JP5375252B2 - Vacuum gauge - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動体を利用した真空計に関し、特に、広い範囲の気体の圧力を測定することができるようにした真空計に関する。 The present invention relates to a vacuum gauge using a vibrating body, and more particularly to a vacuum gauge capable of measuring a wide range of gas pressures.
従来、音叉型振動体を利用して雰囲気の圧力を測定する真空センサが知られている（特許文献１参照）。音叉型振動体を利用して雰囲気の圧力を測定する原理は、振動子を振動させ、その振動特性から雰囲気の真空圧力を特定するものである。 Conventionally, a vacuum sensor that measures the pressure of an atmosphere using a tuning fork type vibrating body is known (see Patent Document 1). The principle of measuring the atmospheric pressure using a tuning fork type vibrator is to vibrate the vibrator and specify the vacuum pressure of the atmosphere from its vibration characteristics.
また従来、密閉筐体の内壁面に振動自在となるように保持された弾性体と、この弾性体に接着固定された２つの圧電素子の一方に高周波信号を印加し、この高周波信号により起振された前記弾性体の振動振幅を他方の圧電素子を介してその両電極間の誘起電圧の変化量として検出し、間接的に空気の圧力を測定する真空計が知られている（特許文献２参照）。 Conventionally, a high-frequency signal is applied to one of an elastic body that is vibrated on the inner wall surface of the sealed casing and two piezoelectric elements that are bonded and fixed to the elastic body, and the high-frequency signal generates vibration. A vacuum gauge is known in which the vibration amplitude of the elastic body is detected as the amount of change in the induced voltage between the two electrodes via the other piezoelectric element, and the air pressure is indirectly measured (Patent Document 2). reference).
また従来、振動体を２方向に振動させて、振動体の振動特性から気体の圧力を測定する圧力センサも知られている（特許文献３参照）。
また従来、面積が異なる複数の振動体を利用して、測定可能な圧力範囲を広げた真空センサも知られている（特許文献４参照）。
Conventionally, a pressure sensor that vibrates a vibrating body in two directions and measures the gas pressure from the vibration characteristics of the vibrating body is also known (see Patent Document 3).
Conventionally, there is also known a vacuum sensor that uses a plurality of vibrating bodies having different areas to expand a measurable pressure range (see Patent Document 4).
上記した特許文献１および２の真空計は、いずれも振動子を振動させ、その振動特性から雰囲気の真空圧力を特定するもので、低真空から高真空の測定を連続的に測定することができず、且つ回路構成が複雑となるという課題がある。 The above-mentioned vacuum gauges of Patent Documents 1 and 2 both vibrate the vibrator and specify the vacuum pressure of the atmosphere from its vibration characteristics, and can continuously measure from low vacuum to high vacuum. In addition, there is a problem that the circuit configuration becomes complicated.
また上述の特許文献３における圧力センサは、２方向に振動させるための電極を別々に２つ有し、また測定する気体の圧力によって振動方向を切り替える構成を採用しているため、連続的に気体の圧力を測定することができず、且つ回路構成が複雑となるという課題がある。 Moreover, since the pressure sensor in the above-mentioned patent document 3 has two separate electrodes for vibrating in two directions and adopts a configuration in which the vibration direction is switched depending on the pressure of the gas to be measured, the gas is continuously gas. There is a problem that the pressure cannot be measured and the circuit configuration becomes complicated.
ところで、真空計において振動体を利用する場合、一般に、振動体のQ値（振動体の振動特性の一つ）は、気体の圧力Pに反比例する。したがい、振動体のQ値は、気体の圧力Pとの関係において、ωRを振動体の共振角周波数[rad/s]、mを振動体の質量[kg]、Sを並進方向の面積[m2]、Rを気体定数[8.314J/k・mol]、Tを温度[K]、Mを気体分子の質量[kg/mol]、E：ヤング率[Pa]、I：断面2次モーメント[m4]、ｌ：有効梁長[m]（=梁長＋錘1辺/2）とすると、以下の式（１）のように表すことができる。 By the way, when a vibrating body is used in a vacuum gauge, generally, the Q value of the vibrating body (one of the vibration characteristics of the vibrating body) is inversely proportional to the gas pressure P. Therefore, in relation to the gas pressure P, the Q value of the vibrating body is ω R is the resonance angular frequency [rad / s] of the vibrating body, m is the mass of the vibrating body [kg], and S is the area in the translation direction [ m 2 ], R is the gas constant [8.314 J / k · mol], T is the temperature [K], M is the mass of the gas molecule [kg / mol], E is Young's modulus [Pa], and I is the moment of inertia of the cross section. [m 4 ], l: Effective beam length [m] (= beam length + weight 1 side / 2), it can be expressed as the following equation (1).
なお、上記式１は振動体が片持ち梁である場合に成り立つものである。これにより、振動体のQ値を測定することで気体の圧力を間接的に評価することができる。しかし、振動体を利用した真空センサのQ値の実用測定範囲は概ね100から100,000程度であり、そのため、測定することが可能な圧力範囲が3桁程度で制限されるという課題がある。 The above formula 1 is established when the vibrating body is a cantilever beam. Thereby, the gas pressure can be indirectly evaluated by measuring the Q value of the vibrating body. However, the practical measurement range of the Q value of a vacuum sensor using a vibrating body is about 100 to 100,000, and there is a problem that the pressure range that can be measured is limited to about three digits.
上記した特許文献４に示される真空センサは、面積が異なる複数の振動体を利用して測定可能な圧力範囲を広げているが、面積を広くすることで振動体の質量も増加するため、面積を広くしたことによる効果が相殺されてしまう課題がある。これをさらに説明する。 The vacuum sensor shown in Patent Document 4 described above uses a plurality of vibrating bodies having different areas to expand the measurable pressure range, but increasing the area also increases the mass of the vibrating body. There is a problem that the effect of widening the offset is offset. This will be further described.
図２０は上記特許文献４に示された真空センサの構成例に倣って設計された真空センサの設計値の一例（設計Ｉおよび設計ＩＩにおいて振動体の面積比4：1）を示すものであり、図２１は図２０に示した設計値における気体の圧力Pと振動体のQ値の関係を示す図である。図２１に示されるように振動体の錘の面積を広くすることによる効果は小さい。また、面積を広くすると振動体の反りの影響により振動体と振動検出電極とが接触する可能性があるため、振動体の面積を一定値以上広くすることはできない。 FIG. 20 shows an example of design values of the vacuum sensor designed in accordance with the configuration example of the vacuum sensor shown in Patent Document 4 (the area ratio of the vibrating body in design I and design II is 4: 1). FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the gas pressure P and the vibration member Q value at the design values shown in FIG. As shown in FIG. 21, the effect of increasing the area of the weight of the vibrating body is small. Further, if the area is increased, there is a possibility that the vibrating body and the vibration detection electrode come into contact with each other due to the influence of the warping of the vibrating body. Therefore, the area of the vibrating body cannot be increased beyond a certain value.
上記した課題を解決するために本発明は、１つの真空計でより広い範囲の気体の圧力を測定することができるようにした真空計を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a vacuum gauge capable of measuring a wider range of gas pressures with a single vacuum gauge.
上記課題を解決するために、本発明の真空計は、錘、梁及び振動体固定部から成る振動体であって、厚さ、梁の長さ、材質もしくは前記錘の振動方向の面積の少なくとも１つ以上を異ならせることで測定できる圧力範囲を異ならせることができる振動体と、該振動体を静電力により駆動する加振電極部と、前記振動体の振動を検出する振動検出部と、該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前記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、前記駆動信号を前記加振電極部に印加して前記振動体を共振状態に保持して、前記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であって、前記振動体を前記真空計における共通の雰囲気内に複数個備え、前記各振動体により測定することができる圧力範囲をそれぞれ異ならせた真空計で、前記駆動信号生成部は、前記振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、前記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、前記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（請求項１の発明）。
In order to solve the above problems, a vacuum gauge according to the present invention is a vibrating body including a weight, a beam, and a vibrating body fixing portion, and has at least a thickness, a length of the beam, a material, or an area in the vibration direction of the weight. A vibrating body capable of varying a pressure range that can be measured by varying one or more, a vibrating electrode unit that drives the vibrating body by electrostatic force, a vibration detecting unit that detects vibration of the vibrating body, A drive signal generation unit that generates a drive signal for exciting the vibrating body by changing the phase of the detection signal based on the detection signal of the vibration detection unit, and amplifying the drive signal. A vacuum gauge including a pressure measuring unit that applies pressure to an electrode unit to hold the vibrating body in a resonance state and measures an atmospheric pressure from vibration characteristics of the vibrating body. Provided in a common atmosphere, each of the above In vacuum meter having different respective pressure range that can be measured by body, said drive signal generating unit, as the magnitude of the detection signal of the vibration detection unit is constant, the detection signal of the vibration detection unit The pressure measurement unit measures the pressure based on the voltage of the drive signal (invention of claim 1).
上記請求項１の発明によれば、真空計における共通の雰囲気内に、測定することができる圧力範囲の異なる振動体を複数個備えることにより、１つの真空計でより広い範囲の気体の圧力を測定することができるようになる。 According to the first aspect of the present invention, by providing a plurality of vibrators having different pressure ranges that can be measured in a common atmosphere in the vacuum gauge, the pressure of a wider range of gas can be obtained with one vacuum gauge. It becomes possible to measure.
上記請求項１に記載の真空計において、前記各振動体により測定することができる圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成するようにするとよい（請求項２の発明）。 In the vacuum gauge according to claim 1, the pressure ranges that can be measured by the vibrators are preferably partially overlapped (invention of claim 2).
上記請求項２の発明によれば、各振動体により測定可能な各圧力範囲同士の間の境界領域で気体の圧力が変動する場合に測定が不連続になることを防ぐことができる。
上記請求項１または２に記載の真空計において、真空計内の気体の圧力によって圧力の測定に使用する前記振動体を切り替えるようにするよい（請求項３の発明）。
According to the second aspect of the present invention, it is possible to prevent the measurement from being discontinuous when the gas pressure fluctuates in the boundary region between the pressure ranges that can be measured by the vibrators.
In the vacuum gauge according to claim 1 or 2, the vibrator used for pressure measurement may be switched depending on the pressure of gas in the vacuum gauge (invention of claim 3).
上記請求項３の発明によれば、圧力の測定に使用する振動体のみを振動させればよいので、真空計としての電力の消費を抑えることができる。
上記請求項１または２に記載の真空計において、真空計内の気体の圧力に関わらず常時すべての振動体を動作させるようにするとよい（請求項４の発明）。
According to the third aspect of the present invention, it is only necessary to vibrate only the vibrating body used for pressure measurement, so that power consumption as a vacuum gauge can be suppressed .
In the vacuum gauge according to claim 1 or 2, it is preferable that all the vibrators are always operated regardless of the gas pressure in the vacuum gauge (invention of claim 4).
上記請求項４の発明によれば、常時すべての振動体を動作させていることにより、気体の圧力によって圧力の測定に使用する振動体を切り替える場合におけるような、切替後に使用する方の振動体の初期駆動に要する時間が不要になるので、気体の圧力が急激に変動する場合でも測定が不連続になることを防ぐことができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the vibrating body to be used after switching, such as when switching the vibrating body to be used for pressure measurement by the gas pressure by operating all the vibrating bodies at all times. since the unnecessary time required for the initial driving, the measurement even if the pressure of the gas abruptly changes Ru it can be prevented from becoming discontinuous.
上記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空計において、前記圧力測定部は、前記圧力測定部は、振動体の両側に前記振動方向に沿って設置された１組の加振電極からなる加振電極部を備えるとともに、前記振動検出部の検出信号の位相を変化させる位相シフト回路と、該位相シフト回路の出力信号を増幅させる増幅器と、該増幅器の出力信号の位相を反転させる反転回路とからなる駆動信号生成部を備え、前記振動検出部の検出信号に基づく互いに逆相の駆動信号として、前記反転回路および前記増幅器の各出力信号を前記１組の加振電極にそれぞれ印加することで振動体の共振状態を保持するようにするとよい（請求項５の発明）。 5. The vacuum gauge according to claim 1, wherein the pressure measurement unit is a set of excitation electrodes installed along the vibration direction on both sides of a vibrating body. A phase shift circuit for changing the phase of the detection signal of the vibration detection unit, an amplifier for amplifying the output signal of the phase shift circuit, and inverting the phase of the output signal of the amplifier A drive signal generation unit comprising an inverting circuit, and applying each output signal of the inverting circuit and the amplifier to the set of excitation electrodes as drive signals of opposite phases based on the detection signal of the vibration detection unit By doing so, it is preferable to maintain the resonance state of the vibrating body (invention of claim 5) .
上記請求項１ないし５のいずれか１項に記載の真空計において、前記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、振動体の初期駆動時には、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、前記初期励振信号に基づく初期駆動信号を前記加振電極部に印加するようにするとよい（請求項６の発明）。
The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 5 , further comprising an initial excitation signal source that outputs an initial excitation signal having a frequency corresponding to a natural frequency of the vibrating body, and at the time of initial driving of the vibrating body, Instead of the drive signal based on the detection signal of the vibration detection unit, an initial drive signal based on the initial excitation signal may be applied to the excitation electrode unit (invention of claim 6 ).
上記請求項６に記載の真空計において、前記振動検出部は、前記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前記振動体の振動を検出するようにしてもよい（請求項７の発明）。
In the vacuum gauge according to the sixth aspect , the vibration detection unit may detect the vibration of the vibration body by detecting a capacitance between the vibration body and the detection electrode. Item 7 ).
上記請求項１ないし７のいずれか１項に記載の真空計において、前記各振動体に対応させて前記圧力測定部を複数個設けるようにするとよい（請求項８の発明）。 In the vacuum gauge according to any one of claims 1 to 7 , a plurality of the pressure measuring units may be provided in correspondence with the vibrating bodies (invention of claim 8 ).
本発明によれば、１つの真空計内に測定可能な真空度が異なる振動体を複数使用することで、より広い範囲の真空度を評価することが可能となる。また圧力測定範囲がそれぞれ異なる複数個の振動部材を使用することで、より広い範囲の圧力を評価することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to evaluate a wider vacuum range by using a plurality of vibrators having different vacuum degrees that can be measured in one vacuum gauge. In addition, it is possible to evaluate a wider range of pressure by using a plurality of vibrating members having different pressure measurement ranges.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の平面図であり、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からなる振動体4、振動体4を加振するための加振電極5、振動体4の振動を検出するための振動検出電極6から構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a plan view of a structure constituting a mechanical part of a vacuum gauge according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side view of the structure shown in FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, the structure constituting the mechanism of the vacuum gauge includes a vibrating body 4 comprising a weight 1, a beam 2 and a vibrating body fixing portion 3, a vibrating electrode 5 for vibrating the vibrating body 4, and a vibrating body. 4 is composed of a vibration detection electrode 6 for detecting vibrations.
次に、振動体4の形状、振動体4のQ値および気体の圧力Pとの関係について説明する。振動体4は気体分子の衝突により、抵抗力を受ける。分子流領域においては、気体分子による抵抗力は気体の圧力Pに正比例する。気体の圧力が低くなるに従い、振動体4が気体分子から受ける抵抗力が低下するため、振動体のQ値（共振の鋭さ）は高くなる。ただし、振動体4は固有のQ値QEを持っており、固有のQ値QE以上になることはない。すなわち、振動体4が測定することが可能な気体の圧力の下限は、固有のQ値QEによって制限されることを意味する。 Next, the relationship between the shape of the vibrating body 4, the Q value of the vibrating body 4, and the gas pressure P will be described. The vibrating body 4 receives a resistance force due to collision of gas molecules. In the molecular flow region, the resistance force by the gas molecules is directly proportional to the gas pressure P. As the gas pressure decreases, the resistance force that the vibrating body 4 receives from the gas molecules decreases, so the Q value (resonance sharpness) of the vibrating body increases. However, the vibrating body 4 has a specific Q value Q E and never exceeds the specific Q value Q E. That is, the lower limit of the pressure of the gas that can vibrator 4 is measured, meant to be limited by the specific Q value Q E.
振動体4のQ値と気体の圧力Pは、frを振動体4の固有周波数、mを錘の質量、Sを気体の抵抗力を受ける面積、Rを気体定数、Tを温度、Mを気体分子1molあたりの質量とすると、振動体のQ値は以下の式２のように、 The Q value of the vibrating body 4 and the gas pressure P are expressed as follows: fr is the natural frequency of the vibrating body 4, m is the mass of the weight, S is the area that receives the gas resistance, R is the gas constant, T is the temperature, and M is Assuming the mass per 1 mol of gas molecules, the Q value of the vibrating body is
と表すことができる。なお、上記式２は、ｆｒ＝ωＲ／２πという関係にあることから上述した式１と実質的に同じ内容である。
図３は、本発明の実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図であり、図４は、図３に示した振動体の設計値におけるQ値と気体の圧力Pとの関係を示す図である。図３の下部に示す表には、設計例として設計（ａ）と設計（ｂ）とが示されている。図４に示すように、設計（ａ）の場合に測定することができる気体の圧力は約0.1Paから約100Paであり、また設計（ｂ）の場合に測定することができる気体の圧力は約3Paから約3000Paである。すなわち、振動体の形状によって測定することができる気体の圧力範囲を任意に設計することができる。なお、図３に示される設計（ａ）および設計（ｂ）の各振動体の固有周波数は、例えば、各振動体の材質をシリコンとした場合、それぞれ、約320Hzおよび約16.5kHzとなる。
It can be expressed as. Note that, since the formula 2 has a relationship of f r = ω R / 2π, it has substantially the same content as the formula 1 described above.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the design value of the vibrating body according to the embodiment of the present invention. FIG. 4 shows the relationship between the Q value and the gas pressure P in the design value of the vibrating body shown in FIG. FIG. The table shown at the bottom of FIG. 3 shows design (a) and design (b) as design examples. As shown in FIG. 4, the gas pressure that can be measured for design (a) is about 0.1 Pa to about 100 Pa, and the gas pressure that can be measured for design (b) is about 3Pa to about 3000Pa. That is, the gas pressure range that can be measured by the shape of the vibrating body can be arbitrarily designed. In addition, the natural frequency of each vibration body of the design (a) and the design (b) shown in FIG. 3 is about 320 Hz and about 16.5 kHz, respectively, when the material of each vibration body is silicon.
次に、本発明の実施形態に係る真空計の回路構成について説明する。図５は、本発明の第１の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、１つの真空計内に二つの振動体を含む例のため図を上下に分けて示している。図５において本発明の第１の実施形態に係る真空計は、錘21、梁22および振動体固定部23からなる振動体24、錘25、梁26および振動体固定部27からなる振動体28、加振電極29および30、振動体24および28の振動を検出する振動検出電極31および32、錘21と振動検出電極31との間の静電容量の変化に応じた電圧を出力する容量電圧変換回路33、錘25と振動検出電極32との間の静電容量の変化に応じた電圧を出力する容量電圧変換回路34、容量電圧変換回路33および34から出力された信号の位相を変化させる位相シフト回路35および36、位相シフト回路35および36の出力を増幅する増幅器37および38、振動体24および28の振幅に応じて接続を切り替えるスイッチ回路39および40、振動体24および28の初期加振用信号源41および42からなる。 Next, the circuit configuration of the vacuum gauge according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a block diagram showing a circuit configuration of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention. The figure is divided into upper and lower parts for an example in which two vacuum bodies are included in one vacuum gauge. . 5, the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention includes a vibrating body 24 including a weight 21, a beam 22, and a vibrating body fixing portion 23, and a vibrating body 28 including a weight 25, a beam 26, and a vibrating body fixing portion 27. , Excitation electrodes 29 and 30, vibration detection electrodes 31 and 32 for detecting vibrations of the vibrating bodies 24 and 28, and capacitance voltage for outputting a voltage corresponding to the change in capacitance between the weight 21 and the vibration detection electrode 31 The phase of the signals output from the conversion circuit 33, the capacitance-voltage conversion circuit 34 that outputs a voltage corresponding to the change in capacitance between the weight 25 and the vibration detection electrode 32, and the capacitance-voltage conversion circuits 33 and 34 are changed. Phase shift circuits 35 and 36, amplifiers 37 and 38 that amplify the outputs of the phase shift circuits 35 and 36, switch circuits 39 and 40 that switch connections according to the amplitudes of the vibrators 24 and 28, and initial addition of the vibrators 24 and 28 It consists of diversion signal sources 41 and 42.
次に、本発明の第１の実施形態に係る真空計の回路構成の動作について説明する。図５において、振動体24および28を初期加振する場合、スイッチ回路39および40はそれぞれAとB、DとEが接続された状態にされており、初期加振用信号源41および42から出力された振動体24および28の固有振動数に対応した周波数の信号が加振電極29および30に印加され、振動体24および28が加振される。初期加振用信号源41および42は初期駆動するときのみ使用され、振動体24および28が振動し始めた後はスイッチ回路39および40が切り替えられ、それぞれAとC、DとFが接続される。容量電圧変換回路33、34から出力された信号の位相を位相シフト回路35、36でシフトし、増幅器37、38を経て、加振電極29、30に印加され、共振状態を保つ。なお、スイッチ回路39および40は、上述のように、それぞれ振動体24および28の振幅に応じて接続を切り替えるように動作するものであり、例えば、振動体24および28の振幅、すなわち、振動体24および28の変位に応じて出力される容量電圧変換回路33および34の出力信号の各大きさが予め設定した値に到達したことを図示されないスイッチ回路用制御部で検出し、その検出タイミングで前記スイッチ回路用制御部からスイッチ回路39および40にB側からC側への切替信号およびE側からF側への切替信号をそれぞれ与えることにより行うことができる。 Next, the operation of the circuit configuration of the vacuum gauge according to the first embodiment of the present invention will be described. In FIG. 5, when the vibrating bodies 24 and 28 are initially excited, the switch circuits 39 and 40 are connected to A and B and D and E, respectively. A signal having a frequency corresponding to the output natural frequency of the vibrating bodies 24 and 28 is applied to the excitation electrodes 29 and 30, and the vibrating bodies 24 and 28 are excited. The initial excitation signal sources 41 and 42 are used only during initial driving. After the vibrating bodies 24 and 28 start to vibrate, the switch circuits 39 and 40 are switched, and A and C, and D and F are connected, respectively. The The phases of the signals output from the capacity voltage conversion circuits 33 and 34 are shifted by the phase shift circuits 35 and 36, applied to the excitation electrodes 29 and 30 via the amplifiers 37 and 38, and the resonance state is maintained. As described above, the switch circuits 39 and 40 operate so as to switch the connection in accordance with the amplitude of the vibrating bodies 24 and 28, respectively. For example, the amplitude of the vibrating bodies 24 and 28, that is, the vibrating body The switch circuit controller (not shown) detects that the magnitudes of the output signals of the capacitance-voltage conversion circuits 33 and 34 output according to the displacements 24 and 28 have reached a preset value, and at the detection timing This can be done by giving a switching signal from the B side to the C side and a switching signal from the E side to the F side to the switch circuits 39 and 40 from the switch circuit controller.
加振電極29および30に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器37および38のゲインをそれぞれ調整する構成とした場合、振動体24および28の各Q値に対応して振動体24および28の振幅、つまり、容量電圧変換回路33および34から出力される信号の大きさが変化する。したがって、容量電圧変換回路33および34から出力される信号をそれぞれ各Q値に変換し、さらにそれぞれ気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。振動体24および28に図３に示した設計例である設計（a）および（b）を使用した場合、0.1Paから100Paの領域では容量電圧変換回路33の出力から、3Paから3000Paの領域では容量電圧変換回路34の出力の大きさから気体の圧力を測定することで、0.1Paから3000Paの気体の圧力を測定することが可能となる。また、容量電圧変換回路33および34の各出力信号（振動体の振幅）から各圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 When the gains of the amplifiers 37 and 38 are adjusted so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 29 and 30 is constant, the vibrating body 24 corresponds to each Q value of the vibrating bodies 24 and 28. And 28, that is, the magnitudes of the signals output from the capacitor voltage conversion circuits 33 and 34 change. Therefore, it is possible to measure the gas pressure by converting the signals output from the capacitance-voltage conversion circuits 33 and 34 into respective Q values and further converting them into the gas pressure P. When the designs (a) and (b), which are the design examples shown in FIG. By measuring the gas pressure from the magnitude of the output of the capacitance-voltage conversion circuit 34, it becomes possible to measure the gas pressure from 0.1 Pa to 3000 Pa. Further, the conversion from each output signal (amplitude of the vibrating body) of the capacitance-voltage conversion circuits 33 and 34 to each pressure P value may be directly performed without passing through the Q value.
ここで、例えば振動体28が図６に示される設計値であって材質がシリコンの振動体である場合、錘１の幅広面に沿った振動方向においては、加振電極30に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器38のゲインを調整するときの、容量電圧変換回路34の出力信号の大きさ（振動体の振幅）と圧力P値との関係は、図７に示されるような、（約10Pa程度以上の）高圧領域では振幅が圧力にほぼ反比例するとともに低圧側では振幅がその最大限界値に向かって飽和していく特性となる。なお、図６は、本発明の実施形態に係る振動体の設計値の異なる一例を示すものである。 Here, for example, when the vibrating body 28 is the design value shown in FIG. 6 and the material is a vibrating body made of silicon, the drive signal applied to the excitation electrode 30 in the vibration direction along the wide surface of the weight 1. FIG. 7 shows the relationship between the magnitude of the output signal of the capacitive voltage conversion circuit 34 (amplitude of the vibrating body) and the pressure P value when the gain of the amplifier 38 is adjusted so that the voltage of the amplifier 38 becomes constant. In the high pressure region (about 10 Pa or more), the amplitude is approximately inversely proportional to the pressure, and on the low pressure side, the amplitude is saturated toward its maximum limit value. FIG. 6 shows an example in which the design values of the vibrating body according to the embodiment of the present invention are different.
そして、例えば、容量電圧変換回路33および34の各出力信号の大きさ（振動体の振幅）と各圧力P値との関係の特性データを取得し、この特性データのデータテーブルを格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における上記各出力信号（振動体の振幅）から各圧力P値への変換を行う構成としてもよく、また、上記特性データの曲線から近似的に求められた関係式を格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における上記各出力信号（振動体の振幅）から各圧力P値への変換を行う構成としてもよい。 Then, for example, characteristic data on the relationship between the magnitude of each output signal (amplitude of the vibrating body) of each of the capacitance voltage conversion circuits 33 and 34 and each pressure P value is obtained, and a storage unit storing a data table of the characteristic data It is also possible to convert each output signal (vibration body amplitude) to each pressure P value at the time of actual measurement by using a conversion means, and the relationship obtained approximately from the characteristic data curve. It is good also as a structure which converts each said output signal (amplitude of a vibrating body) at the time of actual measurement into each pressure P value by the conversion means provided with the memory | storage part which stored the type | formula.
また、振動体24および28の振幅、すなわち、振動体24および28の変位に応じて出力される容量電圧変換回路33および34の出力信号の大きさ（振動体の振幅）が一定となるように増幅器37および38のゲインをそれぞれ調整する構成とすることもできる。この場合、振動体24および28の各Q値に対応して増幅器37および38から加振電極29および30に印加される各駆動信号の電圧が変化するので、各駆動信号をそれぞれ各Q値に変換し、さらにそれぞれ気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、各駆動信号から各圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 Further, the amplitudes of the vibrating bodies 24 and 28, that is, the magnitudes of the output signals of the capacitive voltage conversion circuits 33 and 34 (the amplitude of the vibrating body) output according to the displacement of the vibrating bodies 24 and 28 are made constant. A configuration may be adopted in which the gains of the amplifiers 37 and 38 are respectively adjusted. In this case, since the voltage of each drive signal applied to the excitation electrodes 29 and 30 from the amplifiers 37 and 38 changes corresponding to each Q value of the vibrating bodies 24 and 28, each drive signal is changed to each Q value. It is possible to measure the pressure of the gas by converting and further converting to the pressure P of the gas. Further, the conversion from each drive signal to each pressure P value may be performed directly without passing through the Q value.
ここで、例えば振動体28が図６に示される設計値であって材質がシリコンの振動体である場合、錘１の幅広面に沿った振動方向においては、容量電圧変換回路34の出力信号の大きさ（振動体の振幅）が一定となるように増幅器38のゲインを調整するときの、駆動信号の大きさ（駆動電圧）と圧力P値との関係は、図８に示されるような、（約10Pa程度以上の）高圧領域では駆動電圧が圧力にほぼ比例するとともに低圧側では駆動電圧がその最小限界値に向かって飽和するように減少していく特性となる。 Here, for example, when the vibrating body 28 is the design value shown in FIG. 6 and the material is a vibrating body made of silicon, in the vibration direction along the wide surface of the weight 1, The relationship between the magnitude of the drive signal (drive voltage) and the pressure P value when adjusting the gain of the amplifier 38 so that the magnitude (amplitude of the vibrating body) is constant is as shown in FIG. In the high voltage region (about 10 Pa or more), the drive voltage is approximately proportional to the pressure, and on the low voltage side, the drive voltage decreases so as to saturate toward the minimum limit value.
そして、例えば、各駆動信号の大きさと各圧力P値との関係の特性データを取得し、この特性データのデータテーブルを格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における各駆動信号から各圧力P値への変換を行う構成としてもよく、また、上記特性データの曲線から近似的に求められた関係式を格納した記憶部を備えた変換手段により、実測定時における各駆動信号から各圧力P値への変換を行う構成としてもよい。 And, for example, the characteristic data of the relationship between the magnitude of each drive signal and each pressure P value is acquired, and each conversion signal provided with a storage unit storing a data table of this characteristic data is used for each drive signal at the time of actual measurement. The pressure P value may be converted into a configuration, and each pressure signal from each drive signal at the time of actual measurement is converted by a conversion means having a storage unit storing a relational expression approximately obtained from the curve of the characteristic data. It is good also as a structure which converts into P value.
上記した本発明の第１の実施形態では、図３の表に示すように、振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも１つが異なる２つの振動体を利用した場合の例を示したが、同じく、振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも１つが異なる３つ以上の振動体を利用することでさらに広い領域の気体の圧力を測定することが可能となる。
［実施形態２］
図９は、本発明の第２の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図であり、１つの真空計内に二つの振動体を含む例のため図を上下に分けて示し、図５と同一符号は同一名称部分を示す。図９において、本発明の第２の実施形態に係る真空計の回路は、図５と比較してスイッチ回路43および44を追加した構成である。また、振動体4の構造については上記した本発明の第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
In the first embodiment of the present invention described above, as shown in the table of FIG. 3, two vibrators having different vibrator thickness, beam length, vibrator body material, or area are used. Although the example of the case was shown, similarly, the pressure of the gas in a wider area can be obtained by using three or more vibrators different in at least one of the thickness of the vibrator, the length of the beam, the material of the vibrator, or the area. Can be measured.
[Embodiment 2]
FIG. 9 is a block diagram showing a circuit configuration of a vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 shows an example in which two vibrating bodies are included in one vacuum gauge. The same reference numeral as 5 indicates the same name portion. 9, the circuit of the vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention has a configuration in which switch circuits 43 and 44 are added as compared with FIG. Further, since the structure of the vibrating body 4 is the same as that of the first embodiment of the present invention described above, the description thereof is omitted here.
図９において、振動体24および28に図３に示した設計例である設計（a）および（b）を使用し、気体の圧力が高圧（約3Pa以上）である場合には、スイッチ回路43はOFF、スイッチ回路44はONの状態にされる。初期加振用信号源42から出力された振動体28の固有振動数に対応した周波数の信号が加振電極30に印加され、振動体28のみが加振される。初期加振用信号源42は初期駆動するときのみ使用され、振動体28が振動し始めた後はスイッチ回路40が切り替えられ、それぞれDとFが接続される。容量電圧変換回路34から出力された信号の位相を位相シフト回路36でシフトし、増幅器38を経て、加振電極30に印加され、共振状態を保つ。なお、スイッチ回路39および40の切替制御は、実施形態１で説明したのと同様にして行うことができる。 In FIG. 9, when the designs (a) and (b) which are the design examples shown in FIG. 3 are used for the vibrating bodies 24 and 28 and the gas pressure is high (about 3 Pa or more), the switch circuit 43 Is turned OFF and the switch circuit 44 is turned ON. A signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the vibration body 28 output from the initial vibration signal source 42 is applied to the vibration electrode 30, and only the vibration body 28 is vibrated. The initial excitation signal source 42 is used only during initial driving. After the vibrating body 28 starts to vibrate, the switch circuit 40 is switched, and D and F are connected to each other. The phase of the signal output from the capacitance-voltage conversion circuit 34 is shifted by the phase shift circuit 36, applied to the excitation electrode 30 via the amplifier 38, and the resonance state is maintained. The switching control of the switch circuits 39 and 40 can be performed in the same manner as described in the first embodiment.
加振電極30に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器38のゲインを調整した場合、振動体28のQ値に対応して振動体28の振幅、つまり、容量電圧変換回路34から出力される信号の大きさが変化する。したがって、容量電圧変換回路34から出力される信号をQ値に変換し、さらに気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、実施形態１で述べたのと同様に、容量電圧変換回路34の出力信号（振動体の振幅）から圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 When the gain of the amplifier 38 is adjusted so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrode 30 is constant, the amplitude of the vibrating body 28 corresponding to the Q value of the vibrating body 28, that is, from the capacitive voltage conversion circuit 34 The magnitude of the output signal changes. Therefore, the gas pressure can be measured by converting the signal output from the capacitance-voltage conversion circuit 34 into a Q value and further converting it into a gas pressure P. As described in the first embodiment, the conversion from the output signal (amplitude of the vibrating body) of the capacitance-voltage conversion circuit 34 to the pressure P value is performed directly without using the Q value. Also good.
また、振動体28の振幅、すなわち、振動体28の変位に応じて出力される容量電圧変換回路34の出力信号の大きさ（振動体の振幅）が一定となるように増幅器38のゲインをそれぞれ調整する構成とすることもできる。この場合、振動体28のQ値に対応して増幅器38から加振電極30に印加される駆動信号の電圧が変化するので、駆動信号をQ値に変換し、さらに気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、実施形態１で述べたのと同様に、駆動信号から圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 Further, the gain of the amplifier 38 is set so that the amplitude of the vibrating body 28, that is, the magnitude of the output signal of the capacitance-voltage conversion circuit 34 (amplitude of the vibrating body) output according to the displacement of the vibrating body 28 is constant. It can also be set as the structure adjusted. In this case, since the voltage of the drive signal applied from the amplifier 38 to the excitation electrode 30 changes corresponding to the Q value of the vibrating body 28, the drive signal is converted into the Q value and further converted into the gas pressure P. Thus, the pressure of the gas can be measured. Further, as described in the first embodiment, the conversion from the drive signal to the pressure P value may be performed directly without using the Q value.
また気体の圧力が低圧（約100Pa以下）になった場合には、スイッチ回路43をON、スイッチ回路44をOFFの状態に切り替えられる。スイッチ回路44がOFFに切り替えられることにより、振動体28の振動は止まり、またスイッチ回路43がONに切り替えられることにより、振動体24が振動体28の場合と同様に加振、共振状態となるので、高圧（約3Pa以上）の場合と同様に気体の圧力を測定する。気体の圧力が再び高圧（約3Pa以上）になった場合は、スイッチ回路43をOFF、スイッチ回路44をONの状態に切り替わり、振動体28が加振、共振状態となる。 When the gas pressure becomes low (about 100 Pa or less), the switch circuit 43 can be switched on and the switch circuit 44 can be switched off. When the switch circuit 44 is switched OFF, the vibration of the vibrating body 28 is stopped, and when the switch circuit 43 is switched ON, the vibrating body 24 is vibrated and resonant as in the case of the vibrating body 28. Therefore, measure the gas pressure in the same way as in the case of high pressure (about 3 Pa or more). When the gas pressure becomes high again (about 3 Pa or more), the switch circuit 43 is turned off and the switch circuit 44 is turned on, and the vibrating body 28 is vibrated and in a resonance state.
上記した本発明の第１の実施形態では、気体の圧力に関わらず常時全ての振動体を振動させているが、本発明の第２の実施形態では使用する振動体のみを振動させる。これにより、電力の消費を抑えることが可能となる。また、２つの振動体24および28が測定することができる気体の圧力がオーバーラップしている領域（例えば10Paから50Pa：図４参照）は２つの振動体24および28を両方振動させることで、振動体の切り替え時に測定が不連続になることを防ぐことができる。また、本発明の第２の実施形態では、図３の表に示すように、振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも１つが異なる２つの振動体を利用した場合の例を示したが、同じく、振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも１つが異なる３つ以上の振動体を利用することで気体の圧力を測定することができる領域を広げることができる。
［実施形態３］
図１０は本発明の第３の実施形態に係る真空計の機構部分を成す構造体の平面図であり、図１１は、図１０に示す構造体の側面図である。図１０および図１１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からなる振動体4、振動体4を加振するための加振電極5，7、振動体４の振動を検出するための振動検出電極6，8から構成される。
In the above-described first embodiment of the present invention, all the vibrators are constantly vibrated regardless of the gas pressure, but in the second embodiment of the present invention, only the vibrator to be used is vibrated. Thereby, power consumption can be suppressed. Further, the region where the gas pressures that can be measured by the two vibrating bodies 24 and 28 overlap (for example, 10 Pa to 50 Pa: see FIG. 4) is obtained by vibrating both the two vibrating bodies 24 and 28. It is possible to prevent the measurement from becoming discontinuous when the vibrating body is switched. Further, in the second embodiment of the present invention, as shown in the table of FIG. 3, two vibrators having different vibrator thickness, beam length, vibrator body material or area are used. The example of the case is shown. Similarly, the gas pressure is measured by using three or more vibrators having at least one of the thickness of the vibrator, the length of the beam, the material or the area of the vibrator, and the like. The area that can be expanded.
[Embodiment 3]
FIG. 10 is a plan view of a structure constituting a mechanism part of a vacuum gauge according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a side view of the structure shown in FIG. 10 and 11, the structure constituting the mechanism part of the vacuum gauge includes a vibrating body 4 including a weight 1, a beam 2 and a vibrating body fixing portion 3, and excitation electrodes 5 and 7 for exciting the vibrating body 4. It is composed of vibration detection electrodes 6 and 8 for detecting the vibration of the vibrating body 4.
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。なお、図１２は、１つの真空計内に振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも１つが異なる複数（例えば２つ）の振動体を含む構成について、１つの振動体に対応する回路構成だけを示しており、他の振動体に対応する回路構成も同様である。 FIG. 12 is a block diagram showing a circuit configuration of a vacuum gauge according to the third embodiment of the present invention. Note that FIG. 12 shows one configuration in which a single vacuum gauge includes a plurality of (for example, two) vibrators having at least one of the thickness of the vibrator, the length of the beam, the material of the vibrator, or the area. Only the circuit configuration corresponding to the vibrator is shown, and the circuit configurations corresponding to other vibrators are the same.
図１２において、１つの振動体に対応する回路が、振動体4と振動検出電極6、8との間の静電容量の変化に応じた電圧を出力する容量電圧変換回路53、52、容量電圧変換回路53と52との出力の差分を出力する差分回路55、差分回路55の出力の位相を変化させる位相シフト回路57、位相シフト回路57の出力を増幅する増幅器59、入力された信号の位相を180度反転させる反転回路61、振動体4を所定の振動方向に初期加振するための初期加振用信号源63、加振電極5および7に印加される信号を選択するスイッチ回路65から構成される。 In FIG. 12, a circuit corresponding to one vibrating body outputs capacitive voltage conversion circuits 53 and 52 that output a voltage corresponding to a change in capacitance between the vibrating body 4 and the vibration detection electrodes 6 and 8, and a capacitive voltage. Difference circuit 55 that outputs the difference between the outputs of conversion circuits 53 and 52, phase shift circuit 57 that changes the phase of the output of difference circuit 55, amplifier 59 that amplifies the output of phase shift circuit 57, and the phase of the input signal From an inversion circuit 61 that inverts 180 degrees, an initial excitation signal source 63 for initial excitation of the vibrating body 4 in a predetermined vibration direction, and a switch circuit 65 that selects a signal applied to the excitation electrodes 5 and 7 Composed.
次に、図１２を用いて本発明の第３の実施形態に係る真空計の回路構成の動作を説明する。図１２において、振動体4が初期加振される場合、スイッチ回路65はAとBが接続された状態である。初期駆動用信号源63から振動体4の所定の振動方向の固有振動数に対応した周波数の信号が出力され、その位相が反転回路61で反転され、反転回路61の出力および初期駆動用信号源63の出力が加振電極7および加振電極5にそれぞれ印加される。初期加振用信号源63は初期駆動するときのみ使用され、振動体4が振動し始めた後はスイッチ回路65が切り替えられ、AとCが接続された状態となる。なお、スイッチ回路65の切替制御は、例えば、振動体4の振幅、すなわち、振動体4の変位に応じて出力される差分回路55の出力信号の大きさが予め設定した値に到達したことを図示されないスイッチ回路用制御部で検出し、その検出タイミングで前記スイッチ回路用制御部からスイッチ回路65にB側からC側への切替信号を与えることにより行うことができる。 Next, the operation of the circuit configuration of the vacuum gauge according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 12, when the vibrating body 4 is initially vibrated, the switch circuit 65 is in a state where A and B are connected. A signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the vibrating body 4 in a predetermined vibration direction is output from the initial drive signal source 63, the phase thereof is inverted by the inverter circuit 61, the output of the inverter circuit 61 and the initial drive signal source The output of 63 is applied to the excitation electrode 7 and the excitation electrode 5, respectively. The initial excitation signal source 63 is used only during initial driving. After the vibrating body 4 starts to vibrate, the switch circuit 65 is switched, and A and C are connected. Note that the switching control of the switch circuit 65 is performed, for example, by confirming that the amplitude of the vibrating body 4, that is, the magnitude of the output signal of the difference circuit 55 output according to the displacement of the vibrating body 4 has reached a preset value. Detection can be performed by a switch circuit control unit (not shown), and a switching signal from the B side to the C side is given from the switch circuit control unit to the switch circuit 65 at the detection timing.
そして、スイッチ回路65でAとCとが接続された状態において、差分回路55の出力信号の位相を位相シフト回路57でシフトし、増幅器59で増幅し、さらに増幅器59の出力の位相を反転回路61で反転させる。反転回路61の出力および増幅器59の出力が加振電極7および加振電極5にそれぞれ印加され、振動体4の所定の振動方向の共振状態を保持する。 Then, in a state where A and C are connected by the switch circuit 65, the phase of the output signal of the difference circuit 55 is shifted by the phase shift circuit 57, amplified by the amplifier 59, and the phase of the output of the amplifier 59 is further inverted. Invert at 61. The output of the inverting circuit 61 and the output of the amplifier 59 are applied to the excitation electrode 7 and the excitation electrode 5, respectively, and the resonance state of the vibrating body 4 in a predetermined vibration direction is maintained.
加振電極7および5に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器59のゲインを調節する構成とした場合、振動体4の所定の振動方向におけるQ値に対応して振動体4の所定の振動方向における振幅、すなわち、振動体の変位量に応じて差分回路55から出力される信号の大きさが変化する。したがって、差分回路55の出力信号の大きさを所定の振動方向におけるQ値に変換し、さらに気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、差分回路55の出力信号（振動体の振幅）から圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 When the gain of the amplifier 59 is adjusted so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 7 and 5 is constant, the vibration body 4 corresponds to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibration body 4. The magnitude of the signal output from the difference circuit 55 changes in accordance with the amplitude in a predetermined vibration direction, that is, the amount of displacement of the vibrating body. Therefore, it is possible to measure the gas pressure by converting the magnitude of the output signal of the difference circuit 55 into a Q value in a predetermined vibration direction and further converting it into a gas pressure P. Further, the conversion from the output signal (the amplitude of the vibrating body) of the difference circuit 55 to the pressure P value may be directly performed without passing through the Q value.
また、振動体4の所定の振動方向における振幅、すなわち、振動体4の変位に応じて出力される差分回路55の出力信号の大きさ（振動体の振幅）が一定となるように増幅器59のゲインを調整する構成とすることもできる。この場合、振動体4の所定の振動方向におけるQ値に対応して増幅器59から加振電極7および5に印加される駆動信号の電圧が変化するので、駆動信号を所定の振動方向におけるQ値に変換し、さらに気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、駆動信号から圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 Further, the amplitude of the vibration body 4 in a predetermined vibration direction, that is, the magnitude of the output signal of the difference circuit 55 output according to the displacement of the vibration body 4 (amplitude of the vibration body) is constant. It can also be set as the structure which adjusts a gain. In this case, since the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 7 and 5 from the amplifier 59 changes corresponding to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibrating body 4, the drive signal is changed to the Q value in the predetermined vibration direction. It is possible to measure the pressure of the gas by converting the pressure to a pressure P of the gas. Further, the conversion from the drive signal to the pressure P value may be performed directly without using the Q value.
このように本発明の第３の実施形態に係る真空計では、１つの真空計内に振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも１つが異なる複数の振動体を含む構成において、各振動体に対応するそれぞれの圧力測定系が、振動体と、振動体の両側に振動方向に沿って設置された１組の加振電極からなる加振電極部と、振動体の振動を検出する振動検出部とを有し、振動検出部の検出信号の位相を変化させる位相シフト回路と、該位相シフト回路の出力信号を増幅させる増幅器と、該増幅器の出力信号の位相を反転させる反転回路とからなる駆動信号生成部を備え、振動検出部の検出信号に基づく逆相の駆動信号として、反転回路および増幅器の各出力信号を１組の加振電極にそれぞれ印加することで振動体の共振状態を保持するように構成されている。 As described above, in the vacuum gauge according to the third embodiment of the present invention, a plurality of vibrating bodies having at least one of the thickness of the vibrating body, the length of the beam, the material of the vibrating body, or the area are included in one vacuum gauge. Each pressure measuring system corresponding to each vibrating body includes a vibrating body, a vibrating electrode portion including a pair of vibrating electrodes installed along the vibration direction on both sides of the vibrating body, and the vibrating body. A phase shift circuit that changes the phase of the detection signal of the vibration detection unit, an amplifier that amplifies the output signal of the phase shift circuit, and a phase of the output signal of the amplifier A drive signal generation unit including an inversion circuit to be inverted is provided, and each output signal of the inversion circuit and the amplifier is applied to one set of excitation electrodes as a reverse phase drive signal based on the detection signal of the vibration detection unit. Maintains the resonance state of the vibrating body It is configured to.
なお、本発明の第３の実施形態に係る真空計では、上記した本発明の第１の実施形態のように、気体の圧力に関わらず常時全ての振動体を振動させる構成としてもよく、また、本発明の第２の実施形態におけるようなスイッチ回路43および44（図９参照）を設けて、使用する振動体のみを振動させる構成としてもよい。
[具体例１]
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る振動体の設計値の一例を示す図である。図１３の設計（I）および設計（II）は具体例１における振動体４の設計値の一例であり、設計（I）と設計（II）とでは振動体の厚さ(=梁厚)(C値)が異なる。図１４は図１３に示した振動体の設計値の具体例１における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。ただし、振動体固有のQ値を100000、温度Tを300K、評価対象の気体を空気とした場合であり、以下の具体例についても同様である。図１４より、振動体の厚さが異なる２つの振動体を利用することで、１つの振動体の場合と比較して約１桁測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
［具体例２］
図１３の設計（III）および設計（IV）は具体例２における振動体４の設計値の一例であり、設計（III）と設計（IV）とでは振動体の梁の長さ(D値)が異なる。図１５は振動体の設計値の具体例２における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。図１５より、梁の長さが異なる２つの振動体を利用することで、１つの振動体の場合と比較して0.5桁程度測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
［具体例３］
図１３の設計（V）および設計（VI）は具体例３における振動体４の設計値の一例であり、設計（V）と設計（VI）とでは振動体の材質（ヤング率）が異なる（シリコン：130Gpa、アルミニウム：70GPa）。図１６は振動体の設計値の具体例３おける気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。図１６より、振動体の材質が異なる２つの振動体を利用することで、１つの振動体の場合と比較して若干測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
［具体例４］
図１３の設計（VII）および設計（VIII）は具体例４における振動体4の設計値の一例であり、設計（VII）と設計（VIII）とでは振動体の錘の面積(A×B値)が異なる。図１７は振動体の設計値の具体例４における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。図１７より、錘の面積が異なる２つの振動体を利用することで、１つの振動体の場合と比較して１桁弱測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。
［具体例５］
上記した式１より、1/Pの係数部分aは、以下の式３のように表される。
The vacuum gauge according to the third embodiment of the present invention may be configured to constantly vibrate all vibrators regardless of the gas pressure, as in the first embodiment of the present invention described above. The switch circuits 43 and 44 (see FIG. 9) as in the second embodiment of the present invention may be provided to vibrate only the vibrator used.
[Specific Example 1]
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of design values of the vibrating body according to the third embodiment of the present invention. Design (I) and design (II) in FIG. 13 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 1. In the design (I) and the design (II), the thickness of the vibrating body (= beam thickness) ( C value) is different. FIG. 14 shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrator in the specific example 1 of the design values of the vibrator shown in FIG. However, this is a case where the Q value peculiar to the vibrator is 100000, the temperature T is 300K, and the gas to be evaluated is air, and the same applies to the following specific examples. From FIG. 14, it can be seen that by using two vibrators having different vibrator thicknesses, it is possible to widen the pressure range that can be measured by about one digit compared to the case of one vibrator. .
[Specific Example 2]
Design (III) and design (IV) in FIG. 13 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 2. In the design (III) and the design (IV), the beam length (D value) of the vibrating body is shown. Is different. FIG. 15 shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrating body in the specific example 2 of the design value of the vibrating body. From FIG. 15, it can be seen that by using two vibrators having different beam lengths, it is possible to widen the pressure range that can be measured by about 0.5 digits as compared to the case of one vibrator.
[Specific Example 3]
Design (V) and design (VI) in FIG. 13 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 3. The material (Young's modulus) of the vibrating body is different between the design (V) and the design (VI) ( Silicon: 130Gpa, Aluminum: 70GPa). FIG. 16 shows the relationship between the pressure P of the gas and the Q value of the vibrating body in specific example 3 of the design value of the vibrating body. It can be seen from FIG. 16 that by using two vibrators having different vibrator materials, it is possible to slightly widen the measurable pressure range as compared with the case of one vibrator.
[Specific Example 4]
Design (VII) and design (VIII) in FIG. 13 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 4. In the design (VII) and the design (VIII), the area of the weight of the vibrating body (A × B value) ) Is different. FIG. 17 shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrating body in the specific example 4 of the design value of the vibrating body. From FIG. 17, it can be seen that by using two vibrators having different weight areas, it is possible to widen the pressure range that can be measured by an order of magnitude less than that of a single vibrator.
[Specific Example 5]
From Equation 1 above, the coefficient portion a of 1 / P is expressed as Equation 3 below.
この式３から分かることは、係数が大きく異なる、すなわち差が大きい２つの振動体を使用することで、測定することが可能な測定範囲を大きく変化させることが可能であることがわかった。 It can be understood from Equation 3 that it is possible to greatly change the measurement range that can be measured by using two vibrators having greatly different coefficients, that is, having a large difference.
図１３の設計（IX）および設計（X）は具体例５における振動体4の設計値の一例であり、設計（IX）と設計（X）とでは振動体の梁の長さ（D値）、面積(A×B値)および梁厚(C値)が異なる。図１８は振動体の設計値の具体例５における気体の圧力Pと振動体のQ値との関係である。図１８より、上記した式３の係数が大きく異なる２つの振動体を利用することで、１つの振動体の場合と比較して３桁程度測定可能な圧力範囲を広くすることが可能であることがわかる。 Design (IX) and design (X) in FIG. 13 are examples of design values of the vibrating body 4 in the specific example 5, and the length (D value) of the beam of the vibrating body in the design (IX) and the design (X). , Area (A × B value) and beam thickness (C value) are different. FIG. 18 shows the relationship between the gas pressure P and the Q value of the vibrating body in Specific Example 5 of the design values of the vibrating body. From FIG. 18, it is possible to widen the pressure range that can be measured by about three digits compared to the case of one vibrating body by using two vibrating bodies whose coefficients of Equation 3 are greatly different. I understand.
なお、上述した全ての具体例について２つの振動体を利用する場合について説明したが、３つ以上の振動体を利用することも可能である。
［実施形態４］
図１９は本発明の第４の実施形態に係る真空計の回路構成を示すブロック図である。図１９は、１つの真空計内に振動体の厚さ又は梁の長さ若しくは振動体の材質又は面積の少なくとも１つが異なる複数（例えば２つ）の振動体を含む構成について、１つの振動体に対応する回路構成だけを示しており、他の振動体に対応する回路構成も同様である。
In addition, although the case where two vibrating bodies are used has been described for all the specific examples described above, it is possible to use three or more vibrating bodies.
[Embodiment 4]
FIG. 19 is a block diagram showing a circuit configuration of a vacuum gauge according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 19 shows one vibrating body in a configuration in which at least one of the vibrating body thickness, beam length, vibrating body material, or area is different (for example, two) in one vacuum gauge. Only the circuit configuration corresponding to is shown, and the circuit configurations corresponding to other vibrating bodies are also the same.
図１９に示す本発明の第４の実施形態に係る真空計の回路は、図１２に示した本発明の第３の実施形態に係る真空計の回路と比較して、駆動信号生成部の構成が異なっているが、それ以外の点では、図１２の回路と同様である。また、振動体4の構造については上記した本発明の第３の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。 The vacuum gauge circuit according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 19 has a configuration of a drive signal generation unit as compared with the vacuum gauge circuit according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. However, it is the same as the circuit of FIG. 12 in other points. Further, since the structure of the vibrating body 4 is the same as that of the above-described third embodiment of the present invention, the description thereof is omitted here.
図１９において、１つの振動体に対応する回路が、振動体4と振動検出電極6、8との間の静電容量の変化に応じた電圧を出力する容量電圧変換回路53、52、容量電圧変換回路53と52との出力の差分を出力する差分回路55、駆動用信号源73、駆動用信号源73の出力を増幅する増幅器59、入力された信号の位相を180度反転させる反転回路61から構成される。図１９の回路構成は、図１２の回路構成におけるような位相シフト回路57、初期加振用信号源63、スイッチ回路65を備えておらず、代わりに、振動体4の初期駆動だけでなく定常的な圧力測定状態での駆動にも用いられる駆動用信号源73を備えている。 In FIG. 19, a circuit corresponding to one vibrating body outputs capacitive voltage conversion circuits 53 and 52 that output a voltage corresponding to a change in capacitance between the vibrating body 4 and the vibration detection electrodes 6 and 8, and a capacitive voltage. A difference circuit 55 that outputs a difference between outputs of the conversion circuits 53 and 52, a driving signal source 73, an amplifier 59 that amplifies the output of the driving signal source 73, and an inverting circuit 61 that inverts the phase of the input signal by 180 degrees. Consists of The circuit configuration of FIG. 19 does not include the phase shift circuit 57, the initial excitation signal source 63, and the switch circuit 65 as in the circuit configuration of FIG. A driving signal source 73 that is also used for driving in a typical pressure measurement state is provided.
次に、図１９を用いて本発明の第４の実施形態に係る真空計の回路構成の動作を説明する。図１９において、駆動用信号源73から出力された信号は増幅器59によって増幅され、さらに、増幅器59の出力の位相は反転回路61で反転される。反転回路61の出力および増幅器59の出力がそれぞれ加振電極5および7に印加されることで、振動体4が所定の振動方向に加振される。振動体4が所定の振動方向に振動することで振動体4と振動検出電極6および8との間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を容量電圧変換回路53および52で静電容量の変化、すなわち、振動体4の所定の振動方向における振幅に応じた電圧に変換する。容量電圧変換回路52および53の出力電圧は逆位相であるので、差分回路55で出力電圧の差分をとることで振動体4の所定の振動方向に振幅に応じた最終的な出力電圧を得る。
Next, the operation of the circuit configuration of the vacuum gauge according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 19, the signal output from the drive signal source 73 is amplified by the amplifier 59 , and the phase of the output of the amplifier 59 is inverted by the inverting circuit 61. By applying the output of the inverting circuit 61 and the output of the amplifier 59 to the excitation electrodes 5 and 7, respectively, the vibrating body 4 is vibrated in a predetermined vibration direction. Since the capacitance between the vibrating body 4 and the vibration detection electrodes 6 and 8 changes when the vibrating body 4 vibrates in a predetermined vibration direction, the capacitance-voltage conversion circuits 53 and 52 The voltage is converted into a voltage corresponding to the change in capacitance, that is, the amplitude of the vibrating body 4 in a predetermined vibration direction. Since the output voltages of the capacitor voltage conversion circuits 52 and 53 are in opposite phases, the difference between the output voltages is obtained by the difference circuit 55 to obtain a final output voltage corresponding to the amplitude in a predetermined vibration direction of the vibrating body 4.
加振電極5および7に印加する駆動信号の電圧が一定となるように増幅器59のゲインを調節する構成とした場合、振動体4の所定の振動方向におけるQ値に対応して振動体4の所定の振動方向における振幅、すなわち、振動体4の変位量に応じて差分回路55から出力される信号の大きさが変化する。したがって、差分回路55から出力される信号を所定の振動方向におけるQ値に変換し、さらに気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、差分回路55の出力信号（振動体の振幅）から圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 When the gain of the amplifier 59 is adjusted so that the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 5 and 7 is constant, the vibration body 4 corresponds to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibration body 4. The magnitude of the signal output from the difference circuit 55 changes in accordance with the amplitude in a predetermined vibration direction, that is, the amount of displacement of the vibrating body 4. Therefore, the gas pressure can be measured by converting the signal output from the difference circuit 55 into a Q value in a predetermined vibration direction and further converting the signal into a gas pressure P. Further, the conversion from the output signal (the amplitude of the vibrating body) of the difference circuit 55 to the pressure P value may be directly performed without passing through the Q value.
また、振動体4の所定の振動方向における振幅、すなわち、振動体4の変位に応じて出力される差分回路55の出力信号の大きさ（振動体の振幅）が一定となるように増幅器59のゲインを調整する構成とすることもできる。この場合、振動体4の所定の振動方向におけるQ値に対応して増幅器59から加振電極5および7に印加される駆動信号の電圧が変化するので、駆動信号を所定の振動方向におけるQ値に変換し、さらに気体の圧力Pに変換することで、気体の圧力を測定することが可能である。また、駆動信号から圧力P値への変換は、Q値を介さないで直接的に変換するようにしてもよい。 Further, the amplitude of the vibration body 4 in a predetermined vibration direction, that is, the magnitude of the output signal of the difference circuit 55 output according to the displacement of the vibration body 4 (amplitude of the vibration body) is constant. It can also be set as the structure which adjusts a gain. In this case, since the voltage of the drive signal applied to the excitation electrodes 5 and 7 from the amplifier 59 changes corresponding to the Q value in the predetermined vibration direction of the vibrating body 4, the drive signal is changed to the Q value in the predetermined vibration direction. It is possible to measure the pressure of the gas by converting the pressure to a pressure P of the gas. Further, the conversion from the drive signal to the pressure P value may be performed directly without using the Q value.
なお、本発明の第４の実施形態に係る真空計では、上記した本発明の第１の実施形態のように、気体の圧力に関わらず常時全ての振動体を振動させる構成としてもよく、また、本発明の第２の実施形態におけるようなスイッチ回路43および44（図９参照）を設けて、使用する振動体のみを振動させる構成としてもよい。 The vacuum gauge according to the fourth embodiment of the present invention may be configured to constantly vibrate all vibrators regardless of the gas pressure, as in the first embodiment of the present invention described above. The switch circuits 43 and 44 (see FIG. 9) as in the second embodiment of the present invention may be provided to vibrate only the vibrator used.
また、上記した本発明の第３の実施形態における具体例１〜５で説明した各設計値（I）〜（X）の振動体4は、いずれも、第１、２、４の各実施形態に係る真空計にも適用可能なものである。 In addition, each of the vibrators 4 having the design values (I) to (X) described in the specific examples 1 to 5 in the third embodiment of the present invention described above is the first, second, and fourth embodiments. It is applicable also to the vacuum gauge concerning.
１、21、25 錘
２、22、26 梁
３、23、27 振動体固定部
４、24、28 振動体
５、７、29、30 加振電極
６、８、31、32 振動検出電極
33、34、52、53 容量電圧変換回路
35、36、57 位相シフト回路
37、38、59 増幅器
39、40、43、44、65 スイッチ回路
41、42、63 初期駆動用信号源
55 差分回路
61 反転回路
73 駆動用信号源
1, 21, 25 Weight 2, 22, 26 Beam 3, 23, 27 Vibration body fixing part 4, 24, 28 Vibration body 5, 7, 29, 30 Excitation electrode 6, 8, 31, 32 Vibration detection electrode
33, 34, 52, 53 Capacitance voltage conversion circuit
35, 36, 57 Phase shift circuit
37, 38, 59 amplifier
39, 40, 43, 44, 65 Switch circuit
41, 42, 63 Initial drive signal source
55 Difference circuit
61 Inversion circuit
73 Driving signal source
Claims (8)
前記駆動信号生成部は、前記振動検出部の検出信号の大きさが一定となるように、前記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、前記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。 A vibrating body composed of a weight, a beam, and a vibrating body fixing portion, and different pressure ranges that can be measured by varying at least one of the thickness, the length of the beam, the material, or the area of the weight in the vibration direction. A vibration body that can be driven, an excitation electrode section that drives the vibration body by electrostatic force, a vibration detection section that detects vibration of the vibration body, and a phase of the detection signal based on a detection signal of the vibration detection section And a drive signal generation unit that generates a drive signal for exciting the vibrating body by amplifying the vibration body, and applying the drive signal to the excitation electrode unit to hold the vibrating body in a resonance state. And a vacuum gauge provided with a pressure measuring unit for measuring the pressure of the atmosphere from the vibration characteristics of the vibrating body, wherein a plurality of the vibrating bodies are provided in a common atmosphere in the vacuum gauge and measured by the vibrating bodies. The pressure range that can be In vacuum meter was respectively different,
The drive signal generation unit adjusts an amplification gain with respect to a signal obtained by changing the phase of the detection signal of the vibration detection unit so that the magnitude of the detection signal of the vibration detection unit is constant. The measuring part measures a pressure based on the voltage of the drive signal, The vacuum gauge characterized by things.
前記各振動体により測定することができる圧力範囲を一部オーバーラップさせて構成したことを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to claim 1,
A vacuum gauge characterized in that the pressure range that can be measured by each of the vibrators is partially overlapped.
真空計内の気体の圧力によって圧力の測定に使用する前記振動体を切り替えることを特徴とする真空計。 The vacuum gauge according to claim 1 or 2,
A vacuum gauge characterized in that the vibrator used for pressure measurement is switched depending on the gas pressure in the vacuum gauge.
真空計内の気体の圧力に関わらず常時すべての振動体を動作させることを特徴とする真空計。 The vacuum gauge according to claim 1 or 2,
A vacuum gauge that always operates all vibrators regardless of the gas pressure in the vacuum gauge.
前記圧力測定部は、振動体の両側に前記振動方向に沿って設置された１組の加振電極からなる加振電極部を備えるとともに、前記振動検出部の検出信号の位相を変化させる位相シフト回路と、該位相シフト回路の出力信号を増幅させる増幅器と、該増幅器の出力信号の位相を反転させる反転回路とからなる駆動信号生成部を備え、前記振動検出部の検出信号に基づく互いに逆相の駆動信号として、前記反転回路および前記増幅器の各出力信号を前記１組の加振電極にそれぞれ印加することで振動体の共振状態を保持することを特徴とする真空計。 The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 4,
The pressure measurement unit includes a vibration electrode unit including a pair of vibration electrodes arranged along the vibration direction on both sides of a vibration body, and a phase shift that changes a phase of a detection signal of the vibration detection unit. A drive signal generation unit comprising a circuit, an amplifier for amplifying the output signal of the phase shift circuit, and an inversion circuit for inverting the phase of the output signal of the amplifier, and having mutually opposite phases based on the detection signal of the vibration detection unit The vacuum gauge is characterized in that the resonance state of the vibrating body is maintained by applying the output signals of the inverting circuit and the amplifier to the set of excitation electrodes, respectively, as drive signals.
前記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、
振動体の初期駆動時には、振動検出部の検出信号に基づく駆動信号の代わりに、前記初期励振信号に基づく初期駆動信号を前記加振電極部に印加することを特徴とする真空計。 The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 5 ,
An initial excitation signal source for outputting an initial excitation signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the vibrator;
A vacuum gauge, wherein an initial drive signal based on the initial excitation signal is applied to the excitation electrode unit instead of a drive signal based on a detection signal of a vibration detection unit when the vibrating body is initially driven.
前記振動検出部は、前記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前記振動体の振動を検出するものであることを特徴とする真空計。 The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 6 ,
The said vibration detection part detects the vibration of the said vibrating body by detecting the electrostatic capacitance between the said vibrating body and a detection electrode, The vacuum gauge characterized by the above-mentioned.
前記各振動体に対応させて前期圧力測定部を複数個設けることを特徴とする真空計。
The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 7 ,
A vacuum gauge, wherein a plurality of previous-stage pressure measuring units are provided corresponding to the vibrating bodies.
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