JPS5856419B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電振動体、特に水晶振動子を用いた温度セン
サに関するものであり、具体的に言えば温度依存性が低
（、かつ応力依存性が高い水晶振動子に温度に比例した
力を作用させることにより温度に比例した水晶振動子の
振動周波数を検知し、もって温度を測定するようにした
温度センサに関するものである。

従来から知られている温度センサには金属抵抗線、サー
ミスタ等があるがいずれも消費電力、測定確度等に難点
があり、近年、水晶振動子の製造技術が進み、水晶振動
子が容易に得られるようになったことから、水晶振動子
を用いた温度センサが種々提案されている。

従来提案されている水晶振動子を用いた温度センサは、
いずれも水晶振動子がその裁出角度によって温度依存性
が高くなることに着目し、水晶振動子自体が被測定温度
になったときの該水晶振動子の振動周波数によって被測
定温度を把握するようにしたものであり、このような水
晶振動子には例えば、２軸回転形のＬＣカット板がある
。

このＬＣカット板の水晶振動子を用いた温度センサは金
属抵抗線やサーミスタ等を用いた温度センサに比べて消
費電力、測定確度、電気信号の検出の容易性（直接ディ
ジタル信号で検出できること。

）等からいって極めて優れているが、水晶振動子自体は
熱伝導性が良好でなく、従って水晶振動子が被測定温度
になる捷でに長い時間を要するため応答速度が遅いとい
う欠点がある。

筐た、水晶振動子自体が温度に感応する上記従来例では
温度センサの感度が水晶振動子の裁出角度で画一的に決
定されるので用途に応じた種々の感度の温度センサが得
にくいという欠点もある。

更に、温度感応素子としての水晶振動子は一般にＬＣカ
ット板を使用することが多く、ＬＣカット板は２軸回転
形の水晶振動子であって１軸回転形の水晶振動子、例え
ばＡＴカット板（本発明ではこのＡＴカット板を使用す
ることができる。

）のような水晶振動子に比べて量産性に欠ける欠点があ
る。

本発明は以上の従来の欠点を解消し、応答速度が速く、
かつ用途に応じて種々の感度のものが製作可能でかつ量
産可能な圧電振動体（水晶振動子）を用いた温度センサ
を提供することを目的とする。

この目的のために本発明では温度依存性が低く、かつ応
力依存性が高い矩形（正方形又は長方形）の水晶振動子
の相対する２辺の周縁に熱伝導率が当該水晶振動子より
高く、かつその熱膨張率が圧電振動体の熱膨張率とは異
なる部材を剛性的に固着するように構成し温度の変化を
上記部材の熱膨張に変え、これによって圧電振動体に応
力を作用させ、この応力による圧電振動体の振動周波数
の変化で被測定温度を把握するようにした。

このように構成することによって温度センサの感温部は
上記熱伝導性の高い部材に転化されるので被測定温度に
速く追従する温度センサが得られ、渣た上記部材の形状
を適宜変えたり、またその材質を適宜変えることによっ
て用途に応じた種々の感度の温度センサが得られる。

以下、図面によって本発明の実施例を詳細に説明する。

図面はいずれも本発明の詳細な説明する図であり、第１
図は平面図、第２図は第１図に耘げるＢ−Ｂ断面図、第
３図は斜視図である。

また第４図は水晶振動子のＡＴカット板に耘ける応力感
度係数特注図である。

第１図〜第３図にむいて、１は水晶振動子・１１Ｆおよ
び１１２は電極、１１３および１１４は電気信号の導出
路、２１ｊ、−よび２２は感温部材、２１２．２１３．
２２２むよび２２３は接合部２１４．２１５，２２４お
よび２２５は熱伝導片、３１トよび３２は電気信号の導
出リード、４１訃よび４２は保護カバーである。

水晶振動子１は雰囲気温度の変化によってその振動周波
数の変化が極めて小さく、かつ作用する応力に対しては
該応力に比例して振動周波数が変化するような特性、即
ち振動周波数の温度依存性が低く、かつ応力依存性が高
い角度で導出されたものが使用される。

このような特性の水晶振動子には具体的にはｌ軸回転形
のＡＴカット板等があるが、この他にも種々の裁出角の
ものが使用可能である。

水晶振動子１には例えば金メッキによってその両面に電
極１１１．１１２及びその電極１１１゜１１２から電気
信号を取り出すための導出路１１３．１１４が一般の水
晶振動子（例えば発振素子として使用される水晶振動子
）と同様に設けられてトリ、上記導出路１１３，１１４
には電気信号の導出リード３１．３２が接続されている
。

感温部材２１．２２は水晶振動子１よりも熱伝導率が高
く、かつ熱膨張率が高い部材、例えばアルミニウムや銀
等の金属で作られ、その一方の平面上に互に平行な位置
関係で設けられた一対（２条）の突条体形状の接合部２
１２，２１３，２２２訃よび２２３を、その他方の平面
上に上記接合部２１２．２１３，２２２−ｆ−＝よび２
２３の設定方向と直交する方向に設けられた突条体形状
の熱伝導片２１４，２１５．２２４耘よび２２５をそれ
ぞれ有し、矩形（正方形又は長方形）に形成されている
。

水晶振動子１は上記２枚の感温部材２１゜２２に挾持的
にその接合部２１２．２１３．２２２訃よび２２３にト
いて適宜の手段により剛性的に固着される。

水晶振動子１と感温部材２１．２２との固着は温度変化
による感温部材の外形の変化（膨張あるいは収縮）が有
効に水晶振動子１に伝達されるように固着部分で上記外
形変化の際すベリが生じないように強固に固着される。

その結果、上記水晶振動子１の電極１１１゜１１２の部
分と感温部材２１．２２との間には空間が形成される。

電極１１１，１１２が形成されている部分は水晶振動子
１の振動部であり、この振動部は上記空間によって感温
部材２１．２２から離隔されて耘り、水晶振動子１の振
動が阻害されることがないように配慮しである。

ｌた、感温部材２１．２２が接合部２１２゜２１３．２
２２及び２２３により水晶振動子１に固着されるのは該
水晶振動子１０４辺のうち対向している２辺に訃いてで
あり、他の残りの２辺の側面は開口して訃り、測定をし
ようとする雰囲気に触れるのを防ぎ、浮遊塵埃から守る
ため上記開口している部分を可とう性の保護カバー４１
ｊ＝−よび４２（感温部材２１．２２の温度変化による
変形に影響がない程度の可とう性を有するもの）で覆っ
ている。

上記保護カバー４１ ｊ−よび４２は可とう性であるか
ら水晶振動子１、感温部材２１，２２ｊ＝−よび当該可
とう性の保護カバー４１訃よび４２が形成されている空
間に存在する空気が周囲の温度変化や大気圧の変化によ
って膨張あるいは収縮した場合に水晶振動子１の振動周
波数に与える影響は殆んどない。

被測定温度が上昇すると感温部材２１，２２は膨張臥該
感温部材２１．２２に固着された水晶振動子１には第１
図に矢印Ｆ１で示す方向の力、即ち伸張力が作用し、被
測定温度が下降すると感温部材２１．２２は収縮して水
晶振動子１には第１図に矢印Ｆ２で示す方向の力、即ち
、圧縮力が作用する。

そして水晶振動子１の振動周波数はこの伸張力又は圧縮
力によって変化するので適宜の電気回路手段で上記振動
周波数を検知することによって被測定温度を測定するこ
とができる。

第４図はＡＴカット板の水晶振動子に加わる力の方向に
より応力感度係数が変化する様子を示し、この特性によ
ると、ＡＴカット板の水晶振動子はＸ軸に対して０°お
よび１８００ の方向に荷重が加わったときその応力感
度係数が最大となり、９０゜で最小となることがわかる
。

上記応力感度係数が水晶振動子に加える荷重方向によっ
て変化する特性を生かして、上記力Ｆｌ。

Ｆ２の方向、即ち感温部材２１．２２が温度の変化によ
って収縮あるいは伸張する方向と水晶振動子１のＸ軸と
がなす角度を適宜に設定することで種々の感度の温度セ
ンサが得られる。

また、感温部材２１．２２は温度変化により水晶振動子
１に加わるべき力の方向に膨張あるいは収縮するととも
に該力の方向と直角方向にも膨張あるいは収縮する。

この感温部材２１．２２の上記力の方向と直角方向の膨
張あるいは収縮は水晶振動子１の応力に対する周波数変
化の感度に少なからず影響を及ぼすため当該直角方向の
膨張あるいＧ味縮は上記水晶振動子１に加わるべき力の
方向の膨張あるいは収縮に比べて少ない方がよい。

このため水晶振動子１の形状を力の加わる方向に長辺を
有する長方形にするか、あるいは当該水晶振動子１と感
温部材２１．２２の接合部２１２゜２１３．２２２，２
２３における固着部分を水晶振動子１に形成された電極
１１１．１１２（振動部）に対応している長さの部分に
限定すると効果的である。

また、感温部材２１．２２の形状はその接合部２１２．
２１３，２２２，２２３より外側に張り出した部分を有
するものとなっているが、これは当該温度センサの感温
部が被測定雰囲気と接する面積を広くして訃り、温度セ
ンサの応答速度を速めることに対して効果的である。

熱伝導片２１４，２１５．２２４および２２５は、感温
部材２１．２２と同一材質、一体構造で設けられてむり
、これによって感温部材２１．２２の表面面積を大きく
し、当該感温部材２１．２２の雰囲気温度（被測定温度
）に達する時間が速められるようにしている。

これによって感温部材２１．２２を単に平面状に形成す
るよりも更に応答速度の速い温度センサが得られる。

また、当該熱伝導片２１４，２１５，２２４および２２
５は感温部材２１．２２が温度変化によって膨張あるい
は収縮したとき水晶振動子１に加わる力Ｆ１．Ｆ２の方
向に設定されている。

このようにすることによって当該熱伝導片２１４，２１
５゜２２４トよび２２５は本来の機能である応答速度を
速める作用の他、上記感温部材２１．２２が大きな温度
変化によって極端に膨張した場合、接合部２１２，２２
２，２１３．２２３間が屈曲状に変形するのを防ぎ、そ
の結果被測定温度の範囲を拡大することができるという
副次的効果をも有する。

温度測定に際しては被測定対象から熱を吸収する量すな
わち感温部材２１．２２の熱容量を小さくすることが精
度の上で重要であり、熱容量と応答速度とのかねあいを
考慮して上記熱伝導片２１４゜２１５．２２ｔ＄−よび
２２５の大きさトよび設定条数等が決定される。

本発明に係る温度センサは小形、軽量にできること、応
答速度が速いこと、又温度センナ自体の熱容量が小さく
できること等の特性によってラジオゾンデ等の飛湯体に
塔載して高層の大気温度を時々刻々測定するような気象
観測に最適の温度センサであるが、この他にも種々の温
度測定、特に気体の温度測定に使用できる。

以上詳細に説明したように本発明に係る温度センサは （４）温度センサに使用する水晶振動子は、例えばＡＴ
カット板のようにｌ軸回転形のものが使用できるため、
水晶振動子の結晶からの導出が容易で、かつ歩留りもよ
く、量産に向き、信頼性の高いものとすることができる
。

（Ｂ） 水晶振動子の感温部材に対する取り付は角度
を適宜に設定することにより、種々の用途に応じた感度
のものが容易に得られる。

（０感温部材を適宜の熱膨張率の材料にすることによっ
て、種々の用途に応じた感度のものが得られる。

（Ｄ） 感温部に水晶振動子よりも熱伝導率が高く、
かつ熱容量の小さい部材を使用し、かつその形状は、当
該感温部が早急に雰囲気温度に達するように工夫されて
いるので、従来の例えばＬＣカット板を使用した温度セ
ンサよりも応答速度を速くすることができる。

等種々の長所を有するものであり、本発明は極めて顕著
なる効果を奏するものである。

尚、用途によっては感温部材を水晶振動子の片面に固着
した構造であっても本発明を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示す図面であり、第１
図は平面図、第２図は第１図にトげるＢ−Ｂ断面図、第
３図は斜視図、第４図はＡＴカット板の水晶振動子の応
力感度係数特性図である。 記号の説明、１・・・・・・水晶振動子、３１．３２・
・・・・−導出リード、１１１，１１２・・・・・・電
極、２１゜２２・・・−・・感温部材、２１２，２１３
，２２２゜２２３・・・・・・接合部、２１４，２１５
，２２４゜２２５・・・・・・熱伝導片、４１．４２・
・−・・・保護カバーＦ１．Ｆ２・・・・・・圧縮力。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動周波数の温度依存性が低く、かつ応力依存性が
   高い裁出角の矩形水晶振動子と、上記水晶振動子より熱
   伝導率が高く、かつ上記水晶振動子と熱膨張率を異にす
   る部材で形成され、形状が矩形平板状で、その一方の平
   面に突条体形状の一対の接合部が互に平行に設けられ、
   かつその他方の平面に突条体形状の熱伝導片が上記接合
   部の設定方向と直交する方向に設けられて構成された感
   温部材でなり、上記水晶振動子の対向２辺を上記感温部
   材の一対の接合部に固着したことを特徴とする温度セン
   サ。 ２ 水晶振動子なＡＴカット板とした特許請求の範囲第
   １項に記載の温度センサ。 ３ 感温部材な、水晶振動子を挾んでその両面に固着し
   た特許請求の範囲第１項に記載の温度センサ。 ４ 水晶振動子の長辺を感温部材によって加わる力の方
   向に段間した特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   温度センサ。