JPH0257928A - 水晶発振子を用いた温度検出方法および温度検出器 - 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〕 本発明は計測器、デジタル温度計など、温度をデータ処
理する装置の温度検出方法と検出器に関する。

〔発明の概要〕

本発明では、温度に関して同一の負の２次係数ヲ有し、
かつ異なるターニングポイントの温度を有する２個の水
晶発振子を同一温度条件下で別々に発振させ、その発振
周波数の差を検出することにより温度を測定しようとす
るものである。

〔従来の技術〕

従来の温度検出器では、サーミスタ、熱電対など、温度
により抵抗値、起電力が変化するものを利用した方法と
、水晶発振子の発振周波数が温度によりずれることを利
用したものがある。このうち水晶発振子を利用した温度
検出の方法について説明する。

第７図は時計用音叉型水晶発振子の温度特性の例を示す
図である。温度に関して負の２次係数を有している。形
状的には小型で効率良く発振させるため音叉型となって
いる。

時計としては温度による変動が少ない方が良いためター
ニングポイントの温度Ｔａが腕時計の携帯時計の温度で
ある２５℃付近になるように作られている。

第８図には従来の２次係数を持つ水晶発振子を用いた温
度検出の原理を示す図である。ここで時計用音叉型水晶
発振子との違いについて説明すると、従来の２次係数を
持つ水晶発振子は、水晶発振子の水晶部分（チップと称
す）の結晶軸に対する角度を大幅に変えてターニングポ
イントを高温側にずらし、かつ周波数を高くしており、
本来は２次曲線であるが、擬偵的に温度による周波数の
変化が直線的とみなされる範囲内で周波数の変化を検出
し、温度データに変換するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような水晶発振子を用いた温度検出器では原理的
に問題点がある。それは得られる周波数の変化は温度に
関して直線ではないことである。

この問題点を現実面で克服するため、ターニングポイン
トの温度Ｔａを使用温度範囲よりかなり上方にずらし、
かつターニングポイントでの周波数ｆａそのものも高く
している。こうすることにより、ある限られた測定温度
範囲、例えば体温計の３５℃から４２℃の範囲をカバー
することができる。

しかしながら、こうして作られた水晶発振子は高い周波
数で発振させるため、時計用の音叉型水晶発振子と比較
すると桁違いに発振電力を消費する。そして一番の課題
は寒暖計のように広い温度範囲、例えば０℃から４０℃
などでは周波数変化が直線にならず、使用できないこと
である。

また大量生産されている時計用音叉型水晶振動子と同じ
工程が使えず、少量ではコストアンプになる。さらに構
造的に衝撃に弱いという欠点があった。〔課題を解決す
るための手段〕 上記課題を解決するため、本発明ではターニングポイン
トの温度Ｔａをわずかにずらし、同し２次係数をもつ２
個の音叉型水晶発振子を同じ温度条件下でそれぞれの共
振周波数で別々に発振させ、それぞれの周波数の差を検
出するようにした。ターニングポイントをずらす手段と
しては結晶軸に対する角度を変えたチップを用意する他
に、本来は同じ温度特性を有するチップをその工程の中
で水晶発振子としての缶内の圧力を変えることによりタ
ーニングポイントをずらすこともできる。原理的に温度
に対して一次直線で表わされる周波数差を得ることがで
きる。また水晶発振子として、時計用音叉型水晶発振子
を用いることができるため、安価で衝撃に強い検出器が
得られる。

〔作用〕

温度が変化するとそれぞれの水晶発振子の発振周波数が
ほんのわずかではあるが変化する。ターニングポイント
がずれていて１．かつ２次係数が同じであれば、それぞ
れの発振周波数の差は２次の項が差し引かれて温度に関
して一次の係数が残る。

従って、周波数差が温度変化に対して直線的となる。こ
うして周波数の差を検出することにより温度を測定する
ことが可能となる。

また、通常音叉型水晶発振子が配置される缶内は真空に
なっているが、加圧されるに従ってターニングポイント
の温度Ｔａは上昇し、頂点の周波数ｆａは低下する。従
って気圧の違う２個の水晶発振子用意すれば、温度が検
出できることになる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は、本発明の温度検出器の第１実施例を示す回路図で
ある。第１図において、発振信号検出回路１には水晶発
振子ＸＩ　とＸ２があり、それぞれｆ、、ｆ、の周波数
で発振し、原振として出力しており、アップダウンカウ
ンタ２にそれぞれ接続されている。

第５図は、本発明に用いる音叉型水晶発振子の温度特性
の一例を示す図である。第５図に示すごとく、水晶発振
子ＸＩ　、ｌ！：Ｘ２のターニングポイントの温度と周
波数をそれぞれ Ｔａ＋、　　ｆ　ａｌ＋　　Ｔａｚ＋　　ｆ　ａｇとし
、Ｔ　ａ　＋　〈Ｔ　ａ　２ ｆａｌ＞ｆｅｚ であるとする。

−ｇ的に発振周波数は次の式で表わされる。

ｆ　＝　ａ　（Ｔ−Ｔａ）”　十ｆａ ここでＸ＋、Ｘｚの周波数をそれぞれｆ、、　　ｆ。

とすると、その差は Δｆ＝ｆ、−ｆ。

＝　ａ　　（Ｔ−Ｔａ＋）”＋　ｆａｔ（ａ　ｔ＜Ｔ　
　Ｔａｘ）２＋ｆａｚｌここで２次係数が等しいとして ａ＝ａ、−ａｚとしてお（と Δｆ＝ａ　　（（Ｔ−Ｔａ、）”−（Ｔ−Ｔａ２）２１
”　ｆ　ａＩｆ　ａｚ ＝ａ　　（２Ｔ　　（Ｔａｚ−Ｔａ、）＋Ｔａ”Ｔａｚ
２１＋ｆａ＋ｆａ２ ＝ＡＴ＋Ｂ すなわち、温度Ｔと周波数の差は直線的に示される。

ここで、温度と周波数差の関係の一例を示すグラフを第
６図に示す。水晶発振子として、時計に用いる音叉型水
晶発振子を片方を開缶して用いた。

周波数差は任意スケールである。なお、水晶発振子では
周波数調整のために金属を茎着させるが、開缶するもの
については、金などを用いたものでなければならない。

次に周波数差を求める回路について説明する。

発振信号検出回路１には水晶発振子Ｘ、、Ｘ２が含まれ
、それぞれの周波数ｆ、、ｆ２で発振している。発振信
号検出回路１ではｆ、、ｆ２がそのまま出力されている
。ここでインバータＧ、、Ｇ、は波形整形用として用い
ている。発振信号検出回路１の出力はアップダウンカウ
ンタ２に加えられ一定時間１．でカウントされたラッチ
３．データ処理回路４で温度データに変換される。第２
図には第１図に示した第１実施例のタイミングチャート
図を示す。リセットパルスＣよりラッチパルスＤをわず
かながら早くすることで、安定した出力を得ることがで
きる。一定時間ｔ１が充分長ければ、周波数差をそのま
まカウントして温度値に換算することができる。室内の
温度などゆっくりと変化するものを測定するのであれば
、この方法が適している。

第３図は、本発明の温度検出器の第２実施例を示す回路
図であり、ビート周波数を検出する実施例を示す。温度
の測定間隔が短い場合、温度変化が早い場合、Ｔａの違
いが小さい場合、または外部からのクロツクを得られな
い場合などのときに有効である。発振信号検出回路１の
出力には水晶発振子Ｘ　＋　、　Ｘ　２の出力ｆ、、ｆ
、がそのまま出力される。ビート検出回路７はＤフリッ
プフロップ５゜ゲートＧ、か成る。Ｄフリップフロップ
５には水晶発振子Ｘ１と×２の周波数の差が出力される
。

この周波数（以降ビート周波数Δｆと称す）は低周波で
あるため、ゲートＧ３により水晶発振周波数Ｘｌまたは
Ｘ２と論理積をとり、その出力をカウンタ６により計数
することによってビット周波数の周期を求めている。デ
ータ処理回路４ではカウンタ６の逆数を求め、温度デー
タとして出力している。水晶発振子Ｘ１．Ｘｚとして時
計用音叉型水晶発振子を用い、水晶発振子×２のターニ
ングポイントの温度Ｔａをずらす方法として開缶し、大
気圧に解放した。

第４図は第３図に示した第２実施例のタイミングチャー
ト図である。周波数ｆ、を基準とすると、ｆｌにてＤフ
リップフロップ５をたたき、ビート周波数が成分を持つ
周波数Ｃを得る。このままでは周波数が低く　（数Ｈｚ
）短時間ではカウントできないため、ｆｌまたはｆ２と
の論理積をデー１−Ｇコでとり、カウンタ６にて計測す
る。こうして得られるカウント値はビート周波数の周期
に相当するため、データ処理回路４により逆数をとり温
度データに変換する。

〔発明の効果〕

水晶を使用した温度計はデジタル処理がし易いため応用
が期待されている。しかしながら、水晶発振子自体の構
造からサーミスタなどに比較し、安いとは言い切れない
。ところが本発明では非常に多く使用されている時計用
３２ｋＨｚの水晶発振子と同じ製法あるいは全く同じも
のが使用できるため、コストダウン、低消費電力化の効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の温度検出器の第１実施例を示す回路図
、第２図は第１図に示した第１実施例のタイミングチャ
ート図、第３図は本発明の温度検出器の第２の実施例を
示す回路図、第４図は第３図に示した第２実施例のタイ
ミングチャート図、第５図は本発明に用いる音叉型水晶
発振子の温度特性の一例を示す図、第６図は温度と周波
数差の関係の一例を示すグラフ、第７図は時計用音叉型
水晶振動子の温度特性の例を示す図、第８図は従来の２
次係数を持つ水晶発振子を用いた温度検出の原理を示す
図である。 ｌ・・・・・発振信号検出回路 ２・・・・・アップダウンカウンタ ３・・・・・ランチ ４・・・・・データ処理回路 ５・・・・・Ｄフリップフロップ ６・・・・・カウンタ ７・・・・・ビート検出回路 Ｘ、、Ｘｔ　・・水晶発振子 Ｇ　Ｉ、　Ｇ　ｔ　　・・インバータ Ｇ、・・・・ゲート 以上 出願人　セイコー電子工業株式会社 代理人　弁理士　林　　敬　之　助 本笑明の温崖腋叫シの第２史虎ゼリを示１回路口第１図 本に明の唱いり釦該の’１ｈ２ｆ；ｌ−１’ｖ禾１回路
侶第　３　図 第１図に示し゛た第１実方ヒＩりＪのタイミンク゛ティ
ート■３６　２　　図 茅３図に示し化第２実方ヒ伊りのタイミンク゛°ナイー
ト図第ダ図 オ（多（明１て１目（・る令又型ｙ￥−：ｅ発彫１舒Ｙ
の５過１に才叶・Ｆ土の一イ利を示す図第５図 温度と周５皮数差の閉イ糸の−ぜ゛」乞示ずり゛′ラフ
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Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度に関して負の２次係数の特性を有する第１の
   水晶発振子と、前記第１の水晶発振子と同じ２次係数で
   、かつターニングポイントの温度または周波数のうち少
   なくとも温度をずらした特性を有する第２の水晶発振子
   を同じ温度下において、それぞれ別個に各共振周波数で
   発振させて、前記第１の水晶発振子と前記第２の水晶発
   振子の発振周波数の差を検出し、前記各水晶発振子のお
   かれる温度を検出することを特徴とする水晶発振子を用
   いた温度検出方法。
2. （２）温度に関して負の２次係数の特性を有する第１の
   水晶発振子と、前記第１の水晶発振子と同じ２次係数を
   有し、かつターニングポイントの温度または周波数のう
   ち少なくとも温度をずらした特性を有する第２の水晶発
   振子と、前記第１及び第２の水晶発振子の発振周波数を
   検出する発振信号検出回路と、データ処理回路とを具備
   し、同じ温度下で前記第１及び第２の水晶発振子を各共
   振周波数で発振せしめ、前記第１及び第２の水晶発振子
   の発振周波数を原振のまま、あるいは分周して前記発振
   信号検出回路にて出力し、前記データ処理回路により、
   前記出力周波数の差の逆数に係るデータ値を得ることに
   より、温度を検出することを特徴とする水晶発振子を用
   いた温度検出器。