JPH049452B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水晶振動子を利用して、その周囲の気
体の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〕 水晶振動（特に屈曲モード）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つのセンサで連続に測
定可能な気体圧力計を実現しうることが明らかと
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形真
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（N₂）圧力と約32kHzの屈曲モ
ードの水晶振動子の共振抵抗、共振電流、共振周
波数の関数を示す図である。共振周波数は10トー
ルをこえるあたりから変化し始めるが、圧力がそ
れ以下の領域での周波数圧力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
約10^-3トール迄圧力に対して有効な感度を有して
いる。ここで、この水晶振動子を定電圧駆動すれ
ば、同図中i₀で示す共振電流−気体圧力曲線が得
られる。それは共振抵抗と同様に、大気圧から約
10^-3トール迄、圧力感度を有している。測定の容
易さの点で共振電流を測り、これによつて気体圧
力を示す方式の方がよい。

第２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（以下、水晶式気体
圧力計と称する）の電子回路ブロツク図である。

それは、PLL回路部、表示変換回路部、表示
回路部によつて構成される。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の共振電流と電圧として増幅
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差を比較
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の出力信号に比例す
る直流電圧を発生する低域濾波器４とによつて構
成され、前記低域濾波器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の出力電圧で駆動される。

PLL回路の動作原理はすでに広くしられてい
るのでここでは省略するが、前記周波数可変発振
器１の出力信号（すなわち、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（すなわ
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、前記周波数可変発振器１の発振
周波数が制御される。すなわち、前記水晶振動子
５は常にそれ自身の共振周波数で駆動される。こ
れは、周囲気体の圧力によつて前記水晶振動子の
共振周波数が変化しても、十分追従できる。

次に、表示変換回路部は、前記水晶振動子５の
共振電流を電圧に変えられた信号（以下これを共
振電圧と称する）を、圧力を表示し得る電気信号
に変換する回路で、具体的には下記の回路よりな
る。それらは、表示部が電流計（メータ）で構成
される場合、前記増幅器２の出力信号を更に増幅
する主増幅器６、前記主増幅器６の出力信号を直
流にする整流回路７、前記整流回路７の出力電圧
をメータ駆動電圧に変換するメータ駆動回路８で
ある。本例の場合、表示部は電流計（メータ）９
であり、前記メータ９の針の振れ角により気体の
圧力を知る。

前記整流回路７の出力電圧V_DCは第３図に示す
ように気体圧力が下がると、第１図の共振電流i₀
の傾向に一致して、増加する（V_DCの最大値を
V_U、最小値をV_Lとする）。このまま、前記メータ
９を駆動すると、圧力が下がるとともに前記メー
タ９の振れ角が大きくなり、一般的な圧力計の常
識に反する指示となる。そこで、前記メータ駆動
回路は前記整流回路７の出力電圧V_DCを第３図の
曲線V_Mのように逆転し、さらに大気圧にて前記
メータ９の指針の振れ角をフルスケールにし、高
真空時に前記メータ９の指針の振れ角を零にする
ものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の自動発振器による気体圧力計では、自励
発振回路の帰還ループ内に、水晶振動子を使用す
るので、前記水晶振動子の共振抵抗に対応する出
力電圧が得られるが、前記出力電圧は、前記共振
抵抗値の他に、前記自励発振器のループ利得の影
響を強く受ける。又、前記水晶振動子の共振抵抗
が３桁（高真空では30kΩ、大気圧では300kΩ
強）以上も圧力によつて変わるので、高真空での
前記発振器の出力電圧の飽和を防止しようとする
と、前記水晶振動子の駆動電圧のレベルを低くし
なければならず、これにより常圧附近での自励発
振が困難になる。すなわち、自励発振方式では、
一般に圧力を読みとるための出力電圧が圧力セン
サである水晶振動子の共振抵抗以外の要因に強い
影響を受けることや、測定器としての圧力測定範
囲が前記水晶振動子が有効感度を保持できる圧力
範囲よりもせまくなつてしまうことなどにより前
記水晶振動子の圧力センサとしての性能を十分に
利用できない。又、安定な発振を維持するには、
通常、水晶振動子と発振回路を可能な限り近ずけ
なければならない（センサ・ケーブルが長くなる
と浮遊容量により発振が不安定になる）ことは、
実用上の大きな制約である。

一方、本発明による水晶式気体圧力計では、前
記周波数可変発振器１の出力電圧は前記水晶振動
子５の共振抵抗値に関係なく一定であるので、前
記水晶振動子５は常に共振状態で一定の振幅の電
圧で駆動される。このため、第１図と第３図に示
すように、前記整流回路の出力電圧V_DCは前記水
晶振動子の共振電流i_O、又、前記メータ駆動回路
の出力電圧V_M（前記メータ９の針の振れ角はV_M
に正比例する）は前記水晶振動子の共振抵抗R_O
にそれぞれ一致する。すなわち、前記メータ駆動
電圧V_Mは、前記水晶振動子の共振抵抗R_Oのみに
よつて決まるので、このような気体圧力計は水晶
振動子の性能を完全に利用できる。又、前記水晶
振動子の駆動源インピーダンスと、前記水晶振動
子の共振電流を増幅する増幅器の入力インピーダ
ンスとを十分に低くすると、センサ（水晶振動
子）と気体圧力計本体とを結ぶケーブルの長さを
非常に長く（例えば30から50ｍ）しても何ら支障
がない。これらは、実用上の大きな利点である。

しかし、この方式にも次のような問題がある。
すなわち、前記水晶振動子５の共振電流i_Oは、高
真空時と大気圧時では10倍以上もちがうので、前
記増幅器２より前記位相比較器３に印加される信
号（水晶共振電圧Vqrと称する）の大きさも10倍
以上変化する。一方、前記位相比較器３に印加さ
れるもう一方の信号（前記水晶振動子５を駆動す
る電圧で前記周波数可変発振器１の出力信号で水
晶駆動電圧Vqdと称する）の増幅は一定で具体的
にはおよそ1.5Vppに設定される。前記水晶共振
電圧と前記水晶駆動電圧はその振動値が大略等し
いことが、前記PLL回路部の安定なロツク動作
に不可欠である。しかし、高真空時においてVqr
≒Vqdになるように前記増幅器２の利得を調整す
ると、大気圧時はVqr≪Vqd（Vqr≒0.06Vqd）と
なり前記PLL部のロツクが不安定になり、急激
な圧力変化、周囲温度の変化などによつてロツク
がはずれたり、かからなくなつたりすることがあ
る。逆に、大気圧時にVqr≒Vqdになるように前
記増幅器２の利得を大きくすると、高真空時は
Vqr≪Vqdとなり、今度は前記位相比較器３が、
過大入力による誤動作を起こしやすくなり、これ
もロツクはずれの原因になる。この現象は、圧力
センサである前記水晶振動子５の共振抵抗が周囲
の気体圧力によつて非常に大きく変化することに
よるものであり、本発明の水晶式気体圧力計がま
さに上記の性質を利用するものであるから、前記
の問題点（ロツクの不安定動作）は本方式におい
ては根本的なものである。

本発明は上記の事情に鑑み為されたもので、前
記増幅器２と前記位相比較器３との間に、入力電
圧の大きさによつて利得が自動的に変化する新た
な増幅器を付加することによつて、前記水晶振動
子５の共振電流の大きさによらず、ほぼ一定の大
きさの前記水晶共振電圧を前記位相比較器３に印
加し、高真空時でも大気圧時でも前記PLL回路
部のロツク動作の安定化を実現する手段を提供す
るものである。

〔実施例〕

次に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ブロツク図である。前記増幅
器２と前記位相比較器３の間に、補助増幅器１０
が挿入され、前記増幅器２によつて増幅された水
晶共振電圧をさらに増幅して前記位相比較器３に
フイードバツクする働きを有する。前記補助増幅
器１０は図示したように、表示経路からはずれて
いるので、その出力電圧は入力電圧に比例する必
要はない（非線形増幅が許される）。第５図は本
発明の実施例をさらに詳しく説明する回路図であ
り、第６図は、第５図に示す回路図における前記
増幅器２および前記補助増幅器１０の出力電圧波
形を示す図である。

前記増幅器２は、オペアンプ２ａ、抵抗２ｂ、
抵抗２ｃより成る逆相増幅器であり、前記抵抗２
ｂを前記水晶振動子の共振抵抗R_Oに較べて非常
に低くすることによつて前記増幅器２は前記水晶
振動子５の共振電流i_Oを忠実に増幅することがで
きる。前記補助増幅器１０は、オペアンプ１０
ａ、コンデンサ１０ｂ、抵抗１０ｃ、抵抗１０
ｄ、ダイオード１０ｅ、ダイオード１０ｆより成
る、逆相増幅器である。前記オペアンプ１０ａの
帰還ループ中にダイオード１０ｅと１０ｆを互に
逆方向につないであるので、前記オペアンプ１０
ａの出力電圧が前記ダイオード１０ｅと１０ｆの
フオワード電圧（シリコンの場合0.6から1V）を
こえると、前記ダイオード１０ｅと１０ｆの交流
抵抗値は非常に低下するので、前記オペアンプ１
０ａによる逆相増幅器の利得が低下する。前記オ
ペアンプ１０ａの出力電圧が前記ダイオード１０
ｅと１０ｆのフオワード電圧よりも低い場合は、
前記ダイオード１０ｅと１０ｆの交流抵抗値は比
較的高いので、前記逆相増幅器の利得はほぼ、前
記抵抗１０ｄと１０ｃの比できまる値を維持す
る。このように、前記補助増幅器１０は、小さな
入力信号に対しては利得が大きく、大きな入力信
号に対しては利得が小さくなるので、前記抵抗１
０ｄを、前記ダイオード１０ｅ，１０ｆの順方向
交流抵抗値に対して適切な値に設定する（普通実
験によつてきめる）ことによつて、第６図ａ，ｂ
に示すように、前記水晶振動子５が、高真空中に
あつても、大気圧下にあつても、前記補助増幅器
１０の出力電圧をほぼ一定に保つことができる。
従つて、前記位相比較器３の比較さるべき信号の
振幅は常にほぼ一定に保たれるので、前記PLL
回路部のロツク動作は非常に安定になる。

本発明による前記補助増幅器１０を、前記増幅
器２と前記位相比較器３の間に入れることは下記
のような二次的な効果をも有する。すなわち、前
記増幅器２および前記補助増幅器１０による信号
の位相遅れを、前記コンデンサ１０ｂと前記抵抗
１０ｃの値を適切に選ぶことによつて（進相回路
なので）、前記増幅器２の入力信号すなわち前記
水晶振動子５の共振電流と、前記補助増幅器１０
の出力信号すなわち前記位相比較器の一方の入力
信号との位相を完全に一致させることができる。
これは、前記PLL回路部がロツク状態にある時、
前記水晶振動子５の駆動電圧と前記水晶振動子を
流れる電圧の位相が完全に一致している、すなわ
ち真に共振状態に維持できることを意味し、前記
PLL回路部のロツク動作の圧低下に好ましい影
響をおよぼすものである。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、圧
力センサである水晶振動子の共振電流を増幅する
増幅器と前記位相比較器との間に、帰還ループ内
に互に逆方向に並列に接続されたダイオードを含
む補助増幅器を挿入することによつて、前記水晶
振動子が真空中にあつても（その共振電流は非常
に大きい）、前記水晶振動子が大気圧下にあつて
も（その共振電流は非常に小さい）、前記位相比
較器にはほぼ一定電圧の前記水晶振動子の共振電
流に対応する信号を印加するので、前記PLL回
路部のロツク動作が非常に安定になる。さらに、
前記補助増幅器のカツプリング用コンデンサと抵
抗の値を適当に選ぶことによつて、前記増幅器お
よび前記補助増幅器による位相遅れを補償し、前
記水晶振動子の駆動電圧と電流との位相を完全に
等しくすることができ、結果として前記PLL回
路部のロツク動作の安定化に更に寄与する。

このように、本発明は、PLL回路によつて水
晶振動子を定電圧他励駆動をする水晶式気体圧力
形において、前記PLL回路部のロツク動作の安
定化に大きな効果を有するものである。

なお、本実施例においては、前記増幅器２、前
記補助増幅器１０はもとに逆相増幅器により構成
したが、これらを、正相増幅器によつて構成して
も全く同様の効果を示すものである。又、本実施
例において示した２個の並列に接続したダイオー
ドのかわりに、２個のツエナーダイオードを互に
逆方向に直列に接続して用いても同様の効果を有
することは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は水晶振動子の共振抵抗、共振電流、共
振周波数と気体（N₂）圧力との関係を示す図、
第２図は水晶式気体圧力計の電子回路ブロツク
図、第３図は前記電子回路内の整流回路出力電圧
とメータ駆動電圧の、気体圧力との関係を示す
図、第４図は本発明の実施例を示すブロツク図、
第５図は本発明の実施例の回路図、第６図は本発
明の実施例の回路図における各部の出力電圧波形
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……低域濾波器、５……水晶振
動子、６……主増幅器、７……整流回路、８……
メータ駆動回路、９……メータ、１０……補助増
幅器、２ａ，１０ａ……オペアンプ、２ｂ，２
ｃ，１０ｃ，１０ｄ……抵抗、１０ｂ……コンデ
ンサ、１０ｅ，１０ｆ……ダイオード。

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、低減濾波器、増幅器より成るフエーズ・ロツ
   クド・ループ（PLL）回路部と、前記周波数可
   変発振器と前記増幅器との間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、前記増幅器と前記位相比較器の間に、前記位
   相比較器への入力電圧を制限する２個のダイオー
   ドを互いに逆方向に帰還抵抗に並列に接続され
   た、前記増幅器と同相の補助増幅器を有すること
   を特徴とする水晶式気体圧力計。 ２ 前記増幅器の出力端子と前記補助増幅器の入
   力端子との間に、前記増幅器と前記補助増幅とに
   よる位相遅れを補償するように値が決められたコ
   ンデンサと抵抗が接続されることを特徴とする前
   項記載の水晶式気体圧力計。