JPH02149115A - 温度センサ用水晶長辺縦振動子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、体温計、温度計等の測温計に広く使用される
水晶温度センサに関する。

〔発明の概要〕

本発明は、体温計、温度計等に使用されている従来の水
晶温度センサの持つ温度係数のバラツキが大きいという
欠点を克服する為に、水晶長辺縦振動子のカット角が反
時計回りに、５０°から６０゜又は、−５０”から−７
０°の範囲に設定された事を特徴とする温度センサ用水
晶長辺縦振動子に関する。

〔従来の技術〕

現在、電子計測のディジタル化の高度の発展にともなっ
て、温度計測の分野においてもディジタル化の傾向が進
んでいる。それにともなった形で、古くからの熱電対、
サーミスタ等の感温素子のかわりに、水晶振動子の周波
数−温度特性を利用した水晶温度センサが特に注目され
ている。周波数−温度特性とは、温度の変化に対して水
晶振動子の周波数が変化する特性である。すなわち、以
下の式で周波数−温度特性（以下、単に温特と略す）を
表すことができる。

Δｆ／ｆ−α（↑−Ｔｏ）＋β（Ｔ−↑。）ｉ＋γ（Ｔ
−↑。）１−・−ｆｉｌここで、α、β、Ｔは、それぞ
れ−次、二次、三次温度係数であり、１１丁。は温度及
び基準温度である。また、Δｆ／ｆは、基準温度での周
波数の基準とした、任意の温度Ｔでの周波数偏差である
。

＜１１式において、水晶センサとしては、−次温度係数
αが非常に大きい事が必要条件である。

すなわち、微小な温度変化に対しても、十分な周波数変
化が得られなければならないのである。

このような水晶温度センサとして、従来は二重回転ＡＴ
カフト水晶振動子、音叉型水晶振動子、Ｙカント輪郭す
べり振動子等が利用されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

感温素子として水晶の温特を利用する場合、次温度係数
αが大きくなければならない事は、前述した通りである
。しかし、その他に振動子形状が小型であること、又、
−次温度係数αがカット角変化に対して安定である事も
必要不可欠である。

ところが、前述の二重回転ＡＴカント水晶振動子、Ｙカ
ット輪郭振動子は、−次温度係数αは絶対値で５０〜１
００ｐｐ■／℃と大きいものの、振動モードの複雑さに
起因するスプリアス振動の抑制、支持によるエネルギー
損失の観点から形状の小型化が非常に困難であった。ま
た、音叉型水晶振動子においては、形状の小型化は容易
なものの、−次温度係敗αは小さく絶対値で４０ｐｐｍ
／’Ｃ程度であるばかりでなく、カット角変化に対して
も非常に不安定であった。−次温度係数αがカット角に
対して不安定であると、製造上のカット角のバラツキと
一次温度係数αが敏感に変化し、測温素子としての温度
計測精度が大きく変動してしまうのである。

このように、従来の水晶温度センサには、様々な欠点が
あったわけである。本発明が解決しようにする問題点と
は、上記の形状の小型化及びカット角に対する一次温度
係数αの不安定性であり、本発明によって両問題を同時
に解決することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

以上のような問題に対し、本発明は理論解析によって、
長辺縦振動モードの水晶振動子のカット角を約＋５５°
または一６５°にすることによって、−次温度係数αを
一８０Ｘ１０−’／’Ｃと、非常に大きな負の値を持ち
、感温素子としての水晶温度センサとして、使用可能で
あることが判明した。さらに、上記カット角近傍におい
ては、−次温度係数αは捲小値をとりカット角の変動に
対しても安定であり、したがって、温度計測精度も安定
である。

〔作用〕

次に、本発明の特徴とする温度センサとしての水晶振動
子の作用の要点について詳述する。

水晶長辺縦振動子（以下、単に長辺１１振動子と略す、
）は、従来その周波数が６００ＫＨｚ〜１．２Ｍ）Ｉｚ
帯と比較的高周波帯であるにもかかわらず、形状が小型
であり、スプリアス振動も比較的少なく、音叉型水晶振
動子と同一容積を有する収容器に実装できる振動子とし
て注目されてきている。

第１図は、本発明の係る長辺縦振動子の振動部の形状部
と、そのカット角の関係を図示した斜視図である。すな
わち、１は振動部であり、その長さ、幅、厚さはそれぞ
れｌ、ｗ、ｔである。またカット角θは水晶結晶のＸ軸
を回転中心として、反時計回りに回転する角度として定
義される。従来、長辺縦振動子のカット角は、はぼ０°
近傍のものが使用されてきた。カット角がほぼ０°近傍
の場合、温特は、非常に良好となり、温度変化に対して
周波数がほぼ不変となり、高精度発振器等に利用されて
いる。

〔実施例〕

本発明は、上述した特性を利用するものでこの小型化に
適した長辺ＩＩ振動子を水晶温度センサに利用する為に
、温度特性とカント角の関係を理論解析により明確化し
、感温素子として最適なカット角を決定しようとするも
のである。

長辺ｓｕｉ動子の周波数は以下の式で決定される。

ここで、ｆは周波数、ｌは振動部の長さ、ρは密度であ
る。またＳ■“は弾性定数である。また、温度特性は以
下の弐で定義できる。

Δｆ／ｆ−α（Ｔ−ＴＩ）＋β（Ｔ−Ｔ、）寞　　・〜
・・・・・（３）（３）式において、Δｆ／ｆ、　α、
β、　Ｔ　、　Ｔｏはｉｔ）と同様な物理量である。さ
らに、−次、二次温度係数α、βは周波数が方程式（２
）を温度Ｔ０に関して、テーラ−展開する事で定義され
る。すなわち、となる、ここで（２）式の右辺の物理量
ｌ、ρ、Ｓ！＊は、すべて温度変化に対して変化する物
理量であり、またカント角θの変化に対しても変化する
物理量である。よってカット角θが変化すれば温度係数
α、βは変化するのである。

第２図は、長辺縦振動子のα、βを理論解析した結果を
まとめたグラフである。横軸は、カット角θであり、−
９０°から＋９０°までの範囲である。

縦軸のは、−次温度係数α（ｘ　ｔｏ−’／　’ｃ　）
＋縦軸■は、二次温度係数β　（ｘｌＯ−’／℃）であ
る。　グラフ中の黒点は、αΦ値であり、白点はβの値
である。

一次温度係数αは、カット角θが一９０°から＋９０’
の範囲内で約＋５　ＸＩＯ”’／℃〜−９０Ｘ１０−”
７℃の値をとることがわかる。また、−次温度係数αは
カット角が、約＋５５°及び−６５°の時に最小値約−
８０Ｘ　１０”−７℃という非常に大きな負の値を持つ
。即ち、図中の領域■と■である。また、領域■と■に
おいて、−次温度係数αとカット角θの関係は、二次の
放物線状をなしている。すなわち、領域■、■で、−次
温度係敗αは、極小値をとっているのである。この領域
においてはカット角の変動に対して、−次温度係数αは
ほんの僅かしか変化しないのである。第２図のグラフよ
り、長辺縦振動子の一次温度係数αは、カット角が約＋
５５′″及び−７５°の時に極小値−８０ＸＩＯ−’／
’Ｃという非常に大きな負の値を持ち、しかも、カット
角の変動に対して、はぼ不変であるという事実が判明し
たわけである。

次に本発明の水晶振動子の形状と構造について説明する
。

第３四は、本発明による長辺縦振動子を用いた水晶温度
センサの形状の平面図である。１，２は振動部であり、
その長さは！である。３．４はフレーム部である。また
５、６は支持部である。７は振動子を固定するための支
持部であり、この部分で支持される。第４図は、第３図
の水晶温度センサを収容器８の中に支持し、収容器を破
断した平面図である。この実施例においては、振動部１
と２の長さｌは約３鶴であるので、その共振周波数は約
ＩＭＨｚ帯となっている。また、この周波数帯において
は形状が非常に小型になり、第４図に示す収容器８の直
径りは２ｍｌ、長さしは６鶴の収容器に実装が可能であ
る。ちなみに、この収容器の寸法形状は、通常に小型化
された形状であるといえる。また、上記実施例において
は、フレーム部及び振動部の幅Ｗ、厚みｔ寸法の影響に
よってわずかに一次温度係数αとカット角の関係が第２
図の結果と比較して、わずかに変化する。それ故、−次
温度係数αが極値をとるべきカット角の値も、わずかに
ずれる、しかし、実験的手段によって最適カント角は、
５０＠〜６０°または−６０”〜−７０゜の範囲に存在
する事が確認できた。

〔発明の効果〕

カット角が、５０°〜６０°または一６０°〜−７０゛
の範囲に限定された長辺縦振動子を温度センサとして使
用する事によって、次の著しい効果が得られる。

ｉｌｌ　　−次温度係数αは、カット角の変動に対して
ほとんど不変であるので、温度計測精度が非常に安定し
た。

（２）　　寸法形状、実装寸法が非常に小型になり通常
の音叉型水晶振動子と同一実装寸法となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に関する長辺縦振動子とそのカント角を
示す斜視図、第２図は本発明に関する長辺縦振動子の温
度係数とカット角の関係を示すグラフ、第３図は本発明
による長辺縦振動子を用いた水晶温度センサの形状を示
す平面図、第４図は本発明による振動子を実装した平面
図である。 １．２・・・振動部 ３．４・・・フレーム ５．６・・・支持部 ８・・・・・収容器 以上 出願人　セイコー電子部品株式会社 代理人　弁理士　林　　敬　之　助 ＊１図 本た明ｌテｆ釆る振動；の温度片Ｉ注図第２図 本宅１ｉ７’！／’）Ｊ辰ｉｅ３の形状乞ホＴ平面図第
３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水晶長辺縦振動子において、ｘ軸を回転中心に反時計回
   りにカット角を５０゜から６０゜または−７０゜から−
   ５０゜の範囲に設定した事を特徴とする温度センサ用水
   晶長辺縦振動子。