JPS6025744B2 - 圧電振動素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直流から電磁波、構成の如何によって更にレ
ーザ、光等を被測定波としてその電力、電圧、電流を比
較的微小な値から比較的大きな値迄測定し得る電気、光
学計器を、理論、研究段階に留まらず、実践的に具体化
し、推めて行くために、それ等各計器類に用し、る圧電
振動子に用途に応じた構成を施したもの（以下一体的に
圧電振動素子として把える）に関するものである。

既に、本件出願人等は、各種圧電振動板の温度依存性に
よる固有周波数の変化に着眼し、一美験例として圧電振
動板に水晶板を選び、これにニッケルを蒸着して薄膜の
金属電気抵抗体を設け、この抵抗体に外部から被測定電
力（高周波、マイクロ波）を吸収させてジュール熱の発
生を画り、水晶板に温度上昇を生起させてその固有振動
周波数の変化を把え、被測定電力を計測する（勿論、そ
の測定電力値から電圧、電流値を得ることは容易である
）といった研究を試みている。

しかし、この研究の段階では当該圧軍振動子の構成その
ものについては特に詳らかにしてはおらず、また更には
しーザ、光等に至る迄、各々に適合し、測定し得るよう
な素子構成に就いても何等開示する所ではなかつた。従
って、斯様な研究に基づく電気・光学計器を実用に供す
るには、用途に適した更に具体的な圧電振動子の構成を
提供することが必要となる訳で、本発明の目的も将にこ
の点に尽きるのである。

もっとも、本発明の圧電振動素子の用途は、上述の研究
例のようなマイクロ波電力計等にあるのみでなく、広く
種々の分野、用途の機器に有効に応用し得るものである
。

従って一般的に乃至作用的に本発明を把えるときは、直
流から電磁波、更にはしーザ、光等に迄及ぶ圧電素子セ
ンサーとして把えて然るべきであり、本明細書でも以下
、その作用、効果の面から言及するときはセンサーとい
う語を用いることもある。ともあれ、本発明の構成の概
略は次のようなものである。

温度依存性の高い固有振動周波数を有する圧電振動板（
例えば水晶のように温度の変化に対して比較的大きな周
波数変化を有し、かつその変化が線形となるものが望ま
しい）の基本的には片面に被測定波（直流を含む；以下
同様）の電力吸収体として、直流から電磁波の周波数帯
城に用いる場合は適当な金属の電気抵抗体を蒸着等の適
宜な手段によって設け、レーザ、光等に関する周波数帯
城に用いる場合は、圧電振動板を圧電振動子として作用
させる時に通常用いられる発振用の薄膜の金属電極の一
方の上面に金黒、白金黒、カーボンブラック等を同じく
蒸着等の適宜な手段によって設ける。

置換法に依ってレーザ、光等の電力を測定することもで
き、その場合には上述の両種の電力吸収体を圧電振動板
（圧電振動子）の片面ごとに設ければ良い。構成概略は
このようなものであるが、以下には本発明の圧電振動素
子の実施例に就き、添付の図面に即し説明しよう。

尚、以下の説明では、蒸着等適宜な手段と記すのに代え
、実際的にも便宜な手段として、各電力吸収体、及び圧
電振動板を通常圧電振動子として作用させるための普通
に用いられている発振用電極は蒸着によって設けるもの
と想定しておく。また、本発明は極めて大雑把に謂えば
、通常用いられている圧電振動子に新たな構成を施した
素子として概念し得る事を付言しておく。さて、第ＩＡ
図に示す本発明の一実施例としての圧電振動素子３川ま
、直流から電磁波の周波数帯域に対して用いるものであ
って、圧電振動板１の片面（便宜上、こちらを表面とし
ておく）に、被測定波の電力吸収体としての金属の電気
抵抗体を薄膜をなすように葵着している。

この電力吸収体即ち抵抗体２の材質は適当な金属であれ
ば良く、金、銀、アルミニューム、ニッケル、クローム
等、更には適当な合金であっても差仕えない。この実施
例では、表面側に特に発振用電極を設けておらず、金属
抵抗体２で兼用させるようにしている。第ＩＢ図に示す
この実施例の圧電振動素子の裏面は、普通に用いられて
いる圧電振動子のそれとほぼ、同様で、通常この種の発
振用電極として使用される比較的電気抵抗の小さい金属
薄膜をこの場合円形に黍着して発振用電極４とし、その
周縁の一部分からこの電極用のりード５を一体的に引出
している。第ＩＡ図に示す抵抗体の形状、長さ、幅等は
、実際に使用する際、測定回路のインピーダンス整合等
々、種々の課題に合わせて所要定数により設定されるも
のであって殊更本発明で限定を要する性質のものではな
く、この点は以下の実施例における抵抗体或は金黒等を
黍着した電力吸収体等においても全く同様である。

ましてや、第ＩＢ図に示す裏面側の発振用電極及びその
リード、更には以下の実施例における表面側の発振用電
極等の形状、大きさ等は必要に応じ全く任意に定めて差
仕えない。また、第ＩＡ図に示すように、この実施例で
は金属の電気抵抗体２の両端に金属箔による電極リード
３，３が設けてあるが、これは圧電振動素子を何等かの
応用機器内の当該測定部位に固定する際、外部からの力
によって圧電振動板の固有振動周波数が変化したりＱ値
が低下したりする廉れを除くため、直接に固定すること
を避け、この電極リードを介して固定するようにすれば
具合が良いからである。但し、これは細いリード線、他
の適宜な薄い誘電体等でもよく、この点もまた、以下の
実施例における電極リード３，３に就いて同様に考えら
れたい。渚、第ＩＣ図に示す実施例の圧電振動素子３０
は、レーザ、光等における帯城に対して用いるものであ
って、被測定波の電力吸収体６は、片面側（図示側；表
面側）に設けられた上述のように通常用いられているこ
の場合円形の金属薄膜の発振用電極７上に、金黒、白金
黒、カーボンブラック等（以下金黒等とする）のエネル
ギー吸収体を適宜な面積分蒸着して形成してある。

この実施例の裏面の構成は、第一の実施例のそれ、つま
り第ＩＢ図に示すものと同様で良い。第２Ａ図に表面側
を示した実施例における圧電振動素子３川ま、第ＩＡ，
Ｂ図に示したものと同様に直流から電磁波の帯城にある
被測定波用のものであるが、異なる所は、電気抵抗体と
表面側の発振用電極とを分離して個々に備えている点に
ある。

つまり、圧電振動板１の表面にこの場合円形の中央部を
割抜いた形の環状の（他にも種々の形状が考えられ、例
えば角形の枠のようなものが考えられる）発振用電極用
電極８を先づ蒸着しておき、その上面に適宜な電気絶縁
体９を施してからこの環状の発振用電極８の内側に必要
に応じて適当な面積分、電気抵抗体１０を蒸着したので
ある。図面ではこの電気抵抗体１０をいかにもそれらし
く図式的に示し、その両端から絶縁体９の施された発振
用電極８上を通してＩＪード１１，１１を引出している
。裏面の構成は第ＩＢ図に示すものと同様で良い。第２
Ｂ図は、レーザ、光等の帯城に用いるように、第２Ａ図
に示すものの電気抵抗体の代わりに、金黒等の電力吸収
体６を環状の電極８の内側に蒸着したものである。

この場合は、電気絶縁体を特に設ける必要はないが、こ
こでもまた、裏面の構成は第ＩＢ図に示すものと同機で
良い。第３図に示す実施例は、第２Ａ図に示したそれに
若干の変更を加えたもので、表面側の発振用電極を分割
し、半環状の発振用電極１３，１３としている。従って
、その内側に蒸着した電気抵抗体１０のリード１１，１
１はこの両発振用電極１３，１３間の隙間を通して引出
すことができるため、発振用電極１３，１３上に特に絶
縁処理を施す必要はないことになる。なお、この電極形
状もまた既に述べたように、図示の形状に限らず、例え
ばコの字形を突合わせたような形状も考え得る。裏面の
形状はこれもまた第ＩＢ図に示したもの 古 で・
し、第４Ａ，Ｂ図に示す実施例は、測定に置換法（比
較法）を探る時に用い得るように構成したものである。

これは、上記の各種の実施例から適当なものを組合わせ
ることができるが、この場合の構成は、先づ、第４Ａ図
に示すように庄電振動板１の片面に発振用電極７を適宜
蒸着し、その上に金黒等の電力吸収体６を蒸着してレー
ザ、光等の帯城にある被測定波を受けるようにする。次
に、第４Ｂ図に示すように圧電振動板１の他の面には例
えば第３図に示したような構成を行う。つまり、この場
合半環状の電極１３，１３を向かい合わせに黍着し、両
者の隙間かちりード１１，１１を引出すようにそれ等の
内側に電気抵抗体１０を蒸着し、これで比較に用いるべ
き直流から電磁波に至る帯域内の任意の周波数（直流を
含む）の電力を吸収するようにしているのである。勿論
、比較測定する以上、圧電振動板１の第４Ａ図側の面に
レーザ、光等を入射させて発熱させた時の熱分布と、第
４Ｂ図側の電気抵抗体１川こ電力を吸収させた時の熱分
布とが等しくなるように両電力吸収体の形状等を相対的
、相関的に定めてやる必要がある。以上、本発明の庄電
振動素子そのものの実施例に就きその数例を挙げて説明
したが、本発明の権利範囲は当然に具体的な応用機器に
まで及ぶべきものであり、以下に数例の応用例を、それ
も極めて概略的にであるが図面を附して説明する。

先づ、直流から高周波の領域の被測定波に対してその電
力値、ひいては電圧、電流値の測定を行う場合は、被測
定波を流す線路、例えば第５Ａ図に示すようなシールド
効果のある同軸線路２０，２１や第５Ｂ図に示すような
矩形の平行板形の線路２２，２３に例えば第ＩＡ，Ｂ図
の構成を探る本発明の圧電振動素子乃至圧電素子センサ
ー３０を接続し、発振用電極からのりード５′を発振回
路を含む測定器系２４に接続することによって当該被測
定信号の受信部を構成している。ミリ波、マイクロ波等
の呼称で概念される周波数帯城の被測定波に対しては、
第６Ａ，Ｂ図に例示するような裾付け具合となる。

第６Ａ図は、矩形の断面を持つ導波管の外壁を外して見
た図で、両フランジ２５，２５の間に本発明の圧電素子
センサー３０を収め、リード５′で測定器系２４に接続
しており、第６８図は断面が円形である導波管の両環状
フランジ２６，２６の間に、この場合円形の圧電振動板
１′の片側全面に電力吸収体を蒸着した本発明の庄電素
子センサー３０′を収めたものである。特に、第６Ｂ図
に示すように、圧電振動板の片側全面に電力吸収体を黍
着すれば、マイクロ波、ミリ波等でのモードに関する困
難な問題も解決するため、大変好都合である。レーザ、
光等光学的な測定分野に用いる時は、圧電素子センサー
を例えば第７図に概略的に示すように適当な保護カバー
内に収めて、保護、シールドして用いるのが良い。

図示のものは置換測定を考慮して第４Ａ，Ｂ図に示した
ものと同等の、但し外形は円形の圧電素子センサー３０
″を保護器４０に収め、保護カバー４１を被せている。
測定器系等各機器に接続するりード線は特に図示してな
いが、適宜に保護器を貫いて乃至適当な手段を介して外
部へ引出してやれば良い。尚、光等の入射方向は図の矢
印１方向である。以上詳述したが、本発明の圧電振動素
子は大変有効な素子であり、従来からのサーモカッブル
、ボロメータ素子、光学における光電素子等では果たし
得ない効果を奏することができる。

最後に、その効果に就いて若干の列記を以つて触れてお
くこととする。‘ａ’本発明の素子（熱センサー）によ
って検出される出力は周波数であるから、デジタル表示
が極めて容易となる。

‘ｂ｝ 圧電振動板、例えば水晶片等は物理的に非常に
安定であると共にその高いＱに依存して測定出力周波数
の分解能は極めて良好であり、測定系の精織を究めるこ
とができる。

｛ｃー 本発明の素子は直流から電磁波、更にはしーザ
、光等の領域に亘る極めて広い周波数帯城、および数仏
Ｗから数十Ｗの広いパワー領域に対してほんの微かな構
成の変更により処し得る極めて有効なセンサーとして働
くことができる。

｛ｄ）置換法を施さない測定方法ならばリード出力は発
振回路に接続する−本だけで済む。‘ｅ）抵抗体若しく
は金黒等の電力吸収帯によって直接振動板が熱せられる
ので、マイクロ波、ミリ波の測定に用いる時もそのモー
ドに関する困難な問題も、吸収体を振動板の片側全面に
設けることで容易に解決することができる。

‘ｆ｝ 非常に分解能が良い素子であることは前述の通
りで、振動板に水晶片を用いた実験例では、本発明の圧
電素子センサーは１のＨＺに於て３〃Ｗ／０．１日２の
感度を有し、数Ｗのオーダーになってもこの３仏Ｗ／０
．１ＨＺの分解能を維持し得ることが証明された。

この感度はオーバトーンを使ってやれば更に向上するこ
とが期待できる。（ｇ） 圧電振動板の選び方如何で例
えば一２０℃から十６０℃に至る広い温度範囲内での使
用が可能である。

（ｈ）前記のように検出される出力が周波数であり、基
本発振周波数を用途に応じ適宜変えることができるので
、例えば無線用周波帯の圧電振動素子を使用すれば、送
信、受信回路が簡単になり、このセンサー自身、リモー
トセンサーとして広い応用が期待できる。（ｉ） 本発
明の素子を応用すれば、計測技術の新分野であるテレメ
タリング制御計測器の開発が簡単になり、広域計測分野
での汎用性は非常に大きなものとなる。

（ｉ） 実際の測定にあたって、温度ドリフトを補償す
ることも一寸した工夫で容易である。

例えば、測定用のセンサーとは別に同種のセンサーを測
定用センサーの収められているのと同じ構造、同じ環境
の中に置き、夫々の出力周波数をミキシングしてその差
の周波数を出力として採出す等の処置をすれば済むので
ある。（ｋ） レーザ、光等の測定に際し、熱電対を使
用する場合、感度の向上を画るため多数の熱電対を張合
わせなければならないが、本発明の素子はそれ自体がセ
ンサーとなっているので非常に有利である。

（１） 特に本発明の第１番目の発明は、励振用電極に
エネルギー吸収体を兼用させたので、すなわち、圧電振
動電極自身に直流から電磁波、光の領域に亘る吸収体と
しても作用する発振用電極としたので、構成が非常に簡
単で正確な測定を行うことができる。

（ｍ） また、特に本発明の第２番目の発明は、励振用
電極を環状に構成し、この内部にエネルギー吸収体を設
けたので、エネルギー吸収体と励振用電極とは切離せる
ので、種々のエネルギー吸収体を設けることができる。

（ｎ） さらに、特に本発明の第３番目の発明は、圧電
振動板の一方の面にエネルギー吸収体を設け、他方の面
に励振用電極を環状に、しかも中央で分離して形成し、
この環状内に電気抵抗体を配置したので、簡単な構成で
置換法による測定ができる。しかも、電気抵抗体のりー
ド線の引出しが環状の励振用電極の中央の分離部分を通
せるので、都合がよい。

【図面の簡単な説明】

第ＩＡ図は本発明の圧電振動素子の第一の実施例をその
表面側で概略的に示し、素子の厚みを斜視的に表した正
面図、第ＩＢ図は同じく第一の実施例の第ＩＡ図と同様
の背面図、第２Ａ図は本発明の圧電振動素子の第二の実
施例の第ＩＡ図と同様の正面図、第２Ｂ図は本発明の第
三の実施例の第ＩＡ図と同様の正面図、第３図は本発明
の第四の実施例の第ＩＡ図と同様の正面図、第４Ａ，Ｂ
図は夫々本発明の第五の実施例の夫々第ＩＡ図と同様の
正面図、背面図、第６図は本発明の圧電振動素子を同軸
線路内の当該測定部位に応用する様子を示した干鰯略図
、第５Ｂ図は同じく平行板形の線路内の当該測定部位に
応用する様子を示した概略図、第６Ａ図は本発明の圧電
素子を矩形の導波管内に収めて応用する様子を示す導波
管の外壁を削除して示した概略図、第６Ｂ図は同じく円
形（環状）の導波管内に収めて応用する様子を示す同じ
く導波管の外壁を削除して示した概略図、第７図は光学
の分野での測定に用いる際、本発明の圧電振動素子一例
としての保護器内に収めた様子を示す保護器カバーを一
部破砕して内部を著した概略図、である。 図中、１は圧電振動板、２は発振用電極を兼ねる電気抵
抗体による電力吸収体、４，７は発振用電極、６は金黒
等の電力吸収体、８は中劉の発振用電極、９は電気絶縁
体、１川ま電気抵抗体による電力吸収体、１３は中数の
発振用電極を分割した各々の発振用電極、２０，２１は
同軸線路、２２，２３は平行板形の線路、２４は測定器
系、２５，２６は夫々矩形、環状形の導波管のフランジ
、４０は保護器、４１はそのカバー、３川ま全体として
の本発明の圧電振動素子乃至圧電素子センサー、である
。 第１図 第１図 第２図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 両面に対向して設けられた励振用電極への電圧印加
   によつて発生する振動周波数が温度変化に依存する度合
   が大きい圧電振動板において、前記圧電振動板の励振用
   電極の少なくとも一方を、被測定エネルギーを吸収して
   発熱する材料で構成したことを特徴とする圧電振動素子
   。 ２ 両面に対向して設けられた励振用電極への電圧印加
   によつて発生する振動周波数が温度変化に依存する度合
   が大きい圧電振動板において、前記圧電振動板の励振用
   電極の少なくとも一方を環状に構成し、この環状内の前
   記圧電振動板上に被測定エネルギーを吸収して発熱する
   材料で構成されたエネルギー吸収体を設けたことを特徴
   とする圧電振動素子。 ３ 両面に対向して設けられた励振用電極への電圧印加
   によつて発生する振動周波数が温度変化に依存する度合
   が大きい圧電振動板において、前記圧電振動板の一方の
   面にエネルギー吸収体を設け、他方の面の励振用電極を
   環状にかつ中央で分離して構成し、前記環状内に被測定
   電力を較正するのに用いる発熱導電薄膜かうなる電気抵
   抗体をを配置し、この電気抵抗体のリード線を前記励振
   用電極の中央の分離部分から外部へ引出したことを特徴
   とする圧電振動素子。