(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振システム（１）と、該共振システムに結合された１つの乃至は第１の変換器（２）と、共振周波数付近で該共振システム（１）を安定化させるフィードバックループ（33、36、11）と、該フィードバックループ内にある１つの乃至は第１の開閉器（18、27、28）と、該開閉器（18）に作用するゲート発生器（16）とを備え、前記第１の変換器（２）は振動の多数サイクルの有限回の時間間隔の間、前記フィードバックループ（33,36,11）内の発振器（11）によって励起され、前記変換器（２）又は第２の変換器（３）は前記振動を計測するセンサとして動作し、前記フィードバックループ（33,36,11）は前記発振器（11）へのフィードバック経路を有し、該発振器（11）のフィードバック経路は少なくとも前記時間間隔の間、前記開閉器（27、28）によって遮断されるものである、共振周波数付近での振動システム特性の測定方法。
【請求項２】
前記フィードバックループ（33,36,11）は、移相器（17）と、位相感応検出器（33）と、発振器（11）と、少なくとも１つの増幅器（20）と、フィードバック制御装置（36）とを備えてなる、請求項１に記載した測定方法。
【請求項３】
前記フィードバックループ（33,36,11）は、前記共振周波数付近での２つの異なる位相値において前記共振システム（１）を前記移相器（17）により安定化してなる、請求項２に記載した測定方法。
【請求項４】
更にアップダウンカウンタ（58）を備え、該アップダウンカウンタは前記発振器の発振を３回の時間間隔の間計数し、該計数は前記第１と第３の時間間隔の間は一の方向に、第２の時間間隔の間は反対方向に行い、前記移相器（17）は前記時間間隔の間で２つの異なる値Φ０±δΦの位相シフトを交互に設定する、請求項２及び３のいずれかに記載した測定方法。
【請求項５】
共振システム（１）と、該共振システムに結合された少なくとも１つの変換器（２）と、発振器（11）、移相器（17）、位相感応検出器（33）、フィードバック制御装置（36）、及び少なくとも１つの増幅器（20）を備えてなる位相同期フィードバックループ（33、36、11）と、更に前記発振器（11）に前記変換器（２）を、及び前記発振器（11）の前記フィードバック経路に前記変換器又は第２の変換器（３）を交互に接続する少なくとも１つの開閉器（18、27、28）と、を備えてなる請求項２に記載した測定方法を遂行するための装置。
【請求項６】
前記共振システム（１）が機械式共振器、特にねじり共振器からなる、請求項５に記載した装置。
【請求項７】
前記変換器（２）又は両方の変換器（２、３）が、第１要素に固着された永久磁石と該第１要素に対して相対的に振動する第２要素に固着されたコイル（46）とで構成される電磁式変換器である、請求項５及び６のいずれかに記載した装置。
【請求項８】
前記発振器（11）は、前記１つの乃至は第１の変換器（２）によって増幅器（20）及び開閉器（19）の手段により周期的に前記共振システム（１）の中に振動を励起させるための矩形波パルスを生成する、請求項５乃至７のいずれかに記載した装置。
【請求項９】
単一の変換器（２）のみが振動の励起及び測定に使用されてなる、請求項５乃至８のいずれかに記載した装置。
【請求項１０】
前記変換器（２）又は両方の変換器（２、３）は、前記共振システム（１）の外表面に固着され、該共振システムはチューブ形状を有し、該チューブの１端が体内液抽出手段（115）に接続され、該チューブの他端が該チューブ（１）を貫通しての該体内液の吸引手段（116）に接続されてなる、請求項５乃至９のいずれかに記載した装置。
【請求項１１】
前記変換器（２）又は両方の変換器（２、３）の可動部分は、２個の結合共振器（121、122）の中の１つに固着されてなり、該２個の結合共振器（121、122）は反対の位相で振動し、かつ極めて類似した固有振動数を有し、該２個の共振器は空間を隔てて振動のノード部分（124、125）で機械的に結合されてなる、請求項５乃至10のいずれかに記載した装置。
【請求項１２】
前記の乃至は各変換器（２、３）は前記共振システム（１）の機械的振動の励起と測定とを行うための電磁式変換器であり、該共振システム（１）は前記電磁式変換器（２、３）を保護するためのハウジング（110）を備えてなり、前記電磁式変換器（２、３）は、前記共振システム（１）に固着された磁石を備え、該磁石はその磁場（Ｂ）が前記共振システム（１）の対称軸（134）に直交するように配置され、前記ハウジングに固着された４つのコイル（130−133）を備え、該コイルの軸は前記対称軸（134）に直交し前記磁場（Ｂ）に対して±45゜の角度をなしてなる、請求項５乃至11のいずれかに記載した装置。
【請求項１３】
請求項５乃至11のいずれかに記載した装置と、前記共振システム（１）である或いは第２の共振器に結合されるチューブと、前記共振システム（１）に固着された少なくとも１つの変換器（46）とを備え、前記チューブは一端上の体内液抽出手段（115）と他端上の該チューブ貫通の該体内液の吸引手段（116）とを備えてなり、前記変換器は前記共振システムの減衰を測定して前記体内液粘度を評価する電子手段（15）に接続されてなる、身体からの体内液抽出期間中に直接体内液粘度を測定する粘度計。
【請求項１４】
平行配置の２本の第１チューブ（1a）及び該第１チューブ（1a）の両端に堅固に固着される２本の第２チューブ（1,1b）を包含する共振器と、該共振器に固着される少なくとも１つの変換器（104,105）とを備え、前記第２チューブが同一の対称軸を有し、前記４本のチューブが流体を内蔵し、共振周波数及び前記共振器の減衰を測定して前記流体の密度及び粘度を前記共振周波数及び前記減衰から計算する電子手段（15）に前記変換器が接続されてなる、流体の密度及び粘度を測定するための請求項５乃至11のいずれかに記載した装置。
【発明の詳細な説明】
１つの発振システムの特性計測用の装置と方法は“マルコニ  レビュー”第43巻第218号、第156ff頁により既に知られている。共振センサーはR.M.ロンドンによる物理学会誌E:科学用計測器第18巻1985年、第103〜115頁及びW.ゲーペル他によるセンサー、出版社バインハイムのVCH、1994年の中に記載されている。これら３つの引例は、本出願の総体をなすものとして示される。機械的な発振器は、第１変換器により固有振動数に近い安定化周波数で励磁される。通常発振器の応答は第２変換器によって計測される。例えば、発振器の減衰は、フェイズロックループ（PLL）にて２値間の位相シフトによって発生する周波数差から得られる。この手順の最も重要な欠点は、特に発振システムの３次元寸法が小さかったり、或いは測定信号値が弱過ぎたりする場合に、２つの変換器間の混線を回避することが困難な事実にある。
EP−Ａ−297032は粘度計を開示する。この粘度計はねじり共振器を伴った共振システムを備える。ピエゾ電気で励磁する変換器が共振器に結合され、共振器の共振周波数近辺の正弦波信号で励磁される。変換器の測定で共振器の誘発振動を測定する。２つの変換器間の位相同期フィードバックループの中で位相各は２つの付与の値の間でシフトされる。結果としての周波数シフトの評価から、共振器を取巻く流体の粘度が計算される。
日本の公開特許英文抄録第10巻第48号（第431頁）の中では、容器がねじり方向に対して弾性的に懸架される。コイルが容器に固定され、このコイルは永久磁石と共同作業をなす。コイルは切換えスイッチを介して２つの増幅器に接続される。第１ステージでは、コイルは第１増幅器からパルス信号を受けて容器を回転させる。それからスイッチが切換えられ、コイルの誘起電圧出力が第２増幅器によって増幅される。この信号の減衰及びその波形から血液の凝固過程が推論される。
本発明は、１つの発振システムの特性計測用の装置と方法とを提案するものである。このような特性は、共振周波数及びそれに対応する発振システムの減衰係数を包含する。本発明の主要な特徴の１つは、混線問題を解決することにある。この解決は、請求項１、２、３、及び５の特徴に基づくものである。
ゲート制御交互作用の検出及び励起スキームの使用のおかげによって、２つの変換器間の混線は完全に回避され得る。かくして、共振器（例えば機械式発振器）は非常に小型に構成され得る。この方法の他の１つの効果は、電磁変換器のように大いに混線し勝ちな変換器の使用を許容し得るという事である。本発明の提案する方法が極めて小さな共振器の構成を許容するが故に、即ち、計測に必要な体積が（1cm3未満と）小さいが故に、この方法は、例えば、（直接静脈から出て来る時の）オンライン計測、或いは（静脈又は動脈内での）血液又はその他の体内流体粘度の生体内計測の可能な血液粘度計の構築に使用され得る。これが請求項10、11及び13の主題である。抗凝血薬添加なしでの血液粘度の直接計測は、例えば、ある薬の作用の評価のできる、或いは危険度の高い患者の健康状態に対する診断計測器として大きな意義を有するであろう。他の１つの重要な応用例は、外科手術中の（例えば心肺機械中での）血液粘度の監視にある。ここに提示される血液粘度計の概念は、また、他のいかなる生物性流体に対しても使用可能である。このような応用例は、特に今まで充分に小さなサイズの粘度計が作れなかったことから、現在に至るまで可能ではなかった。
本発明の中で提案している方法の他の利点は、同じ単一変換器を励磁と検出との両方に使用し得るということである。このことが変換器の製造を簡単化し、また、例えば、機械式共振器を小さなサイズで作ることができるということに貢献する。他の利点は、駆動、検出、及び評価用の電子回路の簡単化にある。更に、例えば粘度計のような減衰が計測の主要量である、検出器の測定範囲の拡張が可能である。
本発明の中で提案している方法は、数多くの発振システムに適用でき、特に機械式の共振器−検出器、例えば濃度、液位、流量又は流体粘度の計測器に対して適用できる。更に、有利な応用例には、例えば平衡秤の力検出器、水晶力検出器、水晶圧力検出器、及び加速度計、表面音波検出器、温度検出器用に使用される振動線ゲージがある。この方法に基づけば、例えば１以上の共振器の振動モードの計測の組合せにより、２以上の上記量を同時に計測する装置を設計することが可能である。この方法は、また、ミクロ構造共振器にも適用可能である。このようなミクロ構造装置は、典型的には数μｍのサイズのものであり、例えば半導体製造向けに開発されたテクノロジーを使って製作され得る。これらの検出器は小サイズなるが故に、単一変換器の構成が特に重要になる。この方法は、また、トンネル効果顕微鏡走査及び原子力顕微鏡に使用の共振器にも適用可能である。
本発明の基本的概念の好適な実施例を以下の図面を参照してここに説明する。これらの図面では、
図１は、ゲート駆動と検出の回路、
図２は、図１の回路の動作における信号のタイムダイヤグラム、
図３は、位相感応検出器、
図4a及び4bは、図３の検出器における入出力信号、
図５は、パワーアンプ、
図６は、評価回路、
図７は、図６の回路における信号のタイムダイヤグラム、
図８は、移相器、
図９及び10は、変換器機構の設計概要図、
図11は、図９及び10の代替案図、
図12は、生物性流体用の粘度計の実施例の軸方向断面図、
図13は、変換器付共振器、
図14乃至19は、更に３種類の変換器付共振器の側面図及び正面図、
図20a及び20bは、流体の濃度及び粘度の両方を計測するための共振器組立品を示す。
最初に、機械式共振器をその固有振動数付近で励磁し、周波数及び位相シフトを測定評価する回路について記述する。この回路は、いかなるタイプの共振器（ロッド、チューブ、膜、ワイヤー等）、いかなるタイプの変換器（ピエゾ電気式、電磁式等）、いかなるタイプの周期的な駆動信号（正弦波形、矩形波形等）に対しての使用にも適している。以下は、矩形パルスによる励磁と電磁式変換器とを組合せた好適な実施例についてのみ論ずる。
図１は、フェイズロックループ（PLL）を有し、ゲート交互励磁及び検出を用いた共振器１を駆動する回路の主要な特徴を示す。駆動信号の時間的な機能は、周期的な矩形パルスである。共振器１は駆動変換器２と検出変換器３とを備える。回路10は電圧制御発振器（VCO）11を備える。発振器11の出力周波数の値は、例えば共振器の固有振動数の16倍である。発振器11の出力14は、一方で評価表示装置15へ、他方で移相器17へ進む。移相器17は２つの出力13、34を有し、この出力は共振器１の固有振動数に同期して振動する。出力13の時間的作用は、図２の中に図形ａとして示される。出力34は出力13に対して値Φ。±δΦだけ位相シフトされる。移相量Φ。は共振に必要な位相に相当し、一方δΦは減衰測定のために導入される移相量である。出力13は同期ゲート16及び開閉器と増幅器のユニット18に接続され、このユニット18は図１の中に単純化した形で示してある。
同期ゲート16は、例えば４段のバイナリーカウンターである。最終段は出力21を発生させる。ゲートは、出力13における信号の８サイクルの間、その信号に同期してターンオンされ、そして続く８サイクルの間でターンオンされる。その結果は、図２の図形ｂの中に表示されており、ここでは簡略化の理由で５サイクルのみ表示してある。出力21がターンオンされると、開閉器19は閉じられ、その結果、パワーアンプ20が出力21に同期する（図２の図形Ｃ参照）出力13の周波数を有する矩形パルスによって駆動変換器２を励磁する。
出力21は、インバータ26の助けを借りて更に２つの開閉器27、28を制御するが、そのためにこの開閉器27、28は開閉器19が開の時に閉となる。検出変換器３の信号は信号増幅器29の中で増幅される。その出力30は図２の図形ｅに表示されている。１入力をアースしてある他の増幅器31は、出力30を矩形波信号に変換して出力32として出力する。この増幅器31の出力32は、図２の中の図形ｆの中に表示してある。位相感応検出器（PSD）33の中でこの出力32は、移相器17の出力34（図２の中の図形ｄ）と比較される。かくして、これらの２信号間の位相シフトからPSD33の出力35のところに信号が創生されるが、そのDC（直流）値は位相差に比例する。開閉器27がターンオンされると出力35は制御ユニット36の入力に向けて進行するが、この制御ユニットは例えば積算器であり得る。制御ユニット36の出力37は、出力35が共振器の励磁と応答との間の位相シフトΦ。±δΦに相当する値をもつように、発振器11の周波数を制御する。開閉器27がターンオフされても出力37は一定に保たれる。
以下に更に説明する方法で、ユニット15が移相器17において位相を２値の間で、たとえばΦ。±22.5゜の間或いはΦ。±45゜の間で、周期的にシフトする。対応する測定周波数の間の差から共振器１の減衰がユニット15の中で評価される。
発振器11の制御に必要な測定は駆動変換器２を駆動していない期間中にのみ実施されるので、変換器２と３との間の混線の可能性は存在しない。
同一の単一変換器２又は３を駆動及び検出に使用することも可能である。これは図１の中に点線38で示してある。
図３の中には、“排他的論理和ゲート”の形でPSD33の１実施例が示される。図4a及び4bの中には入力34（ｇ）及び32（ｈ）と合成出力35（ｉ）とのタイムダイヤグラムを、移相量δΦの別々の２つの値に対して示してある。PSD33の出力35は、入力の１つのみがターンオンされている時、論理１になる。この出力35のDC値は、０゜（同相入力）から180゜（180゜位相づれ入力）に至る範囲に亘って位相シフトδΦに比例する。
図５を参照しながら以下において、電磁的駆動変換器２の使用に特に適したユニット18の好適な一実施例について議論する。電磁的な駆動変換器２の好適な実施例において、1Aを超える駆動電流は余り例を見ない。これが図１に象徴的に示す開閉器19の特徴上、極めて重要な必要条件である。ひずみなしで大電流を通すアナログ開閉器は難かしく、製作上高価なものになる。図５は一実施例を示しており、この中ではパワーアンプ20と開閉器19との組合せは可調整出力インピーダンスを有するパワーアンプに置き換えられている。同期ゲート16の出力21に接続された入力39に論理０が供給されると、出力インピーダンスは充分な程度に持ち上げられ、駆動変換器２は出力41のところでパワーアンプから充分に隔離されることになる。
図５による回路は相補パワーMOSFETトランジスタを利用した全ブリッジスイッチング回路である。トランジスタQ1及びQ3はＮ−チャネルエンハンスメント形パワーMOSFETである。Q2及びQ4はＰ−チャネルエンハンスメント形のパワーMOSFETである。スイッチSW5乃至SW8は電子制御され、その制御入力又はゲートの全てが共通入力39に一緒に結合される。この入力は同期ゲート16の出力21に接続される。この入力39に論理１が供給されると、SW5乃至SW8の全スイッチが閉じられる。MOSFETQ1及びQ2の制御入力は相互に接続され、Q3及びQ4の制御入力も同様である。Q1及びQ2のゲートからQ3及びQ4のゲートにつながる論理インバータ43は、Q1及びQ2のゲートをアースすると、Q3及びQ4のゲートが供給電圧Vddになり、また、その逆現象になることを保証する。入力40は移相器17の出力13に接続される。
駆動相の間は入力39が論理１にされ、それ故ターンオンされる。また、SW5乃至SW8のスイッチの全てがターンオンされる。移相器17の出力13に接続される入力40の入力信号がいま論理１にあり、それによってターンオンされると、Q1及びQ2のゲートはVddになる。Q1がターンオンされ、Q2はターンオフされる。同時にQ3及びQ4のゲートはアースされ、その結果、Q3がターンオフされ、Q4がターンオンされる。電流はアース45からQ1、変換器コイル46、コイル抵抗47、Q4を経由して供給電圧源Vddに流れる。入力40が論理０にあると、Q1及びQ2のゲートはアースになり、その結果、Q1がターンオフされ、Q2がターンオンされる。同時にQ3及びQ4のゲートはVddに達し、その結果、Q3がターンオンされ、同時にQ4はターンオフされる。ここで電流通路は反転され、アースからQ3、変換器コイル46、Q2を経由してVddに至ることになる。
入力39が論理０にあると、SW5乃至SW8のスイッチ全てが開になる。Q1及びQ2のゲートはいまや抵抗R1及びR3を介してアース45に接続され、それ故Q1及びQ3はターンオフされる。Q2及びQ4のゲートは、R2及びR4を介してVddに接続され、それ故Q2及びQ4も又ターンオフされる。４トランジスタの全てがターンオフされるが故に、変換器コイル46は増幅器出力41のところでオープンサーキットになるように見える。すなわち、変換器コイル46は本質的にパワーアンプから切り離される。
図６に、評価と表示のユニット15が発振器11と共に一層詳細に示される。ユニット15の出力50は、移相器17の位相を２値Φ。±δΦの間で切換えシフトする。1MHzの発振器51は、カウント及びゲート制御用の時間基準を提供する。発振器51の出力周波数は、14段のカウンタ52によって、また４段のカウンタ53によって、さらにまた４段カウンタ54によって、分割される。カウンタ54は３つの出力55、56、57を有する。第１計数ステージの後の第１出力55は、測定サイクルを２つに細分化する。測定サイクルの第１ハーフ内では、周波数が安定値に達するまでの間、発振器11の出力14のところのパルスは計数されないが、第２ハーフ内では出力14のところのパルスは計数される。出力55の半分の周波数を有する第２出力56は、移相器17の位相の２値Φ。±δΦ間での切換えのための出力50に進む。第３出力57は温度補償に対する切換え用である。出力56の周波数は典型的には数秒の範囲内にあり、一方出力13のところでの駆動周波数は、例えば10kHzである。
±45゜の位相シフトは、10kHzの駆動周波数及び低減衰に対しては高々数Hzの周波数差に相当し、それ故駆動周波数の数千分に一より小さいものに相当する。必要な精度を確保するために多重駆動周波数が計数される。この多重化は、減衰（即ち、流体粘度）の影響を受けた状態で周波数差が３段の10進カウンタ58の範囲内に納まるように選定され得る。周波数差に対する良好な解は、このやり方の中に実現され得る。共振器１の固有減衰制動が10超過の計数差を与え、その結果表示される計数が１超過となるようにパラメータは調整される。位相シフト中のゲート制御の不確定性のために（即ちゲート制御時刻が発振器11の周波数に同期していないために）、最低位10進数は表示されない。
共振器内の温度変化は測定期間に亘っての周波数シフトを生ぜしめ得るものであり、この周波数シフトは減衰制動に対応した周波数差に匹敵するものである。そのため、ユニット15は、温度補償アルゴリズムを有する。以下の中では、出力50が論理１になっているとき、移相器17の中の位相は正方向にシフトし、それ故発振器の周波数は増大するものと仮定する。
計数は、出力50の３半周期に亘って実行される。最初の半周期の中では、出力50がゼロになっている時上下カウンタ58は数の減少をカウントするが、上下カウンタ58は入力59のところで発振器11のパルスの半分だけをカウントする。第２の半周期の中では、出力50は論理１であり、上下カウンタ58は数の上昇をカウントするが、今度は入力59の全周波数をカウントする。第３の半周期の中では、再び周波数の半分で数の減少をカウントする。それから前記サイクルの中間での上側周波数からサイクル最初と最後の下側周波数の平均値が差し引かれる。このようにして温度による周波数ドリフトの線形成分が正確に補償される。
図７の図形の中で、図形ｋは出力55のところでの振動、図形１は出力56のところでの振動であり、図形ｍはカウンタ54の出力57に対応する。移相器17のゲート制御後の振動は、周波数計数開始前に安定化しなければならない。図形１は出力50であり、カウンタ58が数の上昇又は減少をカウントする時を示している。図形ｍは出力57のところでの温度補償サイクルを表示する。図形ｎはNAND63の出力62であるが、NAND63は入力として出力56と57との両者を捕えている。図形ｏは、カウントされるべき入力59のところでの発振器11の周波数の強烈な縮尺版である。図形ｐはNAND65の出力64を示しているが、NAND65の入力は発振器11の出力59及びNAND63の出力62に接続されている。図形ｑはNAND67の出力66であるが、NAND67の入力は、出力55と64とである。この信号66はフリップ−フロップ70のリセット入力に供給されるが、フリップ−フロップの出力は図７の図形ｒとして示されている。発振器11の周波数がフリップ−フロップ70のリセット入力に供給されると、出力71はこの周波数の半分でゲート制御を行う。フリップ−フロップ70のリセット入力が一定の時、出力71は不定である。図７の図形ｒの中の対角線ハッチで示される領域によってこれが示されている。出力56及び66はNAND77の入力である。出力71とインバータ75を介しての出力56とがNAND76の入力である。NAND76及びNAND77の出力72及び73はカウンタ58の入力である。
カウンタ58は、３段のバイナリコード化の10進の上下カウンタである。入力73が論理１の下でインパルスが入力72に加えられると、カウンタ58は数の上昇をカウントする。しかるに、入力72が論理１の下でインパルスが入力73に加えられると、カウンタ58は数の減少をカウントする。カウンタ58の全ステージ74、80及び81はワンショットマルチバイブレータ83の出力82のところの信号によりリセットされる。
それ故、アップ・ダウン（加減）計数はカウンタ58の正確な入力72、73の供給によって制御され、その間他の入力は論理１に保たれる。このことはNAND67、76、77及びインバータ75によって作り出される。図７の図形ｓはインバータ75の出力84であり、図形ｔは入力73である。図形ｕは入力72を示す。アップ・ダウン計数の各相の期間中、カウンタ74の入力の１つは能動的であるが、その間の他の入力は論理１になっている。
それにより、出力55の３サイクル中、正の位相シフトでの加算計数は発振器11の全周波数で実行され、一方負の位相シフトでの減算計数は出力55の第１及び第３周期において発振器11の半分の周波数で実行される。更に、測定間隔は数種類の計数装置を並列使用することによって短縮することさえ可能である。
カウンタ80及び81は瞬時計数の並列表示を備える。表示デコーダ／ドライバー85は、２数字LED表示器86の表示のためにこのデータの翻訳を行う。この表示ドライバーは、計数操作中は拘束されていなければならないし、又計数サイクルの終端では新データをロードされなければならない。図７の図形ｎはNANDゲート63の出力62を示す。この出力62は、カウンタ54の出力55の第４（非計数）周期に対しては論理０になる。出力62の定位遷移時にワンショットマルチバイブレータ87はトリガーされる。マルチバイブレータ87の非反転出力89は瞬時に論理０になり、この論理０が表示デコーダ／ドライバー85内の計数データを拘束する働きをする。マルチバイブレータ87反転出力88は第２のワンショットマルチバイブレータ83をトリガーし、マルチバイブレータ83の出力がカウンタ58の３ステージ74、80、及び81をリセットする。この回路は他の測定に対してもその儘使用可能である。
図８には、移相器17が模式的に示される。発振器11の出力14に対応する入力59は、８段の２進式リングカウンタ92に接続される。リングカウンタの８出力は、入力59の周波数の1/16の周波数を持つ矩形波信号で、相互に22.5゜の位相差を有する。カウンタ92の第１ステージの出力93は励磁信号13である。他の２つの出力94及び95は出力93に対して夫々90゜±αだけ位相シフトされている。αは22.5゜或いは45゜の値を採る。これらの出力は２つのNANDゲート96、97の入力に接続される。ユニット15の出力50は、NAND96の第２入力に及びインバータ98を介してNAND97の第２入力に接続される。NANDゲート96及び97の出力は、NAND99に対する入力で、これは移相器17の出力34である。
ユニット15の出力50が論理１の時、NAND96は出力94に同期して切換わり、NAND97はオンされる。出力34は、出力13に対して例えば45゜だけ位相シフトされる。出力50が論理０の時NAND97は振動し、出力34は出力13に対して135゜だけ位相シフトされる。
本発明に従った方法及び装置の応用例として、特殊なねじり共振器について記述する。
図９及び10は電磁式変換器応用の基本原理を示す。共振器１はチューブである。コイル46は、チューブ外表面に堅固に固着され、コイルの電線の２本の直線枝104及び105は、チューブ１の軸に平行で且つこの軸を含む１平面内に存在するような形態になされる。明瞭化のためコイル46は唯１本の電線で引き廻してあるが、しかし数本の電線とすることが可能である。この変換器機構は、機械的振動の励磁及び検出の両者に対して使用可能である。
電線104及び105に接近して永久磁石106及び107がチューブハウジングに取付けられる。磁石106及び107の磁力線Ｂは同一方向を有し、電線104及び105の形成する共通平面には平行で、チューブ１の軸には直角である。コイル46を通って電流Ｉが流れる時、電線104及び105の中の電流は反対の方向を有している。それ故磁界Ｂは１対の力を発生させ、この対の力は静的にはチューブ１の軸廻りのトルクと等価になる。交流電流が使用されると、この軸廻りのねじり振動がチューブ１の中に生成される。電流がチューブ１の共振振動数で付与される周波数で交互変化すると、この振動はチューブ１の共振に相当する。
永久磁石106及び107を使う代りに直流励磁の電磁石が代案として使用され得るであろう。
測定のために変換器２及び３が使用されると、磁場Ｂはコイル46の中に電圧を発生させるが、この電圧はチューブ１の角速度に比例する。共振器１がその固有振動数近くで振動すると、電圧は振動振幅に比例の振幅を有する正弦波形となる。
この変換器２、３は共振器内の振動の励磁及び検出用に特によく適していて、この共振器表面は、共振器自身に平行に、例えばねじり共振器内で振動する。変換器の固定部と移動部との間の電磁結合は弱い。それ故、共振器固有の減衰に対する変換器の貢献は無視し得るであろう。
駆動用変換器と他の１つの検出用変換器とを共振器１に取付ける必要があるなら、電線104及び105は共通面内或いは相互に直交する２平面内に配置され得る。後者の場合、励磁と測定との間の混線は最小となる。測定及び励磁の２コイル46は、また相互に最上部配置となし得る。その結果、唯１対だけの磁石が必要となる。
図11には、図９及び10の配置の代替案が示される。コイル46はハウジングに堅固に固着され、一方２つの磁石106、107はチューブ１の上に装着される。機能原理は同一である。
別の代替案として、電磁式音響変換器（EMATS）が駆動及び／又は検出用に使用可能であろう。このような変換器は、例えばR.Bトンプソンの音波及び超音波に関するIEEE会報、SU−20巻第４号、1973年、第340〜346頁の出版物の中に記載されている。
上述の方法及び装置には、多くの同等な科学的及び産業的応用例が存在し、その中で特に重要なものは、血液或いはその他の生物的流体のオンライン又は生体内の粘度測定である。
“オンライン”は、この文脈の中では、皮下注射針を経由して血管から直接採血した抗凝血薬を加えていない血液粘度の連続測定を意味する。“生体内の”は、これからプローブと呼ぶ機械的共振器を血管中に直接導入することによる血液粘度の連続測定を意味する。粘度は外科手術中連続的に監視されるに違いないが、その間血液は、チューブ樣センサーを介してポンプ輸送される。
図12には１つのオンライン測定用のプローブが示される。共振器１は長い薄壁チューブである。図９に示すようなコイル46が、例えば中央部でチューブ１に固着される。磁石106及び107はチューブ状ハウジング110に堅固に装着される。２つの慣性デイスク111は、変換器２、３から等距離のところでチューブ１に堅固に固着され、更に２つのデイスク112が両側から慣性デイスク111から成る距離離れたところに固着される。慣性デイスク111はハウジング110に接触しておらず、一方２つのデイスク112は２つのＯリング113手段によってハウジングに弾性接続される。４つのデイスク111及び112は、振動からの隔離目的を有する。かくして、ハウジン110と取巻き部との共振器１の固有減衰上への影響は最小になされる。慣性デイスク111は、その位置に振動モードのノードを強要する。共振器の固有振動数は優先的にはkHz範囲内に保たれる。特に中央に最大変位を持つモードが選択され得る。
代替的により高い振動モードが使用され得るとすれば、そこでは望ましくは変換器２、３が望みのモードの振幅最大位置付近でチューブ１に再び固着されて欲しい。
１端部には、皮下注射針115が、流れ拡散器114を介してチューブ１に固着される。チューブ１の他端は、真空減圧された注射器又は容器116に接続される。拡散器114は、血液チューブ１に引き込む時に泡が形成されるのを防止する。加えて、温度センサ117がチューブ１の中に構築され得る。測定実行のために、シリンダ115aに固着された針115が最初に対象の静脈内に導入される。それから図12に図解の組立品の残部がシリンダ115aの中に導入され、その間に流れ拡散器114は針115の他端部によって貫通状態になされる。それから血液がチューブ１を通って容器116の中に引き込まれ、その間に共振器の減衰が測定される。減衰から粘度が決定される。
図13には、共振器１の特別形が示されており、この共振器は特に短くて、それ故に血液粘度の生体内測定用には特に有用である。この配列では、共振器１が２つのチューブに１及び122から成る。チューブ122は、チューブ121の内側に配置されるが、両端以外はチューブ121に接触しない。両チューブは両端部に堅固で気密な接続を有するが、これは例えばレーザ溶接乃至はろう付で製作される。チューブ121、122の間の空間123は、共振器１の固有減衰の最小化のために空にされていて欲しい。
図13に示す実施例では、内側チューブ122は外側チューブ121の振動に対して180゜位相シフトの状態で振動する。両端124、125は、共振器１の中の固有振動数の１つでのねじり振動のノードになる。それ故追加の慣性質量は振動隔離のためには必要ない。両端124及び125は、ハウジング110の中で直接、例えばＯリング手段124によって心合わせされ得る。それ故、図13の実施例は可能な限り小さなものに構築され得る。
図14及び15には、共振器１の他の１実施例が示される。この実施例は２つの平らな円滑膜145、146から成り、この円形膜145、146は相互の頂点を接触させることなく対称に配置されている。この膜は、その端縁147沿いに例えば溶接或いはろう付けによって堅固に接続される。膜はハウジング149の中に数個のゴム  ブロック148で支えられるが、このブロックは膜145、146の円周沿いに分布する。変換器２、３のコイル46は膜146に固着される。コイル146は、等角度に隔離された４つの電線の半径方向150、151を有する。コイル46の２つの反対側の枝150の中に中心から端縁に向かう電流が流れる時には、枝151の中には端縁から中心に向かう電流が流れ、そしてその逆の時もある。枝150及び151の下側には、４つの永久磁石152及び153が膜145、146の平面に垂直の方向に存在する。磁石152に対する極性は、磁石153の極性とは反対である。膜145、146のねじり固有振動数の１つに相当する周波数を有する交流電流がコイル46に供給されると、２つの膜は180゜の位相差を有して振動する。端縁147は節線であり、そのためゴムブロック148は振動の減衰に影響を与えることはない。流体の薄層が粘度測定のために上側膜に供給され得るであろう。
代替案として、図14、15の中の変換器２、３は、表面に垂直の方向に振動するような膜の形態を設計し得る。それによって共振器１は、膜145の上に横たわる材料の質量決定用に使用し得る。
図16及び17には、変換器２、３の更なる別形態が示される。ここでは変換器が円筒形共振器１の端面128に配置される。共振器１の他端129は、望ましくは（図12には図示していない）慣性デイスク手段によってクランプされる。共振器１の軸に垂直の磁界Ｂを有する永久磁石106は、端面128に堅固に固着される。４つのコイル130乃至133は、磁石106廻りに等角度間隔で、共振器１の軸134からは等距離の位置に分布配置される。コイル130乃至133の軸135、136は、共振器１の軸に対しては直角で、磁界Ｂに対しては45゜の角度になっている。２つの反対側のコイル130、131は、磁石106と一緒になって駆動変換器２として動作するべく、直列、或いは並列に接続され、一方残りの２つのコイル132、133は磁石106と一緒になって検出変換器３を作り上げる。
この変換器設計は、駆動コイル130、131による測定コイル132、133の中の誘起電圧が相殺するので、駆動及び検出変換器２、３間の電磁的混線は極端に低くなる。それ故、図１による開閉器19、27、18は省略され得るものであり、連続した測定及び励磁が可能である。
代替的に、コイル130乃至133の全てが、駆動変換器２又は検出変換器３或いは両方の変換器として動作するべく、並列又は直列に接続され得る。
図18及び19には、図16及び17に従った１実施例の別の２設計が示される。対応部分は同一記号を有するので、説明は図16及び17に対してなされた説明に従っている。
図18の形態では、２つのコイル130及び131のみが使用され、永久磁石106の磁界Ｂは、130及び131の軸と共振器１の軸とに直角である。例えば、コイル130が駆動用に、コイル131が検出用に使用され得るし、或いはコイル130及び131が直列又は並列に接続されて駆動用と検出用とに交互に使用され得る。
図19の形態は、４つのコイル130乃至133がハウジング110に固着されることを除いては、図18と同一である。
図20の実施例には、共振器１の特別形態が示されており、この形態は、並列配置の２つのチューブ1aから成り、この２つのチューブ1aは、このチューブ1aの両端で更に２つのチューブ１及び1bに堅固に対称的に接続される。この２つのチューブ１及び1bは、対称の位置にあって同一の軸を有する。共振器１、1a、1bは全体としてねじりモードで振動し、それによって中央部1aがチューブ１、1bの共通軸廻りの回転運動を実行することになる。チューブ組立品１、1a、1bの振動は、慣性質量手段111によて環境に対し隔離される。
チューブ１の中を流れる流体は、チューブ1aの中に分割流入し、チューブ1bの中では再び一緒になる。上記した図９、10又は11に示される変換器２、３は、振動の駆動及び検出用に使用される。この組立品は、その共振周波数と機械的減衰の測定によって、流体の粘度及び密度の同時測定を可能ならしめる。
図12及び13に従った形状の粘度計と密度及び粘度の組合せ測定に供される図20の実施例とは、また、振動システムの特性測定の別法、特に本発明の明細書の始めに述べた引用例に記載の方法と一緒に使用することが可能である。
【図３】
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【図４ａ】
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【図１０】
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【図１】
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【図２】
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【図４ｂ】
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【図８】
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【図１１】
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【図１３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１６】
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【図１２】
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【図２０ａ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０ｂ】
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【図１９】
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