(57)【要約】センサからの高インピーダンスで広い周波数範囲の信号を２つの低インピーダンス信号に変換するトランスデューサ回路、変換方法およびシステムに関し、この低インピーダンス信号の一方は入力信号の高周波数成分を含み、他方は低周波数成分を含む。センサは、動作または振動を、広い周波数範囲を有する高インピーダンスの電気信号に変換する圧電（ＰＥ）センサでもよい。低周波数の回路出力は、センサの周波数帯域の線形領域における周波数を包含することができる。高周波数出力は、センサの固有共振周波数を包含することができる。本回路は、低周波数フィルタ増幅器モジュールと高周波数フィルタ増幅器モジュールとを有し、両増幅器モジュールは、負帰還、高入力インピーダンス、および低出力インピーダンスを有する。両出力はＤＣバイアスを含んでもよい。本回路はまた、両フィルタ増幅器モジュールを互いに分離するソース・フォロワを有する。さらに、ソース・フォロワは、電気的に、センサと高周波数フィルタ増幅器モジュールとの間に配置され、演算増幅器を設ける。【選択図】図１
2004506186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出された力または機械的動作を対応する電気信号に変換するシステムであって、
検出された力または機械的動作の関数として電気信号を提供するセンサと、
少なくとも２つのフィルタであって、（ｉ）電気信号を入力として受け取るようにセンサに電気的に結合され、かつ（ｉｉ）受け取った電気信号を濾波して対応する電気信号をそれぞれ出力として提供する、少なくとも２つのフィルタを有する電子回路とを備えたシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタは、低域通過フィルタおよび高域通過フィルタを有するシステム。
【請求項３】
請求項２において、前記低域通過フィルタはセンサの線形領域における周波数を通過させ、前記高域通過フィルタはセンサの共振周波数を通過させるシステム。
【請求項４】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタは前記電気信号を濾波しかつ増幅するシステム。
【請求項５】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタは前記電気信号を濾波し、増幅しかつオフセットするシステム。
【請求項６】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタへの入力は互いに電気的に分離されるシステム。
【請求項７】
請求項１において、前記電子回路は、さらに、前記少なくとも２つのフィルタの入力を互いに分離させるバッファを有するシステム。
【請求項８】
請求項７において、前記バッファは、前記センサと前記フィルタの少なくとも１つとの間に電気的に配置されるシステム。
【請求項９】
請求項８において、さらに、前記センサに直接結合されていないフィルタにセンサの出力電気特性を提供する少なくとも１つのインピーダンス素子を有するシステム。
【請求項１０】
請求項７において、前記バッファはソース・フォロワ構造に構成されるシステム。
【請求項１１】
請求項７において、前記バッファは演算増幅器を設けるシステム。
【請求項１２】
請求項７において、前記フィルタの１つが低域通過フィルタであり、この低域通過フィルタの出力によって電力が前記バッファに供給されるシステム。
【請求項１３】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタが高い入力インピーダンスを有するシステム。
【請求項１４】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタがＪＦＥＴトランジスタを使用して電気信号を増幅するシステム。
【請求項１５】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタが少なくとも１つのＪＦＥＴトランジスタを使用してフィルタ特性の温度依存性を減少させるシステム。
【請求項１６】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタが低い出力インピーダンスを有するシステム。
【請求項１７】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタが少なくとも１つのトランジスタを使用して低い出力インピーダンスを提供するシステム。
【請求項１８】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタがトランジスタのダーリントン組み合わせを使用して低い出力インピーダンスを提供するシステム。
【請求項１９】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタがダーリントン・トランジスタを使用して低い出力インピーダンスを提供するシステム。
【請求項２０】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタがパッシブな低域通過フィルタ回路を有するシステム。
【請求項２１】
請求項１において、前記少なくとも２つのフィルタがパッシブな高域通過フィルタ回路を有するシステム。
【請求項２２】
請求項１において、前記センサが圧電センサであるシステム。
【請求項２３】
検出された力または機械的動作を対応する電気信号に変換する方法であって、
検出された力または機械的動作の関数として電気信号を提供する電気信号提供工程と、
この電気信号を少なくとも第１の周波数帯域と第２の周波数帯域とに濾波する電気信号濾波工程と、
前記電気信号を前記第１の周波数帯域と前記第２の周波数帯域とにおいて独立して出力する電気信号出力工程とを備えた変換方法。
【請求項２４】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を低域通過濾波する工程を有する変換方法。
【請求項２５】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を高域通過濾波する工程を有する変換方法。
【請求項２６】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を濾波しかつ増幅する工程を有する変換方法。
【請求項２７】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を濾波し、増幅しかつオフセットする工程を有する変換方法。
【請求項２８】
請求項２３において、さらに、前記電気信号を第１および第２の周波数帯域の独立した濾波を許容する方法で前記電気信号を分離する電気信号分離工程を備えた変換方法。
【請求項２９】
請求項２８において、前記電気信号分離工程は、前記電気信号をバッファリングする工程を有する変換方法。
【請求項３０】
請求項２９において、さらに、前記周波数帯域の少なくとも一方に前記電気信号を濾波するのに先立って、前記電気信号を調整する工程を有する変換方法。
【請求項３１】
請求項２９において、さらに、バッファリング用の電力を供給するために単一の電源を設ける工程を有する変換方法。
【請求項３２】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を高インピーダンス検知する工程を有する変換方法。
【請求項３３】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程が温度感度を減少させる工程を有する変換方法。
【請求項３４】
請求項２３において、前記電気信号出力工程が、前記少なくとも第１および第２の周波数帯域において前記電気信号を低い出力インピーダンスで提供する工程を有する変換方法。
【請求項３５】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程がパッシブな低域通過フィルタリング工程を有する変換方法。
【請求項３６】
請求項２３において、前記電気信号濾波工程がパッシブな高域通過フィルタリング工程を有する変換方法。
【請求項３７】
検出された力または機械的動作を対応する電気信号に変換するシステムであって、
検出された力または機械的動作の関数として電気信号を提供する提供手段と、
この電気信号を少なくとも２つの濾波された信号に変換する変換手段とを備えたシステム。
【請求項３８】
検出された力または機械的動作に対応する電気信号を処理する電子回路であって、
前記検出された力または機械的動作に対応する電気信号を受け取るための回路入力と、
この回路入力に結合された少なくとも２つのフィルタ・モジュールであって、前記電気信号を濾波し、かつ各回路出力に濾波された電気信号をそれぞれ提供する少なくとも２つのフィルタ・モジュールとを備えた電子回路。
【請求項３９】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールは低域通過フィルタを有する電子回路。
【請求項４０】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールは高域通過フィルタを有する電子回路。
【請求項４１】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールは前記電気信号を濾波しかつ増幅する電子回路。
【請求項４２】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールは前記電気信号を濾波し、増幅しかつオフセットする電子回路。
【請求項４３】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールへの各入力は互いに電気的に分離される電子回路。
【請求項４４】
請求項３８において、さらに、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの各入力を互いに分離させるバッファを有する電子回路。
【請求項４５】
請求項４４において、前記バッファは、前記回路入力と前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの入力の少なくとも１つとの間に電気的に配置される電子回路。
【請求項４６】
請求項４５において、さらに、前記回路入力に直接結合されていないフィルタ・モジュールに前記回路入力によって観測される電気特性を提供する少なくとも１つのインピーダンス素子を備えた電子回路。
【請求項４７】
請求項４４において、前記バッファはソース・フォロワ構造に構成される電子回路。
【請求項４８】
請求項４４において、前記バッファは演算増幅器を設ける電子回路。
【請求項４９】
請求項４４において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの１つが低域通過フィルタであり、この低域通過フィルタの出力によって電力が前記バッファに供給される電子回路。
【請求項５０】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つが高い入力インピーダンスを有する電子回路。
【請求項５１】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つがＪＦＥＴトランジスタを使用して電気信号を増幅する電子回路。
【請求項５２】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つが少なくとも１つのＪＦＥＴトランジスタを使用してフィルタ・モジュールの特性の温度感度を減少させる電子回路。
【請求項５３】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つが低い出力インピーダンスを有する電子回路。
【請求項５４】
請求項５３において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つが少なくとも１つのトランジスタを使用して低い出力インピーダンスを提供する電子回路。
【請求項５５】
請求項５３において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つがトランジスタのダーリントン組み合わせを使用して低い出力インピーダンスを提供する電子回路。
【請求項５６】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つがパッシブ低域通過フィルタ回路を有する電子回路。
【請求項５７】
請求項３８において、前記少なくとも２つのフィルタ・モジュールの少なくとも１つがパッシブ高域通過フィルタ回路を有する電子回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
トランスデューサは、物理量を測定するために、エネルギーをある形態から別の形態に変換するのに使用される装置である。典型的なトランスデューサは、機械的な力または加速を電磁エネルギーに変換する。トランスデューサは物体に機械的に結合され、その動作を測定する。この動作が振動性のものである場合は、通常、所定の周波数範囲のみが対象となる。このような場合、トランスデューサは不要な周波数を濾波して除く何らかの手段を供給しなければならない。この濾波を達成するために、トランスデューサは通常、（ａ）広い周波数範囲を有する出力信号を提供するセンサ素子と、（ｂ）センサ素子の出力に電気的に接続され、所定の対象周波数帯域以外の不要な周波数を除去する増幅および濾波回路とで構成されている。
【０００２】
従来のトランスデューサは、低周波数振動または高周波数振動の何れかを検出するように設計されている。低周波数振動および高周波数振動の両方を表す信号を取得するためには、２つのトランスデューサを使用しなければならない。
【０００３】
【発明の要旨】
本発明の原理は、単一のセンサと、別々の出力を供給する２つの濾波回路を有する電気回路とによって作動できるトランスデューサを教示する。少なくとも２つの濾波機能を結合して、単一のセンサ出力を濾波機能それぞれに対応した電気信号に変換できる単一の回路にすることにより、トランスデューサはサイズ、重量およびコストが低減され、複数の周波数信号の測定を必要とする測定システムの性能を向上させる。例えば、低周波数では、センサ信号の線形領域が力または動作の情報を提供し、高周波数では、センサ信号の固有共振周波数が診断信号または他の状態インジケータとして使用されることが可能である。
【０００４】
本発明の一実施形態は、センサからの高インピーダンスかつ広い周波数範囲の信号を２つの低インピーダンス出力に変換する革新的な電子回路を使用することによって、上述のトランスデューサを実現する。典型的には、一方の出力が高周波数信号を提供し、他方の出力が低周波数信号を提供する。本回路はさらに、信号を増幅および／またはオフセットしてもよい。オフセットされた出力信号は、本発明を使用するシステムが必要とする受け渡し範囲（ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｒａｎｇｅ）内に信号を配置し、かつ電子部品に対する適正なバイアスを確立して本発明の一実施形態の範囲内でのこれら部品の作動におけるクリッピングや飽和を回避するために使用されることが可能である。
【０００５】
低周波数の出力信号は、例えば、センサの周波数応答帯域の線形部分に対応する周波数成分を含むことができ、この線形部分は力または動作の情報を提供する。高周波数の出力信号は、例えば、センサの固有共振周波数に対応する周波数成分を含むことができ、この固有共振周波数は、振動が監視されているシステムの動力学に基づいて、高感度を得るためにある選択周波数で設計されてもよい。高周波数信号は、診断信号または他の状態インジケータとして使用することができる。
【０００６】
センサは、例えば、検出された力または機械的振動を広い周波数範囲を有する対応の高インピーダンスの電気信号に変換する圧電（ＰＥ）センサとすることができ、変換の相関関係は本質的に低ヒステリシスで線形である。
【０００７】
一実施形態では、本電子回路は、低周波数のフィルタ増幅器モジュールと高周波数のフィルタ増幅器モジュールとを有する。両フィルタ増幅器モジュールは共に、高い入力インピーダンス、低い出力インピーダンスおよび負帰還を有する。負帰還は、個々の単一キャパシタによって提供されてもよい。フィルタ増幅回路の出力はＤＣバイアスされてもよく、この場合、回路部品をクリッピングまたは飽和させることなく十分な信号振幅を提供できる。
【０００８】
本電子回路は、さらに、両フィルタ増幅器モジュールを互いに分離するバッファを有してもよい。一実施形態では、バッファは、回路への入力と高周波数フィルタ増幅器モジュールへの入力との間に電気的に配置される。別の実施形態では、バッファは、回路への入力と低周波数フィルタ増幅器モジュールへの入力との間に電気的に配置される。
【０００９】
バッファは、ソース・フォロワ構造に構成された演算増幅器形態で実現できる。バッファは、一方の電力線が低周波数フィルタ増幅器モジュールの出力から電力を受け取り、他方の電力線が電力リターンすなわち地面に接続された、単極性でもよい。この構成には、低周波数および高周波数フィルタ増幅回路ならびにバッファに別々の電源を使用する必要がないという利点がある。
【００１０】
低周波数フィルタ増幅器モジュールの入力がセンサに直接電気的に接続されているため、キャパシタまたは等価回路をバッファの出力と高周波数フィルタ増幅器モジュールの入力との間に電気的に配置して、両フィルタ増幅器モジュールの入力においてほぼ同一の入力インピーダンスを確保することができる。
【００１１】
別の実施形態では、バッファは、センサと低周波数増幅器モジュールとの間に電気的に配置される。この実施形態では、センサ型の出力インピーダンスを提供するキャパシタまたは等価回路が、バッファの出力と低周波数フィルタ増幅器モジュールの入力との間に電気的に配置されることができる。
【００１２】
本回路は、回路部品および特性の雑音および温度への依存性を除去することを目的とした様々な手段を有してもよい。
【００１３】
本発明の前述およびその他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面に示す以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、異なる図面を通して使用されている参照符号は、同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【００１４】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の原理によるトランスデューサ１３の一実施形態のブロック図である。トランスデューサ１３は、センサ１と、電子回路１２とを備える。電子回路１２は、低周波数チャンネル回路２と高周波数チャンネル回路４とを有する。
【００１６】
センサ１からの高インピーダンス信号は、低周波数チャンネル回路２と高周波数チャンネル回路４とによって処理される。低周波数チャンネル回路２は、第１出力端子３上に、ＤＣバイアスされた低インピーダンスの低周波数信号を生成し、高周波数チャンネル回路４は、第２出力端子５上にＤＣバイアスされた低インピーダンスの高周波数信号を生成する。
【００１７】
低周波数チャンネル回路２は、低周波数フィルタ増幅器６と負帰還経路７とを有する。本実施形態では、負帰還経路７は、単一のキャパシタより成る。低周波数フィルタ増幅器６は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【００１８】
高周波数チャンネル回路４は、高周波数フィルタ増幅器８と負帰還経路９とを有する。本実施形態において、負帰還経路９も単一のキャパシタより成る。高周波数フィルタ増幅器８は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【００１９】
電子回路１２はまた、バッファ１０を有し、このバッファ１０はここではソース・フォロワとして構成されている。バッファ１０は、高インピーダンス（即ち、分離）を提供し、かつ高周波数フィルタ増幅器８と低周波数フィルタ増幅器６との間のクロス結合を除去する。一実施形態では、バッファ１０の電圧源はＤＣバイアスされた低周波数出力３によって提供されるため、ソース・フォロワ１０はその固有の電源を必要としない。ソース・フォロワ１０は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【００２０】
高周波数チャンネル回路４は、キャパシタ１１を介してバッファ１０の出力を受け取る。キャパシタ１１は、センサ１に直接接続されている低周波数フィルタ増幅器６の入力における入力インピーダンスと、高周波数フィルタ増幅器８の入力における入力インピーダンスとがほぼ同一となることを確保する。キャパシタ１１はまた、低周波数チャンネル回路２の低周波数出力３の出力をバッファ１０用の電圧供給として使用することに一部起因して発生するバッファ１０の出力における低周波数の変動を拒絶する。
【００２１】
トランスデューサ１３の１つの利用法は動作検出アプリケーションにおけるものであり、センサ１が、線形的、低ヒステリシスかつ高感度で動作を検出する圧電（ＰＥ）センサである。このようなアプリケーションでは、センサ１の高周波数出力信号はセンサ１の機械的な固有共振周波数を表す信号を含み、一方で低周波数出力信号はセンサ１の線形的な低周波数動作に対応する周波数範囲内の信号を表す信号の周波数範囲を含む。従って、単一のセンサおよび単一の回路が、低および高周波数信号を同時に含む動作情報を提供するために、本発明のトランスデューサ１３に設けられる。現時点では、このような情報は、先行技術によるトランスデューサ・システムのそれぞれ分離した２つのセンサおよび２つの回路によってのみ供給される。従って、動作検出システムのサイズ、重量およびコストは低減され、性能は向上する。
【００２２】
図２は、トランスデューサ１３の一実施形態の電気的略図である。回路の細部を説明する前に、図２の略図と図１のブロック図との対応について説明する。
【００２３】
トランスデューサ１３は、センサ１と電子回路１２とを有する。電子回路１２は、低周波数チャンネル回路２と、高周波数チャンネル回路４と、バッファ１０とを有する。
【００２４】
低周波数チャンネル回路２は、低周波数チャンネル入力端子Ｔ１と低周波数チャンネル出力端子Ｔ２とを有する。同様に、高周波数チャンネル回路４は、高周波数チャンネル入力端子Ｔ３と高周波数チャンネル出力端子Ｔ４とを有する。
【００２５】
バッファ１０は、演算増幅器Ｕ１を使用して単位利得ソース・フォロワとして実現される。バッファ１０は、低周波数チャンネル出力端子Ｔ２および電力リターン（即ち、接地）０から電力を受け取る。
【００２６】
図２の略図は、当業者に対してトランスデューサ１３の特性を十分に明らかにするものであると確信し、特に、トランスデューサの詳細および特徴を何点か指摘しておく。
【００２７】
ｎチャンネルＪＦＥＴトランジスタＪ６が、そのゲートで入力信号を増幅し、出力雑音を低減し、低周波数フィルタ増幅器６に対する高い入力インピーダンスを確保する。ｎチャンネルＪＦＥＴトランジスタＪ８が、高周波数フィルタ増幅器８に対して同様の機能を提供する。
【００２８】
ｐ−ｎ−ｐトランジスタＱ８が、抵抗Ｒ１１、Ｒ１４、Ｒ１５およびＲ１６ならびにキャパシタＣ５およびＣ６と共に、適正なバイアスを提供し、低周波数フィルタ増幅器６におけるＪＦＥＴトランジスタＪ６のゲート上の雑音を低減する。
【００２９】
ｐ−ｎ−ｐトランジスタＱ１が、抵抗Ｒ２、Ｒ６、Ｒ７およびＲ８ならびにキャパシタＣ１１およびＣ１４と共に、適正なバイアスを提供し、高周波数フィルタ増幅器８におけるＪＦＥＴトランジスタＪ８のゲート上の雑音を低減する。
【００３０】
ｐ−ｎ−ｐダーリントン・トランジスタＱ７が、低周波数フィルタ増幅器６の低い出力インピーダンスを確保し、エミッタおよびコレクタが低周波数フィルタ増幅器６の出力線に接続される。ｎチャンネルＪＦＥＴトランジスタＪ５が、ダーリントン・トランジスタＱ７に対する適正なレジーム（適正な温度および周波数領域）を確保する。ｐ−ｎ−ｐダーリントン・トランジスタＱ３およびｎチャンネルＪＦＥＴトランジスタＪ７が、高周波数フィルタ増幅器８に対して同様の機能を提供する。
【００３１】
低周波数フィルタ増幅器６において、接地０とＪＦＥＴトランジスタＪ６のチャンネルとの間にダイオードとして直列に接続されたｎチャンネルＪＦＥＴトランジスタＪ３およびＪ４がＪＦＥＴトランジスタＪ６に電圧オフセットを提供し、さらにＪＦＥＴトランジスタＪ６の作動の温度依存性を低減する。ｎチャンネルＪＦＥＴトランジスタＪ１およびＪ２が、高周波数フィルタ増幅器８におけるＪＦＥＴトランジスタＪ８に対して同一の機能を提供する。
【００３２】
低周波数フィルタ増幅器６では、キャパシタＣ１、Ｃ２およびＣ７は、抵抗Ｒ１２およびＲ１３と共に、約１．５Ｈｚから８ｋＨｚの周波数範囲（−３ｄＢ）を有する二極形の低域通過フィルタとして機能する。キャパシタＣ１０は、負帰還７として機能する。抵抗Ｒ１１はキャパシタＣ１０と共に、低周波数フィルタ増幅器６に対して、約１．５Ｈｚの周波数カットオフ（−３ｄＢ）を有する一極形の高域通過フィルタとして機能する。抵抗Ｒ３およびＲ４はキャパシタＣ９と共に、低周波数フィルタ増幅器６に対して、約４６０Ｈｚの周波数カットオフ（−３ｄＢ）を有する一極形の低域通過前段フィルタとして機能する。
【００３３】
高周波数フィルタ増幅器８では、キャパシタＣ１６およびＣ１２は、抵抗Ｒ２２およびＲ５と共に、約１９ｋＨｚから５２ｋＨｚの周波数範囲（−３ｄＢ）を有する二極形の高域通過フィルタとして機能する。キャパシタＣ１６は負帰還９としても機能する。抵抗Ｒ１はキャパシタＣ４と共に、高周波数フィルタ増幅器８に対して、約８０ｋＨｚの周波数カットオフ（−３ｄＢ）を有する一極形の低域通過前段フィルタとして機能する。
【００３４】
図２の実施形態において、トランスデューサ１３内の濾波信号に含まれる成分の値および構成は、電気工学および類似の技術分野では公知でありかつ、例えばＡｄｅｌ Ｓ．Ｓｅｄｒａ、Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｃ．Ｓｍｉｔｈ共著「超小型電子回路」（第２版、１９８７年）７８７〜８９および７９２〜９３ページに説明されたフィルタ設計の原理に従って設計される。代わりに、アクティブフィルタの設計原理を、低周波数フィルタ増幅器６および高周波数フィルタ増幅器８の両方、ならびに入力信号の前段濾波に使用してもよい。アクティブまたはパッシブなバイクワド・フィルタ設計を使用することも可能である。
【００３５】
図２のキャパシタＣ４は、図１のキャパシタ１１に対応する。キャパシタＣ４の機能は、センサＳによって低周波数フィルタ増幅器６の入力に提供される入力特性に類似する入力特性を、高周波数フィルタ増幅器８の入力において確立することである。これを達成するために、キャパシタＣ４の特性は、図２でＣ３として示すセンサのキャパシタンスの特性に類似する。
【００３６】
キャパシタＣ１５は、高周波数フィルタ増幅器８の入力と出力との間に追加的なＤＣ減結合を提供する。
【００３７】
演算増幅器Ｕ１はソース・フォロワとして構成され、バッファ１０として機能する。抵抗Ｒ１７、Ｒ１０およびＲ２１は適正な入力オフセットを確立し、キャパシタＣ８はバッファ１０の入力に対してＤＣ減結合を提供する。演算増幅器Ｕ１への電力は、低周波数フィルタ増幅器６の出力によって供給される。
【００３８】
低周波数フィルタ増幅器６は２線出力を有し、よって電圧源Ｖ２（２４Ｖ ＤＣ）および電流源Ｉ１（４ｍＡ）の両方を有する。電圧源Ｖ１および電流源Ｉ２は、高周波数フィルタ増幅器８に対して同一の機能を提供する。
【００３９】
図２に示すトランスデューサにおいて、各出力Ｔ２、Ｔ４が同一のセンサ利得２ｍＶ／ｐＣおよび同一の最大出力振幅５Ｖを提供する。５０ｐＣ／ｇセンサに対して、各出力が同一のセンサ感度１００ｍＶ／ｇを提供する。
【００４０】
図３は、図２に示すトランスデューサ１３の実施形態の場合の低周波数チャンネル回路２および高周波数チャンネル回路４の応答値のボード・プロットである。ボード・プロットはトランスデューサ１３の低および高周波数出力を表し、回路１２へのセンサ入力は１ボルトの振幅を有する掃引された正弦波である。ボード・プロットは、標準的な電子装置設計およびシミュレーション・ソフト・プログラムであるＯＲＣＡＤ（登録商標）を使用して図２の回路をシミュレートすることにより取得された。横の対数軸の単位は周波数であり、縦の線形軸は出力の大きさをボルトで示している。
【００４１】
図２が略示する回路を具現化する回路がブレッドボード上に実現され、その周波数応答が室温（摂氏２５度）および高温（摂氏１２０度）で試験された。この試験は、事実上、コンピュータ・シミュレーションで得たものと同一の結果をもたらした。図４、５、６および７はブレッドボード上に組まれた回路の正弦掃引プロットであり、比較のために図３のボード・プロットと同一の軸を有する。
【００４２】
図４は、摂氏２５度における図２のトランスデューサの実装物の高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。２７．３８ｋＨｚの基準周波数に対して、−３ｄＢのポイントは、図２が示す前述の二極形高域通過フィルタ構成で求められているように１８．７ｋＨｚおよび５２．８ｋＨｚと測定されている。
【００４３】
図５は、摂氏１２０度における図２のトランスデューサの実装物の高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【００４４】
図６は、摂氏２５度における図２のトランスデューサの実装物の低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。１００Ｈｚの基準周波数に対して、−３ｄＢのポイントは、図２が示す前述の二極形低域通過フィルタ構成で求められているように１．３Ｈｚおよび９．０７ｋＨｚと測定されている。
【００４５】
図７は、摂氏１２０度における図２のトランスデューサの実装物の低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【００４６】
図２に示すトランスデューサを実装するブレッドボード回路のシミュレーションおよび測定された応答の結果は、摂氏２５〜１２０度の温度範囲で利得の最高偏差が約６％、バイアス偏差が約２ボルトＤＣであることを示している。
【００４７】
以下の表は、図２のトランスデューサの実装に対しておおまかな性能仕様を示す。但し、これらは例示目的で提供された特定の実施形態における例示的仕様であり、本発明の原理を限定するものではない。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
図８および９のボード・プロットにおいて、横の対数軸の単位は周波数、縦の線形軸の単位は電圧スペクトル密度である。測定値は、センサが本質的に１０５０ｐＦキャパシタとして作動し、回路の入力が地面０に接続された状態、即ち入力が接地された状態で摂氏２５度において取得された。
【００５０】
図８は、図２のトランスデューサ１３の実装物の低周波数チャンネル回路２の出力において、摂氏２５度で測定された接地入力雑音応答スペクトルのボード・プロットである。
【００５１】
図９は、図２のトランスデューサ１３の実装物の高周波数チャンネル回路４の出力において、摂氏２５度で測定された接地入力雑音応答スペクトルのボード・プロットである。
【００５２】
図８および９のプロットに表された雑音測定値は、一般的なトランスデューサに指定されている値と事実上同一である雑音スペクトルの値を示している。従って、この雑音測定値は、低周波数チャンネル回路２と高周波数チャンネル回路４との間にクロス結合がほとんど存在しないことを確定している。
【００５３】
以上、好適な実施形態を参照して本発明を特定的に示しかつ説明してきたが、当業者には、本発明の形態および詳細事項を特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく様々に変更し得ることが理解されるであろう。
【００５４】
トランスデューサ１３は、例えば表面マウント技術またはチップアンドワイヤ技術（チップを基板にワイヤで接続する技術）を使用して実装することができる。本明細書で説明したアナログ回路は、デジタル回路または信号処理技術で実装することができる。フィルタをアナログ形式からデジタル形式に変換する典型的技術を使用すれば、本明細書で説明したアナログ回路の濾波機能をデジタル形式で実現できることは理解される。デジタル処理を実現するために、処理された信号をサンプリングしかつ出力するＡ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器をそれぞれ使用することができる。さらに、バッファ１０およびナイキスト・フィルタのような補助アナログ回路をデジタル式の実施形態において使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による、低および高周波数出力を提供するトランスデューサのブロック図である。
【図２】図１のトランスデューサの電気略図である。
【図３】図２のトランスデューサの低および高周波数出力に関して計算された周波数応答のボード・プロットである。
【図４】摂氏２５度における図２のトランスデューサの高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図５】摂氏１２０度における図２のトランスデューサの高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図６】摂氏２５度における図２のトランスデューサの低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図７】摂氏１２０度における図２のトランスデューサの低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図８】摂氏２５度における図２のトランスデューサの低周波数出力の測定された雑音スペクトルのボード・プロットである。
【図９】摂氏２５度における図２のトランスデューサの高周波数出力の測定された雑音スペクトルのボード・プロットである。
【符号の説明】
１…センサ、６…低域通過フィルタ、８…高域通過フィルタ、１０…バッファ、１２…電子回路、１３…システム、Ｕ１…演算増幅器。
【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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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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