JP2005121590A - 圧電振動子の検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動子の周波数温度特性を安価な装置で、高速に検査することが可能な圧電振動子の検査装置を提供する。
【解決手段】 上記課題を達成するための圧電振動子の検査装置は、高価なネットワークアナライザを用いることなく、圧電振動子２０の温度を変化させるためのペルチェ素子２４と、前記圧電振動子２０に発振信号を送り、当該圧電振動子２０の周波数信号を受信・出力する発振回路１４と、前記発振回路１４の出力信号を測定する周波数カウンタ２８と、を周波数を計数するための主要部として備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動子の検査装置に係り、特に環境温度を変化させた場合の圧電振動子の周波数特性を検査する圧電振動子の検査装置に関する。

ＡＴカット圧電振動子や、音叉型圧電振動子等の圧電振動子は、各種情報通信機器等の様々な電子機器に、電子回路のクロック源として用いられている。特に最近では、モバイルコンピュータやＩＣカード等の小型情報機器、携帯電話等の通信機器の分野で用いられることが多い。これらの装置は、小型化・高性能化が著しく、市場では、周波数精度が高く、高品質で安定性の高い圧電振動子が要求されている。

上記のような電子機器は、寒冷地から熱帯地におけるまで、様々な環境下において使用されている。しかしながら、上記圧電振動子（ここでは特に水晶振動子）には、周波数温度特性の不連続性という特有の現象（以下「ＤＩＰ現象」という）を起こし、特定温度環境下において発振が安定しなくなるものがある。ＤＩＰ現象には次のような原因がある。

水晶振動子は通常厚みすべり振動モードで動作するが、振動片自体の大きさは有限なため、主振動である厚みすべり振動以外に、主振動の周波数の近傍にスプリアス振動が存在する。通常、前記主振動と前記スプリアス振動が結合しない範囲で水晶振動子の加工が行われる。しかしながら、実際には、水晶振動子の加工にばらつき等があるため、主振動と、スプリアス振動とが結合し易く、ある温度で周波数が不連続に変化する。
このため、上記圧電振動子は、広範囲な温度環境下において周波数温度特性が良好であるものを市場に提供することが重要である。

上述のような圧電振動子の周波数温度特性を調べることについて特許文献１に記載されている。従来（特許文献１を含め）より、圧電振動子の周波数温度特性を検査する際には、周波数の他クリスタルインピーダンス（ＣＩ）等、前記圧電振動子に関する他の特性も同時に検査可能な、ネットワークアナライザという高額な機器を用いている。ネットワークアナライザを用いて圧電振動子の周波数温度特性を検査することは、特許文献２に記載されている。

以下に、ネットワークアナライザを用いた周波数検査について図６を参照して簡単に説明する。
ネットワークアナライザ１は、ＣＰＵ１ａ、スイープ発振器１ｂ、局部発振器１ｄ、ミキサ１ｆ、１ｇ、フィルタ１ｃ、１ｅを主な構成要素とする。
前記ＣＰＵ１ａからスイープ発振器１ｂへ、圧電振動子４の共振周波数前後の出力信号を出力するように信号が出され、前記スイープ発振器１ｂは圧電振動子４の共振周波数前後の周波数の発振信号を出力する。出力された発振信号は、パワースプリッタ２によって２つに分割され、一方の信号はアッテネータ３を介して基準周波数の信号として入力部Ｒ（ＩＮＰＵＴ Ｒ）へと入力される。

他方の信号は、測定部となるπ回路５へ入力されて前記圧電振動子４を発振させる。前記圧電振動子４の発振による周波数信号は、入力部Ａ（ＩＮＰＵＴ Ａ）へと入力される。

入力部Ａ、入力部Ｒそれぞれから入力された発振信号・周波数信号は、局部発振器１ｄとミキサ１ｆ、１ｇによってミキシングダウン（計数可能な周波数まで周波数を落とされる）され、フィルタ１ｃ、１ｅをそれぞれ介して双方の周波数の位相差と電圧比が計測される。
上記のようにして得られた情報は、信号処理されて制御部６へ出力され、ＤＩＰ現象の有無を判定される。

特開２００３−４７８５号公報 特開２００３−１２１４８４号公報

上記のようなネットワークアナライザを用いれば、確かに圧電振動子の周波数温度特性や、ＣＩ等を検出することができる。しかしながら、ネットワークアナライザは一般的に高額な機器であるとともに、設置スペースが大きく、計測に時間がかかるという問題がある。研究段階の圧電振動子では、ＣＩの計測等も特性を把握するうえで必要となってくるが、工場などで量産する段階では、主に周波数温度特性のみを把握できればたり、その代わりに検査にかかる、コストを抑え、時間を短縮させることが望まれている。
そこで、本発明は、圧電振動子の周波数温度特性を安価な装置で、高速に検査することが可能な圧電振動子の検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明に係る圧電振動子の検査装置は、圧電振動子の周波数温度特性を検査する圧電振動子の検査装置であって、圧電振動子の温度を変化させるための温調手段と、前記圧電振動子の電極端子に接触させるプローブと、前記プローブに電気的に接続され、前記圧電振動子を発振させる発振回路と、前記発振回路の出力信号の周波数を測定する周波数カウンタと、を備えたことを特徴とする。

上記のような構成では、周波数測定のみが目的とされるため、ネットワークアナライザのように大掛かりな構成をとる必要がなく、安価な構成とすることができる。よって複数の圧電振動子を同時に、かつ安価に検査することができる。また、単に周波数信号をカウントするだけのため、計測時間の短縮が可能となる。具体的には、ネットワークアナライザを用いた周波数温度特性の不連続現象の検査では、１回の周波数測定に約０．４秒かかる。このため、例えば−４０℃〜８５℃の温度範囲で６０点測定した場合には、０．４×６０＝２４となり、２４秒かかることとなる。これに対し、本発明では、１回の周波数が０．１秒とすることができるため、６０点を６秒で測定することができる。また、ネットワークアナライザを用いた場合とは異なり、実際のＩＣ（発振回路）のドライブレベルをかけることができるため、実用状態に近い、正確なＤＩＰ現象の検査をすることができる。
また、前記発振回路は、ソケットを介して前記プローブに着脱自在に接続されるようにすると良い。

このような構成にすることにより、測定対象となる圧電振動子が変わった場合でも、容易に発振回路を交換することができる。
さらに、前記圧電振動子の前記電極端子と、前記プローブとを複数同時に接離させるための昇降機構が備えられるようにすると良い。
このような構成にすることにより、複数の圧電振動子の電極と発振回路との接離を同時かつ迅速に行うことが可能となる。

以下、本発明の圧電振動子の検査装置に係る実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す形態は、本発明の一部の態様に過ぎず、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な形態を含むものとする。

図１は、本実施形態に係る圧電振動子の検査装置の概要を示すブロック図である。
本実施形態に係る圧電振動子の検査装置１０は、検査をする際のチャンバ（ケーシング）１２と、その内部に備えられる、調温手段としてのペルチェ素子２４と、前記ペルチェ素子２４の上部に配置されて圧電振動子２０ａ、２０ｂ、…、を載置するトレイ２２と、前記トレイ２２に対して昇降可能に配置される基板１８と、前記圧電振動子２０（２０ａ、２０ｂ、…、）の電極端子に接触可能に前記基板１８に配設されるプローブ１６ａ、１６ｂ、…、と、前記複数のプローブ１６（１６ａ、１６ｂ、…、）の一対のそれぞれに接続される発振回路１４（１４ａ、１４ｂ、…、）と、それぞれの前記発振回路１４に接続される周波数カウンタ２８ａ、２８ｂ、…、と、前記周波数カウンタ２８（２８ａ、２８ｂ、…、）から送信される信号を処理する制御部２６とを主要部としている。

図２に本実施形態の昇降機構およびその周辺部の構成を示す。
前記基板１８は、土台２５の上面に立設された支柱１９、１９を介して、前記トレイ２２に対して昇降可能に構成されている。昇降に関しては、前記支柱１９、１９にシリンダ機能を持たせるようにしても良いし、前記支柱１９、１９をボールネジのようにして機械的に昇降するようにしても良い。
なお、前記トレイ２２は、前記土台２５の上面に配置された後述するペルチェ素子２４の上面に配置される。

また、昇降は、前記プローブ１６の圧電振動子２０側端部と、前記圧電振動子２０の電極端子２１ａ、２１ｂ、…、とが接離する程度の間隔で行うことが可能であれば良い。なお、前記プローブ１６には、電極端子２１との接触圧力（接触誤差）を吸収し、複数のプローブを同時に、それぞれの電極端子に接触させるためのダンパ機構を備えるようにすると良い。

前記発振回路１４は、前記基板１８に配設された前記プローブ１６に接続する際の作業を簡易化するために、ソケット１５ａ、１５ｂ、…、内にそれぞれ設けられ、前記ソケット１５（１５ａ、１５ｂ、…、）を介して接続（脱着）するように構成される。もちろん基板１８にソケット１５を設け、当該ソケット１５に直接発振回路１４を脱着するように構成しても良い。このような構成とすることにより、計測対象となる圧電振動子２０に応じて、発振回路１４を容易に変えることができる。

前記ペルチェ素子２４は、その詳細を図示しないが、例えば半導体を一対の金属板で挟んで構成したものであって、電流の通電により、一方の面で吸熱が、他方の面で発熱が生じるものである。また、電流の方向を切替えることによって、前記発熱面と吸熱面とを逆転させることを可能とし、双方の面の温度差を容易に変化させることができる。このようにペルチェ素子２４は、双方の面の温度差によって試験体を冷却若しくは加熱する。このため、図中に記したペルチェ素子２４ではトレイ２２に接触しない側の面に、ヒートシンク（不図示）等を設け、トレイ２２を冷却する際に発生する熱を外部に放熱可能にすると良い。
上記のようなペルチェ素子２４は、制御部２６に接続され、トレイ２２に設けられた熱電対等の温度センサ２３の検出温度を基に、所定温度へと制御される。

上記構成のペルチェ素子２４において、トレイ２２が加熱または冷却された際には、内部に備えられた温度センサ２３によってトレイ２２の温度が検出され、検出データは制御部２６に送信される。制御部２６は、送信データを基に、圧電振動子２０の温度としてのトレイ２２が、所望の温度になっているか否かを判断し、所望温度になっていなければトレイ２２の温度に応じて、冷却または加熱のための電流を流す。トレイ２２の温度が所望の温度になっている場合には、当該温度を維持するように温度センサの検出データを基にフィードバック制御される。

図３に周波数カウンタ２８および発振回路１４の構成を示す。
発振回路１４は、コンデンサ、抵抗、およびアンプを主体とする一般的なもので、発振信号（圧電振動子２０の共振周波数）を圧電振動子２０に与えて発振させ、前記圧電振動子２０の発振によって発生する周波数信号をとらえることができる送受信兼用のものが好ましい。受信した周波数信号は、増幅して後述する周波数カウンタ２８へ出力される。

周波数カウンタ２８は、前記発振回路１４から入力された周波数信号の周波数を計数可能な周波数にまで下げるための分周回路３０と、後述するゲート３６への周波数信号の入り切りを制御するゲート制御回路３２と、後述するゲート３６のゲート時間を定めるための信号を発振する発振回路３４と、前記発振回路３４によってゲート時間を定められ、前記ゲート制御回路３２によって制御されるゲート３６と、前記ゲート３６をゲート時間内に通過する周波数信号（周波数パルス）を計数する計数記憶回路３８と、から成る。

上記構成の周波数カウンタ２８は、発振回路３４によってゲート時間を定め（本実施形態の場合０．１秒）、その間に前記ゲート３６に入ってくる被測定信号（周波数信号）を計数記憶回路３８によって計数する。なお、計数後の周波数信号には、分周回路３０にて分周した割合を乗じることで、実際の周波数信号の計数値を得るようにする。

上記のようにして数えられた周波数信号（パルス）は、制御部２６へと送信される。図４に発振回路１４からの周波数信号の様子、ゲート３６のいわゆる開閉状態、およびゲート３６の開閉に伴うパルスの計数の様子を示す。なお、図４において発振回路１４から出力された周波数信号は、理想的なものとして一定間隔で示している。

いわゆるゲートの開状態（ゲート時間）を０．１秒としたゲート３６に送信される発振回路１４からのパルスは、ゲート３６の開状態時にゲート３６に送信（入った）された数を計数記憶回路３８によって計測される。図４においてＣで示すいわゆるゲート３６の閉状態時には、計数記録回路３８に記憶されたデータを制御部２６へ送信し、計数記憶回路３８をリセットする処理が成される。

上記のようにして所定の温度毎に複数回計数されたパルス（周波数信号）は、各温度毎に計数された周波数の偏差が算出され、算出された値を発振回路によって与えられた指定周波数（発振信号）で除することにより、周波数偏差を導き出される。

図５に周波数偏差と計測温度との関係を示す。ＤＩＰ現象の有無は、各温度間（例えば２℃毎）での周波数偏差（２５℃の場合の周波数を基準周波数とした場合の各温度における周波数の偏差）の傾きの大小によって判断する。
上記構成の圧電振動子の検査装置１０では、まず、検査対象となる圧電振動子２０をトレイ２２の上面へ配置する。圧電振動子２０を配置後、ペルチェ素子２４に電流を流し、トレイ２２を介して前記圧電振動子２０を冷却若しくは加熱する。

なお、冷却・加熱は、例えば、−４０℃〜８５℃程度の範囲内で成されるようにすれば良い。ペルチェ素子２４の温度制御は、トレイ２２の内部に設けられた図示しない温度センサでトレイ２２の温度変化を検出し、制御部２６によって所定温度となるようにフィードバック制御される。

圧電振動子２０の環境温度（トレイ２２の温度）を所望の温度に安定させた後、基板１８を降下させ、発振回路１４に接続されたプローブ１６を圧電振動子２０の電極端子２１に接触させて、前記圧電振動子２０を発振させると共に、圧電振動子２０の周波数信号を取得し、当該周波数信号を増幅させた上で、周波数カウンタ２８へ入力する。

入力された周波数信号は、周波数カウンタ２８内の計数記憶回路３８によってゲート時間内にゲートに入力されたパルスの数を計数される。計数されたゲート時間あたりの周波数（パルス数）は、制御部２６へ送信され、各温度毎の周波数偏差の傾きが求められ、検査対象となった圧電振動子２０の良、不良（ＤＩＰ現象の有無）が判定される。

上記のような圧電振動子の検査装置において、圧電振動子２０の温度を変化させるためのペルチェ素子２４と、前記圧電振動子２０の電極端子２１に接触させるプローブ１６と、前記プローブ１６に電気的に接続され、前記圧電振動子２０を発振させる発振回路１４と、前記発振回路１４の出力信号の周波数を測定する周波数カウンタ２８と、を備えたことを特徴としたことにより、ネットワークアナライザのように大掛かりな構成をとする必要がなく、安価な構成とすることができる。具体的には、周波数カウンタ２８はデジタル的に動作するため、ネットワークアナライザに比べて計測系を簡易に構成することができ、小型かつ安価となる。よって複数の圧電振動子を同時に、かつ安価に検査することができる。また、単に周波数信号をカウントするだけのため、計測時間の短縮が可能となる。

また、前記発振回路１４は、ソケット１５を介して前記プローブ１６に着脱自在に接続されるようにすることで、測定対象の圧電振動子２０が変わった場合でも、容易に発振回路１４を交換することができる。また、圧電振動子２０に実際に付加される発振回路１４を使用して計測（検査）することができるので、実際の使用状態との負荷容量の差による誤差を低減することができる。

さらに、前記圧電振動子２０の前記電極端子２１と、前記プローブ１６とを複数同時に接離させるための昇降機構が備えられるようにすることで、複数の圧電振動子２０の電極端子２１と発振回路１４との接離を同時かつ迅速に行うことが可能となる。

本発明に係る圧電振動子の検査装置の概要を示すブロック図である。 圧電振動子の検査装置の昇降機構およびその周辺構成を示すブロック図である。 発振回路および周波数カウンタの構成を示すブロック図である。 発振信号とパルス計数の様子を示した図である。 周波数偏差と計数温度との関係を示す図である。 ネットワークアナライザの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０………圧電振動子の検査装置、１２………ケーシング（チャンバ）、１４（１４ａ、１４ｂ、…、）………発振回路、１６（１６ａ、１６ｂ、…、）………プローブ、１８………基板、２０（２０ａ、２０ｂ、…、）………圧電振動子、２２………トレイ、２４………ペルチェ素子、２６………制御部、２８（２８ａ、２８ｂ、…、）………周波数カウンタ、３０………分周回路、３２………ゲート制御回路、３４………発振回路、３６………ゲート、３８………計数記憶回路。

Claims (3)

1. 圧電振動子の周波数温度特性を検査する圧電振動子の検査装置であって、
   圧電振動子の温度を変化させるための温調手段と、
   前記圧電振動子の電極端子に接触させるプローブと、
   前記プローブに電気的に接続され、前記圧電振動子を発振させる発振回路と、
   前記発振回路の出力信号の周波数を測定する周波数カウンタと、
   を備えたことを特徴とする圧電振動子の検査装置。
2. 前記発振回路は、ソケットを介して前記プローブに着脱自在に接続されることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子の検査装置。
3. 前記圧電振動子の前記電極端子と、前記プローブとを複数同時に接離させるための昇降機構が備えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動子の検査装置。
   
   

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