(57)【要約】【課題】圧電振動板単体での周辺の環境温度を特定の測定温度範囲内で変化させ、温度特性の測定する。【解決手段】圧電振動板を収容し、その特性を測定する測定空間２と、当該測定空間を真空雰囲気にする真空引き手段３とがあり、上記測定空間の内部には、前記圧電振動板を搭載する基台４１と、カバー部材４２と、環境温度に応じて特性が変化する基準電子部品４４とが備えられており、前記基台には、圧電振動板の周波数を測定するための測定電極が形成されるとともに、上記測定空間内の温度を任意に調整可能な温度調整手段を有しており、上記基準電子部品の特性を測定し、その測定結果である特性に対応する環境温度を測定対象圧電振動板の環境温度と認識して、この認識した環境温度に関連付けて測定対象圧電振動板の特性測定動作を実行する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境温度の変化に伴う圧電振動板の特性変化を測定するために使用される温度特性測定装置であって、
圧電振動板を収容し、その特性変化を測定するための測定空間と、当該測定空間の内部を真空雰囲気にする真空引き手段とがあり、
上記測定空間の内部には、前記圧電振動板を搭載する基台と、当該基台の上面に配置され、前記圧電振動板を位置決めするカバー部材と、測定対象圧電振板と同様の基台に置かれていると共に環境温度に応じて特性が変化する基準電子部品とが備えられており、
前記基台には、圧電振動板の周波数を測定するための測定電極が形成されるとともに、上記測定空間内の温度を任意に調整可能な温度調整手段を有しており、
上記基準電子部品の特性を測定し、その測定結果である特性に対応する環境温度を測定対象圧電振動板の環境温度と認識して、この認識した環境温度に関連付けて測定対象圧電振動板の特性測定動作を実行するよう構成されていることを特徴とする圧電振動板の温度特性測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の圧電振動板の温度特性測定装置において、
温度調整手段を有する基台がペルチェ素子からなることを特徴とする電子部品の温度特性測定装置。
【請求項３】
請求項１、２のうち何れか一つに記載の圧電振動板の温度特性測定装置において、
基準電子部品は上記測定対象圧電振動板と同種の圧電振動板を用いた圧電振動デバイスであることを特徴とする圧電振動板の温度特性測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうち何れか一つに記載の圧電振動板の温度特性測定装置において、
前記カバー部材には、前記基台の測定電極の存在する位置へ向って形成されたテーパー状の配置穴部を有しており、当該配置穴部は前記カバー部材から着脱自在に構成されてなることを特徴とする圧電振動板の温度特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子等に組み込まれる圧電振動板単体での環境温度変化に伴う特性変化を測定するために使用される温度特性測定装置にかかる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水晶振動子等の電子部品にあっては使用環境の温度変化によって特性がどのように変化するかを予め知っておくことが必要である。例えば、水晶振動子の場合、環境温度の変化に応じて共振周波数やＣＩ（クリスタルインピーダンス）が変化するため、種々の環境温度における共振周波数やＣＩを予め測定しておくことが必要である。
【０００３】
これまで、真空雰囲気中で、水晶振動子の周波数温度特性を測定するための装置としては、特許文献１に開示されているものがあげられる。この種の測定装置は、測定温度範囲（例えば−４０℃〜７０℃の範囲）において、先ず、測定室内の温度を−３５℃に設定した状態で水晶振動子の共振周波数を測定し、その後、測定室内の温度を上昇させながら、それぞれの温度環境下での共振周波数を測定していくようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１４６８３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記測定装置では、圧電振動板をパッケージ体に収納し、気密封止された水晶振動子としての完成品に対して温度特性を測定しているため、圧電振動板の切断角度ずれ・寸法規格はずれ、不要振動とのカップリングによる不具合等の圧電振動板のみに起因する不具合の確認についても、気密封止された水晶振動子としての完成品に対してしか実施できない。つまり、圧電振動板単体として特性評価できないため、パッケージ等の組み立て材料・パッケージへの組み立てに要するリードタイム・組み立てにかかる人件費等様々な無駄が生じていた。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、圧電振動板単体での周辺の環境温度を特定の測定温度範囲内で変化させ、温度特性の測定結果を早期に知ることが可能となり、所望の温度特性が認識できた圧電振動板を組み立てることができるので、より信頼性の高い圧電振動子を無駄なく提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
具体的には、特許請求項１に示すように、環境温度の変化に伴う圧電振動板の特性変化を測定するために使用される温度特性測定装置であって、圧電振動板を収容し、その特性変化を測定するための測定空間と、当該測定空間の内部を真空雰囲気にする真空引き手段とがあり、上記測定空間の内部には、前記圧電振動板を搭載する基台と、当該基台の上面に配置され、前記圧電振動板を位置決めするカバー部材と、測定対象圧電振板と同様の基台に置かれていると共に環境温度に応じて特性が変化する基準電子部品とが備えられており、前記基台には、圧電振動板の周波数を測定するための測定電極が形成されるとともに、上記測定空間内の温度を任意に調整可能な温度調整手段を有しており、上記基準電子部品の特性を測定し、その測定結果である特性に対応する環境温度を測定対象圧電振動板の環境温度と認識して、この認識した環境温度に関連付けて測定対象圧電振動板の特性測定動作を実行するよう構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、特許請求項２に示すように、請求項１記載の圧電振動板の温度特性測定装置において、温度調整手段を有する基台がペルチェ素子からなることを特徴とする。
【０００９】
また、特許請求項３に示すように、請求項１、２のうち何れか一つに記載の圧電振動板の温度特性測定装置において、基準電子部品は上記測定対象圧電振動板と同種の圧電振動板を用いた圧電振動デバイスであることを特徴とする。
【００１０】
また、特許請求項４に示すように、請求項１〜３のうち何れか一つに記載の圧電振動板の温度特性測定装置において、前記カバー部材には、前記基台の測定電極の存在する位置へ向って形成されたテーパー状の配置穴部を有しており、当該配置穴部は前記カバー部材から着脱自在に構成されてなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、真空雰囲気にて、圧電振動板単体と環境温度に応じて特性が変化する基準電子部品とをカバー部材に位置決めしながら、前記圧電振動板の周波数を測定するための測定電極が形成された基台上部に搭載し、温度調整手段により測定空間内の温度を任意に調整することができるので、結露を防止しながら、測定空間内の温度を高い精度で測定し、圧電振動板単体のみで周波数温度特性を測定することができる。
【００１２】
つまり、測定対象物である圧電振動板の温度特性測定結果の信頼性の向上を図るだけでなく、圧電振動板の切断角度ずれや不要振動とのカップリングによる不具合など圧電振動板単体に起因する不具合を圧電振動板単体として周波数温度特性を認識することで未然に防ぐことができる。
【００１３】
そして、所望の温度特性が認識された圧電振動板のみを圧電振動子としてケース体等に組み立て、より信頼性の高い圧電振動子を無駄なく提供することができる。
【００１４】
特に、環境温度に応じて特性が変化する基準電子部品を採用したことにより、測定空間の温度を直接測定することなしに環境温度を認識している。このため、温度変化に対する特性変化の追従性の高い基準電子部品を採用することにより、測定対象圧電振動板の温度特性を高い精度で測定することが可能になる。
【００１５】
また、特許請求項２に示すように、温度調整手段としてペルチェ素子を採用した場合には、測定空間内の温度を容易に任意の値に設定することができ、且つ基台を兼ねることで加熱源及び冷熱源の小型化を図ることができて温度特性測定装置全体の小型化を図ることができる。
【００１６】
また、特許請求項３に示すように、基準電子部品は上記測定対象圧電振動板と同種の圧電振動板を用いた場合には、基準電子部品の周波数偏差を認識することによって測定空間内の温度を高い精度で測定することが可能になり、測定対象圧電振動板の温度特性を極めて高精度で測定することが可能となる。
【００１７】
更に、この場合、基準電子部品として使用する圧電振動デバイスは、環境温度に対して周波数偏差が一意的に決まるものであり、且つ環境温度の変化量に対する周波数偏差の変化量が、「零周波数温度係数」の特性を有する圧電振動デバイスのその変化量よりも大きい特性を有するものとすることが望ましい。ここで言う「零周波数温度係数」の特性を有する圧電振動デバイスとは、ある温度（例えば２５℃）付近において、環境温度の変化量に対する周波数偏差の変化量が極端に小さくなる特性を有するものであり、特性を数式で表した場合の温度係数が「０」となるものである。ＡＴカット水晶振動子などでは、この特性を有するものが一般に使用されている。本解決手段の如く、基準電子部品として、環境温度の変化量に対する周波数偏差の変化量が大きいものを採用することにより、基準電子部品の周波数偏差の測定による測定空間内の温度測定が高精度で行えることになる。
【００１８】
また、特許請求項４に示すように、テーパー状の配置穴部により、圧電振動板を基台の測定電極へ誘い込むための位置決めとすることができる。また、当該配置穴部は、位置決め搭載される圧電振動板のサイズに応じて適宜取り替えることのできるので、圧電振動子としてケース体に収納されるものを測定する場合に比べて、様々なサイズが存在する圧電振動板単体を測定するのに適した構成とできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本形態では温度特性の測定対象である圧電振動板として水晶振動板を適用した場合について説明する。
【００２０】
−温度特性測定装置の構成説明−
図１に示すように、本温度特性測定装置１は、水晶振動板Ｂを収容し、その特性変化を測定するための測定空間としての真空容器２と、当該測定空間の内部を真空雰囲気にする真空引き手段としての真空ポンプ３、この真空容器の内部の後述する測定部分４に接続された出力手段としてのネットワークアナライザー等の計測器５とを備えている。以下、真空容器内部の測定部分４について説明する。
【００２１】
測定部分４は、測定対象である水晶振動板Ｂ及び後述する基準振動子４４を共に載置可能な基台４１と、この基台の上面に配置され、前記圧電振動板を位置決めするカバー部材４２と、前記測定対象としての水晶振動板Ｂの上部に所定の間隔をあけて密接配置されるプローブ端子４３を備えている。
【００２２】
前記基台４１は、平板状のペルチェ素子により構成されており、当該測定部分４の温度を任意に調整可能としている。この基台の上面には、金蒸着などの手法により、測定対象である水晶振動板Ｂと後述する基準振動子４４を搭載する部分に、それぞれ水晶振動板と接触可能な測定電極４１１と、基準振動子の外部端子に接触可能な接続端子電極４１２、４１３が形成されている。前記測定電極４１１は、前記プローブ端子４３と対向配置されており、これらの間に高周波信号（所定の高周波電圧等）を印加されるように構成されている。なお、この基台の下面には、図示しないがヒートシンクを備えていることが望ましい。ヒートシンクは、ペルチェ素子としての基台４１の下面側の放熱を促進する。
【００２３】
上記ペルチェ素子は、図示しないがセラミックなどからなる絶縁伝熱板の間にＰ型半導体、あるいはＮ型半導体の接合対を複数にわたり直列に接続されたものであって、電流の通電により一方の面で吸熱が他方の面で発熱がそれぞれ生じるよう構成されたものである。そして、電流の方向を切り換えることによって吸熱面と発熱面とを切り換えることが可能であり、これによって基台４１上部の冷却と加熱とを切り換えることが可能となっている。このペルチェ素子に対する印加電圧と表裏面に発生する温度差との関係は、例えば印加電圧を０〜１５Ｖの範囲で調整することにより、表裏面に発生する温度差を０〜９０ｄｅｇの範囲内で所望の値に設定することができるようになっている。これにより、基台上面の温度を−２０℃〜＋７０℃の範囲で任意の値に設定することが可能である。
【００２４】
前記カバー部材４２は、セラミックや高分子ポリエチレン等の絶縁材料により構成されており、測定対象である水晶振動板を位置決め収納し、前記基台の測定電極４１１の形成された位置へ向う誘い込みを兼ねたテーパー状の配置穴部４２１と、基準電子部品としての基準振動子４４を位置決め収納するための配置穴部４２２がそれぞれ形成されている。この配置穴部のうち、測定対象である水晶振動板用の配置穴部４２１については、図３に示すように、カバー部材４２から着脱自在にパーツ化したカバー分割部材４２３を構成している。このため、位置決め搭載される水晶振動板Ｂのサイズに応じてカバー分割部材４２３を適宜取り替えることのできる。なお、配置穴部４２１の形状は、矩形状の水晶振動板に対応させるために方形状としているが、円形状、楕円形状等であっても特に問題はない。
【００２５】
これらを収容してなる真空容器２には、真空ポンプ３が接続されており、真空ポンプが駆動されることにより、この真空容器２の内部空間が真空引きされるようになっている。
【００２６】
次に、上述の如く構成された温度特性測定装置１とネットワークアナライザー等の計測器５との接続状態について説明する。温度特性測定装置１の測定対象側のプローブ端子４３と測定電極４１１、基準振動子側の接続端子電極４１２、４１３は出力切り換え手段としてのスイッチングユニット６を介して計測器５に接続されている。
【００２７】
このスイッチングユニット６は、図中実線で示すように測定対象側のプローブ端子４３と測定電極４１１を計測器５に接続する状態と、図中破線で示すように基準振動子側の接続端子電極４１２、４１３を計測器５に接続する状態とが切り換え可能となっている。この切り換え動作により、前者の場合には、測定対象である水晶振動板Ｂの周波数特性が計測器５に表示される一方、後者の場合には、基準振動子１１の周波数特性が計測器５に表示されることになる。
【００２８】
なお、測定対象物である水晶振動板Ｂの周波数測定は、プローブ端子４３を水晶振動板Ｂに近接、または接触させて、高周波信号発生器７からプローブ端子と測定電極４１１の間に高周波信号（所定の高周波電圧等）を印加し、この出力信号を計測器５が受けることで、測定対象である水晶振動板Ｂの周波数特性が計測器５に表示されることにより実施される。
【００２９】
上述した温度特性測定装置では、出力手段として計測器を使用しているので、測定対象水晶振動板の温度変化に伴う共振特性の変化の状態を連続的にモニタすることが可能となる。また、測定したい温度点近傍で、所定温度毎に計測器で計測された共振波形を数値データとして記憶するという動作を繰り返すようにすれば、温度変化に伴う連続的な共振波形の変化の様子を記録、確認できる。これによって、不具合モードの特定等を行う際に有効なデータを取得することができる。
【００３０】
次に、上記基準振動子４４について説明する。本形態における測定対象である水晶振動板ＢがＡＴカット水晶振動子である場合、この基準振動子４４としてもＡＴカット水晶振動子が採用され、測定対象である水晶振動板と同一材料及び同一形状の水晶振動板を備えている。
【００３１】
そして、この基準振動子４４としては、以下の周波数温度特性を備えたものが採用されている。一般的に使用されるＡＴカット水晶振動子は、図２（環境温度と周波数偏差との関係を示す図）に破線で示すように、ある温度（図２のものでは２５℃）付近において、環境温度の変化量に対する周波数偏差の変化量が小さくなる特性のものが使用されている。これは、この温度付近で使用した場合に、環境温度がある程度変化しても周波数偏差の変動が抑えられるようにして水晶振動子に安定した性能を維持させるためである。これに対し、基準振動子４４として採用されるＡＴカット水晶振動子は、図２に実線で示すように、何れの温度域においても環境温度の変化量に対する周波数偏差の変化量が上記一般的なＡＴカット水晶振動子よりも大きくなっている特性のものが使用されている。言い換えると、周波数偏差の値と環境温度の値とが高い精度で一意的に対応している特性のものである。上記一般的なＡＴカット水晶振動子の特性は、この特性を数式で表した場合の温度係数が「０」のものであり、一般に「零周波数温度係数」の特性を有するものと呼ばれている。これに対し、上記基準振動子４４として採用されるＡＴカット水晶振動子は、上記一般的なＡＴカット水晶振動子に用いられている水晶片とは切断角度が異なる水晶片を使用したものであって、温度に対して周波数偏差が一意的に決まる特性を有しており、零周波数温度係数の特性を有する振動子に対して反時計回り（またはＣＣＷ方向）に回転した特性と呼ばれている。
【００３２】
このような基準振動子４４を採用することにより、この基準振動子４４の周波数偏差を測定すれば基台４１上部の温度が高精度で測定することができるようになっている。
【００３３】
なお、上述した如く、基準振動子４４は、測定対象である水晶振動板Ｂと同種のもの（上述のものでは何れもＡＴカット水晶振動子）であることが好ましいが、互いに異なる種類の水晶振動子であってもよい。例えば、測定対象である水晶振動板ＢがＡＴカット水晶振動子であるのに対し、基準振動子４４として音叉型水晶振動子やＢＴカット水晶振動子等を採用してもよい。
【００３４】
−温度特性測定装置１による測定動作の説明−
次に、上述の如く構成された温度特性測定装置１による水晶振動板Ｂの周波数温度特性の測定動作について説明する。本形態では、測定温度範囲を−２０℃〜＋７０℃とし、真空容器内を真空雰囲気にした状態で、基台４１上部温度を−２０℃とした後に周波数温度特性の測定を開始し、２ｄｅｇ毎に＋７０℃まで水晶振動板Ｂの周波数温度特性の測定を順次行っていく場合について説明する。
【００３５】
先ず、基台４１上部に水晶振動板Ｂと基準振動子４４をそれぞれ載置する。この載置後、真空容器２内を真空ポンプ３により真空雰囲気にする。また、スイッチングユニット６は、図１に破線で示すように、基準振動子側を計測器５に接続する状態とし、基準振動子４４の周波数特性が計測器５に表示されるようにしておく。
【００３６】
この状態で、図示しない電源制御装置から基台４１としてのペルチェ素子に通電を行い、その上面が吸熱動作を、下面が放熱動作を行うようにする。これにより、基台４１の上部は冷却されていく。この場合にペルチェ素子に印加される電圧は下面温度が−２０℃となる値である。この冷却動作に伴って基準振動子４４は共振周波数が変化していく。この変化の状態は計測器５に表示される。
【００３７】
そして、基準振動子４４の周波数偏差が環境温度−２０℃における値に一致した時点で周波数温度特性の測定を開始する。
つまり、スイッチングユニット６を、図１に実線で示すように、測定対象である水晶振動板側が計測器５に接続する状態とし、プローブ端子４３を水晶振動板Ｂに近接、または接触させて、高周波信号発生器７からプローブ端子と測定電極４１１の間に高周波信号（所定の高周波電圧等）を印加し、この出力信号を計測器５が受けることで、測定対象である水晶振動板Ｂの周波数特性が計測器５に表示されるようにする。そして、この状態を計測器５の記憶装置に記憶するか若しくは出力する。
【００３８】
その後、スイッチングユニット６を図１に破線で示すように再び切り換えると共に、上面温度が−１８℃となる電圧をペルチェ素子（基台４１）に印加する。これにより、基台上面の温度は上昇していき、それに伴って基準振動子４４の共振周波数が変化していく。この変化の状態は計測器５に表示される。
【００３９】
そして、基準振動子４４の周波数偏差が環境温度−１８℃における値に一致した時点で、スイッチングユニット６を図１に実線で示す状態に切り換えて、測定対象である水晶振動板Ｂの周波数特性を計測器５に表示させ、この状態を計測器５の記憶装置に記憶若しくは出力する。
【００４０】
その後、再びスイッチングユニット６を図１に破線で示すように切り換え、下面温度が−１６℃となる電圧をペルチェ素子に印加する。
【００４１】
このようなペルチェ素子への印加電圧の切り換えに伴う基準振動子４４の周波数偏差の測定と水晶振動板の周波数特性の測定とを交互に行っていき、基台４１上部の温度が＋７０℃になるまで基台上部の環境温度を次第に上昇させながら２ｄｅｇ毎に水晶振動板Ｂの周波数特性の測定を行っていく。
なお、基台上部の環境温度を常温以上に高める場合には、ペルチェ素子の上面が放熱動作を下面が吸熱動作をそれぞれ行うことになる。そして、＋７０℃での水晶振動板Ｂの周波数特性の測定が終了すると、ペルチェ素子への通電を停止し、真空容器内を大気圧に戻し、基台４１から水晶振動板Ｂを取り出して周波数温度特性の測定作業を終了する。
【００４２】
−その他の実施形態−
上述した温度特性測定装置では、測定対象物である水晶振動板Ｂに対して、プローブ端子４３のみが非接触の構成となっているが、測定電極側も非接触とすることで、水晶振動板の振動を阻害しないより好ましい特性測定が実施できる。例えば、図４では、測定部分に、上側ペルチェ素子８１（カバー部材に相当），下側ペルチェ素子８２（基台）が配置されており、各ペルチェ素子の対向面には測定電極８１１，８２１と水晶振動板保持用スペーサー８１２，８１３，８２２，８２３が形成されている。この測定部分で水晶振動板Ｂを測定する場合、前記各水晶振動板保持スペーサーにより水晶振動板の端部上下方向で挟み込み、前記各測定電極により水晶振動板の中央部分の上下方向から高周波信号を印加されるので、水晶振動板の中央部分を非接触状態で周波数測定すことができる。
【００４３】
また、上記実施形態では、基台上部の温度を測定温度範囲の下限値まで一旦降下させた後に基台上部の温度を上昇させながら温度特性の測定を実行するようにしていたが、逆に、基台上部の温度を測定温度範囲の上限値まで一旦上昇させた後に基台上部の温度を降下させながら温度特性の測定を実行するようにしてもよい。また、温度特性測定の更なる高精度化を図るためには、これら両動作によって温度特性をそれぞれ測定することが好ましい。また、測定温度範囲は上述した範囲に限るものではない。
【００４４】
更に、上記実施形態では、基台上部の温度を調整するための手段としてはペルチェ素子を使用したが、本発明はこれに限るものではなく、個別の冷熱源と温熱源とを備えさせ、それぞれの動作によって基台上部の温度を調整するようにしてもよい。但し、装置全体の小型化を図るためには上記ペルチェ素子を採用することが最も好ましい。
【００４５】
また、上記実施形態では、１台の計測器５に対してスイッチングユニット６によって基準振動子４４と水晶振動板Ｂの接続状態を切り換えるようにしていたが、基準振動子４４と水晶振動板Ｂそれぞれに計測器を接続してもよい。これによれば、水晶振動板Ｂの共振周波数を常時モニタすることが可能になる。
【００４６】
上記実施形態では、温度特性の測定対象である電子部品として水晶振動子を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、水晶フィルタ、ＩＣ等の種々の電子部品の温度特性測定に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる温度特性測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】ＡＴカット水晶振動子における環境温度と周波数偏差との関係を示すものであって、一般的なＡＴカット水晶振動子の特性を破線で、基準振動子として採用されるＡＴカット水晶振動子の特性を実線でそれぞれ示す図である。
【図３】本発明にかかる温度特性測定装置における基台とカバー部材の斜視図である。
【図４】本発明の他の温度特性測定装置の測定部分を示す断面図である。
【符号の説明】
１        温度特性測定装置
２        真空容器
３        真空ポンプ
４        測定部分
４１      基台（ペルチェ素子）
４２      カバー部材
４３      プローブ端子
４４      基準振動子（基準電子部品）
５        計測器
６        スイッチングユニット（出力切り換え手段）
７        高周波信号発生器
Ｂ        水晶振動子（測定対象物）
【図１】
2004150857.tif 000003
【図２】
2004150857.tif 000004
【図３】
2004150857.tif 000005
【図４】
2004150857.tif 000006