JP3661602B2 - 圧電共振子の温度特性演算方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電共振子の温度特性演算方法、特に中心周波数ｆｏの温度特性ｆｏ TC を求める方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＦＭ波の周波数変化を電圧変化として検出するＦＭ検波回路の移送器にディスクリミネータが用いられている。このディスクリミネータ用の圧電材料としては、一般的に、広い復調出力帯域幅を得るために、低いＱ、広帯域ΔＦ（＝Ｆａ−Ｆｒ）の材料が用いられている。しかし、これまで圧電材料の各種温度特性の関係が適当でなく、完成品の温度特性（ｆｏTC）が比較的大きかった。このため、セット機器での動作保証温度範囲がＦＭ用セラミックフィルタよりも狭く、使用可能なセット機器も限定されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の場合、完成品のディスクリミネータの温度特性（ｆｏTC）は２５ｐｐｍ／℃程度であり、ｆｏ＝１０．７ＭＨｚのディスクリミネータであれば、１００℃の温度範囲で約２８ｋＨｚ、１５０℃の温度範囲で約４０ｋＨｚの周波数変化に相当する。また、従来品では２０℃よりも高温の領域で周波数変化が大きくなる傾向にあったため、一般的に使われるｆｏTCの規格、すなわちｆｏの変化量±３０ｋＨｚを満足するために、動作保証温度の上限を６０℃とする場合が多かった。
【０００４】
このような問題に対処するため、特開昭６３−２８３２１５号公報には、ディスクリミネータ（圧電共振子）にコンデンサを直列接続するとともに、ディスクリミネータの容量の温度係数とコンデンサの容量の温度係数とを所定の関係に設定することで、ディスクリミネータの温度変化による周波数−インピーダンス特性の変化をコンデンサの温度特性によって打ち消し、周波数ずれを回避するようにしたものが提案されている。
【０００５】
また、実用新案登録第２５０１５２１号公報には、３辺に抵抗が接続され、残りの１辺にディスクリミネータ（圧電共振子）が接続されたブリッジ回路において、いずれか１辺の抵抗と並列に、ディスクリミネータと同等な温度特性を持つコンデンサを接続したものが知られている。
【０００６】
しかしながら、いずれの場合も、ディスクリミネータの他にコンデンサを用いる必要があり、コンデンサ自身の温度特性を制御しなければならないので、不確定要素が多く、所望の温度特性を持つＦＭ検波回路を得るのが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、中心周波数ｆｏの温度特性ｆｏ TC を計算で正確かつ簡単に求めることができ、圧電材料の選定を容易にできる圧電共振子の温度特性演算方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、圧電材料の容量の温度特性をε TC 、比帯域幅をΔｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性をＦｒ TC 、反共振周波数の温度特性をＦａ TC としたとき、中心周波数の温度特性ｆｏ TC を次の近似式により求めることを特徴とする圧電共振子の温度特性演算方法を提供する。
ｆｏ TC ＝（Ｆｒ TC ＋Ｆａ TC ）／２＋Ｋ×ε TC ×（Δｆ／ｆｏ）・・・ (1)
ただし、Ｋ＝ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数
【０００９】
請求項２に係る発明は、外装樹脂によって封止された圧電共振子であって、圧電材料の容量の温度特性をε TC 、比帯域幅をΔｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性をＦｒ TC 、反共振周波数の温度特性をＦａ TC 、外装樹脂の応力による中心周波数の温度特性をＲｆｏ TC としたとき、中心周波数の温度特性ｆｏ TC を次の近似式により求めることを特徴とする圧電共振子の温度特性演算方法を提供する。
ｆｏ TC ＝（Ｆｒ TC ＋Ｆａ TC ）／２＋Ｋ×ε TC ×（Δｆ／ｆｏ）＋Ｒｆｏ TC ・・・ (2)
ただし、Ｋ＝ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数
【００１０】
ここで、本発明に至った経緯を以下に説明する。
一般に、圧電セラミックスにおいては、端子間容量の温度特性εTCは正の傾向を持ち、温度が上昇すると容量が大きくなる。つまり、温度上昇すると、図１に破線で示すように、容量の温度特性のために圧電共振子のインピーダンスが低下し、中心周波数ｆｏが高周波側（ｆｏ’で示す）へずれる。なお、ここではインピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとした。一方、共振周波数の温度特性ＦｒTCや反共振周波数の温度特性ＦａTCは負の傾向を有するので、温度が上昇すると、図１に二点鎖線で示すように周波数Ｆｒ，Ｆａは低下し、中心周波数ｆｏが低周波側（ｆｏ''で示す）へずれる。このずれを互いにキャンセルさせれば、温度変化に伴う中心周波数ｆｏの変化量が少なくなり、その温度特性ｆｏTCを改善することが可能となる。
【００１１】
そこで、本発明者は、種々の圧電材料について、その容量の温度特性εTC、比帯域幅Δｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性ＦｒTC、反共振周波数の温度特性ＦａTC、中心周波数の温度特性ｆｏTCを測定したところ、そこに一定の相関関係があることを発見した。
すなわち、中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差と、容量の温度特性εTCと比帯域幅Δｆ／ｆｏとの積との間に、比例関係が存在することを発見した。つまり、中心周波数の温度特性ｆｏTCを、共振周波数の温度特性ＦｒTC、反共振周波数の温度特性ＦａTC、容量の温度特性εTCおよび比帯域幅Δｆ／ｆｏから近似的に求めることが可能である。
【００１２】
表１は、Ａ〜Ｅの５種類のＰＺＴ系の圧電材料を使用した厚みすべり振動モードの圧電共振子について、その温度特性および比帯域幅を求めたものである。なお、ここではインピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子（ｆｏ＝１０．７ＭＨｚ）とした。
【表１】
なお、表１において、Ａは既存のディスクリミネータ用圧電材料を用いた圧電共振子であり、Ｂ〜Ｅは今回実験のために新たに作成した圧電共振子である。
【００１３】
表２は、表１における温度特性および比帯域幅を用いて、Ａ〜Ｅの各試料について、容量の温度特性εTCと比帯域幅との積、および中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差を求めたものである。
【表２】
【００１４】
図２は表２における容量の温度特性εTCと比帯域幅Δｆ／ｆｏとの積を横軸にとり、中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差を縦軸にとり、Ａ〜Ｅの各試料についてプロットしたものである。
図２から明らかなように、全ての試料の値は１本の直線ｙ＝０．２２５ｘにのっていることが分かる。つまり、中心周波数の温度特性ｆｏTCは、
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋０．２２５×εTC×（Δｆ／ｆｏ）
で近似できる。
ここで、中心周波数の温度特性ｆｏTCの目標値をαとすれば、
｜（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋０．２２５×εTC×（Δｆ／ｆｏ）｜≦α
の式を満足するように容量の温度特性εTC、比帯域幅Δｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCを決定すれば、温度特性の安定した圧電共振子を得ることができる。
【００１５】
上記の場合には、インピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子を用いたので、係数Ｋ＝０．２２５としたが、これとは異なるインピーダンス値をｆｏとする圧電共振子の場合には、係数Ｋの値は異なる。
ブリッジバランス回路を用いたＦＭ検波回路の場合、検波用ＩＣの内部にあるＲ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 の抵抗値によりｆｏとするインピーダンス値が決定される。逆に言えば、ＩＣによってｆｏとするインピーダンス値が異なる。ただ、ＦＭ検波用ＩＣの多くは、ほぼ１ｋΩ付近（２００〜３００Ω程度のバラツキあり）でＲが設定されているので、Ｚ＝１ｋΩとなる周波数を安定させれば、殆どのＩＣで温度特性が良好になる。
【００１６】
表３は上記計算式により求めたｆｏTCと、実測したｆｏTCとを比較したものである。
表３から明らかなように、計算値と実測値とはよく近似しており、本発明による計算式 (1) 式が高い精度を持つことがわかる。また、既存の材料を用いた圧電共振子Ａに比べて、新たに作成した材料を用いた圧電共振子Ｂ〜Ｅは良好な温度特性を持ち、特にＢ〜Ｄが好ましい特性を有する。
【表３】
【００１７】
圧電共振子を外装樹脂で封止した場合、圧電共振子そのものの温度特性の他に、外装樹脂の温度特性の影響を受ける。そこで、請求項２では、請求項１における要件に加え、外装樹脂の応力による中心周波数の温度特性ＲｆｏTCを加算することで、中心周波数の温度特性ｆｏTCを求めるようにしたものである。
【００１８】
目標とする中心周波数の温度特性αとしては、１８ｐｐｍ／℃とするのが望ましい。
すなわち、完成品の圧電共振子のｆｏTCを±１８ｐｐｍ／℃以内とすれば、ｆｏ＝１０．７ＭＨｚの場合、１５０℃の温度範囲で約±２９ｋＨｚの周波数変化に相当することから、これを満足すれば、例えば−４０℃〜１０５℃の動作保証も可能になる。つまり、従来の動作保証温度の上限が６０℃であるのに対し、本発明では１０５℃まで上げることができる。
【００１９】
請求項３のように、ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数Ｋを０．２２５としてもよい。
インピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子の場合、係数Ｋ＝０．２２５にすることで、中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差と、容量の温度特性εTCと比帯域幅との積とがほぼ完全に比例関係となり、中心周波数の温度特性ｆｏTCを正確に求めることができる。
【００２０】
３辺に抵抗が接続され、残りの１辺に圧電共振子が接続されたブリッジ回路よりなり、このブリッジ回路の対向する一方の接続点間にＦＭ中間周波信号が入力され、他方の接続点間から出力を取り出すように構成したＦＭ検波回路において、その圧電共振子として目標とする中心周波数の温度特性αが１８ｐｐｍ／℃の圧電共振子を用いるのが望ましい。
すなわち、このような圧電共振子をＦＭ検波用ディスクリミネータに用いれば、中心周波数ｆｏの温度特性が安定し、動作保証温度範囲が広いＦＭ検波回路を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図３は本発明にかかる圧電共振子をチップ型ディスクリミネータＤとして構成した一例を示す。
このディスクリミネータＤは、絶縁性の基板１、基板１の上に枠状に形成されたガラスペーストなどからなる絶縁層５、基板１上に形成された電極２，３上に導電ペースト４を介して接続固定された圧電素子６、圧電素子６の上面および両側面に塗布されたシリコーンゴムなどからなるダンピング材７，８、基板１の絶縁層５の上に接着剤（図示せず）を介して接着固定され、圧電素子６を封止する金属キャップ９などで構成されている。
【００２２】
上記圧電素子６はエネルギー閉じ込め型厚みすべり振動モードの素子であり、短冊形の圧電基板６ａを有する。圧電基板６ａの表裏主面には、中央部で対向するように電極６ｂ，６ｃが形成され、これら電極６ｂ，６ｃは圧電基板６ａの異なる端部の端面を介して反対側の主面まで引き出されている。ここでは、圧電基板６ａの材料としてＰＺＴを使用した。
【００２３】
図４の（ａ）はＦＭ検波回路に用いられる移相回路の一例であり、３辺に抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 が接続され、残りの１辺に上記ディスクリミネータＤが接続されたブリッジバランス回路よりなる。Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 の抵抗値はそれぞれ１ｋΩに設定され、ディスクリミネータＤは、そのインピーダンスが１ｋΩとなるところをｆｏとしている。この実施例では、ｆｏを１０．７ＭＨｚとした。
図４の（ｂ）は出力電圧Ｅｏの位相変化を示す。図から明らかなように、ｆｏにおいて出力電圧Ｅｏが入力電圧Ｅｉよりも位相が９０°遅れて取り出されるよう設計されている。
【００２４】
上記圧電素子６を構成するＰＺＴの材料特性を次に示す。
共振周波数の温度特性ＦｒTC＝−９０ｐｐｍ／℃
反共振周波数の温度特性ＦａTC＝−２５ｐｐｍ／℃
容量の温度特性εTC＝＋２４３０ｐｐｍ／℃
比帯域幅Δｆ／ｆｏ＝１０％
ただし、ＦｒTC，ＦａTC，εTCおよびΔｆ／ｆｏは以下の計算式で、測定温度範囲を−２０℃〜＋８５℃とし、基準温度を＋２０℃として測定した。
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数
【００２５】
上記材料特性の値を(1) 式に代入し、中心周波数の温度係数ｆｏTCを求めると次のようになる。
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋Ｋ×εTC×（Δｆ／ｆｏ）
＝（−９０−２５）／２＋Ｋ×２４３０×０．１
となる。
インピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子の場合、Ｋ＝０．２２５であるから、ｆｏTC＝−２．８３ｐｐｍ／℃となる。
いま、中心周波数の温度係数の目標値α＝１８ｐｐｍ／℃とした場合、｜ｆｏTC｜＝２．８３ｐｐｍ／℃は目標値αよりかなり小さい。
完成品である図３のＦＭ検波用チップ型ディスクリミネータについて、その温度特性ｆｏTCを実際に測定したところ、約−３ｐｐｍ／℃となっており、温度特性が非常に良好なものとなっている。
【００２６】
図５は図３に示した本発明品の−３０℃，２０℃，８５℃におけるインピーダンス特性図および位相特性図である。
また、図６は従来品の−３０℃，２０℃，８５℃におけるインピーダンス特性図および位相特性図である。従来品とは、例えば実開昭６１−１３６６３０号公報に開示されたような公知の積層接着構造のチップ型圧電共振子であり、ここでは圧電素子の振動モードとして厚み縦振動モードを用いた。
図６に示すように、従来品では温度変化により、インピーダンスＺ＝１ｋΩとなる周波数が変化していることがわかる。これがｆｏTCを大きくしている要因である。これに対し、本発明品では、図５に示すように温度変化によってもＺ＝１ｋΩとなる周波数は殆ど変化していない。
【００２７】
図７の（ａ）は図５に示す本発明品の温度特性ｆｏTCを示し、（ｂ）は図６に示す従来品の温度特性ｆｏTCを示す。
図７から明らかなように、従来品では温度上昇に伴ってｆｏTCが大きく変化していることがわかる。これに対し、本発明品では温度が１０５℃まで上昇してもｆｏTCが殆ど変化しておらず、温度特性が非常に良好である。
【００２８】
図８は本発明にかかる圧電共振子の第２実施例を示す。
この圧電共振子は、樹脂封止形のリード付き圧電共振子であり、第１実施例と同じくＦＭ検波用ディスクリミネータとして用いられる。
圧電共振子は、ｆｏ＝１０．７ＭＨｚの短冊形の厚みすべり振動モードの圧電素子１０を備えている。圧電素子１０の表裏面中央部には振動電極１０ａ，１０ｂが形成され、両端部には端子電極１０ｃ，１０ｄが形成され、これら端子電極１０ｃ，１０ｄにリード端子１１，１２が半田付け１３されている。なお、一方のリード端子１１は圧電素子１０の裏面側から表面側へ折り返されている。圧電素子１０の振動電極１０ａ，１０ｂの周囲はシリコーンゴムよりなる弾性材１４で覆われており、圧電素子１０の周囲全体がエポキシ樹脂よりなる外装樹脂１５で覆われている。さらに、その周囲が、透明なエポキシ樹脂よりなる表皮樹脂１６で覆われている。
【００２９】
上記圧電素子１０を構成するＰＺＴの材料特性を次に示す。
共振周波数の温度特性ＦｒTC＝−９０ｐｐｍ／℃
反共振周波数の温度特性ＦａTC＝−２５ｐｐｍ／℃
容量の温度特性εTC＝＋２４３０ｐｐｍ／℃
比帯域幅Δｆ／ｆｏ＝１０％
また、実験により、外装樹脂１４，１５，１６の締付応力によるＲｆｏTCを求めたところ、＋１５ｐｐｍ／℃程度であった。
なお、ＦｒTC，ＦａTC，εTCおよびΔｆ／ｆｏの計算方法は、第１実施例と同様である。
【００３０】
ここで、上記材料特性の値を(2) 式にあてはめ、中心周波数の温度係数ｆｏTCを求めた。但し、係数Ｋ＝０．２２５とした。
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋0.225 ×εTC×（Δｆ／ｆｏ）＋ＲｆｏTC
＝（−９０−２５）／２＋0.225 ×２４３０×０．１＋１５
＝１２．１７ｐｐｍ／℃
中心周波数の温度係数の目標値α＝１８ｐｐｍ／℃とすると、｜ｆｏTC｜＝１２．１７ｐｐｍ／℃は目標値αより十分に小さい。
図８のＦＭ検波用チップ型ディスクリミネータについて、その温度特性ｆｏTCを実際に測定したところ、完成品のｆｏTCは約＋１２ｐｐｍ／℃となっており、上記計算式と非常によく一致している。
そして、上記材料を用いてディスクリミネータを製作すれば、極めて温度特性のよいディスクリミネータを得ることができる。
【００３１】
上記実施例では、本発明にかかる圧電共振子をＦＭ検波用ディスクリミネータに適用した例について説明したが、これに限らず、ＦｒとＦａとの中点を利用した圧電共振子、例えばＦｒとＦａとの中点を発振ポイントとする発振子にも同様に適用できる。
また、本発明の圧電共振子の封止構造は、図３のようなキャップ封止構造や、図８のような樹脂封止構造に限らず、従来品と同様な積層接着構造であってもよい。この場合には、外装樹脂を使用していないので、(1) 式を用いてｆｏTCを計算できる。
さらに、本発明の圧電共振子の振動モードは厚みすべり振動モードに限らず、厚み縦振動モードであってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、圧電材料の容量の温度特性、比帯域幅、共振周波数の温度特性、反共振周波数の温度特性がわかれば、圧電共振子の中心周波数の温度特性ｆｏ TC を (1) 式を用いて簡単に求めることができるので、回路の設計が容易になる。
【００３３】
また、請求項２に係る発明では、外装樹脂の温度特性による影響を考慮した中心周波数の温度特性ｆｏ TC を (2) 式を用いて求めることができ、樹脂封止型の圧電共振子であっても、その温度特性ｆｏ TC を簡単に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための周波数−インピーダンス特性図である。
【図２】本発明に係る計算式を求めるための特性図である。
【図３】本発明に係る圧電共振子の第１実施例の分解斜視図である。
【図４】ブリッジ回路を構成した移相器の回路図およびその位相特性図である。
【図５】図３に示す圧電共振子のインピーダンス特性図および位相特性図である。
【図６】従来例の圧電共振子のインピーダンス特性図および位相特性図である。
【図７】本発明品の温度特性図および従来品の温度特性図である。
【図８】本発明に係る圧電共振子の第２実施例の正面断面図および側面断面図である。
【符号の説明】
Ｄ 圧電共振子（ディスクリミネータ）
１ 基板
６ 圧電素子
９ キャップ
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電共振子の温度特性演算方法、特に中心周波数ｆｏの温度特性ｆｏ TC を求める方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＦＭ波の周波数変化を電圧変化として検出するＦＭ検波回路の移送器にディスクリミネータが用いられている。このディスクリミネータ用の圧電材料としては、一般的に、広い復調出力帯域幅を得るために、低いＱ、広帯域ΔＦ（＝Ｆａ−Ｆｒ）の材料が用いられている。しかし、これまで圧電材料の各種温度特性の関係が適当でなく、完成品の温度特性（ｆｏTC）が比較的大きかった。このため、セット機器での動作保証温度範囲がＦＭ用セラミックフィルタよりも狭く、使用可能なセット機器も限定されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の場合、完成品のディスクリミネータの温度特性（ｆｏTC）は２５ｐｐｍ／℃程度であり、ｆｏ＝１０．７ＭＨｚのディスクリミネータであれば、１００℃の温度範囲で約２８ｋＨｚ、１５０℃の温度範囲で約４０ｋＨｚの周波数変化に相当する。また、従来品では２０℃よりも高温の領域で周波数変化が大きくなる傾向にあったため、一般的に使われるｆｏTCの規格、すなわちｆｏの変化量±３０ｋＨｚを満足するために、動作保証温度の上限を６０℃とする場合が多かった。
【０００４】
このような問題に対処するため、特開昭６３−２８３２１５号公報には、ディスクリミネータ（圧電共振子）にコンデンサを直列接続するとともに、ディスクリミネータの容量の温度係数とコンデンサの容量の温度係数とを所定の関係に設定することで、ディスクリミネータの温度変化による周波数−インピーダンス特性の変化をコンデンサの温度特性によって打ち消し、周波数ずれを回避するようにしたものが提案されている。
【０００５】
また、実用新案登録第２５０１５２１号公報には、３辺に抵抗が接続され、残りの１辺にディスクリミネータ（圧電共振子）が接続されたブリッジ回路において、いずれか１辺の抵抗と並列に、ディスクリミネータと同等な温度特性を持つコンデンサを接続したものが知られている。
【０００６】
しかしながら、いずれの場合も、ディスクリミネータの他にコンデンサを用いる必要があり、コンデンサ自身の温度特性を制御しなければならないので、不確定要素が多く、所望の温度特性を持つＦＭ検波回路を得るのが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、中心周波数ｆｏの温度特性ｆｏ TC を計算で正確かつ簡単に求めることができ、圧電材料の選定を容易にできる圧電共振子の温度特性演算方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、圧電材料の容量の温度特性をε TC 、比帯域幅をΔｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性をＦｒ TC 、反共振周波数の温度特性をＦａ TC としたとき、中心周波数の温度特性ｆｏ TC を次の近似式により求めることを特徴とする圧電共振子の温度特性演算方法を提供する。
ｆｏ TC ＝（Ｆｒ TC ＋Ｆａ TC ）／２＋Ｋ×ε TC ×（Δｆ／ｆｏ）・・・ (1)
ただし、Ｋ＝ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数
【０００９】
請求項２に係る発明は、外装樹脂によって封止された圧電共振子であって、圧電材料の容量の温度特性をε TC 、比帯域幅をΔｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性をＦｒ TC 、反共振周波数の温度特性をＦａ TC 、外装樹脂の応力による中心周波数の温度特性をＲｆｏ TC としたとき、中心周波数の温度特性ｆｏ TC を次の近似式により求めることを特徴とする圧電共振子の温度特性演算方法を提供する。
ｆｏ TC ＝（Ｆｒ TC ＋Ｆａ TC ）／２＋Ｋ×ε TC ×（Δｆ／ｆｏ）＋Ｒｆｏ TC ・・・ (2)
ただし、Ｋ＝ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数
【００１０】
ここで、本発明に至った経緯を以下に説明する。
一般に、圧電セラミックスにおいては、端子間容量の温度特性εTCは正の傾向を持ち、温度が上昇すると容量が大きくなる。つまり、温度上昇すると、図１に破線で示すように、容量の温度特性のために圧電共振子のインピーダンスが低下し、中心周波数ｆｏが高周波側（ｆｏ’で示す）へずれる。なお、ここではインピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとした。一方、共振周波数の温度特性ＦｒTCや反共振周波数の温度特性ＦａTCは負の傾向を有するので、温度が上昇すると、図１に二点鎖線で示すように周波数Ｆｒ，Ｆａは低下し、中心周波数ｆｏが低周波側（ｆｏ''で示す）へずれる。このずれを互いにキャンセルさせれば、温度変化に伴う中心周波数ｆｏの変化量が少なくなり、その温度特性ｆｏTCを改善することが可能となる。
【００１１】
そこで、本発明者は、種々の圧電材料について、その容量の温度特性εTC、比帯域幅Δｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性ＦｒTC、反共振周波数の温度特性ＦａTC、中心周波数の温度特性ｆｏTCを測定したところ、そこに一定の相関関係があることを発見した。
すなわち、中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差と、容量の温度特性εTCと比帯域幅Δｆ／ｆｏとの積との間に、比例関係が存在することを発見した。つまり、中心周波数の温度特性ｆｏTCを、共振周波数の温度特性ＦｒTC、反共振周波数の温度特性ＦａTC、容量の温度特性εTCおよび比帯域幅Δｆ／ｆｏから近似的に求めることが可能である。
【００１２】
表１は、Ａ〜Ｅの５種類のＰＺＴ系の圧電材料を使用した厚みすべり振動モードの圧電共振子について、その温度特性および比帯域幅を求めたものである。なお、ここではインピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子（ｆｏ＝１０．７ＭＨｚ）とした。
【表１】
【００１３】
表２は、表１における温度特性および比帯域幅を用いて、Ａ〜Ｅの各試料について、容量の温度特性εTCと比帯域幅との積、および中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差を求めたものである。
【表２】
図２は表２における容量の温度特性εTCと比帯域幅Δｆ／ｆｏとの積を横軸にとり、中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差を縦軸にとり、Ａ〜Ｅの各試料についてプロットしたものである。
図２から明らかなように、全ての試料の値は１本の直線ｙ＝０．２２５ｘにのっていることが分かる。つまり、中心周波数の温度特性ｆｏTCは、
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋０．２２５×εTC×（Δｆ／ｆｏ）
で近似できる。
ここで、中心周波数の温度特性ｆｏTCの目標値をαとすれば、
｜（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋０．２２５×εTC×（Δｆ／ｆｏ）｜≦α
の式を満足するように容量の温度特性εTC、比帯域幅Δｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCを決定すれば、温度特性の安定した圧電共振子を得ることができる。
【００１５】
上記の場合には、インピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子を用いたので、係数Ｋ＝０．２２５としたが、これとは異なるインピーダンス値をｆｏとする圧電共振子の場合には、係数Ｋの値は異なる。
ブリッジバランス回路を用いたＦＭ検波回路の場合、検波用ＩＣの内部にあるＲ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 の抵抗値によりｆｏとするインピーダンス値が決定される。逆に言えば、ＩＣによってｆｏとするインピーダンス値が異なる。ただ、ＦＭ検波用ＩＣの多くは、ほぼ１ｋΩ付近（２００〜３００Ω程度のバラツキあり）でＲが設定されているので、Ｚ＝１ｋΩとなる周波数を安定させれば、殆どのＩＣで温度特性が良好になる。
【００１６】
表３は上記計算式により求めたｆｏTCと、実測したｆｏTCとを比較したものである。
表３から明らかなように、計算値と実測値とはよく近似しており、本発明による計算式 (1) 式が高い精度を持つことがわかる。また、既存の材料を用いた圧電共振子Ａに比べて、新たに作成した材料を用いた圧電共振子Ｂ〜Ｅは良好な温度特性を持ち、特にＢ〜Ｄが好ましい特性を有する。
【表３】
圧電共振子を外装樹脂で封止した場合、圧電共振子そのものの温度特性の他に、外装樹脂の温度特性の影響を受ける。そこで、請求項２では、請求項１における要件に加え、外装樹脂の応力による中心周波数の温度特性ＲｆｏTCを加算することで、中心周波数の温度特性ｆｏTCを求めるようにしたものである。
【００１８】
目標とする中心周波数の温度特性αとしては、１８ｐｐｍ／℃とするのが望ましい。
すなわち、完成品の圧電共振子のｆｏTCを±１８ｐｐｍ／℃以内とすれば、ｆｏ＝１０．７ＭＨｚの場合、１５０℃の温度範囲で約±２９ｋＨｚの周波数変化に相当することから、これを満足すれば、例えば−４０℃〜１０５℃の動作保証も可能になる。つまり、従来の動作保証温度の上限が６０℃であるのに対し、本発明では１０５℃まで上げることができる。
【００１９】
請求項３のように、ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数Ｋを０．２２５としてもよい。
インピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子の場合、係数Ｋ＝０．２２５にすることで、中心周波数の温度特性ｆｏTCと共振周波数の温度特性ＦｒTCおよび反共振周波数の温度特性ＦａTCの平均値との差と、容量の温度特性εTCと比帯域幅との積とがほぼ完全に比例関係となり、中心周波数の温度特性ｆｏTCを正確に求めることができる。
【００２０】
３辺に抵抗が接続され、残りの１辺に圧電共振子が接続されたブリッジ回路よりなり、このブリッジ回路の対向する一方の接続点間にＦＭ中間周波信号が入力され、他方の接続点間から出力を取り出すように構成したＦＭ検波回路において、その圧電共振子として目標とする中心周波数の温度特性αが１８ｐｐｍ／℃の圧電共振子を用いるのが望ましい。
すなわち、このような圧電共振子をＦＭ検波用ディスクリミネータに用いれば、中心周波数ｆｏの温度特性が安定し、動作保証温度範囲が広いＦＭ検波回路を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図３は本発明にかかる圧電共振子をチップ型ディスクリミネータＤとして構成した一例を示す。
このディスクリミネータＤは、絶縁性の基板１、基板１の上に枠状に形成されたガラスペーストなどからなる絶縁層５、基板１上に形成された電極２，３上に導電ペースト４を介して接続固定された圧電素子６、圧電素子６の上面および両側面に塗布されたシリコーンゴムなどからなるダンピング材７，８、基板１の絶縁層５の上に接着剤（図示せず）を介して接着固定され、圧電素子６を封止する金属キャップ９などで構成されている。
【００２２】
上記圧電素子６はエネルギー閉じ込め型厚みすべり振動モードの素子であり、短冊形の圧電基板６ａを有する。圧電基板６ａの表裏主面には、中央部で対向するように電極６ｂ，６ｃが形成され、これら電極６ｂ，６ｃは圧電基板６ａの異なる端部の端面を介して反対側の主面まで引き出されている。ここでは、圧電基板６ａの材料としてＰＺＴを使用した。
【００２３】
図４の（ａ）はＦＭ検波回路に用いられる移相回路の一例であり、３辺に抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 が接続され、残りの１辺に上記ディスクリミネータＤが接続されたブリッジバランス回路よりなる。Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 の抵抗値はそれぞれ１ｋΩに設定され、ディスクリミネータＤは、そのインピーダンスが１ｋΩとなるところをｆｏとしている。この実施例では、ｆｏを１０．７ＭＨｚとした。
図４の（ｂ）は出力電圧Ｅｏの位相変化を示す。図から明らかなように、ｆｏにおいて出力電圧Ｅｏが入力電圧Ｅｉよりも位相が９０°遅れて取り出されるよう設計されている。
【００２４】
上記圧電素子６を構成するＰＺＴの材料特性を次に示す。
共振周波数の温度特性ＦｒTC＝−９０ｐｐｍ／℃
反共振周波数の温度特性ＦａTC＝−２５ｐｐｍ／℃
容量の温度特性εTC＝＋２４３０ｐｐｍ／℃
比帯域幅Δｆ／ｆｏ＝１０％
ただし、ＦｒTC，ＦａTC，εTCおよびΔｆ／ｆｏは以下の計算式で、測定温度範囲を−２０℃〜＋８５℃とし、基準温度を＋２０℃として測定した。
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数
【００２５】
上記材料特性の値を(1) 式に代入し、中心周波数の温度係数ｆｏTCを求めると次のようになる。
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋Ｋ×εTC×（Δｆ／ｆｏ）
＝（−９０−２５）／２＋Ｋ×２４３０×０．１
となる。
インピーダンス値が１ｋΩと一致するところをｆｏとする圧電共振子の場合、Ｋ＝０．２２５であるから、ｆｏTC＝−２．８３ｐｐｍ／℃となる。
いま、中心周波数の温度係数の目標値α＝１８ｐｐｍ／℃とした場合、｜ｆｏTC｜＝２．８３ｐｐｍ／℃は目標値αよりかなり小さい。
完成品である図３のＦＭ検波用チップ型ディスクリミネータについて、その温度特性ｆｏTCを実際に測定したところ、約−３ｐｐｍ／℃となっており、温度特性が非常に良好なものとなっている。
【００２６】
図５は図３に示した本発明品の−３０℃，２０℃，８５℃におけるインピーダンス特性図および位相特性図である。
また、図６は従来品の−３０℃，２０℃，８５℃におけるインピーダンス特性図および位相特性図である。従来品とは、例えば実開昭６１−１３６６３０号公報に開示されたような公知の積層接着構造のチップ型圧電共振子であり、ここでは圧電素子の振動モードとして厚み縦振動モードを用いた。
図６に示すように、従来品では温度変化により、インピーダンスＺ＝１ｋΩとなる周波数が変化していることがわかる。これがｆｏTCを大きくしている要因である。これに対し、本発明品では、図５に示すように温度変化によってもＺ＝１ｋΩとなる周波数は殆ど変化していない。
【００２７】
図７の（ａ）は図５に示す本発明品の温度特性ｆｏTCを示し、（ｂ）は図６に示す従来品の温度特性ｆｏTCを示す。
図７から明らかなように、従来品では温度上昇に伴ってｆｏTCが大きく変化していることがわかる。これに対し、本発明品では温度が１０５℃まで上昇してもｆｏTCが殆ど変化しておらず、温度特性が非常に良好である。
【００２８】
図８は本発明にかかる圧電共振子の第２実施例を示す。
この圧電共振子は、樹脂封止形のリード付き圧電共振子であり、第１実施例と同じくＦＭ検波用ディスクリミネータとして用いられる。
圧電共振子は、ｆｏ＝１０．７ＭＨｚの短冊形の厚みすべり振動モードの圧電素子１０を備えている。圧電素子１０の表裏面中央部には振動電極１０ａ，１０ｂが形成され、両端部には端子電極１０ｃ，１０ｄが形成され、これら端子電極１０ｃ，１０ｄにリード端子１１，１２が半田付け１３されている。なお、一方のリード端子１１は圧電素子１０の裏面側から表面側へ折り返されている。圧電素子１０の振動電極１０ａ，１０ｂの周囲はシリコーンゴムよりなる弾性材１４で覆われており、圧電素子１０の周囲全体がエポキシ樹脂よりなる外装樹脂１５で覆われている。さらに、その周囲が、透明なエポキシ樹脂よりなる表皮樹脂１６で覆われている。
【００２９】
上記圧電素子１０を構成するＰＺＴの材料特性を次に示す。
共振周波数の温度特性ＦｒTC＝−９０ｐｐｍ／℃
反共振周波数の温度特性ＦａTC＝−２５ｐｐｍ／℃
容量の温度特性εTC＝＋２４３０ｐｐｍ／℃
比帯域幅Δｆ／ｆｏ＝１０％
また、実験により、外装樹脂１４，１５，１６の締付応力によるＲｆｏTCを求めたところ、＋１５ｐｐｍ／℃程度であった。
なお、ＦｒTC，ＦａTC，εTCおよびΔｆ／ｆｏの計算方法は、第１実施例と同様である。
【００３０】
ここで、上記材料特性の値を(2) 式にあてはめ、中心周波数の温度係数ｆｏTCを求めた。但し、係数Ｋ＝０．２２５とした。
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋0.225 ×εTC×（Δｆ／ｆｏ）＋ＲｆｏTC
＝（−９０−２５）／２＋0.225 ×２４３０×０．１＋１５
＝１２．１７ｐｐｍ／℃
中心周波数の温度係数の目標値α＝１８ｐｐｍ／℃とすると、｜ｆｏTC｜＝１２．１７ｐｐｍ／℃は目標値αより十分に小さい。
図８のＦＭ検波用チップ型ディスクリミネータについて、その温度特性ｆｏTCを実際に測定したところ、完成品のｆｏTCは約＋１２ｐｐｍ／℃となっており、上記計算式と非常によく一致している。
そして、上記材料を用いてディスクリミネータを製作すれば、極めて温度特性のよいディスクリミネータを得ることができる。
【００３１】
上記実施例では、本発明にかかる圧電共振子をＦＭ検波用ディスクリミネータに適用した例について説明したが、これに限らず、ＦｒとＦａとの中点を利用した圧電共振子、例えばＦｒとＦａとの中点を発振ポイントとする発振子にも同様に適用できる。
また、本発明の圧電共振子の封止構造は、図３のようなキャップ封止構造や、図８のような樹脂封止構造に限らず、従来品と同様な積層接着構造であってもよい。この場合には、外装樹脂を使用していないので、(1) 式を用いてｆｏTCを計算できる。
さらに、本発明の圧電共振子の振動モードは厚みすべり振動モードに限らず、厚み縦振動モードであってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、圧電材料の容量の温度特性、比帯域幅、共振周波数の温度特性、反共振周波数の温度特性がわかれば、圧電共振子の中心周波数の温度特性ｆｏ TC を (1) 式を用いて簡単に求めることができるので、回路の設計が容易になる。
【００３３】
また、請求項２に係る発明では、外装樹脂の温度特性による影響を考慮した中心周波数の温度特性ｆｏ TC を (2) 式を用いて求めることができ、樹脂封止型の圧電共振子であっても、その温度特性ｆｏ TC を簡単に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための周波数−インピーダンス特性図である。
【図２】本発明に係る計算式を求めるための特性図である。
【図３】本発明に係る圧電共振子の第１実施例の分解斜視図である。
【図４】ブリッジ回路を構成した移相器の回路図およびその位相特性図である。
【図５】図３に示す圧電共振子のインピーダンス特性図および位相特性図である。
【図６】従来例の圧電共振子のインピーダンス特性図および位相特性図である。
【図７】本発明品の温度特性図および従来品の温度特性図である。
【図８】本発明に係る圧電共振子の第２実施例の正面断面図および側面断面図である。
【符号の説明】
Ｄ 圧電共振子（ディスクリミネータ）
１ 基板
６ 圧電素子
９ キャップ
Claims (3)
- 圧電材料の容量の温度特性をεTC、比帯域幅をΔｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性をＦｒTC、反共振周波数の温度特性をＦａTCとしたとき、中心周波数の温度特性ｆｏTCを次の近似式により求めることを特徴とする圧電共振子の温度特性演算方法。
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋Ｋ×εTC×（Δｆ／ｆｏ）・・・(1)
ただし、Ｋ＝ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数 - 外装樹脂によって封止された圧電共振子であって、圧電材料の容量の温度特性をεTC、比帯域幅をΔｆ／ｆｏ、共振周波数の温度特性をＦｒTC、反共振周波数の温度特性をＦａTC、外装樹脂の応力による中心周波数の温度特性をＲｆｏTCとしたとき、中心周波数の温度特性ｆｏTCを次の近似式により求めることを特徴とする圧電共振子の温度特性演算方法。
ｆｏTC＝（ＦｒTC＋ＦａTC）／２＋Ｋ×εTC×（Δｆ／ｆｏ）＋ＲｆｏTC・・・(2)
ただし、Ｋ＝ＦｒとＦａの中点におけるインピーダンスにより決まる係数
εTC＝Ａ×(測定温度範囲内における容量変化幅)/(基準温度時の容量×測定温度範囲)
Δｆ／ｆｏ＝(基準温度時のＦａ−基準温度時のＦｒ)/(基準温度時のｆｏ)
ＦｒTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦｒ変化幅)/(基準温度時のＦｒ×測定温度範囲)
ＦａTC＝Ａ×(測定温度範囲内におけるＦａ変化幅)/(基準温度時のＦａ×測定温度範囲)
Ａ＝温度特性が正傾向のとき＋１、負傾向のとき−１となる係数 - 上記Ｋ＝０．２２５としたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電共振子の温度特性演算方法。
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