JPH02189429A - 赤外線検出圧電振動子及び赤外線検出方法 - 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、赤外線受光に基づく圧電振動基板の温度変動
を共振周波数の変化として検出する赤外線検出圧電振動
子及びその検出方法に関する。

（従来の技術） 焼結半導体材料の温度と電気抵抗との一価関数関係を電
流又は電圧変化として取り出して、赤外線検出するサー
ミスタ、ＣｄＳまたはＰｂＳ素子、あるいは結晶上の一
部に受光等により不平衡昇温があると発生する焦電気を
検出して赤外線を微分的検出する焦電気素子、などが従
来より広く利用されている。

温度差に基づき熱電対の熱起電力を利用する温度検出方
法もあるが、あまり利用されない。

圧電撮動子の既知である周波数温度特性から周波数測定
して、逆に受光吸収等による温度の変化を周波数の変化
として検出する例として、Ｙカット水晶撮動子の気密封
止容器の外套部に受光黒体面を塗装したものなどがある
。

（発明が解決しようとする課題） 赤外線吸収による部材の温度変動をそのｆＭ、気抵抗の
変化としであるいは熱起電力として赤外線検出する方法
にあっては、得られる出力がいづれも微小直流であり、
これを利用する限りにおいて、例えば、直流増幅の簡素
化、実効ある耐ノイズ対策あるいは高精度な検出等の要
求に応えられないなどの不便・不都合があった。

Ｙカット水晶振動子等の利用において、確かに高精度な
赤外線検出が可能となったが、検出情報が即ち振動子の
共振周波数そのものであるために、必ずしも希望する周
波数帯にその共振周波数を自由に選定することができず
、別に安定な基準周波数を設けてこれにより周波数変換
し利用しなければならないなどの不便があった。

本発明は、これらの欠点に鑑みてなされたものであって
、複数の互いに結合しない共振周波数を用いる赤外線検
出圧電撮動子とこれを用いる赤外線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） 圧電振動基板は、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。

例えは、ＡＴカット水晶振動基板は、主振動の厚みすべ
り振動姿態により表裏板面の厚みを境界条件として特定
の周波数で共振するが、ＡＴカットに切断角度が近接し
たＣＴカット相当の副振動の面滑り振動姿態によっても
共振することがある。

この面滑り振動は、水晶振動基板の辺の大きさを境界条
件とする共振周波数をもつから、基板辺縁中央にある振
動節点を保持すると、基板表裏板面上に配設した励振電
極対により、厚みすべり振動と直接音響結合することな
く同時に共振することができる。

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次関数周波数温度特性に対して常温
付近で平坦部となる変曲点を与えることができるが、同
時に励振できる面滑り振動姿態は、変曲点が低温域にあ
る２次関数で表される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急激に変化する周波数温度特
性を示すことになる。

このため、この副振動は、純粋な主振動を得る上で望ま
しくない副振動として、その振動姿態の腹に当たる部位
にわざわざ保持するなどの手段により抑圧されて、従来
より利用されることはなかった。

しかしながら、この面滑り振動姿態の周波数温度特性か
ら逆に水晶振動基板の温度変化の検出が可能であること
に着目してみると、主振動の厚みすべり振動共振周波数
を副振動の面滑り振動共振周波数と比べ逼かに高くかつ
異なる周波数に任意にとることができ、従って水晶振動
基板上において音響結合もなく容易に周波数分離できる
ことから、例えば、この主振動を搬送波として副振動に
より変調する回路を発振回路に付加してかつ電波輻射す
る機能をもたせると、赤外線検出手段の他に搬送波手段
を別に設けることなく、一体に構成した無線伝送可能な
赤外線検出手段を実現させろことができろ。かつ互いに
共振周波数を決定する境界条件が、厚みすべり振動姿態
の板面厚みに対して面滑り振動姿態が辺の大きさである
ことにおいて、互いに直交していて、従って独立してそ
れら共振周波数を自由に決めることができ便利である。

例えば、ｌｌＸ１１ｍｍ水晶振動基板のＡＴカッ）１０
ＭＨｚ水晶振動子は、ＣＴカット相当の面滑り振動姿態
共振周波数を約２８０ＫＨｚにもつことができるから、
この面滑り振動姿態を水晶振動基板の温度変化の検出に
、かつ厚みすべり振動姿態を搬送波に同時利用できるよ
うに、例えば第４図に示す通り、２つの発振回路を並列
接続して振幅変調回路を構成させる方法により実現でき
る。

この場合、水晶基板の辺の大きさと厚みとにより、これ
らの周波数を自由に選定し設計できることは既に述べた
通りである。

また、互いの周波数温度特性の差異を検出することによ
り、一方の周波数温度特性から他方を比較較正すること
のできる複数共振周波数利用の高精度な温度測定装置を
構成することもできる。

例えば、粗い検出と精密な検出とにそれぞれの振動姿態
の温度特性を使い分けることが出来る。

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もできる。

ＡＴカット水晶据動基板の場合、基本波厚みすへ振動姿
態の温度特性に対して、オーバトーン温度特性は方向角
切断角度差に換算すると７分から１８分に相当した周波
数温度特性の差異となるから、全く同様にして本発明を
適用できるからである。

また、上記の振動姿態を、例えば、ＢＴカットの厚みす
べり振動姿態とＤＴカット相当の面滑り振動姿態とする
こともできる。

圧電振動基板は水晶に限らず、ＬｉＮｂＯ３、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、圧電撮動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する
ことのない関係にある振動姿態を選び、更に発振回路の
非直線性に基づく間接的結合を防止するため、温度・負
荷容重等の変化による共振周波数の変化においてそれら
振動姿態間に非整数倍関係を維持させる等して、常に各
ｔａｏｗ態の周波数を異ならしめるようにすることが重
要である。これより独立して複数の振動姿態を同時に共
振させて、赤外線吸収に基づく圧電振動基板の温度変化
によりこれら共振周波数の変化を検出して、その結果赤
外線の検出をすることができる。

（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
の搬送波用として適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も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赤外線検出圧電振動子の互いに
音響結合しない主振動・副振動の振動姿態のうち、一方
は輻射赤外線吸収による基板温度の変化を共振周波数変
化として連続検出し、他方は搬送波としてこの周波数に
より変調されて伝送に利用することができる。既に述べ
た通り、互いに音響結合を回避しつつ所望の検出感度を
考慮して特定の振動姿態を選定する。搬送波用としての
主振動と温度検出用としての副振動とは機能的に区分さ
れており、従って相互の音響的直接結合を避けることの
ほか、ＳＬカットなどの結合振動姿態を利用する場合に
考慮したような、例えば、主振動の周波数偏差あるいは
等価定数を特に狭い規格内とする等の配慮は必要ない。

次に、２つの振動姿態をともに検出用として適用する場
合を考察する。

一般に圧電振動基板の撮９に姿態の示す共振周波数温度
特性は動作温度範囲内において、特定角度で切り出した
場合を除いて、変曲点をこの動作温度範囲内に取ること
はなく、従って、２次間数ないし３次間数の一部として
ほぼ直線的に変化する場合が多くかつその勾配が異なる
。そこで正あるいは負の特性または勾配差の著しい特性
を持った複数の振動姿態を任意に選択すれば、これを利
用して圧電振動基板温度変化の検出を多重に行うことが
可能であり、相互較正によりその検出精度をさらに向上
させることができる。しかも検出方法はもともと圧電振
動基板の振動姿態に基づく現象を応用したものであるか
ら、経時変化等の影響を受けにくい特質を有し、従って
原理的にも高信頼性を保証するものである。

本発明は、以上詳述した通り、圧電振動基板の共振周波
数の変化という取扱易いデータ形式において輻射赤外線
を検出できるものであり、高信頼性かつ高精度な赤外線
検出手段と検出方法とを提供するものである。

（実施例） 励振電極対を水晶振動基板の表裏板面上に設けて主振動
と副振動とを同時共振させるようにした本発明に係わる
赤外線検出圧電振動子の一実施例を第１図（ａ）及び同
図（ｂ）に示す。

ここで利用する振動姿態は、例えば、副振動を面滑り振
動、厚みすべり振動を主振動であるとする。

水晶振動基板１の表裏板面上に励振電極対２（２ａ、２
ｂ）が配設され、かつ赤外線受光面側の板面にさらに光
吸収黒体面３が覆設されている。

カバー５にある透光窓４を透過して、入射赤外線がこの
光吸収黒体面３に吸収されると、水晶振動基板ｌの温度
が上昇し、その結果、面滑り振動姿態の共振周波数が変
化するが、厚みすべり振動姿態の共振周波数はその変曲
点を常温付近に設定しであるからあまり変化しない。こ
の２つの周波数から、例えは、面滑り撮動姿態の共振周
波数の変化を厚みすべり振動姿態の共振周波数で演算比
較することなどにより、赤外線検出ができる。

面滑り振動姿態は水晶振動基板１の中心と辺縁中点に節
を持つから、水晶振動基板ｌの辺の中点に保持器６（６
ａ、６ｂ）で保持することにより厚みすべり振動姿態の
振動に影響を与えることなく両振動姿態を同時に共振さ
せることができる。

水晶振動基板１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
ことができる。

ここで、主振動にＢＴカット厚みすべり振動姿態をとる
と副賑動はＤＴカット相当の面滑り振動姿態とすること
ができるが、ＡＴカット厚みすべり振動姿態とするとＣ
Ｔカット相当の面滑り振動姿態とすることもできる。第
２図（ａ）に上記水晶振動基板の厚みすべり撮動姿態、
同図（１））に上記面滑り振動姿態のそれぞれの振動変
位状態を模式図にして示す。第３図はＢＴカット水晶振
動子の厚みすべり振動姿態の温度特性ＢＴとこれと共存
する面滑り振動姿態の温度特性ＤＴＩ、ＤＴ２を示して
いる。ただし、温度特性ＤＴＩをもっている水晶振動基
板の厚みを薄くすることにより温度特性ＤＴ２とするこ
とができるから、検出感度を任意に設定できることを示
している。

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
振動姿態の選択は自由である。

本発明に係わる赤外線検出圧電振動子の検出方法を第４
図に示す。発振回路Ｏ８１、Ｏ３２は本発明の赤外線検
出圧電撮動子に並列接続されて、電源電圧Ｖｄｃが供給
されると、それぞれ互いに独立した共振周波数Ｆｌ、Ｆ
２で発振する。共振周波数Ｆ１、Ｆ２は、一般に数オク
ターブに亘る程の隔たりがあるから、容易に分離・抽出
することができる。この抽出した周波数を、予め記憶さ
せである当該振動姿態の温度特性と比較することにより
、基板温度の変動を検出して赤外線検出することができ
る。ここで、画周波数の温度特性から多重検出すること
もできる。

あるいは、画周波数の差異の大きいことを利用して、一
方を赤外線検出信号とし他方をその信号により変調され
る搬送波として使用することができろ。これにより、本
発明に係わる赤外線検出圧電振動子のみを用いて、従来
の検出装置と基準周波数発振装置とを一体化したコンパ
クトな装置を実現させることができる。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明の赤外線検出圧電撮動子にお
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、それら周波数は撮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、外部より赤外線が輻
射されて赤外線検出圧電撮動子の圧電振動基板に吸収さ
れ温度変化した状態を共振周波数の変化として検出すれ
ば正確かつ容易に赤外線検出することが出来る。

検出方法として、一方の振動姿態の共振周波数を温度変
化の検出に用い、他方をその検出された共振周波数を伝
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変化の検出に用い検出精度の相互
較正に利用する方法などがあり、いづれも、検出情報が
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（ａ）は本発明の一実施例の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、同図（ｂ）は同図
（ａ）の側面図である。 第２図（ａ）は本発明に係わる水晶振動基板の厚みすべ
り振動姿態の説明図、同図（ｂ）は同図（ａ）の水晶振
動基板に共存する面滑り振動姿態の説明図である。 第３図は本発明に係わるＢＴカット水晶振動基板の厚み
すべり振動姿態及びＤＴカット相当の面滑り振動姿態の
各周波数温度特性説明図である。 第４図は本発明の赤外線検出圧電振動子と発振回路との
接続により行う赤外線検出方法の機能説明図である。 １・・・・・・・・・圧電振動基板 ２ａ、２　ｂ・・・・・励振電極対 ３・・・・・・・・・光吸収黒体面 ４・・・・・・・・・透光窓 ５・・・・・・・・・カバー ６ａ、６ｂ・・・・・保持器 ７・・・・・・・・・ベース ８ａ、８１〕・・・・・端子 Ｏ８１、Ｏ９２・・・発振回路 第２！！！ （Ｇ） 第３ｍ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）赤外線受光により圧電振動基板の温度変動に対応
   して変化する共振周波数により赤外線を検出する赤外線
   検出圧電振動子において、該圧電振動基板の表裏板面上
   に少なくとも１対の励振電極対を配設しかつ一方の該圧
   電振動基板面上に光吸収黒体面を覆設して赤外線受光面
   となし、互いに音響結合しない異なる振動姿態の異なる
   共振周波数において同時に共振するよう導電・保持して
   外部に端子を導出しかつ透光窓を設けたカバーにより気
   密封止してなることを特徴とする赤外線検出圧電振動子
   。
2. （２）請求項（１）記載の該赤外線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、該赤外線検出圧
   電振動子の異なる共振周波数において同時に発振させ該
   発振回路より該共振周波数を分離・抽出し該共振周波数
   の変化により赤外線検出する方法。