JPH049451B2 - - Google Patents

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利用して、その周囲の気
体の圧力を測る気体圧力測定装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

水晶振動（特に屈曲モード）の共振抵抗が、そ
の周囲気体の圧力に対し広い範囲で変化すること
が最近明らかとなり、それを利用すれば、大気圧
から大略10^-3トールまで１つのセンサで連続に測
定可能な気体圧力計を実現しうることが明らかと
なつた。これは、例えば、月刊誌「計装」、1984
年、Vol.27、No.７「水晶振動子を使つた超小形真
空センサの開発」の項に開示されている。

次に、水晶振動子の共振抵抗の圧力依存性を利
用した気体圧力計の動作原理を図面によつて説明
する。

第１図は、気体（N₂）圧力と約32kHzの屈曲モ
ードの水晶振動子の共振抵抗、共振電流、共振周
波数の関数を示す図である。共振周波数は10トー
ルをこえるあたりから変化し始めるが、圧力がそ
れ以下の領域での周波数圧力感度はほとんど零で
ある。一方、水晶振動子の共振抵抗は大気圧から
約10^-3トール迄圧力に対して有効な感度を有して
いる。ここで、この水晶振動子を定電圧駆動すれ
ば、同図中i₀で示す共振電流−気体圧力曲線が得
られる。それは共振抵抗と同様に、大気圧から約
10^-3トール迄、圧力感度を有している。測定の容
易さの点で共振電流を測り、これによつて気体圧
力を示す方式の方がよい。

第２図は、水晶振動子の共振抵抗の圧力依存性
を利用した水晶式気体圧力計（以下、水晶式気体
圧力計と称する）の電子回路ブロツク図である。

それは、PLL回路部、表示変換回路部、表示
回路部によつて構成される。前記PLL回路部は、
電圧又は電流によつて制御される周波数可変発振
器１、水晶振動子５の共振電流を電圧として増幅
する増幅器２、前記増幅器２の出力信号と前記周
波数可変発振器１の出力信号との位相差を比較
し、その位相差に比例する信号を出力する位相比
較器３と、前記位相比較器３の出力信号に比例す
る直流電圧を発生する低域濾波器４とによつて構
成され、前記低域濾波器４の出力電圧は前記周波
数可変発振器１の発振周波数を制御する。圧力セ
ンサである前記水晶振動子５は、前記周波数可変
発振器１の出力電圧で駆動される。

PLL回路の動作原理はすでに広く知られてい
るので、ここでは省略するが、前記周波数可変発
振器１の出力信号（すなわち、前記水晶振動子５
の駆動電圧）と、前記増幅器２の出力信号（すな
わち前記水晶振動子５を流れる電流）との位相差
が零になるように、前記周波数可変発振器１の発
振周波数が制御される。すなわち、前記水晶振動
子５は常にそれ自信の共振周波数で駆動される。
これは、周囲気体の圧力によつて前記水晶振動子
の共振周波数が変化しても、十分追従できる。

次に、表示変換回路部は、前記水晶振動子５の
共振電流を電圧に変えられた信号（以下これを共
振電圧と称する）を、圧力を表示し得る電気信号
に変換する回路で、具体的には下記の回路よりな
る。それらは、表示部が電流計（メータ）で構成
される場合、前記増幅器２の出力信号を更に増幅
する主増幅器６、前記主増幅器６の出力信号を直
流にする整流回路７、前記整流回路７の出力電圧
をメータ駆動電圧に変換するメータ駆動回路８で
ある。本例の場合、表示部は電流計（メータ）９
であり、前記メータ９の針の振れ角により気体の
圧力を知る。

前記整流回路７の出力電圧V_DCは第３図に示す
ように気体圧力が下がると、第１図の共振電流i₀
の傾向に一致して、増加する（V_DCの最大値を
V_U、最小値をV_Lとする）。このまま、前記メータ
９を駆動すると、圧力が下がるとともに前記メー
タ９の振れ角が大きくなり、一般的な圧力計の常
識に反する指示となる。そこで、前記メータ駆動
回路は前記整流回路７の出力電圧V_DCを第３図の
曲線V_Mのように逆転し、さらに大気圧にて前記
メータ９の指針の振れ角をフルスケールにし、高
真空時に前記メータ９の指針の振れ角を零にする
ものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の自動発振器による気体圧力計では、自励
発振回路の帰還ループ内に、水晶振動子を使用す
るので、前記水晶振動子の共振抵抗に対応する出
力電圧が得られるが、前記出力電圧は、前記共振
抵抗値の他に、前記自励発振器のループ利得の影
響を強く受ける。又、前記水晶振動子の共振抵抗
が３桁（高真空では30kΩ、大気圧では300kΩ
強）以上も圧力によつて変わるので、高真空での
前記発振器の出力電圧の飽和を防止しようとする
と、前記水晶振動子の駆動電圧のレベルを低くし
なければならず、これにより常圧附近での自励発
振が困難になる。すなわち、自励発振方式では、
一般に圧力を読みとるための出力電圧が圧力セン
サである水晶振動子の共振抵抗以外の要因に強い
影響を受けることや、測定器としての圧力測定範
囲が前記水晶振動子が有効感度を保持できる圧力
範囲よりもせまくなつてしまうことなどにより前
記水晶振動子の圧力センサとしての性能を十分に
利用できない。又、安定な発振を維持するには、
通常、水晶振動子と発振回路を可能な限り近ずけ
なければならない（センサ・ケーブルが長くなる
と浮遊容量により発振が不安定になる）ことは、
実用上大きな制約である。

一方、本発明による水晶式気体圧力計では、前
記周波数可変発振器１の出力電圧は前記水晶振動
子５の共振抵抗値に関係なく一定であるので、前
記水晶振動子５は常に共振状態で一定の振幅の電
圧で駆動される。このため、第１図と第３図に示
すように、前記整流回路の出力電圧V_DCは前記水
晶振動子の共振電流i_O、又、前記メータ駆動回路
の出力電圧V_M（前記メータ９の針の振れ角はV_M
に正比例する）は、前記水晶振動子５の共振抵抗
R_Oにそれぞれ一致する。すなわち、前記メータ
駆動電圧V_Mは、前記水晶振動子の共振抵抗R_Oの
みによつて決まるので、このような気体圧力計は
圧力センサとしての水晶振動子の性能を完全に利
用できる。又、前記水晶振動子の駆動源インピー
ダンスと、前記水晶振動子の共振電流を増幅する
増幅器の入力インピーダンスとが十分に低けれ
ば、センサ（水晶振動子）と気体圧力計本体とを
結ぶケーブルの長さを非常に長く（例えば30から
50ｍ）しても何ら支障がない。これらは、実用上
大きな利点である。しかし、この方式にも次のよ
うな問題がある。すなわち、前記PLLの可変周
波数発振器がいつたん前記水晶振動子の共振周波
数でロツクされると、そのロツクは非常に安定
で、高真空から一気に常圧にもどしても（この
時、前記水晶振動子の共振周波数は数Hzも変化す
る）ロツクがはずれることはないが、ロツク状態
にするために、一度は、数Hzも変化する水晶振動
子の共振周波数に、非常に高い精度（水晶振動子
のＱが約10万なので、少なくとも１×10^-5程度の
精度）で前記可変周波数発振器の発振周波数を調
整する必要がある。

本発明は上記の事情に鑑み為されたもので、電
源スイツチ、又は何らかの起動スイツチをONに
すると、前記可変周波数発振器の発振周波数を掃
引し、前記水晶振動子の共振周波数に同調させる
ことによつて、前記PLL回路をロツクするもの
である。

〔実施例〕

次に本発明の図によつて説明する。第４図は、
本発明の実施により、PLLの周波数可変発振器
が水晶振動子の共振周波数でロツクされる過程を
示すものである。電源スイツチ（図示せず）を
ONにする（時間ｔ＝０）と、前記可変周波数１
の発振周波数がfoscが徐々に低下し、やがて、前
記水晶振動子の共振周波数f_Oに等しくなる。この
周波数の変化速度が前記水晶振動子５の応答時間
に適合する程度であれば、ここで前記水晶振動子
は共振電流が流れ、前記増幅器２がこれを増幅
し、前記位相比較器３と前記低域濾波器４とによ
つて前記可変周波数発振器１をロツクする。従つ
て、それ以降の前記可変周波数発振器１の発振周
波数はfosc＝f_Oである。

第５図は、本発明の実施例のブロツク図であ
る。

１０は電源に接続するスイツチ１０ｄをONに
すると同時に、時間とともに波高値の変化する電
圧を発生する制御電圧発生器で、前記制御電圧発
生器１０の出力電圧はスイツチ回路１１を経て前
記可変周波数発振器１に加わり、その発振周波数
を掃引する働きを持つ。前記スイツチ回路１１は
通常は「閉」状態で前記制御電圧発生器１０の出
力電圧を前記周波数可変発振器１に加えるが、前
記水晶振動子５が共振（すなわちPLLがロツク）
すると、前記整流回路７の出力電圧が出現し、前
記整流回路７の出力電圧によつて、「開」状態と
なり、これ以上前記制御電圧発生器１０の出力電
圧が前記周波数可変発振器１の発振周波数を掃引
することはなく（第４図参照）、前記PLL回路部
はそれ自身の状態で安定するようになる。前記ス
イツチ回路１１は、基本的には電界効果トランジ
スタのような三端子スイツチング素子によつて構
成される。

第６図は前記制御電圧発生器１０の構成の一例
を示す図である。１０ａはモノマルチ、１０ｂは
積分器、１０ｃは減衰器である。第７図は前記制
御電圧発生器１０の各構成部の出力電圧の波形を
示す図である。前記スイツチ１０ｄ（系全体の電
源スイツチ）として使つてもよい）を「閉」にす
ると前記モノマルチ１０ａが動作し、具体的には
幅が約８秒程度のパルスを発生する（第７図ａ）。

このパルスは積分器１０ｂに加えられ、具体的
には、波高値15V程度の三角波（第７図ｂ）が得
られる。この三角波は減衰器１０ｃに加えられ具
体的には、波高値8V程度の出力電圧（制御電圧
V_Cで波形は第７図ｃ）が得られる。前記制御電
圧V_Cの大きさは前記周波数可変発振器１の特性
によつて決まるものである。前記制御電圧V_Cが
前記周波数可変発振器１に加えられ、その結果前
記周波数可変発振器１の発振周波数は第７図ｄの
ように変化する。

第８図は、前記制御電圧発生器１０の構成の他
の例で、第８図ａは抵抗１０ｅとコンデンサ１０
ｆによる充電回路と、バツフア１０ｇとによつて
構成され、第８図ｂは単に前記抵抗１０ｅと前記
コンデンサ１０ｆのみによつて構成される。前記
周波数可変発振器１の周波数制御電圧入力インピ
ーダンスが十分高い場合には必ずしも前記バツフ
ア１０ｇは必要ない。第９図ａは第８図に示す構
成例の制御電圧V_Cの波形を示し、第９図ｂは前
記周波数可変発振器１の発振周波数変化を示して
いる。第８図に示す構成例は構成が非常に簡単で
あるが、次のような欠点がある。すなわち、第９
図ｂにおいて、前記周波数可変発振器１の時間ｔ
＝０での発振周波数が相対的に高い（f₁）とPLL
がロツクする時間は非常に長くなる（t₁）か又は
いつまでたつてもロツクしなくなる。一方、前記
周波数可変発振器１の発振周波数が相対的に低い
（f₃）と、前記水晶振動子５の共振周波数f_Oを横
切る時の周波数変化率が大きすぎ、前記水晶振動
子５が応答できなくなり、結果的にPLLがロツ
クしなくなる。このように、PLLのロツクする
周波数範囲が狭くなることが、第８図の構成例の
欠点であり、これは前記制御電圧V_Cの時間的変
化が、充電（放電）曲線だからである。一方、第
６図に示す構成例では、前記制御電圧V_Cの時間
的変化が直線的（第７図ｃ）なので、第８図に示
す構成例のような欠点を有しないことは明白であ
る。

第１０図は、前記制御電圧を前記低域濾波器４
に印加することによつて、前記周波数可変発振器
１の発振周波数を変える構成例を示している。

低域濾波器は一般に直流を通すことができるの
で、第１０図に示す構成が可能である。又、低域
濾波器の入力インピーダンスは一般的に高くとれ
るので第１０図の構成例では、前記制御電圧発生
器の出力インピーダンスをあまり考慮しないでよ
いという利点がある。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明は、PLL回路
によつて水晶振動子を駆動する水晶式気体圧力計
において、前記PLL回路部中の周波数可変発振
器、もしくは前記発振器の発振周波数を制御する
低域濾波器に、波高値が時間的に変化する電圧を
印加することにより、前記周波数可変発振器の発
振周波数を掃引し、前記周波数掃引増幅内に圧力
センサである水晶振動子の共振周波数があるよう
にすることによつて、PLL回路を前記水晶振動
子の共振周波数でロツクするものである。

水晶振動子の共振抵抗の気体圧力依存性を利用
する水晶式気体圧力計においては、前記水晶振動
子を一定電圧で駆動することは本質的に重要であ
り、前記定電圧駆動にPLL回路が優れているこ
とは前述した。前記PLL回路を前記水晶振動子
の共振周波数でロツクするには、まず、前記水晶
振動子をいつたん共振状態にすることが本質的に
必要である。本発明によつて、前記水晶振動子を
最初に共振状態にすることができること、本発明
は、前記PLL回路に内蔵する周波数可変発振器
そのものを利用するので回路の構成が簡単である
こと、前記PLL回路のキヤプチヤ・レンジ（基
準信号の周波数、本発明では前記水晶振動子の共
振周波数に対して前記周波数可変発振器の周波数
を変えていつた時にロツクに引き込める周波数の
幅）の範囲内で前記周波数可変発振器の発振周波
数のエージングや部品定数のバラツキ等に起因す
る変動を許容できること（周波数許容変動幅があ
る実施例では4kHz以上であつた。これは、前記
水晶振動子の共振周波数を約32kHzとすると13％
程度に相当する）、といつた実用上大きな効果を
有するものである。

なお、本発明の実施例では明示しなかつたが、
前記PLL回路部が前記水晶振動子５の共振周波
数でロツクした後、前記スイツチ回路１１で前記
制御電圧を「断」にする代わりに、前記制御電圧
をある一定値に保持する手段を導入することによ
つて前記スイツチ回路１１を除去することができ
ることは明白であり、このような手段も本発明の
思想に含まれることは言う迄もない。

又、本発明の実施例では前記表示部を構成する
要素として前記メータを用いたが、前記メータの
代わりにデジタル回路によるデジタル表示デバイ
スを用いても、その効果は同じである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、水晶振動子の共振抵抗、共振電流、
共振周波数と気体（N₂）圧力との関係を示す図、
第２図は水晶式気体圧力計の電子回路ブロツク
図、第３図は前記電子回路内の整流回路出力電圧
と、メータ駆動電圧の気体圧力との関係を示す
図、第４図はPLLの周波数可変発振器が水晶振
動子の共振周波数でロツクする過程を示す図、第
５図は本発明の実施例のブロツク図、第６図は本
発明の実施例における制御電圧発生器の構成を示
すブロツク図、第７図は前記制御電圧発生器の各
構成部分の波形を示す図、第８図は本発明の他の
実施例を示す図、第９図は、第８図に示す実施例
の各構成部分の波形を示す図、第１０図は本発明
の他の実施例を示す図である。 １……周波数可変発振器、２……増幅器、３…
…位相比較器、４……低域濾波器、５……水晶振
動子、６……主増幅器、７……整流回路、８……
メータ駆動回路、９……メータ、１０……制御電
圧発生器、１１……スイツチ回路、１０ａ……モ
ノマルチ、１０ｂ……積分器、１０ｃ……減衰
器、１０ｄ……スイツチ、１０ｅ……抵抗、１０
ｆ……コンデンサ、１０ｇ……バツフア。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも、周波数可変発振器、位相比較
   器、低減濾波器、増幅器より成るフエーズ・ロツ
   クド・ループ（PLL）回路部と、前記周波数可
   変発振器と前記増幅器との間に接続された水晶振
   動子と前記PLL回路部に接続された表示部とを
   有し、前記水晶振動子の共振抵抗値、又は共振電
   流値又は、共振電圧値から前記水晶振動子の周囲
   気体の圧力を測定する水晶式気体圧力計におい
   て、時間とともに出力電圧が変化する制御電圧発
   生器を有し、前記制御電圧発生器は、前記周波数
   可変発振器の発振周波数を掃引するように、前記
   周波数可変発振器の周波数制御端子又は前記低減
   濾波器に接続されることを特徴とする水晶式気体
   圧力計。 ２ 前記制御電圧発生器と前記周波数可変発振器
   又は前記低減濾波器との間に、前記表示部を構成
   する部分の電圧によつて活性化するスイツチ回路
   が接続されることを特徴とする１項記載の水晶式
   気体圧力計。 ３ 前記制御電圧発生器が、少なくともモノマル
   チ、積分器から構成されることを特徴とする１項
   記載の水晶式気体圧力計。 ４ 前記制御電圧発生器が少なくとも、抵抗とコ
   ンデンサによつて構成されることを特徴とする１
   項記載の水晶式気体圧力計。