(57)【要約】音響機械的および／または誘電的負荷をかけられた共振センサの共振周波数の値を決定する方法および装置である。このセンサは、２つの異なる周波数で同時にかつ常に励振され、その第１の周波数は、直列共振周波数であり、一方、第２の周波数は、センサ並列キャパシタンスを自動的かつ継続的な仕方で検出しかつ補償するために導入される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響機械的および／または誘電的負荷をかけられた共振センサの共振周波数の値を決定する方法であって、前記センサは、第１の周波数を有する少なくとも第１の電気信号により励振され、前記センサは、前記センサの並列キャパシタンスを自動的かつ継続的な仕方で補償するように第１の周波数とは異なりかつ独立した第２の周波数を有する少なくとも第２の電気信号により同時に励振されることを特徴とする前記方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、前記センサの第１の電気励振信号の第１の周波数は、前記センサのインピーダンスの位相がゼロとなるような値に常に維持されている前記方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法であって、前記第２の周波数にある第２の電気信号は、前記センサの並列キャパシタンスのみによる応答を瞬時に決定するために用いられる前記方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法であって、前記第１の周波数は、前記センサの直列共振周波数である前記方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法であって、前記第２の周波数は、前記センサの直列共振周波数よりも低い前記方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法であって、補償された前記並列キャパシタンスの値を表す少なくとも１つの電気量の瞬時検出を行う前記方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法であって、前記センサの共振回路のキュー（Ｑ）の値を表す少なくとも１つの電気量の瞬時検出を行う前記方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法であって、前記共振センサは、圧電センサである前記方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法であって、前記共振センサは、圧電水晶センサである前記方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法であって、前記共振センサは、厚みずれモード（ＴＳＭ）で振動する圧電ＡＴカット水晶センサである前記方法。
【請求項１１】
音響機械的および／または誘電的負荷をかけられた共振センサの共振周波数の値を決定する装置であって、第１の周波数を有する少なくとも１つの第１の電気信号により前記センサを励振し、少なくとも１つの第１のフィードバック部分を有する少なくとも１つの発振回路を含み、前記センサの並列キャパシタンスを自動的かつ継続的な仕方で補償するように第１の周波数とは異なりかつ独立した第２の周波数を有する少なくとも１つの第２の電気信号により、前記センサを常にかつ同時に励振する少なくとも１つの第２のフィードバック部分が含まれていることを特徴とする前記装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の装置であって、前記共振センサは、前記発振回路の周波数の周波数制御素子である前記装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の装置であって、前記第１の周波数は、前記センサの直列共振周波数である前記装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の装置であって、前記第２の周波数は、前記センサの直列共振周波数よりも低い前記装置。
【請求項１５】
請求項１１記載の装置であって、前記第１のフィードバック部分は、前記センサの直列共振周波数に追従する位相同期ループを形成する第１のフィードバック・ループを含む前記装置。
【請求項１６】
請求項１１記載の装置であって、前記第２のフィードバック部分は、前記センサの並列キャパシタンスの自動補償を行う第２のフィードバック・ループを含む前記装置。
【請求項１７】
請求項１５および１６記載の装置であって、前記第１のフィードバック・ループは、前記第２のフィードバック・ループに結合されている前記装置。
【請求項１８】
請求項１１記載の装置であって、電圧制御可変キャパシタンスを含む少なくとも１つの部分が含まれている前記装置。
【請求項１９】
請求項１１記載の装置であって、前記共振センサの少なくとも１つの端子は、接地される前記装置。
【請求項２０】
請求項１１記載の装置であって、前記共振センサは、圧電センサである前記装置。
【請求項２１】
請求項１１記載の装置であって、前記共振センサは、圧電水晶センサである前記装置。
【請求項２２】
請求項１１記載の装置であって、前記共振センサは、厚みずれモード（ＴＳＭ）で振動する圧電ＡＴカット水晶センサである前記装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷をかけられた圧電共振センサの共振周波数を決定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
厚みずれモード（ＴＳＭ）で振動するＡＴカット水晶に基づく圧電共振センサは、水晶微量てんびん（ＱＣＭ）、膜厚モニタ、流体の物理化学的性質のセンサとして、また化学および生化学センサ用のトランスダクション装置として用いられる。
【０００３】
水晶共振センサは、化学、医学、バイオテクノロジ、環境、食品、材料およびプロセス制御の諸分野において広く用いられている。
この種のセンサの一次出力信号は、水晶の共振周波数であり、これは、被測定量に直接、関連するので、正確に決定されなければならない。
【０００４】
この目的のために、水晶が周波数制御素子として挿入されている発振回路が一般に用いられる。しかし、センサが液体または粘弾性媒体と接する測定におけるように、大きい音響的および／または誘電的負荷をかけられた時は、センサの共振周波数および共振回路の出力周波数は、著しく異なってくることがあり、その結果、大きい不正確および性能劣化を生じる。
限界的な場合として、高減衰下においては、発振回路は、適正な動作を停止し、発振の維持をやめることがあり、従って、センサの動作範囲は、制限される。
【０００５】
そのような状況は、文献においてＢＶＤ（バタワース・バン・ダイク）モデルとして公知の等価回路の拡張により表すことができ、その場合、負荷をかけられたセンサの特性パラメータは、水晶の固有キャパシタンスに関連するセンサの電気的動態を表す第１のキャパシタンスと、コンダクタンスが無視できると仮定された液体との接触またはその液体内への浸漬から生じる第２のキャパシタンスとを含む。拡張されたＢＶＤモデルにおけるキャパシタンスは、双方が並列に接続され、それらは、一緒に、いわゆる、センサの並列または静的キャパシタンスを形成する。
【０００６】
この並列キャパシタンスは、その効果が負荷を原因とする電力損失の増大と結合しており、被測定量、すなわち、センサの共振周波数の決定に否定的な影響を与えるパラメータであるので、この並列キャパシタンスは、測定精度を改善するために補償されなければならない。
センサ並列キャパシタンスの補償を導入した発振回路は、文献においてすでに公知である。しかし、そのような公知の発振回路においては、補償は、時間のかかる間違いやすい手動調整を意味する。さらに、そのような公知の発振回路は、補償されたキャパシタンスの値の測定を許さず、逆に、いくつかの応用においては重要な関心事である。
【０００７】
センサ並列キャパシタンスの補償についての研究のいくつかの例は、本発明者自身により行われた。例えば、「大きい音響負荷をかけられた水晶共振器センサの共振回路構成、エレクトロニクス・レターズ、３６、７（２０００）「目的をもって設計された発振回路による水晶微量てんびんセンサの精度および動作範囲の改善」ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳ．ＯＮ  ＩＮＳＴＲ．ＡＮＤ  ＭＥＡＳＵＲ．第５０巻、第５号、２００１年１０月および「発振器により駆動されるＱＣＭセンサにおける精度および範囲制限」センサおよびマイクロ・システムに関する第７回国民会議議事録、ボローニャ、２００２年２月４−６日を参照することができる。
【０００８】
そのような研究においては、センサ並列キャパシタンスに加算される負のキャパシタンスとして働く部分を含む発振回路が提案され、センサの共振周波数の正確な測定を妨げる混乱効果を除去する。
このアプローチは、満足な結果を与えるが、ある制約をもたらす。実際、上記で参照した研究においては、負のキャパシタンスをシミュレートするために採用した特定の構成は、ある状況下で不安定になることがある。さらに、上記で参照した研究のいずれの回路においても、センサの１つの端子が接地されているということがないが、これは、むしろ、いくつかの電気化学的および生物学的応用において望ましいこととなる。
【０００９】
並列キャパシタンスを補償する異なるアプローチは、Ａ．アーナウ外により提案されていて（「並列キャパシタンス補償による水晶共振器の連続動直列共振周波数および動抵抗モニタリング回路」ＲＥＶ．ＯＦ  ＳＣＩＥＮＴ．ＩＮＳＴＲ．第７３巻、第７号２００２年７月）、ある回路を導入しているが、この回路は、混乱させられないセンサに関して行われ、いくつかの長い校正操作を必要とする。解決法もまた述べられており、その解決法は、システムの校正工程および並列キャパシタンス補償の自動化を可能にするが、これは、回路をもっと複雑かつ高価なものとする。
【００１０】
いずれにせよ、これまでに提案されたいずれの共振器の構成も、追加の極めて重要なパラメータである補償されたキャパシタンスの瞬時値の決定を可能としない。
発振回路の使用の代案として、インピーダンス解析器によりセンサのインピーダンス・スペクトルを測定することができる。しかし、インピーダンス解析器は、高価な器具であり、操作するための専門員を必要とし、そのために、研究室での使用は、本質的に制約される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
（発明の要約）
本発明のタスクは、小型で非専門員でも使用が容易であり、かつ安価でさらに同時に、これまでの公知のシステムにおける制約を克服するという点で、発振器の備える典型的利点を提供する方法および装置を提案することである。
このタスクの範囲内における、本発明の１つの目的は、音響的および／または誘電的負荷をかけられた共振センサの共振周波数の値を極めて高精度で決定できる方法を提案することである。
【００１２】
本発明のもう１つの目的は、共振センサが高度の減衰を受けている場合においても極めて正確な測定を可能とする上述のタイプの方法を提案することである。
本発明のさらなる目的は、共振センサにおけるセンサ並列キャパシタンスの補償を自動化できる上述のタイプの方法を提案することである。
本発明のさらにもう１つの目的は、音響機械的および／または誘電的負荷をかけられた共振センサの共振周波数の値を完全に自動化された仕方で決定し安価で実装および使用が容易な装置を示すことである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらの目的は、本発明により達成される。本発明は、請求項１に従い、負荷をかけられた共振センサの共振周波数の値を決定する方法に関する。
高い測定精度を得るために、センサ・キャパシタンスを補償するために提案される技術は、いかなる調整もユーザに要求しない完全自動化の根本的革新を導入する。そのような技術は、２つの異なる周波数でのセンサの同時かつ独立した励振に基づき、また２つの別個のフィードバック・ループの使用に基づいている。好ましくは、一方の第１の周波数は、センサの直列共振周波数であり、第２の周波数は、センサの直列共振周波数よりも低い。
【００１４】
本発明は、さらに、請求項１１に従い、負荷をかけられた共振センサの共振周波数の値を決定する装置に関する。
本発明による装置の発振回路は、センサ並列キャパシタンスの能動的かつ自動的補償を得るため、また、センサ・インピーダンスの位相がゼロである場合の周波数に常に等しい回路の発振周波数を維持する技術を提案しかつ実施する。
並列キャパシタンスの中立化の条件下では、そのような周波数は、減衰の度合にかかわらずセンサの共振周波数に正確に対応する。さらに、回路は、自動的に上記周波数に追従し、センサ応答の正確で信頼性のある測定を提供する。
【００１５】
低い方の周波数における励振および第１のフィードバック・ループは、並列キャパシタンスのみを原因とするセンサ応答を検出できるようにする。そのような応答を適正に処理することにより、並列キャパシタンスの自動キャンセレーションが行われる。この状態においては、位相ロック・ループ（ＰＬＬ）である第２のフィードバック・ループは、高い方の周波数をセンサ共振周波数に常にロックしておく。
【００１６】
センサ共振周波数および減衰の瞬時値に加えて、回路は、補償されたキャパシタンスの値に関する出力パラメータをも有利に供給する。
本発明による方法および装置の特性のために、測定実験の過程中に並列キャパシタンスが変化する場合に、並列キャパシタンスの進展を連続的に測定することが可能となる。これは、特定の応用において特に重要である。
本発明のさらなる特性および利点は、説明の目的で行われ、制限の目的で行われるわけではなく、添付の図面を参照しつつ行われる以下の記載により、さらに明らかとなる。
【００１７】
（発明の実施の態様）
音響機械的および誘電的双方の負荷をかけられた水晶共振センサは、その基本共振周波数付近において、図１の等価回路（拡張ＢＶＤモデル）により表すことができる。
この回路において、Ｌ1、Ｃ1およびＲ1は、モデルの機械（すなわち、運動）ブランチを形成し、無負荷センサの質量、弾性コンプライアンスおよび機械的損失のそれぞれの等価物を表す。キャパシタＣOは、水晶のキャパシタンスに関連するセンサの誘電動態を表す。
【００１８】
音響機械的負荷は、等価インピーダンスＺLeqにより表され、一方、ＣPは、導電率が無視できると仮定された液体との接触またはその液体内への浸漬から生じる追加のキャパシタンスである。
さらに詳述すると、ＺLeqは、単純な質量蓄積の場合には純粋に誘導性のものであることができ、あるいは、例えば、高密度の粘性液体の場合またはセンサ上に粘弾性膜が配置されている場合のように、かなりの減衰も存在する時は、複素数となる。
負荷に直接、関連し、かつ、センサに対して並列な浮遊キャパシタンスにより影響されないために、大いに関心を引く量は、次式により与えられる直列共振周波数ｆsである。
【００１９】
【数１】
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ただし、ＬTおよびＣTは、それぞれ、図２に示した等価回路の簡単化された電気回路図から得られ、センサ等価回路の運動ブランチ内の合計、すなわち、負荷を含めたインダクタンスおよびキャパシタンスを表す。
【００２０】
この回路図において、並列または静的キャパシタンスは、キャパシタンスＣO*により示されており、その値は、図１に示されているキャパシタンスＣPおよびＣOの和により与えられ、すなわち、ＣO*＝ＣO＋ＣPである。
ｆsの代表的な値は、用いられる特定のセンサの厚みにより、ほぼ５から３０ＭＨｚである。
合計抵抗Ｒ1により起こされ周波数ｆsにおける電力損失量を決定するためには、減衰の度合またはこれと同等の次式で与えられる共振回路のキュー（Ｑ）を測定することも有用である。
【００２１】
【数２】
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【実施例１】
【００２２】
図３には、本発明の可能な実施例による装置のブロック図が示されている。
負荷を含むセンサの等価回路（図２）により表されるセンサは、点線の枠Ｓ内に含まれている。
ＣCと名付けられたブロックは、可変キャパシタンスを表し、その値は、電圧ＶCにより制御される。このような可変キャパシタンスを実現するためには，例えば、電圧制御利得を有する電圧増幅器の出力に直列に接続された固定キャパシタンスを用いることができる。代案として、例えば、バラクタ（またはバリキャップ）ダイオードまたは電圧制御可変キャパシタンスを提供できる任意のデバイスおよび構成を含む他の公知の回路スキームを用いることもできる。
【００２３】
電圧波形ＶHLは、発振器ＯＳＣにより発振される事前設定された周波数ｆL を有する正弦波信号ＶLと、電圧制御発振器ＶＣＯにより発振される周波数ｆHを有する正弦波信号ＶHとの和である。
信号ＶHの周波数ｆHは、全発振回路の出力周波数ｆoutとして理解され、常にセンサの直列共振周波数ｆsに等しく維持されることが以下に示される。好ましくは、周波数ｆLは、ｆHよりも低くする。例えば、１０ＭＨｚの共振センサ（ｆH＝１０ＭＨｚ）により行われた実験テストにおいては、周波数ｆLは、５０ｋＨｚにセットされた。ｆLの他の値もまた、周波数ｆHよりも適切に低く、これら２つの周波数の間の差異が有効なものであり、従って、以下の考察が成立するならば、使用することができる。
【００２４】
複雑で高価なものとなりやすい特別に選択的なフィルタの使用を避けるものとすると、ｆLの上限を適切には、センサの共振周波数の数十分の一の低さにセットする。
ここで提案される方法の基本原理に関する限り、周波数ｆLは、センサの共振周波数よりも適切に大きい値に選択してもよい。しかし、そのような選択は、（数十または数百ＭＨｚの）極めて高周波における回路の動作部分の必要性に関連する実際的な問題を引き起こし、これは、ひいては、むしろここで採用した選択により回避される重大な問題を導入する。
周波数領域内において、差電圧（Ｖ2−Ｖ1）は、次式により電圧に関連している。
【００２５】
【数３】
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【００２６】
Ｒ4およびＣ4の値は、インピーダンスＺ4において低い方の周波数ｆLにおいてＲ4が優勢となり、高い方の周波数ｆHにおいてＣ4が優勢となるように適切に選択する。
式（３）は、低い方の周波数ｆLにおいて考えられる時または高い方の周波数ｆHにおいて考えられる時の２つの異なる式に簡単化される。
周波数ｆLにおいて、センサは、共振から遠く、その等価回路は、並列キャパシタンスＣO*に簡略化される。従って、式（３）は、以下のようになる。
【００２７】
【数４】
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【００２８】
式（４）は、補償キャパシタンスＣCの調整によって、差電圧（Ｖ2−Ｖ1）がゼロとなる状況を検出することにより、キャパシタンスＣO*がＣCαにより中立化される状態に到達できることを示す。
これは、ブロックＰＢ、ＡＤ２、ＳＦ、Ｍ２、Ｉ２およびＣCを用い、（Ｖ2−Ｖ1）＝０の状態にロックしておくフィードバック・ループを実現する回路の部分により、自動的かつ継続的に行われる。
実際、低域フィルタＰＢは、信号（Ｖ2−Ｖ1）から式（４）に対応する低周波ｆLの成分を抽出する。信号（Ｖ2−Ｖ1）のそのような成分は、差動増幅器ＡＤ２により増幅される。９０°移相器ＳＦおよびアナログ乗算器Ｍ２は、周波数ｆLである（Ｖ2−Ｖ1）の成分の同時検出を行い、ＶLに対して直角位相をなすこの成分をＤＣ電圧に変換する。
【００２９】
積分器Ｉ２は、アナログ乗算器Ｍ２の出力を強制的にゼロにし、上記ループ内の静的誤差を常にゼロにする。積分器Ｉ２のＤＣ出力電圧ＶCは、可変キャパシタンスＣCを調整する。
このようにして、センサ並列キャパシタンスＣO*は、自動的に常にキャパシタンスＣCαにより補償される。ＤＣ電圧ＶCは、補償された並列キャパシタンスＣO*の瞬時値を与える追加の出力として理解される。
周波数ｆHにおいては、上述のキャパシタンスＣO*の自動補償の方法のおかげで、式（３）は、次のようになる。
【００３０】
【数５】
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【００３１】
乗算器Ｍ１、積分器Ｉ１および電圧制御発振器ＶＣＯは、いっしょに位相同期ループ（ＰＬＬ）フィードバック・システムを形成する。
実際、乗算器Ｍ１は、周波数ｆHにあるＶHに対して直角位相をなす差電圧（Ｖ2−Ｖ1）の成分を積分器Ｉ１により常に強制的にゼロにされるＤＣ電圧に変換する。
この状態にある時は、発振器ＶＣＯの出力周波数ｆhは、必然的にセンサのコンダクタンスＹTが純実数となる周波数に保たれる。その周波数は、直列共振周波数ｆsと同じである。
従って、出力周波数ｆout、すなわち、ｆHは、負荷条件にかかわらず常にｆsに等しい。
【００３２】
高域フィルタＰＡ、差動増幅器ＡＤ１およびピーク整流器ＲＰは、共振時におけるセンサの電力損失測定専用の回路部分を形成する。
実際、高域フィルタＰＡは、信号（Ｖ2−Ｖ1）から２つの上述のフィードバック・ループにより常に共振周波数ｆsに等しく保たれる高い周波数ｆHの成分を抽出する。従って、信号（Ｖ2−Ｖ1）のそのような成分の振幅は、１／ＲTの項、換言すれば、方程式（２）により表されるセンサの共振回路のキューＱに比例する。ピーク整流器ＲＰは、次に全回路のさらなる追加の出力と理解される１／ＲTに比例するＤＣ電圧を供給する。
（実験結果）
【００３３】
図３の電気回路図に基づく発振器を含む装置の原型は、適切な特性を有するものの中から選択された市販の部品を用いて組立てられた。この原型においては、可変キャパシタンスは、上述のように、すなわち、電圧制御利得を有する電圧増幅器の出力に直列に接続された固定キャパシタンスを用いて実現された。
圧電共振センサとしては、１０ＭＨｚ、ＡＴカットのＴＳＭ水晶が用いられた。信号ＶLの周波数は、５０ｋＨｚにセットされた。
センサは、異なる負荷条件を確定する４種の液体、すなわち、アセトン、トリクロロエチレン、エタノールおよびエチレン・グリコール内に浸漬された。
【００３４】
予備ステップとして、公称上１０ＭＨｚに等しくセンサの正確な無負荷の直列共振周波数ｆsと、４つの負荷条件のそれぞれにおける対応する周波数値との間の差がインピーダンス解析器を用いて測定され、得られた結果は、基準値（Ｈｚを単位とするΔｆs基準）として考えられた。
そこで、並列キャパシタンス補償部分が無効化されている提案された発振回路にセンサを接続して、第２のテストが行われ、異なる負荷条件における発振器の出力周波数が測定されて、無負荷の場合に対する周波数偏移Δｆsの値が決定され、また、第３のテストにおいて、並列キャパシタンス補償部分が有効化され、異なる負荷条件における発振器の出力周波数が測定されて、無負荷の場合に対する周波数偏移Δｆsの値が比較のために決定された。以上のテストの結果は、以下のテーブル１に報告されている。
【００３５】
【表１】
2006520899.tif 000008
【００３６】
提案されている共振回路による第２および第３のテストにおいて生じた百分率誤差のほかに、テーブル１の最後の２行には、電圧ＶCの測定値および対応するキャパシタンスＣCの対応値も報告されている。
以下のテーブル２は、上記回路において測定された補償キャパシタンスＣCと、制御電圧ＶCとの間の対応値を報告している。
【００３７】
【表２】
2006520899.tif 000009
【００３８】
テーブル１に示されている結果は、有効化された自動キャパシタンス補償システムを有する本発明による装置が補償されなかった場合より精度を一桁よりも大きく改善することを証明している。さらに、高誘電率および誘起減衰のために、上記回路がキャパシタンス補償のない場合に発振を維持することを妨げる液体であるエチレン・グリコールにより負荷をかけられた時でも、発振器は、高い度量衡学的性能をもって動作する。
【００３９】
さらに、テーブル１の最後の２行内のデータは、共振器が電圧ＶCおよび補償キャパシタンスＣCとの関係を用いて、補償された並列キャパシタンスＣO*の値を決定できることを示す。予想通りに、そのような値は、液体の誘電率の増加とともに増加する。
本発明の基本原理は、例として説明した水晶センサに制限されるものではなく、むしろ、圧電共振センサ一般にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】音響機械的および誘電的負荷をかけられた水晶共振センサの等価回路を表す詳細な電気回路図である。
【図２】図１と同じ等価回路の簡単化された電気回路図である。
【図３】本発明の可能な実施例による装置の電気ブロック図である。（実施例１）
【図１】
2006520899.tif 000010
【図２】
2006520899.tif 000011
【図３】
2006520899.tif 000012
【国際調査報告】
2006520899.tif 000013
2006520899.tif 000014
2006520899.tif 000015