(57)【要約】【課題】少なくとも1つの物理的変数の変化を測定するための共振センサー測定装置を提供すること。【解決手段】-  第1および第2の共振センサー(102a、102b)であって、2つの共振センサーの一方(102b)は、測定すべき物理的変数の変化に敏感であり、2つの共振センサーのもう一方(102a)は、測定すべき物理的変数の変化に敏感でない、第1および第2の共振センサー(102a、102b)と、  -  第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段(104)と、  -  第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定する手段(108)とを少なくとも含む、少なくとも1つの物理的変数の測定のための装置(100)。【選択図】図３
2013156252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
-  第1および第2の共振センサー(102a、102b)であって、前記2つの共振センサーの一方(102b)は、測定すべき物理的変数の変化に敏感であり、前記2つの共振センサーのもう一方(102a)は、測定すべき前記物理的変数の変化に敏感でない、第1および第2の共振センサー(102a、102b)と、
-  前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)に同じ共振周波数を課すことができる手段(202a、202b、204、302、402、404、406)と、
-  前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)からの出力信号間の位相シフトを測定する手段(108)とを少なくとも含み、
前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)に前記同じ共振周波数を課すことができる前記手段は、
-  2つの増幅器(202a、202b)であって、それの入力は、前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)からの出力に接続される、2つの増幅器(202a、202b)と、
-  位相シフト回路(204)であって、それの1つの入力は、前記2つの増幅器の1つ(202a)の出力に接続され、それの1つの出力は、前記第1および第2の共振センサー(102a、102b)への入力に接続される、位相シフト回路(204)とを少なくとも含む、
または前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)に前記同じ共振周波数を課すことができる前記手段は、
-  前記第1の共振センサー(102a)の出力に接続される非反転入力、前記第2の共振センサー(102b)の出力に接続される反転入力、前記第1の共振センサー(102a)の入力に接続される反転出力、および前記第2の共振センサー(102b)の入力に接続される非反転出力を含む差動増幅器(302)と、
-  前記差動増幅器(302)の前記反転出力に接続される第1のコンデンサ(304a)、および前記差動増幅器(302)の前記非反転出力に接続される第2のコンデンサ(304b)とを少なくとも含み、
前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)に前記同じ共振周波数を課す前記手段が、前記2つの増幅器(202a、202b)および前記位相シフト回路(204)を含むとき、前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)からの前記出力信号間の前記位相シフトを測定する前記手段(108)は、前記2つの増幅器(202a、202b)からの前記出力に出力される信号間の位相シフトを測定することができる、少なくとも1つの物理的変数の測定のための装置(200〜400)。
【請求項２】
前記第1および/または第2の共振センサー(102a、102b)は、NEMSおよび/またはMEMS型である、請求項1に記載の測定装置(200〜400)。
【請求項３】
測定されることになる前記物理的変数は、質量、温度、加速度または圧力であってもよい、請求項1または2に記載の測定装置(200〜400)。
【請求項４】
また前記測定された位相シフトから前記物理的変数の変化を計算する手段(110)も含む、請求項1から3の一項に記載の測定装置(200)。
【請求項５】
また前記共振センサー(102a、102b)の電力供給電圧の値間の差を使用して前記物理的変数の変化を計算する手段も含む、請求項1から4の一項に記載の測定装置(300、400)。
【請求項６】
また電力供給信号によって前記2つの共振センサーの一方(102b)に電力を供給することができる手段(402、404、406)も含み、その電力供給信号の値は、前記2つの共振センサーのもう一方(102a)からの電力供給信号の値ならびに前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)からの前記出力信号間の前記位相シフトに依存する、請求項5に記載の測定装置(400)。
【請求項７】
前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)から出力される前記信号間の前記位相シフトを測定する前記測定手段は、少なくとも1つの位相比較器(108)を含む、請求項1から6の一項に記載の測定装置(200〜300)。
【請求項８】
少なくとも次のステップ、
-  第1および第2の共振センサー(102a、102b)を同じ共振周波数で振動させるステップであって、前記2つの共振センサーの一方(102b)は、測定すべき物理的変数の変化に敏感であり、前記2つの共振センサーのもう一方(102a)は、測定すべき前記物理的変数の前記変化に敏感でない、ステップと、
-  前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)からの出力信号間の位相シフトを測定するステップとを含み、
前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)は、次の通りに、
-  前記第1または前記第2の共振センサー(102a、102b)を使って作られる逆応答ループから出力される同じ信号を前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)の入力に加えることによって、または
-  前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)を使って作成される逆応答ループから出力される信号を前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)の入力にそれぞれ加えること、ならびに前記第1および前記第2の共振センサー(102a、102b)からの前記出力信号が入力される差動増幅器(302)によって、同じ共振周波数で振動させられる、少なくとも1つの物理的変数の変化を測定するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、1つまたはいくつかの物理的変数、例えば質量、加速度、圧力、温度などを測定することができる共振センサー測定装置または共振器の分野に関する。
【０００２】
本発明は有利には、気相もしくは液相化学センサー、分子力センサー、質量分析計または慣性センサー(加速度計、ジャイロスコープ)の分野で使用される。本発明はまた、共振センサーとともに使用される測定方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
MEMSおよび/またはNEMS型共振器は、振動機械構造を形成する可動部分および2つの電気機械変換要素を含む電気機械装置である。これらの2つの電気機械変換要素の第1のものは、可動部分への力を発生させ、それ故にこの可動部分の動きを生じさせ、第2の電気機械変換要素は、可動部分の動きを検出する。第1の要素によって行われる作動変換は、静電的、磁気的、熱機械的または圧電性までもの作動に対応することができる。
【０００４】
行われる検出変換は、例えば容量性、ピエゾ抵抗性、起磁性または圧電性までもの検出に対応することができる。
【０００５】
共振センサーは特に、センサーの可動部分の質量、センサーの機械的部分の幾何学的パラメーターおよびセンサーの様々な部分を形成する材料の物理的パラメーター(ヤング率など)に主として依存するそれの共振周波数fr、ならびに共振センサーのエネルギー損失に依存するそれの品質係数Qによって特徴付けられる。共振周波数frはまた、可動構造での温度、圧力、応力および共振センサーに加えられる電力供給電圧にも依存する。
【０００６】
従って、共振センサーの共振周波数frがこれらの変数に依存することは、これらの物理的変数(例えば、質量、加速度、温度など)の1つを測定するために使用できる。例えば、共振センサーへの質量の均一な追加を測定する場合には、この追加は、センサーの可動部分の質量を増加させ、それは、センサーの共振周波数frを減少させる。共振周波数frは、最初にセンサーをこの共振周波数frでの振動に共振させることによって動的に測定される。共振器の共振周波数frの変化の測定値は、センサーに追加された質量を推定するために使用できる。
【０００７】
自励発振ループと呼ばれる第1の装置は、共振センサー10の共振周波数frを測定し、図1で示される。この自励発振ループは、例えばMEMS型の共振センサー10、増幅器12および位相シフター14で構成される逆応答(counter-reaction)電子装置11、ならびに周波数カウンター16を含む。逆応答電子装置11は、共振センサー10の共振条件(1よりも大きい利得および値-π/2を通過する位相)が満たされるように、共振周波数frにおいて共振センサー10によってループに導入される利得の減衰(増幅器12によって)および位相シフト(位相シフター14を使用して)を補償する。共振センサー10の共振周波数frは、周波数カウンター16を使用して測定される。
【０００８】
周波数ロッキングループと呼ばれる第2の装置は、図2で示され、また共振センサー20の共振周波数frを測定するためにも使用される。この周波数ロッキングループは、ループで直列に接続される例えば共振センサー10に似た共振センサー20、増幅器22、位相比較器24、フィルター26および電圧制御発振器(VCO)28を含む。VCO28からの出力信号は、共振センサー20の入力および位相比較器24の入力に送られる。そのような装置では、位相比較器24、フィルター26およびVCO28は、共振周波数frにおいて共振センサー20の位相シフトをそれの位相シフトに従属させる。共振周波数frは、例えば図2で示されない周波数カウンターによって、フィルター26からの出力で測定される。
【０００９】
前述の装置は、共振センサーの共振周波数の変化の測定を通じて物理的変数の変化の測定値を与える。
【００１０】
しかしながら、そのような装置に関しては、測定すべき物理的変数(例えば追加された質量)の影響をその他の物理的変数(例えば温度、圧力など)に対して測定される共振周波数frの変化から分離することが、困難である。共振器の共振周波数frは、次の方程式、
fr = fr0(1 + αΔT + βΔm + γΔVDC)     (1)
の形で表すことができ、ただし、
fr0:  共振センサーの通常動作条件の下での共振周波数、
ΔT:  共振センサーに加えられる温度変化、
Δm:  共振センサーに加えられる質量変化、
ΔVDC:  共振センサーの電力供給電圧の変化。
【００１１】
係数α、βおよびγの値は、共振周波数frへのこれらのパラメーターの影響に依存する。上記の方程式(1)は、共振センサーの共振周波数frに影響を及ぼすいくつかのパラメーターだけを考慮する共振周波数frの簡易表現である。
【００１２】
共振センサーの環境動作条件の変化は、センサーの共振周波数frの値を変更する。例えば、もし共振センサーに加えられた質量変化Δmを測定することが必要とされるならば、共振センサーの共振周波数への測定すべきパラメーターの変化の影響を、センサーの共振周波数frにまた影響も及ぼす他のパラメーターの変化と区別することができないので、方程式(1)は、測定すべき質量変化と同時に生じる温度変化が、この測定をゆがめる可能性があることを示す。
【００１３】
この問題を克服する1つの手段は、それぞれが同じ標準動作条件の下で同じ共振周波数fr0を持つ別個の共振センサーを含む2つの発振器(例えば図1および図2で示すそれらの1つに似た2つの構造に対応する)を使用することである。これらの2つの共振センサーの一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感でないように変更される。例えば、もし質量変化を測定するならば、2つのセンサーの一方は、共振センサーにどんな影響も及ぼすことなく測定すべき質量に耐えることができるカバーによって覆われることもある。従って、この共振センサーは、測定すべき変数、この場合は質量を別にして、すべての物理的変数(例えば温度、圧力など)に敏感である。上記の方程式(1)によって与えられる共振周波数frの簡易表現を使用するときには、質量変化に敏感でない共振センサーの共振周波数fr1は、従って、
fr1 = fr0(1 + αΔT + γΔVDC)         (2)
のようなものである。
【００１４】
この共振センサーと異なり、もう一方のセンサーは、測定すべき変数を含み、それの共振周波数に影響を及ぼすすべての物理的変数に敏感である。従って、それの共振周波数fr2は、
fr2 = fr0(1 + αΔT + βΔm + γΔVDC)     (3)
のようなものである。
【００１５】
共振センサーのそれぞれの共振周波数fr1およびfr2は、決定すべき変数が変化するとき測定される。従って、2つの共振センサーの共振周波数の相対変化は、
fr2 - fr1 = fr0βΔm               (4)
のように、必要とされる変数の変化を決定する。
【００１６】
これは、必要とされる測定値を得るのに有効であるけれども、この解決策は、それぞれが周波数カウンターを備える2つの発振器の製作を必要とし、それは、かなりの製作コストを表す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４３６１０２６号明細書
【特許文献２】国際公開第２００４／０４４６７２号パンフレット
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２０１００２２４２５号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第０１０１６６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の1つの目的は、2つの別個の周波数カウンターの製作を必要としない、少なくとも1つの物理的変数の変化、例えば質量、温度、圧力または加速度までもの変化を測定するための共振センサー測定装置を開示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この目的のために、
-  第1および第2の共振センサーであって、2つの共振センサーの一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感であり、2つの共振センサーのもう一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感でない、第1および第2の共振センサーと、
-  第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段と、
-  第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定する手段とを少なくとも含む、少なくとも1つの物理的変数の測定のための装置が、提案される。
【００２０】
本発明はまた、
-  第1および第2の共振センサーであって、2つの共振センサーの一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感であり、2つの共振センサーのもう一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感でない、第1および第2の共振センサーと、
-  第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段と、
-  第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定する手段とを少なくとも含み、
第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段は、
-  2つの増幅器であって、それの入力は、第1および第2の共振センサーの出力に接続される、2つの増幅器と、
-  位相シフト回路であって、それの1つの入力は、2つの増幅器の1つの出力に接続され、それの1つの出力は、第1および第2の共振センサーの入力に接続される、位相シフト回路とを少なくとも含む、
または第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段は、
-  第1の共振センサーの出力に接続される非反転入力、第2の共振センサーの出力に接続される反転入力、第1の共振センサーへの入力に接続される反転出力、および第2の共振センサーへの入力に接続される非反転出力を含む差動増幅器と、
-  差動増幅器の反転出力に接続される第1のコンデンサ、および差動増幅器の非反転出力に接続される第2のコンデンサとを少なくとも含み、
第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課す手段が、前記2つの増幅器および前記位相シフト回路を含むとき、第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定する手段は、2つの増幅器からの出力に出力される信号間の位相シフトを測定することができる、少なくとも1つの物理的変数の測定のための装置も提案する。
【００２１】
それ故に、物理的変数の測定値は、共振センサーからの出力信号間の位相シフトの測定から得られ、2つの共振センサーの共振周波数の個々の測定を通じて行われる計算を使用してではない。従って、本発明による装置は、直接の周波数測定を必要としない共振の差動高調波検出を与える。
【００２２】
共振センサーからの出力信号の位相シフトの測定を直接行うことによって、本発明は、周波数カウンターを使用することなく行われる測定への望ましくない環境パラメーターの影響を制限する。
【００２３】
2つの共振センサーの前記もう一方は、前記センサーの共振構造を測定すべき物理的変数の変化に敏感でないようにする手段を含んでもよい。
【００２４】
本発明は有利には、ガスの感知層が共振センサーの一方に堆積され、もう一方には堆積されない場合にDMMP(メチルホスホン酸ジメチル)などのガス濃度の測定を行うのに適用できる。
【００２５】
第1および/または第2の共振センサーは、NEMSおよび/またはMEMS型であってもよい。第1および/または第2の共振センサーのそれぞれは、振動機械構造を形成する少なくとも1つの可動部分および少なくとも2つの電気機械変換要素を含み、2つの要素の一方は、センサーに加えられる入力信号の関数として前記振動機械構造を振動させることができ、2つの要素のもう一方は、機械構造の振動の関数として出力信号を発生させることができる。しかしながら、本発明による測定装置の共振センサーは、任意の種類の作動および検出に基づいてもよい。
【００２６】
測定されることになる物理的変数は、質量、温度、加速度または圧力であってもよい。
【００２７】
第1の実施形態では、第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段は、第1および第2の共振センサーの入力に接続される少なくとも1つの周期信号発生器を含んでもよい。
【００２８】
別の実施形態では、第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段は、
-  2つの増幅器であって、それの入力は、第1および第2の共振センサーからの出力に接続される、2つの増幅器と、
-  位相シフト回路であって、それの入力は、2つの増幅器の1つの出力に接続され、それの出力は、第1および第2の共振センサーへの入力に接続される、位相シフト回路とを少なくとも含んでもよく、
第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定する手段は、2つの増幅器からの出力に出力される信号間の位相シフトを測定することができる。
【００２９】
本測定装置は、測定された位相シフトから前記物理的変数の変化を計算する手段を含んでもよい。
【００３０】
別の実施形態では、第1および第2の共振センサーに同じ共振周波数を課すことができる手段は、
-  第1の共振センサーの出力に接続される非反転入力、第2の共振センサーの出力に接続される反転入力、第1の共振センサーへの入力に接続される反転出力、および第2の共振センサーへの入力に接続される非反転出力を含む差動増幅器と、
-  差動増幅器の反転出力に接続される第1のコンデンサ、および差動増幅器の非反転出力に接続される第2のコンデンサとを少なくとも含んでもよい。
【００３１】
本装置はまた、共振センサーの電力供給電圧の値間の差を使用して物理的変数の変化を計算する手段を含んでもよい。
【００３２】
本装置はまた、電力供給信号によって2つの共振センサーの一方に電力を供給する手段を含んでもよく、その電力供給信号の値は、2つの共振センサーのもう一方からの電力供給信号の値ならびに第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトに依存する。
【００３３】
第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定する手段は、少なくとも1つの位相比較器を含んでもよい。
【００３４】
少なくとも次のステップ、
-  第1および第2の共振センサーを同じ共振周波数で振動させるステップであって、2つの共振センサーの一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感であり、2つの共振センサーのもう一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感でない、ステップと、
-  第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定するステップとを含む、少なくとも1つの物理的変数を測定するための方法もまた、提案される。
【００３５】
本発明はまた、少なくとも次のステップ、
-  第1および第2の共振センサーを同じ共振周波数で振動させるステップであって、2つの共振センサーの一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感であり、2つの共振センサーのもう一方は、測定すべき物理的変数の変化に敏感でない、ステップと、
-  第1および第2の共振センサーからの出力信号間の位相シフトを測定するステップとを含み、
第1および第2の共振センサーは、次の通りに、
-  第1または第2の共振センサーを使って作られる逆応答ループから出力される同じ信号を第1および第2の共振センサーへの入力に加えることによって、または
-  第1および第2の共振センサーのそれぞれを使ってそれぞれ作成される逆応答ループから出力される信号を第1および第2の共振センサーのそれぞれへの入力に加えること、ならびに第1および第2の共振センサーからの出力信号が入力される差動増幅器によって、同じ共振周波数で振動させられる、少なくとも1つの物理的変数の変化を測定するための方法にも関する。
【００３６】
本発明は、添付の図面を参照して、純粋に情報のために与えられ、決して限定的でない実施形態の説明を読むことでより良く理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術による共振センサー測定装置を示す図である。
【図２】従来技術による共振センサー測定装置を示す図である。
【図３】本発明による共振センサー測定装置の様々な実施形態を示す図である。
【図４】本発明による共振センサー測定装置の様々な実施形態を示す図である。
【図５】本発明による共振センサー測定装置の様々な実施形態を示す図である。
【図６】本発明による共振センサー測定装置の様々な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下で述べる異なる図の同一の、同様のまたは同等の部分は、異なる図間の比較を容易にするために同じ参照番号を有する。
【００３９】
図で示す異なる部分は、図をより簡単に読めるようにするために、必ずしも同じ縮尺比ではない。
【００４０】
異なる可能性(変形形態および実施形態)は、互いに排他的でないと理解しなければならず、それらは、互いに組み合わされてもよい。
【００４１】
初めに、物理的変数を測定することができる共振センサー測定装置100の第1の実施形態を示す図3を参照されたい。
【００４２】
測定装置100は、例えばMEMSおよび/またはNEMS型の、また共振器とも呼ばれる、第1の共振センサー102a、ならびにまたMEMSおよび/またはNEMS型でもある第2の共振器102bを含む。これらの2つの共振センサー102a、102bは、例えば似ていてもよく、言い換えれば特にそれらは、同じ共振周波数frを有してもよい。共振センサーのそれぞれは、振動機械構造を形成する少なくとも1つの可動部分および例えば電気機械的な少なくとも2つの変換要素を含んでもよく、2つの要素の一方は、センサーの入力要素に加えられる入力信号の関数として振動機械構造を振動させることができる入力変換要素を形成し、2つの要素のもう一方は、振動機械構造の測定された振動の関数として出力信号を発生させることができる出力変換要素を形成する。
【００４３】
共振器の共振周波数に影響を及ぼす共振器のすべての周囲の物理的変数(例えば質量、温度など)の変化に敏感である第2の共振センサー102bと異なり、第1の共振センサー102aは、測定装置100によって測定すべき物理的変数の変化に敏感でない。本明細書で述べる例では、測定装置100は、それに加えられる質量を測定することになる。それ故に、第1の共振センサー102aは、それを質量の加えられた変化に敏感でないようにする手段を含み、これらの手段は、例えば第1の共振センサー102aの少なくとも共振機械構造がその中に置かれるカバーまたは筐体に対応する。
【００４４】
それ故に、第1の共振センサー102aに加えられる質量は、第1の共振センサー102aの共振構造に再送されない力をカバーまたは筐体に加え、それ故に第1の共振センサー102aの共振周波数を変更しない。もし測定装置100が、温度変化を測定することを目的としているならば、第1の共振センサー102aの振動機械構造は、例えばそれの共振機械構造がこの温度変化の影響を受けないように熱遮蔽によって保護されてもよい。
【００４５】
2つの共振センサー102a、102bへの入力は、振動信号を共振センサー102a、102bへの入力に加える周期信号発生器104に接続され、その振動信号についての特性(周波数、振幅)は、2つの共振センサー102a、102bが信号発生器104によって課されるのと同じ周波数で共振するようなものである。さらに、2つの共振センサー102a、102bは、同じ電力供給電圧から電力を供給されてもよい。
【００４６】
測定装置100はまた、共振センサー102a、102bから出力される信号間の位相シフトを測定する位相比較器108も含む。それ故に、測定装置100が、測定すべき変数の変化(例えば測定装置100に加えられる質量変化)を受けるとき、この変化は、測定すべき変数のこの変化の影響を受けない第1の共振センサー102aからの出力信号に対して第2の共振センサー102bからの出力信号の位相シフトをもたらす。
【００４７】
しかしながら、この位相シフトは、測定される変数の変化を代表する。例えば、質量を測定することになる装置100の場合には、共振センサー102a、102bからの出力信号間の位相シフト、
【００４８】
【数１】
2013156252.tif 000003
【００４９】
は、
【００５０】
【数２】
2013156252.tif 000004
【００５１】
のようなものであり、ただし、
f:  信号発生器104から出力される信号の周波数、
fr:  共振センサー102a、102bの共振周波数、
Q:  共振センサー102a、102bの品質係数。
【００５２】
しかしながら、共振周波数frは、
【００５３】
【数３】
2013156252.tif 000005
【００５４】
のようなものであり、ただし、
mは、センサーの可動構造の初期質量m0および測定すべき質量の変化Δmの合計に対応し、
k:  共振センサーの可動構造の剛性。
【００５５】
従って、上記の式(5)および(6)を使用すると、初期質量m0の変化Δm(ただしm = m0 +  Δm)の値は、測定された位相シフト、
【００５６】
【数４】
2013156252.tif 000006
【００５７】
から見いだすことができることがわかる。
【００５８】
位相比較器108からの出力信号は、例えば共振センサー102a、102bからの出力信号間で測定された位相シフトを使用して得るべき物理的パラメーターの変化の値を計算することができる電子計算回路を含む、計算手段110を使用する入力に送られる。
【００５９】
今から、物理的変数を測定することができる共振センサーを備える測定装置200の第2の例となる実施形態を示す図4を参照する。
【００６０】
測定装置200は、例えば測定装置100を参照して前に述べたそれらに似た、第1の共振センサー102aおよび第2の共振センサー102bを含む。
【００６１】
共振センサー102a、102bの振動周波数が信号発生器104によって課される測定装置100と異なり、測定装置200の共振センサー102a、102bは、共振センサー102a、102bの1つを使って作成される逆応答ループによって出力される同じ信号をそれらの入力で受け取る。
【００６２】
それ故に、図4での例では、共振器102a、102bからの出力のそれぞれは、増幅器202a、202bの入力に接続される。増幅器202a、202bは好ましくは、同じ利得を有し、その結果それらは、測定装置200にどんな異なる位相シフトも引き起こさないことになり、同じ振幅を持つ信号が、共振器入力に加えられることになり、それは、非線形現象の出現を防止し、測定が行われるのを妨害しない。増幅器202aの出力は、位相シフト回路204の入力に送られ、それの出力は、2つの共振センサー102a、102bへの入力に接続される。
【００６３】
それ故に、第1の共振センサー102aは、周期信号を出力することができる自励発振ループの一部を形成し、それ故に信号発生器の使用を回避する。本明細書で述べる例では、自励発振ループは、測定すべき物理的変数の変化に敏感でない第1の共振センサー102aを使って形成される。
【００６４】
しかしながら、測定すべき物理的変数の変化に敏感である第2の共振センサー102bを使って測定装置200の自励発振ループを作ることも可能である。
【００６５】
2つの増幅器202a、202bからの出力信号は、例えば測定装置100の位相比較器に似た位相比較器108への入力に送られ、その結果増幅器202a、202bからの出力信号の位相シフトが、互いに対して測定でき、この位相シフトは、共振センサー102a、102bから出力される信号間で得られる位相シフトに似ている。測定装置100に関しては、この位相シフトの測定値は次いで、得られた位相シフトから測定される物理的パラメーターの値を計算するために計算手段110の入力に送られる。
【００６６】
物理的変数を測定することができる共振センサー測定装置300の第3の例となる実施形態を示す図5を参照されたい。
【００６７】
測定装置300は、例えば測定装置100および200を参照して前に述べたそれらに似た、第1の共振センサー102aおよび第2の共振センサー102bを含む。
【００６８】
共振センサーの振動周波数が信号発生器104によって課される測定装置100と異なり、測定装置300の共振センサー102a、102bは、共振センサーのそれぞれを使って作られる逆応答によって電力を供給される。
【００６９】
これらの逆応答は、差動増幅器302を通じて作られる。第1の共振センサー102aの出力は、差動増幅器302の非反転入力または正入力に接続され、第2の共振センサー102bの出力は、差動増幅器302の反転入力または負入力に接続される。
【００７０】
差動増幅器302の非反転出力は、第2の共振センサー102bの入力に接続され、差動増幅器302の反転出力(それの値は非反転出力の反転値に等しく、従って差動増幅器302からの反転および非反転出力は互いに対してπの位相シフトを有する)は、第1の共振センサー102aの入力に接続される。
【００７１】
コンデンサ304a、304bは、差動増幅器302からの出力の1つを共振センサー102a、102bの1つの入力に接続する電気的接続のそれぞれ、および接地に接続される。これらのコンデンサ304a、304bは、反作用(retroaction)ループに-π/2の位相シフトを引き起こし、それ故に逆応答ループを通じて信号に加えられる位相シフトの平衡を保つ(各共振器もまた-π/2の位相シフトを導入する)。変形形態として、共振センサー102a、102bの位置は、逆にすることができ、差動増幅器302の非反転入力および反転出力は、第2の共振センサー102bに接続され、差動増幅器302の反転入力および非反転出力は、第1の共振センサー102aに接続される。
【００７２】
測定装置300の共振センサー102aおよび102bは、標準動作条件の下で、言い換えればそれらが装置300によって測定すべき物理的変数の変化によって影響を受けないとき、それらが同じ共振周波数を有するようなものである。測定装置300(従って共振装置102a、102b)が、測定すべき変数の変化を受けるとき、第2の共振センサー102bだけがこの変化の影響を受けるので、センサー102a、102bの電力供給端子306a、306bに加えられる共振器102a、102bの電力供給電圧は、2つの共振センサー102a、102bを同じ共振周波数に保つために、かつ2つの共振センサー102a、102bからの出力信号間で一定の位相シフト(この場合にはπ)を維持するために異なっていなければならない。従って、上で述べた方程式(1)に従って共振センサー102a、102bの共振周波数を表現することによって、
fr1 = fr0(1 - αΔT - γΔVDC1)         (7)
fr2 = fr0(1 - αΔT - βΔm - γΔVDC2)     (8)
が得られる。
【００７３】
ただしfr1およびfr2は、第1および第2の共振センサー102a、102bの共振周波数にそれぞれ対応し、VDC1およびVDC2は、第1および第2の共振センサー102a、102bの電力供給電圧にそれぞれ対応する。上記の方程式(7)および(8)を使用すると、共振周波数fr1およびfr2は等しいので、物理的変数(この場合には質量変化Δm)の測定値は、
γ(ΔVDC2 - ΔVDC1) = βΔm        (9)
のように、2つの共振センサー102a、102bの出力信号間で一定の位相シフトを維持するために使用される電力供給電圧VDC2とVDC1との間の差を測定することによって得ることができることがわかる。
【００７４】
従って、係数γおよびβの値は周知であるので、Δmの値を決定することができる。電力供給電圧VDC2およびVDC1を測定する手段は、図5では示されない。
【００７５】
図5で示す略図からの変形形態として、共振センサー102a、102bからの出力は、例えば前に述べた位相比較器108に似た位相比較器の入力に接続できる。位相比較器からの出力信号の値はその時、共振センサー102a、102bの電力供給電圧の1つを調整することによって操作者によって一定に保つことができる。必要とされる質量変化の値はその時、VDC1とVDC2との間の差の測定によって同様に得られる。
【００７６】
別の変形形態では、測定すべき物理的変数が変化するとき、共振センサー102a、102bの電力供給電圧を調整しないことも、可能である。この場合には、共振センサー102a、102bからの出力は、例えば上で述べた位相比較器108に似た位相比較器に対応する、共振センサー102a、102bからの出力信号間の位相シフト測定手段への入力に接続される。位相比較器108からの出力は次いで、測定された位相シフトから必要とされる物理的変数の変化を計算することができる、例えば前に述べた手段110に対応する計算手段の入力に送られる。
【００７７】
2つの共振センサー102a、102bの共振周波数が、装置300の同じ動作条件の下で異なると、共振センサー102a、102bはその時、2つの共振センサー102a、102bの2つの共振周波数間の同じ振動周波数で、またはこの範囲の外側ではこれらの2つの共振周波数の1つに近い周波数で動作している。
【００７８】
もし2つの共振センサーの共振周波数間の差が、装置300で振動が生成されないほどより大きいならば、図6で示す測定装置400が、作られてもよい。図5で示す装置300と異なり、測定装置400はまた、位相比較器402も含み、それの入力は、2つの共振センサー102a、102bからの出力に接続される。位相比較器402の出力は、低域通過フィルター404の入力に、次いで加算器406の入力に接続される。第1の共振センサー102aの電力供給電圧VDC1は、加算器406の第2の入力に加えられる。最後に、加算器406の出力は、第2の共振センサー102bの電力供給端子306bに接続される。
【００７９】
要素402、404および406は、2つの共振センサー102a、102bから出力される信号間の位相シフトに対して第2の共振センサー102bの電力供給電圧を従属させるために使用される。それ故に、第2の共振センサー102bの共振周波数は、装置400によって測定が行われるとき、2つの共振センサーの共振周波数が同一であるように第1の共振センサー102aの共振周波数に従属する。上で提示した方程式(7)、(8)および(9)はその時、装置400に適用でき、必要とされる変数の測定値は、2つの共振センサー102a、102bが同じ共振周波数で振動する状態を保つのに必要な2つの共振センサー102a、102bの電力供給電圧VDC1とVDC2との間の差から推定される。
【符号の説明】
【００８０】
10  共振センサー
11  逆応答電子装置
12  増幅器
14  位相シフター
16  周波数カウンター
20  共振センサー
22  増幅器
24  位相比較器
26  フィルター
28  電圧制御発振器(VCO)
100  測定装置
102a  第1の共振センサー
102b  第2の共振センサー
104  周期信号発生器
108  位相比較器
110  計算手段
200  測定装置
202a  増幅器
202b  増幅器
204  位相シフト回路
300  測定装置
302  差動増幅器
304a  コンデンサ
304b  コンデンサ
306a  電力供給端子
306b  電力供給端子
400  測定装置
402  位相比較器
404  低域通過フィルター
406  加算器
【図１】
2013156252.tif 000007
【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】
2013156252.tif 000012
【外国語明細書】
2013156252000001.pdf