JP5839219B2

JP5839219B2 - 圧電素子の強励振回路及び強励振方法

Info

Publication number: JP5839219B2
Application number: JP2011119026A
Authority: JP
Inventors: 白井　修; 修白井
Original assignee: 株式会社昭和真空
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2012249063A

Description

本発明は圧電素子の強励振回路及び強励振方法に関する。

圧電素子（例えば、水晶振動子）の製造では、周波数調整工程の前後に、圧電素子の励振電極を、通常使用する励振レベルよりも大幅に強く励振させて励振電極に付着した異物を除去する工程が含まれる（例えば、特許文献１参照）。強励振を行うには、圧電素子の共振周波数に一致する周波数を出力するシンセサイザ（例えば、特許文献２参照）や専用の発振回路が用いられている（例えば、特許文献３参照）。圧電素子の発振周波数には（周波数調整工程後であっても）ばらつきがあるため、単一の周波数を出力するシンセサイザによって複数の圧電素子を一工程で強励振させる場合は、シンセサイザの出力周波数を掃引する必要がある。また、専用の発振回路を用いる場合は、専用発振回路を圧電素子に対して一対一で設ける必要がある。

特開２０００−３５７９３５号公報特開昭５４−１２９８９８号公報特開２０１０−２４９７０８号公報

近年の圧電素子の小型化に伴い、一工程で強励振すべき圧電素子の数は増加する傾向にある。
ここで、シンセサイザの出力周波数を掃引する場合について、通常１つの圧電素子に対して数秒〜数十秒の強励振を行う必要があるが、複数の圧電素子のそれぞれの共振周波数（ばらつき）が異なるため、遅い掃引を行わなければ複数の圧電素子の全てを強励振することはできない。特に、一工程で強励振すべき圧電素子数が増えると、上記の掃引は全体として非常に時間がかかるものとなり、生産性が悪くなるという問題があった。

また、専用発振回路を用いる場合について、一工程で強励振すべき圧電素子の数が増えると、それに応じた数の専用発振回路を設ける必要が生じ、製造装置が大規模となる問題があった。

そこで、本発明は、複数の圧電素子を同時に強励振させることができ、また、圧電素子を順次接続して強励振させる場合についても、出力周波数の調整を接続毎に行うことなく強励振を行うことができる強励振回路及び強励振方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、並列接続された複数の圧電素子を同時に強励振させる強励振回路であって、複数の圧電素子の中心共振周波数付近の単一の周波数の第１の信号を発生する第１の信号発生器、所定の周波数範囲のホワイトノイズの第２の信号を発生する第２の信号発生器、第１の信号と第２の信号を乗算する乗算器、及び乗算器の出力を増幅して複数の圧電素子に印加する増幅器を備え、第１の信号の周波数をｆ１、第２の信号の周波数範囲をｆ２とするとき、複数の圧電素子の共振周波数は、ｆ１±ｆ２の範囲である強励振回路である。
複数の圧電素子は、行列状に配列されており、並列接続された１列分の複数の圧電素子に同時に増幅器の出力が印加されることができる。また、ｆ２は、行列状の列方向および行方向の複数の圧電素子間の共振周波数ばらつき量を含む周波数範囲であることができる。

本発明の第２の側面は、並列接続された複数の圧電素子を同時に強励振させる方法であって、第１の信号発生器によって、複数の圧電素子の中心共振周波数付近の単一の周波数の信号を第１の信号として出力するを発生するステップ、第２の信号発生器によって、所定の周波数範囲のホワイトノイズを第２の信号として出力するステップ、乗算器によって第１の信号と第２の信号を乗算するステップ、及び増幅器によって乗算器の出力を増幅して複数の圧電素子に印加するステップを備え、第１の信号の周波数をｆ１、第２の信号の周波数範囲をｆ２とするとき、複数の圧電素子の共振周波数は、ｆ１±ｆ２の範囲である方法である。

本発明の実施例による強励振回路の構成を示す図である。図１におけるシンセサイザの発振周波数スペクトルを示す図である。図１におけるホワイトノイズ発生器の発振周波数スペクトルを示す図である。図１における乗算器出力の周波数スペクトルを示す図である。図１における増幅器出力の周波数スペクトルを示す図である。図１における水晶振動子の特性を示す図である。図１における水晶振動子の強励振状態を示す周波数スペクトルの図である。

図１に本発明の実施例による強励振回路の構成を示す。本実施例では圧電素子として水晶振動子を用いるが、本発明は他の種類の圧電素子（圧電セラミック素子等）にも適用できる。強励振回路は、単一の周波数の信号Ｆ１を出力するシンセサイザ１（第１の信号発生器）、ホワイトノイズである信号Ｆ２を発生するホワイトノイズ発生器２（第２の信号発生器）、信号Ｆ１と信号Ｆ２を乗算する乗算器３、及び乗算器３の出力を増幅して水晶振動子５に印加する増幅器４を備える。図では単一の水晶振動子５が増幅器４に接続されているが、本実施例では、複数の水晶振動子５が並列接続されているものとする。

例えば、複数の水晶振動子が行列状に配列された基板の場合、１列あたり数十個（例えば２０個前後）の水晶振動子が数十列にわたって配列され、合計５００〜７００個程度の水晶振動子が１枚の基板に配列される。この場合、１列分の水晶振動子５が強励振回路（増幅器４）に並列接続されて同時に強励振され、それが列毎に順次接続されて強励振が行われる。

シンセサイザ１は、水晶振動子５の共振周波数付近の単一の周波数ｆ１で発振する第１の信号Ｆ１を発生する。この周波数ｆ１は、複数の水晶振動子５の周波数調整工程前又は後の発振周波数のおおよその中心値又は平均値であればよく、例えば、共振周波数の設計目標値としてもよい。なお、本実施例では第１の信号発生器としてシンセサイザを用いているが、単一の周波数が精度良く出力できれば他の装置（ファンクションジェネレータや電圧制御発振器等）であってもよい。
図２に、本実施例におけるシンセサイザ１の発振周波数スペクトルを示す。同図に示すように、本実施例では、周波数ｆ１を約１３．３９ＭＨｚとしている。

ホワイトノイズ発生器２は、水晶振動子５の共振周波数ばらつき量を含む周波数範囲ｆ２のホワイトノイズを第２の信号Ｆ２として発生する。ここで、共振周波数ばらつきとは、ある圧電素子（水晶振動子）の製造上想定される周波数ばらつきをいい、これは、並列接続される複数の水晶振動子５の間での（列方向の）個体間ばらつき、及び水晶振動子５が順次交換・接続される場合の（行方向の）個体間ばらつきを含むものとする。
図３に、本実施例におけるホワイトノイズ発生器の出力周波数スペクトルを示す。例えば、本実施例では、周波数範囲ｆ２の幅は５０ｋＨｚである。

図４に、本実施例における乗算器３の出力周波数スペクトルを示す。同図に示すように、乗算器３からは混合された信号Ｆ１±Ｆ２が出力され、ｆ１±ｆ２の範囲の発振周波数が得られる。本実施例では、ｆ１が１３．３９ＭＨｚであり、ｆ２が５０ｋＨｚであるから、１３．３４ＭＨｚ〜１３．４４ＭＨｚの出力周波数が得られる。

図５に、本実施例における増幅器４の出力周波数スペクトルを示す。本実施例では、乗算器３の約−４０ｄＢｍの出力レベルが、増幅器４によって約０ｄＢｍまで増幅される。このように、増幅器４から、ｆ１±ｆ２（本実施例では、１３．３９ＭＨｚ±５０ｋＨｚ）の周波数範囲の強励振用信号を水晶振動子５に印加することができる。

図６に、周波数に対する水晶振動子５のクリスタルインピーダンス特性の一例を示す。図７に、図６の特性を持つ水晶振動子５におけるグランド側の出力信号レベルを示す。図６に示すように、１３．３８６４ＭＨｚ付近に水晶振動子５のクリスタルインピーダンスの極小値、即ち、共振周波数があり、この水晶振動子５に、図５の１３．３９ＭＨｚ±５０ｋＨｚの周波数スペクトルを持つ強励振用信号を印加すると、図７に示すように、上記共振周波数で強励振が行われることが分かる。

このように、本発明によると、複数の圧電素子について、それぞれの共振周波数がばらついていても、各圧電素子の共振周波数が周波数範囲ｆ１±ｆ２に含まれるものであれば、それらの圧電素子を同時に強励振させることができる。また、水晶振動子５が複数個並列接続されるか否かにかかわらず、圧電素子が順次交換・接続される場合も、順次接続される各圧電素子の共振周波数がｆ１±ｆ２に含まれるものであれば、接続毎にシンセサイザ１及びホワイトノイズ発生器２の出力周波数を調整することなく（即ち、同じ出力周波数設定で）連続的に強励振を行うことができる。

以上より、本発明によると、複数の圧電素子を同時に強励振させることができ、また、信号発生器に圧電素子を順次接続して強励振させる場合についても、出力周波数の調整を接続毎に行うことなく強励振を行うことができる強励振回路及び強励振方法を提供することができる。これにより、強励振すべき圧電素子数が増加しても、製造装置を大型化することなく、高い生産性を達成することができる。

１．シンセサイザ
２．ホワイトノイズ発生器
３．乗算器
４．増幅器
５．水晶振動子

Claims

並列接続された複数の圧電素子を同時に強励振させる強励振回路であって、
前記複数の圧電素子の中心共振周波数付近の単一の周波数の信号を第１の信号として出力する第１の信号発生器、
所定の周波数範囲のホワイトノイズを第２の信号として出力する第２の信号発生器、
前記第１の信号と前記第２の信号とを乗算する乗算器、及び
前記乗算器の出力を増幅して前記複数の圧電素子に印加する増幅器
を備え、
前記第１の信号の周波数をｆ１、前記第２の信号の周波数範囲をｆ２とするとき、前記複数の圧電素子の共振周波数は、ｆ１±ｆ２の範囲である
ことを特徴とする強励振回路。
請求項１記載の強励振回路であって、
前記複数の圧電素子は、行列状に配列されており、
１列分の複数の圧電素子が並列接続されて同時に前記増幅器の出力が印加される
強励振回路。
請求項２記載の強励振回路であって、
前記ｆ２は、前記行列状の列方向および行方向の複数の圧電素子間の共振周波数ばらつき量を含む周波数範囲である
強励振回路。
並列接続された複数の圧電素子を同時に強励振させる方法であって、
第１の信号発生器によって、前記複数の圧電素子の中心共振周波数付近の単一の周波数の信号を第１の信号として出力するステップ、
第２の信号発生器によって、所定の周波数範囲のホワイトノイズを第２の信号として出力するステップ、
乗算器によって前記第１の信号と前記第２の信号を乗算するステップ、及び
増幅器によって前記乗算器の出力を増幅して前記複数の圧電素子に印加するステップ
を備え、
前記第１の信号の周波数をｆ１、前記第２の信号の周波数範囲をｆ２とするとき、前記複数の圧電素子の共振周波数は、ｆ１±ｆ２の範囲である
方法。
請求項４記載の方法であって、
前記複数の圧電素子は、行列状に配列されており、
前記複数の圧電素子に印加するステップは、並列接続された１列分の複数の圧電素子に同時に前記増幅器の出力を印加するステップを含む
方法。
請求項５記載の方法であって、
前記ｆ２は、前記行列状の列方向および行方向の複数の圧電素子間の共振周波数ばらつき量を含む周波数範囲である
方法。