JPH0690101B2

JPH0690101B2 - 気体圧力計

Info

Publication number: JPH0690101B2
Application number: JP61071861A
Authority: JP
Inventors: 尚彦丸野; 正一阿部; 哲夫小川
Original assignee: 株式会社長野計器製作所
Priority date: 1986-03-28
Filing date: 1986-03-28
Publication date: 1994-11-14
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: US4684842A; DE3676190D1; EP0238746A3; JPS62228126A; EP0238746B1; EP0238746A2

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は水晶振動子を用いた気体圧力計に関する。

〔従来技術及びその問題点〕

特定種類の気体の圧力と、その気体中に配した水晶振動
子の直列共振状態におけるインピーダンスは一定の相関
関係を示すことが知られている。このため、予め気体の
圧力値と水晶振動子のインピーダンス値の関係を求めて
おけば組成の明らかな気体の圧力を水晶振動子のインピ
ーダンス値から知ることができ、かかる原理に基づく気
体圧力計も実用化されている。

ところで、一般に水晶振動子のインピーダンス値を知る
ためには発振回路を用いて水晶振動子に交流信号を印加
する必要があり、通常このような発振回路として自励発
振方式と他励発振方式が用いられている。

自励発振方式は時計等の分野で広く用いられているよう
に、専ら精密な周波数発振を目的とし、本発明の対象と
なる気体圧力計のように気体の圧力変化に対応して直列
共振状態にある水晶振動子のインピーダンスを定量的、
かつ高精度に求めることができない。したがって、自励
発振方式を用いた最適な気体圧力計は今だ実用化される
に至っていない。

このような実情から従来の気体圧力計としては主に他励
発振方式が用いられている。最も簡単な気体圧力計とし
ては測定子である水晶振動子に、周波数調整器から発振
した直列共振周波数の交流電圧を印加し、水晶振動子に
流れる気体圧力に対応した大きさの電流を計測するとと
もに、電流電圧変換回路、検波回路を経て圧力表示する
基本的原理を用いたものが知られている。しかし、水晶
振動子は気体の圧力変化によって共振周波数が変化し、
また個々の水晶振動子における共振周波数のばらつき、
さらには軽微な汚染によっても共振周波数が変化してし
まう性質をもつため、かかる原理に基づく気体圧力計で
は圧力の計測中、常時周波数調整器に対して共振周波数
を探さなければならず実用性に欠ける。

一方、このような不具合を解消した気体圧力計も提案さ
れている（例えば特開昭60−201225号公報等）。この種
の気体圧力計はいわば共振周波数に対する自動追従機能
を持たせた方式で、一例を第６図に示す。同図の圧力計
（60）は入力電圧によって周波数が変化する周波数制御
回路（62）を水晶振動子（61）に接続して交流電圧を印
加するとともに、さらにこの回路（62）の出力信号と水
晶振動子（61）の出力側に接続した電流電圧変換回路
（63）から得る出力信号の位相を比較する位相比較回路
（64）を設ける。そして、この回路（64）の出力電圧を
ローパスフィルタ（65）を介して前記周波数制御回路
（62）に与え、これによって常に共振周波数に一致した
周波数の交流電圧を水晶振動子に印加するPLL（フェー
ズロックドループ）回路を構成する。この結果、測定中
に共振周波数を探しだす煩わしさは解消でき、この方式
による気体圧力計も実用化されている。なお、（66）は
検波器等を含む表示回路である。

しかし、このような第６図に示す気体圧力計も次のよう
な問題点がある。即ち、水晶振動子が直列共振するルー
プ内にPLL回路を含むため、周波数制御回路をもつPLL回
路としての一般的な問題が存在する。例えば水晶振動子
はＱが極めて大きいため、電源投入時には周波数を掃引
して共振周波数を探す必要がある。このため、電源投入
後直ちには動作せず、待ち時間を生じるため迅速な計測
には適さない。しかも、周波数制御回路にはこのための
特別な技術が必要となる。また、周波数をロックするた
め、ある程度の周波数帯域幅が必要となるが、これによ
り外来ノイズに弱くなるとともに、他方帯域幅を狭くす
ると水晶振動子の共振周波数にドリフト等を生じた場合
には動作（ロック）しなくなる問題を生じる。さらにま
た、ローパスフィルタを用いるため、この時定数により
測定圧力の時間的変化に対する応答遅れを生じる。な
お、この場合時定数を小さくすると外来ノイズに弱くな
ってしまう。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上述した従来技術に存在する諸問題を解決した
新規な気体圧力計の提供を目的とするもので、以下に示
す気体圧力計によって達成される。

即ち、本発明に係る気体圧力計（１）は水晶振動子を取
り外せば原理的に発振しない自励発振方式のループ回路
を構成したもので、この点において水晶振動子を取り外
しても発振を接続する他励発振方式とは本質的に原理を
異にする。本気体圧力計（１）における回路要素は入力
する交流信号に対応し、かつ振幅を一定にした定電圧交
流信号（V₀）を水晶振動子（２）に供給する電圧安定化
手段（３）と、当該水晶振動子（２）の出力交流電流
（I₁）を電圧に変換する電流電圧変換（以下、Ｖ変換と
略記する）手段（４）と、当該手段（４）からの出力信
号（V₁）に対し共振状態で水晶振動子（２）のインピー
ダンス値を最小又はその近傍にする移相量を設定し、こ
の位相設定された交流信号（V₂）を上述した電圧安定化
手段（３）へ供給する移相手段（６）により自励発振方
式のためのループ回路を構成する。またＶ変換手段
（４）の出力信号（V₁）を気体圧力に対応させて外部へ
出力する出力手段（５）を備えて測定機能部を構成す
る。

〔作用〕

次に、本発明の作用について説明する。

本発明に係る気体圧力計は極めて大きなＱをもつ水晶振
動子を発振ループ内に含む自励発振回路を構成する。

発振条件は移相手段（６）の移相量を設定することによ
り電気的直列共振周波数近傍で発振する位相条件を満た
し、また、電圧安定化手段（３）のゲイン調整機能によ
りゲイン条件を満たす。

このような自励発振ループによって常に定電圧交流信号
（V₀）が水晶振動子（２）に供給され、水晶振動子
（２）は電気的直列共振周波数近傍で発振し、かつ気体
圧力に対応したインピーダンス値となる。したがって、
水晶振動子（２）を流れる交流電流（I₁）を電圧変換す
るＶ変換手段（４）の出力信号（V₁）には気体圧力の大
きさに対応した振幅をもつ交流信号を得る。よって例え
ば表示機能を持たせた出力手段（５）により気体圧力を
知ることができる。

〔実施例〕

以下には、本発明に係る好適な実施例を図面に基づき詳
細に説明する。第１図は本発明に係る気体圧力計のブロ
ック回路図、第２図は第１図中各部における信号のタイ
ムチャート図、第３図は水晶振動子の位相対インピーダ
ンス特性図である。

まず、第１図及び第２図を参照して気体圧力計（１）の
ブロック構成と機能について説明する。

（２）は圧力測定子となる水晶振動子である。この水晶
振動子（２）には前記電圧安定化手段（３）を接続す
る。電圧安定化手段（３）は交流定電圧駆動回路（11）
と極性判別回路（12）から構成する。定電圧駆動回路
（11）は第２図（ａ）に示す振幅を一定にした矩形波で
ある定電圧交流信号（V₀）を当該水晶振動子（２）に付
与する。また、判別回路（12）は入力信号、つまり移相
手段（６）を構成する移相器（13）から供給される第２
図（ｄ）に示す交流信号（V₂）の極性を判別しこの極性
に対応して上記定電圧交流信号（V₀）の極性を切り換え
るトリガ機能をもつ。なお、判別回路（12）の出力信号
（V₃）はその入力信号の大きさには関係せず極性のみに
対応する第２図（ｅ）に示す矩形波となる。一方、水晶
振動子（２）の出力側には水晶振動子（２）に流れる第
２図（ｂ）に示す正弦波状の交流電流（I₁）を電圧変換
して取り出すＶ変換回路（14）を接続する。この回路
（14）の出力信号（V₁）を第２図（ｃ）に示す。また回
路（14）の出力側には移相器（13）を接続する。この移
相器（13）は当該Ｖ変換回路（14）の出力信号（V₁）に
対し後述する条件に従って位相を「φｓ」だけ移相させ
る機能を有する。この移相器（13）は上記極性判別回路
（12）に接続し、「φｓ」だけ移相した第２図（ｄ）に
示す交流信号（V₂）を同回路（12）に供給する。

以上で自励発振のためのループ回路を構成する。一方、
Ｖ変換回路（14）の出力側にはさらに出力手段（５）を
構成する交流直流変換回路（以下、Ｄ変換回路と略記す
る）（16）と表示器（17）を接続する。上記回路（14）
の出力信号（V₁）は水晶振動子（２）のインピーダンス
値、つまり気体圧力の大きさに対応（インピーダンス値
に反比例）した振幅をもつ正弦波状交流出力である。し
たがって、当該信号（V₁）をＤ変換回路（16）により全
波整流等することによって直流化し、対応した表示目盛
をもつメータ等の表示器（17）で気体圧力の表示を行う
ことができる。

このような出力手段（５）は任意であり、例えば、プリ
ンタ等で記録する形式、さらには前記信号（V₁）又はＤ
変換回路（16）の出力を他のアクチュエータの制御用信
号として直接利用する形式であってもよい。

次に、第１図における自励発振ループの発振条件につい
て説明する。

まず、位相条件は次のようになる。今、水晶振動子
（２）による位相遅れを「φｃ」、Ｖ変換回路（14）に
よる位相遅れを「φ_１」、極性判別回路（12）の位相遅
れを「φ₂₀」、交流定電圧駆動回路（11）の位相遅れを
「φ₂₁」とし、さらに移相器（13）に設定された移相量
「φｓ」とすると次の（Ｉ）式が成立する。

φｃ＋φ_１＋φ_２＋φｓ＝０ …（Ｉ）但し、φ_２＝φ₂₀＋φ₂₁ また、水晶振動子（２）を除いた回路の位相遅れの総和
を水晶振動子（２）の共振周波数付近において、｜φ_１＋φ_２＋φs|＜＜90° …（II）となるように移相器（13）の「φｓ」を設定すれば上記
（Ｉ）式、（II）式から｜φc|＜＜90° となり、電気的直列共振周波数近傍で発振させるための
水晶振動子（２）の位相条件が満たされる。

一方、ゲイン条件は次のようになる。極性判別回路（1
2）はその入力信号の極性のみに応答し、また交流定電
圧駆動回路（11）は常に一定振幅の交流電圧を出力する
から発振の立ち上がり時のループゲインをGsとすると、 Gs＞＞１また、定常状態に至ったときのループゲインをGcとする
と、 Gc＝１となるゲイン条件が交流定電圧駆動回路（11）及び極性
判別回路（12）のもつゲイン調整機能によって満たされ
る。

このように、本回路では自励発振ループを構成し、かつ
電気的共振周波数の近傍で発振するため、発振は電源投
入後直ちに開始する。また、水晶振動子（２）の直列共
振周波数に多少変化を生じても位相条件にほとんど影響
を与えず安定に発振を継続する。

また、自励発振ループには極めて大きいＱをもつ水晶振
動子を含むため、外来ノイズによる発振周波数変動が生
じにくく、しかも共振周波数の変動に伴う水晶振動子
（２）のインピーダンス値の変動を最少にすることがで
きる。

さらにまた、水晶振動子（２）における位相「φｃ」対
インピーダンス特性は圧力が０〜1000Torrの範囲におい
て第３図のようになる。同図から明らかなように０〜−
30°の位相範囲においては最小となるインピーダンス値
に対応する位相「φcm」が存在するため、移相器（13）
の移相量「φｓ」の関係を φｓ＝−（φcm＋φ_１＋φ_２）に設定すれば水晶振動子（２）を除く回路内の位相遅れ
量に経時変化、温度変化、外乱ノイズ等が生じてもイン
ピーダンス値の変動を極少にでき、格段と安定性を向上
させることができる。なお、このような諸効果は共振状
態でインピーダンス値が最小又はその近傍となるように
移相器（13）の移相量「φｓ」を設定することにより
得、ここに「その近傍」とは上述した「０〜−30°の位
相範囲のインピーダンス値」であるということができ
る。

第４図には本発明に係る気体圧力計（１）をさらに具体
化した電気回路図を示す。なお、同図において第１図と
同一部分には同一符号を付し、その構成を明確にした。
また、第１図中各部における信号のタイムチャートを示
した第２図を第４図に示す実施例回路のタイムチャート
ととして用いる場合には第２図（ｃ）、（ｄ）の波形を
180°反転させればよい。

交流定電圧駆動回路（11）は正及び負の定電圧（＋RE
F）及び（−REF）を、インバータ（31）、（32）を介し
て制御されるアナログスイッチ（33）、（34）のスイッ
チィングで定電圧交流信号を得る。極性判別回路（12）
は一方の入力を零レベルにしたコンパレータ（35）を利
用し、この出力を上記インバータに供給している。ま
た、オペアンプ（36）と抵抗（37）によってＶ変換回路
（14）を構成し、さらにコンデンサ（38）と抵抗（39）
を利用したCR回路によって移相器（13）を構成してい
る。このように、本発明に係る気体圧力計（１）は前述
のように飛躍的な特性向上を図れると同時に回路を極め
て簡略化でき、製作容易で安価に提供できる。

次に、本発明に係る他の実施例について説明する。第５
図は同実施例に係る気体圧力計のブロック回路図を示
す。なお、同図において第１図と同一部分には同一符号
を付しその構成を明確にするとともに、その詳細な説明
は省略する。第５図に示した気体圧力計（50）は第１図
に示した実施例に対し、さらにＤ変換回路（16）の出力
信号（V₄）を移相器（13）に付与し、同出力信号（V₄）
によって移相器（13）の移相量「φｓ」を可変調整する
ようにしたものである。これにより当該移相量「φｓ」
をより高精度に設定できる。

さらにまた、他の実施例としては図示しないが水晶振動
子（２）の位相「φｃ」の監視手段等を設けることによ
って上記移相量「φｓ」を可変調整できるようにしても
よい。これら各実施例は水晶振動子（２）のインピーダ
ンス変化に対しより安定かつ精度よく追従できる。

以上、実施例について詳細に説明したが本発明はこのよ
うな実施例に限定されるものではない。例えばブロック
回路における各ブロックは同一の機能をもつ他の電気回
路で置換できる。また、温度補正回路等の他の任意付属
回路（手段）が付加された構成であってもよい。その他
細部の構成、配列等において本発明の精神を逸脱しない
範囲において任意に変更実施できる。

〔発明の効果〕このように、本発明に係る気体圧力計は入力する交流信
号に対応し、かつ振幅を一定にした定電圧交流信号を水
晶振動子に付与する電圧安定化手段、及び最適な移相量
を設定する移相手段等を備えて自励発振方式によるルー
プ回路を構成するため、次のような著効を得る。

他励発振方式の気体圧力計のもつ諸欠点を総て解消で
きる。例えば、本発明に係る気体圧力計は電源投入後直
ちに動作するため、待ち時間が不要となり、迅速な測定
が可能となる。また、ローパスフィルタ等の回路部品を
用いないため、高応答性を図ることができる。

移相手段によって最適な位相条件を設定できるため、
電気的直列共振周波数付近で確実に発振させることがで
きる。この結果インピーダンスの変動を極少にすること
ができるとともに、外来ノイズや温度ドリフト等の外乱
に強くなり、安定性を飛躍的に高めることができる。

回路構成を単純化でき、コストダウン、小型軽量化を
達成できるとともに、信頼性もより向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図：本発明に係る気体圧力計のブロック回路図、第２図：第１図中各部における信号のタイムチャート
図、第３図：水晶振動子の位相対インピーダンス特性図、第４図：同気体圧力計の具体的回路例を示す電気回路
図、第５図：本発明の他の実施例に係る気体圧力計のブロッ
ク回路図、第６図：従来例に係る気体圧力計のブロック回路図。尚図面中、（１）：気体圧力計、（２）：水晶振動子（３）：電圧安定化手段、（４）：電流電圧変換手段（５）：出力手段、（６）：移相手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体中に配した水晶振動子のインピーダン
ス値から当該気体の圧力を測定する気体圧力計におい
て、入力する交流信号に対応し、かつ振幅を一定にした
定電圧交流信号を水晶振動子に供給する電圧安定化手段
と、前記水晶振動子からの出力交流電流を電圧に変換す
る電流電圧変換手段と、前記電流電圧変換手段の出力信
号に対し共振状態で水晶振動子のインピーダンス値を最
小またはその近傍にする移相量を設定して前記電圧安定
化手段に供給する移相手段と、前記電流電圧変換手段の
出力信号を気体の圧力に対応させて外部へ出力する出力
手段とを備えてなることを特徴とする気体圧力計。