JP2004085289A - 振動式センサ検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動式センサの出力を、振動子抵抗とシェル部抵抗で分圧することなく、全てを利用可能とする振動式センサ検出回路を実現する。
【解決手段】測定すべき物理量によりその固有振動周波数が変化する振動式センサの発生出力信号を増幅し、この増幅出力を前記振動式センサの励振信号として印加することにより自励発振せしめた振動式センサ検出回路において、
前記振動式センサの発生出力信号を電荷増幅形の増幅器で受信する。
【選択図】 図１
【解決手段】測定すべき物理量によりその固有振動周波数が変化する振動式センサの発生出力信号を増幅し、この増幅出力を前記振動式センサの励振信号として印加することにより自励発振せしめた振動式センサ検出回路において、
前記振動式センサの発生出力信号を電荷増幅形の増幅器で受信する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定すべき物理量によりその固有振動周波数が変化する振動式センサの発生出力信号を増幅し、この増幅出力を前記振動式センサの励振信号として印加することにより自励発振せしめた振動式センサ検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２により、シリコン材によるＨ型共振子を２個用いた差圧センサの概要を説明する。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ―Ｘ´線で切った側断面図である。１は正方形板状のシリコンダイアフラムであり、裏面中央部に凹部１ａが形成され、表面側より第１圧力Ｐ１（高）が、裏面の凹部１ａ側より第２圧力Ｐ２（低）が印加される。
【０００３】
２は凹部中央に対向するシリコンダイアフラム１上にマイクロ加工で形成されたＨ型共振子による第１振動式センサ、３は凹部端部に対向するシリコンダイアフラム１上に同じくマイクロ加工で形成されたＨ型共振子による第２振動式センサである。
【０００４】
中央部に位置する第１振動式センサ２は、Ｐ１＞Ｐ２の関係から圧縮力を受け共振振動すると共に、端部に位置する第２振動式センサ３は、Ｐ１＞Ｐ２の関係から引っ張り力を受けて共振振動する。第１，第２振動式センサの振動周波数の差より差圧（Ｐ１−Ｐ２）を測定する。
【０００５】
第１振動式センサ２を代表してＨ型共振子の構成を説明する。一方のＩ型部２１には振端子２２，２３を介して励振電流が供給されて測定すべき物理量により固有周波数で振動する。他方のＩ型部２４は磁界Ｂ内で２１と連動して振動し、磁界Ｂとの間に発生する交流起電力を出力端子２５，２６より得る。この交流起電力周波数により物理量（圧力）を測定する。
【０００６】
図３は、第１振動式センサ２を代表して示す従来の振動式センサ検出回路の一例を示す機能ブロック図である。出力端子２５及び２６の発生電圧信号ｅ１及びｅ２は、バッファ増幅器Ｑ１及びＱ２で受信され、ｅ１とｅ２の差が交流増幅器Ｑ３で増幅され、増幅出力ｅｐが可変利得増幅器Ｑ４及び直流電圧変換器Ｑ５に入力される。
【０００７】
可変利得増幅器Ｑ４の出力ｅｆが振動式センサ２の励振端子２２，２３間に印加され、励振電流ｉｆが供給され、振動式センサは自励発振する。直流電圧変換器Ｑ５はｅｐに比例した直流電圧Ｅｐを発生し、この直流電圧と直流リファレンス電圧Ｅｒの差が誤差増幅器Ｑ６で増幅され出力電圧Ｅｇにより可変利得増幅器の利得を制御する。この結果、Ｅｐ＝Ｅｒとなるようにｅｐの振幅が一定に制御される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような、振動式センサ２の出力端子電圧信号ｅ１とｅ２の差を増幅する電圧受信形のセンサ検出回路におけるセンサ出力部の等価回路を図４に示す。
信号源電圧ｅｏと振動子抵抗Ｒｏの直列回路に対してシェル部抵抗Ｒｓが並列接続された構成であり、センサの出力電圧ｅｏｕｔは、ＲｓとＲｏで分圧され、
ｅｏｕｔ＝Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｒｏ）×ｅｏ
となる。
【０００９】
ここで、Ｒｓ＝５０Ω、Ｒｏ＝１００Ωとすれば、
ｅｏｕｔ＝５０／（１００＋５０）×ｅｏ＝１／３×ｅｏ
となり、信号源電圧ｅｏの１／３しか利用していないことになる。
【００１０】
このために、Ｑ１乃至Ｑ３よりなるプリアンプ部の安定性やノイズ性能等が問題となり、後段回路が複雑化すること、出力動揺が大ききなること、この結果精度が悪化する等の問題点がある。
【００１１】
本発明の目的は、振動式センサの出力を、振動子抵抗とシェル部抵抗とで分圧することなく、全てを利用可能とする振動式センサ検出回路を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の構成は次の通りである。
（１）測定すべき物理量によりその固有振動周波数が変化する振動式センサの発生出力信号を増幅し、この増幅出力を前記振動式センサの励振信号として印加することにより自励発振せしめた振動式センサ検出回路において、
前記振動式センサの発生出力信号を電荷増幅形の増幅器で受信することを特徴とする、振動式センサ検出回路。
【００１３】
（２）前記電荷増幅形の増幅器は、通常の負帰還形のオペレーショナル増幅器で構成され、前記振動式センサの出力端子を直接その入力端子に接続し、この入力端子間の電圧差が仮想的にゼロに保持されることを特徴とする、請求項１記載の振動式センサ検出回路。
【００１４】
（３）前記振動式センサは、シリコン材によるＨ型共振子であり、一方のＩ型部に励振信号が供給されて測定すべき物理量により固有周波数で振動し、磁界内で連動して振動する他方のＩ型部に発生する交流起電力周波数により前記物理量を測定することを特徴とする、請求項１又は２記載の振動式センサ検出回路。
【００１５】
（４）前記物理量は圧力であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の振動式センサ検出回路。
【００１６】
（５）前記物理量は第１圧力と第２圧力との差圧であり、第１圧力により引っ張り（又は圧縮）力を受けて共振振動する第１振動式センサと、第２圧力により圧縮（又は引っ張り）力を受けて共振振動する第２振動式センサとを具備し、前記第１，第２振動式センサの振動周波数の差より前記差圧を測定することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の振動式センサ検出回路。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明実施態様を、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用した振動式センサ検出回路一例を示す機能ブロック図であり、図３の従来回路で説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１８】
本発明の特徴部は、振動式センサ２の出力端子２５，２６間に発生する出力信号を電荷増幅形の増幅器Ｑ７で受信する点にある。この電荷増幅形の増幅器は、通常の負帰還形のオペレーショナル増幅器Ｑ７で構成される。
【００１９】
振動式センサの出力端子２５，２６は、増幅器Ｑ７の正側及び負側の入力端子に直接接続される。Ｒｆは増幅器Ｑ７の出力端子と負側入力端子間に接続された負帰還抵抗、Ｒｉは正側入力端子と共通電位間に接続された入力抵抗である。
【００２０】
このような接続において、端子２５と２６に接続される増幅器Ｑ７の正側及び負側入力端子の電位は、負帰還の原理同電位に保持される。従って、端子２５と２６間の電位差は仮想的にゼロとなり、振動子抵抗Ｒｏとシェル部抵抗Ｒｓで分圧される内部電流は本質的に流れない。
【００２１】
信号源電圧ｅｏに基づく電流ｉは、負帰還抵抗Ｒｆを流れるので、増幅器Ｑ７の出力端子には、ｅｉ＝ｉ×Ｒｆの電圧が発生する。この電圧は信号源電圧ｅｏを分圧することなく、全てを利用するものである。
【００２２】
また、電荷増幅器Ｑ７の入力端子２５と２６が同電位に保持されることにより、振動式センサ２が有する内部容量（図４においてＲｓと並列接続された容量Ｃｓ）による影響も理論的になくすことが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によればプリアンプ部を電荷増幅形の増幅器とすることにより、振動式センサの出力電圧を分圧することなく全て利用することが可能となる。
【００２４】
この結果、従来に比較してセンサより大きな出力電圧を取り出すことができるので、プリアンプ部の安定性やノイズ性能の相対的な向上を図ることができ、次段処理回路の簡素化、出力動揺の減少による測定精度の向上を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した振動式センサ検出回路一例を示す機能ブロック図である。
【図２】シリコン材によるＨ型共振子を２個用いた差圧センサの概要説明図である。
【図３】従来の振動式センサ検出回路の一例を示す機能ブロック図である。
【図４】振動式センサ検出回路におけるセンサ出力部の等価回路図である。
【符号の説明】
２ 振動式センサ
Ｑ３ 交流増幅器
Ｑ４ 可変利得増幅器
Ｑ５ 直流電圧変換器
Ｑ６ 誤差増幅器
Ｑ７ 電荷増幅器
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定すべき物理量によりその固有振動周波数が変化する振動式センサの発生出力信号を増幅し、この増幅出力を前記振動式センサの励振信号として印加することにより自励発振せしめた振動式センサ検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２により、シリコン材によるＨ型共振子を２個用いた差圧センサの概要を説明する。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ―Ｘ´線で切った側断面図である。１は正方形板状のシリコンダイアフラムであり、裏面中央部に凹部１ａが形成され、表面側より第１圧力Ｐ１（高）が、裏面の凹部１ａ側より第２圧力Ｐ２（低）が印加される。
【０００３】
２は凹部中央に対向するシリコンダイアフラム１上にマイクロ加工で形成されたＨ型共振子による第１振動式センサ、３は凹部端部に対向するシリコンダイアフラム１上に同じくマイクロ加工で形成されたＨ型共振子による第２振動式センサである。
【０００４】
中央部に位置する第１振動式センサ２は、Ｐ１＞Ｐ２の関係から圧縮力を受け共振振動すると共に、端部に位置する第２振動式センサ３は、Ｐ１＞Ｐ２の関係から引っ張り力を受けて共振振動する。第１，第２振動式センサの振動周波数の差より差圧（Ｐ１−Ｐ２）を測定する。
【０００５】
第１振動式センサ２を代表してＨ型共振子の構成を説明する。一方のＩ型部２１には振端子２２，２３を介して励振電流が供給されて測定すべき物理量により固有周波数で振動する。他方のＩ型部２４は磁界Ｂ内で２１と連動して振動し、磁界Ｂとの間に発生する交流起電力を出力端子２５，２６より得る。この交流起電力周波数により物理量（圧力）を測定する。
【０００６】
図３は、第１振動式センサ２を代表して示す従来の振動式センサ検出回路の一例を示す機能ブロック図である。出力端子２５及び２６の発生電圧信号ｅ１及びｅ２は、バッファ増幅器Ｑ１及びＱ２で受信され、ｅ１とｅ２の差が交流増幅器Ｑ３で増幅され、増幅出力ｅｐが可変利得増幅器Ｑ４及び直流電圧変換器Ｑ５に入力される。
【０００７】
可変利得増幅器Ｑ４の出力ｅｆが振動式センサ２の励振端子２２，２３間に印加され、励振電流ｉｆが供給され、振動式センサは自励発振する。直流電圧変換器Ｑ５はｅｐに比例した直流電圧Ｅｐを発生し、この直流電圧と直流リファレンス電圧Ｅｒの差が誤差増幅器Ｑ６で増幅され出力電圧Ｅｇにより可変利得増幅器の利得を制御する。この結果、Ｅｐ＝Ｅｒとなるようにｅｐの振幅が一定に制御される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような、振動式センサ２の出力端子電圧信号ｅ１とｅ２の差を増幅する電圧受信形のセンサ検出回路におけるセンサ出力部の等価回路を図４に示す。
信号源電圧ｅｏと振動子抵抗Ｒｏの直列回路に対してシェル部抵抗Ｒｓが並列接続された構成であり、センサの出力電圧ｅｏｕｔは、ＲｓとＲｏで分圧され、
ｅｏｕｔ＝Ｒｓ／（Ｒｓ＋Ｒｏ）×ｅｏ
となる。
【０００９】
ここで、Ｒｓ＝５０Ω、Ｒｏ＝１００Ωとすれば、
ｅｏｕｔ＝５０／（１００＋５０）×ｅｏ＝１／３×ｅｏ
となり、信号源電圧ｅｏの１／３しか利用していないことになる。
【００１０】
このために、Ｑ１乃至Ｑ３よりなるプリアンプ部の安定性やノイズ性能等が問題となり、後段回路が複雑化すること、出力動揺が大ききなること、この結果精度が悪化する等の問題点がある。
【００１１】
本発明の目的は、振動式センサの出力を、振動子抵抗とシェル部抵抗とで分圧することなく、全てを利用可能とする振動式センサ検出回路を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の構成は次の通りである。
（１）測定すべき物理量によりその固有振動周波数が変化する振動式センサの発生出力信号を増幅し、この増幅出力を前記振動式センサの励振信号として印加することにより自励発振せしめた振動式センサ検出回路において、
前記振動式センサの発生出力信号を電荷増幅形の増幅器で受信することを特徴とする、振動式センサ検出回路。
【００１３】
（２）前記電荷増幅形の増幅器は、通常の負帰還形のオペレーショナル増幅器で構成され、前記振動式センサの出力端子を直接その入力端子に接続し、この入力端子間の電圧差が仮想的にゼロに保持されることを特徴とする、請求項１記載の振動式センサ検出回路。
【００１４】
（３）前記振動式センサは、シリコン材によるＨ型共振子であり、一方のＩ型部に励振信号が供給されて測定すべき物理量により固有周波数で振動し、磁界内で連動して振動する他方のＩ型部に発生する交流起電力周波数により前記物理量を測定することを特徴とする、請求項１又は２記載の振動式センサ検出回路。
【００１５】
（４）前記物理量は圧力であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の振動式センサ検出回路。
【００１６】
（５）前記物理量は第１圧力と第２圧力との差圧であり、第１圧力により引っ張り（又は圧縮）力を受けて共振振動する第１振動式センサと、第２圧力により圧縮（又は引っ張り）力を受けて共振振動する第２振動式センサとを具備し、前記第１，第２振動式センサの振動周波数の差より前記差圧を測定することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の振動式センサ検出回路。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明実施態様を、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用した振動式センサ検出回路一例を示す機能ブロック図であり、図３の従来回路で説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１８】
本発明の特徴部は、振動式センサ２の出力端子２５，２６間に発生する出力信号を電荷増幅形の増幅器Ｑ７で受信する点にある。この電荷増幅形の増幅器は、通常の負帰還形のオペレーショナル増幅器Ｑ７で構成される。
【００１９】
振動式センサの出力端子２５，２６は、増幅器Ｑ７の正側及び負側の入力端子に直接接続される。Ｒｆは増幅器Ｑ７の出力端子と負側入力端子間に接続された負帰還抵抗、Ｒｉは正側入力端子と共通電位間に接続された入力抵抗である。
【００２０】
このような接続において、端子２５と２６に接続される増幅器Ｑ７の正側及び負側入力端子の電位は、負帰還の原理同電位に保持される。従って、端子２５と２６間の電位差は仮想的にゼロとなり、振動子抵抗Ｒｏとシェル部抵抗Ｒｓで分圧される内部電流は本質的に流れない。
【００２１】
信号源電圧ｅｏに基づく電流ｉは、負帰還抵抗Ｒｆを流れるので、増幅器Ｑ７の出力端子には、ｅｉ＝ｉ×Ｒｆの電圧が発生する。この電圧は信号源電圧ｅｏを分圧することなく、全てを利用するものである。
【００２２】
また、電荷増幅器Ｑ７の入力端子２５と２６が同電位に保持されることにより、振動式センサ２が有する内部容量（図４においてＲｓと並列接続された容量Ｃｓ）による影響も理論的になくすことが可能となる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によればプリアンプ部を電荷増幅形の増幅器とすることにより、振動式センサの出力電圧を分圧することなく全て利用することが可能となる。
【００２４】
この結果、従来に比較してセンサより大きな出力電圧を取り出すことができるので、プリアンプ部の安定性やノイズ性能の相対的な向上を図ることができ、次段処理回路の簡素化、出力動揺の減少による測定精度の向上を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した振動式センサ検出回路一例を示す機能ブロック図である。
【図２】シリコン材によるＨ型共振子を２個用いた差圧センサの概要説明図である。
【図３】従来の振動式センサ検出回路の一例を示す機能ブロック図である。
【図４】振動式センサ検出回路におけるセンサ出力部の等価回路図である。
【符号の説明】
２ 振動式センサ
Ｑ３ 交流増幅器
Ｑ４ 可変利得増幅器
Ｑ５ 直流電圧変換器
Ｑ６ 誤差増幅器
Ｑ７ 電荷増幅器
Claims (5)
- 測定すべき物理量によりその固有振動周波数が変化する振動式センサの発生出力信号を増幅し、この増幅出力を前記振動式センサの励振信号として印加することにより自励発振せしめた振動式センサ検出回路において、
前記振動式センサの発生出力信号を電荷増幅形の増幅器で受信することを特徴とする、振動式センサ検出回路。 - 前記電荷増幅形の増幅器は、通常の負帰還形のオペレーショナル増幅器で構成され、前記振動式センサの出力端子を直接その入力端子に接続し、この入力端子間の電圧差が仮想的にゼロに保持されることを特徴とする、請求項１記載の振動式センサ検出回路。
- 前記振動式センサは、シリコン材によるＨ型共振子であり、一方のＩ型部に励振信号が供給されて測定すべき物理量により固有周波数で振動し、磁界内で連動して振動する他方のＩ型部に発生する交流起電力周波数により前記物理量を測定することを特徴とする、請求項１又は２記載の振動式センサ検出回路。
- 前記物理量は圧力であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の振動式センサ検出回路。
- 前記物理量は第１圧力と第２圧力との差圧であり、第１圧力により引っ張り（又は圧縮）力を受けて共振振動する第１振動式センサと、第２圧力により圧縮（又は引っ張り）力を受けて共振振動する第２振動式センサとを具備し、前記第１，第２振動式センサの振動周波数の差より前記差圧を測定することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の振動式センサ検出回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002244636A JP2004085289A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | 振動式センサ検出回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002244636A JP2004085289A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | 振動式センサ検出回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004085289A true JP2004085289A (ja) | 2004-03-18 |
Family
ID=32053050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002244636A Pending JP2004085289A (ja) | 2002-08-26 | 2002-08-26 | 振動式センサ検出回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004085289A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005274501A (ja) * | 2004-03-26 | 2005-10-06 | Yokogawa Electric Corp | 圧力検出器及び圧力検出器の詰まり診断方法 |
| JP2007158557A (ja) * | 2005-12-02 | 2007-06-21 | Yokogawa Electric Corp | 自励発振回路 |
| JP2015222905A (ja) * | 2014-05-23 | 2015-12-10 | 横河電機株式会社 | 電流電圧変換回路及び自励発振回路 |
| CN115021696A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-09-06 | 宁波中车时代传感技术有限公司 | 一种电荷放大器电路及振动传感器 |
-
2002
- 2002-08-26 JP JP2002244636A patent/JP2004085289A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005274501A (ja) * | 2004-03-26 | 2005-10-06 | Yokogawa Electric Corp | 圧力検出器及び圧力検出器の詰まり診断方法 |
| JP4491834B2 (ja) * | 2004-03-26 | 2010-06-30 | 横河電機株式会社 | 圧力検出器及び圧力検出器の詰まり診断方法 |
| JP2007158557A (ja) * | 2005-12-02 | 2007-06-21 | Yokogawa Electric Corp | 自励発振回路 |
| JP4735218B2 (ja) * | 2005-12-02 | 2011-07-27 | 横河電機株式会社 | 自励発振回路 |
| JP2015222905A (ja) * | 2014-05-23 | 2015-12-10 | 横河電機株式会社 | 電流電圧変換回路及び自励発振回路 |
| CN115021696A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-09-06 | 宁波中车时代传感技术有限公司 | 一种电荷放大器电路及振动传感器 |
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