JPH11194147A - 圧電振動子の励振電力依存特性測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、掃引周波数幅の増加を最
小限に抑えて時間的な経済を図りながら正しく励振電力
依存特性を測定する、量産上好適な測定方法を提供する
ことである。 【解決手段】 所定の周波数範囲と所定の励振電力範囲
の内部で励振電力と周波数とを変化させて圧電振動子の
励振電力に依存するとされる特性値を測定する方法にお
いて、ある励振電力レベルにおいて前記所定の周波数範
囲内に前記特性値が存在しなかった場合には前記周波数
範囲を上方あるいは下方に移動して該移動された周波数
範囲内に前記特性値が出現したとき、該特性値を前記他
のある励振電力レベルにおける前記特性値として採用す
ること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電振動子におけ
る、励振電力に依存性のある特性を測定する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子、殊に水晶振動子、その中で
もＡＴカット厚みすべり水晶振動子は高度の安定性のあ
る比較的安価な発振源として広範な用途を有する。例え
ばビデオカメラ、カーチューナー、携帯電話、パソコン
その他電子機器の基準信号源として使用される。水晶振
動子は使用される回路に応じてその振動が所定の励振電
力（以下ドライブレベル、あるいはＤＬとする）で励起
される。そのＤＬは微弱な０．１μＷから強勢な１ｍＷ
にまで及び、このような広範なＤＬ領域で確実安定な動
作をすることが要求される。

【０００３】水晶振動子の種々の電気的・機械的特性が
ＤＬに依存して変化することが知られている。特に重要
なものは共振周波数、クリスタル・インピーダンス（以
下ＣＩとする）である。その依存性（Ｄｅｐｅｎｄｅｎ
ｃｅ）の程度は一定に定まっているのはなく、振動子の
製造における条件や環境の微妙な差によって異なり易い
ものであり、不良品（ＤＬＤ不良と呼ばれる）の撲滅は
困難であるとされる。従って製品について測定・検査・
選別を行うことが必要となる。

【０００４】共振周波数が規格範囲外に変化するＤＬＤ
不良は、使用時に所望の周波数から外れたり、安定な発
振を維持できない場合がある。またＣＩがＤＬによって
大きく変化する場合はユーザー側回路に接続したときに
発振起動しなかったり異常な動作をすることがある。Ａ
Ｔカット水晶振動子の場合、ＤＬＤ特性は通常ネットワ
ークアナライザ等をコンピュータ制御下で用いて自動的
に測定することができる。すなわち１個の試料について
低いＤＬと高いＤＬとの間にその範囲内に数個〜数百個
のＤＬを設定し、その内のあるＤＬに固定して１つのＤ
Ｌ内で励振周波数を所定範囲内で掃引しつつ特性を測定
し、次のＤＬで同様なことを反復する。

【０００５】各ＤＬは普通昇順あるいは降順に順次選ば
れるが同じ範囲を往復させてヒステリシス特性を調べる
こともある。こうして各ＤＬ毎に得られた一連の特性値
をＤＬＤ特性とする。例えば共振周波数のＤＬＤ特性
は、各ＤＬにおけるネットワークアナライザのゼロ位相
における周波数、あるいは最大出力時の共振周波数を連
ねて得られる。またＣＩ値のＤＬＤ特性は、各ＤＬにお
けるＣＩをやはり周波数を掃引して測定し、その最小値
（通常品では極小値となる）を特性値であるＣＩ値とし
て記録し、これらを連ねてＣＩ値のＤＬＤ特性とする。

【０００６】なおＣＩすなわちクリスタル・インピーダ
ンスは、通常水晶振動子が直列共振状態にあるとき純抵
抗であって絶対値は最小であり、直列共振から外れた周
波数で励振されているときには前記純抵抗に直列にリア
クタンス分を含み、絶対値は前記抵抗の値よりも大きく
なる。そして直列共振点の近傍では周波数変化に対して
２次曲線的に変化する。規格値としてＣＩ値を云々する
場合には前記純抵抗値を用いる。そこで、本明細書では
ＣＩの絶対値の最小値すなわち直列共振状態での純抵抗
値をＣＩ値と呼び、リアクタンス分を含んだＣＩを単に
ＣＩと呼んで区別することにする。そしてＣＩ値がＤＬ
Ｄ特性を調べる対象となる。

【０００７】図１に従来技術におけるネットワークアナ
ライザを用いたＣＩ値の測定フローを示す。まず測定シ
ステムの測定条件入力部１０１に対して測定しようとす
る水晶振動子に対する中心周波数Ｆ０を入力し、次に掃
引周波数幅ＦＢを入力する。ＦＢの半分が中心周波数Ｆ
０に増減されて掃引周波数上限ＦＵと掃引周波数下限Ｆ
Ｌが決まる。次に測定上必要な分解能帯域幅、周波数掃
引速度が入力される。次いでＤＬを演算するため平均Ｃ
Ｉ値であるＣＩｍを入力する。制御すべき励振電流をＩ
とすると、電流はＤＬ＝Ｉ×Ｉ×ＣＩｍの式から各ＤＬ
ｎ（ｎ番目の測定時に設定されるＤＬ）について決定さ
れる。

【０００８】更にＤＬの上限値、ＤＬの初期値（この場
合は下限）を入力するとＤＬの走査範囲が決まり、ＤＬ
測定点数を入力すると個々のＤＬが決定される。各測定
点のＤＬは例えば対数的に等間隔となるように設定され
るが、測定点の間隔や疎密は基本的に任意に定めること
ができ、コンピュータのプログラム次第である。以上で
測定準備が整い、最初の試料がセットされてＤＬについ
て昇順で自動測定動作に入る。試料のセッティングや交
換も自動的に行われる。温度は普通制御された室温下で
行われる。

【０００９】測定動作は測定制御部１０２において図示
のフローのように制御される。まずＤＬの初期値から出
発するが、あるＤＬｎについて周波数の走査がなされ、
その間のＣＩが測定されその最小値が一旦保持される。
次の判定ステップでＦＬとＦＵとの間にＣＩの（絶対値
の）極小値があったかどうかが調べられ、ＮＯなら周波
数不良であるとして現試料についての測定は終了とす
る。ＹＥＳならば更にＤＬｎが最後のＤＬかどうかが調
べられ、ＹＥＳならやはり現試料については測定終了、
ＮＯなら次のＤＬについてＣＩ測定が行われる。

【００１０】前記のように現試料で測定完了した場合は
現試料を測定器から外してＤＬを初期値に戻した上、そ
れが最後の試料でなければ次の試料を自動的に測定端子
にセットし、新しい試料について測定を再開する。この
ようにして多数の試料の測定が最後の試料まで全てなさ
れ、全測定終了となる迄上記プロセスが反復される。

【００１１】ある一つの試料についての自動測定動作の
内容を図２の３次元グラフを用いて模式的に説明する。
座標軸はドライブレベルを目盛ったＤＬ軸、それに直交
し周波数を目盛ったＦ軸、両者に直交しＣＩの絶対値を
目盛ったＣＩ軸より成る。まずＤＬ−Ｆ平面を考える。
直線ＤＬ１〜ＤＬ７は測定点に選ばれた各ＤＬの値（図
示の都合上仮に７点とするが通常はもっと多い）であ
り、１つのＤＬについての測定は、ｎ番目のＤＬｎを固
定して直線ＦＬ、ＦＵで示される下限周波数と上限周波
数との間で周波数が掃引され変化する。ＣＩ（絶対値）
は当然周波数の掃引と共に変化し、掃引範囲内でＣＩ１
〜ＣＩ７のようにほぼ２次曲線的な挙動を示す。ＤＬｎ
に対応するｎ番目のＣＩであるＣＩｎの最小値（極小値
でもある）である各ＣＩ値ｎが本測定におけるＤＬＤ特
性値である。

【００１２】またＣＩｎが極小値をとるときの周波数Ｆ
ｎはＤＬｎにおける直列共振周波数である。ｎ＝７で本
試料の測定は終了する。ＣＩ値のＤＬに関する依存性
（ＣＩ値のＤＬＤ特性）は各ＣＩ値ｎを連ねたＣＩ値曲
線２００をＤＬ−ＣＩ平面に投影した曲線２０１で示さ
れる。なおこの例示した試料のＣＩ値はほとんど規格の
上限値ＣＩＵを下回っているので良いが、ただ１点ＣＩ
４がＣＩＵを越えているのでＤＬＤ不良品とみなされ
る。（他にＤＬの走査範囲内でのＣＩ値の変化幅や変化
割合を規格とする場合がある。）なおＣＩ値曲線２００
をＤＬ−Ｆ平面に投影した曲線２０２は直列共振周波数
ＦｎのＤＬＤ特性を示していることになる。即ち１度の
測定で２つのＤＬＤ特性を得ることができる。必要な演
算はもちろんコンピュータが自動的に行う。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以下に上記従来技術の
問題点を述べる。図３は図２よりも更に詳細なＣＩの挙
動を示す図である。従来の測定技術では、ＣＩ値は掃引
周波数の範囲におけるＣＩ（絶対値）の最小値をもって
ＣＩ値としている。図３（ａ）の如くＤＬｉにおけるＣ
Ｉ曲線２００の極小値がＦＬ〜ＦＵの範囲にあれば何の
問題もないが、極小値が同図（ｂ）のようにＦＵの上
側、あるいは同図（ｃ）のようにＦＬの下側に来る場合
も時々あり、このような場合、周波数の掃引範囲内での
最小値はＣＩ値と一致しない。真のＣＩ値（極小値）と
異なる値（区間内の最小値）をＣＩ値の代用として使う
ことは検査結果の誤判定を招く。即ちＣＩ値が高すぎる
として本来は良品であるべき試料をＤＬＤ不良としてし
まう恐れがある。

【００１４】かような事態を避けるには掃引周波数幅Ｆ
Ｂを十分広くとって直列共振周波数が必ずＦＬとＦＵの
間に落ちるようにすればよいが、掃引幅を広げるとそれ
に比例した測定時間の増大を招き、量産のためには検査
設備の増設なども要し、検査コストを比較的稀なケース
に備えて常時増加させることになるので好ましくない。
掃引周波数幅ＦＢは検査の精度や効果と測定時間とを勘
案してなるべく狭くとる。通常、振動子の常温での周波
数偏差規格幅（例えば±２０ｐｐｍ）とすることが多
い。それは試料の周波数がその範囲内に合せ込まれてい
るからである。

【００１５】即ち掃引の中心周波数をＦ０とすると、Ｆ
Ｕ＝Ｆ０＋ＦＢ／２；かつＦＬ＝Ｆ０−ＦＢ／２とす
る。但し、Ｆ０は常温周波数偏差規格値の中心周波数と
はしない。それは常温周波数偏差規格はある負荷容量付
きで定義されるのに対し、ＤＬＤ規格は（条件の単純化
のためもあり）負荷容量なしで定義されるものであり、
それぞれの測定における周波数の差は一義的には決まら
ないものだからである。通常、Ｆ０は常温周波数偏差規
格値の中心周波数に対して経験値も加味して少しずらし
た値として決める。結局、ＦＬ、ＦＵは厳密に守られる
べき限界ではなく、測定の便宜・能率を勘案して定めら
れた値である。

【００１６】本発明の目的は、掃引周波数幅の増加を最
小限に抑えて時間的な経済を図りながら励振電力依存特
性を正しく測定することのできる、量産上好適な測定方
法を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】（１）所定の周波数範囲
と所定の励振電力範囲の内部で励振電力と周波数とを変
化させて圧電振動子の励振電力に依存するとされる特性
値を測定する方法において、ある励振電力レベルにおい
て前記所定の周波数範囲内に前記特性値が存在しなかっ
た場合には前記周波数範囲を上方あるいは下方に移動し
て該移動された周波数範囲内に前記特性値が出現したと
き、該特性値を前記ある励振電力レベルにおける前記特
性値として採用すること。あるいは更に、

【００１８】（２）前記特性値に関連する量が周波数変
化と共に極大あるいは極小となるとき前記特性値が得ら
れる場合において、前記ある励振電力レベルにおける前
記所定の周波数範囲内に前記特性値が存在しないとき、
前記特性値に関連する量の前記所定の周波数範囲内にお
ける変化の傾向から判断して極大値あるいは極小値の存
在する可能性のある方向に前記周波数範囲を移動して再
度測定を行うこと。とする請求項１の圧電振動子の励振
電力依存特性測定方法。あるいは更に、（３）前記圧電
振動子は水晶振動子であり、前記特性はクリスタル・イ
ンピーダンスであり、それ自体の極小値を前記特性値と
すること、である。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の１例を図４
に示す。これはネットワークアナライザを用いたＣＩ値
のＤＬＤ特性測定のフローチャートである。フローは大
きくは測定条件入力部４０１と測定制御部４０２とより
成ることは従来例と同様である。そのうち測定条件入力
部４０１の内容は、周波数シフト量ΔＦの入力操作が追
加されたこと以外は従来例の測定条件入力部１０１の内
容と本質的に変わらない。また条件入力後の最初の試料
のセットについても同様であるので詳細な説明を省略
し、以下測定制御部４０２のフローについて述べること
にする。

【００２０】測定制御部４０２は次のように動作する。
設定されたＤＬの初期値から測定が開始される。あるＤ
Ｌｎについて掃引周波数範囲内でのＣＩの最小値が測定
され、特性測定が行われる。次の判定ステップで直列共
振周波数Ｆｎの存在有無がチェックされ、ＹＥＳであれ
ばそのＤＬｎについての測定は終り、右方の上の枝に行
き、それが最後のＤＬ値であれば測定を終了させ、最後
のＤＬ値でないときは次のＤＬ値に上げて再度駆動周波
数を掃引し特性を測定する。

【００２１】前に戻りＦｎが掃引範囲内になかったとき
（ＮＯ）には次のステップで中心周波数Ｆ０を±ΔＦだ
け変更しての測定であったかどうかが調べられ、ＹＥＳ
であれば掃引範囲を拡大した（後述のように同じＤＬｎ
について掃引範囲を移動しての２度目の測定であったこ
とになるので前の測定と併せ掃引範囲は拡大されたこと
になる）にもかかわらず共振しなかったのであるから右
方の下の枝に行きこの試料は周波数不良であるとして測
定を打ち切り終了させる。

【００２２】しかしＦ０がまだシフトされていない場合
には次のステップで周波数変化に対するＹ＝ＣＩの変化
が調べられ、Ｙの微係数Ｙ’が正であればＣＩ値はＦＬ
より下の周波数で得られるものとしてＦ０をあらかじめ
定めた値であるΔＦだけ下方に振った上で同じＤＬｎに
つき再測定し、Ｙ’が正でないとき（負であるとき）に
はＣＩ値はＦＵより上の周波数で得られるものとして左
の枝のようにＦ０をΔＦだけ上方に振りＤＬｎを変えず
に再測定する。

【００２３】また前に戻り試料で測定終了とされた試料
（最後のＤＬについて測定の終わった試料あるいは周波
数不良であった試料）が出た場合「現試料の測定終了・
ＤＬ初期値」のステップにおいて、該試料は測定結果
（共振状態の有無あるいは全てのＣＩｎのデータ）から
コンピュータが自動的に分類してランク分けを行い、一
方測定器の方は改めてＤＬ初期値に再設定される。その
直後のステップでの判断で前記試料が最後のものであれ
ば（試料個数を入力しておいて既測定回数と比較する、
あるいは測定器の待機位置に次の試料があるかどうかを
チェックすること等により判断できる）全測定の終了と
なるが、そうでなければ次の試料が測定器にセットさ
れ、再測定に入る。

【００２４】以上の手続きによって本実施の形態におい
ては周波数の掃引範囲外にＣＩ値が現れる場合にも正し
くかつ妥当な手順で測定できることが明らかである。上
記実施の形態はＣＩ値と共振周波数の測定例を挙げた
が、本発明はそれのみに限定されるものではなく、掃引
周波数範囲内にある特性値が存在するかどうかを判断す
る手段さえあれば、本発明の方法を実現できることは明
白である。

【００２５】例えば特性値によっては、最初の掃引範囲
の下限側、上限側いずれの外側にあるかが判別できない
ような場合が生じるかも知れないが、両側に追加の掃引
範囲を設けることで本発明を実施できる。また中心周波
数を変更する過程は複数回許してもよい。また同じＤＬ
での再測定の際、既に掃引した周波数を除いたり掃引幅
を変更したりしても勿論よい。その他本発明の種々の適
用形態があり得る。

【００２６】

【発明の効果】本発明においては周波数の掃引範囲内に
所期の特性値が現れないとき、臨時に周波数の範囲を移
動して測定するようにしたため、常時は最小限必要な掃
引範囲で測定を行い、必要な場合だけ掃引範囲を変更す
るので僅かな追加時間で測定が行われ、省時間でかつ経
済的に信頼度の高い励振電力依存特性の測定を行うこと
ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術におけるＣＩ値の特性測定のフローチ
ャートである。

【図２】自動測定動作を模式的に説明する３次元グラフ
である。

【図３】掃引周波数範囲とＣＩおよびＣＩ値との関係を
示すグラフで、（ａ）は直列共振周波数が常温周波数偏
差規格範囲の内部にある場合、（ｂ）は直列共振周波数
が同上規格範囲の上限の上側にある場合、（ｃ）は直列
共振周波数が同上規格範囲の下限の下側にある場合であ
る。

【図４】本発明の実施の形態の１例におけるＣＩ値特性
測定のフローチャートである。

【符号の説明】

１０１ 測定条件入力部 １０２ 測定制御部 ２００ ＣＩ値曲線 ２０１ ＣＩ値のＤＬＤ特性 ２０２ 共振周波数のＤＬＤ特性 ２０３ ＣＩ値ｎ ４０１ 測定条件入力部 ４０２ 測定制御部 ＣＩ クリスタル・インピーダンス ＣＩｍ 平均ＣＩ値 ＣＩｎ ｎ番目のＣＩ ＣＩＵ ＣＩ値規格の上限 ＤＬ ドライブレベル ＤＬｎ ｎ番目のＤＬ Ｆ 周波数 Ｆ０ 中心周波数 ＦＢ 掃引周波数幅 Ｆｎ ｎ番目の直列共振周波数 ＦＬ 掃引周波数上限 ＦＵ 掃引周波数下限 ΔＦ 周波数シフト量

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の周波数範囲と所定の励振電力範囲
   の内部で励振電力と周波数とを変化させて圧電振動子の
   励振電力に依存するとされる特性値を測定する方法にお
   いて、或る励振電力レベルにおいて前記所定の周波数範
   囲内に前記特性値が存在しなかった場合には前記周波数
   範囲を上方あるいは下方に移動して，該移動された周波
   数範囲内に前記特性値が出現したとき、該特性値を前記
   或る励振電力レベルにおける前記特性値として採用する
   ことを特徴とする圧電振動子の励振電力依存特性測定方
   法。
2. 【請求項２】 前記特性値に関連する量が周波数変化と
   共に極大あるいは極小となるとき前記特性値が得られる
   場合において、前記ある励振電力レベルにおける前記所
   定の周波数範囲内に前記特性値が存在しないとき、前記
   特性値に関連する量の前記所定の周波数範囲内における
   変化の傾向から判断して極大値あるいは極小値の存在す
   る可能性のある方向に前記周波数範囲を移動して再度測
   定を行うことを特徴とする請求項１の圧電振動子の励振
   電力依存特性測定方法。
3. 【請求項３】 前記圧電振動子は水晶振動子であり、前
   記特性値に関連する量はクリスタル・インピーダンスで
   あり、その極小値であるＣＩ値を前記特性値とすること
   を特徴とする請求項２の圧電振動子の励振電力依存特性
   測定方法。