JPS6129652B2

JPS6129652B2 -

Info

Publication number: JPS6129652B2
Application number: JP55101958A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shibata
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1986-07-08
Also published as: JPS5726723A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、温度によつて発振周波数が大きく変
化する水晶振動子を用いた水晶温度計の新規な構
成に関する。

まずはじめに、従来の温度計について説明す
る。

第１図は測温素子としてサーミスタを用いた温
度計のブロツク図である。

サーミスタの特徴として、温度に対する抵抗変
化割合が大きい反面、半導体素子であるため、そ
の変化は指数関数的である。また、抵抗の絶対値
や温度変化に対する抵抗変化の感度も個々の素子
によつて多少異なる。

第１図において、１はサーミスタ、２は定電流
回路、３は演算増幅器、４はＡ／Ｄ変換器であ
る。ここでアナログ信号はデイジタル信号に変換
される。８はサーミスタの抵抗の絶対値を合せ込
むための抵抗、９はサーミスタの抵抗の温度変化
に対する感度を調整するための抵抗である。いず
れも一本一本のサーミスタごとに調整される。５
はリニアライザと呼ばれる回路であり、サーミス
タの温度特性の非直線性を補正する機能をもつ。
非直線性は、素子ごとにかなり一定しているた
め、個別の調整は不要であり、ここでは半導体を
用いたROMで構成されている。６は表示装置７
を駆動するための駆動回路である。

第１図で説明した方式に代表されるサーミスタ
を用いたデイジタル温度計に共通の欠点として
は、サーミスタは、抵抗値の温度変化をみるもの
であるから、測温時には電流を流しておかねば
ならない。

Ａ／Ｄ変換器はアナログ動作をする。

以上の理由により、消費電力が大きく、電池で
連続使用することが不可能なことである。

この他にも、測温素子として、基本的にはバン
ドギヤツプの温度変化を用いたものが多くある
が、いずれもアナログ動作を行うため、消費電流
が大きいという欠点をまぬがれない。

第２図は従来の水晶温度計の例である。

１１は基準振動子で、ATカツト水晶振動子で
ある。この振動子は非較的広い温度範囲にわたつ
て、周波数変化が少ない。１２は測温振動子で、
LCカツト水晶振動子である。この振動子は、AT
カツト水晶振動子同様、厚みすべりモードで振動
する。この振動子の発振周波数の温度係数は非常
に大きく、さらに温度に対してほとんど直線的に
変化する特徴をもつている。１３，１４はそれぞ
れ発振周波数の微調整のためのトリマ・コンデン
サである。１５，１６は発振回路である。１７は
分周器および周波数カウンタであり、測温振動子
１２の発振周波数（あるいは周期）を基準振動子
１１の発振クロツクで計数する。１８は演算回路
であり、計数された結果を演算して温度（℃また
は〓）の信号に変換する。６は表示駆動回路であ
り、表示装置７を駆動する。

この方法によれば、信号はすべて論理信号とし
て処理されるため、Ａ／Ｄコンバータが不要にな
り、回路の簡素化と安定化が実現される。しかし
ながら、以下の欠点を避けることはできない。

まず、厚みすべり振動子であるため、振動数は
1MHz以上、通常4MHz程度であり、発振および分
周のための電力消費は少くない。さらに、振動子
も大型であるため、温度計自体の大きさも大きく
なり、したがつて質量が大きいため、熱容量が大
きく、急激な温度変化に対する応答が遅い欠点を
もつている。また、厚みすべり振動子は１コずつ
機械加工されるため、コストが高く、特にLCカ
ツト振動子は２回回転板であるため、加工工数が
多くかかり、高価になる。

本発明は、水晶振動子として低周波の音叉型振
動子を用いることにより、従来の１大消費電流２大きな体積３遅い熱応答の欠点を解消することを目的とするものであり、
以下、具体的に説明する。

第３図は本発明で用いられる基準振動子および
その切り出し角度を示すための図である。この振
動子は特開50−62591号公報に、すでによく知ら
れている。

第４図は本発明で用いられる測温用振動子およ
びその切り出し角度を示すための図である。この
振動子は、基準振動子に比べると、Ｘ軸まわりに
大きく回転してあることが異る。このため、大き
な温度係数をもつている。この振動子の駆動の原
理は、特開20−6259号公報のものと同じである。

第５図は、本発明に関する基準振動子、測温振
動子の周波数―温度特性を示したものである。こ
れより、測温振動子は大きな温度係数をもち、そ
の直線性も非常に良いこと、および、基準振動子
の温度による変化は無視できるくらい小さいこと
がわかる。

第５図に掲げたものはＸ軸のまわりに60゜回転
したものであるが、これは単なる例にすぎず、こ
の前後の回転角でも、傾斜は異なるが、同じよう
な特性が得られ、以下に述べる温度計の設計にお
いても単に定数の変更で対応することができる。

しかしながら、この振動子をフオトエツチング
法によつて作ることを考えるならば、回転をあま
り大きくするならば、エツチングが次第に難しく
なる。（水晶のエツチングはＺ軸方向に特に顕著
にすすむ。）一方、回転角を少くしすぎると、周波数―温度
特性の斜きが少くなり、温度計としての感度が減
少する。

したがつて、実際の振動子の設計にあたつて
は、これらのフアクターを考え合せることが大切
である。通常は±30゜〜±60゜にとられるのが適
当である。

第６図は回転角θと一次温度係数の関係の理論
計算値をグラフにしたものである。

この振動子の特徴は、１振動数が10KHzと低いため、発振や分周に要
する電流が少ない。

２振動子は薄く、フオトエツチングで作られる
ため、小型でかつ、大量生産により安く作るこ
とができる。

３小さいため、熱容量が小さく、温度に対する
応答が非常に早い。

第７図は、これら２本の水晶振動子を用いて構
成した温度計のブロツクダイヤグラムである。

第７図において、３１は基準水晶振動子、３２
は測温水晶振動子である。３３，３４は発振回
路、３５，３６は周波数調整用のトリマコンデン
サである。３７は分周回路、３８はカウンタ回路
である。この分周回路３７の分周比Ｎは外部端子
のコントロールにより一定の範囲で変えることが
できる。３９は減算回路で、カウンタ回路３８の
出力から一定の数値を引き算する。４０は表示駆
動回路、４１は表示装置である。

以下、この回路の動作を説明する。

基準振動子は、Ｚカツト板をＸ軸まわりに０゜
〜10゜回転したものであり、２次ので、その発振
周波数_１は _１＝₁₀（１＋αT²）のように表せる。

ここで₁₀は０℃における_１，αは２次温度
係数で、およそ−3.5×10^-8／℃^２である。な
お、式の簡略化のため、頂点温度は０℃にしてあ
るが、これは説明の一般性を損うものではない。

つぎに、測温用振動子の発振周波数_２は、 _２＝₂₀（１＋βＴ＋γT²）のようになる。

₂₀は０℃における_２の値である。

一次係数βは、実測値より、β＝−70×10^-6／
℃、γは―３×10^-8／℃かそれ以下である。

さて、_２を分周器３７で分周（分周比をＮと
する）した信号をゲート信号として_１をカウン
トし、その結果の計数値をｎとすると、ｎ＝Ｎ×_１／_２となる。

さて、ここでｎ―Ｎを計算する。

ｎ―Ｎ＝Ｎ（_１／_２―１）＝Ｎ｛_１０（１＋αＴ^２）／_２０（１＋β
＋γＴ^２）−１｝ここでつぎの仮定をする。

₁₀＝₂₀ …… Ｎ×β＝１ …… β≪１ …… γ≪β …… α≪β …… しかるとき、ｎ―Ｎ＝Ｔとなり、温度Ｔが表示されること
になる。

式は、０℃において、２本の振動子の振動数
を一致させるよう調整することを示している。

式は、測温振動子の温度係数に合せてＮを決
め、回路を設定すればよいことを示している。

第６図において、本発明の実施例としてあげた
電子回路の構成は一例にすぎず、この他にも数多
くの方法が可能である。

本発明の趣旨は、通常の音叉型振動子で作られ
るクロツクで特に大きな温度特性をもつた音叉型
振動子の振動数を計数するものであり、具体的な
回路としては、他にも考えることができる。

たとえば、上記例では、直接周波数をカウント
しているが、_１と_２のビート周波数を作り、
それをもとに処理することも可能である。

また、一般に音叉型水晶振動子の温度特性は、
その厚さに影響を受けないので、水晶振動子とし
てフオトエツチングによる薄いタイプのものの代
りに、機械加工による厚い振動子を用いてもやは
り実現可能である。ただし、この場合は質量が大
きくなるため、応答性は多少悪くなる。

本発明に関する温度計の調整工程は、以上の説
明からもわかるとおり、下記のように要約されよ
う。

２本の水晶振動子を同一周波数に合せ込む。
（０℃において）測温振動子の温度係数βを測定し、Ｎを計算
する。

Ｎを入力する。±0.5℃程度の温度精度を得る
ためには、Ｎは５ビツト程度でよい。（ただ
し、振動子ごとのβのばらつきは±15％とす
る。）〜の調整工程は、温度計として基本的に必
要な要素（絶対値および感度）の設定にほかなら
ず、いかなる方式の温度計であれ、これを避ける
ことはできない。

本発明は、以上の説明より明かなように、小型
で温度変化に対する応答が早く、つ時計なみに消
費電流が少ないため、壁かけ、あるいは机上用と
して連続使用が可能であり、幅広い応用が考えら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はサーミスタ温度計のブロツク図であ
る。１……サーミスタ素子、４……Ａ／Ｄコンバー
タ、５……ROM。第２図は従来の水晶温度計のブロツク図であ
る。１１……基準振動子、１２……測温振動子。第３図は本発明に用いられる基準振動子の例で
ある。第４図は本発明に用いられる測温振動子の
例である。第５図は本発明に用いられる基準およ
び測温振動子の周波数―温度特性を示す図であ
る。第６図は、水晶振動子の切り出し角度と、一
次温度係数の関係を示している。第７図は本発明
に関する水晶温度計のブロツク図である。３１……基準振動子、３２……測温振動子、３
７……分周器、３８……カウンタ。

Claims

【特許請求の範囲】

１測温用水晶発振器、基準用水晶発振器、前記
測温用水晶発振器及び前記基準用水晶発振器の出
力信号を入力して温度表示信号を形成する回路、
前記温度表示信号に基づいて表示する表示装置を
有する水晶温度計において、Ｚカツト水晶板をＸ
軸まわりに０゜〜10゜回転した水晶板からエツチ
ング加工により形成された前記基準用水晶発振器
に用いられる第１の音叉型水晶振動子、Ｚカツト
板をＸ軸のまわりに±30゜〜±60゜回転した水晶
板からエツチング加工により形成され前記測温用
水晶発振器に用いられる第２の音叉型水晶振動
子、前記測温用発振器の出力信号を分周しゲート
信号を形成する分周器、前記ゲート信号により定
められた時間内に前記基準用水晶発振器の出力信
号をカウントするカウンタ、前記カウンタの計数
値から前記分周器の分周比により決定される数値
を減算する減算回路、前記減算回路の出力に基づ
いて前記表示装置を表示する表示駆動回路を有
し、且つ前記第１の音叉型水晶振動子の零温度周
波数を₁₀，２次温度計数をαとし、前記第２の
音叉水晶振動子の零温度係数を₂₀，１次温度係
数をβ，２次温度係数をγとし、前記分周器の分
周比をＮとしたときに、₁₀＝₂₀，Ｎ×β＝
１，β≪１，γ≪β，α≪βに設定したことを特
徴とする水晶温度計。