JP5152944B1

JP5152944B1 - 水晶温度計測用プローブおよび水晶温度計測装置

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Publication number: JP5152944B1
Application number: JP2012208183A
Authority: JP
Inventors: 眞人田邉
Original assignee: 眞人田邉
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: WO2014045848A1; JP2014062816A; US20150023388A1; US9228906B2

Abstract

【課題】水晶振動子の発振周波数に基づいて温度測定を行う際に、１／１００００００℃（１００万分の１℃）のような高い精度での温度測定を実現する。
【解決手段】水晶振動子３１（Ｙカット）は、発振周波数が温度に対して大きく変化する温度特性を有し、水晶振動子３２（ＡＴカット）は、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する。水晶振動子３１、３２は、同一種類の原材料から切り出され、形状、材料、サイズがほぼ同一となるように構成されるとともに、差分周波数回路３５において生成される信号の周波数が、２１〜３０℃の測定範囲内で１０ｋＨｚ以下となる組み合わせとなっている。差分周波数生成回路３５において生成される信号の周波数は計測装置本体部に出力され、周波数カウント回路１５は、この信号の周波数を、レシプロカル方式により有効桁数が少なくとも８桁以上となるように計測する。
【選択図】図３

Description

本発明は、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度を計測するための水晶温度計測用プローブおよび水晶温度計測装置に関する。

水晶振動子は、形状等により定まる固有の発振周波数（振動周波数）を有している。この発振周波数は、下記の式により表されることが知られている。

ここで、各変数は下記のようになっている。
ｆ：固有の発振周波数
ｎ：オーバートーン次数
ｔ：水晶振動子の厚さ
ρ：密度
Ｃij：弾性定数

一般的に水晶振動子は、周波数温度変化が少なく最も安定的な周波数を発生する発振素子として、無線通信機、各種計測器等の周波数源として使用されている。しかし、結晶から切り出す角度である切断角度（切断方位）によっては、温度により発振周波数が大きく変化する特性を有するものがあり、代表的なものとしてＹカット、ＬＣカット等がある。

このような水晶振動子の特性を利用し、温度に対する周波数変化が直線的になるような切断方位の水晶振動子を用いて、水晶振動子の発振周波数を測定することにより温度を測定する温度計測装置が用いられている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、２つの水晶振動子の差分周波数を測定することにより温度を測定するようにした水晶温度計測装置も存在する（例えば、特許文献３参照。）。そして、電気信号の周波数は高い精度で測定可能なため、このような水晶振動子を利用した温度計測装置によれば１／１００００℃（１万分の１℃）という測定精度での温度計測を実現することができる。

ところで、近年では、地球温暖化等の地球環境の変化が問題になっている。そのため、地殻変動、海水温の変化等を監視して地球環境の変化を長期的に観測するために、上述したような水晶温度計測装置を用いて、地下水、深井戸、地殻熱、深海の海水温度等を測定することが行われている。また、気象・海象観測用として上述したような水晶温度計測装置を太洋上に設置して無人で海水温度を測定するような用途にも用いられる。

このような深海の海水温度等を測定するような場合、測定精度が１／１００００℃（１万分の１℃）の場合でも環境変化を観測することは可能であるが、微小な温度変化を計測するためには、より高い精度で海水温度等を測定することが求められている。

特開２００３−２３３３９号公報特開２００３−１４９０５８号公報特許第４６７８８９２号公報

上述したように従来技術では、水晶振動子を利用した温度計測を行う場合、１／１００００℃（１万分の１℃）の測定精度での計測を行うことは可能であったが、１／１００００００℃（１００万分の１℃）のようなより高い精度での温度測定を実現することはできなかった。

本発明の目的は、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度測定を行う際に、１／１００００００℃（１００万分の１℃）というような高い精度での温度測定を実現することが可能な水晶温度計測用プローブおよび水晶温度計測装置を提供することである。

本発明は、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する切断方位がＡＴカットの第１の水晶振動子と、
前記第１の水晶振動子と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する切断方位がＹカットまたはＬＣカットの第２の水晶振動子と、
前記第１の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第１の発振回路と、
前記第２の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第２の発振回路と、
前記第１の発振回路の発振周波数と前記第２の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成する差分周波数生成回路とを備えた水晶温度計測用プローブにおいて、
前記第１の水晶振動子および前記第２の水晶振動子は、同一種類の原材料から切り出され、形状および材料がほぼ同一となるように構成されるとともに、前記差分周波数生成回路において生成される信号の周波数が予め設定された測定温度範囲内で１０ｋＨｚ以下となる組み合わせであることを特徴とする水晶温度計測用プローブである。

本発明では、第１の水晶振動子および第２の水晶振動子は、同一種類の原材料から切り出され、形状および材料がほぼ同一となるように構成されている。そして、差分周波数回路では、第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成して、この信号の周波数を計測することにより温度計測が行われる。そのため、本発明によれば、第１の水晶振動子および第２の水晶振動子の経年変化等の各種特性変化が打ち消され、高い測定精度での温度計測が可能となる。

さらに、本発明では、第１の水晶振動子および第２の水晶振動子は、差分周波数生成回路において生成される信号の周波数が予め設定された測定温度範囲内で１０ｋＨｚ以下のような低い周波数になる組み合わせとなっている。そのため、本発明によれば、温度測定の際に計測される周波数が予め設定された測定温度範囲内において低くなるため、１／１００００００℃（１００万分の１℃）という高い精度での温度測定を実現することが可能となる。

また、本発明は、発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する切断方位がＡＴカットの第１の水晶振動子と、前記第１の水晶振動子と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する切断方位がＹカットまたはＬＣカットの第２の水晶振動子と、前記第１の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第１の発振回路と、前記第２の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第２の発振回路と、前記第１の発振回路の発振周波数と前記第２の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成する差分周波数生成回路とを備えた水晶温度計測用プローブと、
前記水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数を計測する周波数カウンタと、前記周波数カウンタにより計測された周波数を測定温度に変換する変換手段と、前記変換手段により得られた測定温度を表示する表示器とを備えた計測装置本体部と、
を有する水晶温度計測装置において、
前記第１の水晶振動子および前記第２の水晶振動子は、同一種類の原材料から切り出され、形状および材料がほぼ同一となるように構成されるとともに、前記差分周波数生成回路において生成される信号の周波数が予め設定された測定温度範囲内で１０ｋＨｚ以下となる組み合わせであることを特徴とする水晶温度計測装置である。

また、前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数をレシプロカル方式により計測するとともに、有効桁数が少なくとも８桁以上となるように計測することが好ましい。

本発明によれば、周波数カウンタは、水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数をレシプロカル方式により計測するようにしているため、水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数が低い場合でも、測定時間を長くすることなく一定の精度で周波数の測定を行うことが可能であり、水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数を有効桁数が８桁以上となるように測定することにより、１／１００００００℃（１００万分の１℃）という高い精度での温度測定を実現することが可能となる。

上記本発明によれば、水晶振動子の発振周波数に基づいて温度測定を行う際に、予め設定された測定温度範囲内において、１／１００００００℃（１００万分の１℃）という高い精度での温度測定を実現することが可能な水晶温度計測装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の水晶温度計測装置のシステム構成を示す図である。本発明の一実施形態の水晶温度計測装置の外観を示す図である。図１中の水晶温度計測用プローブ１１の構成を示すブロック図である。水晶温度センサ４１の構造の一例を示す図である。本発明の一実施形態の水晶温度計測装置における、ＡＴカットの水晶振動子とＹカットの水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す図である。本発明の一実施形態の水晶温度計測装置において使用される水晶振動子３１（Ｙカット）と水晶振動子３２（ＡＴカット）の温度に対する発振周波数の関係を示す図である。予め設定された測定温度範囲における水晶振動子３１、３２の発振周波数と差分周波数Δｆ（ｆ（Ｙ）−ｆ（ＡＴ））との関係を示す図である。測装置本体部１０との間を同軸ケーブルにより接続する場合に使用される水晶温度計測用プローブ１１ａの構成を示す図である。本発明の一実施形態の水晶温度計測装置において測定温度を計算するための動作を示すフローチャートである。差分周波数Δｆが１０ｋＨｚの場合に、有効桁数８桁で周波数測定が行われた際の精度を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態の水晶温度計測装置の構成を示すシステム図である。

本実施形態の水晶温度計測装置は、図１に示されるように、温度を測定しようとする場所に設置される水晶温度計測用プローブ１１と、水晶温度計測用プローブ１１からの信号に基づいて測定温度の算出および表示を行うための計測装置本体部１０と、この水晶温度計測用プローブ１１と計測装置本体部１０との間を接続するための３線式ケーブル１２とから構成されている。

そして、計測装置本体部１０は、図１に示されるように、センサ信号増幅回路１３、１３ａと、センサ用電源回路１４、１４ａと、周波数カウント回路１５と、ＣＰＵ１６と、基準クロック生成回路１７と、表示器１８と、通信インタフェース（ＩＦ）回路１９と、記憶装置２０と、３線式接続端子２１と、ＢＮＣコネクタ２２と、逓倍器２３（×１０）を備えている。

水晶温度計測用プローブ１１との間を接続している３線式ケーブル１２は、計測装置本体部１０の３線式接続端子２１に接続されている。この３線式接続端子２１は、信号出力、コモン線、センサ電源の３線を接続する構成となっている。

なお、ＢＮＣコネクタ２２は、水晶温度計測用プローブ１１と計測装置本体部１０との間を同軸ケーブルにより接続する際に使用するものである。本実施形態の水晶振動子温度計測装置は、水晶温度計測用プローブ１１と計測装置本体部１０との間を３線式ケーブルおよび同軸ケーブルのどちらのケーブルでも接続できるような構成となっている。

センサ信号増幅器回路１３、１３ａは、それぞれ、３線式接続端子２１からの信号出力またはＢＮＣコネクタ２２からの信号出力を増幅して周波数カウント回路１５に出力する。このセンサ信号増幅器回路１３、１３ａにおいて増幅される信号の周波数Δｆについては、５ｋＨｚ／２５℃の周波数となっている。この信号出力については後述する。なお、ここで「／２５℃」という標記は、測定温度が２５℃の場合の周波数であることを意味している。

センサ用電源回路１４、１４ａは、それぞれ、水晶温度計測用プローブ１１において使用されるセンサ電源を供給するための回路である。本実施形態においては一例として、センサ用電源回路１４は、５Ｖの電源を、センサ電源として３線式接続端子２１を介して水晶温度計測用プローブ１１に供給している。なお、センサ用電源回路１４ａは、ＢＮＣコネクタ２２の信号線にセンサ電源を供給し、このセンサ電源は、同軸ケーブルの信号線に重畳されて水晶温度計測用プローブに伝送される。

本実施形態における基準クロック生成回路１７は、１０ＭＨｚのクロック信号を生成する。そして、基準クロック生成回路１７で生成された１０ＭＨｚのクロック信号は逓倍器２３において１０倍に逓倍されて、１００ＭＨｚのクロック信号を周波数カウント回路１５やＣＰＵ１６に内部基準クロック信号として供給される。

周波数カウント回路１５は、水晶温度計測用プローブ１１から受信し、センサ信号増幅回路１３、１３ａにおいて増幅された信号の周波数を計測する周波数カウンタとして動作する。また、周波数カウント回路１５は、水晶温度計測用プローブ１１から受信した信号の周波数を、逓倍器２３から入力された１００ＭＨｚの内部基準クロックを用いてレシプロカル方式によって周波数をカウントする。

このレシプロカル方式とは、一定の周期で生成される基準クロック信号を用いて、測定対象の信号の周期をゲートタイムにして、このゲートタイム間に生成される基準クロック信号の数を測定することにより測定対象の信号の周期を測定し、測定された周期の逆数を計算することにより周波数測定を行う方式である。このレシプロカル方式によれば、計測時間が一定であれば、測定対象の信号の周波数に依存することなく、一定の有効桁数で周波数の測定を行うことが可能となる。つまり、このレシプロカル方式の周波数測定では、基準クロック信号の周波数と測定時間によってのみ測定周波数の有効桁数が決定される。

そして、本実施形態における周波数カウント回路１５は、１００ＭＨｚの内部基準クロックを用いて周波数かウントを行うため、測定時間を１秒とすれば、水晶温度計測用プローブ１１から受信した信号の周波数を、有効桁数が９桁の測定精度で計測することができる。

なお、信号の周波数を測定する方法としてはレシプロカル方式以外にもダイレクト方式と呼ばれる測定方式がある。このダイレクト方式では、単位時間に到達した入力信号の数を直接カウントすることにより周波数を測定する測定方式である。このダイレクト方式により周波数測定を行う場合、測定対象の信号の周波数が低くなると単位時間あたりの入力信号の数も少なくなるため、測定対象の信号の周波数が低くなると測定周波数の有効桁数が低くなってしまう。このダイレクト方式では、測定対象の信号の周波数が一定のまま、測定周波数の有効桁数を向上させようとすると、測定時間を長くする必要があり、例えば有効桁数を１桁上げるためには１０倍の測定時間とする必要がある。そのため、希望する有効桁数を実現するためには長時間の測定が必要となり、一定間隔で定期的に測定を行う必要があるような温度測定にとっては現実的ではなくなってしまう。

ＣＰＵ１６は、周波数カウント回路１５により計測された周波数を測定温度に変換する変換手段として機能する。計測された周波数を測定温度に変換する具体的方法については後述する。そして、ＣＰＵ１６は、得られた測定温度を表示器１８に表示させたり、通信ＩＦ回路１９を介して外部に出力する。また、ＣＰＵ１６は、得られた測定温度を記憶装置２０に記憶するようにしてもよい。

このように構成される本実施形態の水晶温度計測装置の外観を図２に示す。図２に示した例では、計測装置本体部１０の外部にはパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと称する。）４０が接続されている場合が示されている。図２に示されるように、本実施形態の水晶温度計測装置では、計測装置本体部１０は、３線式ケーブル１２を介して水晶温度計測用プローブ１１に接続されるとともに、パソコン４０と、例えば、ＲＳ２３２Ｃケーブル等により接続されている。そして、計測装置本体部１０では、測定温度が表示器１８上に表示されている。

次に、図１に示した水晶温度計測用プローブ１１の構成を、図３を参照して説明する。

水晶温度計測用プローブ１１は、図３に示されるように、水晶温度センサ４１と、水晶発振回路３３、３４と、差分周波数生成回路３５と、３線式出力回路３６とを備えている。また、水晶温度センサ４１は、水晶振動子３１および水晶振動子３２とを有している。

水晶振動子３２は、発振周波数が温度に依存しないような温度特性、つまり発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する水晶振動子であり、例えば、切断方位がＡＴカットの水晶振動子である。

また、水晶振動子３１は、発振周波数が温度に依存するような温度特性、つまり水晶振動子３２と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する水晶振動子であり、本実施形態では切断方位がＹカットの水晶振動子を用いて説明する。また、発振周波数が温度に依存するような温度特性を有する水晶振動子であれば同様に使用可能であり、このような他の具体例としては、切断方位がＬＣカットの水晶振動子をあげることができる。

なお、水晶振動子３１と水晶振動子３２を有する水晶温度センサ４１は、水晶温度計測用プローブ１１の先端に設けられており、この水晶温度センサ４１の構造の一例を図４に示す。図４を参照すると、水晶振動子３１、３２は、温度を測定しようとする場所に対して同じような位置関係となるように保持されているのが分かる。

水晶振動子は、結晶から切り出す角度である切断方位（切断角度）により周波数温度特性が変わってくる。このような切断方位としては、ＡＴカット、ＢＴカット、ＣＴカット、ＳＣカット、ＬＣカット、Ｙカットというような様々なカット名が付けられている。そして、水晶振動子は、この切断方位に応じて様々な周波数温度特性を有している。

例えば、温度変化に対して周波数安定性が高いとして広く利用されているＡＴカットの水晶振動子と、温度変化に対して周波数が大きく変化するＹカットの水晶振動子の周波数温度特性の一例を図５に示す。この図５では、水晶振動子の発振周波数をｆ、温度変化に対する周波数変動分をΔｆとしている。

この図５を参照すると分かるように、Ｙカットの水晶振動子の発振周波数は、温度変化に対してほぼ直線的に変化しているのに対して、ＡＴカットの水晶振動子の発振周波数は、ある狭い範囲内であれば温度変化に対してほぼ変化しておらず一定であることがわかる。

そのため、本実施形態の水晶温度計測装置では、温度変化に対して周波数安定性が高いとして広く利用されているＡＴカットの水晶振動子と、温度変化に対して周波数が大きく変化するＹカットを用いて、この差分の周波数を測定することにより温度測定を行うことが可能となっている。

次に、本実施形態において使用される水晶振動子３１（Ｙカット）と水晶振動子３２（ＡＴカット）の温度に対する発振周波数の関係を図６に示す。なお、この図６は、温度に対する発振周波数の関係を理論的に説明するための図であり、実際の測定周波数ではない。

本実施形態の水晶温度計測装置では、測定温度範囲は２１〜３０℃の範囲が設定されている。つまり、本実施形態の水晶温度計測装置では、この測定温度範囲２１〜３０℃内において、１／１００００００℃（１００万分の１℃）という高い精度での温度測定を実現するような設定となっている。

そして、本実施形態では、水晶振動子３１、３２は、この予め設定された測定温度範囲内２１〜３０℃において、発振周波数の差分周波数が１０ｋＨｚ以下となるような組み合わせとなっている。具体的には、水晶振動子３２（ＡＴカット）は、この測定温度範囲内において発振周波数が約１０．５９ＭＨｚでほぼ一定となっている水晶振動子である。そして、水晶振動子３１（Ｙカット）３１は、測定温度範囲の中心である２５℃において、発振周波数が約１０．５９５ＭＨｚとなる水晶振動子である。なお、水晶振動子３１（Ｙカット）３１の発振周波数は、温度が１℃変化することにより約１０００Ｈｚ変化するため、測定温度範囲の下限である２１℃では、発振周波数は約１０．５９１ＭＨｚとなり、測定温度範囲の上限である３０℃では、発振周波数は約１０．６００ＭＨｚとなる。

この測定温度範囲における水晶振動子３１、３２の発振周波数と差分周波数Δｆ（ｆ（Ｙ）−ｆ（ＡＴ））との関係を図７に示す。なお、図７は説明を簡単にするために理想的な標準値が変化する様子を示したものであり、実際の測定周波数を示すものではない。

図７を参照すると、Ｙカットの水晶振動子３１の発振周波数ｆ（Ｙ）は、温度が２１℃、２５℃、３０℃と変化するのに伴い、１０,５９１，０００Ｈｚ、１０,５９５，０００Ｈｚ、１０,６００,０００Ｈｚというように大きく変化しているのが分かる。これに対して、ＡＴカットの水晶振動子３２の発振周波数ｆ（ＡＴ）は、温度が２１℃、２５℃、３０℃と変化しているにもかかわらず、１０,５９０,０００Ｈｚ、１０,５９０,０００Ｈｚ、１０,５９０,０００Ｈｚというように変化していないことが分かる。

そのため、図７に示すように、水晶振動子３１（Ｙカット）と水晶振動子３２（ＡＴカット）との差分周波数Δｆ（ｆ（Ｙ）−ｆ（ＡＴ））は、２１℃の測定温度では約１ｋＨｚ、２５℃の測定温度では５ｋＨｚ、３０℃の測定温度では１０ｋＨｚとなっている。

そのため、本実施形態においては、水晶振動子３１（Ｙカット）と水晶振動子３２（ＡＴカット）との差分周波数Δｆ（ｆ（Ｙ）−ｆ（ＡＴ））は、予め設定された測定温度範囲２１〜３０℃においては、１〜１０ｋＨｚとなっており１０ｋＨｚ以下となっている。このように、水晶振動子３１、３２が、この予め設定された測定温度範囲内２１〜３０℃において、発振周波数の差分周波数が１０ｋＨｚ以下となるような組み合わせに設定されている理由の詳細については後述する。

また、水晶振動子３１、３２は、同一種類（グレード）の原材料から切り出され、形状、材料、サイズがほぼ同一となるように構成されている。また、水晶振動子３１、３２は、できるだけ同一の製造方法・工程により作成されている。このような組み合わせとする理由は、水晶振動子３１、３２の周波数温度特性以外の特性を同様な性質とすることが好ましいからである。そのため、本実施形態の水晶温度測定装置によれば、水晶振動子３１、３２の経年変化等の各種特性変化が打ち消され、高い測定精度での温度計測が可能となる。

そして、水晶発振回路３３は、水晶振動子３１を発振素子として用いて、１０．５９５ＭＨｚ／２５℃（ｆ（Ｙ））の信号を生成する。また、水晶発振回路３４は、水晶振動子３２を発振素子として用いて１０．５９ＭＨｚ／２５℃（ｆ（ＡＴ））の信号を生成する。

差分周波数生成回路３５は、水晶発振回路３３の発振周波数１０．５９５ＭＨｚ／２５℃と、水晶発振回路３４の発振周波数１０．５９ＭＨｚ／２５℃との差の周波数成分５ｋＨｚ／２５℃（Δｆ）の信号を生成する。

そして、３線式出力回路３６は、差分周波数生成回路３５により生成された５ｋＨｚの信号を計測装置本体部１０に対して３線式の信号として出力するとともに、計測装置本体部１０から供給されてきた５Ｖのセンサ電源を水晶発振回路３３、３４や差分周波数生成回路３５等に供給する

次に、計測装置本体部１０との間を同軸ケーブルにより接続する場合に使用される水晶温度計測用プローブ１１ａの構成を図８に示す。この水晶温度計測用プローブ１１ａは、図３に示した３線式ケーブル用の水晶温度計測用プローブ１１に対して、３線式出力回路３６を２線式出力回路３６ａに置き換えた点のみが異なっている。

２線式出力回路３６ａは、差分周波数生成回路３５により生成された５ｋＨｚの信号を計測装置本体部１０に対して同軸ケーブルを介して出力するとともに、計測装置本体部１０から同軸ケーブルの信号線に重畳されて供給されてきた５Ｖのセンサ電源を水晶発振回路３３、３４や差分周波数生成回路３５等に供給する。

この図８に示した水晶温度計測用プローブ１１ａを使用する場合、水晶温度計測用プローブ１１ａと計測装置本体部１０との間は同軸ケーブルにより接続され、この同軸ケーブルは計測装置本体部１０側ではＢＮＣコネクタ２２に接続される。

なお、本実施形態の水晶温度計測装置では、水晶温度計測用プローブと計測装置本体部１０との間で伝送される信号は５ｋＨｚ／２５℃程度と低い周波数であるため、同軸ケーブルを使用せずに３線式の一般的なケーブルを使用可能であるが、同軸ケーブルを使用することにより外部からのノイズ等が信号出力に混入することを防止してより高精度な温度測定を実現することができる。

次に、計測装置本体部１０において水晶温度計測用プローブ１１から伝送されてきた差分周波数Δｆに基づいて、測定温度を算出する具体的な方法について説明する。

ただし、先ず最初にＹカットの水晶振動子単独で温度測定を行う従来の水晶温度計測装置において、計測された周波数に基づいて測定温度を算出する場合の計算方法について説明を行なう。この計算を行う場合、下記の式（１）に示す計算式を用いる。

ｆT−ｆ0＝ｆ0（ＡＴ＋ＢＴ2＋ＣＴ3）・・・・（１）

ここで、各変数は下記のようになっている。
Ｔ：測定温度
ｆT：測定温度Ｔに対する発振周波数
ｆ0：基準温度の発振周波数
Ａ：センサ係数（１次関数）
Ｂ：センサ係数（２次関数）
Ｃ：センサ係数（３次関数）

温度測定の前提として、水晶温度センサは個々の温度特性が異なるため、予め温度測定範囲、校正点数・温度を確認して水晶温度計測装置で校正作業（温度槽内で基準温度計を用いて水晶温度プローブの温度に対する周波数の確認）を行い、基準温度の発振周波数ｆ0、センサ係数Ａ、Ｂ、Ｃを求めておく。

そして、実際の温度測定の際には、ｆTが与えられた場合、予め決定されていたｆ0、Ａ、Ｂ、Ｃと上記の式（１）を用いて測定温度Ｔを算出することができる。

次に、本実施形態の水晶温度計測装置において、得られた周波数Δｆから測定温度を算出する際の計算方法について説明する。本実施形態の水晶温度計測装置の計測装置本体部１０におけるＣＰＵ１６では、Ｙカットの水晶振動子単独で温度測定を行った場合と計算方法を共用するため、実際には周波数カウント回路１５により得られた周波数Δｆに１０．５９ＭＨｚを加算して、得られた周波数に基づいて上記で説明した式（１）を用いて測定温度を算出している。

そのため、以下の説明では、周波数カウント回路１５により得られた周波数Δｆに１０．５９ＭＨｚを加算して測定温度を算出する場合を用いて説明するが、本発明はこのような場合に限定されるものではない。得られた周波数Δｆを用いて直接測定温度を算出場合でも同様に本発明は適用可能である。

この本実施形態の水晶温度計測装置において測定温度を計算するための動作を図９のフローチャートに示す。

先ず、計測装置本体部１０では、水晶温度計測用プローブ１１から伝送されてきた信号の差分周波数Δｆが周波数カウント回路１５において測定される（ステップＳ１０１）。

すると、ＣＰＵ１６では、測定された周波数に対して１０．５９ＭＨｚを加算し（ステップＳ１０２）、得られた周波数ｆTと上記で示した式（１）を用いて測定温度Ｔを算出する（ステップＳ１０３）。

そして、ＣＰＵ１６は、得られた測定温度を表示器１８に表示して温度表示を更新したり、外部に接続されたパソコン４０等に測定温度を出力したり、記憶装置２０に測定温度を記憶させる等の処理を実行する（ステップＳ１０４）。そして、測定が終了していなければ、このステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理が繰り返される（ステップＳ１０５）。

次に、本実施形態の水晶温度計測装置において、水晶振動子３１、３２を設定された測定温度範囲内において差分周波数が１０ｋＨｚ以下となる組み合わせとした理由について説明する。

上述したように本実施形態における周波数カウント回路１５は、レシプロカル方式で周波数測定を行うため、測定する信号の周波数に依存することなく、水晶温度計測用プローブ１１から受信した差分信号の周波数を、有効桁数が９桁という測定精度で計測することができる。しかし、周波数カウント回路１５で周波数カウントのために使用する内部基準クロックにも周波数誤差が発生するため、このような誤差の影響を除くため９桁目の数字は使用せずに有効桁数が８桁であるとして測定精度の説明を行う。

ここで、上述したように、センサ信号増幅回路１３を解して周波数カウント回路１５に入力される水晶振動子３１、３２の差分周波数Δｆは、予め設定された測定温度範囲２１〜３０℃において１０ｋＨｚ以下となっている。

そのため、差分周波数Δｆが例えば１０ｋＨｚの場合、図１０に示すように、周波数カウント回路１５において有効桁数が８桁という測定精度で周波数測定が行われた場合、有効桁の末尾は０．００１Ｈｚの桁となる。つまり、差分周波数Δｆが１０ｋＨｚの場合、測定される周波数の精度は±０．００１Ｈｚとなる。

ここで、Ｙカットの水晶振動子３１の発振周波数は温度変化１℃に対して約１０００Ｈｚ変化する。つまり、差分周波数Δｆの１Ｈｚが１／１０００℃（千分の１℃）に該当する。

つまり、差分周波数Δｆの０．００１Ｈｚは１／１００万℃に相当し、差分周波数Δｆを±０．００１Ｈｚの精度で測定することができるということは、測定温度も±１／１００万℃の精度で測定可能であることを意味している。つまり、差分周波数Δｆの周波数が１０ｋＨｚ以下であれば、測定される差分周波数Δｆは±０．００１Ｈｚ（測定温度にすると±１／１００万℃）の精度で測定され、測定温度の誤差は１／１００万℃以下となる。

このように、水晶振動子３１、３２の差分周波数を予め設定された測定温度範囲内において１０ｋＨｚ以下として、周波数カウント回路１５が、水晶温度計測用プローブ１１から受信した差分信号の周波数を、有効桁数が少なくとも８桁以上となるような測定精度で計測可能な機能を備えていれば、１００万分の１℃という高い精度で温度を計測することができる。以上のような理由により、本実施形態の水晶温度計測装置において、水晶振動子３１、３２は、差分周波数が予め設定された測定温度範囲内で１０ｋＨｚ以下となるような組み合わせとなっている。

なお、本実施形態の水晶温度計測装置では、予め設定された測定温度範囲内において差分周波数が１０ｋＨｚ以下となるように水晶振動子３１、３２の組み合わせを設定している。しかし、Ｙカットの水晶振動子３１の発振周波数は１℃で約１ｋＨｚ変化する。そのため、このような条件の下では測定温度範囲をあまり広く設定することはできない。しかし、海水温、地殻熱、地下水の温度等の測定を行う場合、変化する温度範囲は限定されるため、測定可能な温度範囲が多少狭くなっても大きな問題とはならない。

なお、本実施形態の水晶温度計測装置では、水晶振動子３１、３２を、差分周波数が予め設定された測定温度範囲内で１０ｋＨｚ以下となるような組み合わせとすることにより、１／１００００００℃（１００万分の１℃）という高い精度での温度測定が実現されている。しかし、２つの水晶振動子３１、３２を、差分周波数が予め設定された測定温度範囲内で２０ｋＨｚ以下となるような組み合わせとすれば、１００万分の１℃という精度を実現することはできないが、２／１００００００℃（１００万分の２℃）という高い精度での温度測定を実現することが可能である。また、同様な理由により、差分周波数が３０ｋＨｚ以下、４０ｋＨｚ以下、５０ｋＨｚ以下、６０ｋＨｚ以下、・・・・となるような組み合わせとすれば、それぞれ、１００万分の３℃、１００万分の４℃、１００万分の５℃、１００万分の６℃、・・・というような精度での温度測定を実現することが可能である。

１０計測装置本体部
１１、１１ａ水晶温度計測用プローブ
１２３線式ケーブル
１３、１３ａセンサ信号増幅回路
１４、１４ａセンサ用電源回路
１５周波数カウント回路
１６ＣＰＵ
１７基準クロック生成回路
１８表示器
１９通信インタフェース（ＩＦ）回路
２０記憶装置
２１３線式接続端子
２２ＢＮＣコネクタ
２３逓倍器
３１水晶振動子（Ｙカット）
３２水晶振動子（ＡＴカット）
３３水晶発振回路
３４水晶発振回路
３５差分周波数生成回路
３６３線式出力回路
３６ａ２線式出力回路
４０パーソナルコンピュータ
４１水晶温度センサ

Claims

発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する切断方位がＡＴカットの第１の水晶振動子と、
前記第１の水晶振動子と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する切断方位がＹカットまたはＬＣカットの第２の水晶振動子と、
前記第１の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第１の発振回路と、
前記第２の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第２の発振回路と、
前記第１の発振回路の発振周波数と前記第２の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成する差分周波数生成回路とを備えた水晶温度計測用プローブにおいて、
前記第１の水晶振動子および前記第２の水晶振動子は、同一種類の原材料から切り出され、形状および材料がほぼ同一となるように構成されるとともに、前記差分周波数生成回路において生成される信号の周波数が予め設定された測定温度範囲内で１０ｋＨｚ以下となる組み合わせであることを特徴とする水晶温度計測用プローブ。
発振周波数が温度に対して安定的な温度特性を有する切断方位がＡＴカットの第１の水晶振動子と、前記第１の水晶振動子と比較して発振周波数が温度に対して大きく変化するような温度特性を有する切断方位がＹカットまたはＬＣカットの第２の水晶振動子と、前記第１の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第１の発振回路と、前記第２の水晶振動子を発振素子として用いて特定の発振周波数の信号を生成する第２の発振回路と、前記第１の発振回路の発振周波数と前記第２の発振回路の発振周波数との差の周波数成分の信号を生成する差分周波数生成回路とを備えた水晶温度計測用プローブと、
前記水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数を計測する周波数カウンタと、前記周波数カウンタにより計測された周波数を測定温度に変換する変換手段と、前記変換手段により得られた測定温度を表示する表示器とを備えた計測装置本体部と、
を有する水晶温度計測装置において、
前記第１の水晶振動子および前記第２の水晶振動子は、同一種類の原材料から切り出され、形状および材料がほぼ同一となるように構成されるとともに、前記差分周波数生成回路において生成される信号の周波数が予め設定された測定温度範囲内で１０ｋＨｚ以下となる組み合わせであることを特徴とする水晶温度計測装置。
前記周波数カウンタは、前記水晶温度計測用プローブから受信した信号の周波数をレシプロカル方式により計測するとともに、有効桁数が少なくとも８桁以上となるように計測する請求項２に記載の水晶温度計測装置。