JP3676822B2 - 表面弾性波を利用する電子的重さ計量装置 - Google Patents

Description

発明の背景
１． 発明の分野
本発明は電子的重さ計量装置に関する。詳細には、本発明は、重さを測定するため表面弾性波を用いる電子的重さ計量装置に関する。
２． 現状技術水準
精密な電子的重さ計量装置は当該技術分野において広く知られており、多くの種々の技術がこれらの電子的重さ計量装置において利用されている。研究所の秤（ｓｃａｌｅ）即ち「秤（ｂａｌａｎｃｅ）」は、典型的には、約１，２００グラムの能力と約０．１グラムの分解能を有する。これは、同じ分解能と１２，０００グラムの範囲とを持つ秤が入手可能であるにも拘わらずである。これらの秤の精度は、磁気力回復として知られている技術の使用を通して達成される。一般に、磁気力回復は、秤のプラットフォーム上の重さに対抗する電磁力の使用に関係する。プラットフォーム上の重さが大きければ大きいほど、重さを支えるため必要とされる電流は大きくなる。これらの秤が（１２０，０００グラムにつき１部まで）非常に正確であるが、一方それらは高価で且つ周囲温度に非常に敏感である。更に、それらの範囲は比較的限定されている。
大部分の他の電子的重さ計量装置はロードセル技術を用いている。ロードセル秤においては、印加した重みは、表面に歪ゲージが接着されている柱を圧縮する。歪ゲージは、伸ばされるか圧縮されるかしたとき電気的抵抗の変化を受ける細いワイヤである。抵抗のこの変化の測定値は印加した重みの尺度を生じる。ロードセル秤は、非臨界の重さ計量動作で用いられ、通常３０００につき約１部の分解能を有する。ロードセル秤において入手可能な最大分解能は、多くの臨界の重さ計量動作にとって十分である１０，０００につき約１部である。しかしながら、ロードセル秤は数千ポンドの能力をもつことができる。
電子的重さ計量装置においては多くの改善がなされてきたが、精度の向上、範囲の拡大及び低コストを有する電子的重さ計量装置に対する現在の要求が依然ある。
発明の概要
従って、本発明の目的は、正確で且つ用いるのが容易である電子的重さ計量装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、広範囲の重さにわたって正確である電子的重さ計量装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、コンパクトで且つ構成が容易である電子的重さ計量装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、製造するのに安価である電子的重さ計量装置を提供することにある。
本発明の追加の目的は、表面弾性波を利用し、且つ反射波を低減するための手段が設けられている電子的重さ計量装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、システム内での温度勾配にも拘わらず精度を維持する電子的重さ計量装置を提供することにある。
本発明の更なる目的は、比較的高周波数での表面弾性波を利用する電子的重さ計量装置を提供することにある。
以下に詳細に説明するこれらの目的に従って、本発明の電子的重さ計量装置は、その上に荷重プラットフォームが取り付けられているカンチレバー型の弾性部材を支持する基台を含む。第１の実施形態においては、弾性部材の自由端には第１の圧電性トランスジューサが設けられ、第２の圧電性トランスジューサは基台により支持されている。第２のそして現在好適な実施形態においては、弾性部材の内部はくりぬかれており、そして対向した支柱のそれぞれに取り付けられている第１及び第２の圧電性トランスジューサが設けられている。双方の実施形態において、各トランスジューサは、実質的に矩形の圧電性基板と、該基板の１つの端部にインプリント（ｉｍｐｒｉｎｔ）された１対の電極とを含み、一方の対の電極は送信機として作用し、他方の対の電極は受信機として作用する。これらのトランスジューサは、そられの基板と共に互いに実質的に平行でそれらの間に小さいギャップを有し且つそれらのそれぞれの電極が相対的に反対位置にあるよう配列されている。第２のトランスジューサの受信機電極は増幅器の入力に結合され、該増幅器の出力は第１のトランスジューサの送信機電極に結合されている。トランスジューサは「遅延線」を形成し、遅延線及び増幅器の結果として生じる回路は正帰還ループ、即ち自然の発振器である。詳細には、増幅器の出力は、第１のトランスジューサが第１のトランスジューサ基板の表面に沿ってその電極から遠ざかるように伝搬する表面弾性波（「ＳＡＷ」）を放出するようにさせる。第１のトランスジューサにおいて伝搬する波は基板に発振電界を誘発し、次いで該発振電界は似たＳＡＷ波を第２のトランスジューサ基板の表面に誘発し、該ＳＡＷ波は第２のトランスジューサ基板の表面に沿って同じ方向に第２のトランスジューサの電極に向けて伝搬する。第２のトランスジューサにおいて誘発された波は第２のトランスジューサに交流電圧を生成させ、該交流電圧は第２のトランスジューサの電極により増幅器入力へ供給される。回路は自然の発振器として動作し、増幅器の出力はこれらのトランスジューサの物理的特性、それらの相互の距離、並びにトランスジューサのそれぞれの電極間の距離に依存する特定の周波数を有する。
本発明によれば、荷重（ｌｏａｄ）が荷重プラットフォームに印加されたとき、カンチレバー型の弾性部材は、移動し又は曲がり、そして第１のトランスジューサが第２のトランスジューサに対して移動するようにさせる。第１のトランスジューサの第２のトランスジューサに対する移動は、増幅器の出力での周波数の変化を生じさせる。弾性部材の移動又は曲がりは印加された重さ測定対象物（ｌｏａｄ）の重さに比例し、そして増幅器の出力での周波数及び／又は周波数変化は弾性部材の変位に対して較正することができる。
本発明の好適な局面に関連する多くの異なる実施形態が開示されている。とりわけ、本実施形態は、遅延線の周波数応答の異なる発振モードを明らかにし、ＳＡＷ反射を明らかにし、システムにおける温度勾配を明らかにすることを提供する。
設けられた装置は、１００，０００につき少なくとも１部のオーダ、例えば１００キログラムにつき１グラムの精度を達成することができる。装置の部品は容易に製造され、装置の組み立ては安価である。増幅器の出力に結合されている回路は、自己較正能力を設けてもよく、また装置が使用し易いようにユーザ・フレンドリなインタフェースを設けることもできる。
本発明の更なる目的及び利点は、当業者には提供された図面と関連した詳細な説明を参照すると明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の例示的実施形態の側面図である。
図１ａは、本発明の第２の例示的実施形態の側面図である。
図２は、フィードバック回路の中に結合された図１又は図１ａの１対のトランスジューサの拡大破断側面及び部分的概略図である。
図２ａは、第１のトランスジューサの拡大平面及び部分的概略図である。
図２ｂは、第２のトランスジューサの拡大平面及び部分的概略図である。
図３は、３つの発振モードを示す本発明による遅延線についての周波数応答カーブの一部のグラフである。
図３ａは、モード変化直前の点での４つの発振モードを示す図３に類似したグラフである。
図３ｂは、モード変化直後の点での４つの発振モードを示す図３に類似したグラフである。
図４は、第１の増幅器の出力を表す周期関数のグラフである。
図４ａは、相補的ピックアップの出力を表すグラフである。
図４ｂは、第２の増幅器の出力を表す周期関数のグラフである。
図５は、本発明の別の実施形態に従った２つの相補的トランスジューサ対の拡大平面及び部分的概略図である。
図６は、トランスジューサの変位を、従って弾性部材に印加される重さを決定するための回路のブロック図である。
図７は、４つの弾性部材を利用する本発明の別の実施形態の上面図である。
図８ａは、本発明に従った第１の反射防止構造を有するトランスジューサの拡大概略平面図である。
図８ｂは、本発明に従った第２の反射防止構造を有するトランスジューサの拡大概略側面図である。
図８ｃは、本発明に従った第３の反射防止構造を有するトランスジューサの拡大概略側面図である。
図９は、本発明に従った反射防止構造を有する部分的に重なっているトランスジューサ・システムの拡大概略側面図である。
図１０は、反射防止構造及び熱シンクを組み込んだ、本発明に従った部分的に重なっている差動トランスジューサ・システムの拡大概略側面図である。
図１０ａは、図１０のシステムの一方のトランスジューサ対の拡大概略平面図である。
図１０ｂは、図１０のシステムの他方のトランスジューサ対の拡大概略平面図である。
図１１は、分割されている第２チャネルを組み込んだ、本発明に従った差動トランスジューサ・システムの拡大概略側面図である。
図１１ａは、図１１のシステムの一方のトランスジューサ対の拡大概略平面図である。
図１１ｂは、図１１のシステムの他方のトランスジューサ対の拡大概略平面図である。
図１２は、２つの個別熱トランスジューサ・チャネル対を有する差動トランスジューサ・システムの第１の部分の拡大概略平面図である。
図１３は、２つの個別熱トランスジューサ・チャネル対を有する差動トランスジューサ・システムの第２の部分の拡大概略平面図である。
図１４は、作用状態の配列にある図１２及び図１３のトランスジューサの概略透視図である。
図１５は、変位トランスジューサと同じ音響チャネルに配置された熱トランスジューサを有するトランスジューサ・システムの拡大概略側面図及びそのトランスジューサ・システム用回路例である。
図１６は、図１５のトランスジューサ・システムの第１の部分の拡大概略平面図である。
図１７は、図１５のトランスジューサ・システムの第２の部分の拡大概略平面図である。
図１８は、同一の音響チャネルを共用する２つのトランスジューサを有する差動トランスジューサ・システムの拡大概略側面図である。
図１９は、図１８のトランスジューサ・システムの第１の部分の拡大概略平面図である。
図２０は、図１８のトランスジューサ・システムの第２の部分の拡大概略平面図である。
図２１から図２６は、本発明による発振モード及び位相シフトを示す本発明に従った遅延線についての周波数応答カーブの部分のグラフである。
図２７は、本発明に従った位相シフトを有する正帰還ループの概略図である。
好適な実施形態の詳細な説明
図１を参照すると、本発明に従った電子的重さ計量装置１０の第１の実施形態は、くりぬき部１５を有するカンチレバー型の弾性部材１４を支持する基台１２を含み、その弾性部材１４の上に荷重プラットフォーム１６が取り付けられている。弾性部材の自由端１８には第１の圧電性トランスジューサ２０が設けられており、第２の圧電性トランスジューサ２２が基台１２により支持されている。以下でより詳細に記載されるように、弾性部材１４には歪ゲージ１７又は総計的（ｇｒｏｓｓ）位置を決定する他の手段が任意に設けられている。
本発明に従った電子的重さ計量装置１０ａの第２のそして現在好適な実施形態が図１ａに見られ、くりぬき部１５ａを有するカンチレバー型の弾性部材１４ａを支持する基台１２ａを含み、その弾性部材１４ａの上に荷重プラットフォーム１６が取り付けられている。くりぬき部１５ａには２つの対向した支柱１９、２１が設けられ、該２つの対向した支柱１９、２１に第１の圧電性トランスジューサ２０と第２の圧電性トランスジューサ２２がそれぞれ取り付けられている。支柱１９、２１は、トランスジューサ２０、２２を弾性部材１４ａの中心に配置し、且つトランスジューサを弾性部材１４ａの反対端部に機械的に結合するよう働く。トランスジューサを弾性部材の中心に配置することにより弾性部材の自由端で自ら示すであろう該弾性部材に対するいずれのトルクも補償することが認められるであろう。これは図１の実施形態に関して改善した精度をもたらす。印加（例えば、重さを計量されるべき最大荷重）に応じて、弾性部材はアルミニウム又はスティールで作られる。現在好適な弾性部材は、最大荷重で０．１から０．２ｍｍの最大変位を示す。
ここで、図１及び図１ａと関連する図２、図２ａ及び図２ｂに向くと、第１の圧電性トランスジューサ２０は、実質的に矩形の圧電性基板２０ａと、該基板上でその上側端部にインプリントされた１対の電極２０ｂとを含む。第２の圧電性トランスジューサ２２は、実質的に矩形の圧電性基板２２ａと、該基板上でその下側端部にインプリントされた１対の電極２２ｂとを含む。当該基板はニオブ酸リチウムから作られていることが好ましい。これらトランスジューサは、それらの基板と共に互いに実質的に平行にそれらの間に小さいギャップ「ｇ」を有するように配列されている。第２の圧電性トランスジューサ２２の電極２２ｂは、電源（図示せず）により給電されている増幅器２４の入力２４ａに結合されている。その結果生じる回路は、正帰還ループの自然発振器、「遅延線」である。増幅器２４の出力２４ｂは、第１の圧電性トランスジューサ２０の電極２０ｂに交流電圧を発生し、該交流電圧は表面弾性波（「ＳＡＷ」）２６を発生し、該ＳＡＷ波２６は第１のトランスジューサ基板２０ａの表面に沿ってその電極２０ｂから遠ざかるように伝搬する。第１のトランスジューサ２０の基板２０ａが第２のトランスジューサ２２の基板２２ａに対して比較的接近しているので、圧電性基板２０ａにおけるＳＡＷ波２６の結果として誘発される発振電界は、次いで類似のＳＡＷ波２８を第２のトランスジューサ基板２２ａの表面上に誘発することができ、該ＳＡＷ波２８は、同じ方向で該第２のトランスジューサ基板の表面に沿って第２のトランスジューサ２２の電極２２ｂに向けて伝搬する。第２のトランスジューサ２２において誘発された波２８は、第２のトランスジューサ２２の電極２２ｂが増幅器２４の入力２４ａに与えられる交流電圧を生成するようにさせる。増幅器２４の利得がシステムの損失より大きい限り、回路は自然の発振器として動作し、増幅器２４の出力２４ｂはトランスジューサの物理的特性及び相互からのそれらの距離、並びにトランスジューサのそれぞれの電極間の距離に依存する特定の周波数を有する。特に、発振器の周波数は、ＳＡＷが電極２０ｂから電極２２ｂまで伝搬するのに要する時間に直接関連する。
本発明の現在好適な実施形態によれば、ＳＡＷ２６はほぼ２０−５０ＭＨｚで１００−２００マイクロメートルの波長を有する。システム内の損失を制限するため、第１及び第２のトランスジューサの基板同士間のギャップ「ｇ」はできるだけ小さく、せいぜい２分の１波長から１波長まで、即ち１００−２００マイクロメートルであることが好ましく、０．１波長より大きくないことが更に好ましい。そのようなギャップにより、増幅器２４が少なくともほぼ１７ｄＢの利得を有する場合、発振する系を通常発生することができる。
ここで図１、図１ａ、図２、図２ａ及び図２ｂを参照すると、荷重（図示せず）が荷重プラットフォーム１６、１６ａに印加されるとき、カンチレバー型の弾性部材１４の自由端は、下方に移動し、そして第１の圧電性トランスジューサ２０が第２のトランスジューサ２２に対して移動するようにさせる。特に、それは、第１の圧電性トランスジューサ２０の電極２０ｂが第２のトランスジューサ２２の電極２２ｂに対して一層近くへ移動するようにさせる。これは、「遅延線」の短縮をもたらす。遅延線の短縮は、増幅器の出力での周波数の増大を生じさせる。弾性部材の変位は印加した重さ測定対象物の重さに比例し、そして増幅器の出力での周波数又は周波数の増大は弾性部材により移動した距離に対して較正することができる。
ここで図３、図３ａ及び図３ｂに向くと、遅延線の周波数応答は、発振器回路、即ちそこでは利得が損失より大きいその発振器回路の有り得る周波数を表す一連のローブ、例えばＬ１、Ｌ２及びＬ３により表される。中央即ち主ローブＬ２は、発振器が最低損失を有する周波数を含む。周波数ｆ₀は、回路が最小損失を有する、主ローブＬ２における周波数である。周波数応答カーブはこれらのローブに分割されているので、回路が発振しない或る周波数があることが理解されるであろう。更に、回路が最も少ない損失を有する周波数で発振しようとし、また発振の周波数は最低損失を達成するためモードを変え得ることが認められるであろう。発振の異なるモードは、２πの倍数の位相シフトを有する周波数である。例えば、発振の３つのモード、ｆ₀、ｆ₀＋２πω及びｆ₀−２πωが図３に示されており、そこにおいてはωは定数である。これらのモードの中での周波数応答における損失は周波数ｆ₀で最も低いので、発振器はｆ₀で発振するであろう。
前述したように、遅延線における距離は短縮されるので、発振器の周波数は増大する。例えば、第１のトランスジューサ２０が弾性部材１４（図１）に印加される荷重の影響を受けて移動される場合、発振器の周波数はｆ₀（図３）からｆ₁（図３ａ）まで上昇するであろう。この新しい周波数ｆ₁で、遅延線の周波数応答は多くの発振モードを示し、それらのモードのうちの４つ、即ちｆ₁、ｆ₁＋２πω、ｆ₁−２πω及びｆ₁−４πωが図３ａに示されている。図３ａに示されているように、ｆ₁は最低損失であるモードの周波数である。しかし、周波数ｆ₁−２πωを有するモードでの損失は、周波数ｆ₁を有するモードと殆ど同じ程度に低い。遅延線が弾性部材上の荷重が増大することにより更に短縮される場合、発振器の周波数は、周波数ｆ₁を越えて図３ｂに示される周波数ｆ₂＋２πωまで増大するであろう。図３ｂを参照すると、発振器の周波数がｆ₂＋２πωになると、ｆ₂、ｆ₂＋２πω、ｆ₂−２πω及びｆ₂＋４πωを含む多くの発振モードが可能であることが認められるであろう。図３ｂから周波数ｆ₂を有するモードでの応答における損失は、周波数ｆ₂＋２πωを有するモードでの損失より小さいことが認められるであろう。従って、発振器は、発振のモードを変え、より低い周波数、即ちｆ₂で発振するであろう。
所望ならば、発振モードを変えることは、発振モードが変わる周波数を発振器の周波数が決して越えないように第１のトランスジューサの変位を制限することにより避けることができる。適切な周波数応答を示すよう遅延線を設計することにより、発振モードが変わる前に１波長まで遅延線の長さを変えるようにすることが可能である。先に与えられた例において、遅延線の長さは約２００マイクロメートルだけ短縮することができ、即ち、弾性部材は発振モードの変化を生じさせることなく約２００マイクロメートルだけ変位させることができる。そのような小さい変位は、重さの測定範囲を制限するか、又は弾性部材の特性に応じて測定の「分解能」（精度）を低減するかのいずれかをもたらす。例えば、「柔らかい」弾性部材は軽い重さの小さい範囲を測定するため用いることができ、また「堅い」弾性部材は限定した精度で広範囲の重さを測定するため用いることができる。本発明の好適な実施形態によれば、遅延線の長さは約７００マイクロメートルだけ変化させることが可能であり、従って発振モードは３回から４回変えることが可能である。
図４は、増幅器２４の出力の周波数「ｆ」を弾性部材１４の変位「ｄ」の関数として図示する。弾性部材が休止点Ｐ₀から第１の点Ｐ₁まで変化したとき、増幅器出力の周波数は第１の周波数ｆ₀から第２の周波数ｆ₁まで増大する。前述したように、弾性部材が位置Ｐ₂へ変位したとき、発振器は、遅延線の周波数応答に起因して発振モードを変え、より高い周波数ｆ₂＋２πωよりむしろより低い周波数ｆ₂で発振する。結局、周波数の範囲は、モードが再び変わるまで位置Ｐ₃でのｆ₁を通って繰り返す。こうして、増幅器の周波数出力は、弾性部材の種々の変位で発生した同じ周波数を有する周期関数となるであろう。例えば、図４に示されるように、同じ周波数ｆ₁は、弾性部材１４の種々の変位位置Ｐ₁、Ｐ₃及びＰ₄を表すことになる。
周波数がｆ₁であるとき、位置Ｐ₁、Ｐ₃及びＰ₄のうちのどれが弾性部材の真の変位を表すかを決定する幾つかの方法がある。例えば、増幅器２４の出力をモニタし、周波数が降下し次いで上昇する回数をカウントし、モジュール算数を適用して弾性部材の正しい位置を計算することが可能である。代替として、先に提案されそして図１に示されるように、弾性部材１４には歪ゲージ、容量性又は誘導性トランスジューサ、又は非周期出力を発生する類似のもののような総計的変位検出器１７が設けられてもよい。図４ａは、歪ゲージ又は他の「総計的」位置トランスジューサが弾性部材に結合され、該弾性部材の変位に応答して非周期信号ｆ′を与える代替方法を図示する。信号ｆ′は、弾性部材の位置の非常に正確な指示を表す必要はない。信号ｆ′は周期関数ｆの何サイクルを横切ったかを決定するのに十分なほど正確であれば十分である。こうして、図４及び図４ａに示されるように、弾性部材が位置Ｐ₁、Ｐ₃又はＰ₄に変位されるとき、３つの別個の信号ｆ₁′、ｆ₃′及びｆ₄′が総計的位置トランスジューサにより発生される。周期信号の各サイクルｆは信号ｆ′の範囲により表される。従って、信号ｆ′をルックアップテーブルと比較することにより、関数ｆの正しいサイクルを決定することができ、そして内挿を有するモジュール算数を用いて弾性部材の正しい変位を決定する。しかしながら、現在好適な実施形態（図５を参照して以下に説明する）によれば、図４ｂに示されるように、第２の周期関数ｆ″が発生され、以下で詳細に記載されるように、周期関数ｆと組合され又はそれと比較される。
ここで図５に向くと、本発明の一実施形態に従い、増幅器２４の周期出力のサイクルを決定するため、第２の対のトランスジューサ８０、８２が第１の対２０、２２に隣接して設けられ、第２の増幅器８４を介する同じタイプの遅延線フィードバック・ループで互いに結合されている。第２の対のトランスジューサは、第１の対のトランスジューサにより利用されるＳＡＷ２６、２８より長い、例えば１８ＭＨｚで２２０マイクロメートルの波長を有するＳＡＷ８６、８８を発生し且つ検出する。従って、第２の増幅器８４の出力８４ｂは、第１の増幅器２４の出力である周期関数とは異なる周波数を有する周期関数である。
前述したように、図４ｂは、第２の増幅器８４の出力の周期関数ｆ″を図示する。図４と図４ｂとを比較すると、第１の増幅器の出力が同じ値ｆ₁である各位置、例えばＰ₁、Ｐ₃及びＰ₄に対して第２の増幅器の出力は非繰り返し性の値、即ちｆ″₁、ｆ″₃及びｆ″₄となることが認められるであろう。双方の増幅器の出力を利用することにより、弾性部材の正確な変位を決定することができ、即ち、印加された荷重（重さ測定対象物）の重さが特定の弾性部材についてのルックアップテーブルを用いて決定することができる。現在好適な実施形態によれば、トランスジューサ２０及び８０は、同一の基板を共用し、該基板における別個のチャネルにそれぞれのＳＡＷを発生する。同様に、トランスジューサ２２及び８２は、同一の基板を共用し、それぞれの基板チャネルにおいてＳＡＷを受け取る。第１のＳＡＷ波の１つの好適な周波数は２０−２２ＭＨｚであり、第２のＳＡＷ波の１つの好適な周波数は１８−２０ＭＨｚである。
図６は、２つの増幅器２４、８４からの信号を用いて荷重プラットフォーム上に置かれた対象物の重さを指示する仕方を図示するブロック図である。第１の周波数カウンタ３０は第１の増幅器の出力２４ｂでの周波数を決定し、第２の周波数カウンタ３０ａは第２の増幅器の出力８４ｂでの周波数を決定する。周波数情報は、ルックアップテーブルを格納する不揮発性メモリ３４に結合されている処理ユニット３２に供給される。該周波数情報は、重量値に戻すルックアップテーブルと比較され、処理ユニットはその値をディスプレイ３６上に表示する。処理ユニット３２の動作はキーボード３８により制御されてよく、該キーボード３８はまたルックアップテーブルを較正するのに用いることができる。ルックアップテーブルは、通常、既知の重さを荷重プラットフォームに置き且つその重量値をキーボード３８を介して入力することにより較正される。処理ユニットは、キーボードから得られた重量値を、周波数カウンタから得られた周波数値と共にルックアップテーブルの形式でメモリ３４に格納する。ルックアップテーブルに格納されてない周波数値とこれに対応する重量値は、ルックアップテーブル内の値を内挿することにより得られる。当業者は、処理ユニットが温度補償、トランスジューサ／弾性部材の非線形性の補償、異なる重量測定ユニットへの変換等の他の機能を含んでもよいことを認めるであろう。ディスプレイは、数字、英数字、グラフ表示のいずれでもよい。また、単一の周波数カウンタを用いて２つの周波数を同時にではなく連続的に決定してもよく、その場合、処理ユニットはそれらの周波数を別々に得るため増幅器同士間を切り替える手段を有することが認められるであろう。更に、ルックアップテーブルは１つ又は幾つかのルックアップテーブルを備えてもよいことが理解されるであろう。
当業者は、全ての重さ計量装置において、荷（重さ測定対象物）（ｌｏａｄ）を荷重プラットフォームに正しく置かないことにより精度を妥協していることを理解するであろう。これは、弾性部材を捩れさせることがある大きな重さを測定するときに特にそうである。ここで図７を参照すると、重さ計量装置１０の実施形態は、荷重プラットフォーム１６を支持している４つの半径方向のカンチレバー型弾性部材１４ａ−１４ｄを備える円形基台１２を含む。各弾性部材にはそれ自身のトランスジューサ回路が設けられ、各弾性部材で測定された重さは加算され、荷重プラットフォーム上に置かれた荷（重さ測定対象物）の正しい重さを得る。４より多く又は４より少ない弾性部材を用いて同様の結果を得てもよいことが理解されるであろう。
発明者により、反射波が送信するトランスジューサの基板上に生じ、それはＳＡＷ波発生を妨害し、測定の非線形性を結果として生じることが分かった。詳細には、波２６（図２）が基板２０ａに沿って伝搬すると、該波２６は基板の端部２０ｃに到達し、該波の一部は電極２０ｂに向けて戻るように１８０°で反射される。反射した波は伝搬される波２６と干渉する。事実、反射した波の一部は、基板２０ａの他方の端部２０ｄを離れるよう再度反射し、追加の干渉を起こす。反射した波はまた受信するトランスジューサにおいて問題である場合がある。図８ａから図８ｃは、本発明に従った幾つかの反射防止構造を示す。
ここで図８ａに向くと、本発明に従ったトランスジューサ１２０は、ＳＡＷ波１２６を発生するための圧電性基板１２０ａ及び１対の電極１２０ｂを含む。本発明に従って、基板１２０ａの端部１２０ｃは、ＳＡＷ波１２６の伝搬経路に対して角度を付けてカットされている。こうして、波１２６が基板の端部１２０ｃに到達すると、波のどの反射も伝搬の線に対してある角度にあり、そのため反射した波が伝搬した波と干渉しない。
ここで図８ｂに向くと、本発明に従ったトランスジューサ２２０は、ＳＡＷ波２２６を発生するための圧電性基板２２０ａ及び１対の電極２２０ｂを含む。本発明に従って、基板２２０ａの端部２２０ｃは、ＳＡＷ波２２６の伝搬経路に関して（例えば、サンドブラスチングにより）丸みを付けられている。従って、波２２６が基板の端部２２０ｃに到達すると、波は反射して戻るよりむしろ散乱させられる。
ここで図８ｃに向くと、本発明に従ったトランスジューサ３２０は、ＳＡＷ波３２６を発生するための圧電性基板３２０ａ及び１対の電極３２０ｂを含む。本発明に従って、柔らかいエラストマーのようなダンパー３２０ｄが、基板の表面上の端部３２０ｃに隣接して配置されている。従って、波３２６がダンパー３２０ｄに到達すると、波は反射して戻るよりむしろダンパーにより吸収される。
前述した種々の反射防止構造のうちで、図８ｃに示されるダンパー材料は、現在好適な構造のように見える。従って、図９に示されるように、１対のトランスジューサ３２０、３２２にはそれぞれの基板３２０ａ、３２２ａ上の電極３２０ｂ、３２２ｂと反対の端部３２０ｃ、３２２ｃに隣接してダンパー材料３２０ｄ、３２２ｄが設けられている。トランスジューサ３２０、３２２は、図９に示されるように部分的に重なるように有利に配列されている。
前述したように、反射波と関連した問題に加えて、温度変化が重さ計量装置の精度に悪影響を与える。親出願から周囲温度の全体変化は、温度センサを重さ計量装置に含み且つ適切な温度補正のためのルックアップテーブルを用いることにより補償できることが知られている。しかしながら、周囲温度の全体変化に加えて、温度勾配がトランスジューサの基板にわたって生じる場合があることを発見した。詳細には、ニオブ酸リチウム基板は約７０ｐｐｍ／℃の温度効果を有することを発見した。２０ＭＨｚシステムにおいて、これは、１．４ｋＨｚ／℃の変化をもたらす。所望の精度を得るため、トランスジューサ同士間の温度差は０．０１℃より小さくあるべきである。２０ＭＨｚで、１つのモードについてのフルスケール出力は約２００ｋＨｚである。基板は１．４ｋＨｚ／℃の温度効果を示すので、これは１℃当たりフルスケールの０．７％の変動をもたらす。従って、フルスケールの０．００７％内の精度を維持するため、温度差は０．０１℃より小さくあるべきである。
本発明の若干の局面は、重さ計量装置の精度に関する温度の影響を克服するのを助けるため組み合わせる。これらの局面の幾つかはまた、温度の影響に関係なく装置の全体精度を増強する。
図１０、図１０ａ及び図１０ｂは、本発明の幾つかの局面を具体化した本発明による１対のトランスジューサ４２０、４２２を示す。ここで図１０、図１０ａ及び図１０ｂを参照すると、トランスジューサ・システムは、送信トランスジューサ４２０と受信トランスジューサ４２２とを含む。送信トランスジューサ４２０は２つの圧電性基板４２０ａ、４２０ａ′を含み、それら２つの圧電性基板４２０ａ、４２０ａ′は熱シンク４２１の一方の側に取り付けられており、また熱絶縁部材４２３が熱シンク４２１の他方の側の取り付けられている。熱シンク４２１は双方の基板４２０ａ、４２０ａ′について一定温度に維持するのを助け、熱絶縁部材４２３は、周囲温度の変化が熱シンク４２１の温度、従って基板４２０ａ、４２０ａ′の温度に影響を与えるのを防止するのを助ける。各基板４２０ａ、４２０ａ′は、それらの一方の端に１対の電極４２０ｂ、４２０ｂ′を、そしてそれらの他方の端に表面ダンパー４２０ｄ、４２０ｄ′を有する。図１０及び図１０ａに最良に見られるようにそれらのそれぞれの電極対が互いに近接し且つトランスジューサの中央に隣接しているように、基板は熱シンク上に配列されている。従って、送信トランスジューサ４２０はＳＡＷ波４２６、４２６′を発生し、該ＳＡＷ波４２６、４２６′はトランスジューサ４２０のほぼ中央から反対方向に伝搬する。ダンパー４２０ｄ、４２０ｄ′は、ＳＡＷ波４２６、４２６′の反射を禁止するよう働く。
受信トランスジューサ４２２は、熱シンク４２５の一方の側に取り付けられている圧電性基板４２２ａを含み、熱絶縁部材４２７は熱シンク４２５の他方の側に取り付けられている。熱シンク４２５は、基板４２２ａにわたって一定温度に維持するのを助け、熱絶縁部材４２７は周囲温度の変化が熱シンク４２５の温度、従って基板４２２ａの温度に影響を与えるのを防止するのを助ける。基板４２２ａは２つの対の電極４２２ｂ、４２２ｂ′を有し、各対はほぼ基板４２２ａの丸みを付けられた反対端部４２２ｃ、４２２ｃ′に配置され、表面ダンパー４２２ｄはほぼ基板４２２ａの中央に配置されている。従って、受信トランスジューサ４２２は、送信されたＳＡＷ波４２６、４２６′によりそれぞれ誘発され且つ反対方向に伝搬する２つのＳＡＷ波４２８、４２８′を受信する。
電極対４２０ｂ及び４２２ｂは、１つの増幅器に結合されて１つの遅延線発振器を形成し、また電極対４２０ｂ′及び４２２ｂ′は、別の増幅器に結合されて別の遅延線発振器を形成する。上記から、トランスジューサ４２０、４２２は、図１及び図１ａを参照して前述したように相互に移動し、一方の遅延線発振器は周波数を増大し、他方の遅延線発振器は周波数を等しい大きさだけ低減する。この「差動」トランスジューサ・システムは、幾つかの利点を与える。周囲温度の影響は自動的に補償され、変位測定の分解能は倍加される。
例えば、遅延線発振器の周波数が事前規定した温度でｆ₀である場合、周囲温度の変化後の周波数はｆ＝ｆ₀（１＋ｋΔｔ）と表すことができる。なお、ここでｋは定数であり、Δｔは周囲温度の変化である。同様に、荷（重さ測定対象物）が重さ計量装置上に置かれていないときの遅延線発振器の周波数がｆ₀である場合、送信機及び受信機が荷重により変位された後の周波数はｆ＝ｆ₀（１±ｇΔｘ）と表すことができる。なお、ここでｇは定数であり、Δｘは特定の荷重に起因する変位（正又は負）である。従って、温度及び変位に起因した周波数の組み合わされた周波数変化Δｆはｆ₀（ｋΔｔ±ｇΔｘ）に等しい。
前述のことを仮定すれば、図１０、図１０ａ及び図１０ｂの遅延線発振器の周波数についての温度及び変位の組み合された効果は、以下の（１）及び（２）に示される式により表すことができる。なお、ここでｆ１は電極４２０ｂ、４２２ｂを含む発振器の周波数であり、ｆ２は電極４２０ｂ′、４２２ｂ′を含む発振器の周波数である。
Δｆ１＝ｆ１₀ｋΔｔ＋ｆ１₀ｇΔｘ （１）
Δｆ２＝ｆ２₀ｋΔｔ−ｆ２₀ｇΔｘ （２）
従って、量Δｆ１、Δｆ２、ｆ１₀及びｆ２₀は、いずれの重さ測定の間に知られ、以下の（３）で表されるクロス積の対象となる。
（Δｆ１×ｆ２₀）−（Δｆ２×ｆ１₀） （３）
式（１）及び（２）を式（３）に代入することにより、以下の（４）に示された式が得られる。
ｆ２₀ｆ１₀ｋΔｔ＋ｆ２₀ｆ１₀ｇΔｘ
−ｆ１₀ｆ２₀ｋΔｔ＋ｆ１₀ｆ２₀ｇΔｘ （４）
これらの項を組み合わせることにより、温度の影響は式（４）からキャンセルされ、式（３）及び（４）は以下の（５）に示される単純化された式として表すことができることが認められるであろう。。
（Δｆ１×ｆ２₀）−（Δｆ２×ｆ１₀）＝２ｆ１₀ｆ２₀ｇΔｘ （５）
従って、前述した異なるトランスジューサ・システムは、周囲温度変化の影響を重さ計量測定値から排除するばかりでなく、単一のトランスジューサ・システムの２倍の分解能尺度を与える。それにもかかわらず、図１０、図１０ａ及び図１０ｂを参照して記載したシステムはトランスジューサの基板にわたる温度勾配を自動的には補償しなく、それがトランスジューサ・システムに前述の熱シンクが設けられている理由である。また、トランスジューサ・システムの全体の長さ（高さ）が非差動システムと較べて実質的に２倍になっていることが認められるであろう。トランスジューサ・システムの全体的寸法を低減し且つシステムの感度及び分解能を増大するため、本発明は、親出願の２０ＭＨｚ周波数と較べてほぼ５０ＭＨｚの周波数を用いるのが好ましい。この周波数で、所望の精度（１０キログラムにつき０．５グラム）を達成するため、基板同士間の温度差は０．１℃以下に保たなければならない。
図１１、図１１ａ及び図１１ｂは、前述したトランスジューサ・システムに似ているが双方のトランスジューサ・チャネルが同一基板で動作し且つ一方のトランスジューサ・チャネルが分割されている異なったトランスジューサ・システムの概略図を示す。ここで図１１、図１１ａ及び図１１ｂを参照すると、トランスジューサ・システムは、送信トランスジューサ５２０及び受信トランスジューサ５２２を含む。送信トランスジューサ５２０は、熱シンク５２１の一方の側に取り付けられた圧電性基板５２０ａと、熱シンク５２１の他方の側に取り付けられた熱絶縁部材５２３とを含む。熱シンク５２１は基板５２０ａにわたって一定温度に維持するのを助け、熱絶縁部材５２３は周囲温度の変化が熱シンク５２１の温度、従って基板５２０ａの温度に影響を与えるのを防止するのを助ける。第１の送信電極５２０ｂは、基板５２０ａの一方の端部でその基板の中心軸上に配置されている。第２の送信電極対５２０ｃ、５２０ｄは基板の他方の端部でその中心軸の両側に配置されている。各電極５２０ｃ、５２０ｄは電極５２０ｂのほぼ半波長であり、電極５２０ｃ、５２０ｄは並列に結合されて電極対を形成する。従って、送信トランスジューサ５２０は、３つのＳＡＷ波５２６、５２６′及び５２６″を発生する。第１のＳＡＷ波５２６は基板上の中央チャネルに沿って第１の方向に伝搬する。第２及び第３のＳＡＷ波５２６′及び５２６″は、基板上の２つの側部チャネルに沿って第１のＳＡＷ波に対して反対方向に伝搬する。
受信トランスジューサ５２２は、熱シンク５２５の一方の側に取り付けられた圧電性基板５２２ａと、熱シンク５２５の他方の側に取り付けられた熱絶縁部材５２７とを含む。熱シンク５２５は基板５２２ａにわたって一定温度に維持するのを助け、熱絶縁部材５２７は周囲温度の変化が熱シンク５２５の温度、従って基板５２２ａの温度に影響を与えるのを防止するのを助ける。基板５２２ａは、第１の受信電極５２２ｂ及び第２の受信電極対５２２ｃ、５２２ｄを有する。受信電極５２２ｂは基板の一方の端部でその基板の中心軸に配置され、受信電極５２２ｃ、５２２ｄは基板の他方の端部でその基板の中心軸の両側に配置されている。受信電極５２２ｃ、５２２ｄは、電極５２２ｂの半波長であり、互いに並列に結合されている。従って、受信トランスジューサ５２２は、送信されたＳＡＷ波５２６、５２６′及び５２６″によりそれぞれ誘発された３つのＳＡＷ波５２８、５２８′及び５２８″を受信する。
図１１、図１１ａ及び図１１ｂに示される構成は幾つかの利点を有する。複数のＳＡＷ波伝搬チャネルは同一基板上で互いに一層近接しており、従ってチャネル同士間の温度勾配は一層小さくなる。トランスジューサ・システムの全体寸法は一層小さくなる。更に、トランスジューサは、機械的性能を増強する軸対称である。
図１２から図１４は、前述したトランスジューサ・システムに似ているが、基板の温度を測定するための追加の電子的手段を備える異ったトランスジューサ・システムの概略図を示す。ここで図１２から図１４を参照すると、送信トランスジューサ６２０は、第１の圧電性基板６２０ａ及び第２の圧電性基板６２０ａ′を含み、これら双方の圧電性基板は、図６を参照して前述した絶縁材料と導電性材料のサンドイッチのように構成されているのが好ましい基台６２３上に取り付けられている。第１の圧電性基板６２０ａにはその基板のより下側中心部分に第１の送信電極対６２０ｂが設けられており、第２の圧電性電極６２０ａ′にはその基板の上側中心部分に第２の送信電極対６２０ｂ′が設けられている。更に、第１の圧電性基板６２０ａには２つの電極対６３０ａ、６３０ｂが設けられ、該２つの電極対６３０ａ、６３０ｂは相互に離間され且つ第１の送信電極対６２０ｂから中心がずれて配列されている。電極６３０ａ、６３０ｂはそれぞれ送信機及び受信機であり、これら送信機及び受信機は前述したような基板６２０ａの温度を測定するため用いられる。従って、基板６２０ａ′にはまた２つの温度測定電極対６３０ａ′、６３０ｂ′が設けられている。
受信トランスジューサ６２２は、第１の圧電性基板６２２ａ及び第２の圧電性基板６２２ａ′を含み、これら双方の圧電性基板は、図６を参照して前述したような絶縁材料と導電性材料のサンドイッチのように構成されているのが好ましい基台６２７上に取り付けられている。第１の圧電性基板６２２ａにはその上側中心部分に第１の受信電極対６２２ｂが設けられており、第２の圧電性基板６２２ａ′にはその下側中心部分に第２の受信電極対６２２ｂ′が設けられている。更に、第１の圧電性基板６２２ａには２つの温度測定電極対６３２ａ、６３２ｂが設けられており、これら２つの温度測定電極対６３２ａ、６３２ｂは相互に離間され且つ第１の受信電極対６２２ｂから中心がずれて配列されている。基板６２２ａ′にはまた２つの温度測定電極対６３２ａ′、６３２ｂ′が設けられている。
図１２から図１４に示されるトランスジューサの構成は、図１０、図１０ａ及び図１０ｂを参照して前述したトランスジューサの構成の幾つかの特徴を組み込んでいる。電極対６２０ｂ、６２０ｂ′、６２２ｂ及び６２２ｂ′は、前述したような差動変位測定システムを提供するよう配列されている。この点で、そして図１４を参照して、差動システムは、中心に配置されている２つの音響チャネルであって、一方のチャネルが上側対の基板上に、そして他方のチャネルが下側対の基板上にある当該２つの音響チャネルを利用することが認められるであろう。更に、送信基板は受信基板より僅かに大きく、従って、前述したのと同じ利点を有するよう受信基板と部分的に重なっている。現在好適な実施形態によれば、送信トランスジューサ６２０はほぼ４５ｍｍの長さであり、第１の基板と第２の基板との間の間隔はほぼ５μｍである。受信トランスジューサ６２２は送信トランスジューサよりほぼ１０ｍｍ短く、そして第１の受信基板と第２の受信基板との間の間隔はほぼ５μｍである。
前述したように、４つの圧電性基板の各々には２つの温度測定電極対が設けられ、これら２つの温度測定電極対は固定の位置遅延線として各基板上に配列されている。４組の温度測定電極の各々は、それぞれの増幅器に結合され、それにより変位測定発振器が発振する周波数とは異なる周波数で発振するのが好ましい自然の発振器を形成する。温度測定電極の組はそれらのそれぞれの基板上に固定したままであるので、それらのそれぞれの発振器の周波数は温度の変化に起因してのみ変わるであろう。この与えられた構成により、４つの基板の各々の温度は、変位をさせて重さを測定するとき、決定され、考慮することができる。
図１４に見られるように、２つの測定電極の組の各々は別個のチャネルにおいて動作する。しかしながら、殆ど同じチャネルにおいて動作する２つの測定電極の組を設けることも可能である。これは、２つのチャネル間の熱勾配を最小にする。図１５から図１７はそのような構成の一実施形態を図示する。
ここで図１５から図１７に向くと、送信トランスジューサ７２０は圧電性基板７２０ａを含み、１対の送信電極７２０ｂはその圧電性基板７２０ａの下側の端部に配置され、１対の受信電極７３０はその圧電性基板７２０ａの上側の端部に配置されている。受信トランスジューサ７２２は圧電性基板７２２ａを含み、１対の受信電極７２２ｂがその圧電性基板７２２ａの上側の端部に配置されている。送信及び受信電極７２０ｂ、７２２ｂは、前述したような変位及び重さを測定するための遅延線を形成するよう増幅器７５０と共に配置されていることが認められるであろう。更に、送信基板上の受信電極７３０は、送信基板７２０ａの温度を測定するための増幅器７６０及び送信電極７２０ｂと共に固定遅延線を形成する。増幅器７５０及び７６０は、それら遅延線が著しく異なる周波数を有する場合同時に動作され得る。代替として、増幅器７５０、７６０が交互にオン及びオフに切り替えられてもよい。全ての電極は同じ音響チャネルで動作することが認められるであろう。図１５から図１７に示されるトランスジューサは、送信基板の温度が受信基板の温度に近いことが想定される非差動システムである。しかしながら、別個の測定が２つのチャネルについてなされる差動システムに上記のシステムの技術を適用することは可能である。そのようなシステムが図１８から図２０に示されている。
ここで図１８から図２０に向くと、送信トランスジューサ８２０は圧電性基板８２０ａを含み、１対の送信電極８２０ｂがその圧電性基板８２０ａの下側の端部に配置され、１対の送受信電極８３０がその圧電性基板８２０ａの上側の端部に配置されている。受信トランスジューサ８２２は圧電性基板８２２ａを含み、１対の受信電極８２２ｂがその圧電性基板８２２ａの上側の端部に配置され、１対の送受信電極８３２はその圧電性基板８２２ａの下側の端部に配置されている。送信及び受信電極８２０ｂ、８２２ｂは、前述したように変位及び重さを測定するための遅延線を形成するよう配列されている。更に、送受信電極８３０及び８３２は、それぞれの電極８２０ｂ、８２２ｂと共に固定遅延線を形成するため用いることができ、又は電極８２０ｂ、８２２ｂにより形成される遅延線に対して差動型である変位測定遅延線を形成するため互いに用いてもよい。動作において、４つの電極対は、ある瞬間に２つの差動変位測定遅延線が付勢され、別の瞬間に２つの固定温度測定遅延線が付勢されるように多重化されてもよい。このように、各基板の温度は温度測定前又はその温度測定中ですら確かめることができる。全ての電極は同じ音響チャネルにおいて動作することが認められるであろう。
前述しまた親出願において言及されているように、本発明に従った遅延線は、２以上のモードで且つ各モード内で発振でき、利得は周波数が変わるにつれ変わるであろう。本発明に従って、発振器の位相は、利得を増大（損失を低減）するため±１８０°シフトし得る。図２１から図２６は、発振のモードが重さ計量の間変わる仕方及び位相シフトを用いて利得を増大することができる仕方を図示する。
ここで図２１を参照すると、アイドル状態においては、秤に印加される重さがないことにより、遅延線は、最高の利得（最低の損失）を有する点として図２１に示される周波数「ｆ₀」で発振するであろう。図２１のグラフの最適利得範囲は、ｆ₀を囲む影を付けた範囲で示され、例えば、±１００ｋＨｚの範囲を表す。この範囲は最低の損失の範囲であるからばかりでなく、その範囲はカーブが最も少ない「非線形性」を示し且つ温度による影響が最も少ない範囲であるので、当該範囲は最適と考えられる。親出願において詳細に述べたように、遅延線は、幾つかのモードのいずれで発振してもよく、それらモードは２πの位相差だけ相互に分離されている。図２１に示される例においては、周波数ｆ₀は低い方のモードｆ₀−２πω及び高い方のモードｆ₀＋２πωを有する。なお、ここでωは整数の位相差、この例ではほぼ３４０ｋＨｚを表すモード間の位相差である。重さが秤に加えられるにつれ、遅延線はより高い周波数「ｆ₀＋ｎ」で発振するであろう。例えば、比較的小さい重さを加えた後で、発振の周波数は、ｆ₁として図２２に示されるｆ₀＋７０ｋＨｚに上昇するであろう。
ここで図２２を参照すると、新しい発振周波数ｆ₁が依然最適利得範囲内であり、発振のより高いモード及びより低いモードはｆ₁でのモードより損失がより大きいことが分かるであろう。しかしながら、追加の重さを加えることにより、周波数ｆはやがて最適利得範囲を通り過ぎてしまうことが認められるであろう。例えば、追加の重さは、周波数を追加の５０ｋＨｚ、即ち図２３に示される位置にシフトさせることができる。
ここで図２３を参照すると、ｆ₀よりほぼ１２０ｋＨｚ高い発振周波数ｆ₂は、最適利得範囲からはずれた周波数に移動するであろう。それにも拘わらず、図２３に示されるように、発振のより高いモード及びより低いモードは、依然ｆ₂での中心モードより大きな損失を示すであろう。従って、この点から進んで、追加の重さは、より低いモードが図２４に示される中心モードより大きな利得を達成するまでますます高くなる損失範囲にも拘わらず発振周波数を上昇させるであろうことを当業者は認めるであろう。
ここで図２４に向くと、ｆ₀よりほぼ１７０ｋＨｚ高い発振周波数ｆ₃はより低い発振モードｆ₃−２πωへのシフトを生じさせるであろう。しかしながら、モードがシフトした後でさえ、発振周波数は、より低いモードの発振が最適利得範囲において生じる前にほぼ７０ｋＨｚ以上多くシフトしなければならない。従って、本発明に従って、最適利得範囲での早期発振を強制するためπωの位相シフトを発振器に付与することが可能である。例えば、図２３及び図２４に示されるように、発振周波数ｆ₂はそれがもはや最適利得範囲にないことを示す損失を示すや否や、−πωの位相シフトが付与される。これは、発振器（遅延線）が、図２３に見られることができるように、周波数応答カーブの最適利得範囲内であるｆ₂−πωで発振するようにさせる。この位相シフトは、図２４に示されるようにｆ₃への周波数上昇があるときでさえ発振周波数ｆ₃−πωを最適利得範囲内に維持する。しかしながら、結局、秤に対する追加の重さは、位相シフトされた周波数が最適利得範囲の外側にある点まで発振周波数を上昇させるであろう。
例えば、図２５に示されるように、発振周波数ｆ₄がほぼｆ₀＋２５５ｋＨｚまで増大されるとき、位相シフトされた発振の中心モードｆ₄−πωは最適利得範囲を出る。この点で、本発明に従って、−πωの位相シフトは中止され、発振器は最適利得範囲内であるそのより低いモードｆ₄−２πωで発振するであろう。追加の重さが秤に加えられる場合、発振周波数は、より低い発振モードが図２６に示されるように最適利得範囲を越えて通過するまで上昇し続けるであろう。
ここで図２６を参照すると、周波数ｆ₅がほぼｆ₀＋４００ｋＨｚまで上昇した場合、より低い発振モードｆ₅−２πωは最適利得範囲を越えて通り過ぎるであろう。本発明に従って、この点で、−πωの位相シフトが発振器に付与される。これは、発振器のより低い発振モードが最適利得範囲内にあるｆ₅−３πωに留まるようにさせる。
図２７は、本発明に従った位相シフトを備える正帰還フィードバックループの概略図を示す。ここで図２７を参照すると、本発明に従った単純化された遅延ループは、第１のトランスジューサ９２０、第２のトランスジューサ９２２、第１の差動増幅器９５０、第２の差動増幅器９５２、１対のマッチング・トランスフォーマー９５４、９５６、周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８、及び出力プロセッサ及び重さ表示ディスプレイ９６０を含む。第１のトランスジューサ９２０は、圧電性基板９２０ａ及び電極９２０ｂを含む。第２のトランスジューサ９２２は、圧電性基板９２２ａ及び電極９２２ｂを含む。電極９２０ｂはマッチング・トランスフォーマー９５４を介して差動増幅器９５０、９５２の入力に対して並列状態で結合されている。電極９２２ｂは増幅器９５０、９５２の出力にマッチング・トランスフォーマー９５６を介して結合されている。図２７に示されるように、増幅器９５０の出力の極性は、増幅器９５２の出力の極性に対して反対である。更に、各増幅器のイネーブル（使用可能化）入力が、周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８に結合されており、該周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８はまた増幅器の出力に結合されている。本発明に従って、増幅器９５０、９５２は、周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８により一時にターン・オンされる。増幅器の出力の位相は１８０°即ちπだけ異なることが認められるであろう。こうして、位相シフトを適用する又はそれを取り除くため、一方の増幅器はターン・オフされ、他方の増幅器はターン・オンされる。当業者は、他の回路を利用して同じタイプの位相シフトを実質的に生成することができ、図２７の回路が単なる例示であることを認めるであろう。図２７に示される例によれば、周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８は、増幅器９５０の出力をモニタし、周波数が前述したように最適利得範囲を越えて通り過ぎた、例えば、１００ｋＨｚだけ増大したときを検出する。周波数が予め選定した量だけ増大するとき、周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８は、増幅器９５０をターン・オフし、増幅器９５２をターン・オンする。次いで、周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８は増幅器９５２の出力をモニタする。周波数が追加の予め選定した量、例えば１００ｋＨｚだけ増大した後に、周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８は、増幅器９５２をターン・オフし、増幅器９５０をターン・オンする。周波数カウンタ及び増幅器制御器９５８が周波数をモニタしている間に、周波数は、出力プロセッサ及び重さディスプレイ９６０に通され、該出力プロセッサ及び重さディスプレイ９６０は、発振周波数を分析し、親出願で記載した方法に従って周波数と特定の重さとを相関させ、その重さを表示する。
表面弾性波を利用した電子的重さ計量装置の若干の実施形態がここに記載された。本発明の特定の実施形態が記載されたが、本発明はそれに限定される意図ではなく、本発明は当該分野が許すほど広い範囲を意図し、且つ本明細書はそのように読むことを意図するものである。従って、基台、弾性部材及び荷重プラットフォームの特定の幾何学的形状が開示されたが、他の幾何学的形状が利用できることが認められるであろう。また、特定の波長が開示されたが、他の波長を用いて同様の結果が得られることが認められるであろう。更に、特定の形態が増幅器及びフィードバック回路を参照して開示されたが、他の形態を同様に用いることができることが認められるであろう。更に、特定の形態が送信及び受信電極の配置を参照して開示されたが、送信機及び受信機のそれぞれの配置を逆にすることができることが認められるであろう。その上、本発明の若干の異なる局面が種々の問題を解決するものとして開示されたが、本発明の異なる局面が、示された形態以外の他の形態において互いに組み合わせて用いてもよいことが理解されるであろう。更に、基台部材に対して移動する弾性部材を有する本発明の一実施形態が開示されたが、また別の実施形態は２つの支柱が配置され相互に対して移動される弾性部材を用いているが、基台部材が弾性部材に対して移動されることができること、またトランスジューサの変位が重さ測定値と関連する場合同じ又は類似の機能を達成するための異なる方法で弾性部材及びそれに関連したトランスジューサを取り付けることができることが理解されるであろう。
当業者は更に、基板と基板の間にギャップを有するような電子的重さ計量装置が記載されたが、該ギャップは、その基板と基板の間を自由に移動することができるが発振器ループにおいて損失を低減する液体あるいは他の材料で満たされてもよいことを認めるであろう。又、所望ならば、トランスジューサは適切な封止により湿気に対して保護することができる。乾燥剤を封止キャビティに導入し、湿気の揺らぎを低減することができる。更に開ループで手動の発振システムを利用する代わりに、閉ループシステムをパルス発生器と共に利用することができ、そこにおいては、例えばＲＦパルスにおける遅延を測定することができ、トランスジューサ同士間の変位に比例する。同様に、外部発振部を利用することができ、複数のトランスジューサが荷重の結果として相互に移動するので、変位に比例する位相シフトが生じる。従って、なお他の変更が請求の範囲において請求されたその精神及び範囲から逸脱することなくこの与えられた発明に対して行うことができることが当業者には認められるであろう。

Claims (23)

1. ａ）重さ測定対象物を受けとめ、且つ変位可能な弾性部材手段の変位が前記重さ測定対象物の重さと関連するように前記重さ測定対象物により変位される当該変位可能な弾性部材手段と、
   ｂ）第１の表面弾性波（ＳＡＷ）送信機を有する第１の圧電性トランスジューサと、
   ｃ）第１のＳＡＷ受信機を有する第２の圧電性トランスジューサであって、前記第１の圧電性トランスジューサに近接して取り付けられている当該第２の圧電性トランスジューサとを備え、
   前記第１及び第２の圧電性トランスジューサの少なくとも一方が前記弾性部材手段に結合されており、
   ｄ）入力と出力とを有する第１の増幅器を備え、
   前記第１の増幅器の前記入力は前記第１のＳＡＷ受信機に結合され、前記第１の増幅器の前記出力は前記第１のＳＡＷ送信機に結合されることにより、前記第１の圧電性トランスジューサ、前記第１の増幅器及び前記第２の圧電性トランスジューサが、第１の出力周波数を有する第１の発振器を形成し、
   ｅ）前記第１の増幅器の前記出力に結合されたプロセッサ手段を備え、
   前記弾性部材手段の変位が、前記第１及び第２の圧電性トランスジューサの一方の前記第１及び第２の圧電性トランスジューサの他方に対する変位を生じさせ、それにより前記第１の出力周波数を変化させ、
   前記第１の出力周波数が、前記重さ測定対象物の重さの指示を決定するため前記プロセッサ手段により用いられる、電子的重さ計量装置。
2. 前記第１のＳＡＷ送信機が、第１の基板の第１の端部に配置されており、
   前記第１のＳＡＷ受信機が、第２の基板の第２の端部に配置されている請求項１記載の装置。
3. 前記第１の圧電性トランスジューサは、第１の波長を有するＳＡＷを発生し、
   前記第１の圧電性トランスジューサ及び前記第２の圧電性トランスジューサはそれらの間にギャップを有して取り付けられ、当該ギャップは第１の波長の１波長より小さい大きさである、請求項１記載の装置。
4. 前記第１の波長がほぼ２００マイクロメートルである請求項３記載の装置。
5. 基台部材を更に備え、
   前記弾性部材は、前記基台部材に自由端を有して取り付けられているカンチレバーであり、
   前記第１の圧電性トランスジューサが前記自由端上に取り付けられ、
   前記第２の圧電性トランスジューサは前記基台部材により支持されている、請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置。
6. 前記弾性部材はくりぬかれた中心部分を有し、
   前記第１及び第２の圧電性トランスジューサは前記弾性部材に対して前記くりぬかれた中心部分内で結合されている請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第１及び第２の基板は実質的に矩形である請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記プロセッサ手段は、前記第１の出力周波数を且つ適用可能の場合には前記第２の出力周波数を決定する周波数カウンタ手段、周波数を重さと相関付けるルックアップテーブルを格納するメモリ手段、及び重さを表示する表示手段を含む請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置。
9. 前記第１及び第２の圧電性トランスジューサの少なくとも１つには表面弾性波の反射を最小にするための反射防止構造が設けられている請求項１から８までのいずれか一項に記載の装置。
10. 前記反射防止構造は、前記基板上の表面ダンパー、前記基板の端部の角度付けされたカット、及び前記基板の丸みを付けられた端部のうちの１つである請求項９記載の装置。
11. 前記第１及び第２の圧電性トランスジューサは第１及び第２の基板上にあり、
    前記第１及び第２の基板の少なくとも１つは熱シンク上に取り付けられている請求項１から１０までのいずれか一項に記載の装置。
12. 前記熱シンクは熱絶縁材料上に取り付けられている請求項１１記載の装置。
13. 前記第１及び第２の圧電性トランスジューサは第１及び第２の基板上にあり、
    前記第１及び第２の圧電性トランスジューサの１つは、その基板の温度を決定するため当該基板上に温度感知手段を含み、
    前記温度感知手段は前記プロセッサ手段に結合され、
    前記温度は、前記重さ測定対象物の重さの指示を決定するため前記プロセッサ手段により用いられる、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の装置。
14. 前記温度感知手段はＳＡＷ送信機及びＳＡＷ受信機を含む請求項１３記載の装置。
15. 前記温度感知手段は、前記第１のＳＡＷ送信機と同じ音響チャネルに配置されている請求項１４記載の装置。
16. 前記第１の増幅器に結合され前記第１の出力周波数の位相をほぼ１８０°シフトさせる位相シフト手段と、
    前記第１の増幅器の前記出力に結合され且つ前記位相シフト手段に結合され周波数及び利得のうちの所定の１つを検出すると前記位相シフト手段を付勢する周波数及び利得の１つを検出する手段と
    を更に備える請求項１から１５までのいずれか一項に記載の装置。
17. 第２のＳＡＷ送信機を有する第３の圧電性トランスジューサと、
    第２のＳＡＷ受信機を有する第４の圧電性トランスジューサであって、前記第３の圧電性トランスジューサに近接して取り付けられている当該第４の圧電性トランスジューサとを更に備え、
    前記第３及び第４の圧電性トランスジューサの少なくとも１つは前記弾性部材に結合され、
    入力及び出力を有する第２の増幅器を更に備え、前記第２の増幅器の前記入力は前記第２の受信機に結合され、前記第２の増幅器の前記出力は前記第２の送信機及び前記増幅器に結合され、
    前記第３の圧電性トランスジューサ、前記第２の増幅器及び前記第４の圧電性トランスジューサは、第２の出力周波数を有する第２の発振器を形成し、
    前記弾性部材手段の変位が、前記第３及び第４の圧電性トランスジューサの一方の前記第３及び第４の圧電性トランスジューサの他方に対する変位を生じさせ、それにより前記第２の出力周波数を変化させ、
    前記第２の出力周波数は、前記重さ測定対象物の重さの指示を決定するため前記プロセッサ手段により用いられる
    請求項１から１６までのいずれか一項に記載の装置。
18. 前記第１の出力周波数の前記変化は第１の周期関数であり、
    前記第２の出力周波数の前記変化は第２の周期関数であり、
    前記第１及び第２の周期関数は異なる周波数を有する
    請求項１７記載の装置。
19. 前記第２のＳＡＷ送信機は第３の基板の第１の端部に配置され、
    前記第２のＳＡＷ受信機は第４の基板の第２の端部に配置されている
    請求項１８記載の装置。
20. 前記第３の圧電性トランスジューサは、第２の波長を有する第２の表面弾性波を発生し、
    前記第３の圧電性トランスジューサ及び前記第４の圧電性トランスジューサは、それらの間に第２のギャップを有して取り付けられており、
    前記第２のギャップは、第２の波長のほぼ２分の１から１波長の大きさである請求項１９記載の装置。
21. 前記第２の波長はほぼ２２０マイクロメートルである請求項２０記載の装置。
22. 前記第１の基板は前記第３の基板と隣接し、前記第２の基板は前記第４の基板と隣接している請求項１９記載の装置。
23. 前記第３及び第４の圧電性トランスジューサの相互に対する前記変位は、前記第１及び第２の圧電性トランスジューサの相互に対する前記変位と反対方向であり且つ当該変位と実質的に等しい大きさであり、それにより前記第２の出力周波数を前記第１の出力周波数の前記変化と反対であるが実質的に等しい大きさだけ変化させ、
    前記第１及び第２の出力周波数は、前記重さ測定対象物の重さの指示を決定するため前記プロセッサ手段により用いられる
    請求項１７記載の装置。

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