JPS60239638A - 共振子温度変換器及び共振子温度測定装置 - 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】 本発明は温度測定用の振動変換器に関するもので、変換
器の寸法は凝似作動モードの回避と広範囲に亘る正確な
温度読み取り値を与えるよう選択される。

加速度計素子としての使用（米国特許第３．２３８，７
８９号）、力変換器としての使用（米国特許第４，３７
２，１７３号）及び温度検出器としての使用（米国特許
第４，４３７，７７３号）を含めた各種使用に対し同調
フォークの形状に形成された二重棒型変換器素子が提案
されている。最後に述べた特許においては、いわゆる温
度計の水晶式のもので温度変化を測定するため振動のた
ゎみモート°を利用している（各二又部はその長手方向
軸線自体の周わシを他方の二又部に対し位相が１８００
　ずれて回転する）。この特許においては特に同調フォ
ークの長さが全体的にＸ軸線に平行になるよう配列しで
ある同調フォークに使用される水晶の軸線の向きを適当
にすることにより、たわみモードの周波数は温度ととも
に変化することに注意すべきである。従って、振動周波
数の変化を測定することによって温度変化を測定出来る
。

米国特許第４，４３７，７７３号で与えられた寸法の場
合、この特許で開示された同調フォーク（共振子）に対
し多数の凝似作動モードが装置の動作範囲に亘って生じ
、これらの凝似モードの結実装置の機械的能力Ｑの低下
、周波数のシフト、所望の固有共振周波数における発振
の中止の可能性が生じる。この変則的動作の原因は成る
周波数でたわみモードの周波数は他の振動モードの周波
数と−致することによる。モード同志の一致によって所
望のモードを疑似モードにする電気的エネルギーの一部
が疑似モードに分割され、その結果周波数の急激なシフ
ト又は発振中断が生じ、これはいずれも共振子を温度検
出器として役立たないものにする。

疑似モードの成るものには（１）共振子又は変換器の面
に直角の方向における枠部（二又部）の位相のたわみ又
は発振（ｆ、）　、（２）変換器の面に直角の方向にお
ける枠部の１８０　位相がずれたたわみ又は発振ｕｗ）
　、（３１変換器の面内における位相での発振（ｆｂ）
　、（４）面内での位相がずれた発振（ｆａ）が含まれ
る。これらの疑似モードの基本周波数に□加えて、同様
に問題を生じる上音周波数もある。

□これらの疑似モードは棒のたわみに起因する構造の吐
出運動、構造の幾何形状の選択が不適当である場合に生
ずる圧電効果（圧電材料が使用されていると仮定して）
及び変換器材料の非直線性弾性作動によシ発生される。

これら疑似作動モードの存在は過去、たわみモード型同
調フォークでは認識されなかった。

たわみモード温度変換器に対し考慮すべき他の因子は作
成にあたりフォトリングラフィ及び化学的エツチングの
使用を可能にする構成が必要な点である。こうした作製
技術はコスト上の利点、小型化及び厳格な寸法制御をも
たらす。

本発明の目的は広範な温度範囲に亘って正確な共振子温
度変換器を提供することにある。

本発明の他の目的は作製が比較的容易な変換器を提供す
ることにある。

使用にあたシ所定個所での容易な固定をもたらすよう構
成される変換器を提供することも本発明の目的である。

本発明の更に他の目的は成る疑似発振モードの可能性を
最低にする目的で構成された変換器を提供することにあ
る。

本発明の前掲の目的と他の目的については圧電材料製で
一端部にて同調フォークの形態に共に結合された一対の
長い全体的に平行で隔置された棒を含む共振子温度変換
器の特定の図示の実施態様で実限される。棒の各種の厚
さはｔで、幅はＷであシ、自由端部と固定端部の間の距
離はしてある。

自由端部から両枠が接続される個所迄の距離はｍである
。成る疑似作動モードが回避出来るよう寸法ｔ　、　ｗ
　、　Ｌ及びｍが選択される。特に、これらのモードの
回避はｔ／Ｗ１ｍ／Ｗ及びＬ／ｍの比の値を注意深く選
択することが要求される。

本発明の前掲の目的と他の目的、特徴及び利点について
は添附図面に関連して呈示された以下の詳細な説明を考
察することから明らかとなろう。

ここで図面を参照する。

第１図は一端部が共に結合され充分に拡大又は広・〈さ
れた設置端部部分１６に結合された一対の全体的に平行
な捧８及び１２から成る二重棒振動変換器４を示す。２
つの棒８及び１２はスロットで分離されている。広げら
れた端部分１６は変換器を適当な支持構造２８上に設置
する目的に使用される。変換器は水晶の如き圧電材料製
が有利であり、当該材料の結晶学的軸線は変換器の振動
のたわみモード周波数が温度と共に変化するよう配向さ
れている。にうした配向については米国特許第４，４３
７，７７３号に説明がしである。）変換器の各種寸法に
ついては図面に示してあシ、ｔは棒の厚さ、Ｗは棒の幅
、Ｌは固定端部から自由端部迄の長さく即ち第１図では
充分拡大された設置部分１６と自由端部の間の距離）、
ｍはスロットの長さである。固定端部と２つの棒が接合
される個所の間の該当部分の幅は全体的に２ｗにスロッ
ト幅を加えたものに等しいが、本明細書で述べる疑似周
波数モードに著しい影響を与えずにＷ程度に広くするこ
とが出来る。これらの寸法に対する値の実例と範囲につ
いては後で説明する。

発振回路３２は図面に示される如く変換器４の各種面上
に配設された薄い電極フィルム又はコーティング３６．
４０に結合される。（電極膜を設置してたわみモード振
動を得る方法については米国特許４，４３７，７７３号
に更に説明がしである。）電極膜３６．４０への発振器
３２によるＡ、Ｃ，信号Ω付与によって棒８，１２に応
力が発生し棒をたわみモードで１８０　位相が反対にな
った振動を生せしめる。即ち、棒８及び１２は公知の様
式にて且つ特定的な又は所望の固有共振子周波数にて交
互にねじられる。

変換器４が温度変化を受けると、棒の振動周波数が変え
られその変化と度合は温度変化の測定値として作用する
。発振器３２は周波数が変換器の周波数に従い、そのた
め変換器の周波数変化は単に発振器の出力周波数を測定
することにより測定可能である。温度の読取シ値を与え
るため発振器３２に慣用的なカウンターと表示器４４を
接続出来る。

変換器の端部が接合又は他の方法によシ固定されて構造
を支持するその個所とは無関係に固定端部の個所即ち寸
法りを確実にするため変換器４の著しく拡大された設置
部分１６が設けである。拡大端部分１６がない場合、寸
法りは取付は縁部から自由端部迄のＬが測定されるので
装置ごとに異なる。装置が使用されるたびに同じ場所に
設置（取付け）することは困難であるので寸法りの一定
性と正確性を達成することは困難であろう。以後説明す
る理由から、寸法りを含む変換器４の寸法を注意深く選
択し且つ維持して望ましくない作動モードを回避するこ
とが重要である。

本出願人の発萌の特定の例示的寸法について説明する前
にたわみモードの振動変換器の作動につき説明する。

先に説明した如く二重棒たわみモード振動変換器に成る
疑似発振モードが発生することが発見されている。それ
らのモードは（１）変換器の面に直角な方向で位相（ｆ
ｐｎ）での棒のたわみ又は発振、（２）面に対して直角
の方向で位相がずれている（ｆｗｎ）での棒のたわみ、
（３）位相（ｆｂｎ）での棒の変換器平面内での発振及
び位相がずれた（ｆａｎ）での俸の平面内における発振
で、ｎがｎ番目のモードを示す。

所望の固有共振周波数がこれらの疑似モードの発振周波
数又はその２倍の周波数に等しい場合、変換器の機械的
能力Ｑが画期的に低減化されるが、。

その理由は所望の共振周波数を引下げる望ましくないモ
ードに音響エネルギーが伝達され、こうして温度の読取
シが存在しなくなるか又は不正確になることによる。従
って、これらの疑似モードが回避され、即ち変換器の所
望の固有の又は特定の周波数（又はその多数の周波数）
が疑似モードの共振周波数に等しくならないよう変換器
を構成することが望ましい。

図面に示された構造に従って構成された二重棒たわみモ
ード変換器に対する所望の共振周波数又は特定周波数は
大路次の式で表わされる。

ここで、Ｓ５５及びＳ６６は装置平面内の剪断コンプラ
イアンスｔｍ　（長さｍと厚さｔに一致する平面）及び
ｗｍ　（長さｍと幅Ｗと一致する平面）でアシ、２は材
料の密度Ｐと剪断コンプライアンスＳ６６から得られる
。２の大きさは本願で温度測定用に使用される現象でお
るｆＴ　の温度依存性の主要部分に貢献する温度と共に
この密度と剪断コンと等しく、Ｇは温度とは比例的に独
立している定数であシ、以後説明する如く実験によシ決
定可能である。材料の因子Ｓｓｓと８６６は結晶性材料
が使用される場合結晶学的配向に従って変化する。

変換器の疑似作動モードの共振周波数は実験と次の理論
的検討によって決定されている。

１Ｌ】石；であり、 と調和共振）を表わし、Ｋ−■ Ｅはヤング率、Ｐは材料の密度、値り、ｍ、ｔ。

Ｗは前述した寸法である。以下に掲げたＡの各種値は実
験的に決定されたものである。

Ａａ１＝　３．０５　Ａｂｘ　＝　８．５７ＡＢ２　＝
　１８．９９　Ａｂｚ　＝　４１．８２Ａ１ｇ　＝　５
．１．９２　Ａｂａ　＝　９６．９７Ａｐｌ＝　３．９
１　ＡＷＩ　＝　４．９６Ａｐ２　＝　２２．１２　Ａ
Ｗ２　＝　３０・９１Ａｐａ　＝　５９．０９　ＡＷ３
＝　７ｌ−８２Ａｐ４　＝　１１４．１　ＡＷ４　＝　
８９．８０Ａｐｓ、＝　１８９．９　Ａｗｓ　＝　１４
３．４Ａｐ６＝　２８１．８　Ａｗｓ　＝　１８０．８
これらの値は第２図ないし第６図にプロットされ本発明
の対象となっている寸法の実際の範囲に亘シ利用される
唯一の値であった。これらの値は示された各モードにて
振動するよう構成されたフォーク型水晶共振子を同調さ
せた時点に上音を含めたモードｆａ　＋　ｆｂ　＋　ｆ
ｐ及びｆＷに対する共振周波数を測定することによシ得
られた。これらの測定周波数から、使用される結晶学的
配向についてのＥ及びＰの既知の値、Ａに対する主要値
である既知の寸法ｔ、ｗ、ｍ及びＬが各式（２）ないし
く５）を解くことによって決定された。Ｚを決定する（
式１）の数値である定数Ｇはたわみモードに関する共振
周波数を測定し、（式１）を解くことによシ同様の様式
にて決定出来る。その値はＧ＝０．４５であった。

疑似モードを回避する目的で変換器の寸法はたわみモー
ドに関する所望特性の共振周波数ｆＴが所望の作動範囲
内の疑似モード共振周波数の１倍又は２倍に等しくなら
ないよう選択される。即ちその寸法は以下の不等式が成
立するよう選択される０ ここで、 水晶の使用を選択した場合は、値２は水晶材料で耐え得
る温度範囲に亘って約２チないし３チ変化する。

第２図ないし第６図はＬ　／　ｍの特定の値に対し且つ
２カツト水晶板に対するｔ／ｗ及びｍ　／　Ｗのプロッ
トを示し、ここで斜線領域は成る温度で発生する疑似モ
ードをもたらすｔ／ｗとｍ　／　ｗの値を表わす。斜線
領域で表わされた特定の疑似モードが第５図に表わしで
ある。明瞭な領域は結晶学的水晶の有用範囲内での全て
の温度に対する疑似モードの無い変換器をもたらすｔ／
ｗとｍ　／　Ｗの値を表わす。温度による２の変化によ
って不等式は固定Ｌ　／　ｍに対しｍ　／　Ｗ対ｔ／ｗ
面での領域を処理するが、これは図面に示された「よご
れた」斜線領域によるためである。

全ての不等式が成り立つＺカット水晶に関するｔ／ｗ、
Ｌ／ｍ及びｍ　／　Ｗの値の例示的な組は以下の通シで
ある。

ｔ／ｗ　＝　０．３３ １／ｍ＝１．４ ｍ７ｗ　＝　１３ これらの比（第５図で四角形５１によシ示す）の場合、
指定された疑似モードは回避される。他の可能な比は既
に述べた如く第２図ないし第６図の明瞭な領域で示され
ている。

第２図ないし第６図の各図に示した四角形５１は次の式
、即ちｔ／ｗ＝０．３３とｍ／Ｗ＝１３を満足する変換
器の寸法を表わしている。これらの比に対して、比Ｌ／
ｍ＝１．３（第４図）及びＬ／ｍ＝１゜４（第５図）と
併せて、この四角形は擬似モード領域から離れた明瞭な
領域内に安全に存在し。

これらの比を満足する寸法を備えた変換器が疑似モード
とは無関係の状態で作動出来ることを示している。第２
図、第３図及び第６図において四角形は擬似モード領域
内又は擬似領域近辺にあり、これらの図面の比を満足す
る寸法を備えた変換器が疑似モードによって影響を受け
ることを示している。

１．５以上のＬ　／　ｍ比に対して擬似モード領域は一
層密にパックされ疑似モードとは無関係の作動の広い明
瞭な領域を位置付けることが困難になることが判明した
。擬似モード領域の高い密度になる理由は疑似モードの
高位の調波がグラフに示した比の範囲内に表われたため
である。更に、１．５以上のＬ　／　ｍ比に対しては、
二又部又は棒は拡大設置部分１６（第１図）から相当離
れておシ、そのため共振器は必要とされる以上にがさ高
となシ破壊され易くなる。これらの理由に対し、１．１
≦Ｌ　／　ｍ≦１．５を満足するよう共振器の寸法を限
定することが有利であることが判明した。低い制限値は
単にＬとｍの間の成る差が適当な同調フォーク作動を達
成する目的上維持されることを要している。

擬似作動モードの振動を定めている第２図ないし第６図
のグラフにある線は（先に説明した如く）温度による２
の値の変動が原因で「よごされ」ているので、誤差の無
い作動を確実にするよう斜線で示した擬似領域から相当
の距離にグラフの「明瞭な」領域内に変換器を設定する
変換器寸法を選択することが有利である。

従って、比のｆＴ／ｆａｎ　ｒ　ｆＴ／　ｆ　ｐｎ　ｒ
　ｆＴ／　ｆｂｎ及びｆＴ／　ｆｗｎが１又は２に等し
い値の約３％内に近付かないよう変換器の寸法を選択す
ることによシこれが達成される。

前掲の配列は本発明の原理の適用を例示したものに過ぎ
ないことを理解すべきである。当技術の熟知者には本発
明の技術思想と範囲から逸脱せずに多くの改変と代替的
な配列を案出し得るものであり、前°掲の特許請求の範
囲はこうした改変と配列を対象とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に従って作成されたたわみモード
の振動力変換器の斜視図。 第２図ないし第６図は疑似モードとは無関係の例示的な
変換器の作動に対する固定Ｌ／ｍ比に対するｔ　／　ｗ
及びｍ　／　Ｗとして使用可能な値の範囲を示すグラフ
。 ４・・・変換器　８・・・棒 １２・・・棒　１６・・・拡大設置部分２８・・・支持
構造　３２・・・発振回路３６．４０・・・電極フィル
ム。 特許出願人　クアーテックス、インコーボレイティッド
Ｆｉｇ、／ ニヌ隊之／福比　（ｔ／ｗ） Ｌ／ｍｋし一＝１．（ Ｆｉり、２ ニ又厚さ／福を已　（ｔ／ｗ） Ｌ／ｍｋ乙；１．２ Ｆｉｇ、３ ニヌ斥さ７幅比　（七／Ｗ）゛ し／質？邑：１，３ Ｆｉｇ、４ ２ｆｗ４　ｆｗ５ Ｌ／ｍｘし＝トヰ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■）共振子温度変換器であって、 一端部において共に結合され、各々厚さｔと幅Ｗを有し
   、共に結合される個所から自由端部迄の距離がｍであり
   、たわみモードで振動される時振動周波数が温度の関数
   として変化するような材料製である一対の長い隔置され
   た全体的に平行な棒と。 前記一端部において内棒と一体構造的に形成され棒℃両
   自由端部迄の距離をＬとした拡大設置部分と、 前記内棒をたわみモードにおいて周波数ｆＴ　にて１８
   ０　位相がずれて振動させる装置を含み、ｎ＝１．２及
   び３に対しＡａｎ＝　３．０５　、１８．９９　、５１
   ．９２ｎ＝１．２及び３に対しＡｂｎ＝　８．５７　、
   ４１．８２　、９６．９７ｎ＝１．２，３，４．５及び
   ６に対してＡｐｎ＝　３−９１　。 ２２．１２　、５９．０９　、１１４．１　、１８９．
   ９　、２８１．８ｎ＝１．２，３，４．５及び６に対し
   てＡｗｎ＝４．９６゜３０．９１　、７１．８２’、　
   ８９．８０　、１４３．４　、１８０．８Ｇ＝０．４５ ｚ＝ｃ、／ｉ刀；丁 Ｓｓｓと８６６を剪断コンプライアンスとし、Ｅを材料
   のヤング係数とした場合、 次の式即ち、 ｍ を満足するようｔ　、　ｗ　、　ｍ及びＬを選択する共
   振子温度変換器。 を満足するよう更にｔ　、ｗ、ｍ及びＬを選択する特許
   請求の範囲第１）項に記載の共振子温度変換器。 ３）　１．１≦Ｌ／ｍ≦１．５を満足するよう更にｍ及
   びＬが選択される特許請求の範囲第２）項に記載の共振
   子温度変換器。 ４）、１≦ｔ／ｗ≦１及び４≦ｍ／Ｗ≦２５を満足する
   よう更にｔ　、　ｗ　、　ｍ及びＬを選択する特許請求
   の範囲第３）項に記載の共振子温度変換器。 ５）前記振動を生せしめる装置が内棒の振動周波数に従
   かう振動信号を提供する発振装置を含むようにした特許
   請求の範囲第２）項に記載の共振子温度変換器。 ６）更に、前記発振装置に結合され１内棒の振動周波数
   で示される温度の読取シをもたらす振動信号に応答する
   装置を含む特許請求の範囲第５）項に記載の共振子温度
   変換器。 ７）共振子温度測定装置であって、 一端部において共に結合され各々厚さｔと幅Ｗを有し、
   共に結合される個所から自由端部迄の距離がｍであり、
   内棒がたわみモードで１８０　位相がずれる振動をする
   励起を受ける時、振動周波数が内棒の露呈される温度の
   関数として変化するよう結晶学的軸線が配向された圧電
   材料製である一対の長い隔置された全体的に平行な棒と
   、内棒の接合端部が取付けられ内棒の自由端部迄の距離
   をＬとした支持構造体と、 内棒上に設置され内棒をたわみモードで１８０゜位相を
   ずらす共振をさせる振動信号に応答する電極と、 内棒を周波数ｆＴ　にてたわみモードにて共振させるよ
   う前記電極に振動信号を与える装置と、内棒の振動周波
   数に従がう周波数を有する振動信号を発生する装置から
   成り、 次の式、即ち ｆａｎ　Ａａｎ　ＣＤＫ ’ｐｎ　Ａｐｎ　ＣＤＫ が１又は２と等しい値の約３チ内になるようｔ。 ｗ、ｍ及びＬを選択する共振子温度測定装置。 ８）内棒が結合される個所及び内棒の自由端部迄の距離
   をＬとした端部に前記内棒が拡大設置部分を含むように
   した特許請求の範囲第７）項に記載の共振子温度測定装
   置。 ９）　１．１≦Ｌ／ｍ≦１．５　を満足するようＬとｍ
   が選択される特許請求の範囲第８）項に記載の共振子温
   度測定装置。 １０）共振子温度変換器であって、 一端部で共に結合され各々厚さｔと幅Ｗを有し共に結合
   される個所から自由端部迄の距離をｍとし、たわみモー
   ドにおいて振動される時振動周波数が温度の関数として
   変化するよう結晶学的軸線が配向された水晶製の一対の
   長い全体的に平行な棒と、 前記一端部において内棒に結合され内棒の両自由端部迄
   の距離をＬとした拡大設置部分と、前記内棒をたわみモ
   ードにて１８０　の位相をずらして周波数ｆＴ　で振動
   させる装置とから成シ、０．２≦ｔ／ｗ≦０．５ １０≦ｍ　／　ｗ≦１６ １．３５≦Ｌ／ｍ≦１．４５及び を満足するようｔ　、　ｗ　、　ｍ及びＬが選択される
   共振子温度変換器。 ｕ）更に、 を満足するようｔ　、ｗ、ｒｌ及びＬが選択される特許
   請求の範囲第１０）項に記載の共振子温度変換器１２）
   共振子温度変換器であって、 一端部において共に結合され、各々厚さｔと幅Ｗを有し
   共に結合される個所から両自由端部迄の距離をｍとし、
   たわみモードにおいて振動される時振動周波数が温度の
   関数として変化するよう結晶学的軸線が配向された水晶
   製の一対の長い全体的に平行な棒と。 前記一端部において内棒に接合され内棒の自由端部迄の
   距離をＬとした拡大設置部分と、周波数ｆＴ　にて前・
   記内棒をたわみモードで２８０Ｃ位相をずらして振動さ
   せる装置から成シ、０．４≦　ｔ／ｗ≦０．８ １２≦ｍ／Ｗ≦　１８ １．３５≦Ｌ／ｍ≦１．４５及び を満足するようｔ　、ｗ、ｍ及びＬが選択されるように
   した共振子温度変換器。 １３）更に、 を満足するようｔ　、　ｗ　、　ｍ及びＬが限定される
   特許請求の範囲第１２）項に記載の共振子温度変換器。 １４）共振子温度測定装置であって、 一端部において共に結合され各々厚さｔと幅Ｗを有し共
   に結合される個所から両自由端部迄の距離をｍとし、た
   わみモードにおいて振動される時振動周波数か温度の関
   数として変化するよう結晶学的軸線が配向された圧電材
   料製の一対の長い隔置され全体的に平行な棒と、 前記一端部において内棒と一体構造的に形成され内棒の
   両自由端部迄の距離をＬとした拡大設置部分と、 前記内棒をたわみモードにおいて周波数ｆＴ　で１８０
   　位相をずらして振動させる装置と、内棒の振動周波数
   を示す装置とから成り、次の比率即ち ｆＴ／ｆａｎ、　ｆＴ／ｆｐｎ　＋　ｆｒ／ｆｂｎ　＋
   　ｆｒ／ｆｗｎがｌ又は２と等しい値の約３％に近付か
   ないようｔ　、　ｗ　、　ｒｒ（及びＬが選択され、更
   に１，１≦Ｌ／ｍ≦１．５を満足するようｍとＬが選択
   されるようにした共振子温度測定装置。