JP2010151783A - 真空計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】初期加振用信号源41,42から出力された振動体24,28の固有振動数に対応した周波数の信号が加振電極29,30に印加され、振動体24,28が加振される。初期加振用信号源41,42は初期駆動するときのみ使用され、振動体24,28が振動し始めた後はスイッチ回路39,40が切り替えられる。容量電圧変換回路33,34から出力された信号の位相を位相シフト回路35,36でシフトし、増幅器37,38を経て、加振電極29,30に印加され、共振状態を保つ。加振電極29,30に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器37,38のゲインを調整した場合、振動体のQ値に対応して振動体24,28の振幅、つまり、容量電圧変換回路33,34から出力される信号の大きさが変化する。
【選択図】図5
Description
また従来、面積が異なる複数の振動体を利用して、測定可能な圧力範囲を広げた真空センサも知られている(特許文献4参照)。
上記請求項1ないし3のいずれか1項に記載の真空計において、真空計内の気体の圧力によって圧力の測定に使用する前記振動体を切り替えるようにするよい(請求項4の発明)。
上記請求項1ないし4のいずれか1項に記載の真空計において、真空計内の気体の圧力に関わらず常時すべての振動体を動作させるようにするとよい(請求項5の発明)。
[実施形態1]
図1は、本発明の実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の平面図であり、図2は、図1に示す構造体の側面図である。図1および図2において真空計の機構部分を成す構造体は、錘1、梁2および振動体固定部3からなる振動体4、振動体4を加振するための加振電極5、振動体4の振動を検出するための振動検出電極6から構成される。
図3は、本発明の実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図であり、図4は、図3に示した振動体の設計値におけるQ値と気体の圧力Pとの関係を示す図である。図3の下部に示す表には、設計例として設計(a)と設計(b)とが示されている。図4に示すように、設計(a)の場合に測定することができる気体の圧力は約0.1Paから約100Paであり、また設計(b)の場合に測定することができる気体の圧力は約3Paから約3000Paである。すなわち、振動体の形状によって測定することができる気体の圧力範囲を任意に設計することができる。なお、図3に示される設計(a)および設計(b)の各振動体の固有周波数は、例えば、各振動体の材質をシリコンとした場合、それぞれ、約320Hzおよび約16.5kHzとなる。
[実施形態2]
図9は、本発明の第2の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、1つの真空計内に二つの振動体を含む例のため図を上下に分けて示し、図5と同一符号は同一名称部分を示す。図9において、本発明の第2の実施形態に係る真空計の回路は、図5と比較してスイッチ回路43および44を追加した構成である。また、振動体4の構造については上記した本発明の第1の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
[実施形態3]
図10は本発明の第3の実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の平面図であり、図11は、図10に示す構造体の側面図である。図10および図11において真空計の機構部分を成す構造体は、錘1、梁2および振動体固定部3からなる振動体4、振動体4を加振するための加振電極5,7、振動体4の振動を検出するための振動検出電極6,8から構成される。
[具体例1]
図13は、本発明の第3の実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図である。図13の設計(I)および設計(II)は具体例1における振動体4の設計値の一例であり、設計(I)と設計(II)とでは振動体の厚さ(=梁厚)(C値)が異なる。図14は図13に示した振動体の設計値の具体例1における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。ただし、振動体固有のQ値を100000、温度Tを300K、評価対象の気体を空気とした場合であり、以下の具体例についても同様である。図14より、振動体の厚さが異なる2つの振動体を利用することで、1つの振動体の場合と比較して約1桁測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
[具体例2]
図13の設計(III)および設計(IV)は具体例2における振動体4の設計値の一例であり、設計(III)と設計(IV)とでは振動体の梁の長さ(D値)が異なる。図15は振動体の設計値の具体例2における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。図15より、梁の長さが異なる2つの振動体を利用することで、1つの振動体の場合と比較して0.5桁程度測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
[具体例3]
図13の設計(V)および設計(VI)は具体例3における振動体4の設計値の一例であり、設計(V)と設計(VI)とでは振動体の材質(ヤング率)が異なる(シリコン:130Gpa、アルミニウム:70GPa)。図16は振動体の設計値の具体例3おける気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。図16より、振動体の材質が異なる2つの振動体を利用することで、1つの振動体の場合と比較して若干測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
[具体例4]
図13の設計(VII)および設計(VIII)は具体例4における振動体4の設計値の一例であり、設計(VII)と設計(VIII)とでは振動体の錘の面積(A×B値)が異なる。図17は振動体の設計値の具体例4における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。図17より、錘の面積が異なる2つの振動体を利用することで、1つの振動体の場合と比較して1桁弱測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
[具体例5]
上記した式1より、1/Pの係数部分aは、以下の式3のように表される。
[実施形態4]
図19は本発明の第4の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。図19は、1つの真空計内に振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも1つが異なる複数(例えば2つ)の振動体を含む構成について、1つの振動体に対応する回路構成だけを示しており、他の振動体に対応する回路構成も同様である。
2、22、26 梁
3、23、27 振動体固定部
4、24、28 振動体
5、7、29、30 加振電極
6、8、31、32 振動検出電極
33、34、52、53 容量電圧変換回路
35、36、57 位相シフト回路
37、38、59 増幅器
39、40、43、44、65 スイッチ回路
41、42、63 初期駆動用信号源
55 差分回路
61 反転回路
73 駆動用信号源
Claims (12)
- 振動体と、該振動体を静電力により駆動する加振電極部と、前記振動体を加振する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを有し、前記駆動信号を前記加振電極部に印加して前記振動体を共振状態に保持して、前記振動体の振動特性から雰囲気の圧力を測定する圧力測定部を備えた真空計であって、
前記振動体を前記真空計における共通の雰囲気内に複数個備え、
前記各振動体により測定することができる圧力範囲をそれぞれ異ならせた、
ことを特徴とする真空計。 - 請求項1に記載の真空計において、
前記各振動体は、厚さ、梁の長さ、材質もしくは面積の少なくとも1つが異なることにより測定できる圧力範囲が異なることを特徴とする真空計。 - 請求項1または2に記載の真空計において、
前記各振動体により測定することができる圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成したことを特徴とする真空計。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の真空計において、
真空計内の気体の圧力によって圧力の測定に使用する前記振動体を切り替えることを特徴とする真空計。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の真空計において、
真空計内の気体の圧力に関わらず常時すべての振動体を動作させることを特徴とする真空計。 - 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の真空計において、
前記圧力測定部は、前記振動体の振動を検出する振動検出部を有するものであり、
前記駆動信号生成部は、前記振動検出部の検出信号に基づき、この検出信号の位相を変えて増幅することにより前記振動体を加振する駆動信号を生成するものであることを特徴とする真空計。 - 請求項6に記載の真空計において、
前記圧力測定部は、振動体の両側に振動方向に沿って設置された1組の加振電極からなる加振電極部を備えるとともに、振動検出部の検出信号の位相を変化させる位相シフト回路と、該位相シフト回路の出力信号を増幅させる増幅器と、該増幅器の出力信号の位相を反転させる反転回路とからなる駆動信号生成部を備え、振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、前記反転回路および前記増幅器の各出力信号を前記1組の加振電極にそれぞれ印加することで振動体の共振状態を保持することを特徴とする真空計。 - 請求項6または7に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、前記駆動信号の電圧が一定となるように、前記振動検出部の検出信号の位相を変えた信号に対する増幅のゲインを調整するものであり、
前記圧力測定部は、前記振動検出部の検出信号の大きさに基づいて圧力を測定することを特徴とする真空計。 - 請求項6または7に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、前記振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、前記振動検出部の検出信号の位相を変えた信号に対する増幅のゲインを調整するものであり、
前記圧力測定部は、前記駆動信号の電圧に基づいて圧力を測定することを特徴とする真空計。 - 請求項6ないし9のいずれか1項に記載の真空計において、
前記振動体の固有周波数に対応した周波数の初期励振信号を出力する初期励振用信号源を備え、
振動体の初期駆動時には、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、前記初期励振信号に基づく初期駆動信号を前記加振電極部に印加することを特徴とする真空計。 - 請求項6ないし10のいずれか1項に記載の真空計において、
前記振動検出部は、前記振動体と検出電極との間の静電容量を検知することにより前記振動体の振動を検出するものであることを特徴とする真空計。 - 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の真空計において、
前記各振動体に対応させて前記圧力測定部を複数個設けることを特徴とする真空計。
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