JP2008233053A - Method of measuring frequency characteristic of piezo-electric vibrating element - Google Patents

Method of measuring frequency characteristic of piezo-electric vibrating element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high reliability method of measuring frequency characteristics of piezoelectric vibrating elements; capable of eliminating unwanted waveforms generated in the measurement of the frequency characteristics of piezoelectric vibrating elements. <P>SOLUTION: This method comprises setting a test frequency range, setting a plurality of frequency test points in the test frequency range, adjusting the distance between the piezoelectric diaphragm and the electrode to a distance (gap distance) required for measurement, applying frequencies sequentially to test points preset by the setting process between the adjacent electrodes in this state, collecting characteristics data between electrodes, calculating correction data from the characteristics data between electrodes by this pre-measurement, placing a piezoelectric vibrating element between the electrodes, applying a test frequency to each test point between the electrodes, and obtaining measured frequency data of the piezoelectric vibration element at each test pint; wherein the frequency characteristic data of the piezoelectric vibrating element is obtained by applying the correction data to the measured data. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電振動素子の周波数特性測定方法に関する。   The present invention relates to a method for measuring frequency characteristics of a piezoelectric vibration element.

現在、圧電振動素子として、例えば、圧電振動デバイスや、圧電振動デバイス内に設けられた圧電振動片などが挙げられる。この圧電振動デバイスでは、圧電振動片がベース(パッケージ)とキャップとにより気密封止されている。   Currently, examples of the piezoelectric vibrating element include a piezoelectric vibrating device and a piezoelectric vibrating piece provided in the piezoelectric vibrating device. In this piezoelectric vibrating device, the piezoelectric vibrating piece is hermetically sealed by a base (package) and a cap.

上記した圧電振動素子は、その製造工程において複数回周波数特性測定を行い、その測定結果に応じて周波数範囲毎の分類を行ったり、後工程における調整量を加減している。   The piezoelectric vibration element described above performs frequency characteristic measurement a plurality of times in the manufacturing process, classifies each frequency range according to the measurement result, and adjusts the adjustment amount in the subsequent process.

圧電振動素子の周波数特性測定は、例えば特開昭61−25029号(引用文献1)に示すような装置を用いて行う。引用文献1は、電極間に挿入した振動基板の共振周波数の計測にあたり、共振周波数近傍で電極間隙を変化させ、該間隙変化の前後の周波数計測により共振周波数を算出することを特徴とする振動基板の周波数特性測定装置に関するものであるが、基本的には電極3上に振動基板(圧電振動素子)を搭載し、電極2を振動基板の上面から近接させた状態で交流電界を電極間に印加して周波数を計測する構成(エアギャップ方式)を採用している。
特開昭61−25029号公報
The frequency characteristic of the piezoelectric vibration element is measured using an apparatus as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-25029 (cited document 1). In cited reference 1, in measuring the resonance frequency of a vibration substrate inserted between electrodes, the electrode gap is changed in the vicinity of the resonance frequency, and the resonance frequency is calculated by frequency measurement before and after the gap change. Is basically mounted on the electrode 3 with a vibration substrate (piezoelectric vibration element), and an alternating electric field is applied between the electrodes with the electrode 2 placed close to the top surface of the vibration substrate. Therefore, a configuration for measuring the frequency (air gap method) is adopted.
JP-A 61-25029

通常このようなエアギャップ方式にて測定する場合、事前に両電極を接触させた状態で通電を行う機器校正作業(キャリブレーション)を行うことが多い。例えば、機器校正を行わずに測定を行うと図6に示すように、測定波形が全体として斜めに傾き、最大ピークにて共振点を検出する場合、本来の共振点とは異なる周波数を共振点と判断してしまい、適正な周波数測定が行われない可能性があった。このような不具合を回避するために前述の機器校正作業を行い、図7に示すような誤差成分を全て取り除く工程(ゼロリセット)を行ってから実際の測定を開始することにより、測定精度を向上させることができた。   Usually, when measuring by such an air gap method, an instrument calibration operation (calibration) is often performed in which power is supplied in a state where both electrodes are in contact with each other in advance. For example, when measurement is performed without performing instrument calibration, as shown in FIG. 6, when the measurement waveform is inclined as a whole and the resonance point is detected at the maximum peak, a frequency different from the original resonance point is set to the resonance point. Therefore, there is a possibility that proper frequency measurement is not performed. In order to avoid such problems, the above-mentioned instrument calibration work is performed, and the measurement accuracy is improved by starting the actual measurement after performing the process of removing all error components (zero reset) as shown in FIG. I was able to.

ところで最近の圧電振動板は超薄型のものが増加しており、特に駆動周波数がその厚みで決定されるATカット水晶振動片においては数10ミクロン程度の厚さになっていた。このような場合特許文献1に示す構成では、測定を実施した場合圧電振動片の上下にある両電極間が極めて近接した状態となる。このような状態で圧電振動片に対して周波数(交流電界)を印加して周波数特性を測定する場合、電極間が近接したことによると考えられる不要な波形が現れ(図3参照)、これが本来の圧電振動片の周波数特性の波形と重畳した状態で計測されることがあった。このような意図しない不要な波形は圧電振動片の周波数特性測定において、その共振点を誤って検出することにつながり、周波数特性測定における信頼性低下を生じさせていた。 By the way, the number of ultra-thin piezoelectric diaphragms has been increasing recently, and in particular, the thickness of an AT-cut quartz crystal vibrating piece whose driving frequency is determined by its thickness has been several tens of microns. In such a case, in the configuration shown in Patent Document 1, when measurement is performed, the electrodes on the upper and lower sides of the piezoelectric vibrating piece are in extremely close proximity. When frequency characteristics are measured by applying a frequency (alternating electric field) to the piezoelectric vibrating piece in such a state, an unnecessary waveform that appears to be due to the proximity between the electrodes appears (see FIG. 3). In some cases, measurement was performed in a state of being superimposed on the waveform of the frequency characteristic of the piezoelectric vibrating piece. Such an unintended unnecessary waveform leads to erroneous detection of the resonance point in the frequency characteristic measurement of the piezoelectric vibrating piece, resulting in a decrease in reliability in the frequency characteristic measurement.

本発明は上記課題を解決するために、圧電振動素子の周波数特性測定において生じる不要な波形の影響を排除し、信頼性の高い圧電振動素子の周波数特性測定方法を提供することを目的とする。   In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a highly reliable method for measuring the frequency characteristic of a piezoelectric vibration element by eliminating the influence of an unnecessary waveform generated in the measurement of the frequency characteristic of the piezoelectric vibration element.

上記の目的を達成するため、本発明は請求項1に示すように、一対の電極体間に圧電振動素子を配置し、少なくとも一方の電極体と圧電振動素子間に空隙を有する状態で掃引周波数を与え、当該圧電振動素子の周波数特性を測定する方法であって、測定周波数範囲を設定し、当該測定周波数範囲内で測定する周波数の測定ポイントを複数設定する設定工程と、周波数測定のための両電極体間隔を決定するギャップ設定工程と、ギャップ設定された電極体間に圧電振動片の無い状態で前記各測定ポイントの周波数を与え、電極体間隔に依存する電極体特性データを得る電極体間特性データ取得工程と、前記電極体間特性データに基づき補正データを得る補正データ取得工程と、前記電極体間に圧電振動素子を配置し、当該電極体間に前記各測定ポイントの周波数を与え、測定ポイント毎に当該圧電振動片の周波数の測定データを得る実測工程と、前記測定データに対して、前記補正データを適用することにより、当該圧電振動素子の周波数特性データを得る工程とを有することを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the present invention, as shown in claim 1, a sweeping frequency is provided in a state where a piezoelectric vibration element is disposed between a pair of electrode bodies and a gap is provided between at least one electrode body and the piezoelectric vibration element. Is a method for measuring the frequency characteristics of the piezoelectric vibration element, setting a measurement frequency range, setting a plurality of measurement points of the frequency to be measured within the measurement frequency range, and for frequency measurement A gap setting step for determining an interval between both electrode bodies, and an electrode body that gives the frequency of each measurement point with no piezoelectric vibrating piece between the gap-set electrode bodies and obtains electrode body characteristic data depending on the electrode body spacing. An inter-characteristic data acquisition step, a correction data acquisition step for obtaining correction data based on the inter-electrode body characteristic data, a piezoelectric vibration element is disposed between the electrode bodies, and each measurement is performed between the electrode bodies. The frequency characteristic data of the piezoelectric vibration element is obtained by applying the correction data to the actual measurement step of giving the frequency of the int and obtaining the measurement data of the frequency of the piezoelectric vibration piece for each measurement point, and the measurement data. It has the process of obtaining.

本発明においては、圧電振動素子の周波数測定を行う前に、まず測定周波数範囲を設定し、当該測定周波数範囲内で周波数の測定ポイントを複数設定する。また、両電極体間に圧電振動板を配置して、圧電振動板と電極体の間隔を測定に必要な間隔(ギャップ量)に設定する。圧電振動素子と電極体は少なくとも一方の電極とエアギャップを有している構成であればよい。例えば、一方の電極体上に圧電振動素子を平置き搭載し、他方の電極を圧電振動素子に近接された状態でエアギャップを形成する構成であってもよいし、また圧電振動素子の両面にエアギャップを介して電極体を配置する構成であってもよい。エアギャップ量が設定された後、配置した圧電振動板を取り除いて、この状態で近接した両電極体間に前記設定工程にて設定した測定ポイントに周波数を順次印加する。当該周波数の印加により電極体間に依存する出力が得られ、これにより電極体間特性データを取得する。このような事前作業に基づき電極体間特性データに基づく補正データを得る。当該補正データの生成は例えば前記電極体間特性を打ち消すような補正値を各測定ポイント毎に与え、演算により実質的にゼロリセットするデータ構成をあげることができる。 In the present invention, before measuring the frequency of the piezoelectric vibration element, first, a measurement frequency range is set, and a plurality of frequency measurement points are set within the measurement frequency range. In addition, a piezoelectric diaphragm is disposed between both electrode bodies, and the distance between the piezoelectric diaphragm and the electrode body is set to an interval (gap amount) necessary for measurement. The piezoelectric vibration element and the electrode body may be configured to have at least one electrode and an air gap. For example, the piezoelectric vibration element may be mounted flat on one electrode body, and the air gap may be formed in a state where the other electrode is close to the piezoelectric vibration element, or on both surfaces of the piezoelectric vibration element. The structure which arrange | positions an electrode body via an air gap may be sufficient. After the air gap amount is set, the arranged piezoelectric diaphragm is removed, and the frequency is sequentially applied to the measurement points set in the setting step between the two electrode bodies adjacent to each other in this state. By applying the frequency, an output depending on the electrode body is obtained, thereby obtaining the inter-electrode body characteristic data. Based on such preliminary work, correction data based on the inter-electrode body characteristic data is obtained. The generation of the correction data can be, for example, a data configuration in which a correction value that cancels the characteristics between the electrode bodies is given to each measurement point and substantially zero reset is performed by calculation.

そしてその後 前記電極体間に圧電振動素子を配置し、当該電極体間に前記各測定ポイント毎に周波数を与え、測定ポイント毎に当該圧電振動片の周波数の測定データを得る工程と、前記測定データに対して、前記補正データを適用することにより、当該圧電振動素子の周波数特性データを得ることができる。 And then, a step of disposing a piezoelectric vibration element between the electrode bodies, giving a frequency for each measurement point between the electrode bodies, obtaining measurement data of the frequency of the piezoelectric vibration piece for each measurement point, and the measurement data On the other hand, by applying the correction data, frequency characteristic data of the piezoelectric vibration element can be obtained.

上述したように前記圧電振動素子の測定データは電極体間隔に依存する電極体間特性データが重畳している可能性がある。従って、当該電極体間特性データを調整する補正データを前記測定データに適用することにより、圧電振動素子本来の周波数特性データを得ることができる。 As described above, there is a possibility that the measurement data of the piezoelectric vibration element is superimposed with the inter-electrode body characteristic data depending on the electrode body interval. Therefore, the original frequency characteristic data of the piezoelectric vibration element can be obtained by applying correction data for adjusting the inter-electrode body characteristic data to the measurement data.

上述の圧電振動素子の周波数特性測定方法によれば、電極体間ノイズが発生するような超薄型の圧電振動素子の周波数特性測定においても、正確に圧電振動素子の周波数特性の測定を行うことができる。この場合従来行っていた両電極体を事前に接触させる機器校正作業は不要である。 According to the method for measuring the frequency characteristics of the piezoelectric vibration element described above, the frequency characteristics of the piezoelectric vibration element can be accurately measured even in the frequency characteristic measurement of an ultra-thin piezoelectric vibration element that generates noise between electrode bodies. Can do. In this case, it is not necessary to perform an apparatus calibration work for bringing both electrode bodies into contact with each other in advance.

また両電極体を事前に接触させる機器校正方法では、この作業を両電極体をショートさせた状態で行うが、このような方法では電極体が変形することがあった。電極体が変形すると適切なギャップが形成されないため、正確な圧電振動素子の周波数特性の測定が行われなくなることがあったが、本発明においては、このような工程を有しないため、電極体の長期利用が可能となりかつ正確な測定を行うことができる。 In the apparatus calibration method in which both electrode bodies are brought into contact with each other in advance, this operation is performed in a state where both electrode bodies are short-circuited. However, in such a method, the electrode bodies may be deformed. When the electrode body is deformed, an appropriate gap is not formed, so that accurate measurement of the frequency characteristics of the piezoelectric vibration element may not be performed. However, in the present invention, since there is no such process, Long-term use is possible and accurate measurement can be performed.

また上記方法において、各電極体にはπ回路を介してネットワークアナライザから周波数が与えられる方法であってもよい。ネットワークアナライザは予め設定した複数の周波数測定ポイントに対して、各周波数信号を被測定物に与え、ここから得られるゲインを測定し、これに基づき周波数特性を測定するものであり、測定における分解能を任意に定めることができるので高速かつ正確な測定を行うことができる。   In the above method, each electrode body may be given a frequency from a network analyzer via a π circuit. The network analyzer applies each frequency signal to the device under test for a plurality of frequency measurement points set in advance, measures the gain obtained from it, and measures the frequency characteristics based on this gain. Since it can be determined arbitrarily, high-speed and accurate measurement can be performed.

本発明によれば、圧電振動素子の周波数特性測定において生じる不要な波形の影響を排除し、信頼性の高い圧電振動素子の周波数特性測定方法を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the influence of the unnecessary waveform which arises in the frequency characteristic measurement of a piezoelectric vibration element can be excluded, and the frequency characteristic measurement method of a piezoelectric vibration element with high reliability can be obtained.

本発明による実施の形態について図面を参照して説明する。図1はエアギャップ方式による周波数特性測定装置の模式図であり、図2は本発明による周波数特性測定における各工程段階を示すブロック図である。また図3乃至図5は本発明を適用した測定波形の補正を説明する波形図である。   Embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a frequency characteristic measuring apparatus using an air gap method, and FIG. 2 is a block diagram showing each process step in the frequency characteristic measurement according to the present invention. 3 to 5 are waveform diagrams for explaining correction of a measurement waveform to which the present invention is applied.

図1に示すように、エアギャップ方式による周波数特性測定装置1は、基台10に各構成要素を取得した構成である。基台10の平坦部10a上には下絶縁体11を介して下電極体12が配置されている。当該下電極体12の上面に対向した状態で、所定の間隔を持って上電極体13が配置されている。当該上電極体13は上絶縁体14に取着され、当該上絶縁体14はマイクロメータ15の可動端部15aに取着されている。またマイクロメータ15は保持アーム16により保持され、保持アーム16がアクチュエータ17に接合されることにより、マイクロメータ15や上電極体13が動作可能になっている。なお、アクチュエータ17は基台の側壁10bに上下動作可能に取着されている。   As shown in FIG. 1, a frequency characteristic measuring apparatus 1 using an air gap method has a configuration in which each component is acquired on a base 10. A lower electrode body 12 is disposed on the flat portion 10 a of the base 10 via a lower insulator 11. The upper electrode body 13 is disposed with a predetermined interval in a state of facing the upper surface of the lower electrode body 12. The upper electrode body 13 is attached to the upper insulator 14, and the upper insulator 14 is attached to the movable end 15 a of the micrometer 15. The micrometer 15 is held by a holding arm 16, and the holding arm 16 is joined to an actuator 17, whereby the micrometer 15 and the upper electrode body 13 can be operated. The actuator 17 is attached to the side wall 10b of the base so as to be movable up and down.

被測定物である圧電振動素子Wは例えばATカット水晶振動板であり、周波数特性測定時には下電極体11上に搭載され、上下電極体間に配置される。   The piezoelectric vibration element W as the object to be measured is, for example, an AT cut crystal diaphragm, and is mounted on the lower electrode body 11 and disposed between the upper and lower electrode bodies when measuring the frequency characteristics.

また前記下電極体12はπ回路21に、上電極体13はπ回路22に各々ケーブルにより電気的に接続され、また各π回路からネットワークアナライザ3のコネクタに電気的に接続されている。さらにネットワークアナライザ3にはPC(パーソナルコンピュータ)4がインターフェイスを介して接続されている。   The lower electrode body 12 is electrically connected to the π circuit 21 and the upper electrode body 13 is electrically connected to the π circuit 22 via cables, and each π circuit is electrically connected to the connector of the network analyzer 3. Further, a PC (personal computer) 4 is connected to the network analyzer 3 via an interface.

基台10は周波数特性測定装置の機構部分を配置するベースとなるもので、下絶縁体11を固着する平坦部10aとアクチュエータ17を取着する側壁10bとを有している。   The base 10 serves as a base on which the mechanical part of the frequency characteristic measuring apparatus is arranged, and has a flat portion 10a to which the lower insulator 11 is fixed and a side wall 10b to which the actuator 17 is attached.

下絶縁体11は基台の平坦部10a上に固定設置されている。当該下絶縁体11は所定厚さのセラミックブロックからなり、その上面は平坦面となっている。   The lower insulator 11 is fixedly installed on the flat portion 10a of the base. The lower insulator 11 is made of a ceramic block having a predetermined thickness, and its upper surface is a flat surface.

下電極体12は下絶縁体11の上部に取り付けられ、上面が平坦な円形または方形の金属体もしくは導電性セラミックからなる。下電極体12の表面は圧電振動素子Wが搭載された際、圧電振動素子にキズ等の損傷を与えないように平滑面であることが必要である。   The lower electrode body 12 is attached to the upper portion of the lower insulator 11, and is made of a circular or square metal body or conductive ceramic having a flat upper surface. The surface of the lower electrode body 12 needs to be a smooth surface so as not to damage the piezoelectric vibration element such as scratches when the piezoelectric vibration element W is mounted.

上電極体13は下電極体12に対向してギャップを有する状態で配置されている。当該上電極体13も基本的には下電極体12と同じ構成であり、下電極体12との対向面が平坦な円形または方形の金属体からなる。   The upper electrode body 13 is disposed facing the lower electrode body 12 with a gap. The upper electrode body 13 has basically the same configuration as the lower electrode body 12 and is made of a circular or square metal body having a flat surface facing the lower electrode body 12.

ただし、下電極体12は圧電振動素子Wを搭載する必要があるため、圧電振動素子より大きな上面の面積を有しているが、上電極体13においては下電極体より小さなものが用いられる。これは圧電振動素子の無用な振動モードの励振を抑制するためであり、本実施の形態で例示したATカット水晶振動板(圧電振動素子)においては水晶振動板全体に励振電圧を印加すると、例えば輪郭系振動モード等の不要な振動モードが励振されやすくなってしまう。従って上電極体のサイズを小さくすることにより、水晶振動板の中央部分に励振電圧を印加し、本来用いる厚みすべり振動を効率よく励振させることができる。具体的に例示すると、圧電振動素子が長辺が2.5mm、短辺が1.9mmの外形サイズのものに対して、例えば1.5mmφの円形の上電極体を用い、これを水晶振動板の中央部分に近接させて電圧を印加する。 However, since the lower electrode body 12 needs to be mounted with the piezoelectric vibration element W, the upper electrode body 13 has a larger upper surface area than the piezoelectric vibration element, but the upper electrode body 13 is smaller than the lower electrode body. This is to suppress the excitation of the unnecessary vibration mode of the piezoelectric vibration element. In the AT-cut crystal vibration plate (piezoelectric vibration element) exemplified in the present embodiment, when an excitation voltage is applied to the entire crystal vibration plate, for example, Unnecessary vibration modes such as the contour vibration mode are likely to be excited. Therefore, by reducing the size of the upper electrode body, an excitation voltage can be applied to the central portion of the quartz crystal diaphragm, and the originally used thickness shear vibration can be excited efficiently. Specifically, for example, a piezoelectric vibration element having a long side of 2.5 mm and a short side of 1.9 mm having an outer size of, for example, a 1.5 mmφ circular upper electrode body is used. A voltage is applied in the vicinity of the central part.

上絶縁体14は上電極体を支持固定している。上絶縁体14も下絶縁体11と同様に、所定厚さのセラミックブロックからなり、その表裏面は平坦面となっている。 The upper insulator 14 supports and fixes the upper electrode body. Similarly to the lower insulator 11, the upper insulator 14 is made of a ceramic block having a predetermined thickness, and its front and back surfaces are flat.

マイクロメータ15はその可動端部15aに上絶縁体14を支持固定している。当該マイクロメータ15は前記上下電極間の間隔を所定範囲内に保つための微小調整機構であり、被測定物である圧電振動素子Wの厚さに対応させて前記可動端部15aを上下方向に調整する。 The micrometer 15 supports and fixes the upper insulator 14 to the movable end 15a. The micrometer 15 is a fine adjustment mechanism for keeping the distance between the upper and lower electrodes within a predetermined range, and the movable end portion 15a is moved in the vertical direction in accordance with the thickness of the piezoelectric vibration element W as the object to be measured. adjust.

保持アーム16は前記マイクロメータ15を保持するもので、マイクロメータ15の動作固定側を支持固定している。 The holding arm 16 holds the micrometer 15 and supports and fixes the operation fixing side of the micrometer 15.

またアクチュエータ17は前記支持アーム16と接合されるとともに、基台の側壁10bに対して上下動作可能状態に取着されている。アクチュエータ17は電動モータあるいは超音波モータ等により上下動作する構成であり、外部からの制御信号に基づき動作方向および動作量が決定される。この上下動作により、上電極体13を下電極体12に対して近接および離間させることができる。   The actuator 17 is joined to the support arm 16 and attached to the base side wall 10b so as to be vertically movable. The actuator 17 is configured to move up and down by an electric motor, an ultrasonic motor, or the like, and an operation direction and an operation amount are determined based on a control signal from the outside. By this vertical movement, the upper electrode body 13 can be brought close to and away from the lower electrode body 12.

例えば、圧電振動素子Wを下電極体に搭載する場合は、上電極体を上昇させて下電極体上に供給装置から圧電振動素子Wを搭載することを容易にする。下電極体12に搭載した後は上電極体13を下降、すなわちアクチュエータ17の下降動作させることにより、周波数特性測定位置まで上電極体13を圧電振動素子Wに近接させることができる。当該近接における微調整は前記マイクロメータにより手動設定にて行われる。 For example, when the piezoelectric vibration element W is mounted on the lower electrode body, the upper electrode body is lifted to facilitate mounting the piezoelectric vibration element W from the supply device on the lower electrode body. After mounting on the lower electrode body 12, the upper electrode body 13 can be brought close to the piezoelectric vibration element W to the frequency characteristic measurement position by lowering the upper electrode body 13, that is, by lowering the actuator 17. The fine adjustment in the proximity is performed manually by the micrometer.

前記下電極体12と上電極体13の各コネクタ部12a,13aには導電ケーブルが接続され、π回路21,22と各々電気的につながっている。当該π回路はJIS C6701にて定められているπ回路測定法を実施するために用いる。   Conductive cables are connected to the connector portions 12a and 13a of the lower electrode body 12 and the upper electrode body 13, and are electrically connected to the π circuits 21 and 22, respectively. The π circuit is used to perform the π circuit measurement method defined in JIS C6701.

さらにπ回路21,22はネットワークアナライザ3に導電ケーブルにより各々電気的に接続されている。ネットワークアナライザ3は周知のとおり、例えば被測定物である圧電振動素子に関して所定の周波数範囲に各測定ポイントを設定し、各測定ポイントに所定の周波数を印加し、ここから得られるゲイン特性の測定を行い、これに基づき当該圧電振動素子の周波数特性を測定するものである。例えば、測定する周波数範囲を153〜157MHzに設定し、この間に測定ポイントを1600ポイントに設定し、この各ポイントに対して上記周波数範囲の周波数を掃引して与え、ここから得られるゲイン特性の測定を行う。   Further, the π circuits 21 and 22 are electrically connected to the network analyzer 3 through conductive cables. As is well known, the network analyzer 3 sets each measurement point in a predetermined frequency range with respect to, for example, a piezoelectric vibration element that is a measurement object, applies a predetermined frequency to each measurement point, and measures the gain characteristic obtained therefrom. Based on this, the frequency characteristics of the piezoelectric vibration element are measured. For example, the frequency range to be measured is set to 153 to 157 MHz, the measurement point is set to 1600 points in the meantime, the frequency in the frequency range is swept and given to each point, and the gain characteristic obtained therefrom is measured. I do.

PC4はネットワークアナライザ3のインターフェイス(例えばGP−IB)を介して接続されている。PC4はネットワークアナライザ3の測定周波数範囲、測定ポイント数、測定分解能などの設定を行う。PC4からの測定開始命令によりネットワークアナライザは設定されている全測定ポイントの測定を行う。   The PC 4 is connected via an interface (for example, GP-IB) of the network analyzer 3. The PC 4 sets the measurement frequency range, the number of measurement points, the measurement resolution, etc. of the network analyzer 3. In response to a measurement start command from the PC 4, the network analyzer measures all set measurement points.

またPC4はネットワークアナライザ3の測定値を受け取り、当該測定値の記憶や測定値に基づく演算を行う。例えば、電極体間特性データを受け取り、これに基づいて補正データを生成したり、あるいは圧電振動素子の測定データを受け取り、当該測定データに対し前記補正データに基づく補正処理を行う演算処理し、ノイズ成分の除去された周波数特性データを得ることができる。 The PC 4 receives the measurement value of the network analyzer 3 and stores the measurement value and performs an operation based on the measurement value. For example, the inter-electrode body characteristic data is received, and correction data is generated based on the data, or the measurement data of the piezoelectric vibration element is received and the correction processing based on the correction data is performed on the measurement data. The frequency characteristic data from which the component is removed can be obtained.

次に上記装置を用いて具体的に補正された周波数特性データを得る方法について説明する。   Next, a method for obtaining frequency characteristic data that has been specifically corrected using the above apparatus will be described.

(a)測定設定工程(周波数測定ポイント設定工程)
測定する圧電振動素子Wの周波数に応じて周波数測定範囲を設定し、当該周波数測定範囲に等間隔スパンあるいは任意のスパンで多数の測定ポイントを設定する。例えば、測定する周波数範囲を153〜157MHzに設定し、この間に測定ポイントを1600ポイントに設定し、この各ポイントに対して上記周波数範囲の周波数を掃引して与え、ここから得られるゲイン特性の測定を行う。当該周波数測定範囲および測定ポイント数はネットワークアナライザ3の測定能力に依存するが、一般に測定範囲と測定ポイント数(測定スパン)はトレードオフの関係にあるので測定精度を考慮して設定する必要がある。
(A) Measurement setting process (frequency measurement point setting process)
A frequency measurement range is set according to the frequency of the piezoelectric vibration element W to be measured, and a large number of measurement points are set in the frequency measurement range at equal intervals or arbitrary spans. For example, the frequency range to be measured is set to 153 to 157 MHz, the measurement point is set to 1600 points in the meantime, the frequency in the frequency range is swept and given to each point, and the gain characteristics obtained from this are measured. I do. The frequency measurement range and the number of measurement points depend on the measurement capability of the network analyzer 3. However, since the measurement range and the number of measurement points (measurement span) are generally in a trade-off relationship, it is necessary to set them in consideration of measurement accuracy. .

(b)ギャップ設定工程(上下電極間のギャップ量調整)
図1に示す周波数特性測定装置の下電極体12の上面に被測定物である圧電振動素子Wを搭載する。当該圧電振動素子Wは平板状であり、表裏面には励振電極は形成されていない。搭載後、アクチュエータ17の下降動作によりマイクロメータの可動端部15aに取着された上電極体13を圧電振動素子Wに近接させる。その後、マイクロメータ15を手動で調整し、上電極体13と圧電振動素子Wの間隔を微調整して適切なギャップを設定する。
(B) Gap setting process (adjustment of gap amount between upper and lower electrodes)
A piezoelectric vibration element W, which is an object to be measured, is mounted on the upper surface of the lower electrode body 12 of the frequency characteristic measuring apparatus shown in FIG. The piezoelectric vibration element W has a flat plate shape, and no excitation electrode is formed on the front and back surfaces. After mounting, the upper electrode body 13 attached to the movable end 15a of the micrometer is brought close to the piezoelectric vibration element W by the lowering operation of the actuator 17. Thereafter, the micrometer 15 is manually adjusted, and the gap between the upper electrode body 13 and the piezoelectric vibration element W is finely adjusted to set an appropriate gap.

(c)電極体間特性データ取得工程(調整したギャップでのダミー測定)
次に下電極体12から圧電振動素子Wを取り除き、前記設定したギャップ量を保った状態で、前記測定設定工程で設定した測定ポイントに対して順次周波数を与え、これに基づくゲイン特性をネットワークアナライザにより測定する。全測定ポイントの測定が終了すると、全測定ポイントの測定値をPCのメモリに格納する。
(C) Inter-electrode body characteristic data acquisition process (dummy measurement with adjusted gap)
Next, the piezoelectric vibrating element W is removed from the lower electrode body 12, and the frequency is sequentially applied to the measurement points set in the measurement setting step while maintaining the set gap amount, and the gain characteristics based on this are given to the network analyzer. Measure with When the measurement of all the measurement points is completed, the measurement values of all the measurement points are stored in the PC memory.

図3は本工程で得られた電極間特性データを示す波形図の例である。なお図3乃至図5において横軸は周波数(frequency MHz)であり、縦軸はゲイン(dB)である。図3においては高周波数側でゲイン特性が緩やかに高くなる傾向となっている。   FIG. 3 is an example of a waveform diagram showing inter-electrode characteristic data obtained in this step. 3 to 5, the horizontal axis represents frequency (frequency MHz), and the vertical axis represents gain (dB). In FIG. 3, the gain characteristics tend to increase gradually on the high frequency side.

(d)補正データ取得工程(補正データの演算、取得)
前記電極体間特性データに基づき、そのゲイン特性が実質的にゼロリセットされるように、各測定ポイント毎に前記電極体間特性データを打ち消すような補正値をPCで算出する。当該補正データはPCのメモリに格納される。
(D) Correction data acquisition step (calculation and acquisition of correction data)
Based on the inter-electrode body characteristic data, a correction value that cancels the inter-electrode body characteristic data for each measurement point is calculated by a PC so that the gain characteristic is substantially reset to zero. The correction data is stored in the PC memory.

(e)実測工程(被測定物の周波数測定)
上記各工程後、被測定物である圧電振動素子の周波数特性の測定を行う。圧電振動素子Wを前記下電極体上面に搭載し、ギャップ設定工程で設定したギャップを保持した状態で、上下電極体間に周波数(交流電圧)を与えて、ここから得られるゲイン特性をネットワークアナライザから実測データを取得する。実測ポイントは前記測定設定工程で設定した各測定ポイントであり、順次測定ポイント毎に設定された周波数を与える。測定は低周波数側から高周波数側に順次各測定ポイントについて行ってもよいし、逆に高周波数側から低周波数側に順次各測定ポイントについて行ってもよい。
(E) Actual measurement process (frequency measurement of the object to be measured)
After each of the above steps, the frequency characteristics of the piezoelectric vibration element that is the object to be measured are measured. The piezoelectric vibration element W is mounted on the upper surface of the lower electrode body, and a frequency (alternating current voltage) is applied between the upper and lower electrode bodies while maintaining the gap set in the gap setting step. Obtain actual measurement data from The actual measurement point is each measurement point set in the measurement setting step, and sequentially gives a frequency set for each measurement point. The measurement may be performed for each measurement point sequentially from the low frequency side to the high frequency side, or conversely for each measurement point sequentially from the high frequency side to the low frequency side.

図4は本工程で得られた実測データを示す波形図の例である。図4においては本来の共振点f0であると考えられる急峻なピークゲインの他に、図3で現れたような高周波側の緩やかなゲイン特性の高い特性が重畳して現れている。 FIG. 4 is an example of a waveform diagram showing actual measurement data obtained in this step. In FIG. 4, in addition to the steep peak gain that is considered to be the original resonance point f0, a characteristic having a high gain characteristic on the high frequency side as shown in FIG. 3 is superimposed.

(f)周波数特性データ取得工程
前記各測定ポイント毎の実測データに対して、各測定ポイント毎の前記補正データを適用することにより、前記電極体間特性の除去された圧電振動素子の特性を抽出する。例えば、特定の測定ポイントに実測データに対して、当該特定の測定ポイントにおける補正データを与えてこれを演算することにより、当該測定ポイントにおいて不要波形成分の除去された圧電振動素子の特性を得る。
(F) Frequency characteristic data acquisition step By applying the correction data for each measurement point to the actual measurement data for each measurement point, the characteristics of the piezoelectric vibration element from which the inter-electrode body characteristics have been removed are extracted. To do. For example, by giving correction data at the specific measurement point to the specific measurement point and calculating the correction data, the characteristics of the piezoelectric vibration element from which unnecessary waveform components are removed at the measurement point are obtained.

図5は本工程で得られた実測データに対し補正データにより補正処理を行った例を示す波形図の例である。図5においては本来の共振点f0のみに急峻なピークゲインがあり、不要波形成分の除去された圧電振動素子の周波数特性を得ることができた。 FIG. 5 is an example of a waveform diagram showing an example in which correction processing is performed on the actual measurement data obtained in this step using correction data. In FIG. 5, only the original resonance point f0 has a steep peak gain, and the frequency characteristics of the piezoelectric vibration element from which unnecessary waveform components are removed can be obtained.

なお、本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。   It should be noted that the present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit, gist, or main features. For this reason, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. The scope of the present invention is indicated by the claims, and is not restricted by the text of the specification. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.

本発明は、圧電振動素子、特に水晶振動子や水晶振動片の周波数特性測定に好適である。   The present invention is suitable for measuring the frequency characteristics of a piezoelectric resonator element, particularly a crystal resonator or a crystal resonator element.

周波数特性測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a frequency characteristic measuring apparatus. 周波数特性測定工程を示す図である。It is a figure which shows a frequency characteristic measurement process. 電極体間の特性波形図である。It is a characteristic waveform diagram between electrode bodies. エアギャップ方式による実測波形図である。It is an actual measurement waveform figure by an air gap system. 補正後の圧電振動素子の波形図である。It is a wave form diagram of a piezoelectric vibration element after amendment. 従来例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows a prior art example. 従来例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1 周波数特性測定装置
10 基台
12 下電極体
13 上電極体
15 マイクロメータ
17 アクチュエータ
21,22 π回路
3 ネットワークアナライザ
4 PC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Frequency characteristic measuring apparatus 10 Base 12 Lower electrode body 13 Upper electrode body 15 Micrometer 17 Actuator 21,22 pi circuit 3 Network analyzer 4 PC

Claims (2)

一対の電極体間に圧電振動素子を配置し、少なくとも一方の電極体と圧電振動素子間に空隙を有する状態で掃引周波数を与え、当該圧電振動素子の周波数特性を測定する方法であって、
測定周波数範囲を設定し、当該測定周波数範囲内で測定する周波数の測定ポイントを複数設定する測定設定工程と、
周波数測定のための両電極体間隔を決定するギャップ設定工程と、
ギャップ設定された電極体間に圧電振動片の無い状態で前記各測定ポイントの周波数を与え、電極体間隔に依存する電極体特性データを得る電極体間特性データ取得工程と、
前記電極体間特性データに基づき補正データを得る補正データ取得工程と、
前記電極体間に圧電振動素子を配置し、当該電極体間に前記各測定ポイントの周波数を与え、測定ポイント毎に当該圧電振動片の周波数の測定データを得る実測工程と、
前記測定データに対して、前記補正データを適用することにより、当該圧電振動素子の周波数特性データを得る工程とを有する圧電振動素子の周波数特性測定方法。
A method of measuring a frequency characteristic of the piezoelectric vibration element by disposing a piezoelectric vibration element between a pair of electrode bodies, giving a sweep frequency in a state having a gap between at least one electrode body and the piezoelectric vibration element,
A measurement setting step for setting a measurement frequency range and setting a plurality of measurement points of frequencies to be measured within the measurement frequency range;
A gap setting step for determining an interval between both electrode bodies for frequency measurement;
The inter-electrode body characteristic data acquisition step of giving the frequency of each measurement point in a state where there is no piezoelectric vibrating piece between the gap-set electrode bodies, and obtaining electrode body characteristic data depending on the electrode body interval,
A correction data obtaining step for obtaining correction data based on the inter-electrode body characteristic data;
An actual measurement step of arranging a piezoelectric vibration element between the electrode bodies, giving a frequency of each measurement point between the electrode bodies, and obtaining measurement data of a frequency of the piezoelectric vibration piece for each measurement point;
Obtaining the frequency characteristic data of the piezoelectric vibration element by applying the correction data to the measurement data.
各電極体にはπ回路を介してネットワークアナライザから周波数が与えられることを特徴とする請求項1記載の圧電振動素子の周波数特性測定方法。   The frequency characteristic measurement method for a piezoelectric vibration element according to claim 1, wherein each electrode body is given a frequency from a network analyzer via a π circuit.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104535863A (en) * 2014-12-23 2015-04-22 上海电机学院 Piezoelectric property parameter dynamic sweep frequency test device and method
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