JPS5824867A - 水晶振動子の特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明に水晶振動子の周波叡−温変特性を測定する特性
測定装置に関する。又本発明は真空封止されていない水
晶振＠子の周波ぶり一温度特性を極めて短時間で能率良
く測定する特性測定装置に関するものである。本発明の
目的は１個に２つの共振周波わを有して、又両共振周波
数の周波数一温度特性（以下簡単に温度特性と略記する
］が両者の共振周波力の差の大小により関連して変化す
る様な、いわゆる結合モード型水晶振動子の一方の共振
周波数の温度特性を能率良く測定して加工工数を低減し
安価な水晶振動を市場に提供することにある。上記結合
モード型の水晶振動子としては長短辺方向の体積波の結
合を用いて１ｌｌＹ特性を平坦にするＧＴカット水晶振
動子、音叉型振動子が有する屈曲と捩れモードを用いた
いわゆるＴＭ水晶振動子等が知られている。本発明は特
に後者の塩度特性の測定に有効である。

従来、水晶振動子の温度特性を測定する手段としては、
恒温槽中に水晶振動子のみが発振回路等の測定回路も含
めて収納し恒温槽の温度を異なる０点の温度に設定し、
その時の水晶振動子の共振周波数又は発振周波数を測定
し温度特性を知る方法が一般的である。特に真空封止さ
れていない未完成状態の水晶振動子の淵Ｉｆ特性を測定
する場合には機械−電気撮動の中心をになう水晶発振片
をとりまく大気の真空度及び湿度特性が強くその固有周
波数に影響を与えるため、温度特性の精度及び再現性を
維持するには該大気の真空度をｔｘｔｏ−３Ｔｏｒ）以
上の高真空に保つ必要がある。第１図に上記従来法によ
る水晶振動子の温度特性測定装置の構成の一実施例の概
略を示す。図中各部位の名称は、１００・・・恒温槽、
ｔ□ｔｔ〜１０１ｎ・・・発振回路、ＩＣ２・・・排気
装置、１０３・・・気密端子。

１０４・・・切換回路、１０５・・・電源装［、＋ｏ６
・・・　５− 周波数又は同＋１；ｌｊカウンタ、１ｏ７・・・出力表
示装置。

１０８・・・真空容器である。又第２図は第１別１０１
１〜１０Ｔｎに使用すれる発掘回路の一例で、図中、２
００・・・被測定用水晶振動子、２０１゜２０２・・・
コンデンサ、２０３・・・Ｃ−ＭＯＳインバータ、２０
４・・・位相用抵抗、ｚｏ５・・・帰環抵抗。

２０６・・・バッファ増中器である。第１図の構成から
なる測定＠置は次の欠点を崩している。１〕発振回路等
の測定回路を多数個収納する会費があるため１０Ｂの真
空容器のサイズが大型上なり真空容器内の真空度を高真
空に排気する時間が数時間も要する。２）真空排気時の
真空容器中の水晶振動子の温度が恒温槽の設定ｍ変に致
達するに要する時間長い。５】生産数当りの設備投資が
大きい。

等の事項が掲げられる。本発明は上記欠点を著しく改善
する測定装置を提供するもので以下順を直ってその詳細
を説明する。

第３南は本発明になる水晶振動子の温度特性測定装置の
一実施例の＃Ｉ成を示す図である。図中各部位の名称は
、３００・・・真空容器、３００１・・・開＝　６− 閉可能な真空容器のフタ、３０１・・・水晶振動子のホ
ルダーを兼ねた治具部側、３０２・・・被測定用水晶振
動子、６０３・・・２モ一ド発振器、３０４・・・水晶
振動子の加熱源、３０５・・・３０１のリング状治具部
利の回転ギヤ部側、３０６・・・気密端子。

３０７・・・拡散真空ポンプ、３０８・・・ロータリ式
真空ポンプ、３０９・・・３０５のギヤ部制の駆動装置
。

３１０・・・システム制御回路部、３１１・・・電源装
置。

３１２・・・周波数又は周期カウンタ、３１３・・・演
算装置、３１４・・・出力表示装南、３１５・・・真空
度測定装置である。次に第３図測定装置の操作を説明す
ると以下の通りである。まず最初に被測定用水晶撮動子
を３０１のリング状治其のホルダに臓べて多数セットし
た後３００１の真空容器のフタを閉める。次に排気系の
装置３０７，５０８を動作させて真空容器３００内の空
気を高真空に排気する。排気が完了した後に３０２の水
晶振動子を１個毎に治具３０１をギヤ３０５で送って発
振器３０３に接続し加熱源３０４て１個１個加熱して水
晶振動子の温■を上昇させながら同時にその発振周波数
を継続して３１２０カウンタで測定する。

カウンタで得られたデータは演算装置３１３で計算処理
されその結果が５１４の出力装置で出力六れる。治具部
＠３０１士の全ての水晶振動子が以上の手順で自動的に
測定された後に真空容器内を大気圧に復帰して水晶振動
子を俄り出して測定作業を終了する。水晶振動子は３０
１の治具部月ごと取り出しても良く作業能率が向上する
。第３図測定装置の構成につき補足すると３０１の治具
部側は必ずしもリング形状である必要はない。又、５０
４の加熱源と３０３の発振器とカウンタ３１２の周波徐
又は同期の測定系は１組でなく複数組でも良くこの際に
は平均測定時間は測定系の組数に反比例して減少させる
ことが可能となり能率的である。加熱源３０４は裸の熱
線より密閉京また白熱球ランプあるいは赤外線ランプの
方が加熱時に水晶撮動子表面に付着する熱源部材を構成
する金属原素によるよごれを防ぐことができ好都合であ
る。水晶振動子の温度特性の測定再現性を維持するため
に真空容器の温度を数ｉＷ以内に保つ必要があるが、こ
−Ｉ″Ｌは真空容器の１部又は全部に温度制御された水
等の液体が気体を巡環させることにより可能である。以
上の構成で水晶振動子の温度特性の測定は１個当り１組
の測定系で約２０秒で測定が完了することから極めて能
率的な測定装置が構成できることがわかる。さらに第３
図に水晶振動子の温度特性の調整加工装置も付は加えて
連動させることも考えられる。次に第３図３０３の発振
器の内容を説明する。該発振器の回路構成を第４図に示
す。該発振器は２つの共振周波数を有する水晶振動子、
通称ＴＭ振ｆ！Ｊ−Ｆの画周波数を同時発振させること
が可能であり、発振の原理は一方の発振同波数波形を振
幅変調波の搬送波とし他方との差周波数波形を変調信号
波として用いる２つの閉ループを持つ構成として水晶振
動子の２つの共振周波撒スプクトルを形成する方法を取
っている。第４図申告部位の名称にＡＤＤ・・・周波数
ｆｃ侶号波形の増巾器、　４０−１・・・差周波数△ｆ
＠号波形の増巾器、４０２・・・検波器、４０３・・・
振幅変調器、４０４・・・被測定水晶振動子、４０５・
・・水晶振　９− 動子の負荷容量であり水晶振動子の使用回路条件に合せ
て調整する。４０６，４０７・・・バッファ増巾器、４
０８・・・被測定水晶振動子の差込固定用のソケットの
端子である。第４＋Ｄのいわゆる２モ一ド発振器σ水晶
振動子の２つの共振周波数が近接しており、かつその差
周波数が個々に大巾に変動する場合に特に無調整で使用
可能で便利である。

本発明になる測定装置の詳細なＷ４成の説明を終了した
ので次にその測定原理の説明を行う。

第５図に測定対称の水晶振動イの一つである７Ｍ撮動子
の２つの共振周波数が示す温度特性の一例を示す。図中
、温度に対し負の傾斜を示す曲線５０１又（グ周波撒ｆ
、に音叉型形状の水晶発振片が有する主モードである屈
曲振動の温度特性であり、一方正の傾斜を示す直線５０
２又は周波数ｆ、は該水晶振動子の他の副振動モードで
ある捩れ振動の温度特性である。ここで本発明になる測
定装置の測定対象となるのけ周波数で１で示す温度特性
であり、一方のｆ２周周波数温間特性は温度信号の代用
として用いるのが測定原理の要点である。周波数１０− ｆ、　、　ｆ、は力とΔｆ＝ｆ、−ｆ、の周波数として
前述の２モ一ド発振器で測定する。ｆｌの温度特性を測
定するに当り次の数式上での工夫を行う。

（ｆ、の温度特性） （ｆｔの温度特性〕 但し、Ｔ・・・温度、Ｔｏ・・・基準温１隻（通常Ｔ。

≦Ｔ）α、、α、・・・１次温度係数、β１．β２・・
・２次温度係数。

γ１．γ、・・・３次温度係数である。又（２１式に関
しα１　（Ｔ−Ｔｎ　）　＞ｆｔ　（Ｔ−Ｔｏ）ｘ＋γ
ｔ　（Ｔ−Ｔｎ　）”　　　　　　＋３１が充分成立つ
程α、が大きい。＋１１と＋２１式の比をとってその値
をαＲとおけば が得られる。特ＫＴ＝Ｔｏに於るαＲをαＲ０とおく。

（４）式のαＩｔハ周波数の測定のみで得られ、到底測
定が不可能とみられる水晶振動子の温度Ｔを陽に含才な
い。ｆｌの温度特性（１近似的に１次温度係曽α１で代
表でへ又それげαＲ’ｔ’対応で餐る。ｆ、の１次温度
係数α２は通常α２≠０である。ＴＭ振動子の場合αＴ
Ｎｏ即ちα１げ水晶振動子の水、情発振片の形状の１部
又は電極膜の質量の増域により調整できαＲｏを零即ち
α１を零に持ち来たすことが可能である。その様子を第
６１１２１に示した。図中の曲線６０１はαＲｏ−−特
性曲線を示すもので、最初点１に１ あつ７’Ｃ１個の水晶振動子に３回の加工調整により点
４に移動した。点１〜４のαＲｏ値に全て不発明になる
第５図の測定装置により得らｔ″Ｌ、′ｆｃものである
。αＲＱ４−−特性曲線は個々の水晶振動子でも１゛１ 若干異なるが、同一の水晶振動子でも測定温度が異なれ
ば平行シフトして曲ｆｆｆ１６０２に移動する。

これにΔｆあるいζｆ１周波数の温度依存性が大きいこ
とによるが、しかし両曲線より得られる例えば点３から
点４へ移るに必要な一石一の修正量Δづ同一であり、温
度特性の調整を行う場所の混Ｉ「がαＲｏの測定装置の
温度Ｔ０と異っても調整加工が可能である。αＲ０＝０
となつ７ｃＴＭ振動子の１１周波数の温度特性けβ１．
γ、が残るのみで極めて良好となるのけ明白である。し
かも基準温ＩｆＴ０で零温度係数となる様調整が可能で
あり、水晶振動子の使用温度がＴｏのまわりに頻度が高
い場合、周波数標準源として誤差が少なくてすむ。温度
Ｔ。げ前述の真空容器の温度制御装置４により自由にコ
ントロール可能であり便利である。第８図は、温度調整
上りの水晶振動子の温度特性を示した。この場合Ｔｏ＝
２０℃付近に設定した。最後Ｋ　１４１によるαＲ０の
算出法を第７図にそって詳細に説明する。まず第３図測
定装置の真空容器中の発振器にセットされた水晶振動子
のｆ、　、　ｆ、の発振周波数が測定される。この時の
水晶振動子の温間をＴｏとすればｆｌ　（Ｔｏ）　＊　
β４　（Ｔｏ　）　が得られこれが（４）式の基準周波
数となる。この後水晶振動子に３０４の加熱源により加
熱されある程度温度が止弁し７’（温度Ｔ１よりαＲの
測定が開始され温１］５’Ｔ、で終了する。この間に得
られたＮ個のαＲ（Ｔｉ）（１＝１〜Ｎ）より最小二集
法により温度Ｔ０に於るαＲｏを推定することができる
。データの取り込み点の温度Ｔ１はｆ、＝＝ｆｌ−Δｆ
−已一 とあらかじめ実測して設定し７部１次温度係敷より換算
して用いて充分である。Ｔｏ、＝＝’５℃、Ｔ、＝５５
℃ｌｌＴ、＝Ａ５℃％Ｎ＝＝ｌＧの場合のαＲｏの測定
ｌｎ４度に±５　Ｘ　１０−’　／’Ｃと充分が結果を
得ている。第７図中の直萼７０１，７０３は別個の水晶
振動子のαＲ（’［’ｉ）の実測例であり縦軸十〇℃の
交点７０２゜７０４σαＲｏの推定値を示している。

以上説明した如く本発明になる水晶振動子の特性測定装
置は、良好な測定精度で能率良く温度特性の測定が可能
であり、今後前述のＴＭ振動子、ＧＴカット水晶振動子
の製造コストの低減に貢献することが確実である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の恒温槽を用いた水晶振動子の周波数一温
度特性を測定する測定装置の概略構成を示す図である。 第２園は第１図の測定装置中の水晶振動子の周波数測定
に用いられる発振回路の回路図。第３図は本発明になる
水晶振動子の特性測定装置の構造の一実施例を示す図で
ある。第４図１４− は第３図の測定装置中の２モ一ド発振器の回路構成を示
す図である。第５図は本発明になる測定装置の測定対象
となる水晶撮動子の２つの共振周波数の湛に、特性を示
す南である。同図に特にＴＭ振Δｆ 動子のものである。第６図１１αＲ０→−特性を示１ す図。第７図は本発明になる測定装置でαＲを実測した
結果を示す図。さらに第８図は本発明になる測定装置を
用いて突成させた水晶振動子の周波僧一温度特性を示す
図である。 ２００．４０４・・・水晶振動子 ３０６・・・２モ一ド発振器 ３０４・・・加熱源 ３００・・・真空容器 ５１２・・・周波数又は周期カウンタ ３１３・・・演算装置 ３０７．５０８・・・真空排気装置 ５０１．５０２・・・周波数一温度特性Δｆ ６０＋、６０２・・・αＲ←−特性曲線１ 以　　　上 １５− 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　水晶振動子の周波徽一温度特性を測定する測
   定製雪に於て、該測定装置は、少なくとも一つの真空容
   器と真空排気系ｒ有し、又該真空容器中に、容器中に真
   空封止されていない水晶振動子１１個以上保持するホル
   ダーと該水晶釡動子を加熱する加熱源と該水晶振動子の
   電気端子に接続してその共振周波数を検出する発振器の
   セットを１組以上備えており、さらに前記真空容器の外
   に前記加熱源により水晶振動子を加熱時の発振周波数を
   連続して測定できるカウンタと該カウンタのデータを入
   力して計″算し水晶振動子の周波数一温度特性を代表す
   る１次、２次等の温度係贈値を出力する演算及び出力装
   ・菫から構成さｔｌ、たことを特徴とする水晶振動子の
   特性測定装置。 （２）　　前記々載の水晶振動子は１個で２つの共振周
   波数を有し、又婢２つの共振周波数の一方の周波数一温
   度特性は水晶振動子の水晶発振片の１部を加工すること
   により調整が可能であり、又他の一方の共振周波数の周
   波数一温度特性はその１１次温変係数が大きく直線性が
   あり温間との対応が充分刊けられることを％徴とする水
   晶振動子の特性測定装置。 ＋３）　　前記々載の発振器は、特許請求の範囲第１２
   １項記載の水晶振動子が有する２つの共振周波数の近傍
   で同時に発振して、一方の発振周波数と両者の発振周波
   数の差を同時に出力することを特徴とする水晶振動子の
   特性測定装置。 （４）前記々載の演算及び出力装置灯、特許請求の範囲
   第（３）項記載の発振器が出力する２つの発振周波数を
   カウンタで測定しそのデータより特定の基準温ＲＴｏに
   於る周波数からの（資）波撒偏差の比、即ち、 をｍ度Ｔの異なるＮ個につき算出し、これらより温度Ｔ
   。に於けるαＲ（Ｔｏ）　　を推定し出力する他、前記
   水晶振動子の調整可能な周波数一温度特性の加工目標と
   するパラメータ値を計算して合せて出力することを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の水晶振動子の特
   性測定装置。 （５）前記々載の水晶振動子のホルダーに、リング形状
   のベース治具士に水晶振動子用ソケットが多数個連続し
   て配置した構造であり、又該ベース治具にステップモー
   タを駆動源とするギヤ系により回転送りできる構成であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１；項記載の水
   晶振動子の特性測定装置。 （６）前記々載の真空容器内の加熱源は赤外又は白熱つ
   ｔを発するガラス等で密閉されたｌｈ形形々のランプよ
   り構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１１１
   項記載の水晶振動子の特性測定装置。 （７）前記々載の真空排気系は＋　Ｘ　１０−’ＴＯｒ
   ｒ以上の高真空排気が可能なことを特徴とする特許請求
   の範囲第（１１項記載の水晶振動子の特性測定装置。 （８）前記々載の真空槽の金属よりなるベース部制の温
   度をコントロールする温ｔＨ制御装陥を設けたことを特
   徴とする特許請求の範囲第（１１項記載の水晶振動子の
   特性測定装置。