【手続補正書】
【提出日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
前記センサ用振動子を発振させるセンサ用発振回路と、
前記センサ用振動子からの周波数信号をサンプリングするためのクロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記センサ用振動子からの周波数信号を前記基準クロック発生部からのクロック信号によりサンプリングしてそのサンプリング値をディジタル信号として出力するアナログ／ディジタル変換部と、
このアナログ／ディジタル変換部からの出力信号に対応する周波数信号に対してディジタル信号による直交検波を行い、当該周波数信号における周波数と直交検波に用いたディジタル信号により特定される周波数との周波数差に相当する角速度で回転する回転ベクトルを複素表示したときの実数部分及び虚数部分を取り出す回転ベクトル取り出し手段と、
この回転ベクトル取り出し手段で得られた前記実数部分及び虚数部分の各時系列データに基づいて、回転ベクトルの角速度を求める回転ベクトル速度演算手段と、を備えたことを特徴とする感知装置。
【請求項２】
センサ用振動子が第１の環境に置かれているときの回転ベクトルの角速度と、センサ用振動子が第２の環境に置かれているときの回転ベクトルの角速度と、の差を求める手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の感知装置。
【請求項３】
前記回転ベクトル取り出し手段は、アナログ／ディジタル変換部からの出力信号に対応する周波数信号を直交検波する手段と、この手段で得られたデータに含まれる高周波成分を除去する手段と、を含むことを特徴とする請求項１または２記載の感知装置。
【請求項４】
あるタイミングにおける前記サンプリング値に対応する実数部分及び虚数部分を夫々Ｉ（ｎ）及びＱ（ｎ）とし、当該タイミングよりも前のタイミングにおける前記サンプリング値に対応する実数部分及び虚数部分を夫々Ｉ（ｎ−１）及びＱ（ｎ−１）とすると、前記回転ベクトル速度演算手段は、｛Ｑ（ｎ）−Ｑ（ｎ−１）｝・Ｉ（ｎ）−｛Ｉ（ｎ）−Ｉ（ｎ−１）｝・Ｑ（ｎ）の演算に基づいて回転ベクトルの角速度を求めることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の感知装置。
【請求項５】
前記回転ベクトル速度演算手段により求められた演算結果に対して所定時間内の平均値を求める手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の感知装置。
【請求項６】
所定時間内の平均値を求める手段は移動平均を求める手段であることを特徴とする請求項５記載の感知装置。
【請求項７】
前記回転ベクトル速度演算手段の前段に、前記実数部分及び虚数部分を、これら実数部分及び虚数部分により決定されるベクトルのスカラー量により割り算する補正処理部を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の感知装置。
【請求項８】
前記回転ベクトル速度演算手段により求められた角速度を積分する積分手段と、
この積分手段の出力値に対応する角速度でかつ前記回転ベクトル取り出し手段により取り出された回転ベクトルとは逆向きに回転する逆回転ベクトルを複素表示したときの実数部分及び虚数部分を作成する逆回転ベクトル生成部と、
前記回転ベクトル速度演算手段の前段に設けられ、前記回転ベクトル取り出し手段により得られた回転ベクトルと前記逆回転ベクトル生成部により生成された逆回転ベクトルとを乗算する手段と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の感知装置。
【請求項９】
逆回転ベクトル生成部は、複素表面上における逆回転ベクトルの位置を規定する実数部分及び虚数部分の組を回転方向に沿って順番に配列したデータテーブルと、前記周波数の変化量に相当するインクリメント数またはデクリメント数により前記データテーブルのアドレスを発生させることにより逆回転ベクトルを生成するアドレス制御部と、を備えたことを特徴とする請求項８記載の感知装置。
【請求項１０】
逆回転ベクトル生成部は、前記回転ベクトル速度演算手段により求められた周波数の変化量をディジタル信号で表したときの下位ビットの値に応じたデューティ比のパルス列を出力するパルス幅制御部と、前記周波数の変化量をディジタル信号で表したときの上位ビットの値と前記パルス幅制御部により作成されたパルスのレベルとを加算して前記アドレス制御部に出力する加算部と、を備え、
前記アドレス生成部は、この加算部からの出力値を積分し、この積分値を前記データテーブルのアドレスとすることを特徴とする請求項９記載の感知装置。
【請求項１１】
周波数信号の周波数を測定する周波数測定装置において、
周波数信号をサンプリングするためのクロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記周波数信号を前記基準クロック発生部からのクロック信号によりサンプリングしてそのサンプリング値をディジタル信号として出力するアナログ／ディジタル変換部と、
このアナログ／ディジタル変換部からの出力信号に対応する周波数信号に対してディジタル信号による直交検波を行い、当該周波数信号における周波数と直交検波に用いたディジタル信号により特定される周波数との周波数差に相当する角速度で回転する回転ベクトルを複素表示したときの実数部分及び虚数部分を取り出す回転ベクトル取り出し手段と、
この回転ベクトル取り出し手段で得られた前記実数部分及び虚数部分の各時系列データに基づいて、回転ベクトルの角速度を求める回転ベクトル速度演算手段と、を備えたことを特徴とする周波数測定装置。
【請求項１２】
前記回転ベクトル取り出し手段は、アナログ／ディジタル変換部からの出力信号に対応する周波数信号を直交検波する手段と、この手段で得られたデータに含まれる高周波成分を除去する手段と、を含むことを特徴とする請求項１１記載の周波数測定装置。
【請求項１３】
あるタイミングにおける前記サンプリング値に対応する実数部分及び虚数部分を夫々Ｉ（ｎ）及びＱ（ｎ）とし、当該タイミングよりも前のタイミングにおける前記サンプリング値に対応する実数部分及び虚数部分を夫々Ｉ（ｎ−１）及びＱ（ｎ−１）とすると、前記回転ベクトル速度演算手段は、｛Ｑ（ｎ）−Ｑ（ｎ−１）｝・Ｉ（ｎ）−｛Ｉ（ｎ）−Ｉ（ｎ−１）｝・Ｑ（ｎ）の演算に基づいて回転ベクトルの角速度を求めることを特徴とする請求項１１または１２記載の周波数測定装置。
【請求項１４】
前記回転ベクトル速度演算手段の前段に、前記実数部分及び虚数部分を、これら実数部分及び虚数部分により決定されるベクトルのスカラー量により割り算する補正処理部を設けたことを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか一つに記載の周波数測定装置。
【請求項１５】
前記回転ベクトル速度演算手段により求められた角速度を積分する積分手段と、
この積分手段の出力値に対応する角速度でかつ前記回転ベクトル取り出し手段により取り出された回転ベクトルとは逆向きに回転する逆回転ベクトルを複素表示したときの実数部分及び虚数部分を作成する逆回転ベクトル生成部と、
前記回転ベクトル速度演算手段の前段に設けられ、前記回転ベクトル取り出し手段により得られた回転ベクトルと前記逆回転ベクトル生成部により生成された逆回転ベクトルとを乗算する手段と、を備えたことを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか一つに記載の周波数測定装置。
【請求項１６】
逆回転ベクトル生成部は、複素表面上における逆回転ベクトルの位置を規定する実数部分及び虚数部分の組を回転方向に沿って順番に配列したデータテーブルと、前記周波数の変化量に相当するインクリメント数またはデクリメント数により前記データテーブルのアドレスを発生させることにより逆回転ベクトルを生成するアドレス制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１５記載の周波数測定装置。
【請求項１７】
逆回転ベクトル生成部は、前記回転ベクトル速度演算手段により求められた周波数の変化量をディジタル信号で表したときの下位ビットの値に応じたデューティ比のパルス列を出力するパルス幅制御部と、前記周波数の変化量をディジタル信号で表したときの上位ビットの値と前記パルス幅制御部により作成されたパルスのレベルとを加算して前記アドレス制御部に出力する加算部と、を備え、
前記アドレス生成部は、この加算部からの出力値を積分し、この積分値を前記データテーブルのアドレスとすることを特徴とする請求項１６記載の周波数測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】感知装置及び周波数測定装置
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子例えば水晶振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化分に基づいて感知対象物を感知する感知装置に関する。また本発明は、周波数信号の周波数を高精度で測定するための技術に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、微量に存在する例えば環境汚染物質などの感知対象物を高い精度をもって検出することのできる感知装置を提供することにある。他の目的は、感知対象物を高い精度をもってかつ瞬時に検出することのできる感知装置を提供することにある。更にまた他の目的は、感知対象物を高い精度をもって検出するにあたり、測定レンジを広げることのできる感知装置を提供することにある。更に他の目的は、周波数信号の周波数を高い精度で測定できる周波数測定装置を提供することにある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
更に本発明は、次のように構成することが好ましい。即ち、前記回転ベクトル速度演算手段により求められた角速度を積分する積分手段と、この積分手段の出力値に対応する速度でかつ前記回転ベクトル取り出し手段により取り出された回転ベクトルとは逆向きに回転する逆回転ベクトルを複素表示したときの実数部分及び虚数部分を作成する逆回転ベクトル生成部と、前記回転ベクトル速度演算手段の前段に設けられ、前記回転ベクトル取り出し手段により得られた回転ベクトルと前記逆回転ベクトル生成部により生成された逆回転ベクトルとを乗算する手段と、を更に備えた構成とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
この場合、逆回転ベクトル生成部は、複素表面上における逆回転ベクトルの位置を規定する実数部分及び虚数部分の組を回転方向に沿って順番に配列したデータテーブルと、前記周波数の変化量に相当するインクリメント数またはデクリメント数により前記データテーブルのアドレスを発生させることにより逆回転ベクトルを生成するアドレス制御部と、を備えた構成とすることができる。より具体的な例としては、逆回転ベクトル生成部は、前記回転ベクトル速度演算手段により求められた周波数の変化量をディジタル信号で表したときの下位ビットの値に応じたデューティ比のパルス列を出力するパルス幅制御部と、前記周波数の変化量をディジタル信号で表したときの上位ビットの値と前記パルス幅制御部により作成されたパルスのレベルとを加算して前記アドレス制御部に出力する加算部と、を備え、
前記アドレス生成部は、この加算部からの出力値を積分し、この積分値を前記データテーブルのアドレスとする構成を挙げることができる。
また本発明の周波数測定装置では、
周波数信号の周波数を測定する周波数測定装置において、
周波数信号をサンプリングするためのクロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記周波数信号を前記基準クロック発生部からのクロック信号によりサンプリングしてそのサンプリング値をディジタル信号として出力するアナログ／ディジタル変換部と、
このアナログ／ディジタル変換部からの出力信号に対応する周波数信号に対してディジタル信号による直交検波を行い、当該周波数信号における周波数と直交検波に用いたディジタル信号により特定される周波数との周波数差に相当する角速度で回転する回転ベクトルを複素表示したときの実数部分及び虚数部分を取り出す回転ベクトル取り出し手段と、
この回転ベクトル取り出し手段で得られた前記実数部分及び虚数部分の各時系列データに基づいて、回転ベクトルの角速度を求める回転ベクトル速度演算手段と、を備えたことを特徴としている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
このようにキャリアリムーブ３１は前記正弦波信号に対して直交検波を行い、ローパスフィルタ３２はその検波結果に対して高周波成分を除去するものであり、従ってこれらは、Ａ／Ｄ変換部２１からの周波数信号に対してディジタル信号による直交検波を行い、当該周波数信号における周波数と直交検波に用いた正弦波信号の周波数ω0／２πとの周波数差に相当する角速度で回転する回転ベクトルを複素表示したときの実数部分及び虚数部分を取り出す手段をなすものである。直交検波に用いた正弦波信号の周波数ω0／２πは既知であるから、図１において、Ａ／Ｄ変換器２１を含めた後段側の部分は、Ａ／Ｄ変換器２１に入力される周波数信号の周波数を測定するための手段ということができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
回転ベクトルにおいて、図９に示すようにあるタイミングのサンプリング例えばｎ回目のサンプリング値がＩ（ｎ）＋ｊＱ（ｎ）であったとする。このベクトルを実軸に沿った位置まで戻す場合には、前記回転ベクトルＶに対して逆回転する逆回転ベクトルＶ｀を作成し、この逆回転ベクトルＶ｀を乗算すればよい。回転ベクトルＶが逆回転ベクトルＶ｀により戻されたベクトルＩ＋ｊＱは、｛Ｉ（ｎ）＋ｊＱ（ｎ）｝×｛Ｉ`（ｎ）＋ｊＱ`（ｎ）｝となる。この式を整理すると、（８）式となり、周波数レンジ補正部８は、この式の演算を行っている。
Ｉ＋ｊＱ＝｛Ｉ(ｎ)・Ｉ`(ｎ)−Ｑ(ｎ)・Ｑ`(ｎ)｝＋ｊ｛Ｉ(ｎ)・Ｑ`(ｎ)＋Ｉ`(ｎ)・Ｑ(ｎ)｝    ……（８）
逆回転ベクトルＶ｀を発生するとは、実際には複素平面上におけるベクトルが逆回転するように当該ベクトルの実数部分及び虚数部分の値つまり逆回転ベクトルＶ｀の位相をφとすると、cosφとsinφとの値を発生させることである。図１０は、ベクトルのcosφとsinφとの組がベクトルの回転方向に沿って順番には配列されたＩ／Ｑテーブル９０を示しており、逆回転ベクトル生成部９は、この例では前記Ｉ／Ｑテーブル９０を備えていて、積分器７０の出力に応じたインクリメント数またはデクリメント数でＩ／Ｑテーブル９０のアドレスを読み出し、周波数レンジ補正部８に出力している。例えばアドレスを「０」から「１１」までクロックの読み出しのタイミングにより１個づつ読み出し、再び「０」に戻ると、１２クロックでベクトルが複素平面にて時計回りで１回転することになり、インクリメント数を２にして１個おきにアドレスを読み出すと、ベクトルの角速度が倍速になる。従って積分器７０の出力の大きさに応じてインクリメント数を決めておくことで、既述の周波数差演算部６（図８参照）により演算された周波数差Δφに応じた角速度（回転ベクトルＶの角速度に応じた角速度）で逆回転する逆回転ベクトルを生成することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
逆回転ベクトルＶ｀の向きは回転ベクトルＶの向きに応じて決まってくることになり、積分器７０の出力はその向きに応じて正の値または負の値になり、Ｉ／Ｑテーブル９０のアドレスの読み出しについては、積分器７０の出力が正の値の場合には、その値に応じたインクリメント数で読み出しが行われ、積分器７０の出力が負の値の場合には、その値に応じたデクリメント数で読み出しが行われる。即ち、Ｉ／Ｑテーブル９０はｃｏｓ，ｓｉｎの関係となっており、アドレス制御部１０３でＩ／Ｑテーブル９０のアドレスをインクリメントまたはデクリメントすることにより回転ベクトルＶの補正方向が制御されることになる。なお図１０のＩ／Ｑテーブルは、本発明の理解を容易にするために模式的に作成されたものであり、実際のテーブルの好ましい作成例を挙げたものではない。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
次ぎにこの実施の形態の作用について説明する。先ず水晶振動子１１に感知対象物が吸着されることにより、感知対象物が吸着されない状態から水晶振動子１１の周波数が変化すると、その周波数の変化分である周波数差に対応する角速度で回転ベクトルＶが回転する。既述のようにこの場合は発振周波数がω0に一致している場合であり、一般にはω0とω1との差に対応する角速度で回転する回転ベクトルＶということができる。そして回転ベクトルＶの角速度に対応する積分器７０の出力値の上位ビット例えば上位８ビットの値であるレベルの信号が加算器１０２に入力される。一方積分器７０の出力値の下位ビット例えば下位８ビットの値がパルス幅制御部１０１に入力される。パルス幅制御部１０１ではコンピュータのクロックパルスについて予め設定したパルス数毎に発生するサンプリング信号により、パルス幅演算を行って、入力値に応じたデューティ比のパルス列が出力される。
このパルス列は、１クロックで発生する＋１のレベルのパルスと１クロックで発生する−１のレベルのパルスを組み合わせたものであり、仮に２０クロック毎にパルス幅演算が行われるとし、パルス幅制御部１０１の入力値に対応するデューティ比が５０％であるとすると、図１２に示すように＋１のレベルのパルスと−１のレベルのパルスとが交互に夫々１０個づつ出力されることになる。そして例えば上位８ビットの値に相当するレベルが「５」であるとすると、サンプリング信号が発生されてから次のサンプリング信号が発生されるまでの間、加算器１０２からは「６」と「４」とが交互に出力され、アドレス制御部１０３は、この出力値を積分し、その積分値がＩ／Ｑテーブル９０のアドレスとなる。つまりこの場合、積分値の増加分は「６」と「４」とが交互に繰り返されるので、アドレスのインクリメント数は「６」と「４」とが交互に繰り返され、結局上位８ビットの値に相当するレベルである平均「５」のインクリメント数でアドレスにアクセスされ、そのアドレスに記載されている逆回転ベクトルＶ｀の実数部分及び虚数部分が読み出される。つまりこの「５」に対応する角速度の逆回転ベクトルＶ｀が発生したことになる。なお図１０のＩ／Ｑテーブル９０は理解を容易にしたものであり、この場合の動作とは対応しない。
こうしてＩ／Ｑテーブル９０から読み出された実数部分及び虚数部分の各値は、周波数レンジ補正部８にて、既述の（８）式の演算が行われ、回転ベクトルＶに逆回転ベクトルＶ｀が乗算されることになる。なお８１はビット処理部であり、周波数差演算部６以降の演算ビット数を削減させるために下位ビットの丸め処理が行われる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
そして図１１に示す逆回転ベクトル発生部９はＰＬＬ（Phase  Lock  Loop）を構成することになるので、ローパスフィルタ３２側から周波数レンジ補正部８に入力される信号値が安定すれば、回転ベクトルＶの角速度及び逆回転ベクトルＶ｀の角速度は直ぐにロックされ、安定した状態になり、各信号については図１２に示すようになる。従ってロック時の積分器７０の出力値は回転ベクトルＶの角速度に対応することになり、この出力値に基づいて周波数の測定を行うことができるので、結果として測定レンジが広がったことになる。