JPH0374934B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔工業上の利用分野〕 本発明は水晶振動子を利用して、その周囲の気
体圧力を測る気体圧力測定装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

大気圧から10^-3トール（Torr）迄の気体圧力
を１つのセンサで連続的に測りたいという工業的
要求には根強いものがある。

水晶振動子の共振周波数が、その周囲気体の圧
力が低くなるにつれ増加するという現象を利用し
た水晶式気体圧力計は、ある程度前記の工業的要
求に答えるものであるが、測定下限が10トール程
度であるという大きな欠点を有している。又、熱
伝導型真空計、例えばピラニ真空計では測定下限
が10^-4〜10^-3トールであるが、測定上限が10トー
ル程度であり、これも前記水晶式気体圧力計と同
様の欠点を有している。

一方、水晶振動子の共振抵抗が、その周囲気体
の圧力に広い範囲で依存性を有することが、最近
明らかとなり、それを利用すれば、大気圧から
10^-3トールまで１つのセンサで連続的に測定可能
な気体圧力計が実現できることが明らかとなつ
た。これは、例えば、月刊誌「計装」，1984年，
Vol.27，No.７「水晶振動子を使つた超小型真空セ
ンサの開発」の項に開示されている。

次に、水晶振動子の共振抵抗の圧力依存性を利
用した気体圧力計の動作原理を図面によつて説明
する。

第１図は気体圧力と水晶振動子の特性値（共振
抵抗値と共振電流、共振周波数）の関係を示す図
である。共振周波数は気体の圧力が10トールを越
えると変化し始めるが、気体の圧力が10トール未
満では気体圧力に対する感度はほとんど零であ
る。一方、水晶振動子の共振抵抗は大気圧から
10^-3トールまで、気体圧力に対して感度を有して
いる。この水晶振動を定電圧駆動すれば、同図に
おいてioで示すような共振電流一気体圧力曲線が
えられる。それは、前記共振抵抗値と同様に大気
圧から10^-3トールまで気体圧力に対する感度を有
する。従つて、測定の容易さの点から、共振抵抗
値を測るよりは共振電流（又は共振電圧）を測る
方が良い。

第２図は、本発明の対象である水晶式気体圧力
計の電子回路ブロツク図である。大きくは、
PLL回路部と、表示変換回路部と、表示部とか
ら構成される。前記PLL回路部は、電圧又は電
流によつて制御される周波数可変発振器１、水晶
振動子５の共振電流を電圧として増幅する増幅器
２、前記増幅器２の出力信号と前記周波数可変発
振器１の出力信号との位相を比較しその位相差に
比例する信号を出力する位相比較器３と、前記位
相比較器３のパルス状出力信号を直流電圧に直す
低域波器４とから成る。前記低域波器４の出
力電圧は前記周波数可変発振器１の発振周波数を
制御する。圧力センサである前記水晶振動子５
は、前記周波数可変発振器１の出力端子と前記増
幅器２の入力端子に接続される。PLL回路の動
作原理は既に広く知られているので、ここでは省
略するが前記周波数可変発振器１の発振周波数
は、前記周波数可変発振器１の出力信号即ち前記
水晶振動子５の駆動電圧と、前記増幅器２の出力
信号即ち前記水晶振動子５を流れる電流との位相
差が零になるように常に制御されている。即ち、
前記水晶振動子５は常に、それ自身の共振周波数
にて駆動されていることであり、水晶式気体圧力
計を実用化する上で重要な意味をもつ。というの
は、第１図に示すように、水晶振動子の共振周波
数は気体圧力によつて変化するからである。次に
表示変換回路部は、前記増幅器２の信号を更に増
幅する主増幅器６、前記主増幅器６の出力信号を
直流にする整流器７、前記整流器７の出力電圧の
極性を反転するインバータ８、及び前記インバー
タ８の出力電圧にバイアスをかけるためのバツフ
ア９とから成る。前記バイアス量は可変抵抗器９
ａによつて任意に変えることができる。表示部
は、気体圧力をデジタル的に、又は、アナログ的
に表示する部分で、本例ではメータ１０により構
成されていて前記メータ１０の振れ角から気体圧
力を読み取るものである。

前記水晶振動子の共振電流の圧力特性は第１図
に示すように、周囲気体の圧力が低下するに従が
つて共振電流が増加するので、電圧として増幅
し、直流になおし、そのままメータを駆動すると
圧力が低下するに従がいメータの振れ角が増加
し、常識に反する表示になる。そこで、前記イン
バータ８によつて、前記直流電圧の極性を反転
し、更に前記バツフア９によつてバイアス電圧を
加えることにより、第３図に示すようなメータ駆
動電圧を得ることができる。第３図の例では、大
気圧においてメータ駆動電圧が10Vになるように
前記バイアス量が調整されている。このようにし
て、大気圧においてメータの針が完全に振れ、低
圧になるに従つてメータの振れ角を減小する通常
の圧力表示を得ることができる。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、水晶振動子の共振抵抗の圧力依
存性を利用する前述の従来構成による水晶式気体
圧力計においては、前記周波数可変発振器が前記
水晶振動子５の共振周波数で規制されていない
時、即ち前記PLL回路部が非同期状態にある状
態では前記整流器７の出力電圧はほぼ零ボルトに
なり、前記メータ１０の振れ角はフルスケールを
上まわり、あたかも、気体圧力が大気圧をこえて
いるように見える。このように、従来構成による
水晶式気体圧力計においては、PLL回路部が必
同期状態になると、メータの指示が大気圧以上を
示し、誤つた指示を観測者に与えてしまうという
実用上重要な欠点があつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記の事情に鑑み為されたもので、前
記整流器７の出力電圧を検出し前記PLL回路部
が非同期状態にあるが、又は同期状態にあるかを
表示することによつて、前述の従来技術の欠点を
解決する手段を提供するものである。

〔実施例〕

以下、本発明を図によつて説明する。第４図は
本発明の実施例を示す図である。前記整流回路７
の出力の一部はコンパレータ１１の正入力端子に
印加される。比較すべき基準電圧は抵抗器１２と
１３とによりプラス側電源電圧（＋Ｖ）を分割す
ることによつて得られる。コンデンサ１４は、前
記基準電圧を安定化するためにつけられる。具体
的には、前記基準電圧は雑音に対する余裕度を考
慮して約60ミリボルトに設定される。因みに、前
記PLL回路部が非同期状態の時、前記整流器７
の出力電圧は約2mVである。又、前記PLL回路
部が同期状態にあり、かつ、水晶振動子５の周囲
気体の圧力が大気圧の時、前記整流器７の出力電
圧は約400ミリボルトである。従つて前記コンパ
レータ１１の基準電圧が約60ミリボルトであるこ
とは誤動作を起す確率は非常に小さい。１５，１
６，２０は抵抗器で抵抗器１５，１６はトランジ
スタ１８のベース電流をきめる。又、抵抗器２０
はフオト・ダイオード１９に流れる電流を制限す
る。ダイオード１７は、前記トランジスタ１８の
ベースに過大な負電圧がかからないようにする保
護用ダイオードである。次に、本実施例の動作を
説明する。前記PLL回路部が同期状態にある時
は、前記整流器の出力電圧は少なくとも400ミリ
ボルトあるので、前記コンパレータ１１の出力電
圧はプラス電源電圧レベルにある。従つて、前記
トランジスタ１８はON状態にあり、前記フオ
ト・ダイオードには順方向の電流が流れ点灯す
る。この時、前記メータ１０の針の振れ角はフル
スケールを越えないことは言うまでもない。もし
も、前記水晶振動子５の周囲の気体圧力が大気圧
を越えた場合、例えば、周囲の気体圧力が２気圧
になつても、前記整流器７の出力電圧は100ミリ
ボルト以上あるので、前記フオト・ダイオードは
点灯状態にある。この時、前記メータ１０の針は
フルスケールを越えているが、前記フオト・ダイ
オードが点灯しているので、前記水晶振動子５の
周囲気体の圧力が大気圧以上であるということが
分かる。次に、前記PLL回路部が何らかの原因
で同期から外れ、非同期状態になつていると、前
記整流器７の出力電圧は約２ミリボルト程度に低
下するので、前記コンパレータ１１の出力電圧は
マイナス電源電圧になる。すると、前記トランジ
スタ１８はOFF状態になり前記フオト・ダイオ
ード１９は消灯状態になる。この時、前記メータ
１０の針はフルスケールを越えているが、前記フ
オト・ダイオード１９が消灯しているので、前記
メータ１０の針は何ら気体圧力を示していないこ
とが分かる。このように、前記フオト・ダイオー
ド１９の点灯／消灯によつて、本水晶式気体圧力
計が実際に気体圧力を計測しているのか、計測し
ていないのかを、容易に知ることができるのであ
る。

第５図は、本発明の他の実施例である。前記コ
ンパレータ１１が前記フオト・ダイオード１９を
十分に駆動する能力があれば、前記抵抗器１５と
前記フオトダイオード１９を直接に前記コンパレ
ータ１１の出力端子に接続することによつて、前
記フオト・ダイオード１９を点灯／消灯すること
ができる。

又、本発明の実施例には記載しなかつたが、前
記コンパレータ１１の代わりに、トランジスタな
どにより構成された他の電圧比較器を使用しても
本発明の実施例と同等の効果を有することは明白
である。又、前記フオト・ダイオード１９の代わ
りに通常のランプを使つても同様の効果を有す
る。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれば、わず
かの素子を使用することにより、水晶式気体圧力
測定装置が測定状態にあるか否かが容易に判断が
でき、間違いのない測定をすることができる。又
構成要素が少ないので、信頼性が高く、製造原価
をそれ程高めない、などの効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は水晶振動子の特性値（共振抵抗、共振
電流、共振周波数）と周囲気体圧力との関係を示
す図、第２図は本発明の水晶式気体圧力計の電子
回路ブロツク図、第３図はメータ駆動電圧と周囲
気体圧力との関係を示す図、第４図は本発明の実
施例、第５図は本発明の他の実施例である。 １…周波数可変発振器、２…増幅器、３…位相
比較器、４…低域波器、５…水晶振動子、６…
主増幅器、７…整流器、８…インバータ、９…バ
ツフア、１０…メータ、１１…コンパレータ、１
２，１３，１５，１６，２０…抵抗器、１４…コ
ンデンサ、１７…ダイオード、１８…トランジス
タ、１９…フオト・ダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周波数可変発振器、位相比較器、低域通過
   波器、増幅器より成るフエーズ・ロツクド・ルー
   プ回路（PLL回路）部と、前記周波数可変発振
   器に接続された水晶振動子と、前記PLL回路部
   に接続された表示変換回路部と、前記表示変換回
   路部に接続された表示部とを有し、前記水晶振動
   子の共振抵抗値、又は共振電流値、又は共振電圧
   値から、前記水晶振動子の周囲気体の圧力を測定
   する水晶式気体圧力計において、 前記水晶振動子の共振電流値に対応する電圧値
   と、前記PLL回路部の同期・非同期状態を区別
   するための基準直流電圧値とを比較する比較器、
   および前記比較器の出力電圧によつて駆動される
   表示器とから構成されることを特徴とする水晶式
   気体圧力計。