JP4221502B2

JP4221502B2 - 水晶振動子センサーシステム

Info

Publication number: JP4221502B2
Application number: JP2003431953A
Authority: JP
Inventors: 基成芝上; 俊二土屋; 忠正後藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005189133A

Description

この発明は、高感度で微量物質の付着を検出することのできる水晶振動子センサーシステムに関するものである。

水晶振動子の表面や、それに付着して形成された電極表面に何らかの物質が付着すると、その質量の変化によって、水晶振動子の周波数特性が変化することは、すでによく知られている。この性質を利用して、極めて微量な物質の付着を検出し計測するセンサーが実現されており、これはＱＣＭ水晶センサーと呼ばれている。また、このＱＣＭセンサーの表面に物質の付着特性に選択性のある膜を形成して、特定の物質の検出や計測を行うことも行われている。

また、水晶振動子の周波数特性の変化は、水晶発信器を用いて高周波発振を行い、その発振周波数をカウンターで計測することにより行われている。

電極のみに物質が付着するものとするとき、ＱＣＭセンサーの電極面積をＡ、Ｆ₀を発振周波数、ΔＦを物質が付着したことによる周波数の変化値、μを水晶のせん断応力、ｐを水晶の比重、ΔｍをＱＣＭセンサーの質量の変化量、と、するとき、その発信周波数の変化量ΔＦは、以下の関係にあることが知られている。

例えば、直径５ｍｍで基本波の発振周波数が９ＭＨｚの場合は、約１．１ｎｇ／Ｈｚと言われている。また、数１において、発振周波数の２乗にしたがって、質量の変化に対する周波数の変化の係数が増大する。このため、できるだけ高い発信周波数とすることが望ましい。

しかし、高い周波数を高精度に測定するためには、高精度の周波数カウンターの他に、ノイズやジッタの少ない波形を用いて周波数を計測できる条件や環境を整える必要がある。このため、一般に、発振回路は、センサーヘッドに設けられることが多い。また、センサーヘッドから、周波数カウンターまでの距離は、伝送路の途中でノイズを拾わないようにするため、できるだけ短く設定される。

上記の様に、一般に、高い発振周波数で計測するほうが高精度にし易いが、水晶振動子の物理的制約や、製造コスト的な制約からの限界がある。

しかし、このようなＱＣＭセンサーを多数の位置に設ける計測システムの場合は、次のような問題が発生する。１）高精度周波数カウンターを多数用いると、コストダウンが困難である。２）用いる周波数カウンターの数を減らすために遠隔地にある多数のセンサーヘッドから送られる高周波信号をそのまま伝送し、ひとつあるいは少数の周波数カウンターで測定する構成にするとノイズの影響を受けやすくなる。

この発明は上記に鑑み提案されたもので、互いに離間した位置にある多数のセンサーヘッドをもったＱＣＭセンサーを用いたシステムで、雑音の影響を受けづらく、高精度でありながら、それに用いる高精度の周波数カウンターの数をセンサーの数よりも減らすことのできる水晶振動子センサーシステムを提供することを目的とする。

一般に、高感度の水晶振動子センサーシステムでは、高い発振周波数となるが、その発振信号の周波数をより低周波数に変換して伝送することにより、ノイズによる擾乱を受けづらくなる。しかし、これにともなって従来は、水晶振動子センサーの検出感度が低下したが、本発明では、上記のように、この信号の周波数を計測する周波数カウンターの構成を工夫することにより、上記の検出感度の低下を抑制できる。これにより、伝送線に重畳されるノイズの影響を抑制し、しかも分周による検出感度の低下を防止することができる。また、比較的長距離の伝送が可能であるので、１台の周波数カウンターで、複数の水晶振動子センサーの発信周波数を計測することができる。

上記目的を達成するために、本発明の水晶振動子センサーシステムは、水晶振動子センサーと、前記水晶振動子センサーから送られる信号の周波数を計測するカウンターと、前記水晶振動子センサーの発生信号の周波数を前記のカウンターの計測帯域に整合させるように変換する周波数変換器と、計測した値から前記変換の逆変換を行って水晶振動子センサーの発振周波数を求めることのできるデータ処理器とを備え、
上記水晶振動子センサーで周期的信号を発生し、その周期的信号を上記のカウンターの計測帯域に整合させるように周波数変換し、その周波数変換された信号を伝送して、その伝送された信号について予め決められた周波数確度に達するまでの時間にわたり上記のカウンターで計測し、上記データ処理器で上記の逆変換を行なって水晶振動子センサーの発振周波数を求める計測システムであって、
上記のカウンターは、
１ビット分の２進カウンター（前段カウンターと称する）と、
多ビット分の２進カウンター（後段カウンターと称する）と、
後段カウンターの最低位桁の２進データと前段カウンターの２進データとの排他的論理和を出力する演算器と、
後段カウンターから２進データを読み出す構成と、を備え、
測定区間信号で指定された測定区間の中に、複数の副測定区間を設け、それぞれの副測定区間では上記の後段カウンターで計数し、副測定区間と、それに引き続く副測定区間との間では前段カウンターで計数し、
上記の副測定区間を指定する副測定区間信号、あるいは、その波形整形された副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）で、リセットされた後段カウンターで計数を開始し、
副測定区間信号の終わりに当たるその信号の立下り（あるいは立ち上がり）で後段カウンターの計数を一時的に終了して２進データを読み出し部へ送り、
引き続く副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）までは、前段カウンターで計数をし、
前記の引き続く副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）において、後段カウンターをリセットし、後段カウンターの最低位桁の２進データと前段カウンターの２進データとの排他的論理和を後段カウンターの最低位桁にセットして計測するカウンターであるものである。

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成あるいは同様の機能を有するものについては、同じ符号を用いることを原則とする。

第１の実施形態を図１に示す。これは、複数（１からＮまでで、また、以下では、１からＮまでのｎについて述べる）の水晶振動子４（あるいは４ｎ）、と発振回路とで構成かれたセンサーヘッド２（あるいは２ｎ）を用いている。但し、図１においては、便宜的に、複数のもののうち、ｎ番目のものを代表として示す。このセンサーヘッド２（あるいは２ｎ）からの高周波信号は、周波数変換部３（あるいは３ｎ）で、周波数カウンターの計測帯域に整合する周波数の信号に、上記の高周波信号の周波数を低下させる。例えば、水晶振動子をセンサーヘッド４では、６０ＭＨｚの発振周波数を２分の１に分周して３０ＭＨｚにして伝送し、センサーヘッド４ｎでは、９０ＭＨｚの発振周波数を３分の１に分周して３０ＭＨｚにして伝送する。この低下方法は、既によく知られており、例えば、上記の高周波信号を分周するものである。あるいは、既に周波数の明らかな信号との混合による周波数変換を行う方法でも、用いることができる。この様に周波数を変換するのは、上記のように、発振周波数の２乗にしたがって、質量の変化に対する周波数の変化の係数が増大するので、発振周波数を２倍にして質量の変化を検出し、その後この周波数を２分の１にしても、同じ質量変化にたいして、発振周波数の変化は２倍あるためである。あるいは、既に周波数の明らかな信号との混合による周波数変換を行う場合には、その周波数の変化分は、縮小されず、その感度を維持することができる。

周波数変換された高周波信号は、被測定信号であって、この信号は、信号線１０（あるいは１０ｎ）で選択部５まで伝送される。この伝送は、１ｍ程度の場合もあるし、数１０ｍ程度の場合もあるが、これは、測定のための設定によって異なるのが一般的である。

選択部５では、どのセンサーヘッドの発振周波数を計測するかを選択する、選択された高周波信号はカウンター６でその周波数が計測される。この計測に当たっては、十分に長い時間にわたって計数して周波数計測することが望ましく、たとえば、１２秒に渡って計数して、その値を計数に要した時間で割り、上記の分周の逆数を乗ずる。分周でなく、周波数混合により周波数変換した場合は、その周波数変換の逆算となるように演算する。この様な、上記の計測によって得られたデータはデータ処理部７で処理され、発振周波数の変化や、それから得られる付着した物質の質量などが計算されて出力される。

この計測は、同一の長さの計測時間（Ｔ、例えば１秒）に渡り、水晶振動子センサーを起源とする高周波信号の振動数を、複数の計測時間にわたり順次計測し、複数（ｎ）の計測値の和（Ｓ）を用いて、周波数（ｆ）を、ｆ＝ｗＳ／ｎＴ、から求めることができる。また、最初の周波数の提示においては、その直前の提示のために用いた計測値と共通の計測値（たとえば、１回目の計測値）をその一部に用いることにより、ｎＴ時間ごとの表示ではなく、Ｔ時間ごとの表示を行うことができる。

図２は、図１のカウンター６の詳細を示すブロック図である。カウンター６に入力した信号は波形整形部２１で波形が整えられる。この波形整形部２１においては、例えば、同期式遅延型フリップフロップを用いることができる。この同期式遅延型フリップフロップを用いた波形整形の特徴は、ノイズによる擾乱の影響を抑制でき、デジタルパルス波形が得られることである。ゲート２２では、基準信号発生部３５からの測定区間信号に従って、計測するパルス列を断続する。カウンター回路２３では、断続された上記のデジタルパルス列のパルス数を計数し、この計数値からデータ処理部２４が、選択された水晶振動子センサーの発振周波数を算出し、必要に応じて、その水晶振動子センサーに付着した物質の質量を見積もる。

図３は、カウンター６の他の構成を示す図である。これは、水晶振動子センサーから送られる信号の振動数を計測する複数のカウンター（３３−１から３３−ｎまで）を用いており、これらを、単位時間ごとにデータ記録部を順次切り換えて、巡回的に用いるものである。これは、次のように行われる。
１）カウンター回路で計測されたデータをデータ記録部切換部３１が受け取ると、順次データ記録部に記録される。最後のデータ記録部まで達すると次は、先頭のデータ記録部−１に巡回する。
２）記録されたデータを用いる場合は、制御部からの制御信号３４により、記録されたデータから必要な個数のデータ、たとえば検出感度をｍ倍（例えば１０倍）にする場合は最新のｍ個のデータをデータ記録部切換部３２で切り換えて、データ加算部３５に送る。
３）データ加算部３５では送られたデータを加算し、ｍ倍の時間分のデータに加工する。このことにより、検出感度をｍ倍にすることができる。

また、図４に表示に用いる計測値を示す様に、
１）最初は、計測値１（データ記録部―１の値）をｎ倍（図４ではｎ＝５）して使用し、
２）次は計測値１と、計測値２（データ記録部―２の値）のデータの（ｎ−１）倍と、の和を用い、
３）その次は、計測値１から２までのデータの和と、計測値３（データ記録部−３の値）の（ｎ−２）倍と、の和を用い、
４）ｎまでのｋ番目では、計測値１から計測値（ｋ−１）までのデータ和と、計測値（データ記録部−ｋの値）の（ｎ−ｋ）倍と、の和を表示し、
５）これをｎ番目まで行い、
６）その後は、それぞれのカウンターの最近の値を用いて表示する。
このようにすることによって、測定者には、まず、その概要を短時間で表示することができる。

また、図５に示す構成では、水晶振動子センサーの発信信号を分周してから送られる信号の振動数を計測する複数（ｎ）のカウンターを用いるが、図３の構成では、複数のデータ記録部を用いている点が異なっている。図５の構成では、それぞれのカウンターの桁数が十分に長く、表示単位時間のｎ倍の時間分の累積を行うことが出来る長さである。これらのカウンターについて、予め決められた単位時間をおいて順次（時点、Ｕ₁、Ｕ₂、・・・、Ｕ_n）計測を開始し、最後のカウンターから最初カウンターに巡回する。その巡回の一巡する時間（Ｖ）は、それぞれのカウンターで計測する時間よりも長い時間（Ｔ＜Ｖ）であり、上記のそれぞれのカウンターの計測値をその計測時間で除算し、低下割合の逆数（ｗ）を乗じて周波数を求める処理を順次行って提示するものである。測定の開始時点では、上記の１）から４）と同様の処理と同じようにして、順次表示することも可能である。

図５に示す構成でカウンターを２個に制限して用いる場合には、カウンター切換部をさらに簡素化することができる。図６に示す構成は、このような構成にあたるもので、カウンター１と、２とは、相互に補完しながら計数するものである。つまり、カウンター１が計数し、そのデータを転送している間は、カウンター２が計数し、次にカウンター１が計数し、・・・、という具合に、交互に計数を行い、それらの計数データは、それぞれ順次データ処理部に送られて累積される。計数が終了した後、カウンター１とカウンター２とが重複して計数した分を差し引く。この重複して計数する値は、周波数の明らかな標準信号を複数の周波数帯で計数して補間することによって容易に得ることができる。上記の差し引いた値に、水晶振動子センサーの発信信号を分周した比率（１／ｗ）の逆数ｗを乗じて、水晶振動子センサーの振動数とするものである。このように交互に計数することを制御するのは２重制御部である。また、基準信号発生部では、タイムベースとなる信号を発生し、測定区間信号をゲート１、ゲート２に供給する。

このようにして、２つの時点（ｔ₁、ｔ₂）における計測値は、第１カウンターと第２カウンターとからの計測値（Ｃ₁とＣ₂）を累積したものであり、上記のＣ₁とＣ₂のそれぞれを共通の時間軸上の計測値に換算してそれらの時点での計測差を求め、その計測差をその計測時間で除算し、上記の低下割合の逆数（ｗ）を乗じて周波数を求める処理を行って提示するものである。

また、図６に示す構成の場合、カウンター１（６５ａ）とカウンター２（６５ｂ）の計数する時間帯には重なりがある場合があるが、この場合は、重複して計数することになるので、これを避けるために、データ処理部６３で補正することが必要である。このような補正の必要がない構成として、図７に示すように、間隙制御部７２を設けて、カウンター１とカウンター２とが、入力信号の周期の１／４程度の誤差で連続するように調整することが望ましい。この間隙制御部７２は、基準信号発生部７１からの信号にあわせて同期用の信号を発するものである。

また、図８に示すカウンターの構成では、入力信号は、波形整形部２１で整形され、前段カウンター８２と後段カウンター８１に送られる。前段カウンター８２は、１ビット分の２進カウンターで、後段カウンター８１は、多ビット分の２進カウンターである。後段カウンター８１ａの最低位桁の２進データと前段カウンターの２進データとの排他的論理和を出力する演算器（カウンタ設定部８３）と、後段カウンターから２進データを読み出す構成とを備えている。

この構成の装置は、図９のタイムチャートに示すように、図９（ａ）の測定区間信号で指定された測定区間の中に、複数の副測定区間（副測定区間−１、副測定区間−２、・・・）を設け、それぞれの副測定区間では上記の後段カウンターで計数し、副測定区間と、それに引き続く副測定区間との間では前段カウンターで計数する。上記の副測定区間を指定する副測定区間信号、あるいは、その波形整形された副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）で、リセットされた後段カウンターで計数を開始し、副測定区間信号の終わりに当たるその信号の立下り（あるいは立ち上がり）で後段カウンターの計数を一時的に終了して２進データを読み出し部８６へ送り、引き続く副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）までは、前段カウンターで計数し、前記の引き続く副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）において、後段カウンターをリセットし、後段カウンターの最低位桁の２進データと前段カウンターの２進データとの排他的論理和を後段カウンターの最低位桁にセットして計測を再開する。

より具体的には、以下のようにする。
１）副測定区間（例えば一秒）信号の状態変化を、同期式遅延型フリップフロップで観測する。その同期式遅延型フリップフロップに供給するクロック（ＣＬＫ）の立ち上がり／立下りでの観測では、状態の変化に出力信号の立ち上がり、あるいは、立下りが引き起こされる。立ち上がり、あるいは、立下りの信号をトリガーとして用いて、カウンターデータを、カウンター読み出しデータ部に読み込む。引き続く次のクロック変化の時点で、２段以降の後段カウンターを全部リセットする。
２）カウンター部の最初のカウンターの状態について、
・副測定区間（例えば一秒）信号の状態変化を同期式遅延型フリップフロップがとらえた時、つまり測定が開始されるときで、入力データが０から１に変化しているとき（図９のｔ₁、あるいは、ｔ₃点）、あるいは、
・副測定区間（例えば一秒）信号の状態変化を上記の同期式遅延型フリップフロップがとらえ、また、２段以降のカウンターのリセット時点（図９のｔ₃点）で、上記の同期式遅延型フリップフロップの出力が０から１に変化しているとき（図９のｔ₃点）、前段カウンターの状態を１にセットし、それ以外の場合はリセットする。図９のｔ₁、あるいは、ｔ₃点で計数が開始（あるいは再開）され、ｔ₂点でカウンターのデータが読み出し部へ送られる。また、ｔ₃点で後段カウンターがリセットされ、後段カウンターの１桁目には、読出し部データと前段カウンタデータとの排他的論理和が入力され、１ビット分の和がとられる。

図９においては、内部クロックＣ_AとＣ_Bの間隔Ａが副測定区間−１と２との間隔になっているが、これは、内部クロックＣ_AとＣ_Bの立ち上がりを用いているためである。これをたとえば、内部クロックＣ_Aと、内部クロックＣ_Aをわずかに遅延させた信号を用いることによって、内部クロックＣ_AとＣ_Bの間隔よりも小さな間隔とすることができる。

また、カウンター読み出しデータ部のデータは外部からのデータ読み出し制御信号により読み出して使用する。この構成のカウンターを用いる利点は、回路構成を簡単にすることができるか、同じ回路規模である場合は、測定精度を改善することができる点にある。

上記したカウンター部を用いて水晶振動子センサーシステムを構成することにより、センサーヘッド部の発信信号を、分周して、より低周波の信号として、１から数１０ｍ伝送して周波数を計測することができる。これにより、伝送線に重畳されるノイズの影響を抑制し、しかも分周による検出感度の低下を防止することができる。また、比較的長距離の伝送が可能であるので、１台の周波数カウンターで、複数の水晶振動子センサーの発信周波数を計測することができる。

本発明の実施の形態を示すブロック図である。図１のカウンター６の詳細を示すブロック図である。図１のカウンター６の他の構成を示す図である。表示に用いる計測値を示す図である。図１のカウンター６の他の構成を示す図である。図１のカウンター６の他の構成を示す図である。図１のカウンター６の他の構成を示す図である。図１のカウンター６の他の構成を示す図である。図８の構成のタイムチャートである。

符号の説明

１、１ｎ水晶振動子センサー
２、２ｎセンサーヘッド
３周波数変換部
４、４ｎ水晶振動子
５選択部
６カウンター
７データ処理部
８選択性吸着膜
９振動子電極
１０信号線
２１波形整形部
２２ゲート
２３カウンター回路
２４データ処理部
２５基準信号発生部
３１、３２データ記録部切換部
３３−１、３３−ｎカウンター
３４制御信号
３５基準信号発生部
３６データ加算部
３７初期データ生成モジュール
３８カウンタ番号カウンタ
５１、５２ｎ倍カウンタ切換部
５３−１、５３−２、５３−ｎｎ倍カウンター
５４制御部
５７初期データ生成モジュール
５８カウンタ番号カウンタ
６２２重制御部
６３データ処理部
６４ａゲート１
６４ｂゲート２
６５ａカウンター１
６５ｂカウンター２
７２隙間制御部
７３データ処理部
７４ａゲート１
７４ｂゲート２
７５ａカウンター１
７５ｂカウンター２
８１ａ後段カウンター最低位１桁目
８１ｂ後段カウンター２桁目以上
８２前段カウンター
８３カウンター設定部
８４区間信号発生部
８５読み出し／リセット制御部
８６読み出し部

Claims

水晶振動子センサーと、前記水晶振動子センサーから送られる信号の周波数を計測するカウンターと、前記水晶振動子センサーの発生信号の周波数を前記のカウンターの計測帯域に整合させるように変換する周波数変換器と、計測した値から前記変換の逆変換を行って水晶振動子センサーの発振周波数を求めることのできるデータ処理器とを備え、上記水晶振動子センサーで周期的信号を発生し、その周期的信号を上記のカウンターの計測帯域に整合させるように周波数変換し、その周波数変換された信号を伝送して、その伝送された信号について予め決められた周波数確度に達するまでの時間にわたり上記のカウンターで計測し、上記データ処理器で上記の逆変換を行なって水晶振動子センサーの発振周波数を求める計測システムであって、
上記のカウンターは、
１ビット分の２進カウンター（前段カウンターと称する）と、
多ビット分の２進カウンター（後段カウンターと称する）と、
後段カウンターの最低位桁の２進データと前段カウンターの２進データとの排他的論理和を出力する演算器と、
後段カウンターから２進データを読み出す構成と、を備え、
測定区間信号で指定された測定区間の中に、複数の副測定区間を設け、それぞれの副測定区間では上記の後段カウンターで計数し、副測定区間と、それに引き続く副測定区間との間では前段カウンターで計数し、
上記の副測定区間を指定する副測定区間信号、あるいは、その波形整形された副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）で、リセットされた後段カウンターで計数を開始し、
副測定区間信号の終わりに当たるその信号の立下り（あるいは立ち上がり）で後段カウンターの計数を一時的に終了して２進データを読み出し部へ送り、
引き続く副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）までは、前段カウンターで計数をし、
前記の引き続く副測定区間信号の始まりに当たる立ち上がり（あるいは立下り）において、後段カウンターをリセットし、後段カウンターの最低位桁の２進データと前段カウンターの２進データとの排他的論理和を後段カウンターの最低位桁にセットして計測するカウンターである、
ことを特徴とする水晶振動子センサーシステム。