JPH07286997A - 音響波センサ装置 - Google Patents
音響波センサ装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】低消費電力で小型化及びコスト低減が可能であ
り、複数のセンサ間の相互作用の影響を排除できる音響
波センサ装置を提供すること。 【構成】本発明の音響波センサ装置は、各々が異なるパ
ラメータに感応する複数の音響波センサと、該複数の音
響波センサを繰り返し選択し、一時に何れか１つの上記
音響波センサを出力端に接続するマルチプレクサ２０
と、このマルチプレクサ２０の出力端に接続され、マル
チプレクサ２０により選択された１つの音響波センサと
発振回路を構成する発振駆動回路３０と、上記発振回路
の発振出力の周波数を測定する周波数カウンタ４０と、
周波数カウンタ４０の測定値に基づいて、上記複数の音
響波センサが夫々感応する上記パラメータの測定値を求
めるマイクロ・プロセッサ５０とを具える。
り、複数のセンサ間の相互作用の影響を排除できる音響
波センサ装置を提供すること。 【構成】本発明の音響波センサ装置は、各々が異なるパ
ラメータに感応する複数の音響波センサと、該複数の音
響波センサを繰り返し選択し、一時に何れか１つの上記
音響波センサを出力端に接続するマルチプレクサ２０
と、このマルチプレクサ２０の出力端に接続され、マル
チプレクサ２０により選択された１つの音響波センサと
発振回路を構成する発振駆動回路３０と、上記発振回路
の発振出力の周波数を測定する周波数カウンタ４０と、
周波数カウンタ４０の測定値に基づいて、上記複数の音
響波センサが夫々感応する上記パラメータの測定値を求
めるマイクロ・プロセッサ５０とを具える。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、種々の化学的又は物理
的パラメータの測定に好適な音響波センサ装置に関す
る。
的パラメータの測定に好適な音響波センサ装置に関す
る。
【０００２】
【従来技術】１９８２年１月２６日発行の米国特許第４
３１２２２８号「弾性表面波を用いた検出法及びそのた
めの装置（Methods of Detection with Surface Acoust
ic Wave and Apparati Therefor）」に開示されている
ように、ＳＡＷ（弾性表面波）デバイス、薄膜共振器、
水晶マイクロ天秤のような音響波デバイス（AcousticWa
ve Device）を化学検出用及び物理検出用のセンサとし
て使用し、測定対象パラメータの感応物質をこれらの音
響波デバイスにコーティングして、種々のパラメータの
検出が可能である。パラメータの感応物質をコーティン
グした音響波デバイス（音響波センサという）は、音響
波の伝播特性、例えば位相や伝播速度等が変化する。発
振器のような音響波デバイスの動作を利用する方法によ
り、これら音響波の伝播特性の変化が測定される。
３１２２２８号「弾性表面波を用いた検出法及びそのた
めの装置（Methods of Detection with Surface Acoust
ic Wave and Apparati Therefor）」に開示されている
ように、ＳＡＷ（弾性表面波）デバイス、薄膜共振器、
水晶マイクロ天秤のような音響波デバイス（AcousticWa
ve Device）を化学検出用及び物理検出用のセンサとし
て使用し、測定対象パラメータの感応物質をこれらの音
響波デバイスにコーティングして、種々のパラメータの
検出が可能である。パラメータの感応物質をコーティン
グした音響波デバイス（音響波センサという）は、音響
波の伝播特性、例えば位相や伝播速度等が変化する。発
振器のような音響波デバイスの動作を利用する方法によ
り、これら音響波の伝播特性の変化が測定される。
【０００３】複数の音響波センサを配列し、各音響波セ
ンサには性質の異なる感応材料をコーティングすること
により、複数のパラメータを同時測定しても良い。この
ような音響センサ配列を用いた従来のシステムは、１９
９３年刊行のアナリティカル・ケミストリ（Analytical
Chemistry）第６５巻の１８６８〜１８８１頁のジェイ
・ダブリュー・グレイト（Jay W. Grate）等の論文"Sma
rt Sensor System forTrace Organophosphorus and Org
anosulfur Vapor Detection Employing a Temperature-
Controlled Array of Surface Acoustic Wave Sensors,
Automated Sample Preconcentration, and Pattern Re
cognition" に記載されている。この従来のシステムで
は、複数の発振回路の各々に、専用の表面波センサ用の
発振駆動回路を設けたものを使用している。
ンサには性質の異なる感応材料をコーティングすること
により、複数のパラメータを同時測定しても良い。この
ような音響センサ配列を用いた従来のシステムは、１９
９３年刊行のアナリティカル・ケミストリ（Analytical
Chemistry）第６５巻の１８６８〜１８８１頁のジェイ
・ダブリュー・グレイト（Jay W. Grate）等の論文"Sma
rt Sensor System forTrace Organophosphorus and Org
anosulfur Vapor Detection Employing a Temperature-
Controlled Array of Surface Acoustic Wave Sensors,
Automated Sample Preconcentration, and Pattern Re
cognition" に記載されている。この従来のシステムで
は、複数の発振回路の各々に、専用の表面波センサ用の
発振駆動回路を設けたものを使用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この従来の方法の欠点
は、各発振回路毎に１ワットの電力を消費するので、消
費電力が過大となり、過大な電力消費の結果、センサの
自己加熱が過大となること、発振器間の結合に起因して
発振器の周波数が不都合な値に拘束されること、部品点
数が多くなること、複数の発振駆動回路のための回路ス
ペースが必要となること等である。
は、各発振回路毎に１ワットの電力を消費するので、消
費電力が過大となり、過大な電力消費の結果、センサの
自己加熱が過大となること、発振器間の結合に起因して
発振器の周波数が不都合な値に拘束されること、部品点
数が多くなること、複数の発振駆動回路のための回路ス
ペースが必要となること等である。
【０００５】研究的な使用又は実験室での使用の場合と
は異なり、現場で使用する場合には、測定機器は小型で
携帯性のあるものが望ましい。このためには、消費電力
を低減し、部品点数を低減することが重要であり、勿
論、複数の音響波センサが互いに独立に応答して相互の
影響による不都合な周波数の拘束を防止することが望ま
しい。
は異なり、現場で使用する場合には、測定機器は小型で
携帯性のあるものが望ましい。このためには、消費電力
を低減し、部品点数を低減することが重要であり、勿
論、複数の音響波センサが互いに独立に応答して相互の
影響による不都合な周波数の拘束を防止することが望ま
しい。
【０００６】本発明の目的は、低消費電力で小型化及び
コスト低減が可能であり、複数のセンサ間の相互作用の
影響を排除できる音響波センサ装置を提供することであ
る。
コスト低減が可能であり、複数のセンサ間の相互作用の
影響を排除できる音響波センサ装置を提供することであ
る。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】本発明の音響波センサ装置
は、各々が異なるパラメータに感応する複数の音響波セ
ンサと、該複数の音響波センサを繰り返し選択し、一時
に何れか１つの上記音響波センサを出力端に接続する選
択手段と、該選択手段の出力端に接続され、上記選択手
段により選択された１つの音響波センサと発振回路を構
成する発振駆動手段と、上記発振回路の発振出力の周波
数を測定する周波数測定手段と、該周波数測定手段の測
定値に基づいて、上記複数の音響波センサが夫々感応す
る上記パラメータの測定値を求める演算手段とを具える
ことを特徴とする。
は、各々が異なるパラメータに感応する複数の音響波セ
ンサと、該複数の音響波センサを繰り返し選択し、一時
に何れか１つの上記音響波センサを出力端に接続する選
択手段と、該選択手段の出力端に接続され、上記選択手
段により選択された１つの音響波センサと発振回路を構
成する発振駆動手段と、上記発振回路の発振出力の周波
数を測定する周波数測定手段と、該周波数測定手段の測
定値に基づいて、上記複数の音響波センサが夫々感応す
る上記パラメータの測定値を求める演算手段とを具える
ことを特徴とする。
【０００８】本発明は、単一の発振駆動回路を用い、複
数の音響波センサ配列を効率的に時分割駆動する音響波
センサ装置を提供している。この単一の発振駆動回路
は、センサ配列の中の各センサにデジタル駆動のアナロ
グ・スイッチ（ここではマルチプレクサという）により
順番に接続され、接続されたセンサとの間で発振回路が
形成される。このマルチプレクサは、各音響波センサを
順番に短時間ずつ繰り返し選択し、一時に１つの音響波
センサのみについて発振動作する。Ｎ個の音響波センサ
を用いた場合、発振駆動回路の消費電力及び部品点数を
Ｎ分の１に低減できる。また、一時に１つの音響センサ
しか動作していないので、音響波センサ間のクロストー
ク（相互作用）を排除できる。
数の音響波センサ配列を効率的に時分割駆動する音響波
センサ装置を提供している。この単一の発振駆動回路
は、センサ配列の中の各センサにデジタル駆動のアナロ
グ・スイッチ（ここではマルチプレクサという）により
順番に接続され、接続されたセンサとの間で発振回路が
形成される。このマルチプレクサは、各音響波センサを
順番に短時間ずつ繰り返し選択し、一時に１つの音響波
センサのみについて発振動作する。Ｎ個の音響波センサ
を用いた場合、発振駆動回路の消費電力及び部品点数を
Ｎ分の１に低減できる。また、一時に１つの音響センサ
しか動作していないので、音響波センサ間のクロストー
ク（相互作用）を排除できる。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明の一実施例の構成を示すブロ
ック図である。音響波センサ配列１０は、複数の音響波
センサ１２を有し、各音響波センサ１２には、例えば、
化学組成、圧力、湿度、温度等のような異なる測定対象
パラメータに感応する材料がコーティングされている。
音響波センサ１２の出力は、デジタル駆動の可能なアナ
ログ・スイッチ２０に入力される。このアナログ・スイ
ッチ２０を以下「マルチプレクサ」と呼ぶ。このマルチ
プレクサの出力は、発振駆動回路３０に接続され、選択
された音響波センサ１２と発振駆動回路３０とにより、
共振回路が形成される。この結果得られた発振信号が発
振駆動回路３０から取り出され、周波数カウンタ４０に
供給される。周波数カウンタ４０は、μＰ（マイクロ・
プロセッサ）５０からのゲート信号に応じて、発振駆動
回路３０から入力された発振信号の周波数を測定する。
ゲート信号の終端で、周波数カウンタ４０により測定さ
れた周波数がμＰ５０に送られ、選択された音響波セン
サ１２が感応するパラメータの測定処理が実行される。
μＰ５０は、マルチプレクサ２０にもデジタル・アドレ
ス形式の選択コマンドを供給し、どの音響波センサ１２
を発振駆動回路３０に接続するかを決定する。
ック図である。音響波センサ配列１０は、複数の音響波
センサ１２を有し、各音響波センサ１２には、例えば、
化学組成、圧力、湿度、温度等のような異なる測定対象
パラメータに感応する材料がコーティングされている。
音響波センサ１２の出力は、デジタル駆動の可能なアナ
ログ・スイッチ２０に入力される。このアナログ・スイ
ッチ２０を以下「マルチプレクサ」と呼ぶ。このマルチ
プレクサの出力は、発振駆動回路３０に接続され、選択
された音響波センサ１２と発振駆動回路３０とにより、
共振回路が形成される。この結果得られた発振信号が発
振駆動回路３０から取り出され、周波数カウンタ４０に
供給される。周波数カウンタ４０は、μＰ（マイクロ・
プロセッサ）５０からのゲート信号に応じて、発振駆動
回路３０から入力された発振信号の周波数を測定する。
ゲート信号の終端で、周波数カウンタ４０により測定さ
れた周波数がμＰ５０に送られ、選択された音響波セン
サ１２が感応するパラメータの測定処理が実行される。
μＰ５０は、マルチプレクサ２０にもデジタル・アドレ
ス形式の選択コマンドを供給し、どの音響波センサ１２
を発振駆動回路３０に接続するかを決定する。
【００１０】μＰ５０は、化学濃縮のない状態又は１気
圧の場合のような名目校正値に対応するセンサと発振駆
動回路との組み合わせの名目周波数をメモリに記憶す
る。この名目周波数からの偏差は、μＰ５０により、マ
イクロ・プロセッサのメモリに記憶された校正曲線に基
づき、特定のパラメータの測定値として換算される。μ
Ｐ５０は、各音響波センサ１２の測定値を英数字、図形
等の適切な形式で表示画面上に出力する。
圧の場合のような名目校正値に対応するセンサと発振駆
動回路との組み合わせの名目周波数をメモリに記憶す
る。この名目周波数からの偏差は、μＰ５０により、マ
イクロ・プロセッサのメモリに記憶された校正曲線に基
づき、特定のパラメータの測定値として換算される。μ
Ｐ５０は、各音響波センサ１２の測定値を英数字、図形
等の適切な形式で表示画面上に出力する。
【００１１】例えば、各音響波センサ１２にコーティン
グする感応物質は、液体中で互いに異なる化学的汚染物
質に感応する物質を使用しても良い。μＰ５０は、マル
チプレクサ２０を介して各音響波センサ１２を１０ミリ
秒ずつ駆動する。これにより、Ｎ個の音響波センサを用
いると、各音響波センサ１２は、Ｎ×１０ミリ秒間隔で
駆動されることになる。Ｎ＝１０の場合、この動作間隔
は１００ミリ秒となる。２つの時間間隔ＴＭ（個々の音
響波センサ１２の測定時間）及びＴＴ（Ｎ個のセンサの
総合測定時間、ＴＴ＝Ｎ×ＴＭ）は、以下の条件に従
う。
グする感応物質は、液体中で互いに異なる化学的汚染物
質に感応する物質を使用しても良い。μＰ５０は、マル
チプレクサ２０を介して各音響波センサ１２を１０ミリ
秒ずつ駆動する。これにより、Ｎ個の音響波センサを用
いると、各音響波センサ１２は、Ｎ×１０ミリ秒間隔で
駆動されることになる。Ｎ＝１０の場合、この動作間隔
は１００ミリ秒となる。２つの時間間隔ＴＭ（個々の音
響波センサ１２の測定時間）及びＴＴ（Ｎ個のセンサの
総合測定時間、ＴＴ＝Ｎ×ＴＭ）は、以下の条件に従
う。
【００１２】条件１． 時間間隔ＴＭは、動作のスター
ト・アップ及び安定化のために、選択された音響波セン
サ１２及び発振駆動回路２０により形成された発振回路
に必要な時間ＴＳよりも長くなければならない。この時
間ＴＳは、発振のＱの値と発振期間との積のオーダーで
ある。殆どの音響波デバイスは、Ｑの値が高く（１００
〜１００００）、発振周波数は１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ
（１００〜１ナノ秒）であるから、この時間ＴＳは、１
００ナノ秒〜１００マイクロ秒程度である。時間間隔Ｔ
Ｍを１０ミリ秒にすると、時間ＴＳの経過後の発振周波
数の測定時間として十分である。発振駆動回路３０は、
破線で示したＬＣタンク回路３５のようなエネルギー蓄
積手段を含み、発振器のスイッチングの時に発振信号を
維持させるように構成しても良い。このような構成にす
ると、発振信号についてノイズ対策を施す必要がなくな
り、発振駆動回路３０のスタート・アップ時間が短縮で
きる。
ト・アップ及び安定化のために、選択された音響波セン
サ１２及び発振駆動回路２０により形成された発振回路
に必要な時間ＴＳよりも長くなければならない。この時
間ＴＳは、発振のＱの値と発振期間との積のオーダーで
ある。殆どの音響波デバイスは、Ｑの値が高く（１００
〜１００００）、発振周波数は１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ
（１００〜１ナノ秒）であるから、この時間ＴＳは、１
００ナノ秒〜１００マイクロ秒程度である。時間間隔Ｔ
Ｍを１０ミリ秒にすると、時間ＴＳの経過後の発振周波
数の測定時間として十分である。発振駆動回路３０は、
破線で示したＬＣタンク回路３５のようなエネルギー蓄
積手段を含み、発振器のスイッチングの時に発振信号を
維持させるように構成しても良い。このような構成にす
ると、発振信号についてノイズ対策を施す必要がなくな
り、発振駆動回路３０のスタート・アップ時間が短縮で
きる。
【００１３】条件２． 時間間隔ＴＴは、音響波センサ
１２及びそれらのハウジングの熱時間コンスタントＴＨ
よりも十分に短くなければならない。音響波センサ１２
の安定動作のためには、音響波センサの温度制御が必要
となるので、音響波センサの一様な加熱が望ましい。時
間間隔ＴＨが５秒間で、時間間隔ＴＴが１００ミリ秒で
あると仮定すると、各音響波センサ１２は、１００ミリ
秒毎に加熱され、その間の期間では僅かに冷却されるの
で、略一定の温度に維持される。この時間平均化動作に
より、音響波センサ配列１０の全体の消費電力は、略一
定で一様に維持される。
１２及びそれらのハウジングの熱時間コンスタントＴＨ
よりも十分に短くなければならない。音響波センサ１２
の安定動作のためには、音響波センサの温度制御が必要
となるので、音響波センサの一様な加熱が望ましい。時
間間隔ＴＨが５秒間で、時間間隔ＴＴが１００ミリ秒で
あると仮定すると、各音響波センサ１２は、１００ミリ
秒毎に加熱され、その間の期間では僅かに冷却されるの
で、略一定の温度に維持される。この時間平均化動作に
より、音響波センサ配列１０の全体の消費電力は、略一
定で一様に維持される。
【００１４】音響波センサ１２は、μＰ５０により、発
振駆動回路３０にマルチプレクサ２０を介して繰り返し
接続されるが、その繰り返し接続の順番は、熱分布パタ
ーンを最適化するために単純な直線的順番ではない。上
述のように、センサから別のセンサに切り替える際のト
ランジェント変化により、周波数カウンタ４０の動作が
乱れた場合には、μＰ５０からのゲート信号により、周
波数シフトを検出する周波数カウンタ４０の接続又は切
断を行っても良い。このような構成により、部品点数及
び消費電力は、Ｎ個の発振駆動回路を用いた従来と比較
してＮ分の１となり、装置の小型化、携帯化に有利とな
り、装置の寸法、重量及び消費電力の制限が厳しい場合
に特に有効である。
振駆動回路３０にマルチプレクサ２０を介して繰り返し
接続されるが、その繰り返し接続の順番は、熱分布パタ
ーンを最適化するために単純な直線的順番ではない。上
述のように、センサから別のセンサに切り替える際のト
ランジェント変化により、周波数カウンタ４０の動作が
乱れた場合には、μＰ５０からのゲート信号により、周
波数シフトを検出する周波数カウンタ４０の接続又は切
断を行っても良い。このような構成により、部品点数及
び消費電力は、Ｎ個の発振駆動回路を用いた従来と比較
してＮ分の１となり、装置の小型化、携帯化に有利とな
り、装置の寸法、重量及び消費電力の制限が厳しい場合
に特に有効である。
【００１５】したがって、本発明は、単一の発振駆動回
路を設け、マルチプレクサにより時分割で複数の音響波
センサを順番に選択し、全体として効率的に動作させる
音響波センサ装置を提供している。各音響波センサによ
り順番に出力される信号の周波数は、周波数カウンタに
より測定され、その測定周波数に基づいて、マイクロ・
プロセッサにより、選択された音響波センサが感応する
パラメータの測定値が計算される。
路を設け、マルチプレクサにより時分割で複数の音響波
センサを順番に選択し、全体として効率的に動作させる
音響波センサ装置を提供している。各音響波センサによ
り順番に出力される信号の周波数は、周波数カウンタに
より測定され、その測定周波数に基づいて、マイクロ・
プロセッサにより、選択された音響波センサが感応する
パラメータの測定値が計算される。
【００１６】以上、本発明の好適実施例を説明したが、
本発明は、上述の実施例のみに限定されるものではな
く、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の変形及
び修正を加え得ることは当業者には明らかである。
本発明は、上述の実施例のみに限定されるものではな
く、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の変形及
び修正を加え得ることは当業者には明らかである。
【００１７】
【発明の効果】本発明の音響波センサ装置は、複数の音
響波センサに対して単一の発振駆動手段を切り替え使用
するので、部品点数及び消費電力を大幅に低減可能であ
り、装置の小型化、携帯化に極めて有利である。また、
複数の音響波センサの内一時に１つしか選択されないの
で、音響波センサ間のクロストークも発生しない。
響波センサに対して単一の発振駆動手段を切り替え使用
するので、部品点数及び消費電力を大幅に低減可能であ
り、装置の小型化、携帯化に極めて有利である。また、
複数の音響波センサの内一時に１つしか選択されないの
で、音響波センサ間のクロストークも発生しない。
【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。
る。
１０ 音響波センサ配列 １２ 音響波センサ ２０ マルチプレクサ（選択手段） ３０ 発振駆動回路（発振駆動手段） ４０ 周波数カウンタ（周波数測定手段） ５０ マイクロ・プロセッサ（演算手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・エイチ・ペッパー アメリカ合衆国オレゴン州97229 ポート ランド ノース・ウェスト ワンハンドレ ッド・フォーティーンス 710
Claims (1)
- 【請求項１】 各々が異なるパラメータに感応する複数
の音響波センサと、該複数の音響波センサを繰り返し選
択し、一時に何れか１つの上記音響波センサを出力端に
接続する選択手段と、 該選択手段の出力端に接続され、上記選択手段により選
択された１つの音響波センサと発振回路を構成する発振
駆動手段と、 上記発振回路の発振出力の周波数を測定する周波数測定
手段と、 該周波数測定手段の測定値に基づいて、上記複数の音響
波センサが夫々感応する上記パラメータの測定値を求め
る演算手段とを具えることを特徴とする音響波センサ装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/225867 | 1994-04-11 | ||
| US08/225,867 US5488866A (en) | 1994-04-11 | 1994-04-11 | Time-interleaved method for efficient operation of an acoustic wave sensor array |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07286997A true JPH07286997A (ja) | 1995-10-31 |
Family
ID=22846578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7110021A Pending JPH07286997A (ja) | 1994-04-11 | 1995-04-11 | 音響波センサ装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5488866A (ja) |
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| JP (1) | JPH07286997A (ja) |
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- 1995-04-11 JP JP7110021A patent/JPH07286997A/ja active Pending
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|---|---|
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