JP4989253B2

JP4989253B2 - 水晶振動子の周波数調整装置及び水晶振動子の周波数調整方法

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Publication number: JP4989253B2
Application number: JP2007038890A
Authority: JP
Inventors: 弘之相馬; 政良白石; 盛吾福地; 敏志清水; 勝松山; 純也福田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: JP2008205764A

Description

本発明は、水晶振動子の周波数調整装置及び水晶振動子の周波数調整方法に係り、特に音叉型水晶振動子の組立工程における周波数（負荷時直列共振周波数）を最終的に調整する所謂、微調整工程での水晶振動子の周波数調整を行うのに使用する水晶振動子の周波数調整装置及び水晶振動子の周波数調整方法に関する。

水晶振動子は、振動体を保持容器内に封止した構造を有し、共振周波数近傍の周波数で振動する状態では、周知のように図１４に示す等価回路で表される。同図において、Ｒ１は等価直列抵抗、Ｃ１は、等価直列容量、Ｌ１は等価直列インダクタンス、Ｃ０は等価直列抵抗Ｒ１、等価直列容量Ｃ１及び等価直列インダクタンスＬ１の直列回路に並列接続された、電極間容量と保持器の容量との合成容量である。

ここで、水晶振動子の負荷容量について簡単に説明しておく。水晶振動子を動作させる場合には発振回路に接続する。水晶振動子を発振回路に接続した状態を等価的に示すと図１５のようになる。即ち図１５に示すように、水晶振動子Ｘ１側から見た発振回路側は、等価入力容量Ｃiと等価入力抵抗−Ｒiとの直列回路で表現できる。
また、水晶振動子Ｘ１側は、等価的に実効インダクタンスＬeと実効抵抗Ｒeとの直列回路で表現できる。図１５の左側に示した図と右側に示した図は等価であり、等価入力抵抗−Ｒiは負性抵抗であり、等価入力容量Ｃiは、負荷容量であり、これをＣＬと記すことにする。すなわち、負荷容量ＣＬとは、水晶振動子を使用した発振回路において、水晶振動子から発振回路側を見た実効的な外部容量である。

従来の水晶振動子の周波数の最終調整（いわゆる、微調整）は、水晶振動子の組立工程において、振動片を保持器に接続した後、その保持器にキャップを圧入する前に実施する方法が慣用されている。

図１６に従来の水晶振動子の周波数調整装置の構成を示す。同図において、周水晶振動子の周波数調整装置は、調整対象である水晶振動子１０１−１、１０１−２、…、１０１−nが収容されている室内が真空状態の調整室（真空チャンバー）１００と、複数の水晶振動子１０１−１、１０１−２、…、１０１−nが、それぞれ、調整室１００外においてケーブル１５０−１、１５０−２、…、１５０−ｎを介して接続される複数の発振回路１１１−１、１１１−２、…、１１１−ｎが組み込まれた計測基板１１０₁、１１０₂、…、１１０_nと、計測基板１１０₁、１１０₂、…、１１０_nから出力される発振回路出力を取り込み、選択的に出力するスイッチ１２１−１、１２１−２、…、１２１−ｎを有する切替回路１２０と、切替回路１２０から出力される発振回路出力を取り込み、発振周波数を計測する周波数カウンタ１３０とを有している。

複数の水晶振動子１０１−１、１０１−２、…、１０１−ｎの各々の一端と、対応する複数の発振回路１１１−１、１１１−２、…、１１１−ｎの各々の一方の入力端との間には負荷容量ＣＬ１、ＣＬ２、…、ＣＬｎが接続されている。これらの負荷容量ＣＬ１、ＣＬ２、…、ＣＬｎは、調整室１００内に収容されている。

上記構成において、真空状態の調整室１００内に、負荷容量ＣＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）を備えた発振回路１１１−１〜１１１−ｎにより発振させ、各発振回路の発振出力を切替回路１２０により選択的に取り込み、周波数カウンタ１３０により発振周波数を計測する。周波数カウンタ１３０で発振周波数をモニタしながら、調整室内に収容された調整対象となっている水晶振動子の微調整領域の重りをレーザで蒸発させて発振周波数（負荷時直列共振周波数ＦＬ）が目標周波数となるように調整している（特許文献１、２）。
特開２００３−６０４７０号公報特開２００３−１３３８７９号公報

しかしながら、多数の発振回路の各々に対応して水晶振動子に接続される負荷容量は、顧客毎に異なるために、周波数調整時に水晶振動子に接続された状態で調整室に収容されている負荷容量を変更するのに手間を要し、水晶振動子の効率的な生産を行うことができないという問題が有った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、負荷容量を交換することなく、周波数の微調整をすることができる水晶振動子の周波数調整装置及び水晶振動子の周波数調整方法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発明の水晶振動子の周波数調整装置は、調整対象である複数の水晶振動子が収容されている調整室と、複数の水晶振動子が、それぞれ、ケーブルを介して接続される複数の発振回路と、前記複数の発振回路の発振出力を取り込み、選択的に出力する切替回路と、前記切替回路から出力される発振回路出力を取り込み、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）を計測する周波数計測手段と、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定し、前記周波数計測手段の出力を取り込み、計測された調整対象の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子の周波数微調整領域の加工を指示する制御手段と、前記制御手段の制御出力に基づいて前記調整対象の水晶振動子を加工する加工手段とを有することを特徴とする。

上記構成からなる本発明の水晶振動子の周波数調整装置では、調整室内に収容された調整対象である複数の水晶振動子の各々が対応する、複数の発振回路の各々に接続され、これらの発振回路の出力が切替回路により選択的に出力され、これらの発振出力から周波数計測手段により負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が計測される。
制御手段により、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲が予め設定され、前記周波数計測手段の出力に基づいて計測された調整対象の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子の周波数微調整領域の加工を指示が出され、加工手段により制御手段の制御出力に基づいて前記調整対象の水晶振動子を加工する。
これにより、従来のように負荷容量を交換することなく、負荷時直列共振周波数の微調整を行うことができ、水晶振動子の効率的な生産が可能となる。

また、本発明の水晶振動子の周波数調整装置は、前記制御手段は、複数の水晶振動子のサンプルを計測対象として前記複数の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）及び水晶振動子の電極間容量と保持器の容量との合成容量である並列容量Ｃ０を測定し、かつ前記複数の水晶振動子に基準の負荷容量ＣＬｎを接続して各水晶振動子の負荷時直列共振周波数（ＦＬ）を測定するとともに、上記測定結果から次式

により前記複数の水晶振動子の各々について直列等価容量Ｃ１を算出し、該算出された直列等価容量Ｃ１と、上記測定された並列容量Ｃ０とから、水晶振動子の直列等価容量Ｃ１、並列容量Ｃ０の平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）を算出し、該算出された平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）と、所望の負荷容量ＣＬ＊を接続したときに測定して得られる負荷時直列共振周波数（ＦＬ）から前記目標周波数Ｆｒ＊を次式

により算出することを特徴とする。

上記構成からなる本発明の水晶振動子の周波数調整装置では、複数の水晶振動子のサンプルを計測対象として前記複数の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）及び水晶振動子の電極間容量と保持器の容量との合成容量である並列容量Ｃ０を測定し、かつ前記複数の水晶振動子に基準の負荷容量ＣＬｎを接続して各水晶振動子の負荷時直列共振周波数（ＦＬ）を測定するとともに、上記測定結果から次式

により算出する.
これにより、所望の負荷容量を水晶振動子に接続した際の無負荷時直列共振周波数（目標周波数）Ｆｒ＊を算出することにより、水晶振動子の周波数調整範囲である、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定することができる。

また、本発明の水晶振動子の周波数調整方法は、調整対象である複数の水晶振動子が、それぞれ、ケーブルを介して接続された複数の発振回路の発振出力を取り込み、切替回路により選択的に出力する第１のステップと、
前記切替回路から出力される発振回路出力を取り込み、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）を周波数計測手段により計測する第２のステップと、
制御手段により、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定し、かつ前記周波数計測手段の出力を取り込み、計測された調整対象の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子の周波数微調整領域の加工を指示する第３のステップと、
前記制御手段の制御出力に基づいて加工手段により前記調整対象の水晶振動子を加工する第４のステップと、
を有することを特徴とする。

上記ステップからなる本発明の水晶振動子の周波数調整方法では、調整対象である複数の水晶振動子が、それぞれ、ケーブルを介して接続された複数の発振回路の発振出力が取り込まれ、切替回路により選択的に出力される。
また、前記切替回路から出力される発振回路出力が取り込まれ、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が周波数計測手段により計測される。
制御手段により、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲が予め設定され、制御手段は、前記周波数計測手段の出力を取り込み、計測された調整対象の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子の周波数微調整領域の加工を指示し、加工手段は、前記制御手段の制御出力に基づいて前記調整対象の水晶振動子を加工する。
これにより、従来のように負荷容量を交換することなく、負荷時直列共振周波数の微調整を行うことができ、水晶振動子の効率的な生産が可能となる。

また、本発明の水晶振動子の周波数調整方法は、複数の水晶振動子のサンプルを計測対象として前記複数の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）及び水晶振動子の電極間容量と保持器の容量との合成容量である並列容量Ｃ０を測定する第５のステップと、
前記複数の水晶振動子に基準の負荷容量ＣＬｎを接続して各水晶振動子の負荷時直列共振周波数（ＦＬ）を測定する第６のステップと、
前記第５、第６のステップにおける測定結果から次式

により前記複数の水晶振動子の各々について直列等価容量Ｃ１を算出する第７のステップと、
前記第７のステップにおいて算出された直列等価容量Ｃ１と、前記第５のステップにおいて測定された並列容量Ｃ０とから、水晶振動子の直列等価容量Ｃ１、並列容量Ｃ０の平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）を算出する第８のステップと、
前記第８のステップで算出された平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）と、所望の負荷容量ＣＬ＊を接続したときに測定して得られる負荷時直列共振周波数（ＦＬ）とから前記目標周波数Ｆｒ＊を次式

により算出する第９のステップと、
を有することを特徴とする。

上記ステップからなる本発明の水晶振動子の周波数調整方法では、複数の水晶振動子のサンプルを計測対象として前記複数の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）及び水晶振動子の電極間容量と保持器の容量との合成容量である並列容量Ｃ０を測定し、かつ前記複数の水晶振動子に基準の負荷容量ＣＬｎを接続して各水晶振動子の負荷時直列共振周波数（ＦＬ）を測定するとともに、上記測定結果から次式

により算出する。
これにより、所望の負荷容量を水晶振動子に接続した際の無負荷時直列共振周波数（目標周波数）Ｆｒ＊を算出することにより、水晶振動子の周波数調整範囲である、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定することができる。

以上説明したように、本発明によれば、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定し、調整対象の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子の周波数微調整領域の加工を行うようにしたので、従来のように負荷容量を交換することなく、負荷時直列共振周波数の微調整を行うことができ、水晶振動子の効率的な生産が可能となる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置の構成を図１に示す。同図において、本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置は、調整対象である水晶振動子１０−１、１０−２、…、１０−nが収容されている室内が真空状態の調整室（真空チャンバー）１と、複数の水晶振動子１０−１、１０−２、…、１０−nが、それぞれ、調整室１外においてケーブル５０−１、５０−２、…、５０−ｎを介して接続される複数の発振回路２０−１、２０−２、…、２０−ｎが組み込まれた計測基板２₁、２₂、…、２_nと、計測基板２₁、２₂、…、２_nから出力される発振回路出力を取り込み、選択的に出力するスイッチ３０−１、３０−２、…、３０−ｎを有する切替回路３と、切替回路３から出力される発振回路出力を取り込み、各発振回路２０−１、２０−２、…、２０−ｎの発振周波数を計測する周波数カウンタ４と、水晶振動子の周波数調整を行うための加工を行う加工装置５と、各部を制御する制御部６とを有している。

切替回路３は、スイッチ３０−１、３０−２、…、３０−ｎを有しており、制御部６の制御により、発振回路２０−１、２０−２、…、２０−ｎの出力が順次、時分割的に周波数カウンタ４に取り込まれるようになっている。
加工装置５は、例えば、レーザ加工装置であり、レーザ加工装置を構成するレーザ発振器のレーザ種としては、例えば、ＹＡＧレーザが使用される。

加工装置５は、図２に示すように、レーザ発振器（図示せず）から出射するレーザビーム２１０をセラミックパッケージに収納された水晶振動子２００の周波数微調整領域２０１に照射して周波数微調整領域２０１に形成されている重りを部分的に蒸発させる。これにより水晶振動子の直列共振周波数の周波数調整を行う。

また、加工装置５は、レーザ加工装置以外の手段としては、例えば、アルゴン等のイオンを照射するイオン照射装置を使用することができる。例えば、図３に示すように、アルゴン等のイオン流３１０をセラミックパッケージに収納された水晶振動子３００の片面に窓の開いた３０１に照射して周波数微調整領域３０１を薄く削って周波数調整を行う。図３（Ａ）は、セラミックパッケージに収納された水晶振動子の周波数微調整領域にイオン照射している状態を示す説明図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＸ−Ｘ切断線による断面図である。

制御部６は、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定し、周波数カウンタ４の出力を取り込み、計測された調整対象の水晶振動子１０−１、１０−２、…、１０−nの無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子１０−１、１０−２、…、１０−nの周波数微調整領域の加工を加工装置５に指示する機能を有している。なお、周波数カウンタ４は本発明の周波数計測手段に、加工装置５は本発明の加工手段に、制御部６は本発明の制御手段にそれぞれ相当する。

本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置では、複数の水晶振動子１０−１、１０−２、…、１０−ｎの各々の一端と、対応する複数の発振回路２０−１、２０−２、…、２０−ｎの各々の一方の入力端との間には負荷容量は接続されていない。すなわち、本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置では、水晶振動子に容量負荷を接続しない状態の直列共振周波数（無負荷時直列共振周波数）を測定し、検出された無負荷時直列共振周波数が、所望の負荷時直列共振周波数の調整範囲に相当する無負荷時直列共振周波数の調整範囲に入るように調整する。

上記構成からなる本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置の動作を、図４及び図７に示すフローチャートに基づいて説明する。図４は、所望の（必要な）負荷容量を水晶振動子に接続した場合における負荷時直列共振周波数ＦＬと一定の関係にある無負荷時直列共振周波数Ｆｒ＊の値を予め求める処理を示している。

図４において、まず水晶振動子の無負荷時直列共振周波数Ｆｒ及び水晶振動子の等価回路における並列容量Ｃ０を測定する（ステップ４００）。
基準とする負荷容量（以下、基準負荷容量と記す。）ＣＬｎをＣＬｎ＝１２．５ｐＦとし、この基準負荷容量を、振動片がウェハに接続されている水晶振動子に接続した状態で直列共振周波数の粗調整をし、この調整後にケースを圧入して水晶振動子として完成させる。次いで、完成した複数個（例えば、ｋ個）の水晶振動子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｋについて、インピーダンスアナライザを用いて、無負荷時直列共振周波数Ｆｒ及び並列容量Ｃ０を測定する。
なお、並列容量Ｃ０は、保持容器との間で形成される容量を含むから水晶振動子を完成体で計測する必要が有る。

次に、インピーダンスアナライザを用いて、先のｋ個の水晶振動子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｋのサンプルについて基準負荷容量ＣＬｎ＝１２．５ｐＦを測定治具を用いて接続し、負荷時直列共振周波数ＦＬを測定する（ステップ４０１）。
さらに、ステップ４０２では、ステップ４００、４０１で求めた水晶振動子の無負荷時直列共振周波数Ｆｒ及び水晶振動子の等価回路における並列容量Ｃ０並びに、負荷時直列共振周波数ＦＬは、次式（９）に従うとして、水晶振動子の直列等価容量Ｃ１を算出する。

因みに、上式（９）の導出過程について説明する。既述した図１４に示す水晶振動子の等価回路において、直列共振回路の共振周波数ｆｒは、次式で表される。

また、図１４に示す水晶振動子の等価回路において、並列共振周波数ｆａは、次式で表される

一方、負荷容量ＣＬを水晶振動子に接続した場合は、図５（Ａ）のようになる。しかし、実用的な範囲では、制御部６では、図５（Ｂ）に示すように負荷容量が水晶振動子に対し、並列接続されたものとして近似してもさしつかえないとされる。
したがって、式（１１）において、Ｃ０の代わりに、Ｃ０＋ＣＬで置き換えて式を変形すると、次式が得られる。

すなわち、式（９）が導出される。
上式（９）により、ｋ個の水晶振動子Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｋのサンプルの直列等価容量Ｃ１を算出する。このようにして得られたｋ個の並列容量Ｃ０及び直列等価容量Ｃ１の値から並列容量Ｃ０及び直列等価容量Ｃ１の平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）を算出する。

次いで、ステップ４０２で算出した並列容量Ｃ０、直列等価容量Ｃ１の平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）及び負荷時直列共振周波数ＦＬから必要な負荷容量値ＣＬ＊を接続した場合における無負荷時直列共振周波数Ｆｒ＊を算出する（ステップ４０３）。例えば、４ｐＦの負荷容量ＣＬを水晶振動子に接続した場合における負荷時直列共振周波数ＦＬがFL＝３２７６８Hzの場合には、式（９）より無負荷時直列共振周波数Ｆｒ＊の値が求められる。具体的には、Ｃ１（ａ）＝０．００１９７８ｐＦ、Ｃ０（ａ）＝０．８５７ｐＦとし、式（９）に代入すると、Ｆｒ＊＝３２７６１．３３（Hz）となる。
さらに、べつの所望の負荷容量ＣＬ＊を水晶振動子に接続した場合における無負荷時直列共振周波数Ｆｒ＊についても同様に求めることができる。このようにして算出した所望の負荷容量ＣＬ＊に対する無負荷時直列共振周波数Ｆｒ＊の一例を図５に示す。このような所望の負荷容量ＣＬ＊に対する無負荷時直列共振周波数Ｆｒ＊の値を示すデータを図１に示す制御部６内のメモリにテーブルとして記憶させておく。

このような状態下において、制御部６は、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を設定する（ステップ５００）。すなわち、目標周波数Ｆｒ＊に対し例えば、公差を考慮してＦｒ＊±２０ｐｐｍに設定される。
次いで、調整対象となる所定数（Ｋ＝ｎ個）の水晶振動子を調整室１内にセットし、水晶振動子の個数を計数するカウンタＫの計数値ＫをＫ＝１にする（ステップ５０１）。

更に、ステップ５０２では、Ｋ番目の水晶振動子のサンプルの無負荷時直列共振周波数Ｆｒを周波数カウンタ４により測定し、測定された無負荷時直列共振周波数Ｆｒが無負荷時直列共振周波数Ｆｒの目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲になるまで、制御部６の制御下に加工装置５は、調整対象となっている水晶振動子の周波数微調整領域の加工を続行する（ステップ５０３）。

次いで、周波数カウンタ４により測定された、調整対象となっている水晶振動子の無負荷時直列共振周波数Ｆｒが目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲になったか否かが判定される（ステップ５０４）。ステップ５０４の判定が否定された場合には、ステップ５０３に戻り、加工装置５は、調整対象となっている水晶振動子の周波数微調整領域の加工を続行する。

ステップ５０４の判定が肯定された場合には、水晶振動子の個数を計数するカウンタＫの計数値Ｋを＋１インクリメントし（ステップ５０５）、所定数（Ｋ＝ｎ個）の水晶振動子のサンプルの加工を終了したか否か、すなわち、周波数調整を終了したか否かが判定される（ステップ５０６）。ステップ５０６の判定が否定された場合には、ステップ５０２に戻り、ステップ５０２〜５０５まで既述した処理を繰り返す。ステップ５０６の判定が肯定された場合、すなわち、所定数（Ｋ＝ｎ個）の水晶振動子のサンプルの周波数調整を終了した判定された場合には、この処理を終了する。

上記処理を複数の所望の（必要な）値の負荷容量ＣＬ＊（例えば、ＣＬ＊＝３ｐＦ，４ｐＦ，６ｐＦ，７．５ｐＦ，１２．５ｐＦ，２０ｐＦ）について、それぞれ、１ロットずつ、製造する場合には、それぞれ、各負荷容量ＣＬ＊に対応する目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を設定して実行することにより、水晶振動子の負荷時直列共振周波数の周波数微調整を間接的に行うことができる。
すなわち、所望の負荷容量ＣＬ＊を接続して使用する水晶振動子の直列共振周波数を、負荷容量を接続せずに、負荷時直列共振周波数の微調整を行うことができ、水晶振動子の効率的な生産が可能となる。

従来技術では、所望の負荷容量ＣＬ＊の容量値が替わる毎に調整室内で水晶振動子に接続される負荷容量を交換する必要が有った。実際の水晶振動子の負荷時直列共振周波数の微調整においては、調整室内に、数十個の水晶振動子を収容して、時分割処理して周波数の微調整を行うため、調整対象となる水晶振動子の数だけ負荷容量を用意する必要が有る。これらの数の負荷容量を、負荷容量の容量値を変更する毎に交換するため、非常に非効率的であった。
本発明では、負荷時直列共振周波数と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数の目標周波数Ｆｒ＊を図４に示す処理により、予め算出しておくことにより、制御部６により実行される制御プログラムの目標値（無負荷時直列共振周波数の目標周波数Ｆｒ＊）のみを入力することにより、水晶振動子の負荷時直列共振周波数の周波数微調整を実施することができる。

本発明の実施形態に係る周波数調整装置により最終的に周波数の微調整を行い、完成した水晶振動子のサンプルに対し、所望の負荷容量ＣＬ＊の一例としてＣＬ＊＝４ｐＦを接続してネットワークアナライザで負荷時直列共振周波数ＦＬを測定した結果を図８に示す。図８は複数の水晶振動子のサンプルについて負荷時直列共振周波数ＦＬを測定し、３２．７６８KHｚからの偏差を求めて、その分布を示した図である。全てのサンプルについて負荷時直列共振周波数ＦＬの標準偏差は、±２０ｐｐｍ以内に収まっており、このような小さい容量値の負荷容量の場合においても、負荷時直列共振周波数ＦＬの値は、大きくばらつくことなく求められる。
尚、上述の実施形態においては、発振回路を調整室外に設置した例で説明したが、発振回路が調整室内に設置されてもよいことは明白である。

本発明の効果について、更に検討する。本発明では、水晶振動子の無負荷時直列共振周波数Ｆｒを測定し、その測定値を所要の範囲内に収まるように周波数調整を行っているが、この手法は、調整対象となるロットの水晶振動子の特性は、一定の範囲に加工されていることが前提となっている。

すなわち、完成品にした場合に測定される等価直列容量Ｃ１と並列容量Ｃ０の値は、定められる工程の作業標準に従って製造された場合には、大きくばらつくことはないとの前提で考えられている。仮に、等価直列容量Ｃ１や並列容量Ｃ０の値が大きく異なったものであったとしてもそれは極僅かであり、工程の異常や、作業のミスなどによって発生したものであり、製造の歩留まりに大きく影響しないとしている。

図９に、負荷時直列共振周波数ＦＬの値と外観の相異による各種の水晶振動子のサンプルの等価直列容量Ｃ１、並列容量Ｃ０及び容量比Ｃ０／Ｃ１（＝γ）の平均値と標準偏差（図では偏差と略記している。）との関係を示す。同図において、（ａ）〜（ｅ）は、１．２ｍｍのシリンダパッケージ型の音叉型水晶振動子である。（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、発振周波数が異なる。音叉腕の長さが異なり、発振周波数が高くなるに従って、振動腕の長さが短くなり、並列容量Ｃ０及び等価直列容量Ｃ１の値も小さくなっていく。容量比γ自体の値は増加している。

（ｅ）の水晶振動子は、（ａ）のシリンダ型パッケージの水晶振動子をエポキシ樹脂でモールドした表面実装型の水晶振動子である。もとのシリンダ型パッケージのアウターリード部を更に外部電極端子をなすリードフレームに接続した構造をしており、（ａ）の水晶振動子に比較して、並列容量Ｃ０及び等価直列容量Ｃ１の値の標準偏差がやや大きくなるが、容量比γの値はあまり変化せず、かつ標準偏差自体も（ａ）の水晶振動子の場合と同様であり、ばらつきは少ない。

図９の（ｆ）の水晶振動子は、２ｍｍのシリンダパッケージ型の音叉型水晶振動子の例であるが、（ａ）〜（ｅ）の水晶振動子と異なり、故意に振動片の外形寸法を精度悪く製作したものであり、並列容量Ｃ０及び等価直列容量Ｃ１の値の標準偏差が大きい。図９から明らかなように、（ａ）の水晶振動子に比して並列容量Ｃ０及び等価直列容量Ｃ１の値の標準偏差は、１０倍以上の値となっている。また、容量比γの標準偏差も大きい。
ところで、負荷時直列共振周波数ＦＬと無負荷時直列共振周波数Ｆｒとの関係は既述したように、次式で表された。

ここで負荷時直列共振周波数ＦＬと無負荷時直列共振周波数Ｆｒとの差を無負荷時直列共振周波数Ｆｒで除した値（以下、負荷時周波数オフセット量と記す。）ＤＬを導入して、等価定数（Ｃ０、Ｃ１）との関係を考察する。Ｃ１≪Ｃ０＋ＣＬとすると、負荷時周波数オフセット量ＤＬは、

となる。上式（１４）は、ある特定の並列容量Ｃ０及び等価直列容量Ｃ１を有する１つの水晶振動子の負荷容量に対する関係を示す式であり、負荷時周波数オフセット量ＤＬの負荷容量ＣＬ依存性を示している。この負荷時周波数オフセット量ＤＬの負荷容量ＣＬ依存性を示す特性曲線は、ＣＬ曲線と呼ばれ、模式的に図１０に示す。式（１４）において、負荷容量ＣＬが無限大に大きくなるときは、右辺の分母は無限大になり、従って、右辺は０に近づく。このときは、ＤＬ＝０である。
一方、負荷容量ＣＬが小さくなり、数ｐＦの値に近づくと、負荷時周波数オフセット量ＤＬの値は急激に増加して図１０に示す曲線を描くこととなる。

負荷時周波数オフセット量ＤＬと等価定数及び負荷容量ＣＬとの関係を大まかに示したのが、図１１である。図１１は、図９で示した等価定数を有する水晶振動子において、負荷容量ＣＬが４ｐＦと２０ｐＦの場合に負荷時周波数オフセット量ＤＬの値がどの程度のレンジ（幅）を持つのかを示している。負荷時周波数オフセット量ＤＬの値のレンジが狭い場合には、本発明による周波数調整装置（または周波数調整方法）で微調整した水晶振動子の周波数が狭い範囲に分布することを示し、逆に負荷時周波数オフセット量ＤＬの値のレンジが広い場合には、完成した水晶振動子の発振周波数が広くばらつくことを示している。

図１１では、大まかに見積もるために並列容量Ｃ０は、その平均値を採用し、容量比γの値は、容量比γの値の平均値に標準偏差の３倍の値を加算した値と、減算した値、即ち、（容量比γの平均値＋３σ）と（容量比γの平均値−３σ）の場合を採用した。負荷時周波数オフセット量ＤＬの最大値は、容量比γが（容量比γの平均値−３σ）の時に、負荷時周波数オフセット量ＤＬの最小値は、容量比γが（容量比γの平均値＋３σ）の時に与えられる。

図１１に示されるように、負荷容量ＣＬが大きい場合（ＣＬ＝２０ｐＦ）には、負荷時周波数オフセット量ＤＬのレンジは小さい。したがって、本発明の周波数調整装置（または周波数調整方法）による水晶振動子の直列共振周波数の微調整で周波数のばらつきの範囲は十分小さくできることを示している。

しかし、故意に精度が悪くなるように製作した結果、等価定数のばらつきの大きい（ｆ）の水晶振動子の場合には、負荷時周波数オフセット量ＤＬのレンジが大きく、１８．６ｐｐｍとなっている。したがって、仕上がりの公差を±１０ｐｐｍに設定した場合には、歩留まりが低下することが予想される。この場合には、負荷容量を接続して直列共振周波数を調整する従来方法を採用せざるを得ない。

負荷容量ＣＬが４ｐＦのように小さい値の場合は、（ａ）〜（ｅ）の水晶振動子では、負荷時周波数オフセット量ＤＬのレンジが約８〜１１ｐｐｍの範囲となる。これは、負荷容量ＣＬが、ＣＬ＝２０ｐＦの場合より周波数のばらつき範囲は拡大することを意味するが、公差が±２０ｐｐｍのような設定の場合は、十分に設定範囲内に調整可能であることを示している。
以上に説明した図１１の意味するところをＣＬ曲線で示すと、図１２及び図１３に示すようになる。図１２は、（ｅ）の水晶振動子の場合のＣＬ曲線であり、図１３は、（ｆ）の水晶振動子の場合のＣＬ曲線である。

本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置の構成を示すブロック図。図１に示した本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置における加工装置の一例を示す説明図。図１に示した本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置における加工装置の他の例を示す説明図。図１に示した本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置において、周波数調整時に必要な制御部内のメモリに予め格納される無負荷時共振周波数の目標周波数値のデータを取得する手順を示すフローチャート。負荷時直列共振周波数と無負荷時直列共振周波数との関係式の導出過程を説明するための図。図４に示した手順により取得した、水晶振動子に接続されるべき所望の負荷容量の容量値と、それに対応する無負荷時直列共振周波数の目標周波数の値との関係を示すテーブルの内容を示す図。図１に示した本発明の実施形態に係る水晶振動子の周波数調整装置の動作を示すフローチャート。複数の水晶振動子のサンプルについて負荷時直列共振周波数ＦＬを測定し、その測定値の平均値から、標準偏差を求めてその分布を示した図。負荷時直列共振周波数ＦＬの値と外観の相異による各種の水晶振動子のサンプルの等価直列容量Ｃ１、並列容量Ｃ０及び容量比Ｃ０／Ｃ１の平均値と標準偏差との関係を示す図。水晶振動子の負荷時周波数オフセット量ＤＬの負荷容量ＣＬ依存性を示すＣＬ曲線を模式的に示した図。図９で示した等価定数を有する水晶振動子において、負荷容量ＣＬが４ｐＦと２０ｐＦの場合に負荷時周波数オフセット量ＤＬの値がどの程度のレンジ（幅）を持つのかを示す図。図１１に示したデータに基づいて特定の水晶振動子の場合のＣＬ曲線を示した図。図１１に示したデータに基づいて他の水晶振動子の場合のＣＬ曲線を示した図。水晶振動子の等価回路を示す図。水晶振動子を発振回路に接続した状態を等価的に示した説明図。従来の水晶振動子の周波数調整装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…調整室
２₁、２₂、…、２_n…計測基板
３…切替回路
４…周波数カウンタ
５…加工装置
６…制御部

Claims

調整対象である複数の水晶振動子が収容されている調整室と、
複数の水晶振動子が、それぞれ、ケーブルを介して接続される複数の発振回路と、
前記複数の発振回路の発振出力を取り込み、選択的に出力する切替回路と、
前記切替回路から出力される発振回路出力を取り込み、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）を計測する周波数計測手段と、
負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定し、前記周波数計測手段の出力を取り込み、計測された調整対象の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子の周波数微調整領域の加工を指示する制御手段と、
前記制御手段の制御出力に基づいて前記調整対象の水晶振動子を加工する加工手段と、
を有することを特徴とする水晶振動子の周波数調整装置。
前記制御手段は、
複数の水晶振動子のサンプルを計測対象として前記複数の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）及び水晶振動子の電極間容量と保持器の容量との合成容量である並列容量Ｃ０を測定し、かつ前記複数の水晶振動子に基準の負荷容量ＣＬｎを接続して各水晶振動子の負荷時直列共振周波数（ＦＬ）を測定するとともに、上記測定結果から次式

により前記複数の水晶振動子の各々について直列等価容量Ｃ１を算出し、該算出された直列等価容量Ｃ１と、上記測定された並列容量Ｃ０とから、水晶振動子の直列等価容量Ｃ１、並列容量Ｃ０の平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）を算出し、該算出された平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）と、所望の負荷容量ＣＬ＊を接続したときに測定して得られる負荷時直列共振周波数（ＦＬ）から前記目標周波数Ｆｒ＊を次式

により算出することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の周波数調整装置。
調整対象である複数の水晶振動子が、それぞれ、ケーブルを介して接続された複数の発振回路の発振出力を取り込み、切替回路により選択的に出力する第１のステップと、
前記切替回路から出力される発振回路出力を取り込み、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）を周波数計測手段により計測する第２のステップと、
制御手段により、負荷時直列共振周波数（ＦＬ）と一定の関係にある無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）の目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲を予め設定し、かつ前記周波数計測手段の出力を取り込み、計測された調整対象の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）が目標周波数Ｆｒ＊を含む所定の周波数範囲内となるように、調整対象の水晶振動子の周波数微調整領域の加工を指示する第３のステップと、
前記制御手段の制御出力に基づいて加工手段により前記調整対象の水晶振動子を加工する第４のステップと、
を有することを特徴とする水晶振動子の周波数調整方法。
複数の水晶振動子のサンプルを計測対象として前記複数の水晶振動子の無負荷時直列共振周波数（Ｆｒ）及び水晶振動子の電極間容量と保持器の容量との合成容量である並列容量Ｃ０を測定する第５のステップと、
前記複数の水晶振動子に基準の負荷容量ＣＬｎを接続して各水晶振動子の負荷時直列共振周波数（ＦＬ）を測定する第６のステップと、
前記第５、第６のステップにおける測定結果から次式

により前記複数の水晶振動子の各々について直列等価容量Ｃ１を算出する第７のステップと、
前記第７のステップにおいて算出された直列等価容量Ｃ１と、前記第５のステップにおいて測定された並列容量Ｃ０とから、水晶振動子の直列等価容量Ｃ１、並列容量Ｃ０の平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）を算出する第８のステップと、
前記第８のステップで算出された平均値Ｃ０（ａ），Ｃ１（ａ）と、所望の負荷容量ＣＬ＊を接続したときに測定して得られる負荷時直列共振周波数（ＦＬ）とから前記目標周波数Ｆｒ＊を次式

により算出する第９のステップと、
を有することを特徴とする請求項３に記載の水晶振動子の周波数調整方法。