(57)【要約】【課題】クリスタルを選択された共振周波数でその周波数の変化に無関係に振動させる、例えばセンサで使用されるクリスタル発振回路及び作動方法を提供する。【解決手段】表面を振動させるための装置。装置は、ａ）表面に結合した圧電クリスタルと、ｂ）クリスタルに供給されてクリスタルを振動させ、それによって表面を振動させる駆動信号を発生させるための可変周波数発生器と、ｃ）クリスタル間の電圧とクリスタルを通して流れる電流の間の位相シフトをモニタし、それに応答して、クリスタルの発振周波数と共振周波数の間の差に関連する調整信号を発生させるための解析器とを有する発振回路を含み、可変周波数発生器は、調整信号に応答して駆動信号の周波数を変更し、クリスタルを共振周波数で振動させる。
2006523986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を振動させるための装置であって、
ａ）表面に結合した圧電クリスタルと、
ｂ）クリスタルに供給されて該クリスタルを振動させ、それによって前記表面を振動させる駆動信号を発生させるための可変周波数発生器と、
ｃ）前記クリスタル間の電圧とそれを通して流れる電流との間の位相シフトをモニタし、それに応答して、該クリスタルの発振周波数と共振周波数との間の差に関連する調整信号を発生させるための解析器と、
を有する発振回路を含み、
前記可変周波数発生器は、前記調整信号に応答して前記駆動信号の周波数を変更し、前記クリスタルを共振周波数で振動させる、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記可変周波数発生器は、周波数シンセサイザを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記周波数シンセサイザには、オーブン制御クリスタル発振器からの基準周波数が供給されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記周波数シンセサイザには、電圧制御クリスタル発振器からの基準周波数が供給されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記可変周波数発生器は、更に、前記駆動信号から位相が９０°だけシフトした直交信号を発生することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記解析器は、２つの直交変調器を含み、一方は、前記駆動信号、前記直交信号、及び前記クリスタル間の電圧を表す信号を受信し、他方は、該駆動信号、該直交信号、及び該クリスタルを通して流れる電流を表す信号を受信することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記調整信号は、前記周波数シンセサイザの作動を制御し、それによって前記駆動信号の周波数を変更することを特徴とする、請求項２に従属する場合の請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記調整信号は、前記電圧制御クリスタル発振器の発振の周波数を制御し、それによって前記駆動信号の周波数を変更することを特徴とする、請求項４に従属する場合の請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記クリスタルの振動の振幅を制御するための電圧制御増幅器を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
表面を振動させる方法であって、
ａ）表面に結合した圧電クリスタルを振動させることによって該表面を振動させる駆動信号を生成する段階と、
ｂ）前記クリスタル間の電圧とそれを通して流れる電圧との間の位相シフトをモニタし、それに応答して、該クリスタルの発振周波数と共振周波数との間の差に関連する調整信号を発生させる段階と、
ｃ）前記クリスタルが共振周波数で振動するように、前記調整信号に従って前記駆動信号の周波数を変更する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記駆動信号は、基準周波数からの周波数合成によって生成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記基準周波数は、温度で安定化されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基準周波数は、電圧で制御されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記クリスタル間の電圧及び該クリスタルを通して流れる電圧がモニタされ、前記調整信号は、該電圧及び電流間の位相シフトに関連することを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記駆動信号と直角する直交信号も生成され、前記駆動信号及び直交信号は、両方とも前記クリスタル間の電圧を表す信号と混合され、かつ該クリスタルを通して流れる電流を表す信号と混合されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記クリスタルの振動の振幅を制御する段階を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
表面上に固定された検体を該表面から分離するために請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置を使用すること。
【請求項１８】
表面上に固定された検体を該表面から分離するために請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載の方法を使用すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリスタルを選択された共振周波数でその周波数の変化に無関係に振動させる、例えばセンサで使用されるクリスタル発振回路及び作動方法に関する。本発明は、高い駆動電力及び外部の影響が共振周波数の予測不能な変化を引き起こす条件下で特に実用性を見出すものである。
【背景技術】
【０００２】
タイミング及び周波数制御のようなクリスタル発振器の従来の用途では、クリスタル振動子は、共振回路内に接続され、他の理由の中でもとりわけ低い駆動電圧が使用されるので、非常に安定した作動周波数を維持する。これらの用途では、駆動電圧の制御は、発振周波数ほど重要ではなく、駆動電圧を低レベルに維持することによってクリスタルの加熱が回避される。
クリスタル及び他の圧電発振器は、感知する用途、例えば、温度、圧力、質量、及び粘性を感知する際に広く使用されている。このような用途では、確実に周波数が共振に留まるようにする必要があり、これを達成する様々な方法が公知である。それらは、温度安定化、自励発振回路、及び位相シフトネットワークを含む。これらの全ての場合において、発振器は、固定された低い電力レベル及びその線形範囲で作動している。
【０００３】
しかし、クリスタルをその非線形作動モードに駆動する電力レベルを含む遥かに広い範囲に亘って駆動電力を変更する必要があるクリスタルの用途、例えばセンサ用途が存在する。例えば、クリスタル振動子は、運動による変換器として使用することができる。このような用途は、ＷＯ０１／０２８５７で説明されている破裂イベント走査（ＲＥＶＳ（登録商標））である。この用途では、駆動電圧は、一般的にピーク間で２０ボルトまでである。駆動電圧が増大する時に、クリスタルの共振周波数が変化することは公知である。これは、高電圧に対するクリスタル振動子の非線形応答によって引き起こされたクリスタル構造内の非可逆性電圧で生じた変化、及び高い電力レベルでのクリスタルの加熱によって引き起こされたクリスタルの共振周波数の温度依存性のようないくつかの影響によるものである。
【０００４】
従来の発振器用途では、発振器は、最も強いモードを選択する。電力が高くなると電力対周波数特性が共振の周波数のそれに近づくか又は超える場合があるクリスタルでは疑似モードが存在する。これらの相互作用は、クリスタルの共振応答を変える可能性がある。通常は強度が低い共振に近い疑似モードは、鋭い周波数対温度特性を有する場合がある。ある一定の温度では、不要なモードの周波数が発振器周波数と一致する場合がある。これらの影響のいずれも、「モードホップ」つまり発振器の周波数の突然の変化を引き起こす可能性がある。
【０００５】
更に、多くのセンサにおいては、一部のパラメータの感度がより高い周波数で増大するので、クリスタルの共振倍音で作動することが望ましい。しかし、倍音周波数が増大する時に、疑似モードの密度も増大し、モードホップ発生の確率が増大する。不要なモードは、低電力用途については適正な設計及び作製方法によって制御することができるが、電力レベルが増大すると、これは益々困難になる。
ＲＥＶＳ（登録商標）処理においては、電力レベルは、一般的にゼロから２５０ｍＷまで変えることができ、これは、共振時の振動を維持しながら制御された方法で行う必要がある。共振からの偏りのいずれも、クリスタルの機械的運動の振幅を減少させることになる。破裂イベントの識別は機械的運動の制御に依存するので、このような偏りは許容できないものである。
【０００６】
以下に説明する問題は、クリスタルが散逸性流体と接触する破裂イベント走査においては悪化する。すなわち、振幅が増大すると、非線形粘弾性効果は、クリスタルに及ぼす摩擦力を予測不能な方法で変化させる。流体の散逸性損失はまた、クリスタルを加熱させる場合がある。これらの影響は、電力が増大する時にクリスタルの共振周波数の変化を引き起こす可能性がある。
すなわち、ＲＥＶＳ（登録商標）では、クリスタルを常に共振状態で能動的に駆動し、熱的及び非線形効果による共振周波数の予測不能な変化に追随し、一方で供給される駆動電力に亘って制御を維持することができる周波数制御システムを有する必要性が存在する。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ０１／０２８５７
【発明の開示】
【０００８】
本発明の１つの態様によれば、表面を振動させるための装置が提供され、この装置は、ａ）表面に結合した圧電クリスタルと、ｂ）クリスタルに供給されてクリスタルを振動させ、それによって表面を振動させる駆動信号を発生させるための可変周波数発生器と、ｃ）クリスタル間の電圧とクリスタルを通して流れる電流の間の位相シフトをモニタし、それに応答して、クリスタルの発振周波数と共振周波数の間の差に関連する調整信号を発生させるための解析器とを有する発振回路を含み、可変周波数発生器は、調整信号に応答して駆動信号の周波数を変更し、クリスタルを共振周波数で振動させるものである。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、表面を振動させる方法が提供され、本方法は、ａ）表面に結合した圧電クリスタルを振動させ、それによって表面を振動させる駆動信号を生成する段階と、ｂ）クリスタル間の電圧とクリスタルを通して流れる電圧の間の位相シフトをモニタし、それに応答して、クリスタルの発振周波数と共振周波数の間の差に関連する調整信号を発生させる段階と、ｃ）クリスタルが共振周波数で振動するように調整信号に従って駆動信号の周波数を変更する段階とを含む。
【００１０】
従って、本発明は、クリスタルがその共振周波数の１つでその周波数の変化に関係なく振動するように表面に結合した圧電クリスタルを振動させることによって表面を振動させるための装置及び方法を提供する。
一般的に、可変周波数発生器は、基準周波数が供給される周波数シンセサイザを含む。この基準周波数は、オーブン制御クリスタル発振器の形態の温度で安定化したものであるか、又は、代替的に電圧制御クリスタル発振器の形態の電圧で制御された基準とすることができる。
【００１１】
好ましい実施形態では、可変周波数発生器は、更に、駆動信号から９０°位相がシフトした直交信号を発生する。この場合は、解析器は、一般的に２つの直交変調器を含み、一方は、駆動信号、直交信号、及びクリスタル間の電圧を表す信号を受信し、他方は、駆動信号、直交信号、及びクリスタルを通して流れる電流を表す信号を受信する。一般的に、調整信号は、電圧と電流の間の位相シフトに関連するものである。
調整信号は、周波数シンセサイザの作動を直接的に制御し、従って駆動信号の周波数を変更することができ、又は、代替的に、調整信号は、電圧制御クリスタル発振器が存在する場合にはその発振周波数を制御することができる。
好ましくは、電圧制御増幅器を使用してクリスタルの振動の振幅が制御される。
ここで、添付図面を参照して本発明の実施形態を以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、ラインＣ上で電圧制御増幅器３及び直交変調器９ａ及び９ｂに供給される駆動信号を生成する高分解能周波数シンセサイザ１を示している。また、周波数シンセサイザ１は、ラインＡ上で直交変調器９ａ及び９ｂに供給される直交信号を生成する。電圧制御クリスタル発振器（ＶＣＸＯ）２は、周波数シンセサイザ１の基準周波数として使用される。ＶＣＸＯ２によって生成された信号は、駆動信号及び周波数シンセサイザ１によって出力された直交信号が振動する周波数に周波数シンセサイザ１によって比例的に変換される。
【００１３】
このような周波数シンセサイザは、当業技術では公知である。アナログ・デバイス社製のＡＤ９８５４は、適切な例である。これは、高周波基準発振器を使用して、プログラム可能周波数で精密正弦波信号をデジタル的に合成する。この例では、２０ＭＨｚのＶＣＸＯ基準信号を用いて、ＲＥＶＳ（登録商標）での使用に適する典型的な１４．２ＭＨｚ信号の合成を達成することができる。周波数シンセサイザ出力の一般的な安定性は、＜０．１Ｈｚである。
【００１４】
駆動信号の振幅は、電圧制御増幅器（ＶＣＡ）３によって制御され、その利得は、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）４に適切な制御信号をＶＣＡ３に供給させるマイクロプロセッサ１３の制御下にある。ＶＣＡ３からの出力は、インピーダンス整合ネットワーク５を通じて圧電クリスタル６を駆動する。インピーダンス整合ネットワーク５は、エネルギが効率的にクリスタル６内に結合するように、ＶＣＡ３からの出力がクリスタル６のインピーダンスと整合することを保証する。
【００１５】
クリスタル６はまた、クリスタル６に加わる電圧を表す信号を供給するために直交変調器９ａに接続される。
【００１６】
クリスタル６は、クリスタル６からの信号エネルギをマイクロプロセッサ１３に接続された一組の分析電子機器８内に結合する第２のインピーダンス整合ネットワーク７に接続される。分析電子機器８は、破裂イベント走査に必要とされる信号抽出を行うものである。
【００１７】
ネットワーク５は、それが駆動周波数又はその近くの周波数以外の周波数に対して高いインピーダンスを呈するように設定される。逆に、ネットワーク７は、それが検出周波数又はその近くの周波数以外の周波数に対して高いインピーダンスを呈するように設定される。すなわち、ネットワーク７は、駆動周波数に対する事実上の接地を提供し、ラインＢにおける信号は、直交変調器９ａへの入力として使用することができる。
【００１８】
第２のインピーダンス整合ネットワーク７はまた、クリスタル６を通って直交変調器９ｂに流れる電流を表す信号を供給する。
【００１９】
ラインＢ及びＤ上にそれぞれ存在するクリスタル６に加わる電圧とそれを通して流れる電流とを表す信号は、いずれも回路の反応性インピーダンス特性及びハードウエアの設定のために、周波数シンセサイザ１からの駆動信号に対して位相がシフトされる。
【００２０】
共振時に、クリスタル６のインピーダンスは最小であり、本質的に全く抵抗性である。抵抗性インピーダンスは、クリスタル６の運動抵抗及びクリスタルに接触している流体中の粘性エネルギ散逸によって判断される。破裂イベント走査用途でのこれに対する典型的な値は、２００オームである。クリスタルのインピーダンスは共振時に抵抗性であるから、クリスタル６間に生じる電圧とそれを通して流れる電圧の間の位相シフトを測定することにより、クリスタルが共振周波数で振動していると判断することが可能である。共振時に、この位相シフトはゼロであることになる。実際には、この位相シフトは、共振周波数と実際の振動の周波数との間の差異の指示をもたらすものである。
【００２１】
クリスタルに送られた電力が増幅器３の利得に応答して円滑かつ好ましくは線形に制御されることは、ＲＥＶＳ（登録商標）のような用途には不可欠な要件である。クリスタルでの電流及び電圧間の位相シフトは、振動の振幅の無制御の偏りを引き起こし、従って、できるだけ最小限に抑えなければならない。これは、位相変調器アレイＭ及びＤＡＣ（１０）によって実行される。
【００２２】
上述のように、クリスタル６に加わる電圧を表す信号は、直交変調器９ａに供給され、クリスタル６を通して流れる電流を表す信号は、直交変調器９ｂに供給される。これらの直交変調器９ａ及び９ｂは、それぞれの電圧及び電流信号を周波数シンセサイザ１によって生成された駆動及び直交信号と混ぜ合わせて、直交変調器９ａから２つ及び直交変調器９ｂから２つの４つの出力信号を生成する。
【００２３】
直交変調器は、公知の構成要素であり、直交変調器９ａからの出力信号は、クリスタル６に加わる電圧の実部及び虚部成分を表し、直交変調器９ｂからの出力は、クリスタル６を通して流れる電流の実部及び虚部成分を表すものである。これらの４つの信号は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１２に供給され、これは、これらのデジタル表現を４つのラインバスＥを通じてマイクロプロセッサ１３に供給する。この情報を用いて、破裂イベント走査解析における真の駆動電力座標を準備することができる。
【００２４】
周波数調整に使用される補正信号は、変調器アレイＭ及びＤＡＣ１０によって供給される。変調器アレイＭは、ＤＡＣ１０によって制御される電位差計のアレイである。ＤＡＣ１０は、マイクロプロセッサ１３からの入力を通じて設定された係数に従って直交変調器９ａ及び９ｂからの電圧及び電流成分出力に重み信号を印加する。これを図２により詳細に示している。代替的に、変調器アレイＭ及びＤＡＣ１０は、デジタル制御電位差計のアレイに組み合わせることができる。
【００２５】
ＤＡＣ１０によって印加された重み係数は、純粋に抵抗性の負荷がクリスタル６の位置に置かれた場合に、重み信号が加えられ時に得られる信号が、周波数シンセサイザ１の基準信号と同位相であるように復元されるようなものである。
【００２６】
これらの係数は、純粋に抵抗性の負荷を用いて回路を較正することにより判断することができ、確立された状態で、特定の駆動周波数又は回路設定に対して使用することができる。
【００２７】
上述のように、散逸性の負荷によって高い電力で駆動された時に、発振器の共振周波数は、ドリフト及び予測不能な変化を受け易いことがある。このような変化のいずれも、変調器アレイの出力において付加的な位相シフトをもたらすことになる。
【００２８】
この位相シフトされた信号は、積分調整器Ｒによって時間で積分され、その出力は、ＶＣＸＯ２を駆動する。すなわち、クリスタルの共振周波数にドリフトが発生すると、これによって位相がずれて、補正するための変化が変調器アレイＭの出力に生じ、これが、次に周波数シンセサイザ１の駆動周波数を補正することになる。調整器Ｒの位相シフト出力はまた、更に別の解析のためにマイクロプロセッサ１３に接続することができる。
【００２９】
従って、周波数シンセサイザ１によって生成された駆動及び直交信号の周波数は、ＤＡＣ１０の出力を通じて直接的にＶＣＸＯ２の発振周波数を変更することにより、クリスタル６の共振周波数の変化に追随させることができる。
【００３０】
上述の方法はアナログであるが、デジタル又は混成方法を用いて同じ効果を達成することも可能である。
デジタルの実施例では、クリスタル６に加わる電圧とそれを通して流れる電流とを表す直交変調器９ａ及び９ｂの４つの出力間の位相シフトは、マイクロプロセッサ１３上で実行されるソフトウエアによって計算される。これは、ＡＤＣ１２からバスＥを通じて受信したクリスタル６に加わる電圧とそれを通して流れる電流の実部及び虚部成分のデジタル表現上で演算され、それによって周波数シンセサイザ１の作動が調整される。
【００３１】
デジタルの実施例は、ＡＤＣ１２からの４つのデジタル化された信号（バスＥ）（直交変調器９ａ及び９ｂａからの出力のデジタル表現である）がマイクロプロセッサ１３によって読み取られて処理され、クリスタル６に加わる電圧とそれを通して流れる電流の間の位相差が計算される図１に示されている。マイクロプロセッサ１３は、次に位相差を積分し、周波数シンセサイザ１の発振周波数を調整してクリスタル６の共振周波数に追随するのに必要なデジタル入力信号を計算する。ＶＣＸＯ２がこの構成で不在の場合には、周波数シンセサイザ１は、典型的に＜０．１Ｈｚである高分解能と円滑に周波数を変更する機能とを有するべきである。適切な装置は市販されている。
【００３２】
図３は、直交変調器９ａ及び９ｂがデジタル信号を直接にマイクロプロセッサ１３に供給する代替構成を示している。
【００３３】
位相計算と周波数制御の２つの演算は、各々、デジタル又はアナログのいずれかとすることができる。このような混成システムの演算には利点がある場合がある。例えば、位相計算及び積分をリアルタイムでデジタル的に実行することはかなり労力を要するものであり、従って、アナログ演算は、周波数シンセサイザ１に対するデジタルドライブと組み合わせて、より有効な制御をもたらすことができる。
従って、クリスタル６に加わる電圧とそれを通して流れる電流とをモニタすることにより、周波数シンセサイザ１によりそれに供給された駆動信号の周波数を、クリスタル６が常に強制的に共振周波数でその周波数の変動に関係なく振動するように調整することが可能である。
【００３４】
破裂イベント走査用途に関しては、クリスタル６は、その直列共振周波数の１つで振動することが望ましい。各クリスタルの特性は、それ自体独特であり、それが接触している流体の特性に依存するので、クリスタルは、その共振周波数を判断するための分析を行う前に、流体に接触している間に最初に予め走査される。
【００３５】
駆動信号の周波数は、最初に、駆動信号の振幅を低振幅に維持しながら、公称共振周波数に近い値から例えば５ｋＨｚステップで増加される。クリスタル６に加わる電圧とそれを通して流れる電流を各ステップで測定する。次に、これらの間の位相シフトを用いて共振周波数の概算値を判断する。共振に近い時は、周波数による位相シフトの変動は線形である。従って、位相対周波数のデータをゼロ位相に対して外挿し、共振周波数を近似的に判断することができる。
【００３６】
駆動信号の周波数は、次に、共振周波数付近のより小さな範囲でより小さなステップ、例えば５０Ｈｚで増加される。位相差を再度測定し、こうして共振周波数を内挿によって正確に判断することができる。代替的に、周波数による既知の位相変動に粗いデータを当て嵌め、共振周波数を直接的に判断することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を実行するための装置を概略的に示す図である。
【図２】図１の一部の詳細を示す図である。
【図３】図１の一部に対する代替的実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  周波数シンセサイザ
２  電圧制御クリスタル発振器（ＶＣＸＯ）
３  電圧制御増幅器
４、１０  デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）
１２  アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
Ｍ  位相変調器アレイ
Ｒ  積分調整器
【図１】
2006523986.tif 000003
【図２】
2006523986.tif 000004
【図３】
2006523986.tif 000005
【国際調査報告】
2006523986.tif 000006
2006523986.tif 000007
2006523986.tif 000008