JPH0333628A - 真空圧力計 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、水晶振動子を用いて、特に低圧力の気体の圧
力を測定する真空圧力計に関する。

（発明の技術的背景とその問題点） 従来、共振状態の水晶振動子の共振周波数、クリスタル
インピーダンス等が雰囲気の気体の圧力の影響を受けて
変化することが知られており、これを利用して、気体の
圧力を測定する圧力計が用いられている。

たとえば、特開昭６２−２２８１２６号に示される気体
圧力計は、第６図に示すような構成で、水晶振動子のク
リスタルインピーダンス（以下ＣＩと称す）が圧力によ
って変化することを利用して気体の圧力を測定するもの
である。

すなわち、第６図においてｌは圧力を測定すべき気体雰
囲気中に置いた水晶振動子である。この水晶振動子は厚
み滑り振動、屈曲振動等の適性な振動姿態のものを用い
ることができる。

モして２は水晶振動子ｌに対して一定の２値の電圧、た
とえば絶対値の等しい正負極の直流電圧±ｒｅｆを選択
的に印加するスイッチング部である。

そして、３は上記水晶振動子ｌからの出力電流を電圧に
変換する電流電圧変換器である。

そして、４は移相回路で、たとえば上記電流電圧変換器
３の出力電圧を微分して上記水晶振動子１のインピーダ
ンスを最小とするように移相するＣＲ微分回路である。

そして、この移相回路４の出力をコンパレータ５を介し
て上記スイッチング部２へ与えてスイッチング動作させ
るようにしている。

なお、６は上記電流電圧変換器３の出力電圧を上記雰囲
気の気体の圧力として出力する出力部で全波整流回路６
ａおよびこの整流出力を増幅する増幅器６ｂからなる。

すなわち、第６図に示すような構成の真空計では、水晶
振動子１に対して、この水晶振動子１の発振出力自身で
スイッチング動作するアナログスイッチ２を介して２値
の一定の電圧±ｒｅｆを交互に印加し、水晶振動子ｌを
定電圧で駆動して所定の共振周波数で共振させ、圧力の
変化に対して発振回路から略１／ＣＩに比例した電圧を
得、これを必要に応じて増幅して、たとえば第７図に示
すような圧力特性として表示するようにしている。

しかしながら、このようなものでは、特に高真空の低圧
力領域ではＣＩ値はほとんど変化しなくなるために特に
この領域で充分な分解能を得ることは困難であった。さ
らに水晶振動子を定電圧駆動しているので、特に測定圧
力の低い領域で駆動電流が変化することによるＣＩ値の
変化分が測定誤差となる問題があった。

（発明の目的） 本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、低圧力
の真空領域において良好な分解能を得ることができ、し
かも正確な圧力の測定が可能な真空圧力計を提供するこ
とを目的とするものである。

（発明の概要） 本発明は、圧力を測定すべき気体雰囲気に置いた水晶振
動子を定電流で駆動して発振させてＣＩ値に比例した信
号を得、この出力信号から高真空状態の駆動電圧に対応
する電圧を減じた後に対数変換して圧力信号として出力
することを特徴とするものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図に示す発振部１０のブ
ロック図および第２図に示す全体のブロック図を参照し
て詳細に説明する。

すなわち、図中１１は圧力を測定すべき気体の雰囲気中
に置いた水晶振動子である。この水晶振動子１１は厚み
滑り振動子、屈曲振動子等適宜な振動姿態のものを用い
ることができるが、本実施例では音叉形振動子を用いて
いる。

そして１２は入力端に一ヒ記水晶振動子１１の一端を接
続した発振増幅器である。なおこの発振増幅器１２は入
出力端に帰還抵抗１３を接続して適当な増幅率を得るよ
うにしている。

そして、この発振増幅器１２の出力をピーク検出器１３
へ与えてピーク値を検出し、このピーク値を差動アンプ
１４の非反転入力に与えるようにしている。そして差、
動アンプ１４の他方の入力には基準電圧Ｖ　ｒｅｆを与
えるようにしている。

この基準電圧Ｖｒｃｆは回路素子を駆動する電源電圧、
水晶振動子１１を共振状態におくための適正なドライブ
レベルおよび測定圧力に対する出力信号のダイナミック
レンジ等を考慮して設定する。

そして差動アンプ１４の出力はローパスフィルタ１５を
介して直流化しアナログスイッチ１６の一方の固定入力
端へ与え、このアナログスイッチ１６の他方の固定入力
端へは接地電位を与えるようにしている。

そしてこのアナログスイッチ１６の出力をコンデンサ１
７を介して水晶振動子１．１の他方の端子に帰還するよ
うにしている。

したがって、発振増幅器１２の出力電圧Ｖ　ｏｓｃをピ
ーク値検出器１３へ与えて、そのＰ−Ｐ値を得、この値
を一定電圧となるように制御しているので、発振増幅器
１２の出力電圧Ｖ　ｏｓｃのＰ−Ｐ（＋σは一定の電圧
となる。

ここでピーク検出器１３の出力電圧ＶＯ３Ｃ，Ｉ）−１
１は、発振増幅器の帰還抵抗１３をＲｆ、ローノ＼スフ
イルり１５の出力電圧なＶｃｉとすると次の式で与えら
れる。

Ｖｏｓｃ、ｐ−ｐ＝ＶｃＰ４／π６　Ｒｆ／ＣＩ　・・
　（１）そしてピーク検出のために半波ピーク電圧検出
とした場合、次式が与えられる。

１／２　・Ｖｏｓｃ、ｐ−ｐ＝Ｖｒｅｆ　　・−・（２
）この（１）、　（２）式から次の（３）式が導かれる
。

■ＣＩ＝π／２・ＣＩ／Ｒｆ・■ｒｅｆ・・・　（３）
すなわち、ローパスフィルタ１５の出力電圧Ｖｃｉは水
晶振動子１１のＣＩ値に比例するので次の（４）式が与
えられる。

Ｖｃｌ−ｋｌ−ＣＩ　　・・・　　　（４）７ ただしに１は比例定数 そして、水晶振動子１１を流れる電流Ｉ　ｘｔｌは上記
ローパスフィルタ１５の出力電圧Ｖｃｉを水晶振動子１
１のクリスタルインピーダンスＣＩで除した値に比例す
るので次の（５）式が与えられる。

■ｘｔ１−に２・ＶＣ１／Ｃ■・・・・（５）ただしに
２は比例定数 この（５）式に一ヒ記（４）式を代入すると次の（６）
式が得られる。

Ｉｘｔｌ＝に２・ｋｌ　　・　・　　　　−（ら）した
がって、水晶振動子１１を流れる電流は一定であり、す
なわち水晶振動子１１を定電流で駆動することができる
。

さらに上記（４）式からローパスフィルタ１５の出力型
ＪＨＶｃｉは水晶振動子１１のＣＩに略比例した信号と
なり、ＣＩ値と圧力との関係は、たとえば圧力の測定対
象が窒素ガス（Ｎ２）の場合第３図に示すような特性と
なる。

すなわち第３図は横軸を圧力（トール）、縦軸をＣＩ（
キ〔ｌオーム）とし、それぞれ対数目盛りで表示したグ
ラフであり、このままでは低圧力の真空領域では充分な
分解能は得られない。

このため、第２図に示すブロック図のように上記ローパ
スフィルタ１５の出力信号Ｖｃｉを第２の差動アンプ２
１の非反転入力へ与え、極めて低圧力たとえば１Ｏ−５
Ｔｏｒｒ以下の圧力（この時のＣＩ値をＣＩ　ｐ＝Ｑと
する）におけるローパスフィルタ１５の出力信号Ｖｃｉ
に等しい一定値ｖ　ｐ＝Ｑを上記第２の差動アンプ２１
の反転入力へ与えて、−１−配出力信号Ｖｃｉから一ヒ
記一定値ｖ　ｐ＝Ｑを減じた信号△Ｖｃｉを得、この信
号ΔＶｃｉをログアンプ２２で対数増幅して出力信号Ｖ
ｌｏｇを得、これによって、特に低圧力の真空領域にお
ける分解能を向上するようにしている。

なお、このログアンプ２２の出力Ｖｌｏｇは第４図に示
すような圧力依存性を示す。

すなわち、この種の圧力計のセンサである水晶振動子１
１のＣＩ値の変化は、ある圧力Ｐｓ、この例では約２　
Ｔｏｏｒ　（）−ル）を境にこれよりも低い圧力領域で
はガスの分子の流れの影響が支配的な９− いわゆる分子流領域となり、上記圧力Ｐｓよりも高い圧
力領域ではガスの粘性の影響が支配的な粘性流領域とな
り、それぞれＣＩ値の変化する原理が相違する。

このため第４図に示すように上記圧力Ｐｓ、たとえば本
実施例では約２Ｔｏ　ｒ　ｒを境にして高圧力側および
低圧力側ではＣＩ値はそれぞれ略直線的に変化するが、
その変化率は互いに相違することになる。

このため、上記ログアンプ２２の出力Ｖｌｏｇを圧力Ｐ
ｓを境にして増幅率が変化して直線的な出力を得るよう
にした折線アンプ２３へ与えて増幅して出力Ｖ　ｂｅｎ
ｄを得、これをさらに出力アンプ２４で増幅して第５図
に示すような略直線的な出力Ｖｏｕｔを得るようにして
いる。

このような構成であれば、圧力センサである水晶振動子
１１は定電流で駆動するので、共振状態における水晶振
動子１１を流れる電流は雰囲気の気体ｊ、を力ＯＪ変化
に係わらず一定となり、安定な共振状態を得ることがで
き、とくにＣＩ値の高くな１０− る高圧力下においても確実に共振状態を得ることができ
る。

また水晶振動子１１のＣＩ値は、雰囲気の気体の圧力変
化だけでなく駆動電流の変化の影響も受けるが、上記実
施例では定電流駆動するようにしているので駆動電流の
変化による誤差を生しることなく圧力の測定精度を向−
Ｌすることができ、しかも水晶振動子１１のＣＩ値が低
くなったときに過大な電流が流れて水晶振動子１１の破
損、欠損等を生じることもない。

そしてローパスフィルタ１５の出力には圧力の変化に略
比例したＣＩ値の信号を得ることができるので、この信
号から一定値ｖ　ｐ＝Ｑを減して対数変換することによ
り特に低圧力領域においても充分、たとえばＩ　Ｘ　１
０−３ｔｏｒｒ程度の分解能を得ることができ、しかも
測定可能な圧力範囲は単一のセンサでｌＸｌ０−３ｔ、
ｏｒｒ　〜７６０Ｔｏｒ　ｒであり著しく広帯域とする
ことができる。

なお、本発明はに記実施例に限定されるものではなく、
たとえば温度の変化によるＣＩ値の変化１ が測定精度を損なう場合にはセンサである水晶振動子を
ヒータ等で加熱して一定温度に維持するようにしてもよ
い。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によればセンサである水晶
振動子を確実に共振状態に維持することができ駆動電流
の変化による誤差がなく低圧力領域においても充分な分
解能を得られ、しかも広帯域の圧力の測定の＋１７能な
真空圧力計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の一実施例を説明する図で
、 第１図は発振部を示すブロック図、 第２図は全体の構成を示すブロック図、第３図は水晶振
動子のＣＩの圧力依存性を示すグラフ、 第４図は水晶振動子のＣＩ−ＣｒＰ＝Ｏの圧力依存性を
示すグラフ、 第５図は折線アンプの出力を示すグラフ、２ 第６図は従来の圧力計の一例を示すブｒｒツク図、第７
図は第６図に示す圧力計の出力特性を示すグラフである
。 １０　・ １　ｌ　・ １２　・ １３　・ １４　・ １５　◆ １６　◆ ２　ｌ　・ ２２　・ ２３　・ ２４　・ ・発振部 ・水晶振動子 ・発振増幅器 ・ピーク値検出回路 ・第１の差動アンプ ・ローパスフィルタ ・アナログスイッチ ・第２の差動アンプ ・ログアンプ ・折線アンプ ・出力アンプ ３ （ｌｌｌＬＩｏ％）　Ｉコ （Ｗ１４０＞Ｉ）　ＱＺ−Ｚ ｓ５ｍ 特開平３ ３３６２８　（６） 第７内 第６区 ■ ″に１丁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧力を測定すべき気体雰囲気に置いた水晶振動子と、 この水晶振動子の一端を接続した発振増幅器と、 この発振増幅器の出力のピーク値を得るピーク値検出回
   路と、 このピーク値検出回路の出力を予め設定した一定の電圧
   と比較して出力する第１の差動アンプと、 この第１の差動アンプの出力を与えられるローパスフィ
   ルタと、 上記発振増幅器の出力で駆動され上記ローパスフィルタ
   の出力をスイッチングして上記水晶振動子の他端に与え
   るアナログスイッチと、一方の入力に上記ローパスフィ
   ルタの出力電圧を与えられ他方の入力に高真空状態にお
   ける上記ローパスフィルタの出力電圧に対応する予め設
   定した一定の電圧を与えられてこの差電圧を出力する第
   ２の差動アンプと、 この第２の差動アンプの出力電圧を対数変換して圧力の
   信号として出力するログアンプと、を具備することを特
   徴とする真空圧力計。