JPH047459B2 - - Google Patents

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JPH047459B2
JPH047459B2 JP58122455A JP12245583A JPH047459B2 JP H047459 B2 JPH047459 B2 JP H047459B2 JP 58122455 A JP58122455 A JP 58122455A JP 12245583 A JP12245583 A JP 12245583A JP H047459 B2 JPH047459 B2 JP H047459B2
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arm
pressure
tuning fork
arms
groove
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Deingaa Ruudorufu
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Asulab AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0022Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧力センサで使用するための検知素
子に関する。例えば本発明は、1.50〜2.25mmHg
(2〜3mbar)から少なくとも750mmHg(1bar)の
範囲の圧力を測定するための装置に関する。
従来技術 この範囲の圧力を測定するために、測定しよう
とする圧力で薄い仕切板が変形させられることを
利用する圧力ゲージ(またはマノメータ)が使用
されてきた。したがつて基本的な現象は機械的で
ある。これらの圧力ゲージは、まずかさばり、さ
らに変形される仕切板と表示手段との間の継手が
完全に機械的であるので、圧力測定値を遠隔読み
取りできない。前述の圧力範囲において、圧電抵
抗センサまたは圧電抵抗センサ群を利用する装置
も使用されている。この種の装置の欠点は、第1
に高価で過圧力による破壊をもたらすこと、第2
に後続の数値処理をできるようにするためにはデ
ジタル形態に変換されなければならないアナログ
信号を供給することである。その結果、大部分排
気した室を利用する装置にはこの範囲の圧力を測
定するための装置が設けられず、これによりその
動作上の信頼性に悪影響を及ぼす。
発明の解決すべき問題点 したがつて本発明の第1の目的は、1.50〜2.25
mmHg(2〜3mbar)から少なくとも750mmHg
(1bar)までの範囲の圧力を検知し、直線性およ
び感度が良く、しかも圧力測定に関する情報を疑
似デジタル値の形態で、例えば周波数の形態で供
給できる圧力検知素子を提供することである。
課題を解決するための手段 この課題は、検知素子が圧電部材から成る、一
対のアームを有する同調用フオーク形振動子を含
むようにし、前記アームはそれぞれ一対の互いに
平行な側面を有しており、 さらに前記同調用フオーク形振動子にはその頂
面および底面ならびに側面に、前記アームを該ア
ームの側面と実質的に垂直の方向へ屈曲モードで
振動させるための電極が配置されており、 さらに各アームの自由端部分に、前記アームの
側面と平行に延在する少なくとも1つの細長い溝
が設けられており、該溝の側面も前記アームの運
動方向と実質的に垂直になるようにし、かつ該溝
が前記アームを該アームの厚さの方向へ垂直に貫
通して延在するようにし、 さらに前記電極は、前記溝の設けられた各アー
ムの自由端部分には設けられないようにしたこと
により解決される。
上記の構成を有する同調用フオーク形振動子で
は、慣用の同調用フオーク形振動子の圧力係数に
関して、圧力の影響が相当増大し得る。更に、こ
のような同調用フオーク形振動子の構成はエツチ
ングによる製造従つて検知素子の大量生産に役立
つ。
さらに本発明の第2の目的は、上述した検知素
子を使用しかつ検知素子から供給された信号を処
理するための電子回路が極めて簡単である、ガス
の圧力を測定するためのセンサを提供することで
ある。
この課題を解決するために、上述したような検
知素子と、圧力を測定しようとするガスを受け入
れる孔を有し、同調用フオーク形振動子が内側に
緊着されているケースと、電極へ電圧を印加しか
つ前記圧力の影響で前記同調用フオーク形振動子
の共振周波数を受けるための手段と、前記周波数
の振動を圧力表示に変換するための手段とをセン
サに設けるようにすると有利である。
本発明による検知素子に用いられている「一対
のアーム」は、他の同調用フオーク形振動子と同
様に、実質的に同一のかつ中央面に関して左右対
称である。このような「一対のアーム」を、例え
ば水晶から成る圧電部材の同調用振動子として用
いる理由は以下のとおりである。第一は、この形
式の振動子を用いることにより、高い精度で圧力
を測定できる。第二にこの種のセンサは、時計用
の同調用フオーク形振動子と同じ方法で製造する
ことができるため大量生産が可能であり、そのた
め安い費用で製造可能である。第三にこの種の振
動子の共振周波数は低く(77kHzあるいは32kHz
でさえ可能)できて、しかもセンサにおける温度
補償を必要としない。そのため振動子は信号を直
接、デイジタル形式で供給するのでなおさら、こ
の種のセンサの電子回路を簡単にすることができ
る。
実施例の説明 第1図に示す従来の同調用フオーク形振動子
は、ベース2並びに破線で示したベース平面8か
ら突出する一対の平行アーム4および6を備え
る。これらのアームは、長さL,幅Wおよび厚さ
t並びに側面Sを持つ。このような同調用フオー
ク形振動子が屈曲モードで励振される時、すなわ
ちこのアームが矢印f′で示したように振動する
時、圧力pの関数としての共振子の共振周波数
Δfの変化は下記の式で表わされる。
Δf/f=k1・p/v・S/m・1/ω 式中、fは同調用フオーク形振動子の振動の周
波数であり、vは同調用フオーク形振動子を囲む
ガス分子の熱エネルギーの平均速度であり(ガス
は圧力pにある)、sは一方の側面Sの面積すな
わち運動方向と直角な1つの表面の面積であり、
mは同調用フオーク形振動子の運動質量すなわち
アームの外形および平面8によつて定められたア
ームの質量であり、ωは共振時の脈動であつて
2πfに等しく、Δfは共振周波数であり。そしてk1
は定数である。
Sおよびmのための上述した定義から、これら
の2つの大きさは下記のように表わせる。
S=L×tそしてm=fL×t×Wである。た
だし、fは水晶の密度である。
上式中のSおよびmを置換すると、下記の式が
得られる。
Δf/f=k2・p/v・1/W・1/ω ただし、k2は定数である。
この式からわかるように、圧力の関数としての
周波数の相対変化は、寸法の大きさについて、ア
ームの幅Wの逆数だけに依存する。しかしなが
ら、脈動ωは周知のようにアームの長さLおよび
幅Wに依存する。
同調用フオーク形振動子の圧力に対する感度を
増すためには、アームの幅Wを狭くして脈動ωを
小さくしなければならない。こような解決策(同
調用フオーク形振動子のアーム)は同調用フオー
ク形振動子に非常に小さなダイナミツク・キヤパ
シタンスを持たせ、そのような設計を実施し難い
ものにする。
第2a図に示した同調用フオーク形振動子はベ
ース10並びに一対のアーム12および14を有
する。両方のアームの自由端部分にはアームの長
さ方向に延びる細長い溝16が形成される。ここ
では各アームに4つの溝が形成され、各溝は長さ
がlで幅がeである。したがつて溝16の側面1
6aは、圧力測定の一部を果す同調用フオーク形
振動子のアームの側面Sと平行である。更に、溝
16の幅eは、その値がガス分子の平均自由工程
よりも明らかに大きくなるように設定される。同
調用フオーク形振動子は屈曲モードで励振され、
溝16の側面16aはアームの運動と垂直な方向
にある。
次に、アームの自由端部分に細長い溝16を設
けた理由について詳細に説明する。
圧力を測定すべきガス中を屈曲モードで励振す
る同調用フオーク形振動子の場合、前述の比
Δf/fと感度とは、運動方向に対して垂直な一
対のアームのうちの一方のアーム(あるいは両
方)の全表面積に実質的に比例する。その際、各
アーム(あるいは両方のアーム)の質量が減少す
ると、前述の比および感度が増加する。このこと
は容易に理解することができる。全表面積が大き
くなればなるほど、この表面に衝突する分子数が
多くなり、アームの質量が小さくなればなるほ
ど、アームを運動させる分子の衝撃が効率よくな
る。
溝を設けることによつて、アームの運動方向に
対して垂直であるアーム全表面積を増加させるこ
とができるとともに、アームの質量を減らすこと
ができる。その結果、アームの幅を小さくしなく
ても振動子の感度を著しく高めることができる。
溝をアームの自由端部近傍に、つまりアームが
最も自由にかつ大きく運動する場所に設けると非
常に効果的であることは明らかである。
一方、ガス分子の平均自由行程(ガス分子が一
回衝突してから次に衝突する間に走行する距離の
平均値)が溝の幅のオーダーであるかあるいはそ
れよりも大きい場合、換言すればガス圧力ならび
に密度が低ければ、溝の中に侵入するガス分子の
個数は少なく、したがつてガス分子と溝の側面と
が衝突する回数も僅かになり、大部分のガス分子
は溝から逸れてしまう。このような場合この溝は
もはや、アームの運動に対して垂直な表面積を増
加させるには寄与せず、アームの質量を減少させ
るだけであつて、圧力の測定はエラーを有するよ
うになる。この場合には明らかに、圧力に対する
測定不可能な下限が生じてしまう。このことを回
避するため前途のように、溝16の幅eの値は、
ガス分子の平均自由行程よりも大きくなるように
設定される。
第2b図に示したように、アーム12および1
4は各々、その頂面および底面に一対の電極18
および18′を持つと共にその側面Sに一対の側
面電極20および20′を持つ。第2b図に示し
たように、共通の電位が対面電極の各対に印加さ
れる。
この場合、溝が設けられていても、電極を形成
する金属を被着する際の妨げにはならない。それ
は、周知のように、部分屈曲モードで励振される
のを避けるためには、同調用フオーク形振動子の
アームの先端には電極を設けないようにしなけれ
ばならないためである。
なお、第2a図および第2b図に示されている
ように、この実施例では同調用フオーク形振動子
のアームの断面を長方形としたが、これはこの種
の形状を有するアームが著しく容易に形成できし
たがつて最も一般的であるからである。さらにこ
のようなアームの形状は、著しく効率のよいセン
サを得るためにおそらく最も適したものであろ
う。しかし本発明による同調用フオーク形振動子
はこのようなアームの形状に限定されるものでは
なく、例えば六角形のように、他の形状の断面を
有するアームでも実現可能である。また、第2b
図に示されている電極の配置は、実質的にZカツ
トでありかつ長方形の断面を有するフオーク形振
動子に適したものである。したがつてそのほかの
カツトおよび/または別の形状の振動子に対して
も、これと全く同じようにあるいは類似させて電
極を配置する必要はない。
第3図の特性曲線Iは、第2aおよび2b図に
示されている同調用フオーク形振動子の動作を示
す。この特性曲線は、ミリバールで表わされた圧
力pの関数として、ppmで表わされた周波数の相
対変化、 Δf/f を示す。腕時計に使用するのに適したサイズの同
調用フオーク形振動子のアームは2.7mm程度の長
さL、215μmの幅Wおよび125μmの厚さtを持つ
ている。各溝16は1mmの長さ1および30μmの
幅eを持つている。特性曲線Iは、1.50〜2.25mm
Hg(2〜3mbar)ないし約750mmHg(1bar)の範
囲において同調用フオーク形振動子の周波数の相
対変化と圧力(約0.8413ppm/mmHg(63/ppm/
bar)の圧力変化係数を有する)の間に非常に直
線的な関係が得られることを示す。この値は同様
な特性を有するが、溝が形成されない慣用の水晶
製同調用フオーク形振動子と同一の圧力係数
250ppm/℃と比較されるべきである。特性曲線
は、Lが2400μmで、Wが220μmでかつtが
125μmであるような同調用フオーク形振動子に相
当する。従つて、圧力の影響がかなり増大するこ
とが認められる。
さらに、このようにして作られた同調用フオー
ク形振動子は約77kHzの共振周波数を有する。も
し同調用フオーク形振動子の長さを長くして同調
用フオーク形振動子の共振周波数を約32kHzまで
低くすると、前述した最後の式は圧力に対する依
存係数が少なくとも2倍されることを示す。従つ
て、第2aおよび2b図による同調用フオーク形
振動子では、1.50〜2.25mmHg(2〜3mbar)から
少なくとも750mmHg(1bar)の範囲内で圧力の関
数としての周波数の相対変化が約1.60ppm/mm
Hg(1200ppm/bar)の圧力係数を有する圧力検
知素子を作ることが可能である。圧力はこのよう
にして正確に測定できる。
第4図に簡単化した形態で示す圧力測定用セン
サは、本発明による検知素子を含む。検知素子
は、例えば円筒形スリーブ状真鍮製カバー30お
よび少なくとも部分的に絶縁性である支持体32
から成るケースの中に収容される。このケースの
内部を測定しようとする圧力に曝するためにカバ
ー30に孔33が設けられる。支持体32を貫通
して2本の導電ストリツプ34および34′がカ
バー30内部へ延び出ており、これらの導電スト
リツプはカバー30内に位置する方の端部におい
て同調用フオーク形振動子のベースと固定的に接
続されている。これによりそれらのストリツプ
は、アーム12,14に設けられた2組の電極
(+,−)のうちの一方の電極へそれぞれ接続され
る(第2図も参照のこと)。他方、導電ストリツ
プ34,34′の、カバー30外部に位置する方
の端部は、それぞれ導体36,38へ接続されて
いる。これらの導体36および38を介して、振
動子の振動周波数を表わす信号が処理・給電回路
40へ供給され、次にこの処理・給電回路40
は、検知素子によつて測定された圧力を表示する
ための表示手段42を制御する。なお、処理・給
電回路40の詳細については第5図を用いて以下
で説明するが、第4図の処理・給電回路40の一
部である同調用フオーク形振動子を振動させる駆
動手段は、周知の水晶共振器のための駆動装置と
同様、振動子の振動周波数を検出しその周波数を
有する電気信号を送出する検出手段としても構成
されている。このような駆動/検出手段は、後述
の第5図のドライブ回路46を構成するものであ
る。
処理・給電回路40の目的は、第1に周囲圧力
に対して共振周波数で検知素子を駆動すること、
第2に周波数の変化から圧力の値を誘導するよう
に周波数信号を処理することである。
第5図は処理・給電回路40を設計するための
例を示す。2本の導体36および38は慣用のド
ライブ回路46へ接続されている。このドライブ
回路46は、測定されなければならない圧力に依
存する周波数fの信号を出力端子に供給する。信
号fはANDゲート48の一方の入力端子へ印加
され、ANDゲート48の他方の入力端子は信号
発生器50の供給した信号を受ける。信号発生器
50は例えば100ミリ秒の持続時間および1秒の
周期を持つ信号を発生する。ANDゲート48の
出力端子はカウンタ52のクロツク入力端子CK
へ接続されている。カウンタ52の出力信号(カ
ウンタに状態を表わす)は、ラツチ54の入力端
子へ印加される。ラツチ54からの出力信号は計
算回路56へ印加され、その出力信号は表示手段
42のための符号化回路58を制御する。信号発
生器50の出力端子は検出回路60の入力端子6
0aへも接続されている。検出回路60は、信号
の立下りが入力端子60aへ印加される毎にパル
スを出力端子60bに供給する。検出回路60の
出力端子60bは一対のインバータ62および6
2′(これらは遅延回路として働く)を介して点
Bへ接続される。この点Bは、一対のインバータ
64および64′(矢張り遅延回路として働く)
を介してカウンタ52のゼロ・リセツト入力端子
CLへ接続されかつラツチ54のイネーブル入力
端子Enへ接続される。
処理・給電回路40の動作は以上の説明から明
らかである。信号発生器50から発する信号が低
レベル論理状態にある限り、ANDゲート48は
閉じていてカウンタ52はインクリメントされな
い。しかし、信号発生器50から信号の立上りを
受けると、ANDゲート48は開いてカウンタ5
2は周波数fの信号のパルスをそのクロツク入力
端子CKを通して受ける。信号発生器50の出力
が高レベル論理状態から低レベル論理状態に変る
と、ANDゲート48は閉じてカウンタ52はも
はやインクリメントされない。これと同時に、検
出回路60はパルスを発し、このパルスは少しの
遅延の後でカウンタ52の内容をラツチ54へ転
送させる。従つて、その内容は、信号発生器50
から供給された信号の持続時間の間すなわち約
100ミリ秒の間周波数fの信号中に含まれたパル
スの数に等しい。
ラツチ54の内容は、従つて検知素子の周波数
をデジタル形態で表わす。その後、検出回路60
によつて供給されたパルスはカウンタ52をゼロ
にリセツトし、信号発生器50によつて供給され
る信号の次のパルスが到着する時に新しい測定を
行わせる。ラツチ54の2進デジタル形態での内
容は、この周波数を或る数例えばミリバールに変
換するように計算回路56によつて処理される。
この計算回路56は、従つて基準圧力での周波数
の値を考慮するために計数されたパルスの数から
例えば調整手段66によつて設定された所定値を
減算しかつこの結果を一定の或は制御可能な係数
で割つてミリバールの数と周波数の変化との比を
提供するのに役立つにすぎない。この計算の結果
は符号化回路58へ与えられ、もつて表示手段4
2によつて表示される圧力を制御する。
周知のように、水晶結晶によつて供給される周
波数は温度に依存する。事実上Z切断の同調用フ
オーク形振動子の場合には、すなわ主面が水晶の
光学Z軸と実質的に垂直である場合には、温度の
関数として相対周波数変化を表わす特性曲線は実
質的に放物線状であり、その頂点は同調用フオー
ク形振動子上の反転温度に相当する。圧力センサ
の普通の動作範囲に関してこの反転温度が集中さ
れ得るように切断角θを選ぶことが可能である。
例えば、もし同調用フオーク形振動子の主面に対
する法線が水晶のZ方向に対して2°の角をなすな
らば、反転温度は25°になる。この状態下で温度
の関数としての周波数の相対変化は約34・10-9
℃に等しい温度係数βによつて与えられる。発明
の結果として得られた圧力係数とこの温度係数の
比較から明らかなように、もし温度が反転温度の
両側で妥当な範囲内に留るならば、温度の影響は
圧力測定に意味ある仕方で悪影響を及ぼさない。
上述した動作範囲すなわち1.50〜2.25mmHg(2
〜3mbar)〜75.0mmHg(1bar)は、これだけに制
限されるべきでない。これは、精巧な電子回路を
要さないように同調用フオーク形振動子の満足な
動作に相当する。圧力pが増すと、圧力に対する
直線性の感度は良好なままであるが、これを低下
させるのは共振子のQである。しかしながら、本
発明による検知素子を使用するセンサの動作範囲
は、電子回路を適用することによつて3750mmHg
(5bar)まで増大され得ることに注目されたい。
以上の説明から明らかなように、圧力検知素子
は開示された問題に対する満足な回答を提供す
る。
第1に、共振子の製造は時計用共振子の生産に
おいて通常要求される技術を使用し、さらに溝に
対する要求によつて、水晶のエツチングまたは電
極の取り付けが非常に複雑になることはない。第
2に、検知素子は750mmHg(1bar)までの範囲で
極めて満足に働き、これは既知のセンサが遠隔測
定を実施できない範囲である。第3に、検知素子
の圧力に対する感度が極めて良いことに留意すれ
ば、温度補償を行う必要が無く、従つてセンサの
構造、特に電子回路の構造を簡単化する。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の同調用フオーク形振動の斜視
図、第2a図は本発明による検知素子で使用され
る同調用フオーク形振動子の斜視図、第2b図は
同調用フオーク形振動子のアームの縦断面図であ
つて、同調用フオーク形振動子を屈曲モードで励
振するのに電極を合わせる1つの方法を示す。第
3図は本発明による検知素子の動作を例示するグ
ラフ図、第4図は本発明による検知素子を使用す
る圧力測定用センサを簡単化した形態で示す図、
第5図は第2図ないし第4図による検知素子によ
つて供給された信号を処理するための回路を示す
ブロツク図である。 12,14……アーム、S……側面、18,1
8′,20,20′……電極、16……溝、16a
……溝の側面、t……アームの厚さ、33……
孔、30……カバー、32……支持体、40……
処理・給電回路、42……表示手段。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 圧力センサで使用するための検知素子におい
    て、 該検知素子は圧電部材から成る、一対のアーム
    12,14を有する同調用フオーク形振動子を含
    むようにし、前記アーム12,14はそれぞれ一
    対の互いに平行な側面Sを有しており、 さらに前記同調用フオーク形振動子にはその頂
    面および底面ならびに側面に、前記アーム12,
    14を該アームの側面Sと実質的に垂直の方向へ
    屈曲モードで振動させるための電極18,18′,
    20,20′が配置されており、 さらに各アーム12,14の自由端部分に、前
    記アーム12,14の側面Sと平行に延在する少
    なくとも1つの細長い溝16が設けられており、
    該溝16の側面16aも前記アーム12,14の
    運動方向と実質的に垂直になるようにし、かつ該
    溝16が前記アーム12,14を該アームの厚さ
    tの方向へ垂直に貫通して延在するようにし、 さらに前記電極18,18′,20,20′は、
    前記溝16の設けられた各アーム12,14の自
    由端部分には設けられないようにしたことを特徴
    とする、圧力センサで使用するための検知素子。 2 前記同調用フオーク形振動子は水晶から成
    り、該同調用フオーク形振動子のアームの側面は
    前記水晶のZ方向に対して実質的に平行であるよ
    うにした特許請求の範囲第1項記載の検知素子。
JP58122455A 1982-07-13 1983-07-07 検知素子 Granted JPS5924230A (ja)

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FR8212532 1982-07-13
FR8212532A FR2530338A1 (fr) 1982-07-13 1982-07-13 Element sensible a la pression et capteur de pression en faisant application

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JPS5924230A JPS5924230A (ja) 1984-02-07
JPH047459B2 true JPH047459B2 (ja) 1992-02-12

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ID=9276064

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US (1) US4507970A (ja)
EP (1) EP0099330B1 (ja)
JP (1) JPS5924230A (ja)
DE (1) DE3363269D1 (ja)
FR (1) FR2530338A1 (ja)
HK (1) HK49589A (ja)

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