JPH02263128A - 物理量の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物理量を測定する装置に関し、該装置は、物理
量をあらわす周波数をもつ交番電気信号を発生させる手
段を具備する。

〔従来技術、および発明が解決しようとする課題〕幾つ
かの物理量、特に力および温度を前記の態様で測定する
のは有利なことである。例えば力を測定するときは、こ
の力は直接に装置に印加されることが可能であり、また
は例えば装置に作用する圧力から導びかれる、または装
置が行いつつある加速度から導びかれることが可能であ
る。この加速度から導びかれる場合は、装置は加速度計
として動作する。

この形式の力測定装置は例えばヨーロッパ特許第９８７
９６号（ＥＰ−Ｂ−００９８７９６）およびそれに対応
する米国特許第４４９８３４４号に詳細に記述されてい
る。

このヨーロッパ特許に記述されている装置は、共振装置
を包含し、該共振装置は変形可能な支持体上に固定され
た二重音叉として構成され、該支持体に対し測定される
べき力が印加され該力が該共振装置の発振周波数を変化
させ、該装置はまた従来形の駆動回路を包含し、該駆動
回路は該共振装置を該周波数において振動させるに適し
ている。

このように、該共振装置と該駆動回路は１つの発振装置
を形成し、該回路は、該回路が、一連のパルスにより形
成される出力信号であって、該パルスの反復周波数、す
なわち該発振装置の周波数でありしたがって該装置に印
加される力をあらわすもの、を供給するよう配置されて
いる。次いで、この周波数は従来形のカウンタにより測
定され、次いで、デジタル演算回路により力の単位へと
、または力または加速度の単位へと較正される。最後に
、演算回路から供給されるデータであって、共振装置に
印加される拘束値をあらわすもの、がデジタル表示装置
により表示される。

この装置においては、発振装置から供給される信号の周
波数であって、アナログ量であるもの、が測定され、次
いで論理回路により最終結果がデジタル形式で出現する
態様で処理される。発振器信号がすでにパルス列に変換
されているとすれば、このやりかたは、装置に印加され
る力を測定する最も正確な、再現性のある、そして信頼
性のあるやりかたである。

しかし幾つかの用途においては、結果をアナログ形式で
あられすことが好ましいことであり、すなわち、結果が
、測定されるべき力に応じて、従って発振器から供給さ
れる信号の周波数に応じて連続的に変化する信号の振幅
により与えられるべきである。このことは、知られてい
るアナログ回路であって入力信号の周波数に依存する振
幅をもつ連続的な出力信号を発生させるものにより遂行
されることができる。しかしこのような回路は、時間経
過とともに幾分か不正確かつ不安定になるという短所を
有し、その理由は、該回路の特徴が経時変化に支配され
る部品に依存するからである。

また、知られている形式の論理回路であってデジタル信
号を直接アナログ信号に変換するもの、を用いることも
可能である。この論理回路はデジタル測定の正確さと安
定性を保持するものではあるが、構成が複雑で高価であ
るという不利益点をもつ。

本発明の目的は、物理量の測定用の簡単なそして高価で
ない装置であって、測定結果をアナログ形式で供給する
ことができ、結果をデジタル形式で提供する知られてい
る装置と同じ利点を有するもの、を提案することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、物理量をあられず周波数をもつ第１
の交番信号を発生させる手段、出力信号の振幅をあらわ
す第２の交番信号を発生させる手段、および、該出力信
号を発生させる手段であって、その発生の態様が、該出
力信号のＳ幅が該第１の信号と該第２の信号の位相差に
依存し、したかって該出力信号の振幅が該物理的量をあ
らわすようになっているもの、を具備することを特徴と
する物理量の測定装置、が提供される。

〔実施例〕

本発明による装置は、該装置が力Ａを測定するために設
計された１つの応用における第１図に示される、非限定
の例により示されるが、他の物理量の測定用にも類似の
装置が同様に適用されることができる。

第１図において、符号１は第１の発振装置をあらわし、
該発振装置は圧電材料からなる共振装置３、およびコル
ピッツ形駆動回路を具備し、該コルピッツ形駆動回路は
インバータ４、極性化抵抗５、および２個の共振用キャ
パシタ６および７を有し、これらの素子は詳述しないか
よく知られた態様で相互接続されている。

インバータ４の出力信号の周波数は共振装置３の発振周
波数により決定され、該共振装置の発振周波数はその固
有周波数および印加される力により決定され、そして、
より小なる規模においてこの場合には固定静電容量をも
つキャパシタ６および７に依存する。

インバータ４の出力信号は波形整形回路８に印加され、
該波形整形回路は最も簡単な形式では高利得増幅装置で
あることができる。回路８は出力端子、すなわち第１発
振装置］の出力端子から、第２図に示されるように、一
連の矩形波により形成される信月８１を送出する。信号
Ｓ１は、論理信号であって、該論理信号の周波数が、パ
ルスの反復周波数により測定されるものとして、共振装
置３の発振周波数に対応するもの、と考えられる。

本装置において、共振装置３は力検出装置を横成し、例
えば前記のヨーロッパ特許第９８７９６号（ＥＰ−Ｂ−
０９８７９６）に記載される形式のものであることがで
き、該装置において測定されるべき力Ａは共振装置支持
体に印加される。それにより、力Ａは共振装置３の発振
周波数を変化させ、該変化は信号Ｓ　］、の周波数の変
動を、該発振周波数が印加される力の大きさをあられず
ものとして、生起させる。

信号Ｓ１の周波数は力Ａに加えて、力Ａ以外のパラメー
タ、例えば共振装置３の温度Ｔに依存することが可能で
ある。このような力検出装置において熱の影響は小であ
るにしても、該熱の影響は、完全には除去することがで
きず、測定誤差をもならし、該測定誤差は考慮に入れら
れねばならぬ。

あらゆる効果が線型のものであると仮定し温度を考慮に
入れると、信号Ｓ１の周波数をＦｌであられしたとき周
波数は下記であられされる。

Ｆｌ、　＝　Ｆｏｅ、　−＋−Ｋａ−Δ＋Ｋｔ（Ｔ−Ｔ
ｏ）　　　　　−（］−）ここに、ＫａおよびＫＬは共
振装置３の２つの特性定数、Ｔｏは共振装置３の公称温
度、　Ｆ　ｏ　１は発振装置１の公称周波数、すなわち
共振装置３か温度Ｔ、１であり力が作用していないとき
の周波数である。

符号２で示される第２の発振装置もまた第１図の回路に
組込まれている。この発振装置２は、よく知られている
電圧制御発振装置（ＶＣＯ）形式のものであり、共振装
置１０および発振装置駆動回路を具備し、該発振装置駆
動回路は発振装置］についてのものと同様のものであり
、ただ共振キャパシタの１つが可変容量キャパシタ１２
と直列に接続された固定容量キャパシタ１１である点で
だけ相違しており、該可変容量キャパシタはこの例にお
いては逆極性化されたダイオードである。キャパシタ１
２の静電容量は電圧ＶＣにより制御され、該電圧ＶＣは
２つのキャパシタ１１および１２の接合点１３に減結合
抵抗１４を通して印加される。この抵抗は電圧降下を生
じないのであり、このことは電圧Ｖ。

が直接キャパシタ１２の端子に出現することを意味する
。発振装置の周波数はその共振キャパシタの静電容量に
依存するから、発振装置２の周波数は電圧Ｖｃに依存す
る。

発振装置２は第２図に示されるように信号Ｓ２を供給−
し、該信号は信号Ｓ１のように一連の矩形波で形成され
る。信号Ｓ２の周波数は、Ｆ２であられされＶＣに依存
する。

信号Ｓ１およびＳ２は周期的なものであり同じ波形を有
する。これらの信号の各個は振幅、周波数、および位相
により規定され、該位相は信号Ｓ１についてはＰｌ、信
号Ｓ２についてはＦ２と指定される。２つの信号Ｐ１と
Ｆ２の位相差は、信号Ｓ１の位相と信号Ｓ２の位相のい
ずれが基準とされるかに依存してＦ１２またはＦ２１と
指定される。

本発明の利点をすべてを立証するには、−量的な場合で
あって、共振装置１０の発振周波数が共振装置３の発振
周波数のようにＡ′　であられされる印加される力とＴ
′であられされる温度に依存するという場合を考えるの
が便利である。このような条件下においては、効果が線
型のものであれば、周波数Ｆ２は下記の関係式で与えら
れる。

Ｆ２＝Ｆｏ２＋Ｋａ’　・Ａ’　＋Ｋｔ’　（Ｔ’−Ｔ
ｏ’）＋Ｋｖ−Ｖ。

・・・（２） この関係式において、Ｋａ′およびＫｔ／は共振装置１
０の特性定数Ｔｏ’は共振装置１０の公称温度、Ｋｖは
発振装置２の特性定数であって主として可変キャパシタ
１２の特性に依存するもの、　Ｆ、２は発振装置２の公
称周波数、すなわちＡ　／　、　ＩＩ　Ｔ　１　　Ｔ　
、／　ＴＩおよびＶＣがすべて零のときの周波数である
。

信号Ｓ１およびＳ２は論理信号であって、それぞれが論
理ＬＯＷから論理旧Ｇ１１へ、および論理ＨＩ　Ｇ　＋
１から論理ＬＯＷへ交互に変化するものである。

これらの信号は位相比較回路の入力端子に印加されるが
、該位相比較回路は、この例においては、排他的オアゲ
ート２０である。ゲート２０の出力端子から供給される
信号Ｓ２０は低域ろ波装置２１の入力端子に印加され、
該低域ろ波装置の出力端子は出力電圧Ｖ５を送出する。

ここに図示された例においては、フィルタ２１は単一の
ＲＣユニットで作られているが、勿論、ろ波作を改善す
るにはそのようなユニットを複数個有するフィルタまた
は相異なる、より効率的なフィルタを用いるのが有利で
ある。

ゲート２０から供給される第２図に示される信号２０は
信号Ｓ１とＳ２が同時にＬＯＷまたは同時にＨＩＧ）Ｉ
テあるときＬｏＷであり、信号ｓ１と８２が相異なるレ
ベル状態、すなわちＬＯＷとｌＩ　Ｉ　ＣＩ（またはＨ
［ＨとＬＯＷの状態、にあるとき旧ＧＨである。

したがって信号Ｓ２０は一連の正のパルスで構成される
。これらのパルスは一定振幅をもつ電圧パルスであると
考えられ、該振幅は図示しない調整手段により与えられ
た値に調整される。

可変周波数Ｆ１とＦ２が相互に接近した値であるかまた
は等しい値である場合を考えると、この時点における信
号Ｓ２０のパルス期間とこの信号の期間の比は信号Ｓ１
と８２の位相差瞬時値を量的にあられずものである。信
号Ｓ２０のパルスの振幅は一定であるから、この信号の
平均電圧もまなこの位相差を量的にあられずものである
。勿論、平均電圧の値は与えられた位相差に対応してお
り、信号Ｓ２０のパルスの振幅を調整する手段を用いる
ことにより任意値に調整されることが可能である。

さらにこの平均電圧は低域フィルタ２１の出力端子にお
ける電圧ｖｓに等しく、第２図に図解され、該第２図に
おいては、（ａ）はこのフィルタ２１が単一のＲＣユニ
ットで構成される場合に対応し、（ｂ）はこのフィルタ
がより効率的なフィルタである場合に対応する。

第２図に示されるように信号Ｓ１が位相の基準点にされ
かつ信号Ｓ２が８１より遅れているときは、例えば力Ａ
の増大による周波数Ｆ１の増大はＳｌに対するＳ２の位
相差Ｐ１２の増大をもたらし、それにより電圧Ｖｓの振
幅の増大をもたらす。同様に、周波数Ｆ１の減少は位相
差Ｐ１２の減少をもたらししたがって電圧Ｖ５の減少を
もたらす。

発振装置２においては、この例においてキャパシタ１２
の静電容量がダイオード接合で構成されるから、このキ
ャパシタの電圧■。の増大は該キャパシタの静電容量を
減少させる。

発振装置２においては、この例においてはキャパシタ１
２の静電容量がダイオード接合で構成されているから、
このキャパシタの端子間の電圧Ｖ。

の増大はその静電容量を減少させる。静電容量のこの減
少は発振装置２の周波数Ｆ２の増大を生じさせ、その結
果位相差Ｐ１２を減少させ、それにより電圧Ｖ５の振幅
の減少を生じさせる。同様に、電圧ＶｃＬニア）減少は
キャパシタ１２の静電容量を増大させ、周波数Ｆ２を減
少させ、位相差を増大させ、それにともない電圧ＶＳを
増大させる。

ＶＣとＶ、が反対方向に変化するものとしたとき、ｖｏ
とＦ５を等しくするよう配置された抵抗１４とフィルタ
２１の出力端子の間の接続路２２は信号Ｓ１とＳ２の間
に位相ロックループ（ＰＬＬ）を設定する。したがって
位相Ｐ２は位相Ｐ１に対してロックされ、それにより周
波数Ｆ１−とＦ２を等しくし、この場合に周波数Ｆ２が
周波数Ｆ］−の変化に追従する。

共振装置１０が共振装置３に等しいよう選択されると、
これら共振装置を規定する特性定数もまた等しくなり、
すなわちに、＝Ｋａ’　、Ｋｔ＝Ｋｔ’、そしてＴ。−
Ｔｏ′であり、公称周波数も等しくなり、すなわちＦ。

１＝ＦＯ２となる。さらに２つの共振装置３および１０
が相互に接近して配置されるとこれら共振装置の温度が
常に同じになり、そして位相ロックが周波数Ｆ１とＦ２
を等しくするから、関係式（１）と（２）を各項ごとに
減算することにより、下記の関係式が得られる。

Ｖ　５＝Ｋ（Ａ−Ａ’）　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　・・・く３　）ここにＫ　＝　Ｋａ　／　
Ｋ　ｖである。

その結果として共振装置３および１０を前記のように選
択することにより、電圧Ｖ５は力ＡとＡ′の間の差だけ
の線型関数である。したがって電圧Ｖｓはこの差を生じ
させる物理量のアナログ測定値であるが、この測定は温
度に無関係であり、このことは重要な利点である。

本装置が力を測定するのに用いられるときは、共振装置
１０を、該共振装置が力によっては作動させられないよ
うに配置することで充分である。したがって力Ａ１は零
てあり、この例においては関係式（３）はＶｓ−Ｉ（Ａ
になる。

また共振装置３および１０を、該共振装置が同じ力を周
波数に反対に影響を与えるように作動させる態様に配置
することも可能である。この場合にはＡ’−−Ａと考え
ることができ、関係式（３）はＶ５＝２ＫＡとなる。

したがって、この後者の場合においては、本装置の感度
は共振装置１０に力か作用しない前記の場合の感度の２
倍になる。

本装置はまた加速度計用に用いられることができる。こ
の加速度計用の場合には、質量Ｍが共振装置３の支持体
に固定される。この質量Ｍが加速されると、共振装置３
に作用する力Ａは加速度に比例する。したがって本装置
の出力信号Ｖ５はこの加速度に比例する。

また、このような加速度計の感度は、共振装置１０の支
持体に１つの質量Ｍ’　−Ｍを固定し、共振装置３およ
び１０を下記の態様に配置することすなわち加速度に応
答して作用する力が絶対値が等しく符号が反対の周波数
の変動を生じさせる態様に配置することにより２倍にさ
れることができる。

明瞭なことであるが、以上に述べられた本発明による装
置は、力または加速度のほかに、他の物理量のアナログ
式測定に用いられることができる。

例えば、共振装置１０は温度が一定である態様に配置さ
れることができる。共振装置３および１０に力が印加さ
れないとき、第１図の装置における出力信号Ｖｓは共振
装置３の温度のアナログ式測定値であることができる。

勿論、以上に述べられた測定装置は、本発明の範囲を逸
脱することなしに、当業者に明らかなように、種々の態
様に変形されまた他の形式で具体化されることが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による物理量の測定装置を示
す回路図、 第２図は第１図の回路の種々の点に出現する主要な信号
を示す波形図である。 １．２・・発振装置、　　３・・・共振装置、４・・・
インバータ、　　　　５・・・抵抗、６．７・・・共振
キャパシタ、 ８・・・波形整形回路、　　１０・・共振装置、１１・
・・固定容量キャパシタ、 １２・・・可変容量キャパシタ、 １３・・・接合点、　　　　　１４・・・抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物理量（Ａ）をあらわす周波数をもつ第１の交番信
   号を発生させる手段（１）、 出力信号（Ｖ＿Ｓ）の振幅をあらわす第２の交番信号を
   発生させる手段（２）、および、 該出力信号（Ｖ＿Ｓ）を発生させる手段（２０、２１）
   であつて、その発生の態様が、該出力信号の振幅が該第
   １の信号（Ｓ１）と該第２の信号（Ｓ２）の位相差に依
   存し、したがって該出力信号の振幅が該物理量をあらわ
   すようになっているもの、 を具備することを特徴とする物理量（Ａ）の測定装置。 ２、該第１の信号の発生手段（１）は、該物理的量（Ａ
   ）に依存する発振周波数をもつ第１の共振装置（３）、
   および該第１の共振装置（３）の発振を維持する第１の
   発振駆動回路（４ないし８）であって出力信号が該第１
   の信号（Ｓ１）を構成するもの、を具備し、 該第２の信号の発生手段（２）は、第２の発振装置を具
   備し、該第２の発振装置は第２の共振装置（１０）およ
   び該第２の共振装置（１０）の発振を維持する第２の発
   振駆動回路を包含し、該第２の発振駆動回路の出力信号
   は該第２の信号（Ｓ２）を構成し、該第２の発振駆動回
   路は該出力信号（Ｖ＿Ｓ）の振幅に依存して第２の信号
   （Ｓ２）の周波数を変化させる手段（１２、１４）を有
   し、 該出力信号（Ｖ＿Ｓ）を発生させる手段は、信号（Ｓ２
   ０）を供給する位相比較回路（２０）を具備し、該信号
   （Ｓ２０）の平均値は該第１の信号（Ｓ１）と該第２の
   信号（Ｓ２）の位相差をあらわし、該出力信号（Ｖ＿Ｓ
   ）を発生させる手段は、該位相比較回路（２０）に接続
   され該出力信号（Ｖ＿Ｓ）を送出する低域フィルタ（２
   １）を具備し、該出力信号（Ｖ＿Ｓ）の振幅は該位相差
   および該物理量（Ａ）をあらわすようになっている、請
   求項１記載の装置。 ３、該第２の共振装置（１０）は該第１の共振装置（３
   ）と同一である、請求項２記載の装置。 ４、該第１および第２の共振装置（３、１０）は圧電材
   料で作られている、請求項２記載の装置。 ５、該第２の共振装置（１０）は、第２の信号（Ｓ２）
   の周波数がまた該物理量（Ａ）に依存して変化するよう
   に配置されており、 該第１の共振装置（３）および該第２の共振装置（１０
   ）は、該物理量（Ａ）の或る与えられた変化について、
   該第１の信号（Ｓ１）および該第２の信号（Ｓ２）の周
   波数が反対符号において同じ量だけ変化するよう配置さ
   れている、請求項２記載の装置。 ６、該位相比較回路が排他的オアゲート（２０）である
   、請求項２〜５のいずれかに記載の装置。