JPS5995431A - 温度センサ− - 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】 本発明は圧電発振器？用いた温度センサーに関する。

不発明の目的は、広い＠匿範囲に痕って高梢駁な温度セ
ンサー會提供することＶ？−ある。本発明の他の目的は
、小型・＠量で、刀１つ安価な温度センサーを提供する
ことにある。

従来の圧′１発振器を用い′ｆｃ温度センサーのブロッ
ク図を第１図に示す。１ａと１ｂμ圧電素子で２ａと２
ｂば発振回路、３μゲートタイムを決めるカウンター、
４１工封ＡＮＤ、５μ温度計数用のカウンター、６μ演
昇回路、７は表示回路である。

動作としてｒ！、　ＩＡ変に対し概略直線的に目彼数が
変化する圧電素子と、温度に対し周阪畝がほとんど変化
しない圧電素子のどちら刀為−万の出力？カウンター５
で１　／　Ｎ　（Ｎは螢叙）分周し、その出力でもう一
万の圧電素子の出力１ＮＡＮＤＢ七通して計数用のカウ
ンター５に送りカウント丁ゐことによって温度に一対一
で対応したパルス列が得られ、それ會演韓回路６で温度
に変侠することになるわけでおる。高精度を達成するに
は■　１次温度係数の大きい圧電素子 ■　温度係数０の圧電素子 が必要となるが、■の条￥１達成できる圧電素子は同時
に２次・３次の周波数温度係数も大きいこと、■の条件
を満た丁圧祇素子は存在せず、・Ｋ温付近でのみ温度係
数がＵとなるものしかないことなどの制約から、広い温
度′ａ囲にわたって稍度を保つことはこのままでは困難
であり、何ら７３為の温度補正回路が必要となるために
市１１ｉＩｉになる欠点があった。同時に補正に貴する
作条も非電に面・回であＶ鴛ノ星には向いていなかった
。

ところで、最近フォトリソグラフィーのｆｆ術ｋ。

応用し１ζ小型・薄型の水晶振動子（を父型振動子）全
温度センサーに用いる試みもなされてはいるが、１次温
裳係献が大きくならないこと刀λら従来の方式ではｆ＃
度上大きな制約を受けるために実用化にａはど迷いレベ
ルとなっている。

本発明は以上の点會考磁し、従米万式でほむつかし刀為
つ１ζ広い温長範囲で高精度なものを補正回路なしで提
供し二うとするものでｂる、以下図面とともに本発明全
説明する。、第２図μ本発明の温度センサーの基不構成
を示すブロック図であり、１１＆とｉｉｂは圧電素子、
１２ａと１２ｂは発振回路、１５μ２つの発振回路から
の周波数出力のビート（差）塗とるビート回路、１４１
グゲートぞイムを決めるカウンター、１５μＮＡＮＤ、
１６μ演算回路、１７ａ表示回路全ホしている。ここで
用いらｎている２つの圧電素子は鳩３図に示す周彼叡温
度崎注會それぞｎ有している。′Ａ＝回路１２ａの出力
ｆ１と１２ｂの出力ｆ２は温度に対し概略直線的に鉱化
しており、そｎぞｎ次式で表わさ几るとする。

ｆｌ中ａｌ　Ｔ　＋ｂＩ ｆ、　＊ａ、　Ｔ　十ｂ２ ｆｌ、　ｆｚ　＝　　発振周波Ｍ（Ｈ２）ａｌ　、　ａ
ｍ　＝　　温匿係１５ｃＨｚ／℃）Ｔ　　＝　温度Ｃ℃
） １）１　ｓ　ｂＮ　＝　　０℃での発振周波ａ　（Ｈｚ
　）温度係ａ　ａｌ　ｌ　ａ、がほぼ等しいとすると両
者のビート出力μ ｆ□−ｆ２＝ｆｅ＝１）ｔ　　ｋｈ　　・・・・・・（
２）となり温度に慎存しないものが得らルる、第２図の
ゲートタイム用カウンター１４のカウンター分周比ｔ１
／　Ｎ　（Ｎ　：整数）とするとＴ’ＣＩＣおけるゲー
トタイムＴｙ（ｓｅｃ）は、 Ｔ、＝Ｎ／ｆｃ　　　　　・・・−・・・・（３）とな
るから、ＮＡＮＤｌ　５句通して計数用カウンタ１６１
／Ｃ送られるノ（ルス数ＤＴにｊ）Ｔ　＝Ｔｔ　　’　
　ｆｚ ＝Ｎ　ｉｔ　／　ｆ　ｃ　　　　・・・・・・・・・（
４）となり温度Ｔに比レリしたものが得られな。従って
これから温度を知ることができるわけである。ところで
、第２１艮おいて（−Ｉ計数カウンター１６で発振出力
ｆ２を計数していたが、ｆｌとｆｚ　　の和を計認する
ことも可能でるる。この時のブロック図を第４図に示し
１ζ。第２凶に対し、オロ（ｆｉ”ｆｚ）ンとる回路１
８が何〃口されている。この場合にぼ（４）式に対応す
るものは久の工うになる◎ＤＴ＝Ｎｆ６．／’ｆｅ ｆ　８＝ｆ、　＋　ｆ。

（４１，（５１両式刀１ら、左旧ｔ；３　＃　ｄ　ｆ　
ａ　ｋカウントする方式のほうが、２倍感度が向上する
ことがわ７Ｊｈる。

ここで第２凶、第４図に示すビート回路・和回路′ｆ第
５図に示す。２１．２２に、ポジティブエッチで動作す
る°ｒ　−Ｆ　／　ｙ　（フリッグ°７０ツブ）で２５
μ、ネカテイブエツヂで動作するＴ−Ｆ／Ｆである。２
６はポジティブエッヂのＤ　−ｐ　／　Ｆで２４．２８
μインバータ、２５μＮＡＮＤ、２７μエクスクル−シ
ブＮ０ｆｔである。発振回路７Ｄ−ラの出力ｆｓ　、ｆ
ｚ　ｋ　Ｔ　−Ｆ　／　Ｆのクロック端子に人力するこ
とｔ・乞エリ、ビート悟号ｆｃ・和信号ｆｅ　に藺早に
得られることがわ′Ｄ入る。

（１）式から（５）式にわたって嘘、明した本発明の原
理を一言で表わ丁と、傾きａＨｚ／℃の等しい２つの圧
電発振器のビート出力から、温度に依存しない信号を得
、それに工９決するゲートタイムで発振器出力の一万も
しくは両者の和出力を１畝することで温度音検出する方
式であるということになる。

なお、２つの圧電素子に同−容器（温度プローブ）に収
容されなければならぬことば、２つの素子の温度を同一
にするために必要なことである。

次に精度の検Ｎｔする。　＋５１式を正確に表わすと、
・・・・・・・・・ｔｅｌ α８．α２＝１次温度係数　ＰＰＭ／℃β１．β２＝２
久温度係数　ｐｐＭ／℃２γ１．γ２＝３仄温謎係数　
Ｐ　Ｐ　Ｍ　／　℃’となる。従って（５）式と（６）
式の差が非直−誤差となる。

Ｅｒｒｏｒ　＝　ＤＴ　−ＤＥＸ、−、−−・−−−（
７１ま１＋ｃ１バラツキに関しては（６）式で）ら、Ａ
、Ｂ、Ｃ，Ｄ・・・圧電素子に工って決する足載 という関係が得らｎる。

圧電素子として、小屋・薄型で刀工つ安価に作ることの
できるフォトリソグラフィーにエフ成形する晋叉型屈凹
水晶振動子全便用するものとする。

発明者が行なつ７ｃ検討によると、第６図に示す工うに
、ｚ板′ｆｘ＋＃（水晶の一気ｍ）の１わりに００回転
してできる厚さｔの薄板から、振動腕の狡さが！幅會ω
とする音叉型にした場合に、第１の堀動子として、θが
一３９°、ω／ＥがＱ、１　ｉ。

振動モードが２欠屈曲振動を、第２の振動子として、０
が一３８°、ω／Ｅがα１５．で基不屈曲振動ｔそｎぞ
れ用いた時に、（７）式から求する非直線誤凪Ｅ　ｒｒ
ｏｒに第７凶の工うになる。また、厚みｔは５０μｍ　
３ｈら２００μｍが適当である。図刀為られ〃する工う
に、温度馳−一５０℃〜２ｏｏ℃Ｋｔ＋たって（プラス
マイナス）１℃以下の誤差となっている。但し、分解能
は５／１００℃、ケートタイムＴｐ２１秒以下としてめ
る。従来のシステム（第１図）においては−万の振動子
（１ａ）として上記第１の振鯛子會用い、他の振動子（
１ｂ）は温度変動に対し周波数不変であるとした時には
一５０℃でＨ約４℃、２００℃でＨｆＪａｎ℃という大
きな誤差が生じること′Ｄλら本発明の効果は明らかで
あろう。従って、安価で小型な筒楕匿温度センサーが得
ら牡るわけである。

またバラツキとしては、（８）式のも係数は医の１直と
なつ１ζ。

Ａ−０，３Ｂ　＝　Ｏ，ＯＡ Ｃ＝α口００３ −４０ 例えば０℃で第２図及び第４図のゲートタイム用カウン
ター１４のＮ１直７ｔｒＡ響することにエリゼロ調節す
ると、（８）式の次の項 Δｂ１　　　Δｂ２　　　ΔＮ −Ｄ（−−−）十− ヒｓ　　　　　ｂｚ　　　　　Ｎ Ｈａとすることができる〃）ら、全体としてのノくラツ
キば となる。ここで係数Ｃは充分小さいものとしである。従
って、ある温＃Ｌ定点でのゼロ調整に＝９ノくラツキの
影’ｄｋ小さくできるという生理上有利な点のあること
もわ２１１≧る。さて（９）式で示さオｔている工うに
、バラツキは２つの振動子の１次及び２次温度係叙α、
βのノくラツキの相対直にエリ支自已さｎているのであ
るから、製這にあたってｒユ温度特注測矩後すこ選別に
工って組み合わせる方法？用いることがバラツキケ小さ
くする方法として優れていることは容易に推測されるで
あろう。

前述し７Ｃ２個の音叉型水晶振動子ケ／Ｈい、０℃で０
調蟹し友時の誤差を第８図して示づ−。

以上、不発明？説明して＠１こが、用いる圧電素子は何
ら皆文型ノー曲水晶振鯛子に限足されるものではない。

脣に（１）〜（５）式かられかるように周波数が１妬い
ほど梢彼的に有利であるから、ＧＴカット水晶振動子な
どの輪郭振動子やＡＴカット、ＬＣカットなどの厚み振
動子上用いることも可能である。但し〃ロエが機械〃ｕ
工に工らねばならない刀１らコスト筒になるのはやむ上
付ない、また表面弾性波（ＢＡＷ）ば、固波畝が高いの
で性能の同上（分解能・梢伎ｒＩ尚く、ゲートタイムが
短い）が達成できるだけでなく、加工もフォトリソグラ
フィープロセスにエリ容易になる利点もある。更に振動
エネルギーが表面に束中しているために温度プローブに
直接固足でさるので熱応答速度も太きいというメリット
も生じてくるなどその１曲１直μ高い。

不発明の効果をでとめると矢の工うになる。

■　広い温度１１１１！四にわ友って尚槓伎とすること
ができる。

■　補償回路が不安なため！ｔｚ：１ｌＬＩｌである。

■　裏通上で生じるバラツキの影譬が少く、刀１つゼロ
調蔓も容易に行なえるので製造が量率■　圧゛成累子と
して、多（■多様なものが匿える１こめ設計自由度が大
きい。

従って、本発明の工栗的価直ｒ［尚く、その有用性は明
らかである。

【図面の簡単な説明】 第１１μ従米の温度センサーのブロック図を示す。 第２図は不発明による温度センサーの２°ロック図を示
す。 第３凶は本発明の温度センサーに用いる圧電発振器の周
波式温度特性を示す図である。 第４図は本発明による他の温帳センサーのブロック図を
示す〇 第５凶μ本発明ＶＣ，よる温（支）センサーの回路構成
ｒ示す図である。 第６凶は本発明による温度センサーに用いる圧電系子の
実施例を説明する概略図である。 第７凶ｖ″Ｘ仝発曲による温；宛センサーの軸性？示−
丁グラフでおる。 ＄８図μ不発明ＶＣよる温度センターの肪注會示す他の
グラフでろ心。 １ａ、１ｂ、１１ａ、１　ｌｂ・・−圧電素子２ａ、２
ｂ、１２ａ、１２ｂ・・・発振回昂６．１４・・・ゲー
トタイム用カウンタ１３・、・ビート回路 １８・・・和回路 以　　　上 出願人　株式会社第二祠工舎 １（埋入　弁理士　最　上　　　拷 第６図 Ｚ 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１　　単位ＨＺ／ｌｌｌ：で表わされる筒Ｖ社・温
   度１次係数が概略等しい圧′亀も子を府下る８式の発振
   回路力λらの出力の着（ビート）信号たら温芝にほとん
   ど依存しない信号全得、前記信号から沃定される時間間
   隔で前記複数の発振回路力）らの出力パルスのどちら−
   Ｄ１−万又ｎ　５ＦＯｋとったものを計数することにエ
   リ温匿全杖出することを特徴とする温度センサー。 （２、特許請求の範囲第１項において、α数の圧電素子
   は同一容器（温度グローブ）１７ｃ収谷されていること
   ’ｚ％敵とする温度センサー。 （３）特許請求の範囲第１項において、圧電素子に７オ
   トリソプロセスＶＣ，Ｃり成形さｎた水晶振動子である
   こと？％徴とする温以センサー。 （４）特許請求の範囲用３項において、圧電素子は音叉
   製屈曲振励子であることを特徴とする温度センサー。 （５）特許請求の範囲４１項に２いて、圧祇累子として
   表１ｆｆｉ５申注彼を用いることｔ特徴とする温度セン
   サー。