JPS5912584Y2 - 水晶感温トランスジユ−サ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は温度変化に対し、振動周波数が鋭敏に感応して
変化する小形水晶感温トランスジューサに関する。

感温素子としての水晶振動子は、水晶結晶体からの切断
角によって、単一回転軸形の＋５゜ＹカットおよびＡＣ
カット、ならひ゛に２重回転形のＬＣカットなどが知ら
れており、後者の例として特許第５５１７１４号がある
。

これらは、いずれも温度変化を発振周波数の変化に変換
するというデジタル形の感温トランスジューサとして知
られており、１万分の１℃もの高い温度分解能を得るこ
とができる。

しかし、従来の感温水晶振動子では、通常の水晶振動子
のように、５ｍｍφないし１０ｍｍφ程度の水晶振動素
板と、これを保護収納するための気密容器によって構威
されているため大形となり、熱時定数を数秒以下とする
ことは極めて困難とされていた。

さらに製作技術の上からも、切断角度の微少な誤差が感
温振動子の特性に鋭敏に影響する。

このため、特性上のバラツキの小さな、互換性の高い感
温素子を製造することは極めて困難であり、低価格で量
産性に優れた水晶感温トランスジューサの実現を妨げて
きたのが実情であった。

一般に、水晶振動子の周波数と温度との関係は次のよう
に３次の展開式（１）によって表わすことができる。

ただし ｆｏ：基準温度Ｔ。

における周波数ｆ：任意の温度Ｔにおける周波数 Ａ，Ｂ，Ｃ ： ｌ次項，２次項，３次項の各係数この
場合、係数Ａ，Ｂ，Ｃは水晶振動子の切断角によって決
定され、前述のＬＣカットは、２次項，３次項の係数Ｂ
，Ｃを零とする二重回転形の感温振動子である。

しかし、係数Ａ，Ｂ，Ｃのいずれも切断角の誤差に極め
て大きく依存し、このため感温素子として特性のそろっ
た水晶振動子の製作は非常に困難で゛あった。

ここで、水晶振動子を感温素子として用いる場合、その
水晶振動子の（１）式の各係数Ａ，Ｂ，Ｃが予め判明し
ておけば、これを記憶しておき、その発振周波数から逆
に（１）式を解くことにより、真の温度Ｔを求めること
ができる。

このような曲線補正手段を組込んだ温度計測器は、すで
にマイクロコンピュータ技術で容易に実現し得るものと
なった。

本考案は、上記曲線補正手段を装備した温度計測器に使
用するのに適した感温水晶振動板に関し、上記（１）式
のＡ，Ｂ，Ｃ各係数が切断誤差の影響が少なく、比較的
一定となるような輪郭寸法で形成された小形感温水晶振
動板を得るもので、これにより互換性，量産性が優れ、
かつ低価格の感温振動板を実現することを目的とするも
のである。

このように、本考案は感温素子としての水晶振動板に関
するものであるが、感温素子すなわち温度センサとして
要求される重要な性能の１つである熱時定数は、該セン
サの容積に依存する。

計算結果によれば、時定数を敏感な温度センサとして許
容される程度の、すなわち０．２〜０．３秒以下にする
ためには、水晶振動板の寸法は、周波数が約１０ＭＨｚ
（水晶振動板の厚さ約０．１８ ｍ／ｍ）において、輪
郭比（短辺と長辺の和に対する厚さの比）を６０以下と
することが必要である。

第１図は、最も一般的な単一回転形水晶振動子の切断角
θと係数Ａ，Ｂ，Ｃとの関係を示す。

実測結果によれば、１次項の係数Ａが最大かつ極大値を
示す切断角は約＋４゜２４′であり、これは一般に＋５
゜Ｙカットと称されるもので、図示のように、その切断
角付近での切断誤差による係数Ａの変化は緩慢な動きを
することが特徴である。

すなわち、＋５゜Ｙカットを用いれば、多少の切断誤差
があってもＡに大きな変化は生じない。

第２図は本考案の１実施例を示し、Ｚ′軸方向に長い矩
形状水晶板である。

この場合、切断角θは、θ＝４゜２４′すなわち＋５゜
Ｙカットすることにより、切断角の誤差によるＡの変化
が小となる。

ここで、振動周波数は厚み方向の寸法で決るが、該周波
数の決定は次の手順による。

θ＝＋４゜２４′Ｙ板の周波数定数： ２１０６ ＫＨ
ｚ − ｍｍ同上板の１次項の温度係数Ａ ： ＋８５
．５Ｘ１０”’／’Ｃ所望の周波数温度係数を１０００
Ｈｚ／’Ｃとした場合、求める振動周波数は約１１．
７ＭＨｚ，水晶片の厚みｔは０．１８ ｍ／ｍとなる。

前述のように、この場合の水晶振動板は時定数を感温素
子として適当な値にするために輪郭比を６０以下とする
ことが必要なため、長辺および短辺の寸法をｌおよびＷ
とすれば、 となる。

通常、第２図に示した矩形の水晶振動板では、小形化す
るにつれて輪郭形状や輪郭寸法の影響が次第に大きくな
り、輪郭すべり振動，屈曲振動等の不要振動が結合し易
くなる。

このため広い温度範囲では、振動周波数および等価抵抗
のテ゛イツプ，ジャンプが生じる。

このような異常変動を軽減するため、第３図Ａのように
、主面の短辺側の端縁部をテーパー状にベベリングまた
はコンタリング（角落し加工）する手段が知られている
。

また第３図Ｂのように、主面を一様の曲率でコンベツク
ス加工したものも同様に公知である。

なお上記Ａ，Ｂ図において、１がテーパー加工部、２は
電極を示す。

第４図は、第２図の実施例に示した矩形状振動板におい
て、短辺Ｗと厚さｔとの寸法比（以下、辺比と称する）
ｗ／ｔを横軸に、係数Ａ，Ｂを縦軸に示し、破線はべベ
ル加工を施さないもの、実線は主面短辺側の端縁部にベ
ベル加工を施したものである。

第４図によれば、ベベル加工を施した場合、該加工を施
さないものに比べて２次項の係数Ｂに極大値が現われる
点が特徴である。

また、係数Ａはベベル加工を施さない場合も極大値を有
しているが、べベルカ目玉を施したものは、さらに変化
が緩慢である。

本考案はこのべベル加工をさらに改良したもので、これ
を第５図に示す。

すなわち本考案においては、上記所定輪郭寸法比の矩形
状水晶振動板において、第３図に示したように主面短辺
側の端縁部にべベル加工を施すとともに、さらに第５図
の端縁部３に示すように、上記主面の短辺側の端縁部を
所定曲率で彎曲するようにべベル加工を施したものであ
る。

このようなべベル加工を施した場合の、水晶振動板の辺
比（Ｗ／ｔ）と、係数Ａ，Ｂとの関係の実測結果を第６
図に示す。

同図より明らかなように、水晶振動板の辺比（Ｗ／ ｔ
）に対する係数Ａは上向き凸状で、辺比（Ｗ／ｔ）に
対する温度係数の変化はさらに緩慢になり、特に２次項
の係数Ｂの極大値となる辺比が、１次項の係数Ａの極大
値となる辺比に接近している。

この結果、加工誤差による辺比の変動に対し、係数Ａ，
Ｂの変化は極めて小となる。

よって、辺比（Ｗ／ ｔ ）を図示のように９．４〜９
．８とすることにより、水晶振動板の加工誤差による辺
比の誤差が係数Ａ，Ｂへおよぼす影響はきわめて小とな
り、従来に比べ製品の歩どまりをはるかに向上させるこ
とかで゛きる。

なお、本考案を適用する水晶振動子は＋５゜Ｙ力ットを
用いることにより、切断角誤差の定数Ａへの影響を少な
くできるが、本考案は必ずしもこれに限定されず、適宜
の切断角のものに適用することができる。

また、係数Ａ，Ｂ，Ｃのうち３次項の係数Ｃは、通常の
使用温度範囲では感温特性にはほとんど影響を与えない
ため、特に考慮する必要はない。

以上詳述したように、本考案によるときは、輪郭比（ｌ
十ｗ）／ｔが６０以下の小型矩形状感温水晶振動板にお
いて、主面の短辺側の端縁部を所定曲率で彎曲したべベ
ル加工を施すと共に、その辺比（Ｗ／ ｔ ）を９．４
〜９．８の範囲にすることにより、水晶振動子の製造時
における加工上の寸法誤差による製品ごとの特性の変動
を小とし、互換性の高い、歩どまりを向上させた感温素
子が得られ、低価格，量産性等の点ですぐれた水晶感温
トランスジューサを実現する上に大きな効果を有するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は単一回転形水晶振動板の切断角と係数Ａ，Ｂ，
Ｃとの関係を示す曲線図、第２図は本考案の実施例の矩
形水晶片とこれを切り出す水晶結晶体の結晶軸との関係
を示す説明図、第３図Ａ，Ｂはそれぞれベベル加工を施
した水晶振動板を示す斜視図、第４図はベベル加工を施
した水晶振動板の辺比（Ｗ／ ｔ ）と係数Ａ，Ｂとの
関係を示す曲線図、第５図は本考案によるベベル加工を
施した水晶振動板の実施例を示す斜視図、第６図は第５
図の水晶振動板の辺比（Ｗ／ ｔ ）と係数Ａ，Ｂ′と
の関係を示す曲線図である。 ２・・・・・・電極、３・・・・・・主面短辺側の彎曲
ベベル加工を施した端縁部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 長辺の長さをｌ，短辺の長さをＷ，および厚さをｔとし
   、＜１ ＋Ｗ）／ ｔ ＜６０なる矩形状水晶振動板に
   おいて、主面の短辺側の端縁部に所定曲率で彎曲したべ
   ベル加工を施すと共に、該水晶振動板の短辺Ｗと厚さｔ
   との比を、 ｗ／ ｔ ＝９．４〜９．８ の範囲にすることを特徴とする水晶感温トランスジュー
   サ。