(57)【要約】【課題】製品段階でも周波数調整が可能で、目標とする周波数範囲内に高精度に調整できる圧電共振子の周波数調整方法を提供する。【解決手段】圧電共振子に定格レベルより高いパワーレベルでかつ共振周波数付近の高周波信号を所定時間だけ印加し、この高周波信号の印加により圧電共振子を自己発熱させる第１の工程と、上記圧電共振子を常温まで冷却または放冷する第２の工程と、常温状態における上記圧電共振子の周波数を測定する第３の工程とを有し、上記周波数が目標とする周波数範囲内となるまで上記第１〜第３の工程を繰り返す。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電共振子に定格レベルより高いパワーレベルでかつ共振周波数付近の高周波信号を所定時間だけ印加し、この高周波信号の印加により圧電共振子を自己発熱させる第１の工程と、
上記圧電共振子を常温まで冷却または放冷する第２の工程と、
常温状態における上記圧電共振子の周波数を測定する第３の工程とを有し、
上記周波数が目標とする周波数範囲内となるまで上記第１〜第３の工程を繰り返すことを特徴とする圧電共振子の周波数調整方法。
【請求項２】
圧電素子をパッケージ内に収納した状態の上記圧電共振子に対して上記第１〜第３の工程が実施されることを特徴とする請求項１に記載の圧電共振子の周波数調整方法。
【請求項３】
上記高周波信号のパワーレベルを２０ｄＢｍ〜４０ｄＢｍとし、１回の印加時間を１００ｍｓ〜４００ｍｓ程度とすることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電共振子の周波数調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発振子やフィルタなどの圧電共振子の周波数を調整する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開昭５５−７０１１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２０７０１９号公報
従来、圧電セラミックよりなる圧電共振子の周波数を調整する方法としては、周波数調整インクや蒸着膜を振動電極上に形成する重量付加、スパッタエッチングまたはイオンビームにより振動電極の質量を軽減する質量軽減、振動電極の形状や寸法の変更などが一般的に知られている。
このような周波数調整方法は、未完成状態の圧電共振子つまり素子の段階で上記のような処理を施す必要があった。しかし、素子の段階で周波数を調整しても、組立工程などの後工程で発生する変動幅が大きく、素子をパッケージ内に収納して製品とした段階では、目標とする周波数に対して許容範囲外のずれが発生してしまうことがあった。そのため、従来では、後工程での周波数変動に対してある程度の予測とマージンとを加え、最終的に製品とした段階で許容範囲内になるように周波数調整を行っていたが、許容範囲内に入らないものが発生していた。
近年、ＭＨｚ帯の圧電共振子の周波数誤差は、２００ｐｐｍ〜５００ｐｐｍ程度の高精度が要求されている。上記のような調整方法では、目標とする周波数範囲内に収めるのは困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では、厚み振動をするエネルギー閉じ込め形圧電セラミック回路素子の対向電極間に交流電界を印加し、共振周波数を上昇させ、反共振周波数を低下させるように周波数を調整する方法が提案されている。
この方法は、素子に低周波数（例えば６０Ｈｚまたは１５０Ｈｚ）の交流電界をかけ、正分極方向の印加時にはほとんど分極度が変化せず、逆分極方向の印加時に分極度を下げることで、周波数を調整するものである。
【０００４】
特許文献１には、素子に印加する交流電界として、例えば０．５ｋＶ／ｍｍ〜３ｋＶ／ｍｍが開示されている。公知のチップ形セラミック発振子にこのような交流電界を印加しようとすれば、１０００Ｖもの高電圧が必要となり、素子をパッケージに収納した製品段階では周波数調整が困難であった。
また、共振周波数の上昇と反共振周波数の低下とが同時に実施されるので、周波数を高精度に制御することが難しかった。
【０００５】
特許文献２には、圧電セラミック素子にその定格レベルより高いレベルの高周波測定信号を印加し、その測定信号の印加によって圧電セラミック素子を誘電加熱により発熱させ、その発熱状態で位相特性やインピーダンス特性を測定することで、圧電セラミック素子の内部欠陥を検出する方法が提案されている。
この方法は、圧電セラミック素子を発熱した状態で電気的特性を測定することで、常温では発見できない内部欠陥を検出するものであるが、高周波測定信号は、その印加後、圧電セラミック素子の圧電特性が印加前とほぼ同じ特性に戻り得るレベルであり、圧電セラミック素子の周波数を調整するものではない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、目標とする周波数範囲内に高精度に調整できる圧電共振子の周波数調整方法を提供することにある。
また、他の目的は、製品段階でも周波数調整が可能で、周波数調整を高速にかつ簡単な設備で実施できる圧電共振子の周波数調整方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、圧電共振子に定格レベルより高いパワーレベルでかつ共振周波数付近の高周波信号を所定時間だけ印加し、この高周波信号の印加により圧電共振子を自己発熱させる第１の工程と、上記圧電共振子を常温まで冷却または放冷する第２の工程と、常温状態における上記圧電共振子の周波数を測定する第３の工程とを有し、上記周波数が目標とする周波数範囲内となるまで上記第１〜第３の工程を繰り返すことを特徴とする圧電共振子の周波数調整方法を提供する。
【０００８】
第１工程として、圧電共振子に定格レベルより高いパワーレベルでかつ共振周波数付近の高周波信号を所定時間だけ印加し、圧電共振子を自己発熱させる。つまり、入力する高周波信号の周波数を共振点に近づけることで、圧電共振子のインピーダンスが低くなると同時に、入力する高周波信号のパワーレベルが大きいため、圧電共振子に非常に大きな電流が流れ、自己発熱し、ディポールされる。但し、高周波信号のパワーレベルが大き過ぎたり、印加時間が長すぎると、高温になり過ぎてディポールが進行し、周波数変化が大きくなり過ぎるので、定格レベルより少しだけ大きなパワーレベルを短時間だけ印加するのがよい。例えばパワーレベルを２０ｄＢｍ〜４０ｄＢｍとすればよい。このパワーレベルは、チップ形セラミック発振子に使用する場合には、５〜２０Ｖ程度に相当する。また、１回の印加時間は１００ｍｓ〜４００ｍｓ程度でもよい。
上記のように高周波、高バイアスをかけることにより自己発熱させ、素子を少しだけディポールさせるため、第２工程として常温まで冷却または放冷（自然放置による空冷）しても、元の周波数には戻らず、周波数が全体的に少し低下する。第３工程ではこの周波数を測定し、目標となる周波数範囲内にあるか否かを判定し、目標周波数範囲より高ければ、再度第１〜第３工程を繰り返す。
測定する周波数としては、反共振周波数ｆａ、共振周波数ｆｒ、中心周波数ｆｏ、Δｆ（＝ｆａ−ｆｒ）、さらには発振周波数ｆosc （発振子の場合）であってもよい。
本発明で使用する高周波信号は、高電圧を使用しないので、格別な電源装置を必要とせず、測定工程で使用する測定器（例えばネットワークアナライザ）と同一の設備で実施できる。そのため、自己発熱および測定時間を短縮できるとともに、既存の測定機器のパワーレベルを上げるだけでよいので、簡単な設備で実現できる。
【０００９】
請求項２のように、圧電素子をパッケージ内に収納した状態の圧電共振子に対して第１〜第３の工程を実施するのがよい。
周波数調整のための第１〜第３の工程は、圧電素子に高電圧を印加する必要がなく、気中で実施できるため、圧電素子をパッケージ内に収納した製品段階で実施できる。そのため、周波数調整後に周波数が変動する恐れがなく、目標とする周波数範囲へ高精度に調整することが可能である。
図６は従来と本発明の典型的な例における圧電共振子の製造工程の全体の流れを示す。
前工程として、セラミックスの形状加工、電極材の取り付け、分極処理などがある。これらの前工程は従来および本発明とも同様である。
従来では、前工程の次に周波数調整を行い、その後でパッケージング、検査（特性測定）、デバック（加熱選別）を実施し、出荷検査を行っていた。つまり、半完成品の状態で周波数調整を行うため、パッケージングやデバックなどの後処理で周波数が変化する恐れがあった。
これに対し、本発明では、前工程の次にパッケージング、検査（特性測定）、デバック（加熱選別）を実施し、その後で周波数調整を実施する。つまり、ほぼ完成品の状態で周波数調整を実施するので、周波数調整後に周波数が変化する恐れがない。その後、出荷検査を実施すればよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる周波数調整方法を実施するための装置の一例を示す。ここでは、圧電共振子として図２に示すようなセラミック発振子２を用いた。
１は被測定用のセラミック発振子２の電気的特性を周波数の関数として測定、解析するネットワークアナライザである。内蔵した正弦波掃引発振器から高周波信号を出力端１ａより出力し、測定端子３ａ，３ｂを介してセラミック発振子２に印加することにより、セラミック発振子２の位相特性やインピーダンス特性などを測定することができる。図１では１チャンネル分のみが図示されているが、複数のチャンネルにすることも可能である。
【００１１】
ネットワークアナライザ１の出力端１ａと測定端子３ａとの間には、印加電力を増幅するＲＦパワーアンプ４が接続され、増幅された電力が測定端子３ａを介してセラミック発振子２に印加される。通常、インピーダンス特性を測定する場合の信号レベルは０ｄＢｍ程度であるが、ここではパワーアンプ４の出力レベルを２０〜４０ｄＢｍになるように設定してある。セラミック発振子２を流れた信号は、測定端子３ｂから減衰器（アッテネータ）５へ送られ、減衰器５で元の電力まで減衰され、ネットワークアナライザ１の入力端１ｂへ入力される。
ネットワークアナライザ１は、セラミック発振子１個当たり数百ｍｓの間、セラミック発振子２の共振周波数ｆｒとほぼ同じ周波数の高周波信号を印加し、セラミック発振子２を自己発熱させる。
【００１２】
この実施例のセラミック発振子２は、図２の（ａ）に示すようなキャップ封止形でもよいし、図２の（ｂ）に示すような樹脂封止形でもよい。
キャップ封止形の場合には、基板２１上に厚みすべり振動を利用したセラミック素子２２（共振周波数４ＭＨｚ）が導電性接着剤２３によって機械的に固定されると同時に、基板２１に設けられた電極２４に電気的に接続されたものである。基板２１上にはキャップ２５が接着されており、素子２２はキャップ２５の内部の気密的空間に収納されている。基板２１に設けられた電極２４は、一端部が素子２２と接続され、他端部がキャップ２５の外部へ引き出されている。
樹脂封止形の場合には、セラミック素子２２に端子２６，２７が固定され、セラミック素子２２の周囲が振動空間２９を除いて樹脂２８で封止されている。
前者の場合には基板２１およびキャップ２５がパッケージを構成し、後者の場合には樹脂２８がパッケージを構成している。
上記の他に、セラミック封止板によって封止された構造のチップ形発振子であってもよい。
【００１３】
図３は、印加時間を０．１５ｓｅｃに固定し、パワーレベルを変化させたときのセラミック発振子２の内部の昇温特性を示したものである。
図から明らかなように、パワーレベルの増加に伴い、素子内温度も上昇している。例えば、パワーレベルが１．４Ｗ以上になると、素子内温度は１００℃以上になる。
なお、図３はセラミック発振子として、厚みすべり振動を利用した共振周波数が４Ｍｚの共振子を利用したものであり、共振子の形状や振動モードなどによって昇温特性は変化する。
【００１４】
上記のようにセラミック発振子２を自己発熱させた後、冷却または自然放冷によって常温まで戻す。発熱するのはセラミック発振子２内の素子２２のみであり、しかも発熱箇所は部分的であるから、その保有熱量が非常に小さい。そのため、自然放置でも短時間で常温まで降温させることができる。
常温に戻った後で、図１と同様の装置を用いてその周波数特性を測定する。ただし、このときにはＲＦパワーアンプ４のパワーレベルを０ｄＢｍ程度まで下げておく。ここで、周波数が目標とする周波数範囲に入っておれば良品であり、周波数範囲より高い場合には、再度、図１の装置を用いてセラミック発振子２を自己発熱させ、周波数調整を実施する。
【００１５】
図４は、高周波信号の印加積算回数と共振周波数ｆｒの変化率（％）との関係を示したものである。
ここでは、パワーアンプ４の出力レベルを３２ｄＢｍ（０．８Ｗ）とし、１回の印加時間を０．２ｓとした。
図４から明らかなように、共振周波数は１回目の印加で約０．１２％低下し、２回目の印加でさらに０．０３％（全体で約０．１５％）だけ低下し、３回目の印加でさらに０．０２％（全体で約０．１７％）だけ低下した。但し、３回以上印加しても共振周波数は印加前の−０．１７％付近で安定した。
このように、一定パワーレベルの高周波信号の印加を繰り返すと、共振周波数はほぼ安定するため、周波数をさらに調整する場合には、パワーレベルを上げるか、あるいは印加時間を長くする必要がある。
なお、図４は共振周波数の変化率を表したものであるが、反共振周波数や中心周波数も同様な変化率を示す。
【００１６】
図５は本発明にかかる周波数調整方法の流れを示す。
スタートすると、圧電共振子の共振周波数とほぼ等しい高周波信号を印加し、圧電共振子を自己発熱させる（ステップＳ１）。この時の高周波信号のパワーレベルは定格レベルより高い一定値であり、印加時間も一定である。
次に、発熱した圧電共振子を冷却または自然放冷する（ステップＳ２）。
次に、常温まで冷却された圧電共振子の周波数を測定する（ステップ３）。
測定された周波数Ｆを、目標範囲である最小値Ｆ１および最大値Ｆ２と比較する（ステップ４）。Ｆ＜Ｆ１であれば、周波数が低すぎるので、規格外品（ＮＧ）と判定し（ステップＳ５）、Ｆ1 ≦Ｆ≦Ｆ２であれば、良品（Ｇ）と判定する（ステップＳ６）。また、Ｆ２＜Ｆであれば、周波数が高すぎるので、再度ステップＳ１〜Ｓ３を繰り返し、周波数Ｆが目標範囲内に入るように調整する。
【００１７】
本発明は上記実施例に限定されるものではない。
本発明で使用する高周波信号の周波数は、圧電共振子の共振点に厳密に一致している必要はなく、インピーダンスが低く、自己発熱する領域の周波数であればよい。
図５では、高周波信号のパワーレベルを一定値とし、かつ印加時間も一定としたが、パワーレベルおよび印加時間を、ステップＳ３で測定した周波数Ｆと目標範囲（Ｆ１〜Ｆ２）との差に応じて可変してもよい。
上記実施例では、完成品段階の圧電共振子に対して高周波信号を印加し、自己発熱によって周波数調整を行ったが、半完成品段階の圧電共振子（例えば分極終了後の圧電共振子）に対して周波数調整を行ってもよい。
本発明の圧電共振子としては、セラミック発振子に限らず、セラミックフィルタ、ディスクリミネータ、トラップなど如何なる圧電セラミック共振子であってもよい。
また、圧電共振子が素子単体で構成されたものである必要はなく、並列または直列にコンデンサなどの電子素子が接続されたものでもよい。
さらに、厚み縦振動，厚みすべり振動，長さ振動、面積振動などの振動モードの違いに関係なく、周波数調整が可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、圧電共振子に定格レベルより高いパワーレベルで共振周波数付近の高周波信号を印加し、この高周波信号の印加により圧電共振子を自己発熱させ、少しだけディポールさせた後、常温下で圧電共振子の周波数を測定し、目標の周波数範囲になるまで上記工程を繰り返すようにしたので、目標とする周波数へ高精度に調整することができる。また、既存の周波数特性の測定器を用いて自己発熱させることが可能であるから、簡単な設備で実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の周波数調整方法を実施する装置の一例の構成図である。
【図２】本発明で用いられる圧電共振子の２つの例の断面図および正面図である。
【図３】自己加熱によるパワーレベルと素子の温度上昇との相関図である。
【図４】高周波信号の印加積算回数と共振周波数ｆｒの変化率との関係を示す図である。
【図５】本発明にかかる周波数調整方法の流れを示すフローチャート図である。
【図６】従来と本発明とにおける圧電共振子の製造工程の全体の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１        ネットワークアナライザ
２        セラミック発振子（圧電共振子）
４        ＲＦパワーアンプ
５        減衰器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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