JPS6210371B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水晶振動板を応力検出用の感圧振動
素子として使用した場合の感圧振動板の保持台に
関する。

近年、応力および温度等の検出センサは、測定
対象の拡大、精度の向上等、特に工業計測の分野
で質，量ともに著しい発展を呈してきた。

しかし、従来品においては応力や温度といつた
機械的および物理的諸量を電気信号に変換する過
程においてアナログ的に処理するものが多く、こ
のため高い精度を得るには多くの複雑な補正手段
を用いねばならなかつた。

これに対し、水晶振動板は古くから安定な周波
数を提供する振動体として、無線通信や計時手段
等に広く使用されており、周波数をデイジタル量
として処理することにより、容易に高精度測定を
行なうことができる。

一方、安定な周波数で振動する水晶振動板は、
板面に平行な外部応力を印加することにより、振
動周波数を可変することができる。この応力一周
波数特性を用い、周波数をデイジタル的に処理す
る、いわゆるデイジタル形の応力検出用のセンサ
が実用に供されるようになつてから、伝送路線，
増幅器の特性の変化および電源電圧の変動等によ
る誤差が非常に小さい、高精度の力センサが着目
されるに至つた。

しかし、水晶振動板を力センサ、例えば水晶感
圧トランスジユーサとして応用する場合、その性
能の優秀さにもかかわらず、振動板に外部応力を
印加するための応力伝達機構、ならびにその保持
手段が困難なため、上記感圧トランスジユーサの
実用化をを妨げていた。

その主な理由は、感圧素子に用いる結晶体とし
ての水晶が異方性でかつ脆性材料のため、水晶振
動板の線熱膨張係数が方向によつて異なり、金属
材料を用いた応力伝達機構との接合が容易でな
く、かつ線熱膨張係数の差による誤差が生じ、ま
た穿孔，研削等の加工性が悪く、塑性変形加工が
不可能などによるものであつた。

本発明は上記の問題を解決し、水晶結晶体より
截出し加工して製作した保持台により水晶振動板
を保持し、かつ上記保持台の截出し方向を該振動
板の感圧軸方向と一致させるようにし、さらに上
記保持台の厚さ方向の線熱膨張係数を、保持台取
付部の金属材料と等しくしたものである。

以下、図面によつて詳細に説明する。

第１図は水晶結晶体の結晶軸と、これから截出
される感圧振動板の截出角との関係を示し、矩形
板状の感圧振動板１は、１辺（Ａ辺）をＸ軸方向
に、これと直角方向の他辺（Ｂ辺）をＸ軸を中心
に角度θでけ回転した方向に截に出される。ここ
で、２は感圧振動板の表，裏に設けた電極、Ｆ，
F′は力センサとして測定すべき、（この場合は一
例として圧縮方向の）外部応力を示す。

すなわち、このようにして構成された感圧振動
板に外力Ｆ，F′を加えるときは、その振動周波
数は外力Ｆ，F′の大きさに対応して変化する。

第２図は、この感圧振動板を２個用いて差動的
に動作するようにした感圧トランスジユーサの一
例を示し、３，４は感圧振動板、５は保持台であ
る。この場合、感圧振動板３，４は第１図に示し
た応力Ｆ，F′を印加されるべき部分Ｃ，Ｄを保
持台５に適当な手段で接着，固定されている（接
着部分は第２図には上側の感圧振動板３のみに示
す）。

保持台５は１端５Ａを外部に固定され、他端５
Ｂに外力Ｆ_pが加えられると、保持台５は外力Ｆ_p
によりきわめて微少ではあるが自由端５Ｂが下方
に屈撓されるため、図示の上側の感圧振動板３に
は矢印Ｅのように伸長方向，下側の感圧振動板４
には矢印Ｇのように圧縮方向の応力が加わり、こ
れぞれ振動周波数が反対方向に変化する。すなわ
ち、保持台５は感圧振動板を保持すると共に応力
伝達機構として作用し、感圧振動板３，４は差動
的に動作して振動周波数はそれぞれ正，負方向に
反対に変化するため、両周波数の差周波数をとれ
ば、外部応力に比例した信号出力が得られ、高感
度の感圧トランスジユーサとして作用する。

第３図は、第２図に示した感圧トランスジユー
サを圧力差測定装置として用いた場合の原理説明
図を示し、６は感圧コトランスジユーサ、７，８
はそれぞれ圧力Ｐ_A，Ｐ_Bなる気体または液体を加
えられたベロー、９は感圧トランスジユーサ６お
よびベロー７，８を取付けるためのフレームであ
る。

この場合、ベロー７，８が全く同一形状のもの
とすれば感圧トランスジユーサ６にはベロー７，
８を通じて加えられた圧力差（Ｐ_A〜Ｐ_B）に対応
した応力が作用し、感圧振動板３，４に伸長，圧
縮の各方向の応力が伝達され、各振動周波数の
正，負方向の変化として表われる。

ここで、感圧トランスジユーサ６に加わる応力
は圧力差であるためきわめて微小なものであり、
これを検出するには、感圧振動板３，４は動作が
安定なことが必要である。従来は感圧トランスジ
ユーサの保持台５には各種の材質のものが用いら
れていたが、いずれもその熱膨張係数が使用温度
範囲で感圧振動板と一致せず、このため周囲温度
のわずかな変化によつて誤差を生じ、動作がきわ
めて不安定なことが避けられなかつた。

本発明においては、従来の感圧トランスジユー
サの動作の不安定なことは、上記のように感圧振
動板と保持台との熱膨張の差に基づくものである
ことを解明し、この欠点を解消するため、感圧ト
ランスジユーサの保持台の熱膨張係数を使用温度
範囲において感圧振動板と同一に保たれるように
したものである。これは、保持台を感圧振動板と
同様に水晶結晶体より截出すと共に、その截出角
を適当にすることにより達成することができる。

すなわち第１図および第２図に明らかなよう
に、 (1) 感圧振動板の外部応力を加えられるＡ辺方向
と、保持台の感圧振動板保持方向（第２図にお
けるＨ方向）との熱膨張係数が等しく、 (2) 第３図に示すように、保持台の固定端すなわ
ちフレーム９により保持される保持台端部の厚
さ方向の熱膨張係数が、フレーム９を構成する
鉄材等の線熱膨張係数と等しい。

ことが必要である。よつて第４図に示すように、
保持台５の截出方向を、その感圧振動板保持方向
（前記Ｈ方向）を感圧振動板と同様に、水晶結晶
体のＸ軸方向とすることにより、上記の条件(1)が
満足される。

次に条件(2)について説明する。第４図における
Ｘ軸を中心とした回転角θ′を変化させた場合、
截出した保持台の厚さ方向の線熱膨張係数は次式
で表わされる。

α_t＝13.71−6.23sin²θ′（×10^-6／℃） ……(1) すなわち上式より、保持台の厚さ方向の線熱膨
張係数は、θ′＝０゜のときの7.48からθ′＝90゜
のときの13.7（いずれも×10^-6／℃）の範囲で変
化できることがわかる。

これに対し、フレームを構成する金属材料の線
熱膨張係数は、 鉄：11.7×10^-6／℃ ニツケル：12.8×10^-6／℃ であり、その合金類も同等の範囲にある。よつ
て、保持台の厚さ方向の線熱膨張係数を上記の鉄
と一致させるＸ軸の回転角θ′は、34゜36′とな
る。この回転角は、保持台の厚み方向であるとこ
ろのY′軸上の線熱膨張係数である。従つて第３
図の実施例に示したように、鉄で構成されたフレ
ームで締付けた場合、保持台の締付方向におい
て、両部材の線熱膨張係数を一致させる回転角で
ある。鉄以外の材料においても(1)式により、保持
台を截出す場合の回転角θ′を可変することによ
り、7.48〜13.7×10^-6／℃の範囲で、該保持台の
線熱膨張係数を締付部材の該係数に一致させるこ
とができる。

一方、感圧振動板の保持方向（又は感圧方向）
であるＸ軸方向の線熱膨張係数は、上記の回転角
θ′には関係なく一定である。

次に、水晶結晶体の線熱膨張係数による熱歪の
様相を、数値例でもつて具体的に説明する。

水晶結晶体の３軸方向における各線膨張係数α
は次の通りである。

α₁₁＝α₂₂＝13.71×10^-6／℃ α₃₃＝7.48×10^-9／℃ ここで、α₁₁はＸ軸，α₂₂はＹ軸，α₃₃はＺ軸
の各方向の線膨張係数を示す。

仮りに、保持台の長手方向をＸ軸でなくＺ軸方
向とした場合、Ｘ，Ｚ各軸方向の線熱膨張係数の
差は、6.23×10^-6／℃である。保持台の感圧振動
板取付部の距離を10mmとし、100℃の温度変化が
生じたとすれば、保持台の取付部と感圧振動板と
の熱膨張の差は、 6.23×10^-6×10（mm）×100（℃） ＝6.23×10^-3mm すなわち、6.23μｍもの大きな値となり、これは
水晶のＸ軸方向の破壊限界値400μST （×10^-6）から算出した限界値４μｍを越えるもの
で、感圧振動板を破壊することにもなる。よつ
て、保持台の材質を水晶とし水晶結晶体から截出
す場合、結晶軸方向および截出角度を正しくとる
ことが必要である。

また保持台は、以上の説明においては２個の感
圧振動板を差動動作させるものとしたが、本発明
は必ずしもこれに限ることなく、１個の感圧振動
板を動作させる場合の保持台にも適用することが
できる。

以上詳述したように、感圧振動板の保持台を、
その感圧振動板取付方向を水晶結晶体のＸ軸方向
となるようにし、かつＸ軸を中心とした回転角を
選定して、保持台を取付けるフレームを構成する
金属材料と線熱膨張係数を等しくすることによ
り、温度変化による測定誤差を生じるおそれのな
い、高感度かつ動作の安定した感圧トランスジユ
ーサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は水晶結晶体の結晶軸と感圧振動板の截
出角との関係を示す説明図、第２図は感圧トラン
スジユーサの外形を示す斜視図、第３図は感圧ト
ランスジユーサを圧力差測定装置に用いた状態を
示す説明図、第４図は本発明による水晶結晶体か
ら截出された保持台の截出角と結晶軸との関係を
示す説明図である。 ３，４……感圧振動板、５……保持台、９……
保持台取付用フレーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 板面を水晶結晶体のＸ軸方向に截出され上記
   Ｘ軸方向に外力が印加されたとき上記外力に応じ
   て振動周波数を変化する感圧振動板を保持すると
   共に、外部応力の上記感圧振動板への伝達機構と
   して作用する保持台において、上記保持台は水晶
   結晶体より截出され、かつその截出し時に、上記
   保持台の上記感圧振動板保持方向を水晶結晶体の
   Ｘ軸方向とすると共に、さらにその厚み方向の線
   熱膨張係数が上記保持台を固定する外部取付機構
   の線熱膨張係数と等しくなるように、上記感圧振
   動板保持面となる截出面の水晶結晶体のＸ軸を中
   心とした回転角を選定したことを特徴とする感圧
   振動板保持台。