JPH0522863Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 考案の背景 この考案は、電位計に関する。その主目的は、
温度変化、振動、汚染および湿気のような不良環
境で動作中の高インピーダンス電位計に及ぼす環
境変化の影響を少なくしかつ応答速度を実質的に
増すことである。

この考案が有用な質量分光計の分野では、１フ
エムト・アンペア程度の非常に小さい電流すなわ
ちイオン電流を正確に検出ないし測定してガスの
成分を決定することが必要である。更に、これら
の変化を急いで測定することも必要である。

これをするために、検出器は高速で動作しなけ
ればならないと同時にそのように小さい電流値を
検出するための高感度を持たなければならない。
現在の測定具はこの基準に合致しない。例えば、
現在の検出器は30〜100ミリ秒の入力電流変化
（10％〜90％）に応答するが、この考案では小さ
な電流値（１フエムト・アンペア）を測定できる
のみならず１ミリ秒未満の応答時間でも測定でき
る。この考案では、質量分光計の性能に制限が課
せられないので、電位計の応答時間が今では従来
の電位計よりも100倍程速いからである。

従つて、この考案の目的は、極めて小さい電流
値を測定するように質量分光計と一緒に作動でき
かつ質量分光計の動作を改善するように速い応答
時間を持つ高感度の高インピーダンス電位計を提
供することである。

他の目的は、高インピーダンス部品中およびそ
の付近の内部分路容量の影響を極小にすることに
より性能（速度および感度）が改善された高イン
ピーダンス電位計を提供することである。

この考案のその他の目的や付加的な目的は図面
および以下に述べるこの考案のもつと詳しい説明
から当業者には明らかである。例えば、この考案
は非常に小さい出力電流を持つ機器（この電流を
素速く測定するためにこの型式の電位計を必要と
する）と一緒に使用される。

この考案の要点 上述した諸目的に良く合致しかつこの型式の従
来装置を改良したこの考案の高速温度被制御電位
計は、抵抗値が非常に大きい帰還抵抗を有する前
置増幅器（小さな“チツプ”型）を備える。帰還
抵抗および前置増幅器は共に温度被制御基板上に
装架される。基板の温度は、熱電モジユールによ
つて制御される。この熱電モジユールはペルチエ
効果を使つて基板を冷却する。熱電モジユール
は、その上に基板が熱交換関係で装架され、かつ
温度センサへ接続された温度制御回路によつて制
御される。温度センサも基板上に装架され、そし
て基板および熱電モジユールは共にハーメチツ
ク・シールされたハウジングの中に収容される。
基板の温度を制御しかつ温度センサ、前置増幅器
および帰還抵抗をこのハウジングの中に収容する
と、基板が少なくとも40℃の周囲温度範囲に亘つ
て±0.05℃よりも小さい許容値内の特定温度に制
御される場合、湿気および感度による従来装置の
全ての欠点は除かれる。電位計を質量分光計へ直
接接続できることによりかつチツプ型部品を短く
て小直径（0.025mm）の相互接続リード線を使用
することにより、振動の問題は事実上解決され、
そして分路容量を低減して応答速度を増すことは
詳しい回路説明から明らかになろう。

第１図および第２図にこの考案の高速温度被制
御電位計１０を示す。この電位計１０の諸構成部
品はハウジング１２に収容される。このハウジン
グ１２はその一部が金属製ヒート・シンク１４に
よつて形成される。このヒート・シンク１４はハ
ウジング１２の１つの壁を超えて延び、この壁も
金属製であつて他の熱伝導手段（図示しない）へ
連結されるようになつている。ふた１６はハウジ
ング１２へハーメチツク・シールされて囲いを形
成する。この囲いの中には乾燥窒素のような不活
性ガスが入れられる。乾燥窒素環境でこの囲いの
中に電位計部品を密封すると、汚染や湿気の影響
がなくなる。

電位計部品は複数個の入力ピンおよび出力ピン
１８を構成し、そのうちの一対のピン２０と２２
は電位計のそれぞれ入力端子と出力端子を形成す
る（これらは導線として第２図にもつとはつきり
示されている）。他のピンは温度制御器２４への
接続部を形成する。温度制御器２４も破線のブロ
ツク図２６で示したハウジングの中に収容され
る。高抵抗値をもつた帰還抵抗Ｒ１は入力端子２
０および出力端子２２へ接続されると共に前置増
幅器３２と並列にその入力端子２８、出力端子３
０間に接続される。前置増幅器３２の一部と考え
て良い帰還抵抗Ｒ１は温度センサ３６と一緒に基
板３４に装架される。温度センサ３６は、基板３
４の温度を検知し従つて帰還抵抗Ｒ１および前置
増幅器３２の温度を検知する。基板３４は、この
基板の温度を制御する熱電モジユール３８に熱伝
導関係で装架される。熱電モジユールはヒート・
シンク１４のタブに熱伝導関係で装架される。こ
のタブは吸熱素子（図示しない）へ熱伝導関係で
装架され得る。ポテンシオメータＲ２を使用して
基板３４を所熱温度に設定する。

基板のために選んだ温度から少しでも変化する
と、この変化を温度センサが検知して偏差信号を
温度制御器２４へ送る。選んだ温度からのこの偏
差は補正信号として熱電モジユール３８へ帰還さ
れて基板をその選んだ温度に戻す。これが非常に
重要なのは、帰還抵抗Ｒ１および前置増幅器中の
たの部品の抵抗値が温度変化のせいで相当変るた
めである。従つて、熱電モジユール３８を最小の
温度範囲内で制御することにより、従来の電位計
に存在した温度の問題は解決される。換言すれ
ば、ペルチエ効果で動作するこの熱電モジユール
は基板を冷却し、そして温度は少なくとも40℃の
周囲温度変化に対して±0.05℃以内に制御され
る。基板の温度を事実上一定に保持することによ
り、帰還抵抗、回路の漏れ電流およびオフセツト
電圧に及ぼす温度の影響はたとえ周囲温度が変化
しても除かれる。電位計の入力端子を質量分光計
の出力端子へ直接接続することにより、従来の電
位計と質量分光計の出力端子との間で従来使用さ
れたいわゆる“フライング・リード（flying
lead）”が除かれたので振動の問題は無くなつた。
また、極端に短くて小直径（小質量）の相互接続
部を利用する微小回路部品を使用することによ
り、回路中の振動感度は大巾に低下される。代表
的な例では、Ｒ１はその面積が0.00125mm（２ミ
リ²）であり、そして最長接続部はその長さが2.5
mm（0.1in）でかつその厚さが0.025mm（１ミル）
である。

上述した温度制御が行われる仕方および回路装
置中の大巾に微小化された分路キヤパタシタンス
による速い応答時間は、第３図に示すような回路
装置についての説明から明らかになろう。

この第３図において、電位計および温度制御器
の回路の種々の部品は、その機能および動作に先
立つて説明される。更に、同等部品は同等符号で
表わした。

ハウジング１２内に収容された全ての部品（た
だし熱電モジユール３８を除く）は前置増幅器３
２を構成し、ハウジング２６内に収容された全て
の部品は温度制御器２４を構成し、そして両者は
例えば相互接続ケーブル４０のような任意適当な
手段によつて相互接続される。一例として、質量
分光計に使用する場合には、多数の電位計および
温度制御器があり、その一対だけを図示する。

質量分光計または他の装置からの出力は入力端
子２０を通して第１増幅段５０へ供給される。こ
の第１増幅段５０は、アナログ・デバイセス
（Analog Devices）社から市販されているチツプ
AD833Aとして図示された一対のＪ−FETトラ
ンジスタＱ１およびＱ２から成る。入力端子２０
はトランジスタＱ１のゲートへ接続されており、
このトランジスタのソースはトランジスタＱ２の
ソースへ接続されている。これらの２個のトラン
ジスタの各ドレインはアナログ・デバイセス社か
ら市販されているチツプAD810として図示され
た一対のバイポーラNPNトランジスタＱ３およ
びＱ４の各エミツタへ接続されている。トランジ
スタＱ３およびＱ４は第２増幅段５２を構成し第
１増幅段５０の負荷である。トランジスタＱ３お
よびＱ４は、そのベースが一緒に接続されかつそ
のコレクタがそれぞれ抵抗Ｒ３，Ｒ４を介して正
電源へ接続されている。抵抗Ｒ３およびＲ４とト
ランジスタＱ３およびＱ４のコレクタとの間には
抵抗Ｒ５およびコンデンサＣ１が結合されてお
り、これらの抵抗およびコンデンサは増幅器を安
定させるための周波数補償回路を形成する。トラ
ンジスタＱ３，Ｑ４のコレクタは演算増幅器５４
のそれぞれ非反転入力端子、反転入力端子へ接続
されている。演算増幅器５４の出力端子は電位計
の出力端子２２である。演算増幅器LF351はナシ
ヨナルセミコンダクタ（National
Semiconductor）社から入手できる。

出力端子２２は抵抗器Ｒ６を介して上述した帰
還抵抗Ｒ１の一端へ接続され、その他端は第１増
幅段５０のゲートへ接続される。帰還抵抗Ｒ１の
両端間に発生した出力信号と増幅器の電圧利得と
の積は後述するように電位計の出力電圧を発生す
る。この増幅器は或る意味でイオン電流／電圧変
換器である。

第１増幅段５０の重要さおよびＪ−FETトラ
ンジスタの使用は、これらが極端に小さい漏れ電
流および低い雑音を提供することである。第１増
幅段５０に継続接続される第２増幅段５２はトラ
ンジスタＱ１のゲート、ドレイン間のミラー効果
容量を除去し、従つて第１増幅段５０の実効入力
容量を極小化することによつて増幅器雑音を低減
する。

抵抗Ｒ６と帰還抵抗Ｒ１の間には一対の抵抗Ｒ
７およびＲ８が接続され、各抵抗Ｒ７，Ｒ８はそ
れぞれＪ−FETトランジスタＱ５，Ｑ６（ナシ
ヨナル・セミコンダクタ社のE174）のドレイン
へ接続され、そしてそのソースはアースされてい
る。これらのトランジスタの各ゲートはそれぞれ
抵抗Ｒ９，Ｒ１０を介して正電源へ接続される。
この正電源の電圧＋15Vはスイツチを常開状態に
維持する。ゲートをアースするとスイツチはター
ンオンする。これらのトランジスタは前置増幅器
の実効帰還抵抗値を変えるためのスイツチとして
働く。これらのスイツチのどちらか一方すなわち
トランジスタＱ５またはＱ６を付勢して抵抗Ｒ７
またはＲ８の一端をアースすると、これらのトラ
ンジスタが抵抗Ｒ６と共に電圧分圧器として働く
ので、これらの抵抗値の比は前置増幅器の利得を
変えさせる電圧分圧を提供する（Ｒ７＝2K、Ｒ
８＝22KそしてＲ６＝200Kである）。Ｑ５および
Ｑ６が両方共オフであると、帰還抵抗の実効値が
Ｒ１自体である。Ｑ５またはＱ６を付勢（ターン
オフ）することにより帰還抵抗の実効値はそれぞ
れ10×Ｒ１または100×Ｒ１まで増大させること
ができる。Ｒ６，Ｒ７およびＲ８の抵抗値は大抵
の任意所望の利得変化に適合するように選ばれ得
る。

再び第１増幅段５０を参照すれば、トランジス
タＱ１およびＱ２のソースは一対のNPNトラン
ジスタＱ７およびＱ８（アナログ・デバイセス社
のチツプAD810）のうちの第１トランジスタの
コレクタへ一緒に接続される。トランジスタＱ７
のエミツタは負電源（−15V）へ接続されると共
にトランジスタＱ８のエミツタへも接続される。
これらのトランジスタＱ７およびＱ８のベース
は、第２トランジスタＱ８のコレクタへ一緒に接
続されかつ抵抗Ｒ９′を介して正電源（＋15V）
へ接続される。

トランジスタＱ７およびＱ８の機能はトランジ
スタＱ１およびＱ２へ定電流を供給することであ
るので、トランジスタＱ１およびＱ２は適当な動
作レベルで作動する。トランジスタＱ２のゲート
は抵抗Ｒ１１を介してオフセツト調節器６０へ接
続される。このオフセツト調節器６０は正電源
（＋10V）と負電源（−10V）の間に接続された
可変抵抗Ｒ１２から主として成る。これは、トラ
ンジスタＱ１とＱ２の間に存在するオフセツト電
圧を補償するための電圧調節を行わせかつこの差
を事実上零にする。

最後に、負電源（−15V）は温度センサ３６の
負側に接続され、正側は後述する温度制御器２４
へ接続される。温度センサ３６はアナログ・デバ
イセス社が市販した素子AD590でありかつその
出力電流が温度に比例する。温度センサ３６の出
力は熱電モジユール３８の電流制御のために制御
ループ中で使用され、次いで熱電モジユール３８
が基板の温度を制御する。

温度センサ３６の正側は抵抗Ｒ１３を介して演
算増幅器６２（ナシヨナル・セミコンダクタ社の
LF353の半分）の反転入力端子へ接続される。こ
の負電源は、温度設定器からの正電源と加算され
る。なお、温度設定器は、＋10Vの正電源へ接続
された固定抵抗Ｒ１４、および正電源とアースの
間に接続された可変抵抗Ｒ２へ接続された固定抵
抗Ｒ１５から成る。演算増幅器６２の反転入力端
子にはRC回路網６６が接続され、このRC回路網
６６はダーリントンNPNトランジスタＱ９のエ
ミツタ側に接続されている。ダーリントンNPN
トランジスタＱ９は、そのベースが別なRC回路
網７０を介して演算増幅器６２の出力端子へ接続
され、そのコレクタが熱電モジユール３８の負側
へ接続される。２個のRC回路網６６および７０
の目的は、ループの安定性を最適にし（発振を防
止し）かつシステムの応答時間を最適にすること
である。熱電モジユール３８の正側は正電源（＋
5V）へ接続される。ダーリントン増幅器の目的
は熱電モジユール３８で必要な大電流（最大
1amp）を扱うことである。

抵抗Ｒ２，Ｒ１４およびＲ１５は熱電モジユー
ル制御回路のための温度制御用抵抗である。正電
源は加算点すなわち演算増幅器６２の反転入力端
子へ流され、この電流量は可変抵抗Ｒ２の値を調
節することによつて調節される。演算増幅器６２
が加算点電流値で安定するためには、非反転入力
端子がアースされているので電流は零に等しくな
らなければならない。これは、温度センサ３６か
らの電流（これは逆電流でる）が加算点へ供給さ
れなければならないことを意味する。さもなけれ
ば、演算増幅器６２は熱電モジユール３８が温度
を変えるのにダーリントンNPNトランジスタＱ
９に供給させ、そしてこれは温度センサ３６の出
力電流を変えさせるので、温度センサ３６からの
負電流は温度設定器６４からの正電流を打ち消
す。温度の初期調節は可変抵抗Ｒ２を調節するこ
とによつて設定される。

以上、極めて速く動作する電位計が開示され
た。帰還抵抗Ｒ１は0.01ピコフアラツドよりも小
さい実効分器容量（全分布かつ分路容量）例えば
0.005ピコフアラツドを持つので、帰還抵抗Ｒ１
の実効分路容量および抵抗値の関数である応答時
間は速い。

また、種々の部品（抵抗、コンデンサなど）お
よび電圧レベルの値を図示したが、これらはこの
発明の説明を簡単化するために図示したものであ
り、当業者ならば市販品の仕様に応じて異なる値
の部品および電圧レベルを使用しても良いことは
明らかである。

その上、周囲温度動作範囲は、或る熱電モジユ
ールを他の熱電モジユールの上に装架し、これに
よつて熱電モジユールの容量を事実上組み合わせ
て継続接続した熱電装置によつて拡大されること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の電位計部品を一部破断して
示す斜視図、第２図はこの考案の電位計部品の簡
単化した回路接続図、第３図は第２図に示した電
位計部品の詳しい回路接続図である。 １０……電位計、１２，２６……ハウジング、
２０……入力端子、２２……出力端子、２４……
温度制御器、３２……前置増幅器、３６……温度
センサ、３４……基板、３６……熱電モジユー
ル、Ｑ１，Ｑ２……Ｊ−FETトランジスタ、Ｑ
３，Ｑ４……バイポーラ・トランジスタ、５４，
６２……演算増幅器、Ｒ１……帰還抵抗、Ｑ５，
Ｑ６……FETトランジスタである。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 イオン電流レベル程度の極めて小さい電流を測
   定するための電位計であつて、 入力端子２０および出力端子２２と、 前期入力端子２０へ接続されかつ前記入力端子
   へ供給された電流をこの電流値に相当する値の電
   圧に変換するようになつている前置増幅器手段３
   ２と、 この前置増幅器手段３２の温度をその動作中に
   検出するためのセンサ手段３６と、 前記前置増幅器手段３２および前記センサ手段
   ３６を所定の温度範囲内に維持するように前記前
   置増幅器手段３２および前記センサ手段３６の温
   度を動作中制御するための手段２４と、 ペルチエ効果で動作する熱電手段３８とを備
   え、 さらに前置増幅器手段３２は熱伝導性基板３４
   上に配設され、この基板３４は前記熱電手段３８
   上に配設され、前記センサ手段３６および前記前
   置増幅器手段３２は前記熱電手段３８の温度に応
   答し、制御手段２４は前記センサ手段３６と前記
   熱電手段３８の両方へ結合されていて前記基板３
   ４の温度を所定の温度レベルに維持するように
   し、さらに入力端子２０と出力端子２２の間で前
   記基板３４上に位置する高抵抗値の帰還抵抗Ｒ１
   を含むようにして成る電位計。