(57)【要約】【課題】１つの真空計でより広い範囲の気体の圧力測定ができるようにした真空計を提供する。【解決手段】駆動用信号源10から出力された信号は駆動電圧調整回路11によって増幅もしくは減衰され、さらにその位相が反転回路12で反転され、反転回路12の出力および駆動電圧調整回路11の出力がそれぞれ加振電極5および6に印加される。振動体4が振動することによる振動体4と振動検出電極7および8との間の静電容量の変化を容量電圧変換回路13および14で電圧に変換し、容量電圧変換回路13および14の出力電圧を差分回路15で差分することで振動体の振幅に応じた最終的な出力電圧を得る。この出力電圧を駆動電圧調整回路11にフィードバックして振動体の振幅が振幅指令値として設定された一定値となるようにゲインを制御するとともに、気体の圧力領域に応じた振幅指令値の切り替えを行う。【選択図】図３
2010230367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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、振動体の振動特性から気体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振幅指令値として設定された一定の電圧値となるように前記駆動信号の電圧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気体の圧力を測定するとともに、気体の圧力領域に応じて前記駆動信号生成部に対する前記振幅指令値を所定値に切り替えるように制御するものであることを特徴とする真空計。
【請求項２】
請求項１に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、前記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ものであることを特徴とする真空計。
【請求項３】
請求項２に記載の真空計において、
前記駆動信号生成部は、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して駆動信号を出力する駆動電圧調整回路とからなり、
前記駆動電圧調整回路は、前記振動検出部の検出信号の大きさが振幅指令値として設定された一定の電圧値となるように前記増幅の利得を制御するものであることを特徴とする真空計。
【請求項４】
請求項２または３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、
前記振動体の初期駆動時には、前記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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に示されるように、被測定真空空間と導通する開口部を備えた密閉筐体の内壁面に振動自在となるように保持させた弾性体の振動特性から真空を測定する真空計が知られている。弾性体に接着固定した２つの圧電素子のうち、１つの圧電素子に高周波電圧を連続的に、もしくは、パルス的に印加することで弾性体を加振し、振動体の振動振幅をもう１つの圧電素子を介して検出する。加振電圧を一定とする場合は、気体の圧力が低下するに従い、弾性体の振幅は大きくなる。この振幅を検出することで間接的に気体の圧力を測定する。また、弾性体の振幅を一定に保持するようにし、一定振幅で振動させるために真空度の変化に伴って変化する加振電圧の変化量を検出することで、間接的に気体の圧力を測定することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９-１４１０２６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に振動体の振幅aNは、振動体に加えた外力F0に比例して大きくなる。これを式で表すと、以下の式１となる。ただし、式１において、aNは振幅[m]、F0は外力[N]、QはQ値、mは振動体の質量[kg]、およびwRは固有角周波数[rad/s]である。
【０００５】
【数１】
2010230367.tif 000003
【０００６】
また、振動体のQ値を表すQは、気体の圧力Pに反比例して低下する。これを式で表すと、以下の式２となる。ただし、式２において、Sは並進方向の面積[m2]、Mは気体の質量[mol/kg]、Rは気体定数[J/mol・K]、およびTは温度[K]である。
【０００７】
【数２】
2010230367.tif 000004
【０００８】
上記式１および式２から以下の式３を導出すると、振動体の振幅aNは、気体の圧力Pに反比例して低下することがわかる。
【０００９】
【数３】
2010230367.tif 000005
【００１０】
また振動体の左右の駆動電極に逆相の駆動信号を印加して振動体を加振した場合、振動体に加わる力は駆動信号の電圧に比例する。これを式で表すと、以下の式４となる。ただし、式４において、VDは駆動信号の電圧[V]、およびLは比例定数[N/V]である。
【００１１】
【数４】
2010230367.tif 000006
【００１２】
上記した式３および式４から、以下の式５を導出すると、
【００１３】
【数５】
2010230367.tif 000007
【００１４】
という関係を得る。ただし、Kは、以下の式６のように、
【００１５】
【数６】
2010230367.tif 000008
【００１６】
と表すことができる。図８に振動体の振幅aNを一定に保持した場合の測定可能な圧力Pａと駆動信号の電圧VDとの関係の一例を示す。上記式５で示したように、振動体の振幅aNが一定に保持されているため、気体の圧力Pに比例して駆動信号の電圧VDは大きくなる。そのため、気体の圧力が高い領域では駆動信号の電圧VDが非常に高くなる。一方、気体の圧力が低い領域では、駆動信号の電圧VDが低くなるので検出が困難になる。
【００１７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、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した真空計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の真空計は、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、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、振動体の振動特性から気体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振幅指令値として設定された一定の電圧値となるように前記駆動信号の電圧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気体の圧力を測定するとともに、気体の圧力領域に応じて前記駆動信号生成部に対する前記振幅指令値を所定値に切り替えるように制御するものであることを特徴とする（請求項１の発明）。
【００１９】
上記請求項１の発明によれば、気体の圧力領域に応じて振幅指令値を所定値に切り替えるように制御する圧力測定部を備えているので、駆動信号の電圧の調整により一定に制御される振動体の振幅を、圧力が高い領域では小さい振幅に保持し、圧力が低い領域では大きい振幅に保持するようにすることができる。これにより、圧力が高い領域では、振動体の振幅が小さく保持されることによって駆動信号の電圧を低く抑えることができるとともに、圧力が低い領域では振動体の振幅が大きく保持されることによって駆動信号の電圧が高くなり検出が容易になる。
【００２０】
上記請求項１に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、前記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ようにするとよい(請求項２の発明)。
【００２１】
上記請求項２に記載の真空計において、前記駆動信号生成部は、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して駆動信号を出力する駆動電圧調整回路とからなり、前記駆動電圧調整回路は、前記振動検出部の検出信号の大きさが振幅指令値として設定された一定の電圧値となるように前記増幅の利得を制御するようにするとよい(請求項３の発明)。
【００２２】
上記請求項２または３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、前記振動体の初期駆動時には、前記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４の発明)。
【００２３】
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するとよい（請求項５の発明）。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、気体の圧力が高い領域では、振動体の振幅を小さく保持することにより駆動信号の電圧VDを小さくすることができる。一方、気体の圧力が低い領域では振動体の振幅を大きく保持することにより駆動信号の電圧VDが大きくなり検出が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】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る。
【図２】図１に示す構造体の側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る真空計の第１の回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る真空計における気体の圧力と振動体の振幅の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る真空計における気体の圧力と駆動電圧の関係を示す図である。
【図６】図３に示した第１の回路構成における出力信号の波形例を示した図である。
【図７】本発明の実施形態に係る真空計の第２の回路構成を示すブロック図である。
【図８】従来技術における気体の圧力と駆動電圧の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
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る。また図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、振動体を加振する加振電極5および6、振動体の振動を検出するための振動検出電極7および8から構成される。
［実施形態１］
図３は、本発明の実施形態に係る真空計の第１の回路構成を示すブロック図であり、振動体4の固有周波数に対応した駆動信号を生成する駆動用信号源10、駆動信号の電圧を調節する駆動電圧調整回路11、駆動電圧調整回路11の出力電圧の位相を180度反転させる反転回路12、振動体4と振動検出電極7および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13および14、容量電圧変換回路13および14の出力電圧の差分をとる差分回路15、駆動電圧調整回路11の出力電圧および差分回路15の出力電圧を検出し気体の圧力に応じた電圧を出力する電圧圧力変換回路16から構成される。
【００２７】
次に、本発明の実施形態に係る真空計の第１の回路構成の動作について説明する。図６は、図３に示した第１の回路構成における出力信号の波形例を示すものであり、図６（a）は容量電圧変換回路13および14における出力信号波形、図６（b）は差分回路15における出力信号波形、図６（c）は駆動用信号源10における出力信号波形、図６（d）は駆動電圧調整回路11における出力信号波形、図６（e）は電圧圧力変換部16における出力信号波形を示すものである。駆動用信号源10から出力された信号（図６（c）参照）は駆動電圧調整回路11によって増幅もしくは減衰され、さらに、駆動電圧調整回路11の出力の位相は反転回路12で反転される。反転回路12の出力および駆動電圧調整回路11の出力がそれぞれ加振電極5および6に印加されることで、振動体4が加振される。振動体4が振動することで振動体4と振動検出電極7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13および14で静電容量の変化、すなわち、振動体4の振幅に応じた電圧に変換する。容量電圧変換回路13および14の出力電圧（図６（ａ）参照）は逆位相であるので、差分回路15で出力電圧の差分をとることで振動体の振幅に応じた最終的な出力電圧（図６（ｂ）参照）を得る。差分回路15の出力は駆動電圧調整回路11にフィードバックされ、差分回路15の出力電圧が，設定された一定の電圧値となるように、すなわち、振動体の振幅が，振幅の指令値として設定された一定の振幅値となるように駆動電圧調整回路11のゲイン（利得）を制御する。電圧圧力変換回路16では、差分回路15の出力電圧（振動体の振幅）と駆動電圧調整回路11の出力信号（駆動信号）から気体の圧力Pを演算し、気体の圧力Pに応じた電圧（図６（ｅ）参照）を出力する。
【００２８】
図４は、本発明の実施形態に係る真空計における気体の圧力Pと振動体の振幅aNの関係を示す図である。また図５は、本発明の実施形態に係る真空計における気体の圧力Pと駆動電圧VDの関係を示す図である。図４において気体の圧力PがP1以下である場合、振動体を振幅a0で振動させる。このときの気体の圧力Pと駆動電圧VDの関係は図５（a）で表される。駆動電圧調整回路11において、上記した式５に示したように、振動体の振幅a0を一定に保持するように駆動電圧を制御した場合、気体の圧力Pに比例して駆動信号の電圧は高くなる。気体の圧力が高くなりP=P1となった場合、電圧圧力変換回路16の出力電圧に従い駆動電圧調整回路11における振幅aNの指令値をa0から、例えば、a0/10に切り替える。このとき、気体の圧力が同じである場合は振幅が1/10となるので駆動信号の電圧も1/10となる。気体の圧力PがP1以上である場合、気体の圧力Pと駆動電圧VDの関係は図５（b）で表される。図５より分かるように、気体の圧力Pが低い領域では振動体の振幅を大きくすることで駆動電圧が高くなりSN比が大きくなる。一方、気体の圧力Pが高い領域では振幅を小さくすることで、低い駆動電圧で気体の圧力Pを検出することが可能となる。なお、駆動電圧調整回路11を使用せず、駆動用信号源10の出力信号の電圧を制御し、駆動用信号源10の出力信号の電圧から圧力を評価することも可能である。
［実施形態２］
図７は、本発明の実施形態に係る真空計の第２の回路構成を示すブロック図であり、図１と同一符号は同一名称部分を示しており、スイッチ回路17および位相シフト回路18が新たに追加されている。スイッチ回路17は始めAとCが接続されており、駆動用信号源10の駆動信号によって初期加振される。駆動信号は、振動体の固有周波数に対応した正弦波もしくは矩形波である。また、パルス状の信号でもよい。駆動用信号源10は初期加振にのみ使用され、振動体4が振動し始めた後はスイッチ回路17が切り替えられAとBが接続される。なお、スイッチ回路17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15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17にC側からB側への切替信号を与えることにより行うことができる。
【００２９】
スイッチ回路17でAとBとが接続された状態において、上記した実施形態1の場合と同様に、振動体4が振動することで振動体4と振動検出電極7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13および14で静電容量の変化、すなわち、振動体4の振幅に応じた電圧に変換する。容量電圧変換回路13および14の出力電圧（図６（ａ）参照）は逆位相であるので、差分回路15で出力電圧の差分をとることで振動体の振幅に応じた最終的な出力信号（図６（ｂ）参照）を得る。この出力信号の位相を位相シフト回路18でシフトし、駆動電圧調整回路11によって雰囲気の圧力に応じたゲイン（利得）で増幅もしくは減衰し、さらに、駆動電圧調整回路11の出力の位相を反転回路12で反転させる。反転回路12の出力および駆動電圧調整回路11の出力をそれぞれ加振電極5および6に印加させることで振動体4の共振状態が保持される。
【００３０】
上記した実施形態１の場合と同様に、雰囲気の圧力に応じて一定に保持する振幅を切り替えること、すなわち、電圧圧力変換回路16の出力電圧に従い駆動電圧調整回路11における振幅の指令値を切り替えることで、図５に示した雰囲気の圧力Pと駆動電圧Vの関係を得る。
【００３１】
なお、上記した実施形態１および実施形態２では、ある１箇所の気体の圧力Pで振幅を切り替えているが、複数箇所で振幅を切り替えること、もしくは、連続的に切り替えることも可能である。また、一定に保持する振幅を切り替える圧力P1の付近では、例えば、ノイズの影響によって駆動電圧がV0からV0/10もしくはV0/10からV0と何回も切り替わり出力が安定しなくなることもあり得るので、ヒステリシスを持たせることによって出力を安定させることが可能である。また、差分回路15の出力ではなく容量電圧変換回路13、14の出力で駆動電圧調整回路11を制御することも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  錘
２  梁
３  振動体固定部
４  振動体
５、６  加振電極
７、８  振動検出電極
10  駆動用信号源
11  駆動電圧調整回路
12  反転回路
13、14  容量電圧変換回路
15  減算回路
16  電圧圧力変換回路
17  スイッチ回路
18  位相シフト回路
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
2010230367.tif 000014
【図７】
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【図８】
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