JP2011196831A - 真空計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】振動体4と、振動体4と対向して静電力により振動体4を駆動する加振電極5と、振動体4と対向する検出電極6と、振動体4と検出電極6との間の静電容量を検知することにより振動体4の振動を検出する振動検出部と、振動体4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、前記駆動信号を加振電極5に印加し振動体4を共振状態に保持して、振動体4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において、圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体4と検出電極6との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる構成とする。
【選択図】 図3
Description
[本発明の実施形態]
まず、実施例1に係る真空計の機構部分を成す構造体について説明する。図1は、本発明の実施例1に係る真空計の機構部分を成す振動体を模式的に示す平面図であり、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よりなる振動体4と、振動体4を加振するための加振電極5と、振動体4の振動を検出するための振動検出電極6とから構成されている。そして、加振電極5は振動体4と対向して配置され、加振電極5に駆動信号を印加することによって静電力により振動体4が駆動される。また、振動検出電極6も振動体4と対向して配置され、振動体4と検出電極6との間の静電容量を検知することによって振動体4の振動が検出される。なお、図1〜2に示す構造体は、振動体4が加振電極5と対向する位置を,振動体4が振動検出電極6と対向する位置よりも振動体固定部3に近い位置としてなる構成とされているが、本発明における構造体の構成は上記構成に限定されるものではない。
次に、実施例1に係る真空計の回路構成について説明する。図3は本発明の実施例1に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、図1〜2と同一の符号は図1〜2と同一名称の部分を示す。図3に示されるように、実施例1に係る真空計の回路は、振動体4と振動検出電極6との間の静電容量の変化を電圧の変化に変換する容量電圧変換回路7、容量電圧変換回路7からの振動検出信号VCAを気体の圧力Pに対応した電圧信号である圧力測定信号VPに変換する圧力変換回路10、上記振動検出信号VCAの位相をシフトする位相シフト回路8、増幅のゲインの調整により位相シフト回路8の出力信号VCAPの電圧を制御し駆動信号VAPとして加振電極5に出力する電圧制御回路9、圧力変換回路10の出力電圧VP(圧力測定信号VPの電圧)と基準電圧源12の電圧VSとを比較するとともに比較結果に基づき圧力レベル判定信号S1を出力する電圧比較回路11、振動体4を初期加振するための初期励振信号VAIを生成する初期加振用信号源19、加振電極5に印加する駆動信号を選択するスイッチ回路18、振動体4に印加される振動体バイアス電圧VBを生成する振動体バイアス電圧源13から構成される。
次に、実施例1における駆動信号生成部からの駆動信号による振動体4の加振動作について説明する。図3において、振動体4が初期加振される場合、スイッチ回路18はAとBとが接続され、加振電極5に印加する駆動信号VOとして初期加振信号VAIが選択された状態となっている。この初期加振状態では、初期加振用信号源19より振動体4の固有振動数fRに対応した周波数の正弦波電圧信号、もしくは、上記固有周波数fRに対応した繰り返し周波数のパルス電圧信号からなる初期加振信号VAIが出力され、この初期加振信号VAIが駆動信号VOとして加振電極5に印加されることにより振動体4が加振される。初期加振用信号源19は初期加振にのみ使用され、振動体4が振動し始めた後は、スイッチ回路18が切り替えられ、AとCとが接続される。
次に、実施例1における圧力変換回路10の出力特性について説明する。図4は、本発明における圧力変換回路10の直流出力電圧VP(圧力測定信号VPの電圧)と気体の圧力Pとの関係図であり、圧力Pが高くなるに従い、出力電圧VPも高くなる。なお、図4は圧力変換回路10の出力特性の一例を示すものであり、圧力Pが高くなるに従い、出力電圧VPは低くなるような出力特性としても良い。また、圧力変換回路10は、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換える機能を備えている。
次に、実施例1における圧力測定動作は、例えば加振電極5に印加される駆動信号の電圧V0が一定となるように,容量電圧変換回路7からの振動検出信号VCAの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VCAPに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VCAの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VPに変換することにより圧力Pを測定する方式(駆動電圧一定方式)とすることができる。
次に、実施例1における検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VRの切り替え動作について説明する。図5は本発明の実施例1における検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VR、振動体バイアス電圧源13から出力される振動体バイアス電圧VBと圧力Pとの関係を示す図である。なお、ここでは、圧力変換回路10の出力特性が上述の図4のような特性であるものとする。
次に、実施例1における振動体のQ値と圧力Pとの関係について説明する。図6は、本発明の実施例1における振動体のQ値と圧力との関係を示す図であって、一例として、電位差ΔE2を電位差ΔE1に対して7倍(n=7、ΔE1=0.5V、ΔE2=3.5V)に設定した条件での関係を示すものである。図6において、ΔE=ΔE1である場合は実線で示した特性となり、ΔE=ΔE2である場合は破線で示した特性となる。
(チ)振動体の振幅と圧力との関係:
次に、実施例1における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を説明する。図7は、本発明の実施例1における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を示す図である。振動体4の振幅Aは上述の式(1)で表される。また、一般的に駆動力F0は、加振電極に印加される駆動信号の電圧V0と振動体バイアス電圧VBとの積に比例し、下記の式(10)で示される。
次に、実施例1における容量電圧変換回路7の出力電圧VCA(振動検出信号VCAの電圧)と圧力Pとの関係について説明する。図8は、本発明の実施例1における容量電圧変換回路7の出力電圧VCAと圧力との関係を示す図である。振動体4と振動検出電極6との間の距離に対して振動体4の振幅Aが十分に小さい場合、容量電圧変換回路7の出力電圧VCAは振動体4の振幅Aに概ね比例する。また、電圧VCAは振動体4と振動検出電極6との間の電位差ΔEにも比例する。そのため、比例定数をmとすると、容量電圧変換回路7の出力電圧VCAは下記の式(12)で表すことができる。
なお、圧力の低い側から高い側までの全領域における圧力P−出力電圧VCA特性が図8(b)に示されるように基準圧力レベルPS(=1Pa)で切り替わることに対応するため、容量電圧変換回路7の出力電圧VCAに応じた直流電圧VPを出力する圧力変換回路10では、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換えて、圧力測定範囲の全体にわたって圧力Pに比例した直流電圧VPが圧力測定信号として出力されるようにする。
まず、実施例2に係る真空計の機構部分を成す構造体は、上述の図1〜2で説明した実施例1における構造体と同様の構成とすることができる。
次に、実施例2に係る真空計の回路構成について説明する。図9は本発明の実施例2に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、図3と同一の符号は同一名称の部分を示す。図9においては、図3と比較して、図3のように電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて検出バイアス電圧源17から出力される検出バイアス電圧VRを可変する代わりに、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VBを可変する点が異なっており、その他の点は図3と同様である。なお、図9における振動体バイアス電圧源13Aは、図3における振動体バイアス電圧源13とは異なり、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VBを可変する機能を有する構成となっている。また、図9における検出バイアス電圧源17Aには、図3における検出バイアス電圧源17とは異なり、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて出力電圧VRを可変する機能は不要である。
次に、実施例2における駆動信号生成部からの駆動信号による振動体4の加振動作は、実施例1における加振動作と同様に行う。
次に、実施例2における圧力変換回路10の出力特性、すなわち直流出力電圧VP(圧力測定信号VPの電圧)と気体の圧力Pとの関係は、実施例1の場合(図4)と同様とする。また、実施例1と同様に、圧力変換回路10は、電圧比較回路11からの圧力レベル判定信号S1に応じて、その出力特性を切り換える機能を備えている。
次に、実施例2における圧力測定動作は、実施例1と同様に、例えば、加振電極5に印加される駆動信号の電圧V0が一定となるように,容量電圧変換回路7からの振動検出信号VCAの位相を位相シフト回路8でシフトした信号VCAPに対する電圧制御回路9における増幅のゲインを調整する制御を行なっている状態で、振動体4のQ値に対応して変化する振動体4の振幅A、すなわち容量電圧変換回路7からの振動検出信号VCAの大きさを、圧力変換回路10で圧力P値に対応する圧力測定信号VPに変換することにより圧力Pを測定する方式(駆動電圧一定方式)とすることができる。
次に、実施例2における振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VBの切り替え動作について説明する。図10は本発明の実施例2における検出バイアス電圧源17Aから出力される検出バイアス電圧VR、振動体バイアス電圧源13Aから出力される振動体バイアス電圧VBと圧力Pとの関係を示す図である。なお、ここでは、圧力変換回路10の出力特性が上述の図4のような特性であるものとする。
次に、実施例2における振動体のQ値と圧力Pとの関係は、ΔE1およびΔE2を実施例1の場合と同様に設定すると、実施例1と同様に上述の図6に示したようになる。そして、実施例2でも、実施例1と同様に、ΔE=ΔE1である場合、QEがより高いため、図6に示されるように、ΔE=ΔE2である場合と比較して、より低い圧力まで測定可能である。
次に、実施例2における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を説明する。図11は本発明の実施例2における振動体の振幅Aと圧力Pとの関係を示す図である。振動体4の振幅Aは上述の式(1)で表される。また、上述の式(10)で示したように、一般的に駆動力F0は、加振電極に印加する電圧V0と振動体バイアス電圧VBとの積に比例する。
次に、実施例2における容量電圧変換回路7の出力電圧VCA(振動検出信号VCAの電圧)と圧力Pとの関係について説明する。図12は、本発明の実施例2における容量電圧変換回路の出力電圧VCAと圧力との関係を示す図である。実施例2における振動体4の振幅Aと容量電圧変換回路7の出力電圧VCAとの関係は実施例1と同様に上述の式(12)で表される。
(本発明の実施形態における他の構成例)
(イ)なお、上述の実施例1および実施例2では1点の基準圧力レベル(PS)で振動体4と振動検出電極6との電位差ΔEを切り替える構成としているが、複数点の基準圧力レベル(PS1、PS2・・・)でそれぞれ電位差ΔEを切り替える構成とすることも可能である。また、検出バイアス電圧VRもしくは振動体バイアス電圧VBを切り替える基準圧力レベル(PS)の設定にヒステリシスを持たせることで、基準圧力レベル(PS)付近で電圧VRもしくはVBが急激に切り替わる動作が頻繁に繰り返すことを防ぐことができる。
2・・・梁
3・・・振動体固定部
4・・・振動体
5・・・加振電極
6・・・振動検出電極
7・・・容量電圧変換回路
8・・・位相シフト回路
9・・・電圧制御回路
10・・・圧力変換回路
11・・・電圧比較回路
12・・・基準電圧源
17,17A・・・検出バイアス電圧源
13,13A・・・振動体バイアス電圧源
14・・・差動増幅器
15・・・抵抗
16・・・キャパシタ
18・・・スイッチ回路
19・・・初期加振用信号源
Claims (8)
- 振動体と、該振動体と対向して静電力により振動体を駆動する加振電極と、該振動体と対向する検出電極と、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振動体の振動を検出する振動検出部と、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、前記駆動信号を加振電極に印加し振動体を共振状態に保持して、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において、
圧力測定部の測定出力信号による測定圧力レベルを基準圧力レベルと比較する圧力レベル判定部を有するとともに、該圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体と検出電極との間の電位差を可変する電位差変更手段を備えてなる
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、
前記電位差変更手段は、測定圧力レベルが基準圧力レベル以上のとき、測定圧力レベルが基準圧力レベル未満のときに対して、上記電位差をより大きくす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、
振動検出部における静電容量検出回路の検出バイアス電圧を生成する検出バイアス電圧生成部を備え、
前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて検出バイアス電圧を可変することにより検出電極の電位を可変す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、
振動体に印加される振動体バイアス電圧を生成する振動体バイアス電圧生成部を備え、
前記電位差変更手段は、圧力レベル判定部の判定出力信号に応じて振動体バイアス電圧を可変することにより振動体の電位を可変す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、
前記駆動信号生成部は、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振動体を加振する駆動信号を生成することを特徴とする真空計。 - 請求項5に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、駆動信号の電圧が一定となるように、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、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5に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、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、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5ないし7のいずれか1項に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、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るとともに、振動体の初期駆動時には、前記駆動信号として、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、初期励振信号に基づく初期駆動信号を加振電極に印加することを特徴とする真空計。
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