JP2001324527A - 水晶振動子のブランク素子測定用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １次共振周波数が100MHzを越えるブランク素
子の測定で、計測値の再現性が良く、多品種にわたり測
定できる水晶振動子のブランク素子測定用電極。 【解決手段】 上電極と下電極との間に水晶振動子の
ブランク素子を搭載し、両電極間に所定の掃引正弦波の
電界を与えてブランク素子の共振周波数特性を測定する
冶具の電極であって、電極が導電性接着剤で固定され
て該電極と基板の一辺までストリップラインが構成され
ているセラミック基板と、インピーダンス整合回路が
構成されているプリント基板と、入出力端子とプリン
ト基板とセラミック基板とを固定する電極基板とを有
し、入出力端子とプリント基板とセラミック基板とを
電気的に接続した上電極部及び下電極部を具備した水晶
振動子のブランク素子測定用電極である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水晶（ Crysta
l）振動子のブランク（ blank：未完成品）素子を検査
する、水晶振動子のブランク素子測定用電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】先ず、水晶振動子について若干の説明を
する。水晶の結晶をある一定の方向、寸法に加工し、こ
の結晶を電界のなかに置くと、機械的歪みを生じる。こ
の現象を圧電気逆効果といい、この現象により電子通信
機器に使用する水晶発振器などの電気通信材料として広
く利用されている。水晶振動子は、振動周波数の安定性
が非常に良く、Ｑ値が非常に高く、電気的機械的損失の
少ない材料である。

【０００３】水晶振動子は、例えば、水晶板であるブラ
ンク素子（以下、「ブランク素子」と略称する）を挟ん
で両側に電極板を設け、電極板からリード・ピンを取り
出しリード・ピンを介して電界を与えるように構成され
ている。この水晶振動子の振動周波数は、ブランク素子
によって決まる。従って、水晶振動子の製造業者は、製
品に組み立てる前にこのブランク素子の段階で良否判定
の検査を行う必要がある。

【０００４】図４にブランク素子の外観図を示す。図４
（ａ）は四角形のブランク素子５１であり、正方形や長
方形の形状がある。図４（ｂ）は円形のブランク素子５
２である。一般的に、四角形状の一辺の長さＬ又は円形
の直径Ф₃ の大きさは、０．５mm〜４mm程度であり、厚
さｄは０．１mm以下である。この外形寸法ＬやΦ、及び
厚さｄで振動周波数が決まる。その共振特性の一例を図
５に示す。図５はネットワークアナライザの表示画面６
３に表示させたリアクタンス−周波数特性の波形ａの一
例である。共振周波数や反共振周波数が一目瞭然であ
る。

【０００５】図６に、従来の水晶振動子のブランク素子
の測定装置を示す。測定装置は、水晶振動子のブランク
素子測定用冶具４０とネットワークアナライザ６０とこ
れらを制御する制御部５５とから構成されている。水晶
振動子のブランク素子測定用冶具４０は、金属性の上電
極４１及び下電極４２と、上電極４１を精度良く上下移
動させるマイクロメータ４６及びマイクロメータ４６と
上電極４１とを連結させている移動棒４７とから構成さ
れている。

【０００６】ブランク素子５０の試験は、下電極４２の
上部と上電極４１との間にＤＵＴ（被測定デバイス）で
あるブランク素子５０を搭載し、上電極４１をマイクロ
メータ４６の駆動によって上下方向に移動させブランク
素子５０との間隔（ギャップ）を数１０μｍ程度に調整
する。その後にネットワークアナライザ６０からの信
号、例えば所定範囲の正弦（サイン）波の掃引周波数信
号を上電極４１及び下電極４２間に印加し、その応答信
号をネットワークアナライザ６０で解析し、良否判定や
画面表示をしたりする。

【０００７】ネットワークアナライザは周知のように、
線形回路網の伝送特性や反射特性などを正弦波を用いて
解析する測定器である。図示していないが、内部に掃引
発振器と、その発振周波数に対応する受信器と、受信し
た応答信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変
換後のデジタル信号から所定の解析をする演算器と、表
示画面等を有している。測定時は、設定した範囲の発振
周波数を出力端子から出力してＤＵＴに与える。その応
答信号を入力端子で受信し処理して、振幅特性や位相特
性やＳパラメータ等の伝送特性を測定する。また、反射
特性も測定することができる。測定ポイント数は最大で
１２０１ポイントまで可能である。

【０００８】図６の例では、ネットワークアナライザ６
０の出力端子６１から掃引信号を水晶振動子のブランク
素子測定用冶具４０の入力端子４３を経て上電極４１に
与える。ブランク素子５０は上電極４１電界を受け、自
己固有の共振周波数で大きく振動する。この共振周波数
を下電極４２で受け、その応答信号を出力端子４５を経
てネットワークアナライザ６０の入力端子６２に伝送す
る。ネットワークアナライザ６０はその応答信号をデジ
タル処理して良否判定や表示画面６３に表示する。図６
の例では、表示面を２分割して、上表示画面６３に振幅
特性の波形ｂを、下表示画面６４に位相特性の波形ｃを
表示している。調整ボタン６５ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、測
定の中心周波数やスパンや掃引速度等の測定条件を設定
するものであるので、調整ボタン６５ｉに換えて、ダイ
ヤルやつまみや押しボタンやテンキー等、測定条件を設
定できるものであればよい。

【０００９】制御部５５は、この測定装置の全体の制御
を行う。設定した制御データを、制御ライン５６を介し
て水晶振動子のブランク素子測定用冶具４０に与えてマ
イクロメータの移動部等を制御し、制御ライン５７を介
してネットワークアナライザ６０に与えて測定の制御を
行う。

【００１０】図７に上電極４１及び下電極４２の一例の
表面図を示す。図７（ａ）は上電極４１の表面図であ
り、その直径Φ₁ は１mm〜５mmΦ程度であり、ブランク
素子５０の大きさにより適切な直径Φ₁ の上電極４１を
取り替えて用いる。図７（ｂ）は下電極４２の表面図で
あり、その直径Φ₂ は１０mmΦ程度であり、ブランク素
子の搭載場所が決められている。

【００１１】ところで、ブランク素子５０を測定する水
晶振動子のブランク素子測定用冶具４０において、測定
に重要な点は、下電極４２と上電極４１との平行度と、
位置精度と、ギャップ（間隔）精度であった。下電極４
２と上電極４１との平行度はブランク素子５０に均一な
電界を与えるために特に重要である。位置精度はブラン
ク素子５０を上電極４１と下電極４２との間の正しい場
所に正確に搭載しブランク素子５０全体に電界を印加す
るために重要である。ギャップ精度は上電極４１とブラ
ンク素子５０との間、換言すると上電極４１と下電極４
２との間を常に一定間隔に保ってデータの再現性を得る
ために重要である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の水晶振動子のブ
ランク素子の測定装置は、１次共振周波数の測定周波数
範囲が数ＫＨｚから高々数１０ＭＨｚであった。この範
囲の周波数帯域では、従来の測定装置で充分の検査がで
きていた。

【００１３】しかしながら、技術の進歩と時代の要請に
よって、ブランク素子５０の研磨技術が向上し、水晶振
動子の１次共振周波数が１００ＭＨｚを越えるように高
周波化が進んできた。１次共振周波数の周波数が１００
ＭＨｚを越えるようになると、測定系のインピーダンス
と電極のインピーダンスの不整合により、測定波形にリ
ップルが顕著に現れるようになり、正確な測定が困難に
なり、計測値の再現性が無くなってくる。リップル（ri
pple）とは、周波数応答特性上の細かい変動、つまり、
信号に重畳するノイズをいう。

【００１４】この発明は、ブランク素子５０の１次共振
周波数が１００ＭＨｚを越えても、計測値の再現性が良
く、ブランク素子５０の形状や測定周波数範囲が異なる
多品種のブランク素子５０を測定できる水晶振動子のブ
ランク素子測定用冶具の電極を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は上電極及び下電極（区別しない場合に
は、「電極」と略称する）の電極間の平行度を良くする
ために電極保持板を熱収縮の少ないセラミック基板と
し、更に、インピーダンスの不整合によるリップルを極
めて小さくするためにインピーダンス整合回路を搭載で
きる上電極部と下電極部として実現した。上下２つの電
極部は形状は異なるが、発明思想は同一であり、材質も
同一である。上記セラミック基板は固い材質の基板で熱
収縮の小さいサファイア等の基板に置き換えても良い。
次に発明の構成について述べる。

【００１６】第１発明は、基本的な発明である。つま
り、上電極と下電極との間に被測定デバイスである水
晶振動子のブランク素子を搭載し、両電極間に所定の掃
引正弦波信号の電界を与えてブランク素子の共振周波数
特性を測定する水晶振動子のブランク素子測定用冶具の
電極部であって、電極が導電性接着剤で固定されて該
電極と基板の一辺までストリップラインが構成されてい
るセラミック基板と、インピーダンス整合回路が構成
されているプリント基板と、入出力端子とプリント基
板とセラミック基板とを固定する電極基板とを有し、
上記入出力端子と上記プリント基板と上記セラミック基
板とを電気的に接続した上電極部及び下電極部を具備し
ている水晶振動子のブランク素子測定用電極である。

【００１７】第２発明は電極の平行度を保つための電極
保持基板に関する。つまり、第１発明の電極を取り付け
るセラミック基板に換えて、サファイア基板とした水晶
振動子のブランク素子測定用電極である。

【００１８】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例に基づ
き図面を参照して説明する。図１に本発明の上電極部１
０の一実施例の主要部品の組立構成図を、図２に本発明
の下電極部２０の一実施例の主要部品の組立構成図を、
図３に本発明のブランク素子測定用電極を用いた水晶振
動子のブランク素子測定用冶具の一例の外観図を示す。

【００１９】図１の上電極部１０の一実施例の主要部品
の組立構成図について説明する。電極基板１１には、イ
ンピーダンス整合回路を構成したプリント基板１２と、
上電極４１が固定されているセラミック基板１３と、入
出力端子４３とが止めネジ１６ｉ（ｉ＝１〜ｎ）で取り
付けられる。従って、電極基板１１の材質としては加工
しやすいアルミ板を用い加工して作成する。大きさは一
辺が５０mm以下である。

【００２０】セラミック基板１３は、電極の平行度を保
つための電極保持基板である。セラミックを用いたのは
熱収縮が小さく変形が起こりにくくて電極の平行度を保
て、比較的安価のためである。サファイア基板等の固い
材質の基板を研磨し面の平行度を出して用いても良い。
この基板の一部に上電極取付穴を設けて穴の円周に金メ
ッキを施し、この部分からセラミック基板の一辺に所定
の特性インピーダンスのストリップラインを構成する。

【００２１】この上電極取付穴に上電極４１を導電性接
着剤で固定する。上電極４１の直径Φは、１mm〜５mmと
細いために、一端に直径の大きい上電極固定部分１４を
設けてセラミック基板１３の上電極取付穴と固定し易い
ようにする。他端の上電極４１の表面は測定面であるの
で、極めて平らに研磨する。この上電極４１の材質はス
テンレスでよく、セラミック基板１３と平行度を保ち導
電性接着剤で固定し易い。

【００２２】このセラミック基板１３は、上電極４１を
取り付けた後に常温硬化型の接着剤で電極基板１１に位
置決め穴を利用した位置決め手段で精度良く電極基板１
１に固定される。常温硬化型の接着剤を用いるのは位置
決め精度を向上させるためである。高温硬化型の接着剤
を用いると位置決め後に加熱するため位置決めの精度が
落ちる。

【００２３】インピーダンス整合回路を構成したプリン
ト基板１２は、入出力端子４３とセラミック基板１３と
の間に配置される。測定系の特性インピーダンスは通常
５０Ωあるいは７５Ω系統で設計されることが多い。と
ころが、測定対象物のインピーダンスは５０Ωあるいは
７５Ω系統でないため、約１００ＭＨｚ以上の高周波の
測定周波数では特にインピーダンスの不整合が顕著に現
れて、リップルが測定に障害するほど発生する。このリ
ップルが測定の再現性を阻害する。このインピーダンス
の不整合を解消するために、測定系と電極とのインピー
ダンス整合回路を設けて解決する。

【００２４】この、インピーダンス整合回路は、上電極
部１０のプリント基板１２及び図２に示す下電極部２０
のプリント基板２２に設ける。回路は、図示していない
が、３つの抵抗によるπ型インピーダンス変換回路でよ
い。

【００２５】電極基板１１上に、入出力端子４３とプリ
ント基板１２とセラミック基板１３とを止めネジ１６ｉ
で取り付け、信号の伝送路間は相互に金リボンや半田付
けで電気的に接続する。このように上電極部１０に電極
基板１１を設け、その電極基板１１に入出力端子４３と
プリント基板１２とセラミック基板１３を取り付けるこ
とにより、電極の測定面の平行度を確保しながらインピ
ーダンス整合回路付きの電極が容易に構成できる。

【００２６】図２は、下電極部２０の組立外観図であ
る。上電極部１０と外観が若干異なるが内容的にはほぼ
同じである。つまり電極基板２１に、入出力端子４５
と、下電極４２が導電性接着剤で固定されて下電極４２
と基板の一辺までストリップラインが構成されているセ
ラミック基板２３と、インピーダンス整合回路が構成さ
れているプリント基板２２とが止めネジ２６ｉ（ｉ＝１
〜ｎ）で取り付けられる。そして入出力端子４５から下
電極４２まで電気的に接続されている。下電極４２の直
径Φは１０mm程度であり、電極基板２１の大きさは一辺
が６０mm以下である。他の点は、図１の上電極部１０と
同一思想で構成されている。

【００２７】図３に本発明のブランク素子測定用電極を
用いて構成した水晶振動子のブランク素子測定用冶具３
０の外観図を示す。図３では、上電極部１０及び下電極
部２０は蓋で閉めている。そして、上電極部１０と下電
極部２０との間にマイクロメータ４６と移動棒４７が組
み込まれ、上電極部１０を上下に移動させるようにして
いる。

【００２８】ブランク素子５０は下電極４２と上電極４
１との間に搭載される。測定時にはマイクロメータ４６
が駆動し、移動棒４７を介して上電極部１０を移動さ
せ、電極間の間隔を所定の間隔に設定する。所定の間隔
とは数１０μｍであり、例えば約４０μｍに再現性ある
ように駆動して測定を開始する。

【００２９】測定時は、例えば所定範囲のサイン波の掃
引周波数信号を入出力端子４３から上電極部１０に伝送
し上電極４１与える。被測定デバイスであるブランク素
子５０は自己固有の共振周波数で共振する。下電極４２
はブランク素子５０の共振状況に応じた強さの応答信号
を下電極部２０の入出力端子４５から出力する。

【００３０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明は
水晶振動子のブランク素子測定用冶具３０の電極部にお
いて、電極保持基板にセラミック基板１３、２３あるい
はサファイア基板を用いて電極間の平行度を向上させ、
マイクロメータ４６と移動棒４７で上電極部１０を移動
させて電極間のギャップ精度を保持した。

【００３１】更に、１００ＭＨｚを越える１次共振周波
数のブランク素子５０に対応して、リップルによる誤測
定を防止するために、プリント基板１２、２２とセラミ
ック基板１３、２３とを固定する電極基板１１、２１を
設け、インピーダンス整合回路を構成したプリント基板
１２、２２を容易に組立できる構造とした。この発明は
実用に供して大きな効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の上電極部１０の一実施例の主要部品の
組立外観図である。

【図２】本発明の下電極部２０の一実施例の主要部品の
組立外観図である。

【図３】本発明のブランク素子測定用電極を用いた水晶
振動子のブランク素子測定用冶具の外観図である。

【図４】本発明に用いられる水晶振動子のブランク素子
の外観図である。

【図５】水晶振動子のブランク素子のリアクタンスの周
波数特性図である。

【図６】従来の水晶振動子のブランク素子測定用冶具４
０及び測定装置の構成図である。

【図７】従来の水晶振動子のブランク素子測定用冶具４
０の上電極４１及び下電極４２の一例の表面図である。

【符号の説明】

１０ 上電極部 １１、２１ 電極基板 １２、２２ プリント基板 １３、２３ セラミック基板 １４ 上電極設定部分 １６ｉ、２６ｉ（ｉ＝１〜ｎ） 止めネジ ２０ 下電極部 ３０、４０ 水晶振動子のブランク素子測定用冶具 ４１ 上電極 ４２ 下電極 ４３、４５ 入出力端子 ４６ マイクロメータ ４７ 移動棒 ５０ ブランク素子 ５１ 四角形のブランク素子 ５２ 円形のブランク素子 ５５ 制御部 ５６、５７ 制御ライン ６０ ネットワークアナライザ ６１、６２ 入出力端子 ６３、６４ 表示画面 ６５ｉ（ｉ＝１〜ｎ） 調整ボタン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上電極と下電極との間に被測定デバイス
   である水晶振動子のブランク素子を搭載し、上記両電極
   間に所定の掃引正弦波信号の電界を与えてブランク素子
   の共振周波数特性を測定する水晶振動子のブランク素子
   測定用冶具の電極部において、 電極が導電性接着剤で固定されて該電極と基板の一辺ま
   でストリップラインが構成されているセラミック基板
   と、 インピーダンス整合回路が構成されているプリント基板
   と、 入出力端子と上記プリント基板と上記セラミック基板と
   を固定する電極基板とを有し、 上記入出力端子と上記プリント基板と上記セラミック基
   板とを電気的に接続した上電極部及び下電極部を具備し
   ていることを特徴とする水晶振動子のブランク素子測定
   用電極。
2. 【請求項２】 電極を取り付けるセラミック基板に換え
   て、サファイア基板としたことを特徴とする請求項１記
   載の水晶振動子のブランク素子測定用電極。