JPH042894B2 - - 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。

〔発明の概要〕

この発明は水晶振動子を利用した気体圧力測定
装置において、大気圧（760torr）においてメー
タの針がフルスケールを指すようにバツフアのバ
イアス量を調整しても、真空（≪10^-3torr）でメ
ータの針が零を指すとは限らないし、逆に真空で
零に調整しても大気圧において、針はフルスケー
ルを針すとは限らないので、針が大気圧ではフル
スケールを真空では零に指示するように容易に調
節できるようにしたものである。

整流回路の出力電圧の値を表示変換回路部内に
保持しておくことによつてメータの零点とフルス
ケールの調整が独立に、かつ容易に行なうことが
出来るようにしたものである。

〔従来の技術〕

水晶振動子の共振抵抗が、その周囲気体の圧力
に対し広い範囲で変化することが、最近、明らか
となり、それを利用すれば、大気圧から大略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２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i₀で示すような共振電流−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10³トールまで気体圧力に対する感度を
有する。従がつて、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３図は、水晶振動子の共振抵抗の圧力依存性
を利用した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施化する上で重要な意
味をもつ。というのは、第２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９ａ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２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、第４図曲線V_DCが示すように圧力が低下する
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４図曲線V_Mが示すようなメータ駆動電圧
を得ることができる。第４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
るに従がつてメータの針の振れ角が減少する通常
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
存性を利用する従来構成の水晶式気体圧力計には
次に述べる様な問題点があつた。即ち、第５図の
曲線ａが示すように、大気圧において前記メータ
１０の針がフルスケールを指すように前記バツフ
ア９のバイアス量を調整しても、真空（気体圧力
≪１×10^-3トール）で前記メータ１０の針が零を
指すとは限らない。逆に、第５図の曲線ｃが示す
ように真空で前記メータ１０の針が零を指すよう
に前記バツフア９のバイアス量を調整しても、大
気圧において前記メータ１０の針がフルスケール
を指すとは限らない。従がつて、第５図の曲線ｂ
が示すように、真空で前記メータ１０の針が零
を、大気圧においてフルスケールを指すように、
容易なメータ針指示調整が可能でなければならな
い。このことは、水晶振動子の共振抵抗の経時変
化や、何らかの理由による水晶振動子の交換を考
えると、水晶式気体圧力計の実用上極めて重要な
問題であると言える。

〔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、
真空における前記整流回路７の出力電圧の値を表
示変換回路部内に保持しておくことによつて、前
記メータ１０の零点ととフルスケールの調整が独
立に、かつ、容易に行なうことが可能な手段を提
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１図は
本発明の実施例を示す図である。前記水晶振動子
５と前記増幅器２との間にに直列に可変抵抗器２
ａが接続される。前記可変抵抗器２ａは、前記水
晶振動子５の真空における共振抵抗の経時変化
や、周囲温度の変化による共振抵抗の変化など、
比較的小さな共振抵抗の変化を吸収するために設
けられていて、前記可変抵抗器２ａの最大変化量
は1KΩ程度である。通常の状態においては、前
記可変抵抗器２ａは中立の位置に設定される（即
ち、その抵抗値が最大抵抗値の1/2の状態で、こ
の場合0.5KΩである）。前記整流回路７の出力
は、抵抗器８ａを介してオペアンプ８′の負入力
に印加される。前記オペアンプ８′の負入力端子
と出力端子とは可変抵抗器８ｂで接ながれてい
て、可変利得の逆相増幅器８″が構成されている。
前記逆相増幅器８″の出力は、抵抗器８ｃを介し
てメータ１０を駆動する（これをメータ駆動電圧
と称する）。前記オペアンプ８′の負入力には更
に、抵抗器１１ｄを介して、オペアンプ１１（ポ
ルテージ、フオロワを構成している）の出力電圧
が印加される。前記オペアンプ１１の出力電圧
は、その正入力端子に接続している可変抵抗器１
１ｂと、それに直列に接続している抵抗器１１
ａ，１１ｃとによつて、基本的には−10Vを中心
にして、大略±3V変化できるようになつている。
ここで抵抗器８ａと抵抗器１１ｄの値を等しくす
る（R₃a＝R₁₁d＝R₁＝10KΩ）。又、可変抵抗器
８ｂの任意の抵抗値をR₂（最大値は20KΩ）とす
る。

前記可変抵抗器２ａを中立の位置にしておいた
時の真空時の前記整流回路７の出力電圧をV_U、
メータ駆動電圧をV_MU、大気圧時の前記整流回路
７の出力電圧をV_L、メータ駆動電圧をV_MLとす
る。又、前記オペアンプ１１の出力電圧をV₀と
する。この時、V_MU、V_MLは次式で表わされる。

V_MU＝−R₂／R₁（V_U＋V₀） (1) V_ML＝−R₂／R₁（V_L＋V₀） (2) ここで、R₂を最大にしておいて（R₂＝
R₂max）、槽を十分真空になるよう排気したのち
V₀＝−V_Uとなるように前記可変抵抗器１１ｂを
調整し、その値を固定する。すると −R₂max／R₁。△V_MU ＝Amax△V_MU≒０ (3) となる。ここでV_MU≒０としたのは、人為的な操
作では、完全にV₀＝−V_Uとすることは不可能で、
僅かではあるが、誤差△V_MUが残存するからであ
る。しかし、これで実使用上、前記メータ１０の
零点調整が完了する。

次に、気体の圧力を大気圧にした状態でR₂の
値を変えて、(2)式のV_MLが丁度前記メータ１０の
針がフルスケールになるように前記可変抵抗器８
ｂを調整しその値を固定する（R₂＝R₂）。即ち、
これで前記メータ１０のフルスケール調整が完了
する。この時のメータ駆動電圧V_MLは、 V_ML＝
R₂／R₁（V_U−V_L） ＝A（V_U−V_L） (4) となる。フルスケール調整の際、前記可変抵抗器
８ｂを調整したので、再び真空にした時のメータ
駆動電圧V_M′_Uは、V_M′_U＝A。△V_MUとなるが、
A＜Amaxなので、V_M′_U＜V_MUとなり、零点が狂
うことは事実上有り得ない。

以上で、原則的には、前記メータ１０の零点、
フルスケール調整は終了する。本発明による回路
では、前記メータ１０の零点を決める電圧V_Uが、
前記可変抵抗器１１ｂの値として表示変換回路部
内で保持され、更に、前記メータ１０のフルスケ
ールを与える電圧V_MLは別個の可変抵抗器８ｂを
調整することによつて得られるので、零点、フル
スケール調整が互に干渉することなく独立に行な
うことができる。

水晶振動子の共振抵抗は安定なので、日常的に
あまり変化しない。しかし、長期の使用や、水蒸
気の吸着や、周囲温度の変化などにより共振抵抗
が若干変化した場合の零点変動は、前記可変抵抗
器２ａを調整することによつて完全に吸収でき
る。例えば、前記可抵抗器２ａの最大抵抗値が
1KΩの場合、メータのフルスケールの±３％〜
±５％の零点の変動を調整してメータの針を零点
にもつてくることが可能である。しかし、大気圧
においては、前記水晶振動子の共振抵抗値は300
〜400KΩもあるので、前記可変抵抗器２ａを調
整して等価的に共振抵抗が1KΩ程度変つても、
V_MLの変化は事実上無視でき、メータの針のフル
スケールは殆ど変化しない。

逆に、大気圧において、何らかの原因でフルス
ケールが狂つてしまつた時、フルスケールの再調
整をするために、前記可変抵抗器８ｂを再調整す
る場合でも、これが、零点におけるメータ駆動電
圧V_MUに与える影響はわずかであり、V_MUの変化
によるメータ針の零点の変化は、前記可変抵抗器
２ａを調整することによつてこれを零にすること
ができる。

即ち、前記可変抵抗器１１ｂにより零点の、前
記可抵抗器８ｂによりフルスケールの調整が一た
ん終了していれば、あとは、何らかの原因で零点
やフルスケールが多少変化しても、前記可変抵抗
器２ａにより零点の、前記可変抵抗器８ｂによつ
てフルスケールの再調整が全く独立にかつ容易に
行なうことができるのである。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれば、２個
の可変抵抗器によつて、真空でメータの零調整
を、大気圧でメータのフルスケール調整を行なつ
ておけば、通常の使用においては、水晶振動子に
直列に接続する他の可変抵抗器と前記のフルスケ
ール調整用可変抵抗器によつて、メータの零点、
フルスケール調整が全く独立に、しかも容易に行
なう事ができるので、水晶振動子の共振抵抗の圧
力依存性を利用する水晶式気体圧力計の使用を非
常に容易にする効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す回路ブロツク
図、第２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３図は従来の水晶振動子の共振抵抗の
圧力依存性を利用した水晶式気体圧力計の電子回
路ブロツク図、第４図および第５図はメータ駆動
電圧と気体圧力との関係を示す図である。 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、１１，８′…オペアンプ、
８ａ，８ｃ，１１ａ，１１ｃ，１１ｄ…抵抗器、
２ａ，，８ｂ，１１ｂ…可変抵抗器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも、周波数可変発振器、位相比較
   器、低域通過濾波器、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、 ある一定の気体圧力における前記水晶振動子の
   共振電流値に対応する直流電圧を相殺する電圧を
   可変抵抗器により設定して発生する回路と、 帰還回路内に可変抵抗器を有し、任意の気体圧
   力における前記水晶振動子の共振電流値に対応す
   る直流電圧値に前記相殺電圧値を加算した後増幅
   する逆相増幅器と、 前記PLL回路部内の前記増幅器と水晶振動子
   との間に設けられ水晶振動子の共振抵抗値を補正
   する可変抵抗器と、 から成り、前記増幅器の出力が前記表示部を駆動
   することを特徴とする水晶式気体圧力計。