JPH02183128A - 温度検出圧電振動子及び温度検出方法 - 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、温度変動を共振周波数の変化として検出する
温度検出圧電振動子及びその温度検出方法に間する。

（従来の技術） 従来例として、特公昭６３−５０６４６号公報記載の温
度検出装置は、例えば第５図に示す通り、所定の角度に
切り出された水晶振動基板２５の表裏板面上に１対の励
振電極対２６を配設しサポータ２７により導電・保持し
てベース２８を貫通し外部に端子２９を導出した構造の
水晶振動子の端子２９に、適当な長さのアンテナ線を接
続して、温度検出装置としたものである。この例では、
この装置の周波数温度特性を予め測定しその結果を受信
機内に記憶しておき、別にこの共振周波数に同調する搬
送波をもったバースト信号波を送信機からこの装置に向
けて送信すると、共鳴現象により残響のあるエコーを返
信してくるので、これを受信機で受信し予め記憶されて
いる温度検出装置の周波数温度特性と、受信エコーの残
響部分の周波数変化とを比較することにより、被測定物
の温度検出に利用している。

池の従来例として、特公昭６３−１０３７１号あるいは
実公昭６３−４２５９６号記載のＹカット水晶振動子が
ある。いづれもこの水晶振動子を発振回路に装着して発
振させ、その発振周波数とこれとは別に設けた基準周波
数との周波数差とを演算処理して、被測定物の温度検出
に利用しているものである。

恒温槽水晶発振器あるいは周波数温度補償水晶発振器等
においては、温度検出にサーミスタ等の焼結半導体材料
を用いて、検出精度の劣る温度抵抗値を直流電圧の制御
に利用している。

（発明が解決しようとするｒＲ題） 上記従来例において、被測定物に装着してある温度検出
装置の水晶振動子温度特性に基づき、この装置より得ら
れる水晶振動子の共振周波数を測定することにより、被
測定物の温度検出を行っているが、温度検出装置の水晶
振動子の共振周波数そのものか、あるいは基準周波数と
の偏差周波数を利用していて、希望する周波数を自由に
選択することが困難であった。特に電波搬送して利用す
る場合、小型水晶振動子ではどうしても共振周波数が高
くなり、これを直接搬送波として利用するにはもともと
周波数温度特性が不安定であって困難があり、また、周
波数が高すぎて変調信号波となりにくいなど不都合があ
った。

さらに、近時の小型な周波数温度補償水晶発振器（以下
ＴＣＸＯとする）ここおいて、出力周波数の高安定性が
厳しく求められているにも拘らず、この種の優れた水晶
振動子による温度検出が応用され得す、依然としてサー
ミスタ等の不安定な温度検出素子が利用されている理由
は、水晶振動子を用いた温度検出装置の温度検出機構そ
のものが、上記不都合の他に、高安定基準周波数発振回
路、記憶補償回路、信号演算処理回路等の複雑な回路要
素から成立させざるを得す、従って小型化は到底不可能
な状態にあるためである。

本発明は、これらの欠点に鑑みてなされたもので、圧電
基板の振動姿態あるいは共振周波数をそれぞれ異ならし
めるなどして、非音響結合にあるところの複数の振動姿
態の共振周波数温度特性の差異に基づき、被測定物の温
度検出するための温度検出圧電振動子とその温度検出方
法とを提供するものである。

（課題を解決するための手段） 圧電基板は、高調波次数あるいは振動モードなどのいわ
ゆる振動姿態を異ならしめて共振させると、それら周波
数温度特性が異なることが知られている。

例えば、ＡＴカット水水晶振板板、主振動である厚みす
べり振動姿態と、ＡＴＴカツト切断角度に近接したＣＴ
Ｔカツト晶振動子相当の副振動である面滑り振動姿態と
を、面滑り振動姿態の節点を保持することにより、水晶
基板の表裏板面上に配設した励振電極対おいて直接音響
結合することなく同時に共振させることができる。

この場合、適当な切断角度をとることにより、厚みすべ
り振動姿態特有の３次間数周波数温度特性に対して平坦
部゛となる変曲点を常温付近に与えることができるが、
しかし、同時に励振てきる而滑り振動姿態には、変曲点
が低温域の２次間数周波数温度特性となるから、常温付
近においてほぼ直線的に変化する周波数温度特性を示す
ことになる。

この理由により、この面滑り振動姿態は、純粋な主凛動
を得るのに望ましくない副振動として抑圧手段がとられ
、従って今まで利用されることはなかった。

しかしながら、副振動の面滑り振動姿態の温度特性から
逆に基板温度を検出できる点に着目してみると、主振動
の厚みすべり振動の共振周波数を、副振動の而滑り振動
の共振周波数と比べ過かに高周波数にとることができか
つ音響結合もなく容易に周波数分離できる事実から、例
えば、この主振動を搬送波として副振動により変調する
ように回路構成をとると、電波輻射する機能をもつ遠隔
被測定物に設置の無線制御温度測定装置を実現させるこ
とができる。

例えば、ＡＴＴカツトＯＭＨｚ、１１ＸＩ　１ｍｎ１の
水晶基板において、ＣＴＴカツト当の而滑り振動姿態の
共振周波数は約２８０　Ｋ　Ｈｚである。

あるいは、互いの周波数温度特性の差異を利用すること
により、一方の周波数温度特性から他方を比較較正する
ことができる複数共振周波数の高精度な温度測定が可能
となる。

ここで、圧電基板に切り溝等を設ける手段をとることに
より、振動姿態間の相互結合を物理的に容易に抑止する
ことができるから、本来圧電基板上で音響結合する振動
姿態、例えば、厚みすべり振動姿態と屈曲振動姿態との
絹合せなども利用可能となる。

さらに、例えば、基本波振動姿態に対して高次オーバト
ーン振動姿態を利用することができる。

ＡＴＴカツト晶基板の場合、厚みすべの振動姿態の３次
周波数温度特性において、その方向角切断角度差に換算
して７分から１８分程度までの範囲内にそれら周波数温
度特性の差異をとるから、比較基準として、例えば、水
晶基板りに配設した別の励振電極対の基本波共振周波数
を逓倍して用いる手段等を利用することにより、水晶基
板温度に対するこの周波数差異を一価間数に設定するこ
とができるから、水晶基板の温度検出に利用できる。

ＴＣＸＯに適用する場合、例えば、第１図と同じ構成の
ＡＴＴカツト晶基板とすると、圧電基板ｌａの振動姿態
を面滑り振動姿態の共振として温度検出に利用し、圧電
基板１ｂの振動姿態を周波数温度補償対象の厚みすべり
振動姿態の共振とすることにより、不安定な半導体材料
からなるサーミスタ等の利用を必要としない優れた回路
構成の’ｒ　ＣＸ　Ｏを実現させることができる。

上記に例示した水晶基板を、例えば、ＢＴＴカツト厚み
すべり振動姿態とＤＴＴカツト当の面滑り振動姿態とす
ることができる。

圧電基板は水晶基板に限らず、ＬｉＮｂＯ３、■、監Ｔ
　ａ０３、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電
基板の振動姿態を選んで本発明を適用できることは云う
までもない。

いづれにしても、圧電基板上において利用しようとする
振動姿態は、音響的に直接結合して互いに干渉し・ない
よう、もともと非結合関係にある振動姿態を選ぶかある
いは切り溝などの物理的な隔渭手段等により直接結合を
抑止するかして、更に温度変化・負荷容量等の変化によ
るあらゆる共振周波数の変化に対して発振回路の非直線
性に基づく間接結合等を防止する目的としてそれら振動
姿態の共振周波数の整数倍関係を回避する等の手段によ
り、常に各振動姿態の周波数を累ならしめるようにする
ことが重要であって、これにより独立して複数の振動姿
態を共振させ温度測定に利用することができろ。

（作用） まず、２つの振動姿態の一方を温度検出用に、他方をそ
の搬送波用として利用する場合を考察する。なお、２つ
以上の振動姿態の場合において、同様に考察可能なこと
は云うまでもない。

上記のように構成された温度検出圧電振動子の互いに音
響結合しない主振動・副振動の振動姿態は、一方は被Ｊ
す宝物から伝達する基板温度を周波数として連続検出し
、他方は搬送波としてこの基板温度検出の周波数により
変調されて伝送に利用することができる。上記手段によ
り互いに音響結合を避けることができるから、任意の振
動姿態を利用でき、所望の検出感度を考零して振動姿態
を選択し設定する。搬送波用としての主撮動と温度検出
用としての副振動とは機能的には分かれており、相互の
音響的直接結合をかけろこと以外、特に主振動の周波数
１肩差を特に配慮するとかあるいはスプリアスを抑圧す
る必要は少ない。

ここで、既に述べたごとく、これらの振動姿態を基本波
振動及び高次高調波振動（オーバト−ン）にとること等
可能なことは勿論である。

次に、２つの振動姿態をともに温度検出用として利用す
る場合を考察する 一般に振動姿態の示す周波数温度特性は通常の動作温度
範囲において、変曲点がこの温度範囲にないことが多い
から、２次ないしは３次の関数の一部としてほぼ直線を
示す場合が多く、かつ勾配が異なっており、ときには正
負特性あるいは勾配差が著しい特性を持った複数の振動
姿態を得ることが容易に出来るから、これらを利用して
温度検出を２重に行うことが可能となり温度検出精度を
向上させることが出来る。しかも温度検出はもともと圧
電基板の振動姿態に基づくものであって、経時変化等の
影響を受けにくい特質を有する。

本発明はこれらの温度検出に高信頼性かつ高精度な手段
を提供するものである。

（実施例） 第１図は、２つの励振電極対を圧電基板の表裏板面上に
配設する本発明の一実施例である。

圧電基板ｌは、励振電極対間の中央に切り溝を設け２つ
の振動部分１ａ、１ｂに区分されていて、それぞれに励
振電極対２　（２ａ、　　２　ｂ　）、３（３ａ、３ｂ
）が表裏板面−Ｅ配没されている。

例えば、圧電基板をＡＴカット水晶板とすると、励振電
極対２はＣＴカット相当の而滑り振動姿態で共振し、励
振電極対３はＡＴカット厚みすべり振動姿態で共振する
よう設計されろ。面滑り振動姿態は水晶基板Ｌａの中心
位置の他に辺縁４中点に節を持つから、１ａと１ｂの中
間に対称な切り溝を設けその残存部を中央に取れば、厚
みすべり振動と而滑り振動の共通励振電極対用引出し電
極として面滑り振動姿態の節の一つに、端子６をとるこ
とができる。この端子６と他方の端子４及び端子５とに
より水晶基板ｌを３点保持している。

ここで、水晶基板１ａの辺長により面滑り振動姿態の共
振周波数を決定し、基板切断方向角を決め、基板厚みに
より周波数温度特性の傾度（温度検出感度）と厚みすべ
り周波数の共振周波数を決める。

この切り溝により音響結合を抑止できるから、例えは、
本来音響結合のある厚みすべりと屈曲の振動姿態などを
利用することが出来る。

ここで、主振動にＢＴカット厚みすべり振動姿態をとる
と副振動はＤＴカット相当の面滑り振動姿態とすること
が出来る。

あるいは、主振動を基本波の厚み滑り振動姿態とすれば
、副振動をオーバトーンとすることもて、きる。これら
の振動姿態の進択は自由である。

第２図は、圧電基板７０表裏板面上に単励振電極対８　
（８ａ、８ｂ）が配設された圧電基板をも本発明の他の
実施例である。

例えば、圧電基板をＡＴカット水晶基板とすると、Ｌ１
＝Ｌ２＝Ｌにとり面滑り振動姿態で共振させると、その
周波数ｆ＝ｋｆ／Ｌ　（ｋＨ２）、ｋｆ＝３，０８０ｍ
ｍｋＨｚとして求められ、方、切断方向角を予め決めて
あれば、水晶基板７の厚みｔにより厚みすべり共振周波
数（ｆ＝１゜６７０／ｌ）と、面滑り振動姿態の変曲温
度点とより動作温度域における周波数温度特性の傾度（
温度検出感度）が決定される。

同様にして、ＢＴカット水晶基板の場合、面滑り共振周
波数ｆ　＝　ｌ（ｆ　／　Ｌ　（ｋ　Ｈｚ　）、ｋｆ＝
２゜０７０　ｍ　ｍ　ｋ　Ｈｚとして求められるが、一
方、切断方向角を予め決めてあれば、水晶基板７の厚み
Ｌにより厚みすべり共振周波数（ｆ＝２，８４０／１）
と周波数温度特性の傾度（温度検出感度）が決定される
。

但し、Ａ　ＴカットあるいはＢＴカット等の水晶基板に
限らずその他の圧電基板において、切断方向角は各振０
姿態の周波数温度特性を決定する主要な変数であるから
、１記の厚み決定に先だって最初に決定する必要がある
。この切断方向角は、温度と温度検出周波数に一価関数
関係があるよう、例えは、直線あるいは２次曲線等の所
望の関数関係に近似するように設計し決定される。

また、第１図あるいは第２図の実施例の場合において、
圧電基板をＡＴカット水晶基板としたときに、辺中央に
ある而滑り振動姿態の節点で機械的保持を行い、厚みす
べりのみならず面滑り振動姿態に対してもその振動に影
響を及ぼさぬよう配慮している。その他の圧電基板にお
いても同様にして、利用しようとする全ての振動姿態の
振動に影響を与えない機械的保持方法を採用するよう配
慮することが肝要である。

第３図は、２枚の圧電基板を隔設して組立てた本発明の
他の実施例である。

例えば、圧電基板をＡＴカット水晶基板Ｉ２とＹカット
水晶基板１４とずろことができる。この例において、各
振動姿態をほぼ弔独に設計・製作できるから、他と比較
して実施が極めて容易である反面、コスト高となる難点
がある。

第４図（Ｃ）は、同図（ａ）の本発明の温度検出方法の
実施例である。例えは、第４図（ａ）の、へＴカット水
晶基板において、この水晶基板は同図（ｂ）の等価回路
構成として表されるから、これを同図（ｃ）の接続回路
構成により２端子駆動を行おうとする場合、面滑り振動
のインピーダンス（Ｃ１）はノリみすベリ振動姿態のそ
れと比較すると一般に２桁から３桁程大きいから、端子
２４１）と端子２４ｃとの間に高抵抗Ｒを接続しても影
響が少なく、あたかも端子２４ｃと端子２４１）とを並
列接続して、それと端子２４ａとの間で、励振電極対（
２１＋２０ａ、２ｏｂ）の２端子構成となるに等しいほ
ぼ全面電極構成とすることができろ。一方、厚みすべり
振動姿態に対しては高抵抗となるから、励振電極対（２
０ａ、２０ｂ）のみの部分電極対構成のままである。従
って、面滑り振動姿態の共振が容易になり、厚みすべり
振動姿態に対し−Ｃ部分電極のままエネルギー閉じ込め
手段によるスプリアス抑制効果等を発揮することができ
ることになり、両振動姿態の発振強度に差を生じさせる
ことなく動作品質のよい温度検出圧電振動子を得ること
ができる。

ここで、インピーダンスとして、例えば、高抵抗器の代
わりにインダクタンスあるいはそれらの共振回路なども
利用することが出来る。

（効果） 以上詳述したように本発明の温度検出圧電振動子におい
ては、互いに音響的に直接結合しない複数の振動姿態の
共振周波数が分離され連続波として同時に得られるもの
であり、それら周波数は振動姿態に固有な既知の周波数
温度特性をもっていることから、外部より温度検出圧電
振動子の圧電基板に伝達された温度を正確かつ容易に検
出することが出来る。

検出方法として、一方のｌ１ｉｉ動姿態の周波数を温度
検出に用い他方をその検出された温度情報を伝達するた
めの搬送波として利用する方法、あるいは、振動姿態の
すべてを温度検出に用い温度検出精度の相互較正に利用
する方法などがあり、いづれも、温度情報が周波数とし
て得られることから非常に高い信頼性と高い精度が保証
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で、２励振電極対型の温度検
出圧電振動子の内部構造斜視図である。 第２図は本発明の他の実施例で、１例振電極対型の温度
検出圧電振動子の内部構造斜視図である。 第３図は本発明の他の実施例で、２圧電基板隔設型の温
度検出圧電振動子の内部構造斜視図である。 第４図（ａ）は本発明の他の実施例で、補助電極付き１
励振電極対型の温度検出圧電振動子の内部構造ｆｊ４７
！図であるゆ 第４図（ｂ）は同図（ａ）の温度検出圧電振動子の電極
接続図で、同図（Ｃ）は同図（ａ）の温度検出圧電振動
子の温度検出方法の説明図である。 １５４５図は従来の実施例で、温度検出装置として使用
する水晶据動子内部構成斜視図である。 Ｌ　　７．１２．１４１９．２５・・圧電基板２．３．
８．１３．１５．２０．・励振電極対２１・・・・・・
・・・・・・・・補助電極４．９．１６．２２・・・・
・・・１足持器５．１０．１７．２３．２８・・φベー
ス６．１１．１８．２４．２９・・・端子ＯＳＩ、Ｏ９
２・・・・・・・・・発振回路第３ｆｆｌ 第４図 ４ａ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度変動に対応して変化する共振周波数により該
   温度変動を検出する温度検出圧電振動子において、その
   圧電基板の表裏板面上に複数の独立する励振電極対を配
   設しかつ該励振電極対間に切り溝を設けて、互いに異な
   る振動姿態の異なる共振周波数により独立して共振する
   よう導電・保持しかつ気密封止して外部に端子を導出し
   てあることを特徴とする温度検出圧電振動子。
2. （２）温度変動に対応して変化する共振周波数により該
   温度変動を検出する温度検出圧電振動子において、その
   圧電基板の表裏板面上に少なくとも１対の励振電極対を
   配設して、互いに音響結合しない異なる振動姿態の異な
   る共振周波数により同時に共振するよう導電・保持しか
   つ気密封止して外部に端子を導出してあることを特徴と
   する温度検出圧電振動子。
3. （３）温度変動に対応して変化する共振周波数により該
   温度変動を検出する温度検出圧電振動子において、その
   圧電基板のそれぞれの表裏板面上に少なくとも１対の励
   振電極対を配設してある２枚の該圧電基板を隔設しかつ
   並列に電気接続して、互いに音響結合しない異なる共振
   周波数により同時に共振するよう導電・保持しかつ気密
   封止して外部に端子を導出してあることを特徴とする温
   度検出圧電振動子。
4. （４）温度変動に対応して変化する共振周波数により該
   温度変動を検出する温度検出圧電振動子において、その
   圧電基板の表裏板面上に少なくとも１対の励振電極対と
   少なくとも１つの補助励振電極とを配設して、互いに音
   響結合しない異なる振動姿態の異なる共振周波数により
   同時に共振するよう導電・保持しかつ気密封止して外部
   に端子と補助端子とを導出してあることを特徴とする温
   度検出圧電振動子。
5. （５）請求項（２）又は（３）記載のいづれかの温度検
   出圧電振動子の端子と複数の発振回路とを並列接続して
   、温度検出圧電振動子の互いに音響結合しない異なる共
   振周波数において同時に発振させ、発振回路より共振周
   波数を抽出してこれより温度検出圧電振動子の温度変動
   を検出する方法。
6. （６）請求項（４）記載の温度検出圧電振動子の補助端
   子とインピーダンスを接続してある一方の端子と、これ
   と対を成す他方の端子と、複数の発振回路とを並列接続
   して、温度検出圧電振動子の互いに音響結合しない異な
   る共振周波数において同時に発掘させ、発振回路より共
   振周波数を抽出してこれより湿度検出圧電振動子の温度
   変動を検出する方法。