JP2015102334A - 圧電素子の周波数測定装置及び周波数測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
複数の圧電素子の共振周波数を測定する周波数測定装置であって、
複数の圧電素子に所定周波数の励振用信号を並行して供給する励振用信号供給部と、
前記励振用信号により並行して励振されている前記複数の圧電素子のうちから、測定対象の圧電素子を順次切り換えて選択する選択部と、
前記選択部が選択した圧電素子から出力される測定信号を受信する受信部と、
前記受信部から出力される周波数別の特性から各圧電素子の共振周波数を求める演算部と、
を備え、
前記励振用信号供給部は、前記受信部から前記演算部への前記測定信号の出力が完了すると、前記励振用信号の周波数を更新し、前記演算部は、複数の周波数の励振用信号について測定された特性から、各圧電素子の共振周波数を求める。
複数の発振素子を、周波数を更新しつつ、並行して励振し、
並行して励振している複数の発振素子の特性を順次測定し、
複数の励振周波数について、測定された特性に基づいて、各圧電素子の共振周波数を求める。
以下、本発明に係る周波数測定装置及び周波数測定方法を説明する。
本実施の形態の周波数測定装置は、複数の水晶振動子に同時に信号を入力し、測定対象を順次切り換えて、複数の水晶振動子の共振周波数を順次測定する機能を有する。
以下の説明では、例として、キャリア22に搭載される水晶振動子21は、M×N個とする。
なお、本実施形態においては、エッチングにより水晶振動子21の質量を減らすことで共振周波数を高く調整するため、エッチング前の水晶振動子21は、その共振周波数が目標値より若干低めとなるように形成されている。
例えば、1列の水晶振動子21ごとにシャッタ32を設ける。つまり、1つのシャッタ32は、1列の水晶振動子21すべてのエッチングを同時に制御する。キャリア22に搭載される水晶振動子21すべてがイオンガン31の照射範囲に含まれる場合、列単位でイオンビームの照射のオン・オフを切り替えることができる。例えば、任意の1列にエッチングを同時に行ってもよいし、複数列にエッチングを同時に行ってもよい。
コンタクト機構33は、キャリア22にセット可能な1列の水晶振動子21の個数と同数のプローブピン331A、331Bの対を備える。例えば、キャリア22にセット可能な1列の水晶振動子21の個数がN個である場合、コンタクト機構33はN対のプローブピン331Aと331Bを備える。
コンタクト機構33は、制御部200の制御に従って、プローブピン331A、331Bを、水晶振動子の接続パッド212P,213Pに接続する。
ブロック332の上面には基板333が取り付けられている。また、ブロック332には、上面から底面へ貫通する穴335が設けられている。プローブピン331A、331Bは、基板333に設けられたスルーホール334に挿通され、ブロック底部から穴335にケーブル34A、34Bが挿通され、プローブピン331Aとケーブル34Aの一端、プローブピン331Bとケーブル34Bの一端、がそれぞれ基板333上でハンダ接続されている。ケーブル34A、34Bは、水晶振動子21の励振を外部へ伝搬するための信号線である。
上述した構成により、コンタクト機構33は、同時にキャリア22にセットされている任意の1列に含まれるすべての水晶振動子21の電極212,213に同時に接続可能である。
ネットワークアナライザ60は、プロセッサ、メモリ等を有した、回路網の通過電力の周波数特性を測定する測定器である。ネットワークアナライザ60は、接続する水晶振動子から測定信号を入力し、基準信号と比較して位相差及び振幅比を出力する受信部と、周波数別の位相差及び振幅比から水晶振動子の周波数特性を演算する演算部を備える。
本実施形態において、ネットワークアナライザ60が受信部と演算部を備えるが、制御部が演算部の役割を果たしてもよい。
IC回路50は、測定対象の水晶振動子21を順次切り換えて選択する選択部としての役割を果たす。
この一群の回路の入力端は、ネットワークアナライザ60から供給される励振用信号を分配するパワースプリッタ40に接続されている。出力端は、ネットワークアナライザ60の入力端子に接続されている。
抵抗R1、R2は、パワースプリッタ40から供給された信号のインピーダンスを変換する抵抗素子である。それぞれの抵抗値が抵抗R1>抵抗R2となるよう設定されている。抵抗R3は、放電抵抗であり、水晶振動子21にイオンガン31によりイオンビームが照射されることにより、電極213に蓄積される帯電を防止するためのものである。なお、抵抗R2は、インピーダンスマッチングの観点から、例えば、51kΩ程度、抵抗R1は100KΩ程度、抵抗R3は1M〜10MΩ程度に設定される。
抵抗R1とR3の接続ノードが、プローブピン331Aを介して、水晶振動子21の電極212に接続される。
オペアンプOpの入力段に配置された抵抗R4は、電流調整用抵抗であり、その一端は、プローブピン331Bを介して水晶振動子21の他方の電極213に接続される。抵抗R5は、その一端が抵抗R4の他端とオペアンプOpの非反転入力端(+)に接続され、他端が接地されている。抵抗R5は、水晶振動子21を含む回路を流れる励振電流を電圧信号へ変換するためのものである。抵抗R4とR5の接続ノードの電圧がオペアンプOpの非反転入力端に印加される。オペアンプOpの出力端に接続された抵抗R6は、電流制限抵抗であり、IC回路50の後続の回路に過電流が流れ込むのを防止すると共にインピーダンスマッチングを取るためのものである。
オペアンプOpへの電源供給の有無に因らず、水晶振動子21を流れる励振電流値は一定であるため、オペアンプOpを用いることで、水晶振動子21の励振が不安定となることを抑止することができる。
ここで、In、Outは、ネットワークアナライザ60に接続されている。
こうして、ネットワークアナライザ60は、キャリア22にセットされた複数の水晶振動子21に共通の励振用信号を印加し、各水晶振動子21を通過した信号を順番に測定することができる。
図6に、水晶振動子21のインピーダンス−周波数特性の一例を示す。ここで、横軸は、水晶振動子21の電極212と213との間に印加される励振用信号の周波数を示し、縦軸は、水晶振動子21のインピーダンスを示す。ここで、実線が示すインピーダンス周波数は、実際に測定した水晶振動子21(水晶振動子A)の特性を示し、2点破線が示すインピーダンス周波数特性は、目標となる共振周波数を持つ水晶振動子(以下、水晶振動子Bとする)の特性を示す。
制御部200は、得られた偏差Δεに基づいて、各イオンガン31及びシャッタ32を制御し、水晶振動子21の電極213をエッチングする。
ここで、キャリア22にセットされる1列の水晶振動子21の個数は6個とする。従って、コンタクト機構33は、6組のプローブピン331Aと331Bを備えているものとする。
制御部200の制御に従って、コンタクト機構33は前進して、各プローブピン331A、331Bを対応する水晶振動子21の接続パッド212P、213Pに接触させる(ステップS101)。
Pが最大値を超えていないと判別された場合(ステップS107;No)、制御部200は、ポインタPが指示するP番目のIC回路50のオペアンプOpに動作電源+V、−Vを印加する(ステップS108)。すなわち、現在の測定対象の水晶振動子21に接続されているIC回路50が構成するスイッチをオンする。これにより、P番目の水晶振動子21を通過した励振用信号がネットワークアナライザ60に供給される。
更新したfについて、上述と同様の処理を実行する。
ステップS115において、制御部200は、Δε≦基準値となった水晶振動子21に調整完了フラグFをセットする。
共振周波数測定、エッチング処理、及びキャリア搬送のフローは図7に限られるものでなく適宜選択すればよい。図7はロードロック構成の装置を示すが、インライン構成の装置であってもよい。
あるいは、リレースイッチに限らず、励振状態である複数の水晶振動子の中から測定用の素子を選択するスイッチを用いて選択素子の周波数特性を測定してもよい。この場合でも、立ち上がり時間を短縮して測定時間を短縮することができる。
次に、図11を参照し、第2の実施形態を説明する。図1に示す周波数調整装置10と同様の機構は同一符号を付し説明を省略する。本実施形態の周波数調整装置100は、仕込室14、エッチング室12、取出室13の3室インライン構成となっている。仕込室14とエッチング室12を同一の圧力まで減圧した後、仕切弁23を開き、キャリア22をエッチング室12に搬送する。エッチング室12での水晶振動子21の共振周波数の調整工程が終わると、取出室13をエッチング室12と同一の圧力まで減圧し、仕切弁37を開き、水晶振動子21をキャリア22毎に、取出室13へ搬送する。その後、仕切弁37を閉じて取出室13を大気圧とした後、水晶振動子21を搭載したキャリア22が取り出される。本実施形態においては図11に示すようにエッチング室12に、3台のイオンガン31(31H,31M,31L)が設けられている。3台のイオンガン31(31H,31M,31L)は、上流(左側)より、H(高レート用)、M(中レート用)、L(低レート用)と配置されている。3台のイオンガン31の照射エネルギーの量は、イオンガン31H>イオンガン31M>イオンガン31Lに設定されている。
なお、入力信号の周波数の上げ幅は、決められた固定間隔で変化させてもよいし、Δε等に基づいて、変則的に変化させてもよい。周波数変更範囲fL〜fHを、イオンガン31毎に異ならせてもよい。
例えば、測定の対象は、水晶振動子に限定されず、複数の個の測定対象を印加周波数をスキャンしながら測定する場合に広く適用可能である。例えば、水晶振動子以外の任意の発振素子、圧電素子の共振周波数やインピーダンスを求める装置に適用可能である。
また、共振周波数の測定と測定値に基づいたエッチングとを行う装置を例に説明したが、別個の装置でもよい。
上記実施の形態で示した数値、特性は、例示であり、限定されるものではない。例えば、1つのキャリアの1列の水晶振動子の搭載個数は6個に限定されず、それ以下でも以上でもよい。
11 仕込取出室
12 エッチング室
13 取出室
14 仕込室
21 水晶振動子
22 キャリア
23 仕切弁
31 (31H、31M、31L)イオンガン
32 (32H、32M、32L)シャッタ
33 (33H、33M、33L)コンタクト機構
34A、34B ケーブル
37 仕切弁
40 パワースプリッタ
41 インピーダンス変換回路
50 IC回路
60 ネットワークアナライザ
100 周波数測定装置
200 制御部
211 水晶片
212、213 電極
212P、213P 接続パッド
213L リード電極
331 プローブピン
331A、331B プローブピン
332 ブロック
333 基板
334 スルーホール
335 穴
337 アーム
Claims (10)
- 複数の圧電素子の共振周波数を測定する周波数測定装置であって、
複数の圧電素子に所定周波数の励振用信号を並行して供給する励振用信号供給部と、
前記励振用信号により並行して励振されている前記複数の圧電素子のうちから、測定対象の圧電素子を順次切り換えて選択する選択部と、
前記選択部が選択した圧電素子から出力される測定信号を受信する受信部と、
前記受信部から出力される周波数別の特性から各圧電素子の共振周波数を求める演算部と、
を備え、
前記励振用信号供給部は、前記受信部から前記演算部への前記測定信号の出力が完了すると、前記励振用信号の周波数を更新し、前記演算部は、複数の周波数の励振用信号について測定された特性から、各圧電素子の共振周波数を求める、
ことを特徴とする周波数測定装置。 - 前記励振用信号供給部は、励振用信号を供給する供給部と、前記供給部から供給された励振用信号を分岐し、分岐した信号を前記複数の圧電素子にそれぞれ供給する信号分岐部と、を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の周波数測定装置。 - 前記励振用信号分岐部は、入力インピーダンス変換機能を備えた回路と、パワースプリッタから構成される、
ことを特徴とする請求項2に記載の周波数測定装置。 - 前記選択部は、前記励振用信号供給部が励振用信号の周波数を変更した後、各圧電素子の動作が安定するために要する期間が経過した後、1つ目の測定対象の圧電素子を選択し、以後は、前記受信部の前記測定信号の出力に要する時間が経過する毎に測定対象の圧電素子を切り換えて選択する、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の周波数測定装置。 - 前記選択部は、前記励振用信号供給部が励振用信号の周波数を変更した後、各圧電素子の動作が安定するために要する期間が経過した後、1つ目の測定対象の圧電素子の特性を測定し、以後は、1つの圧電素子の特性の測定が終了する毎に測定対象の圧電素子を切り換えて選択する、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の周波数測定装置。 - 前記励振用信号供給部は、前記複数の圧電素子の一端に所定周波数の励振用信号を印加し、
前記選択部は、前記圧電素子の他端に接続され、圧電素子を通過した信号を前記受信部に出力する、
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の周波数測定装置。 - 前記選択部はインピーダンス変換素子を備える、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の周波数測定装置。 - 前記選択部はオペアンプを備える、
ことを特徴とする請求項7に記載の周波数測定装置。 - 前記特性は、高周波信号の位相差及び振幅比であり、
前記受信部は、前記選択部が選択した圧電素子を通過した高周波信号を受信し、前記圧電素子を通過した信号と基準の励振用信号とを比較して前記特性を前記演算部に出力し、前記演算部は前記特性から、各圧電素子のインピーダンスを求め、共振周波数を求める、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の周波数測定装置。 - 複数の発振素子を、周波数を更新しつつ、並行して励振し、
並行して励振している複数の発振素子の特性を順次測定し、
複数の励振周波数について、測定された特性に基づいて、各圧電素子の共振周波数を求める、
ことを特徴とする共振周波数測定方法。
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