JPS5910486B2 - 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
く、かつ応力依存性が高い蔵出角の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、もつ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つたことから、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蔵出角度によつて温度依存性
が高くなることに着目し、水晶振動子自体が被測定温度
になつたときの該水晶振動子の振動周波数によつて被測
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。）等からいつ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、従つて水晶振動
子が被測定温度になるま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。また、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がある
。

更に、温度感応素子としての水晶振動子は一般にＬＣカ
ツト板を使用しなければならず、ＬＣカツト板は２軸回
転形の水晶振動子であつて１軸回転形の水晶振動子、例
えばＡＴカツト板（本発明ではこのＡＴカツト板を使用
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
力依存性が高い裁出角で切り出した水晶振動子の周縁に
熱伝導率が当該水晶振動子より高く、かつその熱膨張率
が当該水晶振動子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、温度を上記部材の熱膨張に変え
、これによつて水晶振動子の周縁に応力を作用させ、こ
の応力による水晶振動子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つ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、また上記部材の形状
を適宜変えたり、またその材質を適宜変えることによつ
て用途に応じた種々の感度の温度センサが得られる。

以下図面によつ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実施例を説明する図面であり、
第１図、第２図及び第３図は第１の実施例のそれぞれ平
面図、正面図及び第１図に於けるＡ−Ａ断面図、第４図
及び第５図は第２の実施例のそれぞれ平面図及び第４図
に於けるＢ−Ｂ断面図、第６図及び第７図は本発明に係
る温度センサの支持構造及び電気信号の導出リード構造
の具体例を第１の実施例に即して示した分解斜視図であ
る。

まず第１図〜第３図により第１の実施例を説明する。

第１図〜第３図に於て、１は水晶振動子、１１１及び１
１２は電極、１１３及び１１４は電気信号の導出路、２
１及び２２は感温部材、２１１及び２２１は感温部、２
１２及び２２２は接合部、２１３及び２２３は空気孔、
３１及び３２は電気信号の導出リードである。

水晶振動子１は雰囲気温度の変化によつてその振動周波
数が変化しないか、あるいは変化してもその変化が極め
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裁出さ
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１軸回転
形のＡＴカツト板等があるが、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には円形のものが使用され、例えば金メツ
キによつてその両面に電極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１
１３，１１４が一般の水晶振動子（例えば発振素子と使
用される水晶振動子）と同様に設けられており、上記導
出路１１３，１１４には電気信号の導出リード３１，３
２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
等の金属で形成され、その構造は、温度変化に際して、
その外形が略相似を保つた状態で膨張あるいは収縮する
ような強度、即ち膨張に対しては例えば屈曲するような
ことのない強度、また収縮に対しては例えばき裂が生じ
ないような強度が確保できるように設定され、かつ、上
記膨張あるいは収縮による変化が水晶振動子１に最大限
に、かつその周縁に均等に伝わるように、その感温部２
１１，２２１は曲面を有するドーム状に形成される。

曲面は求められる温度センサの感度等を勘案して例えば
球曲率を有する曲面にする等適宜に設定される。このよ
うな構造の感温部材２１，２２が上記水晶振動子１の両
面に固着されて温度センサが構成される。

即ち、上記水晶振動子１の周縁部分に上記感温部材２１
，２２の裾部分に形成された接合部２１２，２２２が接
着剤、半田付け、ガラス溶着等、適宜の手段により剛性
的に固着され、その結果、上記水晶振動子１の電極１１
１，１１２部分と感温部材２１，２２の感温部２１１，
２２１との間には空間が形成される。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）が正しく水晶振動子
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。電極１１１，１
１２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つて感温部材２１，２２
から離隔されており、水晶振動子１の振動が阻害される
ことはない。また感温部材２１，２２には空気孔２１３
，２２３が設けられており、上記水晶振動子１と感温部
材２１，２２の感温部２１１，２２１との間に形成され
ている空間に存する空気が温度変化や大気圧の変化等に
よつ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を除去している。

上記空気孔２１３，２２３の設定位置は、感温部材２１
，２２の膨張あるいは収縮による応力が水晶振動子１の
周縁に均等に作用する妨げとならないように感温部２１
１，２２１の中央にするのが望ましい。

被測定温度が上昇すると感温部材２１，２２は膨張し、
該感温部材２１，２２に固着された水晶振動子１の周縁
には第２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の周縁には第２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
力によつて変化するので適宜の電気回路手段によつて上
記振動周波数を検知することによつて被測定温度を測定
することができる。本発明に係る温度センサの応答速度
は感温部材２１，２２の材質の熱伝導率、構造上の形状
や寸法等に左右され、また感度は感温部材２１，２２の
熱膨張率、構造上の形状や寸法等に左右される。

第１の実施例の形状において、水晶振動子１に直径（感
温部材２１，２２の接合部２１２，２２２と接する周縁
部分を含めない直径）１２１１φのものを使用し、感温
部材２１，２２の内径の曲率半径を１５１１Ｒとした場
合、感温部材２１，２２の材質を板厚０．３１１のアル
ミニウムとすると約３秒の応答速度が得られ、又板厚０
．１１１の銀とすると約１秒の応答速度が得られる。又
感度については、水晶振動子１自体が極めて感度が高い
ため微細な寸法上の違いにより変化するが、上記した銀
板を使用した場合を例にとると概ね１２０ＨＺ／℃の感
度が得られる。また、第１の実施例に示す温度センサに
於いて種々の感度のものを製作するには感温部材２１，
２２をその感温部２１１，２２１の球面曲率が異つたも
のとすればよい。

即ち、球面曲率が大きいときは温度変化による接合部２
１２，２２２の変化が大きく水晶振動子１に加わる応力
が大きくなるため感度が高い温度センサが得られ、又球
面曲率が小さいときは温度変化による接合部２１２，２
２２の変化が小さく水晶振動子１に加わる応力が小さく
なるため感度が低い温度センサが得られる。第１の実施
例の温度センサの応答速度を更に速くしたものが第４図
及び第５図にその平面図と断面図を示す第２の実施例で
ある。

以下、第２の実施例について説明する。第４図及び第５
図において、２１４，２２４は熱伝導片、他は第１の実
施例と同様である。

第２の実施例では、感温部材２１，２２の周囲に複数の
熱伝導片２１４，２２４が設けられており、これによつ
て感温部材２１，２２の表面面積が増大し、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
が速められている。これによつて第１の実施例より更に
応答速度の速い温度センサが得られる。熱伝導片２１４
，２２４を設けることは、それだけ感温部材２１，２２
の熱容量が増して応答速度が遅くなる方向に作用するの
で、当該熱伝導片２１４，２２４を設けたことによる感
温部材２１，２２の表面面積の増大（応答速度を速める
要因）と、熱容量の増大（応答速度を遅くする要因）と
の関連に於いて、前者による効果がより大きくなるよう
に配慮しなければならない。

第４図及び第５図に示す第２の実施例では熱伝導片２１
４，２２４が水晶振動子１の両面に於て同じ位置にある
ように感温部材２１，２２が水晶振動子１の両面にそれ
ぞれ固着されているが、当該熱伝導片２１４及び２２４
が交互に位置するように感温部材２１，２２の固着位置
を設定してもよい〜 また、第２の実施例に於て熱伝導片２１４，２２４を長
めに設定しておき、使用に際して上記熱伝導片２１４，
２２４を切断して適宜の長さに設定できるようにしてお
けば、製作後に用途に応じて応答速度が設定できる温度
センサが得られる。

第６図及び第７図は以上に説明した実施例に係る温度セ
ンサの支持構造及び電気信号の導出りードの具体的な構
造例を示したものである。尚、第６図及び第７図では感
温部材部分の形状は前記第１の実施例の形状に即して示
してあるが前記第２の実施例に於ても同様の構造が採用
できることは明らかである。第６図及び第７図に於て、
２１５，２２５は支持支柱、２１６，２２６は導電路、
２１７，２２７は接続端子、１１５は導電帯であり、他
の記号は前記第１の実施例と同様である。

第６図は感温部材２１，２２が非導電材、あるいは導電
材であつても電気抵抗が導出される電気信号に影響を与
える程大きな材質のもので構成された場合の構造例であ
る。

支持支柱２１５，２２５は感温部材２１，２２の接合部
２１２，２２２から脚状に支柱が延出されて構成され、
その先端には支持支柱２１５，２１６の巾より狭い巾で
接続端子２１７，２２７が形成されている。

導電路２１６，２２６は感温部材２１，２２が水晶振動
子１に接合されたときその電気信号の導出路１１３，１
１４が対接する接合部２１２，２２２の部分、支持支柱
２１５，２２５及び接続端子２１７，２２７にわたつて
例えば金等の良導電性金属が蒸着されてなり、水晶振動
子１と感温部材２１，２２とが一体化されたとき電極１
１１、導出路１１３、導電路２１６及び電極１１２、導
出路１１４、導電路２２６がそれぞれ電気的に導通した
状態となる。

このようにして電極１１１，１１２部分で発生する電気
信号（電気的振動）を外部に取り出している。また、本
温度センサを機器に実装する場合には、例えば測定回路
を構成しているプリント配線基板の配線孔に接続端子２
１７，２２７を挿入し導電パターンと接続端子２１７，
２２７とを半田付すれば温度センサは支持支柱２１５，
２２５でプリント配線基板上に支持され、また該支持支
柱２１５，２２５に形成された導電路２１６，２２６を
介して上記測定回路に水晶振動子１で生成された電気信
号が伝達される。

第７図は感温部材２１，２２が良導電材で構成された場
合の構造例であり、この例では感温部材２１，２２が電
気信号の導出部材をも兼ねている。

支持支柱２１５，２２５及びその先端の接続端子２１７
，２２７は第６図に示す構造例と同様に構成されるが、
第７図に示す例では支持支柱２１５，２２５そのものが
電気信号の導電路を形成しており、第６図に示すような
導電路２１６，２２６は支持支柱２１５，２２５に形成
されていない。水晶振動子１の周縁には電極１１１、導
出路１１３と一体に（電気的に接続された状態で）導電
帯１１５が形成されている。

この導電帯１１５は電極１１１、導出路１１３とともに
例えば金を蒸着して形成されている。尚、第７図に示す
水晶振動子１の裏面側（感温部材２２と対接する側）に
も同様に電極、導出路及び導電帯が形成されている。感
温部材２１，２２は上記のように導電帯１１５が形成さ
れた水晶振動子１の両面に密着して固着される。

これによつて感温部材２１，２２の接合部２１２，２２
２は導電帯１１５と接触し、感温部材２１，２２と電極
１１１，１１２とが電気的に接続された状態となり、水
晶振動子１の振動部で発生する電気信号が支持支柱２１
５，２２５を通して導出される。この第７図に示す構造
によれば水晶振動子１の周縁に金属の蒸着膜による導電
帯１１５が形成されていることにより水晶振動子１と感
温部材２１，２２との接合は半田付等により容易に行う
ことができる。

また第７図に示す構造では支持支柱２１５，２２５が開
脚状に形成されているが、これは水晶振動子１が一般に
極めて薄く形成されるので温度センサのプリント配線板
等への実装を考慮して採られた構成である。

尚、前記第２の実施例の構成においては熱伝導片２１４
，２２４の一対を温度センサの支持支柱及び電気信号の
導電路として使用することができる。

本発明に係る温度センサは水晶振動子の直径ににして約
５１！ｌφ〜１２１１φのものが実現可能である。

また、本発明に係る温度センサは小形、軽量に出来るこ
と、応答速度が速いこと、又温度センサ自体の熱容量が
小さくできること等の特性によつてラジオゾンデ等の飛
揚体に搭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
囚 感温部材の温度による変化を、測定精度の高い水晶
振動子の振動数の変化に変換して検出する機構を採つて
いるので、信頼性の極めて高い温度センサが得られる。

（８）感温部材をドーム形状としていることにより当該
感温部材の変化によつて生ずる応力が水晶振動子の周縁
に均等に加わるので、検出信号のリニアリテイ一がよい
温度センサが得られる。

（Ｃ）水晶振動板にＡＴカツト板等、結晶からの裁出が
容易で、かつ歩留りのよい１軸回転形の水晶振動板が使
用できるので低コストで量産性に豊んだ温度センサが得
られる。（自）感温部材の材質、形状等の選択により種
々の用途に応じた感度のものが容易に得られる。

（Ｄ感温部に熱伝導率が高くかつ熱容量の小さい部材を
使用しているので応答速度が速いものとすることができ
る。（ト）実施態様によつては水晶振動子に固着する部
材（感温部材）を利用して電気信号の導出路及び支持手
段が構成できるので構成の単純なものとすることができ
る。

（Ｇ）被測定温度を振動周波数で把握できるので複雑な
電気回路、例えばＡ−Ｄ変換回路等を必要とすることな
くデイジタル信号で測定値を検出できるのでデータのコ
ンピユータ処理等に非常に有益である。

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、用捺によつては感温部材を水晶振動子の片面に固着
した構造であつ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、第２図及び第３図は第１の実施例のそれぞれ平面図
、正面図及び第１図に於けるＡ一Ａ断面図、第４図及び
第５図は第２の実施例のそれぞれ平面及び第４図に於け
るＢ−Ｂ断面図、第６図及び第７図は温度センサの支持
構造及び電気信号の導出リード構造の例を第１の実施例
に即して示した分解斜視図である。 〔主な記号〕、１・・・・・・水晶振動子、１１１，１
１２・・・・・・電極、１１５・・・・・・導電帯、２
１，２２・・・・・・感温部材、２１１，２２１・・・
・・・感温部、２１２，２２２・・・・・・接合部、２
１３，２２３・・・・・・空気孔、２１４，２２４・・
・・熱伝導片、２１５，２２５・・・・・支持支柱、２
１６，２２６・・・・・・導電路。

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
   材をドーム状に形成した感温部材でなり、上記水晶振動
   子の周縁に上記感温部材をその裾部分で固着したことを
   特徴とする温度センサ。 ２ 水晶振動子を、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 感温部材を、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 感温部材が球曲面を有する特許請求の範囲第１項又
   は第３項に記載の温度センサ。 ５ 感温部材の裾部分周縁に熱伝導片を有する特許請求
   の範囲第１項、第３項又は第４項に記載の温度センサ。 ６ 感温部材と一体に支持支柱を形成した特許請求の範
   囲第１項、第３項〜第５項のいずれかに記載の温度セン
   サ。 ７ 支持支柱を電気信号の導出部とした特許請求の範囲
   第６項に記載の温度センサ。