(57)【要約】【課題】  桁数の多いカウンタが不要であると共に簡易な演算でセンサ信号処理が可能なセンサ装置を提供すること。【解決手段】  それぞれ振動子を有した第１のセンサ１Ａ及び第２のセンサ１Ｂと、第１のセンサ１Ａに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第１の周波数として検出する第１の発振回路部１２Ａと、第２のセンサ１Ｂに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第２の周波数として検出する第２の発振回路部１２Ｂと、第１の発振回路部１２Ａと第２の発振回路部１２Ｂとに接続され第１の周波数と第２の周波数との差を差分信号として出力する減算回路部１３と、該減算回路部１３に接続され差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出するローパスフィルタ回路部１５と、を備えている。【選択図】図１
2010216896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ振動子を有した第１のセンサ及び第２のセンサと、
前記第１のセンサに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第１の周波数として検出する第１の発振回路部と、
前記第２のセンサに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第２の周波数として検出する第２の発振回路部と、
前記第１の発振回路部と前記第２の発振回路部とに接続され前記第１の周波数と前記第２の周波数との差を差分信号として出力する減算回路部と、
該減算回路部に接続され前記差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出するローパスフィルタ回路部と、を備えていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ装置において、
前記減算回路部と前記ローパスフィルタ回路部との間に検波回路部が接続されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のセンサ装置において、
前記振動子が、ランガサイト単結晶で形成されたランガサイト振動子であることを特徴とするセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子を使用した圧力センサや湿度センサ等を一対備えたセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水晶振動子等の振動子を使用した圧力センサ等の検出方法として、例えば特許文献１や特許文献２には、２つの水晶振動子を使用することにより温度補償を行い、計算やＤ−ＦＦを使用して発振周波数の差（ビート）を求めることにより２つの水晶振動子の圧力差を検出する技術が知られている。
【０００３】
すなわち、上記特許文献１に記載の圧力検出器では、２つの水晶振動子に接続された発振信号検出回路から出力される発振周波数を両方ともアップダウンカウンタでカウントし、これに基づいてデータ処理回路で圧力値を求めている。
また、上記特許文献２に記載の圧力センサユニットでは、２つの圧力センサに接続された発振回路から出力される共振周波数を分周回路でそれぞれ低い周波数に分周し、これら両方をカウンタでカウントすると共に演算回路でカウント数差を求めることで、カウント数差に対応する圧力値を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１８９５２８号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開平３−２４８０２８号公報（特許請求の範囲）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記特許文献１及び２に記載の技術では、高分解能の検出を行うために、多くの桁数を精度良くカウント可能なカウンタが必要である。例えば、使用する振動子の発振周波数が１０ＭＨｚの場合、高精度・高分解能で検出するには、１Ｈｚ程度の測定精度が必要であり、７桁以上の精度を有する高コストなカウンタが必要になる。また、測定回路等の十分なノイズ対策も必要となると共に、使用する振動子の周波数安定性（温度・経時変化）も測定精度に影響を与えてしまう不都合があった。加えて、特許文献１の技術では、振動子の圧力差が、検出カウントに反比例し、高精度・高分解能な検出を行う場合、カウント用周波数（この場合、振動子の発振周波数）が十分高い必要があり、複雑な演算が必要となる。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、桁数の多いカウンタが不要であると共に簡易な演算でセンサ信号処理が可能なセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のセンサ装置は、それぞれ振動子を有した第１のセンサ及び第２のセンサと、前記第１のセンサに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第１の周波数として検出する第１の発振回路部と、前記第２のセンサに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第２の周波数として検出する第２の発振回路部と、前記第１の発振回路部と前記第２の発振回路部とに接続され前記第１の周波数と前記第２の周波数との差を差分信号として出力する減算回路部と、該減算回路部に接続され前記差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出するローパスフィルタ回路部と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
このセンサ装置では、第１の周波数と第２の周波数との差を差分信号として出力する減算回路部と、差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出するローパスフィルタ回路部と、を備えているので、減算回路部でビート信号となる差分信号を検出し、さらにローパスフィルタ回路部で高周波ノイズを除去することでカウントパルス出力としてビート周波数が検出される。すなわち、２つの振動子の発振周波数の差（ビート）そのものをカウントすることができ、桁数の多いカウンタが不要となる。また、カウント値そのものが検出対象値そのものとなり、複雑な演算も不要であり、初期状態のカウント値を差し引くだけで、検出対象値と比例関係にある結果が得られる。
【０００９】
また、本発明のセンサ装置は、前記減算回路部と前記ローパスフィルタ回路部との間に検波回路部が接続されていることを特徴とする。
すなわち、減算回路部から出力される差分信号の波形によってはローパスフィルタ回路部が有効に働かない場合があるが、本発明のセンサ装置では、減算回路部とローパスフィルタ回路部との間に検波回路部が接続されているので、検波回路部を入れることで、ローパスフィルタ回路部での低周波成分の良好な取り出しが可能になり、より高い精度でカウントすることが可能になる。
【００１０】
また、本発明のセンサ装置では、前記振動子が、ランガサイト単結晶で形成されたランガサイト振動子であることを特徴とする。
すなわち、このセンサ装置では、振動子が、水晶に比べて耐熱性及び耐久性に優れたランガサイト単結晶で形成されたランガサイト振動子であるので、高温環境でも高精度・高分解能な圧力検出や湿度測定を行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るセンサ装置によれば、第１の周波数と第２の周波数との差を差分信号として出力する減算回路部と、差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出するローパスフィルタ回路部と、を備えているので、２つの振動子の発振周波数の差（ビート）そのものをカウントすることができ、桁数の多いカウンタが不要となると共に、高速なＣＰＵ等による複雑な演算が不要となる。したがって、低コストな回路構成で精度良く各種センサの信号処理が可能となる。また、２つの振動子として同一の物を使用することにより、良好な温度補正も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るセンサ装置の一実施形態において、センサ信号処理回路を示す回路ブロック図である。
【図２】本実施形態において、センサ信号処理回路を示す回路図である。
【図３】本実施形態において、第１のセンサ及び第２のセンサを示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図５】本実施形態において、シミュレーションによる第１のセンサの発振周波数の波形を示すグラフである。
【図６】本実施形態において、シミュレーションによる第２のセンサの発振周波数の波形を示すグラフである。
【図７】本実施形態において、シミュレーションによる減算回路部で減算処理された差分信号の波形を示すグラフである。
【図８】本実施形態において、シミュレーションによる検波回路部から出力された信号の波形を示すグラフである。
【図９】本実施形態において、シミュレーションによる図５〜図８の各波形を並べて示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るセンサ装置の一実施形態を、図１から図９を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１４】
本実施形態のセンサ装置は、図１及び図２に示すように、それぞれ振動子を有した第１のセンサ１Ａ及び第２のセンサ１Ｂと、第１のセンサ１Ａに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第１の周波数として検出する第１の発振回路部１２Ａと、第２のセンサ１Ｂに接続されてその振動子を発振させると共に発振周波数を第２の周波数として検出する第２の発振回路部１２Ｂと、第１の発振回路部１２Ａと第２の発振回路部１２Ｂとに接続され第１の周波数と第２の周波数との差を差分信号として出力する減算回路部１３と、減算回路部１３に接続された検波回路部１４と、該検波回路部１４に接続され差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出するローパスフィルタ回路部１５と、を備えている。
【００１５】
上記第１のセンサ１Ａ及び第２のセンサ１Ｂは、図３及び図４に示すように、感応膜に水分子を吸着させて水分を検出する湿度センサや、振動子の共振周波数の変化から圧力を検出する圧電素子である圧力センサなどである。これら第１のセンサ１Ａ及び第２のセンサ１Ｂは、例えば、調理機器やエアコン・掃除機等の家庭電化機器や、各種産業用の装置に利用可能である。
【００１６】
なお、本実施形態では、図３及び図４に示すように、湿度センサである第１のセンサ１Ａ及び第２のセンサ１Ｂを採用している。この湿度センサである第１のセンサ１Ａ及び第２のセンサ１Ｂは、基板３と、該基板３の表裏面上に成膜された一対の電極膜４と、これら電極膜４上に成膜された一対の上記感応膜２と、を備えている。
【００１７】
上記基板３は、振動子であって、ランガサイト単結晶で形成されたランガサイト振動子である。
なお、ランガサイト（Ｌａｎｇａｓｉｔｅ：Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）単結晶は、キュリー温度が水晶よりも高く高温領域で使用可能な材料であって、温度による弾性波伝搬速度、周波数の変化率が小さく、圧電性の大小を表す電気機械結合係数（電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換効率を示す係数）が水晶に比べて大きいことから、圧電デバイス用や弾性波デバイス用の基板材料として優れている。
【００１８】
上記感応膜２は、感湿材料として繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されている。また、感応膜２は、微細炭素繊維の分散液を電極膜４上に塗布して乾燥させた膜である。また、上記微細炭素繊維は、カーボンナノチューブである。
【００１９】
上記電極膜４は、金属膜であって、例えば表面側がＡｕで形成されていると共に裏面側がＣｒで形成されている。
これら第１のセンサ１Ａ及び第２のセンサ１Ｂでは、振動モードとして例えばランガサイト振動子となる基板３の厚み方向の上下表面がそれぞれ対向方向にすべるような振動モードである厚みすべり振動を利用して、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ帯域の周波数をカバーして共振周波数の変化を検出可能である。
【００２０】
上記第１の発振回路部１２Ａは、図２に示すように、第１のセンサ１Ａに接続された抵抗Ｒｆ１，Ｒｄ１、インバータＵ１−１、波形整形用のインバータＵ１−２、一対のコンデンサＣ１，Ｃ２で構成されている。
また、上記第２の発振回路部１２Ｂは、図２に示すように、第２のセンサ１Ｂ接続された抵抗Ｒｆ２、抵抗Ｒｄ２、インバータＵ１−３、波形整形用のインバータＵ１−４、一対のコンデンサＣ３，Ｃ４で構成されている。
【００２１】
上記減算回路部１３は、インバータＵ１−２及びインバータＵ１−４に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、オペアンプＵ２で構成されている。
上記検波回路部１４は、オペアンプＵ２に接続されたショットキーバリアダイオードである。
上記ローパスフィルタ回路部１５は、検波回路部１４であるショットキーバリアダイオードに接続された抵抗Ｒ５、コンデンサＣ５で構成されている。なお、このローパスフィルタ回路部１５には、負荷抵抗ＲＬが接続されている。
【００２２】
次に、本実施形態のセンサ装置におけるセンサ信号処理について、シミュレーションによる波形を示した図５から図９を参照して説明する。
【００２３】
まず、第１の発振回路部１２Ａにおいて、それぞれ第１のセンサ１Ａの振動子の発振周波数を第１の周波数として検出すると共に、第２の発振回路部１２Ｂにおいて、それぞれ第２のセンサ１Ｂの振動子の発振周波数を第２の周波数として検出する。このとき、第１の発振回路部１２Ａにおける第１の周波数は、例えば図５に示す信号波形となると共に、第２の発振回路部１２Ｂにおける第２の周波数は、例えば図６に示す信号波形となる。
【００２４】
次に、減算回路部１３において、第１の周波数と第２の周波数との差をビート信号となる差分信号として出力する。このとき、減算回路部１３で減算処理された差分信号は、図７に示す波形となる。
さらに、検波回路部１４において、図８に示すように、差分信号の波形が整流される。
そして、ローパスフィルタ回路部１５において、差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出する。すなわち、高周波ノイズを除去することでカウントパルス出力としてビート周波数が検出される。なお、図９に、図５〜図８の各波形を並べて示す。
【００２５】
このように本実施形態のセンサ装置では、第１のセンサ１１Ａの第１の周波数と第２のセンサ１１Ｂの第２の周波数との差を差分信号として出力する減算回路部１３と、差分信号から低周波成分を取り出してビート周波数として検出するローパスフィルタ回路部１５と、を備えているので、２つの振動子の発振周波数の差（ビート）そのものをカウントすることができ、桁数の多いカウンタが不要となる。また、カウント値そのものが検出対象値そのものとなり、複雑な演算も不要であり、初期状態のカウント値を差し引くだけで、検出対象値と比例関係にある結果が得られる。
【００２６】
また、減算回路部１３とローパスフィルタ回路部１５との間に検波回路部１４が接続されているので、検波回路部１４を入れることで、ローパスフィルタ回路部１５での低周波成分の良好な取り出しが可能になり、より高い精度でカウントすることが可能になる。
さらに、振動子となる基板３が、水晶に比べて耐熱性及び耐久性に優れたランガサイト単結晶で形成されたランガサイト振動子であるので、高温環境でも高精度・高分解能な圧力検出や湿度測定を行うことが可能になる。例えば、オーブンレンジ内、自動車吸排気又は焼却炉内の測定に好適である。
【実施例１】
【００２７】
次に、本発明に係るセンサ装置を、実際に作製した実施例により評価した結果を具体的に説明する。
【００２８】
まず、本発明のセンサ装置を湿度センサとして使用した実施例において、温度を変えた場合の湿度に対するカウンタ出力値（周波数）について評価した結果を、以下の表１に示す。この評価では、温度を、２５℃，５０℃，７５℃にそれぞれ変え、湿度を、１０％ＲＨ，５０％ＲＨ，９０％ＲＨに変えた場合で調べた。
【００２９】
使用した第１のセンサ及び第２のセンサは、上述した本発明の実施形態と同様に、それぞれ感湿材料である感応膜を形成したランガサイト振動子（発振周波数５ＭＨｚ）を有した湿度センサである。また、第１のセンサ及び第２のセンサは、同一材料及び同一形状の同じ設計のものを使用している。
評価の際、第１のセンサを大気に触れる状態とすると共に、第２のセンサを大気と隔絶した乾燥窒素を充填した銅製チャンバに収納して測定を行った。なお、第１のセンサと第２のセンサとは、極力接近させて設置し、温度差が少ない状況とした。
【００３０】
【表１】
2010216896.tif 000003
【００３１】
この評価の結果、第１のセンサが設置された周辺の雰囲気湿度変化に対して、表１に示すように、精度良く湿度の検出が可能であることが確認された。
【００３２】
次に、本発明のセンサ装置を圧力センサとして使用した実施例において、温度を変えた場合の圧力に対するカウンタ出力値（周波数）について評価した結果を、以下の表２に示す。この評価では、温度を、２５℃，５０℃，７５℃にそれぞれ変え、圧力を、０ｍｍＨｇ，７６０ｍｍＨｇ，１０００ｍｍＨｇに変えた場合で調べた。
【００３３】
使用した第１のセンサ及び第２のセンサは、振動子として発振周波数２０ＭＨｚの水晶振動子をそれぞれ有した圧力センサである。
評価の際、第１のセンサを大気に触れる状態とすると共に、第２のセンサを真空としたチャンバに収納して測定を行った。
【００３４】
【表２】
2010216896.tif 000004
【００３５】
この評価の結果、第１のセンサが設置された周辺の雰囲気圧力変化に対して、表２に示すように、精度良く圧力の検出が可能であることが確認された。
【００３６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１Ａ…第１のセンサ、１Ｂ…第２のセンサ、１２Ａ…第１の発振回路部、１２Ｂ…第２の発振回路部、１３…減算回路部、１４…検波回路部、１５…ローパスフィルタ回路部
【図１】
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【図２】
2010216896.tif 000006
【図３】
2010216896.tif 000007
【図４】
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【図５】
2010216896.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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