JP2012156946A - 発振回路およびそれを用いた振動式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子の寄生抵抗や寄生容量による共振特性（Ｑ値やゲイン等）への影響を低減して、発振回路の安定した発振を実現し得ると共に、振動式センサの測定精度を向上させ得る発振回路およびそれを用いた振動式センサを提供する。
【解決手段】 静電駆動型振動子（固定電極１および振動子３）の出力電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路を、演算増幅器１４並びに抵抗１１，１２および１３を備えた負性インピーダンス変換回路１０で構成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動子の寄生抵抗や寄生容量による影響を低減して、振動式センサの測定精度を向上させ得る発振回路およびそれを用いた振動式センサに関する。

振動式センサを用いて圧力等の物理量を測定する物理量測定装置が種々提案されている。例えば、静電駆動型振動子を用いた振動式センサの場合、振動子と電極との間に働く静電吸引力の変化に応じて振動する振動子の周波数に基づいて物理量を測定する。このような静電駆動型振動子を用いた振動式センサによる物理測定装置として、例えば特開２００９−２５７８０７号公報に開示されたものがある。

図４に、従来の静電駆動型振動子を用いた振動式センサの基本的な構成図を示す。同図において、振動式センサ１０２は、固定電極１と、振動子３と、電流電圧変換回路２０と、絶対値回路３０と、誤差増幅器４０およびオートゲインコントロール回路５０を備えた駆動部と、シュミットトリガ６０と、を備えた構成である。ここで、振動子３は、固定電極１に対し所定間隔で対向設置され、その形状（例えば、梁の形状）によって決定される固有振動数を持つ。

また、バイアス電圧Ｖｂが印加される固定電極１、固定電極１と振動子３との間に働く静電吸引力、振動子３、電流電圧変換回路２０、駆動部および自励振信号Ｖｉの固定電極１への帰還という一連のループによって、振動子３を固有振動数で振動させる自励振回路（正帰還ループ）が形成されている。

特開２００９−２５７８０７号公報

一般的に、圧電振動子等の振動子を用いる振動式センサの場合、振動子のＱ値（共振の尖鋭度）を高めることにより非常に高い分解能、再現性、安定性が得られることが知られている。また、振動子を電気回路素子として見たとき、その共振特性は、２端子振動子、即ち、等価直列抵抗Ｒｍｅ、直列インダクタンスＬｍｅ、直列容量Ｃｍｅの直列回路と並列容量Ｃ０との並列回路で評価できる。

しかしながら、実際には、振動子の製造プロセスにおいて、構造上、寄生抵抗や寄生容量が形成されることは避けられず、これらが振動子の共振特性（Ｑ値やゲイン等）を悪化させてしまい、振動式センサの測定精度が低下するという事情があった。

例えば、寄生抵抗について見てみると、図２（ａ）に示す如く、寄生抵抗Ｒｐ１およびＲｐ２を持つ等価回路として表される。このとき、図５の電流電圧変換回路２０の出力である電圧信号Ｖｏについて、Ｑ値Ｑ_１０およびゲインＧ_１０を求めると、次式で表される。
（数１）
Ｑ_１０＝（Ｌｍｅ／Ｃｍｅ）^１／２／（Ｒｍｅ＋Ｒｐ１＋Ｒｐ２） （１）
Ｇ_１０＝−Ｒｆ／（Ｒｍｅ＋Ｒｐ１＋Ｒｐ２） （２）
ここで、電流電圧変換回路２０の帰還抵抗２７の抵抗値をＲｆとし、また、並列容量Ｃ０≫直列容量Ｃｍｅとして並列容量Ｃ０を無視できるものとした。

式（１）、（２）において、寄生抵抗が無い（Ｒｐ１＝Ｒｐ２＝０）理想的な場合と比較すると、寄生抵抗が形成されてＲｐ１、Ｒｐ２が有限値を持つ場合には、Ｑ値Ｑ_１０およびゲインＧ_１０共に低下することが分かる。このようなＱ値の低下は、発振の安定性を低下させ、場合によっては発振が不可能になる恐れもある。また、ゲインの低下はＳＮ比（信号対雑音比）の悪化を招く。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであり、振動子の寄生抵抗や寄生容量による共振特性（Ｑ値やゲイン等）への影響を低減して、安定した発振を実現し得る発振回路を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、測定精度を向上させ得る発振回路を用いた振動式センサを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る発振回路は、振動子と、前記振動子の出力電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、を備えた発振回路であって、前記電流電圧変換回路を負性インピーダンス変換回路としたことを特徴とする。

また、上記発明において、前記負性インピーダンス変換回路は、演算増幅器と、 一端が前記演算増幅器の一方の入力端子に接続され、他端が前記演算増幅器の出力端子に接続され、前記一端に前記振動子の出力電流信号が入力される第１回路と、一端が前記第１回路の他端に接続され、他端が前記演算増幅器の他方の入力端子に接続される第２回路と、一端が前記第２回路の他端に接続され、他端が電源電位に接続される第３回路と、を備えたことを特徴とする。

また、上記発明において、前記第１回路、前記第２回路および前記第３回路をそれぞれ抵抗素子で構成したことを特徴とする。

また、上記発明において、前記第１回路および前記第２回路をそれぞれ抵抗素子で構成し、前記第３回路を容量性素子で構成したことを特徴とする。

また、上記発明において、前記第１回路を抵抗素子および容量性素子の並列回路で構成し、前記第２回路および前記第３回路をそれぞれ抵抗素子で構成したことを特徴とする。

また、上記発明において、前記振動子は、静電駆動型振動子、水晶振動子、弾性表面波振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子であることを特徴とする。

さらに、上記発振回路を用いて、前記振動子に被測定対象の物理量が作用することを特徴とする。

本発明に係る発振回路によれば、振動子の寄生抵抗や寄生容量による共振特性（Ｑ値やゲイン等）への影響を低減または相殺することができ、発振回路の安定した発振を実現し得ると共に、振動式センサの測定精度を向上させ得る発振回路を提供することができる。また、当該発振回路を用いた振動式センサの測定精度を向上させることができる。

本発明の一実施例に係る発振回路を用いた振動式センサの構成図である。 実施例の振動式センサで用いる発振回路の説明図である。 変形例の振動式センサで用いる発振回路の説明図である。 従来の振動式センサの構成図である。

以下、本発明に係る好適な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明では、発振回路に用いる振動子を静電駆動型振動子として説明するが、これに限定されることなく、静電駆動型振動子を、他の圧電振動子、例えば水晶振動子、弾性表面波振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子等に置き換えた場合でも同等の作用効果を奏する。

図１は本発明の一実施例に係る発振回路を用いた振動式センサの構成図である。同図において、図４（従来例）と重複する部分には同一の符号を附する。
同図において、本実施例の振動式センサ１０１は、固定電極１と、振動子３と、負性インピーダンス変換回路１０と、絶対値回路３０と、誤差増幅器４０およびオートゲインコントロール回路５０を備えた駆動部と、シュミットトリガ６０と、を備えた構成である。なお、本実施例において、特許請求の範囲にいう振動子は静電駆動型振動子であり、図１における固定電極１および振動子３が該当する。

ここで、振動子３は、固定電極１に対し所定間隔で対向設置されている。また、振動子３は、その形状（例えば、梁の形状）によって決定される固有振動数を持ち、振動子３を固有振動数で振動させる自励振回路が形成されている。すなわち、バイアス電圧Ｖｂが印加される固定電極１、固定電極１と振動子３との間に働く静電吸引力、振動子３、負性インピーダンス変換回路１０、駆動部および自励振信号Ｖｉの固定電極１への帰還という一連のループによって、振動子３を固有振動数で振動させる自励振回路（正帰還ループ）が形成される。

振動子３の振動の動作について簡単に説明する。固定電極１と振動子３との間には、抵抗７３を介してバイアス電圧Ｖｂが印加される。固定電極１は自励振信号Ｖｉによって駆動される。なお、自励振信号Ｖｉの周波数は振動子３の固有振動数と一致する。自励振信号Ｖｉによって固定電極１に印加される電圧が変化するため、振動子３は、固定電極１と振動子３との間に働く静電吸引力の変化に応じて固有振動数で振動する。このとき、静電電流が、固定電極１と振動子３との間に形成された容量を介して固定電極１から振動子３へ流れる。そして、この静電電流が振動子３から出力されることとなる。

この振動子３の出力である電流信号ｉｏは、負性インピーダンス変換回路１０によって電圧信号Ｖｏに変換される。すなわち、従来の構成（図５）では電流電圧変換回路２０によって電流信号ｉｏから電圧信号Ｖｏへの変換を行っていたが、本実施例の構成では負性インピーダンス変換回路１０によって変換している。従来の電流電圧変換回路２０を負性インピーダンス変換回路１０に置き換えたことによって得られる作用効果については後述する。

変換された電圧信号Ｖｏは、シュミットトリガ６０、絶対値回路３０およびオートゲインコントロール回路５０にそれぞれ入力される。シュミットトリガ６０では、図中に付記した信号波形で示されるように、電圧信号Ｖｏを２値のディジタル信号に波形整形した周波数信号を生成する。なお、この周波数信号は物理量測定装置の演算処理部（図示せず）に供給され、測定対象の圧力等の物理量が求められることとなる。

また、絶対値回路３０では、電圧信号Ｖｏの振幅に一致する直流電圧を生成し、これを絶対値信号Ｖａｂｓとして誤差増幅器４０に出力する。誤差増幅器４０では、絶対値信号Ｖａｂｓの設定電圧Ｖｒｅｆに対する誤差（差分）を増幅して、これを誤差信号Ｖｅｒｒとしてオートゲインコントロール回路５０に出力する。オートゲインコントロール回路５０では、電圧信号Ｖｏおよび誤差信号Ｖｅｒｒに基づき、電圧信号Ｖｏの振幅を設定電圧Ｖｒｅｆに一致させた自励振信号Ｖｉを生成して固定電極１へ出力する。

なお、本実施例の振動式センサ１０１では、測定対象の圧力等の物理量が振動子３に作用することによって、振動子１３の歪が変化し、固有振動数が変化する。すなわち、振動子３に印加される圧力等の物理量に応じて、振動子３の固有振動数は変化する。電圧信号Ｖｏの周波数は振動子３の固有振動数と一致するため、電圧信号Ｖｏの周波数によって圧力等の物理量を知ることができる。

次に、図２を参照して、本実施例の振動式センサで用いる発振回路について説明する。ここで、図２は実施例の振動式センサで用いる発振回路の説明図であり、図２（ａ）は静電駆動型振動子（図１中の固定電極１および振動子３）の等価回路、図２（ｂ）は負性インピーダンス変換回路１０の回路図である。

上述したように、静電駆動型振動子を電気回路素子として見たとき、その共振特性を評価するための等価回路は、等価直列抵抗Ｒｍｅ、直列インダクタンスＬｍｅ、直列容量Ｃｍｅの直列回路と並列容量Ｃ０との並列回路で表される。また、本実施例では、静電駆動型振動子の製造プロセスにおいて寄生抵抗が形成されたケースを想定する。この場合、等価回路は、図２（ａ）に示すように、該並列回路に対してそれぞれ直列に寄生抵抗Ｒｐ１およびＲｐ２が接続されたものとなる。

また、本実施例では、負性インピーダンス変換回路１０を、演算増幅器１４並びに抵抗１１，１２および１３で構成する。すなわち、負性インピーダンス変換回路１０は、演算増幅器１４と、一端が演算増幅器１４の一方の入力端子（−）に接続され、他端が演算増幅器１４の出力端子（ノードＮ２）に接続され、一端（ノードＮ１）に静電駆動型振動子の出力である電流信号ｉｏが入力される第１抵抗１１と、一端が第１抵抗１１の他端（ノードＮ２）に接続され、他端が演算増幅器１４の他方の入力端子（＋）に接続される第２抵抗１２と、一端が第２抵抗１２の他端（ノードＮ３）に接続され、他端が電源電位Ｖｇに接続される第３抵抗１３と、を備えた構成である。

ここで、第１抵抗１１，第２抵抗１２および第３抵抗１３の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２およびＲ３とし、演算増幅器１４を理想のものとすれば、負性インピーダンス変換回路１０の入力インピーダンスＺｉは次式となる。
（数２）
Ｚｉ＝−Ｒ１・Ｒ３／Ｒ２ （３）
すなわち、入力側から負性インピーダンス変換回路１０を見たとき、負性インピーダンス（負性抵抗）が観測されることになる。

また、このとき、負性インピーダンス変換回路１０の出力である電圧信号Ｖｏについて、Ｑ値Ｑ_１およびゲインＧ_１を求めると、次式で表される。
（数３）
Ｑ_１＝（Ｌｍｅ／Ｃｍｅ）^１／２／（Ｒｍｅ＋Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｚｉ） （４）
Ｇ_１＝Ｚｉ・（１＋Ｒ３／Ｒ２）／（Ｒｍｅ＋Ｒｐ１＋Ｒｐ２＋Ｚｉ） （５）
ここで、従来と同様、並列容量Ｃ０≫直列容量Ｃｍｅとして並列容量Ｃ０を無視できるものとした。

まず、Ｑ値について従来の式（１）と本実施例の式（４）とを比較すると、式（４）の分母で加算される入力インピーダンスＺｉは負値であり、寄生抵抗の形成による増分Ｒｐ１およびＲｐ２を負性インピーダンス変換回路１０の入力インピーダンスＺｉによって相殺できることが分かる。

このように、本実施例の発振回路によれば、寄生抵抗の形成によるＱ値の低下を抑制して（従来よりもＱ値を上昇させて）安定した発振を実現することができると共に、高い分解能を実現することができる。また、その結果として、当該発振回路を用いた振動式センサの測定精度を向上させることができる。

また、ゲインについて従来の式（２）と本実施例の式（５）とを比較すると、式（５）の分母で加算される入力インピーダンスＺｉは負値であり、寄生抵抗の形成による増分Ｒｐ１およびＲｐ２を負性インピーダンス変換回路１０の入力インピーダンスＺｉによって相殺できることが分かる。また同時に、第２抵抗１２と第３抵抗１３の抵抗値比（Ｒ３／Ｒ２）をより大きな値とすることにより、ゲインを上昇させることができることも分かる。

このように、本実施例の発振回路によれば、寄生抵抗の形成によるゲインの低下を抑制して（従来よりもゲインを上昇させて）ＳＮ比を改善することができる。また、その結果として、当該発振回路を用いた振動式センサのＳＮ比をも改善させることができる。
（変形例）

次に、変形例について図３を参照して説明する。本変形例では、静電駆動型振動子の製造プロセスにおいて寄生抵抗および寄生容量が形成され、発振回路の共振特性（Ｑ値やゲイン等）への影響があることを想定している。ここで、図３は変形例の振動式センサで用いる発振回路の説明図であり、図３（ａ）は静電駆動型振動子（固定電極１および振動子３）の等価回路、図３（ｂ）は負性インピーダンス変換回路の回路図である。なお、振動式センサの構成は実施例の構成（図１）において、図２（ｂ）で示した負性インピーダンス変換回路の回路構成を図３（ｂ）で置き換えたものとなる。

静電駆動型振動子の製造プロセスで寄生抵抗および寄生容量が形成される場合には、等価回路は、図３（ａ）に示すように、等価直列抵抗Ｒｍｅ、直列インダクタンスＬｍｅ、直列容量Ｃｍｅの直列回路と並列容量Ｃ０との並列回路に対して、直列に寄生抵抗Ｒｐ１およびＲｐ２が、また並列に寄生容量Ｃｐ１およびＣｐ２がそれぞれ接続されたものとなる。

本変形例では、負性インピーダンス変換回路を、演算増幅器２５、抵抗２１〜２３並びにキャパシタ２４で構成する。すなわち、負性インピーダンス変換回路は、演算増幅器２５と、一端が演算増幅器２５の一方の入力端子（−）に接続され、他端が演算増幅器２５の出力端子（ノードＮ２）に接続され、一端（ノードＮ１）に静電駆動型振動子の出力である電流信号ｉｏが入力される第１抵抗２１およびキャパシタ２４の並列回路と、一端が並列回路の他端（ノードＮ２）に接続され、他端が演算増幅器２５の他方の入力端子（＋）に接続される第２抵抗２２と、一端が第２抵抗２２の他端（ノードＮ３）に接続され、他端が電源電位Ｖｇに接続される第３抵抗２３と、を備えた構成である。ここで、第１抵抗２１、第２抵抗２２および第３抵抗２３の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２およびＲ２とし、キャパシタ２４の容量値をＣ４とする。

ここでは、式に基づく説明を省略するが、実施例と同様に考えることができる。つまり、入力側から負性インピーダンス変換回路を見たとき、負性インピーダンスが観測されることとなる。また、Ｑ値およびゲインについて、寄生抵抗の形成による増分Ｒｐ１およびＲｐ２、並びに、寄生容量の形成による増分Ｃｐ１およびＣｐ２を負性インピーダンス変換回路の入力インピーダンスＺｉによって相殺または低減することができる。

したがって、本変形例の発振回路によれば、寄生抵抗および寄生容量の形成によるＱ値の低下を抑制して（従来よりもＱ値を上昇させて）安定した発振を実現することができると共に、高い分解能を実現することができる。また、その結果として、当該発振回路を用いた振動式センサの測定精度を向上させることができる。また、寄生抵抗および寄生容量の形成によるゲインの低下を抑制して（従来よりもゲインを上昇させて）ＳＮ比を改善することができ、その結果として、当該発振回路を用いた振動式センサのＳＮ比をも改善させることができる。

なお、発振回路の共振特性（Ｑ値やゲイン等）に対して、静電駆動型振動子の製造プロセスにおける寄生容量による影響が寄生抵抗による影響に比べて相対的に大きい場合についても、本変形例の発振回路を適用することにより、同等の効果を奏することができる。すなわち、寄生容量の形成によるＱ値の低下を抑制して安定した発振を実現することができると共に、高い分解能を実現し、また、その結果として、当該発振回路を用いた振動式センサの測定精度を向上させることができる。また、寄生容量の形成によるゲインの低下を抑制してＳＮ比を改善することができ、その結果として、当該発振回路を用いた振動式センサのＳＮ比をも改善させることができる。
（その他の変形）

以上、本発明の好ましい実施例および変形例について詳述したが、本発明に係る発振回路およびそれを用いた振動式センサは、上述した実施例および変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、上述したように、静電駆動型振動子を他の圧電振動子に置き換えても良い。他の圧電振動子としては、例えば、水晶振動子、弾性表面波振動子（若しくはＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）振動子）、シリコン振動子、セラミック振動子、端面反射振動子、またはバルク振動子等がある。これらに置き換えた場合でも実施例および変形例と同等の効果を奏することができる。

また、振動子は圧電振動子に限定されることなく、他の振動子であっても良い。振動子の製造プロセスで、構造上、寄生抵抗や寄生容量が形成されるものについて、実施例および変形例と同様に負性インピーダンス変換回路を付加することにより、寄生抵抗や寄生容量の形成によるＱ値およびゲインの低下を抑制することが可能である。

また、負性インピーダンス変換回路の構成は、例示した回路構成に限定されることなく他の回路構成であっても良い。演算増幅器を用いた構成のものではなく、例えば特許第３９０７６３３号に開示されているような差動型負性インピーダンス変換回路を用いることも可能である。

さらに、振動子による発振回路に限定されることなく、ＬＣ発振回路などの他の発振回路に負性インピーダンス変換回路を付加する構成も考えられる。発振回路を構成する各素子の製造プロセスで、構造上、寄生抵抗や寄生容量が形成されるものについて、実施例および変形例と同様に負性インピーダンス変換回路を付加することにより、寄生抵抗や寄生容量の形成によるＱ値およびゲインの低下を抑制することが可能である。

１ 固定電極
３ 振動子
１０ 負性インピーダンス変換回路
１４，１８，２５ 演算増幅器
１１〜１３，１５，１６，２１〜２３，７３ 抵抗
１７，２４，７４ キャパシタ
３０ 絶対値回路
４０ 誤差増幅器
５０ オートゲインコントロール回路
６０ シュミットトリガ
７１，７２ 電源
１０１ 振動式センサ
ｉｏ 電流信号
Ｖｏ 電圧信号
Ｖｂ バイアス電圧
Ｖｒｅｆ 設定電圧
Ｖｅｒｒ 誤差信号
Ｖｉ 自励振信号
Ｖｇ 電源電位

Claims (7)

1. 振動子と、前記振動子の出力電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、を備えた発振回路であって、
   前記電流電圧変換回路を負性インピーダンス変換回路としたことを特徴とする発振回路。
2. 前記負性インピーダンス変換回路は、
   演算増幅器と、
   一端が前記演算増幅器の一方の入力端子に接続され、他端が前記演算増幅器の出力端子に接続され、前記一端に前記振動子の出力電流信号が入力される第１回路と、
   一端が前記第１回路の他端に接続され、他端が前記演算増幅器の他方の入力端子に接続される第２回路と、
   一端が前記第２回路の他端に接続され、他端が電源電位に接続される第３回路と、
   を備えたことを特徴とする発振回路。
3. 前記第１回路、前記第２回路および前記第３回路をそれぞれ抵抗素子で構成したことを特徴とする請求項２に記載の発振回路。
4. 前記第１回路および前記第２回路をそれぞれ抵抗素子で構成し、前記第３回路を容量性素子で構成したことを特徴とする請求項２に記載の発振回路。
5. 前記第１回路を抵抗素子および容量性素子の並列回路で構成し、前記第２回路および前記第３回路をそれぞれ抵抗素子で構成したことを特徴とする請求項２に記載の発振回路。
6. 前記振動子は、静電駆動型振動子、水晶振動子、弾性表面波振動子、シリコン振動子またはセラミック振動子であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の発振回路。
7. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の発振回路を用い、前記振動子に被測定対象の物理量が作用することを特徴とする振動式センサ。
   

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