JP2011164000A - センサー回路 - Google Patents

Abstract

【課題】輪郭振動モードのセンサー素子の等価抵抗を簡易に測定するセンサー回路を提供
する。
【解決手段】センサー回路は、検出すべき被測定対象の変化に応じて振幅の値が変化する
正弦波の信号を出力するセンサー素子Ｘと、センサー素子Ｘが出力した周波数信号が入力
され矩形波の信号を出力する増幅回路Ａｍｐと、正弦波の信号、又は正弦波の信号のレベ
ルをレベル変換器１０で調整した正弦波の信号と、矩形波の信号とを同期検波する同期検
波回路１２と、同期検波回路１２の出力信号を積分する積分回路１４と、を備えたセンサ
ー回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動体をセンサー素子として用いるセンサー回路に関し、特に振動センサー
素子の等価抵抗を高速に測定するセンサー回路に関する。

圧電振動子の等価定数測定法は、古来よりＣＩメーター法、π回路伝送法、π回路位相
法等が提案され、広く用いられてきた。中でもπ回路位相法等は、圧電振動子の二端子間
の位相差が零となる周波数を共振周波数とし、そのときの抵抗値を等価抵抗値とする測定
法であり、圧電振動子の標準測定法となっている。
特許文献１には、水晶振動子のＣＩ測定方法及び水晶発振回路が開示されている。図６
に示す水晶発振回路において、Ｘｔａｌ１は被測定水晶振動子、ＧＶ１は直流入力電圧Ｖ
ＡＧＣに比例して増幅度が変化するＡＧＣ増幅回路、Ｃ１１は発振回路の入力容量である
。図６のＲ１１、Ｃ２２、及びＡＶは、夫々積分回路を構成する抵抗、容量、及び高増幅
率増幅回路である。
積分回路は、高増幅率増幅回路ＡＶの入力側に抵抗Ｒ１１が、入力と出力間に容量Ｃ２
２が並列接続されている。水晶振動子が共振状態となるときは、等価直列共振インダクタ
ンスＬｘ、等価キャパシタンスＣｘ、および等価抵抗Ｒｘの直列回路で表わされる。
図６に示す水晶発振回路の発振持続条件は、水晶振動子の直列共振抵抗ＲｘをＣＩ（ク
リスタルインピーダンス）とし、増幅回路ＧＶ１の増幅率をＧＶ１とすると、ＣＩ＝ＧＶ
１／（ω^２・Ｃ１１・Ｃ２２・Ｒ１１）（ωは角周波数）で表わせる。ＡＧＣ増幅回路Ｇ
Ｖ１の直線動作範囲内で発振が安定した場合、直流入力電圧ＶＡＧＣを水晶振動子Ｘｔａ
ｌ１のＣＩの比例値として測定することができ、正確なＣＩを得ることができると開示さ
れている。

特開平１０−３３９７５５号公報

しかしながら、従来のＣＩメーター法、π回路位相法、特許文献１に記載のＣＩ測定方
法は、等価定数の測定精度は良好であるものの、等価定数の測定に調整時間を要し、加速
度センサー等の慣性センサーに用いられる輪郭モードのセンサー素子の等価抵抗値を高速
で測定するには、不向きであるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、センサー素子の等価抵抗値を容易
に高速測定するセンサー回路を提供することにある。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本発明に係るセンサー回路は、検出すべき被測定対象の変化に応じて振幅
の値が変化する正弦波の信号を出力するセンサー素子と、前記センサー素子が出力した周
波数信号が入力され矩形波の信号を出力する増幅回路と、前記正弦波の信号又は前記正弦
波の信号のレベルを調整した正弦波の信号と前記矩形波の信号とを同期検波する同期検波
回路と、前記同期検波回路の出力信号を積分する積分回路と、を備えたことを特徴とする
センサー回路である。

センサー素子と、増幅回路と、レベル変換器と、同期検波回路と、積分回路とを備えた
センサー回路を構成する。センサー素子が出力する周波数にホワイトノイズ（雑音）が重
畳した測定信号と、増幅回路が出力する矩形波の周波数の参照信号と、を同期検波回路に
入力することにより、その出力からは測定信号周波数の２倍の成分と、直流成分とが出力
される。この出力を、ローパスフィルタを介することによりホワイトノイズが大部分除去
された直流成分が得られる。この直流成分を演算回路で演算処理することにより、重畳す
るホワイトノイズに測定値が影響されないで、ＣＩ値（等価抵抗値）を高速に、高精度で
測定できるという効果がある。

［適用例２］またセンサー回路は、検出すべき被測定対象の変化に応じて振幅の値が変
化する正弦波の信号を出力するセンサー素子と、前記センサー素子が出力した周波数信号
が入力され矩形波の信号を出力する増幅回路と、記正弦波の信号又は前記正弦波の信号の
レベルを調整した正弦波の信号を出力する増幅器と、前記矩形波の信号との差に基づく信
号を出力する差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力信号と前記矩形波の信号とを同期
検波する同期検波回路と、前記同期検波回路の出力信号を積分する積分回路と、を備えた
ことを特徴とするセンサー回路である。

センサー素子と、増幅回路と、増幅器と、同調回路と、差動増幅回路と、同期検波回路
と、積分回路とを備えたセンサー回路を構成する。センサー素子が出力周波数にホワイト
ノイズ（雑音）が重畳した測定信号と、増幅回路が出力する矩形波の信号を同調回路で正
弦波に変換し且つそのレベルを測定信号のレベルに調整した信号と、を差動増幅器に入力
する。差動増幅器の出力信号を同期検波回路に入力すると共に増幅回路が出力する矩形波
の信号を同期検波回路に入力する。同期検波回路の出力をローパスフィルタに入力し、そ
の出力からＣＩ値を求める。
センサー素子のＣＩ値（等価抵抗値）が変動すると差動増幅器の出力が零レベルから変
動する。差動増幅器からの測定信号と、増幅回路からの参照信号と、が同期検波回路に入
力されることにより、その出力からは測定信号周波数の２倍の成分と、直流成分とが出力
される。この出力を、ローパスフィルタを介することによりホワイトノイズが大部分除去
された直流成分が得られる。この直流成分を演算回路で演算処理することにより、ホワイ
トノイズに影響されないで、精度の高いＣＩ値の変化分の測定が、短時間でしかも容易に
できるという効果がある。

［適用例３］またセンサー回路は、前記積分回路が抵抗と容量とからなるローパスフィ
ルタであることを特徴とする適用例１又は２に記載のセンサー回路である。

抵抗と容量とからなるローパスフィルタを積分回路に用いることにより、センサー回路
が小型で且つ原価を低減できるという効果がある。

本発明に係るセンサー回路１の構成を示す回路図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はロックインアンプの作用を説明する図。 図１に示したセンサー回路１のタイムチャート図。 第２の実施例のセンサー回路２の構成を示す回路図。 図４に示したセンサー回路２のタイムチャート図。 従来の水晶振動子のＣＩ測定器のブロック回路図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施
形態に係るセンサー回路１の構成を示す概略ブロック回路図である。センサー回路１は、
例えば輪郭振動モードのセンサー素子Ｘを含む発振器５と、アッテネーターと増幅器を有
するレベル変換器１０と、発振器５の出力の位相と同期して検波する同期検波回路１２と
、例えばローパスフィルタ等の積分回路１４と、を備えている。
センサー素子Ｘは振動素子として、増幅回路Ａｍｐと抵抗Ｒ１、Ｒ２及び容量Ｃ１、Ｃ
２とを備えた発振回路に接続され、発振回路と共に発振器５を構成する。発振器５の構成
は、センサー素子Ｘの一方の端子に容量Ｃ１の一方の端子が接続され、容量Ｃ１の他方の
端子は接地される。センサー素子Ｘの他方の端子に容量Ｃ２の一方の端子が接続され、容
量Ｃ２の他方の端子は接地される。更に、センサー素子Ｘの一方の端子には、増幅回路Ａ
ｍｐ及び抵抗Ｒ１の夫々一方の端子が接続され、センサー素子Ｘの端子には、抵抗Ｒ２の
一方の端子が接続され、抵抗Ｒ２の他方の端子は、増幅回路Ａｍｐ及び抵抗Ｒ１の夫々他
方の端子に接続されて、発振回路５が構成される。

図１に示す発振器５のような一般的なインバーター発振器は、圧電振動子（センサー素
子Ｘ）のＣＩ値（等価抵抗値）に応じて、インバーター（増幅回路）の入力側の電圧振幅
が変化する。この電圧振幅を整流して増幅し、演算処理を施せば、ＣＩ値を求めることが
できる。しかし、単にダイオード等を用いて整流してＣＩ値を求める測定では、Ｓ／Ｎ比
が悪く、ホワイトノイズ（雑音）に影響されてＣＩ値を精度のよく求めることはできない
。
ホワイトノイズが混在する信号の検出には、ロックインアンプが適している。ロックイ
ンアンプとは、ヘテロダイン技術を用いて、増幅と信号検出の両機能を併せ持った増幅器
で、特定の周波数の信号を検出し増幅する。ノイズに埋もれた微小信号の検出に優れてい
る。

図２（ａ）は、ロックインアンプの原理を説明する回路図である。測定信号ｆｓのスペ
クトルには、図２（ｂ）に示すように、信号ｆｓ以外にホワイトノイズ（雑音）が重畳す
る。この雑音が重畳する測定信号ｆｓと、参照信号ｆｒとをミキサーに入力すると、測定
信号ｆｓと参照信号ｆｒとの掛け算が行われ、図２（ｃ）に示すような周波数スペクトル
が出力される。即ち、測定信号ｆｓの２倍の周波数成分（−ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β））
と、直流成分（ｃｏｓ（β−α）／２）とが出力される。これらの出力成分をローパスフ
ィルタに入力することにより、ローパスフィルタの出力には、測定信号ｆｓの２倍の周波
数成分が阻止され、直流成分のみが出力される。
周波数変換は一般のアナログ乗算回路では精度が得られないので、スイッチ素子を用い
た同期検波回路ＰＳＤが使われる。

図１に示す発振器５のセンサー素子Ｘの図中左方の端子には、検出すべき被測定対象の
変化に応じて振幅の値が変化する正弦波の信号（１）が出力される。増幅回路Ａｍｐは、
センサー素子Ｘが出力した周波数信号（１）が入力され、飽和した矩形波の信号（２）を
出力する。センサー素子Ｘが出力する正弦波の信号（１）、又は正弦波の信号（１）のレ
ベルをレベル変換器１０で調整した正弦波の信号（３）が、同期検波する同期検波回路１
２に入力される。同時に発振回路５が出力する矩形波の信号（２）が、同期検波回路１２
に入力されて、同期検波が行われる。同期検波回路１２の出力信号（４）は、ローパスフ
ィルタ等の積分回路１４に入力され、同期検波回路１２の出力信号（４）の中、高周波成
分はカットされ、直流成分のみが、積分回路１４で積分されて出力信号（５）となって出
力される。
積分回路１４の一例として、抵抗Ｒと容量Ｃによる分圧回路があり、積分回路として、
又ローパスフィルタとしても機能する。

図３は横軸に時間軸ｔを、縦軸に発振器５の出力波形（２）、レベル変換器１０の出力
波形（３）、同期検波回路１２の出力波形（４）、積分回路１４の出力波形（５）を併記
したタイムチャートである。発振器５の出力波形（２）は電源電圧Ｖｄまで飽和している
。レベル変換器１０の出力波形（３）は正弦波である。同期検波回路１２の出力波形（４
）は、レベル変換器１０の出力波形（３）の正の波形はそのままに、負の波形はマイナス
１を乗じて零のレベルで折り返した波形となっている。積分回路１４の出力波形（５）は
、同期検波回路１２の出力波形（４）を積分し、直流電圧として出力される。

いま、図３のＰで示す時間にセンサー素子Ｘに負荷をかけると、センサー素子Ｘの等価
抵抗値が大きくなり、レベル変換器１０の出力波形（３）の振幅が小さくなる。レベル変
換器１０の出力波形（３）の振幅が小さくなると、同期検波回路１２の出力波形（４）も
小さくなり、積分回路１４の出力波形（５）の直流電圧も小さくなる。この直流電圧を演
算器で演算処理することにより、センサー素子Ｘの等価抵抗値を高速に求めることができ
る。センサー素子Ｘの周波数は、発振器５の出力をカウンターで読み取ればよい。
センサー素子Ｘと、増幅回路Ａｍｐと、レベル変換器１０と、同期検波回路１２と、積
分回路１４と、を備えたセンサー回路を構成すると、センサー素子Ｘが出力する電圧（１
）にホワイトノイズ（雑音）が重畳することは避けられない。このホワイトノイズが重畳
した測定信号と、増幅回路Ａｍｐが出力する矩形波の周波数の参照信号と、を同期検波回
路１２に入力することにより、その出力からは測定信号周波数の２倍の成分と、直流成分
とが出力される。この出力を、ローパスフィルタ１４に通すことにより、ホワイトノイズ
が大部分除去された直流成分が得られる。この直流成分を演算回路で演算処理することに
より、ホワイトノイズに影響されないで測定精度の高いＣＩの測定が、短時間でしかも容
易に得られるという効果がある。

図４は第２の実施例のセンサー回路２の構成を示すブロック図である。センサー回路２
は、発振器５と、センサー素子Ｘの出力を増幅する増幅器２０と、アッテネーターを有し
発振器５の矩形波出力を正弦波に変換する同調回路２２と、２つの入力信号の差分を増幅
する差動増幅器２４と、発振器５の出力の位相と同期して検波する同期検波回路２６と、
例えばローパスフィルタ等の積分回路２８と、を備えている。
発振器５は、輪郭振動モードのセンサー素子Ｘ、増幅回路Ａｍｐ、２個の抵抗Ｒ１、Ｒ
２及び２個の容量Ｃ１、Ｃ２を備えた発振器であり、図１のセンサー回路１の発振器５と
同様である。
図４に示す発振器５のセンサー素子Ｘの図中左方の端子には、検出すべき被測定対象の
変化に応じて振幅の値が変化する正弦波の信号（１）が出力される。増幅回路Ａｍｐは、
センサー素子Ｘが出力した電圧信号（１）が入力され、矩形波の電圧信号（２）を出力す
る。センサー素子Ｘが出力する正弦波の信号（１）のレベルは、増幅器２０で調整され、
正弦波の出力信号（６）が、差動増幅器２４の一方に入力される。また、発振器５の矩形
波出力（２）が同調回路２２に入力され、レベルを調整されると共に正弦波に変換されて
、同調回路２２の出力波形（７）となる。この同調回路２２の出力（７）は、差動増幅器
２４の他方に入力される。差動増幅回路２４は、入力（６）と入力（７）の差分を増幅し
た出力波形（８）を出力し、この出力波形（８）の測定信号が同期検波回路２６に入力さ
れる。同時に発振回路５が出力する矩形波の参照信号（２）が、同期検波回路１２に入力
されて同期検波が行われる。同期検波回路２６の出力信号（９）は、積分回路２８に入力
され、同期検波回路２６の出力信号（９）の中、高周波成分はカットされ、直流成分のみ
が、積分回路２８で積分されて出力信号（１０）となって出力される。

図５は横軸に時間軸ｔを、縦軸に発振器５の出力波形（２）、増幅器２０の出力波形（
６）、同調回路２２の出力波形（７）、差動増幅器２４の出力波形（８）、同期検波回路
２６の出力波形（９）、積分回路２８の出力波形（１０）を併記したタイムチャートであ
る。発振器５の出力波形（２）は電源電圧Ｖｄまで飽和している。増幅器２０の出力波形
（６）と、同調回路２４の出力波形（７）とは、正弦波である。差動増幅器２４の出力波
形（８）は、入力（６）と（７）の差分が増幅されて出力波形（８）となる。
同期検波回路２６の出力波形（９）は、差動増幅器２４の出力波形（８）の正の波形はそ
のままに、負の波形はマイナス１を乗じて零のレベルで折り返した波形となる。例えばロ
ーパスフィルタの積分回路２８の出力波形（１０）は、同期検波回路２６の出力波形（９
）を積分し、直流電圧として出力される。

初めに、図５に示す増幅器２０の出力波形（６）のレベルと、同調回路２２の出力波形
（７）のレベルとを合わせておくと、差動増幅器２４の出力は零レベルとなる。次に、図
５のＰで示す時間にセンサー素子Ｘにかけている負荷を減ずると、センサー素子Ｘの等価
抵抗値が小さくなり、増幅器２０の出力波形（６）のレベルが大きくなる。発振器５の飽
和した出力（２）が入力される同調回路２２の出力波形（７）のレベルは、一定であるの
で、増幅器２０の出力波形（６）のレベルが大きくなると、差動増幅器２４の出力は、２
つの入力の差分を増幅した電圧が出力波形（８）となって出力される。そのため、同期検
波回路２６の出力波形（９）は、零レベルから増大する。積分回路２８の出力波形（１０
）は、零レベルから増幅器２０の出力と同調回路２２の出力との差分に係数を乗じた分だ
け増大する。この直流電圧を演算器で演算処理することにより、センサー素子Ｘの等価抵
抗値を求めることができる。センサー素子Ｘの周波数は発振器５の出力をカウンターで読
み取ればよい。

センサー素子Ｘと、増幅回路Ａｍｐと、増幅器２０と、同調回路２２と、差動増幅回路
２４と、同期検波回路２６と、積分回路２８とを備えたセンサー回路２を構成する。セン
サー素子Ｘが出力する周波数にはホワイトノイズ（雑音）が重畳し、この重畳した測定信
号と、増幅回路Ａｍｐが出力する矩形波の信号を同調回路２２で正弦波に変換すし且つそ
のレベルを測定信号のレベルに調整した信号と、を差動増幅器２４に入力する。差動増幅
器２４の出力信号を同期検波回路２６に入力すると共に増幅回路Ａｍｐが出力する矩形波
の参照信号を同期検波回路２６に入力して同期検波を行う。その出力をローパスフィルタ
に入力し、その出力からＣＩ値を求める。
センサー素子ＸのＣＩ値（等価抵抗値）が変動すると差動増幅器２４の出力が零レベル
から変動する。差動増幅器２４からの測定信号と、増幅回路Ａｍｐからの参照信号と、が
同期検波回路２６に入力されることにより、その出力からは測定信号周波数の２倍の成分
と、直流成分とが出力される。この出力を、ローパスフィルタ２８を介することにより、
ホワイトノイズが大部分除去された直流成分が得られる。この直流成分を演算回路で演算
処理することにより、ホワイトノイズに影響されないで精度の高いＣＩ値の変化分の測定
が、短時間でしかも容易にできるという効果がある。

１、２…センサー回路、５…発振器、１０…レベル変換器、１２、２６…同期検波回路、
１４、２８…積分回路、２０…増幅器、２２…同調回路、２４…差動増幅器、Ｘ…センサ
ー素子、Ｒ１、Ｒ２…抵抗、Ｃ１、Ｃ２…容量、Ａｍｐ…増幅回路、（１）…センサー素
子の出力波形、（２）…発振器５の出力波形、（３）…レベル変換器１０の出力波形、（
４）…同期検波回路２の出力波形、（５）…積分回路１４の出力波形、（６）…増幅器２
０の出力波形、（７）…同調回路２２の出力波形、（８）…差動増幅器２４の出力波形、
（９）…同期検波回路２６の出力波形、（１０）…積分回路２８の出力波形

Claims (3)

1. 検出すべき被測定対象の変化に応じて振幅の値が変化する正弦波の信号を出力するセン
   サー素子と、前記センサー素子が出力した周波数信号が入力され矩形波の信号を出力する
   増幅回路と、
   前記正弦波の信号又は前記正弦波の信号のレベルを調整した正弦波の信号と前記矩形波
   の信号とを同期検波する同期検波回路と、前記同期検波回路の出力信号を積分する積分回
   路と、
   を備えたことを特徴とするセンサー回路。
2. 検出すべき被測定対象の変化に応じて振幅の値が変化する正弦波の信号を出力するセン
   サー素子と、前記センサー素子が出力した周波数信号が入力され矩形波の信号を出力する
   増幅回路と、
   前記正弦波の信号又は前記正弦波の信号のレベルを調整した正弦波の信号と前記矩形波
   の信号との差に基づく信号を出力する差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力信号と前
   記矩形波の信号とを同期検波する同期検波回路と、前記同期検波回路の出力信号を積分す
   る積分回路と、
   を備えたことを特徴とするセンサー回路。
3. 前記積分回路は、抵抗と容量とからなるローパスフィルタを用いることを特徴とする請
   求項１又は２に記載のセンサー回路。

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