JPS5954916A - 物理量を測定するためのセンサ - 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】

〔発明の技術分野〕 この発明は、温度補償した圧電共振子を有する測定用セ
ンサに関するものであ、る、、１特に、この発明は、測
定しようとする物理量を検知する素子が前肥物埠量に依
存する共振周波数を有する圧電共振子から主として成り
、、共振子への温度の干渉を補償するための手段を更に
備える測定用センサに関するもつである。 〔従来技術〕　。 周知のように、圧電共振子の共振周波数は、圧電共振子
が受ける多、数の物理量、例えば温度、ガス（その中で
共振デが振動する）の圧力、および共振子が受は得る轡
械的ひすみによって影響される。これらの物理量、のう
ちで温度は特殊な場合である。圧力やひずみが加えられ
ないような状態で共振子が作動するようｇ配設すること
は常に可能である。例えば共振子を防水性で高真空のケ
ースの中に装架するだけで充分であ。 る。しかし、温度の影響を無くすことは・とても難しい
。温度の影響は一般に無視できなり６゜その上−測定さ
れる物理量の影響下で共振子の共振周波数中で生じる振
動の使用により、圧電共振子？有するセンサを作ること
はかなり興味のあることである。その理由は、物理量の
大きさを表わす情報が周期性信号の周波数であるため、
すなわち情報が準デ、ジタル形態で供給されるため、で
ある。これは、センサの検知素子が震流または軍圧すな
わちニアす覧グ信号を供給する時に必晋テあるアナログ
／デジ４ル変換器に頼るのＺ避ける。 圧電共振、子を有する温度センサを作ろうとする時に、
共振周波数の変化が温度だけに依存すべきようにこの値
を隔離することは既述のように比較的坤単である。解決
すべき問題は周波数変化の非直線性および良好な感度を
得ることがむしろ多い。 他方、他の物理量例えばガスの圧力やカに応答す番セン
サをもし作り：た・ければ、干渉する現象としての温度
の影響の問題が生じる。 ・成る解決策は検知素子の一例として石英製・□共振□
子を、使用することから成る。しかも、′共振凋。 波数が・測定されるべき物理量に主として依存□しかつ
温度の影響を′Ｆ：１近似、で無視できるような特別の
形状または切り口を石英製共振子が、有すること・であ
る。こＪれ、は、・温度に関する周波数の直線性依存係
数がゼロであり、かつ周波数の相対変化と温度の関係が
事実上放物線状であることを意・味する。なお、・放物
線の先端はいわゆる１逆転”温度に相当する。周波数の
相対変・化は従って逆転温

【と動作温度の差の事実上二
次関数である。もし逆転温度からの偏差がかなりのもの
なり、温度だけによる周波数変イピは無視するのを止め
かつどの場合も測定精変に悪影響′を及ぼす。例えば、
′事実上２カッド（２は石英の光学軸である）を有しか
つ屈曲・“Ｃ−ドで励振される石英□で作ったチューニ
ング・プオ・−りに対し、２番目の係数は約３５゜工０
−９／℃２である６逆・転温度か□ら１５℃・の乍・差
では１周波数の相対変化は８．１０・□である。・　　
−、、・、、：他の解決策は、濡麿用絶対センサおよび
計算回路を検知素子と組み合わせることから成る。 なお、計算回路は、温度の読み・取り値から温度による
周波数の変化を計算しかつ温度の影響を補償する。この
解決策は、もっと複雑な電子回路を用いる欠点があり、
また温度センサを必要とする。　　　・　　・ １〔発明の概要〕 この発明の目的は、ガスの圧力、力などを測定するため
のセンサであって、検知素子の一例として慣用の圧１１
Ｌ１共振子例えばチューニング・フォークまたし言ダブ
ル・チューニング・フォー□りを使用し、かつ温度用給
対センサまたけ複雑な電子回路に頼らずに温度補償さｈ
るセシサを提供することである。　　　　　　□ この発明によれば、・温度赴１外の物理ｔ’＋測定千る
ためのセシサであって、　　　　□　　□（ａ）　　前
記物理量を受けてこれに応答すると共に温度を検知する
第１の・圧電共振子。 （ｂｌ　　この第１の圧電共振子を振動させかつ前記物
理量および温度に依存する周波数を：有する第１の信号
を、受信するための手段、 （Ｃ）、前記第１の圧電共、振子の温度検知特性、に似
た。温度検知特性ン有しかつ前記物理量を受：けない第
２の圧軍共蛋子、　　　　　　　　。 （ｄ）　　この第２の圧電共振子を振動させかつ温度、
に依存する周波数を有する第２の信号を、受信するため
っ手段、。 （ｅ）　　前記第１の圧電共振子および前記第２の川、
電共搗子に非違の温度を受けさせるための手段、並・び
に、　　　　。 （ｆ）　　前記第１の信号および前記第２の信号に応答
し、前記物理量の値を表わしかつ前記温度と事実上無関
係な測定信号を発生するための手・段。 を備えたセンサ、が提供される。。 このように、この発明は、検知素子として働く第１の圧
電・共振子と、前記検知素子と同一の温度検知特性を有
す・る第２の、いわゆる基準とな□る、圧電共振子とを
組み合わせて備えＪ測□定すべき物理を艷受けない“よ
うに第２の圧電、共振子番□配置設しな：がら、□両方
の圧電共振子が同一温度を受けるような仕方や装架され
得ろ。両方の圧電共振キめ温度特性が主として結晶方向
・（切断角→粘土び振・動：モーｆｌ＜屈曲、剪断、伸
び）鐙依存するので、測定すべき物理量に応答ず唇圧電
共振子と同一の温度特性を有する・共振子を見つけろと
とけ比□較的容・易である。測定用セ、ンサは□２個の
共振子によって提供された周波数の差を表わす信号を発
生するための手段を更に備え、そのような信号は温度と
無関係に測定される物理量を表わす。 ｆ４１の実施態様によれば、センサは容器中に含′すれ
たガス・の圧力を測定するために使用される。第１の圧
・電共振子は、その主励振モーＰとして屈曲モーＰを有
しかつガス（その圧力を１測定しよイどする）を入れる
ための開孔が形成されたケー？中に収容されるチューニ
ング・フォークである。第２の圧電共、振子は、第、　
１１．の圧・型具振子と事実上同じでありかつ防：永住
で高真空のケースの中に収容されるチューニング・７オ
ークである。　　□　　　　　　　　　・　。 ２つのケースは、温度ブリッジを提供する支持部材によ
って互に連結される。　　・・・第２の実施態様によれ
ば、セ・ンサは力を測定するために使用される。第１の
共振子は、一対の４〜７部分を有しかつ後述するダブル
・チューニング・フォークから成る。検知素子を形成す
るこの第１の共振子と組み合わされるのは。 ダブル・チューニング・フォークの長さ方向に測定され
るべき力を第】の共振子へ加えるための手段である。第
２の共振子は、第１の共振子のダブル・チューニング・
フォークと事実上同一の温度検知特性を有するダブル・
チューニング・フォークまたはシングル・チ千−二ング
・フォークから成る。このセンサは、２つの共振子間に
温度ブリッジを作るための手段を更に備え・る。′２つ
の共振子は□同じであり・かつ同様な周囲圧力を受ける
ように装架されることが望ましい。 第３の実施態様によれば１．センナはガスｍ合物、中の
、ガスの成分、或□はガス中の−。−ロ〜ゾをもしくは
浮遊粒子の成分□を測定するために使用される。検知素
子・は共振子であり・、この１共振子は、屈曲モーＰで
励振されるだけでなく・前記ガス、前記エーロゾルまた
は前記粒子を可逆的に吸収できる材料で表面の少なくと
も一部が被覆されたチューニング・フォークであること
が望ましい。この共振子は□、前記ガス媒体中に・入れ
られ得るように装架される。基準になる共振子はｌｃｌ
の共振子と同一の温度検知特性を有しかつガス媒体の性
質によって影響されないように装架され、た第２のチュ
ーニング・フォークから成ることが望ましい。測定用セ
ンサは、２つの共振子間に温度ブリッジを□提供するた
めの手段を更に備える。２つの共振子は同一のガス雰囲
気中に置かれることが望ましく、基準となる共振子には
ガス吸収・被、膜が設けられない。 全ての場合、検知素子は測定すべき、物理量および少な
くとも温度を含み支障を、来郁す他の物理量を受ける。 、他方、基準となる共振子は、少なくとも温度を含み支
障を来たす物理量を受けるが、測定すべき物、理・量を
受けない。２つの、共振子の温度検知特性ができるだけ
同じであるのでかつ２つ・の共振子が同一の温度、を受
けるので。 温度センサが無いにもか〜わらず、２つの共振子の周波
数差を使用することにより・２つの共振子から発生する
信号を組み合わせて測定される物理量の値のみを表わす
が特に温度、を表わさない信号を発生させること力５で
きる。 〔発明の実施例〕 第】図に示した温度補償付き測定用センサは、主として
圧電共振子３０およびこれど・関連する維持回路３２か
ら成る第１．０５．測定用、発振器りを備える。圧電共
振子３０は測定されるべき物理量ＧＰを検知する素子と
なる。従って１発振器りは物理ｔＧＰの値に依存する周
波数ｆ！の信号を供給する。センサは、土とじ文圧電共
振子３４およびこれと関連する維持回路：１６から成る
第２の、補償用１発搗器司を更に備える。 圧電共振子３４けＪその供給信号の周波数１２が物理１
１ＣＦ’に依存しないように配設される。 周波数・ｆｌの信号と周波数ｆ２の信号どけ・処理回路
Ｇの入・力端子へ印加される。この処理回路Ｇは、印加
された信号を処理しで、物理量Ｇ’Ｐの強さを表わすが
事実上温度は依存しない信号「゛を供給する。この信号
ｆ°は表示回路Ｉ（′ｌａ−’制御するのに役立つ。こ
の表示回路１丁は例えば物理量Ｇｐの測定した値をデジ
タルで表示する。 ２個の圧電共振子３□Ｏと３４□は、共通の温度Ｔにさ
らされるように配設される。すなわちそれらの間に温度
ブリッジを形成する手段に□よりで結合される。これら
□の手晟は測定用センサの性質に依存シて穏々□の□形
態をとることカミできる。 ２個の圧電共振子３０と３４は、できるだけ近い温度特
性を有する。　　・ ：既に説明したように、′圧電共振子の共振周波数はそ
れが受ける温度の関数である。圧電共振子を石英で作っ
た特定のケースであるがかなり普通のり′−スでは、共
振周波数と温度の関係が下記のように事実上二次方程式
である、　　□ｆ＝、ｆｏＣｌ＋β（Ｔ−Ｔｉ）２：］
　　、。 こ＼で、Ｔ目土逆転温度であり、ｆｏは逆転温度での共
振周波数であり、βは温度変動と周波数の相対変動Δｆ
／ｆ　　との関係を示す係数である。□第２ｂ図の曲線
Ｉはそのような関係の例を＝β（Ｔ−Ｔｉ）２ の形で提供する。 測定用の圧電共振子３ｏによって掃供さりする周波数「
ｌは、従ってｒＴｉ）、に関して温度・差のせいの項お
よび塩度以外の測定すべき物理量ＧＰに依存する項だけ
その共振周波数（ｆｏ）ｘと違う。補償用の圧電共振子
３４によって提供される周波数ｆ２は、（Ｔｉ）２に関
して温度差のせいの項だけその共振周波数（・ｆｏ）２
と違う。・・もじ逆転温度が同じでありで（命ｉｈ□＝
？’ｌ”ｉ　）２　）かりもし温度係数βｉ　ｋ、に＃
βｉも同じならば、両方の圧電共振子から発生ずる佃号
な処理すると左により温度に依存しないが測定すべき物
理量に依存する個分な得ると尼がセきる。　　□１□一
方の圧電共振子の周祇薮を他方の圧電共振子の周波数で
補償する原理を例示する第２ａ図では、曲線Ａ＋　、Ａ
２およびＡ３は温度の関数として＜ｍ波数の相対変動Δ
ｆ／ｆを示す。 曲線Ａ２は補償無口・め圧電共−子（例えば３０）の周
波数の相対変動を表わし、干して曲線Ａ１は補償用の圧
電共振子（例示ば子４）の周波数の相対変動を表わす。 この発明によって行われる温度補償は曲線Ａ３を与える
。この曲線Ａ３は、各温度毎に放物線状の曲線Ａ２とＡ
Ｉの縦座標の差を取り出すことによって得られる。曲線
Ａ２は、温度補償無しで、０°Ｃ〜５０′℃の温度範囲
における周波数の相対変動が±２２四に達し得ることを
示す。しかし、温度補償が有る（・曲線Ａ１’Ｊと、こ
の相対□変動は±５−より太きくないが、２つの逆転温
度の差は３℃である。 逆転温度のこの差を少なくすることＣ（よって更に温度
補償を改善できる。 もし２個の圧電共振子の温度特性が同じ（同・六の係数
βおよび同一の逆転温度）ならば、補償はそれだけで充
分でたるみ第２ｈ図の曲線■〜）Ｔは、補償用と１ｌｌ
ｌｌ定用の圧電共振子の温度特性が同じでない場合にこ
の発明、に係る測定用センサの塩度の依存性を例示する
、　　・、曲、−丁でけβＩ＝−３７．４　Ｘ　１０−
９；／℃２　チー、Ｉ）　リ、ＱしてｒＴｉ）ｔ＝２６
℃である・。曲線Ｕ・・〜■では、Ａ２；二３８．７℃
でありそ１２て（Ｔｉ）２コそれぞれ２．５℃、２６℃
１２７℃１２８℃７２９℃である。・従って、もし温度
特性が凸同じでないが、比較的近い（例えば曲線■）な
らば、温度だけによる影響はＯ’Ｃ〜５０’Ｃの範囲の
温度に対してわ・ずかである（３ｐｐｍより小さ・い）
。　　　　　：さて、エツチングで作った多数のチュー
ニング−フォー・り状共振子をテストしたところ、温麿
特・性の分散が曲線■の差よりもはるかに小さいことが
分る。従って、この発明によれば、広い温度範囲に亘っ
てかつ複雑な補償回路に頼らず良好な温度補償を達成す
る可能性が大きい。 今説明したばかりめ補償手段を組み込んだ多数め測定角
セジサを蜆萌しよう。 耐３図ないし第６歯はガスの圧力を測定するセンサを例
示する６第３ａ図に示す石英製のチューニング・シ芽−
りけ、４ニス２並かにこのペース２の破線で示した平ｒ
Ｍ８から突出する一対の平打アーム４および６から戒る
。とれらのアニムは□長−８Ｌ、・幅Ｗおよび□厚さｔ
並びに側面Ｓを有する。そのようなチューニング・フォ
ークが屈曲そ−ｒ宅励振されると、・すなわちそのアニ
ムが矢印ｐ°で示したように振動すると、圧ガｐの関数
としての圧電共−子の共振周波数の変化Δｔ・は下記の
式で表おされる。 この式中で、Δｆはチューニング・フォークの振勤め周
波数であり、マはチューニングーフオりを取り巻くガス
分子の熱による動揺の平均速変であり、ガスは圧力ｐに
あり、Ｓは１つの側面Ｓすなわち運動方向と直角な１つ
の表面の面積であり、ｍけチューニング・、フォークの
運動質量すなわち外形によりかつ平面８Ｖｃより定め、
られたアームの質量であり、ωは共振時の振動で２πｆ
に等しく、ｆは周波数であり、そしてに１は定轄である
。 Ｓおよびｍのための上述した定義に鑑み、これらの２つ
の大きさは下記のよう、ＶＣ，表わせる。 −一　ＬＸｔ　　”　　　” ｍ　＝　　ρＬＸｔＸＷ ？、：　Ｖ　Ｌ　、ρは石英の密度である。、　　　　
。 上式Ｋｓおよびｍを代入すると、下記の式になる。 た’：　１．、　、　ｋ、、；は定数である。 この式から分るように、圧力の関数としての周波数の相
対変化け、ディメンジョンの大きさについて、アームの
＠Ｗの逆数だけに依存する。 しかじ、、ωし、ま周知のようにアームの長さしおよび
幅ＷＫ依存する。 チューニング・フォークの圧力に対スる感度を増すため
□に、′そのチームの幅′Ｗはωを減少させるために小
さくなければならない。そのような解決策（チューニン
グ・フォークのアームを狭くすること）はチュ〒二ング
・フォークに非常に小さな動的容量を生じさせ、そのよ
うな設計を実施し難くする。 第３ｂ図に示したように、アーム４および６は各々その
頂面および底面に一対の電極１８および１８゛並びにそ
の側面Ｓに一対の電極２０および２０’を有する。、共
通の電圧は第３ｂ図に示したように各対の対面電極へ印
加される。 時計型のそのようなチューニング・フォークの場合には
、Ｌ＝２４００　μＫ　、Ｗ＝２２０１１ｍおよびｔ　
＝　１２５μｍであると、気圧誤差係数は２５０ｐｐ　
／　／々−ルでありそして共振周波数は３２７６８ｈで
ある。その係数β（約３５．１．０　Ｔ、　９１℃２）
　Ｋ留意すれば圧力に対するそのような感度はチューニ
ング・フォークを圧力センサとして使用させるには不充
分である。その理由は、逆転温度Ｔｉに関して２５℃の
差があやと、相対嬰波数差は約２２岬であり、そのよう
な差は約１０θミリ・セールに達する。。 しかし、この発明によって提供されたような他の事実上
同一のチューニング・フォークによって補償された同一
測定用チューニング・、フォークでは、温度の影響によ
る。誤差は大体１０ミリノセールに等しい。 第４図に示す測定用センサは、ガスの圧力ｐを測定しよ
うとする容器へ緊着され仝べき金属製支持部材４０を備
える。この支持部材４０はその外面に２つの凹み４２お
よび４４が形成され、凹み４２は支持部材４０の内面に
開孔する通路４６によって張り出される。−ンサは、第
３ａ図および第３１′１図に示して説明した種類の石英
製チヱーニングーフォーク４Ｂおよび５・０から主とし
て成る圧電共振子３０および３４を更に備えろ。チュー
ニング・フォーク４８および５０は、４−ス部材５６お
よび５８によって閉じられた円筒状ケース５２および５
４中に収納される。各４一ス部材を貫通して２本の導電
性スドリツゾ６０が延び出ており、これらの導電・性ス
トリップ６０は電極へ電流を供給するためである・と同
時にチューニング・フォークをその４−ス部材によって
緊着するためである。測定用、の圧電共振子・３００ケ
ース５２け、支持部材４０の通路４．．６と連通する開
孔５３を有する。 従って、ケース５２の内部は容器中で優勢な圧力ｐＫあ
る。他方、補償用の圧電共振子３４のケース５４は防水
性でありかつ排気されている。 第４図に・示したように、ケース・５２および弓４は凹
み４２および４４に装架される。ケー７５２は容器のシ
ールを破らないように凹み４２に防水シールされる。 圧電共振子３０はその維持回路３２として働く集積回路
６２と組み合わされ、そして圧電共振子３４はその維持
回路３６を形成する集積回路６４と組み合わされる。 従って、チューニング・フォ・−り４８は測定されるべ
き圧力ｐをうけ、チューニング・フォー：り５０は真空
中にある。支持部材４０はケース５・２と５４の間ひい
ては２つのチューニング・フォーク間に温度ブリッジを
提供する。２つノチューニング・フォークは従って同一
温度にある。 第５図は、温度の影響を除去するよ５　ＶＣ２個の圧電
共振子３０および３４から発生する信号を処理する可能
な一方法をもつと詳しく示す。 測定用の発振器りは上述した圧電共振子３０および維持
回路３２（第１図）を備える。この維持回路３２は増幅
器１３０およびその帰還素子として働く圧電共振子・３
０を備える。コンデンサ１３２．Ｊ・３４は増幅器１３
０のそｊぞれ入力端子、出力端子とアースの間に！続、
される。 維持回路３２は絶縁増幅器１：う６を更に備える。 補償用の発振器Ｅはその構造が発振器ｐＫ−似ている：
。その維持（）′ライブ）回路３６（第１図′ｉ）は増
幅器］３８、帰還素子として働く圧電共振子３４並びに
コンデンサ１４２および１４４を備える。′コンデンサ
ト４．４は可変コンデンサであって後述するように基準
周波数を調節することができる。　　□　、　　　　　
　　　。 処理回路Ｇは一２個のＭ−ナリ（Ｍ−ｎａｒｙ）・カウ
ンタ１４６および１４Ｂ（Ｍは整数）％３つ目のカウ：
：ンタ１５０、並びに可変周波数の電気ノぐルス源１５
２を備える。特に、カウンタ１１４６および１４ｇのク
ロック入力端子１４６ａおよび１４８ａは発振器りおよ
びＥで発生したノＲルスヒ受ケる。カウンタＬｊ６およ
び１ｊ“日の出力端子１４６ｂ皓よび１４　ｓ’ｂは排
他的ｃ＋ｒｔゲート１５４の２つの入力端子へ接続され
ている訃可変周波数のノぞルス源】５２は、プログラマ
ブル除算器１５’　２　ｂへ一定の高い周波数を持つ・
ぐルス信号を印加するノぞルス・ゼネレータ１５２ａか
ら成るととが望ましい。プログラマゾル除算器１５２ｂ
から発生する信号は、従ってプログラマブル除算器１５
２ｂの除算係数によって調整される周波数ｆｃを持つ。 ノξルス源１５２は制御可能な周波数を持つ→ンネレー
タで構成しても良い。 ・ぞルス源１５２の出力端子および排他的ＯＲデート１
５４の出力端子はＡ１（Ｄゲート１５６の各入力端子へ
それぞれ接続され５Ａ・ＮＤゲート１５６の出力端子は
カウンタ１５０のクロック入力端子１５０８へ接続され
る。；つ、り’　］　４”　６，１４１’１の出力端子
１４６ｂ、１４８ｂはフリップフロップ１５８のそれぞ
れ入力端子り、クロック入力端子へも接続される。フリ
ップフロップ１５８の機能は圧電共振子３０で測定中の
圧力ｐの符号すなわちカラン、り１４６および１４８に
よって供給さｈる信号の立上りの到着順字部決定するこ
とでちる。 表示回路Ｈはラッチ・メモリ１６０を備え、その入力端
子はカウンタ１５０の２進出力端子】５０１および１５
０ｎへ接続されている。ランチ・メモリ１６０自身は復
号・表示ユニット１６２へ接続されている。この復号・
表示ユニット１６２はその別な入力端子】６２ａがフリ
ップフロップ１５８の出力端子へ接続され発振器Ｅによ
って与えられた基準圧力に関して圧力ｐの符号を表示す
る。もし基準圧力がゼロならば、これらの回路は省略さ
れる。 カウンタ１４６および】４８の出力端子】４６ｂおよび
］ｔ８ｂはＡＮＤゲート１６４の各入力端子へも接続さ
れる。ＡＮＤゲート１６４の出力端子は１ト再励搗”単
安定回路】・、６６の入力端子へ接続、される。この単
安定回路１６６の出力端子は制御信号ＬＤを２つ目の単
安定回路１６８の入力端子およびラッチメモＩＪ　”’
］　”６’、　Ｏの制御入力端子１、６”　Ｏａぺ印加
する６単安定回路１６８はリセット・ノぐルスをカウン
タ１　’４６　、１１４　ｓ　；　１５゜のそれぞれリ
セット入力端子］　４６Ｃ、１４８ｃ　＋”ｔ　５０ｃ
ぺ印加する工□ 上述したガス圧力測定用センサは下肥のように動作する
。 □カウンタ１４６は測定用の発振器りから供給されたノ
ぐル玄を計数する。カウンタ１４６がＭ個の・ぐルスを
計数したら、その出力は論理状態１に切換わる。同時に
カウンタ１’４１ま基準、になる補償用の発振器Ｅから
の／？ルーｉ’に計数する。 カウンタ１４８がＭ個のノぞルスな計数すると、その出
力は論理状態】に切換わる。カウンタ１４６がＭ個のノ
ｅルスを計数するのにかふった時間はＴｔであり、同、
じくカウンタ１．４．８の場合はＴｒである。。 排他的ＯＲゲート１５４の出力端子から発生する信号り
は、カウンタ１４６および１４８の出力が論理状態ｌに
切換わる時の瞬間ｔ、１とｔ２の間では論理レベル１を
有する。信号りは従って時間Ｔｉ−Ｔｒ中論理レイル】
を有する。第１の場合時間Ｔｔは時間Ｔｒよりも短く、
ツまり測定中の圧力は基準圧力よりも低い。しかし、第
２の場合時間Ｔｔは時間Ｔｒよりも長く、従って測定中
の圧力は基準圧力よりも高い。補償用の圧電共振子のケ
ースが排気されるので、第１の場合は第４図に示した装
置では起り得ない。 しかし、これはもし補償用９圧電共振子のケースを相対
測定のための雰囲気圧力にすれば起り得る。 ・カウンタ１５０はＡＮＤゲート１５６によって　　　
　□供給された信号Ｐの、Ｊルスをそのクロック入力端
子１５０ａに受ける。、ＡＮＤゲー”ト’１５６は瞬間
ｔ１とｔ２の間、ｅルス源１５２からのパルスを受ける
。従って、瞬間ｔ２からカウンタ】５０の内容は時間Ｔ
ｉ−Ｔｒ中ノξルス源】５２によって発生されたパルス
Ｎの個数に等しい。この数Ｎは後で説明するように測定
中の圧力ｐを表わす。 更に、瞬間ｔ２ではＡＮＤゲー）１６４の出力は論理状
態１に切換わり、・その時定数によって設定された時間
Ｔ１の量制御信号ＬＤを発生させる。単安定回路１６６
からの制御信号ＬＤはラッチ・メモリ１６０の解放を制
御し、そして数Ｎ（７）７”ルスは復号・表示ユニット
１６２へ印加される。制御信号ＬＤの立下りは単安定回
路１６８の出力状態を変化させ、これはその時定数によ
って設定された時間Ｔ２の間論理レイ〃１に切換わる。 このパルスはカウンタ１４６゜１４８および１５０をリ
セットする。このノぞルスの立下りが現われると、測定
用センサは新しい圧力測定動作の用意をする。　。 要約すれば、カウンタ１５０は瞬間ｔ１とｔ２の時間々
隔中・ぐルス源１５・２から発生する信号の７９ルスな
計数する。ノソルスの数Ｎは測定中の圧力ｐを表わし、
Ｎとｐの関係は所定の圧電共振子では既知である。この
周波数差測定方法は？Ｍ度によ、る周波数の変化を除く
。・その理由はこの変化が、２つの信号の変化で大きい
からである。 圧力測定用センサは。／ｅルス源１．５２から発生する
信号９周波数ｆｃおよび発振器Ｅ中の可変コンデンサ１
４４の値に応じて調節される。 基準値は可変コンデンサ】４４の値に□よって調節され
る。このために、圧力測定用センサは容器に装架され、
容器中の圧力は補償用の圧電共振子のケース内の圧力と
同じである。可変コンデンサ】４４はＮ＝Ｏ，になるま
で調節される。 周波数・ｆｃの値により測定感度を調節できる。 もしｆｌが測定用の圧電共振子からの信号の周波数であ
りそしてｆ′２が補償用の圧電共振子からの信号の周波
数であるならば、下記つ関係が生じる。　。 ２個の圧電共振子の温度特性に留意すれば、ｆｌ　　ｆ
２＝ｆｚ・ｂ−ｐ である。たｙし、ｂは気圧誤差係数であってこの例では
２５０・１０−′′／ノ々−ルであり、そして□ｐはノ
々−ルで表わした圧力である。よって、・ｆ１’ｆ２’
＆代入すると、　　　　　・　　　　　□となる。加え
て。 Ｎ＝　（Ｔｒ−１ｐｔ　　）　ｆｃ であるので、結局、 ↑１ となる。　　□ 周波数ｆ１は３２．７６８　Ｊｚに事実上等しり、・ｂ
の値は設定され、ｐは全測定範囲であり、そしてＮは感
度である。加つるに５もし時間Ｔｉ−＝！−Ｍ／ｆ２な
ら、Ｍおよびｆｃの値は容易に算定できる。 上述した圧力測定用センサは従来のセンサにくらべて多
くの利点を提供する。第１に、　３’２ｋＨｚの屈曲キ
ードで励振される２個のチューニング・フォークに頼る
。これは時計用に普通に作られたチｉ　−＝　７グ・フ
ォークに和尚する。そのコストは従って低下される。こ
れは、・ガス（その圧力を測定しようとする場合）が゛
汚染している“、すなわち浮遊状態にある粒子を含む場
合しばしば特別に興味が持たれる。そのような場合に、
粒子または分子はチューニング・フォーク上に定着して
その質量従って周波数を変更し得る。従って、それはそ
の時変更されなけｈばならない６□□第２に、儒度補償
のため；比較的正確な測定□が広い温度範囲に亘って行
われ得る。 第３に、電子回路は簡単で少しの電力しか要さない。・
　　、・ 電子回路：は種・々の仕方で変更され得：る６例えば、
・それは２個のゼネレータ知よって供給される・、周波
数間に最良のゼネレータおよび最良の周波数を測定すす
るための回路を含み得るｉ、：、もし圧力測定用センサ
の感度をもつともつと増そうとすれば、第６図に示した
ような少し変形したチューニング・フォーフケ検知素子
として使用できる。　　　　　　□ この変形、したチューニング・フォークは一例のように
イースｔｏ並びに一対のアーム′１２および１４を有す
る。両ナームの自由端□部分には。 アームの長さ方向に延びる細長いスロット１′６が形成
される。こ−では各ナームに４個めスロットが形成され
、その各々は長さｔおよび幅ｄを有する。スロット１６
の側面１６ａは従ってチューニノグーフォークアームの
側面ｓｃ’ｔカ測定中その一部をうけもつ）と平行であ
るＪ更に、スロツ・トの幅ｅは、その値がガス分子の平
均自由路よりも□明らかに大きい上うなものである。チ
ューニング・フォークは屈曲モードで励振され・、スロ
ット１６の側面１６ａはアームの運動と直交する。 スロットの存在は、電極を形成する際に金属の被着を妨
げない。その理由は２周知のように、部分的な屈曲モー
ドで励振されるのを避けるためにチーー王ング・フォー
クの先端部が電極と無関係に維持塔れなければならない
からである。 □時計に使用するのに適したチューニング・フォークの
アームのサイズは、その長さＬが２．７龍程度であり１
幅Ｗが２１５μｍでありそして厚さｔが１２・５μｍで
ある６各スロツト１６のサイズは、その長さｔがｌ酊で
ありそして幅ｅが、３０μｍである。２〜３ミリノぐ−
ルから約１ノ々−ルの範囲では、圧力変化係数が約６３
　ｌ（ｑ／　／々−ルの場合、チューニング・フォーク
の周波数の相対変化と圧力の間に極めて直線的な関係が
得らレル。・この値は、同様な特性を有するがスロット
を持たない慣用の石英製チューニング・フォークの同一
係数（２，５０ｐｐａ／〕々−ル）と比較されるべきで
ある＝ ′□その上、このようにして作ったチュー臣ン２・フォ
ークは約７７に口２の共振周波数を有する。 もしチューニング・フォーク・アームの長倦カ長くされ
てチューニング・フォークの共振周波数に約３ｉｋ□口
２′まで低下させるならば、１番目□の上式は圧力に対
する依存係数が少なくとも２倍されることを示す。従っ
て、第６図のチュ−ニング・フォークでは、２〜３ミリ
ノ々−ルがら少なくとも１ノ々−ルまでの範囲内で圧力
□検知素子（圧力の関数として周波数の相対変化が約１
□２□００ｐＩｍ／）々−ルの係数を有する）を作るこ
とが可能である。圧力め正確な測定はこめようにして行
われ得る・。　　・□　　　　　　　・　　　：□・・
第７ａ図および第７ｂ図に示す共振子ｉ”　ｏｂは、ア
ームの自由端が対になつ赳２個のチュー三ング・フ矛＝
りＡおよびＢの等価物やある。′ｉ簡単に分るように、
スロッ）　１１　ｏ並ヒに破１ｍ１・１６および１１６
Ｔは２個のチューニング・フォークの外形を事実上規定
する。例えばＪチュ−二ノグーフォークＡはペースＡ１
並びにアームＡ２およびＡ３を持っている□。同様に、
チューニング・フォークＢはペースＢ１並びにアームＢ
２およびＢ３を持っている。、アーム・Ａ１とＢ３の自
由端はアームＡＢとＢ２の自由端と同様に共結される。 共振子のペースＡ里およびＢ１は粘着性物質によって支
持素子１１８および１１８Ｉへ緊着される。測定しよう
とする力は支持素子１１８と１１８’の間に加えられる
。従って、ひずみは共振子１０６へ充分に伝えられる・
。タプル・チューニング・フォークから成る共振子は矢
印下で示したように基本屈曲モードで振動させられる。 共振子ＩＱ６は例えば１２５＋ノｘｉの厚さを持ち。 各アームの幅は約１０８μｍでありそしてダブル・チュ
ーニング・フォークのアームの全一１％Ｌｔなわちスロ
ットｌｌｏの長さは４０８ｇ＋＊である。 第７ｂ図に示す電極の説明を助けるために。 チューニング・フォークのアームＡ３およびＢ２によっ
て形成されたｄ−には符号Ｃ１が付けられ、チューニン
グ・フォークのアームＡ２およびＢ３によって形成され
た・々−には符号Ｃ２が付けられる。・更に、ｘ−ｘ’
は破線１１６えよび１１６′と共面の線であり、従って
２つのチューニング・フォークの分割線を形成する。１
０６ａは共振子の頂面を示す（その底面は第７ｂ図には
示してない）。第７ｂ図の平面従って共振子の頂面１０
６ａと垂直であろノ々−Ｃ！およびＣ２の側面は７ラン
ク（ｆｌａ・ｎｋ）と呼ばれ、ノ々−Ｃ１の外側および
内側のフランクにはそれぞれ符号ｄ　１　＋　ｄ　２が
付けられ、そして／々−Ｃ２の外側および内側のフラン
クにはそれぞれ符号ｄ３．ｄ４が付けら炸る。ノ々−Ｃ
１およ、びＣ２，の頂面には。 紳ｘ　−ｘ・を中心として対称的に中央電極１２０ａお
よび１２０’ａ並びにペースＡｔおよびＢ１に重なる端
部電極１２２ａお１よび１２２’ａ、、１２４ａおよ７
５１２４’ｐが配！される。ノζ−ＣｔおよびＣ２の底
面にも頂面と同じ電極が同じに配置される。 ノ々−Ｃ１およびＣ２のフランクｄ１およ、びｄ２゜ｄ
３およびｄ４には対をなす中央う、チラル電極１２０ｂ
、１２０’ｂ並びに対をなす端部ラテラル電１１２２ｂ
および１２４ｂ、１２２１ｈおよび１２４’ｂが設けら
れ、これらは全て頂面および底面にある電極の位置に一
致している。このように、ノ々−Ｃ１およびＣ２の中央
部には各々２対の対面電極が設けられ、更に２対の対面
電極が各ノ々−の各端部に設けらハる。代表的な例とし
て、端部電極によって影響さｈるツマ−１の長さはノセ
ーの全長りのＮ４よりも少し短く、これらの２つの長さ
の比は０．２３が望ましい。 共振子を励振させるために、電位差は第７ｂ図に示さな
い電源の電極間に印加され、生電極は電源の一方の端子
）接続されそして一電極は電源の他方の端子へ接続され
、対をなして対面する電極は同〒電位にされる。特に、
第７ｂ図では見えない電極、すなわちＡ−の底面にある
電極の電位は、頂面にある電極の電位と同じである。更
に、一対の電極が成る電位にもたらされるならば、事実
上同じ位置にある他の電極対は逆極性の電位にもたらさ
れる。最後に、もし頂面および底面の中央電極が成る電
位にもたらされるならば、頂面および底面の端部電極は
逆極性の電位にもたらされる。　　　　　　　・種々の
電極を所要の電位まで効果的にもたらすのに必要な相互
接続部は第７ｂ図に示されていない。電極の数が多いの
で、圧電材料上に直接被着した金属によって特定の電位
までもたらされなければならない種々の電極を相互接続
することは難しい。従って、第７ｂ図の共振子の電極の
うちの幾らかだけを付勢すれば良いことは好都合である
。例えば、中央電極だけ或は端部電極だけを付勢すれば
良い。しかしながら、この場合に共振子の動的容量は全
体として半分にされる。或は、中央電極だけ、もしくは
端部電極の一部だけを付勢しても良い。　　″　□□そ
のような共振子は、３２．７６８ｋＨｚの共振周波数を
有し、かつ１０％／Ｎの感度を持つ、・すなわちＩＮの
力を加夫る時に共振周波数は力を加えない時と比較して
１０％だけ変る。可能な最大の力すなわち共振子を破壊
させるような力は２．７　Ｎ宅ある。 □測定用センサは全体として第１図に示したのと同じ一
般的ガ構成を有する。測定用の圧電共振子３０は第７ａ
図および第７ｂ図に糸したダブルふチューニング・フォ
ークから構成さｈる。 補償用の圧電共振子３４はこれがダブル・チューニング
・フォークと同一の温度特性を持つならどんな種類のも
のでも良い−また、２個の圧電共振子は同・一温度にあ
るように装架されなければならない。これは上述した温
度補償を確保する。処理回路Ｇの構成は第５図に示した
のと全く同じで良い。必要なことの全ては、Ｍおよびｆ
ｃＯ値を所要の感度およびダブル・チューニング・□フ
ォークの特性に適応させることである。 しかしながら、カケ測定する時には、加えられる力の作
用で支持素子１１Ｂおよび】１８Ｔがほんの少しだけ動
くことに注目されたい。これは、ダブル・チューニング
・フォーク全防水性で高真空のケースの中に収容するこ
とを事実上鯖外する二ダブ辷・チューニング；ｌ’　＝
　＝ニクはそイ枯ＪＪ！：芝重め午−すなわち温度の干
渉藷よびキれぷ置がれる媒体の圧力の千渉誉うける。こ
め圧がｋよる影−は力の測定は前柱がある。 こめ大息を打破するため鉦、補償用の共振子は圧力を補
償するためにも使用される。この圧力補償は、′補償用
の共振子め二側として圧力でも同じように働きから測定
用のダブル・≠ユーエング・フ千−身と同一の周囲媒体
中に置かれる共振子を使用するどとによｈ、達成さｈる
。 これもめ全てめ条件を満足するためて、最も簡単なとと
□は補償用の圧電共振子３４として測定用のダナル・チ
ューニング・フオ」りと・全く同じ形状の２ゾル・チュ
ーニング・フオニクを使用することである。両方の圧電
共振子は同−周囲媒体中にあるので同一温度にあ乞。　
−第８歯に示した検知素子は、慣用のチューニング・フ
芽−りと似た形状をしており、チニム７０および７２並
びに４−スｔｉ′を有する。それは屈曲モーｒで励ｉさ
れる韮うに電極と適合する。この検知素子の表面の少な
くとも一部には、百分率成分で測定中のガスを選択的に
かつ可逆的に級収する材料で作った被膜が設けらり。 る。従って、□チューニング・フォークの積置は問題の
ガスの百芥率成分に比例して増える。このａｔの変化は
チューニング・フォークの共振周波数を変化させる。例
えば、チューニング・フォークには了−ム７０および７
２の自由端部分にガス選侭的吸収性材料で被覆、された
２つの区域、二鉛”Ｊ：　’＋ｘ　７８が電力。上舅□
設、けら□６゜アームの自由端で質量が増えるので１周
波数変化は増大される。第８図に示した検知素子は第１
図の圧電共振子３０を構成する。補償用の圧電共振子３
４に関しては、圧電共振子３０と同じ温度□特性を持つ
ことで充分である。　□力測定用のセンサでは、分析さ
れるべきガス混合物中に置かれなければならないのでチ
ューニング・フォークは真空中に置かれ得ない。これは
圧力補償系の場合も同じである。この間、題は、測定用
のチューニング・フォークだけに吸チューニング・フォ
ー冬に頼ることにより、Ｃ，最もｆｌｉｌｌ皐に解決さ
れる。両方のチューニング・、・ツー−りは１同じ周囲
媒体中にあり、これによ□りそ杭らを同一温度に保持す
る。電子回１路ｉま竺ｊ５図て示したものと回りで良い
。　　　　　　。 この発明は、もじり素子が圧電共振子ぶら成りかつ測定
値が温度でないなら、他の測定用センサにも応用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係慝濡度補償付き測定用センサの！
四ツ４図、第２ａ図はこの発明に係９′筐６けろ温竺補
償？原理を例、示す・る′ラフ図、第２ｂ図はこの発明
によって行われる温度補償な説明するグラフ図、第３ａ
図はガスの圧力を測定するセンサの検知素子を形成する
慣用の石英製チューニング・フォークの斜視図。 第３ｂ’図は第３ａ図のチューニング・・フォークのア
ームにおける縦断面図およびチューニング・フォークを
屈曲モーｒを励振するように電極な取り付ける配置図、
第４図は第・３．や図および第３ｂ図に示したのと同様
な検知素子を使男するこの発明のガス圧力測定用センサ
９断面図、第５図は第４図の検知素子から卑生ずる信号
全処理する回路を一部ブロック図で示す（ロ）路略図。 第６図は第４図のセンサに使用すヤための変形例の検知
素子の斜視図、第７！甲は力測定男センサ中の検知素子
として使用するためのダ、ゾル・チューニング・フォー
クの形態ンした共振子の斜視図、第、７　ｂ図は第７ａ
図に示しナ共振子を屈曲モードで励振する声吟に配置さ
れた複数個の電極を示す共振子の半面図、第、！図は倒
木しずガス混合物中の特定のガスの量または空気中の水
分を測定するための更に変形した例の検知素子の斜視図
である。　　　　　　　。 ＧＰ・・・物理量、３０・・・第１の圧電共振子として
の測定用の圧電共振子、３２・・・維持回路、Ｄ・・・
発振器、３４・・・第２の圧電共振子としての補償用の
圧電共振子、３６・・・維持回路、Ｅ・・・発振器、Ｇ
・・・処理回路、Ｈ・・・表示回路、４８と５．０・・
・チューニング・フォーク、５３．・・・［、ｊ２・・
・築１つケーでとしてのクー仔、５４・・・第２のケー
スとしてのケース、４．２・・・第］ヤ凹みとしての凹
み、４４！、・・第２の凹みとしての凹み。４６・・・
通路、１２と、１４・・・アーム、Ｌ・・・アームの長
さ、】６・・・スロット、ｔ・・・アームの厚さ、八１
とＢ１６”””−スｈ　ＣｔとＣ２・・・ｄ−，１２０
ｇと１２０’　ａ・・・中央電極％１２０ｂと１２０’
ａ・・・中央ラテラル電極、】２２ａと１ｊ２’ａと】
２４ａと１２４’ａ　’−・端部、電極、１２２ｂと１
．２２−ｂと】２４ｂと１２４１１）・・・端部ラテラ
ル電極。　　　・ 代理人　弁理士　矢　野　敏　雄 Ｆ砂−７ａ 〜、７ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　温度以外の物理量を測定するためのセンサ□であ
   って、　　　　　　　　・　　・・（ａ）　　前記物理
   量を受けてこれに応答すると共に温度Ｚ検知する第１の
   圧電共振子、 （ｂ）　　この第１の圧電共振子を振動させかつ前記物
   理量および温度に依存する周波数を有する第１の信号を
   受信するための手段１、、　　（Ｃ）　　前記第１の圧
   電共振子の馬度横・動特性に似たｇＡ変検知特性を有し
   かつ前詰物理量を受けない第２の圧電共振子、　　　′ ・（ｃｌ）　　この第２の圧電共振子を振動させかつ温
   ・度に依存する周波数を有する錆２の信号を受信するた
   めの手段、・　　　　　□ （４）　　前記第１の圧電共振子および前記第２の□圧
   電共振子に共通の温度を受けさせるための手段、並びに
   、 （ｆ）　　前記第１　（Ｄ’信喬および前記第２の□信
   号に応答し、前詰物理量の値を表わしかつ前記温度と事
   実上無関係か測：定信号を発：生ずるための手段。 を備えたセンサ。　　　□ ２、測定信号は第′１の信号と第２の信号の周波数差の
   関数である特許請求の範囲線り項記載□のセンサ。　　
   　　　　　　□ ３］′ガスの圧力ｉ測定するために、第１の圧電共振子
   は屈曲モーＰで励振できるキユーニン□　ン・フォーク
   ｉ備支る特許請求の範囲第１項記載のセンサ。　　□　
   　　　□ ４、第２の圧電共振子は屈曲モーｒで励振できるチュー
   ニング・フォークを備え、ガスが入′糺る筒孔を有し□
   かつ第】・の圧電共振□子を収容子る第１のケニ１７お
   よび第２の圧電共振子を収容する排気口た第２めケニス
   が更“・に設けら□　ｈる特□許請求の一面第３項記載
   のセンサ。 ５、　容□器中のガスの圧力を測定するために５２づめ
   圧電共振子に共通の温度を受けさせるためや手段は前記
   容器へ緊着されるようＶＣｌ−た１支持部材を備え、こ
   の支持部材は第１のケースが固：定蓬□れる第１の凹み
   、開ｒと前′晶蓉器　′１を連通搭せる通呻、および第
   ２．０ケースが固定される第２の凹みを有する特許請求
   の範囲第４項記載のセンサ。１　　′ ６　第１の圧電共振子のチューニング・フォークｉｔ各
   □アームの自由端部分に前記アームの長さ方向に延びる
   複数個のスロットを有し、これらのスロットが前記アー
   ムの厚さ方向に真直′延ｖ７′特許請求の範囲第°項記
   ｆｇ　Ｉ）　−ｔ　７す。 ７、第１のチューニング・フォークはその逆転温度で事
   実上３２　、．７６８．Ｈ７，の共振周波数を有する特
   許請求の範囲第３項記載のセンサ。 ８、　力を測定するために、第１の圧電共振子は圧電材
   料の板から切り出される振動部材を備えかつ２つの４−
   ス形成部分によって端部で結合された一対の事実上平行
   な・々−およびこれらの・９−の長さ方向でベース間に
   前記力を、：如、えるための手段を備え、第１の圧電共
   振子を振動させるための手段は一々−を屈曲モーｒ、′
   −：婁＝・−動ｇ””？　６　？、＝あ、お２．−よ６
   □−電ｉを備えや特許請求の範囲第１項、記載のセルサ
   。 ９、　第２の圧電共振子は第讐の圧電共振子と同一形状
   の振動部材を有し５両方の振動部材は同一媒体中に置か
   れる特許請求の範囲第８項記載のセンサ。 １０、　　ガス混合物中のガスの成分を側糸するため′
   ・第゛０圧電共、振子″′・そ？表面０下部上に、前記
   ゲスを選、択的に、かつ可逆的Ｋｑｋ収し得る神膜を、
   東する特許請求の範囲、第１項記載のセンサ。： 】１．第１の圧電共振子は屈曲モードで励振できるチュ
   ーニング・フォークを備え、被膜は前記チューニング・
   フォークの各アームの自由端部分に設けられる特許請求
   の範囲第１０項記載のセンサ。 １２、第２の圧電共振子は第１の圧電共振子に似ている
   がガス吸収被膜が無く１．両方のチューニング・フォー
   クは、、、ガで混、合物中に置かれる特許請求の範囲第
   １１項記載のセンサ。