(57)【要約】【課題】本発明は、振動子の周囲の温度が変化しても測定物の密度を正確に測定することができる密度センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明の密度センサは、振動子１１の共振周波数よりも低周波の初期信号を発生させる初期信号波出力手段２６の初期信号波とＡＭ復調器３０の信号波とを比較する比較回路３１を設けた構成としたものである。これにより、振動子の周囲の温度が変化しても測定物の密度を正確に測定することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、この振動子の共振により発生する出力信号から搬送波を生成する搬送波発生回路と、前記振動子の共振により発生する出力信号を復調することにより信号波を出力するＡＭ復調器と、前記振動子の共振周波数よりも低周波の初期信号波を発生させる初期信号波出力手段と、この初期信号波出力手段からの初期信号波と前記搬送波発生回路からの出力信号とを変調して合成した変調信号を駆動信号として前記振動子に入力するＡＭ変調器とを備え、前記初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波とを比較する比較回路を設けた密度センサ。
【請求項２】
比較回路で、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ変調器の信号波との位相差を比較するようにした請求項１記載の密度センサ。
【請求項３】
搬送波発生回路にＡＧＣを設けるとともに、比較回路で、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波との振幅差を比較するようにした請求項１記載の密度センサ。
【請求項４】
振動子を密度測定物質中で振動駆動させたときに、振動子における共振周波数での位相特性よりもπ／４ｒａｄ位相が偏移する点の周波数での位相差を比較回路により比較するようにした請求項２記載の密度センサ。
【請求項５】
振動子の振幅が所定の振幅になった際にＡＭ変調器が動作するように、ＡＭ変調器に動作スイッチを設けた請求項１記載の密度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、気体あるいは液体の密度を検出する密度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の密度センサは図７、図８に示すような構成となっていた。
【０００３】
図７、図８において、１は振動子、２はリード棒で、このリード棒２は信号変換回路３と電気的に接続され、そして、この信号変換回路３は、発振回路４、基準信号発生回路５、周波数測定回路６、周波数気圧変換回路７および表示駆動回路８により構成していた。
【０００４】
以上のように構成された従来の密度センサについて、次に、その動作を説明する。
【０００５】
従来の密度センサは、大気中に置かれた振動子１の周囲の気体密度が気圧に比例するため、その気圧に応じた周波数の変化を発振回路４により検出し、そして、この発振信号を入力として基準信号発生回路５と周波数測定回路６とにより周波数の変化を検出し、さらに、周波数気圧変換回路７および表示駆動回路８を介して表示情報を表示部９に出力することにより、大気圧の変化量を検出するものであった。
【０００６】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】実開昭６１−１６７５３７号公報（実願昭６０−５０６７３号のマイクロフィルム）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来の密度センサの構成では、振動子１の周囲の気体密度に応じた周波数の変化を発振回路４により検出するものであるため、振動子１の周囲の温度が変化すると振動子１の縦弾性係数が変化することになり、これにより、振動子１の共振周波数が変化するため、空気の密度を正確に測定することができなくなってしまうという課題を有していた。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、振動子の周囲の温度が変化しても測定物の密度を正確に測定することができる密度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１０】
本発明の請求項１に記載の発明は、振動子と、この振動子の共振により発生する出力信号から搬送波を生成する搬送波発生回路と、前記振動子の共振により発生する出力信号を復調することにより信号波を出力するＡＭ復調器と、前記振動子の共振周波数よりも低周波の初期信号波を発生させる初期信号波出力手段と、この初期信号波出力手段からの初期信号波と前記搬送波発生回路からの出力信号とを変調して合成した変調信号を駆動信号として前記振動子に入力するＡＭ変調器とを備え、前記初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波とを比較する比較回路を設けたもので、この構成によれば、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波とを比較する比較回路を設けているため、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ変調器の信号波は同一の温度条件で比較されることになり、これにより、振動子の周囲の温度が変化することにより振動子の縦弾性係数が変化し、そして振動子の共振周波数が変化しても測定物（空気）の密度を正確に測定できるという作用効果を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、比較回路で、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ変調器の信号波との位相差を比較するようにしたもので、この構成によれば、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波との位相差が共に、振動子の温度変化による縦弾性係数の変化の影響を受けないため、振動子の周囲の温度が変化しても、測定物（空気）の密度をさらに正確に測定できるという作用効果を有するものである。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、搬送波発生回路にＡＧＣ回路を設けるとともに、比較回路で、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波との振幅差を比較するようにしたもので、この構成によれば、搬送波発生回路にＡＧＣ回路を設けるとともに、比較回路で、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波との振幅差を比較するようにしているため、振動子の周囲の温度が変化して、振動子の縦弾性係数が変化しても、ＡＧＣ回路により、搬送波発生回路で生成される搬送波の振動の振幅を一定にすることができ、これにより、振動子の周囲の温度が変化しても、測定物（空気）の密度をさらに正確に測定できるという作用効果を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、振動子を密度測定物質中で振動駆動させたときに、振動子における共振周波数での位相特性よりもπ／４ｒａｄ位相が偏移する点の周波数での位相差を比較回路により比較するようにしたもので、この構成によれば、π／４ｒａｄ位相が偏移する点の周波数での位相差は、振動子の周囲の気体の密度により大きく変化するため、密度測定の感度が向上するという作用効果を有するものである。
【００１４】
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、振動子の振幅が所定の振幅になった際にＡＭ変調器が動作するように、ＡＭ変調器に動作スイッチを設けたもので、この構成によれば、振動子の振幅が所定の振幅になった際にＡＭ変調器が動作するように、ＡＭ変調器に動作スイッチを設けているため、振動子の振幅が所定の振幅になる前は、ＡＭ変調器は動作しないことになり、これにより、共振周波数以外での共振をすることはなくなり、不正確な出力信号を出力することもないため、出力信号の信頼性が向上するという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように本発明の密度センサは、振動子と、この振動子の共振により発生する出力信号から搬送波を生成する搬送波発生回路と、前記振動子の共振により発生する出力信号を復調することにより信号波を出力するＡＭ復調器と、前記振動子の共振周波数よりも低周波の初期信号波を発生させる初期信号波出力手段と、この初期信号波出力手段からの初期信号波と前記搬送波発生回路からの出力信号とを変調して合成した変調信号を駆動信号として前記振動子に入力するＡＭ変調器とを備え、前記初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波とを比較する比較回路を設けているため、初期信号波出力手段の初期信号波とＡＭ復調器の信号波は同一の温度条件で比較されることになり、これにより、振動子の周囲の温度が変化することにより振動子の縦弾性係数が変化し、そして振動子の共振周波数が変化しても測定物（空気）の密度を正確に測定することができるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態における密度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態における密度センサの回路図、図２は同密度センサにおける振動子の斜視図である。
【００１８】
図１、図２において、１１は振動子で、この振動子１１は四角柱状の水晶製の駆動電極振動体１２と、四角柱状の水晶製のモニタ電極振動体１３と、水晶製の接続部１４とにより構成されている。そして、前記駆動電極振動体１２は４つの側面に金からなる駆動電極１５ａおよび１５ｂを設けている。また前記モニタ電極振動体１３は駆動電極振動体１２と平行に設けられており、その表面および裏面に金からなるモニタ電極１６を設けている。１９は搬送波発生回路で、この搬送波発生回路１９は前記振動子１１のモニタ電極１６の電荷を入力する増幅器２０と、この増幅器２０の出力信号を入力するバンドパスフィルタ２１と、このバンドパスフィルタ２１の出力信号を入力する整流器２２と、この整流器２２の出力信号を入力する平滑回路２３とにより構成されている。２４はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路２４は前記搬送波発生回路１９における平滑回路２３の出力信号を入力し、前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。２５は駆動制御回路で、この駆動制御回路２５は前記ＡＧＣ回路２４の出力信号を入力するとともに、振動子１１における共振周波数からなる搬送波を出力信号として出力するものである。２６は初期信号波出力手段で、この初期信号波出力手段２６は、振動子１１の共振周波数よりも低周波の初期信号波を出力するものである。２７はＡＭ変調器で、このＡＭ変調器２７は前記搬送波発生回路１９における搬送波からなる出力信号と初期信号波出力手段２６からの初期信号波とを変調して合成した変調信号を前記振動子１１における駆動電極１５ａに入力するものである。２８は反転アンプで、この反転アンプ２８は前記ＡＭ変調器２７からの変調信号を反転させた後、振動子１１における駆動電極１５ｂに入力するものである。２９は動作スイッチで、この動作スイッチ２９は前記ＡＭ変調器２７の動作を切り替えるものである。
【００１９】
上記したように本発明の一実施の形態においては、振動子１１の振幅が所定の振幅になった際にＡＭ変調器２７が動作するように、ＡＭ変調器２７に動作スイッチ２９を設けているため、振動子１１の振幅が所定の振幅になる前は、ＡＭ変調器２７が動作するということはなくなり、これにより、共振周波数以外での共振を防止することができ、そして不正確な出力信号を出力することもないため、出力信号の信頼性が向上するという効果が得られるものである。
【００２０】
また、図１、図２において、３０はＡＭ復調器で、このＡＭ復調器３０は前記モニタ電極振動体１３におけるモニタ電極１６に電気的に接続されるとともに、このモニタ電極１６から出力される出力信号を復調することにより、搬送波分の信号を除去した出力信号を出力するものである。３１は比較回路で、この比較回路３１は初期信号波出力手段２６からの初期信号波とＡＭ復調器３０からの信号波とを比較して演算することにより、振動子１１の周辺の密度を検出するものである。
【００２１】
上記のように本発明の一実施の形態においては、初期信号波出力手段２６の初期信号波とＡＭ復調器３０の信号波とを比較する比較回路３１を設けているため、初期信号波出力手段２６の初期信号波とＡＭ復調器３０の信号波は同一の温度条件で比較されることになり、これにより、振動子１１の共振周波数の変化による影響を受けることはなくなるため、振動子１１の周囲の温度が変化することにより振動子１１の縦弾性係数が変化し、そして振動子１１の共振周波数が変化しても測定物（空気）の密度を正確に測定できるという効果が得られるものである。
【００２２】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における密度センサについて、次にその動作を説明する。
【００２３】
振動子１１の駆動電極１５ａおよび１５ｂに交流電圧を加えると前記振動子１１が共振し、振動子１１のモニタ電極１６に電荷が発生する。そしてこのモニタ電極１６に発生した電荷は、搬送波発生回路１９における増幅器２０に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこの増幅器２０の出力電圧はバンドパスフィルタ２１に入力され、振動子１１の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去し、図３（ａ）に示すような正弦波形が出力される。また、前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を整流器２２に入力することにより、負電圧成分は正電圧に変換されて図３（ｂ）に示すような出力信号が出力される。そして、この出力信号を平滑回路２３に入力することにより、図３（ｃ）に示すような直流電圧信号に変換される。そしてまた、ＡＧＣ回路２４は前記平滑回路２３の直流電圧信号が大の場合には前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記平滑回路２３の直流電圧信号が小の場合には前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路２５に入力し、前記振動子１１の振動を一定振幅になるように調整している。この後、ＡＭ変調器２７により、図３（ｄ）に示す駆動制御回路２５からの出力信号と、図３（ｅ）に示す初期信号波出力手段２６からの初期信号波とを変調して合成することにより、図３（ｆ）に示すような変調信号を振動子１１における駆動電極１５ａに入力するとともに、この変調信号を反転アンプ２８により反転させた後、振動子１１における駆動電極１５ｂに入力し、振動子１１における駆動電極振動体１２を振動駆動させる。そして、この振動は接続部１４を伝わってモニタ電極振動体１３に伝わり、水晶の分極に応じて、モニタ電極１６に電荷が発生する。この電荷を増幅器（図示せず）により、出力信号として出力する。この出力信号は、図３（ｇ）に示すように、振動子１１における駆動電極１５ａおよび１５ｂに入力される図３（ｆ）の信号よりも位相がずれている。この位相のずれは、振動子１１の周囲の気体が抵抗となって発生するものであり、気体の密度が大きい程、位相のずれも大きくなる。そして、モニタ電極振動体１３におけるモニタ電極１６からの出力信号をＡＭ復調器３０により復調して、図３（ｈ）に示す出力信号を出力し、比較回路３１により、図３（ｅ）に示す初期信号波出力手段２６からの初期信号波と比較して演算することにより、振動子１１の周囲の気体の密度としての出力信号を外部に出力するものである。
【００２４】
この場合、初期信号波出力手段２６の初期信号波とＡＭ復調器３０の信号波との位相差は共に、振動子１１の温度変化による縦弾性係数の変化の影響を受けないため、振動子１１の周囲の温度が変化しても、測定物（空気）の密度をさらに正確に測定できるという効果が得られるものである。
【００２５】
ここで、例えば、密度センサの高低の位置により、気体密度が気圧に比例することを利用して気圧の変化を検出する場合を考えて見ると、図４に示すように、密度センサを低地等の気圧の高い場所で使用して、ＡＭ復調器３０の出力信号波と初期信号波出力手段２６の初期信号波との位相差がπ／４ｒａｄとなる周波数を記憶しておき、そして、高地等の気圧の低い場所に密度センサを移動させて、前述した周波数での位相を測定すると、気圧の低い場所では、位相差が低く出力されるものである。
【００２６】
そして、π／４ｒａｄ位相が偏移する点の周波数での位相差は、振動子１１の周囲の気体の密度により大きく変化するため、密度測定の感度が向上するという効果が得られるものである。
【００２７】
また、同様に、密度センサの振幅特性を測定すると、図５に示すように、振動子１１の周囲の気体の密度が低いときに比較して、周囲の気体の密度が高い場合には、振幅は小さくなるものであり、したがって、振幅を比較することによっても、密度を検出することができるものである。
【００２８】
すなわち、搬送波発生回路１９にＡＧＣ回路２４を設けるとともに、比較回路３１で、初期信号波出力手段２６の初期信号波とＡＭ復調器３０の信号波との振幅差を比較するようにしているため、振動子１１の周囲の温度が変化して、振動子１１の縦弾性係数が変化しても、ＡＧＣ回路２４により、搬送波発生回路１９で生成される搬送波の振動を振幅を一定にすることができ、これにより、振動子１１の周囲の温度が変化しても、測定物（空気）の密度をさらに正確に測定できるという効果が得られるものである。
【００２９】
なお、上記本発明の一実施の形態における密度センサにおいては、振動子１１として、水晶製の圧電型振動子を使用したものについて説明したが、図６に示すように、駆動電極３２および検出電極３３を設けた静電容量型振動子３４を使用しても、上記本発明の一実施の形態における密度センサと同様の効果が得られるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明に係る密度センサは、振動子の周囲の温度が変化しても測定物の密度を正確に測定することができるという効果を有するものであり、気体あるいは液体の密度を検出する密度センサとして有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態における密度センサの回路図
【図２】同密度センサにおける振動子の斜視図
【図３】（ａ）〜（ｈ）同密度センサが動作したときの出力信号を示す波形図
【図４】同密度センサが動作したときの位相特性を示す図
【図５】同密度センサが動作したときの振幅特性を示す図
【図６】本発明の他の実施の形態の密度センサにおける振動子の側断面図
【図７】従来の密度センサの側面図
【図８】同密度センサの回路図
【符号の説明】
【００３２】
１１  振動子
１９  搬送波発生回路
２６  初期信号波出力手段
２７  ＡＭ変調器
２９  動作スイッチ
３０  ＡＭ復調器
３１  比較回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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