JPS62269030A - 振動型温度センサ− - 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、温度変化によりバイメタルに生ずる力を振動
弦の張力等とし、その共振周波数によって温度を知るこ
とを特徴とする振動型温度センサーに係る。

被測定量をパルスの周波数や時間幅に変換して出力する
センサーは、ディジタル型の信号処理装置に適合してい
るので、最近各種のものが開発されつつあるが、温度セ
ンサーについてはこの種のものは少ない、現在市販され
ているいわゆるディジタル型温度計は、サーミスタや熱
電対などの従来型の温度センサーを用いて温度をアナロ
グ電気信号に変換し、それを電圧−周波数変換器などに
よってディジタル量に変換するという間接的方法による
ものが大部分である。温度を直接的に周波数に変換する
ものとしては、水晶発振器の温度係数を利用した水晶温
度計があるが、もともと温度による同波数変化率が小さ
く、その周波数変化を検出するために恒温槽などを用い
たｊ！密な水晶発振器を別途必要とするなど、システム
全体が大きくなり、かつ高価になるという欠点を有する
。

本発明の温度センサーも温度を直接的に周波数に変換す
るものであるが、温度変化によってバイメタルに生ずる
力を、振動弦の張力など、振動体に軸力として与えると
、振動体の共振周波数が温度によって変化することを利
用した、全く新しい原理に基づくセンサーである。

本発明の目的は、第１にはディジタルシステムに適合し
た温度センサーを提供することである。

これは本発明センサーの出力形態が周波数であるので、
計数動作によってその周波数もしくは周期を測定するこ
とにより、容易にディジタル量に変換しうるからである
。

′！３２には、感度の高い周波数出力型の温度センサー
を提供することである。これは上記したような新しい原
理を用いた効果である０本発明センサーにおいては、フ
ルスケールの温度変化に対して１０パーセント以上の周
波数変化率をうろことも容易であり、したがってその周
波数の計数測定においても、通常のディジタル計算装置
のクロックの精度で十分であり、特別に精密な水晶発振
器などを必要としない。

第３は、構造が簡単で安価に製造しうるような温度セン
サーを提供することであり、これも新しい動作原理によ
ることの効果の一つである。また本発明センサーで用い
られる部品は、バイメタルや圧電素子など普遍的なもの
であり、精密な工作も必要とせず、これらも上記の目的
の達成に寄与している。

第１図において、１は熱膨張係数が、それぞれαｔ、（
Ｘ２なる材料の板１１．１２を重ねて接合したパ°イメ
タルで、感温板として作用し、その一端は支持枠２に固
定されている。１の他端と２の一端に設けられたアーム
４の間には、振動体として弦３が張られており、バイメ
タル１の弾力によってＦなる張力が与えられている。ま
た３の中央部には周波数調整用の錘り８がつけられてい
る。

いま、説明を簡明にするために、板１１．１２の厚さを
それぞれｈｘ、ｈ２で表わし、バイメタル１の厚さをｈ
と表わすとき ｈ１＝　ｈ２　＝ｈ／２　　　　　　　　　（１）であ
るものとし、また１１．１２の材料の縦弾性係数をそれ
ぞれＥｌ、Ｅ２で表わすときＥｉ　＝Ｅ２　　　　　　
　　　　　　　（２）であるものとすると１弦３がない
場合の温度による１の先端の変位ｄはつぎのようになる
。

ｄ＝３ΔｃｔＬ２（θ−θｏ）／４７ｔ　　（３）ここ
でＬはバイメタル１の有効長、θは１の温度、θ０は１
が平らになるときの温度であり、またΔα；α２−α１
　　　　　　　　　　（４）である、Δα〉０でθ〉θ
０の場合にはｄ＞Ｏとなり、温度θが上昇するとバイメ
タル１の先端は上方に変位する。

一方、バイメタル１の先端をその弾力に抗してｄだけ変
位させるに要する力Ｆは、１の幅をｂとすると Ｆ＝Ｅｘ　ｂｈ３ｄ／４Ｌ３　　　　　　（５）となる
、この力Ｆは、バイメタル１を平らになるまでたわめて
弦３を取付けたとき３に作用する張力にほかならない。

したがって（５）式に（３）式を代入することにより１
弦３に作用する張力Ｆと温度θの関係かつぎのように与
えられる。

Ｆ＝３Ｅ１ｂｈ２Δα（θ−θ、　）　／ＩＩ！Ｌ張力
Ｆが作用する弦３の１次共振周波数ｆ１は近似的に ｆｌ　＝　（Ｌ／π）Ｊ万７四面可 で表わされる。ここでＬは弦３の長さ、Ｍは誹り８の質
量、ｍは弦３の質量である。

上式に（６）式を代入すれば明らかなように、共振周波
数ｆ１は、！２図（ａ）の特性曲線が示すように、（θ
−００）の平方根に比例して変化する。したがって共振
周波数ｆ１より温度θを知ることができる。ここでθ＝
００になったとすると（６）式のＦは０となり、それ以
下の温度では弦３はたるんだ状態になり、もはや共振は
生じない、そこで（３）式で与えられる変位ｄよりもさ
らにバイメタル１をたわめて弦３を１に取付け、θ；θ
０においてもＦＯなる張力がバイアスとしてＦに重畳す
るようにすると となる。この場合のｆｌとθの関係を示す特性曲線は第
２図（ｂ）のようになり、温度の測定範囲はθくθ０の
領域まで拡げられる。また、α２くα１とするとΔαく
０となり、この場合には第２図（Ｃ）の特性曲線のよう
になり、温度θの上昇とともに共振周波数ｆ１は減少す
る。　なお、弦３につけられた鐘り８は必ずしも必要な
ものではないが、本発明センサーの製造時に、共振周波
数ｆ１を調整するには、この錘り８の質量Ｍを加減する
方法が便利である。

振動体の共振周波数を検知する方法は種々あるが、たと
えば電磁的方法によって振動体を衝撃的に加振し、それ
にひき続く過渡応答の振動を電気的にピックアップして
、その波形の周波数もしくは周期を測定することも一方
法である。しかし最も確実かつ簡便な方法は、振動体を
含む発振系を構成して、その共振周波数において持続的
に発振せしめることである。

第１図において、５は駆動用圧電素子、６は検出用圧電
素子であり、６で検出された弦３の振動波形は、電子回
路７によって増幅され５にフィードバックされるが、こ
れによって弦３はその共振周波数ｆ１において振動を持
続する。このとき電子回路７の出力は、もちろん周波数
ｆ１の周期信号であるが、この信号はセンサー出力とし
て外部に導きだされて周波数もしくは周期が計数測定さ
れる。

第１図の振動弦３は、振動梁をもってかえることも可能
である。この場合の梁の１次共振周波数ｆ１は近似的に と表わされる。　ここでＥは梁の材料の縦弾性係数、Ｉ
は梁の断面２次モーメントで、たとえば梁が直径２ｒの
丸棒であるとすれば １＝’ｆＣｒ’／４　　　　　　　　　　　（１０）で
ある６ｍは梁の質量であり、また第１図の８に相当する
錘りはないものとしている。（９）式中のＦに（６）式
を代入すればｆｌとθとの関係かえられるが、そのグラ
フは、Δαの正負に応じて第２図（ｂ）あるいは（Ｃ）
のようになる。このグラフからも明らかなように、振動
梁を用いた場合は、θが００となって軸方向に働く力Ｆ
が０となっでも、梁の弾性による共振が存在する。した
がって、振動弦を用いるときのようにバイアス張力Ｆｏ
を与えなくとも、θ０の上下に温度測定範囲を設定する
ことができる。このときＦ＜Ｏとなる温度範囲において
は、梁には軸力として推力が働いている。なお、振動梁
としては、上記の丸棒のみでなく、後述するような板状
のものや複合音叉型のものなど、種々の形態のものが使
用しうるが、それらの共振周波数は、両端の支持条件に
よって常数が変わる点を除いては、いずれも（９）式と
同様の形式で表わされる。

以上においては弦や梁などの振動体の最低次の共振周波
数ｆ１の振動を利用するものとして説明したが、振動弦
あるいは振動梁の高次共振周波数はｆｌの定数倍であり
、（８）式あるいは（９）式と全く同様の形式で表わさ
れる。したがって、本発明センサーにおいて、これら振
動体の高次共振を用いることも可能である。なお、この
ように振動体は複数の共振周波数を有するのが一般的で
あるので、第１図に示したような発振系を構成する際に
、電子回路７において、増幅器に帯域フィルタを直列結
合して、利用する次数の共振周波数の成分のみを通過さ
せ、他の次数の共振周波数では発振しないようにするこ
とが必要となる場合がある。この事情は、増幅器のかわ
りにフェーズロックループ（ＰＬＬ）等を用いて発振系
を構成する場合にも同様である。

以上においては１本発明の原理を簡明に説明するため、
（１）式および（２）式の制約条件を設けて簡単化して
いるが、実際のバイメタルにおいてはｈ１笑７１２．あ
るいはＥｘ＃Ｅ２の場合が一般的である。また、バイメ
タルの種類も、金属のみでなく、プラスチックスなどの
非金属材料を貼り合せたものや、さらには３枚の異種金
属を接合したものもある。しかしながら、これらの場合
においても、バイメタルによって振動体に与えられる軸
力Ｆを温度θの関数として（６）式と同様に表わすこと
ができ、温度によって上記軸力が変化し、その結果、振
動体の共振周波数が変化するという本発明の本質にはな
んら変わりはない。

第３図に示す第２の実施例においては、支持枠２２につ
けられたバイメタル２１に一端を接続された弦２３は、
その中程で滑車２９によって方向が変えられ、他端は、
アーム２４につけられた張力調整ねじ２８に接続されて
いる。　２５は駆動用圧電素子、２６は検出用圧電素子
、２７は前２者を結合して発振系を構成するための電子
回路であるが、この場合の発振周波数を決定する振動弦
は、弦２３の滑車２９と調整ねじ２８の間の部分である
０弦２３の滑車２９とバイメタル２１の間の部分は、単
に２１に生じた力を張力として伝えるためだけのもので
ある。このような構造の一つの利点は、バイメタル２１
を含む装置の下部のみを液中に侵し、上部は空中にだし
たままで動作させて、その液体の温度を測定しうること
である。

第４図は感温板のバイメタルが支持枠を兼ねている実施
例である。３１は半円形に曲げられたバイメタルで、そ
の両端の間に長方形の鉄製の振動板３２がわたされて固
定されている。バイメタル３１はその中央部においてス
テム３５により支えられているが、３５の上部には台３
６があり、その上に、駆動用電磁石３３と増幅器などの
電子回路を含む反射型フォトセンサー３４が取付けられ
ている−０すなわち振動板３２の振動変位はフォトセン
サー３４によって検出され、その信号は増幅されたのち
に電磁石３３に供給されて振動板３２を吸引して駆動す
る。これによって３２はその共振周波数において持続的
に振動する。振動板３２が磁性のない材料でできている
場合には、３２の表面の電磁石３３に正対する部分に小
鉄片を接着し、これを吸引して３２を駆動するようにす
る。

第５図は円板状のバイメタルディスクを用いた実施例で
ある。パイプ４２の下に側面に孔のあいた同径のパイプ
４９が接続され、その下端にバイメタルディスク４１が
取付けられている。４２と４９の間にはダイアフラム４
８があり、弦４３はこのダイアフラムを貫通して、バイ
メタルディスク４１と上端の蓋４４の間に張られている
。４５は駆動用圧電素子、４６は検出用圧電素子、４７
は電子回路で、これらは発振系を構成するが、この場合
の振動体は弦４３のダイアフラム４８と蓋４４との間の
長さｌの部分である。ダイアフラム４８はパイプ４２の
内部をシールするためのもので、それ自身は弦４３の張
力にはなんら寄与しない、　そして温度変化によりバイ
メタルディスク４１に生じた力は、ダイアフラム４８に
は影響されずに、弦４３の振動部分に張力変化として伝
えられ、その共振周波数を変化せしめる。このような構
造をとることの利点の一つは、弦の振動部分が完全にシ
ールされているので、装置全体を液中に浸してその温度
を測定できることである。

バイメタルの通常の使用法は、温度によるバイメタル片
の先端の変位を利用して温度を指示したりスイッチを動
作させたりするものであるが、本発明は、バイメタルの
変位を拘束すると、温度賃対応した力が発生することに
着目し、その力を弦や梁に軸力として作用させることに
より、その共振周波数を変化せしめるものである。この
新しい動作原理により、冒頭にものべたような種々の特
長を有する振動型温度センサーが実現されるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例、第２図は温度と振動体の共
振周波数の関係を示す特性曲線、第３図は本発明の第２
の実施例、第４図はバイメタルが支持枠を兼ねる場合の
一実施例、第５図はバイメタルディスクを用いる一実施
例である。 １−一一一バイメタルの感温板、２−一一一支持枠、３
−一一一弦、４−−−−アーム、５−−−一駆動用圧電
素子、６−−−−検出用圧電素子、７−−−−電子回路
、８−−−−錘り、　　１１．１２−−−一互に熱膨張
係数の異なる板、２１−−−−バイメタル、２２−−−
一支持枠、２３−一一一弦、２４−−−−アーム、　　
２５−−−一駆動用圧電素子、２６−−−−検出用圧電
素子、２７−−−−電子回路、２８−−−一調整用ねじ
、２９−−−一滑車、３１−−半円形のバイメタル、３
２−−−一振動板、３３−一駆動用電磁石、３４−−−
−フォトセンサー、３５−−−−ステム、３６−−−一
台、４１−−−−バイメタルディスク、４２−−一−バ
イブ、４３−−−一弦、４４−−−−蓋、４５−−−一
駆動用圧電素子、４６−−−−検出用圧型素子、４７−
−−−電子回路、４８−−−−シール用ダイアフラム、
４９−−−一側面に孔があいたパイプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱膨張係数の異なる材料の板を重ねて接合してえられる
   感温板と、上記感温板の力が軸方向に作用するように取
   付けられた振動体と、上記振動体の共振周波数を検出す
   る手段とを有し、温度に起因する上記感温板の力の変化
   により生ずる上記振動体の共振周波数の変化により上記
   感温板の温度を知ることを特徴とする振動型温度センサ
   ー。