素子が得られる。ただし、上記条件は電極材料にＡｕを用い、Ｈｓ／λ＝０．００２７とした場合であり、電極材料やＨｓ／λに応じてα＝β＝０となるそれぞれ最適な組み合わせとする必要がある。なお、実験ではＡｕ電極の下にコンタクトメタルとしてＣｒを使用しているが、Ｃｒの厚みは極めて薄いため、周波数温度特性の検証には影響を与えない。前記コンタクトメタルには、他にニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、またはこれらの合金なども使用することができる。
【0041】
図１１乃至図１３は、電極材料にＡｕを用い、Ｈｓ／λ＝０．００２６６、０．００５３２にて、Ｈ／λを変化させたときのα、β、γの関係を計算値と実験値について比較したものである。図１１乃至図１３から、Ｈｓ／λに対してはαとβが変動し、γの変動は非常に小さい。したがって、前述したようにＨｓ／λに応じてβ＝０となるＨ／λにおいて、θをα＝０となるように補正することで小さなγを維持したままα＝β＝０とすることができるため、所定の周波数温度特性を満たすことができる。
【0042】
以上説明したように、本願に開示の弾性波素子によれば、高周波の基本波が発振可能で、且つ、ＡＴカットの水晶振動子と同等以上の周波数温度特性を有していることが確認された。また、本願開示で使用する主振動より低い位相速度Ｖのすべての不要振動の電気機械結合係数Ｋ２は０．０２以下と非常に小さい。このため、図６で示されるように、不要振動の等価直列抵抗Ｒ１は非常に高く、フィガーオブメリットも２を超えることはない。したがって、一般的なラム波で問題となっている主振動より低周波側の不要振動による発振エラーを防止することができる。このため、発振回路に周波数特性調整回路（ＬＣフィルタ回路等）を必要とせず、標準的なコルピッツ発振回路等の簡単な回路を使用することができる。図４４に弾性波素子の周波数温度特性の最適結果の一例を示す。製造条件はオイラー角（０°，１７．７°，０°）、Ｈ／λ＝１．８７、Ｈｓ／λ＝０．００５である。電極材料にはＡｕを用いている。製造された弾性波素子は、α＝－０．３０×１０－６、β＝－０．１２×１０－８、γ＝０．５２×１０－１０となる周波数温度特性が得られている。
【0043】
また、図３には反射器を省略しているが、反射器を設けることなく、波長λの板波が水晶振動板１２の長手方向の両端面を境界として定在波を発生させるように水晶振動板１２の寸法を設定して、大きな共振を得ることもできる。例えば、図４５（ａ）に示したように、水晶振動板１２のＸ軸方向の長さを波長λに対して整数Ｎ倍に設定したり、図４５（ｂ）に示したように、対向する一方の電極指の数を減らし、波長λに対して（Ｎ－０．５倍）に設定したりすることで、共振を大きくすることができる。前記水晶振動板１２は水晶のＺ軸（光軸）に垂直な主面を有するＺ板に近いものであり、板波の伝搬方向がＸ軸に並行であることから、水晶振動板１２の両端面を境界として定在波を発生させる場合に両端面は水晶結晶の＋Ｘ面、－Ｘ面となる。この面はエッチング抜き打ち加工した時に最も垂直に安定した側面ができる面であるため、略垂直な反射面を形成することができ、安定した定在波を発生させることができる。
【0044】
本願に開示の板波の振動モードは、フィガーオブメリットが２を超える前記振動モードのうち、最も低い周波数モードであり、α、β、γが略ゼロ値になるようにオイラー角、Ｈ／λ、Ｈｓ／λを設定している。このため、標準的なコルピッツ発振回路で安定発振させることができる。また、前述したように、本願開示で使用する主振動より低い位相速度Ｖのすべての不要振動の電気機械結合係数Ｋ２は０．０２以下と非常に小さいことから、広い温度範囲で位相ノイズやジッタが抑制された安定的な周波数特性が得られることとなる。一般的に、フィガーオブメリットが２以上であれば、インダクティブになるため、コルピッツ発振回路による発振が可能となるが、逆に２より小さくなると、リアクタンス成分が正、すなわちインダクティブとはならないため、コルピッツ発振回路を用いた発振ができなくなる。
【0045】
本願に開示の弾性波素子１１を製造する工程において、主振動のフィガーオブメリットが２以上、且つ、不要振動のフィガーオブメリットが２未満となる条件を設定し、この条件の下で水晶振動板の板厚を決定することで、不要振動による発振が効果的に抑えられ、より安定した発振特性を得ることができる。
【0046】
また、前記板波は、横波と縦波とが結合した振動モードとなり、この横波と縦波の結合度合いによって、図５に示したような複数の振動モードが存在することとなる。このような板波による振動モードは、従来のレイリー波とは異なり、必要な主振動以外にも、位相速度が異なり、且つ、電気機械結合係数Ｋ２の大きな振動モード（不要振動）が存在する場合がある。この主振動と不要振動の反射係数の符号が等しくなるように、弾性波素子を構成した際に、不要振動の等価直列抵抗Ｒ１が主振動モードの等価直列抵抗Ｒ１よりも低くなる場合がある。これによって、発振回路にて発振させた際に異常発振の原因となっていた。
【0047】
しかしながら、図７に示したように、本願に開示の弾性波素子において選択された板波の振動モード（Ｓ３）は、複数の振動モードのうち、電気機械結合係数Ｋ２が最も大きく、且つ、選択された振動モードより位相速度Ｖの低い振動モードの電気機械結合係数
Ｋ２（Ｘ）に対して、Ｋ２＞Ｋ２（Ｘ）の関係にある。このため、発振回路にて発振させた際の異常発振を抑えることができる。
Ｋ２（Ｘ）に対して、Ｋ２＞Ｋ２（Ｘ）の関係にある。このため、発振回路にて発振させた際の異常発振を抑えることができる。
【0048】
図１４乃至図３１は、電極材料にＡｕを用い、Ｈｓ／λ＝０．００３４又は０．００２７で弾性波素子を構成し、θ＝１７．４°、１７．７°、１８．０°、１９．５°、２０．０°、２０．５°の６条件において、Ｈ／λを変化させたときのα、β、γの関係を計算値と実験値について比較したものである。この結果から、概ね、計算値と実験値の傾向は一致していることがわかる。Ｈ／λの値が大きくなるとα、βはマイナス側に変化する傾向がある。また、α、βの変化は、Ｈｓ／λによって影響を受けるが、θにおける影響は少ないものとなっている。γ値の変化を示す図１６，１９，２２，２５，２８，３１によれば、Ｈ/λが１．５近辺と２．０近辺に若干の数値変動がみられる。これはＨ/λの変化により、隣接している振動モードの周波数が主振動に近接し、主振動と結合することで、温度特性に変動が生じているからである。このような振動モード間の結合は温度特性だけではなく、電気機械結合係数にも影響し周波数ジャンプの原因となる。このことから、Ｈ／λが１．５～２．０の範囲であることが好ましい。本願では、解析誤差等も考慮して、規格化された板厚Ｈ／λを１．５＜Ｈ/λ＜２．０と規定している。
【0049】
図３２乃至図４３は、電極材料にＡｕを用い、Ｈｓ／λ＝０．００１７、０．００３４、０．００６８、０．００８５で弾性波素子を構成し、θ＝１５．５°、１６．５°、１７．５°の３条件において、Ｈ／λを変化させたときのα、β、γの関係を計算したものである。Ｈ／λの値が大きくなると、α、βはマイナス側に変化する傾向がある。また、α、βの変化は、Ｈｓ／λによって影響を受けるが、θにおける影響は少ないものとなっている。γ値の変化を示す図３４，３７，４０，４３によれば、Ｈ/λが１．９～２．１近辺に変化がみられる。これは隣接している振動モードが主振動に結合することで、温度特性に変動が生じているものと考えられる。このため、Ｈ／λが１．５～２．０以下の範囲であることが求められる。また、前記振動モードの結合によって電気機械結合係数も変動するため、温度特性だけではなくその他の特性にも影響する。
【0050】
図４６乃至図５０は、電極材料にＡｕを用い、Ｈｓ／λ＝０．００１３、０．００３４、０．００５１、０．００６８、０．００８５の各条件において弾性波素子を構成し、θを１５．０°～２２．０°、Ｈ／λを１．３～２．４の範囲で変化させたときの、－４０℃～＋８５℃における最大周波数偏差Δｆ／ｆを計算によって求めた等高線図である。基準温度は２５℃である。図４６乃至図５０中の白色で表した箇所は、温度特性が±５０ｐｐｍ以内となる範囲である。Ｈｓ／λが大きくなると、±５０ｐｐｍ以内となる範囲はＨ／λが大きい方向に移動していき、Ｈｓ／λ＝０．００８５では±５０ｐｐｍ以内となる範囲はＨ／λ＝２．０付近にあり、その範囲は非常に狭くなる。これは前述したように、Ｈ／λ＝２．０近辺で他の振動モードとの結合が生じるためである。したがって、Ｈｓ／λは、電極のＡｕの厚みが薄すぎると特性や信頼性が低下するため、Ｈｓ／λの下限値を０．００１３とし、上限値については図５０で示されるように、Ｈｓ／λ＝０．００８５が限界となる。これより、Ｈｓ／λが大きい場合は、±５０ｐｐｍ以内となる範囲が存在しなくなる。Ｈ／λとθとの関係については、図４６乃至図５０から示されるように、Ｈｓ／λの各条件において、１．５＜Ｈ／λ＜２．０及び１６．０°＜θ＜２０．０°の範囲内であれば、－４０℃～＋８５℃の環境下において、±５０ｐｐｍ以内となる温度特性を得ることが可能となる。上記結果から、θについては１６．０°＜θ＜２０．０°の範囲、Ｈ／λについては１．５＜Ｈ／λ＜２．０の範囲、Ｈｓ／λについては０．００１３＜Ｈｓ／λ＜０．００８５の範囲内で設計することが好ましい。
【0051】
上記励振電極１３（図３参照）については、クロム（Ｃｒ）膜、ルテニウム（Ｒｕ）膜、金（Ａｕ）膜からなる３層励振電極とすることによって、耐熱性を高めることができる。前記３層励振電極は、水晶振動板１２の表面１２ａにＣｒ膜を成膜し、その上にＲｕ膜、Ａｕ膜の順にスパッタリング等を用いて成膜することによって形成することができる。前記Ｒｕ膜をＣｒ膜とＡｕ膜との間に挟むことによって、高真空状態で封止する際に水晶振動板１２が高温度となった場合であっても、Ｃｒ膜がＡｕ膜に拡散するのを防止することができる。これによって、良好な励振振動特性を得ることができる。
【0052】
図５１は、弾性波素子の耐熱性に関して、Ｒｕ膜の有無やＣｒ膜とＲｕ膜の比率によって比較した結果である。これによれば、試験１のように、Ｒｕ膜がない２層の電極構造では、耐熱試験を行った後１００時間又は２００時間経過後の周波数変動率が２０ｐｐｍと高くなっている。これに対して、Ｃｒ，Ｒｕ，Ａｕの３層構造の場合は、全体的に周波数変動率が低く抑えられる。特にＣｒ膜／Ｒｕ膜の比率が１以下である場合は、周波数変動率が１ケタとなり周波数変動を抑制した安定的な振動特性が得られる。
【0053】
図５２は上記弾性波素子の他の実施形態を示したものである。本実施形態の弾性波素子は、励振電極１３とは反対側の水晶振動板１２の裏面１２ｂに発振周波数の微調整用としての裏面電極１４を設けている。前記裏面電極１４は、水晶振動板１２の裏面１２ｂにＡｕなどの金属材料、あるいは、誘電材料を所定の厚みとなるように成膜して形成される。前記金属材料は、Ａｕ以外にＡｌ、Ｔａ、Ｃｕなどが使用でき、誘電材料にはＳｉＯ２、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５などが使用できる。このような材料で形成される裏面電極１４は、厚みを変えることで発振周波数の微調整を行うと共に、前記板厚Ｈ及び前記励振電極１３との厚みとの関係によって、主振動における３次温度特性を保持することができる。
【0054】
図５３及び図５４は、上記弾性波素子１１を用いた共鳴同期ＶＣＸＯ１２１に対して位相ノイズ及びジッタについて測定したものである。図５３は、６４０ＭＨｚで共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を原子発振器にロックさせたときの結果であり、１２ｋＨｚ～２０ＭＨｚにおけるジッタ（矢線で示す）は、８．７フェムト秒と測定された。図５４は、１ＧＨｚで共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を原子発振器にロックさせたときの結果であり、１２ｋＨｚ～２０ＭＨｚにおけるジッタ（矢線で示す）は、１７．７フェムト秒と測定された。図５５は、比較のために従来の原子発振器の位相ノイズ及びジッタについて測定したものである。ここで測定されたジッタ（矢線で示す）は、３１６．２フェムト秒となっている。図５３及び図５４に示したように、本願の弾性波素子１１を用いた共鳴同期ＶＣＸＯ１２１によれば、ジッタが従来よりも格段に低いことが確認された。このように、本願の弾性波素子１１を用いた共鳴同期ＶＣＸＯは低ジッタ性を有しているため、原子発振器を所定の発振周波数に短時間で安定させるための短期安定性を向上させることが可能となる。
【0055】
上記構成の弾性波素子を用いた共鳴同期ＶＣＸＯは、高周波の基本波が発振可能で、且つ、ＡＴカットの水晶振動子と同等以上の周波数温度特性を有していることから原子共鳴ユニットを高周波で、且つ、位相ノイズやジッタが抑制された基本信号で駆動することができる。また、原子共鳴ユニットによる共鳴信号に基づいて変換された直流電圧を入力として制御されるので、温度特性の影響を受けることなく、高周波且つ位相ノイズやジッタが抑制された発振出力信号を得ることができる。
【0056】
従来、ＧＨｚ帯の高周波において、位相ノイズやジッタを抑制して安定した発振特性を得るためには、発振器の周波数を分周してＭＨｚ帯に落とした上で高安定な水晶発振器に位相ロックさせるのが一般的であった。しかしながら、このような構成にあっては、水晶発振器の他に分周回路等多数の構成要素が必要となり、原子発振器を構成する部品点数が増加し、それに伴って消費電力も増加するといった問題があった。これに対して、本願の原子発振器においては、ＧＨｚ帯での高周波発振が可能で位相ノイズやジッタが抑制された弾性波素子１１によって共鳴同期ＶＣＸＯ１２１を構成している。これによって、別途分周回路等を用いることなく直接的に原子共鳴の同期するＣＰＴ信号を生成することができ、原子発振器の短期安定性が向上すると共に、消費電力を抑えることが可能となる。
【符号の説明】
【0057】
ＢＰ 基準信号
ＢＰ１ 第１の基準信号
ＢＰ２ 第２の基準信号
ＲＰ 共鳴信号
ＯＰ 外部出力信号
ＯＵＴ１ 外部出力部
ＯＵＴ２ 内部出力部
α １次温度係数
β ２次温度係数
γ ３次温度係数
λ 波長
Ｖ 位相速度
Ｙ アドミタンス
Ｈ／λ 規格化板厚
Ｈｓ／λ 規格化励振電極膜厚
１１ 弾性波素子
１２ 水晶振動板
１３ 励振電極
１４ 裏面電極
１５，１６ 櫛形励振電極
１５ａ，１６ａ ベース電極部
１５ｂ，１６ｂ 電極指
１００ 原子発振器
１０１ 原子共鳴ユニット
１０２ 制御ユニット
１０３ レーザ波長安定化ユニット
１０４ 周波数安定化ユニット
１１０ ガスセル部
１１１ レーザ発光部
１１２ 光検出部
１１３ レーザ駆動部
１１４ 第１ＰＩＤ制御部
１１５ 第２ＰＩＤ制御部
１１６ コイル電流源
１１７ 第１検波部
１１８ 変調部
１１９ 第１低周波発振部
１２０ 直流電圧発生部
１２１ 共鳴同期ＶＣＸＯ（電圧制御水晶発振器）
１２２ 第２検波部
１２３ 第２低周波発振部
２００ 原子発振器
２０１ 同期発振ユニット
２０２ 分周器
２０３ 位相比較器
２０４ ループフィルタ
２０５ ＶＣＯ
３００ 原子発振器
３０１ 低周波ＶＣＸＯ
３０２ 第１同期発振ユニット
３０３ 第２同期発振ユニット
ＢＰ１ 第１の基準信号
ＢＰ２ 第２の基準信号
ＲＰ 共鳴信号
ＯＰ 外部出力信号
ＯＵＴ１ 外部出力部
ＯＵＴ２ 内部出力部
α １次温度係数
β ２次温度係数
γ ３次温度係数
λ 波長
Ｖ 位相速度
Ｙ アドミタンス
Ｈ／λ 規格化板厚
Ｈｓ／λ 規格化励振電極膜厚
１１ 弾性波素子
１２ 水晶振動板
１３ 励振電極
１４ 裏面電極
１５，１６ 櫛形励振電極
１５ａ，１６ａ ベース電極部
１５ｂ，１６ｂ 電極指
１００ 原子発振器
１０１ 原子共鳴ユニット
１０２ 制御ユニット
１０３ レーザ波長安定化ユニット
１０４ 周波数安定化ユニット
１１０ ガスセル部
１１１ レーザ発光部
１１２ 光検出部
１１３ レーザ駆動部
１１４ 第１ＰＩＤ制御部
１１５ 第２ＰＩＤ制御部
１１６ コイル電流源
１１７ 第１検波部
１１８ 変調部
１１９ 第１低周波発振部
１２０ 直流電圧発生部
１２１ 共鳴同期ＶＣＸＯ（電圧制御水晶発振器）
１２２ 第２検波部
１２３ 第２低周波発振部
２００ 原子発振器
２０１ 同期発振ユニット
２０２ 分周器
２０３ 位相比較器
２０４ ループフィルタ
２０５ ＶＣＯ
３００ 原子発振器
３０１ 低周波ＶＣＸＯ
３０２ 第１同期発振ユニット
３０３ 第２同期発振ユニット
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】
【図49】
【図50】
【図51】
【図52】
【図53】
【図54】
【図55】
