JP2010232974A

JP2010232974A - 圧電発振器

Info

Publication number: JP2010232974A
Application number: JP2009078382A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tokuchi; 淑博得地; Toshinobu Sakurai; 俊信櫻井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】実装稼動中においても圧電振動子のリークを検出できる圧電発振器を提供すること。
【解決手段】圧電発振器１は、圧電振動子１００、発振回路１０、判定部２０とを含む。圧電振動子１００は、圧電振動素子が気密封止されている。発振回路１０は、誘電性リアクタンスとして動作する圧電振動子１００に発振動作を行わせる。判定部２０は、圧電振動子１００に流れる電流に基づいて圧電振動子１００の気密封止状態の判定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発振器等に関する。

水晶などの圧電材料を使用した圧電振動子用のパッケージ（以下「パッケージ」という）は、周囲の温度・湿度変化や、微細な異物の圧電振動子素板への付着によって圧電振動子の振動が抑制されるおそれを無くすために、パッケージ内部に圧電振動素子が搭載された後に気密封止される。このため、従来から圧電振動子を収納した後にパッケージの気密封止が確実であるか否かの気密検査として、リーク検査が行われていた。

リーク検査は、リーク量に応じて２つに大別される。

例えば、１０^-４ａｔｍ．ｃｃ／ｓｅｃ以上の大きなリークについては、パッケージを湯の中に沈めて内部を膨張させ、気密封止が十分でない場合に膨張した内部空気が気密封止の不完全な部分から気泡となって漏れ出るのを目視で確認する大リーク検査法があった。

また、１０^-４〜１０^-９ａｔｍ．ｃｃ／ｓｅｃの小さなリークについては、気泡の発生には至らないような微小な穴を検査する小リーク検査法があった。小リーク検査法には、ヘリウムガスを利用したＨｅリーク検査法がある。Ｈｅリーク検査法は、大リーク検査が終了した後に行われ、ヘリウムガスが充填された検査容器内でパッケージを加圧して微小穴からパッケージ内にヘリウムガスを圧入し、次いで検査容器内を減圧してパッケージからリークされるヘリウムガスを測定することで、微小穴の存在を確認するものである。

しかしながら、上記従来の検査方法にあっては、大リーク検査法の場合は、目視による気泡の確認のため信頼性に欠けるという問題があり、Ｈｅリーク検査法の場合は、一旦パッケージ内をヘリウムガスによって加圧し、その後減圧しながらリークテストを行うものであるため、検査時間が掛かるという問題があった。さらに、上記両方の検査法は互いに補完し合っているために、一つのパッケージについて大リーク検査とＨｅリーク検査の両方を行う必要があった。そのため、検査工数が増加し、検査が煩雑になるといった問題もあった。

そこで、特許文献１に示すように、気密封止された圧電振動子のインピーダンスが、圧電振動子周辺の気圧変化に伴って変化するという電気特性を利用し、圧電振動子のインピーダンスの変化によりリーク検査する方法が提案されている。また、特許文献２に示すように、圧電振動子を内蔵したモジュールの、大気中の励振周波数とリークを促進する気体中に所定時間置いた後の励振周波数との変化によりリーク検査する方法も提案されている。

特開平１１−５１８０２号公報特開平１１−１０８７９０号公報

上記各特許文献に示すリーク検査法によれば、圧電振動子の出荷検査時に専用の検査装置でリークの検出可能なものは不良品として排除できる。しかし、小リークの中でも検出の難しいリークや、圧電振動子の実装稼動中に後発的に何らかの要因（過剰な衝撃や応力など）により発生したリークに対してはリークの検出ができないという問題がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、圧電振動子のリークをより確実に検出できる圧電発振器を提供することができる。

（１）本発明に係る圧電発振器は、圧電振動素子が気密封止された圧電振動子と、前記圧電振動子に発振動作を行わせる発振回路と、前記圧電振動子に流れる電流に基づいて前記圧電振動子の前記気密封止状態の判定を行う判定部と、を含むことを特徴とする。

圧電振動素子は、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LiTaO3）、四ほう酸リチウム（Li2B4O7：LBO）等の単結晶材料や、酸化亜鉛（ZnO）、窒化アルミニウム（AlN）、ダイヤモンド薄膜等の圧電性薄膜、圧電性セラミックス材料などを用いて製造することができる。

発振回路は、圧電振動子に発振動作を行わせる。ＬＣ発振器のコイルの代わりに圧電振動子を用いた発振器を構成すると、周波数精度の高い交流信号を得ることができる。

判定部は、圧電振動子に流れる電流に基づいて圧電振動子の気密封止状態を判定する。例えば、電流の変化が所定の基準値を超えた場合には、判定結果のＨ／Ｌを切り替えるようにしてもよい。

以上のように、本発明の圧電発振器は、圧電振動素子が気密封止された圧電振動子と、圧電振動子に発振動作を行わせる発振回路と、圧電振動子に流れる電流に基づいて圧電振動子の気密状態が保たれているかの判定を行う判定部により、出荷検査時に不良品として排除できなかった圧電振動子のリークや実装稼動中の圧電振動子のリークを検出することができる。

出荷検査時に不良品として排除できなかった圧電振動子のリークとしては、例えば、小リークの中でもさらに小さいリークがある。本発明の圧電発振器は、圧電振動子に流れる電流に基づいて圧電振動子の気密封止状態を判定する判定部を含むことにより、出荷後もリーク検出をすることができる。よって、出荷検査時に不良品として排除できなかったものであっても、出荷後に不良品として排除することができる。

実装稼動中の圧電振動子のリークとしては、例えば、圧電振動子の経年劣化によるリークがある。

（２）この圧電発振器において、前記判定部は、前記電流の大きさに応じて変化する前記圧電振動子の出力電圧に基づいて前記判定を行うようにしてもよい。

（３）この圧電発振器において、前記判定部は、前記出力電圧の大きさに応じた判定電圧を出力する判定電圧生成部と、前記判定電圧に基づいて前記判定を行う電圧判定部と、を含むようにしてもよい。

（４）この圧電発振器において、前記判定電圧生成部は、前記出力電圧の交流成分を増幅して前記判定電圧を生成するようにしてもよい。

（５）この圧電発振器において、前記電圧判定部は、前記判定電圧の所定の期間における変化量に基づいて前記判定を行うようにしてもよい。

（６）この圧電発振器において、前記電圧判定部は、前記判定電圧を所定の周期でサンプルホールドする第１のサンプルホールド回路と、前記判定電圧を前記所定の周期でかつ、前記第１のサンプルホールド回路とは前記所定の期間異なるタイミングでサンプルホールドする第２のサンプルホールド回路と、前記第１のサンプルホールド回路の出力と前記第２のサンプルホールド回路の出力の差動電圧を前記変化量として出力する差動回路と、を含み、前記差動電圧と基準電圧とを比較して、比較結果に基づいて前記判定結果を出力するようにしてもよい。

（７）この圧電発振器において、前記電圧判定部は、前記判定電圧をデジタル信号である判定電圧情報に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記判定電圧情報を記憶する記憶部と、前記Ａ／Ｄ変換部の変換出力する判定電圧情報と前記記憶部に記憶された前記所定の期間前の前記判定電圧情報との前記変化量を求め、前記判定を行う判定演算部と、を含むようにしてもよい。

本実施形態における圧電発振器の構成例。本実施形態における圧電発振器の具体的な構成例。本実施形態における圧電発振器の他の構成例。本実施形態における電圧判定部の他の構成例。本実施形態における電圧判定部の他の構成例。本実施形態における圧電発振器の他の構成例。本実施形態における圧電発振器の他の構成例。圧電振動子のパッケージ例。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

図１は、圧電発振器の構成について説明するための図である。

本実施形態の圧電発振器１は、圧電振動子１００、発振回路１０、判定部２０とを含んで構成されている。本実施例では、圧電振動子１００、発振回路１０、判定部２０は、ワンチップで構成されている。

圧電振動子１００のパッケージの例を図８の断面図により説明する。パッケージ１０００に、両主面に電極１１０ａ、１１０ｂが形成された圧電振動素子１２０が格納されている。パッケージ１０００は、上面が開口しているセラミック製のケース体１７０と、金属製の蓋体１５０とから構成されている。ケース体１７０と蓋体１５０とは、図示しないシール材を介してシーム溶接され、その内部は真空状態となっている。圧電振動素子１２０は、圧電振動子１００のパッケージ内部の空間に伸び出した横向きの姿勢で圧電振動素子１２０の一面側に形成された電極１１０ｂが導電性接着剤１６０によって台座１９０の表面に形成された導電路１８０部分に固定されている。

このようにして構成された圧電振動子１００の発振動作は、ケース体１７０の両側面に設けられた外部端子１３０、１４０、導電路１８０及び導電性接着剤１６０を通って圧電振動素子１２０の両主面に形成されている電極１１０ａ、１１０ｂに電圧が印加されることで起こる。

発振回路１０は、誘電性リアクタンスとして動作する圧電振動子１００に発振動作を行わせる。圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘは、正弦波で出力される。

判定部２０は、圧電振動子１００に流れる電流Ｉｘに基づいて圧電振動子１００の気密封止状態の判定を行う。

判定結果は、圧電振動子１００の故障（異常発振、発振停止など）の予測を行うアラーム信号として出力してもよい。

本実施形態の圧電発振器１では、判定部２０は、圧電振動子１００に流れる電流Ｉｘに応じて変化する圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘに基づいて気密封止状態の判定を行うように構成されている。

以下に本実施形態の圧電発振器１におけるリーク検出の原理をより詳細に説明する。

圧電振動子１００は等価抵抗に置き換えられる。発振回路１０により発振が開始すると、圧電振動子１００の出力側１００ａからグラウンド方向へ電流Ｉｘが流れる。この圧電振動子１００に流れる電流Ｉｘは、圧電振動子１００の等価抵抗の大きさに反比例して小さくなる。

また、圧電振動子１００の等価抵抗は真空中より空気中では空気抵抗の影響で１−２桁その値が大きくなることが知られている。圧電振動子１００の内部は一般的には真空にされているため、リークが生じた場合は、圧電振動子１００の等価抵抗が大きくなる方向に変化する。従って、本実施形態の圧電発振器１において、圧電振動子１００に流れる電流Ｉｘの変化を監視することにより圧電振動子１００の気密性が保たれているか監視することができる。

なお、この圧電発振器１の出力電圧Ｖｏに基づいて判定を行うとすると、圧電発振器１の出力電圧Ｖｏは飽和しているので、圧電振動子１００に流れる電流ＩｘがμＡ単位で変化しても圧電発振器１の出力は変化しない。しかし、圧電振動子１００に流れる電流Ｉｘが変化すると、圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘは変化する。

従って、判定部２０は、圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘに基づいて、圧電振動子１００の気密性が保たれているかの判定をすることができる。

ここで、圧電振動子１００に接続された容量素子１３０の容量をＣ１とすると、圧電振動子１００の出力電圧はＶｘ＝Ｉｘ×（１／ωＣ１）として観察される。

よって、判定部２０は、Ｖｘの絶対値の変化から、又は、一定間隔でＶｘを観察し、その変化の傾斜を求めることにより小リークの度合いを求め、判定結果として出力することができる。

判定部２０は、判定電圧生成部３０と電圧判定部４０とを含んで構成してもよい。

判定電圧生成部３０は、圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘの大きさに応じた判定電圧を出力する。

電圧判定部４０は、判定電圧生成部３０が出力する判定電圧に基づいて圧電振動子１００の気密性が保たれているかの判定をする。

図２には、本実施形態の圧電発振器１のより具体的な構成例である。

発振回路１０は、増幅器１４０と圧電振動子１００とフィードバック抵抗１５０とが並列に接続され、増幅器１４０の出力を誘電性リアクタンスとして動作する圧電振動子１００の入力とフィードバック抵抗１５０とに接続している。さらに、発振回路１０は、容量素子１１０と、容量素子１３０とにより、コルピッツ型発振回路を構成し、発振動作を行なう。

圧電発振器１の出力は、矩形波で出力される。

判定電圧生成部３０は、オペアンプ３３０と容量素子３００とを含んで構成してもよい。容量素子３００は、圧電振動子１００の出力の直流成分をカットする。従って、ボルテージフォロア回路で構成されるオペアンプ３３０には圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘの交流成分が入力される。よって、判定電圧生成部３０は、圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘに含まれる交流成分を抽出し、判定電圧として出力する。ここで、上記のように、圧電振動子１００の出力側に入力インピーダンスが大きいオペアンプ３３０を接続することにより、発振回路１０、圧電振動子１００と、電圧判定部４０との干渉を防ぐことができる。よって、電圧判定部４０は、圧電振動子１００の発振状態に影響を与えずにより正確に気密状態の判定を行うことができる。

電圧判定部４０は、整流回路４２とコンパレーター４４とを含んで構成してもよい。

整流回路４２は、判定電圧として出力された交流電圧を直流電圧に変換する回路である。また、整流回路４２は、半波整流回路や全波整流回路の出力に含まれる脈流を平滑化する平滑回路を含んでもよい。

コンパレーター４４は、整流回路４２の出力と基準電圧とを比較し、比較結果を出力する。

以上のように、本実施形態の温度補償型圧電発振器１によれば、圧電振動子１００に流れる電流Ｉｘの大きさに応じて変化する圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘの大きさに応じた判定電圧を生成し、判定電圧に基づいて、圧電振動子１００の気密封止状態の判定を行い、精度の高い判定結果を出力することができる。

特に、本実施形態の圧電発振器１は、圧電振動子１００に流れる電流Ｉｘに基づいて圧電振動子１００の気密封止状態の判定を行う判定部２０を含むワンチップ構成となっているため、出荷後もリーク検出をすることができる。従って、出荷検査時に不良品として排除できなかった圧電振動子の小さなリークを出荷後に不良品として排除することができ、さらに、実装稼動中の圧電振動子に後発的に発生したリークを検出することができる。

図３は、本実施形態の圧電発振器１の他の構成例である。図１と同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。

発振回路１０は、複数の増幅器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃと、複数の増幅器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃにそれぞれ並列に接続された複数のフィードバック抵抗１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃを含んで構成してもよい。

以上のように、複数の増幅器１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃと複数のフィードバック抵抗１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃにより、発振回路１０のゲインを高めることができる。

また、圧電振動子１００の出力側１００ａにハイインピーダンスのオペアンプ３３０を用いることにより、発振回路１０の発振ループに影響しないように圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘを後述の増幅器３１０に入力することができる。

また、オペアンプ３３０の入力に抵抗３２０を挿入し、オペアンプ３３０の入力インピーダンスがより大きくすることにより、さらに発振回路１０の発振動作への影響を小さくすることが出来る。

判定電圧生成部３０は、オペアンプ３３０の出力電圧を増幅して判定電圧を生成する増幅器３１０を含んで構成してもよい。増幅器３１０は、例えば正転アンプであってもよい。

増幅器３１０により、圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘの交流成分は増幅されて判定電圧として出力される。そして、電圧判定部４０は、増幅されて出力された判定電圧に基づいて判定を行う。よって、増幅器３１０により、圧電振動子１００の出力電圧Ｖｘの変化が微小であっても、電圧判定部４０が正確な判定を行うことができる。

電圧判定部４０は、判定電圧の所定の期間における変化量に基づいて判定を行うようにしてもよい。

図４は、電圧判定部４０の他の構成例である。図２と同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。

電圧判定部４０は、整流回路４２、第１のサンプルホールド回路４５、第２のサンプルホールド回路４６、タイマー４７、差動回路４８、コンパレーター４４を含んで構成してもよい。

第１のサンプルホールド回路４５は、タイマー４７によって与えられる時間情報に基づき、判定電圧を所定の周期でサンプルホールドする。また、第２のサンプルホールド回路４６は、タイマー４７によって与えられる時間情報に基づき、判定電圧を所定の周期でかつ、第１のサンプルホールド回路４５とは所定の期間異なるタイミングでサンプルホールドする。第１のサンプルホールド回路４５と第２のサンプルホールド回路４６がサンプルホールドするタイミングは、所定の期間異なるタイミングとなるように設定される。

差動回路４８は、第１のサンプルホールド回路４５の出力と第２のサンプルホールド回路４６の出力の差動電圧を出力する。第１のサンプルホールド回路４５と第２のサンプルホールド回路４６は異なるタイミングの判定電圧を標本化し、保持するので、両者の出力の差分は、所定の期間の変化量に相当する。

コンパレーター４４は、差動回路４８の差動電圧と基準電圧とを比較して、差動電圧が基準電圧を上回っているかどうかを判定する。

以上のように、本実施形態の圧電発振器１によれば、所定の期間の電圧Ｖｘの経時変化を観察し、その変化の傾斜を求めることにより、圧電振動子１００の小リークの度合いを求めることができる。よって、所定の期間における変化量に基づいて圧電振動子１００の異常発振、発振停止などの故障の予測をすることができる。

図５は、電圧判定部４０の他の構成例である。電圧判定部４０が、デジタルで電圧判定を行う場合の構成例である。図２と同様の構成については同一符号を付してその説明を省略する。

電圧判定部４０は、整流回路４２、Ａ／Ｄ変換部４１、記憶部４３、ＣＰＵ４９、バッファ５０を含んで構成してもよい。

Ａ／Ｄ変換部４１は、アナログ信号をデジタル信号である判定電圧情報に変換する。判定電圧はアナログ信号であり、整流回路４２はこの判定電圧（アナログ信号）を整流して直流電圧を出力する。Ａ／Ｄ変換部４１は、整流回路４２の出力（直流電圧）をデジタル信号に変換し、バスを介して出力する。

ＣＰＵ４９は、Ａ／Ｄ変換部４１によって出力された判定電圧情報を記憶部４３に記憶させる処理や、記憶部４３から読み出す処理を行う。

記憶部４３は、ＲＡＭであってもよい。

また、ＣＰＵ４９は、デジタル信号である判定電圧情報に基づき、圧電振動子１００の気密性が保たれているかを判定する処理を行い、判定結果を出力する。

電圧判定部４０は、ＣＰＵ４９の出力をバッファ５０を介して判定結果として出力する。

本実施形態の圧電発振器１によれば、ＣＰＵ４９は、Ａ／Ｄ変換部４１の変換出力する判定電圧情報と記憶部４３に記憶された所定の期間前の判定電圧情報との変化量を求め、圧電振動子１００の気密封止状態の判定を行う。よって、ＣＰＵ４９は、現在の判定電圧の判定電圧情報と、記憶部４３から読み出した、例えば、１時間前の判定電圧の判定電圧情報とに基づく変化量から、前記同様の判定を行うことができる。

以上のように、本実施形態の圧電発振器１によれば、Ａ／Ｄ変換部４１とＣＰＵ４９と記憶部４３とにより、圧電振動子１００の気密性の常時監視をすることができる。

また、記憶部４３に、気密性の判定の基準電圧を記憶させておき、ＣＰＵ４９が記憶部４３から基準電圧を読み出し、判定電圧のデジタルデータと比較して、判定結果を出力してもよい。

図６、図７は、本実施形態の圧電発振器１の他の構成例である。

図６の発振回路１０は、トランジスタを用いたコルピッツ発振回路である。図２のインバーターを使った発振回路１０の場合と同様の効果が得られる。

図７の発振回路１０は、トランジスタを用いたオーバートーン用コルピッツ発振回路である。圧電発振子１００は、基本周波数だけでなく奇数次の周波数にも共振点をもっている。オーバートーン用発振回路とは、奇数次周波数の発振出力を得る回路である。よって、オーバートーン用コルピッツ発振回路によれば、圧電振動子１００を高次の共振周波数で発振させることができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１圧電発振器、１０発振回路、２０判定部、３０判定電圧生成部、４０電圧判定部、４１Ａ／Ｄ変換部、４２整流回路、４３記憶部、４４コンパレーター、４５第１のサンプルホールド回路、４６第２のサンプルホールド回路、４７タイマー、４８差動回路、４９ＣＰＵ、５０バッファ、１００圧電振動子、１１０容量素子、１３０容量素子、１４０増幅器、１４０ａ増幅器、１４０ｂ増幅器、１４０ｃ増幅器、１５０フィードバック抵抗、１５０ａフィードバック抵抗、１５０ｂフィードバック抵抗、１５０ｃフィードバック抵抗、３００容量素子、３１０増幅器、３２０抵抗、３３０オペアンプ

Claims

圧電振動素子が気密封止された圧電振動子と、
前記圧電振動子に発振動作を行わせる発振回路と、
前記圧電振動子に流れる電流に基づいて前記圧電振動子の前記気密封止状態の判定を行う判定部と、
を含むことを特徴とする圧電発振器。
請求項１において、
前記判定部は、
前記電流の大きさに応じて変化する前記圧電振動子の出力電圧に基づいて前記判定を行うことを特徴とする圧電発振器。
請求項２において、
前記判定部は、
前記出力電圧の大きさに応じた判定電圧を出力する判定電圧生成部と、
前記判定電圧に基づいて前記判定を行う電圧判定部と、
を含むことを特徴とする圧電発振器。
請求項３において、
前記判定電圧生成部は、
前記出力電圧の交流成分を増幅して前記判定電圧を生成することを特徴とする圧電発振器。
請求項３又は４において、
前記電圧判定部は、
前記判定電圧の所定の期間における変化量に基づいて前記判定を行うことを特徴とする圧電発振器。
請求項５において、
前記電圧判定部は、
前記判定電圧を所定の周期でサンプルホールドする第１のサンプルホールド回路と、
前記判定電圧を前記所定の周期でかつ、前記第１のサンプルホールド回路とは前記所定の期間異なるタイミングでサンプルホールドする第２のサンプルホールド回路と、
前記第１のサンプルホールド回路の出力と前記第２のサンプルホールド回路の出力の差動電圧を前記変化量として出力する差動回路と、
を含み、
前記差動電圧と基準電圧とを比較して、比較結果に基づいて前記判定結果を出力することを特徴とする圧電発振器。
請求項５において、
前記電圧判定部は、
前記判定電圧をデジタル信号である判定電圧情報に変換するＡ／Ｄ変換部と、
前記判定電圧情報を記憶する記憶部と、
前記Ａ／Ｄ変換部の変換出力する判定電圧情報と前記記憶部に記憶された前記所定の期間前の前記判定電圧情報との前記変化量を求め、前記判定を行う判定演算部と、
を含むことを特徴とする圧電発振器。