JPH09189730A - 水晶振動子のｑ検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な安価な小型装置で、水晶振動子のＱを応
答良く連続データとして測定する。 【解決手段】Ｑ値が測定される水晶振動子１を含むブリ
ッジ回路１０と、このブリッジ回路の入力対角に、周波
数が電圧により制御される一定振幅の交流信号を供給す
る電圧制御発振器１６と、ブリッジ回路１０の出力対角
から発生する交流出力電圧を差動変換する差動増幅器１
２と、この差動増幅器の出力及び前記交流信号間の位相
を比較し、比較結果の位相差信号を前記電圧制御発振器
に供給して、位相同期ループを形成する位相比較器１４
とを備え、前記ブリッジ回路からの出力がピーク位置を
指すように同期調整されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブリッジ回路に含まれ
る水晶振動子のＱ値を連続的に測定する水晶振動子のＱ
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水晶振動子は、様々な用途に使用
され例えば数ＣＰ以下の低粘度液体の高感度粘度センサ
として利用されている。この液体粘度センサは、厚み滑
り型水晶振動子を液体中で発振させ、その共振周波数や
共振の強度により、液体の粘度を測定するものである。

【０００３】例えば粘度η、質量密度ρの液体中で水晶
振動子を発振させた場合には、水晶振動子のコンダクタ
ンスは共振点付近でローレンツ形の共振ピークとなり、
この最大点の周波数が共振周波数ｆｒである。この共振
周波数ｆｒは√ρηに比例するという関係がある。従っ
て、液体の質量密度ρが既知であれば、共振周波数を測
定することによって液体の粘度ηが求められる。しかし
ながら、液体中では水晶振動子の共振強度が低下するた
め、共振ピークが先鋭的にはならず共振周波数のばらつ
きが比較的大きい。

【０００４】更に精度良く粘度を測定するためには、共
振周波数ｆｒにおけるコンダクタンスの値を測定する方
法がある。このコンダクタンスは共振周波数において最
大となり、この値をＧ−ｍａｘとすると、このＧ−ｍａ
ｘは１／√ρηに比例することから、液体の質量密度ρ
が既知の場合には、Ｇ−ｍａｘを測定することによって
液体の粘度が高精度に測定できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に上記コンダクタ
ンスＧ−ｍａｘの測定には、ネットワークアナライザを
代表とする測定機器によって直接測定することができる
が、これらの機器は高価であり、機器自体が大きいこと
が問題として挙げられる。

【０００６】ネットワークアナライザにおいては、Ｇ−
ｍａｘを測定するために周波数を掃引し、得られた波形
のピークを探す２段階の操作が必要となり、またＧ−ｍ
ａｘが１回の掃引で１つのデータしか得ることができな
い。正確な測定を行うためには周波数を掃引する高精度
の発振器が必要になる。また、少なくとも数ＫＨｚの掃
引間隔が必要であるので、粘度が短時間で変化する例え
ば反応溶液を測定することには応用できない。更に入力
周波数がステップ状に変化することに伴って、出力もス
テップ状に変化するため、場合によってはこのデータを
受信する側との同期も必要になる。

【０００７】特開平６−１８５７７号に開示された水晶
振動子のＱ値測定装置は、周波数を掃引し、共振ピーク
点のデータをサンプル・ホールドするという構成がネッ
トワークアナライザと同様であるため、上述と同様な問
題を含んでいる。

【０００８】本発明は上述の水晶振動子のＱまたはＱ変
化を簡単な構成で、応答性良く、連続的に測定すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による水晶振動子
のＱ検出装置は、Ｑ値が検出される水晶振動子を含むブ
リッジ回路と、このブリッジ回路の入力対角に発振周波
数が制御電圧で可変される一定振幅の交流信号を発生す
る電圧制御発振器と、ブリッジ回路のもう一方の対角
（出力対角）からの出力電圧の差分を演算する差動増幅
器と、この差動増幅器の出力信号の位相及びブリッジ回
路への交流信号の位相間を比較し、比較結果の位相差信
号を電圧制御発振器に供給して、位相同期ループを形成
する位相比較器とを備えている。

【００１０】また、位相比較器の出力はフィルタを経て
前記電圧制御発振器に入力され、ブリッジ回路の出力電
圧が検波整流されその後平滑されるピーク値変換回路が
設けられる。このピーク値変換回路は、ブリッジ回路の
出力のピーク値に対応した出力信号を得ている。更に、
電圧制御発振器、差動増幅器又は位相比較器の出力側に
は、位相が微調整できる位相補正回路が設けられる。

【００１１】従って、コンダクタンスピークすなわちＧ
−ｍａｘは、ブリッジ回路の交流信号と出力信号を位相
同期させて、常に水晶振動子の共振ピーク点で発振を行
わせることにより検出される。

【００１２】

【実施例】まず、本発明の原理を説明すると、水晶振動
子の共振点でのコンダクタンスＧ−ｍａｘは、次のよう
に共振点での純抵抗分Ｒの逆数で表される。 Ｇ−ｍａｘ＝１／Ｒ ・・・（１）

【００１３】また共振周波数ｆｒでの水晶振動子のＱは
次式で表される。 Ｑ＝２πｆｒＬ／Ｒ ・・・（２）

【００１４】これら（１）、（２）式よりＱは１／Ｒす
なわちＧ−ｍａｘに比例する事から、共振周波数ｆｒに
おける最大コンダクタンスＧ−ｍａｘを求める事とＱ値
を求めることは同義である。

【００１５】水晶振動子のＱ値を測定する別の方法とし
て「特願平７−１１７６３３号」が提案されている。こ
の液体粘度センサは、図１に示すように２つの相対する
水晶振動子１，１と、これら水晶振動子１，１と等価並
列容量と等しい容量を持つ２つのコンデンサ２，２から
なるインピーダンスブリッジ回路１０を備えている。

【００１６】このインピーダンスブリッジ回路１０は、
入力対角ａ、ｂ間に１Ｖｐｐの正弦波を入力すると、出
力対角ｃ、ｄ間にブリッジ回路の共振点で水晶振動子１
のＱに比例する交流電圧が発生する。図２は、このイン
ピーダンスブリッジ回路内の水晶振動子１を粘度の異な
る液体中に漬けた時のｃ、ｄ間の出力電圧と、入出力信
号間の位相差のグラフとを示す。図２から明らかなよう
に、出力電圧のピーク付近における入力電圧と出力電圧
の位相差は、液体の粘度が変わってもほぼ９０度で一定
である。

【００１７】本発明は、上記原理即ち、入力電圧と出力
電圧の位相差が常に一定（この例では９０度）になるよ
うに回路のループを同期させることによって、出力信号
が常にピーク値すなわちＧ−ｍａｘに比例した電圧を示
すことを利用している。この位相同期ループ回路はいわ
ゆるＰＬＬ回路として知られており、市販の安価なＩＣ
も供給されているため、簡単な回路構成で実現できる。

【００１８】本発明を用いて液体の粘度等を測定する場
合には、ブリッジ回路への入力電圧が常に一定のレベル
でなければならない。ここではブリッジ回路への交流信
号が正弦波である例を述べているが、この正弦波は自動
利得調整回路等で一定のレベルに保持されている必要が
ある。この交流信号は正弦波だけでなく三角波や、矩形
波でも同様の特性を示すことが確認されている。回路の
構成を簡単にする目的で、例えば矩形波の場合デジタル
回路からのパルスをアッテネータ等で分圧し、レベルを
減衰させた信号を交流信号とすることで、正弦波を利得
調整したと同等の交流信号が得られる。

【００１９】ブリッジ回路の出力電圧が交流であること
から、出力段には差動増幅器を設け、接地レベルを基準
とした信号とする必要がある。例えばオペアンプにより
差動増幅器を構成した場合には当然信号に遅れが生じる
ことになり、ブリッジ回路の出力として位相ずれが生じ
てしまう。そこでこの位相ずれを補正する回路を設け、
ブリッジ回路の出力が正確にピーク値を示すように調整
されている。この位相補正回路は、差動増幅器出力と位
相比較器の間、またはレベル調整回路を含む電圧制御発
振器の出力とブリッジ回路の間に配置されることで同期
するべき位相を調整することができる。

【００２０】ブリッジ回路からの出力信号は交流である
ので、検波、整流、平滑する事でピーク値に比例した直
流電圧出力を得ることができる。この直流電圧は連続的
に変化するアナログ電圧であるため、このままレコーダ
の入力や、例えばマイクロコンピュータのＡ／Ｄ変換器
に入力して利用できる。

【００２１】図３は、本発明による水晶振動子のＱ検出
装置のブロック図を示す。インピーダンスブリッジ回路
１０の入力対角ａ、ｂ間には、電圧制御発振器１６から
の交流信号が自動利得調整回路１７を経て入力される。
インピーダンスブリッジ回路１０の出力対角ｃ、ｄ間か
らはＱに対応した交流電圧が出力されるので、これを差
動増幅器１２によって差動信号に変換する。この差動信
号を位相補正回路１３を経て位相比較器１４の位相入力
端子に入力される。位相比較器１４は、他方の入力端子
に後述されるブリッジ回路１０への交流信号が入力さ
れ、両者の位相差を出力する。この位相差信号はＰＬＬ
回路の応答特性が最適になるように調整されたローパス
フィルタ１５を通して直流電圧に変換され、電圧制御発
振器１６の制御電圧として供給されて、位相同期ループ
が形成される。

【００２２】位相補正回路１３は、ブリッジ回路１０の
出力電圧が常にピーク値を示すように位相量が調整され
るもので、挿入位置が本図に示したほかに、Ｐ１、Ｐ
２、Ｐ３、Ｐ４のいずれの位置に挿入されても同様の効
果を得ることができる。

【００２３】ＰＬＬ回路によって最適な位相に同期され
た結果差動増幅器１２の出力は常にＧ−ｍａｘに比例し
た交流電圧が出力されているので、これを検波器２０、
整流器２１、平滑コンデンサ２２で直流信号に変換する
ことによって求める出力電圧Ｖｏｕｔとする事ができ
る。Ｖｏｕｔは連続的なアナログ電圧であるためこの信
号を受信する装置では同期等の特別な考慮は必要ない。
また本発明の回路の応答特性は、ＰＬＬのループ応答特
性と出力電圧を波形整形する際の平滑部の特性でほぼ決
定されるが、一旦ループが同期してからの応答はネット
ワークアナライザの掃引時間に比べれば格段に早く、イ
ンピーダンスブリッジ回路の共振周波数を数ＭＨｚとす
れば平滑の際の時間的な問題は実時間の中では問題ない
程度に収まる。

【００２４】図３における電圧制御発振器１６及び位相
比較器１４はいわゆるＰＬＬＩＣとして市販されている
もので代用でき、代表的なものとして標準ＣＭＯＳＩＣ
の中の７４ＨＣ４０４６が挙げられる。このＩＣはＣＲ
発振で駆動でき、水晶発振回路等の高精度な回路を必要
としないが、ＰＬＬをかけることにより水晶発振回路と
同等の発振精度を得ることができる。

【００２５】このようなパルス信号を出力するＰＬＬＩ
Ｃの場合、出力信号のレベルはＩＣの電源電圧によって
決定されるため、交流信号の場合のような自動利得調整
回路のような複雑な回路は必要ではなく、例えばポテン
ショメータ等の２つの抵抗で分圧した簡単なアッテネー
タ回路で電圧レベルを決めることができる。

【００２６】本発明の構成回路により、あらかじめ粘度
ηと密度ρが測定された軽油の粘度測定を行った。上述
の通りＱの関数であるコンダクタンスピークＧ−ｍａｘ
は１／√ρηに比例するが、本発明がＱ測定に適してい
ることの証明として図４に示すように本発明の回路構成
の出力電圧Ｖｏｕｔは√ρηに比例している。

【００２７】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、水晶振動
子のＱを応答性良く連続したデータとして測定すること
ができる。しかも簡単な回路で構成できるため安価で小
型な装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水晶振動子を含んだインピーダンスブリッジ回
路の概略図である。

【図２】インピーダンスブリッジ回路の出力電圧と入力
電圧の位相差を示すグラフである。

【図３】本発明による水晶振動子のＱ検出装置の１実施
例のブロック図である。

【図４】本発明による水晶振動子のＱ検出装置で計測し
た軽油の粘度測定特性図である。

【符号の説明】

１ 水晶振動子 １０ ブリッジ回路 １２ 差動増幅器 １３ 位相補正回路 １４ 位相比較器 １５ ループフィルタ １６ 電圧制御発振器 １７ 自動利得調整回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｑ値が測定される水晶振動子を含むブリッ
   ジ回路と、 このブリッジ回路の入力対角に、周波数が電圧により制
   御される一定振幅の交流信号を供給する電圧制御発振器
   と、 前記ブリッジ回路の出力対角から発生する交流出力電圧
   を差動変換する差動増幅器と、 この差動増幅器の出力及び前記交流信号間の位相を比較
   し、比較結果の位相差信号を前記電圧制御発振器に供給
   して、位相同期ループを形成する位相比較器とを備え、 前記ブリッジ回路からの出力がピーク位置を指すように
   同期調整されることを特徴とする水晶振動子のＱ検出装
   置。
2. 【請求項２】前記位相同期ループは、前記ブリッジ回
   路、前記位相比較器及び前記電圧制御発振器の入出力間
   に、位相を調整する位相補正回路を設けた請求項１に記
   載の水晶振動子のＱ検出装置。
3. 【請求項３】前記交流信号は矩形波であり、波高値が分
   圧抵抗で調整される請求項１または２に記載の水晶振動
   子のＱ検出装置。
4. 【請求項４】前記差動増幅器からの出力は整流平滑され
   る請求項１、２または３に記載の水晶振動子のＱ検出装
   置。