(57)【要約】【課題】  磁場その他環境条件の影響を受けにくく、Ｓ／Ｎ比が大きい振動式センサ及び振動式センサの励振方法を提供する。【解決手段】  センサからのセンサ出力電圧の共振周波数に基づき物理量を測定し、前記センサ出力電圧の振幅を負帰還する振動式センサにおいて、前記センサ出力電圧を、複数の利得で増幅するプログラマブル・ゲイン・アンプを備えることを特徴とする振動式センサ。【選択図】                    図１
2006078242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサからのセンサ出力電圧の共振周波数に基づき物理量を測定し、前記センサ出力電圧の振幅を負帰還する振動式センサにおいて、
前記センサ出力電圧を、複数の利得で増幅するプログラマブル・ゲイン・アンプを備えることを特徴とする振動式センサ。
【請求項２】
一方の前記利得に対応する第１共振周波数と、他方の前記利得に対応する第２共振周波数とに基づく共振周波数を算出するマイクロプロセッサを備えることを特徴とする請求項１記載の振動式センサ。
【請求項３】
前記プログラマブル・ゲイン・アンプは、前記マイクロプロセッサからの信号に基づいて利得を設定することを特徴とする請求項２記載の振動式センサ。
【請求項４】
前記プログラマブル・ゲイン・アンプの出力を検波する検波回路と、
前記プログラマブル・ゲイン・アンプの出力と前記検波回路からのゲイン制御信号とに基づき、前記センサの励磁電流出力を生成する可変ゲイン回路と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の振動式センサ。
【請求項５】
センサからのセンサ出力電圧の共振周波数に基づき物理量を測定し、前記センサ出力電圧の振幅を負帰還する振動式センサの励振方法において、
第１の前記センサ出力電圧に対する第１共振周波数を測定するステップ、
第２の前記センサ出力電圧に対する第２共振周波数を測定するステップ、
前記第１共振周波数と前記第２共振周波数とに基づく共振周波数を算出するステップ
を備えることを特徴とする振動式センサの励振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサからのセンサ出力電圧の共振周波数に基づき物理量を測定する振動式センサ及び振動式センサの励振方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の振動式センサは、センサからのセンサ出力電圧を所定の利得で増幅するものもある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図３を用いて従来の振動式センサを説明する。図３は、従来の振動式センサを示す構成図である。
【０００４】
アンプ１２の入力はセンサ１１の出力に接続する。また、検波回路（振幅検出回路）１３の入力はアンプ１２の出力に接続する。さらに、可変ゲイン回路１４の一方の入力は検波回路１３の出力に接続し、可変ゲイン回路１４の他方の入力はアンプ１２の出力に接続する。また、センサ１１は可変ゲイン回路１４に接続する。
【０００５】
さらに、周波数測定器１５の入力はアンプ１２の出力に接続する。また、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）の入力は周波数測定器１５の出力に接続する。
【０００６】
そして、センサ１１の出力とアンプ１２の入力との接続点の電圧をセンサ出力電圧Ｖｏとし、アンプ１２の出力と検波回路１３の入力と可変ゲイン回路１４の他方の入力と周波数測定器１５の入力との接続点の電圧を電圧入力Ｓ２とし、検波回路１３の出力と可変ゲイン回路１４の入力との接続点の信号をゲイン制御信号Ｓ３とし、可変ゲイン回路１４の出力とセンサ１１との接続点の信号を励振電流出力Ｓ４とし、周波数測定器１５の出力とマイクロプロセッサ１６の入力との接続点の信号を共振周波数ｆとする。
【０００７】
このような図３の従来例の動作を説明する。センサ１１からのセンサ出力電圧Ｖｏはアンプ１２を介して周波数測定器１５に入力し、周波数測定器１５は共振周波数ｆを生成する。なお、センサ出力電圧Ｖｏ及び電圧入力Ｓ３は、共振周波数ｆの周波数成分を有する交流である。
【０００８】
また、センサ１１に接続する物理量（図示せず）が変化すると、センサ出力電圧Ｖｏが変化し、電圧入力Ｓ２が変化し、共振周波数ｆが変化する。こうして、図３の従来例に係る振動式センサは、センサ１１からのセンサ出力電圧１２の共振周波数ｆに基づき物理量を測定する。さらにまた、物理量は、具体的には、圧力、温度、湿度等である。
【０００９】
さらに、アンプ１２は、センサ出力電圧Ｖｏを所定の利得で増幅し、電圧入力Ｓ２を生成する。即ち、アンプ１２は、センサ出力電圧Ｖｏの振幅を増幅する。
【００１０】
また、検波回路１３は、電圧入力Ｓ２の振幅に比例するゲイン制御信号Ｓ３を生成する。具体的には、電圧入力Ｓ２を整流し、さらに、平滑する。そして、例えば、電圧入力Ｓ２は交流となり、ゲイン制御信号Ｓ３は直流となる。さらにまた、電圧入力Ｓ２が増加するとゲイン制御信号Ｓ３は増加し、電圧入力Ｓ２が減少するとゲイン制御信号Ｓ３は減少する。
【００１１】
さらに、可変ゲイン回路１４は、電圧入力Ｓ２とゲイン制御信号Ｓ３とが増加すると励振電流出力Ｓ４を減少させ、電圧入力Ｓ２とゲイン制御信号Ｓ３とが減少すると励振電流出力Ｓ４を増加させる。
【００１２】
よって、センサ出力電圧Ｖｏが所定の値から増加すると、電圧入力Ｓ２は増加し、ゲイン制御信号Ｓ３は増加し、励振電流出力Ｓ４を減少させ、センサ出力電圧Ｖｏの増加を抑制する。また、センサ出力電圧Ｖｏが所定の値から減少すると、電圧入力Ｓ２は減少し、ゲイン制御信号Ｓ３は減少し、励振電流出力Ｓ４を増加させ、センサ出力電圧Ｖｏの減少を抑制する。
【００１３】
したがって、図３の従来例は、センサ出力電圧Ｖｏの振幅を負帰還する。そして、センサ出力電圧Ｖｏの振幅は所定の値となる。こうして、図３の従来例は、安定に動作し、安定な特性を提供する。
【００１４】
【特許文献１】特開平５−３７２２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、図３の従来例は、磁場その他環境条件により、共振周波数が変化するという課題がある。即ち、磁場により共振周波数が変化し、環境条件により共振周波数が変化するという課題がある。
【００１６】
図４を用いて図３の実施例の特性を詳しく説明する。図４は、図３の従来例の特性図である。横軸は、センサ出力電圧Ｖｏであり、縦軸は、共振周波数ｆである。
【００１７】
センサ出力電圧Ｖｏの値がゼロ（０）のとき、共振周波数ｆの値は周波数ｆ０である。また、共振周波数ｆは、センサ出力電圧Ｖｏの関数ｇ（Ｖｏ）である。そして、センサ出力電圧Ｖｏが増加すると共振周波数ｆは増加する。
【００１８】
さらに、図３の従来例は、磁場その他環境条件が変化すると、関数ｇａ（Ｖｏ）から関数ｇｂ（Ｖｏ）の範囲で非線形に変化する。そして、センサ出力電圧Ｖｏが電圧Ｖｏのときの共振周波数ｆは、周波数ｆａから周波数ｆｂの範囲で変化する。なお、磁場により共振周波数が変化し、環境条件により共振周波数が変化することをセンサの非線形効果という。
【００１９】
さらに、Ｓ／Ｎ比を上げるためにセンサ出力電圧Ｖｏを大きくすると磁場その他環境条件の影響を受けやすくなるという課題がある。即ち、センサ出力電圧Ｖｏを大きくすると、磁場の変化に対して共振周波数が大きく変化し、環境条件の変化に対して共振周波数が大きく変化するという課題がある。
【００２０】
本発明の目的は、以上説明した課題を解決するものであり、磁場その他環境条件の影響を受けにくい振動式センサ及び振動式センサの励振方法を提供することにある。そして、本発明の目的は、センサ出力電圧が大きく、Ｓ／Ｎ比が大きい振動式センサ及び振動式センサの励振方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
このような目的を達成する本発明は、次の通りである。
（１）センサからのセンサ出力電圧の共振周波数に基づき物理量を測定し、前記センサ出力電圧の振幅を負帰還する振動式センサにおいて、前記センサ出力電圧を、複数の利得で増幅するプログラマブル・ゲイン・アンプを備えることを特徴とする振動式センサ。
（２）一方の前記利得に対応する第１共振周波数と、他方の前記利得に対応する第２共振周波数とに基づく共振周波数を算出するマイクロプロセッサを備えることを特徴とする（１）記載の振動式センサ。
（３）前記プログラマブル・ゲイン・アンプは、前記マイクロプロセッサからの信号に基づいて利得を設定することを特徴とする（２）記載の振動式センサ。
（４）前記プログラマブル・ゲイン・アンプの出力を検波する検波回路と、前記プログラマブル・ゲイン・アンプの出力と前記検波回路からのゲイン制御信号とに基づき、前記センサの励磁電流出力を生成する可変ゲイン回路とを備えることを特徴とする（１）から（３）の何れかに記載の振動式センサ。
（５）センサからのセンサ出力電圧の共振周波数に基づき物理量を測定し、前記センサ出力電圧の振幅を負帰還する振動式センサの励振方法において、第１の前記センサ出力電圧に対する第１共振周波数を測定するステップ、第２の前記センサ出力電圧に対する第２共振周波数を測定するステップ、前記第１共振周波数と前記第２共振周波数とに基づく共振周波数を算出するステップを備えることを特徴とする振動式センサの励振方法。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
本発明によれば、磁場その他環境条件の影響を受けにくい振動式センサ及び振動式センサの励振方法を提供できる。また、本発明によれば、センサ出力電圧が大きく、Ｓ／Ｎ比が大きい振動式センサ及び振動式センサの励振方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に図１に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。図３の従来例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２４】
図１の実施例の特徴は、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２の構成にある。
【００２５】
プログラマブル・ゲイン・アンプ２２の入力はセンサ１１の出力に接続し、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２の出力は検波回路１３の入力と可変ゲイン回路１４の他方の入力と周波数測定器１５の入力とに接続し、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２の制御入力はマイクロプロセッサ１６の出力に接続する。
【００２６】
また、センサ１１の出力とプログラマブル・ゲイン・アンプ２２の入力との接続点の電圧をセンサ出力電圧Ｖｏとし、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２の出力と検波回路１３の入力と可変ゲイン回路１４の他方の入力と周波数測定器１５の入力との接続点の電圧を電圧入力Ｓ２とし、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２の制御入力とマイクロプロセッサ１６の出力との接続点の信号をＰＧＡゲイン設定Ｓ６とする。
【００２７】
このような図１の実施例の動作について図２を用いて説明する。図２は、図１の実施例の特性図である。また、図２の特性図は図４の特性図に対応している。
【００２８】
プログラマブル・ゲイン・アンプ２２の利得が一定の場合、図１の実施例は、実質的に図３の従来例と同等になり、センサ出力電圧Ｖｏの振幅は所定の値となる。
【００２９】
そして、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２が一方の利得のとき、センサ出力電圧Ｖｏは電圧Ｖｏ１となり、共振周波数ｆは第１共振周波数ｆ１となる。また、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２が他方の利得のとき、センサ出力電圧Ｖｏは電圧Ｖｏ２となり、共振周波数ｆは第２共振周波数ｆ２となる。
【００３０】
このように、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２は、センサ出力電圧Ｖｏを複数の利得で増幅する。
【００３１】
また、マイクロプロセッサ１６は、一方の前記利得に対応する第１共振周波数ｆ１と、他方の前記利得に対応する第２共振周波数ｆ２とに基づく共振周波数ｆ０を算出する。
【００３２】
以下に、マイクロプロセッサ１６に係る具体的な処理について詳しく説明する。
共振周波数ｆは、センサ出力電圧Ｖｏの関数ｇ（Ｖｏ）であり、以下の式（１）を満足する。ただし、センサ出力電圧Ｖｏがゼロ（０）のときの共振周波数ｆを共振周波数ｆ０とする。
ｆ＝ｆ０＋ｇ（Ｖｏ）    （１）
【００３３】
ハードスプリングとして知られる非線形効果がある場合で説明する。この場合、関数ｇ（Ｖｏ）は、以下の式（２）を満足する。ただし、Ｋは比例定数とする。
ｇ（Ｖｏ）＝Ｋ・Ｖｏ２    （２）
【００３４】
式（１）と式（２）とを整理すると、式（３）を満足する。
ｆ＝ｆ０＋Ｋ・Ｖｏ２    （３）
【００３５】
よって、センサ出力電圧Ｖｏ１のときの共振周波数ｆ１と、センサ出力電圧Ｖｏ２のときの共振周波数ｆ２とは、以下の式（４）及び式（５）を満足する。ただし、センサ出力電圧Ｖｏ１とセンサ出力電圧Ｖｏ２とは異なるとする（Ｖｏ１≠Ｖｏ２）。
ｆ１＝ｆ０＋Ｋ・Ｖｏ１２    （４）
ｆ２＝ｆ０＋Ｋ・Ｖｏ２２    （５）
【００３６】
式（４）と式（５）とを整理すると式（６）を満足する。
ｆ０＝｛Ｖｏ２２・ｆ１−Ｖｏ１２・ｆ２｝／｛Ｖｏ２２−Ｖｏ１２｝    （６）
【００３７】
また、Ｖｏ２＝α・Ｖｏ１とすれば、式（７）を満足する。
ｆ０＝（α２・ｆ１−ｆ２）／（α２―１）    （７）
【００３８】
つまり、センサ出力電圧Ｖｏがゼロ（０）のときの共振周波数ｆ０は、センサ出力電圧の比α（＝Ｖｏ２／Ｖｏ１）と共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ２とで決まる。また、共振周波数ｆ０は、センサ出力電圧Ｖｏの絶対値ではなく、センサ出力電圧Ｖｏの比αで決まる。
【００３９】
さらに、センサ出力電圧Ｖｏがゼロ（０）のときの共振周波数ｆ０は、磁場その他の環境条件の影響を受けない。即ち、共振周波数ｆ０は、センサの非線形効果がなく、磁場その他環境条件により、共振周波数ｆが変化しない。そして、共振周波数ｆ０は、センサ出力電圧Ｖｏの絶対値に影響されない。
【００４０】
したがって、式（７）を用いれば、図１の実施例は、磁場その他環境条件の影響を受けにくい共振周波数ｆ０が得られる。
【００４１】
具体的には、第１に、センサ出力電圧Ｖｏ１に対する共振周波数ｆ１を測定するステップを実行し、第２に、センサ出力電圧Ｖｏ２に対する共振周波数ｆ２を測定するステップを実行し、第３に、式（７）に基づいて共振周波数ｆ０を算出するステップを実行する。
【００４２】
そして、共振周波数ｆ０を算出する演算は、マイクロプロセッサ１６等で実施する。さらに、前述の実施例とは別に、関数ｇ（Ｖｏ）が複雑な高次の式であった場合、式に現れる未知数の数だけセンサ出力電圧（Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３・・・）を設定し、そのときの共振周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３，・・・）を測定して、演算により共振周波数ｆ０を求める。
【００４３】
このようにして、図１の実施例は、複数のセンサ出力電圧Ｖｏにおける共振周波数ｆからセンサ出力電圧Ｖｏがゼロ（０）のときの共振周波数ｆ０を算出する。
【００４４】
さらに、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２は、マイクロプロセッサ１６からの信号（ＰＧＡゲイン設定）Ｓ６に基づいて利得を設定する。詳しくは、まず、マイクロプロセッサ１６は、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２が一方の利得となるように設定し、第１共振周波数ｆ１を得る。次に、マイクロプロセッサ１６は、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２が他方の利得となるように設定し、第２共振周波数ｆ２を得る。
【００４５】
さらに、センサ出力電圧Ｖｏの値は、任意に設定可能である。また、センサ出力電圧Ｖｏの値は、回路の都合または雑音の影響に対して、柔軟に設定可能である。
【００４６】
また、前述の実施例において、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２は、複数のアンプから形成し、この複数のアンプを切替えるように制御しても実質的に同等となり、同等の作用効果がある。
【００４７】
同様に、前述の実施例において、プログラマブル・ゲイン・アンプ２２は、アンプと増幅器または減衰器とから形成し、この増幅器または減衰器を制御するように制御しても実質的に同等となり、同等の作用効果がある。
【００４８】
さらに、前述の実施例とは別に、検波回路１３による出力を複数設け、励磁電流出力Ｓ４の大きさを変えられるように形成しても実質的に同等となり、同等の作用効果がある。
【００４９】
以上のように、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲でさらに多くの変更及び変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１の実施例の特性図である。
【図３】従来の振動式センサを示す構成図である。
【図４】図３の従来例の特性図である。
【符号の説明】
【００５１】
１１  センサ
１３  検波回路（振幅検出回路）
１４  可変ゲイン回路
１５  周波数測定器
１６  マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）
２２  プログラマブル・ゲイン・アンプ（ＰＧＡ）
ｆ  共振周波数
Ｖｏ  センサ出力電圧
Ｓ２  電圧入力
Ｓ３  ゲイン制御信号
Ｓ４  励振電流出力
Ｓ６  ＰＧＡゲイン設定
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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