JP2005265432A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子又はセラミック振動子の安定した発振特性を利用しつつ、簡単な構成で且つ精度の高い物理量の測定が可能な測定装置を提供する。
【解決手段】水晶振動子又はセラミック振動子の発振特性に従って発振し、その発振周波数を調整するための調整用コンデンサを含む発振回路と、当該発振回路の発振周波数に基づいて所定の物理量を測定する測定部とを備え、前記調整用コンデンサを、前記物理量を検出する検出部として利用し、前記物理量の変化が、前記調整用コンデンサの静電容量の変化を通じて、発振周波数を変化させるようにしたことを特徴とする測定装置が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子又はセラミック振動子を含む発振回路の発振周波数から、温度、流速などの物理量を測定する測定装置及び測定方法に関する。

図１は、ＬＣ発振回路を利用した測定装置を説明するための図であり、図1(a)には、一般的なLC発振回路が示される。これを流体の流速、例えばダクト内を流れる空気の流速の検出に用いる場合、図1(a)においてLC発振回路100のコンデンサC₁を図1(b)に示すように相対する2枚の電極で構成し、一方の電極(図1(b)において左側)を固定し、他方の電極をダクト内空気の流れによって可動に構成することで、ダクト内の空気の流速の変化によりコンデンサC₁の電極間隔が変化する。その結果コンデンサC₁の静電容量が変化するので、コンデンサC₁、C₂、コイルLで構成される共振回路の共振周波数f'₀が変化し、その結果、LC発振回路100の発振周波数f₀が変化する。その周波数の変化を周波数カウンタ20で検出する。計測部30は、検出された周波数を流速に換算し、求められた流速は表示部40に表示される。

しかしながらLC発振回路は、コイルL、コンデンサC₁、C₂で構成される共振回路の電気的共振を利用しているため、外乱、例えば外部回路や電源電圧のわずかな変動や電気的ノイズによって共振回路の基準周波数が変化しやすい。また、共振回路を構成する素子の温度係数が直接的に共振回路の基準周波数に影響を与える。特にコイルは温度係数が大きいため温度変化に対してインダクタンスが変化しやすい。そのため共振回路の基準周波数が温度変化によって影響を大きく受ける。一般的なLC発振回路の温度係数は10^-3-10^-4/℃程度である。これらは所謂ドリフトと呼ばれるもので、このドリフトの影響でLC発振回路を使用した測定においては精度の高い測定が困難であったり、基準となる周波数が一定にならないことからある物理量の変化を相対的な値として検出することは可能でも、ある時刻における絶対的な物理量を測定することは困難であった。具体的には図1(b)に示したダクト内空気の流速測定において空気流がなくても検出される周波数が時間とともに変化してしまう現象や、一定の流速であるにもかかわらず検出される周波数が異なる現象として観察されることとなる。

一方で発振回路において基準周波数が安定なものとして水晶発振子やセラミック振動子を利用した回路が知られている。これらは水晶やセラミックの結晶構造等から決まる機械的共振を利用しているため、外部回路や電源電圧の変動あるいは電気的ノイズの影響を受けにくい。また、回路中にコイル等の温度係数の大きい素子がないため温度による共振周波数の変化が小さい。一般に水晶振動子を用いた発振回路の温度係数は10^-6/℃、セラミック振動子を用いた発振回路の温度係数は10^-5/℃といわれ、LC発振回路と比較して安定している。この安定な水晶振動子を用いた発振回路又はセラミック振動子を用いた発振回路を測定装置に応用する例としては、特開2003-161659(従来技術1)には、水晶振動子のたわみ変化を利用した荷重センサが開示されている。また、特開2002-243607(従来技術2)、特開平6-241972(従来技術3)には、水晶振動子に付着する物質の量に応じて共振周波数が変化する振動子の性質を利用して、成分分析や反応速度の解析を行う測定装置が開示されている。
特開2003-161659号 特開2002-243607号 特開平6-241972号

LC発振回路は、前述の通り、所謂ドリフトの問題があり物理量の絶対測定は困難であった。一方水晶振動子の発振周波数は非常に安定しており、所謂ドリフト現象も少ないが、外乱に対して安定であるが故、測定対象の温度変化等の状態変化が生じても発振周波数が変化しないかあるいは変化が微小なためそのままでは「センサ」として用いることが困難で、前述の従来技術における水晶発振回路を利用した測定装置では水晶振動子そのものに特殊且つ微細な加工を施して直接センサとして利用している。従来技術1では水晶振動子の形状を変化させるために複雑且つ微細な機構(感知レバー)が必要となり、従来技術3では水晶振動子に特殊な高分子膜の加工が必要となるため加工が困難であるとともに耐久性にも問題がある。

そこで本発明は、水晶振動子やセラミック振動子の安定した発振特性を利用しつつ、簡単な構成で精度の高い物理量の測定が可能な測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、水晶振動子またはセラミック振動子の発振特性に従って発振し、その発振周波数を調整するための調整用コンデンサを含む発振回路と、当該発振回路の発振周波数に基づいて所定の物理量を測定する測定部とを備え、前記調整用コンデンサを、前記物理量を検出する検出部として利用し、前記物理量の変化が前記調整用コンデンサの静電容量の変化を通じて、発振周波数を変化させるようにしたことを特徴とする測定装置を提供する。

また、本発明は、水晶振動子又はセラミック振動子の発振特性に従って発振し、その発振周波数を調整するための調整用コンデンサを含む発振回路における当該調整用コンデンサを、前記物理量を検出する検出手段として利用し、前記物理量の変化が、前記調整用コンデンサの静電容量の変化を通じて、発振周波数を変化させるようにすることにより、前記発振回路の発振周波数に基づいて所定の物理量を測定することを特徴とする測定方法を提供する。

すなわち、水晶振動子又はセラミック振動子を含む発振回路に含まれる調整用コンデンサを物理量の変化を検出するセンサとして利用する。

さらに本発明では、測定される物理量が流体の流速であることを特徴として測定装置が構成されてもよい。

さらに本発明では、調整用コンデンサが、測定される物理量の変化に応じて移動する可動部を有し、当該可動部の移動により静電容量が変化することを特徴として測定装置が構成されてもよい。

さらに本発明では、調整用コンデンサの漏れ電界中に配置された、測定される物理量の変化に応じて移動する導電部材もしくは強誘電体部材を有し、当該導電部材もしくは強誘電体部材の移動による当該調整用コンデンサの漏れ電界の変化により静電容量が変化することを特徴として測定装置が構成されてもよい。

さらに本発明では、調整用コンデンサの漏れ電界中に配置された被測定物の、誘電率又は誘電率の変化によって当該調整用コンデンサの静電容量が変化することを特徴として測定装置が構成されてもよい。

また、本発明は、水晶振動子又はセラミック振動子の発振特性に従って発振し、その発振周波数を調整するための調整用コンデンサを含む発振回路における当該調整用コンデンサを、前記物理量を検出する検出手段として利用し、前記物理量の変化が、前記調整用コンデンサの静電容量の変化を通じて、発振周波数を変化させるようにすることにより、前記発振回路の発振周波数に基づいて所定の物理量を測定することを特徴とする測定方法を提供する。

上記本発明の測定装置と同様に、水晶振動子又はセラミック振動子を含む発振回路に含まれる調整用コンデンサを物理量の変化を検出するセンサとして利用する。

さらに本発明では、測定される物理量が流体の流速であることを特徴として測定方法が提供されてもよい。

さらに本発明では、調整用コンデンサが、測定される物理量の変化に応じて移動する可動部を有し、当該可動部の移動により静電容量が変化することを特徴として測定方法が提供されてもよい。

さらに本発明では、調整用コンデンサの漏れ電界中に配置された、測定される物理量の変化に応じて移動する導電部材もしくは強誘電体部材を有し、当該導電部材もしくは強誘電体部材の移動による当該調整用コンデンサの漏れ電界の変化により静電容量が変化することを特徴として測定方法が提供されてもよい。

さらに本発明では、調整用コンデンサの漏れ電界中に配置された被測定物の、誘電率又は誘電率の変化によって当該調整用コンデンサの静電容量が変化することを特徴として測定方法が提供されてもよい。

水晶振動子またはセラミック振動子を含む発振回路に含まれる調整用コンデンサをセンサとして利用することで、水晶振動子の安定した発振周波数に基づいた精度の高い、所謂ドリフト等の影響を排除した測定が可能となる。また、調整用コンデンサをセンサとして用いるための加工は、水晶振動子自体を直接センサとして利用する場合に比べてきわめて容易であり、簡単な構成で精度の高い測定が可能となる。また水晶振動子を特殊加工する必要はなく汎用品を利用することができるので安価に構成することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、本発明の技術的範囲が、本実施の形態に限定されるものではない。

図2は本発明の実施の形態における測定装置の構成図である。図2において、測定装置1は調整用コンデンサC_L1、C_L2を含む水晶発振回路10、周波数カウンタ20、流速計測部30及び表示部40により構成される。周波数カウンタ20、流速計測部30及び表示部40は図1のそれらと同じでよい。

水晶発振回路10は図示されるように抵抗Ra、増幅回路Amp、水晶振動子Xtal(図2では水晶振動子の等価回路としてコンデンサC₁、C₀、コイルL₁、抵抗R₁を有する点線で囲まれている部分として示されている)、調整用コンデンサＣ_L1、Ｃ_L2を備えて構成される。

調整用コンデンサＣ_L1、Ｃ_L2は、水晶発振回路１０の発振周波数を調整するためのコンデンサで、本発明の実施の形態では、この調整用コンデンサＣ_L1、Ｃ_L2のいずれか一方を、流速などの物理量の変化を検出するセンサとして用いる。好ましくは、増幅回路Ampの入力側に配置される調整用コンデンサC_L1を、可変静電容量のコンデンサとし、センサとして用いるのが好ましい。

水晶発振回路１０の発振周波数ｆ₀は、次式より求められる。

Ｃ_L0は、調整用コンデンサＣ_L1、Ｃ_L2の静電容量が初期値のときの合成静電容量で、Ｃ_Lは、調整用コンデンサＣ_L1、Ｃ_L2のいずれか一方をセンサとして用い、静電容量が初期値から変化したとき変化分（Δ）を含めた合成静電容量である。以下では、調整用コンデンサＣ_L1をセンサとして利用する場合を前提に説明する。

求められた発振周波数ｆ₀の式は、上式で示されるように、変化分Δを含まない第一項と変化分Δを含む第二項に分けることができる。第一項は、調整用コンデンサＣ_L1、Ｃ_L2の静電容量が初期値のときの、水晶発振回路１０の基準周波数となる。第一項の基準周波数は、水晶振動子の性質から非常に安定しており、時間の経過等による周波数変化（ドリフト現象）が極めて小さい。そして、センサとして機能する調整用コンデンサＣ_L1の静電容量が測定対象物に応じて変化することで、第二項の値が変化し、水晶発振回路１０の発振周波数の変化として検出される。

水晶発振回路１０の基準振動数は、ＬＣ発振回路のそれと比較して非常に安定しており、ドリフト現象が極めて小さいので、その周波数を基準に、物理量の変化量と発振周波数f₀の相関関係をあらかじめ求めておくことで、測定対象の物理量の絶対測定値を求めることもできる。

図３は、本発明の実施の形態における水晶発振回路の別の構成例である。図３の回路では、トランジスタＴ_r1を用いた構成であって、抵抗Ｒ_B、Ｒ_E及びコンデンサＣ₁、C₂、Ｃ_L1、水晶振動子X_TALが図示されるように配置される。図３では、コンデンサＣ_L1が、センサとして機能する調整用コンデンサである。

図４は、調整用コンデンサをセンサとして用いる場合の、調整用コンデンサの第一の構成例を示す図である。第一の構成例は、流速を測定する場合の構成例であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は斜視図である。調整用コンデンサは、固定電極と可動電極との対から構成される電極部、変位部及び受風部を備えて構成される。受風部は、流体を受ける機能を有し、流体を受けるための適当な面積の面を有する。面積は、流体を受けた際、測定したい流速に対し、検出するのに十分な程度変化する面積であって、流体の速度や測定環境（管中を流れる流体を測定する場合の管の断面積など）などを考慮して、最適な面積が決定される。

変位部は、受風部と連動し、流体の流速に比例して電極部の間隔を変化させる機能を有する。すなわち、流速が遅い場合は、電極間隔の変化量は小さく、流速の速い場合は、変化量は大きくなるような特性が求められ、そのためには、弾性を有する部材が使用されることが好ましい。

図５は、本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第二の構成例を示す図である。第二の構成例も、流速を測定する場合の構成例であり、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は斜視図である。第二の構成例では、上記電極変位部、受風部が一体として構成される。固定電極として、固定された細長形状のアクリル板に金属板が取り付けられ、その一方の端に近い側に貫通する孔部が空けられている。可動電極として、銅やステンレスなどで構成される数ミリ厚の金属板が設けられる。そして、この可動電極自体が弾性を有し、固定電極に設けられた孔部から流れてくる流体を受けて、固定電極との間隔が変化するように動く。

図６は、本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第三の構成例を示す断面図である。第三の構成例も、流速を測定する場合の構成例であるが、さらに、流れの向きを検出することも可能である。例えば、図５の第二の構成例で示された固定電極と可動電極を用いて、図６に示すように、二つの固定電極の間に、一つの可動電極が配置される。これにより、可動電極が、一方の固定電極に設けられた孔部から流体の流れを受けると、その一方の固定電極との間隔が広がり、他方の固定電極との間隔が狭くなるように、可動電極が動き、両固定電極との静電容量差を検出することで、流体の流れの向きを検出することができる。また、第三の構成例の調整用コンデンサを3組用意し、互いに９０度異なる向きで配置することで、流体が流れる全ての向きを検出することができる。

図７は、本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第四の構成例を示す図である。第四の構成例は、コンデンサの漏れ電界を利用して、流速及びその変化を検出する。ここで漏れ電界とは、平板形のコンデンサを考えた場合に、コンデンサの電極間の電界ではなく、図7(a)に示すコンデンサの電極間から漏れ出た電界のことを言う。流速の変化の検出は、図７（ａ）に示すように、変位部及び受風部を構成する導電性の金属板が、流体を受けることで、コンデンサに近づいたり遠ざかったりし、その結果コンデンサの漏れ電界が変化する。この漏れ電界の変化により、コンデンサの静電容量が変化するので、上述の場合と同様に、コンデンサの静電容量の変化から、水晶発振回路の発振周波数の変化を通して、流速を求めることができる。また金属板のかわりに強誘電体の物質例えばBaTiO₃などのぺロブスカイト型酸化物を用いることも可能である。図７（ｂ）は、図７（ａ）で説明した原理に基づいて、導管内を流れる流体の流速を測定するための具体的な構成例である。図示されるように、導管内に金属板を挿入し、流体を受けることで変位するように配置し、コンデンサは導管の外に配置される。このように配置することで、コンデンサを直接流体に接触させることなく、コンデンサの静電容量の変化に応じた流体の流速を検出することが可能となる。

上述した本発明の実施の形態では、水晶振動子を含む発振回路を例示したが、水晶振動子と同様に、ＬＣ発振回路に比べて発振周波数が安定しているセラミック振動子を含む発振回路が用いられてもよい。

また、水晶振動子及びセラミック振動子を断熱箱に入れることで、水晶振動子又はセラミック振動子の温度変化による発振周波数の変化を抑えることができ、より精度の高い測定が可能となる。

さらに、本発明の実施の形態では、流速の測定を例に説明したが、流速の測定に限られず、温度、測定対象物の種類など他の物理量の測定にも適用可能である。なお、温度などの静的な物理量の変化を検出する場合は、例えば水の温度変化による誘電率の変化を検出すればよいので、調整用コンデンサの電極が前述の様に可動である必要はない。

図８は、本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第五の構成例を示す図である。第五の構成例は測定対象物の温度や、測定対象物の種類を判別する場合の構成例である。調整用コンデンサC_L1は二枚の平板形電極から構成されるコンデンサである。この平板形電極の近傍に測定対象物がおかれると、コンデンサの電極間から漏れ出た漏れ電界に対して測定対象物の誘電率が影響を与えることで調整用コンデンサC_L1の静電容量が変化するので、上述の場合と同様に、水晶発振回路の発振周波数の変化を通して、被測定物の誘電率が測定される。被測定物の温度と誘電率の関係を予め調べておくことで被測定物の温度測定が可能となる。あるいは測定された誘電率の値から測定対象物の種類を判別することが可能である。また、コンデンサC_L1を構成する二枚の平板型電極で測定対象物を挟むことで、測定対象物の誘電率あるいは誘電率変化によりコンデンサC_L1の誘電率を変化させ、測定対象物の種類の判別や物理量の測定を行うこともできる。

図９は、図4に示す水晶発振回路を用いた測定装置において被測定物の物理量に変化がない場合、つまり被計測流体の流速が0の場合の発振周波数の時間的変化を示したものである。縦軸は発振周波数、横軸は時間である。本図から明らかなように、水晶発振回路を用いた測定装置において所謂ドリフトは0.1Hz/分以下となっており、物理量の測定に支障がないことが分かる。

図１０は、図4に示す測定装置のうち、水晶発振回路を図1(a)で示すLC発振回路に置き換えた場合の、被測定物の物理量に変化がない場合、つまり被計測流体の流速が0である場合の発振周波数の時間的変化を示したものである。図9同様に、縦軸に発振周波数、横軸に時間をとっている。図より明らかなように、物理量に変化がない場合でも測定される発振周波数は約5Hz/分の割合で変化しており、物理量の測定に支障があることが分かる。

図１１は、図4に示す水晶発振回路を用いた測定装置において被測定物の物理量に変化させた場合、具体的には、被計測流体の流速を0m/sec、2m/sec、5m/sec、0m/secとステップ的に変化させた場合に測定された発振周波数を示したものである。図９同様に、縦軸は発振周波数、横軸は時間である。本図より、水晶発振回路を用いた測定装置において、一定の流速に対して観測される発振周波数が一対一に対応していることが分かり、測定したい物理量(ここでは流速)の絶対値の測定が可能である。

図１２は、図4に示す測定装置のうち水晶発振回路を図1(a)で示すLC発振回路に置き換えた場合の測定装置において被測定物の物理量を変化させた場合、具体的には、被計測流体の流速を0m/sec、2m/sec、5m/sec、0m/secとステップ的に変化させた場合に測定された発振周波数を示したものである。図９同様に、縦軸は発振周波数、横軸は時間を示す。本図より、LC発振回路を用いた測定装置において、一定の流速に対して観測される発振周波数が一対一に対応していないことが示される。具体的には、一定の流速で流体が流れている間にもセンサ出力として表示されている周波数が変動していること、またステップ的に変化させた後、流速を0m/secに戻しても、測定開始時の0m/secの時の発振周波数とずれてしまっていることが分かり、測定したい物理量(ここでは流速)の絶対値の測定が困難であることが示された。

ＬＣ発振回路を利用した測定装置を説明するための図である。 本発明の実施の形態における測定装置の構成図である。 本発明の実施の形態における水晶発振回路の別の構成例である。 本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第一の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第二の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第三の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第四の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における調整用コンデンサの第五の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態の水晶発振回路を用いた測定装置における被測定物の物理量に変化がない場合の発振周波数の時間的変化を示すグラフである。 ＬＣ発振回路を用いた測定装置における被測定物の物理量に変化がない場合の発振周波数の時間的変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態の水晶発振回路を用いた測定装置における被測定物の物理量を変化させた場合の発振周波数の時間的変化を示図グラフである。 ＬＣ発振回路を用いた測定装置における被測定物の物理量を変化させた場合の発振周波数の時間的変化を示すグラフである。

符号の説明

１０：水晶発振回路、２０：周波数カウンタ、３０：計測部、４０：表示部、Ｃ_L1、Ｃ_L2：調整用コンデンサ

Claims (10)

1. 水晶振動子またはセラミック振動子の発振特性に従って発振し、その発振周波数を調整するための調整用コンデンサを含む発振回路と、
   当該発振回路の発振周波数に基づいて所定の物理量を測定する測定部とを備え、
   前記調整用コンデンサを、前記物理量を検出する検出部として利用し、前記物理量の変化が前記調整用コンデンサの静電容量の変化を通じて、発振周波数を変化させるようにしたことを特徴とする測定装置。
2. 前記物理量が流体の流速であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記調整用コンデンサは、前記物理量の変化に応じて移動する可動部を有し、当該可動部の移動により静電容量が変化することを特徴とする請求項１又は２記載の測定装置。
4. 前記調整用コンデンサの漏れ電界中に配置された、前記物理量の変化に応じて移動する導電部材もしくは強誘電体部材を有し、当該導電部材もしくは強誘電体部材の移動による当該調整用コンデンサの漏れ電界の変化により静電容量が変化することを特徴とする請求項１又は２記載の測定装置。
5. 被測定物の誘電率又は誘電率の変化によって当該調整用コンデンサの静電容量が変化することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
6. 水晶振動子又はセラミック振動子の発振特性に従って発振し、その発振周波数を調整するための調整用コンデンサを含む発振回路における当該調整用コンデンサを、前記物理量を検出する検出手段として利用し、前記物理量の変化が、前記調整用コンデンサの静電容量の変化を通じて、発振周波数を変化させるようにすることにより、前記発振回路の発振周波数に基づいて所定の物理量を測定することを特徴とする測定方法。
7. 前記物理量が流体の流速であることを特徴とする請求項６記載の測定方法。
8. 前記調整用コンデンサは、前記物理量の変化に応じて移動する可動部を有し、当該可動部の移動により静電容量が変化することを特徴とする請求項６又は７記載の測定方法。
9. 前記調整用コンデンサの漏れ電界中に配置された、前記物理量の変化に応じて移動する導電部材もしくは強誘電体部材を有し、当該導電部材もしくは強誘電体部材の移動による当該調整用コンデンサの漏れ電界の変化により静電容量が変化することを特徴とする請求項６又は７記載の測定方法。
10. 被測定物の誘電率又は誘電率の変化によって当該調整用コンデンサの静電容量が変化することを特徴とする請求項６記載の測定方法。

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