JPH03189528A - 水晶発振子を用いた圧力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、掃除器などの家庭電化製品、血圧計などの
医療分野、圧力計、真空計、高度計など産業、計測分野
に用いられる圧力検出器に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明では、温度に関して同一の負の２次係数を有する
水晶発振子を同一温度、異なる圧力環境下でそれぞれの
共振周波数で発振させ、片方の圧力を真空、基準圧力ま
たは大気圧に開放させ、もう一方の水晶発振子は被測定
圧力とする。この状態でそれぞれの発振周波数または周
期の差を検出し、被測定圧力を求めることができる。な
お、予め異なる温度で圧力を測定してお（ことにより、
温度補正を行うことができる。

［従来の技術〕 従来、水晶発振子等を利用して圧力を検出する方法には
、圧力による共振周波数（以下ｆ０と略す）の変化と共
振抵抗値（ＣＩ値）の変化を利用するものがある。

第３図は従来の水晶発振子によるセンサの構造を示した
図である。ダイヤフラム１１により、外部からの圧力は
水晶発振子１４に加えられ、発振周波数ｆ０の変化とし
て電極１２、コネクタ１３を経て外部に取り出される。

この構造の圧力センサは高圧環境下で使用されることが
多い。

第４図は従来の発振周波数ｆ０の変化を検出する圧力検
出器の回路構成を示した図である０発振子Ｘとして、第
３図に示した圧力センサｌＯを用いることができる。ま
た第３図に示した以外の水晶発振子を用いることができ
る。一般に、圧力が高くなると水晶発振子が発振しにく
くなるため、周波数が減少する。また周波数と圧力は一
定温度下では比例している。大きな圧力変化を検出する
場合等、圧力−周波数変換効率が高い場合では、直接ｆ
０をカウントする。しかし−射的には圧力による周波数
の変化が小さいため、第４図の様に周波数の高い基準発
振回路１８を別に用意し、ｆｏを分周してその周期の間
カウンタ１７により基準発振回路１８のクロックｆ、を
カウントする。こうしてｆ。の変化を周期の変化として
検出する。ただし、周波数変化と圧力変化は比例し、同
期の変化、すなわちカウント値の変化とは比例しないた
め、カウント値をデータ処理回路４により圧力データに
変換する。

第５図は従来のＣＩ値の変化による圧力検出器の回路構
成を示した図である。第６図に水晶発振子の共振点付近
の等価回路（ａ）と共振電流（ｂ）を示す、圧力を加え
るとｆｏが低（なり共振電流が小さくなる。第５図では
、ＰＬＬ２１を幅回路２３で増幅している。水晶発振子
Ｘに加えられる圧力が高（なると、ＣＩ値が大きくなり
、くなる、そして整流回路２４の直流出力は小さくなる
。こうして圧力−電圧変換がなされる。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら従来の圧力を検出する方法および検出器に
おいては以下に述べる様な欠点があった。

水晶発振子の発振周波数を検出する方法では。

圧力変化が発振周波数の変化に比例するものの圧力変化
が大きくなければ発振周波数の変化そのものが小さく、
分解能が悪い、この欠点をカバーするため、小さな圧力
変化を増幅して水晶発振子に加える機械的構造を用いた
り、水晶発振子自体を特殊な構造とし、圧力変化を受は
易い構造としている。また発振周波数の高い水晶発振子
を開発したり、周期測定方法では圧力を測定する水晶発
振子とは別に高周波基準クロックを採用している。

しかしながらこのことが機構的な複雑化、大型化、コス
トアップを招いている０周波数が高くなれば消費電力も
増大する。さらに水晶発振子自体が温度変化の小さなも
のでなければ仲人ない。

ＣＩ値変化を検出する方法での大きな問題点としては、
得られる出力電圧が圧力に比例せず、かつアナログ出力
となることである。このままメーター等に接続し、圧力
値を読み取る場合は良いが、データ処理を行う場合はＡ
Ｄ変換（アナログ−デジタル変換）を行った上、直線化
補正を行わなければならない、またＰＬＬを用いている
場合では消費電力の増大、コストアップなどが欠点とな
っている。

［課題を解決するための手段１ 上記問題を解決するため本発明では時計等に使用される
温度に関して同じ負の２次係数を有する水晶発振子２個
を同一温度下でそれぞれの共振周波数で発振させ、一方
を真空、あるいは大気圧などの基準となる圧力下に置き
、もう一方を測定しようとする圧力下に置き、両者の発
振周波数の差を求め、計算などの手段により、測定しよ
うとする圧力を求めるものである。

〔作用〕

圧力を変化させるとわずかながら発振周波数が変化する
。一方を基準圧力に保ち他方を被測定圧力とすると、周
波数の差を測定することにより両者の圧力差を求めるこ
とができる。基準とする圧力のとり方により、絶対圧力
（真空および加圧）、差圧、ゲージ圧を測定することが
できる。

発振周波数は温度に関して負の２次係数を有する場合、
温度により基準の発振周波数、圧力感度が変化するが、
予め異なる２点の温度下において測定し較正することに
より正しく求めることができる。

［実施例］ 本発明では以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。第１図は本発明の第１実施例を示す図である。第
１図において、発振信号検出回路ｌには水晶発振子ｘ１
とｘ２があり、それぞれｆｌ、ｆｉの周波数で発振し、
アップダウンカウンタ２に接続されている。水晶発振子
１が基準となる圧力下（真空）に置かれていて、水晶発
振子２が被測定圧力下に置かれているものとする。基準
となる圧力の取り方により、絶対圧力、差圧、ゲージ圧
が測定できるが、水晶発振子ｌは真空の圧力におかれて
おり、ゲージ圧を測定するものとして説明する。水晶発
振子２は大気圧または大気圧より高い圧力に加圧される
。

勿論水晶発振子ｌを真空状態以外にすることができるし
、水晶発振子２の圧力を減じることも可能である。

発振信号検出回路ｌ内のインバータＧ１およびＧ２は波
形整形用として用いられている６発振信号検出回路１の
出力はアップダウンカウンタ２で一定時間Ｔの間カウン
トされる。水晶発振子ｘ２の圧力が高い場合、その発振
周波数ｆ２の方が低くなる。一定時間Ｔは基準となる周
波数ｆ、を分周期５により分周することにより得ること
ができる。アップダウンカウンタ２でのカウント値はフ
リブフロツブ３により一度ラッチされたのち、ブタ処理
回路４により圧力値に換算される。

第２図に第１図で示した回路でのタイミングチャートを
示す。分周器５の出力信号Ｂの立ち下りでワンショット
回路６を動作させ、トリガパルスＣを作る。またトリガ
パルスＣの立ち下りでワンショット回路７を動作させ、
リセットパルスＤを作る６　リセットパルスＤよりトリ
ガパルスＣが早いことにより、フリップフロップ３にデ
ータを取り込んだ後、アップダウンカウンタ２をリセッ
トパルスＤによりリセットする。アップダウンカウンタ
２のカウント値は水晶発振子ｘ２の発振周波数ｆ２に比
例するため、圧力に対して直線的に変化する。しかしな
がら、圧力変化に対しての周波数変化が小さいため、比
較的大きな圧力変化を検出する用途に用いるか、一定時
間Ｔを長くとらなければならない。

第７図はビート周波数を検出する方法を用いた本発明の
第２実施例を示す回路図である６発振信号検出回路ｌの
出力には水晶発振子ｘ１、ｘ２の出力ｆ１、ｆ２がその
まま出力される。ビート検出回路３１はＤフリップフロ
ップ３２、ゲートＧ３から成る。Ｄフリップフロップ３
２には水晶発振子Ｘｉとｘ２の周波数の差が出力される
。この周波数（以降ビート周波数△ｆと称す）は低周波
であるため、ゲートＧ３により水晶発振子ｘｌまたはＸ
２との論理積をとり、その出力なカウンタ３３により係
数することによってビート周波数の周期を求めている。

データ処理回路８ではカウンタ３３の値を処理し、圧力
データとして出力している。

第８図は第７図に示した第２実施例のタイミングチャー
ト図である。ビート周波数Δｆの信号ＥがｒＨＪの間だ
けｆｌを基準とするパルスＦが出る。１回の測定は信号
ＥがｒＨＪの間行なわれ、信号Ｅの立ち下りでカウンタ
３３の出力がデータ処理回路８に取り込まれる。

水晶発振子ｘ１、ｘ２の発振周波数が接近している場合
、第７図に示した簡単な回路ではジッタを起こす場合が
ある。第９図にはジッタ防止回路を含めた第３実施例を
示す６発振信号検出回路３５の出力は、ｆ、、ｆ２の１
／２となっている。

ビート検出回路３４ではＤフリップフロップ３６．３７
．３８を使用している。Ｄフリップフロップ３６の出力
Ｑ、すなわち信号Ｅが立ち上った後、Ｄフリップフロッ
プ３７により強制的にある時間立ち下りを防いでいる。

同様に、Ｄフリップフロップ３８により、Ｄフリップフ
ロップ３６の出力Ｑが立ち下った後ある時間反転を禁止
している。タイミングパルスＡ、Ｂは、Ｄフリップフロ
ツブの反転禁止を解除するために用いられている。

今までは回路構成について述べたが、次に時計用水晶発
振子の構造および特性について述べ、圧力によりどの様
に特性が変化するか述べる。時計用水晶発振子の大部分
は発振周波数３２７６８Ｈ２である。構造的に小型で音
叉型のベックと呼ばれる発振子自体が円筒型の金属ケー
スに真空封入されている。時計用の水晶発振子では周波
数調整のため金属の蒸着、トリミングを行う。−射的な
気体の圧力測定では、金などの腐食しない金属を蒸着し
たものをこの用途に用いると信頼性が向上する。

第１０図は時計用水晶発振子の温度特性の例を示す。温
度に関し負の２次係数を有している。時計としては温度
による変動が少ない方が良いため、頂点（ターニングポ
イントと言う）の温度Ｔａは腕時計の携帯時の温度を考
慮して２０〜２５°Ｃの範囲で作られている。

令弟７図に示す発振検出回路１において、水晶発振子ｘ
２として第１０図に示す温度特性を有する時計用水晶発
振子を用いて、圧力により発振周波数がどの様に変化す
るか説明する。

第１１図には、時計用水晶発振子を真空にして発振させ
た場合と、大気圧から加圧していった場合の周波数変化
を示している。また温度により発振周波数が変化するが
、ターニングポイントが圧力により移動していることが
わかる。

第１２図に時計用水晶発振子の圧力と発振周波数変化の
関係の例を示した。水晶発振子ｘ２を大気圧に開放した
状態の値を同一点にとり、３００ｍｍＨｇまで加圧した
ときの周波数変化を示した。周波数そのものは圧力と直
線的関係があるが温度により勾配が異なっていることが
わかる。

第１３図に時計用水晶発振子の圧力とターニングポイン
トでの発振周波数の関係を示した。圧力により直線的に
減少していることがわかる。

第１４図には時計用水晶発振子の圧力とターニングポイ
ントの温度の関係を示した。圧力が増加するにつれてタ
ーニングポイントが直線的に増加していることがわかる
。

次に第７図に示した第２実施例での測定結果を第１５図
から第１８図に示す。そのうち第１６図から第１８図ま
では第１５図を加工したものである。

第１５図はカウント数Ｎがどの様にして変化しているか
示したものである。カウント数Ｎそのものは圧力に対し
て曲線となっている。

第１６図は、カウント数Ｎの逆数の変化を示したもので
ある。カウント数Ｎは周期に比例しているため、その逆
数は周波数ｆ２に比例している。

適当なスケールにするため逆数に２００００をかけてい
る。実際に圧力と２００００／Ｎが直線的になっている
が、温度が高くなるに従って圧力を加えない時の値（以
下オフセット値と呼ぶ）と傾きが減少している。

第１７図は傾きの変化がわかる様にした図である。この
ままでは温度による傾き（感度）の変化が大きすぎて、
圧力センサとしては使用できない。

第１８図では、圧力が一定のとき、温度と２０００／Ｎ
が直線的な関係にあることを示している。

次に温度によるオフセット、傾きの補正について大気圧
から加圧された場合について、第１５図から第１８図に
示す特性をもとに説明する。

まずカウント値Ｎの逆数と、圧力、温度を表わす関係式
を求める。第１６図より一定温度ｔでは次の式がなりた
つ。

一＝Ａｔ　　＋Ｂｔ　Ｐ ｔ ■ Ｎ、・温度ｔでのカウント値 Ｂｔ　：温度ｔでの傾き（圧力感度） Ｐ　：圧力 一方第１８図より加圧しない（Ｐ＝ＯｍｍＨｇ）では１
／Ｎと温度は１次的に表わされＡ　＝　”　Ａ　ｏ−α
ｔ　　　　　　　　　　　■Ａ０　：圧力Ｏでの値 α　：温度係数 また第１７図より圧力感度Ｂｔは Ｂｔ＝Ｂｏ−βｔ Ｂｏ　：温度０℃での傾き β　・温度係数 とおくことができる。

■、■、■より ■ ただし　Δｔ　”　ｔ　ｌｔ　ａ　　　　　　　　　■
同様にｊ”ｊｏ　、ｊ＋における加圧時（ｐ＝Ｐ、）で
のカウント値をそれぞれＮｏいＮ　ＩＩとおくと ここでｔ ｍｍＨｇ） とすると ｊｏ、ｔ＋における非加圧（Ｐ＝０ 時のカウント数をそれぞれＮｏ。、Ｎ ■を解いてＡ。

αを■より代入すると Ｎｏｏ：温度ｔ。

Ｎ　ｔｏ”温度ｔ これを解いて Ｐ＝０でのカウント値 Ｐ＝Ｏでのカウント値 よって温度ｔ、 圧力Ｐのときのカウント数Ｎ　ｔｐは ただし 式■に式＠よりαＢＡ。

ると ０ を代入して整理す と表される。

式■より温度ｔの項を消すとカウント値が圧力Ｐにのみ
関係付けられる。従って圧力は温度によらずカウント値
から求められることになる。

のカウト値を得たとする。

そこで式■より これを解いて これより求める圧力をＰ、 Ｎ＋、加圧時をＮ。

非加圧時のカウントを とすると ただしＰ１は温度ｊｏ、ｔ＋で圧力を較正するために加
えた圧力値である。

■を導（方法として、第１６図でわかる様に、圧力の感
度とオフセット値は直線的な関係にあり、このことを利
用しても良い。

以上説明した様に、予め異なる温度、圧力で測定し、そ
の値に基づいて計算することにより圧力を求めることが
できる。水晶発振子ｘ１は真空下におかれ、ｘ２は大気
圧から加圧した場合について説明したが、このままでも
大気圧の測定等絶対圧の測定に対しても使用できる。ま
た水晶発振子１を別の圧力とすれば差圧も測定できる。

［発明の効果１ 本発明により安価な時計用水晶発振子を圧力センサとし
て用いることができるためコスト的に安価となる。さら
にデジタル処理ができるため、分解能が良く信号処理も
簡単にできる。形状的にも水晶発振子そのものが小さい
ため小型化でき、腕時計等の中に入れることも可能であ
る。また、圧力の範囲を選ばず、加圧、減圧、絶対圧、
差圧等が測定できるため、その応用範囲は広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧力検出器の第１実施例を示す図、第
２図は第１図におけるタイミングチャート図、第３図は
従来の水晶発振子による圧力センサの構造を示す図、第
４図は従来の発振周波数ｆ０の変化を検出する圧力検出
器の回路構成を示す図、第５図は従来のＣＩ値の変化に
よる圧力検出器の回路構成を示す図、第６図（ａ）、（
ｂ）は水晶発振子の共振点付近の等価回路と共振電流を
示すグラフ、第７図は本発明の圧力検出器の第２実施例
を示す回路図、第８図は本発明の第２実施例のタイミン
グチャート図、第９図は本発明の圧力検出器の第３実施
例を示す回路図、第１Ｏ図は時計用水晶発振子の温度特
性の例を示す図、第１１図は時計用水晶発振子の圧力と
発振周波数の関数を示す図、第１２図は時計用水晶発振
子の圧力と発振周波数変化の関係を示す図、第１３図は
時計用水晶発振子の圧力とターニングポイントでの発振
周波数の関係を示す図、第１４図は時計用水晶発振子の
圧力とターニングポイントの温度の関係を示す図、第１
５図は本発明の第２実施例での測定結果を示す図、第１
６図は本発明の第２実施例での測定結果を示す図、第１
７図は本発明の第２実施例での測定結果を示す図、第１
８図は本発明の第２実施例での測定結果を示す図である
。 Ｘ　１　、　Ｘ２、１４、　Ｘ　　・　−Ｇ　１　、　
Ｇ２　・　・　・　・　・　・　・２　・　・　・　・
　・　・　・　・　・　・８　・　・ １５　・ ７　・　・ ３５　・ ３４　・ ３６、 ・水晶発振子 ・インバータ ・アップダウンカラ ンク ・フリップフロップ ・データ処理回路 ・分周器 ・ワンショット回路 ・発振信号検出回路 ・ビート検出回路 ・・Ｄフリップフロラ プ ・カウンタ ・圧力センサ ・基準発振回路 ・波形整形回路 ・ＡＮＤゲート ・ダイヤフラム ・ＰＬＬ ２２．２３・・・・・・・・増幅器 ２４・・・・・・・・・・・整流回路 Ｇ３・　・　・　・　・　・　・　・　・　・　・ゲー
ト以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 温度に関して負の２次係数の特性を有する第１の水晶発
   振子と、前記第１の水晶発振子と同じ２次係数を有し、
   前記第１の水晶発振子と前記第２の水晶発振子を同じ温
   度かつ異なる圧力下においてそれぞれ個別の共振周波数
   において発振させ、前記第１の水晶発振子と前記第２の
   水晶発振子の発振周波数の差または同期の差を測定する
   ことにより、前記第１の水晶発振子と前記第２の水晶発
   振子がおかれている圧力の差を検出することを特徴とす
   る水晶発振子を用いた圧力検出器。