(57)【要約】【課題】雑音の影響を受けにくく、検出部を一層小型化できる雰囲気分析装置の実現。【解決手段】センサ部40と、制御部60と、接続経路71-73と、を備える雰囲気分析装置であって、センサ部40は、気密容器42に封入された基準水晶振動子41と、被検知物質に曝されるように保持された検出用水晶振動子45と、２つの水晶振動子を発振させる２つの発振回路43,46と、アップ・ダウン・カウンタ50を用いて２つの発振回路の周波数差に対応する値をカウントし、カウントした値を周波数差変換信号に変換して出力する周波数差分回路53,54と、を備える。【選択図】図２
2007147495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検知物質を有する雰囲気中に配置されるセンサ部と、
前記センサ部とは離れた位置に設けることが可能で、前記センサ部を制御する制御部と、
前記センサ部と前記制御部とを電気的に接続する接続経路と、を備える雰囲気分析装置であって、
前記センサ部は、
略等しい特性を有し、一方は前記被検知物質に曝されるように保持され、他方は気密容器に封入された２つの水晶振動子と、
前記２つの水晶振動子を発振させる２つの発振回路と、
アップ・ダウン・カウンタを用いて前記２つの発振回路の周波数差に対応する値を第１所定期間カウントし、カウントした値を周波数差変換信号に変換して前記第１所定期間より短い第２所定期間中に出力する周波数差分回路と、を備え、
前記接続経路は、前記低周波数信号を送信する低周波用であることを特徴とする雰囲気分析装置。
【請求項２】
前記制御部は、検出した前記周波数差変換信号に応じて、前記第１所定期間の長さを変化させる請求項１に記載の雰囲気分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＱＣＭ(Quartz Crystal Microbalance)センサを使用した雰囲気分析装置に関し、特に離れた位置に設置可能なセンサ部と制御部とを有する雰囲気分析装置における信号伝送及び制御方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＱＣＭセンサは、水晶振動子の発振周波数が、振動子表面への物質吸着に基づく質量変化によって変化することを利用したもので、高感度な雰囲気分析装置などとして応用がなされている。
【０００３】
図１は、従来の高感度な雰囲気分析装置の構成を示す図である。
【０００４】
図示のように、雰囲気分析装置は、検出部を構成するセンサ回路基板１０と、制御部を構成する制御ユニット２０と、センサ回路基板１０と制御ユニット２０との間を電気的に接続するケーブル３１、３２と、を備える。センサ回路基板１０には、被検知物質が吸着される材料が表面に設けられた水晶振動子１１と、水晶振動子１１を利用して発振する水晶発振回路１２とが設けられている。制御ユニット２０には、信号伝送線３２を介して水晶発振回路１２の発振信号が入力され、発振信号をカウントする周波数カウンタ２１と、周波数カウンタ２１のカウントした値を記録する記録回路２２とが設けられている。センサ回路基板１０の電源は、電源供給線３１を介して制御ユニット２０から供給される。
【０００５】
図１に示した雰囲気分析装置は、いくつかの欠点を有する。欠点のひとつは発振周波数の温度依存性である。発振周波数が変化しても、その原因が気中濃度変化なのか温度変化なのかを区別できないため、温度変化のある系では使用できなかった。温度補償を行う目的で、水晶振動子と温度センサを並べて配置し、水晶振動子の発振周波数の変化を既知の温度−発振周波数曲線を用いて補正しようとした例もあるが、計算通りの変化とはならず、回路の複雑さに比して補正はうまくできなかった。
【０００６】
もうひとつの欠点は、センサ回路基板の設置場所の自由度が低いことである。この原因は主に信号伝送線３２に原因がある。水晶振動子を利用した水晶発振回路１２の発振周波数は数十ＭＨｚであるため、センサ基板回路１０から制御ユニット２０まで信号を伝送する信号伝送線３２には伝送損失を抑えるために同軸ケーブルを用いる必要があった。最近の雰囲気分析装置への要求として、密閉された狭隘な空間の雰囲気変化を測定する必要が生じているが、そこへセンサ回路基板１０を設置するためには、密閉容器の壁に高周波の伝送が可能なフィード・スルーを取り付ける必要があり、設置の障害となっていた。また、同軸ケーブルは太く可撓性に乏しいことも障害になっていた。特許文献１に記載されたような無線伝送にする方法もあるが、装置が大型化することや、電源の確保の問題があった。密閉容器の隙間にフレキシブルケーブルを通して配線する方式も考えられるが、フレキシブルケーブルにおける伝送損失が大きく、回路全体の安定性が低下する問題があった。センサ回路基板１０と周波数カウンタ２１を有する制御ユニット２０は離れた位置に設置するため、伝送損失の問題は致命的である。
【０００７】
上記の２つの欠点を解決するため、特許文献２から４は、被検知物質に曝される検出用水晶振動子及びその検出用発振回路と、被検知物質に曝されないように設けられた基準水晶振動子及びその基準発振回路と、検出用発振回路と基準発振回路の発振周波数差を検出する周波数差検出回路と、を設け、２つの発振周波数の差を検出することにより温度変化の影響を相殺すると共に、検出する振動数の数値を小さくする構成を記載している。特許文献２はＤ−Ｋフリップフロップで構成した周波数差検出回路を、特許文献２はビート周波数検出回路で構成した周波数差検出回路を、記載している。特許文献３は、周波数差検出回路を乗算＆サンプリング＆分周回路で構成することを記載しているが、具体的な構成は記載していない。
【０００８】
センサ回路基板に特許文献２から４に記載された構成を設ければ、出力される周波数差検出信号は低周波数であるので、フレキシブルケーブルやツイストペア線などによって制御ユニットに送信することができる。以上のように、特許文献２から４に記載された構成を使用すれば、前述の２つの欠点が改善される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−０４７９２９号公報
【特許文献２】特開平９−３０４２５９号公報
【特許文献３】特開平６−１６７４３５号公報
【特許文献４】特開平９−２９７０９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の構成における２つの水晶発振信号の周波数差を示す周波数差検出信号は、高々数百Ｈｚであり、制御ユニットは送られてくる差信号を監視する。周波数差検出信号はこのような低周波数であるために同軸ケーブルなどを使用せずにフレキシブルケーブルなどで送信することができるが、逆に周波数差が小さいため周囲の雑音の影響を受けやすいという問題がある。送信信号に雑音などを発生する外乱は突発的に発生し、その発生期間は一般に短い。上記のような非常に低周波数の信号を監視する場合、ある程度長い期間信号を監視してパルスをカウントする必要があるが、カウント期間が長くなると、その分雑音の影響を受ける確率も高くなる。
【００１１】
また、センサ回路基板は、狭隘な空間に配置できるようにできるだけ小型化することが求められる。特許文献３及び４に記載された構成を使用すれば、２つの発振周波数の差を検出するため、検出する振動数の数値は小さく、カウンタの桁数などが小さくできる。しかし、実際に回路を形成する場合、各種要素のばらつきを完全に抑えることは難しく、発振周波数差がある程度ばらつくことを前提として、その分の余裕をみてカウンタの桁数などを設定している。そのため、回路が十分に小型化できないという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような問題を解決するもので、雑音の影響を受けにくく、検出部を一層小型化できる雰囲気分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を実現するため、本発明の雰囲気分析装置は、アップ・ダウン・カウンタを用いて２つの発振回路の周波数差に対応する値をカウントし、カウントした値を低周波数信号の周波数差変換信号に変換して短時間に出力する。さらに、カウント期間の長さを制御部から制御できるようにする。
【００１４】
すなわち、本発明の雰囲気分析装置は、被検知物質を有する雰囲気中に配置されるセンサ部と、前記センサ部とは離れた位置に設けることが可能で、前記センサ部を制御する制御部と、前記センサ部と前記制御部とを電気的に接続する接続経路と、を備える雰囲気分析装置であって、前記センサ部は、略等しい特性を有し、一方は前記被検知物質に曝されるように保持され、他方は気密容器に封入された２つの水晶振動子と、前記２つの水晶振動子を発振させる２つの発振回路と、アップ・ダウン・カウンタを用いて前記２つの発振回路の周波数差に対応する値を第１所定期間カウントし、カウントした値を周波数差変換信号に変換して前記第１所定期間より短い第２所定期間中に出力する周波数差分回路と、を備え、前記接続経路は、前記低周波数信号を送信する低周波用であることを特徴とする。
【００１５】
制御部は、検出した前記周波数差変換信号に応じて、前記第１所定期間の長さを変化させる。
【００１６】
本発明の雰囲気分析装置では、アップ・ダウン・カウンタを用いてカウントした周波数差に対応する値をカウントし、カウントした値を、数十ＭＨｚといった高周波数ではなく、フレキシブルケーブルやツイストペア線のような接続経路で伝送できる周波数範囲の比較的低い周波数の周波数差変換信号に変換して出力するので、数十ＭＨｚといった高周波数に比べて雑音の影響を受けにくくなる。
【００１７】
また、制御部が前記アップ・ダウン・カウンタを用いた周波数差のカウント開始とカウント停止、すなわちカウント期間を制御できるようにすることで、回路要素にばらつきがあっても回路の能力を最大限に利用できるようになり、回路規模を実質的に小さくして、常に良好な精度で検出が行えるようになる。
【００１８】
前述のように、カウンタで信号のカウントを行う場合、信号の周波数のばらつきなどを考慮して、カウンタの桁数を余裕をもって設定している。例えば、カウンタのオバーフローが生じると正しいカウントが行えない。特許文献３及び４に記載された構成では、カウンタ期間などは固定であり、カウンタの桁数は余裕をもって設定する必要があり、その分回路が大きくなっていた。これに対して、本発明によれば、カウント期間は制御部から設定されるので、カウンタがオバーフローしそうな時にはカウント期間を短くし、カウンタのカウント値が小さい時には逆にカウント期間を長くすることで、常に回路の能力を最大限に利用できる。従って、カウンタの桁数を余裕をもって設定する必要がなく、回路を一層小型にできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、温度変化にも強く、可撓性に富んだ細いケーブルの使用が可能となり、検出部の自由度が高いという従来の雰囲気分析装置と同様の利点を維持した上で、更に雑音の影響を受けにくく高精度の検出が可能になると共に、検出部を一層小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図２は、本発明の実施例の雰囲気分析装置の構成を示す図である。
【００２１】
図示のように、実施例の雰囲気分析装置は、検出部を構成するセンサ回路基板４０と、制御部を構成する制御ユニット６０と、センサ回路基板４０と制御ユニット６０との間を電気的に接続するフレキシブルケーブルやツイストペア線などのケーブル７１−７３と、を備える。センサ回路基板４０には、密封容器４２内に設けられ、被検知物質に曝されない基準水晶振動子４１と、基準水晶振動子４１を利用して発振する基準水晶発振回路４３と、基準水晶振動子４１と略同一の特性を有するが、表面に被検知物質が吸着される材料が設けられ、被検知物質を含む雰囲気に曝される検出用水晶振動子４５と、検出用水晶振動子４５を利用して発振する検出用水晶発振回路４６と、アップ・ダウン・カウンタ５０と、３個のＡＮＤゲート５１、５２、５６と、コンパレータ５３と、低周波数発振回路５４と、インバータ５５と、が設けられている。配線は図示の通りである。また、基準水晶振動子４１、基準水晶発振回路４３、検出用水晶振動子４５及び検出用水晶発振回路４６については、特許文献１から４などに記載されているので、詳しい説明は省略するが、基準水晶発振回路４３と検出用水晶発振回路４６がそれぞれ出力する基準発振信号と検出発振信号は、測定開始の時点で、できるだけ近い周波数で、基準発振信号の周波数の方が検出発振信号より少なくとも高い周波数であることが必要である。また、基準水晶振動子４１と検出用水晶振動子４５は、できるだけ近接して配置されることが望ましい。低周波数発振回路５４は、例えば、ケーブル７２で伝送可能な周波数、例えば１ｋＨｚの送信用発振信号を出力する。コンパレータ５３は、アップ・ダウン・カウンタ５０のカウント値を監視し、カウント値がゼロの時に、低周波数発振回路５４の発振を停止させる信号を出力する。
【００２２】
制御ユニット６０には、制御回路６１と、記録回路６２と、が設けられている。制御回路６１は、センサ回路基板４０に対して、電源供給線に相当するケーブル７１を介して電源を供給し、ケーブル７３を介して計測開始及び周波数伝送開始を指示する制御信号を出力し、センサ回路基板４０から、ケーブル７２を介して計数パルスを受信する。
【００２３】
図３は、実施例の雰囲気分析装置の制御動作を示すフローチャートである。以下、図３を参照して実施例の雰囲気分析装置の動作を説明する。
【００２４】
基準水晶発振回路４３及び検出用水晶発振回路４６は、常時発振しており、それぞれ基準発振信号及び検出発振信号を出力している。一般に、検出用水晶振動子４５は、表面に被検知物質が吸着される材料が設けられ、被検知物質を含む雰囲気に曝されるので質量が増加し、検出発振信号の周波数は、測定開始時点で基準発振信号の周波数と略同一の周波数であっても、時間の経過に従って徐々に低下し、周波数差が徐々に大きくなる。
【００２５】
ステップ１０１では、制御回路６１が、ケーブル７３に出力する制御信号（データ転送制御ビット）を「Ｈ」にする。これに応じて、ＡＮＤゲート５１からアップ・ダウン・カウンタ５０のダウンパルス入力端子ＤＯＷＮに基準発振信号が入力され、ＡＮＤゲート５２からアップ・ダウン・カウンタ５０のアップパルス入力端子ＵＰに検出発振信号が入力され、アップ・ダウン・カウンタ５０は基準発振信号と検出発振信号の周波数差に相当するパルス数の差のカウントを開始する。上記のように、基準発振信号の周波数の方が検出発振信号の周波数より高いので、アップ・ダウン・カウンタ５０は徐々に減少する。
【００２６】
ステップ１０２では、計測開始から第１所定期間のｔ秒経過したかを判定し、ｔ秒経過するまで待機し、ｔ秒間経過したらステップ１０３に進む。言い換えれば、アップ・ダウン・カウンタ５０のカウント動作を第１所定期間のｔ秒間行う。
【００２７】
ステップ１０３では、制御回路６１が、ケーブル７３に出力するデータ転送制御ビットを「Ｌ」にする。これに応じて、アップ・ダウン・カウンタ５０への基準発振信号及び検出発振信号の入力が停止される。それと同時に、インバータ５５の出力が「Ｈ」になり、低周波発振回路５４の出力する送信用発振信号がＡＮＤゲート５６からアップ・ダウン・カウンタ５０のアップパルス入力端子ＵＰに入力されると共に、ケーブル７２を介して制御回路６１に送信される。
【００２８】
アップ・ダウン・カウンタ５０は、送信用発振信号がアップパルス入力端子ＵＰに入力されると、ダウンしていたカウント値がゼロになるまで、すなわち基準発振信号と検出発振信号のｔ秒間のパルス数差（周波数差）分をカウントするまでカウント動作を続け、コンパレータ５３がカウント値がゼロになったことを検出すると、低周波発振回路５４の発振を停止させる。従って、アップ・ダウン・カウンタ５０のカウント値はゼロで停止する。カウント値がゼロになるまでの時間、すなわち第２所定期間は、送信用発振信号の周波数が基準発振信号と検出発振信号の周波数差より大きいので、第１所定期間より短い。
【００２９】
一方、制御回路６１は、ステップ１０３でケーブル７３に出力する制御信号を「Ｌ」にすると同時に、ステップ１０４に進み、送信用発振信号のパルス数の計数を開始する。
【００３０】
ステップ１０５では、制御回路６１が、送信用発振信号が送られない状態が２ｍｓ以上継続したかを検出し、そのような状態を検出するまでパルス数の計数を続ける。従って、制御回路６１は、基準発振信号と検出発振信号のｔ秒間のパルス数差（周波数差）分をカウントすることになる。
【００３１】
ステップ１０６では、制御回路６１はカウントしたパルス数がアップ・ダウン・カウンタ５０のカウント値の上限に近いかを判定し、上限に近ければステップ１０７に進んで、ステップ１０２で使用するｔの値を所定量だけ減少させた後、ステップ１０８に進む。近くなければそのままステップ１０８に進む。
【００３２】
ステップ１０６では、制御回路６１はカウントしたパルス数がアップ・ダウン・カウンタ５０のあらかじめ設定した所定の下限に近いかを判定し、下限に近ければステップ１０９に進んで、ステップ１０２で使用するｔの値を所定量だけ増加させた後、ステップ１１０に進む。近くなければそのままステップ１１０に進む。
【００３３】
以上のようにカウント値に基づいてｔを調整することで、常に最適な条件で計測を行うことができる。
【００３４】
ステップ１１０では、制御回路６１はカウントしたパルス数をステップ１０２で使用したｔで除して周波数差を算出して時刻と共に記録回路６２に記録する。
【００３５】
ステップ１１１では、基準発振信号と検出発振信号の周波数差を計測する動作を続けるかを判定し、続ける場合にはステップ１０１に戻り、上記の動作を繰り返す。動作を続けない時には終了する。
【００３６】
低周波発振回路５４の周波数は１ｋＨｚ程度であり、２つの発振信号の周波数差は、高々数百Ｈｚ程度であるから、カウント差を伝送するのに1秒とはかからず、雰囲気分析装置の時間応答速度から考えてこの伝送時間のロスは無視できるレベルである。
【００３７】
また、２つの発振信号の周波数差は、高々数百Ｈｚ程度であるから、アップ・ダウン・カウンタ５０の桁数は少なくてよく、例えば十進のカウンタであれば４桁あればよい。これは、制御回路６１内のカウンタについても同様である。
【００３８】
制御回路６１への伝送に使用される信号は低周波発振回路５４からの低周波パルスであるから、同軸ケーブルを使用せずとも、フレキシブルケーブルやツイストペア銅線で伝送でき、しかも伝送損失は小さく、ノイズに強いため誤動作が少なくなる。センサ回路基板４０と制御ユニット６０との距離を充分離すことができる。しかも、ケーブルの本数は、電源供給線以外に２本でよい。また、周波数差が１００Ｈｚで、ｔが１秒間で、カウント値が１００の場合には、伝送に要する時間は０．１秒であり、１秒以上カウントする場合に比べて雑音の影響を受けにくい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、発振信号の周波数の変化を検出する雰囲気分析装置であれば、どのような装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は従来の雰囲気分析装置の構成を示す図である。
【図２】図２は本発明の実施例の雰囲気分析装置の構成を示す図である。
【図３】図３は実施例の雰囲気分析装置の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
４０    検出部（センサ回路基板）
４１    基準水晶振動子
４２    密封容器
４３    基準水晶発振回路
４５    検出用水晶振動子
４６    検出用水晶発振回路
５０    アップ・ダウン・カウンタ
５４    低周波発振回路
６０    制御ユニット
６１    制御回路
【図１】
2007147495.tif 000003
【図２】
2007147495.tif 000004
【図３】
2007147495.tif 000005