(57)【要約】【課題】  圧電振動素子の周波数特性測定において生じる不要な波形の影響を排除し、信頼性の高い圧電振動素子の周波数特性測定方法を提供する。【解決手段】  まず測定周波数範囲を設定し、当該測定周波数範囲内で周波数の測定ポイントを複数設定する。また、圧電振動板と電極体の間隔を測定に必要な間隔（ギャップ量）に設定する。この状態で近接した両電極体間に前記設定工程にて設定した測定ポイントに周波数を順次印加する。これにより電極体間特性データを取得し、このような事前作業に基づき電極体間特性データに基づく補正データを得る。その後  前記電極体間に圧電振動素子を配置し、当該電極体間に前記各測定ポイント毎に周波数を与え、測定ポイント毎に当該圧電振動片の周波数の測定データを得る工程と、前記測定データに対して、前記補正データを適用することにより、当該圧電振動素子の周波数特性データを得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極体間に圧電振動素子を配置し、少なくとも一方の電極体と圧電振動素子間に空隙を有する状態で掃引周波数を与え、当該圧電振動素子の周波数特性を測定する方法であって、
測定周波数範囲を設定し、当該測定周波数範囲内で測定する周波数の測定ポイントを複数設定する測定設定工程と、
周波数測定のための両電極体間隔を決定するギャップ設定工程と、
ギャップ設定された電極体間に圧電振動片の無い状態で前記各測定ポイントの周波数を与え、電極体間隔に依存する電極体特性データを得る電極体間特性データ取得工程と、
前記電極体間特性データに基づき補正データを得る補正データ取得工程と、
前記電極体間に圧電振動素子を配置し、当該電極体間に前記各測定ポイントの周波数を与え、測定ポイント毎に当該圧電振動片の周波数の測定データを得る実測工程と、
前記測定データに対して、前記補正データを適用することにより、当該圧電振動素子の周波数特性データを得る工程とを有する圧電振動素子の周波数特性測定方法。
【請求項２】
各電極体にはπ回路を介してネットワークアナライザから周波数が与えられることを特徴とする請求項１記載の圧電振動素子の周波数特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動素子の周波数特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、圧電振動素子として、例えば、圧電振動デバイスや、圧電振動デバイス内に設けられた圧電振動片などが挙げられる。この圧電振動デバイスでは、圧電振動片がベース（パッケージ）とキャップとにより気密封止されている。
【０００３】
上記した圧電振動素子は、その製造工程において複数回周波数特性測定を行い、その測定結果に応じて周波数範囲毎の分類を行ったり、後工程における調整量を加減している。
【０００４】
圧電振動素子の周波数特性測定は、例えば特開昭６１−２５０２９号（引用文献１）に示すような装置を用いて行う。引用文献１は、電極間に挿入した振動基板の共振周波数の計測にあたり、共振周波数近傍で電極間隙を変化させ、該間隙変化の前後の周波数計測により共振周波数を算出することを特徴とする振動基板の周波数特性測定装置に関するものであるが、基本的には電極３上に振動基板（圧電振動素子）を搭載し、電極２を振動基板の上面から近接させた状態で交流電界を電極間に印加して周波数を計測する構成（エアギャップ方式）を採用している。
【特許文献１】特開昭６１−２５０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常このようなエアギャップ方式にて測定する場合、事前に両電極を接触させた状態で通電を行う機器校正作業（キャリブレーション）を行うことが多い。例えば、機器校正を行わずに測定を行うと図６に示すように、測定波形が全体として斜めに傾き、最大ピークにて共振点を検出する場合、本来の共振点とは異なる周波数を共振点と判断してしまい、適正な周波数測定が行われない可能性があった。このような不具合を回避するために前述の機器校正作業を行い、図７に示すような誤差成分を全て取り除く工程（ゼロリセット）を行ってから実際の測定を開始することにより、測定精度を向上させることができた。
【０００６】
ところで最近の圧電振動板は超薄型のものが増加しており、特に駆動周波数がその厚みで決定されるＡＴカット水晶振動片においては数１０ミクロン程度の厚さになっていた。このような場合特許文献１に示す構成では、測定を実施した場合圧電振動片の上下にある両電極間が極めて近接した状態となる。このような状態で圧電振動片に対して周波数（交流電界）を印加して周波数特性を測定する場合、電極間が近接したことによると考えられる不要な波形が現れ（図３参照）、これが本来の圧電振動片の周波数特性の波形と重畳した状態で計測されることがあった。このような意図しない不要な波形は圧電振動片の周波数特性測定において、その共振点を誤って検出することにつながり、周波数特性測定における信頼性低下を生じさせていた。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために、圧電振動素子の周波数特性測定において生じる不要な波形の影響を排除し、信頼性の高い圧電振動素子の周波数特性測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明は請求項１に示すように、一対の電極体間に圧電振動素子を配置し、少なくとも一方の電極体と圧電振動素子間に空隙を有する状態で掃引周波数を与え、当該圧電振動素子の周波数特性を測定する方法であって、測定周波数範囲を設定し、当該測定周波数範囲内で測定する周波数の測定ポイントを複数設定する設定工程と、周波数測定のための両電極体間隔を決定するギャップ設定工程と、ギャップ設定された電極体間に圧電振動片の無い状態で前記各測定ポイントの周波数を与え、電極体間隔に依存する電極体特性データを得る電極体間特性データ取得工程と、前記電極体間特性データに基づき補正データを得る補正データ取得工程と、前記電極体間に圧電振動素子を配置し、当該電極体間に前記各測定ポイントの周波数を与え、測定ポイント毎に当該圧電振動片の周波数の測定データを得る実測工程と、前記測定データに対して、前記補正データを適用することにより、当該圧電振動素子の周波数特性データを得る工程とを有することを特徴としている。
【０００９】
本発明においては、圧電振動素子の周波数測定を行う前に、まず測定周波数範囲を設定し、当該測定周波数範囲内で周波数の測定ポイントを複数設定する。また、両電極体間に圧電振動板を配置して、圧電振動板と電極体の間隔を測定に必要な間隔（ギャップ量）に設定する。圧電振動素子と電極体は少なくとも一方の電極とエアギャップを有している構成であればよい。例えば、一方の電極体上に圧電振動素子を平置き搭載し、他方の電極を圧電振動素子に近接された状態でエアギャップを形成する構成であってもよいし、また圧電振動素子の両面にエアギャップを介して電極体を配置する構成であってもよい。エアギャップ量が設定された後、配置した圧電振動板を取り除いて、この状態で近接した両電極体間に前記設定工程にて設定した測定ポイントに周波数を順次印加する。当該周波数の印加により電極体間に依存する出力が得られ、これにより電極体間特性データを取得する。このような事前作業に基づき電極体間特性データに基づく補正データを得る。当該補正データの生成は例えば前記電極体間特性を打ち消すような補正値を各測定ポイント毎に与え、演算により実質的にゼロリセットするデータ構成をあげることができる。
【００１０】
そしてその後  前記電極体間に圧電振動素子を配置し、当該電極体間に前記各測定ポイント毎に周波数を与え、測定ポイント毎に当該圧電振動片の周波数の測定データを得る工程と、前記測定データに対して、前記補正データを適用することにより、当該圧電振動素子の周波数特性データを得ることができる。
【００１１】
上述したように前記圧電振動素子の測定データは電極体間隔に依存する電極体間特性データが重畳している可能性がある。従って、当該電極体間特性データを調整する補正データを前記測定データに適用することにより、圧電振動素子本来の周波数特性データを得ることができる。
【００１２】
上述の圧電振動素子の周波数特性測定方法によれば、電極体間ノイズが発生するような超薄型の圧電振動素子の周波数特性測定においても、正確に圧電振動素子の周波数特性の測定を行うことができる。この場合従来行っていた両電極体を事前に接触させる機器校正作業は不要である。
【００１３】
また両電極体を事前に接触させる機器校正方法では、この作業を両電極体をショートさせた状態で行うが、このような方法では電極体が変形することがあった。電極体が変形すると適切なギャップが形成されないため、正確な圧電振動素子の周波数特性の測定が行われなくなることがあったが、本発明においては、このような工程を有しないため、電極体の長期利用が可能となりかつ正確な測定を行うことができる。
【００１４】
また上記方法において、各電極体にはπ回路を介してネットワークアナライザから周波数が与えられる方法であってもよい。ネットワークアナライザは予め設定した複数の周波数測定ポイントに対して、各周波数信号を被測定物に与え、ここから得られるゲインを測定し、これに基づき周波数特性を測定するものであり、測定における分解能を任意に定めることができるので高速かつ正確な測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧電振動素子の周波数特性測定において生じる不要な波形の影響を排除し、信頼性の高い圧電振動素子の周波数特性測定方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明による実施の形態について図面を参照して説明する。図１はエアギャップ方式による周波数特性測定装置の模式図であり、図２は本発明による周波数特性測定における各工程段階を示すブロック図である。また図３乃至図５は本発明を適用した測定波形の補正を説明する波形図である。
【００１７】
図１に示すように、エアギャップ方式による周波数特性測定装置１は、基台１０に各構成要素を取得した構成である。基台１０の平坦部１０ａ上には下絶縁体１１を介して下電極体１２が配置されている。当該下電極体１２の上面に対向した状態で、所定の間隔を持って上電極体１３が配置されている。当該上電極体１３は上絶縁体１４に取着され、当該上絶縁体１４はマイクロメータ１５の可動端部１５ａに取着されている。またマイクロメータ１５は保持アーム１６により保持され、保持アーム１６がアクチュエータ１７に接合されることにより、マイクロメータ１５や上電極体１３が動作可能になっている。なお、アクチュエータ１７は基台の側壁１０ｂに上下動作可能に取着されている。
【００１８】
被測定物である圧電振動素子Ｗは例えばＡＴカット水晶振動板であり、周波数特性測定時には下電極体１１上に搭載され、上下電極体間に配置される。
【００１９】
また前記下電極体１２はπ回路２１に、上電極体１３はπ回路２２に各々ケーブルにより電気的に接続され、また各π回路からネットワークアナライザ３のコネクタに電気的に接続されている。さらにネットワークアナライザ３にはＰＣ（パーソナルコンピュータ）４がインターフェイスを介して接続されている。
【００２０】
基台１０は周波数特性測定装置の機構部分を配置するベースとなるもので、下絶縁体１１を固着する平坦部１０ａとアクチュエータ１７を取着する側壁１０ｂとを有している。
【００２１】
下絶縁体１１は基台の平坦部１０ａ上に固定設置されている。当該下絶縁体１１は所定厚さのセラミックブロックからなり、その上面は平坦面となっている。
【００２２】
下電極体１２は下絶縁体１１の上部に取り付けられ、上面が平坦な円形または方形の金属体もしくは導電性セラミックからなる。下電極体１２の表面は圧電振動素子Ｗが搭載された際、圧電振動素子にキズ等の損傷を与えないように平滑面であることが必要である。
【００２３】
上電極体１３は下電極体１２に対向してギャップを有する状態で配置されている。当該上電極体１３も基本的には下電極体１２と同じ構成であり、下電極体１２との対向面が平坦な円形または方形の金属体からなる。
【００２４】
ただし、下電極体１２は圧電振動素子Ｗを搭載する必要があるため、圧電振動素子より大きな上面の面積を有しているが、上電極体１３においては下電極体より小さなものが用いられる。これは圧電振動素子の無用な振動モードの励振を抑制するためであり、本実施の形態で例示したＡＴカット水晶振動板（圧電振動素子）においては水晶振動板全体に励振電圧を印加すると、例えば輪郭系振動モード等の不要な振動モードが励振されやすくなってしまう。従って上電極体のサイズを小さくすることにより、水晶振動板の中央部分に励振電圧を印加し、本来用いる厚みすべり振動を効率よく励振させることができる。具体的に例示すると、圧電振動素子が長辺が２．５ｍｍ、短辺が１．９ｍｍの外形サイズのものに対して、例えば１．５ｍｍφの円形の上電極体を用い、これを水晶振動板の中央部分に近接させて電圧を印加する。
【００２５】
上絶縁体１４は上電極体を支持固定している。上絶縁体１４も下絶縁体１１と同様に、所定厚さのセラミックブロックからなり、その表裏面は平坦面となっている。
【００２６】
マイクロメータ１５はその可動端部１５ａに上絶縁体１４を支持固定している。当該マイクロメータ１５は前記上下電極間の間隔を所定範囲内に保つための微小調整機構であり、被測定物である圧電振動素子Ｗの厚さに対応させて前記可動端部１５ａを上下方向に調整する。
【００２７】
保持アーム１６は前記マイクロメータ１５を保持するもので、マイクロメータ１５の動作固定側を支持固定している。
【００２８】
またアクチュエータ１７は前記支持アーム１６と接合されるとともに、基台の側壁１０ｂに対して上下動作可能状態に取着されている。アクチュエータ１７は電動モータあるいは超音波モータ等により上下動作する構成であり、外部からの制御信号に基づき動作方向および動作量が決定される。この上下動作により、上電極体１３を下電極体１２に対して近接および離間させることができる。
【００２９】
例えば、圧電振動素子Ｗを下電極体に搭載する場合は、上電極体を上昇させて下電極体上に供給装置から圧電振動素子Ｗを搭載することを容易にする。下電極体１２に搭載した後は上電極体１３を下降、すなわちアクチュエータ１７の下降動作させることにより、周波数特性測定位置まで上電極体１３を圧電振動素子Ｗに近接させることができる。当該近接における微調整は前記マイクロメータにより手動設定にて行われる。
【００３０】
前記下電極体１２と上電極体１３の各コネクタ部１２ａ，１３ａには導電ケーブルが接続され、π回路２１，２２と各々電気的につながっている。当該π回路はJIS C6701にて定められているπ回路測定法を実施するために用いる。
【００３１】
さらにπ回路２１，２２はネットワークアナライザ３に導電ケーブルにより各々電気的に接続されている。ネットワークアナライザ３は周知のとおり、例えば被測定物である圧電振動素子に関して所定の周波数範囲に各測定ポイントを設定し、各測定ポイントに所定の周波数を印加し、ここから得られるゲイン特性の測定を行い、これに基づき当該圧電振動素子の周波数特性を測定するものである。例えば、測定する周波数範囲を１５３〜１５７ＭＨｚに設定し、この間に測定ポイントを１６００ポイントに設定し、この各ポイントに対して上記周波数範囲の周波数を掃引して与え、ここから得られるゲイン特性の測定を行う。
【００３２】
ＰＣ４はネットワークアナライザ３のインターフェイス（例えばＧＰ−ＩＢ）を介して接続されている。ＰＣ４はネットワークアナライザ３の測定周波数範囲、測定ポイント数、測定分解能などの設定を行う。ＰＣ４からの測定開始命令によりネットワークアナライザは設定されている全測定ポイントの測定を行う。
【００３３】
またＰＣ４はネットワークアナライザ３の測定値を受け取り、当該測定値の記憶や測定値に基づく演算を行う。例えば、電極体間特性データを受け取り、これに基づいて補正データを生成したり、あるいは圧電振動素子の測定データを受け取り、当該測定データに対し前記補正データに基づく補正処理を行う演算処理し、ノイズ成分の除去された周波数特性データを得ることができる。
【００３４】
次に上記装置を用いて具体的に補正された周波数特性データを得る方法について説明する。
【００３５】
（ａ）測定設定工程（周波数測定ポイント設定工程）
測定する圧電振動素子Ｗの周波数に応じて周波数測定範囲を設定し、当該周波数測定範囲に等間隔スパンあるいは任意のスパンで多数の測定ポイントを設定する。例えば、測定する周波数範囲を１５３〜１５７ＭＨｚに設定し、この間に測定ポイントを１６００ポイントに設定し、この各ポイントに対して上記周波数範囲の周波数を掃引して与え、ここから得られるゲイン特性の測定を行う。当該周波数測定範囲および測定ポイント数はネットワークアナライザ３の測定能力に依存するが、一般に測定範囲と測定ポイント数（測定スパン）はトレードオフの関係にあるので測定精度を考慮して設定する必要がある。
【００３６】
（ｂ）ギャップ設定工程（上下電極間のギャップ量調整）
図１に示す周波数特性測定装置の下電極体１２の上面に被測定物である圧電振動素子Ｗを搭載する。当該圧電振動素子Ｗは平板状であり、表裏面には励振電極は形成されていない。搭載後、アクチュエータ１７の下降動作によりマイクロメータの可動端部１５ａに取着された上電極体１３を圧電振動素子Ｗに近接させる。その後、マイクロメータ１５を手動で調整し、上電極体１３と圧電振動素子Ｗの間隔を微調整して適切なギャップを設定する。
【００３７】
（ｃ）電極体間特性データ取得工程（調整したギャップでのダミー測定）
次に下電極体１２から圧電振動素子Ｗを取り除き、前記設定したギャップ量を保った状態で、前記測定設定工程で設定した測定ポイントに対して順次周波数を与え、これに基づくゲイン特性をネットワークアナライザにより測定する。全測定ポイントの測定が終了すると、全測定ポイントの測定値をＰＣのメモリに格納する。
【００３８】
図３は本工程で得られた電極間特性データを示す波形図の例である。なお図３乃至図５において横軸は周波数（frequency  MHz）であり、縦軸はゲイン（ｄＢ）である。図３においては高周波数側でゲイン特性が緩やかに高くなる傾向となっている。
【００３９】
（ｄ）補正データ取得工程（補正データの演算、取得）
前記電極体間特性データに基づき、そのゲイン特性が実質的にゼロリセットされるように、各測定ポイント毎に前記電極体間特性データを打ち消すような補正値をＰＣで算出する。当該補正データはＰＣのメモリに格納される。
【００４０】
（ｅ）実測工程（被測定物の周波数測定）
上記各工程後、被測定物である圧電振動素子の周波数特性の測定を行う。圧電振動素子Ｗを前記下電極体上面に搭載し、ギャップ設定工程で設定したギャップを保持した状態で、上下電極体間に周波数（交流電圧）を与えて、ここから得られるゲイン特性をネットワークアナライザから実測データを取得する。実測ポイントは前記測定設定工程で設定した各測定ポイントであり、順次測定ポイント毎に設定された周波数を与える。測定は低周波数側から高周波数側に順次各測定ポイントについて行ってもよいし、逆に高周波数側から低周波数側に順次各測定ポイントについて行ってもよい。
【００４１】
図４は本工程で得られた実測データを示す波形図の例である。図４においては本来の共振点ｆ０であると考えられる急峻なピークゲインの他に、図３で現れたような高周波側の緩やかなゲイン特性の高い特性が重畳して現れている。
【００４２】
（ｆ）周波数特性データ取得工程
前記各測定ポイント毎の実測データに対して、各測定ポイント毎の前記補正データを適用することにより、前記電極体間特性の除去された圧電振動素子の特性を抽出する。例えば、特定の測定ポイントに実測データに対して、当該特定の測定ポイントにおける補正データを与えてこれを演算することにより、当該測定ポイントにおいて不要波形成分の除去された圧電振動素子の特性を得る。
【００４３】
図５は本工程で得られた実測データに対し補正データにより補正処理を行った例を示す波形図の例である。図５においては本来の共振点ｆ０のみに急峻なピークゲインがあり、不要波形成分の除去された圧電振動素子の周波数特性を得ることができた。
【００４４】
なお、本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、圧電振動素子、特に水晶振動子や水晶振動片の周波数特性測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】周波数特性測定装置の概略構成図である。
【図２】周波数特性測定工程を示す図である。
【図３】電極体間の特性波形図である。
【図４】エアギャップ方式による実測波形図である。
【図５】補正後の圧電振動素子の波形図である。
【図６】従来例を示す波形図である。
【図７】従来例を示す波形図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  周波数特性測定装置
１０  基台
１２  下電極体
１３  上電極体
１５  マイクロメータ
１７  アクチュエータ
２１，２２  π回路
３  ネットワークアナライザ
４  ＰＣ
【図１】
2008233053.tif 000003
【図２】
2008233053.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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