(57)【要約】【課題】検出信号のデジタル信号への変換が容易で低コスト、省スペースを実現しつつ、検出安定性や検出精度に優れた、静電容量センサに代表される物理／化学量測定装置を提供する。【解決手段】発振回路Ａ１として、コンデンサＣｃ及びインダクタＬｃを並列に接続してなるセンシング回路要素１１と、第１抵抗素子Ｒ１と、第２抵抗素子Ｒ２と、第３抵抗素子Ｒ３とをこの順に環状に直列接続し、前記センシング回路要素１１と第３抵抗素子Ｒ３との間の接続配線を回路コモンに接続し、前記第３抵抗素子Ｒ３と第２抵抗素子Ｒ２との間の接続配線を差動増幅器Ａ１の一方の入力端子に接続し、前記センシング回路要素１１と第１抵抗素子Ｒ１との間の接続配線を差動増幅器Ａ１の他方の入力端子に接続し、前記第１抵抗素子Ｒ１と第２抵抗素子Ｒ２との間の接続配線を差動増幅器Ａ１の出力端子に接続するようにした。【選択図】  図１
2009162522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の物理量又は化学量に応じて発振周波数が変動する発振回路と、該発振回路から出力される信号の周波数又はその変動を検知する検知回路と、を具備してなり、
前記発振回路が、
コンデンサ及びインダクタを並列に接続してなるセンシング回路要素と、第１抵抗素子と、第２抵抗素子と、第３抵抗素子とをこの順に環状に直列接続し、
前記センシング回路要素と第３抵抗素子との間の接続配線を回路コモンに接続し、
前記第３抵抗素子と第２抵抗素子との間の接続配線を差動増幅器の一方の入力端子に接続し、
前記センシング回路要素と第１抵抗素子との間の接続配線を差動増幅器の他方の入力端子に接続し、
前記第１抵抗素子と第２抵抗素子との間の接続配線を差動増幅器の出力端子に接続したものであることを特徴とする物理／化学量測定装置。
【請求項２】
特性が等しい一対の発振回路を具備してなり、一方の発振回路におけるセンシング回路要素を測定対象物の影響下におき得るように構成している請求項１記載の物理／化学量測定装置。
【請求項３】
前記検知回路が、
他方の発振回路から出力される信号であるリファレンス信号をｎ分周（ｎは２以上の整数）する分周回路と、
一方の発振回路から出力される信号である測定信号を通過させるものであってｎ分周されたリファレンス信号によって開閉されるゲート回路と、
ゲート回路が所定回数開いている間に、該ゲート回路を通過した測定信号のパルス数を計数する計数回路と、を具備したものである請求項２記載の物理／化学量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサの容量変化等を利用して測定対象物の物理量乃至化学量を測定する物理／化学量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサの容量変化を利用して測定対象物の物理量乃至化学量を測定するものとして、特許文献１に示すような赤外分析形コンデンサマイクロフォン検出回路や、キャパシタンスマノメータ等にみられるブリッジ方式静電容量検出回路などが知られている。これらは全て微小静電容量の変化を微小電圧に変換する回路でいずれの製品も検出信号を増幅→整流→ＡＤ変換し、ディジタル信号としている。
【特許文献１】特開平１１−２８７８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような信号処理であることからディジタル信号に変換するまでの回路規模が大きくなることに加え、例えば前者のものでは高い電圧源や光変調が必要となったり、後者のものでは交流電圧源が必要となったりするなど、部品点数、部品コスト、回路スペース等の点で向上を図ることが難しい。
【０００４】
本発明は、かかる課題を鑑み、かつ静電容量センサ等の信号処理に本質的に求められている内容を鋭意検討してはじめてなされたものである。すなわち、
１）静電容量センサの信号処理においては、静電容量の絶対値は求められておらず、静電容量に相関のある電気信号が求められている。
２）用いられているセンシング用のコンデンサは、ほとんど平行平板形センサであり、また、誘電体は真空か気体がほとんどで損失のないタイプのものである。
３）交流電気回路におけるキャパシタンス、インダクタンスを用いた共振（直列、並列）現象が現れる周波数やこのような共振現象を利用した発振回路での発振周波数は、いずれも１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ））で表現される。これらの回路ではインダクタンス値の絶対値が不明でも安定であれば、出力信号としての周波数は上記式からキャパシタンス値と相関のある電気信号となる。共振現象及び発振現象を利用した静電容量信号処理回路を検討すると、共振現象を利用したものは、交流信号源が必要になり回路規模が大きく、センサ用としては適当でない。発振現象を利用する場合、必要な電源を供給するだけで自発的に発振現象が生じることから、回路の入出力信号は、電源入力と出力信号だけの簡潔なものとなり得る。
【０００５】
そして、このような検討を踏まえてなされた本発明の主たる目的は、検出信号のデジタル信号への変換が容易で低コスト、省スペースを実現しつつ、検出安定性や検出精度に優れた、静電容量センサに代表される物理／化学量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明に係る物理／化学量測定装置は、測定対象物の物理量又は化学量に応じて発振周波数が変動する発振回路と、該発振回路から出力される信号の周波数又はその変動を検知する検知回路と、を具備してなり、前記発振回路が以下（１）〜（６）の要件を満たすものであることを特徴とする。
（１）コンデンサ及びインダクタを並列に接続してなるセンシング回路要素と、第１抵抗素子と、第２抵抗素子と、第３抵抗素子と、差動増幅器とを具備している。
（２）前記センシング回路要素と、第１抵抗素子と、第２抵抗素子と、第３抵抗素子とがこの順に環状に直列接続してある。
（３）前記センシング回路要素と第３抵抗素子との間の接続配線は、回路コモンに接続してある。
（４）前記第３抵抗素子と第２抵抗素子との間の接続配線は、差動増幅器の一方の入力端子に接続してある。
（５）前記センシング回路要素と第１抵抗素子との間の接続配線は、差動増幅器の他方の入力端子に接続してある。
（６）前記第１抵抗素子と第２抵抗素子との間の接続配線は、差動増幅器の出力端子に接続してある。
【０００７】
このようなものであれば、測定対象物の物理量又は化学量に応じて生じる、コンデンサの容量変化又はインダクタのインダクタンス変化を、発振回路の周波数又はその変動として検知することができる。
【０００８】
参照回路との差分計測によるより精度の高い測定を可能とするには、特性が等しい一対の発振回路を設け、一方の発振回路のセンシング回路要素を測定対象物の影響下におき得るように構成しているものが好ましい。このとき、各センシング回路要素の一端が回路コモンに接続されていて同電位となるので、発振回路を複数化しても、相互のセンシング回路要素間での電気的な干渉を排除でき、精度のよい測定に資することが可能となる。また、同様の理由から回路電源の複雑化や部品点数の増大を招くことなく、各発振回路に共通の電源を用いることが容易にできる。
【０００９】
前記差分計測における簡易な検知回路の一例としては、他方の発振回路から出力される信号であるリファレンス信号をｎ分周（ｎは２以上の整数）する分周回路と、一方の発振回路から出力される信号である測定信号を通過させるものであってｎ分周されたリファレンス信号によって開閉されるゲート回路と、ゲート回路が所定回数開いている間に該ゲート回路を通過した測定信号のパルス数を計数する計数回路と、を具備したものを挙げることができる。
このようなものであれば、ＡＤ変換器などの高価な回路を必要とせず、ゲートＩＣやカウンタＩＣなどの廉価で簡単な素子のみで構成することが可能なので、低コスト化や省スペース化を促進できる。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の本発明によれば、発振回路が、コンデンサ、抵抗素子など、せいぜい数個の簡単な素子と作動増幅器から構成でき、その差動増幅器にしても、発振理論から言って増幅度の安定は必要ないため、高速差動デジタルインタフェースレシーバなど、ローコストなものを用いることができる。また、検知回路も周波数の計測をすればよいことから、ＡＤ変換器などの高価な素子を必要とせず、ゲート素子や計数回路など、やはり廉価で簡単な素子で構成できる。したがって、全体として大幅な低コスト化、省スペース化を実現できる。さらに、共振周波数によってはセンシング回路要素のコンデンサやインダクタをプリントパターンで実現することができ、専用の素子を使用することなく更に低コスト化や小型化を促進できる。
【００１１】
また、センシング回路要素が回路コモンに接続されているので、この部分のインピーダンスが低くなるうえ、この部分を用い測定に影響の出ない方法でシールドすることなども容易に可能であることから、大気中、液中に拘わらず、電気的ノイズに対して強い構成にできる。
【００１２】
さらに、前述したように、特に測定対象物が溶液であって、一方を検出用、他方を参照用とした２つの発振回路を用いて差分測定する場合には、センサ本体となるセンシング回路要素の一端が発振回路のコモンに接続されていることから、相互のセンシング回路要素間での電気的な干渉を排除でき、２つの発振回路を同一環境下においた差分測定が容易にできる。したがって、温度影響などの外乱を排除した、精度良い測定が容易にできるようになる
【００１３】
本発明にかかる測定装置をマルチチャンネル化する場合にも、同様のことが言える。つまり、センシング回路要素の一端が回路コモンに接続されているので、相互干渉が生じ難く、共通の電源を用いることができる。また、各発振回路の切替素子を一素子で構成することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態に係る物理／化学量測定装置１００（図１参照）は、センシング回路要素１１に外部から何らかの物理的変化を与えることによって該センシング回路要素１１の共振周波数が変化することを利用したものであり、この共振周波数を測定することにより、その変化を与えた原因である物理量や化学量を測定することができるものである。
【００１６】
センシング回路要素１１は、図１に示すように、インダクタＬｃと並列にコンデンサＣｃを接続したものであり、ここでは、インダクタＬｃの値を固定としてコンデンサＣｃが、測定対象物からの影響によって容量変化するように構成してある。容量変化は、コンデンサＣｃの電極間距離の変化によって引き起こされ、逆に言えば、その電極間距離を変動させ得る例えば圧力変化などを共振周波数の変化として測定することができる。そして具体的には、コンデンサマイクロホンなどに適用することが可能である。
【００１７】
かかる物理／化学量測定装置１００について具体的に説明すると、このものは、図１に示すように、前記センシング回路要素１１を有する発振回路１と、その発振回路１の発振周波数を検知する周波数検知回路２とを具備している。
【００１８】
発振回路１は、第１抵抗素子Ｒ１、第２抵抗素子Ｒ２、第３抵抗素子Ｒ３、センシング回路要素１１及び差動増幅器Ａ１を具備したものであり、差動増幅部Ａ１には、ここでは、ローコストな高速差動デジタルインタフェースレシーバを用いている。なお、差動増幅部Ａ１に発振理論から言って増幅度の安定は必要ないため、前述した高速差動デジタルインタフェースレシーバなど、ローコストなものを用いてもよいし、もちろん、計装アンプやコンパレータなどを用いても構わない。
【００１９】
詳述すると、この発振回路１においては、前記第１抵抗素子Ｒ１、第２抵抗素子Ｒ２、第３抵抗素子Ｒ３及びセンシング回路要素１１がこの順に環状に直列接続してある。そして、前記センシング回路要素１１と第３抵抗素子Ｒ３との間の接続配線が回路コモンに、第３抵抗素子Ｒ３と第２抵抗素子Ｒ２との間の接続配線が差動増幅器Ａ１のマイナス入力端子に、センシング回路要素１１と第１抵抗素子Ｒ１との間の接続配線が差動増幅器Ａ１のプラス入力端子に、さらに、第１抵抗素子Ｒ１と第２抵抗素子Ｒ２との間の接続配線が差動増幅器Ａ１の出力端子にそれぞれ接続してある。なお、差動増幅器Ａ１の各入力端子への接続は、コンデンサを介したＡＣカップリングでも構わない。
【００２０】
一方、周波数検知回路２は、詳細は図示しないが、例えば、一定周波数で動作するクロック素子を利用したカウンタ回路である。このような構成にしておけば、Ａ／Ｄコンバータを用いることなく、対象物を測定することができる。またカウンタ回路のゲート時間を可変にしたり、カウンタの段数を増やすことにより、信号のフィルタリングも容易に行える。
【００２１】
次に、前記発振回路１について解析した結果を説明する。解析に用いた等価回路は図２に示すとおりである。なお、図２中の波線部分１２は、差動増幅器Ａ１の入力部等価回路である。また、ここでは、差動増幅器Ａ１の各入力端子への接続を、コンデンサＣ１、Ｃ２を介して行っている。
【００２２】
解析に用いたセンシング回路要素１１のコンデンサＣｃの容量は、コンデンサマイクロフォンを想定し、５０ｐＦとした。インダクタＬｃのインダクタンス値は、共振周波数ｆ０を２０ＭＨｚに近い値（２．２５０７９・１０７（Ｈｚ））となるように１μＨとし、その等価抵抗Ｒｃは１０Ωとした。この結果、インダクタＬｃのＱは１４と低い値になる。その他の各素子の値は以下の通りである。
Ｒ１・・・１０００（Ω）、Ｒ２・・・２００（Ω）、Ｒ３・・・３００（Ω）
ＲｂＡ、ＲｂＢ・・・１０６、ＣｉＡ、ＣｉＢ・・・２０・１０−１２（Ｆ）
Ｃ１、Ｃ２・・・２０・１０−６（Ｆ）
【００２３】
かかる条件下で解析した結果を図３に示す。周波数特性結果から並列共振点信号ｅｏｕｔＡに比べ、差信号ｅｏｕｔ＝ｅｏｕｔＡ−ｅｏｕｔＢのＱは高くなっていることがわかる。
【００２４】
次に同位相となる周波数ｆｓを求め、その周波数における解析を行った。
ｆｓ＝２．１３・１０４
ｆｓ時のゲイン（ｅｉ＝１とした場合のｅｏｕｔ）は、
ｅｏｕｔ（ｆｓ）＝ｅｏｕｔＡ（ｆｓ）−ｅｏｕｔＢ（ｆｓ）
＝０．０１４
位相傾き（差電圧）ａは、
ａ（ｆｓ）＝−０．３７２
位相傾き（ｅ１ａ）ａａは、
ａａ（ｆｓ）＝−０．０２６
となる。
【００２５】
この結果から言えば、並列共振点の位相傾きよりも差電圧の位相傾きが１０倍以上良くなっている結果が得られた。また、差動増幅器のゲインが、１／０．０１４≒７１．４以上で発振可能となる。
【００２６】
なお、ｅｏｕｔＢは差動増幅器Ａ１のマイナス入力端子での電圧、ｅｏｕｔＡは差動増幅器Ａ１のプラス入力端子での電圧、ｅｉは差動増幅器Ａ１の出力端子での電圧、ｅ１ａは第１抵抗素子Ｒ１とセンシング回路要素１１との接続点における電圧である。
【００２７】
しかして、この物理／化学量測定装置１００を用いれば、例えばコンデンサマイクロフォンを形成することができ、コンデンサＣｃにおける静電容量変化を周波数検知回路２で計数値として捉えることができる。
【００２８】
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではない。
例えば、図４に示すように差分測定やマルチチャンネル測定をすべく、特性の等しい発振回路１、１’を複数（図４では２つ）並列に設けた構成としても構わない。
【００２９】
ここでの検知回路２は、他方の発振回路１’から出力される信号であるリファレンス信号をｎ分周（ｎは２以上の整数）する分周回路２１と、一方の発振回路１から出力される信号である測定信号を通過させるものであってｎ分周されたリファレンス信号によって開閉されるゲート回路２２と、ゲート回路２２が所定回数（ここでは１回）開いている間に、該ゲート回路２２を通過した測定信号のパルス数を計数する計数回路２３と、を具備したものである。
【００３０】
このようなものであれば、温度などの外乱で周波数に変動が生じても、その変動は各発振回路に同等に影響するため、キャンセルされ、一方の発振回路１にのみ生じた測定対象物からの影響のみが、周波数変動として計数されることとなる。なお、図４において、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付している。
【００３１】
その他の変形例としては、コンデンサの値を固定として、インダクタのインダクタンス値が、測定対象物からの影響によって変化するように構成しても構わない。
【００３２】
しかして、このように構成した各実施形態に係る物理／化学量測定装置１００によれば、発振回路１が、コンデンサＣｃ、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３など、せいぜい数個の簡単な素子と作動増幅器Ａ１から構成でき、その差動増幅器Ａ１にしても、発振理論から言って増幅度の安定は必要ないため、高速差動デジタルインタフェースレシーバなど、ローコストなものを用いることができる。また、検知回路２もパルス数の計測をすればよいことから、ＡＤ変換器などの高価な素子を必要とせず、ゲート素子２２や計数回路２３など、やはり廉価で簡単な素子で構成できる。したがって、全体として大幅な低コスト化、省スペース化を実現できる。
【００３３】
また、センシング回路要素１１の一端が回路コモンに接続されているので、この部分のインピーダンスが低くなるうえ、この部分を用い測定に影響の出ない方法でシールドすることなども容易に可能であることから、大気中、液中に拘わらず、電気的ノイズに対して強い構成にできる。
【００３４】
さらに、一方を検出用、他方を参照用とした２つの発振回路を用いて差分測定する場合には、センサ本体となるセンシング回路要素１１の一端が発振回路１のコモンに接続されていることから、相互のセンシング回路要素間での電気的な干渉を排除でき、２つの発振回路を同一環境下においた差分測定が容易にできる。したがって、温度影響などの外乱を排除した、精度良い測定が容易にできるようになる
【００３５】
マルチチャンネル化する場合にも、同様のことが言える。つまり、センシング回路要素１１の一端が回路コモンに接続されているので、相互干渉が生じ難く、共通の電源を用いることができる。また、各発振回路の切替素子を一素子で構成することも可能となる。
【００３６】
さらに、共振周波数によってはセンシング回路要素１１のコンデンサＣｃやインダクタＬｃをプリントパターンで実現することができ、専用の素子を使用することなく更なる低コスト化や小型化を促進できる。
【００３７】
その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係る物理／化学量測定装置の電気回路図。
【図２】同実施形態における物理／化学量測定装置の部分等価回路図。
【図３】前記等価回路でシミュレーションした結果を示す位相特性及びゲイン特性線図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る物理／化学量測定装置の電気回路図。
【符号の説明】
【００３９】
１００・・・物理／化学量測定装置
１・・・発振回路
Ｃｃ・・・コンデンサ
Ｌｃ・・・インダクタ
Ｒｃ・・・抵抗素子
Ｒ１・・・第１抵抗素子
Ｒ２・・・第２抵抗素子
Ｒ３・・・第３抵抗素子
Ａ１・・・差動増幅器
１１・・・センシング回路要素
【図１】
2009162522.tif 000003
【図２】
2009162522.tif 000004
【図３】
2009162522.tif 000005
【図４】
2009162522.tif 000006