JPH08237067A

JPH08237067A - 迅速加熱可能で消費電力の少ない調温制御発信器用共振器

Info

Publication number: JPH08237067A
Application number: JP5057467A
Authority: JP
Inventors: Raymond G Besson; ジー・ベッソンレイモン; Serge J Galliou; ジー・ガイウセルジュ; Marc H Mourey; アッシュ・ムーレイマルク
Original assignee: Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM; Ecole Nationale Superieure de Mecanique et des Microtechniques
Current assignee: Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM; Ecole Nationale Superieure de Mecanique et des Microtechniques
Priority date: 1992-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1996-09-13
Also published as: FR2688954A1; DE69303205D1; FR2688954B1; EP0561677A1; US5289075A; EP0561677B1

Abstract

(57)【要約】【目的】高い周波数の精度を持つとともに、その精度
の範囲に短時間で達することができ、しかも消費電力が
少ない共振器を提供する。【構成】この発明は、結晶に直接取り付けられ又は直
接取り付けられていない電極（１９，２０）を有する圧
電共振器に関するもので、圧電結晶は、中央部（１）
と、この中央部（１）の外周から離間して取り囲むよう
に設けられ、溝穴を有する中間部（４）によって中央部
（１）に連結されたリング状の外周部（２）とを備え、
外周部（２）は、中間部（４）のうち溝穴が設けられて
いない部分で構成された一つの連結橋部（３）によって
中央部（１）に連結されている。中央部（１）は結晶の
うち活性化される振動部分を構成し、外周部（２）は、
連結橋部（３）から熱的に可能な限り離間して配置され
た固定部材（５）により箱内に取り付けられている。固
定部材（５）と連結橋部（３）とにより結晶の支持手段
を構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、フランス国ベサンコ
ンのフランチェ・コムテ大学に所在する「エコールナ
ショナルスーペリウールドウメカニークエデ
ミクロテクニーク」のクロノメトリックエレクトロ
ニクアンドピアゾエレクトリックラボラトリーの、
メッサーアールベッソン（Messrs. R. Besson）、
エスガイウ（S. Galliu）、エムムーレイ（M. Moure
y）により開発されたものであり、圧電共振器に関する
ものである。より詳細には、本発明は、迅速加熱可能で
消費電力の少ない調温制御発信器用共振器であって、特
に航空工学における電気通信やレーダー技術のような激
しい動きを伴う広い分野において使用できるものに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】圧電共振器としては多くの種類のものが
知られている。たとえば、共振器の結晶の表裏面が両面
平坦面、平坦面ー凸曲面、あるいは両凸曲面の円形石英
板で構成され、表裏面に金属製電極が直接取り付けられ
たもの（以下、このような電極のタイプを「付着型」と
いう）が知られている。

【０００３】また、他の従来例としては、付着型電極を
有する石英板が石英リングによって外側から規制される
ことにより共振器の結晶を支持する構成としたものがあ
る。

【０００４】さらに他の従来例として、共振器の結晶が
石英の小片で形成されたブリッジを介して石英リングに
連結されたものがある。この場合において、電極は付着
型でも付着型でないものであってもよい。付着型でない
電極の場合には、電極は結晶と同じかまたは類似の輪郭
を有する石英板に取り付けられる。また、電極を保持す
る石英板に設けられたリングにより結晶を保持するリン
グが保持される。

【０００５】上記従来技術では、結晶をこれと結合され
るべき固定手段ないしは金属製熱放散手段等を必要とせ
ずに支持することができるので、極めて安定した周波数
を得るとともに耐衝撃性に優れたものとする可能性があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのよ
うな安定した周波数を得るためには、極めてわずかな温
度の変動も結晶の振動周波数に影響を及ぼすため、正確
な温度制御が要求される。従来の共振器が温度変動を抑
制するために極めて高い精度を有する調温装置内に共振
器を配置しているのはそのような理由に基づく。

【０００７】現時点では、１０^-9以内の周波数の精度を
持つとともに、そのような精度の範囲に４分以内で達す
ることができ、しかも消費電力が１００ｍＷ以下の調温
制御発信器は提供されていない。それにもかかわらず、
そのような共振器は前記技術分野において極めて高く要
望されているのである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、結晶に直接
取り付けられ又は直接取り付けられていない電極を有す
る圧電共振器であって、共振器は、密閉可能な箱と、こ
の箱内に配置され、箱の外部に延長させられた第１導線
及び第２導線にそれぞれ接続された第１電極及び第２電
極の間に介在させられた少なくとも１つの圧電結晶と、
この圧電結晶を箱内に取り付ける取付手段とを具備し、
圧電結晶は、中央部と、この中央部の外周から離間して
取り囲むように設けられ、溝穴が設けられるとともに半
径方向の幅が狭い中間部によって中央部に連結されたリ
ング状の外周部とを備え、外周部は、中間部のうち溝穴
が設けられていない部分により構成され、半径方向外方
へ小範囲で延在する１つの連結橋部によって中央部に連
結され、中央部は、結晶のうち活性化されて振動する部
分を構成し、外周部は、連結橋部から熱的に可能な限り
離間して配置された固定部材により箱内に取り付けら
れ、これにより、連結橋部と固定部材とにより結晶の取
付手段を構成している圧電共振器を提供する。

【０００９】１つの連結橋部を有する第１の例において
は、熱伝導が良好なために、共振器の温度制御をきわめ
て高い精度で行なうことができる。

【００１０】共振器は、１つの連結橋部から延在する周
縁部分のうち振動可能な中央部に可能な限り近接した部
分に配置された加熱部材と、加熱部材に近接して配置さ
れた温度センサーとをさらに具備し、これら加熱部材と
温度センサーは、温度センサーによる測定温度に基づい
て加熱部材に供給する電力量を調節することにより圧電
結晶の温度を一定にするように設けられている。

【００１１】最初の例においては、リング状をなす外周
部は、切欠き部を構成するように分断され、切欠き部を
画成する壁面の一つは連結橋部の側面の一つであり、壁
面の他の一つは、固定部材が設けられた外周部の自由端
の端面であり、固定部材は、加熱部材と温度センサーが
設けられた連結橋部から熱的に可能な限り離間して配置
されている。

【００１２】特徴的な例によれば、リング状をなす外周
部の幅は、連結橋部において最小とされるとともに連続
的に徐々に増加し、固定部材が設けられた外周部の自由
端で最大とされ、かつ、中間部の幅は一定とされてい
る。

【００１３】第２の例によれば、結晶を箱に取り付ける
固定部材は、外周部のうち活性化される中央部に関して
一の連結橋部と反対側の部分に設けられ、外周部には、
中央部の両側に位置する複数の熱的くびれ部が対称的に
配置されることにより、固定部材と加熱部材及び温度セ
ンサーとが熱的に可能な限り離間して配置されている。

【００１４】熱的くびれ部は、連結橋部の対称軸方向で
ある半径方向と直交する方向に設けられることが望まし
い。

【００１５】特徴的な例によれば、リング状をなす外周
部は、外周部のうち連結橋部から熱的くびれ部まで延在
する第１の部分の第１の幅と、外周部のうち固定部材か
ら熱的くびれ部まで延在する第２の部分の第２の幅との
少なくとも２つの幅を有しており、中間部の溝穴の幅は
一定とされている。

【００１６】

【実施例】本発明の他の特徴及び利点は図面を参照した
以下の説明によりさらに明確にされている。図１及び図
２はこの発明の共振器の２つの実施例を示す平面図及び
断面図である。共振器は、一般には石英板あるいは略円
形をなす圧電物質類似の形状を有している。この発明に
よれば、この板状体には、一部を除いてリング状に延在
する貫通孔が外周部分に沿って形成されている。このよ
うに板状体は、中央部１と、中間部４をまたぐように半
径方向へ突出したブリッジ３を介して中央部１に接続さ
れたリング状の外周部２から構成されている。上記貫通
孔は、たとえば超音波加工法を用いた一般的かつ単純な
方法で形成されている。また、ブリッジ３は、中央部１
と外周部２との間において厚さの不連続部分が生じない
ように形成されている。ブリッジ３は、その幅方向にお
いて中間部４の一部を占め、円周方向の長さは中間部４
の平均円周の５／１００を上回らないように設定されて
いる。ブリッジ３を配置する位置は任意に設定されては
ならない。また、共振器の性能は結晶のヤング係数が絶
対的ないしは相対的に最大または最小となる円周方向の
位置に１つだけ配置された場合に特に良好となる。

【００１７】結晶の中央部１は振動部分であり、その主
たる表面にはそれぞれ電極が取り付けられる。あるい
は、それら表面は、それらに対向配置されたディスクま
たは受け皿に独立して配置された電極と協働するように
構成される。

【００１８】外周部２は共振器の支持部の役割を果たす
ものであり、クランプ機構を有する固定手段５によって
共振器を箱に固定するようになっている。好適には、外
周部２は例えば発信器あるいは安定器のような電気回路
を形成するための基板として使用される。

【００１９】周知のように、参照周波数用に使用される
共振器の圧電結晶では、その逆転温度が引き上げられる
とともに、その温度が正確に維持されなければならな
い。この温度は、システムの安定性を長期にわたって可
能な限り良好に保つためには環境温度よりも高くなけれ
ばならない。

【００２０】本発明によれば、結晶の中央部（振動部）
１を内部加熱することにより、この温度に達するととも
に維持することが可能となる。そのために、共振器の中
央部（振動部）１に近接した場所に、ブリッジ３から半
径方向外方へ延在する加熱部材６が配置されている。ま
た、この加熱部材６と近接した場所には温度センサー７
が配置され、温度センサー７もまた、結晶が達する温度
を正確に測定できるように振動部１の近傍すなわちブリ
ッジ３に位置させられている。

【００２１】さらに、オンオフ回路のようなレギュレー
ションループ（図示していないが当業者であればごく普
通の技術である）を構成することにより、センサー（あ
るいは測定子）７の測定結果に基づいて加熱部材６に供
給する電力量を調整することにより、結晶が一定温度に
維持ざれる。

【００２２】第１の実施例では、図１に示すように、リ
ング状の外周部２にはブリッジ３と幅がほぼ等しい切欠
き８が形成されている。切欠き８は、ブリッジ３の１つ
の側面と外周部２の自由端とにより画成され、これによ
り外周部２の一端を他から切り離している。外周部２の
内部には、高い耐熱性性を有する熱伝導体Ｌｏが加熱部
材６から外周部２の自由端側に配置された固定部材５ま
で外周部の平均長もって延在させられている。この構成
により、熱伝導体Ｌｏから中央部（振動部）へ熱の流れ
が導かれる。加熱部材６と固定部材５との間が外周部２
の長さ分最も離間しているので、共振器の温度制御およ
び共振器と外部との熱の絶縁を良好にすることができ
る。

【００２３】熱の絶縁のために例えば図１（ａ）に示す
ような反射スクリーン１０を取り付けた構造としてもよ
い。反射スクリーン１０は、たとえば、共振器が電極を
直接取り付ける構造のものでない場合には、電極を取り
付けるためのディスクや受け皿の外周縁と一致させて取
り付けられる。また、共振器が電極を直接取り付ける構
造のものである場合には、外周部２に取り付けられる。
反射スクリーン１０を取り付けることにより、内部が真
空とされる箱と共振器との間における熱の輻射による冷
却を減少させあるいは無くすことができる。後者のよう
な構造では、反射スクリーン（又は鏡）１０は、外周部
２の中心部側を向く内周面に取り付けられる。

【００２４】周波数の安定化のために必要とされる時間
は、主として共振器の熱抵抗値の影響を受け、その時間
は共振器特有の値であるとともに計算及び測定により得
ることができる。

【００２５】特に、熱抵抗Ｒ_Rは角度ａ（結晶の振動部
１の直径をｄ、ブリッジ３の幅をＬとしたときに、1/2
ｄ・ｓｉｎａ＝Ｌの関係がある）により決定され、以下
の関係式により算出される。Ｒ_R＝（１／２λe）［πー1/2ａ］（Ｋ／Ｗ）ここで、λは石英のブリッジへの方向における熱伝導
度、ｅは石英の厚さである。上記関係式を適用すること
により、３分割でＳＣカットされた１０ＭＨｚの共振器
では、６３０Ｋ／Ｗ〜１４０Ｋ／Ｗとなり、安定化のた
めの一定時間は１２ｓ〜６０ｓとなる。外周部２におけ
るブリッジ３と固定部材５との間においては、それらの
間の熱抵抗値は約５０００Ｋ／Ｗとなり良好な熱絶縁を
達成することができるので、加熱のための電力を小さく
することができる。実験によれば、電力を約３０ｍＷと
して加熱後３分で周波数を安定させることができた。

【００２６】図２は本発明の第２実施例を示すものであ
る。この実施例では、外周部２を前記実施例のように切
欠き８で分断しないことにより、共振器の対称性を確保
するとともに共振器に負荷される加速度に対する感受性
を低くしている。また、外周部２の固定部材５は、加熱
部材６及び温度センサー（又は測定子）７に対して反対
側に配置されている。また、加熱部材６と固定部材５間
の熱抵抗を可能な限り高くするために、外周部２の両側
の中間部、つまり中央部１の両側にはくびれ部９が対称
に形成されている。好ましくは、くびれ部９はブリッジ
３の対称軸に沿う半径方向と直交する方向に配置され
る。

【００２７】さらに、図３及び図４に示すように、外周
部２の厚さは均一である必要はない。図３に示す実施例
は外周部がつながっている場合の例であり、外周部は２
種類の互いに異なった厚さを有している。外周部２の一
方の部分の厚さは、ブリッジ３から対称配置されたくび
れ部９まで延在する部分により定義され、他方の部分の
厚さは固定部材５からくびれ部９まで延在する部分によ
おり定義される。なお、中間部４の厚さは一定とされて
いる。

【００２８】図４に示す実施例は、外周部２が分断され
た構造の例である。この実施例では、外周部２の厚さ
は、加熱部材６及び温度センサー（又は測定子）７が配
置されたブリッジ３の部分で最小とされ、その部分から
徐々に増加して加熱部材５が固定された自由端で最大と
なっている。なお、中央部１の直径は一定とされてい
る。また、中間部４の半径方向の幅も小さな一定の値と
されている。

【００２９】図５ないし図８は共振器が箱１５の中に取
り付けられた状態を示し、電極が共振器に直接取り付け
られた例とそれでない例とをそれぞれ示すものである。

【００３０】図５及び図６に示すように、箱１５は基板
１６とこの基板１６に取り付けられた例えば円筒状の縦
壁１７とを具備し、縦壁１７にはクランパー１８が支持
されている。クランパー１８は、共振器の外周部２を把
持している。結晶１の振動部分には、電極１９，２０が
例えば添着により取り付けられている。電極１９，２０
には導線２１，２２が接続され、これにより信号を発す
る図示しない電気回路に接続されている。なお、電気回
路は通常は箱１５の外側に設けられる。しかしながら、
共振器の外周部２は、前述のように共振器の回路を構成
するための基板とされることもある。

【００３１】図７及び図８は、電極を共振器に取り付け
ない場合の例を示すものである。この実施例において、
共振器の外周部２は、共振器全体を覆う上部支持体２３
及び下部支持体２４によって把持されている。上部支持
体２３及び下部支持体２４の内面には、電極１９，２０
が結晶１の振動部分に対向して取り付けられている。ま
た、前記実施例と同様に、電極１９，２０には導線２
１，２２が接続され、これにより電気回路に接続されて
いる。なお、この例でも電気回路は通常は箱１５の外側
に設けられる。図７及び図８に示すように、クランパー
１８は、共振器の外周部ではなくて上部支持体２３及び
下部支持体２４の外面を把持している。また、クランパ
ー１８は、面接触により把持する場合（図５及び図７）
と、点接触により把持する場合（図６及び図８）があ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
高い周波数の精度を持つとともに、その精度の範囲に短
時間で達することができ、しかも消費電力が少ない共振
器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】共振器の外周部が分断されている本発明の実施
例を示す平面図である。また、（ａ）は、上記平面図の
１ａ−１ａ線断面図である。

【図２】共振器の外周部が分断されていない本発明の他
の実施例を示す平面図である。

【図３】図２に示す例と類似の形状を有する実施例であ
って、共振器の外周部の厚さが円周方向において互いに
異なる例を示す平面図である。

【図４】図１に示す例と類似の形状を有する実施例であ
って、共振器の外周部の厚さが円周方向に向かって徐々
に変化する例を示す平面図である。

【図５】共振器が箱の中に配置された状態を示す図１に
おけるＶーＶ線断面図であって、共振器に電極が直接取
り付けられた例を示す図である。

【図６】共振器が箱の中に配置された状態を示す図１に
おけるVIーVI線断面図であって、共振器に電極が直接取
り付けられた例を示す図である。

【図７】共振器が箱の中に配置された状態を示す図１に
おけるVIIーVII線断面図であって、共振器に電極が直接
取り付けられていない例を示す図である。

【図８】共振器が箱の中に配置された状態を示す図１に
おけるVIIIーVIII線断面図であって、共振器に電極が直
接取り付けられていない例を示す図である。

【符号の説明】

１中央部２外周部３ブリッジ（連結橋部）４中間部５固定部材６加熱部材７温度センサー８切欠き部９くびれ部（熱的くびれ部）１９，２０電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者セルジュジー・ガイウフランス・25170・オードゥ・シュマン・デ・ラ・フォンテーヌ・（番地なし) (72)発明者マルクアッシュ・ムーレイフランス・25000・ブザンソン・アヴェニュ・ドゥ・コマンダン・マルソー・21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶に直接取り付けられ又は直接取り付
けられていない電極を有する圧電共振器であって、上記
共振器は、密閉可能な箱と、この箱内に配置され、上記
箱の外部に延長させられた第１導線及び第２導線にそれ
ぞれ接続された第１電極及び第２電極の間に介在させら
れた少なくとも１つの圧電結晶と、この圧電結晶を上記
箱内に取り付ける取付手段とを具備し、上記圧電結晶
は、中央部と、この中央部の外周から離間して取り囲む
ように設けられ、溝穴が設けられた半径方向の幅が狭い
中間部によって上記中央部に連結されたリング状の外周
部とを備えた共振器において、上記外周部は、上記中間
部のうち上記溝穴が設けられていない部分により構成さ
れ、半径方向外方へ小範囲で延在する１つの連結橋部に
よって上記中央部に連結され、上記中央部は、上記結晶
のうち活性化されて振動する部分を構成し、上記外周部
は、上記連結橋部から熱的に可能な限り離間して配置さ
れた固定部材により上記箱内に取り付けられ、これによ
り、上記連結橋部と上記固定部材とにより上記結晶の上
記取付手段を構成している圧電共振器。
【請求項２】前記１つの連結橋部から延在する周縁部
分のうち振動可能な上記中央部に可能な限り近接した部
分に配置された加熱部材と、上記加熱部材に近接して配
置された温度センサーとをさらに具備し、これら加熱部
材と温度センサーは、温度センサーによる測定温度に基
づいて加熱部材に供給する電力量を調節することにより
前記圧電結晶の温度を一定にするように設けられている
請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項３】リング状をなす前記外周部は、切欠き部
を構成するように分断され、上記切欠き部を画成する壁
面の一つは前記連結橋部の側面の一つであり、上記壁面
の他の一つは、前記固定部材が設けられた上記外周部の
自由端の端面であり、上記固定部材は、加熱部材と温度
センサーが設けられた上記連結橋部から熱的に可能な限
り離間して配置されている請求項１に記載の圧電共振
器。
【請求項４】リング状をなす前記外周部の幅は、前記
連結橋部において最小とされるとともに連続的に徐々に
増加し、固定部材が設けられた外周部の自由端で最大と
され、かつ、前記中間部の幅は一定とされている請求項
３に記載の圧電共振器。
【請求項５】前記結晶を前記箱に取り付ける前記固定
部材は、前記外周部のうち活性化される前記中央部に関
して前記一の連結橋部と反対側の部分に設けられ、上記
外周部には、上記中央部の両側に位置する複数の熱的く
びれ部が対称的に配置されることにより、上記固定部材
と上記加熱部材及び上記温度センサーとが熱的に可能な
限り離間して配置されている請求項１に記載の圧電共振
器。
【請求項６】前記熱的くびれ部は、前記連結橋部の対
称軸方向である半径方向と直交する方向に設けられてい
る請求項５に記載の圧電共振器。
【請求項７】リング状をなす前記外周部は、上記外周
部のうち前記連結橋部から前記熱的くびれ部まで延在す
る第１の部分の第１の幅と、上記外周部のうち上記固定
部材から上記熱的くびれ部まで延在する第２の部分の第
２の幅との少なくとも２つの幅を有しており、前記中間
部の溝穴の幅は一定とされている請求項６に記載の圧電
共振器。
【請求項８】前記一の連結橋部は、前記結晶のヤング
係数が絶対的ないしは相対的に最小または最大となる方
向に位置させられている請求項１に記載の圧電共振器。
【請求項９】前記外周部は、前記中央部に対向する内
面側に配置された反射スクリーンによって覆われること
により、上記結晶からの熱輻射が減少させられている請
求項１に記載の圧電共振器。
【請求項１０】前記共振器は、前記圧電結晶の逆転温
度よりも大幅に低い雰囲気に置かれている請求項１に記
載の圧電共振器。
【請求項１１】前記外周部は、前記共振器と協働する
発信器用回路または安定化用増幅回路のための電気回路
を構成する基板として使用される請求項１に記載の圧電
共振器。
【請求項１２】前記外周部は、前記共振器と協働する
発信器用回路または安定化用増幅回路のための電気回路
を構成する基板として使用される請求項１に記載の圧電
共振器。
【請求項１３】請求項１に従った共振器の迅速加熱可
能で消費電力の少ない調温制御発信器用共振器としての
使用。